CN111603172A - 一种基于激光雷达的通用步态测量方法及系统 - Google Patents

一种基于激光雷达的通用步态测量方法及系统 Download PDF

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CN111603172A CN202010493213.8A CN202010493213A CN111603172A CN 111603172 A CN111603172 A CN 111603172A CN 202010493213 A CN202010493213 A CN 202010493213A CN 111603172 A CN111603172 A CN 111603172A
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岳承涛
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Abstract

本发明涉及一种基于激光雷达的通用步态测量方法及系统。该方法包括：搭建使用者在下肢康复机器人或健身器材的陪伴下行走的测试环境；通过激光雷达采集所述使用者的腿部轮廓数据；对所述腿部轮廓数据进行处理，得到处理后腿部轮廓数据；根据所述处理后腿部轮廓数据，确定使用者行走特征。本发明能够在使用者行走过程中测得其步态参数，测量方便快捷，且不受场地和环境的影响。

Description

一种基于激光雷达的通用步态测量方法及系统
技术领域
本发明涉及步态测量领域，特别是涉及一种基于激光雷达的通用步态测量方法及系统。
背景技术
完整的步态运动反映身体很多方面的内容，近年来，步态测量在实验室、医学界和日常生活中都有了广泛的应用，人们利用步态测量及识别技术对被测者的腿部或脑部疾病进行判断，对跑步运动员的动作是否，节律是否一致进行判别，来提高运动员水平等，步态识别的应用前景相当广泛。
要识别出步态的失调或病态，或基于步态进行人体识别则需提取其中的一些关键步态参数及步态规律。目前用于人体步态分析的主要设备和方法是采用摄像头拍摄人类行走运动过程的照片或视频，然后通过图像处理方法提取其中的步态特征进行分析。此方法为现有技术中最成熟和常用的方法，但此种方法也存在诸多缺点，如检测过程中需要获取和进行传输的图像数据量大，步态特征提取过程复杂，需要较大的通信带宽和计算能力，且由于是摄像头，故易受环境及场地的影响。另外一种常见的方法是通过惯性传感器测量行走时肢体的运动，但该方法需要在目标人体上安装多个传感器，很多情况下不受用户欢迎，不方便推广应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于激光雷达的通用步态测量方法及系统，能够在使用者行走过程中测得其步态参数，测量方便快捷，且不受场地和环境的影响。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于激光雷达的通用步态测量方法，包括：
搭建使用者在下肢康复机器人或健身器材的陪伴下行走的测试环境；
通过激光雷达采集所述使用者的腿部轮廓数据；
对所述腿部轮廓数据进行处理，得到处理后腿部轮廓数据；
根据所述处理后腿部轮廓数据，确定使用者行走特征。
可选的，所述搭建使用者在下肢康复机器人或健身器材的陪伴下行走的测试环境，具体包括：
将激光雷达固定设置在下肢康复机器人或健身器材正前方的下部；
将激光雷达测量平面设置为与使用者的小腿中部平面重合且平行行走地面；
清除所述激光雷达测量范围内的杂物；
确定使用者的行走范围，所述使用者的行走范围落在所述激光雷达的测量范围内。
可选的，所述对所述腿部轮廓数据进行处理，得到处理后腿部轮廓数据，具体包括：
对所述腿部轮廓数据进行去噪和聚类处理，得到处理后腿部轮廓数据。
可选的，所述根据所述处理后腿部轮廓数据，确定使用者行走特征，具体包括：
根据所述处理后腿部轮廓数据，得到使用者步态参数，所述步态参数包括步态距离以及当前所述步态距离对应的时间和角度；
根据所述使用者步态参数，确定使用者行走特征，所述行走特征包括步长、步宽和步频。
可选的，所述根据所述使用者步态参数，确定使用者行走特征，具体包括：
根据所述使用者步态参数采用公式x＝|d*sinβ|和y＝|d*cosβ|，确定使用者在激光局部坐标系下的位置，其中，d和β分别为在t时刻时，激光雷达所测量到的物体在激光雷达坐标系下的距离和角度；
根据所述位置采用公式
