CN102175356A - 一种步态触觉信息测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种步态触觉信息测量装置及测量方法。步态触觉信息测量装置包括有计算机、六分量支撑力测试台、集成式的信号调理采集电路。本发明测量方法，利用集成式信号调理采集电路采集六分量支撑力测试台中应变式感测传感器、柔性阵列传感器的的信号并传送至计算机，由计算机的测试分析软件模块提取相应的参数。本发明通过设计集成化仪器，将矢量接触力、接触形态两种信息的检测机构在物理上、硬件层、数据层统一，直接提供完整的足部触觉原始信息。
Description
技术领域
本发明涉及生物特征识别领域，具体为一种步态触觉信息测量装置及测量方法。
背景技术
行走（包括站、跑）是最常见的人体运动现象，是运动生物力学学科的重要研究内容。在体育科研、生物力学工程和医疗康复领域内，经常需要准确知道人体行走或运动时，人体足底与地面间的三个方向作用力/力矩、足底与地面的接触状况，足底的所受压力的分布情况，以期获得步态分析、体育科研、体育训练指导、医疗科研、残体康复训练指导的科学依据。三维测力台和足底压力分布测量装置正是基于这种需求上开发的两种测量仪器。目前，测试足-地界面触觉信息的方法（装置）主要基于上述仪器。
长期以来，对于步态触觉信息的测试、分析一直是分为两个方面进行：接触形态、矢量接触力。对应的仪器主要是足底压力分布、多维测力台。其中，足底压力分布经历了脚印法、直接形像化技术、压力平板、多负载单元及压力鞋（垫）等阶段。脚印法利用人足在接触面留下的足印或痕迹,粗略判断足底各部位受力情况，简单易行，历史悠久，但只能记录足底的压力峰值,只能定性，无法定量。直接形象化技术利用照相机拍摄足底在玻璃下的足印影像, 通过图像分析技术获得足底受力的分布情况，受成像环境制约，获得的影像灰度变化、分辨率有限，也是一种定性测量技术，无法得出准确的测试结果。压力平板、压力鞋（垫）利用力敏传感技术，通过力敏传感器将足底各部位的压力变化转换为电信号,再经由信号调理、模数转换、数据采集技术，变成可供计算机识别的数字信号，计算机分析软件获取该信号后，经过一定的运算，得出力值，再以图像、表格等形式展现出来。根据传感器的工作原理，足底压力分布测量传感器可分为电阻式、压电式和电容式。根据传感器的结构形态，可以分为压力平板和压力鞋垫两种。压力平板用于测量足—地界面接触信息, 压力鞋垫则用于足——鞋界面接触信息检测。测力平台同样利用力敏传感技术，检测作用在台面上的空间三维力（Fx，Fy，Fz）及其变化信息。并经过专业软件的计算、分析，可以获三个力矩（Mx，My，Mz），作用力中心坐标COP，纯扭矩Tz、运动速度、加速度、纵跳高度、功率等多项动、静态指标。
矢量接触力、接触形态是触觉信息两个有机组成部分。使用上述单个设备获取的信息，不能完整的反映运动过程中的步态触觉特征，难以全面、精确描述足部与支撑面接触状况的本质规律。为了解决这种不足，研究人员需要同时选用不同厂商的两类设备，通过外部触发同步的办法获取完整的步态触觉信息。存在测试条件复杂、仪器配合不便、同步误差、分析过程复杂等多方面不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种步态触觉信息测量装置及测量方法，以解决现有技术的步态测量装置和方法存在的测试条件复杂、仪器配合不便、同步误差、分析过程复杂的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种步态触觉信息测量装置，包括有计算机，其特征在于：还包括有触觉信息测试台、集成式的信号调理采集电路，所述触觉信息测试台包括上、下夹板，所述上、下夹板之间夹持有多个应变式感测传感器，所述上夹板上表面设置有柔性阵列传感器，所述柔性阵列传感器为多个压敏传感器构成的传感器阵列，所述信号调理采集电路与所述计算机通讯连接，信号调理采集电路同步采集六分量支撑力测试台中多个应变式感测传感器以及柔性阵列传感器的信号，并传输到计算机进行分析与处理，以提取空间三维力Fx，Fy，Fz，三维力矩Mx、My、Mz，作用力中心坐标COP，纯扭矩Tz、运动速度、加速度、接触图像、压力图谱、压力中心轨迹、最大压力、压力-时间积分以及功率谱。
