CN107582063A - 一种步态检测环 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种步态检测环，包括：采集使用者在行走过程中的膝关节弯曲角度、脚底倾斜角度以及腿的摆动加速度的传感器模块；对传感器模块采集的数据进行处理，计算出使用者的步行周期、步长、步频和步速，并结合人体正常步态参数范围进行比对，判断出使用者的步态健康状况的中央处理单元；将使用者的步行周期、步长、步频和步速以及使用者的步态健康状况发送到与其建立无线通信连接的智能手机或助行装置的显示界面上的蓝牙模块；由于采用了膝关节弯曲角度、脚底倾斜角度以及腿的摆动加速度计算步行周期、步长、步频和步速，算法简单，成本较低，能对使用者的步态进行准确检测，并实时了解使用者的步态健康状况，有助于使用者的行走康复训练。
Description
技术领域
本发明涉及康复类医疗器械领域，尤其涉及的是一种可准确检测使用者步态健康状况的步态检测环。
背景技术
随着社会的进步以及人们生活水平的提高，人们越来越关注自身的健康状况，例如，通过智能手环检测自身步态的健康状况。
但是，现有技术中的智能手环是通过感知手臂有规律的运动来实现计步检测的功能，由于手部和脚部的位置与功能的差异，手部的动作并不能代表脚部的动作，因此通过智能手环所检测到的步行状态，也只能是粗略的估计，并不能精确反映使用者的步行状态。
而现有技术中的智能脚环，要么结构复杂成本高，要么算法复杂难以控制，要么结合超声波技术，既无法精确检测使用者的实际步态，又容易受到环境干扰。
因此，现有技术尚有待改进和发展。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种步态检测环，可精确反映使用者的步行状态，有助于使用者的行走康复训练，且算法简单、成本较低。
本发明的技术方案如下：一种步态检测环，包括本体和连接在该本体上的环部，使用时，所述环部套在使用者的脚踝处，所述本体中设置有传感器模块、蓝牙模块、中央处理单元和电源模块，所述中央处理单元分别与传感器模块和蓝牙模块双向电性连接，所述电源模块与传感器模块、蓝牙模块和中央处理单元单向电性连接，用于为其提供电力；其中：
所述传感器模块用于采集使用者在行走过程中的膝关节弯曲角度、脚底倾斜角度以及腿的摆动加速度；
所述中央处理单元用于对传感器模块采集的数据进行处理，计算出使用者的步行周期、步长、步频和步速，并结合人体正常步态参数范围进行比对，判断出使用者的步态健康状况；
所述蓝牙模块用于将使用者的步行周期、步长、步频和步速以及使用者的步态健康状况发送到与其建立无线通信连接的智能手机或助行装置的显示界面上。
所述的步态检测环，其中：所述传感器模块中设置有陀螺仪和加速度计，所述陀螺仪用于采集使用者的膝关节弯曲角度和脚底倾斜角度的步态角度数据，所述加速度计用于采集使用者的腿的摆动加速度数据。
所述的步态检测环，其中：在使用者步行过程中，若后一个步态角度和腿的摆动加速度这两个数据，与前一个步态角度和腿的摆动加速度相同或趋近相同时，则认为使用者行进了一个步行周期，并记录该步行周期的时间值。
所述的步态检测环，其中：一个步行周期的行进步数记为n＝2，包括左脚和右脚各行进一步，总步数N依次累加，以实现统计步数功能。
所述的步态检测环，其中：使用者的腿长为l，一个步行周期内，使用者同侧脚的跨距角度为θ，通过公式L2＝l2+l2-2l2cosθ计算使用者的步长L，单位是cm。
所述的步态检测环，其中：将使用者行走的总步数N，结合该步态检测环与智能手机或助行装置同步之后的计步总时间T，得出步频f＝N/T，单位是steps/min。
所述的步态检测环，其中：将使用者行走的总步数N，结合使用者的步长L，得出行走的总距离S＝N*L；再结合计步总时间T，得出步速v＝S/T，单位是m/min。
