CN106307803A - 利用电刺激产生足底压力感知的鞋垫装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用电刺激产生足底压力感知的鞋垫装置及使用方法，包括：左鞋垫和右鞋垫；所述左鞋垫和所述右鞋垫均包括鞋垫本体，刺激点，电刺激控制装置；其中，所述刺激点设置在所述鞋垫本体上；所述电刺激控制装置包含载体、壳体、导线、电源模块、无线通讯模块及控制模块。本发明利用电刺激控制装置产生电刺激，使足底指定区域的触觉感受器产生触觉感知，本发明的有益效果是：使用者的足底无需与地面接触，就可以产生足底压力感知；使用者无需真实的行走运动，通过改变电刺激参数、模式和时序，就可以产生行走过程中的足底压力变化；通过改变电刺激参数和模式，可以模拟不同的场地，实现不同地面的足底压力感知。

Description

利用电刺激产生足底压力感知的鞋垫装置及使用方法

技术领域

本发明涉及可穿戴设备、医疗康复技术领域，具体地，涉及利用电刺激产生足底压力感知的鞋垫装置及使用方法。

背景技术

随着科学技术的发展，低功耗、更便携的可穿戴设备广泛应用于人们的日常生活中，给人们的生活带来了极大的便利。鞋垫由于其便携性、通用性，在生活中被广泛应用。传统的鞋垫仅仅具有舒适功能、吸汗功能，无法与人进行交互，随着智能技术的发展，出现了加入了新功能元素的鞋垫，比如按摩鞋垫、测量鞋垫。目前市场上的新功能鞋垫以按摩功能和测量功能的鞋垫为主，无法应用在其他场合，由此限制了应用的范围。

人机交互越来越成为提高人们生活水平的必不可少的元素。人工触觉是一种适用性广泛的人机交互技术之一。产生人工触觉的方式主要是振动触觉和电触觉，其中振动触觉是通过机械振动使皮肤产生机械变形而引发触觉感知，实现起来简单，但模式较为单一。而电触觉本质上是用脉冲电流刺激皮肤下的触觉感受器来引起触觉，能够实现压力感、振动感、滑觉等多种模式的触觉信息，用电触觉方式产生人工触觉更为直接。

人在行走时一侧足跟着地到该侧足跟再次着地的过程被称为一个步行周期，行走中每个步行周期都包含着一系列典型姿位的转移，一个步行周期可分为支撑相和摆动相，支撑相指下肢接触地面及承受重力的时间，摆动相指足离开地面向前迈步到再次落地之间的时间。按照行走中步态的变化规律用人工触觉的方式逼真再现人步行时的触觉感知，并结合康复机器人、虚拟现实等技术可以更进一步提高人们的生活水平。

经文献检索发现，中国专利公开号为CN103830841A，专利名称为：可穿戴的经皮肤的电刺激设备及其使用方法，申请日为2013年11月26日。该专利文献公开的设备产生的电刺激被驱动于第一经皮肤电极和第二经皮肤电极之间。该电刺激设备存在以下不足：

1、仅仅具备单通道，调节模式单一；

2、重量较重，无法满足便携式鞋垫装置的体积和重量限制。

经文献检索发现，中国专利公开号为CN204208193U，专利名称为：低周波电刺激器，申请日为2014年8月31日。该专利文献提出了一种脉冲波形可调的电刺激器，体积较小，该电刺激器通过纽扣与两片自粘电极片相连，以输出脉冲电流。该刺激器方便携带，但存在以下不足：

1、刺激点仅为两片自粘电极片，输出通道单一，无法刺激多个区域，触觉模式单一；

2、无法与手机、PC设备相连接入互联网，调节模式不够灵活。

经文献检索发现，中国专利公开号为CN202077703U，专利名称为：一种新型振动式按摩鞋垫，申请日为2011年5月18日。该专利文献利用扁平微电机振动作为振动源，通过旋钮开关调节振动强度，对人体穴位进行振动按摩，通过外接USB接口进行供电。该鞋垫存在以下不足：

