CN106096033A

CN106096033A - 足底压力信息分析方法、装置及系统

Info

Publication number: CN106096033A
Application number: CN201610478994.7A
Authority: CN
Inventors: 李璟; 王新安; 王墨; 谢峥; 黄武龙; 何想; 吴希凯; 田玉成
Original assignee: Peking University Shenzhen Graduate School
Current assignee: Peking University Shenzhen Graduate School
Priority date: 2016-06-27
Filing date: 2016-06-27
Publication date: 2016-11-09

Abstract

一种足底压力信息分析方法、装置及系统，包括：获取足底已知点压力信息数据的已知数据集，压力信息数据包括压力值、压强值和冲量值中的至少一种；根据已知数据集建立足底压力信息数据的扩充数据集，扩充数据集包括已知数据集；根据扩充数据集分析足底压力信息得到分析结果。从而丰富了足底压力信息数据类型，并且对压力信息数据进行扩充，从而，丰富了足底压力数据分析的信息，继而优化了分析结果，减少了分析误差，节约了传感器的硬件成本。

Description

足底压力信息分析方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及测量数据分析处理领域，具体涉及一种足底压力信息分析方法、装置及系统。

背景技术

足底压力测量装置分为鞋垫式和平板式。其中平板式足底压力测量装置使用薄膜压力传感器阵列，在很小的区域内，密布成千上万个压力传感器，到达精细测量足底压力的目的，但其成本高昂，难以大规模推广和民用化普及。鞋垫式足底压力测量装置为了达到轻便地持续使用，将压力传感测量装置制作成鞋垫样式，置于鞋中连续测量足底压力信息。由于鞋垫面积远小于平板式装置面积，传感器数量大大减少，为控制成本，很多机构制作了压力传感器数目很少的测力鞋垫，每只鞋垫的传感器数目均少于20个。数目的极大减少，对足底压力分布测量的精度也降低，多点式足底压力测试鞋垫的压力信息计算方法也变得极为关键。

多点式足底压力测试鞋垫的压力信息包括足底压力、足底压强、足底冲量、足底压力中心及轨迹。其计算方法通常采用离散点分析法，其方法如下：

分布在鞋垫上的多个压力传感器，相当于压力曲面的采样点，通常分布在足底压力曲线的关键部位。通过传感器的数据，可以分析得到足底压力曲面分布的大致情况。通过计算各个单点的足底压力信息，综合分析出整足的足底压力信息。

单点的足底压力值F，可以通过压力与感应量之间的对应关系得到，多依赖于传感器的传感原理，通过查表和公式计算方式直接得到。单点的足底压强值P，可以通过压强的定义公式得到，即P＝F/S，式中，F为单点的足底压力值，S为单点传感器的感应面积；单点的足底冲量I，可以通过冲量的定义公式得到，即I＝ΣF·Δt，式中，F为单点的足底压力值，Δt为每次采样的周期；足底压力中心C，可以通过压力中心的定义公式得到，即C(x)＝(ΣxF)/(ΣF)，C(y)＝(ΣyF)/(ΣF)，式中，x,y为传感器单点的平面坐标参数，F为传感器单点的压力值。

通过单点的足底压力信息，可以综合分析各个区域的足底压力信息，其中分析主要参考区域内的足底压力信息和认为经验性分析，也包括由单点足底压力信息呈现的整个足底压力的变化趋势即大致分布。这样的分析方法虽然数据量小，数据获取简易，但是人为经验对分析结果影响较大，评估结果量化率低，压力信息数据过于单一。

发明内容

本申请提供一种足底压力信息分析方法、装置及系统，以实现丰富对足底压力信息数据分析，优化分析结果。

根据第一方面，一种实施例中提供一种足底压力信息分析方法，包括：

获取足底已知点压力信息数据的已知数据集，压力信息数据包括压力值、压强值和冲量值中的至少一种；根据已知数据集建立足底压力信息数据的扩充数据集，扩充数据集包括已知数据集；根据扩充数据集分析足底压力信息得到分析结果。

