崔建鵬，曹 恒，朱 鈞，江金林，張 雨

(華東理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海 200237)

0 引 言

人體運動狀態(tài)研究與應(yīng)用較為廣泛，尤其對人體步態(tài)的研究最為突出，例如康復(fù)型可穿戴式外骨骼的姿態(tài)研究，需要建立人體步態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)[1]。當(dāng)前步態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采用光學(xué)圖像、生物雷達(dá)、MEMS傳感器3種方式。與光學(xué)圖像、生物雷達(dá)[2-4]相比，MEMS傳感器具有體積小、不受外界光線影響，穿戴方便、價格便宜等優(yōu)點。因此，MEMS傳感器在兩足機器人步態(tài)研究中具有重要作用。

現(xiàn)有的基于MEMS傳感器的人體步態(tài)監(jiān)測裝置是基于三軸向微型加速度傳感器的姿態(tài)測量系統(tǒng)或者足底壓力分布測量系統(tǒng)，通過根據(jù)測量傾角或者壓力數(shù)據(jù)劃分步態(tài)[5-8]。但目前監(jiān)測系統(tǒng)大都采用單傳感器，提取的步態(tài)信息不全面。傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送方式采用有線傳輸，試驗區(qū)域受限于線路長度。另外，人體在行走過程中，每一步之間存在差異，為了便于研究穿戴者步態(tài)信息，需要對其歸一化處理。而當(dāng)前研究缺少對步態(tài)數(shù)據(jù)的周期歸一化[9-13]。

針對上述不足，本文設(shè)計了一種傾角傳感器和壓力傳感器組合測量的無線監(jiān)測裝置。該裝置通過MEMS傾角傳感器和薄膜壓力傳感器測量下肢傾角與腳底支反力，然后搭建ZigBee無線發(fā)射節(jié)點，將試驗數(shù)據(jù)打包發(fā)送至計算機，利用Labwindows/CVI軟件[14]建立數(shù)據(jù)顯示與處理平臺，實現(xiàn)步態(tài)周期的歸一化處理。

1 裝置結(jié)構(gòu)與原理

正常人行走過程中，各關(guān)節(jié)主要進(jìn)行矢狀面上的運動，即髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的屈伸。人體步態(tài)具有周期性，從腳跟著地開始，到同一腳再次邁向前著地為止，為一個步態(tài)周期。人體步態(tài)的特征主要是左腿和右腿的髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)矢在矢狀面上傾角，還伴隨著腳底支反力的變化。通過研究分析，對步態(tài)的監(jiān)測主要是髖膝關(guān)節(jié)傾角，另外，足底支反力可以很好地反映腳底觸地情況，對步態(tài)劃分和識別有重要作用。

本試驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1，下位機由5路傾角傳感器和一雙傳感靴組成。5路傾角傳感器分別綁縛在穿戴者的軀干、大腿和小腿上，用于測量大腿、小腿和軀干與水平面的夾角。傳感靴的鞋底放置有4個薄膜壓力傳感器，用來感知行走過程中腳與地面的相互作用力。各個傳感模塊通過CAN總線通信，協(xié)處理器將數(shù)據(jù)打包至發(fā)送區(qū)。ZigBee無線通信具有近距離、低功耗、短延時、高容量等特點，因此本試驗系統(tǒng)選擇其作為數(shù)據(jù)通信模塊，使數(shù)據(jù)傳輸不受監(jiān)測范圍的影響。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)上位機使用CVI軟件接收數(shù)據(jù)，多線程編程實時顯示髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)傾角與腳底支反力，同時與數(shù)據(jù)庫建立連接，保存原始數(shù)據(jù)并且能夠回放歷史測量數(shù)據(jù)；采用多線程編程進(jìn)行周期劃分識別，建立周期歸一化函數(shù)，將不同周期數(shù)據(jù)通過三次樣條插值整合為相同的周期，并且顯示保存每個點的最值與均值，方便以后進(jìn)行步態(tài)劃分。

2 設(shè)計要點

2.1 下位機硬件模塊

2.1.1 傳感器

本試驗系統(tǒng)的傾角傳感器采用InvenSense公司生產(chǎn)的MPU-6050型6軸MEMS運動處理傳感器，通過內(nèi)置的數(shù)字運動處理器（digital motion processor，簡稱DMP）可以精確得到芯片各測量周與基準(zhǔn)面的角度信息。軀干傾角傳感器安裝在穿戴者腹部，大腿傾角傳感器安裝在膝蓋上部大腿的1/3處，小腿傾角傳感器安裝在膝蓋下部小腿的1/3處。在安裝該傳感器時，將芯片的測量x軸平行于矢狀面并與被測肢體垂直，y軸與被測肢體平行。通過計算大腿和軀干的傾角差值可以得到髖關(guān)節(jié)傾角，同理，通過計算大腿與小腿的傾角差值可以得到膝關(guān)節(jié)傾角。

