CN110037707A - 精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种精准识别步态的可穿戴足底‑地面接触力测量装置及方法，涉及生物医学工程和机械电子工程交叉技术领域。该装置包括前承载架、后承载架、固定部、测量电路、保护罩及信号采集器；前承载架和后承载架通过可调长度连杆连接；前承载架上和后承载架上均安装有固定部；测量电路布置在前承载架和后承载架的凹槽内；两个保护罩分别放置在前承载架和后承载架的凹槽上；测量电路包括两个并联的传感器元器件，每个传感器元器件与一个电阻串联后接地；每个传感器元器件的输出端均连接到信号采集器。本发明提供的可穿戴足底‑地面接触力测量装置及方法，能够在足底大冲击力、地面凹凸不平、频繁弯曲变形等条件下使用，并具有高可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及生物医学工程和机械电子工程交叉的技术领域，尤其涉及一种精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量装置及方法。
背景技术
老龄化已经成为世界性的问题，并越来越严重，预计到2050年老龄人口总数将会占到总人口的23％。老年痴呆、脑血栓、偏瘫、糖尿病等老年性疾病、交通事故等导致了大量的下肢失能人群。对于下肢患病人群的康复治疗已经成为急需解决的社会问题。人的站立、行走等行为是需要足底与地面接触的，人的足底与地面的接触力是描述人体下肢行为的一种物理量，其接触力特征和变化模式也是评价患者的下肢步态健康状况的指标。
但是，传统的获取下肢步态行为的方式有惯性测量单元、压阻式压力传感器。惯性测量单元可以较好地识别的步态周期，但是其成本较高，穿戴不方便，并且难以准确获取各个步态周期经历的时间。压阻式压力传感器应用于足底，但是对于凹凸不平的路面，其使用效果差，同样难以方便的获取各个步态周期经历的时间，对于足底复杂的使用环境，压阻式压力传感器可靠性较差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量装置及方法，对描述足底行为模式的足底-地面接触力信号特征进行实时识别与输出，进而实现准确快速地获取穿戴者站立、行走、跳跃、上楼梯、下楼梯的行为模式。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一方面，本发明提供一种精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量装置，包括前承载架、后承载架、五个固定部、两个测量电路、两个保护罩及信号采集器；所述前承载架和后承载架通过可调长度连杆连接；所述前承载架上安装有两个固定部，后承载架上安装有三个固定部；所述前承载架和后承载架均包括凹槽结构，凹槽内均布置测量电路；所述两个保护罩均包括三个凸台结构，分别通过固定部固定连接在前承载架和后承载架的上，保护罩的凸台之间的薄壁下面安装测量电路中的元器件，当薄壁承受一定的垂直向下的力时，薄壁会弯曲并触发下面的测量电路中的元器件，这种薄壁与凸台的结构会增加测量装置的灵敏度，并且防止凹槽内测量电路中元器件的损坏；所述测量电路包括两个并联的传感器元器件，每个传感器元器件与一个电阻串联后接地；每个传感器元器件的输出端均连接到信号采集器，采集传感器元器件的数据。
优选地，所述五个固定部均为T形结构，用于固定前承载架和后承载架，同时，五个固定部上均设置有一个矩形孔。
优选地，所述前承载架上安装的两个固定部分别位于前承载架的左右两侧，后承载架上安装的三个固定部分别位于后承载架的左右两侧及后侧。
优选地，所述前承载架、后承载架、五个固定部及两个保护罩均采用弹性材料制作。
优选地，所述前承载架凹槽内测量电路包括的两个并联的传感器元器件的安装位置位于前脚掌的左右两侧，一个位于前脚掌压力中心的位置，另一个位于另一侧的对称位置；所述后承载架凹槽内测量电路包括的两个并联的传感器元器件的安装位置，避开了后脚跟的压力最大的位置，位于脚后跟压力中心的两侧。
优选地，所述传感器元器件采用按钮或开关。
