CN110731784A - 一种基于移动平台的步态测量系统及其步态测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及步态检测及健康监控技术领域，尤其是指一种基于移动平台的步态测量系统及其步态测量方法，包括移动平台、步态数据解析存储装置、图像采集装置及视觉标记，移动平台设置有步态测量空间，图像采集装置的摄像头对步态测量空间进行拍摄，步态数据解析存储装置包括与图像采集装置电连接的图像处理模块、与图像处理模块电连接的步态解算模块、与步态解算模块电连接的步态数据存储模块及与步态数据存储模块电连接的通信模块。本发明的成本低，使用方便，测量步态的参数多，测量精度高，不受场地的限制，能够在不同的场合使用。同时，测量数据可以实时输出，为被测量者提供实时反馈，为数据分析人员提供丰富准确的步态信息。

Description

一种基于移动平台的步态测量系统及其步态测量方法

技术领域

本发明涉及步态检测及健康监控技术领域，尤其是指一种基于移动平台的步态测量系统 及其步态测量方法。

背景技术

近年，在我国由于老衰、疾病、事故、运动伤害等原因，需要步行训练或步态矫形的人 口逐渐增多。对于人体的步态数据进行定量测量的需求也越来越大。比如，在下肢康复训练 领域，为了做出正确的诊断和开出精准的训练处方，医生和康复理疗师必须准确地把握患者 的步态特征。而且为了定量化康复训练的强度并评估患者的康复状况，对患者的步行训练量 以及训练强度进行实时测量也是必须的。在步态矫形、运动训练、高龄者的活动监测等领域， 步态的测量和监测也同样不可或缺。

市面上已有的步态测量设备主要分为三类。第一类是基于惯性测量单元(IMU)对患者 身体某些部位的加速度、角速度以及地磁信息进行测量，通过滤波，积分运算计算患者的步 行速度和步行距离等运动参数。这种方法受限于传感器的测量误差和室内磁场变化等因素， 随时间的增加，测量误差在积分算法中不断积累导致长时长距离测量的误差不断增大。因此 这种方法不适用于中长距离和中长时间的步态测量。同时惯性测量单元的安装位置和安装的 重复精度对步态的测量结果的重复精度有巨大的影响，增加了每一次测量前的系统配置难 度。第二类是基于固定于室内墙壁上的多个红外摄像头的运动捕捉系统。这类系统通过红外 摄像头采集的红外图像信息，基于图像处理和数据融合技术可以实现实时的人体的多点位运 动捕捉。多摄像头系统可以有效避免由于人体姿态而产生的视觉遮挡问题。因此，该种方法 可以实现精度较高的人体运动捕捉。该方案的缺点是系统庞大，要多台专用摄像头设备，价 格昂贵且需要占用特定的测量空间。为了扩大可测量空间范围，要大量增加摄像头数量。由 于受到摄像头拍摄距离的限制，所以步态测量的过程只能被局限在固定场地，被测量者的活 动范围有很大局限性。同时由于遮挡引起得不可测量等问题，此类系统也很难满足多人同时 利用同一场地的需要，降低了复健中心的场地利用率和接待患者的能力。第三类是基于压力 地板的步态测量方法。这种方法可以直接测量得到前两种方法中无法取得的足压信息。但是 压力地板的基本原理是通过压力传感器测量出踏板时足底受到地板的反作用力的变化，再根 据反作用力信息解算足部与地板的接触位置和时间。为了准确测量反作用力的大小，必须保 证压力传感器安装在特定的几何位置，并且统一传感器的灵敏度，线性度和偏移量。这使得 安装调试的难度很大，成本很高。同时传感器本身的价格昂贵，通常采用该原理的步态测 量方法只能使用单块或者双块压力地板的方案，所以步态测量的使用者的活动范围也受到了 很大的限制。另外，类似于步行架这样的步行辅助工具的使用也影响压力传感器的测量值， 因此不适用于需要步行支援装置辅助的下肢障碍患者。

