[发明专利]一种穿戴式多维步态分析系统及方法

权利要求书

1.一种穿戴式多维步态分析方法，其特征在于：包含如下步骤：

传感器穿戴，两个压力传感器放置在两个鞋内，压力传感器的信号排线沿脚后跟从鞋后伸出，连接至脚腕处的数据采集盒；惯性测量传感器分别安装在腰部、两侧大腿、两侧小腿和两侧足部上；多对表面肌电传感器分别安装在比目鱼肌、胫骨前肌、股直肌和股二头肌处表面；

步态数据测量，受试者行走，所有的传感器均通过微处理器将数据以无线方式发送给上位机；

预处理，上位机采集通过数据路由器接收来自压力传感器、惯性测量传感器和表面肌电传感器的数据，首先对传感器数据进行预处理获得步态分析需要的变量；

通过求取16个足底压力测量点的压力总和得到z轴方向上的地反力，通过对每个测量点压力和坐标加权平均得到足底压力中心：

其中，F_i表示压力传感器的每个测量点的压力测量值，X_i和Y_i为每个压力传感器的相对于踝关节在鞋垫上投影的相对坐标，

惯性测量传感器采集的三轴加速度和三轴角速度数据通过数据融合算法解算出姿态角度：

其中，acc_i和gyro_i分别为测量的加速度和角度，θ_i为通过数据融合得到的姿态角度，K为滤波系数，取0.05；

根据X轴和Y轴加速度和各肢体重量分布加权平均得到环境对人体的X轴和Y轴的作用力：

其中，和为惯性测量传感器测量的腰部、两侧大腿、两侧小腿、两侧足部的X轴和Y轴的加速度，m_i为每段肢体的重量；表面肌电传感器采集的原始肌电信号首先通过20Hz的4阶巴特沃斯高通滤波器滤除硬件电路的直流偏置，接着对信号进行整流求取信号的绝对值，再通过6Hz的4阶巴特沃斯低通滤波器得到肌电信号的包络线，最后根据肌电信号的最大值将信号归一化到0到1之间；

多维步态分析，根据所述变量进行多维度步态分析；

首先根据下肢各肢体的姿态角度求解逆运动学，得到髋关节、膝关节和踝关节在矢状面上的关节角度：

其中分别为惯性传感器测量数据预处理后的各肢体在矢状面上的角度，是各关节角度的校准值；

求解步态运动的逆动力学；

θ＝[θ_hip，R，θ_hip，L，θ_knee，R，θ_knee，L，θ_ankle，R，θ_ankle，L]^T

τ＝[τ_hip，R，τ_hip，L，τ_knee，R，τ_knee，L，τ_ankle，R，τ_ankle，L]^T

F_contact＝[F_x，R，F_x，L，F_y，R，F_y，L，F_z，R，F_z，L]^T

其中M(θ)，G(θ)，J(θ)分别为质量矩阵、向心力向量、重力向量以及地反力力臂矩阵，均为模型参数；

θ，为逆运动学得到的关节角度以及对其求导得到的角速度和角加速度，F_contact为测量得到的地反力，τ为所求解的关节力矩；

在逆动力学的基础上，计算肌肉的控制作用，包括肌肉激活度和肌肉收缩力，首先定义第k+1时刻的优化目标函数；

J_k+1＝ω_F||τ(k+1)-R(θ(k+1))·F_muscle(k+1)||+ω_a||a(k+1)||+ω_e||e(k+1)-Ha(k+1)||

其中，τ为逆动力学所求解的关节力矩，F_muscle为简化人体肌肉骨骼模型中所有肌肉的肌肉收缩力，R(θ)为肌肉对关节的作用力臂；a为所有肌肉的激活度，e为测量得到的部分肌肉的肌电信号，H为模型肌肉到测量肌肉的映射关系；

F_muscle进一步满足如下公式，f表示肌肉收缩动力学模型，通过生理学建模得到：

通过如下优化问题，得到运动的肌肉激活特性和肌肉收缩力：