一種人體踝關(guān)節(jié)跖屈相位檢測系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及人體步態(tài)信息檢測方法，特別是涉及一種踝關(guān)節(jié)跖屈相位檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 有效地檢測踝關(guān)節(jié)跖屈相位對人體行走分析、行走助力及雙足機(jī)器人行走控制等 具有重要意義。目前可用于跖屈相位檢測的方法主要有4種：肌電檢測法，攝像捕捉檢測 法，角位移傳感器檢測法，陀螺儀檢測法。
[0003] 肌電檢測法采用從皮膚表面獲取肌電信號，間接檢測跖屈相位。這種方法以人體 行走過程中小腿肌肉的節(jié)律性激活變化為基礎(chǔ)，建立起測量值與待測值的映射關(guān)系。由于 人體行走的動態(tài)過程會受到諸多因素的影響，精準(zhǔn)模型的建立異常困難，很難正確捕捉映 射關(guān)系。此外人體出汗會對肌電信號的測量產(chǎn)生影響，且長期貼附電極在皮膚表面會使運 動者產(chǎn)生不適。
[0004] 攝像捕捉檢測法是利用高速攝像機(jī)拍攝下肢運動軌跡，從而直接解算出跖屈相 位，其不與人體接觸，不約束人體運動，測量精度高，但運動空間和環(huán)境受限，抗干擾能力 差，設(shè)備昂貴，不易用于控制。
[0005] 角位移傳感器檢測法是將角位移傳感器與踝關(guān)節(jié)并行安裝，比較適合檢測背屈相 位信息。這種方法雖成本低廉，但由于人體差異及骨骼系統(tǒng)的復(fù)雜性，很難定位踝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn) 中心。此外每個人行走時腳掌姿勢也不盡相同，很難將傳感器準(zhǔn)確安裝在踝關(guān)節(jié)運動平面 上內(nèi)，導(dǎo)致結(jié)果不夠精確。
[0006] 陀螺儀檢測法將陀螺儀安裝在腳背處，可獲得踝關(guān)節(jié)的三維運動姿態(tài)。但是，廉價 的MEMS陀螺儀累計誤差非常大，高精度陀螺儀的質(zhì)量太大、價格太高。而且需要將陀螺儀 坐標(biāo)系小心對準(zhǔn)踝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)方法，方能獲得跖屈相檢測結(jié)果。
[0007] 可見目前跖屈相位檢測，缺少穩(wěn)定、精確和廉價的方法與裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種穩(wěn)健的人體踝關(guān)節(jié)跖屈相位檢測裝置， 以便解決現(xiàn)有技術(shù)中代價高、精度低和累積誤差大等問題。
[0009] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案：
[0010] 本發(fā)明提供的人體踝關(guān)節(jié)跖屈相位檢測系統(tǒng)，包括信號采集單元和數(shù)據(jù)處理單 元。所述信號采集單元用于檢測人體踝關(guān)節(jié)相位變換狀態(tài)，向上位機(jī)提供控制指令，實時采 集踝關(guān)節(jié)運動的角速度信息，同時將該信息無線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理單元。所述數(shù)據(jù)處理單元 對收到的信息做積分運算，獲得每一采樣時刻的方向矩陣，并采用主元分析法解算出跖屈 相位的主方向變化。
[0011] 所述信號采集單元，由微控制單元和與之相連的觸點開關(guān)、陀螺儀、通信模塊組 成。
[0012] 所述陀螺儀只用一個，該陀螺儀置于腳面上，通過數(shù)據(jù)線連接于微控制單元，用于 檢測踝關(guān)節(jié)角速度。
[0013] 所述觸點開關(guān)有兩個，其中一個觸點開關(guān)置于腳跟位置，另外一個觸點開關(guān)置于 腳尖位置，分別通過數(shù)據(jù)線連接于微控制單元，用于采集足底壓力信號。
[0014] 所述微控制單元，置于目標(biāo)位置即腳背面上，并通過綁縛在鞋上的塑料框架加以 固定；其采集到的數(shù)據(jù)通過485總線形式傳輸?shù)酵ㄐ拍K上進(jìn)行無線通信。
