基于Android的便携式步态分析软件实现

作     者：关显铄 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王哲龙

授予年度：2021年

学科分类：1002[医学-临床医学] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 1010[医学-医学技术（可授医学、理学学位）] 0835[工学-软件工程] 0802[工学-机械工程] 100215[医学-康复医学与理疗学] 081202[工学-计算机软件与理论] 10[医学] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：惯性传感器 步态分析 下肢运动学 Android开发 

摘      要：步态分析是一项在很多领域内都得到广泛应用的技术,其工作往往依赖于大型设备,因此大多是在医院等特定的场所里进行的,这在一定程度上影响了这些设备的实用性。为了让有需求者在日常生活中可以随时对步态进行分析而不受场所的限制,本文针对这种情况设计了一种基于人体工程学和生物力学的便携式步态分析系统。它使用六轴惯性传感器采集足部以及膝关节上下位置的加速度和角速度,并通过蓝牙设备将其发送给手机,利用本文中所设计的步态分析算法对受测试者行走时的步态特征以及膝关节的角度变化进行计算。与较大型的步态分析设备相比,这种便携式步态分析设备具有可穿戴性,可以让用户在进行步态分析工作时不再受到场所的限制。同时,便携式步态分析系统有助于实现对用户的在线步态监测,可以帮助康复患者看到自己的康复效果,形成正面的心理暗示。主要研究内容如下:（1）设计了一种对人体的步态参数进行计算的方法。本系统对步态参数的计算主要是基于惯性传感器测量得到的加速度和角速度数据。在时间参数方面,通过寻找角速度曲线当中的步态关键点的方式来判断一个步态周期的起始与结束,以及支撑相和摆动相的时间。在步态参数测量方面,利用加速度和角速度进行数据融合来计算出测试者行走过程中的欧拉角变化,并借助欧拉角求得三个不同方向上的加速度,以积分的方式算出受测试者的步长等步态信息,并借助零速更新法来消除行走过程出现的速度偏移。本系统利用大腿和小腿上的两个传感器所测量得到的加速度信息,计算求出了行走过程中受测试者的膝关节角度变化。经实验表明,本软件计算步态参数的结果具有较高的精度。（2）设计并实现了一款用于步态分析的手机软件。本手机软件基于Android操作系统,利用本文中所设计的人体步态数据分析方法来对受测试者的步态进行分析。手机软件包含了登录注册模块、蓝牙连接模块、动画显示模块、数据显示模块、数据记录模块和信息管理模块,为用户提供了登录和注册的功能,利用蓝牙设备采集惯性传感器的原始数据,并对用户的步长、步态周期、支撑相占比和膝关节角度等步态参数进行计算。计算后的数据将被存放在Bmob云当中。总体而言,本软件系统能够在保证轻便易携带和精度的情况下完成步态参数的测量工作。与其他的可穿戴式步态分析系统相比,它不仅可以测量行走过程中的时间与空间参数,还能够实时地测量受测试者的膝关节角度,并对其进行显示。