CN110354459B - 一种基于足底压力感知的老年人本体感促进训练交互装置 - Google Patents

Abstract

一种基于足底压力感知的老年人本体感促进训练交互装置，涉及电子信息识别技术领域,主要由支撑框架、柔性压力阵列传感器、数据处理模块以及与其相匹配的电脑应用程序组成，训练者通过体感来控制支撑框架的倾斜方向，通过安装在支撑框架表面的柔性压力传感器阵列来采集其表面的压力分布信息，经过对压力信息的分析产生控制信号，从而控制电脑应用程序游戏中角色的运动轨迹。为了适应不同的训练阶段，游戏也分为不同的难度等级。每个训练者还可以创建自己的账户，每次的训练信息都会保存在个人账号信息中，实现个性化推送。

Description

一种基于足底压力感知的老年人本体感促进训练交互装置

技术领域

本发明涉及电子信息识别技术领域，具体是涉及一种基于足底压力感知的老年人本体感促进训练交互装置。

背景技术

平衡是人体的一项不可或缺的生理机能，它使得人们在进行正常的生活活动的同时保持一些特定的姿势，在力学范畴内，平衡是指当两个以及两个以上的力作用于一个物体上，各个力互相抵消，使得物体达成相对的静止状态。人体的平衡能力是指人们活动时感知身体重心，然后通过肢体等各部位的运动将身体的重心、控制在支撑面内。

人体的平衡分成三种状态，分别是静态、自我动态和他人动态，下面分别说明：1、静态平衡：它主要是指人体保持某种姿势静止不动的过程，在这一过程中不会受到外力的干扰，常见的静态平衡有坐姿的平衡以及站姿的平衡；2、自我动态平衡：它主要是指人主动调节自己的姿势的过程，人体在不同的姿势下相互调节，在调节过程中不会受到外界作用力的干扰，例如行走、跑步和跳跃时的平衡就都需要自我动态平衡能力；3、他人动态平衡：它主要是指人被动的调节自己的姿势的过程，在这一过程中会突然受到外界作用力的干扰，例如人突然受到撞击时保持平衡。

当人体平衡发生变化时，人体通常通过以下三种调节机制，即踝关节调节机制—适用于较大且坚固的支持面同时外界的干扰较小时的情况；髋关节调节机制--适用于较小的支持面(小于双足面积)同时受到较大的外界干扰时的情况；跨步调节机制—适用于外界干扰过大时的情况。通过以上三种调节机制来应对姿势的变化，防止跌倒。

目前用于平衡能力检测方法主要可以分为以下三大类：临床观察法、量表评估法和仪器定量测量法。目前静态平衡测试系统大多采用压力传感器采集数据，对动态平衡的测试方法多种多样，有使用倾角传感器、可穿戴式惯性传感器、基于CCD摄像头的图像处理方法等，不同的方法采集的数据特点不同，例如压力传感器和惯性传感器采集的数据单一，仅能拟合的压力中心进行分析，目前的参数也大多以压力中心为基础而扩展；可穿戴的惯性传感器和CCD摄像头的人体动作捕捉算法还需要完善，精度较低，特别是针对人体微小的动作识别率不高。

由于年纪的增长，很多老人的平衡能力慢慢减弱，导致行走不便，很容易在行走过程中不小心就摔倒，而这不经意间的摔倒往往会对老人带来很严重的伤害。为了尽可能避免这种伤害的发生，本发明提出了一种基于足底压力感知的老年人本体感促进训练交互装置，能够及时达到对老年人的身体平衡能力做到预警监测。

发明内容

本发明针对已有所存在的不足之处，提供一种基于足底压力感知的老年人本体感促进训练交互装置。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种基于足底压力感知的老年人本体感促进训练交互装置，主要由支撑框架、柔性压力阵列传感器、数据处理模块以及与其相匹配的电脑应用程序组成，训练者通过体感来控制支撑框架的倾斜方向，通过安装在支撑框架表面的柔性压力传感器阵列来采集其表面的压力分布信息，经过对压力信息的分析产生控制信号，从而控制电脑应用程序游戏中角色的运动轨迹。

