足部压力分布监测装置的制作方法

本实用新型涉及智能健康监测领域，具体涉及一种足部压力分布监测装置。

背景技术：

在人体的日常活动中，通常存在多种状态，例如，当人体处于行走或站立状态时，身体的重量都要由双足来支撑，由于每个人的走路步态不尽相同，因此足部的受力点分布也存在一定差异。对于一部分人来说，其习惯的行走方式可能使其脚部和腿部比其他人更容易受到伤害。尤其对于与跑步相关的运动员来说，正确的发力方式和运动姿态对于提高其竞技水平至关重要。因此，获得足部的压力分布对于普通人和运动员来说都具有重要意义。

在现有技术中，用于对足部压力的分布进行监测的监测装置多为固定的或不易携带的装置或仪器，其成本高昂，难以得到广泛应用，而便携式的装置由于采用压敏电阻、压电陶瓷和电容式压力传感器，其柔韧性欠佳，设置于鞋底和鞋垫内舒适性差。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种成本低且舒适性强的足部压力分布监测装置。

根据本实用新型的足部压力分布监测装置，包括：至少一个摩擦发电式压力传感器，用于感测人体足部的作用力；中央处理模块，用于对至少一个摩擦发电式压力传感器输出的信号进行处理。

进一步地，至少一个摩擦发电式压力传感器的数量为多个，各摩擦发电式压力传感器呈M行N列的阵列式分布。

进一步地，各摩擦发电式压力传感器均包括依次设置的第一电极层、第一聚合物绝缘层、第二聚合物绝缘层和第二电极层，第一聚合物绝缘层与第二聚合物绝缘层相对的表面构成摩擦界面，且构成摩擦界面的相对的表面中的至少一个表面上设置有凸起阵列结构，第一电极层和第二电极层构成摩擦发电式压力传感器的信号输出端。

进一步地，在呈阵列式分布的多个摩擦发电式压力传感器中，每行的摩擦发电式压力传感器的第一电极层顺次相连，以得到M个行输出端，每列的摩擦发电式压力传感器的第二电极层顺次相连，以得到N个列输出端，其中，M个行输出端与N个列输出端与中央处理模块相连。

进一步地，至少一个摩擦发电式压力传感器的数量为一个，其包括依次设置的独立电极层、第三聚合物绝缘层、第四聚合物绝缘层以及公共电极层。

进一步地，独立电极层包括多个独立电极，多个独立电极呈M行N列的阵列式分布且多个独立电极之间互不相连，每个独立电极均与公共电极层构成一对信号输出端且各独立电极和公共电极层分别与中央处理模块相连；第三聚合物绝缘层和第四聚合物绝缘层相对的表面构成摩擦界面，且构成摩擦界面的两个表面中的至少一个表面上设置有凸起阵列结构。

进一步地，独立电极层通过印刷的方式设置在第三聚合物绝缘层的远离摩擦界面的表面上，公共电极层通过印刷的方式设置在第四聚合物绝缘层的远离摩擦界面的表面上。

进一步地，足底压力分布监测系统还包括信号预处理模块，信号预处理模块包括顺次相连的放大电路、滤波电路和模数转换电路，其中，放大电路与摩擦发电式压力传感器相连，模数转换电路与中央处理模块相连。

进一步地，中央处理模块包括信号处理电路和控制电路，其中，信号处理电路与模数转换电路相连，用于对信号预处理模块输出的信号进行处理以得到足部各点的压力数据。

进一步地，足部压力分布监测装置还包括：报警模块和与中央处理模块相连的预存储模块，中央处理模块还包括连接在信号处理电路与控制电路之间的比较电路，其中，报警模块与控制电路电连接，用于响应控制电路输出的控制信号并产生报警信号；无线通信模块，用于与外部设备进行通信；以及电源模块，用于为足部压力分布监测装置供电。

进一步地，至少一个摩擦发电式压力传感器设置于鞋底的一侧表面和/或鞋底内部，或者，至少一个摩擦发电式压力传感器设置于鞋垫的一侧表面和/或鞋垫内部。

本实用新型的足部压力分布监测装置结构简单，使用方便，采用成本低廉且舒适性强的摩擦发电式压力传感器，从而极大地降低了足部压力分布监测装置的生产成本，有利于广泛推广和使用。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为根据本实用新型的足部压力分布监测装置的第一实施例的结构示意图；

图2为图1所示的摩擦发电式压力传感器的第一实施例的结构示意图；

图3为多个图2所示的摩擦发电式压力传感器的连接示意图；

图4为图1所示的摩擦发电式压力传感器的第二实施例的结构示意图；

图5为根据本实用新型的足部压力分布监测装置的第二实施例的结构示意图；

图6为根据本实用新型的足部压力分布监测装置的第三实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

图1示出了根据本实用新型的足部压力分布监测装置100的第一实施例的结构示意图。如图1所示，该足部压力分布监测装置100包括至少一个摩擦发电式压力传感器1，用于感测人体足部的作用力；中央处理模块3，用于对至少一个摩擦发电式压力传感器1输出的信号进行处理。

