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

在審

• 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(shè)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(quán)）人: 浙江大學(xué);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(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)備的人體擺動期膝關(guān)節(jié)力矩測量方法，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的膝關(guān)節(jié)擺動期力矩，用于評價用戶步態(tài)。本發(fā)明利用慣性傳感器單元采集的角速度、加速度數(shù)據(jù)，計算并輸出用戶的擺動期膝關(guān)節(jié)力矩。本發(fā)明使用方便，不受場地限制，成本低廉，可以高精度對用戶的擺動期膝關(guān)節(jié)力矩進行測量，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)備的人體擺動期膝關(guān)節(jié)力矩測量方法。

背景技術(shù)

膝關(guān)節(jié)力矩是反映人類運動能力的重要指標之一，擁有較大的應(yīng)用價值，因此膝關(guān)節(jié)力矩的測量被廣泛研究。大型實驗室測量設(shè)備如光學(xué)式運動捕捉系統(tǒng)、測力臺等等常常用于臨床上的膝關(guān)節(jié)力矩測量，但其存在價格昂貴，受空間限制，使用不便等缺點。可穿戴傳感器作為包括慣性測量單元，超聲波傳感器，微型攝像頭等等，相比于大型實驗室測量步態(tài)參數(shù)的設(shè)備如光學(xué)式運動捕捉系統(tǒng)、測力臺等等，以其小巧、廉價，不受時間、空間限制、易于推廣等優(yōu)點作為新興技術(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膝關(guān)節(jié)力矩。

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)備的人體擺動期膝關(guān)節(jié)力矩測量方法。

本發(fā)明中所涉及的部分名詞含義如下：

擺動期是人走路步態(tài)周期的一個組成部分，如圖1所示，以右腿為例，右腿腳離地向前邁出至腳落地的這段時間為右腿的擺動期。

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，主要運動都發(fā)生在矢狀面內(nèi)。

擺動期膝關(guān)節(jié)力矩為膝關(guān)節(jié)在擺動期內(nèi)所產(chǎn)生的力矩，如圖3所示。

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，定義小腿角度為矢狀面內(nèi)小腿與Y軸的夾角，如圖3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)備的人體擺動期膝關(guān)節(jié)力矩測量方法，其包括以下步驟：

S1：利用佩戴于兩小腿腳踝外側(cè)上方的兩個可穿戴式設(shè)備識別用戶行走過程中的擺動期，并測量人體矢狀面內(nèi)小腿角度以及踝關(guān)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(dǎo)，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(guān)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(zhuǎn)動慣量、踝關(guān)節(jié)至小腿重心的直線距離、膝關(guān)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(nèi)的膝關(guān)節(jié)力矩。

作為優(yōu)選，所述S2中，兩只小腿擺動期內(nèi)的膝關(guān)節(jié)力矩計算過程包括以下步驟：

S21：計算擺動期內(nèi)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(guān)節(jié)X軸位移、踝關(guān)節(jié)Y軸位移，θ為小腿角度，l_ca為踝關(guān)節(jié)至小腿重心的直線距離，″為對時間兩次求導(dǎo)；

S22：計算擺動期內(nèi)膝關(guān)節(jié)在X軸、Y軸方向上對小腿的作用力：

F_x＝m·a_x