（机械电子工程专业论文）人行走过程中骨盆三维运动轨迹的实验研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 人行走时骨盆运动轨迹的研究在诊断患者病情、评定康复效果、识别特 殊步态等医疗、体育、康复、人类学、宇航、人机工程等诸多领域均有重要 的科学意义及应用价值。以获取人行走时骨盆的运动轨迹为目的，该课题从 国内外发展现状及发展前景入手，主要研究内容如下： 提出了一种用于测量人在跑步机上行走时骨盆运动轨迹的新方法，并对 测量原理和数学模型进行了详细论述。设计了测力鞋垫步态检测系统，提出 了一种用于步态分析的新方法，即相位累加法。 先后设计了基于旋转光电编码器的数据获取方法和基于d s p a c e 操作系统 的数据获取方法，论述了各个运动参数的处理过程和计算方法以及步态参数 与骨盆运动参数的融合过程。 在大量实验的基础上，分析了骨盆运动轨迹和步态参数的变化规律，以 骨盆在左右方向和上下方向的运动轨迹为重点研究内容，论述了其数学模型 的推导过程，其中包括对运动幅值、周期和初始相位的数学模型的推导。 以理论分析为基础、实验数据为依据，论文最终得出了人行走过程中骨 盆运动轨迹的数学模型以及部分步态参数的数学模型，进而验证了该测量系 统的准确性和可行性。 关键词：骨盆运动轨迹；步态；测力鞋垫 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s tr a c t t h es t u d yo ft h ep e l v i st r a j e c t o r yd u r i n gh u m a nw a l k i n gh a sa ni m p o r t a n t s c i e n c es i g n i f i c a n c ea n da p p l i e dv a l u ei nt h ef i e l d so fm e d i c a lt r e a t m e n t ，p h y s i c a l t r a i n i n g ，r e h a b i l i t a t i o n ，a n t l n o p o l o g y , a s t r i o n i c s ，m a n - m a c h i n ee n g i n e e r i n ga n ds o o n i no r d e rt oo b t a i nt h ep e l v i sn a j e a o r yd u r i n gh u m a nw a l k i n gt h i ss u b j e c t c o m m e n c e sw i t ht h eh o m ea n do v e r s e a sd e v e l o p m e n ta c t u a l i t y ，a n dd i s c u s s e s m a i n l ys e v e r a la s p e c t s a sf o l l o w i n g ： an e wm e t h o do fm e a s l l r et h ep e l v i st r a j e c t o r yd u r i n gh u m a nw a l k i n go na t r e a d m i l li sp r e s e n t e d ，a n dt h e nt h em e a s u r e m e n tp r i n c i p l ea n dm a t h e m a t i c s m o d e la r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h ed y n a m o m e t e ri n s o l es y s t e mi sd e s i g n e da n da n e w g a i ta n a l y sm e t h o dn a m e l yp h a s es u m m a t i o n l a wi sa l s op r e s e n t e d t h ed a t aa c q u i s i t i o n sm e t h o d sb a s e do nt h ep h o t o e l e c t r i ce n c o d e ra n db a s e d o nt h ed s p a c es y s t e ma l ed e v i s e de a r l yo rl a t e t h es p o r tp a r a m e t e r sp r o c e s s i n g a n dc o m p u t a t i o nm e a n sa n dt h ef u s i o np r o c e s s i n gb e t w e e nt h eg a i tp a r a m e t e r s a n dt h ep e l v i sm o t i o np a r a m e t e r sa r ca l s oe x p o u n d e d t h ep e l v i st r a j e c t o r yd