一种可穿戴式设备及用于该设备的实时步长测量方法技术

本发明专利技术属于可穿戴传感器领域，具体公开了一种可穿戴式设备及用于该设备的实时步长测量方法，可以实时的测量并输出用户在行走时的下肢二维姿态以及每一步的步长信息，并可应用于检测用户的步态不对称度。本发明专利技术利用四个惯性传感器单元采集的角速度、加速度实时数据，通过一种几何算法，计算并输出用户的下肢姿态以及步长。本发明专利技术使用方便，不受场地限制，成本低廉，可以实时、高精度的输出用户的下肢姿态以及步长，拥有较高的可靠性以及较好的推广前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于可穿戴传感器领域，具体涉及一种可穿戴式设备及用于该设备的实时步长测量方法。
技术介绍
步态参数是人类行走过程中的物理参数，可以反映人类运动能力，拥有较大的应用价值，因此目前有许多研究者在研究步态参数的测量。可穿戴传感器包括惯性测量单元，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、易于推广等优点被广泛应用于步态参数测量领域。目前有很多研究使用放置在人体腿部、腰部、手腕、胸部等部位的可穿戴传感器测量步态时间参数，如步态事件、步态周期等等；也有的测量步态空间参数，如步行速度、步距等等。如申请号为CN201510887154.1的专利技术专利公开了一种室内定位步长计算方法，将惯性测量单元置于人员的腰部，人员在室内行走过程中，获得人员惯性传感器数据，然后计算步长。而申请号为CN201310007945.1的专利技术专利公开了一种步长计算方法和装置，获取载体在三维坐标系中的各轴加速度值；根据所述各轴加速度值计算步长补偿系数；根据所述步长补偿系数和预先设定的预设步长确定载体移动幅度的最终步长。但上述方法再实际使用过程中，均存在步态测量精度较低、无法实时测量单步步长等缺陷。实时步长的测定具有重要的意义。现在有很多研究用可穿戴传感器测量步速、步距等空间参数，比较成熟，但是测量步长的研究不多。一些疾病如帕金森综合征会使人体运动能力下降，步速、步距减小，因此步距和步速可以用来反映人体下肢运动能力。但是步距、步速不能反映出偏瘫造成的人体两侧运动能力的差异，即步态不对性，而我们可以根据两腿步长的比值量化人体两侧步态的不对称性，而且通过步长也可以求出步距、步速等参数，因此步长拥有更大的临床应用价值。除此之外，实时的步长可以反映使用者实时的位移信息，搭配使用者实时的下肢姿态信息，可以对与下肢运动相关的机械装置如二足机器人、下肢辅助康复装置等等。使用可穿戴传感器计算步长具有广泛的应用范围。因此有必要提出一种兼顾测量精度和实施测定的步长测量方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决现有技术中步态测量精度较低、无法实时测量单步步长等缺陷，并提供一种可穿戴式设备及用于该设备的实时步长测量方法。本专利技术中所涉及的部分名词含义如下：步距是指人行走过程中同一只脚相邻着地点之间的距离，步长是指人行走过程中双脚的相邻着地点之间的距离。通常来说，步距等于两腿步长之和。步态事件是指人在行走过程中的每个步态周期中的重要时刻，主要有摆动中期、腿伸直、脚落地、站立中期、脚离地五个步态事件。人的走路步态周期如图4所示，以右腿为例，左腿支撑人体，右腿向前迈出的这段时间为右腿的摆动相；右腿摆到左腿附近时为摆动中期；随后右腿向前踢出并伸直；接着右脚落地，右腿开始支撑人体，左腿向前迈出的这段时间，为右腿的站立相；右腿以右踝关节为旋转中心，向前移动，到达接近于与地面垂直的位置，此时为站立中期；随后右脚离地，右腿向前迈出，完成一个步态周期。