[發(fā)明專(zhuān)利]一種可適應(yīng)變步頻行走的步態(tài)相位識(shí)別方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010908495.3
• 申請(qǐng)日: 2020-09-02
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114190921A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-03-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙新剛;談曉偉;張弼;趙明;姚杰
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所
• 主分類(lèi)號(hào): A61B5/11
• 分類(lèi)號(hào): A61B5/11;A61B5/103;A61B5/00
• 代理公司: 沈陽(yáng)科苑專(zhuān)利商標(biāo)代理有限公司 21002
• 代理人: 許宗富

本發(fā)明涉及一種可適應(yīng)變步頻行走的步態(tài)相位識(shí)別方法，通過(guò)將慣性測(cè)量單元放置在足部來(lái)采集人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)；設(shè)計(jì)可依據(jù)步頻、幅值特征進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)自調(diào)整的足部極值檢測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)足部運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)極值點(diǎn)特征的穩(wěn)定提取；設(shè)計(jì)融合自適應(yīng)振蕩器的足部零速檢測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)足部零速狀態(tài)特征的精確提取；利用有限狀態(tài)機(jī)來(lái)對(duì)所提取的足部特征值進(jìn)行歸類(lèi)分析，從而實(shí)現(xiàn)在變步頻的行走模式下，對(duì)足部觸地相、站立相、站立末相與預(yù)擺動(dòng)相四個(gè)相位的精確識(shí)別。本發(fā)明使得對(duì)足部步態(tài)相位的識(shí)別過(guò)程不再局限于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下以及固定步頻的行走模式，有效提升了復(fù)雜環(huán)境與運(yùn)動(dòng)模式下的步態(tài)相位識(shí)別準(zhǔn)確度，有助于步態(tài)分析在醫(yī)療康復(fù)與康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及生物信號(hào)識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可適應(yīng)變步頻行走的步態(tài)相位識(shí)別方法。

背景技術(shù)

隨著可穿戴技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的智能可穿戴設(shè)備被研制出來(lái)，用于全天候、全方位地記錄與監(jiān)測(cè)人體各項(xiàng)生理信息。人體步態(tài)特性作為人體生理信息的一種常發(fā)生異態(tài)化，因此人體步態(tài)相位特性的識(shí)別與檢測(cè)具有重要的意義。

步態(tài)相位作為人體步態(tài)特征的重要組成部分，常被用于診斷運(yùn)動(dòng)障礙人群的疾病程度，而步態(tài)相位的識(shí)別也常應(yīng)用于康復(fù)機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中，旨在提升康復(fù)機(jī)器人的主動(dòng)感知能力。步態(tài)相位的識(shí)別工作主要分為兩部分，分別為可穿戴傳感器的設(shè)計(jì)以及識(shí)別算法的研究。可穿戴傳感器方面目前普遍采用的是足底壓力傳感器與慣性測(cè)量單元，足底壓力傳感器可以弱化識(shí)別算法的研究難度，簡(jiǎn)化步態(tài)相位的識(shí)別過(guò)程，但是穩(wěn)定性較差、壽命短，難以滿(mǎn)足長(zhǎng)期使用的需求；而慣性測(cè)量單元穿戴方便，硬件成熟度較高，且可以實(shí)時(shí)測(cè)量人體足部的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，但該數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性易受人體運(yùn)動(dòng)模式與行走環(huán)境的影響，因此難以設(shè)計(jì)出穩(wěn)定有效的步態(tài)相位識(shí)別算法。而在識(shí)別算法方面，目前已有的人體步態(tài)相位識(shí)別方法普遍缺乏對(duì)應(yīng)用環(huán)境的適應(yīng)能力，如當(dāng)受試者以變化的步頻行走時(shí)，已有的方法難以適應(yīng)這種變步頻的行走模式，從而無(wú)法對(duì)該受試者的步態(tài)相位進(jìn)行穩(wěn)定的識(shí)別與分割。因此，即便慣性測(cè)量單元可以方便、快捷的提供有效數(shù)據(jù)，但目前識(shí)別方法上的不足限制了人體步態(tài)相位分析在醫(yī)療康復(fù)與康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種可適應(yīng)變步頻行走的步態(tài)相位識(shí)別方法，提高了步態(tài)相位識(shí)別在復(fù)雜環(huán)境與運(yùn)動(dòng)模式下的準(zhǔn)確率，無(wú)需人為介入對(duì)識(shí)別方法進(jìn)行離線(xiàn)調(diào)節(jié)，可有效滿(mǎn)足醫(yī)療與機(jī)器人等領(lǐng)域?qū)θ梭w步態(tài)相位進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)與監(jiān)測(cè)等方面的需求。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：

一種可適應(yīng)變步頻行走的步態(tài)相位識(shí)別方法，包括以下步驟：

采集運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的足部步態(tài)數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理；

利用自適應(yīng)極值檢測(cè)算法對(duì)足部矢狀面旋轉(zhuǎn)角以及足部矢狀面旋轉(zhuǎn)角速度的極值點(diǎn)特征進(jìn)行提取；

利用融合自適應(yīng)振蕩器的零速檢測(cè)算法對(duì)足部的零速狀態(tài)特征進(jìn)行估計(jì)；

利用提取的特征值，結(jié)合有限狀態(tài)機(jī)對(duì)足部步態(tài)相位進(jìn)行識(shí)別。

所述運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的足部步態(tài)數(shù)據(jù)是通過(guò)慣性測(cè)量單元采集的，所述慣性測(cè)量單元放置在人體踝關(guān)節(jié)外側(cè)，其在足部運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不與足部產(chǎn)生相對(duì)位移。

所述足部步態(tài)數(shù)據(jù)包括足部矢狀面旋轉(zhuǎn)角度、角速度與加速度。

所述數(shù)據(jù)預(yù)處理包括：對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和方向角估計(jì)；所述濾波采用低通濾波，所述方向角估計(jì)采用梯度下降法。

所述利用自適應(yīng)極值檢測(cè)算法對(duì)足部運(yùn)動(dòng)極值點(diǎn)特征進(jìn)行提取，包括：

1)對(duì)預(yù)處理后的足部數(shù)據(jù)，利用滑動(dòng)窗的首尾數(shù)據(jù)點(diǎn)信息初步檢測(cè)當(dāng)前滑動(dòng)窗是否包含極值點(diǎn)p_n；

2)若包含，則利用自適應(yīng)確認(rèn)增益對(duì)初步檢測(cè)到的極值點(diǎn)進(jìn)行判斷，若極值點(diǎn)或則當(dāng)前極大值點(diǎn)或極小值點(diǎn)被確認(rèn)，迭代更新極值窗，否則返回步驟1)重新搜索；