CN115868935A - 一种基于可穿戴的便携式平衡评估装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及平衡评估相关领域，具体为一种基于可穿戴的便携式平衡评估装置，本发明采用常见不同尺码大小的鞋垫或者鞋子作为数据采集模块，可穿戴，学习成本小，结构小巧，便于移动，实用性好；依照人体下肢及足部生物力学和足部解剖学原理设计和放置了网格结构的薄膜压力传感器，能够准确的监测和反映出人体足部前后等各部位的受力情况，得到更加全面丰富的平衡能力的参数，提高精确性。
Description
技术领域
本发明涉及平衡评估相关领域，具体为一种基于可穿戴的便携式平衡评估装置。
背景技术
平衡能力是人体的一项重要生理机能，是指身体抵抗破坏平衡的外力，以保持全身处于稳定状态的能力。平衡能力的控制过程中需要视觉、本体感觉和前庭系统迅速、持续的提供反馈信息，并根据反馈信息神经肌肉迅速执行平衡控制任务。因此，根据对平衡能力进行精准评估，可以了解人体参与维持平衡各系统的功能状态,从而判定影响平衡能力下降的原因，具有非常重要的意义。
以往传统的平衡能力测试和评估多采用闭眼站立试验(Romberg’s test)、平衡量表检查法(Berg平衡量表、Fugl-Meyer平衡反应测试)、起立行走测试(time up to,TUG)等方法。以上这些方法操作简单，但精度不足且缺乏量化[1]。随着科学技术的发展，出现了一些数字化和智能化的平衡评估测试技术和设备，如测力台(Kistler和AMTI)采集受试者的压力中心(center of pressure,COP)评估平衡能力；也有结合运动捕捉系统(如VICON[2])计算质心(center of gravity,COG),这些方法所采集的数据精准可靠，但数据处理需要耗时较多[4]。
综上，现有的平衡能力评估的技术和装置，存在实用性不好、结构复杂等问题，所以发明了一种基于可穿戴的便携式平衡评估装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于可穿戴的便携式平衡评估装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于可穿戴的便携式平衡评估装置，包括，包括足底信息采集模块、足底信息预处理模块和足底信息处理模块，其特征在于：所述足底信息采集模块包含压力传感器单元、储存单元、处理器单元、通信单元和电源单元，所述足底信息采集单元通过通信单元与足底信息预处理模块和足底信息处理模块进行信息交互和数据交互，所述压力传感器单元均匀分布在鞋底表面，所述压力传感器单元与处理器单元通信连接；
所述足底信息预处理模块用于对压力传感器单元进行校准，足底信息采集模块采集数据的预处理和接收足底信息处理模块的控制信号；
所述足底信息处理模块用于对足底信息预处理模块预处理后的足底信息采集模块采集数据的处理及展示。
优选的，所述压力传感器单元依照人体下肢及足部生物力学和足部解剖学原理，通过一定的网格结构将压力薄膜传感器均匀分布在足底，其中足底面积为脚的外围轮廓的最大有效面积，分布的密度和传感器的数量，根据实际应用场景而定。
优选的，所述通信单元采用有线方式或无线方式中的一种，其中有限方式包含USB、网线或串口连接，无线方式包含蓝牙、wifi、3G/4G/5G无线通信方式。
优选的，所述足底信息预处理模块对足底信息采集模块采集数据的预处理具体为：通过低通滤波、中值滤波对数据去噪和平滑处理，所述足底信息预处理模块接收足底信息处理模块的控制信号用于对对足底信息采集模块进行数据采集的控制。
优选的，所述足底信息处理模块对足底信息采集模块采集数据的处理具体包括以下步骤：
步骤S1、首先将双侧足底分别划分成足后部分和足前部分，从而将双侧足底分为左足后部分、左足前部分、右足后部分、右足前部分4大区域，并分别用A、B、C、D标记；
步骤S2、分别计算A、B、C、D区域的压力大小和中心位置；
步骤S3、根据步骤S2中得出的数据，再结合左右脚各自足前部分和足后部分的压力大小，得出6个区域的时域压力变化曲线，并进行展示。
