足底壓力信息分析方法、裝置及系統的制作方法
【專利摘要】一種足底壓力信息分析方法、裝置及系統，包括：獲取足底已知點壓力信息數據的已知數據集，壓力信息數據包括壓力值、壓強值和沖量值中的至少一種；根據已知數據集建立足底壓力信息數據的擴充數據集，擴充數據集包括已知數據集；根據擴充數據集分析足底壓力信息得到分析結果。從而豐富了足底壓力信息數據類型，并且對壓力信息數據進行擴充，從而，豐富了足底壓力數據分析的信息，繼而優化了分析結果，減少了分析誤差，節約了傳感器的硬件成本。
【專利說明】
足底壓力信息分析方法、裝置及系統
技術領域
[0001] 本發明涉及測量數據分析處理領域，具體涉及一種足底壓力信息分析方法、裝置 及系統。
【背景技術】
[0002] 足底壓力測量裝置分為鞋墊式和平板式。其中平板式足底壓力測量裝置使用薄膜 壓力傳感器陣列，在很小的區域內，密布成千上萬個壓力傳感器，到達精細測量足底壓力的 目的，但其成本高昂，難以大規模推廣和民用化普及。鞋墊式足底壓力測量裝置為了達到輕 便地持續使用，將壓力傳感測量裝置制作成鞋墊樣式，置于鞋中連續測量足底壓力信息。由 于鞋墊面積遠小于平板式裝置面積，傳感器數量大大減少，為控制成本，很多機構制作了壓 力傳感器數目很少的測力鞋墊，每只鞋墊的傳感器數目均少于20個。數目的極大減少，對足 底壓力分布測量的精度也降低，多點式足底壓力測試鞋墊的壓力信息計算方法也變得極為 關鍵。
[0003] 多點式足底壓力測試鞋墊的壓力信息包括足底壓力、足底壓強、足底沖量、足底壓 力中心及軌跡。其計算方法通常采用離散點分析法，其方法如下：
[0004] 分布在鞋墊上的多個壓力傳感器，相當于壓力曲面的采樣點，通常分布在足底壓 力曲線的關鍵部位。通過傳感器的數據，可以分析得到足底壓力曲面分布的大致情況。通過 計算各個單點的足底壓力信息，綜合分析出整足的足底壓力信息。
[0005] 單點的足底壓力值F，可以通過壓力與感應量之間的對應關系得到，多依賴于傳感 器的傳感原理，通過查表和公式計算方式直接得到。單點的足底壓強值P，可以通過壓強的 定義公式得到，即P = F/S，式中，F為單點的足底壓力值，S為單點傳感器的感應面積;單點的 足底沖量I，可以通過沖量的定義公式得到，即I=SF· At，式中，F為單點的足底壓力值， At為每次采樣的周期;足底壓力中心C，可以通過壓力中心的定義公式得到，即(Χχ) = (Σ 逆)/(2?)，以7) = (27?)/(2?)，式中，1，7為傳感器單點的平面坐標參數^為傳感器單點 的壓力值。
[0006] 通過單點的足底壓力信息，可以綜合分析各個區域的足底壓力信息，其中分析主 要參考區域內的足底壓力信息和認為經驗性分析，也包括由單點足底壓力信息呈現的整個 足底壓力的變化趨勢即大致分布。這樣的分析方法雖然數據量小，數據獲取簡易，但是人為 經驗對分析結果影響較大，評估結果量化率低，壓力信息數據過于單一。
【發明內容】
[0007] 本申請提供一種足底壓力信息分析方法、裝置及系統，以實現豐富對足底壓力信 息數據分析，優化分析結果。
[0008] 根據第一方面，一種實施例中提供一種足底壓力信息分析方法，包括：
[0009] 獲取足底已知點壓力信息數據的已知數據集，壓力信息數據包括壓力值、壓強值 和沖量值中的至少一種;根據已知數據集建立足底壓力信息數據的擴充數據集，擴充數據 集包括已知數據集;根據擴充數據集分析足底壓力信息得到分析結果。
[0010]根據第二方面，一種實施例中提供一種足底壓力信息分析裝置，包括：
[0011]已知數據集獲取模塊，用于獲取足底已知點壓力信息數據的已知數據集，壓力信 息數據包括壓力值、壓強值和沖量值中的至少一種;擴充數據集建立模塊，用于根據已知數 據集建立足底壓力信息數據的擴充數據集，擴充數據集包括已知數據集;壓力信息分析模 塊，用于根據擴充數據集分析足底壓力信息。
[0012] 根據第三方面，一種實施例中提供一種足底壓力信息分析系統，包括：
