本發(fā)明涉及一種步態(tài)的測量、分析和評估技術，尤其涉及一種穿戴式傳感鞋系統(tǒng)及其用于步態(tài)的分析和評估方法。

背景技術：

步態(tài)的測量、分析和評估是臨床分析和康復以及生物力學研究中必不可少的一項工作，目前有一套傳統(tǒng)的測量方式被該領域認為是可靠的標準：由多個紅外高速攝像頭組成的運動捕捉系統(tǒng)加上多塊靜態(tài)測力板，運動捕捉系統(tǒng)在實驗者的身體各肢體粘上紅外反光材料制作的標記點，通過紅外相機捕捉這些標記點的運動來還原人體肢體的運動，靜態(tài)測力板則提供地面反作用力，系統(tǒng)將兩處數(shù)據(jù)代入預定的人體運動模型中求解相關的步態(tài)參數(shù)。但這套系統(tǒng)價格昂貴，而且需要固定安裝，對光線環(huán)境的要求高，只能在實驗室內(nèi)測量，并且有效的測量空間十分有限。

為了解決這套系統(tǒng)的弊端，相關的研究者們開發(fā)了許多用于步態(tài)分析的穿戴式傳感器系統(tǒng)。最開始，單個mems傳感器如電子加速度計、電子陀螺儀被用于分析人體的姿態(tài)，但是這些方法因為電子傳感器本身攜帶的大量噪聲以及測量方法的簡陋，不能滿足全面系統(tǒng)和精確的運動分析。因此，多傳感器組成的穿戴式系統(tǒng)產(chǎn)生了，而且傳感器的融合算法如卡爾曼濾波被用于降低數(shù)據(jù)噪聲、提高精度。太多的傳感器穿戴在被測試者的身上可能會影響舒適性，而且對數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫砸蟾?，步態(tài)分析時可以適量減少不必要的傳感器，以盡量少的傳感器獲取足夠的數(shù)據(jù)。研究者提出了針對下肢的單擺和雙擺模型，以圖進一步減少傳感器的數(shù)量，根據(jù)部分肢體的測量結果估算其它肢體的姿態(tài)來計算步態(tài)參數(shù)，方便簡潔，然而一定程度上降低了精度。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種穿戴式傳感鞋系統(tǒng)及步態(tài)評估方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的：一種穿戴式傳感鞋系統(tǒng)，包括左小腿運動傳感單元、右小腿運動傳感單元、左大腿運動傳感單元、右大腿運動傳感單元、腰部運動傳感單元、計算機、無線路由器、左腳傳感鞋、右腳傳感鞋；其中，所述左小腿運動傳感單元、右小腿運動傳感單元、左大腿運動傳感單元、右大腿運動傳感單元、腰部運動傳感單元、左腳傳感鞋、右腳傳感鞋與計算機、通過無線路由器無線連接，所述左小腿運動傳感單元、右小腿運動傳感單元、左大腿運動傳感單元、右大腿運動傳感單元、腰部運動傳感單元分別用于貼在人體的左小腿、右小腿、左大腿、右大腿和腰部，測量這些肢體部位的姿態(tài)數(shù)據(jù)；所述左腳傳感鞋和右腳傳感鞋分別穿戴于左腳和右腳，測量左腳和右腳腳底的地面反作用力和力矩；所述計算機通過無線路由器接收各肢體部位的姿態(tài)數(shù)據(jù)、左、右腳腳底的地面反作用力和力矩數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)進行步態(tài)評估。

進一步地，所述左小腿運動傳感單元、右小腿運動傳感單元、左大腿運動傳感單元、右大腿運動傳感單元、腰部運動傳感單元的結構相同，均包括第一姿態(tài)傳感器、第一wifi模塊、第一cpu、第一電源模塊；其中，所述第一姿態(tài)傳感器和第一wifi模塊均與第一cpu相連接，第一cpu由第一電源模塊供電；所述第一姿態(tài)傳感器包括陀螺儀、加速度計和磁力計，分別測量角速度、加速度和環(huán)境中的磁場強度，并將數(shù)據(jù)傳輸至第一cpu；第一cpu將數(shù)據(jù)打包后通過第一wifi模塊傳送至計算機。

進一步地，所述右腳傳感鞋與左腳傳感器結構相同，均包括腳掌6軸力傳感單元、足弓6軸力傳感單元、足跟6軸力傳感單元。

進一步地，所述腳掌6軸力傳感單元、足弓6軸力傳感單元和足跟6軸力傳感單元結構相同，均包括第二姿態(tài)傳感器、第二wifi模塊、第二cpu、第二電源模塊、6軸力傳感器；其中，第二cpu由第二電源模塊供電，分別連接第二姿態(tài)傳感器、第二wifi模塊、6軸力傳感器；所述6軸力傳感器用于測量3軸力和3軸力矩，并將數(shù)據(jù)傳輸至第二cpu；所述第二姿態(tài)傳感器包括陀螺儀、加速度計和磁力計，用于測量角速度、加速度和磁場強度，并將數(shù)據(jù)傳輸至第二cpu；所述第二cpu將第二姿態(tài)傳感器和6軸力傳感器的數(shù)據(jù)打包后通過第二wifi模塊傳送至計算機。

