CN107137086A - 一种自发电多功能的智能鞋垫 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自发电多功能的智能鞋垫，鞋垫主要分为三层，上层采用多层膜工艺，具有透气、抗菌、磁疗的功效，中间层采用质地轻盈、抗压耐磨的材料，中间嵌入了柔性压力传感器、运动传感器、微型红外对管、柔性压力发电器件和数据采集电路系统，底层采用硬度较大的抗菌材料。柔性压力传感器主要放置在第1趾骨、第1跖骨、第2跖骨、第3跖骨、第4跖骨、第5跖骨、足弓外侧和足跟中部。微型红外对管放置在第1趾横动脉下方。数据采集电路系统包含信号调理模块、主控芯片、数据存储模块、电源管理模块以及无线传输模块。该鞋垫能测量脚底的压力分布、心率、运动状态等参数，并可以通过无线通信与手机/电脑等智能终端连接，进行数据处理分析和实时显示，进一步提供康复检测、运动计步、矫正走姿等功能。
Description
技术领域
本发明涉及智能穿戴技术，具体涉及一种自发电多功能的智能鞋垫。
背景技术
随着社会的进步，人们的生活质量也逐渐提高，越来越多的人关注自己的身体状态，希望获得更多关于自身状态的数据来评估自己的健康程度。对于医生来说，获取病人详细的体征数据可以帮助准确地诊断和治疗疾病。近年来，电子信息技术发展迅速，传感器和元器件的集成度越来越高，而体积和功耗越来越小，使得传感器集成到贴身穿戴的物件中成为可能。
现在，市面上已经有很多用于检测人体状态参数的可穿戴设备，可是大多数产品都是通过手腕获取数据，因而获取的数据种类有限。此外，腕部配饰的活动自由度大、外界干扰较大以及手部运动的复杂性，获得的数据可信度较低，影响这类穿戴产品的发展。除了手腕处获取参数外，从人体脚部获取状态参数也是一个不错的选择。2015年后，智能鞋和智能鞋垫迎来快速发展，其生产商数量和出货量都有较大的增长，已成为一股不可忽视的力量。
目前，市面上的智能鞋主要有计步鞋和定位鞋，它们功能单一，无法满足人们的需求。而在鞋垫上安装传感器，可以获得更多、更详细的人体状态参数，如脚底压力、心率等，同时也方便人们更换鞋子，所以现在很多公司和研究单位把主要精力放在智能鞋垫上。经调研发现，比利时RScan公司和德国Novel公司等已经生产出脚底压力测量鞋垫，虽然精度高，但其所需传感器众多(约2000个)，成本太高，不适合大众普及。
因此，如何获取脚底更多参数、降低智能鞋垫的成本，成为了当前亟待解决的问题。
发明内容
针对现有智能鞋垫的不足，本发明的目的在于提供一种自发电、多功能的智能鞋垫。该鞋垫的功能主要有：利用压力发电，无需频繁充电，具有磁疗、抗菌功效，可以测量脚底压力分布，测量心率，计算步数等，把测量数据上传手机进行进一步处理分析和显示。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为一种自发电多功能的智能鞋垫，该鞋垫包括：上、中、下三层；上层为软质材料，中层嵌入有：压力传感器、运动传感器、微型红外对管、电路系统、压力发电器件，下层为硬质材料；其特征在于中间层嵌入有8个压力传感器，分别设置于脚掌对应的鞋垫位置为：第1趾、第1跖骨、第2跖骨、第3跖骨、第4跖骨、第5跖骨、足弓中部、足跟中部；所述运动传感器设置于鞋垫的中部对应脚掌的跗跖关节下方；所述微型红外对管设置于第1趾横动脉下方，用于检测使用者心率；所述中间层嵌入有两个压力发电器件，分别设置于跖骨和距骨正下方；所述电路系统设置于足弓外侧，该电路系统包括：信号调理模块、微处理器、存储模块、无线传输模块、升压电路、蓄电模块，其中各传感器采集的数据经过信号调理模块后输入微处理器，微处理器对信号进行处理，对数据进行存储或通过无线传输模块进行传输，压力发电器件发电后电能经过升压电路输入蓄电模块，蓄电模块为整个系统供电。
进一步的，所述运动传感器中包括3个MEMS惯性传感器、1个加速度计和1个陀螺仪。
进一步的，所述鞋垫的上层采用多层膜工艺，内部有托玛琳纤维和抗菌中药凝胶。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：该自发电多功能的智能鞋垫，具有抗菌、磁疗等功效；采用柔性压力发电，避免频繁充电；能够准确测量脚底多个主要区域的压力变化和运动状态，可以用于矫正走姿、康复监测、计步和体感游戏等；能够准确地测量心率，并把数据上传手机等智能终端，可以实时显示出来。
附图说明
图1为本发明的一种自发电多功能的智能鞋垫的分解示意图；
图2为鞋垫中间层主要电路硬件分布示意图；
图3为智能鞋垫的硬件框架图；
