CN107981867B - 一种基于电磁场动作捕捉的膝盖康复辅助装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电磁场动作捕捉的膝盖康复辅助装置，包括贴合人体膝盖位置的护膝套，所述护膝套穿戴方向上依次设置与大腿位置匹配的主护板、与膝盖弯曲位置匹配的短护板，与小腿位置匹配的副护板；所述主护板上设置第一2类电磁场辐射器、短护板上设置1类电磁场辐射器、副护板上设置第二2类电磁场辐射器，其中，处理器基于第一2类电磁场辐射器与1类电磁场辐射器的距离r1和夹角θ1关系，获得第一2类电磁场辐射器的运动轨迹K1；处理器基于第二2类电磁场辐射器与1类电磁场辐射器的距离r1和夹角θ1关系，获得第二2类电磁场辐射器的运动轨迹K2；所述处理器计算K1与K2夹角值，并发送至运动辅助APP。

Description

一种基于电磁场动作捕捉的膝盖康复辅助装置
技术领域
本发明涉及一种儿童防驼背方法，具体涉及一种基于电磁场动作捕捉的膝盖康复辅助装置。
背景技术
膝盖为位于大小腿之间的连接部位。膝的主要内部组成结构为半月板以及四条韧带。膝关节由股骨内、外侧髁和胫骨内、外侧髁以及髌骨构成，为人体最大且构造最复杂，损伤机会亦较多的关节。人们不小心跌伤膝盖的可能性为90％。运动是保健的最佳养生方法，但是在运动的过程中经常会遇到一些意外状况，如膝盖运动损伤就是运动损伤中最常见的一种，占所有损伤的55％，膝盖是下肢的中间关节，位于上下腿骨交汇处，由于人体骨骼的特点，当腿部弯曲时膝盖内的软组织密实接触,润滑液体不能很好地起到滋润作用，长时间负重运动，造成膝盖内硬性摩擦，导致软组织老化，引起膝盖节疼痛的损伤单靠日常保健是无法自愈的。膝盖损伤或手术之后的康复要求膝盖部位固定不动，以利于膝盖受伤部位的康复，因此需要一种专门用来保护膝盖的护具进行膝盖的固定和保护。
目前用于膝盖康复的动作捕捉技术主要有noitom的康复辅助动作捕捉技术，该***采用了惯性传感器的方案，价格比较昂贵，普通的工薪阶层无法购买享用。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于电磁场动作捕捉的膝盖康复辅助装置，本***实现了以基于电磁场测量的动作捕捉服饰低成本方案实现人体动作高速捕捉，将捕捉数据用于膝盖康复运动效果分析,硬件成本比现有惯性测量技术类产品低一个数量级的技术效果，可以使得普通的工薪阶层购买享用。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于电磁场动作捕捉的膝盖康复辅助装置，包括贴合人体膝盖位置的护膝套，所述护膝套穿戴方向上依次设置与大腿位置匹配的主护板、与膝盖弯曲位置匹配的短护板，与小腿位置匹配的副护板；所述主护板上设置第一2类电磁场辐射器、短护板上设置1类电磁场辐射器、副护板上设置第二2类电磁场辐射器，其中，处理器基于第一2类电磁场辐射器与1类电磁场辐射器的距离r1和夹角θ1关系，获得第一2类电磁场辐射器的运动轨迹K1；处理器基于第二2类电磁场辐射器与1类电磁场辐射器的距离r1和夹角θ1关系，获得第二2类电磁场辐射器的运动轨迹K2；所述处理器计算K1与K2夹角值，并发送至运动辅助APP，所述运动辅助APP读取数据并根据预存的规范运动数据库进行夹角值对比；当夹角值数据处于正确时，只记录数据；当夹角值处于不正确时，启动语音模块发出纠正语音并记录数据。本发明采用了硬件成本比现有惯性测量技术类产品低一个数量级的产品，通过电磁捕捉技术达到了相同的效果，解决了传统问题的不足。电磁场辐射器的位置计算过程中，r和θ的约束关系由该处关节的活动范围决定，可以通过运动生理学分析得到，并且根据病患不同的康复程度自由的设置预存的规范运动数据库。
1类和2类辐射器均通过电缆与处理器连接，其中辐射器既作发射又作接收用，被测位置发射辐射器将发射波形产生电路的信号辐射到四周形成一个局部场分布，测量位置接收辐射器接收该模拟信号，经放大电路放大后，由数据采集卡采集后转换为数字信号，经过数字滤波处理，进入信号处理电路进行算法处理计算。