优选的，所述步骤S2中对计算A、B、C、D区域的压力大小具体为：足后部分区域A和C使用足底薄膜压力传感器网格阵列的所有覆盖点计算，其中足跟部分为压力点权重为1，足弓部分的压力点权重为0.5，足前部分区域B和D使用足底薄膜压力传感器网格阵列的所有覆盖点计算，足前掌部分的压力点的权重为1，足弓部分的权重为0.5。
优选的，所述步骤S2中计算中心位置使用下述公式：
其中xc、yc是所求压力中心点的坐标，W是所有压力点压力的和,其中xi、yi是每个点的坐标,且所有xi,yi满足xi！＝0,yi！＝0，wi是每个点多压力大小,另外分别计算AC和BD压力的和，得出整体足前部分和足后部分的压力大小。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用常见不同尺码大小的鞋垫或者鞋子作为数据采集模块，可穿戴，学习成本小，结构小巧，便于移动，实用性好；依照人体下肢及足部生物力学和足部解剖学原理设计和放置了网格结构的薄膜压力传感器，能够准确的监测和反映出人体足部前后等各部位的受力情况，得到更加全面丰富的平衡能力的参数，提高精确性。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的足底信息采集模块结构示意图；
图3为本发明的压力传感器单元结构示意图；
图4为本发明的足底划分结构示意图；
图5为本发明的整体足后部分的时域压力变化曲线示意图；
图6为本发明的整体足前部分的时域压力变化曲线示意图
图7为本发明的左脚足后部分的时域压力变化曲线示意图
图8为本发明的右脚足后部分的时域压力变化曲线示意图
图9为本发明的左脚足前部分的时域压力变化曲线示意图
图10为本发明的右脚足前部分的时域压力变化曲线示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
请参阅图1-10，本发明提供一种技术方案：一种基于可穿戴的便携式平衡评估装置，包括足底信息采集模块、足底信息预处理模块和足底信息处理模块，其特征在于：所述足底信息采集模块包含压力传感器单元、储存单元、处理器单元、通信单元和电源单元，所述足底信息采集单元通过通信单元与足底信息预处理模块和足底信息处理模块进行信息交互和数据交互，所述压力传感器单元均匀分布在鞋底表面，所述压力传感器单元与处理器单元通信连接；
所述足底信息预处理模块用于对压力传感器单元进行校准，足底信息采集模块采集数据的预处理和接收足底信息处理模块的控制信号；
所述足底信息处理模块用于对足底信息预处理模块预处理后的足底信息采集模块采集数据的处理及展示。
进一步的，所述压力传感器单元依照人体下肢及足部生物力学和足部解剖学原理，通过一定的网格结构将压力薄膜传感器均匀分布在足底，其中足底面积为脚的外围轮廓的最大有效面积，分布的密度和传感器的数量，根据实际应用场景而定。
进一步的，所述通信单元采用有线方式或无线方式中的一种，其中有限方式包含USB、网线或串口连接，无线方式包含蓝牙、wifi、3G/4G/5G无线通信方式。
进一步的，所述足底信息预处理模块对足底信息采集模块采集数据的预处理具体为：通过低通滤波、中值滤波对数据去噪和平滑处理，所述足底信息预处理模块接收足底信息处理模块的控制信号用于对对足底信息采集模块进行数据采集的控制。
进一步的，所述足底信息处理模块对足底信息采集模块采集数据的处理具体包括以下步骤：
步骤S1、首先将双侧足底分别划分成足后部分和足前部分，从而将双侧足底分为左足后部分、左足前部分、右足后部分、右足前部分4大区域，并分别用A、B、C、D标记；
步骤S2、分别计算A、B、C、D区域的压力大小和中心位置；
步骤S3、根据步骤S2中得出的数据，再结合左右脚各自足前部分和足后部分的压力大小，得出6个区域的时域压力变化曲线，并进行展示，如图5-10。
进一步的，所述步骤S2中对计算A、B、C、D区域的压力大小具体为：足后部分区域A和C使用足底薄膜压力传感器网格阵列的所有覆盖点计算，其中足跟部分为压力点权重为1，足弓部分的压力点权重为0.5，足前部分区域B和D使用足底薄膜压力传感器网格阵列的所有覆盖点计算，足前掌部分的压力点的权重为1，足弓部分的权重为0.5。
