[發明專利]一種視觸融合的全身步態運動模型的建模方法及應用

有效

• 申請號: 202011391191.0
• 申請日: 2020-12-02
• 公開（公告）號: CN112488000B
• 公開（公告）日: 2022-08-09
• 發明（設計）人: 戴士杰;李昱;李慨;霍云蕊
• 申請（專利權）人: 河北工業大學
• 主分類號: G06V40/20
• 分類號: G06V40/20;G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 天津翰林知識產權代理事務所(普通合伙) 12210
• 代理人: 付長杰

1.一種視觸融合的全身步態運動模型的建模方法，該建模方法包括以下步驟：

對全身骨骼結構進行簡化，構建建模環境時，將人體分為了11個剛體，包括左右足部、左右小腿、左大腿、左右小臂、左右大臂以及頭和胸腹部；將人體的運動關節看作鉸鏈，人體骨架由鉸鏈連接構成；單個身體結構質心等效在兩關節連線上；正常行走過程中四肢的擺動在空間任意位置，不限定擺動平面，上半身的頭部、胸部和腹部在步態運動過程中相對運動幅度較小，看做一個整體；雙髖關節支座垂直于人體軸心做旋轉運動；

建立關于人體步態運動的觸覺特征模型，人體受力分解為身體各個部分的質量與其質心位置的豎直方向的加速度的乘積之和，即觸覺特征模型；加速度a的獲得需要通過視覺圖像獲得每個部分的關節角，

在求取上半身各部分質心加速度時，上半身的頭部、腹部、胸部和髖部相對運動幅度小，在求取加速度時，上半身的頭部、腹部、胸部和髖部在豎直方向上的加速度相同，并且在求取左右臂的質心加速度時，以左右肩部作為求取的起點，以此求取左右大臂和左右小臂的質心加速度；

將觸覺特征模型的加速度用各部分關節角和各部分質心連線之間的關系表示，獲得視觸全身步態運動模型。

2.根據權利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述視觸全身步態運動模型為：

式中，各個骨骼的質心在關節點的連線上，θ為對應各關節點的連線并且指向近端關節點的向量與豎直方向的夾角；ε為占對應骨骼長度比例，即各部分質心，l表示對應身體各部分長度；m為對應各個部分的質量；下標1-10分別表示左足部、左小腿、左大腿、右大腿、右小腿、右足部、左大臂、左小臂、右大臂、右小臂；不包括左右臂的上半身的總質量為m₀；為角加速度；Ny為地面的反作用力，Mg為人體自身的重力。

3.一種權利要求1所述的建模方法的應用，其特征在于，將視觸全身步態運動模型進行矩陣化處理，矩陣化結果為：

式中矩陣M人體各個部分質量的矩陣，矩陣ξ為關于人體各個部分質心的矩陣，矩陣W為人體各個部分速度和加速度的矩陣，矩陣L為關于人體各個部分長度的矩陣，矩陣F表示人體在豎直方向的受力的矩陣；

通過Kinect v2獲得人體步態運動的深度圖像數據流以及25個關節的空間三維坐標，其中25個關節包括左右跖骨關節、左右踝關節、左右膝關節、左右髖關節、脊柱底部、脊柱中部、肩膀中部、頸部、頭部、左右肩關節、左右肘關節、左右腕關節、左右拇指關節、左右指尖、左右掌指關節，通過這些特征用來求取人體各部分質心、長度、以及運動角速度和角加速度；

通過腳底壓力采集系統Walkway Metric 3150TL獲得人體步態運動中足底壓力，從中提取矩陣F的地面支反力N_y；Kinect v2和Walkway Metric 3150TL設置相同的采樣頻率，每一幀視覺特征對應每一幀觸覺特征。

4.根據權利要求3所述的應用，其特征在于，質心矩陣ξ，在計算四肢質心時，認為小臂、大臂、大腿、小腿的質心在其關節連線上，并且將其看做均勻密度，各部分等效為圓臺進行質心計算；由于圓臺關于軸線旋轉對稱，所以圓臺上所有平行于上下底面的橫截面的重心都在圓心連線上，這樣可以把這些橫截面的質量假設在它自身的重心上，將求圓臺的重心的三維問題轉化為了求一維線性體重心問題；在視覺圖像上獲取相應部分的始末端橫截面，記截面積小的一端的圓心為O₁，記截面積大的一端的圓心為原點O₂，O₁O₂為X軸建立坐標系，根據Kinect得到的身體對應部分邊緣坐標點，設某部分線性體的四個端點分別為a₁(X₁,Y₁)、a₂(X₂,Y₂)、a₃(X₃,Y₃)、a₄(X₄,Y₄)，則得到圓臺的上下底面直徑r₁，r₂；

軸線與母線的夾角α：

設線性體的線密度是X的函數ρ(X)，線性體的長度為S，則：

ρ(X)＝ρ₀π(r₁/2+Xtgα)²

圓臺重心的位置L_C：

則質心ε公式為：

S為線性體的長度即四肢的長度S＝l，α為圓臺軸線O₁O₂與母線的夾角,L_C為圓臺重心的位置。