一种基于多传感器融合的行走步态无线检测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多传感器融合的行走步态无线检测系统，系统包括：运动传感器模块，用于检测行走运动时下肢在三维空间中的位置。压力传感器模块，通过放置在足底的多个柔性压力传感器，获取行走足底多个区域的所受的压力，判断人体是否进入支撑模式或者摆动模式；无线通信模块包用于对步态数据进行处理与分析，数据分析模块，用于获得用户的步态数据（步态识别、步态周期等）。本发明专利技术在特制的足底柔性压力传感器与运动传感器的基础上，结合无线通讯装置，可以长期监控用户的步态数据，并且采用的传感器体积小、能耗低、价格低廉，并且拥有较高的精度和适应性。

A wireless walking gait detection system based on multi-sensor fusion

The invention discloses a walking gait wireless detection system based on multi-sensor fusion, which comprises a motion sensor module for detecting the position of the lower limbs in the three-dimensional space when walking. The pressure sensor module, through a plurality of flexible pressure sensors placed on the sole of the foot, obtains the pressure of walking multiple areas of the foot, and judges whether the human body enters the support mode or the swing mode; the wireless communication module package is used to process and analyze the gait data, and the data analysis module is used to obtain the user's gait data (gait recognition, gait cycle, etc.). On the basis of the specially designed plantar flexible pressure sensor and the motion sensor, and in combination with the wireless communication device, the invention can monitor the gait data of the user for a long time, and the sensor adopted has the advantages of small volume, low energy consumption, low price, high accuracy and adaptability.

【技术实现步骤摘要】
一种基于多传感器融合的行走步态无线检测系统
本专利技术涉及传感器检测
，特别涉及一种基于多传感器融合的行走步态无线检测系统。
技术介绍
人体运动在日常活动中起着至关重要的作用，检测和分析人体运动，研究人在行走过程中的步态参数不仅对了解人体运动规律，发现肢体间的协调配合决策具有重要的意义，而且在临床诊断、康复医疗、体育科学以及仿生机构与类人机器人等领域也具有重要的意义。比如在康复医疗工程领域，智能下肢假肢是目前的研究热点。为了使智能下肢假肢行走时拥有与正常人体下肢相接近的步态，因此对人体行走步态数据的采集分析是必不可少的。目前，步态运动检测多基于图像处理的检测方法，这种方法存在着精度不高，无法三维检测等一系列缺点。并且传统的步态检测分析仪如步台式步态分析仪，通常价格极为昂贵且不可移动，不能对患者的步态做长期监测和诊断。现有的便携式设备对步态的检测数据类型少，且精确度低，数据也不够全面，还无法针对特定的人群或疾病进行修改，并且关于步态的检测和诊断在生活中普及度低。有学者提出采用基于电信号传感器的步态检测方法。但是目前利用电信号传感器的步态检测判定的方法，大都采用足底单传感器或单加速度计，且由于在日常复杂环境下人体步态的复杂程度，人体在行走过程中，每一步之间存在差异，只是依靠单传感器并不能准确可靠的判定，使得采用单传感器检测的检测结果稳定性与精确性不足，提取的步态信息不全面。此外现有的传感器数据发送方式采用有线传输，试验区域受限于线路长度。例如，申请号为CN201710039236的专利技术专利申请公开了一种步态事件检测方法，将惯性测量单元(InertialMeasurementUnit，IMU)置于被试人员的小腿处，在被试人员于室内行走的过程中，惯性传感器中的角速度数据被获得，由此可利用角速度峰值检测方法确定步态事件。申请号为CN109498027A的专利技术专利申请提出了一种单加速度计人体步态检测系统及方法，其将单加速度计安装在行走的上半身，采集人在行走时的加速度数据，利用不同维度上加速度数据的阈值检测法确定步态事件。申请号为CN108652636A的专利技术专利申请公开了一种基于压力传感器的步态检测方法及系统，其将多个压力传感器放在测试者的，采集测试者行走时的足底压力数据，依靠足底的压力数据来进行行走状态的分析。上述方法在实际使用过程中均存在步态测量精度较低、测试数据不全面，在不同人群中的适应能力差等缺陷。因此，有必要提出一种便携可穿戴、可以长期检测用户步态数据，并且体积小、能耗低、价格低廉，拥有较高的精度和适应性的步态检测系统。
技术实现思路
针对上述不足，本专利技术设计了一种基于多传感器融合的行走步态无线检测系统。本专利技术的目的是在特制的足底柔性压力传感器与运动传感器的基础上，结合无线通讯装置，使得该步态检测系统便携可穿戴，可以长期监控用户的步态数据。并且该基于多传感器融合的行走步态无线检测系统采用的传感器体积小、能耗低、价格低廉，并且拥有较高的精度和适应性。为达到上述目的，本专利技术一方面实施例提出了一种基于多传感器融合的行走步态无线检测系统，包括：运动传感器模块，用于检测行走运动时下肢在三维空间中的位置，获得行走在行走时的三轴角度、加速度数据。压力传感器模块，通过放置在足底的多个柔性压力传感器，获取行走足底多个区域的所受的压力，通过对压力数据的分析比较，判断人体是否进入支撑模式或者摆动模式；无线通信模块包括无线发送模块及无线接收模块，用于将运动传感器及压力传感器的数据打包并发送到处理器，以使处理器对步态数据进行处理与分析。数据处理模块，用于对压力数据和运动数据进行处理，从而得到用户的步态数据（步态识别、步态周期等）。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述运动传感器模块由五个MPU6050传感器组成。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述MPU6050传感器分别安装在穿戴者腹部（1个），膝盖上部大腿的1/3处（2个），膝盖下部小腿的1/3处（2个）。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，在安装该传感器时，将传感器的x测量轴平行于矢状面并与被测肢体垂直，y测量轴与被测肢体平行。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述传感器基于预置坐标系中的加速度、角速度，通过所述传感器的加速度计获取加速度，通过所述传感器的陀螺仪获取角速度。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，若加速度和角速度的采样频率不一致，对所述加速度和角速度进行预定次数样条插值；进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述柔性薄膜压力传感器以鞋垫形式放置在用户的鞋中。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述压力传感模块由三个柔性薄膜压力传感器组成，其量程为50kg。由于脚底支反力主要分布在前脚掌、后脚掌与足弓处，因此，该传感器分别在鞋底的前脚掌、足弓处和后脚掌处放置。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述柔性薄膜压力传感器的形状、尺寸、频率可根据不同用户进行调整。比如，可以改变装有柔性薄膜压力传感器的鞋垫的形状和尺寸来适应成人和儿童脚的大小；由于不同的疾病对足底的检测部位不同，可以根据不同的疾病来改变传感器尺寸和分布位置，对特定的部位做重点数据提取和检测。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，多个传感器模块通过CAN总线通信。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述无线通讯模块采用ESP8266无线模块，其具有近距离、低功耗、短延时、高容量等特点。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述无线通讯模块寄存了所有传感器的数据，包括运动数据和脚底压力数据，并将数据发送至数据处理模块。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，还包括：所述压力传感器和所述运动传感器模块还包括采集电路、信号放大处理电路和信号提取电路；以及电池模块，用于给所述压力传感器、运动传感器、无线通信模块提供电能。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述数据分析模块采用嵌入式数字运动处理器（DMP）从加速度计，陀螺仪以及其他第三方传感器（如磁力计）获取数据，并对数据进行处理。结果数据可以从DMP的寄存器中读取，或者可以在FIFO中缓冲。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述数据分析模块中的处理器用于监测和控制所述传感器，并对用户的步态数据进行提取和分类，并利用预设算法对所述步态数据进行分析评估。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述数据分析模块使用CVI软件接收数据，多线程编程实时显示髋关节、膝关节倾角与脚底支反力，同时与数据库建立连接，保存原始数据并且能够回放历史测量数据。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述压力传感器处理结果包括“脚跟着地”和“脚尖离地”；所述步态特征包括步态周期、双脚支撑、右脚单支撑、左脚单支撑以及站立相和摆动相占比等。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对本专利技术实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为根据本专利技术一种基于多传感器融合的行走步态无线检测系统示意图；图2为根据本专利技术一种基于多传感器融合的行走步态无线检测系统运动传感器模块；图3为根据本专利技术一种基于多传感器融合的行走步态无线检测系统压力传感器模块；图4为根据本专利技术一种基于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.本专利技术公开了一种基于多传感器融合的行走步态无线检测系统，系统包括：运动传感器模块，用于检测行走运动时下肢在三维空间中的位置，获得行走在行走时的三轴角度、加速度数据，压力传感器模块，通过放置在足底的多个柔性压力传感器，获取行走足底多个区域的所受的压力，通过对压力数据的分析比较，判断人体是否进入支撑模式或者摆动模式；无线通信模块包括无线发送模块及无线接收模块，用于将运动传感器及压力传感器的数据打包并发送到处理器，以使处理器对步态数据进行处理与分析，数据分析模块，用于对压力数据和运动数据进行处理，从而得到用户的步态数据（步态识别、步态周期等）。

