一種基于多傳感器的步態(tài)相位實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)*

周小華， 李　娟， 李偉達(dá)， 李春光， 胡海燕， 張虹淼

(蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 江蘇省機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215021)

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一種基于多傳感器的步態(tài)相位實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)*

周小華， 李娟， 李偉達(dá)， 李春光， 胡海燕， 張虹淼

(蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 江蘇省機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215021)

摘要:對(duì)人體步態(tài)相位進(jìn)行準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的判斷是智能假肢等康復(fù)機(jī)器人控制的基礎(chǔ)，提出并建立了一種實(shí)時(shí)狀態(tài)相位檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含了4只壓力傳感器和2只姿態(tài)傳感器，能夠準(zhǔn)確地區(qū)分出平地行走時(shí)足跟著地、足放平、足跟離地、足尖離地、擺動(dòng)彎曲以及擺動(dòng)伸展等五種狀態(tài)相位，實(shí)驗(yàn)表明：該系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同測(cè)試者的不同步幅和步速，并能夠應(yīng)用在假肢的實(shí)時(shí)控制中。

關(guān)鍵詞：智能假肢； 步態(tài)相位； 狀態(tài)判斷； 傳感器

0引言

人工假肢、助行機(jī)器人以及康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人等是中風(fēng)、偏癱、截肢患者等恢復(fù)行走能力和生活能力的主要手段。機(jī)器人的控制方法是保證其穿戴者行走更自然和安全的重要因素。由于人體運(yùn)動(dòng)時(shí)具有典型的步態(tài)特征，基于狀態(tài)的控制方法受到廣泛的關(guān)注，有限狀態(tài)機(jī)[1]、映射控制方法[2]、模糊自適應(yīng)控制方法[3]等相繼出現(xiàn)。步態(tài)相位判斷是基于狀態(tài)的機(jī)器人控制方法的基礎(chǔ)[4]。

現(xiàn)有的步態(tài)相位判斷系統(tǒng)大多采用各種傳感器及其組合來(lái)實(shí)現(xiàn)，較為典型的有力傳感器[5]、角速度傳感器[6]、加速度傳感器[7]。多種傳感器及其不同組合方式逐漸成為步態(tài)相位判斷方法的發(fā)展趨勢(shì)。

本文基于力傳感器和姿態(tài)傳感器給出一種狀態(tài)相位檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)原理簡(jiǎn)單、減少了計(jì)算成本，具有較好的實(shí)時(shí)性，能夠適應(yīng)不同的穿戴者、不同的行走速度和步幅，并能成功應(yīng)用于在假肢的控制中。

1人體下肢運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析與步態(tài)相位劃分方法

人體行走過程是一個(gè)典型的節(jié)律性運(yùn)動(dòng)，根據(jù)圖1(a)所示的一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)的踝關(guān)節(jié)力矩與角度關(guān)系以及圖1(b)所示的膝關(guān)節(jié)角度曲線，本文將人體行走的一個(gè)周期劃分為5個(gè)相位，即 CP(controlled plantar-flexion)相、 CD(controlled dorsi-flexion)相、 PP(powered plantar-flexion)相、 SF(swing flexion)相以及SE(swing extend)相。各相位特點(diǎn)如下：CP相，該相位下，踝關(guān)節(jié)力矩較小且基本不變，對(duì)應(yīng)于足的位置即足跟著地狀態(tài)至足放平狀態(tài)；CD相，踝關(guān)節(jié)角度力矩與角度都逐漸增大，直至達(dá)到最大背屈角度,對(duì)應(yīng)于足的位置為足放平狀態(tài)至足跟離地狀態(tài)；PP相，踝關(guān)節(jié)力矩與角度又同時(shí)減小，直至踝關(guān)節(jié)力矩減小到0，此時(shí)站立相結(jié)束，進(jìn)入足離地階段，即擺動(dòng)相,足的位置從足跟離地狀態(tài)到足尖離地狀態(tài)；SF相，從足位置處于足尖離地開始，終止于膝關(guān)節(jié)彎曲到最大位置，該相位膝關(guān)節(jié)角速度大于0；SE相，緊接于SF相，終止于下一周期的足跟著地狀態(tài)，該相位下膝關(guān)節(jié)伸展，角速度小于0。

