王 典,毛志勇,沙長(zhǎng)源,蔡 萍

(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院儀器科學(xué)與技術(shù)系動(dòng)態(tài)檢測(cè)研究室,上海 200240)

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基于壓力墊系統(tǒng)的人體壓力中心估計(jì)方法研究*

王 典,毛志勇,沙長(zhǎng)源,蔡 萍*

(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院儀器科學(xué)與技術(shù)系動(dòng)態(tài)檢測(cè)研究室,上海 200240)

為研究壓力墊在靜態(tài)平衡和步態(tài)檢測(cè)兩個(gè)方面替代測(cè)力臺(tái)的可行性,深入比較了利用壓力墊和測(cè)力臺(tái)計(jì)算得到的壓力中心(COP)的異同。利用了平衡功能綜合測(cè)力臺(tái),其包括測(cè)量分布力的壓力墊系統(tǒng)和集總力測(cè)力臺(tái)系統(tǒng);這兩個(gè)系統(tǒng)同步采樣,確保測(cè)量結(jié)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(tài)完成測(cè)試。并且通過被試者的步態(tài)數(shù)據(jù)利用線性回歸的方法,建立行走中的壓力中心坐標(biāo)與壓力敏感單元的模型。通過t-檢驗(yàn)和相關(guān)系數(shù)來分析比較兩個(gè)測(cè)量系統(tǒng)得到的結(jié)果;并且驗(yàn)證所建立的線性回歸模型的準(zhǔn)確性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,兩個(gè)系統(tǒng)計(jì)算得到的COP具有較高的一致性;分析比對(duì)結(jié)果表明按足底解剖結(jié)構(gòu)放置8個(gè)壓敏單元能夠較為準(zhǔn)確反映壓力中心的動(dòng)搖軌跡。

壓力中心;步態(tài);人體靜態(tài)平衡;線性回歸

研究壓力中心COP(Center of Pressure)的動(dòng)搖情況對(duì)于進(jìn)行人體的步態(tài)分析和評(píng)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(shí)足底壓力中心(COP)的運(yùn)動(dòng)軌跡,可以評(píng)價(jià)脛骨截肢病人安放義肢后,義肢對(duì)正常足造成的影響[2]。有研究發(fā)現(xiàn),在行走過程中,COP控制著人體質(zhì)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(huì)影響他們保持動(dòng)態(tài)平衡的能力[5]。與此同時(shí),COP的動(dòng)搖軌跡也可以被用于評(píng)價(jià)視覺刺激對(duì)人體平衡能力的影響[6]。

多維測(cè)力臺(tái)通常被視為分析足底壓力中心的金標(biāo)準(zhǔn),其通過測(cè)得的6個(gè)力分量的瞬時(shí)值計(jì)算出壓力中心,由此評(píng)估人體的平衡能力[7]。但測(cè)力臺(tái)比較笨重,體積過大,只能用于固定安裝地點(diǎn)檢測(cè)。進(jìn)行步態(tài)檢測(cè)時(shí),通常需要兩個(gè)或兩個(gè)以上的測(cè)力臺(tái)才能夠完成。因此,其應(yīng)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(cè)量,越來越受到人們的重視。壓力墊包含眾多橫縱向帶狀導(dǎo)體的交叉點(diǎn);這些交叉點(diǎn)即壓敏陣列單元,當(dāng)有外力作用到這些壓敏陣列單元上時(shí),其阻值會(huì)發(fā)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(shí)別步態(tài)[10]。但是壓力墊與測(cè)力臺(tái)的測(cè)量結(jié)果是否一致,目前尚無定論。當(dāng)利用壓力墊檢測(cè)步態(tài)時(shí),如果可以選用相對(duì)較少的敏感點(diǎn),就可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),給后續(xù)的測(cè)量工作帶來便利。美國(guó)加州大學(xué)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(gè)區(qū)域的壓力傳感器的信息和肌電信息一起對(duì)負(fù)重和能量自主外骨骼機(jī)器人(BLEEX)進(jìn)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(hào)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(tǒng)與測(cè)力臺(tái)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行COP分析的估計(jì)精度;二、優(yōu)化壓力墊壓敏陣列單元的位置和數(shù)量。

