CN104027225B - 一种路况识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种下肢康复辅具的路况识别方法，该路况识别方法是在脚部组织脚跟安装脚跟传感器模块、在脚部组织脚尖安装脚尖传感器模块、在小腿组织上安装陀螺仪模块，利用控制模块处理各传感器信息，根据传感器提取的信息，经综合分析，实现对人体下肢运动过程中不同路况的有效识别。根据不同路况，利用驱动模块来控制下肢康复辅具做出相应的动作，使下肢康复辅具与其穿戴者真正达成步调一致，使其轻松地完成上楼梯、爬斜坡、跨越障碍等日常活动。
Description
技术领域
本发明涉及人体下肢康复辅具技术，具体为一种路况识别方法，可以对平地/上坡/下坡/上楼梯/下楼梯/障碍物六种不同路况进行识别，进而对康复辅具进行相应的控制，在减轻了患者负担的同时，使患者在行走过程中更加安全。
背景技术
目前，下肢康复辅具在残弱人群中扮演着至关重要的角色，下肢康复辅具主要分为两类，一类为用于下肢肢体残缺的穿戴者的康复辅具，一类为下肢肢体健全的穿戴者的康复辅具。用于肢体残缺的穿戴者的下肢康复辅具，典型的如假肢等，目前进入市场的假肢类型，从开始的“被动式”假肢，例如简单的机械装置、连杆机构(多为四连杆机构)、气压或液压装置以及计算机智能化控制装置，到后来发明的增加了动力装置的“主动式”假肢，假肢技术不断由低级到高级、由简单到复杂发展，逐渐能够满足截肢者的需求，尤其是“主动式”假肢，能够为穿戴者在上下楼梯、爬斜坡等运动过程中提供“被动式”假肢无法提供的有效动力。但是这些技术的重点都在对假肢膝关节的机构设计与控制，旨在减轻残疾人行走过程中的疲劳感，然而对楼梯、斜坡等外界路况信息的检测技术及其识别方法却鲜有提及。同样肢体健全的穿戴者的康复辅具，典型的如外骨骼等，也涉及到路况识别方法的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出：一种路况识别方法。该方法主要用于下肢康复辅具，能够识别行走过程中常见的六种路况，为驱动下肢康复辅具提供控制信号，从而帮助残疾人解决上楼梯、爬斜坡等路况遇到的问题。
本发明解决所述路况识别问题的技术方案为：设计一种路况识别方法。该路况识别方法采用的硬件结构包括脚跟传感器模块、脚尖传感器模块、陀螺仪模块、控制模块、驱动模块、下肢康复辅具膝关节、小腿组织和脚部组织；所述脚跟传感器模块、脚尖传感器模块分别安装于脚部组织的脚跟与脚尖，陀螺仪模块安装于小腿组织的正前方，位于下肢康复辅具膝关节和脚部组织中间；所述控制模块安装在下肢康复辅具膝关节与小腿组织之间的驱动模块下方的位置，陀螺仪模块的上方；所述驱动模块安装在下肢康复辅具膝关节与小腿组织之间的上部位置。所述脚跟传感器模块、脚尖传感器模块、陀螺仪模块均分别与控制模块电连接；所述驱动模块一端与控制模块电连接，另一端与下肢康复辅具膝关节电连接。
该路况识别方法具体为：
1).角速度信号特殊点的选取
将陀螺仪模块采集到的信号输入到所述控制模块，经过控制模块处理后，得到小腿组织运动过程中前后摆动的角速度信号；陀螺仪模块检测得到一个步态周期的信号，确定一个步态周期中角速度信号的三个特殊点作为脚跟传感器模块和脚尖传感器模块判别路况的依据，三个特殊点依次为：周期信号的起点、周期信号第一个波形向第二个波形过渡的极小值点、周期信号的第二个波峰的峰值点；
