基于輕量化外骨骼的便攜式步態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與驗證
基于輕量化外骨骼的便攜式步態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與驗證
可穿戴下肢輔助設(shè)備的運動意圖識別與關(guān)節(jié)控制依賴人體步態(tài)的定量認(rèn)知，但傳統(tǒng)標(biāo)記點式光學(xué)運動捕捉系統(tǒng)雖為步態(tài)測量金標(biāo)準(zhǔn)，卻受限于實驗室場景，且存在設(shè)備昂貴、準(zhǔn)備繁瑣等問題；無標(biāo)記光學(xué)捕捉精度不足且易受環(huán)境干擾，慣性捕捉有誤差累積和固定不穩(wěn)的弊端，傳統(tǒng)關(guān)節(jié)測角儀也因綁帶移位影響數(shù)據(jù)可靠性。
近日，阿拉巴馬大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究團(tuán)隊研發(fā)出一款基于輕型外骨骼的便攜式步態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為可穿戴下肢輔助設(shè)備的運動意圖識別與關(guān)節(jié)控制提供了精準(zhǔn)的步態(tài)數(shù)據(jù)支撐。研究成果發(fā)表于《Sensors》，題為《A Lightweight Exoskeleton-Based Portable Gait Data Collection System》。該團(tuán)隊設(shè)計了一款集成多模態(tài)傳感器的輕型外骨骼，并比較了該外骨骼在多種動作中收集的膝、踝關(guān)節(jié)角度，與同步測量的Vicon光學(xué)運動捕捉系統(tǒng)的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示，外骨骼測量的膝、踝關(guān)節(jié)角度與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)高度吻合，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)0.98和0.96，且能精準(zhǔn)識別足跟觸地、腳尖離地等關(guān)鍵步態(tài)事件。這一系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)步態(tài)采集的場景限制，兼具高精度與便攜性，為可穿戴輔助設(shè)備控制器研發(fā)及臨床步態(tài)評估提供了重要技術(shù)工具。
研究方法
該研究為解決傳統(tǒng)步態(tài)數(shù)據(jù)采集手段的場景局限與精度缺陷，首先開展了輕型外骨骼的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，其外骨骼分為大腿、小腿、足部三段，通過創(chuàng)新的2-DOF關(guān)節(jié)連接，該關(guān)節(jié)集成了搭載絕對磁編碼器的主測量自由度和保障自然關(guān)節(jié)活動的被動自由度，同時采用5mm厚可塑形鋁桿連接關(guān)節(jié)，配備約7.6cm范圍的高度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)及大腿、小腿鋁制綁帶與織帶扣具，還將踝關(guān)節(jié)與碳纖維足部段相連固定于鞋底，實現(xiàn)不同身高人群適配與傳感器穩(wěn)定貼合。
圖1. (a) 測量外骨骼系統(tǒng) 2-DOF關(guān)節(jié)的分解圖（為右腿開發(fā)）(b) 高度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)視圖
隨后搭建了多模態(tài)傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在2-DOF關(guān)節(jié)內(nèi)置AS5145旋轉(zhuǎn)磁編碼器測量膝、踝關(guān)節(jié)角度，鞋底嵌入FS406力敏電阻監(jiān)測足跟與前腳掌壓力，大腿和小腿段各安裝1個MPU-9250型9-DOF慣性測量單元獲取肢體三維運動數(shù)據(jù)，并以STM32L476RG型ARM處理器為核心，搭配300mAh鋰聚合物電池、16GB微型SD卡及微型USB接口，構(gòu)建了支持1kHz采樣率的多設(shè)備時間同步數(shù)據(jù)采集模塊。
為驗證系統(tǒng)性能，研究選取3名無生理和認(rèn)知異常的健康志愿者，在8鏡頭Vicon光學(xué)運動捕捉系統(tǒng)實驗室中，讓志愿者先適應(yīng)設(shè)備5-10分鐘，再依次完成5次坐站/站坐轉(zhuǎn)換、自選步速平地行走、0.5-1.25m/s梯度及漸進(jìn)加速跑步機(jī)行走等動作。全程同步錄像并標(biāo)記動作時間節(jié)點，實驗后收集志愿者穿戴反饋。
數(shù)據(jù)處理階段，對Vicon采集數(shù)據(jù)采用10Hz截止頻率的四階零相位滯后巴特沃斯低通濾波，對外骨骼傳感器數(shù)據(jù)先通過MATLAB腳本去噪，再用10Hz截止頻率的二階巴特沃斯低通濾波，以此完成系統(tǒng)性能的驗證與數(shù)據(jù)校準(zhǔn)。
實驗結(jié)果
