CN105748078A - 基于压力传感鞋垫的足底压力测量装置及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于压力传感鞋垫的足底压力测量装置及系统。该压力传感鞋垫包括：所述压力传感器模块设置在所述柔性PCB板上，用于将足底的压力转换成模拟电压信息通过数据排线输出；所述保护套包括第一保护层与第二保护层，所述第一保护层设置在所述柔性PCB板上方，所述第二保护层设置在所述柔性PCB板下方，所述第一保护层与所述第二保护层的边缘缝合。该装置基于本发明实施例提供的压力传感鞋垫制成。该系统包括本发明提供的基于压力传感鞋垫的足底压力测量装置。本发明减少传感器的使用数量，降低了成本；同时采用低功耗的元器件，从而提高了测量的续航时间，适用于日常生活。

Description

基于压力传感鞋垫的足底压力测量装置及系统
技术领域
本发明涉及生物力学测量技术领域，尤其涉及一种基于压力传感鞋垫的足底压力测量装置及系统。
背景技术
足底压力测量技术可以用来提示人体在不同情况下足底压力分布特征。随着新型传感器技术的发展，该足底压力测量技术被广泛应用于生物力学、足疾研究、鞋靴制造等领域中。
传统足底压力测量包括：(1)足印法。在石膏、橡胶等可以形变的物质上通过踩踏留下足印，是最早发展的测量技术。其缺点是只能一次测量，且压力大小只能通过深浅来大致判断，无法做到定量精确的测量。(2)光学影像法。通过足底压力破坏玻璃与弹性透明膜之间的全反射条件，使部分光学透过玻璃板底面被摄像头捕捉到形成足底图像。即当没有压力时，侧面光源的光在玻璃板中发生全反射，没有光线从玻璃板下面射出。而当玻璃板上的薄膜层受到压力产生形变时，破坏了全反射条件，使部分光从下面射出，从而可以被摄像头捕捉到，形成压力图像。(3)测力板、测力台。通过密集的传感器阵列测量足底各个位置的压力值，精度很高，且可以测量三个方向的应力，广泛运用于科研之中。但测力台、测力板测量的是足底与平面之间的压力值，而不能评定足底与鞋之间的受力情况，同时受到面积的限制，无法测量行走时的压力值。(4)压力鞋和压力鞋垫。将传感器直接放在了鞋和鞋垫之中，由于足底环境的特殊限制，使得传感器厚度受限，通常只能选择薄膜式的传感器，所以只能测量垂直应力。
目前的足底压力测量系统在工业、科研中得到了广泛的应用，但却难以运用于日常生活中，因为目前的足底压力测量系统还存在着以下问题：
现有系统面向科研，考虑到采集精度，使用的传感器数量较多，增加了成本。且注重功能全面性，帮拥有复杂的电路和庞大的采集装置，不方便携带，进一步不适合在生活中使用。
由于足底压力的变化是一个缓慢累积的过程，需要长时间监控。而现有系统无法长期保持电力续航。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于压力传感鞋垫的足底压力测量装置及系统，减少传感器的使用数量；同时采用低功耗的元器件，从而提高了测量的续航时间，适用于日常生活。
第一方面，本发明提供了一种压力传感鞋垫，该鞋垫包括：柔性PCB板、压力传感器模块以及保护套；其中，
所述压力传感器模块设置在所述柔性PCB板上，用于将足底的压力转换成模拟电压信息通过数据排线输出；
所述保护套包括第一保护层与第二保护层，所述第一保护层设置在所述柔性PCB板上方，所述第二保护层设置在所述柔性PCB板下方，所述第一保护层与所述第二保护层的边缘缝合。
优选地，所述压力传感器采用4个薄膜压阻传感器，所述4个薄膜压阻传感器依次安装在该鞋垫的足拇指、第一跖骨、第三跖骨和第五跖骨区对应区域。
优选地，所述薄膜压阻传感器采用FSR402压阻传感器。
第二方面，本发明实施例还提供了一种基于压力传感鞋垫的足底压力测量装置，包括如上文所述的压力传感鞋垫，该装置还包括：
固定在用户的脚踝上的数据处理单元，其输入端与所述压力传感鞋垫的数据排线相连接，用于将所述模拟电压信息处理成数字电压信息。
优选地，所述数据处理单元包括微控制器和无线传输模块；其中，所述微控制器的输入端与所述压力传感鞋垫的数据排线连接，输出端与所述无线传输模块的输入端连接；
所述微控制器用于将所述模拟电压信息通过数值转换得到数字电压信息，然后通过所述无线传输模块输出。
