CN108742541A - 一种用于测试足底压力分布的鞋垫 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测试足底压力分布的鞋垫，属于人体检测技术领域。包括鞋垫上表层、柔性线路板、石墨烯传感层、导电薄膜层底层和鞋垫下表层；鞋垫上表层、柔性线路板、石墨烯传感层、导电薄膜层底层和鞋垫下表由上而下依次排列。柔性线路板上设有脚趾导电薄膜、脚掌导电薄膜和脚跟导电薄膜，所述的脚趾导电薄膜、脚掌导电薄膜和脚跟导电薄膜分别通过线路板内引线与鞋垫边缘的检测接口相连接。本发明鞋垫的制备过程简单，核心功能部分是在鞋垫夹层中均匀掺入石墨烯，并在上下添加柔性电极进行传感，匹配柔性线路板进行信号的采集和读出。本发明的鞋垫，压力测量点设计方便，可针对脚底的任何区域和范围进行压力测量。

Description

一种用于测试足底压力分布的鞋垫

技术领域

本发明涉及一种用于测试足底压力分布的鞋垫，属于人体检测技术领域。

背景技术

在人体行走过程中，脚掌与鞋垫力的作用非常明显。这些力的作用，可以用来表征人体的行走姿势、身体重量、运动方式、脚部骨骼特征等。在临床步态测试方面，可以分析病人走路和跑跳时的姿态行为，对其静态和动态步态进行记录分析，对时间特点、受力特点、压力中心移动特点等。骨科足病辅助诊断根据足底受力情况并结合足生物力学分析、运动稳定性分析、运动损伤分析及与临床医学、康复医学的联系，可以快速的对运动人群的运动损伤风险程度。在运动鞋研发方面，可以为运动员提供科学的选鞋建议，避免其因鞋不适带来的损伤风险。同时可依据压力测试数据改善舒适度、增强耐力、提高竞技水平。在下肢损伤复健方面，下肢损伤的病人，其活动能力是评价康复效果的直接指标。姿态、步态的改变可用于指导下一步的康复计划和辅具设计。在生物特征识别方面，人体步态压力分布拥有更唯一和难复制特点，拥有极大的身份识别潜力。在体感运动和游戏方面，可以更加精细的检测用户脚步运动，从而带来更好的体感运动和游戏体验。

目前识别人体行走的步态主要有两种方式。一是通过摄像机(包括红外摄像机、结构光摄像机等)对人体动作姿态进行识别，中间涉及大量算法和数据学习过程，并且只能识别大致身体姿态，对更精细的脚步运动、脚掌运动无法识别。二是地毯式的压力传感器，侧重对压力分布的判断，不仅成本昂贵，并且只能在特定区域和位置测量，无法进行连续测量并且应用范围受限。

目前在学术界，乃至产业界陆续也出现了一些可以测量脚掌用力分布的鞋垫。但是采用传统电极和压力传感器，不仅难以安装、集成，大大降低了鞋垫舒适性，并且分辨率很低，缺少姿态分析。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于测试足底压力分布的鞋垫，可以便携和精确地测量足底压力分布，解决当前在临床步态测试、下肢复健检测、脚步运动传感等领域对脚部作用力检测方面，仪器体积大成本高，安装使用不便，分辨率低，不易穿戴等的缺点。

本发明提出的用于测试足底压力分布的鞋垫，包括鞋垫上表层、柔性线路板、石墨烯传感层、导电薄膜层底层和鞋垫下表层；所述的鞋垫上表层、柔性线路板、石墨烯传感层、导电薄膜层底层和鞋垫下表由上而下依次排列，所述的柔性线路板上设有脚趾导电薄膜、脚掌导电薄膜和脚跟导电薄膜，所述的脚趾导电薄膜、脚掌导电薄膜和脚跟导电薄膜分别通过导线与鞋垫边缘的检测接口相连接。

上述鞋垫中，所述的石墨烯传感层的制备过程为：将石墨烯粉体分散在水中，使石墨烯在水中的质量体积浓度为0.2g/cm³，将具有吸附作用或孔状结构的材料浸泡在石墨烯溶液里，捞出晾干，使液态溶剂完全挥发，水汽相对湿度低于80％得到石墨烯传感层。

上述鞋垫中的石墨烯传感层厚度为4-8毫米。其中的具有吸附作用或孔状结构的材料为布料、塑料泡沫、棉花或纸浆。

本发明提出的用于测试足底压力分布的鞋垫，其优点是：

1、本发明提出的用于测试足底压力分布的鞋垫的制备过程简单，核心功能部分是在鞋垫夹层中均匀掺入石墨烯，并在上下添加柔性电极进行传感，匹配柔性线路板进行信号的采集和读出。

2、本发明的鞋垫中，使用石墨烯新型二维材料，分散在多孔状材质里，可以调节其导电性能。在正常使用范围内，单独测量区域的电阻的变化量和脚部压力强度正相关。

3、本发明的鞋垫，压力测量点设计方便。通过设计柔性线路板上的裸露焊盘和线路分布，可以针对脚底的任何区域和范围进行压力测量，其焊盘形状、尺寸均可根据需要进行调节。

4、本发明的鞋垫中，数据读出方便。软排线接口，每个接口可以接入分压电路，测量每个接口的分压，可以分析出电阻变化量，然后转化为压力的强度和分布。

5、本发明的鞋垫，具有高贴合性和可穿戴性。本发明作为一种鞋垫传感器，鞋垫的设计满足了对脚部舒适贴合，可以置于鞋中，进行日常便携式传感。

附图说明

图1是本发明提出的用于测试足底压力分布的鞋垫的结构示意图。

图2是图1所示的鞋垫的柔性线路板示意图。

图1和图2中，1是鞋垫上表层，2是柔性线路板，3是石墨烯传感层，4是导电薄膜层底层，5是鞋垫下表层，6是脚趾导电薄膜，7是脚掌导电薄膜，8是脚跟导电薄膜，9是检测接口，10是线路板内引线。

