CN104545813A - 行走避障能力测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种行走避障能力测试装置。人步行在压力检测步垫上，光电虚拟障碍发生装置安装在压力检测步垫上；压力检测步垫中的压力扫描矩阵装置通过信号采集装置与控制装置连接，光电虚拟障碍发生装置与控制装置连接，计算机经通讯装置与控制装置连接；压力检测步垫由硬质基垫、压力扫描矩阵装置和缓冲软质垫压制固定而成；光电虚拟障碍发生装置包括多条平行间隔均布的LED光带，每条LED光带由LED灯沿直线间隔均布组成，LED光带方向垂直于行走方向。本发明设计合理，与以往方法相比，可建立与正常行走一样的状态，直接测量步态参数，且安全可靠不存在受测者跌落的风险，可用于测试老年人跌倒风险等。

Description

行走避障能力测试装置

技术领域

本发明涉及了一种测试装置，尤其是涉及一种行走避障能力测试装置。

背景技术

在老年人群中普遍存在运动能力退化现象，而跌倒为运动能力减弱后最常见的后果之一，并会导致骨折、外伤和脑卒中等临床症状，损害相关人群的健康，造成其本人及家庭的生活质量的降低。目前，老年人群中半数以上的跌倒发生在行走遇到障碍物时。

对老年人及相关人群行走时规避障碍物能力进行测试，可评估其跌倒风险，借助于评估结果进行预警，并提出使用助行装置、家人陪同等建议，防止跌倒引发的伤害。因此，世界上已有许多机构研究对行走避障能力进行测试的技术和设备，如Weerdesteyn， Swigchem和 Houdijk等开展的研究。目前此类技术多基于跑步机对受试者进行测试：受试者在匀速运动的跑步机上行走，前方一块具有一定厚度的木板随机落到跑步机上，受试者被要求规避作为障碍物的木板，用多台摄像机录像判断受试者是否碰到木板，根据受试者在多次重复试验中触及木板的几率评价其规避障碍物的能力。但这样的技术有如下缺陷，一是测试在运动的跑步机上进行，而受试者通常都有运动能力和平衡能力差的问题，存在受试者尤其是老年人在测试中跌倒发生伤害的隐患；二是受试者在跑步机上是被动行走，速度和步伐等与正常的主动行走时有很大差异；三是作为障碍物的木板从空中突然落下，与日常生活中地面障碍物的情形差别较大，还会对受试者会造成心理影响。这些不足使得上述技术难以在实际中被应用。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种行走避障能力测试装置。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括用于步态数据检测的压力检测步垫、作为虚拟障碍物的信号采集装置、光电虚拟障碍产生装置、控制装置和通讯装置，受试者步行在压力检测步垫上，光电虚拟障碍发生装置安装在压力检测步垫上；压力检测步垫由下至上的硬质基垫、压力扫描矩阵装置和缓冲软质垫依次压制固定而成；压力检测步垫中的压力扫描矩阵装置经信号采集装置后与控制装置连接，光电虚拟障碍发生装置与控制装置连接，计算机经通讯装置与控制装置连接；光电虚拟障碍发生装置包括多条平行间隔均布的LED光带，每条LED光带的方向垂直于行走方向，每条LED光带结构相同，均由LED灯沿直线间隔均布组成。

所述的压力扫描矩阵装置由检测步态数据的压力传感器阵列而成。

所述的压力检测步垫上间隔相同距离设置一条LED光带，相邻两条点亮的LED光带之间构成光电障碍物，控制各条LED光带的点亮和关闭调整障碍物的宽度和位置，以模拟不同难度的障碍物和障碍情况。

所述的压力检测步垫上每1cm×1cm面积装有一个压力传感器。

所述的光电虚拟障碍发生装置的各个LED灯正下方均设有压力传感器。

所述的步态数据包括足迹位置、形状、足底压力、支撑相时间和摆动相时间。

所述的硬质基垫为金属板或者木板。

所述的缓冲软质垫为橡胶垫。

本发明的有益效果是：

本发明的测试行走时躲避障碍物能力的装置设计合理，与以往方法相比，可建立与正常行走一样的状态，直接测量步态参数，且安全可靠不存在受测者跌落的风险，可用于测试老年人跌倒风险等。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的压力检测步垫具体结构图。

