基于壓電俘能器的自供電步態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

張加宏李 玲高 翔李 敏劉清惓孟 輝

(1.南京信息工程大學(xué)，江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學(xué)，電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210044)

步態(tài)作為人體固有的生理特征，是指人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中身體的姿態(tài)變化信息[1-2]。 從人體運(yùn)動(dòng)行為中獲取步態(tài)特征從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)檢測(cè)是步態(tài)識(shí)別的關(guān)鍵。 步態(tài)識(shí)別技術(shù)相對(duì)于其他生物特征識(shí)別技術(shù)具有非侵害檢查、難以隱瞞、不易混淆等特征，目前步態(tài)檢測(cè)主要依賴于帶有復(fù)雜圖像處理軟件的成像技術(shù)[3-4]和足底壓力分布檢測(cè)技術(shù)[5-6]。 前者使用攝像機(jī)采集人體步態(tài)圖像信息生成步態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，利用深度學(xué)習(xí)交叉識(shí)別方法對(duì)所有視圖進(jìn)行訓(xùn)練構(gòu)建對(duì)比網(wǎng)絡(luò)，再將后續(xù)采集的圖像信息輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理，比對(duì)出當(dāng)前人體步態(tài)信息[7-8]。 后者則利用位于足底的多路壓阻傳感器(部分含有加速度計(jì))或壓電傳感器采集不同頻率下人體的步態(tài)波形，從波形中提取相關(guān)特征參數(shù)構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，再對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，可精準(zhǔn)判斷人體姿態(tài)[9-10]。 從低成本與可穿戴的角度出發(fā)，后者具有重要的研究?jī)r(jià)值[11]。 可穿戴便攜式電子設(shè)備通常依賴于電化學(xué)電池供電，但電化學(xué)電池具有成本較高、壽命較短及處理廢舊電池帶來(lái)的環(huán)境污染等問(wèn)題[12]，因此，尋找新的能量供給方式顯得十分必要且迫切。

采集機(jī)械振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成電能為可穿戴電子設(shè)備自供電已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。 在機(jī)械能收集的研究中，已報(bào)道的能量收集器采用了壓電[12-13]、電磁[14]、摩擦[15]等多種換能原理。 例如，樊康旗等人[12]設(shè)計(jì)了安裝在鞋上的壓電俘能器，可收集人體行走時(shí)產(chǎn)生的能量。 溫濤等人[14]設(shè)計(jì)了磁懸浮式電磁-摩擦復(fù)合生物機(jī)械能量采集器，對(duì)可穿戴設(shè)備實(shí)現(xiàn)自供電。 Meier 等人[16]研發(fā)了一種為足病感測(cè)裝置供電的壓電能量收集鞋，當(dāng)人體步行或跑步時(shí)，可通過(guò)能量收集鞋獲取能量。 上述研究無(wú)疑為可穿戴自供能技術(shù)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)之上，圍繞能量收支平衡，本文系統(tǒng)研究了低成本、可穿戴的基于壓電俘能器自供電的步態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)。 在壓電俘能器設(shè)計(jì)方面，采用了陶瓷壓電片陣列與塔簧，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的壓電俘能電路與低功耗程序運(yùn)行流程。 在步態(tài)檢測(cè)研究中，根據(jù)人體動(dòng)靜狀態(tài)標(biāo)記和優(yōu)化薄膜壓電傳感器放置點(diǎn)位，并利用獲得的壓力波形對(duì)站立、步行、跑步和跌倒等步態(tài)活動(dòng)進(jìn)行識(shí)別。

1 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1 所示，基于壓電俘能器自供電的步態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)以鞋體為主要支撐，鞋體內(nèi)部被劃分為雙層結(jié)構(gòu)，分別是由壓電薄膜陣列構(gòu)成的足底壓力檢測(cè)裝置和由壓電片陣列構(gòu)成的壓電俘能器。