u r i n gh u m a nw a l k i n ga n dt h ev a r i a t i o nr u l ea r e a n a l y z e db a s e do nal a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t s t a k i n gt h ep e l v i st r a j e c t o r i e si n t h em e d i a l - l a t e r a la n dv e r t i c a ld i r e c t i o n sa st h em a j o rs t u d yc o n t e n t , t h i st h e s i s d i s c u s s e st h ed e d u c ep m c e s s m go ft h e i rm a t h e m a t i c sm o d e l si n c l u d i n gt h em o d e l s o ft h em o t i o na m p l i t u d e ，c y c l ea n d o r i g i n a lp h 鹤e i nt h eo p i n i o no ft h ee x p e r i m e n t a ld a t a , b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s e st h e t h e s i so b t a i n se v e n t u a l l yt h em a t h e m a t i c sm o d e l so ft h ep e l v i st r a j e d 谢c sa n dt h e p a r t i a lg a i tp a r a m e t e r sd u r i n gh u m a nw a l k i n g t h e s ec o n c l u s i o n sp r o v et h e a c c u r a c ya n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h em e a s u r e m e n ts y s t e m k e y w o r d s ：p e l v i su a j e c t o r y ；g a i t ；d y n a m o m e t e ri n s o l e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签- - - 7 ) ：邀壅兹 日期：孔卵多年月哆日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源 课题来源之一：国家自然科学基金( 6 0 5 7 5 0 5 3 ) ； 课题来源之二：国家教委留学回国人员科研启动基金； 课题来源之三：黑龙江省国际科技合作基金( w c 0 3 1 1 3 ) 。 1 2 课题研究意义和目的 神奇的人体生命系统对于人类来说，一直具有很大的吸引力。几个世纪 以来人们一直尝试用各种方法来描述和解释人体生命系统中的各种现象，而 其中探索人体自身的运动机理一直是人类关注的热点“1 。 有关人体步态运动学的研究起源于十七世纪欧洲，延续至今已经有近四 百年的历程“1 。从研究范围上讲，主要包括步长、步宽、步态频率、行走速 度、加速度，肩、髋、膝、踝等关节的旋转转角以及各个肢体( 如四肢、躯 干、骨盆) 的运动轨迹等。人们对人体步态运动学分析的兴趣来源于不同的 研究目的，除医学研究外，对许多工程研究领域都具有重要的应用价值： ( 1 ) i | 缶床诊断临床医学上对于病症，特别是运动功能障碍病症的正确诊 断是基于对人体正常与非正常运动充分了解的基础上的，治疗手段的采用也 是基于对人体运动机理和生命现象的认识和理解基础上的，因此对于人体运 动的分析和对人体运动机理的研究能帮助医学工作者正确诊断病症和采取有 效措施。 ( 2 ) 康复工程肢体残疾是所有残疾中发生率最高的一种，肢体残疾直 接导致的是患者的运动功能障碍。肢体残疾者使用的假肢和矫形器是康复工 程领域中两项很具代表性的主要技术，也是将人体运动机理分析的成果进行 应用研究的典型范例。 ( 3 ) 人机工程学人机工程学主要研究人与机械、人与环境以及机械与 环境之间的相互作用。作为人机系统中的两大组成部分之一，人的生理和心 哈尔滨工程大学硕士学位论文 理特性以及人体的各种功能( 包括运动功能) 和限度是入机工程学的重要研 究对象，也是人机工程学研究的基础之一。 ( 4 ) 体育科学体育科学包括运动医学、运动生理学等与体育运动相关的 学科，它们均是以体育运动作为研究对象，通过对人体运动的研究来提高体 育运动的水平，减少和避免运动中的意外伤害，治疗运动损伤等。在对很多 体育运动( 如体操、跳水等) 的研究中，运动的协调和身体的平衡是重要的 关注方向”1 。 ( 5 ) 仿生机构与仿生制造自然界的生物经过了漫长的进化，构造了相 当完美的生命系统，模仿生命系统来改进现有设计、制造方法和制造系统具 有重要的实际意义，生物学与机械工程结合产生了生物机械工程学 ( b i o m e c h a n i c a l e n g i n e e r i n g ) ；医学与工程科学结合形成了生物医学工程 学( b i o m e d i c a le n g i n e e r i n g ) 。 本文所要达到的目的是建立一套完整的骨盆运动轨迹测量系统，通过实 验得出正常人行走过程中骨盆运动轨迹的数学模型，此模型可以被用于对患 有行走功能障碍或其他疾病的非正常步态的受试者进行步态分析，能够帮助 医生诊断病情、观察病人的康复状况、指导病人行走训练等。 1 3 研究方法发展概况 1 3 1 国外发展概况 早在十九世纪末b r a u n 和f i s c h e r 就提出人体运动信息测量的基本参数包 括各个关节角度的测量以及肢体运动参数的畏4 量，并发明了一种基于盖斯勒 管、音叉和摄像机测量肢体三维运动参数的方法。为了保证受试者不受电 击，测量过程中必须穿橡胶制成的衣服。整个测量过程需要8 至l o 个小时，数 据的简化及参数的计算需要花费几个月的时间。这种方法虽然在定程度上 可以得到某些步态参数，但由于需要大量的时间和工作，显然不能够被现在 乃至当时的步态研究学者采纳。 二十世纪四十年代，e b e r h a r d t 和i n m a n 又提出了一种新方法“。在受 试者的髋、膝、躁关节和脚上分别固定一个发光灯泡，一个带有细长孔的圆 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 盘在摄像机前匀速旋转，受试者行走过程中发光点在胶片上产生一系列的点， 将这些点连接起来，并手动测量各个关节的角度。为了得到各关节在矢状面 上的旋转角度，i n m a n 将一些针状物扎入到骨盆、大腿骨和胫骨上，通过固定 在受试者上方的摄像机记录各个针的旋转参数。这给受试者带来的痛苦是不 可想象的，因此该种方法仍然不其有实际应用价值。 步态运动学研究方法发展到二十世纪中后期出现了多种步态参数测量方 法，其中具有代表性的研究成果方法有： ( 1 ) 利用频闪光和反光片手动测量关节转角 直到二十世纪六十年代，美国威斯康星州的m a r yp a tm u r r a y 博士发明了 一种简单、有效、低成本的步态参数测量方法：在受试者各关节点位置贴上 反光片，并在频闪光前行走，通过测量胶片上记录下来的反光片的位置可以 得到单个肢体的运动参数0 1 。 m a r yp a tm u r r a y 的测量方法不仅可以得到受试者上肢、躯干、骨盆以及 下肢的运动参数，而且还可以得到矢状面内的旋转角度。她的研究结论在很 大程度上已经非常相似于现在的研究结论，缺点是仍然需要手动测量，不仅 延长了工作时闻而且还会带来较大的测量误差。 ( 2 ) 利用电子量角器直接测量关节角度 使用量角器测量关节转角的方法被许多研究人士认同并采纳。最先将量 角器用于测量步态关节转角的是k a r p o v i c h 兄弟”1 ，与先前的方法比较这种方 法的优点在于可以快速的测量多个步态周期的各关节转角并绘制相关的图表 曲线，而且不需要对数据进行大量的手动计算。随后在1 9 7 6 年b a j d 等人发表 的文章9 1 中阐述了一种在线测量方法，用六个高精度电位计对髋、膝、踝关 节在矢状面内的旋转角度进行适时测量，这种方法可以在测量的同时对采集 到的数据进行在线处理，并且操作简单、可靠、成本较低。运用这种方法进 行人体步态运动学分析的还有m c l e o d “”，t a r a “，j o h n s t o n 和s m i d t “， l a m o r e u x “，k i n z e le ta 1 1 和t o w n s e n de ta 1 “”等等。较具代表性的 研究有e d m u n dy s c h a o 博士在1 9 8 0 年基于陀螺仪的基本原理发明的三维量 角器，如图1 l 所示，并将欧拉方程运用到了测量数据的计算当中“。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 1 使用三维测角仅测量髋关节和膝关节的转角 使用测角仪测量关节角度，表面上看是一种行之有效的方法，但是仍然 不能够在临床上应用，原因如下：其一，由于被测对象的身高和体重变化范 围较大，即使有多种大小规格的测量仪器也不可能适用于任何人；其二，大 量的硬件设备给小孩子的测量带来了困难；其三，尽管可以将所有设备牢固 的固定在身体表面，但是由于皮肤与骨骼的相对运动以及软组织的滑动必定 给测量结果带来无法消除的误差。 ( 3 ) 数字检影技术在步态分析中的应用 早期的步态分析系统采用电影技术摄取各个实时活动环节进行分析。采 用人工数字捡影技术后，通过两部或多部摄像机可确定标志物的三维( 3 d ) 位 置。摄影分析和人工数字检影主要的不足是使资料数字化需要很长的处理时 间，操作者需经多方面的训练。 最先将数字检影技术用于步态参数测量的是美国的d h s u t h e r l a n d ， 在当时计算机存储容量和计算速度还都相当初级的阶段，从起初手动记录屏 幕上特征点的坐标到后期利用光电编码器测量其位置坐标，再到最后利用声 波数字转换器采集测量数据，如图1 2 所示“。 从二十世纪末开始步态运动学研究方法开始进入了成熟阶段，许多国家 建立了步念运动学分析实验室，并且开始向实用化、自动化方向发展。