步态事件可以根据同侧小腿、大腿的角速度特征进行检测，如图5所示。小腿角速度在一个周期内通常主要有一高一矮的两个比较大的波峰，较高的峰对应着摆动中期，较矮的对应着站立中期；摆动中期之后有一段有很多小的负向的波峰的区域，这是脚落地造成的震动，第一个负向峰为脚落地时刻；在摆动中期与脚落地时刻之间，有一处大腿、小腿角速度相交，此刻为腿伸直时刻；在站立中期后，下一个摆动中期前，有一处波谷，此时对应着脚离地时刻。站立相从该腿脚落地开始，到脚离地结束，近似的为图中小腿角速度为负值的区域；摆动相从该腿脚离地开始，到脚落地结束，近似的为图中小腿角速度为正值的区域。实时步长测量是指当检测到前脚落地的步态事件时，计算该步的步长。矢状面和铅垂线如图1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；铅垂线是垂直于地面的线。另外为方便描述，定义大腿以及小腿的三维方向，如图2所示：X轴与该小腿或大腿平行；Y轴在矢状面内，与该小腿或大腿垂直；Z轴垂直于矢状面。放置在大腿或者小腿上的传感器的坐标轴应该与该大腿或小腿保持一致，但是因为矢状面是不可见的，在安放传感器会出现Y轴、Z轴偏移的情况，根据传感器测得的Y轴、Z轴角速度可以大致计算传感器Y轴偏移矢状面的角度，并利用此角度计算该大腿或小腿的相应轴的加速度、角速度。人体的大腿长为人体静止站立时，从髋关节到膝关节的垂直高度；小腿长为此时膝关节到地面的垂直高度。本专利技术为解决技术问题，所采用的具体技术方案如下：用于可穿戴式设备的实时步长测量方法，包括以下步骤：实时测量用户两侧大腿和小腿行走过程中的Y轴加速度和Z轴角速度，同时根据Z轴角速度实时确定行走过程中的步态事件；根据步态事件以及Z轴角速度积分实时确定大腿和小腿在矢状面内与铅垂线的夹角；再根据所述的夹角以及大腿和小腿的长度计算实时步长。步长的计算可以根据行走过程中下肢的几何学关系进行计算。作为一种优选方式，所述的可穿戴式设备中包含用于检测左右大腿和左右小腿三轴加速度、三轴角速度的传感器，所述的Y轴加速度和Z轴角速度通过传感器获得。作为一种优选方式，所述的步态事件包括脚落地、站立中期以及腿伸直；当检测到左小腿或右小腿站立中期时，计算该小腿与铅垂线的夹角(下述左小腿或右小腿的计算公式，并非同时进行计算，而是根据当前待测的目标择一选用。例如，当检测到左小腿处于站立中期，则计算θlsms；当检测到右小腿处于站立中期，则计算θrsms。后续公式也采用相同方法)：式中：θlsms、θrsms分别为左小腿、右小腿在站立中期时与铅垂线的夹角，alsyms、arsyms分别为此时左小腿、右小腿Y轴加速度；其中，θl0、θr0分别为用户静态站立状态(双脚自然落地的站立状态)下的左小腿、右小腿在矢状面内与铅垂线的夹角，且满足：式中：alsys、arsys分别为用户静态站立时左小腿、右小腿Y轴加速度；在检测到下一个站立中期事件之前，通过角速度积分实时计算该腿的小腿在矢状面内与铅垂线的夹角：式中：t为当前时刻距离左小腿或右小腿的上一个站立中期的时间，θls()、θrs()分别为t时刻时左小腿、右小腿在矢状面内与铅垂线的夹角，ωlsz(δ)、ωrsz(δ)分别为左小腿、右小腿瞬时Z轴角速度；由此可以实时得到两侧小腿在矢状面内与铅垂线的夹角。