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一种基于多传感器的步态相位实时检测系统

传感器与微系统 2016年第2期35卷 91-93,96页

作者：周小华李娟李伟达李春光胡海燕张虹淼苏州大学机电工程学院江苏省机器人技术与系统重点实验室江苏苏州215021

对人体步态相位进行准确实时的判断是智能假肢等康复机器人控制的基础,提出并建立了一种实时状态相位检测系统。该系统包含了4只压力传感器和2只姿态传感器,能够准确地区分出平地行走时足跟着地、足放平、足跟离地、足尖离地、摆动弯曲... 详细信息

对人体步态相位进行准确实时的判断是智能假肢等康复机器人控制的基础,提出并建立了一种实时状态相位检测系统。该系统包含了4只压力传感器和2只姿态传感器,能够准确地区分出平地行走时足跟着地、足放平、足跟离地、足尖离地、摆动弯曲以及摆动伸展等五种状态相位,实验表明:该系统能够适应不同测试者的不同步幅和步速,并能够应用在假肢的实时控制中。

关键词：智能假肢步态相位状态判断传感器

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人体步态相位检测实验研究

传感器与微系统 2006年第5期25卷 42-44页

作者：王岚张今瑜王劲松哈尔滨工程大学机电工程学院黑龙江哈尔滨150001

人体步态分析系统对于两足机器人、康复训练机器人、人工假肢等技术的发展具有重要意义,在线的步态相位识别检测系统更为重要。基于dSPACE构建了人体步态相位检测系统,传感器采用鞋底传感器和1个光纤传感器,鞋底传感器由4只电阻式力传... 详细信息

人体步态分析系统对于两足机器人、康复训练机器人、人工假肢等技术的发展具有重要意义,在线的步态相位识别检测系统更为重要。基于dSPACE构建了人体步态相位检测系统,传感器采用鞋底传感器和1个光纤传感器,鞋底传感器由4只电阻式力传感器、1只位置传感器构成,用光纤传感器测量腿部的弯曲。它可以识别步行周期的5个重要状态和4个不规则状态。系统的可靠性好,能够自动识别第一个步态相位,并具有自校正功能。

关键词：步态相位机器人测量系统

人体下肢运动数据采集系统设计及运动意图识别模型研究

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人体下肢运动数据采集系统设计及运动意图识别模型研究

作者：张豪重庆理工大学

学位级别：硕士

外骨骼是一种结合了机械、传感和控制技术的助力装置,在军事、医疗、工业等领域得到了广泛应用。外骨骼研究的关键问题是如何实现外骨骼对穿戴者运动意图的精确感知,从而达到人机运动的协调。考虑到单一信号不足以判断步态模式,为此本... 详细信息

外骨骼是一种结合了机械、传感和控制技术的助力装置,在军事、医疗、工业等领域得到了广泛应用。外骨骼研究的关键问题是如何实现外骨骼对穿戴者运动意图的精确感知,从而达到人机运动的协调。考虑到单一信号不足以判断步态模式,为此本课题通过搭建下肢运动信息采集系统,获取下肢运动的多传感器信息,并利用滑动窗口、主成分分析方法(Principal component analysis,PCA)提取的下肢运动的步态特征,最后通过支持向量机(Support vector machine,SVM)算法识别预测下肢各种运动模式及步态相位。本文主要内容如下:(1)搭建了一套人体下肢运动数据采集系统,包括足底压力模块、肌肉硬度传感器、关节角度模块和数据中转站。足底压力模块由足底压力鞋垫和数据采集模块组成,足底压力鞋垫由自制的柔性薄膜压力传感器和柔性电路板(Flexible printed circuit,FPC)组成。自制的柔性薄膜压力传感器用聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)/炭黑复合材料制得。为了确定最佳的炭黑掺杂比例,设计了复合材料炭黑掺杂比例的实验,实验得到的最佳的炭黑质量占比为5～6wt%。数据采集模块分别设计了基于Zig Bee的无线采集模块和基于STM32的有线采集模块。肌肉硬度模块利用肌肉硬度传感器感知肌肉的发力程度,并对肌肉硬度传感器进行结构设计。关节角度模块采用AS5600芯片制作的磁角度传感器。数据中转站能够收集所有模块的信息,并将整理过后的信息统一发送到电脑上。(2)以足跟触地、全足触地、足跟离地、足尖离地为界限对平路行走和连续上梯运动进行步态相位划分,并将连续深蹲起划分成坐区、起身区、站立区、深蹲区四个相位。通过与肌电信号的对比实验表明肌肉硬度模块采集的肌肉硬度信息能够反映肌肉的发力情况。为了确定最佳的肌肉硬度传感器的绑缚位置,进行了肌肉硬度传感器绑缚位置对比实验。结果显示,绑缚位置在中部时是最佳的。此外,还进行了肌肉硬度传感器采集信号与肌电信号传感器采集信号的相关性实验。实验结果表明,肌肉硬度模块采集的信号能够准确反映肌肉的力量输出情况。(3)利用滑动窗口技术对步态信息进行采样,并提取时域和频域特征,得到102维特征。然后采用PCA算法提取其中权重最高的10维特征,作为SVM模型的输入。模型结果表明,该人体运动意图识别模型可以很好地识别平路行走、连续上梯和连续深蹲起的运动模式,分别达到了90.62%、96.15%和90.62%的准确率。此外对于人体步态相位的识别正确率也很高,在平路行走、连续上梯、连续深蹲起动作中,该模型的步态相位识别准确率分别为99.13%、98.26%和98.36%。

