精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种精准识别步态的可穿戴足底‑地面接触力测量装置及方法，涉及生物医学工程和机械电子工程交叉技术领域。该装置包括前承载架、后承载架、固定部、测量电路、保护罩及信号采集器；前承载架和后承载架通过可调长度连杆连接；前承载架上和后承载架上均安装有固定部；测量电路布置在前承载架和后承载架的凹槽内；两个保护罩分别放置在前承载架和后承载架的凹槽上；测量电路包括两个并联的传感器元器件，每个传感器元器件与一个电阻串联后接地；每个传感器元器件的输出端均连接到信号采集器。本发明专利技术提供的可穿戴足底‑地面接触力测量装置及方法，能够在足底大冲击力、地面凹凸不平、频繁弯曲变形等条件下使用，并具有高可靠性。

【技术实现步骤摘要】
精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量装置及方法
本专利技术涉及生物医学工程和机械电子工程交叉的
，尤其涉及一种精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量装置及方法。
技术介绍
老龄化已经成为世界性的问题，并越来越严重，预计到2050年老龄人口总数将会占到总人口的23％。老年痴呆、脑血栓、偏瘫、糖尿病等老年性疾病、交通事故等导致了大量的下肢失能人群。对于下肢患病人群的康复治疗已经成为急需解决的社会问题。人的站立、行走等行为是需要足底与地面接触的，人的足底与地面的接触力是描述人体下肢行为的一种物理量，其接触力特征和变化模式也是评价患者的下肢步态健康状况的指标。但是，传统的获取下肢步态行为的方式有惯性测量单元、压阻式压力传感器。惯性测量单元可以较好地识别的步态周期，但是其成本较高，穿戴不方便，并且难以准确获取各个步态周期经历的时间。压阻式压力传感器应用于足底，但是对于凹凸不平的路面，其使用效果差，同样难以方便的获取各个步态周期经历的时间，对于足底复杂的使用环境，压阻式压力传感器可靠性较差。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量装置及方法，对描述足底行为模式的足底-地面接触力信号特征进行实时识别与输出，进而实现准确快速地获取穿戴者站立、行走、跳跃、上楼梯、下楼梯的行为模式。为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：一方面，本专利技术提供一种精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量装置，包括前承载架、后承载架、五个固定部、两个测量电路、两个保护罩及信号采集器；所述前承载架和后承载架通过可调长度连杆连接；所述前承载架上安装有两个固定部，后承载架上安装有三个固定部；所述前承载架和后承载架均包括凹槽结构，凹槽内均布置测量电路；所述两个保护罩均包括三个凸台结构，分别通过固定部固定连接在前承载架和后承载架的上，保护罩的凸台之间的薄壁下面安装测量电路中的元器件，当薄壁承受一定的垂直向下的力时，薄壁会弯曲并触发下面的测量电路中的元器件，这种薄壁与凸台的结构会增加测量装置的灵敏度，并且防止凹槽内测量电路中元器件的损坏；所述测量电路包括两个并联的传感器元器件，每个传感器元器件与一个电阻串联后接地；每个传感器元器件的输出端均连接到信号采集器，采集传感器元器件的数据。优选地，所述五个固定部均为T形结构，用于固定前承载架和后承载架，同时，五个固定部上均设置有一个矩形孔。优选地，所述前承载架上安装的两个固定部分别位于前承载架的左右两侧，后承载架上安装的三个固定部分别位于后承载架的左右两侧及后侧。优选地，所述前承载架、后承载架、五个固定部及两个保护罩均采用弹性材料制作。优选地，所述前承载架凹槽内测量电路包括的两个并联的传感器元器件的安装位置位于前脚掌的左右两侧，一个位于前脚掌压力中心的位置，另一个位于另一侧的对称位置；所述后承载架凹槽内测量电路包括的两个并联的传感器元器件的安装位置，避开了后脚跟的压力最大的位置，位于脚后跟压力中心的两侧。优选地，所述传感器元器件采用按钮或开关。优选地，所述前承载架、内置其凹槽内的测量电路、两个固定部和一个保护罩共同组成前足底力测量传感器，所述后承载架、内置其凹槽内的测量电路、三个固定部和一个保护罩共同组成后足底力测量传感器，两个传感器单独使用或通过可调长度连杆连接后同时使用。优选地，所述信号采集器采用STM32单片机采集足底-地面接触力信号，包括两种采集方式，一种是通过STM32单片机的I/O端口读取传感器元器件输出的数字信号，另一种是通过STM32单片机控制AD转换芯片采集传感器元器件的输出信号。另一方面，本专利技术还提供一种精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量方法，包括以下步骤：步骤1、通过绑带穿过可穿戴足底-地面接触力测量装置的固定部上的矩形孔，将可穿戴足底-地面接触力测量装置穿戴在测量者左脚和右脚上；步骤2、由信号采集器采集足底-地面接触力信号，并通过2.4G无线串口将数据发送给上位机，上位机通过读取串口获得传感器元器件的数据，并将加时间戳后的数据保存到文件中；步骤3、在上位机中，将数据进行滤波处理，通过BP神经网络进行穿戴者行走时脚底接地状态的识别，进而判断穿戴者的重心位于左脚还是右脚上，以及判别穿戴者是行走还是跳跃动作，具体方法为：首先将采集到的传感器数据传到上位机进行中值滤波的预处理，去除抖动，然后比较左右脚的可穿戴足底-地面接触力测量装置的输出值：(1)当右脚后脚跟和前脚掌的传感器的输出值VR_H和VR_F都等于1时，继续判断左脚后脚跟和前脚掌的传感器的输出值VL_H和VL_F，如果VL_H和VL_F都等于1，则此时为双足支撑的状态；如果VL_H和VL_F不都等于1，则此时为重心在右足的状态；(2)当右脚后脚跟和前脚掌的传感器的输出值VR_H和VR_F都不等于1时，继续判断左脚后脚跟和前脚掌的传感器的输出值VL_H和VL_F，如果VL_H和VL_F都等于1，则此时为重心在左足的状态；如果VL_H和VL_F不都等于1，这时继续进行下一步的判断，如果VR_H、VR_F、VL_H和VL_F都等于0，则此时为跳跃腾空状态。