足压检测鞋垫、系统及方法与流程

本发明涉及到足压检测设备领域，特别是涉及到一种足压检测鞋垫、系统及方法。

背景技术

人在进行日常基本运动时，如站立、步行、奔跑等，足底是唯一直接接触外界的部位。检测足底压力的分布，不仅可以有效地反应足部的结构，还可以通过逆向动力学等方法，计算人体各个骨骼肌肉部分的受力情况，更精确地对人体结构进行生物力学实验分析。

在医疗科研领域，足底压力检测系统可以科学有效的监测足部风湿性关节炎、早期糖尿病足等患病人群的足底压力参数的分布，同时可以用于跟踪下肢骨关节病人的术后康复以及肢体躯干功能的恢复情况。而便携式的足底压力检测系统，将使足底压力数据的采集更加方便，甚至应用在居家，社区等环境中，实现远程医疗；同时还可以将海量的足底压力信息保留并分析，有利于问诊时提高医生治病的准确性和快速性。

在制鞋工业领域、在体育运动领域、在军事领域等，利用足底压力检测系统，都具有一定的促进效果；便携式足底压力检测系统应用发展领域广泛，拥有极高的应用前景。

传统的测量足底压力中心轨迹的方法主要依赖于测力台或是压力平板。然而，测力台通常被嵌入在一个行走平台下。就算是可移动的测力台或是压力平板，也存在空间上的限制。近年来，出现了很多基于鞋垫的足部压力测量系统发，例如美国tekscan有限公司开发的f-scan测量系统，novel有限公司开发的novelpedar系统等。这些鞋垫系统能捕获足底压力分布的信息，并精确的计算足底压力中心轨迹，具有极高的应用价值。然而，这些系统设备的价格高昂。上面提到的f-scan及pedar系统的价格从1万美元到2万美元不等，因此目前仅有少量的设备应用于科研以及临床医学邻域，无法普及。此外，这些系统通常依赖有线供电和数据传输，因此其可穿戴性通常较低。有不少研究者和智能硬件公司开发了一些低成本的足底压力测量和检测设备。例如，美国麻省理工大学的bamberg研发的基于压阻薄膜的智能鞋履，成功的检测了行走中足底特定点位的压力情况。美国犹他大学的howell等发明的基于12个力敏传感器的智能鞋垫，成功的检测了地面反作用力。

技术实现要素：

本发明的主要目的为提供一种足压检测鞋垫、系统及方法，用于解决目前足压测试成本过高的问题。

本发明提出一种足压检测鞋垫，包括鞋垫本体、压力传感单元和连接板；压力传感单元由柔性智能压敏织物制成，压力传感单元设有多个，压力传感单元矩阵排列固设于鞋垫本体；连接板用于分别将每一行的压力传感单元与外设的设备连接，以及分别将每一列的压力传感单元与外设的设备连接。

进一步地，连接板包括第一连接板和第二连接板，第一连接板通过多个传导部件分别与纵向排列的压力传感单元连接，每一列压力传感单元由一个或多个传导部件依次串联；第二连接板通过多个传导部件分别与横向排列的压力传感单元连接，每一行压力传感单元由一个或多个传导部件依次串联；每个压力传感单元通过传导部件分别连接第一连接板和第二连接板；第一连接板和第二连接板用于与外设的设备连接。

进一步地，第一连接板和第二连接板的结构相同；第一连接板包括接入端和输出端，接入端与输出端连接；接入端设有多个，每个接入端与一个传导部件连接；输出端设有多个触脚，每个接入端与一个触脚连接。

进一步地，传导部件位导电胶布。

本发明还提出一种足压检测系统，包括信号获取装置、信号处理装置和上述的足压检测鞋垫；信号获取装置与足压检测鞋垫连接，用于获取足压检测鞋垫产生的数据；信号处理装置连接信号获取装置，用于分析数据。

