本發(fā)明屬于可穿戴傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種可穿戴式設(shè)備及用于該設(shè)備的實(shí)時(shí)步長(zhǎng)測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

步態(tài)參數(shù)是人類行走過(guò)程中的物理參數(shù)，可以反映人類運(yùn)動(dòng)能力，擁有較大的應(yīng)用價(jià)值，因此目前有許多研究者在研究步態(tài)參數(shù)的測(cè)量?？纱┐鱾鞲衅靼☉T性測(cè)量單元，超聲波傳感器，微型攝像頭等等，相比于大型實(shí)驗(yàn)室測(cè)量步態(tài)參數(shù)的設(shè)備如光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)、測(cè)力臺(tái)等等，以其小巧、廉價(jià)，不受時(shí)間、空間限制、易于推廣等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于步態(tài)參數(shù)測(cè)量領(lǐng)域。目前有很多研究使用放置在人體腿部、腰部、手腕、胸部等部位的可穿戴傳感器測(cè)量步態(tài)時(shí)間參數(shù)，如步態(tài)事件、步態(tài)周期等等；也有的測(cè)量步態(tài)空間參數(shù)，如步行速度、步距等等。如申請(qǐng)?zhí)枮镃N201510887154.1的發(fā)明專利公開(kāi)了一種室內(nèi)定位步長(zhǎng)計(jì)算方法，將慣性測(cè)量單元置于人員的腰部，人員在室內(nèi)行走過(guò)程中，獲得人員慣性傳感器數(shù)據(jù)，然后計(jì)算步長(zhǎng)。而申請(qǐng)?zhí)枮镃N 201310007945.1的發(fā)明專利公開(kāi)了一種步長(zhǎng)計(jì)算方法和裝置，獲取載體在三維坐標(biāo)系中的各軸加速度值；根據(jù)所述各軸加速度值計(jì)算步長(zhǎng)補(bǔ)償系數(shù)；根據(jù)所述步長(zhǎng)補(bǔ)償系數(shù)和預(yù)先設(shè)定的預(yù)設(shè)步長(zhǎng)確定載體移動(dòng)幅度的最終步長(zhǎng)。但上述方法再實(shí)際使用過(guò)程中，均存在步態(tài)測(cè)量精度較低、無(wú)法實(shí)時(shí)測(cè)量單步步長(zhǎng)等缺陷。

實(shí)時(shí)步長(zhǎng)的測(cè)定具有重要的意義。現(xiàn)在有很多研究用可穿戴傳感器測(cè)量步速、步距等空間參數(shù)，比較成熟，但是測(cè)量步長(zhǎng)的研究不多。一些疾病如帕金森綜合征會(huì)使人體運(yùn)動(dòng)能力下降，步速、步距減小，因此步距和步速可以用來(lái)反映人體下肢運(yùn)動(dòng)能力。但是步距、步速不能反映出偏癱造成的人體兩側(cè)運(yùn)動(dòng)能力的差異，即步態(tài)不對(duì)性，而我們可以根據(jù)兩腿步長(zhǎng)的比值量化人體兩側(cè)步態(tài)的不對(duì)稱性，而且通過(guò)步長(zhǎng)也可以求出步距、步速等參數(shù)，因此步長(zhǎng)擁有更大的臨床應(yīng)用價(jià)值。除此之外，實(shí)時(shí)的步長(zhǎng)可以反映使用者實(shí)時(shí)的位移信息，搭配使用者實(shí)時(shí)的下肢姿態(tài)信息，可以對(duì)與下肢運(yùn)動(dòng)相關(guān)的機(jī)械裝置如二足機(jī)器人、下肢輔助康復(fù)裝置等等。使用可穿戴傳感器計(jì)算步長(zhǎng)具有廣泛的應(yīng)用范圍。因此有必要提出一種兼顧測(cè)量精度和實(shí)施測(cè)定的步長(zhǎng)測(cè)量方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中步態(tài)測(cè)量精度較低、無(wú)法實(shí)時(shí)測(cè)量單步步長(zhǎng)等缺陷，并提供一種可穿戴式設(shè)備及用于該設(shè)備的實(shí)時(shí)步長(zhǎng)測(cè)量方法。

本發(fā)明中所涉及的部分名詞含義如下：

步距是指人行走過(guò)程中同一只腳相鄰著地點(diǎn)之間的距離，步長(zhǎng)是指人行走過(guò)程中雙腳的相鄰著地點(diǎn)之間的距離。通常來(lái)說(shuō)，步距等于兩腿步長(zhǎng)之和。

