CN110338503A - 一种儿童步姿检测预警装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种儿童步姿检测预警装置，步姿检测装置用于幼儿穿在脚上并将数据采集模块设置在步姿检测装置上，数据采集模块用于记录幼儿足底受力、双脚相对位置和幼儿行走时的重心位置，数据处理模块用于处理由数据采集模块采集到的幼儿行走数据，并将该数据经由无线传输模块上传至数据分析模块，数据分析模块用于将数据处理模块上传至其中的幼儿行走数据与数据分析模块中的数据库的平均数据进行分析比对，对用户步姿进行推测分析，总结异常问题，推测可能的诱因。本装置能够检测幼儿步姿、步态与行走习惯，及时发现幼儿不良的行走习惯，及时反馈给监护人进行纠正。

Description

一种儿童步姿检测预警装置

技术领域

本发明涉及步姿检测装置技术领域，更具体地说涉及一种儿童步姿检测预警装置。

背景技术

正常情况下，1-1.5岁的幼儿开始学习走步并能逐渐开始独立行走。在这一时期内，幼儿若缺乏规范的引导或存在某些不良习惯，常出现鸭子步、八字步、步态不稳等错误的行走姿势，若未能及时发现，幼儿将错过最佳的纠正或治疗时期；不良的步态不仅影响幼儿正常的行走，给运动带来不便，影响美观，更严重的将影响幼儿骨骼的正常发育，造成不可逆转的损害。因此设计一款能够检测幼儿步姿、步态与行走习惯，并能即时反馈给监护人的设备就很有必要了。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，幼儿在学习走路的过程中，若缺乏规范的引导或存在某些不良习惯，容易出现行走姿势不正确的问题，提供了一种儿童步姿检测预警装置，本装置能够检测幼儿步姿、步态与行走习惯，及时发现幼儿不良的行走习惯，再利用蓝牙技术将数据传输至用户智能手机，利用智能手机实现数据的分析与反馈报警功能及时反馈给监护人进行纠正。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现。

一种儿童步姿检测预警装置，包括步姿检测装置、电源模块、数据采集模块、数据处理模块、数据分析模块、无线传输模块和反馈报警模块，

所述步姿检测装置用于幼儿穿在脚上并将数据采集模块设置在步姿检测装置上，

所述数据采集模块用于记录幼儿足底受力、双脚相对位置和幼儿行走时的重心位置，

所述数据处理模块用于处理由数据采集模块采集到的幼儿行走数据，并将该数据经由无线传输模块上传至数据分析模块，

所述数据分析模块用于将数据处理模块上传至其中的幼儿行走数据与数据分析模块中的数据库的平均数据进行分析比对，对用户步姿进行推测分析，总结异常问题，推测可能的诱因，

所述反馈报警模块用于将幼儿健康情况及异常报警情况发送至监护人的手机、网页上，监护人可以主动地进入网页或手机APP查看幼儿的步姿数据，当步态数据异常时，监护人可通过网页弹窗和手机短信接收到报警反馈信息，

所述电源模块为数据采集模块、数据处理模块、数据分析模块、无线传输模块和反馈报警模块提供电源支撑。

所述步姿检测装置包括鞋本体、鞋底、鞋垫和模块安置部，所述鞋本体固定在所述鞋底上，在所述鞋底上还放置所述鞋垫，所述鞋底的内部后端开设有所述模块安置部，所述模块安置部内嵌装所述数据采集模块、所述数据处理模块、所述无线传输模块和电源模块。

所述鞋垫包括棉质缓冲层、压电薄膜和透气孔，所述透气孔贯穿所述棉质缓冲层，在所述棉质缓冲层的底端与所述鞋底相接触处设置所述压电薄膜。

所述鞋垫包括橡胶缓冲层和传输导线，在所述橡胶缓冲层内设置所述数据采集模块，所述传输导线的两端分别与所述压电薄膜和所述数据采集模块相连。

所述数据采集模块包括压力传感器、数字式加速度传感器和步频传感器，所述压力传感器和所述数字式加速度传感器均设置在所述步姿检测装置的鞋底内，所述步频传感器设置在所述步姿检测装置的鞋垫内。

