專利名稱：一種膝關(guān)節(jié)角度的實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及ー種助行康復(fù)訓(xùn)練裝置，特別涉及ー種膝關(guān)節(jié)角度的實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置。本實(shí)用新型基于助行機(jī)器人平臺(tái)安裝多路超聲波測(cè)距傳感器，檢測(cè)人行走時(shí)單側(cè)下肢的大腿被側(cè)面和小腿被側(cè)面與檢測(cè)平臺(tái)之間的距離數(shù)據(jù)，通過對(duì)檢測(cè)的距離數(shù)據(jù)處理計(jì)算，獲取人行走時(shí)膝關(guān)節(jié)彎曲的角度變化的數(shù)據(jù)。
背景技術(shù)：
隨著中國(guó)人ロ老齡化現(xiàn)象 逐漸加劇，在老齡人群中存在大量的下肢有運(yùn)動(dòng)功能障礙的患者，這些患者需要對(duì)其進(jìn)行恢復(fù)肢體運(yùn)動(dòng)功能的訓(xùn)練，正確、科學(xué)的下肢康復(fù)訓(xùn)練對(duì)恢復(fù)這類患者的下肢運(yùn)動(dòng)功能發(fā)揮這重要的作用，這些患者由于下肢都存在不同程度的運(yùn)動(dòng)功能障礙，在正常行走過程中膝關(guān)節(jié)的彎曲角度也隨之受到影響，而及時(shí)、準(zhǔn)確的獲取受試者在行走過程中膝關(guān)節(jié)彎曲的角度信息，分析步態(tài)運(yùn)動(dòng)過程中膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，是對(duì)其進(jìn)行正確、科學(xué)的下肢康復(fù)訓(xùn)練的重要前提。目前對(duì)受試者在行走過程中膝關(guān)節(jié)彎曲角度的檢測(cè)方法主要是基于傳感器的方法實(shí)現(xiàn)，主要包括微型加速度計(jì)，陀螺儀，光纖角度傳感器等。2001年Williamson等人在受試者的大腿和小腿部分安裝加速度計(jì)和陀螺儀，通過信息融合技術(shù)將兩種傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)融合井，進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)葦?shù)據(jù)處理方法，獲取受試者膝關(guān)節(jié)彎曲的角度信息。2005年Scapellat0等人用光纖角度傳感器安裝在受試者膝關(guān)節(jié)位置獲取膝關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)。2009年熊靜等人通過在受試者的膝關(guān)節(jié)固定兩個(gè)在同一位置但不同軸向的微型加速度傳感器，檢測(cè)膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息，分解兩個(gè)加速度向量模之間的關(guān)系，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的使用交叉校準(zhǔn)等方法，獲取受試者膝關(guān)節(jié)角度信息。2009年Yingbo Xu等人在受試者的膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)處放置有不同顔色的標(biāo)記點(diǎn)，通過攝像機(jī)獲取標(biāo)記點(diǎn)處大腿受限和小腿軸線與垂直方向上所成的角度，獲取受試者膝關(guān)節(jié)角度。