基于足底壓力采集系統(tǒng)和壓力中心的人體穩(wěn)態(tài)判定方法

摘要： 設(shè)計(jì)一種可穿戴的無線足底壓力采集系統(tǒng)， 并提出基于人體足底壓力中心（CoP）的人體穩(wěn)定狀態(tài)判定方法. 首先， 使用該系統(tǒng)采集人體站立和行走

時(shí)穩(wěn)定和臨界失穩(wěn)狀態(tài)下的足底壓力數(shù)據(jù); 其次， 通過足底壓力信息獲取人體穩(wěn)定行走狀態(tài)下CoP活動(dòng)軌跡的區(qū)域和邊界; 最后， 采集當(dāng)前時(shí)刻的CoP， 通過對當(dāng)前時(shí)刻CoP與人體最大

穩(wěn)定CoP的軌跡區(qū)域及邊界范圍進(jìn)行對比， 實(shí)現(xiàn)對人體行走過程的穩(wěn)定狀態(tài)判定. 結(jié)果表明， 設(shè)計(jì)的可穿戴式無線足底壓力采集系統(tǒng)具有可穿戴性， 方便測量人體足底壓力數(shù)據(jù)， 實(shí)驗(yàn)

驗(yàn)證了基于足底壓力采集系統(tǒng)和壓力中心的人體穩(wěn)態(tài)判定方法有效.

關(guān)鍵詞： 運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性； 足底壓力； 足底壓力采集系統(tǒng)； 壓力中心； 穩(wěn)態(tài)判定

中圖分類號(hào)： O59" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A" 文章編號(hào)： 1671-5489（2024）03-0728-06

Judgment Method of Human Steady State Based on Plantar Pressure Acquisition System and Center of Pressure

CUI Jianchao， DU Qiaoling

（College of Electronic Science and Engineering， Jilin University， Changchun 130012， China）

Abstract： We designed a wearable wireless plantar pressure acquisition system and proposed a method for determining the stable state of the human

body based on the center of pressure （CoP） of the human body. Firstly， the system was used to collect the plantar pressure data in the stable and critical inst

ability states when the human body was standing and walking. Secondly， the area and boundary of the movement locus of the center of pressure in the stable walki

ng state of the human body were obtained through the plantar pressure information. Finally， the CoP at the current moment was collected， and by comparing the tr

ajectory area and boundary range of the CoP at the current moment with the maximum stable CoP of the human body， the stable state judgment of the human walking

process was achieved. The results show that the designed wearable wireless plantar pressure acquisition system is wearable a

nd convenient for measuring human plantar pressure data. The experimental verification shows that the human body steady state judgment method based on plantar p

ressure acquisition system and center of pressure is effective.

Keywords： motion stability; plantar pressure; plantar pressure acquisition system; center of pressure; steady state determination

收稿日期： 2023-03-08.第一作者簡介： 崔建超（1995—）， 男， 漢族， 碩士研究生， 從事雙足機(jī)器人穩(wěn)態(tài)行走控制的研究， E-mail：

2854599006@qq.com. 通信作者簡介： 杜巧玲（1978—）， 女， 漢族， 博士， 教授， 從事機(jī)器人導(dǎo)航和路徑規(guī)劃的研究， E-mail： duql@jlu.edu.cn.

基金項(xiàng)目： 吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)： 20240302038）.

雙足直立行走是人類最基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)形式， 人體通過復(fù)雜的全身協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行走. 作為人體行走支撐的雙足， 在維持身體穩(wěn)定行走的過程中發(fā)揮著重要作用［1］. 足底壓

力是足部與其支撐表面之間的作用力［2］， 人體運(yùn)動(dòng)過程中的協(xié)調(diào)控制均體現(xiàn)在足底壓力的變化上， 因此可用多種傳感器放置方法［3-5］采集足底壓力信息， 并將這

些足底壓力信息應(yīng)用于臨床和人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的記錄和檢測［6-9］. 一些疾病導(dǎo)致的肢體運(yùn)動(dòng)障礙， 使患病群體難以像健康人群一樣持續(xù)維持身體的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)［10］， 這

