CN106307775A - 一种足部姿态信息和压力测量系统及智能运动鞋 - Google Patents

一种足部姿态信息和压力测量系统及智能运动鞋 Download PDF

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Abstract

一种足部姿态信息和压力测量系统及智能运动鞋，本发明涉及足部姿态信息和压力测量系统及智能运动鞋。本发明是为了解决现有技术无法测量双足的姿态、压力传感器分布稀疏、扫描频率低、不能提供详细的动态足底压力信息的问题。本发明在运动鞋主体(1)的鞋底内部与足弓对应处安装柔性PCB电路板(2‑1)，在鞋底与脚底接触处安装薄膜压力传感器(2‑2)，在鞋底内与足跟对应处设置电池槽(4)，在鞋面上设置状态指示灯(5)，足腕姿态信息测量装置(3)固定在脚腕处与足底姿态信息和压力测量装置(2)进行无线传输。本发明应用于可穿戴设备领域。

Description

一种足部姿态信息和压力测量系统及智能运动鞋
技术领域
本发明涉及足部姿态信息和压力测量系统及智能运动鞋。
背景技术
随着科学技术的进步和人们生活习惯的改变，智能可穿戴设备进入人们的生活，比如智能手环、智能手表、智能眼镜等。智能运动鞋也是智能可穿戴设备的一种，不仅保持了运动鞋舒适的优点还能为穿戴者提供关于运动的相关信息，通过手机等移动终端实现人机交互。传感器的加入，让智能鞋成为用科技改变生活的载体，这样的产品能为人类的生活提升幸福指数。国产运动品牌中李宁、安踏、特步、贵人鸟和361度相继推出了各自的智能跑鞋，智能跑鞋领域就成为各大体育用品厂商争相抢夺的市场。运动鞋智能化，已然成为市场共识。这些智能运动鞋大都集成了多种传感器和智能芯片，能为用户提供一些信息或者对鞋子进行适当的调节使之更舒适。但现在的智能鞋也存在着很多问题，例如压力传感器分布稀疏、扫描频率低、不能提供详细的动态足底压力信息、只配备了加速度传感器、无法测量双足的姿态、续航能力差、价格昂贵等。专利CN105266257A公布了一种采用压力阵列传感器采集足底压力信息的智能运动鞋，通过阵列式压力传感器众多的压力敏感点可以测量足底多个位置的压力信息，但阵列式压力传感器电阻存在很多串并联关系，会产生噪声严重干扰测量结果。专利CN203801848U公布了一种智能跑鞋装置，该智能跑鞋内含速度传感器、计时装置和无线发射装置，手表和鞋体连接，能显示相应数据。但该智能鞋传感器过于单一只能获取速度信息。专利CN105394867A公布了一种内含微型智能传感器组的智能运动鞋，但惯性传感器只有加速度传感器，无法测量双足的姿态，也就不能实现运动的重构并进行运动分析。专利CN205107688U公布了一种智能鞋，该智能鞋集成了三轴加速度传感器、三轴角速度传感器和三轴磁场传感器，传感器测得的数据通过无线模块传输到外部设备，外部设备可以显示穿戴者的步态信息。
发明内容
本发明是为了解决现有技术无法测量双足姿态、压力传感器分布稀疏、扫描频率低、阵列式压力传感器存在干扰以及不能提供详细的动态足底压力信息的问题，而提出的基于足部姿态信息和压力测量系统的智能运动鞋。
一种足底姿态信息和压力测量装置包括：
用于测量足底分布压力数据的薄膜压力传感器模块；
用于将薄膜压力传感器测得的数据进行模数转换并将转换后的数据传输到中央处理模块的数据采集模块；
用于地理信息定位并将定位信息传输到中央处理模块的定位模块；
用于读取足底传感器坐标系三个轴向的加速度、角速度以及磁场信息并将检测到的信息传输到中央处理单元模块的IMU模块；
用于存储由中央处理模块处理后的数据的存储模块；
用于与外部设备进行无线通信的无线传输模块；
用于接收数据采集模块转换后数据并控制数据采集模块开通或关闭、接收定位模块和IMU模块输出的信息、与无线传输模块进行双向传输并控制无线传输模块与外部设备双向传输、将处理后的数据传输到存储模块的中央处理模块。
一种足腕姿态信息测量装置包括：
