[發明專利]一種外骨骼足底交互力信號快速校準系統及方法

有效

• 申請號: 201710479614.6
• 申請日: 2017-06-22
• 公開（公告）號: CN107369182B
• 公開（公告）日: 2020-05-01
• 發明（設計）人: 常遠
• 申請（專利權）人: 北京機械設備研究所
• 主分類號: G06T7/73
• 分類號: G06T7/73;G06K9/00;G06K9/32;G06K9/40;G06K9/44
• 代理公司: 北京天達知識產權代理事務所(普通合伙) 11386
• 代理人: 龐許倩;馬東偉

1.一種外骨骼足底交互力信號快速校準系統，其特征在于，包括：原始數據存儲模塊(1)、濾波器(2)、平滑數據存儲模塊(3)、目標區間存儲模塊(4)、特征提取模塊(5)、特征數據存儲模塊(6)、數據校準模塊(7)和校準的交互力存儲模塊(8)；所述原始數據存儲模塊(1)用來存儲足底交互力原始數據；所述濾波器(2)對所述原始數據進行濾波操作；所述平滑數據存儲模塊(3)用來存儲經過濾波操作的數據；所述目標區間存儲模塊(4)用來存儲目標區間數據，所述目標區間是將所述原始數據的變化區間進行線性標度變換所映射到的數據區間；所述特征提取模塊(5)將所述濾波后的數據以所述目標區間數據為映射目標，經特征提取操作得到特征數據；所述特征數據存儲模塊(6)用來存儲所述特征數據，所述特征數據包括平穩特征x_i,base、倍數調節特征x_i,mag和偏差調節特征x_i,err，所述平穩特征x_i,base是外骨骼未被穿戴時，足底交互力傳感器處于空載狀態，足底交互力x_i的長時間平穩值；所述倍數調節特征x_i,mag為將足底交互力x_i從實際范圍[a_i,b_i]進行線性標度變換至目標區間[x_min,x_max]所需要進行乘運算的倍數；所述偏差調節特征x_i,err是將線性標度變換后結果進行微調的數據值；所述數據校準模塊(7)使用所述特征數據對所述濾波后的數據進行快速校準操作；所述校準的交互力存儲模塊(8)用來存儲經過數據校準操作的足底交互力數據；

平穩特征x_i,base是在足底交互力傳感器處于空載時，所述平滑后的足底交互力數據x_i的平均值；

倍數調節特征x_i,mag＝(x_max-x_min)/(b_i-a_i)，所述x_max為目標區間的最大值，所述x_min為目標區間的最小值，所述b_i為所述平滑后的足底交互力數據x_i的最大值，所述a_i為所述平滑后的足底交互力數據x_i的最小值；

偏差調節特征x_i,err是平滑后的足底交互力數據x_i變換到目標區間后的最小值與目標區間的最小值x_min之間的差值；

所述數據校準模塊(7)的校準操作方法為：x_i,t＝(x_i-x_i,base)*x_i,mag-x_i,err，所述x_i,t表示第i個校準后的足底交互力數據。

2.根據權利要求1所述的快速校準系統，其特征在于，所述特征數據存儲模塊(6)包括平穩數據變量存儲模塊(61)、倍數調節變量存儲模塊(62)和偏差調節變量存儲模塊(63)；所述平穩數據變量存儲模塊(61)存儲平穩特征，所述倍數調節變量存儲模塊(62)存儲倍數調節特征，所述偏差調節變量存儲模塊(63)存儲偏差調節特征。

3.根據權利要求1所述的快速校準系統，其特征在于，所述足底交互力原始數據為足底壓力采集裝置中每個傳感器的采樣數據構成的數據幀，在進行特征提取時，所述數據幀長度為覆蓋1～2個完整步態周期采樣點數據；在線校準應用時，所述數據幀長度為3～15個采樣點數據。

4.根據權利要求2所述的快速校準系統，其特征在于，所述濾波器(2)對所述足底交互力原始數據采用時域滑動平均濾波方式進行濾波操作，得到平滑后的足底交互力數據x_i，所述i的取值范圍為1至n，所述n為足底交互力傳感器的個數。

5.一種外骨骼足底交互力信號快速校準系統的快速校準方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟S1、預先校準，提取平穩特征、倍數調節特征和偏差調節特征；

所述步驟S1包括以下子步驟：

步驟S101、在空載狀態下，將從足底壓力采集裝置采集的原始足底交互力數據存入原始數據存儲模塊(1)，再采用濾波器(2)進行濾波操作后，將平滑后的足底交互力數據存入平滑數據存儲模塊(3)；

步驟S102、將所述平滑數據存儲模塊(3)中的平滑后的左腳、右腳的各個數據在特征提取模塊(5)分別進行均值處理得到平穩特征，存入平穩數據變量存儲模塊(61)；

平穩特征x_i,base是在足底交互力傳感器處于空載時，所述平滑后的足底交互力數據x_i的平均值；

步驟S103、人員穿戴外骨骼完畢，在無驅動力條件下行走并采集數據左腳、右腳的各個交互力傳感器數據，將采集后的數據存儲到原始數據存儲模塊(1)，經過所述濾波器(2)后，將結果存入平滑數據存儲模塊(3)；

步驟S104、從所述平滑數據存儲模塊(3)平滑的足底交互力數據中獲取行走數據特征，包括每個足底交互力傳感器的最大值、最小值，倍數調節特征，偏差調節特征；將所述倍數調節特征存儲在倍數調節變量存儲模塊(62)；將偏差調節特征存儲在偏差調節變量模塊(63)；

倍數調節特征x_i,mag＝(x_max-x_min)/(b_i-a_i)，所述x_max為目標區間的最大值，所述x_min為目標區間的最小值，所述b_i為所述平滑后的足底交互力數據x_i的最大值，所述a_i為所述平滑后的足底交互力數據x_i的最小值；

所述偏差調節特征x_i,err是平滑后的足底交互力數據x_i變換到目標區間后的最小值與目標區間的最小值x_min之間的差值；

步驟S2、退出預先校準，進入在線校準處理；

步驟S201、將在線采集的原始足底交互力數據進行時域滑動平均濾波操作，存入所述平滑數據存儲模塊(3)；

步驟S202、在所述步驟S102、S104得到的平穩特征、倍數調節特征和偏差調節特征的控制下，將所述數據存儲模塊(3)中的平滑后的足底交互力數據轉換到目標區間，在所述平穩特征、所述倍數調節特征變和所述偏差調節特征的控制下，完成數據校準工作后，將所述校準后的足底交互力數據存入校準的交互力存儲模塊(8)；

所述數據校準操作方法為：x_i,t＝(x_i-x_i,base)*x_i,mag-x_i,err，所述x_i,t表示第i個校準后的足底交互力數據。