CN108433734A - 一种离散阈值式足底压力传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离散阈值式足底压力传感装置。包含主要由柔性基底、架空层、变形层、受力层依次从下到上紧密层叠构成的足底压力传感单元；柔性基底上表面设有不同高度的传感凸起结构和相互平行且宽度相同的下层电极，且高度均不高于架空层，架空层中设有通孔通孔，变形层下表面设有相互平行且宽度相同的上层电极，受力层下表面设有施力圆柱；下层电极和上层电极相互正交布置，使得传感突起结构、通孔和施力圆柱阵列布置。本发明应用于测取足底压力上，可获取所需要的某个节点压力点，单个传感单元上的多个传感凸起结构使得保证了能够测取多个压力值，可以根据所需要观测的压力点对该足底压力传感器进行针对设计。

Description

一种离散阈值式足底压力传感装置

技术领域

本发明涉及了一种离散阈值式足底压力传感装置，特别是涉及了一种离散阈值式足底压力传感装置。

背景技术

步行是人类最基本的运动之一，人体的运动都是以运动链的形式进行的，因此下肢乃至全身的生理、结构和功能等方面的信息都可以从步态中表现出来。步态分析是利用力学的概念和人体解剖、生理学知识对人体的行走功能状态进行对比分析的一种生物力学研究方法。足底压力是人体在静止站立或动态行走时，在自身重力作用下，足底在垂直方向上受到的一个地面的反作用力。

足底压力测定是步态分析的一个重要组成部分，是分析和衡量异常足底压力分布和步态的基础，它除了对步态分析做出依据外，对运动系统疾病的病因分析、诊断、功能及疗效评定均有重要意义，其在外骨骼领域、临床医疗和康复训练的应用越来越广泛。

目前，广泛应用于基于足底压力测量的步态检测技术有测力板、基于压力传感器的压力鞋垫等，但大多数压力传感器均为连续测力型，量程往往是该类传感器的一个重要性能参数，宽量程给制造、测试和数据分析带来比较大的难度，而离散阈值式的传感器能够预告到达一个阈值，功能简单，设计制造简单，数据分析容易，应用前景很大。

发明内容

为了解决足底压力传感器的使用寿命，减少设计、制造和测试足底压力传感器带来的难度，增强足底压力传感器对足底压力关键性信息的获取，使之更好地应用于步态检测等实际性应用场合，本发明提出了一种离散阈值式足底压力传感装置。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：

本发明包含主要由柔性基底、架空层、变形层、受力层依次从下到上紧密层叠构成的足底压力传感单元；柔性基底上表面设有N×M个不同高度的传感凸起结构和N条相互平行且宽度相同的下层电极，N×M个传感凸起结构具有不同高度，且高度均不高于架空层，架空层中设有N×M个通孔通孔，变形层下表面设有M条相互平行且宽度相同的上层电极，受力层下表面设有N×M个施力圆柱；下层电极和上层电极相互正交布置，各个传感突起结构、通孔和施力圆柱布置于N条下层电极和M条上层电极沿上下层叠方向相交叉重叠区域处，使得传感突起结构、通孔和施力圆柱均形成N×M阵列布置；传感凸起结构底部和柔性基底连接成一体，一条下层电极覆盖于N×M阵列中一排的M个传感凸起结构表面。

各个传感凸起结构底面积相同，高度互不相同，各个施力圆柱底面积和高度均相同，通孔区域面积稍大于传感突起结构的底面积。

所述底压力传感单元中的柔性基底下表面贴合在鞋垫上，受力层上表面接触并接受来自足底的压力。

所述足底压力传感装置包括至少一个所述足底压力传感单元。

足底上布置有六个足底压力传感单元，六个所述足底压力传感单元分别布置在依次为第一趾、第一跖骨、第二跖骨、第三～五跖骨、骰骨和跟骨对应的足底鞋垫上。

所述的下层电极和上层电极均连接有导线，分别引出连接到外部的分析电路。

制成所述的柔性基底、架空层、变形层和受力层的柔性衬底材料包括但不限于聚二甲基硅氧烷(PDMS)，制成所述的下层电极和上层电极所用材料包含但不限于银纳米线薄膜电极(AgNWs)。

