CN113229801B - 一种鞋垫式足底压力测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种鞋垫式足底压力测量系统及方法，用来区分站立和行走姿态。此足底压力测量系统既包括数据采集、信号传输的硬件部分，还包括下位机和上位机的软件程序部分。下位机MCU连接薄膜压阻式传感器采集到足底压力数据，通过蓝牙模块无线传输到上位机PC。上位机PC使用Labview编写图形化界面，并通过特有算法计算压力比进行站立与行走姿态的区分。本发明拓宽了压力测量鞋垫的应用范围。并且通过特殊的姿态区分方法而大大减少了所需的压力传感单元数目，降低了硬件成本。

Description

一种鞋垫式足底压力测量系统及方法

技术领域

本发明设计了一种鞋垫式的足底压力测量系统及方法，特别是通过压力比可以有效区分站立和行走姿态，帮助长时间处于一种工作姿态的工作者适时改变姿态从而降低健康风险。属于智能穿戴设备领域。

背景技术

活动姿态可以分成需要调整运动状态的动态姿态和保持恒定状态的静态姿态。行走和站立分别是工作场所中最常用的动态与静态姿态。长期保持一种工作姿态会对身体健康产生危害，例如：长期站立会导致肌肉骨骼疼痛，慢性静脉功能不全和心血管疾病等健康问题。为了减少健康风险可以在一种长期姿态间穿插其他活动姿态。有研究证明在长时间站立时通过行走的休息可以有效缓解站立导致的腰痛。因此寻找能够区分站立和行走的特征信息，并及时调整长时间的工作姿态很有意义。

尽管在身体各关节部位佩戴加速传感器仍然是目前提取活动姿态特征信息的最常用方法，但是多加速度计系统在日常使用过程中穿戴复杂，并且长时间的佩戴会导致人体的不适。除了加速度信息之外，足底压力也被发现是人体活动的代表性指标。特别是对于区分行走和站立，行走时足底的最高接触压力在前脚和后脚之间交替出现，而站立时最高接触压力始终位于后脚区域。事实上，足底压力已经在许多疾病的预防和治疗中得到了广泛研究，例如糖尿病和帕金森。

通常，表征足底压力信息的度量分为两类，即接触压力指标(如峰值/平均接触压力)和接触面积指标(如峰值/平均接触面积)。然而由于传统足底压力信息度量受个体性别、年龄、体重的巨大影响，因此很难确定每个度量标准对应于不同姿势的代表性取值范围。现有的鞋垫式足底压力测量系统往往只能检测足底压力和接触面积等传统指标而无法有效区分站立和行走姿态。此外这些系统都拥有很高的传感单元空间分辨率，而未考虑传感器信息冗余的问题，导致系统硬件成本的极大提高。

发明内容

针对现有的足底压力测量系统存在的上述缺陷，本发明的目的是提出一种能够区分站立、行走姿态的鞋垫式足底压力测量系统，其拓宽了压力测量鞋垫的应用范围。并且通过特殊的姿态区分方法而大大减少了所需的压力传感单元数目，降低了硬件成本。

本发明提供一种基于压力比指标区分站立、行走姿态的足底压力测量系统，该系统包括硬件部分和软件部分。所述硬件部分包括电源、EVA(Ethylene-Vinyl Acetate)材质鞋垫、压力传感器、信号调理电路、下位机MCU最小系统、蓝牙通信模块、上位机PC。所述压力传感器放置在EVA材质鞋垫表面，并使用美国 Ecoflex00-10硅胶溶液进行固定。所述下位机MCU、信号调理电路、压力传感器依次使用扁平杜邦线连接获得足底压力数据。所述下位机MCU使用杜邦线与蓝牙通信模块连接与上位机PC通信。所述电源与下位机MCU连接并给除上位机PC外其他所有硬件供电。所述软件部分包括下位机MCU的数据采集程序，蓝牙串口通信程序和上位机PC的数据后处理显示程序。所述数据采集程序负责将压力传感器采集的模拟电压型号转换为数字信号，所述蓝牙串口通信程序负责将数字信号无线传输给上位机PC，所述上位机PC数据后处理显示程序负责将足底压力数据图形化显示并通过算法计算出压力比数据进行站立和行走姿态的分辨。

