一种实时给出患肢侧膝关节参考运动的实现方法
【专利摘要】本发明公开了一种实时给出患肢侧膝关节参考运动的实现方法，基于患者自身健肢膝关节运动信息和足底反力实时推测患肢膝关节的运动轨迹，将健肢和患肢的一个步态周期依次分为足持平周期、支撑前期、支撑中期、支撑后期、预摆动周期、摆动前期、摆动中期和摆动后期8个相位，且应用正弦函数或者余弦函数近似描述每个相位的运动轨迹，根据健肢实时运动所属的相位来确定患肢的相位周期，并以健肢前半个步态周期对应相位的运动作为参考实时给出患肢的运动轨迹，以达到提高假肢等助行设备参考运动的连续性与准确性，提高助行设备的工作稳定性与智能性，提高患者的舒适度与运动自如性，确保助行设备协助患者安全运动的目的。
【专利说明】一种实时给出患肢侧膝关节参考运动的实现方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种实时给出患肢侧膝关节参考运动的实现方法。
【背景技术】
[0002]随着社会的转型，由于交通事故、工伤、意外伤害和疾病等导致致残患者的数目增加很快，并且人口结构的转变，有运动功能障碍的高龄患者越来越多，为这些残疾人配备助行辅助设备是协助他们实现独立行走、重新回归社会主流的主要手段。但是现有的助行设备多缺乏智能性，相对智能的助行产品又多用于协助膝关节以下有运动障碍的患者，为了辅助丧失膝关节或是膝关节有运动障碍的患者实现独立行走，已有一些研究机构着手于研发具有主动控制能力的假肢或是外骨骼助行设备，然而，在为助行设备提供膝关节的参考运动阶段，还存在以下主要问题:
[0003]1.基于健康人行走时的步态统计参数判别各个相位周期。然而，个体间运动存在明显差异，而且单独个体以不同的步速或步长运动，各个相位周期的步态参数均会有所差异；因此，传统技术中以具体的统计参数值作为参考很容易造成相位周期的误判断，直接影响患肢侧膝关节参考运动轨迹的连续性以及助行设备的工作稳定性，不利于确保患者的安全；
[0004]2.尽管基于健康人的步态统计参数可以正确判断各个相位周期，在应用统计的运动轨迹为患肢侧膝关节提供参考运动时，同样会由于个体间的运动差异导致健肢和患肢侧助行设备的运动对称性很差，不利于假肢或外骨骼助行设备协助患者平稳运动，给患者带来不适；
[0005]3.由于健康人的步态统计参数固定，为患肢侧膝关节提供的参考运动的速度、幅度等参数很难根据患者的运动意识以及外界环境进行适当调整，使得助行设备的控制缺乏智能性，不利于支持患者自如行走。
【发明内容】
[0006]为解决上述技术问题，本发明提出了一种实时给出患肢侧膝关节参考运动的实现方法，以达到提高假肢等助行设备参考运动的连续性与准确性，提高助行设备的工作稳定性与智能性，提高患者的舒适度与运动自如性，确保助行设备协助患者安全运动的目的。
[0007]为达到上述目的，本发明的技术方案如下:
[0008]一种实时给出患肢侧膝关节参考运动的实现方法，基于患者自身健肢膝关节运动信息和足底反力实时推测患肢膝关节的运动轨迹，将健肢和患肢的一个步态周期依次分为足持平周期、支撑前期、支撑中期、支撑后期、预摆动周期、摆动前期、摆动中期和摆动后期8个相位，且应用正弦函数或者余弦函数近似描述每个相位的运动轨迹，根据健肢实时运动所属的相位来确定患肢的相位周期，并以健肢前半个步态周期对应相位的运动作为参考实时给出患肢的运动轨迹。
[0009]优选的，其具体步骤如下:
[0010]相位起始时刻的任务:
[0011](I)更新当前相位周期状态；
[0012](2)基于当前相位的起始时刻与膝关节起始角度更新前I相位周期信息，包括相位的时间周期和相位的膝关节终止角度；
[0013](3)应用前I相位周期对应的患肢侧膝关节运动输出函数给出当前相位起始点的患肢侧膝关节角度；
[0014](4)基于步骤(3)的输出更新当前患肢侧相位输出函数的起始角度；
[0015](5)基于健肢前半个步态周期对应相位的时间周期和膝关节起始、终止角度更新当前患肢相位输出函数的周期和峰值；
