CN113303544A - 鞋垫受力传感器实测数据与理论数据偏差专用测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了鞋垫受力传感器实测数据与理论数据偏差专用测试装置，包括鞋底、设置在鞋底上的鞋垫、安装在鞋垫上的受力传感器、安装在鞋底上的光学定位传感器以及与受力传感器和光学定位传感器电连接的数据处理单元，所述数据处理单元能够通过检测受力传感器的受力数据以及光学定位传感器的移动数据判断出足部的运动状况并将判断出的足部运动状况、受力数据和移动数据一并发送给主机或控制端作进一步分析使用。本发明不仅能够检测和反映足底的受力情况以及足部的运动轨迹，而且能够不受使用环境的限制，识别多种足部的运动状况，从而便于准确的检测出人体足底移动时的实时受力数据，以便于对现有数据进行对比，研究出比较适合人体足底受力的鞋底。
Description
技术领域
本发明涉及测试领域，尤其涉及鞋垫受力传感器实测数据与理论数据偏差专用测试装置。
背景技术
人体足部的受力情况能够反映有关足的结构、功能、运动状况以及整个身体姿态控制的相关情况。通过检测人体足部的受力情况，可以分析得到有关足部的运动状况，而足部的运动状况在中风患者的康复训练、人工机器助力系统、长期足部负荷监测、宇航、军事装备等领域中均有重大的应用意义。目前，国内外已有大量研究所、高等院校、公司等机构进行相关方面的研究。国外方面，相关的应用如美国（FCAN）的步态分析仪测力鞋垫系统、德国（NOVEL）测力板系统等，他们的设备价格昂贵，且其中的核心技术没有公开；而在国内，已有的成果里如袁刚、张春来等人开发的装置，大多成本较高，或是如李炜等人的足底压力测量装置，仅能检测足底压力和应用环境，有较大的局限性。
如申请号为201310149966.7的中国专利申请公开了一种检测足底压力的脚踏板及足底力检测装置，既可单独使用，测量人体静态下的足底力分布，又可联合使用，检测患者步行状态下足底关键区域力的变化情况，但该装置的结构略显复杂且仅限于测量足底压力。
又如专利号为ZL200820171654.0的中国专利公开了一种鞋垫式足底压力测量装置，采用三维力测量传感器，设置在鞋垫对应于足部需要检测压力的位置上，将测量到的足底压力经过处理后显示出来。专利号为ZL201120084573.9的中国专利公开了一种基于足底压力的无线步态测量仪，采用薄膜压阻型压力传感器放置在左右两只鞋垫内的足底压力点，将采集到的数据发送给PC，通过软件进行信号处理以及三维显示，为康复训练医生提供定量的步态测量数据，医生则可以根据这些测得的数据制订最适合患者个体的训练计划。但是，这些技术都只是测量了足底部的压力并显示压力的大小，并没有对足部的运动状况进行分析的功能。
专利号为ZL201210150499.5的中国专利公开了一种基于足底压力的步态分析方法，通过四个压力传感器采集脚底压力信号，对采集到的脚底压力信号进行步态相位分析；比较四个压力传感器采集到的压力和与预设阈值的大小，当四个压力传感器采集到的压力和小于预设阈值时，脚底处于摆动相；反之，脚底处于支撑相。但同样只测量足底压力，并且所能分析的步状情况非常有限。
综合上述所述，目前现有的测试装置一般是基于自己测试的结果进行研究，很少有结合理论数据与实时数据差进行实际应用的研究。因此，我们基于实际应用场景研究出了用于检测鞋垫受力传感器实测数据与理论数据偏差的专用测试装置。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供鞋垫受力传感器实测数据与理论数据偏差专用测试装置，本发明设计新颖，结构简单，使用方便，成本低，效果好，不仅能够检测和反映足底的受力情况以及足部的运动轨迹，而且能够不受使用环境的限制，识别多种足部的运动状况，从而便于准确的检测出人体足底移动时的实时受力数据，以便于对现有数据进行对比，研究出比较适合人体足底受力的鞋底。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
