基于压力传感阵列监测足部健康信息及运动状态的智能鞋的制作方法

本发明涉及智能穿戴设备技术领域，特别涉及一种基于压力传感阵列监测足部健康信息及运动状态的智能鞋。

背景技术：

智能穿戴设备是应用穿戴式技术对日常穿戴进行智能化设计、开发出可以穿戴的设备的总称，如手表、手环、眼镜、服饰等。穿戴式智能设备时代的来临意味着人的智能化延伸，通过这些设备，人可以更好的感知外部与自身的信息，能够在计算机、网络甚至其它人的辅助下更为高效率的处理信息，能够实现更为无缝的交流。应用领域可以分为两大类，即自我量化与体外进化。具体地，如采用轻量化的手表、手环、配饰、鞋等形式，实现人体运动或户外数据如心率、脉搏、步频、气压、潜水深度、海拔等指标的监测、分析与服务。

其中，脚是人体的末梢，也是心脏最远端，血管有问题，脚最先有感觉。人的足部足背正中最高点，轻轻摸，能感受到脉动。用于判定是否存在下肢的血管闭塞性脉管炎及其严重程度。平时能摸到这个足部的脉搏，证明我们的动脉血一直通到了足背部。可当走一段距离之后，再摸，反而摸不到这个脉搏，此时，就可能发生了轻度的动脉血管堵塞。足背动脉是胫前动脉的直接延续，经拇长伸肌腱和趾长伸肌腱之间前行，至第一跖骨间隙近侧，分为第一跖背动脉和足底深支和足底深支两终支。足背动脉位置表浅，在踝关节前方，内、外踝连接中点、拇长伸肌腱的外侧可触知其搏动，足部出血时可在该处向深部压迫足背动脉进行止血。摸足背动脉的方法又是能够及早发现足病的有效方法，因此，足部被认为是放置可穿戴设备的理想位置。

然而，现有针对足部开展的技术仅关注于活动跟踪和机械接触力的测量。具体而言，加速度计以及压力鞋垫已经在一些智能鞋中使用，以用于运动期间计步，或检测步态周期的运动变化(例如，nike+，adidasmicropacer和underarmourfirstrun)。然而，对于理想的智能鞋来说，除了通过前述装置评估的运动信息之外，还应该从中连续收集和精确提取有价值的健康信息和肌肉活动。现有的手表手环、鞋等可穿戴设备采用的是光学测量原理(ppg)来监测心率数据，是间接的测量，容易收到外界环境光的影响，难以适应连续收集和精确的数据采集。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种基于压力传感阵列监测足部健康信息及运动状态的智能鞋，能够监测足部位置基于人体内外压力数据，从而分析获得人体健康信息以及足部运动状态结果。

为实现上述目的，根据本发明实施例的一个方面，提供了一种基于压力传感阵列监测足部健康信息及运动状态的智能鞋，包括鞋面、鞋底以及鞋舌，在所述鞋底内表面和所述鞋舌内表面设置的采集足部位置内外压力数据的压力传感阵列，在所述鞋面、所述鞋底或者所述鞋舌上设置有与所述压力传感阵列交互连接的数据采集终端，所述数据采集终端内集成设置有电池及其管理模组与所述电池及其管理模组连接的主控电路板。

进一步的，所述压力传感阵列包括足底压力传感阵列和足背压力传感阵列，所述足底压力传感阵列用于采集体重与运动产生的外部压力数据，所述足背压力传感阵列用于采集人体组织产生的内部脉搏和肌肉活动压力数据。

进一步的，所述主控电路板设置有与所述足底压力传感阵列和所述足背压力传感阵列连接的模拟数据采集前端、所述模拟数据采集前端与一具有adc组件的mcu处理器连接，所述mcu处理器连接一无线通信模组。

