基于相位划分的下肢连续运动预测
Continuous kinematics prediction of lower limbs based on phase division
通讯作者:
收稿日期: 2020-05-12
Received: 2020-05-12
作者简介 About authors
段有康(1994—),男,硕士生,从事新型存储器应用和机器学习研究.orcid.org/0000-0001-5379-7234.E-mail:
为了实现针对特定个体的运动特点进行更精确的下肢连续运动预测和用更短的时间开展预测模型训练,采用对每个步态相位都建立预测模型的方法. 在识别出当前的步态相位后,使用当前相位的预测模型进行关节角度的预测. 使用支持向量机(SVM),对提出的方法进行验证. 实验表明,采用基于相位划分的下肢连续运动预测方法相比于对整个运动状态进行关节角度建模的预测方法,具有更高的预测精度和更短的模型训练时间. 髋、膝、踝关节的预测结果与真实值的相关系数均大于0.99,每次预测的角度与真实值的平均均方根误差均小于2°,训练时间缩短4.0~5.0倍.
关键词:
A method of establishing a prediction model for each gait phase was adopted in order to achieve more accurate prediction of continuous movement of lower limbs for specific individual movement characteristics and use a shorter time to train the prediction model. The prediction model of the current phase was used to predict the joint angle after identifying the current gait phase. Support vector machine (SVM) was used to verify the proposed method. The experimental results show that the prediction method of continuous motion of lower limbs based on phase division has higher prediction accuracy and shorter model training time than the prediction method of joint angle modeling of the entire motion state. The correlation coefficients between the predicted results of the hip, knee, and ankle joints and the true values are all greater than 0.99. The average root mean square error of the predicted angle values and the true values is less than 2° each time, and the training time is shortened by 4.0~5.0 times.
Keywords:
本文引用格式
段有康, 陈小刚, 桂剑, 马斌, 李顺芬, 宋志棠.
DUAN You-kang, CHEN Xiao-gang, GUI Jian, MA Bin, LI Shun-fen, SONG Zhi-tang.
目前,因为表面肌电信号(surface electro- myography,sEMG)具有便于采集、表面无创和系统精简的优势,基于表面肌电信号的下肢连续运动预测已经成为主流手段[3]. 在下肢运动的连续预测过程中,根据表面肌电信号和其他力、位置等传感器[4]采集的数据,通过神经网络或机器学习算法,开展多源数据与下肢运动的映射关系训练. 当前,在下肢的连续运动预测方面,有采用BP神经网络[5]、优化参数的支持向量机[6]、基于隐马尔可夫模型的预测[7]、相关向量机(relevance vector machine,RVM)[8]等方法,它们都是针对一整个运动状态来建立预测模型. 因为同一运动状态的不同步态相位变化规律差异较大,若整个运动状态使用同一个预测模型进行预测,则会导致预测精度不足,训练过程收敛较慢,且在进行预测模型的更新时往往需要重新训练和替换预测模型.
为了进一步提高人下肢连续运动预测的精度和减少预测模型的训练时间,本文提出基于相位划分的人下肢连续运动预测方法. 针对人下肢不同运动状态中的不同步态相位分别训练预测模型,根据特定对象当前运动状态中的各个步态相位的特征,开展连续的髋、膝、踝关节角度预测. 通过实验的方式,对提出的方法进行有效性验证.
1. 人下肢步态相位的划分
一个正常人的步态周期通常包含2个基本相:支撑相和摆动相[9]. 根据细分的依据不同,可以有多重细分方法. 参照传统的步态相位划分方法,结合下肢角度变化最明显的膝关节角度进行人下肢运动状态中的相位划分,将膝关节角度变化趋势的拐点作为不同相位的分割点. 将下肢完全直立状态的膝关节角度记为0°. 如图1所示的膝关节角度θkn曲线中,若某点两侧斜率变号,或者某点一侧的斜率绝对值小于一个接近零的阈值并且与另一侧的斜率同号,另一侧斜率绝对值大于该阈值,则该点为步态相位的分割点,确定了人下肢运动的具体步态相位划分和对应编号. 图1所示的各步态相位和编号分别为:平地慢跑状态步态相位划分为支撑前期(1)、支撑后期(2)、摆动前期(3)、摆动后期(4);平地步行状态步态相位划分为摆动前期(5)、摆动后期(6)、支撑期(7);上坡状态步态相位划分为支撑前期(8)、支撑后期(9)、摆动前期(10)、摆动后期(11);连续的起立和坐下状态划分为站姿和坐姿(0)、起立过程(12)、坐下过程(13).
