一种可穿戴人体绊倒检测系统及检测方法与流程

本发明涉及生物医学工程领域，尤其涉及一种可穿戴人体绊倒检测系统及检测方法。

背景技术：

可穿戴人体绊倒检测系统一直是生物医学工程领域的研究热点，直至目前，仍没有一种可穿戴式的绊倒检测系统能够只通过两个距离传感器，实时准确地测得脚跟离地高度、脚尖离地高度和摆荡期脚尖最小离地高度等步态参数，并实时检测绊倒的发生。研究人员一直希望能够使绊倒检测系统能够做到尺寸小、功耗低、重量轻，不影响人体行动的灵活性，同时满足实时准确测得脚跟离地高度、脚尖离地高度和摆荡期脚尖最小离地高度等步态参数，并检测绊倒发生的要求。

早期的绊倒检测及抬脚高度的步态参数测量，使用最多的是基于照相机拍摄的运动捕捉系统，通过多台照相机的拍摄，能够完整准确地记录各标记点的三维运动轨迹，进而分析得到脚跟离地高度、脚尖离地高度和摆荡期脚尖最小离地高度等步态参数和检测绊倒的发生。直至目前，三维运动捕捉系统已经发展得十分完备，其中使用较多的光学运动捕捉系统采用红外摄像技术，配备有专门的数据分析软件，操作趋于简单，测量精度较高。但是三维运动捕捉系统的使用范围有限，不具备可穿戴性，而且价格高达几十万到上百万，现在讲此系统测得的数据视为黄金标准，用于验证可穿戴绊倒检测系统的准确度和精确度。

目前可穿戴绊倒检测系统使用最多的传感器是惯性传感器。由于惯性传感器具有尺寸小、耗能低、价格低廉的优势，很多研究人员都相继提出了各种基于惯性传感器的可穿戴人体绊倒检测系统。但是由于惯性传感器只能输出三轴加速度和三轴角速度，要得到抬脚高度，必须将加速度计测得的三轴加速度分别对时间进行两次积分，将陀螺仪测得的角速度分别对时间进行一次积分，这样会导致原始误差随时间不断积累，造成测量的准确度降低。

虽然不少研究人员提出了基于距离传感器测量的修正算法，但这些算法不能完全消除原始误差在一个步态周期内随时间的积累，并且有的修正算法还要增加使用其他种类的传感器，增大了系统的尺寸、功耗和重量。

因此越来越多的研究者开始考虑使用距离传感器，寻求一种新的测量算法。因为距离传感器可直接获取距离信号，初始误差不会随时间积累，通过信号调理进行校正补偿，可消除初始偏移量，提高测量结果的准确度。目前采用较多的距离传感器为超声波传感器，但完整的超声波测距模块包含发射端和接收端，尺寸较大，可穿戴性差。有研究人员为提高基于超声波传感器的绊倒检测系统的可穿戴性，将超声波测距模块的发射端和接收端分离开来，仅将发射端固定在人体足部，而将多个接收端固定在人体行动的环境中。虽然这个方法使基于超声波传感器的绊倒检测系统的尺寸降低了一半，但因为超声波传感器的量程有限，发射端和接收端之间的距离一般不能超过4m，使用范围有限。

技术实现要素：

针对现有技术精确度、经济性、便携性和使用范围的矛盾，本发明提供了一种可穿戴的绊倒检测系统，该系统准确性高，具有便携性，集成度高，操作简单，使用范围广。

为了实现上述功能，本发明所采用的技术方案是：一种可穿戴绊倒检测系统，该系统可安装人体所穿鞋子上，所述系统包括：电源模块，用于为整个系统提供能源；距离传感器模块，用于采集原始的距离信号；微控制器模块，用于对测得的原始距离信号进行标定、滤波、采样频率设定的预处理，并将预处理后的信号带入几何模型进行数据分析，获得脚跟离地高度、脚尖离地高度和摆荡期脚尖最小离地高度等步态参数；蓝牙传输模块，用于将微处理器模块的最终输出结果无线传输到上位机，以检测绊倒发生的可能性。

进一步的，所述电源模块包括一节9V的锂电池和一块稳压模块，直接输出9V的电压给微控制器模块供电，并通过稳压模块输出2.8V的电压，给距离传感器模块供电。

进一步的，所述距离传感器模块包括两个VL6180模块，即近距离感测器和环境光线传感器，它们的通信端口分别与微控制器模块中的Arduino Nano主板的时钟线和数据线端口相连，使能端分别与微控制器的两个数据端口相连，在接收到微控制器发出的使能信号和触发信号后，开始采集原始的距离信号，即地面到传感器红外发射端的垂直距离，并实时将距离信号传送给Arduino Nano主板；