用于为电池充电并将电池电压转换为中央处理模块所需电压的电压转换及充电模块；
用于读取足腕传感器坐标系三个轴向的加速度、角速度以及磁场信息并将检测到的信息传输到中央处理单元模块的IMU模块；
用于与外部设备进行无线传输的无线传输模块；
用于接收IMU模块输出的信息，并与无线传输模块进行双向传输并控制无线传输模块与外部设备双向传输的中央处理模块。
一种足部姿态信息和压力测量系统，所述系统包括所述足底姿态信息和压力测量装置和所述足腕姿态信息测量装置；
足腕姿态信息测量装置的IMU模块读取的信息通过足腕姿态信息测量装置的无线传输模块传输到足底姿态信息和压力测量装置的无线传输模块，足底姿态信息和压力测量装置的无线传输模块将数据传输到足底姿态信息和压力测量装置的中央处理模块，中央处理模块处理后的数据通过足底姿态信息和压力测量装置的无线传输模块传输到终端设备。
基于足部姿态信息和压力测量系统的智能运动鞋包括：运动鞋主体、足底姿态信息和压力测量装置、足腕姿态信息测量装置、电池槽、锂离子电池和状态指示灯；
足底姿态信息和压力测量装置由柔性PCB电路板和薄膜压力传感器构成；
在运动鞋主体的鞋底内部与足弓对应处安装柔性PCB电路板，在鞋底与脚底接触处安装薄膜压力传感器，在鞋底内与足跟对应处设置电池槽，锂离子电池安装在电池槽(4)内，在鞋面上设置状态指示灯，足腕姿态信息测量装置固定在脚腕处与足底姿态信息和压力测量装置进行无线传输。
发明效果：
本发明弥补了现有智能运动鞋的不足，提供了一种基于足部姿态信息和压力测量系统的智能运动鞋。该智能运动鞋融合了多种传感器，各个传感器的合理配置融合，提升了穿戴者的体验，可以提供双足的姿态信息、位置信息、压力信息以及足部与脚腕的相对运动信息，分析并指导运动，监测足部健康，预防疾病。
智能模块采用柔性PCB电路制作，柔性PCB能够适应足底的曲面，重量比刚性PCB轻90％，主模块内嵌于鞋体足弓部位，从模块固定于足腕部位，状态指示灯位于鞋面上，便于穿戴者查看智能运动鞋的当前状态，电源内嵌于足跟，薄膜压力传感器做成鞋垫形状置于鞋内，使足底与薄膜压力传感器全面接触。
(1)对双足各个部分的方位信息进行直接测量较间接测量方式准确度更高。
(2)采用阵列式薄膜压力传感器，对足部的压力分布测量更加细腻，并且用“电压镜法”进行扫描，使测量误差降低。
(3)通过多个传感器的监测得到丰富的双足和足腕姿态信息，能够识别各种运动模式，并根据不同的运动模式对传感器工作状态进行调整。
(4)可以在手机、电脑端生动直观的以动画形式实时显示双足和足腕的姿态、运动和压力信息。
(5)用户可以在手机、电脑端输入身高体重信息，软件会自动设置合适的模式切换阈值，较其他装置自由度和交互性更好。且采用APP监测的模式也为其社交功能扩展打下基础。
(6)具有休眠模式，在保证智能运动鞋满足使用要求的同时也能够有效的降低系统功耗、提高续航能力。
(7)装置还具有便携性良好，使用寿命长等优点。
附图说明
图1为足底姿态信息和压力测量装置功能结构示意图；
图2为普通阵列式压力传感器进行扫描的原理图；
图3为采用“电压镜”方法进行扫描的原理图；
图4为鞋底阵列式压力传感器分布图；
图5为本发明智能运动鞋使用流程图；
图6为本发明智能运动鞋剖视图；
图7为IMU坐标系示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1所示，一种足底姿态信息和压力测量装置包括：
用于测量足底分布压力数据的薄膜压力传感器模块；
薄膜压力传感器如图4所示采用阵列式结构，该阵列由平行的行导线和列导线交叉构成，阵列的每个交叉点上有个力敏感点，力敏感点可以等效为力敏电阻，其阻值会随作用在其上的力的变化而变化。采用阵列式结构的优点是可以大量减少引线数量，但也带来了串并联干扰，如图2所示，当测量电阻R11的阻值时，实测得到的电阻值为电阻R12、电阻R21、电阻R22串联后与电阻R11并联得到的阻值与真实值存在一定偏差。本发明采用了“电压镜法”测量阵列式薄膜压力传感器的阻值，有效地减少了干扰，提高了测量精度。该方法的原理如图3所示，被选测量行接入参考电压Vref，被选测量列接参考电阻Vref后接地，参考电阻上的电位Vm施加到其余未被选中的各行列，这样，除正测量的行列，其余各行列在阵列电阻网中形成等势区，使与被测力敏感点电阻并联的电阻网络无法形成干扰电流，大大降低了电路的噪声，提高了测量精度。中央处理模块控制数据采集模块依次采集各个力敏感点的数据。每个力敏感点采用六边形形状，便于对数据进行插值运算使压力图显示更加细腻。
