CN114034418A - 基于光电感应的足底压力传感鞋垫 - Google Patents
基于光电感应的足底压力传感鞋垫 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了基于光电感应的足底压力传感鞋垫，利用光敏电阻在环境光强度不同的情况下表现出不同电阻特性的特点来设计和制造一种光电感应的足底压力传感方案，鞋垫设计方案能够体现出基于该原理的压力传感鞋垫，可对足底压力进行监测和信息获取，并在诸如动力外骨骼机器人系统等应用场景中发挥作用，为人体运动辅助系统提供足底交互信息。基于光电感应的足底压力传感鞋垫主要包括模块化光电压力传感单元的设计与制造、压力传感特性分析系统、足底压力传感鞋垫方案的设计、及其信号采集电路系统的搭建，在结合动态实验获得的数据对其步态相关参数进行计算，验证基于光电传感原理的压力传感鞋垫在实际应用中的可行性。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于光电感应的足底压力传感鞋垫设计方法，应用于足底压力信息感知 研究领域。
背景技术
双足与地面的交互接触是人体运动动态信息中最直观的一种表现，足底压力数据包含了 丰富的人体步态与姿态信息，能够帮助判断人当前所处的运动状态，是作为人体辅助运动控 制系统输入的重要参考信息来源。因此，考虑到便利性、可靠性、无干扰等要求，压力传感 鞋垫的正确设计和验证是一个很大的挑战。采用固定的测力平台系统，如相机运动捕捉系统， 测力平台系统等，为探索行走过程中的基础生物力学规律提供了一个简便有效的途径。但是， 基于固定测力平台的系统只能在有限的空间内使用，并且搭建费用和维护费用昂贵。当效率， 便携性，以及足底压力感知同时被要求时，压力敏感型的鞋垫/袜子提供了更好的权衡，这些 装备通常以柔性材料为媒介，例如硅胶，纺织品，复合材料等，采用不同的感应原理，例如， 压阻式，电容式，压电式等，为便携式的可穿戴足底压力测量系统的运动信息采集这一应用 提供了有力的技术支持。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于光 电感应效应的足底压力传感鞋垫，利用光敏电阻在环境光强度不同的情况下表现出不同电阻 特性的特点来设计和制造一种光电感应的足底压力传感方案，鞋垫设计方案体现出压力传感 鞋垫可以对足底压力进行监测和信息获取，并在诸如动力外骨骼机器人系统等应用场景中发 挥作用，为人体运动辅助系统提供足底交互信息。
本发明采用如下技术方案：
一种基于光电感应的足底压力传感鞋垫，在具有柔性材料制成的鞋垫本体中设置光电压 力传感单元、锂电池，并对压力传感特性进行分析；
所述光电压力传感单元包括光发射器、光接收器、弹性透光介质和电气连接线，发射器 和光接收器安装在柔性电路板上，光发射器的发射端正对光接收器的感光部，在发射器、光 接收器之间设置弹性透光介质，所述弹性透光介质为透明材料介质或者带孔的非透明材料介 质；当弹性透光介质采用非透明材料时，孔洞为光发射器、光接收器之间的通光孔；
设置所述压力传感特性分析系统，包括数据预处理和数据存储模块、微控制器，在微控 制器的控制下，光电压力传感器采集的信号经过数据预处理和数据存储模块，进行模数转化 并存储，所存储的数据用于离线分析和评估足底压力；
所述足底压力传感鞋垫的使用者在步行过程中，脚掌通过鞋垫地面上施加作用力，鞋垫 在垂直于鞋面的方向上发生一定程度的形变；在形变过程中，光发射器与光接收器之间的距 离发生变化，引发光接收器的感光强度的变化，进而触发光接收器的电气参数变化，所述压 力传感特性分析系统通过分析光接收器的采集信号，实现对足底压力分布的数据测量。