Figure BDA0002521872880000021
确定使用者的步长，其中，
Figure BDA0002521872880000022
为第一初相位，k1为第一偏距，ω1为第一角速度，Ax为使用者的步长，x为直角坐标系x轴上的数值；
根据所述位置采用公式
Figure BDA0002521872880000023
确定使用者的步宽，其中，
Figure BDA0002521872880000024
为第一初相位，k2为第一偏距，ω2为第一角速度，Ay为使用者的步长，y为直角坐标系y轴上的数值；
根据所述位置采用公式f＝ω1/π，确定使用者的步频，其中，f为使用者的步频。
一种基于激光雷达的通用步态测量系统，包括：
测试环境搭建模块，用于搭建使用者在下肢康复机器人或健身器材的陪伴下行走的测试环境；
腿部轮廓数据采集模块，用于通过激光雷达采集所述使用者的腿部轮廓数据；
腿部轮廓数据处理模块，用于对所述腿部轮廓数据进行处理，得到处理后腿部轮廓数据；
行走特征确定模块，用于根据所述处理后腿部轮廓数据，确定使用者行走特征。
可选的，所述测试环境搭建模块，具体包括：
激光雷达第一设置单元，用于将激光雷达固定设置在下肢康复机器人或健身器材正前方的下部；
激光雷达第一设置单元，用于将激光雷达测量平面设置为与使用者的小腿中部平面重合且平行行走地面；
杂物清除单元，用于清除所述激光雷达测量范围内的杂物；
行走范围确定单元，用于确定使用者的行走范围，所述使用者的行走范围落在所述激光雷达的测量范围内。
可选的，所述腿部轮廓数据处理模块，具体包括：
腿部轮廓数据处理单元，用于对所述腿部轮廓数据进行去噪和聚类处理，得到处理后腿部轮廓数据。
可选的，所述行走特征确定模块，具体包括：
使用者步态参数确定单元，用于根据所述处理后腿部轮廓数据，得到使用者步态参数，所述步态参数包括步态距离以及当前所述步态距离对应的时间和角度；
使用者行走特征确定单元，用于根据所述使用者步态参数，确定使用者行走特征，所述行走特征包括步长、步宽和步频。
可选的，所述使用者行走特征确定单元，具体包括：
位置确定子单元，用于根据所述使用者步态参数采用公式x＝|d*sinβ|和y＝|d*cosβ|，确定使用者在激光局部坐标系下的位置，其中，d和β分别为在t时刻时，激光雷达所测量到的物体在激光雷达坐标系下的距离和角度；
步长确定子单元，用于根据所述位置采用公式
Figure BDA0002521872880000041
确定使用者的步长，其中，
Figure BDA0002521872880000042
为第一初相位，k1为第一偏距，ω1为第一角速度，Ax为使用者的步长，x为直角坐标系x轴上的数值；
步宽确定子单元，用于根据所述位置采用公式
Figure BDA0002521872880000043
确定使用者的步宽，其中，
Figure BDA0002521872880000044
为第一初相位，k2为第一偏距，ω2为第一角速度，Ay为使用者的步长，y为直角坐标系y轴上的数值；
步频确定子单元，用于根据所述位置采用公式f＝ω1/π，确定使用者的步频，其中，f为使用者的步频。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
(1)在使用者行走过程中测得其步态参数，测量方便快捷。
(2)对使用者的要求不高，并可以适应不同的下肢康复机器人或健身器材，具有通用性，且不受场地和环境的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为使用者在跑步机上示意图；
图2为激光雷达测量及计算原理图；
图3为本发明基于激光雷达的通用步态测量方法流程图；
图4为激光雷达测量示意图；
图5为本发明基于激光雷达的通用步态测量系统结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于激光雷达的通用步态测量方法及系统，能够在使用者行走过程中测得其步态参数，测量方便快捷，且不受场地和环境的影响。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为使用者在跑步机上示意图。如图1所示，一种基于激光雷达的通用步态测量硬件主要由一个可覆盖测量范围的激光雷达1，一个可固定在相应使用设备上的支架及一台个人计算机2组成，实例中的健身器材为跑步机3。