进一步，所述处理器和运动辅助APP通讯动态调节数据采集的更新率为200-2000帧/秒。能够实现准确度与能耗的平衡。
所述处理器包括锂电池、单片机、存储器和蓝牙模块，处理器位于护膝套本体上。处理器安装位置对应膝盖的活动范围确定，可以通过运动生理学分析得到，本申请不进行赘述。
所述处理器获得第一或第二2类电磁场辐射器与1类电磁场辐射器的距离和角度关系，具体包括：当第一2类电磁场辐射器2H发射信号，1类电磁场辐射器2G和2F接收信号；测量出2G和2F接收的信号强度Vout2g和Vout2f；基于Vout2g和Vout2f计算出多个2H与2G的距离r1和夹角θ1值；基于预设r和θ的约束条件对计算出的多个2H与2G的距离r1和夹角θ1值进行约束，获得最终2H与2G的距离r1和夹角θ1关系；同理获得：第二2类电磁场辐射器与1类电磁场辐射器的距离r2和夹角θ2关系。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明一种基于电磁场动作捕捉的膝盖康复辅助装置，所有器件全部在人体膝盖处贴合的护膝套上，不需要在外部架设设备，大大提高使用的方便性；
2、本发明一种基于电磁场动作捕捉的膝盖康复辅助装置，避免了加速度计陀螺仪等力学结构的机械响应时间,也避免了光学图像处理的时间，使用硬件成本低廉。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
本发明一种基于电磁场动作捕捉的膝盖康复辅助装置，包括贴合人体膝盖位置的护膝套，所述护膝套穿戴方向上依次设置与大腿位置匹配的主护板、与膝盖弯曲位置匹配的短护板，与小腿位置匹配的副护板；所述主护板上设置第一2类电磁场辐射器、短护板上设置1类电磁场辐射器、副护板上设置第二2类电磁场辐射器，其中，护膝套设计为裤腿，第一2类电磁场辐射器、1类电磁场辐射器、和第二2类电磁场辐射器均设置在裤缝处，运动时肌肉会发生形变，只有裤缝处变量最小，探测的结果更加准确。
处理器基于第一2类电磁场辐射器与1类电磁场辐射器的距离r1和夹角θ1关系，获得第一2类电磁场辐射器的运动轨迹K1；处理器基于第二2类电磁场辐射器与1类电磁场辐射器的距离r1和夹角θ1关系，获得第二2类电磁场辐射器的运动轨迹K2；其中1类和2类辐射器均采用专利传感器电路辐射器；放大电路采用英飞凌公司模拟BJT三极管搭建的混合集成电路；数据采集卡采用TI公司的低成本高精度A/D芯片；滤波处理采用处理器资源构建的数字滤波器软体，由软件处理；处理电路采用ARM7或ARM9系列芯片或altera公司的低成本FPGA系列芯片；发射波形产生采用处理器芯片及***运放和晶体振荡器电路协同产生。
II类电磁场辐射器与I类电磁场辐射器的相对位置计算方法如下：
根据电磁场感应电压计算公式：
Figure BDA0001493131860000031
式中dB为磁通密度元，单位为特斯拉(T)(Tesla)，一个特斯拉等于每平方米一个韦伯(Weber)(Wb/m2)；dl为电流方向的导线线元；aR为由dl指向点P的单位矢量；R为从电流元dl到点P的距离；k为比例常数。
按空间磁场计算公式毕奥萨法尔定律，任意电流元在空间某点形成的磁通密度，与这两点的距离平方成反比，同时与此点与电流元方向的夹角叉乘积成正比。
当一个电磁场辐射器发射信号，另一个电磁场辐射器接收时，根据麦克斯韦方程中法拉第定律的积分形式，在同一个频率下，在接收电磁场辐射器接收到的信号强度(电压大小)是由发射电磁场辐射器在接收电磁场辐射器线圈上产生的磁通密度大小决定的，二者成线性关系。另一方面，基于我们的电磁场辐射器天线形状和线圈匝数都是固定的，所以按毕奥萨法尔定律积分得到的线圈总体磁通密度中，天线形状和线圈匝数的贡献都是固定的，由此该磁通密度的大小仅由两个电磁场辐射器的距离和夹角决定。
以追踪大腿部位编号2H的辐射器为例，此时H(II类电磁场辐射器)发射信号，用2G和2F(I类电磁场辐射器)接收该信号。