足底支反力傳感器選用薄膜式壓力傳感器，量程為50 kg，可對任何接觸面的壓力進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)測量，薄膜壓力傳感器將施加在傳感器感應(yīng)區(qū)域的壓力轉(zhuǎn)換成電阻信號，然后根據(jù)力-電阻的標(biāo)定關(guān)系曲線獲得外界所施壓力的變化信息，壓力越大，傳感器輸出的電阻越小。

在行走過程中，腳底支反力主要分布在前腳掌、后腳掌與足弓處，因此，分別在鞋底的前腳掌、足弓處和后腳掌處放置4個該傳感器，分別標(biāo)號為1號、2號、3號、4號。布置如圖2所示。

圖2 傳感器位置

2.1.2 ZigBee無線發(fā)送/接收模塊

本系統(tǒng)無線發(fā)射模塊嵌入了協(xié)處理器STM32-F103CBT6單片機，ZigBee無線節(jié)點為ESP8266無線模塊。協(xié)處理器寄存了下位機7路傳感器數(shù)據(jù)，包括軀干傾角、大腿傾角、小腿傾角和腳底支反力。每路都是16位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，采樣頻率為50 Hz。

接收模塊包括ESP8266無線模塊和串口通信模塊，主要功能是接收傳感模塊數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至PC端。無線發(fā)送與接收頻率為2 412 MHz，串口波特率為115 200，數(shù)據(jù)位8位，無奇偶校驗位，停止位為1。

2.2 步態(tài)周期歸一化

軟件模塊采用基于美國國家儀器有限公司（National Instruments）的CVI軟件。如圖3為步態(tài)周期歸一化流程，人體步態(tài)有一定周期性，首先通過自相關(guān)函數(shù)得到各個步態(tài)周期，然后通過腳底支反力特征找到周期起點分割各個步態(tài)周期，最后利用三次樣條插值將所有周期歸整為同一周期，完成周期歸一化。

圖3 步態(tài)周期歸一化流程

2.2.1 自相關(guān)函數(shù)求步態(tài)周期

為了確定該信號的周期，工程上通常采用自相關(guān)函數(shù)。求取f(t)和將f(t)在時間軸上錯開時間τ的函數(shù)的相關(guān)性，觀察在錯開的時間τ處相關(guān)值是否出現(xiàn)峰值，來確定周期。

模擬信號f(t)的自相關(guān)函數(shù)表達(dá)式為

在本試驗中，步態(tài)信號是離散字信號，其相關(guān)函數(shù)表達(dá)式為

穿戴者在行走過程的步態(tài)是周期性運動，髖關(guān)節(jié)傾角、膝關(guān)節(jié)傾角和腳底支反力具有明顯周期性。足底支反力使用式（2），進(jìn)行自相關(guān)處理，得到自相關(guān)曲線，每個峰值間即為步態(tài)周期。在穿戴者行走過程中，每一步態(tài)存在一定差異，導(dǎo)致步態(tài)周期不同，因此，需要得到每步的周期。通過極大值點法確定各個步態(tài)周期Ni，計算Rff(j)差分，得到Ni便于進(jìn)行周期分割。

2.2.2 確定周期起點

正常行走步態(tài)過程中，一個腳底觸地到這只腳再次觸地為一個步態(tài)循環(huán)。在一個步態(tài)周期過程中，左腳地面支反力呈雙峰曲線如圖4所示。

圖4 足底支反力曲線

本系統(tǒng)依據(jù)左腳底支反力情況來劃分周期，即確定腳底支反力信號的第一個上升沿。上升沿起點為雙峰曲線的第一個極小值點，利用公式（3）和公式（4）計算某相鄰數(shù)據(jù)的差分 diff(i–1)、diff(i)：

當(dāng) diff(i–1)＜0 且 diff(i)＞0 時，可以確定i點為該周期極點；

定義特征值變量I，用于保存某一周期Ni處于上升沿數(shù)據(jù)的個數(shù)；

在同一步態(tài)周期中，判斷極點i之后的數(shù)據(jù)是否處于第1個上升沿，若是，則在特征變量I的基礎(chǔ)上加 1，即

第1個上升沿約為支撐相的50%，支撐相約為整個周期的60%，所以第1個上升沿約為步態(tài)周期的30%，第2個上升沿約為周期的15%。在該周期內(nèi)，為了區(qū)別第 2個上升沿，設(shè)定變量α，如果I＞αNi，即可確定極點i為該周期起點。另外針對不同的穿戴者，通過調(diào)整α的值，可以提高識別準(zhǔn)確性。

