CN105232053B - 一种人体踝关节跖屈相位检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种人体踝关节跖屈相位检测系统及方法。该系统包括信号采集和数据处理单元，信号采集单元检测人体踝关节相位变换状态，向上位机提供指令，实时采集踝关节运动的角速度信息；数据处理单元对此信息做积分运算，获得每一采样时刻的方向矩阵，并采用主元分析法解算出跖屈相位的主方向变化。该方法是：采用触点开关来检测人体踝关节在步态中的相位转化，在跖屈相位结束时对积分运算结果清零，以此来消除累积误差；采用主元分析法对获得的三维数据进行降维处理，获得跖屈相位的二维主平面，以此来消除安装过程中需根据人体踝关节运动平面校对陀螺仪位置所带来的不便。本发明以更低的成本，提供更稳定、精确的人体踝关节跖屈相位检测结果。

Description

一种人体踝关节跖屈相位检测系统及方法

技术领域

本发明涉及人体步态信息检测方法，特别是涉及一种踝关节跖屈相位检测方法。

背景技术

有效地检测踝关节跖屈相位对人体行走分析、行走助力及双足机器人行走控制等具有重要意义。目前可用于跖屈相位检测的方法主要有4种：肌电检测法，摄像捕捉检测法，角位移传感器检测法，陀螺仪检测法。

肌电检测法采用从皮肤表面获取肌电信号，间接检测跖屈相位。这种方法以人体行走过程中小腿肌肉的节律性激活变化为基础，建立起测量值与待测值的映射关系。由于人体行走的动态过程会受到诸多因素的影响，精准模型的建立异常困难，很难正确捕捉映射关系。此外人体出汗会对肌电信号的测量产生影响，且长期贴附电极在皮肤表面会使运动者产生不适。

摄像捕捉检测法是利用高速摄像机拍摄下肢运动轨迹，从而直接解算出跖屈相位，其不与人体接触，不约束人体运动，测量精度高，但运动空间和环境受限，抗干扰能力差，设备昂贵，不易用于控制。

角位移传感器检测法是将角位移传感器与踝关节并行安装，比较适合检测背屈相位信息。这种方法虽成本低廉，但由于人体差异及骨骼系统的复杂性，很难定位踝关节旋转中心。此外每个人行走时脚掌姿势也不尽相同，很难将传感器准确安装在踝关节运动平面上内，导致结果不够精确。

陀螺仪检测法将陀螺仪安装在脚背处，可获得踝关节的三维运动姿态。但是，廉价的MEMS陀螺仪累计误差非常大，高精度陀螺仪的质量太大、价格太高。而且需要将陀螺仪坐标系小心对准踝关节旋转方法，方能获得跖屈相检测结果。

可见目前跖屈相位检测，缺少稳定、精确和廉价的方法与装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种稳健的人体踝关节跖屈相位检测装置，以便解决现有技术中代价高、精度低和累积误差大等问题。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的人体踝关节跖屈相位检测系统，包括信号采集单元和数据处理单元。所述信号采集单元用于检测人体踝关节相位变换状态，向上位机提供控制指令，实时采集踝关节运动的角速度信息，同时将该信息无线传输到数据处理单元。所述数据处理单元对收到的信息做积分运算，获得每一采样时刻的方向矩阵，并采用主元分析法解算出跖屈相位的主方向变化。

所述信号采集单元，由微控制单元和与之相连的触点开关、陀螺仪、通信模块组成。

所述陀螺仪只用一个，该陀螺仪置于脚面上，通过数据线连接于微控制单元，用于检测踝关节角速度。

所述触点开关有两个，其中一个触点开关置于脚跟位置，另外一个触点开关置于脚尖位置，分别通过数据线连接于微控制单元，用于采集足底压力信号。

所述微控制单元，置于目标位置即脚背面上，并通过绑缚在鞋上的塑料框架加以固定；其采集到的数据通过485总线形式传输到通信模块上进行无线通信。

所述通信模块，采用两个具有自组网功能的ZigBee模块；两个ZigBee模块分别与MCU及上位机相连接，通过其自组网方式，将与MCU相连接的ZigBee作为从机，与上位机相连接的ZigBee作为主机，建立起无线网络。

所述数据处理单元采用计算机，其为上位机。

本发明提供的人体踝关节跖屈相位检测方法，具体是：采用触点开关来检测人体踝关节在步态中的相位转化，在跖屈相位结束时对积分运算结果清零，以此来消除累积误差；采用主元分析法对获得的三维数据进行降维处理，获得跖屈相位的二维主平面，以此来消除安装过程中需根据人体踝关节运动平面校对陀螺仪位置所带来的不便。

