CN111685442A - 一种基于超声波的步长检测运动鞋及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超声波的步长检测运动鞋及其控制方法，系统包括鞋体和设置在鞋体的鞋底前上表面的第二支撑板、设置在鞋体的鞋底后上表面的第一支撑板，第二支撑板上设置第一压力开关、第二压力开关，鞋底内设置微处理器、电池、超声波发射器、超声波发射器和蓝牙芯片，微处理器与第一压力开关、第二压力开关、电池、超声波发射器、超声波发射器和蓝牙芯片电连接，微处理器通过蓝牙芯片与手机无线连接。本发明提供一种可对行走时的步长、步频和对称性进行精确化测量并实施反馈的超声测距运动鞋，为临床当中的步态的检测和评估提供基础数据。
Description
技术领域
本发明涉及运动检测技术领域，尤其涉及一种基于超声波的步长检测运动鞋及其控制方法。
背景技术
步速、步长、步宽等步态基本时空参数在疾病的监控、预防和康复治疗中起着重要的作用，因此便捷、实时地获取这些参数的方法。三维运动步态分析是目前最为精准的测量技术，但该项技术受限于实验室环境测，且仪器昂贵，操作复杂。基于加速度计、陀螺仪和磁罗盘等传感器的可穿戴式测量设备实现了步态参数测量的便携化、快捷化，但目前这些技术存在精度低、抗干扰性差等方面的缺陷。
中国专利文献公开了一种超声测距运动鞋，中国专利申请号200810035082.8，该鞋的鞋底上安装有压力传感器、射频收发器、超声波传感器、显示屏等，可计算并显示行走或跑步的总距离。但是，该运动鞋的设计没有步长的起、止点进行严格界定并实施相应的识别、检测方法，这会导致连续行走时的步态判别错误，可能无法有效识别计算单步长以及所测数据存在较大的误差；并且该鞋没有考虑对连续行走时步长的节律性、对称性进行检测，无法满足临床步态实施检测的需求。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于超声波的步长检测运动鞋及其控制方法，以解决现有技术的不足。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于超声波的步长检测运动鞋，包括鞋体和设置在鞋体的鞋底前上表面的第二支撑板、设置在鞋体的鞋底后上表面的第一支撑板，所述第二支撑板上设置第一压力开关、第二压力开关，所述鞋底内设置微处理器、电池、超声波发射器、超声波发射器和蓝牙芯片，所述微处理器与第一压力开关、第二压力开关、电池、超声波发射器、超声波发射器和蓝牙芯片电连接，所述微处理器通过蓝牙芯片与手机无线连接。
优选的，所述电池、超声波发射器、超声波发射器和蓝牙芯片设置在所述鞋底后部，所述微处理器设置在所述鞋底前部。
优选的，所述微处理器为8051单片机。
优选的，所述电池为锂电池。
优选的，所述第一压力开关、第二压力开关为薄膜式压力开关。
一种基于超声波的步长检测运动鞋的控制方法，包括以下步骤：
步骤1、第一压力开关、第二压力开关采集脚掌垂直方向上的力，当其中一只腿运动时抬脚离地，运动脚上的压力开关检测的压力值逐渐减小，当压力开关所测得的力≤10N时，运动脚上的微处理器发出一个脉冲作为激活超声传感器的信号；
步骤2、运动脚上的超声发射器接收到激活信号时，发送超声波到支撑脚的超声波接收器接收，直到运动脚触地时激发足底压力开关，运动脚上的微处理器发出脉冲关闭超声发射器，同时微处理器记录超声发射器发送超声波到关闭超声波的时间T1；
步骤3、原来的运动脚进入支撑状态，原来的支撑脚进入运动状态，循环往复步骤1和步骤2，采集后续每一步中运动脚上的超声发射器发送超声波到关闭超声波的时间T2、T3、T4、……TN，并计算整个运动过程的步长数据。
优选的，所述计算整个运动过程的步长数据包括运动总步长L总、步长对称性、步长变异性，其中：
