CN108634960B - 一种用于外骨骼穿戴者的步态在线检测方法 - Google Patents
一种用于外骨骼穿戴者的步态在线检测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于外骨骼穿戴者的步态在线检测方法。通过安装在穿戴者人体足部的集成有微型处理器的惯性测量单元来获取足部绕冠状轴的角速度和矢状面上的加速度,综合角速度和加速度在线实时处理检测步态。本发明检测装置便于携带,成本低,算法简单,运算量小,延时小,准确率高,能实现在线检测,满足外骨骼动态响应快的要求;既能用于步态检测,也能用于人机跟随控制的反馈信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种步态在线检测方法,尤其是涉及一种用于外骨骼穿戴者的步态在线检测方法。
背景技术
随着科技的发展,外骨骼机器人技术得到一定突破,如在高功率密度动力源、仿生设计等方面,但是存在一个很大的瓶颈:无法很好地实现人体步态的在线实时准确的检测。
步态检测一般应用于运动状况的检测,如健康科学、外骨骼机器人等。目前,国内外对于步态检测的研究很多,如浙江大学刘涛教授通过安装在穿戴者脚部、小腿和膝盖放置陀螺仪和加速度计,测量步态。步态检测装置要求便于携带,易穿戴于人体上,能实现实时采集数据并进行识别,运算量小,延时小。人体步态是人体行为的特性,不同穿戴者的步态特征也是不一样的。但市面上应用于外骨骼穿戴者的同类产品一般很难满足上述要求,适用性较差。
发明内容
针对背景中研究和技术的不足,本发明的目的是提供一种用于外骨骼穿戴者的步态在线检测方法,安装在人体足部的集成微型处理器的惯性测量单元来获取足部绕冠状轴的角速度和在矢状面上的加速度,并在线实时处理,步骤简单,运算量小,延时小,准确率高,能应用于外骨骼机器人的步态在线检测和人机跟随控制。
本发明采用的技术方案是:
本发明通过安装在穿戴者人体足部的集成有微型处理器的惯性测量单元来获取足部绕冠状轴的角速度和矢状面上的加速度,综合角速度和加速度在线实时处理检测步态。
所述的惯性测量单元安装在人体足部的足背上。
所述的冠状轴为垂直于人体步态前进方向的水平轴;矢状面为过惯性测量单元质心的竖直面。
本发明方法具体包括以下步骤:
通过惯性测量单元实时间隔采样获取到角速度信号ω和加速度信号α按照以下方式处理获得完整周期的步态:
S1、首先,实时对连续10个采样点的角速度信号ω值采用以下方式判断:
若连续10个采样点的角速度信号ω值小于检测阈值,则判断步态相为脚板着地姿态,脚板着地姿态为包含脚根和脚尖的脚板表面完全接触地面的姿态,连续10个采样点的最后时刻作为脚板着地姿态的时刻;
S2、在判断步态相为脚板着地姿态后,实时对连续5个采样点的角速度信号ω值采用以下方式判断:若连续5个采样点的角速度信号ω值大于检测阈值,则判断步态相为脚跟离地姿态,脚跟离地姿态为脚根离开地面、脚尖接触地面的姿态,连续5个采样点的最后时刻作为脚跟离地姿态的时刻;
S3、在判断步态相为脚跟离地姿态后,实时对角速度信号ω值和加速度信号α值采用以下方式判断:若角速度信号ω值出现极大值且加速度信号α也出现极大值,则判断步态相为脚尖离地姿态,脚尖离地姿态为脚根离开地面、脚尖离开地面的姿态,两个第一次出现的极大值出现时刻的后者作为脚尖离地姿态的时刻;
S4、在判断步态相为脚尖离地姿态后,实时对角速度信号ω值和加速度信号α值采用以下方式判断:若角速度信号ω值出现零穿越值且加速度信号α值出现极小值,则判断步态相为脚跟着地姿态,脚跟着地姿态为脚根接触地面、脚尖离开地面的姿态,角速度信号ω值刚大于等于零时刻和加速度信号α值第一次出现极小值时刻的后者作为脚跟着地姿态的时刻;
S5、由于步态具有周期性,重复上述步骤循环获得下一步态周期。
所述的加速度信号α是由惯性测量单元中三轴加速度计测定的沿矢状面两个垂直方向的加速度分量αx和αz合成。
所述步骤S4中,零穿越值是指在前一时刻的角速度信号ω值小于零且当前时刻的角速度信号ω值大于等于零情况,即ωi-1<0且ωi≥0,ωi-1表示第i-1时刻的角速度信号,ωi表示第i时刻的角速度信号,i表示时刻序号,当前时刻的角速度信号ω值为零穿越值。
具体实施中,所述步骤S1和S2中的检测阈值是根据穿戴者使用前通过运动捕捉***结合机器学习确定,并自适应匹配。
