用于测量反作用力的方法和装置.pdf

本发明公开一种用于监测、测量和/或估计施加在脊椎哺乳动物的身体或身体部位上的力的装置。所述装置包括加速度传感器，其用于测量身体或身体部位相对于基准惯性系的加速度，并用于提供加速度的数据指示。所述加速度传感器包括：至少一个惯性传感器，用于存储所述数据的存储装置，和适于处理所述数据以估计与该数据相关联的反作用力向的处理器。该处理器配置为能基于一个或多个相关分量来执行用于评估反作用力的算法，其中所述相关分量包括与所述身体或身体部位相关联的质量、速度和/或速率。本发明还公开一种用于监测、测量和/或估计施加在脊椎哺乳动物的身体或身体部位上的力的方法。

1.  一种用于监测、测量和/或估计施加在脊椎哺乳动物的身体或身体部位上 的力的装置，所述装置包括：
加速度传感器，其用于测量所述身体或身体部位相对于基准惯性系的加速 度，并且用于提供表示所述加速度的数据，其中所述加速度传感器包括至少一个 惯性传感器；
存储装置，其用于存储所述数据；和
处理器，其适于处理所述数据，以估计与所述数据相关联的反作用力。

2.  根据权利要求1所述的装置，其中，所述处理器配置为执行用于评估所 述反作用力的算法。

3.  根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述算法所述算法适于促使所 述处理器基于一个或多个相关分量来评估所述反作用力，所述相关分量包括与所 述身体或身体部位相关联的质量、速度和/或速率。

4.  根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述处理器配置为根据 所述数据与所述反作用力之间的非线性关系函数来处理所述数据。

5.  根据权利要求4所述的装置，其中，所述关系函数大致呈对数，并且包 括一个或多个校准系数。

6.  根据权利要求5所述的装置，其中，所述处理器适于通过均衡所述一个 或多个校准系数来处理所述数据。

7.  根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述处理器适于根据以 下等式来提供与反作用力的相关性GRF_Peak(acc,m)：
GRF_Peak(acc,m)＝a(m)*[log₂(acc+b)]+c(m)
其中：
m表示哺乳动物受试者的质量；
acc表示由所述加速度传感器所测量的加速度数据；
“a”表示对数函数的斜率；
“b”为固定系数，用以补偿低于0g的加速度；和
“c”表示与所述对数函数相关联的偏移量。

8.  根据权利要求7所述的装置，其中：
a(m)＝4.66*m-76.60；并且
c(m)＝24.98*m-566.83。

9.  根据权利要求7或8所述的装置，其中，所述对数函数的斜率包括受试 者身体质量的线性函数。

10.  根据权利要求7至9中任一项所述的装置，其中，所述系数b设为1。

11.  根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中，由所述处理器提供的所 述反作用力基本上相当于由AMTI测力板测得的地面反作用力。

12.  根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述至少一个惯性传感 器包括加速度计。

13.  根据权利要求12所述的装置，其中，所述加速度计适于沿着一个或多 个正交的轴来测量加速度。

14.  根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述哺乳动物的身体或 身体部位包括腿部，并且所述装置适于监测与施加到所述腿部上的力相关联的加 速度分量。

15.  根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中，各个加速度传感器均施 加到所述哺乳动物的腿部上。

16.  根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中，每个惯性传感器包括用 于将模拟数据转换成数字域的模数转换器。

17.  根据权利要求16所述的装置，其中，所述模数转换器配置为将来自所 述加速度传感器的模拟输出转换成数据，之后存储所述数据。

18.  一种用于监测、测量和/或估计施加在脊椎哺乳动物的身体或身体部位 上的力的方法，所述方法包括：
使用至少一个惯性传感器来测量所述身体或身体部位相对于基准惯性系的 加速度，并提供表示所述加速度的数据；
将所述数据存储在存储装置中；以及
由处理器处理所述数据，以估计与所述数据相关联的反作用力。

19.  根据权利要求18所述方法，其中，所述处理器配置为能执行用于评估 所述反作用力的算法。

20.  根据权利要求18或19所述的方法，其中，所述算法适于促使所述处理 器基于一个或多个相关分量来评估所述反作用力，所述相关分量包括与所述身体 或身体部位相关联的质量、速度和/或速率。

