[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

说明书

本发明公开了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，属于可穿戴传感器领域。该方法可以测量并输出用户在行走时的膝关节摆动期力矩，用于评价用户步态。本发明利用惯性传感器单元采集的角速度、加速度数据，计算并输出用户的摆动期膝关节力矩。本发明使用方便，不受场地限制，成本低廉，可以高精度对用户的摆动期膝关节力矩进行测量，拥有较高的可靠性以及较好的推广前景。

技术领域

本发明属于可穿戴传感器领域，具体涉及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。

背景技术

膝关节力矩是反映人类运动能力的重要指标之一，拥有较大的应用价值，因此膝关节力矩的测量被广泛研究。大型实验室测量设备如光学式运动捕捉系统、测力台等等常常用于临床上的膝关节力矩测量，但其存在价格昂贵，受空间限制，使用不便等缺点。可穿戴传感器作为包括惯性测量单元，超声波传感器，微型摄像头等等，相比于大型实验室测量步态参数的设备如光学式运动捕捉系统、测力台等等，以其小巧、廉价，不受时间、空间限制、易于推广等优点作为新兴技术被广泛应用于步态测量领域。然而，目前仅有较少研究使用放置在人体下肢部位的可穿戴传感器测量膝关节力矩。

发明内容

本发明的目的在于提供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。

本发明中所涉及的部分名词含义如下：

摆动期是人走路步态周期的一个组成部分，如图1所示，以右腿为例，右腿脚离地向前迈出至脚落地的这段时间为右腿的摆动期。

为方便描述，定义矢状面，如图2所示，矢状面是垂直于水平面并将人体分为左右两部分的面，人在行走时，主要运动都发生在矢状面内。

摆动期膝关节力矩为膝关节在摆动期内所产生的力矩，如图3所示。

为方便描述，定义X轴、Y轴，如图3所示：X轴为矢状面内水平向前方向，Y轴为矢状面内竖直向上方向。

为方便描述，定义小腿角度为矢状面内小腿与Y轴的夹角，如图3所示。

本发明为解决技术问题，所采用的具体技术方案如下：

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。

作为优选，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