[發(fā)明專利]一種用于可穿戴式設(shè)備的人體髖關(guān)節(jié)位移測量方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110360687.X
• 申請(qǐng)日: 2021-04-02
• 公開（公告）號(hào): CN113116340B
• 公開（公告）日: 2022-03-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉相志;王磊;劉濤;王新蕊;李小奇;李鵬杰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué);中國兵器裝備集團(tuán)兵器裝備研究所
• 主分類號(hào): A61B5/11
• 分類號(hào): A61B5/11
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 傅朝棟;張法高

本發(fā)明公開了一種用于可穿戴式設(shè)備的人體髖關(guān)節(jié)位移測量方法，屬于可穿戴傳感器領(lǐng)域。該方法可以測量并輸出用戶在行走時(shí)的髖關(guān)節(jié)，用于評(píng)價(jià)用戶行走能力。本發(fā)明利用慣性傳感器單元測量的小腿姿態(tài)角度及踝關(guān)節(jié)位移，計(jì)算用戶的髖關(guān)節(jié)位移。本發(fā)明使用方便，不受場地限制，成本低廉，可以高精度的對(duì)用戶的髖關(guān)節(jié)位移進(jìn)行測量，擁有較高的可靠性以及較好的推廣前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于可穿戴傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種用于可穿戴式設(shè)備的人體髖關(guān)節(jié)位移測量方法。

背景技術(shù)

髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)是反映人類運(yùn)動(dòng)能力的重要指標(biāo)之一，擁有較大的應(yīng)用價(jià)值，因此髖關(guān)節(jié)的位移測量被廣泛研究。大型實(shí)驗(yàn)室測量設(shè)備如光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)、測力臺(tái)等等常常用于臨床上的髖關(guān)節(jié)位移測量，但其存在價(jià)格昂貴，受空間限制，使用不便等缺點(diǎn)?？纱┐鱾鞲衅髯鳛榘☉T性測量單元，超聲波傳感器，微型攝像頭等等，相比于大型實(shí)驗(yàn)室測量步態(tài)參數(shù)的設(shè)備如光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)、測力臺(tái)等等，以其小巧、廉價(jià)，不受時(shí)間、空間限制、易于推廣等優(yōu)點(diǎn)作為新興技術(shù)被廣泛應(yīng)用于步態(tài)測量領(lǐng)域。然而，目前僅有較少研究使用放置在人體下肢部位的可穿戴傳感器測量髖關(guān)節(jié)位移。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種用于可穿戴式設(shè)備的人體髖關(guān)節(jié)位移測量方法。

本發(fā)明中所涉及的部分名詞含義如下：

擺動(dòng)期及支撐期為人走路步態(tài)周期的兩個(gè)組成部分，人的走路步態(tài)周期如圖1所示，以右腿為例，右腳落地是該步態(tài)周期的開始，右腿支撐人體，左腿向前邁出，左腳落地，隨后左腿開始支撐人體，右腳離地，這段時(shí)間為右腿的支撐期；右腳離地后，右腿向前邁出并落地，為右腿的擺動(dòng)期；右腳落地后完成一個(gè)步態(tài)周期。

平足期是指支撐期內(nèi)腳面與地面貼合，踝關(guān)節(jié)幾乎靜止的一段時(shí)間。

跨步長是指人行走過程中同一只腳相鄰著地點(diǎn)之間的距離。

梯度下降法是常用的優(yōu)化方法之一，屬于迭代法的一種，可以用于求解最小二乘問題。

為方便描述，定義矢狀面，如圖2所示，矢狀面是垂直于水平面并將人體分為左右兩部分的面，人在行走時(shí)，主要運(yùn)動(dòng)都發(fā)生在矢狀面內(nèi)。

為方便描述，定義X軸、Y軸，如圖3所示：X軸為矢狀面內(nèi)水平向前方向，Y軸為矢狀面內(nèi)豎直向上方向。

為方便描述，定義小腿姿態(tài)角度為矢狀面內(nèi)小腿與Y軸的夾角，定義大腿姿態(tài)角度為矢狀面內(nèi)大腿與Y軸的夾角，定義對(duì)側(cè)腿姿態(tài)角為身體對(duì)側(cè)的腿(將身體對(duì)側(cè)的小腿和大腿視為一個(gè)整體)與Y軸的夾角，如圖5所示。

本發(fā)明為解決技術(shù)問題，所采用的具體技術(shù)方案如下：

一種用于可穿戴式設(shè)備的人體髖關(guān)節(jié)位移測量方法，其包括以下步驟：

S1：利用佩戴于兩小腿腳踝外側(cè)上方的兩個(gè)可穿戴式設(shè)備識(shí)別用戶行走過程中的支撐期、擺動(dòng)期、平足期和步態(tài)周期，并測量當(dāng)前用戶的小腿姿態(tài)角度、跨步長、踝關(guān)節(jié)X軸位移和踝關(guān)節(jié)Y軸位移；

S2：通過所述小腿姿態(tài)角度、踝關(guān)節(jié)X軸位移、踝關(guān)節(jié)Y軸位移計(jì)算支撐期內(nèi)各時(shí)刻髖關(guān)節(jié)X軸位移和髖關(guān)節(jié)Y軸位移；

S3：基于所述小腿姿態(tài)角度、跨步長、踝關(guān)節(jié)X軸位移和踝關(guān)節(jié)Y軸位移，首先用待定的多項(xiàng)式來表征人體擺動(dòng)期過程中大腿姿態(tài)角度隨時(shí)間的變化曲線，利用處于擺動(dòng)期內(nèi)的當(dāng)前腿對(duì)應(yīng)的大腿姿態(tài)角度、小腿姿態(tài)角度、大腿長度和小腿長度，計(jì)算出擺動(dòng)期內(nèi)髖關(guān)節(jié)的X軸和Y軸位移；利用人體在所述當(dāng)前腿處于擺動(dòng)期時(shí)身體對(duì)側(cè)腿處于支撐期且身體對(duì)側(cè)膝關(guān)節(jié)無彎曲的假設(shè)，計(jì)算所述當(dāng)前腿的對(duì)側(cè)腿姿態(tài)角度；再利用對(duì)側(cè)腿姿態(tài)角度和對(duì)側(cè)腿的長度，計(jì)算對(duì)側(cè)腿的髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)X軸和Y軸位移，將兩腿的髖關(guān)節(jié)位移做差，利用人體運(yùn)動(dòng)能量總是取最小原理，迭代優(yōu)化所述多項(xiàng)式的待定系數(shù)，直至兩腿髖關(guān)節(jié)位移差最小，利用優(yōu)化迭代后的大腿姿態(tài)角度隨時(shí)間的變化曲線，求得當(dāng)前用戶擺動(dòng)期內(nèi)的髖關(guān)節(jié)X軸位移和髖關(guān)節(jié)Y軸位移。