所述的传感凸起结构的材料为衬底材料，传感凸起结构表面上涂覆上层电极的材料。

制成所述的不同高度的传感凸起结构的形状包含但不限于半球形凸起，其他凸起结构形式相同。

本发明通过布置多条相互正交的下层电极和上层电极，以及具有不同高度的传感凸起结构实现了在同一个传感单元中多个离散压力阈值的检测，在小尺寸传感单元中大大提高了检测效率。

本发明装置用于测取多个压力阈值，但不限制于具体实施所测取四个阈值，而且是连续性离散测量多个压力阈值。对于压力阈值通过上层电极受到一定压力导致上下电极层相接触使得连接导通获得。

多个压力阈值的测量是通过调整传感凸起结构不同凸起高度，每种高度的凸起表面电极发生接触的压力条件不一样而获得。首先由给出的压力阈值要求，来具体选择何种杨氏弹性模量的材料和设定传感凸起结构的几何尺寸，最终在不同的传感凸起结构建立不同上下电极层相接触的压力测量标定和压力阈值设定。

使用时，将该柔性传感器安置在足底合适位置，当传感器受到的足底压力到达最小阈值时，下层最高的凸起便会与上电极构成通路，产生电信号输出，以此类推当压力足够增加时，会有更多通路构成，即产生新的信号。本发明通过测取的电信号数量来推测不同压力阈值进而确定步态周期的节点，从而较好地应用在步态检测上。

本发明其有益效果为：

本发明应用于测取足底压力上，可获取所需要的某个节点压力点，单个传感单元上的多个传感凸起结构使得保证了能够测取多个压力值，可以根据所需要观测的压力点对该足底压力传感器进行针对设计。

步态检测首先需要通过不同的步态节点对其进行划分，所以只需要检测到节点数据就可以进行步态划分和检测，最终能将该离散阈值式传感器很好地应用到步态检测上去。

附图说明

图1为本发明各层相互剥离后的轴测图。

图2为单个传感凸起结构静态示意图。

图3为单个传感凸起结构受力示意图。

图4为柔性基底层示意图。

图5为本发明足底压力传感单元安装于鞋垫示意图。

图中：1、柔性基底，101、高度最小的凸起，102、高度次小的凸起，103、高度次大的凸起，高度最大的凸起，2、下层电极导线，3、下层电极，4、上层电极导线，5、架空层，6、上层电极，7、变形层，8、施力圆柱，9、受力层，10、鞋垫，10a、位于第一趾的足底压力传感单元，10b、位于第一跖骨的足底压力传感单元，10c、位于第二跖骨的足底压力传感单元，10d、位于第三～五跖骨的足底压力传感单元，10e、位于骰骨的足底压力传感单元，10f、位于跟骨的足底压力传感单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明具体实施包含主要由柔性基底1、架空层5、变形层7、受力层9依次从下到上紧密层叠构成的足底压力传感单元。柔性基底1上表面设有N×M个不同高度的传感凸起结构和N条相互平行且宽度相同的下层电极3，N×M个传感凸起结构具有不同高度，且高度均不高于架空层5，架空层5中设有N×M个用于容置传感凸起结构的通孔，变形层7下表面设有M条相互平行且宽度相同的上层电极6，受力层9下表面设有N×M个相同几何尺寸的施力圆柱8。

受力层9上表面接受压力，施力圆柱8下压变形层7，使得变形层7的上层电极6透过架空层5的通孔接触到柔性基底1的下层电极3上形成导通，通过测量是否导通来获得传感压力阈值，传感压力的压力阈值可通过预先测试标定设定。

如图1所示，下层电极3和上层电极6相互正交布置并分别与柔性基底1和变形层7紧密连接，各个传感突起结构、通孔和施力圆柱8布置于N条下层电极3和M条上层电极6沿上下层叠方向相交叉重叠区域处，即下层电极3和上层电极6重合区域为传感突起结构和施力圆柱8所在位置，使得传感突起结构、通孔和施力圆柱8均形成N×M阵列布置；传感凸起结构底部和柔性基底1连接成一体，一条下层电极3覆盖于N×M阵列中一排的M个传感凸起结构表面。

就一条下层电极3和一条上层电极6沿上下层叠方向相交叉重叠区域处而言，从下到上依次布置传感凸起结构、通孔和施力圆柱8，传感凸起结构、通孔和施力圆柱8所在轴线重合，传感凸起结构位于施力圆柱8正下方。