步態(tài)事件是指人在行走過(guò)程中的每個(gè)步態(tài)周期中的重要時(shí)刻，主要有擺動(dòng)中期、腿伸直、腳落地、站立中期、腳離地五個(gè)步態(tài)事件。人的走路步態(tài)周期如圖4所示，以右腿為例，左腿支撐人體，右腿向前邁出的這段時(shí)間為右腿的擺動(dòng)相；右腿擺到左腿附近時(shí)為擺動(dòng)中期；隨后右腿向前踢出并伸直；接著右腳落地，右腿開(kāi)始支撐人體，左腿向前邁出的這段時(shí)間，為右腿的站立相；右腿以右踝關(guān)節(jié)為旋轉(zhuǎn)中心，向前移動(dòng)，到達(dá)接近于與地面垂直的位置，此時(shí)為站立中期；隨后右腳離地，右腿向前邁出，完成一個(gè)步態(tài)周期。

步態(tài)事件可以根據(jù)同側(cè)小腿、大腿的角速度特征進(jìn)行檢測(cè)，如圖5所示。小腿角速度在一個(gè)周期內(nèi)通常主要有一高一矮的兩個(gè)比較大的波峰，較高的峰對(duì)應(yīng)著擺動(dòng)中期，較矮的對(duì)應(yīng)著站立中期；擺動(dòng)中期之后有一段有很多小的負(fù)向的波峰的區(qū)域，這是腳落地造成的震動(dòng)，第一個(gè)負(fù)向峰為腳落地時(shí)刻；在擺動(dòng)中期與腳落地時(shí)刻之間，有一處大腿、小腿角速度相交，此刻為腿伸直時(shí)刻；在站立中期后，下一個(gè)擺動(dòng)中期前，有一處波谷，此時(shí)對(duì)應(yīng)著腳離地時(shí)刻。站立相從該腿腳落地開(kāi)始，到腳離地結(jié)束，近似的為圖中小腿角速度為負(fù)值的區(qū)域；擺動(dòng)相從該腿腳離地開(kāi)始，到腳落地結(jié)束，近似的為圖中小腿角速度為正值的區(qū)域。

實(shí)時(shí)步長(zhǎng)測(cè)量是指當(dāng)檢測(cè)到前腳落地的步態(tài)事件時(shí)，計(jì)算該步的步長(zhǎng)。

矢狀面和鉛垂線如圖1所示，矢狀面是垂直于水平面并將人體分為左右兩部分的面，人在行走時(shí)，主要運(yùn)動(dòng)都發(fā)生在矢狀面內(nèi)；鉛垂線是垂直于地面的線。

另外為方便描述，定義大腿以及小腿的三維方向，如圖2所示：X軸與該小腿或大腿平行；Y軸在矢狀面內(nèi)，與該小腿或大腿垂直；Z軸垂直于矢狀面。放置在大腿或者小腿上的傳感器的坐標(biāo)軸應(yīng)該與該大腿或小腿保持一致，但是因?yàn)槭笭蠲媸遣豢梢?jiàn)的，在安放傳感器會(huì)出現(xiàn)Y軸、Z軸偏移的情況，根據(jù)傳感器測(cè)得的Y軸、Z軸角速度可以大致計(jì)算傳感器Y軸偏移矢狀面的角度，并利用此角度計(jì)算該大腿或小腿的相應(yīng)軸的加速度、角速度。

人體的大腿長(zhǎng)為人體靜止站立時(shí)，從髖關(guān)節(jié)到膝關(guān)節(jié)的垂直高度；小腿長(zhǎng)為此時(shí)膝關(guān)節(jié)到地面的垂直高度。

本發(fā)明為解決技術(shù)問(wèn)題，所采用的具體技術(shù)方案如下：

用于可穿戴式設(shè)備的實(shí)時(shí)步長(zhǎng)測(cè)量方法，包括以下步驟：

實(shí)時(shí)測(cè)量用戶兩側(cè)大腿和小腿行走過(guò)程中的Y軸加速度和Z軸角速度，同時(shí)根據(jù)Z軸角速度實(shí)時(shí)確定行走過(guò)程中的步態(tài)事件；根據(jù)步態(tài)事件以及Z軸角速度積分實(shí)時(shí)確定大腿和小腿在矢狀面內(nèi)與鉛垂線的夾角；再根據(jù)所述的夾角以及大腿和小腿的長(zhǎng)度計(jì)算實(shí)時(shí)步長(zhǎng)。步長(zhǎng)的計(jì)算可以根據(jù)行走過(guò)程中下肢的幾何學(xué)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算。