1、采用机械振动，振动调节模式单一，且调节精度不高；

2、外接USB进行供电，不够便携；

3、适用范围领域窄，不能进行扩展应用。

总体来说，现有技术中的新功能鞋垫以按摩功能和测量功能的鞋垫为主，应用范围窄，可扩展性差，人机交互性不明显，难以满足人们对鞋垫智能化的要求。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种利用电刺激产生足底压力感知的鞋垫装置及使用方法。本发明能够提高人机交互性能，使用者足底无需与地面接触，就可以产生足底压力感知；使用者无需真实的行走运动，改变电刺激参数、模式和时序，就可以产生行走过程中的足底压力变化；可以模拟不同的场地，改变电刺激参数和模式，实现不同地面的足底压力感知。

根据本发明提供的一种利用电刺激产生足底压力感知的鞋垫装置，包括左鞋垫和/或右鞋垫；其中，所述左鞋垫、右鞋垫均包括：

鞋垫本体；

刺激点，所述刺激点设置在所述鞋垫本体上，所述刺激点为柔性电极阵列；

电刺激控制装置，所述电刺激控制装置产生脉冲电流输出到所述刺激点上，以刺激皮肤的触觉感受器，进而产生触觉。

优选地，所述电刺激控制装置包含壳体，还包括安装于壳体上的载体、电源模块、无线通讯模块及控制模块；

所述载体包括脚踝佩戴装置；

所述电源模块包括聚合物锂电池和无线充电模块，用于提供电源；

所述无线通讯模块实时接收来自移动设备的电触觉指令，进而将电触觉指令传给控制模块；

所述控制模块实时处理电触觉指令得到处理结果，并基于处理结果产生相应电刺激特性的脉冲电流，输出到所述刺激点，进而产生步态感知。

优选地，所述载体由亲肤材料制作，所述载体的两头是相匹配的魔术贴，用来将所述电刺激控制装置固定在脚踝处；

所述电刺激控制装置还包括指示灯、按键以及导线；其中，所述按键设置在壳体表面，用于使用者对电刺激控制装置进行开闭控制；所述导线为软排线，用来连接刺激点。

优选地，所述控制模块为PCB电路板，包括：

主控模块，所述主控模块主要由主控芯片stm32f407及外围电路构成；

恒流模块，所述恒流模块用于将脉冲电压转化为刺激皮肤的脉冲电流；

多路复用模块，所述多路复用模块用于选通电极阵列，并通过分时复用方式实现多个电极通道选通；

电压转换模块，所述电压转换模块用来为恒流模块、多路复用模块、无线通讯模块、主控模块供电。

优选地，所述电刺激特性包括电刺激参数、电刺激模式以及电刺激时序，通过改变电刺激参数、电刺激模式、电刺激时序，以模拟再现人在行走时的足底压力变化感以及实现人在不同地面的足底压力感知。

优选地，所述电刺激参数为脉冲电流的幅值、脉宽以及频率，幅值可调范围为0mA—10mA，精度为0.1mA；脉宽可调范围为10us—1ms，精度为1us；频率可调范围为1Hz—2KHz，精度为1Hz。

优选地，所述电刺激模式包括单点刺激和/或多点混合刺激。

优选地，所述电刺激时序是：按照设定时序轮流刺激左脚、右脚的不同区域，产生足底不同区域的压力感知，进而再现人在行走时的足底压力变化感。

优选地，所述刺激点分布在鞋垫本体上的足趾处、足掌处、足跟处。

根据本发明提供的一种上述的利用电刺激产生足底压力感知的鞋垫装置的使用方法，包括：

-定义人在行走时，足底接触地面感知压力的区域分为足趾着地接触区域、足掌着地接触区域、足跟局部着地接触区域以及足底整个同时着地接触区域；按照行走时相应步态所对应的左鞋垫电极阵列和右鞋垫电极阵列，以设定时序输出电刺激，来模拟再现行走时不同步态下的足底压力变化感；具体过程为，按下按键，电刺激控制装置开始工作；电刺激控制装置通过无线通讯模块实时接收来自移动设备的电触觉指令，电触觉指令是包含电刺激参数、电刺激模式以及电刺激时序的指令，控制模块通过处理电触觉指令，按相应的时序选通左鞋垫和右鞋垫相应所述区域的电极阵列，将相应幅值、频率以及脉宽的脉冲电流实时输出到选通的电极阵列上进行刺激，进而产生行走时不同步态下足底压力的变化感；和/或

