專利名稱:一種三維人體步態(tài)定量分析系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及測(cè)量分析領(lǐng)域,特別涉及一種三維人體步態(tài)定量分析系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù):
由于人步行的過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程,并且步行過(guò)程中帶有很多重要的步態(tài)信息,測(cè)量和分析人的步態(tài)信息在現(xiàn)實(shí)生活中有很多應(yīng)用前景,如臨床醫(yī)學(xué)中監(jiān)護(hù)病人的康復(fù)程度,仿生機(jī)器人的控制等領(lǐng)域。目前人體步態(tài)的測(cè)量和分析有多種方法傳統(tǒng)的臨床測(cè)量借助秒表和米尺使用目測(cè)方法以及足印法得到步態(tài)的信息,這種方法主要依靠人工的記錄,所以人為因素造成的誤差非常大,得到的參數(shù)誤差大,難以準(zhǔn)確定量劃分步態(tài)周期。
伴隨著現(xiàn)代科技的應(yīng)用,圖像處理、壓力信號(hào)分析等方法也被用來(lái)做步態(tài)分析。比如文獻(xiàn)[I]、文獻(xiàn)[2]以及文獻(xiàn)[3]中使用了基于圖像處理的方法來(lái)分析步態(tài)的過(guò)程,通過(guò)采集人走路過(guò)程中的視頻信息進(jìn)一步用算法處理來(lái)抽取步態(tài)的特征值,從而得到步態(tài)的信息。在文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]、文獻(xiàn)[6]中,作者在人的鞋底放置了壓力墊,通過(guò)采集步行的過(guò)程中的壓力變化來(lái)分析計(jì)算步態(tài)周期。文獻(xiàn)[7]按照人走路的規(guī)律建立了一個(gè)模擬行走的系統(tǒng),用這個(gè)系統(tǒng)分析步態(tài)的一般規(guī)律。但是這些分析步態(tài)方法都有一些缺點(diǎn),例如基于圖像處理的步態(tài)分析方法,需要采集非常巨大的數(shù)據(jù)量,不便于存儲(chǔ),算法也復(fù)雜,同時(shí)容易受到光線變化和肢體遮擋等因素的影響從而影響步態(tài)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外,基于圖像處理的步態(tài)分析方法需要多臺(tái)攝像機(jī)同時(shí)采集數(shù)據(jù),設(shè)備投資昂貴。采用腳底壓力傳感器的步態(tài)分析方法,采集的運(yùn)動(dòng)信息有限,壓力的信號(hào)不能很好地跟蹤分析運(yùn)動(dòng)連續(xù)性。盡管使用壓力傳感器可以將步態(tài)周期做出合理的劃分,但是壓力信號(hào)僅僅能反映腳與地面接觸的時(shí)間段的壓力變化規(guī)律,不能很好地描述整體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的連續(xù)性。大型的步態(tài)分析平臺(tái)建立復(fù)雜,使用者需要有一定的技巧,并且建立一個(gè)步態(tài)分析的實(shí)驗(yàn)室需要耗費(fèi)很多的資金。在公開(kāi)號(hào)為CN1256752的中的專利申請(qǐng)說(shuō)明書中描述了一種速度檢測(cè)裝置,通過(guò)安裝在鞋底的加速度傳感器獲得腳部在水平方向的加速度數(shù)據(jù),然后對(duì)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行雙重積分得到腳部的加速度值。這種裝置安裝比較繁瑣,使用不方便。在公開(kāi)號(hào)為CN1940570的專利申請(qǐng)說(shuō)明書中描述了一種可以檢測(cè)速度的導(dǎo)航裝置,通過(guò)檢測(cè)個(gè)人運(yùn)動(dòng)的頻率,由步長(zhǎng)和速度相乘而得到實(shí)時(shí)速度。當(dāng)個(gè)人的步幅為常數(shù)時(shí),這個(gè)方法可以得到準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)速度。