CN103083027A - 一种基于下肢关节运动信息的步态相位判别方法 - Google Patents

Abstract

一种基于下肢关节运动参数的步态相位判别方法，其包括：通过大腿，小腿和脚面部位的角度传感器接收角度信息；通过角度信息处理系统获得下肢关节运动参数，具体包括膝关节和踝关节的角度信息，以及膝关节的角速度信息；通过对踝关节角度标志位和膝关节角速度的判断，得到当前下肢所处的步态相位。本发明的步态相位判别方法通过安装在大腿，小腿和脚面上的三个角度传感器采集角度信息，完成对下肢的相位判断，能够更简便且准确判断下肢的步态相位，提高假肢膝关节控制的快速性和准确性。

Description

一种基于下肢关节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下肢关节运动信息的步态相位判别方法。

背景技术

车祸、疾病等使越来越多的失去了下肢，同时也失去了行走、运动的能力，下肢假肢是这类人群恢复行走能力的唯一手段。理想的假肢能使假肢穿戴者感觉舒适、运动自然，同时不消耗过多地体能。但人体的运动极其复杂，准确的模拟正常人体的行走，已经成为了下肢假肢的研究重点。

智能假肢是20世纪90年代后发展起来的具有高性能的新一代假肢。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。

目前假肢产品主要采用两种步态相位判断方法。一种是通过安装假肢上的传感器直接判断假肢的步态相位，进行假肢的控制。另一种是在健肢侧安装传感器判断健肢的步态相位，再通过左右下肢的运动对称关系，得到假肢的步态相位，进行假肢的控制。这两种方法均需采用数量众多的传感器，包括角度传感器、压力传感器、陀螺仪等，以这些传感器检测的信息以及其一阶或二阶衍生信息等判断假肢的步态相位，系统安装复杂，计算量大，导致实时性变差。因此，需要一种简单可靠的下肢的步态相位判别方法，符合下肢截肢患者更加舒适的穿戴假肢的要求。并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。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种改进的基于下肢关节运动信息的步态相位判别方法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于下肢关节运动信息的步态相位判别方法，该方法通过安装在下肢大腿，小腿和脚面上的三个角度传感器采集角度信息，完成对下肢的步态相位判断，结构简单，安装方便。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于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站立弯曲相、站立伸展相、摆动弯曲相和摆动伸展相四个相位，该步态相位判别方法具体包括以下步骤：

（1）通过设置在大腿、小腿和脚面的角度传感器分别接收大腿、小腿和脚面的角度信息；

（2）通过角度信息处理系统得到膝关节角度、踝关节角度和膝关节角速度；

（3）踝关节标志位初始值清0；

（4）判断踝关节角度是否大于状态临界值，当踝关节角度大于临界值时，踝关节标志位为1，当踝关节角度小于等于临界值，踝关节标志位值保持不变；

（5）当踝关节标志位为0时，判断膝关节角速度的正负，当膝关节角速度大于等于0时，可判断当前相位为站立弯曲相，当膝关节角速度小于0时，可判断当前相位为站立伸展相；

（6）当踝关节标志位为1时，判断膝关节角速度的正负，当膝关节角速度大于等于0时，可判断当前相位为摆动弯曲相，当膝关节角速度小于0时，可判断当前相位为摆动伸展相；

（7）一个步态周期结束，踝关节标志位清0，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，所述步骤（2）中角度信息处理系统通过接收大腿、小腿和脚面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。

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，所述下肢步态相位转换包括以下几种情况：

（11）站立弯曲相转换到站立伸展相：踝关节标志位保持0不变，膝关节角速度逐渐减小到小于0；

（22）站立伸展相转换到摆动弯曲相：踝关节标志位由0切换为1，膝关节角速度逐渐增大到大于0；

（33）摆动弯曲相转换到摆动伸展相：踝关节标志位保持1不变，膝关节角速度逐渐减小到小于0；

（44）摆动伸展相转换到站立弯曲相：踝关节标志位置0，膝关节角速度逐渐增大到大于0。

从上述技术方案可以看出，本发明实施例的基于下肢关节运动信息的步态相位判别方法通过安装在大腿，小腿和脚面上的三个角度传感器采集角度信息，完成对下肢的步态相位判断，减少了下肢截肢患者穿戴的传感器数量和种类，结构简单，使得假肢穿戴更加便捷舒适。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）可应用于智能假肢膝关节的运动控制，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）根据关节信息判断下肢步态相位，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。

（3）减少了下肢截肢患者穿戴的传感器数量和种类，仅通过三个角度传感器完成运动信息的采集，降低了信号处理的难度，同时穿戴更加便捷舒适。

（4）仅根据膝关节角度的一阶导数信号（即角速度）和踝关节角度信号完成膝关节步态相位判断，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实施例或现有技术中的技术方案，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，下面描述中的有关本发明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他的附图。

图1是本发明基于下肢关节运动信息的步态相位判别方法的流程图；

图2是本发明基于下肢关节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是本发明基于下肢关节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是本发明基于下肢关节运动信息的步态相位判别方法中标准步态相位的区间图；

图5是本发明基于下肢关节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大腿，小腿和脚面上的三个角度传感器采集角度信息，完成对下肢的步态相位判断，减少了下肢截肢患者穿戴的传感器数量和种类，结构简单，使得假肢穿戴更加便捷舒适。