优选地，所述无线通信模组是蓝牙及天线模组，也可以是其他无线通信器件，如wifi模组、2g\3g\4g\5g通信模组等。

进一步的，所述足背压力传感器阵列包括一足背柔性基板，在所述足背柔性基板上涂覆形成的若干fits压力传感器件。优选地，足背柔性基板上设置2-10单元的fits压力传感器件。

进一步的，所述足底压力传感器阵列包括一足底安装基板，在所述足底安装基板上涂覆形成的若干fits压力传感器件。优选地，足底安装基板上对应足底穴位设置fits压力传感器件。

进一步的，所述足背压力传感阵列通过压合粘接固定在鞋舌内表面，所述足底压力传感器阵列通过一体成型、粘接或者嵌套固定在所述鞋底内表面，所述足背压力传感阵列和所述足底压力传感阵列通过高柔性导线与所述数据采集终端连接。

进一步的，所述足底压力传感阵列和所述足背压力传感阵列通过一体化编制在所述鞋面或者所述鞋舌内的导电纱线与所述数据采集终端连接。

可选地，所述鞋面和所述鞋舌采用弹性面料制作而成。

进一步的，所述数据采集终端包括终端底座和可分离盖板，所述终端底座通过一固定底板安装在所述鞋底、鞋舌或者鞋面上，所述终端底座和所述可分离盖板之间形成的空间安装所述电池和所述主控电路板。

进一步的，所述电池及其管理模组设置在所述可分离盖板内，所述主控电路板设置在所述终端底座内，所述电池及其管理模组与所述主控电路板通过卡扣、磁极、螺钉连接；

或者所述电池及其管理模组和所述主控电路板设置在所述可分离盖板，所述可分离盖板通过卡扣、磁极、螺钉与所述终端底座连接，使得所述主控电路板与所述压力传感器阵列信号交互。

进一步的，所述fits压力传感器件包括底层、顶层以及所述底层和所述顶层之间的环状间隔层，所述间隔层内在所述顶层内表面设置有离子层，所述底层上表面设置有电极层。

本发明实施例提供的基于压力传感阵列监测足部健康信息及运动状态的智能鞋，将柔性离电子传感技术(fits)设备集成到足底压力传感阵列和足背压力传感阵列，足底压力传感阵列和足背压力传感阵列具有极高的压力-电容灵敏度并且可以集成到可穿戴组件中，并且最优选地装配到运动鞋的鞋舌、鞋底内表面。fits压力传感器件具有高灵敏度，出色的机械韧性和可靠的灵活性，这是由于超高界面电容和离子电子材料的快速极化导致。本发明公开的足底压力传感阵列和足背压力传感阵列由固态柔性离子涂层制成，其与导电电极阵列弹性接触，以实现高达1nf/mmhg的器件灵敏度，检测范围为1至200mmhg。利用如此高的灵敏度，在20mmhg的基线附近温和接触足部，可以检测到小的血压变化并且这些变化与来自足背动脉的每个心动周期相关，其也被称为足部脉搏波形。由于足底压力传感阵列和足背压力传感阵列的超薄且柔性构造的特性(厚度为100μm)，阵列可以以非常舒适的方式与背部区域接触。在收集脉搏波形之后，信号可以用来研究和分析关键的心血管参数，例如上行时间和增强指数，以及衍生的生命体征，例如心率(hr)和呼吸估计。特别是，本发明的足底压力传感阵列和足背压力传感阵列可以与标准的单导联心电图(ecg)实时比较。此外，具有多个感测单元的线性阵列覆盖背部的横向平面，使得捕获脉搏信号不需要何特殊的对准步骤，而动脉的位置也提供了对肌肉活动的空间解剖学参考。最后，以足够的分辨率收集肌肉反应以跟踪个体肌腱活动，为脚上动作分类，步态分析以及身体状态跟踪提供了高度集成的方式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的基于压力传感阵列监测足部健康信息及运动状态的智能鞋俯视结构图；