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 2 基于声波数字转换器的图像处理步态分析 ( 1 ) 基于图像处理的自动跟踪系统 随着计算机存储能力与计算速度的不断增强，在二十世纪后期许多研究 机构建立起了基于图像处理技术的自动人体步态运动跟踪系统，标志着步态 运动学研究进入到了一个新阶段。 大多数的研究机构采用在受试者的主要关节部位贴上与背景颜色反差明 显的反光片或发光体，用两个或多个摄像机从不同角度拍摄受试者的运动过 程，通过图像处理技术采集标志点的运动特征参数。 2 0 0 0 年美国的l i - s h a nc h o u ，k e n t o nr k a u f m a n 等人进行了人体运动学 研究，如图1 3 所示“，他们采用了2 7 个反光片贴在被测者的主要关节部位进 行图像采集。 2 0 0 3 年意大利的研究者c f r i g o 和r c a r a b a l o n a 等人运用相同的测量原 理对入行走过程中上半身的肢体运动进行了研究，得出了肩膀、躯干和骨盆 之问的旋转运动关系。图1 4 清楚地描述了分析原理“。 日本东京的科学与工程学院在2 0 0 4 年推出了一套用于双足类人机器人的 步态参数自动跟踪系统。该系统的特点在于可以在线获取人体运动参数， 通过数据处理和计算机仿真对双足机器人进行在线示教，使机器人完成和受 试者相同的动作。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 棼蠖 图1 3 用反光片测量运动参数图1 4 测量上半身运动参数 与以往的测量方法比较，自动跟踪系统具有如下优点： a 、同时采集全身各部位的运动信息，可以方便的比较各个肢体之间的运 动关系： b 、此方法不受受试者的年龄、身高、体重、健康状况等各种因素的影响， 因此便于临床分析研究； c 、通过完善软件系统可以使整个测量过程更加简单化、系统化、智能化； d 、采用高性能的计算机处理系统，便于系统的进一步开发，例如在测量 过程中添加虚拟现实技术等等。 此系统仍然存在诸多缺点： a 、由于使用多台高性能的摄像机和大量的反光片，使测量系统的成本高 于以往任何测量系统： b 、摄像机放置位置、室温变动以及传感器和电子仪器移动会给系统带来 误差，因此必须具备正确的摄像方法和校准系统。在大多数步态分析实验室 里，每天都要对该系统校准1 次以减少系统误差。 c 、图像处理是一门专业性技术，因此自动跟踪系统的歼发与使用都要求 操作人员具有专业的计算机图像处理知识，这给临床应用带来了诸多不便。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 2 ) 加速度计在人体运动参数测量中的应用 在步态运动学的整个发展过程中，一直以受试者被测部位的位置参数为 主要研究对象，而对速度和加速度的研究相对较少。2 0 0 4 年加拿大g r i f f i t h 大学的j j k a v a n a g h 等人把加速度计应用到了人体运动学分析上。在受试者 的脑部后面和第三棘突位置安装两个三维加速度计，通过信号采集和数据处 理得到了人在行走过程中头部和躯干在竖直、左右和前后方向的加速度值和 三维运动轨迹o “。 ( 3 ) 基于模型的自动跟踪系统 2 0 0 3 年英国南安普敦大学电子与计算机科学学院提出了一种基于模型的 自动跟踪系统o “，通过建立人体运动模型对图像数据进行处理分析。这种新 方法可以避免误差提高系统可靠性。同年美国俄亥俄州大学建立了人体三维 运动模型，在人体运动跟踪实验中得到了很好的应用o “。 1 3 2 国内发展概况 我国关于人体步态运动学的研究虽然起步较晚，但到目前为止已经有许 多研究机构建立起了人体运动参数测量系统。 ( 1 ) + 基于图像处理技术的步态运动学研究 2 0 0 0 年，清华大学建立了人体运动信息检测分析系统。”。实验平台示意 图如图1 5 所示，检测系统包括三维测力系统和运动轨迹检测系统。实验中受 试者侧面布置有1 0 个黑白圆环平面标志点以方便测试系统的自动识别，如图 1 6 所示，前方和侧面各放置一台c c d 摄像头，以获得肢体位移和各关节角度 等运动学参数。由于步态的运动主要集中在矢状面内，因此侧面c c d 记录的是 肢体的主要运动信息。从2 0 0 1 年杨年峰的博士论文中可以看出，在人体运动 协调规律及其参数化描述方面清华大学已经进行了较为成熟的研究。 浙江大学的汪元美教授等人基于现有的视频分析方法，提出了目前人体 运动学研究中存在的问题，并将目前的研究工作划分为基于特征和基于模型 两种不同的方法，通过对两类不同单目视频中的人体运动跟踪问题的研究， 建立了解决这些问题的思路和框架，并就这两类方法作了科学的比较“”。浙 江大学的研究成果使视频研究在人体步态分析中的应用得到了优化。图l _ 7 哈尔滨工程人学硕士学位论文 是上海交通大学研制的测量系统，其中包括图像输入、图像处理和图像输出 三个部分3 。 图i 5 下肢步态实验平台图1 6 标志点的分布 测 同步膝冲发生器 图i 7 简易步态测量系统 除此以外，基于图像处理技术研究步态运动学参数的机构还有：中国科 学院自动化研究所模式识别国家重点实验室o ”、浙江工程学院计算机视觉与 模式识别研究中心“、清华大学机电工程与应用电子技术系生物医学工程研 究所”、浙江工程学院信息电子学院。”