CN104799862B - 一种人体失衡预警方法和*** - Google Patents

一种人体失衡预警方法和*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种人体失衡预警方法和***。所述方法和***为：置于人体脚部的压力传感器获取受到脚部踩踏的压力数据；根据压力数据判定人体行走步态；陀螺仪、角度仪和加速度仪获取各个行走步态下的人体运动数据，并根据人体的运动数据得出人体后倾系数μ；将人体后倾系数μ与预设阈值比较，根据比较结果判断人体是否将要跌倒；根据人体跌倒的判断结果生成触发指令；根据触发指令发出警报提示。本发明利用MCU控制器对人体运动数据进行运算得出人体后倾系数，并将人体后倾系数与预设阈值进行比较，根据比较结果触发警报装置，实现了在人体跌倒发生前便进行预警。

Description

一种人体失衡预警方法和***
技术领域
本发明涉及电子检测技术领域，特别涉及一种人体失衡预警方法和***。
背景技术
跌倒是指突发的、不自主的、非故意的***改变，例如倒在地上或更低的平面上。据统计，世界上每年都有大约424000例死亡与跌倒行为直接相关，跌倒是世界上造成意外伤害死亡的第二大原因(仅次于交通事故)。研究表明，在65岁以上的老年人中，每年有1次或多次跌倒经历的比例高达1/3，其中20-30％的老人在跌倒事件中会造成擦伤、髋部骨折、头部外伤等，并随着年龄的增加而增加。在美国，每年用于跌倒的医疗总费用超过200亿美元。我国目前有约1.3亿老年人，每年约有2000万老年人至少发生共计2500万次跌倒事故，直接医疗费用超过50亿元人民币。另外对于中风、脑瘫等患者以及在特殊环境下工作的人群，在行走途中不慎跌倒，也会受到比正常人多的伤害。由此可见，防止跌倒成为一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明通过对人体行走时各个阶段的平衡性进行分析，提供一种在人体跌倒前时便发出警报的人体失衡预警方法和***。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种人体失衡预警方法，包括以下步骤：
步骤1，置于人体脚部的压力传感器获取受到脚部踩踏的压力数据；
步骤2，根据压力数据判定人体行走步态；
步骤3，陀螺仪、角度仪和加速度仪获取各个行走步态下的人体运动数据，并根据人体的运动数据得出人体后倾系数μ；
步骤4，将人体后倾系数μ与预设阈值比较，根据比较结果判断人体是否将要跌倒；
步骤5，根据人体跌倒的判断结果生成触发指令；
步骤6，根据触发指令发出警报提示。
本发明的有益效果是：本发明通过对人体行走步态的平衡性分析，得出人体后倾系数超过预设值，就会向后跌倒的结论。通过安装于人体各个部位的传感器测量得到人体行走步态的运动数据，利用MCU控制器对人体运动数据进行运算得出人体后倾系数，并将人体后倾系数与预设阈值进行比较，根据比较结果触发警报装置，实现了在人体跌倒发生前便进行预警。
为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种人体失衡预警***，包括压力传感器、MCU控制器、陀螺仪、角度仪、加速度仪和警报装置；
所述压力传感器，置于人体脚部，用于获取受到脚部踩踏的压力数据，并将所述压力数据发送至MCU控制器；
所述陀螺仪、角度仪和加速度仪，用于获取各个行走步态下的人体运动数据，并将所述人体运动数据发送至MCU控制器；
