利索能及
我要发布
收藏
专利号: 2022101857897
申请人: 电子科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-12-01
缴费截止日期: 暂无
联系人

摘要:

权利要求书:

1.一种基于Kinect的人体步态参数提取方法,其特征在于,包括以下步骤:

1)获取Kinect体感深度传感器提取的原始关节点位置序列数据,所述原始关节点位置序列数据包括髋关节、膝关节、踝关节和足关节的空间位置信息;

2)对原始关节点位置序列数据进行滤波处理并计算原始步态参数值,所述原始步态参数值包括膝关节角度、踝关节角度、髋关节角度、足关节速度、踝关节角速度和膝关节角速度;

3)根据原始步态参数值构造步态特征空间,步态特征空间包括静态姿势特征、连续运动变化特征和整体变化特征;

静态姿势特征包括当前帧的足关节坐标、足关节速度、膝关节角度和膝关节角速度:连续运动变化特征包括当前帧与前一帧的足关节坐标、足关节速度、膝关节角度和膝关节角速度之间的差值;

整体变化特征包括当前帧与第一帧的足关节坐标、足关节速度、膝关节角度和膝关节角速度之间的差值;

4)利用步态特征空间采用基于随机森林模型的步态相位划分策略得到每帧单侧状态的初步判定结果,再对异常相位进行误判修正得到最终步态相位划分结果;对异常相位进行误判修正的方法为:初步判定结果为摆动相时,进一步判断摆动阶段中足的行走距离是否大于等于半步长预设值,如是,该帧单侧状态的最终步态相位划分结果为摆动相,否则,修改该帧单侧状态的最终步态相位划分结果为支撑相;

5)从最终步态相位划分结果确定摆动期的起点帧和终点帧,再根据起点帧和终点帧中关节点位置坐标得到摆动阶段的起点位置、终点位以及起点时刻和终点时刻,从而计算得到步态时空参数;

对异常相位进行误判修正的具体方法为:

其中,Sprocessed为最终步态相位划分结果;S为初步判定结果,为0表示单侧状态为支撑相,为1表示单侧状态为摆动相; 表示对于S取反;Lt_start为摆动期起点足关节的空间位置坐标(xt_start,yt_start,zt_start),Lt_end为摆动期结束点足关节的空间位置坐标(xt_end,yt_end,zt_end);0.5为半步长预设值,单位为m;

其中,得到关节点位置坐标,即摆动阶段的起点位置Lt_start和终点位置Lt_end以及起点时刻 和终点时刻 来计算得到步态时空参数的具体步骤为:步态时空参数包括步长、跨步长、步频和步行速度;

步长step_length通过获取一侧下肢支撑相期间的起点,以及往后时间内对侧下肢首次支撑期的起点,由这两个时间点的足关节坐标实现两足间行进方向距离Di的计算,计算多个支撑期内的距离平均值作为最终结果,计算方法如下:其中,li表示左侧下肢第i个支撑期,ri表示右侧下肢第i个支撑期;N1表示观测的单侧支撑期的总数目;Lfoot_li表示左足第i支撑期起点时左足的空间坐标值(xfoot_li,yfoot_li,zfoot_li),Lfoot_ri表示与对应Lfoot_li所在相邻的右足支撑期起点时右足的空间坐标值(xfoot_ri,yfoot_ri,zfoot_ri),多个左右侧相邻支撑期的行进方向位置差值取平均值后完成对步长的计算;

跨步长stride_length利用同侧足关节支撑期的起点和对应摆动期的终点,计算多个此时间段内同侧足关节空间距离变化值Dk,并取平均值,计算方法如下:其中,N2表示观测的单侧支撑期的总数目; 表示左足第k个支撑期起点时左足关节的空间坐标值 表示左足第k+1个支撑期起点时的空间坐标值

多个左右侧相邻支撑期和摆动期的位置差值取平均值后完成对跨

步长的计算;

步频利用左侧与右侧摆动期个数表示步数,计算第一个摆动期起点和最后一个摆动期终点之间的时间,作为行走过程时间累计,计算方法如下:其中,N表示左侧与右侧摆动期个数, 表示第一个摆动期起点时刻, 表示最后一个摆动期终点时刻;

步行速度以m/s为单位,采用如下方式计算:

2.如权利要求1所述方法,其特征在于,对原始关节点位置序列数据进行滤波处理使用Savitzky Golay滤波。

3.如权利要求2所述方法,其特征在于,Savitzky Golay滤波使用的滑动窗口宽度数值设为17。

4.如权利要求1所述方法,其特征在于,髋关节、膝关节、踝关节和足关节的空间位置信息具体包括膝关节点到髋关节方向向量e1、膝关节点到踝关节方向向量e2、踝关节关节点到膝关节方向向量e3和踝关节点到足关节方向向量e4,以及髋关节与膝关节构成的向量对应的水平面的法向量l1、髋关节与膝关节构成的向量对应的矢状面的法向量l2、髋关节与膝关节构成的向量对应的冠状面的法向量为l3;

膝关节角度θKnee的计算方法为:

踝关节角度θAnkle的计算方法为:

髋关节角度通过髋关节与膝关节构成的向量与水平面夹角θHip_Transverse、与矢状面夹角θHip_Coronal以及与冠状面的夹角θHip_Sagittal来表示:

5.如权利要求1所述方法,其特征在于,足关节速度在相机坐标系的速度计算方式如下:其中,相机坐标系中的z轴的方向为人体前进方向,(xt,yt,zt)和(xt‑1,yt‑1,zt‑1),分别表示此刻t和前一刻t‑1足关节的三维位置坐标,f表示Kinect体感深度传感器的采样频率。

6.如权利要求1所述方法,其特征在于,踝关节角速度ωAnkle的计算方式为:膝关节角速度ωKnee的计算方式为:

其中,θt_Ankle为当前时刻t的踝关节角度,θt‑1_Ankle与前一刻t‑1的踝关节角度,θt_Knee为当前时刻此刻t的膝关节角度,θt‑1_Knee为前一刻t‑1的膝关节角度,f表示Kinect体感深度传感器的采样频率。