本研究的結(jié)果部分圍繞外骨骼步態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)節(jié)角度測量精度、步態(tài)事件檢測能力和三維運動信息采集效果三個核心維度展開驗證，具體如下：
1. 踝關(guān)節(jié)角度測量
在跑步機(jī)上行走時，外骨骼測得的踝關(guān)節(jié)角度與Vicon光學(xué)運動捕捉系統(tǒng)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.96，誤差可忽略。
平地行走、不同跑步機(jī)速度下行走等情況，3名受試者的測量數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)均在0.95-0.97區(qū)間，平均為0.96；在站坐、坐站轉(zhuǎn)換動作中，二者相關(guān)系數(shù)更是高達(dá)0.98-0.99，匹配度極佳，充分證明了踝關(guān)節(jié)角度測量的準(zhǔn)確性。
2.膝關(guān)節(jié)角度測量
在跑步機(jī)上行走時，外骨骼膝關(guān)節(jié)角度測量與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.98，尤其在步態(tài)支撐初期偏差極小。
在平地行走、梯度/漸進(jìn)加速跑步機(jī)行走等場景中，3名受試者的相關(guān)系數(shù)穩(wěn)定在0.95-0.97，平均為0.96；在站坐、坐站轉(zhuǎn)換動作中，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.98-0.99，整體測量精度與踝關(guān)節(jié)相當(dāng)。
3. 步態(tài)事件檢測
圖9上圖和下圖分別展示了足跟傳感器與足趾傳感器的響應(yīng)情況，和對應(yīng)的踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)運動軌跡。通常，一個步態(tài)周期可劃分為兩個階段：支撐相（stance phase）和擺動相（swing phase）。支撐相是足部與地面保持接觸的階段，約占步態(tài)周期的 60%；而剩余 40% 則為擺動相。通過足跟和足底嵌入的力敏電阻（FSR），可有效識別出4個關(guān)鍵步態(tài)事件：（A）初始足跟觸地（步態(tài)支撐相起點）、（B）前腳掌觸地、（C）蹬地、（D）腳尖離地（支撐相與擺動相的轉(zhuǎn)換點）。同時，外骨骼的踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)角度也能識別出上述4個步態(tài)事件（但是沒有與力學(xué)數(shù)據(jù)做量化精度對比）。
4. 三維運動信息采集
外骨骼大腿和小腿段的慣性測量單元（IMU）可穩(wěn)定輸出肢體運動過程中的三維加速度與角速度數(shù)據(jù)，無論是常規(guī)行走還是站坐/坐站轉(zhuǎn)換動作，均能有效捕捉下肢的三維運動學(xué)特征，展示了 “不同運動模式下 IMU 信號的差異特征”—— 例如行走時大腿 / 小腿的加速度與角速度呈現(xiàn)周期性波動（契合步態(tài)周期的重復(fù)性），而坐站轉(zhuǎn)換時信號呈現(xiàn)非周期性的峰值變化（對應(yīng)動作的過渡性），間接驗證了 IMU 能捕捉運動模式的本質(zhì)差異（同樣沒有做準(zhǔn)確性量化分析）。
本研究通過研發(fā)輕型外骨骼便攜式步態(tài)采集系統(tǒng)，并與金標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)運動捕捉系統(tǒng)對標(biāo)，確立了該系統(tǒng)在步態(tài)數(shù)據(jù)采集中的核心價值。研究證實，系統(tǒng)創(chuàng)新的2-DOF關(guān)節(jié)可兼顧測量精度與穿戴舒適性，其測得的膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)角度與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)分別達(dá)0.98和0.96，還能精準(zhǔn)識別足跟觸地、腳尖離地等關(guān)鍵步態(tài)事件，同時實現(xiàn)關(guān)節(jié)角度、三維運動、足底壓力多模態(tài)數(shù)據(jù)同步采集，性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)單一傳感器方案。
這項工作不僅驗證了外骨骼作為便攜步態(tài)測量工具的可行性，還構(gòu)建了從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計到多源數(shù)據(jù)同步的完整技術(shù)框架。隨著可穿戴設(shè)備小型化與算法迭代，該研究打破了傳統(tǒng)步態(tài)采集的實驗室場景局限，為其向真實生活場景拓展奠定基礎(chǔ)，也為可穿戴下肢輔助設(shè)備研發(fā)和臨床步態(tài)評估邁向精準(zhǔn)化、個性化新階段提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。
原文信息鏈接
Haque M R, Imtiaz M H, Kwak S T, et al. A lightweight exoskeleton-based portable gait data collection system[J]. Sensors, 2021, 21(3): 781.
