CN105769206B - 一种基于上下肢运动信息的步态相位判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于上下肢运动信息的步态相位判别方法，其包括：通过颈部、大臂、大腿和小腿部位的角度传感器接收角度信息；通过角度信息处理系统得到肩关节角度、角速度和膝关节角度、角速度；通过判断肩关节角速度和膝关节角速度得到当前步态相位。本发明的目的在于提供一种双足行走过程中针对人体步态运动过程中上下肢运动映射关系的建立方法。该方法通过安装在颈部、大臂、大腿、小腿部位的角度传感器接收水平面，冠状面以及矢状面的角度信息，完成对上肢、下肢的步态相位判断，结构简单，安装方便。

Description

一种基于上下肢运动信息的步态相位判别方法

技术领域

本发明涉及智能假肢膝关节运动的控制，特别是涉及一种基于上下肢运动信息的步态相位判别方法。

背景技术

随着人口老龄化以及疾病、车祸导致的运动功能缺失病人数量显著增长，如何在康复领域实现老弱残障助行，响应国家助老助残政策，减轻人力成本，已经成为假肢研究的重点。

假肢就是用工程技术的手段和方法，为弥补截肢或肢体不完全缺损而专门设计和制作装配的人工假体。它的主要作用是代替失去肢体的部分功能，使截肢者恢复一定的生活自理和工作能力。传统基于机械结构的假肢穿戴不自然，并且需要消耗较多能量，与普通假肢相比，智能假肢能通过当前接收到的传感器状态判断假肢所处的步态相位区间，根据不同相位区间内关节的步态特性，控制假肢的运动。因此，准确判断假肢所处的步态相位区间，是智能假肢运动控制的前提。

目前国内外对步态运动研究集中于下肢运动识别分析，包括基于图像的特征步态分析；基于步态的参数分析，利用信号与步态的线性关系加以分析。目前假肢产品主要采用安装在假肢上的或是安装在健肢侧的传感器判断步态行为，进行相应假肢控制。而双足行走是一个神经肌肉耦合、肢体协调的过程，由于现有研究主要集中于下肢步态，难以全面描述人体步态运动，步态领域内上肢姿态信息及上下肢协调运动尚需深入突破。

因此，针对步态分析中上肢姿态的缺失，有必要综合研究人体步态上下肢协调的姿态，运用信号处理等方法揭示四肢协调的姿态，通过建立拟合关系实现步态识别。为康复医学现代体育运动科学等开辟了新的研究视角，为创新助行机器人提供理论依据与技术储备，响应国家助老助残政策，减轻人力成本，以解决老龄化日益突出带来的老年人康复问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种双足行走过程中针对人体步态运动过程中上下肢运动映射关系的建立方法，该方法通过安装在颈部、大臂、大腿、小腿部位的角度传感器接收水平面，冠状面以及矢状面的角度信息，完成对上肢、下肢的步态相位判断，结构简单，安装方便。

为解决上述问题，本发明提供如下技术方案：

一种基于上下肢运动信息的步态相位判别方法，其将一个步态周期分为摆动弯曲相、摆动伸展相、支撑相三个相位，该步态相位判别方法具体包括以下步骤：

(1)通过设置在颈部、大臂、大腿和小腿的角度传感器分别接收颈部、大臂、大腿、小腿的角度信息；

(2)通过角度信息处理系统得到肩关节角度、角速度，膝关节角度、角速度；

(3)判断肩关节角速度的正负，当肩关节角速度小于零时为第三相位支撑相，进入(5)；当肩关节角速度大于零时可能为第一相位摆动弯曲相或第二相位摆动伸展相，进入(4)；

(4)当膝关节角速度大于零时，为第一相位摆动弯曲相，当膝关节角速度小于零时，为第二相位摆动伸展相，特别的，当膝关节角速度为零时，处于一二相位交界点；

(5)一个步态周期结束，循环下一步态周期。

优选的，在上述基于下肢关节运动信息的步态相位判别方法中，所述(2)中角度信息处理系统通过接收颈部、大臂、大腿和小腿的角度传感器的数据，计算得到膝关节和肩关节的角度，对关节角度一阶求导后得到关节角速度，并对得到的关节角速度滤波处理。