所述MCU控制器，用于根据压力数据判定人体行走步态；还用于根据人体的运动数据得出人体后倾系数μ；还用于将人体后倾系数μ与预设阈值比较，根据比较结果判断人体是否将要跌倒，并根据人体跌倒的判断结果生成触发指令；
所述警报装置，用于根据触发指令发出警报提示。
附图说明
图1为本发明一种人体失衡预警***方法步骤流程图；
图2为本发明传感器分部在人体部位的示意图；
图3为本发明人体行走步态示意图；
图4为本发明一种人体失衡预警***部件关系示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
11、陀螺仪，12、骶椎加速度仪，13、骶椎角度仪，
21、左腿角度仪，22、左脚跟加速度仪，23、左脚底跟处压力传感器，
24、左脚掌压力传感器，
31、右腿角度仪，32、右脚跟加速度仪，33、右脚底跟处压力传感器，
34、右脚掌压力传感器，
41、MCU控制器，51、警报装置。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
平衡性是人体活动的基本要求之一，尤其对老年人、病人(如中风、脑瘫、截肢等患者)以及一些特殊环境(如湿滑环境)下工作的人群，平衡性具有特别重要的意义。因为，这些特殊人群在最基本的生活过程中都存在着严重的失去身体平衡性的危险，例如他(她)们在步行过程中不能保持身体平衡，尤其遇到路滑等外界环境的突然变化或外界干扰的情况容易发生跌倒，导致伤残甚至死亡的现象经常可见。
人体向前行走时，经常会遇到向前滑动的情况，此时人体就会向后倾斜，如果后倾的不大，人体可以通过向前迈步来纠正倾斜而避免滑倒的危险，如果后倾超过一定的阈值，人体就会无法通过自身的运动来恢复平衡，人体后倾失衡达到了一定的危险程度，就会向后跌倒。本发明发明通过对人体行走步态的平衡性分析，得出人体后倾系数超过预设值，就会向后跌倒的结论。通过安装于人体各个部位的传感器测量得到人体行走步态的运动数据，利用MCU控制器对人体运动数据进行运算得出人体后倾系数，并将人体后倾系数与预设阈值进行比较，根据比较结果触发警报装置，实现了在人体跌倒发生前便进行预警，以使人体有足够的时间反应避免跌倒。
图1为本发明一种人体失衡预警***方法步骤流程图。
如图1所示，一种人体失衡预警方法，包括：
步骤1，置于人体脚部的压力传感器获取受到脚部踩踏的压力数据；
步骤2，根据压力数据判定人体行走步态；
步骤3，陀螺仪、角度仪和加速度仪获取各个行走步态下的人体运动数据，并根据人体运动数据得出人体后倾系数μ；
步骤4，将人体后倾系数μ与预设阈值比较，根据比较结果判断人体是否将要跌倒；
步骤5，根据人体跌倒的判断结果生成触发指令；
步骤6，根据触发指令发出警报提示。
图2为本发明传感器分部在人体部位的示意图。
角度仪包括：骶椎角度仪、左腿角度仪和右腿角度仪；加速度仪包括：骶椎加速度仪、左脚跟加速度仪和右脚跟加速度仪；压力传感器包括：左脚跟压力传感器、右脚跟压力传感器、左脚掌压力传感器和右脚掌压力传感器。
如图2所示，陀螺仪、骶椎加速度仪和骶椎角度仪置于人体躯干第二骶椎处；左腿角度仪置于左大腿处；右腿角度仪置于右大腿处；左脚跟加速度仪置于左脚跟处；右脚跟加速度仪置于右脚跟处；左脚跟压力传感器置于左脚底跟处；右脚跟压力传感器置于右脚底跟处；左脚掌压力传感器置于左脚掌处；右脚掌压力传感器置于右脚掌处。
图3为本发明人体行走步态示意图；
如图3所示，本发明根据将人体在行走中的运动过程看做是轮流绕左右脚跟的圆周运动。据此，整个人体行走步态分为右脚跟着地状态、左脚掌离地状态、左脚跟着地状态和右脚掌离地状态。