作为本发明的进一步技术方案，还对压力传感器的位置布局进行了优化论证。考虑到站立和行走时足底压力的具体特征，所述的EVA材质鞋垫被划分为七个区域，包括脚趾区域(TB)、前足内侧(MFF)、前足中部(CFF)、前足外侧(LFF)、足弓区域(MF)、脚跟内侧(MH)、脚跟外侧(LH)。由于足前掌与脚跟和运动姿态的关系密切，所述鞋垫的前足内侧、前足中部、前足外侧、脚跟内侧、脚跟外侧布置有较高密度的所述压力传感器。

进一步地，所述压力传感器采用重量轻，体积小，引脚长的薄膜压阻式传感器FSR402，其量程为0-20N。所述压力传感器受到的压力越大其电阻越小，通过与所述的信号调理电路连接将电阻的变化转变为电压信号的变化，同时对电压信号滤波处理并输出到所述下位机MCU完成足底压力数据的采集。

进一步地，所述下位机MCU采用Cortex-M3内核的stm32f103RCT6主控芯片，所述主控芯片最高主频72MHz，供电电压2.0-3.6V，工作温度-40℃-85℃，自带48Kbytes SRAM，256Kbytes Flash和3个12位模数转换器。所述主控芯片外围连接电源稳压电路、时钟电路、复位电路、程序下载电路构成下位机MCU 最小系统。所述电源稳压电路由低压差线性稳压器将所述电源的5V转换为3.3V 给所述MCU供电。所述时钟电路采用8MHz和32KHz外部晶振为所述下位机 MCU提供系统时钟。所述复位电路通过硬件按键为所述下位机MCU系统提供低电平复位。所述程序下载电路采用SWD模式为所述下位机MCU提供所述数据采集程序和所述蓝牙通信程序的下载与调试。

进一步地，所述蓝牙通信模块采用HC-05蓝牙转串口集成芯片，其供电电压 3.3V-6.0V，亦可由所述稳压电路的输出供电。所述蓝牙通信模块通过TX、RX 引脚与所述下位机MCU的串口RX、TX引脚连接，并将数据信息通过无线方式传输给所述上位机PC。

进一步地，所述上位机PC自带蓝牙功能可以与所述下位机MCU连接的所述蓝牙通信模块配对并接受到下位机MCU采集到的足底压力数据。

进一步地，所述下位机MCU的数据采集程序负责对所述MCU片内模数转换器的I/O端口进行初始化操作，对所述MCU片内模数转换器配置成多通道 DMA读取方式。所述压力传感器测得的压力经过所述信号调理电路输出的电压由所述模数转换器读取并通过DMA方式直接存入所述下位机MCU的SRAM中。

进一步地，所述蓝牙串口通信程序负责配置所述下位机MCU的中断控制器 NVIC，配置串口的工作参数完成串口的初始化配置，使能串口接收中断，使能串口。所述下位机MCU的SRAM里的电压数据通过串口传输到所述蓝牙通信模块并发送。

进一步地，所述上位机PC数据后处理显示程序通过Labview软件编写，通过所述Labview软件里的VISA控件读取所述上位机PC蓝牙接收到的串口电压数据。所述电压数据经过压力标定得到对应足底压力数据，所述足底压力数据以压力云图方式显示在所述Labview的前面板上。

进一步地，所述压力数据经过自定义的压力比公式计算得出压力比数据，所述压力比公式为：

所述压力比公式中的α∈(MH,LH)，β∈(MFF,CFF,LFF)，

和

是α和β区域在不同时刻下的足底压力。

进一步地，所述压力比数据经过统计学双因素重复测量方差分析得到站立和行走姿态的压力比取值范围。压力比的取值范围通过压力比的均值±2倍标准差计算得出。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：通过设计足底压力测量系统硬件部分测量人体不同姿态时的足底压力，其中通过分析不同足底区域的压力特性，减少了不重要足底区域压力传感器的布置数量，使得硬件成本得以降低，测量精度保持良好。