优选地，所述微控制器采用msp430f149芯片。
优选地，所述无线传输模块为HC-08蓝牙模块。
优选地，所述数据处理单元还包括电源管理模块、太阳能电池模块和锂电池模块；其中，所述电源管理模块分别与所述太阳能电池模块和所述锂电池模块连接；
所述电源管理模块用于控制锂电池模块输出稳定的电压，并且控制所述太阳能电池模块向该锂电池模块充电；
所述锂电池模块用于为所述微控制器和蓝牙模块提供稳定电能。
优选地，所述电源管理模块包括：
TLV61220升压芯片，用于将所述太阳能电池输出电压升高到5V直流电压，
和LTC4071锂电池充电芯片，用于上述5V直流电压稳压到4.2V为所述锂电池充电。
第三方面，本发明实施例又提供了一种基于压力传感鞋垫的足底压力测量系统，该系统包括多个如上文所述的足底压力测量装置和用户终端；
所述用户终端，与上述任意一足底压力测量装置无线连接，用于将所述数字电压信息转换成足底压力数据以及向用户显示足压历史变化趋势。
由上述技术方案可知，本发明通过合理的压力传感器布局减少了传感器数量，降低了系统的成本；通过设计低功耗电路，结合太阳能充电电池，延长了测量装置持续使用时间。本发明通过用户终端3实时存储和显示足底压力数据，方便数据的后期处理。本发明具有低成本、便携化、低功耗这三个特点，适合于日常生活中的足底压力测量。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1是本发明实施例提供的一种压力传感鞋垫结构框图；
图2是图1所示鞋垫的传感器具体安装示意图；
图3是本发明实施例提供的一种基于压力传感鞋垫的足底压力测量装置与系统结构框图；
图4是图3所示装置与系统的具体电路图；
图5是图3所示装置的穿戴示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明实施例提供了一种压力传感鞋垫结构框图。如图1所示，本发明实施例提供的压力传感鞋垫包括：压力传感器模块10、柔性PCB板11以及保护套12；其中，
压力传感器模块10设置在柔性PCB板11上，用于将足底的压力转换成模拟电压信息通过数据排线输出；
保护套12包括第一保护层与第二保护层；其中第一保护层设置在柔性PCB板11上方，第二保护层设置在柔性PCB板11下方；第一保护层与所述第二保护层的边缘缝合，形成的内腔中用于放置上述压力传感器模块10和柔性PCB板11。
需要说明的是，本发明中柔性PCB板是指，基材是由柔性材料制成的，从而可以随着足底的压力情况发生变形。本发明只是采用具有该功能的柔性PCB板，因此制作该PCB板的材料以及制作工艺本发明不作限定，本领域技术人员可以根据具体的使用场景进行选择。
为减少压力传感器的使用数量以及体积，优选的，本发明实施例中压力传感器采用4个薄膜压阻传感器。如图2所示，该4个薄膜压阻传感器分别为薄膜压阻传感器101、薄膜压阻传感器102、薄膜压阻传感器103和薄膜压阻传感器104。其中，薄膜压阻传感器101安装在该鞋垫的足拇指101对应区域；薄膜压阻传感器102安装在该鞋垫的第一跖骨对应区域；薄膜压阻传感器103安装在该鞋垫的第三跖骨对应区域；薄膜压阻传感器104安装在该鞋垫的第五跖骨对应区域。并且，该4个薄膜压阻传感器的信号输出端通过数据排线105输出。
上述四个区域的压力值在糖尿病足预防、步态分析等应用中具有重要的作用。
优选地，上述4个薄膜压阻传感器采用InterlinkElectronics公司生产的FSR402压阻传感器。该FSR402压阻传感器厚度极小，可以焊接在FPC柔性PCB板上。
优选地，保护套12采用面料制成，不但不会对足底造成任何的不适，还容易将上述传感器以及柔性PCB板嵌入其中，从而降低鞋垫的厚度。
本发明实施例中薄膜压阻传感器的电阻值随着施加压力的增大而减小，每个薄膜压阻传感器都与一个分压电阻R0相连，在每个薄膜压阻传感器和分压电阻两端施加电压VCC，通过测量分压电阻上的电压值Vout即可推得薄膜压阻传感器的电阻值。每个薄膜压阻传感器电阻值Rs的推算公式为：
R s = R 0 · V C C V o u t - R 0 .