-当要实现人对不同地面的足底压力感知时，按下按键，电刺激控制装置开始工作；电刺激控制装置通过无线通讯模块实时接收来自移动设备的电触觉指令，电触觉指令是包含电刺激参数、电刺激模式的对应于相应地面的指令，控制模块通过处理电触觉指令，将相应幅值、频率以及脉宽的脉冲电流输出到选通的左鞋垫和右鞋垫电极阵列上进行刺激，使人产生不同地面足底压力的感知。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明应用范围广泛，灵活性高，通过手机、PC设备接入互联网，可以逼真再现人行走时不同步态时的足底压力感知变化以及人处于不同地面的压力感知。本发明有以下应用：一是康复(配合下肢康复机器人使用)；二是游戏娱乐，本发明和虚拟现实结合，可以使游戏者产生行走时的足底压力变化，增加真实感和临场感；三是模拟军事训练，本发明与虚拟现实结合，根据各种战场情况(山地、沙漠、草地等)，可使受训者产生相应行走时的足底压力变化，增强真实感和临场感。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中一种利用电刺激产生足底压力感知的鞋垫装置的鞋垫结构示意图；

图2为本发明中一种利用电刺激产生足底压力感知的鞋底的鞋垫电极阵列示意图；

图3为本发明中一种利用电刺激产生足底压力感知的鞋垫装置的使用方法的使用方法示意图；

图4为本发明中一种利用电刺激产生足底压力感知的鞋垫装置及使用方法的电刺激控制原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，1为鞋垫本体，采用亲肤材质制成。2为刺激点，所述刺激点设置在鞋垫本体1上，为柔性电极阵列，分布在鞋垫本体1的足趾处、足掌处与足跟处。3为载体，两头是魔术贴，用来将电刺激控制装置4固定在脚踝处。4为电刺激控制装置，包含壳体、载体、导线、电源模块、无线通讯模块及控制模块。5为电刺激控制装置的按键，用来开断电刺激。6为指示灯，用来指示电刺激控制装置的工作状态。7为导线，是软排线，用于将刺激点2连接到电刺激控制装置4上。

如图2所示，左鞋垫足趾处电极阵列8、左鞋垫足掌处电极阵列9、左鞋垫足跟处电极阵列10、右鞋垫足趾处电极阵列11、右鞋垫足掌处电极阵列12、右鞋垫足跟处电极阵列13构成了左鞋垫和右鞋垫的刺激点，通过选通不同的电极阵列，刺激不同区域的足底区域感受器，可以产生不同位置的足底压力感知。

如图3所示，14为电刺激按照一定时序刺激的鞋垫本体，15为标示有对应电刺激区域产生的足底压力分布的足底，按照一定时序刺激可模拟人步行时的步态足底压力变化，16为由电刺激产生的模拟对应于人行走时一个步态周期的相应步态感知。

根据本发明提供给的一种利用电刺激产生足底压力感知的鞋垫装置的使用方法是：

-人在行走时一侧足跟着地到该侧足跟再次着地的过程被称为一个步行周期，行走中每个步态周期都包含着一系列典型姿位的转移，一个步行周期可分为支撑相和摆动相，支撑相指下肢接触地面及承受重力的时间，摆动相指足离开地面向前迈步到再次落地之间的时间。按照行走时相应步态所对应的左鞋垫和右鞋垫电极阵列，以设定时序输出不同模式的电刺激，可以逼真再现行走时不同步态下的足底压力变化感。具体过程为，按下按键，左鞋垫和右鞋垫电刺激控制装置开始工作；电刺激控制装置通过无线通讯模块实时接收来自手机、PC设备的电触觉指令，该电触觉指令是包含电刺激参数、电刺激模式和电刺激时序的指令，控制模块通过处理电触觉指令，按相应的时序选通左鞋垫和右鞋垫相应区域的电极阵列，将相应幅值、频率和脉宽的脉冲电流实时输出到选通的电极阵列上进行刺激，进而逼真再现行走时不同步态下足底压力的变化感；