種運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性差異人眼很難觀察到. 如何發(fā)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)的非穩(wěn)定狀態(tài)已引起人們廣泛關(guān)注. 人體平衡調(diào)整體現(xiàn)在人體足底壓力中心（center of pressure， CoP）的不斷移動(dòng)上［1

1］， 通過采集人體在站立和運(yùn)動(dòng)時(shí)的足底壓力數(shù)據(jù)， 研究CoP的位置變化可分析人體穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)能力及判定人體運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定狀態(tài). 因此， 本文研究基于足底CoP的人體穩(wěn)定狀態(tài)判定條件.

文獻(xiàn)［12-14］對人的某些靜態(tài)和行走時(shí)的足底壓力區(qū)域分布等足底壓力特征進(jìn)行了研究， 其數(shù)據(jù)來源僅為足底幾個(gè)特定點(diǎn)位的壓力數(shù)據(jù)， 該研究方式使實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度取決于傳感

器放置位置的準(zhǔn)確性， 傳感器數(shù)量不足將導(dǎo)致足底CoP等足底壓力特征的計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)誤差." 測力板［15-16］是精確測量足底壓力的設(shè)備， 但設(shè)備價(jià)格昂貴且不適合運(yùn)動(dòng)測試.

本文通過增加壓力傳感器的密度和數(shù)量， 設(shè)計(jì)一種可測量全足底壓力的無線可穿戴足底壓力采集系統(tǒng). 該系統(tǒng)具有無線傳輸功能， 可實(shí)現(xiàn)在一定區(qū)域內(nèi)的無線足底壓力采集. 該系統(tǒng)

的傳感器配置也使CoP計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確可靠. 基于無線可穿戴足底壓力采集系統(tǒng)， 提出一種基于足底CoP的人體穩(wěn)態(tài)判定方法. 先采集人體不同站立和邁步姿態(tài)下的足底壓力信息， 處

理后得到人體穩(wěn)定行走時(shí)的CoP軌跡區(qū)域； 再根據(jù)所得軌跡區(qū)域判定人體狀態(tài)的穩(wěn)定性， 從而實(shí)現(xiàn)對人體行走過程的穩(wěn)定狀態(tài)判定.

1" 基于CoP的穩(wěn)態(tài)判定方法

CoP是人在站立和行走狀態(tài)下， 腳下支撐面對腳反作用力的合力位置. 只要是以足部為人體支撐的狀態(tài)， CoP的位置一定保持在足部與支撐面接觸的范圍內(nèi). 人體通過不斷動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)以

維持身體的穩(wěn)定狀態(tài)， 使雙足CoP位置不斷變化. 人體在行走過程中不執(zhí)行大幅度額外肢體動(dòng)作的情況下， 維持身體穩(wěn)定的調(diào)節(jié)能力有一定限度， 因此CoP位置的變化也會(huì)保持在一定

區(qū)域內(nèi)， 該區(qū)域即為人體行走穩(wěn)定的CoP軌跡區(qū)域. 在區(qū)域邊界和邊界外的一定范圍內(nèi)， 對應(yīng)人體需執(zhí)行額外動(dòng)作才能繼續(xù)保持身體穩(wěn)定而不發(fā)生傾倒的失穩(wěn)臨界狀態(tài). 因此足底CoP

位于該區(qū)域邊界內(nèi)時(shí)為身體的穩(wěn)定狀態(tài)，

CoP位于區(qū)域邊界外一定范圍時(shí)為臨界失穩(wěn)狀態(tài)， 否則為失穩(wěn)狀態(tài).