2.2.3 三次樣條插值

根據(jù)2.2.2節(jié)所得到的步態(tài)起點對髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)傾角與腳底支反力進(jìn)行周期分割，得到n個不同周期的步態(tài)數(shù)據(jù)，每個周期為Ni，為方便數(shù)據(jù)處理，需要將n個周期數(shù)據(jù)整合為相同周期T（Ni＜T）。

三次樣條插值具有連續(xù)的二階導(dǎo)數(shù)，并且曲線的光滑性好，存在唯一解，工程上通常使用三次樣條作為差值函數(shù)s(x)。為獲得準(zhǔn)確的插值數(shù)據(jù)，采用公式（6）進(jìn)行相鄰兩節(jié)點間[xj–1,xj]的分段插值。

采樣數(shù)據(jù)截取前后閾值，步態(tài)周期的邊界點x0與xn存在一階導(dǎo)數(shù)，因此，步態(tài)周期滿足三次樣條插值的第二類邊界條件，利用邊界條件

建立動態(tài)鏈接庫，構(gòu)造三彎矩陣方程，由第二類邊界條件得到：

求得Mi即可得到各段三次樣條函數(shù)的系數(shù)aj、bj、cj、dj。

根據(jù)歸一化周期T，確定插值點間隔為Ni/T。

穿戴者在行走過程中，不同周期內(nèi)同一時刻的運動狀態(tài)有一定的偏差，為了便于觀察某一時刻運動狀態(tài)，需要得到歸一化后周期T內(nèi)的每一時刻t的信號范圍，即求所有周期T內(nèi)同一時刻t的數(shù)據(jù)最值與平均值。

3 試驗驗證

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)試驗

為檢驗本系統(tǒng)的可行性，本試驗系統(tǒng)與步態(tài)分析儀同時綁縛在穿戴者身上，進(jìn)行對比試驗。

將本系統(tǒng)的傳感模塊分別綁縛在穿戴者的軀干、大腿、小腿上，并穿上傳感靴。同時在相應(yīng)部位放置步態(tài)分析儀的光學(xué)元件，右側(cè)為步態(tài)分析儀的顯示界面。步態(tài)分析儀通過識別綁縛在腿上的光學(xué)元件位置來確定步態(tài)，故而每次試驗只能監(jiān)測一條腿運動狀態(tài)。試驗監(jiān)測時間設(shè)定為30 s，步行速度為3 m/s。

3.2 CVI試驗數(shù)據(jù)顯示

通過CVI讀取試驗數(shù)據(jù)，髖關(guān)節(jié)傾角運動范圍為 0°～40°，膝關(guān)節(jié)傾角運動范圍在–10°～60°，并且，左腿與右腿具有明顯的相位差。左腳支反力范圍為250 ～600 N，支撐相與擺動相差異明顯。將關(guān)節(jié)傾角和左腳支反力進(jìn)行歸一化處理，得到歸一化曲線，如圖5所示。其中，上部虛線為歸一化后不同周期在該點處的最大值，同理，中部實線為平均值，下部點線為最小值。

提取歸一化曲線，可以看出，左腿與右腿之間相位差為180°。髖關(guān)節(jié)傾角角度變化明顯；膝關(guān)節(jié)傾角具有明顯雙峰，容易區(qū)分單腿擺動相與支撐相；足底支反力峰值較為突出，足壓雙峰相對明顯。

圖5 歸一化結(jié)果

3.3 歸一化對比分析

穿戴者分別在3 m/s、4 m/s、5 m/s步速下進(jìn)行歸一化對比試驗，圖6分別為步態(tài)分析儀與本試驗系統(tǒng)膝關(guān)節(jié)運動傾角歸一化數(shù)據(jù)對比曲線。從該圖中可知，兩監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果運動趨勢基本一致，可以明顯區(qū)分支撐相與擺動相。

4 結(jié)束語

圖6 歸一化數(shù)據(jù)對比

本文針對步態(tài)監(jiān)測問題，設(shè)計了一套基于MEMS傳感器和薄膜壓力傳感器的步態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。實現(xiàn)對人體步態(tài)信息的無線傳感監(jiān)測，并且測量方便。完成對步態(tài)周期的歸一化處理。通過對比實驗表明，該測試裝置可以實現(xiàn)人體步態(tài)監(jiān)測。在助力外骨骼研究中，該裝置可以為外骨骼步態(tài)劃分與識別的研究提供有效的監(jiān)測。