用于将薄膜压力传感器测得的数据进行模数转换并将转换后的数据传输到中央处理模块的数据采集模块；数据采集模块有多个数据采集通道，这些通道可以在中央处理模块的控制下快速开通与关断，并完成模拟量的采集与AD转换。
用于地理信息定位并将定位信息传输到中央处理模块的定位模块；定位模块采用GPS和北斗系统双星定位或其他定位方式，记录户外运动路径。
用于读取足底传感器坐标系三个轴向的加速度、角速度以及磁场信息并将检测到的信息传输到中央处理单元模块的IMU模块；
IMU由三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁强计组成，可以检测传感器坐标系三个轴向的加速度、角速度以及磁场信息。每只智能运动鞋的鞋底足弓部位安装了一个IMU传感器，在足腕部位安装了另一个IMU传感器，一双智能运动鞋共有4个IMU传感器。足腕部位的IMU通过无线传输模块与位于足弓部位的足底姿态信息和压力测量装置通信。
用于存储由中央处理模块处理后的数据的存储模块；中央处理模块处理的数据为IMU模块、定位模块和数据采集模块传输给中央处理模块的数据。
用于与外部设备进行无线通信的无线传输模块；无线模块具有低功耗和可休眠的特点，可以与移动终端实时通信。
用于接收数据采集模块转换后数据并控制数据采集模块开通或关闭、接收定位模块和IMU模块输出的信息、与无线传输模块进行双向传输并控制无线传输模块与外部设备双向传输、将处理后的数据传输到存储模块的中央处理模块。
中央处理模块协调控制各模块的工作、完成数据的预处理、模式切换以及数据流向控制。
具体实施方式二：一种足腕姿态信息测量装置，所述装置包括：
用于为电池充电并将电池电压转换为中央处理模块所需电压的电压转换及充电模块；电压转换及充电模块可以从USB端口为锂离子电池充电，并且把锂离子电池的电压转换为中央处理单位所需电压。
用于读取足腕传感器坐标系三个轴向的加速度、角速度以及磁场信息并将检测到的信息传输到中央处理单元模块的IMU模块；
用于与外部设备进行无线传输的无线传输模块；
用于接收IMU模块输出的信息，并与无线传输模块进行双向传输并控制无线传输模块与外部设备双向传输的中央处理模块。
具体实施方式三：一种足部姿态信息和压力测量系统，所述系统包括足底姿态信息和压力测量装置和足腕姿态信息测量装置；
足腕姿态信息测量装置的IMU模块读取的信息通过足腕姿态信息测量装置的无线传输模块传输到足底姿态信息和压力测量装置的无线传输模块，足底姿态信息和压力测量装置的无线传输模块将数据传输到足底姿态信息和压力测量装置的中央处理模块，中央处理模块处理后的数据通过足底姿态信息和压力测量装置的无线传输模块传输到终端设备。
具体实施方式四：如图6所示，基于足部姿态信息和压力测量系统的智能运动鞋包括：运动鞋主体1、足底姿态信息和压力测量装置2、足腕姿态信息测量装置3、电池槽4、锂离子电池5和状态指示灯6；
足底姿态信息和压力测量装置2由柔性PCB电路板2-1和薄膜压力传感器2-2构成；
在运动鞋主体1的鞋底内部与足弓对应处安装柔性PCB电路板2-1，在鞋底与脚底接触处安装薄膜压力传感器2-2，在鞋底内与足跟对应处设置电池槽4，锂离子电池5安装在电池槽4内，在鞋面上设置状态指示灯6，足腕姿态信息测量装置3固定在脚腕处与足底姿态信息和压力测量装置2进行无线传输。
锂离子电池采用可插拔设计，并且可以防止插反，有电池电量指示灯和电源开关。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述薄膜压力传感器2-2的大小与鞋底一致。
