[发明专利]一种基于改进的ZMP理论的人体失衡监测方法

摘要

一种基于改进的ZMP理论的人体失衡监测方法，先提取人体全身骨骼节点的三维位置信息，为人体形体模型中各体段配置质量；然后通过人体在行走状态下各体段的空间位置、质量，根据各体段空间位置在时间上的差分求得各体段运动的速度、加速度信息，进而求出各体段的惯性力信息，构建出动态多刚体人体模型；计算动态多刚体人体模型的零力矩点(ZMP)的位置，构建人体行走时的动态支撑区，通过动态多刚体人体模型ZMP位置与动态支撑区位置做匹配，判断ZMP是否位于动态支撑区内，如果位于其内，则判断人体行走平衡；如果位于其外，则判断人体行走失衡；本发明将人体动态支撑区和ZMP理论结合进行人体行走状态监测，适用于人体行走状态的稳定性判断。

主权项

1.一种基于改进的ZMP理论的人体失衡监测方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，采用集景深信息采集和彩色信息采集于一体的Kinect体感传感器，实时提取人体全身骨骼节点的三维位置信息；第二步，通过《中华人民共和国国家标准:成年人人体惯性参数》的人体各体段质量之比例，为人体形体模型中各体段配置质量；所构建的包含人体形体信息及运动信息的人体形体模型由头颈体段、上躯干体段、下躯干体段、上臂体段、下臂体段、大腿体段、小腿体段、手、脚15个段构成；将每个人的体重作为已知输入参数，同时参照《中华人民共和国国家标准:成年人人体惯性参数》中身体各部重量占体重比例来确定此模型中各段肢体的质量；此人体形体模型具备：人体解剖学结构、人体空间位置坐标信息和人体姿态更新的特点；第三步，通过人体在行走状态下各体段的空间位置、质量，根据各体段空间位置在时间上的差分求得各体段运动的速度、加速度信息，进而求出各体段的惯性力信息，从而构建出动态多刚体人体模型；第四步，计算动态多刚体人体模型的零力矩点(ZMP)的位置；具体求解过程如下公式所示： X z m p = Σ i = 1 n m i ( Y ·· i + g ) X i - Σ i = 1 n m i X ·· i Y i Σ i = 1 n m i ( Y ·· i + g ) ; Z z m p = Σ i = 1 n m i ( Y ·· i + g ) Z i - Σ i = 1 n m i Z ·· i Y i Σ i = 1 n m i ( Y ·· i + g ) ]]>式中：mi——动态多刚体人体模型各体段的质量；Xi、Yi、Zi——动态多刚体人体模型各体段的质心；——动态多刚体人体模型各体段的加速度；第五步，构建人体行走时的动态支撑区；采用Kinect体感传感器所提取到的“脚部体感信息+脚码推测”的方法来求解人体双脚支撑区的近似解，Kinect体感传感器能够提供的脚部直体感信息是脚踝、脚掌中心的三维坐标，由这两点坐标能够确定脚的方向，再通过结合人体脚码将支撑区的轮廓推测出来；行走状态的人体双脚支撑区求解过程如下：1)O1、O2：定义为脚跟中心，Kinect体感传感器能够提供的脚踝的三维坐标，O1、O2为双脚脚踝坐标在脚掌平面内的投影；2)F1、F2：定义为脚掌中心，Kinect体感传感器能够提供脚掌中心的三维坐标；3)Q1、Q2：定义为脚掌前顶点，通过脚码尺寸L及脚掌宽与脚码的比例尺寸k得到，Q1求解公式如下，Q2的求解方式与Q1相同；4)Q2'、Q1'：定义脚掌侧顶点，通过脚码尺寸L及脚掌宽与脚码的比例尺寸k得到，Q1'求解公式如下，Q2'的求解方式与Q1'相同；5)H1、H2：定义为脚跟后底点，通过脚码尺寸L及脚跟与脚码的比例尺寸m得到，H1的求解公式如下，H2的求解方式与H1相同；6)H1'、H2'：定义为脚跟侧底点，通过脚码尺寸L及脚跟与脚码的比例尺寸m得到，公式如下至此脚掌外围轮廓近似解的8个定位点都已求解完成，通过Q1’、Q1、Q2、Q2’、H2’、H2、H1、H1’、Q1’的X、Z坐标能够确定这8个点依次连接成的虚线框，即双脚支撑区数值解；第六步，通过第四步求出的动态多刚体人体模型ZMP位置，与第五步所求得的动态支撑区位置做匹配，判断ZMP是否位于动态支撑区内，如果位于其内，则判断人体行走平衡；如果位于其外，则判断人体行走失衡。