CN202433524U

CN202433524U - 一种超声波步态检测装置

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Publication number: CN202433524U
Application number: CN2011204902711U
Authority: CN
Inventors: 孙柏青; 沈金虎; 张秋豪; 杨俊友; 赵前程; 刘晓刚
Original assignee: Shenyang University of Technology
Current assignee: Shenyang University of Technology
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2021-11-30

Abstract

本实用新型公开了一种超声步态检测装置，其特点是包括有安装在助行机器人平台上的的超声波步态检测装置，多路独立的超声波和其发射接收装置，单片机数据采集与传输装置，和安装在计算机之内的步态数据处理单元、步态特征参数计算与分析单元。本实用新型将超声波检测系统安装在助行机器人平台前方，在受试者身上不加装任何设备，可对受试者无任何限制地进行步态检测，减少了受试者步态检测时的心里负担，提取的步态特征参数较精确，检测系统结构简单，使用安装方便，成本较低。

Description

一种超声波步态检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种助行康复训练装置，特别涉及一种基于助行机器人平台上安装多路超声波传感器，检测人行走时双腿与超声波检测平台之间的距离，通过对检测的距离数据处理分析，提取出人体行走时的步态参数，包括平均步长，平均步速，步频等的超声波步态检测装置。

背景技术

2011年11月初，世界总人口数已达到70亿，根据中国最新公布的人口普查报告结果显示，全国总人口为1.34亿人，60岁及以上人口为1.77亿人，约占总人口数的13％。60岁及以上人口的比重上升2.93个百分点，65岁及以上人口的比重上升1.91个百分点。随着中国人口老龄化的现象逐渐加剧，在老龄人群中存在大量的下肢运动功能障碍的患者，这类患者除了早期的手术治疗和必要的药物治疗外，正确的、科学的康复训练对恢复或提高下肢运动功能发挥着重要的作用。助行康复训练机器人可对下肢存在运动功能障碍的患者进行及时，科学而且有效的下肢康复训练，而对这类患者的步态信息进行及时的检测与分析是对这类患者进行康复训练的理论依据和必要前提。

目前主流的步态特征提取方法是基于计算机视觉和基于传感器等方法实现。L.Lee等用基于图像轮廓各部分的矩阵特征来分析步态。Li-ShanChou，Kenton等人采用27个反光片贴在受试者的主要关节部位进行图像采集。J.P.Foster等人提出了一种基于模型的自动跟踪系统，通过建立人体运动模型对图像数据进行处理分析。这些基于图像的处理方法由于摄像机的位置、以及传感器移动会给系统带来误差，必须具备正确的摄像方法和校准系统，需要操作人员具有专业技术。

在公开的世界专利号5831937提出一种用超声波传感器检测人体行走的步态特征，超声波发射端安装在受试者腰部后面，接收端安装在与发射端同一高度的某一固定位置上，通过距离数据提取人体步态信息。

在公开的中国专利申请号200420059643.5中提出一种应变式三维测力台方法检测步态信息，三维测力台需要安装在专用步道上，安装繁琐，成本较高。

在公开的中国专利申请号200910069062.7中提出一种用将超声波传感器放入鞋底检测距离信号的一种步态测量装置，这种检测方法成本很低，但只能检测在双脚落地时进行步长和频率。

在公开的中国专利申请号200910154024.1中提出一种在人体腰部前面安装两轴加速度传感器进行人体步态的步速测量，这种步态检测方法简便，成本较低，但将传感器安装在受试者身上，对传感器位置的安装需要进行多次调试，检测过程中携带在受试者身体上的传感器的抖动会带来很多干扰。

发明内容

本实用新型的目的在于解决现有技术存在的上述问题，提供出一种用多路超声波步态检测装置。本实用新型提出的这种装置可以检测人体行走时的步态特征数据，对数据进行处理分析，计算出步长，平均步速，步频等步态特征参数。

这种用多路超声波步态检测的方法，采用超声波传感器检测人体行走的步态特征，将超声波检测装置安装在助行机器人平台前方，在受试者身体上不加装任何检测设备，通过多路超声波传感器分别检测受试者左右腿行走时与超声波检测平台之间的距离，提取出人体行走时的步态信息，分析计算步态参数，包括平均步长，平均步速，步频，瞬时速度等参数。

设置在助行机器人平台上的超声波检测装置与受试者同时移动，多路超声波检测受试者在行走过程中左右腿与超声波检测平台之间的相对距离数据，通过检测的距离数据分析受试者步态信息，多路独立的超声波和其发射接受装置，通过超声波发射到受试者腿部并返回到接收端。

