79、可穿戴系统与摩擦计：步态与防滑测试的创新与挑战

可穿戴系统与摩擦计：步态与防滑测试的创新与挑战

在当今的生物力学和安全研究领域，可穿戴系统在步态分析以及摩擦计在防滑测试方面的应用变得越来越重要。这两项技术分别从不同角度为我们提供了关于人体运动和行走安全的关键信息。

新型可穿戴系统估算最小脚趾间隙

在步态分析中，最小脚趾间隙（MTC）的精确测量对于评估行走的安全性和效率至关重要。为了准确估算MTC时刻，研究人员采用了飞行时间（ToF）传感器和惯性测量单元（IMU）数据相结合的方法。
- 数据处理流程
1. 滤波 ：从运动捕捉和可穿戴系统收集的原始数据，使用通带频率为3 Hz、阻带频率为6 Hz的低通滤波器进行滤波。
2. 降采样 ：将运动捕捉数据降采样到50 Hz，以匹配ToF数据的采样率。
3. 同步 ：由于两个系统异步收集数据，通过计算互相关来同步运动捕捉和传感器信号。
- 步骤提取 ：基于安装在鞋跟上的IMU的方向提取步骤，最好表示为滚动角度。滚动角度使用以下公式计算：
[Roll = \tan^{-1}(\frac{a_y}{a_z})]
其中 (a_y) 和 (a_z) 分别表示y和z方向的加速度。
- MTC检测 ：通过观察滚动角度的峰值和谷值，确定步态周期摆动阶段的开始和结束。感兴趣区域从ToF图的MX1开始，到滚动信号中检测到的谷值（V）结束。在这个区域内检测到的最低ToF值被确定为该步态周期的MTC值。

通过对10名参与者的研究，计算了运动捕捉和ToF传感器距离信号之间的相关系数，平均相关系数为0.79 ± 0.07。此外，所提出的步检测算法能够正确识别100个步骤中的98个，检测到95个MTC事件。可穿戴系统测量MTC的平均绝对误差（MAE）为5.2 ± 3.4 mm。

受试者编号	相关系数（r）
Sub1	0.83
Sub2	0.88
Sub3	0.85
Sub4	0.84
Sub5	0.80
Sub6	0.77
Sub7	0.74
Sub8	0.81
Sub9	0.61
Sub10	0.81

然而，该可穿戴系统也存在一些局限性。由于运动捕捉系统的操作空间有限，参与者的行走步数受到限制。此外，仅使用一个ToF传感器无法测量其他步态参数，如最小脚跟间隙（MHC）。未来的研究建议在更大的空间中进行实验，并在不同的室内外地面表面、行走速度和坡度上测试该系统，以确定这些因素是否会影响系统的准确性。

摩擦计和测试协议对防滑值和观点的影响

在防滑测试领域，摩擦计是评估地板表面防滑性能的重要工具。然而，不同的摩擦计和测试协议可能会导致防滑值的差异，这给防滑性能的评估带来了挑战。

在一次法医调查中，两个不同的工程公司使用Brungraber Mark IIIB和BOT - 3000E两种摩擦计对公共浴室的瓷砖地板进行了防滑测试。结果发现，BOT - 3000E测量的值比Mark IIIB测量的值低58%至78%。

为了理解这种差异，研究人员进行了一项实验室研究。在研究中，使用这两种摩擦计在两种不同的地板表面（环氧地板和陶瓷瓷砖）上进行了防滑测试。测试设置了不同的污染物（蒸馏水和十二烷基硫酸钠（SLS）溶液），以评估污染物对防滑值的影响。

• 测试结果
  • 环氧地板测试 ：使用BOT - 3000E时，蒸馏水的平均防滑值为0.55（标准差0.017），SLS溶液为0.47（标准差0.030）；使用Mark IIIB时，蒸馏水的平均防滑值为0.59（标准差0.025），SLS溶液为0.40（标准差0.006）。
  • 陶瓷瓷砖测试 ：使用BOT - 3000E时，SLS溶液的平均防滑值为0.47（标准差0.017）；使用Mark IIIB时，蒸馏水的平均防滑值为0.56（标准差0.006）。

摩擦计	污染物	防滑值
BOT - 3000E	蒸馏水	0.54, 0.54, 0.57
BOT - 3000E	SLS	0.44, 0.50, 0.47
Mark IIIB	蒸馏水	0.56, 0.59, 0.61
Mark IIIB	SLS	0.40, 0.39, 0.40