DOI: 10.3390/s21030781
研究團(tuán)隊介紹
本文作者為Md Rejwanul Haque、Masudul H. Imtiaz等，均來自阿拉巴馬大學(xué)。
關(guān)于維拓啟創(chuàng)
維拓啟創(chuàng)（北京）信息技術(shù)有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學(xué)、康復(fù)工程、人因工程、心理學(xué)、體育科學(xué)等領(lǐng)域的科研解決方案供應(yīng)商。公司與國內(nèi)外多所大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)長期保持合作關(guān)系，致力于將優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、先進(jìn)的技術(shù)和服務(wù)帶給各個領(lǐng)域的科研工作者，為用戶提供有競爭力的方案和服務(wù)，協(xié)助用戶的科研工作，持續(xù)提升使用體驗。
相關(guān)產(chǎn)品
可穿戴下肢輔助設(shè)備的運動意圖識別與關(guān)節(jié)控制依賴人體步態(tài)的定量認(rèn)知，但傳統(tǒng)標(biāo)記點式光學(xué)運動捕捉系統(tǒng)雖為步態(tài)測量金標(biāo)準(zhǔn)，卻受限于實驗室場景，且存在設(shè)備昂貴、準(zhǔn)備繁瑣等問題；無標(biāo)記光學(xué)捕捉精度不足且易受環(huán)境干擾，慣性捕捉有誤差累積和固定不穩(wěn)的弊端，傳統(tǒng)關(guān)節(jié)測角儀也因綁帶移位影響數(shù)據(jù)可靠性。
近日，阿拉巴馬大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究團(tuán)隊研發(fā)出一款基于輕型外骨骼的便攜式步態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為可穿戴下肢輔助設(shè)備的運動意圖識別與關(guān)節(jié)控制提供了精準(zhǔn)的步態(tài)數(shù)據(jù)支撐。研究成果發(fā)表于《Sensors》，題為《A Lightweight Exoskeleton-Based Portable Gait Data Collection System》。該團(tuán)隊設(shè)計了一款集成多模態(tài)傳感器的輕型外骨骼，并比較了該外骨骼在多種動作中收集的膝、踝關(guān)節(jié)角度，與同步測量的Vicon光學(xué)運動捕捉系統(tǒng)的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示，外骨骼測量的膝、踝關(guān)節(jié)角度與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)高度吻合，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)0.98和0.96，且能精準(zhǔn)識別足跟觸地、腳尖離地等關(guān)鍵步態(tài)事件。這一系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)步態(tài)采集的場景限制，兼具高精度與便攜性，為可穿戴輔助設(shè)備控制器研發(fā)及臨床步態(tài)評估提供了重要技術(shù)工具。
文章信息
研究方法
該研究為解決傳統(tǒng)步態(tài)數(shù)據(jù)采集手段的場景局限與精度缺陷，首先開展了輕型外骨骼的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，其外骨骼分為大腿、小腿、足部三段，通過創(chuàng)新的2-DOF關(guān)節(jié)連接，該關(guān)節(jié)集成了搭載絕對磁編碼器的主測量自由度和保障自然關(guān)節(jié)活動的被動自由度，同時采用5mm厚可塑形鋁桿連接關(guān)節(jié)，配備約7.6cm范圍的高度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)及大腿、小腿鋁制綁帶與織帶扣具，還將踝關(guān)節(jié)與碳纖維足部段相連固定于鞋底，實現(xiàn)不同身高人群適配與傳感器穩(wěn)定貼合。
圖1. (a) 測量外骨骼系統(tǒng) 2-DOF關(guān)節(jié)的分解圖（為右腿開發(fā)）(b) 高度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)視圖