作为本发明的优选技术方案，该基于足底压力感知的老年人本体感促进训练交互装置中：

所述支撑框架主要由上底板、下底板以及置于两者之间并沿上底板中心位置对称排布的四组支撑组件构成，所述上底板的底部通过螺栓固定有4块沿上底板中心位置对称排布的上固定板，上固定板的下部与上套管连接，套设于上套管外部的弹簧的顶端与上固定板连接；所述下底板的上部通过螺栓固定有4块沿上底板中心位置对称排布的下固定板，下固定板的上部与下连接管连接，下连接管上部向内侧凹陷形成空腔，所述弹簧的底端置于该空腔中并与空腔底部连接。

所述数据处理模块对柔性压力阵列传感器的足部压力数据的自动提取、左右脚区分、足印旋转和足部区域压力提取，根据传感器的实时数据，计算出人体重心在水平面上的投影；准确地显示出人体重心投影的位置、形态以及移动的面积。

按照两条中轴线将柔性压力阵列传感器划分为4个区域，分别为上下两个区域和左右两个区域，对每帧传感器数据，分别计算上下两个区域和左右两个区域压力和的差，比较这两个差值，如果上下两个区域的压力差在一定程度上大于左右区域的压力差，那么再比较上下两个区域的压力大小，对应应用程序中哪个区域的压力大则向对应的方向移动角色。

所述柔性压力阵列传感器呈直径为40cm的圆形，其中内部直径36cm的区域为有效测量区域，外侧边缘附有双面胶，用以与下层支架进行固定，柔性压力阵列传感器点阵密度为5个/cm²，压力区域面积为1071.36cm²，由5087个压力敏感点按行列方式印刷构成传感器阵列，采样频率为100HZ。

所述数据处理模块中的数据采集电路以单片机作为控制核心，实时获取当前时间戳下受测者在传感器留下的足印压力阵列，然后通过通信模块把足印压力阵列传输给计算机，进行数据处理与分析；柔性压力阵列传感器的行列数为80×80，共计5087个压力点，数据采集模块采用Ethernet通信方式，基于TCP/IP协议，实现数据的实时传输。

所述柔性压力阵列传感器的通过以太网TCP与数据处理模块进行数据通信，每帧数据为88个字节，没有压力的列不发数据，有压力的列才发数据，可以根据数据帧中的列号来判断。

与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：

1)、训练者通过体感来控制平衡装置的倾斜方向，通过安装在装置表面的柔性压力传感器阵列来采集装置表面的压力分布信息，经过对压力信息的分析产生控制信号，从而控制电脑游戏中角色(如小球等)的运动。为了适应不同的训练阶段，游戏也分为不同的难度等级。每个训练者还可以创建自己的账户，每次的训练信息都会保存在个人账号信息中，实现个性化推送。

2)、根据足部生物学结构以及前人的经验设计算法实现对柔性压力阵列传感器的足部压力数据的自动提取、左右脚区分、足印旋转和足部区域压力提取。提出小波熵和相对小波熵概念，对足底各区域在动态平衡测试中的规律性进行了说明。数据处理分析模块根据传感器的实时数据，计算出人体重心在水平面上的投影。非常准确地显示出人体重心投影的位置、形态以及移动的面积，通过以上参数来评定人体平衡能力。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为支撑框架的结构示意图。

图3为柔性压力阵列传感器的实物照片。

图4为传感器坐标轴变换示意图。

图5为传感器区域划分示意图。

图6为游戏界面的示意图，a，b分别对应简单、困难两种难度级别。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明的作出进一步的详述。

