一种基于柔性霍尔压力传感器的动态足底监测足垫的制作方法

本发明属于足底压力测量领域，更具体地，涉及一种基于柔性霍尔压力传感器的动态足底监测足垫。

背景技术：

在足底压力测量方面：

随着人们对足部医疗以及足部与人体运动功能联系性认识的逐步提高，足底压力测量技术便飞速发展，并广泛应用于生物力学、康复医疗、体育训练等诸多领域。有研究表明偏瘫患者与正常人的足底压力分布特征有着显著的差异，通过足底压力测量和分析不仅可以得到患者的具体运动情况，而且还可基于此来辅助患者进行运动康复训练和评估等，因此，对足底压力测量系统的探究和开发具有实用价值和现实意义。

目前压力足垫所使用的传感器均以薄膜压电或压阻材料为主，便于嵌入鞋垫中随人体穿戴。但薄膜传感材料输出信号微弱，因此后续调理电路设计难度较大；并且柔性传感器大多具有密集化、微小化等特点，此种传感器一般价格昂贵，且太脆弱或性能有限，而且大多局限于一维压力的测量。

在足弓监测方面：

由于人要不停的行走、站立和跑跳，这就要求足底有一定的弹性从而缓冲地面对身体的冲击。足横弓与内外侧纵弓在足部形成一个力学性能非常合理的拱形弹力结构系统，使足底应力分布均匀，保护足底神经与血管，从而吸收震荡、保护大脑和内脏免收损伤。故在连续步态中讨论足横弓的组成及生物力学是非常有意义的。

目前对于足弓的研究多为静态性研究，即负重和非负重两个时间点的生物力学分析，而缺少对连续步态周期中足横弓的变化及各组成部分的运动规律和协调机制的研究。

静态研究足弓的方法主要有两种，一种为直接观察法，由临床医生通过对患者站立和静坐时的足部进行判断，该判断过于依赖医生的临床能力，并且具有很大的主观性。另一种为足印法，也是目前最为通用的足型分类方法：该方法通过在脚底涂上墨汁后，站立着压在平铺白纸上，采集到足印后对其分析。通过测量足弓指数：archindex(i)＝b/(a+b+c)，其中，a、b、c分别代表了足跟、足中、足前在白纸上的墨水面积，从而将足型分成正常足型、高足型、扁平足三种足型：正常足型的足弓指数在0.20-0.26，高足型的足弓指数低于0.20，扁平足的足弓指数高于0.26。但目前通用的足印法操作起来过于繁琐，并只限于静态状态下测量。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于柔性霍尔压力传感器的动态足底监测足垫，其目的在于，通过在足垫结构上设置多个柔性霍尔压力传感器，动态地记录足底压力信息与足弓的高度变化信息，探究之间的联系，为进行足研究的科研工作者及医生提供理论上的基础。

为实现上述目的，本发明提出了一种基于柔性霍尔压力传感器的动态足底监测足垫，包括足垫结构、多个柔性霍尔压力传感器和采集模块，其中：

所述足垫结构的形状与待测足底形状相同，多个所述柔性霍尔压力传感器根据待测足底的待测部位分别安装在所述足垫结构上，所述采集模块与所述柔性霍尔压力传感器相连；

所述柔性霍尔压力传感器包括底座、线性霍尔传感器、柔性体和永磁体，其中，所述底座上开设有槽，所述线性霍尔传感器和柔性体均安装在该槽内，且所述柔性体位于所述线性霍尔传感器上方，所述永磁体安装在所述柔性体中。

作为进一步优选的，多个所述柔性霍尔压力传感器分别安装在所述足垫结构对应待测足底的足跟区、足弓区、跖骨区和脚趾区。

作为进一步优选的，所述足垫结构上对应待测足底足弓区的部位设有凸台，以使足弓区的柔性霍尔压力传感器高于其他位置的柔性霍尔压力传感器。

作为进一步优选的，所述足跟区的柔性霍尔压力传感器的压力测量范围为100kpa～500kpa，所述足弓区的柔性霍尔压力传感器的压力测量范围为100kpa～380kpa，所述跖骨区的柔性霍尔压力传感器的压力测量范围为100kpa～1400kpa，所述脚趾区的柔性霍尔压力传感器的压力测量范围为100kpa～1000kpa。

作为进一步优选的，所述足垫结构包括足垫基底和覆盖在该足垫基底表面的足垫支撑，且所述足垫基底和足垫支撑均由柔性材料制成。

作为进一步优选的，所述底座、线性霍尔传感器、柔性体之间，以及所述柔性体、永磁体之间均由胶水固连。

作为进一步优选的，所述柔性体由聚二甲基硅氧烷、热塑性生物降解塑料中的一种或两种制成。

作为进一步优选的，所述底座、线性霍尔传感器、柔性体均为圆柱形。

作为进一步优选的，所述采集模块为单片机。

作为进一步优选的，所述柔性霍尔压力传感器的个数为15～25个。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明提供了一种将足底压力与足弓高度测量相结合的动态足底监测足垫，结构简单、成本低、使用方便，可以动态地记录足底压力信息与足弓的高度变化信息，探究之间的联系，为进行足研究的科研工作者及医生提供理论上的基础。

