本發明涉及生物醫學工程領域，尤其涉及一種可穿戴人體絆倒檢測系統及檢測方法。

背景技術：

可穿戴人體絆倒檢測系統一直是生物醫學工程領域的研究熱點，直至目前，仍沒有一種可穿戴式的絆倒檢測系統能夠只通過兩個距離傳感器，實時準確地測得腳跟離地高度、腳尖離地高度和擺蕩期腳尖最小離地高度等步態參數，并實時檢測絆倒的發生。研究人員一直希望能夠使絆倒檢測系統能夠做到尺寸小、功耗低、重量輕，不影響人體行動的靈活性，同時滿足實時準確測得腳跟離地高度、腳尖離地高度和擺蕩期腳尖最小離地高度等步態參數，并檢測絆倒發生的要求。

早期的絆倒檢測及抬腳高度的步態參數測量，使用最多的是基于照相機拍攝的運動捕捉系統，通過多臺照相機的拍攝，能夠完整準確地記錄各標記點的三維運動軌跡，進而分析得到腳跟離地高度、腳尖離地高度和擺蕩期腳尖最小離地高度等步態參數和檢測絆倒的發生。直至目前，三維運動捕捉系統已經發展得十分完備，其中使用較多的光學運動捕捉系統采用紅外攝像技術，配備有專門的數據分析軟件，操作趨于簡單，測量精度較高。但是三維運動捕捉系統的使用范圍有限，不具備可穿戴性，而且價格高達幾十萬到上百萬，現在講此系統測得的數據視為黃金標準，用于驗證可穿戴絆倒檢測系統的準確度和精確度。

目前可穿戴絆倒檢測系統使用最多的傳感器是慣性傳感器。由于慣性傳感器具有尺寸小、耗能低、價格低廉的優勢，很多研究人員都相繼提出了各種基于慣性傳感器的可穿戴人體絆倒檢測系統。但是由于慣性傳感器只能輸出三軸加速度和三軸角速度，要得到抬腳高度，必須將加速度計測得的三軸加速度分別對時間進行兩次積分，將陀螺儀測得的角速度分別對時間進行一次積分，這樣會導致原始誤差隨時間不斷積累，造成測量的準確度降低。

雖然不少研究人員提出了基于距離傳感器測量的修正算法，但這些算法不能完全消除原始誤差在一個步態周期內隨時間的積累，并且有的修正算法還要增加使用其他種類的傳感器，增大了系統的尺寸、功耗和重量。

因此越來越多的研究者開始考慮使用距離傳感器，尋求一種新的測量算法。因為距離傳感器可直接獲取距離信號，初始誤差不會隨時間積累，通過信號調理進行校正補償，可消除初始偏移量，提高測量結果的準確度。目前采用較多的距離傳感器為超聲波傳感器，但完整的超聲波測距模塊包含發射端和接收端，尺寸較大，可穿戴性差。有研究人員為提高基于超聲波傳感器的絆倒檢測系統的可穿戴性，將超聲波測距模塊的發射端和接收端分離開來，僅將發射端固定在人體足部，而將多個接收端固定在人體行動的環境中。雖然這個方法使基于超聲波傳感器的絆倒檢測系統的尺寸降低了一半，但因為超聲波傳感器的量程有限，發射端和接收端之間的距離一般不能超過4m，使用范圍有限。

技術實現要素：

針對現有技術精確度、經濟性、便攜性和使用范圍的矛盾，本發明提供了一種可穿戴的絆倒檢測系統，該系統準確性高，具有便攜性，集成度高，操作簡單，使用范圍廣。

為了實現上述功能，本發明所采用的技術方案是：一種可穿戴絆倒檢測系統，該系統可安裝人體所穿鞋子上，所述系統包括：電源模塊，用于為整個系統提供能源；距離傳感器模塊，用于采集原始的距離信號；微控制器模塊，用于對測得的原始距離信號進行標定、濾波、采樣頻率設定的預處理，并將預處理后的信號帶入幾何模型進行數據分析，獲得腳跟離地高度、腳尖離地高度和擺蕩期腳尖最小離地高度等步態參數；藍牙傳輸模塊，用于將微處理器模塊的最終輸出結果無線傳輸到上位機，以檢測絆倒發生的可能性。

進一步的，所述電源模塊包括一節9V的鋰電池和一塊穩壓模塊，直接輸出9V的電壓給微控制器模塊供電，并通過穩壓模塊輸出2.8V的電壓，給距離傳感器模塊供電。

進一步的，所述距離傳感器模塊包括兩個VL6180模塊，即近距離感測器和環境光線傳感器，它們的通信端口分別與微控制器模塊中的Arduino Nano主板的時鐘線和數據線端口相連，使能端分別與微控制器的兩個數據端口相連，在接收到微控制器發出的使能信號和觸發信號后，開始采集原始的距離信號，即地面到傳感器紅外發射端的垂直距離，并實時將距離信號傳送給Arduino Nano主板；

