多功能智能鞋墊及步態(tài)相似性檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及日常生活用品【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種多功能智能鞋墊及一種步態(tài)相似性檢測方法，該多功能智能鞋墊方便輕巧，便于攜帶，使用靈活；功能強(qiáng)大，包括了測重、計(jì)步、測距、熱量消耗測量、防走失、跌倒報(bào)警、無線數(shù)據(jù)傳輸一系列的功能；該方法主要通過分析來自被測對象運(yùn)動(dòng)時(shí)的三軸加速度、三軸角速度以及腳部三個(gè)位置的壓力信息，判斷被測對象的腳步姿態(tài)及協(xié)調(diào)性，從而可有效地發(fā)現(xiàn)和校正不正確或不正常的步態(tài)，尤其對跳舞愛好者、學(xué)走路的嬰兒以及走路復(fù)健的患者有著重要的應(yīng)用價(jià)值；同時(shí)，該步態(tài)檢測方法可配合智能系統(tǒng)使用，通過智能終端設(shè)備直觀地將測試結(jié)果呈現(xiàn)給使用者。
【專利說明】多功能智能鞋墊及步態(tài)相似性檢測方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及日常生活用品【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種多功能智能鞋墊及步態(tài)相似性 檢測方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著生活的不斷提高，人們對業(yè)余生活也有了越來越多的規(guī)劃和追求，特別是在 下班和退休后?，F(xiàn)實(shí)生活中，我們可以經(jīng)?？吹胶芏嗵鴱V場舞的群體，有些社區(qū)還會(huì)組織廣 場舞比賽等活動(dòng)，這使得人們對廣場舞的追求不僅僅是簡單的跳跳而已，而對舞步的準(zhǔn)確 度有著越來越高的要求。同時(shí)，教育部也經(jīng)常會(huì)組織學(xué)校間各種舞蹈比賽，在這種場合下要 求舞者間的舞步具有高度的一致性，因此，本發(fā)明提出的這種步態(tài)相似性檢測方法可以有 效地幫助改善舞步不一致、不標(biāo)準(zhǔn)的問題，提高舞者自身和團(tuán)體的跳舞質(zhì)量。此外，對于學(xué) 走路的嬰兒和走路復(fù)健患者而言，細(xì)微的腳步不協(xié)調(diào)及腳步不正常姿態(tài)很難被家長或醫(yī)生 發(fā)現(xiàn)，但如果不及時(shí)校正，這些錯(cuò)誤的步行姿態(tài)將會(huì)成為習(xí)慣，很難再糾正，而采用本發(fā)明 提出的步態(tài)相似性檢測方法可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)行走過程中姿態(tài)不正確和不協(xié)調(diào)的情況，從而可 降低行走時(shí)姿態(tài)錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。
[0003] 由于人走路時(shí)步態(tài)復(fù)雜多變，且每次采集的樣本數(shù)據(jù)的長度、起止時(shí)刻及狀態(tài)均 具有隨機(jī)性，因此傳統(tǒng)的歐式距離等類似的度量方法無法實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的有效處理。對于這 類NP難問題，處理時(shí)可以用多項(xiàng)式時(shí)間劃歸到他們中的一個(gè)，因此本發(fā)明提出了一種多功 能智能鞋墊及基于DTW動(dòng)態(tài)時(shí)間歸整算法的步態(tài)相似性檢測方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為克服上述的不足之處，目的在于提供一種多功能智能鞋墊，該鞋墊能夠 實(shí)現(xiàn)測重、計(jì)步、測距、熱量消耗測量、防走失、跌倒報(bào)警、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。本發(fā)明另一 目的在于提供一種步態(tài)相似性檢測方法，該算法能夠判斷被測對象的腳步姿態(tài)及協(xié)調(diào)性， 可有效地發(fā)現(xiàn)和校正不正確或不正常的步態(tài)。