优选地，所述前承载架、内置其凹槽内的测量电路、两个固定部和一个保护罩共同组成前足底力测量传感器，所述后承载架、内置其凹槽内的测量电路、三个固定部和一个保护罩共同组成后足底力测量传感器，两个传感器单独使用或通过可调长度连杆连接后同时使用。
优选地，所述信号采集器采用STM32单片机采集足底-地面接触力信号，包括两种采集方式，一种是通过STM32单片机的I/O端口读取传感器元器件输出的数字信号，另一种是通过STM32单片机控制AD转换芯片采集传感器元器件的输出信号。
另一方面，本发明还提供一种精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量方法，包括以下步骤：
步骤1、通过绑带穿过可穿戴足底-地面接触力测量装置的固定部上的矩形孔，将可穿戴足底-地面接触力测量装置穿戴在测量者左脚和右脚上；
步骤2、由信号采集器采集足底-地面接触力信号，并通过2.4G无线串口将数据发送给上位机，上位机通过读取串口获得传感器元器件的数据，并将加时间戳后的数据保存到文件中；
步骤3、在上位机中，将数据进行滤波处理，通过BP神经网络进行穿戴者行走时脚底接地状态的识别，进而判断穿戴者的重心位于左脚还是右脚上，以及判别穿戴者是行走还是跳跃动作，具体方法为：
首先将采集到的传感器数据传到上位机进行中值滤波的预处理，去除抖动，然后比较左右脚的可穿戴足底-地面接触力测量装置的输出值：
(1)当右脚后脚跟和前脚掌的传感器的输出值VR_H和VR_F都等于1时，继续判断左脚后脚跟和前脚掌的传感器的输出值VL_H和VL_F，如果VL_H和VL_F都等于1，则此时为双足支撑的状态；如果VL_H和VL_F不都等于1，则此时为重心在右足的状态；
(2)当右脚后脚跟和前脚掌的传感器的输出值VR_H和VR_F都不等于1时，继续判断左脚后脚跟和前脚掌的传感器的输出值VL_H和VL_F，如果VL_H和VL_F都等于1，则此时为重心在左足的状态；如果VL_H和VL_F不都等于1，这时继续进行下一步的判断，如果VR_H、VR_F、VL_H和VL_F都等于0，则此时为跳跃腾空状态。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量装置及方法，采用热塑性聚氨酯弹性体橡胶材料制作的特殊结构的外穿式足底压力测量装置，能够在足底大冲击力、地面凹凸不平、频繁弯曲变形等条件下使用，并具有高可靠性；该装置可对描述足底行为模式的足底-地面接触力信号特征进行实时识别与输出，进而能够准确快速方便地获取穿戴者站立、行走、跳跃、上楼梯、下楼梯的行为模式。
附图说明
图1为本发明实施例提供的精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的测量电路的电路连接示意图；
图3为本发明实施例提供的测量电路包括的两个并联的传感器元器件的安装位置示意图，其中，(a)为前承载架凹槽内的测量电路中两个并联的传感器元器件的安装位置(b)为前承载架凹槽内的测量电路中两个并联的传感器元器件的安装位置；
图4为本发明实施例提供的固定部的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量方法的流程图；
图6为本发明实施例提供的通过BP神经网络进行穿戴者行走时脚底接地状态识别的流程图；
图7为本发明实施例提供的采用本发明的精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量进行站立、行走、跳跃、上楼梯、下楼梯五种动作的特征识别结果图。