進一步的，所述微控制器模塊包括一塊Arduino Nano主板和一個開關模塊。開關模塊的VCC端連接至Arduino Nano主板的3.3V輸出端，GND端連接至Arduino Nano主板的GND端，OUT端連接至Arduino Nano主板的數字端口D2端，用于控制整個系統的開始與結束。將編寫的算法燒錄至Arduino Nano主板，能夠對測得的原始距離信號進行標定、濾波、采樣頻率設定的預處理，以及將預處理后的信號帶入幾何模型進行數據分析，獲得腳跟離地高度、腳尖離地高度和擺蕩期腳尖最小離地高度等步態參數。

進一步的，所述藍牙傳輸模塊包括兩個主從一體藍牙模塊，將它們分別設置為主機和從機，并設置相同的波特率進行配對，配對成功后，將主機與Arduino Nano主板相連，從機和上位機相連，用于將微處理器模塊的最終輸出結果，無線傳輸到上位機，以檢測絆倒發生的可能性。

本申請還提供一種可穿戴人體絆倒檢測系統的檢測方法，包括以下步驟：

(1)將兩個距離傳感器固定在人體所穿鞋子上，保證兩個距離傳感器的連線平行于腳跟和腳尖的連線，則可根據兩個距離傳感器、腳跟和腳尖在鞋子縱剖面上的投影確定一個四邊形，可以測量得到兩個距離傳感器的距離a、一個距離傳感器到腳跟的距離b、腳跟到腳尖的距離f以及b和f的夾角α；

(2)距離傳感器模塊經紅外發射器發射垂直于傳感器表面的紅外線，利用TOF技術，即通過測量紅外線的飛行時間，計算光線發射和反射時間差或相位差，換算得到紅外線在地面入射點到傳感器表面的垂直距離d_A、d_B；

(3)根據垂直距離d_A、d_B與抬腳高度h_heel、h_toe的三角幾何關系，確定當前的實時腳跟和腳尖離地高度：h_heel＝h_A-b·sin(θ+α)，h_toe＝h_heel+f·sinθ；其中h_A＝d_A·cosθ，h_B＝d_B·cosθ；

(4)藍牙傳輸模塊通過藍牙轉串口的方式，將微控制器模塊最后計算得到的腳跟和腳尖的離地高度h_A、h_B無線傳輸到上位機。

進一步的，所述距離傳感器模塊包括兩個VL6180模塊，即近距離感測器和環境光線傳感器，它們的通信端口分別與微控制器模塊中的Arduino Nano主板的時鐘線和數據線端口相連，使能端分別與微控制器的兩個數據端口相連，在接收到微控制器發出的使能信號和觸發信號后，開始采集原始的距離信號，即地面到傳感器紅外發射端的垂直距離，并實時將距離信號傳送給Arduino Nano主板。

與現有技術相比，本發明具有的有益結果有：

1)本發明中的距離傳感器具有尺寸小、能耗低、重量輕和可穿戴的優點，且相比于慣性傳感器兩次積分得到的距離，其測量結果更加準確；

2)通過無線通信模塊和微控制器的集成，相比于現有的有線通信，使用者的活動范圍得到了擴大，本發明對使用者的行動限制也大大降低；

3)借助數據的實時傳輸，上位機可以實時記錄并分析處理原始距離數據，計算得到使用者的重要步態參數，進一步評估使用者的絆倒風險；

4)由于本發明的絆倒檢測裝置可穿戴、能耗低，可記錄大量的步態原始數據，進一步分析處理可用于足部疾病的診斷和康復治療效果的評定；

5)本發明中的上位機可以是電腦或手機，若是手機，可以通過編寫特定的應用程序，實現戶內戶外實時數據采集和處理分析，實時檢測絆倒風險。

附圖說明

圖1是本發明的系統模塊結構圖；

圖2是本發明測量方法的幾何模型結構簡圖；

圖3是本發明的抬腳高度參數計算流程；

圖4是本發明的工作流程圖；

圖5是本發明測量結果與VICON運動捕捉系統測量結果的圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。

如圖1所示，一種可穿戴絆倒檢測系統，該系統可安裝人體所穿鞋子上，所述系統包括：電源模塊，用于為整個系統提供能源；距離傳感器模塊，用于采集原始的距離信號；微控制器模塊，用于對測得的原始距離信號進行標定、濾波、采樣頻率設定的預處理，并將預處理后的信號帶入幾何模型進行數據分析，獲得腳跟離地高度、腳尖離地高度和擺蕩期腳尖最小離地高度等步態參數；藍牙傳輸模塊，用于將微處理器模塊的最終輸出結果無線傳輸到上位機，以檢測絆倒發生的可能性。

