[发明专利]一种穿戴式传感鞋系统及步态评估方法

权利要求书

1.一种穿戴式传感鞋系统，其特征在于，包括左小腿运动传感单元(1)、右小腿运动传感单元(9)、左大腿运动传感单元(10)、右大腿运动传感单元(11)、腰部运动传感单元(12)、计算机(13)、无线路由器(14)、左脚传感鞋(16)、右脚传感鞋(24)等；其中，所述左小腿运动传感单元(1)、右小腿运动传感单元(9)、左大腿运动传感单元(10)、右大腿运动传感单元(11)、腰部运动传感单元(12)、左脚传感鞋(16)、右脚传感鞋(24)与计算机(13)、通过无线路由器(14)无线连接，所述左小腿运动传感单元(1)、右小腿运动传感单元(9)、左大腿运动传感单元(10)、右大腿运动传感单元(11)、腰部运动传感单元(12)分别用于贴在人体的左小腿、右小腿、左大腿、右大腿和腰部，测量这些肢体部位的姿态数据；所述左脚传感鞋(16)和右脚传感鞋(24)分别穿戴于左脚和右脚，测量左脚和右脚脚底的地面反作用力和力矩；所述计算机(13)通过无线路由器(14)接收各肢体部位的姿态数据、左、右脚脚底的地面反作用力和力矩数据，并根据这些数据进行步态评估。

2.根据权利要求1所述的穿戴式传感鞋系统，其特征在于，所述左小腿运动传感单元(1)、右小腿运动传感单元(9)、左大腿运动传感单元(10)、右大腿运动传感单元(11)、腰部运动传感单元(12)的结构相同，均包括第一姿态传感器(2)、第一WIFI模块(6)、第一CPU(7)、第一电源模块(8)等；其中，所述第一姿态传感器(2)和第一WIFI模块(6)均与第一CPU(7)相连接，第一CPU(7)由第一电源模块(8)供电；所述第一姿态传感器(2)包括陀螺仪(3)、加速度计(4)和磁力计(5)，分别测量角速度、加速度和环境中的磁场强度，并将数据传输至第一CPU(7)；第一CPU(7)将数据打包后通过第一WIFI模块(6)传送至计算机(13)。

3.根据权利要求1所述的一种穿戴式传感鞋系统，其特征在于，所述右脚传感鞋(24)与左脚传感器(16)结构相同，均包括脚掌6轴力传感单元(15)、足弓6轴力传感单元(23)、足跟6轴力传感单元(17)等。

4.根据权利要求3所述的一种穿戴式传感鞋系统，其特征在于，所述脚掌6轴力传感单元(15)、足弓6轴力传感单元(23)和足跟6轴力传感单元(17)结构相同，均包括第二姿态传感器(18)、第二WIFI模块(20)、第二CPU(21)、第二电源模块(22)、6轴力传感器(19)等；其中，第二CPU(21)由第二电源模块(22)供电，分别连接第二姿态传感器(18)、第二WIFI模块(20)、6轴力传感器(19)；所述6轴力传感器(19)用于测量3轴力和3轴力矩，并将数据传输至第二CPU(21)；所述第二姿态传感器(18)包括陀螺仪(3)、加速度计(4)和磁力计(5)，用于测量角速度、加速度和磁场强度，并将数据传输至第二CPU(21)；所述第二CPU(21)将第二姿态传感器(18)和6轴力传感器(19)的数据打包后通过第二WIFI模块(20)传送至计算机(13)。

5.一种如权利要求1所述的穿戴式传感鞋系统的步态评估方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将左小腿运动传感单元(1)、右小腿运动传感单元(9)、左大腿运动传感单元(10)、右大腿运动传感单元(11)、腰部运动传感单元(12)分别贴在被测量者的左小腿、右小腿、左大腿、右大腿和腰部，并穿上左脚传感鞋(16)和右脚传感鞋(24)，被测试者笔直站立不动，采集数据，根据各传感单元的姿态传感器数据计算其初始姿态并标定。

(2)被测试者开始行走，根据已知的各传感单元的姿态数据计算出被测试者下肢的踝关节角、膝关节角、髋关节角。

(3)根据脚掌6轴力传感单元(15)、足弓6轴力传感单元(23)、足跟6轴力传感单元(17)的3轴压力、3轴力矩以及姿态数据，分别计算左脚传感鞋(16)和右脚传感鞋(24)的地面反作用力和力矩F、M：

F＝R_fore-foot×F_fore-foot+R_arch×F_arch+R_heel×F_heel，

M＝R_fore-foot×M_fore-foot+R_arch×M_arch+R_heel×M_heel，

其中，R_fore-foot、R_arch、R_heel分别为脚掌6轴力传感单元(15)、足弓6轴力传感单元(23)、足跟6轴力传感单元(17)的姿态矩阵，F_fore-foot、F_arch、F_heel和M_fore-foot、M_arch、M_heel分别为脚掌6轴力传感单元(15)、足弓6轴力传感单元(23)、足跟6轴力传感单元(17)测量得到的3轴力和3轴力矩。

(4)找出地面反作用力F的最大值，除以被测试者的体重，得到标准化压力峰值F_peak。

(5)根据地面反作用力F，设置阈值，F超过阈值则视为该侧下肢处于站立阶段t_stance，F低于阈值则视为摆动阶段t_swing，计算出跨步时间t_step＝t_stance+t_swing，接着计算出站立时间比R＝t_stance/t_step。

(6)根据平面模型计算步距L：

L＝d1+d2+d1’+d2’,

d1＝d11+d12,

d2＝d21+d22,

d11＝l_shank×sin(d)＝l_shank×sin(c)＝l_shank×sin(a+b),

d12＝l_thigh×sin(a),

d21＝l_thigh×sin(e),

d22＝l_shank×cos(h)＝l_shank×cos(g+f)＝l_shank×cos(90-e+f),

其中,角a和角b是后腿的髋关节角和膝关节角，角e和角f是前腿的髋关节角和膝关节角，从平面模型图可知，角c为角a和角b之和，角d为后腿小腿与竖直方向的夹角，与角c相等，角g为前腿大腿与水平方向的夹角，角h为前腿小腿与水平方向的夹角，l_shank和l_thigh分别为下肢的小腿腿长和大腿腿长，d1为后腿踝关节到髋关节的水平距离，d2为髋关节到前腿踝关节的水平距离，d11为后腿踝关节到后腿膝关节的水平距离，d12为后腿膝关节到髋关节的水平距离，d21为髋关节到前腿膝关节的水平距离，d22为前腿膝关节到前腿踝关节的水平距离，d1’为下一步后腿踝关节到髋关节的水平距离，d2’为下一步髋关节到前腿踝关节的水平距离，d1’和d2’的计算方式与d1和d2相同，为之后迈出的一步的数据。

(7)进一步计算出步速v＝L/t_step。

(8)对计算所得的标准化压力峰值F_peak、跨步时间t_step、站立时间比R、步距L、步速v进行统计计算得出平均值和标准差，实现步态评估。