进一步地，信号获取装置包括模拟开关、单片机、运算放大器和电池；模拟开关连接连接板；单片机连接模拟开关；运算放大器分别连接模拟开关和单片机；电池用于为信号获取装置提供电能；模拟开关模拟单刀双掷开关；模拟开关设有多个，每一行及每一列的压力传感单元匹配一个模拟开关。

运算放大器信号获取装置还包括无线通信模块；无线通信模块连接单片机；无线通信模块用于与信号处理装置无线传送数据。

进一步地，无线通信模块包括蓝牙模块和/或wifi通信模块。

进一步地，信号获取装置由足压检测鞋垫分别获取压力传感单元的电压数据。

本发明还提出一种足压检测方法，用于上述的足压检测系统，包括：

信号处理装置通过信号获取装置获取足压检测鞋垫中压力传感单元的电压信息；

通过电压信息获得压力传感单元所承受的压力情况。

本发明足压检测鞋垫、系统及方法，通过由柔性智能压敏织物制成的压力传感单元实现压力测量，不但成本低廉，而且能够准确的检查到足压检测鞋垫上的压力分布情况。

附图说明

图1是本发明足压检测鞋垫系统一实施例的结构示意图；

图2是本发明足压检测鞋垫中压力传感单元连接关系示意图；

图3是串扰问题电路示意图；

图4是图3的等效电路示意图；

图5是电压跟随器电路示意图；

图6是以2*2为例的电压反馈法电路示意图；

图7是图6的等效电路；

图8是本发明一实施例中电压反馈法电路实际搭载图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作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。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”“上述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件、单元、模块和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、单元、模块、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

参照图2，本发明足压检测鞋垫1一实施例，包括鞋垫本体、压力传感单元11和连接板；压力传感单元11由柔性智能压敏织物制成，压力传感单元11设有多个，压力传感单元11矩阵排列固设于鞋垫本体；连接板用于分别将每一行的压力传感单元11与外设的设备连接，以及分别将每一列的压力传感单元11与外设的设备连接。

连接板包括第一连接板13和第二连接板14，第一连接板13通过多个传导部件分别与纵向排列的压力传感单元11连接，每一列压力传感单元11由一个或多个传导部件12依次串联；第二连接板14通过多个传导部件12分别与横向排列的压力传感单元11连接，每一行压力传感单元11由一个或多个传导部件12依次串联；每个压力传感单元11通过传导部件12分别连接第一连接板13和第二连接板14；第一连接板13和第二连接板14用于与外设的设备连接。

在工作时，可以通过设定行数及列数确定要检测的压力传感单元11，并根据压力传感单元11的数据推导出压力传感单元11的所受的压力，压力传感单元11由柔性智能压敏织物制成不但成本低廉，而且体积更小，可以更加均匀的分布于鞋垫本体的表面，因此通过由柔性智能压敏织物制成的压力传感单元11可以更加准确的检查足压检测鞋垫1上的压力分布情况，低廉的价格及良好的检测效果，使足压检测鞋垫1可以在更加方便的得到普及和应用，促进社会的良好发展。

在一些实施例中，第一连接板13和第二连接板14的结构相同；第一连接板13包括接入端和输出端，接入端与输出端连接；接入端设有多个，每个接入端与一个传导部件12连接；输出端设有多个触脚，每个接入端与一个触脚连接。传导部件12位导电胶布。连接板实质是导线，连接板起连接导电胶布和外设的设备连接的作用，将导电胶布贴在连接板上，然后连接板用连接线连接外设的设备。

在本实施例中，压力传感单元11设有30行，12列，共360个。压力传感单元11的数量更多，对压力分布情况探测更加细致。

在本实施例中，柔性智能压敏织物采用美国eeonyx公司型号为nw170-slpa的柔性智能压敏织物,采用矩阵的方式连接，共30行，12列，因此压力传感单元11为360个，每个压力传感单元11的长宽各为80mm，导电胶布的宽度为60mm，传感单元间隔10mm。

