CN106137205A - 鞋垫式足底压力分布测量装置和系统 - Google Patents

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王新安
王墨
谢峥
黄武龙
何想
吴希凯
田玉成
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    • A61B5/1036—Measuring load distribution, e.g. podologic studies

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Abstract

一种鞋垫式足底压力分布测量装置和系统，包括：压力采集模块，包括多个足底压力传感器，多个足底压力传感器基于预设规则布置在鞋垫中，用于分别采集各个布置位置的足底压力并转换为电信号；信号处理模块，与压力采集模块连接，用于接收多个足底压力传感器发送的足底压力的电信号，并调理为用于表征各个足底压力传感器采集的压力的数字信号。从而，通过较少的足底压力传感器实现了足底压力重建，并且，由于基于预设规则布置多个足底压力传感器，使得采集的压力数据集合能够与预设的压力分布进行比较，为判断数据是否异常提供了技术支持。

Description

鞋垫式足底压力分布测量装置和系统
技术领域
本发明涉及测量检测领域，具体涉及一种鞋垫式足底压力分布测量装置和系统。
背景技术
现代人对人体生命健康的关注越来越多，人们关注的健康指标也越来越繁杂。足底压力已经成为反映人体形态健康特征的一个重要方面，静态足底压力分布和动态足底压力分布已经成为足底压力分析中两个最重要的指标。足底压力信息的获取一般采用压力测试板或者足底压力测试鞋垫。这些压力采集系统设备中，国内应用广泛的是美国的Takscan公司的F-Scan系统，比利时RSscan公司的Footscan平板系统，瑞士Kistler测力台，德国Novel公司的Emed平板系统的Pedar鞋垫系统，国内相应公司产品少之又少，上市销售产品均未能检索到。
现有技术中，也存在了一些足底压力采集装置，例如在国外公司产品中，Pedar鞋垫压力测试系统和F-Scan鞋垫系统采用了电容式传感器，用于动态足底压力的测量；比利时RSscan公司的Footscan平板系统则采用压阻式传感器，用于动态和静态足底压力的测量。以上公司并未公开其产品关键技术。国外产品售价昂贵，每套测试设备均在10万元以上，其高成本阻碍了足底压力测试设备在国内和行业内的推广与应用。
如何利用相对简单的电路结构来实现足底压力分布测量成为亟待解决的问题。
发明内容
本申请提供一种鞋垫式足底压力分布测量装置和系统，以提供足底压力分布测量的新方案。
根据第一方面，一种实施例中提供一种足底压力分布测量装置，包括：
压力采集模块，包括多个足底压力传感器，多个足底压力传感器基于预设规则布置在鞋垫中，用于分别采集各个布置位置的足底压力并转换为电信号；信号处理模块，与压力采集模块连接，用于接收多个足底压力传感器发送的足底压力的电信号，并调理为用于表征各个足底压力传感器采集的压力的数字信号。
根据第二方面，一种实施例中提供一种足底压力分布测量系统，包括：
上述的足底压力分布测量装置；处理终端，用于接收数字信号，对数字信号分析得到足底压力分布测量结果。
依据上述实施例的鞋垫式足底压力分布测量装置和系统，由于多个足底压力传感器基于预设规则布置在鞋垫中，用于分别采集各个布置位置的足底压力，信号处理模块对压力采集模块采集的电信号调理为用于表征各个压力的数字信号，从而，通过较少的足底压力传感器实现了足底压力重建，并且，由于基于预设规则布置多个足底压力传感器，使得采集的压力数据集合能够与预设的压力分布进行比较，为判断数据是否异常提供了技术支持。
附图说明
图1为本实施例公开的一种足底压力分布测量装置/系统示意图；
图2为本实施例中多个足底压力传感器布置在鞋垫的一种示意图；
图3为本实施例公开的一种压力计算电路原理图；
图4为本实施例公开的一种足底压力分布测量系统示例图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
请参考图1，为本实施例公开的一种足底压力分布测量装置，包括：压力采集模块1和信号处理模块2，其中：
压力采集模块1包括多个足底压力传感器11，请参考图2，多个足底压力传感器11基于预设规则布置在鞋垫中，用于分别采集各个布置位置的足底压力并转换为电信号，通常，该电信号为模拟信号。在具体实施例中，在基于预设规则将多个足底压力传感器11布置在鞋垫中时，多个足底压力传感器11按照足底压力分布区域变化大小布置在鞋垫中，高压力和/或压力变化快区域布置的足底压力传感器11的密集程度大于低压力和/或压力变化慢区域布置的足底压力传感器11的密集程度。作为例子，请参考图2，本实施例中，多个足底压力传感器11为16个电阻式薄膜压力传感器，足底压力采集区域具体分布位置为第一趾骨、第二跖骨、第三至五跖骨、第一趾骨、第二跖骨、第三至五趾骨、足跟骨和足中内外侧等16个压力传感器。正常人在静止站立时，足底压力分布的高压区域集中于前足第一跖骨、第二跖骨和第三到五跖骨的部分区域，和足跟区域；正常人在行走或者跑动过程中，足底压力分布的高压区域集中于脚趾区域的第一趾骨、第二趾骨，前足的第一跖骨、第二跖骨，和足跟三个区域。而正常人足弓内侧无压力分布，足弓外侧、脚趾外侧及连接前足和足跟的中足延伸部分压强分布较小。使用尽量少的点，得到尽量精确的数据分布图形，需要对传感器的分布特别考虑。为了得到曲面图形的分布特征，采样需要得到曲面图形的极值点(包括极大值点和极小值点)，更精确的分布则需要在曲面斜率快速变化处采样，这样我们可以得到一个连续光滑曲面的较准确的分布图形。在足底压力分布曲面中，足底高压区域即为极大值点，无压区域为极小值点。基于这样的原则，我们在静态和动态的高压区域(第一趾骨、第二跖骨、第一趾骨、第二跖骨和足跟骨)密集程度较高地布置传感器，并在足弓内侧密集程度相对低些低布置传感器，获得足底压力分布的极大值和极小值点。观察正常人的足底压力分布可以知道，足底压力的斜率快速变化区域重要数据部分往往靠近极大值区域。以上我们可以得到传感器分布的规律，足底高压区域密布压力传感器，足底低压、无压区域疏布压力传感器。最终压力传感器分布结果如图2所示。考虑到不同受试者间脚型及尺码不一致情况，在制作鞋垫时，按照常规尺码设计了例如8双标准尺码的鞋垫，可以适应不同性别、尺码的受试者。