[0015] 所述通信模塊，采用兩個具有自組網(wǎng)功能的ZigBee模塊；兩個ZigBee模塊分別與 MCU及上位機(jī)相連接，通過其自組網(wǎng)方式，將與MCU相連接的ZigBee作為從機(jī)，與上位機(jī)相 連接的ZigBee作為主機(jī)，建立起無線網(wǎng)絡(luò)。
[0016] 所述數(shù)據(jù)處理單元采用計算機(jī)，其為上位機(jī)。
[0017] 本發(fā)明提供的人體踝關(guān)節(jié)跖屈相位檢測方法，具體是：采用觸點開關(guān)來檢測人體 踝關(guān)節(jié)在步態(tài)中的相位轉(zhuǎn)化，在跖屈相位結(jié)束時對積分運算結(jié)果清零，以此來消除累積誤 差；采用主元分析法對獲得的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，獲得跖屈相位的二維主平面，以此來 消除安裝過程中需根據(jù)人體踝關(guān)節(jié)運動平面校對陀螺儀位置所帶來的不便。
[0018] 所述人體踝關(guān)節(jié)跖屈相位檢測方法，其包括以下步驟：
[0019] 第一步，使用者穿戴安裝有所述人體踝關(guān)節(jié)跖屈相位檢測裝置的鞋于平地上行走 幾步；同時所述人體踝關(guān)節(jié)跖屈相位檢測系統(tǒng)對行走過程中采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得 每一采樣點處的旋轉(zhuǎn)矩陣與方向向量，并采用主元分析法獲得跖屈相位二維主平面，顯示 計算完成信息；
[0020] 第二步，使用者即可連續(xù)在平地上行走，所述檢測方法將檢測到的方向向量投影 于第一步所得主平面內(nèi)，通過三角函數(shù)，實時計算出所需的跖屈相位角。
[0021] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要有以下的有益效果：
[0022] 1.可以簡單有效的清除隨機(jī)漂移等因素帶來的累積誤差。
[0023] 本發(fā)明針對傳統(tǒng)的MEMS陀螺儀檢測法累積誤差大的問題，通過安置兩個觸點開 關(guān)，判斷跖屈相的起點和終點。在跖屈驅(qū)動相初始對采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行積分運算，在跖屈控制 相結(jié)束時對前述積分結(jié)果清零消除累積誤差。由于從跖屈驅(qū)動相、擺動相到跖屈控制相的 時間相對較短，期間陀螺儀的累積誤差可以忽略，可獲得較高檢測精度。傳統(tǒng)MEMS陀螺儀 隨機(jī)漂移誤差補(bǔ)償多采用Kalman濾波法，但Kalman法需要知道信號的激勵噪聲和觀測噪 聲的方差，實際應(yīng)用中較難獲得這兩種參數(shù)；以預(yù)建立模型方式消除誤差則取決于所建立 模型的精度。人體步態(tài)具有很強(qiáng)的周期性，在平穩(wěn)路面行走時，每一步態(tài)周期內(nèi)跖屈相位角 從〇度（與地面平行）變化一個周期回到〇度（與地面平行），采用本發(fā)明所提供的方法可 以簡單有效的清除隨機(jī)漂移等因素帶來的累積誤差。
[0024] 2.在不加入任何機(jī)械約束的條件下，可以更有效得測量人體跖屈相位角，且不會 帶來任何行動上的不便。
[0025] 本發(fā)明采用主元分析方法，簡單有效的獲取三維旋轉(zhuǎn)運動中跖屈相位的主要變化 方向，避免對陀螺儀進(jìn)行繁雜的安裝和對準(zhǔn)操作。通常的三維運動需要用歐拉角或四元數(shù) 描述。將跖屈相變化投影到二維平面，可用一個變量描述。因為人體行走過程主要發(fā)生在 矢狀面內(nèi)，因此上述投影過程不僅簡化了變量描述，且不會顯著降低檢測精度。傳統(tǒng)踝關(guān)節(jié) 角度測量多采用機(jī)械方式，將角度傳感器安裝于踝關(guān)節(jié)側(cè)。這種方式很難保證儀器的旋轉(zhuǎn) 中心與人體實際踝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心平行，此外人體行走時，踝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心也產(chǎn)生一定的躥 移，固定在踝關(guān)節(jié)的測量裝置會對人體行走帶來一定的干擾，產(chǎn)生不便。本發(fā)明所提出的方 法，在不加入任何機(jī)械約束的條件下，可更有效得測量人體跖屈相位角，且不會帶來任何行 動上的不便。
