專利名稱：一種基于下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動信息的步態(tài)相位判別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及智能假肢膝關(guān)節(jié)運(yùn)動的控制，特別是涉及一種基于下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動信息的步態(tài)相位判別方法。
背景技術(shù)：
車禍、疾病等使越來越多的失去了下肢，同時也失去了行走、運(yùn)動的能力，下肢假肢是這類人群恢復(fù)行走能力的唯一手段。理想的假肢能使假肢穿戴者感覺舒適、運(yùn)動自然，同時不消耗過多地體能。但人體的運(yùn)動極其復(fù)雜，準(zhǔn)確的模擬正常人體的行走，已經(jīng)成為了下肢假肢的研究重點(diǎn)。智能假肢是20世紀(jì)90年代后發(fā)展起來的具有高性能的新一代假肢。與普通假肢相比，智能假肢能通過當(dāng)前接收到的傳感器狀態(tài)判斷假肢所處的步態(tài)相位區(qū)間，根據(jù)不同相位區(qū)間內(nèi)關(guān)節(jié)的步態(tài)特性，控制假肢的運(yùn)動。因此，準(zhǔn)確判斷假肢所處的步態(tài)相位區(qū)間，是智能假肢運(yùn)動控制的前提。 目前假肢產(chǎn)品主要采用兩種步態(tài)相位判斷方法。一種是通過安裝假肢上的傳感器直接判斷假肢的步態(tài)相位，進(jìn)行假肢的控制。另一種是在健肢側(cè)安裝傳感器判斷健肢的步態(tài)相位，再通過左右下肢的運(yùn)動對稱關(guān)系，得到假肢的步態(tài)相位，進(jìn)行假肢的控制。這兩種方法均需采用數(shù)量眾多的傳感器，包括角度傳感器、壓力傳感器、陀螺儀等，以這些傳感器檢測的信息以及其一階或二階衍生信息等判斷假肢的步態(tài)相位，系統(tǒng)安裝復(fù)雜，計(jì)算量大，導(dǎo)致實(shí)時性變差。因此，需要一種簡單可靠的下肢的步態(tài)相位判別方法，符合下肢截肢患者更加舒適的穿戴假肢的要求。并同時適用于健肢側(cè)和假肢側(cè)的步態(tài)相位判斷，滿足不同假肢產(chǎn)品的控制需要。因此，針對上述技術(shù)問題，有必要提供一種改進(jìn)的基于下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動信息的步態(tài)相位判別方法，以克服上述缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動信息的步態(tài)相位判別方法，該方法通過安裝在下肢大腿，小腿和腳面上的三個角度傳感器采集角度信息，完成對下肢的步態(tài)相位判斷，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:一種基于下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動信息的步態(tài)相位判別方法，其將一個步態(tài)周期分為站立彎曲相、站立伸展相、擺動彎曲相和擺動伸展相四個相位，該步態(tài)相位判別方法具體包括以下步驟:(I)通過設(shè)置在大腿、小腿和腳面的角度傳感器分別接收大腿、小腿和腳面的角度
信息；(2)通過角度信息處理系統(tǒng)得到膝關(guān)節(jié)角度、踝關(guān)節(jié)角度和膝關(guān)節(jié)角速度；(3)踝關(guān)節(jié)標(biāo)志位初始值清0 ;
(4)判斷踝關(guān)節(jié)角度是否大于狀態(tài)臨界值，當(dāng)踝關(guān)節(jié)角度大于臨界值時，踝關(guān)節(jié)標(biāo)志位為1，當(dāng)踝關(guān)節(jié)角度小于等于臨界值，踝關(guān)節(jié)標(biāo)志位值保持不變；(5)當(dāng)踝關(guān)節(jié)標(biāo)志位為0時，判斷膝關(guān)節(jié)角速度的正負(fù)，當(dāng)膝關(guān)節(jié)角速度大于等于0時，可判斷當(dāng)前相位為站立彎曲相，當(dāng)膝關(guān)節(jié)角速度小于0時，可判斷當(dāng)前相位為站立伸展相；(6)當(dāng)踝關(guān)節(jié)標(biāo)志位為I時，判斷膝關(guān)節(jié)角速度的正負(fù)，當(dāng)膝關(guān)節(jié)角速度大于等于0時，可判斷當(dāng)前相位為擺動彎曲相，當(dāng)膝關(guān)節(jié)角速度小于0時，可判斷當(dāng)前相位為擺動伸展相；(7) 一個步態(tài)周期結(jié)束,踝關(guān)節(jié)標(biāo)志位清0,循環(huán)下一步態(tài)周期。優(yōu)選的，在上述基于下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動信息的步態(tài)相位判別方法中，所述步驟(2)中角度信息處理系統(tǒng)通過接收大腿、小腿和腳面的角度傳感器的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的角度，對膝關(guān)節(jié)角度一階求導(dǎo)后得到膝關(guān)節(jié)角速度，并對得到的膝關(guān)節(jié)角速度濾波處理。