基于下肢康復機器人的激光雷達步態(tài)測量系統(tǒng)

【作者】劉錦，郭帥，鄭俐，張芷箐

1 上海大學 工程訓練國家級實驗教學示范中心，上海市，200444

2 上海市醫(yī)療器械檢驗研究院，上海市，201318

0 引言

所謂步態(tài)，指的是人類機體在行走運動時足部所呈現(xiàn)的姿態(tài)[1]。正常的行走過程是神經(jīng)對肌肉協(xié)調(diào)支配的綜合結(jié)果，當神經(jīng)受到損傷或者大腦功能有缺陷時，行走時會呈現(xiàn)各種各樣的異常姿態(tài)[2]。由帕金森、腦卒中等引起的步態(tài)疾病已成為當今社會日益嚴峻的問題。這些疾病不僅使患者缺乏獨立生活的能力，而且增加了醫(yī)療和社會服務(wù)的費用。對于帕金森和腦卒中等步態(tài)障礙，步態(tài)康復訓練被證明是有效的，而步態(tài)分析是步態(tài)康復的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過步態(tài)分析可以診斷疾病以及評估康復情況，以便更好地推進康復訓練的進行。通常，步態(tài)康復訓練是由康復理療師主導。近年來，機器人輔助康復治療的方法因其安全性和可控性越來越受到大眾的關(guān)注，這極大地減輕了理療師的工作[3]。目前步態(tài)測量系統(tǒng)主要以光學運動捕捉系統(tǒng)和壓力板為主[4-6]，但這些系統(tǒng)因其高昂的價格且測量范圍受限不適用于用在下肢機器人上。因此，本研究基于康復機器人提出了一種使用激光雷達傳感器的步態(tài)測量系統(tǒng)，具有成本低、安裝簡單且不受場地限制的特點。通過與光學運動捕捉系統(tǒng)進行對比，驗證了本系統(tǒng)的準確性。

1 步態(tài)測量系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)組成

本系統(tǒng)旨在對使用下肢康復機器人進行康復訓練的患者進行步態(tài)測量，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。通過激光雷達傳感器采集步態(tài)信息，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇祻蜋C器人的下位機，利用步態(tài)算法進行數(shù)據(jù)的處理與計算得出步態(tài)參數(shù)，將步態(tài)參數(shù)傳輸?shù)娇祻蜋C器人上位機進行實時顯示。

圖1 步態(tài)測量系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of gait measurement system

激光雷達選用杉川機器人有限公司的Delta-3A型激光傳感器，量程為0.25～16 m，掃描范圍為360°，采樣頻率為8 kHz，測量分辨率為 1 mm，角度分辨率為0.25°，該傳感器能在較低的成本下?lián)碛休^高的測量精度。

本研究采用的下肢康復機器人是上海市智能制造及機器人重點實驗室所研發(fā)的IreGo智能下肢康復機器人，其機械結(jié)構(gòu)圖與實物圖分別如圖2(a)和圖2(b)所示。上位機平板搭載上位機軟件，為用戶提供與機器人的交互界面，方便用戶更好地控制和使用機器人進行各種訓練。控制柜內(nèi)主要布置了機器人的下位機以及激光，并用鋼板進行封裝，在激光的發(fā)射高度處開槽，以便激光在雙腿的活動區(qū)域進行步態(tài)數(shù)據(jù)的采集。

圖2 下肢康復機器人Fig.2 Laser position lower-limb rehabilitation robot

1.2 激光雷達傳感器測量原理

人的步行過程是一個周期性動作，一個步態(tài)周期包含兩種時相：支撐相和擺動相。如圖3所示，以右腳著地開始到下一次右腳著地結(jié)束為一個步態(tài)周期，支撐相為右腳腳跟著地到同側(cè)腳尖離地的時間，擺動相是指右腳腳尖離地到同側(cè)腳跟再次著地的時間。劃分這兩種時相的關(guān)鍵點為腳跟著地點（heel strike，HS）和腳尖離地點（toe off，TO），通過這兩個特征點可以計算出步態(tài)的主要參數(shù)。

圖3 步態(tài)周期的相位劃分Fig.3 Phase division of gait cycle

本研究設(shè)計的步態(tài)測量系統(tǒng)主要目的是檢測出這兩種步態(tài)關(guān)鍵點從而求得步態(tài)參數(shù)，包括步態(tài)的時間參數(shù)如步行周期、擺動時間、站立時間、雙支撐時間以及步態(tài)空間參數(shù)步長。