本发明足压检测鞋垫1压力传感单元11由柔性智能压敏织物制成不但成本低廉，而且体积更小，可以更加均匀的分布于鞋垫本体的表面，因此通过由柔性智能压敏织物制成的压力传感单元11可以更加准确的检查足压检测鞋垫1上的压力分布情况，足压检测鞋垫1的成本更低，更加容易被市场和科研项目接受。

参照图1，本发明还提出一种足压检测系统，包括信号获取装置2、信号处理装置3和上述的足压检测鞋垫1；信号获取装置2与足压检测鞋垫1连接，用于获取足压检测鞋垫1产生的数据；信号处理装置3连接信号获取装置2，用于分析数据。

足压检测系统采用上述的足压检测鞋垫1能够降低整个足压检测系统的成本，使足压检测系统更加有利于推广和应用。

在本实施例中，信号获取装置2包括模拟开关21、单片机22、运算放大器23和电池24；模拟开关21设有多个，模拟开关21连接第一连接板13和第二连接板14的触脚，每一行及每一列的压力传感单元11匹配一个模拟开关21；单片机22连接模拟开关21；运算放大器23分别连接模拟开关21和单片机22；电池24用于为信号获取装置2提供电能；模拟开关21与第一连接板13和第二连接板14连接的每行和每列的压力传感单元11模拟单刀双掷开关。其中单片机22集成有adc，所述adc为analog-to-digitalconverter的缩写，指模/数转换器或者模数转换器。是指将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号的器件。真实世界的模拟信号，例如温度、压力、声音或者图像等，需要转换成更容易储存、处理和发射的数字形式。

在工作时，单片机22控制模拟开关21实现对每行和每列的压力传感单元11的开启及关闭控制，通过一行及一列选择到一个压力传感单元11，通过单片机22集成的adc通过运算放大器23获取被选中的压力传感单元11的数据，同理，可以获得所有的压力传感单元11的数据，通过对获取数据就可以分析出压力分布情况。

信号获取装置2还包括无线通信模块25；无线通信模块25连接单片机22；无线通信模块25用于与信号处理装置3无线传送数据。

进一步地，无线通信模块25包括蓝牙模块和/或wifi通信模块。

进一步地，信号获取装置2由足压检测鞋垫1分别获取压力传感单元11的电压数据。

在本实施例中，模拟开关21使用单刀双掷的模拟开关21，单片机22通过串口发送数据到蓝牙模块，蓝牙模块透传数据到上位机。锂电池24为下位机供电。其中，单片机22采用arm公司搭载高性能cortex-m3内核的stm32芯片，蓝牙模块采用hc-06蓝牙模块，电池24为1000mah的4.2v聚合物锂电池24，模拟开关21采用adg734芯片；信号处理装置3为安装有相应的软件系统的电脑或终端，软件系统能够对获取的数据分析得到压力的分布情况，该压力的分布情况即可以压力的具体数值，也可以是根据预设的阈值进行对比判断压力传感单元11处压力所在档位，在本实施例中，不同的档位可以用不同的颜色进行显示；单片机22通过串口发送数据到无线通信模块25，无线通信模块25透传数据到电脑上，足压检测系统不受数据线限制，使用更方便。

在本发明足压检测系统中采用上述的足压检测鞋垫1能够降低整个足压检测系统的成本，使足压检测系统更加有利于推广和应用。

本发明还提出一种足压检测方法，用于上述的足压检测系统，包括：

s1、信号处理装置3通过信号获取装置2获取足压检测鞋垫1中压力传感单元11的电压信息；

s2、通过电压信息获得压力传感单元11所承受的压力情况。

在上述步骤s1中，信号处理装置3通过信号获取装置2中的运算放大器23，获取由单片机22通过模拟开关21选通选择的压力传感单元11的电压信息，通过选通可以获取所有的压力传感单元11的电压信息。