当检测到左腿或右腿腿伸直时，计算该腿的大腿在矢状面内与铅垂线的夹角：θltls＝lslsθrtls＝rsls式中：θltls、θrtls分别为左大腿、右大腿在腿伸直时刻在矢状面内与铅垂线的夹角，θlsls、θrsls分别为此时左小腿、右小腿在矢状面内与铅垂线的夹角；在检测到下一个腿伸直事件之前，通过角速度积分实时计算该腿的大腿在矢状面内与铅垂线的夹角：式中：t为自左大腿或右大腿的上一个腿伸直时刻后的时间，θlt(t)、θrt(t)分别为t时刻时左大腿、右大腿与铅垂线的夹角，ωltz(δ)、ωrtz(δ)分别为左大腿、右大腿的瞬时Z轴角速度；由此可以实时得到两侧大腿在矢状面内与铅垂线的夹角。当检测到左腿或右腿脚落地时，计算该腿此时的步长：LSL＝l1(sinθrtic+sin(-θltic))+l2(sinθrsic+sin(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于可穿戴式设备的实时步长测量方法，其特征在于，包括以下步骤：实时测量用户两侧大腿和小腿行走过程中的Y轴加速度和Z轴角速度，同时根据Z轴角速度实时确定行走过程中的步态事件；根据步态事件以及Z轴角速度积分实时确定大腿和小腿在矢状面内与铅垂线的夹角；再根据所述的夹角以及大腿和小腿的长度计算实时步长。

【技术特征摘要】
1.一种用于可穿戴式设备的实时步长测量方法，其特征在于，包括以下步骤：实时测量用户两侧大腿和小腿行走过程中的Y轴加速度和Z轴角速度，同时根据Z轴角速度实时确定行走过程中的步态事件；根据步态事件以及Z轴角速度积分实时确定大腿和小腿在矢状面内与铅垂线的夹角；再根据所述的夹角以及大腿和小腿的长度计算实时步长。2.如权利要求1所述的用于可穿戴式设备的实时步长测量方法，其特征在于，所述的可穿戴式设备中包含用于检测左右大腿和左右小腿三轴加速度、三轴角速度的传感器，所述的Y轴加速度和Z轴角速度通过传感器获得。3.如权利要求1所述的用于可穿戴式设备的实时步长测量方法，其特征在于，所述的步态事件包括脚落地、站立中期以及腿伸直；当检测到左小腿或右小腿站立中期时，计算该小腿与铅垂线的夹角：θlsms=arcsinalsymsg-θl0]]>θrsms=arcsinarsymsg-θr0]]>式中：θlsms、θrsms分别为左小腿、右小腿在站立中期时与铅垂线的夹角，alsyms、arsyms分别为此时左小腿、右小腿Y轴加速度；其中，θl0、θr0分别为用户静态站立状态下的左小腿、右小腿在矢状面内与铅垂线的夹角，且满足：θl0=arcsinalsysg]]>θr0=arcsinarsysg]]>式中：alsys、arsys分别为用户静态站立时左小腿、右小腿Y轴加速度；在检测到下一个站立中期事件之前，通过角速度积分实时计算该腿的小腿在矢状面内与铅垂线的夹角：θls(t)=θlsms+∫0tωlsz(δ)dδ]]>θrs(t)=θrsms+∫0tωrsz(δ)dδ]]>式中：t为当前时刻距离左小腿或右小腿的上一个站立中期的时间，θls(t)、θrs(t)分别为t时刻时左小腿、右小腿在矢状面内与铅垂线的夹角，ωlsz(δ)、ωrsz(δ)分别为左小腿、右小腿瞬时Z轴角速度；当检测到左腿或右腿腿伸直时，计算该腿的大腿在矢状面内与铅垂线的夹角：θltls＝θlslsθrtls＝θrsls式中：θltls、θrtls分别为左大腿、右大腿在腿伸直时刻在矢状面内与铅垂线的夹角，θlsls、θrsls分别为此时左小腿、右小腿在矢状面内与铅垂线的夹角；在检测到下一个腿伸直事件之前，通过角速度积分实时计算该腿的大腿在矢状面内与铅垂线的夹角：θlt(t)=θltls+∫0tωltz(δ)dδ]]>θrt(t)=θrt...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘涛，王磊，李庆国，金仲和，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33