CN107898464B - 一种测量足底压力分布的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量足底压力分布的系统，包括采集装置和与所述采集装置连接的智能终端；所述采集装置包括设置于鞋垫或鞋底的若干压力检测单元、放大调理电路、A/D转换模块、微控制器和通讯传输模块。压力检测单元使用柔性压力传感器结合应变片的排布方式来得到哪些柔性压力传感器测量值出现较大的偏移，并对其进行动态补偿纠正，从而得到较准确的压力值，从而精确测量足底压力分布，不会由于柔性压力传感器的不一致性进行特定的校准，只要保证应变片进行了校准即可，节约校准时间和成本。
Description
技术领域
本发明属于足底压力测量领域，尤其涉及一种基于柔性压力传感器结合应变片测量足底压力分布的系统和方法。
背景技术
由于足底压力分布反映了下肢乃至全身的生理、结构及功能等方面的信息，测量分析足底的压力分布有助于医疗诊断,疗效评估及体育训练等，足底压力分布在生物力学、临床医学等方面的重要性，正在引起人们的高度重视。足底压力分布测量已进行了20多年的研究，其发展历经了足印技术、足底压力扫描技术、力板与测力台技术、压力鞋与鞋垫技术，其中，压力鞋与鞋垫能够实时测量连续的步态压力分布，便于进一步数字化分析处理，应用前景越来越被看好。
现有足底压力分布测量技术研究中，足底压力测试平板、测试垫技术已比较成熟，而可穿戴的压力鞋、压力鞋垫尚未得到广泛市场应用，前者测试稳定，但系统庞大，测试存在空间局限性且价格昂贵，另外平板式压力测试，一般是裸足进行测试，测得的压力与实际穿着鞋子时候的压力分布存在差别；鞋子或者鞋垫式的体积紧凑，便于穿戴，且不受空间范围影响，测试更接近于人体真实的运动状态时的压力分布情况。柔性压力传感器因其柔软、高弹性、可拉伸等优点成为许多柔性电子器件的重要组成部分,而且能够方便地对复杂表面形状的物体之间的接触应力进行测量，因此广泛用于压力鞋与鞋垫中。然而柔性压力传感器具有的一定限制，即蠕变性、漂移性、不一致性、重复性、衰减性等特性，所以对柔性压力传感器要进行挑拣，导致压力鞋与鞋垫生产周期长而且昂贵，同时使用一段时间后压力测量不准确，导致压力鞋与鞋垫需要定期进行校准，因此导致其在准确性方面一直无法满足理想的需求，因此，柔性压力传感器的准确性是能否准确测量足底压力分布的关键。
由于应变片具有如下优点：测量灵敏度和精度高，测量范围广，频率响应好，尺寸小，重量轻。最小的应变片栅长可短到0.1毫米，安装方便，不会影响构件的应力状态。测量过程中输出电信号，可制成各种传感器。可在各种复杂环境下测量。如高、低温、高速旋转、强磁场等环境测量。
因此可以使用柔性压力传感器结合应变片进行补偿纠正，从而进行精确测量足底压力分布。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于柔性压力传感器结合应变片精确测量足底压力分布的系统和方法。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：
一种测量足底压力分布的系统，包括采集装置和与所述采集装置连接的智能终端；所述采集装置包括设置于鞋垫或鞋底的若干压力检测单元、放大调理电路、A/D转换模块、微控制器和通讯传输模块；
所述压力检测单元，包括应变片和均匀排布在所述应变片四周的柔性压力传感器，用于对足底压力信号进行采集；
所述放大调理电路，用于对足底压力信号进行信号调理并传入A/D转换模块；
所述A/D转换模块，用于将模拟足底压力信号转化为数字信号并传入微控制器；
所述微控制器，用于用于对足底压力信号进行处理，得到各压力检测单元的应变片的压力值和柔性压力传感器的压力值；
所述通讯传输模块，用于与智能终端进行通信，将各压力检测单元的应变片的压力值和柔性压力传感器的压力值发送给智能终端；