在上述步骤s2中，通过将电压信息预先设定好的运算模型的即可以获得压力传感单元11所承受的压力情况。

在步骤s2之后，包括：

将足压检测鞋垫1中压力分布情况以图像的形式显示。

将足压检测鞋垫1中压力分布情况以图像的形式在计算机的界面显示，该界面可以实现连接蓝牙、数据接收与处理、数据可视化、压力中心计算等功能的操作。

运算模型为利用最小二乘法对这一曲线进行了拟合，得到了这种基于"柔性智能压敏织物"的压力传感单元11的“电阻-压力”变化数学模型，如式(1)所示：

f＝860*r^-1.6(1)

式中，r是压力传感单元11的电阻值，f是压力大小。

在上述鞋垫的设计中，为了方便数据的获取，采用了阵列扫描的方法获取压力传感单元11的数据。这种数据采集方法的优点是所需的i/o口数量少，电路简单，方便采集，同时硬件整体尺寸小，更适合穿戴。然而这种电路会产生串扰问题。为了方便说明串扰问题与解决方法，下面采取2x2的压力传感单元11进行说明。

上述鞋垫电路的2x2简化电路如图3-4所示。其中，rs为分压电阻，r1、r2、r3、r4为压力传感单元11电阻，s1、s2、s3、s4为模拟开关21，v1为输入电压，vs为待测电压。当需要测量r1的值时，就需要通过模拟开关21选通r1，即闭合开关s1和s3。但此时选通r1，电流会形成两条回路，r2、r3、r4对r1造成了串扰。

因此，本发明采用了电压反馈法来解决这个问题，方法如下：

首先将运算放大器23搭建出一个电压跟随器电路，如图5所示，采用单刀双掷的模拟开关21，将待测压力传感单元11所在列接运算放大器23的正输入端，所在行接地，将其他所有的行和列都接运算放大器23的负输入端。

以2x2的压力传感单元11为例，电路图如图6所示，此时，如要测量r1的电阻值，则将r1所在列s1接运算放大器23正输入端，r1所在行s3接地gnd，其它的s2、s3全部接运算放大器23负输入端。此时等效电路图7所示，假设模拟开关21以及导线的电阻为0，则完全没有串扰现象。

实际情况中，模拟开关21及导线是会带有电阻的，而电阻会对电压反馈法的结果造成一定的影响。实际的电路如图8所示，rc和rr都是模拟开关21的导通电阻，c代表列，r代表行，只要行和列用的是同一款模拟开关21，那么，rc＝rr。r11到rmn为压力传感单元11。rs是分压电阻，v1是输入电压，vf是运放输出电压，vs是可测量到的电压，此电路中，vf＝vs。

在模拟开关21的电阻远小于压力传感单元11最小的电阻值的情况下，我们可以测量到vs的电压值，从而将被测电阻rxy通过如下公式求得：

其中，

上述公式中，vs为测量得到的分压值，v1为提供的电压值(3.3v)。rxy表示被测电阻。x表示行、y表示列，rxn表示与被测电阻处于同一行不同列的电阻，rmy表示与被测电阻处于同一列不同行的电阻。

通过上述公式可以由检测到的压力传感单元11的电压，求得该压力传感单元11的电阻，并将该电阻带入到压力传感单元11的“电阻-压力”变化数学模型中，求得压力传感单元11的压力。

此方法中，压力传感单元11的电阻与模拟开关21及导线的电阻比值越大对测量结果影响越小，本发明的压力传感单元11电阻在10kω到100kω左右变化，模拟开关21的电阻为4.5ω，导线胶布电阻约0.5ω，总共5ω，10kω/5ω＝2000，最大误差小于1％。

本发明足压检测鞋垫1、系统及方法，通过由柔性智能压敏织物制成的压力传感单元11实现压力测量，不但成本低廉，而且能够准确的检查到足压检测鞋垫1上的压力分布情况。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。