CN102783766B - 一种预防跌倒的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预防跌倒的装置，包括：鞋底板、压力传感器、螺栓、信号传输线、第一齿轮、电机、第二齿轮、电缆线、数据处理装置、加速度传感器以及肌电传感器。其中，压力传感器安装于螺栓一端，通过信号传输线与数据处理装置相连接；第一齿轮与螺栓另一端相连接；电机通过电缆线与数据处理装置相连接；第二齿轮与电机、第一齿轮传动连接；数据处理装置用于对信号进行处理，得到人体位姿的实时状态，并根据人体位姿控制电机，调整螺栓的高度。本发明提出的预防跌倒的装置能够全面并准确地反映人体是否有将要跌倒的趋势，同时采用人工智能技术对信号进行分类，得出当前人体位姿状态，并进一步控制电机调整鞋底螺栓高度，预防患者跌倒。

Description

一种预防跌倒的装置

技术领域

本发明涉及医疗康复领域，尤其涉及一种预防跌倒的装置。

背景技术

足底压力的不稳定性常常引起患者关节的损伤，甚至导致患者跌倒受伤。随着科技的发展，在医疗康复领域中出现了通过快速调整鞋底位姿以预防患者跌倒的康复鞋。

现有技术中的防跌倒康复鞋主要根据人体足部压力以及重心的变化来调整鞋底的位姿，从而预防患者跌倒。这种康复鞋的控制模式较为单一，很少采用人工智能的方式来控制鞋底位姿的变化，因此不够直接和充分地反应人体有跌倒的趋势，且仅凭患者足部压力以及重心的变化有时会造成误判，如将患者下蹲动作判定为将要跌倒，从而影响了装置的功效。

发明内容

本发明旨在解决上述现有技术中存在的问题，提出一种预防跌倒的装置。

本发明提出的预防跌倒的装置包括：鞋底板、压力传感器、螺栓、信号传输线、第一齿轮、电机、第二齿轮、电缆线、数据处理装置、加速度传感器以及肌电传感器。其中，所述螺栓安装于所述鞋底板上；所述压力传感器固定安装于所述螺栓的一端，通过所述信号传输线与所述数据处理装置相连接，用于获取压力信号并将所述压力信号传输至所述数据处理装置；所述第一齿轮与所述螺栓的另一端相连接，用于调整所述螺栓的高度；所述电机、所述数据处理装置均安装于所述鞋底板上，所述电机通过所述电缆线与所述数据处理装置相连接；所述第二齿轮一方面与所述电机相连接，所述电机用于控制所述第二齿轮的转动，所述第二齿轮另一方面与所述第一齿轮传动连接；所述加速度传感器用于获取人体腰部加速度信号，并将所述加速度信号传输至所述数据处理装置；所述肌电传感器用于获取人体下肢肌电信号，并将所述肌电信号传输至所述数据处理装置；所述数据处理装置用于对所述压力信号、所述加速度信号以及所述肌电信号进行处理，得到人体位姿的实时状态，并根据所述人体位姿的实时状态控制所述电机，进而调整所述螺栓的高度。

本发明提出的预防跌倒的装置采用足底压力信号、人体腰部加速度信号以及人体下肢肌电信号作为电机控制源信号，能够全面并准确地反映人体是否有将要跌倒的趋势，同时采用人工智能技术对上述信号进行处理与分类，从而得出当前人体位姿的状态，并进一步控制电机以对鞋底进行调整，预防患者跌倒。此外，本发明提出的预防跌倒的装置安装、拆卸极为方便，可与多数平底鞋配套使用，使得所述预防跌倒的装置适用于各种人群。

附图说明

下面结合附图对本发明进行详细说明，其中：

图1是本发明一实施例的预防跌倒的装置立体图；

图2是本发明一实施例的预防跌倒的装置中螺栓部位放大图；

图3是本发明一实施例的预防跌倒的装置侧视图；

图4是本发明一实施例的预防跌倒的装置中数据处理装置结构框图；

图5是本发明一实施例的预防跌倒的装置应用示例图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

图1为本发明一实施例的预防跌倒的装置立体图。所述预防跌倒的装置包括：鞋底板4、螺栓3、压力传感器5(如图2所示，所述压力传感器5固定安装于所述螺栓3的一端)、信号传输线9、第一齿轮11、电机8、第二齿轮6、电缆线7、数据处理装置10、加速度传感器(图未示)以及肌电传感器(图未示)。

其中，所述螺栓3安装于所述鞋底板4上。所述螺栓3为空心，所述压力传感器5通过所述信号传输线9与所述数据处理装置10相连接，所述压力传感器5用于获取压力信号并将所述压力信号传输至所述数据处理装置10。应注意的是，为显示各部件的连接关系，在图1中的鞋底板螺栓安装孔14、15两处省略了所述螺栓3、所述第一齿轮11，以及与所述数据处理装置10相连接的所述信号传输线9。

