[发明专利]一种用于可穿戴式设备的人体摆动期膝关节力矩测量方法

权利要求书

1.一种用于可穿戴式设备的人体摆动期膝关节力矩测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：利用佩戴于两小腿脚踝外侧上方的两个可穿戴式设备识别用户行走过程中的摆动期，并测量人体矢状面内小腿角度以及踝关节X轴、Y轴位移；

S2：通过对两只小腿的重心运动方程二次求导，得出两只小腿重心的运动加速度，再利用牛顿第二定律分别求得膝关节对两只小腿重心处的作用力；基于测量或计算得到的当前用户的小腿重量、转动惯量、踝关节至小腿重心的直线距离、膝关节至小腿重心的直线距离，代入小腿力矩平衡方程，求得两只小腿摆动期内的膝关节力矩。

2.如权利要求1所述的用于可穿戴式设备的人体摆动期膝关节力矩测量方法，其特征在于，所述S2中，两只小腿摆动期内的膝关节力矩计算过程包括以下步骤：

S21：计算摆动期内小腿重心的X轴加速度a_x和Y轴加速度a_y：

a_x＝(d_x+l_ca·sinθ)″

a_y＝(d_y+l_ca·cosθ)″

式中：d_x、d_y分别为踝关节X轴位移、踝关节Y轴位移，θ为小腿角度，l_ca为踝关节至小腿重心的直线距离，″为对时间两次求导；

S22：计算摆动期内膝关节在X轴、Y轴方向上对小腿的作用力：

F_x＝m·a_x

F_y＝m·(a_y+g)

式中：F_x、F_y分别为膝关节在X轴、Y轴方向上对小腿的作用力，m为小腿质量，g为重力加速度；

S23：根据小腿力矩平衡方程计算摆动期内膝关节力矩：

式中：T为膝关节力矩，为小腿的角加速度，等于小腿角度的两次导数，R为小腿的转动惯量，l_ck为膝关节至小腿重心的直线距离。

3.如权利要求2所述的用于可穿戴式设备的人体摆动期膝关节力矩测量方法，其特征在于，所述小腿质量、转动惯量、踝关节至小腿重心的直线距离、膝关节至小腿重心的直线距离均通过用户身高和体重计算得到：

m＝k_m·m_b

R＝m·(k_R·H)²

l_ca＝k_ca·H

l_ck＝k_ck·H

式中：k_m、k_R、k_ca、k_ck为比例参数，m_b为用户体重，H为用户身高。

4.如权利要求1所述的用于可穿戴式设备的人体摆动期膝关节力矩测量方法，其特征在于，所述用于可穿戴式设备的人体髋关节位移测量方法包括相连的单片机和惯性传感器，惯性传感器包含三维加速度计以及三维角速度计。

5.如权利要求4所述的用于可穿戴式设备的人体摆动期膝关节力矩测量方法，其特征在于，所述惯性传感器为基于MPU6050芯片的惯性传感器。

6.如权利要求1所述的用于可穿戴式设备的人体摆动期膝关节力矩测量方法，其特征在于，所述两个可穿戴式设备佩戴于两小腿脚踝外侧上方2～4cm。

7.如权利要求1所述的用于可穿戴式设备的人体摆动期膝关节力矩测量方法，其特征在于，所述两个可穿戴式设备的采样频率不低于100Hz。