CN102551995A - 一种膝关节角度的实时检测方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种膝关节角度的实时检测方法与装置，该方法是将超声波检测装置安装在助行机器人平台前方内侧，通过多路超声波测距传感器检测双侧下肢的大腿被侧面和小腿被侧面与检测平台之间的距离数据，获取受试者行走过程中膝关节弯曲的角度信息；该装置是基于助行机器人平台搭建的超声波检测系统，包括有：多路独立的超声波测距装置，单片机数据采集与传输装置，手提电脑及内存的数据处理单元、膝关节弯曲角度计算与分析单元。本发明将检测装置安装在助行机器人上，在受试者身上不安装任何装置，受试者行走过程中无任何限制，便可获取膝关节的弯曲角度信息，检测系统安装方便，结构简单，成本较低。

Description

一种膝关节角度的实时检测方法与装置

技术领域

本发明涉及一种助行康复训练方法与装置，特别涉及一种膝关节角度的实时检测方法与装置。本发明基于助行机器人平台安装多路超声波测距传感器，检测人行走时单侧下肢的大腿被侧面和小腿被侧面与检测平台之间的距离数据，通过对检测的距离数据处理计算，获取人行走时膝关节弯曲的角度变化的数据。

背景技术

随着中国人口老龄化现象逐渐加剧，在老龄人群中存在大量的下肢有运动功能障碍的患者，这些患者需要对其进行恢复肢体运动功能的训练，正确、科学的下肢康复训练对恢复这类患者的下肢运动功能发挥这重要的作用，这些患者由于下肢都存在不同程度的运动功能障碍，在正常行走过程中膝关节的弯曲角度也随之受到影响，而及时、准确的获取受试者在行走过程中膝关节弯曲的角度信息，分析步态运动过程中膝关节的运动状态，是对其进行正确、科学的下肢康复训练的重要前提。

目前对受试者在行走过程中膝关节弯曲角度的检测方法主要是基于传感器的方法实现，主要包括：微型加速度计，陀螺仪，光纤角度传感器等。

2001年Williamson等人在受试者的大腿和小腿部分安装加速度计和陀螺仪，通过信息融合技术将两种传感器检测的数据融合并，进行误差补偿等数据处理方法，获取受试者膝关节弯曲的角度信息。

2005年Scapellato等人用光纤角度传感器安装在受试者膝关节位置获取膝关节角度数据。

2009年熊静等人通过在受试者的膝关节固定两个在同一位置但不同轴向的微型加速度传感器，检测膝关节运动信息，分解两个加速度向量模之间的关系，并对测量数据的使用交叉校准等方法，获取受试者膝关节角度信息。

2009年Yingbo Xu等人在受试者的膝关节和髋关节处放置有不同颜色的标记点，通过摄像机获取标记点处大腿受限和小腿轴线与垂直方向上所成的角度，获取受试者膝关节角度。

2004年在公开号为CN2759385的实用新型专利中公开了一种《膝关节生物力学测试仪》，该技术方案是将测试仪固定在受试者膝关节位置，获取受试者膝关节角度信息，其特点是含有膝关节屈曲度显示、胫骨承力和韧带变形测量的装置，其中屈曲度显示装置含有带圆弧槽的刻度盘、以其锁紧螺钉活套在刻度盘的圆弧槽内的股骨夹套及指针；承力测定装置含有带转轮和锁定螺母的加力螺杆、在该螺杆上的力传感器与胫骨夹套；变形测量装置含有在胫骨夹套外侧壁上的加长杆及其上的变形传感器、一根其一端穿过胫骨置入韧带、连接变形传感器并固定在股骨上而另端通过滑轮连接平衡锤的金属丝。

