[发明专利]基于多传感器融合的下肢运动位姿快速预测系统及方法

权利要求书

1.基于多传感器融合的下肢运动位姿快速预测系统，其特征在于：包括表面肌电传感器、惯性传感器、位姿响应模块、位姿解算模块和外部辅助装置；

外部辅助装置穿戴在穿戴者腰部和下肢上，能够随人体左、右下肢运动；

表面肌电传感器粘贴在穿戴者下肢股直肌、股内侧肌、股外侧肌、股二头肌、半腱肌、胫骨前肌、腓肠肌和比目鱼肌表面，用于实时获取穿戴者下肢各肌肉表面肌电信号，传输给位姿响应模块；

惯性传感器固定在外部辅助装置上，用于实时获取穿戴者下肢髋关节运动角度、膝关节运动角度和踝关节运动角度；

位姿响应模块固定于外部辅助装置上，对穿戴者下肢表面肌电信号进行滤波处理，然后将采集的各肌肉表面肌电信号时序与人体下肢肌肉活动时序数据库中预先储存的人体下肢肌肉活动时序进行匹配，找到当前下肢各肌肉表面肌电信号对应的运动状态；

位姿解算模块固定于外部辅助装置上，对表面肌电传感器采集的信号进行解算，估计出穿戴者下肢髋关节运动角度、膝关节运动角度、踝关节运动角度，将惯性传感器采集的髋关节运动角度、膝关节运动角度、踝关节运动角度与解算估计出的穿戴者下肢髋关节运动角度、膝关节运动角度、踝关节运动角度进行短时动态加权数据融合，实时获得穿戴者下肢运动姿态，通过外部辅助装置尺寸，解算出髋、膝、踝关节的位置坐标；

设髋关节屈曲、伸展的角度为α_髋，髋关节外展、内收的角度为β_髋，髋关节内旋、外旋的角度为γ_髋，记惯性传感器采集的髋关节运动角度为(α_髋2，β_髋2，γ_髋2)，位姿解算模块解算估计出的穿戴者下肢髋关节运动角度为(α_髋1，β_髋1，γ_髋1)，位姿解算模块将(α_髋2，β_髋2，γ_髋2)与(α_髋1，β_髋1，γ_髋1)进行短时动态加权数据融合的方法如下：

在当前运动时刻的之前时间t内，存在n个惯性传感器采集的髋关节运动角度(α_髋2，β_髋2，γ_髋2)，n个位姿解算模块解算估计出的穿戴者下肢髋关节运动角度(α_髋1，β_髋1，γ_髋1)，则在时间t内，髋关节运动角度参考值满足：

式中，i＝1,2,3,...,n.

则髋关节运动角度测量偏差的平均值满足：

则髋关节运动角度测量偏差的均方差：

式中，j＝1,2，σ_1髋j为髋关节屈曲、伸展运动角度测量偏差的均方差，σ_2髋j为髋关节外展、内收运动角度测量偏差的均方差，σ_3髋j为髋关节外旋、内旋运动角度测量偏差的均方差，(σ_1髋1，σ_2髋1，σ_3髋1)为位姿解算模块解算估计髋关节运动角度测量偏差的均方差，(σ_1髋2，σ_2髋2，σ_3髋2)为惯性传感器髋关节运动角度测量偏差的均方差；

利用如下公式解算短时动态加权融合系数：

式中，k＝1,2,3，当k＝1时，w_1髋j为髋关节屈曲、伸展运动角度测量的短时动态加权融合系数，当k＝2时，w_2髋j为髋关节外展、内收运动角度测量的短时动态加权融合系数，当k＝3时，w_3髋j为髋关节外旋、内旋运动角度测量的短时动态加权融合系数；

数据融合后髋关节运动角度：

设膝关节屈曲伸展的角度为α_膝，记惯性传感器采集的膝关节运动角度为α_膝2，位姿解算模块解算估计出的穿戴者下肢膝关节运动角度为α_膝1，位姿解算模块将α_膝2与α_膝1进行短时动态加权数据融合的方法如下：

在当前运动时刻的之前时间t内，存在n个惯性传感器采集的膝关节运动角度为α_膝2，n个位姿解算模块解算估计出的穿戴者下肢膝关节运动角度为α_膝1，则在时间t内，膝关节运动角度参考值满足：

则膝关节运动角度测量偏差的平均值满足：

则膝关节运动角度测量偏差的均方差：

式中，j＝1,2，σ_膝j为膝关节运动角度测量偏差的均方差，σ_膝2为惯性传感器膝关节运动角度测量偏差的均方差，σ_膝1为位姿解算模块解算估计膝关节运动角度测量偏差的均方差；

利用如下公式解算短时动态加权融合系数：

式中，j＝1,2，w_膝j为膝关节运动角度测量的短时动态加权融合系数；

数据融合后膝关节运动角度：

α_膝＝w_膝1α_膝1+w_膝2α_膝2；

设踝关节跖屈背屈的角度为α_踝，踝关节内翻外翻的角度为β_踝，踝关节内旋外旋的角度为γ_踝，记惯性传感器采集的踝关节运动角度为(α_踝2，β_踝2，γ_踝2)，位姿解算模块解算估计出的穿戴者下肢踝关节运动角度为(α_踝1，β_踝1，γ_踝1)，位姿解算模块将(α_踝2，β_踝2，γ_踝2)与(α_踝1，β_踝1，γ_踝1)进行短时动态加权数据融合的方法如下：

在当前运动时刻的之前时间t内，存在n个惯性传感器采集的踝关节运动角度为(α_踝2，β_踝2，γ_踝2)，n个位姿解算模块解算估计出的穿戴者下肢踝关节运动角度为(α_踝1，β_踝1，γ_踝1)，则在时间t内，踝关节运动角度参考值满足：

则踝关节运动角度测量偏差的平均值满足：

则踝关节运动角度测量偏差的均方差：

式中，j＝1,2，σ_1踝j为踝关节跖屈、背屈运动角度测量偏差的均方差，σ_2踝j为踝关节内翻、外翻运动角度测量偏差的均方差，σ_3踝j为踝关节内旋、外旋运动角度测量偏差的均方差，(σ_1踝1，σ_2踝1，σ_3踝1)为位姿解算模块解算估计踝关节运动角度测量偏差的均方差，(σ_1踝2，σ_2踝2，σ_3踝2)为惯性传感器踝关节运动角度测量偏差的均方差；

利用如下公式解算短时动态加权融合系数：

式中，k＝1,2,3，当k＝1时，w_1踝j为踝关节跖屈、背屈运动角度测量的短时动态加权融合系数，当k＝2时，w_2踝j为踝关节内翻、外翻运动角度测量的短时动态加权融合系数，当k＝3时，w_3踝j为踝关节内旋、外旋运动角度测量的短时动态加权融合系数；

数据融合后踝关节运动角度：