融合足底压力传感器和IMU的可穿戴实时步态检测系统

融合足底压力传感器和imu的可穿戴实时步态检测系统
技术领域
1.本发明涉及下肢步态检测与控制领域，尤其涉及融合足底压力传感器和imu(inertial measurement unit，惯性传感器)的可穿戴实时步态检测系统。


背景技术：

2.步态是指一个人行走时的动作和姿态，与人的骨骼、肌肉和神经系统的健康状况密切相关。神经系统性疾病，如脑卒中、帕金森等，常常会导致下肢步态障碍，严重影响患者的日常生活。临床医生采用步态评估方法对患者的疾病进展情况、跌倒风险和功能康复情况等进行评价，以期制定更详细且个性化的康复方法，促进患者康复。
3.传统步态检测方法，诸如步台式步态分析仪，价格昂贵，并且受实验环境局限性大。


技术实现要素：

4.本发明提供了融合足底压力传感器和imu的可穿戴实时步态检测系统，用于辅助专业医师、监护人和患者进行实时检测并分析穿戴者的步态状况，在不影响日常活动的前提下，增加其数据维度，利于深入分析，详见下文描述：
5.一种融合足底压力传感器和imu的可穿戴实时步态检测系统，所述系统包括：足底压力传感器，imu，控制模块和固定装置。
6.所述足底压力传感器的一端与控制模块相连接，通过自身搭载的转换电路将模拟信号转换为数字信号并传递给控制模块，所述控制模块同时连接imu，一同安装在固定装置上，并放置在小腿稳定处；
7.所述控制模块使用自研步态相位检测算法，用于实时计算步态相位分析结果，并将相位检测结果、足下压力变化信息、肢体运动学信息和姿态方向信息数据传输至上位机。
8.其中，所述控制模块根据足下压力变化信息检测步态事件：脚跟着地，全足落地，脚跟离地，脚趾离地；
9.imu持续采集小腿运动学信息，并在摆动相期间根据角速度判断摆动相中期。
10.进一步地，所述imu包括：三轴加速度计、三轴角加速度计、三轴磁力计。
11.其中，所述足底压力传感器上分布着8个力敏传感器，脚跟处的3个传感器为一组传感器阵列，足弓和前脚掌的5个传感器为一组；组内的传感器使用或门连接；
12.当脚跟处的传感器阵列的状态参数为1，前脚组的状态参数为0，则检测到步态事件为脚跟着地；
13.当脚跟组的状态为1，前脚组的状态为1，则检测到步态事件为全足着地；当脚跟组的状态为0，前脚组的状态为1，则检测到步态事件为脚跟离地；当脚跟组的状态为0，前脚组的状态为0，则检测到步态事件为脚趾离地，步态进入摆动相。
14.进一步地，所述自研步态相位检测算法为：
15.使用imu，实时提取小腿角速度变化信息，并建立滑动窗口，检测峰值点，建立一个
判断窗口，它包含实时采集的当前角速度值与前三个时刻的角速度值，按时间顺序为t1、t2、t3、t4，其中t4为当前时刻点，其角速度分别为ω(i
‑
3)，ω(i
‑
2)，ω(i
‑
1)，ω(i)，同时默认参数检测频率为100hz；
16.首先进入峰值检测保护程序，判断距离上一次峰值点的时间，如果时间短于0.3s，即index<0，则不进行峰值检测，等待保护程序完成，保护程序在每次检测到峰值时开启；
17.当程序通过保护时间，计算t2时刻点与t1时刻点角速度的差值：
18.w1＝ω(i
‑
2)
‑
ω(i
‑
3)；
19.计算t3时刻点与t2时刻点的差值：w2＝ω(i
‑
1)
‑
ω(i
‑
2)；
20.计算t4时刻点与t2时刻点的差值w3＝ωi
‑
ω(i
‑
2)；
21.当w1＜0，且w2≥0，且w3<0，且t2时刻点的角速度值大于自设定阈值，则t2时刻点为目标峰值点，同时保护程序再次启动设置index＝30；
22.在实时步态分析的同时，步态阶段的计算全都通过控制模块完成，通过搭载的蓝牙以100hz向上位机发送步态相位检测结果、运动学参数和姿态方向信息。
23.进一步地，所述控制模块包括：nrf52832芯片、转换电路、蓝牙，
