CN114343620A

CN114343620A - 目标步态体态评估方法、装置、设备及介质

Info

Publication number: CN114343620A
Application number: CN202210035416.1A
Authority: CN
Inventors: 叶子蔓; 邓方; 俞成浦; 刘道明; 朱佳琪; 许宁生; 丁宁; 郑豪
Original assignee: Chongqing Innovation Center of Beijing University of Technology
Current assignee: Chongqing Innovation Center of Beijing University of Technology
Priority date: 2022-01-13
Filing date: 2022-01-13
Publication date: 2022-04-15

Abstract

本发明公开了目标步态体态评估方法、装置、设备及介质，该方法包括：获取目标对象的足部压力数据；选取特征点，对足部压力数据进行特定行为标定；根据一段时间内的特征点处数据计算出步频，通过预设的步频区间确定目标对象的运动状态；对目标对象进行静态评估和动态评估；对静态评估和动态评估的结果分别编码，获得静态编码和动态编码；将目标对象的体态数据录入并编码，获得体态编码；根据静态编码、动态编码和体态编码评估足部姿态和步态与体态的相关性。本发明通过传感器技术快速精确实时地捕捉日常活动中足底的受力分布，通过计算机技术进行形态和发力的识别和评估。

Description

目标步态体态评估方法、装置、设备及介质

技术领域

本发明属于目标体态评估技术领域，尤其涉及目标步态体态评估方法、装置、设备及介质。

背景技术

足部和腿部对人们的日常生活具有重要的地位和影响。健全的正常人每天都会进行大量的足部与腿部参与的活动，如站立、走路、跑步等。一些错误的姿势在短时间内不会造成需要就医的后果(会明显影响生活)。但长时间保持一些错误的姿势，随着年龄的增大，则重则会影响人体骨骼和肌肉的健康，轻则会影响人体的体态、外形、美观。因此，为了确保正确的发力，识别运动状态，发现姿态与体态之间的联系，十分必要。

足部和腿部的骨骼、肌肉、组织等的部分都具有独特性。这种独特性有先天遗传的因素，也有后天的影响(如营养、习惯等)。肢体形态条件的不同会影响发力情况，发力习惯的积累又会影响肢体形态条件。而目前的现状是大部分人对站立和走路的足部发力方式和体态没有足够的认识和自觉能力，容易出现如足外翻、足内翻、拇指外翻、O型腿、关节疼痛等异常。

在传统方法中，通常是根据生活经验确定足部的状态。例如足外翻或是足内翻的人鞋底磨损程度往往不同。足内翻的个体由于每一步会倾向于使用脚内侧发力，所以鞋底往往内侧比外侧先磨损，且失衡越来越严重。反之亦然。再例如，若是整个鞋底都有较为接近的受力，则很有可能是扁平足的情况。若是左右鞋底磨损情况有明显的差异，则很有可能是所谓的“长短腿”情况。若是鞋底外侧边缘磨损的过于厉害，则很有可能是O型腿。上述方法耗时较长，且只有当情况严重时才能够判断。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了目标步态体态评估方法、装置、设备及介质,通过传感器技术快速精确实时地捕捉日常活动中足底的受力分布，通过计算机技术进行形态和发力的识别和评估。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种目标步态体态评估方法，所述方法包括：