圖1 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

基于PZT 陶瓷壓電片陣列的壓電俘能器將人體運(yùn)動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能并通過(guò)設(shè)計(jì)的壓電俘能電路存儲(chǔ)到超級(jí)電容，再通過(guò)DC-DC 穩(wěn)壓給步態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)供電；足底壓力檢測(cè)裝置通過(guò)柔性PVDF 壓電薄膜陣列檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)足底的壓力變化情況；當(dāng)人體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，足部可以緩沖并吸收來(lái)自地面的沖擊力，產(chǎn)生向前的推力。 當(dāng)人體姿態(tài)發(fā)生變化時(shí)，足底壓力分布也會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變，壓力波形上呈現(xiàn)出明顯變化，因此可通過(guò)分析輸出波形得到人體的活動(dòng)狀態(tài)信息。 足底壓力檢測(cè)裝置還包括信號(hào)調(diào)理模塊和數(shù)據(jù)透?jìng)髂K，信號(hào)調(diào)理模塊由電荷放大器、電壓抬升器與電壓放大器組成，電荷放大器與電壓抬升器對(duì)壓電元件輸出的微弱電荷信號(hào)進(jìn)行差分放大與電壓轉(zhuǎn)換，電壓放大器進(jìn)一步調(diào)整輸出電壓幅值區(qū)間，保證數(shù)值滿足AD 轉(zhuǎn)化要求。 微處理器MCU 負(fù)責(zé)提取用于人體步態(tài)活動(dòng)判別的壓力波形，最終通過(guò)藍(lán)牙模塊將結(jié)果透?jìng)髦辽衔粰C(jī)顯示，用戶可通過(guò)上位機(jī)發(fā)出命令喚醒MCU 工作。

2 壓電俘能器設(shè)計(jì)

2.1 壓電俘能結(jié)構(gòu)

利用3D 制圖軟件Rhino 對(duì)壓電俘能器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2(a)所示，鞋墊長(zhǎng)260 mm 且最寬處9 mm，可滿足正常的實(shí)驗(yàn)要求。 結(jié)構(gòu)中主體部分為6片方形雙晶陶瓷壓電片，在趾骨、足中、足跟位置各放置兩片。 鑒于壓電陶瓷易碎韌性低的特點(diǎn)，引入擁有較強(qiáng)彈性形變能力的塔簧支撐壓電片，保證其不受損，同時(shí)對(duì)壓電片的能量輸出起到彈性放大作用。 圖2(b)和圖2(c)分別是壓電俘能器實(shí)物俯視圖和側(cè)視圖。 該結(jié)構(gòu)采用亞克力作為3D 打印材料，上下兩層定制成鞋墊形狀并通過(guò)輕質(zhì)螺栓與螺母進(jìn)行固定，再利用凹槽將雙晶陶瓷壓電片嵌入于鞋墊之中，同時(shí)采用導(dǎo)線分別從它的鍍銀層和銅片引出兩極，最終6 路壓電輸出分別經(jīng)全波整流電路整流后以并聯(lián)的方式輸入到壓電俘能電路。

圖2 壓電俘能器3D 結(jié)構(gòu)示意圖與實(shí)物圖

2.2 壓電俘能電路

壓電俘能電路是微能量收集系統(tǒng)的核心部分，本文采用有源能量收集模式，因而電路采集的能量既要主體上存入超級(jí)電容給后續(xù)步態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)供電，又要維持有源器件的正常工作。 由于雙晶陶瓷壓電片產(chǎn)生的是不穩(wěn)定的交流電，因此需要整流電路將交流輸出轉(zhuǎn)化為直流，設(shè)計(jì)中選用低功耗二極管1N4148 搭建6 路全波整流電路，如圖3 所示，6片壓電片分別接入各路整流電路并將輸出以并聯(lián)方式連接作為能量輸入端，接口J1 為俘能電路能量輸出端。 整個(gè)電路采用了逐級(jí)充電的思想，詳細(xì)的工作流程為:(1)首先整流后的電流流入小電容C1中，當(dāng)C1兩端電壓逐漸升高但未達(dá)到NMOS 管Q1的開(kāi)啟閾值電壓時(shí)，Q1處于截止?fàn)顟B(tài)，由于電阻R1的阻值很大，導(dǎo)致PMOS 管Q2柵極與源極電位相同，因此Q2也處于截止?fàn)顟B(tài)；(2)當(dāng)C1兩端電壓上升到Q1的開(kāi)啟閾值電壓后，Q2的柵極處于低電位從而也被導(dǎo)通，因此部分電流會(huì)流入大電容C2為其充電，同時(shí)流入C1的電流變小，C1兩端的電壓逐漸降低并小于閾值電壓，Q1、Q2慢慢進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，然后電流再次全部流入C1中。 在此過(guò)程中，C1為施密特觸發(fā)器U1 提供工作電壓；(3)當(dāng)C2電壓上升到施密特觸發(fā)器的開(kāi)啟閾值，即2/3VCC 時(shí)，施密特觸發(fā)器使能電壓轉(zhuǎn)換器TPS61220，大電容C2中的電荷經(jīng)轉(zhuǎn)換器輸出穩(wěn)定的電壓給超級(jí)電容充電[17]，當(dāng)C2電壓低于1/3VCC 時(shí)，轉(zhuǎn)化器關(guān)閉，C2繼續(xù)積蓄電能。 值得注意的是，轉(zhuǎn)換器的輸出端接二極管1N4148 防止超級(jí)電容中的電流倒流。

