CN105105756A - 一种便携式平衡能力及步态分析传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感器装置技术领域，具体公开了一种便携式平衡能力及步态分析传感装置。本发明的装置中，三轴加速度传感器用于检测相对三轴加速度，并将检测结果传输至数据处理芯片；三轴陀螺仪用于检测相对角加速度，并将检测结果传输至数据处理芯片；数据处理芯片接收三轴加速度传感器、三轴陀螺仪传输的数据，通过蓝牙传输模块或串口通信模块将接收的数据传输至PC机；PC机通过控件接收数据处理芯片传输的数据，然后进行处理分析；本发明根据得出的三轴相对加速度和转动角度，通过PC机运算，获得三轴绝对加速度值，通过测量人体三个方向上的加速度信号，来评估的人体的平衡能力及步态特征，本装置操作成本较低，数据处理简单，适合推广使用。

Description

一种便携式平衡能力及步态分析传感装置

技术领域

本发明属于传感器装置技术领域，具体涉及一种便携式平衡能力及步态分析传感装置。

背景技术

中国早已经步入老龄化社会，平衡和步态的障碍会直接影响老年人的活动能力。随着年龄的增长，老年人平衡能力会逐渐下降，步态也会发生相应改变。平衡能力检测及步态分析，对老年人病情评估、治疗具有非常重要指导意义。

目前，评价人体平衡能力的方法很多，如观察受试者站立时身体晃动情况、单脚或闭眼单脚直立检查、闭目原地踏步以及平衡木行走等，都可以对人体平衡能力进行评估，但无法满足人们对精确评估的需求。足底压力测试、测力台及动态平衡仪等可以做到较为精确测量，但设备及人员操作成本太高。步态测试及分析也面临同样的问题，目前主流的步态特征分析是基于运动学的视频分析，或在装备了复杂测试设备和分析工具的步态实验室完成，而基于视频和图像处理，容易受动态环境中多方面因素影响，数据处理复杂度高，而在步态实验室进行的步态特征分析由于设备昂贵和场地的限制，难以普及。

发明内容

本发明所要解决的技术问题便是针对上述现有技术的不足，提供一种设计新颖，设备和人员操作成本较低，数据处理简单的便携式平衡能力及步态分析传感装置。

本发明所采用的技术方案是：一种便携式平衡能力及步态分析传感装置，包括三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、数据处理芯片、PC机和供电电源，数据处理芯片上设置有拨动开关；

三轴加速度传感器用于检测相对三轴加速度，并将检测结果传输至数据处理芯片；

三轴陀螺仪用于检测相对角加速度，并将检测结果传输至数据处理芯片；

数据处理芯片接收三轴加速度传感器、三轴陀螺仪传输的数据，并通过蓝牙传输模块或串口通信模块将接收的数据传输至PC机；

PC机通过控件接收数据处理芯片传输的数据，然后进行处理分析，并显示和保存；

供电电源用于提供电源。

作为优选，所述蓝牙传输模块的工作频段选为2.4GHz的ISM频段。

作为优选，所述供电电源包括锂电池和与锂电池相连的锂电池管理芯片，锂电池管理芯片采用TP4056，锂电池管理芯片上设置有用于充电的USB接口。

作为优选，还包括一壳体和一固定绑带，三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、和数据处理芯片集成在壳体内，壳体固定在固定绑带上。

本发明的有益效果在于：本发明根据得出的三轴相对加速度，三轴相对转动角度，通过PC机程序的运算，获得三轴绝对加速度值，通过测量人体三个方向上的加速度信号，来评估的人体的平衡能力及步态特征，本装置设计新颖，设备和人员操作成本较低，数据处理简单，适合推广使用。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为图1中PC机的软件结构框图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：如图1和图2所示，本发明包括三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、数据处理芯片、PC机和供电电源，数据处理芯片上设置有拨动开关；三轴加速度传感器用于检测相对三轴加速度，并将检测结果传输至数据处理芯片；三轴陀螺仪用于检测相对角加速度，并将检测结果传输至数据处理芯片；数据处理芯片接收三轴加速度传感器、三轴磁偏角传感器、三轴陀螺仪、三轴磁力计和高精度气压计传输的数据，并通过蓝牙传输模块或串口通信模块将接收的数据传输至PC机；PC机通过控件接收数据处理芯片传输的数据，然后进行处理分析，并显示和保存；供电电源用于向三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、数据处理芯片各部分提供电源。