进一步的，所述微控制器模块包括一块Arduino Nano主板和一个开关模块。开关模块的VCC端连接至Arduino Nano主板的3.3V输出端，GND端连接至Arduino Nano主板的GND端，OUT端连接至Arduino Nano主板的数字端口D2端，用于控制整个系统的开始与结束。将编写的算法烧录至Arduino Nano主板，能够对测得的原始距离信号进行标定、滤波、采样频率设定的预处理，以及将预处理后的信号带入几何模型进行数据分析，获得脚跟离地高度、脚尖离地高度和摆荡期脚尖最小离地高度等步态参数。

进一步的，所述蓝牙传输模块包括两个主从一体蓝牙模块，将它们分别设置为主机和从机，并设置相同的波特率进行配对，配对成功后，将主机与Arduino Nano主板相连，从机和上位机相连，用于将微处理器模块的最终输出结果，无线传输到上位机，以检测绊倒发生的可能性。

本申请还提供一种可穿戴人体绊倒检测系统的检测方法，包括以下步骤：

(1)将两个距离传感器固定在人体所穿鞋子上，保证两个距离传感器的连线平行于脚跟和脚尖的连线，则可根据两个距离传感器、脚跟和脚尖在鞋子纵剖面上的投影确定一个四边形，可以测量得到两个距离传感器的距离a、一个距离传感器到脚跟的距离b、脚跟到脚尖的距离f以及b和f的夹角α；

(2)距离传感器模块经红外发射器发射垂直于传感器表面的红外线，利用TOF技术，即通过测量红外线的飞行时间，计算光线发射和反射时间差或相位差，换算得到红外线在地面入射点到传感器表面的垂直距离d_A、d_B；

(3)根据垂直距离d_A、d_B与抬脚高度h_heel、h_toe的三角几何关系，确定当前的实时脚跟和脚尖离地高度：h_heel＝h_A-b·sin(θ+α)，h_toe＝h_heel+f·sinθ；其中h_A＝d_A·cosθ，h_B＝d_B·cosθ；

(4)蓝牙传输模块通过蓝牙转串口的方式，将微控制器模块最后计算得到的脚跟和脚尖的离地高度h_A、h_B无线传输到上位机。

进一步的，所述距离传感器模块包括两个VL6180模块，即近距离感测器和环境光线传感器，它们的通信端口分别与微控制器模块中的Arduino Nano主板的时钟线和数据线端口相连，使能端分别与微控制器的两个数据端口相连，在接收到微控制器发出的使能信号和触发信号后，开始采集原始的距离信号，即地面到传感器红外发射端的垂直距离，并实时将距离信号传送给Arduino Nano主板。

与现有技术相比，本发明具有的有益结果有：

1)本发明中的距离传感器具有尺寸小、能耗低、重量轻和可穿戴的优点，且相比于惯性传感器两次积分得到的距离，其测量结果更加准确；

2)通过无线通信模块和微控制器的集成，相比于现有的有线通信，使用者的活动范围得到了扩大，本发明对使用者的行动限制也大大降低；

3)借助数据的实时传输，上位机可以实时记录并分析处理原始距离数据，计算得到使用者的重要步态参数，进一步评估使用者的绊倒风险；

4)由于本发明的绊倒检测装置可穿戴、能耗低，可记录大量的步态原始数据，进一步分析处理可用于足部疾病的诊断和康复治疗效果的评定；

5)本发明中的上位机可以是电脑或手机，若是手机，可以通过编写特定的应用程序，实现户内户外实时数据采集和处理分析，实时检测绊倒风险。

附图说明

图1是本发明的系统模块结构图；

图2是本发明测量方法的几何模型结构简图；

图3是本发明的抬脚高度参数计算流程；

图4是本发明的工作流程图；

图5是本发明测量结果与VICON运动捕捉系统测量结果的图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种可穿戴绊倒检测系统，该系统可安装人体所穿鞋子上，所述系统包括：电源模块，用于为整个系统提供能源；距离传感器模块，用于采集原始的距离信号；微控制器模块，用于对测得的原始距离信号进行标定、滤波、采样频率设定的预处理，并将预处理后的信号带入几何模型进行数据分析，获得脚跟离地高度、脚尖离地高度和摆荡期脚尖最小离地高度等步态参数；蓝牙传输模块，用于将微处理器模块的最终输出结果无线传输到上位机，以检测绊倒发生的可能性。

