[發(fā)明專利]一種用于可穿戴式設備的人體擺動期膝關節(jié)力矩測量方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 202110361463.0
• 申請日: 2021-04-02
• 公開（公告）號: CN113017609A
• 公開（公告）日: 2021-06-25
• 發(fā)明（設計）人: 劉相志;王磊;谷雨;韓翔宇;劉濤;王新蕊;李小奇;李鵬杰
• 申請（專利權）人: 浙江大學;中國兵器裝備集團兵器裝備研究所
• 主分類號: A61B5/107
• 分類號: A61B5/107;A61B5/11;A61B5/22;A61B5/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 傅朝棟;張法高

1.一種用于可穿戴式設備的人體擺動期膝關節(jié)力矩測量方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1：利用佩戴于兩小腿腳踝外側上方的兩個可穿戴式設備識別用戶行走過程中的擺動期，并測量人體矢狀面內小腿角度以及踝關節(jié)X軸、Y軸位移；

S2：通過對兩只小腿的重心運動方程二次求導，得出兩只小腿重心的運動加速度，再利用牛頓第二定律分別求得膝關節(jié)對兩只小腿重心處的作用力；基于測量或計算得到的當前用戶的小腿重量、轉動慣量、踝關節(jié)至小腿重心的直線距離、膝關節(jié)至小腿重心的直線距離，代入小腿力矩平衡方程，求得兩只小腿擺動期內的膝關節(jié)力矩。

2.如權利要求1所述的用于可穿戴式設備的人體擺動期膝關節(jié)力矩測量方法，其特征在于，所述S2中，兩只小腿擺動期內的膝關節(jié)力矩計算過程包括以下步驟：

S21：計算擺動期內小腿重心的X軸加速度a_x和Y軸加速度a_y：

a_x＝(d_x+l_ca·sinθ)″

a_y＝(d_y+l_ca·cosθ)″

式中：d_x、d_y分別為踝關節(jié)X軸位移、踝關節(jié)Y軸位移，θ為小腿角度，l_ca為踝關節(jié)至小腿重心的直線距離，″為對時間兩次求導；

S22：計算擺動期內膝關節(jié)在X軸、Y軸方向上對小腿的作用力：

F_x＝m·a_x

F_y＝m·(a_y+g)

式中：F_x、F_y分別為膝關節(jié)在X軸、Y軸方向上對小腿的作用力，m為小腿質量，g為重力加速度；

S23：根據(jù)小腿力矩平衡方程計算擺動期內膝關節(jié)力矩：

式中：T為膝關節(jié)力矩，為小腿的角加速度，等于小腿角度的兩次導數(shù)，R為小腿的轉動慣量，l_ck為膝關節(jié)至小腿重心的直線距離。

3.如權利要求2所述的用于可穿戴式設備的人體擺動期膝關節(jié)力矩測量方法，其特征在于，所述小腿質量、轉動慣量、踝關節(jié)至小腿重心的直線距離、膝關節(jié)至小腿重心的直線距離均通過用戶身高和體重計算得到：

m＝k_m·m_b

R＝m·(k_R·H)²

l_ca＝k_ca·H

l_ck＝k_ck·H

式中：k_m、k_R、k_ca、k_ck為比例參數(shù)，m_b為用戶體重，H為用戶身高。

4.如權利要求1所述的用于可穿戴式設備的人體擺動期膝關節(jié)力矩測量方法，其特征在于，所述用于可穿戴式設備的人體髖關節(jié)位移測量方法包括相連的單片機和慣性傳感器，慣性傳感器包含三維加速度計以及三維角速度計。

5.如權利要求4所述的用于可穿戴式設備的人體擺動期膝關節(jié)力矩測量方法，其特征在于，所述慣性傳感器為基于MPU6050芯片的慣性傳感器。

6.如權利要求1所述的用于可穿戴式設備的人體擺動期膝關節(jié)力矩測量方法，其特征在于，所述兩個可穿戴式設備佩戴于兩小腿腳踝外側上方2～4cm。

7.如權利要求1所述的用于可穿戴式設備的人體擺動期膝關節(jié)力矩測量方法，其特征在于，所述兩個可穿戴式設備的采樣頻率不低于100Hz。