所述角速度信号ω和加速度信号α还用于外骨骼跟随控制。
本发明具有的有益效果是:
本发明方法所对应的检测装置便于携带,成本低,算法简单,运算量小,延时小,准确率高,能实现在线检测,满足外骨骼动态响应快的要求。
本发明结合步态相角速度和加速度特征来综合判断,其判断阈值针对穿戴者用机器学习先确定,之后在使用过程中自适应匹配,提高检测的准确性和扩大适用性。
本发明采集的信号既能用于步态检测,也能用于人机跟随控制的反馈信号。
附图说明
图1是本发明方法的流程图。
图2是本发明方法的惯性测量单元在测试者足部的布置位置图。
图3是本发明方法在一个步态周期内的角速度和加速度变化曲线图。
图4是本发明方法初始阈值确定示意图。
图5是实验一实验结果图。
图6是实验二实验结果图。
表1是实验二实验结果统计表。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1和图3所示,本发明的实施例及其实施过程如下:
如图3所示,通过惯性测量单元实时间隔采样获取到角速度信号ω和加速度信号α传输至微型处理器按照以下方式处理获得完整周期的步态:
在具体实施例中,惯性测量单元优选InvenSense MPU9250,微型处理器为STM32F051。
S1、首先,实时对连续10个采样点的角速度信号ω值采用以下方式判断:
若连续10个采样点的角速度信号ω值小于检测阈值,如图3所示的a点,则判断步态相为脚板着地姿态,脚板着地姿态为包含脚根和脚尖的脚板表面完全接触地面的姿态,连续10个采样点的最后时刻作为脚板着地姿态的时刻;具体实施例中,检测阈值为50°/s。
S2、在判断步态相为脚板着地姿态(即图3的a点)后,实时对连续5个采样点的角速度信号ω值采用以下方式判断:
若连续5个采样点的角速度信号ω值大于检测阈值,如图3所示的b点,则判断步态相为脚跟离地姿态,脚跟离地姿态为脚根离开地面、脚尖接触地面的姿态,连续5个采样点的最后时刻作为脚跟离地姿态的时刻;具体实施例中,检测阈值为50°/s。
S3、在判断步态相为脚跟离地姿态(即图3的b点)后,实时对角速度信号ω值和加速度信号α值采用以下方式判断:
若角速度信号ω值出现极大值且加速度信号α也出现极大值,角速度信号ω值出现极大值为如图3所示的c点,加速度信号α出现极大值为如图3所示的d点,则判断步态相为脚尖离地姿态,脚尖离地姿态为脚根离开地面、脚尖离开地面的姿态,两个第一次出现的极大值出现时刻的后者作为脚尖离地姿态的时刻;
S4、在判断步态相为脚尖离地姿态(即图3的c或d点)后,实时对角速度信号ω值和加速度信号α值采用以下方式判断:
若角速度信号ω值出现零穿越值且加速度信号α值出现极小值,角速度信号ω值出现零穿越值为如图3所示的e点,加速度信号α值出现极小值为如图3所示的f点,则判断步态相为脚跟着地姿态,脚跟着地姿态为脚根接触地面、脚尖离开地面的姿态,角速度信号ω值刚大于等于零时刻和加速度信号α值第一次出现极小值时刻的后者作为脚跟着地姿态的时刻;
S5、重复上述步骤循环获得下一步态周期。
综合如图3所示,出现a点,则判定为脚板着地;出现b点,则判定为脚跟离地;共同出现c、d点,判定为脚尖离地;共同出现e、f点,判定为脚跟着地。在脚尖离地和脚跟着地之间,存在摆动相(即足部悬空),其角速度出现较大较缓的波谷、加速度出现较大较缓的波峰,本发明判断过程中忽略。
依据本发明实施可以依次判断出脚板着地、脚跟离地、脚尖离地、脚跟着地等步态相。
如图4所示,具体实施中,所述步骤S1和S2中的检测阈值是根据穿戴者使用前通过运动捕捉***结合机器学习确定,并自适应匹配,提高可用性和准确性。
其中过程中使用运动捕捉***对足部的步态进行监控,获取实时图像,得到实时步态相并传送至上位机进行标记。同时惯性测量单元将实时步态数据(角速度、加速度)通过WiFi传送至上位机。上位机将大量的步态相与步态数据进行匹配,机器学***台,只需进行100组步态试验得到自适应的带有个人特征的步态阈值,并储存于惯性测量单元的微型处理器中。在后续使用中,若有改变,则可以再重复使用前的操作。
所述S1-S6步骤检测中,对角速度信号ω和加速度信号α的采样窗口根据所需的检测识别延时率来设定。采样窗口宽度越宽,越容易找到信号正确的极大值点(峰值点),随之而来的延迟也变大。例如,本装置及检测算法的3个采样点对应一个采样周期,设置采样窗口宽度为3个采样点,则延时1个采样周期;设置采样窗口宽度为6个采样点,则延时2个采样周期。具体实施根据外骨骼步态的工况,来确定采样窗口的宽度,同时综合达到高准确率和低延时率。