圖3 壓電俘能電路原理圖

3 步態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 足底壓力檢測(cè)點(diǎn)位選擇

足底PVDF 壓電傳感器陣列主要檢測(cè)人體靜息和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的壓力變化情況，足底點(diǎn)位包括足跟、足中、第一跖骨至第五跖骨、第一趾骨至第五趾骨等。 在選擇點(diǎn)位之前，需進(jìn)行壓力標(biāo)定，選擇最合適的壓電元件放置點(diǎn)位，足底壓力測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)果顯示，靜態(tài)下足底壓力分布為:足跟＞第2 跖骨＞第3 跖骨＞第4 跖骨＞第5 跖骨＞足中＞第1 趾骨＞第2 趾骨＞第3 ～5 趾骨。 動(dòng)態(tài)下足底壓力分布為:第3 跖骨＞足跟＞第2 跖骨＞第1 趾骨＞第4 跖骨＞第1 跖骨＞第2 趾骨＞足中＞第3 ～5 趾骨，且當(dāng)人體處于動(dòng)態(tài)時(shí)，足底壓力分布較靜態(tài)時(shí)明顯增大。 根據(jù)足底壓力標(biāo)定的結(jié)果，最終挑選足跟、第2 跖骨、第3 跖骨這三個(gè)點(diǎn)位作為壓電元件放置點(diǎn)位。

表1 靜態(tài)與動(dòng)態(tài)時(shí)足底壓力測(cè)量數(shù)據(jù)

3.2 信號(hào)調(diào)理電路

由于足底PVDF 壓電薄膜傳感器輸出的電荷信號(hào)比較微弱，必須設(shè)計(jì)匹配的調(diào)理電路將微弱電荷轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并放大[18]，本文設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路如圖4 所示，它由TCL2254 四路軌到軌微功耗運(yùn)放芯片及其外圍電路組成，TCL2254 具有較高的輸入阻抗，適合于高阻抗源的小信號(hào)調(diào)節(jié)。 從圖4 不難看出，本電路利用TLC2254 的第一級(jí)運(yùn)放及電容、電阻構(gòu)成高輸入阻抗、高增益的電荷放大器。PVDF 壓電薄膜受力產(chǎn)生的電荷由P13 口輸入，經(jīng)電荷放大器差分放大與轉(zhuǎn)換可產(chǎn)生毫伏級(jí)的電壓，仍需要電壓放大器實(shí)現(xiàn)信號(hào)進(jìn)一步放大，因此將第二級(jí)運(yùn)放設(shè)計(jì)成電壓放大器。 考慮到不同體重人群產(chǎn)生的步態(tài)信號(hào)強(qiáng)度不同，采用滑動(dòng)變阻器R22 可以動(dòng)態(tài)調(diào)整電壓增益。 第三級(jí)運(yùn)放設(shè)計(jì)成電壓跟隨器，其輸出電壓接入電荷放大器的同相輸入端，主要起到電壓抬升器的作用，可消除負(fù)電壓，同時(shí)實(shí)現(xiàn)放大器之間的阻抗匹配。 未使用的第四級(jí)運(yùn)放的輸入輸出管腳不能夠懸空，懸空的管腳電平不穩(wěn)定，容易受到外界電磁干擾，因此本設(shè)計(jì)中將它也連成電壓跟隨器形式，即:正相輸入端接BT-VCC 的分壓，反相輸入端與輸出端相連。 經(jīng)過(guò)該信號(hào)調(diào)理電路之后輸出的電壓范圍為0 V～3 V，滿足ADC 的電壓檢測(cè)范圍，最終電壓信號(hào)輸入至MCU 內(nèi)置的ADC2通道。

