基于压力传感器的步态监测鞋垫的制作方法

本发明属于健康监测技术领域，具体涉及一种基于压力传感器的步态监测鞋垫。

背景技术：

随着科学水平的进步，个人健康意识的提高，健康监测设备逐渐成为人们生活中的一部分。目前可穿戴便携式健康监测设备能随时监控并记录佩戴者的运动状况、心率状况，甚至可以对心电图进行监测。而对于运动中更精确的状态，则缺乏进一步测量。而基于脚掌压力传感的步态识别将能更精确的测量佩戴者的步行状态。通过采集佩戴时的脚掌各个部分所受压力，经过处理计算，可以得到例如平地步行、上坡、下坡、跑步、站立甚至跌倒等状态。

目前已有专利使用压力传感进行步态监测，申请号为cn201610191213.6的专利申请公开了一种足压监测鞋垫及其监测系统，该系统使用7个高聚合物压力传感器分别对足跟内侧、足跟外侧、第一跖骨、第三跖骨、第四跖骨、第五跖骨和足弓处的压力进行采集，当任意两个或者三个点压力信号降为0则判断为跌倒，并将定位信息通过sim卡发送。另外，申请号为cn201510971801.7的中国专利公开了一种可穿戴式多信息融合的步态分析系统及方法，使用了柔性传感器、三轴加速度计及陀螺仪传感器等对用户行走时的步态数据进行采集分析并传送至云服务器，对足部病人康复、老人步姿监测、儿童学步等提供支持和帮助。现有技术中压力传感器为传统型，体积大、精度低、且布置数量少，只能提供相对单一的功能，而需要辅助其他例如加速度计或者陀螺仪才能对步态状态进行记录和监测。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出了一种基于压力传感器的步态监测鞋垫。本发明在不使用加速度计和陀螺仪、仅采用压力传感器的情况下，实现了对佩戴者的步态状态，比如平地步行、上坡、下坡、跑步、站立、跌倒等状态进行精确的识别，并将相关数据信息发送至佩戴者的接收设备，达到步态监测的目的。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于压力传感器的步态监测鞋垫，其特征在于，所述鞋垫包括带压力传感器的鞋垫基底以及控制电路模块：

所述带压力传感器的鞋垫基底包括鞋垫基底，以及位于鞋垫基底之上的、平行设置的n个线形或条形压力传感器；

所述控制电路模块包括多通道驱动及采集模块、中央处理器和无线模块，所述多通道驱动及采集模块连接线形或条形压力传感器的两端并在其两端施加电信号；n个线形或条形压力传感器将压力转换为电压值，多通道驱动及采集模块采集得到的n个电压值并传输至中央处理器，中央处理器根据n个电压值判断佩戴者的步态状态，并将步态状态通过无线模块输出；

所述中央处理器根据n个电压值判断步态状态的过程具体为：

首先，在初始平地站立状态下，分别采集n个压力传感器在t(t≥10s)时间内的电压值，得到电压值v-t曲线；在初始平地步行状态，分别采集n个压力传感器在t时间内的电压值，得到电压值v-t曲线，进而得到步行周期t0；

然后，中央处理器根据n个压力传感器采集到的电压值，判断步态状态：

平地步行状态：将采集的电压值与初始平地步行状态电压值进行对比，若采集时间t1内所有电压值不超过对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的最大电压值的1.1倍，即不超过1.1vmax，vmax为对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的最大电压值，且采集时间t1内，步行周期不低于对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的步行周期t0的70％(不低于0.7t0)，则处于平地步行状态；

上坡状态：将采集的电压值与初始平地步行状态电压值进行对比，若采集时间t2内，鞋垫后1/4或小于1/4位置(靠近脚后跟)压力传感器的电压值均超过对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的最大电压值的1.2倍，即超过1.2vmax，且站立相时间超过对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的站立相时间的10％(≥0.1站立相时间)；且采集时间t2内，鞋垫前1/3或小于1/3的位置压力传感器的电压值均低于对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的最大电压值，且站立相时间低于对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的站立相时间；且步行周期不低于对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的步行周期t0的70％(不低于0.7t0)，则处于上坡状态；