根据第二方面，一种实施例中提供一种足底压力信息分析装置，包括：

已知数据集获取模块，用于获取足底已知点压力信息数据的已知数据集，压力信息数据包括压力值、压强值和冲量值中的至少一种；扩充数据集建立模块，用于根据已知数据集建立足底压力信息数据的扩充数据集，扩充数据集包括已知数据集；压力信息分析模块，用于根据扩充数据集分析足底压力信息。

根据第三方面，一种实施例中提供一种足底压力信息分析系统，包括：

数据采集装置，用于设置在足底，采集足底压力并转换为用于表征压力信息数据的已知数据集的电信号；上述的足底压力信息分析装置。

依据上述实施例的足底压力信息分析方法、装置及系统，由于已知数据集中包含了压力值、压强值和冲量值中的至少一种，并且根据已知数据集建立足底压力信息数据的扩充数据集，从而丰富了足底压力信息数据类型，并且对压力信息数据进行扩充，从而，丰富了足底压力数据分析的信息，继而优化了分析结果，减少了分析误差，节约了传感器的硬件成本。

附图说明

图1为本实施例公开的一种足底压力信息分析系统示意图；

图2为本实施例中多个足底压力传感器布置在鞋垫的一种示意图；

图3为本实施例公开一种足底压力信息分析装置结构示意图；

图4为本实施例公开的一种足底压力信息分析方法流程图；

图5为本实施例中扩充数据集在时域上的一种示例示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

请参考图1，为本实施例公开的一种足底压力信息分析系统示意图，该足底压力信息分析系统包括信号连接的数据采集装置1和足底压力信息分析装置2，其中：

数据采集装置1可以包括多个足底压力传感器，用于设置在足底，采集足底压力并转换为用于表征压力信息数据的已知数据集的电信号。请参考图2，多个足底压力传感器11基于预设规则布置在鞋垫中，用于分别采集各个布置位置的足底压力并转换为电信号，通常，该电信号为模拟信号，可以通过模数转换模块将模拟信号转换为电信号。在具体实施例中，在基于预设规则将多个足底压力传感器11布置在鞋垫中时，多个足底压力传感器11按照足底压力分布区域变化大小布置在鞋垫中，高压力和/或压力变化快区域布置的足底压力传感器11的密集程度大于低压力和/或压力变化慢区域布置的足底压力传感器11的密集程度。

足底压力信息分析装置2用于对数据采集装置1发送的已知数据集进行相应的处理，而后，基于这些数据集进行足底压力信息分析。本实施例的发明点在于基于这些数据集进行足底压力信息分析。在具体实施例中，数据采集装置1和足底压力信息分析装置2之间可以通过无线网络进行数据交互，其中无线网络可以是例如WiFi、蓝牙等现有的或将来出现的无线数据交互方式。

请参考图3，为本实施例公开一种足底压力信息分析装置结构示意，该足底压力信息分析装置包括：已知数据集获取模块21、扩充数据集建立模块22和压力信息分析模块23，其中：已知数据集获取模块21用于获取足底已知点压力信息数据的已知数据集，压力信息数据包括压力值、压强值和冲量值中的至少一种；扩充数据集建立模块22用于根据已知数据集建立足底压力信息数据的扩充数据集，扩充数据集包括已知数据集；压力信息分析模块23用于根据扩充数据集分析足底压力信息。

在优选的实施例中，扩充数据集建立模块22包括：插值单元，用于根据已知数据集在已知点压力信息数据之间进行插值，以得到插值数据集；重构单元，用于重构已知数据集和插值数据集得到扩充数据集。

在优选的实施例中，插值单元包括：距离获取单元，用于获取已知数据集中已知点两两之间的距离；分组单元，用于根据两两之间的距离对已知数据集进行分组，得到分组结果；插值子单元，用于基于预设模型对待插值点进行插值，以得到插值数据集。

在优选的实施例中，还包括：标识模块，用于在扩充数据集中以可视化方式区分标识已知数据集。

请参考图4，为本实施例公开的一种足底压力信息分析方法流程图，本实施例的整体发明构思为：首先获取已知点传感器的压力信息数据集，包括含有单点位置的压力集、压强集和冲量集等信息，其次在以已知点的压力信息为原始信息，对压力各维度信息进行数据插值，得到足够数据量的点分布情况，构建各维度压力信息曲面图形，之后对曲面进行光滑化处理，得到曲面图形，最终依据原始数据和插值数据计算分析足底压力的复合信息。

