一种判断足内外八的方法与流程

本发明涉及步态分析技术领域，尤其涉及一种判断足内外八的方法。

背景技术：

步态是人体结构与功能、运动调节系统、行为及心理活动在行走时的外在表现，但是，其中某个系统或某些方面的功能障碍，都可引起步态异常。八字脚的成因很多，比如遗传、缺钙、过早学步、过早穿皮鞋等等，但是归根结底还是由于脚部受力不平衡所造成的，内八字是脚内侧受力重，外八字是脚外侧受力重，后跟也随这力度旋转变形，久而久之，形成足部骨骼及足踝甚至是腿骨的变形。外八字脚的成年人久了之后膝盖会往外移，双腿会出现变成x型腿，这时候会出现膝关节疼痛，还会加速人体关节的退化。因此，有必要提供一种方便，快捷，精准的判断足内外八的方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种判断足内外八的方法。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种判断足内外八的方法，具体步骤如下：

1)数据采集：至少采集脚在空间x、y、z三个方向上的线加速度及角加速度信号数据，所述x、y、z方向为设定的方向；

2)定位完全着地的时间点:设置初始阈值为0.5g，方波信号为0，将原始信号放大3倍，消除干扰，对信号数据进行低通滤波处理，利用y轴加速度生成方波信号，若检测到方波是为下降边沿，开始检测x轴角速度极大值，判断极大值是否大于500dps，若否，则以该极大值的时间点为着地时间点，若是，则继续寻找以角速度为零的时间点为完全着地时间点；

3)对信号进行步态检测：检测信号的极大值，从极大值开始寻找与极大值相差大于阈值的实时信号数据，实时信号数据与极大值的差值大于阈值时将方波信号置为-1，在方波信号为-1时开始检测y轴加速度的最小值，并检测完全着地时间点，在找到完全着地时间点后，方波信号置为0，以极大值和最小值的差值的0.8倍作为下一步的阈值；

4)单步信号划分：检测生成的方波信号的下降沿，在实时信号大于最小值0.2g时(减少过程误差)开始检测角速度的极大值判断极大值的大小，小于零时以该极值点作为一步结束的时间，大于零时，从极值点位置开始寻找角速度为零的时间点，作为一步的结束；

5)计算角度的大小：定位着地后脚掌翻转的时间，对角速度进行积分，求解出角度β，β＝∫(w*t),式中w为角速度，t为采样时间；

5)坐标转换:以每一次完全着地时加速度计的坐标作为地面坐标系，对加速度进行坐标转换；

6)计算脚掌偏转角度：gama＝arctg(acxx′/accy′)；式中：gama为脚掌偏转角度，accx’为变换后的x轴加速度值，accy’为变换后的y轴加速度值；

7)判断足内八和足外八：判断脚掌偏转角度方向的正负关系以及绝对值大小，若该角度的绝对值小于θ，则当前步态为正常步态；若该角度的绝对值大于θ，且方向为正，则当前步态为外八；若该角度的绝对值大于θ，且方向为负，则当前步态为内八。

优选的，所述θ＝15。

优选的，所述坐标变化的公式为式中β：内外旋的β角度；accx为原始的x轴加速度值；accy为原始的y轴加速度值；accz为原始的z轴加速度值、accx’为变换后的x轴加速度值；accy’为变换后的y轴加速度值；accz’为变换后的z轴加速度值。

优选的，所述的滤波方式采用二阶巴特沃斯低通滤波器进行滤波。

优选的，所述步态检测还包括极大值的更新：在检测到极大值后极大值的值会锁定，在之后若检测到10个以上的极大值时该极大值的值重新确定,或若后面的极大值大于该极大值，将极大值替换为较大的极大值。

本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：本方法通过对用户在行走或运动过程中基于足部的各种参数进行实时采集和算法处理，能够实现实时检测与分析用户步态，并且分析过程方便快捷，准确度高；在鞋子上添加六轴加速度传感器配合移动终端，整个足内八和足外八的判断方法更加全面、准确，成本低廉，有利于用户及早发现进行矫正。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明定位完全着地的时间点示意图；

图3为本发明步态检测信号示意图；

图4为本发明单步划分信号示意图；

图5为本发明x轴角速度示意图；

图6为本发明判断足内八和足外八流程示意图。

图中：1、y轴机速度信号；2、生成的方波信号；3、单步划分信号；4、y轴加速度；5、方波信号下降沿；6、直线一；7、直线二。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例来进一步说明本发明。

如图1-6所示，一种判断足内外八的方法，内外八的判定方法为着地时，脚受到的力分为沿前进方向的力f(f只采用到方向，没涉及到具体值)及平行于重力方向的力。f在xy平面上的分量与加速度计的y轴的夹角即为脚掌偏转的角度。设着地时加速度计检测到x，y轴上的加速度分别为ax，ay。脚掌偏转的角度gama＝arctg(abs(ay)/ax)。其具体步骤如下：

