关键词: 步态分析；生物力学；步态压力测量；脚压系统

摘要：根据人体步态分析的需求，我们设计并研制了一套体积小巧，功耗低，能实时测量，测量参数丰富，结果直观，人机界面友好的足底压力分布测量系统。系统的硬件包括由压力传感器阵列制成的鞋、信号调理单元、主电路单元三大部分。系统软件具有数据采集、文件管理、信号处理、步态特征参量提取及分析等多种功能。其图形丰富，操作简便，是一套人机界面友好的专用软件。此系统与三维运动子系统和三维测力台子系统可以共同组成一套完整的、功能齐全的人体步态分析系统。

分类号：Q66; R318.01

A NEW SYSTEM FOR FOOT PRESSURE MEASUREMENT

AND GAIT ANALYSIS

Wei QihangLu WenlianFu Zuyun

（Department of E.E, Graduate School of Academia Sinica, Beijing 100039）

Lu Shibi

（PLA General Hospital, Beijing 100853）

ABSTRACT：A new system was described for foot pressure measurement and gait analysis. The system consisted mainly of a pair of specially made shoes, force sensors, data acquisition circuit, an interface and a microcomputer. The function of software included data acquisition, files management, signal processing and gait parameters abstraction, etc. The unit carried by subjects was portable and of low-power. The system was easy to use and the measurement result easy to understand. Such a system, combined with the 3D kinematics analysis subsystem and force plates, formed an advanced gait analysis system.

Keywords：Gait analysis; Biomechanics; Pressure measurement; Foot pressure▲

0引言

步行是人类最基本的运动之一，步行的姿态可分为不同的类型。人体的生理功能、病理力学甚至精神状态的各种变化都会不同程度地影响人体的步态。因此，检测人体行走时运动状态、受力状态等与生物力学有关的物理量，从而进一步分析获得人体各部位(特别是关节)的受力状态，以及机械功、代谢能量消耗等情况是非常必要的。人体步态分析系统，简称步态仪正是这种测量的技术手段和设备^［1］。它的研制在医疗、体育、康复、人类学、宇航、人机工程、工业等诸方面均有重要的科学意义及应用价值。

人体是一个非常复杂的系统，要全面地弄清此系统在步行运动过程中的生物力学问题需要多方面的手段，涉及多学科领域的知识和技术。应该强调，步态分析正是一个新兴的跨学科的研究领域，一门综合性的高科技。我们在大量调研和分析的基础上，针对步态分析研究的主要内容，研制了一套人体步态信息分析系统，它能提供步态分析所需的大部分参数。系统的构成包括三个子系统：足底压力分布测量子系统；三维运动分析子系统；和三维测力台子系统。这三个子系统可以同步测量，亦可以分别单独工作。

三个子系统同步测量，可以进行关节受力分析、代谢分析等生物力学方面的各种分析，本文主要讨论第一个子系统即足底压力分布测量子系统的研制。

关于足底压力分布测量技术的研究，国外已进行了二十多年^［2］。其中压力鞋及鞋垫最为先进，能实时测量连续的步态压力分布，其所用的传感器大致有两类—压阻晶体及压电晶体。在发表的国外文献中^［3～5］，传感器有直接贴于足底的，有贴于鞋底的，也有做成鞋垫置于鞋内的，还有做成鞋状的。所用传感器数目有1个的，2个的(分别置于足底前后部分)，也有6～16个的，主要置于足底的有关解剖区域。总之，到目前为止，压力鞋及鞋垫技术仍处于研制开发阶段。

足底压力分布测量子系统要测量的基本参数是人体站立或步行时足底与支撑面之间的压力分布状态。我们经反复实验和比较，选用了多个国产微型力传感器，将它们按足底解剖区安装在鞋子上。又从系统结构优化设计的基点出发，优选IC芯片及电路，使其能满足测量的精度及实时测量的要求，由此自行设计和研制了一套体积小巧，功耗低，引线少，适合临床步态分析使用的足底压力测量系统。

1系统的硬件结构及实现

足底压力测量子系统主要由微型压力传感器阵列，电路单元，PC计算机及其软件组成。

1.1传感器和系统机械结构：

不言而喻，足底压力分布测量系统是要测量出人体站立或步行时足底压力的分布，即足底与支撑面之间的力分布状态，从而计算出足底合力大小和位置，以及步态时间参数等其他特征参数。因此力传感器是本系统的主要组成部分之一。

(1)力传感器由于本系统主要用于步态分析的研究或临床应用，因此要求系统除满足测量量程、灵敏度、测量精度、分辨率等指标要求外，还应满足重复性好、性能稳定、系统轻便小巧、不妨碍人体步行动作，不改变足底压力的自然分布状态等要求。这样传感器的选择至关重要。一般的力传感器种类很多，如电位器式、电容式、压阻式、压电式等，其绝大多数体积太大，不适用于测量足底压力。我们经反复实验和比较，最后选用国产的微型力传感器，其内部采用高灵敏度的半导体扩散式硅压阻敏感元件，并组成惠斯登电桥的四个桥臂；在外力作用下，四臂全桥电路作差动变化，从而输出与压力成正比的电压信号。此传感器的特点是：稳定性好(零位飘移＜1%/h),体积小(20mm×7mm×8mm)，精度高(非线性度0.2～0.6%F.S)，灵敏度高(满量程输出100mv左右)，抗冲击力强，具有温度补偿等。微型力传感器的电路连接方式的示意图如图1所示。其电压输出为

K—灵敏系数，E—电源电压，—电阻变化率。

力传感器的量程是由系统的测量量程确定。系统的测量量程指标取决于体重、步行速度及传感器的安置结构。正常人以常速行走时足底受力不超过100kg，行走时足底与支撑面的最小接触面积约为2cm×1cm，此时受力最大。当传感器的敏感受力面积为0.5cm×0.5cm,且处于最大受力区域内，则传感器受力的最大值为

此为极限情况，在大多数情况下，力值分布于0～10kg之间，综合考虑后，力传感器的量程定为20kg。

本系统要求各传感器性能同一，但由于工艺问题，即使是同一批生产的传感器，其技术指标也存在个体差异，因此我们对每个传感器都进行了严格的调零和量程校准。

传感器的力与输出电压呈线性关系，我们采用拟合精度高的最小二乘法进行拟合；其拟合方程为

y=b+kx

式中y为输出量，x为输入量，b为y轴上的截距，k为直线的斜率。若实际校准测试点为n个，第i个校准数据y_i与拟合直线上相应值之差为

Δi=y_i-(b+kx_i)

根据最小二乘法原理，应使为最小。将分别对k和b求偏导，并令其等于零时，解出k和b的表达式为

代入校准数据和实验次数，即可求出k和b，从而得到相应的最小二乘法拟合的直线方程。然后再依次测出输出一输入校准值与理论拟合直线上相应值之间的最大偏差±Δmax，则传感器的非线性误差为

其中V_FS为满量程的输出电压，测试结果表明所有传感器的非线性度＜0.8%FS。

(2) 系统机械结构在人体解剖学上，人脚可划分若干个解剖区域，如图2所示。

图1传感器与放大器的联接方式

图2足底解剖区域

1：脚跟后侧

2：脚跟内侧

3：脚跟外侧

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