摘 要

步态识别技术是生物特征领域的一个研究热点,其目的是根据人的行走特征来进行身份识别。目前对步态识别方法的研究可采用基于足底压力分布的步态数据分析。而足底压力分布数据测量则是获取步态特征的关键第一步。

人体足底压力分布测量系统主要由分布式压力传感器、同步采集系统、足底压力测量平台三个部分组成，系统可测量人体的平衡静态下的足底压力分布数据。通过压力传感测板上的分布式传感器布点设计，可构建各点压力值分布云图并传输至测量系统显示端。该系统能够测量静止站立，无外来干扰与刺激时的静态压力分布, 并对各项压力分布采集系统的影响因素进行分析。

关键词：足底压力，3D打印，光纤光栅 ，eclipse，Java

Abstract

Gait recognition technology is a research hotspot in the field of biological characteristics, whose purpose is to identify people according to their walking characteristics.At present, the research on the gait recognition method can adopt the gait data analysis based on the foot pressure distribution. The measurement of foot pressure distribution data is the first step to obtain the gait characteristics.

Human plantar pressure distribution measurement system is mainly composed of distributed pressure sensor, synchronous acquisition system, plantar pressure measurement platform of three parts, the system can measure the plantar pressure distribution data under the balance of human body static.Through the distributed sensor layout design on the pressure sensing board, the pressure distribution cloud map of each point can be constructed and transmitted to the display end of the measurement system.The system can measure the static pressure distribution when standing still without external interference and stimulation, and analyze the influencing factors of various pressure distribution acquisition systems.
Keywords: plantar pressure, 3D print, Fiber Bragg Grating Sensor, eclipse, Java

目 录

摘 要 I

Abstract II

1.1 选题背景 1

1.2 研究的目的及意义 1

1.3 国内外研究及现状 1

1.4 研究内容 2

第2章 系统需求分析与原理 3

2.1 系统需求分析 3

2.2 光纤光栅压力感知原理 3

2.2.1光纤光栅简介 3

2.2.2光纤光栅传感器的感知原理 4

2.2.3光纤光栅传感器的优势 5

2.3 数据采集传输模块原理 5

2.3.1 光纤光栅解调仪的工作原理 5

2.3.2 光纤光栅解调仪的连接方式 6

2.4 本章小结 7

第3章 硬件系统设计与实现 8

3.1 硬件系统需求分析与系统框图 8

3.2 足底压力测试模块设计与实现 8

3.2.1 足底压力测试板形态设计 8

3.2.2 足底压力测试板的尺寸设计 9

3.2.3 足底压力测试板压力测点的布点规划 9

3.2.4 足底压力测试板的3D打印制造 10

3.2.5 光纤光栅的粘贴 14

3.2.6 光纤光栅的连接 15

3.3 采集传输模块的硬件部分 18

3.4 硬件系统性能测试分析 18

3.4.1 测试方案和测试流程框图 18

3.4.2 波长-压力标定 19

3.4.3 波长-压力标定验证 27

3.5 本章小结 28

第4章 上位机软件系统设计 29

4.1 软件系统需求分析和系统框图 29

4.2 上位机软件系统通信模块设计与实现 29

4.3 上位机软件系统显示模块设计 32

4.5 本章小结 34

第5章 总结和展望 35

5.1 总结 35

5.2 展望 35

参考文献 37

附录A 39

致谢 44

第1章 绪论

• 1. 选题背景

足底压力分布测量一直是医学界，体育界，生物界以及相关学科研究的热门课题^[1-6]。人的脚底布满了与身体各部位对应的反射区，如果人的身体有什么疾病，都会在足部反映出来，因此，对足部的研究是十分重要的。而研究足部，不能忽视的就是对足底压力分布的测量。例如，穿着跟高在6.5cm以上的高跟鞋的年轻女性在行走时，相比于穿球鞋行走的年亲女性，足底第一趾指关节最大受力值是该点最大受力值的四倍；相比于穿中跟鞋和松糕鞋行走的年轻女性，是该点最大受力值的两倍^[7]。通过像这样对收集得来的数据进行比较分析，可以得出许多有意义的结论^[8-11]。

• 1. 研究的目的及意义

脚的健康在人体的整体的健康中起着重要的作用。因此，如何保持足部健康，避免脚伤，以及如何定性和定量评估足部的健康程度和机能，是国内外医学界、生物力学界、体育界及相关学科的关注点。光纤光栅传感器（Fiber Bragg Grating Sensor）是光纤传感器，简称FBGs。FBG传感器的结构简单，易于加工和生产。该传感器易于串联，方便多路复用，并具有温度补偿功能，测量结果不受温度影响。FBG传感器的稳定性和可靠性优于传统传感设备。使用高质量传感器来设计足底压力分布测量系统是自然选择。