优选地，一个所述光发射器、一个光接收器和弹性透光介质组成单体的光电压力传感单 元，设置于同一个鞋垫本体中一系列光电压力传感单元，组成光电压力传感器。
优选地，光电压力传感单元为立方体结构，其长度或宽度不低于2cm，其厚度不大于1cm。
优选地，光电压力传感单元的布局参考足底压力分布，由至少6个光电压力传感单元组 成传感器系统，可采用如下二种方案中的至少一种方案：
第一个方案：不同的光电压力传感单元分别设置在鞋垫上对应第一脚趾、第三脚趾、第 一跖骨、第五跖骨、足弓外侧、脚后跟这6个位置处；
第二个方案：不同的光电压力传感单元分别设置在鞋垫上对应第一脚趾、第一跖骨、第 五跖骨、足弓外侧两个、脚后跟这5个位置处，其中在鞋垫上对应足弓外侧位置处设置2个 光电压力传感单元。
优选地，弹性透光介质采用半透明硅胶作为主料，并配以相应的增塑剂催化硅胶进行凝 固反应，并以软化剂作为硬度中和剂，形成弹性介质。
优选地，按照重量比为计算，硅胶和软化剂的配比为4：1。
优选地，所述锂电池采用5～12V的聚合物锂电池。
优选地，所述光发射器采用光电二极管，所述光接收器采用光敏电阻，利用光敏电阻在 环境光强度不同的情况下表现出的电阻不同，即光敏电阻的阻值随着入射光强度的增大而减 小的关系，进行压力传感特性分析。
优选地，将光电二极管和光敏电阻安装在柔性电路板，在光电二极管和光敏电阻之间设 置用于吸收被施加压力并在压力撤销时复原的弹性透光介质。
优选地，所有电气连接线被引导至鞋垫对应脚后跟位置处的出口，并固定在传感器不相 互妨碍的空余位置处。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明基于光电感应原理开发了压力感应鞋垫的硬件结构设计与信号采集系统，其制 备所使用的材料获取方式便捷，成本低；在模块化传感单元的设计方面，模块化传感器为压 力传感鞋垫解决方案的布局提供了灵活性；本发明提供的方法，为保障基于光电感应的足底 压力传感鞋垫的稳定性，需要做大量可重复性实验；
2.本发明根据传感器的特性分析与校准需求，衍生设计了一款特性分析系统，该特性分 析系统能够在可编程控制条件下完成，包括但不限于本发明设计的压力传感器压力测试工作， 提供可变进给量的测试条件，相比于手动增加固定单位的载荷重量，借助3D打印机机械框 架使得校准加载/卸载过程更加可控；
3.本发明根据人体足底压力分布所进行布局的足底压力传感鞋垫方案，能够对人体行走 运动过程中的足底压力信息进行采集并存储，为人体运动辅助类设备提供可靠有效的人体运 动信息感知方案。
附图说明
图1为本发明优选实施例的光电感应原理图与受力加载图。
图2为本发明优选实施例的传感单元内部柔性电路图。其中，插图A为从灯带上切下单 个LED单元；插图B用光敏电阻代替LED灯珠；插图C焊接电源线和信号线；插图D将LED灯条和光敏电阻条焊接在一起。
图3为本发明优选实施例的传感单元柔性模块的集成过程图。其中，插图A为硅胶挡板 浇注，插图B为传感器单元固定在硅胶挡板上；插图C为放入模具中，加入硅胶混合物等待 凝固。
图4为本发明优选实施例制造完成的传感单元图。其中，插图(a)为非供电状态；插图 (b)为供电状态。
图5为本发明优选实施例的压力传感单元特性分析设备。
图6为本发明优选实施例的足底压力分布与鞋垫方案图。三幅图从左到右依次为(a)站 立时典型的足底压力分布、(b)第一种鞋垫布局方案、(c)第二种鞋垫布局方案。
图7为本发明优选实施例的两种鞋垫方案的右脚实物图。其中，插图(a)为非供电的1 号鞋垫；插图(b)为供电的1号鞋垫；插图(c)为非供电的2号鞋垫；插图(d)为供电的 2号鞋垫。
图8为本发明优选实施例的电路系统及Arduino UNO扩展集成电路板图。其中，插图(a) 为电路系统框架图；插图(b)为Arduino UNO扩展集成电路板结构。
