一种自适应足底压力不平衡调整鞋垫的制作方法与流程

1.本发明涉及鞋垫技术领域，尤其涉及一种自适应足底压力不平衡调整鞋垫的制作方法。


背景技术：

2.足底压力不平衡与脊柱侧弯症状之间呈互为恶化关系，及早对足底压力不平衡进行干预，能有效控制或帮助改善脊柱侧弯症状。据统计，目前我国脊柱侧弯病人群超过300万人，并以每年近30万的速度递增。其中超过半数为青少年，青少年的发病率达到了3％左右，且发生率还在持续升高，脊柱侧弯已经是青少年健康的第三大威胁。


技术实现要素：

3.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种自适应足底压力不平衡调整鞋垫的制作方法，制作出的鞋垫能改善足底压不平衡状况，减轻躯体核心肌群因代偿而引发脊柱侧弯，达到矫正脊柱侧弯的效果，也能对糖尿病足起到预防和治疗的作用。
4.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
5.一种自适应足底压力不平衡调整鞋垫的制作方法，步骤如下：
6.(1)将足底压力检测系统、3d打印机对应与电脑连接并开启电源，然后在电脑上输入受测者信息；
7.(2)受测者站立在足底压力检测系统的压力传感器上保持10～20秒，用于采集分压电路分压后的电压值并传送到电脑，电脑通过计算各感应单元的阻值，再计算出各感应单元所受的压力值，其转换公式为：其中，1/r与它受到的压力有线性关系，能得到压敏电阻阻值与其收到的压力有线性关系，公式为：式中，nw为压力传感器所受压力，k为系数，取近似值为0.007，r是压敏电阻阻值，g是重力系数，取9.8；
8.(3)电脑通过上述两个公式计算出压力传感器上各感应单元所受压力值，生成足底压力分布图，压力分布矩阵nb的公式为：l、c代表压力传感器的阵列的行数、列数，l＝24，c＝24；
9.(4)电脑根据受测者输入的鞋码信息，调出预存的标准鞋垫模型，并将生成的足底压力分布图与标准鞋垫模型进行对比，当两者不相对应时，对足底压力分布图进行二值化
处理，其公式为：n
bij
为各感应单元所受压力值转换为图像的灰度值(0～255)，n
ij
为二值化后的图像灰度值；
10.(5)提取经步骤(4)处理后的左脚图像、右脚图像，对应与左脚的标准鞋垫模型、右脚的标准鞋垫模型，使用opencv(v3.0，python平台)库中的图像处理函数；
11.(6)检测特征点：为对应的两张图检测orb特征点，使用参数max_features来控制检测的特征点的数量，检测特征点并计算描述子的函数是detectandcompute；
12.(7)特征匹配：找到对应的两张图中匹配的特征点，按照匹配度排列，保留最匹配的一小部分，然后把匹配的特征点画出来并保存图片，使用汉明距离来度量两个特征点描述子的相似度；
13.(8)计算单应性矩阵：使用findhomography函数，其使用一种被称为随机抽样一致算法的技术在大量匹配错误的情况下计算单应性矩阵；
14.(9)扭转图片：通过单应性矩阵，把一张图片的所有像素映射到另一个图片，采用warpperspective函数用来完成；
15.(10)用resize操作，将步骤(4)中经二值化处理后的图片，调整至与标准鞋垫模型同一尺度；
16.(11)根据调整后压力分布图生成自适应编织式压力平衡调整矩阵，根据受压力大的点采用小密度材质，分散压力；受压力小的点采用高密度材质，增加压力原则生成自适应编织式压力平衡调整矩阵；由于纤维中轴线对齐，所以在兼顾打印出来鞋垫耐用性的同时，其密度可调，其密度等级分成三段，公式为：
[0017][0018]
(12)对生成的鞋垫选定要调节的圆半径或目标密度，就能在鞋垫范围内自主调整鞋垫的密度；
[0019]
(13)在solidworks中对标准鞋垫模型和自适应编织式压力平衡调整矩阵做相减处理，得到最终的自适应压力平衡调节鞋垫，通过3d打印出来即可。
[0020]
本发明的有益效果是：本发明的制作方法采用与电脑、3d打印机等设备结合的方式，具有操作方便、自动化程度高等特点；经本发明制作出的鞋垫能改善足底压不平衡状况，减轻躯体核心肌群因代偿而引发脊柱侧弯，达到矫正脊柱侧弯的效果，另外，对糖尿病人的足底压力不平衡进行检测，制作出足底压力不平衡调整鞋垫给患者使用，对糖尿病足症状能起到预防或治疗的作用。
附图说明
[0021]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0022]
