CN108338447B - 一种带足部信息采集及压力测量系统运动鞋 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带足部信息采集及压力测量系统运动鞋，包括鞋帮、鞋垫、鞋底和工作模块，鞋帮通过引入柔性太阳能电池板自供电模块，更加方便可靠而且绿色环保，同时鞋底根据人体足部受力结构设有三处TPU材质的圆圈着力点，且外底层为以这三处为基点的不规则足弓结构，结构设计遵循人体力学，使用户穿着更舒适；工作模块包括心率传感器、柔性织物压力传感器、红外温度传感器、湿度传感器、三轴加速度传感器、计步传感器，各个传感器的合理配置加上GPS定位模块，可以提供用户的心率信息，足部的足底压力信息、温湿度信息、位置信息，步态模式信息、以及足部与脚腕的相对运动信息，用以监测运动情况及足部健康，预防相关疾病。

Description

一种带足部信息采集及压力测量系统运动鞋

技术领域

本发明涉及运动鞋领域，具体涉及一种带足部信息采集及压力测量系统运动鞋。

背景技术

随着电子技术不断地发展进步，越来越多的生活用品被赋予了电子功能，这给人们的生活带来了巨大的影响并给人们的生活带来了不一样的使用体验。作为电子技术发展的重要方向，智能化成为产品获得市场竞争力的重要手段；对于鞋子而言，如何提高其智能化水平、降低其成本价格、丰富其功能已成为众多鞋子厂商正努力追求的方向。

足部信息包括足底压力、剪切力、温湿度、步态模式等对于足部研究，相关疾病诊断、人体生理状况评估、以及鞋类设计都有极其重要作用。作为最重要的足部信息：足底压力主要用于鞋类设计和舒适度评估；运动员训练，比如平衡、步法、前脚落地站立等训练；步态分析及复健，包括正常步态、内外八字，脚掌外翻，帕金森症，中风病人失衡等；病理足检测，比如扁平足、糖尿病足、足内翻外翻等。

医学研究已证明，人走路时足部的压力分布状态与许多肢体疾病密切相关，而通过采集患者不正常的足部压力分布值，与不同年龄、人种、性别、体重的人群的足底压力分布的正常值相比较，能快速识别与足部病态有着相当联系的疾病。市场上现有带压力测量功能的运动鞋主要采用压电薄膜及压敏电阻，此类传感元件抗疲劳性能差，易折损，无法长期多次使用；且市场上现有带足部信息采集功能的运动鞋主要采用在鞋底嵌入可充电式蓄电池或一次性蓄电池，此类电池在鞋子走动过程中很容易发生折损，不环保且不利于人体健康；同时市场上现有带足部信息采集及压力测量系统运动鞋大多功能局限于两三种，无法全方面提供足部的所有信息及情况。

发明内容

因此，针对上述问题，本发明提供一种可以自供电且带有柔性织物压力传感器并能全方面提供足部所有信息的带足部信息采集及压力测量系统运动鞋。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种带足部信息采集及压力测量系统运动鞋，包括鞋帮、鞋垫和鞋底，所述鞋帮包括针织鞋面、鞋舌、鞋领口层、鞋后跟层，所述针织鞋面设有标识物、柔性太阳能电池板A，所述鞋舌上设有鞋带，所述鞋领口层内嵌有心率传感器，所述鞋后层跟嵌有柔性太阳能电池板B；所述鞋垫由鞋垫包裹层和柔性织物压力传感器组成，柔性织物压力传感器上设有分别对应足部第一跖骨、第五跖骨、跟骨处的圆圈主压力分布传感点，所述包裹层为薄型PU；所述鞋底由上底层、外底层及设于两者之间的中底层组成，所述上底层设有传感器模块层和柔性线路板，所述传感器模块层和柔性线路板一起内嵌于上底层足弓部位，所述传感器模块层设有红外温度传感器、湿度传感器、三轴加速度传感器、计步传感器，所述柔性线路板上设有用于整个系统的数据处理和控制的MCU主控制器，所述柔性线路板上还设有供电模块、GPS模块、无线通信模块，所述供电模块、GPS模块、无线通信模块均与所述MCU主控制器相连接，所述红外温度传感器、湿度传感器、三轴加速度传感器、计步传感器均通过外围电路与所述MCU主控制器相连接，所述心率传感器通过外围电路与所述MCU主控制器相连接，所述柔性织物压力传感器通过外围电路与所述MCU主控制器相连接，所述MCU主控制器通过无线通信模块与外部移动终端实现数据传输；所述中底层为TPU材质，内嵌有一缓震气垫；所述外底层为橡胶材质，所述外底层着地面设有复数条闪电状凸纹，所述在外底层着地面对应足部第一跖骨、第五跖骨、跟骨处设有三处圆圈着力点，分别与柔性织物压力传感器三处圆圈主压力分布传感点一一对应，所述圆圈着力点为TPU材质，所述外底层为以三处圆圈着力点为基点的不规则足弓形结构。

