CN110063876A - 步行辅助系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种步行辅助系统，包括穿着于用户足部的触觉指示设备和由所述用户携带的视觉指示设备，所述视觉指示设备包括用于在所述用户行走前方地面投射视觉指示光标志的光源，以及所述触觉指示设备包括为所述用户足部提供振动指示的振动源。本发明可以改善用户的运动情况。
Description
技术领域
本发明涉及辅助医疗康复技术，尤其的，涉及一种较佳地适用于如帕金森病患者的步行辅助系统。
背景技术
帕金森病(PD)是主要影响运动系统的中枢神经系统的长期退行性病症。帕金森病患者通常具有不同程度的运动障碍症状。例如，帕金森病患者常有医学上称为“冻结步态(Freezing ofGait,FoG)”的情况，其具体表现为行走变得犹豫不决，甚至可能完全停止。大约26％的轻微帕金森病患者和80％的严重帕金森病患者受到“冻结步态”的影响，这是患者发生跌倒的常见原因。这可能发生在转弯，开始行走，到达门口或厕所等狭窄空间的目的地，以及在听见敲门或电梯门打开等紧张的情况下。它也可能出现在无法预料的没有任何外部触发的情况下。这些不良于行的情况使得患者不太自信，不愿意去户外。一些患者可能不得不使用轮椅，尽管他们的腿可以移动，从而降低了他们的生活质量。
患者的行动能力与其认知功能，特别是执行功能和注意力有关。有人认为，与不具有“冻结步态”的PD患者相比，具有“冻结步态”的PD患者的认知功能通常受损。认知注意线索策略通过提供可以是听觉，视觉，触觉等形式的提示，已经显示出在克服FoG方面的改善。它有助于患者的运动学习，在平衡，跌倒风险，冻结，速度和步幅，甚至在节奏减少(一分钟内行进的步数)等方面显示出显著的改善。
发明内容
本发明提供了一种步行辅助系统，包括穿着于用户足部的触觉指示设备和由所述用户携带的视觉指示设备，所述视觉指示设备包括用于在所述用户行走前方地面投射视觉指示光标志的光源，以及所述触觉指示设备包括为所述用户足部提供振动指示的振动源。
在一种实施例中，所述视觉指示设备还包括感知环境光强度的光传感器以及根据所述光传感器感知结果调节光源输出功率的光强度自动调节电路。
在一种实施例中，所述视觉指示设备还包括检测所述光源的光束输出口与地面的倾角的倾斜传感器，以及当检测到的倾角大于预定角度时，关闭所述光源的处理器。
在一种实施例中，所述视觉指示设备还包括检测用户运动姿态的运动传感器。
在一种实施例中，所述视觉指示设备还包括检测用户所处地理位置的GPS模块。
在一种实施例中，所述视觉指示设备还包括通信模块，所述通信模块包括与其他设备进行短距通信的蓝牙模块，以及与后台服务器进行长距通信的SIM卡模块。
在一种实施例中，所述视觉指示设备包括通过旋转接头与视觉指示设备的壳体连接的底座，所述底座上设置有用于将所述视觉指示设备夹持于用户服饰上的夹具。
在一种实施例中，所述触觉指示设备外形为鞋垫形式，所述触觉指示设备包括按预定分布模式分布在所述触觉指示设备上的多个力传感器。
在一种实施例中，所述触觉指示设备的振动源包括定时振动的主动振动模式，以及当发现用户脚跟撞击时的被动振动模式，所述视觉指示指示设备包括当检测到用户跌倒时发出跌倒警报的跌倒警报模块。
在一种实施例中，所述步行辅助系统，还包括与所述视觉指示设备和/或触觉指示设备通过蓝牙连接的智能移动设备，所述智能移动设备收集来自视觉指示设备和触觉指示设备的所有数据，并通过互联网将数据发送到后台服务器。
本发明的步行辅助系统，通过视觉指示设备和触发指示设备，分别为用户，例如帕金森病患者行走时提供视觉指示和振动指示，能够促使用户克服例如冻结步态，改善其运动情况。
附图说明
在下文中，基于各个示例性实施方式的示意图更详细地阐述本发明。
图1A和1B是本发明实施例的步行辅助系统的视觉指示设备的不同方向的外观示意图。