24.所述nrf52832芯片用于实时计算步态相位分析结果；转换电路用于将采集到的模拟信号转换为数字信号；蓝牙用于将步态相位检测结果、足下压力变化信息、肢体运动学信息和姿态方向信息数据传输至上位机。
25.本发明提供的技术方案的有益效果是：
26.1、本发明运用足底压力传感器和单imu的融合信号作为步态相位的判断依据，提高了算法的实用性，增加了运动信息维度，可为后续步态的深入分析提供基础和依据；
27.2、本发明通过建立步态相位检测，在站立相可通过鞋垫压力传感器完成实时检测，在摆动相通过滑动窗算法完成对摆动相中期的检测，其中，步态相位的检出率和峰值检测正确率均为100％，且可通过增加数据更新频率减少延迟；还可根据穿戴者的体重和个人运动习惯外部调整算法阈值，提高算法的适用性。
附图说明
28.图1为融合足底压力传感器和imu的可穿戴实时步态检测系统的结构示意图；
29.图2为融合足底压力传感器和imu的可穿戴实时步态检测系统的穿戴示意图；
30.图3为整个系统的自研步态相位检测算法示意图；
31.图4为滑动窗算法的示意图。
32.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
33.1：足底压力传感器；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
2：imu；
34.3：控制模块；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
4：固定装置。
具体实施方式
35.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
36.近年随着传感与电子制造技术的快速发展，使得步态检测系统的便携性和轻量型都得到了满足。步态检测系统的常用传感器包括两种：足底压力传感器和imu。足底压力传
感器可测量穿戴者步行过程中的足底压力变化；imu可测量穿戴者行走过程中的肢体加速度、角速度等运动学信息和姿态方向信息。
37.足底压力传感器具有数据直观，算法简单的优点，可以直接融入鞋垫、或是鞋垫与鞋底之间，设计美观，经常作为步态检测系统的金标准。但是，足底压力传感器提供的数据单一，并且在摆动相期间，由于没有了地反力作用，不能提供有效信息。而imu可以提供更多个维度的运动信息，弥补摆动相输入信号的缺失，同时增加站立相信号的数据深度，利于深度分析。所以，本发明实施例提出了融合足底压力传感器和imu的可穿戴实时步态检测系统。
38.实施例1
39.本发明实施例提供了一种融合足底压力传感器和单一imu的可穿戴实时步态检测系统，该系统包括：足底压力传感器1、imu2、控制模块3、及固定装置4。该系统使用自研步态相位检测算法，用于实现对步态相位和运动学信息的实时检测分析，并可通过蓝牙传输至上位机，作为其他系统的步态输入与反馈部分，例如：功能性电刺激(functional electrical stimulation,fes)系统、下肢外骨骼系统、或者其他需要使用步态相位信息和运动信息的系统。
40.其中，该足底压力传感器1上分布着8个力敏传感器，足底压力传感器1按照国标鞋垫的尺寸进行设计，可放置在相同型号的鞋内，位于鞋垫和鞋底之间。
41.其中，imu2包括：三轴加速度计、三轴角加速度计、三轴磁力计。
42.控制模块3搭载了自设计的高集成电路，该高集成电路内含转换电路、蓝牙芯片，用于同步和控制其他模块(足底压力传感器1和imu2)，实时计算步态相位分析结果，并将相位检测结果、足下压力变化信息、肢体运动学信息和姿态方向信息数据传输至上位机。
43.足底压力传感器1的一端与控制模块3相连接，通过自身搭载的转换电路将模拟信号转换为数字信号并传递给控制模块3(例如：单片机的型号为nrf52832)，控制模块3同时连接imu2，一同安装在固定装置4上，并放置在小腿稳定处。