所述第一齿轮11与所述螺栓3的一端采用螺纹连接，所述第一齿轮11用于调整所述螺栓3的高度。优选地，如图2所示，所述预防跌倒的装置还包括导线环12，所述导线环12嵌套于所述螺栓3上，所述信号传输线9通过所述导线环12上的小孔13与所述数据处理装置10相连接。设置所述导线环12的目的是当所述螺栓3高度发生变化时，所述信号传输线9不会随着所述螺栓3的转动而缠绕在所述螺栓3上。

所述电机8、所述数据处理装置10均安装于所述鞋底板4上，所述电机8通过所述电缆线7与所述数据处理装置10相连接。

所述第二齿轮6一方面与所述电机8相连接，所述电机8用于控制所述第二齿轮6的转动，所述第二齿轮6另一方面与所述第一齿轮11传动连接。优选地，所述预防跌倒的装置还包括联轴器(图未示)，所述第二齿轮6通过所述联轴器与所述电机8相连接。应注意的是，为显示各部件的连接关系，在图1中靠近鞋跟部位的两个电机8处省略了与所述电机8相连接的所述第二齿轮6。

所述加速度传感器贴放于人体腰部，用于获取人体腰部加速度信号，并将所述加速度信号传输至所述数据处理装置10。在本实施例中，所述加速度传感器为六轴加速度传感器。优选地，所述加速度传感器是无线装置，能够将所述加速度信号以无线方式传输至所述数据处理装置10。

所述肌电传感器贴放于人体股直肌以及胫骨前肌，用于获取人体下肢肌电信号，并将所述肌电信号传输至所述数据处理装置10。在本实施例中，采用四块所述肌电传感器，分别贴放于人体双腿的股直肌以及胫骨前肌部位。优选地，所述肌电传感器是无线装置，能够将所述肌电信号以无线方式传输至所述数据处理装置10。

所述数据处理装置10用于对所述压力信号、所述加速度信号以及所述肌电信号进行处理，得到人体位姿的实时状态，并根据所述人体位姿的实时状态控制所述电机8，进而调整所述螺栓3的高度，所述预防跌倒的装置侧视图如图3所示。

如图4所示，所述数据处理装置10包括压力信号采集模块101、加速度信号采集模块102、肌电信号采集模块103、信号放大模块104、信号整形模块105、信号滤波模块106、特征提取模块107、分类模块108以及控制模块109。

其中，所述压力信号采集模块101用于采集所述压力信号；所述加速度信号采集模块102用于采集所述加速度信号；所述肌电信号采集模块103用于采集所述肌电信号。

所述信号放大模块104用于对所述压力信号、所述加速度信号以及所述肌电信号进行信号放大；所述信号整形模块105用于对放大后的所述压力信号、所述加速度信号以及所述肌电信号进行信号整形；所述信号滤波模块用于对整形后的所述压力信号、所述加速度信号以及所述肌电信号进行信号滤波，以滤除噪声信号。

所述特征提取模块107用于提取所述压力信号、所述加速度信号以及所述肌电信号中的特征向量；所述分类模块108用于对所述特征向量进行分类，从而得到人体位姿的实时状态；所述控制模块109用于根据所述人体位姿的实时状态控制所述电机8，进而调整所述螺栓3的高度。

如图5所示，在本实施例中，所述预防跌倒的装置可与多数平底鞋1配套使用，具体地，所述预防跌倒的装置安装于所述平底鞋1的底部2处。

在患者使用所述预防跌倒的装置之前要先对所述预防跌倒的装置进行训练。具体地，例如，训练人员穿戴所述预防跌倒的装置并做出向前、向后、向左以及向右跌倒的位姿，所述压力信号采集模块101、加速度信号采集模块102、肌电信号采集模块103分别采集所述压力信号、加速度信号以及肌电信号，所述压力信号、加速度信号以及肌电信号依次经过所述信号放大模块104、信号整形模块105、信号滤波模块106以及特征提取模块107处理，所述分类模块108存储分别对应于所述压力信号、加速度信号以及肌电信号的特征向量。同时，训练人员将对应于所述压力信号、加速度信号以及肌电信号特征向量的位姿(向前、向后、向左、向右跌倒)输入所述分类模块108，对所述分类模块108进行训练，生成用于判断人体位姿的分类器。所述分类器用于根据输入的所述压力信号、加速度信号以及肌电信号判断当前人体位姿属于向前、向后、向左、向右跌倒的哪一种。在本实施例中，采用支持向量机(SVM)算法对所述分类模块108进行训练。本领域技术人员应能理解，除SVM算法外的人工智能算法，如神经网络算法等均可用于对所述分类模块108进行训练。

