一种多目标迈步训练装置

1.本发明涉及康复训练领域，尤其是涉及一种多目标迈步训练装置。


背景技术：

2.我国正面临严峻的人口老龄化问题，至2050年，我国65岁以上老年人口将达到4亿，占中国总人口的30％。跌倒事件在老年人中的发生率相对较高，65岁以上的社区居民中有三分之一每年都会经历跌倒，而在80岁以上的社区居民中这一占比上升至50％。跌倒已成为老年人骨折、害怕跌倒和活动受限的主要原因，造成了巨大的经济和社会负担。目前已知的伤害性跌倒事件的危险因素包括了照明条件、光滑表面、障碍物等外部因素以及步态、力量、平衡等内部因素。除了保持足够的心血管健康和活动水平，改善平衡和力量已被发现在预防跌倒和跌倒风险因素方面发挥着至关重要的作用。虽然平衡训练可以有效地降低跌倒发生率，但大多数平衡训练由改变感觉输入(如睁眼或闭眼等)和支撑面(如泡沫、软垫、硬物等)的静态和动态平衡任务组成，强化在尽可能小的支撑面内控制重心的能力。由于缺乏任务特异性，削弱了减少或预防跌倒的效果。老年人在滑倒或绊倒的关键时刻需要改变支撑策略来维持平衡，通过迈步适应性增加或减少的支撑面，恢复自身平衡并防止跌倒。这种适当定时和定向的迈步可以主动适应步态以及主动避免跌倒，或对突然的外部扰动做出反应以保持平衡。
3.因此，迈步训练是一种更具有特异性的平衡训练形式，旨在执行正确、快速且方向正确的迈步，对预防跌倒至关重要。与一般训练相比，迈步训练有更强的任务特异性，能够直接塑造避免跌倒的神经心理和感觉运动技能。迈步训练可以减少实验室诱发跌倒的发生率，改善选择反应时间、静态、动态和功能性平衡表现。迈步训练分为反应性和意志性，荟萃分析显示这两种训练方法都可将跌倒率或跌倒风险降低近50％。反应性或意志性迈步训练被定义为“以直立(站立或行走)姿势训练单个或多个意志性或反应性迈步，以应对环境挑战(例如，踩在目标上、避开障碍物或应对扰动)”。意志性平衡挑战包括自我发起的、预期的平衡挑战或练习，而反应性平衡挑战包括意外的扰动，导致失去平衡或通过反应重新建立平衡：如一下轻推或一个意外的障碍物。在绊倒、滑道和侧向跌倒期间，需要快速向前、向后和侧向迈步。重复的与任务相关的练习可能会产生储存的运动程序，当储存到预期或反应下姿势威胁时，可以启动这些程序。迈步训练在直立的姿势下进行，模拟常见的跌倒环境，如踩在目标上、避开障碍物或应对扰动。
4.多目标迈步训练，是一种将迈步训练与足部运动的视觉控制相结合的干预手段。在传统的多目标迈步训练中，医生将色块纸粘在地垫上，颜色交叉排布。患者行走过程中，需要踩在同一个颜色的色块纸上，避开其他颜色的干扰色块纸。通过增加每一行干扰色块纸的数量来进阶难度，最低难度2张色块纸，1张为目标色块纸，1张为干扰色块纸。迈步训练时，患者需要进行前向、侧向和斜向的多方向迈步，提高了下肢功能适应性，从而改善在各种功能性测试中的表现。
5.中国专利申请cn110711357a公开了一种迈步训练引导系统，通过踩踏检测毯检测
患者在该踩踏检测毯上触发的踩踏信号，发送至控制器，控制器接收踩踏检测毯发送的踩踏信号，确定当前迈步训练模式，从预存的迈步训练素材库中获取与当前迈步训练模式和踩踏信号相匹配的显示指令，发送至显示装置，显示装置根据控制器发送的显示指令，显示相应的迈步训练图像，以引导患者进行迈步训练。通过图像方式引导患者进行有规律的迈步训练，从而解决了传统技术患者自主训练康复效率低下的技术问题。然而，这一系统仅适用于原地步态训练期的患者，不适合功能状态较好，跌倒风险较低的老年人，无法模拟真实的步行过程，因此该系统存在局限性。
6.综上所述，亟待设计一种多目标迈步训练装置。将迈步训练与步行训练相结合，供功能状态较好、跌倒风险较低的老年人预防跌倒使用，同时能够更好地模拟真实的步行过程。相比于传统的多目标迈步训练，节省粘贴色块纸的准备时间，提高治疗效率。自动评判迈步的准确性，反馈更为客观的训练结果。语音提示和结果播报允许功能较好的患者无监督下自行训练，减少医生工作负担，可供社区或居家使用。自动收集并储存训练数据，优化迈步训练的程序设定，最大化治疗效果。


技术实现要素：