作為一種優(yōu)選方式，所述的可穿戴式設(shè)備中包含用于檢測(cè)左右大腿和左右小腿三軸加速度、三軸角速度的傳感器，所述的Y軸加速度和Z軸角速度通過(guò)傳感器獲得。

作為一種優(yōu)選方式，所述的步態(tài)事件包括腳落地、站立中期以及腿伸直；

當(dāng)檢測(cè)到左小腿或右小腿站立中期時(shí)，計(jì)算該小腿與鉛垂線的夾角(下述左小腿或右小腿的計(jì)算公式，并非同時(shí)進(jìn)行計(jì)算，而是根據(jù)當(dāng)前待測(cè)的目標(biāo)擇一選用。例如，當(dāng)檢測(cè)到左小腿處于站立中期，則計(jì)算θ_lsms；當(dāng)檢測(cè)到右小腿處于站立中期，則計(jì)算θ_rsms。后續(xù)公式也采用相同方法)：

式中：θ_lsms、θ_rsms分別為左小腿、右小腿在站立中期時(shí)與鉛垂線的夾角，a_lsyms、a_rsyms分別為此時(shí)左小腿、右小腿Y軸加速度；其中，θ_l0、θ_r0分別為用戶靜態(tài)站立狀態(tài)(雙腳自然落地的站立狀態(tài))下的左小腿、右小腿在矢狀面內(nèi)與鉛垂線的夾角，且滿足：

式中：a_lsys、a_rsys分別為用戶靜態(tài)站立時(shí)左小腿、右小腿Y軸加速度；

在檢測(cè)到下一個(gè)站立中期事件之前，通過(guò)角速度積分實(shí)時(shí)計(jì)算該腿的小腿在矢狀面內(nèi)與鉛垂線的夾角：

式中：t為當(dāng)前時(shí)刻距離左小腿或右小腿的上一個(gè)站立中期的時(shí)間，θ_ls()、θ_rs()分別為t時(shí)刻時(shí)左小腿、右小腿在矢狀面內(nèi)與鉛垂線的夾角，ω_lsz(δ)、ω_rsz(δ)分別為左小腿、右小腿瞬時(shí)Z軸角速度；

由此可以實(shí)時(shí)得到兩側(cè)小腿在矢狀面內(nèi)與鉛垂線的夾角。

當(dāng)檢測(cè)到左腿或右腿腿伸直時(shí)，計(jì)算該腿的大腿在矢狀面內(nèi)與鉛垂線的夾角：

θ_ltls＝_lsls

θ_rtls＝_rsls

式中：θ_ltls、θ_rtls分別為左大腿、右大腿在腿伸直時(shí)刻在矢狀面內(nèi)與鉛垂線的夾角，θ_lsls、θ_rsls分別為此時(shí)左小腿、右小腿在矢狀面內(nèi)與鉛垂線的夾角；

在檢測(cè)到下一個(gè)腿伸直事件之前，通過(guò)角速度積分實(shí)時(shí)計(jì)算該腿的大腿在矢狀面內(nèi)與鉛垂線的夾角：

式中：t為自左大腿或右大腿的上一個(gè)腿伸直時(shí)刻后的時(shí)間，θ_lt(t)、θ_rt(t)分別為t時(shí)刻時(shí)左大腿、右大腿與鉛垂線的夾角，ω_ltz(δ)、ω_rtz(δ)分別為左大腿、右大腿的瞬時(shí)Z軸角速度；

由此可以實(shí)時(shí)得到兩側(cè)大腿在矢狀面內(nèi)與鉛垂線的夾角。

當(dāng)檢測(cè)到左腿或右腿腳落地時(shí)，計(jì)算該腿此時(shí)的步長(zhǎng)：

LSL＝l₁(sinθ_rtic+sin(-θ_ltic))+l₂(sinθ_rsic+sin(-θ_lsic))

RSL＝l₁(sin(-θ_rtic)+sinθ_ltic)+l₂(sin(-θ_rsic)+sinθ_lsic)

式中：θ_lsic、θ_rsic、θ_ltic、θ_rtic分別為該腿落地時(shí)刻的左小腿、右小腿、左大腿、右大腿與鉛垂線的夾角，l₁、l₂分別為大腿長(zhǎng)、小腿長(zhǎng)，LSL為左腿落地時(shí)刻該腿的步長(zhǎng)，RSL為右腿落地時(shí)刻該腿的步長(zhǎng)。