请参阅图1所示，一种基于足底压力感知的老年人本体感促进训练交互装置，主要由支撑框架1、柔性压力阵列传感器2、数据处理模块3以及与其相匹配的电脑应用程序4组成，训练者通过体感来控制支撑框架的倾斜方向，通过安装在支撑框架表面的柔性压力传感器阵列来采集其表面的压力分布信息，经过对压力信息的分析产生控制信号，从而控制电脑应用程序游戏中角色的运动轨迹。

请一并参阅图2，支撑框架1主要由上底板10、下底板11以及置于两者之间并沿上底板10中心位置对称排布的四组支撑组件构成，上底板10的底部通过螺栓14固定有4块沿上底板10中心位置对称排布的上固定板12，上固定板12的下部与上套管15连接，套设于上套管15外部的弹簧18的顶端与上固定板12连接；下底板11的上部通过螺栓14固定有4块沿上底板10中心位置对称排布的下固定板13，下固定板13的上部与下连接管16连接，下连接管16上部向内侧凹陷形成空腔17，弹簧18的底端置于该空腔17中并与空腔17底部连接。

请一并参阅图3，柔性压力阵列传感器2基于压阻敏感机理和隧道效应理论，采用上、下两层结构，在上、下基材的表面印刷导线层，上、下导线层组成了网格状回路，在两层网格交点的地方印刷了线条形状的绝缘层，绝缘层和导线方向垂直，在绝缘层的基础上，又印上了正方形的应变电阻浆料层，该浆料层和绝缘层垂直，下层电路印上了条状的和导线平行的丝印胶层，丝印胶层的作用就是把上、下层的电路粘在一起，上、下层电路会形成横竖交叉，交叉的位置就构成了柔性压力阵列传感器的压阻单元。当压力为零的时候，它会有一个起始的接触电阻，该电阻稳定；当压力作用在上面的时候，它的接触电阻会发生变化，规律是随着压力的增大电阻减小。通过特定的电路采集其接触电阻的变化量，经过换算后就可以得出受压区域的压力值的大小。

柔性压力阵列传感器2呈直径为40cm的圆形，其中内部直径36cm的区域为有效测量区域，外侧边缘附有双面胶，用以与下层支架进行固定，柔性压力阵列传感器点阵密度为5个/cm²，压力区域面积为1071.36cm²，由5087个压力敏感点按行列方式印刷构成传感器阵列，采样频率为100HZ。

数据采集电路以单片机作为控制核心，实时获取当前时间戳下受测者在传感器留下的足印压力阵列，然后通过通信模块把足印压力阵列传输给计算机，进行数据处理与分析。柔性压力阵列传感器的行列数为80×80，共计5087个压力点，在极限情况下，每秒需要传输1.5M数据，为满足传输要求，数据采集模块采用Ethernet通信方式，基于TCP/IP协议，实现数据的实时传输。

柔性压力阵列传感器的通过以太网TCP与数据处理模块进行数据通信，其发送的每一帧的数据格式为表1所示。共80x80，每帧数据为88个字节，没有压力的列不发数据，有压力的列才发数据，可以根据数据帧中的列号来判断。数据处理模块对柔性压力阵列传感器的足部压力数据的自动提取、左右脚区分、足印旋转和足部区域压力提取，根据传感器的实时数据，计算出人体重心在水平面上的投影；准确地显示出人体重心投影的位置、形态以及移动的面积。

表1传感器发送数据格式

为了方便数据的分析，需要在传感器上建立合适的坐标轴，本发明所采用的坐标轴格式如图4所示。由于柔性压力阵列传感器数据存储时坐标原点在传感器之外，两坐标轴x‘，y‘分别与传感器边缘相切，为了计算方便，对坐标进行平移，将坐标中心移至圆形柔性压力阵列传感器的圆心，且平移后的坐标轴x,y与x’,y’分别平行。

圆形传感器行列数分别为80x80，则平移公式为x＝x’-40,y＝y’-40，经过坐标平移后，得到的数据是传感器压力点的相对位置，并不是传感器上的实际距离，已知柔性压力阵列传感器的直径为360mm，即每两个相邻压力点之间的距离为45mm，则计算实际COP坐标值如下：

