一种人体踝关节运动轨迹测量方法及可穿戴式设备
专利汇可以提供一种人体踝关节运动轨迹测量方法及可穿戴式设备专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种人体踝关节运动轨迹测量方法及可穿戴式设备，其中的方法包括以下步骤：通过可穿戴式设备测量用户行走过程中小腿的X、Y、Z三轴 加速 度和三轴 角 速度 ；通过测得的加速度、角速度数据测量用户步态事件；通过测得的加速度、角速度数据及步态事件识别踝关节的零速状态；在踝关节零速状态结束时重置小腿的 姿态 角度、速度和位移；通过对测得的加速度进行两次积分，计算步态周期内踝关节的三维位移曲线。本发明可以测量并输出用户在行走时的踝关节运动轨迹，用于评价用户步态，使用方便，不受场地限制，成本低廉，可以高 精度 对用户的踝关节运动进行测量，拥有较高的可靠性以及较好的推广前景。，下面是一种人体踝关节运动轨迹测量方法及可穿戴式设备专利的具体信息内容。
1.一种人体踝关节运动轨迹测量方法，应用于可穿式设备，其特征在于，包括以下步骤：
S1.通过可穿戴式设备测量用户行走过程中小腿的X、Y、Z三轴加速度和三轴角速度；
S2.通过测得的加速度、角速度数据测量用户步态事件，包括脚落地、脚离地事件；
S3.通过测得的加速度、角速度数据及步态事件识别每个步态周期踝关节的零速状态；
S4.在所述踝关节零速状态结束时重置小腿的姿态角度、速度和位移；
S5.通过对测得的加速度进行两次积分，计算步态周期内踝关节的三维位移曲线。
2.如权利要求1所述的人体踝关节运动轨迹测量方法，其特征在于，所述的踝关节零速状态识别包括以下步骤：
S31.计算ep值：
式中：ax、ay分别为小腿X轴、Y轴加速度，ωz为小腿Z轴角速度，θp为小腿Pitch角，l为所述传感器至踝关节的直线距离；ep为小腿Pitch角的差值；
S32.对ep进行低通滤波；
S33.设置滑动窗，计算ep的标准差；
S34.将处于支撑期且所述ep标准差小于零速阈值的时段识别为踝关节零速状态。
3.如权利要求2所述的人体踝关节运动轨迹测量方法，其特征在于，步骤S32中，滤波器的截止频率为3Hz；步骤S33中，滑动窗设置为0.1秒长度；步骤S34中，零速阈值为0.01。
4.如权利要求2所述的人体踝关节运动轨迹测量方法，其特征在于，步骤S31之前，包括如下步骤：
S311.
af1≈ay·cosθp-ax·sinθp
式中：af1为F轴加速度，ax、ay分别为小腿X轴、Y轴加速度，θp为小腿Pitch角；
S312.假定踝关节处于零速状态，则
af2≈-d(ωz·l·cosθp)/dt
式中：af2为F轴加速度，ωz为小腿Z轴角速度，l为所述传感器至踝关节的直线距离；
S313.当踝关节处于零速状态时，满足af1＝af2，由此可计算θp的值：
式中：θ′p为根据所述af1＝af2而计算的小腿Pitch角的值；则
5.如权利要求1-4任一项所述的人体踝关节运动轨迹测量方法，其特征在于，步骤S4中，采用以下方法重置小腿姿态角度、速度、位移：
θy0＝0
式中：θp0、θr0、θy0分别为重置的小腿Pitch角、Roll角、Yaw角，ax0、ay0、az0分别为重置时的小腿X轴加速度、Y轴加速度、Z轴加速度，ωy0、ωz0分别为重置时的小腿Y轴角速度、Z轴角速度， 分别为重置的小腿速度、位移矢量， 为重置时小腿X轴角速度、Y轴角速度和Z轴角速度的矢量和， 为重置时指向小腿X轴正方向的单位向量。
6.如权利要求5所述的人体踝关节运动轨迹测量方法，其特征在于，基于重置的小腿姿态角度、速度、位移，通过角速度积分计算至下次重置时刻前的小腿姿态角度，通过加速度积分计算至下次重置时刻前的小腿速度，通过速度积分计算至下次重置时刻前的小腿位移；基于所述传感器与踝关节的空间位置关系计算踝关节位移矢量：
式中： 分别为踝关节位移矢量、小腿位移矢量， 为指向小腿X轴正方向的单位向量；基于踝关节位移矢量计算踝关节三维位移曲线。
7.一种可穿戴式设备，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述的人体踝关节运动轨迹测量方法，所述可穿戴式设备包括可穿戴在用户小腿上的惯性传感器单元，所述惯性传感器单元包含惯性测量传感器模块和单片机，所述惯性测量传感器模块包括三维加速度计以及三维角速度计，所述单片机连接所述惯性测量传感器模块。
8.如权利要求7所述的可穿戴式设备，其特征在于，所述惯性测量传感器模块为基于MPU6050芯片的惯性测量传感器模块。