由于人体关节和肌肉动作的限制，2H电磁场辐射器相对于2G和2F能够运动的范围是有限的。2H相对于2G来说，只能在与2G距离为4-8CM(随大腿抬腿和侧向外翻运动变化)和一定夹角(0-130度左右)的范围内运动，同理，2H相对于2F来说，只能在与2F距离为6-10CM(随大腿抬腿和侧向外翻运动变化)和一定夹角(0-130度左右)的范围内运动，
因此在此范围之内，当2H发射信号，2G和2F接收信号时，测量出的信号强度Vout2g和Vout2f，也对应了2H与2G的距离r和夹角θ关系，即
Vout2g＝f(r1,θ1)
4<r1<8；
0<θ1<130；
Vout2f＝f(r2,θ2)
6<r2<10；
0<θ2<130；
其中，r1为2G与2H的距离,θ1为2G与2H的夹角；r2为2F与2H的距离；θ2为2F与2H的夹角。其中函数f(r,θ)的计算公式如下
Figure BDA0001493131860000041
其中A为电压转换系数，是一个与电磁场辐射器电路结构有关的常数；μ为空气磁导率；N2，N1为发送和接收端的电磁场辐射器线圈匝数；C1，C2是沿发送接收线圈回路上的积分；θ为发送和接收线圈的夹角；r为发送和接收线圈电流元的距离，d l1和dl2均为积分单元；
所述处理器通过此公式可以通过公式计算K1与K2夹角值，并发送至运动辅助APP，所述运动辅助APP读取数据并根据预存的规范运动数据库进行夹角值对比；当夹角值数据处于正确时，只记录数据；当夹角值处于不正确时，启动语音模块发出纠正语音并记录数据。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于电磁场动作捕捉的膝盖康复辅助装置，其特征在于：包括贴合人体膝盖位置的护膝套，所述护膝套穿戴方向上依次设置与大腿位置匹配的主护板、与膝盖弯曲位置匹配的短护板，与小腿位置匹配的副护板；所述主护板上设置第一2类电磁场辐射器、短护板上设置1类电磁场辐射器、副护板上设置第二2类电磁场辐射器，其中，
处理器基于第一2类电磁场辐射器与1类电磁场辐射器的距离r1和夹角θ1关系，获得第一2类电磁场辐射器的运动轨迹K1；处理器基于第二2类电磁场辐射器与1类电磁场辐射器的距离r1和夹角θ1关系，获得第二2类电磁场辐射器的运动轨迹K2；具体包括：当第一2类电磁场辐射器2H发射信号，1类电磁场辐射器2G和2F接收信号；测量出2G和2F接收的信号强度Vout2g和Vout2f；基于Vout2g和Vout2f计算出多个2H与2G的距离r1和夹角θ1值；基于预设r和θ的约束条件对计算出的多个2H与2G的距离r1和夹角θ1值进行约束，获得最终2H与2G的距离r1和夹角θ1关系；
Vout2g和Vout2f采用如下公式进行计算：
Figure FDA0002457804350000011
其中A为电压转换系数，是一个与电磁场辐射器电路结构有关的常数；μ为空气磁导率；N2，N1为发送和接收端的电磁场辐射器线圈匝数；C1，C2是沿发送接收线圈回路上的积分；θ为发送和接收线圈的夹角；r为发送和接收线圈电流元的距离，d l1和dl2均为积分单元；
所述处理器计算K1与K2夹角值，并发送至运动辅助APP，所述运动辅助APP读取数据并根据预存的规范运动数据库进行夹角值对比；当夹角值数据处于正确时，只记录数据；当夹角值处于不正确时，启动语音模块发出纠正语音并记录数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于电磁场动作捕捉的膝盖康复辅助装置，其特征在于：所述处理器和运动辅助APP通讯动态调节数据采集的更新率为200-2000帧/秒。
3.根据权利要求1所述的一种基于电磁场动作捕捉的膝盖康复辅助装置，其特征在于：所述处理器包括锂电池、单片机、存储器和蓝牙模块，处理器位于护膝套本体上。
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