CN113768495B - 一种集成行走步态、环境信息感知及反馈功能的智能终端 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集成行走步态、环境信息感知及反馈功能的智能终端，包括鞋主体，鞋主体上设有表面换能器、接触式拾音器和支撑电路元器件，表面换能器用于产生主动传感的振动信号和振动反馈，接触式拾音器用于检测表面换能器发出的特定频谱的振动信号在以人体为媒介传播后的回波信号，以及鞋主体与地面接触时的振动信号；支撑电路元器件分别连接表面换能器和接触式拾音器，用于根据回波信号中信号特定频率传递特性的变化，判断人体姿态的变化；根据鞋主体与地面接触时的振动信号判断行走路面的材质，从而根据人体姿态的变化和行走路面的材质控制表面换能器进行振动反馈。与现有技术相比，本发明具有感知参数更精细、结构更为紧凑和功能更强大等优点。

Description

一种集成行走步态、环境信息感知及反馈功能的智能终端

技术领域

本发明涉及行走步态信息感知及反馈技术领域，尤其是涉及一种集成行走步态、环境信息感知及反馈功能的智能终端。

背景技术

步态行走信息(例如足底压力分布、脚踝弯曲角度、足行进角、行走相位)以及环境感知对于膝关节炎病人、足下垂病人等的康复与检测，老年人的跌倒检测与预防至关重要。

目前的智能终端对于以上信息的感知主要以智能鞋的形式，而智能鞋的技术实现路线主要通过以下两种方式或其组合。第一是通过压力鞋垫的方式，例如基于压敏电阻阵列。该方法虽然精度高，但成本高昂，且需要根据脚的尺寸大小进行定制，无法通过简单算法调节使其具有普适性。第二是通过惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)。该方法能感知到信息有限且大多为大颗粒度信息(例如记步)，无法精细感知脚踝弯曲角度。以上两种方法面临共同的问题是无法感知外界环境信息，且无法为用户提供反馈。

公开号为CN112185063A的发明公开了一款基于鞋垫压力感测的跌倒预警与保护系统及方法，包括设置在鞋垫上的多个柔性压力传感器、蓝牙发射装置和第一单片机处理器，以及穿戴在患者身上的防护服，防护服上设置报警按钮、蜂鸣器、蓝牙接收装置、第二单片机处理器、安全气囊，多个柔性压力传感器与第一单片机处理器电连接，第一单片机处理器与蓝牙发射装置电连接，报警按钮、蓝牙接收装置均与第二单片机处理器电连接，第二单片机处理器输出端与蜂鸣器、蓝牙接收装置、安全气囊电连接，蓝牙发射装置、蓝牙接收装置无线连接。

该方案在鞋垫上设置了多个柔性压力传感器，并且设置当后掌和脚心压力变为0时触发安全气囊等装置。该专利所需压力传感器过多，且无法精准感知脚踝弯曲角度、感知外界环境等信息。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术存在感知到信息受限且无法提供反馈的缺陷，进而提供一种集成行走步态、环境信息感知及反馈功能的智能终端。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种集成行走步态、环境信息感知及反馈功能的智能终端，包括鞋主体，所述鞋主体上设有感知反馈单元和支撑电路元器件，所述感知反馈单元包括表面换能器和接触式拾音器，所述表面换能器用于产生主动传感的振动信号和振动反馈，所述接触式拾音器用于检测表面换能器发出的振动信号以人体为媒介传播后的回波信号，以及鞋主体与地面接触时的振动信号；

所述支撑电路元器件为具有供电和信号处理功能的模块，所述支撑电路元器件分别连接所述表面换能器和接触式拾音器，用于根据扫频信号频谱区分接触式拾音器采集的回波信号和鞋主体与地面接触时的振动信号，根据所述回波信号中信号特定频率传递特性的变化，判断人体姿态的变化；根据所述鞋主体与地面接触时的振动信号判断行走路面的材质，从而根据所述人体姿态的变化和行走路面的材质控制所述表面换能器进行振动反馈。

进一步地，所述感知反馈单元的数量为多个，多个所述感知反馈单元包括第一感知反馈单元、第二感知反馈单元和第三感知反馈单元，所述第一感知反馈单元包括第一表面换能器和第一接触式拾音器，所述第一表面换能器和第一接触式拾音器均位于所述鞋主体中与人体跟骨处相对应的区域；

