CN111469117B - 一种刚柔耦合有源外骨骼的人体运动模式检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刚柔耦合有源外骨骼的人体运动模式检测方法，包括以下步骤：1)判断足底压力值是否小于阈值T1；2)如果足底压力值小于T₁，判断当前足底压力对应腿为摆动态，转入步骤3)；3)寻找摆动态开始时刻对应的大腿IMU值c，寻找摆动腿的小腿IMU峰值时刻t以及时刻t对应的大腿IMU的值a；4)判断是否θ₁<c‑a<θ₂且θ₃<a<θ₄，若是，判断当前状态为上楼；5)判断是否θ₅<c‑a<θ₆且θ₇<a<θ₈，若是，判断当前状态为平地行走；6)判断是否θ₅<c‑a<θ₆且θ₃<a<θ₄，若是，判断当前状态为下楼；否则判断当前状态维持上一状态，返回步骤1)。本发明有效地结合了关节角度极值特征和足底压力信号稳定，极大提高了运动模式识别的准确性和实时性，为刚柔耦合有源外骨骼的助力效率提供保证。

Description

一种刚柔耦合有源外骨骼的人体运动模式检测方法

技术领域

本发明涉及人体运动模式感知技术，尤其涉及一种刚柔耦合有源外骨骼的人体运动模式检测方法。

背景技术

随着现代科技的飞速发展，武器装备水平越来越成为现代战争胜利的重要保证，单兵作战外骨骼在军事斗争中地位逐渐上升。刚柔耦合外骨骼设计制造的主要目标是有效支撑负重载荷，将80％的负重传至地面，而人体自身只需要承受20％的负重竖直向载荷和全部水平载荷。该型外骨骼不仅可以帮助士兵大大增强作战时的负重，而且可以让单兵的负重量达到50kg～70kg，同时还提供支撑、保护关节等功能。

刚柔耦合外骨骼将穿戴者和整个外骨骼视为一个相互作用的闭环系统，使人体的输入输出信号与外骨骼的输入输出信号进行协调，达到彼此平衡的目的。由于外骨骼控制系统是关键技术所在，而控制系统以人体运动模式为控制依据，因此准确快速的识别人体运动模式一直是研究的一大重点。目前应用于下肢外骨骼机器人的运动模式识别方法主要有三种：1、基于足底压力的步态相位识别，这种方法只能识别出人体运动步态周期的相位划分，进而作为开关量信号配合柔顺控制算法使用，无法识别不同的运动模式；2、基于表面肌电信号(sEMG)的运动意图识别，表面肌电信号产生于动作执行之前，具有一定的超前性，但肌电信号内部包含运动信息太多，目前技术主要聚焦于肌肉激活度，识别模型较为复杂；3、基于多维力传感器的人体运动模式识别，主要依据人机交互力大小对人体运动模式进行识别，识别效果较好，但多维力传感器体积较大，价格昂贵，安装不方便，增加成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种刚柔耦合有源外骨骼的人体运动模式检测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种刚柔耦合有源外骨骼的人体运动模式检测方法，包括以下步骤：

1)采集足底压力值，判断足底压力值是否小于阈值T₁；

2)如果足底压力值小于T₁，判断当前足底压力对应腿为摆动态，转入步骤3)，否则判断人体处于站立态，返回步骤1)；

3)寻找摆动态开始时刻对应的大腿IMU值c，寻找摆动腿的小腿IMU峰值时刻t；寻找该峰值时刻t对应的大腿IMU的值a和对应的髋关节的值b；

4)判断是否θ₁<c-a<θ₂且θ₃<a<θ₄，若是，判断当前状态为上楼，返回步骤1)；否则执行步骤5)；

其中，θ₁至θ₄为预设阈值；

5)判断是否θ₅<c-a<θ₆且θ₇<a<θ₈，若是，判断当前状态为平地行走，返回步骤1)；否则执行6)；

6)判断是否θ₅<c-a<θ₆且θ₃<a<θ₄，若是，判断当前状态为下楼，返回步骤1)；否则将当前状态维持上一状态，返回步骤1)。

按上述方案，所述阈值设定如下：θ₁＝30°；θ₂＝45°；θ₃＝100°；θ₄＝130°；θ₅＝5°；θ₆＝25°；θ₇＝70°；θ₈＝95°。

按上述方案，所述阈值是根据行走的IMU波形图得到的，具体获取方式如下：针对包括上楼下楼和平地行走三种不同运动模式，任意截取一组单步行走数据，对于一组单步行走数据，找到摆动态开始时刻t₁，并求t₁时刻对应摆动腿的大腿IMU值，记为该运动模式下的一个样本θ_t1；然后求其摆动腿的小腿IMU达到峰值时刻t₂，并求t₂时刻对应摆动腿的大腿IMU值，记为该运动模式下的一个样本θ_t2；将对应模式下所有单步行走数据按照此方法分别求出θ_t1-θ_t2和样本θ_t2的集合；依据此集合分别确定对应运动模式的阈值范围。

本发明产生的有益效果是：本发明有效地结合了关节角度极值特征和足底压力信号稳定，极大提高了运动模式识别的准确性和实时性，为刚柔耦合有源外骨骼的助力效率提供保证。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的方法流程图；

图2是本发明实施例的IMU值判断示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

由于人的步态是左右脚交替的，故可以检测摆动腿的状态来判断当前的人所处的行进状态。整个摆动态周期分为：前摆动、后摆动、落地支撑。可以真正用来判断的时刻，是处于后摆动时期。即在摆动态的第三分之一周期时刻便可以判断出当前步态。而这一时刻的分界可以用小腿IMU到达峰值的时刻来判断。