作為一種進(jìn)一步的優(yōu)選方式，測(cè)量步長(zhǎng)之前，預(yù)先監(jiān)測(cè)目標(biāo)用戶的一定距離內(nèi)的行走過(guò)程，確定傳感器Y軸實(shí)際方向偏離矢狀面的角度：

式中：為該傳感器Y軸實(shí)際方向偏離矢狀面的角度，為用戶行走過(guò)程中在站立相時(shí)該傳感器Y軸角速度的平均值，為用戶行走過(guò)程中在站立相時(shí)該傳感器Z軸角速度的平均值；

測(cè)量步長(zhǎng)過(guò)程中的，每個(gè)傳感器的Y軸加速度、Z軸角速度數(shù)據(jù)在代入上述各公式使用前都預(yù)先進(jìn)行修正，作為該小腿或大腿相應(yīng)方向的加速度或角速度，修正公式為：

式中：a_y為該傳感器測(cè)量的Y軸加速度，a_z為該傳感器測(cè)量的Z軸加速度，a_yc為該傳感器的數(shù)據(jù)修正后得到的Y軸加速度；ω_y為該傳感器測(cè)量的Y軸角速度，ω_z為該傳感器測(cè)量的Z軸角速度，ω_zc為該傳感器的數(shù)據(jù)修正后得到的Z軸角速度。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種步態(tài)不對(duì)稱度測(cè)量方法，根據(jù)上述的方法測(cè)量實(shí)時(shí)步長(zhǎng)，再量化單側(cè)運(yùn)動(dòng)障礙的用戶的步態(tài)不對(duì)稱度，計(jì)算公式如下：

式中：GA為步態(tài)不對(duì)稱度，分別為左腿步長(zhǎng)、右腿步長(zhǎng)的平均值，為運(yùn)動(dòng)障礙一側(cè)腿的步長(zhǎng)。

本發(fā)明的再一目的是提供一種實(shí)現(xiàn)所述實(shí)時(shí)步長(zhǎng)測(cè)量方法的可穿戴式設(shè)備，包括四個(gè)慣性傳感器和上位機(jī)，每個(gè)慣性傳感器包含三維加速度計(jì)以及三維角速度計(jì)，慣性傳感器與上位機(jī)相連進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

作為一種優(yōu)選方式，所述的慣性傳感器首先與單片機(jī)相連，單片機(jī)與藍(lán)牙模塊相連，所述的上位機(jī)與所述的藍(lán)牙模塊通過(guò)藍(lán)牙進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

作為一種優(yōu)選方式，還包括用于固定慣性傳感器的固定帶。

作為一種優(yōu)選方式，所述的慣性傳感器為基于MPU6050芯片的慣性傳感器。

作為一種優(yōu)選方式，所述的慣性傳感器采樣頻率不低于100Hz。

上述各優(yōu)選方式中的技術(shù)特征在不相互沖突的前提下，均可進(jìn)行相互組合，不構(gòu)成限制。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)而言，其有益效果是：

1)使用本發(fā)明計(jì)算下肢姿態(tài)、步長(zhǎng)，廉價(jià)、方便，不受場(chǎng)地限制，易于推廣。

2)使用一種基于下肢姿態(tài)的方法計(jì)算步長(zhǎng)、量化步態(tài)不對(duì)稱性，可以適應(yīng)多種病態(tài)的步態(tài)，擁有較好的應(yīng)用價(jià)值以及廣泛的應(yīng)用范圍。

3)通過(guò)可穿戴式設(shè)備進(jìn)行步長(zhǎng)測(cè)量，可以方便、有效的量化人體兩側(cè)運(yùn)動(dòng)能力以及它們的差異，可以方便應(yīng)用于臨床。

4)本發(fā)明可以實(shí)時(shí)輸出下肢姿態(tài)以及步長(zhǎng)，可以被用于相關(guān)設(shè)備的實(shí)時(shí)控制。

附圖說(shuō)明

圖1本發(fā)明中矢狀面、鉛垂線示意圖；

圖2本發(fā)明中傳感器放置位置及小腿、大腿坐標(biāo)系示意圖；

圖3本發(fā)明中可穿戴實(shí)時(shí)步長(zhǎng)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖4本發(fā)明中人體行走周期示意圖；

