CN105816180B - 人体失衡检测装置及方法、防摔倒装置及方法 - Google Patents

人体失衡检测装置及方法、防摔倒装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供人体失衡检测装置及方法、防摔倒装置及方法。人体失衡检测装置包括：重心加速度传感器，检测人体行走时身体重心的纵向加速度、横向加速度以及垂直加速度；左脚加速度传感器，检测人体行走时左脚的纵向加速度和横向加速度；右脚加速度传感器，检测人体行走时右脚的纵向加速度和横向加速度；以及主控制单元，在身体重心的垂直加速度小于重心垂直加速度阈值、或者重心垂直位移小于重心垂直位移阈值时，利用检测到的左右脚的纵向加速度、横向加速度与身体重心的纵向加速度、横向加速度的偏差、或者利用左右脚的横向位移、纵向位移与重心横向位移、重心纵向位移的偏差，来判断身体是否发生失衡，若判断为身体发生失衡，则输出警报信号。

Description

人体失衡检测装置及方法、防摔倒装置及方法
技术领域
本发明涉及行走时人体失衡检测及警报技术，尤其涉及人体失衡检测装置及方法、防摔倒装置及方法。
背景技术
全球老龄化是当今日益严峻的问题，据报道，到2020年，世界上13个国家将成为“超老龄”国，即20％以上的人口超过65岁。而到2030年，“超老龄”国家的数量将升至34个，届时，中国也将成为全球人口老龄化程度最高的国家。
老年人的身体机能衰退，平衡感知能力下降，在日常生活中会出现容易摔倒的情况。老人摔倒的致病率高，住院率高，死亡率高，不仅给本人身体和心理造成痛苦，而且也给家庭和社会带来沉重负担。老人摔倒不仅在中国比较严重，也是世界性的难题。
与此同时，防老人摔倒的发明也层出不穷。例如，有老人摔倒后自动报警、申请施救的装置，也有气囊、充气衣服、充气帽子等穿戴物，能够在老人摔倒后减缓冲击，保护头颅及骨骼。由此可知，穿戴式设备保护老人摔倒似乎已成共识，但这些发明致力于解决的实际上都是老年人已经发生摔倒后如何尽快施救、尽可能减小伤害的问题，而不是在预防方面做文章。
还有一些是类似假肢一样的康复器械，用外部动力通过伺服电机、人工肌肉产生有规则的机械运动，代替或部分代替老年人的自身行走。这样的装置也许确有预防摔倒作用，但由于笨重复杂，对大多数生活能够自理的老年人显得多余，且能耗高、造价昂贵。
针对以上情况，本发明人认为，现有发明创意虽多，但并不能满足广大老人的现实需求。老人一旦摔倒，多半已酿成惨重的损伤，如何防范于未然，尽量预防更是需求所在。因此，提出一种结构和操作简单、反应迅速准确的可预防人体失衡摔倒的穿戴式设备很有必要。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的一个方面提供一种人体失衡检测装置，包括：
重心加速度传感器，检测人体行走时身体重心的纵向加速度、横向加速度以及垂直加速度；
左脚加速度传感器，检测人体行走时左脚的纵向加速度和横向加速度；
右脚加速度传感器，检测人体行走时右脚的纵向加速度和横向加速度；以及
主控制单元，获取所述身体重心的纵向加速度、横向加速度及垂直加速度，左脚的纵向加速度和横向加速度、右脚的纵向加速度和横向加速度，进行人体失衡的判断，
其中，所述主控制单元在所述身体重心的垂直加速度小于重心垂直加速度阈值、或者重心垂直位移小于重心垂直位移阈值时，利用检测到的左右脚的纵向加速度、横向加速度与所述身体重心的纵向加速度、横向加速度的偏差、或者利用左右脚的横向位移、纵向位移与重心横向位移、重心纵向位移的偏差，来判断身体是否发生失衡，如果判断为身体发生了失衡，则输出警报信号，
其中，所述重心垂直位移基于所述重心垂直加速度求得，左右脚的纵向位移、横向位移分别基于所述左右脚的纵向加速度、横向加速度求得，所述重心纵向位移、重心横向位移分别基于所述身体重心的纵向加速度、横向加速度求得。
根据本发明的一个方面，其中，
重心加速度传感器，以预定的采样周期采样检测所述身体重心的纵向加速度、横向加速度以及垂直加速度；
左脚加速度传感器，以预定的采样周期采样检测所述左脚的纵向加速度和横向加速度；
右脚加速度传感器，以预定的采样周期采样检测所述右脚的纵向加速度和横向加速度；
所述主控制单元关于所述身体重心的纵向加速度、横向加速度以及垂直加速度、所述左脚的纵向加速度和横向加速度、所述右脚的纵向加速度和横向加速度中的各加速度，求取预定采样个数的平均值，并基于所述身体重心的纵向加速度的平均值、左脚的纵向加速度的平均值、右脚的纵向加速度的平均值计算纵向平均相对加速度，以及基于所述身体重心的横向加速度的平均值、左脚的横向加速度的平均值、右脚的横向加速度的平均值计算横向平均相对加速度，
所述主控制单元在所述身体失衡的判断中，当将人所面朝的方向、即前向记为+X方向，将其背对的方向即后向记为-X方向，将左向、右向分别记为+Y方向、-Y方向，将向上方向、向下方向分别记为+Z方向、-Z方向，并且将纵向平均相对加速度记为横向平均相对加速度记为同时将给定的纵向前倾相对加速度阈值记为Axf，给定的后倾相对加速度阈值记为Axb，给定的横向相对加速度阈值记为Ay时，
若则输出引导右脚向前迈步的警报信号，
若则输出引导右脚向左前方迈步的警报信号，
若则输出引导左脚向前迈步的警报信号，
若则输出引导左脚向右前方迈步的警报信号，
若则输出引导左脚或右脚向前迈步的警报信号，
若则输出引导右脚向后退步的警报信号，
若则输出引导右脚向左后方退步的警报信号，
若则输出引导左脚向后退步的警报信号，
若则输出引导左脚向右后方退步的警报信号，
若则输出引导左脚或右脚向后退步的警报信号，
若或者则输出引导右脚向左侧迈步的警报信号，
若或者则输出引导左脚向右侧迈步的警报信号。
根据本发明的一个方面，其中，
所述纵向平均相对加速度、横向平均相对加速度通过下述公式(1)计算：
其中，j＝x、y，为X或Y方向上的重心加速度平均值，为X或Y方向上的左脚加速度平均值，为X或Y方向上的右脚加速度平均值。
根据本发明的一个方面，其中，
所述主控制单元基于所述身体重心的纵向加速度、左脚的纵向加速度、右脚的纵向加速度计算纵向相对位移量，基于所述身体重心的横向加速度、左脚的横向加速度、右脚的横向加速度计算横向相对位移量，
所述主控制单元在所述身体失衡的判断中，当将人所面朝的方向、即前向记为+X方向，将其背对的方向即后向记为-X方向，将左向、右向分别记为+Y方向、-Y方向，将向上方向、向下方向分别记为+Z方向、-Z方向，并且将纵向相对位移量记为Δsx，横向相对位移量记为Δsy，同时将给定的前倾相对位移阈值记为Sxf，给定的后倾相对位移阈值记为Sxb，给定的横向相对位移阈值记为Sy，