获取目标对象的足部压力数据；

选取特征点，对所述足部压力数据进行特定行为标定；

根据一段时间内的特征点处数据计算出步频，通过预设的步频区间确定所述目标对象的运动状态；

对所述目标对象进行静态评估和动态评估，所述静态评估包括所述目标对象在站立状态下的姿势评估和足部形态评估，所述动态评估包括所述目标对象在动态下的步态评估；

对静态评估和动态评估的结果分别编码，获得静态编码和动态编码；

将目标对象的体态数据录入并编码，获得体态编码；

根据所述静态编码、所述动态编码和所述体态编码评估足部姿态和步态与体态的相关性。

进一步的，所述目标对象的鞋垫中设置有嵌于鞋垫上的压力传感器阵列、控制模块和通信模块，所述获取目标对象的足部压力数据具体包括：

通过压力传感器阵列获取足底各个部位的压力，并通过放大器和开关选择器读取足底压力的分布；

通过控制模块读取并清洗获取的压力数据；

通过通信模块将完整的帧数据发送至数据处理终端。

进一步的，所述将完整的帧数据发送至数据处理终端还包括：

发送完整的帧数据时添加时间戳，所述时间戳为所述压力传感器阵列所述帧数据开始采集到结束的中间时间，若所述帧数据存在阵列元素点数据丢失，则丢弃所述帧数据。

进一步的，所述选取特征点，对所述足部形态信息进行特定行为标定具体包括：

选取指肚、指缝、脚跟、脚外边缘和脚内边缘作为特征点；

采集目标对象在站立、步行和跑步过程中的足底压力分布数据；

选取多帧数据叠加及滤波，将前端压力峰值标定为指肚，压力谷值标定为指缝，后端压力峰值标定为脚跟；

达到预设压力阈值处标定为脚外边缘，达到另一预设压力阈值处标定为脚内边缘。

进一步的，所述体态动态评估具体包括以下步骤：

分析步态周期的前期足底的受力分布中脚跟与脚掌的情况来判断脚跟与脚掌落地情况；

分析步态周期后期脚趾受力情况来判断抬起时脚趾是否蹬地；

分析步态周期中足底内侧和外侧的受力情况来判断是否足内翻或足外翻；

分析周期中脚趾落地时段拇趾骨和第一跖骨处的倾斜情况来判断是否拇指外翻。

进一步的，所述对静态评估和动态评估的结果分别编码具体包括：

对静态评估和动态评估的结果分别以字典形式编码，所述静态编码包括状态、足部形态和特征点连接线处的压力数据归一化值，所述动态编码包括状态、足部形态和整数个周期时间的特征点处压力归一化值；

所述将目标对象的体态数据录入并编码具体包括：

将目标对象的体态数据录入并以字典形式编码，所述体态编码包括目标对象的基本信息和体态信息。

进一步的，所述根据所述静态编码、所述动态编码和所述体态编码评估足部姿态和步态与体态的相关性包括：

采用卡方检验计算足部姿态和步态与体态的相关系数，根据相关系数判定足部姿态和步态与体态的相关性。

另一方面，本发明还提供了一种目标步态体态评估装置，所述装置包括：

数据获取模块，用于获取目标对象的足部压力数据；

行为标定模块，用于选取特征点，对所述足部压力数据进行特定行为标定；

状态判断模块，用于根据一段时间内的特征点处数据计算出步频，通过预设的步频区间确定所述目标对象的运动状态；

形态评估模块，用于对所述目标对象进行静态评估和动态评估，所述静态评估包括所述目标对象在站立状态下的姿势评估和足部形态评估，所述动态评估包括所述目标对象在动态下的步态评估；

步态编码模块，用于对静态评估和动态评估的结果分别编码，获得静态编码和动态编码；

体态编码模块，用于将目标对象的体态数据录入并以字典形式编码，获得体态编码，所述体态编码包括目标对象的基本信息和体态信息；

相关性评估模块，用于根据所述静态编码、所述动态编码和所述体态编码评估足部姿态和步态与体态的相关性。

另一方面，本发明还提供了一种计算机设备，计算机设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序由所述处理器加载并执行以实现上述的任意一种目标步态体态评估方法。

另一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序由处理器加载并执行以实现上述的任意一种目标步态体态评估方法。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明提出了一种足部体态静态评估方案，包括对足部形态的评估和站立时的姿势评估，足部形态的评估包括是否考虑拇指外翻、扁平足。站立时的姿势评估包括是否足内/外翻。

(2)本发明提出了一种足部体态动态评估方案，包括脚跟/脚掌落地情况、脚趾是否蹬地、是否足内/外翻、是否拇指外翻。

(3)本发明在数据量的基础上，采用卡方检验挖掘步态与体态之间的相关性关系，为人体运动学建模提供现象素材，也能够为发展健康体态提供指导。

(4)本发明采用压力传感器阵列检测足底压力分布来识别和评估人体步态和体态，成本低，能够量化步态特征。

(5)本发明采用压力传感器阵列检测足底压力分布，在不影响鞋子的功能的前提下实现日常的实时监测。

附图说明

图1是本发明实施例提供的目标步态体态评估方法流程示意图；

图2是本发明实施例提供的实现目标步态体态评估方法的系统结构示意图；

图3是本发明实施例压力传感器阵列和读取模块的电路示意图；

图4是本发明实施例鞋垫压力传感器阵列示意图；

图5是本发明实施例提供的目标步态体态评估装置结构框图。

附图标记：1-单个压敏电阻像素，2-鞋垫，3-压力传感器阵列及其像素，4-压力传感器阵列导线。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

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。

在传统方法中，通常是根据生活经验确定足部的状态。传统方法耗时较长，且只有当情况严重时才能够判断。因此，为了确保正确的发力，识别运动状态，发现姿态与体态之间的联系，十分必要。