综上所述，目前步态测量设备具有以下主要缺点：步态数据的测量参数少；测量精度低， 不适合长时间测量；测量场地受局限；不适合多人同时利用，场地利用率低；结构复杂，设 备昂贵。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种步态测量精度高，测量步态特征参 数多，不受测量场地限制的基于移动平台的步态测量系统及其步态测量方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于移动平台的步态测量系统，其包括图像采集装置、用于支撑被测量者步行的移 动平台、与图像采集装置的输出端电连接的步态数据解析存储装置及固定于被测量者的左脚 和右脚以对左脚和右脚进行标识定位的视觉标记，所述移动平台设置有步态测量空间，所述 图像采集装置的摄像头对步态测量空间内被测量者的左脚和右脚进行拍摄，所述步态数据解 析存储装置用于对图像采集装置所采集的图像进行步态分析，所述步态数据解析存储装置和 图像采集装置均装设于移动平台，所述步态数据解析存储装置包括与图像采集装置电连接的 图像处理模块、与图像处理模块电连接的步态解算模块、与步态解算模块电连接的步态数据 存储模块及与步态数据存储模块电连接的通信模块。

进一步地，所述移动平台包括前护栏、左支撑架和右支撑架，所述左支撑架和右支撑架 分别连接于前护栏的两端，所述前护栏、左支撑架和右支撑架围设成步态测量空间，所述图 像采集装置装设于前护栏，所述图像采集装置的摄像头倾斜地朝向步态测量空间。

本发明还提供一种步态测量方法，包括上述的基于移动平台的步态测量系统，其步骤包 括如下：

1)、将视觉标记固定在被测量者的双脚脚面上，固定有视觉标记的脚面在步态测量空间 内步行；

2)、当被测量者的脚面为畸形面时，被测量者将视觉标记固定于畸形面的合适位置，并 记录视觉标记固定在双脚脚面的位置相对于双脚脚掌在地平面上投影中心的坐标(x_an，y_an)， 左脚的视觉标记的坐标和右脚的视觉标记的坐标分别为：(x_anL，y_anL)，(x_anR，y_anR)，以及视觉标 记固定在脚面的位置点与脚跟外廓中心点的连线相对于脚中指指尖点与脚跟外廓中心点的 连线的角度θ_an，左脚的视觉标记的角度和右脚的视觉标记的角度分别为：θ_anL，θ_anR；当被 测量者的脚面为非畸形面时，将视觉标记的中心位置分别固定于双脚的脚掌在地平面上投影 中心的位置，且视觉标记固定在脚面的位置点与脚跟外廓中心点的连线平行于脚中指指尖点 与脚跟外廓中心点的连线，此时，x_anL＝x_anR＝0，y_anL＝y_anR＝0，θ_anL＝θ_anR＝0，以上位置 坐标分别在左脚和右脚所在的坐标系下表示；

3)、图像采集装置固定于移动平台的中心位置，调节图像采集装置的高度h_tu和俯仰角度 θ_tu，图像采集装置的拍摄范围覆盖步态测量空间，以获得被测量者双脚单步可移动范围的全 部视野；

4)、图像采集装置的输出端连接步态数据解析存储装置的输入端，将被测量者的步行动 作图像信息送入步态数据解析存储装置的图像处理模块；

5)、步态数据解析存储装置的图像处理模块对所采集的被测量者步行时双脚 的图像数据进行处理，根据所选取的视觉标记的色彩和形状特征，识别在t时刻， 视觉标记在图像坐标系下的位置坐标和角度的信息，左脚的视觉标记的信息记 为：

右脚的视觉标记的信息记为：

6)、步态数据解析存储装置的步态解算模块进行坐标变换，将图像中视觉标

变换到固定于被测量者的双脚所在地平面上的平面物理坐 标系下，得到双脚实际的物理空间位置信息：

7)、步态数据解析存储装置的步态解算模块对双脚位置信息：

进行微分运算，获得双脚的运动速度信 息：通过速度阈值方法识 别摆动脚和支撑脚，并确定开始时刻的双脚的摆动相：T_baiL(t)，T_baiR(t)，开始 时刻的双脚的支撑相：T_zhiL(t)，T_zhiR(t)；

8)、步态数据解析存储装置的步态解算模块对各脚在摆动相周期内的步态信息进行解 算，根据测量结果计算出步长、步宽、步速、摆动脚的加速度和足偏角；

9)、步态数据解析存储装置的步态解算模块在各脚在摆动相结束时刻对步长进行积分运 算，计算被测量者的步行距离，并根据步行测量的总时间对步态数据进行更新；

10)、步态数据解析存储装置的步态数据存储模块对测量所得到的步态数据进行实时记 录和存储；

11)、步态数据解析存储装置的通信模块将实时测量数据发送到移动终端，通过移动终 端显示实时步态数据和管理历史数据。

进一步地，在步骤1)中，所述视觉标记上具有提供方向的信息，所述视觉标记的数量 为两个，两个视觉标记分别固定于被测量者的双脚脚面所在投影面的中心位置或靠近投影面 的中心位置。