7.针对现有技术存在的上述问题，本技术提供了一种多目标迈步训练装置与方法，解决现有迈步训练设备的存在缺点，将迈步训练与步行训练相结合，搭建一种多目标迈步训练装置，可供功能状态较好、跌倒风险较低的老年人预防跌倒使用。
8.本发明的技术方案如下：
9.一种多目标迈步训练装置，包括多目标迈步训练步行垫、压力传感模块、通信模块、led灯带控制模块、语音模块、单片机、电源供电模块、安装在桌面电脑的上位机软件；
10.所述多目标迈步训练步行垫由4个部件组成，按照从下到上的顺序依次为：硬质垫、压力传感模块、led灯带层、透明软垫；
11.所述多目标迈步训练步行垫的长度方向为行进方向；在行进方向上，根据灯光指示位置与非灯光指示位置的不同，在多目标迈步训练步行垫上划分出15条步行带，步行带的长度方向垂直于行进方向；两条步行带之间的位置为空白带；
12.所述led灯带层由若干排贴片led组成；贴片led均设置在步行带的区域内；贴片led发光时，步行带上显示色块，用于指示踩踏位置；所述led灯带控制模块在单片机的控制下，利用pwm调光技术设置led灯带层的亮度和色彩，使得色块的亮度、色彩和数量随着训练难度的变化而改变；
13.所述压力传感模块由若干排薄膜式压力传感器组成；薄膜式压力传感器均设置在步行带的区域内；若干个压力传感模块组成薄膜式压力传感器阵列，尺寸为3cm*3cm，用于测量踩踏色块形成的压力变化；
14.压力传感模块的薄膜式压力传感器感应到压力信号后，先经过ad623放大，再通过a/d转换成数字量的压力数据；
15.所述通信模块将usart与蓝牙模块hc05结合，用于单片机与上位机软件的无线通信；单片机通过通信模块将压力数据传输到上位机软件；
16.所述语音模块在单片机的控制下播报语音；所述语音包括但不限于：“训练开始”、“训练结束”、“错过几块”；
17.所述上位机软件包括数据分析模块和用户友好界面；所述数据分析模块包括以下功能：
18.(1)处理来自薄膜式压力传感器阵列的压力数据，得到目标踩准率；所述目标踩准率是指是否踩准和错过了几个方块；
19.(2)制定训练计划；所述训练计划是指训练难度和训练次数；
20.(3)储存训练数据；所述训练数据包括：训练者个人信息、训练计划、压力数据、目标踩准率；
21.所述用户友好界面通过gui平台实现，包括以下功能：
22.(1)控制迈步训练的开始与暂停；
23.(2)切换训练难度；
24.(3)显示压力数据动态曲线；所述压力数据动态曲线使用函数animatedline动态创建；
25.(4)显示训练结果(最终错过的色块、是否做交叉步)；
26.单片机接收来自上位机软件的指令，控制语音模块播报语音，并且调节色块的亮度、色彩和数量。
27.进一步的，所述多目标迈步训练步行垫的长度为10m，宽度为1m。
28.进一步的，所述步行带的长度为1m，宽度为10cm。
29.进一步的，步行带区域内的贴片led的铺设方法是：分为5排，每排38个。
30.进一步的，步行带区域内的压力传感模块的铺设方法是：分为3排，每排30个。
31.进一步的，所述语音模块为wt2003s-20ss模块；所述单片机的中央处理器为8位atmegal128。
32.进一步的，迈步规则如下：
33.(1)沿着行进方向依次踩踏步行带和空白带，即：一步踩踏在步行带上，下一步踩踏在空白带上，再下一步又踩踏在步行带上，依次更替；
34.(2)步行带上的色块一共有5种：红、蓝、黄、绿、紫；必须踩中红色的色块，同时不能踩中其他颜色的色块。
35.进一步的，所述训练难度如下：
36.(1)训练难度一：
37.每条步行带上都包含2个色块，并且不同步行带之间的色块位置是相同的；
38.2个色块的颜色不同，分别为红色和蓝色，色块的排列顺序从左到右依次更替，规则如下：将步行带最右边的色块排列到最左边，即为下一条步行带的色块排列顺序；
39.训练者必须踩中红色的色块，不能踩中蓝色的色块；
40.(2)训练难度二：
41.每条步行带上都包含3个色块，并且不同步行带之间的色块位置是相同的；
