CN113116340A - 一种用于可穿戴式设备的人体髋关节位移测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于可穿戴式设备的人体髋关节位移测量方法，属于可穿戴传感器领域。该方法可以测量并输出用户在行走时的髋关节，用于评价用户行走能力。本发明利用惯性传感器单元测量的小腿姿态角度及踝关节位移，计算用户的髋关节位移。本发明使用方便，不受场地限制，成本低廉，可以高精度的对用户的髋关节位移进行测量，拥有较高的可靠性以及较好的推广前景。

Description

一种用于可穿戴式设备的人体髋关节位移测量方法

技术领域

本发明属于可穿戴传感器领域，具体涉及一种用于可穿戴式设备的人体髋关节位移测量方法。

背景技术

髋关节运动是反映人类运动能力的重要指标之一，拥有较大的应用价值，因此髋关节的位移测量被广泛研究。大型实验室测量设备如光学式运动捕捉系统、测力台等等常常用于临床上的髋关节位移测量，但其存在价格昂贵，受空间限制，使用不便等缺点。可穿戴传感器作为包括惯性测量单元，超声波传感器，微型摄像头等等，相比于大型实验室测量步态参数的设备如光学式运动捕捉系统、测力台等等，以其小巧、廉价，不受时间、空间限制、易于推广等优点作为新兴技术被广泛应用于步态测量领域。然而，目前仅有较少研究使用放置在人体下肢部位的可穿戴传感器测量髋关节位移。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于可穿戴式设备的人体髋关节位移测量方法。

本发明中所涉及的部分名词含义如下：

摆动期及支撑期为人走路步态周期的两个组成部分，人的走路步态周期如图1所示，以右腿为例，右脚落地是该步态周期的开始，右腿支撑人体，左腿向前迈出，左脚落地，随后左腿开始支撑人体，右脚离地，这段时间为右腿的支撑期；右脚离地后，右腿向前迈出并落地，为右腿的摆动期；右脚落地后完成一个步态周期。

平足期是指支撑期内脚面与地面贴合，踝关节几乎静止的一段时间。

跨步长是指人行走过程中同一只脚相邻着地点之间的距离。

梯度下降法是常用的优化方法之一，属于迭代法的一种，可以用于求解最小二乘问题。

为方便描述，定义矢状面，如图2所示，矢状面是垂直于水平面并将人体分为左右两部分的面，人在行走时，主要运动都发生在矢状面内。

为方便描述，定义X轴、Y轴，如图3所示：X轴为矢状面内水平向前方向，Y轴为矢状面内竖直向上方向。

为方便描述，定义小腿姿态角度为矢状面内小腿与Y轴的夹角，定义大腿姿态角度为矢状面内大腿与Y轴的夹角，定义对侧腿姿态角为身体对侧的腿(将身体对侧的小腿和大腿视为一个整体)与Y轴的夹角，如图5所示。

本发明为解决技术问题，所采用的具体技术方案如下：

一种用于可穿戴式设备的人体髋关节位移测量方法，其包括以下步骤：

S1：利用佩戴于两小腿脚踝外侧上方的两个可穿戴式设备识别用户行走过程中的支撑期、摆动期、平足期和步态周期，并测量当前用户的小腿姿态角度、跨步长、踝关节X轴位移和踝关节Y轴位移；

S2：通过所述小腿姿态角度、踝关节X轴位移、踝关节Y轴位移计算支撑期内各时刻髋关节X轴位移和髋关节Y轴位移；

S3：基于所述小腿姿态角度、跨步长、踝关节X轴位移和踝关节Y轴位移，首先用待定的多项式来表征人体摆动期过程中大腿姿态角度随时间的变化曲线，利用处于摆动期内的当前腿对应的大腿姿态角度、小腿姿态角度、大腿长度和小腿长度，计算出摆动期内髋关节的X轴和Y轴位移；利用人体在所述当前腿处于摆动期时身体对侧腿处于支撑期且身体对侧膝关节无弯曲的假设，计算所述当前腿的对侧腿姿态角度；再利用对侧腿姿态角度和对侧腿的长度，计算对侧腿的髋关节运动X轴和Y轴位移，将两腿的髋关节位移做差，利用人体运动能量总是取最小原理，迭代优化所述多项式的待定系数，直至两腿髋关节位移差最小，利用优化迭代后的大腿姿态角度随时间的变化曲线，求得当前用户摆动期内的髋关节X轴位移和髋关节Y轴位移。