进一步地，所述基于移动平台的步态测量系统还包括壳体，所述图像采集装置和步态数 据解析存储装置均装设于壳体以形成一体式构造，所述壳体装设于移动平台，所述图像采集 装置与步态数据解析存储装置电连接。

进一步地，所述图像采集装置经由电缆与步态数据解析存储装置电连接。

进一步地，在步骤6)中，所述步态解算模块中的图像-物理坐标变换单元 根据图像采集装置的高度h_tu和俯仰角度θ_tu以及视觉标记的坐标和角度： [x_an,y_an,θ_an]，根据视觉标记的在图像坐标系上的位置坐标和角度信息：

计算被测量者的脚部在地平面坐标 系下的位置信息：

进一步地，在步骤7)中，根据实时测量得到的双脚位置信息和采样时间，通过微分算 法计算出双脚移动的速度信息，通过速度阈值法对双脚移动的位置信息进行分析判断，确定 摆动脚和支撑脚的状态，以及摆动相和支撑相的起始时刻。

进一步地，在步骤8)中，根据摆动相和支撑相的起始时刻作为时间节点，选取摆动脚 在摆动相中的位置信息及其变化，计算步长、左右脚跨步长、步宽和足偏角的信息，其中， 步长为摆动脚的纵向移动距离，左右脚跨步长为各脚完成一次支撑相和摆动相完整周期内纵 向的移动距离，步宽为摆动相和支撑相切换时刻双脚的横向距离，足偏角为贯穿一侧足底的 中心线与前进方向的夹角，对摆动脚的位置信息进行二阶微分，取得摆动相内摆动脚的角速 度信息，以取得摆动脚与支撑脚的相对位置。

进一步地，在步骤9)中，对被测量者双脚的位置信息进行记录并利用双脚位置信息采 样的时间信息，以识别到的支撑脚的位置信息为参考点，通过积分算法计算步行的总距离和 总时间，再计算平均步行速度；

在步骤10)中，步态数据存储模块将解算得到的步态信息以及图像采集装置的原始信息 进行实时的记录保存；

在步骤11)中，所述通信模块为无线通信模块，所述移动终端为上位计算机，通过无线 通讯的方式将实时的测量数据发送至上位计算机中，测量者通过上位计算机监控被测量者实 时的步态信息，也能够回溯步态测量的历史数据和管理步态测量的结果报告。

本发明的有益效果：实际工作时，被测量者在移动平台的支撑下，被测量者的双脚在步 态测量空间内行走，图像采集装置通过数字摄像头采集到被测量者的脚步图像，依次经过步 态数据解析存储装置内的图像处理模块、步态解算模块、步态数据存储模块和通信模块对信 息进行处理；其中，图像处理模块识别被测量者双脚视觉标记的位置；步态解算模块由视觉 标记的位置计算并获得包括步长、步宽、步速、左右脚速度、加速度、足偏角、双脚在摆动 脚(游脚)和支撑脚(立脚)状态之间的切换时刻、摆动相时间段、支撑相时间段、步行运 动的时间和步行者的步行距离在内的步态信息，解算得到的步态信息通过步态数据存储模块 进行保存，并通过通信模块将步态信息发送到上位计算机进行步态的实时显示和监视。本步 态测量系统及其步态测量方法的成本低，使用方便，测量步态的参数多，测量精度高，不受 场地的限制，能够在不同的场合使用。同时，测量数据可以实时输出，为被测量者提供实时 反馈，测量记录可以实时保存，为数据分析人员提供丰富准确的步态信息，特别适用于下肢 有残疾的使用者。

附图说明

图1为本发明的步态测量系统的结构示意图。

图2为视觉标记固定于被测量者的双脚的示意图。

图3为视觉标记固定于脚面时其投影在坐标系上的示意图。

图4为视觉标记的投影在图像坐标系上的示意图。

图5为本发明的工作原理流程框图。

附图标记说明：

1、移动平台；11、步态测量空间；12、前护栏；13、左支撑架；14、右支撑架；2、图 像采集装置；3、步态数据解析存储装置；31、图像处理模块；32、步态解算模块；33、步 态数据存储模块；34、通信模块；4、视觉标记。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实 施方式提及的内容并非对本发明的限定。