可覆盖测量范围的激光雷达1是指激光雷达的激光测量范围必须覆盖被测量人在下肢康复机器人或健身器材的可移动范围。图2为激光雷达测量及计算原理图。可固定支架4用于将激光雷达1固定在跑步机上，使激光雷达1的安装高度合适并且不会晃动。个人计算机2能够采集激光雷达1的测量数据，对数据进行计算和分析，可对激光雷达1供电并具有可编程能力。
图3为本发明基于激光雷达的通用步态测量方法流程图。如图3所示，一种基于激光雷达的通用步态测量方法包括：
步骤101：搭建使用者在下肢康复机器人或健身器材的陪伴下行走的测试环境，具体包括：
将激光雷达固定设置在下肢康复机器人或健身器材正前方的下部。
将激光雷达测量平面设置为与使用者的小腿中部平面重合且平行行走地面。
清除所述激光雷达测量范围内的杂物。
确定使用者的行走范围，所述使用者的行走范围落在所述激光雷达的测量范围内。
将所述激光雷达放置在下肢康复机器人或健身器材正前方的下部，在下肢康复机器人或健身器材上对所述激光雷达进行固定及调节，让使用者的行走范围落在所述激光雷达的测量范围内，使所述激光雷达测量平面与使用者的小腿中部平面大致重合且平行行走地面，以确保所述激光雷达的扫描平面大约在使用者站立平面之上的20cm～25cm，且所述激光雷达所测范围内除人腿以外无其他异物，从而保证激光雷达测量的数据更加准确。图4为激光雷达测量示意图。
步骤102：通过激光雷达采集所述使用者的腿部轮廓数据。
所述激光雷达通过激光的发射及接受可采集得出使用者的腿部轮廓数据。将所述激光雷达放置于下肢康复机器人或健身器材上后，在所述个人计算机上通过程序设定所述激光雷达的扫描范围角度θ，θ的大小根据使用者在下肢康复机器人或健身器材上行走范围自行设定。所述激光雷达所测的腿部轮廓数据为距离d，每个所述距离d对应一个时间t和角度β。
步骤103：对所述腿部轮廓数据进行处理，得到处理后腿部轮廓数据，具体包括：
对所述腿部轮廓数据进行去噪和聚类处理，得到处理后腿部轮廓数据。
通过所述激光雷达将所采集的腿部轮廓数据输送至所述个人计算机，通过算法处理，对采集到的所述腿部轮廓数据中信息噪声点进行去除及有用点保留的处理；对处理后的所述腿部轮廓数据使用kmeans算法进行聚类处理，设置聚类个数为2，取每一帧数据聚类后的特征点代表腿部，所述特征点可以选取聚类后中点或极大值点。以所述激光雷达中心建立激光局部坐标系OXY，根据人的行走规律，在OXY坐标系中，左边的类(Y坐标较小的点)代替左腿，右边的类(Y坐标较大的点)代替右腿。
步骤104：根据所述处理后腿部轮廓数据，确定使用者行走特征，具体包括：
根据所述处理后腿部轮廓数据，得到使用者步态参数，所述步态参数包括步态距离以及当前所述步态距离对应的时间和角度。
根据所述使用者步态参数，确定使用者行走特征，所述行走特征包括步长、步宽和步频，具体包括：
根据所述使用者步态参数采用公式x＝|d*sinβ|和y＝|d*cosβ|，确定使用者在激光局部坐标系下的位置。其中，d和β分别为在t时刻时，激光雷达所测量到的物体在激光雷达坐标系下的距离和角度。
根据所述位置采用公式
Figure BDA0002521872880000071
确定使用者的步长，其中，
Figure BDA0002521872880000072
为第一初相位，k1为第一偏距，ω1为第一角速度，Ax为使用者的步长，x为直角坐标系x轴上的数值；
根据所述位置采用公式
Figure BDA0002521872880000073
确定使用者的步宽，其中，
Figure BDA0002521872880000074
为第一初相位，k2为第一偏距，ω2为第一角速度，Ay为使用者的步长，y为直角坐标系y轴上的数值；
根据所述位置采用公式f＝ω1/π，确定使用者的步频，其中，f为使用者的步频。
上述公式
Figure BDA0002521872880000075
和
Figure BDA0002521872880000076
为正弦函数的标准形式，在本专利计算步态参数时所使用的参数只有Ax、Ay、ω1和ω2，其余的参数无需使用，因此无实际含义，无需特别定义其含义。
作为一种优选的实施例，假设左腿特征点为A点，则A点的在所述激光局部坐标系下的位置可描述为(xA，yA)，其中xA、yA由下面的计算公式得到：
xA＝|dA*sinβA|
yA＝|dA*cosβA|
假设右腿特征点为点B，可得B点在所述激光局部坐标系下的位置(xB，yB)。其中xB、yB由下面的计算公式得到：
xB＝|dB*sinβB|
yB＝|dB*cosβB|
将由所述激光雷达测得腿部特征点在所述激光局部坐标系下的位置(x，y)分别与其对应的t拟合成正弦函数或余弦函数。