激光雷達是一種測距傳感器，通過雷達發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送信號，當遇到障礙物時會引起散射，一部分光波會反射到激光雷達的接收器上，根據(jù)雷達的測距原理計算就能得到激光雷達到障礙物的距離。圖4為激光雷達測量步態(tài)參數(shù)的原理。將人體下肢模型簡化為兩對連桿模型，當人在下肢康復機器人上進行行走時，安裝在機器人上的激光能夠?qū)崟r地測量出兩腿腿徑到激光距離的動態(tài)變化。將HS定義為距離激光最近點處，TO定義為距離激光最遠點處。根據(jù)HS和TO時刻的時間即可求出步態(tài)的時間參數(shù)。在HS和TO時刻將兩腿與地面所組成的三角形與兩腿與激光發(fā)射平面所組成的三角形近似成相似三角形，使用激光測距傳感器可以獲得步行時兩腿的距離差（LDS），激光的安裝高度（LHL）和人的骨盆高度（LHP）也可以通過測量工具獲得，根據(jù)相似三角形原理，可以求得步長（S），公式如下：

圖4 激光測量原理Fig.4 Diagram of laser measurement

1.3 步態(tài)算法設(shè)計

下面將詳細講述測量算法的細節(jié)。為了方便后續(xù)計算，將從激光獲取到的原始數(shù)據(jù)預處理成如下格式：

其中，Pij為第j次掃描中的第i個點，xij和yij分別為坐標系的x坐標和y坐標。tj為第j次掃描與零時刻的相對時間，aij為點Pij的角度。Sj為第j次掃描的所有點的集合。

通過聚類算法，將點集分成左右兩組，分別為左右兩腿的數(shù)據(jù)點。使用最小二乘法將左右兩組數(shù)據(jù)擬合成腿圓后，計算出其平均半徑和圓心，得到圓心點集和平均半徑，利用平均半徑再反求之前的每一次掃描的圓心，得到最后的圓心軌跡：

其中rj是第j次掃描時利用最小二乘法擬合出的腿圓半徑，Cj為第j次掃描時的圓心，N為總掃描次數(shù)，R為平均半徑，H為N次掃描的所有圓心點集。

如圖5所示，左圖為單次掃描中激光原始數(shù)據(jù)擬合成腿圓的坐標圖，右圖為行走過程中y值變化的總時間序列。HS即為腳最先接觸地面的時刻，TO即為腳最后離開地面的時刻，定義HS和TO為y值的最小和最大值的時刻。

圖5 腿圓坐標圖及圓心y值的時間序列Fig.5 Shin coordinates and time series of y value of center of circle

根據(jù)HS和TO點即可求出步態(tài)的時間和空間參數(shù)。步行周期定義為同側(cè)腳跟著地到下一次腳跟著地的時間；擺動時間定義為同側(cè)腳的腳尖離地到腳跟著地時間之差；站立時間定義為同側(cè)腳的腳跟著地到腳尖離地時間之差；雙支撐之間為兩腳同時在地時間，定義為腳跟著地到對側(cè)腳尖離地時間之差；步長定義為腳跟著地到對側(cè)腳跟著地的距離，在本系統(tǒng)中，由于激光是嵌入在下肢康復機器人中跟隨機器人移動，因此激光雷達的坐標系并不固定，測量出的脛骨的坐標為相對坐標，激光無法同時測量出兩次連續(xù)出現(xiàn)HS時刻的位置，在下一次HS時刻到來之時，必然會丟失上一次的HS時刻兩腳的位置，在此情形下，無法通過標準方法計算步長，因此使用如下方式進行步長的近似計算，即將第k+1次腳跟著地時刻左右兩腳的距離差作為其跨步腳的步長：

2 測量系統(tǒng)有效性驗證實驗

2.1 實驗對象

本次實驗共征集了8名健康成年人（5男3女），年齡22～26歲，身高165～181 cm，體重55～75 kg。本次實驗均在告知其詳細的實驗過程后征得其同意。

2.2 實驗準備

為了驗證提出的步態(tài)測量系統(tǒng)的有效性，使用三維光學運動捕捉系統(tǒng)OptiTrack作為參考系統(tǒng)與激光雷達傳感器進行同步實驗。OptiTrack所采用的攝像機為Prime 17W，測量精度可達亞毫米級別，Prime 17W主要參數(shù)如表1所示。動捕的測量原理是攝像機的紅外線發(fā)光圈發(fā)出光線，然后被反光球（Marker點）反射回來就能實現(xiàn)在空間三維坐標中的定位與跟蹤。本研究使用12個攝像機，有效測量范圍大約為2～3 m。