关键词：下肢外骨骼下肢运动数据采集系统 SVM 步态相位模式识别

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基于人体步态的假肢膝关节运动控制方法研究

中华物理医学与康复杂志 2020年第11期42卷 1029-1032页

作者：杨洁徐垠焮汪晓铭孙金悦孟巧玲于坤喻洪流上海理工大学康复工程与技术研究所上海200093 上海康复器械工程技术研究中心上海200093 民政部神经功能信息与康复工程重点实验室上海200093 北京东方瑞盛假肢矫形器技术发展有限公司北京100041

目的:提出一种针对所研发假肢膝关节的平地行走下的控制方法,使其能辅助膝关节截肢的患者以趋向于健康人的步态行走。方法:在假肢膝关节上放置九轴惯性姿态传感器获取小腿倾斜角度,假肢连接管处放置压力传感器获取压力,组合两种信号判... 详细信息

目的:提出一种针对所研发假肢膝关节的平地行走下的控制方法,使其能辅助膝关节截肢的患者以趋向于健康人的步态行走。方法:在假肢膝关节上放置九轴惯性姿态传感器获取小腿倾斜角度,假肢连接管处放置压力传感器获取压力,组合两种信号判别步态相位。采用双直线电机分别控制相应针阀与单向阀配合的油路结构实现膝关节弯曲和伸展阻尼力矩的独立控制。通过直线电机推动针阀改变油路的通流面积,实现不同速度下膝关节阻尼力矩的控制。测试患者在跑步机上以2.0、3.6和4.2 km/h的步速行走,通过RealGait(三维步态与运动分析系统)记录数据。为降低绊倒风险,以摆动期最大膝关节屈曲角度65°为控制目标,允许误差为±5°。绝对对称性指标(ASI)步态良好的评定指标。结论:患者在不同步速的测试中,患者假肢膝关节屈曲最大角度均在62°左右,ASI分别为3%、6%、8.5%,均步态对称性良好。大腿截肢患者表示身体负担有明显减轻。结论:基于人体步态对液压假肢膝关节的阻尼进行实时控制的方法能够有效改善截肢患者的行走步态。

关键词：人体步态步态相位假肢阻尼膝关节

基于肌电融合模型的正常步态下肢关节力矩解算的研究

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基于肌电融合模型的正常步态下肢关节力矩解算的研究

作者：尹逊锋哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

人体运动过程的关节力矩解算是人体运动力学研究领域的重要组成部分,获取准确可靠的关节力矩值对于医疗诊断、康复训练、人机交互等领域的发展具有极其重要的意义。柔性可穿戴助力机器人是近年来人机交互领域的重要分支,主要目标是对人... 详细信息

