基于徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的步行器精密測(cè)力系統(tǒng)標(biāo)定方法技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)屬于助行康復(fù)訓(xùn)器械技術(shù)領(lǐng)域，涉及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，尤其涉及基于徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的步行器精密測(cè)力系統(tǒng)標(biāo)定方法。為降低多維應(yīng)力之間的非線性靜態(tài)耦合干擾，提高步行器受載力的測(cè)量精度，本發(fā)明專利技術(shù)采用的技術(shù)方案是：提供一種可用于步行器精密測(cè)力系統(tǒng)標(biāo)定的徑向基函數(shù)Ｒａｄｉａｌ?。拢幔螅椋蟆。疲酰睿悖簦椋铮?，ＲＢＦ人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以測(cè)力系統(tǒng)１２個(gè)導(dǎo)聯(lián)應(yīng)變片電橋輸出電壓作為網(wǎng)絡(luò)輸入向量，６個(gè)負(fù)載分量力作為網(wǎng)絡(luò)輸出向量，并通過目標(biāo)誤差下的絕對(duì)誤差和對(duì)比確定出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的最優(yōu)參數(shù)。本發(fā)明專利技術(shù)主要用于為步行器助行康復(fù)訓(xùn)練效果的準(zhǔn)確監(jiān)控和評(píng)估提供幫助。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于助行康復(fù)訓(xùn)器械
，涉及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，尤其涉及基于 徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的歩行器精密測(cè)力系統(tǒng)標(biāo)定方法。技術(shù)背景步行器被廣泛應(yīng)用于助行康復(fù)臨床，為使用者提供外在的荷重支持和平衡幫助。步行器 精密測(cè)力系統(tǒng)主要針對(duì)步行器助行過程中動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)量與分析，用來實(shí)時(shí)鑒別使用者在 其步態(tài)周期不同階段的力學(xué)需求，驗(yàn)證和疲勞有關(guān)的失穩(wěn)危險(xiǎn)區(qū)間，量化行走質(zhì)量，在步態(tài) 訓(xùn)練和日常生活中有效減少步行器使用風(fēng)險(xiǎn)。步行器精密測(cè)力系統(tǒng)一般采用安裝在標(biāo)準(zhǔn)步行 器框架上的多導(dǎo)聯(lián)應(yīng)變片電橋網(wǎng)絡(luò)來間接提取助行動(dòng)力學(xué)信息。多維力傳感器受到設(shè)計(jì)原理、加工制造、布片等因素的影響，傳感器各維力信號(hào)與應(yīng)變 橋輸出信號(hào)之間存在著較強(qiáng)的耦合關(guān)系。靜態(tài)耦合是制約多維力傳感器測(cè)量精度的一個(gè)主要 因素。實(shí)際測(cè)量表明，多維力傳感器的維問耦合不完全是線性的，用線性靜態(tài)解耦的方法雖 然可以使維問耦合明顯減小，但是由于受到原理模型的限制，效果并不是很理想。另外，步 行器框架存在的塑性結(jié)構(gòu)非線性也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的互擾，嚴(yán)重影響系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性與可靠性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本專利技術(shù)的目的在于提供一種新的步行器精密測(cè)力系統(tǒng)標(biāo)定方 法，降低多維應(yīng)力之間的非線性靜態(tài)耦合干擾，提高步行器受載力的測(cè)量精度。