其中，n是传感器的压力点数，p(x_i，y_i)是传感器上的压力大小，(x_i，y_i)是传感器上的压力点坐标。

接下来设计静态平衡估计算法。首先，需要了解几个概念。压力中心(Center OfPressure,COP)是指两个物体之间接触时因外力产生的合力的作用点位置，是一个想象中的虚拟点，具体到足底压力中心，表现为足底对地面的压力的作用点位置，它时人体重心的轨迹在测力平台上的投影位置。压力中心坐标按点描绘成曲线，就是压力中心轨迹图。评定静态平衡的参数有很多，这里仅仅采用X轴平均COP和Y轴平均COP，其概念和计算公式如下：

1)X轴平均COP：该指标可以用测试时间内COP轨迹坐标在X轴的平均值来表示：

2)Y轴平均COP：该指标可以用测试时间内COP轨迹坐标在y轴的平均值来表示：

设计动态平衡估计算法。动态平衡测试主要分为自我动态平衡测试和他动态平衡测试两种，其中自我动态平衡测试主要是指受测者主动的通过身体控制平衡板的运动，平衡板运动对应显示器上的光标运动，测试时需要跟踪出现在显示器上的目标，动态平衡测试主要是指受测者站立的支撑面突然移动，或受测者面前的显示屏突然摇动，而测试者没有任何准备，测试在上述情况下被测试者的平衡功能，动态姿势平衡测试各指标分别评价人体稳定性、维持平衡的策略、重心的控制、平衡反应的灵敏性、适应性等。

自主动态平衡测试更多的是稳定性测试：它的主要方式是受试者保持站立不动，跟随屏幕上光标的方向移动身体重心，对受试者方向移动的最大幅度等方面数据进行分析。用于动态平衡的测试参数亦有很多，这里使用了测试执行时间(Test time execution,TTE)作为测试参数，为测试过程的用时(单位：s)即根据训练者完成游戏的时间来作为测试动态平衡的标准，所用时间越少，说明平衡评估任务完成的越好。

方向控制算法：对每帧数据进行处理获得相应的方向，不考虑历史数据，如图5所示，将传感器划分为4个区域，分别为区域1，2，3，4如图所示。当每帧数据到达时，分别计算这4个区域的压力总和，即区域1，2，3，4的分别压力和，暂且记为Pressure1，Pressure2，Pressure3，Pressure4。进行以下过程：

每次运动步长保持不变，且每次运动固定的距离间隔。

上述4个区域压力和计算算法：

补充说明：

.subvec()方法用来截取容器序列部分元素，两个参数，参数1为开始位置索引，参数2为截止位置索引，所截取元素报告开始位置的元素，但不包括截止位置的元素。

完成了上述算法的设计过程，下一步就是将实现具体的算法，设计了windows端的游戏程序。游戏设计为走迷宫的形式，训练者通过前后左后倾斜身体来控制游戏中小球(具体的一种角色)的运动方向，并最终控制小球走出迷宫(起点至终点)。游戏界面设计如图6所示。游戏等级有两种难度可供选择，分别为简单和复杂。训练者以闯关的形式进行游戏，只有通关前一关才能进行下一关游戏。另外每局游戏将根据游戏难度设置最大游戏时间。最后游戏结束后将根据训练者的游戏时间，以静态、平衡和动态平衡评估结果来综合打分评估，并根据结果给出相应的诊断建议。

综上所述，本申请利用柔性压力阵列传感器以对人的静态平衡和动态平衡进行评定，为了增加整个平衡能力评定过程中的互动性和趣味性，设计增加了虚拟互动体感游戏，训练者可通过完成不同难度等级的体感游戏来完成平衡能力评定过程。