图9为本发明优选实施例的传感单元特性图。其中，插图(a)机械特性图；插图(b)为电 气特性图。
图10为本发明优选实施例的两种鞋垫方案压力中心轨迹曲线图。其中，(a)为第一种鞋 垫方案，(b)为第二种鞋垫方案。
图11为本发明优选实施例的实验所用到设备及其佩戴示意图。其中，插图(a)为实验使 用的设备；插图(b)为传感系统穿戴后视；插图(c)为传感系统穿戴前视图。
图12为本发明优选实施例的鞋垫双脚足底压力信号曲线图。其中，(a)右脚足底压力信 号曲线，(b)左脚足底压力信号曲线。
具体实施方式
以下结合具体的实施例对上述方案做进一步说明，本发明优选的实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，参见图1，一种基于光电感应效应的足底压力传感鞋垫，在具有柔性材 料制成的鞋垫本体中设置光电压力传感单元、锂电池，并对压力传感特性进行分析；
所述光电压力传感单元包括光发射器、光接收器、弹性透光介质和电气连接线，发射器 和光接收器安装在柔性电路板上，光发射器的发射端正对光接收器的感光部，在发射器、光 接收器之间设置弹性透光介质，所述弹性透光介质为透明材料介质或者带孔的非透明材料介 质；当弹性透光介质采用非透明材料时，孔洞为光发射器、光接收器之间的通光孔；
设置压力传感特性分析系统，包括数据预处理和数据存储模块、微控制器，在微控制器 的控制下，光电压力传感器采集的信号经过数据预处理和数据存储模块，进行模数转化并存 储，所存储的数据用于离线分析和评估足底压力；
所述足底压力传感鞋垫的使用者在步行过程中，脚掌通过鞋垫地面上施加作用力，鞋垫 在垂直于鞋面的方向上发生一定程度的形变；在形变过程中，光发射器与光接收器之间的距 离发生变化，引发光接收器的感光强度的变化，进而触发光接收器的电气参数变化，所述压 力传感特性分析系统通过分析光接收器的采集信号，实现对足底压力分布的数据测量。
本实施例利用光敏电阻在环境光强度不同的情况下表现出不同电阻特性的特点来设计和 制造一种新颖的足底压力传感方案，鞋垫设计方案能够体现出基于该原理的压力传感鞋垫在 需要对足底压力进行监测和控制信息获取的应用场景中能够发挥作用，为诸如动力外骨骼机 器人系统等类型的人体运动辅助系统提供足底交互信息。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一个所述光发射器、一个光接收器和弹性透光介质组成单体光电压力传 感单元，设置于同一个鞋垫本体中一系列光电压力传感单元组成光电压力传感器。
在本实施例中，光电压力传感单元为立方体结构，其长度或宽度不低于2cm，其厚度不 大于1cm。
在本实施例中，光电压力传感单元的布局参考足底压力分布，采用至少6个光电压力传 感单元组成传感器系统，采用如下任意一种方案：
第一个方案：不同的光电压力传感单元分别设置在鞋垫上对应第一脚趾、第三脚趾、第 一跖骨、第五跖骨、足弓外侧、脚后跟这6个位置处；
第二个方案：
不同的光电压力传感单元分别设置在鞋垫上对应第一脚趾、第一跖骨、第五跖骨、足弓 外侧两个、脚后跟这5个位置处，其中在鞋垫上对应足弓外侧位置处设置2个光电压力传感 单元。
第一步，弹性透光介质采用半透明硅胶作为主料，并配以相应的增塑剂催化硅胶进行凝 固反应，并以软化剂作为硬度中和剂，形成弹性介质。
第二步，按照重量比为计算，硅胶和软化剂的配比为4：1。
第三步，所述锂电池采用5～12V的聚合物锂电池。
第四步，所述光发射器采用光电二极管，所述光接收器采用光敏电阻，利用光敏电阻在 环境光强度不同的情况下表现出的电阻不同，即光敏电阻的阻值随着入射光强度的增大而减 小的关系，进行压力传感特性分析。