图1是本发明的压敏电阻阻值倒数与它受到的压力关系图；
[0023]
图2是本发明的足底压力分布图；
[0024]
图3是本发明的标准鞋垫模型图；
[0025]
图4是本发明的二值化处理后图像；
[0026]
图5是本发明的算法一次定位后图像；
[0027]
图6是本发明的自适应编织式压力平衡调整矩阵平面图；
[0028]
图7是本发明的自适应编织式压力平衡调整矩阵图；
[0029]
图8是本发明的足底压力检测系统的工作原理方框示意图；
[0030]
图9是足底压力检测系统的单片机控制模块的电路图；
[0031]
图10是足底压力检测系统的串口传输模块的电路图；
[0032]
图11是足底压力检测系统的第一模拟开关的电路图；
[0033]
图12是足底压力检测系统的第二模拟开关的电路图。
具体实施方式
[0034]
参照图1-图12，一种自适应足底压力不平衡调整鞋垫的制作方法，步骤如下：(1)将足底压力检测系统、3d打印机对应与电脑的两个usb接口连接并开启各设备的电源，然后在电脑上输入受测者信息；(2)受测者站立在足底压力检测系统的压力传感器上保持10～20秒，用于采集分压电路分压后的电压值并传送到电脑，电脑通过计算各感应单元的阻值，再计算出各感应单元所受的压力值，其转换公式为：
[0035]
参照图1所示的压敏电阻特性，1/r与它受到的压力有线性关系，能得到压敏电阻阻值与其收到的压力有线性关系，公式为：
[0036]
式中，nw为压力传感器所受压力，k为系数，取近似值为0.007，r是压敏电阻阻值，g是重力系数，取9.8；(3)电脑通过上述两个公式计算出压力传感器上各感应单元所受压力值，参照图2所示，生成足底压力分布图，压力分布矩阵nb的公式为：
[0037][0038]
l、c代表压力传感器的阵列的行数、列数，l＝24，c＝24；(4)电脑根据受测者输入的鞋码信息，调出图3所示的预存的标准鞋垫模型，并将生成的足底压力分布图与标准鞋垫模型进行对比，当两者不相对应时，对足底压力分布图进行二值化处理，其公式为：n
bij
为各感应单元所受压力值转换为图像的灰度值(0～255)，n
ij
为二值化后的图像灰度值，处理后图像如图4所示；(5)提取经步骤(4)处理后的左脚图像、右脚图像，对应与左脚的标准鞋垫模型、右脚的标准鞋垫模型，使用opencv(v3.0，python平台)库中的图像处理函数；(6)检测特征点：为对应的两张图检测orb特征点，使用参数max_features来控制检测的特征点的数量，检测特征点并计算描述子的函数是detectandcompute；(7)特征匹配：找到对应的两张图中匹配的特征点，按照匹配度排列，保
留最匹配的一小部分，然后把匹配的特征点画出来并保存图片，使用汉明距离来度量两个特征点描述子的相似度；(8)计算单应性矩阵：使用findhomography函数，其使用一种被称为随机抽样一致算法的技术在大量匹配错误的情况下计算单应性矩阵；(9)扭转图片：通过单应性矩阵，把一张图片的所有像素映射到另一个图片，采用warpperspective函数用来完成；(10)用resize操作，将步骤(4)中经二值化处理后的图片，调整至与标准鞋垫模型同一尺度，图2经过灰度转换，采用上述相关步骤能使左右脚的压力分布图像分别与标准鞋垫模型对齐，并统一到同一尺度，对其进行第一次的算法识别定位与手动微调定位，如图5所示；(11)根据调整后压力分布图生成自适应编织式压力平衡调整矩阵，根据受压力大的点采用小密度材质，分散压力；受压力小的点采用高密度材质，增加压力原则生成自适应编织式压力平衡调整矩阵，如图6所示；由于纤维中轴线对齐，所以在兼顾打印出来鞋垫耐用性的同时，其密度可调，其密度等级分成三段，公式为：
[0039]
(12)对生成的鞋垫选定要调节的圆半径或目标密度，就能在鞋垫范围内自主调整鞋垫的密度；(13)在solidworks中对图3所示的标准鞋垫模型和图7所示的自适应编织式压力平衡调整矩阵做相减处理，得到最终的自适应压力平衡调节鞋垫，通过3d打印出来即可。
[0040]
本发明中所涉及的足底压力检测系统，以及构成足底压力检测系统的压力传感器、分压电路、分压电阻、模拟开关、电源模块、单片机控制模块、感应单元等的结构和工作原理，与本技术人的申请日为：2022年3月8日，申请号为：202220487974.7，发明创造名称为：“一种足底压力检测系统”的实用新型专利所记载的内容相同。