图2是本发明实施例的步行辅助系统的视觉指示设备的旋转接头分解示意图。
图3是本发明实施例的步行辅助系统的视觉指示设备的系统结构图。
图4是本发明实施例的光源控制流程图。
图5是本发明实施例的步行辅助系统的触觉指示设备的透视图。
图6是用户佩戴本发明实施例的步行辅助系统的示意图。
图7是本发明实施例的步行辅助系统的通信架构图。
图8是本发明实施例的跌倒检测流程图。
具体实施方式
下文结合附图对本发明实施例的步行辅助系统做详细说明。
参见图1A-3。图1A-3示出了根据本发明的优选实施例的视觉指示设备10。视觉指示设备10可以供用户，例如帕金森病患者佩戴在身上以为其提供视觉指示。视觉指示设备10可以有多种佩戴方式。参见图1A-2，视觉指示设备10具有壳体11，其形成用于容纳视觉指示设备10的组成部件的容纳空间。壳体11可以通过旋转接头70在底座15上水平旋转。参见图2，旋转接头包括安装在底座15上的杯体71，杯体71用于保持球体72。球体72上具有可供杆74插入的孔。盖73安装在杯体71上以将球体72固定于球体72上。光源12设置在支架75上，由螺钉76将光源12固定就位在支架75。支架75被安装在杆74上。杯体71、球体72、盖73和杆74提供了3个自由度(DOF)，而支架75提供了1个自由度，从而光源12共有4个自由度。需要理解的是，图2所示结构仅仅是旋转接头的一个示例，旋转接头的结构不限于此，其可以有其他形式的为光源提供多个自由度的结构。光源的自由度也不限于4个，也可以根据需要设置为更多或更少的自由度。
可以在底座15上设置夹具14，以将视觉指示设备10夹持到用户的服饰，例如裤子或者腰带上。夹具14可以从底座15上拆卸下来。视觉指示设备10还可以例如在底座15上设置头带，以将视觉指示设备10佩戴于用户头部。视觉指示设备10也可以提供夹扣或绑带，以将其夹持或者绑在用户手持的拐杖上。视觉指示设备10的电源电路，例如包括锂电池，以及充放电电路，可以设置在壳体11内，也可以设置在底座15上。
视觉指示设备10可以包括：光源12，光传感器13，处理器16、光强度自动调节电路16a，倾斜传感器17a、运动传感器17b、GPS模块18、通信模块19。
光源12用于向地面投射视觉指示光束，以便在地面形成视觉指示光标志。据医学研究发现，若在帕金森病患者行走前方出现障碍物或提示，会刺激患者大脑产生想要跨过它的意愿，从而能够改善患者的“冻结步态”。光源12投射出的视觉指示光标志可以起到这样的作用。视觉指示光标志的形状并不受限，其例如可以是光线(例如垂直于用户前行方向的横直光线，或者是半圆弧光线)，光点，光环(圆环、方形环等等各种形状)。该视觉指示光标志被投射于视觉指示设备用户的前方。用户可以踩至该光标志或迈步越过该光标志。用户的脚和光标志之间的距离是可调的。该光标志因而可以辅助用户开始行走并保持步幅。
光源12发出的视觉指示光束的光强度可以通过光强度自动调节电路16a来调节，其取决于周围的光强度。光传感器13可以检测周边环境的光强度，例如，当在室外阳光充足环境下，基于光传感器13检测的环境强光信号，处理器16可以发出控制信号，控制光强度自动调节电路16a提高光源12发出的视觉指示光束的光强度，以在强光环境下提供足够亮度的视觉指示光标志，以便用户能够在此环境下看清视觉指示光标志。当在室内环境下，基于光传感器13检测的环境弱光信号，处理器16可以发出控制信号，控制光强度自动调节电路16a降低光源12发出的视觉指示光束的光强度，降低室内弱光环境下视觉指示光标志的亮度，从而保护用户的眼睛。这样的光强度自动调节也能确保视觉指示设备10的电源，如锂电池中的储能被合理使用。此外，光源12的开关间隔时间也可以进行调整，例如，光源12可以打开5秒后再关闭5秒，或者，光源12可以打开10秒后再关闭5秒。参见后文，这些调整可以通过例如智能移动设备上的APP进行调整，可以有多种模式来重置“开”或“关”的时间间隔。