若(Δsx≥Sxf)&(0<Δsy<Sy)，则输出引导右脚向前迈步的警报信号，
若(Δsx≥Sxf)&(Δsy≥Sy)，则输出引导右脚向左前方迈步的警报信号，
若(Δsx≥Sxf)&(-Sy<Δsy<0)，则输出引导左脚向前迈步的警报信号，
若(Δsx≥Sxf)&(Δsy≤-Sy)，则输出引导左脚向右前方迈步的警报信号，
若(Δsx≥Sxf)&(Δsy＝0)，则输出引导左脚或右脚向前迈步的警报信号，
若(Δsx≤-Sxb)&(0<Δsy<Sy)，则输出引导右脚向后的警报信号，
若(Δsx≤-Sxb)&(Δsy≥Sy)，则输出引导右脚向左后方退步的警报信号，
若(Δsx≤-Sxb)&(-Sy<Δsy<0)，则输出引导左脚向后退步的警报信号，
若(Δsx≤-Sxb)&(Δsy≤-Sy)，则输出引导左脚向右后方退步的警报信号，
若(Δsx≤-Sxb)&(Δsy＝0)，则输出引导左脚或右脚向后退步的警报信号，
若(Δsy≥Sy)&(0<Δsx<Sxf)，则输出引导右脚向左侧迈步的警报信号，
若(Δsy≥Sy)&(-Sxb<Δsx<0)，则输出引导右脚向左侧迈步的警报信号，
若(Δsy≤-Sy)&(0<Δsx<Sxf)，则输出引导左脚向右侧迈步的警报信号，
若(Δsy≤-Sy)&(-Sxb<Δsx<0)，则输出引导左脚向右侧迈步的警报信号。
根据本发明的一个方面，其中，
所述纵向相对位移量Δsx、横向相对位移量Δsy通过下式计算：
其中，t0为积分的起始点时刻，te为最近一次采样获取加速度的采样时刻，agx(t)为重心纵向加速度，alx(t)为左脚纵向加速度，arx(t)为右脚纵向加速度，agy(t)为重心横向加速度，aly(t)为左脚横向加速度，ary(t)为右脚横向加速度。
根据本发明的一个方面，其中，
所述重心加速度传感器和主控制单元能够佩戴或粘贴到人的腰部，
所述左脚加速度传感器能够佩戴或粘贴到左脚踝处，
所述右脚加速度传感器能够佩戴或粘贴到右脚踝处。
根据本发明的一个方面，还可以包括：
腰带，所述重心加速度传感器和主控制单元被安装在所述腰带上，并通过所述腰带被佩戴到所述腰部；
左脚环，所述左脚加速度传感器被安装在所述左脚环上，并通过所述左脚环被佩戴到左脚踝处；以及
右脚环，所述右脚加速度传感器被安装在所述右脚环上，并通过所述右脚环被佩戴到右脚踝处。
本发明的另一个方面提供一种防摔倒装置，包括：
上述的人体失衡检测装置，进行人体行走时身体是否发生失衡的判断，如果判断为身体发生了失衡，则输出警报信号；以及
行为引导单元，当接收到来自所述人体失衡检测装置的警报信号时，启动引导动作，促使人脚移步以防摔倒。
根据本发明的另一个方面，其中，所述行为引导单元包括：
左震动马达，被佩戴在左脚踝处，当被所述警报信号启动时震动，以督促左脚移步；以及
右震动马达，被佩戴在右脚踝处，当被所述警报信号启动时震动，以督促右脚移步。
根据本发明的另一个方面，其中，
所述左震动马达至少包括佩戴在左脚踝的前、后、左三处的左前、左后、左左震动马达，
所述右震动马达至少包括佩戴在右脚踝的前、后、右三处的右前、右后、右右震动马达。
根据本发明的另一个方面，其中，
在接收到引导右脚向前迈步的警报信号时，右后震动马达的震动被启动，以督促右脚向前移步，
在接收到引导右脚向左前方迈步的警报信号时，右后震动马达和右右震动马达的震动启动，以督促右脚向左前方移步，
在接收到引导左脚向前迈步的警报信号时，左后震动马达的震动被启动，以督促左脚向前方移步，
在接收到引导左脚向右前方迈步的警报信号时，左后震动马达和左左震动马达的震动被启动，以督促左脚向右前方移步，
在接收到引导左脚或右脚向前迈步的警报信号时，左后震动马达或右后震动马达的震动被启动，以督促左脚或右脚向前方移步，
在接收到引导右脚向后退步的警报信号时，右前震动马达的震动被启动，以督促右脚向后移步，
在接收到引导右脚向左后方退步的警报信号时，右前震动马达和右右震动马达的震动被启动，以督促右脚向左后方移步，
在接收到引导左脚向后退步的警报信号时，左前震动马达的震动被启动，以督促左脚向后方移步，
在接收到引导左脚向右后方退步的警报信号时，左前震动马达和左左震动马达的震动被启动，以督促左脚向右后方移步，
在接收到引导左脚或右脚向后退步的警报信号时，左前震动马达或右前震动马达的震动被启动，以督促左脚或右脚向后方移步，
在接收到引导右脚向左侧迈步的警报信号时，右右震动马达的震动被启动，以督促右脚向左侧迈步，
在接收到引导左脚向右侧迈步的警报信号时，左左震动马达的震动被启动，以督促左脚向右侧迈步。
另外，本发明的一方面提供一种人体失衡检测方法，包括：
检测人体行走时身体重心的纵向加速度、横向加速度以及垂直加速度；
检测人体行走时左脚的纵向加速度和横向加速度；
检测人体行走时右脚的纵向加速度和横向加速度；以及
获取所述身体重心的纵向加速度、横向加速度及垂直加速度、左脚的纵向加速度和横向加速度、右脚的纵向加速度和横向加速度、进行人体失衡的判断，
其中，在所述身体重心的垂直加速度小于重心垂直加速度阈值、或者重心垂直位移小于重心垂直位移阈值时，进行人体失衡的判断，即、利用检测到的左右脚的纵向加速度、横向加速度与所述身体重心的纵向加速度、横向加速度的偏差、或者利用左右脚的横向位移、纵向位移与重心横向位移、重心纵向位移的偏差，来判断身体是否发生失衡，如果判断为身体发生了失衡，则输出警报信号，
其中，所述重心垂直位移基于所述重心垂直加速度求得，左右脚的纵向位移、横向位移分别基于所述左右脚的纵向加速度、横向加速度求得，所述重心纵向位移、重心横向位移分别基于所述身体重心的纵向加速度、横向加速度求得。
根据本发明的一个方面的人体失衡检测方法，其中，
在所述身体重心的加速度的检测中，以预定的采样周期采样检测所述身体重心的纵向加速度、横向加速度以及垂直加速度；
在所述左脚的加速度的检测中，以预定的采样周期采样检测所述左脚的纵向加速度和横向加速度；
在所述右脚的加速度的检测中，以预定的采样周期采样检测所述右脚的纵向加速度和横向加速度；
所述人体失衡检测方法还包括：关于所述身体重心的纵向加速度、横向加速度以及垂直加速度、所述左脚的纵向加速度和横向加速度、所述右脚的纵向加速度和横向加速度中的各加速度，求取预定采样个数的平均值，并基于所述身体重心的纵向加速度的平均值、左脚的纵向加速度的平均值、右脚的纵向加速度的平均值计算纵向平均相对加速度，以及基于所述身体重心的横向加速度的平均值、左脚的横向加速度的平均值、右脚的横向加速度的平均值计算横向平均相对加速度，
