[发明专利]可调仿真膝关节步态数据采集系统及其方法

说明书

本发明涉及一种可调仿真膝关节步态数据采集系统及其方法，利用可调仿真膝关节结合薄膜式压力传感器对人体的步态数据进行采集分析，采用电阻式角度传感器真实地采集了人体在平坦路面以及复杂路况的膝关节的角度变化。利用该系统可以实时采集各种路况下的步态信息，包括膝关节的角度及角速度变化、大腿的摆动速度及加速度的变化、小腿的摆动速度及加速度的变化、足尖以及足跟的受力变化。同时，所有步态数据可利用控制盒无线传输到电脑，进行后续的分析和处理。该系统造价便宜，使用环境简单，技术的可操作性强，可以进行二次开发。没有采用固定的三维测力台，测量灵活，测量精确度高，数据可靠，不存在变异性。

技术领域

本发明涉及一种仿真膝关节，尤其涉及一种仿真膝关节步态采集、分析以及识别系统及其方法。

背景技术

行走是人类最基本的运动，行走的姿态可分为不同的类型，通过检测人体行走中的运动状态、受力状态等生物力学有关的物理量，可进一步分析影响步态的各种因素，如解剖结构、生理功能甚至精神状态的各种变化。为此，需要一定的技术手段和设备，即步态分析系统。

目前市场上主要存在两种类型的步态分析系统，第一类步态分析系统是借助于三维动作捕捉系统、三维测力台，采集人体在步行过程中各个关节点的精确三维坐标以及足底与支撑面之间的压力，通过专业的步态分析软件进行三维重建与模型分析，从而得到人体运动时的步态参数。

该类设备在分析行走过程中，能够获取人体在各体态和运动下的生理、病理的力学和数学参数，进行人体各部位和机能检测，所检测的数据经进一步分析计算后可获得人体各部位(特别是关节)的受力状态、以及机械功、代谢能量消耗的情况。但采用该类步态分析系统存在以下缺点：

(1)该类设备的三维影像动作捕捉系统需要配备价格昂贵的三维摄影系统，其技术一致由国外垄断，并且对设备的安装环境也很苛刻。

(2)在实际生活中，由于我们所处的环境不同，会遇到很复杂的路面情况，随之行走的状态也会发生一定的变化，例如上坡、下坡、上楼梯、下楼梯、以及经过不平坦路面等。该类设备所配备的三维测力台仅仅适应对于平坦路面的模拟，而对于复杂的路面情况(上坡、下坡、上楼梯、下楼梯)无法进行测量，测量范围受到一定的限制。

(3)三维影像动作捕捉系统采用影像技术将附于人体各部位的反光标志点转换为三维坐标数据，因此所测得的数据不一定总是可靠，存在一定的变异性。

第二类步态分析系统是利用对穿戴在受试者上肢、下肢或腰等部位的传感器进行数据采集，并对该数据加以处理和分析，以得出受试对象的步态数据。该类系统利用的传感器多为角速度(陀螺仪)及角加速度传感器。该类型的步态分析系统在一定程度上弥补了第一类步态分析系统存在的缺点。

(1)因为采用角速度(陀螺仪)及角加速度传感器对步态数据进行采集，所以避免了使用造价昂贵的三维影像动作捕捉设备。

(2)因角速度(陀螺仪)及角加速度传感器所采集的步态数据的可靠性高，所以不存在数据的变异性。

既便如此，该类步态分析系统仍然存在以下不足：

(1)该类步态分析系统是将若干个角速度(陀螺仪)及角加速度传感器通过束带加装在受试对象的测试点上，但是在行走过程中，由于束带会受到衣物的拉扯，进而导致各个传感器的相对位置发生错动，最终会对测量结果产生影响。

(2)膝关节角度变化在步态分析中是一个重要的变量，但如果采用该类步态分析进行步态分析，其膝关节角度变化量是由角速度(陀螺仪)的角速度数据进行积分获得，随着测试时间的延长，积分值会产生累积误差，测试结果将严重失真，因此测试时间具有一定的限制。

综上所述，两种类型的步态分析系统都存在不同的优缺点，若利用以上任意两种类型的步态分析系统对膝关节的步态特征都存在不足之处。因此，有必要研究一种更加适合于测量膝关节运动特征的测试系统。

发明内容