一種基于足底壓力的步態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于傳感器檢測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于足底壓力的步態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在偏癱患者康復(fù)的過(guò)程中，踝關(guān)節(jié)的早期康復(fù)訓(xùn)練是非常重要的，因?yàn)樗绊懼?患者今后是否能夠恢復(fù)正常的步態(tài)。一個(gè)人中風(fēng)患者的中樞神經(jīng)系統(tǒng)是損壞的，這就導(dǎo)致 受損中樞區(qū)域周圍的神經(jīng)元細(xì)胞壞死從而形成了一個(gè)半影區(qū)。在中風(fēng)患者前兩個(gè)月的康復(fù) 過(guò)程中，該半影區(qū)對(duì)于神經(jīng)系統(tǒng)的恢復(fù)有著至關(guān)重要的作用，這就意味著早期中風(fēng)患者能 否康復(fù)在很大程度上取決于該半影區(qū)的恢復(fù)。很多學(xué)者已經(jīng)在利用正電子放射斷層造影術(shù) 對(duì)其進(jìn)行研究。根據(jù)神經(jīng)發(fā)育技術(shù)的內(nèi)容，人們可以用某些特定的方法去誘導(dǎo)偏癱患者使 其可以逐漸感覺(jué)正常運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)并且學(xué)習(xí)正常的運(yùn)動(dòng)模式以幫助半影區(qū)的恢復(fù)。更進(jìn)一步 訓(xùn)練患者去控制他們的姿勢(shì)，維持平衡以及做一些其他的功能性的運(yùn)動(dòng)。因此，在偏癱患者 踝關(guān)節(jié)康復(fù)過(guò)程中，偏癱患者的運(yùn)動(dòng)在半影區(qū)恢復(fù)過(guò)程中的積極影響是不可忽視的。
[0003] 在偏癱患者的康復(fù)過(guò)程中，通過(guò)某種方式誘導(dǎo)患者進(jìn)行被動(dòng)的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練在患者康 復(fù)過(guò)程中可以起到十分積極的作用。目前最常見(jiàn)的輔助訓(xùn)練機(jī)構(gòu)是康復(fù)機(jī)器人，而康復(fù)機(jī) 器人的理論設(shè)計(jì)對(duì)空間運(yùn)動(dòng)姿態(tài)檢測(cè)有著很高的要求。
[0004] 身體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息檢測(cè)是一種通過(guò)捕捉人類身體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并且通過(guò)選擇特定方 式來(lái)獲得運(yùn)動(dòng)參數(shù)反饋的方法。通過(guò)對(duì)身體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的檢測(cè)與過(guò)程參數(shù)的分析處理，身體 的結(jié)構(gòu)以及姿態(tài)就可以被重建。身體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息包括人類關(guān)節(jié)的位移，速度，加速度等參 數(shù)?，F(xiàn)在的身體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息已經(jīng)有著很廣泛的研究，這些信息可以被分成以下幾類： 1.光學(xué)檢測(cè)方法 該方法是將光學(xué)方法應(yīng)用于人體動(dòng)作信息的收集，主要包括有高速照相技術(shù)，攝影記 錄技術(shù)以及光電檢測(cè)技術(shù)。這種非接觸式的測(cè)試方法不會(huì)影響到人體的正常運(yùn)動(dòng)，因此所 檢測(cè)到的數(shù)據(jù)可以較為真實(shí)的反映人類的肢體動(dòng)作。然而，用該方法測(cè)量時(shí)，數(shù)據(jù)的收集以 及處理過(guò)程十分耗時(shí)。而且高速攝影設(shè)備的成本通常都很高。同時(shí)光電檢測(cè)技術(shù)的結(jié)果很 容易會(huì)受到復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的影響，這就需要大量的后期人工處理工作。