[0005] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案達(dá)到上述目的：多功能智能鞋墊，包括：上鞋墊面2、 下鞋墊面1，第一壓力傳感器3、第二壓力傳感器4、第三壓力傳感器8、三軸加速度傳感器9、 三軸陀螺儀10、溫濕度傳感器11、信號處理模塊12、無線通信模塊13、電源6 ;第一壓力傳 感器3、第二壓力傳感器4、第三壓力傳感器8、三軸加速度傳感器9、三軸陀螺儀10、溫濕度 傳感器11分別與信號處理模塊12相連；信號處理模塊12與無線通信模塊13相連；電源6 分別與第一壓力傳感器3、第二壓力傳感器4、第三壓力傳感器8、三軸加速度傳感器9、三軸 陀螺儀10、溫濕度傳感器11、信號處理模塊12、無線通信模塊13相連；第一壓力傳感器3、 第二壓力傳感器4、第三壓力傳感器8分別設(shè)置于下鞋墊的第一跖骨位置、第五跖骨位置和 后腳跟處，，三軸加速度傳感器9、三軸陀螺儀10、溫濕度傳感器11、信號處理模塊12、無線 通信模塊13、電源6設(shè)于下鞋墊面1的足弓處，上鞋墊面2邊緣環(huán)狀粘合在下鞋墊1上。
[0006] 作為優(yōu)選，所述的鞋墊體選用防水，質(zhì)軟、彈性好的材料。
[0007] 作為優(yōu)選，所述的三軸加速度傳感器的測量范圍為±16g。
[0008] 作為優(yōu)選，所述的三軸陀螺儀的測量范圍為±2000° /s。
[0009] 作為優(yōu)選，所述的信號處理模塊主要由主控制器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對傳感 器測量數(shù)據(jù)的處理與分析。
[0010] 作為優(yōu)選，所述的三軸加速度傳感器、三軸陀螺儀、溫濕度傳感器、信號處理模塊、 無線通信模塊集成在PCB電路板上面，信號輸出端分別與主控制器相應(yīng)的信號測試引腳基 于時(shí)鐘線與數(shù)據(jù)線相連，主控制器將對采集的信號進(jìn)行處理分析；PCB電路板設(shè)于下鞋墊 面的足弓處，電源獨(dú)立于PCB電路板之外，電源為其供電。
[0011] 作為優(yōu)選，所述的第一壓力傳感器、第二壓力傳感器和第三壓力傳感器的信號輸 出端分別與PCB電路板上主控制器相應(yīng)的信號測試引腳通過時(shí)鐘線與數(shù)據(jù)線相連，主控制 器將對采集的壓力信號進(jìn)行處理分析。
[0012] 作為優(yōu)選，所述的信號處理模塊和無線通信模塊通過時(shí)鐘線與數(shù)據(jù)線相連。
[0013] 作為優(yōu)選，所述的無線通信模塊為藍(lán)牙模塊，主要用于實(shí)現(xiàn)鞋墊與智能手機(jī)APP 通信，給用戶呈現(xiàn)各種直觀的數(shù)據(jù)信息，也可用于走失報(bào)警。
[0014] 作為優(yōu)選，所述的電源為可有線充電、無線充電或太陽能充電的鋰電池。
[0015] 一種應(yīng)用于多功能智能鞋墊的步態(tài)相似性檢測方法，其步驟如下：
[0016] (1)利用智能鞋墊各傳感器采集P次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集來源于9個(gè)運(yùn)動(dòng)信息量：三 軸加速度傳感器X軸方向加速度、三軸加速度傳感器Y軸方向加速度、三軸加速度傳感器Z 軸方向加速度、三軸陀螺儀X方向角速度、三軸陀螺儀Y方向角速度、三軸陀螺儀Z方向角 速度、前腳掌第一跖骨壓力、前腳掌第五跖骨壓力、后腳掌壓力；每次采集得到一組κ*9矩 陣數(shù)據(jù)，其中Κ表示每次采集存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量，并傳至信號處理模塊12 ;
