發(fā)布時(shí)間：2021-04-06 15:09

　　穿戴式膝關(guān)節(jié)屈伸角度的實(shí)時(shí)估計(jì)對(duì)康復(fù)評(píng)估及外骨骼康復(fù)機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制有重要作用。利用穿戴在大腿和小腿上的兩個(gè)角速度傳感器實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)角度實(shí)時(shí)估計(jì)。首先離線通過遺傳算法優(yōu)化計(jì)算膝關(guān)節(jié)模型的關(guān)節(jié)軸,然后在線將這兩個(gè)角速度傳感器數(shù)據(jù)投影到關(guān)節(jié)軸上,確定出膝關(guān)節(jié)屈伸角度變化的角速度差,對(duì)角速度差進(jìn)行積分可得膝關(guān)節(jié)屈伸角度。同時(shí),利用小腿上的角速度傳感器實(shí)時(shí)判斷腳跟著地點(diǎn)時(shí)刻,在該時(shí)刻對(duì)角度進(jìn)行重置來消除積分漂移。募集5個(gè)健康人和2個(gè)膝骨性關(guān)節(jié)炎患者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,小腿上的角速度傳感器能準(zhǔn)確判斷腳跟著地點(diǎn),與壓力傳感器判斷出的腳跟著地時(shí)間點(diǎn)相比較,在5個(gè)步態(tài)周期里,健康組的平均均方根誤差為27.88±19.64 ms,患者組的平均均方根誤差為54.60±7.21 ms,約占步態(tài)周期的3%,有較高精度,符合應(yīng)用需求。本方法的膝關(guān)節(jié)屈伸角度估計(jì)方法和角度傳感器的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比,健康組的平均均方根誤差為2.86±0.53°,患者組測(cè)試的平均均方根誤差為2.00±0.78°。改變大腿上傳感器穿戴位置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為穿戴位置不影響模型估計(jì)的角度。本方法操作方便,有效消除積分漂移,實(shí)現(xiàn)對(duì)膝關(guān)節(jié)屈伸角度的實(shí)時(shí)... 

【文章來源】：儀器儀表學(xué)報(bào). 2020,41(11)北大核心EICSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：9 頁(yè)

【部分圖文】：

單自由度膝關(guān)節(jié)鉸鏈模型

以?1、?2、θ1、θ2作為待優(yōu)化的決策變量,前文提到?和θ分別為球坐標(biāo)系中向量的俯仰角和方向角,球坐標(biāo)系中的向量r在直角坐標(biāo)系中的表示如圖2所示。限定變量的取值范圍為:?1,?2∈[-0.5π,0.5π]、θ1,θ2∈[0,2π]。

穿戴在小腿上的角速度傳感器測(cè)得的垂直于矢狀面的角速度分量因其相比于另兩個(gè)軸的角速度分量有著較大的幅值,以及特征明顯的周期性常被用來判斷腳跟著地點(diǎn)。該角速度信號(hào)在一個(gè)步態(tài)周期中有明顯的兩個(gè)波谷和一個(gè)波峰。波峰對(duì)應(yīng)的步態(tài)事件為步態(tài)為擺動(dòng)中相點(diǎn),波峰前的波谷對(duì)應(yīng)的步態(tài)事件為腳尖離地點(diǎn),波峰后的波谷對(duì)應(yīng)的步態(tài)事件為腳跟著地點(diǎn),各步態(tài)事件點(diǎn)如圖3所示。基于這一特征可以對(duì)腳跟著地點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。判斷腳跟著地時(shí)對(duì)應(yīng)的角速度信號(hào)需要滿足以下幾個(gè)條件:1)在擺動(dòng)中相點(diǎn)出現(xiàn)后第一個(gè)小于零的極小值點(diǎn);2)角速度變化量為負(fù)。因而為了判斷腳跟著地點(diǎn),需要先檢測(cè)擺動(dòng)中相。擺動(dòng)中相點(diǎn)至少要滿足以下兩個(gè)條件:1)角速度的大小應(yīng)大于一個(gè)較大的角速度閾值M;2)角速度變化量為正。


本文編號(hào)：3121656