2.本发明的柔性霍尔压力传感器重复性能好，灵敏度与精度高，采集到的信号准确，并且柔性的传感器与足底直接接触，保证了采集足底信号过程中的舒适性。

3.本发明的采集模块体积较小，可直接绑在脚腕上，方便携带。

4.本发明根据足底压力分布特点，在足跟、足弓、跖骨区和各脚趾处设置15～25个不同压力测量范围的柔性霍尔压力传感器，以对足底各部位进行全面监测。

附图说明

图1为本发明实施例柔性霍尔压力传感器外观示意图；

图2为本发明实施例柔性霍尔压力传感器剖面结构示意图；

图3为本发明实施例足底监测足垫结构示意图；

图4为本发明实施例足底监测足垫结构爆炸图；

图5为本发明实施例足底监测足垫使用示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-柔性霍尔压力传感器，2-足垫基底，3-足垫支撑，4-采集模块，11-永磁体，12-柔性体，13-底座，14-线性霍尔传感器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供的一种基于柔性霍尔压力传感器的动态足底监测足垫，如图3和图4所示，包括足垫结构、多个柔性霍尔压力传感器1和采集模块4，其中：

所述足垫结构的形状与待测足底形状相同，其包括足垫基底2和覆盖在该足垫基底2表面的足垫支撑3，足垫基底2和足垫支撑3均由柔性材料制成；

所述柔性霍尔压力传感器1基于霍尔效应制成，如图1和图2所示，包括底座13、线性霍尔传感器14、柔性体12和永磁体11，其中，所述底座13上开设有槽，所述线性霍尔传感器14和柔性体12均安装在该槽内，且所述柔性体12位于所述线性霍尔传感器14上方，其上端开设有一凹槽，所述永磁体11安装在柔性体12的该凹槽中；多个所述柔性霍尔压力传感器1根据待测足底的待测部位分别垂直安装在所述足垫基底2上，且柔性体12暴露在鞋垫支撑3上，从而使柔性体12与足底直接接触并保证了穿戴者的舒适性；具体的，所述待测部位包括足跟区、足弓区、跖骨区和脚趾区，与足底压力分布特点吻合；

所述采集模块4采用分时采样技术与所述柔性霍尔压力传感器1相连，并通过usb或蓝牙与电脑连接，以将数据传输到电脑；具体的，采集模块4为stm32、fpga或51单片机，stm32内置模数转换器，可将柔性霍尔压力传感器1采集的模拟电压数值转换为数字量，再通过串口usb转ttl将数据发送给上位机。

进一步的，所述足垫结构对应待测足底足弓的部位设有凸台，以使足弓区的柔性霍尔压力传感器1高于其他位置的柔性霍尔压力传感器1，便于采集足弓高度变化信息。

进一步的，所述底座13、线性霍尔传感器14、柔性体12均为圆柱形；所述底座13、线性霍尔传感器14、柔性体12之间，以及所述柔性体12、永磁体11之间均由胶水固连；所述柔性体12由聚二甲基硅氧烷(pdms)或热塑性生物降解塑料(ecoflex)中的一种或两种通过模具加工制成，且通过控制pdms与固化剂的不同配比和固化温度，以及使用不同型号的ecoflex，可成型为多种不同硬度的柔性体，从而制作多种压力测量范围的柔性霍尔压力传感器。

优选的，足跟区的柔性霍尔压力传感器的压力测量范围为100kpa～500kpa，其柔性体采用质量比为16:1的pdms与固化剂制成；足弓区的柔性霍尔压力传感器的压力测量范围为100kpa～380kpa，其柔性体采用ecoflex以及质量比为20:1的pdms与固化剂制成；跖骨区的柔性霍尔压力传感器的压力测量范围为100kpa～1400kpa，其柔性体采用质量比为10:1的pdms与固化剂制成；脚趾区的柔性霍尔压力传感器的压力测量范围为100kpa～1000kpa，其柔性体采用ecoflex以及质量比为12:1的pdms与固化剂制成。

优选的，所述柔性霍尔压力传感器1的个数为15～25个，进一步优选为19个。

对于不同脚码的人群设计专门型号的足垫，以42码的脚踩在42码的动态足底监测足垫上为例，设置了19个柔性霍尔压力传感器1。该动态足底监测足垫使用时，如图5所示，将足垫放入与其尺码相同的鞋子中，与足底直接接触；穿戴者运动时，足底施加的外力使柔性体12产生形变，带动永磁体11下移，此时线性霍尔传感器14处的磁通量发生改变，从而感知足底压力信息并获得柔性体12的位移信息，根据足弓处柔性体12的位移信息即可得到足弓高度变化的信息。进一步通过分析动态足底压力信息与足弓高度变化的信息，及步态分析算法等，探究两者之间的关系，能够直接地获得穿戴者的足底压力分布特点及根据足弓高度判断穿戴者的足型，为对有关足研究的科研工作者及医生提供理论上的基础。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。