CN104146712A - 穿戴式足底压力检测设备及足底压力检测和姿态预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种穿戴式足底压力检测设备，包括鞋垫，其特征在于：该设备包括压力传感模块，中央处理控制模块，无线通讯模块，上位机，陀螺仪，加速度计和信号提示模块，本发明正是一种方便人们不受地点限制的在人们不论是行走时还是静止时都可以检测人们足底压力的设备，实现了可穿戴式足底压力实时检测。

Description

穿戴式足底压力检测设备及足底压力检测和姿态预测方法

技术领域：本发明涉及一种可穿戴式足底压力检测设备及姿态预测方法，其通过放置在鞋垫一侧的压力检测器采集压力，并通过脚部动作识别器件采集脚部姿态信息来方便使用者在平时走路中不受地点限制，是一种足底压力检测设备和方法。

背景技术：足底压力的分布可以反映出人们不同程度的姿态，足底压力可以应用在各个领域中，例如，足底压力分布可以帮助通过检测溃疡高危区域来区分糖尿病人与非糖尿病人、进行骨科的足病诊、在康复训练中检测行走姿态判断病人恢复程度以及为下肢疾病康复提供解决方案等，同时在刑事侦破中，判断人们身高体重等信息以及地面互动游戏中都有所应用。但目前的检测设备及方式都不理想。

发明内容：

发明目的：本发明提供一种穿戴式足底压力检测设备及足底压力检测和姿态预测方法，其目的是解决足底检测方式不理想的问题，使人们在走路或者运动过程中实时检测足底压力信息并通过压力、加速度等信息进行姿态预测及时反映人体的相关身体信息，本申请提供一种在脚底加入压力检测器、加速度计和陀螺仪的可穿戴式足底压力检测设备，方便人们不受地点限制随时可以知道健康预测状况，姿态预测可以应用在一些老人的防摔倒等方面，既可以在上位机中实时观察分析结果，也可以随身携带本设备。

技术方案：

一种穿戴式足底压力检测设备，包括鞋垫，其特征在于：该设备包括压力传感模块，中央处理控制模块，无线通讯模块，上位机，陀螺仪，加速度计和信号提示模块，该压力传感模块位于鞋垫上与脚接触的部位，压力传感模块、陀螺仪和加速度计连通过连接线与中央处理控制模块连接，中央处理控制模块，通过无线传输与上位机进行通信，上位机连接信号提示模块。

信号提示模块由一个LED显示灯和一个蜂鸣器组成。

利用上述的穿戴式足底压力检测设备所实施的可穿戴式足底压力检测及姿态预测方法，其特征在于：该方法的步骤如下：

(1)、当脚掌与鞋垫上的压力传感模块接触时，压力传感模块内所包含的力敏电阻值R会随施加在其上的压力值f而发生变化，R与f之间根据电阻材料的不同存在特定的非线性关系，压力传感模块与中央处理控制模块连接，以监测脚掌与鞋垫之间产生的压力变化，中央处理控制模块读取压力模块中每个力敏电阻两端的电压值V_o，并通过公式1计算出力敏电阻R的值：

$\frac{V_0}{V_1}=\frac{R}{R+r}---\left(1\right)$

其中r为与力敏电阻串联的分压电阻，当力敏电阻上有压力变化时，中央处理模块会实时返回一个介于0到N之间的数值，其中，N的最大值与处理器的位数n有关(N＝2ⁿ-1)，而V_I为中央处理模块可以检测的电压的最大值，因此压力传感模块检测到的电压值与其电阻呈现以下关系：

$R=\frac{N*r}{V_I-N}---\left(2\right)$

人们在抬腿、走路等呈现不同姿态时，脚踩在压力传感模块的力度不同，力敏电阻采集到的压力信息随着人们脚部的运动有所变化，通过采集由多个力敏电阻排布构成压力传感模块上的压力分布值，便可得到足底压力分布信息；

(2)利用陀螺仪与加速度计互相配合，加速度计在较长时间测量精准，而在较短时间内由于信号噪声而有误差存在，陀螺仪在较短时间内比较精准，但是在较长时间则会有漂移而产生的误差，因此两者结合可以在时间点与时间段内都准确测量人们行走时在x、y、z轴上的角速度θ_x，θ_y，θ_z以及加速度a_x，a_y，a_z，利用中央处理控制模块使用ARMA计算模型迭代，计算如下：