所述的一种步态触觉信息测量装置，其特征在于：所述柔性阵列传感器的敏感点呈阵列分布，敏感点的点阵密度为4点/cm2。
所述的一种步态触觉信息测量装置，其特征在于：所述应变式感测传感器有四个，分别夹持在上、下夹板之间位于上、下夹板四角位置，并支撑所述上夹板。
所述的一种步态触觉信息测量装置，其特征在于：多个触觉信息测试台通过以太网级联构成步态触觉信息测量通道。
一种步态触觉信息测量方法，其特征在于：人体在所述上夹板的上表面上行走，足底与所述上夹板的上表面设置的柔性阵列传感器接触；集成式信号调理采集电路同时处理应变式感测传感器的信号调理、放大、滤波，以及柔性阵列传感器的敏感点扫描驱动、信号拾取、放大、滤波，并同步采集应变式感测传感器信号和柔性阵列传感器信号，组合成完整步态触觉信号传输到计算机；所述计算机中集成有测试分析软件模块，所述测试分析软件模块利用接收到的完整步态触觉信号进行人体步态特征参数测试、分析，提取三维接触力/力矩、作用力中心坐标COP、速度、加速度、接触图像、压力图谱、压力中心轨迹、最大压力、压力-时间积分以及功率谱多项动、静态指标；同时所述测试分析软件模块利用人体站立、行走过程中的完整步态触觉信号，分析足部在运动过程中的受力情况，提取足部生物力学特征参数，建立足部受力模型。
一种步态触觉信息测量方法，其特征在于：所提取的足部生物力学特征参数包括但不限于足底轮廓、足弓轮廓、足跟中心、足趾位置、跖骨位置、接触痕迹、接触时序、压力-时间积分、触地点、离地点、压力中心线。
一种步态触觉信息测量方法，其特征在于：所建立足部受力模型是指，根据实测触觉信息，提取足部生物力学特征参数，建立上述与被测人体的身高、体重、体态、穿着鞋型等参数的映射关系。
本发明步态触觉信息测量装置由触觉信息测试台、柔性阵列传感器、集成式信号调理采集电路和计算机中测试分析软件模块组成。其中，触觉信息测试台由上夹板、下夹板、应变式感测传感器、柔性阵列传感器组成。应变式感测传感器采用三维力传感器，为四个独立敏感部件，固定在上夹板、下夹板四个角之间。柔性阵列传感器设置在上夹板的上表面。集成式信号调理采集电路具有阵列的行列扫描驱动、阵列点的压力信号采集、六分量支撑力信号调理与采集功能，通过USB2.0接口与计算机通讯连接。计算机中测试分析软件模块通信接口组件、数据采集组件、交叉耦合解耦与数据融合组件、数据存取组件、数据分析组件、档案管理组件、参数报表组件以及打印驱动组件。计算机中测试分析软件模块通过采集三维力传感器、柔性阵列传感器输出的力信息，通过分析软件获得矢量接触力信息（力的大小、方向、等效作用点、力矩等）、接触形态信息（包括压力在接触面的分布情况、压力中心、最大压力、压力-时间积分以及功率谱信息等）。为步态分析研究、身份识别研究、制鞋业足部生物力学检测与分析、鞋产品舒适性评价与个性化定制、医疗康复时的康复效果评估等提供科学依据。
本发明中，六分量支撑力测试台的四个三维力传感器安装在上夹板、下夹板之间，上、下夹板和三维力传感器之间通过螺钉紧固连接。
本发明中，柔性阵列传感器采用丝网印刷工艺和复合压制成型工艺生产，多个压敏传感器印刷在上下基膜上，上下基膜粘胶、压合形成柔性阵列传感器本体，一个压敏传感器为柔性阵列传感器的一个敏感点。柔性阵列传感器再平铺、粘合在上夹板的上表面。六分量支撑力测试台和柔性阵列传感器组成完整的触觉信息感测部件。
本发明中，集成式信号调理采集电路包括三维力信号放大、滤波、增益控制、零点补偿、柔性传感器的阵列扫描驱动、敏感点信号拾取、滤波与信号采集。