下坡状态：将采集的电压值与初始平地步行状态电压值进行对比，若采集时间t3内，鞋垫前1/3或小于1/3的位置压力传感器的电压值均超过对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的最大电压值1.2倍，即超过1.2vmax，且站立相时间超过对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的站立相时间的10％(≥0.1站立相时间)；鞋垫后1/4或小于1/4位置(靠近脚后跟)压力传感器的电压值均低于对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的最大电压值，且站立相时间低于对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的站立相时间；且步行周期不低于对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的步行周期t0的70％(不低于0.7t0)，则处于下坡状态；

跑步状态：将采集的电压值与初始平地步行状态电压值进行对比，若采集时间t4内，所有电压值不超过对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的最大电压值的1.3倍，即小于或等于1.3vmax，且步行周期不低于对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的步行周期t0的70％(不低于0.7t0)，则处于跑步状态；

站立状态：将采集的电压值与初始平地站立状态电压值进行对比，若采集时间t5内，所有电压值不超过对应位置的压力传感器在初始平地站立状态记录的最大电压值的1.1倍，即小于或等于1.1vmax，且无步行周期产生，则处于站立状态；

跌倒状态：将采集的电压值与初始平地站立状态电压值进行对比，若采集时间t6内，任一压力值超过对应位置的压力传感器在初始平地站立状态记录的最大电压值的1.6倍，即超过1.6vmax，且该压力值在下一采集时刻降低至低于对应位置的压力传感器在初始平地站立状态记录的最大电压值的10％，即低于0.1vmax，则处于跌倒状态；

当中央处理器判断步态状态为平地步行状态、上坡状态、下坡状态、跑步状态或站立状态时，将步态状态和运动数据通过无线模块发送至佩戴者的接收设备；当中央处理器判断步态状态为跌倒状态时，发送警告信号至佩戴者的接收设备。

进一步地，所述压力传感器还可将压力值转换为电流值，中央处理器根据电流值判断步态。

进一步地，所述控制电路模块中还可以添加gps模块，在向佩戴者的接收设备发送步态状态、运动数据或警告信号的同时，发送其位置信息。

进一步地，所述控制电路模块中的多通道驱动及采集模块的采样频率不低于20hz，且多通道并行采集。

进一步地，所述控制电路模块中的中央处理器采用基于arm架构的单片机，内部嵌入步态状态识别算法。

进一步地，所述n个线形或条形压力传感器通过编织或者粘贴的方式形成于鞋垫基底之上。

进一步地，所述n个线形或条形压力传感器平行设置，其条数n≥8，相邻两条的间距不大于3cm，保证其步态监测的精确性。

进一步地，所述n个线形或条形压力传感器垂直于正常步行方向。

进一步地，所述条形的薄膜压力传感器包括依次设置的基底、下电极、压力敏感材料层和上电极，通过上下电极即可测得压力值，其中，所述压力敏感材料可以为石墨烯、单晶硅、锗等。

进一步地，所述线形压力传感器为石墨烯浸染棉线或者混合石墨烯的线形聚合物。其中，石墨烯浸染棉线的制备过程具体为：首先，将棉线浸泡于质量浓度为5～20mg/ml的氧化石墨烯分散液中直至完全浸润，然后还原，得到石墨烯浸染棉线。其中，混合石墨烯的线形聚合物的制备过程具体为：首先，将聚合物原料颗粒和还原的氧化石墨烯加入去离子水中，在50～70℃下搅拌混合均匀，得到混合液，其中，聚合物原料的浓度为0.05～0.2mol/l，还原的氧化石墨烯的浓度为5～20mg/ml；然后，将上述混合液注射入饱和钙盐中，即可得到现状聚合物，捞出，即可得到所述混合石墨烯的线形聚合物；所述聚合物原料可以为海藻酸钠、聚乙烯醇等。

进一步地，所述线形压力传感器为3股以上的石墨烯浸染棉线或者混合石墨烯的线形聚合物咬合缠绕编织、然后在其表面包裹聚合物保护层得到的，其中，单股石墨烯浸染棉线或者混合石墨烯的线形聚合物的直径不超过1mm，聚合物保护层可以为pet、pc等聚合物。

进一步地，所述控制电路模块中还可以添加gps模块，gps模块与中央处理器相连，可实现定位功能。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明提供的一种基于压力传感器的步态监测鞋垫，仅包括带压力传感器的鞋垫基底和控制电路模块，在不采用加速度计或陀螺仪的的情况下，实现了对佩戴者的步态状态的精确识别，降低了成本。

