一种穿戴式传感鞋系统及步态评估方法与流程

本发明涉及一种步态的测量、分析和评估技术，尤其涉及一种穿戴式传感鞋系统及其用于步态的分析和评估方法。

背景技术：

步态的测量、分析和评估是临床分析和康复以及生物力学研究中必不可少的一项工作，目前有一套传统的测量方式被该领域认为是可靠的标准：由多个红外高速摄像头组成的运动捕捉系统加上多块静态测力板，运动捕捉系统在实验者的身体各肢体粘上红外反光材料制作的标记点，通过红外相机捕捉这些标记点的运动来还原人体肢体的运动，静态测力板则提供地面反作用力，系统将两处数据代入预定的人体运动模型中求解相关的步态参数。但这套系统价格昂贵，而且需要固定安装，对光线环境的要求高，只能在实验室内测量，并且有效的测量空间十分有限。

为了解决这套系统的弊端，相关的研究者们开发了许多用于步态分析的穿戴式传感器系统。最开始，单个mems传感器如电子加速度计、电子陀螺仪被用于分析人体的姿态，但是这些方法因为电子传感器本身携带的大量噪声以及测量方法的简陋，不能满足全面系统和精确的运动分析。因此，多传感器组成的穿戴式系统产生了，而且传感器的融合算法如卡尔曼滤波被用于降低数据噪声、提高精度。太多的传感器穿戴在被测试者的身上可能会影响舒适性，而且对数据传输的同步性要求高，步态分析时可以适量减少不必要的传感器，以尽量少的传感器获取足够的数据。研究者提出了针对下肢的单摆和双摆模型，以图进一步减少传感器的数量，根据部分肢体的测量结果估算其它肢体的姿态来计算步态参数，方便简洁，然而一定程度上降低了精度。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种穿戴式传感鞋系统及步态评估方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种穿戴式传感鞋系统，包括左小腿运动传感单元、右小腿运动传感单元、左大腿运动传感单元、右大腿运动传感单元、腰部运动传感单元、计算机、无线路由器、左脚传感鞋、右脚传感鞋；其中，所述左小腿运动传感单元、右小腿运动传感单元、左大腿运动传感单元、右大腿运动传感单元、腰部运动传感单元、左脚传感鞋、右脚传感鞋与计算机、通过无线路由器无线连接，所述左小腿运动传感单元、右小腿运动传感单元、左大腿运动传感单元、右大腿运动传感单元、腰部运动传感单元分别用于贴在人体的左小腿、右小腿、左大腿、右大腿和腰部，测量这些肢体部位的姿态数据；所述左脚传感鞋和右脚传感鞋分别穿戴于左脚和右脚，测量左脚和右脚脚底的地面反作用力和力矩；所述计算机通过无线路由器接收各肢体部位的姿态数据、左、右脚脚底的地面反作用力和力矩数据，并根据这些数据进行步态评估。

进一步地，所述左小腿运动传感单元、右小腿运动传感单元、左大腿运动传感单元、右大腿运动传感单元、腰部运动传感单元的结构相同，均包括第一姿态传感器、第一wifi模块、第一cpu、第一电源模块；其中，所述第一姿态传感器和第一wifi模块均与第一cpu相连接，第一cpu由第一电源模块供电；所述第一姿态传感器包括陀螺仪、加速度计和磁力计，分别测量角速度、加速度和环境中的磁场强度，并将数据传输至第一cpu；第一cpu将数据打包后通过第一wifi模块传送至计算机。

进一步地，所述右脚传感鞋与左脚传感器结构相同，均包括脚掌6轴力传感单元、足弓6轴力传感单元、足跟6轴力传感单元。

进一步地，所述脚掌6轴力传感单元、足弓6轴力传感单元和足跟6轴力传感单元结构相同，均包括第二姿态传感器、第二wifi模块、第二cpu、第二电源模块、6轴力传感器；其中，第二cpu由第二电源模块供电，分别连接第二姿态传感器、第二wifi模块、6轴力传感器；所述6轴力传感器用于测量3轴力和3轴力矩，并将数据传输至第二cpu；所述第二姿态传感器包括陀螺仪、加速度计和磁力计，用于测量角速度、加速度和磁场强度，并将数据传输至第二cpu；所述第二cpu将第二姿态传感器和6轴力传感器的数据打包后通过第二wifi模块传送至计算机。

一种应用上述穿戴式传感鞋系统的步态评估方法，包括以下步骤：

(1)将左小腿运动传感单元、右小腿运动传感单元、左大腿运动传感单元、右大腿运动传感单元、腰部运动传感单元分别贴在被测量者的左小腿、右小腿、左大腿、右大腿和腰部，并穿上左脚传感鞋和右脚传感鞋，被测试者笔直站立不动，采集数据，根据各传感单元的姿态传感器数据计算其初始姿态并标定；

