基于多传感器融合的康复鞋的制作方法

基于多传感器融合的康复鞋
【技术领域】
1.本技术涉及穿戴式电子设备技术领域，尤其涉及一种基于多传感器融合的康复鞋。


背景技术：

2.人体步态在反映机体的健康状况、下肢运动机能以及病症方面具有重要的参考意义。
3.老年人由于神经系统老化、运动系统易受损伤等原因，易受运动障碍疾病的困扰。当神经系统或运动系统受到疾病影响时，人体运动功能也会受损，外在步态会受到影响，表现为步态异常。同时，老年人由于身体机能减弱，行动不便，容易发生跌倒并出现其他危险情况，诱发身体组织、器官等其他部位的损伤，严重的甚至会危及生命。因此对人体的步态进行实时监测与分析，及时发现异常活动和身体变化，提供预警与相应救援机制，或者协助康复训练等，具有重大的意义。为了有效识别用户是否出现跌倒状态或异常步态，需要设计一种基于多维度监控用户足底步态的康复鞋。


技术实现要素：

4.为了精准监测跌倒或预跌倒的异常步态，本技术提供了一种基于多传感器融合的康复鞋。
5.本技术由以下技术方案实现的：
6.基于多传感器融合的康复鞋，包括鞋底，所述鞋底内设有数据采集模块，所述数据采集模块包括处理单元、与所述处理单元电连接的压力检测单元、六轴传感器单元和无线通讯单元，所述压力检测单元包括多个分布于鞋底用于获取足底压力值的压力传感器，所述六轴传感器单元包括用于获取三轴加速度值的三轴加速度传感器和用于获取三轴角速度值的三轴角速度传感器。
7.如上所述的基于多传感器融合的康复鞋，所述鞋底包括底层、位于所述底层上方的中层和位于所述中层上方的鞋垫层，所述压力检测单元设于所述中层表面并嵌入至所述鞋垫层内。
8.如上所述的基于多传感器融合的康复鞋，所述中层的两端的压力传感器数量多于所述中层中部的压力传感器数量。
9.如上所述的基于多传感器融合的康复鞋，所述数据采集模块还包括与所述处理单元电连接的温湿度传感器单元，所述温湿度传感器单元包括设于所述中层的两端的温湿度传感器。
10.如上所述的基于多传感器融合的康复鞋，所述数据采集模块还包括与所述处理单元电连接的gps定位模块、语音提示单元与电源管理单元，所述处理单元、六轴传感器单元、无线通讯单元、gps定位模块、语音提示单元与电源管理单元集成在一线路板中，所述底层设有用于容纳所述线路板的凹槽，所述凹槽内设有与所述电源管理单元电连接的电池。
11.如上所述的基于多传感器融合的康复鞋，所述数据采集模块还包括与所述电池电连接的充电管理单元，所述鞋底外侧设有与充电管理单元电连接的电源接口以及与所述处理单元电连接的充电指示灯。
12.与现有技术相比，本技术有如下优点：
13.本技术提供了一种基于压力检测单元与六轴传感器单元的康复鞋，通过识别用户的足底压力及移动加速度的数据，以方便发现用户是否处于跌倒的异常步态，有效及时发现或施救处于跌倒异常步态中的用户。
【附图说明】
14.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
15.图1是基于多传感器融合的康复鞋的结构示意图。
16.图2是数据采集模块的结构框图。
【具体实施方式】
17.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他全部实施例，都属于本技术保护的范围。
18.如图1和图2所示，本实施例公开了一种基于多传感器融合的康复鞋，包括鞋底1和鞋帮4，所述鞋底1内设有数据采集模块2，所述数据采集模块2包括处理单元21、与所述处理单元21电连接的压力检测单元22、六轴传感器单元23和无线通讯单元24，具体地，所述处理单元21为arm处理器、单片机或者dsp，所述无线通讯单元24可以是4g通信模块或者wifi。所述压力检测单元22包括多个分布于鞋底1用于获取足底压力值的压力传感器，本实施例的压力传感器可采用现有的压力传感器，所述六轴传感器单元23包括用于获取三轴加速度值的三轴加速度传感器和用于获取三轴角速度值的三轴角速度传感器，本实施例的三轴加速度传感器和三轴角速度传感器可采用现有的三轴加速度传感器和三轴角速度传感器，其中，三轴加速度值和三轴角速度值中，设定x轴正向为人前进的方向，y轴正向指向人体的右侧平行于双肩，z轴垂直x轴、y轴并向下。处理单元21接收足底压力值、三轴加速度值和三轴角速度值后，对数据进行滤波、放大、模数转换等操作后，按照一定规则形成数据包，通过无线通讯单元24将数据传送至后台服务器进行监测分析，后台服务器接收、解析数据，通过相应算法后将分析识别结果返回至处理单元21。本实施例中，提供了一种基于压力检测单元与六轴传感器单元的康复鞋，通过识别用户的足底压力及移动加速度的数据，以方便发现用户是否处于跌倒异常步态，有效及时发现或施救处于跌倒异常步态中的用户。本实施例通过多传感器所获取的数据融合，可多角度、多维度反应步态特征，获得准确的识别分析结果。
19.进一步地，为了方便设置压力检测单元，且使压力检测单元有效获取用户的足底压力，所述鞋底1包括底层11、位于所述底层11上方的中层12和位于所述中层12上方的鞋垫层13，所述中层12为fpc，所述压力检测单元22设于所述中层12表面并嵌入至所述鞋垫层13
内。
