CN107260180A - 一种行走中基于小腿和脚的可穿戴步态检测方法及设备 - Google Patents

Abstract

一种行走中基于小腿和脚的可穿戴步态检测方法，包括穿戴于受试者小腿部和脚部的L型检测器，步态检测方法包括步骤：采集受试者行走过程中受试者小腿部对L型检测器施加的动态力，按预设规则将动态力和力矩转换成所对应的压力曲线；结合预设规则及所述动态力的周期性变化规律对压力曲线进行步态周期切分；根据压力曲线上所述动态力的分布对受试者行走的步态进行分析。当受试者行走时，通过分析受试者小腿施加的动态力的变化对受试者的步态进行分析，还可以根据压力曲线的周期性变化统计受试者行走过程的总步数，由于，步态分析过程所需的动态力是依据压力曲线查找获得，不涉及复杂计算过程，另外该仪器佩戴、操作十分简单，使步态分析过程简单化。

Description

一种行走中基于小腿和脚的可穿戴步态检测方法及设备

技术领域

本发明涉及步态检测技术领域，具体涉及一种行走中基于小腿和脚的可穿戴步态检测方法及设备。

背景技术

步态是指人或动物通过肢体运动并前进的一种周期性的形式和样子，步态与走路不同，走路是一个过程，而步态是一种形式，步态可以被描述人走路特点的一种周期性现象，并且每个周期可以被分为多个部分进行分析，再根据分析结果对个体走路能力进行评估；关于步态的检测，现有技术大都是基于鞋底设计压力传感器、角速度传感器等，不仅结构设计复杂，而且步态分析计算过程也较复杂。

发明内容

本申请提供一种行走中基于小腿和脚的可穿戴步态检测方法及设备。

根据第一方面，一种实施例中提供一种行走中基于小腿和脚的可穿戴步态检测方法，包括穿戴于受试者小腿部和脚部的L型检测器，步态检测方法包括步骤：

采集受试者行走过程中受试者小腿对L型检测器施加的动态力，按预设规则将动态力和力矩转换成所对应的压力曲线；

结合预设规则及动态力的周期性变化规律对压力曲线进行步态周期切分，切分的步态周期数量为受试者行走过程中所走的总步数；

根据压力曲线上动态力的分布对受试者行走的步态进行分析。

一种实施例中，动态力包括压向力和拉向力，受试者行走时，当受试者小腿部的倾斜方向与行走方向同向时，受试者小腿部对L型检测器施加所述拉向力，当受试者小腿部的倾斜方向与行走方向反向时，受试者小腿部对所述L型检测器施加所述压向力。

一种实施例中，预设规则为：将受试者行走过程中产生的压向力和拉向力按时间顺序形成压力曲线，且，压向力动态分布于压力曲线的正半轴，拉向力动态分布于压力曲线的负半轴。

一种实施例中，根据压力曲线上动态力的分布对受试者行走的步态进行分析，包括：

根据压力曲线上正半轴所对应的压向力的最大值的时刻获取步态周期中支撑阶段的起始时刻，根据压力曲线上负半轴所对应的拉向力的最大值的时刻获取步态周期中摆动阶段的起始时刻。

一种实施例中，压向力和拉向力为零的时刻为受试者小腿部与脚部正交垂直的时刻。

根据第二方面，一种实施例中提供一种行走中基于小腿和脚的可穿戴步态检测设备，包括处理器和穿戴于受试者小腿部和脚部的L型检测器，处理器与L型检测器无线信号连接；

L型检测器采集受试者行走过程中受试者小腿部对其施加的动态力，并将所述动态力传输至处理器；

处理器按预设规则将动态力转换成所对应的压力曲线，处理器还结合动态力的周期性变化规律对压力曲线进行步态周期切分，及，根据压力曲线上动态力的分布对受试者行走的步态进行分析。