图3为本发明的工作流程图。

图中：1、压力检测步垫，2、信号采集装置，3、光电虚拟障碍产生装置，4、控制装置，5、通讯装置，6、受试者，7、计算机，8、缓冲软质垫，9、压力矩阵扫描装置，10、硬质基垫。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明包括用于步态数据检测的压力检测步垫1、信号采集装置2、作为虚拟障碍物的光电虚拟障碍产生装置3、控制装置4和通讯装置5，受试者6步行在压力检测步垫1上，光电虚拟障碍发生装置安装在压力检测步垫1上；如图2所示，压力检测步垫1由硬质基垫10、压力扫描矩阵装置9和缓冲软质垫8由下至上依次压制固定而成；压力检测步垫1中的压力扫描矩阵装置9经信号采集装置2与控制装置4连接，光电虚拟障碍发生装置3与控制装置4连接，计算机7经通讯装置5与控制装置4连接；光电虚拟障碍发生装置包括多条平行间隔均布的LED光带，每条LED光带由LED灯沿直线间隔均布组成，每条LED光带的方向垂直于行走方向，每条LED光带均分别与控制装置4连接。

上述压力扫描矩阵装置9由检测步态数据的压力传感器间隔阵列而成。受试者6步行在压力检测步垫上时，其踩踏的压力被压力扫描矩阵装置检测到从而获取了步态的数据。如图2所示，压力检测步垫底部为硬质基垫，中间为压力传感器阵列，上部为缓冲软质垫，步行在垫子上时，足底压力被传感器阵列感知，足迹位置、形状等信息由此可以获取。

压力检测步垫1上可每间隔8cm设置一条LED光带，相邻两条点亮的LED光带之间构成光电障碍物，该两条点亮的LED光带构成障碍物的前后边缘。控制各条LED光带的点亮和关闭，可调整间隔的各条LED光带的宽度及位置，模拟不同难度的障碍物和障碍物情况。

控制装置4对压力矩阵扫描装置9的传感器发出频率为100Hz的激励信号，随后经信号采集装置2扫描传感器的状态，读取传感器的步态数据后经信号采集装置4传送到控制装置，控制装置4控制每条LED光带的点亮和关闭，控制装置经通讯装置连接计算机，接收计算机的控制信号并将采集得到的数据传送到计算机。

信号采集装置对压力扫描矩阵装置中各个压力传感器进行键盘式扫描。

压力检测步垫1上每1cm×1cm的面积装有一个压力传感器，可以检测行走时足底在步道上产生的压力信号。

光电虚拟障碍发生装置3的各个LED灯正下方均设有压力传感器。

步态数据包括足迹位置、形状、足底压力、支撑相时间和摆动相时间，由进一步分析可得到步长、步宽、跨步长、步速、足偏角和步态周期。

优选的硬质基垫可为金属板或者木板。

优选的缓冲软质垫可为橡胶垫。

控制装置对光电虚拟障碍产生装置，压力矩阵装置和信号采集装置实行控制；并外接计算机具体执行数据的初步处理。

通信装置根据特定的数据通信协议，可以以有线或无线的方式接受来自外接计算机的控制信号，并将步垫的工作状态、压力传感器的数据传送到外接计算机。

具体实施中，光电虚拟障碍产生装置可由LED光带及其驱动电路组成，发光由控制装置控制，障碍物宽度（即步行方向上的跨度）由控制装置控制光障碍条带的数目来调控。LED光带的具体空间位置与其下的压力扫描矩阵装置对应，根据障碍物位置、产生时间和步行位置进行分析判断受试者是否踩踏到了光虚拟障碍物。

压力扫描矩阵装置为压力传感器所组成的阵列，可采用PVDF等压力敏感器件。具体地，当受试者6踩踏到步垫上时，压力传感器即会返回压力信号，经由控制装置计算出返回信号的压力传感器的空间位置，便可得到受试者6步行时足底的踩踏位置。

信号采集装置可实现对压力扫描矩阵装置中各个压力传感器的键盘式扫描，获取压力分布图。压力扫描矩阵装置中压力传感器在空间上等距排布成键盘状阵列，信号采集装置经过对阵列逐行逐列扫描获得各个空间位置上压力的数字信号重组成压力分布的图谱。

通讯装置采用串行通信，并内嵌有通信协议，负责与外接计算机的通讯，接收外接计算机的指令并交由控制装置实现，将足底压力分布数据上传到外接计算机进行数据分析。

控制装置对信号采集装置和通讯装置进行控制，负责来自于外接计算机具体执行数据的解释与执行等。控制装置会通过信号采集装置、通讯装置外接计算机实现LED光带的生成、压力扫描矩阵装置的扫描、数据上传等。

行走避障能力测量装置的工作流程具体如下：

外接计算机发出指令，由控制装置经由通讯装置接收分析后实施（如压力扫描、上传数据、通过光电虚拟障碍产生装置产生光虚拟障碍等）。压力扫描时，控制装置会控制信号采集装置对压力扫描矩阵装置的各个压力传感器进行键盘式扫描，并对回传的数据进行重组得到压力分布数据，也就是受试者踩踏的位置信息；上传数据时，控制装置会将压力扫描矩阵装置采集的压力分布数据经由通讯装置上传到外接计算机；由设定的LED光带形成光虚拟障碍时，控制装置会按照外接计算机指令通过控制光电虚拟障碍产生装置中灯光条带电源的通断来点亮或关闭指定的LED灯带构成的虚拟障碍物。

