本实用新型涉及生活用品技术领域，提供一种智能鞋垫及监测系统。
背景技术：
在体育训练中，部分训练项目(例如滑雪、滑冰、跑步，跳高和跳远等)对训练者的足部姿态以及踩力分布有着较高的要求。对于训练过程中训练者足部的不规范动作，如果不能够及时进行纠正，长期按照错误的动作进行训练，将可能对训练者的某些身体部分造成难以恢复的慢性损伤。国家体育总局体育科学研究所曾经对342名田径运动员做过运动损伤问卷调查，调查显示损伤者达到282名，患病率82.46％，人均受伤2.43次。在损伤的部位中，占首位的踝关节比例达到38.48％，股后肌群、膝关节和腰背肌分别占15.47％、11.52％和10.79％，其中脚踝、膝关节受伤、肌肉损伤多数是由于运动姿态不规范导致。因此监测训练者的足部姿态以及踩力分布对评估其训练状况、规范其训练动作具有十分重要的意义。在现有技术中，对训练者的足部姿态以及踩力分布的监测方法还停留在使用肉眼观察或者通过视频进行分析的阶段，其结果不易量化，精确程度低，并不能起到很好的监测效果，严重制约了体育训练水平的提高。
此外，在日常生活中，每个人都有不同的走路姿势，这是因为人在肌肉力量、肌腱和骨骼长度、骨骼密度、视觉灵敏性、身体协调能力、体重、肌肉或骨骼受损程度等方面都存在细微的差异。正常的步态是通过骨盆、髋、膝、踝和脚趾的一系列活动完成的。髋关节、膝关节和踝关节的中心应在一条直线上，一旦这些关节出现问题，原有的步态就会发生变化。一些典型的异常步态对某些特定疾病有着提示意义。因此在日常生活中进行足部姿态以及踩力分布的监测，对于特定疾病的及时发现也有一定的参考价值。但是，对个人的足部姿态以及踩力分布的监测同样存在上述技术问题，其监测效果较差，对于特定疾病的及时发现所提供的帮助甚小。
技术实现要素：
有鉴于此，本实用新型实施例提供一种智能鞋垫及监测系统，以解决上述技术问题。
本实用新型的实施例通过以下技术方案实现：
第一方面，本实用新型实施例提供一种智能鞋垫，包括放置于鞋体内的鞋垫本体以及安装在鞋体上并与终端设备通信连接的记录仪。
鞋垫本体包括压阻聚合物复合纤维材料层以及线路层，线路层的上表面与压阻聚合物复合纤维材料层的下表面贴合。其中，压阻聚合物复合纤维材料层由聚合物复合纤维材料构成，该材料的阻抗值与其受到的用户的足部压力(即踩力)正相关。线路层与记录仪连接，用于生成与阻抗值对应的电压信息并将电压信息发送至记录仪，记录仪用于基于电压信息计算获得足部压力信息并将足部压力信息发送至终端设备，在终端设备上可以根据足部压力信息进一步计算获得用户的足部压力分布。
从而，通过使用该智能鞋垫，可以实现对于用户足部压力分布的监测，并且在终端设备上还可以进一步分析用户的足部压力分布，有利于及时发现体育训练过程中的存在的问题，从而改进训练方法，提高体育训练的水平。同时，用于日常生活，也有助于及时发现与步态相关的特定疾病。
结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实施方式中，线路层包括检测电路以及信号调理电路。其中，检测电路用于检测获得与阻抗值对应的阻抗检测信号，信号调理电路，分别与检测电路以及记录仪连接，用于基于阻抗检测信号生成电压信息。此时的电压信息与阻抗值是对应的，从而记录仪可以基于电压信息计算获得足部压力信息。
结合第一方面的第一种可能的实施方式，在第一方面的第二种可能的实施方式中，检测电路包括至少一个检测回路，其中每个检测回路对应于压阻聚合物复合纤维材料层的一个检测区域，用于检测该检测区域内的阻抗值，从而可以实现在智能鞋垫的不同区域检测用户的足部压力，进而实现用户的足部压力分布的精确检测。
结合第一方面的第二种可能的实施方式，在第一方面的第三种可能的实施方式中，检测电路为复印在压阻聚合物复合纤维材料层的下表面的柔性线路，柔性线路与普通电路不同，不会轻易地因形变发生损坏，适于设置在智能鞋垫中。
结合第一方面以及第一方面的第一种可能的实施方式至第三种可能的实施方式中的任意一种可能的实施方式，在第一方面的第四种可能的实施方式中，线路层还包括姿态传感器，姿态传感器与记录仪连接，用于检测获得用户的足部姿态参数并将足部姿态参数发送至记录仪，记录仪用于基于足部姿态参数计算获得足部姿态信息并将足部姿态信息发送至终端设备，在终端设备上可以根据足部姿态信息进一步计算获得用户的足部姿态。