一种实施例中，L型检测器包括力传感器、穿戴于受试者小腿部和脚部的L型支架和套接部；

L型支架穿戴于受试者小腿部和脚部时，L型支架的横向部位于受试者的脚底部，L型支架的竖向部位于受试者小腿后方；

力传感器设置于竖向部并与处理器无线传输连接，套接部套设于L型支架的竖向部，直至传感器容纳至套接部内部，受试者行走时，力传感器检测套接部对竖向部施加的动态力。

一种实施例中，动态力包括压向力和拉向力，力传感器包括第一力传感器和第二力传感器；

第一力传感器设置于竖向部朝向受试者的小腿部的一侧，第二力传感器设置于竖向部背向受试者的小腿部的一侧；

套接部套设于竖向部时，套接部相对于第一力传感器的第一侧面与第一力传感器相接触，套接部相对于第二力传感器的第二侧面与第二力传感器相接触，第一力传感器检测受试者小腿部的倾斜方向与行走方向反向时受试者小腿部对L型支架施加的压向力，第二力传感器检测受试者小腿部的倾斜方向与行走方向同向时受试者小腿部对L型支架施加的拉向力。

一种实施例中，预设规则为：将受试者行走过程中产生的压向力和拉向力按时间顺序形成压力曲线，且，压向力动态分布于所述压力曲线的正半轴，拉向力动态分布于所述压力曲线的负半轴。

一种实施例中，套接部设有与受试者的小腿部穿戴连接的第一连接件，横向部设有与受试者的脚部穿戴连接的第二连接件。

依据上述实施例的可穿戴步态检测方法及设备，当受试者行走时，通过分析受试者小腿施加的动态力的变化对受试者的步态进行分析，如，可以根据压力曲线上动态力的大小分析受试者脚部落地、抬起时小腿部的施力状况，进而，对受试者的运动进行分析，还可以根据压力曲线的周期性变化统计受试者行走过程的总步数，由于，步态分析的过程所需的动态力是依据压力曲线查找获得，不涉及复杂的计算过程，使步态分析过程简单化；另外，通过L型检测器检测受试者行走时小腿部的动态力，L型检测器结构简单。

附图说明

图1为受试者行走的示意图；

图2为步态检测方法流程图；

图3为压力曲线图；

图4为压力曲线与步态周期配合示意图；

图5为L型检测器的结构示意图。

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。

实施例一：

受试者行走的示意图如图1所示，步态周期也称为步行周期(gait cycle，GC)，步态周期相位包括支撑阶段和摆动阶段，其中，支撑阶段指下肢接触地面及承受重力的时间，占步行周期的60％，支撑阶段具体包括以下5个阶段：

(1)首次触地期(init ial contact，IC)：指足跟接触地面的瞬间，使下肢前向运动减速，确定足进入支撑阶段的位置，因此是造成支撑阶段异常最常见的原因，占GC的2％左右；

(2)承重反应期(loading response，LR)：指首次触地之后重心由足跟向全足转移的过程，占GC的10％左右；

(3)支撑相中期(midstance,MS)：指支撑相中间阶段的时间。此时支撑足全部着地，对侧足处于摆动阶段，是唯一单足支撑全部重力的时相，正常步速时大约GC的19％左右。主要功能是保持膝关节稳定，控制胫骨前向惯性运动，为下肢向前推进做准备。参与该过程的肌肉主要为膝肠肌和比目鱼肌。下肢承重力小于体重或身体不稳定时此期缩短，以将重心迅速转移到另一足，保持身体平衡；

(4)支撑相末期(terminal stance,TS)：指下肢主动加速蹬离的时间，开始于足跟抬起，结束于足离地，约占GC的19％左右；

(5)摆动前期(pre-swing,PS)：在缓慢步行时可以没有蹬离，而只是足趾离开地面,占GC的12％左右。

摆动阶段指足离开地面向前迈步到再次落地之间的时间，占步行周期的40％，摆动阶段具体包括如下阶段：

(1)摆动相早期(initial swing，IS)指足离开地面早期时段的活动，主要的动作包括足廓清(clearance)地面和屈髋带动屈膝，加速肢体前向摆动，占GC的13％左右。

(2)摆动相中期(mid swing，MS)指足在空中摆动中间时段的活动，足廓清仍然是主要任务，占GC的12％左右。

(3)摆动相末期(terminal swing，TS)指迈步即将结束，足在落地之前的活动，主要动作是下肢前向运动减速，准备足着地的姿势，占GC的13％左右。

以右下肢为例，由图1可知，右下肢在步态周期的不同阶段的倾斜方向及角度均不相同，如：首次触地期、承重反应期、支撑相中期等，相应的，小腿部在步态周期的不同阶段的倾斜方向及角度也均不相同，基于此，本例提供一种行走中基于小腿和脚的可穿戴步态检测方法，包括穿戴于受试者小腿部和脚部的L型检测器，通过检测受试者小腿部对L型检测器施加力的大小及方向分析受试者行走的步态情况，其流程图如图2所示，具体包括如下步骤。