实施例一。

如图1至图5所示，本发明提供的一种基于移动平台的步态测量系统，其包括图像采集 装置2、用于支撑被测量者步行的移动平台1、与图像采集装置2的输出端电连接的步态数 据解析存储装置3及固定于被测量者的左脚和右脚以对左脚和右脚进行标识定位的视觉标记 4，所述移动平台1设置有步态测量空间11，所述图像采集装置2的摄像头对步态测量空间 11内被测量者的左脚和右脚进行拍摄，所述步态数据解析存储装置3用于对图像采集装置2 所采集的图像进行步态分析，所述步态数据解析存储装置3和图像采集装置2均装设于移动 平台1，所述步态数据解析存储装置3包括与图像采集装置2电连接的图像处理模块31、与 图像处理模块31电连接的步态解算模块32、与步态解算模块32电连接的步态数据存储模块 33及与步态数据存储模块33电连接的通信模块34，所述步态数据解析存储装置3还包括外 壳，图像处理模块31、步态解算模块32、步态数据存储模块33和通信模块34均内置于外 壳内，所述外壳装设于移动平台1，所述图像采集装置2内置有数字摄像头，所述数字摄像 头的拍摄范围覆盖步态测量空间11，所述步态数据解析存储装置3的通信模块34电连接有 上位计算机。

实际工作时，被测量者在移动平台1的支撑下，被测量者的双脚在步态测量空间11内 行走，图像采集装置2通过数字摄像头采集到被测量者的脚步图像，依次经过步态数据解析 存储装置3内的图像处理模块31、步态解算模块32、步态数据存储模块33和通信模块34 对信息进行处理；其中，图像处理模块31识别被测量者双脚视觉标记4的位置；步态解算模块32由视觉标记4的位置计算并获得包括步长、步宽、步速、左右脚速度、加速度、足 偏角、双脚在摆动脚(游脚)和支撑脚(立脚)状态之间的切换时刻、摆动脚的摆动相时间 段、支撑脚的支撑相时间段、步行运动的时间和步行者的步行距离在内的步态信息，解算得 到的步态信息通过步态数据存储模块33进行保存，并通过通信模块34将步态信息发送到移动终端(如：上位计算机等)进行步态的实时显示和监视。本步态测量系统的结构简单，成本低，使用方便，测量步态的参数多，测量精度高，不受场地的限制，能够在不同的场合使用。同时，测量数据可以实时输出，为被测量者提供实时反馈，测量记录可以实时保存，为数据分析人员提供丰富准确的步态信息，特别适用于下肢有残疾的使用者。

本实施例中，所述移动平台1包括前护栏12、左支撑架13和右支撑架14，所述左支撑 架13和右支撑架14分别连接于前护栏12的两端，所述前护栏12、左支撑架13和右支撑架14围设成步态测量空间11，所述图像采集装置2装设于前护栏12，所述图像采集装置2的 数字摄像头倾斜地朝向步态测量空间11；该结构设置，便于被测量者的双手分别握住左支撑架13的顶部和右支撑架14的顶部(手动操作)进行步行，移动平台1始终在被测量者的前方，并包围被测量者，被测量者的双脚在步态测量空间11内游走，从而便于图像采集装置2的摄像头对被测量者的双脚的步态信息进行拍摄，有利于提高步态测量的精度。

本实施例中，所述移动平台1也可以是步行车或移动机器人等能够自动移动的平台上， 对被测量者起到辅助步行的作用，有利于对被测量者进行步态测量，提高步态测量的测量精 度。

具体地，图像采集装置2既可以独立供电，也可以由步态数据解析存储装置3的内部的 电池作为电源供电；图像采集装置2和步态数据解析存储装置3的信息传递也不局限于有线 的电连接；所述视觉标记4的数量为两个，两个视觉标记4分别固定在被测量者的左脚脚面 和右脚脚面。

当图像采集装置2和步态数据解析存储装置3为分体式结构时，所述图像采集装置2经 由电缆与步态数据解析存储装置3电连接，所述图像采集装置2装设于前护栏12的中间位 置，以便于图像采集装置2的拍摄范围覆盖步态测量空间11，所述步态数据解析存储装置3 装设于左支撑架13或右支撑架14；优选地，所述图像采集装置2经由摄像头卡具或三脚架 等辅助工具安装在前护栏12上，一方面是便于对图像采集装置2进行安装，另一方面是便 于对图像采集装置2的角度和位置进行调整。