2狀態(tài)相位判斷系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)

本文采用足底力傳感器與姿態(tài)傳感器相結(jié)合的方式對(duì)步態(tài)相位進(jìn)行判斷。

足底壓力傳感器模塊由4只FSR 402型壓力傳感器(Interlink Electronics公司)、一塊Arduino Uno R3開發(fā)板及其電路組成。2只力傳感器分別安裝在足跟、足尖處，由于人在行走過程中的非對(duì)稱性，為了增加判斷的準(zhǔn)確性，在第一跖骨和第四跖骨處增加2只傳感器，用來(lái)判斷CP相、CD相以及PP相(圖2)。開發(fā)板以100 Hz頻率采集4路足底壓力電壓信號(hào)，用閾值表征各個(gè)傳感器的通斷情況(當(dāng)壓力傳感器有信號(hào)時(shí)，輸出為1；反之，輸出為0)，開發(fā)板實(shí)時(shí)地將整合后的相位信息通過串口發(fā)送至計(jì)算機(jī)。

圖1　步態(tài)曲線Fig 1　Gait curve

圖2　足底力傳感器安裝示意圖Fig 2　Placement diagram of plantar force sensors

姿態(tài)傳感器模塊則是由2只Xsens Technologies公司的高精度Xsens姿態(tài)傳感器和運(yùn)動(dòng)捕捉模塊組成，通過擺動(dòng)相下膝關(guān)節(jié)角速度的正負(fù)關(guān)系準(zhǔn)確地區(qū)分出SF相和SE相。2只姿態(tài)傳感器按圖3方式分別安裝在大腿和小腿上，運(yùn)動(dòng)捕捉模塊同樣以100 Hz的采樣速度采集姿態(tài)信息，從串口將角度信息實(shí)時(shí)發(fā)送至計(jì)算機(jī)處理。

圖3　姿態(tài)傳感器安裝示意圖Fig 3　Placement diagram of attitude sensors

步態(tài)相位判斷系統(tǒng)(圖4)基于MFC編程框架編寫人機(jī)交互界面，完成整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集任務(wù)。

狀態(tài)相位判斷實(shí)驗(yàn)的目的是驗(yàn)證該系統(tǒng)能否適應(yīng)不同測(cè)試者、不同步速以及不同步幅，完整實(shí)時(shí)地輸出相位判斷結(jié)果(為方便起見,實(shí)驗(yàn)結(jié)果中1,2,3,4,5分別代表CP相、CD相、PP相、SF相和SE相), 圖5為步態(tài)相位判斷程序的流程。

圖4　步態(tài)相位判斷系統(tǒng)Fig 4　Gait phase judgement system

圖5　步態(tài)相位判斷流程圖Fig 5　Flow chart of gait phase judgement

3名實(shí)驗(yàn)者完成以下幾個(gè)任務(wù)：

1)實(shí)驗(yàn)者A以正常步速水平行走，改變步幅大小，以較大步幅、正常步幅、較小步幅分別行走。

2)實(shí)驗(yàn)者A以正常步幅水平行走，改變步速大小，以快速、正常速度、慢速分別行走。

3)實(shí)驗(yàn)者A,B,C以正常步速、正常步幅分別行走。

實(shí)驗(yàn)中的步速(步態(tài)周期)變化范圍為1.2～1.8 s，步幅變化范圍為65～85 cm。

選取一組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從各個(gè)傳感器信號(hào)和步態(tài)相位判斷結(jié)果(圖6)以及一個(gè)步態(tài)周期的百分比與相位的關(guān)系(圖7)可以看出：站立相(CP相,CD相,PP相)大概占據(jù)了一個(gè)步態(tài)周期的60 %(足尖離地時(shí)的約為63 %)，擺動(dòng)相(SE相,SF相)則為一個(gè)步態(tài)周期的40 %左右，這與理論結(jié)果一致。從實(shí)驗(yàn)者以不同步速、步幅行走的數(shù)據(jù)結(jié)果可以得出：步幅、步速變化不會(huì)影響站立相和擺動(dòng)相所占的百分比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了本文提出的步態(tài)相位判斷方法能夠適應(yīng)不同的步速范圍和不同的步幅范圍，并在不同的實(shí)驗(yàn)者身上都得到驗(yàn)證。