2004年在公開號(hào)為CN2759385的實(shí)用新型專利中公開了ー種《膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)測(cè)試儀》，該技術(shù)方案是將測(cè)試儀固定在受試者膝關(guān)節(jié)位置，獲取受試者膝關(guān)節(jié)角度信息，其特點(diǎn)是含有膝關(guān)節(jié)屈曲度顯示、脛骨承力和韌帶變形測(cè)量的裝置，其中屈曲度顯示裝置含有帶圓弧槽的刻度盤、以其鎖緊螺釘活套在刻度盤的圓弧槽內(nèi)的股骨夾套及指針；承カ測(cè)定裝置含有帶轉(zhuǎn)輪和鎖定螺母的加カ螺桿、在該螺桿上的力傳感器與脛骨夾套；變形測(cè)量裝置含有在脛骨夾套外側(cè)壁上的加長(zhǎng)桿及其上的變形傳感器、一根其一端穿過脛骨置入韌帶、連接變形傳感器并固定在股骨上而另端通過滑輪連接平衡錘的金屬絲。2006年在公開號(hào)為CN200973711的實(shí)用新型專利中公開ー種《在線關(guān)節(jié)參數(shù)測(cè)量裝置》，該裝置由上連接桿(2)、下連接桿￠)、角度傳感器(I)和數(shù)據(jù)采集發(fā)射系統(tǒng)組成，并將檢測(cè)裝置固定在受試者膝關(guān)節(jié)位置，通過上下連接桿的軸線關(guān)系，用角度傳感器直接測(cè)量膝關(guān)節(jié)的彎曲角度數(shù)據(jù)。其特征在于，所述上連接桿(2)與下連接桿(6)之間通過角度傳感器軸(8)連接，下連接桿(6)與傳感器軸(8)間隙配合，傳感器(I)的安裝腳與下連桿
(6)固定連接；上連接桿(2)在旋轉(zhuǎn)頭中央開有長(zhǎng)形方槽(7)，傳感器軸(8)通過在端部固定的滑塊(5)與長(zhǎng)形方槽(7)配合連接，自動(dòng)適應(yīng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)瞬心的變化，上連接桿(2)和下連接桿(6)在連接處通過圓形旋轉(zhuǎn)頭相互配合轉(zhuǎn)動(dòng)。以上技術(shù)方案給出的這些基于傳感器的膝關(guān)節(jié)角度測(cè)量裝置均可以準(zhǔn)確地測(cè)得膝關(guān)節(jié)角度，但是都需要將檢測(cè)裝置固定在受試者的下肢的不同位置，而且包括對(duì)檢測(cè)傳感器的外圍電路和電源等設(shè)備，每一次檢測(cè)都需要專業(yè)人員進(jìn)行安裝，對(duì)檢測(cè)受試者在行走過程中的膝關(guān)節(jié)角度產(chǎn)生或多或少的限制和數(shù)據(jù)干擾。 發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，提供出一種新的膝關(guān)節(jié)角度的實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置。本實(shí)用新型通過多路超聲波測(cè)距傳感器檢測(cè)人體行走時(shí)下肢與檢測(cè)平臺(tái)之間的距離數(shù)據(jù)，以獲取人體行走時(shí)的膝關(guān)節(jié)角度信息。這種膝關(guān)節(jié)角度的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，采用超聲波測(cè)距傳感器檢測(cè)人體行走時(shí)膝關(guān)節(jié)彎曲的角度，其特點(diǎn)是將超聲波檢測(cè)裝置安裝在移動(dòng)助行機(jī)器人平臺(tái)前方內(nèi)側(cè)，受試者身體上不加裝任何檢測(cè)裝置，通過多路超聲波檢測(cè)人體行走時(shí)下肢的大腿被側(cè)面和小腿被側(cè)面與檢測(cè)平臺(tái)之間的距離數(shù)據(jù)，通過檢測(cè)距離數(shù)據(jù)，獲取受試者在行走過程中膝關(guān)節(jié)彎曲的角度。所述固定在助行機(jī)器人平臺(tái)上的超聲波檢測(cè)裝置與受試者同時(shí)移動(dòng)，通過超聲波檢測(cè)受試者下肢的大腿和小腿被側(cè)面的不同位置與檢測(cè)裝置之間的距離數(shù)據(jù)，井根據(jù)兩路超聲波檢測(cè)的數(shù)據(jù)與兩路超聲波之間的距離，來計(jì)算大腿被測(cè)面和小腿被測(cè)面與水平方向上的傾斜角度，獲取受試者膝關(guān)節(jié)彎曲角度數(shù)據(jù)。