穿戴式步態(tài)信息檢測(cè)鞋墊設(shè)計(jì)*

吳旭東, 李偉達(dá), 李 娟, 顧 洪

(蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 江蘇省先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 蘇州 215021)

0 引 言

足部有人的第二心臟之稱,通過檢測(cè)足底壓力分布狀況對(duì)人體步態(tài)進(jìn)行分析,從而了解人體足部結(jié)構(gòu)、生理功能和動(dòng)作姿態(tài)等重要信息,可為診斷疾病和矯正步行姿態(tài)提供依據(jù)[1]。目前,步態(tài)研究在諸多方面得到實(shí)際應(yīng)用,例如在醫(yī)療領(lǐng)域的足外翻、扁平足診斷,在競(jìng)技體育中的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)分析,以及為機(jī)器人設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)等。

當(dāng)下通過檢測(cè)足底壓力獲取步態(tài)信息的手段主要分為兩類,一種是測(cè)力板(臺(tái)),另一種是測(cè)力鞋墊。測(cè)力板(臺(tái))體積龐大,便攜性較差且其測(cè)試范圍受限,只能作為一種專用設(shè)備使用。而測(cè)力鞋墊有著體積小,安裝方便且不限制受試者活動(dòng)的特點(diǎn)。但是國內(nèi)的測(cè)力鞋墊[2～4]大多存在傳感器分布密度小,位置布置不合理等問題。

因此,本文根據(jù)人體足部結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了一種基于多通道足底力采集的步態(tài)信息檢測(cè)鞋墊。通過動(dòng)態(tài)量測(cè)受測(cè)者站立或行進(jìn)時(shí)足部的壓力變化,實(shí)現(xiàn)對(duì)多種步態(tài)信息的分析與處理,對(duì)臨床和工程應(yīng)用上的步態(tài)檢測(cè)有重要的實(shí)際意義。

1 量測(cè)模塊設(shè)計(jì)

1.1 傳感元件選型

如圖1所示,本文選用壓阻式薄膜壓力傳感器作為傳感元件。傳感器由兩片聚酯薄膜組成,厚約0.2 mm,柔軟度高；薄膜內(nèi)表面鋪設(shè)導(dǎo)體及半導(dǎo)體感測(cè)外部壓力,當(dāng)外力作用在感測(cè)區(qū)時(shí),半導(dǎo)體的阻值會(huì)隨外力成比例變化。此外,傳感器感測(cè)區(qū)直徑為10 mm,響應(yīng)頻率約為250 Hz,滿足足底壓力的動(dòng)態(tài)量測(cè)需求。

圖1 薄膜壓力傳感器

1.2 傳感器陣列設(shè)計(jì)

人的足部是由26塊骨頭、33個(gè)關(guān)節(jié)和126根韌帶,以及肌肉和神經(jīng)構(gòu)成的一個(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)。它的基本功能主要是支撐人體體重、緩沖和吸收沖擊力,產(chǎn)生向前的推力以幫助調(diào)節(jié)和維持人體的平衡[5]。如圖2(a)所示,人體解剖學(xué)中將足部劃分為若干個(gè)解剖區(qū)域,在步行、站立等運(yùn)動(dòng)中,這些解剖區(qū)域支撐著人體大部分重量,起到維持身體平衡的作用[6]。因此,在這些部位布置傳感器測(cè)量其壓力分布,可以獲取下肢乃至全身的生理、結(jié)構(gòu)和功能等方面的大量信息[7,8]。

圖2 傳感器陣列設(shè)計(jì)

傳感器陣列的布局理應(yīng)覆蓋15處足底解剖區(qū),考慮到傳感器自身尺寸以及鞋墊前端的空間限制,在除第2,4趾區(qū)域外的其他13處足底解剖區(qū)分別布置一只壓力傳感器。此外,為滿足對(duì)全掌壓力分布的基本檢測(cè),在足弓處增加2只壓力傳感器(12#,13#),同時(shí)在腳趾和跖骨之間布置1只壓力傳感器(4#)。實(shí)際布置傳感器時(shí)也需掌握足部關(guān)鍵位置的分布,一些關(guān)鍵位置與足長(zhǎng)的關(guān)系[9～12]見表1。如圖2(b)所示,基于足底解剖區(qū)和足部關(guān)鍵位置的分布,量測(cè)模塊最終布置16只壓力傳感器,且傳感器布局適用于足長(zhǎng)為25～26 cm的穿戴者。