θ_xt＝β₀+β₁θ_xt-1+β₂θ_xt-2+......+β_nθ_xt-n+Z_t   (3)

θ_yt＝β₀+β₁θ_yt-1+β₂θ_yt-2+......+β_nθ_yt-n+Z_t   (4)

θ_zt＝β₀+β₁θ_zt-1+β₂θ_zt-2+......+β_nθ_zt-n+Z_t   (5)

α_xt＝β₀+β₁α_xt-1+β₂α_xt-2+......+β_nα_xt-n+Z_t   (6)

α_yt＝β₀+β₁α_yt-1+β₂α_yt-2+......+β_nα_yt-n+Z_t   (7)

α_zt＝β₀+β₁α_zt-1+β₂α_zt-2+......+β_nα_zt-n+Z_t   (8)

其中θ_t和α_t为各个方向上角速度和加速度的预测值，Z为误差，β为计算系数，θ_t-n和α_t-n为n时刻前已经得到的角速度和加速度值，计算得到人们脚部目前所处姿态，并根据目前所属姿态分析，使用预测算法得出下一个可能的运动趋势；

(3)利用中央处理控制模块将采集到的多路力敏电阻、加速度计和陀螺仪传来的压力信息、加速度信息和角速度信息进行放大、去噪、滤波、平滑、去耦处理，再通过无线通信模块将数据信息传送至上位机端；

(4)上位机对数据信息进行整理和分析，并在屏幕上描绘出峰值压力、计算压力和时间积分，绘制压力分布图像，通过x轴、y轴和z轴上的加速度值来计算脚部可能呈现的姿态；由于每个人的行走姿态有所不同，因此在姿态预测之前，首先要建立个人正常行走知识库，并记录在上位机中；在后继使用过程中，将当前采集到的信息与知识库信息进行比较和分析，判断使用者的姿态是否与之前的正常姿态吻合；

(一)若在户外使用上位机不方便时，可以将数据库中的简化后的数据区间[α₁,α₂]事先存储在中央处理控制模块的控制器的存储单元中，这样不能实时地绘制峰值等功能，但是可以简单判断使用者的压力信息是否在设定的范围之内，中央处理控制模块采集压力信息数据的同时对数据进行判断；

(二)无论是通过中央处理控制模块还是上位机进行数据处理，都会对使用者的运动趋势做判断，在要摔倒或其他可能潜在危险时，需要通过蜂鸣器的鸣叫来使周围人群或者使用者自己注意前方路况，除此之外，在本设备开始工作时，发光二极管通过显示不同的颜色来提醒使用者开始工作的信号，即使使用者做了非常规的动作，导致上位机判断不准确，使用者也会通过信号提示模块知道本设备工作状态。

(1)步骤中，一般的压力传感器可以检测到质量为10g-10kg的范围，如果采集到的压力信息α在[α₁,α₂]内，则表明设备穿戴者与之前已经建立的个人知识库中的姿态没有明显差异，若多次采集到的压力信息α不在[α₁,α₂]内，则表明现在的姿态与个人知识库中的姿态有明显差异。

优点及效果：本发明提供一种穿戴式足底压力检测设备，包括鞋垫，其特征在于：该设备包括压力传感模块，中央处理控制模块，无线通讯模块，上位机，陀螺仪，加速度计和信号提示模块，本申请除了检测足底的压力信息，还能根据陀螺仪和加速度计测得的角速度分析脚部所呈现的姿态，简单的预测人们行走的趋势，根据这些信息预测使用者想要开始行走的趋势，并根据开始行走的趋势进行初始化，给出信号提示并且本设备开始工作，在与其他可穿戴式设备一起使用时，避免因为多种设备的不同时工作而对使用者造成行走障碍，如果各个设备之间没有同时协调好而开始工作则会造成摔倒等现象，除此之外这样的设计还可以节约电源。目前各种可穿戴式设备的研发技术日益先进，可以预见在不久的将来各种新式可穿戴设备将可能改变人们的生活方式。而本发明正是一种方便人们不受地点限制的在人们不论是行走时还是静止时都可以检测人们足底压力的设备，实现了可穿戴式足底压力实时检测。

附图说明：

图1为本发明中可穿戴式足底压力检测设备力敏电阻排布的俯视图；

图2为本发明中脚底走路所用到主要肌肉分布图。

图3为本发明中脚运动时压力检测器的工作原理图。

图4为本发明中中央处理控制模块与上位机进行通信的工作示意图。

图5为本发明中各模块连接示意图。

具体实施方式：下面结合附图对本发明做进一步的说明：

本发明的外部结构如图1所示。在外观上，本发明是在鞋垫一侧有八个压力检测电阻排布在人们走路时主要肌肉部位以及解剖特征区，这样排布除去了数据冗余又保证了压力信息的准确性。