从而，通过使用该智能鞋垫，可以实现对于用户足部姿态的监测，并且在终端设备上还可以进一步分析用户的足部姿态，有利于及时发现体育训练过程中的存在的问题，从而改进训练方法，提高体育训练的水平。同时，用于日常生活，也有助于及时发现与步态相关的特定疾病。
结合第一方面的第四种可能的实施方式，在第一方面的第五种可能的实施方式中，记录仪包括处理模块、无线通信模块以及供电模块。其中，处理模块，与线路层连接，用于基于电压信息计算获得足部压力信息，无线通信模块，与处理模块连接并与终端设备通信连接，用于将从处理模块接收到的足部压力信息发送至终端设备，存储模块，与无线通信模块连接，用于将从无线通信模块接收到的足部压力信息并对足部压力信息进行存储，供电模块，与无线通信模块连接，用于向无线通信模块供电。利用无线通信模块的数据传输协议，可以将智能鞋垫获得的足部压力信息、足部姿态信息等数据及时、可靠地上报至终端设备，确保终端设备监测过程中的数据的实时性、连续性与完整性。对于无线通信模块的数据传输异常的情况，则可以利用存储模块对数据进行暂存，待异常情况解除后再进行数据传输。
结合第一方面的第五种可能的实施方式，在第一方面的第六种可能的实施方式中，记录仪还包括状态指示模块，状态指示模块与无线通信模块连接，用于显示表征记录仪工作状态的状态信息。状态指示模块有利于用户直观地了解记录仪当前的工作状态。
结合第一方面的第五种可能的实施方式或第六种可能的实施方式，在第一方面的第七种可能的实施方式中，鞋垫本体还包括聚氨酯泡沫材料层，聚氨酯泡沫材料层的下表面与压阻聚合物复合纤维材料层的上表面贴合，该层具有防水透气、运动缓冲的功能，既能够保护智能鞋垫中的电子元件，又能够提高用户足部的舒适度。
结合第一方面的第七种可能的实施方式，在第一方面的第八种可能的实施方式中，鞋垫本体还包括热塑性聚氨酯弹性体橡胶层，热塑性聚氨酯弹性体橡胶层的上表面与线路层的下表面贴合。该层对上面各层特别是压阻聚合物复合纤维材料层起支撑和保护作用，避免过度形变和产生不可修复的疲劳。
第二方面，本实用新型实施例提供一种监测系统，包括终端设备以及第一方面或第一方面的第一种可能的实施方式至第八种可能的实施方式中的任意一种可能的实施方式提供的智能鞋垫，终端设备与智能鞋垫通信连接。该监测系统的有益效果参考上述第一方面中的描述。
为使本实用新型的上述目的、技术方案和有益效果能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1示出了本实用新型实施例提供的监测系统的结构示意图；
图2示出了本实用新型实施例提供的鞋垫本体的分层结构示意图；
图3示出了本实用新型实施例提供的聚合物复合纤维材料的压阻特性曲线的示意图；
图4示出了本实用新型提供的线路层的结构示意图；
图5示出了本实用新型实施例提供的监测系统的功能模块图。
图中：1－监测系统；10－智能鞋垫；100－记录仪；101－处理模块；102－无线通信模块；103－存储模块；104－供电模块；105－状态指示模块；110－鞋垫本体；112－聚氨酯泡沫材料层；114－压阻聚合物复合纤维材料层；116－线路层；116a－检测电路；116b－信号调理电路；116c－姿态传感器；118－热塑性聚氨酯弹性体橡胶层；120－通信线；20－鞋体；30－终端设备。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。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实用新型中的具体含义。
本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型实施例而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
