[發(fā)明專利]一種用于測量人體步態(tài)及步速的智能傳感靴

在審

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• 申請日: 2018-05-14
• 公開（公告）號: CN108567431A
• 公開（公告）日: 2018-09-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 歐陽小平;李威杰;胡晉愷;葉陳帥
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: A61B5/103
• 分類號: A61B5/103;A61B5/11
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

1.一種用于測量人體步態(tài)及步速的智能傳感靴，其特征在于，包括：鞋子本體、測量電路和上位機(jī)，

所述鞋子本體的鞋墊上貼附有壓力傳感器，用于測量腳底部分關(guān)鍵部位的壓力信號數(shù)據(jù)；

所述測量電路固定在鞋子本體上，包括單片機(jī)、慣性測量模塊、電源模塊、信號調(diào)理模塊，

所述電源模塊為整個電路提供工作電壓；

所述慣性測量模塊用于測量三軸加速度及角速度數(shù)據(jù)；

所述信號調(diào)理模塊用于將壓力傳感器采集到的壓力信號轉(zhuǎn)換成電壓信號；

所述單片機(jī)用于將電壓信號、三軸加速度及角速度打包發(fā)送給上位機(jī)。

所述上位機(jī)采用模糊邏輯算法判斷步態(tài)，采用循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法計(jì)算當(dāng)前步速。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于測量人體步態(tài)及步速的智能傳感靴，其特征在于，所述鞋墊的大腳趾和腳跟處各布置一個壓力傳感器，腳弓處布置兩個壓力傳感器。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于測量人體步態(tài)及步速的智能傳感靴，其特征在于，所述采用模糊邏輯算法判斷步態(tài)，具體如下：

利用sigmoid函數(shù)，將采集到的電壓信號轉(zhuǎn)換為模糊邏輯值f(x)：

式中，x代表測量到的電壓信號，x₀代表電壓閾值，s代表敏感因子；

根據(jù)不同步態(tài)對應(yīng)的足底壓力分布特征，將各步態(tài)的發(fā)生概率表示成模糊邏輯的乘積形式；對應(yīng)初接觸步態(tài)的概率為：

u_{initial contact}＝f(x1)*f(x2)*f(x3)*(1-f(x4))

將不同步態(tài)發(fā)生的概率存儲于數(shù)組u中，數(shù)組下標(biāo)對應(yīng)不同概率，概率最大值所對應(yīng)的步態(tài)即為當(dāng)前時刻的步態(tài)，有phase＝argmax(u)。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于測量人體步態(tài)及步速的智能傳感靴，其特征在于，所述采用循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法計(jì)算當(dāng)前步速，具體如下：

上位機(jī)根據(jù)從當(dāng)前時刻回溯一段時間內(nèi)的壓力傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算出64維的特征向量x(t)，將該特征向量輸入循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后得到當(dāng)前步速的估計(jì)；模型中利用下列公式計(jì)算隱藏狀態(tài)：

h(t)＝δ(Ux(t)+Wh(t-1)+b)

式中：t為當(dāng)前時刻，h(t)為當(dāng)前隱藏狀態(tài)，δ為循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的激活函數(shù)，U為特征向量的權(quán)重，x(t)為特征向量，W為隱藏狀態(tài)的權(quán)重，h(t-1)為t-1時刻獲得的隱藏狀態(tài)，b為偏置值；

根據(jù)隱藏狀態(tài)，利用下列公式計(jì)算當(dāng)前時刻速度的估計(jì)值

式中：o(t)為中間層的輸出，V為中間層的權(quán)重，c為中間層偏置；

公式中，U、V、W、b和c根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過訓(xùn)練循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲得。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于測量人體步態(tài)及步速的智能傳感靴，其特征在于，所述測量電路設(shè)置在測量匣中，測量匣固定在鞋子本體上。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于測量人體步態(tài)及步速的智能傳感靴，其特征在于，所述單片機(jī)采用核心為Atmega微控制器的主控板。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于測量人體步態(tài)及步速的智能傳感靴，其特征在于，所述慣性測量模塊采用型號為MPU6050的產(chǎn)品。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于測量人體步態(tài)及步速的智能傳感靴，其特征在于，所述單片機(jī)和上位機(jī)之間通過藍(lán)牙連接。