x); 该拟合的R-square值为0· 9136。
[0020] 根据所得实验数据以及其分析可知，正常人在匀速行走的过程中，每一个步态周 期中踝关节的角度都会按照某一个函数关系跟随者时间的变化而变化。角速度也是如此。 而对于人在行走中的不同步速也有类似情况，只是随着步速的不同，步态周期，角速度，角 加速度等产生了相应的变化。这也与日常生活中的经验相符合。
[0021] 对保存的正常人踝关节各极限角度实验数据进行分析处理就可以得到正常人跖 屈背屈，内旋外旋以及内翻外翻的极限角度。将采集到的实验数据进行筛选分析后做出图 像进行规律分析。首先将采集到的数据利用卡尔曼滤波模块进行数据的预处理分析。预处 理的目的是为了筛选出实验的有效数据，剔除由于环境因素等而产生的无效数据。由于每 个实验参数下的实验数据都有三组，故经过筛选选出合适的数据之后才能将数据导入数据 拟合系统进行拟合分析。将数据导入到数据拟合系统之后先对数据进行拟合，得到时间与 输出电压确定的函数关系，再通过数据显示模块的绘图函数将各个角度以时间为横坐标做 在同一张图中。
[0022] 根据分析后的数据可得，正常人极限的跖屈角度为50°左右，背屈角度为30°左 右，内旋角度为30°左右，外旋角度为20°左右，内翻角度为30°左右，外翻角度为20°左 右。
[0023] 所述足底压力检测系统2包括测力鞋垫2_1、AD采集模块2-2以及上位机2-3 ;所 述的测力鞋垫2-1上设置有第一薄膜压力传感器、第二薄膜压力传感器、第三薄膜压力传 感器、第四薄膜压力传感器； 第一薄膜压力传感器、第二薄膜压力传感器、第三薄膜压力传感器、第四薄膜压力传感 器分别放置在与足底第五趾区域、第四节跖骨区域、第二节跖骨区域和脚跟区域相接触的 鞋垫的四个区域上。
[0024] 所述足底压力检测系统2通过运算放大器和参考电阻，基于比例放大器原理建立 运算放大器输出电压与薄膜压力传感器参考电压、薄膜压力传感器电阻、参考电阻之间的 关系，将薄膜压力传感器产生的微弱电压信号放大到合适值，进行数据分析。
[0025] 所述足底压力检测系统2将运算放大器输出的模拟电压信号转换为相应的数字 量。
[0026] 所述足底压力检测系统2基于电压信号和足底施加力之间的函数关系，获得不同 步态下足底施加在鞋垫四个区域的作用力。
[0027] 放大电路采用两个Microchip公司的MCP 6002芯片，使用IOkQ的外接电阻作为 参考电阻，电路原理图见图2。薄膜压力传感器则通过Vinl-4及Voutl-4与放大电路相连， 并且外接5V的供电电压以及-9V的参考电压。薄膜传感器通过一个比例放大电路与AD采 集卡相连，根据比例放大器的原理可得到传感器电阻与电压之间的函数关系： Vout= - VT* (Rf/ Rs) 其中，乂_是输出至采集卡的电压信号，V 1是外界参考电压，本实施例中采用一节9V的 干电池，同时为了是输出的电压为正值，在外接参考电压时将其正负极反接以使参考电压 为负。Rf是参考电阻，选用IOkQ，Rs是薄膜压力传感器的电阻。
[0028] 由于薄膜压力传感器的电阻Rs与加载在传感器上的压力有相对应的函数关系，故 测量到VciuJ^值就可以通过计算得出加载在传感器上的压力值F。
[0029] 该足底压力检测系统中所使用的AD传感器为8路高速高步数据采集卡（USB_DAQ_ XF4626)。AD采集卡的作用是将传感器通过运算放大器输出的模拟量的电压信号转换为数 字信号并且输入上位机。
[0030] 通过实验，本实施例集到了被测对象在步速为2km/h, 3km/h以及4km/h正常行走 时各传感器输出电压VI，V2, V3, V4随时间的变化情况。电压VI，V2, V3, V4分别代表四个薄 膜压力传感器的输出电压值。
[0031] 将采集到的实验数据进行筛选分析后做出图像进行规律分析。首先将采集到的数 据导入数据预处理系统进行数据的预处理分析。预处理的目的是为了筛选出实验的有效数 据，剔除由于环境因素等而产生的无效数据。由于每个实验参数下的实验数据都有三组，故 经过筛选选出合适的数据之后才能将数据导入数据拟合系统进行拟合分析。将数据导入到 数据拟合系统之后先对数据进行拟合，得到时间与输出电压确定的函数关系，再通过数据 显示模块3-5的绘图函数将VI，V2, V3以及V4以时间为横坐标做在同一张图中。如图3所 示为被测对象速度为2km/h时传感器输出电压随时间变化的图像。
[0032] 由实验过程以及数据分析可以看出，所搭建的足底压力检测系统可以较为准确， 真实的反映正常人在行走过程中足底压力的变化情况。同时根据加载在所选取的四个测力 点上压力大小的变化也可以得出足部在一个步态周期所处的空间姿态。