[0016](6)复位表示当前相位起始点之后采样点个数的变量和表示间隔固定采样点之后膝关节角度和相位起始角度差值的变量，根据健肢前半个步态周期对应相位的时间周期计算间隔固定采样点数的变量，为预估并调整当前相位输出函数的周期做准备，以便于在调整步速或步幅的情况下仍能正确给出患肢侧的参考运动；
[0017](7)记录当前健肢相位周期的起始时刻与膝关节起始角度；
[0018](8)如果是起步阶段,记录起步后相位个数的计数变量加I ;
[0019]非相位起始时刻的任务:
[0020](9)根据测得的健肢侧相关信息判断运动是否结束，如果运动结束则更新运动结束变量的状态；
[0021](10)更新表示起步阶段的状态变量，如果已经判别出起步后的第9个相位，表示起步阶段的状态变量均置为零值；
[0022](11)如果运动没有结束，根据8个相位的运动输出函数输出患肢侧膝关节的参考运动；如果运动已经结束，患肢侧膝关节的输出不变。
[0023]优选的，新的相位周期是根据健肢膝关节运动信息和足底反力的峰值、谷值、零值或是上升和下降的状态而非具体阈值为依据的。
[0024]优选的，根据实时测得的健肢膝关节角度和当前相位的健肢膝关节运动函数，预测当前相位的时间周期并调整患肢侧的运动输出函数的周期。
[0025]有益效果:
[0026]1.根据健肢侧膝关节角度、角速度、前脚掌反作用力和后脚跟反作用力的参数特征(峰值、谷值、零值、上升趋势和下降趋势)判断各个相位周期，不会因为步长或是步速的调整也即是步态参数的变化而影响相位周期的正确判断，有利于正确输出连续的患肢膝关节运动轨迹。
[0027]2.基于健肢膝关节的运动轨迹为患肢侧提供膝关节的参考运动，可以增加双肢体运动的对称性，有利于提高患者运动的平稳性。而且，如果患者想调整步长，健肢膝关节角度会有所变化，相应地，患肢侧输出会根据健肢膝关节角度的改变进行调整。因此，基于此方法推测患肢膝关节的参考运动也会与健肢膝关节运动具有较好的对称性，有利于基于该参考运动控制助行设备辅助患者完成平稳运动。
[0028]3.应用正弦或余弦函数来描述各个相位周期的运动轨迹，并根据当前实时测试的健肢膝关节角度重新预估当前相位的周期，可以实时调整当前相位对应患肢输出运动的函数周期，使患肢侧的参考运动较好地适应步速的改变，有利于提高患肢侧助行设备运动控制的智能性与工作稳定性，并有利于控制助行设备协助患者平稳行走，提高患者的舒适度与安全性。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
[0030]图1为本发明实施例所公开的一种实时给出患肢侧膝关节参考运动的实现方法中健肢和患肢的膝关节在一个步态周期的角度变化；
[0031]图2为本发明实施例所公开的一种实时给出患肢侧膝关节参考运动的实现方法中起步阶段后各个相位对应的健肢侧和患肢侧膝关节运动函数表达式；
[0032]图3为本发明实施例所公开的一种实时给出患肢侧膝关节参考运动的实现方法中起步阶段前4个相位运动输出函数的相关参数；
[0033]图4为本发明实施例所公开的一种实时给出患肢侧膝关节参考运动的实现方法中双侧肢体膝关节角度和速度以及前脚掌和后脚跟反作用力对应关系示意图；
[0034]图5为本发明实施例所公开的一种实时给出患肢侧膝关节参考运动的实现方法中判别各个相位周期的相关条件；
[0035]图6为本发明实施例所公开的一种实时给出患肢侧膝关节参考运动的实现方法中所应用的各个变量名称及含义；
[0036]图7为本发明实施例所公开的一种实时给出患肢侧膝关节参考运动的实现方法中的程序流程图。
【具体实施方式】
[0037]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0038]本发明提出了一种实时给出患肢侧膝关节参考运动的实现方法，主要思想是根据健肢的生物力学信息判断患肢的相位周期，并基于健肢前半个步态周期的膝关节运动实时给出当前相位患肢侧膝关节的参考运动；应用该方法可以提高输出参考运动的连续性，应用该参考运动为患肢侧的假肢等助行设备提供目标运动轨迹，有利于控制助行设备协助患者平稳地自如行走、提高助行设备的实用性、提高患者的舒适度与安全性。