本專利技術(shù)采用 的技術(shù)方案是 一種，借助于下列 結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)步行器框架上設(shè)置有應(yīng)變片電橋，應(yīng)變片電橋的輸出經(jīng)放大濾波電路、AD轉(zhuǎn)換 器輸入到計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)釆集和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型標(biāo)定，包括下列步驟系統(tǒng)初始化使用一套可對(duì)步行器手柄單側(cè)施加定向負(fù)載的多軸框架進(jìn)行標(biāo)定，框架內(nèi) 包含一個(gè)用以減少摩擦損失的滑車系統(tǒng)，標(biāo)定數(shù)據(jù)采集過程中，已知大小的負(fù)載會(huì)沿著各力 學(xué)分量的方向借助多軸框架逐步施加到步行器手柄上，同時(shí)記錄下與該負(fù)載對(duì)應(yīng)的導(dǎo)聯(lián)應(yīng)變 片電橋輸出電壓值作為后續(xù)標(biāo)定訓(xùn)練和誤差校驗(yàn)樣本，加載過程至少重復(fù)3次，同一加載點(diǎn) 取輸出電壓的平均值；根據(jù)公式al=radbas(wlXU+bl)， F=purelin(w2Xal+b2)，確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，其中，隱含層傳遞函數(shù)為高斯函數(shù)radbas，輸出層的傳遞函數(shù)為線 性函數(shù)purelin，網(wǎng)絡(luò)輸入向量U的維數(shù)為12，隱含層有120個(gè)神經(jīng)元，輸出層有6個(gè)神經(jīng)元， al表示隱含層輸出向量，wl表示隱含層神經(jīng)元的權(quán)值向量，w2為輸出層神經(jīng)元權(quán)值向量， bl為隱含層神經(jīng)元的閾值向量，b2為輸出層神經(jīng)元的閾值向量，網(wǎng)絡(luò)輸入向量U形成隱含 層神經(jīng)元的權(quán)值向量wl，隱含層神經(jīng)元的權(quán)值向量wl與隱含層神經(jīng)元的閾值向量bl經(jīng)加 權(quán)求和形成隱含層輸入向量nl，隱含層輸出向量al形成輸出層神經(jīng)元權(quán)值向量w2，輸出層 神經(jīng)元權(quán)值向量w2與輸出層神經(jīng)元的閾值向量b2經(jīng)加權(quán)求和形成輸出層輸入向量n2，輸出 層的輸出為輸出向量F。所述的隱含層神經(jīng)元的權(quán)值向量wl、隱含層神經(jīng)元的閾值向量bl各為對(duì)應(yīng)的120個(gè)， 輸出層神經(jīng)元權(quán)值向量w2與輸出層神經(jīng)元的閾值向量b2各為對(duì)應(yīng)的6個(gè)。所述的電橋具體的安裝位置是依照對(duì)歩行器框架進(jìn)行的結(jié)構(gòu)力學(xué)有限元分析結(jié)果來決 定，電橋都是被安排在相關(guān)力學(xué)分量作用下的框架相對(duì)最大形變位置，其中，設(shè)置有分別對(duì) 應(yīng)于x向的兩個(gè)分量，分別對(duì)應(yīng)于y向的兩個(gè)分量，分別對(duì)應(yīng)于z向的兩個(gè)分量，再根據(jù)所 測(cè)力學(xué)分量所引發(fā)彎距方向的不同，電橋粘貼位覽還對(duì)應(yīng)于梁管的相應(yīng)變形側(cè)面。本專利技術(shù)可以帶來以下效果本專利技術(shù)采用了神經(jīng)M絡(luò)模型方法，提出了一種新的步行器精密測(cè)力系統(tǒng)標(biāo)定方法，降低 多維應(yīng)力之間的非線性靜態(tài)耦合干擾，提高歩行器受載力的測(cè)量精度。本專利技術(shù)可為步行器助 行康復(fù)訓(xùn)練效果的準(zhǔn)確監(jiān)控和評(píng)估提供幫助，并獲得可觀的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。 附圖說明圖l本專利技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2步行器精密測(cè)力系統(tǒng)設(shè)置。圖3 RBF網(wǎng)絡(luò)用于步行器精密測(cè)力系統(tǒng)標(biāo)定的模型。具體實(shí)施方式人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本思想是從仿生學(xué)角度模擬人腦神經(jīng)系統(tǒng)的運(yùn)作方式，通過大量、簡(jiǎn) 單的神經(jīng)元對(duì)連續(xù)或斷續(xù)的輸入作狀態(tài)映射而進(jìn)行信息處理。