優(yōu)選的，在上述基于下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動信息的步態(tài)相位判別方法中，所述下肢步態(tài)相位轉(zhuǎn)換包括以下幾種情況:(11)站立彎曲相轉(zhuǎn)換到站立伸展相:踝關(guān)節(jié)標(biāo)志位保持0不變，膝關(guān)節(jié)角速度逐漸減小到小于0 ; (22)站立伸展相轉(zhuǎn)換到擺動彎曲相:踝關(guān)節(jié)標(biāo)志位由0切換為1，膝關(guān)節(jié)角速度逐漸增大到大于0 ;(33)擺動彎曲相轉(zhuǎn)換到擺動伸展相:踝關(guān)節(jié)標(biāo)志位保持I不變，膝關(guān)節(jié)角速度逐漸減小到小于0 ;(44)擺動伸展相轉(zhuǎn)換到站立彎曲相:踝關(guān)節(jié)標(biāo)志位置0，膝關(guān)節(jié)角速度逐漸增大到大于O。從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例的基于下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動信息的步態(tài)相位判別方法通過安裝在大腿，小腿和腳面上的三個角度傳感器采集角度信息，完成對下肢的步態(tài)相位判斷，減少了下肢截肢患者穿戴的傳感器數(shù)量和種類，結(jié)構(gòu)簡單，使得假肢穿戴更加便捷舒適。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:(I)可應(yīng)用于智能假肢膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動控制，提供更加簡便，準(zhǔn)確的步態(tài)相位判斷，提高假肢膝關(guān)節(jié)控制的快速性和準(zhǔn)確性。(2)根據(jù)關(guān)節(jié)信息判斷下肢步態(tài)相位，可同時適用于健肢側(cè)和假肢側(cè)的步態(tài)相位判斷，符合不同假肢產(chǎn)品的控制需要。(3)減少了下肢截肢患者穿戴的傳感器數(shù)量和種類，僅通過三個角度傳感器完成運(yùn)動信息的采集，降低了信號處理的難度，同時穿戴更加便捷舒適。(4)僅根據(jù)膝關(guān)節(jié)角度的一階導(dǎo)數(shù)信號(即角速度)和踝關(guān)節(jié)角度信號完成膝關(guān)節(jié)步態(tài)相位判斷，降低了運(yùn)算的復(fù)雜性，提高了運(yùn)算的準(zhǔn)確度。


為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的有關(guān)本發(fā)明的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1是本發(fā)明基于下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動信息的步態(tài)相位判別方法的流程圖；圖2是本發(fā)明基于下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動信息的步態(tài)相位判別方法中角度傳感器的安裝示意圖；圖3是本發(fā)明基于下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動信息的步態(tài)相位判別方法中角度信息處理系統(tǒng)的工作流程圖； 圖4是本發(fā)明基于下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動信息的步態(tài)相位判別方法中標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)相位的區(qū)間圖；圖5是本發(fā)明基于下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動信息的步態(tài)相位判別方法中步態(tài)相位轉(zhuǎn)換的示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明公開了一種基于下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動信息的步態(tài)相位判別方法，該膝關(guān)節(jié)相位判別方法通過安裝在大腿，小腿和腳面上的三個角度傳感器采集角度信息，完成對下肢的步態(tài)相位判斷，減少了下肢截肢患者穿戴的傳感器數(shù)量和種類，結(jié)構(gòu)簡單，使得假肢穿戴更加便捷舒適。下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。