所述第二感知反馈单元包括第二表面换能器和第二接触式拾音器，所述第二表面换能器位于所述鞋主体中与人体第一跖骨关节相对应的区域，所述第二接触式拾音器位于所述鞋主体中与人体第四跖骨关节相对应的区域；

所述第三感知反馈单元包括第三表面换能器和第三接触式拾音器，所述第三表面换能器位于所述鞋主体中与人体胫骨远端拇长伸肌处相对应的区域，所述第三接触式拾音器位于所述鞋主体中与人体胫骨远端凸起处相对应的区域。

进一步地，所述第一表面换能器的扫频信号在100-500Hz范围以内，所述第二表面换能器的扫频信号在500-100Hz范围以内，所述第三表面换能器的扫频信号在1000-2000Hz范围以内。

进一步地，所述支撑电路元器件判断出的所述人体姿态包括脚踝弯曲角度、足底压力分布重心、FPA指标和行走相位。

进一步地，所述支撑电路元器件通过改变所述表面换能器的电压大小，使得表面换能器产生主动传感的振动信号和振动反馈。

进一步地，当所述表面换能器产生主动传感的振动信号时，所述表面换能器的电压在0.5-2V范围以内；当所述表面换能器产生振动反馈时，所述表面换能器的电压在4-5V范围以内。

进一步地，当所述表面换能器产生振动反馈时，所述表面换能器输出振动信号的频率为280Hz。

进一步地，所述支撑电路元器件包括微处理器、电池、信号发生器和功率放大器，所述微处理器分别连接电池、信号发生器和接触式拾音器，所述信号发生器还通过功率放大器连接所述表面换能器。

进一步地，所述支撑电路元器件通过柔性软排线连接所述表面换能器和接触式拾音器。

进一步地，所述表面换能器的型号为COM-10917，所述接触式拾音器的型号为CM-01B。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)感知参数更精细：传统的方案例如压力鞋垫等无法感知到脚踝弯曲角度等精细信息；

(2)结构更为紧凑：在穿戴设备中，布置大量传感器容易使得用户不舒适，降低用户使用积极性，因此结构紧凑与否与用户体验直接相关。此发明巧妙利用了主动传感的信号源产生，将其电压升高后，可将同一设备利用为振动反馈单元。对于拾振器而言，分析表面换能器产生的特定频谱的信号可以用于步态参数的感知，分析与地面接触的信号可以用于地面材质的感知；

(3)功能更强大：传统的方案只能在跌倒后进行检测，本发明不仅可以在跌倒前进行感知，发现是否有异常步态出现，且提供的反馈可以增强用户的平衡能力，做到防患于未然。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的一种智能终端的鞋底结构示意图；

图2为本发明实施例中提供的一种智能终端的鞋面结构示意图；

图3为本发明实施例中提供的一种智能终端的表面换能器和接触式拾音器的人体位置对应示意图；

图4为本发明实施例中提供的一种表面换能器和接触式拾音器的信号传递示意图；

图5为本发明实施例中提供的一种表面换能器和接触式拾音器的信号在人体中的传递示意图；

图中，1、第一接触式拾音器，2、第一表面换能器，3、第二表面换能器，4、第二接触式拾音器，5、第三表面换能器，6、第三接触式拾音器，7、支撑电路元器件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例1

本实施例提供一种集成行走步态、环境信息感知及反馈功能的智能终端，包括鞋主体，鞋主体上设有感知反馈单元和支撑电路元器件7，感知反馈单元包括表面换能器和接触式拾音器，表面换能器用于产生主动传感的振动信号和振动反馈，接触式拾音器用于检测表面换能器发出的振动信号以人体为媒介传播后的回波信号，以及鞋主体与地面接触时的振动信号，感知反馈单元可设置一个或多个；

支撑电路元器件7为具有供电和信号处理功能的模块，支撑电路元器件7分别连接表面换能器和接触式拾音器，用于根据扫频信号频谱区分接触式拾音器采集的回波信号和鞋主体与地面接触时的振动信号，根据回波信号中信号特定频率传递特性的变化，判断人体姿态的变化；根据鞋主体与地面接触时的振动信号判断行走路面的材质，从而根据人体姿态的变化和行走路面的材质控制表面换能器进行振动反馈。