该足底压力信息分析方法包括如下步骤：

步骤100，已知数据集获取。获取足底已知点压力信息数据的已知数据集，压力信息数据包括压力值、压强值和冲量值中的至少一种。请参考图2，在鞋垫中基于预设规则布置有多个足底压力传感器11，这些传感器能够采集其相应点位置的足底压力，本实施例中，将这些能够采集到足底压力位置的点称为足底已知点，这些点的压力信息即为已知点压力信息。本实施例中，所称已知数据集包括已知点传感器的压力值数据组成的压力集和单点传感器的位置集，依据压强和冲量的定义可以计算得到各点的压强值和冲量值，获取已知点传感器(能够得到位置信息)的压力信息数据(压力、压强、冲量等)集。

步骤200，扩充数据集建立。根据已知数据集建立足底压力信息数据的扩充数据集，扩充数据集包括已知数据集。在具体实施例中，在步骤100获取得到足底已知点压力信息数据的已知数据集后，在构建的已知点的平面坐标系下，可以基于已知数据集对足底压力信息数据进行扩充，得到包含已知数据集的扩充数据集。

步骤300，得到分析结果。根据扩充数据集分析足底压力信息得到分析结果。在具体实施例中，在对扩充数据集进行足底压力信息分析分析结果时，该分析结果可以包括各压力信息的等值线图、各区域平均压力信息、单脚压力信息分布比例、双脚压力信息分布比例等。具体地，可以进行如下的一种或多种分析得到一种或多种分析结果：

(1)基于位置坐标确定等值线曲面。具体地，可以对每帧扩充数据集中，利用压力信息扩充数据集中数据，拟合压力信息曲面，确定等值的取值集合后，计算各等值方程，并绘制等值方程图形，即可获得等值线图，例如每帧扩充数据集中的压力等值线图、压强等值线图等。

(2)获取预设区域的扩充数据集和数据点数，得到预设区域的区域均值。具体地，确定均值计算的预设区域后，获取预设区域内压力信息扩充数据，计算压力信息扩充数据的平均值，即为区域均值Avg，其中Avg＝(ΣZ(hi))/n，其中，hi为预设区域的扩充数据集中数据点编号，Z(hi)为预设区域的扩充数据集中数据点编号的数据值，n为该预设区域中的数据点数。

(3)分别获取不同区域的扩充数据集，分别获取不同区域的区域均值，根据不同的区域均值求取不同区域之间的区域均值比。本实施例中，可以选择不同的预设区域，而后分别采用上述方案获取不同区域的区域均值，即可得到不同区域之间的均值比，计算各区域均值百分比，即可得到区域比例分布。

(4)计算压力中心及其轨迹。获取采样时间范围内每个时刻的压力扩充数据集，拟合各时刻的压力扩充数据得到拟合曲线。具体地，可以预设采样时间的范围，获取该采样时间范围内每个采样时刻的压力扩充数据集，计算每个时刻所有压力点的压力加权坐标(xi’，yi’)，在坐标系中将压力加权坐标按时间顺序排列，并将各点数据拟合成线。其中加权坐标xi’＝(Σxi·Fi)/(Σxi)，yi’＝(Σyi·Fi)/(Σyi)，其中，xi’、yi’分别为每个采样时刻所有压力点的压力加权横坐标和纵坐标，xi、yi分别为每个采样时刻具有非零数据点的坐标，Fi为第i个采样点的压力值，i为正整数。

在优选的实施例中，在执行步骤200时，可以进一步包括：

根据已知数据集在已知点压力信息数据之间进行插值，以得到插值数据集；重构已知数据集和插值数据集得到扩充数据集，具体地，可以建立全采样时间内的扩充数据集，该数据集可以是压力值集、压强值集和冲量值集等，通常，在获得已知点压力信息数据集后，在时域上可以形成连续的数据集合，通过在各采样时刻的其他位置进行数据插值得到全采样时间内的扩充数据集。请参考图5，示例了时域上的扩充数据集，在全采样时间内，n个采样时刻均有已知数据集和插值数据集，例如T1时刻有采样数据集a1和插值数据集b1，T2时刻有采样数据集a2和插值数据集b2，T3时刻有采样数据集a3和插值数据集b3，Tn时刻有采样数据集an和插值数据集bn。

