CN103356203A - 人体立位平衡疲劳检测的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及人体立位平衡疲劳检测的方法和装置。疲劳的成因复杂、表现多样，通常是生理疲劳和心理疲劳综合作用的结果。本发明技术方案如下：测力平衡台上有可测定多点压力的压力传感区域、九灯剩余能力测试装置、手握式心电信号检测装置，均与中央处理器通信相连。有益效果：采用立位平衡测量方式，测量人体重心变化曲线，考察人体平衡能力，判断人体疲劳状态。自主研制立位平衡仪软硬件***，在测量人体平衡能力的同时，配合可触摸式显示屏幕、心电检测装置的使用，从生理和心理两方面综合检测、评价人体疲劳程度。给出综合测量指标，判断该类人员能否安全可靠完成当前工作，给出指导性建议。仪器结构紧凑合理，安装使用方便，检测快速，性能稳定。

Description

人体立位平衡疲劳检测的方法和装置

技术领域：

本发明涉及疲劳检测和平衡检测的方法和装置，尤其涉及人体立位平衡疲劳检测的方法和装置。

背景技术：

随着生活节奏的加快，工作压力的升高，人体疲劳现象日趋普遍，疲劳导致的不良后果日益严重，轻则状态低迷，效率低下，重则发生事故，害人害己，研究表明大多数的交通或飞行事故都是驾驶员或飞行员的疲劳驾驶导致的。另外长期的疲劳对个人身体健康有很大的危害。

疲劳的成因复杂、表现多样，通常是生理疲劳和心理疲劳两方面综合作用的结果。现有的人体疲劳检测设备大多数采用的技术方案主要有两种：一是拍摄人脸表情，通过图像处理分析人眼或者脸部轮廓判断疲劳状态。二是测量人体生理参数，通过生理指标的改变判断疲劳状态。

现有方法的不足：不能预测疲劳，无法提前预警，无法检测心理疲劳。某些疲劳检测方法或设备需要被检测人员长时间佩戴传感器，舒适性与方便性欠佳。

发明内容：

发明的目的：

为了提供一套方法和装备，具有如下效果：该设备使用方便，可以***人体疲劳，对飞行员或者驾驶员等易疲劳人群的工作安全和身体健康提供保障。

为了达到如上目的，本发明采取如下技术方案：人体立位平衡疲劳检测的方法，其特征在于：包含如下步骤：

●测定：在压力传感区域测量双脚的足底多点压力变化；

●传输：压力传感器感受足底多点压力变化，将其转换为电信号后通过中央处理器转化为数字信号

●计算：将压力信号处理成的数据进行计算；

●判断与输出：将计算出来的结果参数和标准参数进行对比，输出判断结果。

本发明进一步技术方案在于：所述传输步骤中，压力传感器将压力变化信息传递给主电路板，主板上的核心处理器对电信号进行处理、放大和A/D转换，将电信号转变成数字信号。

本发明进一步技术方案在于：

11.所述计算步骤中的计算包括不同频段晃动频率、重量分布、重心轨迹外周面积、矩形面积、有效值面积、总轨迹长、单位面积轨迹长、左右动摇平均中心变位、前后动摇平均中心变位、左右方向的标准偏差和前后方向的标准偏差；其计算方式与基本概念如下：

晃动频率：重心晃动的频域指标分析；

计算方法：傅立叶变换

重量分布：人体重量在每个压力踏板上的重量分布

计算公式为：人体重量在A踏板上的重量分布的百分比为

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{m}_{\mathrm{Ai}}/(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{m}_{\mathrm{Ai}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{m}_{\mathrm{Bi}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{m}_{\mathrm{Ci}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{m}_{\mathrm{Di}}),$

其中m_Ai表示第i次采样时A踏板上的重量，n为样本数；

重心轨迹外周面积：指重心移动轨迹所包绕的面积，即重心移动轨迹的所有凸点所围成的多边形的面积；

计算算法：首先利用Graham算法计算出重心移动轨迹的所有凸点，将这些凸点按顺时针方向相连之后围成一个多边形，重心轨迹外周面积即为多边形的面积；

矩形面积：即重心移动轨迹所围成图形的最大矩形面积；

计算方法：分别找出重心移动轨迹在X轴和Y轴上的最大值和最小值，依次将它们相连组成一个矩形，计算其面积即为矩形面积；即(Y_max-Y_min)*(X_max-X_min)

有效值面积：

$\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(X_i-\stackrel{\‾}{X})}^2+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(Y_i-\stackrel{\‾}{Y})}^2}{n}}$

X_i，Y_i为第i次采样在X、Y轴上的坐标值，

分别为人体重心在X、Y轴方向上的偏移值的平均。

总轨迹长：重心实际移动的轨迹长度；

计算公式： $\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{(X_{i+1}-X_i)}^2+{(Y_{i+1}-Y_i)}^2}$