图1示出了本实用新型实施例提供的监测系统1的结构示意图。参照图1，监测系统1包括智能鞋垫10以及与智能鞋垫10通信连接的终端设备30。智能鞋垫10能够检测获得使用该鞋垫的用户的足部压力信息并将足部压力信息发送至终端设备30，终端设备30能够基于足部压力信息计算获得用户的足部压力分布，从而在终端设备30上实现对用户足部压力分布的实时监测。在本实用新型实施例的部分实施方式中，智能鞋垫10还能够检测获得用户的足部姿态信息并将足部姿态信息发送至终端设备30，终端设备30能够基于足部姿态信息计算获得用户的足部姿态，从而在终端设备30上实现对用户足部姿态的实时监测。对用户的足部压力分布以及足部姿态的监测对于评估体育训练过程中训练动作的规范性有着重要的意义，对于评估用户的身体健康状况，及时发现某些与步态相关的特定疾病同样十分重要。本实用新型实施例中的监测数据均为量化数据，其精确性高，监测效果良好。科研人员基于这些监测数据，还可以进一步通过大数据分析、机器学习等方法对监测数据进行处理，从体育训练规范、减少运动损伤、健康状况评估等方面给出科学的、合理的分析和建议。
其中，智能鞋垫10设置于鞋体20，终端设备30可以为但不限于台式计算机、笔记本电脑、平板电脑、智能手机、智能穿戴设备、智能车载设备等电子设备。在具体实施时，终端设备30与智能鞋垫10之间的通信连接一般通过无线通信的方式实现，例如可以采用但不限于Wi－Fi、蓝牙、2G、3G、4G、NB－IoT、Zigbee等方式。
智能鞋垫10包括设置于鞋体20内底面的鞋垫本体110以及安装在鞋体20上的记录仪100，记录仪100与鞋垫本体110连接同时与终端设备30通信连接。鞋垫本体110采集的原始数据经记录仪100处理后发送至终端设备30。在本实用新型实施例的一种可选的实施方式中，将记录仪100安装在鞋体20外表面靠近脚踝的位置，发明人经长期研究统计发现，绝大多数的足部运动不会涉及该位置，因此将记录仪100安装在该位置可以在最大程度上避免因用户的足部运动造成的记录仪100脱落或损坏的情况。
图2示出了本实用新型实施例提供的鞋垫本体110的分层结构示意图。参照图2，鞋垫本体110至少应包括压阻聚合物复合纤维材料层114以及线路层116，在本实用新型实施例的部分实施方式中，鞋垫本体110还可以包括聚氨酯泡沫材料层112以及热塑性聚氨酯弹性体橡胶层118。以图2示出的实施方式为例进行阐述，在图2示出的实施方式中，鞋垫本体110由聚氨酯泡沫材料层112、压阻聚合物复合纤维材料层114、线路层116以及热塑性聚氨酯弹性体橡胶层118按照至上而下的顺序依次贴合构成。其中，线路层116与记录仪100连接。
人体在运动时，脚掌与鞋垫之间是紧密贴合的关系，足部运动时所产生的压力会被完整地施加在智能鞋垫10上，检测智能鞋垫10上的压力分布以及压力大小即可分析出用户运动时的足部压力分布。对于足部压力分布的检测依赖于压阻聚合物复合纤维材料层114、线路层116以及记录仪100实现。
其中，压阻聚合物复合纤维材料层114由织物性质的聚合物复合纤维材料，聚合物复合纤维材料是一种可以随着受力的不同在导体和绝缘体之间变化的复合纤维材料，聚合物复合纤维材料的阻抗值从0开始，会随着压力的增大而不断变大，并最终变为绝缘体，同时该材料兼容含有莱卡成分的标准弹性纺织品、具有易于鞋底贴合、使用寿命长等特点，图3示出了本实用新型实施例提供的聚合物复合纤维材料的压阻特性曲线的示意图。从而，基于图3中的压阻特性曲线，通过检测聚合物复合纤维材料的阻抗值，便可以获得与阻抗值对应的聚合物复合纤维材料所受到用户的足部压力值，进而获得用户的足部压力分布，这也是智能鞋垫10实现足部压力分布检测的基本原理。线路层116对压阻聚合物复合纤维材料层114中的聚合物复合纤维材料的阻抗值进行检测，生成用于表征该阻抗值的电压信息并将电压信息发送至记录仪100，记录仪100能够基于电压信息计算获得用户的足部压力信息，足部压力信息可以包括，但不限于智能鞋垫10是否受力、受力的位置、受力的大小、受力区域的形状等信息。进一步的，记录仪100将足部压力信息发送至终端设备30，终端设备30基于足部压力信息计算获得用户的足部压力分布，足部压力分布可以包括，但不限于压力分布、弯曲程度、位置移动、旋转方向、扭角等信息。即通过使用智能鞋垫10检测获得用户的足部压力信息，用户在终端设备30上可以对足部压力的分布进行实时监测。