2).六种路况具体识别过程
(1)当陀螺仪模块检测到的信号在起点时，判断脚尖传感器模块是否检测到异物或遮挡；若脚尖传感器模块检测到有异物或遮挡，则可能是障碍物/上坡/上楼梯三种路况(简称模式1)，控制模块调控驱动模块控制下肢康复辅具抬高腿；若脚尖传感器模块没有检测到异物或遮挡，则可能是平地/下坡/下楼梯(简称模式2)三种路况；由此，在起点可以把当前路况分为模式1和模式2两大类；
(2)当陀螺仪模块检测到信号到达极小值点时，对模式1的三种路况进行判断，若脚跟传感器模块检测到脚部组织后方存在异物或遮挡，则路况为障碍物；若脚跟传感器模块没有检测到脚部组织后方存在异物或遮挡，则为上楼梯/上坡两种路况(简称模式3)；同时，对模式2的三种路况进行判断，若脚跟传感器模块没有检测异物或遮挡，则路况为平地；若脚跟传感器模块检测有异物或遮挡，则为下楼梯/下坡两种路况(简称模式4)；由此，在极小值点进一步把路况分为障碍物、平地、模式3和模式4四种路况；
(3)当陀螺仪模块测得的信号到达峰值点时，利用脚尖传感器模块对模式3的两种路况进行区分，若脚尖传感器模块检测到异物或遮挡，则路况为上楼梯；若脚尖传感器模块没有检测到异物或遮挡，则路况为上坡；同时，利用脚尖传感器模块对模式4的两种路况进行区分，若脚尖传感器模块检测到异物或遮挡，则路况为下楼梯；若脚尖传感器模块没有检测到异物或遮挡，则路况为下坡；由此，在峰值点可以进一步把路况分为平地/上坡/下坡/上楼梯/下楼梯/障碍物六种路况。
与现有技术相比，本路况识别方法有针对性的对现实生活中存在的六种路况进行细分，克服了现有技术缺乏及时路况识别方法的缺陷。采用该路况识别方法，能够使下肢康复辅具及时准确地识别平地/上坡/下坡/上楼/下楼/障碍物六种路况，使下肢康复辅具对路况的判断与下肢康复辅具穿戴者的判断一致，配合控制模块与驱动模块，使下肢康复辅具与其穿戴者真正达成步调一致，使其轻松地完成上楼梯、爬斜坡、跨越障碍等日常活动，提高其生活质量，使其更好地融入社会，进行正常的生活。
附图说明
图1为本发明路况识别方法用于下肢肢体残缺穿戴者的一种实施例的硬件部分安装示意图；
图2为本发明路况识别方法用于下肢肢体健全穿戴者的一种实施例的硬件部分安装示意图；
图3为本发明路况识别方法一种实施例的陀螺仪模块一个步态周期信号的趋势图；
图4为本发明路况识别方法一种实施例的路况识别流程图。
具体实施方法
下面结合实施例及其附图对本发明进一步说明，但本发明不限于本实施例。
本发明路况识别方法，其特征在于该路况识别方法采用的硬件结构包括脚跟传感器模块1、脚尖传感器模块2、陀螺仪模块3、控制模块4、驱动模块5、下肢康复辅具膝关节、小腿组织和脚部组织；所述脚跟传感器模块1、脚尖传感器模块2分别安装于脚部组织的脚跟与脚尖，陀螺仪模块3安装于小腿组织的正前方，位于下肢康复辅具膝关节和脚部组织中间；所述控制模块4安装在下肢康复辅具膝关节与小腿组织之间的驱动模块4下方的位置，陀螺仪模块3的上方；所述驱动模块4安装在下肢康复辅具膝关节与小腿组织之间的上部位置；所述脚跟传感器模块1、脚尖传感器模块2、陀螺仪模块3均分别与控制模块电4连接；所述驱动模块4一端与控制模块5电连接，另一端与下肢康复辅具膝关节电连接。