所述多路超声波检测受试者在行走过程中左右腿与超声波检测平台之间的相对距离数据时是通过多路超声波进行循环数据检测。

检测系统对检测区域范围的设置，包括：

(1)超声波检测系统平台与受试者行走方向垂直。

(2)通过增加超声波传感器数量来增加检测区域的宽度。

(3)通过软件设置单路超声波传感器的最大检测距离，避免助行机器人和其他障碍物对数据检测产生干扰。

(4)通过结构设计改变超声波传感器与检测平台之间的角度，减小超声波检测时产生的干扰。

采样时间的设置，通过在已设置的采样周期内部进行采样，采样时间要小于采样周期，增加了采样密度，确保每次采样周期相同。

通过单片机控制超声波传感器采集数据，通过单片机与计算机进行串行通讯，将采集回的数据传入计算机。

对数据的处理方方法，包括对去除数据中噪声，对数据进行平滑滤波，采集的数据进行合并，数据的峰值检测。

通过判断相邻采样数据的差值大小去除噪声，判断对多路数据在同一采样时刻数据差值大小合并多路数据，通过局部数据的变化判断峰值。

通过数据处理后对步态信息的提取方法，包括通过峰值对步态周期的判定，平均步长的确定，平均步速的确定，步频的确定。

根据处理后的左腿和右腿的检测数据最大差值计算步长，通过检测数据与步长的关系计算步长的方法，通过峰值检测确定步长时间，步态周期时间，计算平均步长，平均步速和步频。

本实用新型给出的这种用多路超声波步态检测装置，其特点是包括有：安装在助行机器人平台上的超声波步态检测装置，多路独立的超声波和其发射接收装置，单片机数据采集与传输装置，和安装在计算机之内的步态数据处理单元、步态特征参数计算与分析单元。

为更好的实现本实用新型的目的，所述的超声波和其发射接收装置采用超声波测距模块，该模块集成超声波信号触发器，超声波发射，接收电路，通过触发信号控制超声波发射信号，再通过压电效应的换能器，将接收的超声波信号转换为DC5V电压，通过检测返回电压时间检测障碍物的距离位置。

(1)主要技术参数

实用电压：DC5V。静态电流：2mA。电平输出：高5V，低0V。感应角度：不大于15度。探测距离：2cm-450cm。精度：可达1mm

(2)接线方式：

VCC、trig(控制端)、echo(接收端)、GND

(3)使用方法：

一个控制口发一个10us的高电平信号，模块的信号触发器发射40k赫兹的方波，在接受端等待高电平输出来检测是否有信号返回，一有输出便开定时器计时，当接收端变为低电平时读取定时器的值，此时间为测距的时间，检测距离＝(高电平时间*声速(340m/s))/2。

四路超声波采集系统结构的设计：超声波位置距离数据是根据全方向康复助行机器人的实体距离大小而设计的，并经过多次反复检测实验设计出的最佳位置，可使在系统检测时最大限度排除两腿之间的数据检测干扰和车体对检测产生的干扰。1、2路超声波检测左腿行走时的数据，3、4路超声波检测右腿行走时的数据。

为更好的实现本实用新型的目的，所述的单片机数据采集与传输装置

采用PIC16F877A单片机，每个I/O口的最大推拉电流能力20mA，足以达到每个超声波2mA的静态电流要求。用单片机的四个I/O口做触发信号，用令四个I/O接收返回信号。通过循环检测四路超声波数据消除超声波之间的干扰，用定时器0设置单路超声波的采样时间，用定时器1获取超声波检测时间，在规定的采样时间内执行超声波检测，所以采样时间的设置要大于超声波的检测时间，在采样周期内进行采样，这和以往的采样不同，在很大程度上减少采样时间，在单位时间内获取更多的数据。

超声波检测距离限制，超声波发射接收装置的检测范围为2cm-450cm，而本套检测系统需要检测的最大距离为70cm，经过计算后，通过检测定时器的TMR1H寄存器的值，判断TMR1H的值是否超过70cm的检测值，如果超过测结束检测，进行下一路超声波检测。

单路超声波检测过程，通过单片机I/O引脚触发给超声波控制端trig一个20微秒的高电平触发信号，用定时器1计时20微秒后关掉定时器1，将超声波接收端介入单片机I/O引脚，等待接收端返回高电平信号，用定时器1计算返回高电平信号持续的时间。

检测数据压缩，定时器1为16位定时器，在不影响步态数据分析的情况下，将16位数据压缩到8位数据后可减少检测时间和减少数据处理难度，通过70cm的最大检测距离，定时器1所需存放的最大数位为11位，省略其后三位，将数据压缩成8位，这样就保证了用一个字节的八位数据传送，节省了数据上传时间，但数据的精度同时变成了8微秒的距离，也就是1.36毫米，这个精度能够满足步态数据检测分析的要求。将检测的数据经过串口传入计算机内，再对采样数据进行处理。