2006年在公开号为CN200973711的实用新型专利中公开一种《在线关节参数测量装置》，该装置由上连接杆(2)、下连接杆(6)、角度传感器(1)和数据采集发射系统组成，并将检测装置固定在受试者膝关节位置，通过上下连接杆的轴线关系，用角度传感器直接测量膝关节的弯曲角度数据。其特征在于，所述上连接杆(2)与下连接杆(6)之间通过角度传感器轴(8)连接，下连接杆(6)与传感器轴(8)间隙配合，传感器(1)的安装脚与下连杆(6)固定连接；上连接杆(2)在旋转头中央开有长形方槽(7)，传感器轴(8)通过在端部固定的滑块(5)与长形方槽(7)配合连接，自动适应关节转动瞬心的变化，上连接杆(2)和下连接杆(6)在连接处通过圆形旋转头相互配合转动。

以上技术方案给出的这些基于传感器的膝关节角度测量装置均可以准确地测得膝关节角度，但是都需要将检测装置固定在受试者的下肢的不同位置，而且包括对检测传感器的外围电路和电源等设备，每一次检测都需要专业人员进行安装，对检测受试者在行走过程中的膝关节角度产生或多或少的限制和数据干扰。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述问题，提供出一种新的膝关节角度的实时检测方法与装置。本发明通过多路超声波测距传感器检测人体行走时下肢与检测平台之间的距离数据，以获取人体行走时的膝关节角度信息。

本发明给出的技术方案是：这种膝关节角度的实时检测方法，采用超声波测距传感器检测人体行走时膝关节弯曲的角度，其特征在于：将超声波检测装置安装在移动助行机器人平台前方内侧，受试者身体上不加装任何检测装置，通过多路超声波检测人体行走时下肢的大腿被侧面和小腿被侧面与检测平台之间的距离数据，通过检测距离数据，获取受试者在行走过程中膝关节弯曲的角度。

所述固定在助行机器人平台上的超声波检测装置与受试者同时移动，通过超声波检测受试者下肢的大腿和小腿被侧面的不同位置与检测装置之间的距离数据，并根据两路超声波检测的数据与两路超声波之间的距离，来计算大腿被测面和小腿被测面与水平方向上的倾斜角度，获取受试者膝关节弯曲角度数据。

超声波检测装置结构的设计，是通过超声波传感器与检测平台之所成的角度设置，超声波测距模块的探测量程设置以及各路超声波之间的距离设置，设计检测装置的检测区域来实现的。其中检测同一侧下肢的多路超声波与地面之间的高度可根据受试者下肢的长短调节。

所述的超声波检测装置安装在助行机器人上，在受试者身上不安装任何装置，受试者行走过程中无任何限制，而获取受试者膝关节弯曲角度数据。

本发明给出的这种膝关节角度的实时检测装置，是基于助行机器人平台搭建的超声波检测装置，其特点是包括有：多路独立的超声波测距装置，单片机数据采集与传输装置，手提电脑及内存的数据处理单元、膝关节弯曲角度计算与分析单元。

为更好的实现本发明的目的，所述的超声波测距装置采用KS101B超声波测距模块，该模块包括有超声波信号触发器，超声波发射、接收电路，温度补偿电路，数据处理单元，使用I²C接口与主机通信，自动响应主机的I²C控制命令，最多I²C地址可达20个，还可对探测量程进行配置，该模块不占用主机内存及主机定时器，最短距离探测频率可达500Hz。

(1)主要技术参数

工作电压：DC 5V。工作电流：1.6至2.7mA。感应角度：不大于15度。探测范围：1cm至6.5米。盲区：1cm。精度：可达1mm。

(2)接线方式

VCC、SDA(I²C通信的数据线)、SCL(I²C通信的时钟线)、GND

SDA和SCL借口与主机连接一个4.7K电阻到VCC。

(3)使用方法

每个KS101B超声波测距模块配置一个I²C地址，可进行多量程(10cm量程间隔)检测，对每个KS101B地址进行配置，通过单片机向I²C总线发送地址，之后向SDA接口发送距离探测指令，探测量程均设置为80cm。探测过程中SCL接口一直保持为低电平，当探测结束后SCL变为高电平，通过单片机接口判断SCL线是否发生跳变(由低电平变为高电平)，若发生跳变则探测结束，通过寄存器2和寄存器3保存探测距离数据。

