CN101433459B - 一种应用在电子秤上的平衡能力测量方法 - Google Patents

Abstract

一种应用在电子秤上的平衡能力测量方法，它由如下步骤组成：步骤1：通过使用者单脚站在支承面板(2)上，利用压力传感器(3)感应来自支承面板(2)上的使用者的体重和重心偏移，并通过测量电路(4)转换成电信号，该电信号经A/D转换器(5)转换成数字信号输入到微处理器单元(6)处理；步骤2：使用者通过输入单元(8)向微处理器单元(6)输入自己身高、年龄和性别参数，微处理器单元(6)根据使用者的体重和重心偏移及身高、年龄和性别参数计算出平衡能力的数值；步骤3：微处理器单元(6)将平衡能力分成多级，微处理器单元(6)根据计算出平衡能力数值匹配对应的级别并由显示单元(7)显示出来，它测量科学合理，准确性和权威性高，使用方便，趣味性强。

Description

一种应用在电子秤上的平衡能力测量方法

技术领域：

本发明涉及一种应用在电子秤上的平衡能力测量方法。 

背景技术：

平衡功能是人体的一项重要功能，其测量在医学上神经科、耳鼻喉科、老年病科、骨伤科、糖尿病、眩晕证、骨质疏松及心脑血管疾病等都有重要的意义。自70年代起，国内就运用压力平板技术对人体的平衡功能进行实验研究。80年代时着一技术就逐渐应用与临床，对多种疾病进行分析研究。到目前为止，医学上仍在不断对人体平衡的进行不断的研究。但在家用方面还没的得到应用和普及。近年来，人们的健康意识越来越高，希望有一种普及型的，大众化的带平衡测量功能的电子体重秤，使大家每天都能够对自己的身体平衡状况做个了解，对身体生理和形态指标提供一个重要的参考作用。 

目前，测量人的平衡能力测量仪器结构比较简单，原理不科学，测量不准确、功能价格比低，如专利号为：00201322.3号、名称为：单脚站立式人体平衡能力测试仪的实用新型专利，她利用人单脚站立在仪器上，计量站立的时间，从而计算出人的平衡力相对数值。但这种方式过于简单不科学，准确性低，并且这种设备只能测量平衡能力，没有其他任何功能，性价比低，当人失去平衡时，需要脚踏触发开关，从而停止计时，使用不太方便。 

另外目前的电子人体秤功能单一，性价比低，趣味性不够。 

发明内容：

本发明的一个目的是提供一种应用在电子秤上的平衡能力测量方法，该 方法科学合理，测量准确性高，比较有趣。 

本发明的技术方案是这样实现的： 

1、一种应用在电子秤上的平衡能力测量方法，所述的电子秤包括包括若干个支撑脚和安装在支撑脚上的支承面板、含有压力传感器的测量电路、A/D转换器、微处理器单元、显示单元和输入单元，它由如下步骤组成： 

步骤1：通过使用者单脚站在支承面板上，利用压力传感器感应来自支承面板上的使用者的体重和重心偏移，并通过测量电路转换成电信号，该电信号经A/D转换器转换成数字信号输入到微处理器单元处理； 

步骤2：使用者通过输入单元向微处理器单元输入自己身高、年龄和性别参数，微处理器单元根据使用者的体重和重心偏移及身高、年龄和性别参数计算出平衡能力的数值Ba， 

Ba＝((Ks*f1(Se)+Ka*(Age-20)+Kh*f2(Se)*(H-1.10)+Kw*W))*(PL/N)+f(θ) 

其中：性别关系系数记为Ks，年龄关系系数记为Ka，身高关系系数记为Kh，f1(Se)，f2(Se)是性别函数，f(θ)是角度函数，Age为使用者输入的年龄，H为使用者输入的身高数值，N是指重心测量采样次数，平均重心的数据偏移距离PL和偏移角度e，体重W关系系数记为Kw； 