所述蓝牙传输模块的工作频段选为2.4GHz的ISM频段。这样用户不必经过申请便可以在2400～2500MHz范围内选用适当的蓝牙无线电收发器频段。频道采用23个或79个，频道间隔均为1MHz，采用时分双工方式。调制方式为BT＝0.5的GFSK，调制指数为0.28～0.35。蓝牙的无线发射机采用FM调制方式，从而能降低设备的复杂性。最大发射功率分为三个等级，100mW(20dBm)，2.5mW(4dBm)，1mW(0dBm)，在4～20dBm范围内要求采用功率控制，因此，蓝牙设备之间的有效通讯距离大约为10～100m。

所述供电电源包括锂电池和与锂电池相连的锂电池管理芯片，锂电池管理芯片采用TP4056，锂电池管理芯片上设置有用于向锂电池充电的的USB接口。

还包括一壳体和一固定绑带，三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、和数据处理芯片集成在壳体内，壳体固定在固定绑带上。

本装置以嵌入式芯片和蓝牙传输模块为主，设计了基于蓝牙无线传输的数据采集系统，整个装置由前端数据采集、传送部分以及末端的数据接受部分即PC机组成。前端数据采集部分由位于现场的传感器、嵌入式芯片、串口通信等构成，传送部分主要利用自带微带天线的蓝牙传输模块进行数据的无线传输；末端通过蓝牙传输模块、串口通信模块传输将数据送到上位PC机进一步处理。

PC机通过MSCOMM控件十六进制接收数据处理芯片传输的数据，再将接收的数据使用FORMAT进行格式转换传输至EDIT控件进行接收，接收完成后读取EDIT控件内容，进行处理分析，并显示，显示采用图表形式，并通过NET系统函数将数据运算结果写入txt文件中并保存；在接收数据处理芯片的数据过程中可中断接收，读取EDIT控件内容时需逐字读取EDIT控件内容，直到完成一次循环，清空EDIT控件。

由于三轴加速度传感器，三轴陀螺仪可以直接检测出的数据为三轴相对加速度，三轴旋转角度，但通常需求的是以大地为参考坐标的三轴绝对加速度，因此，通过以下算法将三轴相对加速度转换为绝对加速度。

其中w_x为x轴转动角度，W_Y为y轴转动角度，W_Z为z轴转动角度；aX₀为x轴方向测得的相对加速度，aY₀为y轴方向测得的相对加速度，aZ₀为z轴方向测得的相对加速度。aX为以大地为参考的x方向的绝度加速度，aY为以大地为参考的y方向的绝对加速度，aZ为以大地为参考的z方向的绝度加速度。坐标系绕x轴旋转时的坐标参数矩阵表达式：

$R_1=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& CosWx& SinWx\\ 0& -SinWx& CosWx\end{array}\right]---\left(1\right)$

坐标系绕y轴旋转时的坐标参数矩阵表达式：

$R_2=\left[\begin{array}{ccc}CosWy& 0& -SinWy\\ 0& 1& 0\\ SinWy& CosWy& 0\end{array}\right]---\left(2\right)$

坐标系绕z轴旋转时的坐标参数矩阵表达式：

$R_3=\left[\begin{array}{ccc}CosWz& SinWz& 0\\ -SinWz& CosWz& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]---\left(3\right)$

同时绕x，y，z轴时有，Rε＝R₁×R₂×R₃其矩阵表达式：

$R\mathrm{\ϵ}=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& CosWx& SinWx\\ 0& -SinWx& CosWx\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}CosWy& 0& -SinWy\\ 0& 1& 0\\ SinWy& CosWy& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}CosWz& SinWz& 0\\ -SinWz& CosWz& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]---\left(4\right)$

$\left[\begin{array}{c}aX\\ aY\\ aZ\end{array}\right]=R\mathrm{\ϵ}\left[\begin{array}{c}{\mathrm{aX}}_0\\ {\mathrm{aY}}_0\\ {\mathrm{aZ}}_0\end{array}\right]---\left(5\right)$

得出X，Y，Z三个方向的绝对加速度为

$\begin{array}{c}\left\{\begin{array}{c}aX=(CosWxSinWz+SinWxSinWyCosWz){\mathrm{aX}}_0+\\ (CosWxCosWz+SinWxSinWySinWz){\mathrm{aY}}_0+(-SinWxCosWy){\mathrm{aZ}}_0\\ aY=\left(-CosWyCosWz\right){\mathrm{aX}}_0+\left(CosWySinWz\right){\mathrm{aY}}_0+\left(SinWy\right){\mathrm{aZ}}_0\\ aZ=\left(SinWxSinWz+CosWxSinWySinWz\right){\mathrm{aX}}_0+\end{array}\right.\\ \left(-SinWxCosWz+CosWxSinWySinWz\right){\mathrm{aY}}_0+\left(CosWxCosWy\right){\mathrm{aZ}}_0\end{array}---\left(6\right)$