本发明的超声波测距装置包含有8个KS101B模块，检测过程中需要对所有模块进行循环检查，避免检测过程中各路超声波之间的干扰。每个模块探测量程为80cm，根据助行机器人内部边界范围而定。

为更好的实现本发明的目的，所述的单片机数据采集与数据传输装置采用PIC16F877A单片机作为微控制器，单片机与超声波检测装置中的8个KS101B超声波测距模块之间进行I²C通讯，单片机与计算机进行异步串行通讯，将检测模块通过单片机传入计算机，其中：

超声波检测装置中的8路超声波传感器，每四路传感器检测一侧的下肢的大腿被侧面和小腿被侧面与检测平台之间的距离数据，大腿和小腿的被侧面即为受试者腿部能够被超声波所处检测的区域。分别用两路超声波检测大腿被侧面和小腿被侧面与传感器之间的距离数据，并根据两路超声波检测的数据与两路超声波之间的距离，来计算大腿被测面和小腿被测面与水平方向上的倾斜角度，获取膝关节弯曲的角度。检测单侧下肢的四路超声波传感器在同一直线上，轴线并与地面和受试者行走时的方向垂直。检测单侧下肢的四路超声波的探测时间越短，则获取的膝关节弯曲角度数据则越精确。

作为本发明的微控制器的PIC16F877A单片机，该单片机内部含有I²C通信模块，每个管脚最大推拉电流能力可达20mA。单片机与8路超声波测距传感器进行I²C通信，将8路超声波连接到一个I²C总线上，先对每个传感器配置地址，并对其检测量程进行配置，量程均设置为80cm。通过顺序循环对每个超声波传感器发送控制命令，执行检测程序。

单路超声波检测过程，通过接收单片机的I²C地址，传感器自动响应与单片机通信并判断地址，通过单片机向传感器发送检测指令，超声波传感器执行检测程序，在检测过程中I²C通信的时钟线SCL始终保持低电平，通过单片机判断SCL接口电平是否发生跳变(由低电平变为高电平)，发生跳变则检测结束，保存寄存器2和寄存器3中的16位距离数据。

多路超声波传感器数据采样过程，超声波检测装置包含有8个KS101B超声波测距模块，该模块的探测速度快，除去超声波在量程范围内传输的时间，模块的探测时间为1ms，检测的数据返回值为毫秒级的数据。每路超声波的探测量成为80cm，在最大量程范围内单路超声波的探测时间为5ms，用单片机的定时器1(16位定时器)设置采样周期，为了获取精准的膝关节角度数据，要求每侧下肢的四路超声波采样周期越小越好，并且设置单侧下肢检测时的采样周期为25ms(5ms的余量)，在规定的采样周期内部对单侧下肢的四路超声波进行顺序检测，当一侧下肢检测结束后对另一侧下肢进行检测，每次双腿检测结束后重新进入循环主程序，这样超声波检测系统在一秒钟内能够检测20次数据，这个频率能够满足对获取受试者膝关节角度的要求。

数据压缩与传送，通过单片机控制每路超声波执行检测程序，每个超声波检测结束后通过I²C通信将16位的距离数据传送到单片机内部，由于每路超声波探测量程限制在80cm的范围内，检测的数据值最大为11位数据，为了后期对数据的处理以及膝关节角度的计算，通过单片机将数据右移三位，保留高八位的数据，检测精度也会变差，但仍然能够保持1.2cm，这个精度能够满足对膝关节角度的计算与分析的要求。单片机与手提电脑进行异步串行通信，将压缩后的8位数据传入到手提电脑中，再进行数据处理与膝关节角度的计算。

为更好的实现本发明的目的，所述手提电脑及内存的数据处理单元、膝关节弯曲角度计算与分析单元，是检测过程中存在失真数据以及干扰数据，需要对数据进行去噪、滤波等处理，通过判断相邻数据的差值大小，将噪声数据用相邻的数据值代替，在不影响对膝关节角度计算的情况下可滤掉干扰数据，之后通过平滑滤波处理，获取较平滑的数据曲线。