在所述身体失衡的判断中，当将人所面朝的方向、即前向记为+X方向，将其背对的方向即后向记为-X方向，将左向、右向分别记为+Y方向、-Y方向，将向上方向、向下方向分别记为+Z方向、-Z方向，并且将纵向平均相对加速度记为横向平均相对加速度记为同时将给定的纵向前倾相对加速度阈值记为Axf，给定的后倾相对加速度阈值记为Axb，给定的横向相对加速度阈值记为Ay时，
若则输出引导右脚向前迈步的警报信号，
若则输出引导右脚向左前方迈步的警报信号，
若则输出引导左脚向前迈步的警报信号，
若则输出引导左脚向右前方迈步的警报信号，
若则输出引导左脚或右脚向前迈步的警报信号，
若则输出引导右脚向后退步的警报信号，
若则输出引导右脚向左后方退步的警报信号，
若则输出引导左脚向后退步的警报信号，
若则输出引导左脚向右后方退步的警报信号，
若则输出引导左脚或右脚向后退步的警报信号，
若或者则输出引导右脚向左侧迈步的警报信号，
若或者则输出引导左脚向右侧迈步的警报信号。
根据本发明的一个方面的人体失衡检测方法，其中，
所述纵向平均相对加速度、横向平均相对加速度通过下述公式(1)计算：
其中，j＝x、y，为X或Y方向上的重心加速度平均值，为X或Y方向上的左脚加速度平均值，为X或Y方向上的右脚加速度平均值。
根据本发明的一个方面的人体失衡检测方法，包括：
基于所述身体重心的纵向加速度、左脚的纵向加速度、右脚的纵向加速度计算纵向相对位移量，基于所述身体重心的横向加速度、左脚的横向加速度、右脚的横向加速度计算横向相对位移量，
在所述身体失衡的判断中，当将人所面朝的方向、即前向记为+X方向，将其背对的方向即后向记为-X方向，将左向、右向分别记为+Y方向、-Y方向，将向上方向、向下方向分别记为+Z方向、-Z方向，并且将纵向相对位移量记为Δsx，横向相对位移量记为Δsy，同时将给定的前倾相对位移阈值记为Sxf，给定的后倾相对位移阈值记为Sxb，给定的横向相对位移阈值记为Sy，
若(Δsx≥Sxf)&(0<Δsy<Sy)，则输出引导右脚向前迈步的警报信号，
若(Δsx≥Sxf)&(Δsy≥Sy)，则输出引导右脚向左前方迈步的警报信号，
若(Δsx≥Sxf)&(-Sy<Δsy<0)，则输出引导左脚向前迈步的警报信号，
若(Δsx≥Sxf)&(Δsy≤-Sy)，则输出引导左脚向右前方迈步的警报信号，
若(Δsx≥Sxf)&(Δsy＝0)，则输出引导左脚或右脚向前迈步的警报信号，
若(Δsx≤-Sxb)&(0<Δsy<Sy)，则输出引导右脚向后的警报信号，
若(Δsx≤-Sxb)&(Δsy≥Sy)，则输出引导右脚向左后方退步的警报信号，
若(Δsx≤-Sxb)&(-Sy<Δsy<0)，则输出引导左脚向后退步的警报信号，
若(Δsx≤-Sxb)&(Δsy≤-Sy)，则输出引导左脚向右后方退步的警报信号，
若(Δsx≤-Sxb)&(Δsy＝0)，则输出引导左脚或右脚向后退步的警报信号，
若(Δsy≥Sy)&(0<Δsx<Sxf)，则输出引导右脚向左侧迈步的警报信号，
若(Δsy≥Sy)&(-Sxb<Δsx<0)，则输出引导右脚向左侧迈步的警报信号，
若(Δsy≤-Sy)&(0<Δsx<Sxf)，则输出引导左脚向右侧迈步的警报信号，
若(Δsy≤-Sy)&(-Sxb<Δsx<0)，则输出引导左脚向右侧迈步的警报信号。
根据本发明的一个方面的人体失衡检测方法，其中，
所述纵向相对位移量Δsx、横向相对位移量Δsy通过下式计算：
其中，t0为积分的起始点时刻，te为最近一次采样获取加速度的采样时刻，agx(t)为重心纵向加速度，alx(t)为左脚纵向加速度，arx(t)为右脚纵向加速度，agy(t)为重心横向加速度，aly(t)为左脚横向加速度，ary(t)为右脚横向加速度。
本发明的另一个方面提供一种防摔倒方法，包括：
通过上述的人体失衡检测方法进行人体行走时身体是否发生失衡的判断，如果判断为身体发生了失衡，则输出警报信号，
当接收到来自所述人体失衡检测装置的警报信号时，启动行为引导单元使其进行引导动作，促使人脚移步以防摔倒。
根据本发明的另一个方面的防摔倒方法，其中，所述行为引导单元包括：
左震动马达，被佩戴在左脚踝处，当被所述警报信号启动时震动，以督促左脚移步；以及
右震动马达，被佩戴在右脚踝处，当被所述警报信号启动时震动，以督促右脚移步。
根据本发明的另一个方面的防摔倒方法，其中，
所述左震动马达至少包括佩戴在左脚踝的前、后、左三处的左前、左后、左左震动马达，
所述右震动马达至少包括佩戴在右脚踝的前、后、右三处的右前、右后、右右震动马达。
根据本发明的另一个方面的防摔倒方法，其中，
在接收到引导右脚向前迈步的警报信号时，右后震动马达的震动被启动，以督促右脚向前移步，
在接收到引导右脚向左前方迈步的警报信号时，右后震动马达和右右震动马达的震动启动，以督促右脚向左前方移步，
在接收到引导左脚向前迈步的警报信号时，左后震动马达的震动被启动，以督促左脚向前方移步，
在接收到引导左脚向右前方迈步的警报信号时，左后震动马达和左左震动马达的震动被启动，以督促左脚向右前方移步，
在接收到引导左脚或右脚向前迈步的警报信号时，左后震动马达或右后震动马达的震动被启动，以督促左脚或右脚向前方移步，
在接收到引导右脚向后退步的警报信号时，右前震动马达的震动被启动，以督促右脚向后移步，
在接收到引导右脚向左后方退步的警报信号时，右前震动马达和右右震动马达的震动被启动，以督促右脚向左后方移步，
在接收到引导左脚向后退步的警报信号时，左前震动马达的震动被启动，以督促左脚向后方移步，
在接收到引导左脚向右后方退步的警报信号时，左前震动马达和左左震动马达的震动被启动，以督促左脚向右后方移步，
在接收到引导左脚或右脚向后退步的警报信号时，左前震动马达或右前震动马达的震动被启动，以督促左脚或右脚向后方移步，
在接收到引导右脚向左侧迈步的警报信号时，右右震动马达的震动被启动，以督促右脚向左侧迈步，
在接收到引导左脚向右侧迈步的警报信号时，左左震动马达的震动被启动，以督促左脚向右侧迈步。
根据本发明，能够更为直接、简单且快速地作出人体失衡判断，使得在真正摔倒前及时判断摔倒倾向并予以警报或引导佩戴者调整步伐或姿态成为可能。
另外，根据本发明，能够提供结构和操作简单、反应迅速准确的可预防人体失衡摔倒的穿戴式设备。
附图说明
此处的附图构成说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是示出根据本发明实施例的人体失衡检测装置以及防摔倒装置的构成例的示意图；
图2是示出根据本发明实施例的防摔倒装置被佩戴在人体上的佩戴例的示意图；
图3是示出根据本发明实施例的防摔倒装置中的震动马达的佩戴位置的示意图；
图4是示出根据本发明的利用加速度差的人体失衡检测方法的具体例的示意图；
