CN108669702B - 一种基于压力传感的智能运动鞋 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种通过数学模型精确检测老年人跌倒且能提供老年人心率及体温的一种基于压力传感的智能运动鞋，包括鞋底、设置在鞋底上的鞋帮及设置在鞋底与鞋帮之间的鞋垫，鞋垫包括包裹层和位于包裹层里的压电薄膜传感器，压电薄膜传感器上设有分别对应足部第一趾骨、第二趾骨、第三趾骨、第四趾骨、第五趾骨、第一跖骨、第五跖骨、楔骨、骰骨、跟骨处的传感点；鞋底包括弹性TPU中底和支撑TPU外底，弹性TPU中底的侧沿开设有复数个侧向凹槽，弹性TPU中底与鞋帮前掌脚尖连接处设有一防撞鞋头，防撞鞋头内设有柔性线路板，压电薄膜传感器与柔性线路板相连接。
Description
技术领域
本发明涉及智能运动鞋领域，具体涉及一种基于压力传感的智能运动鞋。
背景技术
随着物联网时代的来临，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；目前，智能运动鞋已成为运动鞋发展的趋势，尤其带有压力传感的智能运动鞋。随着老年人年龄的增长和身体功能的下降，跌倒等危害老年人身体健康的紧急事故时有发生，据统计每年约有1/3的65岁以上老人发生过跌倒，跌倒已经成为危害老年人健康的非致命伤害的主要因素。而尽早的检测出跌倒事件可以使他们得到有效及时的帮助，同时也能减少医疗费用，所以开发一种能判断跌倒事故的发生并发送求救信号的带有压力传感的智能运动鞋很有实际意义。
发明内容
因此，针对上述问题，本发明提供一种基于压力传感的智能运动鞋，通过数学模型精确检测用户跌倒并及时发送求救信号，解决老年人发送跌倒无法及时得到救助的问题。
为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于压力传感的智能运动鞋，包括鞋底、设置在鞋底上的鞋帮及设置在鞋底与鞋帮之间的鞋垫，所述鞋帮为一体式双层网面，所述鞋帮上方设有领口，所述领口为弹性柔性织物，所述弹性柔性织物覆盖于双层网面上形成可伸缩领口，所述鞋帮中部设有一魔术贴，用于固定鞋帮松紧程度，所述魔术贴上还设有星状凸块，所述星状凸块内嵌有LED灯管；
所述鞋垫包括鞋垫包裹层和位于包裹层里的压电薄膜传感器，所述鞋垫包裹层为柔性织物，所述压电薄膜传感器上设有分别对应足部第一趾骨、第二趾骨、第三趾骨、第四趾骨、第五趾骨、第一跖骨、第五跖骨、楔骨、骰骨、跟骨处的传感点；
所述鞋底包括弹性TPU中底和支撑TPU外底，所述弹性TPU中底的侧沿开设有复数个侧向凹槽，所述支撑TPU外底的着地面设有复数个底面凸缘，所述弹性TPU中底与鞋帮前掌脚尖连接处设有一防撞鞋头，所述防撞鞋头内设有柔性线路板，所述柔性线路板设有用于整个系统的数据处理和控制的MCU微处理器，所述柔性线路板上还设有无线通信模块和微型充电电源，所述无线通信模块和微型充电电源均与MCU微处理器相连接，所述压电薄膜传感器通过内部电路与MCU微处理器相连接，所述魔术贴对应足背动脉处设有一红外温度传感器，所述领口对应足部胫后动脉处设有一红外脉搏传感器，所述红外温度传感器和红外脉搏传感器均通过外围电路与MCU微处理器相连接。进一步的改进是：所述MCU微处理器内嵌有一SVM模型数据处理模块。
进一步的改进是：：所述压电薄膜传感器与MCU微处理器之间连接有一模数转换器，将压电薄膜传感器产生电压信息转换为数字数据信号。
进一步的改进是：所述MCU微处理器通过无线通信模块与移动终端相连接并进行数据交互。
进一步的改进是：所述MCU微处理器还连接有一LED蜂鸣警报器，所述LED蜂鸣警报器设于魔术贴上并与所述星状凸块内的LED灯管相连接。
进一步的改进是：所述微型充电电源包括蓄电池以及无线充电模块。
进一步的改进是：所述微型充电电源与MCU处理器之间连接有一稳压电路。