人体运动过程的关节力矩解算是人体运动力学研究领域的重要组成部分,获取准确可靠的关节力矩值对于医疗诊断、康复训练、人机交互等领域的发展具有极其重要的意义。柔性可穿戴助力机器人是近年来人机交互领域的重要分支,主要目标是对人体运动提供有效助力,减少运动中的能量代谢消耗。其对人体的辅助,在本质上是力矩的辅助,因此通过人机交互设备获得下肢关节力矩曲线作为助力策略参照在柔性可穿戴助力设备研究中是一意义非凡且极具挑战的研究课题。面向柔性可穿戴设备助力策略参照这一应用背景,本课题预期提供一种非实验室环境下的稳定、准确、可在线优化的下肢关节力矩解算方法。论文主要研究内容可归纳如下:1)分析现有对下肢关节力矩解算方法的优点及不足,论述神经肌肉骨骼模型主要组成部分。根据生理学依据为模型添加基本假设,建立人体正常步态下的简化神经肌肉骨骼模型,建立表面肌电信号向肌肉力的映射关系,并讨论主要影响参数。2)提出面向正常步态相位划分任务的单电极表面肌电信号解码方法。论述表面肌电信号的构成方式及肌肉协同作用,利用滤波及非负矩阵分解等方法对表面肌电信号解码以获取控制肌肉协同方式的脊柱神经单元激活。提取脊柱神经激活的空间及时间信息,建立分类模型,对步态相位进行划分。3)引入非着地态逆向动力学关节力矩解算方法,建立生理融合模型。同时建立模型生理参数估计LSTM网络,进一步提高模型精度。4)利用贝叶斯优化网络对融合模型参数及模型输入系数进行辨识,提高步态相位划分精度,调整LSTM网络超参数。提出在线更新优化方法,并验证模型在单步态、多步态、在线行走等状态下的准确性。本文主要贡献在于解决了神经肌肉骨骼模型在线无法更新优化问题,提出了一种可实际应用的关节力矩解算方法,提高了正常步态下肢关节力矩多步态估计的准确性。其中提出一种新型的向中枢神经系统命令映射的表面肌电信号解码方式,提高了利用表面肌电信号对下肢步态相位划分的准确性。为柔性助力设备助力策略提供了一种更有效的参照。

关键词：表面肌电信号神经肌肉骨骼模型关节力矩步态相位

基于Kinect的人体步态分析和重心估算方法研究

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基于Kinect的人体步态分析和重心估算方法研究

作者：荀小飞电子科技大学

学位级别：硕士

步态分析和重心估算是以人为对象,通过科学手段获得人在行走时的多个步态参数信息,对动态运动中人体重心进行估算的过程,在康复医学、体育运动等领域具有重要意义。目前高精度的步态分析及重心评估设备价格不菲、不易携带,绝大多数仅限... 详细信息

步态分析和重心估算是以人为对象,通过科学手段获得人在行走时的多个步态参数信息,对动态运动中人体重心进行估算的过程,在康复医学、体育运动等领域具有重要意义。目前高精度的步态分析及重心评估设备价格不菲、不易携带,绝大多数仅限于固定区域的数据采集。Kinect能够提取人体关节位置信息,通过对视场中人物轮廓的提取定位关节点,由此获取人体姿态、位置情况,且有低成本、易携带、无接触等优点。本文通过对步态特征与重心估算基本原理的分析,研究了基于Kinect的步态分析及重心估算的关键技术和实现方法,主要研究工作如下:（1）针对Kinect人体骨架模型存在数据缺失、突变等情况,本文研究基于骨架模型的映射关系处理方法。通过对Vicon人体全身模型进行关节点压缩,建立Vicon-Kinect的骨架映射模型来作为原骨架模型的标准,并利用三次样条插值来实现原模型和映射模型的数据同步,利用Savitzky Golay滤波算法降低原模型数据突变性,并对缺失关节点数据进行补偿,提高实现Kinect人体骨架模型的稳定性、准确性。（2）针对Kinect原始骨架信息难以在步态分析中直接使用,数据信息过于单一的问题,本文研究实现了关节角度、步态相位以及时空参数的计算方法。首先,通过对人体关节运动特征与传感器原理的分析,可直接利用空间中相邻关节点计算关节角度。其次,通过对人体步态周期与足部、膝关节信息的对比分析,实现了基于步态特征阈值和基于机器学习算法的步态相位划分方法,并验证二者的结果与误差情况。最后,结合行走运动学和人体步态特征,实现了步态时空参数的计算。（3）基于Kinect无法直接进行人体重心估算的情况,本文研究了人体重心、重心移动面积的计算方法。首先,通过对人体关节运动特征与传感器原理的分析,基于运动学和分段式人体结构模型,实现了初步的人体重心估算。其次,从Kinect的实际使用出发,考虑到体段近端、远端的偏差情况,建立基于Kinect的人体重心估算修正模型。最后,通过对运动边界点的分析,计算人体重心的包络面积。本论文结合人体运动特征与Kinect传感器,研究实现了人体步态分析和重心估算方法,包括骨架处理、步态算法、重心模型,最后通过实验验证了结果参数有效可用。

