基于壓力墊系統的人體壓力中心估計方法研究*

王 典,毛志勇,沙長源,蔡 萍

(上海交通大學電子信息與電氣工程學院儀器科學與技術系動態檢測研究室,上海 200240)

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基于壓力墊系統的人體壓力中心估計方法研究*

王 典,毛志勇,沙長源,蔡 萍*

(上海交通大學電子信息與電氣工程學院儀器科學與技術系動態檢測研究室,上海 200240)

為研究壓力墊在靜態平衡和步態檢測兩個方面替代測力臺的可行性,深入比較了利用壓力墊和測力臺計算得到的壓力中心(COP)的異同。利用了平衡功能綜合測力臺,其包括測量分布力的壓力墊系統和集總力測力臺系統;這兩個系統同步采樣,確保測量結果得以相互比較。18名被試者以雙腳直立、傾斜、左右搖晃和單腳站立等站立姿態完成測試。并且通過被試者的步態數據利用線性回歸的方法,建立行走中的壓力中心坐標與壓力敏感單元的模型。通過t-檢驗和相關系數來分析比較兩個測量系統得到的結果;并且驗證所建立的線性回歸模型的準確性。經實驗驗證,兩個系統計算得到的COP具有較高的一致性;分析比對結果表明按足底解剖結構放置8個壓敏單元能夠較為準確反映壓力中心的動搖軌跡。

壓力中心;步態;人體靜態平衡;線性回歸

研究壓力中心COP(Center of Pressure)的動搖情況對于進行人體的步態分析和評估平衡能力等方面都有著非常重要的意義[1]。通過比較行走時足底壓力中心(COP)的運動軌跡,可以評價脛骨截肢病人安放義肢后,義肢對正常足造成的影響[2]。有研究發現,在行走過程中,COP控制著人體質心的前移[3-4]。安放假肢后的截肢病人,如果其壓力中心異于正常人,會影響他們保持動態平衡的能力[5]。與此同時,COP的動搖軌跡也可以被用于評價視覺刺激對人體平衡能力的影響[6]。

多維測力臺通常被視為分析足底壓力中心的金標準,其通過測得的6個力分量的瞬時值計算出壓力中心,由此評估人體的平衡能力[7]。但測力臺比較笨重,體積過大,只能用于固定安裝地點檢測。進行步態檢測時,通常需要兩個或兩個以上的測力臺才能夠完成。因此,其應用受到一定的限制。

壓力墊因其輕薄柔軟,可被用作穿戴式測量,越來越受到人們的重視。壓力墊包含眾多橫縱向帶狀導體的交叉點;這些交叉點即壓敏陣列單元,當有外力作用到這些壓敏陣列單元上時,其阻值會發生變化,從而反映壓力分布情況[8-9]。目前已有研究利用足底與壓力墊接觸面積的大小來識別步態[10]。但是壓力墊與測力臺的測量結果是否一致,目前尚無定論。當利用壓力墊檢測步態時,如果可以選用相對較少的敏感點,就可以簡化設計,給后續的測量工作帶來便利。美國加州大學伯克利分校的Kazerooni H等人利用分別放置在腳趾、跖骨、足弓和足跟的4個區域的壓力傳感器的信息和肌電信息一起對負重和能量自主外骨骼機器人(BLEEX)進行反饋控制[11]。但是其足底壓力傳感器安裝于外骨骼上,并沒有直接采集穿戴者的足底壓力信息;故其提供的信號可能不夠精確。因此本文主要解決的問題有二:一、考察利用壓力墊系統與測力臺的測量結果進行COP分析的估計精度;二、優化壓力墊壓敏陣列單元的位置和數量。