进一步的改进是：所述柔性线路板还设有一GPS定位模块，所述GPS定位模块与MCU微处理器相连接。
进一步的改进是：所述压电薄膜传感器为一种超薄塑料聚合物聚偏二氟乙烯(PVDF)。
通过采用前述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明通过在在鞋垫设有多个高灵敏度的压力传感点组成的压电薄膜传感器，通过采集得到丰富的双足压力数据，在移动终端生成数据模型，通过SVM模型处理得出分析结果，能够大概率得识别用户是否跌倒，且融合了包括心率传感器、红外温度传感及GPS模块、LED蜂鸣警报器，可以提供用户的心率信息、体温信息、位置信息，能够监测评估老年人生理状况，当跌倒等紧急事故发生时，能够第一时间发出警报并提醒移动终端监测者，可以使老年人得到有效及时的帮助，同时也能减少医疗费用；本发明也适于刚学步的小孩。
同时监测者可以在手机、电脑等移动终端输入老年人或小孩身高体重信息，SVM模型数据处理模块会自动设置合适的模式切换阈值，提高识别跌倒的准确性及可靠度，较其他装置自由度和交互性更好。
鞋面为一体式双层网面结构，轻盈透气；鞋帮上设有用于固定鞋帮松紧程度的魔术贴，更方便于用户穿着；且弹性TPU中底于足部前掌处有明显翘起，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TPU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，脚感更舒适,长期穿着不易感觉疲惫；同时弹性TPU中底的侧沿开设有复数个侧向凹槽结构设计，在结构上极大地减少材料，降低了鞋底的整体重量，使用户于踏地瞬间有一定缓冲，让鞋体在运动过程中更加稳定。
本发明采用微型充电电源给鞋体用电模块进行供电，环保节能，且使用无线充电模块进行充电，抗压性强，适于长期使用。
本发明通过设置于压电薄膜传感器置于织物鞋垫层内，防尘防湿，且柔软度接近人体皮肤，且通过合理的传感器布局极大减少了传感器数量，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，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。
本发明通过设置柔性电路板即用电模块与防撞鞋头处，避免了与地面的直接接触，减少其外部受力，增加使用寿命，且电路板采用柔性线路板制作，即柔性PCB电路板，柔性PCB电路板重量比刚性PCB轻90％,能够适应足部的运动，不易发生折损。
附图说明
图1为本发明实施例的外观示意图；
图2为本发明实施例的鞋垫及压电薄膜传感器示意图；
图3为本发明实施例的支撑TPU外底着地面示意图；
图4为本发明实施例的工作模块电连接示意图。
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。
本发明的实施例为：
参考图1-图4，一种基于压力传感的智能运动鞋，包括鞋底1、设置在鞋底1上的鞋帮2及设置在鞋底与鞋帮之间的鞋垫3，所述鞋帮2为一体式双层网面，所述鞋帮上方设有领口21，所述领口为弹性柔性织物，所述弹性柔性织物覆盖于双层网面上形成可伸缩领口，所述鞋帮中部设有一魔术贴22，用于固定鞋帮松紧程度，所述魔术贴上还设有星状凸块23，所述星状凸块23内嵌有LED灯管；
所述鞋底包括弹性TPU中底11和支撑TPU外底12，所述弹性TPU中底于足部前掌处有明显翘起，所述弹性TPU中底11的侧沿开设有复数个侧向凹槽13，所述支撑TPU外底12的着地面开设有复数个底面凸缘14。