本发明的步态测量系统能够提供包括步长、步宽、步速、左右脚速度、加速度、足偏角、 双脚的游脚和支持脚状态切换时刻、摆动相时间段和支撑相时间段的参数信息。

实施例二。

本实施例与实施例一的不同的在于：当图像采集装置2和步态数据解析存储装置3为一 体式构造时，所述基于移动平台的步态测量系统还包括壳体，所述图像采集装置2和步态数 据解析存储装置3均装设于壳体内以形成一体式构造，所述壳体装设于移动平台1，所述图 像采集装置2与步态数据解析存储装置3电连接，所述外壳经由摄像头卡具或三脚架等辅助 工具安装在前护栏12上，一方面是便于对图像采集装置2进行安装，另一方面是便于对图 像采集装置2的角度和位置进行调整。

本实施例的其余结构与实施例一的其余结构相同，在此不再赘述。

实施例三。

如图1至图5所示，本发明还提供一种步态测量方法，包括上述的基于移动平台的步态 测量系统，其步骤包括如下：

1)、根据被测量者的双脚脚面的外形情况，将视觉标记4固定在被测量者的双脚脚面上 合适位置，固定有视觉标记4的脚面在步态测量空间11内步行；

2)、当被测量者的脚面为畸形面时，被测量者将视觉标记4固定于畸形面的合适位置， 并记录视觉标记4固定在双脚脚面的位置相对于双脚脚掌在地平面上投影中心的坐标(x_an，y_an)，左脚的视觉标记4的坐标和右脚的视觉标记4的坐标分别为： (x_anL，y_anL)，(x_anR，y_anR)，以及视觉标记4固定在脚面的位置点与脚跟外廓中心点的连线相对于 脚中指指尖点与脚跟外廓中心点的连线的角度θ_an，左脚的视觉标记4的角度和右脚的视觉 标记4的角度分别为：θ_anL，θ_anR；当被测量者的脚面为非畸形面(正常)时，将视觉标记4 的中心位置分别固定于双脚的脚掌在地平面上投影中心的位置，且视觉标记4固定在脚面的 位置点与脚跟外廓中心点的连线平行于脚中指指尖点与脚跟外廓中心点的连线，此时， x_anL＝x_anR＝0，y_anL＝y_anR＝0，θ_anL＝θ_anR＝0，以上位置坐标分别在左脚和右脚所在的坐标 系下表示；其中，x_anL是固定于左脚的视觉标记4的x坐标，y_anL是固定于左脚的视觉标记4 的y坐标，θ_anL是左脚视觉标记4的安装角度，x_anR是固定于右脚视觉标记4的x坐标，y_anR是固定于右脚视觉标记4的y坐标，θ_anR是右脚视觉标记4的安装角度；

3)、图像采集装置2固定于移动平台1的中心位置，调节图像采集装置2的高度h_tu和俯 仰角度θ_tu，图像采集装置2的拍摄范围覆盖步态测量空间11，以获得被测量者双脚单步可 移动范围的全部视野；

4)、被测量者执行任意步行动作，以进行步态测量，移动平台1在被测量者以及测量实 施者的手动操作或自动控制下随被测量者的步行动作进行移动，图像采集装置2的输出端连 接步态数据解析存储装置3的输入端，在被测量者步行的过程中，图像采集装置2对被测量 者的双脚的步行动作画面进行拍摄、采集图像，并将被测量者的步行动作图像信息送入步态 数据解析存储装置3的图像处理模块31；

5)、步态数据解析存储装置3的图像处理模块31对所采集的被测量者步行 时双脚的图像数据进行处理，以对图像采集装置2采集到的每一帧步行动作画面 进行图像处理，识别视觉标记4，并确定视觉标记4在图像中的坐标位置，根据 所选取的视觉标记4的色彩和形状特征，识别在t时刻，视觉标记4在图像坐标 系下的位置坐标和角度的信息，左脚的视觉标记4的信息记为：

右脚的视觉标记4的信息记为：

6)、步态数据解析存储装置3的步态解算模块32进行坐标变换，通过坐标 变换取得被测量者脚部的位置和角度信息，将图像中视觉标记4的位置坐标变换 为双脚在地平面上的平面坐标系下的物理坐标信息，根据图像采集装置2的高度 h_tu和俯仰角度θ_tu以及视觉标记4的坐标和角度[x_an,y_an,θ_an]，将固定于双脚的视 觉标记4在图像中的位置坐标和角度的信息：

