一种单加速度计人体步态检测装置和可穿戴设备制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种基于单加速度计的人体步态检测装置和相应的可穿戴设备，装置包括运动测量设备和数据处理设备。运动测量设备获得人体在行走时的三轴加速度数据，数据处理设备根据所述三轴加速度数据检测步态事件发生的时间点，识别步态事件的左右特征，并根据所检测的步态事件发生的时间点及其左右特征，计算步态特征。本实用新型专利技术采用的单个惯性传感器体积小、能耗低，测量直接，造价经济，且本实用新型专利技术有较高的精度和适应性，使用方便，不受时空控制。

A single accelerometer human gait detection device and wearable device

【技术实现步骤摘要】
一种单加速度计人体步态检测装置和可穿戴设备
本申请涉及可穿戴检测
，具体涉及一种单加速度计人体步态检测装置及包含该装置的可穿戴设备。
技术介绍
人体运动在日常活动(Activitiesofdailyliving，ADL)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。准确地确定步态时间参数能帮助我们理解对行走过程产生影响的病理变化。要做到这一点，就需要识别运动周期内可重复的时间特征。这些特征中最基本的是脚接触或离开地面的瞬间，这些瞬间使得步态周期被识别并划分为单支撑和双支撑阶段，可以用来分析健康和病理受试者的许多步行时间参数，并提供对人类步行病理变化的理解。基于脚开关的力敏电阻(ForceSensitiveResistance，FSR)传感器已经被用于检测步态事件，包括脚跟着地(Heelstrike，HS)和脚尖离地(Toeoff，TO)，以及控制功能电刺激系统的开/关时间，但这种FSR传感器在实时应用中存在一定的问题，传感器的开机和关机过程通常很复杂，常常会给佩戴者带来一定程度的不便和不适。此外，传感器有时是不可靠的，只能在有限的周期内使用。除了FSR传感器，近年来，加速度计、陀螺仪等可穿戴惯性传感器也被广泛用于步态事件的检测，有很多研究使用放置在人体腿部、腰部、手腕、胸部等部位的可穿戴传感器测量步态时间参数，如步态事件、步态周期等。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。再如，申请号为US201414269029的专利技术专利申请提出了一种利用加速度计检测步态事件的方法，其将加速度计安装在行人的鞋上，采集人在行走时的加速度数据，利用前后向和竖直向加速度数据阈值检测法确定步态事件。然而，典型的陀螺仪传感器功耗较大(通常为几毫安)，限制了其在日常生活中的长期使用。并且，如果将惯性测量单元放置在脚上或腿上，则至少需要两个IMU用于确定步态事件。还有，申请号为KR20160124602的专利技术专利申请公开了一种步态事件检测方法，其将三轴加速度计放在测试者第三腰椎到第四腰椎的位置，采集测试者行走时的加速度数据，对竖直向加速度滤波后利用峰值检测法确定步态事件。但上述方法在实际使用过程中均存在步态测量精度较低，在不同人群中的适应能力差等缺陷。因此，有必要提出一种新型的、高精度的，在不同人群中适应能力强的步长测量方法。
技术实现思路
本技术的目的在于解决现有技术中步态测量精度较低，在人群中适应能力差等缺陷，并提供一种用于可穿戴设备的人体步态检测装置。为解决上述技术问题，本技术提出一种人体步态检测装置，包括运动测量设备和数据处理设备，其中，所述运动测量设备用于获得人体在行走时的三轴加速度数据；所述数据处理设备与运动测量设备通信连接，用于根据所述三轴加速度数据检测步态事件发生的时间点，识别所述步态事件的左右特征，根据所检测的步态事件发生的时间点及其左右特征，计算步态特征。根据本技术的优选实施方式，还包括预处理设备，所述预处理设备用于对所述运动测量设备获得的三轴加速度数据进行高通滤波。根据本技术的优选实施方式，所述预处理设备采用EFIR带通滤波器对所述运动测量设备获得的三轴加速度数据进行高通滤波。根据本技术的优选实施方式，所述运动测量设备包括惯性传感器、数据接口和通信接口。根据本技术的优选实施方式，所述惯性传感器是单个加速度计，该加速度计放置于人体的胸前下方。根据本技术的优选实施方式，所述数据处理设备检测的步态事件包括“脚跟着地”和“脚尖离地”。