1.1" CoP的計(jì)算

CoP位置由傳感器的坐標(biāo)以及當(dāng)前時(shí)刻傳感器的壓力采樣值計(jì)算得到. 足底壓力采集系統(tǒng)的壓力傳感陣列的傳感器編號(hào)在坐標(biāo)系xoy中的位置如圖1所示. 壓力

采集系統(tǒng)采樣足底壓力數(shù)據(jù)并以數(shù)據(jù)幀的格式傳送到處理單元. 設(shè)P（1，2，…，35）={p1，p2，…，p35}為數(shù)據(jù)幀中右足足底壓力傳感陣列的采樣數(shù)據(jù)， P（36，37，…，7

0）={p36，p37，…，p70}為數(shù)據(jù)幀中左足足底壓力傳感陣列的采樣數(shù)據(jù). 計(jì)算右腳CoP坐標(biāo)R（x，y）的表達(dá)式為

x=∑35i=1xiPi/∑35i=1Pi，

y=∑35i=1yiPi/∑35i=1Pi，（1）

計(jì)算左腳CoP坐標(biāo)L（x，y）的表達(dá)式為

x=∑70i=36xiPi/∑70i=36Pi，

y=∑70i=36yiPi/∑70i=36Pi，（2）

其中xi為傳感器橫坐標(biāo)， yi為傳感器縱坐標(biāo)， Pi為對應(yīng)傳感器的采樣值.

1.2" 臨界失穩(wěn)狀態(tài)判定的約束條件

本文定義人體保持行走穩(wěn)定時(shí)對應(yīng)的CoP區(qū)域?yàn)榉€(wěn)定CoP區(qū)域， 區(qū)域邊界上的CoP點(diǎn)為人體失穩(wěn)臨界點(diǎn)， 與某一采樣時(shí)刻CoP距離最近的臨界點(diǎn)為該時(shí)刻的臨界失穩(wěn)參考點(diǎn). 足底CoP位置

變化在一定程度上體現(xiàn)人體的運(yùn)動(dòng)幅度和趨勢， 而某一時(shí)刻CoP和該時(shí)刻的臨界失穩(wěn)參考點(diǎn)之間的距離則反映人體當(dāng)前狀態(tài)與穩(wěn)定狀態(tài)邊界的接近程度， 為量化這種接近程度， 定義它

們之間的歐氏距離為Dr， 定義穩(wěn)定CoP區(qū)域左右兩側(cè)邊界上， 與該時(shí)刻CoP在y軸方向上高度相等或相近的x軸方向上兩個(gè)失穩(wěn)臨界點(diǎn)的歐氏距離為Dmax. Dr和Dmax由

D=（x-x′）2+（y-y′）2計(jì)算得到.

由Φ=（Dr/Dmax）×100%計(jì)算Dr和Dmax的比例系數(shù)Φ.

設(shè)置人體臨界失穩(wěn)狀態(tài)判定的約束條件η. 當(dāng)Φ≤η， 且該時(shí)刻CoP位于穩(wěn)定CoP區(qū)域外時(shí)， 可判定人體處在臨界失穩(wěn)狀態(tài). 計(jì)算Dr時(shí)， （x，y）為當(dāng)前時(shí)刻的CoP坐標(biāo)、 （x′，y′）為該時(shí)刻的臨界失穩(wěn)參

考點(diǎn); 計(jì)算Dmax時(shí)， （x，y）和（x′，y′）為穩(wěn)定CoP邊界上x軸方向兩個(gè)失穩(wěn)臨界點(diǎn)的坐標(biāo).

2" 足底壓力采集系統(tǒng)

以薄膜壓敏電阻（FSR）為壓力測量單元的可穿戴式足底壓力采集系統(tǒng)如圖2所示， 其中圖2（A）為足底壓力采集系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖， 圖2（B）～（D）分別為各模塊的實(shí)物圖.

整個(gè)系統(tǒng)由3個(gè)模塊組成， 其中足底壓力采集模塊的左右雙足的壓力采集陣列相同， 均以厚度為3 mm的鞋墊形橡膠為基板， 并分別在對應(yīng)的相同位置裝配了35個(gè)FSR傳感器. 主控制模

塊和子控制模塊均由單片機(jī)最小系統(tǒng)板和相應(yīng)的擴(kuò)展接口電路組成. 子控制模塊的功能是通過控制掃描電路實(shí)現(xiàn)對單足傳感器陣列的選通， 并使用主控芯片的片上ADC（analog to digi

tal converter）外設(shè)對輸入模擬量進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換， 完成一次全陣列掃描及轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)打包通過2.4 G無線模塊發(fā)送給主控制模塊. 主控制模塊的功能是先對2個(gè)子控制模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)

進(jìn)行完整性校驗(yàn)， 再將數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行保存和處理.