需要说明的是，本发明实施例提供的压力传感鞋垫还包括电源线(图2中未示出)，用于为上述4个薄膜压阻传感器提供稳定的电能。
第二方面，本发明实施例还提供了一种基于压力传感鞋垫的足底压力测量装置，如图3所示，该装置包括：
如上文所述的压力传感鞋垫1，用于将足底压力信号转换成模拟电压信息；
固定在用户的脚踝上的数据处理单元2，其输入端与所述压力传感鞋垫的数据排线相连接，用于将所述模拟电压信息处理成数字电压信息。
优选地，上述数据处理单元包括：微控制器201和无线传输模块205；其中，微控制器201的输入端与压力传感鞋垫1的数据排线连接，输出端与无线传输模块205的输入端连接；
微控制器201用于将模拟电压信息通过数值转换得到数字电压信息，然后通过无线传输模块205输出。
实际应用中，微控制器201的型号为MSP430f149芯片。该芯片工作在1MHz的时钟频率下，采集频率为40Hz。每次采集完成后该微控制器201通过串口发送到无线传输模块205。由该无线传输模块205传输到用户终端3。
优选地，所述无线传输模块为HC-08蓝牙模块。
优选地，数据处理单元2还包括电源管理模块202、太阳能电池模块204和锂电池模块203；其中，电源管理模块202分别与太阳能电池模块204和锂电池模块203连接；
电源管理模块202用于控制锂电池模块203输出稳定的电压，并且控制太阳能电池模块204向该锂电池模块203充电；
锂电池模块203用于为压力传感鞋垫1中的微控制器201和无线传输模块205提供稳定电能。
如图3与图4所示，为了让本发明实施例提供的装置工作时间更持久，优选地，所有元器件选用低功耗元器件。例如电源管理模块202中的稳压芯片TPS62740将3.7V的锂电池模块降压为2.5V输出，使得所有的元器件工作在较低的工作电压，进一步减小了锂电池的电量消耗。实际测试时，在采集状态下工作电流为6.5mA。
电源管理模块202包括：TLV61220升压芯片，用于将太阳能电池204输出电压升高到5V直流电压，和LTC4071锂电池充电芯片，用于上述5V直流电压稳压到4.2V为锂电池模块203充电。
在选用低功耗的元器件的同时，本发明实施例还设置待机模式。上述蓝牙模块205未连接用户终端3时，工作在低功耗状态；同时使微控制器201停止采集数据。在此模式下，数据处理单元2的工作电流降低至0.5mA。此时用户终端3依然可以搜索到蓝牙模块205并进行连接，一旦连接成功，该数据处理单元2立刻从待机模式转换到采集状态，所有元器件恢复正常工作，工作电流也恢复至6.5mA。
在选用低功耗元器件以及设置待机模式的基础上，本发明还设置有太阳能充电。数据处理单元2集成了太阳能收集功能。太阳能电池模块204的电压经过TLV61220升压芯片升至5V，再由LTC4071锂电池充电芯片稳压至4.2V给锂电池模块充电。在正午阳光直射下，充电电流可达9.5mA。用户可以选择在无需数据采集时将数据处理单元2放在阳光下充电，以延长该装置的工作时间。
本发明实施例提供的足底压力测量装置的穿戴方法，如图5所示，压力传感鞋垫1位于足底，与普通鞋垫穿法无异，而数据处理单元2则被绑在脚腕附近，二者之间通过数据排线105相连，完成数据传输工作。排线105可以随时拆卸，方便用户穿戴以及电池更换。
第三方面，本发明实施例又提供了一种基于压力传感鞋垫的足底压力测量系统，如图3所示，该系统包括多个如上文所述的足底压力测量装置和用户终端3；
用户终端3，与上述任意一足底压力测量装置无线连接，用于将所述数字电压信息转换成足底压力数据以及向用户显示足压历史变化趋势。
用户终端3接收蓝牙模块205所发送的数字电压数据，这些数字电压数据会被存储到数据库303中。同时，这些数字电压数据也会经过数据处理子模块302实时计算出用户行走步数，传输给数据显示模块304。由数据显示模块304会实时显示用户当前的足底压力和行走步数。
