CN106333692A - 检测人体步态周期和步长的腿部或足部穿戴装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种检测人体步态周期和步长的腿部或足部穿戴装置及其方法，包括动作传感器模块、九轴传感器模块、传输模块、数据采集和处理模块和数据接收设备，所述的动作传感器模块、九轴传感器模块均通过所述的数据采集和处理模块与所述的传输模块和数据接收模块依次连接，且所述的动作传感器模块检测腿部或足部的动作，所述九轴传感器模块检测用户的腿部加速度，且所述的动作传感器模块和九轴传感器模块均将其检测到的动作和加速度信息传输至所述的数据采集和处理模块用以获取步态周期和步长数据，并将所得步态周期和步长数据传输至所述的数据接收设备。采用该种装置，能够进行准确的步态周期和步长检测，这些指标是人体步行很重要的指标。

Description

检测人体步态周期和步长的腿部或足部穿戴装置及其方法

技术领域

本发明涉及人体步态检测领域，尤其涉及人体步态检测装置领域，具体是指一种检测人体步态周期和步长的腿部或足部穿戴装置及其方法。

背景技术

步态分析是生物力学中的一个特殊的分支，是对人体行走时的肢体关节运动进行运动学观察和动力学分析，提供一系列时间、几何及力学参数和曲线。因为其能够客观定量地评定患者的步态状况。研究分析利用到了观察者的眼睛和大脑，并使用仪器辅助测量身体的运动，身体的机械结构，以及肌肉的活跃度等。

步态分析被用于对个体走路能力的评估，计划，治疗。也常被用于运动生物力学来帮助运动员更高效地跑步、以及确认伤员是姿态相关还是动作相关的相关医学问题等。

科学的步态分析的先驱者是亚里士多德的De Motu Animalium(动物的步态)和在1680年晚些时候的，乔瓦尼·阿方索·博雷利的文献，也叫De Motu Animalium。在19世纪90年代，德国解剖学家克莉丝汀·威廉·布劳和奥托·菲舍尔发表了一系列负载和空载条件下的人体步态的生物力学论文。

随着摄影和胶片技术的发展，照相机可以捕捉、揭示人类与动物运动细节的一序列图像，这些是通过裸眼而看不到的。埃德沃德·迈布里奇和艾蒂安-朱尔斯是这些发展在20世纪初的开拓者。例如，首次用一系列的照片来揭露马“驰骋”的详细细节，这在之前的绘画作品中，是经常被错误表达的。

基于现代计算机的***在20世纪70年代末和80年代初有了独立进展。在几个医院的基础研究实验室，有的与航天工业有所合作。随后有伴随着商业电视的商业发展，还有出现在80年代中期的红外摄像***。

近年来随着科学技术的发展这一技术在国内外的矫形外科及康复医疗的应用变得越来越普遍。但是传统的步态分析方法由于基于影像学分析，设备成本高、体积大，有一定的局限性。近年来随着微电机***的成熟，使用基于加速度传感器的步态分析***进行步态分析成为了可能。本文即是通过使用微电机加速度传感器设计并实现一个步态信号采集装置，并将装置采集到的信号通过使用C#便携的上位机程序对接收到的信号进行分析、储存和显示，从而实现一个基于加速度传感器的三维步态分析***。。

发明内容

为了克服上述现有技术中的问题，本发明提出了一种可以准确的检测人体步态周期和步长的腿部或足部穿戴装置及其方法。

本发明的检测人体步态周期和步长的腿部或足部穿戴装置及其方法具体如下：

该检测人体步态周期和步长的腿部或足部穿戴装置，其主要特点是，所述的装置包括动作传感器模块、九轴传感器模块、传输模块、数据采集和处理模块和数据接收设备，所述的动作传感器模块、九轴传感器模块均通过所述的数据采集和处理模块与所述的传输模块和数据接收模块依次连接。

较佳地，所述的动作传感器模块为由动作传感器均匀分布构成的动作传感器矩阵。

较佳地，所述的传输模块为一无线传输模块。

更佳地，所述的无线传输模块为基于蓝牙传输协议的无线传输模块。

较佳地，所述的数据接收设备为平板电脑或手机或可穿戴设备。

该基于以上所述的装置实现步态周期和步长检测的方法，其主要特点是，所述的运动传感器检测用户的被测腿部的支撑相的开始时刻以及摇摆相的开始时刻和结束时刻，所述的九轴传感器模块检测用户的被测腿部加速度信息，所述的方法包括以下步骤：

(1)所述的数据采集和处理模块采集并处理其接收到的被测腿部动作数据，获取所述的用户的步态周期信息和步长信息，并将所得的用户的被测腿部的步态周期信息和步长信息发送给所述的传输模块；