等等。 ( 2 ) 超声技术在步态运动学研究中的应用 中国科技大学近代物理系杨衍明和林方等人以超声三点定位法为基础设 哈尔滨工程大学硕士学位论文 计研制了一套人体下肢关节点运动轨迹仪，用以测量分析人体行走过程中的 步态参数。此系统采用分时循环发射的超声脉冲作为被检测关节点的定位信 号，已选频高增益放大器和时钟对超声信号进行精确定位并消除反射波的干 扰，可以使定位精度达o 1 5 。在对人体行走步态的实测中此系统显示了数据 采集处理速度快、受试者行走自然、重建的步态直观真实、视角多变灵活等 突出特点。 1 4 存在的问题及发展前景 1 4 1 存在的问题 到目前为止，国内外在人体运动信息测量领域取得了可喜的成就，但是 仍然存在许多尚未解决的问题： ( 1 ) 反光片或发光体安放位置的准确性和可靠性问题，安放位置的任何 误差都会直接影响到测量精度和后续计算的准确程度。 ( 2 ) 利用现有的任何一种测量方法所能得到的大都是人体肢体表面的运 动信息，必须通过软件系统提供的数学模型才可以得到骨盆中心点和各个关 节中心点的真实运动参数，而这些模型全部来自于对尸体的解剖分析。对于 某些病人来说，由于本身生理结构上存在的缺陷，使他们具有特殊的数学模 型，因此模型的建立和准确性是另一个尚未解决的问题； ( 3 ) 由于人的足部具有结构复杂、骨骼密集的特点，现有的步态运动学 分析方法都不可以用来测量足部各个关节的运动参数，因此足部运动参数的 测量仍是尚未解决的问题： ( 4 ) 基于反光片的人体步态自动跟踪系统被现代研究学者广泛认同，但 是系统的高成本性大大影响了其实用性。另外，操作人员需要长时间的培训 才能够达到对测量系统软件和硬件使用方法的熟练掌握。只有专业的技术人 员才能够对系统进行二次设计开发，使其用于特殊的研究目的。 1 4 2 发展前景 针对各种研究方法的不足以及尚未解决的诸多问题，预计在今后的几年 哈尔误工程大学硕士学位论文 里对人体运动信息测量方法的研究将沿着两个方向发展：首先是以测蠡精度 高、模型准确、测量系统功能完善为目的的科学研究性发展方向，主要包括： ( 1 ) 建立足部运动学模型，进行大范围肢体和关节的运动学分析； ( 2 ) 定义关节中心点，特别是骨盆中心的定义。人体测量将着重于关节 中心点运动参数的精度，因此中心点定义的误差将直接降低测量结果的准确 程度。随着现代化医疗器械的不断发展，今后的人体运动学研究方法将借助 于c t 和m r i ( 核磁共振) 扫描等先进技术得以进一步完善。 其次是以低成本、操作简单、实用性强为目的的应用性发展方向，主要 包括： ( 1 ) 减少反光片或发光体以及摄像机的数目以降低成本，简化操作过程。 随着计算机存储力和计算能力的进一步增强，无需安装标志物的三维运动测 量方法的出现将成为可能； ( 2 ) 神经网络统计分析方法可能在步态分析中得以应用发展，计算机辅 助诊断和问题鉴定必将进一步发展完善，并在实际应用中得以推广。 1 5 课题主要研究内容 该课题的主要研究内容分为以下几个部分： 1 、测量原理分析及方案设计 提出了一种用于测量人在跑步机上行走时骨盆运动轨迹的新方法，并对 测量原理和数学模型进行了详细论述。设计了测力鞋垫步态检测系统，提出 了一种用于步态分析的新方法，即相位累加法。 2 、数据采集和数据处理 详细论述了骨盆运动轨迹测量系统和测力鞋垫步态检测系统的数据采集 方法，分别设计了基于旋转光电编码器和基于d s p a c e 操作系统的数据获取方 案，分析了各个运动参数的处理过程和计算方法以及步态参数与骨盆运动参 数的融合过程。 3 、实验数据分析 对多名健康男性青年进行了不同行走速度下的骨盆运动轨迹的测量实 l o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 验，以大量的实验数据为依据，分析了骨盆运动轨迹和步态参数的变化规律， 以骨盆在左右方向和上下方向的运动轨迹为重点研究内容，论述了其数学模 型的推导过程，其中包括对运动幅值、周期和初始相位的数学模型的推导。 此外，对于步态运动参数的数学模型也作了相关论述。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章测量原理分析及方案设计 2 1 骨盆运动轨迹测量系统 2 1 1 测量原理及系统组成 骨盆运动轨迹测量系统原理如图2 1 所示，由跑步机、支撑架、绳( 三根) 、 位移传感器( 三只) 、腰带和p c 机组成，其中三根绳的一端分别跟传感器相连， 另一端结于一点并固定在骶骨位置肿氧。在实验测量过程中，受试者只需在跑 步机上以给定的速度自然行走，操作人员观察受试者，待其行走平稳后开始 记录数据。位移传感器用来测量绳长数据，通过数据采集与数据处理最终可 以获得受试者在跑步机上以不同速度行走过程中，骨瓮在左右、前后和上下 三个方向的运动轨迹，同时还可以得到每个步态周期下的详细运动参数。 图2 1骨瓮运动轨迹测量系统原理图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 2 测量模型分析 取固定点“o ”作为坐标原点，三个坐标轴x 、y 、z 分别代表受试 者在跑步机上行走时的前后、左右和上下三个方向。