CN111024292B - 一种连续步态下单步作用力状态测试提取方法 - Google Patents

一种连续步态下单步作用力状态测试提取方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种连续步态下单步作用力状态测试提取方法，包括步骤：同步采集并按时间顺序存储各维力及其力矩值；搜索查找所存储的地面反应力Fz的最大值Fp和所对应的存储位置Ip；判定Fp是否大于已设定的触发门限Fmin，如大于进入下一步，否则结束；设置搜索门限FSmin，从Ip开始，分别向前、向后遍历搜索，直到其Fz<FSmin，其对应点位置分别确定为Ia和Ib；提取所有维度测试力和测试力矩在Ia和Ib间数据作为此次单步态值，再把所有在Ia和Ib间的测试数据删去；重复前述搜索查找地面反应力Fz的最大值，直至跳出循环。本发明利用所测竖向地面反应力Fz的非负特征，对单个步态力状态进行有效提取，该技术在解决人体步态测试力的科研和工程问题上具有非常实用的价值。

Description

一种连续步态下单步作用力状态测试提取方法
技术领域
本发明涉及作用力状态测试提取方法，特别是涉及一种连续步态下单步作用力状态测试提取方法。
背景技术
随着社会的发展，建筑师在土木工程设计过程中不断追求结构纤细美观的外表，其带来的问题是，结构体系的尺度在不断增大，结构的谐振频率和阻尼耗能能力在不断减小，当频率减小到一定程度，且接近于人的激励频率时，容易导致共振发生，由此带来很多结构使用的不适定以及结构被破坏的问题。为探索结构在行人作用下的振动机理，工程师和研究学者需要测试人的双足对结构所产生的反作用力，以提取单个步态下人对结构的荷载激励特征。在体育运动学领域，对运动员单步作用力状态测试研究，是改进训练方法重要依据，从而对提高运动员训练效率和提升竞技水平产生积极影响。
要获得单步作用力状态准确的测量结果，就必须要求测试仪器具备高灵敏度和大的测量动态范围。高灵敏度用于满足精度要求，大的测量动态范围用于满足体型差异很大的各类人员步态测试需求。然而，受周围毗连空间结构以及周围电磁环境等的影响，必然导致高灵敏度和大的测量动态范围的测试仪器的测量结果中含有许多噪声。比如，当没有荷载作用时候，测量仪器依然显示有微量的荷载波动，这种波动使得在提取单步态信号起始时刻点产生困难，而载荷因人而异，差异也较大，有关作用力状态提取的准确性就更不好保证，使得依据作用力状态开展的研究变得困难。
发明内容
发明目的：针对现有技术不足，本发明提出了一种连续步态下单步作用力状态测试提取方法，利用所测单步作用力状态中的竖向地面反应力Fz的非负特征，并利用空间单个步态所产生的空间三维力和对应的力矩具有时间同步特征，实现对单个步态值进行科学快速的有效提取。通过关联反应力Fz，自适应设置搜索门限值，解决了测量载荷因人的差异造成的测量误差。
技术方案：本发明所述一种连续步态下单步作用力状态测试提取方法，包括以下步骤：
(1)利用测量装置同步采集并按时间顺序存储各维力和各维力矩，其中必包含竖向地面反应力Fz；
(2)从存储的数据中搜索查找竖向地面反应力Fz的最大值Fp和所对应的位置Ip；
(3)判定Fp是否满足已设定的触发门限Fmin，如满足进入下一步，否则结束；
(4)设置搜索门限FSmin，从Ip开始，向前进行遍历搜索，直到Fz≤FSmin，把该点位置确定为Ia；
(5)从Ip开始，向后进行遍历搜索，直到Fz≤FSmin，把该点位置确定为Ib；
(6)提取所有维度力和力矩在Ia和Ib间的采集数据作为此次单步态值并存储和显示；
(7)把所有在Ia和Ib间的采集数据删除，重复步骤(2)直至跳出循环，结束。
进一步地，所述步骤(1)还包括：同步采集并存储垂直于Fz的且彼此垂直的作用力Fx、Fy以及对应的空间三维力矩Mx、My和Mz，构成单个步态所产生的空间六维力；其中，所述Fx为步态力在行走方向上的力；Mx、My和Mz分别表示x、y、z方向上的力矩，x方向为行走方向。这就让更多型号的力和力矩测量装置可以被采用，也可以根据科研需要选择测量的维度。
进一步地，在步骤(3)中，所述触发门限Fmin的设定是通过实验获得的，选择应用空间中体重最轻的人产生作用力获取其采集数据波形，并综合考虑波形噪声的影响来确定触发门限的值。这就保证了分析采集数据过程的科学性和数据分析的有效性。
进一步地，所述搜索门限FSmin理想条件下取值为0。
进一步地，所述搜索门限FSmin根据竖向地面反应力Fz的最大值Fp自适应选取。