作为优选，所述S2中，支撑期内各时刻髋关节X轴位移H_x和髋关节Y轴位移H_y：

H_x＝A_x+L·sinθ_s

H_y＝A_y+L·cosθ_s

式中：A_x、A_y分别为踝关节X轴位移、踝关节Y轴位移，L为用户的大腿长度和小腿长度之和，θ_s为小腿姿态角度。

作为优选，所述S3中，摆动期内的髋关节X轴位移和髋关节Y轴位移的计算过程包括以下步骤：

S31：基于三次多项式定义人体摆动期过程中大腿姿态角度随时间的变化曲线为：

θ_t＝p₁t³+p₂t²+p₃t p₄

式中：θ_t为大腿姿态角度，p₁、p₂、p₃、p₄为大腿姿态角度变化曲线的参数；

S32：设定p₁、p₂、p₃、p₄的初始值；

S33：基于当前的大腿姿态角度随时间的变化曲线计算大腿姿态角度θ_t，再计算摆动期内各时刻髋关节X轴位移H_x和髋关节Y轴位移H_y：

H_x＝A_x+L_s·sinθ_s+L_t·sinθ_t

H_y＝A_y+L_s·cosθ_s+L_t·cosθ_t

式中：L_s为用户小腿长度，L_t为用户大腿长度；

S34：计算对侧腿姿态角度θ_f：

式中：S为跨步长；

S35：计算对侧髋关节位移：

H_oy＝L·cosθ_f

式中：H_ox、H_oy分别为对侧髋关节X轴位移、侧髋关节Y轴位移；

S36：计算两侧髋关节位移差：

式中：ΔH为两侧髋关节位移差，max为求最大值的函数，其输出值为摆动期内不同时刻

的最大值；

S37：调整p₁、p₂、p₃、p₄的值，并重复步骤S33至S36，使用优化算法求得满足ΔH最小的p₁、p₂、p₃、p₄的最优值并代入所述三次多项式中，得到最终的大腿姿态角度随时间的变化曲线，重复步骤S33计算得到髋关节X轴位移、髋关节Y轴位移作为最终解。

作为优选，所述优化算法为梯度下降法。

作为优选，所述用于可穿戴式设备的人体髋关节位移测量方法包括相连的单片机和惯性传感器，惯性传感器包含三维加速度计以及三维角速度计。

作为优选，所述惯性传感器为基于MPU6050芯片的惯性传感器。

作为优选，所述两个可穿戴式设备佩戴于两小腿脚踝外侧上方2～4cm。

作为优选，所述两个可穿戴式设备的采样频率不低于100Hz。

上述各优选方式中的技术特征在不相互冲突的前提下，均可进行相互组合，不构成限制。

本发明相对于现有技术而言，其有益效果是：

1)使用本发明进行髋关节位移测量，不受场地限制，便捷，易于推广。

2)本发明适应多种病态的步态，拥有较好的应用价值以及广泛的应用范围。

3)通过可穿戴式设备进行测量，可以方便应用于日常生活。

附图说明

图1为本发明中人体走路步态周期示意图；

图2为本发明中矢状面示意图；

图3为本发明中X轴、Y轴、传感器放置位置示意图；

图4为本发明中支撑期内髋关节位移计算示意图；

图5为本发明中摆动期内髋关节位移计算示意图；

图6为本发明中髋关节位移计算结果示意图；

上述图1中，A为右腿脚落地动作，B为左腿脚离地动作，C为左腿脚落地动作，D为右腿脚离地动作；

上述图3、图4、图5中，标记1为放置在右小腿上的惯性传感器；

上述图4、图5中，标记2为小腿、标记3为大腿，标记4为对侧腿。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明，因便于更好地理解。本发明中的技术特征在不相互冲突的前提下，均可进行相互组合，不构成限制。

本发明使用可穿戴式设备对人体髋关节位移进行测量。以某一用户为例，本发明中用于可穿戴式设备的人体髋关节位移测量方法具体实施过程如下：

(1)准备工作：

本实施例中，目标用户穿戴该可穿戴式设备在右侧小腿脚踝外侧上方3cm处，用于测量用户右侧髋关节位移，如图3所示。同样的，在用户左侧小腿的脚踝外侧上方3cm处也佩戴有另一个可穿戴式设备，用于测量用户左侧髋关节位移，两侧的髋关节位移测量方法完全相同，下面主要以右腿为例进行说明。

该可穿戴式设备包含用于处理信号数据的单片机以及基于MPU6050芯片的惯性传感器，惯性传感器包含三维加速度计以及三维角速度计，采样频率为100Hz。

用户在平坦的地面上行走，惯性传感器采集加速度、角速度数据；单片机基于内置算法通过加速度、角速度数据识别用户行走过程中的右腿的支撑期、摆动期、平足期和步态周期，并测量右侧小腿姿态角度、跨步长、踝关节X轴位移、踝关节Y轴位移。下面以右腿其中一个步态周期为例进行接下来的计算步骤，同时踝关节X轴位移、踝关节Y轴位移分别以该步态周期平足期时踝关节的X轴位移、踝关节Y轴位移为零点。