鞋垫受力传感器实测数据与理论数据偏差专用测试装置，包括鞋底、设置在鞋底上的鞋垫、安装在鞋垫上的受力传感器、安装在鞋底上的光学定位传感器以及与受力传感器和光学定位传感器电连接的数据处理单元，所述数据处理单元能够通过检测受力传感器的受力数据以及光学定位传感器的移动数据判断出足部的运动状况并将判断出的足部运动状况、受力数据和移动数据一并发送给主机或控制端作进一步分析使用。
作为优选，所述数据处理单元包括电路板以及与电路板连接的电源模块、信号采集模块、数字信号处理器模块、微处理器模块和无线发射模块；其中：
所述电源模块用于给各电子元件进行供电；
所述信号采集模块用于采集各受力传感器的电压信号，并将采集的电压信号进行处理形成压力数据；
所述数字信号处理器模块用于对光学定位传感器每张图片的前后对比分析处理，以判断足部的移动方向以及位移；
所述微处理器模块自带有AD采集模块，用于将数据进行分析处理后传送给无线发射模块；
所述无线发射模块可将处理后的压力数据、受力数据和移动数据发送给主机或控制端作进一步的分析使用。
作为优选，所述鞋底包括上底、中底和下底；所述下底上设置有定位孔，所述定位孔中安装有光学定位传感器；所述中底上设置有支板，所述支板中设置有安装数据处理单元的容纳仓；所述上底与鞋垫贴合。采用此技术方案，以便于光学定位传感器和数据处理单元安装固定；其中，定位孔中设置有固定光学定位传感器的定位套，定位套的一侧与中底连接，另一侧不超过定位孔深度的3/4，以用于定位孔的支撑以及减少与地面的连接。
作为优选，所述鞋垫包括与上底贴合的支撑垫以及设置在支撑垫用于与足底接触的弹性垫，所述弹性垫和支撑垫之间设置有安装受力传感器的柔性垫。采用此技术方案，以便于鞋垫的支撑和变形以及回弹。
作为优选，所述受力传感器设置为薄膜压力传感器，所述薄膜压力传感器均匀设置在鞋垫上。采用此技术方案，以便于准确的检测足底各部位的受力数据。
作为优选，所述光学定位传感器设置有多个，多个所述的光学定位传感器分别位于鞋底的底部以及鞋底的侧面。采用此技术方案，从多个方向来判断鞋底的移动数据，从而能够便于更准确的判断出足底的移动轨迹。
作为优选，还包括与数据处理单元连接的陀螺仪模块，所述陀螺仪模块用于辅助光学定位传感器一起检测足底的移动轨迹。采用此技术方案，用于提高检测的精度。
本发明的有益效果是：
1.本发明不仅能够检测和反映足底的受力情况以及记录足部运动变化量的历史轨迹，不受使用外在环境的限制，识别出多种足部运动动态状况的周期变化，从而便于准确的检测出人体足底移动时的实时受力数据，便于与理论数据进行对比，发现偏差，寻找成因，研究出比较适合个体足部受力情况的鞋垫；
2.本发明与鞋垫相结合时，不仅轻巧、便携、使用舒适、结构简单、成本低，而且能够精确检测足底各部位的受力数据；
3.本发明应用于鞋垫，不仅可用于检测足底的移动数据，而且能够通过设置的数据处理单元分析出不同人群足部运动时的移动轨迹，通过移动轨迹和受力数据分析不同人群足底移动时的实时受力数据，从而便于研究出适合不同人群特点的一对一专用足底合理受力的鞋底。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明涉及的示意图；
图2为本发明涉及的鞋垫示意图；
图3为本发明涉及的鞋底结构示意图；
图4为本发明涉及的鞋垫结构示意图；
图5为本发明涉及的足底压力监测系统示意图；
图6为本发明涉及的足底压力传感器系统采集到的电压信号与输出的足底压力信息图；
图7为本发明涉及的多传感器对准实验和误差统计；
图8为本发明涉及的多传感器数据融合的三个不同层次；
图9为本发明涉及的手机APP用户信息界面和控制测量界面示意图；
图10为本发明涉及的手机APP站立测量和步行测量历史记录示意图；
图11为本发明涉及的正常人静止站立时的足底压力分布热图；
图12为本发明涉及的压力校准页面展示图；
图13为本发明涉及的压力展示图。