超聲波檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，是通過超聲波傳感器與檢測(cè)平臺(tái)之所成的角度設(shè)置，超聲波測(cè)距模塊的探測(cè)量程設(shè)置以及各路超聲波之間的距離設(shè)置，設(shè)計(jì)檢測(cè)裝置的檢測(cè)區(qū)域來實(shí)現(xiàn)的。其中檢測(cè)同一側(cè)下肢的多路超聲波與地面之間的高度可根據(jù)受試者下肢的長(zhǎng)短調(diào)節(jié)。所述的超聲波檢測(cè)裝置安裝在助行機(jī)器人上，在受試者身上不安裝任何裝置，受試者行走過程中無任何限制，而獲取受試者膝關(guān)節(jié)彎曲角度數(shù)據(jù)。本實(shí)用新型給出的技術(shù)方案是這種膝關(guān)節(jié)角度的實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置，是基于助行機(jī)器人平臺(tái)搭建的超聲波檢測(cè)裝置，其特點(diǎn)是包括有多路獨(dú)立的超聲波測(cè)距裝置，單片機(jī)數(shù)據(jù)采集與傳輸裝置，手提電腦及內(nèi)存的數(shù)據(jù)處理単元、膝關(guān)節(jié)彎曲角度計(jì)算與分析単元。為更好的實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的目的，所述的超聲波測(cè)距裝置采用KSlOlB超聲波測(cè)距模塊，該模塊包括有超聲波信號(hào)觸發(fā)器，超聲波發(fā)射、接收電路，溫度補(bǔ)償電路，數(shù)據(jù)處理單元，使用I2C接ロ與主機(jī)通信，自動(dòng)響應(yīng)主機(jī)的I2C控制命令，最多I2C地址可達(dá)20個(gè)，還可對(duì)探測(cè)量程進(jìn)行配置，該模塊不占用主機(jī)內(nèi)存及主機(jī)定時(shí)器，最短距離探測(cè)頻率可達(dá)500Hz。(I)主要技術(shù)參數(shù)工作電壓DC 5V。工作電流1. 6至2. 7mA。感應(yīng)角度不大于15度。探測(cè)范圍Icm至6.5米。盲區(qū)lcm。精度可達(dá)1mm。(2)接線方式VCC、SDA (I2C通信的數(shù)據(jù)線)、SCL (I2C通信的時(shí)鐘線)、GNDSDA和SCL借ロ與主機(jī)連接ー個(gè)4· 7K電阻到VCC。(3)使用方法每個(gè)KSlOlB超聲波測(cè)距模塊配置ー個(gè)I2C地址，可進(jìn)行多量程(IOcm量程間隔)檢測(cè)，對(duì)每個(gè)KSlOlB地址進(jìn)行配置，通過單片機(jī) 向I2C總線發(fā)送地址，之后向SDA接ロ發(fā)送距離探測(cè)指令，探測(cè)量程均設(shè)置為80cm。探測(cè)過程中SCL接ロー直保持為低電平，當(dāng)探測(cè)結(jié)束后SCL變?yōu)楦唠娖?，通過單片機(jī)接ロ判斷SCL線是否發(fā)生跳變(由低電平變?yōu)楦唠娖?，若發(fā)生跳變則探測(cè)結(jié)束，通過寄存器2和寄存器3保存探測(cè)距離數(shù)據(jù)。本實(shí)用新型的超聲波測(cè)距裝置包含有8個(gè)KSlOlB模塊，檢測(cè)過程中需要對(duì)所有摸塊進(jìn)行循環(huán)檢查，避免檢測(cè)過程中各路超聲波之間的干擾。每個(gè)模塊探測(cè)量程為80cm，根據(jù)助行機(jī)器人內(nèi)部邊界范圍而定。