置于人体脚部的压力传感器获取受到脚部踩踏的压力数据，并根据压力数据判定人体行走步态的过程具体为：右脚跟压力传感器测量到的压力由0逐渐增大，则判断当前人体行走步态为右脚跟着地状态；左脚掌压力传感器测量到的压力由大逐渐减小，则判断当前人体行走步态为左脚掌离地状态。左脚跟压力传感器测量到的压力由0逐渐增大，则判断当前人体行走步态为左脚跟着地状态；右脚掌压力传感器测量到的压力由大逐渐减小，则判断当前人体行走步态为右脚掌离地状态。
右脚跟压力传感器和右脚掌压力传感器测量到的压力均由0逐渐增大，左脚跟压力传感器和左脚掌压力传感器测量到的压力均由大减至0，判断当前人体行走步态为前支撑阶段；左脚跟压力传感器和左脚掌压力传感器测量到的压力均为0，右脚跟压力传感器测量到的压力增大后再减小，右脚掌压力传感器测量到的压力由小增大，判断当前人体行走步态为单支撑阶段；左脚跟压力传感器和左脚掌压力传感器测量到的压力均由0逐渐增大，右脚跟压力传感器和右脚掌压力传感器测量到的压力均由大减至0，判断当前人体行走步态为后支撑阶段。
陀螺仪、角度仪和加速度仪获取各个行走步态下的人体运动数据，并根据人体运动数据得出人体后倾系数μ的具体过程为：
步骤31，从右脚跟着地状态到左脚跟着地状态，陀螺仪测量人体绕右脚跟转动的角速度ω0，ω0乘上从陀螺仪到右脚跟的距离s0，得到陀螺仪的向前速度v0＝ω0·s0；
步骤32，在左脚跟着地状态至右脚掌离地状态时，骶椎加速度仪测量得到第二骶椎处的加速度为a1(t)，并求取a1(t)在左脚跟着地状态至右脚掌离地状态这一时间段内的积分，并根据求取的积分得出第二骶椎处的速度增量根据Δv1得出第二骶椎处在右脚掌离地状态时的向前速度v1＝v0+Δv1；
步骤33，在左脚跟着地状态至右脚掌离地状态时，左脚跟加速度仪测量得到左脚跟的加速度a2(t)，并求取a2(t)在左脚跟着地状态至右脚掌离地状态这一时间段内的积分，并根据求取的积分得出左脚跟的速度增量根据Δv2得出左脚跟在右脚掌离地状态时的向前速度v2＝0+Δv2；
步骤34，根据左脚跟在右脚掌离地状态时的向前速度v2和第二骶椎处在右脚掌离地状态时的向前速度v1，得出右脚掌离地状态时第二骶处相对于左脚跟处的相对向前速度Δv3＝v1-v2；
步骤35，在右脚掌离地状态时，骶椎角度仪测量得到躯干后倾角θ1，左腿角度仪和右腿角度仪测量得出两大腿夹角θ2，根据θ1和θ2得出θ＝θ1+θ2；
步骤36，根据θ和Δv3得出人体后倾系数μ＝θ/(Δv3)。
为了增加预警的准确性，上述判断方法的基础上，本发明还提供了辅助判断方法，具体过程如下：
步骤33还包括如下步骤：
步骤331，在左脚跟着地状态至右脚掌离地状态时，将左脚跟在当前时间段内的向前速度v2＝0+Δv2与左脚跟移动速度阈值V比较，如果比较结果为v2>V，则生成触发指令，如果比较结果为v2<V，则不生成触发指令。
步骤332，在左脚跟着地状态至右脚掌离地状态时，对将左脚跟在当前时间段内的向前速度v2求积分，得到左脚跟在着地后期向前移动距离随时间的变化曲线s1(t)，将s1与左脚跟移动距离阈值S比较，如果比较结果为s1>S，则生成触发指令，如果比较结果为s1<S，则不生成触发指令。
本发明通过对人体行走步态的平衡性分析，得出人体后倾系数超过预设值，就会向后跌倒的结论。通过安装于人体各个部位的传感器测量得到人体行走步态的运动数据，并不是获取人体运动数据是关于人体行走、下蹲、跌倒等不同运动状态的数据。因此，判断人体是否跌倒的依据为：利用MCU控制器对人体行走步态的运动数据进行运算得出人体后倾系数，并将人体后倾系数与预设阈值进行比较，根据比较结果触发警报装置，从而实现了在人体跌倒发生前便进行预警。并不是将传感器获取的人体行走、下蹲、跌倒等不同运动状态的数据与预设的人体行走、下蹲、跌倒等数据进行匹配。因此本发明能在人体将要发生跌倒时，向本发明中所涉及的装置的佩戴者发出警报进而避免跌倒。