[0041]
再参照图8-图12，该足底压力检测系统，包括能用于支撑受测者体重的箱体，压力传感器平铺展开在箱体的表面，供人的双足踩在上面进行检测，且准确测量足底压力分布值。在箱体内设置有电源模块、单片机控制模块、多个分压电阻、多个第一模拟开关、多个第二模拟开关、串口传输模块，串口传输模块可以与电脑等终端设备连接。单片机控制模块、多个第一模拟开关分别与电源模块电连接，多个第一模拟开关与压力传感器电连接，压力传感器与分压电阻电连接，分压电阻与多个第二模拟开关电连接，多个第一模拟开关、多个第二模拟开关分别与单片机控制模块电连接。
[0042]
电源模块的输入电压为+5v，输出电压为+3.3v为系统供电；电源模块包括开关按钮s1、用于稳压且并联设置的电解电容e1、电解电容e2、电解电容e3、用于滤波且并联设置的电容c6、电容c7、用于稳压的稳压芯片u2。单片机控制模块包括微控制单元、晶体y1、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电容c3、第四电容c4、第四电解电容e4、复位开关s1；微控制单元的型号是stm32f103rb16，共64只管脚，晶体y1的一端分别与微控制单元的5脚及第三电容c3的一端电连接，晶体y1的另一端分别与微控制单元的6脚、第四电容c4的一端电连接；第三电容c3的另一端、第四电容c4的另一端均接地；第一电阻r1的一端接+3.3v电压，另一端分别与第四电解电容e4的正极、复位开关s1的一端、微控制单元的7脚电连接；所述第四电解电容e4的负极、复位开关s1的另一端均接地；所述第二电阻r2的一端与微控制单元的59脚电连接，另一端接地。压力传感器为薄膜压力传感器，是一款大幅面分布式的柔性压力传感器，其型号为rx-m3232l，其采用32行32列阵列式设计，1024个独立感应单元分布在
400mm*400mm的正方形之内，通过电阻阻值的变化体现体重的变化，每个感应点尺寸为8.5mm*8.5mm，四个连接插座，对应与压力传感器连接。多个第一模拟开关为四个8选1模拟开关u4-u7，多个第二模拟开关为八个3路2选1模拟开关u8-u13；多个第一模拟开关、多个第二模拟开关通过单片机控制模块控制通道选择，使得每次分别检测压力传感器的16个电阻的阻值；通过分压电阻与被检测电阻串联，将分压后的电压传送到单片机控制模块的a/d转换口，完成被检测电阻分压值的采样，如此过程重复64次，完成压力传感器的压力值扫描。多个第一模拟开关的型号为74hc4051，其6脚为使能脚，9至11脚为输出选择脚，其对应数值能作用到a0至a7脚输出，其对应接压力传感器的8个行输入；各第一模拟开关的3脚为输入脚，接入+5v电源；16脚是电源口，接入+5v电源，7和8脚接地。多个第二模拟开关型号为74hc4053，输入有3组，12脚、13脚为第一组，1脚、2脚为第二组，3脚、5脚为第三组；三组输入对应有14脚、15脚、4脚输入控制进行2选1选择，且从11脚、10脚、9脚输出；16脚是电源口，接入+5v电源，7脚接地。分压电阻r3-r34为并联设置的32个，其对应与压力传感器的32个列输出连接。串口传输模块的一端与单片机控制模块连接的，其另一端能与电脑等终端设备连接；所述串口传输模块包括型号为max232的转换芯片u3，转换芯片u3共16只管脚，11脚、12脚对应与单片机控制模块的29脚、30脚相连；经转换后通过转换芯片u3的13脚、14脚从插座j1输出232信号，信号发送给电脑等终端设备。
[0043]
使用时，受测者赤足可以站在平铺有压力传感器的箱体上，在压力传感器上均匀的纵横分布有1024个传感器，每个传感器是一个可变电阻，每个电阻可以与另一个固定电阻串联，此为分压电路，通过采集分压电路分压后的电压，可以倒推传感器的阻值，再一步可以倒推出传感器所受的压力；单片机控制模块以纵横扫描的方式，可以在5s内检测压力传感器上的1024个传感器的分压，完成滤波，并进行存储；扫描完毕后，通过串口传输模块将分压值传送到电脑，在电脑显示出双足底部所施加在压力传感器上的数据。
[0044]
需要说明的是：在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0045]
最后要说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。