图 1
2. 连续运动预测方法
2.1. 支持向量机原理
式中:
选择高斯核函数(RBF),RBF核函数为
核函数将之前的分类函数映射成
式中:
2.2. 基于相位划分的下肢连续运动预测方法
基于相位划分的下肢连续运动预测方法选取下肢识别领域广泛的采用的表面肌电信号和关节角度作为信号源,为了反映信号的本质特征,采用肌电积分值[13]、肌肉激活状态和髋、膝、踝关节的角度作为步态特征. 将特征值输入到SVM,进行平地行走、平地慢跑、起立和坐下、上坡过程中步态相位的分类和各步态相位下3个下肢关节角度的预测. 该方法对每个步态相位均建立了对应的髋、膝、踝关节角度预测模型,具有针对特定个体不同步态相位运动习惯特点的优势,可以缩短模型训练中拟合的收敛时间. 实验平台如下:处理器主频为3.5 GHz、内存为8 GB的PC机;软件环境为MATLAB R2016B;工具采用的是台湾大学林智仁教授等开发的libsvm3.23工具包. 基于相位划分的下肢连续运动预测方法如图2所示.
图 2
图 2 基于相位划分的下肢连续运动预测算法流程图
Fig.2 Flow chart of lower limb continuous motion prediction algorithm based on phase division
基于相位划分的人下肢连续运动预测方法步骤如下.
1)采集右腿平地行走、平地慢跑、上坡、连续的起立和坐下动作每种运动状态的实验数据. 每名受试者每种运动状态采集时间均持续1 min.
2)提取特征值,每名受试者的几种运动状态数据均选取运动稳定以后的8 049帧数据. 采集到的表面肌电信号进行20~480 Hz的带通滤波后,采用移动窗口[14]的方法,移动窗口的大小设置为50帧数据,每次移动一个数据帧,计算右腿7块肌肉表面的肌电积分值,根据肌电积分值计算肌肉的激活状态. 8 049帧数据窗口每次移动一帧,窗口大小为50帧,所以每个受试者的每个运动状态可以得到8 000帧计算后的数据. 采集到的髋、膝、踝关节角度选取和表面肌电信号同时刻采集的8 000帧数据使用低通滤波滤除高频信号,使用人下肢步态相位的划分方法进行步态相位划分. 对于第i帧窗口内的表面肌电信号数据
肌肉活跃状态参考语音信号端点检测算法中较简单的基于短时能量的端点检测算法[15],设定最短肌电激活时间为10帧,将肌肉活跃状态记为“1”,未激活状态记为“0”.
3)划分训练集和测试集,每一帧数据中右腿7块肌肉的肌电积分值、右腿8块肌肉的激活状态、右腿髋、膝、踝关节的关节角度组成一组特征值. 将每个受试者每个运动状态中的4000组特征值组成训练集,另外4000组数据组成测试集.
4)将训练集数据输入到SVM分类器进行步态相位识别模型的训练,使用SVM回归的方法进行每个步态相位的3个关节角度预测模型训练.
5)步态相位识别. 测试时,采用SVM进行步态相位的分类识别.
6)根据步骤5)识别的步态相位,选用对应步态相位的髋、膝、踝关节预测模型,使用SVM进行右腿3个关节的关节角度预测.