所述人体踝关节跖屈相位检测方法，其包括以下步骤：

第一步，使用者穿戴安装有所述人体踝关节跖屈相位检测装置的鞋于平地上行走几步；同时所述人体踝关节跖屈相位检测系统对行走过程中采集到的数据进行处理，获得每一采样点处的旋转矩阵与方向向量，并采用主元分析法获得跖屈相位二维主平面，显示计算完成信息；

第二步，使用者即可连续在平地上行走，所述检测方法将检测到的方向向量投影于第一步所得主平面内，通过三角函数，实时计算出所需的跖屈相位角。

本发明与现有技术相比，主要有以下的有益效果：

1.可以简单有效的清除随机漂移等因素带来的累积误差。

本发明针对传统的MEMS陀螺仪检测法累积误差大的问题，通过安置两个触点开关，判断跖屈相的起点和终点。在跖屈驱动相初始对采集到数据进行积分运算，在跖屈控制相结束时对前述积分结果清零消除累积误差。由于从跖屈驱动相、摆动相到跖屈控制相的时间相对较短，期间陀螺仪的累积误差可以忽略，可获得较高检测精度。传统MEMS陀螺仪随机漂移误差补偿多采用Kalman滤波法，但Kalman法需要知道信号的激励噪声和观测噪声的方差，实际应用中较难获得这两种参数；以预建立模型方式消除误差则取决于所建立模型的精度。人体步态具有很强的周期性，在平稳路面行走时，每一步态周期内跖屈相位角从0度(与地面平行)变化一个周期回到0度(与地面平行)，采用本发明所提供的方法可以简单有效的清除随机漂移等因素带来的累积误差。

2.在不加入任何机械约束的条件下，可以更有效得测量人体跖屈相位角，且不会带来任何行动上的不便。

本发明采用主元分析方法，简单有效的获取三维旋转运动中跖屈相位的主要变化方向，避免对陀螺仪进行繁杂的安装和对准操作。通常的三维运动需要用欧拉角或四元数描述。将跖屈相变化投影到二维平面，可用一个变量描述。因为人体行走过程主要发生在矢状面内，因此上述投影过程不仅简化了变量描述，且不会显著降低检测精度。传统踝关节角度测量多采用机械方式，将角度传感器安装于踝关节侧。这种方式很难保证仪器的旋转中心与人体实际踝关节旋转中心平行，此外人体行走时，踝关节旋转中心也产生一定的蹿移，固定在踝关节的测量装置会对人体行走带来一定的干扰，产生不便。本发明所提出的方法，在不加入任何机械约束的条件下，可更有效得测量人体跖屈相位角，且不会带来任何行动上的不便。

3.制作成本低：

本发明所涉及硬件系统相对于其它传统检测方法成本低。肌电测量产品，诸如Biometrics等，售价在几万到十几万；主流的人体运动捕捉分析系统VICON报价百万；高精度的惯性传感器，如Xsens公司的MTx系列传感器售价2万左右。本发明所涉及到的硬件成本主要集中在陀螺仪芯片及周边硬件上，制作成本百元以内，明显低于以上三种方案。

附图说明

图1为踝关节跖屈相位检测方法的系统框图；

图2为本发明的应用示例；

图3为踝关节步态周期内的步态变化；

图4为相位检测时序图。

图中：1.陀螺仪；2.踝关节；3.触点开关；4.触点开关；5.数据处理单元。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供的人体踝关节跖屈相位检测方法，是通过图1和图2所示的系统实现的，该方法可以对使用者的踝关节相位信息进行稳健、实时检测。

本发明提供的人体踝关节跖屈相位检测系统，如图1和图2所示，包括信号采集单元和数据处理单元，其中：信号采集单元用于检测人体踝关节相位变换状态，向上位机提供控制指令，实时采集踝关节运动的角速度信息，同时将该信息无线传输到数据处理单元；数据处理单元对收到的信息做积分运算，获得每一采样时刻的方向矩阵，并采用主元分析法解算出跖屈相位的主方向变化。

所述信号采集单元，由触点开关、陀螺仪、微控制单元和通信模块组成。

所述陀螺仪1只用一个，该陀螺仪置于脚面上，通过数据线连接于微控制单元，用于检测踝关节角速度。获取该陀螺仪在自身坐标系x、y、z三个方向角速度信号，并对其积分可获得方向余弦矩阵，以此为依据解算跖屈相位角。

所述触点开关有两个，其中一个触点开关3(f1)置于脚跟位置，另外一个触点开关4(f2)置于脚尖位置，分别通过数据线连接于微控制单元，用于采集足底压力信号。通过足底压力信息获取踝关节步态变化，主要是检测跖屈相的起始和终止时间点，用作后续角速度积分运算的起点和终点，每个步态周期结束时将积分运算复位一次，达到消除累积误差的目的。触点开关关闭表示相应位置着地，即f＝0，触点开关打开表示相应位置离地，即f＝1。

