CN111110246A - 一种基于高形变应变式传感器的步态分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于高形变应变式传感器的步态分析系统。包括用于放置于鞋垫内的应变片、感应电路、数据处理单元、微控制器、无线通信模块、电源模块以及智能终端；感应电路的一端与应变片电性连接，另一端与数据处理单元电性连接，微控制器分别与数据处理单元、无线通信模块、电源模块电性连接，无线通信模块还与智能终端通信连接。本发明提供的一种基于高形变应变式传感器的步态分析系统，具有结构简单，便于穿戴的特点，由于应变片放置在脚底鞋垫内，所以不会对使用者造成不适，同时也不影响其测量数据的真实性；另外，本发明提供的不太分析系统的实用性和稳定性较强，监测装置也不易脱落，稳定性高；监测成本低，适用于大多数人群。

Description

一种基于高形变应变式传感器的步态分析系统

技术领域

本发明涉及一种步态分析系统，更具体地，涉及一种基于高形变应变式传感器的步态分析系统。

背景技术

不同的步态可以从鞋底压力的分布与大小来体现出来，进而反映了人体下肢运动功能的信息。当下肢发生病变时，足底压力的分布也会相应发生变化，通过检测和分析足底压力的相关参数获得人体的某些生理或病理信息，对临床医学诊断、手术效果评价、康复训练等方面均有重要的科学意义和应用价值。

申请号为201220605605.X的发明专利公开了一种基于动作识别技术的人体步态分析系统，包括有主机、接入主机的显示器，显示器前方设置铺设有供人体行走的直线形走道，上面铺设阵列分布的压力传感器，显示器顶部设置图像采集的摄像头，通过这套系统可以快速分析出人体步态情况。但是，该结构过于复杂，需要铺设阵列压力传感器的直形走道，以及对准阵列走道的摄像头，增加了装配成本。测试者双脚还需要佩戴内置有加速度传感器和中央处理器等元器件的袖套，因此穿戴不舒服，限制了测试者的活动，这样就无法掌握真实的步态数据。此外由于实验设备的要求，此套步态分析系统只能应用于实验室环境，无法大规模普及使用。

发明内容

本发明为克服上述现有技术中的缺陷，提供一种基于高形变应变式传感器的步态分析系统，结构简单，便于穿戴。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于高形变应变式传感器的步态分析系统，包括用于放置于鞋垫内的应变片、感应电路、数据处理单元、微控制器、无线通信模块、电源模块以及智能终端；所述的感应电路的一端与应变片电性连接，另一端与数据处理单元电性连接，所述的微控制器分别与数据处理单元、无线通信模块、电源模块电性连接，所述的无线通信模块还与智能终端通信连接。数据处理单元采集的信号传输给微控制器，且微控制器向数据处理单元提供输入电压，对采集到的数据进行处理并存储在存储模块中，同时通过无线通信模块将数据发送至智能终端。智能终端的显示单元可显示实时的姿势数据，并为用户提供科学的分析和更详细更加个性化的建议。此外，用户可以通过智能终端的显示单元进行云连接，提前发现自己的步态是否有潜在的问题，是否需要提前预防，另外对于不良的步态也可以及时纠正。

进一步的，所述的应变片选用新型镍纳米复合材料，添加镀镍的碳纤维纳米材料，并选用硅酮作为基底材料。相比于其他的导电填料，纳米导电材料尤其在力学和电学上具有明显的优势。首先，纳米材料的比表面积较大，材料在一定程度上具有较高的延展性。其次，纳米材料具有较高的长径比，所以低剂量的导电填料就能获得优良的导电性，并且不会破坏柔性基体原有的力学性能，使其保持良好的柔韧性。应变片在非常小的形变范围内，应变片的阻值迅速上升并达到峰值，随后表现出反压阻效应，即随着拉伸的不断增大，应变片的阻值急剧减小最后变化趋于平缓。除此之外还有以下优点；可拉伸范围大，灵敏度高，环保且成本较低。将新型镍纳米复合应变传感器放置于鞋垫内进行测量，不仅结构简单，便于穿戴，不会影响测量数据的真实性，而且还避免使用了复杂的设备进行监测。

作为优选的，所述的应变片至少包括5片，其中3片应变片分别放置于鞋垫上对应的第一跖骨、第三跖骨和第四跖骨的位置；第四片放置在鞋垫上对应脚弓外侧的位置，第五片放置在鞋垫上对应足底的位置。一方面这些位置是脚底的主要承重部位，因此这些位置也容易发生比较大的形变，有效提高装置监测的有效性；另一方面，放置于鞋垫内不仅避免了所述监测装置对用户造成的不适，而且还提高了用户体验。

进一步的，还包括存储模块，所述的存储模块与微控制器电性连接。数据处理单元采集的信号传输给微控制器，且微控制器向数据处理单元提供输入电压，对采集到的数据进行处理并存储在存储模块中，同时通过无线通信模块将数据发送至智能终端。设置存储单元可存储实时数据，便于后期统计分析。

作为优选的，所述的智能终端包括智能手机、智能手表、智能手环或者平板电脑，智能终端单元可通过电压波形图显示实时的步行脚底压力活动曲线，电源模块为碱性电池或者纽扣电池。

