CN103120586A - 人体步态运动学参数采集辅助装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种人体步态运动学参数采集辅助装置和方法。辅助装置腰带、腰带连接件、髋关节上部、十字铰链、大腿上部、大腿绑带、大腿连接件、大腿上部、小腿上部、小腿连接件、小腿下部、踝关节连接件、脚掌部件以及脚掌连接件。该外骨骼能依据受试者身体尺寸的不同而进行调整，以满足不同受试者的实验。机械外骨骼的使用能够保证在进行人体下肢外骨骼运动学测量时的准确性和重复性。将光学标志点安置在机械外骨骼上，利用光学传感器测量标志点在矢状面的坐标值并存储，再通过数学方法计算人体下肢运动学参数。

Description

人体步态运动学参数采集辅助装置和方法

技术领域

本发明涉及一种使用仿下肢外骨骼机械结构的人体步态运动学参数采集辅助装置和方法，属于采集方法应用技术领域。 

背景技术

人体的步态信息中，运动学参数信息是主要的组成部分，因此采集人体步态的动学信息是研究人体步态的重要内容。现今采集人体步态信息的方法很多，如视频录像法、人体肌电信号法（EMG）和光学标志点采集法等。相对于视频录像法后期数据处理复杂，EMG法信号微弱且易受干扰的不足，光学标志点采集法对步态运动学参数的采集方面以其准确性、鲁棒性、易实施性而广泛应用，见附图1。 

目前光学标志点采集法的实施过程为：先将标志点黏贴在人体待检测部位的皮肤上，再通过光学设备（传感器）对该标志点的空间坐标位置进行实时检测并记录信息数据。但使用该方法在采集步态运动学参数信息中也存在一些难题：即如何保证步态信息采集时标志点黏贴的准确性和重复性。由于人体皮肤的弹性和流动性，要准确的采集人体下肢某一点的运动学信息往往很难，同时黏贴后的标志点在取下后，再次黏贴时很难保证黏贴在同一位置，这就给步态数据的采集带来不利影响，进而会影响后续进行的步态分析和步态评估等工作。 

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供人体步态运动学参数采集辅助装置和方法，通过该装置来完成对人体步态运动学参数的采集，使采集过程具有准确性和可重复性等特点。为达到上述目的，本发明的构思是：本发明采集的步态运动学参数信息包括：人体下肢三个关节在矢状面（髋关节、膝关节）的关节角度，脚掌的空间位姿，重心的位置和运动变化，步高，步频以及步长等，通过对采集的数据进行计算处理后获得关节角速度、角加速度、步速、加速度等运动学信息。 

在采集的过程中，应尽量避免辅助装置对步态的影响，即应保证辅助装置与人体下肢具有相同的自由度。本发明所设计的辅助装置根据人体下肢各关节自由度的不同采用不同的联接方式，达到了与人体下肢关节一致的自由度数目，消除了由于自由度不同对采集过程的影响。该装置的另一特点在于能够根据被采集者身体尺寸（腰围、大腿、小腿）的不同进行尺寸调整，从而能够满足大范围群体的步态采集。该装置还具有定位准确的特点，采用与人体躯干（腹部）的大面积接触来限制该装置在采集过程中与人体的相对运动，同时将该装置的大腿和小腿部分与人体的大腿和小腿进行绑缚，从而进一步消除该装置与人体的相对运动，使得该装置能够与人体下肢的运动保持一致。 

本发明的另一内容为将标志点黏贴在外骨骼上，以便完成对人体下肢的运动学参数的采集。根据需要采集的参数，标志点黏贴位置的确定是本发明的另一内容，确定标志点黏贴位置的原则是：既要保证标志点的位置能真实的反映人体下肢的运动轨迹，同时也需保证标志点在采集设备的测量范围内。本发明所使用的步态运动学参数采集设备为光学式（红外）运动捕捉仪，此类仪器的特点是：进行运动捕捉是对运动物体上的标志点的捕捉，且标志点应在捕捉仪的感知范围内，根据光线的传播特性，因此标志点的最佳位置是与捕捉仪相对放置，以保证运动捕捉的连续性。 