隨后搭建了多模態(tài)傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在2-DOF關(guān)節(jié)內(nèi)置AS5145旋轉(zhuǎn)磁編碼器測量膝、踝關(guān)節(jié)角度，鞋底嵌入FS406力敏電阻監(jiān)測足跟與前腳掌壓力，大腿和小腿段各安裝1個MPU-9250型9-DOF慣性測量單元獲取肢體三維運動數(shù)據(jù)，并以STM32L476RG型ARM處理器為核心，搭配300mAh鋰聚合物電池、16GB微型SD卡及微型USB接口，構(gòu)建了支持1kHz采樣率的多設(shè)備時間同步數(shù)據(jù)采集模塊。
圖2. 傳感器和數(shù)據(jù)采集板的放置
圖3. 傳感器接口和數(shù)據(jù)采集電子設(shè)備
為驗證系統(tǒng)性能，研究選取3名無生理和認(rèn)知異常的健康志愿者，在8鏡頭Vicon光學(xué)運動捕捉系統(tǒng)實驗室中，讓志愿者先適應(yīng)設(shè)備5-10分鐘，再依次完成5次坐站/站坐轉(zhuǎn)換、自選步速平地行走、0.5-1.25m/s梯度及漸進(jìn)加速跑步機(jī)行走等動作。全程同步錄像并標(biāo)記動作時間節(jié)點，實驗后收集志愿者穿戴反饋。
表1. 志愿者的詳細(xì)信息
圖4. 測量外骨骼原型
數(shù)據(jù)處理階段，對Vicon采集數(shù)據(jù)采用10Hz截止頻率的四階零相位滯后巴特沃斯低通濾波，對外骨骼傳感器數(shù)據(jù)先通過MATLAB腳本去噪，再用10Hz截止頻率的二階巴特沃斯低通濾波，以此完成系統(tǒng)性能的驗證與數(shù)據(jù)校準(zhǔn)。
實驗結(jié)果
本研究的結(jié)果部分圍繞外骨骼步態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)節(jié)角度測量精度、步態(tài)事件檢測能力和三維運動信息采集效果三個核心維度展開驗證，具體如下：
1. 踝關(guān)節(jié)角度測量
在跑步機(jī)上行走時，外骨骼測得的踝關(guān)節(jié)角度與Vicon光學(xué)運動捕捉系統(tǒng)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.96，誤差可忽略。
圖5. 步行時外骨骼踝關(guān)節(jié)角度測量與參考動作捕捉的比較
平地行走、不同跑步機(jī)速度下行走等情況，3名受試者的測量數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)均在0.95-0.97區(qū)間，平均為0.96；在站坐、坐站轉(zhuǎn)換動作中，二者相關(guān)系數(shù)更是高達(dá)0.98-0.99，匹配度極佳，充分證明了踝關(guān)節(jié)角度測量的準(zhǔn)確性。
表2. 踝關(guān)節(jié)角度測量比較總結(jié)（外骨骼與 Vicon）
圖6. 從站到坐（左）和從坐到站（右）活動期間測得的踝關(guān)節(jié)角度與參考運動捕捉系統(tǒng)的比較
2.膝關(guān)節(jié)角度測量
在跑步機(jī)上行走時，外骨骼膝關(guān)節(jié)角度測量與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.98，尤其在步態(tài)支撐初期偏差極小。
圖7. 步行時外骨骼膝關(guān)節(jié)角度測量與參考動作捕捉的比較
在平地行走、梯度/漸進(jìn)加速跑步機(jī)行走等場景中，3名受試者的相關(guān)系數(shù)穩(wěn)定在0.95-0.97，平均為0.96；在站坐、坐站轉(zhuǎn)換動作中，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.98-0.99，整體測量精度與踝關(guān)節(jié)相當(dāng)。
表3. 膝關(guān)節(jié)角度測量比較總結(jié)（外骨骼與 Vicon）
圖8. 從站到坐（左）和從坐到站（右）活動期間測得的膝關(guān)節(jié)角度與參考運動捕捉系統(tǒng)的比較
3. 步態(tài)事件檢測
圖9上圖和下圖分別展示了足跟傳感器與足趾傳感器的響應(yīng)情況，和對應(yīng)的踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)運動軌跡。通常，一個步態(tài)周期可劃分為兩個階段：支撐相（stance phase）和擺動相（swing phase）。支撐相是足部與地面保持接觸的階段，約占步態(tài)周期的 60%；而剩余 40% 則為擺動相。通過足跟和足底嵌入的力敏電阻（FSR），可有效識別出4個關(guān)鍵步態(tài)事件：（A）初始足跟觸地（步態(tài)支撐相起點）、（B）前腳掌觸地、（C）蹬地、（D）腳尖離地（支撐相與擺動相的轉(zhuǎn)換點）。同時，外骨骼的踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)角度也能識別出上述4個步態(tài)事件（但是沒有與力學(xué)數(shù)據(jù)做量化精度對比）。