圖1 綜合測(cè)力臺(tái)的系統(tǒng)框圖

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

綜合測(cè)力臺(tái)構(gòu)成如圖1所示,可以同步采集集總力和分布力數(shù)據(jù),主要包括集總力測(cè)量模塊、分布力測(cè)量模塊、FPGA主控模塊、USB通信模塊和數(shù)據(jù)處理及用戶界面等5部分。集總力測(cè)量模塊包括測(cè)量Fx、Fy、Fz3個(gè)方向上的力及Mx、My、Mz3個(gè)方向的力矩的六維測(cè)力臺(tái);6路信號(hào)放大及具有6路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換能力的芯片AD7656。分布力測(cè)量模塊包括空間分辨率為4 cell/cm2,單足計(jì)36行39列的壓敏陣列,零電勢(shì)放大電路及快閃式模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD9012[12]。FPGA主控程序分成3個(gè)模塊,集總力測(cè)量控制模塊對(duì)集總力6個(gè)通道的信號(hào)進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集;分布力測(cè)量控制模塊對(duì)36×39的壓敏陣列進(jìn)行行列掃描,逐一選通各個(gè)壓敏單元;控制快閃式A/DC,讀入壓力分布數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)幀拼裝模塊用于將集總力數(shù)據(jù)和分布力數(shù)據(jù)組成一個(gè)數(shù)據(jù)幀。FPGA的并行執(zhí)行能力[13],保證了集總力和分布力測(cè)量的同步性。USB模塊實(shí)現(xiàn)USB2.0數(shù)據(jù)傳輸。上位機(jī)程序接收測(cè)量數(shù)據(jù)、進(jìn)行相關(guān)處理,并提供人機(jī)交互界面。

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集速率主要取決于壓力分布測(cè)量模塊的相關(guān)指標(biāo)。壓力分布測(cè)量模塊選用的快閃式模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD9012,其轉(zhuǎn)換速率高達(dá)100 Msample/s,一次轉(zhuǎn)換的譯碼時(shí)間及0.01 μs,而主控芯片F(xiàn)PGA的主頻為20 MHz,按啟動(dòng)一次轉(zhuǎn)換并完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需5個(gè)機(jī)器周期計(jì),一幀壓力分布數(shù)據(jù)采集的時(shí)間不超過0.5 ms,滿足人體步態(tài)分析和平衡功能評(píng)估的要求。

由集總力測(cè)量數(shù)據(jù)求取壓力中心坐標(biāo)的計(jì)算式為[14]:

COP_X1=My/Fz
COP_Y1=MX/Fz

其中COP_X1是COP的X坐標(biāo);COP_Y1是COP的Y坐標(biāo);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(shù)據(jù)求取壓力中心坐標(biāo)的計(jì)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(biāo);pressure(xi,yi)是坐標(biāo)為(xi,yi)的壓敏單元上測(cè)得的分布力的大小;(xi,yi)是壓敏單元的X和Y方向的坐標(biāo)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 壓力墊與測(cè)力臺(tái)系統(tǒng)COP估計(jì)一致性評(píng)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(shí)驗(yàn)。每個(gè)被試者分別完成6組實(shí)驗(yàn),每組實(shí)驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間為30 s:雙足站立、前傾、后仰、左右搖晃、左腳單獨(dú)站立和右腳單獨(dú)站立。然后選擇鞋碼一樣的被試者完成步態(tài)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。步態(tài)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)要求被試者在行走的過程中,左腳有一步完全踏在綜合測(cè)力臺(tái)上,使得壓力墊和測(cè)力臺(tái)都能夠完整的記錄下這一動(dòng)作的足底壓力數(shù)據(jù)。

表1中列舉了分別利用測(cè)力臺(tái)和壓力墊數(shù)據(jù)計(jì)算的壓力中心位移的t檢驗(yàn)結(jié)果和線性相關(guān)系數(shù)。利用測(cè)力臺(tái)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(yàn)水平0.05的條件下,均無明顯的差異,并且相關(guān)性很高。這就說明壓力墊的測(cè)量結(jié)果和測(cè)力臺(tái)的測(cè)量結(jié)果有很好的一致性,在某些場(chǎng)合,可以用壓力墊代替測(cè)力臺(tái)進(jìn)行人體足底壓力中心的測(cè)量。