图4为本发明一种人体失衡预警***部件关系示意图。
如图4所示，一种人体失衡预警***，包括压力传感器、MCU控制器、陀螺仪、角度仪、加速度仪和警报装置；压力传感器，置于人体脚部，用于获取受到脚部踩踏的压力数据，并将压力数据发送至MCU控制器；陀螺仪、角度仪和加速度仪，用于获取各个行走步态下的人体运动数据，并将人体运动数据发送至MCU控制器；MCU控制器，用于根据压力数据判定人体行走步态；还用于根据人体的运动数据得出人体后倾系数μ；还用于将人体后倾系数μ与预设阈值比较，根据比较结果判断人体是否将要跌倒，并根据人体跌倒的判断结果生成触发指令；警报装置根据触发指令发出警报提示。警报装置选用为蜂鸣器和/或LED指示灯。
MCU控制器根据压力数据判定人体行走步态为：MCU控制器根据接收的右脚跟压力传感器发送的压力由0逐渐增大的数据，判断当前人体行走步态为右脚跟着地状态。MCU控制器根据接收的左脚跟压力传感器发送的压力由0逐渐增大的数据，判断当前人体行走步态为左脚跟着地状态。MCU控制器根据接收的右脚掌压力传感器发送的压力由大逐渐减小的数据，判断当前人体行走步态为右脚掌离地状态。MCU控制器根据接收的左脚掌压力传感器发送的的压力由大逐渐减小的数据，判断当前人体行走步态为左脚掌离地状态。
MCU控制器根据根据人体的运动数据得出人体后倾系数μ为：MCU控制器判断当前状态为从右脚跟着地状态到左脚跟着地状态时，MCU控制器接收陀螺仪发送的人体绕右脚跟转动的角速度数据ω0，根据预设运算规则令ω0乘上从陀螺仪到右脚跟的距离s0，得到陀螺仪的向前速度v0＝ω0·s0。MCU控制器判断当前状态为从左脚跟着地状态至右脚掌离地状态时，MCU控制器接收骶椎加速度仪发送的第二骶椎处的加速度数据a1(t)，并根据预设运算规则求取a1(t)在左脚跟着地状态至右脚掌离地状态这一时间段内的积分，并根据求取的积分得出第二骶椎处的速度增量根据Δv1得出第二骶椎处在右脚掌离地状态时的向前速度v1＝v0+Δv1。MCU控制器判断当前状态为从左脚跟着地状态至右脚掌离地状态时，MCU控制器接收左脚跟加速度仪发送的左脚跟的加速度数据a2(t)，并根据预设运算规则求取a2(t)在左脚跟着地状态至右脚掌离地状态这一时间段内的积分，并根据求取的积分得出左脚跟的速度增量根据Δv2得出左脚跟在右脚掌离地状态时的向前速度v2＝0+Δv2。MCU控制器根据左脚跟在右脚掌离地状态时的向前速度v2和第二骶椎处在右脚掌离地状态时的向前速度v1，得出右脚掌离地状态时第二骶处相对于左脚跟处的相对向前速度Δv3＝v1-v2。MCU控制器判断当前状态为右脚掌离地状态时，MCU控制器接收骶椎角度仪发送的躯干后倾角数据θ1，以及左腿角度仪和右腿角度仪发送的两大腿夹角数据θ2，根据θ1和θ2得出θ＝θ1+θ2。MCU控制器根据θ和Δv3得出人体后倾系数μ＝θ/(Δv3)。
为了增加预警的准确性，上述***的基础上，本发明中所述MCU控制器还进行如下辅助判断过程：
MCU控制器判断当前状态为左脚跟着地状态至右脚掌离地状态时，将左脚跟在当前时间段内的向前速度v2＝0+Δv2与左脚跟移动速度阈值V比较，如果比较结果为v2>V，则生成触发指令，报警装置接收所述触发指令，发出声音或灯光报警；如果比较结果为v2<V，则不生成触发指令。