结合具体实施例,实验数据及结果分析如下。
实验一:步态相判定延迟误差标定。6名测试者分别以2km/h、4km\h、6km\h恒定速度行走30s。使用运动捕捉***对足部的步态进行监控,获取实时图像,得到实时步态相并上传至上位机进行标记,同时微处理器将实时步态相通过WiFi传送至上位机。运动捕捉***所获得的步态为测试者真实步态,以此作为本发明方法标定依据。上位机计算两者步态相时间差,作为本发明方法延时。实验结果如图5。统计结果如表1所示。从表1可以看出,该检测方法检测延时误差极小,能够实时对步态相进行检测,具有良好的实时性。
表1
步态事件 | 平均误差(ms) | 95%置信度区间(ms) |
脚跟着地 | 21 | [19,23] |
脚尖离地 | 40 | [38,42] |
实验二:步态相判定准确率标定。6名测试者分别进行2km/h到6km\h连续加速行走60s。使用运动捕捉***对足部的步态进行监控,获取实时图像,得到实时步态相并上传至上位机进行标记,同时微处理器将实时步态相通过WiFi传送至上位机。运动捕捉***所获得的步态为测试者真实步态,以此作为本发明方法标定依据。上位机对两者的结果进行对比。实验结果图6所示,本发明方法能准确检测测试者的步态,其判定准确率为100%,说明该检测方法具有良好的鲁棒性和准确性。
上述具体实施方式用来解释说明本发明,既可以用于外骨骼穿戴者,也可以用于正常人的步态检测,其作出的更改,不是对本发明进行限制,在本发明的精神和权利要求的保护范围内,对本发明作出的任何修改和改变,都落入本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种用于外骨骼穿戴者的步态在线检测方法,其特征在于:通过安装在穿戴者人体足部的集成有微型处理器的惯性测量单元来获取足部绕冠状轴的角速度和矢状面上的加速度,综合角速度和加速度在线实时处理检测步态;
方法具体包括以下步骤:
通过惯性测量单元实时间隔采样获取到角速度信号ω和加速度信号α按照以下方式处理获得完整周期的步态:
S1、首先,实时对连续10个采样点的角速度信号ω值采用以下方式判断:若连续10个采样点的角速度信号ω值小于检测阈值,则判断步态相为脚板着地姿态;
S2、在判断步态相为脚板着地姿态后,实时对连续5个采样点的角速度信号ω值采用以下方式判断:若连续5个采样点的角速度信号ω值大于检测阈值,则判断步态相为脚跟离地姿态;
S3、在判断步态相为脚跟离地姿态后,实时对角速度信号ω值和加速度信号α值采用以下方式判断:若角速度信号ω值出现极大值且加速度信号α也出现极大值,则判断步态相为脚尖离地姿态;
S4、在判断步态相为脚尖离地姿态后,实时对角速度信号ω值和加速度信号α值采用以下方式判断:若角速度信号ω值出现零穿越值且加速度信号α值出现极小值,则判断步态相为脚跟着地姿态;
所述步骤S4中,零穿越值是指在前一时刻的角速度信号ω值小于零且当前时刻的角速度信号ω值大于等于零情况,即ωi-1<0且ωi≥0,ωi-1表示第i-1时刻的角速度信号,ωi表示第i时刻的角速度信号,i表示时刻序号;
S5、重复上述步骤循环获得下一步态周期。
2.根据权利要求1所述的一种用于外骨骼穿戴者的步态在线检测方法,其特征在于:所述的惯性测量单元安装在人体足部的足背上。
3.根据权利要求1所述的一种用于外骨骼穿戴者的步态在线检测方法,其特征在于:所述的冠状轴为垂直于人体步态前进方向的水平轴;矢状面为过惯性测量单元质心的竖直面。
4.根据权利要求1所述的一种用于外骨骼穿戴者的步态在线检测方法,其特征在于:所述的加速度信号α是由惯性测量单元中三轴加速度计测定的沿矢状面两个垂直方向的加速度分量αx和αz合成。
5.根据权利要求1所述的一种用于外骨骼穿戴者的步态在线检测方法,其特征在于:具体实施中,所述步骤S1和S2中的检测阈值是根据穿戴者使用前通过运动捕捉***结合机器学习确定,并自适应匹配。
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GR01 | Patent grant | ||
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