(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 111700623 A(43)申请公布日 2020.09.25
(21)申请号 2020106675.7(22)申请日 2020.07.17
(71)申请人 华南理工大学
地址 5100 广东省广州市天河区五山路
381号(72)发明人 屈盛官 曾德政 尹鹏 曲希帅
杨靓 姜笑天 (74)专利代理机构 广州市华学知识产权代理有
限公司 44245
代理人 陈宏升 雷芬芬(51)Int.Cl.
A61B 5/11(2006.01)
权利要求书1页 说明书5页 附图3页
CN 111700623 A(54)发明名称
一种基于足底压力的人体步态检测系统和方法
(57)摘要
本发明公开了一种基于足底压力的人体步态检测系统和方法，该系统包括：足底压力检测装置、单片机控制模块、信号调理模块和安装有步态分析程序的上位机模块；足底压力检测装置包括传感鞋和压力传感器；压力传感器、单片机
压控制模块和信号调理模块均集成在传感鞋上；
力传感器感知穿戴传感鞋的人行走过程中脚与地面的相互作用力，测量出该相互作用力下的电压信号，电压信号经过信号调理模块的转换和放大后传送到单片机控制模块，单片机控制模块将电压信号发送到上位机模块，上位机模块根据电压信号得到不同步态下对应的足底施加力。本发明将基本的器件集成在传感鞋中，具有低成本、结构简单、便携穿戴及易维护等优点。
CN 111700623 A
权 利 要 求 书
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1.一种基于足底压力的人体步态检测系统，其特征在于，包括：足底压力检测装置、单片机控制模块、信号调理模块和安装有步态分析程序的上位机模块；足底压力检测装置包括传感鞋和压力传感器；压力传感器、单片机控制模块和信号调理模块均集成在传感鞋上；
压力传感器感知穿戴传感鞋的人行走过程中脚与地面的相互作用力，测量出该相互作用力下的电压信号，电压信号经过信号调理模块的转换和放大后传送到单片机控制模块，单片机控制模块将电压信号发送到上位机模块，上位机模块根据电压信号得到不同步态下对应的足底施加力，并将足底施加力和预先收集的压力数据进行分析比较，进而判断人体是否进入支撑模式或者行走模式。
2.根据权利要求1所述的基于足底压力的人体步态检测系统，其特征在于，传感鞋的鞋底包括从下到依次分别触地鞋底层、中间传感层和足底接触层；穿戴绑带设置在传感鞋的鞋面；压力传感器设置在中间传感层中的钢片上。
3.根据权利要求1所述的基于足底压力的人体步态检测系统，其特征在于，将人体足底第二跖骨区域和第三跖骨之间区域、足底中部区域、足后跟相接触的区域作为足底压力测试点，将3个压力传感器分别设置在3个足底压力测试点。
4.根据权利要求1所述的基于足底压力的人体步态检测系统，其特征在于，压力传感器为FSR 408型薄膜压力传感器。
5.根据权利要求1所述的基于足底压力的人体步态检测系统，其特征在于，还包括：低功耗处理模块；低功耗处理模块和足底压力检测装置单向连接，低功耗处理模块和单片机控制模块、信号调理模块均双向连接；
当低功耗处理模块检测到传感鞋未受压或者未达到触发阈值时，低功耗处理模块输出中断信号至单片机控制模块，单片机控制模块根据中断信号自动切断信号调理模块和无线传输模块的电源，使系统工作在低功耗模式。
6.根据权利要求1所述的基于足底压力的人体步态检测系统，其特征在于，还包括：无线传输模块；单片机控制模块通过无线传输模块将电压信号发送到上位机模块。
7.根据权利要求5所述的基于足底压力的人体步态检测系统，其特征在于，低功耗处理模块集成在传感鞋上。
8.一种基于根据权利要求1-7所述的基于足底压力的人体步态检测系统的方法，其特征在于，包括：
S1，采集传感鞋的电压信号，并对进行电压信号滤波；S2，判断所有的电压信号是否全为0，若否，则进入正常工作模式，执行步骤S3；S3，对电压信号进行转换、放大，并发送到上位机模块；S4，上位机模块根据电压信号得到不同步态下对应的足底施加力，并将足底施加力和预先收集的压力数据进行分析比较，进而判断人体是否进入支撑模式或者行走模式。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤S2中，若判断出所有的电压信号全为0，且连续2次判断全为0，系统就进入低功耗模式，低功耗模式为系统会自动切断信号调理模块和无线传输模块的电源。
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说 明 书