2、本发明提供的一种基于压力传感器的步态监测鞋垫，通过多个平行布置的条状压力传感器对足底压力波形相位信息进行采集，比基于点分布压力的采集方式更加精准。

3、本发明提供的一种基于压力传感器的步态监测鞋垫，传感器的类型可选择线形压力传感器或条状薄膜压力传感器，且适用于各种不同传感机理的压力传感器。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于压力传感器的步态监测鞋垫的结构示意图；

图2为本发明提供的一种基于压力传感器的步态监测鞋垫中，控制电路模块的结构示意图；

图3为本发明提供的一种基于压力传感器的步态监测鞋垫中，线形压力传感器的结构示意图。

附图标记：100带压力传感器的鞋垫基底，101压力传感器，102连接线，103控制电路模块，200线形压力传感器(石墨烯浸染棉线或混合石墨烯的线型聚合物)，201聚合物保护层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方案进行详细的阐述。

本发明的第一种实施方案涉及一种基于压力传感器的步态监测鞋垫，如图1所示，包括16个线形压力传感器的鞋垫基底以及控制电路模块，两部分通过连接线连接。控制电路模块包括多通道驱动及采集模块、中央处理器、gps模块、无线模块和电源模块，如图2所示；多通道驱动及采集模块使用恒电流源驱动模式，并行的对所有16个线形压力传感器进行驱动，同时，多通道驱动及采集模块中的adc芯片对传感器两端电压进行采集，同样并行的对所有16个线形压力传感器进行采集，且采样频率为20hz，保证采样的即时性和准确性；adc芯片通过i2c协议与中央处理器通讯；中央处理器采用基于arm架构的单片机，并内嵌步态状态识别算法；gps使用i2c协议与中央处理器通讯；无线模块使用spi协议与中央处理器通讯，使用蓝牙技术与佩戴者接收设备通讯；电源模块使用软包锂离子电池为储能元件，并使用基于qi的无线充电技术对其进行充电。

带有压力传感器的鞋垫基底包括线形压力传感器及鞋垫纺织层，线形压力传感器呈二维线状，通过与鞋垫纺织层的原材料混纺嵌入鞋垫中，且在鞋垫中呈多条平行放置，每条压力传感器可以单独测量所受压力值。在本实施例中，共放置16个线形压力传感器，每个线形压力传感器使用两根连接线连接到控制电路模块，与控制电路模块中的多通道驱动及采集模块直接连接。多通道驱动及采集模块共有16路并行的驱动模块和采集模块。

线形压力传感器基于混合石墨烯的线形聚合物的多股编织结构，如图3所示，其中包含三股直径分别为0.3mm的混合石墨烯和聚乙烯醇的线形聚合物，采用咬合缠绕编织的工艺制备，其外包裹0.5mm厚的聚酯聚合物保护层。其中，混合石墨烯的线形聚合物的制备过程具体为：首先，将聚乙烯醇和还原的氧化石墨烯加入去离子水中，在70℃下搅拌混合均匀，得到混合液，其中，聚乙烯醇的浓度为0.1mol/l，还原的氧化石墨烯的浓度为10mg/ml；然后，将上述混合液注射入饱和钙盐中，即可得到现状聚合物，捞出，即可得到所述混合石墨烯的线形聚合物。

该步态监测鞋垫在运行时，多通道驱动及采集模块将16个压力传感器所测量压力值转化为多通道电压值后传输至中央处理器，中央处理器基于步态状态识别算法，根据多通道电压值计算出佩戴者步态状态，并将此状态数据与gps模块数据整合后通过无线模块发送至佩戴者的接收设备。

该步态监测鞋垫对于步态状态的识别仅基于平行放置的多组线形压力传感器采集到的压力波形而无须加速度计或陀螺仪；步态状态包括平地步行、上坡、下坡、跑步、站立和跌倒，对于除跌倒以外的状态，控制电路模块对其进行记录，并结合gps数据将其转换为运动数据发送至佩戴者的接收设备；对于跌倒状态，控制电路模块将跌倒状态及gps数据整合为警告信号发送至佩戴者的接收设备，并可设置下一步操作。

