專利名稱：一種超聲波步態檢測裝置與方法
技術領域：
本發明涉及一種助行康復訓練裝置與方法，特別涉及一種基于助行機器人平臺上安裝多路超聲波傳感器，檢測人行走時雙腿與超聲波檢測平臺之間的距離，通過對檢測的距離數據處理分析，提取出人體行走時的步態參數，包括平均步長，平均步速，步頻等的超聲波步態檢測裝置與方法。
背景技術：
2011年11月初，世界總人口數已達到70億，根據中國最新公布的人口普查報告結果顯示，全國總人口為1.34億人，60歲及以上人口為1.77億人，約占總人口數的13%。60 歲及以上人口的比重上升2. 93個百分點，65歲及以上人口的比重上升1. 91個百分點。隨著中國人口老齡化的現象逐漸加劇，在老齡人群中存在大量的下肢運動功能障礙的患者， 這類患者除了早期的手術治療和必要的藥物治療外，正確的、科學的康復訓練對恢復或提高下肢運動功能發揮著重要的作用。助行康復訓練機器人可對下肢存在運動功能障礙的患者進行及時，科學而且有效的下肢康復訓練，而對這類患者的步態信息進行及時的檢測與分析是對這類患者進行康復訓練的理論依據和必要前提。目前主流的步態特征提取方法是基于計算機視覺和基于傳感器等方法實現。 L.Lee等用基于圖像輪廓各部分的矩陣特征來分析步態。Lilhan Chou, Kenton等人采用 27個反光片貼在受試者的主要關節部位進行圖像采集。J. P. Foster等人提出了一種基于模型的自動跟蹤系統，通過建立人體運動模型對圖像數據進行處理分析。這些基于圖像的處理方法由于攝像機的位置、以及傳感器移動會給系統帶來誤差，必須具備正確的攝像方法和校準系統，需要操作人員具有專業技術。在公開的世界專利號5831937提出一種用超聲波傳感器檢測人體行走的步態特征，超聲波發射端安裝在受試者腰部后面，接收端安裝在與發射端同一高度的某一固定位置上，通過距離數據提取人體步態信息。在公開的中國專利申請號200420059643. 5中提出一種應變式三維測力臺方法檢測步態信息，三維測力臺需要安裝在專用步道上，安裝繁瑣，成本較高。在公開的中國專利申請號200910069062. 7中提出一種用將超聲波傳感器放入鞋底檢測距離信號的一種步態測量裝置，這種檢測方法成本很低，但只能檢測在雙腳落地時進行步長和頻率。在公開的中國專利申請號2009101M024. 1中提出一種在人體腰部前面安裝兩軸加速度傳感器進行人體步態的步速測量，這種步態檢測方法簡便，成本較低，但將傳感器安裝在受試者身上，對傳感器位置的安裝需要進行多次調試，檢測過程中攜帶在受試者身體上的傳感器的抖動會帶來很多干擾。

發明內容
本發明的目的在于解決現有技術存在的上述問題，提供出一種用多路超聲波步態CN 102499692 A
說明書
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檢測裝置與方法。本發明提出的這種裝置與方法可以檢測人體行走時的步態特征數據，對數據進行處理分析，計算出步長，平均步速，步頻等步態特征參數。本發明給出的技術方案是這種用多路超聲波步態檢測的方法，采用超聲波傳感器檢測人體行走的步態特征，其特點是將超聲波檢測裝置安裝在助行機器人平臺前方，，在受試者身體上不加裝任何檢測設備，通過多路超聲波傳感器分別檢測受試者左右腿行走時與超聲波檢測平臺之間的距離，提取出人體行走時的步態信息，分析計算步態參數，包括平均步長，平均步速，步頻，瞬時速度等參數。