CN102670218A - 一种用于假肢控制的穿戴式脚底压力采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于假肢控制的穿戴式脚底压力采集装置，其特征在于：它包括一鞋垫、一集成在所述鞋垫内的压力传感模块和一信号传输模块；所述压力传感模块包括四个压力传感器，所述四个压力传感器设置在所述鞋垫内；所述四个压力传感器将检测到的足底压力信号转换为变电阻值，传输至所述信号传输模块内进行传输测量。本发明针对智能下肢假肢控制信号不充分，克服已有技术不足，提出一种用于假肢控制的穿戴式脚底压力采集装置。该采集系统实现实时采集脚底压力时序、分布信息，经处理可为智能假肢的控制决策提供包括步态相位、运动模式和身体状态等多方面决策依据，有助于智能假肢更好的替代残疾人缺失的肢体。本发明能广泛在假肢控制中应用。

Description

一种用于假肢控制的穿戴式脚底压力采集装置

技术领域

本发明涉及一种脚底压力采集装置，特别是关于一种用于假肢控制的穿戴式脚底压力采集装置。

背景技术

目前，我国下肢残疾人数已达900万以上。随着近年来中国人口结构老龄化加剧，自然灾难、安全事故频发，下肢残疾人数还在增加。作为截肢者重新获得部分生活能力的重要工具，假肢得到了广泛的使用。新技术的发展使人们已经不再满足于只能起到支撑作用和增强美观性的传统下肢假肢，智能下肢假肢正在成为康复研究的热点。智能下肢假肢可以根据人体生物信号和外部环境信息，识别人体运动趋势，代替缺失的肢体实现正常行走。脚底压力作为人体和外部环境的交互作用，可以提供人体步态相位、运动模式和身体状态等多方面信息，用于智能下肢假肢的控制。

由于脚底压力反映了丰富的运动信息，目前在智能下肢假肢中已经有了较为广泛的应用，但是多用于提供脚底开关量信息。如中国专利CN101947151A，此专利中智能下肢假肢将脚底压力信息与给定的阈值作比较，得到的脚底开关量用来识别步态相位，制定控制策略。脚底压力信号中包含的其他运动信息如运动模式和身体状态等没有得到充分利用。与此同时，医学治疗中用于步态分析的足底压力测量方法，如中国专利CN102090896，在足底安装了过多的压力传感器以获得较大的冗余信息用于全面的步态分析，但是存在以下问题：一方面，这些冗余信息对于假肢控制没有必要；另一方面，过多的信息增加了智能假肢信号处理的压力和控制策略制定的负担。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于假肢控制的穿戴式脚底压力采集装置，采集人体运动时脚底触地的压力分布。本发明通过合理选择足底压力的采集位置，以使用更少的传感器获得更多的人体运动信息，为后续智能下肢假肢的控制提供丰富的决策依据，促进智能下肢假肢更加智能化，更好地代替人体缺失肢体，实现自由运动。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于假肢控制的穿戴式脚底压力采集装置，其特征在于：它包括一鞋垫、一集成在所述鞋垫内的压力传感模块和一信号传输模块；所述压力传感模块包括四个压力传感器，所述四个压力传感器设置在所述鞋垫内；所述四个压力传感器将检测到的足底压力信号转换为变电阻值，传输至所述信号传输模块内进行传输测量。

所述鞋垫采用断开式分层结构，其由脚掌、足弓和足跟拼接而成；所述脚掌和足跟均由顶层、中间层和底层构成，所述中间层为所述四个压力传感器；所述顶层采用软牛皮材料制成，所述底层采用纤维材料制成；在所述顶层上贴设有所述四个压力传感器，并在所述顶层上刻设有用于布置各压力传感器线路的浅槽，所述底层再粘贴在所述中间层上。

所述四个压力传感器均采用大量程薄膜式压阻型压力传感器，所选型号为Tekscan,Inc.公司的FlexiForce A401传感器。

所述四个压力传感器在所述鞋垫上的设置位置如下：第一个所述压力传感器设置在所述鞋垫的足跟位置，第二个所述压力传感器设置在所述鞋垫的第四、第五趾骨之间，第三个所述压力传感器设置在所述鞋垫的第一跖骨位置，第四个所述压力传感器设置在所述鞋垫的拇趾位置。

所述信号传输模块包括四个运算放大器、一模数转换器、一微处理器、一无线模块和一上位机；所述四个压力传感器将检测到的足底压力阻值信号分别经一所述运算放大器转换为模拟电压信号输出，经所述模数转换器转换为数字信号输入所述微处理器内处理，将需要发送的数据打包后，经所述无线模块发送至所述上位机。