圖9. 力傳感電阻器在重要步態(tài)事件中的響應(yīng)，以及相應(yīng)的踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)軌跡。
(A)初始地面接觸事件，(B) 前腳接觸事件，(C) 蹬離事件和 (D) 腳趾離地事件
4. 三維運動信息采集
外骨骼大腿和小腿段的慣性測量單元（IMU）可穩(wěn)定輸出肢體運動過程中的三維加速度與角速度數(shù)據(jù)，無論是常規(guī)行走還是站坐/坐站轉(zhuǎn)換動作，均能有效捕捉下肢的三維運動學(xué)特征，展示了 “不同運動模式下 IMU 信號的差異特征”—— 例如行走時大腿 / 小腿的加速度與角速度呈現(xiàn)周期性波動（契合步態(tài)周期的重復(fù)性），而坐站轉(zhuǎn)換時信號呈現(xiàn)非周期性的峰值變化（對應(yīng)動作的過渡性），間接驗證了 IMU 能捕捉運動模式的本質(zhì)差異（同樣沒有做準(zhǔn)確性量化分析）。
圖10. 步行期間外骨骼慣性測量單元 (IMU) 的響應(yīng)
圖11. 從坐到站/從站到坐運動期間外骨骼 IMU 響應(yīng)
結(jié)論本研究通過研發(fā)輕型外骨骼便攜式步態(tài)采集系統(tǒng)，并與金標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)運動捕捉系統(tǒng)對標(biāo)，確立了該系統(tǒng)在步態(tài)數(shù)據(jù)采集中的核心價值。研究證實，系統(tǒng)創(chuàng)新的2-DOF關(guān)節(jié)可兼顧測量精度與穿戴舒適性，其測得的膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)角度與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)分別達(dá)0.98和0.96，還能精準(zhǔn)識別足跟觸地、腳尖離地等關(guān)鍵步態(tài)事件，同時實現(xiàn)關(guān)節(jié)角度、三維運動、足底壓力多模態(tài)數(shù)據(jù)同步采集，性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)單一傳感器方案。
這項工作不僅驗證了外骨骼作為便攜步態(tài)測量工具的可行性，還構(gòu)建了從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計到多源數(shù)據(jù)同步的完整技術(shù)框架。隨著可穿戴設(shè)備小型化與算法迭代，該研究打破了傳統(tǒng)步態(tài)采集的實驗室場景局限，為其向真實生活場景拓展奠定基礎(chǔ)，也為可穿戴下肢輔助設(shè)備研發(fā)和臨床步態(tài)評估邁向精準(zhǔn)化、個性化新階段提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。
原文信息鏈接
Haque M R, Imtiaz M H, Kwak S T, et al. A lightweight exoskeleton-based portable gait data collection system[J]. Sensors, 2021, 21(3): 781.
DOI: 10.3390/s21030781
研究團(tuán)隊介紹
本文作者為Md Rejwanul Haque、Masudul H. Imtiaz等，均來自阿拉巴馬大學(xué)。
關(guān)于維拓啟創(chuàng)
維拓啟創(chuàng)（北京）信息技術(shù)有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學(xué)、康復(fù)工程、人因工程、心理學(xué)、體育科學(xué)等領(lǐng)域的科研解決方案供應(yīng)商。公司與國內(nèi)外多所大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)長期保持合作關(guān)系，致力于將優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、先進(jìn)的技術(shù)和服務(wù)帶給各個領(lǐng)域的科研工作者，為用戶提供有競爭力的方案和服務(wù)，協(xié)助用戶的科研工作，持續(xù)提升使用體驗。
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