一种人体踝关节跖屈相位检测系统及方法技术方案

本发明专利技术是一种人体踝关节跖屈相位检测系统及方法。该系统包括信号采集和数据处理单元，信号采集单元检测人体踝关节相位变换状态，向上位机提供指令，实时采集踝关节运动的角速度信息；数据处理单元对此信息做积分运算，获得每一采样时刻的方向矩阵，并采用主元分析法解算出跖屈相位的主方向变化。该方法是：采用触点开关来检测人体踝关节在步态中的相位转化，在跖屈相位结束时对积分运算结果清零，以此来消除累积误差；采用主元分析法对获得的三维数据进行降维处理，获得跖屈相位的二维主平面，以此来消除安装过程中需根据人体踝关节运动平面校对陀螺仪位置所带来的不便。本发明专利技术以更低的成本，提供更稳定、精确的人体踝关节跖屈相位检测结果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及人体步态信息检测方法，特别是涉及一种踝关节跖屈相位检测方法。
技术介绍
有效地检测踝关节跖屈相位对人体行走分析、行走助力及双足机器人行走控制等 具有重要意义。目前可用于跖屈相位检测的方法主要有4种：肌电检测法，摄像捕捉检测 法，角位移传感器检测法，陀螺仪检测法。 肌电检测法采用从皮肤表面获取肌电信号，间接检测跖屈相位。这种方法以人体 行走过程中小腿肌肉的节律性激活变化为基础，建立起测量值与待测值的映射关系。由于 人体行走的动态过程会受到诸多因素的影响，精准模型的建立异常困难，很难正确捕捉映 射关系。此外人体出汗会对肌电信号的测量产生影响，且长期贴附电极在皮肤表面会使运 动者产生不适。 摄像捕捉检测法是利用高速摄像机拍摄下肢运动轨迹，从而直接解算出跖屈相 位，其不与人体接触，不约束人体运动，测量精度高，但运动空间和环境受限，抗干扰能力 差，设备昂贵，不易用于控制。 角位移传感器检测法是将角位移传感器与踝关节并行安装，比较适合检测背屈相 位信息。这种方法虽成本低廉，但由于人体差异及骨骼系统的复杂性，很难定位踝关节旋转 中心。此外每个人行走时脚掌姿势也不尽相同，很难将传感器准确安装在踝关节运动平面 上内，导致结果不够精确。 陀螺仪检测法将陀螺仪安装在脚背处，可获得踝关节的三维运动姿态。但是，廉价 的MEMS陀螺仪累计误差非常大，高精度陀螺仪的质量太大、价格太高。而且需要将陀螺仪 坐标系小心对准踝关节旋转方法，方能获得跖屈相检测结果。 可见目前跖屈相位检测，缺少稳定、精确和廉价的方法与装置。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种稳健的人体踝关节跖屈相位检测装置， 以便解决现有技术中代价高、精度低和累积误差大等问题。 本专利技术解决其技术问题采用以下的技术方案： 本专利技术提供的人体踝关节跖屈相位检测系统，包括信号采集单元和数据处理单 元。所述信号采集单元用于检测人体踝关节相位变换状态，向上位机提供控制指令，实时采 集踝关节运动的角速度信息，同时将该信息无线传输到数据处理单元。所述数据处理单元 对收到的信息做积分运算，获得每一采样时刻的方向矩阵，并采用主元分析法解算出跖屈 相位的主方向变化。 所述信号采集单元，由微控制单元和与之相连的触点开关、陀螺仪、通信模块组 成。 所述陀螺仪只用一个，该陀螺仪置于脚面上，通过数据线连接于微控制单元，用于 检测踝关节角速度。 所述触点开关有两个，其中一个触点开关置于脚跟位置，另外一个触点开关置于 脚尖位置，分别通过数据线连接于微控制单元，用于采集足底压力信号。 所述微控制单元，置于目标位置即脚背面上，并通过绑缚在鞋上的塑料框架加以 固定；其采集到的数据通过485总线形式传输到通信模块上进行无线通信。 所述通信模块，采用两个具有自组网功能的ZigBee模块；两个ZigBee模块分别与 MCU及上位机相连接，通过其自组网方式，将与MCU相连接的ZigBee作为从机，与上位机相 连接的ZigBee作为主机，建立起无线网络。 所述数据处理单元采用计算机，其为上位机。 本专利技术提供的人体踝关节跖屈相位检测方法，具体是：采用触点开关来检测人体 踝关节在步态中的相位转化，在跖屈相位结束时对积分运算结果清零，以此来消除累积误 差；采用主元分析法对获得的三维数据进行降维处理，获得跖屈相位的二维主平面，以此来 消除安装过程中需根据人体踝关节运动平面校对陀螺仪位置所带来的不便。 