[0013] 數據采集裝置，用于設置在足底，采集足底壓力并轉換為用于表征壓力信息數據 的已知數據集的電信號;上述的足底壓力信息分析裝置。
[0014] 依據上述實施例的足底壓力信息分析方法、裝置及系統，由于已知數據集中包含 了壓力值、壓強值和沖量值中的至少一種，并且根據已知數據集建立足底壓力信息數據的 擴充數據集，從而豐富了足底壓力信息數據類型，并且對壓力信息數據進行擴充，從而，豐 富了足底壓力數據分析的信息，繼而優化了分析結果，減少了分析誤差，節約了傳感器的硬 件成本。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本實施例公開的一種足底壓力信息分析系統示意圖；
[0016] 圖2為本實施例中多個足底壓力傳感器布置在鞋墊的一種示意圖；
[0017] 圖3為本實施例公開一種足底壓力信息分析裝置結構示意圖；
[0018] 圖4為本實施例公開的一種足底壓力信息分析方法流程圖；
[0019]圖5為本實施例中擴充數據集在時域上的一種示例示意圖。
【具體實施方式】
[0020] 下面通過【具體實施方式】結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
[0021] 請參考圖1，為本實施例公開的一種足底壓力信息分析系統示意圖，該足底壓力信 息分析系統包括信號連接的數據采集裝置1和足底壓力信息分析裝置2,其中：
[0022]數據采集裝置1可以包括多個足底壓力傳感器，用于設置在足底，采集足底壓力并 轉換為用于表征壓力信息數據的已知數據集的電信號。請參考圖2,多個足底壓力傳感器11 基于預設規則布置在鞋墊中，用于分別采集各個布置位置的足底壓力并轉換為電信號，通 常，該電信號為模擬信號，可以通過模數轉換模塊將模擬信號轉換為電信號。在具體實施例 中，在基于預設規則將多個足底壓力傳感器11布置在鞋墊中時，多個足底壓力傳感器11按 照足底壓力分布區域變化大小布置在鞋墊中，高壓力和/或壓力變化快區域布置的足底壓 力傳感器11的密集程度大于低壓力和/或壓力變化慢區域布置的足底壓力傳感器11的密集 程度。
[0023]足底壓力信息分析裝置2用于對數據采集裝置1發送的已知數據集進行相應的處 理，而后，基于這些數據集進行足底壓力信息分析。本實施例的發明點在于基于這些數據集 進行足底壓力信息分析。在具體實施例中，數據采集裝置1和足底壓力信息分析裝置2之間 可以通過無線網絡進行數據交互，其中無線網絡可以是例如WiFi、藍牙等現有的或將來出 現的無線數據交互方式。
[0024] 請參考圖3,為本實施例公開一種足底壓力信息分析裝置結構示意，該足底壓力信 息分析裝置包括:已知數據集獲取模塊21、擴充數據集建立模塊22和壓力信息分析模塊23， 其中：已知數據集獲取模塊21用于獲取足底已知點壓力信息數據的已知數據集，壓力信息 數據包括壓力值、壓強值和沖量值中的至少一種;擴充數據集建立模塊22用于根據已知數 據集建立足底壓力信息數據的擴充數據集，擴充數據集包括已知數據集;壓力信息分析模 塊23用于根據擴充數據集分析足底壓力信息。
[0025] 在優選的實施例中，擴充數據集建立模塊22包括:插值單元，用于根據已知數據集 在已知點壓力信息數據之間進行插值，以得到插值數據集;重構單元，用于重構已知數據集 和插值數據集得到擴充數據集。
[0026]在優選的實施例中，插值單元包括:距離獲取單元，用于獲取已知數據集中已知點 兩兩之間的距離;分組單元，用于根據兩兩之間的距離對已知數據集進行分組，得到分組結 果;插值子單元，用于基于預設模型對待插值點進行插值，以得到插值數據集。
[0027] 在優選的實施例中，還包括:標識模塊，用于在擴充數據集中以可視化方式區分標 識已知數據集。
[0028] 請參考圖4,為本實施例公開的一種足底壓力信息分析方法流程圖，本實施例的整 體發明構思為:首先獲取已知點傳感器的壓力信息數據集，包括含有單點位置的壓力集、壓 強集和沖量集等信息，其次在以已知點的壓力信息為原始信息，對壓力各維度信息進行數 據插值，得到足夠數據量的點分布情況，構建各維度壓力信息曲面圖形，之后對曲面進行光 滑化處理，得到曲面圖形，最終依據原始數據和插值數據計算分析足底壓力的復合信息。 [0029]該足底壓力信息分析方法包括如下步驟：