为了解决上述技术问题，提出了本发明目标步态体态评估方法、装置、设备及介质的各个实施例。

实施例1

参照图2，如图2所示是本实施例提供的实现目标步态体态评估方法的系统结构示意图，该系统主要由处理器模块、传感模块、电源模块、传输模块、终端以及云端服务器组成。

终端既可以是手机、笔记本电脑、平板电脑等移动终端，也可以是台式计算机等固定终端。

足部包括MCU、压力传感器阵列、电源模块、蓝牙模块。MCU控制器模块采用MSP430系列低功耗微处理器，包含晶振电路、复位电路、电源滤波电路、LED指示电路、按键电路。压力传感模块包括压敏电阻阵列，和放大器、选择器。压敏电阻阵列像素值通过选择器读取，每一帧数据则通过选择器扫描采集。电源模块包括大容量锂电池、充电电路、充电接口电路、短路保护电路、电量检测电路。4G/5G模块。蓝牙模块采用低功耗蓝牙协议BLEv5.0。

传感模块利用嵌于鞋垫上的压力传感器阵列以一定的精度传感足底各个部位的压力，通过放大器和开关选择器读取足底压力分布。

处理器模块控制传感模块的输入并读取传感模块的输出。对数据进行初步的处理，主要是数据的清洗。将完整的帧数据发出给手机端。以防频率的不稳定，发送时需要带时间戳。该时间戳取从传感模块开始新的一帧的数据的采集到结束的中间时间为时间戳。并进行存储。若阵列元素点数据有丢失，则丢弃整帧数据。若长时间得不到完整数据，则发送故障信息给手机端。

电源模块嵌入鞋底，给处理器模块供电。

传输模块通过蓝牙，将清洗过的数据发送给终端。

参照图1，如图1所示是本实施例提供的目标步态体态评估方法流程示意图，该方法具体包括以下步骤：

步骤S100：获取目标对象的足部压力数据。

作为一种实施方式，本实施例通过在目标对象的鞋垫中设置嵌于鞋垫2上的压力传感器阵列、控制模块和通信模块来实现，参照图3和图4，如图3所示是本实施例压力传感器阵列和读取模块的电路示意图，压力传感器阵列3由若干单个压敏电阻像素1组成。如图4所示是实施例鞋垫压力传感器阵列示意图，压力传感器阵列3通过压力传感器阵列导线4连接。

获取目标对象的足部压力数据具体包括：

通过压力传感器阵列3获取足底各个部位的压力，并通过放大器和开关选择器读取足底压力的分布；

通过控制模块读取并清洗获取的压力数据；

通过通信模块将完整的帧数据发送至数据处理终端。

此外，将完整的帧数据发送至数据处理终端还包括：

以防频率的不稳定，发送完整的帧数据时添加时间戳，所述时间戳为所述压力传感器阵列所述帧数据开始采集到结束的中间时间，若所述帧数据存在阵列元素点数据丢失，则丢弃所述帧数据。若长时间得不到完整数据，则发送故障信息给终端。

后续数据处理由终端执行。

步骤S200：选取特征点，对所述足部压力数据进行特定行为标定。

具体地，这部分主要实现针对新用户的足部形态的获取。主要问题是人体足部形态的个性化差异。采取的方法是获得平常情况下足底的形状，有压力的地方就是脚底，有压力的像素点边缘就是足底形状，由于获得的足底形状不一定是平滑的，所以进行平滑滤波。先针对个人进行特定行为下的标定。根据经验选取几个特征点，包括以指肚、指缝、脚跟、脚外边缘和脚内边缘作为特征点；

选取多帧数据叠加及滤波，本实施将传感器采集的数据进行滤波等平滑处理后以热力图的方式可视化展示出来，形状为所识别的足部形状。

将前端压力峰值标定为指肚，压力谷值标定为指缝，后端压力峰值标定为脚跟；

达到预设压力阈值处标定为脚外边缘，达到另一预设压力阈值处标定为脚内边缘，脚内边缘和脚外边缘的压力情况不同，可根据实际情况设定压力阈值。

由于足底形态具有较好的稳定性，只有脚趾部分有一定程度的自由度，因此所得到的足底形态在对同一个用户的所有后续处理中相对固定。

完成标定后，从鞋垫压力分布中动态识别足部形状。主要问题是动态活动过程中足部和鞋垫的相对位置会发生变化。采取的方法是，由于足底形态的稳定性，取传感所得数据帧中压力集中的地方为特征点，并与用户的标定数据比对。