為更好的實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的目的，所述的單片機(jī)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸裝置采用PIC16F877A單片機(jī)作為微控制器，單片機(jī)與超聲波檢測(cè)裝置中的8個(gè)KSlOlB超聲波測(cè)距模塊之間進(jìn)行I2C通訊，單片機(jī)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行異步串行通訊，將檢測(cè)模塊通過單片機(jī)傳入計(jì)算機(jī)，其中超聲波檢測(cè)裝置中的8路超聲波傳感器，每四路傳感器檢測(cè)ー側(cè)的下肢的大腿被側(cè)面和小腿被側(cè)面與檢測(cè)平臺(tái)之間的距離數(shù)據(jù)，大腿和小腿的被側(cè)面即為受試者腿部能夠被超聲波所處檢測(cè)的區(qū)域。分別用兩路超聲波檢測(cè)大腿被側(cè)面和小腿被側(cè)面與傳感器之間的距離數(shù)據(jù)，井根據(jù)兩路超聲波檢測(cè)的數(shù)據(jù)與兩路超聲波之間的距離，來計(jì)算大腿被測(cè)面和小腿被測(cè)面與水平方向上的傾斜角度，獲取膝關(guān)節(jié)彎曲的角度。檢測(cè)單側(cè)下肢的四路超聲波傳感器在同一直線上，軸線并與地面和受試者行走時(shí)的方向垂直。檢測(cè)單側(cè)下肢的四路超聲波的探測(cè)時(shí)間越短，則獲取的膝關(guān)節(jié)彎曲角度數(shù)據(jù)則越精確。作為本實(shí)用新型的微控制器的PIC16F877A單片機(jī)，該單片機(jī)內(nèi)部含有I2C通信模塊，每個(gè)管腳最大推拉電流能力可達(dá)20mA。單片機(jī)與8路超聲波測(cè)距傳感器進(jìn)行I2C通信，將8路超聲波連接到ー個(gè)I2C總線上，先對(duì)每個(gè)傳感器配置地址，并對(duì)其檢測(cè)量程進(jìn)行配置，量程均設(shè)置為80cm。通過順序循環(huán)對(duì)每個(gè)超聲波傳感器發(fā)送控制命令，執(zhí)行檢測(cè)程序。單路超聲波檢測(cè)過程，通過接收單片機(jī)的I2C地址，傳感器自動(dòng)響應(yīng)與單片機(jī)通信并判斷地址，通過單片機(jī)向傳感器發(fā)送檢測(cè)指令，超聲波傳感器執(zhí)行檢測(cè)程序，在檢測(cè)過程中I2C通信的時(shí)鐘線SCL始終保持低電平，通過單片機(jī)判斷SCL接ロ電平是否發(fā)生跳變(由低電平變?yōu)楦唠娖?，發(fā)生跳變則檢測(cè)結(jié)束，保存寄存器2和寄存器3中的16位距離數(shù)據(jù)。多路超聲波傳感器數(shù)據(jù)采樣過程，超聲波檢測(cè)裝置包含有8個(gè)KSlOlB超聲波測(cè)距模塊，該模塊的探測(cè)速度快，除去超聲波在量程范圍內(nèi)傳輸?shù)臅r(shí)間，模塊的探測(cè)時(shí)間為1ms，檢測(cè)的數(shù)據(jù)返回值為毫秒級(jí)的數(shù)據(jù)。每路超聲波的探測(cè)量成為80cm，在最大量程范圍內(nèi)單路超聲波的探測(cè)時(shí)間為5ms，用單片機(jī)的定時(shí)器I (16位定時(shí)器)設(shè)置采樣周期，為了獲取精準(zhǔn)的膝關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)，要求每側(cè)下肢的四路超聲波采樣周期越小越好，并且設(shè)置單側(cè)下肢檢測(cè)時(shí)的采樣周期為25ms(5ms的余量)，在規(guī)定的采樣周期內(nèi)部對(duì)單側(cè)下肢的四路超聲波進(jìn)行順序檢測(cè)，當(dāng)ー側(cè)下肢檢測(cè)結(jié)束后對(duì)另ー側(cè)下肢進(jìn)行檢測(cè)，毎次雙腿檢測(cè)結(jié)束后重新進(jìn)入循環(huán)主程序，這樣超聲波檢測(cè)系統(tǒng)在一秒鐘內(nèi)能夠檢測(cè)20次數(shù)據(jù)，這個(gè)頻率能夠滿足對(duì)獲取受試者膝關(guān)節(jié)角度的要求。