L总＝L1+L2+L3+……Ln，其中Ln＝C×T×1/2，Ln为测量距离(单步长)，C为超声波的传播速度，T为运动脚上的超声发射器发送超声波到关闭超声波的时间；
步长对称性＝(左侧步长-右侧步长)/右侧步长*100％；
步长变异性＝100×(步长的标准差/平均步长L)，其中平均步长L为每侧脚连续的10个单步长总步长与步数的比值；
步长的标准差的计算公式为：
式中S为标准差，L为平均步长，Li为单个步长，sqrt(X)为开方函数。
优选的，所述微处理器通过蓝牙芯片与手机无线连接，微处理器的采集数据、控制数据和运算数据均发送到手机。
本发明的有益效果是：
本发明整个运动过程中，压力开关、超声波发射器、超声波发射器相互配合实现运动总步长、步长对称性、步长变异性等数据的测定，同时运动的监测和运算数据通过蓝牙芯片无线传输到手机。运动完成后关机，APP会给出详细运动数据与运动坐标曲线。本发明提供一种可对行走时的步长、步频和对称性进行精确化测量并实施反馈的超声测距运动鞋，为临床当中的步态的检测和评估提供基础数据。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的俯视内部结构示意图。
图2是本发明的侧视内部结构示意图。
图3是本发明的控制系统原理框图。
图4是本发明的实施例的微处理器电路图。
图5是本发明的控制系统的信号关系图。
具体实施方式
如图1、2、3所示，一种基于超声波的步长检测运动鞋，其特征在于：包括鞋体和设置在鞋体的鞋底1前上表面的第二支撑板2.2、设置在鞋体的鞋底1后上表面的第一支撑板2.1，第二支撑板2.2上设置第一压力开关3.1、第二压力开关3.2，鞋底1内设置微处理器4、电池5、超声波发射器6.1、超声波发射器6.2和蓝牙芯片7，微处理器4与第一压力开关3.1、第二压力开关3.2、电池5、超声波发射器6.1、超声波发射器6.2和蓝牙芯片7电连接，微处理器4通过蓝牙芯片7与手机无线连接。
其中，电池5、超声波发射器6.1、超声波发射器6.2和蓝牙芯片7设置在鞋底1后部，微处理器4设置在鞋底1前部。电池5为锂电池，第一压力开关3.1、第二压力开关3.2为薄膜式压力开关。如图4所示，本实施例的微处理器4为8051单片机。
本发明还提供一种基于超声波的步长检测运动鞋的控制方法，包括以下步骤：
步骤1、第一压力开关、第二压力开关采集脚掌垂直方向上的力，当其中一只腿运动时抬脚离地，运动脚上的压力开关检测的压力值逐渐减小，当压力开关所测得的力≤10N时，运动脚上的微处理器发出一个脉冲作为激活超声传感器的信号；
步骤2、运动脚上的超声发射器接收到激活信号时，发送超声波到支撑脚的超声波接收器接收，直到运动脚触地时激发足底压力开关，运动脚上的微处理器发出脉冲关闭超声发射器，同时微处理器记录超声发射器发送超声波到关闭超声波的时间T1；
步骤3、原来的运动脚进入支撑状态，原来的支撑脚进入运动状态，循环往复步骤1和步骤2，采集后续每一步中运动脚上的超声发射器发送超声波到关闭超声波的时间T2、T3、T4、……TN，并计算整个运动过程的步长数据。
本实施例中，所述计算整个运动过程的步长数据包括运动总步长L总、步长对称性、步长变异性，其中：
L总＝L1+L2+L3+……Ln，其中Ln＝C×T×1/2，Ln为测量距离(单步长)，C为超声波的传播速度，T为运动脚上的超声发射器发送超声波到关闭超声波的时间；
步长对称性＝(左侧步长-右侧步长)/右侧步长*100％；
步长变异性＝100×(步长的标准差/平均步长L)，其中平均步长L为每侧脚连续的10个单步长总步长与步数的比值；
步长的标准差的计算公式为：
式中S为标准差，L为平均步长，Li为单个步长，sqrt(X)为开方函数。
本实施例中，所述微处理器通过蓝牙芯片与手机无线连接，微处理器的采集数据、控制数据和运算数据均发送到手机。