一種應用上述穿戴式傳感鞋系統(tǒng)的步態(tài)評估方法，包括以下步驟：

(1)將左小腿運動傳感單元、右小腿運動傳感單元、左大腿運動傳感單元、右大腿運動傳感單元、腰部運動傳感單元分別貼在被測量者的左小腿、右小腿、左大腿、右大腿和腰部，并穿上左腳傳感鞋和右腳傳感鞋，被測試者筆直站立不動，采集數(shù)據(jù)，根據(jù)各傳感單元的姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)計算其初始姿態(tài)并標定；

(2)被測試者開始行走，根據(jù)已知的各傳感單元的姿態(tài)數(shù)據(jù)計算出被測試者下肢的踝關節(jié)角、膝關節(jié)角、髖關節(jié)角；

(3)根據(jù)腳掌6軸力傳感單元、足弓6軸力傳感單元、足跟6軸力傳感單元的3軸壓力、3軸力矩以及姿態(tài)數(shù)據(jù)，分別計算左腳傳感鞋和右腳傳感鞋的地面反作用力和力矩f、m：

f＝rfore-foot×ffore-foot+rarch×farch+rheel×fheel，

m＝rfore-foot×mfore-foot+rarch×march+rheel×mheel，

其中，rfore-foot、rarch、rheel分別為腳掌6軸力傳感單元、足弓6軸力傳感單元、足跟6軸力傳感單元的姿態(tài)矩陣，ffore-foot、farch、fheel和mfore-foot、march、mheel分別為腳掌6軸力傳感單元、足弓6軸力傳感單元、足跟6軸力傳感單元測量得到的3軸力和3軸力矩；

(4)找出地面反作用力f的最大值，除以被測試者的體重，得到標準化壓力峰值fpeak；

(5)根據(jù)地面反作用力f，設置閾值，f超過閾值則視為該側下肢處于站立階段tstance，f低于閾值則視為擺動階段tswing，計算出跨步時間tstep＝tstance+tswing，接著計算出站立時間比r＝tstance/tstep；

(6)根據(jù)平面模型計算步距l(xiāng)：

l＝d1+d2+d1’+d2’,

d1＝d11+d12,

d2＝d21+d22,

d11＝lshank×sin(d)＝lshank×sin(c)＝lshank×sin(a+b),

d12＝lthigh×sin(a),

d21＝lthigh×sin(e),

d22＝lshank×cos(h)＝lshank×cos(g+f)＝lshank×cos(90-e+f),

其中,角a和角b是后腿的髖關節(jié)角和膝關節(jié)角，角e和角f是前腿的髖關節(jié)角和膝關節(jié)角，從平面模型圖可知，角c為角a和角b之和，角d為后腿小腿與豎直方向的夾角，與角c相等，角g為前腿大腿與水平方向的夾角，角h為前腿小腿與水平方向的夾角，lshank和lthigh分別為下肢的小腿腿長和大腿腿長，d1為后腿踝關節(jié)到髖關節(jié)的水平距離，d2為髖關節(jié)到前腿踝關節(jié)的水平距離，d11為后腿踝關節(jié)到后腿膝關節(jié)的水平距離，d12為后腿膝關節(jié)到髖關節(jié)的水平距離，d21為髖關節(jié)到前腿膝關節(jié)的水平距離，d22為前腿膝關節(jié)到前腿踝關節(jié)的水平距離，d1’為下一步后腿踝關節(jié)到髖關節(jié)的水平距離，d2’為下一步髖關節(jié)到前腿踝關節(jié)的水平距離，d1’和d2’的計算方式與d1和d2相同，為之后邁出的一步的數(shù)據(jù)；