通过设计压力比的计算公式，定量的以压力比数值区分出站立和行走姿态，利用压力比数值的无量纲特性降低了不同个体年龄、性别、体重的差异对姿态辨识的影响，提高了姿态辨识的准确度。

附图说明

图1为本发明的硬件设计系统框图；

图2为本发明的足底压力云图显示界面；

图3为本发明对足底区域位置的划分；

图4为本发明测得站立、行走姿态的前脚掌与足跟区域压力图。

具体实施方式

下面结合附图(表)对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

本发明的足底压力测量姿态辨识系统硬件框图如图1所示，其包括电源及稳压电路，电源采用5V输出的充电锂电池通过稳压电路得到3.3V的供电电压为下位机MCU最小系统供电。其中下位机MCU最小系统的时钟电路为主控芯片 stm32f103RCT6提供系统时钟，复位电路提供硬件按钮的复位操作，SWD程序下载电路提供下位机程序的烧写和调试。信号调理电路的输出接在下位机MCU 的模数转换端口，每一个信号调理电路的输入都接有一个薄膜压阻传感器 FSR402。薄膜压力传感器都按照足底区域压力信息的重要性以不同密度布置于 EVA材质的鞋垫上，使用美国Ecoflex00-10硅胶溶液对压力传感器和鞋垫进行固定。下位机MCU的模数转后得到的数字信号传递给蓝牙模块，蓝牙模块和上位机PC蓝牙配对并通过蓝牙信号将采集到的信息传给上位机PC处理。

图2为上位机PC编写的Labview程序足底压力云图显示界面。每个压力传感单元对应一个显示色块，根据压力值的大小色块颜色有所不同，压力值越大，显示色块颜色越深。Labview的VISA串口读取到的是电压数据，通过在每个压力传感器上用万能测力机施加0-20N的力得到所受压力对应的电压值，由此再将上位机PC读取的电压数据转换成对应的压力值。

依据图3将足底区域划分成了7个区域，脚趾区域(TB)、前足内侧(MFF)、前足中部(CFF)、前足外侧(LFF)、足弓区域(MF)、脚跟内侧(MH)、脚跟外侧(LH)。每个区域的足底压力由分布在该区域的压力传感器压力值求和取算数平均值得到。使用制作的足底压力测量系统测得的站立，行走足底接触压力如图4所示，图中给出了在运动姿态里重要的前脚掌区域和脚跟区域的接触压力曲线。

依据发明内容中给出的压力比计算公式，计算出站立和行走姿态下各自的压力比数值，经过大量的样本实验并进行了双因素重复测量方差分析，得到站立与行走姿态的压力比数值存在显著的统计学差异。并依据实验的样本数据，按均值加减两倍标准差给定了两种姿态的压力比取值范围如表1所示。上位机PC程序通过判定压力比数值落于哪个区间得出此时人体处于站立或行走姿态。

表1

本发明通过大量实验样本数据，分析不同动作姿态下重要的足底区域，在保证足底压力测量精度的前提下减少了不重要的脚趾和足弓区域的压力传感器布置，减少了硬件的成本并降低了数据处理的复杂程度。还通过自定义的压力比量，克服了使用传统足底压力指标进行姿态区分时容易受个体差异影响的缺点，很大程度的提高了站立与行走姿态的辨识准确度。

Claims (8)

1.一种鞋垫式足底压力测量系统，其特征在于，包括：鞋垫、布置在所述鞋垫表面不同区域的若干个压力传感器、信号调理电路、下位机MCU最小系统、蓝牙通信模块、电源和上位机；压力传感器、信号调理电路、下位机MCU最小系统依次连接；下位机MCU最小系统连接无线通信模块，无线通信模块与上位机无线连接；电源与下位机MCU最小系统连接；所述下位机MCU最小系统内设置数据采集程序和蓝牙串口通信程序，数据采集程序负责将压力传感器采集的模拟电压型号转换为数字信号；所述上位机内设置数据后处理显示程序，负责将足底压力数据图形化显示并通过算法计算出压力比数据进行站立和行走姿态的分辨；