每个所述运算放大器都采用LM324；所述模数转换器和微处理器采用stm32F103；所述无线模块采用WS1105。

所述微处理器内的信号处理方法是对信号滤波和发送时机的选择：滤波是指数字信号以较大的采样率传输至所述微处理器内，在微处理器中每一定量的数据作为一个样本，取其中值作为样本值，进行中值滤波；发送时机选择是指，在所述微处理器中增加一次判定，当四个通道信号值的和大于一个阈值时，通过所述无线模块发送信号至所述上位机；所述阈值大小由脚底从摆动到触地时产生力大小决定，超过阈值即表示脚底处于支撑阶段。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明针对智能下肢假肢控制信号不充分，克服已有技术不足，提出一种用于假肢控制的穿戴式脚底压力采集装置。该采集系统实现实时采集脚底压力时序、分布信息，经处理可为智能假肢的控制决策提供包括步态相位、运动模式和身体状态等多方面决策依据，有助于智能假肢更好的替代残疾人缺失的肢体。2、本发明针对假肢控制实际需求，深入研究了脚底压力传感器排布的数量和位置。不同于传统医疗中用于步态分析的阵列排布和其他领域中的随意排布，而是精心选择了四个信息量最为丰富的位置，用最少数目的传感器获得了能为假肢控制提供丰富运动信息的脚底信号。既节省了材料成本，又减少了信号处理成本。3、在适用性方面，本发明提出了分段拼接的装置结构。根据使用者脚型的不同，通过足弓部分大小的选择得到不同尺码的压力采集装置，大大提高了装置的通用性，不需要为不同使用者单独定制。4、本发明在能耗方面表现优异。较少数目的传感器和简单的压阻型传感方式使得该装置电路耗能器件少，信号处理简便；同时，通过采取对信号滤波和选择发送时机的信号处理策略，判断发送信号时机，有效地减少了摆动阶段无线传输的耗能。因此，本发明能广泛在假肢控制中应用。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的鞋垫断开式分层结构示意图；

图3是本发明的四个压力传感器在鞋垫上排布位置示意图；

图4是本发明的压阻信号转换电路示意图；

图5是本发明的微处理器信号处理流程示意图。

具体实施方式

本发明通过采集人体行走过程中脚底压力分布信息，为智能假肢提供人体运动信息供其制定控制决策。下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1、图2所示，本发明包括一鞋垫10、一集成在鞋垫10内的压力传感模块20和一信号传输模块30。压力传感模块20包括四个压力传感器21～24，四个压力传感器21～24设置在鞋垫10内。在人体行走时，四个压力传感器21～24将检测到的足底压力信号转换为变电阻值，传输至信号传输模块30内进行传输测量，为智能假肢的决策提供运动信息。

上述实施例中，如图2所示，鞋垫10采用断开式分层结构，其由脚掌11、足弓12和足跟13拼接而成。其中，脚掌11和足跟13均由顶层14、中间层15和底层16构成，且中间层15为四个压力传感器21～24。顶层14采用软牛皮材料制成，底层16采用纤维材料制成。在顶层14上贴设四个压力传感器21～24，并在顶层14上刻设有用于布置各压力传感器线路的浅槽，底层16再粘贴在中间层15上。由于顶层14采用软牛皮材料制成，顶层14在弯曲时有较大柔性不会影响正常行走，在垂直方向有一定刚性不易因变形造成压力散失，破坏人体运动信息。底层16起到保护中间层15的四个压力传感器21～24免遭磨损的作用。

足弓12处没有排布压力传感器，且足弓12可以采用不同尺寸，通过选取不同尺寸的足弓12与脚掌11和足跟13部分拼接，得到可变大小的鞋垫10，将鞋垫10粘贴在鞋内底部即可，增强了本发明对于不同脚码的通用性。

上述各实施例中，四个压力传感器21～24作为四个单独的通道，检测到的阻值均随压力变化而变化。四个压力传感器21～24的选型从量程范围、传感区域面积、厚度和传感方式四个方面考虑，其中，量程范围应当大于人体体重与行走过程中脚着地的冲量产生力的和，其量程范围值需取到大于2000N，即两倍人体重力以上；传感区域面积的大小关系到测量装置的可重用性和不同人之间通用性，硬币大小的传感区域既能够保证传感区域足够大，又不会过大而影响传感器的排布，考虑到测量装置穿戴的舒适性，传感器越薄越合适。简单的传感方式对于信号处理将十分有益。因此，本发明的四个压力传感器21～24均采用大量程薄膜式压阻型压力传感器R_sensor，所选型号为Tekscan,Inc.公司的FlexiForce A401传感器。其量程范围可以根据需要调至0～5N和0～30000N之间，传感区域为一个直径为2.5cm的圆形区域，厚度仅为0.208mm。