所述电源模块可以采用一节9V的锂电池，降压模块和稳压模块，锂电池的9V通过降压转换成5V给微控制器模块供电，微控制器再通过稳压模块输出2.8V的电压，给距离传感器模块供电；所述降压模块可以采用TI公司LM7805型号的产品，但不限于此；稳压模块可以采用TI公司TPS73701DRBR型号的产品，但不限于此。

所述距离传感器模块包括两个VL6180模块，即近距离感测器和环境光线传感器，它们的通信端口分别与微控制器模块中的Arduino Nano主板的时钟线和数据线端口相连，使能端分别与微控制器的两个数据端口相连，在接收到微控制器发出的使能信号和触发信号后，开始采集原始的距离信号，即地面到传感器红外发射端的垂直距离，并实时将距离信号传送给Arduino Nano主板；所述距离传感器模块可以采用ST公司VL6180型号的产品，但不限于此。

所述微控制器模块包括一块Arduino Nano主板和一个开关模块。开关模块的VCC端连接至Arduino Nano主板的3.3V输出端，GND端连接至Arduino Nano主板的GND端，OUT端连接至Arduino Nano主板的数字端口D2端，用于控制整个系统的开始与结束。将编写的算法烧录至Arduino Nano主板，能够对测得的原始距离信号进行标定、滤波、采样频率设定的预处理，以及将预处理后的信号带入几何模型进行数据分析，获得脚跟离地高度、脚尖离地高度和摆荡期脚尖最小离地高度等步态参数。所述微控制器模块可以采用Arduino Nano主板和YW-001按键模块，但不限于此。

所述蓝牙传输模块包括两个主从一体蓝牙模块，将它们分别设置为主机和从机，并设置相同的波特率进行配对，配对成功后，将主机与Arduino Nano主板相连，从机和上位机相连，用于将微处理器模块的最终输出结果，无线传输到上位机，以检测绊倒发生的可能性。所述蓝牙传输模块可以采用HC-05无线模块，但不限于此。

如图2、3所示，一种实现人体可穿戴绊倒检测的方法，所述的方法包括以下步骤：

(1)将两个距离传感器固定在人体所穿鞋子上，保证两个距离传感器的连线平行于脚跟和脚尖的连线，则可根据两个距离传感器、脚跟和脚尖在鞋子纵剖面上的投影确定一个四边形，可以测量得到两个距离传感器的距离a、一个距离传感器到脚跟的距离b、脚跟到脚尖的距离f以及b和f的夹角α；

(2)所述距离传感器模块经红外发射器发射垂直于传感器表面的红外线，利用TOF技术，即通过测量红外线的飞行时间，计算光线发射和反射时间差或相位差，换算得到红外线在地面入射点到传感器表面的垂直距离d_A、d_B；

(3)根据垂直距离d_A、d_B与抬脚高度h_heel、h_toe的三角几何关系，确定当前的实时脚跟和脚尖离地高度：h_heel＝h_A-b·sin(θ+α)，h_toe＝h_heel+f·sinθ；其中h_A＝d_A·cosθ，h_B＝d_B·cosθ；

(4)所述的蓝牙传输模块通过蓝牙转串口的方式，将微控制器模块最后计算得到的脚跟和脚尖的离地高度h_A、h_B无线传输到上位机。

如图4所示，在使用本发明提出的可穿戴人体绊倒检测系统时，具体的实施方式如下：首先，打开电源开关，指示灯闪烁表示整个系统已上电处于待命状态；然后，脚踩到特定高度的平台上，保证水平静止状态下，距离传感器模块的红外发射端距离地面5cm；然后按下按键，等待系统自动标定补偿初始偏移，此标定过程耗时不足1s，标定完成后便可任意走动，所述蓝牙模块实时传输数据至上位机；最后，再次按下按键，停止人体绊倒检测，关闭电源。

如图5所示，是对本发明提出的可穿戴人体绊倒检测方法的实验验证，取VICON光学运动捕捉系统的测量值为真实值，分别验证几何模型算法的可靠性和距离传感器数据的准确性。其中图(a)、(b)是本发明公布的几何模型计算得到的脚跟和脚尖离地高度，与真实值的对比，测量值与真实值的平均误差和均方根误差都不超过3mm，图(c)、(d)是本发明公布的可穿戴人体检测系统输出的脚跟和脚尖离地高度，与真实值的对比，测量值与真实值的平均误差和均方根误差都不超过10mm。