所述鞋垫划分为七个区域，包括脚趾区域、前足内侧、前足中部、前足外侧、足弓区域、脚跟内侧、脚跟外侧；前足内侧、前足中部、前足外侧、脚跟内侧、脚跟外侧分别布置两个压力传感器，其余区域分别布置一个压力传感器；

所述压力比公式为：

所述压力比公式中的α∈(MH,LH)，β∈(MFF,CFF,LFF)，

和

是α和β区域在不同时刻下的足底压力，MH,LH,MFF,CFF,LFF分别表示脚跟内侧、脚跟外侧、前足内侧、前足中部、前足外侧。

2.根据权利要求1所述的一种鞋垫式足底压力测量系统，其特征在于，所述压力传感器采用薄膜压阻式传感器FSR402，其量程为0-20N。

3.根据权利要求1所述的一种鞋垫式足底压力测量系统，其特征在于，所述下位机MCU采用Cortex-M3内核的stm32f103RCT6主控芯片，所述主控芯片最高主频72MHz，供电电压2.0-3.6V，工作温度-40℃-85℃，自带48Kbytes SRAM，256Kbytes Flash和3个12位模数转换器；所述主控芯片外围连接电源稳压电路、时钟电路、复位电路、程序下载电路构成下位机MCU最小系统；所述电源稳压电路由低压差线性稳压器将所述电源的5V转换为3.3V给所述下位机MCU最小系统供电；所述时钟电路采用8MHz和32KHz外部晶振为所述下位机MCU最小系统提供系统时钟；所述复位电路通过硬件按键为所述下位机MCU最小系统提供低电平复位；所述程序下载电路采用SWD模式为所述下位机MCU最小系统提供所述数据采集程序和所述蓝牙串口通信程序的下载与调试。

4.根据权利要求1所述的一种鞋垫式足底压力测量系统，其特征在于，所述蓝牙通信模块采用HC-05蓝牙转串口集成芯片，其供电电压3.3V-6.0V；所述蓝牙通信模块通过TX、RX引脚与所述下位机MCU最小系统的串口RX、TX引脚连接，并将数据信息通过无线方式传输给所述上位机。

5.根据权利要求1所述的一种鞋垫式足底压力测量系统，其特征在于，所述下位机MCU最小系统的数据采集程序负责对所述下位机MCU最小系统的MCU片内模数转换器的I/O端口进行初始化操作，对所述MCU片内模数转换器配置成多通道DMA读取方式；所述压力传感器测得的压力经过所述信号调理电路输出的电压由所述模数转换器读取并通过DMA方式直接存入所述下位机MCU最小系统的SRAM中。

6.根据权利要求1所述的一种鞋垫式足底压力测量系统，其特征在于，所述蓝牙串口通信程序负责配置所述下位机MCU的中断控制器NVIC，配置串口的工作参数完成串口的初始化配置，使能串口接收中断，使能串口；所述下位机MCU的SRAM里的电压数据通过串口传输到所述蓝牙通信模块并发送。

7.根据权利要求1所述的一种鞋垫式足底压力测量系统，其特征在于，所述上位机数据后处理显示程序通过Labview软件编写，通过所述Labview软件里的VISA控件读取所述上位机蓝牙接收到的串口电压数据；所述串口电压数据经过压力标定得到对应足底压力数据，所述足底压力数据以压力云图方式显示在所述Labview的前面板上。

8.基于权利要求1所述的鞋垫式足底压力测量系统的足底压力测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：采集站立和行走时鞋垫不同区域的足底压力，计算压力比，经过统计学双因素重复测量方差分析得到不同区域站立和行走姿态的压力比取值范围；

步骤2：上位机获取不同区域的足底压力，计算压力比，通过判定压力比数值落于哪个压力比取值范围得出此时人体处于站立或行走姿态。

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