实施例1
用于下肢肢体残缺的穿戴者的下肢辅具(参见图1)。
所用硬件结构包括脚跟传感器模块1、脚尖传感器模块2、陀螺仪模块3、控制模块4、驱动模块5、假肢膝关节61、下肢辅具小腿71和下肢辅具假脚81；所述脚跟传感器模块1、脚尖传感器模块2分别安装于下肢辅具假脚81的脚跟与脚尖，陀螺仪模块3安装于下肢辅具小腿71的正前方，位于假肢膝关节61和下肢辅具假脚81中间；所述控制模块4安装在假肢膝关节61与下肢辅具小腿71之间的驱动模块5下方的位置，陀螺仪模块3的上方；所述驱动模块3安装在假肢膝关节61与下肢辅具小腿71之间的上部位置；所述脚跟传感器模块1、脚尖传感器模块2、陀螺仪模块3均分别与控制模块4电连接；所述驱动模块5一端与控制模块4电连接，另一端与假肢膝关节61电连接。
实施例2
用于下肢肢体健全的穿戴者的下肢辅具(参见图2)。
所用硬件结构包括脚跟传感器模块1、脚尖传感器模块2、陀螺仪模块3、控制模块4、驱动模块5、膝关节辅具62、穿戴者小腿72、穿戴者脚部82和绷带9；所述脚跟传感器模块1、脚尖传感器模块2分别安装于穿戴者脚部82的脚跟与脚尖；所述膝关节辅具62安装于穿戴者的膝关节部位；所述陀螺仪模块3、控制模块4和驱动模块5用绷带9固定在穿戴者小腿72的正前方，位于膝关节辅具62和穿戴者脚部82中间；所述脚跟传感器模块1、脚尖传感器模块2、陀螺仪模块3均分别与控制模块4电连接；所述驱动模块5一端与控制模块4电连接，另一端与膝关节辅具62电连接。
该路况识别方法具体为：
1).角速度信号特殊点的选取
将陀螺仪模块3采集到的信号输入到所述控制模块4，经过控制模块4处理后，得到小腿组织运动过程中前后摆动的角速度信号。陀螺仪模块3检测得到一个步态周期的信号(参见图3)，确定一个步态周期中角速度信号的三个特殊点作为脚跟传感器模块1和脚尖传感器模块2判别路况的依据，三个特殊点依次为：周期信号的起点①、周期信号第一个波形向第二个波形过渡的极小值点②、周期信号的第二个波峰的峰值点③。
2).六种路况具体识别过程(参见图4)
(1)当陀螺仪模块3检测到的信号在特殊点①时，判断脚尖传感器模块2是否检测到异物或遮挡。若脚尖传感器模块2检测到有异物或遮挡，则可能是障碍物/上坡/上楼梯三种路况(简称模式1)，控制模块4调控驱动模块5控制下肢辅具抬高腿；若脚尖传感器模块2没有检测到异物或遮挡，则可能是平地/下坡/下楼梯(简称模式2)三种路况。由此，在特殊点①可以把当前路况分为模式1和模式2两大类。
(2)当陀螺仪模块3检测到信号到达特殊点②时，对模式1的三种路况进行判断，若脚跟传感器模块2检测到脚部组织后方存在异物或遮挡，则路况为障碍物；若脚跟传感器模块2没有检测到脚部组织后方存在异物或遮挡，则为上楼梯/上坡两种路况(简称模式3)。同时，对模式2的三种路况进行判断，若脚跟传感器模块1没有检测异物或遮挡，则路况为平地；若脚跟传感器模块1检测有异物或遮挡，则为下楼梯/下坡两种路况(简称模式4)。由此，在特殊点②进一步把路况分为障碍物、平地、模式3和模式4四种路况。