图5是示出根据本发明的利用重心与左右脚间的相对位移的人体失衡检测方法的具体例的示意图；
图6是示出以重心相对于左右脚的相对位移作为判据时的各阈值与脚部支撑面的关系的示意图。
具体实施方式
[本发明的原理]
本发明人反复研究分析人的行走过程，并通过锐意的研究，发现人在稳定地迈步向前运动时，若将左右脚交替运动等效为一个虚拟的合成脚，那么无论是加速度、速度还是位移，该合成脚和重心的运动相一致。以人体的行走加速度为例，在a重＝(a左+a右)/2时，便可保证人的身体平稳向前推进。
倘若由于某种原因，这种平衡被打破，比如左脚在某时刻受到羁绊或者出现临时性的用力不协调，右脚支点出现滑动产生瞬时加速度，此时会出现人体重心与脚部的加速度差Δa，这样，原本平行移动的人体上就会叠加一个旋转运动，可能会致人摔倒。若
Δa＝ag-(al+ar)/2﹥0
(其中，Δa表示人体重心加速度与左右双脚的合成脚加速度的偏差，ag表示人体重心的加速度，al、ar分别表示左右脚的加速度。)
则人体重心就会获得一个相对于脚部的向前的额外加速度，产生一个额外的前倾，人体会获得一个额外的位移：
如果加速度差较大或者维持时间较长，则人体重心额外前移的距离就会较长，如果人体重心偏离支撑面，例如累计位移超过人的脚长的一半，则将开始产生倾覆摔倒，若不及时采取措施，人将会摔倒。
由此，本发明人发现利用人体重心相对于双脚的相对位移进行人体失衡判断，比以往例如利用身体倾角的方法更为直接、简单且快速，并且可以适用于各种复杂的行走情况。人体重心相对于双脚的相对位移，例如可通过下述公式(2)求得：
其中，Δs表示人体重心相对于双脚的相对位移，ag表示人体重心的加速度，al、ar分别表示左右脚的加速度。
另外，由上式可知，加速度与位移之间存在明确的映射关系，若加速度差超过一定的值且持续一定的时间，位移必将超过相应的阈值，这样，对位移的监控实际上可以直接转为对加速度的监控。只要实时监控Δa，与所设定的加速度阈值比较，同样可以直接且快速地对人体失衡做出预警判断。
[具体实施例]
下面，参考附图，对本发明的示例性实施例进行详细说明。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同标号表示相同或相似的要素。在本说明书以及权利要求书中所述的“行走”是指除通常意义的行走之外还包含站立以及奔跑的行为。
图1是示出根据本发明的防摔倒装置的构成结构的示意图。图2是示出根据本发明实施例的防摔倒装置被佩戴在人体上的佩戴例的示意图。图3是示出根据本发明实施例的防摔倒装置中的震动马达的佩戴位置的示意图。
这里，为了便于说明，将人所面朝的方向、即前向记为+X方向，将其背对的方向即后向记为-X方向，将左向、右向分别记为+Y方向、-Y方向，将向上方向、向下方向分别记为+Z方向、-Z方向。
如图1所示，防摔倒装置10包括人体失衡检测装置100和行为引导单元300。
失衡检测装置100包括：重心加速度传感器120G、左脚加速度传感器220L、右左脚加速度传感器220R、以及主控制单元110。另外，还可以包括：主通信单元130、左脚控制单元210L、左通信单元230L、右脚控制单元210R、以及右通信单元230R。
在图1的例子中，防摔倒装置10被佩戴在人体上使用。例如如图6所示，防摔倒装置10还包括腰带和左右脚环。主控制单元110、重心加速度传感器120G以及主通信单元130被固定在腰带上，从而通过将腰带佩戴在腰部被固定到人体上。左脚控制单元210L、左脚加速度传感器220L和左通信单元230L被固定在左脚环上，从而通过左脚环被佩戴到左脚踝上而被固定到左脚上。右脚控制单元210R、右左脚加速度传感器220R和右通信单元230R被固定在右脚环上，从而通过右脚环被佩戴到右脚踝上而被固定到右脚上。
但是，佩戴方式不限于此，只要能够将上述各部件固定到人体上机构，例如也可以采用通过魔术贴、或胶布等粘贴件进行粘贴的方式。
重心加速度传感器120G检测人体行走时身体重心的纵向加速度、横向加速度以及垂直加速度，左脚加速度传感器220L检测人体行走时左脚的纵向加速度和横向加速度，右脚加速度传感器220R检测人体行走时右脚的纵向加速度和横向加速度。重心加速度传感器120G、左脚加速度传感器220L以及右脚加速度传感器220R可以采用能够同时记录传感器空间姿态，便于通过姿态调整换算获取水平方向加速度的传感器，例如，如MPU-6050的六轴传感器等。
主控制单元110在身体重心的垂直加速度小于重心垂直加速度阈值、或者重心垂直位移小于重心垂直位移阈值时，利用检测到的左右脚的纵向加速度、横向加速度与所述身体重心的纵向加速度、横向加速度的偏差、或者利用左右脚的横向位移、纵向位移与重心横向位移、重心纵向位移的偏差，来判断身体是否发生失衡，如果判断为身体发生了失衡，则输出警报信号。另外，主控制单元110还可以执行根据本发明实施例的防摔倒装置整体的控制，可采用汇集由上述三个传感器检测的数据进行计算，进行状况分析和逻辑判断并输出必要指令的任意微处理器。为了根据本发明的装置整体的小型轻量化、低成本化，优选采用体积小、价格便宜、通用性好的微处理器。
主通信单元130设置在主控制单元110侧，左通信单元230L以及右通信单元230R分别设置在左脚控制单元210L侧以及右脚控制单元210R侧，用于在主控制单元110与左脚、右脚控制单元210L220R之间进行数据或指令的传递。
数据和指令的通信可采用有线和无线的任意的通信方式，但从使用便利性等考虑，优选采用近距离无线通信，例如，蓝牙技术、Wi-Fi、射频技术等，例如可采用2.4G射频模块nrf24l01。
左脚控制单元210L接受来自左脚加速度传感器220L的检测值，并通过左通信单元230L和主通信单元130发送给主控制单元110。另外，左脚控制单元210L还通过左通信单元230L和主通信单元130接收来自主控制单元110的警报信息，并基于警报信息控制行为引导单元300的引导动作的启动。左脚控制单元210L亦与主控制单元110一样，可考虑采用体积小、价格便宜、通用性好的微处理器。
右脚控制单元210R接受来自右脚加速度传感器220R的检测值，并通过右通信单元230R和主通信单元130发送给主控制单元110。另外，右脚控制单元210R还通过右通信单元230R和主通信单元130接收来自主控制单元110的警报信息，并基于警报信息控制行为引导单元300的引导动作的启动。右脚控制单元210L与右脚控制单元210R优选采用相同的微处理器。