本文利用光纤光栅传感器建立了一种新型的足底压力分布测量系统。该系统主要由三个部分组成，分布式压力传感器、同步采集系统和足底压力测量平台。利用测量得到的数据，就可以评估这个人的健康状况，是否有隐藏的疾病等等。

• 1. 国内外研究及现状

足底压力测量技术是运用压力测量设备来确定人体静止或动态过程中足底压力的参数，不同条件下的足底压力数据的分析研究为其他深入研究提供了基础研究。

足底压力测量技术大致可分为足迹模式，直接可视化技术和测力板（压力鞋，压力鞋垫）。足迹法是在煅石膏、泥、橡胶、纸等易形变物体上留痕迹，并粗略地确定上述痕迹的深度和形状所受的压力。足印法的优点在于简单易行，缺点在于只能定性测量，不能得到准确的数据，是一种准确性不高的测量技术。

直接可视化技术将光源放置在在玻璃板的两端，并在玻璃上放置弹性垫，当脚被放置在弹性垫上时，由于玻璃内光的全反射，受压的橡胶会在玻璃上产生一个清晰的足迹图像。影像越亮的位置，压力就越大。这种技术虽然是易于观察，优于脚印法，但是并没有克服脚印法只能定性观察的问题，对于足底压力的研究依旧是没有起到大的作用。

测力板是基于换能器，传感器开发的的测量模。传感器可以将压力转换为电能信号。1938年，人类发明了第一块测力板来测量猫的步态。此后，测力板迎来了大发展。目前世界上较为知名的此类产品有：瑞士的KISTLER公司生产的测力板；Pedar鞋垫式足底压力测量系统，由德国Novel公司生产；德国的ADAM测力板；德国的Zebris测力板；Teskcan公司的测力板和F-Scan系列鞋垫式足底压力测量系统；美国AMTI生物力学测力板系统以及英国的MUSGRAVE测力板系统等^[7]。

国内的测力板发展相较国外略为落后，但也已经有了一些研究成果。1986年，上海市第九人民医院开发了S9-1型微机步态测量系统；1990年，中科院开发出TK-2型三维测力系统；1997年，以王军为首的研究人员开发出动态足底压力测量系统。此后数年又有多套足底压力系统问世。

• 1. 研究内容

通过自己的研究和学习，设计出一套简易的基于光纤光栅传感器的足底压力分布测量系统，主要功能包括足底压力数据的采集，传输和显示。本文主要讲述该系统的工作原理和软硬件设计，简单介绍了该系统的工作原理，详细介绍了其硬件设计和软件设计。

根据研究的内容，将论文分为如下几章：

1. ，绪论，对研究的背景，现状及内容进行简单的介绍。
2. ，介绍整个系统的工作原理。

第三章，介绍足底压力分布测量系统的硬件设计，对测量模块进行详细描述，对传输模块进行简单描述。

第四章，介绍足底压力分布测量系统的软件设计，对显示模块进行详细描述。

第五章，总结展望：对本课题所作的成果作一个小结，对设计中的不足做补充说明。

系统需求分析与原理

2.1 系统需求分析

系统要实现的目标是在一个抽象的足底图样上显示人体足部的压力分布。考虑实际情况，可以把整个系统分成三个部分，首先是压力感知模块，受试者使用这部分进行测试，产生相应数据，其次是采集传输模块，该模块接收前方测试模块的数据并传输到后方，也就是最后一个模块，上位机显示模块，因为最终是要把压力分布显示出来，所以显示模块是不用可缺少的。

结合上述分析，可以做出如下图2.1所示的整体系统原理框图：

图2.1 整体系统原理框图

2.2 光纤光栅压力感知原理

2.2.1光纤光栅简介

光纤光栅使用了光纤中的光敏性原理。光纤中的所谓光敏性意味着当激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将随着光强的空间分布而发生变化。在纤芯内形成的空间相位光栅的本质是在核心中形成窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。大量光纤器件在生产制造中使用了这一特性，它们都具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小，很容易与光纤耦合，与其它光器件兼容，不受环境尘埃影响等一系列优异性能。

光纤光栅的种类很多，主要分两大类：其一是Bragg光栅(也称为反射或短周期光栅)，其二是透射光栅(也称为长周期光栅)。光纤光栅从结构上可分为周期性结构和非周期性结构，也可以分为滤波型光栅和色散补偿型光栅。目前大规模应用光纤光栅的主要是光纤通信领域和光纤传感器领域。