其中，步态状态识别算法如下：

首先，在初始平地站立状态下，分别采集16个压力传感器在10秒的时间内的电压值，得到电压值v-t曲线；在初始平地步行状态，分别采集16个压力传感器在10秒的时间内的电压值，得到电压值v-t曲线，进而得到步行周期t0；

然后，中央处理器根据16个压力传感器采集到的电压值，判断步态状态：

平地步行状态：将采集的电压值与初始平地步行状态电压值进行对比，若采集时间t1内所有电压值不超过对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的最大电压值的1.1倍，即不超过1.1vmax，vmax为对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的最大电压值，且采集时间t1内，步行周期不低于对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的步行周期t0的70％(不低于0.7t0)，则处于平地步行状态；

上坡状态：将采集的电压值与初始平地步行状态电压值进行对比，若采集时间t2内，鞋垫后部(靠近脚后跟)的4个压力传感器的电压值均超过对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的最大电压值的1.2倍，即超过1.2vmax，且站立相时间超过对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的站立相时间的10％(≥0.1站立相时间)；且采集时间t2内，鞋垫前部的5个压力传感器的电压值均低于对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的最大电压值，且站立相时间低于对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的站立相时间；且步行周期不低于对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的步行周期t0的70％(不低于0.7t0)，则处于上坡状态；

下坡状态：将采集的电压值与初始平地步行状态电压值进行对比，若采集时间t3内，鞋垫前部的5个压力传感器的电压值均超过对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的最大电压值1.2倍，即超过1.2vmax，且站立相时间超过对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的站立相时间的10％(≥0.1站立相时间)；鞋垫后部(靠近脚后跟)的4个压力传感器的电压值均低于对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的最大电压值，且站立相时间低于对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的站立相时间；且步行周期不低于对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的步行周期t0的70％(不低于0.7t0)，则处于下坡状态；

跑步状态：将采集的电压值与初始平地步行状态电压值进行对比，若采集时间t4内，所有电压值不超过对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的最大电压值的1.3倍，即小于或等于1.3vmax，且步行周期不低于对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的步行周期t0的70％(不低于0.7t0)，则处于跑步状态；

站立状态：将采集的电压值与初始平地站立状态电压值进行对比，若采集时间t5内，所有电压值不超过对应位置的压力传感器在初始平地站立状态记录的最大电压值的1.1倍，即小于或等于1.1vmax，且无步行周期产生，则处于站立状态；

跌倒状态：将采集的电压值与初始平地站立状态电压值进行对比，若采集时间t6内，任一压力值超过对应位置的压力传感器在初始平地站立状态记录的最大电压值的1.6倍，即超过1.6vmax，且该压力值在下一采集时刻降低至低于对应位置的压力传感器在初始平地站立状态记录的最大电压值的10％，即低于0.1vmax，则处于跌倒状态；

当中央处理器判断步态状态为平地步行状态、上坡状态、下坡状态、跑步状态或站立状态时，将步态状态、运动数据及gps数据通过无线模块发送至佩戴者的接收设备；当中央处理器判断步态状态为跌倒状态时，发送警告信号及gps数据至佩戴者的接收设备。

其中，采集时间t1、t2、t3、t4、t5、t6均≥10s。

本发明的第二种实施方案涉及一种基于压力传感器的步态监测鞋垫，包括16个条状薄膜压力传感器的鞋垫基底以及控制电路模块，两部分通过连接线连接。控制电路模块包括多通道驱动及采集模块、中央处理器、gps模块、无线模块及电源模块，如图2所示；多通道驱动及采集模块使用恒电流源驱动模式，并行的对所有16个条状薄膜压力传感器进行驱动，同时，多通道驱动及采集模块中的adc芯片对传感器两端电压进行采集，同样并行的对所有16个条状薄膜压力传感器进行采集，且采样频率为20hz，保证采样的即时性和准确性；adc芯片通过i2c协议与中央处理器通讯；中央处理器采用基于arm架构的单片机，并内嵌步态状态识别算法；gps使用i2c协议与中央处理器通讯；无线模块使用spi协议与中央处理器通讯，使用蓝牙技术与佩戴者接收设备通讯；电源模块使用软包锂离子电池为储能元件，并使用基于qi的无线充电技术对其进行充电。