工作原理：

本方案主要利用主动传感的原理，通过表面换能器人为地产生振动信号，该振动信号以人体的骨头以及组织为媒介进行传递，因人体姿态不同(例如脚踝弯曲角度不同)时，信号特定频率传递特性会发生变化，导致后端拾振器接受到的信号不同。根据这些回波信号的不同，可以推断出人体姿态的变化。

如图4所示，因为鞋底阵列的布局方式，拾音器可以从多处接受到信号，因为距离不同，强度也不同，强度的不同就可以作为姿态信息推断的重要依据。

如图5所示，主动传感时，表面换能器发出图5中右侧的信号，信号频谱是一致的，经过人体传播后，收到的回波做频谱分析，不同姿态对应的频谱不同，根据频谱内容，即可推断人体姿态。

本方案巧妙之处在于将传感和反馈结合在一起。表面换能器所施加的电压不同时，其产生的振动幅度也不同，小幅度用于主动传感的信号源，大幅度可用于当检测到异常行为时，为人体提供振动反馈提示。

上述感知反馈单元要放置在固定的位置，以对应于人体特定的生理结构及位置。

如图1-图3所示，本实施例中，设置多个感知反馈单元，包括第一感知反馈单元、第二感知反馈单元和第三感知反馈单元，第一感知反馈单元包括第一表面换能器2和第一接触式拾音器1，第一表面换能器2和第一接触式拾音器1均位于鞋主体中与人体跟骨处相对应的区域；

第二感知反馈单元包括第二表面换能器3和第二接触式拾音器4，第二表面换能器3位于鞋主体中与人体第一跖骨关节相对应的区域，第二接触式拾音器4位于鞋主体中与人体第四跖骨关节相对应的区域；

第三感知反馈单元包括第三表面换能器5和第三接触式拾音器6，第三表面换能器5位于鞋主体中与人体胫骨远端拇长伸肌处相对应的区域，第三接触式拾音器6位于鞋主体中与人体胫骨远端凸起处相对应的区域。

当表面换能器产生主动传感的振动信号时，表面换能器的电压在0.5-2V范围以内；当表面换能器产生振动反馈时，表面换能器的电压在4-5V范围以内。

具体地，本实施例中，上述表面换能器，可以参考的型号为COM-10917，可以处于两种工作模式：1、步态参数感知；2、反馈提示模式。在处于步态参数感知模式时，其可以根据产生的扫频信号产生相应微小幅度的振动(振动幅度由施加的电压控制，例如在感知模式时，施加1V小电压，产生微小振动)。第一表面换能器2、第二表面换能器3和第三表面换能器5所施加的扫频信号频谱并不相同，例如，第一表面换能器2响应的扫频信号为100-500Hz，第二表面换能器3响应的扫频信号为500-100Hz，第三表面换能器5响应的扫频信号为1000-2000Hz。当处于反馈模式时，为产生较大振动，施加电压为5V。且频率为固定频率，例如280Hz，该频率为能引起人类感知最佳共振频率。

上述接触式拾音器可以参考的型号为CM-01B，也有两种作用：1、感知步态参数；2、感知外界环境。步态参数感知主要是拾取表面换能器产生的振动。外界环境感知主要是通过鞋子和地面接触时产生的振动，分辨处于什么地面上行走，例如草地、木质地板、水泥等。

所要检测的步态参数有：脚踝弯曲角度(此指标针对足下垂患者以及老年人，与跌倒密切相关)、足底压力分布靠左还是右边(此指标针对老年人，与膝关节炎密切相关)，FPA(Foot Progression Angle，此指标是指足行进角，即行走内八字或外八字以及其角度，针对老年人，与膝关节炎密切相关)，行走相位(脚落地点和离地点)。所感知的环境因素主要为行走路面的材质(与跌倒相关)，包括但不限于：木质地板、水泥地、草地。

上述步态参数的检测可采用通过支撑电路元器件7对所采集到的信号，先进行信号处理，然后通过机器学习的方法来预测关节角度以及足底压力分布等实现，信号处理过程和机器学习的方案均可由现有的信号处理和机器学习方案实现。