所述的步态检测环，其中：所述人体正常步态参数范围包括：步行周期：1～1.32s；步长：50～80cm；步频：95～125steps/min；步速：65～95m/min；将步态健康状况分为I级和II级，I级的步态参数在人体正常步态参数范围内，表明使用者步态健康状况正常；II级的步态参数在人体正常步态参数范围外，表明使用者步态健康状况欠佳。
所述的步态检测环，其工作流程包括以下步骤：
步骤S410、当使用者佩戴步态检测环进行行走锻炼时，通过智能手机或助行装置上的相关APP开启步态检测环的工作模式；
步骤S420、所述传感器模块开始采集运动数据，包括步骤S422和步骤S424；
步骤S422、所述加速度计采集使用者的腿的摆动加速度数据；
步骤S424、所述陀螺仪采集使用者的膝关节弯曲角度和脚底倾斜角度的步态角度数据；
步骤S430、所述中央处理单元接收传感器模块采集的数据；
步骤S440、所述中央处理单元对接收的数据进行处理，计算出使用者的步行周期、步长、步频和步速；
步骤S450、所述蓝牙模块接收使用者的步行周期、步长、步频和步速；
步骤S460、所述蓝牙模块将使用者的步行周期、步长、步频和步速无线传输至与其连接的智能手机或助行装置的显示界面上；
步骤S470、所述中央处理单元将使用者的步行周期、步长、步频和步速，与人体正常步态参数范围进行比较，得出使用者的步态健康状况，并通过蓝牙模块将该步态健康状况无线传输至与其连接的智能手机或助行装置的显示界面上；
步骤S480、所述智能手机或助行装置判断步态检测环的工作模式是否关闭，是则进入步骤S490，否则返回步骤S420；
步骤S490、停止步态检测环的工作模式。
本发明所提供的一种步态检测环，由于采用了膝关节弯曲角度、脚底倾斜角度以及腿的摆动加速度计算步行周期、步长、步频和步速，并结合人体正常步态参数范围进行比对，算法简单，成本较低，能对使用者的步态进行准确检测，并实时了解使用者的步态健康状况，有助于使用者的行走康复训练。
附图说明
图1是本发明步态检测环实施例的结构示意图；
图2是本发明步态检测环实施例的硬件框图；
图3是本发明步态检测环实施例的步长计算示意图；
图4是本发明步态检测环实施例的工作流程图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的具体实施方式和实施例加以详细说明，所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并非用于限定本发明的具体实施方式。
如图1所示，图1是本发明步态检测环实施例的结构示意图，该步态检测环包括本体160和环部150，所述环部150连接在本体160上，使用时，将所述环部150套在使用者的脚踝处即可，所述本体160中设置有传感器模块110、蓝牙模块120、中央处理单元130和电源模块140。
结合图2所示，图2是本发明步态检测环实施例的硬件框图，所述传感器模块110与中央处理单元130双向电性连接，所述蓝牙模块120也与中央处理单元130双向电性连接，所述电源模块140与传感器模块110、蓝牙模块120和中央处理单元130单向电性连接；所述电源模块140用于为传感器模块110、蓝牙模块120和中央处理单元130提供必要的电力；所述传感器模块110用于采集使用者在行走过程中的膝关节弯曲角度、脚底倾斜角度以及腿的摆动加速度；所述中央处理单元130用于对传感器模块110采集的数据进行处理，以计算出使用者的步行周期、步长、步频和步速等参数，并结合人体正常步态参数范围进行比对，判断出使用者的步态健康状况；所述蓝牙模块120用于将使用者的步行周期、步长、步频和步速等参数以及使用者的步态健康状况发送到与其建立无线通信连接的智能手机或助行装置的显示界面上。
在本发明步态检测环的具体实施方式中，所述传感器模块110中设置有陀螺仪和加速度计，所述陀螺仪用于采集使用者的膝关节弯曲角度和脚底倾斜角度的步态角度数据，所述加速度计用于采集使用者的腿(即小腿)的摆动加速度数据。