21.  根据权利要求18至20中任一项所述的方法，其中，所述处理器配置为 能根据所述数据与所述反作用力之间的非线性关系函数来处理所述数据。

22.  根据权利要求21所述的方法，其中，所述关系函数大致呈对数，并且 包括一个或多个校准系数。

23.  根据权利要求22所述的方法，其中，所述处理器适于通过均衡所述一 个或多个校准系数来处理所述数据。

24.  根据权利要求18至23中任一项所述的方法，其中，所述处理器适于根 据以下等式来提供与反作用力的相关性GRF_Peak(acc,m)：
GRF_Peak(acc,m)＝a(m)*[log₂(acc+b)]+c(m)
其中：
m表示哺乳动物受试者的质量；
acc表示由所述惯性传感器所测量的加速度数据；
“a”表示对数函数的斜率；
“b”为固定系数，用以补偿低于0g的加速度；和
“c”表示与所述对数函数相关联的偏移量。

25.  根据权利要求24所述的方法，其中：
a(m)＝4.66*m-76.60；并且
c(m)＝24.98*m-566.83。

26.  根据权利要求24或25所述的方法，其中，所述对数函数的斜率包括受 试者身体质量的线性函数。

27.  根据权利要求24至26中任一项所述的方法，其中，所述系数b设为1。

28.  根据权利要求18至27中任一项所述的方法，其中，由所述处理器提供 的反作用力基本上相当于由AMTI测力板测得的地面反作用力。

29.  根据权利要求18至28中任一项所述的方法，其中，所述至少一个惯性 传感器包括加速度计。

30.  根据权利要求29所述的方法，其中，所述加速度计适于沿着一个或多 个正交的轴来测量加速度。

31.  根据权利要求18至30中任一项所述的方法，其中，所述哺乳动物的身 体或身体部位包括腿部，并且所述装置适于监测与施加到所述腿部上的力相关联 的加速度分量。