本发明所描述的可穿戴式足底压力检测设备如图3所示。本设备包括压力传感模块1，中央处理控制模块2，无线通讯模块3，上位机4，陀螺仪5，加速度计6，信号提示模块7，压力传感模块、陀螺仪5和加速度计6连通过连接线与中央处理控制模块连接，该压力传感模块由八个压力感应器组成并位于鞋垫一侧与脚接触的部位，通过连接线与中央处理控制模块连接，中央处理控制模块可以自行处理数据，也可以通过无线传输与上位机进行通信，上位机进行精密的数据计算。信号提示模块由一个LED显示灯和一个蜂鸣器组成。

本发明所描述可穿戴式足底压力检测设备的硬件结构如图4所示。压力传感模块的力敏电阻矩阵、陀螺仪、加速度计、供电模块连接至中央处理控制模块，中央处理控制模块通过无线传输模块与上位机进行数据传输，上位机对数据进行计算分析，信号提示模块显示信号。中央处理模块处理来自力敏电阻、陀螺仪、加速度计的足底压力分布信息以及角度姿态信息，然后判断是否符合已设定好的参数范围内，在使用上位机的情况下通过上位机绘制曲线，在不使用上位机的情况下由中央处理控制模块存储模块读取数据，判断使用者的运动趋势；供电模块负责给整个电路供电。

本发明的实施方法如下：

(1)当脚掌与鞋垫上的压力传感模块接触时，压力传感模块内所包含的力敏电阻值R会随施加在其上的压力值f而发生变化，R与f之间根据电阻材料的不同存在特定的非线性关系。压力传感模块与中央处理控制模块连接，以监测脚掌与鞋垫之间产生的压力变化，中央处理控制模块读取压力模块中每个力敏电阻两端的电压值V_o，并通过公式1计算出力敏电阻R的值：

$\frac{V_0}{V_1}=\frac{R}{R+r}---\left(1\right)$

其中r为与力敏电阻串联的分压电阻。当力敏电阻上有压力变化时，中央处理模块会实时返回一个介于0到N之间的数值，其中，N的值与处理器的位数n有关(N＝2ⁿ-1)，而V_I为中央处理模块可以检测的电压的最大值，因此压力传感模块检测到的电压值与其电阻呈现以下关系：

$R=\frac{N*r}{V_I-N}---\left(2\right)$

人们在抬腿、走路等呈现不同姿态时，脚踩在压力传感模块的力度不同，力敏电阻采集到的压力信息随着人们脚部的运动有所变化，通过采集由多个力敏电阻排布构成压力传感模块上的压力分布值，便可得到足底压力分布信息。

(2)利用陀螺仪与加速度计互相配合，加速度计在较长时间测量精准，而在较短时间内由于信号噪声而有误差存在，陀螺仪在较短时间内比较精准，但是在较长时间则会有漂移而产生的误差，因此两者结合可以在时间点与时间段内都准确测量人们行走时在x、y、z轴上的角速度θ_x，θ_y，θ_z以及加速度a_x，a_y，a_z，利用中央处理控制模块使用ARMA计算模型迭代，计算如下：

θ_xt＝β₀+β₁θ_xt-1+β₂θ_xt-2+......+β_nθ_xt-n+Z_t   (3)

θ_yt＝β₀+β₁θ_yt-1+β₂θ_yt-2+......+β_nθ_yt-n+Z_t   (4)

θ_zt＝β₀+β₁θ_zt-1+β₂θ_zt-2+......+β_nθ_zt-n+Z_t   (5)

α_xt＝β₀+β₁α_xt-1+β₂α_xt-2+......+β_nα_xt-n+Z_t   (6)

α_yt＝β₀+β₁α_yt-1+β₂α_yt-2+......+β_nα_yt-n+Z_t   (7)

α_zt＝β₀+β₁α_zt-1+β₂α_zt-2+......+β_nα_zt-n+Z_t   (8)

其中θ_t和α_t为各个方向上角速度和加速度的预测值，Z为误差，β为计算系数θ_t-n和α_t-n为n时刻前已经得到的角速度和加速度值，计算得到人们脚部目前所处姿态，并根据目前所属姿态分析，使用预测算法得出下一个可能的运动趋势；