[0030] 步驟100,已知數據集獲取。獲取足底已知點壓力信息數據的已知數據集，壓力信 息數據包括壓力值、壓強值和沖量值中的至少一種。請參考圖2,在鞋墊中基于預設規則布 置有多個足底壓力傳感器11，這些傳感器能夠采集其相應點位置的足底壓力，本實施例中， 將這些能夠采集到足底壓力位置的點稱為足底已知點，這些點的壓力信息即為已知點壓力 信息。本實施例中，所稱已知數據集包括已知點傳感器的壓力值數據組成的壓力集和單點 傳感器的位置集，依據壓強和沖量的定義可以計算得到各點的壓強值和沖量值，獲取已知 點傳感器(能夠得到位置信息）的壓力信息數據(壓力、壓強、沖量等)集。
[0031] 步驟200,擴充數據集建立。根據已知數據集建立足底壓力信息數據的擴充數據 集，擴充數據集包括已知數據集。在具體實施例中，在步驟100獲取得到足底已知點壓力信 息數據的已知數據集后，在構建的已知點的平面坐標系下，可以基于已知數據集對足底壓 力信息數據進行擴充，得到包含已知數據集的擴充數據集。
[0032] 步驟300,得到分析結果。根據擴充數據集分析足底壓力信息得到分析結果。在具 體實施例中，在對擴充數據集進行足底壓力信息分析分析結果時，該分析結果可以包括各 壓力信息的等值線圖、各區域平均壓力信息、單腳壓力信息分布比例、雙腳壓力信息分布比 例等。具體地，可以進行如下的一種或多種分析得到一種或多種分析結果：
[0033] (1)基于位置坐標確定等值線曲面。具體地，可以對每幀擴充數據集中，利用壓力 信息擴充數據集中數據，擬合壓力信息曲面，確定等值的取值集合后，計算各等值方程，并 繪制等值方程圖形，即可獲得等值線圖，例如每幀擴充數據集中的壓力等值線圖、壓強等值 線圖等。
[0034] (2)獲取預設區域的擴充數據集和數據點數，得到預設區域的區域均值。具體地， 確定均值計算的預設區域后，獲取預設區域內壓力信息擴充數據，計算壓力信息擴充數據 的平均值，即為區域均值Avg，其中Avg=(XZ(hi))/n，其中，hi為預設區域的擴充數據集中 數據點編號，Z(hi)為預設區域的擴充數據集中數據點編號的數據值，η為該預設區域中的 數據點數。
[0035] (3)分別獲取不同區域的擴充數據集，分別獲取不同區域的區域均值，根據不同的 區域均值求取不同區域之間的區域均值比。本實施例中，可以選擇不同的預設區域，而后分 別采用上述方案獲取不同區域的區域均值，即可得到不同區域之間的均值比，計算各區域 均值百分比，即可得到區域比例分布。
[0036] (4)計算壓力中心及其軌跡。獲取采樣時間范圍內每個時刻的壓力擴充數據集，擬 合各時刻的壓力擴充數據得到擬合曲線。具體地，可以預設采樣時間的范圍，獲取該采樣時 間范圍內每個采樣時刻的壓力擴充數據集，計算每個時刻所有壓力點的壓力加權坐標 (xi'，yi'），在坐標系中將壓力加權坐標按時間順序排列，并將各點數據擬合成線。其中加 權坐標 xi' = ( Sxi · Fi)/( Xxi)，yi' = ( Xyi · Fi)/( Xyi)，其中，Xi '、yi'分別為每個采 樣時刻所有壓力點的壓力加權橫坐標和縱坐標，xi、yi分別為每個采樣時刻具有非零數據 點的坐標，Fi為第i個采樣點的壓力值，i為正整數。
[0037] 在優選的實施例中，在執行步驟200時，可以進一步包括：
[0038] 根據已知數據集在已知點壓力信息數據之間進行插值，以得到插值數據集;重構 已知數據集和插值數據集得到擴充數據集，具體地，可以建立全采樣時間內的擴充數據集， 該數據集可以是壓力值集、壓強值集和沖量值集等，通常，在獲得已知點壓力信息數據集 后，在時域上可以形成連續的數據集合，通過在各采樣時刻的其他位置進行數據插值得到 全采樣時間內的擴充數據集。請參考圖5,示例了時域上的擴充數據集，在全采樣時間內，η 個采樣時刻均有已知數據集和插值數據集，例如Τ1時刻有采樣數據集al和插值數據集bl， T2時刻有采樣數據集a2和插值數據集b2，T3時刻有采樣數據集a3和插值數據集b3，Τη時刻 有采樣數據集an和插值數據集bn。