图2为本发明实施例的基于压力传感阵列监测足部健康信息及运动状态的智能鞋主视结构图；

图3为本发明实施例的基于压力传感阵列监测足部健康信息及运动状态的智能鞋三维结构图；

图4为本发明实施例的数据采集终端结构示意图；

图5为本发明实施例的足背压力传感阵列结构示意图；

图6为本发明实施例的足底压力传感阵列结构示意图；

图7为本发明实施例的主控电路板系统原理结构图；

图8为本发明实施例的fits压力传感器件结构原理图；

图9为本发明实施例的fits压力传感器件等效电路原理图；

图10为本发明实施例的基于压力传感阵列监测足部健康信息及运动状态的智能鞋结构原理分解图；

图中，10-鞋面，20-鞋底，30-鞋舌，40-数据采集终端，41-足背压力传感阵列，411-足背柔性基板，42-足底压力传感阵列，421-足底安装基板，422-导电纱线，400-fits压力传感器件，401-间隔层，402-底层，403-电极层，404-离子涂层，405-顶层；43-主控电路板，44-电池，45-可分离盖板，46-终端底座，47-固定底板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

如图1-7所示，本发明实施例提供了一种基于压力传感阵列监测足部健康信息及运动状态的智能鞋，包括鞋面10、鞋底20以及鞋舌30，在所述鞋底20内表面和所述鞋舌30内表面分别设置有采集足部位置内外压力数据的压力传感阵列，在所述鞋面10、所述鞋底20或者所述鞋舌30上设置有与所述压力传感器阵列交互连接的数据采集终端40，所述数据采集终端40内集成设置有电池及其管理模组44与所述电池及其管理模组44连接的主控电路板43。

具体的，所述压力传感阵列包括足底压力传感阵列42和足背压力传感阵列41，所述足底压力传感阵列42用于采集体重与运动产生的外部压力数据，所述足背压力传感阵列41用于采集人体组织产生的内部脉搏压力数据。足背压力传感阵列41设置在鞋舌30位置，由于鞋面10以及鞋舌30采用收缩性弹性面料，使得足背压力传感阵列41能够舒适地贴合在足背位置，足背压力传感阵列41沿着足背长度和宽度方向均具有一定的延伸长度，从而能够采集足背肌肉、血管、骨骼等组织产生的内部脉搏压力数据，这些足背肌肉、血管、骨骼等组织产生的内部脉搏压力数据也会随着人体运动而发生变化，内部脉搏压力数据通过数据分析能够获得脉搏、心率等等多种人体体征信息。足底主要承受人体体重带来的压力，或则由于运动，足底压力传感阵列42与足底之间的接触位置会发展显著的变化，从而得到明显的外部压力数据内部脉搏压力数据从而可以分析判断人体运动姿势、运动状态、步态等运动状态信息。

其中，所述主控电路板43设置有与所述足底压力传感阵列42和所述足背压力传感阵列41连接的模拟数据采集前端、所述模拟数据采集前端与一具有adc组件的mcu处理器连接，所述mcu处理器连接一无线通信模组。

优选地，所述无线通信模组是蓝牙及天线模组，也可以是其他无线通信器件，如wifi模组、2g\3g\4g\5g通信模组等。

具体的，数据采集终端40由模拟前端、五个低压运算放大器(lmv324，德州仪器(ti))，一个带有adc组件的8位mcu(efm8，siliconlabs)，一个蓝牙低功耗模块(cc2541，德州仪器)，以及带有标准可充电锂电池的电源管理模组。

如图5所示，所述足背压力传感器阵列41包括一足背柔性基板411，在所述足背柔性基板441上涂覆形成的若干fits压力传感器件400。优选地，足背柔性基板上设置5单元的fits压力传感器件400。

如图6所示，所述足底压力传感器阵列42包括一足底安装基板421，在所述足底安装基板421上涂覆形成的若干fits压力传感器件400。优选地，足底安装基板421上对应足底穴位设置fits压力传感器件400。