(3)利用中央处理控制模块将采集到的多路力敏电阻、加速度计和陀螺仪传来的压力信息、加速度信息和角速度信息进行放大、去噪、滤波、平滑、去耦处理，再通过无线通信模块将数据信息传送至上位机端；

(4)上位机对数据信息进行整理和分析，并在屏幕上描绘出峰值压力、计算压力和时间积分，绘制压力分布图像，通过x轴、y轴和z轴上的加速度值来计算脚部可能呈现的姿态。由于每个人的行走姿态有所不同，因此在姿态预测之前，首先要建立个人正常行走知识库，并记录在上位机中。在后继使用过程中，将当前采集到的信息与知识库信息进行比较和分析，判断使用者的姿态是否与之前的正常姿态吻合；

(5)若在户外使用上位机不方便时，可以将数据库中的简化后的数据区间[α₁,α₂]事先存储在中央处理控制模块的控制器的存储单元中，这样不能实时地绘制峰值等功能，但是可以简单判断使用者的压力信息是否在设定的范围之内，中央处理控制模块采集压力信息数据的同时对数据进行判断，例如一般的压力传感器可以检测到质量为10g-10kg的范围，如果采集到的压力信息α在[α₁,α₂]内，则表明设备穿戴者与之前已经建立的个人知识库中的姿态没有明显差异，若多次采集到的压力信息α不在[α₁,α₂]内，则表明现在的姿态与个人知识库中的姿态有明显差异；

(6)无论是通过中央处理控制模块还是上位机进行数据处理，都会对使用者的运动趋势做判断，人们在要摔倒或其他可能潜在危险时，需要通过蜂鸣器的鸣叫来使周围人群或者使用者自己注意前方路况，除此之外，在开本设备始工作时，发光二极管通过显示不同的颜色来提醒使用者开始工作的信号，即使使用者做了非常规的动作，导致上位机判断不准确，使用者也会通过信号提示模块知道本设备工作状态。

本发明的实际应用举例如下：

本发明提供一种穿戴式足底压力检测设备。该足底压力检测设备可以实时检测并分析出足底压力分布情况，不使用时该设备时，可以无需脱下该设备，不影响正常行走，而在想要使用该设备时，直接打开开关即可以实时获得足底压力分布信息。

请参阅图2，压力传感模块1的力敏电阻的排布按照人们走路时足底用到的肌肉及其解剖特征区的位置进行排布，而不是用在整个脚底加满电阻的排布，避免了数据冗余，减少了计算量，加快处理速度，而又可以准确计算出足底压力分布。

请参阅图3，人们走路脚掌与力敏电阻的鞋垫呈现不同的角度与状态，这些不同的状态使力敏电阻采集到压力信息有所不同，鞋垫与地面的夹角通过陀螺仪读取的数据计算出来，各个方向上的加速度通过加速度计得到，中央控制处理模块通过综合信息的不同来判断人们此时处于何种姿态。

请参阅图4，中央处理控制模块通过无线通信模块与上位机进行通信，在上位机上通过数据实时监测预测姿态趋势。

Claims (5)

1.一种穿戴式足底压力检测设备，包括鞋垫，其特征在于：该设备包括压力传感模块(1)，中央处理控制模块(2)，无线通讯模块(3)，上位机(4)，陀螺仪(5)，加速度计(6)和信号提示模块(7)，该压力传感模块位于鞋垫上与脚接触的部位，压力传感模块、陀螺仪(5)和加速度计(6)连通过连接线与中央处理控制模块连接，中央处理控制模块，通过无线传输与上位机进行通信，上位机连接信号提示模块。 

2.根据权利要求1所述的穿戴式足底压力检测设备，其特征在于：信号提示模块由一个LED显示灯和一个蜂鸣器组成。 

3.利用上述的穿戴式足底压力检测设备所实施的可穿戴式足底压力检测及姿态预测方法，其特征在于：该方法的步骤如下： 

(1)、当脚掌与鞋垫上的压力传感模块接触时，压力传感模块内所包含的力敏电阻值R会随施加在其上的压力值f而发生变化，R与f之间根据电阻材料的不同存在特定的非线性关系，压力传感模块与中央处理控制模块连接，以监测脚掌与鞋垫之间产生的压力变化，中央处理控制模块读取压力模块中每个力敏电阻两端的电压值V_o，并通过公式1计算出力敏电阻R的值： 

