本發(fā)明涉及生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，尤其涉及一種可穿戴人體絆倒檢測(cè)系統(tǒng)及檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：

可穿戴人體絆倒檢測(cè)系統(tǒng)一直是生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，直至目前，仍沒(méi)有一種可穿戴式的絆倒檢測(cè)系統(tǒng)能夠只通過(guò)兩個(gè)距離傳感器，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)得腳跟離地高度、腳尖離地高度和擺蕩期腳尖最小離地高度等步態(tài)參數(shù)，并實(shí)時(shí)檢測(cè)絆倒的發(fā)生。研究人員一直希望能夠使絆倒檢測(cè)系統(tǒng)能夠做到尺寸小、功耗低、重量輕，不影響人體行動(dòng)的靈活性，同時(shí)滿足實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)得腳跟離地高度、腳尖離地高度和擺蕩期腳尖最小離地高度等步態(tài)參數(shù)，并檢測(cè)絆倒發(fā)生的要求。

早期的絆倒檢測(cè)及抬腳高度的步態(tài)參數(shù)測(cè)量，使用最多的是基于照相機(jī)拍攝的運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，通過(guò)多臺(tái)照相機(jī)的拍攝，能夠完整準(zhǔn)確地記錄各標(biāo)記點(diǎn)的三維運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而分析得到腳跟離地高度、腳尖離地高度和擺蕩期腳尖最小離地高度等步態(tài)參數(shù)和檢測(cè)絆倒的發(fā)生。直至目前，三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展得十分完備，其中使用較多的光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)采用紅外攝像技術(shù)，配備有專門的數(shù)據(jù)分析軟件，操作趨于簡(jiǎn)單，測(cè)量精度較高。但是三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的使用范圍有限，不具備可穿戴性，而且價(jià)格高達(dá)幾十萬(wàn)到上百萬(wàn)，現(xiàn)在講此系統(tǒng)測(cè)得的數(shù)據(jù)視為黃金標(biāo)準(zhǔn)，用于驗(yàn)證可穿戴絆倒檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和精確度。

目前可穿戴絆倒檢測(cè)系統(tǒng)使用最多的傳感器是慣性傳感器。由于慣性傳感器具有尺寸小、耗能低、價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)，很多研究人員都相繼提出了各種基于慣性傳感器的可穿戴人體絆倒檢測(cè)系統(tǒng)。但是由于慣性傳感器只能輸出三軸加速度和三軸角速度，要得到抬腳高度，必須將加速度計(jì)測(cè)得的三軸加速度分別對(duì)時(shí)間進(jìn)行兩次積分，將陀螺儀測(cè)得的角速度分別對(duì)時(shí)間進(jìn)行一次積分，這樣會(huì)導(dǎo)致原始誤差隨時(shí)間不斷積累，造成測(cè)量的準(zhǔn)確度降低。

雖然不少研究人員提出了基于距離傳感器測(cè)量的修正算法，但這些算法不能完全消除原始誤差在一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)隨時(shí)間的積累，并且有的修正算法還要增加使用其他種類的傳感器，增大了系統(tǒng)的尺寸、功耗和重量。

因此越來(lái)越多的研究者開(kāi)始考慮使用距離傳感器，尋求一種新的測(cè)量算法。因?yàn)榫嚯x傳感器可直接獲取距離信號(hào)，初始誤差不會(huì)隨時(shí)間積累，通過(guò)信號(hào)調(diào)理進(jìn)行校正補(bǔ)償，可消除初始偏移量，提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。目前采用較多的距離傳感器為超聲波傳感器，但完整的超聲波測(cè)距模塊包含發(fā)射端和接收端，尺寸較大，可穿戴性差。有研究人員為提高基于超聲波傳感器的絆倒檢測(cè)系統(tǒng)的可穿戴性，將超聲波測(cè)距模塊的發(fā)射端和接收端分離開(kāi)來(lái)，僅將發(fā)射端固定在人體足部，而將多個(gè)接收端固定在人體行動(dòng)的環(huán)境中。雖然這個(gè)方法使基于超聲波傳感器的絆倒檢測(cè)系統(tǒng)的尺寸降低了一半，但因?yàn)槌暡▊鞲衅鞯牧砍逃邢?，發(fā)射端和接收端之間的距離一般不能超過(guò)4m，使用范圍有限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)精確度、經(jīng)濟(jì)性、便攜性和使用范圍的矛盾，本發(fā)明提供了一種可穿戴的絆倒檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)準(zhǔn)確性高，具有便攜性，集成度高，操作簡(jiǎn)單，使用范圍廣。