但是研究表明在個(gè)人的步幅隨著運(yùn)動(dòng)速度的變化,有著高達(dá)百分之六十的變化。因而這種方法很難獲得準(zhǔn)確的速度。有研究采用慣性微傳感器(IMU)采集人體步行過(guò)程中的加速度信號(hào)和角速度信號(hào)來(lái)分析人體步態(tài)的規(guī)律和計(jì)算步態(tài)參數(shù)。文獻(xiàn)[8]結(jié)合了壓力傳感器的壓力信號(hào)和陀螺儀采集的角速度信號(hào)做了步態(tài)周期的劃分。目前大多數(shù)慣性步態(tài)分析系統(tǒng)都是采集一只腳的運(yùn)動(dòng)信息,并且使用有線的信號(hào)傳輸方式。由于步行的過(guò)程是兩只腳配合協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng),一個(gè)腳的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不能反映出來(lái)兩個(gè)腳的協(xié)調(diào)程度。本文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用了兩個(gè)慣性微傳感器節(jié)點(diǎn),分別的綁定在左右兩個(gè)腳上,當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始采樣時(shí)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以同步在一起,也就是說(shuō)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)在時(shí)間上就有相關(guān)性,進(jìn)而能分析兩個(gè)腳步行過(guò)程中的協(xié)調(diào)性以及各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)。通過(guò)本發(fā)明所設(shè)計(jì)的模式識(shí)別方法,對(duì)兩腳上的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析融合,可以計(jì)算出人體步態(tài)參數(shù)。使用慣性微傳感器對(duì)人體步態(tài)信息進(jìn)行采集時(shí),器件應(yīng)該可重復(fù)性地牢固綁定在人體足部的同一位置,否則會(huì)給人體步態(tài)參數(shù)的分析計(jì)算帶來(lái)誤差。[l]Xin Zhang, Guoliang Fan,“Dual Gait Generative Models for Human Motion Estimation From a Single Camera,,,IEEE Trans. Syst. Man Cybern. Part B Cybern.,vol. 40,no. 4,ppl034_1049,Aug 2010。[2] Zongyi Liu, Sudeep Sarkar,,,Improved Gait Recognit ion by GaitDynamics Normalization,,,IEEE Trans. Pattern Anal. Mach. Intell, vol. 28, no. 6,pp863_876,2006。[3] Rong Zhang, Christian Vogler,Dimitris Metaxax , u Human GaitRecognition,,,IEEE Conference on Computer Vision and Pattern RecognitionWorkshop, ppl8,Jun. 2004。[4] Joonbum Bae, Kyoungchul Kong, Nancy Byl,and Massyoshi Tomi zuka,”AMobile Gait Monitoring System for Gait Analysis,,,IEEE IIth InternationConference on Rehabilitation Robotics,pp73_79,Jun.2009。[5]Stacy J. Morri s Bamberg, ScD,Randy J. Carson, DPT,Gregory Stoddard,MPH,Philip S.Dyer, MS, Joseph B. Webster,MD,“The Lower Extremity AmbulationFeedback System for Analysis of gait Asymmetries Preliminary Design andValidation Results,,,Journal of Prosthetics and Orthotics,Vol. 22,no. Ipp31_36,
