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CN107202658A - 一种用于间接测定步行力的传感监测系统 - Google Patents

一种用于间接测定步行力的传感监测系统 Download PDF

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CN107202658A
CN107202658A CN201710333458.2A CN201710333458A CN107202658A CN 107202658 A CN107202658 A CN 107202658A CN 201710333458 A CN201710333458 A CN 201710333458A CN 107202658 A CN107202658 A CN 107202658A
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CN
China
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controller
mass
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center
acceleration
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Pending
Application number
CN201710333458.2A
Other languages
English (en)
Inventor
宋志刚
王子洋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kunming University of Science and Technology
Original Assignee
Kunming University of Science and Technology
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Publication date
Application filed by Kunming University of Science and Technology filed Critical Kunming University of Science and Technology
Priority to CN201710333458.2A priority Critical patent/CN107202658A/zh
Publication of CN107202658A publication Critical patent/CN107202658A/zh
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0028—Force sensors associated with force applying means

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)

Abstract

本发明涉及一种用于间接测定步行力的传感监测系统及其方法，属于智能穿戴技术领域。包括加速度传感器、穿戴背心、控制器和导线四部分。加速度传感器用于测定人体质心加速度。穿戴背心用于将加速度传感器安置于人体质心处。控制器用于对新型传感监测系统的操作，内含数据存储器，并将数据存入数据存储器中，两者由控制器上的电源开关控制。加速度传感器与控制器之间由导线连接，进行信号传输。本发明不影响测试者的行走，适用性强，对试验数据采集与读取较为便捷，而且制作简单、造价低廉。