[0039]下面结合实施例和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0040]如图1所示，将一个步态周期分为8个相位周期，分别为足持平、支撑前期、支撑中期、支撑末期、预摆动、摆动前期、摆动中期和摆动末期，此相位分割方法使得人体行走期间双侧下肢的相位对应关系为:足持平周期与预摆动周期相互对应，支撑前期与摆动前期相互对应，支撑中期与摆动中期相互对应，支撑末期与摆动末期相互对应。因此，只要根据健肢的输入信息正确判断当前健肢所处的相位，即可推测患肢当前所处的相位(前半个步态周期健肢所对应的相位)。
[0041]由于人体行走过程中步长和步速随时有可能变动，相应地，前后半个步态周期左右下肢对应的相位周期以及关节旋转角度也会有所变化，为了能够实时调整患肢侧膝关节运动输出的相位周期和角度幅值，本发明中应用正弦或余弦函数来描述8个相位周期的膝关节运动，如图2所示。如果由于步速或是步长的调整使得当前相位的周期或关节角度有所改变，只要调整输出函数的周期或是峰值即可使得运动输出适应步速或是步长的调整。基于此思想，除了摆动末期在每个相位记录相位周期、起始角度和终止角度；而在摆动末期，以起始时刻与摆动末期转折点对应时刻的时间差作为相位周期，摆动末期转折点对应时刻的角度作为终止角度，起始角度定义方式与其他相位相同。这样，前半个步态周期对应相位的周期以及两个角度只差可以作为当前相位输出函数的1/4周期(每个相位周期的4倍是相应函数表达式的周期)和峰值。在起步阶段的前4个相位，无法应用前半个步态周期的健肢侧膝关节运动为患肢侧的运动输出提高参考，因此，此方法中直接基于健康人的步态统计参数设定相关输出函数的周期和峰值(图3)。由于只有在起步阶段的前半个步态周期基于健康人的步态统计参数给出患肢侧参考运动，不会对输出运动的连续性以及相应助行设备的稳定性造成影响。
[0042]此发明中主要根据健肢侧膝关节的角度、角速度、前脚掌反作用力和后脚跟反作用力4个变量的特征来判别各个相位周期以及摆动末期的转折点，如图4和图5所示。这里所提及的特征主要是指峰值、谷值、零值以及增加或减少的状态，而没有应用具体数值作为判断条件。因此，避免了由于个体差异或是由于个体步速或步长的调整而引起的相位误判断。
[0043]在每个相位起始点之外的其他采样点，首先判断是否需要更新输出函数的相位周期，之后再应用相应的运动输出函数为患肢侧输出膝关节的参考运动角度。由于当前相位健肢侧膝关节的运动函数表达式是已知的(图2中的‘同侧’)，可以根据两个采样点健肢膝关节的角度值计算当前相位的周期和健肢侧膝关节运动函数的峰值，即对当前相位的周期和峰值进行预估。进而可以应用预估的周期调整患肢侧输出函数的周期，以适应由于步速或是步长的实时改变而引起的相位周期变化。由于在步行过程中，由于步速或步长的改变而引起的各个相位内膝关节角度变化并不明显，此发明中始终以前半个步态周期健肢对应相位的起始与终止角度之差作为当前相位运动输出函数的峰值，并没有基于计算的健肢侧膝关节运动函数的峰值进行相应更改。在重新预估当前相位周期的过程中，如果只应用当前相位的前两个数据点容易造成较大的计算误差，所以本方法中是每间隔intervalpoint_Num( >=2)点后进行最新的预估。interval_point_Num的数值依赖于前半个步态周期对应相位的周期，目前，interval_point_Num的数值设为相应相位周期的一半所对应的采样点个数。
[0044]由于足持平、支撑中期、摆动前期和摆动末期4个相位健肢侧膝关节角度对应函数表达式相同(正弦函数，参考图2)，所以可以用同一方法来预估当前相位的周期。同理，支撑前期、支撑末期、预摆动和摆动中期(函数表达式均为余弦函数)也可以用同一方法来预估当前相位的周期。