为更好的实现本实用新型的目的，所述的安装在计算机之内的步态数据处理与分析单元根据四路超声波检测的数据，对数据进行合并，去噪，滤波，峰值检测，周期划分等处理，合并后的两路数据分别为左腿和右腿与检测平台之间的距离，通过峰值确定在每个步态周期中双腿之间的最大距离，在经过比例变换计算出实际步长，再计算出所有步长的均值，便可计算出平均步长，根据采样时间的提取和峰值检测，便可计算出平均步速和步频。

通过对经过处理后的距离数据与时间的微分，便可计算出每一个采样点的瞬时速度值。

还可以通过对检测的左右腿数据在同一周期内的不同位置，速度，以及周期相位的不同，在后期对受试者的步态对称性进行分析。

通过计算的步态参数与实际的步态参数进行比较分析，来判断超声波步态检测装置的精确度。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

(1)基于助行机器人平台搭建超声波步态检测系统，受试者身上不加装任何设备，可对受试者无任何限制地进行步态数据检测。这样很大程度上提高了受试者在检测过程中的心里素质，增加对有下肢运动功能障碍的患者康复的信心，而且可频繁、高效的对不同受试者进行步态检测。

(2)在全方向助行机器人前面安装多路超声波传感器，将检测范围规定在受试者行走的一个固定检测区域。通过循环检测消除超声波之间回波干扰，再通过对检测装置的机械结构进行合理的优化设计，减少受试者行走时双腿之间对数据采样时的干扰。

(3)设置采样周期的方式不同于以往的采样方式，在设置的采样周期内部进行采样，等待采用周期结束后进行下一次采样，这样增加了采样数据的密度。

(4)检测的数据是人体行走时双腿与检测平台之间的距离数据，通过数据能确定行走时每一时刻的状态，还可计算出每一时刻的瞬时速度。根据检测的数据进行相应的处理计算，可以很方便的提取出步态特征参数，包括对平均步长、平均步速、步频和瞬时速度的提取，还可对后期的步态对称性及稳定性进行分析。

(5)相对其它方法，该方法对步态参数的提取简单易懂，成本较低，使用安装方便，数据处理速度快。但该方法最大的不足在于超声波检测时产生的多种干扰，通过检测算法的优化和检测装置机械结构的设计可大量减少这些干扰。

附图说明

图1为基于助行机器人的超声波步态检测系统示意图，其中1为助行机器人，2为超声波检测系统，3为受试者。

图2为超声波检测原理框图。

图3为超声波步态检测系统结构设计图，其中4，5，6，7为四个超声波传感器。

图4为基本步态参数定义示意图，其中8为步长，9为跨步长，10为步态周期，11为内步宽，12为外步宽。

图5为一组经过数据处理后的步态数据曲线，其中A为检测的右腿步态数据曲线，B为检测的左腿步态数据曲线。

图6为步长计算各参数示意图，其中13为超声波传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本实用新型的技术方案做进一步详细说明。

一步态检测装置

如图1所示，超声波检测系统安装在助行机器人平台前面，检测人行走时与超声波位于同一高度的步态数据，把检测的数据再进行相应的比例变换，从而计算出步长值。

超声波接受发射模块检测原理如图2，通过对超声波控制端触发20微秒高电平信号，模块对信号进行调制，产生40千赫振荡脉冲信号，发射超声波，当遇到障碍物后超声波信号返回，在对信号进行增益放大后传送到返回端定时器计时，再传送到控制端。

超声波检测系统结构设计如图3，其中单位均为厘米。每个超声波最大感应角度15度，最大检测距离为70cm。阴影部分为超声波的检测区域，黑色外框为助行机器人的内部边界。图中1、2两路超声波检测左腿行走时的数据，3、4两路超声波检测右腿行走时的数据。1路和2路，3路和4路超声波之间的距离为9cm。正常人行走的内步宽为5cm-10cm，外步宽为25cm-30cm，基本步态运动参数定义如图4所示，为了减少分别检测两腿行走时的超声波检测干扰，并通过实验验证，将2、3路传感器时间距离设置为17cm。为了去除左右腿行走时对超声波之间检测的干扰，2路和3路超声波与检测平台成7.5度角，1路和4路超声波与检测平台平行放置。

将超声波传感器与单片机连接，四路I/O口提供触发信号，另外四路I/O口接收返回信号。用手提电脑USB口为单片机提供电源，用串口转USB装置和串口线将单片机连接，使单片机和计算机进行异步串行通信。