所述微控制单元，置于目标位置(脚背面)，并加以固定；其采集到的数据通过485总线形式传输到通信模块上进行无线通信。该微控制单元为主控电路，由MSP430及相关元器件(如电阻和电容等)、电源模块组成，其中：陀螺仪通过I²C总线与MSP430相连接，触点开关通过I/O口与MSP430相连接。MSP430判断触点开关的状态来获取当前步态信息：在跖屈相位初始时控制读取陀螺仪数据，并通过485总线传输到上位机端；在跖屈相位结束时停止采集陀螺仪数据，并通知上位机端对数据清零复位，消除累积误差。

所述通信模块，采用两个具有自组网功能的ZigBee模块。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。本发明所涉及的系统传输数据量小、周期性强，为保持长时间观测，要求硬件功耗低，ZigBee模块符合本发明对传输模块的性能要求。两个ZigBee模块分别与MCU及上位机相连接，通过其自组网方式，将与MCU相连接的ZigBee作为从机，与上位机相连接的ZigBee作为主机，建立起无线网络。MCU读取陀螺仪数据后通过串口总线将数据传送到ZigBee从机，数据通过ZigBee网络自动发送到主机端，并传送到上位机。

所述数据处理单元采用计算机(上位机)，主要是对信号采集单元传送过来的信号进行解算处理。该解算处理主要完成踝关节角速度积分以获得踝关节三维旋转运动的旋转矩阵，应用该旋转矩阵对初始方向向量(三维)进行变换，可获得步态过程中连续的方向向量变化信息，并对这一系列三维数据进行主元(主方向)分析，获得相应的二维方向向量和踝关节运动所在二维主平面，以此获得所需的趾屈相位。此后将积分获得三维旋转运动投影到所述二维平面上即可获得跖屈相位角，陀螺仪的安装不影响跖屈相的检测。

本发明提供的人体踝关节跖屈相位检测方法，具体是：采用触点开关来检测人体踝关节在步态中的相位转化，在跖屈相位结束时对积分运算结果清零，以此来消除累积误差；采用主元分析法对获得的三维数据进行降维处理，获得跖屈相位的二维主平面，以此来消除安装过程中需根据人体踝关节运动平面校对陀螺仪位置所带来的不便。

所述人体踝关节跖屈相位检测方法，包括以下步骤：

第一步，使用者穿戴安装有所述人体踝关节跖屈相位检测装置的鞋于平地上行走几步；同时所述人体踝关节跖屈相位检测系统对行走过程中采集到的数据进行处理，获得每一采样点处的旋转矩阵与方向向量，并采用主元分析法获得跖屈相位二维主平面，显示计算完成信息；

第二步，使用者即可连续在平地上行走，所述检测方法将检测到的方向向量投影于第一步所得主平面内，通过三角函数，实时计算出所需的跖屈相位角。

所述踝关节2的一个完整步态周期内步态变化过程如图3和图4所示，分为跖屈驱动相(PP)、摆动相(SW)、跖屈控制相(CP)和背屈控制相(CD)。整个过程共有4个临界状态：脚跟提起、脚尖提起、脚跟着地和脚底水平。

所述跖屈驱动相是由脚跟的开始提起到脚尖离地的整个脚部离地过程，该过程为人体的前进提供能量和力矩，是步态前进的重要环节。

所述摆动相是指由脚尖离地到脚跟重新着地过程中脚部不接触地面的过程，在摆动相过程中踝关节力矩很小。

所述跖屈控制相是指摆动相后，由脚跟首先着地到整个脚部完全着地达到水平状态的过程，此过程的踝关节加速度变化和跖屈驱动相相反。

所述背屈控制相为完成跖屈控制相后，人体的整个重心前移，由脚部完全着地到脚跟提起的过程。

根据测量要求，本发明主要是对踝关节步态周期的其中两个过程进行检测，即跖屈驱动相(PP)和跖屈控制相(CP)，在此情况下，可视跖屈相位为脚底与地面的夹角。

在脚跟初步提起时，触点开关状态f1＝0+，f2＝0，对跖屈驱动相的角度测量开始，上位机开始积分。积分初始化，此瞬间的旋转矩阵为I(单位矩阵)，方向设为地面坐标系x轴正方向(1,0,0)。