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本专利技术提供的精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量装置及方法，采用热塑性聚氨酯弹性体橡胶材料制作的特殊结构的外穿式足底压力测量装置，能够在足底大冲击力、地面凹凸不平、频繁弯曲变形等条件下使用，并具有高可靠性；该装置可对描述足底行为模式的足底-地面接触力信号特征进行实时识别与输出，进而能够准确快速方便地获取穿戴者站立、行走、跳跃、上楼梯、下楼梯的行为模式。附图说明图1为本专利技术实施例提供的精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量装置的结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的测量电路的电路连接示意图；图3为本专利技术实施例提供的测量电路包括的两个并联的传感器元器件的安装位置示意图，其中，(a)为前承载架凹槽内的测量电路中两个并联的传感器元器件的安装位置(b)为前承载架凹槽内的测量电路中两个并联的传感器元器件的安装位置；图4为本专利技术实施例提供的固定部的结构示意图；图5为本专利技术实施例提供的精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量方法的流程图；图6为本专利技术实施例提供的通过BP神经网络进行穿戴者行走时脚底接地状态识别的流程图；图7为本专利技术实施例提供的采用本专利技术的精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量进行站立、行走、跳跃、上楼梯、下楼梯五种动作的特征识别结果图。图中：1、前承载架；2、后承载架；3、固定部；4、保护罩；5、可调长度连杆；6、传感器元器件；7、传感器元器件输出端。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。本实施例中，精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量装置，如图1所示，包括前承载架1、后承载架2、五个固定部3、两个测量电路、两个保护罩4及信号采集器；所述前承载架1和后承载架2通过可调长度连杆5连接；所述前承载架1采用矩形结构，其上安装有两个固定部3，后承载架2采用半圆形结构，其上安装有三个固定部3，所有固定部3均用于固定承载架；前承载架1上安装的两个固定部3分别位于前承载架1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种精准识别步态的可穿戴足底‑地面接触力测量装置，其特征在于：包括前承载架、后承载架、五个固定部、两个测量电路、两个保护罩及信号采集器；所述前承载架和后承载架通过可调长度连杆连接；所述前承载架上安装有两个固定部，后承载架上安装有三个固定部；所述前承载架和后承载架均包括凹槽结构，凹槽内均布置测量电路；所述两个保护罩均包括三个凸台结构，分别通过固定部固定连接在前承载架和后承载架的上，保护罩的凸台之间的薄壁下面安装测量电路中的元器件，当薄壁承受一定的垂直向下的力时，薄壁会弯曲并触发下面的测量电路中的元器件，这种薄壁与凸台的结构会增加测量装置的灵敏度，并且防止凹槽内测量电路中元器件的损坏；所述测量电路包括两个并联的传感器元器件，每个传感器元器件与一个电阻串联后接地；每个传感器元器件的输出端均连接到信号采集器，采集传感器元器件的数据。

【技术特征摘要】
1.一种精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量装置，其特征在于：包括前承载架、后承载架、五个固定部、两个测量电路、两个保护罩及信号采集器；所述前承载架和后承载架通过可调长度连杆连接；所述前承载架上安装有两个固定部，后承载架上安装有三个固定部；所述前承载架和后承载架均包括凹槽结构，凹槽内均布置测量电路；所述两个保护罩均包括三个凸台结构，分别通过固定部固定连接在前承载架和后承载架的上，保护罩的凸台之间的薄壁下面安装测量电路中的元器件，当薄壁承受一定的垂直向下的力时，薄壁会弯曲并触发下面的测量电路中的元器件，这种薄壁与凸台的结构会增加测量装置的灵敏度，并且防止凹槽内测量电路中元器件的损坏；所述测量电路包括两个并联的传感器元器件，每个传感器元器件与一个电阻串联后接地；每个传感器元器件的输出端均连接到信号采集器，采集传感器元器件的数据。2.根据权利要求1所述的精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量装置，其特征在于：所述五个固定部均为T形结构，用于固定前承载架和后承载架，同时，五个固定部上均设置有一个矩形孔。3.根据权利要求2所述的精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量装置，其特征在于：所述前承载架上安装的两个固定部分别位于前承载架的左右两侧，后承载架上安装的三个固定部分别位于后承载架的左右两侧及后侧。4.根据权利要求2所述的精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量装置，其特征在于：所述前承载架、后承载架、五个固定部及两个保护罩均采用弹性材料制作。5.根据权利要求1所述的精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量装置，其特征在于：所述前承载架凹槽内测量电路包括的两个并联的传感器元器件的安装位置位于前脚掌的左右两侧，一个位于前脚掌压力中心的位置，另一个位于另一侧的对称位置；所述后承载架凹槽内测量电路包括的两个并联的传感器元器件的安装位置，避开了后脚跟的压力最大的位置，位于脚后跟压力中心的两侧。6.根据权利要求1所述的精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量装置，其特征在于：所述传感器元器件采用按钮或开关。7.根据权利要求1所述的精准识别步态的可穿戴足底-地面接触力测量装置，其特征在于：所述前承载架、内置其凹槽内的测量电路、两个固定部和一个保护罩共同...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宏，卢衍正，祁洋阳，刘冲，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21