进一步的，所述步骤S2中计算中心位置使用下述公式：
其中xc、yc是所求压力中心点的坐标，W是所有压力点压力的和,其中xi、yi是每个点的坐标,且所有xi,yi满足xi！＝0,yi！＝0，wi是每个点多压力大小,另外分别计算AC和BD压力的和，得出整体足前部分和足后部分的压力大小。
本发明采用常见不同尺码大小的鞋垫或者鞋子作为数据采集模块，可穿戴，学习成本小，结构小巧，便于移动，实用性好；依照人体下肢及足部生物力学和足部解剖学原理设计和放置了网格结构的薄膜压力传感器，能够准确的监测和反映出人体足部前后等各部位的受力情况，得到更加全面丰富的平衡能力的参数，提高精确性。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种基于可穿戴的便携式平衡评估装置，包括足底信息采集模块、足底信息预处理模块和足底信息处理模块，其特征在于：所述足底信息采集模块包含压力传感器单元、储存单元、处理器单元、通信单元和电源单元，所述足底信息采集单元通过通信单元与足底信息预处理模块和足底信息处理模块进行信息交互和数据交互，所述压力传感器单元均匀分布在鞋底表面，所述压力传感器单元与处理器单元通信连接；
所述足底信息预处理模块用于对压力传感器单元进行校准，足底信息采集模块采集数据的预处理和接收足底信息处理模块的控制信号；
所述足底信息处理模块用于对足底信息预处理模块预处理后的足底信息采集模块采集数据的处理及展示。
2.根据权利要求1所述的一种基于可穿戴的便携式平衡评估装置，其特征在于：所述压力传感器单元依照人体下肢及足部生物力学和足部解剖学原理，通过一定的网格结构将压力薄膜传感器均匀分布在足底，其中足底面积为脚的外围轮廓的最大有效面积，分布的密度和传感器的数量，根据实际应用场景而定。
3.根据权利要求1所述的一种基于可穿戴的便携式平衡评估装置，其特征在于：所述通信单元采用有线方式或无线方式中的一种，其中有限方式包含USB、网线或串口连接，无线方式包含蓝牙、wifi、3G/4G/5G无线通信方式。
4.根据权利要求1所述的一种基于可穿戴的便携式平衡评估装置，其特征在于：所述足底信息预处理模块对足底信息采集模块采集数据的预处理具体为：通过低通滤波、中值滤波对数据去噪和平滑处理，所述足底信息预处理模块接收足底信息处理模块的控制信号用于对对足底信息采集模块进行数据采集的控制。
5.根据权利要求1所述的一种基于可穿戴的便携式平衡评估装置，其特征在于：所述足底信息处理模块对足底信息采集模块采集数据的处理具体包括以下步骤：
步骤S1、首先将双侧足底分别划分成足后部分和足前部分，从而将双侧足底分为左足后部分、左足前部分、右足后部分、右足前部分4大区域，并分别用A、B、C、D标记；
步骤S2、分别计算A、B、C、D区域的压力大小和中心位置；
步骤S3、根据步骤S2中得出的数据，再结合左右脚各自足前部分和足后部分的压力大小，得出6个区域的时域压力变化曲线，并进行展示。
6.根据权利要求5所述的一种基于可穿戴的便携式平衡评估装置，其特征在于：所述步骤S2中对计算A、B、C、D区域的压力大小具体为：足后部分区域A和C使用足底薄膜压力传感器网格阵列的所有覆盖点计算，其中足跟部分为压力点权重为1，足弓部分的压力点权重为0.5，足前部分区域B和D使用足底薄膜压力传感器网格阵列的所有覆盖点计算，足前掌部分的压力点的权重为1，足弓部分的权重为0.5。
7.根据权利要求5所述的一种基于可穿戴的便携式平衡评估装置，其特征在于：所述步骤S2中计算中心位置使用下述公式：
其中xc、yc是所求压力中心点的坐标，W是所有压力点压力的和,其中xi、yi是每个点的坐标,且所有xi,yi满足xi！＝0,yi！＝0，wi是每个点多压力大小,另外分别计算AC和BD压力的和，得出整体足前部分和足后部分的压力大小。
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