3" 實(shí)驗(yàn)測試

3.1" 數(shù)據(jù)采集

為獲取足底CoP出現(xiàn)的位置軌跡， 采用如圖3所示的實(shí)驗(yàn)姿態(tài)和姿態(tài)參數(shù)， 分別進(jìn)行A-雙足站立姿態(tài)、 B-單足支撐姿態(tài)、 C-邁步后足支撐姿態(tài)和D-邁步前足支撐姿態(tài)和E-直線行走

狀態(tài)實(shí)驗(yàn). 圖3（A）為A，B，C，D 4種實(shí)驗(yàn)姿態(tài)及其對應(yīng)的瞬時(shí)CoP位置（紅點(diǎn)位置）. 實(shí)驗(yàn)方法： 對A和B兩種狀態(tài)進(jìn)行前、 后、 左、 右和左前、 右前、 左后、 右后8個(gè)方向的身體傾斜

動(dòng)作， 并在身體達(dá)到最大傾斜角度時(shí)停止傾斜動(dòng)作. 在身體自行恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)后， 再進(jìn)行下一次傾斜動(dòng)作. 對C和D兩種狀態(tài)采用控制變量法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)， 首先對圖3（B）所示的邁步長度

L和邁步寬度W進(jìn)行設(shè)置， 然后在保持雙足位置不變且身體平衡的情況下， 以身體最大外傾角度做類錐形旋轉(zhuǎn)動(dòng)作， 旋轉(zhuǎn)1周為1次實(shí)驗(yàn). L和W的設(shè)置方法為： L的取值范圍為0到實(shí)驗(yàn)

對象正常行走的平均步長， W的取值范圍為0到實(shí)驗(yàn)對象的肩寬， L和W的每次增量均為5 cm. L和W均從0開始， 并先保持L不變， W逐次增加. 當(dāng)W達(dá)到或超過實(shí)驗(yàn)對象肩寬后即視為完

成本次實(shí)驗(yàn)， 隨后L增加1次， W重新從0遞增， 當(dāng)W和L均達(dá)到或超過對應(yīng)的最大值并完成該次實(shí)驗(yàn)后， 進(jìn)行下一種實(shí)驗(yàn)狀態(tài)的實(shí)驗(yàn). 對E實(shí)驗(yàn)姿態(tài)， 每次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行距離為6 m的直線穩(wěn)定

行走. 所有實(shí)驗(yàn)過程中若出現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)， 提取該次實(shí)驗(yàn)的失穩(wěn)狀態(tài)數(shù)據(jù)并單獨(dú)保存.

3.2" 實(shí)驗(yàn)對象

5名實(shí)驗(yàn)對象均為身體健康、 無運(yùn)動(dòng)障礙的男性志愿者. 5名實(shí)驗(yàn)對象分別進(jìn)行上述的實(shí)驗(yàn)過程， 實(shí)驗(yàn)對象的基本信息列于表1.

3.3" 數(shù)據(jù)處理

將每名實(shí)驗(yàn)對象在A，B，C，D 4種實(shí)驗(yàn)姿態(tài)下未發(fā)生失穩(wěn)狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)合成為一個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)文件， 導(dǎo)入到MATLAB后進(jìn)行每一數(shù)據(jù)幀的CoP計(jì)算， 并將所有CoP點(diǎn)在坐標(biāo)系以散點(diǎn)圖的形

式繪制， 將獲得CoP軌跡區(qū)域中具有清晰邊界的部分作為穩(wěn)定CoP區(qū)域， 并以Dr和Dmax的比例系數(shù)Φ設(shè)置區(qū)域范圍代替邊界外不連續(xù)CoP點(diǎn)， 得到如圖4所示的5名

實(shí)驗(yàn)對象的CoP軌跡區(qū)域， 其中灰色外輪廓框?yàn)棣翟O(shè)置為一定值時(shí)的區(qū)域范圍， 紅色區(qū)域?yàn)榉€(wěn)定CoP區(qū)域.