[0045]以下分别对两种情况下预估周期的推导方法加以介绍。其中，间隔intervalpoint_Num的整数倍个采样点对应的健肢膝关节角度与当前相位起始角度的差值记为Δ α I,该时刻与相位起始点的时间差记为At,当某个时刻满足与相位起始点的时间差为2 Δ t时，对应的角度与相位起始角度之差记为2 Λ α 2。
[0046]①当前相位健肢膝关节角度对应的函数表达式为正弦函数
[0047]Δα? = Asin(-^At)(I)
[0048]Δα2 = A sin(— 2Δ/) = 2A sin(— At) cos(— At)(2)
27*2y 2 77
[0049]结合公式(I)和(2)得:
T 一^ Q ^
[_] 'acoU
[0051]其中acos代表反余弦函数。
[0052]②当前相位健肢膝关节角度对应的函数表达式为余弦函数
[0053]Acrl = -A cos(-^- Δ/) + = ^(1 - cos(-^- At))(4)
[0054]Δα 2 = —A cos(— 2At) + A = 2A(1 + cos(— Δ?))(1 - cos(— At))(5)
27*
[0055]结合公式⑷和(5)得:
rp _Δ/ΛΓ
[。。56] "^osCA^-l)
[0057]无论针对那个相位周期，预估的T值如果大于当前时刻与相位起始时刻的时间差，就用新的T值替代原有的前半个步态对应相位的T值，否则，不更改原有T值。同时，为了避免更新T值后，输出的角度发生数值跳变，在更新T的同时，更新当前相位周期的起始角度，方法是在原值的基础上加上当前时刻原始输出函数(应用前半个步态周期对应相位的T)和新输出函数(应用预估的新T)所求角度的差值。
[0058]在软件实现过程中，直接根据当前的相位周期状态以及健肢侧膝关节角度、角速度、前脚掌反作用力和后脚跟反作用力的特征，来判别下一个相位的起始位置，这样既有利于提高判别效率，又有利于增加判别准确率。为患肢侧膝关节实时给出参考运动的具体实现步骤如下，相关变量含义图6所示，软件流程图如图7所示:
[0059]相位起始时刻的任务:
[0060](I)更新当前相位周期状态；
[0061](2)基于当前相位的起始时刻与膝关节起始角度更新前I相位周期信息，包括相位的时间周期和相位的膝关节终止角度；
[0062](3)应用前I相位周期对应的患肢侧膝关节运动输出函数给出当前相位起始点的患肢侧膝关节角度；
[0063](4)基于步骤(3)的输出更新当前患肢侧相位输出函数的起始角度；
[0064](5)基于健肢前半个步态周期对应相位的时间周期和膝关节起始、终止角度更新当前患肢相位输出函数的周期和峰值；
[0065](6)复位表示当前相位起始点之后采样点个数的变量和表示间隔固定采样点之后膝关节角度和相位起始角度差值的变量，根据健肢前半个步态周期对应相位的时间周期计算间隔固定采样点数的变量，为预估并调整当前相位输出函数的周期做准备，以便于在调整步速或步幅的情况下仍能正确给出患肢侧的参考运动；
[0066](7)记录当前健肢相位周期的起始时刻与膝关节起始角度；
[0067](8)如果是起步阶段,记录起步后相位个数的计数变量加I ;
[0068]其中起步阶段第一个相位的转折点位置只需要按照⑴⑷(5) (6) (7) (3)⑶的顺序完成相关工作即可。由于是起步的第一个相位，(5)中输出函数的周期和峰值无法基于前半个步态周期对应相位信息给出，而是直接基于健康人步态统计数据给出(图3) ；(6)任务中的interval_point_Num同理任务中直接根据步态统计数据给出当前相位的第一个输出值。此外，在摆动末期的转折点位置，只需要完成(I) (2) (3)任务即可。由于在摆动末期的转折点位置已经更新摆动末期的相关信息，所以在接下来的足持平相位起始点只要执行⑴⑷(5) (6) (7)⑶任务即可。
[0069]除了上面提及的相位起始时刻的相关任务，在每个相位的其他采样点，主要完成以下任务:
[0070](9)根据测得的健肢侧相关信息判断运动是否结束，如果运动结束则更新运动结束变量的状态；