视觉指示设备10中还设置有倾斜传感器17a，用于检测光源12的光束输出口与地面的倾角。一般的，要求视觉指示光束向用户前方投射，即视觉指示光束与人体垂直方向呈一定角度，当视觉指示光束与人体垂直方向夹角为0度，即视觉指示光束投射方向垂直于地面时，此时投射出的视觉指示光标志就在用户脚下，基本起不到促使用户起步的效果，此时可以关闭光源12。随着上述夹角角度的增大，视觉指示光标志投射到的地面位置与用户越来越远，但通常视觉指示光标志的所在位置与用户的距离应保持在适当范围，一方面可以促使“冻结步态”的用户迈步，另一方面又不会距离过远而导致用户因根本不可能到达的失望而放弃，或者因强行迈大步而导致的跌倒风险。另一方面，当视觉指示光束与人体垂直方向夹角为90度或甚至大于90度，则视觉指示光束与地面平行甚至向天空投射，这样不仅失去视觉提示效果，所发出的光束还会对其他行人造成干扰。这种情况下也应当关闭光源。总之，通过倾斜传感器17a检测光源12的光束输出口与地面的倾角，可以在合适的倾角范围，例如大于0度，小于45度的范围，开启光源，而在其他倾角范围，关闭光源。其可以合理起到提示作用，也可以保障用户及其他人的安全。此外，参见图1，通过旋转接头的旋转，夹具的纵向轴线可以与光束投射方向在同一平面；参见图2，夹具的纵向轴线也可以与光束投射方向垂直。需要理解的是，图1和图2仅仅为一示例，夹具可以旋转至与光束投射方向呈任意角度。
视觉指示设备10还可以包括运动传感器17b。运动传感器17b优选可以是9轴(多轴，包括但不限于9轴)的IMU(Inertial Measurement Unit，惯性测量单元)传感器。运动传感器可以检测用户的运动姿态，例如其可以包括：3轴加速度计检测用户行走时的加速度，3轴陀螺仪检测用户行走时的迈步角度，3轴倾角仪检测用户行走时的身体倾角。运动传感器17b可以将检测到的数据传输到视觉指示设备10的处理器16进行步态分析，包括脚跟着地检测、步长量化、左右脚识别等等。
视觉指示设备10还可以包括GPS模块18以检测用户所处的地理位置。视觉指示设备10也可以包括通信模块19来与其他设备进行通信。在一种实施例中，通信模块可以包括蓝牙模块，以与其他设备进行短距通信，通信模块还可以包括SIM卡模块，以与例如后台服务器通过GSM/GPRS/3G/4G等网络进行长距通信或提供互联网连接，从而可以将数据上传至后台服务器或从后台服务器下载数据。
参见图4。图4显示了本发明实施例的光源控制流程。光源控制流程开始于视觉指示设备的倾斜传感器的状态检查(S401)。基于预先设置，其检查光源的光束输出口与地面的倾角是否大于特定角度(例如，45度)(S402)。如是，则关闭光源(S403)，流程返回至步骤S401。如否，则从运动传感器和/或力传感器(参见后文)接收数据(S404)，进而根据这些数据检查用户步态的规则性(S405)。根据步态不规则是否确定(S406)，流程进行不同处理。如果步态确定为规则，则流程继续确定光源是否开启(S407)，若开启，则关闭光源(S408)，随后流程返回至步骤S401；若未开启，流程直接返回至步骤S401。另一方面，当确定为步态不规则，则从光传感器接收数据(S409)，随后检查环境光强度(S410)，并根据环境光强度，通过光强度自动调节电路调节到光源的功率(S411)，随后如果光源未开启，则开启光源(S412)，流程之后返回至步骤S401。