(2)被测试者开始行走，根据已知的各传感单元的姿态数据计算出被测试者下肢的踝关节角、膝关节角、髋关节角；

(3)根据脚掌6轴力传感单元、足弓6轴力传感单元、足跟6轴力传感单元的3轴压力、3轴力矩以及姿态数据，分别计算左脚传感鞋和右脚传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分别为脚掌6轴力传感单元、足弓6轴力传感单元、足跟6轴力传感单元的姿态矩阵，ffore-foot、farch、fheel和mfore-foot、march、mheel分别为脚掌6轴力传感单元、足弓6轴力传感单元、足跟6轴力传感单元测量得到的3轴力和3轴力矩；

(4)找出地面反作用力f的最大值，除以被测试者的体重，得到标准化压力峰值fpeak；

(5)根据地面反作用力f，设置阈值，f超过阈值则视为该侧下肢处于站立阶段tstance，f低于阈值则视为摆动阶段tswing，计算出跨步时间tstep＝tstance+tswing，接着计算出站立时间比r＝tstance/tstep；

(6)根据平面模型计算步距l：

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是后腿的髋关节角和膝关节角，角e和角f是前腿的髋关节角和膝关节角，从平面模型图可知，角c为角a和角b之和，角d为后腿小腿与竖直方向的夹角，与角c相等，角g为前腿大腿与水平方向的夹角，角h为前腿小腿与水平方向的夹角，lshank和lthigh分别为下肢的小腿腿长和大腿腿长，d1为后腿踝关节到髋关节的水平距离，d2为髋关节到前腿踝关节的水平距离，d11为后腿踝关节到后腿膝关节的水平距离，d12为后腿膝关节到髋关节的水平距离，d21为髋关节到前腿膝关节的水平距离，d22为前腿膝关节到前腿踝关节的水平距离，d1’为下一步后腿踝关节到髋关节的水平距离，d2’为下一步髋关节到前腿踝关节的水平距离，d1’和d2’的计算方式与d1和d2相同，为之后迈出的一步的数据；

(7)进一步计算出步速v＝l/tstep；

(8)对计算所得的标准化压力峰值fpeak、跨步时间tstep、站立时间比r、步距l、步速v进行统计计算得出平均值和标准差，实现步态评估。

本发明的有益效果是，本发明的传感部分由一双传感鞋和5个运动传感单元组成，各个部分独立封装和工作，穿戴方便，通过连接一个共同的无线局域网实现数据的同步和采集，使用简单。该穿戴式系统相比同类用于步态分析的产品造价低廉，实现了步态的日常分析和评估，并且能够长时间地工作数小时。使用该穿戴式传感鞋系统的步态分析方法能获得全面的步态参数，包括：三维关节角、三维地面反作用力和力矩。而该系统的步态评估方法则简化了计算的复杂度，仅仅使用矢状面一个维度的数据进行分析，且修改了之前的下肢单摆和双摆模型，减少了模型简化中带来的误差。

附图说明

图1为本发明穿戴式传感鞋系统的示意图；

图2为本发明穿戴式传感鞋系统的步态评估方法示意图；

图3为本发明步态评估中简化的人体行走平面模型图；

图4为本发明步态评估中使用的人体下肢平面模型图；

图中，左小腿运动传感单元1、第一姿态传感器2、陀螺仪3、加速度计4、磁力计5、第一wifi模块6、第一cpu7、第一电源模块8、右小腿运动传感单元9、左大腿运动传感单元10、右大腿运动传感单元11、腰部运动传感单元12、计算机13、无线路由器14、脚掌6轴力传感单元15、左脚传感器16、足跟6轴力传感单元17、第二姿态传感器18、6轴力传感器19、第二wifi模块20、第二cpu21、第二电源模块22、足弓6轴力传感单元23、右脚传感鞋24。

具体实施方式

如图1、2、3、4所示，一种穿戴式传感鞋系统包括左小腿运动传感单元1、右小腿运动传感单元9、左大腿运动传感单元10、右大腿运动传感单元11、腰部运动传感单元12、计算机13、无线路由器14、左脚传感鞋16、右脚传感鞋24；其中，所述左小腿运动传感单元1、右小腿运动传感单元9、左大腿运动传感单元10、右大腿运动传感单元11、腰部运动传感单元12、左脚传感鞋16、右脚传感鞋24与计算机13、通过无线路由器14无线连接，所述左小腿运动传感单元1、右小腿运动传感单元9、左大腿运动传感单元10、右大腿运动传感单元11、腰部运动传感单元12分别用于贴在人体的左小腿、右小腿、左大腿、右大腿和腰部，测量这些肢体部位的姿态数据，包括加速度、角速度和地磁场强度，并将这些数据发送计算机13，计算机13经过扩展卡尔曼滤波算法计算得到四元素，通过四元素计算得到姿态矩阵和姿态角；所述左脚传感鞋16和右脚传感鞋24分别穿戴于左脚和右脚，测量左脚和右脚脚底的地面反作用力和力矩；所述计算机13通过无线路由器14接收各肢体部位的姿态数据、左、右脚脚底的地面反作用力和力矩数据，并根据这些数据进行步态评估。