32.  根据权利要求18至31中任一项所述的方法，其中，各个加速度传感器 均可施加到所述哺乳动物的腿部上。

33.  根据权利要求18至32中任一项所述的方法，其中，每个惯性传感器包 括用于将模拟数据转换成数字域的模数转换器。

34.  根据权利要求33所述的方法，其中，所述转换器配置为将来自所述加 速度传感器的模拟输出转换成数据，之后存储所述数据。

用于测量反作用力的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于测量和/或估计反作用力的方法和装置。反作用力包括 在例如步行、跑步、疾跑、跳行、着陆和/或跳跃的活动过程中哺乳动物的肢体(诸 如人的足部)碰撞或撞击表面时所经受的地面反作用力(GRF)。
本发明的方法和装置可用于比较由测力板所测量的地面反作用力与由设置 在哺乳动物身体上的传感器所测量的地面反作用力。
背景技术
在诸如康复、运动评估以及工作场地的设计及施工等涉及对地面反作用力的 测量与估计的许多应用中，通过得知肢体或身体部位在与表面碰撞时作用在肢体 或身体部位上的力(或多个力)，可以提高对活动的评估能力。这是因为，在碰 撞过程中作用在肢体、关节或身体部位上的过大的力可能导致肢体、关节或身体 部位的受伤和/或损伤。通过知道作用在肢体、关节或身体部位上的力(或多个力) 还能够计算各个力之间的对称性/不对称性。在一项研究中，不对称性指标是与受 伤风险相关联的。
例如，当哺乳动物的肢体或身体部位(例如足部)与诸如地面的相对硬的表 面碰撞时，可能会出现多种机械性和/或生理性和/或生物力学性变化。在机械/生 物力学方面，在碰撞期间所施加的力会导致参与碰撞的肢体或身体部位的一部位 突然错位，这会对哺乳动物的肢体或身体部位的结构造成外部和/或内部损伤。
某些表面可能相对更具弹性，并且不同的表面会使肢体、关节或身体部位经 受不同的力。类似地，不同的跑步技术、不同的速度、不同的鞋、步态模式也可 能影响身体部位所经受的力。也可以在整个身体(例如，哺乳动物的身体)着陆 于水面或雪面时对力进行测量。这意味着对投落在雪面上的跳台滑雪运动员进行 评估。在一个示例中，可以针对工人的用来碰撞表面以帮助对准部件的手腕/手来 对力进行测量，例如，车辆装配工人击打模具组件以推其入位的做法就存在评估 工伤的潜在可能。
传统上，通过Advanced Mechanical Technical有限公司(AMTI)制造的测 力平台或测力板来对地面反作用力进行测量。该测量已被用于量化地面反作用力 (GRF)、平衡性、步态和/或其他的生物力学参数。这种测量在诸如医药和运动 的应用领域中颇为有用。然而，由于通常不允许在实验室以外或严格控制的配置 环境以外将测力平台用于生物力学参数的综合测量，因此这种测量目前仅限于实 验室条件。在某些专业跑步机上可获得测力板数据，但是由于地面在受试者下方 一直移动，由此从根本上改变了跑步力量。这些跑步机还不能提供对不同的地形、 斜坡、弯度(等)上的力的测量能力。
本发明可以减轻现有技术的缺点，和/或提高GRF数据的准确性和/或有效性 和/或功能性和/或可用性。本发明还可以提供一种能在几乎任何配置环境、野外 现场对力数据进行测量的能力。
这里，对以现有技术给出的专利文献或其他主题的引用不视为是承认：截止 到本文的任何公开内容或权利要求的优先权日，该文献或主题在澳大利亚或其他 地区是公知的，或者其中所含的信息在澳大利亚或其他地区属于知常识的一部 分。在本说明书中包含此类有关现有技术的讨论是用于根据本发明人的知识和经 验对本发明的上下文进行阐述。
在本文的说明书和权利要求书中，词语“包括”或“包含”以及这些词的 变型，例如“具有”、“含有”和“设有”或“有”，并不旨在排除其他添加项、 部件、整数或步骤。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于监测、测量和/或估计施加在脊椎 哺乳动物的身体或身体部位上的力的装置，所述装置包括：
加速度传感器，其用于测量所述身体或身体部位相对于基准惯性系的加速 度，并且用于提供表示所述加速度的数据，其中所述加速度传感器包括至少一个 惯性传感器；
存储装置，其用于存储所述数据；和
处理器，其适于处理所述数据以估计与所述数据相关联的反作用力。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于监测、测量和/或估计施加在脊椎 哺乳动物的身体或身体部位上的力的方法，所述方法包括：
使用至少一个惯性传感器来测量所述身体或身体部位相对于基准惯性系的 加速度，并提供表示所述加速度的数据；
将所述数据存储在存储装置中；以及
由处理器处理所述数据，以估计出与所述数据相关联的反作用力。
所述处理器可配置为执行用于评估反作用力的算法。所述算法适于促使所述 处理器基于一个或多个相关分量来估计反作用力，所述相关分量包括与所述身体 或身体部位相关联的质量、速度和/或速率。
