本發明涉及醫療康復器械領域，具體涉及一種可穿戴式肘關節角度采集裝置及肘關節角度預測方法。
背景技術：
1、腦血管疾病、嚴重腦外傷及其他神經系統疾病常導致患者出現上肢運動功能障礙；康復訓練是促進患者恢復的重要途徑，其中表面肌電信號能夠反映肌肉的神經驅動與活動狀態，而肘關節角度則反映了上肢的運動學特征，將兩者結合，可為運動意圖識別、康復評估以及康復機器人控制提供關鍵依據。
2、現有康復訓練裝置在信號獲取方面主要存在以下不足：其一，肌電采集設備與角度測量裝置多為分離使用，操作復雜、同步性不足，導致肌電信號與運動學數據難以精確對應；其二，部分裝置依賴實驗室支架，體積較大，缺乏便攜性，限制了其在家庭康復和日常監測中的應用；其三，現有方法往往缺乏對肌電信號與角度之間映射關系的有效建模，無法準確實現基于肌電信號的關節角度預測。
技術實現思路
1、針對現有技術的缺陷，本發明提供一種可穿戴式肘關節角度采集裝置及肘關節角度預測方法，能夠同步采集肌電信號和肘關節角度，對肌電信號與角度之間的映射關系進行建模，實現關節角度的實時預測，從而能夠對患者運動意圖進行解碼，為個性化康復訓練提供依據。
2、為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案是：一種可穿戴式肘關節角度采集裝置，包括大臂固定單元、小臂固定單元、角度傳感單元、連接單元以及肌電采集單元，所述大臂固定單元由大臂內板和大臂外板連接構成，用于固定用戶大臂；小臂固定單元由小臂內板和小臂外板連接構成，用于固定用戶小臂，小臂固定單元的末端設有握手以供用戶抓握；連接單元的兩端分別與大臂外板和小臂內板連接，使大臂固定單元和小臂固定單元之間形成鉸接結構，并使鉸接軸線與用戶肘關節旋轉軸線保持一致；角度傳感單元包括單軸角度傳感器，單軸角度傳感器與連接單元同軸設置，用于實時測量用戶的肘關節屈伸角度，所述肌電采集單元佩戴在用戶大臂上，用于采集用戶大臂的肌電信號。
3、進一步地，所述大臂內板設計為貼合人體大臂的曲面，大臂外板上設有多組定位孔，大臂內板通過選擇不同的孔位與大臂外板連接，能夠調整大臂固定單元的有效長度；小臂內板上開有滑槽，小臂外板一端的緊固件能夠在槽內滑動并鎖定，實現小臂固定單元長度的無級調節。
4、進一步地，大臂外板上設有綁帶孔，用于穿設彈性綁帶，從而將角度采集裝置直接固定于人體上肢，或通過緊固件將角度采集裝置安裝于固定的機架或康復機器人平臺上。
5、進一步地，大臂固定單元和小臂固定單元采用輕量化聚乳酸材料經3d打印工藝制作而成。
6、本發明還提供一種使用上述可穿戴式肘關節角度采集裝置的肘關節角度預測方法，包括以下步驟：
7、步驟一：裝置佩戴，將肘關節角度采集裝置通過綁帶固定在用戶的上臂，同時，將肌電采集單元myo臂環佩戴于相同的用戶上臂，myo臂環內置8通道semg傳感器；
8、步驟二：雙模態數據采集，用戶上臂進行自然狀態下的0°~150°的屈伸運動，在肌電通道，通過semg傳感器采集多通道大臂表面肌電信號，在運動學通道，通過肘關節角度采集裝置的單軸角度傳感器采集肘關節運動角度；
9、步驟三：數據預處理，在肌電通道，通過濾波、去噪和對齊對采集的肌電信號進行預處理，在運動學通道，對采集的關節角度數據進行裁剪和對齊，使關節角度數據與肌電信號的時間軸對齊，保證數據同步性；
10、步驟四：特征提取，對預處理后的肌電信號，采用?短時傅里葉變換?提取?時頻特征譜圖?；
11、步驟五：模型訓練與預測，對提取的時頻特征譜圖，通過?固定比例增強數值分布?提升特征可區分性，然后將時頻特征和經處理的關節角度信號輸入尺度時空通道交叉編碼器（stcce）進行訓練和預測；最終輸出?預測的肘關節角度?。
12、?進一步地，步驟三中，對肌電信號的預處理包括，采用50hz陷波濾波器消除工頻干擾，通過四階巴特沃斯高通濾波器濾除基線漂移。
13、進一步地，步驟五中，時空通道交叉編碼器通過最小化預測角度與真實角度間的誤差進行端到端訓練。
14、進一步地，步驟五中，固定比例增強數值分布?包括歸一化和標準化處理。
15、進一步地，步驟五中，時空通道交叉編碼器首先對輸入特征進行縮放處理，然后通過時序注意力機制提取各通道的時間特征，再利用跨通道注意力機制融合多通道信息，將融合后的多通道特征輸入?全卷積神經網絡fcn。
