一种人体下肢位姿步态检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种人体下肢位姿步态检测装置，用于检测人体的下肢位步态，包括：多个九轴运动传感器，布置于人体的后腰部、双侧大腿、小腿以及足部位置，用于检测三轴加速度、三轴角速度以及三轴地磁场数据；多个压力传感器，布置于人体的足底，用于检测压力数据；多个角度传感器，布置于人体的关节处，用于检测关节弯曲角度数据；以及主控制器，设置在人体的腰部，通过CAN总线分别与九轴运动传感器、压力传感器以及角度传感器连接。本发明专利技术还提供了一种采用人体下肢位姿步态检测装置进行的步态检测方法来根据各个传感器的检测数据处理分析得到步态检测结果。

A gait detection device and method for human lower limbs

【技术实现步骤摘要】
一种人体下肢位姿步态检测装置及方法
本专利技术属于步态检测领域，具体涉及一种人体下肢位姿步态检测装置及方法。
技术介绍
人的步态是一个周期性和节律性很强的运动过程，而且它有基本的模式，在一个循环周期内很短的时间就可以提供很多信息。步态分析就是研究人体的步行机制，通过数据分析得到步态参数。通过对步态信息的采集和定量分析就可以评估肌肉骨骼乃至神经系统的功能。在监测仪器问世之前，人们大多通过可视化指标来了解正常的步态应该是怎样的形态。但是步行过程包含的丰富信息，即使对于经验丰富的观察者而言，也很难通过直观的方式全部掌握。而基于测量仪器的步态分析系统可以用来定量测算人体步行过程中下肢的运动学、动力学和生理学参数。因此，将步态的时间参数和空间参数信息定量化、精细化、文件化的必要性促进了步态分析系统的不断发展。申请号为201611270182.X的专利公开了一种基于助力外骨骼机器人的运动状态判别方法及系统，该助力外骨骼机器人的髋关节安装有角度传感器，助力外骨骼机器人的足底踏板的上下两面均安装有压力传感器。采用角度传感器和压力传感器采集当前步态周期内人体左、右髋关节的角度值，人体左、右足底对助力外骨骼机器人的压力及助力外骨骼机器人的左、右足底踏板对地的压力；根据当前步态周期内人体左、右髋关节的角度值计算得出当前步态周期内人体左、右髋关节的加速度；根据人体左、右髋关节的加速度，人体左、右髋关节的角度值，人体左、右足底对助力外骨骼机器人的压力以及助力外骨骼机器人的左、右足底踏板对地的压力识别当前步态周期内人体的运动状态，识别行走态、跑步态和起坐态。但是压力传感器的可靠性比较低，当人体足底没有与压力传感器完全接触时，无法得到压力传感器的准确测量值，因此状态识别的可靠性不高。申请号为201611270182.X的专利公开了一种基于多传感器融合的人体步态分析方法和系统，该系统的硬件为多个九轴运动传感器(包含三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计)，算法是通过卡尔曼滤波器进行数据融合，从而检测步态时相。对获得的人体步态参数进行标准化处理，进而建立人体步态数据库。但是受限于传感器的种类单一，较难准确分析步态时相。申请号为201611046863.8的专利公开了一种步态识别装置及方法，该装置包括步态感知采集装置和后台数据处理装置。步态感知采集装置使用石墨烯传感器检测足底压力分布，通过支持向量机分类器进行步态识别。但是单使用压力传感器较难准确分析步态时相。申请号为201810748636.2的专利公开了一种运动识别的方法和系统，该专利中没有明确指出系统所用传感器的类型，但是根据判定规则中包含速度、加速度和角速度，可推测采用了惯性运动传感器。该专利同样受限于传感器的种类单一，较难准确分析步态时相。
技术实现思路
本专利技术是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种人体下肢位姿步态检测装置及方法。本专利技术提供了一种人体下肢位姿步态检测装置，用于检测人体的下肢位步态，具有这样的特征，包括：多个九轴运动传感器，布置于人体的后腰部、双侧大腿、小腿以及足部位置，用于检测三轴加速度、三轴角速度以及三轴地磁场数据；多个压力传感器，布置于人体的足底，用于检测压力数据；多个角度传感器，布置于人体的关节处，用于检测关节弯曲角度数据；以及主控制器，设置在人体的腰部，通过CAN总线分别与九轴运动传感器、压力传感器以及角度传感器连接，其中，主控制器包括：控制模块，用于控制各个传感器采集检测数据；接收模块，用于接收检测数据；数据存储模块，用于存储检测数据；数据处理模块，用于对存储后的检测数据进行处理得到步态检测结果；以及WIFI模块，该WIFI模块用于将检测数据实时传输至计算机进行数据显示与处理。在本专利技术提供的人体下肢位姿步态检测装置中，还可以具有这样的特征：其中，压力传感器在每个足底至少设置两个，分别设置在足尖与足跟处。在本专利技术提供的人体下肢位姿步态检测装置中，还可以具有这样的特征：其中，控制模块控制九轴运动传感器、压力传感器以及角度传感器的数据采集时间同步，且每隔一段时间重复同步过程。本专利技术还提供了一种采用人体下肢位姿步态检测装置进行的步态检测方法，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤1，控制模块控制九轴运动传感器、压力传感器以及角度传感器进行实时数据采集，得到检测数据；步骤2，将检测数据通过WIFI模块实时传输至计算机进行数据显示与处理或将采集到的检测数据通过CAN总线实时上传至接收模块并通过数据存储模块对检测数据进行存储，而后数据处理模块对存储后的检测数据进行处理，得到运动信号特征、压力信号特征以及角度信号特征；步骤3，数据处理模块根据运动信号特征、压力信号特征、角度信号特征以及每个传感器的检测数据在计算步态细分相位时的不同权重值构成的权重值矩阵M进行综合分析，得到当前步态细分相位，并根据当前步态细分相位进行步态划分，得到步态检测结果，且每次得到当前步态细分相位后，权重值矩阵M根据当前步态细分相位进行权重值的优化调整，并使用优化调整后的权重值矩阵M进行下一个步态细分相位的分析，其中，步骤2中还包括以下子步骤：步骤2-1，数据处理模块采用梯度下降算法和扩展卡尔曼数字滤波算法融合九轴运动传感器的检测数据进行四元数姿态解算和传感器信号降噪，解算出左右大小腿的运动状态，得到运动信号特征；步骤2-2，数据处理模块根据压力传感器的检测数据，设置相应的阈值，分别解算出左右腿支撑和摆动相互转换的状态以及足尖和足底的着地和离地时刻，得到压力信号特征；步骤2-3，数据处理模块根据髋关节和膝关节处的角度传感器的检测数据分别解算出髋关节和膝关节的弯曲角度、大腿和小腿的实时相对角度，得到角度信号特征。在本专利技术提供的采用人体下肢位姿步态检测装置进行的步态检测方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤3中，步态细分相位包括足跟着地、全足底着地、重心转移至同侧、足跟离地、膝关节屈曲增大、足上提、膝关节最大屈曲以及髋关节最大屈曲，步态检测结果包括根据步态细分相位划分得到的步态相位、每个步态细分相位的开始时刻与结束时刻、每个步态细分相位占步态相位的时长以及每个步态细分相位的特征，步态相位为单支撑相、双支撑相或摆动相。专利技术的作用与效果根据本专利技术所涉及的一种人体下肢位姿步态检测装置及方法，因为设有九轴运动传感器、角度传感器和压力传感器来全方面地获取各类检测数据，并对检测数据综合处理分析后得到步态检测结果，所以，能够更加全面准确地得到步态检测结果；因为还根据每个传感器的检测数据在计算步态细分相位时的不同权重值设有权重值矩阵M，且权重值矩阵M能够根据被试者的步态特点不断进行优化调整，所以，能够更好地反映被试者的步态特征，从而更准确地分析被试者的步态信息。附图说明图1是本专利技术的实施例中的的人体下肢位姿步态检测装置的结构框图；图2是本专利技术的实施例中的各个传感器的布置位置示意图；图3是本专利技术的实施例中的步态检测方法的流程图。具体实施方式为了使本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种人体下肢位姿步态检测装置，用于检测人体的下肢位步态，其特征在于，包括：/n多个九轴运动传感器，布置于所述人体的后腰部、双侧大腿、小腿以及足部位置，用于检测三轴加速度、三轴角速度以及三轴地磁场数据；/n多个压力传感器，布置于所述人体的足底，用于检测压力数据；/n多个角度传感器，布置于所述人体的关节处，用于检测关节弯曲角度数据；以及/n主控制器，设置在所述人体的腰部，通过CAN总线分别与所述九轴运动传感器、所述压力传感器以及所述角度传感器连接，/n其中，所述主控制器包括：/n控制模块，用于控制各个传感器采集检测数据；/n接收模块，用于接收所述检测数据；/n数据存储模块，用于存储所述检测数据；/n数据处理模块，用于对存储后的所述检测数据进行处理得到步态检测结果；以及/nWIFI模块，该WIFI模块用于将所述检测数据实时传输至计算机进行数据显示与处理。/n

