[发明专利]一种视触融合的全身步态运动模型的建模方法及应用

权利要求书

1.一种视触融合的全身步态运动模型的建模方法，该建模方法包括以下步骤：

对全身骨骼结构进行简化，构建建模环境时，将人体分为了11个刚体，包括左右足部、左右小腿、左大腿、左右小臂、左右大臂以及头和胸腹部；将人体的运动关节看作铰链，人体骨架由铰链连接构成；单个身体结构质心等效在两关节连线上；正常行走过程中四肢的摆动在空间任意位置，不限定摆动平面，上半身的头部、胸部和腹部在步态运动过程中相对运动幅度较小，看做一个整体；双髋关节支座垂直于人体轴心做旋转运动；

建立关于人体步态运动的触觉特征模型，人体受力分解为身体各个部分的质量与其质心位置的竖直方向的加速度的乘积之和，即触觉特征模型；加速度a的获得需要通过视觉图像获得每个部分的关节角，

在求取上半身各部分质心加速度时，上半身的头部、腹部、胸部和髋部相对运动幅度小，在求取加速度时，上半身的头部、腹部、胸部和髋部在竖直方向上的加速度相同，并且在求取左右臂的质心加速度时，以左右肩部作为求取的起点，以此求取左右大臂和左右小臂的质心加速度；

将触觉特征模型的加速度用各部分关节角和各部分质心连线之间的关系表示，获得视触全身步态运动模型。

2.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述视触全身步态运动模型为：

式中，各个骨骼的质心在关节点的连线上，θ为对应各关节点的连线并且指向近端关节点的向量与竖直方向的夹角；ε为占对应骨骼长度比例，即各部分质心，l表示对应身体各部分长度；m为对应各个部分的质量；下标1-10分别表示左足部、左小腿、左大腿、右大腿、右小腿、右足部、左大臂、左小臂、右大臂、右小臂；不包括左右臂的上半身的总质量为m₀；为角加速度；Ny为地面的反作用力，Mg为人体自身的重力。

3.一种权利要求1所述的建模方法的应用，其特征在于，将视触全身步态运动模型进行矩阵化处理，矩阵化结果为：

式中矩阵M人体各个部分质量的矩阵，矩阵ξ为关于人体各个部分质心的矩阵，矩阵W为人体各个部分速度和加速度的矩阵，矩阵L为关于人体各个部分长度的矩阵，矩阵F表示人体在竖直方向的受力的矩阵；

通过Kinect v2获得人体步态运动的深度图像数据流以及25个关节的空间三维坐标，其中25个关节包括左右跖骨关节、左右踝关节、左右膝关节、左右髋关节、脊柱底部、脊柱中部、肩膀中部、颈部、头部、左右肩关节、左右肘关节、左右腕关节、左右拇指关节、左右指尖、左右掌指关节，通过这些特征用来求取人体各部分质心、长度、以及运动角速度和角加速度；

通过脚底压力采集系统Walkway Metric 3150TL获得人体步态运动中足底压力，从中提取矩阵F的地面支反力N_y；Kinect v2和Walkway Metric 3150TL设置相同的采样频率，每一帧视觉特征对应每一帧触觉特征。

4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，质心矩阵ξ，在计算四肢质心时，认为小臂、大臂、大腿、小腿的质心在其关节连线上，并且将其看做均匀密度，各部分等效为圆台进行质心计算；由于圆台关于轴线旋转对称，所以圆台上所有平行于上下底面的横截面的重心都在圆心连线上，这样可以把这些横截面的质量假设在它自身的重心上，将求圆台的重心的三维问题转化为了求一维线性体重心问题；在视觉图像上获取相应部分的始末端横截面，记截面积小的一端的圆心为O₁，记截面积大的一端的圆心为原点O₂，O₁O₂为X轴建立坐标系，根据Kinect得到的身体对应部分边缘坐标点，设某部分线性体的四个端点分别为a₁(X₁,Y₁)、a₂(X₂,Y₂)、a₃(X₃,Y₃)、a₄(X₄,Y₄)，则得到圆台的上下底面直径r₁，r₂；

轴线与母线的夹角α：

设线性体的线密度是X的函数ρ(X)，线性体的长度为S，则：

ρ(X)＝ρ₀π(r₁/2+Xtgα)²

圆台重心的位置L_C：

则质心ε公式为：

S为线性体的长度即四肢的长度S＝l，α为圆台轴线O₁O₂与母线的夹角,L_C为圆台重心的位置。