其它步骤及参数与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四或五不同的是：所述所述状态指示灯6为LED灯。状态指示灯6为LED三色灯，可单独发出红、绿、蓝三色光，也可以组合发光，共可以发出七种颜色的光，辨识度很高。状态指示灯6用于引导穿戴者校准运动鞋。
其它步骤及参数与具体实施方式四或五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四至六之一不同的是：所述状态电池槽4内安装锂离子电池，；锂离子电池用于为足底姿态信息和压力测量装置2、足腕姿态信息测量装置3供电。
其它步骤及参数与具体实施方式四至六之一相同。
实施例一：
为了使测量准确，需要在打开智能运动鞋开关后进行初始化校准。右足智能运动鞋的初始化校准过程如下(如图5所示)：中央处理模块上电复位，状态指示灯发出红色光，两秒后状态指示灯发出蓝色闪烁灯光，此时要求穿戴者双足平行直立5s，IMU记录初始坐标系(如图7所示)，5s后蓝色灯光常量，此时要求穿戴者左足单足站立，并轻轻摇晃右足，中央处理模块将会判断右足加速度传感器数值是否超过压力传感器初始化阈值，若超过该阈值，软件会记录此时右足薄膜压力传感器数值，在以后的运动过程中呈现给穿戴者的数据是实测数据减去初始化时的记录值，右足压力校准完成后绿色灯常亮，右足智能运动鞋的初始化校准完成。按照同样的方法可完成左足智能运动鞋的初始化校准。
定位模块搜索定位卫星，输出标准定位时间、使用中的卫星数目、海拔高度以及经纬度信息。
中央处理模块检测终端设备是否连接，若终端设备连接则开启无线传输模块数据通道，将IMU、薄膜压力传感器和卫星定位模块的输出数据传到终端设备实时显示，终端设备的软件可根据用户输入的身高体重信息和实时监测数据生成分析报告及3D图形，若终端设备没有连接则开启存储模块数据传输通道，根据薄膜压力传感器数据计算出体重，程序自动设定定模式切换阈值，然后将IMU、薄膜压力传感器和卫星定位模块的输出数据存储到数据存储模块以供后续提取数据并分析。
该智能运动鞋可以监测穿着者处于何种状态，若处于运动状态时两分钟内传感器测量值未超过模式切换阈值则智能模块自动休眠；若处于静止状态时传感器测量值超过该阈值，则立刻切换到运动状态；运动状态分为步行状态和剧烈运动状态，若处于步行状态则足底压力测量频率自动切换到低频率，若处于剧烈运动状态足底压力测量频率自动切换到高频率。
薄膜压力传感器测得的数值通过无线模块传输到终端设备，经过图形处理程序可以直观的看到足底压力分布图。足底压力的大小与分布能反映人体腿、足结构、功能及整个身体姿势控制等信息，测试、分析足底应力，对临床诊断、疾患程度测定和术后疗效评价均具有重要意义。根据薄膜压力传感器得到的压力分布数据可以对人体进行平衡性分析，由加权平均算法得到运动过程中的足底压力中心。平衡指的是身体所处的一种姿态以及在运动或受到外力作用时能自动调整并维持姿势的一种能力，包括静态平衡和动态平衡。平衡能力由以下几个指标来衡量：压力中心在X轴上移动轨迹的最大绝对值，反映了人体站立时压力中心横向移动的距离，数值越大，横向摆动幅度越大；压力中心在Y轴上移动轨迹的最大绝对值，反映人体站立时压力中心纵向移动的距离，数值越大，纵向摆动幅度越大；椭圆面积指包络95％压力中心轨迹在内区域的面积，椭圆面积越大，则说明站立时移动范围也越大。这些指标可以定量、客观地评定穿戴者的平衡能力，有助于医生诊断和制定适宜的运动康复训练。