表1 Prime 17 W攝像機相關(guān)參數(shù)Tab.1 Specifications of Prime 17 W

2.3 實驗過程

如圖6所示，Marker點分別穿戴在左右腿的腳踝外側(cè)處和膝蓋處，可以有效地測量出步態(tài)參數(shù)[7]。實驗過程為：使用下肢康復機器人的行走訓練功能時，志愿者在動捕系統(tǒng)的有效測量區(qū)域內(nèi)進行直線行走，激光和動捕進行同步測量，動捕的數(shù)據(jù)采集與可視化均由動捕配套的Motive軟件處理，動捕系統(tǒng)數(shù)據(jù)導出格式為csv，將其導入至Matlab中計算可得出步態(tài)參數(shù)，并將結(jié)果與激光傳感器計算得出的步態(tài)參數(shù)進行誤差對比分析。

圖6 Marker點穿戴位置示意Fig.6 Picture of Marker wearing position

3 實驗結(jié)果與分析

實驗結(jié)果如表2所示，激光雷達步態(tài)測量系統(tǒng)與動捕系統(tǒng)測量出的平均步行周期時間均為 2.5 s，平均擺動時間均在0.7 s左右，平均站立時間均在2 s左右。而正常人自然行走過程中，一個步態(tài)周期的時間約為1.14 s，且在一個步態(tài)周期內(nèi)為40%的擺動時間與60%的站立時間[8]，兩者相比，說明使用下肢康復機器人進行行走訓練不同于人的正常行走過程。首先，步態(tài)周期時間延長，同樣周期內(nèi)的站立時間延長。其次，激光測量的平均步長比動捕測量結(jié)果偏小，與激光傳感器計算步長的計算方法有關(guān)：由于激光無法直接測量標準步長，只能近似地將下一次對側(cè)腳跟著地時兩腳的距離差作為此腳的步長，而標準步長中從前一次腳跟著地到下一次對側(cè)腳跟著地的時間內(nèi)，前一次腳跟著地的腿徑會前移一小段距離，近似步長算法忽略了這一段距離差，因此結(jié)果會偏小。

表2 步態(tài)參數(shù)與動捕系統(tǒng)對比的有效性分析()Tab.2 Validity between proposed and OptiTrack for gait parameters

表2 步態(tài)參數(shù)與動捕系統(tǒng)對比的有效性分析()Tab.2 Validity between proposed and OptiTrack for gait parameters

激光與動捕測量系統(tǒng)的一致性通過組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（ICC）和95%的置信區(qū)間內(nèi)得到了驗證。一般來說，ICC值大于0.75則說明一致性高，0.4～0.75則認為一致性較好，0.4以下則說明一致性差?？梢钥吹剑瑪[動時間的一致性較好，而其他四個參數(shù)的一致性高。結(jié)果證明了我們提出的激光傳感器的步態(tài)測量系統(tǒng)的可行性與準確性。

4 結(jié)論

本研究基于下肢康復機器人使用激光雷達傳感器設(shè)計了一種步態(tài)測量的方法，通過將激光的原始數(shù)據(jù)通過最小二乘法擬合成腿圓后利用HS和TO的特征點來計算步態(tài)參數(shù)。然后通過與光學運動捕捉系統(tǒng)進行對比實驗，在8位健康成年人使用下肢康復機器人進行行走訓練時，激光與動捕測量系統(tǒng)同步采集數(shù)據(jù)，最后進行誤差分析與一致性分析。實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)在康復機器人上測量時，具有較高的精度，且具有成本低、安裝方便的優(yōu)點。下一步我們將此步態(tài)測量系統(tǒng)應(yīng)用于患者測量，以研究本系統(tǒng)對患者數(shù)據(jù)測量的有效性，并繼續(xù)優(yōu)化測量系統(tǒng)的算法，降低誤差，以便更好地在康復機器人上進行步態(tài)測量。