[0039]在具體實施例中，在獲取得到已知數據集后，可以獲取已知數據集中已知點兩兩 之間的距離h，根據兩兩之間的距離h對已知數據集進行分組，得到分組結果;基于預設模型 對待插值點進行插值，以得到插值數據集。本實施例中，可以根據實際需要在任意位置添加 待插值點，也可以基于預設規則對圖形進行柵格化選取預設位置中的柵格點作為插值點。 本實施例中，在得到任意兩個已知點后，可以根據該兩個已知點的坐標信息求取該兩已知 點之間的距離h，該兩個已知點與待插值點構成了一個三角形平面。而后，根據距離h進行分 組，具體地，可以將預設距離范圍內的點作為一組，通常，該預設距離范圍可以根據經驗確 定，以得到分組結果。根據該分組結果和數據集計算各組實驗變差函數，可以得到半變異函 數分布圖。繼而，利用預設模型(例如現有的球狀模型、指數模型和高斯模型等)對半變異函 數進行擬合，得到用于計算權值的半變異函數γ (h)，其中，h為兩兩之間的距離h。
[0040]在具體實施例中，選取待插值點位置之后，得到待插值點位置信息(x，y)，而后計 算各已知點的權重λ?，已知點的權重λ?可以由例如克里金方程組Κλ = D得到，其中：
[0042] 本實施例中，可以采用LU分解（lower upper decomposition，下三角矩陣上三角 矩陣分解)方法求解方程組KA = D。計算插值點估計值Z(h0)，計算式為Z(h0) = Σ |>i · Z (hi)]，其中Z(hi)為第i個采樣點（待插值點）數據，由此可以計算出各待插值點的數據，得 到插值數據集。
[0043]本實施例中，在執行步驟200之后，還可以進一步包括：
[0044]步驟400,數據標識。在擴充數據集中以可視化方式區分標識已知數據集。具體地， 利用壓力信息擴充數據集的數據，將數值數據擬合成曲面圖形，可以同時標識出已知點數 據和插值點數據。
[0045]本實施例的足底壓力信息分析方法、裝置及系統，由于已知數據集中包含了壓力 值、壓強值和沖量值中的至少一種，并且根據已知數據集建立足底壓力信息數據的擴充數 據集，從而豐富了足底壓力信息數據類型，并且對壓力信息數據進行擴充，從而，豐富了足 底壓力數據分析的信息，繼而優化了分析結果，減少了分析誤差，節約了傳感器的硬件成 本。
[0046]本實施例的計算方法為鞋墊試足底壓力測試裝置提供了一種新型的足底壓力信 息計算方式，即滿足了鞋墊式足底壓力測試裝備的低成本要求，又提供了一種可以獲取豐 富數據信息的計算方法，在本方法中采用的例如克里金插值法既提供了符合實際狀況的插 值方法，又為每個插值點提供誤差精度和無偏估計。因而，本實施例方法在滿足低成本的硬 件要求限制時，提供了盡可能多的低誤差數據，為低成本下的足底壓力測試裝置提供了更 豐富的信息。
[0047] 本實施例的分析方法優選采用了克里金插值法。常用的插值法包括反距離加權插 值法、克里金插值法、最小曲率法、自然鄰點插值法、徑向基函數法和移動平均法等，其中克 里金法是由地質學家和統計學家發明，應用于礦藏分布、氣壓分布和氣氛分布等。這種插值 法的應用場景與足底壓力環境類似，并且足底壓力使用情景滿足應用條件，且克里金法是 無偏估計、尊重原始數據的插值法，這使得克里金法在本發明使用場景中具有明顯優勢。
[0048] 本實施例的分析方法使用插值法獲得壓力信息擴充數據集，通過采樣值和估計值 的組合，獲得一個包含大量足底壓力信息數據的擴充數據集。這樣一方面為基礎數據提供 更多插值數據，使得基本信息的圖形擬合具有科學性樣本，也使得基本信息的圖形更貼近 實際數據；另一方面為計算更多足底數據提供了足夠的足底數據，使得其他間接信息的計 算有數據可依據，不僅可以計算本計算方法中提供的數據信息，還可以計算使用者其他自 定義的個性化數據信息。