信号处理模块2与压力采集模块1连接，用于接收多个足底压力传感器11发送的足底压力的电信号，并调理为用于表征各个足底压力传感器11采集的压力的数字信号。由于传感器采集的信号比较微弱，并且可能存在一定的噪声，因此，在具体实施例中，请参考图1，信号处理模块2包括：信号处理电路21和数据处理电路22，其中：
信号处理电路21用于对接收到的足底压力的电信号进行前置处理，转换为模拟电信号。数据处理电路22用于分别对多个足底压力传感器11对应的模拟电信号进行模数转换，得到分别与多个足底压力传感器11采集的压力对应的数字信号。本实施例中，前置处理可以是滤波、放大等常规的信号处理。本实施例中，各足底压力传感器11采用的是电阻式薄膜压力传感器，其特性是输出电阻随压力的增大而减小，即输出电阻是感应压力的单一函数。请参考图3，为本实施例公开的一种压力计算电路原理图，其本质为电阻比例反向放大器。根据理想运放的“虚短虚断”原理，得到其中Rs为传感器电阻，Rf为电路中的反馈电阻，Vref为输入端的参考电压。在输出电压公式中，输出电压只与Rs传感器电阻成反比变化关系，其他(例如VDD、GND)为固定值；而传感器电阻与感应压力成近似反比关系，即运算放大器输出电压与感应压力成近似线性关系。
在优选的实施例中，数据处理电路22还用于对多个足底压力传感器11采集的压力对应的数字信号按照预设协议进行数据打包，以实现对多个足底压力传感器11采集的压力信号进行管理。
在优选的实施例中，信号处理模块2包括存储单元(图中未示出)，存储单元用于存储数字信号，在优选的实施例中，当数据处理电路22对多个足底压力传感器11采集的压力对应的数字信号按照预设协议进行数据打包形成打包后的数字信号时，可选地，存储单元优选存储打包后的数字信号。
在可选的实施例中，信号处理模块2包括：通信单元23，通信单元23用于发送数字信号，当然，在优选的实施例中，也可以发送打包后的数字信号。在优选的实施例中，通信单元23为无线通讯模块，例如可以通过WiFi、蓝牙等实现。在可选的实施例中，通信单元23可以实时发送数字信号，也可以发送经过缓存后的数字信号，还可以是发送存储单元中存储的数字信号。
在可选的实施例中，信号处理模块2中的供电模块可以使用锂电池供电，通过电源管理芯片得到需要的电压和较低的待机功耗。考虑该子系统的使用环境和方式，本实施例中使用轻薄的锂电池作为总电源，且锂电池具有可以重复充电使用的特性。
在可选的实施例中，信号处理模块2中的各个电路及功能模块可以封装在同一个盒子中，该盒子可以通过魔术贴和/或绳子系带固定在受试者的小腿处、鞋子上等部位。
基于在鞋垫上布置多个足底压力传感器11的方式来测量足底压力，鞋垫的厚度、柔软程度、耐劳、抗压、稳定性及重复性等都是需要重点考虑的问题，在具体实施例中，可以根据经验来确定鞋垫的型号等。在优选的实施例中，为了满足电学性能以及舒适性和可靠性要求，本实施例采用柔性印刷电路(FPC)适应场景的需求。本方案中，将购置的传感器进行加工处理后，布置在FPC中并制作相应引线，封装后统一从鞋垫外侧后部接线引出，以将压力采集模块1与信号处理模块2通过FPC排线进行可拆卸电连接。设置在鞋垫上的压力采集模块1与信号处理模块2使用FPC排线连接，连线长度随使用场景可以随意改变。
本实施例还公开了一种足底压力分布测量系统，请参考图1，该足底压力分布测量系统包括：上述的足底压力分布测量装置和处理终端3，处理终端3用于接收所述数字信号，对数字信号分析得到足底压力分布测量结果。在具体实施例中，处理终端3为一个具有无线通信、数据存储、数据处理分析及显示功能的终端硬件设备，本实施例中的处理终端为个人电脑(PC)，主要用于压力信息的处理分析、数据图形化呈现和人机交互。在具体实施例中，处理终端3可以通过通信单元23实现与足底压力分布测量装置进行数据交互。
作为示例，请参考图4，各个鞋垫足底压力分布测量装置与处理终端(例如终端PC)间的通信采用Wi-Fi无线模式，终端PC与两个鞋垫足底压力分布测量装置(左右各一个)组成通讯网络，其中终端PC作为服务器(Server)同时接收两个足底压力分布测量装置的压力数据，并可以通过Wi-Fi远程监控并控制足底压力分布测量装置的运行状态(例如启动、终止测试)。这里，由于两只脚的压力数据并没有相关性，且人体运动模型中，两只脚在正常的步态周期内是一起受力的，即两只脚会出现同时测量到压力数据的情况，实时测量足底压力的要求使得三个设备需要组成网络，在同一个无线网络中实现实时传输。
本实施例公开的鞋垫式足底压力分布测量装置和系统，由于多个足底压力传感器基于预设规则布置在鞋垫中，用于分别采集各个布置位置的足底压力，信号处理模块对压力采集模块采集的电信号调理为用于表征各个压力的数字信号，从而，通过较少的足底压力传感器实现了足底压力重建，并且，由于基于预设规则布置多个足底压力传感器，使得采集的压力数据集合能够与预设的压力分布进行比较，为判断数据是否异常提供了技术支持。
将压力传感器布置在足底压力分布的多个极值点处及足底压力分布曲面斜率快速变化处，这样可以利用较少传感器获得更多足底压力分布细节，数据信息更丰富。
本实施例的鞋垫足底压力分布测量装置通过将传感器与引线集成在柔性印刷电路板当中，传感器牢固性、可靠性、一致性与稳定性好；
本实施例的鞋垫足底压力分布测量装置的足底压力采集模块位于鞋中，而处理电路集成在一块PCB上后绑在小腿上，系统可以通过无线模块传输数据和通讯，减少了引线数目，受试者可以自由地在空间活动。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (10)