在支撑架上指定位置s 、 s 、5 接装位移传感器，并标定每个传感器在坐标系x y z 中的坐标分别为：5 ； ( ，y l ，z 1 ) 、s ( 工2 ，y 2 ，z 2 ) 、s ( x 3 ，y 3 ，z 3 ) ：设悄坐标为( h ，y ，幻) ， 憔到三个传感器的距离( 即各绳长) 分别为f ，、l 、f ，由位移传感器测量 获取，推导测量模型如式( 2 - i ) 所示： i b ，一工，) 2 + ( y 。一y n ) 2 + 如。一z ，) 2 一l 。 j 4 ( x 2 一x ，) 2 + ( y ：一_ ) ，) 2 + ( z ：一z ，) 2 - f ： ( 2 1 ) i k h ) 2 + ( ) ，一y ，) 2 + g ，一z 。) 2 一f ， l 由( 2 一1 ) 式可得： 靠。x i - - 衍1 i 葡丽 胪坐越至萼巫巫 q 2 一t z k k k ：+ t 2 i k l + 腿+ 2 q r 9 吾 + c r 2 + 2 q s r 2 k m 一r 2 儿一丁2 m k7 k ； + ( 2 r s + r ：埘+ 舰k ，+ 0 ：+ r z m m ) 。0 其中，q p 2 一f 2 k f 2 k r 。2 n p l f 2 l - f l 2 s n 2 一m f “一f m 2 r 1 2 f f n h f 一f h p f 】t 一| f ? m ；6 4 8 2 c 8 2 + c ：2 y 。2 - - z 1 2 4 ：) 1 3 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) ( 2 一l o ) ( 2 1 1 ) 一一一一一篁鎏里拦型型鍪翌一 j ! i f ，。6 们，2 白，2 + c 2 1 2 y ，2 _ 2 一a “) ( 2 1 2 工。6 4 2 c o y l a d b 2 2 8 4 2 1 2 8 2 c 2 2 1 ) ( 2 - 1 3 l ，。6 4 2 b “c d y 。一a d b ”一2 b 4 z ，- 2 b 2 c 2 2 1 ) ( 2 1 4 k 一6 4 b ：白：+ c 2 + d 2 ) ( 2 一1 5 ) k t 。一6 4 br 2 b z + c 2 + d 2 ) ( 2 - 1 6 ) j 8 c d ( 2 1 7 ) ，8 c d ， ( 2 1 8 ) j 。4 油+ 2 8 2 z 。) ( 2 一玛) h ，4 1 a c + 2 8 2 y 。) ( 2 - 2 0 ) h ，4 “，c + 2 b “y ，) ( 2 2 1 ) g 。4 ( b 2 + d 2 1 ( 2 - 2 2 ) f 。4 ( b 2 + c 2 1 ( 2 2 3 ) f ，4 ( 酽+ c ( 2 2 4 ) e ；姐：0 ；2 y 1 2 _ 2 ) - - a 2 ( 2 屯5 d 。z - z 1 ( 2 2 6 ) d r 。z ，- z 1 ( 2 2 7 ) c y 2 一y 。 ( 2 2 8 ) c ，。y 3 一y l ( 2 2 9 ) b ；x - - x l ( 2 3 0 ) b ，。工，一z ， ( 2 3 1 ) a ：g ，一x 2 ) 2 + l 。2 1 2 2y 1 2 + y 2 2 - - z ，, z + 屯2 2 3 2 a ，( x 1 一x 3 ) 2 + f 1 2 一1 ) 2 一y t 2 + y 3 2 2 。2 + z 3 - 2 3 3 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 将预先标定值工l 、) ，t 、z 1 、工2 、y 2 、z 2 、工，、y 3 、z ，以及由传感器测 得的各绳长、f ：、f ，代入( 2 - 2 ) 至( 2 3 3 ) 式，即可求得憔坐标工。、y 。、 z 。显然，对于每一组输入各坐标值均有4 个解( 包括复解在内) ，但由图2 i 可知，瞧应该为第二象限点，即满足： h o z o 由此可以舍去不满足以上条件的h 、h 、z 。的解项。 ( 2 - 3 4 ) ( 2 - 3 5 ) ( 2 3 6 ) 2 2 步态分析 2 2 1 步态周期的划分规则 步行是全身肌肉参与，包括人体重心移位，骨盆倾斜旋转，髋、膝、踝关节 伸屈及内外旋展等，使人体位移的一种复杂的随意运动m 1 。步态是人体步行时 的姿态，是行走的方式和风格，正常人的步态具有定的共性，遵循大致相 同的规律”州。 一个步态周期是指从足跟着地到同侧足跟再次着地所经历的时间m 1 。正 常步态周期分为两个相位：支撑相和摆动相。 支撑相( s t a n dp h a s e ) ：从足跟着地到足尖离地，即足部和支撑面接触 的时间，约占步态周期的6 0 。 摆动相( s w i n gp h a s e ) ：从足尖离地到足跟着地，即足部离开支撑面的 时间，约占步态周期的4 0 9 6 。 美国) h r a n c h ol o sa m i g o s 医学中心提出了一种描述步态分期的方法， 称为r a n c h ol o sa m i g o s ( r l a ) 方法。