本申请中将游戏模式设计到体感游戏中，训练者站立在平衡板(上述训练交互装置)上，通过控制平衡板的前后左右倾斜程度来控制显示屏游戏界面中小球的运动，最终将小球运动到指定的位置中即视为游戏成功。为了实现平衡板的运动与虚拟游戏的交互，通过分布在平衡板上的压力计来测量平衡板四周的压力，通过比较平衡板四周的压力大小来判断此时平衡板的倾斜方向，并将该信号传输到虚拟游戏中，从而实现对游戏中小球方向的控制。为了实现更加简易的设备设计，虚拟游戏以应用程序的方式搭载在电脑游戏上，训练者只需要连接到人体平衡评估仪上，便可以实现与游戏的交互。为了适应不同年龄段的训练者，游戏难度也设计为不同的等级，由简单到复杂，训练者可以根据自己的需求进行从简单到复杂游戏模式的训练。除此之外，训练者可以构建自己的专有平衡能力评估档案，每次的评估数据都会记录在个人健康档案中，方便后期进行健康分析等。

以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于足底压力感知的老年人本体感促进训练交互装置，其特征在于，主要由支撑框架（1）、柔性压力阵列传感器（2）、数据处理模块（3）以及与其相匹配的电脑应用程序（4）组成，训练者通过体感来控制支撑框架的倾斜方向，通过安装在支撑框架表面的柔性压力传感器阵列来采集其表面的压力分布信息，经过对压力信息的分析产生控制信号，从而控制电脑应用程序游戏中角色的运动轨迹；

所述支撑框架（1）主要由上底板（10）、下底板（11）以及置于两者之间并沿上底板（10）中心位置对称排布的四组支撑组件构成，所述上底板（10）的底部通过螺栓（14）固定有4块沿上底板（10）中心位置对称排布的上固定板（12），上固定板（12）的下部与上套管（15）连接，套设于上套管（15）外部的弹簧（18）的顶端与上固定板（12）连接；所述下底板（11）的上部通过螺栓（14）固定有4块沿上底板（10）中心位置对称排布的下固定板（13），下固定板（13）的上部与下连接管（16）连接，下连接管（16）上部向内侧凹陷形成空腔（17），所述弹簧（18）的底端置于该空腔（17）中并与空腔（17）底部连接；

所述数据处理模块（3）对柔性压力阵列传感器（2）的足部压力数据的自动提取、左右脚区分、足印旋转和足部区域压力提取，根据传感器的实时数据，计算出人体重心在水平面上的投影；准确地显示出人体重心投影的位置、形态以及移动的面积；

按照两条中轴线将柔性压力阵列传感器（2）划分为4个区域，分别为上下两个区域和左右两个区域，对每帧传感器数据，分别计算上下两个区域和左右两个区域压力和的差，比较这两个差值，如果上下两个区域的压力差在一定程度上大于左右区域的压力差，那么再比较上下两个区域的压力大小，对应应用程序中哪个区域的压力大则向对应的方向移动角色；

所述柔性压力阵列传感器呈直径为40 cm的圆形，其中内部直径36 cm的区域为有效测量区域，外侧边缘附有双面胶，用以与下层支架进行固定，柔性压力阵列传感器点阵密度为5个/cm²，压力区域面积为1071.36 cm²，由5087个压力敏感点按行列方式印刷构成传感器阵列，采样频率为100 HZ；

所述数据处理模块中的数据采集电路以单片机作为控制核心，实时获取当前时间戳下受测者在传感器留下的足印压力阵列，然后通过通信模块把足印压力阵列传输给计算机，进行数据处理与分析；柔性压力阵列传感器的行列数为80×80，共计5087个压力点，数据采集模块采用Ethernet通信方式，基于TCP /IP协议，实现数据的实时传输；

所述柔性压力阵列传感器的通过以太网TCP与数据处理模块进行数据通信，每帧数据为88个字节，没有压力的列不发数据，有压力的列才发数据，可以根据数据帧中的列号来判断。

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