設置在助行機器人平臺上的超聲波檢測裝置與受試者同時移動，多路超聲波檢測受試者在行走過程中左右腿與超聲波檢測平臺之間的相對距離數據，通過檢測的距離數據分析受試者步態信息，多路獨立的超聲波和其發射接受裝置，通過超聲波發射到受試者腿部并返回到接收端。所述多路超聲波檢測受試者在行走過程中左右腿與超聲波檢測平臺之間的相對距離數據時是通過多路超聲波進行循環數據檢測。檢測系統對檢測區域范圍的設置，包括(1)超聲波檢測系統平臺與受試者行走方向垂直。(2)通過增加超聲波傳感器數量來增加檢測區域的寬度。(3)通過軟件設置單路超聲波傳感器的最大檢測距離，避免助行機器人和其他障礙物對數據檢測產生干擾。(4)通過結構設計改變超聲波傳感器與檢測平臺之間的角度，減小超聲波檢測時產生的干擾。采樣時間的設置，通過在已設置的采樣周期內部進行采樣，采樣時間要小于采樣周期，增加了采樣密度，確保每次采樣周期相同。通過單片機控制超聲波傳感器采集數據，通過單片機與計算機進行串行通訊，將采集回的數據傳入計算機。對數據的處理方方法，包括對去除數據中噪聲，對數據進行平滑濾波，采集的數據進行合并，數據的峰值檢測。通過判斷相鄰采樣數據的差值大小去除噪聲，判斷對多路數據在同一采樣時刻數據差值大小合并多路數據，通過局部數據的變化判斷峰值。通過數據處理后對步態信息的提取方法，包括通過峰值對步態周期的判定，平均步長的確定，平均步速的確定，步頻的確定。根據處理后的左腿和右腿的檢測數據最大差值計算步長，通過檢測數據與步長的關系計算步長的方法，通過峰值檢測確定步長時間，步態周期時間，計算平均步長，平均步速和步頻。本發明給出的這種用多路超聲波步態檢測裝置，其特點是包括有基于助行機器人平臺的超聲波步態檢測裝置，多路獨立的超聲波和其發射接收裝置，單片機數據采集與傳輸裝置，安裝在計算機之內的步態數據處理單元、步態特征參數計算與分析單元。為更好的實現本發明的目的，所述的超聲波和其發射接收裝置采用超聲波測距模塊，該模塊集成超聲波信號觸發器，超聲波發射，接收電路，通過觸發信號控制超聲波發射信號，再通過壓電效應的換能器，將接收的超聲波信號轉換為DC5V電壓，通過檢測返回電
4壓時間檢測障礙物的距離位置。(1)主要技術參數實用電壓DC5V。靜態電流2mA。電平輸出高5V，低0V。感應角度不大于15 度。探測距離2cm-450cm。精度可達(2)接線方式VCC、trig (控制端)、echo (接收端)、GND(3)使用方法一個控制口發一個IOus的高電平信號，模塊的信號觸發器發射40k赫茲的方波， 在接受端等待高電平輸出來檢測是否有信號返回，一有輸出便開定時器計時，當接收端變為低電平時讀取定時器的值，此時間為測距的時間，檢測距離=(高電平時間*聲速(340m/ s))/2。四路超聲波采集系統結構的設計超聲波位置距離數據是根據全方向康復助行機器人的實體距離大小而設計的，并經過多次反復檢測實驗設計出的最佳位置，可使在系統檢測時最大限度排除兩腿之間的數據檢測干擾和車體對檢測產生的干擾。1、2路超聲波檢測左腿行走時的數據，3、4路超聲波檢測右腿行走時的數據。為更好的實現本發明的目的，所述的單片機數據采集與傳輸裝置采用PIC16F877A單片機，每個I/O 口的最大推拉電流能力20mA，足以達到每個超聲波2mA的靜態電流要求。用單片機的四個I/O 口做觸發信號，用令四個I/O接收返回信號。通過循環檢測四路超聲波數據消除超聲波之間的干擾，用定時器0設置單路超聲波的采樣時間，用定時器1獲取超聲波檢測時間，在規定的采樣時間內執行超聲波檢測，所以采樣時間的設置要大于超聲波的檢測時間，在采樣周期內進行采樣，這和以往的采樣不同，在很大程度上減少采樣時間，在單位時間內獲取更多的數據。