本发明中，计算机的测试分析软件模块包括通信接口组件、数据采集组件、交叉耦合解耦与数据融合组件、数据存取组件、显示组件、数据分析组件、档案管理组件、参数报表组件以及打印驱动组件等组件单元。通信接口组件实现计算机与集成式信号调理采集电路的通信规约与数据交换；数据采集组件完成原始信号的数据获取；、交叉耦合解耦与数据融合组件实现多维力信号的维间耦合消除、柔性阵列传感器的敏感点间耦合消除以及将多维力信号和柔性传感器融合为触觉信号；数据存取组件用于测试数据、分析结论、提取参数的保存和读取；数据分析组件完成触觉信息的应用分析，提取空间三维力（Fx，Fy，Fz）、三个力矩（Mx，My，Mz），作用力中心坐标COP，纯扭矩Tz、运动速度、加速度、纵跳高度、功率、接触图像、压力图谱、比例图谱、压力中心轨迹、最大压力、压力-时间积分以及功率谱等多项动、静态指标，根据用户配置，为基于步态触觉信息的应用研究提供数据分析模板和参数指标体系。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
其一，本发明实现完整触觉信息（矢量接触力、接触形态）的同步、集成测量与分析。
其二，本发明将六分量支撑力测试与足底压力分布测试的传感器在结构上合二为一、同步感测触觉信号，并集成采集。所提出的完整触觉信息（矢量接触力、接触形态）集成测量装置与分析方法为国内外首创。
其三，相对于现有技术而言，不同于采用生物力学测试平台和运动解析系统相结合的传统办法，本发明首次提出利用完整步态触觉信息进行人体步态特征参数测试、分析，形成全新的基于步态触觉特征的人体建模方法。
其四，本发明利用人体站立、行走过程中的完整足部触觉信息，分析足部在运动过程中的受力情况，提取足部生物力学特征参数，建立足部受力模型，促进制鞋业的鞋产品舒适性评价与设计、鞋产品个性化设计、矫形鞋具的设计与效能评估。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图。
图2为本发明触觉信号感测原理示意图。
图3为本发明集成式信号调理采集电路原理框图。
图4为本发明计算机测试分析软件功能流程图。
图5为本发明计算机测试分析软件功能模块图。
具体实施方式
如图1所示。六分量支撑力测试台1和柔性阵列传感器2在结构上融为一体，分别用于接触力和接触形态的检测，构成完整的触觉信息获取装置，四个三维力传感器1-3安装在上夹板1-1、下夹板1-2之间，上、下夹板1-1、1-2和三维力传感器1-3之间通过螺钉紧固连接。一种实施方案里，集成式信号调理采集电路3安装在步态触觉信息测量装置本体内，在其它实施方案中，集成式信号调理采集电路3可外置，通过连接器/信号线与触觉信息获取装置本体连接。步态触觉信息测量装置本体感应的触觉信号经过集成式信号调理采集电路3放大、滤波及预处理后，通过USB或10/100M自适应网卡与安装有测试分析软件模块的计算机4连接。
如图2所示。赤足经过触觉信息获取装置本体时，足部与本体接触信息示意图。一方面，足部作为整体会对接触面产生三个方向作用力和力矩，另一方面，足底经过接触面时，会在不同时刻产生不同印迹，触觉信息获取装置分别通过六分量支撑力测试台1和柔性阵列传感器2同时感应这两种信息，并经集成式信号调理采集电路3送入计算机的测试分析软件模块4进行分析、处理。
如图3所示。应变电阻在六分量支撑力测试台1中组成惠斯通电桥形式。受力时，电桥两臂平衡被破坏，产生差分输出信号，集成式信号调理采集电路上的差分放大器对该信号进行放大，再经过低通滤波器滤波，接入模拟选择开关，由微处理器分时选通进入ADC转换为数字量，透过通信接口向计算机传输。
如图4所示。测试分析软件模块启动后，首先根据用户项目设置情况，读取设备规格参数和运行配置参数，等待用户控制指令；接收到开始采集指令后，输出敏感单元驱动信号，先采集敏感单元的输出，再对获取数据进行暂存、显示，在对已获取数据进行数据融合、参数分析。