(3)当陀螺仪模块3测得的信号到达特殊点③时，利用脚尖传感器模块2对模式3的两种路况进行区分，若脚尖传感器模块2检测到异物或遮挡，则路况为上楼梯；若脚尖传感器模块2没有检测到异物或遮挡，则路况为上坡。同时，利用脚尖传感器模块1对模式4的两种路况进行区分，若脚尖传感器模块1检测到异物或遮挡，则路况为下楼梯；若脚尖传感器模块1没有检测到异物或遮挡，则路况为下坡。由此，在特殊点③可以进一步把路况分为平地/上坡/下坡/上楼梯/下楼梯/障碍物六种路况。
由此利用陀螺仪模块3的三个特殊点配合脚跟传感器模块1和脚尖传感器模块2便识别出了平地/上坡/上坡/上楼梯/下楼梯/障碍物六种路况。
本发明路况识别方法是在已有普通下肢辅具的基础上，在脚部组织(下肢肢体残缺者为下肢辅具假脚81，下肢肢体健全者为穿戴者脚部82)脚跟安装脚跟传感器模块1、在脚部组织脚尖安装脚尖传感器模块2、在小腿组织(下肢肢体残缺的为下肢辅具小腿71，下肢肢体健全的为穿戴者小腿72)上安装陀螺仪模块3，利用控制模块4处理各传感器信息，根据传感器提取的信息，经综合分析，实现对人体下肢运动过程中不同路况的有效识别。根据不同路况，利用驱动模块5来控制下肢辅具做出相应的动作，使下肢辅具与其穿戴者真正达成步调一致，使其轻松地完成上楼梯、爬斜坡、跨越障碍等日常活动。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (1)
1.一种路况识别方法，用于下肢行走运动，其特征在于该路况识别方法的识别辅具硬件结构是：脚跟传感器模块、脚尖传感器模块、陀螺仪模块、控制模块、驱动模块、假肢膝关节、下肢辅具小腿和下肢辅具假脚；
该路况识别方法包括以下步骤：
1).角速度信号特殊点的选取
将陀螺仪模块采集到的信号输入到所述控制模块，经过控制模块处理后，得到下肢辅具小腿运动过程中前后摆动的角速度信号；陀螺仪模块检测得到一个步态周期的信号，确定一个步态周期中角速度信号的三个特殊点作为脚跟传感器模块和脚尖传感器模块判别路况的依据，三个特殊点依次为：周期信号的起点、周期信号第一个波形向第二个波形过渡的极小值点、周期信号的第二个波峰的峰值点；
2).六种路况具体识别过程
(1)当陀螺仪模块检测到的信号在起点时，判断脚尖传感器模块是否检测到异物或遮挡；若脚尖传感器模块检测到有异物或遮挡，则是障碍物/上坡/上楼梯三种路况，记为模式1，控制模块调控驱动模块控制下肢辅具小腿抬高腿；若脚尖传感器模块没有检测到异物或遮挡，则是平地/下坡/下楼梯三种路况，记为模式2；
(2)当陀螺仪模块检测到信号到达极小值点时，对模式1的三种路况进行判断:若脚跟传感器模块检测到下肢辅具假脚后方存在异物或遮挡，则路况为障碍物；若脚跟传感器模块没有检测到下肢辅具假脚后方存在异物或遮挡，则为上楼梯/上坡两种路况，记为模式3；同时，对模式2的三种路况进行判断，若脚跟传感器模块没有检测异物或遮挡，则路况为平地；若脚跟传感器模块检测有异物或遮挡，则为下楼梯/下坡两种路况，记为模式4；
(3)当陀螺仪模块测得的信号到达峰值点时，利用脚尖传感器模块对模式3的两种路况进行区分：若脚尖传感器模块检测到异物或遮挡，则路况为上楼梯；若脚尖传感器模块没有检测到异物或遮挡，则路况为上坡；同时，利用脚尖传感器模块对模式4的两种路况进行区分:若脚尖传感器模块检测到异物或遮挡，则路况为下楼梯；若脚尖传感器模块没有检测到异物或遮挡，则路况为下坡。
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