进一步的改进是：所述鞋带为阶梯拉伸式鞋带，所述鞋后跟层设有便于穿鞋的提拉带。

进一步的改进是：所述供电模块由柔性太阳能电池板A、柔性太阳能电池板B和一整流稳压滤波电路组成，所述柔性太阳能电池板A紧贴于鞋面呈平面状，所述柔性太阳能电池板B嵌于鞋帮后跟处呈折叠状，所述柔性太阳能电池板A和柔性太阳能电池板B通过光伏效应产生电荷，产生的电荷进入外围电路后形成电压电流，再经过所述整流稳压滤波电路，为运动鞋工作模块供电。

进一步的改进是：所述柔性织物压力传感器为全掌柔性织物压力传感器，所述柔性织物压力传感器采用硅胶封装。

进一步的改进是：所述无线通信模块包括4G上网模块、WiFi模块以及蓝牙模块，适用于不同环境条件下的数据传输。所述4G上网模块通过互联网与网络云端服务器及进行数据连接，所述网络云端服务器再通过互联网与移动终端分析模块进行数据连接；所述WiFi模块和蓝牙模块可直接与移动终端分析模块进行数据传输。

进一步的改进是：MCU主控制器实现的功能包括数据采集流程、采集数据的分析或者传输到分析终端、系统电量监测，MCU主控制器又称单片微型计算机，型号为主控STM8L系列。

进一步的改进是：所述圆圈主压力分布传感点和所述圆圈着力点的圆圈数为复数个。

进一步的改进是：用户可以通过移动终端发出指令控制MCU主控制器对各个功能性传感器器件进行开断控制，可以根据自己需求，决定开启需要的功能。

通过采用前述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种带足部信息采集及压力测量系统运动鞋。该运动鞋融合了多种传感器及GPS模块，包括心率传感器、柔性织物压力传感器、红外温度传感器、湿度传感器、三轴加速度传感器、计步传感器，各个传感器的合理配置加上，可以提供用户的心率信息，足部的足底压力信息、三维加速度、温湿度信息、步态模式信息、位置信息、以及足部与脚腕的相对运动信息，用以监测足部健康，预防疾病及相关疾病诊断、评估人体生理状况；同时鞋面为针织结构，轻盈透气；鞋舌设有阶梯拉伸式鞋带及鞋后跟从层设有提拉带，方便用户快速穿着；中低层内嵌有缓震气垫，外底层根据人体脚底受力结构设有三处TPU材质的圆圈着力点，且下底层为以这三处为基点的不规则足弓结构，结构设计遵循人体足部力学，使用户穿着更舒适。

本发明采用柔性太阳能电池板给鞋体用电模块进行供电，环保节能，且柔性太阳能电池板为性能优良、成本低廉的柔性薄膜太阳能电池，可任意折叠贴在物体表面，抗压性性强，适于长期使用。

本发明采用柔性织物压力传感器，柔性织物压力传感器采用硅胶封装，置于鞋垫层，防尘防湿，且柔软度接近人体皮肤，对足部的压力分布测量更加细腻，可以保证日常活动中的穿戴舒适度且测量精度极高。高灵敏度的特点可以简化后端的处理电路，同时其良好的抗疲劳性能可以保证对于足部压力长期测量，且适合用户的长期穿着。

本发明电路板采用柔性线路板制作，即柔性PCB电路板，与传感器模块层一起内嵌于上底层足弓部位，柔性PCB电路板重量比刚性PCB轻90％，能够适应足底的曲面，不易发生折损。

本发明采用无线通信模块年包括4G上网模块、WiFi模块以及蓝牙模块，方便于用户在不同环境条件下进行数据传输。

本发明通过多个传感器的监测得到丰富的双足和足腕姿态信息，能够识别各种姿态模式，并根据不同的运动模式对传感器工作状态进行调整，可以在移动终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；且通过三轴加速度传感器可以分析加速度及方向信息，用以监控用户是否摔倒，可以用作老人或小孩的摔倒检测报警器。

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。且用户可以自身要求关断一些传感器器件，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。

附图说明

图1为本发明实施例的外观侧面图；

图2为本发明实施例的鞋垫示意图；

图3为本发明实施例的外底层着地面示意图；

图4为本发明实施例的足底受力结构示意图；

图5为本发明实施例的工作模块电路连接示意图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。

本发明实施例为：

参考图1－图4，一种带足部信息采集及压力测量系统运动鞋，包括鞋帮1、鞋垫2、鞋底3和位于运动鞋内的工作模块。

鞋帮为包括针织鞋面11、鞋舌12、鞋领口层13、鞋后跟层14，针织鞋面上设有标识物111、柔性太阳能电池板A112，鞋舌上设有鞋带121，鞋后跟层14嵌有柔性太阳能电池板板B141，鞋后跟层上设有便于穿鞋的提拉带142；