其中r为与力敏电阻串联的分压电阻，当力敏电阻上有压力变化时，中央处理模块会实时返回一个介于0到N之间的数值，其中，N的最大值与处理器的位数n有关(N＝2ⁿ-1)，而V_I为中央处理模块可以检测的电压的最大值，因此压力传感模块检测到的电压值与其电阻呈现以下关系(公式2)： 

人们在抬腿、走路等呈现不同姿态时，脚踩在压力传感模块的力度不同， 力敏电阻采集到的压力信息随着人们脚部的运动有所变化，通过采集由多个力敏电阻排布构成压力传感模块上的压力分布值，便可得到足底压力分布信息； 

(2)利用陀螺仪与加速度计互相配合，加速度计在较长时间测量精准，而在较短时间内由于信号噪声而有误差存在，陀螺仪在较短时间内比较精准，但是在较长时间则会有漂移而产生的误差，因此两者结合可以在时间点与时间段内都准确测量人们行走时在x、y、z轴上的角速度θ_x，θ_y，θ_z以及加速度a_x，a_y，a_z，利用中央处理控制模块使用ARMA计算模型迭代，计算如下： 

θ_xt＝β₀+β₁θ_xt-1+β₂θ_xt-2+......+β_nθ_xt-n+Z_t   (3) 

θ_yt＝β₀+β₁θ_yt-1+β₂θ_yt-2+......+β_nθ_yt-n+Z_t   (4) 

θ_zt＝β₀+β₁θ_zt-1+β₂θ_zt-2+......+β_nθ_zt-n+Z_t   (5) 

α_xt＝β₀+β₁α_xt-1+β₂α_xt-2+......+β_nα_xt-n+Z_t   (6) 

α_yt＝β₀+β₁α_yt-1+β₂α_yt-2+......+β_nα_yt-n+Z_t   (7) 

α_zt＝β₀+β₁α_zt-1+β₂α_zt-2+......+β_nα_zt-n+Z_t   (8) 

其中θ_t和α_t为各个方向上角速度和加速度的预测值，Z为误差，β为计算系数，θ_t-n和α_t-n为n时刻前已经得到的角速度和加速度值，计算得到人们脚部目前所处姿态，并根据目前所属姿态分析，使用预测算法得出下一个可能的运动趋势； 

(3)利用中央处理控制模块将采集到的多路力敏电阻、加速度计和陀螺仪传来的压力信息、加速度信息和角速度信息进行放大、去噪、滤波、平滑、去耦处理，再通过无线通信模块将数据信息传送至上位机端； 

(4)上位机对数据信息进行整理和分析，并在屏幕上描绘出峰值压力、计算压力和时间积分，绘制压力分布图像，通过x轴、y轴和z轴上的加速度值来计算脚部可能呈现的姿态；由于每个人的行走姿态有所不同，因此在姿态预测之前，首先要建立个人正常行走知识库，并记录在上位机中；在后继使用过程中，将当前采集到的信息与知识库信息进行比较和分析，判断使用者的姿态 是否与之前的正常姿态吻合。 

4.根据如权利要求3所述的穿戴式足底压力检测及姿态预测方法，其特征在于： 

(1)若在户外使用上位机不方便时，可以将数据库中的简化后的数据区间[α₁,α₂]事先存储在中央处理控制模块的控制器的存储单元中，这样不能实时地绘制峰值等功能，但是可以简单判断使用者的压力信息是否在设定的范围之内，中央处理控制模块采集压力信息数据的同时对数据进行判断； 

(2)无论是通过中央处理控制模块还是上位机进行数据处理，都会对使用者的运动趋势做判断，在要摔倒或其他可能潜在危险时，需要通过蜂鸣器的鸣叫来使周围人群或者使用者自己注意前方路况，除此之外，在本设备开始工作时，发光二极管通过显示不同的颜色来提醒使用者开始工作的信号，即使使用者做了非常规的动作，导致上位机判断不准确，使用者也会通过信号提示模块知道本设备工作状态。 

5.根据如权利要求4所述的穿戴式足底压力检测及姿态预测方法，其特征在于：(1)步骤中，一般的压力传感器可以检测到质量为10g-10kg的范围，如果采集到的压力信息α在[α₁,α₂]内，则表明设备穿戴者与之前已经建立的个人知识库中的姿态没有明显差异，若多次采集到的压力信息α不在[α₁,α₂]内，则表明现在的姿态与个人知识库中的姿态有明显差异。