[0005] 2.電信號(hào)檢測(cè)方法 電檢測(cè)技術(shù)是用傳感器將人類所產(chǎn)生的無(wú)能量的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成為與電流信號(hào)成一定比 例的數(shù)據(jù)從而測(cè)量人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的方法。然后我們就可以通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理分析而 從中獲得所需要的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。常用的方法有利用加速度計(jì)來(lái)測(cè)量靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)情況。 這種實(shí)時(shí)的檢測(cè)方法有著很高的檢測(cè)精準(zhǔn)度以及較為低廉的成本，而成本主要是來(lái)自于購(gòu) 買傳感器，設(shè)計(jì)制作測(cè)量電路以及數(shù)據(jù)記錄的設(shè)備儀器。
[0006] 3.生物信號(hào)檢測(cè)方法 現(xiàn)代研究表明人體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的生物信號(hào)。建立在該研究基礎(chǔ)上的生物 信號(hào)檢測(cè)方法可以被用來(lái)分析人體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在檢測(cè)過(guò)程中，人們使用貼附在身體表面 的可以檢測(cè)肌肉強(qiáng)度和時(shí)間的電極來(lái)收集EMG數(shù)據(jù)從而達(dá)到采集運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的目的。然而， EMG的強(qiáng)度通常比較弱，同時(shí)所測(cè)得的數(shù)據(jù)的精確度也較易受到身體生理情況不同的影響。
[0007] 然而，現(xiàn)在的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)檢測(cè)多是基于圖像處理的檢測(cè)方法，這種方法存在著精度 不高，無(wú)法三維檢測(cè)等一系列缺點(diǎn)。而利用電信號(hào)傳感器的檢測(cè)雖然精度高，但是目前的研 究還沒(méi)有涉及到足底壓力與踝關(guān)節(jié)角度變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于足底壓力的步態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，旨在解決現(xiàn)有的基于 圖像處理的步態(tài)檢測(cè)多方法精度不高、無(wú)法三維檢測(cè)，利用電信號(hào)傳感器的檢測(cè)雖然精度 高，但目前還沒(méi)有涉及到足底壓力與踝關(guān)節(jié)角度變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系的問(wèn)題。
[0009] 本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種基于足底壓力的步態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)包括踝關(guān)節(jié)角度檢測(cè)系 統(tǒng)、足底壓力檢測(cè)系統(tǒng)、步態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)； 所述踝關(guān)節(jié)角度檢測(cè)系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、上位機(jī)；所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 將運(yùn)動(dòng)傳感器的數(shù)據(jù)采集并傳送到上位機(jī)；所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括藍(lán)牙通訊模塊、數(shù)據(jù)采 集模塊、冗余數(shù)據(jù)剔除模塊、數(shù)據(jù)保存模塊； 所述藍(lán)牙通訊模塊的功能是打開(kāi)關(guān)閉上位機(jī)與運(yùn)動(dòng)傳感器的通訊接口，并且選擇運(yùn)動(dòng) 傳感器的工作模式； 所述數(shù)據(jù)采集模塊的功能是負(fù)責(zé)從運(yùn)動(dòng)傳感器中讀取數(shù)據(jù)； 冗余數(shù)據(jù)剔除模塊的功能是剔除運(yùn)動(dòng)傳感器采集到的重復(fù)數(shù)據(jù)； 數(shù)據(jù)保存模塊的功能是在上位機(jī)硬盤中開(kāi)辟存儲(chǔ)空間，建立文檔用以保存運(yùn)動(dòng)傳感器 所采集到的數(shù)據(jù)； 所述足底壓力檢測(cè)系統(tǒng)包括測(cè)力鞋墊、AD采集模塊以及上位機(jī)；所述的測(cè)力鞋墊上設(shè) 置有第一薄膜壓力傳感器、第二薄膜壓力傳感器、第三薄膜壓力傳感器、第四薄膜壓力傳感 器； 