装置还能通过IMU测量双足和足腕部位的姿态信息并将其与压力传感器测得的压力信息进行整合，穿戴者能从终端设备上直观的看到双足及足腕的3D图形和双足的速度、加速度曲线。根据IMU所测量的数据可以进行步态分析，得到八个迈步周期(首次着地、双支撑期、站立中期、站立末期、迈步前期、迈步初期、迈步中期、迈步末期)的时间、，也可以得到步数，步频、步长，足偏角等信息，IMU测得的双足及足腕部位的姿态再结合压力传感器测得的压力数据能够对足部运动以及受力进行分析，这样全面的步态分析为分析异常步态和矫正异常步态、制定康复治疗计划和评定康复疗效提供了客观的依据。传感器对加速度、陀螺仪和磁场信息进行测量不可避免会因为传感器的抖动而产生一定的噪声，所以在进行数据处理前需要用卡尔曼滤波算法对其进行滤波处理。在对传感器数据进行滤波后采用内置的数字运动处理器(DMP)将3轴加速度、3轴角速度和磁场信息进行融合得到欧拉角用于后续算法处理。系统在校准时刻记录下安装于足弓下的IMU和安装于足腕处的IMU的位置信息和俯仰角、偏航角和滚转角，作为初始姿态。在运动过程中实时对各个IMU的方位信息和加速度信息进行迭代计算，得到当前时刻姿态信息。

Claims (7)

1.一种足底姿态信息和压力测量装置，其特征在于，所述装置包括：
用于测量足底分布压力数据的薄膜压力传感器模块；
用于将薄膜压力传感器测得的数据进行模数转换并将转换后的数据传输到中央处理模块的数据采集模块；
用于地理信息定位并将定位信息传输到中央处理模块的定位模块；
用于读取传感器坐标系三个轴向的加速度、角速度以及磁场信息并将检测到的信息传输到中央处理单元模块的IMU模块；
用于存储由中央处理模块处理后的数据的存储模块；
用于与外部设备进行无线通信的无线传输模块；
用于接收数据采集模块转换后数据并控制数据采集模块开通或关闭、接收定位模块和IMU模块输出的信息、与无线传输模块进行双向传输并控制无线传输模块与终端设备双向传输、将处理后的数据传输到存储模块的中央处理模块。
2.一种足腕姿态信息测量装置，其特征在于，所述装置包括：
用于为电池充电并将电池电压转换为中央处理模块所需电压的电压转换及充电模块；
用于读取足腕传感器坐标系三个轴向的加速度、角速度以及磁场信息并将检测到的信息传输到中央处理单元模块的IMU模块；
用于与外部设备进行无线通信的无线传输模块；
用于接收IMU模块输出的信息，并与无线传输模块进行双向传输并控制无线传输模块与外部设备双向传输的中央处理模块。
3.一种足部姿态信息和压力测量系统，其特征在于，所述系统包括权利要求1所述足底姿态信息和压力测量装置和权利要求2所述足腕姿态信息测量装置；
足腕姿态信息测量装置的IMU模块读取的信息通过足腕姿态信息测量装置的无线传输模块传输到足底姿态信息和压力测量装置的无线传输模块，足底姿态信息和压力测量装置的无线传输模块将数据传输到足底姿态信息和压力测量装置的中央处理模块，中央处理模块处理后的数据通过足底姿态信息和压力测量装置的无线传输模块传输到终端设备。
4.基于权利要求3所述系统的智能运动鞋，其特征在于，所述基于足部姿态信息和压力测量系统的智能运动鞋包括：运动鞋主体(1)、足底姿态信息和压力测量装置(2)、足腕姿态信息测量装置(3)、电池槽(4)和状态指示灯(5)；
足底姿态信息和压力测量装置(2)由柔性PCB电路板(2-1)和薄膜压力传感器(2-2)构成；
在运动鞋主体(1)的鞋底内部与足弓对应处安装柔性PCB电路板(2-1)，在鞋底与脚底接触处安装薄膜压力传感器(2-2)，在鞋底内与足跟对应处设置电池槽(4)，在鞋面上设置状态指示灯(5)，足腕姿态信息测量装置(3)固定在脚腕处与足底姿态信息和压力测量装置(2)进行无线传输。
5.根据权利要求4所述的基于足部姿态信息和压力测量系统的智能运动鞋，其特征在于，所述薄膜压力传感器(2-2)的大小与鞋底一致。
6.根据权利要求5所述的基于足部姿态信息和压力测量系统的智能运动鞋，其特征在于，所述状态指示灯(5)为LED灯。
7.根据权利要求6所述的基于足部姿态信息和压力测量系统的智能运动鞋，其特征在于，所述状态电池槽(4)内安装锂离子电池；锂离子电池用于为足底姿态信息和压力测量装置(2)、足腕姿态信息测量装置(3)供电。
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