根据本技术的优选实施方式，Y轴加速度信号发生变化的开始时刻，与X轴信号的交点是X轴信号由负到正的过零点，代表“脚跟着地”瞬间，这时前进方向加速度为零；Y轴加速度信号发生变化的结束时刻，与Z轴信号的交点是Z轴信号由正到负的过零点，表示另一个脚的“脚尖离地”瞬间，这时竖直方向加速度为零。根据本技术的优选实施方式，所述数据处理设备根据所述三轴加速度数据的Y轴加速度来区分左右步。根据本技术的优选实施方式，所述步态特征包括步态周期、双支撑相占比、单支撑相占比、站立相占比和摆动相占比中的至少一个。本技术还提出一种可穿戴设备，包括所述的人体步态检测装置。本技术采用的单个惯性传感器体积小、能耗低，测量直接，造价经济，且本技术有较高的精度和适应性，使用方便，不受时空控制。本技术采集的数据量小，能够进行数据实时处理和分析。并且，本技术不存在光线和遮挡问题，具有便携性和实用性的特点，非常适合做成穿戴式的运动捕获和分析装置。附图说明图1给出了一个走路步态周期的支撑相和摆动相；图2示出了本技术的一个实施例的步态检测系统的逻辑架构；图3示出了本技术的一个实施例的步态检测系统的运动测量设备的模块架构；图4示出了本技术的一个实施例的人体方位及惯性传感器(加速度计)的佩戴位置；图5示出了本技术的一个实施例的原始加速度频谱图；图6示出了本技术的一个实施例的步态事件检测图。具体实施方式下面将参照附图更详细地描述本明的示例性实施例。虽然附图中显示了本技术的示例性实施例，然而应当理解，本技术可以以各种形式实现，实施例并不是用于限制本技术的范围。相反，提供这些实施例的目的是为了使本领域的技术人员更透彻地理解本技术。本文中的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本技术中涉及的部分技术术语的含义如下：“步态事件”是指人在行走过程中的每个步态周期中的重要时刻，主要有“脚跟着地”(HeelStrike,HS)和“脚尖离地”(ToeOff,TO)两个步态事件。人体走路步态中，由于下肢生物力学模型存在周期性的特性，人体走路过程中的步态周期可以描述为，在行走时一侧脚跟着地到该侧脚跟再次着地的过程。一个走路步态周期可以分为两个阶段，支撑相(stancephase)和摆动相(swingphase)。支撑相从脚跟着地(HeelStrike,HS)开始，到脚尖离地(ToeOff,TO)结束。摆动相从脚尖离地开始，到脚跟触地结束。支撑相大约占步态周期的60％，摆动相约占40％。图1给出了一个走路步态周期的支撑相和摆动相，起止于右脚的脚跟着地。该本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种人体步态检测装置，其特征在于，包括运动测量设备和数据处理设备，其中，/n所述运动测量设备包括惯性传感器、数据接口和通信接口，用于获得人体在行走时的三轴加速度数据，其中，所述惯性传感器是单个加速度计，该加速度计放置于人体的胸前下方；/n所述数据处理设备与运动测量设备通信连接，用于根据所述三轴加速度数据检测步态事件发生的时间点，识别所述步态事件的左右特征，根据所检测的步态事件发生的时间点及其左右特征，计算步态特征，其中，所述步态事件包括“脚跟着地”和“脚尖离地”。/n

【技术特征摘要】
1.一种人体步态检测装置，其特征在于，包括运动测量设备和数据处理设备，其中，
所述运动测量设备包括惯性传感器、数据接口和通信接口，用于获得人体在行走时的三轴加速度数据，其中，所述惯性传感器是单个加速度计，该加速度计放置于人体的胸前下方；
所述数据处理设备与运动测量设备通信连接，用于根据所述三轴加速度数据检测步态事件发生的时间点，识别所述步态事件的左右特征，根据所检测的步态事件发生的时间点及其左右特征，计算步态特征，其中，所述步态事件包括“脚跟着地”和“脚尖离地”。


2.如权利要求1所述的人体步态检测装置，其特征在于，还包括预处理设备，所述预处理设备用于对所述运动测量设备获得的三轴加速度数据进行高通滤波。


3.如权利要求2所述的人体步态检测装置，其特征在于，所述预处理设备采用EFIR带通滤波器对所述运动测量...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴燃，吴健康，
申请(专利权)人：南京茂森电子技术有限公司，
类型：新型
国别省市：江苏;32