其中：1-鞋垫上层，2-橡胶垫片，3-红外对管，4-柔性压力传感器，5-柔性压力发电器件，6-运动传感器，7-数据电路采集系统，8-鞋垫中间层，9-鞋垫底层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案等更加清晰，以下结合附图和具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解析本发明，并非为了限定本发明。
如图1所示，一种自发电多功能的智能鞋垫，其主体主要由三层结构组成：鞋垫上层1采用多层膜工艺，第一层膜采用透气、柔软、韧性很好的材料，第二层膜采用托玛琳超细纤维，并在其中加入微小的抗菌中药凝胶，第三层膜采用防水、硬度较大的材料；鞋垫中间层8采用质地轻盈、抗压耐磨的材料，并在其中嵌入8个柔性压力传感器4、1个运动传感器、1个微型红外对管和2个柔性压力发电器件等元件，还包括1块数据电路采集系统，鞋垫中间层8底部有凹槽，用来安装柔性电路走线；鞋垫底层9采用硬度稍大、抗菌的材料，对中间层的电路和传感器提供较好的支撑作用。
如图1所示，本实施例中的柔性压力传感器4上端面有一个橡胶垫片2，橡胶垫片2的半径比柔性压力传感器4的小，而且柔性压力传感器4和橡胶垫片2叠加在一起的厚度比鞋垫中间层8的大，这样鞋垫上层1的压力能够很好地施加在8个压力传感器4上。
如图2所示，本实施例中的柔性压力传感器有8个，分布在第1趾骨、第1跖骨、第2跖骨、第3跖骨、第4跖骨、第5跖骨、足弓外侧和足跟中部，这几个位置所受的压力较大。柔性压力传感器的个数也可以适当增减，具体情况视测量精度和成本而定。
如图2所示，本实施例中的红外对管放置在第1趾横动脉下方，其红外发射波长为850nm，能够监测心率的变化。
如图2所示，本实施例中的运动传感器采用博世公司的BHV160，其位于鞋垫的中部，能够获取运动状态的全方位信息。
如图2所示，本实施例中的柔性压力发电器件有2个，分别位于跖骨中部、距骨中部，其采用采用“发电橡胶”制成，该材料兼顾了陶瓷和聚偏氟乙烯类的高分子树脂压力发电材料各自的优势，同时具有高发电新能与柔软性。
如图2所示，本实施例中的数据采集电路系统位于足弓外侧，其包含信号调理模块、主控芯片、数据存储模块、电源管理模块以及无线传输模块。
如图3所述，本实施例中的柔性压力传感器的电信号通过信号调理模块后送入微处理器进行模/数转换处理，运动传感器则直接通过总线把数据送入微处理器。微处理器可以控制红外对管发射850nm的红外线，经反射后背红外对管的接收端接收，经信号调理后送入微处理器中。柔性压力发电器件产生的电能通过生压电路后存储在锂电池中，电路系统所需的电能均从锂电池中取。
如图3所示，本实施例中智能鞋垫所采集的数据经处理后通过无线模块与手机/电脑等智能终端进行通信，从而实现对脚底压力、心率、运动状态等参数的实时监测。
实施例中的无线通信功能，可以采用蓝牙、GPRS、3G、4G、Wi-Fi等。
实施例中的智能鞋垫，还可以通过智能终端把测量数据上传到云端，进行数据挖掘，为医生提供更全面的信息。
以上为本发明实施例的描述，本领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的修改。因此，本发明并不局限于上面描述的具体实施方式，对本发明的一些修改也应属于本发明的权利要求保护范围。此外，尽管本发明说明书中使用了一些特定术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (3)
1.一种自发电多功能的智能鞋垫，该鞋垫包括：上、中、下三层；上层为软质材料，中层嵌入有：压力传感器、运动传感器、微型红外对管、电路系统、压力发电器件，下层为硬质材料；其特征在于中间层嵌入有8个压力传感器，分别设置于脚掌对应的鞋垫位置为：第1趾、第1跖骨、第2跖骨、第3跖骨、第4跖骨、第5跖骨、足弓中部、足跟中部；所述运动传感器设置于鞋垫的中部对应脚掌的跗跖关节下方；所述微型红外对管设置于第1趾横动脉下方，用于检测使用者心率；所述中间层嵌入有两个压力发电器件，分别设置于跖骨和距骨正下方；所述电路系统设置于足弓外侧，该电路系统包括：信号调理模块、微处理器、存储模块、无线传输模块、升压电路、蓄电模块，其中各传感器采集的数据经过信号调理模块后输入微处理器，微处理器对信号进行处理，对数据进行存储或通过无线传输模块进行传输，压力发电器件发电后电能经过升压电路输入蓄电模块，蓄电模块为整个系统供电。
2.如权利要求1所述的一种自发电多功能的智能鞋垫，其特征在于所述运动传感器中包括3个MEMS惯性传感器、1个加速度计和1个陀螺仪。
3.如权利要求1所述的一种自发电多功能的智能鞋垫，其特征在于所述鞋垫的上层采用多层膜工艺，内部有托玛琳纤维和抗菌中药凝胶。
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