所述左小腿运动传感单元1、右小腿运动传感单元9、左大腿运动传感单元10、右大腿运动传感单元11、腰部运动传感单元12的结构相同，均包括第一姿态传感器2、第一wifi模块6、第一cpu7、第一电源模块8；其中，所述第一姿态传感器2和第一wifi模块6均与第一cpu7相连接，第一cpu7由第一电源模块8供电；所述第一姿态传感器2包括陀螺仪3、加速度计4和磁力计5，分别测量角速度、加速度和环境中的磁场强度，并将数据传输至第一cpu7；第一cpu7将数据打包后通过第一wifi模块6传送至计算机13。

所述右脚传感鞋24与左脚传感器16结构相同，均包括脚掌6轴力传感单元15、足弓6轴力传感单元23、足跟6轴力传感单元17。

所述脚掌6轴力传感单元15、足弓6轴力传感单元23和足跟6轴力传感单元17结构相同，均包括第二姿态传感器18、第二wifi模块20、第二cpu21、第二电源模块22、6轴力传感器19；其中，第二cpu21由第二电源模块22供电，分别连接第二姿态传感器18、第二wifi模块20、6轴力传感器19；所述6轴力传感器19用于测量3轴力和3轴力矩，并将数据传输至第二cpu21；所述第二姿态传感器18包括陀螺仪3、加速度计4和磁力计5，用于测量角速度、加速度和磁场强度，并将数据传输至第二cpu21；所述第二cpu21将第二姿态传感器18和6轴力传感器19的数据打包后通过第二wifi模块20传送至计算机13。

所述的穿戴式传感鞋系统的步态评估方法，包括以下步骤：

1)将左小腿运动传感单元1、右小腿运动传感单元9、左大腿运动传感单元10、右大腿运动传感单元11、腰部运动传感单元12分别贴在被测量者的左小腿、右小腿、左大腿、右大腿和腰部，并穿上左脚传感鞋16和右脚传感鞋24，被测试者笔直站立不动，采集数据，根据各传感单元的姿态传感器数据计算其初始姿态并标定；

2)被测试者开始行走，根据已知的各传感单元的姿态数据计算出被测试者下肢的踝关节角、膝关节角、髋关节角；

3)根据脚掌6轴力传感单元15、足弓6轴力传感单元23、足跟6轴力传感单元17的3轴压力、3轴力矩以及姿态数据，分别计算左脚传感鞋16和右脚传感鞋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分别为脚掌6轴力传感单元15、足弓6轴力传感单元23、足跟6轴力传感单元17的姿态矩阵，ffore-foot、farch、fheel和mfore-foot、march、mheel分别为脚掌6轴力传感单元15、足弓6轴力传感单元23、足跟6轴力传感单元17测量得到的3轴力和3轴力矩；

4)找出地面反作用力f的最大值，除以被测试者的体重，得到标准化压力峰值fpeak；

5)根据地面反作用力f，设置阈值，f超过阈值则视为该侧下肢处于站立阶段tstance，f低于阈值则视为摆动阶段tswing，计算出跨步时间tstep＝tstance+tswing，接着计算出站立时间比r＝tstance/tstep；

6)根据平面模型计算步距l：

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是后腿的髋关节角和膝关节角，角e和角f是前腿的髋关节角和膝关节角，从平面模型图可知，角c为角a和角b之和，角d为后腿小腿与竖直方向的夹角，与角c相等，角g为前腿大腿与水平方向的夹角，角h为前腿小腿与水平方向的夹角，lshank和lthigh分别为下肢的小腿腿长和大腿腿长，d1为后腿踝关节到髋关节的水平距离，d2为髋关节到前腿踝关节的水平距离，d11为后腿踝关节到后腿膝关节的水平距离，d12为后腿膝关节到髋关节的水平距离，d21为髋关节到前腿膝关节的水平距离，d22为前腿膝关节到前腿踝关节的水平距离，d1’为下一步后腿踝关节到髋关节的水平距离，d2’为下一步髋关节到前腿踝关节的水平距离，d1’和d2’的计算方式与d1和d2相同，为之后迈出的一步的数据；

7)进一步计算出步速v＝l/tstep；

8)对计算所得的标准化压力峰值fpeak、跨步时间tstep、站立时间比r、步距l、步速v进行统计计算得出平均值和标准差，实现步态评估。步态评估可通过与统计得到的正常步态的数据对比的方式进行，比如一般情况下有：

标准化压力峰值fpeak的正常值应该处于10n/kg-11n/kg之间，

跨步时间的变化率不应过大，普通人在100ms以下，

站立时间比r的正常值在60％附近，

步距l和步速v的大小因人而异，但是其标准差的值不应过大，否则步幅和步行速度不规律，步态不稳。