[0049] 本領域技術人員可以理解，上述實施方式中各種方法的全部或部分步驟可以通過 程序來指令相關硬件完成，該程序可以存儲于一計算機可讀存儲介質中，存儲介質可以包 括：只讀存儲器、隨機存儲器、磁盤或光盤等。
[0050] 以上應用了具體個例對本發明進行闡述，只是用于幫助理解本發明，并不用以限 制本發明。對于本發明所屬技術領域的技術人員，依據本發明的思想，還可以做出若干簡單 推演、變形或替換。
【主權項】
1. 一種足底壓力信息分析方法，其特征在于，包括： 獲取足底已知點壓力信息數據的已知數據集，所述壓力信息數據包括壓力值、壓強值 和沖量值中的至少一種； 根據所述已知數據集建立足底壓力信息數據的擴充數據集，所述擴充數據集包括所述 已知數據集； 根據所述擴充數據集分析足底壓力信息得到分析結果。2. 如權利要求1所述的足底壓力信息分析方法，其特征在于，所述根據所述已知數據集 建立足底壓力信息數據的擴充數據集包括： 根據所述已知數據集在已知點壓力信息數據之間進行插值，以得到插值數據集； 重構所述已知數據集和所述插值數據集得到所述擴充數據集。3. 如權利要求2所述的足底壓力信息分析方法，其特征在于，所述根據所述已知數據集 在已知點壓力信息數據之間進行插值，包括： 獲取所述已知數據集中已知點兩兩之間的距離(h); 根據所述兩兩之間的距離(h)對所述已知數據集進行分組，得到分組結果； 基于預設模型對待插值點進行插值，以得到插值數據集。4. 如權利要求1-3任意一項所述的足底壓力信息分析方法，其特征在于，所述根據所述 擴充數據集分析足底壓力信息得到分析結果，包括以下步驟中的至少一種： 基于位置坐標確定等值線曲面； 獲取預設區域的擴充數據集和數據點數，得到預設區域的區域均值； 分別獲取不同區域的擴充數據集，分別獲取不同區域的區域均值，根據不同的區域均 值求取不同區域之間的區域均值比； 獲取采樣時間范圍內每個時刻的壓力擴充數據集，擬合各時刻的壓力擴充數據得到擬 合曲線。5. 如權利要求1-3任意一項所述的足底壓力信息分析方法，其特征在于，在所述根據所 述已知數據集建立足底壓力信息數據的擴充數據集之后，還包括： 在所述擴充數據集中以可視化方式區分標識所述已知數據集。6. -種足底壓力信息分析裝置，其特征在于，包括： 已知數據集獲取模塊，用于獲取足底已知點壓力信息數據的已知數據集，所述壓力信 息數據包括壓力值、壓強值和沖量值中的至少一種； 擴充數據集建立模塊，用于根據所述已知數據集建立足底壓力信息數據的擴充數據 集，所述擴充數據集包括所述已知數據集； 壓力信息分析模塊，用于根據所述擴充數據集分析足底壓力信息。7. 如權利要求6所述的足底壓力信息分析裝置，其特征在于，所述擴充數據集建立模塊 包括： 插值單元，用于根據所述已知數據集在已知點壓力信息數據之間進行插值，以得到插 值數據集； 重構單元，用于重構所述已知數據集和所述插值數據集得到所述擴充數據集。8. 如權利要求7所述的足底壓力信息分析裝置，其特征在于，所述插值單元包括： 距離獲取單元，用于獲取所述已知數據集中已知點兩兩之間的距離(h); 分組單元，用于根據所述兩兩之間的距離(h)對所述已知數據集進行分組，得到分組結 果； 插值子單元，用于基于預設模型對待插值點進行插值，以得到插值數據集。9. 如權利要求6-8任意一項所述的足底壓力信息分析裝置，其特征在于，還包括： 標識模塊，用于在所述擴充數據集中以可視化方式區分標識所述已知數據集。10. -種足底壓力信息分析系統，其特征在于，包括： 數據采集裝置，用于設置在足底，采集足底壓力并轉換為用于表征壓力信息數據的已 知數據集的電信號； 如權利要求6-9任意一項所述的足底壓力信息分析裝置。
【文檔編號】A61B5/22GK106096033SQ201610478994
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月27日
【發明人】李璟, 王新安, 王墨, 謝崢, 黃武龍, 何想, 吳希凱, 田玉成
【申請人】北京大學深圳研究生院