(7)進一步計算出步速v＝l/tstep；

(8)對計算所得的標準化壓力峰值fpeak、跨步時間tstep、站立時間比r、步距l(xiāng)、步速v進行統(tǒng)計計算得出平均值和標準差，實現(xiàn)步態(tài)評估。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明的傳感部分由一雙傳感鞋和5個運動傳感單元組成，各個部分獨立封裝和工作，穿戴方便，通過連接一個共同的無線局域網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步和采集，使用簡單。該穿戴式系統(tǒng)相比同類用于步態(tài)分析的產(chǎn)品造價低廉，實現(xiàn)了步態(tài)的日常分析和評估，并且能夠長時間地工作數(shù)小時。使用該穿戴式傳感鞋系統(tǒng)的步態(tài)分析方法能獲得全面的步態(tài)參數(shù)，包括：三維關節(jié)角、三維地面反作用力和力矩。而該系統(tǒng)的步態(tài)評估方法則簡化了計算的復雜度，僅僅使用矢狀面一個維度的數(shù)據(jù)進行分析，且修改了之前的下肢單擺和雙擺模型，減少了模型簡化中帶來的誤差。

附圖說明

圖1為本發(fā)明穿戴式傳感鞋系統(tǒng)的示意圖；

圖2為本發(fā)明穿戴式傳感鞋系統(tǒng)的步態(tài)評估方法示意圖；

圖3為本發(fā)明步態(tài)評估中簡化的人體行走平面模型圖；

圖4為本發(fā)明步態(tài)評估中使用的人體下肢平面模型圖；

圖中，左小腿運動傳感單元1、第一姿態(tài)傳感器2、陀螺儀3、加速度計4、磁力計5、第一wifi模塊6、第一cpu7、第一電源模塊8、右小腿運動傳感單元9、左大腿運動傳感單元10、右大腿運動傳感單元11、腰部運動傳感單元12、計算機13、無線路由器14、腳掌6軸力傳感單元15、左腳傳感器16、足跟6軸力傳感單元17、第二姿態(tài)傳感器18、6軸力傳感器19、第二wifi模塊20、第二cpu21、第二電源模塊22、足弓6軸力傳感單元23、右腳傳感鞋24。

具體實施方式

如圖1、2、3、4所示，一種穿戴式傳感鞋系統(tǒng)包括左小腿運動傳感單元1、右小腿運動傳感單元9、左大腿運動傳感單元10、右大腿運動傳感單元11、腰部運動傳感單元12、計算機13、無線路由器14、左腳傳感鞋16、右腳傳感鞋24；其中，所述左小腿運動傳感單元1、右小腿運動傳感單元9、左大腿運動傳感單元10、右大腿運動傳感單元11、腰部運動傳感單元12、左腳傳感鞋16、右腳傳感鞋24與計算機13、通過無線路由器14無線連接，所述左小腿運動傳感單元1、右小腿運動傳感單元9、左大腿運動傳感單元10、右大腿運動傳感單元11、腰部運動傳感單元12分別用于貼在人體的左小腿、右小腿、左大腿、右大腿和腰部，測量這些肢體部位的姿態(tài)數(shù)據(jù)，包括加速度、角速度和地磁場強度，并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送計算機13，計算機13經(jīng)過擴展卡爾曼濾波算法計算得到四元素，通過四元素計算得到姿態(tài)矩陣和姿態(tài)角；所述左腳傳感鞋16和右腳傳感鞋24分別穿戴于左腳和右腳，測量左腳和右腳腳底的地面反作用力和力矩；所述計算機13通過無線路由器14接收各肢體部位的姿態(tài)數(shù)據(jù)、左、右腳腳底的地面反作用力和力矩數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)進行步態(tài)評估。

所述左小腿運動傳感單元1、右小腿運動傳感單元9、左大腿運動傳感單元10、右大腿運動傳感單元11、腰部運動傳感單元12的結構相同，均包括第一姿態(tài)傳感器2、第一wifi模塊6、第一cpu7、第一電源模塊8；其中，所述第一姿態(tài)傳感器2和第一wifi模塊6均與第一cpu7相連接，第一cpu7由第一電源模塊8供電；所述第一姿態(tài)傳感器2包括陀螺儀3、加速度計4和磁力計5，分別測量角速度、加速度和環(huán)境中的磁場強度，并將數(shù)據(jù)傳輸至第一cpu7；第一cpu7將數(shù)據(jù)打包后通過第一wifi模塊6傳送至計算機13。

所述右腳傳感鞋24與左腳傳感器16結構相同，均包括腳掌6軸力傳感單元15、足弓6軸力傳感單元23、足跟6軸力傳感單元17。

所述腳掌6軸力傳感單元15、足弓6軸力傳感單元23和足跟6軸力傳感單元17結構相同，均包括第二姿態(tài)傳感器18、第二wifi模塊20、第二cpu21、第二電源模塊22、6軸力傳感器19；其中，第二cpu21由第二電源模塊22供電，分別連接第二姿態(tài)傳感器18、第二wifi模塊20、6軸力傳感器19；所述6軸力傳感器19用于測量3軸力和3軸力矩，并將數(shù)據(jù)傳輸至第二cpu21；所述第二姿態(tài)傳感器18包括陀螺儀3、加速度計4和磁力計5，用于測量角速度、加速度和磁場強度，并將數(shù)據(jù)傳輸至第二cpu21；所述第二cpu21將第二姿態(tài)傳感器18和6軸力傳感器19的數(shù)據(jù)打包后通過第二wifi模塊20傳送至計算機13。