行为引导单元300基于来自主控制单元110的警报信号而启动，进行引导动作以促使人脚移步来防止摔倒。这里，行为引导单元300采用：左震动马达组，被佩戴在左脚踝处，当被警报信号启动时震动，以督促左脚移步；以及右震动马达组，被佩戴在右脚踝处，当被警报信号启动时震动，以督促右脚移步。左震动马达组包括佩戴在左脚踝的前、后、左三处的左前、左后、左左震动马达L1、L2、L3，右震动马达组包括佩戴在右脚踝的前、后、右三处的右前、右后、右右震动马达R1、R2、R3。这里的震动马达优选但不限于微型片状震动马达。另外，左右脚踝处各佩戴的震动马达的数量不限于此，也可以是四个或者更多个。
下面，参考图4，对根据本发明的利用平均加速度差的人体失衡检测方法的具体例进行说明。图4是示出根据本发明的利用平均加速度差的人体失衡检测方法的具体例的示意图。
如图4所示，在步骤S10中，主控制单元110获取重心加速度传感器120G、左脚加速度传感器220L以及右脚加速度传感器220R检测的加速度数据。
具体地，重心加速度传感器120G以预定的采样周期m毫秒检测腰部的XYZ三轴上的加速度，即每隔m毫秒采样计算一次重心垂直加速度agz1、agz2、……、重心纵向加速度agx1、agx2、……以及重心横向加速度agy1、agy2、……。主控制单元110从重心加速度传感器120G获取这些加速度并进行存储。
这里，采样周期m例如可取3.5毫秒。
左脚加速度传感器220L以同样的采样周期m毫秒检测左脚的水平方向、即XY轴上的加速度，即每隔m毫秒采样计算一次左脚前后加速度alx1、alx2、……以及左脚横向加速度ary1、ary2、……。左控制单元210L从左脚加速度传感器220L获取这些加速度，并将这些加速度通过左通信单元230L、主通信单元130发送给主控制单元110进行存储。
同样地，右脚加速度传感器220R也每隔m毫秒采样计算一次右脚纵向加速度arx1、arx2、……以及右脚横向加速度ary1、ary2、……。左控制单元210R从左脚加速度传感器220R获取这些加速度，并将这些加速度通过左通信单元230R、主通信单元130发送给主控制单元110进行存储。
这里，为了身体失衡判断更加稳定准确，优选采用一定数量样本的加速度的平均值。即，每攒齐n个样本计算一次平均值。样本个数n例如可以取90个。具体地，通过下述公式(3)分别计算XYZ三个轴上的重心加速度的平均值左脚加速度的平均值 以及左脚加速度的平均值
其中，i＝g、l、r，j＝x、y、z。
接下来，在步骤S11中，主控制单元110将Z轴上的重心平均加速度，即重心垂直平均加速度与重心垂直加速度阈值Agz进行比较，如果重心垂直平均加速度小于重心垂直加速度阈值Agz，即则进入步骤S12，开始身体失衡的判断。如果重心垂直平均加速度大于等于重心垂直加速度阈值Agz，即则无论纵向及横向平均加速度情况如何，均判断为非失衡状态，不触发警报信号。重心垂直加速度阈值前置判定的实际含义是，仅当重心产生垂直向下的运动时，才实际上进入跌倒过程，因此，严格意义上Agz应该取零值，即时，才有必要进行后续平衡状态判断，考虑到人在实际行走时上下加速度会有正常的摆动，因此，这里Agz取值应在零的基础上适当上浮放宽，比如，取1.0米/秒2。
在步骤S12中，主控制单元110计算重心加速度与左右脚合成加速度的加速度差。具体地，通过下述公式(4)分别计算XY轴上的平均加速度差，即纵向平均加速度差横向平均加速度差
其中，j＝x、y。
接下来，在步骤S13中，主控制单元110将上述的加速度差与给定的相应阈值进行比较，如果大于该阈值，则判断为身体发生了失衡，转移到步骤S14，输出警报信号。
具体地，当将给定的前倾相对加速度阈值记为Axf，给定的后倾相对加速度阈值记为Axb，给定的横向倾倒相对加速度阈值记为Ay，给定的重心平均垂直加速度阈值记为Az时，
若则输出引导右脚向前迈步的警报信号，
若则输出引导右脚向左前方迈步的警报信号，
若则输出引导左脚向前迈步的警报信号，
若则输出引导左脚向右前方迈步的警报信号，
若则输出引导左脚或右脚向前迈步的警报信号，
若则输出引导右脚向后退步的警报信号，
若则输出引导右脚向左后方退步的警报信号，
若则输出引导左脚向后退步的警报信号，
若则输出引导左脚向右后方退步的警报信号，
若则输出引导左脚或右脚向后退步的警报信号，
若或者则输出引导右脚向左侧迈步的警报信号，
若或者则输出引导左脚向右侧迈步的警报信号。
根据本具体例，由于身体失衡的判断采用重心加速度与左右脚合成加速度的偏差作为判据，数学模型简单，能够更为直接、简单且快速地作出判断，使得在真正摔倒前及时判断摔倒倾向并予以警报或引导佩戴者调整步伐或姿态成为可能。
如上所述，根据本发明的身体失衡的判断也可以利用重心相对于左右脚的相对位移进行判断。
下面，参考图5，对利用重心与左右脚间的相对位移的人体失衡检测方法的具体例进行说明。图5是示出根据本发明的利用重心与左右脚间的相对位移的人体失衡检测方法的具体例的示意图。图5所示的例子中，除了将重心与左右脚间的相对位移作为判据之外，其他部分基本与图4所示的例子相同。下面，对于相同的部分，仅进行简单说明或省略说明。
在图5中，主控制单元110通过步骤S20获取重心加速度传感器120G、左脚加速度传感器220L以及右脚加速度传感器220R检测的加速度数据。这里，与图4的步骤S10的不同点在于，获取瞬时的加速度数据，而不是平均值。
具体地，与上述图4的步骤S10同样的方式，主控制单元110获取由重心加速度传感器120G以预定的采样周期m毫秒检测的腰部的XYZ三轴上的加速度、即获取重心垂直加速度agz1、agz2、……、重心纵向加速度agx1、agx2、……以及重心横向加速度agy1、agy2、……，并且获取由左右脚加速度传感器220L、220R以同样的采样周期m毫秒各自检测的左右脚的XY轴上的加速度，即获取左脚纵向加速度alx1、alx2、……、左脚横向加速度ary1、ary2、……、以及右脚纵向加速度arx1、arx2、……、右脚横向加速度ary1、ary2、……。
与此同时，主控制单元110在步骤S21中，利用下述公式(5)计算重心垂直方向上的位移，即重心垂直位移sgz。并且，通过下述公式(6)计算重心相对于左右脚在X轴、Y轴上的相对位移量，并分别存储为重心相对于左右脚的X轴相对位移量Δsx以及Y轴相对位移量Δsy。该重心垂直位移sgz以及相对位移量Δsx、Δsy的计算可以每进行一次加速度采样时执行一次。
其中，t0为积分的起始点时刻，te为最近一次采样获取加速度的采样时刻。
接着，在步骤S22中，主控制单元110将重心垂直位移sgz与重心垂直位移阈值Sgz进行比较，如果重心垂直位移sgz小于重心垂直位移阈值Sgz，即sgz<Sgz，则进入步骤S23，开始身体失衡的判断。这里，根据前述解释，Sgz应该为正常走动时重心垂直摆动的上限，比如，可取5cm。