二数据处理

求出每一路超声波相邻采样点数据的平均差值，如果其中某个数据大于平均差值的3倍以上，就认为此数据为跳变点，如果这些跳变点前后10个数据点导数均为正值或负值，则这些跳变点用前后的10数据点的均值代替，如果这些跳变点的前面或者后面的导数有出现正值和负值，则该数据点用其导数为同号的数据点均值代替，这样避免了步态参数计算时的误差。用同样原理进行峰值检测，如果某一数据点前后10个数据点导数异号，则认为该数据点为峰值点。1、2路和3、4路坚持的数据分别合并成一路超声波，1、2路超声波检测左腿数据，两路数据差值很小，求出两路差值的平均值，如果两路差值大于平均差值的3倍，则取数据值较为平滑的数据值，也就是相邻数据差值小的那一路数据，若两路数据差值很小，则取两路超声波检测的较大数据值，这样最大限度的排除了检测时的异常数据，以及在不影响步态分析的前提将两路超声波合并，3、4路超声波也按照相同原理合并。之后对每个数据进行五点二次平滑滤波，其定义为：

y_{i} = \frac{- 3 x_{i - 2} + 12 x_{i - 1} + 17 x_{i} + 12 x_{i + 1} - 3 x_{i + 2}}{35} - - - (1)

其中x_i为第i个数据值，y_i为x_i经过平滑滤波之后的数据值。

三步态特征参数计算

通过对检测的步态数据进行去噪，滤波后，将1，2和3，4路超声波的数据特性合成左右腿步态数据曲线，利用平滑滤波方法对数据进行处理后对其进行峰值检测，计算出波峰波谷数据以及时间。如图5所示为一组经过数据处理后的数据曲线示意图，其中实线和虚线分别代表右腿和左腿与超声波检测平台之间的距离与时间的关系曲线，两条数据曲线相差180度相位并周期性变化。

图6为通过检测数据提取步态信息时一些计算参数与步长之间的关系示意图，其中H₁和H₂分别为受试者的髋关节和超声波传感器与地面之间的距离。D₁和D₂分别为超声波传感器检测的左右腿与传感器之间的距离数据。L_v为待求的步长值，设置L₁为受试者的腿部长度，则以上各参数有如下两个关系，

\frac{D_{1} - D_{2}}{L} = \frac{H_{1} - H_{2}}{H_{1}} - - - (2)

{H_{1}}^{2} + {(\frac{L_{V}}{2})}^{2} = {L_{1}}^{2} - - - (3)

通过以上两个关系式可求出步长L_v的值。同理可求出所有的步长值，再求出平均的步长，设S为从第一步行走到第n步的总距离，则

S = Σ_{i = 1}^{i = n} L_{i} - - - (4)

其中L_i(i＝1，…，n)为第i个步态周期的步长值，设T为检测过程的总时间，则那么平均步长L、平均步速V和步频F的值分别可通过以下公式得出：

平均步长，步速，步频值分别为：

L＝S/n (5)

V＝S/T (6)

F＝60/(T/n) (7)

四实验及数据分析

分别对10个健康人进行了步态检测实验，并按照步态参数计算原理分别计算出每组数据的平均步长、平均步速和步频值。再和实际的步态参数值进行对比计算出相对误差值。计算结果如表1所示。其中实际步长、步速和步频的数据来源为：实际的步长L_real：被检测人行走的实际距离与行走的实际步长周期个数的商。实际的步速V_real：全方向下肢康复机器人的速度。实际的步频F_real：一分钟内行走的步长周期个数，用检测时记录的时间与步数的商求出实际步长周期，再求出一分钟内的步长周期个数。其中E_L、E_V和E_F分别为经过检测计算的步态参数值和实际的步态参数值的相对误差。从表1中可以看出步长的相对误差E_L都不超过4％，步速的相对误差E_V都不超过3％，步频的相对误差E_F不超过2％，说明超声波步态检测系统能够精确的检测受试者的步态参数。

表1为提取的步态参数与实际参数的数据对比。

Claims

1.一种多路超声波步态检测装置，其特征在于：包括有安装在助行机器人平台上的的超声波步态检测装置，多路独立的超声波和其发射接收装置，单片机数据采集与传输装置，和安装在计算机之内的步态数据处理单元、步态特征参数计算与分析单元。

2.根据权利要求1所述的多路超声波步态检测装置，其特征在于：所述的超声波和其发射接收装置采用超声波测距模块，该模块集成有：超声波信号触发器、超声波发射、接收电路，通过触发信号控制超声波发射信号，再通过压电效应的换能器，将接收的超声波接收信号转换为电压，通过检测返回电压时间检测障碍物的距离位置。

3.根据权利要求1所述的多路超声波步态检测装置，其特征在于：所述的单片机数据采集与传输装置采用PIC16F877A单片机，每个I/O口的最大推拉电流能力20mA，用单片机的四个I/O口做触发信号，用另四个I/O接收返回信号，通过单片机控制超声波，设置在采样周期内部采样的方式，在规定的采样时间内执行超声波检测，循环检测四路距离数据，通过单片机与计算机进行串行通讯，将采集回的数据传入计算机。