上述各实施例中，四个压力传感器21～24在脚底排布的数量和位置的选择直接关系到测量信号的信息量，进而决定着本发明的最终效用。由于本发明是用于为下肢假肢提供脚底运动信息，设置四个压力传感器21～24的位置，应将运动的时序性和脚部解剖结构结合起来考虑。如图3所示，四个压力传感器21～24在鞋垫10上的设置位置如下：压力传感器21设置在鞋垫10的足跟位置，压力传感器22设置在鞋垫10的第四、第五趾骨之间，压力传感器23设置在鞋垫10的第一跖骨位置，压力传感器24设置在鞋垫10的拇趾位置。人体正常向前行走过程中，脚从摆动阶段进入支撑阶段时脚跟触地，即压力传感器21首先受力，并在之后一段时间内成一定规律变化。支撑阶段脚底依次按照压力传感器21→22→23→24的顺序触地，传感信号时序性明显，便于区分步态相位。同时，四个压力传感器21～24的设置位置为脚底着地过程中脚部骨骼与地面接触的位置，所产生压力最为显著，信息含量最大，有助于识别不同运动模式和身体状态。

上述各实施例中，如图1所示，信号传输模块30包括四个运算放大器（OP）31、一模数转换器（ADC）32、一微处理器（MCU）33、一无线模块34和一上位机35。四个压力传感器21～24将检测到的足底压力阻值信号分别经一运算放大器31转换为模拟电压信号输出，经ADC 32转换为数字信号输入微处理器33内处理，将需要发送的数据打包后，经无线模块34发送至上位机35。在上位机35中可以实时读取行走过程中的足底压力分布数据，实现为智能假肢的决策提供运动信息。

其中，每个运算放大器31都可以采用LM324；ADC 32和微处理器33可以采用stm32F103；无线模块34采用WS1105。

在微处理器33内的信号处理方法主要是对信号滤波和发送时机的选择，其中，滤波是指数字信号以较大的采样率传输至微处理器33内，在微处理器33中每一定量的数据作为一个样本，取其中值作为样本值，进行中值滤波，可以有效去除信号跳变。发送时机选择是指，在微处理器33中增加一次判定，当四个通道信号值的和大于一个阈值时，通过无线模块34发送信号至上位机35，否则不发送。阈值大小由脚底从摆动到触地时产生力大小决定，超过阈值即表示脚底处于支撑阶段。对于假肢控制来说脚底压力只有支撑阶段表征运动信息，摆动阶段的信号不包含有效内容。由于无线数据的发送大量耗能，在摆动阶段由微处理器33制定策略不发送数据明显为系统节约能耗。同时也减少了上位机35的处理工作。

上述各实施例中，如图4所示，各薄膜式压阻型压力传感器R_sensor与运算放大器31构成压阻信号转换电路，薄膜式压阻型压力传感器R_sensor的阻值与人体施加其的压力成反比。薄膜式压阻型压力传感器R_sensor一端接运算放大器31输入端，另一端接-3.3v电压，此时，ADC 32的比较电压以及各运算放大器31的供电电压均为3.3v。由于薄膜式压阻型压力传感器R_sensor的阻值在空载时为无穷大值，在人体脚底压力最大时其阻值大于10kΩ，因此运算放大器31内的比较电阻R_ref选用10kΩ。根据电路原理，可计算出运算放大器31的输出电压V_out为：

$V_{\mathrm{out}}=3.3\×\frac{R_{\mathrm{ref}}}{R_{\mathrm{sensor}}},$

由于R_sensor<R_ref，因此输出电压V_out在0～3.3v之间，其小于ADC 32的比较电压，因此可以通过ADC 32进行模数转换，由微处理器33读取数值。

综上所述，如图5所示，本发明用于假肢控制的穿戴式脚底压力采集装置在使用时，其使用方法如下：

1）装置开始运行；

2）四个压力传感器21～24采集到的信号通过微处理器33自带DMA的方式进行模数转换和数据读取；

3）微处理器33采集一定组数的数据，如未采集足够，则返回步骤2）继续采集；

4）对步骤3）中采集到的一组数据做中值滤波处理，得到可靠信号；

5）采用节能策略，根据可靠信号判断当前状态是否为支撑阶段，若是支撑阶段，则表明此可靠信号为有用信息，进入步骤6）；若是摆动阶段，脚底压力为无效信息，则跳过步骤6），直接进入步骤7）；