步骤3：微处理器单元将平衡能力分成多级，微处理器单元根据计算出平衡能力数值匹配对应的级别并由显示单元显示出来。 

上述所述的输入单元可以是数字键盘。 

本发明的平衡能力测量方法与现有技术相比，有以下的优点：1)使用者单脚站在支承面板上，利用安装在支承面板底部的若干个支撑脚上压力传感器感应人重心偏移，并通过测量电路转换成电信号，该电信号经A/D转换器转换成数字信号输入到微处理器单元处理，使用者通过输入单元向微处理器单元输入自己身高、年龄和性别参数，微处理器单元根据使用者的体重和重心偏移及身高、年龄和性别参数计算出平衡能力的数值，计算出来的平衡能力，科学合理，准确性和权威性高；2)微处理器单元将平衡能力分成多级，微处理器单元根据计算出平衡能力数值匹配对应的级别并由显示单元显 示出来，具有趣味性。 

附图说明：

下面结合附图对本发明作详细的说明： 

图1是本发明的立体示意图； 

图2是本发明的爆炸图； 

图3是本发明的电路方框图 

图4是本发明中重心的偏移角度和距离的测量原理图 

图5是本发明带平衡能力测量功能的电子秤的控制程序流程图。 

具体实施方式：

如图1、图2、图3所示，本发明平衡能力测量仪器和带平衡能力测量功能的电子秤，包括若干个支撑脚1和安装在支撑脚1上的支承面板2、含有压力传感器3的测量电路4、A/D转换器5、微处理器单元6、显示单元7和输入单元8，其中：压力传感器3安装在支撑脚1上并感应来自支承面板2上的使用者的体重和重心偏移，并通过测量电路4转换成电信号，该电信号经A/D转换器5转换成数字信号输入到微处理器单元6，使用者通过输入单元8向微处理器单元6输入自己相关参数，微处理器单元6根据使用者的体重和重心偏移及相关参数计算出平衡能力的指标值并由显示单元7显示出来。所述的相关参数是指使用者的年龄、性别、身高。微处理器单元6可以将体重的数据通过显示单元7显示出来。微处理器单元6可以是单片机或者是数字信号处理器DSP。输入单元8可以是数字键盘。若干个支撑脚1是指3-10个的范围。压力传感器3与支撑脚1的安装结构可以参考电子秤里面的通用结构。测量电路4含有将信号放大和过滤等功能。另外，微处理器单元6还连接有储存单元9存储相关数据。 

通过使用者站在支承面板2上，利用安装在支承面板2底部的若干个支撑脚1上压力传感器3感应人的体重和重心偏移，并转换成电信号输入到微处理器单元6处理，微处理器单元6计算出人的体重W和一段时间内重心偏 移平均值，结合使用者输入的个人参数，由微处理器单元6根据平衡能力计算公式计算出使用者平衡能力的数值。微处理器单元6将平衡能力分成多级，微处理器单元6根据计算出平衡能力的数值匹配对应的级别并由显示单元7显示出来。使用者输入的个人参数是：身高、年龄和性别。 

具体测量过程如下：人的静态平衡状态根据不同的体重、性别、年龄、身高而存在差异。根据对不同体重、性别、年龄、身高的人群的平衡功能进行分析，得到结果是：性别与平衡参数值差异有统计学意义；男女年龄与平衡参数值均呈正相关；女性身高与平衡参数值呈正相关，男性与平衡参数值相关性低；男女体重与平衡参数值均呈正相关。结论：性别和年龄影响平衡功能，随着年龄的增加平衡功能下降，36-50-岁和51岁-65岁的男性平衡功能较女性差，20-35岁和66岁-79岁的女性平衡功能较男性差；随着体重的增加，平衡功能下降；随着身高的增加，女性平衡功能下降，而身高对男性功能的影响不显著。 