(2)支撑期内髋关节位移计算：

假设用户的腿处于支撑期时膝关节无弯曲，小腿姿态角度等于大腿姿态角度，如图4所示，由此即可通过小腿姿态角度、踝关节X轴位移、踝关节Y轴位移计算支撑期内各时刻髋关节X轴位移和髋关节Y轴位移：

H_x＝A_x+L·sinθ_s

H_y＝A_y+L·cosθ_s

式中：H_x、H_y分别为髋关节X轴位移、髋关节Y轴位移，A_x、A_y分别为踝关节X轴位移、踝关节Y轴位移，L为用户腿长(小腿与大腿长度之和)，θ_s为小腿姿态角度。

(3)摆动期内髋关节位移计算：

摆动期内髋关节位移计算的原理如下：基于小腿姿态角度、跨步长、踝关节X轴位移和踝关节Y轴位移，首先用待定的多项式来表征人体摆动期过程中大腿姿态角度随时间的变化曲线，利用处于摆动期内的当前腿对应的大腿姿态角度、小腿姿态角度、大腿长度和小腿长度，计算出摆动期内髋关节的X轴和Y轴位移；利用人体在所述当前腿处于摆动期时身体对侧腿处于支撑期且身体对侧膝关节无弯曲的假设，计算所述当前腿的对侧腿姿态角度；再利用对侧腿姿态角度和对侧腿的长度，计算对侧腿的髋关节运动X轴和Y轴位移，将两腿的髋关节位移做差，利用人体运动能量总是取最小原理，迭代优化所述多项式的待定系数，直至两腿髋关节位移差最小，利用优化迭代后的大腿姿态角度随时间的变化曲线，求得当前用户摆动期内的髋关节X轴位移和髋关节Y轴位移。

在本实施例中，摆动期内髋关节位移计算过程具体如下：

1)基于三次多项式定义人体摆动期过程中大腿姿态角度随时间的变化曲线为：

θ_t＝p₁t³+p₂t²+p₃t+p₄

式中：θ_t为大腿姿态角度，p₁、p₂、p₃、p₄为大腿姿态角度变化曲线的参数。

2)设定p₁、p₂、p₃、p₄的初始值，本实施例中选定p₁、p₂、p₃、p₄的初始值均为0。

3)基于当前的大腿姿态角度随时间的变化曲线计算大腿姿态角度θ_t，再计算摆动期内各时刻当前腿侧的髋关节X轴位移H_x和髋关节Y轴位移H_y：

H_x＝A_x+L_s·sinθ_s+L_t·sinθ_t

H_y＝A_y+L_s·cosθ_s+L_t·cosθ_t

式中：L_s为用户小腿长度，L_t为用户大腿长度；

4)在当前腿处于摆动期时，身体对侧腿处于支撑期，因此假设身体对侧膝关节无弯曲，计算对侧腿姿态角度θ_f：

式中：S为跨步长。

5)根据对侧腿姿态角度计算身体对侧的髋关节位移：

H_oy＝L·cosθ_f

式中：H_ox、H_oy分别为对侧髋关节X轴位移、侧髋关节Y轴位移；

6)计算两侧髋关节位移差：

式中：ΔH为两侧髋关节位移差；max为求最大值的函数，由于

中的参数均是随时间t变化的，因此函数的输出值为摆动期内不同时刻

的最大值。

7)调整p₁、p₂、p₃、p₄的值，并重复步骤3)至6)，使用优化算法求得满足ΔH最小的p₁、p₂、p₃、p₄的最优值并代入前述的三次多项式中，得到最终的大腿姿态角度随时间的变化曲线，然后再次重复步骤3)计算即可得到髋关节X轴位移、髋关节Y轴位移作为最终解。本实施例中优化算法为梯度下降法。

(3)髋关节位移计算效果：

本实施例中，上述方法可以准确测量得到用户的髋关节位移。举例而言，该用户小腿长为0.45米，大腿长为0.45米，右腿步态周期内右侧髋关节位移的计算结果如图6所示，由此可见，本发明的装置和方法相对于现有技术而言，可实现对用户的髋关节位移进行测量。

以上所述的实施例只是本发明的一些较佳的方案，然而其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。例如，上述实施例也可以使用其他算法或者使用其他传感器来计算所述小腿姿态角度、大腿姿态角度、跨步长以及踝关节X轴、踝关节Y轴位移，如使用毫米波雷达、红外传感器、激光雷达等传感器。上述可穿戴设备也可以同时使用两套，以达到同时测量左右两侧髋关节位移的目的。上述可穿戴设备也可以采用现有技术中的其他结构或方式进行改动，如使用别的惯性传感器芯片、采用更高的采样频率等等。