经过跖屈驱动相后脚尖提起，此时f1＝1，f2＝0+，对跖屈驱动相的角度测量结束，计算继续。

经过摆动相后脚跟着地，此时f1＝1-，f2＝1，对跖屈控制相的角度测量开始。

经过跖屈控制相后脚底水平，此时f1＝0，f2＝1-，对跖屈控制相的角度测量结束，上位机停止积分，结果清零，消除累积误差，完成一次测量。

根据惯性导航的知识，依据时刻t陀螺仪所测得的基于陀螺仪坐标系三轴的角速度,可得旋转矩阵为：

其中R_t为时刻t旋转矩阵，ω＝[ω_x,ω_y,ω_z]为陀螺仪坐标系下的角速度向量，×为向量叉乘，初始值R₀＝I。

大地坐标系下，用向量e表示脚部位置，初始值为大地坐标系x轴正方向(1,0,0)，则跖屈相时e的变化可表示为：

e_t＝R_t·e_t-1

经过几个步态周期，向量e的终端运动轨迹，将构成一个数据集S。对S做主元分析，获得数据集S相关矩阵的特征值λ₁、λ₂、λ₃(λ₁>λ₂>λ₃)。选取λ₁、λ₂对应的特征向量α₁、α₂，由α₁和α₂决定的平面P即为人体跖屈相位变化所在的主平面。

将向量e_t投影到平面P内，就可将踝关节跖屈运动表征为一个平面内的运动，从而可以用一个夹角θ描述跖屈相的变化。获得该主平面后，此后的运动过程中即可直接将获得的新方向向量投影到平面P内，根据三角函数公式计算跖屈相位角。该方法可有效避免因安装过程中需根据人体踝关节运动平面校对陀螺仪位置所带来的不便。

使用者穿戴该设备首先在地面上行走几步，系统依据行走过程中采集到的数据，计算出主变化平面，并由上位机显示测定完成信息，此后使用者即可随意行走，系统实时采集使用者踝关节跖屈相位角并显示于上位机中。

上述实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式都是可以变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的同等变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种人体踝关节跖屈相位检测系统，其特征在于包括信号采集单元和数据处理单元，其中：信号采集单元用于检测人体踝关节相位变换状态，向上位机提供控制指令，实时采集踝关节运动的角速度信息，同时将该信息无线传输到数据处理单元；数据处理单元对收到的信息做积分运算，获得每一采样时刻的方向矩阵，并采用主元分析法解算出跖屈相位的主方向变化；

所述信号采集单元，由微控制单元和与之相连的触点开关、陀螺仪、通信模块组成；

所述陀螺仪只用一个，该陀螺仪置于脚面上，通过数据线连接于微控制单元，用于检测踝关节角速度。

2.根据权利要求1所述的人体踝关节跖屈相位检测系统，其特征在于：所述触点开关有两个，其中一个触点开关置于脚跟位置，另外一个触点开关置于脚尖位置，分别通过数据线连接于微控制单元，用于采集足底压力信号。

3.根据权利要求1所述的人体踝关节跖屈相位检测系统，其特征在于：所述微控制单元，置于目标位置即脚背面上，并通过绑缚在鞋上的塑料框架加以固定；其采集到的数据通过485总线形式传输到通信模块上进行无线通信。

4.根据权利要求1所述的人体踝关节跖屈相位检测系统，其特征在于：所述通信模块，采用两个具有自组网功能的ZigBee模块；两个ZigBee模块分别与微控制单元及上位机相连接，通过其自组网方式，将与微控制单元相连接的ZigBee作为从机，与上位机相连接的ZigBee作为主机，建立起无线网络。

5.根据权利要求1所述的人体踝关节跖屈相位检测系统，其特征在于：所述数据处理单元采用计算机，其为上位机。

6.一种人体踝关节跖屈相位检测方法，其特征在于：采用权利要求1至5任一项所述人体踝关节跖屈相位检测系统，采用触点开关来检测人体踝关节在步态中的相位转化，在跖屈相位结束时对积分运算结果清零，以此来消除累积误差；采用主元分析法对获得的三维数据进行降维处理，获得跖屈相位的二维主平面，以此来消除安装过程中需根据人体踝关节运动平面校对陀螺仪位置所带来的不便。

7.根据权利要求6所述的人体踝关节跖屈相位检测方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，使用者穿戴安装有所述人体踝关节跖屈相位检测系统的鞋于平地上行走几步；同时所述人体踝关节跖屈相位检测系统对行走过程中采集到的数据进行处理，获得每一采样点处的旋转矩阵与方向向量，并采用主元分析法获得跖屈相位二维主平面，显示计算完成信息；

第二步，使用者即可连续在平地上行走，所述检测方法将检测到的方向向量投影于第一步所得主平面内，通过三角函数，实时计算出所需的跖屈相位角。