數(shù)據(jù)壓縮與傳送，通過單片機(jī)控制每路超聲波執(zhí)行檢測(cè)程序，每個(gè)超聲波檢測(cè)結(jié)束后通過I2C通信將16位的距離數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)內(nèi)部，由于每路超聲波探測(cè)量程限制在80cm的范圍內(nèi)，檢測(cè)的數(shù)據(jù)值最大為11位數(shù)據(jù)，為了后期對(duì)數(shù)據(jù)的處理以及膝關(guān)節(jié)角度的計(jì)算，通過單片機(jī)將數(shù)據(jù)右移三位，保留高八位的數(shù)據(jù)，檢測(cè)精度也會(huì)變差，但仍然能夠保持I. 2cm，這個(gè)精度能夠滿足對(duì)膝關(guān)節(jié)角度的計(jì)算與分析的要求。單片機(jī)與手提電腦進(jìn)行異步串行通信，將壓縮后的8位數(shù)據(jù)傳入到手提電腦中，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與膝關(guān)節(jié)角度的計(jì)算。為更好的實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的目的，所述手提電腦及內(nèi)存的數(shù)據(jù)處理単元、膝關(guān)節(jié)彎曲角度計(jì)算與分析単元，是檢測(cè)過程中存在失真數(shù) 據(jù)以及干擾數(shù)據(jù)，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、濾波等處理，通過判斷相鄰數(shù)據(jù)的差值大小，將噪聲數(shù)據(jù)用相鄰的數(shù)據(jù)值代替，在不影響對(duì)膝關(guān)節(jié)角度計(jì)算的情況下可濾掉干擾數(shù)據(jù)，之后通過平滑濾波處理，獲取較平滑的數(shù)據(jù)曲線。超聲波傳感器檢測(cè)受試者行走過程中下肢與檢測(cè)平臺(tái)之間的相對(duì)距離數(shù)據(jù)，檢測(cè)單側(cè)下肢的四路超聲波之間的位置距離為固定值，根據(jù)受試者的腿部位置及助行機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)而定，分別通過超聲波檢測(cè)的距離數(shù)據(jù)差值和各路超聲波位置之間的高度差，確定大腿被側(cè)面和小腿被側(cè)面與水平方向上所成的傾斜角度，獲取受試者在行走過程中的膝關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果為(I)超聲波檢測(cè)裝置安裝在助行機(jī)器人平臺(tái)上，在受試者身體上不安裝任何裝置，在檢測(cè)過程中受試者與助行機(jī)器人同時(shí)移動(dòng)，受試者在行走過程中無任何的限制，提高受試者在檢測(cè)時(shí)的心里素質(zhì)，増加其對(duì)下肢康復(fù)訓(xùn)練的信心，能夠頻繁、高效地對(duì)不同受試者的膝關(guān)節(jié)彎曲角度進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。(2)通過檢測(cè)受試者大腿被側(cè)面和小腿被側(cè)面與檢測(cè)平臺(tái)之間的距離數(shù)據(jù)，獲取膝關(guān)節(jié)彎曲角度的方法為直觀的檢測(cè)方法，與其他方法相比，不涉及對(duì)數(shù)據(jù)的融合及誤差補(bǔ)償?shù)忍幚怼?3)獲取的膝關(guān)節(jié)角度的誤差與傳感器的檢測(cè)精度與采樣時(shí)間直接相關(guān)，采用高頻率、高精度的超聲波測(cè)距傳感器，縮短采樣時(shí)間，使檢測(cè)裝置能夠準(zhǔn)確的檢測(cè)每ー側(cè)下肢的大腿被側(cè)面和小腿被側(cè)面與檢測(cè)平臺(tái)之間的距離數(shù)據(jù)，獲取精準(zhǔn)的膝關(guān)節(jié)彎曲角度數(shù)據(jù)。(4)相對(duì)其它膝關(guān)節(jié)角度測(cè)量方法而言，通過本實(shí)用新型獲取的膝關(guān)節(jié)角度檢測(cè)方法簡(jiǎn)單易懂，不需要專業(yè)人員進(jìn)行操作，成本較低，使用安裝方便。該方法不足在干檢測(cè)過程中超聲波產(chǎn)生的干擾較多，通過檢測(cè)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，循環(huán)檢測(cè)等方法，可排除大量的干擾；檢測(cè)受試者的行走區(qū)域范圍較小，可通過增加超聲波傳感器的數(shù)量增加檢測(cè)范圍，但會(huì)使檢測(cè)精度下降，需要使用更高采樣頻率的超聲波測(cè)距傳感器。