步骤S300：根据一段时间内的特征点处数据计算出步频，通过预设的步频区间确定所述目标对象的运动状态。步频根据特征点的出现频率计算即可。

具体地，人体运动状态主要包括站立、踱步、步行、快走或慢跑、跑步、其它(如坐)六种状态。主要方法是对一段时间所采的传感数据中特征点处数据进行滤波、傅里叶变换，得到步频。小于等于0.3为站立，大于0.3且小于等于0.5为踱步，大于0.5且小于等于1.5为步行，大于1.5且小于等于2.2为快走或慢跑，大于2.2为跑步。根据实际需要，各个状态所属的步频区间可以另行设定。

步骤S400：对所述目标对象进行静态评估和动态评估，所述静态评估包括所述目标对象在站立状态下的姿势评估和足部形态评估，所述动态评估包括所述目标对象在动态下的步态评估。

具体地，体态静态评估主要是在静态状态情况下实现对足部形态的评估和站立时的姿势评估，足部形态的评估包括是否考虑拇指外翻、扁平足，站立时的姿势评估包括是否足内/外翻。

体态动态评估具体包括以下步骤：

分析步态周期的前期足底的受力分布中脚跟与脚掌的情况来判断脚跟与脚掌落地情况。

作为一种实施方式，当足底受力分布中，脚后跟受力先于脚掌受力，则脚跟先于脚掌落地，反之则脚后跟受力晚于脚掌受力。

分析步态周期后期脚趾受力情况来判断抬起时脚趾是否蹬地。

作为一种实施方式，当足底受力分布中，脚后跟没受力时脚趾受力，则抬起时脚趾蹬地。

分析步态周期中足底内侧和外侧的受力情况来判断是否足内翻或足外翻。

作为一种实施方式，当脚内边缘受力高于正常阈值，脚外边缘受力低于正常阈值时，判断为足外翻；当脚内边缘受力低于正常阈值，脚外边缘受力高于正常阈值时，判断为足内翻。

作为一种实施方式，当脚趾落地时段拇趾骨和第一跖骨处的倾斜角度达到一定角度时，判断为拇指外翻。

步骤S500：对静态评估和动态评估的结果分别编码，获得静态编码和动态编码。

具体地，对静态评估和动态评估的结果分别编码具体包括：

对静态评估和动态评估的结果分别以字典形式编码，所述静态编码包括状态、足部形态和特征点连接线处的压力数据归一化值。具体形式为[状态(站立)，是否拇指外翻，是否扁平足，是否足内翻，是否足外翻，特征点连接线处的压力数据归一化值]。根据实际需要，可以增加或减少编码中的足部形态。

所述动态编码包括状态、足部形态和整数个周期时间的特征点处压力归一化值。具体形式为[状态，脚跟/脚掌落地情况，脚趾是否蹬地，是否足内翻，是否足外翻，是否拇指外翻，整数个周期时间的特征点处压力归一化值]。根据实际需要，可以增加或减少编码中的足部形态。

步骤S600：将目标对象的体态数据录入并编码，获得体态编码。

具体地，将目标对象的体态数据录入并编码具体包括：

将目标对象的体态数据录入并以字典形式编码，所述体态编码包括目标对象的基本信息和体态信息。具体形式为[年龄，性别，身高，体重，是否长短腿，是否O型腿，是否X型腿，是否脊柱弯曲，是否高低肩]。根据实际需要，可以增加或减少编码中的基本信息和/或体态信息。

后续步骤由云端服务器执行。

步骤S700：根据所述静态编码、所述动态编码和所述体态编码评估足部姿态和步态与体态的相关性。

作为一种实施方式，本实施例采用卡方检验计算足部姿态和步态与体态的相关系数，根据相关系数判定足部姿态和步态与体态的相关性。

通过卡方检测能够检验两个非参数的理论频数和实际频数的吻合程度。

本实施例提供的目标步态体态评估方法，包括对足部形态的评估和站立时的姿势评估，足部形态的评估包括是否考虑拇指外翻、扁平足。站立时的姿势评估包括是否足内/外翻。本实施例还提出了一种足部体态动态评估方案，包括脚跟/脚掌落地情况、脚趾是否蹬地、是否足内/外翻、是否拇指外翻。在数据量的基础上，采用卡方检验挖掘步态与体态之间的相关性关系，为人体运动学建模提供现象素材，也能够为发展健康体态提供指导。本实施例采用压力传感器阵列检测足底压力分布来识别和评估人体步态和体态，成本低，能够量化步态特征。本实施例采用压力传感器阵列检测足底压力分布，在不影响鞋子的功能的前提下实现日常的实时监测。

