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基于MEMS传感器和CVI软件的人体步态监测模块研究

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基于MEMS传感器和CVI软件的人体步态监测模块研究

作者：崔建鹏华东理工大学

学位级别：硕士

为了实现对人体步态信息的实时采集,并准确识别人体步态,为研究外骨骼运动规律与控制方式提供步态信息,本文针对人体步态监测方案开展研究。本课题受国家自然科学基金《“一源多驱”式外骨骼刚柔联动控制方法研究》(91748110)资助。使用... 详细信息

为了实现对人体步态信息的实时采集,并准确识别人体步态,为研究外骨骼运动规律与控制方式提供步态信息,本文针对人体步态监测方案开展研究。本课题受国家自然科学基金《“一源多驱”式外骨骼刚柔联动控制方法研究》(91748110)资助。使用MEMS传感器建立了采集模块来获取穿戴者步态信息。基于CVI软件,通过数据采集与处理技术开发了上位机实时监测平台;通过对人体步态特征的分析,研究了归一化算法与步态识别方案,用于实现对人体步态的准确识别。本监测模块与某型步态图像识别系统同步进行步态监测试验,获得步态监测数据与归一化处理结果。对比两者试验结果,监测数据基本一致。本监测模块根据步态识别试验与预设方案准确划分了穿戴者各步态阶段。试验结果表明,本监测模块可以有效获取人体步态数据,并准确识别各步态。该模块能够为外骨骼控制方案提供数据基础。归一化算法和步态识别方案对外骨骼识别穿戴者运动意图具有实用意义。

关键词：信息处理步态监测 MEMS 传感器 CVI

面向术后康复的可穿戴步态监测与分析技术研究

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面向术后康复的可穿戴步态监测与分析技术研究

作者：杨佩成南京大学

学位级别：硕士

人的步态包含了大量人体运动学信息,是人体神经、肌肉系统综合作用的体现。在现代医学中,步态常常被用来评估病人的术后康复情况,异常步态也被看作一些疾病的预警。本文对面向术后康复的步态监测与分析技术进行了研究,通过在病人下肢部... 详细信息

人的步态包含了大量人体运动学信息,是人体神经、肌肉系统综合作用的体现。在现代医学中,步态常常被用来评估病人的术后康复情况,异常步态也被看作一些疾病的预警。本文对面向术后康复的步态监测与分析技术进行了研究,通过在病人下肢部署多个可穿戴的惯性传感器,对康复锻炼时的步态进行监测与分析。在此基础上,设计并实现了一套远程步态监测与分析系统,包括一套可穿戴设备和配套的系统软件。本文的主要贡献如下:（1）本文解决了步态监测与分析中多传感器的坐标系同步问题。由于传感器的测量值都是基于设备坐标系的,每个传感器不同时刻的坐标系互不相同,不同传感器的坐标系也互不相同,同步坐标系是进行步态监测分析的前提。本文首先设计了一个自适应互补滤波算法实现单个传感器坐标系在时间轴上的同步,避免传感器缺陷导致的高频抖动和漂移误差。然后,根据步行过程中加速度和角速度的数据波动特征,利用主成分分析算法抽取出所有传感器均一致的前进方向和侧向,实现不同传感器间的坐标系同步。（2）本文研究了步行过程中下肢长度与惯性传感器数据间的相关性,在无先验知识和训练数据的条件下,准确估算下肢的长度。已有的工作在步态追踪和参数计算时通常会使用到下肢的长度数据,需要用户事先测量,或者需要用户提供足够多的训练数据通过机器学习算法训练得到,这些方式都会给用户带来额外负担,造成不便。本文利用人体的几何模型和多维传感器数据,在用户进行步态康复锻炼的过程中在线学习得到用户的下肢长度数据,无需先验知识或者额外的训练数据,使得用户在使用系统时更为便捷。（3）本文在坐标系同步和估算得到下肢长度的基础上,设计了一套完备的步态监测与分析算法。利用零速校正算法和髋关节的约束条件,准确计算出传感器的位移;利用同步坐标系的旋转矩阵,推导出传感器的旋转角度,从而ii实现对步态运动的监测。此外,通过融合多个传感器的多维运动数据,实现对步态参数的计算。本文在多种场景下对算法的准确度进行了评估,以高精度的视频动作捕捉系统得到的结果作为真实值,实验结果表明,本文算法对于角度估算的误差在3度左右,位移计算的误差在2.3%左右,参数的估算误差在3%左右。（4）本文设计并实现了一套远程步态监测与分析系统,包括一套廉价的可穿戴设备和匹配的系统软件,病人可以携带可穿戴设备在家进行步态康复锻炼,通过手机应用程序将传感器数据发送到服务器上,医护人员通过网页可以看到步态运动的复现动画以及步态参数的变化曲线,该系统在南京军区总院试点使用。结果表明,复原动画可以准确还原病人步态,步态参数的计算结果与临床观察一致,可以辅助医护人员发现步态中的异常。