圖I為基于助行機(jī)器人的超聲波檢測(cè)系統(tǒng)示意圖，其中I為超聲波檢測(cè)系統(tǒng)，2為助行機(jī)器人，3為受試者。圖2為超聲波檢測(cè)過程正視圖，其中4為超聲波檢測(cè)系統(tǒng)。圖3為檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)俯視圖，其中5和6分別為檢測(cè)每ー側(cè)下肢的四路超聲波傳感器，5為No. I No. 4路超聲波，6為No. 5 No. 8路超聲波，7為助行機(jī)器人外部邊界，8和9分別為雙側(cè)下肢的檢測(cè)區(qū)域。圖4為膝關(guān)節(jié)角度計(jì)算各參數(shù)關(guān)系示意圖，其中10為受試者的膝關(guān)節(jié)。圖5為ニ種不同膝關(guān)節(jié)角度計(jì)算不意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案做進(jìn)ー步詳細(xì)說明。一·超聲波檢測(cè)裝置如圖I所示，超聲波檢測(cè)裝置安裝在助行機(jī)器人平臺(tái)前方內(nèi)側(cè)，包含8路超聲波測(cè)距模塊，分別用四路超聲波檢測(cè)單側(cè)下肢的大腿被側(cè)面和小腿被側(cè)面與檢測(cè)平臺(tái)之間的距離數(shù)據(jù)，且其四路超聲波傳感器處于與地面和受試者行走方向垂直的軸線上，每路超聲波與地面之間的距離為固定值。檢測(cè)過程中受試者與助行機(jī)器人同時(shí)移動(dòng)，在受試者向前邁步時(shí)膝關(guān)節(jié)在垂直于地面的方向上會(huì)有一定的幅值變化，因此每ー側(cè)下肢分別用兩路超聲波檢測(cè)大腿被側(cè)面和小腿被側(cè)面與傳感器之間的距離，獲取單側(cè)下肢大腿被側(cè)面和小腿被側(cè)面與水平方向上的傾斜角度，從而獲取受試者在行走過程中膝關(guān)節(jié)彎曲的角度信息。以檢測(cè)單側(cè)下肢距離數(shù)據(jù)為例，檢測(cè)過程中的正視圖如圖2所示，其中D1, D2, D3,D4分別為四路超聲波檢測(cè)的距離數(shù)據(jù)，其中H1,H2,H3,H4分別為四路超聲波與地面之間的距離，且為可調(diào)的固定值。檢測(cè)區(qū)域范圍的設(shè)置，圖3所示為檢測(cè)裝置的俯視圖，每個(gè)超聲波的感應(yīng)角度為15度，最大探測(cè)距離為80cm，陰影部分為超聲波的檢測(cè)區(qū)域，只要受試者的下肢有部分處于檢測(cè)區(qū)域，則下肢均能夠被檢測(cè)到，因此在實(shí)際的檢測(cè)過程中檢測(cè)范圍大于陰影部分的區(qū)域，黒色外框?yàn)橹袡C(jī)器人的內(nèi)部邊界。圖中的5、6分別代表檢測(cè)每側(cè)下肢的四路超聲波，檢測(cè)左側(cè)下肢的四路超聲波均在同一直線上，直線的軸線與地面垂直，且每路超聲波與檢測(cè)平臺(tái)成7. 5度角，檢測(cè)左側(cè)和右側(cè)下肢處于同一水平線上的兩路超聲波之間距離為17cm，保證檢測(cè)時(shí)去除左右腿行走時(shí)對(duì)超聲波之間的干擾。