如圖1及圖2所示，本發(fā)明公開的基于下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動信息的步態(tài)相位判別方法具體包括以下步驟:(I)在大腿101、小腿102和腳面103上分別設(shè)置角度傳感器，通過設(shè)置在大腿101、小腿102和腳面103的角度傳感器分別接收大腿101、小腿102和腳面103的角度信息；(2)通過角度信息處理系統(tǒng)得到膝關(guān)節(jié)角度、踝關(guān)節(jié)角度和膝關(guān)節(jié)角速度；(3)踝關(guān)節(jié)標(biāo)志位(以下均簡稱Flag)初始值清0 ;(4)判斷踝關(guān)節(jié)角度是否大于狀態(tài)臨界值，當(dāng)踝關(guān)節(jié)角度大于臨界值時，F(xiàn)lag=I,當(dāng)踝關(guān)節(jié)角度小于等于臨界值，F(xiàn)lag=O ；(5)當(dāng)Flag=O時，判斷膝關(guān)節(jié)角速度(以下均簡稱Knee Vel)的正負(fù)，當(dāng)KneeVel彡0時，可判斷當(dāng)前相位為站立彎曲相，當(dāng)Knee Vel < 0時，可判斷當(dāng)前相位為站立伸展相；(6)當(dāng)Flag=I時,判斷Knee Vel的正負(fù)，當(dāng)Knee Vel彡0時,可判斷當(dāng)前相位為擺動彎曲相，當(dāng)Knee Vel < 0時，可判斷當(dāng)前相位為擺動伸展相；(7) 一個步態(tài)周期結(jié)束,標(biāo)志位Flag清0,循環(huán)下一步態(tài)周期。本發(fā)明的上述基于下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動信息的步態(tài)相位判別方法，通過安裝在大腿101、小腿102和腳面103上的三個角度傳感器采集角度信息，完成對下肢的步態(tài)相位判斷，減少了下肢截肢患者穿戴的傳感器數(shù)量和種類，結(jié)構(gòu)簡單，使得假肢穿戴更加便捷舒適。如圖3所示，上述步驟(2)中角度信息處理系統(tǒng)通過接收大腿101、小腿102和腳面103的角度傳感器的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的角度，對膝關(guān)節(jié)角度一階求導(dǎo)后得到膝關(guān)節(jié)角速度，并對得到的膝關(guān)節(jié)角速度濾波處理。如圖4所示，通過對下肢標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)周期的分析，根據(jù)膝關(guān)節(jié)角速度的正負(fù)情況將膝關(guān)節(jié)的步態(tài)周期劃分為4個相位區(qū)間，分別為站立彎曲相301、站立伸展相302、擺動彎曲相303和擺動伸展相304。Knee Vel值為正，對應(yīng)著站立彎曲相301和擺動彎曲相303，Knee Vel值為負(fù)，對應(yīng)著站立伸展相302和擺動伸展相304。為了進(jìn)一步區(qū)分各相位區(qū)間引入了踝關(guān)節(jié)角度，通過踝關(guān)節(jié)角度臨界值305，將步態(tài)區(qū)間劃分為站立區(qū)間和擺動區(qū)間，當(dāng)踝關(guān)節(jié)角度增大并超過臨界值時，步態(tài)相位由站立伸展相進(jìn)入到擺動彎曲相。如圖5所示，本發(fā)明所敘述的下肢步態(tài)相位轉(zhuǎn)換主要包括以下幾種情況:(11)站立彎曲相轉(zhuǎn)換到站立伸展相:Flag保持0不變,Knee Vel逐漸減小到小于0 ；(22)站立伸展相轉(zhuǎn)換到擺動彎曲相:Flag由0切換為1，Knee Vel逐漸增大到大于0 ;(33)擺動彎曲相轉(zhuǎn)換到擺動伸展相:Flag保持I不變,Knee Vel逐漸減小到小于0 ；(44)擺動伸展相轉(zhuǎn)換到站立彎曲相:Flag置0，Knee Vel逐漸增大到大于O。本發(fā)明的基于下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動信息的步態(tài)相位判別方法通過安裝在大腿，小腿和腳面上的三個角度傳感器采集角度信息，完成對下肢的步態(tài)相位判斷，減少了下肢截肢患者穿戴的傳感器數(shù)量和種類，結(jié) 構(gòu)簡單，使得假肢穿戴更加便捷舒適。本發(fā)明的基于下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動信息的步態(tài)相位判別方法可應(yīng)用于智能假肢膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動控制，提供更加簡便，準(zhǔn)確的步態(tài)相位判斷，提高假肢膝關(guān)節(jié)控制的快速性和準(zhǔn)確性。本發(fā)明的基于下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動信息的步態(tài)相位判別方法根據(jù)關(guān)節(jié)信息判斷下肢的步態(tài)相位，可同時適用于健肢側(cè)和假肢側(cè)的步態(tài)相位判斷，滿足不同假肢產(chǎn)品的控制需要。本發(fā)明的基于下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動信息的步態(tài)相位判別方法減少了下肢截肢患者穿戴的傳感器數(shù)量和種類，僅通過三個角度傳感器完成運(yùn)動信息的采集，降低了信號處理的難度，同時穿戴更加便捷舒適。本發(fā)明的基于下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動信息的步態(tài)相位判別方法僅根據(jù)膝關(guān)節(jié)角度的一階導(dǎo)數(shù)信號(即角速度)和踝關(guān)節(jié)角度信號完成膝關(guān)節(jié)步態(tài)相位判斷，降低了運(yùn)算的復(fù)雜性，提聞運(yùn)算的準(zhǔn)確度。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點(diǎn)來看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個實(shí)施方式僅包含一個獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他 實(shí)施方式。