鞋垫2由鞋垫包裹层21和柔性织物压力传感器22组成，所述包裹层21为薄型PU，柔性织物压力传感器22上设有分别对应足部第一跖骨、第五跖骨、跟骨处的圆圈主压力分布传感点；

鞋底3由上底层31、外底层33及设于两者之间的中底层32组成，所述上底层31设有传感器模块层(图中未画出)和柔性线路板(图中未画出)，所述传感器模块层和柔性线路板一起内嵌于上底层足弓部位；中底层32为TPU材质，内嵌有一缓震气垫321可有效降低磨损及保护鞋底不受损伤；所述外底层33为橡胶材质，所述外底层33着地面331设有复数条闪电状凸纹3311，有助于增加鞋底与地面摩擦力，使用户运动时步态更稳定，外底层33着地面对应足部第一跖骨、第五跖骨、跟骨处设有三处圆圈着力点a、b、c，分别与柔性织物压力传感器22三处圆圈主压力分布传感点一一对应，圆圈着力点为TPU材质，所述外底层为以三处圆圈着力点为基点的不规则足弓形结构，根据足底受力结构所设计(参考图4：足底受力结构示意图)，遵循人体力学，在脚掌蹬地的一瞬间可作为一个缓冲器将能量吸收，减轻对脚掌的冲击力，弹力系统在缓冲过程中吸收的能量又会在脚跟离地被释放，为起步提供助力，让人们跑得轻松又可得到锻炼，并且使足底更舒适，长期穿着不易感觉疲惫。

参考图5：工作模块包括MCU主控制器41、柔性织物压力传感器42、红外温度传感器43、湿度传感器44、三轴加速度传感器45、供电模块46、GPS模块47、计步传感器48、心率传感器49、无线通信模块50；

供电模块46由柔性太阳能电池板A112、柔性太阳能电池板B141、整流稳压滤波电路461组成。柔性太阳能电池板A112紧贴于鞋面呈平面状，柔性太阳能电池板B141外嵌于鞋后跟层14处呈折叠状，所述柔性太阳能电池板通过光伏效应产生电荷，产生的电荷进入外围电路后形成电压电流，再经过一整流稳压滤波电路461，为运动鞋所有工作模块供电。此供电模块46为可以不依赖外部能源，更加方便可靠而且绿色环保。

无线通信模块50包括4G上网模块501、WiFi模块502、蓝牙模块503，无线通信模块通过网络云端服务器51跟移动终端分析模块52实现数据传输；上述无线通信模块方便用户在不同环境条件下进行数据传输，4G上网501模块通过互联网与网络云端服务器51及进行数据传输，所述网络云端服务器51再通过互联网与移动终端分析模块52进行数据传输；所述WiFi模块502和蓝牙模块503可直接与移动终端分析模块52进行数据传输。

心率传感器49内嵌于鞋领口层13中，上底层31中传感器模块层设有红外温度传感43、湿度传感器44、三轴加速度传感器45、计步传感器48；上底层31中柔性线路板上设有用于整个系统的数据处理和控制的MCU主控制器41，所述柔性线路板上还设有供电模块46、GPS模块47、无线通信模块50，所述供电模块46、GPS模块47、无线通信模块50均与MCU主控制器41相连接，所述红外温度传感器43、湿度传感器44，三轴加速度传感器45、计步传感器48均通过外围电路与MCU主控制器41相连接，心率传感器49通过外围电路与所述MCU主控制器相连接，柔性织物压力传感器42通过外围电路与MCU主控制器41相连接，MCU主控制器41通过无线通信模块50与外部移动终端实现数据传输。

MCU主控制器41可将红外温度传感43、湿度传感器44的信息分析处理发送至无线通信模块50，再由无线通信模块50发出指令通过无线网络传递至移动终端分析模块52，移动终端分析模块52可显示温度数值、湿度数值，及时反应人体实时生理情况；

上底层31还设置有计步传感器48，GPS模块47、三轴加速度传感器45，利用GPS讯号可以设置对小孩和老人的监控，且通过三轴加速度传感器45可以分析加速度及方向信息，用以监控用户是否摔倒，保障安全。MCU主控制器41通过控制计步传感器48，GPS模块47、三轴加速度传感器45的数据信号传输至移动终端分析模块52，可计算用户的平均步速，运动距离及范围，最终计算出用户每天消耗的能量；通过领口层13引入心率传感器49，通过心率传感器监测用户活动时的心率情况，并综合其它数据得出用户的活动强度，具备心率监测功能。