关键词：惯性感知可穿戴设备步态监测步态分析多传感器数据融合

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一种低功耗无线通信人体步态监测鞋垫设计

电子技术与软件工程 2021年第21期 64-68页

作者：刘家伦周世通何程函北京精密机电控制设备研究所航天伺服驱动与传动技术实验室北京市100076

本文针对现有技术脚底压力信息无线传输速率低、绕射能力差,以及采集功耗不能满足要求的问题,设计了一种低功耗无线通信人体步态监测鞋垫及其数据传输方法,鞋垫通过低功耗主控芯片、射频模块以及柔性天线边缘布置的方式实现脚底压力数... 详细信息

本文针对现有技术脚底压力信息无线传输速率低、绕射能力差,以及采集功耗不能满足要求的问题,设计了一种低功耗无线通信人体步态监测鞋垫及其数据传输方法,鞋垫通过低功耗主控芯片、射频模块以及柔性天线边缘布置的方式实现脚底压力数据的无线射频传输。同时,设计了低功耗长时间续航的实现方案,当鞋垫处于工作状态时,主控芯片为正常工作模式,射频模块处于发送模式,主控芯片采集薄膜压力传感器的数据并发送至射频模块,射频模块通过柔性天线将数据无线发送至外部控制器;鞋垫处于低功耗待机状态时,主控芯片处于睡眠模式,射频模块在接收模式与睡眠模式间循环切换,从而实现自动低功耗待机功能,使产品的续航时间极大延长。

关键词：步态监测无线通信低功耗传感器

基于机器学习与视觉的四足机器人步态精确监测方法

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科学技术与工程 2024年第12期24卷 5037-5043页

作者：秦鹏举蒋周翔苏瑞宋鹏成马紫怡北京信息科技大学机电工程学院北京100192

为保证四足机器人在复杂地形中能准确行进,对其步态实时监测方法进行了研究,提出一种基于机器学习和双目视觉的步态精确监测方法。为降低视觉残影误差,从已知步态轨迹“动中取静”确定对足端的最佳观测点位。为补偿视觉系统误差所致足... 详细信息

为保证四足机器人在复杂地形中能准确行进,对其步态实时监测方法进行了研究,提出一种基于机器学习和双目视觉的步态精确监测方法。为降低视觉残影误差,从已知步态轨迹“动中取静”确定对足端的最佳观测点位。为补偿视觉系统误差所致足端位姿测量误差,提出一种基于深度神经网络的足端位姿精确预测方法。仿真结果表明:所设计神经网络有99.68%的概率能达到0.025 mm足端位置预测精度,可满足实时、高精度监测要求。可见所提方法将机器学习的泛化能力与视觉系统复杂误差来源相结合,使视觉方法实现了高精度测量,为足式机器人步态实时精确监测提供了新思路,进而为其足端精确定位及步态周期性保持提供了有益的方法参考。