2010o[6]Javier Cuadrado, Rosa Pamies-Vi la,Urbano Lugris,F. Javier Alonso,ukforce-based approcach for joint efforts estimation during the double supportphase of gait”,Science Direct,Symposium on Human Body Dynamics,Vol. 2,pp26_34,2011。[7] N. Shiozawa, S. Arima, M. Makikawa,“Virtual Walkway System andPrediction of Gait Mode Transition for the Control of the Gait Simulator,,,Proceeding of the 26th Annual International Conference of the IEEE EMBS SanFrancisco, Vol. 1,pp2699_2702,Sep. 2004。[8] Ion P. I. Pappas,Milos R,Popovic,Thierry Keller, VolkerDietz, andManfred MorariZiA Reliable Gait Phase Detection System”,IEEE Trans. Neural Syst.RehabiI. Eng.,vol9,no. 2,ppll3_125,Jun. 2001。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了解決以上問(wèn)題,提供一種低成本,方便易用的三維人體步態(tài)定量分析系統(tǒng)和方法。為了達(dá)到上述目的,本發(fā)明提供的一種三維人體步態(tài)定量分析方法,包括以下步驟
步驟100 :左足慣性測(cè)量節(jié)點(diǎn)(4)、右足慣性測(cè)量節(jié)點(diǎn)(5)中的六軸微慣性傳感器
(11)分別獲取人體行走過(guò)程中左足和右足的加速度信息和角速度信息;步驟200 :接收節(jié)點(diǎn)(2)采集左足和右足的加速度信息和角速度信息,形成雙足步態(tài)數(shù)據(jù),并將雙足步態(tài)數(shù)據(jù)傳送至步態(tài)信息分析計(jì)算裝置(I);步驟300 :步態(tài)信息分析計(jì)算裝置(I)分析計(jì)算出人體步態(tài)參數(shù),所述人體步態(tài)參數(shù)包括步頻、步長(zhǎng)、步速、步行周期、步行時(shí)相、角度信息、廓清和劃圈半徑;所述步行時(shí)相包括腳跟離地期、擺動(dòng)相、腳跟擊地期、完全站立相;所述角度信息包括足偏角、足滾角、足俯角;包括以下子步驟步驟310 :步態(tài)信息分析計(jì)算裝置⑴中的數(shù)據(jù)采集程序模塊(5)采樣采集到的雙足步態(tài)數(shù)據(jù),并將采樣采集到的雙足步態(tài)數(shù)據(jù)送入步態(tài)信息分析計(jì)算裝置(I)中的步態(tài) 數(shù)據(jù)分析程序模塊(6);步驟320 :步態(tài)數(shù)據(jù)分析程序模塊(6)將采樣采集到的雙足步態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波,剔除誤差,減少器件偏移;步驟330 :步態(tài)數(shù)據(jù)分析程序模塊(6)將濾波后的雙足步態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分離,分別得到人體行走過(guò)程中左足和右足的加速度信息和角速度信息;步驟340步態(tài)數(shù)據(jù)分析程序模塊(6)通過(guò)測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)z軸角速度的周期,計(jì)算得到人體行走的步頻,具體步驟如下提取z軸的角速度的周期數(shù),即是測(cè)量時(shí)間內(nèi)行走的步數(shù)strides ;步頻計(jì)算公式