所述人体踝关节跖屈相位检测方法，其包括以下步骤： 第一步，使用者穿戴安装有所述人体踝关节跖屈相位检测装置的鞋于平地上行走 几步；同时所述人体踝关节跖屈相位检测系统对行走过程中采集到的数据进行处理，获得 每一采样点处的旋转矩阵与方向向量，并采用主元分析法获得跖屈相位二维主平面，显示 计算完成信息； 第二步，使用者即可连续在平地上行走，所述检测方法将检测到的方向向量投影 于第一步所得主平面内，通过三角函数，实时计算出所需的跖屈相位角。 本专利技术与现有技术相比，主要有以下的有益效果： 1.可以简单有效的清除随机漂移等因素带来的累积误差。 本专利技术针对传统的MEMS陀螺仪检测法累积误差大的问题，通过安置两个触点开 关，判断跖屈相的起点和终点。在跖屈驱动相初始对采集到数据进行积分运算，在跖屈控制 相结束时对前述积分结果清零消除累积误差。由于从跖屈驱动相、摆动相到跖屈控制相的 时间相对较短，期间陀螺仪的累积误差可以忽略，可获得较高检测精度。传统MEMS陀螺仪 随机漂移误差补偿多采用Kalman滤波法，但Kalman法需要知道信号的激励噪声和观测噪 声的方差，实际应用中较难获得这两种参数；以预建立模型方式消除误差则取决于所建立 模型的精度。人体步态具有很强的周期性，在平稳路面行走时，每一步态周期内跖屈相位角 从〇度（与地面平行）变化一个周期回到〇度（与地面平行），采用本专利技术所提供的方法可 以简单有效的清除随机漂移等因素带来的累积误差。 2.在不加入任何机械约束的条件下，可以更有效得测量人体跖屈相位角，且不会 带来任何行动上的不便。 本专利技术采用主元分析方法，简单有效的获取三维旋转运动中跖屈相位的主要变化 方向，避免对陀螺仪进行繁杂的安装和对准操作。通常的三维运动需要用欧拉角或四元数 描述。将跖屈相变化投影到二维平面，可用一个变量描述。因为人体行走过程主要发生在 矢状面内，因此上述投影过程不仅简化了变量描述，且不会显著降低检测精度。传统踝关节 角度测量多采用机械方式，将角度传感器安装于踝关节侧。这种方式很难保证仪器的旋转 中心与人体实际踝关节旋转中心平行，此外人体行走时，踝关节旋转中心也产生一定的蹿 移，固定在踝关节的测量装置会对人体行走带来一定的干扰，产生不便。本专利技术所提出的方 法，在不加入任何机械约束的条件下，可更有效得测量人体跖屈相位角，且不会带来任何行 动上的不便。 3.制作成本低： 本专利技术所涉及硬件系统相对于其它传统检测方法成本低。肌电测量产品，诸如 Biometrics等，售价在几万到十几万；主流的人体运动捕捉分析系统VIC0N报价百万；高精 度的惯性传感器，如Xsens公司的MTx系列传感器售价2万左右。本专利技术所涉及到的硬件 成本主要集中在陀螺仪芯片及周边硬件上，制作成本百元以内，明显低于以上三种方案。【附图说明】 图1为踝关节跖屈相位检测方法的系统框图； 图2为本专利技术的应用示例； 图3为踝关节步态周期内的步态变化； 图4为相位检测时序图。 图中：1.陀螺仪；2.踝关节；3.触点开关；4.触点开关；5.数据处理单元。【具体实施方式】 下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步的详细说明。 本专利技术提供的人体踝关节跖屈相位检测方法，是通过图1和图2所示的系统实现 的，该方法可以对使用者的踝关节相位信息进行稳健、实时检测。 本专利技术提供的人体踝关节跖屈相位检测系统，如图1和图2所示，包括信号采集单 元和数据处理单元，其中：信号采集单元用于检测人体踝关节相位变换状态，向上位机提供 控制指令，实时采集踝关节运动的角速度信息，同时将该信息无线传输到数据处理单元；数 据处理单元对收到的信息做积分运算，获得每一采样时刻的方向矩阵，并采用主元分析法 解算出跖屈相位的主方向变化。 所述信号采集单元，由触点开关、陀螺本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种人体踝关节跖屈相位检测系统，其特征在于包括信号采集单元和数据处理单元，其中：信号采集单元用于检测人体踝关节相位变换状态，向上位机提供控制指令，实时采集踝关节运动的角速度信息，同时将该信息无线传输到数据处理单元；数据处理单元对收到的信息做积分运算，获得每一采样时刻的方向矩阵，并采用主元分析法解算出跖屈相位的主方向变化。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：向馗，戚敏辉，庞牧野，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42