在对所述预防跌倒的装置训练完毕之后，患者便可以穿戴并使用所述预防跌倒的装置。例如，当患者有向前跌倒的倾向时，双足前部的压力增大，股直肌与胫骨前肌的表面肌电信号也增强，同时腰部加速度信号强度增强，所述压力信号、加速度信号以及肌电信号分别经由所述压力信号采集模块101、加速度信号采集模块102、肌电信号采集模块103采集，并依次经过信号放大模块104、信号整形模块105、信号滤波模块106以及特征提取模块107处理后，所述分类模块108根据训练时所生成的SVM分类器判别患者当前位姿为向前跌倒，所述控制模块109根据所判别出的向前跌倒这一位姿控制所述电机8，以减少鞋跟部两个螺栓的高度，同时增加前脚掌部位两个螺栓的高度，从而防止患者跌倒。

本发明提出的预防跌倒的装置采用足底压力信号、人体腰部加速度信号以及人体下肢肌电信号作为电机控制源信号，能够全面并准确地反映人体是否有将要跌倒的趋势，同时采用人工智能技术对上述信号进行处理与分类，从而得出当前人体位姿的状态，并进一步控制电机以对鞋底螺栓的高度进行调整，预防患者跌倒。此外，本发明提出的预防跌倒的装置安装、拆卸极为方便，可与多数平底鞋配套使用，使得所述预防跌倒的装置适用于各种人群。

虽然本发明参照当前的较佳实施方式进行了描述，但本领域的技术人员应能理解，上述较佳实施方式仅用来说明本发明，并非用来限定本发明的保护范围，任何在本发明的精神和原则范围之内，所做的任何修饰、等效替换、改进等，均应包含在本发明的权利保护范围之内。

Claims (8)

1.一种预防跌倒的装置，包括鞋底板、压力传感器、信号传输线、数据处理装置、加速度传感器，

所述压力传感器通过所述信号传输线与所述数据处理装置相连接，用于获取压力信号并将所述压力信号传输至所述数据处理装置；

所述加速度传感器用于获取人体腰部加速度信号，并将所述加速度信号传输至所述数据处理装置；

其特征在于，还包括：螺栓、第一齿轮、电机、第二齿轮、电缆线以及肌电传感器，其中，

所述螺栓安装于所述鞋底板上；

所述压力传感器固定安装于所述螺栓的一端；

所述第一齿轮与所述螺栓的另一端相连接，用于调整所述螺栓的高度；

所述电机、所述数据处理装置均安装于所述鞋底板上，所述电机通过所述电缆线与所述数据处理装置相连接；

所述第二齿轮一方面与所述电机相连接，所述电机用于控制所述第二齿轮的转动，所述第二齿轮另一方面与所述第一齿轮传动连接；

所述肌电传感器用于获取人体下肢肌电信号，并将所述肌电信号传输至所述数据处理装置；

所述数据处理装置用于对所述压力信号、所述加速度信号以及所述肌电信号进行处理，得到人体位姿的实时状态，并根据所述人体位姿的实时状态控制所述电机，进而调整所述螺栓的高度。

2.如权利要求1所述的预防跌倒的装置，其特征在于，所述数据处理装置包括：压力信号采集模块、加速度信号采集模块、肌电信号采集模块、信号放大模块、信号整形模块、信号滤波模块、特征提取模块、分类模块以及控制模块，其中，

所述压力信号采集模块用于采集所述压力信号；

所述加速度信号采集模块用于采集所述加速度信号；

所述肌电信号采集模块用于采集所述肌电信号；

所述信号放大模块用于对所述压力信号、所述加速度信号以及所述肌电信号进行信号放大；

所述信号整形模块用于对所述压力信号、所述加速度信号以及所述肌电信号进行信号整形；

所述信号滤波模块用于对所述压力信号、所述加速度信号以及所述肌电信号进行信号滤波，以滤除噪声信号；

所述特征提取模块用于提取所述压力信号、所述加速度信号以及所述肌电信号中的特征向量；

所述分类模块用于对所述特征向量进行分类，从而得到人体位姿的实时状态；

所述控制模块用于根据所述人体位姿的实时状态控制所述电机，进而调整所述螺栓的高度。

3.如权利要求1所述的预防跌倒的装置，其特征在于，所述加速度传感器贴放于人体腰部。

4.如权利要求1所述的预防跌倒的装置，其特征在于，所述肌电传感器贴放于人体股直肌以及胫骨前肌。

5.如权利要求1所述的预防跌倒的装置，其特征在于，所述第一齿轮与所述螺栓采用螺纹连接。

6.如权利要求1所述的预防跌倒的装置，其特征在于，还包括联轴器，所述第二齿轮通过所述联轴器与所述电机相连接。

7.如权利要求1所述的预防跌倒的装置，其特征在于，还包括导线环，所述导线环嵌套于所述螺栓上，所述信号传输线通过所述导线环与所述数据处理装置相连接。

8.如权利要求1所述的预防跌倒的装置，其特征在于，所述加速度传感器为六轴加速度传感器。