圖5本發(fā)明中步態(tài)事件檢測(cè)示意圖；

圖6本發(fā)明中腳落地時(shí)刻下肢雙倒立擺二維幾何模型示意圖；

圖7本發(fā)明中右小腿擺動(dòng)中期角度標(biāo)定示意圖；

上述圖1、2、7中P表示鉛垂線(Plumb line)，S表示矢狀面(Sagittal Plane)；

上述圖2、3中，1～4分別為放置在左大腿、左小腿、右大腿、右小腿上的慣性傳感器單元，5為上位機(jī)單元；

上述圖4、5中，A～E為右腿在一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)的步態(tài)事件，其中A為擺動(dòng)中期步態(tài)事件，B為腿伸直步態(tài)事件，C為腳落地步態(tài)事件，D為站立中期步態(tài)事件，E為腳離地步態(tài)事件。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明，因便于更好地理解。本發(fā)明中的技術(shù)特征在不相互沖突的前提下，均可進(jìn)行相互組合，不構(gòu)成限制。

本發(fā)明使用包括四個(gè)慣性測(cè)量傳感器的可穿戴設(shè)備以及一種基于幾何的算法，實(shí)時(shí)計(jì)算并輸出使用者在行走時(shí)的下肢姿態(tài)、步長(zhǎng)。實(shí)時(shí)步長(zhǎng)測(cè)量是指當(dāng)檢測(cè)到前腳落地的步態(tài)事件時(shí)，計(jì)算該步的步長(zhǎng)。以某一用戶為例，本發(fā)明具體實(shí)施過(guò)程如下：

(1)準(zhǔn)備工作：

本實(shí)施例中，目標(biāo)用戶的大腿長(zhǎng)為42cm、小腿長(zhǎng)為53cm，將其輸入到可穿戴設(shè)備的上位機(jī)中，隨后用戶穿戴該可穿戴設(shè)備。

整套設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖3所示，包含四個(gè)慣性傳感器單元以及一個(gè)上位機(jī)單元。本發(fā)明中各傳感器及其他電子元件的具體型號(hào)，可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選型。四個(gè)慣性傳感器單元每一個(gè)都包含一個(gè)基于MPU6050芯片的慣性測(cè)量傳感器模塊，模塊包括一個(gè)三維加速度計(jì)以及一個(gè)三維陀螺儀，用于采集使用者行走過(guò)程中的三維加速度以及三維角速度數(shù)據(jù)，采樣頻率為100Hz。四個(gè)傳感器單元分別放置在用戶的兩條大腿、兩條小腿外側(cè)。定義大腿以及小腿的三維方向，如圖2所示：X軸與該小腿或大腿平行；Y軸在矢狀面內(nèi)，與該小腿或大腿垂直；Z軸垂直于矢狀面。放置在大腿或者小腿上的傳感器的坐標(biāo)軸應(yīng)該與該大腿或小腿保持一致，以用來(lái)采集相應(yīng)坐標(biāo)軸的數(shù)據(jù)。小腿上的傳感器單元結(jié)構(gòu)上包括帶彈性的固定帶以MPU6050傳感器模塊；大腿上的傳感器單元結(jié)構(gòu)上包括電池、固定帶、單片機(jī)、MPU6050傳感器模塊以及藍(lán)牙傳輸模塊。固定帶用于將傳感器單元固定在使用者腿部；大腿傳感器單元中的單片機(jī)除與本單元內(nèi)各模塊相連外，還與身體同側(cè)小腿傳感器單元中的MPU6050傳感器模塊通過(guò)導(dǎo)線相連，用于初步處理數(shù)據(jù)；藍(lán)牙模塊用于慣性傳感器單元與上位機(jī)單元通信。上位機(jī)單元結(jié)構(gòu)上包括藍(lán)牙模塊、單片機(jī)、按鍵、電池以及OLED顯示屏。單片機(jī)用于處理數(shù)據(jù)；按鍵及OLED顯示屏構(gòu)成操作界面，便于用戶進(jìn)行使用。

由于傳感器放置的位置通常不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的理想狀態(tài)(X軸與該小腿或大腿平行；Y軸在矢狀面內(nèi)，與該小腿或大腿垂直；Z軸垂直于矢狀面)，傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)在使用前需要經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)修正和靜態(tài)標(biāo)定。為了減少行走過(guò)程中傳感器震動(dòng)帶來(lái)的誤差，需要再使用截止頻率為3.2Hz的低通濾波器對(duì)修正后的Y軸加速度進(jìn)行濾波，以便后面步驟使用。后續(xù)步驟需要使用傳感器單元的濾波后的Y軸加速度數(shù)據(jù)、修正后的Z軸角速度數(shù)據(jù)進(jìn)行步長(zhǎng)計(jì)算。

