[發明專利]一種基于神經網絡的關節角誤差補償實驗裝置及方法

有效

• 申請號: 201711396408.5
• 申請日: 2017-12-21
• 公開（公告）號: CN108478222B
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發明（設計）人: 郭雅靜;朱曉榮;王福德;趙青;黃玉平
• 申請（專利權）人: 北京精密機電控制設備研究所
• 主分類號: A61B5/11
• 分類號: A61B5/11;G06N3/04
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 李晶堯

一種基于神經網絡的關節角誤差補償實驗裝置及方法，涉及穿戴式外骨骼領域；包括4個綁帶、2個安裝板、第一陀螺儀、第二陀螺儀、編碼器和信號采集板；2個安裝板的端處連接，且2個安裝板實現繞連接處旋轉；4個綁帶固定安裝在安裝板的內側側壁上，且每2個綁帶對應一個安裝板；第一陀螺儀固定安裝在上部安裝板的外側壁上；第二陀螺儀固定安裝在下部安裝板的外側壁上；編碼器固定暗轉在2個安裝板連接處的外側壁上；信號采集板固定安裝在第一陀螺儀和編碼器之間；本發明通過事先進行步態行走實驗，獲取學習樣本，訓練神經網絡得到最優的模型參數，穿戴外骨骼后通過穿戴2個陀螺儀和訓練好的神經網絡模型實現膝關節角度的準確測量。

技術領域

本發明涉及一種穿戴式外骨骼領域，特別是一種基于神經網絡的關節角誤差補償實驗裝置及方法。

背景技術

人體步態信息采集系統需要采集人體準確的膝關節角度，多應用于人體運動能力測評、穿戴式外骨骼步態跟蹤控制等方面。康復訓練外骨骼、助殘行走外骨骼、負重外骨骼等外骨骼設備需要人體與外骨骼器械具有協調一致的步態規律，但二者又存在不可去除的差別，因此上述外骨骼設備的穿戴者均需要進行步態信息采集和步態數據的分類、跟蹤與預測等分析，以便實現下肢外骨骼步態跟蹤與控制，并提高其動態穩定性。人體穿戴外骨骼后需要實時測量步態信息，因此需要可穿戴式傳感器裝備對步態信息進行實時測量。目前可用來檢測人體運動步態信息的方法也越來越多，最常用的可穿戴步態信息采集方法主要包括圖像序列解析、肌電信號檢測、角度/角速度檢測和加速度計檢測等。

圖像序列解析，利用計算機視覺技術從圖像序列中檢測運動及運動物體并對其進行運動分析、跟蹤或識別，實時檢測步態數據上成本大、數據處理量大且延時嚴重；肌電信號檢測，通過肌電傳感器檢測人體表面的肌電信號，對其進行運動步態檢測與分析，所用的傳感器及配套裝置價格高，信號識別分類難度大，并且肌電信號檢測受到檢測位置、汗水、溫度等的影響，很容易受到信號干擾，可重復性不高；角度/角速度檢測：通過陀螺儀等角速度傳感器輸出數據進行積分運算，計算人體運動角度，進而進行人體步態跟蹤預測分析等，由于采用積分算法，導致誤差持續累積，使得所求關節角誤差逐漸增大；加速度計檢測方法：利用加速度傳感器檢測重力矢量分量，計算人體肢體運動角度進而進行步態跟蹤和分析運算等，但該方法僅適用于靜態解算，未推廣至動態關節角度解算。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的上述不足，提供一種基于神經網絡的關節角誤差補償實驗裝置及方法，通過事先進行步態行走實驗，獲取學習樣本，訓練神經網絡得到最優的模型參數，穿戴外骨骼后通過穿戴2個陀螺儀和訓練好的神經網絡模型實現膝關節角度的準確測量。

本發明的上述目的是通過如下技術方案予以實現的：

一種基于神經網絡的關節角誤差補償實驗裝置，包括4個綁帶、2個安裝板、第一陀螺儀、第二陀螺儀、編碼器和信號采集板；其中，2個安裝板均為條形板狀結構；2個安裝板的端處連接，且2個安裝板實現繞連接處旋轉；4個綁帶固定安裝在安裝板的內側側壁上，且每2個綁帶對應一個安裝板；第一陀螺儀固定安裝在上部安裝板的外側壁上；第二陀螺儀固定安裝在下部安裝板的外側壁上；編碼器固定暗轉在2個安裝板連接處的外側壁上；信號采集板固定安裝在第一陀螺儀和編碼器之間。

在上述的一種基于神經網絡的關節角誤差補償實驗裝置，誤差補償方法包括如下步驟：

步驟(一)、將誤差補償實驗裝置固定安裝在人體的腿部；其中一個安裝板位于人體大腿外側；另一個安裝板位于人體小腿外側；2個安裝板的連接處位于人體膝蓋的外側；進行人體步態行走試驗，通第一陀螺儀、第二陀螺儀和編碼器進行實時測量；通過信號采集板獲得測量得到第一陀螺儀的輸出gyro₁(t)、第二陀螺儀的輸出gyro₂(t)和編碼器的輸出

步驟(二)、建立雙輸入單輸出的神經網絡結構模型