所述智能终端，用于对各压力检测单元的应变片的压力值和柔性压力传感器的压力值运用数学统计分析算法得出相差阈值，计算柔性压力传感器的压力值和应变片的压力值之间的差值并与相差阈值比较，当差值大于相差阈值时，进行动态补偿纠正柔性压力传感器的压力值，从而得到精确的足底压力分布情况。
所述动态补偿具体为所述智能终端根据柔性压力传感器的压力值和应变片的压力值之间的差值进行查表得到补偿值，然后将该补偿值加到该柔性压力传感器的压力值上。根据传感器的蠕变曲线特性，随着使用次数的增多，其得到的数据也会发生变化，变得不准确，因此当柔性压力传感器的压力值和应变片的压力值之间的差值大于相差阈值时，需要根据差值查表得到补偿值，然后将该补偿值加到该柔性压力传感器的压力值上，从而得到精确的足底压力分布情况。
所述的表为通过大量实验得到的柔性压力传感器的压力值和应变片的压力值之间的差值与补偿值的对应表，预先存储在智能终端上。
更进一步的技术方案是，所述通讯传输模块为蓝牙模块，所述智能终端为智能手机或者电脑。
更进一步的技术方案是，所述数学统计分析算法为方差分析或协方差分析。
更进一步的技术方案是，所述柔性压力传感器为阵列式传感器或单点式传感器。
一种测量足底压力分布的方法，所述方法采用了上述测量足底压力分布的系统，包括以下步骤：
步骤一，各压力检测单元的应变片和柔性压力传感器采集响应特征值，采集到的数据通过放大调理电路进行信号调理并传入A/D转换模块，A/D转换模块将模拟足底压力信号转化为数字信号并传入微控制器，微控制器对足底压力信号进行处理，得到各压力检测单元的应变片的压力值和柔性压力传感器的压力值，再通过通讯传输模块把数据传输给智能终端；
步骤二，智能终端读取各压力检测单元的应变片的压力值和柔性压力传感器的压力值，对各压力检测单元的应变片的压力值和柔性压力传感器的压力值运用数学统计分析算法得出相差阈值；
步骤三，计算柔性压力传感器的压力值和应变片的压力值之间的差值并与相差阈值比较，当差值大于相差阈值时，进行动态补偿纠正柔性压力传感器的压力值，从而得到精确的足底压力分布情况。
所述动态补偿具体为所述智能终端根据柔性压力传感器的压力值和应变片的压力值之间的差值进行查表得到补偿值，然后将该补偿值加到该柔性压力传感器的压力值上。根据传感器的蠕变曲线特性，随着使用次数的增多，其得到的数据也会发生变化，变得不准确，因此当柔性压力传感器的压力值和应变片的压力值之间的差值大于相差阈值时，需要根据差值查表得到补偿值，然后将该补偿值加到该柔性压力传感器的压力值上，从而得到精确的足底压力分布情况。
所述的表为通过大量实验得到的柔性压力传感器的压力值和应变片的压力值之间的差值与补偿值的对应表，预先存储在智能终端上。
更进一步的技术方案是，步骤一中所述通讯传输模块为蓝牙模块，所述智能终端为智能手机或者电脑。
更进一步的技术方案是，步骤二中所述数学统计分析算法为方差分析或协方差分析。
更进一步的技术方案是，柔性压力传感器选用薄膜式柔性压力传感器，应变片选用工业用压力应变片。
更进一步的技术方案是，根据使用场景，在测量着力点集中的场合选定传感器的排布方式为单点式，当需要测量大面积着力时采用阵列式。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：压力检测单元使用柔性压力传感器结合应变片的排布方式来得到哪些柔性压力传感器测量值出现较大的偏移，并对其进行动态补偿纠正，从而得到较准确的压力值，从而精确测量足底压力分布，不会由于柔性压力传感器的不一致性进行特定的校准，只要保证应变片进行了校准即可，节约校准时间和成本。
附图说明
图1为本发明一种测量足底压力分布的系统的连接框图；
图2为柔性压力传感器是阵列式传感器时的压力检测单元的示意图；
图3为柔性压力传感器是单点式传感器时的压力检测单元的示意图；
图4为本发明一种测量足底压力分布的方法的流程图。
图中：1、应变片；2、柔性压力传感器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种测量足底压力分布的系统，包括采集装置和与所述采集装置连接的智能终端；所述采集装置包括设置于鞋垫或鞋底的若干压力检测单元、放大调理电路、A/D转换模块、微控制器和通讯传输模块；