為
x60(步 / 分鐘);其中,fstride為步頻,T為測(cè)量時(shí)間,strides為測(cè)量時(shí)間內(nèi)行走的步數(shù);步驟350 :步態(tài)數(shù)據(jù)分析程序模塊(6)將左足的加速度信息和角速度信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,得到左足的步行周期;其中,步行周期行走一步所用的步行時(shí)間;步行周期分為腳跟離地、擺動(dòng)相、腳跟擊地、完全站立四個(gè)部分;滑動(dòng)方差可以衡量信號(hào)的波動(dòng)劇烈程度,可以由以下公式計(jì)算計(jì)算窗口平均值:E, (j) =+ ;
M y=o窗口內(nèi)滑動(dòng)方差大小D(i)= 士Σ[Ω(7 + /)一即K ;
Μ 7=0其中,M是窗口大小,根據(jù)采樣頻率的大小,這里按照經(jīng)驗(yàn)值取M= 20 ;Ei(j)是窗口的平均值;D(i)是滑動(dòng)窗口中的滑動(dòng)方差;i與j是采樣序列號(hào)。tH0(i)腳跟離地時(shí)間點(diǎn)在每一步開(kāi)始時(shí),當(dāng)滑動(dòng)方差滿足D(i) > λ時(shí),是腳跟離地時(shí)間點(diǎn);其中D(i)是滑動(dòng)方差,閾值λ是經(jīng)驗(yàn)值,是根據(jù)本專利的采樣條件以及信號(hào)水平選取的值;tsw(i)擺動(dòng)相時(shí)間點(diǎn)z軸角速度第一次改變?yōu)檎幩鶎?duì)應(yīng)的時(shí)刻是擺動(dòng)相時(shí)間點(diǎn);tHS(i)腳跟擊地時(shí)間點(diǎn)
在一個(gè)步行周期內(nèi),y軸加速度達(dá)到最大負(fù)值的時(shí)刻是腳跟擊地時(shí)間點(diǎn);tFF(i)完全站立時(shí)間點(diǎn)當(dāng)滑動(dòng)方差滿足D(i) < λ時(shí),該時(shí)刻是完全站立時(shí)間點(diǎn);其中D(i)是滑動(dòng)方差,閾值λ是經(jīng)驗(yàn)值,是根據(jù)采樣條件以及信號(hào)水品選取的值;綜上所述,步態(tài)時(shí)相可以用以下各式表達(dá)和計(jì)算腳跟離地期Tho⑴=tsw(i)-tH0(i);擺云力期Tsw(i)= tHS(i)-tSff(i);擁]足艮著地期Ths(i) = tFF(i)-tHS(i); 完全立占立期Tff(i) = tH0(i+l)-tFF(i);步伐總時(shí)間T(i)= tH0(i+l)-tH0(i);其中i代表第i步,i+Ι代表第i+Ι步;同理,得到右足的步態(tài)時(shí)相;步驟360 :步態(tài)數(shù)據(jù)分析程序模塊(6)將將左足步行周期和右足步行周期融合,得到雙足運(yùn)動(dòng)步態(tài)周期;雙足運(yùn)動(dòng)步行周期分為單支撐相、雙支撐相和擺動(dòng)相;當(dāng)左腳腳跟離地時(shí)候到開(kāi)始擺動(dòng)相期間是左腳前雙足支撐相DSPl ;接著左腳發(fā)生擺動(dòng)相SW,同時(shí)右腳處于單支撐相SSP ;然后左腳腳跟擊地,并且右腳腳跟離地,這個(gè)期間是左腳后雙支撐相DSP2 ;最后左腳處于單支撐相SSP,同時(shí)右腳離地發(fā)生擺動(dòng)相SW ;其中,雙足步態(tài)時(shí)相是根據(jù)以下過(guò)程得到的檢測(cè)雙足步態(tài)周期的過(guò)程如下首先,從左腳腳跟離地時(shí)候到開(kāi)始擺動(dòng)相期間是左腳前雙足支撐相DSP1,檢測(cè)到左腳與地面接觸的時(shí)間,并且同時(shí)滿足右腳與地面接觸的時(shí)間為左腳前雙足支撐相;左腳發(fā)生擺動(dòng)相,同時(shí)右腳處于單支撐相SSP ;檢測(cè)到左腳的擺動(dòng)相的同時(shí),并且判斷右腳是否與地面接觸,得到了右腳的單支撐相;左腳在擺動(dòng)相完成后,與地面接觸,同時(shí)判斷右腳是否與地面接觸,這個(gè)期間是左腳后雙支撐相DSP2 ;右腳擺動(dòng)相開(kāi)始,并且判斷左腳與地面接觸的時(shí)間段內(nèi),發(fā)生了左腳的單支撐相SSP ;步驟370 :步態(tài)數(shù)據(jù)分析程序模塊(6)通過(guò)坐標(biāo)系的投影將慣性系坐標(biāo)下的加速度換算到世界坐標(biāo)系下,計(jì)算得到足角度;通過(guò)數(shù)值積分的方法分別計(jì)算得到左足步長(zhǎng)和右足步長(zhǎng);坐標(biāo)系變換X-Y-Z是實(shí)際物理坐標(biāo)系,x-y-z是六軸微慣性傳感器(12)的坐標(biāo)系;坐標(biāo)系相對(duì)位置的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程是在四個(gè)步行時(shí)相內(nèi)的相對(duì)位置;足角度的計(jì)算在行走過(guò)程中,足俯仰角有正角度和負(fù)角度兩個(gè)階段;該角度可以根據(jù)如下公式計(jì)算在腳跟離地期發(fā)生的負(fù)角度
權(quán)利要求
1.一種三維人體步態(tài)定量分析方法,包括以下步驟 步驟100 :左足慣性測(cè)量節(jié)點(diǎn)(4)、右足慣性測(cè)量節(jié)點(diǎn)(5)中的六軸微慣性傳感器(11)分別獲取人體行走過(guò)程中左足和右足的加速度信息和角速度信息; 步驟200 :接收節(jié)點(diǎn)(2)采集左足和右足的加速度信息和角速度信息,形成雙足步態(tài)數(shù)據(jù),并將雙足步態(tài)數(shù)據(jù)傳送至步態(tài)信息分析計(jì)算裝置(I); 步驟300 :步態(tài)信息分析計(jì)算裝置(I)分析計(jì)算出人體步態(tài)參數(shù),所述人體步態(tài)參數(shù)包括步頻、步長(zhǎng)、步速、步行周期、步行時(shí)相、角度信息、廓清和劃圈半徑;所述步行時(shí)相包括腳跟離地期、擺動(dòng)相、腳跟擊地期、完全站立相;所述角度信息包括足偏角、足滾角、足俯角;包括以下子步驟 步驟310 :步態(tài)信息分析計(jì)算裝置(I)中的數(shù)據(jù)采集程序模塊(5)采樣采集到的雙足步態(tài)數(shù)據(jù),并將采樣采集到的雙足步態(tài)數(shù)據(jù)送入步態(tài)信息分析計(jì)算裝置(I)中的步態(tài)數(shù)據(jù)分析程序模塊(6); 步驟320 :步態(tài)數(shù)據(jù)分析程序模塊(6)將采樣采集到的雙足步態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波,剔除誤差,減少器件偏移; 步驟330 :步態(tài)數(shù)據(jù)分析程序模塊(6)將濾波后的雙足步態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分離,分別得到人體行走過(guò)程中左足和右足的加速度信息和角速度信息; 步驟340步態(tài)數(shù)據(jù)分析程序模塊(6)通過(guò)測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)z軸角速度的周期,計(jì)算得到人體行走的步頻,具體步驟如下 提取z軸的角速度的周期數(shù),即是測(cè)量時(shí)間內(nèi)行走的步數(shù)strides ;步頻計(jì)算公式為
2.—種三維人體步態(tài)定量分析系統(tǒng),其特征在于,所述三維人體步態(tài)定量分析系統(tǒng)包括步態(tài)信息分析計(jì)算裝置(I)、接收節(jié)點(diǎn)(2)、左足慣性測(cè)量節(jié)點(diǎn)(3)及右足慣性測(cè)量節(jié)點(diǎn)(4)組成;所述步態(tài)信息分析計(jì)算裝置(I)、左足慣性測(cè)量節(jié)點(diǎn)(3)及右足慣性測(cè)量節(jié)點(diǎn)(4)分別與接收節(jié)點(diǎn)(2)信號(hào)連接;所述左足慣性測(cè)量節(jié)點(diǎn)(3)及右足慣性測(cè)量節(jié)點(diǎn)(4)獲取人體行走過(guò)程中左足和右足的加速度信息和角速度信息;并通過(guò)接收節(jié)點(diǎn)(2)將上述信息發(fā)送到步態(tài)信息分析計(jì)算裝置⑴; 