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠不需要先驗(yàn)統(tǒng)計(jì) 模型而根據(jù)輸入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)樣本構(gòu)建出任意的非線性映射關(guān)系，而任何一種非線性映射都可 以用一個(gè)三層甜饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的三層前饋網(wǎng)絡(luò)，它以徑向基 函數(shù)作為隱層單元的"基"，具有非線性可分的模式空間映射到線性可分狀態(tài)空間的特性。本專利技術(shù)提供了一種可用于步行器精密測(cè)力系統(tǒng)標(biāo)定的徑向基函數(shù)(Radial Basis Function, RBF)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以測(cè)力系統(tǒng)12導(dǎo)聯(lián)應(yīng)變片電橋輸出電壓作為網(wǎng)絡(luò)輸入 向量，6個(gè)負(fù)載分量力作為網(wǎng)絡(luò)輸出向量，并通過目標(biāo)誤差下的絕對(duì)誤差和對(duì)比確定出祌經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的最優(yōu)參數(shù)。該方法與傳統(tǒng)的線性標(biāo)定方法相比能夠有效減小非線性靜態(tài)耦合影響， 提高歩行器受載力的測(cè)量精度并大大降低了干擾誤差，未來有望為步行器助行康復(fù)訓(xùn)練效果 的準(zhǔn)確監(jiān)控和評(píng)估提供幫助。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一歩詳細(xì)說明本專利技術(shù)。圖1為本專利技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。該系統(tǒng)以步行器精密測(cè)力系統(tǒng)為基礎(chǔ)，使用者在步行器 助行過程中所施加的冊(cè)V會(huì)首先通過安裝在步行器上的傳感器件轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。應(yīng)力應(yīng)變 片電橋的電壓信號(hào)經(jīng)隔離放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理儲(chǔ)存。信號(hào)的電壓輸出范 圍大致在士3伏的范圍內(nèi)。系統(tǒng)的采樣率可通過計(jì)算機(jī)調(diào)整。本系統(tǒng)所用敏感元件是日本Tokyo Sokki研究所生產(chǎn)的350Q， FLA-2系列應(yīng)力應(yīng)變片。 從長(zhǎng)期穩(wěn)定性考慮，應(yīng)變片粘貼采用的是環(huán)氧類，而非氰基丙烯酸鹽類粘合劑。應(yīng)變片采用 彎曲模式。步行器精密測(cè)力系統(tǒng)在測(cè)量過程中，要求系統(tǒng)測(cè)得總共六個(gè)力學(xué)未知量，即步行 器每只手柄各x， y， z三個(gè)方向分量(左手柄Fix, Fly， Flz;右手柄Frx， Fry, Frz), 因此需要在一架標(biāo)準(zhǔn)兩輪步行器兩側(cè)框架梁各安裝六套應(yīng)力應(yīng)變片電橋(見圖2)。電橋具體 的安裝位置是由對(duì)步行器框架進(jìn)行的結(jié)構(gòu)力學(xué)有限元分析結(jié)果決定的。由于步行器框架在不同方向分量力作用下會(huì)產(chǎn)生不同的形變效果，電橋都是被安排在相關(guān)力學(xué)分量作用下的框架 相對(duì)最大形變位置以取得最可靠的結(jié)果。其中，B-1和B-2、 B-7和B-8分別對(duì)應(yīng)于x向的兩 個(gè)分量，B-3和B-4、 B-5和B-6分別對(duì)應(yīng)于y向的兩個(gè)分量，B-9和B-10、 B-11和B-12分 別對(duì)應(yīng)于z向的兩個(gè)分量。另外，根據(jù)所測(cè)力學(xué)分量所引發(fā)彎距方向的不同，電橋粘貼位置 還需對(duì)應(yīng)于梁管的相應(yīng)變形側(cè)面。