设置鞋帮2为一体式双层网面结构，轻盈透气；鞋帮上设有用于固定鞋帮松紧程度的魔术贴23，更方便于用户穿着；且弹性TPU中底11于足部前掌处有明显翘起，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TPU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，脚感更舒适,长期穿着不易感觉疲惫；弹性TPU中底11的侧沿开设有复数个侧向凹槽13，在结构上极大地减少材料，降低了鞋底的整体重量，使用户于踏地瞬间有一定缓冲，支撑TPU外底12的着地面开设有复数个底面凸缘14，加大了鞋底与地面的摩擦力，使鞋体在运动过程中更加稳定。
所述弹性TPU中底11与鞋帮2于足部脚尖连接处设有一防撞鞋头4，所述防撞鞋头内设有柔性线路板41，所述柔性线路板41上设有用于整个系统的数据处理和控制的MCU微处理器42，所述MCU微处理器42的型号为主控STM8L系列，所述MCU微处理器内嵌有一SVM模型数据处理模块(图中未画出)，所述柔性线路板41上还设有无线通信模块43、微型充电电源44和GPS定位模块45，无线通信模块43、微型充电电源44和GPS定位模块45均通过内部电路与MCU微处理器42相连接，所述微型充电电源44包括蓄电池441以及无线充电模块442，所述微型充电电源与MCU微处理器42之间连接有一稳压电路46，保证电压稳定输出于所有用电模块；所述MCU微处理器42通过外围电路连接有一LED蜂鸣警报器26，所述LED蜂鸣警报器设于魔术贴上，并与所述星状凸块23中LED灯管(图中未画出)相连接。
所述魔术贴22对应足背动脉处设有一红外温度传感器24，所述领口对应足部胫后动脉处设有一红外脉搏传感器25，所述红外温度传感器24和红外脉搏传感器25通过外围电路与MCU微处理器42相连接；
所述鞋垫3包括包裹层31和位于包裹层里的压电薄膜传感器32，所述鞋垫包裹层为柔性织物，所述压电薄膜传感器为一种超薄塑料聚合物聚偏二氟乙烯(PVDF)，压电电压常数高达180×10-3Vm/N；所述压电薄膜传感器上设有分别对应足部第一趾骨、第二趾骨、第三趾骨、第四趾骨、第五趾骨、第一跖骨、第五跖骨、楔骨、骰骨、跟骨处的传感点。
所述压电薄膜传感器32通过内部电路与MCU微处理器42相连接，所述MCU微处理器通过无线通信模块43与移动终端5相连接并进行数据交互，压电薄膜传感器32与MCU微处理器之间41连接有一模数转换器47，即ADC，将压电薄膜传感器产生电压信息转换为数字数据。
本发明在鞋垫设有多个高灵敏度的传感点组成的压电薄膜传感器，分别对应足部各个主要受力点部位，参考图2，传感点321设置于足部第一趾骨对应处，传感点322设置于足部第二趾骨对应处，传感点323设置于足部第三趾骨对应处，传感点324设置于足部第四趾骨对应处，传感点325设置于足部第五趾骨对应处，传感点326设置于足部第一跖骨对应处，传感点327设置于足部第五跖骨对应处，传感点328设置于足部楔骨对应处，传感点329设置于足部骰骨对应处，传感点320设置于足部跟骨对应处，上述区域为人体足部在行走或奔跑过程中的主要着力点，其所的产生压力值具有代表性，对足部压力的研究起着关键作用。
当上述压电薄膜传感点收到拉伸力或弯曲力时，薄膜上下电极表面之间就会产生一个电压信号(当人体正常行走、跌倒瞬间和跌倒后所产生电压信号完全不一样)，采集所得的电压模拟信号通过模数转换器47(模数转换器47为10位分辨率的4个ADC通道)转换为数字信号，MCU微处理器42将上述所采集的数字信号进行数据封装并进行数据重组，采集过程以1S为周期采集10个传感点的1000个压力数值，生成数据模型，通过SVM模型(其中SVM模型参数为径向基核函数)处理得出分析结果，可以以百分之九十的概率得识别用户是否跌倒；当MCU微处理器42识别用户跌倒时，会立即发出警报指令通过无线传输模块43到达移动终端5提醒监测者并通过GPS定位模块45显示用户即时地理位置，且通过LED蜂鸣警报器26发出警报声并连接星状凸块23内的LED灯管发出亮光，可以使用户得到周围有效及时的帮助，同时本发明也适用于老年人和刚学步的小孩；监测者可以在手机、电脑等移动终端输入老年人或小孩身高体重信息，SVM模型数据处理模块会自动设置合适的模式切换阈值，提高识别跌倒的准确性及可靠度，较其他装置自由度和交互性更好。