图中标号说明：鞋底1，鞋垫2，受力传感器3，光学定位传感器4，数据处理单元5，上底101，中底102，下底103，支板104，支撑垫201，弹性垫202，柔性垫203。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述：
参照图1至图13所示，鞋垫受力传感器实测数据与理论数据偏差专用测试装置，包括鞋底1、设置在鞋底1上的鞋垫2、安装在鞋垫2上的受力传感器3、安装在鞋底1上的光学定位传感器4以及与受力传感器3和光学定位传感器4电连接的数据处理单元5，所述数据处理单元5能够通过检测受力传感器3的受力数据以及光学定位传感器4的移动数据判断出足部的运动状况并将判断出的足部运动状况、受力数据和移动数据一并发送给主机或控制端作进一步分析使用。采用此技术方案，主机或控制端可以设置为手机或计算机。
作为优选，所述数据处理单元5包括电路板以及与电路板连接的电源模块、信号采集模块、数字信号处理器模块、微处理器模块和无线发射模块；其中：
所述电源模块用于给各电子元件进行供电；电源模块可以是纽扣电池或压电陶瓷发电片。
所述信号采集模块用于采集各受力传感器3的电压信号，并将采集的电压信号进行处理形成压力数据；
所述数字信号处理器模块用于对光学定位传感器4每张图片的前后对比分析处理，以判断足部的移动方向以及位移；
所述微处理器模块自带有AD采集模块，用于将数据进行分析处理后传送给无线发射模块；
所述无线发射模块可将处理后的压力数据、受力数据和移动数据发送给主机或控制端作进一步的分析使用。
作为优选，所述鞋底1包括上底101、中底102和下底103；所述下底103上设置有定位孔，所述定位孔中安装有光学定位传感器3；所述中底102上设置有支板104，所述支板104中设置有安装数据处理单元5的容纳仓；所述上底101与鞋垫2贴合。采用此技术方案，以便于光学定位传感器3和数据处理单元5安装固定；其中，定位孔中设置有固定光学定位传感器3的定位套，定位套的一侧与中底连接，另一侧不超过定位孔深度的3/4，以用于定位孔的支撑以及减少与地面的连接。
作为优选，所述鞋垫2包括与上底101贴合的支撑垫201以及设置在支撑垫201用于与足底接触的弹性垫202，所述弹性垫202和支撑垫201之间设置有安装受力传感器3的柔性垫203。采用此技术方案，以便于鞋垫的支撑和变形以及回弹。
作为优选，所述受力传感器3设置为薄膜压力传感器，所述薄膜压力传感器均匀设置在鞋垫2上。采用此技术方案，以便于准确的检测足底各部位的受力数据。
作为优选，所述光学定位传感器4设置有多个，多个所述的光学定位传感器4分别位于鞋底1的底部以及鞋底1的侧面。采用此技术方案，从多个方向来判断鞋底的移动数据，从而能够便于更准确的判断出足底的移动轨迹。
作为优选，还包括与数据处理单元5连接的陀螺仪模块，所述陀螺仪模块用于辅助光学定位传感器4一起检测足底的移动轨迹。采用此技术方案，用于提高检测的精度
作为优选，所述无线发射模块包括wifi模块或蓝牙模块。
具体实施例
鞋垫受力传感器实测数据与理论数据偏差专用测试装置，如图5所示，通过左、右脚上的薄膜压力传感器和光学定位传感器检测被测对象的足底受力数据以及运行数据，并将检测的数据分别发送给各自脚上的数据处理单元，由数据处理单元处理分析后，通过蓝牙发送给手机，由手机中的APP软件根据其设定的程序进行分析计算处理，然后，通过APP软件进行存储记录以及显示。其中，APP软件中设置有理论数据库，理论数据库中收录有现有理论中的相关数据记录，由APP软件根据被测人员的相关信息，提取与其相关的数据、并与被检测的数据进行比对，从而得到与被测数据的偏差。
如图8所示，在图a中通过数据层融合技术将多个传感器检测的数据进行数据融合，并在数据融合后提取相应的技术特征进行模式识别；在图b中通过特征层融合技术将多个传感器所检测的数据进行特征提取，并将提取后的特征进行特征融合，并在特征融合后进行模式识别；在图c中通过决策层融合技术将多个传感器检测的数据进行特征提取后，并将提取后的特征进行模式识别，最后进行决策融合。