所述处理器可配置为能根据关系函数(例如，加速度数据与反作用力之间的 非线性关系函数)来处理所述数据。所述关系函数可以大致呈对数，并且可包括 一个或多个校准系数。所述处理器可适于通过均衡所述一个或多个校准系数来处 理所述数据。
在一种实施例中，所述处理器适于根据以下等式来提供与反作用力的相关性 GRF_Peak(acc,m)：
GRF_Peak(acc,m)＝a(m)*[log₂(acc+b)]+c(m)
其中：
m表示哺乳动物受试者的质量；
acc表示由加速度传感器或惯性传感器所测量的加速度数据；
“a”表示对数函数的斜率；
“b”为固定系数，用以补偿低于0g的加速度；和
“c”表示与所述对数函数相关联的偏移量。
在一个形式中，a(m)＝4.66*m-76.60；并且c(m)＝24.98*m-566.83。所述对 数函数的斜率可包括受试者身体质量的线性函数。在一种形式中，系数b可设为 1。在一种形式中，偏移量c可包括身体质量的线性函数。
在一个优选实施例中，由所述处理器提供的反作用力基本上堪比或等同于由 AMTI测力板测得的地面反作用力。
所述至少一个惯性传感器可包括加速度计。所述加速度计适于沿着一个或多 个正交轴来测量加速度。
哺乳动物受试者的身体包括诸如腿部的四肢，并且在一个应用中，所述装置 适于监测与施加到腿部上的力相关联的加速度分量。各个加速度传感器都可以施 加到哺乳动物的腿部上。
在其他应用中，所述装置适于监测与施加到诸如臂部(或双臂)的其他肢体 上的力相关联的加速度分量，或监测与施加到整个身体上的力相关联的加速度分 量。在这些情况下，可以将所述加速度传感器施加到臂部(或双臂)上，或者施 加到身体上的适于监测整个身体的加速度的合适位置上。
每个惯性传感器可以包括用于将模拟数据转换成数字域的模数(AD)转换 器，或者与该AD转换器相关联。所述AD转换器可配置为能将来自所述加速度 传感器的模拟输出转换成数据，之后存储所述数据。
本发明可以包括适于在碰撞过程中监测作用在哺乳动物的肢体或身体部位 上的力(或多个力)的装置。本发明还可包括利用来自所述装置的数据来确定在 碰撞过程中作用在哺乳动物的肢体或身体部位上的力(或多个力)的方法。所述 装置可包括能设置在肢体(例如，人类受试者的腿部或双腿)上的传感器，以及 用于测和/或确定在例如步行、跑步、疾跑、跳行、着陆和/或跳跃的活动过程中 足部碰撞表面所经受的地面反作用力和/或撞击力的硬件和/或软件。所述装置可 包括数字处理引擎和用于处理变量(例如，受试者体重或质量、包括步态模式在 内的运动模式、和/或表面的类型)的一个或多个算法，以更精确地确定地面反作 用力或撞击力。
本发明的装置便于针对不同目的(包括但不限于例如监测和/或测量运动员 所经受的(多个)地面反作用力)在各种环境(包括室内和/或室外环境)中监测 (多个)反作用力，从而杜绝或至少最小化损伤的发生率，和/或在采用最佳技术 和/或对称性技术方面提供能提高运动成绩的指导。
附图说明
图1示出了根据本发明的装置的一种形式；
图2示出了无受伤历史的受试者在15km/h的奔跑速度下的典型的胫骨加速 度；
图3示出了针对每个受试者而被建模为身体质量与线性方程的个体增益之 间的线性函数的系数“a”；
图4示出了针对每个受试者而被建模为身体质量与线性方程的个体偏移量 之间的线性函数的系数“c”；
图5(a)到5(f)示出了加速数据的三个受试者(Andrew,Bryce,Simon)针 对峰值地面反作用力的对数近似；和
图6(a)至6(f)示出了当与测力板相比时对三个受试者(S₁,S₂,S₃)的地 面反作用力的估计的RMSE(均方根误差)。
具体实施方式
如上所述，传统上是通过测量平台或测力板(诸如AMTI制造的测力板)来 测量地面反作用力(GRF)。还如所描述的那样，由于通常不允许在野外或实验室 以外将测力平台用于生物力学参数的综合测量，因此这种测量目前仅限于实验室 条件。
本发明的装置和方法适于在不使用测量平台或测力板的情况下监测和/或确 定地面反作用力(GRF)，并因此可适于在野外或严格控制的配置环境之外来监测 和/或确定地面反作用力(GRF)。
本发明的装置和方法适于在给定的时间点监测和/或确定人类受试者所经受 的地面反作用力，本文是在这中背景下进行描述的。然而，应当理解，本发明并 不因此限制于此类应用。
参照图1，根据本发明的装置的一种形式包括沿着人类受试者12的左、右 胫骨轴设置的或与左、右胫骨成一直线地设置的传感器10,11。每个传感器10,11 均包括惯性传感器(例如，加速度计和/或诸如磁强计的磁性传感器)，以确定在 与例如地面(未示出)的表面碰撞过程中作用在受试者12的腿部上的力(多个 力)。在两条腿上的正轴可以指向朝上或指向朝下，由此至少能在垂直方向上测 量胫骨加速度。在例如步行、跑步、疾跑、跳行、着陆和/或跳跃等活动过程中， 所经受的碰撞(或每次碰撞)通常都会产生地面反作用力。