動(dòng)態(tài)修正是對(duì)大腿或者小腿上的傳感器的Y軸和Z軸數(shù)據(jù)不斷進(jìn)行修正。在用戶安放傳感器時(shí)，傳感器的X軸可以大致與大腿或者小腿平行，但是矢狀面是不可見(jiàn)的，傳感器放置位置容易出現(xiàn)偏離，較為容易造成傳感器的Y軸和Z軸在它們構(gòu)成的平面內(nèi)偏移，因此需要確定Y軸偏離矢狀面的角度動(dòng)態(tài)修正具體如下：

通過(guò)預(yù)先監(jiān)測(cè)用戶的一定距離內(nèi)的行走過(guò)程，利用傳感器檢測(cè)的Y軸、Z軸角速度確定傳感器Y軸實(shí)際方向偏離矢狀面的角度：

式中：為該傳感器Y軸實(shí)際方向偏離矢狀面的角度，為用戶行走過(guò)程中在站立相時(shí)該傳感器Y軸角速度的平均值，為用戶行走過(guò)程中在站立相時(shí)該傳感器Z軸角速度的平均值。

之后，每個(gè)傳感器的Y軸加速度、Z軸角速度數(shù)據(jù)在使用前都預(yù)先進(jìn)行修正，作為該小腿或大腿相應(yīng)方向的加速度或角速度：

式中：a_y為該傳感器測(cè)量的Y軸加速度，a_z為該傳感器測(cè)量的Z軸加速度，a_yc為該傳感器的數(shù)據(jù)修正后得到的Y軸加速度；ω_y為該傳感器測(cè)量的Y軸角速度，ω_z為該傳感器測(cè)量的Z軸角速度，ω_zc為該傳感器的數(shù)據(jù)修正后得到的Z軸角速度。

靜態(tài)標(biāo)定是標(biāo)定小腿與鉛垂線夾角的零點(diǎn)。因?yàn)楹罄m(xù)計(jì)算需要用到小腿與鉛垂線的夾角，用戶調(diào)整傳感器位置后，X軸能基本保持與小腿平行，但難以達(dá)到精確平行狀態(tài)，此時(shí)將X軸視為小腿的方向，將造成一定誤差，因此需要重新對(duì)小腿方向進(jìn)行標(biāo)定。靜態(tài)標(biāo)定具體如下：

在測(cè)量步長(zhǎng)前，還需要預(yù)先監(jiān)測(cè)用戶靜態(tài)站立狀態(tài)，并定義人體在靜止站立時(shí)大腿、小腿與地面垂直，即與鉛垂線夾角為0，利用重力加速度確定此狀態(tài)下的左小腿、右小腿的X軸在矢狀面內(nèi)分別與鉛垂線的夾角：

式中：θ_l0、θ_r0分別為用戶靜態(tài)站立狀態(tài)下的左小腿、右小腿X軸在矢狀面內(nèi)與鉛垂線的夾角，a_lsys、a_rsys分別為用戶靜態(tài)站立時(shí)左小腿、右小腿Y軸加速度。

(2)步態(tài)事件檢測(cè)：

以上各項(xiàng)準(zhǔn)備工作完成后，可以開(kāi)始測(cè)量用戶的步長(zhǎng)。用戶在平坦的地面上行走，四個(gè)慣性傳感器實(shí)時(shí)的采集加速度、角速度數(shù)據(jù)，單片機(jī)會(huì)使用相應(yīng)的算法利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行步態(tài)事件的檢測(cè)。人的走路步態(tài)周期如圖4所示，一個(gè)周期中主要有擺動(dòng)中期A、腿伸直B、腳落地C、站立中期D、腳離地E五個(gè)步態(tài)事件，本方法中需要檢測(cè)的步態(tài)事件為腳落地、站立中期以及腿伸直。同側(cè)的小腿與大腿的Z軸角速度可以實(shí)時(shí)的檢測(cè)使用者這側(cè)腿的每一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)的步態(tài)事件，如圖5所示。腳落地事件是走路過(guò)程中前腳后落地的時(shí)刻，發(fā)生在每個(gè)步態(tài)周期內(nèi)小腿角速度的最高波峰后的角速度震動(dòng)區(qū)域中的第一個(gè)負(fù)值波谷處，即在最高波峰后的第一個(gè)負(fù)值轉(zhuǎn)折點(diǎn)，并且在其發(fā)生后能夠被立刻檢測(cè)；站立中期為該腿作為支撐腿，移動(dòng)到接近垂直與地面的位置的時(shí)刻，位于小腿角速度的較大的矮波峰處，且峰值為負(fù)值；在擺動(dòng)中期與腳落地事件之間，有一處大腿角速度與小腿角速度相等的時(shí)刻，即為腿伸直事件發(fā)生的時(shí)刻，此時(shí)使用者的腿部向前進(jìn)方向擺動(dòng)并伸直。