优选的，在上述基于下肢关节运动信息的步态相位判别方法中，所述下肢步态相位区间包括以下几种情况：

(11)从足跟着地到脚尖离地为支撑相：肩关节角速度小于零，肩关节角度由最小值逐渐增大到最大值，此时上肢手臂由最后逐渐移动到最前；

(22)摆动弯曲相：肩关节角速度大于零，肩关节角度不断增大，膝关节角速度大于零；膝关节角度不断增大至最大值；

(33)摆动伸展相：肩关节角速度大于零，肩关节角度继续增大到最大值，膝关节角速度小于零；膝关节角度逐渐减小。

从上述技术方案可以看出，本发明实施例的基于上下肢关节运动信息的步态相位判别方法通过安装在颈部、大臂、腰部和大腿的四个角度传感器采集角度信息，完成对上下肢的步态相位判断，结构简单，包含上肢运动信息，使得假肢穿戴更加便捷舒适可控。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)可应用于康复助行机器人膝关节的运动控制，提供更加简便，准确的步态相位判断，提高假肢膝关节控制的快速性和准确性。

(2)可应用于下肢步态不正常的人群，通过上肢摆臂信号映射下肢膝关节信号。

(3)根据关节信息判断步态相位，可同时适用于健肢侧和假肢侧的步态相位判断，符合不同假肢产品的控制需要。

(4)减少了下肢截肢患者穿戴的传感器数量和种类，下肢仅适用两个角度传感器，降低了信号处理的难度，同时穿戴更加便捷舒适。

(5)仅根据膝关节和肩关节角度的一阶导数信号(即角速度)步态相位判断，降低了运算的复杂性，提高了运算的准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明基于上下肢运动信息的步态相位判别方法的流程图；

图2是本发明基于上下肢运动信息的步态相位判别方法中角度传感器的安装示意图；

图3是本发明基于上下肢运动信息的步态相位判别方法中角度信息处理系统的工作流程图；

图4是本发明基于上肢肩关节与下肢膝关节运动信息标准步态相位区间图；

图5是本发明基于上下肢运动信息的步态相位判别方法中步态相位转换的示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种基于上下肢关节运动信息的步态相位判别方法，该膝关节相位判别方法通过安装在颈部、大臂、大腿、小腿上的四个角度传感器采集角度信息，综合上肢下肢运动信息，完成对步态相位判断，引入上肢运动信息，使得假肢控制从传统对测躯体映射发展到上下肢体映射。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1及图2所示，本发明公开的基于上下肢关节运动信息的步态相位判别方法，其将一个步态周期分为摆动弯曲相、摆动伸展相、支撑相三个相位，该步态相位判别方法具体包括以下步骤：

(1)在颈部、大臂、大腿、小腿上分别设置角度传感器，通过设置在颈部、大臂、大腿、小腿角度传感器分别接收颈部、大臂、大腿、小腿的角度信息；

(2)通过角度信息处理系统得到膝关节角度、肩关节角度、膝关节角速度和肩关节角速度；

(3)判断肩关节角速度的正负，当肩关节角速度小于零时为支撑相(第三相位)，进入(5)；当肩关节角速度大于零时可能为第一相位摆动弯曲相或第二相位摆动伸展相，进入(4)；

(4)当膝关节角速度大于零时，为摆动弯曲Swing Flexion(SF相,第一相位)，当膝关节角速度小于零时，为摆动伸展Swing Extend(SE相，第二相位)，特别的，当膝关节角速度为零时，处于一二相位交界点；

(5)一个步态周期结束，循环下一步态周期。

如图3所示，上述(2)中角度信息处理系统通过接收颈部、大臂、大腿、小腿的角度传感器的数据，计算得到膝关节和踝关节的角度，对膝关节角度一阶求导后得到膝关节角速度，并对得到的膝关节角速度滤波处理。