具体的，所述足背压力传感阵列41通过压合粘接固定在鞋舌30内表面，所述足底压力传感器阵列42通过一体成型、粘接、嵌套固定在所述鞋底20内表面，所述足背压力传感阵列41和所述足底压力传感阵列42通过柔性导线与所述数据采集终端40连接。

如图10所示，所述足底压力传感阵列42和所述足背压力传感阵列41通过一体化编制在所述鞋面10或者所述鞋舌30内的导电纱线422与所述数据采集终端40连接。足背压力传感阵列41的接线口直接与设置在鞋面10或者鞋舌30上的数据采集终端40连接，足底压力传感阵列42的接线口通过导电纱线422连接到数据采集终端40，足背压力传感阵列41也同样可以通过导电纱线422与数据采集终端40连接，足背压力传感阵列41沿着足部长度方向和/或截面方向均可以分布若干fits压力传感器件400，从足部长度以及截面方向紧紧贴合足部；足底传感阵列42上设置的fits压力传感器件400可以分布在脚跟部、脚掌部以及对应每一脚趾部，也可以对应整个足底均匀阵列分布。

具体的，当用户穿戴智能鞋时，足背压力传感阵列41由于鞋面10或者鞋舌30的弹性收缩，使得足背压力传感阵列41紧贴人体足背，从而采集足背组织产生的内部脉搏和肌肉活动压力数据。足底传感阵列42上设置的fits压力传感器件400可以分布在脚跟部、脚掌部以及对应每一脚趾部，也可以对应整个足底均匀阵列分布，采集体重与运动产生的外部压力数据。

运动时，根据人体运动状态，如静止站立，人体重心落在脚跟部，脚跟部的fits压力传感器件400受到人体重力的挤压产生相应地压力信号，足背压力传感阵列41以及足底压力传感阵列42的其他fits压力传感器件400也会产生相对稳定的压力信号，这些压力信号数据分布特性可以用来标记静止站立状态；例如在慢走时，人体重心落在脚掌部，脚掌部的fits压力传感器件400受到人体重力的挤压产生相应地压力信号，足背压力传感阵列41由于慢走也会产生明显地与慢走节凑对应的压力信号，以及足底压力传感阵列42的其他fits压力传感器件400也会产生相对稳定的压力信号，这些压力信号数据分布特性以及变化频率可以用来标记慢走状态；同样地，人体在跑步时，由于使用脚趾抓地产生向前的作用力，脚趾部的fits压力传感器件400会具有较大的压力信号，而且变化频率也较快，通过这些压力信号的特性可以标记跑步状态。根据相同的原理，足底压力传感阵列42和足背压力传感阵列41在运动以及人体重力作用下产生的压力信号数据可以标记人体各种不同运动状态，以及在各个运动状态下压力信号分布可以得出人体步态情况，通过压力信号的变化频率可以得出步数等信息。

可选地，所述鞋面10和所述鞋舌30采用弹性面料制作而成。

如图7所示，所述数据采集终端40包括终端底座45和可分离盖板46，所述终端底座45通过一固定底板47安装在所述鞋底20、鞋舌30或者鞋面10上，所述终端底座45和所述可分离盖板46之间形成的空间安装所述电池44和所述主控电路板43。

其中，所述电池及其管理模组44设置在所述可分离盖板46内，所述主控电路板43设置在所述终端底座45内，所述电池及其管理模组44与所述主控电路板43通过卡扣、磁极、螺钉连接；

或者所述电池及其管理模组44和所述主控电路板43设置在所述可分离盖板46，所述可分离盖板46通过卡扣、磁极、螺钉等可拆分方式与所述终端底座45连接，使得所述主控电路板43与所述压力传感器阵列信号交互。

如图8所示，所述fits压力传感器件400包括底层402、顶层405以及所述底层402和所述顶层403之间的环状间隔层401，所述间隔层401内在所述顶层405内表面设置有离子涂层404，所述底层402上表面设置有电极层403。