第五步，将光电二极管和光敏电阻安装在柔性电路板，在光电二极管和光敏电阻之间设 置用于吸收被施加压力并在压力撤销时复原的弹性透光介质。
第六步，所有电气连接线被引导至鞋垫对应脚后跟位置处的出口，并固定在传感器不相 互妨碍的空余位置处。
本实施例基于光电感应原理开发了压力感应鞋垫的硬件结构设计与信号采集系统，其制 备所使用的材料获取方式便捷，成本低；在模块化传感单元的设计方面，模块化传感器为压 力传感鞋垫解决方案的布局提供了灵活性。
实施例三：
本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种基于光电感应效应的足底压力传感鞋垫，包括如下：
a.模块化光电压力传感单元设计与制造
与整体布局相比，模块化的传感解决方案更易于定制化。按照感应原理设计模块化感应 单元，可根据不同的足部尺寸来调整传感器布局，用于压力感应鞋垫的后续设计。模块化传 感单元主要包括三个部分：
(1)含有光电二极管和光敏电阻的柔性电路板；
(2)用于吸收被施加压力并在压力撤销时复原的弹性透光介质；
(3)必要的电气连接线。
通过修改商用LED灯带获得发光元件和感光元件柔性电路板，如附图2所示。该LED灯带基于柔性印刷电路板(FPC)，具有5V供电的光电二极管和相应的限流电阻，每个发光二极管均独立供电，在正极和负极连接到5V电源时即可正常工作。值得注意的是，该LED 灯带中的发光二极管的型号为5050贴片式，意味着LED焊接封装可以容纳1206SMD的表 面贴片光敏电阻封装。因此，本发明选用1206SMD表面贴片封装型的光敏电阻，根据正负 极性，替换LED灯带中的灯珠。从分压电路的节点处焊接一根信号导线并引出。在使用跳线 连接LED灯条和光敏电阻条后，使用热熔胶覆盖焊接点以提高其可靠性。
本发明以半透明硅胶作为模块化传感单元的主要弹性介质，并配以相应的增塑剂催化硅 胶的凝固反应。在随后的试验中，以软化剂(二甲基硅油)作为硬度中和剂，对透光介质的 弹性特性进行改良，来解决由于仅使用硅胶来制备传感单元所形成的光导介质硬度较高，而 导致传感信号不明显的问题。将不同比例的硅胶与软化剂进行混合，最终确定合适比例的混 合液作为弹性体介质，其重量比为硅胶：软化剂＝4：1。
使用三维建模软件设计多个浇注模具，并使用FDM3D打印机制造模具。其中一个模具， 用于制作传感器单元的硅胶外壳挡板(厚度为1mm)，另一个模具用来集成整个传感器单元 包括硅胶外壳挡板，电路，弹性介质。将传感单元电路固定在两个硅胶外壳挡板的凹槽中， 并最终随着固化的硅胶介质一同集成为整体的过程，浇注过程如附图3所示。制造完成的传 感单元供电状态及未供电状态如附图4所示，最终尺寸为长度2cm、宽度2cm、厚度7mm的 方形传感器。
b.光电传感单元特性分析系统
为了分析模块化传感单元的机械和电气特性，以及标定准静态压力和输出信号之间的映 射关系，需要对传感单元进行了特性评估实验，本发明设计一种改进版的校准分析系统，如 附图5所示。校准分析仪器的搭建，用于测量静态载荷测试期间的载荷力和变形，校准仪器 是一种由三部分组成的微型系统：
(1)HX711测力单元，其两侧均有螺栓连接的3D打印硬质塑料(PLA)板；
(2)HX711放大器电路模块；(3)Arduino NANO微控制器，用于收集和记录来自校准仪器的数据；将上述校准分析仪器替换FDM3D打印机的原始打印平台，同时FDM3D打印 机的打印头也根据不同的测试目的替换为相应的接触压头，可以通过为3D打印机编写G-code控制代码来设计加载、卸载测试。相比于手动增加固定单位的载荷重量，借助3D打印机机械框架使得校准加载/卸载过程更加可控。针对本发明所设计的传感单元，其特性分析结果包 含机械特性和电器特性，如附图9所示。