认为步行时有三个基本任务：承受体 重、单肢站立和迈步向前，整个步态周期分为七个独立的期，如图2 2 所示。“。 对正常行走来说，按照脚面的姿态变化可以将支撵相分为下落期、全支 撑期和上升期：下落期指从脚跟着地到脚尖着地的时间；全支撑期指脚跟、 脚掌和脚尖同时与地面接触的时间；上升期指脚跟抬起到脚尖抬起的时间。 哈尔滨i 程大学硕士学位论文 1 、承重期：2 、支撑中期；3 、支撑末期：4 、摆动前期；5 、摆动初期； 6 、摆动中期：7 、摆动末期；a 、支撑相；b 、摆动相 图2 2r l a 步态周期图 临床的步念分析通常为二维( t w o d i m e n s i o n a l ，2 - d ) 分析方法，即只能 从平面上观察步念，如从侧面和前后面观察，2 一d 步态分析容易获得数据，但 少有研究价值。三维( t h r e e d i m e n s i o n a l ，3 - d ) 分析方法是从三个面来观 察骨盆的活动。冠状面为垂直面，从前后方向观察步态；矢状西也为垂直面， 从左右方向侧面观察步态：横切面为水平面，从上方观察步态。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 2 测力鞋垫步态检测系统及步态模型分析 2 2 2 1 测力鞋垫步态检测系统 测力鞋垫的研制主要用于以下两个目的： ( 1 ) 在测量骨盆运动轨迹的同时，为了在连续的行走状态下提取每个步 态周期内的运动参数及骨盆运动轨迹，获取步态周期信号最为关键。人在自 然行走过程中，随着两只脚支撑相和摆动相的交替变化，脚底各个部位与地 面必然以接触和悬空两个状态有规律的周期性交换。以此为基本原理设计并 研制了测力鞋垫步态检测系统，与骨盆运动轨迹测量系统进行同步测量，识 别步态周期，获取每个步态周期内的运动参数。 ( 2 ) 正常的步态具有稳定性、周期性和节律性以及个体差异性”1 。人体 的生理功能、病理力学甚至精神状态的各种变化都会不同程度的影响人体的 步态啪1 。测力鞋垫步态检测系统通过测量脚底特殊位置的受力状态，可以对 患有行走功能障碍或其他疾病的非正常步态的受试者进行步态分析，能够帮 助医生诊断病情、观察病人的康复状况、指导病人行走训练等。 由各个步态参数的定义可知，脚尖与脚跟是步态分析中的重要研究点， 是划分步态周期以及步态相位的标志性部位。其次，观察日常生活中具有行 走功能障碍的病人( 如脑中风引起的偏瘫患者) 行走时，在没有辅助设施的 情况下大多数病人往往有一只，甚至两只脚同时存在着地异常的现象，例如 在支撑相始终保持脚外侧着地，或者脚尖先着地，脚跟始终不与地面接触等 现象。为此，如图2 3 , e f i 示系统将测量位置设计在脚尖( 1 号) 、脚跟( 2 号) 、 脚掌左侧( 3 号) 和脚掌右侧( 4 号) 4 个位置，并在各个位置分别安装测力传 感器，用于测量该点与地面的接触状态：传感器有力作用对，表示此部位与 地面接触，定义为状态“0 ”；反之，则表示与地面离开，定义为状态“l ”。 在实验测量的有效时间内，4 个测量部位与地面的接触状态分别用向量 无( 前) 、l ( 后) 、 ( 左) 、f ( 右) 表示，其中各向量的维数取决于采 样频率和采样时间，并且与骨盆运动轨迹测量系统保持同步进行。因此向量 f ，、f ：、f ，与向量l 、五、正、f 具有同步性且维数相同。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 3 脚底测量位置的分布 一个正常的步态周期从开始到结束依次经历脚跟着地、脚掌右侧着地、 脚掌左侧着地、脚尖着地、脚跟抬起、脚掌右侧抬起、脚掌左侧抬起和脚尖 抬起进入摆动相八个过程。用0 、a 、b 、c 、d 、e 、确、g 分别对应以上 八个过程的开始时刻占步态周期的百分比，可得对正常步态而言待测点与地 面的接触状态如图2 4 所示。 冀， 耋： 恒o 藿。1 蓑： o ibcd e f 8i 步志周期( ) 图2 4 正常步态的待测点与地面的接触状态 其中，口表示脚跟从步态周期开始进入着地状态，到d 时开始离开地面； 表示脚尖从步态周期的c 开始进入着地状态，g 时开始离开地面：f 表示 脚掌右侧从步态周期的a 开始进入着地状态，e 时开始离开地面；正表示脚 掌左侧从步态周期的b 开始进入着地状态，f 9 6 时开始离开地面。 对于正常走步态而言，不仅存在以上八个过程，还应满足如下关系： 暗尔滨工程大学硕士学位论文 ( i ) 0 a b c d e f g ； ( i i ) g 以前为支撑相，g 以后为摆动相，g 取值在6 0 一6 5 之间”“1 ； ( t i i ) 从0 至c 为支撑相的下落期，从c 至d 为支撑相的全支撑期，从d 至g 为支撑相的上升期。 如果在实际测量过程中，发现y 0 、a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 位置颠倒，或 者缺少某些参数的情况，则可以断定此步态必为非正常步态。 2 2 2 2 步态模型 为使系统具有更大的实用性，本文提出一种新的步态分析方法称为相位 累加法，规定下落期和全支撑期的步态相位为正，上升期的步态相位为负。 正常步态的相位特征如图2 5 所示，其中“+ ”表示接触，“一”表示抬起。