[0017] (2)由信號處理模塊12將Ι-p次采集的數(shù)據(jù)分別與第1次采集的數(shù)據(jù)比較并進(jìn)行 動(dòng)態(tài)規(guī)劃，并將得到的Ρ個(gè)最小的累積距離存入矩陣的第一行；
[0018] (3)以此類推，最終將1-Ρ次采集的數(shù)據(jù)分別與第Ρ次采集的數(shù)據(jù)比較，并將得到 的Ν個(gè)最小的累積距離存入矩陣的第Ρ行；
[0019] (4)最終可形成一個(gè)Ρ*Ρ的矩陣D (Ρ，Ρ);
[0020] (5)找出動(dòng)態(tài)規(guī)劃后矩陣每一行最大的元素Dmax ;
[0021] (6)根據(jù)式（l-Di/D^)*100計(jì)算出該行每一個(gè)元素與標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的相似度；
[0022] (7)將相似度結(jié)果通過無線通信模塊13輸出。
[0023] 該步態(tài)相似性檢測方法的實(shí)現(xiàn)是基于DTW動(dòng)態(tài)時(shí)間歸整算法以及被測者的運(yùn)動(dòng) 信息，DTW動(dòng)態(tài)時(shí)間歸整算法基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃（DP)的思想，本發(fā)明將DTW動(dòng)態(tài)時(shí)間歸整算法 應(yīng)用于步態(tài)相似性分析中，利用該算法對被測對象的加速度、角速度和壓力信息數(shù)據(jù)進(jìn)行 分析，可判斷不同運(yùn)行狀態(tài)下被測對象步態(tài)的相似程度。
[0024] DTW算法的核心思想為：假設(shè)有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的參考模板R，是一個(gè)Μ維的向量，即R = {R(1)，R(2)，……，R(m)，……，R(M)}，每個(gè)分量可以是一個(gè)數(shù)或者是一個(gè)更小的向量。有 一個(gè)測試的模板T，是一個(gè)N維向量，S卩T= {T(1)，T(2)，……，Τ(η)，……，Τ(Ν)}同樣每 個(gè)分量可以是一個(gè)數(shù)或者是一個(gè)更小的向量，注意Μ不一定等于Ν，但是每個(gè)分量的維數(shù)應(yīng) 該相同。為了比較它們之間的相似度，可以計(jì)算它們之間的距離D [T，R]，距離越小則相似度 越高。為了計(jì)算這一失真距離，應(yīng)從Τ和R中各個(gè)對應(yīng)幀之間的距離算起。設(shè)η和m分別 是T和R中任意選擇的幀號，d[T (n)，R(m)]表示這兩幀特征矢量之間的歐氏距離，形成如 附圖2所示的網(wǎng)絡(luò)。
[0025] 附圖2中的每一個(gè)交叉點(diǎn)（叫，）表示某一幀的交匯點(diǎn)，DTW算法可以歸結(jié)為尋找 一條通過此網(wǎng)絡(luò)中若干格點(diǎn)的路徑，使得最終到達(dá)右上角的交匯點(diǎn)（N，M)時(shí)總的積累距離 最小。路徑通過的格點(diǎn)即為測試和參考模板中進(jìn)行計(jì)算的幀號。由于被采樣的數(shù)據(jù)各部分 的先后次序不可能改變，因此所選的路徑必定是從左下角出發(fā)，到右上角結(jié)束。對于網(wǎng)絡(luò)中 的格點(diǎn)，如果路徑要通過格點(diǎn)（ η?，π〇,那么前一刻通過的格點(diǎn)只可能是下列三種情況之一： 〇1廠1，1?)，〇1廠1，111廠1)，〇1廠1，111廠2)，為使得通過格點(diǎn)（叫，1?)的累積距尚最小，只需找出通 過這三個(gè)格點(diǎn)（Γ^-Ι,η^)，（叫-1，111廠1)，（叫-1，111廠2)時(shí)的最小累積距離minD，則DO^nii)= d [T (rij), R (nij) ] +minD 〇