变换到固定于被测量者的双脚所在地平面上的平面物理坐 标系下，得到双脚实际的物理空间位置信息：

7)、步态数据解析存储装置3的步态解算模块32对双脚位置信息：

进行微分运算，获得双脚的运动速度信 息：

通过速度阈值方法识 别摆动脚和支撑脚，并确定开始时刻的双脚的摆动相：T_baiL(t)，T_baiR(t)开始时 刻的双脚的支撑相：T_zhiL(t)，T_zhiR(t)，其中：T_baiL(t)，T_baiR(t)分别为左脚的摆 动相的开始时刻和右脚的摆动相的开始时刻，T_zhiL(t)，T_zhiR(t)分别为左脚的支 撑相的开始时刻和右脚的支撑相的开始时刻；

8)、步态数据解析存储装置3的步态解算模块32对各脚在摆动相周期内的步态信息进 行解算，对比前后图像帧中，双脚的位置变化，确定双脚的摆动脚和支撑脚的状态切换时刻、 摆动相的时间段以及支撑相的时间段，根据测量结果分析计算出步长、步宽、步速、摆动脚 的加速度和足偏角；

9)、步态数据解析存储装置3的步态解算模块32在各脚在摆动相结束时刻对步长进行 积分运算，计算被测量者的步行距离，并根据步行测量的总时间对步态数据进行更新；

10)、以步行的开始时间为起点，步态解算模块32所输出的将步态信息按照时间顺序实 时发送到步态数据解析存储装置3的步态数据存储模块33，通过步态数据存储模块33对测 量所得到的步态数据进行实时记录和存储；

11)、步态数据解析存储装置3的通信模块34将实时测量数据发送到移动终端，通过移 动终端显示实时步态数据和管理历史数据。

本实施例中，在步骤1)中，所述视觉标记4上具有提供方向的信息，所述视觉标记4的数量为两个，两个视觉标记4分别固定于被测量者的双脚脚面所在投影面的中心位置或靠 近投影面的中心位置。

本实施例中，所述基于移动平台的步态测量系统还包括壳体，所述所述图像采集装置2 和步态数据解析存储装置3均装设于壳体以形成一体式构造，所述壳体装设于移动平台1， 所述图像采集装置2与步态数据解析存储装置3电连接。

本实施例中，步态数据解析存储装置3可固定于移动平台1的任意位置，所述图像采集 装置2经由电缆与步态数据解析存储装置3电连接。

本实施例中，在步骤6)中，所述步态解算模块32中的图像-物理坐标变换 单元根据图像采集装置2的高度h_tu和俯仰角度θ_tu以及视觉标记4的坐标和角 度：[x_an,y_an,θ_an]，根据视觉标记4的在图像坐标系上的位置坐标和角度信息：

计算被测量者的脚部在地平面坐标 系下的位置信息：

本实施例中，在步骤7)中，根据实时测量得到的双脚位置信息和采样时间，通过微分 算法计算出双脚移动的速度信息，通过速度阈值法对双脚移动的位置信息进行分析判断，确 定摆动脚和支撑脚的状态，以及摆动相和支撑相的起始时刻。

本实施例中，在步骤8)中，根据摆动相和支撑相的起始时刻作为时间节点，选取摆动 脚在摆动相中的位置信息及其变化，计算步长、左右脚跨步长、步宽和足偏角的信息，其中， 步长为摆动脚的纵向移动距离，左右脚跨步长为各脚完成一次支撑相和摆动相完整周期内纵 向的移动距离，步宽为摆动相和支撑相切换时刻双脚的横向距离，足偏角为贯穿一侧足底的 中心线与前进方向的夹角，对摆动脚的位置信息进行二阶微分，取得摆动相内摆动脚的角速 度信息，步长、左右脚跨步长、步宽和足偏角的信息均以支撑脚的位置信息做参考进行计算， 以取得摆动脚与支撑脚的相对位置。

本实施例中，在步骤9)中，对被测量者双脚的位置信息进行记录并利用双脚位置信息 采样的时间信息，以识别到的支撑脚的位置信息为参考点，通过积分算法计算步行的总距离 和总时间，再计算平均步行速度；

在步骤10)中，步态数据存储模块33将解算得到的步态信息以及图像采集装置2的原 始信息进行实时的记录保存；

在步骤11)中，所述通信模块34为无线通信模块，所述移动终端为上位计算机，通过 无线通讯的方式将实时的测量数据发送至上位计算机中，测量者通过上位计算机监控被测量 者实时的步态信息，也能够回溯步态测量的历史数据和管理步态测量的结果报告。