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案： 

一种人体步态运动学采集辅助装置，包括：腰带、腰带连接件、髋关节上部、十字铰链、大腿上部、大腿绑带、大腿连接件、大腿下部、小腿上部、小腿连接件、小腿下部、踝关节连接件、脚掌部件以及脚掌连接部件，以上各组件均为左右对称，其特征在于：所述腰带与腰带连接件通过腰带连接件螺钉紧固连接，腰带与髋关节上部通过髋关节上部螺钉固定，髋关节上部与大腿上部通过分别于十字铰链的两端紧固连接，大腿上部、大腿下部分别与大腿连接件的两端相连接并通过大腿连接件螺钉固定在大腿连接件上，大腿下部与小腿上部通过膝关节螺钉活动连接，小腿上部、小腿下部分别与小腿连接件的两端相连接并通过小腿连接件螺钉固定在小腿连接件上，小腿下部与脚掌连接部件通过踝关节连接件连接，脚掌连接部件与脚掌部件通过螺钉固定，大腿上部与小腿上部的内侧安置大腿绑带和小腿绑带分别用于与受试者的大腿和小腿的固定。

所述腰带连接件为带槽结构，使得腰带可通过腰带连接件螺钉调节其与腰带连接件的连接位置以适应不同受试者的腰围大小，且腰带连接件的中心处有一圆形盲孔，用于安置人体重心数据测量标志点。 

所述髋关节上部为带槽结构，使得腰带可通过髋关节上部螺钉调节其与髋关节上部的连接位置以适应不同受试者髋骨大小，同时髋关节上部的外侧竖直中线上有两圆形盲孔，用于安置两个骨盆运动数据测量标志点。 

使用具有与髋关节相同自由度的十字铰链模拟人体下肢髋关节，并用于连接髋关节上部与大腿上部，同时大腿上部的外侧竖直中线上有两圆形盲孔，用于安置两个大腿运动数据测量标志点。 

所述大腿连接件为带槽结构，使得大腿上部可通过调节其与与大腿下部的连接位置以适应不同受试者的大腿的长度。 

使用膝关节螺钉模拟人体下肢膝关节，并用于连接大腿下部与小腿上部，同时小腿上部的外侧竖直中线上有两圆形盲孔，用于安置两个小腿运动数据测量标志点。 

所述小腿连接件为带槽结构，使得小腿上部可通过调节其与与小腿下部的连接位置以适应不同受试者的小腿的长度。 

使用踝关节连接件模拟人体踝关节，其为软质结构，可适应踝关节的三自由度，并用于连接小腿下部与脚掌连接部件，同时脚掌连接部件的外侧竖直中线上有两圆形盲孔，用于安置两个脚踝运动数据测量标志点。 

脚掌部件的外侧水平线上有两圆形盲孔，用于安置两个脚掌运动数据标志点。 

一种人体步态运动学参数采集方法，采用上述辅助装置进行采集，其特征在于操作步骤如下： 

    （1）完成一个传感器、一个数据处理器、一个显示器和一个跑步机的连线；

    （2）将标志点安置在所述跑步机的边缘，将标志点根据权利要求2、3、4、6、8、9所述安置完成；

    （3）受试者穿上权利要求1所述的人体步态运动学参数采集辅助装置并根据受试者的身体尺寸调节该辅助装置的尺寸；

    （4）受试者上跑步机，开启传感器、数据处理器、显示器及相应软件；

（5）调整传感器的位置以确保各标志点均能在传感器的测量范围内；

（6）启动跑步机；

（7）调节跑步机的速度使其与受试者的正常步速相一致；

（8）开始记录各标志点的坐标值；

（9）对采集的数据进行处理；

（10）生成数据处理报告；

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：本发明的下肢辅助装置的自由度与人体下肢外骨骼的自由度保持一致，如髋关节采用十字铰链连接，保证了髋关节两自由度的旋转中心位于同一点，而踝关节则采用柔性连接，能很好的与人体踝关节的运动保持一致。此外，本发明的下肢辅助装置与人体下肢相接触部分为一平面，能够保证与人体下肢的紧密贴合，这些设计为准确测量人体下肢运动学参数的信息提供保证。