權(quán)利要求
1.一種基于下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動信息的步態(tài)相位判別方法，其將一個步態(tài)周期分為站立彎曲相、站立伸展相、擺動彎曲相和擺動伸展相四個相位，其特征在于:該步態(tài)相位判別方法具體包括以下步驟: (1)通過設(shè)置在大腿、小腿和腳面的角度傳感器分別接收大腿、小腿和腳面的角度信息； (2)通過角度信息處理系統(tǒng)得到膝關(guān)節(jié)角度、踝關(guān)節(jié)角度和膝關(guān)節(jié)角速度； (3)踝關(guān)節(jié)標(biāo)志位初始值清O; (4)判斷踝關(guān)節(jié)角度是否大于狀態(tài)臨界值，當(dāng)踝關(guān)節(jié)角度大于臨界值時，踝關(guān)節(jié)標(biāo)志位為1，當(dāng)踝關(guān)節(jié)角度小于 等于臨界值，踝關(guān)節(jié)標(biāo)志位值保持不變； (5)當(dāng)踝關(guān)節(jié)標(biāo)志位為O時，判斷膝關(guān)節(jié)角速度的正負(fù)，當(dāng)膝關(guān)節(jié)角速度大于等于O時，可判斷當(dāng)前相位為站立彎曲相，當(dāng)膝關(guān)節(jié)角速度小于O時，可判斷當(dāng)前相位為站立伸展相； (6)當(dāng)踝關(guān)節(jié)標(biāo)志位為I時，判斷膝關(guān)節(jié)角速度的正負(fù)，當(dāng)膝關(guān)節(jié)角速度大于等于O時，可判斷當(dāng)前相位為擺動彎曲相，當(dāng)膝關(guān)節(jié)角速度小于O時，可判斷當(dāng)前相位為擺動伸展相； (7)—個步態(tài)周期結(jié)束，踝關(guān)節(jié)標(biāo)志位清O，循環(huán)下一步態(tài)周期。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動信息的步態(tài)相位判別方法其特征在于:所述步驟(2)中角度信息處理系統(tǒng)通過接收大腿、小腿和腳面的角度傳感器的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的角度，對膝關(guān)節(jié)角度一階求導(dǎo)后得到膝關(guān)節(jié)角速度，并對得到的膝關(guān)節(jié)角速度濾波處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動信息的步態(tài)相位判別方法，其特征在于:所述下肢步態(tài)相位轉(zhuǎn)換包括以下幾種情況: (11)站立彎曲相轉(zhuǎn)換到站立伸展相:踝關(guān)節(jié)標(biāo)志位保持O不變，膝關(guān)節(jié)角速度逐漸減小到小于O ; (22)站立伸展相轉(zhuǎn)換到擺動彎曲相:踝關(guān)節(jié)標(biāo)志位由O切換為1，膝關(guān)節(jié)角速度逐漸增大到大于O ; (33)擺動彎曲相轉(zhuǎn)換到擺動伸展相:踝關(guān)節(jié)標(biāo)志位保持I不變，膝關(guān)節(jié)角速度逐漸減小到小于O ; (44)擺動伸展相轉(zhuǎn)換到站立彎曲相:踝關(guān)節(jié)標(biāo)志位置O，膝關(guān)節(jié)角速度逐漸增大到大于O。
全文摘要
一種基于下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動參數(shù)的步態(tài)相位判別方法，其包括通過大腿，小腿和腳面部位的角度傳感器接收角度信息；通過角度信息處理系統(tǒng)獲得下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動參數(shù)，具體包括膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的角度信息，以及膝關(guān)節(jié)的角速度信息；通過對踝關(guān)節(jié)角度標(biāo)志位和膝關(guān)節(jié)角速度的判斷，得到當(dāng)前下肢所處的步態(tài)相位。本發(fā)明的步態(tài)相位判別方法通過安裝在大腿，小腿和腳面上的三個角度傳感器采集角度信息，完成對下肢的相位判斷，能夠更簡便且準(zhǔn)確判斷下肢的步態(tài)相位，提高假肢膝關(guān)節(jié)控制的快速性和準(zhǔn)確性。
文檔編號A61B5/11GK103083027SQ201310009489
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月10日
發(fā)明者李娟 , 李偉達(dá), 王文俊, 胡海燕, 李春光 申請人:蘇州大學(xué)