图中：1、前承载架；2、后承载架；3、固定部；4、保护罩；5、可调长度连杆；6、传感器元器件；7、传感器元器件输出端。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例中，精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量装置，如图1所示，包括前承载架1、后承载架2、五个固定部3、两个测量电路、两个保护罩4及信号采集器；所述前承载架1和后承载架2通过可调长度连杆5连接；所述前承载架1采用矩形结构，其上安装有两个固定部3，后承载架2采用半圆形结构，其上安装有三个固定部3，所有固定部3均用于固定承载架；前承载架1上安装的两个固定部3分别位于前承载架1的左右两侧，后承载架2上安装的三个固定部3分别位于后承载架2的左右两侧及后侧；前承载架1、后承载架2及五个固定部3可以做成一体的结构，并通过可调长度连杆5使该测量装置适合不同穿戴者；所述前承载架1和后承载架2均包括凹槽结构，凹槽内均布置测量电路；所述两个保护罩4均包括三个凸台结构，分别通过固定部3固定连接在前承载架1和后承载架2上，保护罩4的凸台之间的薄壁下面安装测量电路中的元器件6，当薄壁承受一定的垂直向下的力时，薄壁会弯曲并触发下面的测量电路中的元器件6，这种薄壁与凸台的结构会增加测量装置的灵敏度，并且防止凹槽内测量电路中元器件的损坏；保护罩4的上面与鞋底接触，在脚掌离开地面时，使测量电路中元器件6迅速恢复静息状态，提高元器件的灵敏度和响应能力。所述测量电路如图2所示，包括两个并联的传感器元器件6，每个传感器元器件6与一个10KΩ电阻串联后接地；前承载架1凹槽内测量电路包括的两个并联的传感器元器件6的安装位置位于前脚掌的左右两侧，如图3(a)所示，其中一个位于前脚掌压力中心的位置，另一个位于另一侧的对称位置，使传感器元器件6在前脚掌接触地面的时候，能够保持动作状态。穿戴者的脚落地时，前脚掌承受比后脚跟小的冲击力，因此这样设计两个测量元器件6的安装位置，不会使元器件6承受很大的冲击力而产生损坏。后承载架2凹槽内测量电路包括的两个并联的传感器元器件6的安装位置，避开了后脚跟的压力最大的位置，位于脚后跟压力中心的两侧，如图3(b)所示，防止在后脚跟与地面剧烈接触的时候，传感器元器件6受到过大的力而损坏，同时保证传感器元器件6产生较好的测量效果。每个传感器元器件6的输出端均连接到信号采集器，采集传感器元器件的数据。所述前承载架1、内置其凹槽内的测量电路、两个固定部3和一个保护罩4共同组成前足底力测量传感器。所述后承载架2、内置其凹槽内的测量电路、三个固定部3和一个保护罩4共同组成后足底力测量传感器。两个传感器可单独使用，也可通过可调长度连杆5连接后同时使用。
五个固定部3均为T形结构，如图4所示，用于固定前承载架1和后承载架2，同时，五个固定部上均设置有一个矩形孔。
所述前承载架1、后承载架2、五个固定部3及两个保护罩4均采用弹性材料制作，如使用TPU(热塑性聚氨酯弹性体橡胶)弹性材料进行3D打印或者硅橡胶固化成型等。弹性材料具有较好的韧性和变形恢复能力，有利于提高测量装置的耐用性和灵敏度。
所述传感器元器件6采用按钮或开关，本实施例中，传感器元器件6采用汽车遥控器开关。
所述信号采集器采用STM32单片机采集足底-地面接触力信号，包括两种采集方式，一种是通过STM32单片机的I/O端口读取传感器元器件6输出的数字信号，另一种是通过STM32单片机控制AD转换芯片采集传感器元器件6的输出信号。
精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量方法，如图5所示，包括以下步骤：
步骤1、通过绑带穿过可穿戴足底-地面接触力测量装置的固定部3上的矩形孔，将可穿戴足底-地面接触力测量装置穿戴在测量者左脚和右脚上；
步骤2、由信号采集器采集足底-地面接触力信号，并通过2.4G无线串口将数据发送给上位机，上位机通过读取串口获得传感器的数据，并将加时间戳后的数据保存到文件中；
步骤3、在上位机中，将数据进行滤波处理，通过BP神经网络进行穿戴者行走时脚底接地状态的识别，进而判断穿戴者的重心位于左脚还是右脚上，以及判别穿戴者是行走还是跳跃动作，如图6所示，具体方法为：
首先将采集到的传感器数据6传到上位机进行中值滤波的预处理，去除抖动，然后比较左右脚的传感器元器件的输出值：
(1)当右脚后脚跟的传感器元器件6的输出值VR_H和右脚前脚掌的传感器元器件6的输出值VR_F都等于1(高电平输出)时，继续判断左脚后脚跟的传感器元器件6的输出值VL_H和左脚前脚掌的传感器元器件6的输出值VL_F的输出值，如果VL_H和VL_F都等于1，则此时为双足支撑的状态；如果VL_H和VL_F不都等于1，则此时为重心在右足的状态；