為了實(shí)現(xiàn)上述功能，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種可穿戴絆倒檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可安裝人體所穿鞋子上，所述系統(tǒng)包括：電源模塊，用于為整個(gè)系統(tǒng)提供能源；距離傳感器模塊，用于采集原始的距離信號(hào)；微控制器模塊，用于對(duì)測(cè)得的原始距離信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定、濾波、采樣頻率設(shè)定的預(yù)處理，并將預(yù)處理后的信號(hào)帶入幾何模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，獲得腳跟離地高度、腳尖離地高度和擺蕩期腳尖最小離地高度等步態(tài)參數(shù)；藍(lán)牙傳輸模塊，用于將微處理器模塊的最終輸出結(jié)果無(wú)線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，以檢測(cè)絆倒發(fā)生的可能性。

進(jìn)一步的，所述電源模塊包括一節(jié)9V的鋰電池和一塊穩(wěn)壓模塊，直接輸出9V的電壓給微控制器模塊供電，并通過(guò)穩(wěn)壓模塊輸出2.8V的電壓，給距離傳感器模塊供電。

進(jìn)一步的，所述距離傳感器模塊包括兩個(gè)VL6180模塊，即近距離感測(cè)器和環(huán)境光線傳感器，它們的通信端口分別與微控制器模塊中的Arduino Nano主板的時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線端口相連，使能端分別與微控制器的兩個(gè)數(shù)據(jù)端口相連，在接收到微控制器發(fā)出的使能信號(hào)和觸發(fā)信號(hào)后，開(kāi)始采集原始的距離信號(hào)，即地面到傳感器紅外發(fā)射端的垂直距離，并實(shí)時(shí)將距離信號(hào)傳送給Arduino Nano主板；

進(jìn)一步的，所述微控制器模塊包括一塊Arduino Nano主板和一個(gè)開(kāi)關(guān)模塊。開(kāi)關(guān)模塊的VCC端連接至Arduino Nano主板的3.3V輸出端，GND端連接至Arduino Nano主板的GND端，OUT端連接至Arduino Nano主板的數(shù)字端口D2端，用于控制整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)始與結(jié)束。將編寫的算法燒錄至Arduino Nano主板，能夠?qū)y(cè)得的原始距離信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定、濾波、采樣頻率設(shè)定的預(yù)處理，以及將預(yù)處理后的信號(hào)帶入幾何模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，獲得腳跟離地高度、腳尖離地高度和擺蕩期腳尖最小離地高度等步態(tài)參數(shù)。

進(jìn)一步的，所述藍(lán)牙傳輸模塊包括兩個(gè)主從一體藍(lán)牙模塊，將它們分別設(shè)置為主機(jī)和從機(jī)，并設(shè)置相同的波特率進(jìn)行配對(duì)，配對(duì)成功后，將主機(jī)與Arduino Nano主板相連，從機(jī)和上位機(jī)相連，用于將微處理器模塊的最終輸出結(jié)果，無(wú)線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，以檢測(cè)絆倒發(fā)生的可能性。

本申請(qǐng)還提供一種可穿戴人體絆倒檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)方法，包括以下步驟：

(1)將兩個(gè)距離傳感器固定在人體所穿鞋子上，保證兩個(gè)距離傳感器的連線平行于腳跟和腳尖的連線，則可根據(jù)兩個(gè)距離傳感器、腳跟和腳尖在鞋子縱剖面上的投影確定一個(gè)四邊形，可以測(cè)量得到兩個(gè)距離傳感器的距離a、一個(gè)距離傳感器到腳跟的距離b、腳跟到腳尖的距離f以及b和f的夾角α；

(2)距離傳感器模塊經(jīng)紅外發(fā)射器發(fā)射垂直于傳感器表面的紅外線，利用TOF技術(shù)，即通過(guò)測(cè)量紅外線的飛行時(shí)間，計(jì)算光線發(fā)射和反射時(shí)間差或相位差，換算得到紅外線在地面入射點(diǎn)到傳感器表面的垂直距離d_A、d_B；

(3)根據(jù)垂直距離d_A、d_B與抬腳高度h_heel、h_toe的三角幾何關(guān)系，確定當(dāng)前的實(shí)時(shí)腳跟和腳尖離地高度：h_heel＝h_A-b·sin(θ+α)，h_toe＝h_heel+f·sinθ；其中h_A＝d_A·cosθ，h_B＝d_B·cosθ；

