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： 設計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活動軌跡的區(qū)域和邊界; 最后， 采集當前時刻的CoP， 通過對當前時刻CoP與人體最大

穩(wěn)定CoP的軌跡區(qū)域及邊界范圍進行對比， 實現(xiàn)對人體行走過程的穩(wěn)定狀態(tài)判定. 結果表明， 設計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)， 實驗

驗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.

關鍵詞： 運動穩(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： O59" 文獻標志碼： A" 文章編號： 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， 從事機器人導航和路徑規(guī)劃的研究， E-mail： duql@jlu.edu.cn.

基金項目： 吉林省科技發(fā)展計劃項目（批準號： 20240302038）.

雙足直立行走是人類最基礎的運動形式， 人體通過復雜的全身協(xié)調控制實現(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］， 人體運動過程中的協(xié)調控制均體現(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

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

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

1］， 通過采集人體在站立和運動時的足底壓力數(shù)據(jù)， 研究CoP的位置變化可分析人體穩(wěn)態(tài)調節(jié)能力及判定人體運動穩(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［12-14］對人的某些靜態(tài)和行走時的足底壓力區(qū)域分布等足底壓力特征進行了研究， 其數(shù)據(jù)來源僅為足底幾個特定點位的壓力數(shù)據(jù)， 該研究方式使實驗結果的準確度取決于傳感

器放置位置的準確性， 傳感器數(shù)量不足將導致足底CoP等足底壓力特征的計算結果出現(xiàn)誤差." 測力板［15-16］是精確測量足底壓力的設備， 但設備價格昂貴且不適合運動測試.

本文通過增加壓力傳感器的密度和數(shù)量， 設計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， 可實現(xiàn)在一定區(qū)域內的無線足底壓力采集. 該系統(tǒng)

的傳感器配置也使CoP計算結果更準確可靠. 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. 人體通過不斷動態(tài)調節(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作的情況下， 維持身體穩(wěn)定的調節(jié)能力有一定限度， 因此CoP位置的變化也會保持在一定

區(qū)域內， 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， 對應人體需執(zhí)行額外動作才能繼續(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)域邊界內時為身體的穩(wěn)定狀態(tài)，

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

1.1" CoP的計算

CoP位置由傳感器的坐標以及當前時刻傳感器的壓力采樣值計算得到. 足底壓力采集系統(tǒng)的壓力傳感陣列的傳感器編號在坐標系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). 計算右腳CoP坐標R（x，y）的表達式為

x=∑35i=1xiPi/∑35i=1Pi，

y=∑35i=1yiPi/∑35i=1Pi，（1）

計算左腳CoP坐標L（x，y）的表達式為

x=∑70i=36xiPi/∑70i=36Pi，

y=∑70i=36yiPi/∑70i=36Pi，（2）

其中xi為傳感器橫坐標， yi為傳感器縱坐標， Pi為對應傳感器的采樣值.

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)定時對應的CoP區(qū)域為穩(wěn)定CoP區(qū)域， 區(qū)域邊界上的CoP點為人體失穩(wěn)臨界點， 與某一采樣時刻CoP距離最近的臨界點為該時刻的臨界失穩(wěn)參考點. 足底CoP位置

變化在一定程度上體現(xiàn)人體的運動幅度和趨勢， 而某一時刻CoP和該時刻的臨界失穩(wěn)參考點之間的距離則反映人體當前狀態(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)域左右兩側邊界上， 與該時刻CoP在y軸方向上高度相等或相近的x軸方向上兩個失穩(wěn)臨界點的歐氏距離為Dmax. Dr和Dmax由

D=（x-x′）2+（y-y′）2計算得到.

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

設置人體臨界失穩(wěn)狀態(tài)判定的約束條件η. 當Φ≤η， 且該時刻CoP位于穩(wěn)定CoP區(qū)域外時， 可判定人體處在臨界失穩(wěn)狀態(tài). 計算Dr時， （x，y）為當前時刻的CoP坐標、 （x′，y′）為該時刻的臨界失穩(wěn)參

考點; 計算Dmax時， （x，y）和（x′，y′）為穩(wěn)定CoP邊界上x軸方向兩個失穩(wěn)臨界點的坐標.

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）分別為各模塊的實物圖.