进一步地，步骤(4)与步骤(5)中的搜索门限FSmin的取值不一样，步骤(4)中所述搜索门限FSmin与Fp的百分比取值较高，步骤(5)中所述搜索门限FSmin与Fp的百分比取值较低。
进一步地，步骤(4)中所述搜索门限FSmin与Fp的百分比取值范围为15％-30％。
进一步地，步骤(5)中所述搜索门限FSmin与Fp的百分比取值范围为0-10％。
事实上，地面反应力Fz的起始波形陡峭，而终止的波形较平缓。所以，上述门限值设置的改进进一步提高了有关作用力及力矩信息提取的准确性。
有益效果：本发明利用所测竖向地面反应力Fz的非负特征，并利用空间单个步态所产生的空间多维力及力矩所具有的时间上的同步特征，能够对单个步态力特征进行科学快速的有效提取，可实现不同人连续步态下单步作用力状态自动测试提取，减少了测试提取时间与步骤，测试提取的精度高。本发明中的搜索门限FSmin是可自适应控制的，可以根据不同体重人在连续步态下单步作用力状态产生合适搜索门限，进一步提高测试提取精确度。该技术在解决人体步态力特征测试的科研问题和工程问题上具有非常实用的价值。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是本发明的测试结构模型图；
图3是本发明的部分地面反应力及力矩原始采集波形图；
图4是本发明的某测试数据的单步态提取结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步的介绍。
图1是本发明的方法流程图，包括以下步骤：
a、应用相关测量装置同步采集并存储各维力和力矩值，竖向地面反应力Fz必包含其中；
b、从存储的数据中搜索查找地面反应力Fz的最大值Fp和所对应的位置Ip；
c、判定Fp是否满足已设定的触发门限Fmin，如满足进入下一步，否则结束；
在一个实施例中，所述触发门限Fmin的设定是通过实验获得的，选择应用空间中体重最轻的人产生作用力获取其采集数据波形，并综合考虑波形噪声的影响来确定触发门限的值。
d、设置搜索门限FSmin，从Ip开始，向前进行遍历搜索，直到Fz≤FSmin，把该点位置确定为Ia；
e、从Ip开始，向后进行遍历搜索，直到Fz≤FSmin，把该点位置确定为Ib；
理想条件下，搜索门限FSmin取值为0。而考虑到其它影响因素，显示表现为波形图存在噪声，搜索门限FSmin应当根据竖向地面反应力Fz的最大值Fp自适应选取。步骤d与步骤e中的搜索门限FSmin的取值不一样，步骤d中所述搜索门限FSmin与Fp的百分比取值较高，步骤e中所述搜索门限FSmin与Fp的百分比取值较低。
f、提取所有维度测试力和测试力矩在Ia和Ib间采集数据作为此次单步态力特征值并存储和显示；
g、把所有在Ia和Ib间采集的数据删除，重复步骤b直至跳出循环，结束。本发明利用所测竖向地面反应力Fz的非负特征，并利用空间单个步态所产生的空间多维力具有同步特征，对单个步态力特征进行科学快速的有效提取，并能够自动完成。
图2是本发明的测试结构模型图，其中包括：展示了行人在测力板上行走时的空间测试反应力状态：分别为空间三维力Fx,Fy和Fz,以及空间三维力矩Mx,My和Mz。
图3是本发明的部分地面反应力及力矩原始采集波形图。其中，横坐标表示时间，单位s为秒。纵坐标Fx(N)、Fy(N)、Fz(N)分别表示x、y、z方向上的力，单位N为牛顿；纵坐标Mx(Nm)、My(Nm)、Mz(Nm)分别表示x、y、z方向上的力矩，单位Nm为牛顿·米。
图4是本发明的某测试数据的单步态提取结果图。表述了一位重69公斤、高1.82米的男人，在测力板上行走时的空间测试反应力状态提取结果。本实施例考虑的是理想情况，即FSmin＝0。其中，横坐标表示的时间，单位s为秒。纵坐标Fx(N)、Fy(N)、Fz(N)分别表示x、y、z方向上的力，单位N为牛顿；纵坐标Mx(Nm)、My(Nm)、Mz(Nm)分别表示x、y、z方向上的力矩，单位Nm为牛顿·米。由图可知本方法能够很好的提取连续行走下的单步态激励荷载。由于地面反应力Fz的起始波形陡峭，而终止的波形较平缓，因此建议步骤d中搜索门限FSmin与Fp的百分比取值范围为15％-30％，步骤e中所述搜索门限FSmin与Fp的百分比取值范围为0-10％。上述门限值设置的改进进一步提高了有关作用力及力矩信息提取的准确性。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内还可以对其作出种种变化。例如，在上述实施方式中，测量装置在测试反应力状态时各种关于采集和存储参数设置的改变，以及对所测试反应力状态统计分析等。