一种基于足底压力的人体步态检测系统和方法
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技术领域
[0001]本发明涉及人体步态检测技术领域，具体涉及一种基于足底压力的人体步态检测系统和方法。
背景技术
[0002]人体步态是一种行走方式，由身份各个不同的部位运动组成，其已经广泛地被用于医学诊断和运动训练中，帮助病人健康恢复和指导运动员更加合理的训练。足底压力的分布与大小反映了人体下肢运动功能的信息。人体步态系统研究是外骨骼智能化最重要的技术之一，它不仅可以为下肢外骨骼的机构设计与优化提供理论指导和技术支持，而且是外骨骼实现辅助行走、负重、康复训练等功能的基础。此外，当下肢发生病变时，足底的压力分布也会发生相应变化，因此通过检测和分析足底压力的相关参数获得人体的某些生理或病理信息，对临床医学诊断、手术效果评价、康复训练、下肢外骨骼设计等方面均有重要的科学意义和应用价值。[0003]目前，步态检测领域的研究热点大多是使用图形技术来实现对步态信息的采集和检测，但是这种利用图像技术的方法有价格较为昂贵、不可移动的缺点，并且对于外部条件因素要求较高(例如光照等)，一旦光线强度不够就会对检测结果造成较大的影响。此外,有学者提出采用基于肌电信号传感器的步态检测方法。该方法是利用电极经过多倍放大、带通滤波和低通滤波相结合并且最终加上数字化等相应处理的方式，从而在人体肌肤表层获取肌电信号，然后把所获取的肌电信号传递到计算机并生成表面肌电图。但是这种方法最大的缺点在于一旦人体肌肤表面发生了变化，就会严重影响所采集到的肌电信号的准确度(例如出汗时)，会导致最终结果产生巨大的误差，并且该试验要求较为严苛，不利于广泛应用。
[0004]因此，行业内急切需要提出一种可便携穿戴、长期检测人体步态数据，并且能耗低、体积小、价格低廉，拥有较高精度和较强适应性的人体步态检测系统或者方法。发明内容
[0005]本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种低成本、结构简单、便携穿戴及易维护的基于足底压力的人体步态检测系统和方法。[0006]本发明的目的通过以下的技术方案实现：[0007]一种基于足底压力的人体步态检测系统，包括：足底压力检测装置、单片机控制模块、信号调理模块和安装有步态分析程序的上位机模块；足底压力检测装置包括传感鞋和压力传感器；压力传感器感知穿戴传感鞋的人行走过程中脚与地面的相互作用力，测量出该相互作用力下的电压信号，电压信号经过信号调理模块的转换和放大后传送到单片机控制模块，单片机控制模块将电压信号发送到上位机模块，上位机模块根据电压信号得到不同步态下对应的足底施加力，并将足底施加力和预先收集的压力数据进行分析比较，进而判断人体是否进入支撑模式或者行走模式。
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说 明 书
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优选地，传感鞋的鞋底包括从下到依次分别触地鞋底层、中间传感层和足底接触
层；穿戴绑带设置在传感鞋的鞋面；压力传感器设置在中间传感层中的钢片上。[0009]优选地，将人体足底第二跖骨区域和第三跖骨之间区域、足底中部区域、足后跟相接触的区域作为足底压力测试点，将3个压力传感器分别设置在3个足底压力测试点。[0010]优选地，压力传感器为FSR 408型薄膜压力传感器。[0011]优选地，还包括：低功耗处理模块；低功耗处理模块和足底压力检测装置单向连接，低功耗处理模块和单片机控制模块、信号调理模块均双向连接；当低功耗处理模块检测到传感鞋未受压或者未达到触发阈值时，低功耗处理模块输出中断信号至单片机控制模块，单片机控制模块根据中断信号自动切断信号调理模块和无线传输模块的电源，使系统工作在低功耗模式；[0012]优选地，还包括：无线传输模块；单片机控制模块通过无线传输模块将电压信号发送到上位机模块。[0013]优选地，单片机控制模块、信号调理模块和低功耗处理模块均集成在传感鞋上。[0014]一种上述的基于足底压力的人体步态检测系统的方法，包括：[0015]S1，采集传感鞋的电压信号，并对进行电压信号滤波；[0016]S2，判断所有的电压信号是否全为0，若否，则进入正常工作模式，执行步骤S3；[0017]S3，对电压信号进行转换、放大，并发送到上位机模块；[0018]S4，上位机模块根据电压信号得到不同步态下对应的足底施加力，并将足底施加力和预先收集的压力数据进行分析比较，进而判断人体是否进入支撑模式或者行走模式。[0019]优选地，在步骤S2中，若判断出所有的电压信号全为0，且连续2次判断全为0，系统就进入低功耗模式，低功耗模式为系统会自动切断信号调理模块和无线传输模块的电源。[0020]本发明相对于现有技术具有如下优点：
