[发明专利]一种基于人体运动结构特征的三维步态生成方法

摘要

本发明公开了一种基于人体运动结构特征的三维步态生成方法，涉及机器人控制技术。首先建立髋关节坐标系，计算不同的正常人单个步态周期各自在自身的髋关节坐标系下的AJC的三维运动轨迹；然后归纳通用的三维步态曲线规律，选定每个三维运动轨迹上的最值对应的点作为第一类特征点；每个测试者特定的相位发生的时刻对应的踝关节中心点的三维运动轨迹上的点作为第二类特征点；结合两类特征点计算多元回归方程中的回归系数。最后利用回归方程计算某个待测患者两类特征点发生的时刻并排序后作为分段点，将每两个连续的分段点进行拟合成三维的闭合特征曲线，生成该患者的三维步态。本发明能根据不同的人的运动和结构特征，定制生成与之相适应的三维步态。

主权项

1.一种基于人体运动结构特征的三维步态生成方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一、在世界坐标系{W}的基础上建立髋关节坐标系{H}；髋关节坐标系{H}表示为：其中，是髋关节坐标系{H}的原点的方向向量；^WA_HJC是髋关节中心点的方向向量；^Wx_H，^Wy_H和^Wz_H是髋关节坐标系{H}的基向量；^Wx_p，^Wy_p和^Wz_p分别是骨盆坐标系{P}的基向量；骨盆坐标系{P}在世界坐标系{W}的基础上建立，公式如下：其中是骨盆坐标系{P}的坐标原点的方向向量；^WA_R.Asis是标记点R.Asis的方向向量；^WA_L.Asis是标记点L.Asis的方向向量；^WA_V.Sacral是标记点V.Scaral的方向向量；步骤二、通过不同的正常人分别作为测试样本，针对单个步态周期，计算每个测试者各自的踝关节中心点AJC在自身的髋关节坐标系下的三维运动轨迹；步骤三、利用实验测试法将所有测试者的三维运动轨迹，归纳通用的三维步态曲线规律；步骤四、根据通用的三维步态曲线规律，选定每个测试者的三维运动轨迹上的最值对应的点作为各测试者的第一类特征点；步骤五、针对每个测试者，根据其步态的相位特征，选取特定的相位发生的时刻作为特定时刻，找到特定时刻对应的踝关节中心点的三维运动轨迹上的点作为各测试者的第二类特征点；步骤六、收集每个测试者的运动和结构参数，结合两类特征点发生的时刻、幅值及其一阶导数值，计算多元回归方程中的回归系数；多元回归方程公式如下：其中Y代表每个测试者所选取的特征点发生的时刻t_i，相应的幅值s(t)或者幅值的一阶导数值中的一种；X_i是变量x_i的矩阵，即变量包括运动参数和结构参数；x₁＝v为行走速度(单位km/h)，x₂＝H为身高(单位cm)，x₃＝F为步向角(单位°)；β₀为常数项，B_i＝[β_i1 β_i2 β_i3]为第i个变量x_i的所有回归系数构成的矩阵；n表示回归方程中包含的变量个数；β_i1是变量x_i的回归系数；β_i2是变量的回归系数；β_i3是变量的回归系数；步骤七、针对某个待测患者，收集该患者的运动和结构参数后，利用多元回归方程直接计算得到该患者两类特征点发生的时刻、幅值及其一阶导数值；步骤八、在单个步态周期内，将该患者的特征点发生的时刻按时间先后顺序排列，作为分段点；步骤九、在髋关节坐标系{H}下，利用三次多项式将每两个连续的分段点进行拟合，分别拟合成三维的闭合特征曲线，生成该患者的基于运动和结构特征的三维步态；三维步态的曲线共有三条，分别为x曲线，y曲线和z曲线；针对x曲线：首先，选择连续的第i个分段点和第i+1个分段点，将两个分段点对应的幅值以及一阶导数组成矩阵，计算三次多项式的系数；矩阵如下：和是相应的多项式系数，计算公式如下：然后，利用三项多项式将连续的第i个分段点和第i+1个分段点之间的所有的点进行拟合；拟合公式如下：同理，针对y曲线和z曲线，分别选择各曲线上连续的两个分段点，计算三次多项式的系数，然后对两个分段点之间的所有点进行拟合；根据拟合的轨迹不同，分别得到x曲线，y曲线和z曲线的闭合特征曲线，生成适应该患者的运动结构特征的三维步态。