本发明采用足底压力传感器和IMU(惯性测量单元)作为刚柔耦合外骨骼运动模式检测的装置，根据对不同人群的足底压力和关节IMU值的分析，发现人体的不同运动模式(如平地行走、上下楼梯、上下坡等)与关节角度极值存在相关性，将该相关性进行解算，可准确判断人体的运动模式。本发明有效地结合了关节角度极值特征和足底压力信号稳定，极大提高了运动模式识别的准确性和实时性，为刚柔耦合有源外骨骼的助力效率提供充足的保证。

如图1所示，一种刚柔耦合有源外骨骼的人体运动模式检测方法，包括以下步骤：

1)设置足底压力传感器采集足底压力值，判断足底压力值是否小于阈值T₁；

2)如果足底压力值小于T₁，判断当前足底压力对应腿为摆动态，转入步骤3)，否则判断人体处于站立态，返回步骤1)；

3)使用IMU(惯性测量单元)测量各部位IMU值，惯性测量单元分别放置于测试人员的背部、大腿和小腿，寻找摆动态开始时刻对应的大腿IMU值c，寻找摆动腿的小腿IMU峰值时刻t；寻找该峰值时刻t对应的大腿IMU的值a和对应的髋关节IMU的值b；

制图，如图2，

4)判断是否θ₁<c-a<θ₂且θ₃<a<θ₄，若是，判断当前状态为上楼，返回步骤1)；否则执行步骤5)；

5)判断是否θ₅<c-a<θ₆且θ₇<a<θ₈，若是，判断当前状态为平地行走，返回步骤1)；否则执行6)；

6)判断是否θ₅<c-a<θ₆且θ₃<a<θ₄，若是，判断当前状态为下楼，返回步骤1)；否则将当前状态维持上一状态，返回步骤1)。

其中，θ₁至θ₈为预设阈值；以全足着地为例，设置如下：θ₁＝30°；θ₂＝45°；θ₃＝100°；θ₄＝130°；θ₅＝5°；θ₆＝25°；θ₇＝70°；θ₈＝95°。

预设阈值θ₁至θ₈也可根据用户实际行走数据得到，针对包括上楼下楼和平地行走三种不同运动模式，提示用户进行运动行走并保证一定时长，对每种运动模式，任意截取一组单步行走数据，对于一组单步行走数据，找到摆动态开始时刻t₁，并求t₁时刻对应摆动腿的大腿IMU值，记为该运动模式下的一个样本θ_t1；然后求其摆动腿的小腿IMU达到峰值时刻t₂，并求t₂时刻对应摆动腿的大腿IMU值，记为该运动模式下的一个样本θ_t2；将对应模式下所有单步行走数据按照此方法分别求出θ_t1-θ_t2和样本θ_t2的集合；依据此集合分别确定对应运动模式的阈值范围。

为进一步提高检测结果的准确率，我们增加了一个判断因素：

摆动腿中，小腿IMU达到峰值时刻，对应摆动腿的髋关节IMU的值；

在摆动态最开始对应时刻t₁，对应摆动腿大腿IMU的值记为A₀。

寻找摆动腿中，小腿IMU达到峰值时刻t₂，对应摆动腿大腿IMU的值记为A₁，对应摆动腿的髋关节IMU的值为A₂。

θ₁<＝A₀–A₁<＝θ₂且θ₃<＝A₁<＝θ₄且θ₅<＝A₂<＝θ₆；

判定为平地行走；

θ₇<＝A₀–A₁<＝θ₈且θ₉<＝A₁<＝θ₁₀且θ₁₁<＝A₂<＝θ₁₂；

判定为上楼；

θ₁<＝A₀–A₁<＝θ₂且θ₉<＝A₁<＝θ₁₀且θ₅<＝A₂<＝θ₆；

判定为下楼。

其中，阈值的获取方式同上。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种刚柔耦合有源外骨骼的人体运动模式检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采集足底压力值，判断足底压力值是否小于阈值T₁；

2)如果足底压力值小于T₁，判断当前足底压力对应腿为摆动态，转入步骤3)，否则判断人体处于站立态，返回步骤1)；

3)寻找摆动态开始时刻对应的大腿IMU值c，寻找摆动腿的小腿IMU峰值时刻t；寻找该峰值时刻t对应的大腿IMU的值a；

4)判断是否θ₁<c-a<θ₂且θ₃<a<θ₄，若是，判断当前状态为上楼，返回步骤1)；否则执行步骤5)；

5)判断是否θ₅<c-a<θ₆且θ₇<a<θ₈，若是，判断当前状态为平地行走，返回步骤1)；否则执行6)；

6)判断是否θ₅<c-a<θ₆且θ₃<a<θ₄，若是，判断当前状态为下楼，返回步骤1)；否则将当前状态维持上一状态，返回步骤1)；

其中，θ₁至θ₈为预设阈值，所述阈值设定如下：θ₁＝30°；θ₂＝45°；θ₃＝100°；θ₄＝130°；θ₅＝5°；θ₆＝25°；θ₇＝70°；θ₈＝95°。

2.根据权利要求1所述的刚柔耦合有源外骨骼的人体运动模式检测方法，其特征在于，所述预设阈值是根据行走的IMU波形图得到的，具体获取方式如下：

针对包括上楼下楼和平地行走三种不同运动模式，任意截取一组单步行走数据，对于一组单步行走数据，找到摆动态开始时刻t₁，并求t₁时刻对应摆动腿的大腿IMU值，记为该运动模式下的一个样本θ_t1；然后求其摆动腿的小腿IMU达到峰值时刻t₂，并求t₂时刻对应摆动腿的大腿IMU值，记为该运动模式下的一个样本θ_t2；将对应模式下所有单步行走数据按照此方法分别求出θ_t1-θ_t2和样本θ_t2的集合；依据此集合分别确定对应运动模式的阈值范围。

Images