[发明专利]一种基于下肢关节运动信息的步态相位判别方法

说明书

技术领域

本发明涉及智能假肢膝关节运动的控制，特别是涉及一种基于下肢关节运动信息的步态相位判别方法。

背景技术

车祸、疾病等使越来越多的失去了下肢，同时也失去了行走、运动的能力，下肢假肢是这类人群恢复行走能力的唯一手段。理想的假肢能使假肢穿戴者感觉舒适、运动自然，同时不消耗过多地体能。但人体的运动极其复杂，准确的模拟正常人体的行走，已经成为了下肢假肢的研究重点。

智能假肢是20世纪90年代后发展起来的具有高性能的新一代假肢。与普通假肢相比，智能假肢能通过当前接收到的传感器状态判断假肢所处的步态相位区间，根据不同相位区间内关节的步态特性，控制假肢的运动。因此，准确判断假肢所处的步态相位区间，是智能假肢运动控制的前提。

目前假肢产品主要采用两种步态相位判断方法。一种是通过安装假肢上的传感器直接判断假肢的步态相位，进行假肢的控制。另一种是在健肢侧安装传感器判断健肢的步态相位，再通过左右下肢的运动对称关系，得到假肢的步态相位，进行假肢的控制。这两种方法均需采用数量众多的传感器，包括角度传感器、压力传感器、陀螺仪等，以这些传感器检测的信息以及其一阶或二阶衍生信息等判断假肢的步态相位，系统安装复杂，计算量大，导致实时性变差。因此，需要一种简单可靠的下肢的步态相位判别方法，符合下肢截肢患者更加舒适的穿戴假肢的要求。并同时适用于健肢侧和假肢侧的步态相位判断，满足不同假肢产品的控制需要。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种改进的基于下肢关节运动信息的步态相位判别方法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于下肢关节运动信息的步态相位判别方法，该方法通过安装在下肢大腿，小腿和脚面上的三个角度传感器采集角度信息，完成对下肢的步态相位判断，结构简单，安装方便。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于下肢关节运动信息的步态相位判别方法，其将一个步态周期分为站立弯曲相、站立伸展相、摆动弯曲相和摆动伸展相四个相位，该步态相位判别方法具体包括以下步骤：

（1）通过设置在大腿、小腿和脚面的角度传感器分别接收大腿、小腿和脚面的角度信息；

（2）通过角度信息处理系统得到膝关节角度、踝关节角度和膝关节角速度；

（3）踝关节标志位初始值清0；

（4）判断踝关节角度是否大于状态临界值，当踝关节角度大于临界值时，踝关节标志位为1，当踝关节角度小于等于临界值，踝关节标志位值保持不变；

（5）当踝关节标志位为0时，判断膝关节角速度的正负，当膝关节角速度大于等于0时，可判断当前相位为站立弯曲相，当膝关节角速度小于0时，可判断当前相位为站立伸展相；

（6）当踝关节标志位为1时，判断膝关节角速度的正负，当膝关节角速度大于等于0时，可判断当前相位为摆动弯曲相，当膝关节角速度小于0时，可判断当前相位为摆动伸展相；

（7）一个步态周期结束，踝关节标志位清0，循环下一步态周期。

优选的，在上述基于下肢关节运动信息的步态相位判别方法中，所述步骤（2）中角度信息处理系统通过接收大腿、小腿和脚面的角度传感器的数据，计算得到膝关节和踝关节的角度，对膝关节角度一阶求导后得到膝关节角速度，并对得到的膝关节角速度滤波处理。

优选的，在上述基于下肢关节运动信息的步态相位判别方法中，所述下肢步态相位转换包括以下几种情况：

（11）站立弯曲相转换到站立伸展相：踝关节标志位保持0不变，膝关节角速度逐渐减小到小于0；

（22）站立伸展相转换到摆动弯曲相：踝关节标志位由0切换为1，膝关节角速度逐渐增大到大于0；

（33）摆动弯曲相转换到摆动伸展相：踝关节标志位保持1不变，膝关节角速度逐渐减小到小于0；

（44）摆动伸展相转换到站立弯曲相：踝关节标志位置0，膝关节角速度逐渐增大到大于0。

从上述技术方案可以看出，本发明实施例的基于下肢关节运动信息的步态相位判别方法通过安装在大腿，小腿和脚面上的三个角度传感器采集角度信息，完成对下肢的步态相位判断，减少了下肢截肢患者穿戴的传感器数量和种类，结构简单，使得假肢穿戴更加便捷舒适。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）可应用于智能假肢膝关节的运动控制，提供更加简便，准确的步态相位判断，提高假肢膝关节控制的快速性和准确性。