(2)当右脚后脚跟的传感器元器件6的输出值VR_H和右脚前脚掌的传感器元器件6的输出值VR_F都不等于1时，继续判断左脚后脚跟的传感器元器件6的输出值VL_H和左脚前脚掌的传感器元器件6的输出值VL_F的输出值，如果VL_H和VL_F都等于1，则此时为重心在左足的状态；如果VL_H和VL_F不都等于1，继续进行下一步的判断，如果VR_H、VR_F、VL_H和VL_F都等于0(低电平输出)，则此时为跳跃腾空状态。
本实施例中，将足底-地面接触力测量装置穿戴在使用者的鞋底部，当穿戴者处于站立状态时，足底-地面接触力测量装置中前脚掌和后脚跟处的所有传感器元器件6均处于触发状态，信号输出端输出信号均为1(高电平输出)；当某一脚掌或脚跟处于离地状态时，其对应位置的压力检测装置的所有传感器元器件6处于断开状态，信号输出端输出信号均为0(低电平输出)。
实验测试阶段，使用STM32单片机采集被测人员分别处于站立、行走、跳跃、上楼梯、下楼梯五种动作状态下的足底-地面接触力测量装置中各传感器元器件6的输出信号。在站立状态，双脚脚跟脚掌均着地，因此各传感器元器件6的输出信号均为高电平输出；行走阶段，普通人的行走模式是左右脚交替悬空，在该模式下，各传感器元器件6的输出信号特征表现为高低电平交替输出；跳跃阶段，在跳跃腾空状态，人体左右脚均处于悬空状态，足底压力检测信号端输出均是低电平输出；上下楼梯阶段，一方面，双腿交替向上踩台阶，足底压力信号表现为高低电平交替输出，另一方面，在上下楼梯过程中，人体重心发生较大偏移，同时人体步伐的频率以及脚部着地的施力集中点与在平地环境下行走模式相比有很大区别，综合多种因素可以实现特征提取，进行站立、行走、跳跃、上楼梯、下楼梯五种动作的特征识别，识别结果如图7所示。
本实施例中，采用本发明的足底-地面接触力测量装置可以测出使用者在行走时每只脚与地面接触时间，以及每只脚处于摆动状态的时间，因此该测量装置可以较快的获取使用者行走或跳跃时各个姿态的经历的时间。行走阶段特征包括全脚接地，后脚跟离地，前脚掌离地，后脚跟接地，前脚掌接地，以及单足支撑期。跳跃阶段特征包括起跳单脚离地，空中双脚离地，单脚接地站立，双脚接地站稳。基于上述特征，通过BP神经网络，可准确快速方便地获取穿戴者站立、行走、跳跃、上楼梯、下楼梯的行为模式。本实施例中，单次解码时间为8毫秒，识别正确率为96.59％。该足底-地面接触力测量装置的数据采样频率为130Hz，对穿戴者行走、跳跃行为模式识别的识别速度能够达到微秒级，故该足底-地面接触力测量装置的实时单次解码时间能够达到8(1000/130≈7.69)毫秒。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。
Claims (10)
1.一种精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量装置，其特征在于：包括前承载架、后承载架、五个固定部、两个测量电路、两个保护罩及信号采集器；所述前承载架和后承载架通过可调长度连杆连接；所述前承载架上安装有两个固定部，后承载架上安装有三个固定部；所述前承载架和后承载架均包括凹槽结构，凹槽内均布置测量电路；所述两个保护罩均包括三个凸台结构，分别通过固定部固定连接在前承载架和后承载架的上，保护罩的凸台之间的薄壁下面安装测量电路中的元器件，当薄壁承受一定的垂直向下的力时，薄壁会弯曲并触发下面的测量电路中的元器件，这种薄壁与凸台的结构会增加测量装置的灵敏度，并且防止凹槽内测量电路中元器件的损坏；所述测量电路包括两个并联的传感器元器件，每个传感器元器件与一个电阻串联后接地；每个传感器元器件的输出端均连接到信号采集器，采集传感器元器件的数据。
2.根据权利要求1所述的精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量装置，其特征在于：所述五个固定部均为T形结构，用于固定前承载架和后承载架，同时，五个固定部上均设置有一个矩形孔。