所述的步態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)包括通訊模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、卡爾曼濾波模塊、空間姿態(tài)判斷模 塊、數(shù)據(jù)顯示模塊； 所述通訊模塊的功能是打開(kāi)空間姿態(tài)傳感器的藍(lán)牙通訊模塊以及AD采集模塊的USB 通訊模塊； 所述數(shù)據(jù)采集模塊的作用是將空間姿態(tài)傳感器的藍(lán)牙傳感器以及AD采集卡中采集到 的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)； 所述卡爾曼濾波模塊是用于剔除采集到信號(hào)中的噪聲，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的 更新和處理； 空間姿態(tài)判斷模塊是基于足底壓力的換關(guān)節(jié)空間姿態(tài)分析而設(shè)計(jì)的判斷模塊，該空間 姿態(tài)判斷模塊通過(guò)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析實(shí)時(shí)以及判斷獲得踝關(guān)節(jié)空間姿態(tài)所處的狀 態(tài)并且以圖片的形式輸出到用戶界面； 所述數(shù)據(jù)顯示模塊是用于將采集到的數(shù)據(jù)輸出到文字顯示空間內(nèi)。
[0010] 進(jìn)一步，第一薄膜壓力傳感器、第二薄膜壓力傳感器、第三薄膜壓力傳感器、第四 薄膜壓力傳感器分別放置在與足底第五趾區(qū)域、第四節(jié)跖骨區(qū)域、第二節(jié)跖骨區(qū)域和腳跟 區(qū)域相接觸的鞋墊的四個(gè)區(qū)域上。
[0011] 進(jìn)一步，所述足底壓力檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)算放大器和參考 電阻，基于比例放大器原理建立運(yùn)算放大器輸出電壓匕與薄膜壓 力傳感器電壓、參考電壓，參考電阻RU R2之間的關(guān)系：
，將薄膜壓力傳感器產(chǎn)生 的微弱電壓信號(hào)放大到-5V至5V之間，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
[0012] 進(jìn)一步，所述足底壓力檢測(cè)系統(tǒng)將運(yùn)算放大器輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的 數(shù)字量。
[0013] 進(jìn)一步，所述足底壓力檢測(cè)系統(tǒng)利用標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器檢測(cè)對(duì)每一個(gè)足底傳感器施 加力，測(cè)量該壓力下的電壓信號(hào)值，利用非線性擬合算法建立基于電壓信號(hào)和足底施加力 之間的函數(shù)關(guān)系，利用上述函數(shù)的反向計(jì)算，將不同步態(tài)下測(cè)量電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換為，從而獲得 不同步態(tài)下足底施加在鞋墊四個(gè)區(qū)域的作用力。
[0014] 本發(fā)明的基于足底壓力的步態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)可以通過(guò)對(duì)足底壓力變化情況的判斷來(lái) 實(shí)時(shí)判斷踝關(guān)節(jié)所處的空間姿態(tài)，進(jìn)一步分析被測(cè)對(duì)象所處的步態(tài)情況，同時(shí)還能夠滿足 新型患者主觀控制的踝關(guān)節(jié)輔助康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的要求。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的基于足底壓力的步態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的放大電路原理圖； 圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的被測(cè)對(duì)象速度為2km/h時(shí)傳感器輸出電壓隨時(shí)間變化的圖 像。
[0016] 圖中：1、踝關(guān)節(jié)角度檢測(cè)系統(tǒng)；1-1、運(yùn)動(dòng)傳感器；1-2、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；1-3、上位 機(jī)；2、足底壓力檢測(cè)系統(tǒng)；2-1、測(cè)力鞋墊；2-2、AD采集模塊；2-3、上位機(jī)；3、步態(tài)檢測(cè)系 統(tǒng)；3-1、通訊模塊；3-2、數(shù)據(jù)采集模塊；3-3、卡爾曼濾波模塊；3-4、空間姿態(tài)判斷模塊； 3-5、數(shù)據(jù)顯示模塊。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的
