[发明专利]融合足底压力传感器和IMU的可穿戴实时步态检测系统

说明书

本发明公开了一种融合足底压力传感器和IMU的可穿戴实时步态检测系统，所述系统包括：足底压力传感器，所述足底压力传感器的一端与控制模块相连接，通过自身搭载的转换电路将模拟信号转换为数字信号并传递给控制模块，所述控制模块同时连接IMU，一同安装在固定装置上，并放置在小腿稳定处；所述控制模块使用自研步态相位检测算法，用于实时计算步态相位分析结果，并将相位检测结果、足下压力变化信息、肢体运动学信息和姿态方向信息数据传输至上位机。本发明用于辅助专业医师、监护人和患者进行实时检测并分析穿戴者的步态状况，在不影响日常活动的前提下，增加其数据维度，利于深入分析。

技术领域

本发明涉及下肢步态检测与控制领域，尤其涉及融合足底压力传感器和IMU(Inertial Measurement Unit，惯性传感器)的可穿戴实时步态检测系统。

背景技术

步态是指一个人行走时的动作和姿态，与人的骨骼、肌肉和神经系统的健康状况密切相关。神经系统性疾病，如脑卒中、帕金森等，常常会导致下肢步态障碍，严重影响患者的日常生活。临床医生采用步态评估方法对患者的疾病进展情况、跌倒风险和功能康复情况等进行评价，以期制定更详细且个性化的康复方法，促进患者康复。

传统步态检测方法，诸如步台式步态分析仪，价格昂贵，并且受实验环境局限性大。

发明内容

本发明提供了融合足底压力传感器和IMU的可穿戴实时步态检测系统，用于辅助专业医师、监护人和患者进行实时检测并分析穿戴者的步态状况，在不影响日常活动的前提下，增加其数据维度，利于深入分析，详见下文描述：

一种融合足底压力传感器和IMU的可穿戴实时步态检测系统，所述系统包括：足底压力传感器，IMU，控制模块和固定装置。

所述足底压力传感器的一端与控制模块相连接，通过自身搭载的转换电路将模拟信号转换为数字信号并传递给控制模块，所述控制模块同时连接IMU，一同安装在固定装置上，并放置在小腿稳定处；

所述控制模块使用自研步态相位检测算法，用于实时计算步态相位分析结果，并将相位检测结果、足下压力变化信息、肢体运动学信息和姿态方向信息数据传输至上位机。

其中，所述控制模块根据足下压力变化信息检测步态事件：脚跟着地，全足落地，脚跟离地，脚趾离地；

IMU持续采集小腿运动学信息，并在摆动相期间根据角速度判断摆动相中期。

进一步地，所述IMU包括：三轴加速度计、三轴角加速度计、三轴磁力计。

其中，所述足底压力传感器上分布着8个力敏传感器，脚跟处的3个传感器为一组传感器阵列，足弓和前脚掌的5个传感器为一组；组内的传感器使用或门连接；

当脚跟处的传感器阵列的状态参数为1，前脚组的状态参数为0，则检测到步态事件为脚跟着地；

当脚跟组的状态为1，前脚组的状态为1，则检测到步态事件为全足着地；当脚跟组的状态为0，前脚组的状态为1，则检测到步态事件为脚跟离地；当脚跟组的状态为0，前脚组的状态为0，则检测到步态事件为脚趾离地，步态进入摆动相。

进一步地，所述自研步态相位检测算法为：

使用IMU，实时提取小腿角速度变化信息，并建立滑动窗口，检测峰值点，建立一个判断窗口，它包含实时采集的当前角速度值与前三个时刻的角速度值，按时间顺序为t1、t2、t3、t4，其中t4为当前时刻点，其角速度分别为ω(i-3)，ω(i-2)，ω(i-1)，ω(i)，同时默认参数检测频率为100Hz；

首先进入峰值检测保护程序，判断距离上一次峰值点的时间，如果时间短于0.3s，即index0，则不进行峰值检测，等待保护程序完成，保护程序在每次检测到峰值时开启；

当程序通过保护时间，计算t2时刻点与t1时刻点角速度的差值：