S1：采集受试者行走过程中受试者小腿对L型检测器施加的动态力，按预设规则将动态力和力矩转换成所对应的压力曲线。

在步态周期内，受试者行走的不同阶段，受试者小腿部的倾斜方向及角度不同，当L型检测器穿戴于受试者小腿部和脚部后，受试者小腿部在不同阶段的倾斜方向及角度对L型检测器施加的动态力大小及方向也不同；具体的，动态力包括压向力和拉向力，受试者行走时，当受试者小腿部的倾斜方向与行走方向同向时，受试者小腿部对L型检测器施加拉向力，当受试者小腿部的倾斜方向与行走方向反向时，受试者小腿部对L型检测器施加压向力，由于，小腿部在步态周期的倾斜方向及角度均不同，致使步态周期内的不同阶段，小腿部施加的压向力和拉向力的大小及方向均不同。

实时采集受试者小腿部对L型检测器施加的压向力和拉向力，然后，将采集的压向力和拉向力按预设规则转换成所对应的压力曲线，其中，本例的预设规则为：将受试者行走过程中产生的压向力和拉向力按时间顺序形成压力曲线，且，压向力动态分布于压力曲线的正半轴，拉向力动态分布于压力曲线的负半轴，压力曲线如图3所示；在其他实施例中，也可以设置相反的预设规则，即压向力动态分布于压力曲线的负半轴，拉向力动态分布于压力曲线的正半轴；需要说明的是，根据图1和图3可知，本例的预设规则将压向力和拉向力以正、负半轴为界划分，其目的是为了后续方便根据压力曲线对步态周期相位进行分析。

S2：结合预设规则及所述动态力的周期性变化规律对压力曲线进行步态周期切分。

由于本例的预设规则是压向力动态分布于压力曲线的正半轴，拉向力动态分布于压力曲线的负半轴，所以，动态力的变化是以步态周期为周期进行变化，而步态周期是指在行走时一侧足跟着地到该侧足跟再次着地的过程被称为一个步态周期，即，压力曲线上相邻最大值的压向力之间为一个步态周期，因此，根据压向力对压力曲线进行步态周期切分。

S3：根据压力曲线上动态力的分布对受试者行走的步态进行分析。

具体的，由于根据预设规则将小腿部对L型检测器施加的压向力和拉向力转换成所对应的压力曲线，相关人员可以根据压力曲线对受试者行走的步态进行各种分析，如图4所示，相关工作人员可以通过观察压力曲线，根据常识直接判断受试者行走的步态是否良好，也可以通过计算机提取压力曲线中某一时刻的压力值，将压力值与预设阀值比较，再判断该步态是否符合要求，或者根据压力曲线判断受试者行走时是否存在缺陷等，另外，相关工作人员也可以通过观察压力曲线直接获取步态周期中的支撑阶段的起始时刻和摆动阶段的起始时刻，如，压力曲线上正半轴所对应的压向力的最大值的时刻即为支撑阶段的起始时刻，压力曲线上负半轴所对应的拉向力的最大值的时刻即为摆动阶段的起始时刻，因此，相关工作人员根据压力曲线上正半轴所对应的压向力的最大值的时刻获取支撑阶段的起始时刻，根据压力曲线上负半轴所对应的拉向力的最大值的时刻获取摆动阶段的起始时刻。

另外，由于压向力和拉向力为零时，代表小腿部对L型检测器即无压向力也无拉向办，此时，小腿部与脚部垂直，因此，相关工作人员，也可以根据压力曲线的过零点时刻获取受试者小腿部与脚部正交垂直的时刻。

另外，根据压力曲线切分的步态周期，相关工作人员也可以直接获取受试者行走过程中总共行走的总步数。

本例提供的步态检测方法，根据预设规则将小腿部对L型检测器施加的压向力和拉向力形成压力曲线，相关工作人员通过压力曲线可直观的对受试者行走的步态进行分析，因此，本例的步态检测方法不需要复杂的计算，方法简单。