作为优选的，所述的微控制器为Arduino或单片机；所述的无线通信模块使用HC-06蓝牙芯片；感应电路选用分压电路或者惠斯通电桥。

与现有技术相比，有益效果是：本发明提供的一种基于高形变应变式传感器的步态分析系统，具有结构简单，便于穿戴的特点，由于应变片放置在脚底鞋垫内，所以不会对使用者造成不适，同时也不影响其测量数据的真实性；另外，本发明提供的不太分析系统的实用性和稳定性较强，监测装置也不易脱落，稳定性高；监测成本低，适用于大多数人群。

附图说明

图1是本发明系统的整体结构示意图。

图2是本发明应变片放置于鞋垫上的位置示意图。

图3是本发明数据处理单元与微控制器的连接示意图。

图4是本发明微控制器与无线通信模块、存储模块等的连接示意图。

图5是本发明智能终端单元功能显示示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。

实施例1：

如图1至图5所示，一种基于高形变应变式传感器的步态分析系统，包括用于放置于鞋垫内的应变片、感应电路、数据处理单元、微控制器、无线通信模块、电源模块以及智能终端；所述的感应电路的一端与应变片电性连接，另一端与数据处理单元电性连接，所述的微控制器分别与数据处理单元、无线通信模块、电源模块电性连接，所述的无线通信模块还与智能终端通信连接。数据处理单元采集的信号传输给微控制器，且微控制器向数据处理单元提供输入电压，对采集到的数据进行处理并存储在存储模块中，同时通过无线通信模块将数据发送至智能终端。智能终端的显示单元可显示实时的姿势数据，并为用户提供科学的分析和更详细更加个性化的建议。此外，用户可以通过智能终端的显示单元进行云连接，提前发现自己的步态是否有潜在的问题，是否需要提前预防，另外对于不良的步态也可以及时纠正。

在其中一个实施例中，应变片选用新型镍纳米复合材料，添加镀镍的碳纤维纳米材料，并选用硅酮作为基底材料。应变片在非常小的形变范围内，应变片的阻值迅速上升并达到峰值，随后表现出反压阻效应，即随着拉伸的不断增大，应变片的阻值急剧减小最后变化趋于平缓。除此之外还有以下优点；可拉伸范围大，灵敏度高，环保且成本较低。将新型镍纳米复合应变传感器放置于鞋垫内进行测量，不仅结构简单，便于穿戴，不会影响测量数据的真实性，而且还避免使用了复杂的设备进行监测。

在其中一个实施例中，应变片至少包括5片，其中3片应变片分别放置于鞋垫上对应的第一跖骨、第三跖骨和第四跖骨的位置；第四片放置在鞋垫上对应脚弓外侧的位置，第五片放置在鞋垫上对应足底的位置。一方面这些位置是脚底的主要承重部位，因此这些位置也容易发生比较大的形变，有效提高装置监测的有效性；另一方面，放置于鞋垫内不仅避免了所述监测装置对用户造成的不适，而且还提高了用户体验。

在其中一个实施例中，智能终端包括智能手机、智能手表、智能手环或者平板电脑，智能终端单元可通过电压波形图显示实时的步行脚底压力活动曲线，电源模块为碱性电池或者纽扣电池。

在其中一个实施例中，微控制器为Arduino或单片机；无线通信模块使用HC-06蓝牙芯片；感应电路选用分压电路或者惠斯通电桥。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于高形变应变式传感器的步态分析系统，其特征在于，包括用于放置于鞋垫内的应变片、感应电路、数据处理单元、微控制器、无线通信模块、电源模块以及智能终端；所述的感应电路的一端与应变片电性连接，另一端与数据处理单元电性连接，所述的微控制器分别与数据处理单元、无线通信模块、电源模块电性连接，所述的无线通信模块还与智能终端通信连接。

2.根据权利要求1所述的基于高形变应变式传感器的步态分析系统，其特征在于，所述的应变片选用新型镍纳米复合材料，添加镀镍的碳纤维纳米材料，并选用硅酮作为基底材料。

3.根据权利要求2所述的基于高形变应变式传感器的步态分析系统，其特征在于，所述的应变片至少包括5片，其中3片应变片分别放置于鞋垫上对应的第一跖骨、第三跖骨和第四跖骨的位置；第四片放置在鞋垫上对应脚弓外侧的位置，第五片放置在鞋垫上对应足底的位置。

4.根据权利要求3所述的基于高形变应变式传感器的步态分析系统，其特征在于，还包括存储模块，所述的存储模块与微控制器电性连接。

5.根据权利要求3所述的基于高形变应变式传感器的步态分析系统，其特征在于，所述的智能终端包括智能手机、智能手表、智能手环或者平板电脑，智能终端单元可通过电压波形图显示实时的步行脚底压力活动曲线，电源模块为碱性电池或者纽扣电池。

6.根据权利要求5所述的基于高形变应变式传感器的步态分析系统，其特征在于，所述的微控制器为Arduino或单片机；所述的无线通信模块使用HC-06蓝牙芯片；感应电路选用分压电路或者惠斯通电桥。

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