单位面积轨迹长：总轨迹长与外周面积的比值；

左右、前后动摇平均中心变位：指人体重心在X、Y轴方向上的偏移值的平均；

为左右动摇平均中心变位；

为前后动摇平均中心变位；

左右、前后方向的标准偏差：

为左右方向的标准偏差；

为前后方向的标准偏差；

分别为人体重心在X、Y轴方向上的偏移值的平均。

本发明进一步技术方案在于：测定被测人员的心率并根据心率变化辅助判断疲劳程度。

本发明进一步技术方案在于：所述步骤传输之前还有个体识别与信息登记的步骤。

本发明进一步技术方案在于：所述个体识别与信息登记的步骤为指纹识别的方式。

人体立位平衡疲劳检测的装置，其特征在于：包含测力平衡台，测力平衡台上有可测定多点压力的压力传感区域，压力传感区域与中央处理器通信相连。

本发明进一步技术方案在于：还包括显示屏，显示屏安装于支撑杆上的显示屏安装座上。

本发明进一步技术方案在于：还包括支撑杆上的把手，所述把手连接有手握式心电信号检测装置。

本发明进一步技术方案在于：还包括指纹识别***，其位于显示屏上；还包括九灯剩余能力测试装置。

采用如上技术方案的本发明，技术要点和有益效果如下：

采用立位平衡测量方式，测量人体重心变化曲线，考察人体平衡能力，判断人体疲劳状态。自主研制立位平衡仪软硬件***，在测量人体平衡能力的同时，配合可触摸式显示屏幕、心电检测装置的使用，从生理和心理两方面综合检测、评价人体疲劳程度。给出综合测量指标，判断该类人员能否安全可靠完成当前工作，给出指导性建议。仪器结构紧凑合理，安装使用方便，检测快速，性能稳定。

附图说明：

为了进一步说明本发明，下面结合附图进一步进行说明：

图1为发明的结构侧面示意图；

图2为发明的结构背面示意图；

图3为发明的结构正面示意图；

图4为发明的结构俯视面示意图；

其中：1.测力平衡台；2.垫块；3.支撑杆；4.显示屏安装座；5.显示屏；6.支撑组件；7.把手护套；8.夹块组件；9.另一个夹块组件；10.压力传感区域。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的实施例进行说明，实施例不构成对本发明的限制：

结合图1-图4：

人体立位平衡疲劳检测的装置，其特征在于：包含测力平衡台1，测力平衡台1上有可测定多点压力的压力传感区域10，压力传感区域10与中央处理器通信相连。

本发明进一步技术方案在于：还包括显示屏5，显示屏5安装于支撑杆3上的显示屏安装座4上。

本发明进一步技术方案在于：还包括支撑杆3上的把手，所述把手连接有心率测定装置。

本发明进一步技术方案在于：还包括指纹识别***，其位于显示屏5上。

很明显，指纹识别***还可以被其他身份识别***代替，并且其安装的位置不限于显示屏。

实际使用时，人体双脚站立在踏板中部传感器之上，压力传感器感受足底多点压力变化，将其转换为电信号传递给主电路板，主板上的核心处理器对电信号进行处理、放大和A/D转换，将电信号变成数字信号并通过USB传递给计算机软件。计算机软件对数据进行进一步的分析和处理，计算包括不同频段晃动频率、重量分布、重心轨迹外周面积、矩形面积、有效值面积、总轨迹长、单位面积轨迹长、左右动摇平均中心变位、前后动摇平均中心变位、左右方向的标准偏差和前后方向的标准偏差等多项指标。每名被测人员在测试前只需进行指纹身份登记即可进入人员信息管理***，测试后的数据经过数据分析和指标提取之后保存到计算机中。

被测人员还可以通过触摸屏进行人机交互，进而进行心理疲劳状态检测。同时将双手放于仪器支架的把手上时可以测量人体心率，根据心率变化辅助判断疲劳程度，生理参数的检测无需黏贴心电电极，方便快速稳定性高。

软件部分主要包括人员信息管理、测量数据采集与存储、测量指标计算与分析三个部分。使用PowerBuilder 9.0和C++Builder编程环境联合开发完成，数据存取则是基于SQL Server 2000数据库实现。其中用PowerBuilder实现管理员、被试人员的信息登录、测试结果数据的管理、长期的数据报表与趋势图、个体评价和结果打印。C++Builder编写平衡仪主板控制与通讯程序，该程序受PowerBuilder编写的主程序的调度，实现与下位机的通讯，完成单人单次测试，并将测试所采集的数据经过分析实时地显示在测试界面即主显示器上。软件界面友好操作简单，计算参数指标全面准确。通过生理和心理指标，综合判断人体疲劳程度，预测疲劳状态。