超聲波檢測距離限制，超聲波發射接收裝置的檢測范圍為2cm-450cm，而本套檢測系統需要檢測的最大距離為70cm，經過計算后，通過檢測定時器的TMRlH寄存器的值，判斷 TMRlH的值是否超過70cm的檢測值，如果超過測結束檢測，進行下一路超聲波檢測。單路超聲波檢測過程，通過單片機I/O引腳觸發給超聲波控制端trig —個20微秒的高電平觸發信號，用定時器1計時20微秒后關掉定時器1，將超聲波接收端介入單片機 I/O引腳，等待接收端返回高電平信號，用定時器1計算返回高電平信號持續的時間。檢測數據壓縮，定時器1為16位定時器，在不影響步態數據分析的情況下，將16 位數據壓縮到8位數據后可減少檢測時間和減少數據處理難度，通過70cm的最大檢測距離，定時器1所需存放的最大數位為11位，省略其后三位，將數據壓縮成8位，這樣就保證了用一個字節的八位數據傳送，節省了數據上傳時間，但數據的精度同時變成了 8微秒的距離，也就是1. 36毫米，這個精度能夠滿足步態數據檢測分析的要求。將檢測的數據經過串口傳入計算機內，再對采樣數據進行處理。為更好的實現本發明的目的，所述的安裝在計算機之內的步態數據處理與分析單元是根據四路超聲波檢測的數據，對數據進行合并，去噪，濾波，峰值檢測，周期劃分等處理，合并后的兩路數據分別為左腿和右腿與檢測平臺之間的距離，通過峰值確定在每個步態周期中雙腿之間的最大距離，在經過比例變換計算出實際步長，再計算出所有步長的均值，便可計算出平均步長，根據采樣時間的提取和峰值檢測，便可計算出平均步速和步頻。
通過對經過處理后的距離數據與時間的微分，便可計算出每一個采樣點的瞬時速度值。還可以通過對檢測的左右腿數據在同一周期內的不同位置，速度，以及周期相位的不同，在后期對受試者的步態對稱性進行分析。通過計算的步態參數與實際的步態參數進行比較分析，來判斷超聲波步態檢測裝置的精確度。與現有技術相比，本發明的有益效果為(1)基于助行機器人平臺搭建超聲波步態檢測系統，受試者身上不加裝任何設備， 可對受試者無任何限制地進行步態數據檢測。這樣很大程度上提高了受試者在檢測過程中的心里素質，增加對有下肢運動功能障礙的患者康復的信心，而且可頻繁、高效的對不同受試者進行步態檢測。(2)在全方向助行機器人前面安裝多路超聲波傳感器，將檢測范圍規定在受試者行走的一個固定檢測區域。通過循環檢測消除超聲波之間回波干擾，再通過對檢測裝置的機械結構進行合理的優化設計，減少受試者行走時雙腿之間對數據采樣時的干擾。(3)設置采樣周期的方式不同于以往的采樣方式，在設置的采樣周期內部進行采樣，等待采用周期結束后進行下一次采樣，這樣增加了采樣數據的密度。(4)檢測的數據是人體行走時雙腿與檢測平臺之間的距離數據，通過數據能確定行走時每一時刻的狀態，還可計算出每一時刻的瞬時速度。根據檢測的數據進行相應的處理計算，可以很方便的提取出步態特征參數，包括對平均步長、平均步速、步頻和瞬時速度的提取，還可對后期的步態對稱性及穩定性進行分析。(5)相對其它方法，該方法對步態參數的提取簡單易懂，成本較低，使用安裝方便， 數據處理速度快。但該方法最大的不足在于超聲波檢測時產生的多種干擾，通過檢測算法的優化和檢測裝置機械結構的設計可大量減少這些干擾。