关键词： Kinect 步态分析重心估算步态相位人体模型

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穿戴式步态信息检测鞋垫设计

传感器与微系统 2021年第11期40卷 111-114页

作者：吴旭东李伟达李娟顾洪苏州大学机电工程学院江苏省先进机器人技术重点实验室江苏苏州215021

为满足在医疗康复等领域的步态分析需求,设计了一种基于多通道足底力采集的步态信息检测鞋垫。鞋垫使用16枚压阻式薄膜压力传感器采集足底解剖区的压力信号。通过解算原始压力数据可实现对步态相位和足底压力中心的判断,以及足底压强云... 详细信息

为满足在医疗康复等领域的步态分析需求,设计了一种基于多通道足底力采集的步态信息检测鞋垫。鞋垫使用16枚压阻式薄膜压力传感器采集足底解剖区的压力信号。通过解算原始压力数据可实现对步态相位和足底压力中心的判断,以及足底压强云图的绘制。设计的设备操作简单、便携性好,有一定的推广价值。

关键词：足底力步态相位足底压力中心压强云图便携性

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基于多模式识别的柔性外骨骼系统设计与实现

基于多模式识别的柔性外骨骼系统设计与实现

作者：朱瀚韬华中科技大学

学位级别：硕士

随着外骨骼商业化进程的加快,传统刚性外骨骼笨重、穿戴不易、舒适性差、与人体兼容性差的问题愈发凸显。由于外骨骼的最终目标是致力于辅助人体日常行走,如何行之有效的识别多模式和多环境助力成为外骨骼研究者重点关注的问题。柔性外... 详细信息

随着外骨骼商业化进程的加快,传统刚性外骨骼笨重、穿戴不易、舒适性差、与人体兼容性差的问题愈发凸显。由于外骨骼的最终目标是致力于辅助人体日常行走,如何行之有效的识别多模式和多环境助力成为外骨骼研究者重点关注的问题。柔性外骨骼作为外骨骼的一种,重量轻、穿戴方便且相容性好,相较于传统的外骨骼,更适用于辅助出行,但现有的柔性外骨骼采取多关节耦合式助力,穿戴结构需根据受试者体型进行设计,不具备普遍适用性;驱动装置质量过大,额外负重较高,无法长时间携带;助力模式单一,不具备多模式识别和多环境助力的能力。本文基于柔性外骨骼和模式识别算法,深入研究辅助人体出行的策略。针对关节耦合助力适用性差的问题,提出了多环境助力踝关节的策略。通过分析人体下肢各个关节的生理学结构和运动机理,建立下肢模型,采集并比对三种环境下人体下肢各个关节的生物力学数据,考量日常环境中平地占比较大且踝关节跖屈做功占比较高,综合分析多环境助力踝关节收益最高。针对当前外骨骼结构普适性差和驱动装置质量大的问题,设计了集成化的柔性外骨骼结构及其便携式的驱动盒。基于下肢生理学结构设计适用于多种模式的柔性外骨骼,将下肢外骨骼集成于鞋上,实现一体化穿戴,减少穿戴复杂度,提升适用性。改进传统的腰带式的驱动装置为背带式便携驱动盒,增强多环境助力时的稳定性,整体便携式驱动盒质量为2.8kg,相较于大部分柔性外骨骼都要轻。针对传统模式识别存在迟滞性的问题,提出了结合视觉与柔性外骨骼的模式识别方法。使用多线程采集三维点云和三维欧拉角,通过欧拉角矫正点云坐标,设计CNN+HMM+QUE的识别模型,基于识别模型实时判断运动模式,该模型识别延迟仅为40ms,线下识别精度可达99%±1%,面对复杂多变的环境更具鲁棒性。提出了基于反馈力的位置控制策略,通过系统刚度将力控转化为位置控制,简化控制模型,并通过反馈力优化助力曲线,提升助力效果。为评估多模式识别柔性外骨骼系统性能,进行了模式识别和辅助助力对照实验。搭建了多模式识别和多环境助力实验平台,采用辨识精度和辨识延时评估识别算法性能,结果表明算法能够实时识别运动模式,且辨识精度可达98.7%。在3种环境中对比了柔性外骨骼助力与不助力条件下踝关节的功率和力矩,结果表明柔性外骨骼能够实现多环境辅助助力。最后,总结了全文,展望了今后可继续展开研究的方向。