(4)藍(lán)牙傳輸模塊通過(guò)藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口的方式，將微控制器模塊最后計(jì)算得到的腳跟和腳尖的離地高度h_A、h_B無(wú)線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

進(jìn)一步的，所述距離傳感器模塊包括兩個(gè)VL6180模塊，即近距離感測(cè)器和環(huán)境光線傳感器，它們的通信端口分別與微控制器模塊中的Arduino Nano主板的時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線端口相連，使能端分別與微控制器的兩個(gè)數(shù)據(jù)端口相連，在接收到微控制器發(fā)出的使能信號(hào)和觸發(fā)信號(hào)后，開(kāi)始采集原始的距離信號(hào)，即地面到傳感器紅外發(fā)射端的垂直距離，并實(shí)時(shí)將距離信號(hào)傳送給Arduino Nano主板。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益結(jié)果有：

1)本發(fā)明中的距離傳感器具有尺寸小、能耗低、重量輕和可穿戴的優(yōu)點(diǎn)，且相比于慣性傳感器兩次積分得到的距離，其測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確；

2)通過(guò)無(wú)線通信模塊和微控制器的集成，相比于現(xiàn)有的有線通信，使用者的活動(dòng)范圍得到了擴(kuò)大，本發(fā)明對(duì)使用者的行動(dòng)限制也大大降低；

3)借助數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，上位機(jī)可以實(shí)時(shí)記錄并分析處理原始距離數(shù)據(jù)，計(jì)算得到使用者的重要步態(tài)參數(shù)，進(jìn)一步評(píng)估使用者的絆倒風(fēng)險(xiǎn)；

4)由于本發(fā)明的絆倒檢測(cè)裝置可穿戴、能耗低，可記錄大量的步態(tài)原始數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析處理可用于足部疾病的診斷和康復(fù)治療效果的評(píng)定；

5)本發(fā)明中的上位機(jī)可以是電腦或手機(jī)，若是手機(jī)，可以通過(guò)編寫特定的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)戶內(nèi)戶外實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和處理分析，實(shí)時(shí)檢測(cè)絆倒風(fēng)險(xiǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明測(cè)量方法的幾何模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；

圖3是本發(fā)明的抬腳高度參數(shù)計(jì)算流程；

圖4是本發(fā)明的工作流程圖；

圖5是本發(fā)明測(cè)量結(jié)果與VICON運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。

如圖1所示，一種可穿戴絆倒檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可安裝人體所穿鞋子上，所述系統(tǒng)包括：電源模塊，用于為整個(gè)系統(tǒng)提供能源；距離傳感器模塊，用于采集原始的距離信號(hào)；微控制器模塊，用于對(duì)測(cè)得的原始距離信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定、濾波、采樣頻率設(shè)定的預(yù)處理，并將預(yù)處理后的信號(hào)帶入幾何模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，獲得腳跟離地高度、腳尖離地高度和擺蕩期腳尖最小離地高度等步態(tài)參數(shù)；藍(lán)牙傳輸模塊，用于將微處理器模塊的最終輸出結(jié)果無(wú)線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，以檢測(cè)絆倒發(fā)生的可能性。

所述電源模塊可以采用一節(jié)9V的鋰電池，降壓模塊和穩(wěn)壓模塊，鋰電池的9V通過(guò)降壓轉(zhuǎn)換成5V給微控制器模塊供電，微控制器再通過(guò)穩(wěn)壓模塊輸出2.8V的電壓，給距離傳感器模塊供電；所述降壓模塊可以采用TI公司LM7805型號(hào)的產(chǎn)品，但不限于此；穩(wěn)壓模塊可以采用TI公司TPS73701DRBR型號(hào)的產(chǎn)品，但不限于此。

所述距離傳感器模塊包括兩個(gè)VL6180模塊，即近距離感測(cè)器和環(huán)境光線傳感器，它們的通信端口分別與微控制器模塊中的Arduino Nano主板的時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線端口相連，使能端分別與微控制器的兩個(gè)數(shù)據(jù)端口相連，在接收到微控制器發(fā)出的使能信號(hào)和觸發(fā)信號(hào)后，開(kāi)始采集原始的距離信號(hào)，即地面到傳感器紅外發(fā)射端的垂直距離，并實(shí)時(shí)將距離信號(hào)傳送給Arduino Nano主板；所述距離傳感器模塊可以采用ST公司VL6180型號(hào)的產(chǎn)品，但不限于此。