3. 实验结果及分析
表面肌电信号和髋、膝、踝关节角度采集由NDI Optotrak运动捕捉系统完成,系统采样频率为1 000 Hz. 如图3所示为在几种不同步态时采集的腓肠肌内侧肌电信号图。图中,U为肌电信号的电压幅值。如图4所示为上坡和慢跑时的数据采集照片. NDI Optotrak运动捕捉系统可以根据采集到的粘贴于身体侧面红外发光点的三维坐标,实时导出计算得到的关节角度和由肌电电极采集的表面肌电信号. 数据采集实验由3位身体健康且身高体重差异较大的男性受试者参加,每一位受试者均进行了连续的起立与坐下实验和在跑步机上完成的上坡、步行和4、5、6 km/h 3种不同速度的慢跑实验,每位受试者每个步态类型的实验均进行了3次,每次持续1 min,每次采集前均进行充分的休息,一共得到了54组数据. 卢祖能等[16]的研究表明,趾长伸肌、腓肠肌内侧、胫骨前肌、股直肌、股外侧肌、股内侧肌和股二头肌在下肢活动中收缩较明显,因此本文采用趾长伸肌、腓肠肌内侧、胫骨前肌、股直肌、股外侧肌、股内侧肌和股二头肌这7块肌肉作为下肢肌群. 实验前,先用酒精在受试者测试肌肉处擦涂去污,以增强信号的获取能力.
图 3
图 3 腓肠肌内侧几种运动状态肌电信号图
Fig.3 Electromyographic signals of several motion states of medial gastrocnemius muscle
图 4
为了验证本文算法的有效性,在使用SVM进行相位识别和关节角度预测的情况下,将本文算法与使用整段步态数据建模的下肢关节角度预测的算法进行对比实验. 以均方根误差R和相关系数C[7]评估关节角度的预测值的精确度. 髋关节、膝关节、踝关节角度的测量值分别记为α1、α2、α3,预测值记为β1、β2、β3. R、C和相位识别率Q的定义分别如下:
式中:N为进行识别和预测的次数,αij为第j(j=1,2,3)个关节第i次预测的测量值,βij为第j个关节第i次预测的预测值,
在测试中,传统的使用整段运动数据进行预测模型训练的关节角度预测方法与本文提出的基于相位划分的下肢连续运动预测方法使用同样的训练集和测试集,且步态相位识别过程相同,以比较两者在关节角度预测中的区别. 经过实验验证可知,本文提出的基于相位划分的下肢连续运动预测方法比使用整段运动数据进行建模的关节角度预测方法在平地慢跑、平地步行、上坡和连续的起立和坐下状态中3个关节角度的预测值和真实值的相关系数具有明显提升,尤其是幅度较小、运动比较复杂的踝关节相关系数由0.9左右提升到0.99以上,平均均方根误差由1.5°~3.0°下降到了0.2°~1.0°.
图 5
图 6
图 6 整段数据进行预测建模的速度为6 km/h慢跑状态关节角度预测
Fig.6 Joint angle prediction of 6 km/h jogging state using whole data to training prediction model
图 7
图 7 基于相位划分的速度为6 km/h慢跑状态关节角度预测
Fig.7 Prediction of joint angle based on phase division at 6 km/h jogging state
表 1 本文方法与其他方法预测精度的比较
Tab.1
表 2 2种算法的训练时间比较
Tab.2
Ntr | | | A |
500 | 0.1323 | 0.0358 | 3.70 |
1000 | 0.4130 | 0.0835 | 4.95 |
1500 | 0.8443 | 0.1587 | 5.32 |
2000 | 1.2419 | 0.2762 | 4.50 |
2500 | 2.1432 | 0.4579 | 4.68 |
3000 | 2.8276 | 0.6230 | 4.54 |
3500 | 3.6642 | 0.8696 | 4.21 |
4000 | 4.8305 | 1.1120 | 4.34 |
将训练集作基于相位的划分以后,在训练一个具有多个运动相位的步态预测模型时,分相位的所有预测模型训练时间比直接训练整个步态的预测模型短. 本文方法在提高预测精度的同时,可以大幅降低预测模型的训练时间.
4. 结 语
针对下肢连续运动中传统方法预测精度低和训练时间长的问题,本文提出基于相位划分的下肢连续运动预测方法. 使用SVM,对本文提出的方法与传统使用整段步态数据进行预测建模的方法进行对比. 通过实验证明,在进行预测模型的训练时,采用本文提出的方法,预测值与测量值的相关系数大于0.99,且预测模型的训练时间缩短4.0~5.0倍,相比于传统方法可以获得更高的关节角度预测精度和更短的训练时间. 在更新预测模型时,可以只替换某个步态相位的预测模型,而不是将整个的预测模型进行重新训练. 在相位切换的位置,由于分段的不连续性,具有一定的预测数据不连续现象,解决或减小相位切换对该方法的影响是下一步的研究方向.
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