[0021]本发明的基于足底压力的人体步态检测系统包括传感鞋、压力传感器、单片机控制模块、信号调理模块和安装有步态分析程序的上位机模块，且压力传感器、单片机控制模块和信号调理模块均集成在传感鞋上，压力传感器感知穿戴传感鞋的人行走过程中脚与地面的相互作用力，测量出该相互作用力下的电压信号，电压信号经过信号调理模块的转换和放大后传送到单片机控制模块，单片机控制模块将电压信号发送到上位机模块，上位机模块根据电压信号得到不同步态下对应的足底施加力，并将足底施加力和预先收集的压力数据进行分析比较，进而判断人体是否进入支撑模式或者行走模式，因此，本发明将基本的器件集成在传感鞋中，具有低成本、结构简单、便携穿戴及易维护等优点。[0022]此外，低功耗处理模块可以实现根据足底压力的有或无使得人体步态检测系统在正常运行模式与低功耗运行模式间切换。本发明在特制足底压力检测装置的基础上，结合无线通讯装置，可以长期监控人体的步态数据，并且所采用的传感器体积小、能耗低、价格低廉，同时其算法简单、运算量小、延时小、准确率高。附图说明
[0023]构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：[0024]图1为本发明的基于足底压力的人体步态检测系统的结构示意图。
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说 明 书
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图2为本发明的传感鞋的结构示意图。图3为本发明的足底压力测试点图。图4为本发明的信号调理模块的电路图。图5为本发明的低功耗控制模块的电路图。
图6为本发明的基于足底压力的人体步态检测方法的流程示意图。
具体实施方式
[0030]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。[0031]参见图1、一种基于足底压力的人体步态检测系统，包括：足底压力检测装置、单片机控制模块、信号调理模块和安装有步态分析程序的上位机模块；足底压力检测装置包括传感鞋和压力传感器；
[0032]压力传感器感知穿戴传感鞋的人行走过程中脚与地面的相互作用力，测量出该相互作用力下的电压信号，电压信号经过信号调理模块的转换和放大后传送到单片机控制模块，单片机控制模块将电压信号发送到上位机模块，上位机模块根据电压信号得到不同步态下对应的足底施加力，并将足底施加力和预先收集的压力数据进行分析比较，进而判断人体是否进入支撑模式或者行走模式。[0033]在本实施例，上位机模块还实时显示和存储足底压力信号。系统还包括：无线传输模块；单片机控制模块通过无线传输模块将电压信号发送到上位机模块。[0034]在本实施例，为了避免传感鞋在工作状态下，薄膜压力传感器因与地面或人体足底的直接摩擦而导致磨损和失效，所以在设计传感鞋时，要使得传感器不能直接接触地面或者人体足部。此外，要尽可能使得传感鞋的结构紧凑、质量轻，所以将传感鞋鞋底设计从下到依次为触地鞋底层11、中间传感层12和足底接触层13三层，穿戴绑带14设置在传感鞋的鞋面，如图2所示。传感鞋鞋底是足底压力检测装置的核心部件，用于承载人体和采集穿戴者在行走过程中变化的足底压力。压力传感器设置在中间传感层中的钢片上。足底接触层和触地触地层有一定的间隙，间隙大小由所采用的薄膜压力传感器的厚度决定。传感鞋是将单片机控制模块、信号调理模块和低功耗处理模块集成在鞋体中，具有重量轻、能耗低、穿戴方便、价格低廉等优点。[0035]研究表明，如图3所示，人体足底压力较高的6个检测区域为如图所示的第一趾骨、第二跖骨、第三跖骨、足底中部、足后跟内侧、足后跟外侧。按照实际作用，选取在人体足底第二跖骨区域和第三跖骨区域之间区域、足底中部区域、足后跟相接触的区域作为足底压力测试点。每个足底压力测试点设置一个压力传感器，这样可以，采集足底5个部位的的压力。
[0036]压力传感器为FSR 408型薄膜压力传感器。该传感器由高分子聚合物薄膜构成，敏感部位的长度为609.6mm，宽度为10.2mm，厚度为0.41mm，具有轻柔、纤薄等特点，适合足底压力的检测。随着表面所承受压力的增加，FSR 408型薄膜压力传感的电阻值减小，并具有较高的灵敏度。足底压力采集单元(压力传感器和信号调理模块)将人体足底压力引起的FSR 408电阻的变化转换成电压信号，并将变化的电压值信号传输至单片机控制模块从而实现对原始数据信号的采集。足底压力信号测量的电路使用如图4所示。由于FSR408型薄膜压力传感的输出信号变化非常微小(毫伏级)，为了便于进行数模转化必须对该电路进行信