c.足底压力传感鞋垫方案
基于光电式压力传感单元开展柔性压力感应鞋垫的设计和制造方法，传感单元在压力传 感鞋垫中的布局选择需要将足底压力分布充分考虑在内。由于足底不规则表面，以及动态变 化的接触位置，压力并不是均匀地分布在鞋垫的所有表面上，例如，足弓内侧的压力很小， 而脚后跟和前脚区域具有更大的压力。附图6是正常人站立状态时的足底压力分布图，从热 力图中可以观察出足底压力主要分布在脚后跟，脚前掌和脚趾等区域，其中脚趾区域的力主 要位于大拇指上。因此，将传感器布局在这些位置上能够提供足底压力更加相关的数据。由 于足部尺寸在不同人之间的变化差异还是比较明显的，而且压力传感鞋垫中的布局并没有一 个绝对正确的指导方案，因此初步制作了两个柔性压力鞋垫方案，如附图6所示，传感器的 布局主要参考前述的足底压力分布。第一个方案中，传感器被放置在第一脚趾、第三脚趾、 第一跖骨、第五跖骨、足弓外侧、脚后跟这六个地方。第二个方案中，传感器被放置在第一 脚趾、第一跖骨、第五跖骨、足弓外侧两个、脚后跟这六个地方。
d.足底压力传感鞋垫制造及其信号采集电路
首先，设计并3D打印制备43码鞋垫(右脚)的浇注模具；
其次，传感单元按照技术方案e提出的两种方案布局被固定在鞋垫模具的相应位置，每 种方案6个传感器；然后，所有的导线被引导至鞋垫模具脚后跟处的出口并固定在传感器不 相互妨碍的空余位置；接着，在用盖子将模具出口封闭之后，浇倒入与传感单元内部弹性介 质混合比例相同的硅胶混合液，静置4小时使其凝固；最后，将所有的电源供电线焊接成总 线便于外部供电。两种足底压力传感鞋垫方案非供电状态与供电状态下的样子如附图7所示。 附图8给出了系统框架设计，主要用于测量传感器的信号并记录数据。电路系统主要用于传 感器信号采集，数据预处理和数据存储，其中包含微控制器模块，数据存储模块和电源设备。 传感单元的分压电路集成在传感单元内部，无需额外使用调制电路和运算放大器对信号进行 处理。来自压力传感鞋垫的信号通道(单脚6个，双脚12个)连接到16通道的多路复用器 模块(HC4067，NXP)的输入端口。在微控制器(Arduino UNO)的控制下，多路复用器依 次遍历所有的连接通道，并将采集到的模拟信号传输到微控制器的模拟输入口，并经过内置 的ADC(模数转化器)转化电压信号为数字信号进行存储。传感器信号数据被记录在SD卡 内的文件中，用于离线分析和评估足底压力感应鞋垫的性能。为了提高整体的易用性，设计 并加工一套Arduino UNO扩展板将上述的所有模块集成到如附图8(右)所示的电路板中， 整个系统的供电可以5V～12V的聚合物锂电池进行供电。
e.足底压力中心步态参数
COP(Center ofPressure)被广泛用于足底压力相关参数的研究，可作为验证压力传感鞋 垫的一种最直接的评估参数。在运动过程中，由于身体重心的移动，足底压力中心表现出周 期性的趋势，即在单只脚中从脚跟向脚尖移动，并在两脚之间来回切换，因此，基于所设计 的两种压力传感方案进行了COP的计算，其中COP分为沿着内外侧方向的COPx和前后侧方 向的COPy，他们的计算方法如公式(1)和公式(2)所示。
其中，Xi和Yi分别表示传感器在鞋垫布局沿着内外侧方向和前后侧方向上的位置定位， Pi表示的是第i传感器采集到的传感信号。由于理论上足底压力中心仅存在于被观测腿站立 阶段，即脚掌与地面接触期间，因此，处于摆动状态的被观测腿是不存在足底压力中心的。 因此，特定义在下肢摆动过程中的足底压力中心位于(0，0)，以便于区别站立相位和摆动相 位。
f.鞋垫方案对比分析及信号采集实验