單片機(jī)與8路超聲波測(cè)距模塊通過I2C總線連接，單片機(jī)為每個(gè)KSlOlB超聲波測(cè)距模塊分配探測(cè)地址，模塊與單片機(jī)自動(dòng)響應(yīng)I2C通信，并檢測(cè)地址，再通過單片機(jī)向模塊輸入8位探測(cè)指令進(jìn)行檢測(cè)，SCL接ロ在檢測(cè)過程中保持低電平，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間(不包括檢測(cè)過程時(shí)超聲波傳輸時(shí)間)為1ms，在延時(shí)Ims之后，判斷SCL接ロ電平是否跳變(由低到高)，發(fā)射跳變則檢測(cè)結(jié)束，通過SDA接ロ將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳入單片機(jī)內(nèi)，單片機(jī)將檢測(cè)模塊返回的16位數(shù)據(jù)壓縮為8位數(shù)據(jù)，并與手提電腦進(jìn)行異步串行通信，將壓縮后的8位數(shù)據(jù)通過串ロ傳入到計(jì)算機(jī)內(nèi)部，之后進(jìn)入下一路超聲波過程，當(dāng)檢測(cè)單側(cè)下肢的四路超聲波檢測(cè)結(jié)束后，判斷定時(shí)器I的定時(shí)時(shí)間是否達(dá)到25ms的采樣時(shí)間，采樣時(shí)間結(jié)束后執(zhí)行另一側(cè)下肢的超聲波檢測(cè)程序，直至采樣周期結(jié)束，再次進(jìn)入主循環(huán)程序，進(jìn)行下一次檢測(cè)。將單片機(jī)與手提電腦通過串ロ連接，對(duì)每路超聲波傳感器發(fā)送檢測(cè)指令，循環(huán)檢測(cè)8路超聲波，探測(cè)結(jié)束后將數(shù)據(jù)傳入單片機(jī)內(nèi)部，單片機(jī)再通過串ロ將數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)內(nèi)。ニ·數(shù)據(jù)處理在檢測(cè)后保存的數(shù)據(jù)文件中，分別提取出8路超聲波檢測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)每一路檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪，根據(jù)相鄰數(shù)據(jù)差值的計(jì)算方法，計(jì)算所有相鄰數(shù)據(jù)時(shí)間的差值，當(dāng)某ー數(shù)據(jù)點(diǎn)與相鄰數(shù)據(jù)差值大于所有數(shù)據(jù)差值的均值則認(rèn)為是噪聲，用其周圍的四個(gè)數(shù)據(jù)的均值代替噪聲數(shù)據(jù)。為了便于后期對(duì)膝關(guān)節(jié)角度的計(jì)算，通過七點(diǎn)二次平滑濾波的方法將每一路數(shù)據(jù)曲線平滑處理，其定義為
權(quán)利要求1.ー種膝關(guān)節(jié)角度的實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置，其特征在于包括有多路獨(dú)立的超聲波測(cè)距裝置，單片機(jī)數(shù)據(jù)采集與傳輸裝置，手提電腦及內(nèi)存的數(shù)據(jù)處理単元、膝關(guān)節(jié)彎曲角度計(jì)算與分析単元。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的膝關(guān)節(jié)角度的實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置，其特征在于所述的超聲波測(cè)距裝置采用KSlOlB超聲波測(cè)距模塊，該模塊包括有超聲波信號(hào)觸發(fā)器，超聲波發(fā)射、接收電路，溫度補(bǔ)償電路，數(shù)據(jù)處理単元，其中每個(gè)KSlOlB超聲波測(cè)距模塊配置ー個(gè)I2C地址，進(jìn)行IOcm量程間隔的多量程檢測(cè)，對(duì)每個(gè)KSlOlB地址進(jìn)行配置，通過單片機(jī)向I2C總線發(fā)送地址，井向SDA接ロ發(fā)送距離探測(cè)指令，探測(cè)過程中的SCL接ロ為低電平，探測(cè)結(jié)束后的SCL接ロ變?yōu)楦唠娖剑綔y(cè)結(jié)束通過寄存器保存探測(cè)距離數