本发明涉及智能穿戴设备领域，特别是一种基于关节弯曲与足底压力的膝关节运动疲劳度监测系统。

背景技术：

由于过量的屈膝运动，如跑步、骑行等，会逐渐损伤膝关节，因此发明一款膝关节运动疲劳度监测仪就显得十分必要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于关节弯曲与足底压力的膝关节运动疲劳度监测系统，以克服现有技术中存在的缺陷。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于关节弯曲与足底压力的膝关节运动疲劳度监测系统，包括：用于获取待监测用户足底压力数据的足底压力监测单元、用于获取待监测用户膝关节弯曲度数据的膝关节弯曲度监测单元、以及分别与所述足底压力监测单元与所述膝关节弯曲度监测单元匹配且根据获取的足底压力数据与膝关节弯曲度数据通过计算输出报警的中心决策预警单元；所述中心决策预警单元通过计算结果，判断待检测用户当前膝关节运动是否过负荷；若过负荷，则通过输出报警信号通知运动者及时停止运动或更换运动方式。

在本发明一实施例中，所述足底压力监测单元包括：设置于足底鞋垫内的压力传感器阵列、与所述压力传感器阵列中的压力传感器相连的压力采集模块以及与所述压力采集模块相连的第一蓝牙无线通信模块；所述第一蓝牙无线通信模块与所述中心决策预警单元无线匹配，将采集到了足底压力数据上传至所述中心决策预警单元。

在本发明一实施例中所述膝关节弯曲度监测单元包括：等间隔设置于佩戴在膝关节处护膝内的若干条状弯曲度传感器以及与所述条状弯曲度传感器的膝关节弯曲度采集模块；所述膝关节弯曲度采集模块与所述中心决策预警单元通过总线有线连接，将采集到的膝关节弯曲度数据上传至所述中心决策预警单元。

在本发明一实施例中所述中心决策预警单元包括一中心决策模块以及分别与该中心决策模型相连的第二蓝牙无线通信模块以及预警模块；所述第二蓝牙无线通信模块与所述足底压力监测单元无线匹配，用于接收所述足底压力监测单元上传的足底压力数据并传输至所述中心决策模块；所述中心决策模块通过总线与所述膝关节弯曲度采集模块相连，接收所述膝关节弯曲度采集模块上传的膝关节弯曲度数据；所述中心决策模块搭载一模式识别模型，根据上传的足底压力数据以及膝关节弯曲度数据计算当前膝关节运动是否过负荷。

在本发明一实施例中所述模式识别模型根据如下步骤计算当前膝关节运动是否过负荷：

步骤s1：通过如下方式获取反映弯曲角度均值的参量g：

其中，di为时刻i通过关节弯曲度监测单元采集到的所有条状弯曲度传感器值的平均膝关节弯曲角度结果，i＝1…n，ti为di角度值的持续时间，λ为调整系数；

步骤s2：通过如下方式获取反映弯曲度作用的参量a：

其中，参数μ与σ为标准正态分布的数学期望与标准差，参数ω为预设调节系数；

步骤s3：通过如下方式获取用于决策的总评估值t：

t＝α·w×β·a×γ·f；

其中，w为通过足底压力监测单元得到的最大平均压力值，f为屈膝运动的频率；α、β、γ为预设调整系数；

步骤s4：根据预先设置的膝关节运动疲劳程度的上限阈值δ，当t;δ时，判定为膝关节运动过负载。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：由于膝关节在运动时的受力情况与人体的重量及膝关节弯曲的强度和频度密切相关，本发明提出的一种基于关节弯曲与足底压力的膝关节运动疲劳度监测系统，采用足底压力传感器组与关节弯曲检测器构成可穿戴监测仪，实时监控并估算膝关节的运动受力情况，从而可在运动过量时及时报警并督促专业运动员或运动爱好者停止膝关节运动，达到保护身体的目的。

附图说明

图1是本发明中足底压力监测单元示意图。

图2是本发明中关节弯曲度监测单元示意图。

图3是本发明实施例中公式(2)函数值趋势图

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提出一种基于关节弯曲度与足底压力监测的膝关节运动疲劳度监测系统，由于过量的屈膝运动(如跑步、骑行等)会造成关节的慢性损伤，从而影响到运动者的身体健康。因此，在运动过量时及时报警，从而使运动者及时停止屈膝运动，可达到保护的目的。本监测系统包括：足底压力监测单元、关节弯曲度监测单元以及中心决策报警单元。足底压力监测单元与中心决策报警单元通过蓝牙通讯模块进行通讯，关节弯曲度监测单元与中心决策报警单元通过总线通讯。将足底压力监测单元与关节弯曲度监测单元获取的监测结果汇总至中心决策报警单元中的中心决策模块，从而根据模式识别计算公式判定膝关节运动是否过负荷，若过负荷则通过一报警模块通知运动者及时停止运动或更换运动方式。