【技术特征摘要】
1.一种人体下肢位姿步态检测装置，用于检测人体的下肢位步态，其特征在于，包括：
多个九轴运动传感器，布置于所述人体的后腰部、双侧大腿、小腿以及足部位置，用于检测三轴加速度、三轴角速度以及三轴地磁场数据；
多个压力传感器，布置于所述人体的足底，用于检测压力数据；
多个角度传感器，布置于所述人体的关节处，用于检测关节弯曲角度数据；以及
主控制器，设置在所述人体的腰部，通过CAN总线分别与所述九轴运动传感器、所述压力传感器以及所述角度传感器连接，
其中，所述主控制器包括：
控制模块，用于控制各个传感器采集检测数据；
接收模块，用于接收所述检测数据；
数据存储模块，用于存储所述检测数据；
数据处理模块，用于对存储后的所述检测数据进行处理得到步态检测结果；以及
WIFI模块，该WIFI模块用于将所述检测数据实时传输至计算机进行数据显示与处理。


2.根据权利要求1所述的人体下肢位姿步态检测装置，其特征在于：
其中，所述压力传感器在每个足底至少设置两个，分别设置在足尖与足跟处。


3.根据权利要求1所述的人体下肢位姿步态检测装置，其特征在于：
其中，所述控制模块控制所述九轴运动传感器、所述压力传感器以及所述角度传感器的数据采集时间同步，且每隔一段时间重复同步过程。


4.一种采用如权利要求1所述的人体下肢位姿步态检测装置进行的步态检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，所述控制模块控制所述九轴运动传感器、所述压力传感器以及所述角度传感器进行实时数据采集，得到检测数据；
步骤2，将所述检测数据通过所述WIFI模块实时传输至计算机进行数据显示与处理或将采集到的所述检测数据通过所述CAN总线实时上传至所述接收模块并通过所述数据存储模块对所述检测数据...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞乾，朱钧，蔡黎明，王晨，陈立，马昕，
申请(专利权)人：复旦大学，珠海复旦创新研究院，
类型：发明
国别省市：上海;31