(3)大腿、小腿實(shí)時(shí)角度的計(jì)算：

接下來(lái)利用檢測(cè)的步態(tài)事件以及角速度積分實(shí)時(shí)計(jì)算大腿、小腿在行走過(guò)程中在矢狀面內(nèi)與鉛垂線的夾角。將人體下肢簡(jiǎn)化為雙擺二維幾何模型，并將用戶的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為矢狀面內(nèi)的平面運(yùn)動(dòng)，如圖6所示，將小腿與大腿簡(jiǎn)化為桿，髖關(guān)節(jié)、兩個(gè)膝關(guān)節(jié)簡(jiǎn)化為鉸鏈。根據(jù)步驟(1)中的靜態(tài)標(biāo)定，人體在靜止站立時(shí)大腿、小腿的簡(jiǎn)化桿模型與地面垂直，即與鉛垂線夾角為0，由此可得，左、右小腿簡(jiǎn)化桿模型與該小腿X軸夾角為θ_l0與θ_r0。大腿、小腿在行走過(guò)程中與鉛垂線的實(shí)時(shí)的夾角主要利用Z軸角速度實(shí)時(shí)的積分而得，但是隨著積分時(shí)間的推移，積分誤差會(huì)越來(lái)越大，因此需要在每一個(gè)周期內(nèi)都對(duì)其重新標(biāo)定一次。對(duì)于小腿角度的標(biāo)定，在站立中期時(shí)進(jìn)行，如圖7所示，此時(shí)腳與地面接觸，小腿角速度達(dá)到極大值，角加速度近似為0，小腿達(dá)到一種穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，因此可以利用此時(shí)的Y軸加速度根據(jù)重力計(jì)算該小腿與鉛垂線的夾角：

式中：θ_lsms、θ_rsms分別為左小腿、右小腿在站立中期時(shí)與鉛垂線的夾角，a_lsyms、a_rsyms分別為此時(shí)經(jīng)截止頻率3.2Hz的低通濾波器修正后的的左小腿、右小腿Y軸加速度。

在檢測(cè)到下一個(gè)站立中期事件之前，實(shí)時(shí)的左小腿、右小腿與鉛垂線的夾角以上一個(gè)站立中期標(biāo)定的夾角為起點(diǎn)，通過(guò)角速度積分計(jì)算：

式中：t為自左小腿或右小腿的上一個(gè)站立中期后的時(shí)間，θ_ls(t)、θ_rs(t)分別為t時(shí)刻時(shí)左小腿、右小腿與鉛垂線的夾角，ω_lsz(δ)、ω_rsz(δ)為左小腿、右小腿瞬時(shí)Z軸角速度。

然后是大腿角度的標(biāo)定，當(dāng)檢測(cè)到左腿或右腿腿伸直時(shí)，大腿小腿近似處于一條直線上，以此計(jì)算該腿的大腿與鉛垂線的夾角。

θ_ltls＝θ_lsls

θ_rtls＝θ_rsls

式中：θ_ltls、θ_rtls分別為左大腿、右大腿在腿伸直時(shí)刻與鉛垂線的夾角，θ_lsls、θ_rsls分別為此時(shí)左大腿、右大腿與鉛垂線的夾角。

在檢測(cè)到下一個(gè)腿伸直事件之前，實(shí)時(shí)的左大腿、右大腿與鉛垂線的夾角通過(guò)角速度積分計(jì)算：

式中：t為自左大腿或右大腿的上一個(gè)腿伸直時(shí)刻后的時(shí)間，θ_lt(t)、θ_rt(t)分別為t時(shí)刻時(shí)左大腿、右大腿與鉛垂線的夾角，ω_ltz(δ)、ω_rtz(δ)為左大腿、右大腿的瞬時(shí)Z軸角速度。