在步骤S23中，主控制单元110将上述的相对位移量与给定的相应阈值进行比较，如果大于该阈值，则判断为身体发生了失衡，从而转移到步骤S24，输出警报信号。
具体地，当将给定的前倾相对位移阈值记为Sxf，给定的后倾相对位移阈值记为Sxb，给定的横向倾倒相对位移阈值记为Sy时，
若(Δsx≥Sxf)&(0<Δsy<Sy)，则输出引导右脚向前迈步的警报信号，
若(Δsx≥Sxf)&(Δsy≥Sy)，则输出引导右脚向左前方迈步的警报信号，
若(Δsx≥Sxf)&(-Sy<Δsy<0)，则输出引导左脚向前迈步的警报信号，
若(Δsx≥Sxf)&(Δsy≤-Sy)，则输出引导左脚向右前方迈步的警报信号，
若(Δsx≥Sxf)&(Δsy＝0)，则输出引导左脚或右脚向前迈步的警报信号，
若(Δsx≤-Sxb)&(0<Δsy<Sy)，则输出引导右脚向后的警报信号，
若(Δsx≤-Sxb)&(Δsy≥Sy)，则输出引导右脚向左后方退步的警报信号，
若(Δsx≤-Sxb)&(-Sy<Δsy<0)，则输出引导左脚向后退步的警报信号，
若(Δsx≤-Sxb)&(Δsy≤-Sy)，则输出引导左脚向右后方退步的警报信号，
若(Δsx≤-Sxb)&(Δsy＝0)，则输出引导左脚或右脚向后退步的警报信号，
若(Δsy≥Sy)&(0<Δsx<Sxf)或(Δsy≥Sy)&(-Sxb<Δsx<0)，则输出引导右脚向左侧迈步的警报信号，
若(Δsy≤-Sy)&(0<Δsx<Sxf)或(Δsy≤-Sy)&(-Sxb<Δsx<0)，则输出引导左脚向右侧迈步的警报信号。
如果重心垂直位移sgz大于等于重心垂直位移阈值Sgz，即sgz≥Sgz，则无论纵向及横向相对位移量如何，均判断为非失衡状态，不触发警报信号。
根据本具体例，由于身体失衡的判断采用重心相对于左右脚的相对位移作为判据，数学模型简单，同样能够更为直接、简单且快速地作出判断，使得在真正摔倒前及时判断摔倒倾向并予以警报或引导佩戴者调整步伐或姿态成为可能。
下面，对利用加速度差的人体失衡检测方法和利用重心与左右脚间的相对位移的人体失衡检测方法中的各阈值的设定依据进行简单说明。图6是示出以重心相对于左右脚的相对位移作为判据时的各阈值与脚部支撑面的关系的示意图。
以重心相对于左右脚的相对位移作为判据时：阈值实际上是在不同方向重心在脚部支撑面内漂移所允许的最大限度，超过此限度，重心将越过支撑面边界，发生人体摔倒。阈值因个体体态和姿态差异而有区别，人体正常站立时，重心垂线距离支撑面前部边界距离大于后部边界距离。因此，向前摔倒的阈值Sxf要大于向后摔倒的阈值Sxb。而左右方向Sy具有对称性。举例来说，若一个成人的脚长30cm，正常站立时重心垂线距离脚后根10cm，两脚左右外侧距离30cm，则Sxf＝20cm，Sxb＝10cm，Sy＝15cm。
以重心相对于左右脚的加速度差作为判据时：加速度与位移之间存在明确的映射关系，因此加速度阈值可根据位移阈值推得，假设每隔m秒读取一次加速度值，进行加速度差值运算，每n个差值样本计算一次平均值。假设n次采样所耗时间足够短，则可用平均加速度代表这段时间内瞬时加速度的累积效果。举例来说，假设每3.5毫秒采一次样，每60个样本计算一次平均值，这样时间区间为0.21秒，既充分保证累积效果，又顾及到人体的反应周期。由于正常行走时身体是动态平衡的，重心与脚部相对水平速度经常被归零，因此，可根据平均加速度差与位移的关系算得，对应Sxf＝20cm的大约为10米/秒2，即Axf＝10米/秒2，同样可以计算得Axb＝5米/秒2，Ay＝7.5米/秒2。
在图4、图5所示的例子中输出的警报信号例如可以用于引导人体调整步伐或姿态以防摔倒之用。下面，以图1所示的防摔倒装置为例进行说明。
图4或图5的例子中所述的警报信号通过主控制单元110被发送给左控制单元210L和右控制单元210R中的一者。这里，上述的各警报信号至少包含能够识别行为引导单元300中的各震动马达的信息。这种警报信号的构成结构可以采用已知的结构，本领域技术人员在阅读本说明书上面的内容、了解本申请的总的构思的情况下通过应用其掌握的知识能够设计出警报信号的结构，因此这里省略对信号结构的说明。
左控制单元210L和右控制单元210R如果接收到上述警报信号，则识别该警报信号是否指向其所控制的震动马达。如果指向则启动所指向的震动马达，使其震动，以督促相应脚移步，从而调整姿态防止摔倒。具体地：
在接收到引导右脚向前迈步的警报信号时，启动右后震动马达R2震动，以督促右脚向前移步，
在接收到引导右脚向左前方迈步的警报信号时，启动右后震动马达R2和右右震动马达R3震动，以督促右脚向左前方移步，
在接收到引导左脚向前迈步的警报信号时，启动左后震动马达L2震动，以督促左脚向前方移步，
在接收到引导左脚向右前方迈步的警报信号时，启动左后震动马达L2和左左震动马达L3震动，以督促左脚向右前方移步，
在接收到引导左脚或右脚向前迈步的警报信号时，启动左后震动马达L2或右后震动马达R2震动，以督促左脚或右脚向前方移步，
在接收到引导右脚向后退步的警报信号时，启动右前震动马达R1震动，以督促右脚向后移步，
在接收到引导右脚向左后方退步的警报信号时，启动右前震动马达R1和右右震动马达R3震动，以督促右脚向左后方移步，
在接收到引导左脚向后退步的警报信号时，启动左前震动马达L1震动，以督促左脚向后方移步，
在接收到引导左脚向右后方退步的警报信号时，启动左前震动马达L1和左左震动马达L3震动，以督促左脚向右后方移步，
在接收到引导左脚或右脚向后退步的警报信号时，启动左前震动马达L1或右前震动马达R1震动，以督促左脚或右脚向后方移步，
在接收到引导右脚向左侧移步的警报信号时，启动右右震动马达R3震动，以督促右脚向左侧移步，
在接收到引导左脚向右侧移步的警报信号时，启动左左震动马达L3震动，以督促左脚向右侧移步。
以上对本发明的具体实施例进行了说明。但本发明不限于此。
例如，在上述的实施例中，通过人体失衡检测而输出的警报信号被发送给左脚、右脚控制单元，用来启动行为引导单元进行引导动作，以督促人体调整步伐和姿态。但根据本发明的警报信号也可以不发送给左脚、右脚控制单元，也可以发送给假肢装置、行走辅助装置以控制行走行为。
以上，在具体实施方式中，就本发明的具体构成、步骤进行了说明，但本领域技术人员能够理解，本发明的保护范围不受这些实施例的任何限定，可以对该实施例进行变更和变形、以及包括实施例在内的具体实施方式中所述的任意构成元素相互间可组合使用，这些变更、变形、组合后的技术方案也都包含在本发明的范围内。
本发明提出了独特的人体失衡判断的动力学基础，与其他现有方法相比，本发明的判断条件不受个体姿态差异的影响，能够将失衡临界状态从众多复杂的情况中识别出来，具有较好的实用性。