图4示出了本实用新型提供的线路层116的结构示意图。参照图4，在本实用新型实施例的一种实施方式中，线路层116可以包括检测电路116a以及信号调理电路116b。其中，检测电路116a可以实现为柔性线路，该柔性线路以复印的方式直接印制在压阻聚合物复合纤维材料层114的下表面，如图4所示，柔性线路与普通的刚性电路不同，其能够承受一定范围内的形变而不会发生损坏，显然在足部运动过程中，智能鞋垫10可能发生一定程度的形变，因此在该应用场景中可以采用柔性线路。信号调理电路116b分别与检测电路116a以及记录仪100连接，信号调理电路116b与记录仪100之间的连接以及数据传输可以通过可拆卸的通信线120实现，信号调理电路116b可以设置在线路层116的与足弓对应的位置，如图4所示。
检测电路116a能够感知聚合物复合纤维材料的阻抗值的变化，生成与阻抗值对应的阻抗检测信号并将阻抗检测信号发送至信号调理电路116b，信号调理电路116b将阻抗检测信号转化为电压信号，并进行放大滤波、模数转换等处理最终生成与阻抗值对应的电压信息并将该电压信息发送至记录仪100。为有效检测压阻聚合物复合纤维材料层114的不同区域的受压情况，将压阻聚合物复合纤维材料层114进一步划分为一个或多个检测区域，同时将检测电路116a进一步划分为一个或多个检测回路，每个检测回路均设置在与之对应的一个检测区域内并与信号调理电路116b连接。每个检测回路能够检测与之对应的检测区域内的聚合物复合纤维材料的阻抗值并生成与该检测区域对应的阻抗检测信号，从而信号调理电路116b可以输出与每个检测区域对应的电压信息，进而在后续过程中实现对于不同检测区域内的聚合物复合纤维材料所受到的用户的足部压力的检测，在此基础上可以分析获得用户足部压力的精确分布。
在本实用新型实施例的部分实施方式中，线路层116还可以包括姿态传感器116c，姿态传感器116c与记录仪100连接，姿态传感器116c与记录仪100之间的连接以及数据传输可以通过可拆卸的通信线120实现。姿态传感器116c可以设置在线路层116的与足弓对应的位置，如图4所示。姿态传感器116c能够检测获得用户的足部姿态参数并将足部姿态参数发送至记录仪100。其中，足部姿态参数可以包括，但不限于智能鞋垫10(在此处等效于用户的足部)的三轴加速度、三轴角速度、三轴磁力计等参数。在记录仪100中，可以基于足部姿态参数计算获得足部姿态信息，例如，对于上述三维九轴数据，可以利用预设的数字滤波器以及姿态融合算法解析出用于表征运动姿态的欧拉角。进一步的，记录仪100将足部姿态信息发送至终端设备30，终端设备30基于足部姿态信息计算获得用户的足部姿态，例如，终端设备30基于获得的欧拉角可以在空间坐标系下还原出用户的足部姿态。即通过使用智能鞋垫10检测获得用户的足部姿态信息，用户在终端设备30上可以对足部姿态进行实时监测。在本实用新型实施例中，姿态传感器116c可以采用，但不限于奥松机器人公司生产的型号为RB－02S113姿态传感器116c。
聚氨酯泡沫材料层112由聚氨酯泡沫材料构成，其上表面直接与用户的足底接触，该材料具有防水透气、运动缓冲等功能，既可以保护线路层116中的线路及电子元件，又能够提高用户穿戴鞋垫的舒适度，使得智能鞋垫10能够用于更多场合。热塑性聚氨酯弹性体橡胶层118由热塑性聚氨酯弹性体橡胶构成，其下表面与鞋体20底部内表面接触，该材料结合的塑料的强度与橡胶的韧性，能够对上面各层特别是压阻聚合物复合纤维材料层114起支撑和保护作用，避免过度形变和产生不可修复的疲劳，进而影响智能鞋垫10的压力检测效果。
图5示出了本实用新型实施例提供的监测系统1的功能模块图。下面主要阐述图5中涉及记录仪100的部分，涉及鞋垫本体110的部分在上面已经阐述。参照图5，在本实用新型实施例的部分实施方式中，记录仪100可以进一步包括处理模块101、无线通信模块102以及供电模块104。其中，处理模块101分别与线路层116以及无线通信模块102连接，无线通信模块102分别与供电模块104以及存储模块103连接，无线通信模块102还与终端设备30通信连接。