对于步行周期，在使用者步行过程中，若后一个步态角度和腿的摆动加速度这两个数据，与前一个步态角度和腿的摆动加速度相同或趋近相同时，则认为使用者行进了一个步行周期，并记录该步行周期的时间值；而且，一个步行周期包括左脚和右脚各行进一步，也即一个步行周期的行进步数记为n＝2，总步数N依次累加，即可实现统计步数功能。
对于步长，设使用者的腿长为l，所述传感器模块110中的陀螺仪可测得在一个步行周期内使用者同侧脚的跨距角度θ，结合图3所示，图3是本发明步态检测环实施例的步长计算示意图，利用三角形余弦公式可计算出使用者同侧脚之间的跨距，即步长L，其公式为L2＝l2+l2-2l2cosθ。
对于步频，可将使用者行走的总步数N，结合该步态检测环与智能手机或助行装置同步之后的计步总时间T，得出步频f＝N/T，单位是steps/min。
对于步速，可将使用者行走的总步数N，结合使用者的步长L，得出行走的总距离S＝N*L；再结合计步总时间T，得出步速v＝S/T，单位是m/min。
在本发明步态检测环的具体实施方式中，人体正常步态参数范围为：步行周期：1～1.32s；步长：50～80cm；步频：95～125steps/min；步速：65～95m/min；可将步态健康状况分为I级和II级，I级的步态参数在人体正常步态参数范围内，表明使用者步态健康状况正常；II级的步态参数在人体正常步态参数范围外，表明使用者步态健康状况欠佳。
本发明步态检测环在使用时佩戴在使用者的脚踝处，并通过智能手机或助行装置上的相关APP控制步态检测环工作模式的开启及关闭，而且该APP还可以实时显示使用者的各个步态参数以及步态健康状况。
结合图4所示，图4是本发明步态检测环实施例的工作流程图，其具体步骤包括：
步骤S410、当使用者佩戴步态检测环进行行走锻炼时，通过智能手机或助行装置上的相关APP开启步态检测环的工作模式；
步骤S420、所述传感器模块110开始采集运动数据，包括步骤S422和步骤S424；
步骤S422、所述加速度计采集使用者的腿的摆动加速度数据；
步骤S424、所述陀螺仪采集使用者的膝关节弯曲角度和脚底倾斜角度的步态角度数据；
步骤S430、所述中央处理单元130接收传感器模块110采集的数据；
步骤S440、所述中央处理单元130对接收的数据进行处理，计算出使用者的步行周期、步长、步频和步速等参数；
步骤S450、所述蓝牙模块120接收使用者的步行周期、步长、步频和步速等参数；
步骤S460、所述蓝牙模块120将使用者的步行周期、步长、步频和步速等参数无线传输至与其连接的智能手机或助行装置的显示界面上；
步骤S470、所述中央处理单元110将使用者的步行周期、步长、步频和步速等参数，与人体正常步态参数范围进行比较，得出使用者的步态健康状况，并通过蓝牙模块120将使用者的步态健康状况无线传输至与其连接的智能手机或助行装置的显示界面上；
作为该步骤的替换实施例，也可以利用所述智能手机或助行装置将使用者的步行周期、步长、步频和步速等参数，与人体正常步态参数范围进行比较，得出使用者的步态健康状况；
步骤S480、所述智能手机或助行装置判断步态检测环的工作模式是否关闭，是则进入步骤S490，否则返回步骤S420；
步骤S490、停止步态检测环的工作模式。
本发明的步态检测环，算法简单，使用也简单，成本还较低，能对使用者的步态进行准确检测，实时了解使用者的步态健康状况，且不易受到外界环境的干扰，非常有助于使用者的行走康复训练。
应当理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不足以限制本发明的技术方案，对本领域普通技术人员来说，在本发明的精神和原则之内，可以根据上述说明加以增减、替换、变换或改进，而所有这些增减、替换、变换或改进后的技术方案，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种步态检测环，包括本体和连接在该本体上的环部，使用时，所述环部套在使用者的脚踝处，所述本体中设置有传感器模块、蓝牙模块、中央处理单元和电源模块，所述中央处理单元分别与传感器模块和蓝牙模块双向电性连接，所述电源模块与传感器模块、蓝牙模块和中央处理单元单向电性连接，用于为其提供电力；其特征在于：
