【技术实现步骤摘要】
本申请涉及运动生物力学，尤其涉及一种步态分析方法和系统。
技术介绍
1、步态分析对于研究运动生物力学至关重要，因为它提供了与行走模式相关的时间和空间参数。通过分析收集到的下肢运动数据，步态分析具有多种用途，包括身体活动评估、疾病诊断、跌倒检测以及促进外骨骼的人机交互。运动捕捉系统是步态分析的主要工具，可以获取与下肢有关的运动学信息。虽然光学系统通常用于步态分析，但它们存在成本高、设置复杂、对光照条件敏感等局限性。此外，由于其复杂的设置要求，这些光学运动捕捉系统只能在室内使用。
2、许多研究旨在简化用于获取户外步态信息的可穿戴运动捕捉系统。这些系统通常采用安装在大腿、小腿、和脚上的惯性测量单元（imu）。然而，由于磁场干扰和长时间的航向漂移等问题，基本的imu设置在准确估计下肢姿势方面面临挑战。为解决航向漂移问题，引入了零速度更新（zupt）方法。然而，zupt仍然面临着脚部撞击引起的加速度干扰的挑战。有人探索将imu与超声波测距传感器等其他传感器相结合，以提高定位精度并减少航向漂移。然而，这项工作并未展示如何利用脚上的距离传感器来计算脚的姿态。此外，安装在脚上的传感系统也不具备良好的耐磨性。安装在小腿上的传感器系统侧重于检测小腿的运动。在生物力学中，小腿安装的传感器系统没有零速度状态（zvs）。集成摄像头、全球定位系统和imus可同时进行步态参数检测和定位，但该系统的重量可能会妨碍行走，而且其更新率可能无法满足动态步态检测的需要。另一种方法将风流传感器与imu集成在一起进行步态参数检测，但缺乏定位功能，也无法消除环境
技术实现思路
1、本申请提供一种步态分析方法和系统，解决现有技术中的运动捕捉系统在对步态进行检测分析时，容易受外界光照环境和磁场环境的干扰，导致定位不准确、运动参数不准确，容易产生航向漂移，从而导致对步态的分析不精准的问题。
2、为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是提供一种步态分析方法，包括步骤：获取小腿部位的深度图、加速度信息、磁场信息和角速度信息；根据所述深度图、加速度信息、磁场信息和角速度信息，计算获得所述小腿部位的位置信息和姿态信息；根据所述位置信息和姿态信息，计算获得步态分析结果。
3、在一些实施例中，在所述计算获得所述小腿部位的位置信息和姿态信息的步骤中，包括：将大腿部位和所述小腿部位合并为可伸缩的刚性杆，将所述刚性杆作为腿部大转子的旋转轴，所述腿部大转子的几何中心位于所述大腿部位的上端，基于合并的所述刚性杆计算获得所述步态分析结果。
4、在一些实施例中，在所述计算获得所述小腿部位的位置信息和姿态信息的步骤中，还包括：建立全局坐标系{ og}、身体坐标系{ ob}和小腿坐标系{ od}；所述全局坐标系{ og}的原点位于行走面上，所述身体坐标系{ ob}的原点位于中心大转子的几何中心，所述中心大转子的几何中心位于身体的中部，所述小腿坐标系{ od}的原点位于所述刚性杆上；获取所述小腿部位在所述全局坐标系{ og}、身体坐标系{ ob}和小腿坐标系{ od}内的位置信息和姿态信息，计算获得所述步态分析结果。
5、在一些实施例中，在所述计算获得所述小腿部位的位置信息和姿态信息的步骤中，还包括：所述深度图包括多个角区，根据横向的两个所述角区之间的距离和其对应的水平视场角，计算获得所述深度图的宽度，根据纵向的两个所述角区之间的距离和其对应的垂直视场角，计算获得所述深度图的高度；根据横向的两个所述角区之间的距离和所述深度图的宽度，计算获得所述小腿部位的俯仰角，根据纵向的两个所述角区之间的距离和所述深度图的高度，计算获得所述小腿部位的横滚角；根据所述俯仰角和横滚角，获得所述小腿部位的第一姿态信息；根据所述加速度信息和角速度信息，计算获得所述小腿部位的第二姿态信息；根据所述磁场信息，计算获得所述小腿部位的第三姿态信息；根据所述第一姿态信息和第三姿态信息，对所述第二姿态信息进行修正融合，获得所述小腿部位的所述姿态信息。