圖4 信號(hào)調(diào)理電路原理圖

3.3 自供電步態(tài)檢測(cè)裝置

圖5(a)、5(b)、5(c)分別表示足底壓力檢測(cè)鞋墊實(shí)物圖、整體裝置圖和穿戴測(cè)量示意圖，其中足底壓力檢測(cè)裝置由帶有柔性壓電元件的鞋墊、壓電俘能器、壓電俘能電路、信號(hào)調(diào)理電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)、超低功耗藍(lán)牙和上位機(jī)組成。 帶有柔性PVDF壓電薄膜陣列的鞋墊與壓電俘能器均安置于鞋體之中，壓電俘能器通過(guò)壓電俘能電路給信號(hào)調(diào)理電路與單片機(jī)最小系統(tǒng)供電，微處理器MCU 接收并軟件濾波處理柔性壓電元件輸出的波形數(shù)據(jù)，然后將結(jié)果通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送至上位機(jī)顯示。

圖5 足底壓力檢測(cè)裝置及穿戴示意圖

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

4.1 壓電俘能器測(cè)試

對(duì)壓電俘能器進(jìn)行發(fā)電能力測(cè)試時(shí)，在能量俘獲電路的DC-DC 轉(zhuǎn)化芯片電壓輸出端外接1 F，5.5 V 的超級(jí)電容，人體保持大約1 Hz 行走頻率，充電時(shí)長(zhǎng)為1 h 且每隔5 min 記錄一次超級(jí)電容電壓增量情況，測(cè)試結(jié)果如圖6 所示。

圖6 超級(jí)電容電壓增量過(guò)程圖

壓電俘能電路的電能增量E和功率P的計(jì)算公式如下:

式中:C為超級(jí)電容容量，V1和V2分別表示初始狀態(tài)下和充電后超級(jí)電容上的電壓值，Δt表示充電時(shí)間間隔，計(jì)算得到壓電俘能電路在單位小時(shí)內(nèi)的電能增量0.731 J，功率0.203 mW。 實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，如果人體行走頻率加快，超級(jí)電容中電壓上升速度加快，若人體保持行走頻率降低，充電速度便有所減緩，說(shuō)明運(yùn)動(dòng)頻率快慢能夠影響實(shí)際的充電性能。

4.2 步態(tài)檢測(cè)模塊能耗測(cè)試

選擇STM32L1 為主控芯片，選擇待機(jī)模式作為低功耗模式，其待機(jī)模式下電流值為11.1 μA，藍(lán)牙以JDY-19 為核心，對(duì)其三種狀態(tài)下的電流值進(jìn)行測(cè)量分別為846 μA、8.9 μA 和682 μA；信號(hào)調(diào)理模塊以TLC2254 為核心，其通道輸出電流為235 μA。表2 給出了各單元實(shí)際測(cè)量值與理論值的比較結(jié)果。

表2 各單元實(shí)際測(cè)量值與理論值比較

4.3 低功耗方式設(shè)計(jì)

為盡可能減小步態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的能量損耗，使其工作電流可以保持在較低水平并保證裝置有效工作，需設(shè)計(jì)合理的低功耗工作流程，如圖7 所示，共分為四個(gè)階段:系統(tǒng)待機(jī)與充電過(guò)程Standby and charge、系統(tǒng)啟動(dòng)連接Standup、系統(tǒng)運(yùn)行Run 和系統(tǒng)關(guān)閉Shut down，圖7 中展現(xiàn)出各個(gè)階段的工作時(shí)間和所消耗的電流大小。