带有压力传感器的鞋垫基底包括条状薄膜压力传感器及鞋垫纺织层，条状薄膜压力传感器贴附于鞋垫纺织层上，且压力传感器在鞋垫中呈平行放置。在本实施例中，共放置16个条状薄膜压力传感器，每个条状薄膜压力传感器使用两根连接线连接控制电路模块，与控制电路模块中的多通道驱动及采集模块直接连接。多通道驱动及采集模块共有16路并行的驱动模块和采集模块。

本实施例中条状薄膜压力传感器为基于石墨烯薄膜压阻效应压力传感器，包括依次设置的基底、下电极、石墨烯、上电极。

该步态监测鞋垫在运行时，多通道驱动及采集模块将16个条状薄膜压力传感器所测量压力值转化为多通道电压值后传输至中央处理器，中央处理器基于步态状态识别算法，根据多通道电压值计算出佩戴者步态状态，并将此状态数据与gps模块数据整合后通过无线模块发送至佩戴者的接收设备。

其中，步态状态识别算法如下：

首先，在初始平地站立状态下，分别采集16个条状薄膜压力传感器在10秒的时间内的电压值，得到电压值v-t曲线；在初始平地步行状态，分别采集16个压力传感器在10秒的时间内的电压值，得到电压值v-t曲线，进而得到步行周期t0；

然后，中央处理器根据16个条状薄膜压力传感器采集到的电压值，判断步态状态：

平地步行状态：将采集的电压值与初始平地步行状态电压值进行对比，若采集时间t1内所有电压值不超过对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的最大电压值的1.1倍，即不超过1.1vmax，vmax为对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的最大电压值，且采集时间t1内，步行周期不低于对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的步行周期t0的70％(不低于0.7t0)，则处于平地步行状态；

上坡状态：将采集的电压值与初始平地步行状态电压值进行对比，若采集时间t2内，鞋垫后部(靠近脚后跟)的4个压力传感器的电压值均超过对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的最大电压值的1.2倍，即超过1.2vmax，且站立相时间超过对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的站立相时间的10％(≥0.1站立相时间)；且采集时间t2内，鞋垫前部的5个压力传感器的电压值均低于对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的最大电压值，且站立相时间低于对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的站立相时间；且步行周期不低于对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的步行周期t0的70％(不低于0.7t0)，则处于上坡状态；

下坡状态：将采集的电压值与初始平地步行状态电压值进行对比，若采集时间t3内，鞋垫前部的5个压力传感器的电压值均超过对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的最大电压值1.2倍，即超过1.2vmax，且站立相时间超过对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的站立相时间的10％(≥0.1站立相时间)；鞋垫后部(靠近脚后跟)的4个压力传感器的电压值均低于对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的最大电压值，且站立相时间低于对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的站立相时间；且步行周期不低于对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的步行周期t0的70％(不低于0.7t0)，则处于下坡状态；

跑步状态：将采集的电压值与初始平地步行状态电压值进行对比，若采集时间t4内，所有电压值不超过对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的最大电压值的1.3倍，即小于或等于1.3vmax，且步行周期不低于对应位置的压力传感器在初始平地步行状态记录的步行周期t0的70％(不低于0.7t0)，则处于跑步状态；

站立状态：将采集的电压值与初始平地站立状态电压值进行对比，若采集时间t5内，所有电压值不超过对应位置的压力传感器在初始平地站立状态记录的最大电压值的1.1倍，即小于或等于1.1vmax，且无步行周期产生，则处于站立状态；

跌倒状态：将采集的电压值与初始平地站立状态电压值进行对比，若采集时间t6内，任一压力值超过对应位置的压力传感器在初始平地站立状态记录的最大电压值的1.6倍，即超过1.6vmax，且该压力值在下一采集时刻降低至低于对应位置的压力传感器在初始平地站立状态记录的最大电压值的10％，即低于0.1vmax，则处于跌倒状态；

当中央处理器判断步态状态为平地步行状态、上坡状态、下坡状态、跑步状态或站立状态时，将步态状态、运动数据及gps数据通过无线模块发送至佩戴者的接收设备；当中央处理器判断步态状态为跌倒状态时，发送警告信号及gps数据至佩戴者的接收设备。