44.本发明实施例的工作原理为：病人双腿穿戴所设计的可穿戴实时步态检测系统步态检测系统，在行走时，足底压力传感器1会分别将压力变化信息传输至控制模块3，控制模块3根据压力信息可检测步态事件：脚跟着地，全足落地，脚跟离地，脚趾离地。同时，imu2持续采集小腿运动学信息，并在摆动相期间根据角速度判断摆动相中期。
45.实施例2
46.下面结合图1和图2对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：
47.足底压力传感器1上分布着8个力敏传感器，用于测量穿戴者行走时的足底压力变化，且不会对穿戴者进行干扰。进一步地，本发明实施例将8个力敏传感器分为两组，脚跟处的3个传感器为一组传感器阵列，足弓和前脚掌的5个传感器为一组，使用阈值算法判断步态状态。组内的传感器使用或门连接，以脚跟组为例：当3个力敏传感器中任意一个力敏传感器参数达到阈值，脚跟组的输出由0变为1，具体应用时，阈值根据传感器位置进行设置，且可以实现在线升级。
48.穿戴者行走过程中，当脚跟组足底压力传感器阵列的状态参数为1，前脚组的状态参数为0，则检测到步态事件为脚跟着地。
49.同理，当脚跟组的状态为1，前脚组的状态为1，则检测到步态事件为全足着地。当
脚跟组的状态为0，前脚组的状态为1，则检测到步态事件为脚跟离地。当脚跟组的状态为0，前脚组的状态为0，则检测到步态事件为脚趾离地。
50.脚趾离地后，步态进入摆动相，此时已经没有地反力。本发明实施例研发设计了一个适用于摆动相的滑动窗步态检测算法：使用imu，实时提取小腿角速度变化信息，并建立一个40ms滑动窗口，检测峰值点。自研算法已经达到了在20ms延迟内对摆动相中期相位的检出率为100％，峰值检测正确率100％，同时包括一个检测保护程序。
51.其中，参见图4，该自研滑动窗算法为：
52.建立一个判断窗口，它包含实时采集的当前角速度值与前三个时刻的角速度值。其按时间顺序为t1、t2、t3、t4，其中t4为当前时刻点，其角速度分别为ω(i
‑
3)，ω(i
‑
2)，ω(i
‑
1)，ω(i),，同时默认参数检测频率为100hz。
53.首先进入峰值检测保护程序，判断距离上一次峰值点的时间，如果时间短于0.3s，即index<0，则不进行峰值检测，等待保护程序完成，保护程序在每次检测到峰值时开启。
54.当程序通过保护时间，计算t2时刻点与t1时刻点角速度的差值：
55.w1＝ω(i
‑
2)
‑
ω(i
‑
3)；
56.计算t3时刻点与t2时刻点的差值：w2＝ω(i
‑
1)
‑
ω(i
‑
2)；
57.计算t4时刻点与t2时刻点的差值：w3＝ωi
‑
ω(i
‑
2)。
58.当w1＜0，且w2≥0，且w3<0，且t2时刻点的角速度值大于自设定阈值，则t2时刻点为目标峰值点，同时保护程序再次启动设置index＝30。
59.在实时步态分析的同时，步态阶段的计算全都通过控制模块3完成，通过搭载的蓝牙以100hz向上位机发送步态相位检测结果、运动学参数和姿态方向信息。
60.控制模块，上面搭载了nrf52832芯片、转换电路、蓝牙。nrf52832芯片用于同步和控制其他模块，实时计算步态相位分析结果；转换电路用于将采集到的模拟信号转换为数字信号；蓝牙用于将步态相位检测结果、足下压力变化信息、肢体运动学信息和姿态方向信息数据传输至上位机。控制模块具有体积小，高集成的优点。
61.同时，本发明实施例设计的可穿戴实时步态检测系统可根据穿戴者的体重和个人运动习惯，外部调整算法阈值，可提高算法适用性。
62.本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
63.本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
64.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。