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号调理与滤波处理。另外，两个鞋垫的信号采集需要同时进行，因此每个鞋垫都需独自的压力传感器和信号调理模块。一个传感鞋各路压力信号测量电路的输出电压分别为：
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其中，VoutY1、VoutY2、VoutY3分别为薄膜压力传感器FSR1、FSR2、FSR3的输出电压值，V0、V1、V2为信号调理模块输出的采样电压，R1、R6、R11为分压电阻，RFSR1、RFSR2、RFSR3分别为薄膜压力传感器FSR1、FSR2、FSR3的电阻值。
[0041]为了满足足底压力检测装置穿戴及携带方便和低功耗要求，并且考虑其实际使用工况中的会出现待机状态。基于足底压力的人体步态检测系统还包括：能使系统工作在低功耗工作模式的低功耗处理模块；低功耗处理模块和足底压力检测装置单向连接，低功耗处理模块和单片机控制模块、信号调理模块均双向连接。当低功耗处理模块检测到传感鞋未受压或者未达到触发阈值时，低功耗处理模块输出中断信号至单片机控制模块，单片机控制模块根据中断信号自动切断信号调理模块和无线传输模块的电源，使系统工作在低功耗模式；当低功耗处理模块检测到传感鞋受压并达到预定阈值时，低功耗处理模块处于休眠状态，系统正常工作。[0042]参见图5，本发明低功耗处理模块包括控制器，控制器的型号为MSP430F249单片机，它具有良好的低功耗特性并且尺寸小巧，尤其适合穿戴式检测装置。FSR 408传感器与电阻串联分压，再把其电压输入到三极管的基极。当传感鞋未受压或者未达到触发阈值的时候，FSR 1管脚处的电压为3.3V，三极管处于关闭状态，CPU(控制器)处电压约为0V。当传感鞋受压并达到预定阈值时，FSR的阻值下降，FSR 1管脚处的电压随之减小，CPU处的电压增大至高电平，从而产生一个上升沿中断信号，检测系统关闭低功耗控制电路转向正常的工作模式。系统增加低功耗模块后，有低功耗和正常两种不同的工作模式。系统通过单片机控制模块的控制信号来实现对电源开关的切换，从而可以最大程度上减少电量消耗。两种工作模式会根据人体足底触地的实际状况反馈得到的开关量进行状态切换，大大降低电量的消耗，提高检测系统的续航能力。[0043]在本实施例，本发明采用的FSR 408传感器灵敏度和分辨率较高，因此需要把压力薄膜传感器的开关量触发阈值设定于40N。[0044]因此，低功耗处理模块可以实现根据足底压力的有或无使得人体步态检测系统在正常运行模式与低功耗运行模式间切换。本发明在特制足底压力检测装置的基础上，结合无线通讯装置，可以长期监控人体的步态数据，并且所采用的传感器体积小、能耗低、价格低廉，同时其算法简单、运算量小、延时小、准确率高。[0045]参见图6、上述基于足底压力的人体步态检测系统适用的足底压力的人体步态检测方法，包括：[0046]S1，采集传感鞋的电压信号，并对进行电压信号滤波；
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S2，判断所有的电压信号是否全为0，若否，则进入正常工作模式，执行步骤S3；如
果3路的压力信号不全为0，系统将压力信号滤波、打包等处理后发送到计算机(上位机模块)上，并用LabV IEW软件显示和存储压力信号[0048]S3，则对电压信号进行转换、放大，并发送到上位机模块[0049]S4，上位机模块根据电压信号得到不同步态下对应的足底施加力，并将足底施加力和预先收集的压力数据进行分析比较，进而判断人体是否进入支撑模式或者行走模式。[0050]在本实施例，在步骤S2中，若判断出所有的电压信号全为0，且连续2次判断全为0，系统就进入低功耗模式，低功耗模式为系统会自动切断信号调理模块和无线传输模块的电源。一旦再次有压力输入时，低功耗处理模块会产生一个脉冲信号，将系统从低功耗工作模式切换到正常工作模式。[0051]综上，本发明提供了一种基于足底压力的人体步态检测系统方法，将基本的器件集成在传感鞋中，具有低成本、结构简单、便携穿戴及易维护等优点。[0052]上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
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