实施例2

参照图5，如图5所示是本实施例提供的提供的目标步态体态评估装置结构框图，该装置具体包括：

数据获取模块10，用于获取目标对象的足部压力数据；

行为标定模块20，用于选取特征点，对所述足部压力数据进行特定行为标定；

状态判断模块30，用于根据一段时间内的特征点处数据计算出步频，通过预设的步频区间确定所述目标对象的运动状态；

形态评估模块40，用于对所述目标对象进行静态评估和动态评估，所述静态评估包括所述目标对象在站立状态下的姿势评估和足部形态评估，所述动态评估包括所述目标对象在动态下的步态评估；

步态编码模块50，用于对静态评估和动态评估的结果分别编码，获得静态编码和动态编码；

体态编码模块60，用于将目标对象的体态数据录入并以字典形式编码，获得体态编码，所述体态编码包括目标对象的基本信息和体态信息；

相关性评估模块70，用于根据所述静态编码、所述动态编码和所述体态编码评估足部姿态和步态与体态的相关性。

本实施例提供的目标步态体态评估装置，包括对足部形态的评估和站立时的姿势评估，足部形态的评估包括是否考虑拇指外翻、扁平足。站立时的姿势评估包括是否足内/外翻。本实施例还提出了一种足部体态动态评估方案，包括脚跟/脚掌落地情况、脚趾是否蹬地、是否足内/外翻、是否拇指外翻。在数据量的基础上，采用卡方检验挖掘步态与体态之间的相关性关系，为人体运动学建模提供现象素材，也能够为发展健康体态提供指导。本实施例采用压力传感器阵列检测足底压力分布来识别和评估人体步态和体态，成本低，能够量化步态特征。本实施例采用压力传感器阵列检测足底压力分布，在不影响鞋子的功能的前提下实现日常的实时监测。

实施例3

本优选实施例提供了一种计算机设备，该计算机设备可以实现本申请实施例所提供的目标步态体态评估方法任一实施例中的步骤，因此，可以实现本申请实施例所提供的目标步态体态评估方法的有益效果，详见前面的实施例，在此不再赘述。

实施例4

本领域普通技术人员可以理解，上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤可以通过指令来完成，或通过指令控制相关的硬件来完成，该指令可以存储于一计算机可读存储介质中，并由处理器进行加载和执行。为此，本发明实施例提供一种存储介质，其中存储有多条指令，该指令能够被处理器进行加载，以执行本发明实施例所提供的目标步态体态评估方法中任一实施例的步骤。

其中，该存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取记忆体(RAM，Random Access Memory)、磁盘或光盘等。

由于该存储介质中所存储的指令，可以执行本发明实施例所提供的任一目标步态体态评估方法实施例中的步骤，因此，可以实现本发明实施例所提供的任一目标步态体态评估方法所能实现的有益效果，详见前面的实施例，在此不再赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种目标步态体态评估方法，其特征在于，所述方法包括：

获取目标对象的足部压力数据；

选取特征点，对所述足部压力数据进行特定行为标定；

将目标对象的体态数据录入并编码，获得体态编码；

2.如权利要求1所述的目标步态体态评估方法，其特征在于，所述目标对象的鞋垫中设置有嵌于鞋垫上的压力传感器阵列、控制模块和通信模块，所述获取目标对象的足部压力数据具体包括：

通过控制模块读取并清洗获取的压力数据；

通过通信模块将完整的帧数据发送至数据处理终端。

3.如权利要求2所述的目标步态体态评估方法，其特征在于，所述将完整的帧数据发送至数据处理终端还包括：

4.如权利要求1所述的目标步态体态评估方法，其特征在于，所述选取特征点，对所述足部形态信息进行特定行为标定具体包括：

选取指肚、指缝、脚跟、脚外边缘和脚内边缘作为特征点；

5.如权利要求1所述的目标步态体态评估方法，其特征在于，所述体态动态评估具体包括以下步骤：

6.如权利要求1所述的目标步态体态评估方法，其特征在于，所述对静态评估和动态评估的结果分别编码具体包括：

所述将目标对象的体态数据录入并编码具体包括：

7.如权利要求6所述的目标步态体态评估方法，其特征在于，所述根据所述静态编码、所述动态编码和所述体态编码评估足部姿态和步态与体态的相关性包括：

8.一种目标步态体态评估装置，其特征在于，所述装置包括：

数据获取模块，用于获取目标对象的足部压力数据；

9.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序由所述处理器加载并执行以实现如权利要求1至7任一项所述的目标步态体态评估方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序由处理器加载并执行以实现如权利要求1至7任一项所述的目标步态体态评估方法。