一种基于多传感器的步态相位实时检测系统.pdf

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1、2016年第35卷第2期传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)91DOI：10．13873／J．1000-9787(2016)02--0091-03一种基于多传感器的步态相位实时检测系统周小华，李娟，李伟达，李春光，胡海燕，张虹淼(苏州大学机电工程学院江苏省机器人技术与系统重点实验室，江苏苏州215021)摘要：对人体步态相位进行准确实时的判断是智能假肢等康复机器人控制的基础，提出并建立了一种实时状态相位检测系统。该系统包含了4只压力传感器和2只姿态传感器，能够准确地区分出平地行走时足跟着地、足放平、足跟离地、足尖离地、摆动弯曲以及摆动伸展

2、等五种状态相位，实验表明：该系统能够适应不同测试者的不同步幅和步速，并能够应用在假肢的实时控制中。关键词：智能假肢；步态相位；状态判断；传感器中图分类号：TP242文献标识码：B文章编号：1000--9787(2016)02-0091-03Areal-timegaitphasedetectionsystembasedonmulti-sensorsZHOUXiao—hua，LIJuan，LIWei-da，LIChun-guang，HUHai—yan，ZHANGHong-miao(SchoolofMechanicalandElectricEngineering，SoochowUniversity

3、，KeyLaboratoryofRoboticsandSystemofJiangsuProvince，Suzhou215021，China)Abstract：Accurateandreal—timegaitphasedetectionisbasisofcontrolofintelligentprosthesisandotherrehabilitationrobot。areal—timephasedetectionsystemiSproposed．Fourfootforcesensorsandtwoattitudesensorsareusedinthesystem，whichcandetect

4、phasesofheelstrike，footflat，heelof，toeoff，swingflexionandswingextendduringwalkingonlevelground．Theexperimentalresultsshowthatthesystemcanadapttodifferentwalkingvelocities，differentstridelengthofdifferentsubjects，andtheexperimentofprosthesiscontrolisperformedtoprovethegaitphasedetectionsystemcanbeus

5、edtorealcontrolofprosthesis．Keywords：intelligentprosthesis；gaitphase；statejudgement；sensor0引言1人体下肢运动规律分析与步态相位划分方法人工假肢、助行机器人以及康复训练机器人等是中风、人体行走过程是一个典型的节律性运动，根据图1(a)偏瘫、截肢患者等恢复行走能力和生活能力的主要手段。所示的一个步态周期内的踝关节力矩与角度关系以及机器人的控制方法是保证其穿戴者行走更自然和安全的重图1(b)所示的膝关节角度曲线，本文将人体行走的一个周要因素。由于人体运动时具有典型的步态特征，基于状态期划分为5个相位，即CP

6、(controlledplantar—flexion)相、CD的控制方法受到广泛的关注，有限状态机、映射控制方(controlleddorsi—flexion)相、PP(poweredplantar—flexion)相、SF(swingflexion)相以及SE(swingextend)相。各相位特点法、模糊自适应控制方法等相继出现。步态相位判断如下：CP相，该相位下，踝关节力矩较小且基本不变，对应是基于状态的机器人控制方法的基础J。于足的位置即足跟着地状态至足放平状态；CD相，踝关节现有的步态相位判断系统大多采用各种传感器及其组角度力矩与角度都逐渐增大，直至达到最大背屈角度，对应合来实现，

7、较为典型的有力传感器、角速度传感器、加于足的位置为足放平状态至足跟离地状态；PP相，踝关节速度传感器J。多种传感器及其不同组合方式逐渐成为力矩与角度又同时减小，直至踝关节力矩减小到0，此时站步态相位判断方法的发展趋势。立相结束，进入足离地阶段，即摆动相，足的位置从足跟离本文基于力传感器和姿态传感器给出一种状态相位检地状态到足尖离地状态；SF相，从足位置处于足尖离地开测系统，该系统原理简单、减少了计算成本，具有