在具体实施例中，在获取得到已知数据集后，可以获取已知数据集中已知点两两之间的距离h，根据两两之间的距离h对已知数据集进行分组，得到分组结果；基于预设模型对待插值点进行插值，以得到插值数据集。本实施例中，可以根据实际需要在任意位置添加待插值点，也可以基于预设规则对图形进行栅格化选取预设位置中的栅格点作为插值点。本实施例中，在得到任意两个已知点后，可以根据该两个已知点的坐标信息求取该两已知点之间的距离h，该两个已知点与待插值点构成了一个三角形平面。而后，根据距离h进行分组，具体地，可以将预设距离范围内的点作为一组，通常，该预设距离范围可以根据经验确定，以得到分组结果。根据该分组结果和数据集计算各组实验变差函数，可以得到半变异函数分布图。继而，利用预设模型(例如现有的球状模型、指数模型和高斯模型等)对半变异函数进行拟合，得到用于计算权值的半变异函数γ(h)，其中，h为两两之间的距离h。

在具体实施例中，选取待插值点位置之后，得到待插值点位置信息(x,y)，而后计算各已知点的权重λi，已知点的权重λi可以由例如克里金方程组Kλ＝D得到，其中：

K = [\begin{matrix} c_{11} & c_{12} & ... & c_{1 n} & 1 \\ c_{21} & c_{22} & ... & c_{2 n} & 1 \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ c_{n 1} & c_{n 2} & ... & c_{n n} & 1 \\ 1 & 1 & ... & 1 & 0 \end{matrix}], λ = [\begin{matrix} λ_{1} \\ λ_{2} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ λ_{n} \\ - μ \end{matrix}], D = [\begin{matrix} c (x_{1}, x) \\ c (x_{2}, x) \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ c (x_{n}, x) \\ 1 \end{matrix}],

本实施例中，可以采用LU分解(lower upper decomposition，下三角矩阵上三角矩阵分解)方法求解方程组Kλ＝D。计算插值点估计值Z(h0)，计算式为Z(h0)＝Σ[λi·Z(hi)]，其中Z(hi)为第i个采样点(待插值点)数据，由此可以计算出各待插值点的数据，得到插值数据集。

本实施例中，在执行步骤200之后，还可以进一步包括：

步骤400，数据标识。在扩充数据集中以可视化方式区分标识已知数据集。具体地，利用压力信息扩充数据集的数据，将数值数据拟合成曲面图形，可以同时标识出已知点数据和插值点数据。

本实施例的足底压力信息分析方法、装置及系统，由于已知数据集中包含了压力值、压强值和冲量值中的至少一种，并且根据已知数据集建立足底压力信息数据的扩充数据集，从而丰富了足底压力信息数据类型，并且对压力信息数据进行扩充，从而，丰富了足底压力数据分析的信息，继而优化了分析结果，减少了分析误差，节约了传感器的硬件成本。

本实施例的计算方法为鞋垫试足底压力测试装置提供了一种新型的足底压力信息计算方式，即满足了鞋垫式足底压力测试装备的低成本要求，又提供了一种可以获取丰富数据信息的计算方法，在本方法中采用的例如克里金插值法既提供了符合实际状况的插值方法，又为每个插值点提供误差精度和无偏估计。因而，本实施例方法在满足低成本的硬件要求限制时，提供了尽可能多的低误差数据，为低成本下的足底压力测试装置提供了更丰富的信息。

本实施例的分析方法优选采用了克里金插值法。常用的插值法包括反距离加权插值法、克里金插值法、最小曲率法、自然邻点插值法、径向基函数法和移动平均法等，其中克里金法是由地质学家和统计学家发明，应用于矿藏分布、气压分布和气氛分布等。这种插值法的应用场景与足底压力环境类似，并且足底压力使用情景满足应用条件，且克里金法是无偏估计、尊重原始数据的插值法，这使得克里金法在本发明使用场景中具有明显优势。