Claims (7)

1.一种连续步态下单步作用力状态测试提取方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用测量装置同步采集并按时间顺序存储各维力和各维力矩，其中必包含竖向地面反应力Fz；
(2)从存储的数据中搜索查找竖向地面反应力Fz的最大值Fp和所对应的位置Ip；
(3)判定Fp是否满足已设定的触发门限Fmin，如满足进入下一步，否则结束；
(4)设置搜索门限FSmin，从Ip开始，向前进行遍历搜索，直到Fz≤FSmin，把该点位置确定为Ia；
(5)从Ip开始，向后进行遍历搜索，直到Fz≤FSmin，把该点位置确定为Ib；
(6)提取所有维度力和力矩在Ia和Ib间的采集数据作为此次单步态值并存储和显示；
(7)把所有在Ia和Ib间的采集数据删去，重复步骤(2)直至跳出循环，结束。
2.根据权利要求1所述的连续步态下单步作用力状态测试提取方法，其特征在于，所述步骤(1)包括：同步采集并存储垂直于Fz的且彼此垂直的作用力Fx、Fy以及对应的空间三维力矩Mx、My和Mz，构成单个步态所产生的空间六维力；其中，所述Fx为步态力在行走方向上的力；Mx、My和Mz分别表示x、y、z方向上的力矩，x方向为行走方向。
3.根据权利要求1所述的连续步态下单步作用力状态测试提取方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述触发门限Fmin的设定是通过实验获得的，选择应用空间中体重最轻的人产生作用力获取其采集数据波形，并综合考虑波形噪声的影响来确定触发门限的值。
4.根据权利要求1所述的连续步态下单步作用力状态测试提取方法，其特征在于，所述搜索门限FSmin理想条件下取值为0。
5.根据权利要求1所述的连续步态下单步作用力状态测试提取方法，其特征在于，所述搜索门限FSmin根据竖向地面反应力Fz的最大值Fp自适应选取。
6.根据权利要求5所述的连续步态下单步作用力状态测试提取方法，其特征在于，步骤(4)中所述搜索门限FSmin与Fp的百分比取值范围为15％-30％。
7.根据权利要求5所述的连续步态下单步作用力状态测试提取方法，其特征在于，步骤(5)中所述搜索门限FSmin与Fp的百分比取值范围为0-10％。
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