不同频段晃动频率：晃动频率越快，越疲劳；重量分布越分散，越疲劳；重心轨迹外周面积越大，越疲劳；矩形面积越大，越疲劳；有效值面积越大，越疲劳；总轨迹长越长，越疲劳；单位面积轨迹长越长，越疲劳；左右动摇平均中心变位与前后动摇平均中心变位越大，越疲劳；左右方向的标准偏差和前后方向的标准偏差越大，越疲劳。

软件过程的实施是现有技术，以上仅仅给出一种示例，并不对本发明的软件过程的具体实施造成限制。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.人体立位平衡疲劳检测的方法，其特征在于：包含如下步骤：

●测定：在压力传感区域测量双脚的足底多点压力变化；

●传输：压力传感器感受足底多点压力变化，将其转换为电信号后通过中央处理器转化为数字信号

●计算：将压力信号处理成的数据进行计算；

●判断与输出：将计算出来的结果参数和标准参数进行对比，输出判断结果。

2.如权利要求1所述的人体立位平衡疲劳检测的方法，其特征在于：所述传输步骤中，压力传感器将压力变化信息传递给主电路板，主板上的核心处理器对电信号进行处理、放大和A/D转换，将电信号转变成数字信号。

3.如权利要求1所述的人体立位平衡疲劳检测的方法，其特征在于：所述计算步骤中的计算包括不同频段晃动频率、重量分布、重心轨迹外周面积、矩形面积、有效值面积、总轨迹长、单位面积轨迹长、左右动摇平均中心变位、前后动摇平均中心变位、左右方向的标准偏差和前后方向的标准偏差；其计算方式与基本概念如下：

晃动频率：重心晃动的频域指标分析；

计算方法：傅立叶变换

重量分布：人体重量在每个压力踏板上的重量分布

计算公式为：人体重量在A踏板上的重量分布的百分比为

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{m}_{\mathrm{Ai}}/(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{m}_{\mathrm{Ai}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{m}_{\mathrm{Bi}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{m}_{\mathrm{Ci}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{m}_{\mathrm{Di}}),$

其中m_Ai表示第i次采样时A踏板上的重量，n为样本数；

重心轨迹外周面积：指重心移动轨迹所包绕的面积，即重心移动轨迹的所有凸点所围成的多边形的面积；

计算算法：首先利用Graham算法计算出重心移动轨迹的所有凸点，将这些凸点按顺时针方向相连之后围成一个多边形，重心轨迹外周面积即为多边形的面积；

矩形面积：即重心移动轨迹所围成图形的最大矩形面积；

计算方法：分别找出重心移动轨迹在X轴和Y轴上的最大值和最小值，依次将它们相连组成一个矩形，计算其面积即为矩形面积；即(Y_max-Y_min)*(X_max-X_min)

有效值面积：

$\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(X_i-\stackrel{\‾}{X})}^2+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(Y_i-\stackrel{\‾}{Y})}^2}{n}}$

X_i，Y_i为第i次采样在X、Y轴上的坐标值，

分别为人体重心在X、Y轴方向上的偏移值的平均。

总轨迹长：重心实际移动的轨迹长度；

计算公式： $\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{(X_{i+1}-X_i)}^2+{(Y_{i+1}-Y_i)}^2}$

单位面积轨迹长：总轨迹长与外周面积的比值；

左右、前后动摇平均中心变位：指人体重心在X、Y轴方向上的偏移值的平均；

为左右动摇平均中心变位；

为前后动摇平均中心变位；

左右、前后方向的标准偏差：

为左右方向的标准偏差；

为前后方向的标准偏差；

分别为人体重心在X、Y轴方向上的偏移值的平均。

4.如权利要求1所述的人体立位平衡疲劳检测的方法，其特征在于：测定被测人员的心率并根据心率变化辅助判断疲劳程度。

5.如权利要求1所述的人体立位平衡疲劳检测的方法，其特征在于：所述步骤传输之前还有个体识别与信息登记的步骤。

6.如权利要求5所述的人体立位平衡疲劳检测的方法，其特征在于：所述个体识别与信息登记的步骤为指纹识别的方式。

7.人体立位平衡疲劳检测的装置，其特征在于：包含测力平衡台(1)，测力平衡台(1)上有可测定多点压力的压力传感区域(10)，压力传感区域(10)与中央处理器通信相连。

8.如权利要求7所述的人体立位平衡疲劳检测的装置，其特征在于：还包括显示屏(5)，显示屏(5)安装于支撑杆(3)上的显示屏安装座(4)上。

9.如权利要求8所述的人体立位平衡疲劳检测的装置，其特征在于：还包括支撑杆(3)上的把手，所述把手连接有手握式心电信号检测装置。

10.如权利要求7所述的人体立位平衡疲劳检测的装置，其特征在于：还包括指纹识别***，其位于显示屏(5)上；还包括九灯剩余能力测试装置。

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