李浩林，王震，陳樹康，陳文銳，李政樂，楊沛聰

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528231）

引言

步態(tài)分析是對(duì)人類運(yùn)動(dòng)特征的研究，是對(duì)人體行走時(shí)的一些時(shí)間特征、空間特征和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征進(jìn)行測(cè)量、分析與識(shí)別的一種方法[1]。通過步態(tài)分析，可以識(shí)別步態(tài)階段，確定人體步態(tài)事件的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)，并定量評(píng)估肌肉骨骼功能。因此，步態(tài)分析已被應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)、康復(fù)和健康診斷。例如，在某些類型的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中，將該方法應(yīng)用于識(shí)別運(yùn)動(dòng)員成績(jī)中的缺陷，從而提高運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)[2-3]。在骨科和康復(fù)中，步態(tài)分析用于檢測(cè)患者治愈進(jìn)展。

而目前標(biāo)準(zhǔn)的步態(tài)分析技術(shù)，如基于攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)測(cè)力板，價(jià)格昂貴，只適合于實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用而缺乏便捷性，因此本項(xiàng)目的理念是設(shè)計(jì)一款便捷、低成本的步態(tài)分析智能鞋墊。

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目通過精確采集柔性壓電傳感器信號(hào)變化，對(duì)采集到的信號(hào)作進(jìn)一步的分析，從而得到步數(shù)、步頻、卡路里消耗、走路姿勢(shì)、膝蓋負(fù)荷指數(shù)等運(yùn)動(dòng)以及各種行走姿勢(shì)的數(shù)據(jù)，并以此為依據(jù)向用戶提供個(gè)性化定制的姿勢(shì)優(yōu)化方案和運(yùn)動(dòng)方案。除此之外，本項(xiàng)目通過定量步態(tài)分析尋找病理、損傷以及其他步態(tài)特征，用于臨床應(yīng)用，達(dá)到糾正不健康步態(tài)或者預(yù)防疾病的目的，同時(shí)也能用于檢測(cè)分析年輕人、老人和一些病理患者的步態(tài)，從而提高用戶的使用體驗(yàn)，改善用戶生活質(zhì)量。

2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)思路

2.1 制備壓阻式柔性壓力傳感器

壓阻式柔性壓力傳感器由傳感層和柔性交叉電極（柔性印刷電路板FPCB）組成，F(xiàn)PCB 由光刻工藝制造，購(gòu)自深圳市弘瑞恒線路板有限公司。傳感層由熱塑性聚氨酯（TPU）、炭黑（CB）、NaCl 顆粒和二甲基甲酰胺（DMF）配置而成。

具體制作實(shí)驗(yàn)步驟如下：（1）將TPU 和CB 放在干燥箱中干燥24 小時(shí)；（2）將CB 加入DMF 溶液中在超聲儀下分散30 分鐘；（3）在CB/DMF 溶液中分別加入TPU 和NaCl 顆粒，在加入NaCl 顆粒前先使將它研磨一段時(shí)間，將其顆粒尺寸降低到100μm 以下，隨后將混合溶液放在攪拌機(jī)上攪拌30 分鐘；（4）將攪拌后的泥漿轉(zhuǎn)移到以柔性交叉電極為基底的3D 模具中，隨后放入真空干燥箱中以80℃固化4 小時(shí)；（5）將組件浸入水中2 小時(shí)，為確保NaCl 顆粒完全去除，將模具取出，再將組件浸入水中12 小時(shí)，每2 小時(shí)換水一次，最后在80℃下干燥小時(shí)。

2.2 采集電路設(shè)計(jì)

采集電路基于STM32F405RGT6 芯片設(shè)計(jì)，包含電源模塊、藍(lán)牙模塊、采集模塊和核心處理模塊。電源模塊包括鋰電池充放電管理單元，將3.7V 的電源轉(zhuǎn)換成電路所需的3.3V、5V 和-5V 電源；采集模塊包括信號(hào)選通電路和信號(hào)放大電路；核心處理模塊包括單片機(jī)最小系統(tǒng)，RTC 時(shí)鐘，以及SD 卡電路。MCU 提供12 位的ADC，收集到的數(shù)據(jù)存放在SD 卡中，通過藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)。最終做成27×47mm 的四層板采集板。原理圖及PCB 圖如圖1 所示，采集電路實(shí)現(xiàn)框圖如圖2 所示。

2.3 上位機(jī)軟件開發(fā)

如圖3 所示，足底壓力監(jiān)測(cè)軟件選用Python 語(yǔ)言基于PyQt5 界面庫(kù)設(shè)計(jì)，PyQt5 提供Designer 圖形開發(fā)工具，配合Visual Studio Code 軟件編寫“信號(hào)與槽”邏輯代碼。上位機(jī)軟件最基本要能夠?qū)崿F(xiàn)與下位機(jī)連接通訊。此監(jiān)測(cè)軟件能夠兼容藍(lán)牙連接和WIFI兩種模式連接，在WIFI模式下，使用TCP/UDP 傳輸控制協(xié)議并通過socket 接口建立服務(wù)器，WIFI 模塊通過AT 指令連接到服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)，在藍(lán)牙模式下，使用藍(lán)牙透?jìng)鞯倪B接方式，再通過串口轉(zhuǎn)接socket 的方式連接到服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了兩種無(wú)線通訊方式的連接。軟件還應(yīng)包含對(duì)數(shù)據(jù)的預(yù)處理功能，即濾波處理，將數(shù)據(jù)以波形圖的方式顯示的功能，以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的步態(tài)分析功能。

2.4 項(xiàng)目總體實(shí)現(xiàn)框架

項(xiàng)目總體實(shí)現(xiàn)框架如圖4 所示。

3 研究設(shè)計(jì)成果

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的智能鞋墊可以通過足底的壓阻式柔性傳感器對(duì)我們?cè)谌粘＿\(yùn)動(dòng)時(shí)在足底產(chǎn)生壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)地采集，經(jīng)過采集電路將采集到的信號(hào)發(fā)送到上位機(jī)中，從而進(jìn)行步態(tài)分析，可以清楚直觀了解到我們的步數(shù)、步頻以及走路的姿勢(shì)，再結(jié)合系統(tǒng)的算法進(jìn)行分析，則可以觀測(cè)到我們的各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)以及生理數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

如今，智能可穿戴設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，智能鞋墊市場(chǎng)尚處在初級(jí)階段，對(duì)于智能鞋墊的研究可以彌補(bǔ)市場(chǎng)的需求空白，于未來智能鞋墊將會(huì)擁有巨大的消費(fèi)市場(chǎng)。而該款智能鞋墊實(shí)現(xiàn)了便捷、實(shí)時(shí)、高效率的步態(tài)分析功能，可以監(jiān)測(cè)到人們各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)，在運(yùn)動(dòng)、醫(yī)學(xué)的康復(fù)診斷等方面都有一定的實(shí)用價(jià)值，對(duì)可穿戴智能設(shè)備的發(fā)展具有較大影響，具有良好的市場(chǎng)前景。