(2)所述的传输模块接收该用户的被测腿部的步态周期信息和步长信息，并将该用户的被测腿部的步态周期信息和步长信息发送给所述的数据接收设备；

(3)所述的数据接收设备接收并显示该用户的被测腿部的步态周期信息和步长信息。

较佳地，所述的步骤(1)中的数据采集和处理模块对其接收到的被测腿部动作数据进行处理具体为：

所述的数据采集和处理模块根据其所获取的用户的被测腿部的加速度、支撑相的开始时刻和结束时刻以及摇摆相的开始时刻和结束时刻，获取所述的被测腿部的步态周期信息和步长信息。

更佳地，所述的数据采集和处理模块获取步态周期信号具体为：

所述的数据采集和处理模块根据以下公式获取所述的步态周期信号：

T＝t₂-t₀；

其中所述的T为所述的步态周期，所述的t₂为该用户的腿部的摇摆相结束时刻，所述的t₀为该用户的腿部的支撑相的开始时刻。

更佳地，所述的数据采集和处理模块获取步长信息具体为：

所述的数据采集和处理模块按以下公式获取该用户的被测腿部步长信息：

$y=\frac{1}{2}{\mathrm{at}}^2;$

t＝t₂-t₁；

其中，所述的y为该用户的被测腿部步长信息，所述的a为该用户的被测腿部加速度；所述的t为该用户的被测腿部的摇摆相的持续时长，所述的t₂为该用户的被测腿部的摇摆相结束时刻，所述的t₁为该用户的被测腿部的摇摆相开始时刻。

采用该种结构的检测人体步态周期和步长的腿部或足部穿戴装置及方法，由于其使用一个动作传感器模块进行腿部动作分析，经分析可以得到准确的步态周期数据，并且由九轴传感器模块实现对腿部加速度的分析，可以获取单条腿的步长，这些数据经后期组合分析，可以获取准确的数据用以分析对人体行走时的肢体关节运动、运动学观察和动力学分析，提供一系列时间、几何及力学参数和曲线，可用于运动生物力学，以帮助运动员更高效地跑步、以及确认伤员的受伤原因及相关医学问题等。

附图说明

图1为本发明的检测人体步态周期和步长的腿部或足部穿戴装置的各模块连接示意图。

具体实施方式

为更好的说明本发明的技术方案，下面举出具体实施例进行进一步的说明。

该检测人体步态周期和步长的腿部或足部穿戴装置，其主要特点是，所述的装置包括动作传感器模块、九轴传感器模块、传输模块、数据采集和处理模块和数据接收设备，所述的动作传感器模块、九轴传感器模块均通过所述的数据采集和处理模块与所述的传输模块和数据接收模块依次连接。其中，所述的动作传感器模块为由动作传感器均匀分布构成的动作传感器矩阵，且所述的无线传输模块为基于蓝牙传输协议的无线传输模块。

在一种较佳的实施方式中，所述的数据接收设备为平板电脑或手机或可穿戴设备。

该基于以上所述的装置实现步态周期和步长检测的方法，其主要特点是，所述的运动传感器检测用户的腿部的支撑相的开始时刻以及摇摆相的开始时刻和结束时刻，所述的九轴传感器模块检测用户的腿部加速度信息，所述的方法包括以下步骤：

(1)所述的数据采集和处理模块采集并处理其接收到的腿部动作数据，获取所述的用户的被测腿部的步态周期信息和步长信息，并将所得的用户的被测腿部的步态周期信息和步长信息发送给所述的传输模块；

所述的步骤(1)中的数据采集和处理模块对其接收到的腿部动作数据进行处理具体为：

所述的数据采集和处理模块根据其所获取的用户的腿部加速度信息、腿部的支撑相的开始时刻和结束时刻以及摇摆相的开始时刻和结束时刻，获取被测腿部的步态周期信息和步长信息。其中，步态周期信息的获取方式具体为：

所述的数据采集和处理模块按以下公式获取所述的用户的步态周期信息：

T＝t₂-t₀；

其中所述的T为所述的步态周期信息，所述的t₂为该用户的腿部的摇摆相结束时刻，所述的t₀为该用户的腿部的支撑相的开始时刻；

所述的数据采集和处理模块获取用户的被测腿部的步长信息具体为：

摆动相开始时刻，所述的数据采集和处理模块按以下公式获取该用户的被测腿部步长信息：

$y=\frac{1}{2}{\mathrm{at}}^2;$

t＝t₂-t₁；

其中，所述的y为该用户的腿部步长信息，所述的a为该用户的腿部加速度；所述的t为该用户的腿部的摇摆相的持续时长，所述的t₂为该用户的腿部的摇摆相结束时刻，所述的t₁为该用户的腿部的摇摆相开始时刻；

(2)所述的传输模块接收该用户的被测腿部的步态周期信息和步长信息，并将该用户的被测腿部的步态周期信息和步长信息发送给所述的数据接收设备。

(3)所述的数据接收设备接收并显示该用户的被测腿部的步态周期信息和步长信息。

在一个具体实施例中，所述的检测人体步态周期和步长的腿部或足部穿戴装置及方法使用一薄膜压力传感器均匀分布构成的动作传感器模块，并使用一九轴传感器模块监测腿部的加速度，由数据采集和处理模块采集上述数据并处理，以上装置均置于一鞋垫或一腿部穿戴装置中，由于只能测量单条腿的步态周期信息和步长信息，因此该装置一般成对使用，在数据接收设备上分别显示左腿和右腿的步态周期信息和步长信息，并可结合数据接收设备获取的其他数据，获取该用户运动的其他数据，如结合数据接收设备获取的地理位置信息和路线信息可获取该用户预计到达目的地的时长，步数等，简单便捷。