本步态测量系统的步态测量方法的成本低，使用方便，测量步态的参数多，测量精度高， 不受场地的限制，能够在不同的场合使用。同时，测量数据可以实时输出，为被测量者提供 实时反馈，测量记录可以实时保存，为数据分析人员提供丰富准确的步态信息，特别适用于 下肢有残疾的使用者。

当然，视觉标记4的固定位置，可以根据被测量者的脚部的生理学结构，调整视觉标记 4的位置和方向，并通过本发明的测量系统所测量的视觉标记4的位置和方向作为初始值， 在测量过程中，通过将步态测量所获得的视觉标记4的位置和方向分别与初始值进行减法运 算，消除安装误差，实现对步态的准确测量。

具体地，所述图像处理模块31、步态解算模块32、步态数据存储模块33和通信模块34 均属于现有技术，在此不再赘述。

步态解算模块32也可以采用嵌入式linux系统或嵌入式andorid系统等。

本实施例中的所有技术特征均可根据实际需要而进行自由组合。

上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱 离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于移动平台的步态测量系统，其特征在于：包括图像采集装置、用于支撑被测量者步行的移动平台、与图像采集装置的输出端电连接的步态数据解析存储装置及固定于被测量者的左脚和右脚以对左脚和右脚进行标识定位的视觉标记，所述移动平台设置有步态测量空间，所述图像采集装置的摄像头对步态测量空间内被测量者的左脚和右脚进行拍摄，所述步态数据解析存储装置用于对图像采集装置所采集的图像进行步态分析，所述步态数据解析存储装置和图像采集装置均装设于移动平台，所述步态数据解析存储装置包括与图像采集装置电连接的图像处理模块、与图像处理模块电连接的步态解算模块、与步态解算模块电连接的步态数据存储模块及与步态数据存储模块电连接的通信模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于移动平台的步态测量系统，其特征在于：所述移动平台包括前护栏、左支撑架和右支撑架，所述左支撑架和右支撑架分别连接于前护栏的两端，所述前护栏、左支撑架和右支撑架围设成步态测量空间，所述图像采集装置装设于前护栏，所述图像采集装置的摄像头倾斜地朝向步态测量空间。

3.一种步态测量方法，其特征在于：包括如权利要求1或2所述的基于移动平台的步态测量系统，其步骤包括如下：

1)、将视觉标记固定在被测量者的双脚脚面上，固定有视觉标记的脚面在步态测量空间内步行；

2)、当被测量者的脚面为畸形面时，被测量者将视觉标记固定于畸形面的合适位置，并记录视觉标记固定在双脚脚面的位置相对于双脚脚掌在地平面上投影中心的坐标(x_an,y_an)，左脚的视觉标记的坐标和右脚的视觉标记的坐标分别为：(x_anL,y_anL)，(x_anR,y_anR)，以及视觉标记固定在脚面的位置点与脚跟外廓中心点的连线相对于脚中指指尖点与脚跟外廓中心点的连线的角度θ_an，左脚的视觉标记的角度和右脚的视觉标记的角度分别为：θ_anL，θ_anR；当被测量者的脚面为非畸形面时，将视觉标记的中心位置分别固定于双脚的脚掌在地平面上投影中心的位置，且视觉标记固定在脚面的位置点与脚跟外廓中心点的连线平行于脚中指指尖点与脚跟外廓中心点的连线，此时：x_anL＝x_anR＝0，y_anL＝y_anR＝0，θ_anL＝θ_anR＝0，以上位置坐标分别在左脚和右脚所在的坐标系下表示；

3)、图像采集装置固定于移动平台的中心位置，调节图像采集装置的高度h_tu和俯仰角度θ_tu，图像采集装置的拍摄范围覆盖步态测量空间，以获得被测量者的双脚可移动范围的全部视野；

4)、图像采集装置的输出端连接步态数据解析存储装置的输入端，将被测量者的步行动作图像信息送入步态数据解析存储装置的图像处理模块；

5)、步态数据解析存储装置的图像处理模块对所采集的被测量者步行时双脚的图像数据进行处理，根据所选取的视觉标记的色彩和形状特征，识别在t时刻，视觉标记在图像坐标系下的位置坐标和角度的信息，左脚的视觉标记的信息记为：

