吴旭东, 李伟达, 李 娟, 顾 洪

(苏州大学 机电工程学院 江苏省先进机器人技术重点实验室,江苏 苏州 215021)

0 引 言

足部有人的第二心脏之称,通过检测足底压力分布状况对人体步态进行分析,从而了解人体足部结构、生理功能和动作姿态等重要信息,可为诊断疾病和矫正步行姿态提供依据[1]。目前,步态研究在诸多方面得到实际应用,例如在医疗领域的足外翻、扁平足诊断,在竞技体育中的运动姿态分析,以及为机器人设计提供参考依据等。

当下通过检测足底压力获取步态信息的手段主要分为两类,一种是测力板(台),另一种是测力鞋垫。测力板(台)体积庞大,便携性较差且其测试范围受限,只能作为一种专用设备使用。而测力鞋垫有着体积小,安装方便且不限制受试者活动的特点。但是国内的测力鞋垫[2～4]大多存在传感器分布密度小,位置布置不合理等问题。

因此,本文根据人体足部结构,设计了一种基于多通道足底力采集的步态信息检测鞋垫。通过动态量测受测者站立或行进时足部的压力变化,实现对多种步态信息的分析与处理,对临床和工程应用上的步态检测有重要的实际意义。

1 量测模块设计

1.1 传感元件选型

如图1所示,本文选用压阻式薄膜压力传感器作为传感元件。传感器由两片聚酯薄膜组成,厚约0.2 mm,柔软度高；薄膜内表面铺设导体及半导体感测外部压力,当外力作用在感测区时,半导体的阻值会随外力成比例变化。此外,传感器感测区直径为10 mm,响应频率约为250 Hz,满足足底压力的动态量测需求。

图1 薄膜压力传感器

1.2 传感器阵列设计

人的足部是由26块骨头、33个关节和126根韧带,以及肌肉和神经构成的一个复杂结构。它的基本功能主要是支撑人体体重、缓冲和吸收冲击力,产生向前的推力以帮助调节和维持人体的平衡[5]。如图2(a)所示,人体解剖学中将足部划分为若干个解剖区域,在步行、站立等运动中,这些解剖区域支撑着人体大部分重量,起到维持身体平衡的作用[6]。因此,在这些部位布置传感器测量其压力分布,可以获取下肢乃至全身的生理、结构和功能等方面的大量信息[7,8]。

图2 传感器阵列设计

传感器阵列的布局理应覆盖15处足底解剖区,考虑到传感器自身尺寸以及鞋垫前端的空间限制,在除第2,4趾区域外的其他13处足底解剖区分别布置一只压力传感器。此外,为满足对全掌压力分布的基本检测,在足弓处增加2只压力传感器(12#,13#),同时在脚趾和跖骨之间布置1只压力传感器(4#)。实际布置传感器时也需掌握足部关键位置的分布,一些关键位置与足长的关系[9～12]见表1。如图2(b)所示,基于足底解剖区和足部关键位置的分布,量测模块最终布置16只压力传感器,且传感器布局适用于足长为25～26 cm的穿戴者。

表1 足部关键位置表

1.3 量测模块整体结构

如图3所示,鞋垫样机使用鞋垫状柔性电路板(flexible printed board,FPB)以集成16只薄膜压力传感器,其左侧引出排线便于硬件电路获取足底压力信号。FPB厚仅0.2 mm,柔软度较好,可跟随足部弯曲,不阻碍人体的自然运动。

图3 步态信息检测鞋垫样机

2 信号采集下位机设计

2.1 总体框架

下位机的主要功能是获取量测模块的电压信号,并对其进行模数转换。其对转换出的数字量信号进行滤波后打包发送给上位机,并由上位机进行步态信息的识别和判断。

2.2 信号检测及数字滤波

为检测16路足底力信号,设计了图4所示的采样电路,其利用运算放大器输入端阻抗“无限大”的特性实现电压跟随,将传感器的电阻值变化转换为可用于A/D采集的电压信号,并传至单片机(micro-controller unit,MCU)的片上模/数传感器(analog to digital converter,ADC)。信号采集电路板如图3所示,通过使用4个4路集成运放(MAX4495),满足16路模拟信号的检测需求。

图4 采样电路

为使信号尽可能真实地反映现场足底压力,需对压力信号进行必要的滤波处理。本文量测模块拥有多达16路模拟信号通道,若每一路采用硬件滤波将不可避免地扩大印刷电路板(PCB)面积,违背了小型化的设计初衷。因此,在MCU中对转换出的数字量进行数字滤波处理,无需硬件且不存在阻抗匹配问题。

在一个完整的步态周期中,足底压力信号在大多数时间属于无突变的低频信号。因此,选用滑动平均消除因步态变化引起的随机波动,同时取窗口长度为5以保证数据实时性

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

(1)

2.3 数据传输

为便于上位机接收下位机转换出的足底力数据,需对多路信号进行打包处理。即每采集并处理完一轮16路信号,以传感器编号的大小为序将这些数据以同一格式编码,打包成一帧数据统一发送至上位机；以此作为一个周期,循环往复。为减少传输错误机率,本文定义了两位同步位,则每帧数据为自定义的“固定同步位+固定数据长度”格式。当接收端检测到有效同步位,表示一帧的开始。如此,当正确匹配下一帧的同步位,表明下一帧的首个数据到来；若某数据帧传输出错,可控制错误在该帧之内。数据传输使用MCU的片上串口外设,并通过异步通信适配器CH340实现与PC端通信；通信速率设为115 200 bps,有效通信距离可达15 m,满足实验条件需要。