所述传感器模块用于采集使用者在行走过程中的膝关节弯曲角度、脚底倾斜角度以及腿的摆动加速度；
所述中央处理单元用于对传感器模块采集的数据进行处理，计算出使用者的步行周期、步长、步频和步速，并结合人体正常步态参数范围进行比对，判断出使用者的步态健康状况；
所述蓝牙模块用于将使用者的步行周期、步长、步频和步速以及使用者的步态健康状况发送到与其建立无线通信连接的智能手机或助行装置的显示界面上。
2.根据权利要求1所述的步态检测环，其特征在于：所述传感器模块中设置有陀螺仪和加速度计，所述陀螺仪用于采集使用者的膝关节弯曲角度和脚底倾斜角度的步态角度数据，所述加速度计用于采集使用者的腿的摆动加速度数据。
3.根据权利要求2所述的步态检测环，其特征在于：在使用者步行过程中，若后一个步态角度和腿的摆动加速度这两个数据，与前一个步态角度和腿的摆动加速度相同或趋近相同时，则认为使用者行进了一个步行周期，并记录该步行周期的时间值。
4.根据权利要求3所述的步态检测环，其特征在于：一个步行周期的行进步数记为n＝2，包括左脚和右脚各行进一步，总步数N依次累加，以实现统计步数功能。
5.根据权利要求4所述的步态检测环，其特征在于：使用者的腿长为l，一个步行周期内，使用者同侧脚的跨距角度为θ，通过公式L2＝l2+l2-2l2cosθ计算使用者的步长L，单位是cm。
6.根据权利要求5所述的步态检测环，其特征在于：将使用者行走的总步数N，结合该步态检测环与智能手机或助行装置同步之后的计步总时间T，得出步频f＝N/T，单位是steps/min。
7.根据权利要求6所述的步态检测环，其特征在于：将使用者行走的总步数N，结合使用者的步长L，得出行走的总距离S＝N*L；再结合计步总时间T，得出步速v＝S/T，单位是m/min。
8.根据权利要求1所述的步态检测环，其特征在于：所述人体正常步态参数范围包括：步行周期：1～1.32s；步长：50～80cm；步频：95～125steps/min；步速：65～95m/min；将步态健康状况分为I级和II级，I级的步态参数在人体正常步态参数范围内，表明使用者步态健康状况正常；II级的步态参数在人体正常步态参数范围外，表明使用者步态健康状况欠佳。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的步态检测环，其特征在于，其工作流程包括以下步骤：
步骤S410、当使用者佩戴步态检测环进行行走锻炼时，通过智能手机或助行装置上的相关APP开启步态检测环的工作模式；
步骤S420、所述传感器模块开始采集运动数据，包括步骤S422和步骤S424；
步骤S422、所述加速度计采集使用者的腿的摆动加速度数据；
步骤S424、所述陀螺仪采集使用者的膝关节弯曲角度和脚底倾斜角度的步态角度数据；
步骤S430、所述中央处理单元接收传感器模块采集的数据；
步骤S440、所述中央处理单元对接收的数据进行处理，计算出使用者的步行周期、步长、步频和步速；
步骤S450、所述蓝牙模块接收使用者的步行周期、步长、步频和步速；
步骤S460、所述蓝牙模块将使用者的步行周期、步长、步频和步速无线传输至与其连接的智能手机或助行装置的显示界面上；
步骤S470、所述中央处理单元将使用者的步行周期、步长、步频和步速，与人体正常步态参数范围进行比较，得出使用者的步态健康状况，并通过蓝牙模块将该步态健康状况无线传输至与其连接的智能手机或助行装置的显示界面上；
步骤S480、所述智能手机或助行装置判断步态检测环的工作模式是否关闭，是则进入步骤S490，否则返回步骤S420；
步骤S490、停止步态检测环的工作模式。
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