圖7 程序運(yùn)行流程

①系統(tǒng)待機(jī)與充電階段:單片機(jī)MCU 和藍(lán)牙JDY-19 保持待機(jī)，超級(jí)電容持續(xù)充電，系統(tǒng)電流約為19.9 μA。 JDY-19 等待用戶喚醒指令，MCU 等待上升沿喚醒指令；②系統(tǒng)啟動(dòng)連接階段:JDY-19 喚醒和連接過(guò)程即用戶手動(dòng)打開(kāi)并連接藍(lán)牙過(guò)程大約持續(xù)2 s。 在喚醒未連接階段，微處理器MCU 保持待機(jī)且JDY-19 保持未連接狀態(tài)，動(dòng)作約持續(xù)1 s，系統(tǒng)電流約693.1 μA。 喚醒連接階段表示JDY-19正常工作但微處理器MCU 還處于待機(jī)狀態(tài)，動(dòng)作約持續(xù)1 s，系統(tǒng)電流約857.1 μA；③系統(tǒng)運(yùn)行階段:MCU 初始化后正常運(yùn)行，以IO 控制方式切斷JDY-19 電源，時(shí)間共持續(xù)約12 s。 系統(tǒng)初始化時(shí)間持續(xù)約2 s。 系統(tǒng)正常工作階段主要包括打開(kāi)外設(shè)、壓電傳感器采樣，MCU 接收并處理數(shù)據(jù)的過(guò)程，傳感器采樣周期設(shè)為10 s，此階段MCU 與步態(tài)檢測(cè)信號(hào)調(diào)理電路正常工作電流約為1.015 mA；④系統(tǒng)關(guān)閉階段:MCU 將處理結(jié)果發(fā)送至JDY-19 后再次進(jìn)入待機(jī)，此階段約持續(xù)1.014 s。 首先以IO 控制工作電源的方式關(guān)閉信號(hào)調(diào)理模塊并開(kāi)啟JDY-19 模塊電源，喚醒連接過(guò)程持續(xù)約1 s。 接著，MCU 向JDY-19 發(fā)送一幀數(shù)據(jù)結(jié)果，數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程大約持續(xù)7 ms，最后MCU 切換至待機(jī)模式并再次等待喚醒指令到來(lái)，同時(shí)JDY-19 自動(dòng)進(jìn)入睡眠。 該階段MCU正常工作、JDY-19 喚醒連接與正常工作的電流，電流分別為1.462 mA、1.67 mA 和788.9 μA。

單個(gè)程序運(yùn)行周期完成，微處理器MCU 再次進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，利用下式對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行周期內(nèi)的功耗W和平均功率進(jìn)行計(jì)算。

式中:U表示工作電壓3.3 V，In表示n階段的工作電流大小，tn表示各個(gè)階段的運(yùn)行時(shí)間，最終運(yùn)算結(jié)果為單周期功耗58.1 mJ，平均功率為3.87 mW。 已知壓電自供能裝置輸出功率P為203 μW，而單個(gè)運(yùn)行周期的平均功率為3.87 mW，收集的電能并不能滿足程序在單運(yùn)行周期內(nèi)電能的損耗。 若要實(shí)現(xiàn)能量的收支撐平衡，可采取“間斷性”數(shù)據(jù)采集的方式來(lái)工作，即一段時(shí)間集能，一段時(shí)間系統(tǒng)工作，間斷時(shí)間也即壓電自供能裝置的充電時(shí)間。

式中:t表示間斷時(shí)間，W1表示單個(gè)程序運(yùn)行周期的功耗，P表示待機(jī)狀態(tài)下，壓電式自供能裝置的輸出功率，I表示待機(jī)狀態(tài)下電流19.9 μA，U表示待機(jī)狀態(tài)下的電壓。 最終計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)間隔時(shí)間為423 s，步態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)可完成一次完整的數(shù)據(jù)采集與處理。