[0026] 附圖3示意的為DTW算法的搜索過程：為保證每次通過網(wǎng)絡(luò)格點(diǎn)時(shí)累積距離最小， 算法從格點(diǎn)（1，1)出發(fā)開始搜索（箭頭1所表征路徑），對每一個(gè)格點(diǎn)都存儲(chǔ)相應(yīng)的前一格 點(diǎn)及相應(yīng)的幀匹配距離。每搜索到一個(gè)格點(diǎn)時(shí)，只保留一條最佳路徑（即具有相同標(biāo)號的 箭頭所表征的路徑只保留最短的那條路徑），這樣通過逐點(diǎn)向前尋找就可以求得整條路徑， 使得達(dá)到交匯點(diǎn)（N，M)的總累積距離D(n，m)最小。該算法的時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度均 為0(Ν*Μ)，此外考慮到邊界問題，有些前續(xù)格點(diǎn)可能不存在，因此要加入一些判斷條件。
[0027] 本發(fā)明的有益效果在于：（1)方便輕巧，便于攜帶，同時(shí)只要將鞋墊更換到不同的 鞋中即可，使用靈活；（2)功能強(qiáng)大，包括了測重、計(jì)步、測距、熱量消耗測量、防走失、跌倒 報(bào)警、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫幌盗械墓δ埽?3)該步態(tài)相似性算法能夠判斷被測對象的腳步姿 態(tài)及協(xié)調(diào)性，可有效地發(fā)現(xiàn)和校正不正確或不正常的步態(tài)；（4)該步態(tài)相似性檢測方法運(yùn) 用廣泛，可配合智能系統(tǒng)使用，通過智能終端設(shè)備直觀地將測試結(jié)果呈現(xiàn)給使用者；（5)該 步態(tài)相似性算法具有高度的適應(yīng)性和擴(kuò)展性，可方便增加其他各類的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分 析，如三軸磁偏角等，從而在成本允許的情況下增加度量精度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028] 圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)分布圖；
[0029] 圖2是DTW算法中向量形成的網(wǎng)絡(luò)示意圖；
[0030] 圖3是DTW算法的搜索過程示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0031] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于 此：
[0032] 實(shí)施例：如圖1所述，多功能智能鞋墊由鞋墊體、多種傳感器、信號處理模塊、無 線通信模塊和可充電電源組成。鞋墊體由下鞋墊面1和上鞋墊面2組成，并選用防水，質(zhì) 軟、彈性好的材料制成；多種傳感器包括了一個(gè)位于鞋墊前腳掌第一跖骨的壓力傳感器3、 一個(gè)位于鞋墊前腳掌第五跖骨的壓力傳感器4、一個(gè)位于鞋墊后腳掌的壓力傳感器8、一個(gè) 三軸加速度傳感器9、一個(gè)三軸陀螺儀10、一個(gè)溫濕度傳感器11，三軸加速度傳感器9、三軸 陀螺儀10和溫濕度傳感器11分別分布于PCB電路板5上面，同時(shí)PCB電路板5還包含了 信號處理模塊12和無線通信模塊13 ;信號處理模塊12包括主控制電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路等 多個(gè)功能模塊，主要用于采集和處理來自各傳感器的信號；第一壓力傳感器3、第二壓力傳 感器4、第三壓力傳感器8、三軸加速度傳感器9、三軸陀螺儀10、溫濕度傳感器11、信號處理 模塊12分別與無線通信模塊13中的主控制器相連，其相連是基于時(shí)鐘線與數(shù)據(jù)線；無線通 信模塊13采用藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)與智能終端設(shè)備7的通信，可將各種運(yùn)動(dòng)信息直觀呈現(xiàn)給使用者； 可充電電源6是一個(gè)可通過有線、無線或太陽能進(jìn)行充電的鋰電池，該電池為鞋墊的所有 設(shè)備供電。