右脚的视觉标记的信息记为：

6)、步态数据解析存储装置的步态解算模块进行坐标变换，将图像中视觉标记的位置坐标变换为双脚在地平面上的平面坐标系下的物理坐标信息，根据图像采集装置的高度h_tu和俯仰角度θ_tu以及视觉标记的坐标和角度[x_an,y_an,θ_an]，将固定于双脚的视觉标记在图像中的位置坐标和角度的信息：

变换到固定于被测量者的双脚所在地平面上的平面物理坐标系下，得到双脚实际的物理空间位置信息：

7)、步态数据解析存储装置的步态解算模块对双脚位置信息：

进行微分运算，获得双脚的运动速度信息：

通过速度阈值方法识别摆动脚和支撑脚，并确定开始时刻的双脚的摆动相：T_baiL(t)，T_baiR(t)，开始时刻的双脚的支撑相：T_zhiL(t)，T_zhiR(t)；

8)、步态数据解析存储装置的步态解算模块对各脚在摆动相周期内的步态信息进行解算，根据测量结果计算出步长、步宽、步速、摆动脚的加速度和足偏角；

9)、步态数据解析存储装置的步态解算模块在各脚在摆动相结束时刻对步长进行积分运算，计算被测量者的步行距离，并根据步行测量的总时间对步态数据进行更新；

10)、步态数据解析存储装置的步态数据存储模块对测量所得到的步态数据进行实时记录和存储；

11)、步态数据解析存储装置的通信模块将实时测量数据发送到移动终端，通过移动终端显示实时步态数据和管理历史数据。

4.根据权利要求3所述的一种步态测量方法，其特征在于：在步骤1)中，所述视觉标记上具有提供方向的信息，所述视觉标记的数量为两个，两个视觉标记分别固定于被测量者的双脚脚面所在投影面的中心位置或靠近投影面的中心位置。

5.根据权利要求3所述的一种步态测量方法，其特征在于：所述基于移动平台的步态测量系统还包括壳体，所述图像采集装置和步态数据解析存储装置均装设于壳体以形成一体式构造，所述壳体装设于移动平台，所述图像采集装置与步态数据解析存储装置电连接。

6.根据权利要求3所述的一种步态测量方法，其特征在于：所述图像采集装置经由电缆与步态数据解析存储装置电连接。

7.根据权利要求3所述的一种步态测量方法，其特征在于：在步骤6)中，所述步态解算模块中的图像-物理坐标变换单元根据图像采集装置的高度h_tu和俯仰角度θ_tu以及视觉标记的坐标和角度：[x_an,y_an,θ_an]，根据视觉标记的在图像坐标系上的位置坐标和角度信息：

计算被测量者的脚部在地平面坐标系下的位置信息：

8.根据权利要求3所述的一种步态测量方法，其特征在于：在步骤7)中，根据实时测量得到的双脚位置信息和采样时间，通过微分算法计算出双脚移动的速度信息，通过速度阈值法对双脚移动的位置信息进行分析判断，确定摆动脚和支撑脚的状态，以及摆动相和支撑相的起始时刻。

9.根据权利要求3所述的一种步态测量方法，其特征在于：在步骤8)中，根据摆动相和支撑相的起始时刻作为时间节点，选取摆动脚在摆动相中的位置信息及其变化，计算步长、左右脚跨步长、步宽和足偏角的信息，其中，步长为摆动脚的纵向移动距离，左右脚跨步长为各脚完成一次支撑相和摆动相完整周期内纵向的移动距离，步宽为摆动相和支撑相切换时刻双脚的横向距离，足偏角为贯穿一侧足底的中心线与前进方向的夹角，对摆动脚的位置信息进行二阶微分，取得摆动相内摆动脚的角速度信息，以取得摆动脚与支撑脚的相对位置。

10.根据权利要求3所述的一种步态测量方法，其特征在于：在步骤9)中，对被测量者双脚的位置信息进行记录并利用双脚位置信息采样的时间信息，以识别到的支撑脚的位置信息为参考点，通过积分算法计算步行的总距离和总时间，再计算平均步行速度；

在步骤10)中，步态数据存储模块将解算得到的步态信息以及图像采集装置的原始信息进行实时的记录保存；

在步骤11)中，所述通信模块为无线通信模块，所述移动终端为上位计算机，通过无线通讯的方式将实时的测量数据发送至上位计算机中，测量者通过上位计算机监控被测量者实时的步态信息，也能够回溯步态测量的历史数据和管理步态测量的结果报告。

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