16、進一步地，全卷積神經網絡fcn通過卷積層提取空間特征、通過池化層壓縮維度，最終通過回歸層輸出連續的肘關節角度預測值。
17、有益效果：
18、1、本發明的肘關節角度采集裝置，設計了適合上肢的外骨骼結構，并集成了肌電信號與肘關節角度的同步采集功能，避免了分開采集兩種信號因時間戳不一致導致的信號錯位問題，操作簡單，同步性強，保證了后續角度預測模型輸入與輸出的準確對應關系。
19、2、本發明的肘關節角度采集裝置，使用3d打印一體化的外骨骼樣支架，具備可調節長度設計，能夠根據用戶需求進行適應性調整，確保用戶肘關節旋轉中心與角度傳感器嚴格對齊，減少了由于傳感器位置偏移帶來的角度測量誤差。
20、3、本發明的肘關節角度采集裝置，結構簡單、輕便，具備固定和可穿戴兩種使用模式，既能在實驗室中安裝于支架實現標準化動作采集，又能在日常環境中通過綁帶直接佩戴與用戶上肢，滿足家庭康復和長時監測需求，應用范圍廣，且成本低。
21、4、本發明在上述肘關節角度采集裝置的基礎上，提出了基于肌電信號特征輸入與回歸模型輸出的角度預測方法，在數據采集后對肌電信號進行帶通濾波、工頻干擾抑制及歸一化處理，并提取了時域、頻域及時頻特征，提高了模型對角度變化趨勢的敏感性和預測精度；所述回歸模型綜合肌電信號與肘關節角度，能夠實現對肘關節運動角度的實時預測，從而對患者運動意圖進行解碼，為個性化康復訓練提供依據。
1.一種可穿戴式肘關節角度采集裝置，其特征在于，包括大臂固定單元、小臂固定單元、角度傳感單元、連接單元以及肌電采集單元，所述大臂固定單元由大臂內板（1）和大臂外板（2）連接構成，用于固定用戶大臂；小臂固定單元由小臂內板（5）和小臂外板（6）連接構成，用于固定用戶小臂，小臂固定單元的末端設有握手（7）以供用戶抓握；連接單元的兩端分別與大臂外板（2）和小臂內板（5）連接，使大臂固定單元和小臂固定單元之間形成鉸接結構，并使鉸接軸線與用戶肘關節旋轉軸線保持一致；角度傳感單元包括單軸角度傳感器（3），單軸角度傳感器（3）與連接單元同軸設置，用于實時測量用戶的肘關節屈伸角度，所述肌電采集單元佩戴在用戶大臂上，用于采集用戶大臂的肌電信號。
2.根據權利要求1所述的一種可穿戴式肘關節角度采集裝置，其特征在于，所述大臂內板（1）設計為貼合人體大臂的曲面，大臂外板（2）上設有多組定位孔（9），大臂內板（1）通過選擇不同的孔位與大臂外板（2）連接，能夠調整大臂固定單元的有效長度；小臂內板上開有滑槽（12），小臂外板（6）一端的緊固件能夠在槽內滑動并鎖定，實現小臂固定單元長度的無級調節。
3.根據權利要求1所述的一種可穿戴式肘關節角度采集裝置，其特征在于，大臂外板（2）上設有綁帶孔（8），用于穿設彈性綁帶，從而將角度采集裝置直接固定于人體上肢，或通過緊固件將角度采集裝置安裝于固定的機架或康復機器人平臺上。
4.根據權利要求1所述的一種可穿戴式肘關節角度采集裝置，其特征在于，大臂固定單元和小臂固定單元采用輕量化聚乳酸材料經3d打印工藝制作而成。
5.使用權利要求1-4任一項所述的一種可穿戴式肘關節角度采集裝置的肘關節角度預測方法，其特征在于，包括以下步驟：
6.?根據權利要求5所述的肘關節角度預測方法，其特征在于，步驟三中，對肌電信號的預處理包括，采用50hz陷波濾波器消除工頻干擾，通過四階巴特沃斯高通濾波器濾除基線漂移。
7.根據權利要求5所述的肘關節角度預測方法，其特征在于，步驟五中，時空通道交叉編碼器通過最小化預測角度與真實角度間的誤差進行端到端訓練。
8.根據權利要求5所述的肘關節角度預測方法，其特征在于，步驟五中，固定比例增強數值分布?包括歸一化和標準化處理。
9.根據權利要求5所述的肘關節角度預測方法，其特征在于，步驟五中，時空通道交叉編碼器首先對輸入特征進行縮放處理，然后通過時序注意力機制提取各通道的時間特征，再利用跨通道注意力機制融合多通道信息，將融合后的多通道特征輸入?全卷積神經網絡fcn。
10.根據權利要求9所述的肘關節角度預測方法，其特征在于，步驟五中，全卷積神經網絡fcn通過卷積層提取空間特征、通過池化層壓縮維度，最終通過回歸層輸出連續的肘關節角度預測值。