所述的穿戴式傳感鞋系統(tǒng)的步態(tài)評估方法，包括以下步驟：

1)將左小腿運動傳感單元1、右小腿運動傳感單元9、左大腿運動傳感單元10、右大腿運動傳感單元11、腰部運動傳感單元12分別貼在被測量者的左小腿、右小腿、左大腿、右大腿和腰部，并穿上左腳傳感鞋16和右腳傳感鞋24，被測試者筆直站立不動，采集數(shù)據(jù)，根據(jù)各傳感單元的姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)計算其初始姿態(tài)并標定；

2)被測試者開始行走，根據(jù)已知的各傳感單元的姿態(tài)數(shù)據(jù)計算出被測試者下肢的踝關節(jié)角、膝關節(jié)角、髖關節(jié)角；

3)根據(jù)腳掌6軸力傳感單元15、足弓6軸力傳感單元23、足跟6軸力傳感單元17的3軸壓力、3軸力矩以及姿態(tài)數(shù)據(jù)，分別計算左腳傳感鞋16和右腳傳感鞋24的地面反作用力和力矩f、m：

f＝rfore-foot×ffore-foot+rarch×farch+rheel×fheel，

m＝rfore-foot×mfore-foot+rarch×march+rheel×mheel，

其中，rfore-foot、rarch、rheel分別為腳掌6軸力傳感單元15、足弓6軸力傳感單元23、足跟6軸力傳感單元17的姿態(tài)矩陣，ffore-foot、farch、fheel和mfore-foot、march、mheel分別為腳掌6軸力傳感單元15、足弓6軸力傳感單元23、足跟6軸力傳感單元17測量得到的3軸力和3軸力矩；

4)找出地面反作用力f的最大值，除以被測試者的體重，得到標準化壓力峰值fpeak；

5)根據(jù)地面反作用力f，設置閾值，f超過閾值則視為該側下肢處于站立階段tstance，f低于閾值則視為擺動階段tswing，計算出跨步時間tstep＝tstance+tswing，接著計算出站立時間比r＝tstance/tstep；

6)根據(jù)平面模型計算步距l(xiāng)：

l＝d1+d2+d1’+d2’,

d1＝d11+d12,

d2＝d21+d22,

d11＝lshank×sin(d)＝lshank×sin(c)＝lshank×sin(a+b),

d12＝lthigh×sin(a),

d21＝lthigh×sin(e),

d22＝lshank×cos(h)＝lshank×cos(g+f)＝lshank×cos(90-e+f),

其中,角a和角b是后腿的髖關節(jié)角和膝關節(jié)角，角e和角f是前腿的髖關節(jié)角和膝關節(jié)角，從平面模型圖可知，角c為角a和角b之和，角d為后腿小腿與豎直方向的夾角，與角c相等，角g為前腿大腿與水平方向的夾角，角h為前腿小腿與水平方向的夾角，lshank和lthigh分別為下肢的小腿腿長和大腿腿長，d1為后腿踝關節(jié)到髖關節(jié)的水平距離，d2為髖關節(jié)到前腿踝關節(jié)的水平距離，d11為后腿踝關節(jié)到后腿膝關節(jié)的水平距離，d12為后腿膝關節(jié)到髖關節(jié)的水平距離，d21為髖關節(jié)到前腿膝關節(jié)的水平距離，d22為前腿膝關節(jié)到前腿踝關節(jié)的水平距離，d1’為下一步后腿踝關節(jié)到髖關節(jié)的水平距離，d2’為下一步髖關節(jié)到前腿踝關節(jié)的水平距離，d1’和d2’的計算方式與d1和d2相同，為之后邁出的一步的數(shù)據(jù)；

7)進一步計算出步速v＝l/tstep；

8)對計算所得的標準化壓力峰值fpeak、跨步時間tstep、站立時間比r、步距l(xiāng)、步速v進行統(tǒng)計計算得出平均值和標準差，實現(xiàn)步態(tài)評估。步態(tài)評估可通過與統(tǒng)計得到的正常步態(tài)的數(shù)據(jù)對比的方式進行，比如一般情況下有：

標準化壓力峰值fpeak的正常值應該處于10n/kg-11n/kg之間，

跨步時間的變化率不應過大，普通人在100ms以下，

站立時間比r的正常值在60％附近，

步距l(xiāng)和步速v的大小因人而異，但是其標準差的值不應過大，否則步幅和步行速度不規(guī)律，步態(tài)不穩(wěn)。