所述左足慣性測(cè)量節(jié)點(diǎn)(3)及右足慣性測(cè)量節(jié)點(diǎn)(4)分別由存儲(chǔ)單元(9)、微處理器MCU(IO)、六軸微慣性傳感器(11)、電源模塊(12)及無(wú)線收發(fā)模塊(13)組成;所述存儲(chǔ)單元(9)、六軸微慣性傳感器(11)及無(wú)線收發(fā)模塊(13)分別與微處理器MCU(IO)信號(hào)連接;所述微處理器MCU(10)、六軸微慣性傳感器(11)及無(wú)線收發(fā)模塊(13)分別與電源模塊(12)電連接; 所述步態(tài)信息分析計(jì)算裝置(I)包括依次數(shù)據(jù)連接的數(shù)據(jù)采集程序模塊(5)、步態(tài)數(shù)據(jù)分析程序模塊(6)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維人體步態(tài)定量分析系統(tǒng),其特征在于,所述三維人體步態(tài)定量分析系統(tǒng)進(jìn)一步包括與步態(tài)數(shù)據(jù)分析程序模塊(6)數(shù)據(jù)連接的用戶界面控制程序模塊(7)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三維人體步態(tài)定量分析系統(tǒng),其特征在于,所述三維人體步態(tài)定量分析系統(tǒng)進(jìn)一步包括與用戶界面控制程序模塊(7)數(shù)據(jù)連接的分析結(jié)果存儲(chǔ)和打印程序模塊⑶。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維人體步態(tài)定量分析系統(tǒng),其特征在于,所述左足慣性測(cè)量節(jié)點(diǎn)(3)或右足慣性測(cè)量節(jié)點(diǎn)(4)通過(guò)測(cè)量節(jié)點(diǎn)綁定裝置綁定在待測(cè)人體上;所述測(cè)量節(jié)點(diǎn)綁定裝置包括彈性綁帶(a)、慣性測(cè)量節(jié)點(diǎn)盒(b)、尼龍易拉扣綁帶(C)、薄鋼片綁帶(d)、旋轉(zhuǎn)樞軸(e)、鉸鏈活葉(f)及弧形減震支撐托(g); 其中,三片薄鋼片綁帶被固定在旋轉(zhuǎn)樞軸,以旋轉(zhuǎn)樞軸為中心軸旋轉(zhuǎn);兩片薄鋼片綁帶中間以一段彈性綁帶連接;在使用時(shí)將該支架分別穿戴在兩只腳上,調(diào)整尼龍易拉扣綁帶使得該支;架緊緊穿戴在足部,不發(fā)生移動(dòng);將兩個(gè)慣性測(cè)量節(jié)點(diǎn)分別放入在每個(gè)支架的慣性測(cè)量節(jié)點(diǎn)盒中,然后開(kāi)啟電源,在被測(cè)對(duì)象開(kāi)始行走后,采集被測(cè)對(duì)象的步態(tài)行走數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種三維人體步態(tài)定量分析系統(tǒng)和方法。在雙足上同時(shí)使用兩個(gè)慣性測(cè)量節(jié)點(diǎn),將兩個(gè)慣性測(cè)量節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析融合,測(cè)量更準(zhǔn)確的步態(tài)參數(shù)。獲得單足測(cè)量方式所不能測(cè)量的信息。在行走過(guò)程中將所采集數(shù)據(jù)首先存儲(chǔ)在測(cè)量節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)單元,待行走過(guò)程完成后再通過(guò)有線或無(wú)線的方式傳輸給分析計(jì)算裝置??梢垣@得對(duì)行走過(guò)程中所有步態(tài)信息的高速采集,不遺漏有特征的步態(tài)信息點(diǎn)。采用所設(shè)計(jì)的慣性測(cè)量節(jié)點(diǎn)的足部綁定裝置,消除行走過(guò)程中慣性測(cè)量節(jié)點(diǎn)的固定位置移動(dòng)所帶來(lái)的測(cè)量誤差,保證多次重復(fù)測(cè)量時(shí)慣性測(cè)量節(jié)點(diǎn)的固定位置的同一性。步態(tài)分析計(jì)算程序模塊采用滑動(dòng)窗口搜值法確定步態(tài)信息的特征點(diǎn),能夠更準(zhǔn)確提取步態(tài)特征信息。
文檔編號(hào)A61B5/11GK102824177SQ201210268628
公開(kāi)日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月25日
發(fā)明者王哲龍 申請(qǐng)人:王哲龍