圖1為基于助行機器人的超聲波步態檢測系統示意圖，其中1為助行機器人，2為超聲波檢測系統，3為受試者。圖2為超聲波檢測原理框圖。圖3為超聲波步態檢測系統結構設計圖，其中4，5，6，7為四個超聲波傳感器。圖4為基本步態參數定義示意圖，其中8為步長，9為跨步長，10為步態周期，11為內步寬，12為外步寬。圖5為一組經過數據處理后的步態數據曲線，其中A為檢測的右腿步態數據曲線， B為檢測的左腿步態數據曲線。圖6為步長計算各參數示意圖，其中13為超聲波傳感器。
具體實施例方式下面結合附圖和實例對本發明的技術方案做進一步詳細說明。一步態檢測裝置如圖1所示，超聲波檢測系統安裝在助行機器人平臺前面，檢測人行走時與超聲波位于同一高度的步態數據，把檢測的數據再進行相應的比例變換，從而計算出步長值。超聲波接受發射模塊檢測原理如圖2，通過對超聲波控制端觸發20微秒高電平信號，模塊對信號進行調制，產生40千赫振蕩脈沖信號，發射超聲波，當遇到障礙物后超聲波信號返回，在對信號進行增益放大后傳送到返回端定時器計時，再傳送到控制端。超聲波檢測系統結構設計如圖3，其中單位均為厘米。每個超聲波最大感應角度 15度，最大檢測距離為70cm。陰影部分為超聲波的檢測區域，黑色外框為助行機器人的內部邊界。圖中1、2兩路超聲波檢測左腿行走時的數據，3、4兩路超聲波檢測右腿行走時的數據。1路和2路，3路和4路超聲波之間的距離為9cm。正常人行走的內步寬為5cm-10cm， 外步寬為25cm-30cm，基本步態運動參數定義如圖4所示，為了減少分別檢測兩腿行走時的超聲波檢測干擾，并通過實驗驗證，將2、3路傳感器時間距離設置為17cm。為了去除左右腿行走時對超聲波之間檢測的干擾，2路和3路超聲波與檢測平臺成7. 5度角，1路和4路超聲波與檢測平臺平行放置。將超聲波傳感器與單片機連接，四路I/O 口提供觸發信號，另外四路I/O 口接收返回信號。用手提電腦USB 口為單片機提供電源，用串口轉USB裝置和串口線將單片機連接， 使單片機和計算機進行異步串行通信。二數據處理求出每一路超聲波相鄰采樣點數據的平均差值，如果其中某個數據大于平均差值的3倍以上，就認為此數據為跳變點，如果這些跳變點前后10個數據點導數均為正值或負值，則這些跳變點用前后的10數據點的均值代替，如果這些跳變點的前面或者后面的導數有出現正值和負值，則該數據點用其導數為同號的數據點均值代替，這樣避免了步態參數計算時的誤差。用同樣原理進行峰值檢測，如果某一數據點前后10個數據點導數異號，則認為該數據點為峰值點。1、2路和3、4路堅持的數據分別合并成一路超聲波，1、2路超聲波檢測左腿數據，兩路數據差值很小，求出兩路差值的平均值，如果兩路差值大于平均差值的 3倍，則取數據值較為平滑的數據值，也就是相鄰數據差值小的那一路數據，若兩路數據差值很小，則取兩路超聲波檢測的較大數據值，這樣最大限度的排除了檢測時的異常數據，以及在不影響步態分析的前提將兩路超聲波合并，3、4路超聲波也按照相同原理合并。之后對每個數據進行五點二次平滑濾波，其定義為
權利要求
1.一種超聲波步態檢測方法，采用超聲波傳感器檢測人體行走的步態特征，其特征在于將超聲波檢測裝置安裝在助行機器人平臺前方，在受試者身體上不加裝任何檢測設備， 通過多路超聲波傳感器分別檢測受試者左右腿行走時與超聲波檢測平臺之間的距離，提取出人體行走時的步態信息，分析計算步態參數，包括平均步長，平均步速，步頻，瞬時速度等參數。