柔性织物压力传感器42测得的数值通过无线通信模块50传输到移动终端分析模块52，经过位于移动终端分析模块52的图形处理程序可以直观得看到足底压力分布图。根据柔性织物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。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。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，有助于足部医疗中医生诊断和制定适宜的运动康复训练，也可通过监测人体重心移动情况，检测跑动、步行及高尔夫运动的姿势，预测康复效果等。

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，比如将运动数据通过智能手机分享至微信朋友圈或微博等社交媒体中与朋友进行交流。且用户可以自身要求关断一些传感器器件，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。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种带足部信息采集及压力测量系统运动鞋，包括鞋帮、鞋垫和鞋底，其特征在于：所述鞋帮包括针织鞋面、鞋舌、鞋领口层、鞋后跟层，所述针织鞋面设有标识物、柔性太阳能电池板A，所述鞋舌上设有鞋带，所述鞋领口层内嵌有心率传感器，所述鞋后层跟外嵌有柔性太阳能电池板B；所述鞋垫由鞋垫包裹层和柔性织物压力传感器组成，柔性织物压力传感器上设有分别对应足部第一跖骨、第五跖骨、跟骨处的圆圈主压力分布传感点，所述包裹层为薄型PU;所述鞋底由上底层、外底层及设于两者之间的中底层组成，所述上底层设有传感器模块层和柔性线路板，所述传感器模块层和柔性线路板一起内嵌于上底层足弓部位，所述传感器模块层设有红外温度传感器、湿度传感器、三轴加速度传感器、计步传感器，所述柔性线路板上设有用于整个系统的数据处理和控制的MCU主控制器，所述柔性线路板上还设有供电模块、GPS模块、无线通信模块，所述供电模块、GPS模块、无线通信模块均与所述MCU主控制器相连接，所述红外温度传感器、湿度传感器、三轴加速度传感器、计步传感器均通过外围电路与所述MCU主控制器相连接，所述心率传感器通过外围电路与所述MCU主控制器相连接，所述柔性织物压力传感器通过外围电路与所述MCU主控制器相连接，所述MCU主控制器通过无线通信模块与外部移动终端实现数据传输；所述中底层为TPU材质，内嵌有一缓震气垫；所述外底层为橡胶材质，所述外底层着地面设有复数条闪电状凸纹，在外底层着地面对应足部第一跖骨、第五跖骨、跟骨处设有三处圆圈着力点，分别与柔性织物压力传感器三处圆圈主压力分布传感点一一对应，所述圆圈着力点为TPU材质，所述外底层为以三处圆圈着力点为基点的不规则足弓形结构；

根据柔性织物压力传感器得到的压力分布数据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；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信息。

2.根据权利要求1所述的一种带足部信息采集及压力测量系统运动鞋，其特征在于：所述鞋带为阶梯拉伸式鞋带，所述鞋后跟层设有便于穿鞋的提拉带。

3.根据权利要求1所述的一种带足部信息采集及压力测量系统运动鞋，其特征在于：所述供电模块由柔性太阳能电池板A、柔性太阳能电池板B和一整流稳压滤波电路组成，所述柔性太阳能电池板A紧贴于鞋面呈平面状，所述柔性太阳能电池板B嵌于鞋帮后跟处呈折叠状，所述柔性太阳能电池板A和柔性太阳能电池板B通过光伏效应产生电荷，产生的电荷进入外围电路后形成电压电流，再经过所述整流稳压滤波电路，为运动鞋工作模块供电。

4.根据权利要求1所述的一种带足部信息采集及压力测量系统运动鞋，其特征在于：所述柔性织物压力传感器为全掌柔性织物压力传感器，所述柔性织物压力传感器采用硅胶封装。

5.根据权利要求1所述的一种带足部信息采集及压力测量系统运动鞋，其

特征在于：所述无线通信模块包括4G上网模块、WiFi模块以及蓝牙模块，适用于不同环境条件下的数据传输；所述4G上网模块通过互联网与网络云端服务器及进行数据连接，所述网络云端服务器再通过互联网与移动终端分析模块进行数据连接；所述WiFi模块和蓝牙模块可直接与移动终端分析模块进行数据传输。

6.根据权利要求1所述的一种带足部信息采集及压力测量系统运动鞋，其特征在于：MCU主控制器实现的功能包括数据采集流程、采集数据的分析或者传输到分析终端、系统电量监测，MCU主控制器又称单片微型计算机，型号为主控STM8L系列。

7.根据权利要求1所述的一种带足部信息采集及压力测量系统运动鞋，其特征在于：所述圆圈主压力分布传感点和所述圆圈着力点的圆圈数为复数个。

8.根据权利要求7所述的一种带足部信息采集及压力测量系统运动鞋，其特征在于：用户通过移动终端发出指令控制MCU主控制器对各个功能性传感器器件进行开断控制，根据自己需求，决定开启需要的功能。