表1 足部關(guān)鍵位置表

1.3 量測(cè)模塊整體結(jié)構(gòu)

如圖3所示,鞋墊樣機(jī)使用鞋墊狀柔性電路板(flexible printed board,FPB)以集成16只薄膜壓力傳感器,其左側(cè)引出排線便于硬件電路獲取足底壓力信號(hào)。FPB厚僅0.2 mm,柔軟度較好,可跟隨足部彎曲,不阻礙人體的自然運(yùn)動(dòng)。

圖3 步態(tài)信息檢測(cè)鞋墊樣機(jī)

2 信號(hào)采集下位機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 總體框架

下位機(jī)的主要功能是獲取量測(cè)模塊的電壓信號(hào),并對(duì)其進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。其對(duì)轉(zhuǎn)換出的數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行濾波后打包發(fā)送給上位機(jī),并由上位機(jī)進(jìn)行步態(tài)信息的識(shí)別和判斷。

2.2 信號(hào)檢測(cè)及數(shù)字濾波

為檢測(cè)16路足底力信號(hào),設(shè)計(jì)了圖4所示的采樣電路,其利用運(yùn)算放大器輸入端阻抗“無限大”的特性實(shí)現(xiàn)電壓跟隨,將傳感器的電阻值變化轉(zhuǎn)換為可用于A/D采集的電壓信號(hào),并傳至單片機(jī)(micro-controller unit,MCU)的片上模/數(shù)傳感器(analog to digital converter,ADC)。信號(hào)采集電路板如圖3所示,通過使用4個(gè)4路集成運(yùn)放(MAX4495),滿足16路模擬信號(hào)的檢測(cè)需求。

圖4 采樣電路

為使信號(hào)盡可能真實(shí)地反映現(xiàn)場(chǎng)足底壓力,需對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行必要的濾波處理。本文量測(cè)模塊擁有多達(dá)16路模擬信號(hào)通道,若每一路采用硬件濾波將不可避免地?cái)U(kuò)大印刷電路板(PCB)面積,違背了小型化的設(shè)計(jì)初衷。因此,在MCU中對(duì)轉(zhuǎn)換出的數(shù)字量進(jìn)行數(shù)字濾波處理,無需硬件且不存在阻抗匹配問題。

在一個(gè)完整的步態(tài)周期中,足底壓力信號(hào)在大多數(shù)時(shí)間屬于無突變的低頻信號(hào)。因此,選用滑動(dòng)平均消除因步態(tài)變化引起的隨機(jī)波動(dòng),同時(shí)取窗口長(zhǎng)度為5以保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性

=(xn-4+xn-3+xn-2+xn-1+xn)/5

(1)

2.3 數(shù)據(jù)傳輸

為便于上位機(jī)接收下位機(jī)轉(zhuǎn)換出的足底力數(shù)據(jù),需對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行打包處理。即每采集并處理完一輪16路信號(hào),以傳感器編號(hào)的大小為序?qū)⑦@些數(shù)據(jù)以同一格式編碼,打包成一幀數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)送至上位機(jī)；以此作為一個(gè)周期,循環(huán)往復(fù)。為減少傳輸錯(cuò)誤機(jī)率,本文定義了兩位同步位,則每幀數(shù)據(jù)為自定義的“固定同步位+固定數(shù)據(jù)長(zhǎng)度”格式。當(dāng)接收端檢測(cè)到有效同步位,表示一幀的開始。如此,當(dāng)正確匹配下一幀的同步位,表明下一幀的首個(gè)數(shù)據(jù)到來；若某數(shù)據(jù)幀傳輸出錯(cuò),可控制錯(cuò)誤在該幀之內(nèi)。數(shù)據(jù)傳輸使用MCU的片上串口外設(shè),并通過異步通信適配器CH340實(shí)現(xiàn)與PC端通信；通信速率設(shè)為115 200 bps,有效通信距離可達(dá)15 m,滿足實(shí)驗(yàn)條件需要。