实施例二：

基于实施例一，本例提供一种行走中基于小腿和脚的可穿戴步态检测设备，包括处理器和穿戴于受试者小腿部和脚部的L型检测器，处理器与L型检测器无线信号连接。

L型检测器采集受试者行走过程中受试者小腿部对其施加的动态力，并将动态力传输至处理器；处理器根据预设规则将动态力和力矩转换成所对应的压力曲线，处理器还结合预设规则及动态力的周期性变化规律对压力曲线进行步态周期切分，及，根据压力曲线上动态力的分布对受试者行走的步态进行分析。

本例的预设规则为：将受试者行走过程中产生的压向力和拉向力按时间顺序形成压力曲线，且，压向力动态分布于压力曲线的正半轴，拉向力动态分布于压力曲线的负半轴，处理器将接收的压向力和拉向力根据预设规则绘制成如图3所示的压力曲线。

工作人员通过处理器绘制的压力曲线可以对受试者行走的步态进行各种分析，如：工作人员可以根据压力曲线上正半轴所对应的压向力的最大值的时刻获取步态周期中支撑阶段的起始时刻，及根据压力曲线上负半轴所对应的拉向力的最大值的时刻获取步态周期中摆动阶段的起始时刻。

另外，处理器可以提取压力曲线中某一时刻的压力值，将压力值与预设阀值比较，再判断该步态是否符合要求，或者根据压力曲线判断受试者行走时是否存在缺陷等步态分析。

其中，如图5所示，L型检测器包括力传感器1、穿戴于受试者小腿部和脚部的L型支架2和套接部3，L型支架2穿戴于受试者小腿部和脚部时，L型支架2的横向部21位于受试者的脚底部，L型支架2的竖向部22位于受试者小腿后方；力传感器1设置于竖向部22并与处理器无线传输连接，套接部3套设于L型支架2的竖向部22，直至传感器1容纳至套接部3内部，受试者行走时，力传感器1检测套接部3对竖向部22施加的动态力。

具体的，动态力包括压向力和拉向力，力传感器1包括第一力传感器11和第二力传感器12，为了实现本例的力传感器1能实时检测到压向力和拉向力，第一力传感器11设置于竖向部22朝向受试者的小腿部的一侧，第二力传感器12设置于竖向部22背向受试者的小腿部的一侧；优选的，优选的，第一力传感器11竖向设置于竖向部22朝向受试者的小腿部的一侧，第二力传感器12竖向设置于竖向部22背向受试者的小腿部的一侧，即，根据本例的力传感器1的安装方式的设计，增加了力传感器1与套接部3的纵向接触面积，提高动态力的检测精度。

套接部3套设于竖向部22时，套接部3相对于第一力传感器11的第一侧面与第一力传感器11相接触，套接部3相对于第二力传感器12的第二侧面与第二力传感器12相接触，第一力传感器11检测受试者小腿部的倾斜方向与行走方向的反方时受试者小腿部对L型支架2施加的压向力，第二力传感器12检测受试者小腿部的倾斜方向与行走方向同向时受试者小腿部对L型支架2施加的拉向力。

进一步，为了使L型步态检测装置适用于身高不同的受试者，本例的套接部3活动套设于竖向部22，根据受试者的小腿部长度的不同，适当调整套接部3与竖向部22的套接高度。

进一步，本例的套接部3设有与受试者的小腿部穿戴连接的第一连接件4，横向部21设有与受试者的脚部穿戴连接的第二连接件5，本例的第一连接件4和第二连接件5优选为绑带，在其他实施例中，也可以采用其他固定方式实现L型步态检测装置与受试者的小腿部和脚部连接。

本例的套接部3沿竖向上设有一个第一连接件4，在其他实施例中，套接部3沿竖向上可以设置两个甚至更多个第一连接件4，以加强套接部3与受试者的小腿部的牢固连接，进一步，加强L型步态检测装置使用状态时的牢固性。

本例通过设计L型步态检测器的简单结构及力传感器的设计位置，不仅方便检测受试者的步态周期内的动态力，以供后台的处理器分析和研究，而且，通过巧妙设计，增加了L型步态检测器的使用寿命。

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 (10)