在本实施例中，膝关节的疲劳程度与运动者的重量及关节弯曲的程度、频率呈现正相关，而运动者的重量数据的获取由足底压力监测单元来完成。

在本实施例中，足底压力监测单元包括：设置于足底鞋垫内的压力传感器阵列、与压力传感器阵列中的压力传感器相连的压力采集模块以及与压力采集模块相连的第一蓝牙无线通信模块；第一蓝牙无线通信模块与中心决策预警单元无线匹配，将采集到了足底压力数据上传至中心决策预警单元。

进一步的，足底压力监测单元结构如图1所示，在一块鞋垫上以阵列形式布置压力传感器构成压力传感器阵列。压力传感器可将受压的弹性形变表达为微弱的电信号变化，通过足底压力采集模块的采集与分析，得到数字化量化值。足底压力采集模块由微控制器(mcu)与对应的模拟信号处理电路构成，通过信号放大，模数转换等过程得到足底压力的数字值。配置为阵列的多个压力传感器的值可用于生成平均值，提高监测的准确性与鲁棒性。足底压力采集单元中的微控制器还与第一蓝牙无线通讯模块通信，将采集结果上传至中心决策报警单元中的第二蓝牙通讯模块，从而最后进入中心决策模块。足底压力采集模块由锂电池供电，微控制器采用msp430超低功耗芯片，可提高便携性与耐用性。

在本实施例中，膝关节弯曲度监测单元包括：等间隔设置于佩戴在膝关节处护膝内的若干条状弯曲度传感器以及与条状弯曲度传感器的膝关节弯曲度采集模块；膝关节弯曲度采集模块与中心决策预警单元通过总线有线连接，将采集到的膝关节弯曲度数据上传至中心决策预警单元。

进一步的，如图2所示，关节弯曲度监测单元通过在护膝上安装条状弯曲度传感器来实现膝关节弯曲角度的监测。条状弯曲度传感器可将条体的弯曲形变表达为微弱的电信号变化，通过关节曲度采集模块的采集与分析，得到数字化量化值。过关节曲度采集模块由微控制器(mcu)与模拟信号处理电路构成，可通过信号放大，模数转换等过程得到关节弯曲角度的数字值。多条弯曲度传感器围绕护膝成均匀间隔分布，通常可安排4-10条，计算弯曲度时便于取平均值，以提高监测的准确性与鲁棒性。弯曲度数据被获取后通过总线送入中心决策报警单元内的中心决策模块。

在本发明一实施例中，中心决策预警单元包括一中心决策模块以及分别与该中心决策模型相连的第二蓝牙无线通信模块以及预警模块；第二蓝牙无线通信模块与足底压力监测单元无线匹配，用于接收所述足底压力监测单元上传的足底压力数据并传输至中心决策模块；中心决策模块通过总线与膝关节弯曲度采集模块相连，接收膝关节弯曲度采集模块上传的膝关节弯曲度数据；中心决策模块搭载一模式识别模型，根据上传的足底压力数据以及膝关节弯曲度数据计算当前膝关节运动是否过负荷。

在本实施例中，中心决策模块由另一块微控制器(mcu)及其附属电路构成，可采用arm芯片构成，该中心决策模块还负责驱动第二蓝牙无线通讯模块来接收从足底压力监测单元发送来的足底压力数字值。

在本实施例中，中心决策模块中的模式识别模型通过如下方式来综合计算，并在膝关节运动过负荷的时候，通过关节弯曲度监测单元中的报警模块发出报警信息，通知运动者。

步骤s1：通过如下方式获取反映弯曲角度均值的参量g：

其中，di为时刻i通过关节弯曲度监测单元采集到的所有条状弯曲度传感器值的平均膝关节弯曲角度结果，i＝1…n，角度制且di≤90，ti为di角度值的持续时间，λ为调整系数，由用户工程师根据实际情况进行调节，但需要保证式(1)的结果g;0。

步骤s2：通过如下方式获取反映弯曲度作用的参量a：

其中，参数μ与σ为标准正态分布的数学期望与标准差，参数ω为预设调节系数，由用户工程师根据实际情况进行调节，但需要保证结果a;0；函数值趋势图如附图3所示，随着弯曲角度均值的表达量g的减小，a的值将逐渐增大，而且增大的幅度也逐渐增加，即弯曲的角度越大，则a的越大。

步骤s3：通过如下方式获取用于决策的总评估值t：

t＝α·w×β·a×γ·f；

其中，w为通过足底压力监测单元得到的最大平均压力值，f为屈膝运动的频率；α、β、γ为预设调整系数，由用户工程师根据实际情况进行调节，用于调节足底压力w、弯曲角度表达量a、屈膝运动频率f三者在最终决策时所占的权重，计算输出的最终判断结果值为t；

步骤s4：根据预先设置的膝关节运动疲劳程度的上限阈值δ，当t;δ时，判定为膝关节运动过负载，将通过报警模块及时输出报警信息，提醒运动者休息或改变运动方式来保护膝关节。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。