3 基于步態(tài)信息檢測(cè)鞋墊的下肢運(yùn)動(dòng)狀態(tài)研究

經(jīng)上述分析可知該步態(tài)信息檢測(cè)鞋墊的數(shù)據(jù)來源科學(xué)合理、穩(wěn)定可靠,為其實(shí)際應(yīng)用研究創(chuàng)造了良好的條件。本文基于此鞋墊樣機(jī)對(duì)步態(tài)劃分、足底壓力中心計(jì)算以及足底壓強(qiáng)云圖繪制進(jìn)行應(yīng)用研究。

3.1 步態(tài)相位劃分

根據(jù)踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)[13]可知,一個(gè)步態(tài)可分為支撐相和擺動(dòng)相。支撐相作為步態(tài)控制的主要環(huán)節(jié),可進(jìn)一步將其劃分為3個(gè)子相(圖5(a))：從足跟著地時(shí)進(jìn)入足底控制相(control phase,CP)；腳底完全接觸地面后進(jìn)入背屈控制相(control phsae of dorsiflexion,CD)；踝關(guān)節(jié)達(dá)到最大背屈狀態(tài),步態(tài)轉(zhuǎn)為足跟離地,進(jìn)入足底動(dòng)力相(plantar dynamic phase,PP)。擺動(dòng)相(swing phase,SW)為從腳尖離地開始,至同側(cè)腳再次觸地時(shí)刻結(jié)束。

依據(jù)足部的觸地情況可實(shí)現(xiàn)對(duì)人體步態(tài)相位的劃分。因此,利用已搭建的鞋墊樣機(jī)提出基于壓力傳感器狀態(tài)的人體步態(tài)相位劃分方法(本文傳感器狀態(tài)即閾值表征的傳感器通斷情況)。方案無需獲得精確的傳感器測(cè)量值,簡(jiǎn)單易行,可靠性高。

相位劃分選用的傳感器位置如圖5(b)所示。因足跟著地時(shí)與地面接觸的位置比較集中,所以,選擇足跟后側(cè)傳感器用于判斷足跟著地情況?？紤]到前掌著地時(shí)與地面的接觸位置比較分散且不具有對(duì)稱性,為此選用3只傳感器組成的冗余系統(tǒng)檢測(cè)行走時(shí)前腳掌觸地情況(該3只傳感器分別位于第一趾、第一跖骨和第四跖骨)。在判斷算法中只要檢測(cè)到該3只傳感器中任意一只的接通信號(hào)則認(rèn)為前足觸地。

圖5(c)為正常行走時(shí)步態(tài)相位識(shí)別方法。小圓代表傳感器的通斷情況,實(shí)心圓表示足底壓力傳感器受到足夠的壓力,檢測(cè)到有效的觸地信號(hào)；空心圓表示足底壓力傳感器受到的壓力小于閾值,所在部位未著地或未有效著地。虛線方框表示足底壓力傳感器所對(duì)應(yīng)的步態(tài)事件。大圓圈則表示下肢經(jīng)過一定步態(tài)事件后所相應(yīng)到達(dá)的步態(tài)相位。受試者穿戴鞋墊樣機(jī)測(cè)得的步態(tài)相位如圖5(d)所示,其支撐相約占一個(gè)步態(tài)周期的63 %。