[0033] 所述的步态检测系统3包括通讯模块3-1、数据采集模块3-2、卡尔曼滤波模块 3-3、空间姿态判断模块3-4、数据显示模块3-5 ; 所述通讯模块3-1的功能是打开空间姿态传感器的蓝牙通讯模块以及AD采集模块的 USB通讯模块； 所述数据采集模块3-2的作用是将空间姿态传感器的蓝牙传感器以及AD采集卡中采 集到的数据传输到上位机； 所述卡尔曼滤波模块3-3是用于剔除采集到信号中的噪声，对现场采集的数据进行实 时的更新和处理； 空间姿态判断模块3-4是基于足底压力的换关节空间姿态分析而设计的判断模块，该 空间姿态判断模块通过对采集到的数据进行分析实时以及判断获得踝关节空间姿态所处 的状态并且以图片的形式输出到用户界面； 所述数据显示模块3-5是用于将采集到的数据输出到文字显示空间内。
[0034] 本发明的基于足底压力的步态检测系统可以通过对足底压力变化情况的判断来 实时判断踝关节所处的空间姿态，进一步分析被测对象所处的步态情况，同时还能够满足 新型患者主观控制的踝关节辅助康复机器人系统的要求。
[0035] 以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制， 凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于 本发明技术方案的范围内。
【主权项】
1. 一种基于足底压力的步态检测系统，其特征在于，所述基于足底压力的步态检测系 统包括踝关节角度检测系统、足底压力检测系统、步态检测系统； 所述踝关节角度检测系统包括运动传感器、数据采集系统、上位机；所述数据采集系统 将运动传感器的数据采集并传送到上位机；所述数据采集系统包括蓝牙通讯模块、数据采 集模块、冗余数据剔除模块、数据保存模块； 所述蓝牙通讯模块的功能是打开关闭上位机与运动传感器的通讯接口，并且选择运动 传感器的工作模式； 所述数据采集模块的功能是负责从运动传感器中读取数据； 冗余数据剔除模块的功能是剔除运动传感器采集到的重复数据； 数据保存模块的功能是在上位机硬盘中开辟存储空间，建立文档用以保存运动传感器 所采集到的数据； 所述足底压力检测系统包括测力鞋垫、AD采集模块以及上位机；所述的测力鞋垫上设 置有第一薄膜压力传感器、第二薄膜压力传感器、第三薄膜压力传感器、第四薄膜压力传感 器； 所述的步态检测系统包括通讯模块、数据采集模块、卡尔曼滤波模块、空间姿态判断模 块、数据显示模块； 所述通讯模块的功能是打开空间姿态传感器的蓝牙通讯模块以及AD采集模块的USB通讯模块； 所述数据采集模块的作用是将空间姿态传感器的蓝牙传感器以及AD采集卡中采集到 的数据传输到上位机； 所述卡尔曼滤波模块是用于剔除采集到信号中的噪声，对现场采集的数据进行实时的 更新和处理； 空间姿态判断模块是基于步行时从足后跟着地到足尖离地过程中，足底压力周期性变 化规律与踝关节空间姿态周期性变化规律的分析而设计的判断模块，该空间姿态判断模块 通过对采集到的数据进行分析实时以及判断获得踝关节空间姿态所处的状态并且以图表 的形式输出到用户界面； 所述数据显示模块是用于将采集到的数据输出到显示空间内便于应用者观察实验者 踝关节运动状态。2. 如权利要求1所述的基于足底压力的步态检测系统，其特征在于，第一薄膜压力传 感器、第二薄膜压力传感器、第三薄膜压力传感器、第四薄膜压力传感器分别放置在与足底 第五趾区域、第四节跖骨区域、第二节跖骨区域和脚跟区域相接触的鞋垫的四个区域上。3. 如权利要求1所述的基于足底压力的步态检测系统，其特征在于，通过 运算放大器和参考电阻，基于比例放大器原理建立运算放大器输出电压与 薄膜压力传感器电压、参考电压I,，参考电阻RUR2之间的关系：，将薄膜压力传感器产生 的微弱电压信号放大到-5V至5V之间，进行数据分析。4. 如权利要求1所述的基于足底压力的步态检测系统，其特征在于，所述足底压力检 测系统将运算放大器输出的模拟电压信号转换为相应的数字量。5.如权利要求1所述的基于足底压力的步态检测系统，其特征在于，利用标准压力传 感器检测对每一个足底传感器施加力，测量该压力下的电压信号值，利用非线性拟合算法 建立基于电压信号和足底施加力之间的函数关系，利用上述函数的反向计算，将不同步态 下测量电压进行转换为，从而获得不同步态下足底施加在鞋垫四个区域的作用力。
【专利摘要】本发明公开了一种基于足底压力的步态检测系统，包括踝关节角度检测系统、足底压力检测系统、步态检测系统；踝关节角度检测系统包括运动传感器、数据采集系统、上位机；数据采集系统将运动传感器的数据采集并传送到上位机；足底压力检测系统包括测力鞋垫、AD采集模块以及上位机，测力鞋垫上设置有薄膜压力传感器；步态检测系统包括通讯模块、数据采集模块、卡尔曼滤波模块、空间姿态判断模块、数据显示模块；本发明通过对足底压力变化情况的判断来实时判断踝关节所处的空间姿态，进一步分析被测对象所处的步态情况，还能够满足新型患者主观控制的踝关节辅助康复机器人系统的要求。
【IPC分类】A61B5/103, A61B5/11
【公开号】CN105125216
【申请号】CN201510549311
【发明人】王春宝, 吴正治, 李伟光, 段丽红, 卢志江, 李梦杰, 王林, 张晓丽, 王玉龙
【申请人】深圳市老年医学研究所, 王春宝, 吴正治
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年8月29日