从结果可以看出，两种摩擦计在相同地板表面上测量的防滑值存在差异。这主要是因为它们的工作方式和测试协议不同。Mark IIIB是一种铰接支柱机械装置，而BOT - 3000E是一种电动拖曳雪橇装置。此外，标准协议规定Mark IIIB使用蒸馏水，BOT - 3000E使用SLS溶液。

尽管存在差异，但两种摩擦计都根据各自的标准和阈值将每个地板表面表征为防滑。研究还发现，SLS溶液作为一种肥皂溶液，会导致防滑值下降，并且在不同摩擦计和污染物组合下，防滑值的变化方向存在反转，其原因尚不清楚。

综上所述，无论是可穿戴系统在步态分析中的应用，还是摩擦计在防滑测试中的使用，都为我们提供了有价值的信息，但同时也面临着一些挑战和局限性。未来的研究需要不断改进这些技术，以提高测量的准确性和可靠性，为人体运动和行走安全提供更有力的支持。

可穿戴系统与摩擦计：步态与防滑测试的创新与挑战

可穿戴系统与摩擦计的技术分析

为了更清晰地了解可穿戴系统和摩擦计的工作原理和性能差异，我们可以通过以下流程图进行分析。

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px;

    A([开始]):::startend --> B(可穿戴系统):::process
    A --> C(摩擦计):::process
    B --> D(数据收集):::process
    D --> E(数据滤波):::process
    E --> F(数据同步):::process
    F --> G(步骤提取):::process
    G --> H(计算MTC):::process
    H --> I(结果分析):::process
    C --> J(选择地板表面):::process
    J --> K(选择污染物):::process
    K --> L(进行防滑测试):::process
    L --> M(记录防滑值):::process
    M --> N(结果分析):::process
    N --> O([结束]):::startend
    I --> O

从这个流程图可以看出，可穿戴系统主要侧重于步态数据的收集和处理，以计算最小脚趾间隙（MTC）；而摩擦计则专注于地板表面防滑性能的测试。两者的流程在数据处理和应用目的上有明显的区别。

可穿戴系统的优化方向

虽然可穿戴系统在MTC测量方面取得了一定的成果，但为了进一步提高其准确性和实用性，可以从以下几个方面进行优化：
1. 增加传感器数量 ：目前仅使用一个ToF传感器可能无法全面测量步态参数。可以在鞋跟处增加一个ToF传感器，以测量最小脚跟间隙（MHC），同时可能减少对IMU的依赖，简化系统结构和数据处理。
2. 补偿角度误差 ：ToF传感器测量的是传感器到地面的垂直距离，而不是真实的脚趾 - 地面距离，这可能会引入测量误差。未来可以通过补偿脚部角度来提高测量的准确性。
3. 扩大测试环境 ：在更大的空间和不同的地面条件下进行测试，包括不同的室内外地面表面、行走速度和坡度，以验证系统在各种环境下的性能。

摩擦计的应用建议

在使用摩擦计时，为了获得更准确和可靠的防滑值，需要注意以下几点：
1. 选择合适的摩擦计 ：根据测试的目的和要求，选择适合的摩擦计。不同的摩擦计有不同的工作原理和测试协议，应根据具体情况进行选择。
2. 遵循标准协议 ：严格按照摩擦计的标准测试协议进行操作，包括选择合适的污染物、测试方法和数据处理方式。
3. 综合分析结果 ：由于不同摩擦计测量的防滑值可能存在差异，应综合考虑多个摩擦计的测试结果，并结合实际情况进行分析。

未来研究展望

可穿戴系统和摩擦计在人体运动和行走安全领域具有广阔的应用前景。未来的研究可以朝着以下方向发展：
1. 多传感器融合 ：将可穿戴系统中的多种传感器（如ToF、IMU等）与摩擦计的数据进行融合，以获得更全面和准确的人体运动和地面防滑信息。
2. 智能算法开发 ：开发智能算法，对可穿戴系统和摩擦计的数据进行实时分析和处理，以实现对人体运动和滑倒风险的实时监测和预警。
3. 个性化应用 ：根据不同人群的特点和需求，开发个性化的可穿戴系统和防滑测试方案，以提高预防滑倒事故的效果。

通过不断的研究和改进，可穿戴系统和摩擦计将在保障人体运动和行走安全方面发挥更加重要的作用。我们期待未来这些技术能够为人们的生活带来更多的便利和安全。

优化方向	具体措施
可穿戴系统	增加传感器数量、补偿角度误差、扩大测试环境
摩擦计	选择合适的摩擦计、遵循标准协议、综合分析结果

未来研究方向	具体内容
多传感器融合	将可穿戴系统和摩擦计的数据融合
智能算法开发	开发实时分析和预警算法
个性化应用	开发个性化的系统和方案