选用正弦函数拟合，当计算左腿特征点A时，得出xA与t拟合函数如下所示：
Figure BDA0002521872880000077
其中，Ax为左腿步长。
得出yA与t拟合函数如下所示：
Figure BDA0002521872880000078
其中，Ay为左腿步宽。
左腿步频bpA可由下面的计算公式得到：
bpA＝ωA1/π
选用余弦函数拟合，当计算右腿特征点B时，得出xB与t拟合函数如下所示：
Figure BDA0002521872880000081
其中，Bx为右腿步长。
得出yB与t拟合函数如下所示：
Figure BDA0002521872880000082
其中，By为右腿步宽。
右腿步频bpB可由下面的计算公式得到：
bpB＝ωB1/π。
本发明与现有技术相比，具有下列优点：
(1)在使用者行走过程中测得其步态参数，测量方便快捷。
(2)对使用者的要求不高，并可以适应不同的下肢康复机器人或健身器材，具有通用性。
本发明还提供一种基于激光雷达的通用步态测量系统。图5为本发明基于激光雷达的通用步态测量系统结构图。如图5所示，一种基于激光雷达的通用步态测量系统包括：
测试环境搭建模块201，用于搭建使用者在下肢康复机器人或健身器材的陪伴下行走的测试环境。
腿部轮廓数据采集模块202，用于通过激光雷达采集所述使用者的腿部轮廓数据。
腿部轮廓数据处理模块203，用于对所述腿部轮廓数据进行处理，得到处理后腿部轮廓数据。
行走特征确定模块204，用于根据所述处理后腿部轮廓数据，确定使用者行走特征。
所述测试环境搭建模块201，具体包括：
激光雷达第一设置单元，用于将激光雷达固定设置在下肢康复机器人或健身器材正前方的下部。
激光雷达第一设置单元，用于将激光雷达测量平面设置为与使用者的小腿中部平面重合且平行行走地面。
杂物清除单元，用于清除所述激光雷达测量范围内的杂物。
行走范围确定单元，用于确定使用者的行走范围，所述使用者的行走范围落在所述激光雷达的测量范围内。
所述腿部轮廓数据处理模块203，具体包括：
腿部轮廓数据处理单元，用于对所述腿部轮廓数据进行去噪和聚类处理，得到处理后腿部轮廓数据。
所述行走特征确定模块204，具体包括：
使用者步态参数确定单元，用于根据所述处理后腿部轮廓数据，得到使用者步态参数，所述步态参数包括步态距离以及当前所述步态距离对应的时间和角度。
使用者行走特征确定单元，用于根据所述使用者步态参数，确定使用者行走特征，所述行走特征包括步长、步宽和步频。
所述使用者行走特征确定单元，具体包括：
位置确定子单元，用于根据所述使用者步态参数采用公式x＝|d*sinβ|和y＝|d*cosβ|，确定使用者在激光局部坐标系下的位置。其中，d和β分别为在t时刻时，激光雷达所测量到的物体在激光雷达坐标系下的距离和角度。
步长确定子单元，用于根据所述位置采用公式
Figure BDA0002521872880000091
确定使用者的步长，其中，
Figure BDA0002521872880000092
为第一初相位，k1为第一偏距，ω1为第一角速度，Ax为使用者的步长，x为直角坐标系x轴上的数值；
步宽确定子单元，用于根据所述位置采用公式
Figure BDA0002521872880000093
确定使用者的步宽，其中，
Figure BDA0002521872880000094
为第一初相位，k2为第一偏距，ω2为第一角速度，Ay为使用者的步长，y为直角坐标系y轴上的数值；
步频确定子单元，用于根据所述位置采用公式f＝ω1/π，确定使用者的步频，其中，f为使用者的步频。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于激光雷达的通用步态测量方法，其特征在于，包括：
搭建使用者在下肢康复机器人或健身器材的陪伴下行走的测试环境；
通过激光雷达采集所述使用者的腿部轮廓数据；
对所述腿部轮廓数据进行处理，得到处理后腿部轮廓数据；
根据所述处理后腿部轮廓数据，确定使用者行走特征。
2.根据权利要求1所述的基于激光雷达的通用步态测量方法，其特征在于，所述搭建使用者在下肢康复机器人或健身器材的陪伴下行走的测试环境，具体包括：
将激光雷达固定设置在下肢康复机器人或健身器材正前方的下部；
将激光雷达测量平面设置为与使用者的小腿中部平面重合且平行行走地面；
清除所述激光雷达测量范围内的杂物；
确定使用者的行走范围，所述使用者的行走范围落在所述激光雷达的测量范围内。