[0071](10)更新表示起步阶段的状态变量，如果已经判别出起步后的第9个相位，表示起步阶段的状态变量均置为零值；
[0072](11)如果运动没有结束，根据8个相位的运动输出函数输出患肢侧膝关节的参考运动；如果运动已经结束，患肢侧膝关节的输出不变。
[0073]通过以上的方式，本发明所提供的一种实时给出患肢侧膝关节参考运动的实现方法，基于健肢侧的运动信息实时为患肢侧提供膝关节参考运动，可以增加双侧膝关节运动的对称性，有利于控制患肢侧的助行设备协助患者平稳运动。同时，基于健肢侧生物力学信息的峰值状态和变化趋势等特征判别各个相位，可以减少相位的误判断，有利于控制助行设备的稳定性，并有利于控制助行设备协助不同的患者实现独立行走。此外，基于健肢当前相位的运动信息预估新的相位周期，可以使得患肢侧的膝关节参考运动适应步速或步长的变化，有利于控制助行设备协助患者随时调整行走期间的步速和步长，而且不影响运动的平稳性。
[0074]以上所述的仅是本发明所公开的一种实时给出患肢侧膝关节参考运动的实现方法中的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种实时给出患肢侧膝关节参考运动的实现方法，基于患者自身健肢膝关节运动信息和足底反力实时推测患肢膝关节的运动轨迹，将健肢和患肢的一个步态周期依次分为足持平周期、支撑前期、支撑中期、支撑后期、预摆动周期、摆动前期、摆动中期和摆动后期8个相位，且应用正弦函数或者余弦函数近似描述每个相位的运动轨迹，其特征在于，根据健肢实时运动所属的相位来确定患肢的相位周期，并以健肢前半个步态周期对应相位的运动作为参考实时给出患肢的运动轨迹。
2.根据权利要求1所述的一种实时给出患肢侧膝关节参考运动的实现方法，其特征在于，其步骤具体如下: 相位起始时刻的任务: (1)更新当前相位周期状态； (2)基于当前相位的起始时刻与膝关节起始角度更新前I相位周期信息，包括相位的时间周期和相位的膝关节终止角度； (3)应用前I相位周期对应的患肢侧膝关节运动输出函数给出当前相位起始点的患肢侧膝关节角度； (4)基于步骤(3)的输出更新当前患肢侧相位输出函数的起始角度； (5)基于健肢前半个步态周期对应相位的时间周期和膝关节起始、终止角度更新当前患肢相位输出函数的周期和峰值； (6)复位表示当前相位起始点之后采样点个数的变量和表示间隔固定采样点之后膝关节角度和相位起始角度差值的变量，根据健肢前半个步态周期对应相位的时间周期计算间隔固定采样点数的变量，为预估并调整当前相位输出函数的周期做准备，以便于在调整步速或步幅的情况下仍能正确给出患肢侧的参考运动； (7)记录当前健肢相位周期的起始时刻与膝关节起始角度； (8)如果是起步阶段，记录起步后相位个数的计数变量加I; 非相位起始时刻的任务: (9)根据测得的健肢侧相关信息判断运动是否结束，如果运动结束则更新运动结束变量的状态； (10)更新表示起步阶段的状态变量，如果已经判别出起步后的第9个相位，表示起步阶段的状态变量均置为零值； (11)如果运动没有结束，根据8个相位的运动输出函数输出患肢侧膝关节的参考运动；如果运动已经结束，患肢侧膝关节的输出不变。
3.根据权利要求1所述的一种实时给出患肢侧膝关节参考运动的实现方法，其特征在于，新的相位周期是根据健肢膝关节运动信息和足底反力的峰值、谷值、零值或是上升和下降的状态而非具体阈值为依据的。
4.根据权利要求1所述的一种实时给出患肢侧膝关节参考运动的实现方法，其特征在于，根据实时测得的健肢膝关节角度和当前相位的健肢膝关节运动函数，预测当前相位的时间周期并调整患肢侧的运动输出函数的周期。
【文档编号】A61F2/70GK104224411SQ201310254270
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年6月24日 优先权日:2013年6月24日
【发明者】李春光 申请人:苏州大学