超声波传感器检测受试者行走过程中下肢与检测平台之间的相对距离数据，检测单侧下肢的四路超声波之间的位置距离为固定值，根据受试者的腿部位置及助行机器人机械结构而定，分别通过超声波检测的距离数据差值和各路超声波位置之间的高度差，确定大腿被侧面和小腿被侧面与水平方向上所成的倾斜角度，获取受试者在行走过程中的膝关节角度数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)超声波检测装置安装在助行机器人平台上，在受试者身体上不安装任何装置，在检测过程中受试者与助行机器人同时移动，受试者在行走过程中无任何的限制，提高受试者在检测时的心里素质，增加其对下肢康复训练的信心，能够频繁、高效地对不同受试者的膝关节弯曲角度进行检测实验。

(2)通过检测受试者大腿被侧面和小腿被侧面与检测平台之间的距离数据，获取膝关节弯曲角度的方法为直观的检测方法，与其他方法相比，不涉及对数据的融合及误差补偿等处理。

(3)获取的膝关节角度的误差与传感器的检测精度与采样时间直接相关，采用高频率、高精度的超声波测距传感器，缩短采样时间，使检测装置能够准确的检测每一侧下肢的大腿被侧面和小腿被侧面与检测平台之间的距离数据，获取精准的膝关节弯曲角度数据。

(4)相对其它膝关节角度测量方法而言，通过本发明获取的膝关节角度检测方法简单易懂，不需要专业人员进行操作，成本较低，使用安装方便。该方法不足在于：检测过程中超声波产生的干扰较多，通过检测装置的机械结构优化设计，循环检测等方法，可排除大量的干扰；检测受试者的行走区域范围较小，可通过增加超声波传感器的数量增加检测范围，但会使检测精度下降，需要使用更高采样频率的超声波测距传感器。

附图说明

图1为基于助行机器人的超声波检测系统示意图，其中1为超声波检测系统，2为助行机器人，3为受试者。

图2为超声波检测过程正视图，其中4为超声波检测系统。

图3为检测系统结构俯视图，其中5和6分别为检测每一侧下肢的四路超声波传感器，5为No.1～No.4路超声波，6为No.5～No.8路超声波，7为助行机器人外部边界，8和9分别为双侧下肢的检测区域。

图4为膝关节角度计算各参数关系示意图，其中10为受试者的膝关节。

图5为三种不同膝关节角度计算示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明的技术方案做进一步详细说明。

一.超声波检测装置

如图1所示，超声波检测装置安装在助行机器人平台前方内侧，包含8路超声波测距模块，分别用四路超声波检测单侧下肢的大腿被侧面和小腿被侧面与检测平台之间的距离数据，且其四路超声波传感器处于与地面和受试者行走方向垂直的轴线上，每路超声波与地面之间的距离为固定值。检测过程中受试者与助行机器人同时移动，在受试者向前迈步时膝关节在垂直于地面的方向上会有一定的幅值变化，因此每一侧下肢分别用两路超声波检测大腿被侧面和小腿被侧面与传感器之间的距离，获取单侧下肢大腿被侧面和小腿被侧面与水平方向上的倾斜角度，从而获取受试者在行走过程中膝关节弯曲的角度信息。

以检测单侧下肢距离数据为例，检测过程中的正视图如图2所示，其中D₁，D₂，D₃，D₄分别为四路超声波检测的距离数据，其中H₁，H₂，H₃，H₄分别为四路超声波与地面之间的距离，且为可调的固定值。

检测区域范围的设置，图3所示为检测装置的俯视图，每个超声波的感应角度为15度，最大探测距离为80cm，阴影部分为超声波的检测区域，只要受试者的下肢有部分处于检测区域，则下肢均能够被检测到，因此在实际的检测过程中检测范围大于阴影部分的区域，黑色外框为助行机器人的内部边界。图中的5、6分别代表检测每侧下肢的四路超声波，检测左侧下肢的四路超声波均在同一直线上，直线的轴线与地面垂直，且每路超声波与检测平台成7.5度角，检测左侧和右侧下肢处于同一水平线上的两路超声波之间距离为17cm，保证检测时去除左右腿行走时对超声波之间的干扰。