所述压力检测单元，包括应变片和均匀排布在所述应变片四周的柔性压力传感器，用于对足底压力信号进行采集；
所述放大调理电路，用于对足底压力信号进行信号调理并传入A/D转换模块；
所述A/D转换模块，用于将模拟足底压力信号转化为数字信号并传入微控制器；
所述微控制器，用于对足底压力信号进行处理，得到各压力检测单元的应变片的压力值和柔性压力传感器的压力值；
所述通讯传输模块，用于与智能终端进行通信，将各压力检测单元的应变片的压力值和柔性压力传感器的压力值发送给智能终端；
所述智能终端，用于对各压力检测单元的应变片的压力值和柔性压力传感器的压力值运用数学统计分析算法得出相差阈值，以方差分析为例进行说明，对数据进行方差分析，得到上限值和下限值，然后分别计算上限值与应变片压力值的差值和下限值与应变片压力值的差值，得到相差阈值，计算柔性压力传感器的压力值和应变片的压力值之间的差值并与相差阈值比较，当柔性压力传感器的压力值和应变片的压力值之间的差值大于相差阈值时，进行动态补偿纠正柔性压力传感器的压力值，可以得到较准确的压力值，当柔性压力传感器的压力值和应变片的压力值之间的差值小于等于相差阈值时，不对柔性压力传感器的压力值进行处理，从而得到精确的足底压力分布情况。
所述动态补偿具体为所述智能终端根据柔性压力传感器的压力值和应变片的压力值之间的差值进行查表得到补偿值，然后将该补偿值加到该柔性压力传感器的压力值上。
根据传感器的蠕变曲线特性，随着使用次数的增多，其得到的数据也会发生变化，变得不准确，因此当柔性压力传感器的压力值和应变片的压力值之间的差值大于相差阈值时，需要根据差值查表得到补偿值，然后将该补偿值加到该柔性压力传感器的压力值上，从而得到精确的足底压力分布情况。
所述的表为通过大量实验得到的柔性压力传感器的压力值和应变片的压力值之间的差值与补偿值的对应表，预先存储在智能终端上。
所述通讯传输模块为蓝牙模块，所述智能终端为智能手机或者电脑。
所述数学统计分析算法为方差分析或协方差分析。
当所述柔性压力传感器为阵列式传感器时，所述压力检测单元如图2所示。当所述柔性压力传感器为单点式传感器时，所述压力检测单元如图3所示。不管采用哪种方式，都遵循每一个压力检测单元中，中间是应变片，四周均匀排布柔性压力传感器的规则。
如图4所示，一种测量足底压力分布的方法，所述方法采用了上述测量足底压力分布的系统，包括以下步骤：
步骤一，各压力检测单元的应变片和柔性压力传感器采集响应特征值，采集到的数据通过放大调理电路进行信号调理并传入A/D转换模块，A/D转换模块将模拟足底压力信号转化为数字信号并传入微控制器，微控制器对足底压力信号进行处理，得到各压力检测单元的应变片的压力值和柔性压力传感器的压力值，再通过通讯传输模块把数据传输给智能终端；
步骤二，智能终端读取各压力检测单元的应变片的压力值和柔性压力传感器的压力值，对各压力检测单元的应变片的压力值和柔性压力传感器的压力值运用数学统计分析算法得出相差阈值；
步骤三，计算柔性压力传感器的压力值和应变片的压力值之间的差值并与相差阈值比较，当柔性压力传感器的压力值和应变片的压力值之间的差值大于相差阈值时，进行动态补偿纠正柔性压力传感器的压力值，可以得到较准确的压力值，当柔性压力传感器的压力值和应变片的压力值之间的差值小于等于相差阈值时，不对柔性压力传感器的压力值进行处理，从而得到精确的足底压力分布情况。
所述动态补偿具体为所述智能终端根据柔性压力传感器的压力值和应变片的压力值之间的差值进行查表得到补偿值，然后将该补偿值加到该柔性压力传感器的压力值上。
根据传感器的蠕变曲线特性，随着使用次数的增多，其得到的数据也会发生变化，变得不准确，因此当柔性压力传感器的压力值和应变片的压力值之间的差值大于相差阈值时，需要根据差值查表得到补偿值，然后将该补偿值加到该柔性压力传感器的压力值上，从而得到精确的足底压力分布情况。