【發(fā)明內(nèi)容】
、特點(diǎn)及功效，茲例舉以下實(shí)施例，并配合附圖 詳細(xì)說(shuō)明如下。
[0018] 如圖1所示，本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種基于足底壓力的步態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)包括踝關(guān) 節(jié)角度檢測(cè)系統(tǒng)1、足底壓力檢測(cè)系統(tǒng)2、步態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)3 ; 所述踝關(guān)節(jié)角度檢測(cè)系統(tǒng)1包括運(yùn)動(dòng)傳感器1-1、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1-2、上位機(jī)1-3 ;所述 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1-2將運(yùn)動(dòng)傳感器1-1的數(shù)據(jù)采集并傳送到上位機(jī)1-3 ;所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 1-2包括藍(lán)牙通訊模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、冗余數(shù)據(jù)剔除模塊、數(shù)據(jù)保存模塊； 所述運(yùn)動(dòng)傳感器1-1采用小型姿態(tài)運(yùn)動(dòng)傳感器； 所述藍(lán)牙通訊模塊的功能是打開(kāi)關(guān)閉上位機(jī)與運(yùn)動(dòng)傳感器的通訊接口，并且選擇運(yùn)動(dòng) 傳感器的工作模式； 所述數(shù)據(jù)采集模塊的功能是負(fù)責(zé)從運(yùn)動(dòng)傳感器中讀取數(shù)據(jù)； 冗余數(shù)據(jù)剔除模塊的功能是剔除運(yùn)動(dòng)傳感器采集到的重復(fù)數(shù)據(jù)； 數(shù)據(jù)保存模塊的功能是在上位機(jī)硬盤中開(kāi)辟存儲(chǔ)空間，建立文檔用以保存運(yùn)動(dòng)傳感器 所采集到的數(shù)據(jù)； 本發(fā)明實(shí)施例中的踝關(guān)節(jié)角度檢測(cè)系統(tǒng)主要獲?。赫Ｈ诵凶哌^(guò)程中跖屈背屈角度； 正常人跖屈背屈極限角度；正常人內(nèi)翻外翻極限角度；正常人內(nèi)旋外旋極限角度； 跖背屈角度測(cè)量實(shí)驗(yàn)參數(shù)，見(jiàn)表1 :
將表1中的數(shù)據(jù)通過(guò)卡爾曼濾波模塊3-3進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理。預(yù)處理的目的是從三組 數(shù)據(jù)中篩選出分布均勻且規(guī)律的合理數(shù)據(jù)，剔除掉不合理的數(shù)據(jù)以便擬合與分析。剔除不 合理數(shù)據(jù)之后將篩選到的數(shù)據(jù)利用數(shù)據(jù)擬合系統(tǒng)進(jìn)行擬合分析。使用數(shù)據(jù)擬合的基本流程 是：導(dǎo)入?yún)⑦x后數(shù)組選用傅里葉三階函數(shù)對(duì)角度的變化進(jìn)行擬合。評(píng)判擬合程度的指標(biāo)使 用相關(guān)系數(shù)R-square指標(biāo)，R-square是擬合的相關(guān)函數(shù)，其值越接近于1，表明擬合程度越 好。
[0019] 經(jīng)擬合，得到被測(cè)對(duì)象一（sx)步行速度為4km/h時(shí)的角度（A)變化，角速度（W)以 及角加速度（Alpha)擬合方程為： A=0.02559*cos(2.791*x)*sin(2.791*x) - 115.6*cos(2.791*x)2 + 175. 9*cos(2. 791*x) 4-63· 42*cos(2. 791*x)6-120. 0*cos(2. 791*x)3*sin(2. 791*x)+l 89. 5*cos(2. 791*x)5*sin(2. 791*x); W=99.18*cos(16.74*x) + 33.18*sin(16.74*x) - 2.014*cos(5.581*x) + 97.09*cos(11.16*x) - 2.355*sin(5.581*x) - 112.7*sin(11.16*x); Alpha= 555.6*cos(16.74*x) - 1660.0*sin(16.74*x)_13.15*cos(5.581*x) -1258.0*cos(11.16*x) + 11.24*sin(5.581*x) - 1084.0*sin(11.16*