-当要实现人对不同地面的足底压力感知时，按下按键，电刺激控制装置开始工作；电刺激控制装置通过无线通讯模块实时接收来自手机、PC设备的电触觉指令，电触觉指令是包含电刺激参数、电刺激模式的对应于相应地面的指令，控制模块通过处理电触觉指令，将相应幅值、频率和脉宽的脉冲电流输出到选通的左鞋垫和右鞋垫电极阵列上进行刺激，再现在不同地面的足底压力感知。

如图4所示，通过无线充电模块17为聚合物锂电池18充电，无线充电模块17利用核磁共振技术进行无线充电，该充电方式更安全可靠，避免传统有线充电的繁琐步骤。电压转换模块19为恒流模块21、多路复用模块22、无线通讯模块24、主控模块20供电。无线通讯模块24是蓝牙4.0通讯模块，实时接收来自手机、PC等设备的电触觉指令，进而将电触觉指令传给主控模块20，主控模块20实时处理电触觉指令，并基于处理结果通过恒流模块21和多路复用模块22将相应电刺激特性的脉冲电流，输出到刺激点，进而产生步态感知。主控模块20为主要由主控芯片stm32f407及外围电路构成；恒流模块21用于将脉冲电压转化为刺激皮肤的脉冲电流；多路复用模块22，用于选通电极阵列，并结合分时复用技术实现多个电极通道选通；23是刺激点的电极阵列，分布在鞋垫的足趾、足掌和足跟处。主控模块20通过处理电触觉指令可以调节电刺激特性，电刺激特性包括电刺激参数、电刺激模式和电刺激时序，通过改变电刺激参数、电刺激模式、电刺激时序，可以逼真再现人在行走时的足底压力变化感以及实现人在不同地面的足底压力感知。电刺激参数为脉冲电流的幅值、脉宽和频率，幅值可调范围为0mA—10mA，精度为0.1mA；脉宽可调范围为10us—1ms，精度为1us；频率可调范围为1Hz—2KHz，精度为1Hz。电刺激模式包括单点刺激、多点混合刺激。电刺激时序指按照设定时序轮流刺激左脚和右脚的不同区域，产生足底不同区域的压力感知，进而再现人在行走时的足底压力变化感。

本发明一种利用电刺激产生足底压力感知的鞋垫装置及使用方法可应用的场合包括：

1.康复，使用者利用本发明配合下肢康复机器人进行下肢训练，使用者无需站立行走，在坐着、平躺的情况下就可以感知到下肢训练的足底压力变化。

2.游戏娱乐，本发明和虚拟现实结合，可以使游戏者产生行走时的足底压力变化，增加真实感和临场感。

3.模拟军事训练，本发明与虚拟现实结合，根据各种战场情况(山地、沙漠、草地等)，可使受训者产生相应行走时的足底压力变化，增强真实感和临场感。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种利用电刺激产生足底压力感知的鞋垫装置，其特征在于，包括左鞋垫和/或右鞋垫；其中，所述左鞋垫、右鞋垫均包括：

鞋垫本体；

刺激点，所述刺激点设置在所述鞋垫本体上，所述刺激点为柔性电极阵列；

电刺激控制装置，所述电刺激控制装置产生脉冲电流输出到所述刺激点上，以刺激皮肤的触觉感受器，进而产生触觉。

2.根据权利要求1所述的利用电刺激产生足底压力感知的鞋垫装置，其特征在于，所述电刺激控制装置包含壳体，还包括安装于壳体上的载体、电源模块、无线通讯模块及控制模块；