各个传感凸起结构底面积相同，高度互不相同，各个施力圆柱8底面积和高度均相同，通孔区域面积稍大于传感突起结构的底面积。

如图2所示，当对受力层9未施加压力时，因为其柔性性质不发生变形。

如图3所示，当对受力层9施加压力时，因为其柔性性质发生变形，施力圆柱8将力传递给变形层7，变形层7底部没有支撑区域受力发生变形，主要为透过架空层的通孔区域产生向下的变形。

如图4所示，各个传感凸起结构的材料为与柔性基底1相同的材料，传感凸起结构表面上涂覆上层电极6的薄膜金属材料。下层电极3和上层电极6均连接有导线2和4，导线2和4分别引出连接到外部的分析电路。

如图5所示，本发明装置上不具有感知功能的一侧即柔性基底1的下表面贴合在鞋垫10表面，每只鞋垫上均布置六个足底压力传感单元(10a、10b、10c、10d、10e、10f)用于测取各个位置的压力情况；另一侧用于感知足底压力。

具体使用本装置时，所述底压力传感装置中的柔性基底1下表面贴合在鞋垫上，受力层9上表面接触并接受来自足底的压力。

本发明检测以2×2阵列检测四个压力阈值为例介绍检测原理过程：

此2×2阵列在具体实施中，柔性基底1上表面设有四个不同高度的传感凸起结构和两条相互平行且宽度相同的下层电极3，变形层7下表面设有两条相互平行且宽度相同的下层电极3，形成2×2阵列的电极布置。

四个不同高度的传感器凸起结构中按高度排列顺序，从低到高依次为高度最小的凸起101、高度次小的凸起102、高度次大的凸起103和高度最大的凸起104。凸起101和凸起102位于同一条电极上，凸起103和凸起104位于另一条电极上。四个凸起101、102、103和104检测阈值的工作过程是：

当受到的压力从零逐渐升高，首先达到了101的压力阈值时，位于凸起101位置的上层电极6和下层电极3接触，导致凸起101所在的下层电极导线2和上层电极导线4通路了，通过扫描导线通断情况可以实现对所有凸起结构是否接触的判断，此时说明已经达到了凸起101所对应的压力阈值。

压力持续增加时，当达到凸起102的压力阈值时，凸起101和凸起102所在的下层电极3均与上层电极6接触，导致通路情况发生改变，即检测到两条上层电极6均与凸起101和凸起102所在的下层电极3通路，即检测到新的通断路情况，据此判断到达了凸起102对应的压力阈值。

当压力到达凸起103对应的压力阈值时，新的通断路情况出现，即凸起103所在的下层电极3和上层电极6通路了，以此来判断到达了凸起103的压力阈值；当压力到达凸起104对应的压力阈值时，新的通断路情况出现，即凸起104所在的下层电极3和上层电极6通路了，以此来判断到达了凸起104的压力阈值，此时下层电极3和上层电极6的所有导线均处于通路状态。

足底压力传感装置电极布置方式为包括但不限于上述2×2阵列(2×2阵列表示两条下层电极和两条上层电极)，更高阶阵列结构形式相同。也可以是2×3阵列、3×3阵列等形式，传感凸起结构为下层电极数量和上层电极数量的乘积，各个传感凸起结构位于下层电极和上层电极的交叉处的下层电极上。

本发明的具体实施如下：

使用本传感装置时，柔性基底一侧紧密贴合在待测者鞋垫上，其分布方式如图5所示，通过导线接入信号检测电路。在待测者的整个步态周期中，足底每个位置的压力都曾周期性变化，不同位置的压力阈值有所不同，通过每个位置到达相应的阈值对足底压力进行分析，并从足底压力跨越到一些如步态检测的应用上去。

在步态检测的应用中，首先将步态周期划分为足跟着地期、足底着地期、支撑中期、足跟离地期和足底离地期。

首先进入足跟着地期时，足跟压力会迅速上升，在位于跟骨的压力传感单元10f检测到一个预先设置的阈值后，而此时其它传感器以及其它压力阈值的凸起均未检测到压力信号，则整个鞋垫的传感器均输出相应通路或断路信号，则上位机则指出已进入足跟着地期。

接着，足跟的压力会慢慢卸载，将压力转移至足底中部，则位于骰骨的传感单元10e开始检测到压力信号，当到达事先设定的某个阈值时，而足跟位置传感器也到达一个新的压力阈值，则此时上位机指出已进入足底着地期。