Description

一种用于间接测定步行力的传感监测系统
技术领域
本发明涉及一种用于间接测定步行力的传感监测系统及其方法，属于智能穿戴技术领域。
背景技术
由于以往测定步行力的监测系统都存在各自缺点，例如测力板由于仪器位置较为固定，对测试者的自由行走造成限制，不利于范围较大的动态监测，同时本身体积庞大、结构复杂、成本太高，而压力鞋垫因其薄膜传感器输出的电信号微弱，且柔性材料自身存在滞后性，易发生信号失真，运动时足部与鞋底存在滑移，精准度较低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于间接测定步行力的传感监测系统，解决了现有的测定步行力监控系统自身设备位置固定、体积庞大、信号失真、精度较低、成本过高等问题。
本发明采用的技术方案是：一种用于间接测定步行力的传感监测系统，包含加速度传感器1、穿戴背心2、控制器3和导线4，所述加速度传感器1数量为两组，分别位于穿戴背心2的后背与腰部处，控制器3内设数据存储器5，控制器3通过导线4与加速度传感器1连接，控制器3将加速度传感器1采集的数据存储于数据存储器5中。
进一步的，所述加速度传感器1为三轴加速度传感器，垂直体表方向的厚度小于10mm，其他方向长度小于50mm。
进一步的，所述穿戴背心2采用可紧密贴附身体的背心，与加速度传感器1之间采用粘扣带连接。
进一步的，所述控制器3上还设有电源开关6。
进一步的，所述数据存储器5选用SD存储卡，可从控制器3中取出。
进一步的，所述的导线4与加速度传感器1的连接采用焊接，与控制器3中电路的连接采用插接，长度为1000mm。
本发明还包括利用上述传感监测系统测定步行力的方法，在忽略空气阻力影响的情况下，双足步行力模型人体质心的重力与惯性力之和与人体步行力之间能够建立力学平衡方程，而惯性力又与人体质心加速度存在关系，如式（1）~式（5）所示，将读取的人体质心加速度数据代入下述方程即可得到相应人体步行力数据；
G+F gz =F z =-F’ z （1）
F gu =F u =-F’ u （2）
G=G 1 +G 2 =m 1 g+m 2 g （3）
F gz =F z1 +F z2 =m 1 a z1 +m 2 a z2 （4）
F gu =F u1 +F u2 =m 1 a u1 +m 2 a u2 （5）
其中，G为人体质心的重力；F gz 和F gu 分别为人体质心的惯性力；F z 和F u 分别为人体在竖直方向和水平方向的足底反力；F’ z 和F’ u 分别为人体在竖直方向和水平方向的步行力；负号表示力的方向相反；G 1 和G 2 分别为上部躯干和下部躯干质心的重力；F z1 和F z2 分别为上部躯干和下部躯干质心竖向的惯性力；F u1 和F u2 分别为上部躯干和下部躯干质心水平方向的惯性力；m 1 和m 2 分别为人体上部躯干和下部躯干的质心质量，按测试者自身质量以0.83:0.17的比例划分；g为重力加速度，取9.8m/s2；a z1 和a z2 分别为上部躯干和下部躯干质心的竖直方向加速度；a u1 和a u2 分别为上部躯干和下部躯干质心的水平方向加速度。
本发明的工作过程和工作原理：测试者穿着上穿戴背心2，按照身体的质心位置将加速度传感器1稳定安置在穿戴背心2上，加速度传感器1测定行走过程中身体质心瞬时加速度。利用控制器3操作新型传感监测系统，将加速度传感器1的数据存入数据存储器5，待测试完成后取出读取数据。最后，利用双足步行力模型推导出的人体质心加速度与步行力之间的力学平衡方程，便可将测定的人体质心瞬时加速度换算得到人体步行力。
本发明的有益效果：自身设备不影响测试者的行走，适用性强，对试验数据采集与读取较为便捷，而且制作简单、造价低廉。
附图说明
图1是本发明测定步行力传感监测系统的正面示意图。
图2是本发明测定步行力传感监测系统的背面示意图。
图中各标号，1-加速度传感器，2-穿戴背心，3-控制器，4-导线，5-数据存储器，6-电源开关。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1-2所示，一种用于间接测定步行力的传感监测系统，包含加速度传感器1、穿戴背心2、控制器3和导线4，所述加速度传感器1数量为两组，分别位于穿戴背心2的后背与腰部处，控制器3内设数据存储器5，控制器3通过导线4与加速度传感器1连接，控制器3将加速度传感器1采集的数据存储于数据存储器5中。
实施例2：本实施例其余部分与前一实施例相同，其中所述加速度传感器1为三轴加速度传感器，垂直体表方向的厚度应小于10mm，其他方向长度小于50mm，体积小巧轻薄，不影响测试者行走，同时晃动较小，可准确测定质心加速度。
实施例3：本实施例其余部分与前一实施例相同，其中所述穿戴背心2选用背背佳式紧贴背心可紧密贴附身体，与加速度传感器1之间选用粘扣带连接，拆装方便。
实施例4：本实施例其余部分与前一实施例相同，其中所述控制器3上还设有电源开关6，所述数据存储器5为SD存储卡可从控制器3中取出，方便实用。
实施例5：本实施例其余部分与前一实施例相同，其中所述导线4与加速度传感器1的连接采用焊接，与控制器3中电路的连接采用插接，长度为1000mm，结构简单，加工方便。
实施例6：本实施例其余部分与前一实施例相同，其中加速度传感器1选用型号为MPU-6050，测定步行力时，先测量测试者自身质量为65kg，以0.83:0.17的比例划分上部躯干质心质量m 1 为53.76kg，下部躯干质心质量m 2 为11.24kg，再让测试者穿着上背背佳式穿戴背心，按照身体的质心位置将MPU-6050型加速度传感器稳定安置在穿戴背心上，其上部躯干质心位于后背，下部躯干质心位于腰部，利用电源开关开启系统，待行走测试完成后关闭电源开关，取出4Gb的SD存储卡读取上部躯干质心竖向加速度a z1 为10m/s2、上部躯干质心纵向加速度a u1 为3.1m/s2、下部躯干质心竖向加速度a z2 为10.5m/s2和下部躯干质心纵向加速度a u2 为3.4m/s2，按照人体质心加速度与步行力之间的力学平衡方程，如式（1）~式（5）所示：
G+F gz =F z =-F’ z （1）
F gu =F u =-F’ u （2）
G=G 1 +G 2 =m 1 g+m 2 g （3）
F gz =F z1 +F z2 =m 1 a z1 +m 2 a z2 （4）
F gu =F u1 +F u2 =m 1 a u1 +m 2 a u2 （5）
即可换算得到相应竖向步行力F’ z 为1292.62N和纵向步行力F’ u 为204.87N，其竖向步行力与相同条件下由传统测力板测定的1305.46N相接近，纵向步行力与模型模拟的206.41N相接近，具有较高的准确性。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (7)