圖6　步態(tài)周期為1.8 s的步態(tài)判斷結(jié)果Fig 6　Gait phase judgement result while gait cycle is 1.8 s

圖7　步態(tài)周期為1.8 s的步態(tài)百分比圖Fig 7　Gait percent while gait cycle is 1.8 s

3假肢控制實(shí)驗(yàn)

假肢膝關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)包括了假肢膝關(guān)節(jié)模型，固高GT運(yùn)動(dòng)控制器、驅(qū)動(dòng)器、光柵、驅(qū)動(dòng)電源、桌面PC以及相應(yīng)的電氣系統(tǒng)。

本文基于固高運(yùn)動(dòng)控制器提供的C語(yǔ)言函數(shù)庫(kù)和Windows動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，利用MFC框架式編程方式編寫了特定的控制系統(tǒng)軟件。

本實(shí)驗(yàn)旨在驗(yàn)證測(cè)試者穿戴下肢狀態(tài)相位判斷系統(tǒng)以不同的步速行走，能使得假肢跟隨健肢側(cè)行走的步速范圍，假肢實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)框圖和控制流程分別如圖8和圖9所示。考慮到實(shí)驗(yàn)的安全性和穩(wěn)定性，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，假肢樣機(jī)模型均固定于支架上。實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)試者步速(步態(tài)周期)變化范圍為1.2～2.0 s。

圖8　假肢控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)框圖Fig 8　Experimental block diagram of prosthesis control system

圖9　膝關(guān)節(jié)假肢控制流程圖Fig 9　Flow chart of knee joint prosthesis control

圖10是步態(tài)周期為1.6,1.8 s的假肢規(guī)劃運(yùn)動(dòng)曲線和實(shí)際運(yùn)動(dòng)曲線圖。從圖中可以看出:在健肢側(cè)以一定的步速范圍水平行走，假肢可以較好地按照規(guī)劃曲線運(yùn)動(dòng)，但同時(shí)存在著抖動(dòng)和遲滯現(xiàn)象，這將在后續(xù)的研究工作中改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)步態(tài)周期在1.2～2.0 s之間，假肢能夠較好地跟隨健肢側(cè)運(yùn)動(dòng)。

圖10　步態(tài)周期為1.6 s和1.8 s的假肢運(yùn)動(dòng)曲線Fig 10　Motion curve of prosthesis while gait cycle are 1.6 s and 1.8 s

4結(jié)論

本文提出了一種實(shí)時(shí)步態(tài)相位判斷方法并闡述了其實(shí)現(xiàn)形式，通過足底力傳感器和姿態(tài)角度傳感器，以實(shí)時(shí)的形式將步態(tài)相位信息提取出來(lái)，減少了傳感器的使用數(shù)量，去除了繁瑣的數(shù)據(jù)整合計(jì)算，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了不同步速、不同步幅下步態(tài)相位的完整判斷，并驗(yàn)證了該方法可應(yīng)用于假肢的控制中。

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A real-time gait phase detection system based on multi-sensors*

ZHOU Xiao-hua, LI Juan, LI Wei-da, LI Chun-guang, HU Hai-yan, ZHANG Hong-miao

(School of Mechanical and Electric Engineering, Soochow University,Key Laboratory of Robotics and System of Jiangsu Province,Suzhou 215021,China)

Abstract:Accurate and real-time gait phase detection is basis of control of intelligent prosthesis and other rehabilitation robot,a real-time phase detection system is proposed.Four foot force sensors and two attitude sensors are used in the system,which can detect phases of heel strike,foot flat,heel off,toe off,swing flexion and swing extend during walking on level ground.The experimental results show that the system can adapt to different walking velocities,different stride length of different subjects,and the experiment of prosthesis control is performed to prove the gait phase detection system can be used to real control of prosthesis.

Key words:intelligent prosthesis; gait phase; state judgement; sensor

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0091—03

收稿日期：2015—04—28

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475314)

中圖分類號(hào)：TP 242

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1000—9787(2016)02—0091—03

作者簡(jiǎn)介:

周小華(1990-)，男，江蘇南通人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榭祻?fù)機(jī)器人。

李娟，通訊作者，E—mail:lijuan@suda.edu.cn。