6）将步骤5）中有用信息数据通过无线传输，发送至上位机35；

7）根据步骤5）中的无效信息判断是否需要结束，如不需要结束，则返回步骤2）重新进行数据采集；若结束则进入步骤8）；

8）结束数据采集。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的连接和结构都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件的连接和结构进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种用于假肢控制的穿戴式脚底压力采集装置，其特征在于：它包括一鞋垫、一集成在所述鞋垫内的压力传感模块和一信号传输模块；所述压力传感模块包括四个压力传感器，所述四个压力传感器设置在所述鞋垫内；所述四个压力传感器将检测到的足底压力信号转换为变电阻值，传输至所述信号传输模块内进行传输测量。

2.如权利要求1所述的一种用于假肢控制的穿戴式脚底压力采集装置，其特征在于：所述鞋垫采用断开式分层结构，其由脚掌、足弓和足跟拼接而成；所述脚掌和足跟均由顶层、中间层和底层构成，所述中间层为所述四个压力传感器；所述顶层采用软牛皮材料制成，所述底层采用纤维材料制成；在所述顶层上贴设有所述四个压力传感器，并在所述顶层上刻设有用于布置各压力传感器线路的浅槽，所述底层再粘贴在所述中间层上。

3.如权利要求1所述的一种用于假肢控制的穿戴式脚底压力采集装置，其特征在于：所述四个压力传感器均采用大量程薄膜式压阻型压力传感器，所选型号为Tekscan,Inc.公司的FlexiForce A401传感器。

4.如权利要求2所述的一种用于假肢控制的穿戴式脚底压力采集装置，其特征在于：所述四个压力传感器均采用大量程薄膜式压阻型压力传感器，所选型号为Tekscan,Inc.公司的FlexiForce A401传感器。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种用于假肢控制的穿戴式脚底压力采集装置，其特征在于：所述四个压力传感器在所述鞋垫上的设置位置如下：第一个所述压力传感器设置在所述鞋垫的足跟位置，第二个所述压力传感器设置在所述鞋垫的第四、第五趾骨之间，第三个所述压力传感器设置在所述鞋垫的第一跖骨位置，第四个所述压力传感器设置在所述鞋垫的拇趾位置。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种用于假肢控制的穿戴式脚底压力采集装置，其特征在于：所述信号传输模块包括四个运算放大器、一模数转换器、一微处理器、一无线模块和一上位机；所述四个压力传感器将检测到的足底压力阻值信号分别经一所述运算放大器转换为模拟电压信号输出，经所述模数转换器转换为数字信号输入所述微处理器内处理，将需要发送的数据打包后，经所述无线模块发送至所述上位机。

7.如权利要求5所述的一种用于假肢控制的穿戴式脚底压力采集装置，其特征在于：所述信号传输模块包括四个运算放大器、一模数转换器、一微处理器、一无线模块和一上位机；所述四个压力传感器将检测到的足底压力阻值信号分别经一所述运算放大器转换为模拟电压信号输出，经所述模数转换器转换为数字信号输入所述微处理器内处理，将需要发送的数据打包后，经所述无线模块发送至所述上位机。

8.如权利要求6所述的一种用于假肢控制的穿戴式脚底压力采集装置，其特征在于：每个所述运算放大器都采用LM324；所述模数转换器和微处理器采用stm32F103；所述无线模块采用WS1105。

9.如权利要求7所述的一种用于假肢控制的穿戴式脚底压力采集装置，其特征在于：每个所述运算放大器都采用LM324；所述模数转换器和微处理器采用stm32F103；所述无线模块采用WS1105。

10.如权利要求6～9任意一项所述的一种用于假肢控制的穿戴式脚底压力采集装置，其特征在于：所述微处理器内的信号处理方法是对信号滤波和发送时机的选择：滤波是指数字信号以较大的采样率传输至所述微处理器内，在微处理器中每一定量的数据作为一个样本，取其中值作为样本值，进行中值滤波；发送时机选择是指，在所述微处理器中增加一次判定，当四个通道信号值的和大于一个阈值时，通过所述无线模块发送信号至所述上位机；所述阈值大小由脚底从摆动到触地时产生力大小决定，超过阈值即表示脚底处于支撑阶段。

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