整個系統(tǒng)由3個模塊組成， 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， 并分別在對應的相同位置裝配了35個FSR傳感器. 主控制模

塊和子控制模塊均由單片機最小系統(tǒng)板和相應的擴展接口電路組成. 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）外設對輸入模擬量進行模數(shù)轉換， 完成一次全陣列掃描及轉換后將數(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個子控制模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)

進行完整性校驗， 再將數(shù)據(jù)發(fā)送給計算機進行保存和處理.

3" 實驗測試

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所示的實驗姿態(tài)和姿態(tài)參數(shù)， 分別進行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)實驗. 圖3（A）為A，B，C，D 4種實驗姿態(tài)及其對應的瞬時CoP位置（紅點位置）. 實驗方法： 對A和B兩種狀態(tài)進行前、 后、 左、 右和左前、 右前、 左后、 右后8個方向的身體傾斜

動作， 并在身體達到最大傾斜角度時停止傾斜動作. 在身體自行恢復到穩(wěn)定狀態(tài)后， 再進行下一次傾斜動作. 對C和D兩種狀態(tài)采用控制變量法進行實驗， 首先對圖3（B）所示的邁步長度

L和邁步寬度W進行設置， 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動作， 旋轉1周為1次實驗. L和W的設置方法為： L的取值范圍為0到實驗

對象正常行走的平均步長， W的取值范圍為0到實驗對象的肩寬， 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W達到或超過實驗對象肩寬后即視為完

成本次實驗， 隨后L增加1次， W重新從0遞增， 當W和L均達到或超過對應的最大值并完成該次實驗后， 進行下一種實驗狀態(tài)的實驗. 對E實驗姿態(tài)， 每次實驗進行距離為6 m的直線穩(wěn)定

行走. 所有實驗過程中若出現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)， 提取該次實驗的失穩(wěn)狀態(tài)數(shù)據(jù)并單獨保存.

3.2" 實驗對象

5名實驗對象均為身體健康、 無運動障礙的男性志愿者. 5名實驗對象分別進行上述的實驗過程， 實驗對象的基本信息列于表1.

3.3" 數(shù)據(jù)處理

將每名實驗對象在A，B，C，D 4種實驗姿態(tài)下未發(fā)生失穩(wěn)狀態(tài)的實驗數(shù)據(jù)合成為一個單獨的數(shù)據(jù)文件， 導入到MATLAB后進行每一數(shù)據(jù)幀的CoP計算， 并將所有CoP點在坐標系以散點圖的形

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設置區(qū)域范圍代替邊界外不連續(xù)CoP點， 得到如圖4所示的5名

實驗對象的CoP軌跡區(qū)域， 其中灰色外輪廓框為Φ設置為一定值時的區(qū)域范圍， 紅色區(qū)域為穩(wěn)定CoP區(qū)域.

3.4" 穩(wěn)態(tài)判定

為驗證基于足底CoP的人體穩(wěn)定判定方法正確， 分別將5名實驗對象的失穩(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與實驗對象自身的CoP軌跡區(qū)域進行對比和計算.

計算結果分別列于表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)對應的CoP數(shù)量， 表2中的邊界指穩(wěn)定CoP邊界. 為驗證對穩(wěn)定區(qū)域外不連續(xù)CoP點處理方法的可行性，

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

實驗結果表明： 當臨界失穩(wěn)狀態(tài)判定的約束條件η設置為失穩(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， 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設置區(qū)域范圍

取代邊界外不連續(xù)CoP點的處理方式可行. 由表2可見， 若將實驗對象在身體已達到最大傾斜狀態(tài)時的實驗測試狀態(tài)作為臨界失穩(wěn)狀態(tài)， 并設置臨界穩(wěn)定狀態(tài)判定的約束條件η均

為6.2%時， 則5名實驗對象處于失穩(wěn)臨界狀態(tài)范圍內的CoP點的占比分別為92.82%，91.51%，96.72%，94.81%，95.66%，

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

綜上， 本文設計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， 為準確計算人體在行走中的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， 再將行走過程中當前時刻的CoP與其進行對比計算， 即可判定當前時刻的人體穩(wěn)定狀態(tài). 若足底CoP

位于最大穩(wěn)定區(qū)域的邊界內， 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). 該判定方法可應用于一些疾病早期的輔助診斷， 也可為進行運

動康復治療的患者提供步態(tài)控制參考.

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（責任編輯：" 王" 健）