[發(fā)明專利]一種穿戴式多維步態(tài)分析系統(tǒng)及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110574316.1
• 申請(qǐng)日: 2021-05-25
• 公開（公告）號(hào): CN113273999B
• 公開（公告）日: 2023-08-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張娟娟;韓建達(dá);陳建宇;靖智搏
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南開大學(xué)
• 主分類號(hào): A61B5/11
• 分類號(hào): A61B5/11;A61B5/103;A61B5/389;A61B5/00
• 代理公司: 哈爾濱市松花江聯(lián)合專利商標(biāo)代理有限公司 23213
• 代理人: 高志光

1.一種穿戴式多維步態(tài)分析方法，其特征在于：包含如下步驟：

傳感器穿戴，兩個(gè)壓力傳感器放置在兩個(gè)鞋內(nèi)，壓力傳感器的信號(hào)排線沿腳后跟從鞋后伸出，連接至腳腕處的數(shù)據(jù)采集盒；慣性測(cè)量傳感器分別安裝在腰部、兩側(cè)大腿、兩側(cè)小腿和兩側(cè)足部上；多對(duì)表面肌電傳感器分別安裝在比目魚肌、脛骨前肌、股直肌和股二頭肌處表面；

步態(tài)數(shù)據(jù)測(cè)量，受試者行走，所有的傳感器均通過微處理器將數(shù)據(jù)以無線方式發(fā)送給上位機(jī)；

預(yù)處理，上位機(jī)采集通過數(shù)據(jù)路由器接收來自壓力傳感器、慣性測(cè)量傳感器和表面肌電傳感器的數(shù)據(jù)，首先對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理獲得步態(tài)分析需要的變量；

通過求取16個(gè)足底壓力測(cè)量點(diǎn)的壓力總和得到z軸方向上的地反力，通過對(duì)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)壓力和坐標(biāo)加權(quán)平均得到足底壓力中心：

其中，F(xiàn)_i表示壓力傳感器的每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的壓力測(cè)量值，X_i和Y_i為每個(gè)壓力傳感器的相對(duì)于踝關(guān)節(jié)在鞋墊上投影的相對(duì)坐標(biāo)，

慣性測(cè)量傳感器采集的三軸加速度和三軸角速度數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)融合算法解算出姿態(tài)角度：

其中，acc_i和gyro_i分別為測(cè)量的加速度和角度，θ_i為通過數(shù)據(jù)融合得到的姿態(tài)角度，K為濾波系數(shù)，取0.05；

根據(jù)X軸和Y軸加速度和各肢體重量分布加權(quán)平均得到環(huán)境對(duì)人體的X軸和Y軸的作用力：

其中，和為慣性測(cè)量傳感器測(cè)量的腰部、兩側(cè)大腿、兩側(cè)小腿、兩側(cè)足部的X軸和Y軸的加速度，m_i為每段肢體的重量；表面肌電傳感器采集的原始肌電信號(hào)首先通過20Hz的4階巴特沃斯高通濾波器濾除硬件電路的直流偏置，接著對(duì)信號(hào)進(jìn)行整流求取信號(hào)的絕對(duì)值，再通過6Hz的4階巴特沃斯低通濾波器得到肌電信號(hào)的包絡(luò)線，最后根據(jù)肌電信號(hào)的最大值將信號(hào)歸一化到0到1之間；

多維步態(tài)分析，根據(jù)所述變量進(jìn)行多維度步態(tài)分析；

首先根據(jù)下肢各肢體的姿態(tài)角度求解逆運(yùn)動(dòng)學(xué)，得到髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)在矢狀面上的關(guān)節(jié)角度：

其中分別為慣性傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理后的各肢體在矢狀面上的角度，是各關(guān)節(jié)角度的校準(zhǔn)值；

求解步態(tài)運(yùn)動(dòng)的逆動(dòng)力學(xué)；

θ＝[θ_hip，R，θ_hip，L，θ_knee，R，θ_knee，L，θ_ankle，R，θ_ankle，L]^T

τ＝[τ_hip，R，τ_hip，L，τ_knee，R，τ_knee，L，τ_ankle，R，τ_ankle，L]^T

F_contact＝[F_x，R，F(xiàn)_x，L，F(xiàn)_y，R，F(xiàn)_y，L，F(xiàn)_z，R，F(xiàn)_z，L]^T

其中M(θ)，G(θ)，J(θ)分別為質(zhì)量矩陣、向心力向量、重力向量以及地反力力臂矩陣，均為模型參數(shù)；

θ，為逆運(yùn)動(dòng)學(xué)得到的關(guān)節(jié)角度以及對(duì)其求導(dǎo)得到的角速度和角加速度，F(xiàn)_contact為測(cè)量得到的地反力，τ為所求解的關(guān)節(jié)力矩；

在逆動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上，計(jì)算肌肉的控制作用，包括肌肉激活度和肌肉收縮力，首先定義第k+1時(shí)刻的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；

J_k+1＝ω_F||τ(k+1)-R(θ(k+1))·F_muscle(k+1)||+ω_a||a(k+1)||+ω_e||e(k+1)-Ha(k+1)||

其中，τ為逆動(dòng)力學(xué)所求解的關(guān)節(jié)力矩，F(xiàn)_muscle為簡(jiǎn)化人體肌肉骨骼模型中所有肌肉的肌肉收縮力，R(θ)為肌肉對(duì)關(guān)節(jié)的作用力臂；a為所有肌肉的激活度，e為測(cè)量得到的部分肌肉的肌電信號(hào)，H為模型肌肉到測(cè)量肌肉的映射關(guān)系；

F_muscle進(jìn)一步滿足如下公式，f表示肌肉收縮動(dòng)力學(xué)模型，通過生理學(xué)建模得到：

通過如下優(yōu)化問題，得到運(yùn)動(dòng)的肌肉激活特性和肌肉收縮力：