[0026] 3.制作成本低：
[0027] 本發(fā)明所涉及硬件系統(tǒng)相對于其它傳統(tǒng)檢測方法成本低。肌電測量產(chǎn)品，諸如 Biometrics等，售價在幾萬到十幾萬；主流的人體運動捕捉分析系統(tǒng)VIC0N報價百萬；高精 度的慣性傳感器，如Xsens公司的MTx系列傳感器售價2萬左右。本發(fā)明所涉及到的硬件 成本主要集中在陀螺儀芯片及周邊硬件上，制作成本百元以內(nèi)，明顯低于以上三種方案。
【附圖說明】
[0028] 圖1為踝關(guān)節(jié)跖屈相位檢測方法的系統(tǒng)框圖；
[0029] 圖2為本發(fā)明的應(yīng)用示例；
[0030] 圖3為踝關(guān)節(jié)步態(tài)周期內(nèi)的步態(tài)變化；
[0031] 圖4為相位檢測時序圖。
[0032] 圖中：1.陀螺儀；2.踝關(guān)節(jié)；3.觸點開關(guān)；4.觸點開關(guān)；5.數(shù)據(jù)處理單元。
【具體實施方式】
[0033] 下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0034] 本發(fā)明提供的人體踝關(guān)節(jié)跖屈相位檢測方法，是通過圖1和圖2所示的系統(tǒng)實現(xiàn) 的，該方法可以對使用者的踝關(guān)節(jié)相位信息進(jìn)行穩(wěn)健、實時檢測。
[0035] 本發(fā)明提供的人體踝關(guān)節(jié)跖屈相位檢測系統(tǒng)，如圖1和圖2所示，包括信號采集單 元和數(shù)據(jù)處理單元，其中：信號采集單元用于檢測人體踝關(guān)節(jié)相位變換狀態(tài)，向上位機(jī)提供 控制指令，實時采集踝關(guān)節(jié)運動的角速度信息，同時將該信息無線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理單元；數(shù) 據(jù)處理單元對收到的信息做積分運算，獲得每一采樣時刻的方向矩陣，并采用主元分析法 解算出跖屈相位的主方向變化。
[0036] 所述信號采集單元，由觸點開關(guān)、陀螺儀、微控制單元和通信模塊組成。
[0037] 所述陀螺儀1只用一個，該陀螺儀置于腳面上，通過數(shù)據(jù)線連接于微控制單元，用 于檢測踝關(guān)節(jié)角速度。獲取該陀螺儀在自身坐標(biāo)系X、y、z三個方向角速度信號，并對其積 分可獲得方向余弦矩陣，以此為依據(jù)解算跖屈相位角。
[0038] 所述觸點開關(guān)有兩個，其中一個觸點開關(guān)3(fl)置于腳跟位置，另外一個觸點開 關(guān)4(f2)置于腳尖位置，分別通過數(shù)據(jù)線連接于微控制單元，用于采集足底壓力信號。通過 足底壓力信息獲取踝關(guān)節(jié)步態(tài)變化，主要是檢測跖屈相的起始和終止時間點，用作后續(xù)角 速度積分運算的起點和終點，每個步態(tài)周期結(jié)束時將積分運算復(fù)位一次，達(dá)到消除累積誤 差的目的。觸點開關(guān)關(guān)閉表示相應(yīng)位置著地，即f = 〇,觸點開關(guān)打開表示相應(yīng)位置離地，即 f = 1〇
[0039] 所述微控制單元，置于目標(biāo)位置（腳背面），并加以固定；其采集到的數(shù)據(jù)通過485 總線形式傳輸?shù)酵ㄐ拍K上進(jìn)行無線通信。該微控制單元為主控電路，由MSP430及相關(guān)元 器件（如電阻和電容等）、電源模塊組成，其中：陀螺儀通過I2C總線與MSP430相連接，觸點 開關(guān)通過I/O 口與MSP430相連接。MSP430判斷觸點開關(guān)的狀態(tài)來獲取當(dāng)前步態(tài)信息：在 跖屈相位初始時控制讀取陀螺儀數(shù)據(jù)，并通過485總線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)端；在跖屈相位結(jié)束 時停止采集陀螺儀數(shù)據(jù)，并通知上位機(jī)端對數(shù)據(jù)清零復(fù)位，