圖5 步態(tài)相位劃分

3.2 壓力中心點(diǎn)軌跡計(jì)算

當(dāng)人體步行或站立時(shí),足部與地面接觸的每一點(diǎn)反作用力在垂直地面方向的瞬時(shí)合力作用于足部的等效位置被稱為足底壓力中心點(diǎn)(center of pressure,COP),是一個(gè)想象中的虛擬點(diǎn)。足底壓力中心軌跡是下肢運(yùn)動(dòng)時(shí)由COP的一系列坐標(biāo)組成的軌跡。COP軌跡能反映足部前后及內(nèi)外側(cè)移動(dòng),是衡量足部功能的一個(gè)重要指標(biāo)。并且由于其可重測(cè)性高并且受數(shù)據(jù)采集條件影響小,COP在平衡能力的研究中被廣泛應(yīng)用[14]。

基于已搭建鞋墊樣機(jī)的16路壓力信號(hào),通過力矩平衡原理[15]測(cè)算出受試者在鞋墊上的COP的橫縱坐標(biāo),計(jì)算公式如下

式中f(xi,yi)為傳感器上的壓力值;(xi,yi)為傳感器中心的坐標(biāo)點(diǎn)。圖6為鞋墊樣機(jī)利用上述兩式求得受試者在一個(gè)步態(tài)中支撐相的COP軌跡,與Pataky T C等人[16]所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

圖6 COP運(yùn)動(dòng)軌跡

3.3 足底壓力云圖繪制

在PC端基于LabVIEW平臺(tái)將采集的壓力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形顯示。繪圖中由于傳感器陣列的空間分辨率有限,實(shí)際數(shù)據(jù)間的相關(guān)度不高且相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)之間有明顯的過渡,因此,采樣得到的點(diǎn)無法描繪成細(xì)致連續(xù)且邊緣光滑的云圖,需對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理。

實(shí)現(xiàn)時(shí)考慮到步態(tài)檢測(cè)鞋墊輪廓的復(fù)雜度,采用5 mm×5 mm的方格表征鞋墊,并建立坐標(biāo)系獲取各格點(diǎn)的平面坐標(biāo),如圖7(a)所示。因云圖繪制基于鞋墊上的離散格點(diǎn),而壓力值表示傳感器整個(gè)感測(cè)面積所測(cè)壓力,因此將各通道壓力值轉(zhuǎn)換為壓強(qiáng)值,并將其賦予對(duì)應(yīng)傳感器所覆蓋格點(diǎn)在空間坐標(biāo)上的Z值。其它無傳感器覆蓋格點(diǎn)的Z值可通過已知Z值的空間坐標(biāo)插值獲得,過程框圖見圖7(b)。云圖繪制在LabVIEW平臺(tái)上的部分核心程序如圖7(c)所示。

圖7 足底壓力云圖繪制

插值方法采用LabVIEW內(nèi)置的雙調(diào)和樣條插值方式。相比經(jīng)典的最鄰近元法,該算法涉及周圍數(shù)據(jù)的相關(guān)性,成像效果好且相鄰像素點(diǎn)的顏色過度較平緩。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),下位機(jī)傳來的每一幀數(shù)據(jù)經(jīng)LabVIEW進(jìn)行實(shí)時(shí)解碼、坐標(biāo)對(duì)應(yīng)、插值計(jì)算和圖形化顯示,因此系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)足底壓力分布的動(dòng)態(tài)顯示。由圖8可知,原始數(shù)據(jù)經(jīng)插值處理后得到的足底壓強(qiáng)分布云圖與蔡楷等人[17]所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

圖8 足底壓強(qiáng)云圖

4 結(jié)束語

本文研制了基于多通道足底力采集的步態(tài)信息檢測(cè)鞋墊樣機(jī),其量測(cè)模塊的傳感器分布符合足底解剖區(qū)及足部關(guān)鍵位置的分布要求。工作中通過解算16路足底力數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)步態(tài)相位劃分,COP軌跡計(jì)算以及足底壓強(qiáng)云圖的實(shí)時(shí)顯示；同時(shí)其可穿戴鞋墊式的設(shè)計(jì)使系統(tǒng)工作不受環(huán)境限制,具有較大的應(yīng)用范圍。測(cè)試結(jié)果表明,足底壓力分布檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到既定的設(shè)計(jì)要求。