所述電源模塊可以采用一節9V的鋰電池，降壓模塊和穩壓模塊，鋰電池的9V通過降壓轉換成5V給微控制器模塊供電，微控制器再通過穩壓模塊輸出2.8V的電壓，給距離傳感器模塊供電；所述降壓模塊可以采用TI公司LM7805型號的產品，但不限于此；穩壓模塊可以采用TI公司TPS73701DRBR型號的產品，但不限于此。

所述距離傳感器模塊包括兩個VL6180模塊，即近距離感測器和環境光線傳感器，它們的通信端口分別與微控制器模塊中的Arduino Nano主板的時鐘線和數據線端口相連，使能端分別與微控制器的兩個數據端口相連，在接收到微控制器發出的使能信號和觸發信號后，開始采集原始的距離信號，即地面到傳感器紅外發射端的垂直距離，并實時將距離信號傳送給Arduino Nano主板；所述距離傳感器模塊可以采用ST公司VL6180型號的產品，但不限于此。

所述微控制器模塊包括一塊Arduino Nano主板和一個開關模塊。開關模塊的VCC端連接至Arduino Nano主板的3.3V輸出端，GND端連接至Arduino Nano主板的GND端，OUT端連接至Arduino Nano主板的數字端口D2端，用于控制整個系統的開始與結束。將編寫的算法燒錄至Arduino Nano主板，能夠對測得的原始距離信號進行標定、濾波、采樣頻率設定的預處理，以及將預處理后的信號帶入幾何模型進行數據分析，獲得腳跟離地高度、腳尖離地高度和擺蕩期腳尖最小離地高度等步態參數。所述微控制器模塊可以采用Arduino Nano主板和YW-001按鍵模塊，但不限于此。

所述藍牙傳輸模塊包括兩個主從一體藍牙模塊，將它們分別設置為主機和從機，并設置相同的波特率進行配對，配對成功后，將主機與Arduino Nano主板相連，從機和上位機相連，用于將微處理器模塊的最終輸出結果，無線傳輸到上位機，以檢測絆倒發生的可能性。所述藍牙傳輸模塊可以采用HC-05無線模塊，但不限于此。

如圖2、3所示，一種實現人體可穿戴絆倒檢測的方法，所述的方法包括以下步驟：

(1)將兩個距離傳感器固定在人體所穿鞋子上，保證兩個距離傳感器的連線平行于腳跟和腳尖的連線，則可根據兩個距離傳感器、腳跟和腳尖在鞋子縱剖面上的投影確定一個四邊形，可以測量得到兩個距離傳感器的距離a、一個距離傳感器到腳跟的距離b、腳跟到腳尖的距離f以及b和f的夾角α；

(2)所述距離傳感器模塊經紅外發射器發射垂直于傳感器表面的紅外線，利用TOF技術，即通過測量紅外線的飛行時間，計算光線發射和反射時間差或相位差，換算得到紅外線在地面入射點到傳感器表面的垂直距離d_A、d_B；

(3)根據垂直距離d_A、d_B與抬腳高度h_heel、h_toe的三角幾何關系，確定當前的實時腳跟和腳尖離地高度：h_heel＝h_A-b·sin(θ+α)，h_toe＝h_heel+f·sinθ；其中h_A＝d_A·cosθ，h_B＝d_B·cosθ；

(4)所述的藍牙傳輸模塊通過藍牙轉串口的方式，將微控制器模塊最后計算得到的腳跟和腳尖的離地高度h_A、h_B無線傳輸到上位機。

如圖4所示，在使用本發明提出的可穿戴人體絆倒檢測系統時，具體的實施方式如下：首先，打開電源開關，指示燈閃爍表示整個系統已上電處于待命狀態；然后，腳踩到特定高度的平臺上，保證水平靜止狀態下，距離傳感器模塊的紅外發射端距離地面5cm；然后按下按鍵，等待系統自動標定補償初始偏移，此標定過程耗時不足1s，標定完成后便可任意走動，所述藍牙模塊實時傳輸數據至上位機；最后，再次按下按鍵，停止人體絆倒檢測，關閉電源。

如圖5所示，是對本發明提出的可穿戴人體絆倒檢測方法的實驗驗證，取VICON光學運動捕捉系統的測量值為真實值，分別驗證幾何模型算法的可靠性和距離傳感器數據的準確性。其中圖(a)、(b)是本發明公布的幾何模型計算得到的腳跟和腳尖離地高度，與真實值的對比，測量值與真實值的平均誤差和均方根誤差都不超過3mm，圖(c)、(d)是本發明公布的可穿戴人體檢測系統輸出的腳跟和腳尖離地高度，與真實值的對比，測量值與真實值的平均誤差和均方根誤差都不超過10mm。