3.根据权利要求1所述的基于激光雷达的通用步态测量方法，其特征在于，所述对所述腿部轮廓数据进行处理，得到处理后腿部轮廓数据，具体包括：
对所述腿部轮廓数据进行去噪和聚类处理，得到处理后腿部轮廓数据。
4.根据权利要求1所述的基于激光雷达的通用步态测量方法，其特征在于，所述根据所述处理后腿部轮廓数据，确定使用者行走特征，具体包括：
根据所述处理后腿部轮廓数据，得到使用者步态参数，所述步态参数包括步态距离以及当前所述步态距离对应的时间和角度；
根据所述使用者步态参数，确定使用者行走特征，所述行走特征包括步长、步宽和步频。
5.根据权利要求4所述的基于激光雷达的通用步态测量方法，其特征在于，所述根据所述使用者步态参数，确定使用者行走特征，具体包括：
根据所述使用者步态参数采用公式x＝|d*sinβ|和y＝|d*cosβ|，确定使用者在激光局部坐标系下的位置，其中，d和β分别为在t时刻时，激光雷达所测量到的物体在激光雷达坐标系下的距离和角度；
根据所述位置采用公式
Figure FDA0002521872870000011
确定使用者的步长，其中，
Figure FDA0002521872870000012
为第一初相位，k1为第一偏距，ω1为第一角速度，Ax为使用者的步长，x为直角坐标系x轴上的数值；
根据所述位置采用公式
Figure FDA0002521872870000021
确定使用者的步宽，其中，
Figure FDA0002521872870000022
为第一初相位，k2为第一偏距，ω2为第一角速度，Ay为使用者的步长，y为直角坐标系y轴上的数值；
根据所述位置采用公式f＝ω1/π，确定使用者的步频，其中，f为使用者的步频。
6.一种基于激光雷达的通用步态测量系统，其特征在于，包括：
测试环境搭建模块，用于搭建使用者在下肢康复机器人或健身器材的陪伴下行走的测试环境；
腿部轮廓数据采集模块，用于通过激光雷达采集所述使用者的腿部轮廓数据；
腿部轮廓数据处理模块，用于对所述腿部轮廓数据进行处理，得到处理后腿部轮廓数据；
行走特征确定模块，用于根据所述处理后腿部轮廓数据，确定使用者行走特征。
7.根据权利要求6所述的基于激光雷达的通用步态测量系统，其特征在于，所述测试环境搭建模块，具体包括：
激光雷达第一设置单元，用于将激光雷达固定设置在下肢康复机器人或健身器材正前方的下部；
激光雷达第一设置单元，用于将激光雷达测量平面设置为与使用者的小腿中部平面重合且平行行走地面；
杂物清除单元，用于清除所述激光雷达测量范围内的杂物；
行走范围确定单元，用于确定使用者的行走范围，所述使用者的行走范围落在所述激光雷达的测量范围内。
8.根据权利要求6所述的基于激光雷达的通用步态测量系统，其特征在于，所述腿部轮廓数据处理模块，具体包括：
腿部轮廓数据处理单元，用于对所述腿部轮廓数据进行去噪和聚类处理，得到处理后腿部轮廓数据。
9.根据权利要求6所述的基于激光雷达的通用步态测量系统，其特征在于，所述行走特征确定模块，具体包括：
使用者步态参数确定单元，用于根据所述处理后腿部轮廓数据，得到使用者步态参数，所述步态参数包括步态距离以及当前所述步态距离对应的时间和角度；
使用者行走特征确定单元，用于根据所述使用者步态参数，确定使用者行走特征，所述行走特征包括步长、步宽和步频。
10.根据权利要求9所述的基于激光雷达的通用步态测量系统，其特征在于，所述使用者行走特征确定单元，具体包括：
位置确定子单元，用于根据所述使用者步态参数采用公式x＝|d*sinβ|和y＝|d*cosβ|，确定使用者在激光局部坐标系下的位置，其中，d和β分别为在t时刻时，激光雷达所测量到的物体在激光雷达坐标系下的距离和角度；
步长确定子单元，用于根据所述位置采用公式
Figure FDA0002521872870000031
确定使用者的步长，其中，
Figure FDA0002521872870000032
为第一初相位，k1为第一偏距，ω1为第一角速度，Ax为使用者的步长，x为直角坐标系x轴上的数值；
步宽确定子单元，用于根据所述位置采用公式
Figure FDA0002521872870000033
确定使用者的步宽，其中，
Figure FDA0002521872870000034
为第一初相位，k2为第一偏距，ω2为第一角速度，Ay为使用者的步长，y为直角坐标系y轴上的数值；
步频确定子单元，用于根据所述位置采用公式f＝ω1/π，确定使用者的步频，其中，f为使用者的步频。
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