如图4所示，通过对上下肢标准步态周期的分析，根据肩关节、膝关节角速度的正负情况将步态周期划分为3个相位区间，分别为支撑相、摆动弯曲相和摆动伸展相。肩关节角速度(Shoulder Joint Angular Velocity)为负值，对应着支撑期，肩关节角速度为正值，对应着摆动相。为了进一步区分摆动相，通过膝关节角速度(Knee Joint AngularVelocity)将摆动相划分为摆动弯曲相和摆动伸展相。当膝关节角速度为正值，对应摆动弯曲相，当膝关节角速度为负值，对应摆动伸展相。

如图5所示，本发明所叙述的上下肢步态相位转换主要包括以下几种情况：

(11)支撑相转换到摆动弯曲：从足跟着地到离地，肩关节角速度逐渐大到大于零；肩关节角度不断减小，膝关节角度不断增大；

(22)摆动弯曲相转换到摆动伸展相：膝关节角速度逐渐减小到小于零；肩关节角速度大于零，肩关节角度继续增大，膝关节角度逐渐减小

(33)摆动伸展相转换到支撑相：肩关节角速度逐渐减小到小于零，肩关节角度逐渐增大到最大值，此时上肢手臂由最后逐渐移动到最前；

(11)从足跟着地到脚尖离地为支撑相：肩关节角速度逐渐减小到小于零，肩关节角度由最小值逐渐增大到最大值，此时上肢手臂由最后逐渐移动到最前；

(33)摆动弯曲相转换到摆动伸展相：肩关节角速度小于零，肩关节角度继续减小，膝关节角度逐渐减小。

本发明的基于上下肢关节运动信息的步态相位判别方法通过安装在颈部、大臂、大腿、小腿的角度传感器的数据的四个角度传感器采集角度信息，综合考虑上下肢运动信息，完成对步态相位判断。

本发明的基于上下肢关节运动信息的步态相位判别方法仅根据肩关节膝关节角度的一阶导数信号(即角速度)完成步态相位判断，降低了运算的复杂性，提高运算的准确度。

本发明的基于上下肢关节运动信息的步态相位判别方法可应用于智能假肢运动控制，引入上肢运动信息结合下肢信息，提供更加简便，准确的步态相位判断，提高假肢的快速性和准确性。可同时适用于健肢侧和假肢侧的步态相位判断，满足不同假肢产品的控制需要。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种基于上下肢运动信息的步态相位判别方法，其将一个步态周期分为摆动弯曲相、摆动伸展相、支撑相三个相位，其特征在于，该步态相位判别方法具体包括以下步骤：

(1)通过设置在颈部、大臂、大腿和小腿的角度传感器分别接收颈部、大臂、大腿、小腿的角度信息；

(2)通过角度信息处理系统得到肩关节角度、角速度，膝关节角度、角速度；

(3)判断肩关节角速度的正负，当肩关节角速度小于零时为第三相位支撑相，进入(5)；当肩关节角速度大于零时可能为第一相位摆动弯曲相或第二相位摆动伸展相，进入(4)；

(4)当膝关节角速度大于零时，为第一相位摆动弯曲相，当膝关节角速度小于零时，为第二相位摆动伸展相，特别的，当膝关节角速度为零时，处于一二相位交界点；

(5)一个步态周期结束，循环下一步态周期。

2.根据权利要求1所述的一种基于上下肢运动信息的步态相位判别方法，其特征在于，所述(2)中角度信息处理系统通过接收颈部、大臂、大腿和小腿的角度传感器的数据，计算得到膝关节和肩关节的角度，对关节角度一阶求导后得到关节角速度，并对得到的关节角速度滤波处理。

3.根据权利要求1所述的一种基于上下肢运动信息的步态相位判别方法，其特征在于，所述下肢步态相位区间包括以下几种情况：

(11)从足跟着地到脚尖离地为支撑相：肩关节角速度小于零，肩关节角度由最小值逐渐增大到最大值，此时上肢手臂由最后逐渐移动到最前；

(22)摆动弯曲相：肩关节角速度大于零，肩关节角度不断增大，膝关节角速度大于零；膝关节角度不断增大至最大值；

(33)摆动伸展相：肩关节角速度大于零，肩关节角度继续增大到最大值，膝关节角速度小于零；膝关节角度逐渐减小。