同时本发明融合了包括心率传感器、红外温度传感、GPS定位模块及LED蜂鸣警报器，可以提供老年人的心率信息、体温信息、位置信息，能够监测评估老年人生理状况，当心率过快或体温异常时亦会发出警报指令并在移动终端显示该老年人的具体地理位置。
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 (4)
1.一种基于压力传感的智能运动鞋，包括鞋底、设置在鞋底上的鞋帮及设置在鞋底与鞋帮之间的鞋垫，其特征在于：所述鞋帮为一体式双层网面，所述鞋帮上方设有领口，所述领口为弹性柔性织物，所述弹性柔性织物覆盖于双层网面上形成可伸缩领口，所述鞋帮中部设有一魔术贴，用于固定鞋帮松紧程度，所述魔术贴上还设有星状凸块，所述星状凸块内嵌有LED灯管；
所述鞋垫包括鞋垫包裹层和位于包裹层里的压电薄膜传感器，所述鞋垫包裹层为柔性织物，所述压电薄膜传感器上设有分别对应足部第一趾骨、第二趾骨、第三趾骨、第四趾骨、第五趾骨、第一跖骨、第五跖骨、楔骨、骰骨、跟骨处的传感点；
所述鞋底包括弹性TPU中底和支撑TPU外底，所述弹性TPU中底的侧沿开设有复数个侧向凹槽，所述支撑TPU外底的着地面设有复数个底面凸缘，所述弹性TPU中底与鞋帮前掌脚尖连接处设有一防撞鞋头，所述防撞鞋头内设有柔性线路板，所述柔性线路板设有用于整个系统的数据处理和控制的MCU微处理器，所述柔性线路板上还设有无线通信模块和微型充电电源，所述无线通信模块和微型充电电源均与MCU微处理器相连接，所述压电薄膜传感器通过内部电路与MCU微处理器相连接，所述魔术贴对应足背动脉处设有一红外温度传感器，所述领口对应足部胫后动脉处设有一红外脉搏传感器，所述红外温度传感器和红外脉搏传感器均通过外围电路与MCU微处理器相连接；
所述MCU微处理器内嵌有一SVM模型数据处理模块；
所述压电薄膜传感器与MCU微处理器之间连接有一模数转换器，将压电薄膜传感器产生电压信息转换为数字数据信号；
所述MCU微处理器通过无线通信模块与移动终端相连接并进行数据交互；
所述MCU微处理器还连接有一LED蜂鸣警报器，所述LED蜂鸣警报器设于魔术贴上并与所述星状凸块内的LED灯管相连接；
所述柔性线路板还设有一GPS定位模块，所述GPS定位模块与MCU微处理器相连接；
当各压电薄膜传感点收到拉伸力或弯曲力时，薄膜上下电极表面之间就会产生一个电压信号，采集所得的电压模拟信号通过模数转换器转换为数字信号，MCU微处理器将所采集的数字信号进行数据封装并进行数据重组，采集过程以1S为周期采集10个传感点的1000个压力数值，生成数据模型，通过SVM模型处理得出分析结果，识别用户是否跌倒；当MCU微处理器识别用户跌倒时，会立即发出警报指令通过无线传输模块到达移动终端提醒监测者，并通过GPS定位模块显示用户即时地理位置，且通过LED蜂鸣警报器发出警报声并连接星状凸块内的LED灯管发出亮光；通过移动终端输入高体重信息，SVM模型数据处理模块会自动设置合适的模式切换阈值，提高识别跌倒的准确性。
2.根据权利要求1所述的一种基于压力传感的智能运动鞋，其特征在于：所述微型充电电源包括蓄电池以及无线充电模块。
3.根据权利要求2所述的一种基于压力传感的智能运动鞋，其特征在于：所述微型充电电源与MCU处理器之间连接有一稳压电路。
4.根据权利要求1所述的一种基于压力传感的智能运动鞋，其特征在于：所述压电薄膜传感器为一种超薄塑料聚合物聚偏二氟乙烯。
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