图5示出了根据本发明优选实施例的触觉指示设备20。在图5的示例中，其可以是一对鞋垫的形式。鞋垫的基部24适合使用者的脚部尺寸并为用户脚部提供支撑。可以在基部24设置触觉指示设备20的电源电路，通常包括锂电池和充放电电路。充电插座23位于鞋垫的脚后跟部分。触觉指示设备20还包括处理器21、振动源22和力传感器25。力传感器25可以为多个，图3示例性的示出为3个，多个力传感器25可以按一定模式分布在鞋垫上，在运动过程中测量脚部不同部位的压力，从而可以提供压力分布轮廓的检测。需要理解的是，图3仅是一种示例的预定分布模式，力传感器25的数量及其分布位置可以由用户预先设置，例如，其可以是覆盖整个鞋垫区域的力传感器阵列，以便精确地测量脚部不同部位的压力。力传感器25可以将数据传输到处理器21，以便处理器21在步态的不同阶段映射和分析力分布。处理器21可以分析来自力传感器25的数据，控制振动源22的输出。与视觉指示设备10类似，触觉指示设备20也可以包括通信模块来与其他设备进行通信。在一种实施例中，通信模块可以包括蓝牙模块，以与其他设备，例如视觉指示设备10进行短距通信。
优选地，振动源22包括振动电机。振动电机可以给用户提供触觉提示。可以有两种提示模式。一种是被动提示，即当发现脚跟撞击时，电机振动。另一种是主动提示，即振动电机每隔一段时间主动振动一次。可以由两个鞋垫交替振动，生成一个步行节拍。用户可以按照振动提示左右脚行走，保持波普尔(Popper)步态周期和速度。
此外，类似于视觉指示设备10，触觉指示设备20也可以包括运动传感器来检测用户脚部的运动，并将数据传递给处理器21进行步态分析。
如图6所示，视觉指示设备10藉由夹具14安装在用户50的腰带51上，而触觉指示设备20安装在用户50的鞋内。当视觉指示设备10的光源12开启，其投射视觉指示光标志60到用户50的行走方向的前方地面以提供给用户视觉指示。触觉指示设备20以规律的间隔或当检测到脚跟撞击时产生振动以提供给用户50触觉指示。用户50在步行中遵循上述视觉和触觉提示，从而减少“冻结步态”的发生并改善其步态的表现。
参见图7。图7图示了本发明优选实施例的步行辅助系统的各设备之间的通信。除上述视觉指示设备10和触觉指示设备20外，步行辅助系统还可以包括智能移动设备30。智能移动设备30例如可以是装载有安卓系统，或苹果iOS系统的智能手机或平板电脑等智能计算装置。则视觉指示设备10和触觉指示设备20可以通过蓝牙向智能移动设备30发送数据。或者，考虑到通常来说视觉指示设备10的佩戴位置更靠近智能移动设备，可以先由触觉指示设备20将数据传递给视觉指示设备10，再由视觉指示设备10将数据传递给智能移动设备30。用户在智能移动设备30上的输入可以被处理并通过蓝牙传递给视觉指示设备10和触觉指示设备20，或者，先传至视觉指示设备10，再由视觉指示设备10传至触觉指示设备20。智能移动设备30收集来自视觉指示设备10和触觉指示设备20的所有数据，然后通过互联网发送到后台服务器40。智能移动设备30也可以从后台服务器40请求过去的数据用于数据可视化。数据可视化例如包括：显示每个设备的电池状况，以便用户知道何时需要充电。用户也可以读取历史记录，实时数据和性能报告。性能报告向用户显示是否有冻结步态发生，是否有步态上的改进以及提供建议。除数据可视化外，智能移动设备30还可以自定义设置和联网功能。用户可以设置激光强度范围，振动源22的振动模式和振动间隔。智能移动设备30还可以是智能药盒或者智能手表，步态分析的数据可以和智能移动设备的数据结合，以得到关于患者的病况的更有价值的信息，例如，持续监视以确定患者的病况是得到改善还是没有进展。
通过结合运动传感器和力传感器的数据，步行辅助系统中的例如视觉指示设备可以高精度地识别用户的步行姿势，其同时也可以执行跌倒检测功能(例如通过处理器中的跌倒警报模块)。跌倒检测例如可以通过前文所述的力传感器和IMU传感器的检测来实现。当检测到步态周期中的运动剧烈变化，力传感器检测到的压力分布轮廓异常，则处理器判断为可能是跌倒情况。当判断为用户跌倒时，跌倒警报和用户的当前位置被发送到预先注册的例如家人或朋友的电话号码。