要完成人体平衡度的测量，需具备以下参数：性别、身高、年龄、体重、重心位置。 

1、性别、身高、年龄输入：通过带平衡测量功能的电子体重秤的输入单元8输入到微处理器单元6。 

2、体重测量：通过含有压力传感器3的测量电路4和微处理器单元6进行测量，能够在不同的重力下准确测量人的重量。下面有详细的描述。 

3、重心移动值测量：分别通过对4个压力传感器3的压力测量，能够测量人体的重心位置。 

4、重量W的测量，如图1，本系统采用四桥独立测量模式，分别设置4个支撑脚1，压力传感器3安装在支撑脚1上，能够单独地对每个桥的增益进行调整，还可以对四个桥的对称性进行调整，使测量更加稳定准确。原理如下：人体重量同时作用于四个压力传感器3，包含压力传感器3的测量 电路4将压力转换成电信号，该电信号经A/D转换器5转换成数字信号输入到微处理器单元6，计算出得到人体重量W。这里不叙述，因为电子秤已经有非常成熟的技术方案。 

下面主要说明重心测量原理： 

图1、图2、图3中，本发明的平衡能力测量仪器含有四个压力传感器，分别为：第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器和第四压力传感器，它主要是实现人体重量的测量和人体重心的测量。4个压力传感器3分别可以对4个角进行压力的测量，人的中心不同，4个压力传感器3输出的压力数据是不同的。利用此方法，我们可以实时测量人的重心。 

如图4所示，a、b、c、d分别是4个传感器的位置，我们把a点作为原点；Fa，Fb，Fc，Fd分别是4个压力传感器3测量的支撑力；Lb、Lc、Ld分别是b点、c点、d点到原点a的距离，上述的参数都是已知的，m是人体的重心。 

一、瞬时重心的测量 

(1)角度测量 

人体m越靠近a点，a所承受的压力就越大，相反人体m越远离b点和d点，b点和d点传感器所承受的压力就越小。根据abcd点关系，我们得到以下关系：tanθ＝(Fa-Fb)/(Fa-Fd)，θ＝arctan((Fa-Fb)/(Fa-Fd))。 

(2)距离测量 

如图4，Fa，Fb，Fc，Fd分别是4个压力传感器3的承受支撑力，M是人体的重心，Lb、Lc、Ld分别为Fd，Fb，Fc三个压力传感器与Fa点压力传感器之间的力矩长度，根据力距平衡原理可得出以Fa点为o点的得出力距平 衡方程式为：Fb*Lb+Fc*Lc+Fd*Ld-m*Lm＝0； 

Lm＝(Fb*Lb+Fc*Lc+Fd*Ld)/m； 

(二)平均重心的测量 

微处理器单元6在一段时间内多次取样，从4个压力传感器3输入数据，计算多个时间点的瞬时重心的数据，利用多个瞬时重心的数据求取平均重心的数据偏移距离PL和偏移角度θ。 

(三)、平衡能力与性别、身高、年龄的关系。 

(1)、性别对平衡功能的影响 

20-35岁，66-79岁的男性平衡功能较女性好，36-50岁，51-65岁的男性平衡功能较女性差。7-20岁的少年儿童的平衡功能与性别没有相关性。所以在分析时要分组判别，分组计算。性别(Se)关系系数记为Ks。不同年龄段的Ks是不一样的。 

(2)、年龄对平衡功能的影响 

年龄因素对姿势控制有重要关系，儿童直立时，中心的动摇程度大于成年人；7-20少年儿童的平衡能力与年龄没有相关性，老年人的平衡功能明显差与年轻人，这是因为随着年龄增长，各器官功能减退。所以随着年龄的增加，平衡功能下降。年龄(Age)关系系数记为Ka。 

(3)、身高对平衡功能的影响 

7-20少年儿童的平衡能力与身高没有相关性，男性身高与平衡能力无关，而女性随着身高的增加，平衡功能下降。身高(H)关系系数记为Kh 

四、体重对平衡功能的影响， 

体重较大的人由于身体的支持结构，对身体的支撑程度增加，而导致身体的稳定性下降。随着体重的增加，平衡功能会下降。体重(W)关系系数记为Kw. 