处理模块101对从线路层116接收到的电压信息进行计算处理，获得足部压力信息并将其通过无线通信模块102以无线通信的方式发送至终端设备30。在本实用新型的部分实施方式中，如果线路层116还包括姿态传感器116c，则处理模块101还可以对从线路层116接收到的足部姿态参数进行计算处理，获得足部姿态信息并将其通过无线通信模块102以无线通信的方式发送至终端设备30。处理模块101可以采用具有数据处理功能的芯片实现，例如可以通过，但不限单片机、ARM芯片、DSP芯片、ASIC芯片、FPGA芯片等方式实现。
处理模块101通过无线通信模块102和终端设备30进行数据交互，无线通信模块102可以采用现有技术中的各种无线通信方式，具体而言，无线通信模块102可以实现为，但不限于Wi－Fi模块、蓝牙模块、2G模块、3G模块、4G模块、NB－IoT模块、Zigbee模块等。利用无线通信模块102中内置的数据传输协议，可以将智能鞋垫10获得的足部压力信息、足部姿态信息等数据及时、可靠地上报至终端设备30，确保终端设备30监测过程中的数据的实时性、连续性与完整性。无线通信模块102除了可以将数据发送至终端设备30以实现对用户足部姿态以及足部压力分布的实时监测外，还可以接收来自于终端设备30的控制数据，以实现在终端设备30上控制智能鞋垫10的工作状态。
在实际中，由于外部环境的干扰，在某些情况下无线通信模块102可能出现数据传输异常的情况，例如无线通信模块102采用蓝牙模块，终端设备30为用户随身携带的智能手机，在正常状况下，蓝牙模块可以将数据实时发送至智能手机，但如果智能手机电量耗尽，则无法接收蓝牙数据。对于无线通信模块102的数据传输异常的情况，则可以利用存储模块103对数据进行暂存，待异常情况解除后再将数据传输至终端设备30，从而确保数据的完整性与可靠性。此外，在本实用新型实施例的部分实施方式中，处理模块101获得的足部压力信息、足部姿态信息等数据并不一定要实施发送至终端设备30，也可以是积累至一定的数据量后再进行发送或者定期发送，此时也可以利用存储模块103对待发送的数据进行暂存。
供电模块104包括可充电电池，可以对无线通信模块102进行供电。显然，根据实际需求，在本实用新型实施例的其他一些实施方式中，供电模块104还可以直接地或间接地和记录仪100的其他模块连接，向其他模块供电。
在本实用新型实施例的一种可选的实施方式中，记录仪100还可以包括状态指示模块105，状态指示模块105与无线通信模块102连接，状态指示模块105具有状态显示功能，能够显示用于表征记录仪100工作状态的状态信息，状态信息包括但不限于开关机信息、无线通信模块102的通信状态信息、正常工作状态信息、异常工作状态信息等。状态指示模块105有利于用户直观地了解记录仪100当前的工作状态。在本实用新型实施例中，状态指示模块105可以通过指示灯电路、液晶显示屏等方式实现。
综上所述，本实用新型实施例提供的监测系统1，通过在智能鞋垫10的鞋垫本体110设置压阻聚合物复合纤维材料层114以及线路层116，在终端设备30上实现对用户的足部压力分布的监测。本实用新型实施例提供的监测系统1，还通过在线路层116设置姿态传感器116c，在终端设备30上实现对用户的足部姿态的监测。进一步的，在终端设备30上，可以建立对足部压力分布以及足部姿态的数据进行统计分析，利用包括机器学习在内的算法建立相应的数据模型，以评估使用智能鞋垫10的用户在体育训练过程中的动作的规范性问题，及时发现用户的错误姿势或动作，并给出科学、安全、合理化的训练建议，有助于提高用户的体育训练水平。同时，用户的足部压力分布以及足部姿态，对于日常生活中用户健康状况的评估也具有重要参考意义，可以根据这些数据及时发现与步态相关的特定疾病，从而及时采取治疗措施。此外，本实用新型实施例中的使用的监测数据均为量化数据，例如压力值、三维九轴数据等，其精确性高，监测效果良好。
显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。