可穿戴交互式步态监测系统设计

作     者：李伟 

作者单位：东华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：董爱华;王胜华

授予年度：2023年

学科分类：0810[工学-信息与通信工程] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0802[工学-机械工程] 0835[工学-软件工程] 081002[工学-信号与信息处理] 

主      题：可穿戴设备 步态监测 数据同步 交互 

摘      要：步态能反映一个人的身体状况和运动表现。步态监测是监测髋关节角度、膝关节角度、踝关节角度、步态周期和步数等步态参数,用以分析步行状态是否异常,广泛用于医疗、安全、体育和健身等领域。目前,可穿戴设备因其穿戴舒适,利于集成是步态监测中的理想设备。然而,可穿戴设备在步态监测时还存在与用户交互手段单一,监测步态参数的准确性易受到穿戴者与穿戴位置的干扰等问题。针对上述问题,本文对交互性可穿戴步态监测进行了研究。首先设计了多关节信息采集系统,该系统由可穿戴电阻式交互传感器和可穿戴电容式拉伸传感器组成,用于提取步行下髋关节、膝关节、踝关节弯曲角度信息;其次,建立了多关节步态参数的标定和求解模型从多关节信息中求解步态参数,最后,搭建了可穿戴交互式步态监测系统,实现步态参数的实时监测和交互训练。本文的主要内容如下。(1)基于可穿戴拉伸式传感器建立多关节信息采集系统。首先,基于织物技术设计了可穿戴电阻式交互传感器,该传感器具备关节弯曲的监测能力和发光交互性。其次,依据性能指标选取可穿戴电容式拉伸传感器与可穿戴电阻式交互传感器构成了多关节信息采集框架;其中,可穿戴电阻式交互传感器放置在膝关节处,可穿戴电容式拉伸传感器放置在髋关节和踝关节处。最后应用电子技术设计传感器信号调理电路分别获取步行中三个关节的弯曲角度信息。(2)提出多关节步态参数的标定和求解模型提取步态参数。首先,为降低可穿戴拉伸传感器的穿戴者及穿戴位置对关节角度测量的影响,引入光学采集手段标定可穿戴拉伸传感器输出电信号与关节角度之间的关系。此外,为解决光学传感器与可穿戴拉伸传感器采集时数据不同步问题,本文基于特征点检测提出了一种多维数据最优同步算法,可自动获取多维数据之间的最优时间同步。其次,基于最小二乘法拟合穿戴拉伸传感器输出与关节角度之间线性关系,获取标定方程求解髋关节、膝关节和踝关节的角度;基于自动波峰检测算法和权重设定融合多维传感器信号,求解步态周期和步数。实验结果表明,多关节步态参数的标定和求解模型所求解关节角度误差、步态周期误差和步数误差分别小于7%、3%、1%。(3)基于上述提出的多关节信息采集系统和多关节步态参数的标定和求解模型设计并实现一套可穿戴交互式步态监测系统,系统由多关节采集系统、云服务器、监测应用程序组成。该系统可满足用户对步态实时监测和步态异常预警需求,同时也能满足多方式交互的步态自主训练需求。