4.4 不同步態(tài)下足底壓力波形特征分析

步態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)要求規(guī)范如下:①告知測(cè)試者實(shí)驗(yàn)流程及實(shí)驗(yàn)須知；②記錄測(cè)試者性別、身高與體重三要素；③按照要求穿上鞋并保持腳掌與傳感器點(diǎn)位完全接觸；④通過(guò)示波器觀測(cè)壓電元件輸出波形，待輸出波形穩(wěn)定開(kāi)始測(cè)驗(yàn)；⑤測(cè)試者按照指令執(zhí)行對(duì)應(yīng)的動(dòng)作完成站立、步行、跑步和跌倒這四種動(dòng)作；⑥實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保存在微處理器緩沖區(qū)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后利用緩沖區(qū)的波形特征數(shù)據(jù)對(duì)人體活動(dòng)進(jìn)行判別。 圖8 給出了一次完整的經(jīng)過(guò)軟件濾波處理后的足底壓力輸出波形，當(dāng)人體靜止站立時(shí)壓電傳感元件的電壓輸出為站姿基準(zhǔn)線，在站姿基準(zhǔn)線以上的部分，波形從第一次顯著上升沿開(kāi)始到第二次顯著上升沿開(kāi)始記為一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期T。 整個(gè)周期劃分為t1，t2，t3和t4四個(gè)階段。t1表示人體開(kāi)始對(duì)足部柔性壓電傳感元件施加壓力時(shí)，該時(shí)刻存在一個(gè)峰值點(diǎn)且對(duì)應(yīng)壓力的極大值。t2對(duì)應(yīng)人體足部逐漸松開(kāi)壓電元件的過(guò)程，該時(shí)刻壓力值慢慢減小。t3對(duì)應(yīng)人體完全松開(kāi)壓電元件的過(guò)程，該時(shí)間由于傳感器存在向上的形變，壓力值對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)最低點(diǎn)。t4時(shí)刻表示人體擺動(dòng)的過(guò)程，該時(shí)刻壓力曲線相對(duì)平穩(wěn)，無(wú)其他異動(dòng)。

圖8 足底壓力輸出波形

圖9 則展示了測(cè)試者穿上鞋完成站立、步行、跑步與跌倒四種步態(tài)活動(dòng)對(duì)應(yīng)壓電元件的輸出壓力波形。 每路波形中縱坐標(biāo)代表ADC 數(shù)值經(jīng)歸一化后的結(jié)果，橫坐標(biāo)表示窗口期即10 s 的采樣時(shí)間。 圖9(a)給出了測(cè)試者穿上鞋到站立不動(dòng)的過(guò)程，當(dāng)人體靜止時(shí)，壓力波形便趨向于平穩(wěn)，此刻波形均值保持在“站姿基準(zhǔn)線”位置，且由于人體足部受力的原因，每路傳感器的站姿基準(zhǔn)線輸出幅值上存在細(xì)微差異。 圖9(b)表示人體由站立到步行的過(guò)程，此時(shí)可以看到每路傳感器輸出波形均存在明顯的周期。圖9(c)對(duì)應(yīng)人體由步行開(kāi)始跑步的過(guò)程，當(dāng)人體跑步頻率加快時(shí)，峰與峰之間的間距逐漸減小，緩沖波形t3和t4時(shí)間段縮短甚至只存在t1和t2波段的過(guò)程。 圖9(d)是人體步行時(shí)不小心跌倒的過(guò)程，當(dāng)人體跌倒時(shí)，波形變得平滑且數(shù)值低于站姿基準(zhǔn)線。由實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果可見(jiàn)，根據(jù)足底壓力波形特征可以有效判斷出此刻人體的步態(tài)信息。

圖9 人體站立、步行、跑步和跌倒過(guò)程壓力輸出波形

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)完成了基于壓電俘能器的自供電步態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以壓電元件為核心，將人體運(yùn)動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能并存儲(chǔ)于超級(jí)電容中，用于足底壓力測(cè)量裝置的供電。 通過(guò)分析多路壓電元件輸出壓力波形的特征可以對(duì)人體站立、步行、跑步、跌倒四種步態(tài)活動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了人體在正常步行情況下，壓電俘能器轉(zhuǎn)化的電能可滿足步態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)“間斷性”工作，并且系統(tǒng)能夠有效地實(shí)現(xiàn)人體步態(tài)檢測(cè)，本文結(jié)果為基于壓電自供電的步態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的研究提供了一定的參考。