具体的，在实际使用时，先由鞋垫上的受力传感器检测静止状态下的足底受力数据，然后通过受力传感器和光学定位传感器检测足底运动时的运动受力数据以及移动轨迹，并通过分析不同的移动轨迹判断足底运动时的运动受力数据与足底受力数据之间的偏差，从而便于研究出适合不同人群的鞋底。例如，在步行、跑步、跳跃、徒步等方面，通过鞋底的移动轨迹分析步行、跑步、跳跃、徒步等情况下的受力数据与足底受力数据的偏差，从而便于研究出适合步行、跑步、跳跃、徒步等受力均衡的鞋底，以满足不同人群的使用。
具体的，大量的实验数据、比对纠正、数据分析及相关设备的使用说明，材料较多，本领域技术人员可登陆广东轻工职业技术学院体育部的网址，或微信公众号：体能训练工作室，访问本课题项目组公开的相关资料，本项目组是林鹏博士的运动康复与体能训练工作室，欢迎本领域技术人员和用户学习交流和合作。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.鞋垫受力传感器实测数据与理论数据偏差专用测试装置，其特征在于：包括鞋底（1）、设置在鞋底（1）上的鞋垫（2）、安装在鞋垫（2）上的受力传感器（3）、安装在鞋底（1）上的光学定位传感器（4）以及与受力传感器（3）和光学定位传感器（4）电连接的数据处理单元（5），所述数据处理单元（5）能够通过检测受力传感器（3）的受力数据以及光学定位传感器（4）的移动数据判断出足部的运动状况并将判断出的足部运动状况、受力数据和移动数据一并发送给主机或控制端作进一步分析使用。
2.根据权利要求1所述的鞋垫受力传感器实测数据与理论数据偏差专用测试装置，其特征在于：所述数据处理单元（5）包括电路板以及与电路板连接的电源模块、信号采集模块、数字信号处理器模块、微处理器模块和无线发射模块；其中：
所述电源模块用于给各电子元件进行供电；
所述信号采集模块用于采集各受力传感器（3）的电压信号，并将采集的电压信号进行处理形成压力数据；
所述数字信号处理器模块用于对光学定位传感器（4）每张图片的前后对比分析处理，以判断足部的移动方向以及位移；
所述微处理器模块自带有AD采集模块，用于将数据进行分析处理后传送给无线发射模块；
所述无线发射模块可将处理后的压力数据、受力数据和移动数据发送给主机或控制端作进一步的分析使用。
3.根据权利要求1所述的鞋垫受力传感器实测数据与理论数据偏差专用测试装置，其特征在于：所述鞋底（1）包括上底（101）、中底（102）和下底（103）；所述下底（103）上设置有定位孔，所述定位孔中安装有光学定位传感器（3）；所述中底（102）上设置有支板（104），所述支板（104）中设置有安装数据处理单元（5）的容纳仓；所述上底（101）与鞋垫（2）贴合。
4.根据权利要求1所述的鞋垫受力传感器实测数据与理论数据偏差专用测试装置，其特征在于：所述鞋垫（2）包括与上底（101）贴合的支撑垫（201）以及设置在支撑垫（201）用于与足底接触的弹性垫（202），所述弹性垫（202）和支撑垫（201）之间设置有安装受力传感器（3）的柔性垫（203）。
5.根据权利要求1所述的鞋垫受力传感器实测数据与理论数据偏差专用测试装置，其特征在于：所述受力传感器（3）设置为薄膜压力传感器，所述薄膜压力传感器均匀设置在鞋垫（2）上。
6.根据权利要求1所述的鞋垫受力传感器实测数据与理论数据偏差专用测试装置，其特征在于：所述光学定位传感器（4）设置有多个，多个所述的光学定位传感器（4）分别位于鞋底（1）的底部以及鞋底（1）的侧面。
7.根据权利要求1所述的鞋垫受力传感器实测数据与理论数据偏差专用测试装置，其特征在于：还包括与数据处理单元（5）连接的陀螺仪模块，所述陀螺仪模块用于辅助光学定位传感器（4）一起检测足底的移动轨迹。
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| CN113303544B (zh) | 2024-03-29 |
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