[0033] 三軸加速度傳感器的X，Y，Z三軸定義：其參照物為腳，立正站立：X軸垂直于腳尖 方向向右，Y軸沿著腳尖方向向前，Z軸方向根據(jù)右手定則確定（垂直腳面向上）；三軸陀螺 儀的X，Y，Z三軸定義：其參照物為腳，立正站立：x軸角速度正方向?yàn)橄蚝筠D(zhuǎn)（腳面向后翹 起），Y軸角速度正方向?yàn)橄蛴肄D(zhuǎn)（腳面向右翻轉(zhuǎn)），z軸角速度正方向?yàn)橄蜃筠D(zhuǎn)（腳面向左 轉(zhuǎn)向）。
[0034] 步態(tài)相似性檢測方法的檢測過程：（1)將1-P次采集的數(shù)據(jù)分別與第1次采集的 數(shù)據(jù)比較，并將得到的P個(gè)最小的累積距離存入矩陣的第一行；（2)將Ι-p次采集的數(shù)據(jù)分 別與第2次采集的數(shù)據(jù)比較，并將得到的P個(gè)最小的累積距離存入矩陣的第二行；（3)以此 類推，最終將1-P次采集的數(shù)據(jù)分別與第P次采集的數(shù)據(jù)比較，并將得到的N個(gè)最小的累積 距離存入矩陣的第P行；（4)最終可形成一個(gè)P*P的矩陣D (P，P)。
[0035] 利用本發(fā)明提出的多功能智能鞋墊和步態(tài)相似性檢測方法，測試分析十組運(yùn)動(dòng)的 相似度，這十種運(yùn)動(dòng)形式如下：第一次：向前，向右，向后運(yùn)動(dòng)；第二次：向前，向右，向后運(yùn) 動(dòng)；第三次：向前，向前，向右，向右，向后運(yùn)動(dòng)；第四次：向前，向前，向右，向右，向后運(yùn)動(dòng)； 第五次：不動(dòng)；第六次：不動(dòng)；第七次：原地高抬腿；第八次：原地高抬腿；第九次：頻率同 原地高抬腿，加速度大一些；第十次：頻率同原地高抬腿，加速度大一些，每組運(yùn)動(dòng)均采集 1000組數(shù)據(jù)，采樣頻率約為l〇ms。根據(jù)上面給出的運(yùn)動(dòng)形式可知，第一次與第二次，第三次 與第四次，第五次與第六次，第七次與第八次，第九次與第十次的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相似，計(jì)算出的 相似度百分比應(yīng)比較接近才能說明本發(fā)明提出的相似性檢測算法有效。
[0036] 利用本發(fā)明提出的步態(tài)相似性檢測方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析結(jié)果如下（10*10矩 陣）：
[0037]

【權(quán)利要求】
1. 多功能智能鞋墊，包括：上鞋墊面（2)、下鞋墊面（1)，其特征在于還包括：第一壓力 傳感器（3)、第二壓力傳感器（4)、第三壓力傳感器（8)、三軸加速度傳感器（9)、三軸陀螺 儀（10)、溫濕度傳感器（11)、信號處理模塊（12)、無線通信模塊（13)、電源（6);第一壓力 傳感器（3)、第二壓力傳感器（4)、第三壓力傳感器（8)、三軸加速度傳感器（9)、三軸陀螺儀 (10)、溫濕度傳感器（11)分別與信號處理模塊（12)相連；信號處理模塊（12)與無線通信 模塊（13)相連；電源（6)分別與第一壓力傳感器（3)、第二壓力傳感器（4)、第三壓力傳感 器（8)、三軸加速度傳感器（9)、三軸陀螺儀（10)、溫濕度傳感器（11)、信號處理模塊（12)、 無線通信模塊（13)相連；第一壓力傳感器（3)、第二壓力傳感器（4)、第三壓力傳感器（8) 分別設(shè)置于下鞋墊的第一跖骨位置、第五跖骨位置和后腳跟處，三軸加速度傳感器（9)、三 軸陀螺儀（10)、溫濕度傳感器（11)、信號處理模塊（12)、無線通信模塊（13)、電源（6)設(shè)于 下鞋墊面（1)的足弓處，上鞋墊面（2)邊緣環(huán)狀粘合在下鞋墊（1)上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能智能鞋墊，其特征在于：所述的信號處理模塊（12)包 