9.如权利要求7所述的可穿戴式设备，其特征在于，所述惯性测量传感器模块的采样频率不低于100Hz。
10.如权利要求7所述的可穿戴式设备，其特征在于，所述惯性传感器单元放置在用户的小腿外侧，距离踝关节5cm处。
一种人体踝关节运动轨迹测量方法及可穿戴式设备
技术领域
背景技术
发明内容
S1.通过可穿戴式设备测量用户行走过程中小腿的X、Y、Z三轴加速度和三轴角速度；
S2.通过测得的加速度、角速度数据测量用户步态事件，包括脚落地、脚离地事件；
S3.通过测得的加速度、角速度数据及步态事件识别每个步态周期踝关节的零速状态；
S4.在所述踝关节零速状态结束时重置小腿的姿态角度、速度和位移；
S5.基于步骤S4，通过对可穿戴式设备测得的加速度进行两次积分，计算步态周期内踝关节的三维位移曲线。
式中：ax、ay分别为小腿X轴、Y轴加速度，ωz为小腿Z轴角速度，θp为小腿Pitch角，l为所述传感器至踝关节的直线距离；ep为小腿Pitch角的差值； 表示对ωz的求导；
S32.对ep进行低通滤波；
S33.设置滑动窗，计算ep的标准差；
S34.将处于支撑期且所述ep标准差小于零速阈值的时段识别为踝关节零速状态。
af1≈ay·cosθp-ax·sinθp
式中：af1为F轴加速度，ax、ay分别为小腿X轴、Y轴加速度，θp为小腿Pitch角；
S312.假定踝关节处于零速状态，则
af2≈-d(ωz·l·cosθp)/dt
式中：af2为F轴加速度，ωz为小腿Z轴角速度，l为所述传感器至踝关节的直线距离；
S313.当踝关节处于零速状态时，满足af1＝af2，由此可计算θp的值：
式中：θp′为根据所述af1＝af2而计算的小腿Pitch角的值；则
式中：θp0、θr0、θy0分别为重置的小腿Pitch角、Roll角、Yaw角，ax0、ay0、az0分别为重置时的小腿X轴加速度、Y轴加速度、Z轴加速度，ωy0、ωz0分别为重置时的小腿Y轴角速度、Z轴角速度， 分别为重置的小腿速度、位移矢量， 为重置时小腿X轴角速度、Y轴角速度和Z轴角速度的矢量和， 为重置时指向小腿X轴正方向的单位向量。
附图说明
图3本发明中小腿姿态角度示意图；
图4本发明中人体行走周期示意图；
图5本发明中踝关节三维运动轨迹示意图；
图中，1为放置在小腿上的惯性传感器单元；2为铅垂线；3为矢状面；4为小腿；5为踝关节轨迹；A为左腿脚落地事件，B为右腿脚离地事件，C为右腿脚落地事件，D为左腿脚离地事件。
具体实施方式
S2.通过测得的加速度、角速度数据测量用户步态事件，包括脚落地、脚离地事件；
S3.通过测得的加速度、角速度数据及步态事件识别每个步态周期踝关节的零速状态；
S4.在所述踝关节零速状态结束时重置小腿的姿态角度、速度和位移；
S5.基于步骤S4，通过对可穿戴式设备测得的加速度进行两次积分，计算步态周期内踝关节的三维位移曲线。
本实施例中，目标用户穿戴该可穿戴设备。
S311.由于行走过程中Roll角与Yaw角较小，F轴加速度可近似表示为：
af1≈ay·cosθp-ax·sinθp
式中：af1为F轴加速度，ax、ay分别为小腿X轴、Y轴加速度，θp为小腿Pitch角；
S312.假定踝关节处于零速状态，F轴加速度还可近似表示为：
af2≈-d(ωz·l·cosθp)/dt
式中：af2为F轴加速度，ωz为小腿Z轴角速度，l为所述传感器至踝关节的直线距离；
S313.当踝关节处于零速状态时，应满足af1＝af2，由此等式可计算θp的值：
式中：θ′p为根据所述等式计算的θp的值； 表示对ωz的求导；
当踝关节处于零速状态时，θ′p应与小腿Pitch角的测量值θp近似相等，计算差值ep：
即S31.得出ep值：
S32.对ep进行低通滤波，滤波器截止频率为3Hz；
S33.设置0.1秒长度的滑动窗，计算ep的标准差；
S34.将处于支撑期且所述ep标准差小于零速阈值0.01的时段识别为踝关节零速状态。
6y0＝0
式中：θp0、θr0、θy0分别为重置的小腿Pitch、Roll、Yaw角，ax0、ay0、az0分别为重置时的小腿X轴、Y轴、Z轴加速度，ωy0、ωz0分别为重置时的小腿Y轴、Z轴角速度， 分别为重置的小腿速度、位移矢量， 为重置时小腿X轴、Y轴、Z轴角速度的矢量和， 为重置时指向小腿X轴正方向的单位向量。
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