本实施例的分析方法使用插值法获得压力信息扩充数据集，通过采样值和估计值的组合，获得一个包含大量足底压力信息数据的扩充数据集。这样一方面为基础数据提供更多插值数据，使得基本信息的图形拟合具有科学性样本，也使得基本信息的图形更贴近实际数据；另一方面为计算更多足底数据提供了足够的足底数据，使得其他间接信息的计算有数据可依据，不仅可以计算本计算方法中提供的数据信息，还可以计算使用者其他自定义的个性化数据信息。

本领域技术人员可以理解，上述实施方式中各种方法的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关硬件完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器、随机存储器、磁盘或光盘等。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims

1.一种足底压力信息分析方法，其特征在于，包括：

获取足底已知点压力信息数据的已知数据集，所述压力信息数据包括压力值、压强值和冲量值中的至少一种；

根据所述已知数据集建立足底压力信息数据的扩充数据集，所述扩充数据集包括所述已知数据集；

根据所述扩充数据集分析足底压力信息得到分析结果。

2.如权利要求1所述的足底压力信息分析方法，其特征在于，所述根据所述已知数据集建立足底压力信息数据的扩充数据集包括：

根据所述已知数据集在已知点压力信息数据之间进行插值，以得到插值数据集；

重构所述已知数据集和所述插值数据集得到所述扩充数据集。

3.如权利要求2所述的足底压力信息分析方法，其特征在于，所述根据所述已知数据集在已知点压力信息数据之间进行插值，包括：

获取所述已知数据集中已知点两两之间的距离(h)；

根据所述两两之间的距离(h)对所述已知数据集进行分组，得到分组结果；

基于预设模型对待插值点进行插值，以得到插值数据集。

4.如权利要求1-3任意一项所述的足底压力信息分析方法，其特征在于，所述根据所述扩充数据集分析足底压力信息得到分析结果，包括以下步骤中的至少一种：

基于位置坐标确定等值线曲面；

获取预设区域的扩充数据集和数据点数，得到预设区域的区域均值；

分别获取不同区域的扩充数据集，分别获取不同区域的区域均值，根据不同的区域均值求取不同区域之间的区域均值比；

获取采样时间范围内每个时刻的压力扩充数据集，拟合各时刻的压力扩充数据得到拟合曲线。

5.如权利要求1-3任意一项所述的足底压力信息分析方法，其特征在于，在所述根据所述已知数据集建立足底压力信息数据的扩充数据集之后，还包括：

在所述扩充数据集中以可视化方式区分标识所述已知数据集。

6.一种足底压力信息分析装置，其特征在于，包括：

已知数据集获取模块，用于获取足底已知点压力信息数据的已知数据集，所述压力信息数据包括压力值、压强值和冲量值中的至少一种；

扩充数据集建立模块，用于根据所述已知数据集建立足底压力信息数据的扩充数据集，所述扩充数据集包括所述已知数据集；

压力信息分析模块，用于根据所述扩充数据集分析足底压力信息。

7.如权利要求6所述的足底压力信息分析装置，其特征在于，所述扩充数据集建立模块包括：

插值单元，用于根据所述已知数据集在已知点压力信息数据之间进行插值，以得到插值数据集；

重构单元，用于重构所述已知数据集和所述插值数据集得到所述扩充数据集。

8.如权利要求7所述的足底压力信息分析装置，其特征在于，所述插值单元包括：

距离获取单元，用于获取所述已知数据集中已知点两两之间的距离(h)；

分组单元，用于根据所述两两之间的距离(h)对所述已知数据集进行分组，得到分组结果；

插值子单元，用于基于预设模型对待插值点进行插值，以得到插值数据集。

9.如权利要求6-8任意一项所述的足底压力信息分析装置，其特征在于，还包括：

标识模块，用于在所述扩充数据集中以可视化方式区分标识所述已知数据集。

10.一种足底压力信息分析系统，其特征在于，包括：

数据采集装置，用于设置在足底，采集足底压力并转换为用于表征压力信息数据的已知数据集的电信号；

如权利要求6-9任意一项所述的足底压力信息分析装置。