关键词：四足机器人机器视觉机器学习步态监测位姿预测

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帕金森病冻结步态评估研究进展

协和医学杂志 2024年第3期15卷 642-648页

作者：葛颖赵沃娃刘颖中国医学科学院北京协和医院康复医学科北京100730

冻结步态(freezing of gait, FOG)为帕金森病病程中晚期常见的运动表现,亦是患者跌倒的主要原因,并可能导致患者残疾,因此有效识别并治疗FOG具有重要意义。本文就目前临床及研究中常见且实用的FOG检测方法展开综述,以期为临床提供参考。

关键词：帕金森病冻结步态评估步态监测

足弓结构对负重跨障时的稳定性的影响及应用研究

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足弓结构对负重跨障时的稳定性的影响及应用研究

作者：徐聃弟天津科技大学

学位级别：硕士

足弓是人脚的重要组成部分,足弓的弹性能够保护人体的关节、内脏以及各个器官,高足弓和扁平足是两种常见的足部畸形,足部畸形容易导致行走过程中的下肢损伤。目前关于不同足弓结构对步态影响的研究主要为平地行走和跑步等情况,但关于不... 详细信息

足弓是人脚的重要组成部分,足弓的弹性能够保护人体的关节、内脏以及各个器官,高足弓和扁平足是两种常见的足部畸形,足部畸形容易导致行走过程中的下肢损伤。目前关于不同足弓结构对步态影响的研究主要为平地行走和跑步等情况,但关于不同足弓结构在负重状态下跨越障碍物行走对其步态的影响鲜有涉及。负重行走和跨越障碍物均为人们日常生活中经常出现的情景,根据大量研究调查发现,随着障碍物的出现和负重重量的增加,人们的下肢步态特征会发生明显的改变。因此,本文通过分析时-空步态参数、运动学、动力学参数探究足弓结构对人体负重跨障步态稳定性的影响。本研究采集了30名受试者(10名正常足、10名高足弓、10名扁平足)负重跨障时的步态参数。要求每名受试者进行三组试验,模拟日常提重重物质量,分别用左手提三种不同重量的重物(无负重、2.5kg负重、5kg负重)以日常行走步速跨越17cm高度的障碍物,每种负重条件下完成10次重复行走试验。通过VICON三维运动捕捉系统、Pedar-X鞋垫式足底压力测量系统同步采集负重跨障过程中的时-空步态参数、运动学以及动力学参数,运用Origin、SPSS等统计分析软件对步态周期、跨障腿与跟随腿的髋-膝-踝关节角度、足底压力中心轨迹、足底压力中心位移等参数进行分析与描述,得出以下结论:(1)扁平足相对于高足弓与正常足,在第一双支撑相、第二双支撑相、第三双支撑相时长显著延长,摆动相和左脚单支撑相时长显著缩短,这一现象表明,相较于高足弓与正常足,扁平足负重跨障时稳定性较差。然而未发现高足弓与正常足在支撑相与摆动相时长之间存在显著差异。(2)三种足弓人群跟随腿与跨障腿的COP、COP(足底压力中心在X轴,Y轴方向的位移)差异显著,跨障腿中,X方向足底压力中心位移距离:扁平足>正常足>高足弓,Y方向足底压力中心位移距离:扁平足>高足弓>正常足;跟随腿中,X方向足底压力中心位移距离:扁平足>高足弓>正常足,Y方向足底压力中心位移距离:扁平足>高足弓>正常足。这一现象表明,扁平足在负重跨障行走过程中的稳定性最差,高足弓次之,正常足稳定性优于扁平足与高足弓。因此应该对扁平足和高足弓在行走过程中的步态稳定性加以改善,例如根据足型特征,通过对高足弓矫形鞋(垫)增加更多的内侧支撑,扁平足矫形鞋(垫)增加更多的外侧支撑来使两者的COP位移更接近正常足,以提高稳定性,减少下肢应力。本文研究结果可用于定性和定量分析不同足弓结构的步态稳定性,研究结论为扁平足和高足弓的矫形康复鞋垫设计提供了一定的参考依据,也为步态监测系统设计提供了理论支持。