通过传感器10,11测得的加速度信号可经由无线发射器13,14发送至远程接 收器15。接收器15与数字处理引擎16相关联。数字处理引擎16包括数字处理 器，例如是用于处理数据的微处理器。
数字处理引擎16可以包含用于估计与地面反作用力(例如，经由测力平台 或测力板所测量的地面反作用力)的相关性的算法。基于从传感器10,11获取的 加速度数据与地面反作用力之间的大致呈非线性或对数的关系，数字处理引擎16 用所述算法执行计算。
在一种形式中，数字存储器或数据存储单元17,18可以与传感器10,11相关 联，由此以数字格式存储数据以用于分析和/或报告。数字存储器17,18可包括诸 如闪存、存储卡、记忆棒等用于存储数字数据的结构。存储器结构可以是可移动 的，以便于将数据下载到诸如PC或其他数字处理引擎的远程处理设备上。
数字存储器17,18可以从传感器10,11接收数据。每个传感器10,11可包括 模-数(AD)转换器19,20，或与AD转换器相关联。该/各个AD转换器19,20以 及存储器17,18可直接与传感器10,11相关联，例如与相应的传感器10,11一起设 置在相同的印刷电路板(PCB)上。备选地，传感器10,11可以向发射器13,14 输出模拟数据，并且一个或多个AD转换器可以与远程接收器15和/或数字处理 引擎16相关联。一个或多个AD转换器可以在数据被存储到数字存储器(例如， 上述数字存储器)之前，将模拟数据转换成数字域。在一些实施例中，数字处理 引擎16可以实时地处理数据，以提供对所监测的受试者12的生物反馈。
根据图1，在本实施例中使用的加速度计的轴为x轴。例如在当受试者12 奔跑时，可以沿着x轴测量在站立期的最大负峰值之后的最大正峰值加速度(参 照图2)，这是由于良好的重复性以及与相当的地面反作用力(即在通过AMTI 测力板为从事类似任务的同一受试者12所测量的地面反作用力)的高相关性。
在另一实施例中，基于胫骨在力的最高点时与地面所成的角度，可以通过使 用垂直矢量和向前的水平矢量来计算GRF，从而创建对垂直GRF的更准确估计。 水平矢量也可以提供对受试者处在加速还是减速的考察。
示出的是，当考虑到速度变化(6km/h-26km/h)和受试者12的身体质量变 化时，加速度数据与反作用力之间的相关分量基本上呈非线性。因此，示出的是， 根据以下等式使得加速度数据与峰值地面反作用力相关联：
GRF_Peak(acc,m)＝a(m)*[log₂(acc+b)]+c(m)
其中：
“a”表示对数函数的斜率，并且其通常作为受试者12的身体质量m的线 性函数；
“b”为固定系数(通常设置为1)，以补偿低于0g的加速度；
“c”表示与对数函数相关联的偏移量，并且其通常作为受试者12的身体质 量m的线性函数；
a(m)＝4.66*m-76.60；和
c(m)＝24.98*m-566.83
假设两个系数a(m)和c(m)分别与受试者12的身体质量m大致呈线性函数， 并且分别在图3和图4示出。最初，针对每个受试者12，对峰值地面反作用力与 峰值加速度之间的线性关系进行估计。就每个等式(每个受试者)而言，可以将 增益和偏移量建模作为每个受试者的身体质量的函数。结果发现，当执行这种建 模时，个体增益与偏移量(二者均与各个受试者的身体质量高度相关联)之间的 大致线性近似使得在估计地面反作用力时的误差减少。
系数b包括能避免负对数函数的因子。由于在步行速度(6km/h)下峰值加 速度可能很小(<1g)，这种数学校正因子可以确保所估计的GRF始终为正。在 一些实施例中，可以在几次跨步之间对加速度峰值求平均，以减少由于通过无线 通信进行的数据传输所造成的误差和/或提高系统稳定性。
使用AMTI测力板对上述方法进行了验证。图3示出了在验证测试过程中采 用均方根误差(RMSE)所估计的误差，其中针对各个速度下的双腿而言，来自 三个受试者的数据误差下降到5.4％至8.28％之间，并且三个受试者之间的平均误 差为6.33％。
如上所述，已知作用在肢体、关节或身体部位上的力(或多个力)，就能够 计算力之间的对称性/不对称性。例如，可以计算在使用不同技术或设备过程中中 所采用的力的平衡性，或者可以计算一条腿相比于另一条腿在碰撞地面时的平衡 性/对称性。
受试者的非对称指数(ASI)可以如下地计算：
ASI(％)＝100*(L-R)/((L+R)/2)，其中L和R对应于分别来自受试者的左侧肢 体和右侧肢体的以牛顿为单位的GRF测量。
针对受试者1和2所计算的ASI示例示出如下：
受试者1：ASI(％)＝100*(2619-1930)/((2619+1930)/2)＝30.3％
受试者2：ASI(％)＝100*(2496-2289)/((2496+2289)/2)＝8.6％
最后，应当理解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以将各种变型、 修改和/或添加项引入到上述内容部分的结构及配置中。