所述微控制器模塊包括一塊Arduino Nano主板和一個(gè)開(kāi)關(guān)模塊。開(kāi)關(guān)模塊的VCC端連接至Arduino Nano主板的3.3V輸出端，GND端連接至Arduino Nano主板的GND端，OUT端連接至Arduino Nano主板的數(shù)字端口D2端，用于控制整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)始與結(jié)束。將編寫的算法燒錄至Arduino Nano主板，能夠?qū)y(cè)得的原始距離信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定、濾波、采樣頻率設(shè)定的預(yù)處理，以及將預(yù)處理后的信號(hào)帶入幾何模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，獲得腳跟離地高度、腳尖離地高度和擺蕩期腳尖最小離地高度等步態(tài)參數(shù)。所述微控制器模塊可以采用Arduino Nano主板和YW-001按鍵模塊，但不限于此。

所述藍(lán)牙傳輸模塊包括兩個(gè)主從一體藍(lán)牙模塊，將它們分別設(shè)置為主機(jī)和從機(jī)，并設(shè)置相同的波特率進(jìn)行配對(duì)，配對(duì)成功后，將主機(jī)與Arduino Nano主板相連，從機(jī)和上位機(jī)相連，用于將微處理器模塊的最終輸出結(jié)果，無(wú)線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，以檢測(cè)絆倒發(fā)生的可能性。所述藍(lán)牙傳輸模塊可以采用HC-05無(wú)線模塊，但不限于此。

如圖2、3所示，一種實(shí)現(xiàn)人體可穿戴絆倒檢測(cè)的方法，所述的方法包括以下步驟：

(1)將兩個(gè)距離傳感器固定在人體所穿鞋子上，保證兩個(gè)距離傳感器的連線平行于腳跟和腳尖的連線，則可根據(jù)兩個(gè)距離傳感器、腳跟和腳尖在鞋子縱剖面上的投影確定一個(gè)四邊形，可以測(cè)量得到兩個(gè)距離傳感器的距離a、一個(gè)距離傳感器到腳跟的距離b、腳跟到腳尖的距離f以及b和f的夾角α；

(2)所述距離傳感器模塊經(jīng)紅外發(fā)射器發(fā)射垂直于傳感器表面的紅外線，利用TOF技術(shù)，即通過(guò)測(cè)量紅外線的飛行時(shí)間，計(jì)算光線發(fā)射和反射時(shí)間差或相位差，換算得到紅外線在地面入射點(diǎn)到傳感器表面的垂直距離d_A、d_B；

(3)根據(jù)垂直距離d_A、d_B與抬腳高度h_heel、h_toe的三角幾何關(guān)系，確定當(dāng)前的實(shí)時(shí)腳跟和腳尖離地高度：h_heel＝h_A-b·sin(θ+α)，h_toe＝h_heel+f·sinθ；其中h_A＝d_A·cosθ，h_B＝d_B·cosθ；

(4)所述的藍(lán)牙傳輸模塊通過(guò)藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口的方式，將微控制器模塊最后計(jì)算得到的腳跟和腳尖的離地高度h_A、h_B無(wú)線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

如圖4所示，在使用本發(fā)明提出的可穿戴人體絆倒檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)，具體的實(shí)施方式如下：首先，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，指示燈閃爍表示整個(gè)系統(tǒng)已上電處于待命狀態(tài)；然后，腳踩到特定高度的平臺(tái)上，保證水平靜止?fàn)顟B(tài)下，距離傳感器模塊的紅外發(fā)射端距離地面5cm；然后按下按鍵，等待系統(tǒng)自動(dòng)標(biāo)定補(bǔ)償初始偏移，此標(biāo)定過(guò)程耗時(shí)不足1s，標(biāo)定完成后便可任意走動(dòng)，所述藍(lán)牙模塊實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)至上位機(jī)；最后，再次按下按鍵，停止人體絆倒檢測(cè)，關(guān)閉電源。

如圖5所示，是對(duì)本發(fā)明提出的可穿戴人體絆倒檢測(cè)方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，取VICON光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的測(cè)量值為真實(shí)值，分別驗(yàn)證幾何模型算法的可靠性和距離傳感器數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。其中圖(a)、(b)是本發(fā)明公布的幾何模型計(jì)算得到的腳跟和腳尖離地高度，與真實(shí)值的對(duì)比，測(cè)量值與真實(shí)值的平均誤差和均方根誤差都不超過(guò)3mm，圖(c)、(d)是本發(fā)明公布的可穿戴人體檢測(cè)系統(tǒng)輸出的腳跟和腳尖離地高度，與真實(shí)值的對(duì)比，測(cè)量值與真實(shí)值的平均誤差和均方根誤差都不超過(guò)10mm。