3.根据权利要求2所述的精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量装置，其特征在于：所述前承载架上安装的两个固定部分别位于前承载架的左右两侧，后承载架上安装的三个固定部分别位于后承载架的左右两侧及后侧。
4.根据权利要求2所述的精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量装置，其特征在于：所述前承载架、后承载架、五个固定部及两个保护罩均采用弹性材料制作。
5.根据权利要求1所述的精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量装置，其特征在于：所述前承载架凹槽内测量电路包括的两个并联的传感器元器件的安装位置位于前脚掌的左右两侧，一个位于前脚掌压力中心的位置，另一个位于另一侧的对称位置；所述后承载架凹槽内测量电路包括的两个并联的传感器元器件的安装位置，避开了后脚跟的压力最大的位置，位于脚后跟压力中心的两侧。
6.根据权利要求1所述的精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量装置，其特征在于：所述传感器元器件采用按钮或开关。
7.根据权利要求1所述的精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量装置，其特征在于：所述前承载架、内置其凹槽内的测量电路、两个固定部和一个保护罩共同组成前足底力测量传感器，所述后承载架、内置其凹槽内的测量电路、三个固定部和一个保护罩共同组成后足底力测量传感器，两个传感器单独使用或通过可调长度连杆连接后同时使用。
8.根据权利要求1所述的精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量装置，其特征在于：所述信号采集器采用STM32单片机采集足底-地面接触力信号，包括两种采集方式，一种是通过STM32单片机的I/O端口读取传感器元器件输出的数字信号，另一种是通过STM32单片机控制AD转换芯片采集传感器元器件的输出信号。
9.一种精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量方法，采用权利要求1所述的精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量装置进行测量，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、通过绑带穿过可穿戴足底-地面接触力测量装置的固定部，将可穿戴足底-地面接触力测量装置穿戴在测量者左脚和右脚上；
步骤2、由信号采集器采集足底-地面接触力信号，并通过2.4G无线串口将数据发送给上位机，上位机通过读取串口获得传感器元器件的数据，并将加时间戳后的数据保存到文件中；
步骤3、在上位机中，将数据进行滤波处理，通过BP神经网络进行穿戴者行走时脚底接地状态的识别，进而判断穿戴者的重心位于左脚还是右脚上，以及判别穿戴者是行走还是跳跃动作。
10.根据权利要求9所述的精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量方法，其特征在于：所述步骤3的具体方法为：
首先将采集到的传感器数据传到上位机进行中值滤波的预处理，去除抖动，然后比较左右脚的可穿戴足底-地面接触力测量装置的输出值：
(1)当右脚后脚跟和前脚掌的传感器的输出值VR_H和VR_F都等于1时，继续判断左脚后脚跟和前脚掌的传感器的输出值VL_H和VL_F，如果VL_H和VL_F都等于1，则此时为双足支撑的状态；如果VL_H和VL_F不都等于1，则此时为重心在右足的状态；
(2)当右脚后脚跟和前脚掌的传感器的输出值VR_H和VR_F都不等于1时，继续判断左脚后脚跟和前脚掌的传感器的输出值VL_H和VL_F，如果VL_H和VL_F都等于1，则此时为重心在左足的状态；如果VL_H和VL_F不都等于1，继续进行下一步的判断，如果VR_H、VR_F、VL_H和VL_F都等于0，则此时为跳跃腾空状态。
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