20.进一步地，多个压力传感器按照一定的规律分布在中层12的表面，为了匹配人体足形，所述中层12的两端的压力传感器数量多于所述中层12中部的压力传感器数量，即鞋头与鞋尾设置数量较多的压力传感器。具体数量可根据压力数据的精度需求设置。进一步地，所述数据采集模块2还包括与所述处理单元21电连接的温湿度传感器单元25，所述温湿度传感器单元25包括设于所述中层12的两端的温湿度传感器，即温湿度传感器也设于鞋头与鞋尾上，依据温湿度传感器单元25采集的鞋内前后温度、湿度，判断鞋内的环境是否正常，保证鞋内不易滋生细菌。中层12与多个压力传感器、两个温湿度传感器间设有相应的隐藏线路，使压力检测单元22、温湿度传感器单元25与处理单元21内的电路元件相连。
21.进一步地，所述数据采集模块2还包括与所述处理单元21电连接的gps定位模块26、语音提示单元27与电源管理单元28，所述gps定位模块26用于实现轨迹追踪功能，防止老人丢失。为了方便安装，所述处理单元21、六轴传感器单元23、无线通讯单元24、gps定位模块26、语音提示单元27与电源管理单元28集成在一线路板29中，所述底层11设有用于容纳所述线路板29的凹槽14，所述凹槽14内设有与所述电源管理单元28电连接的电池30。具体地，语音提示单元27可以是蜂鸣器。电源管理单元28包括有滤波电路和稳压电路等常规的电源用电路，以将电池30的输出电压分别转化为与之相连的电路模块所需的电压。电池30可以为锂电池。
22.进一步地，所述数据采集模块2还包括与所述电池30电连接的充电管理单元31，所述鞋底1外侧设有与充电管理单元31电连接的电源接口32以及与所述处理单元21电连接的充电指示灯33，所述电源接口32为磁吸充电接口，通过磁吸充电接口与市电连接，以获取市电的电能，可加快充电速度，实现防水，易操作效果。充电指示灯33可用于指示充电状态。
23.本实施例还提供了基于上述康复鞋的监测分析方法，包括如下步骤：
24.s1、接收无线通讯单元24每隔预设时间段发送的由压力检测单元22在对应预设时间段内获取到的足底压力值数据及由六轴传感器单元23在对应预设时间段内获取到的三轴加速度值数据和三轴角速度值数据。
25.s2、将相邻的两个预设时间段作为步态分析窗口，并将步态分析窗口内每一时刻的最大足底压力值数据作为步态分析窗口数据。
26.s3、根据步态分析窗口内的最大足底压力值数据变化判断步态分析窗口内是否存在非正常运动步态时段。
27.本步骤中，具体包括如下步骤：
28.识别步态分析窗口内对应时段的最大足底压力值数据变化是否满足支撑相与摆动相的切换，若是，则判断为正常运动步态时段，若否，则判断为非正常运动步态时段。具体地，根据人体体重与身高设定预设步态阈值，当最大足底压力值小于预设步态阈值时，则用户处于摆动相；当最大足底压力值大于预设步态阈值时，则用户处于支撑相。因此在步态分析窗口内对应时段内，通过判断最大足底压力值与预设步态阈值的数量大小关系，以识别最大足底压力值数据变化是否满足支撑相与摆动相的切换。
29.s4、若存在非正常运动步态时段，则在步态分析窗口内，将非正常运动步态时段前最靠近非正常运动步态时段且最大足底压力值等于预设步态阈值的时刻作为起始时间点，并将起始时间点后的时间段作为非正常运动步态分析窗口，将非正常运动步态分析窗口内
每一时刻的最大足底压力值、三轴加速度值和三轴角速度值作为非正常运动步态分析窗口数据，同步进行如下步骤：
30.s51、判断非正常运动步态分析窗口内每一时刻的最大足底压力值是否大于预设的步态阈值，若否，则输出疑似跌倒结果。
31.s52、根据非正常运动步态分析窗口内每一时刻的三轴加速度值计算非正常运动步态分析窗口内的三轴加速度平均值，并根据三轴加速度平均值计算与静止三轴加速度(0,0，g)的相关性系数，判断计算得出的相关性系数是否大于预设的相关性系数阈值，若否，则输出疑似跌倒结果，其中g为重力加速度。
32.s53、根据非正常运动步态分析窗口内每一时刻的三轴加速度值计算对应的合加速度值，并根据非正常运动步态分析窗口内的合加速度值的变化计算合加速度变化值方差，判断计算得出的合加速度变化值方差是否大于预设的方差阈值，若是，则输出疑似跌倒结果。由于在用户在跌倒的瞬间，至少存在一个方向加速度变化较快且变化复杂，因此用户此时若为跌倒状态，合加速变化值方差就会较大。
33.s6、若步骤s51、步骤s52、步骤s53中，任意两个步骤均输出疑似跌倒结果，则输出跌倒状态结果。语音提示单元27可根据所输出的跌倒状态结果发出报警声。
34.本实施例还提供了存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行上述监测分析方法的步骤。
35.本实施例的康复鞋还可用于运动系统疾病与神经系统疾病导致的下肢运动障碍的诊断预防和康复训练。常见运动系统疾病与神经系统疾病导致的异常步态包含但不限于跛行、踮脚、震颤等，因此对以上异常步态与正常步态进行识别就可达到监控诊断目的。
36.所述康复鞋也可协助康复人群进行康复训练，如监测步长、步频、步速是否达到通过app预设的康复训练要求，若未达到则通过语音提示单元27进行提示。同时，可记录各参数的历史值，通过参数的变化趋势，以对一种病情所致的异常步态的严重程度进行识别，协助康复人群进行康复效果评估。
37.如上所述是结合具体内容提供的多种实施方式，并不认定本技术的具体实施只局限于这些说明。凡与本技术的方法、结构等近似、雷同，或是对于本技术构思前提下做出若干技术推演或替换，都应当视为本技术的保护范围。