[发明专利]一种三维人体步态定量分析系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及测量分析领域，特别涉及一种三维人体步态定量分析系统和方法。

背景技术

由于人步行的过程是一个非常复杂的过程，并且步行过程中带有很多重要的步态信息，测量和分析人的步态信息在现实生活中有很多应用前景，如临床医学中监护病人的康复程度，仿生机器人的控制等领域。目前人体步态的测量和分析有多种方法：

传统的临床测量借助秒表和米尺使用目测方法以及足印法得到步态的信息，这种方法主要依靠人工的记录，所以人为因素造成的误差非常大，得到的参数误差大，难以准确定量划分步态周期。

伴随着现代科技的应用，图像处理、压力信号分析等方法也被用来做步态分析。比如文献[1]、文献[2]以及文献[3]中使用了基于图像处理的方法来分析步态的过程，通过采集人走路过程中的视频信息进一步用算法处理来抽取步态的特征值，从而得到步态的信息。在文献[4]、文献[5]、文献[6]中，作者在人的鞋底放置了压力垫，通过采集步行的过程中的压力变化来分析计算步态周期。文献[7]按照人走路的规律建立了一个模拟行走的系统，用这个系统分析步态的一般规律。但是这些分析步态方法都有一些缺点，例如基于图像处理的步态分析方法，需要采集非常巨大的数据量，不便于存储，算法也复杂，同时容易受到光线变化和肢体遮挡等因素的影响从而影响步态分析结果的准确性。此外，基于图像处理的步态分析方法需要多台摄像机同时采集数据，设备投资昂贵。采用脚底压力传感器的步态分析方法，采集的运动信息有限，压力的信号不能很好地跟踪分析运动连续性。尽管使用压力传感器可以将步态周期做出合理的划分，但是压力信号仅仅能反映脚与地面接触的时间段的压力变化规律，不能很好地描述整体运动规律的连续性。大型的步态分析平台建立复杂，使用者需要有一定的技巧，并且建立一个步态分析的实验室需要耗费很多的资金。

在公开号为CN1256752的中的专利申请说明书中描述了一种速度检测装置，通过安装在鞋底的加速度传感器获得脚部在水平方向的加速度数据，然后对加速度数据进行双重积分得到脚部的加速度值。这种装置安装比较繁琐，使用不方便。在公开号为CN1940570的专利申请说明书中描述了一种可以检测速度的导航装置，通过检测个人运动的频率，由步长和速度相乘而得到实时速度。当个人的步幅为常数时，这个方法可以得到准确的实时速度。但是研究表明在个人的步幅随着运动速度的变化，有着高达百分之六十的变化。因而这种方法很难获得准确的速度。

有研究采用惯性微传感器(IMU)采集人体步行过程中的加速度信号和角速度信号来分析人体步态的规律和计算步态参数。文献[8]结合了压力传感器的压力信号和陀螺仪采集的角速度信号做了步态周期的划分。目前大多数惯性步态分析系统都是采集一只脚的运动信息，并且使用有线的信号传输方式。由于步行的过程是两只脚配合协调的运动，一个脚的运动规律不能反映出来两个脚的协调程度。本文中设计的系统采用了两个惯性微传感器节点，分别的绑定在左右两个脚上，当系统开始采样时两个节点的数据可以同步在一起，也就是说两个节点的数据在时间上就有相关性，进而能分析两个脚步行过程中的协调性以及各项参数指标。通过本发明所设计的模式识别方法，对两脚上的两个节点所采集的数据进行分析融合，可以计算出人体步态参数。使用惯性微传感器对人体步态信息进行采集时，器件应该可重复性地牢固绑定在人体足部的同一位置，否则会给人体步态参数的分析计算带来误差。

[1]Xin Zhang，Guoliang Fan，“Dual Gait Generative Models for Human Mot ion Estimation From a Single Camera”，IEEE Trans.Syst.Man Cybern.Part B Cybern.，vol.40，no.4，pp1034-1049，Aug 2010。

[2]Zongyi Liu，Sudeep Sarkar，”Improved Gait Recognit ion by Gait Dynamics Normalization”，IEEE Trans.Pattern Anal.Mach.Intell，vol.28，no.6，pp863-876，2006。

[3]Rong Zhang，Christian Vogler，Dimitris Metaxax，“Human GaitRecognition”，IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition Workshop，pp18，Jun.2004。