所述压力传感器用于采集幼儿足底的受力位置与大小数据信息，并将该数据信息传输至数据处理模块。

所述数字式加速度传感器用于记录幼儿双足在行走时的步频与步长。

所述步频传感器用于记录幼儿每天行走的步数、行走的时间等运动信息。

所述数据分析模块中存储有由数据采集模块采集到的幼儿行走时的足底的受力部位，受力大小、受力时间，双足的相对位置等信息，同时还存储有正常行走的幼儿行走时足底的受力部位，受力大小、受力时间，双足的相对位置等信息的平均数据。

所述数据分析模块能够将比对数据绘制成热力图、柱状图、折线图等直观统计图，并将该图像传输至反馈报警模块上，以反馈给监护人。

本发明的有益效果为：

1.精确性，通过肉眼观测幼儿的步姿常常产生误差，且对于幼儿出现的微小步态问题无法及时发现，最终导致愈演愈烈，等到情况肉眼可见，常常已对幼儿骨骼及体态的正常发育造成损害；

2.及时性，通过传感器技术对幼儿的步态进行实时监控，对幼儿微小的步态异常倾向进行反馈，及时性较好；

3.便携性，采用传感器技术对幼儿步态数据进行采集，集成度高，体积较小，具有很好的便携性；

4.舒适性，由于高度的集成性，该装置不影响幼儿正常的行走，具有较高的舒适性。

附图说明

图1是本发明中步姿监测装置的内部结构示意图；

图2是本发明中步姿监测装置中鞋垫和鞋底的剖视结构示意图；

图3是本发明的信号传输框图；

图4是PVDF压电薄膜传感器安装示意图；

图5是PVDF压电薄膜传感器安装于装置时的截面图；

图6是电荷放大装置示意图；

图7是系统工作原理示意图；

其中：1为棉质缓冲层，2为橡胶缓冲层，3为传输导线，4为压电薄膜，5为压力传感器，6为电源模块，7为数据处理模块，8为无线传输模块，9为数字式加速度传感器。

对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例一

一种儿童步姿检测预警装置，包括步姿检测装置、电源模块、数据采集模块、数据处理模块、数据分析模块、无线传输模块和反馈报警模块，

步姿检测装置用于幼儿穿在脚上并将数据采集模块设置在步姿检测装置上，

数据采集模块用于记录幼儿足底受力、双脚相对位置和幼儿行走时的重心位置，

数据处理模块用于处理由数据采集模块采集到的幼儿行走数据，并将该数据经由无线传输模块上传至数据分析模块，工作原理是在单片机的控制下,由切换电路完成对传感单元的选择,被选择的PVDF压电薄膜传感器经电荷-电压转换及相应的信号调理电路变成0～5V的电压信号,再经过模数转换器AD7981进行模数转换,转换结果通过W78E052暂存于片外存储单元(本专利采用静态RAM芯片62128),并在检测完毕后,通过蓝牙传送到用户的智能手机进行处理与显示，测量系统的结构框图如图7所示，

数据分析模块用于将数据处理模块上传至其中的幼儿行走数据与数据分析模块中的数据库的平均数据进行分析比对，对用户步姿进行推测分析，总结异常问题，推测可能的诱因，

反馈报警模块用于将幼儿健康情况及异常报警情况发送至监护人的手机、网页上，监护人可以主动地进入网页或手机APP查看幼儿的步姿数据，当步态数据异常时，监护人可通过网页弹窗和手机短信接收到报警反馈信息，

电源模块为数据采集模块、数据处理模块、数据分析模块、无线传输模块和反馈报警模块提供电源支撑。

数据分析模块中存储有由数据采集模块采集到的幼儿行走时的足底的受力部位，受力大小、受力时间，双足的相对位置等信息，同时还存储有正常行走的幼儿行走时足底的受力部位，受力大小、受力时间，双足的相对位置等信息的平均数据。

数据分析模块能够将比对数据绘制成热力图、柱状图、折线图等直观统计图，并将该图像传输至反馈报警模块上，以反馈给监护人。

实施例二

一种儿童步姿检测预警装置，包括步姿检测装置、电源模块、数据采集模块、数据处理模块、数据分析模块、无线传输模块和反馈报警模块，

步姿检测装置用于幼儿穿在脚上并将数据采集模块设置在步姿检测装置上，

数据采集模块用于记录幼儿足底受力、双脚相对位置和幼儿行走时的重心位置，

数据处理模块用于处理由数据采集模块采集到的幼儿行走数据，并将该数据经由无线传输模块上传至数据分析模块，

数据分析模块用于将数据处理模块上传至其中的幼儿行走数据与数据分析模块中的数据库的平均数据进行分析比对，对用户步姿进行推测分析，总结异常问题，推测可能的诱因，

反馈报警模块用于将幼儿健康情况及异常报警情况发送至监护人的手机、网页上，监护人可以主动地进入网页或手机APP查看幼儿的步姿数据，当步态数据异常时，监护人可通过网页弹窗和手机短信接收到报警反馈信息，