如图3所示，本发明的具体实施工作过程如下：

步骤1）检测行走避障能力测试装置是否正常工作，在确认装置正常后，开始扫描压力检测步垫。

步骤2）当受试者开始测试后，计算机根据上传的步垫压力数据及数据产生的时间计算受试者每一步的步态相关参数。与时间有关的参数有摆动相时间，支撑相时间，步态周期等；与空间相关的参数有步长，步宽，跨步长，足偏角等。以上参数除步态周期、步宽参数外均区分左右脚，即每项参数有左右脚之分，如摆动相时间参数分为左脚摆动相时间和右脚摆动相时间。

步骤3）在受试者行走过程中，将相邻的两条灯带点亮形成光电虚拟障碍，如附图1中所示，用黑色实心圆所表示的灯带即为为点亮的灯带，两条点亮的灯带构成光电虚拟障碍供受试者跨越。检测步道压力数据，并上传分析。

步骤4）在步骤3中，光电虚拟障碍出现时，判断受试者脚印是否与光电虚拟障碍的位置有重合，若有重合则认为受试者跨越障碍失败，否者认为受试者成功跨越了障碍。

在外接计算机端控制和分析软件上计算各步态参数并分析，同时显示步长、位置等信息。

步骤5）综合所检测的步态参数，计算受试者测试的平均步速，左右脚的平均支撑相时间、摆动相时间、左右脚的平均足偏角，左右脚的平均步长、步宽及跨步长，将这些参数保存并显示给受试者。

步骤6）对受试者进行多次步态测试，计算其跨越灯光障碍的成功率，即计算跨越障碍成功的次数与障碍出现次数的比值，此参数可用作评估受试者的跨越障碍物的能力。

实施实例中，步垫长度为3.2米，宽度0.5米，与时间相关的步态参数精度精确为0.02秒，与长度相关的参数精度为0.01米。测试的一组受试者步态参数如下：左摆动相0.60秒，右摆动相0.54秒；左支撑相0.92秒，右支撑相1.01秒；左足偏角15.20度，右足偏角16.16度；左步长23.56厘0.24米，右步长43.51厘0.43米；跨步长67.07厘0.67米；步态周期1.55秒，越障成功率0.64。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1. 一种行走避障能力测试装置，其特征是：包括用于步态数据检测的压力检测步垫（1）、作为虚拟障碍物的信号采集装置（2）、光电虚拟障碍产生装置（3）、控制装置（4）和通讯装置（5），受试者（6）步行在压力检测步垫（1）上，光电虚拟障碍发生装置安装在压力检测步垫（1）上；压力检测步垫（1）由下至上的硬质基垫（10）、压力扫描矩阵装置（9）和缓冲软质垫（8）依次压制固定而成；压力检测步垫（1）中的压力扫描矩阵装置（9）经信号采集装置（2）后与控制装置（4）连接，光电虚拟障碍发生装置（3）与控制装置（4）连接，计算机（7）经通讯装置（5）与控制装置（4）连接；光电虚拟障碍发生装置包括多条平行间隔均布的LED光带，每条LED光带的方向垂直于行走方向，每条LED光带结构相同，均由LED灯沿直线间隔均布组成。

2. 根据权利要求1所述的一种行走避障能力测试装置，其特征是：所述的压力扫描矩阵装置由检测步态数据的压力传感器阵列而成。

3. 根据权利要求1所述的一种行走避障能力测试装置，其特征是：所述的压力检测步垫（1）上间隔相同距离设置一条LED光带，相邻两条点亮的LED光带之间构成光电障碍物，控制各条LED光带的点亮和关闭调整障碍物的宽度和位置，以模拟不同难度的障碍物和障碍情况。

4. 根据权利要求1所述的一种行走避障能力测试装置，其特征是：所述的压力检测步垫（1）上每1cm×1cm面积装有一个压力传感器。

5. 根据权利要求1所述的一种行走避障能力测试装置，其特征是：所述的光电虚拟障碍发生装置（3）的各个LED灯正下方均设有压力传感器。

6. 根据权利要求1或2所述的一种行走避障能力测试装置，其特征是：所述的步态数据包括足迹位置、形状、足底压力、支撑相时间和摆动相时间。

7. 根据权利要求1所述的一种行走避障能力测试装置，其特征是：所述的硬质基垫为金属板或者木板。

8. 根据权利要求1所述的一种行走避障能力测试装置，其特征是：所述的缓冲软质垫为橡胶垫。