图8给出了在施加机械负载之前和之后的fits压力传感器件架构，其包括具有离子涂层404的顶部感测构件和由间隔层隔开的底部柔性电极层403。具体地，一旦施加机械负载(p)，柔性电极将变形并与离子涂层404产生接触。该接触形成双电层(edl)，其中发生导电固相中的移动电子和累积在相邻离子环境中异性离子的相互吸引。因此，fits器件可以在离子涂层404和柔性电极层403之间产生超高的界面电容。随着外部压力上升，接触面积以及界面电容增加，这可以通过读出电路检测到。值得注意的是，单位面积电容(c0)的值通常比传统电容式传感器的值高三到四个数量级，这可以显著压倒寄生噪声。

图9为fits压力传感器件的等效电路模型。c(edl1)和c(edl2)是具有相等幅度的界面电容，ri代表离子膜的内部电阻值。这些界面电容与离子和电子表面之间的接触面积成正比，这可以从经典的薄板理论和触摸模式假设验证来计算。此外，cf表示相邻电极表面之间的边缘电容，其远小于界面电容，在我们的情况下可以忽略不计。总之，fits压力传感器件的总电容c可表示为:

其中r和t代表传感膜的半径和厚度；h表示间隔层的厚度；d表示变形基底的抗弯刚度。

具体的，离子涂层在确定单位面积电容和整体器件性能中起着重要作用。选择凝胶状离子聚合物基质作为涂层材料，作为凝胶电解质，已在太阳能电池和高性能电池领域得到了广泛论证。特别地，本发明通过混合聚合物基质(聚乙烯醇，pva)和离子液体(1-乙基-3-甲基-咪唑三氰基甲烷，[emmi][tcm])制备离子层，然后通过标准溶剂固化蒸发流程得到。具体地，将0.5gpva(341584，sigma-aldrich)溶解在10g蒸馏水中。然后，将该pva溶液与0.25g[emmi][tcm](iolitecinc.)混合，并在50℃下搅拌2小时。为了形成均匀的薄膜离子涂层，使用商用旋转器(ws-400-6npp，laurell)将溶液倾倒并旋涂在聚酰亚胺膜(kapton，dupont)的表面上，转速600rpm，30秒。将得到的具有离子涂层的聚酰亚胺膜在120℃下的热板上烘烤2小时。随后，使用uv激光蚀刻(samuraiuv制造系统，dpss激光器)以设计的布局修整涂覆的聚酰亚胺膜，以完成传感器的顶部膜的制造。另一方面，用溅射机(auto108，cressington)将50nm的au膜溅射涂覆到另一聚酰亚胺片上，然后进行uv激光蚀刻以形成叉指式单面电极。最后，修剪双面胶带(467mp，3m)并将其用作间隔层以将顶层和底层组装在一起。

本发明实施例提供的基于压力传感阵列监测足部健康信息及运动状态的智能鞋，将柔性离电子传感技术(fits)设备集成到足底压力传感阵列和足背压力传感阵列，可以获取身体生命信号和跟踪脚蹬骨骼肌活动。足底压力传感阵列和足背压力传感阵列的独特特性使其能够和鞋子无缝集成。该可穿戴设备可以捕获高分辨率外周动脉脉搏波形，从而可以在医学标准精度内提取心率和呼吸模式。

此外，传感阵列的高空间分辨率允许免校准地捕获脉搏信号以及提供对足部结构的空间参考。它还能够跟踪各个足部肌腱运动，从中可以实时评估大多数脚部姿势。该设备可以作为个人移动平台运行，以舒适且不明显的方式获取和分析人类健康和活动信息，并且集成到普通的服装物品中，而没有花费大量费用或干扰了日常行为。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

在本发明专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”、“排”、“列”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明专利新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明专利的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在发明专利中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“固连”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明专利中的具体含义。

在本发明专利中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。