42.3个色块的颜色不同，分别为红色、蓝色和黄色，色块的排列顺序从左到右依次更替，规则如下：将步行带最右边的色块排列到最左边，即为下一条步行带的色块排列顺序；
43.训练者必须踩中红色的色块，不能踩中其他颜色的色块；
44.(3)训练难度三：
45.每条步行带上都包含4个色块，并且不同步行带之间的色块位置是相同的；
46.4个色块的颜色不同，分别为红色、蓝色、黄色和绿色，色块的排列顺序从左到右依次更替，规则如下：将步行带最右边的色块排列到最左边，即为下一条步行带的色块排列顺序；
47.训练者必须踩中红色的色块，不能踩中其他颜色的色块；
48.(4)训练难度四：
49.每条步行带上都包含5个色块，并且不同步行带之间的色块位置是相同的；
50.5个色块的颜色不同，分别为红色、蓝色、黄色、绿色和紫色，色块的排列顺序从左到右依次更替，规则如下：将步行带最右边的色块排列到最左边，即为下一条步行带的色块排列顺序；
51.训练者必须踩中红色的色块，不能踩中其他颜色的色块；
52.(5)训练难度五：
53.每条步行带上都包含5个色块，并且不同步行带之间的色块位置是相同的；
54.色块的颜色和排列顺序都是随机的；
55.训练者按照“红＞蓝＞黄＞绿＞紫”的优先级踩踏目标色块，即：若步行带上亮起的五个色块中有红色的色块，就踩踏该色块并且不踩踏其他色块；若无红色的色块但是有绿色的色块，就踩踏绿色的色块并且不踩踏其他色块，以此类推。
56.进一步的，工作流程如下：
57.s1、在上位机软件输入训练者的信息；
58.s2、上位机软件根据个人信息系统从数据库获取该训练者的历史训练记录和训练计划，从4种预先设定的训练难度中挑选出适合训练者的训练难度；
59.s3、在上位机软件点击“开始训练”按钮；
60.s4、单片机通过通信模块接收到来自上位机软件的指令，控制语音模块播报“开始训练”；led控制模块根据训练难度，设置led亮度以及色彩排列，在多目标迈步训练步行垫上显示色块；
61.s5、训练者根据迈步规则踩踏色块；
62.s6、在单片机的控制下，压力传感模块每隔2s依次对15排压力传感器进行键盘式扫描，得到压力数据；
63.s7、单片机通过通信模块将压力数据传输至上位机软件；
64.s8、上位机软件以实时曲线的形式显示接收到的压力数据；
65.s9、单片机检测是否已行进到最后一个步行带，如果是，就控制语音模块播报“训练结束”，否则重复执行步骤s6至s8；
66.s10、上位机软件计算目标踩准率，判断是否做交叉步，计算训练时间，显示结果参数并语音播报训练结果；将本次训练数据存储在数据库，准备下一次训练。
67.进一步的，步骤s9包括以下步骤：
68.s1、设定压力传感器的阈值；
69.s2、读取第1行步行带的所有压力传感器的压力数据；
70.s3、找出压力数据超过阈值的压力传感器，并统计其数量ni；
71.s4、上位机软件从数据库获取训练者的脚掌尺码；
72.s5、如果脚掌尺码大于等于40，就跳到步骤s6，否则跳到步骤s7；
73.s6、如果ni大于等于3，并且压力数据超过阈值的压力传感器全部位于训练难度指定的目标色块内，就将踩准数sum加1，否则跳到步骤s8；
74.s7、如果ni大于等于2，并且压力数据超过阈值的压力传感器全部位于训练难度指定的目标色块内，就将踩准数sum加1，否则跳到步骤s8；
75.s8、读取第2行步行带的所有压力传感器的压力数据，重复执行步骤s2至s7，直至所有步行带的压力数据都处理完毕。
76.本发明有益的技术效果在于：
77.为多目标迈步训练提供了评估迈步准确率的客观评价标准、节约前期准备时间、实时给予参与者反馈结果。对于多迈步训练参与者来说，每周两次的训练可以改善身体表现、凝视行为、减少对于跌倒的恐惧及降低跌倒频率，最终帮助提高参与者在实际复杂环境中准确踩下脚步目标的能力，并降低跌倒风险。
附图说明
78.图1是硬件模块示意图。
79.图2是软件模块示意图。
80.图3是多目标迈步训练步行垫的结构示意图。部件名称与附图编号的对应关系为：1、led灯带层(包括顶层透明软垫)；2、薄膜式压力传感器阵列；3、硬质垫。
81.图4是步行垫上色块与成年人脚掌大小对比图。