所述的数据采集和处理模块利用动作传感器模块和九轴传感器模块实时获取腿部运动信息，包括出被测腿部的支撑相或者摆动相的开始时刻和结束时刻，以及被测腿部的加速度。

在一个具体实施例中，步长信息的获取方法包括以下步骤：

(1)被测腿部摆动相开始时刻，所述的数据采集和处理模块对其获取的被测腿部的加速度进行二次积分；

(2)被测腿部摆动相结束时，所述的数据采集和处理模块对其获取的被测腿部的加速度的二次积分结束，得到所述的步长。

采用该种结构的检测人体步态周期和步长的腿部或足部穿戴装置及其方法，由于其使用一个动作传感器模块进行腿部动作分析，经分析可以得到准确的步态周期数据，并且由九轴传感器模块实现对腿部加速度的分析，可以获取单条腿的步长，这些数据经后期组合分析，可以获取准确的数据用以分析对人体行走时的肢体关节运动、运动学观察和动力学分析，提供一系列时间、几何及力学参数和曲线，可用于运动生物力学，以帮助运动员更高效地跑步、以及确认伤员的受伤原因及相关医学问题等。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (9)

1.一种检测人体步态周期和步长的腿部或足部穿戴装置，其特征在于，所述的装置包括动作传感器模块、九轴传感器模块、传输模块、数据采集和处理模块和数据接收设备，所述的动作传感器模块、九轴传感器模块均通过所述的数据采集和处理模块与所述的传输模块和数据接收模块依次连接。

2.根据权利要求1中所述的检测人体步态周期和步长的腿部或足部穿戴装置，其特征在于，所述的动作传感器模块为由动作传感器均匀分布构成的动作传感器矩阵。

3.根据权利要求1中所述的检测人体步态周期和步长的腿部或足部穿戴装置，其特征在于，所述的传输模块为一无线传输模块。

4.根据权利要求3中所述的检测人体步态周期和步长的腿部或足部穿戴装置，其特征在于，所述的无线传输模块为基于蓝牙传输协议的无线传输模块。

5.根据权利要求1中所述的穿戴于足部或腿部用以检测人体步态周期和步长的装置，其特征在于，所述的数据接收设备为平板电脑或手机或可穿戴设备。

6.一种基于权利要求1至5中任一项所述的装置实现步态周期和步长检测的方法，其特征在于，所述的运动传感器检测用户的被测腿部的支撑相的开始时刻以及摇摆相的开始时刻和结束时刻，所述的九轴传感器模块检测用户的被测腿部加速度信息，所述的方法包括以下步骤：

(1)所述的数据采集和处理模块采集并处理其接收到的被测腿部动作数据，获取所述的用户的被测腿部的步态周期信息和步长信息，并将所得的用户的被测腿部的步态周期信息和步长信息发送给所述的传输模块；

(2)所述的传输模块接收该用户的被测腿部的步态周期信息和步长信息，并将该用户的被测腿部的步态周期信息和步长信息发送给所述的数据接收设备；

(3)所述的数据接收设备接收并显示该用户的被测腿部的步态周期信息和步长信息。

7.根据权利要求6中所述的实现步态周期和步长检测的方法，其特征在于，所述的步骤(1)中的数据采集和处理模块对其接收到的被测腿部动作数据进行处理具体为：

所述的数据采集和处理模块根据其所获取的用户的被测腿部的加速度、支撑相的开始时刻和结束时刻以及摇摆相的开始时刻和结束时刻，获取所述的被测腿部的步态周期信息和步长信息。

8.根据权利要求7中所述的实现步态周期和步长检测的方法，其特征在于，所述的数据采集和处理模块获取步态周期信号具体为：

所述的数据采集和处理模块根据以下公式获取所述的步态周期信号：

T＝t₂-t₀；

其中所述的T为所述的步态周期，所述的t₂为该用户的腿部的摇摆相结束时刻，所述的t₀为该用户的腿部的支撑相的开始时刻。

9.根据权利要求7中所述的实现步态周期和步长检测的方法，其特征在于，所述的数据采集和处理模块获取步长信息具体为：

所述的数据采集和处理模块按以下公式获取该用户的被测腿部步长信息：

$y=\frac{1}{2}{\mathrm{at}}^2;$

t＝t₂-t₁；

其中，所述的y为该用户的被测腿部步长信息，所述的a为该用户的被测腿部加速度；所述的t为该用户的被测腿部的摇摆相的持续时长，所述的t₂为该用户的被测腿部的摇摆相结束时刻，所述的t₁为该用户的被测腿部的摇摆相开始时刻。