基于以上算法，通过PC机程序的运算，就可将本装置直接测量得到的三轴相对加速度转换为绝对加速度，从而实现结果的输出。

测试方法：

每名受试者均通过固定绑带携带6个传感装置，传感装置1用于采集前庭加速度信号，被要求放置于头部；传感装置2放置在背部骨盆附近的位置，因为研究证明可以将骨盆视为人体的中心，放置在这里的传感器所采集到的信号反映出了人体重心的加速度变化情况；传感装置3-4放置于腕关节处；传感装置5-6放置于踝关节处，可以反映出四肢的摆动加速度变化情况。具体测试方法如下：

1.姿态稳定测试。受试者站在指定位置(硬地)，需较舒适的站立，双手放于两侧，双脚并拢，测试时间30秒。然后闭眼，测试30秒。

2.感觉整合平衡测试。受试者站在10cm厚的软垫上，双手放于两侧，双脚并拢，测试时间30秒。然后闭眼，测试30秒。

3.步态评估行走测试。目的是测量全身步态(头、躯干、四肢)、不对称性、变化性及转向情况。选择至少10米长的步道做行走测试，受试者需较舒适的站立，等待指令后开始行走，在完成至少8米直线的常速行走，然后进行180度转弯，立即快速度往回走，回到起点，测试结束。

其中硬地站立动作测试，不但可以作为测试的准备动作，更主要的是提供了被测者站立时的静态加速度信号，获得标准化数据。在实际的测试过程中，被测者在运动过程中往往仍要受到重力等因素的干扰，而在评估人体运动平衡状态的过程中这些信号是没有意义的，应该滤去。此时，只需通过不同站立模式(硬地闭眼、软垫睁眼和闭眼)，以及运动过程中的加速度信号与硬地静止站立动作所提供的加速度信号相减，就可以得到评估平衡能力所需要的数据。这个试验中包括了诸多日常生活中的常见动作，如静立，正常速度行走，快速行走，转弯等，这些可以进一步对人体步态进行分析。

平衡能力及步态的评估：

(1)静态平衡能力的评估

将硬地站立动作测试中静态加速度信号，作为标准化数据。通过不同站立模式(硬地闭眼、软垫睁眼和闭眼)下的加速度信号与硬地静止站立动作所提供的加速度信号相减，差值绝对值越小，静态平衡能力越好。

(2)运动平衡能力的评估

将同一轴向的加速度幅值分奇偶步进行统计，将其总和记为Ao、Ad，二者的比值可以有效地反映行进过程中人体的平衡状况，其值越接近1，说明人体的运动平衡能力越好。

(3)步态的评估

通常健康人正常行走的步态具有很强的规律性和对称性，而患有神经病变与骨骼肌肉系统等疾病的人，都会造成步态的不规律和不对称，即异常步态。同样，步态分析可以用Ao、Ad二者的比值，反映步态对称性，其值越接近1，说明步态越对称。

Claims (4)

1.一种便携式平衡能力及步态分析传感装置，其特征在于：包括三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、数据处理芯片、PC机和供电电源，数据处理芯片上设置有拨动开关；

三轴加速度传感器用于检测相对三轴加速度，并将检测结果传输至数据处理芯片；

三轴陀螺仪用于检测相对角加速度，并将检测结果传输至数据处理芯片；

数据处理芯片接收三轴加速度传感器、三轴陀螺仪传输的数据，并通过蓝牙传输模块或串口通信模块将接收的数据传输至PC机；

PC机通过控件接收数据处理芯片传输的数据，然后进行处理分析，并显示和保存；

供电电源用于提供电源。

2.根据权利要求1所述的一种便携式平衡能力及步态分析传感装置，其特征在于：所述蓝牙传输模块的工作频段选为2.4GHz的ISM频段。

3.根据权利要求1所述的一种便携式平衡能力及步态分析传感装置，其特征在于：所述供电电源包括锂电池和与锂电池相连的锂电池管理芯片，锂电池管理芯片采用TP4056，锂电池管理芯片上设置有用于充电的USB接口。

4.根据权利要求1所述的一种便携式平衡能力及步态分析传感装置，其特征在于：还包括一壳体和一固定绑带，三轴加速度传感器、三轴陀螺仪和数据处理芯片集成在壳体内，壳体固定在固定绑带上。