单片机与8路超声波测距模块通过I²C总线连接，单片机为每个KS101B超声波测距模块分配探测地址，模块与单片机自动响应I²C通信，并检测地址，再通过单片机向模块输入8位探测指令进行检测，SCL接口在检测过程中保持低电平，系统响应时间(不包括检测过程时超声波传输时间)为1ms，在延时1ms之后，判断SCL接口电平是否跳变(由低到高)，发射跳变则检测结束，通过SDA接口将检测数据传入单片机内，单片机将检测模块返回的16位数据压缩为8位数据，并与手提电脑进行异步串行通信，将压缩后的8位数据通过串口传入到计算机内部，之后进入下一路超声波过程，当检测单侧下肢的四路超声波检测结束后，判断定时器1的定时时间是否达到25ms的采样时间，采样时间结束后执行另一侧下肢的超声波检测程序，直至采样周期结束，再次进入主循环程序，进行下一次检测。

将单片机与手提电脑通过串口连接，对每路超声波传感器发送检测指令，循环检测8路超声波，探测结束后将数据传入单片机内部，单片机再通过串口将数据传入计算机内。

二.数据处理

在检测后保存的数据文件中，分别提取出8路超声波检测数据，并对每一路检测数据进行去噪，根据相邻数据差值的计算方法，计算所有相邻数据时间的差值，当某一数据点与相邻数据差值大于所有数据差值的均值则认为是噪声，用其周围的四个数据的均值代替噪声数据。为了便于后期对膝关节角度的计算，通过七点二次平滑滤波的方法将每一路数据曲线平滑处理，其定义为：

$y_i=\frac{7x_i+6(x_{i-1}+x_{i+1})+3(x_{i+2}+x_{i-2})-2(x_{i+3}+x_{i-3})}{21}---\left(1\right)$

其中x_i为检测的第i个数据值，y_i为经过平滑滤波之后的数据值。

三.膝关节角度计算

以计算单侧下肢膝关节角度为例，超声波检测装置的采样频率为20Hz，即每秒检测二十次，分别取出每一次采样单侧下肢的四个检测数据，在一次采样过程中，各路超声波依次循环检测排除了各超声波在检测过程中之间的干扰，但是在增加检测误差的基础上实现的，四个检测数据时间差在5ms至10ms之内，这是由每个KS101B超声波测距模块的响应时间决定。基于检测的数据，计算膝关节角度所需的各个参数之间的关系如图4所示，其中∠α与∠β之和即为膝关节弯曲角度θ，即∠θ＝∠α+∠β。其中L₁和L₂的距离值分别为检测大腿被测面和小腿被测面的两路超声波检测距离数据的差值，即L₁＝D₁-D₂，L₂＝D₃-D₄。G₁为第一路与第二路超声波传感器之间的距离，其值为G₁＝H₁-H₂，G₂为第三路与第四路超声波传感器之间的距离其值为G₂＝H₃-H₄。其中∠α＝∠α1，∠β＝∠β1，根据反正切定理即可计算出∠α1和∠β1，即：

$\∠\mathrm{\α}1=\left|\arctan \left(\frac{G_1}{L_1}\right)\right|---\left(2\right)$

$\∠\mathrm{\β}1=\left|\arctan \left(\frac{G_2}{L_2}\right)\right|---\left(3\right)$

在计算膝关节角度θ时，∠α与∠β分为锐角或钝角时的计算方法不同，检测过程中的角度变化会出现如图5所示的三种情况，跟据L₁和L₂值的正负判断计算膝关节角度所需的公式。其中第一种情况L₁和L₂均为正值，即∠α为锐角，∠β为钝角。则膝关节角度的计算如公式(4)所示：

第二种情况中L₁为正值，L₂为负值，即∠α和∠β均为锐角，则膝关节角度的计算如公式(5)所示：

$\∠\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{G_1}{L_1}\right)-\arctan \left(\frac{G_2}{L_2}\right)---\left(5\right)$