1.一种用于间接测定步行力的传感监测系统，其特征在于：包含加速度传感器（1）、穿戴背心（2）、控制器（3）和导线（4），所述加速度传感器（1）数量为两组，分别位于穿戴背心（2）的后背与腰部处，控制器（3）内设数据存储器（5），控制器（3）通过导线（4）与加速度传感器（1）连接，控制器（3）将加速度传感器（1）采集的数据存储于数据存储器（5）中。
2.根据权利要求1所述的用于间接测定步行力的传感监测系统，其特征在于：所述加速度传感器（1）为三轴加速度传感器，垂直体表方向的厚度小于10mm，其他方向长度小于50mm。
3.根据权利要求1所述的用于间接测定步行力的传感监测系统，其特征在于：所述穿戴背心（2）采用可紧密贴附身体的背心，与加速度传感器（1）之间采用粘扣带连接。
4.根据权利要求1所述的用于间接测定步行力的传感监测系统，其特征在于：所述控制器（3）上还设有电源开关（6）。
5.根据权利要求1所述的用于间接测定步行力的传感监测系统，其特征在于：所述数据存储器（5）选用SD存储卡，可从控制器（3）中取出。
6.根据权利要求1所述的用于间接测定步行力的传感监测系统，其特征在于：所述的导线（4）与加速度传感器（1）的连接采用焊接，与控制器（3）中电路的连接采用插接，长度为1000mm。
7.利用权利要求1-6中传感监测系统测定步行力的方法，其特征在于：在忽略空气阻力影响的情况下，双足步行力模型人体质心的重力与惯性力之和与人体步行力之间能够建立力学平衡方程，而惯性力又与人体质心加速度存在关系，如式（1）~式（5）所示，将读取的人体质心加速度数据代入下述方程即可得到相应人体步行力数据；
G+F gz =F z =-F’ z （1）
F gu =F u =-F’ u （2）
G=G 1 +G 2 =m 1 g+m 2 g （3）
F gz =F z1 +F z2 =m 1 a z1 +m 2 a z2 （4）
F gu =F u1 +F u2 =m 1 a u1 +m 2 a u2 （5）
其中，G为人体质心的重力；F gz 和F gu 分别为人体质心的惯性力；F z 和F u 分别为人体在竖直方向和水平方向的足底反力；F’ z 和F’ u 分别为人体在竖直方向和水平方向的步行力；负号表示力的方向相反；G 1 和G 2 分别为上部躯干和下部躯干质心的重力；F z1 和F z2 分别为上部躯干和下部躯干质心竖向的惯性力；F u1 和F u2 分别为上部躯干和下部躯干质心水平方向的惯性力；m 1 和m 2 分别为人体上部躯干和下部躯干的质心质量，按测试者自身质量以0.83:0.17的比例划分；g为重力加速度，取9.8m/s2；a z1 和a z2 分别为上部躯干和下部躯干质心的竖直方向加速度；a u1 和a u2 分别为上部躯干和下部躯干质心的水平方向加速度。
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王子洋: "基于加速度监测系统测定步行力的研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *

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