3.4" 穩(wěn)態(tài)判定

為驗(yàn)證基于足底CoP的人體穩(wěn)定判定方法正確， 分別將5名實(shí)驗(yàn)對象的失穩(wěn)狀態(tài)數(shù)據(jù)、 臨界失穩(wěn)狀態(tài)數(shù)據(jù)和6 m直線穩(wěn)定行走數(shù)據(jù)的CoP與實(shí)驗(yàn)對象自身的CoP軌跡區(qū)域進(jìn)行對比和計(jì)算.

計(jì)算結(jié)果分別列于表2和表3. 表中區(qū)域均指穩(wěn)定CoP區(qū)域， CoP總數(shù)為不同狀態(tài)數(shù)據(jù)對應(yīng)的CoP數(shù)量， 表2中的邊界指穩(wěn)定CoP邊界. 為驗(yàn)證對穩(wěn)定區(qū)域外不連續(xù)CoP點(diǎn)處理方法的可行性，

在計(jì)算表2時(shí)， 將所有身體向最大角度傾斜且未發(fā)生失穩(wěn)時(shí)的實(shí)驗(yàn)測試狀態(tài)均視為臨界失穩(wěn)狀態(tài).

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： 當(dāng)臨界失穩(wěn)狀態(tài)判定的約束條件η設(shè)置為失穩(wěn)狀態(tài)的最小Φ值和臨界失穩(wěn)狀態(tài)的最大Φ值之間時(shí)， 即可區(qū)分臨界失穩(wěn)狀態(tài)和失穩(wěn)狀態(tài); 數(shù)據(jù)處理以Φ設(shè)置區(qū)域范圍

取代邊界外不連續(xù)CoP點(diǎn)的處理方式可行. 由表2可見， 若將實(shí)驗(yàn)對象在身體已達(dá)到最大傾斜狀態(tài)時(shí)的實(shí)驗(yàn)測試狀態(tài)作為臨界失穩(wěn)狀態(tài)， 并設(shè)置臨界穩(wěn)定狀態(tài)判定的約束條件η均

為6.2%時(shí)， 則5名實(shí)驗(yàn)對象處于失穩(wěn)臨界狀態(tài)范圍內(nèi)的CoP點(diǎn)的占比分別為92.82%，91.51%，96.72%，94.81%，95.66%，

因此人體臨界失穩(wěn)狀態(tài)的判定準(zhǔn)確率可達(dá)91.51%以上. 由表3可見， 穩(wěn)定行走狀態(tài)的判定準(zhǔn)確率可達(dá)99.80%以上， 失穩(wěn)狀態(tài)的判定準(zhǔn)確率可達(dá)98.46%以上.

綜上， 本文設(shè)計(jì)了可穿戴式人體足底壓力采集系統(tǒng)， 提高了足底壓力信息采集的靈活性和全面性， 為準(zhǔn)確計(jì)算人體在行走中的CoP軌跡變化提供了可靠的硬件保障. 提出了基于人體足

底CoP的人體穩(wěn)定狀態(tài)的判定方法， 先提取人體最大穩(wěn)定CoP的軌跡區(qū)域及邊界范圍， 再將行走過程中當(dāng)前時(shí)刻的CoP與其進(jìn)行對比計(jì)算， 即可判定當(dāng)前時(shí)刻的人體穩(wěn)定狀態(tài). 若足底CoP

位于最大穩(wěn)定區(qū)域的邊界內(nèi)， 則身體為穩(wěn)定狀態(tài)， CoP位于區(qū)域的邊界外一定范圍時(shí)為臨界失穩(wěn)狀態(tài)， 否則為失穩(wěn)狀態(tài). 該判定方法可應(yīng)用于一些疾病早期的輔助診斷， 也可為進(jìn)行運(yùn)

動(dòng)康復(fù)治療的患者提供步態(tài)控制參考.

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（責(zé)任編輯：" 王" ?。?/p>