如图5所示。计算机的测试分析软件模块主要功能模块包括平台管理、用户输入、数据采集、显示管理、集成分析、应用解析等。其核心是集成分析模块，以项目模板和数据库为基础，分析计算触觉信息中的接触力、接触状态的各种数学参数。
作为上述实施实例的应用，本发明可用于生物特征识别领域，促进基于步态触觉信息的身份识别研究。测试分析软件利用完整步态触觉信息进行人体步态特征参数测试、分析，计算运动人体步相参数、支持相、摆动相占空比、步行速度、步相角、触地冲量、平衡摆动力矩、压力中心移动轨迹、行走足底痕迹、移步习惯等。
作为上述实施实例的应用，本发明还可用于制鞋业的鞋产品舒适性评价与设计、鞋产品个性化设计、矫形鞋具的设计与效能评估。测试分析软采集人体站立、行走过程中的完整足部触觉信息，分析足部在行走运动过程中脚后跟、足弓区、跖骨关节、脚趾区等区的受力情况，提取足部生物力学特征参数，建立足部受力模型。
上述实施方式是本发明的一个实施实例，本领域的技术人员可以对本发明的上述实施实例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (7)
1.一种步态触觉信息测量装置，包括有计算机，其特征在于：还包括有触觉信息测试台、集成式的信号调理采集电路，所述触觉信息测试台包括上、下夹板，所述上、下夹板之间夹持有四个应变式感测传感器，所述上夹板上表面设置有柔性阵列传感器，所述柔性阵列传感器为多个压敏传感器构成的传感器阵列，所述信号调理采集电路与所述计算机通讯连接，信号调理采集电路同步采集触觉信息测试台中四个应变式感测传感器以及柔性阵列传感器的信号，并传输到计算机进行分析与处理，以提取空间三维力Fx，Fy，Fz，三维力矩Mx、My、Mz，作用力中心坐标COP，纯扭矩Tz、运动速度、加速度、接触图像、压力图谱、压力中心轨迹、最大压力、压力-时间积分以及功率谱。
2.根据权利要求1所述的一种步态触觉信息测量装置，其特征在于：所述柔性阵列传感器的敏感点呈阵列分布，敏感点的点阵密度为4点/cm2。
3.根据权利要求1所述的一种步态触觉信息测量装置，其特征在于：所述应变式感测传感器有四个，分别夹持在上、下夹板之间位于上、下夹板四角位置，并支撑所述上夹板。
4.根据权利要求1所述的一种步态触觉信息测量装置，其特征在于：多个触觉信息测试台通过以太网级联构成步态触觉信息测量通道。
5.一种步态触觉信息测量方法，其特征在于：人体在所述上夹板的上表面上行走，足底与所述上夹板的上表面设置的柔性阵列传感器接触；集成式信号调理采集电路同时处理应变式感测传感器的信号调理、放大、滤波，以及柔性阵列传感器的敏感点扫描驱动、信号拾取、放大、滤波，并同步采集应变式感测传感器信号和柔性阵列传感器信号，组合成完整步态触觉信号传输到计算机；所述计算机中集成有测试分析软件模块，所述测试分析软件模块利用接收到的完整步态触觉信号进行人体步态特征参数测试、分析，提取三维接触力/力矩、作用力中心坐标COP、速度、加速度、接触图像、压力图谱、压力中心轨迹、最大压力、压力-时间积分以及功率谱多项动、静态指标；同时所述测试分析软件模块利用人体站立、行走过程中的完整步态触觉信号，分析足部在运动过程中的受力情况，提取足部生物力学特征参数，建立足部受力模型。
6.根据权利要求5所述的一种步态触觉信息测量方法，其特征在于：所提取的足部生物力学特征参数包括但不限于足底轮廓、足弓轮廓、足跟中心、足趾位置、跖骨位置、接触痕迹、接触时序、压力-时间积分、触地点、离地点、压力中心线。
7.根据权利要求5所述的一种步态触觉信息测量方法，其特征在于：所建立足部受力模型是指，根据实测触觉信息，提取足部生物力学特征参数，建立上述与被测人体的身高、体重、体态、穿着鞋型等参数的映射关系。
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