电源模块为数据采集模块、数据处理模块、数据分析模块、无线传输模块和反馈报警模块提供电源支撑。

数据分析模块中存储有由数据采集模块采集到的幼儿行走时的足底的受力部位，受力大小、受力时间，双足的相对位置等信息，同时还存储有正常行走的幼儿行走时足底的受力部位，受力大小、受力时间，双足的相对位置等信息的平均数据。

数据分析模块能够将比对数据绘制成热力图、柱状图、折线图等直观统计图，并将该图像传输至反馈报警模块上，以反馈给监护人。

步姿检测装置包括鞋本体、鞋底、鞋垫和模块安置部，鞋本体固定在鞋底上，在鞋底上还放置所述鞋垫，鞋底的内部后端开设有模块安置部，模块安置部内嵌装数据采集模块、数据处理模块7、无线传输模块8和电源模块6。

鞋垫包括棉质缓冲层1、压电薄膜4和透气孔，透气孔贯穿棉质缓冲层1，在棉质缓冲层1的底端与鞋底相接触处设置压电薄膜4。

鞋垫包括橡胶缓冲层2和传输导线3，在橡胶缓冲层2内设置数据采集模块，传输导线3的两端分别与压电薄膜4和数据采集模块相连。

实施例三

一种儿童步姿检测预警装置，包括步姿检测装置、电源模块、数据采集模块、数据处理模块、数据分析模块、无线传输模块和反馈报警模块，

步姿检测装置用于幼儿穿在脚上并将数据采集模块设置在步姿检测装置上，

数据采集模块用于记录幼儿足底受力、双脚相对位置和幼儿行走时的重心位置，

数据处理模块用于处理由数据采集模块采集到的幼儿行走数据，并将该数据经由无线传输模块上传至数据分析模块，

数据分析模块用于将数据处理模块上传至其中的幼儿行走数据与数据分析模块中的数据库的平均数据进行分析比对，对用户步姿进行推测分析，总结异常问题，推测可能的诱因，

反馈报警模块用于将幼儿健康情况及异常报警情况发送至监护人的手机、网页上，监护人可以主动地进入网页或手机APP查看幼儿的步姿数据，当步态数据异常时，监护人可通过网页弹窗和手机短信接收到报警反馈信息，

电源模块为数据采集模块、数据处理模块、数据分析模块、无线传输模块和反馈报警模块提供电源支撑。

数据分析模块中存储有由数据采集模块采集到的幼儿行走时的足底的受力部位，受力大小、受力时间，双足的相对位置等信息，同时还存储有正常行走的幼儿行走时足底的受力部位，受力大小、受力时间，双足的相对位置等信息的平均数据。

数据分析模块能够将比对数据绘制成热力图、柱状图、折线图等直观统计图，并将该图像传输至反馈报警模块上，以反馈给监护人。

步姿检测装置包括鞋本体、鞋底、鞋垫和模块安置部，鞋本体固定在鞋底上，在鞋底上还放置所述鞋垫，鞋底的内部后端开设有模块安置部，模块安置部内嵌装数据采集模块、数据处理模块7、无线传输模块8和电源模块6。

鞋垫包括棉质缓冲层1、压电薄膜4和透气孔，透气孔贯穿棉质缓冲层1，在棉质缓冲层1的底端与鞋底相接触处设置压电薄膜4。

鞋垫包括橡胶缓冲层2和传输导线3，在橡胶缓冲层2内设置数据采集模块，传输导线3的两端分别与压电薄膜4和数据采集模块相连。

数据采集模块包括压力传感器5、数字式加速度传感器9和步频传感器，压力传感器5和数字式加速度传感器9均设置在步姿检测装置的鞋底内，步频传感器设置在步姿检测装置的鞋垫内。