支撑电路元器件7包括微处理器、电池和信号发生器、功率放大器，微处理器分别连接电池、信号发生器和接触式拾音器，信号发生器还通过功率放大器连接表面换能器。支撑电路元器件7与其他元器件通过柔性软排线(FPC)相连。

在实际使用中，对于脚踝弯曲角度的估计，本方案估算出来误差为4.2°，具有较高的准确性。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种集成行走步态、环境信息感知及反馈功能的智能终端，包括鞋主体，其特征在于，所述鞋主体上设有感知反馈单元和支撑电路元器件(7)，所述感知反馈单元包括表面换能器和接触式拾音器，所述表面换能器用于产生主动传感的振动信号和振动反馈，所述接触式拾音器用于检测表面换能器发出的振动信号在以人体为媒介传播后的回波信号，以及鞋主体与地面接触时的振动信号；

所述支撑电路元器件(7)为具有供电和信号处理功能的模块，所述支撑电路元器件(7)分别连接所述表面换能器和接触式拾音器，用于根据扫频信号频谱区分接触式拾音器采集的回波信号和鞋主体与地面接触时的振动信号，根据所述回波信号中信号特定频率传递特性的变化，判断人体姿态的变化；根据所述鞋主体与地面接触时的振动信号判断行走路面的材质，从而根据所述人体姿态的变化和行走路面的材质控制所述表面换能器进行振动反馈；

所述感知反馈单元的数量为多个，多个所述感知反馈单元包括第一感知反馈单元、第二感知反馈单元和第三感知反馈单元，所述第一感知反馈单元包括第一表面换能器(2)和第一接触式拾音器(1)，所述第一表面换能器(2)和第一接触式拾音器(1)均位于所述鞋主体中与人体跟骨处相对应的区域；

所述第二感知反馈单元包括第二表面换能器(3)和第二接触式拾音器(4)，所述第二表面换能器(3)位于所述鞋主体中与人体第一跖骨关节相对应的区域，所述第二接触式拾音器(4)位于所述鞋主体中与人体第四跖骨关节相对应的区域；

所述第三感知反馈单元包括第三表面换能器(5)和第三接触式拾音器(6)，所述第三表面换能器(5)位于所述鞋主体中与人体胫骨远端拇长伸肌处相对应的区域，所述第三接触式拾音器(6)位于所述鞋主体中与人体胫骨远端凸起处相对应的区域；

所述支撑电路元器件(7)判断出的所述人体姿态包括脚踝弯曲角度、足底压力分布重心、FPA指标和行走相位；

所述支撑电路元器件(7)通过改变所述表面换能器的电压大小，使得表面换能器产生主动传感的振动信号或振动反馈；

当所述表面换能器产生主动传感的振动信号时，所述表面换能器的电压在0.5-2V范围以内；当所述表面换能器产生振动反馈时，所述表面换能器的电压在4-5V范围以内。

2.根据权利要求1所述的一种集成行走步态、环境信息感知及反馈功能的智能终端，其特征在于，所述第一表面换能器(2)的扫频信号在100-500Hz范围以内，所述第二表面换能器(3)的扫频信号在500-100Hz范围以内，所述第三表面换能器(5)的扫频信号在1000-2000Hz范围以内。

3.根据权利要求1所述的一种集成行走步态、环境信息感知及反馈功能的智能终端，其特征在于，当所述表面换能器产生振动反馈时，所述表面换能器输出振动信号的频率为280Hz。

4.根据权利要求1所述的一种集成行走步态、环境信息感知及反馈功能的智能终端，其特征在于，所述支撑电路元器件(7)包括微处理器、电池、信号发生器和功率放大器，所述微处理器分别连接电池、信号发生器和接触式拾音器，所述信号发生器还通过功率放大器连接所述表面换能器。

5.根据权利要求1所述的一种集成行走步态、环境信息感知及反馈功能的智能终端，其特征在于，所述支撑电路元器件(7)通过柔性软排线连接所述表面换能器和接触式拾音器。

6.根据权利要求1所述的一种集成行走步态、环境信息感知及反馈功能的智能终端，其特征在于，所述表面换能器的型号为COM-10917，所述接触式拾音器的型号为CM-01B。

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