本发明的运动鞋在使用时，先开机，然后准备运动，两脚并排站立保持5秒再开始走路，整个运动过程中，压力开关、超声波发射器、超声波发射器按照上述方式相互配合实现运动总步长、步长对称性、步长变异性等数据的测定，同时运动的监测和运算数据通过蓝牙芯片无线传输到手机。运动完成后关机，可查看手机APP，APP会给出详细运动数据与运动坐标曲线，至此完成整个运动过程监测。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于超声波的步长检测运动鞋，其特征在于：包括鞋体和设置在鞋体的鞋底(1)前上表面的第二支撑板(2.2)、设置在鞋体的鞋底(1)后上表面的第一支撑板(2.1)，所述第二支撑板(2.2)上设置第一压力开关(3.1)、第二压力开关(3.2)，所述鞋底(1)内设置微处理器(4)、电池(5)、超声波发射器(6.1)、超声波发射器(6.2)和蓝牙芯片(7)，所述微处理器(4)与第一压力开关(3.1)、第二压力开关(3.2)、电池(5)、超声波发射器(6.1)、超声波发射器(6.2)和蓝牙芯片(7)电连接，所述微处理器(4)通过蓝牙芯片(7)与手机无线连接。
2.如权利要求1所述的一种基于超声波的步长检测运动鞋，其特征在于：所述电池(5)、超声波发射器(6.1)、超声波发射器(6.2)和蓝牙芯片(7)设置在所述鞋底(1)后部，所述微处理器(4)设置在所述鞋底(1)前部。
3.如权利要求1所述的一种基于超声波的步长检测运动鞋，其特征在于：所述微处理器(4)为8051单片机。
4.如权利要求1所述的一种基于超声波的步长检测运动鞋，其特征在于：所述电池(5)为锂电池。
5.如权利要求1所述的一种基于超声波的步长检测运动鞋，其特征在于：所述第一压力开关(3.1)、第二压力开关(3.2)为薄膜式压力开关。
6.一种基于超声波的步长检测运动鞋的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、第一压力开关、第二压力开关采集脚掌垂直方向上的力，当其中一只腿运动时抬脚离地，运动脚上的压力开关检测的压力值逐渐减小，当压力开关所测得的力≤10N时，运动脚上的微处理器发出一个脉冲作为激活超声传感器的信号；
步骤2、运动脚上的超声发射器接收到激活信号时，发送超声波到支撑脚的超声波接收器接收，直到运动脚触地时激发足底压力开关，运动脚上的微处理器发出脉冲关闭超声发射器，同时微处理器记录超声发射器发送超声波到关闭超声波的时间T1；
步骤3、原来的运动脚进入支撑状态，原来的支撑脚进入运动状态，循环往复步骤1和步骤2，采集后续每一步中运动脚上的超声发射器发送超声波到关闭超声波的时间T2、T3、T4、……TN，并计算整个运动过程的步长数据。
7.如权利要求6所述的一种基于超声波的步长检测运动鞋的控制方法，其特征在于，所述计算整个运动过程的步长数据包括运动总步长L总、步长对称性、步长变异性，其中：
L总＝L1+L2+L3+……Ln，其中Ln＝C×T×1/2，Ln为测量距离(单步长)，C为超声波的传播速度，T为运动脚上的超声发射器发送超声波到关闭超声波的时间；
步长对称性＝(左侧步长-右侧步长)/右侧步长*100％；
步长变异性＝100×(步长的标准差/平均步长L)，其中平均步长L为每侧脚连续的10个单步长总步长与步数的比值；
步长的标准差的计算公式为：
式中S为标准差，L为平均步长，Li为单个步长，sqrt(X)为开方函数。
8.如权利要求6所述的一种基于超声波的步长检测运动鞋的控制方法，其特征在于：所述微处理器通过蓝牙芯片与手机无线连接，微处理器的采集数据、控制数据和运算数据均发送到手机。
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