参见图8，本发明实施例的跌倒检测流程包括：视觉指示设备从运动传感器接收数据(S801)，而后进行模式识别(S802)，确认是否为跌倒检测模式(S803)，如否，则流程返回至步骤S801。如是，则从力传感器接收数据(S804)，据此检查异常的力分布(S805)，确定是否存在异常力分布(S806)。如果没有检查到，则流程返回至步骤S801。如果检查到异常力分布，则判定为检测到跌倒发生，随后检查蓝牙的连通性(S808)，判断视觉指示设备是否已经通过蓝牙与配对的智能移动设备连接(S809)，如果没有检查到视觉指示设备通过蓝牙与配对的智能移动设备配对连接，则视觉指示设备激活自身的SIM卡模块(S810a)，如果检查到视觉指示设备已经通过蓝牙与配对的智能移动设备配对连接，则上传GPS位置信息到配对设备(S810b)。随后配对的智能移动设备，或者视觉指示设备自身，通过例如GSM/GRPS网络将跌倒警告信号和GPS位置信息上传至后台的云服务器(S811)，云服务器可以通过例如GSM/GRPS网络将跌倒警告信号和GPS位置信息传递给预注册号码设备(S812)。例如，如果用户的家人或者朋友已经预先将其手机号码注册在云服务器，此时云服务器则相应将跌倒警告信号和GPS位置信息传递到携带有该预注册号码的手机等设备。最后，一旦收到跌倒警告信号，则在预注册号码设备上开启跌倒警告(S813)，同时可以提供GPS位置信息，以供预注册号码设备用户及时了解步行辅助系统用户(例如，帕金森病患者)的当前位置。
需要理解的是，步行辅助系统也可以不包括智能移动设备30。此时，可以设置为：触觉指示设备20将数据发送到视觉指示设备10，视觉指示设备10将其自身的数据与来自触觉指示设备20的数据组合，再通过因特网将所有数据传送到后台服务器40，数据随后被存储在后台服务器40的数据库中。
虽然本专利申请结合附图详细描述多个实施方式，但应指出的是，在不脱离本发明的精神和保护范围内，各种可能的其它改变或修改都应包含在本发明内。
Claims (10)
1.一种步行辅助系统，其特征在于，包括穿着于用户足部的触觉指示设备和由所述用户携带的视觉指示设备，所述视觉指示设备包括用于在所述用户行走前方地面投射视觉指示光标志的光源，以及所述触觉指示设备包括为所述用户足部提供振动指示的振动源。
2.根据权利要求1的步行辅助系统，其特征在于，所述视觉指示设备还包括感知环境光强度的光传感器以及根据所述光传感器感知结果调节光源输出功率的光强度自动调节电路。
3.根据权利要求1的步行辅助系统，其特征在于，所述视觉指示设备还包括检测所述光源的光束输出口与地面的倾角的倾斜传感器，以及当检测到的倾角大于预定角度时，关闭所述光源的处理器。
4.根据权利要求1的步行辅助系统，其特征在于，所述视觉指示设备还包括检测用户运动姿态的运动传感器。
5.根据权利要求1的步行辅助系统，其特征在于，所述视觉指示设备还包括检测用户所处地理位置的GPS模块。
6.根据权利要求1的步行辅助系统，其特征在于，所述视觉指示设备还包括通信模块，所述通信模块包括与其他设备进行短距通信的蓝牙模块，以及与后台服务器进行长距通信的SIM卡模块。
7.根据权利要求1的步行辅助系统，其特征在于，所述视觉指示设备包括通过旋转接头与视觉指示设备的壳体连接的底座，所述底座上设置有用于将所述视觉指示设备夹持于用户服饰上的夹具。
8.根据权利要求1的步行辅助系统，其特征在于，所述触觉指示设备外形为鞋垫形式，所述触觉指示设备包括按预定分布模式分布在所述触觉指示设备上的多个力传感器。
9.根据权利要求1的步行辅助系统，其特征在于，所述触觉指示设备的振动源包括定时振动的主动振动模式，以及当发现用户脚跟撞击时的被动振动模式，所述视觉指示指示设备包括当检测到用户跌倒时发出跌倒警报的跌倒警报模块。
10.根据权利要求1的步行辅助系统，其特征在于，还包括与所述视觉指示设备和/或触觉指示设备通过蓝牙连接的智能移动设备，所述智能移动设备收集来自视觉指示设备和触觉指示设备的所有数据，并通过互联网将数据发送到后台服务器。
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