附图说明

图1，以往人体下肢辅助装置结构示意图。 

图2，光学标志点法人体下肢运动学参数采集示意图。 

图3，人体下肢辅助装置结构图。 

图4，标志点放置位置示意图。 

图5，为图4中“A”处局部放大图。 

图6，求解膝关节中心运动学参数示意图。 

图7，采集程序框图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明： 

实施例一：

参见图3-图6，本人体步态运动学参数采集辅助装置， 包括腰带（8）、腰带连接件（9）、髋关节上部（10）、十字铰链（11）、大腿上部（12）、大腿绑带（13）、大腿连接件（14）、大腿下部（15）、小腿上部（16）、小腿连接件（17）、小腿下部（18）、踝关节连接件（19）、脚掌部件（26）以及脚掌连接部件（39），以上各组件均为左右对称，其特征在于：所述腰带（8）与腰带连接件（9）通过腰带连接件螺钉（20）紧固连接，腰带（8）与髋关节上部（10）通过髋关节上部螺钉（21）固定，髋关节上部（10）与大腿上部（12）通过分别于十字铰链（11）的两端紧固连接，大腿上部（12）、大腿下部（15）分别与大腿连接件（14）的两端相连接并通过大腿连接件螺钉（22）固定在大腿连接件（14）上，大腿下部（15）与小腿上部（16）通过膝关节螺钉（23）活动连接，小腿上部（16）、小腿下部（18）分别与小腿连接件（17）的两端相连接并通过小腿连接件螺钉（25）固定在小腿连接件（17）上，小腿下部（18）与脚掌连接部件（39）通过踝关节连接件（19）连接，脚掌连接部件（39）与脚掌部件（26）通过螺钉（27）固定，大腿上部（12）与小腿上部（16）的内侧安置大腿绑带（13）和小腿绑带（24）分别用于与受试者2的大腿和小腿的固定。

实施例二： 

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：所述述人体步态运动学参数采集辅助装置，其特征在于：所述腰带连接件（9）为带槽结构，使得腰带（8）可通过腰带连接件螺钉（20）调节其与腰带连接件（9）的连接位置以适应不同受试者的腰围大小，且腰带连接件（9）的中心处有一圆形盲孔，用于安置人体重心数据测量标志点（28）。

所述人体步态运动学参数采集辅助装置，其特征在于：所述髋关节上部（10）为带槽结构，使得腰带（8）可通过髋关节上部螺钉（21）调节其与髋关节上部（10）的连接位置以适应不同受试者髋骨大小，同时髋关节上部（10）的外侧竖直中线上有两圆形盲孔，用于安置两个骨盆运动数据测量标志点（29、30）。 

所述人体步态运动学参数采集辅助装置，其特征在于：使用具有与髋关节相同自由度的十字铰链(11)模拟人体下肢髋关节，并用于连接髋关节上部（10）与大腿上部（12），同时大腿上部（12）的外侧竖直中线上有两圆形盲孔，用于安置两个大腿运动数据测量标志点（31、32）。 

所述人体步态运动学参数采集辅助装置，其特征在于：所述大腿连接件（14）为带槽结构，使得大腿上部（12）可通过调节其与与大腿下部（15）的连接位置以适应不同受试者的大腿的长度。 

所述人体步态运动学参数采集辅助装置，其特征在于：使用膝关节螺钉（23）模拟人体下肢膝关节，并用于连接大腿下部（15）与小腿上部（16），同时小腿上部（16）的外侧竖直中线上有两圆形盲孔，用于安置两个小腿运动数据测量标志点（33、34）。 

所述人体步态运动学参数采集辅助装置，其特征在于：所述小腿连接件（17）为带槽结构，使得小腿上部（16）可通过调节其与与小腿下部（18）的连接位置以适应不同受试者的小腿的长度。 

所述人体步态运动学参数采集辅助装置，其特征在于：使用踝关节连接件（19）模拟人体踝关节，其为软质结构，可适应踝关节的三自由度，并用于连接小腿下部（18）与脚掌连接部件（39），同时脚掌连接部件（39）的外侧竖直中线上有两圆形盲孔，用于安置两个脚踝运动数据测量标志点（35、37）。 