MCU控制器判断当前状态为在左脚跟着地状态至右脚掌离地状态时，对将左脚跟在当前时间段内的向前速度v2求积分，得到左脚跟在着地后期向前移动距离随时间的变化曲线s1(t)，将s1与左脚跟移动距离阈值S比较，如果比较结果为s1>S，则生成触发指令，报警装置接收所述触发指令，发出声音或灯光报警；如果比较结果为s1<S，则不生成触发指令。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种人体失衡预警方法，其特征在于，包括：
步骤1，置于人体脚部的压力传感器获取受到脚部踩踏的压力数据；
步骤2，根据压力数据判定人体行走步态；
步骤3，陀螺仪、角度仪和加速度仪获取各个行走步态下的人体运动数据，并根据人体运动数据得出人体后倾系数μ；
步骤4，将人体后倾系数μ与预设阈值比较，根据比较结果判断人体是否将要跌倒；
步骤5，根据人体跌倒的判断结果生成触发指令；
步骤6，根据触发指令发出警报提示；
所述步骤3具体为：
步骤31，从右脚跟着地状态到左脚跟着地状态，陀螺仪测量人体绕右脚跟转动的角速度ω0，ω0乘上从陀螺仪到右脚跟的距离s0，得到陀螺仪的向前速度v0＝ω0·s0；
步骤32，在左脚跟着地状态至右脚掌离地状态时，骶椎加速度仪测量得到第二骶椎处的加速度为a1(t)，并求取a1(t)在左脚跟着地状态至右脚掌离地状态这一时间段内的积分，并根据求取的积分得出第二骶椎处的速度增量根据Δv1得出第二骶椎处在右脚掌离地状态时的向前速度v1＝v0+Δv1；
步骤33，在左脚跟着地状态至右脚掌离地状态时，左脚跟加速度仪测量得到左脚跟的加速度a2(t)，并求取a2(t)在左脚跟着地状态至右脚掌离地状态这一时间段内的积分，并根据求取的积分得出左脚跟的速度增量根据Δv2得出左脚跟在右脚掌离地状态时的向前速度v2＝0+Δv2；
步骤34，根据左脚跟在右脚掌离地状态时的向前速度v2和第二骶椎处在右脚掌离地状态时的向前速度v1，得出右脚掌离地状态时第二骶处相对于左脚跟处的相对向前速度Δv3＝v1-v2；
步骤35，在右脚掌离地状态时，骶椎角度仪测量得到躯干后倾角θ1，左腿角度仪和右腿角度仪测量得出两大腿夹角θ2，根据θ1和θ2得出θ＝θ1+θ2；
步骤36，根据θ和Δv3得出人体后倾系数μ＝θ/(Δv3)。
2.根据权利要求1所述一种人体失衡预警方法，其特征在于，
所述角度仪包括：骶椎角度仪、左腿角度仪和右腿角度仪；
所述加速度仪包括：骶椎加速度仪、左脚跟加速度仪和右脚跟加速度仪；
所述压力传感器包括：左脚跟压力传感器、右脚跟压力传感器、左脚掌压力传感器和右脚掌压力传感器。
3.根据权利要求2所述一种人体失衡预警方法，其特征在于，
所述陀螺仪、骶椎加速度仪和骶椎角度仪置于人体躯干第二骶椎处；
所述左腿角度仪置于左大腿处；右腿角度仪置于右大腿处；
所述左脚跟加速度仪置于左脚跟处；右脚跟加速度仪置于右脚跟处；
所述左脚跟压力传感器置于左脚底跟处；右脚跟压力传感器置于右脚底跟处；
左脚掌压力传感器置于左脚掌处；右脚掌压力传感器置于右脚掌处。
4.根据权利要求3所述一种人体失衡预警方法，其特征在于，步骤2具体为：
步骤21，右脚跟压力传感器测量到的压力由0逐渐增大，则判断当前人体行走步态为右脚跟着地状态；
步骤22，左脚跟压力传感器测量到的压力由0逐渐增大，则判断当前人体行走步态为左脚跟着地状态；
步骤23，右脚掌压力传感器测量到的压力由大逐渐减小，则判断当前人体行走步态为右脚掌离地状态；
步骤24，左脚掌压力传感器测量到的压力由大逐渐减小，则判断当前人体行走步态为左脚掌离地状态。
5.一种人体失衡预警***，其特征在于，包括压力传感器、MCU控制器、陀螺仪、角度仪、加速度仪和警报装置；