从 图中可知：a z 前的步态相位为1 ，并标有“正+ ”，表示此时间段仅有脚跟着 地；从a n b 步态相位为2 ，并标有“f + ”，表示此时间段在原来基础上又有 脚掌右侧开始处于着地状态；同理，从b n c 脚跟、脚掌右侧和脚掌左侧同时 着地，c 以前为支撑期的下落期；从c 开始脚尖着地( h + ) 至d 期间为全支撑 期，步态相位为4 ：而从d n g 期间，依次经历了脚跟抬起( l 一) 、脚掌右侧 抬起( 鼻一) 和脚掌左侧抬起( 五一) 三个过程，步态相位分别为一3 、一2 、一i ， 处于支撑相的上升期；从g 开始，脚尖离开地面( 五一) ，步态相位保持为0 直 至步态周期结束，代表已经进入了摆动相。 魁 罂 怕 糕 0abcdefg 1 0 0 步态周期( ) 图2 5 正常步态的相位特征 啥尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 本章小结 本章介绍了骨盆运动轨迹测量系统的测量原理和方案设计，推导了测量 模型，为了对骨盆运动轨迹进行数据分析的需要，同时也为了使系统具有更 大的实用价值，以人体步态研究方法为理论基础设计并研制了测力鞋垫系统， 并论述了该系统的设计方案，同时提出了一种新的步态分析方法，为后续的 实验研究奠定了理论基础。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章数据采集和数据处理 3 1 引言 由设计方案可知骨盆运动轨迹测量系统的数据采集过程主要分为两个部 分：一是获取绳长数据、f 2 、f 3 ，二是获取脚底待测点与地面的接触状态 数据五、丘、正、f 。对于前者本章从经济实用性角度考虑设计了基于旋转 光电编码器的采集方案，从高精度、高效率角度考虑设计了基于d s p a c e 操作 系统的采集方案。数据处理过程主要完成各个运动参数的计算、分析步态特 征以及步态参数与骨盆运动参数的融合。 3 2 基于旋转光电编码器的数据获取方法 采集方案如图3 1 所示，绳的末端绕过过轮各连一个重锤，过轮的输出轴 与三个高精度旋转光电编码器相连，在受试者行走过程中通过p c 机和基于i s a 总线的i o 接口卡完成对数据f l 、l ：、f ，的采集。 图3 1 数据采集方法原理图 3 2 1 数据采集接口设计原理 i 0 接口板设计原理如图3 2 所示i o 板提供了4 路编码器正交脉冲信号 哈尔滨工程大学硕士学位论文 输入通道，每个通道提供了电源、地、a 相脉冲输入、b 相脉冲输入4 根线，可 以外接4 个编码器，同时测量4 个编码器输出的正交脉冲；通过2 0 针并口i o 卡可以输出8 位数据和输入8 位数据。4 路单片机内部的程序可以根据需要编 写，即可以根据编码器的脉冲信号测量角速度，也可以测量绝对的转角，在 本课题中单片机是用来测量编码器的绝对转角。p c 机通过i s a 总线与4 路单片 机进行数据交换，把从单片机得到的数据显示在屏幕上，可以实时的观察与 编码器连接的过轮的转动情况，即绳长的变化。用t u r b o c 编写上位机程序可 把这些数据记录下来，存在指定的文本文件当中，实验完成以后，把这些数 据导入m a t l a b 软件，进行数据处理和定量分析。 图3 2i o 接口板原理图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 2 2 数据采集卡电路设计 3 2 2 1 编码器接口电路 编码器接口电路如图3 3 所示，图中是两路编码器的处理电路，另外两路 的处理电路与之相同。因为不同型号的编码器需要不同的供电电压，一般情 况下是+ 5 v 和+ 1 2 v ，考患到此i o 板使用的适应性，使之能为编码器提供两 种供电电源，在电路中设计了一个跳线端子j 3 ，解决了不同编码器有不同供 电电压的问题。把端子j 3 的引脚2 和引脚l 短接时，i 0 板为编码器提供+ 5 v 电源，把端子j 3 的引脚2 和引脚3 短接时，i o 板为编码器提供+ 1 2 v 电源。但 是，当编码器使用的是+ 1 2 v 电源时，它产生的脉冲信号的高电平是+ 1 2 v ， 这与单片机的工作电压范围不匹配，因此要把这时的电压信号进行分压。在 电路中，s 2 是一个拨码开关，通过它可以控制它左右两侧信号的通断。当使 用+ 1 2 v 电源时，脉冲信号的高电平是+ 1 2 v ，把拨码开关s 2 拨到o f f 一侧，这 时拨码开关两侧的信号不通，送给单片机的信号是经过两个电阻分压之后的 信号；当使用+ 5 v 电源时，脉冲信号的高电平是+ 5 v ，可以直接送给单片机， 把拨码开关s 2 拨到o n 一侧，信号导通，把右侧的电阻短路，脉冲信号就直接 送给了单片机。 图3 3 编码器接口电路 哈尔滨工程大学硕士学位论文 为了进一步提高计数精度，采用脉冲双边计数，可使精度提高一倍。图 3 4 所示为单片机双边计数的电路图。光电编码器的a 相和b 相输出端同时接到 a t 9 0 s 8 5 3 5 单片机( 具有两个外中断) 的一个中断和一个i o 口上，这样使每 一个相脉冲信号都既可以触发中断又可以作为i o 信号读取。单片机的外中断 采用上升沿触发，在一个脉冲周期里会产生了两次中断，并进行两次计数操 作，因此采用这种技术方案可使测量精度提高了一倍。 蕾恻二m - m ) ， l 叫! 图3 4 正交脉冲信号双边计