6、在一些实施例中，在所述计算获得所述小腿部位的位置信息和姿态信息的步骤中，还包括：所述深度图还包括多个内区，根据所述内区之间的平均距离以及所述俯仰角和横滚角，计算获得所述小腿部位在所述小腿坐标系{ od}中的位置；其中，所述小腿部位在所述小腿坐标系{ od}中的位置包括初始位置和运动位置；根据所述初始位置和运动位置，计算获得所述小腿部位产生的位移，根据所述位移，计算获得所述小腿部位的偏航角；根据所述内区之间的平均距离、所述俯仰角、所述横滚角以及所述偏航角，计算获得所述小腿部位在所述全局坐标系{ og}中的位置，获得所述小腿部位的第一位置信息；根据所述加速度信息和角速度信息，计算获得所述小腿部位的第二位置信息；根据所述磁场信息，计算获得所述小腿部位的第三位置信息；根据所述第一位置信息和第三位置信息，对所述第二位置信息进行修正融合，获得所述小腿部位的所述位置信息。
7、在一些实施例中，在所述计算获得所述小腿部位的位置信息和姿态信息的步骤中，还包括：使用eskf的状态估计方法，定义初始的误差状态；利用所述第一位置信息、第一姿态信息、第三位置信息和第三姿态信息，计算并更新所述误差状态；根据所述误差状态，对所述第二位置信息和第二姿态信息进行校正，获得所述小腿部位的所述位置信息和姿态信息。
8、在一些实施例中，在所述计算获得步态分析结果的步骤中，包括：建立左腿坐标系{ ob1}和右腿坐标系{ ob2}，所述腿部大转子包括左腿大转子和右腿大转子，所述左腿坐标系{ ob1}的原点位于所述左腿大转子的几何中心，所述右腿坐标系{ ob2}的原点位于所述右腿大转子的几何中心，所述左腿大转子的几何中心位于左腿部位的上端，所述右腿大转子的几何中心位于右腿部位的上端；测量所述身体坐标系{ob}的原点的高度；分别计算获得所述左腿坐标系{ ob1}的原点和所述右腿坐标系{ ob2}的原点到所述身体坐标系{ob}的原点的距离；测量左腿的所述小腿部位到所述行走面的初始距离，以及右腿的所述小腿部位到所述行走面的初始距离；分别计算获得左腿的所述小腿部位和右腿的所述小腿部位在所述全局坐标系{ og}中的位置；根据上述测量数据和计算数据，分别计算获得左脚和右脚在所述身体坐标系{ob}中的位置信息。
9、在一些实施本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种步态分析方法，其特征在于，包括步骤：
2.根据权利要求1所述的步态分析方法，其特征在于，在所述计算获得所述小腿部位的位置信息和姿态信息的步骤中，包括：
3.根据权利要求2所述的步态分析方法，其特征在于，在所述计算获得所述小腿部位的位置信息和姿态信息的步骤中，还包括：
4.根据权利要求3所述的步态分析方法，其特征在于，在所述计算获得所述小腿部位的位置信息和姿态信息的步骤中，还包括：
5.根据权利要求4所述的步态分析方法，其特征在于，在所述计算获得所述小腿部位的位置信息和姿态信息的步骤中，还包括：
6.根据权利要求5所述的步态分析方法，其特征在于，在所述计算获得所述小腿部位的位置信息和姿态信息的步骤中，还包括：
7.根据权利要求6所述的步态分析方法，其特征在于，在所述计算获得步态分析结果的步骤中，包括：
8.根据权利要求7所述的步态分析方法，其特征在于，在所述计算获得步态分析结果的步骤中，还包括：
9.根据权利要求8所述的步态分析方法，其特征在于，在所述计算获得步态分析结果的步骤中
10.一种步态分析系统，其特征在于，包括阵列测距传感器、惯性传感器、通信模块和主控模块；所述阵列测距传感器、惯性传感器和通信模块设置在一壳体内，所述壳体内设置有电控板和电源模块；
...【技术特征摘要】
1.一种步态分析方法，其特征在于，包括步骤：
2.根据权利要求1所述的步态分析方法，其特征在于，在所述计算获得所述小腿部位的位置信息和姿态信息的步骤中，包括：
3.根据权利要求2所述的步态分析方法，其特征在于，在所述计算获得所述小腿部位的位置信息和姿态信息的步骤中，还包括：
4.根据权利要求3所述的步态分析方法，其特征在于，在所述计算获得所述小腿部位的位置信息和姿态信息的步骤中，还包括：
5.根据权利要求4所述的步态分析方法，其特征在于，在所述计算获得所述小腿部位的位置信息和姿态信息的步骤中，还包括：
6.根据权利要求5所述的步态分...
【专利技术属性】
技术研发人员：彭玉鑫，王健翔，聂占国，杨强，宋宪，胡亮，周丽君，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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