所述压力传感器，置于人体脚部，用于获取受到脚部踩踏的压力数据，并将所述压力数据发送至MCU控制器；
所述陀螺仪、角度仪和加速度仪，用于获取各个行走步态下的人体运动数据，并将所述人体运动数据发送至MCU控制器；
所述MCU控制器，用于根据压力数据判定人体行走步态；还用于根据人体的运动数据得出人体后倾系数μ；还用于将人体后倾系数μ与预设阈值比较，根据比较结果判断人体是否将要跌倒，并根据人体跌倒的判断结果生成触发指令；
所述警报装置，用于根据触发指令发出警报提示；
所述MCU控制器根据根据人体的运动数据得出人体后倾系数μ为：
MCU控制器判断当前状态为从右脚跟着地状态到左脚跟着地状态时，MCU控制器接收陀螺仪发送的人体绕右脚跟转动的角速度数据ω0，根据预设运算规则令ω0乘上从陀螺仪到右脚跟的距离s0，得到陀螺仪的向前速度v0＝ω0·s0；
MCU控制器判断当前状态为从左脚跟着地状态至右脚掌离地状态时，MCU控制器接收骶椎加速度仪发送的第二骶椎处的加速度数据a1(t)，并根据预设运算规则求取a1(t)在左脚跟着地状态至右脚掌离地状态这一时间段内的积分，并根据求取的积分得出第二骶椎处的速度增量根据Δv1得出第二骶椎处在右脚掌离地状态时的向前速度v1＝v0+Δv1；
MCU控制器判断当前状态为从左脚跟着地状态至右脚掌离地状态时，MCU控制器接收左脚跟加速度仪发送的左脚跟的加速度数据a2(t)，并根据预设运算规则求取a2(t)在左脚跟着地状态至右脚掌离地状态这一时间段内的积分，并根据求取的积分得出左脚跟的速度增量根据Δv2得出左脚跟在右脚掌离地状态时的向前速度v2＝0+Δv2；
MCU控制器根据左脚跟在右脚掌离地状态时的向前速度v2和第二骶椎处在右脚掌离地状态时的向前速度v1，得出右脚掌离地状态时第二骶处相对于左脚跟处的相对向前速度Δv3＝v1-v2；
MCU控制器判断当前状态为右脚掌离地状态时，MCU控制器接收骶椎角度仪发送的躯干后倾角数据θ1，以及左腿角度仪和右腿角度仪发送的两大腿夹角数据θ2，根据θ1和θ2得出θ＝θ1+θ2；
MCU控制器根据θ和Δv3得出人体后倾系数μ＝θ/(Δv3)。
6.根据权利要求5所述一种人体失衡预警***，其特征在于，
所述角度仪包括：骶椎角度仪、左腿角度仪和右腿角度仪；
所述加速度仪包括：骶椎加速度仪、左脚跟加速度仪和右脚跟加速度仪；
所述压力传感器包括：左脚跟压力传感器、右脚跟压力传感器、左脚掌压力传感器和右脚掌压力传感器。
7.根据权利要求6所述一种人体失衡预警***，其特征在于，所述陀螺仪、骶椎加速度仪和骶椎角度仪置于人体躯干第二骶椎处；
所述左腿角度仪置于左大腿处；右腿角度仪置于右大腿处；
所述左脚跟加速度仪置于左脚跟处；右脚跟加速度仪置于右脚跟处；
所述左脚跟压力传感器置于左脚底跟处；右脚跟压力传感器置于右脚底跟处；
左脚掌压力传感器置于左脚掌处；右脚掌压力传感器置于右脚掌处。
8.根据权利要求7所述一种人体失衡预警***，其特征在于，所述MCU控制器根据压力数据判定人体行走步态为：
MCU控制器根据接收的右脚跟压力传感器发送的压力由0逐渐增大的数据，判断当前人体行走步态为右脚跟着地状态；
MCU控制器根据接收的左脚跟压力传感器发送的压力由0逐渐增大的数据，判断当前人体行走步态为左脚跟着地状态；
MCU控制器根据接收的右脚掌压力传感器发送的压力由大逐渐减小的数据，判断当前人体行走步态为右脚掌离地状态；
MCU控制器根据接收的左脚掌压力传感器发送的的压力由大逐渐减小的数据，判断当前人体行走步态为左脚掌离地状态。
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