所述载体包括脚踝佩戴装置；

所述电源模块包括聚合物锂电池和无线充电模块，用于提供电源；

所述无线通讯模块实时接收来自移动设备的电触觉指令，进而将电触觉指令传给控制模块；

所述控制模块实时处理电触觉指令得到处理结果，并基于处理结果产生相应电刺激特性的脉冲电流，输出到所述刺激点，进而产生步态感知。

3.根据权利要求2所述的利用电刺激产生足底压力感知的鞋垫装置，其特征在于，所述载体由亲肤材料制作，所述载体的两头是相匹配的魔术贴，用来将所述电刺激控制装置固定在脚踝处；

所述电刺激控制装置还包括指示灯、按键以及导线；其中，所述按键设置在壳体表面，用于使用者对电刺激控制装置进行开闭控制；所述导线为软排线，用来连接刺激点。

4.根据权利要求2所述的利用电刺激产生足底压力感知的鞋垫装置，其特征在于，所述控制模块为PCB电路板，包括：

主控模块，所述主控模块主要由主控芯片stm32f407及外围电路构成；

恒流模块，所述恒流模块用于将脉冲电压转化为刺激皮肤的脉冲电流；

多路复用模块，所述多路复用模块用于选通电极阵列，并通过分时复用方式实现多个电极通道选通；

电压转换模块，所述电压转换模块用来为恒流模块、多路复用模块、无线通讯模块、主控模块供电。

5.根据权利要求2所述的利用电刺激产生足底压力感知的鞋垫装置，其特征在于，所述电刺激特性包括电刺激参数、电刺激模式以及电刺激时序，通过改变电刺激参数、电刺激模式、电刺激时序，以模拟再现人在行走时的足底压力变化感以及实现人在不同地面的足底压力感知。

6.根据权利要求5所述的利用电刺激产生足底压力感知的鞋垫装置，其特征在于，所述电刺激参数为脉冲电流的幅值、脉宽以及频率，幅值可调范围为0mA—10mA，精度为0.1mA；脉宽可调范围为10us—1ms，精度为1us；频率可调范围为1Hz—2KHz，精度为1Hz。

7.根据权利要求5所述的利用电刺激产生足底压力感知的鞋垫装置，其特征在于，所述电刺激模式包括单点刺激和/或多点混合刺激。

8.根据权利要求5所述的利用电刺激产生足底压力感知的鞋垫装置，其特征在于，所述电刺激时序是：按照设定时序轮流刺激左脚、右脚的不同区域，产生足底不同区域的压力感知，进而再现人在行走时的足底压力变化感。

9.根据权利要求1所述的利用电刺激产生足底压力感知的鞋垫装置，其特征在于，所述刺激点分布在鞋垫本体上的足趾处、足掌处、足跟处。

10.一种权利要求1至9中任一项所述的利用电刺激产生足底压力感知的鞋垫装置的使用方法，其特征在于，包括：

-定义人在行走时，足底接触地面感知压力的区域分为足趾着地接触区域、足掌着地接触区域、足跟局部着地接触区域以及足底整个同时着地接触区域；按照行走时相应步态所对应的左鞋垫电极阵列和右鞋垫电极阵列，以设定时序输出电刺激，来模拟再现行走时不同步态下的足底压力变化感；具体过程为，按下按键，电刺激控制装置开始工作；电刺激控制装置通过无线通讯模块实时接收来自移动设备的电触觉指令，电触觉指令是包含电刺激参数、电刺激模式以及电刺激时序的指令，控制模块通过处理电触觉指令，按相应的时序选通左鞋垫和右鞋垫相应所述区域的电极阵列，将相应幅值、频率以及脉宽的脉冲电流实时输出到选通的电极阵列上进行刺激，进而产生行走时不同步态下足底压力的变化感；和/或

-当要实现人对不同地面的足底压力感知时，按下按键，电刺激控制装置开始工作；电刺激控制装置通过无线通讯模块实时接收来自移动设备的电触觉指令，电触觉指令是包含电刺激参数、电刺激模式的对应于相应地面的指令，控制模块通过处理电触觉指令，将相应幅值、频率以及脉宽的脉冲电流输出到选通的左鞋垫和右鞋垫电极阵列上进行刺激，使人产生不同地面足底压力的感知。