由此可见，凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于可穿戴式设备的人体髋关节位移测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：利用佩戴于两小腿脚踝外侧上方的两个可穿戴式设备识别用户行走过程中的支撑期、摆动期、平足期和步态周期，并测量当前用户的小腿姿态角度、跨步长、踝关节X轴位移和踝关节Y轴位移；

S2：通过所述小腿姿态角度、踝关节X轴位移、踝关节Y轴位移计算支撑期内各时刻髋关节X轴位移和髋关节Y轴位移；

S3：基于所述小腿姿态角度、跨步长、踝关节X轴位移和踝关节Y轴位移，首先用待定的多项式来表征人体摆动期过程中大腿姿态角度随时间的变化曲线，利用处于摆动期内的当前腿对应的大腿姿态角度、小腿姿态角度、大腿长度和小腿长度，计算出摆动期内髋关节的X轴和Y轴位移；利用人体在所述当前腿处于摆动期时身体对侧腿处于支撑期且身体对侧膝关节无弯曲的假设，计算所述当前腿的对侧腿姿态角度；再利用对侧腿姿态角度和对侧腿的长度，计算对侧腿的髋关节运动X轴和Y轴位移，将两腿的髋关节位移做差，利用人体运动能量总是取最小原理，迭代优化所述多项式的待定系数，直至两腿髋关节位移差最小，利用优化迭代后的大腿姿态角度随时间的变化曲线，求得当前用户摆动期内的髋关节X轴位移和髋关节Y轴位移。

2.如权利要求1所述的用于可穿戴式设备的人体髋关节位移测量方法，其特征在于，所述S2中，支撑期内各时刻髋关节X轴位移H_x和髋关节Y轴位移H_y：

H_x＝A_x+L·sinθ_s

H_y＝A_y+L·cosθ_s

式中：A_x、A_y分别为踝关节X轴位移、踝关节Y轴位移，L为用户的大腿长度和小腿长度之和，θ_s为小腿姿态角度。

3.如权利要求1所述的用于可穿戴式设备的人体髋关节位移测量方法，其特征在于，所述S3中，摆动期内的髋关节X轴位移和髋关节Y轴位移的计算过程包括以下步骤：

S31：基于三次多项式定义人体摆动期过程中大腿姿态角度随时间的变化曲线为：

θ_t＝p₁t³+p₂t²+p₃t+p₄

式中：θ_t为大腿姿态角度，p₁、p₂、p₃、p₄为大腿姿态角度变化曲线的参数；

S32：设定p₁、p₂、p₃、p₄的初始值；

S33：基于当前的大腿姿态角度随时间的变化曲线计算大腿姿态角度θ_t，再计算摆动期内各时刻髋关节X轴位移H_x和髋关节Y轴位移H_y：

H_x＝A_x+L_s·sinθ_s+L_t·sinθ_t

H_y＝A_y+L_s·cosθ_s+L_t·cosθ_t

式中：L_s为用户小腿长度，L_t为用户大腿长度；

S34：计算对侧腿姿态角度θ_f：

式中：S为跨步长；

S35：计算对侧髋关节位移：

H_oy＝L·cosθ_f

式中：H_ox、H_oy分别为对侧髋关节X轴位移、侧髋关节Y轴位移；

S36：计算两侧髋关节位移差：

式中：ΔH为两侧髋关节位移差，max为求最大值的函数，其输出值为摆动期内不同时刻

的最大值；

S37：调整p₁、p₂、p₃、p₄的值，并重复步骤S33至S36，使用优化算法求得满足ΔH最小的p₁、p₂、p₃、p₄的最优值并代入所述三次多项式中，得到最终的大腿姿态角度随时间的变化曲线，重复步骤S33计算得到髋关节X轴位移、髋关节Y轴位移作为最终解。

4.如权利要求3所述的用于可穿戴式设备的人体髋关节位移测量方法，其特征在于，所述优化算法为梯度下降法。

5.如权利要求1所述的用于可穿戴式设备的人体髋关节位移测量方法，其特征在于，所述用于可穿戴式设备的人体髋关节位移测量方法包括相连的单片机和惯性传感器，惯性传感器包含三维加速度计以及三维角速度计。

6.如权利要求5所述的用于可穿戴式设备的人体髋关节位移测量方法，其特征在于，所述惯性传感器为基于MPU6050芯片的惯性传感器。

7.如权利要求1所述的用于可穿戴式设备的人体髋关节位移测量方法，其特征在于，所述两个可穿戴式设备佩戴于两小腿脚踝外侧上方2～4cm。

8.如权利要求1所述的用于可穿戴式设备的人体髋关节位移测量方法，其特征在于，所述两个可穿戴式设备的采样频率不低于100Hz。

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