具体实施方式

本发明提出的用于测试足底压力分布的鞋垫，其结构如图1所示，包括鞋垫上表层1、柔性线路板2、石墨烯传感层3、导电薄膜层底层4和鞋垫下表层5。鞋垫上表层1、柔性线路板2、石墨烯传感层3、导电薄膜层底层4和鞋垫下表层5由上而下依次排列。柔性线路板2上设有脚趾导电薄膜6、脚掌导电薄膜7和脚跟导电薄膜8，脚趾导电薄膜6、脚掌导电薄膜7和脚跟导电薄膜8分别通过线路板内引线10与鞋垫边缘的检测接口9相连接，如图2中所示。

上述鞋垫中，石墨烯传感层的制备过程为：将石墨烯粉体分散在水中，使石墨烯在水中的质量体积浓度为0.2g/cm³，将具有吸附作用或孔状结构的材料浸泡在石墨烯溶液里，捞出晾干，使液态溶剂完全挥发，水汽相对湿度低于80％得到石墨烯传感层。

其中石墨烯传感层厚度可以为4-8毫米。其中具有吸附作用或孔状结构的材料为布料、塑料泡沫、棉花或纸浆。

以下结合附图，详细介绍本发明鞋垫的工作原理：

如图1所示，本发明提出的鞋垫共有5层，即鞋垫上表层1，柔性线路板层2，石墨烯传感层3，导电薄膜层4，和鞋垫下表层5，以及配套的功能模块——导电薄膜6、7和8等、线路板内引线10和检测接口9等。

鞋垫上表层1是鞋垫上层，材质可以是一层或多层布料等材料，功能是接触脚底，保护下层结构等。

柔性线路板层2，一般是柔性电路板(Flexible Printed Circuit，简称FPC)，是以聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材制成的一种可挠性印刷电路板。将其设计成鞋垫形状，下制作裸露焊盘，与下方导电薄膜区域连接。

石墨烯传感层3是掺入石墨烯的传感功能层，厚度一般为5mm及以上。通过将材料浸泡在石墨烯溶液里，晾干，使液态溶剂完全挥发，水汽相对湿度一般不高于80％，制备成鞋垫形状，制备形状步骤可以在浸泡之前，或晾干之后中的任何一个步骤，使用材料可以是布料、塑料泡沫、棉花、纸浆等具有吸附作用或孔状结构的材料。

本发明的一个实施例中，石墨烯溶液典型值如下：

但是本发明对石墨烯溶液的分散介质、密度、厚度、尺寸要求不太严格，一般密度不小于0.001g/cm³，即满足传感功能。

导电薄膜层4可以是金属薄膜、柔性电路板、导电银浆等具有电气连接功能的材料。

鞋垫下表层5是鞋垫下层，材质可以是一层或多层布料等材料，功能是接触脚底，保护上层结构等。

导电薄膜区域(如图1中的6、7、8所示)是分布在柔性线路板层2和石墨烯传感层3的导电薄膜电极，一般为金属薄膜，或者导电薄膜。它通过有黏附和导电功能的材料将柔性线路板层2上对应的裸露焊盘与石墨烯传感层3进行电气连接，这些材料包括但不限于导电银浆、导电银胶、焊锡等材料。这些电极的尺寸、大小、形状不固定，可以分散在鞋垫上表层1和石墨烯层3的任何位置，一般选择在受力明显的区域，比如脚趾6，前脚掌7，后脚跟8等。

检测接口9是线路接口，一般为柔性线路板层2引出的软排线，具体形式由应用决定。功能是将线路板内引线10引出，可以外接到微型计算机接口，或其它具有供电、数据处理或无线发送(包括但不限于蓝牙、WIFI、红外等)的装置。

线路板内引线10是柔性线路板层2内的引线，其分布和连接形式不一定如图所示，特征是一端连接柔性线路板层2下表面裸露焊盘，一端结检测接口9。

Claims (4)

1.一种用于测试足底压力分布的鞋垫，其特征在于包括鞋垫上表层、柔性线路板、石墨烯传感层、导电薄膜层底层和鞋垫下表层；所述的鞋垫上表层、柔性线路板、石墨烯传感层、导电薄膜层底层和鞋垫下表由上而下依次排列，所述的柔性线路板上设有脚趾导电薄膜、脚掌导电薄膜和脚跟导电薄膜，所述的脚趾导电薄膜、脚掌导电薄膜和脚跟导电薄膜分别通过线路板内引线与鞋垫边缘的检测接口相连接。

2.如权利要求1所述的鞋垫，其特征在于其中所述的石墨烯传感层的制备过程为：将石墨烯粉体分散在水中，使石墨烯在水中的质量体积浓度为0.2g/cm³，将具有吸附作用或孔状结构的材料浸泡在石墨烯溶液里，捞出晾干，使液态溶剂完全挥发，水汽相对湿度低于80％，得到石墨烯传感层。

3.如权利要求1所述的鞋垫，其特征在于其中所述的石墨烯传感层厚度为4-8毫米。

4.如权利要求2所述的鞋垫，其特征在于其中所述的具有吸附作用或孔状结构的材料为布料、塑料泡沫、棉花或纸浆。