本專利技術(shù)要點(diǎn)在于歩行器多軸框架的數(shù)據(jù)采集，RBF網(wǎng)絡(luò)各層祌經(jīng)元數(shù)，擴(kuò)展系數(shù)的確定 等技術(shù)環(huán)節(jié)。1、步行器多軸框架的數(shù)據(jù)采集本專利技術(shù)使用 一套可對(duì)步行器手柄單側(cè)施加定向負(fù)載的多軸框架進(jìn)行標(biāo)定，框架內(nèi)包含一 個(gè)用以減少摩擦損失的滑車系統(tǒng)。標(biāo)定數(shù)據(jù)釆集過程中，已知大小的負(fù)載會(huì)沿著各力學(xué)分量的方向借助多軸框架逐步施加到歩行器手柄匕同時(shí)記錄下與該負(fù)載對(duì)應(yīng)的12導(dǎo)聯(lián)應(yīng)變片電 橋輸出電壓值作為后續(xù)標(biāo)定訓(xùn)練和誤差校驗(yàn)樣本。施加負(fù)載的量程選擇在x向10kg、y向10kg 和z向40kg。加載過程至少重復(fù)3次，同一加載點(diǎn)取輸出電壓的平均值。系統(tǒng)的初始化測(cè)量對(duì)于準(zhǔn)確獲取標(biāo)定結(jié)果是l分必要的。由于受到溫度，濕度等外界環(huán) 境變量的影響，應(yīng)力應(yīng)變片電橋的輸出即使在空載時(shí)也不會(huì)維持一個(gè)固定值。因此在每次正 式測(cè)本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的步行器精密測(cè)力系統(tǒng)標(biāo)定方法，借助于下列結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)：步行器框架上設(shè)置有應(yīng)變片電橋，應(yīng)變片電橋的輸出經(jīng)放大濾波電路、ＡＤ轉(zhuǎn)換器輸入到計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型標(biāo)定，其特征是，包括下列步驟：　系 統(tǒng)初始化：使用一套可對(duì)步行器手柄單側(cè)施加定向負(fù)載的多軸框架進(jìn)行標(biāo)定，框架內(nèi)包含一個(gè)用以減少摩擦損失的滑車系統(tǒng)，標(biāo)定數(shù)據(jù)采集過程中，已知大小的負(fù)載會(huì)沿著各力學(xué)分量的方向借助多軸框架逐步施加到步行器手柄上，同時(shí)記錄下與該負(fù)載對(duì)應(yīng)的導(dǎo)聯(lián)應(yīng)變片電橋輸出電壓值作為后續(xù)標(biāo)定訓(xùn)練和誤差校驗(yàn)樣本，加載過程至少重復(fù)３次，同一加載點(diǎn)取輸出電壓的平均值；　根據(jù)公式：ａ１＝ｒａｄｂａｓ（ｗ１×Ｕ＋ｂ１），Ｆ＝ｐｕｒｅｌｉｎ（ｗ２×ａ１＋ｂ２），　確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，其中，隱含層傳遞函數(shù)為高 斯函數(shù)ｒａｄｂａｓ，輸出層的傳遞函數(shù)為線性函數(shù)ｐｕｒｅｌｉｎ，網(wǎng)絡(luò)輸入向量Ｕ的維數(shù)為１２，隱含層有１２０個(gè)神經(jīng)元，輸出層有６個(gè)神經(jīng)元，ａ１表示隱含層輸出向量，ｗ１表示隱含層神經(jīng)元的權(quán)值向量，ｗ２為輸出層神經(jīng)元權(quán)值向量，ｂ１為隱含層神經(jīng)元的閾值向量，ｂ２為輸出層神經(jīng)元的閾值向量，網(wǎng)絡(luò)輸入向量Ｕ形成隱含層神經(jīng)元的權(quán)值向量ｗ１，隱含層神經(jīng)元的權(quán)值向量ｗ１與隱含層神經(jīng)元的閾值向量ｂ１經(jīng)加權(quán)求和形成隱含層輸入向量ｎ１，隱含層輸出向量ａ１形成輸出層神經(jīng)元權(quán)值向量ｗ２，輸出層神經(jīng)元權(quán)值向量ｗ２與輸出層神經(jīng)元的閾值向量ｂ２經(jīng)加權(quán)求和形成輸出層輸入向量ｎ２，輸出層的輸出為輸出向量Ｆ。...

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：明東，張希，劉秀云，程龍龍，萬柏坤，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：天津大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：12[中國(guó)|天津]