括主控制器及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路，主控制器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路相連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能智能鞋墊，其特征在于：所述的三軸加速度傳感器 (9)、三軸陀螺儀（10)、溫濕度傳感器（11)、信號處理模塊（12)、無線通信模塊（13)集成在 PCB電路板（5)上面，PCB電路板（5)設(shè)于下鞋墊面⑴的足弓處，電源（6)獨(dú)立于PCB電 路板之外。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能智能鞋墊，其特征在于：所述的第一壓力傳感器（3)、 第二壓力傳感器（4)、第三壓力傳感器（8)、三軸加速度傳感器（9)、三軸陀螺儀（10)、溫濕 度傳感器（11)的信號輸出端與信號處理模塊（12)的主控制器相應(yīng)的信號測試引腳通過時(shí) 鐘線與數(shù)據(jù)線相連。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能智能鞋墊，其特征在于：所述的信號處理模塊（12)與 無線通信模塊（13)中的主控制器通過時(shí)鐘線與數(shù)據(jù)線相連。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能智能鞋墊，其特征在于：所述的無線通信模塊（13)為 藍(lán)牙模塊。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能智能鞋墊，其特征在于：所述的電源（6)為可有線充 電、無線充電或太陽能充電的鋰電池。
8. -種應(yīng)用于如權(quán)利要求1所述的多功能智能鞋墊的步態(tài)相似性檢測方法，其步驟如 下： (1) 利用智能鞋墊各傳感器采集P次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集來源于9個(gè)運(yùn)動(dòng)信息量：三軸加速 度傳感器X軸方向加速度、三軸加速度傳感器Y軸方向加速度、三軸加速度傳感器Z軸方向 加速度、三軸陀螺儀X方向角速度、三軸陀螺儀Y方向角速度、三軸陀螺儀Z方向角速度、前 腳掌第一跖骨壓力、前腳掌第五跖骨壓力、后腳掌壓力；每次采集得到一組K*9矩陣數(shù)據(jù)， 其中Κ表示每次采集存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量，并傳至信號處理模塊（12); (2) 由信號處理模塊（12)將1-Ρ次采集的數(shù)據(jù)分別與第1次采集的數(shù)據(jù)比較并進(jìn)行動(dòng) 態(tài)規(guī)劃，并將得到的Ρ個(gè)最小的累積距離存入矩陣的第一行； (3) 以此類推，最終將1-Ρ次采集的數(shù)據(jù)分別與第Ρ次采集的數(shù)據(jù)比較，并將得到的Ν 個(gè)最小的累積距離存入矩陣的第Ρ行； ⑷最終可形成一個(gè)Ρ*Ρ的矩陣D (Ρ，Ρ); (5) 找出動(dòng)態(tài)規(guī)劃后矩陣每一行最大的元素 Dmax; (6) 根據(jù)式（l-Di/D^hlOO計(jì)算出該行每一個(gè)元素與標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的相似度； (7) 將相似度結(jié)果通過無線通信模塊（13)輸出。
【文檔編號】A61B5/11GK104082905SQ201410340169
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月18日
【發(fā)明者】郭毅, 郭克君, 李銳, 霍俊 申請人:南京納聯(lián)信息科技有限公司