所述人体步态运动学参数采集辅助装置，其特征在于：所述脚掌部件（26）的外侧水平线上有两圆形盲孔，用于安置两个脚掌运动数据标志点（36、38）。 

实施例三： 

参见图7，本人体步态运动学参数采集方法，应用上述辅助装置采集，步骤如下：

（1）完成一个传感器（3）、一个数据处理器（6）、一个显示器（7）和一个跑步机（1）的连线；

    （2）将标志点（4）安置在所述跑步机（1）的边缘，将标志点（28-38）根据权利要求2、3、4、6、8、9所述安置完成；

    （3）受试者（2）穿上权利要求1所述的人体步态运动学参数采集辅助装置并根据受试者的身体尺寸调节该辅助装置的尺寸；

    （4）受试者上跑步机（1），开启传感器（3）、数据处理器（6）、显示器（7）及相应软件；

（5）调整传感器（3）的位置以确保各标志点均能在传感器（3）的测量范围内；

（6）启动跑步机（1）；

（7）调节跑步机（1）的速度使其与受试者（2）的正常步速相一致；

（8）开始记录各标志点的坐标值；

（9）对采集的数据进行处理；

（10）生成数据处理报告；

实施例四：

参见附图1-4，人体运动学参数的光学标志点测量的基本过程为：连接3、5、6、7并调试运行，将标志点4安放在跑步机边沿，通过测试标志点4的高度保证其位于同一条水平直线上，安装位置如图1所示。将标志点28—38安装在人体下肢辅助装置的指定位置，安装位置如图4所示。待受试者2穿戴完毕辅助装置，根据受试者2的大腿和小腿的长度调整17和14的长度，再根据受试者2腰围的大小调整9的长度，以保证辅助装置能与受试者2很好的贴合，同时减少辅助装置与受试者2之间的相对运动，通过13、24将辅助装置与受试者2固定。让受试者2上到跑步机1上，待受试者感觉稳定后，启动跑步机1，以低速运转让受试者适应跑步机的转动。调整传感器3的位置，使其能够全部感应到标志点4以及标志点29—38，并保证测量过程中这些标志点也在可感知范围内。开始测量人体下肢的运动学参数，并将结果储存，采集的数据为标志点29—38在空间三个方向上运动的坐标值和夹角值。待标志点29—38的测试完毕后，调整传感器３的位置，使其能够感应到标志点28，并完成对标志点28的运动过程测量。

完成人体下肢各标志点的运动测量后需要对采集的数据进行处理，并发明要得到的人体下肢运动学参数包括：矢状面各关节角速度、角加速度、步速、加速度，各关节在矢状面的夹角变化范围，重心在矢状面的运动轨迹。为准确的获得这些数据，本发明在设计辅助装置时力求保证辅助装置能够满足使用要求。 

使用十字铰链11、软的踝关节联接件19使得辅助装置与人体下肢外骨骼在髋关节、踝关节上具有相同的自由度，保证了测量髋关节、踝关节的运动时辅助装置的自由度与人体下肢自由度匹配。 

通过对上述由实验采集的辅助装置上标志点在矢状面的坐标的处理来获得人体下肢运动学参数，如获得人体重心的运动轨迹是利用平滑曲线将实验测得重心离散时间序列点连接即可，重心在矢状面的上下方向的速度则可通过计算求解：设记录各标志点坐标值的过程中，t1时刻标志点28在矢状面的坐标为（x1,y1），t2时刻标志点28在矢状面的坐标为（x2,y2），t3时刻标志点28在矢状面的坐标为（x3,y3），则t1至t2时间段标志点28在竖直方向的平均速度为v1=（y2-y1）/(t2-t1)，t2至t3时间段标志点28在竖直方向的平均速度为v2=（y3-y2）/(t3-t2)，则标志点28在((t2-t1)+(t3-t2))/2时间段内平均的加速度为a1=2*(v2-v1)/((t2-t1)+(t3-t2))，若采集的频率较高即t1至t3相隔的时间较短，则可将平均速度和平均加速度看作是瞬时速度和瞬时加速度，如此即可得出人体下肢上某点的运动学参数如速度、加速度等。其他的运动学参数依照相似计算方法即可求解。 

而髋，膝，踝关节的运动轨迹和运动速速、加速度等运动学参数则可通过计算获得，参见附图5计算过程如下：设t1时刻大腿和小腿上的标志点31至34的在矢状面的坐标值为（x1,y1），（x2,y2），（x3,y3），（x4,y4），t2时刻的坐标值为（x5,y5），（x6,y6），（x7,y7），（x8,y8），则可计算出大腿与小腿的交点即膝关节中心在t1、t2的轨迹坐标值,计算公式如下： 

            （1）

由式（1）求解x,y即可得出中心的轨迹。同样的可求出t2时刻的轨迹坐标，进而求出其速度、加速度值。

Claims (10)