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，本发明公开的基于下肢关节运动信息的步态相位判别方法具体包括以下步骤：

（1）在大腿101、小腿102和脚面103上分别设置角度传感器，通过设置在大腿101、小腿102和脚面103的角度传感器分别接收大腿101、小腿102和脚面103的角度信息；

（2）通过角度信息处理系统得到膝关节角度、踝关节角度和膝关节角速度；

（3）踝关节标志位（以下均简称Flag）初始值清0；

（4）判断踝关节角度是否大于状态临界值，当踝关节角度大于临界值时，Flag=1，当踝关节角度小于等于临界值，Flag=0；

（5）当Flag=0时，判断膝关节角速度（以下均简称Knee Vel）的正负，当Knee Vel≥0时，可判断当前相位为站立弯曲相，当Knee Vel＜0时，可判断当前相位为站立伸展相；

（6）当Flag=1时，判断Knee Vel的正负，当Knee Vel≥0时，可判断当前相位为摆动弯曲相，当Knee Vel＜0时，可判断当前相位为摆动伸展相；

（7）一个步态周期结束，标志位Flag清0，循环下一步态周期。

本发明的上述基于下肢关节运动信息的步态相位判别方法，通过安装在大腿101、小腿102和脚面103上的三个角度传感器采集角度信息，完成对下肢的步态相位判断，减少了下肢截肢患者穿戴的传感器数量和种类，结构简单，使得假肢穿戴更加便捷舒适。

如图3所示，上述步骤（2）中角度信息处理系统通过接收大腿101、小腿102和脚面103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，通过对下肢标准步态周期的分析，根据膝关节角速度的正负情况将膝关节的步态周期划分为4个相位区间，分别为站立弯曲相301、站立伸展相302、摆动弯曲相303和摆动伸展相304。Knee Vel值为正，对应着站立弯曲相301和摆动弯曲相303，Knee Vel值为负，对应着站立伸展相302和摆动伸展相304。为了进一步区分各相位区间引入了踝关节角度，通过踝关节角度临界值305，将步态区间划分为站立区间和摆动区间，当踝关节角度增大并超过临界值时，步态相位由站立伸展相进入到摆动弯曲相。

如图5所示，本发明所叙述的下肢步态相位转换主要包括以下几种情况：

（11）站立弯曲相转换到站立伸展相：Flag保持0不变，Knee Vel逐渐减小到小于0；

（22）站立伸展相转换到摆动弯曲相：Flag由0切换为1，Knee Vel逐渐增大到大于0；

（33）摆动弯曲相转换到摆动伸展相：Flag保持1不变，Knee Vel逐渐减小到小于0；

（44）摆动伸展相转换到站立弯曲相：Flag置0，Knee Vel逐渐增大到大于0。

本发明的基于下肢关节运动信息的步态相位判别方法通过安装在大腿，小腿和脚面上的三个角度传感器采集角度信息，完成对下肢的步态相位判断，减少了下肢截肢患者穿戴的传感器数量和种类，结构简单，使得假肢穿戴更加便捷舒适。

本发明的基于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。

本发明的基于下肢关节运动信息的步态相位判别方法根据关节信息判断下肢的步态相位，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。

本发明的基于下肢关节运动信息的步态相位判别方法减少了下肢截肢患者穿戴的传感器数量和种类，仅通过三个角度传感器完成运动信息的采集，降低了信号处理的难度，同时穿戴更加便捷舒适。

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

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站立弯曲相、站立伸展相、摆动弯曲相和摆动伸展相四个相位，其特征在于：该步态相位判别方法具体包括以下步骤：

（1）通过设置在大腿、小腿和脚面的角度传感器分别接收大腿、小腿和脚面的角度信息；

（2）通过角度信息处理系统得到膝关节角度、踝关节角度和膝关节角速度；

（3）踝关节标志位初始值清0；

（4）判断踝关节角度是否大于状态临界值，当踝关节角度大于临界值时，踝关节标志位为1，当踝关节角度小于等于临界值，踝关节标志位值保持不变；

（5）当踝关节标志位为0时，判断膝关节角速度的正负，当膝关节角速度大于等于0时，可判断当前相位为站立弯曲相，当膝关节角速度小于0时，可判断当前相位为站立伸展相；

（6）当踝关节标志位为1时，判断膝关节角速度的正负，当膝关节角速度大于等于0时，可判断当前相位为摆动弯曲相，当膝关节角速度小于0时，可判断当前相位为摆动伸展相；

（7）一个步态周期结束，踝关节标志位清0，循环下一步态周期。

2.根据权利要求1所述的基于下肢关节运动信息的步态相位判别方法其特征在于：所述步骤（2）中角度信息处理系统通过接收大腿、小腿和脚面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。

3.根据权利要求1所述的基于下肢关节运动信息的步态相位判别方法，其特征在于：所述下肢步态相位转换包括以下几种情况：

（11）站立弯曲相转换到站立伸展相：踝关节标志位保持0不变，膝关节角速度逐渐减小到小于0；

（22）站立伸展相转换到摆动弯曲相：踝关节标志位由0切换为1，膝关节角速度逐渐增大到大于0；

（33）摆动弯曲相转换到摆动伸展相：踝关节标志位保持1不变，膝关节角速度逐渐减小到小于0；

（44）摆动伸展相转换到站立弯曲相：踝关节标志位置0，膝关节角速度逐渐增大到大于0。

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