本实用新型的足部压力分布监测装置100在工作时，可将至少一个摩擦发电式压力传感器设置于鞋底的一侧表面和/或鞋底内部，或者，至少一个摩擦发电式压力传感器设置于鞋垫的一侧表面和/或鞋垫内部，在设置时，摩擦发电式压力传感器1可平铺设置，中央处理模块3以及其他电子元件和模块可采用现有技术制作为微型结构设置在鞋底、鞋帮或其他不影响行走的位置。鉴于脚对鞋底或鞋垫各点的压力不同，本实用新型的足部压力分布监测装置100可针对人体足底各点处的压力分布进行监测。具体地，外部的压力(即人体的作用力)作用在摩擦发电式压力传感器1上时，摩擦发电式压力传感器1将外部的压力转化为电信号，该电信号通过中央处理模块3进行处理后以压力数据的形式输出，该压力数据即为足底各点的压力数据，通过将该压力数据发送到客户端，如移动智能设备等，并最终由终端设备对测量数据进行综合分析，从而对使用者的足部进行运动损伤风险评估，预见足部可能发生损伤的部位和损伤类型等，并给出针对性更强的矫正建议。此外，本实用新型的足部压力分布监测装置100还可用于运动员辅助训练，以帮助其快速、准确地调整训练方式和姿态，从而提高训练水平。

值得注意的是，本实用新型的足部压力分布监测装置100不仅仅能够应用于监测人体足底的压力分布，从而达到及时调整站姿或跑姿的目的；同时也可应用于足部侧面以及脚趾间的压力分布的监测，以达到姿态矫正和畸形鉴别等目的。本实用新型的足部压力分布监测装置100结构简单，使用方便，采用成本低廉且舒适性强的摩擦发电式压力传感器1，从而极大地降低了足部压力分布监测装置100的生产成本，有利于广泛推广和使用。

根据本实用新型，摩擦发电式压力传感器1可以采用现有技术中的三层、四层或五层结构的摩擦发电机结构。

在如图2所示的实施例中，摩擦发电式压力传感器1为四层摩擦发电机结构。如图2所示，该摩擦发电式压力传感器1包括依次设置的第一电极层11、第一聚合物绝缘层12、第二聚合物绝缘层13和第二电极层14，第一聚合物绝缘层12与第二聚合物绝缘层13相对的表面构成摩擦界面，且构成摩擦界面的相对的表面中的至少一个表面上设置有凸起阵列结构15。凸起阵列结构15为多个凸点按照矩形或菱形排列构成，或者为多个带状结构按照几何排列设置在所述至少一个表面的两侧、四角、四周边缘或整个表面上。其中，凸点形状可以为圆柱形、四棱柱形或四棱锥形等，此处不作限定；带状结构可以按照井字、叉字、斑马线型、十字或口字的形状阵列排列，此处不作限定。第一电极层11和第二电极层14构成摩擦发电式压力传感器1的信号输出端，以用于与中央处理模块3相连。由此，摩擦发电式压力传感器1感测外界压力时，在外界压力作用下发生形变，使得构成摩擦界面的两个表面发生接触分离，从而相应受力位置的第一电极层11与第二电极层14因摩擦产生感应电荷以输出电信号。

值得注意的是，除了构成摩擦界面的两个表面不固定连接，其它各层之间均可为固定连接，例如粘接。另外，第一电极层11和第二电极层14可由具有导电性的材料形成。该具有导电性的材料例如可以是铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金等。第一聚合物绝缘层12例如可以由聚二甲基硅氧烷薄膜、聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜中的一种形成。第二聚合物绝缘层13可以由PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)形成。此外，凸起阵列结构15一方面用于增加摩擦界面的接触面积，另一方面用于在外界压力消失时使相对的两个摩擦界面快速分离，以提高摩擦发电式压力传感器1检测的灵敏度和准确度。

优选地，本实用新型的足部压力分布监测装置100中的摩擦发电式压力传感器1可以设置为相互连接的多个，也可以设置为一个。该摩擦发电式压力传感器1的数量可根据测量精度要求和设置面积确定。

在如图3所示的实施例中，至少一个摩擦发电式压力传感器1设置为相互连接的多个，且各摩擦发电式压力传感器1呈M行N列的阵列式分布。具体地，在呈阵列式分布的多个摩擦发电式压力传感器1中，每行的摩擦发电式压力传感器1的第一电极层11顺次相连，以得到M个行输出端，每列的摩擦发电式压力传感器1的第二电极层12顺次相连，以得到N个列输出端，其中，M个行输出端与N个列输出端与中央处理模块3相连。