所述的表为通过大量实验得到的柔性压力传感器的压力值和应变片的压力值之间的差值与补偿值的对应表，预先存储在智能终端上。
步骤一中所述通讯传输模块为蓝牙模块，所述智能终端为智能手机或者电脑。
步骤二中所述数学统计分析算法为方差分析或协方差分析。
柔性压力传感器选用薄膜式柔性压力传感器，应变片选用工业用压力应变片。
根据使用场景，在测量着力点集中的场合选定传感器的排布方式为单点式，当需要测量大面积着力时采用阵列式。
尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。
Claims (9)
1.一种测量足底压力分布的系统，其特征在于，包括采集装置和与所述采集装置连接的智能终端；所述采集装置包括设置于鞋垫或鞋底的若干压力检测单元、放大调理电路、A/D转换模块、微控制器和通讯传输模块；
所述压力检测单元，包括应变片和均匀排布在所述应变片四周的柔性压力传感器，用于对足底压力信号进行采集；
所述放大调理电路，用于对足底压力信号进行信号调理并传入A/D转换模块；
所述A/D转换模块，用于将模拟足底压力信号转化为数字信号并传入微控制器；
所述微控制器，用于对足底压力信号进行处理，得到各压力检测单元的应变片的压力值和柔性压力传感器的压力值；
所述通讯传输模块，用于与智能终端进行通信，将各压力检测单元的应变片的压力值和柔性压力传感器的压力值发送给智能终端；
所述智能终端，用于对各压力检测单元的应变片的压力值和柔性压力传感器的压力值运用数学统计分析算法得出相差阈值，计算柔性压力传感器的压力值和应变片的压力值之间的差值并与相差阈值比较，当差值大于相差阈值时，进行动态补偿纠正柔性压力传感器的压力值，从而得到精确的足底压力分布情况。
2.根据权利要求1所述的一种测量足底压力分布的系统，其特征在于，所述动态补偿具体为所述智能终端根据柔性压力传感器的压力值和应变片的压力值之间的差值进行查表得到补偿值，然后将该补偿值加到该柔性压力传感器的压力值上。
3.根据权利要求1所述的一种测量足底压力分布的系统，其特征在于，所述通讯传输模块为蓝牙模块，所述智能终端为智能手机或者电脑。
4.根据权利要求1所述的一种测量足底压力分布的系统，其特征在于，所述数学统计分析算法为方差分析或协方差分析。
5.根据权利要求1所述的一种测量足底压力分布的系统，其特征在于，所述柔性压力传感器为阵列式传感器或单点式传感器。
6.一种测量足底压力分布的方法，其特征在于，所述方法采用了权利要求1-5任一项所述的测量足底压力分布的系统，包括以下步骤：
步骤一，各压力检测单元的应变片和柔性压力传感器采集响应特征值，采集到的数据通过放大调理电路进行信号调理并传入A/D转换模块，A/D转换模块将模拟足底压力信号转化为数字信号并传入微控制器，微控制器对足底压力信号进行处理，得到各压力检测单元的应变片的压力值和柔性压力传感器的压力值，再通过通讯传输模块把数据传输给智能终端；
步骤二，智能终端读取各压力检测单元的应变片的压力值和柔性压力传感器的压力值，对各压力检测单元的应变片的压力值和柔性压力传感器的压力值运用数学统计分析算法得出相差阈值；
步骤三，计算柔性压力传感器的压力值和应变片的压力值之间的差值并与相差阈值比较，当差值大于相差阈值时，进行动态补偿纠正柔性压力传感器的压力值，从而得到精确的足底压力分布情况。
7.根据权利要求6所述的一种测量足底压力分布的方法，其特征在于，所述动态补偿具体为所述智能终端根据柔性压力传感器的压力值和应变片的压力值之间的差值进行查表得到补偿值，然后将该补偿值加到该柔性压力传感器的压力值上。
8.根据权利要求6所述的一种测量足底压力分布的方法，其特征在于，步骤一中所述通讯传输模块为蓝牙模块，所述智能终端为智能手机或者电脑。
9.根据权利要求6所述的一种测量足底压力分布的方法，其特征在于，步骤二中所述数学统计分析算法为方差分析或协方差分析。
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