[发明专利]一种可穿戴人体绊倒检测系统及检测方法

说明书

本发明公开了一种可穿戴人体绊倒检测系统及检测方法，该系统包括电源模块、距离传感器模块、微控制器模块和蓝牙传输模块。电源模块用于为系统各模块提供电压；距离传感器模块用于采集原始的距离信号，即地面到传感器红外发射端面的垂直距离；微控制器模块用于对测得的原始距离信号进行标定、滤波、采样频率设定等预处理，以及将预处理后的信号带入几何模型进行数据分析，获得脚跟离地高度、脚尖离地高度等步态参数。蓝牙传输模块用于将微处理器模块的最终输出结果，无线传输到上位机，以检测绊倒发生的可能性。该检测系统功能完整，实时可靠，模块紧凑，穿戴方便，控制简单，与姿态角和其他步态参数的检测系统有着广泛的结合应用范围。

技术领域

本发明涉及生物医学工程领域，尤其涉及一种可穿戴人体绊倒检测系统及检测方法。

背景技术

可穿戴人体绊倒检测系统一直是生物医学工程领域的研究热点，直至目前，仍没有一种可穿戴式的绊倒检测系统能够只通过两个距离传感器，实时准确地测得脚跟离地高度、脚尖离地高度和摆荡期脚尖最小离地高度等步态参数，并实时检测绊倒的发生。研究人员一直希望能够使绊倒检测系统能够做到尺寸小、功耗低、重量轻，不影响人体行动的灵活性，同时满足实时准确测得脚跟离地高度、脚尖离地高度和摆荡期脚尖最小离地高度等步态参数，并检测绊倒发生的要求。

早期的绊倒检测及抬脚高度的步态参数测量，使用最多的是基于照相机拍摄的运动捕捉系统，通过多台照相机的拍摄，能够完整准确地记录各标记点的三维运动轨迹，进而分析得到脚跟离地高度、脚尖离地高度和摆荡期脚尖最小离地高度等步态参数和检测绊倒的发生。直至目前，三维运动捕捉系统已经发展得十分完备，其中使用较多的光学运动捕捉系统采用红外摄像技术，配备有专门的数据分析软件，操作趋于简单，测量精度较高。但是三维运动捕捉系统的使用范围有限，不具备可穿戴性，而且价格高达几十万到上百万，现在讲此系统测得的数据视为黄金标准，用于验证可穿戴绊倒检测系统的准确度和精确度。

目前可穿戴绊倒检测系统使用最多的传感器是惯性传感器。由于惯性传感器具有尺寸小、耗能低、价格低廉的优势，很多研究人员都相继提出了各种基于惯性传感器的可穿戴人体绊倒检测系统。但是由于惯性传感器只能输出三轴加速度和三轴角速度，要得到抬脚高度，必须将加速度计测得的三轴加速度分别对时间进行两次积分，将陀螺仪测得的角速度分别对时间进行一次积分，这样会导致原始误差随时间不断积累，造成测量的准确度降低。

虽然不少研究人员提出了基于距离传感器测量的修正算法，但这些算法不能完全消除原始误差在一个步态周期内随时间的积累，并且有的修正算法还要增加使用其他种类的传感器，增大了系统的尺寸、功耗和重量。

因此越来越多的研究者开始考虑使用距离传感器，寻求一种新的测量算法。因为距离传感器可直接获取距离信号，初始误差不会随时间积累，通过信号调理进行校正补偿，可消除初始偏移量，提高测量结果的准确度。目前采用较多的距离传感器为超声波传感器，但完整的超声波测距模块包含发射端和接收端，尺寸较大，可穿戴性差。有研究人员为提高基于超声波传感器的绊倒检测系统的可穿戴性，将超声波测距模块的发射端和接收端分离开来，仅将发射端固定在人体足部，而将多个接收端固定在人体行动的环境中。虽然这个方法使基于超声波传感器的绊倒检测系统的尺寸降低了一半，但因为超声波传感器的量程有限，发射端和接收端之间的距离一般不能超过4m，使用范围有限。

发明内容

针对现有技术精确度、经济性、便携性和使用范围的矛盾，本发明提供了一种可穿戴的绊倒检测系统，该系统准确性高，具有便携性，集成度高，操作简单，使用范围广。