压力传感器5用于采集幼儿足底的受力位置与大小数据信息，并将该数据信息传输至数据处理模块。

数字式加速度传感器9用于记录幼儿双足在行走时的相对位置。

步频传感器用于记录幼儿每天行走的步数、行走的时间等运动信息。

数据采集模块包括PVDF压电薄膜传感器，数字式三轴加速度传感器。PVDF压电薄膜传感器记录足底的受力位置与大小，足底的受力先后顺序、左右足的受力时间，通过数据处理与分析形成热力图，可以有效诊断幼儿是否存在外八字、内八字、足尖点地行走，足跟捶地行走、侧重一侧行走等不良步姿。三轴加速度传感器记录幼儿每天行走的步数、行走的时间等运动信息。PVDF压电薄膜的厚度为100μm,单点面积为5mm×5mm,共54点,成阵列分布,按从左至右,由上向下的顺序进行编号,依次为1、2、…、54,如图1所示。由于PVDF薄膜厚仅100μm,采用在绝缘薄膜基底上光刻铜制栅线的方法来制作引线,将栅线作为信号引出端,并通过接插元件与多路模拟开关连接。由于PVDF压电薄膜传感器属于高内阻、弱信号的传感器,在设计时稍有疏忽就会有很大的干扰信号将传感器阵列设计成夹心式多层结构,使它具有良好的绝缘性和屏蔽性,如图4、图5所示。其制作过程如下：

(1)将面积为5mm×5mm的PVDF压电薄膜嵌入绝缘薄膜上的空格内,如图所示。

(2)PVDF压电薄膜的两面分别与顶、底层的光刻电极相连接,连接材料为银粉导电胶,同时在绝缘薄膜的空白处涂上502粘合剂,干燥几分钟后,迅速将三层粘合在一起,粘合后的阵列传感器如图所示。

(3)采用数字万用表检测传感器阵列是否短路。尽管采用多层结构,传感器的总体厚度也小于2mm。

由于压电薄膜产生的是电荷信号，因此需要转换电路将电荷信号转换为电压信号。电荷放大装置是由运算放大器集成元件组成的二级放大装置,如图6所示。回路电阻两种途径。但通过增加回路电容来增加时间常数,将会降低PVDF压电薄膜传感器的灵敏度。为此,通过在回路中接入输入阻抗很高的前置放大器,以提高回路的时间常数。第一级是一个带电容反馈的高输入阻抗和高增益的运算放大器,通常商用电荷放大器的第一级采用场效应管,以提高输入阻抗满足传感器要求,对于PVDF表面,虽然绝缘内阻高达1TΩ,但在动态力作用下,当频率为10～100Hz时,其内阻降至100～10MΩ,这样输入端就不必用场效应管。选用CA3140高输入阻抗运算放大器,反馈电容C1＝0.1μF,反馈电阻R1＝15MΩ,其低频下限为0.1Hz。PVDF压电薄膜传感器受力产生的电荷,经电荷放大装置可产生毫伏级的电压,因此需要一个电压放大级实现信号的放大。电压放大级为一个标准的运算放大电路。

数字式加速度传感器用于计算用户的步频与步长。用户在水平步行运动中，垂直和前进两个加速度会呈现周期性变化。在步行收脚的动作中，由于重心向上单只脚触地，垂直方向加速度是呈正向增加的趋势，之后继续向前，重心下移两脚触底，加速度相反。水平加速度在收脚时减小，在迈步时增加。在步行运动中，垂直和前进产生的加速度与时间大致为一个正弦曲线，而且在某点有一个峰值。其中，垂直方向的加速度变化最大，通过对轨迹的峰值进行检测计算和加速度阀值决策，即可实时计算用户运动的步数，还可依此进一步估算用户步行距离。本装置左右鞋底处各配有一个数字式加速度传感器，通过数字式加速度传感器获取的结果将暂存于片外存储单元(本专利采用静态RAM芯片62128),并在检测完毕后,通过蓝牙传送到用户的智能手机进行处理与显示。