由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、尺寸小(标准裸光纤为125um)、重量轻、耐温性好(工作温度 上限可达400℃～600℃)、复用能力强、传输距离远(传感器到解调端可达几公里)、耐腐蚀、高灵敏度、无源器件、易形变等优点，早在1988年，它就成功地应用在航空航天领域中，作为一项有效的无损检测。以及在土木工程领域中(如建筑物、桥梁、水坝、管线、隧道、容器、高速公路、机场跑道等)的具体组件和结构中，确定结构的完整性和内部应变状态，建立智能结构，并进一步实现智能建设。

2.2.2光纤光栅传感器的感知原理

光纤布拉格光栅通常满足布拉格条件：

（2.1）

其中，是被反射的波长，是光纤光栅的有效折射率，为光栅周期。

当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化。以这种方式，使反射光的波长改变，测量物理量变化前后反射光的波长，就可以获得待测物理量的变化。此外，通过特定的技术，还 可实现对应力和温度的分别测量和同时测量。光在光纤光栅中发生的波长变化如下图2.2所示：

图2.2 光纤光栅示意图

当作用于光纤光栅的测量物理量(如温度、应力等)发生变化时，会引起相应的和改变，从而导致的漂移;反过来，通过检测的漂移。也可得知被测物理量的信息。温度和应力的变化所引起的漂移可表示为：

(2.2)

在该公式中，为应力系数，P_ij为光学压力系数，并且是横向变型系数(泊松比)，是热胀系数而是温度变化量。在正常情况下， (2.2)式中的因子的典型值为0.22，可以推导出常温和常应力条件下的FBG温度和应力相应条件值为：

(2.3)

(2.4)

通过拉紧光纤光栅或改变温度，可以改变光纤光栅的周期Λ和有效折射率，从而改变光纤光栅的反射波长。

2.2.3光纤光栅传感器的优势

1) 具有较大的布点容量和灵活的系统组网，多只传感器可以共用一根传输光纤。传感器采用波分复用技术，同时混合接入、同时测量多点温度、应变、应力、位移、振动等多种物理量。从而实现工程的准分布式测量。抗电磁干扰、电绝缘性能好，本质防爆，非常适用于电力测温、石化消防等项目。传感器安装现场不需要供电，不会引起雷击、短路和其他安全问题。

2) 可靠性好，传输距离远。该传感器采用光信号探测和传输，解调仪探测距离能达到30km。

3) 能够实现高速动态在线监测。解调仪数据采集频率能够达到1~1000HZ，实时采集多个传感器数据。

4) 测量精度高。以光波长表征被测量，不受光源功率波动、光纤微弯效应及耦合损耗等因素影响；精确的透射和反射特征使其更加准确的反映了物理量的变化。

5) 传感器结构简单、尺寸小，便于安装。

6) 抗腐蚀、能够在恶劣施工环境下工作，如高水压、潮湿、高温等，传感器使用寿命长。

2.3 数据采集传输模块原理

2.3.1 光纤光栅解调仪的工作原理

光纤光栅解调仪实时采集每个光纤光栅的波长值，并根据光栅波长变化的大小计算相应物理量（温度、应力等）的变化。其示意图如下图2.3所示：

图2.3 光纤光栅解调仪示意图

2.3.2 光纤光栅解调仪的连接方式

光纤光栅解调仪可以同时检测出接入在一个输入通道CH1上的光纤的多段不同波长，因此在光纤光栅的接法上可以有串联和并联两种不同的选择。

串联方式的具体连接方式如图2.4所示：

图2.4 串联方式的连接示意图

具体的光纤光栅串连实物图如下图2.5所示：

图2.5 串联连接实物

图中展示的是被热缩管包裹住的串联焊接处。

并联方式的具体连接方式如图2.5所示：

图2.5 并联方式的连接示意图

2.4 本章小结

本章主要内容为系统整体的工作原理、光纤光栅应变测量原理和数据采集传输模块原理，概括地介绍了系统整体的工作原理和数据采集传输模块原理，详细介绍了光纤光栅应变测量原理，这是整个系统中较为重要的部分。

1. 硬件系统设计与实现

3.1 硬件系统需求分析与系统框图

硬件系统的目标是实现足底压力数据的测试、采集和传输。因此硬件系统包括足底压力测试模块和数据采集传输模块的硬件部分。足底压力测试模块的作用是对人体足部进行测量，产生波长数据，其原理在第二章有详细介绍。数据采集传输模块的硬件部分的功能是对前端产生的数据进行采集和传输，并输送到数据采集传输模块的软件部分。

由此，可以做出如下图3.1所示的硬件部分的系统框图：

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