82.图5是步行垫led灯带设置迈步训练难度1的示意图。
83.图6是步行垫led灯带设置迈步训练难度2的示意图。
84.图7是工作流程图。
85.图8是判断是否踩准目标色块的流程图。
具体实施方式
86.下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
87.如图1所示，实施例的硬件包括多目标迈步训练步行垫、压力传感模块、通信模块、led灯带控制模块、语音模块、单片机、电源供电模块、安装在桌面电脑的上位机软件。
88.如图2所示，实施例的软件包括安装在单片机的程序和安装在桌面电脑的上位机软件。单片机程序的主要功能是：led控制；语音播报；压力采集与滤波；与上位机软件之间的数据收发。上位机软件的主要功能是：计算是否踩准/错过几个方块；压力值数据实时显示；串行通信；训练开始/暂停；切换难度模式。
89.如图3所示，多目标迈步训练步行垫的长度为10m，宽度为1m；由4个部件组成，按照从下到上的顺序依次为：硬质垫、压力传感模块、led灯带层、透明软垫。
90.多目标迈步训练步行垫的长度方向为行进方向。在行进方向上，根据灯光指示位置与非灯光指示位置的不同，均匀分布了15条长度为1m、宽度为10cm的步行带，步行带的长度方向垂直于行进方向。两条步行带之间的位置为空白带。
91.led灯带层由若干排贴片led组成。贴片led不是均匀分布的，而是在每个步行带的
区域内均匀分布5排，每排38个，其他区域则没有。贴片led发光时，步行带上显示色块，用于指示踩踏位置，如图4所示。
92.led灯带控制模块在单片机的控制下，利用pwm调光技术设置led灯带层的亮度和色彩，使得色块的亮度、色彩和数量随着训练难度的变化而改变。不同的色块组合代表了不同的训练难度，一共有5种训练难度。图5是训练难度比较低的色块组合，图6是训练难度比较高的色块组合。
93.压力传感模块由若干个薄膜式压力传感器组成；若干个压力传感模块组成薄膜式压力传感器阵列，尺寸为3cm*3cm，用于测量踩踏色块时形成的压力变化。薄膜式压力传感器阵列不是均匀分布的，而是在每个步行带的区域内均匀分布3排，每排30个，其他区域则没有。
94.压力传感模块的薄膜式压力传感器感应到压力信号后，先经过ad623放大，再通过a/d转换成数字量的压力数据。
95.通信模块将usart与蓝牙模块hc05结合，用于单片机与上位机软件的无线通信。单片机通过通信模块将压力数据传输到上位机软件。
96.语音模块为wt2003s-20ss模块，在单片机的控制下播报“训练开始”、“训练结束”、“错过几块”等语音。
97.上位机软件包括数据分析模块和用户友好界面。数据分析模块包括以下功能：
98.(1)处理来自薄膜式压力传感器阵列的压力数据，得到目标踩准率；所述目标踩准率是指是否踩准和错过了几个方块；
99.(2)制定训练计划；所述训练计划是指训练难度和训练次数；
100.(3)储存训练数据；所述训练数据包括：训练计划、压力数据、目标踩准率。
101.用户友好界面通过gui平台实现，包括以下功能：
102.(1)控制迈步训练的开始与暂停；
103.(2)切换训练难度；
104.(3)实时显示压力数据；压力数据动态曲线使用函数animatedline动态创建；
105.(4)显示最终错过的色块。
106.单片机的中央处理器为8位atmegal128，接收来自上位机软件的指令，控制语音模块播报语音，并且控制led灯带控制模块调节led的亮度和色彩，使得多目标迈步训练步行垫上的色块的亮度和色彩随着训练难度的变化而改变。
107.实施例的迈步规则如下：
108.(1)沿着行进方向依次踩踏步行带和空白带，即：一步踩踏在步行带上，下一步踩踏在空白带上，再下一步又踩踏在步行带上，依次更替；
109.(2)步行带上的色块一共有5种：红、蓝、黄、绿、紫；必须踩中红色的色块，同时不能踩中其他颜色的色块。
110.实施例包括5个训练难度：
111.(1)训练难度一：
112.如图5所示，每条步行带上都包含2个色块，并且不同步行带之间的色块位置是相同的；