1)数据采集：至少采集脚在空间x、y、z三个方向上的线加速度及角加速度信号数据，所述x、y、z方向为设定的方向；

2)参照图2，定位完全着地的时间点：设置初始阈值为0.5g，方波信号为0，将原始信号放大3倍，消除干扰，对信号数据进行低通滤波处理，利用y轴加速度生成方波信号，若检测到方波是为下降边沿，开始检测x轴角速度极大值，判断极大值是否大于500dps，若否，则以该极大值的时间点为着地时间点，若是，则继续寻找以角速度为零的时间点为完全着地时间点；

还可以采用通带滤波处理方式，优选的，本发明使用二阶巴特沃斯低通滤波器进行滤波。滤波公式如下：

data_fil＝

(0.0201*data1+0.0402*data2+0.0201*data3+1.5610f*data_fil1-0.6414*data_fil2)

其中data_fil为某一时刻滤波后的信号，data_fil1、data_fil2分别为上一时刻和上上一时刻滤波后的信号，data1、data2、data3分别为某一时刻的原始数据、上一时刻的原始数据和上上一时刻的原始数据。

3)参照图3，对信号进行步态检测：本发明分别用加速度计的y轴加速度的特性进行步态进行检测和单步信号划分(运动过程中y轴加速度信号和陀螺仪x轴角速度的主要特征不会因使用者的不同而出现较大变化，具有良好的普适性)。本发明使用动态阈值的方法生成方波信号进行步态检测。相对于静态阈值，动态阈值检测的准确性更高。检测信号的极大值，从极大值开始寻找与极大值相差大于阈值的实时信号数据，实时信号数据与极大值的差值大于阈值时将方波信号置为-1，在方波信号为-1时开始检测y轴加速度的最小值，并检测完全着地时间点，在找到完全着地时间点后，方波信号置为0，以极大值和最小值的差值的0.8倍作为下一步的阈值；在检测到极大值后极大值的值会锁定，在之后若检测到10个以上的极大值时该极大值的值重新确定。或若后面的极大值大于该极大值，将极大值替换为较大的极大值；

4)参照图4，进行单步信号划分：检测生成的方波信号的下降沿，在实时信号大于最小值0.2g时(减少过程误差)开始检测角速度的极大值判断极大值的大小，小于零时以该极值点作为一步结束的时间，大于零时，从极值点位置开始寻找角速度为零的时间点，作为一步的结束，一步的结束即为下一步的开始；

5)计算角度的大小：定位着地后脚掌翻转的时间，对角速度进行积分，求解出角度β，β＝∫(w*t),式中w为角速度，t为采样时间(以0.005s为例)；

参照图5，角度的计算原理：脚掌着地瞬间由于鞋底与地面的缓冲，陀螺仪x轴角速度会产生一个微小的突变(图中直线一6的位置)，以该时间点为脚掌翻转的起点，直线二7的位置为脚掌完全着地的时间点，该时间点由着地时后y轴加速度趋近于零的极值点来确定，积分该过程陀螺仪x轴角速度得到角度变化量。

6)坐标转换:以每一次完全着地时加速度计的坐标作为地面坐标系，对加速度进行坐标转换；由于内外旋会导致内八外八判定产生误差，因此需要对此进行修订，修订的方式为在求解出内外旋角度的基础上，对加速度进行坐标变换，变换至只有绕x轴转动的情况，即前进方向上的力与重力方向上的力在xy平面上的分量在同一直线上，加速度计测量的x，y轴上的加速度方向不会发生偏转。所述坐标变化的公式为：

式中β：内外旋的β角度；accx为原始的x轴加速度值；accy为原始的y轴加速度值；accz为原始的z轴加速度值、accx’为变换后的x轴加速度值；accy’为变换后的y轴加速度值；accz’为变换后的z轴加速度值。

7)计算脚掌偏转角度：gama＝arctg(accx′/accy′)；式中：gama为gama为加速度计y轴与前进方向的夹角，即内外八的偏转角度，accx’为变换后的x轴加速度值，accy’为变换后的y轴加速度值；

8)参照图6，判断足内八和足外八：判断脚掌偏转角度方向的正负关系以及绝对值大小，若该角度的绝对值小于θ，则当前步态为正常步态；若该角度的绝对值大于θ，且方向为正，则当前步态为外八；若该角度的绝对值大于θ，且方向为负，则当前步态为内八。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例而已，不能限定本发明的范围，凡是依本发明申请专利范围所作的均等变化与装饰，皆应仍属于本发明涵盖的范围内。