(4)步長(zhǎng)的計(jì)算：

以上步驟中的計(jì)算主要在大腿慣性傳感器單元中的單片機(jī)內(nèi)完成，隨后通過(guò)藍(lán)牙將步態(tài)事件實(shí)時(shí)檢測(cè)的結(jié)果以及大腿、小腿的實(shí)時(shí)角度發(fā)送給上位機(jī)單元。

當(dāng)檢測(cè)到左腿或右腿的腳落地事件時(shí)，上位機(jī)通過(guò)如圖6所示的幾何模型的實(shí)時(shí)計(jì)算用戶該腿該步的步長(zhǎng)：

LSL＝l₁(sinθ_rtic+sin(-θ_ltic))+l₂(sinθ_rsic+sin(-θ_lsic))

RSL＝l₁(sin(-θ_rtic)+sinθ_ltic)+l₂(sin(-θ_rsic)+sinθl_sic)

式中：θ_lsic、θ_rsic、θ_ltic、θ_rtic分別為步驟(3)計(jì)算的在該腿的腳落地時(shí)刻的左小腿、右小腿、左大腿、右大腿與鉛垂線的夾角，l₁、l₂分別為大腿長(zhǎng)、小腿長(zhǎng)，LSL為左腿落地時(shí)刻該腿的步長(zhǎng)，RSL為右腿落地時(shí)刻該腿的步長(zhǎng)。

計(jì)算的步長(zhǎng)結(jié)果可以直接實(shí)時(shí)的顯示在OLED顯示屏上，也可以通過(guò)串口發(fā)送至其他設(shè)備中。

測(cè)量過(guò)程中，用戶的每一步的步長(zhǎng)都通過(guò)上述方式測(cè)量。在用戶結(jié)束步行后，如果該用戶單側(cè)下肢有運(yùn)動(dòng)障礙，還可以量化該用戶的步態(tài)不對(duì)稱度：

式中：GA為步態(tài)不對(duì)稱度，分別為左腿步長(zhǎng)、右腿步長(zhǎng)的平均值，為運(yùn)動(dòng)障礙一側(cè)腿的平均步長(zhǎng)。

(5)步長(zhǎng)測(cè)量效果：

本例中用戶無(wú)下肢運(yùn)動(dòng)障礙，在步長(zhǎng)測(cè)量過(guò)程中一共行走了22步，每一步均能夠被實(shí)時(shí)的檢測(cè)的并實(shí)時(shí)的計(jì)算步長(zhǎng)。通過(guò)與每一步的步長(zhǎng)的實(shí)際值對(duì)比，該過(guò)程測(cè)量的所有步長(zhǎng)的均方根誤差為3.9cm，為該用戶實(shí)際平均步長(zhǎng)(63.1cm)的6.2％；假定該用戶左腿為運(yùn)動(dòng)障礙的一側(cè)，其步態(tài)不對(duì)稱度實(shí)際值為0.503，該過(guò)程的測(cè)量值為0.508，誤差為0.005。由此可見(jiàn)，本發(fā)明的裝置和方法相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)而言，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)的步長(zhǎng)和步態(tài)不對(duì)稱度的測(cè)量，而且其實(shí)際精度也得到了大大地提高。

以上所述的實(shí)施例只是本發(fā)明的一些較佳的方案，然而其并非用以限制本發(fā)明。有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型。例如，上述實(shí)施例也可以使用其他算法或者使用其他傳感器來(lái)實(shí)時(shí)計(jì)算大腿、小腿的角度，如使用加速度計(jì)、陀螺儀、磁場(chǎng)傳感器融合進(jìn)行卡爾曼濾波算法計(jì)算左、右側(cè)大腿、小腿的角度，進(jìn)而利用如圖6的幾何模型進(jìn)行步長(zhǎng)計(jì)算。而上述可穿戴設(shè)備也可以采用現(xiàn)有技術(shù)中的其他結(jié)構(gòu)或?qū)Ω綀D中展示的設(shè)備進(jìn)行改動(dòng)，如去除原設(shè)備中的有線連接，四個(gè)慣性傳感器全都通過(guò)無(wú)線通訊，以更方便地使用。單片機(jī)也可以集成于上位機(jī)單元中。上位機(jī)單元也可以采用遠(yuǎn)程的PC機(jī)等形式。另外，在被本發(fā)明的方法中，在傳感器安裝角度和位置準(zhǔn)確的情況下，還可以省略對(duì)放置在腿上的傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正的步驟，直接將傳感器數(shù)據(jù)用于步長(zhǎng)測(cè)量的過(guò)程。

由此可見(jiàn)，凡采取等同替換或等效變換的方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。