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人体步态差异性的参数化辨识方法及应用

高静 崔亚辉 刘更 韩冰 王旭鹏

高静,崔亚辉,刘更, 等. 人体步态差异性的参数化辨识方法及应用[J]. 机械科学与技术,2021,40(2):204-210 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200042
引用本文: 高静,崔亚辉,刘更, 等. 人体步态差异性的参数化辨识方法及应用[J]. 机械科学与技术,2021,40(2):204-210 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200042
GAO Jing, CUI Yahui, LIU Geng, HAN Bing, WANG Xupeng. A Parametric Identification Method for Human Gait Differencesand its Application[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2021, 40(2): 204-210. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200042
Citation: GAO Jing, CUI Yahui, LIU Geng, HAN Bing, WANG Xupeng. A Parametric Identification Method for Human Gait Differencesand its Application[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2021, 40(2): 204-210. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200042

人体步态差异性的参数化辨识方法及应用

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200042
基金项目: 国家自然科学基金项目(51875454)与陕西省教育厅一般专项科学研究计划项目(20JK0070)
详细信息
    作者简介:

    高静(1989−),博士研究生,研究方向为人体步态分析与产品造型设计,gaojing10@sina.com

    通讯作者:

    崔亚辉,教授,博士生导师,cyhxut@xaut.edu.cn

  • 中图分类号: R318

A Parametric Identification Method for Human Gait Differencesand its Application

  • 摘要: 通过对下肢3个关节步态曲线建立具有共性控制点的数学模型,提出了以个体的局部形状参数作为区别同一关节中不同曲线的方法。实验采用Perception Neuron动作捕捉系统,对正常组10名健康男性青年,验证组2名健康和3名处于不同康复期的右腿踝关节损伤男性青年在正常步速下的步态数据进行实验测量以获得髋关节、膝关节和踝关节的上下位移轨迹曲线,并计算得出正常组步态曲线的局部形状参数作为判别步态正常与否的参考调整范围。经分析,验证组中健康被试者的局部形状参数大多属于该范围,而恢复较差的病人参数大多超出该范围,表明该参数化方法可有效辨别步态曲线差异,此外还可对康复评价的方法提供依据。
  • 图  1  测试者数据采集场景

    图  2  正常组各被试者下肢关节步态曲线与整体平均曲线

    图  3  含不同形状参数的5点4次形状可调广义Bézier曲线

    图  4  含不同形状参数的7点6次形状可调广义Bézier曲线

    图  5  髋关节整体平均曲线和n = 3, 4, 5时的拟合曲线

    图  6  下肢各关节共性控制点连线

    图  7  下肢关节的正常组整体平均曲线与验证组各被试者曲线

    表  1  正常组各被试者步态原始周期

    指标正常组平均值标准差
    12345678910
    原始周期/s 1.19 1.48 1.41 1.48 1.26 1.26 1.26 1.33 1.41 1.33 1.34 0.10
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    表  2  下肢关节共性控制点坐标

    关节共性控制点坐标
    P1P2P3P4P5P6P7
    Ph 0.00,941.00 23.19,980.17 52.22,927.01 81.68,980.68 100.00,939.00
    Pk 0.00,475.93 24.97,494.79 76.88,416.06 75.46,558.28 100.00,480.07
    Pa 0.00,73.61 60.44,52.36 58.17,219.40 76.90,220.33 80.75,84.87 94.88,126.69 100.00,82.39
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    表  3  正常组右腿关节局部形状参数

    被试者髋关节局部形状参数膝关节局部形状参数踝关节局部形状参数
    λ1λ2λ3λ4λ1λ2λ3λ4λ1λ2λ3λ4λ5λ6
    1 4.2 5.4 6.6 3.8 4.0 3.9 4.1 2.9 1.3 13.9 23.7 10.2 7.3 4.8
    2 2.6 5.0 5.9 3.2 4.1 3.3 3.0 0.6 2.8 13.6 21.3 8.9 9.8 4.2
    3 2.7 4.4 4.5 2.7 1.4 3.3 4.4 3.2 5.1 3.4 10.8 0.1 20.8 1.3
    4 0.6 3.4 2.8 1.1 0.7 3.2 3.1 1.9 4.6 1.1 0.9 26.2 3.2 3.7
    5 3.2 4.8 4.6 3.0 4.2 4.1 4.5 1.4 4.3 10.9 19.2 25.1 5.6 2.1
    6 4.3 6.5 6.1 4.5 1.2 4.6 4.8 2.8 4.7 14.5 24.2 4.1 15.7 0.9
    7 0.5 3.5 3.2 0.6 0.5 4.6 4.5 2.3 1.7 13.2 20.2 0.1 20.1 1.5
    8 0.9 5.1 5.4 1.0 0.6 7.5 4.6 2.8 4.1 11.7 18.5 19.6 6.4 3.9
    9 3.8 5.4 6.6 4.2 2.8 4.8 5.2 0.6 5.2 1.8 1.2 22.3 10.9 2.8
    10 1.7 3.9 4.2 1.9 1.3 4.8 4.9 2.2 3.7 8.1 17.2 15.1 9.2 2.3
    均值 2.5 4.7 5.0 2.6 2.1 4.4 4.3 2.1 1.82 6.41 8.34 7.98 3.00 4.2
    最小值 0.5 3.5 2.8 0.6 0.5 3.2 3.0 0.6 1.3 1.1 0.9 0.1 3.2 0.9
    最大值 4.3 6.5 6.6 4.5 4.2 7.5 5.2 3.2 5.2 14.5 24.2 26.2 20.8 4.8
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    表  4  验证组右腿各关节局部形状参数

    项目局部形状参数
    λ1λ2λ3λ4λ5λ6
    被试
    者1
    髋关节 0.8 5.3 5.1 1.2
    膝关节 2.7 5.0 5.1 1.5
    踝关节 1.9 2.3 5.2 29.9 2.8* 5.6
    被试
    者2
    髋关节 1.9 3.7 4.0 2.1
    膝关节 2.4 4.7 5.2 2.3
    踝关节 3.2 14.1 22.5 11.3 8.5 3.3
    被试
    者3
    髋关节 2.0 4.2 4.5 1.8
    膝关节 2.9 3.1 3.9 0.5
    踝关节 2.9 7.2 13.9 15.8 13.2 5.1
    被试
    者4
    髋关节 5.0* 7.8* 1.2* 5.0*
    膝关节 5.0* 2.1* 2.7* 5.0*
    踝关节 3.3 21.0* 35.0* 0.0* 20.1 2.7
    被试
    者5
    髋关节 5.0* 8.1* 1.7* 5.0*
    膝关节 5.0* 1.2* 1.9* 5.0*
    踝关节 3.9 21.0* 35.0* 0.0* 21.0* 0.0*
    注:右上角有*符号的表示数值超出正常组该参数值的调整范围。
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  • 收稿日期:  2019-07-19
  • 刊出日期:  2021-02-02

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