2.根據權利要求1所述的一種種超聲波步態檢測方法，其特征在于設置在助行機器人平臺上的超聲波檢測裝置與受試者同時移動，多路超聲波檢測受試者在行走過程中左右腿與超聲波檢測平臺之間的相對距離數據，通過檢測的距離數據分析受試者步態信息，多路獨立的超聲波和其發射接受裝置，通過超聲波發射到受試者腿部并返回到接收端。
3.根據權利要求1所述的一種超聲波步態檢測方法，其特征在于所述多路超聲波檢測受試者在行走過程中左右腿與超聲波檢測平臺之間的相對距離數據時是通過多路超聲波進行循環數據檢測。
4.根據權利要求1所述的一種超聲波步態檢測方法，其特征在于檢測系統對檢測區域范圍的設置，包括(1)超聲波檢測系統平臺與受試者行走方向垂直。(2)通過增加超聲波傳感器數量來增加檢測區域的寬度。(3)通過軟件設置各路超聲波傳感器的最大檢測距離，避免助行機器人和其他障礙物對數據檢測產生干擾。(4)通過結構設計改變超聲波傳感器與檢測平臺之間的角度，減小超聲波檢測時產生的干擾。
5.權利要求1所述的超聲波步態檢測方法中使用的超聲波步態檢測裝置，其特征在于包括有基于助行機器人平臺的超聲波步態檢測裝置，多路獨立的超聲波和其發射接收裝置，單片機數據采集與傳輸裝置，安裝在計算機之內的步態數據處理單元、步態特征參數計算與分析單元。
6.根據權利要求5所述的超聲波步態檢測裝置，其特征在于所述的超聲波和其發射接收裝置采用超聲波測距模塊，該模塊集成有超聲波信號觸發器、超聲波發射、接收電路， 通過觸發信號控制超聲波發射信號，再通過壓電效應的換能器，將接收的超聲波接收信號轉換為電壓，通過檢測返回電壓時間檢測障礙物的距離位置。
7.根據權利要求5所述的超聲波步態檢測裝置，其特征在于所述的單片機數據采集與傳輸裝置采用PIC16F877A單片機，每個I/O 口的最大推拉電流能力20mA，用單片機的四個I/O 口做觸發信號，用另四個I/O接收返回信號，通過單片機控制超聲波，設置在采樣周期內部采樣的方式，在規定的采樣時間內執行超聲波檢測，循環檢測四路距離數據，通過單片機與計算機進行串行通訊，將采集回的數據傳入計算機。
8.根據權利要求5所述的超聲波步態檢測裝置，其特征在于所述的步態數據處理與分析單元是根據四路超聲波檢測的數據，對數據進行合并，去噪，濾波，峰值檢測，周期劃分等處理，合并后的兩路數據分別為左腿和右腿與檢測平臺之間的距離，通過峰值確定在每個步態周期中雙腿之間的最大距離，在經過比例變換計算出實際步長，再計算出所有步長的均值，便可計算出平均步長，根據采樣時間的提取和峰值檢測，便可計算出平均步速和步頻。
全文摘要
本發明公開了一種超聲步態檢測裝置與方法，其特點是將超聲波檢測系統安裝在助行機器人平臺前方，通過多路超聲波傳感器分別檢測受試者左右腿行走時與超聲波檢測平臺之間的距離，提取出人體行走時的步態信息，分析計算步態參數，包括平均步長，平均步速，步頻，瞬時速度等參數；該裝置包括超聲波發射接收裝置，數據采集與傳輸裝置，步態數據處理單元，步態特征參數計算分析單元。本發明將檢測裝置安裝在助行機器人平臺上，在受試者身上不加裝任何設備，可對受試者無任何限制地進行步態檢測，減少了受試者步態檢測時的心里負擔，提取的步態特征參數較精確，檢測系統結構簡單，使用安裝方便，成本較低。
文檔編號A61B5/11GK102499692SQ20111039335
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月30日 優先權日2011年11月30日
發明者劉曉剛, 孫柏青, 張秋豪, 楊俊友, 沈金虎, 趙前程 申請人:沈陽工業大學