3 基于步态信息检测鞋垫的下肢运动状态研究

经上述分析可知该步态信息检测鞋垫的数据来源科学合理、稳定可靠,为其实际应用研究创造了良好的条件。本文基于此鞋垫样机对步态划分、足底压力中心计算以及足底压强云图绘制进行应用研究。

3.1 步态相位划分

根据踝关节运动学[13]可知,一个步态可分为支撑相和摆动相。支撑相作为步态控制的主要环节,可进一步将其划分为3个子相(图5(a))：从足跟着地时进入足底控制相(control phase,CP)；脚底完全接触地面后进入背屈控制相(control phsae of dorsiflexion,CD)；踝关节达到最大背屈状态,步态转为足跟离地,进入足底动力相(plantar dynamic phase,PP)。摆动相(swing phase,SW)为从脚尖离地开始,至同侧脚再次触地时刻结束。

依据足部的触地情况可实现对人体步态相位的划分。因此,利用已搭建的鞋垫样机提出基于压力传感器状态的人体步态相位划分方法(本文传感器状态即阈值表征的传感器通断情况)。方案无需获得精确的传感器测量值,简单易行,可靠性高。

相位划分选用的传感器位置如图5(b)所示。因足跟着地时与地面接触的位置比较集中,所以,选择足跟后侧传感器用于判断足跟着地情况。考虑到前掌着地时与地面的接触位置比较分散且不具有对称性,为此选用3只传感器组成的冗余系统检测行走时前脚掌触地情况(该3只传感器分别位于第一趾、第一跖骨和第四跖骨)。在判断算法中只要检测到该3只传感器中任意一只的接通信号则认为前足触地。

图5(c)为正常行走时步态相位识别方法。小圆代表传感器的通断情况,实心圆表示足底压力传感器受到足够的压力,检测到有效的触地信号；空心圆表示足底压力传感器受到的压力小于阈值,所在部位未着地或未有效着地。虚线方框表示足底压力传感器所对应的步态事件。大圆圈则表示下肢经过一定步态事件后所相应到达的步态相位。受试者穿戴鞋垫样机测得的步态相位如图5(d)所示,其支撑相约占一个步态周期的63 %。

图5 步态相位划分

3.2 压力中心点轨迹计算

当人体步行或站立时,足部与地面接触的每一点反作用力在垂直地面方向的瞬时合力作用于足部的等效位置被称为足底压力中心点(center of pressure,COP),是一个想象中的虚拟点。足底压力中心轨迹是下肢运动时由COP的一系列坐标组成的轨迹。COP轨迹能反映足部前后及内外侧移动,是衡量足部功能的一个重要指标。并且由于其可重测性高并且受数据采集条件影响小,COP在平衡能力的研究中被广泛应用[14]。

基于已搭建鞋垫样机的16路压力信号,通过力矩平衡原理[15]测算出受试者在鞋垫上的COP的横纵坐标,计算公式如下

式中f(xi,yi)为传感器上的压力值;(xi,yi)为传感器中心的坐标点。图6为鞋垫样机利用上述两式求得受试者在一个步态中支撑相的COP轨迹,与Pataky T C等人[16]所得到的实验结果基本一致。

图6 COP运动轨迹

3.3 足底压力云图绘制

在PC端基于LabVIEW平台将采集的压力数据转化为图形显示。绘图中由于传感器阵列的空间分辨率有限,实际数据间的相关度不高且相邻数据点之间有明显的过渡,因此,采样得到的点无法描绘成细致连续且边缘光滑的云图,需对所采集的数据进行插值处理。

实现时考虑到步态检测鞋垫轮廓的复杂度,采用5 mm×5 mm的方格表征鞋垫,并建立坐标系获取各格点的平面坐标,如图7(a)所示。因云图绘制基于鞋垫上的离散格点,而压力值表示传感器整个感测面积所测压力,因此将各通道压力值转换为压强值,并将其赋予对应传感器所覆盖格点在空间坐标上的Z值。其它无传感器覆盖格点的Z值可通过已知Z值的空间坐标插值获得,过程框图见图7(b)。云图绘制在LabVIEW平台上的部分核心程序如图7(c)所示。

图7 足底压力云图绘制

插值方法采用LabVIEW内置的双调和样条插值方式。相比经典的最邻近元法,该算法涉及周围数据的相关性,成像效果好且相邻像素点的颜色过度较平缓。系统运行时,下位机传来的每一帧数据经LabVIEW进行实时解码、坐标对应、插值计算和图形化显示,因此系统可实现足底压力分布的动态显示。由图8可知,原始数据经插值处理后得到的足底压强分布云图与蔡楷等人[17]所得实验结果基本一致。

图8 足底压强云图

4 结束语

本文研制了基于多通道足底力采集的步态信息检测鞋垫样机,其量测模块的传感器分布符合足底解剖区及足部关键位置的分布要求。工作中通过解算16路足底力数据可实现步态相位划分,COP轨迹计算以及足底压强云图的实时显示；同时其可穿戴鞋垫式的设计使系统工作不受环境限制,具有较大的应用范围。测试结果表明,足底压力分布检测系统已经达到既定的设计要求。