更具体地，如图3所示，摩擦发电式压力传感器1排列成M行N列的阵列，每行的摩擦发电式压力传感器1包括的第一电极层11彼此相互连接，得到第一行的行输出端M1、第二行的行输出端M2和第三行的行输出端M3，同时每列的摩擦发电式压力传感器1包括的第二电极层14彼此相互连接，得到第一列的列输出端N1、第二列的列输出端N2和第三列的列输出端N3，将上述行输出端和列输出端通过接口与中央处理模块3相连。

在如图4所示的实施例中，至少一个摩擦发电式压力传感器1’的数量可设置为一个。如图4所示，该摩擦发电式压力传感器1’包括依次设置的独立电极层11’、第三聚合物绝缘层12’、第四聚合物绝缘层13’以及公共电极层14’。具体地，独立电极层11’包括多个独立电极111’，多个独立电极111’呈M行N列的阵列式分布且多个独立电极111’之间互不相连，每个独立电极111’均与公共电极层14’构成一对信号输出端且各独立电极111’和公共电极层14’分别与中央处理模块3相连；第三聚合物绝缘层12’和第四聚合物绝缘层13’相对的表面构成摩擦界面，且构成摩擦界面的两个表面中的至少一个表面上设置有凸起阵列结构15’。凸起阵列结构15’的结构与前述实施例相同，此处不再赘述。该实施例的摩擦发电式压力传感器1’的结构与图2所示的摩擦发电式压力传感器1的结构的不同之处在于，图4所示的摩擦发电式压力传感器1’中的独立电极层11’包括多个间隔设置的独立电极111’，通过该设置，每一个独立电极111’与公共电极层14’之间均可构成独立的摩擦发电式压力传感器(即类似于如图2所示的摩擦发电式压力传感器1)，从而实现了对如图2所示的多个摩擦发电式压力传感器1的集成，这样，在制作摩擦发电式压力传感器1’时可将其面积制作的较大，即仅需应用一个摩擦发电式压力传感器1’即可满足对压力分布的覆盖面积的要求，从而在满足对足部压力分布监测的要求的基础上极大地提高了足部压力分布监测装置100自身结构的紧凑性。

优选地，独立电极层11’可通过印刷的方式设置在第三聚合物绝缘层12’的远离摩擦界面的表面上，公共电极层14’可通过印刷的方式设置在第四聚合物绝缘层13’的远离摩擦界面的表面上。

根据本实用新型，如图5所示，足部压力分布监测装置100还包括信号预处理模块2，信号预处理模块2包括顺次相连的放大电路、滤波电路和模数转换电路(图中均未示出)，其中，放大电路与摩擦发电式压力传感器1或摩擦发电式压力传感器1’相连，模数转换电路与中央处理模块3相连。该信号预处理模块2用于对摩擦发电式压力传感器1或摩擦发电式压力传感器1’产生的电信号进行预处理。其中，放大电路与摩擦发电式压力传感器1相连，用于将摩擦发电式压力传感器1或摩擦发电式压力传感器1’输出的电信号进行放大；滤波电路与放大电路相连，用于滤除放大电路输出的放大后的电信号中的杂波；模数转换电路与滤波电路相连，用于将滤波后的模拟信号转换为数字信号。

进一步地，如图5所示，中央处理模块3包括信号处理电路31和控制电路32，信号处理电路31与模数转换电路相连。信号处理电路31用于对信号预处理模块2输出的信号进行处理以得到足部各点的压力数据。

更进一步地，如图6所示，足部压力分布监测装置100还包括报警模块6和与中央控制模块3相连的预存储模块7，中央处理模块3还包括连接在信号处理电路31与控制电路32之间的比较电路33。其中，报警模块6与控制电路32电连接，用于响应控制电路32输出的控制信号并产生报警信号；无线通信模块4，用于与外部设备进行通信；以及电源模块5，用于为足部压力分布监测装置100供电。预存储模块7中预先存储有正确行走或跑动姿态情况下的足部压力的分布数据以及预设阈值，当足部某点的实际压力分布数据与预存储的数据的差值超过预设阈值时，控制电路32可使报警模块6发出声/光报警信息，提示使用者调整姿态，并通过无线通信模块4将足部压力分布数据发送到客户端，便于使用者实时观察和参考。

此外，电源模块5可以为现有技术中的移动供电设备，如锂电池、镍氢电池或超级电容等。或者，电源模块也可以采用摩擦发电机或压电发电机产生电能，经整流处理后储存在储能元件中为该装置供电，这里不再赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本实用新型并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。