【技术特征摘要】
1.本发明公开了一种基于多传感器融合的行走步态无线检测系统，系统包括：运动传感器模块，用于检测行走运动时下肢在三维空间中的位置，获得行走在行走时的三轴角度、加速度数据，压力传感器模块，通过放置在足底的多个柔性压力传感器，获取行走足底多个区域的所受的压力，通过对压力数据的分析比较，判断人体是否进入支撑模式或者摆动模式；无线通信模块包括无线发送模块及无线接收模块，用于将运动传感器及压力传感器的数据打包并发送到处理器，以使处理器对步态数据进行处理与分析，数据分析模块，用于对压力数据和运动数据进行处理，从而得到用户的步态数据（步态识别、步态周期等）。2.根据权利要求1所述的基于多传感器融合的行走步态无线检测系统，其特征在于，所述运动传感器模块由五个MPU6050传感器组成。3.根据权利要求2所述的基于多传感器融合的行走步态无线检测系统，其特征在于，所述MPU6050传感器分别安装在穿戴者腹部（1个），膝盖上部大腿的1/3处（2个），膝盖下部小腿的1/3处（2个），在安装该传感器时，将传感器的x测量轴平行于矢状面并与被测肢体垂直，y测量轴与被测肢体平行，基于预置坐标系中的加速度、角速度，通过所述传感器的加速度计获取加速度，通过所述传感器的陀螺仪获取角速度。4.根据权利要求3所述的基于多传感器融合的行走步态无线检测系统，其特征在于，若加速度和角速度的采样频率不一致，对所述加速度和角速度进行预定次数样条插值；柔性薄膜压力传感器以鞋垫形式放置在用户的鞋中。5.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘旭辉，罗启文，邱冶，孙璐婵，蒲美玲，简震，张远方，丁志娟，
申请(专利权)人：苏州自如医疗器械有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32