1.一种行走中基于小腿和脚的可穿戴步态检测方法，其特征在于，包括穿戴于受试者小腿部和脚部的L型检测器，所述步态检测方法包括步骤：

采集受试者行走过程中受试者小腿部对所述L型检测器施加的动态力，按预设规则将所述动态力和力矩转换成所对应的压力曲线；

结合所述预设规则及所述动态力的周期性变化规律对所述压力曲线进行步态周期切分；

根据所述压力曲线上所述动态力的分布对受试者行走的步态进行分析。

2.如权利要求1所述的步态检测方法，其特征在于，所述动态力包括压向力和拉向力，受试者行走时，当受试者小腿部的倾斜方向与行走方向同向时，受试者小腿部对所述L型检测器施加所述拉向力，当受试者小腿部的倾斜方向与行走方向反向时，受试者小腿部对所述L型检测器施加所述压向力。

3.如权利要求2所述的步态检测方法，其特征在于，所述预设规则为：将受试者行走过程中产生的压向力和拉向力按时间顺序形成所述压力曲线，且，所述压向力动态分布于所述压力曲线的正半轴，所述拉向力动态分布于所述压力曲线的负半轴。

4.如权利要求3所述的步态检测方法，其特征在于，所述根据所述压力曲线上所述动态力的分布对受试者行走的步态进行分析，包括：

根据所述压力曲线上正半轴所对应的压向力的最大值的时刻获取所述步态周期中支撑阶段的起始时刻，根据所述压力曲线上负半轴所对应的拉向力的最大值的时刻获取所述步态周期中摆动阶段的起始时刻。

5.如权利要求4所述的步态检测方法，其特征在于，所述压向力和拉向力为零的时刻为受试者小腿部与脚部正交垂直的时刻。

6.一种行走中基于小腿和脚的可穿戴步态检测设备，其特征在于，包括处理器和穿戴于受试者小腿部和脚部的L型检测器，所述处理器与所述L型检测器无线信号连接；

所述L型检测器采集受试者行走过程中受试者小腿部对其施加的动态力，并将所述动态力传输至所述处理器；

所述处理器根据预设规则将所述动态力转换成所对应的压力曲线，所述处理器还结合动态力的周期性变化规律对所述压力曲线进行步态周期切分，及，根据所述压力曲线上所述动态力的分布对受试者行走的步态进行分析。

7.如权利要求6所述的可穿戴步态检测设备，其特征在于，所述L型检测器包括力传感器、穿戴于受试者小腿部和脚部的L型支架和套接部；

所述L型支架穿戴于受试者小腿部和脚部时，所述L型支架的横向部位于受试者的脚底部，所述L型支架的竖向部位于受试者小腿后方；

所述力传感器设置于所述竖向部并与所述处理器无线传输连接，所述套接部套设于所述L型支架的竖向部，直至所述传感器容纳至所述套接部内部，受试者行走时，所述力传感器检测所述套接部对所述竖向部施加的动态力。

8.如权利要求7所述的可穿戴步态检测设备，其特征在于，所述动态力包括压向力和拉向力，所述力传感器包括第一力传感器和第二力传感器；

所述第一力传感器设置于所述竖向部朝向受试者的小腿部的一侧，所述第二力传感器设置于所述竖向部背向受试者的小腿部的一侧；

所述套接部套设于所述竖向部时，所述套接部相对于所述第一力传感器的第一侧面与所述第一力传感器相接触，所述套接部相对于所述第二力传感器的第二侧面与所述第二力传感器相接触，所述第一力传感器检测受试者小腿部的倾斜方向与行走方向反向时受试者小腿部对所述L型支架施加的所述压向力，所述第二力传感器检测受试者小腿部的倾斜方向与行走方向同向时受试者小腿部对所述L型支架施加的所述拉向力。

9.如权利要求8所述的可穿戴步态检测设备，其特征在于，所述预设规则为：将受试者行走过程中产生的压向力和拉向力按时间顺序形成所述压力曲线，且，所述压向力动态分布于所述压力曲线的正半轴，所述拉向力动态分布于所述压力曲线的负半轴。

10.如权利要求7所述的可穿戴步态检测设备，其特征在于，所述套接部设有与受试者的小腿部穿戴连接的第一连接件，所述横向部设有与受试者的脚部穿戴连接的第二连接件。