[发明专利]一种穿戴式传感鞋系统及步态评估方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种步态的测量、分析和评估技术，尤其涉及一种穿戴式传感鞋系统及其用于步态的分析和评估方法。

背景技术

步态的测量、分析和评估是临床分析和康复以及生物力学研究中必不可少的一项工作，目前有一套传统的测量方式被该领域认为是可靠的标准：由多个红外高速摄像头组成的运动捕捉系统加上多块静态测力板，运动捕捉系统在实验者的身体各肢体粘上红外反光材料制作的标记点，通过红外相机捕捉这些标记点的运动来还原人体肢体的运动，静态测力板则提供地面反作用力，系统将两处数据代入预定的人体运动模型中求解相关的步态参数。但这套系统价格昂贵，而且需要固定安装，对光线环境的要求高，只能在实验室内测量，并且有效的测量空间十分有限。

为了解决这套系统的弊端，相关的研究者们开发了许多用于步态分析的穿戴式传感器系统。最开始，单个MEMS传感器如电子加速度计、电子陀螺仪被用于分析人体的姿态，但是这些方法因为电子传感器本身携带的大量噪声以及测量方法的简陋，不能满足全面系统和精确的运动分析。因此，多传感器组成的穿戴式系统产生了，而且传感器的融合算法如卡尔曼滤波被用于降低数据噪声、提高精度。太多的传感器穿戴在被测试者的身上可能会影响舒适性，而且对数据传输的同步性要求高，步态分析时可以适量减少不必要的传感器，以尽量少的传感器获取足够的数据。研究者提出了针对下肢的单摆和双摆模型，以图进一步减少传感器的数量，根据部分肢体的测量结果估算其它肢体的姿态来计算步态参数，方便简洁，然而一定程度上降低了精度。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种穿戴式传感鞋系统及步态评估方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种穿戴式传感鞋系统，包括左小腿运动传感单元、右小腿运动传感单元、左大腿运动传感单元、右大腿运动传感单元、腰部运动传感单元、计算机、无线路由器、左脚传感鞋、右脚传感鞋；其中，所述左小腿运动传感单元、右小腿运动传感单元、左大腿运动传感单元、右大腿运动传感单元、腰部运动传感单元、左脚传感鞋、右脚传感鞋与计算机、通过无线路由器无线连接，所述左小腿运动传感单元、右小腿运动传感单元、左大腿运动传感单元、右大腿运动传感单元、腰部运动传感单元分别用于贴在人体的左小腿、右小腿、左大腿、右大腿和腰部，测量这些肢体部位的姿态数据；所述左脚传感鞋和右脚传感鞋分别穿戴于左脚和右脚，测量左脚和右脚脚底的地面反作用力和力矩；所述计算机通过无线路由器接收各肢体部位的姿态数据、左、右脚脚底的地面反作用力和力矩数据，并根据这些数据进行步态评估。

进一步地，所述左小腿运动传感单元、右小腿运动传感单元、左大腿运动传感单元、右大腿运动传感单元、腰部运动传感单元的结构相同，均包括第一姿态传感器、第一WIFI模块、第一CPU、第一电源模块；其中，所述第一姿态传感器和第一WIFI模块均与第一CPU相连接，第一CPU由第一电源模块供电；所述第一姿态传感器包括陀螺仪、加速度计和磁力计，分别测量角速度、加速度和环境中的磁场强度，并将数据传输至第一CPU；第一CPU将数据打包后通过第一WIFI模块传送至计算机。

进一步地，所述右脚传感鞋与左脚传感器结构相同，均包括脚掌6轴力传感单元、足弓6轴力传感单元、足跟6轴力传感单元。

进一步地，所述脚掌6轴力传感单元、足弓6轴力传感单元和足跟6轴力传感单元结构相同，均包括第二姿态传感器、第二WIFI模块、第二CPU、第二电源模块、6轴力传感器；其中，第二CPU由第二电源模块供电，分别连接第二姿态传感器、第二WIFI模块、6轴力传感器；所述6轴力传感器用于测量3轴力和3轴力矩，并将数据传输至第二CPU；所述第二姿态传感器包括陀螺仪、加速度计和磁力计，用于测量角速度、加速度和磁场强度，并将数据传输至第二CPU；所述第二CPU将第二姿态传感器和6轴力传感器的数据打包后通过第二WIFI模块传送至计算机。

一种应用上述穿戴式传感鞋系统的步态评估方法，包括以下步骤：

(1)将左小腿运动传感单元、右小腿运动传感单元、左大腿运动传感单元、右大腿运动传感单元、腰部运动传感单元分别贴在被测量者的左小腿、右小腿、左大腿、右大腿和腰部，并穿上左脚传感鞋和右脚传感鞋，被测试者笔直站立不动，采集数据，根据各传感单元的姿态传感器数据计算其初始姿态并标定；

(2)被测试者开始行走，根据已知的各传感单元的姿态数据计算出被测试者下肢的踝关节角、膝关节角、髋关节角；