1.一种人体步态运动学参数采集辅助装置， 包括腰带（8）、腰带连接件（9）、髋关节上部（10）、十字铰链（11）、大腿上部（12）、大腿绑带（13）、大腿连接件（14）、大腿下部（15）、小腿上部（16）、小腿连接件（17）、小腿下部（18）、踝关节连接件（19）、脚掌部件（26）以及脚掌连接部件（39），以上各组件均为左右对称，其特征在于：所述腰带（8）与腰带连接件（9）通过腰带连接件螺钉（20）紧固连接，腰带（8）与髋关节上部（10）通过髋关节上部螺钉（21）固定，髋关节上部（10）与大腿上部（12）通过分别于十字铰链（11）的两端紧固连接，大腿上部（12）、大腿下部（15）分别与大腿连接件（14）的两端相连接并通过大腿连接件螺钉（22）固定在大腿连接件（14）上，大腿下部（15）与小腿上部（16）通过膝关节螺钉（23）活动连接，小腿上部（16）、小腿下部（18）分别与小腿连接件（17）的两端相连接并通过小腿连接件螺钉（25）固定在小腿连接件（17）上，小腿下部（18）与脚掌连接部件（39）通过踝关节连接件（19）连接，脚掌连接部件（39）与脚掌部件（26）通过螺钉（27）固定，大腿上部（12）与小腿上部（16）的内侧安置大腿绑带（13）和小腿绑带（24）分别用于与受试者2的大腿和小腿的固定。

2.根据权利要求1所述人体步态运动学参数采集辅助装置，其特征在于：所述腰带连接件（9）为带槽结构，使得腰带（8）可通过腰带连接件螺钉（20）调节其与腰带连接件（9）的连接位置以适应不同受试者的腰围大小，且腰带连接件（9）的中心处有一圆形盲孔，用于安置人体重心数据测量标志点（28）。

3.根据权利要求1所述人体步态运动学参数采集辅助装置，其特征在于：所述髋关节上部（10）为带槽结构，使得腰带（8）可通过髋关节上部螺钉（21）调节其与髋关节上部（10）的连接位置以适应不同受试者髋骨大小，同时髋关节上部（10）的外侧竖直中线上有两圆形盲孔，用于安置两个骨盆运动数据测量标志点（29、30）。

4.根据权利要求1所述人体步态运动学参数采集辅助装置，其特征在于：使用具有与髋关节相同自由度的十字铰链(11)模拟人体下肢髋关节，并用于连接髋关节上部（10）与大腿上部（12），同时大腿上部（12）的外侧竖直中线上有两圆形盲孔，用于安置两个大腿运动数据测量标志点（31、32）。

5.根据权利要求1所述人体步态运动学参数采集辅助装置，其特征在于：所述大腿连接件（14）为带槽结构，使得大腿上部（12）可通过调节其与与大腿下部（15）的连接位置以适应不同受试者的大腿的长度。

6.根据权利要求1所述人体步态运动学参数采集辅助装置，其特征在于：使用膝关节螺钉（23）模拟人体下肢膝关节，并用于连接大腿下部（15）与小腿上部（16），同时小腿上部（16）的外侧竖直中线上有两圆形盲孔，用于安置两个小腿运动数据测量标志点（33、34）。

7.根据权利要求1所述人体步态运动学参数采集辅助装置，其特征在于：所述小腿连接件（17）为带槽结构，使得小腿上部（16）可通过调节其与与小腿下部（18）的连接位置以适应不同受试者的小腿的长度。

8.根据权利要求1所述人体步态运动学参数采集辅助装置，其特征在于：使用踝关节连接件（19）模拟人体踝关节，其为软质结构，可适应踝关节的三自由度，并用于连接小腿下部（18）与脚掌连接部件（39），同时脚掌连接部件（39）的外侧竖直中线上有两圆形盲孔，用于安置两个脚踝运动数据测量标志点（35、37）。

9.根据权利要求1所述人体步态运动学参数采集辅助装置，其特征在于：所述脚掌部件（26）的外侧水平线上有两圆形盲孔，用于安置两个脚掌运动数据标志点（36、38）。

10.一种人体步态运动学参数采集方法，利用根据权利要求1所述的人体步态运动学参数辅助装置进行步态运动学参数采集，其特征在于操作步骤如下：

（1）完成一个传感器（3）、一个数据处理器（6）、一个显示器（7）和一个跑步机（1）的连线；

（2）将标志点（4）安置在所述跑步机（1）的边缘，将标志点（28-38）根据权利要求2、3、4、6、8、9所述安置完成；

（3）受试者（2）穿上权利要求1所述的人体步态运动学参数采集辅助装置并根据受试者的身体尺寸调节该辅助装置的尺寸；

（4）受试者上跑步机（1），开启传感器（3）、数据处理器（6）、显示器（7）及相应软件；

（5）调整传感器（3）的位置以确保各标志点均能在传感器（3）的测量范围内；

（6）启动跑步机（1）；

（7）调节跑步机（1）的速度使其与受试者（2）的正常步速相一致；

（8）开始记录各标志点的坐标值；

（9）对采集的数据进行处理；

（10）生成数据处理报告。

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