1.一种鞋垫式足底压力分布测量装置，其特征在于，包括：
压力采集模块(1)，包括多个足底压力传感器(11)，所述多个足底压力传感器(11)基于预设规则布置在鞋垫中，用于分别采集各个布置位置的足底压力并转换为电信号；
信号处理模块(2)，与所述压力采集模块(1)连接，用于接收所述多个足底压力传感器(11)发送的足底压力的电信号，并调理为用于表征各个足底压力传感器(11)采集的压力的数字信号。
2.如权利要求1所述的鞋垫式足底压力分布测量装置，其特征在于，所述信号处理模块(2)包括：
信号处理电路(21)，用于对接收到的所述足底压力的电信号进行前置处理，转换为模拟电信号；
数据处理电路(22)，用于分别对所述多个足底压力传感器(11)对应的模拟电信号进行模数转换，得到分别与多个足底压力传感器(11)采集的压力对应的数字信号。
3.如权利要求2所述的鞋垫式足底压力分布测量装置，其特征在于，所述数据处理电路(22)还用于对多个足底压力传感器(11)采集的压力对应的数字信号按照预设协议进行数据打包。
4.如权利要求1-3任意一项所述的鞋垫式足底压力分布测量装置，其特征在于，所述信号处理模块(2)包括：
存储单元，用于存储所述数字信号。
5.如权利要求1-3任意一项所述的鞋垫式足底压力分布测量装置，其特征在于，所述信号处理模块(2)包括：
通信单元(23)，用于发送所述数字信号。
6.如权利要求5所述的鞋垫式足底压力分布测量装置，其特征在于，所述通信单元(23)为无线通讯模块。
7.如权利要求1-3任意一项所述的鞋垫式足底压力分布测量装置，其特征在于，所述多个足底压力传感器(11)基于预设规则布置在鞋垫中包括：
所述多个足底压力传感器(11)按照足底压力分布区域变化大小布置在所述鞋垫中，高压力和/或压力变化快区域布置的所述足底压力传感器(11)的密集程度大于低压力和/或压力变化慢区域布置的所述足底压力传感器(11)的密集程度。
8.如权利要求1-3任意一项所述的鞋垫式足底压力分布测量装置，其特征在于，所述信号处理模块(2)封装在同一盒子中。
9.如权利要求1-3任意一项所述的鞋垫式足底压力分布测量装置，其特征在于，所述压力采集模块(1)与所述信号处理模块(2)通过FPC排线进行可拆卸电连接。
10.一种鞋垫式足底压力分布测量系统，其特征在于，包括：
如权利要求1-9任意一项所述的足底压力分布测量装置；
处理终端，用于接收所述数字信号，对数字信号分析得到足底压力分布测量结果。
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