圖1 綜合測力臺的系統框圖

1 實驗系統構成

綜合測力臺構成如圖1所示,可以同步采集集總力和分布力數據,主要包括集總力測量模塊、分布力測量模塊、FPGA主控模塊、USB通信模塊和數據處理及用戶界面等5部分。集總力測量模塊包括測量Fx、Fy、Fz3個方向上的力及Mx、My、Mz3個方向的力矩的六維測力臺;6路信號放大及具有6路同步模數轉換能力的芯片AD7656。分布力測量模塊包括空間分辨率為4 cell/cm2,單足計36行39列的壓敏陣列,零電勢放大電路及快閃式模數轉換芯片AD9012[12]。FPGA主控程序分成3個模塊,集總力測量控制模塊對集總力6個通道的信號進行同步數據采集;分布力測量控制模塊對36×39的壓敏陣列進行行列掃描,逐一選通各個壓敏單元;控制快閃式A/DC,讀入壓力分布數據;數據幀拼裝模塊用于將集總力數據和分布力數據組成一個數據幀。FPGA的并行執行能力[13],保證了集總力和分布力測量的同步性。USB模塊實現USB2.0數據傳輸。上位機程序接收測量數據、進行相關處理,并提供人機交互界面。

本系統的數據采集速率主要取決于壓力分布測量模塊的相關指標。壓力分布測量模塊選用的快閃式模數轉換芯片AD9012,其轉換速率高達100 Msample/s,一次轉換的譯碼時間及0.01 μs,而主控芯片FPGA的主頻為20 MHz,按啟動一次轉換并完成數據存儲需5個機器周期計,一幀壓力分布數據采集的時間不超過0.5 ms,滿足人體步態分析和平衡功能評估的要求。

由集總力測量數據求取壓力中心坐標的計算式為[14]:

COP_X1=My/Fz
COP_Y1=MX/Fz

其中COP_X1是COP的X坐標;COP_Y1是COP的Y坐標;Mx和My是X和Y方向上的力矩,Fz是Z方向的地力。

由足底壓力分布數據求取壓力中心坐標的計算式為[15]:

COP_X2=∑(pressure(xi,yi)*xi)/pressure(xi,yi)

COP_Y2=∑(pressure(xi,yi)*yi)/pressure(xi,yi)

其中COP_X2和COP_Y2是COP的X和Y方向的坐標;pressure(xi,yi)是坐標為(xi,yi)的壓敏單元上測得的分布力的大小;(xi,yi)是壓敏單元的X和Y方向的坐標。

2 實驗結果與分析

2.1 壓力墊與測力臺系統COP估計一致性評估

共有18名被試者(12名男性,6名女性;年齡(24.8±3)歲;體重(59±11.8)kg)參與此次實驗。每個被試者分別完成6組實驗,每組實驗的持續時間為30 s:雙足站立、前傾、后仰、左右搖晃、左腳單獨站立和右腳單獨站立。然后選擇鞋碼一樣的被試者完成步態檢測實驗。步態檢測實驗要求被試者在行走的過程中,左腳有一步完全踏在綜合測力臺上,使得壓力墊和測力臺都能夠完整的記錄下這一動作的足底壓力數據。

表1中列舉了分別利用測力臺和壓力墊數據計算的壓力中心位移的t檢驗結果和線性相關系數。利用測力臺和壓力墊分別得到的壓力中心在A/P(Anterior/Posterior)方向和M/L(Medio/Lateral)方向的位移在檢驗水平0.05的條件下,均無明顯的差異,并且相關性很高。這就說明壓力墊的測量結果和測力臺的測量結果有很好的一致性,在某些場合,可以用壓力墊代替測力臺進行人體足底壓力中心的測量。

表1 足底壓力中心動搖軌跡的t檢驗結果和相關系數

注:N代表無差異。

2.2 足底壓力敏感單元配置優化設計

實際應用盡可能少的壓力敏感單元獲得盡可能準確的COP估計以簡化系統。本研究利用位于不同足底分區的壓敏陣列單元的壓力值總和模擬一個壓敏單元,以此分析不同數量、不同位置的壓敏單元配置對COP測量結果的影響。