五、平衡能力的数值(Ba)与各个参数的关系式 

(1)男性表示为M＝{0，1}，女性表示为F＝{0，1}。它们是布尔变量，只有0和1两种情况。而且M等于0时，F一定等于1；反之M等于1时，F一定等于0。性别表达式表示为f1(Se)、f2(Se)； 

 (2)根据平衡能力的数值与各个参数的关系，制定了以下表达式：Ba＝((Ks*f1(Se)+Ka*(Age-20)+Kh*f2(Se)*(H-1.10)+Kw*W))*(PL/N)+f(θ) 

其中：f1(Se)，f2(Se)是性别函数，性别不同，其函数值是不同的。f(θ)是角度函数，Age为使用者输入的年龄，H为使用者输入的身高数值。PL是指平均重心移动轨迹的距离长度，N是指重心测量采样次数。 

根据实验数据代入各相关参数得到如下计量公式： 

Ba＝(0.067*(1.6-Se)+0.00326*(Age-20) 

+0.172*(1.1-Se)*(H-1.10)+0.00083*W)*(PL/120)+0.0069*sinθ 

上式中的Se＝0或Se＝1两中情况，然后可求取使用者的平衡能力数值。 

(3)上述表达式充分反映了平衡能力与个参数之间的关系，我们平衡能力分为10个级别，分别从0-9级，0级平衡能力最低，9级的平衡能力最高，每一级分别对应一定的平衡能力数值范围。 

以上的平衡能力计算公式不是唯一的，经过申请人实验证明平衡能力与性别、身高、年龄、体重、重心位置相关。 

如图5所示，本发明的带平衡能力测量功能的电子秤，其操作过程如下：人站在电子秤的支承面板2，含有压力传感器3的测量电路4感应来自支承面板2上的使用者的体重和重心偏移，并通过测量电路4转换成电信号，该电信号经A/D转换器5转换成数字信号输入到微处理器单元6，测量起始重心的数值，然后在一定时间段内多次测量瞬时重心的数值，然后对瞬时重心求取平均值，得到平均重心的偏移距离和角度，使用者输入年龄、性别和身高等参数计算出平衡能力数值，再与预先设定的多个级别的平衡能力数值比较，得出使用者处于的平衡能力等级，然后通过显示单元7显示体重和平衡能力级别。 

Claims (2)

1.一种应用在电子秤上的平衡能力测量方法，所述的电子秤包括若干个支撑脚(1)和安装在支撑脚(1)上的支承面板(2)、含有压力传感器(3)的测量电路(4)、A/D转换器(5)、微处理器单元(6)、显示单元(7)和输入单元(8)，其特征在于：它由如下步骤组成：

步骤1：通过使用者单脚站在支承面板(2)上，利用压力传感器(3)感应来自支承面板(2)上的使用者的体重和重心偏移，并通过测量电路(4)转换成电信号，该电信号经A/D转换器(5)转换成数字信号输入到微处理器单元(6)处理；

步骤2：使用者通过输入单元(8)向微处理器单元(6)输入自己身高、年龄和性别参数，微处理器单元(6)根据使用者的体重和重心偏移及身高、年龄和性别参数计算出平衡能力的数值Ba，

Ba＝(Ks*f1(Se)+Ka*(Age-20)+Kh*f2(Se)*(H-1.10)+Kw*W)*(PL/N)+f(θ)

其中：性别关系系数记为Ks，年龄关系系数记为Ka，身高关系系数记为Kh，f1(Se)，f2(Se)是性别函数，f(θ)是角度函数，Age为使用者输入的年龄，H为使用者输入的身高数值，N是指重心测量采样次数，平均重心的数据偏移距离PL和偏移角度θ，体重W关系系数记为Kw；

步骤3：微处理器单元(6)将平衡能力分成多级，微处理器单元(6)根据计算出平衡能力数值匹配对应的级别并由显示单元(7)显示出来。

2.根据权利要求1所述的一种应用在电子秤上的平衡能力测量方法，其特征在于：输入单元(8)是数字键盘。 

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