基于足底压力的姿态辨识分析与系统设计

作     者：鲍书行 

作者单位：南京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：申景金

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：姿态辨识 足底压力 压力比 方差分析 压力鞋垫 

摘      要：根据足底压力辨识行走、站立与坐姿,有助于制定长时间工作姿态调整策略,减少工作场合健康风险。为提高足底压力的姿态辨识能力,本文提出了基于足底两个解剖区域之间压力比的新姿态辨识指标。压力比包含了姿态的运动模式信息和运动惯性信息,受个体体重影响小,更适合姿态辨识。在此基础上,设计制作了辨识行走、站立和坐姿的足底压力姿态辨识系统,并对姿态辨识系统效果进行了实验验证。首先,为确定姿态辨识的足底压力指标,利用F-Scan足底压力测量系统采集30名参与者行走、站立和坐姿状态下的足底压力,并将足底依据其解剖结构划分成了7块区域。根据7块区域的足底压力分布,发现利用坐姿前脚掌区域足底压力为零的特点,可将其与站立、行走姿态进行区分;进一步,采用双因素重复测量方差分析,对不同辨识指标（峰值接触压力、平均接触压力和压力比）在行走、站立姿态下的差异进了分析,使用d效应量量化了差异大小,发现可通过足底两个区域的压力比实现行走与站立的有效辨识,并给出了不同姿态下辨识指标的取值范围。然后,根据不同姿态辨识指标的取值范围,设计了可用于姿态辨识的足底压力鞋垫系统。整个系统分为下位机与上位机。其中,硬件部分下位机采用STM32为控制核心,FSR-402压阻式传感器为足底压力测量元件,电压调理放大电路为数据处理模块,蓝牙为无线数据通信模块;硬件部分上位机采用计算机。软件部分,下位机程序对压力传感器的电压进行采集、模数转换和数据发送;上位机Lab VIEW程序将所接收的压力传感器电压值转换成压力值,并计算当前姿态下的辨识指标值,完成姿态辨识。最后,在质地不同的瓷砖、木板和泡沫地面上,对设计制作的足底压力姿态辨识系统的效果进行实验验证。实验结果表明,行走和站立姿态能够准确辨识,但坐姿在硬质地面上可能被识别为行走姿态。在瓷砖和木板地面上,系统的姿态误判率为3.3%,在泡沫地面上,系统可以准确辨识姿态。相比其它类似系统88%的检测准确率,本系统整体96.7%的检测准确率拥有良好的行走、站立与坐姿的辨识性能,有望应用到工作场合,帮助工作者适时改变姿态,减少健康风险。