关键词：足弓结构跨越障碍物步态分析矫形鞋垫步态监测

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基于磁场的三维足底力感知与应用

基于磁场的三维足底力感知与应用

作者：薛宏伟华中科技大学

学位级别：硕士

随着智能机器人、智慧医疗的迅猛发展,可穿戴技术在运动捕捉、康复医疗、外骨骼控制、军事安全等方面应用日益突出。这也对传感器提出了高性能、低制造成本的要求,对于可测量多维载荷的柔性传感器研发及其应用仍是急需解决的难题,针对... 详细信息

随着智能机器人、智慧医疗的迅猛发展,可穿戴技术在运动捕捉、康复医疗、外骨骼控制、军事安全等方面应用日益突出。这也对传感器提出了高性能、低制造成本的要求,对于可测量多维载荷的柔性传感器研发及其应用仍是急需解决的难题,针对传统力传感器存在传感维度低、环境适应性差、可穿戴性不足等问题,本文开展了基于磁场的柔性三维力传感器的结构设计、标定、性能测试及临床应用验证等研究工作:(1)基于磁场的柔性三维力传感器的结构设计。为了解决传统柔性传感器传感维度低的问题,基于磁场空间分布的特性,建立可实时测量空间三个方向磁感应强度的传感器设计方法,实现了在多维载荷作用下的测量。(2)基于浇筑、刮涂等的工艺方案设计及传感器制造。为了解决传统力传感器刚度大、便携性差的问题,通过浇筑、刮涂等工艺制得传感器的柔性结构,提高了传感器的可穿戴性。(3)针对柔性传感器进行标定及性能测试。为了使传感器获得准确力输出,基于神经网络模型标定传感器;为了验证传感器性能,进行6000次循环加载测试,传感器法向信号峰值变化为1.83%,进行水下稳定性实验和回程误差测试实验,性能表现良好。(4)面向健康人群和患者的三维力感知应用。为了验证传感器在不同被试人群中的应用效果,进行了人体下肢运动模式识别,动作平均识别率在96.5%以上;对偏瘫患者进行了病情辅助分析,发现了健侧足在控制人体平衡时起主导作用,可对其康复过程做出辅助指导。本文通过基于磁场的柔性三维力传感器的研究,为可穿戴设备发展、人体运动测量等提供技术支持,为人体健康、国防安全等提供保障。

关键词：柔性传感器三维力测量智能感知可穿戴设备步态监测

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监测人体健康的智能鞋垫设计

信息与电脑 2019年第12期31卷 59-60页

作者：于腾飞宋惠惠于兴平山东科技职业学院山东潍坊261000 潍坊市人民医院信息工程系山东潍坊261000

笔者设计了一款可以监测人体足部步态信息的鞋垫。此鞋垫通过合理布设传感器,检测人体足部的压力信号,通过各个部位压力值的不同,结合GPS定位,分析人体静止或移动状态下的步态信息,从而预测人体健康情况,并提出有益建议。通过针对不同... 详细信息

笔者设计了一款可以监测人体足部步态信息的鞋垫。此鞋垫通过合理布设传感器,检测人体足部的压力信号,通过各个部位压力值的不同,结合GPS定位,分析人体静止或移动状态下的步态信息,从而预测人体健康情况,并提出有益建议。通过针对不同人群构建不同的信号库,长期记录足部各个方向的信号,与标准库中的最优信号方案比较,使用大数据与人工智能技术,提出最优信号方案,从而对用户步行姿态及足部潜在疾病提出科学建议和有用信息。

关键词：智能鞋垫步态监测信号分析

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人体运动监测技术的发展与应用

医疗卫生装备 2011年第8期32卷 83-85,98页

作者：张虎军张楠楠顾建文唐植蔡峰成都军区总医院成都610083

分析了评估人体运动量及运动能量消耗的主要运动监测方法,论述了各种运动监测方法的优势和缺点,提出了运动量监测在健康管理中的应用价值,对健康管理中健康监测技术的研究有一定借鉴作用。

关键词：健康监测运动量监测健康管理步态监测