实际应用中，本发明提供的足底压力测量系统可以将所有用户的足底压力数据进行收集整理，然后进行分析统计，形成有价值的分析结果反馈给各个用户。
需要说明的是，本发明提供的足底压力测量系统也可以包括多个服务器形成云服务系统，本领域技术人员可以根据具体的使用场景进行设置，本发明不作限定。
可以看出，本发明实施例提供的基于压力传感鞋垫的足底压力测量系统包括上文所述的足底压力测量装置，因此可以解决相同的技术问题，实现相同的技术效果，在此不再一一赘述。
综上所述，本发明实施例提供的基于压力传感鞋垫的足底压力测量装置及系统，通过采用低功耗的元器件、各单元不工作时处于待机状态以及增加太阳能电池等措施，极大的延长了足底压力的监控时间，从而具有低成本、便携化、低功耗这三个特点，适合于日常生活中的足底压力测量。
在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种压力传感鞋垫，其特征在于，该鞋垫包括：柔性PCB板、压力传感器模块以及保护套；其中，
所述压力传感器模块设置在所述柔性PCB板上，用于将足底的压力转换成模拟电压信息通过数据排线输出；
所述保护套包括第一保护层与第二保护层，所述第一保护层设置在所述柔性PCB板上方，所述第二保护层设置在所述柔性PCB板下方，所述第一保护层与所述第二保护层的边缘缝合。
2.根据权利要求1所述的压力传感鞋垫，其特征在于，所述压力传感器采用4个薄膜压阻传感器，所述4个薄膜压阻传感器依次安装在该鞋垫的足拇指、第一跖骨、第三跖骨和第五跖骨区对应区域。
3.根据权利要求2所述的压力传感鞋垫，其特征在于，所述薄膜压阻传感器采用FSR402压阻传感器。
4.一种基于压力传感鞋垫的足底压力测量装置，其特征在于，包括如权利要求1～3任意一项所述的压力传感鞋垫，该装置还包括：
固定在用户的脚踝上的数据处理单元，其输入端与所述压力传感鞋垫的数据排线相连接，用于将所述模拟电压信息处理成数字电压信息。
5.根据权利要求4所述的足底压力测量装置，其特征在于，所述数据处理单元包括微控制器和无线传输模块；其中，所述微控制器的输入端与所述压力传感鞋垫的数据排线连接，输出端与所述无线传输模块的输入端连接；
所述微控制器用于将所述模拟电压信息通过数值转换得到数字电压信息，然后通过所述无线传输模块输出。
6.根据权利要求5所述的足底压力测量装置，其特征在于，所述微控制器采用msp430f149芯片。
7.根据权利要求6所述的足底压力测量装置，其特征在于，所述无线传输模块为HC-08蓝牙模块。
8.根据权利要求4～7任意一项所述的足底压力测量装置，其特征在于，所述数据处理单元还包括电源管理模块、太阳能电池模块和锂电池模块；其中，所述电源管理模块分别与所述太阳能电池模块和所述锂电池模块连接；
所述电源管理模块用于控制锂电池模块输出稳定的电压，并且控制所述太阳能电池模块向该锂电池模块充电；
所述锂电池模块用于为所述微控制器和无线传输模块提供稳定电能。
9.根据权利要求8所述的足底压力测量装置，其特征在于，所述电源管理模块包括：
TLV61220升压芯片，用于将所述太阳能电池输出电压升高到5V直流电压，
和LTC4071锂电池充电芯片，用于上述5V直流电压稳压到4.2V为所述锂电池充电。
10.一种基于压力传感鞋垫的足底压力测量系统，其特征在于，该系统包括多个如权利要求4～9任意一项所述的足底压力测量装置和用户终端；
所述用户终端，与上述任意一足底压力测量装置无线连接，用于将所述数字电压信息转换成足底压力数据以及向用户显示足压历史变化趋势。
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