然后，足底压力会慢慢转移至足底前部，则位于第一跖骨的压力传感单元10b、第二跖骨的压力传感单元10c、第三～五跖骨的压力传感单元10d处开始检测到压力信号，当到达事先设定的阈值时，而其他传感单元也处于某个特定的阈值，则此时上位机指出已进入支撑中期。

然后，随着足底压力的渐渐前移，足跟会渐渐离地，则此时位于跟骨的传感单元10f检测不到压力，即处于不受力的状态，则此时上位机指出已进入足跟离地期。

最后，随着足底渐渐离开地面，足底压力会慢慢转移至第一趾，此时第一趾的传感单元10a检测到压力信号，其它传感器以及其它阈值的凸起均未检测到压力信号，当位于第一趾的压力到达事先设定好的某个阈值后，则此时上位机指出已进入足底离地期

步态周期划分之后的五个阶段之间的每个节点都对应着六个位置不同传感单元的不同压力阈值，所以只需要检测六个传感单元的压力阈值情况，每个步态划分节点对应于不同的压力阈值，则上位机便能够给出穿戴者当前处于何种步态相位。

Claims (9)

1.一种离散阈值式足底压力传感装置，其特征在于：包含主要由柔性基底(1)、架空层(5)、变形层(7)、受力层(9)依次从下到上紧密层叠构成的足底压力传感单元；柔性基底(1)上表面设有N×M个传感凸起结构和N条相互平行且宽度相同的下层电极(3)，N×M个传感凸起结构具有不同高度，且高度均不高于架空层(5)，架空层(5)中设有N×M个通孔通孔，变形层(7)下表面设有M条相互平行且宽度相同的上层电极(6)，受力层(9)下表面设有N×M个施力圆柱(8)；下层电极(3)和上层电极(6)相互正交布置，各个传感突起结构、通孔和施力圆柱(8)布置于N条下层电极(3)和M条上层电极(6)沿上下层叠方向相交叉重叠区域处，使得传感突起结构、通孔和施力圆柱(8)均形成N×M阵列布置；传感凸起结构底部和柔性基底(1)连接成一体，一条下层电极(3)覆盖于N×M阵列中一排的M个传感凸起结构表面。

2.根据权利要求1所述的一种离散阈值式足底压力传感装置，其特征在于，各个传感凸起结构底面积相同，高度互不相同，各个施力圆柱(8)底面积和高度均相同，通孔区域面积稍大于传感突起结构的底面积。

3.根据权利要求1所述的一种离散阈值式足底压力传感装置，其特征在于，所述底压力传感单元中的柔性基底(1)下表面贴合在鞋垫(10)上，受力层(9)上表面接触并接受来自足底的压力。

4.根据权利要求1所述的一种离散阈值式足底压力传感装置，其特征在于，

所述足底压力传感装置包括至少一个所述足底压力传感单元。

5.根据权利要求1所述的一种离散阈值式足底压力传感装置，其特征在于，足底上布置有六个足底压力传感单元，六个所述足底压力传感单元(101、102、103、104、105、106)分别布置在依次为第一趾、第一跖骨、第二跖骨、第三～五跖骨、骰骨和跟骨对应的足底鞋垫(10)上。

6.根据权利要求1所述的一种离散阈值式足底压力传感装置，其特征在于，

所述的下层电极(3)和上层电极(6)均连接有导线(2、4)，分别引出连接到外部的分析电路。

7.根据权利要求1所述的一种离散阈值式足底压力传感装置，其特征在于，制成所述的柔性基底(1)、架空层(5)、变形层(7)和受力层(9)的柔性衬底材料包括但不限于聚二甲基硅氧烷(PDMS)，制成所述的下层电极(3)和上层电极(6)所用材料包含但不限于银纳米线薄膜电极(AgNWs)。

8.根据权利要求1所述的一种离散阈值式足底压力传感装置，其特征在于，

所述的传感凸起结构的材料为衬底材料，传感凸起结构表面上涂覆上层电极(6)的材料。

9.根据权利要求1所述的一种离散阈值式足底压力传感装置，其特征在于，制成所述的不同高度的传感凸起结构的形状包含但不限于半球形凸起，其他凸起结构形式相同。