第三种情况中L₁为负值，L₁与L₂均为负值，即∠α为钝角，∠β为锐角，则膝关节角度的计算如公式(6)所示：

$\∠\mathrm{\θ}=180+\arctan \left(\frac{G_1}{L_1}\right)-\arctan \left(\frac{G_2}{L_2}\right)---\left(6\right)$

由以上公式，便可计算出在一个采样周期内单侧下肢的膝关节角度，同理，另一侧下肢的第关节角度也能够计算出来。根据以上所述，就能够获取受试者在不同时刻时的膝关节角度信息。

Claims (9)

1.一种膝关节角度的实时检测方法，采用超声波测距传感器检测人体行走时膝关节弯曲的角度，其特征在于：将超声波检测装置安装在移动助行机器人平台前方内侧，受试者身体上不加装任何检测装置，通过多路超声波检测人体行走时下肢的大腿被测面和小腿被测面与检测平台之间的距离数据，获取受试者在行走过程中膝关节弯曲的角度。

2.根据权利要求1所述的膝关节角度的实时检测方法，其特征在于所述固定在助行机器人平台上的超声波检测装置与受试者同时移动，通过超声波检测受试者下肢的大腿和小腿被侧面的不同位置与检测装置之间的距离数据，并根据两路超声波检测的数据与两路超声波之间的距离，来计算大腿被测面和小腿被测面与水平方向上的倾斜角度，获取受试者膝关节弯曲角度数据。

3.根据权利要求1所述的膝关节角度的实时检测方法，其特征在于检测同一侧下肢的多路超声波与地面之间的高度根据受试者下肢的长短调节。

4.根据权利要求1所述的膝关节角度的实时检测方法，其特征在于超声波检测装置安装在助行机器人上，受试者身上不安装任何检测装置，受试者行走过程中无任何限制，而获取受试者膝关节弯曲角度数据。

5.权利要求1所述膝关节角度的实时检测方法中使用的膝关节角度的实时检测装置，其特征在于：包括有多路独立的超声波测距装置，单片机数据采集与传输装置，手提电脑及内存的数据处理单元、膝关节弯曲角度计算与分析单元。

6.根据权利要求5所述的膝关节角度的实时检测装置，其特征在于：所述的超声波测距装置采用KS101B超声波测距模块，该模块包括有超声波信号触发器，超声波发射、接收电路，温度补偿电路，数据处理单元，其中每个KS101B超声波测距模块配置一个I2C地址，进行多量程(10cm量程间隔)检测，对每个KS101B地址进行配置，通过单片机向I2C总线发送地址，并向SDA接口发送距离探测指令，探测过程中的SCL接口为低电平，探测结束后的SCL接口变为高电平，探测结束通过寄存器保存探测距离数据。

7.根据权利要求5所述的膝关节角度的实时检测装置，其特征在于：所述的单片机数据采集与数据传输装置采用PIC16F877A单片机作为微控制器，单片机与超声波检测装置中的8个KS101B超声波测距模块之间进行I2C通讯，单片机与计算机进行异步串行通讯，将检测数据通过单片机传入计算机，其中：

超声波检测装置中的8路超声波传感器，每四路传感器检测一侧的下肢的大腿被侧面和小腿被侧面与检测平台之间的距离数据，大腿和小腿的被侧面即为受试者腿部能够被超声波所处检测的区域，分别用两路超声波检测大腿被侧面和小腿被侧面与传感器之间的距离数据。

8.根据权利要求7所述的膝关节角度的实时检测装置，其特征在于：检测单侧下肢的四路超声波传感器在同一直线上，轴线并与地面和受试者行走时的方向垂直。

9.根据权利要求5所述的膝关节角度的实时检测装置，其特征在于：所述手提电脑及内存的数据处理单元、膝关节弯曲角度计算与分析单元，检测过程中存在失真数据以及干扰数据，对数据进行去噪、滤波等处理，并通过判断相邻数据的差值大小，将噪声数据用相邻的数据值代替，在不影响对膝关节角度计算的情况下滤掉干扰数据，通过平滑滤波处理获取较平滑的数据曲线。

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