113.2个色块的颜色不同，分别为红色和蓝色，色块的排列顺序从左到右依次更替，规
则如下：将步行带最右边的色块排列到最左边，即为下一条步行带的色块排列顺序；
114.训练者必须踩中红色的色块，不能踩中蓝色的色块。
115.(2)训练难度二：
116.如图6所示，每条步行带上都包含3个色块，并且不同步行带之间的色块位置是相同的；
117.3个色块的颜色不同，分别为红色、蓝色和黄色，色块的排列顺序从左到右依次更替，规则如下：将步行带最右边的色块排列到最左边，即为下一条步行带的色块排列顺序；
118.训练者必须踩中红色的色块，不能踩中其他颜色的色块。
119.(3)训练难度三：
120.每条步行带上都包含4个色块，并且不同步行带之间的色块位置是相同的；
121.4个色块的颜色不同，分别为红色、蓝色、黄色和绿色，色块的排列顺序从左到右依次更替，规则如下：将步行带最右边的色块排列到最左边，即为下一条步行带的色块排列顺序；
122.训练者必须踩中红色的色块，不能踩中其他颜色的色块。
123.(4)训练难度四：
124.每条步行带上都包含5个色块，并且不同步行带之间的色块位置是相同的；
125.5个色块的颜色不同，分别为红色、蓝色、黄色、绿色和紫色，色块的排列顺序从左到右依次更替，规则如下：将步行带最右边的色块排列到最左边，即为下一条步行带的色块排列顺序；
126.训练者必须踩中红色的色块，不能踩中其他颜色的色块。
127.(5)训练难度五：
128.每条步行带上都包含5个色块，并且不同步行带之间的色块位置是相同的；
129.色块的颜色和排列顺序都是随机的；
130.训练者按照“红＞蓝＞黄＞绿＞紫”的优先级踩踏目标色块，即：若步行带上亮起的五个色块中有红色的色块，就踩踏该色块并且不踩踏其他色块；若无红色的色块但是有绿色的色块，就踩踏绿色的色块并且不踩踏其他色块，以此类推。该难度增加了步行训练中的认知、反应能力训练，进一步锻炼步行能力。
131.如图7所示，实施例的工作流程如下：
132.s1、在上位机软件输入训练者的信息；
133.s2、上位机软件根据个人信息系统从数据库获取该训练者的历史训练记录和训练计划，挑选出适合训练者的训练难度；
134.s3、在上位机软件点击“开始训练”按钮；
135.s4、单片机通过通信模块接收到来自上位机软件的指令，控制语音模块播报“开始训练”；led控制模块根据训练难度，设置led亮度以及色彩排列，在多目标迈步训练步行垫上显示色块；
136.s5、训练者根据迈步规则踩踏色块；
137.s6、在单片机的控制下，压力传感模块每隔2s依次对15排压力传感器进行键盘式扫描，得到压力数据；
138.s7、单片机通过通信模块将压力数据传输至上位机软件；
139.s8、上位机软件以实时曲线的形式显示接收到的压力数据；
140.s9、单片机检测是否已行进到最后一个步行带，如果是，就控制语音模块播报“训练结束”，否则重复执行步骤s6至s8；如图8所示，检测是否已行进到最后一个步行带的步骤如下：
141.s9-1、设定压力传感器的阈值；
142.s9-2、读取第1行步行带的所有压力传感器的压力数据；
143.s9-3、找出压力数据超过阈值的压力传感器，并统计其数量ni；
144.s9-4、上位机软件从数据库获取训练者的脚掌尺码；
145.s9-5、如果脚掌尺码大于等于40，就跳到步骤s6，否则跳到步骤s7；
146.s9-6、如果ni大于等于3，并且压力传感器全部位于训练难度指定的目标色块内，就将踩准数sum加1，否则跳到步骤s8；
147.s9-7、如果ni大于等于2，并且压力传感器全部位于训练难度指定的目标色块内，就将踩准数sum加1，否则跳到步骤s8；
148.s9-8、读取第2行步行带的所有压力传感器的压力数据，重复执行步骤s2至s7，直至所有步行带的压力数据都处理完毕。
149.s10、上位机软件计算目标踩准率，判断是否做交叉步，计算训练时间，显示结果参数并语音播报训练结果；将本次训练数据存储在数据库，准备下一次训练。
150.尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。