如果在足底放置兩個壓敏傳感器,則在跖骨和足跟部分各放置一個;如果放置3個壓敏傳感器,則在腳趾、跖骨和足跟各放置一個;4個壓敏傳感器則分別放置在第1腳趾、第2～5腳趾、跖骨和足跟;5個壓敏傳感器分別放置在第1腳趾、第2～5腳趾、跖骨、足跟內側和足跟外側;8個壓敏傳感器分別放置在第1腳趾、第2～5腳趾、第1跖骨、第2～4跖骨、第5跖骨、足弓、足跟內側和足跟外側;10個壓敏傳感器分別放置在第1腳趾、第2～5腳趾、第1跖骨、第2～4跖骨、第5跖骨、足跟內側上半部、足跟內側下半部和足跟外側上半部、足跟外側下半部(A/P方向)或者10個壓敏傳感器分別放置在第1腳趾、第2～5腳趾、第1跖骨、第2～4跖骨、第5跖骨、足跟內側左半部、足跟內側右半部和足跟外側左半部、足跟外側右半部(M/L方向)。相關足底分區的示意如圖2所示。表2和表3分別列出了足底壓力中心在A/P和M/L方向上,利用線性擬合方法得到COP估計值的標準差。

圖2 足底生理分區示意圖

表2 COP在A/P方向上擬合結果

表3 COP在M/L方向上的擬合結果

由表2可以看出隨著敏感單元個數的增加,COP在A/P方向上的標準差的變化趨勢是逐漸減小的;但是敏感單元從8個增加到10個,得到的擬合方程的標準差基本不變。雖然在A/P方向上,當敏感單元從兩個增加到3個,得到的COP標準差是增加的,但是其標準差仍然大于利用8個壓敏單元得到的線性擬合方程的標準差。而在表3中,隨著敏感單元個數的增加,COP在M/L方向上的標準差的變化趨勢是逐漸減小的。當放置8個敏感單元時,利用其分別放置在第1腳趾、第2～5腳趾、第1跖骨、第2～4跖骨、第5跖骨、足弓、足跟的敏感單元的數據得到的擬合方程,基本可以得到準確的在A/P和M/L方向上的COP坐標。

3 結論

利用測力臺數據和壓力墊數據計算出的壓力中心的動搖軌跡和包絡面積具有較高的一致性和相關性;壓力墊數據可以很好的反映出壓力中心的動搖。與此同時,本文還建立了關于壓力中心動搖軌跡的模型,分別是A/P方向和M/L方向。經實驗驗證,在足底放置8個壓敏單元能夠較為準確反映壓力中心的動搖軌跡,基于此的穿戴式測量能夠不受環境的限制;為計算足底壓力中心的動搖軌跡提供了一種新的方法。

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王典(1986-),女,博士研究生,研究方向為壓力傳感器技術、壓力分布技術,wangdian215@sjtu.edu.cn;

蔡萍(1963-),女,博士,上海交通大學教授。主要研究方向為力覺信息檢測技術,動態檢測技術,pcai@sjtu.edu.cn。

StudyontheEvaluationofCOPviaPressureInsoleSystem*

WANGDian,MAOZhiyong,SHAChangyuan,CAIPing*

(Dynamic Measurement Group,School of Electronic Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

To investigate the possibility of substituting force platform with pressure insole system in the analysis of COP and establishing a wearable static equilibrium or stepping intention analysis system,this study makes a thorough comparison between COP parameters obtained with the pressure insole system and the force platform respectively. The experiment set is a dedicatedly developed integrated measurement system which includes two measurement channels:pressure insole channel and force platform channel. The data of two channels are synchronously sampled that ensures the comparability of the two channels. Eighteen subjects are recruited for the data collection and the inspecting postures include bipedal upright stance,leaning,medio-lateral swing and standing on one leg. The results of both channels were compared via student test and correlation analysis. It is demonstrated that the results obtained with pressure insole system agree well with the result got with the force platform and COP could be estimated accurately via the eight pressure cells placed under the foot.

center of pressure;gait;static balance;linear regression

項目來源:國家科技支撐計劃重點項目(2009BAI71B06);國家自然科學基金重大項目(61190124)

2014-08-22修改日期:2014-10-23

TP212.9

:A

:1004-1699(2014)12-1596-05

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.12.002