关键词：步态相位柔性外骨骼便携式驱动盒多模式识别多环境助力

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下肢外骨骼的人机协同控制技术研究

下肢外骨骼的人机协同控制技术研究

作者：肖武警东南大学

学位级别：硕士

穿戴式下肢外骨骼机器人是一种典型的人机耦合系统,需要外骨骼与人体运动状态协调,进而辅助人体运动,提高人体的运动机能。本文针对复式套索传动的下肢外骨骼,研究其轨迹跟随控制技术,以辅助患者进行康复训练;设计人机协同控制系统,控... 详细信息

穿戴式下肢外骨骼机器人是一种典型的人机耦合系统,需要外骨骼与人体运动状态协调,进而辅助人体运动,提高人体的运动机能。本文针对复式套索传动的下肢外骨骼,研究其轨迹跟随控制技术,以辅助患者进行康复训练;设计人机协同控制系统,控制外骨骼对人体进行助力,提高人体的运动机能。首先,本文对复式套索传动特性进行分析,建立复式套索传动模型;对所研究的下肢外骨骼结构进行分析和简化,根据拉格朗日方程,建立人体下肢的动力学模型;再根据外骨骼绑带和人体之间产生的人机交互力,建立人机耦合动力学模型。结合摩擦模型,对人机耦合模型中的摩擦参数设计静态实验和动态实验进行离线辨识。其次,对外骨骼控制系统硬件和控制系统软件进行设计。对外骨骼控制系统的设计要求进行分析,选择工控机作为控制系统的主控设备,并对外骨骼系统的传感检测模块进行设计,以用于实时测量外骨骼运动信息。设计了上位机交互界面,实时监测和调控外骨骼运动,为后续控制策略的调试奠定了基础。随后,本文针对残疾人的下肢行动障碍问题设计了轨迹跟随控制算法。由于所研究的复式套索传动的外骨骼系统为典型的非线性系统,本文设计了模糊PD控制算法对外骨骼系统进行运动控制,改善了控制系统的跟随迟滞性问题。为了优化轨迹控制效果,本文基于人机耦合动力学模型设计了滑模控制器,得到了较小的轨迹跟随误差和快速响应跟随效果,但是系统存在小幅抖动。因此,在滑模控制器的基础上进行优化,提出了基于模糊增益的滑模控制算法,进一步减小了轨迹跟随误差值。通过对三种控制器的实验结果分析对比,得出基于模糊增益的滑模控制器控制效果最优的结论。下肢外骨骼对人体进行助力控制时,需要不断调整人机交互状态。为了更好地实现人机协同运动控制,本文利用正交编码器和人机交互力传感器通过径向基神经网络辨识人体的运动意图,并对人体的步态相位进行分析,设计了阻抗控制策略,通过设定目标罚函数来调整控制器输出,实现人机协同控制。最后,本文针对外骨骼的性能设计了人机协同评价系统,主要从减负性、助力效果和穿戴柔顺性三个方面进行评估,并设计了相应的性能评价指标。对人机协同控制系统设计对比实验,通过对传感检测模块的数据分析,证明下肢外骨骼机器人对人体有一定的助力作用,可以提高人体的运动机能。

关键词：下肢外骨骼复式套索传动步态相位人机协同