本发明除了使用于平衡调节机能退化的老年人群，亦可用于平衡机能有缺陷、经常性摔跤的人群，或者正常人从事滑冰、滑雪等竞技性项目，提高运动成绩和安全性，具有较为广泛的应用空间。

Claims (11)

1.一种人体失衡检测装置，包括：
重心加速度传感器，检测人体行走时身体重心的纵向加速度、横向加速度以及垂直加速度；
左脚加速度传感器，检测人体行走时左脚的纵向加速度和横向加速度；
右脚加速度传感器，检测人体行走时右脚的纵向加速度和横向加速度；以及
主控制单元，获取所述身体重心的纵向加速度、横向加速度及垂直加速度，左脚的纵向加速度和横向加速度、右脚的纵向加速度和横向加速度，进行人体失衡的判断，
其中，所述主控制单元在所述身体重心的垂直加速度小于重心垂直加速度阈值、或者重心垂直位移小于重心垂直位移阈值时，利用检测到的左右脚的纵向加速度、横向加速度与所述身体重心的纵向加速度、横向加速度的偏差、或者利用左右脚的横向位移、纵向位移与重心横向位移、重心纵向位移的偏差，来判断身体是否发生失衡，如果判断为身体发生了失衡，则输出警报信号，
其中，所述重心垂直位移基于所述重心垂直加速度求得，左右脚的纵向位移、横向位移分别基于所述左右脚的纵向加速度、横向加速度求得，所述重心纵向位移、重心横向位移分别基于所述身体重心的纵向加速度、横向加速度求得，
其中，所述重心加速度传感器以预定的采样周期采样检测所述身体重心的纵向加速度、横向加速度以及垂直加速度，
所述左脚加速度传感器以预定的采样周期采样检测所述左脚的纵向加速度和横向加速度，
所述右脚加速度传感器以预定的采样周期采样检测所述右脚的纵向加速度和横向加速度，
所述主控制单元关于所述身体重心的纵向加速度、横向加速度以及垂直加速度、所述左脚的纵向加速度和横向加速度、所述右脚的纵向加速度和横向加速度中的各加速度，求取预定采样个数的平均值，并基于所述身体重心的纵向加速度的平均值、左脚的纵向加速度的平均值、右脚的纵向加速度的平均值计算纵向平均相对加速度，以及基于所述身体重心的横向加速度的平均值、左脚的横向加速度的平均值、右脚的横向加速度的平均值计算横向平均相对加速度，
所述主控制单元在所述身体失衡的判断中，当将人所面朝的方向、即前向记为+X方向，将其背对的方向即后向记为-X方向，将左向、右向分别记为+Y方向、-Y方向，将向上方向、向下方向分别记为+Z方向、-Z方向，并且将纵向平均相对加速度记为横向平均相对加速度记为同时将给定的纵向前倾相对加速度阈值记为Axf，给定的后倾相对加速度阈值记为Axb，给定的横向相对加速度阈值记为Ay时，
若则输出引导右脚向前迈步的警报信号，
若则输出引导右脚向左前方迈步的警报信号，
若则输出引导左脚向前迈步的警报信号，
若则输出引导左脚向右前方迈步的警报信号，
若则输出引导左脚或右脚向前迈步的警报信号，
若则输出引导右脚向后退步的警报信号，
若则输出引导右脚向左后方退步的警报信号，
若则输出引导左脚向后退步的警报信号，
若则输出引导左脚向右后方退步的警报信号，
若则输出引导左脚或右脚向后退步的警报信号，
若或者则输出引导右脚向左侧迈步的警报信号，
若或者则输出引导左脚向右侧迈步的警报信号。
2.如权利要求1所述的人体失衡检测装置，其中，
所述纵向平均相对加速度、横向平均相对加速度通过下述公式(1)计算：
其中，j＝x、y，为X或Y方向上的重心加速度平均值，为X或Y方向上的左脚加速度平均值，为X或Y方向上的右脚加速度平均值。
3.如权利要求1所述的人体失衡检测装置，其中，
所述主控制单元基于所述身体重心的纵向加速度、左脚的纵向加速度、右脚的纵向加速度计算纵向相对位移量，基于所述身体重心的横向加速度、左脚的横向加速度、右脚的横向加速度计算横向相对位移量，
所述主控制单元在所述身体失衡的判断中，当将人所面朝的方向、即前向记为+X方向，将其背对的方向即后向记为-X方向，将左向、右向分别记为+Y方向、-Y方向，将向上方向、向下方向分别记为+Z方向、-Z方向，并且将纵向相对位移量记为Δsx，横向相对位移量记为Δsy，同时将给定的前倾相对位移阈值记为Sxf，给定的后倾相对位移阈值记为Sxb，给定的横向相对位移阈值记为Sy，
若(Δsx≥Sxf)&(0<Δsy<Sy)，则输出引导右脚向前迈步的警报信号，
若(Δsx≥Sxf)&(Δsy≥Sy)，则输出引导右脚向左前方迈步的警报信号，
若(Δsx≥Sxf)&(-Sy<Δsy<0)，则输出引导左脚向前迈步的警报信号，
若(Δsx≥Sxf)&(Δsy≤-Sy)，则输出引导左脚向右前方迈步的警报信号，
若(Δsx≥Sxf)&(Δsy＝0)，则输出引导左脚或右脚向前迈步的警报信号，
若(Δsx≤-Sxb)&(0<Δsy<Sy)，则输出引导右脚向后的警报信号，
若(Δsx≤-Sxb)&(Δsy≥Sy)，则输出引导右脚向左后方退步的警报信号，
若(Δsx≤-Sxb)&(-Sy<Δsy<0)，则输出引导左脚向后退步的警报信号，
若(Δsx≤-Sxb)&(Δsy≤-Sy)，则输出引导左脚向右后方退步的警报信号，
若(Δsx≤-Sxb)&(Δsy＝0)，则输出引导左脚或右脚向后退步的警报信号，
若(Δsy≥Sy)&(0<Δsx<Sxf)，则输出引导右脚向左侧迈步的警报信号，
若(Δsy≥Sy)&(-Sxb<Δsx<0)，则输出引导右脚向左侧迈步的警报信号，
若(Δsy≤-Sy)&(0<Δsx<Sxf)，则输出引导左脚向右侧迈步的警报信号，
若(Δsy≤-Sy)&(-Sxb<Δsx<0)，则输出引导左脚向右侧迈步的警报信号。
4.如权利要求3所述的人体失衡检测装置，其中，
所述纵向相对位移量Δsx、横向相对位移量Δsy通过下式计算：
其中，t0为积分的起始点时刻，te为最近一次采样获取加速度的采样时刻，agx(t)为重心纵向加速度，alx(t)为左脚纵向加速度，arx(t)为右脚纵向加速度，agy(t)为重心横向加速度，aly(t)为左脚横向加速度，ary(t)为右脚横向加速度。
5.如权利要求1至4中任一项所述的人体失衡检测装置，其中，
所述重心加速度传感器和主控制单元能够佩戴或粘贴到人的腰部，
所述左脚加速度传感器能够佩戴或粘贴到左脚踝处，
所述右脚加速度传感器能够佩戴或粘贴到右脚踝处。
6.如权利要求5所述的人体失衡检测装置，还包括：
腰带，所述重心加速度传感器和主控制单元被安装在所述腰带上，并通过所述腰带被佩戴到所述腰部；
左脚环，所述左脚加速度传感器被安装在所述左脚环上，并通过所述左脚环被佩戴到左脚踝处；以及
右脚环，所述右脚加速度传感器被安装在所述右脚环上，并通过所述右脚环被佩戴到右脚踝处。
7.一种防摔倒装置，包括：