使用该装置时，压电薄膜采集压力信息，通过导线传至压力传感器，获取用户足部受力部位、受力大小、受力时间数据；数字式加速度传感器获取用户双足相对位置信息；传感器获取的数据经过数据处理芯片简单处理后，通过无线传输模块上传至数据分析模块，之后数据分析模块上通过软件工程技术诊断分析采集的用户数据，包括行走时足底的受力部位，受力大小、受力时间，双足的相对位置等，并实现数据的存储和调取，将传输到服务器的数据绘制成热力图、柱状图、折线图等直观统计图，使用大数据技术将采集的用户数据与数据库中的平均数据进行对比分析，对用户的步态进行推测分析，总结异常问题，推测可能的诱因，最后再将用户步姿健康情况及异常报警情况通过手机、网页反馈给监护人，监护人可以主动地进入网页查看幼儿的步态数据，同时当步态数据异常时，用户可通过网页弹窗和手机短信接收到报警反馈信息。

为了易于说明，实施例中使用了诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。

而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种儿童步姿检测预警装置，其特征在于：包括步姿检测装置、电源模块、数据采集模块、数据处理模块、数据分析模块、无线传输模块和反馈报警模块，

所述步姿检测装置用于幼儿穿在脚上并将数据采集模块设置在步姿检测装置上，

所述数据采集模块用于记录幼儿足底受力、双脚相对位置和幼儿行走时的重心位置，

所述数据处理模块用于处理由数据采集模块采集到的幼儿行走数据，并将该数据经由无线传输模块上传至数据分析模块，

所述数据分析模块用于将数据处理模块上传至其中的幼儿行走数据与数据分析模块中的数据库的平均数据进行分析比对，对用户步姿进行推测分析，总结异常问题，推测可能的诱因，

所述反馈报警模块用于将幼儿健康情况及异常报警情况发送至监护人的手机、网页上，监护人可以主动地进入网页或手机APP查看幼儿的步姿数据，当步态数据异常时，监护人可通过网页弹窗和手机短信接收到报警反馈信息，

所述电源模块为数据采集模块、数据处理模块、数据分析模块、无线传输模块和反馈报警模块提供电源支撑。

2.根据权利要求1所述的一种儿童步姿检测预警装置，其特征在于：所述步姿检测装置包括鞋本体、鞋底、鞋垫和模块安置部，所述鞋本体固定在所述鞋底上，在所述鞋底上还放置所述鞋垫，所述鞋底的内部后端开设有所述模块安置部，所述模块安置部内嵌装所述数据采集模块、所述数据处理模块、所述无线传输模块和电源模块。

3.根据权利要求2所述的一种儿童步姿检测预警装置，其特征在于：所述鞋垫包括棉质缓冲层、压电薄膜和透气孔，所述透气孔贯穿所述棉质缓冲层，在所述棉质缓冲层的底端与所述鞋底相接触处设置所述压电薄膜。

4.根据权利要求3所述的一种儿童步姿检测预警装置，其特征在于：所述鞋垫包括橡胶缓冲层和传输导线，在所述橡胶缓冲层内设置所述数据采集模块，所述传输导线的两端分别与所述压电薄膜和所述数据采集模块相连。

5.根据权利要求1所述的一种儿童步姿检测预警装置，其特征在于：所述数据采集模块包括压力传感器、数字式加速度传感器和步频传感器，所述压力传感器和所述数字式加速度传感器均设置在所述步姿检测装置的鞋底内，所述步频传感器设置在所述步姿检测装置的鞋垫内。

6.根据权利要求5所述的一种儿童步姿检测预警装置，其特征在于：所述压力传感器用于采集幼儿足底的受力位置与大小数据信息，并将该数据信息传输至数据处理模块。

7.根据权利要求6所述的一种儿童步姿检测预警装置，其特征在于：所述数字式加速度传感器用于记录幼儿双足在行走时的步频与步长。

8.根据权利要求7所述的一种儿童步姿检测预警装置，其特征在于：所述步频传感器用于记录幼儿每天行走的步数、行走的时间等运动信息。

9.根据权利要求1所述的一种儿童步姿检测预警装置，其特征在于：所述数据分析模块中存储有由数据采集模块采集到的幼儿行走时的足底的受力部位，受力大小、受力时间，双足的相对位置等信息，同时还存储有正常行走的幼儿行走时足底的受力部位，受力大小、受力时间，双足的相对位置等信息的平均数据。

10.根据权利要求9所述的一种儿童步姿检测预警装置，其特征在于：所述数据分析模块能够将比对数据绘制成热力图、柱状图、折线图等直观统计图，并将该图像传输至反馈报警模块上，以反馈给监护人。