表1 足底壓力中心動(dòng)搖軌跡的t檢驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)系數(shù)

注:N代表無差異。

2.2 足底壓力敏感單元配置優(yōu)化設(shè)計(jì)

實(shí)際應(yīng)用盡可能少的壓力敏感單元獲得盡可能準(zhǔn)確的COP估計(jì)以簡(jiǎn)化系統(tǒng)。本研究利用位于不同足底分區(qū)的壓敏陣列單元的壓力值總和模擬一個(gè)壓敏單元,以此分析不同數(shù)量、不同位置的壓敏單元配置對(duì)COP測(cè)量結(jié)果的影響。

如果在足底放置兩個(gè)壓敏傳感器,則在跖骨和足跟部分各放置一個(gè);如果放置3個(gè)壓敏傳感器,則在腳趾、跖骨和足跟各放置一個(gè);4個(gè)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(gè)壓敏傳感器分別放置在第1腳趾、第2～5腳趾、跖骨、足跟內(nèi)側(cè)和足跟外側(cè);8個(gè)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(nèi)側(cè)和足跟外側(cè);10個(gè)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(nèi)側(cè)上半部、足跟內(nèi)側(cè)下半部和足跟外側(cè)上半部、足跟外側(cè)下半部(A/P方向)或者10個(gè)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(nèi)側(cè)左半部、足跟內(nèi)側(cè)右半部和足跟外側(cè)左半部、足跟外側(cè)右半部(M/L方向)。相關(guān)足底分區(qū)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(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)差。

圖2 足底生理分區(qū)示意圖

表2 COP在A/P方向上擬合結(jié)果

表3 COP在M/L方向上的擬合結(jié)果

由表2可以看出隨著敏感單元個(gè)數(shù)的增加,COP在A/P方向上的標(biāo)準(zhǔn)差的變化趨勢(shì)是逐漸減小的;但是敏感單元從8個(gè)增加到10個(gè),得到的擬合方程的標(biāo)準(zhǔn)差基本不變。雖然在A/P方向上,當(dāng)敏感單元從兩個(gè)增加到3個(gè),得到的COP標(biāo)準(zhǔn)差是增加的,但是其標(biāo)準(zhǔn)差仍然大于利用8個(gè)壓敏單元得到的線性擬合方程的標(biāo)準(zhǔn)差。而在表3中,隨著敏感單元個(gè)數(shù)的增加,COP在M/L方向上的標(biāo)準(zhǔn)差的變化趨勢(shì)是逐漸減小的。當(dāng)放置8個(gè)敏感單元時(shí),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(shù)據(jù)得到的擬合方程,基本可以得到準(zhǔn)確的在A/P和M/L方向上的COP坐標(biāo)。

3 結(jié)論

利用測(cè)力臺(tái)數(shù)據(jù)和壓力墊數(shù)據(jù)計(jì)算出的壓力中心的動(dòng)搖軌跡和包絡(luò)面積具有較高的一致性和相關(guān)性;壓力墊數(shù)據(jù)可以很好的反映出壓力中心的動(dòng)搖。與此同時(shí),本文還建立了關(guān)于壓力中心動(dòng)搖軌跡的模型,分別是A/P方向和M/L方向。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,在足底放置8個(gè)壓敏單元能夠較為準(zhǔn)確反映壓力中心的動(dòng)搖軌跡,基于此的穿戴式測(cè)量能夠不受環(huán)境的限制;為計(jì)算足底壓力中心的動(dòng)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?yàn)閴毫鞲衅骷夹g(shù)、壓力分布技術(shù),wangdian215@sjtu.edu.cn;

蔡萍(1963-),女,博士,上海交通大學(xué)教授。主要研究方向?yàn)榱τX信息檢測(cè)技術(shù),動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù),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(xiàng)目來源:國(guó)家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2009BAI71B06);國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)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