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的膝關(guān)節(jié)角度的實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置，其特征在于所述的單片機(jī)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸裝置采用PIC16F877A單片機(jī)作為微控制器，單片機(jī)與超聲波檢測(cè)裝置中的8個(gè)KSlOlB超聲波測(cè)距模塊之間進(jìn)行I2C通訊，單片機(jī)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行異步串行通訊，將檢測(cè)數(shù)據(jù)通過單片機(jī)傳入計(jì)算機(jī)，其中 超聲波檢測(cè)裝置中的8路超聲波傳感器，每四路傳感器檢測(cè)ー側(cè)的下肢的大腿被側(cè)面和小腿被側(cè)面與檢測(cè)平臺(tái)之間的距離數(shù)據(jù)，大腿和小腿的被側(cè)面即為受試者腿部能夠被超聲波所處檢測(cè)的區(qū)域，分別用兩路超聲波檢測(cè)大腿被側(cè)面和小腿被側(cè)面與傳感器之間的距離數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的膝關(guān)節(jié)角度的實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置，其特征在于檢測(cè)單側(cè)下肢的四路超聲波傳感器在同一直線上，軸線并與地面和受試者行走時(shí)的方向垂直。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的膝關(guān)節(jié)角度的實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置，其特征在于所述手提電腦及內(nèi)存的數(shù)據(jù)處理単元、膝關(guān)節(jié)彎曲角度計(jì)算與分析単元，檢測(cè)過程中存在失真數(shù)據(jù)以及干擾數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、濾波等處理，并通過判斷相鄰數(shù)據(jù)的差值大小，將噪聲數(shù)據(jù)用相鄰的數(shù)據(jù)值代替，在不影響對(duì)膝關(guān)節(jié)角度計(jì)算的情況下濾掉干擾數(shù)據(jù)，通過平滑濾波處理獲取較平滑的數(shù)據(jù)曲線。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種膝關(guān)節(jié)角度的實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置，該裝置的特點(diǎn)是基于助行機(jī)器人平臺(tái)搭建的超聲波檢測(cè)系統(tǒng)，包括有多路獨(dú)立的超聲波測(cè)距裝置，單片機(jī)數(shù)據(jù)采集與傳輸裝置，手提電腦及內(nèi)存的數(shù)據(jù)處理單元、膝關(guān)節(jié)彎曲角度計(jì)算與分析單元。本實(shí)用新型將檢測(cè)裝置安裝在助行機(jī)器人上，在受試者身上不安裝任何裝置，受試者行走過程中無任何限制，便可獲取膝關(guān)節(jié)的彎曲角度信息，檢測(cè)系統(tǒng)安裝方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低。
文檔編號(hào)A61B5/103GK202437121SQ201220027199
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月20日
發(fā)明者劉曉剛, 孫柏青, 張秋豪, 楊俊友, 沈金虎, 趙前程 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)