权利要求1至6中任一项所述的人体失衡检测装置，进行人体行走时身体是否发生失衡的判断，如果判断为身体发生了失衡，则输出警报信号；以及
行为引导单元，当接收到来自所述人体失衡检测装置的警报信号时，启动引导动作，促使人脚移步以防摔倒。
8.如权利要求7所述的防摔倒装置，其中，所述行为引导单元包括：
左震动马达，被佩戴在左脚踝处，当被所述警报信号启动时震动，以督促左脚移步；以及
右震动马达，被佩戴在右脚踝处，当被所述警报信号启动时震动，以督促右脚移步。
9.如权利要求8所述的防摔倒装置，其中，
所述左震动马达至少包括佩戴在左脚踝的前、后、左三处的左前、左后、左左震动马达，
所述右震动马达至少包括佩戴在右脚踝的前、后、右三处的右前、右后、右右震动马达。
10.如权利要求9所述的防摔倒装置，其中，
在接收到引导右脚向前迈步的警报信号时，右后震动马达的震动被启动，以督促右脚向前移步，
在接收到引导右脚向左前方迈步的警报信号时，右后震动马达和右右震动马达的震动启动，以督促右脚向左前方移步，
在接收到引导左脚向前迈步的警报信号时，左后震动马达的震动被启动，以督促左脚向前方移步，
在接收到引导左脚向右前方迈步的警报信号时，左后震动马达和左左震动马达的震动被启动，以督促左脚向右前方移步，
在接收到引导左脚或右脚向前迈步的警报信号时，左后震动马达或右后震动马达的震动被启动，以督促左脚或右脚向前方移步，
在接收到引导右脚向后退步的警报信号时，右前震动马达的震动被启动，以督促右脚向后移步，
在接收到引导右脚向左后方退步的警报信号时，右前震动马达和右右震动马达的震动被启动，以督促右脚向左后方移步，
在接收到引导左脚向后退步的警报信号时，左前震动马达的震动被启动，以督促左脚向后方移步，
在接收到引导左脚向右后方退步的警报信号时，左前震动马达和左左震动马达的震动被启动，以督促左脚向右后方移步，
在接收到引导左脚或右脚向后退步的警报信号时，左前震动马达或右前震动马达的震动被启动，以督促左脚或右脚向后方移步，
在接收到引导右脚向左侧迈步的警报信号时，右右震动马达的震动被启动，以督促右脚向左侧迈步，
在接收到引导左脚向右侧迈步的警报信号时，左左震动马达的震动被启动，以督促左脚向右侧迈步。
11.一种人体失衡检测方法，包括：
检测人体行走时身体重心的纵向加速度、横向加速度以及垂直加速度；
检测人体行走时左脚的纵向加速度和横向加速度；
检测人体行走时右脚的纵向加速度和横向加速度；以及
获取所述身体重心的纵向加速度、横向加速度及垂直加速度、左脚的纵向加速度和横向加速度、右脚的纵向加速度和横向加速度、进行人体失衡的判断，
其中，在所述身体重心的垂直加速度小于重心垂直加速度阈值、或者重心垂直位移小于重心垂直位移阈值时，利用检测到的左右脚的纵向加速度、横向加速度与所述身体重心的纵向加速度、横向加速度的偏差、或者利用左右脚的横向位移、纵向位移与重心横向位移、重心纵向位移的偏差，来判断身体是否发生失衡，如果判断为身体发生了失衡，则输出警报信号，
其中，所述重心垂直位移基于所述重心垂直加速度求得，左右脚的纵向位移、横向位移分别基于所述左右脚的纵向加速度、横向加速度求得，所述重心纵向位移、重心横向位移分别基于所述身体重心的纵向加速度、横向加速度求得，
在所述身体重心的加速度的检测中，以预定的采样周期采样检测所述身体重心的纵向加速度、横向加速度以及垂直加速度，
在所述左脚的加速度的检测中，以预定的采样周期采样检测所述左脚的纵向加速度和横向加速度，
在所述右脚的加速度的检测中，以预定的采样周期采样检测所述右脚的纵向加速度和横向加速度，
所述人体失衡检测方法还包括：关于所述身体重心的纵向加速度、横向加速度以及垂直加速度、所述左脚的纵向加速度和横向加速度、所述右脚的纵向加速度和横向加速度中的各加速度，求取预定采样个数的平均值，并基于所述身体重心的纵向加速度的平均值、左脚的纵向加速度的平均值、右脚的纵向加速度的平均值计算纵向平均相对加速度，以及基于所述身体重心的横向加速度的平均值、左脚的横向加速度的平均值、右脚的横向加速度的平均值计算横向平均相对加速度，
在所述身体失衡的判断中，当将人所面朝的方向、即前向记为+X方向，将其背对的方向即后向记为-X方向，将左向、右向分别记为+Y方向、-Y方向，将向上方向、向下方向分别记为+Z方向、-Z方向，并且将纵向平均相对加速度记为横向平均相对加速度记为同时将给定的纵向前倾相对加速度阈值记为Axf，给定的后倾相对加速度阈值记为Axb，给定的横向相对加速度阈值记为Ay时，
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN106618567A (zh) * 2016-11-24 2017-05-10 浙江大学 用于脊柱稳定性研究的坐姿突发加载姿势干扰装置及方法
CN107146378A (zh) * 2017-06-06 2017-09-08 思创医惠科技股份有限公司 一种人体跌倒判定方法及装置
CN108230807B (zh) * 2017-12-27 2020-07-24 阎东 一种体感式运动模拟系统
CN108836352B (zh) * 2018-07-05 2021-02-02 京东方科技集团股份有限公司 防摔倒装置和智能穿戴设备
CN110322662B (zh) * 2019-05-05 2021-04-30 北京理工大学 基于生理与行为特征的位姿监控与跌倒报警手环
CN111330213A (zh) * 2020-03-24 2020-06-26 孝感峰创智能科技有限公司 一种vr跑步机的防摔预判方法、系统及可读存储介质

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007062519A1 (en) * 2005-11-29 2007-06-07 Uti Limited Partnership Methods and apparatus for diagnosing disabilities in a patient
CN103505219B (zh) * 2012-06-20 2015-08-26 中国科学院电子学研究所 一种人体步态评测系统及方法
CN104799862B (zh) * 2015-04-02 2018-06-19 中国海洋大学 一种人体失衡预警方法和系统
CN104835287B (zh) * 2015-05-09 2017-04-12 广西科技大学 一种保护老人出行安全的预警和呼叫系统及其实现方法

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