采用发明内容b中的特性分析系统，对所设计的模块化传感单元进行相应的机械特性和 电气特性校验。使用发明内容c中给出的鞋垫方案，在室内走廊开展信号采集实验(单脚足 底信号)并对比方案，两种方案所采集的信号经过发明内容e的计算公式得到各自的压力中 心转移曲线，如附图10所示，在比较出更优方案后制备其左脚鞋垫，并继续完成相应的信号 采集实验(双脚足底信号)，采集实验所使用到的设备以及相应的穿戴方式参见附图11。
利用光敏电阻在环境光强度不同的情况下表现出不同电阻特性的特点来设计和制造一种 新颖的足底压力传感方案，原理示意图参见图1，鞋垫设计方案能够体现出基于该原理的压 力传感鞋垫在需要对足底压力进行监测和控制信息获取的应用场景中能够发挥作用，为诸如 动力外骨骼机器人系统等类型的人体运动辅助系统提供足底交互信息。
上述实施例提供了一套完整的基于光电感应原理的压力感应鞋垫的硬件结构设计与信号 采集系统的设计，其主要传感技术依赖于光敏电阻在环境光强度不同的情况下表现出的电阻 特性不同，即光敏电阻的阻值随着入射光(可见光)强度额增大而减小，光电感应原理被模 块化在承受压力的传感单元内。结合足底压力分布给出两种不同传感单元布局方案并分别对 其进行足底压力数据采集实验分析。利用改进的低成本压力标定仪研究了传感器特性。
本发明上述实施例基于光电感应效应的足底压力传感鞋垫，利用光敏电阻在环境光强度 不同的情况下表现出不同电阻特性的特点来设计和制造一种新颖的压力传感方案，鞋垫设计 方案能够体现出基于该原理的压力传感鞋垫在需要对足底压力进行监测和控制信息获取的应 用场景中能够发挥作用，为诸如动力外骨骼机器人系统等类型的人体运动辅助系统提供足底 交互信息。主要包括模块化光电压力传感单元设计与制造、压力传感特性分析系统、足底压 力传感鞋垫方案的设计及其信号采集电路系统的搭建，在结合动态实验获得的数据对其步态 相关参数进行计算，验证基于光电传感原理的压力传感鞋垫在实际应用中的可行性。
实施例四：
本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，提供了一套完整的基于光电感应原理的压力感应鞋垫的硬件结构设计与 信号采集系统的设计，其主要传感技术依赖于光敏电阻在环境光强度不同的情况下表现出的 电阻特性不同，即光敏电阻的阻值随着入射光(可见光)强度额增大而减小，光电感应原理 被模块化在承受压力的传感单元内。结合足底压力分布给出两种不同传感单元布局方案并分 别对其进行足底压力数据采集实验分析。利用改进的低成本压力标定仪研究了传感器特性。
对本发明的权力要求如下：
1)光电-压力传感原理
在步行过程中，脚掌通过鞋垫地面上施加作用力，鞋垫在垂直于鞋面的方向上发生一定 程度的形变。在形变过程中，光发射器(发光二极管)与光接收器(光敏电阻)之间的距离 发生变化引发感光强度的变化，进而触发光敏电阻的电阻变化。利用光电技术捕捉足底压力 硬气的鞋垫微小变形，在有限的狭窄空间中进行合理的结构设计布局，并为光电感应原理通 过适合的条件(透光介质)。
2)模块化传感单元设计与制造
根据感应原理设计模块化感应单元，使其能够根据不同的足部尺寸来调整传感器的布局， 用于后续压力感应鞋垫的设计。模块化传感单元主要由三部分组成：包含光电二极管和光敏 电阻的柔性电路板；用于吸收被施加压力并在压力撤销时复原的弹性透光介质；一些必不可 少的电气连接线。
2-1)柔性电路板
采用一种低成本的方法应用光电感应技术，通过修改商用LED灯带来实现发光元件和感 光元件。本发明基于柔性印刷电路板(FPC)，具有5V供电的光电二极管及相应的限流电阻。 每一个LED都独立供电，当正负极连接到5V电源时，就可以正常工作。由于LED灯带内的 LED型号为5050贴片式的LED焊接封装，可容纳1206SMD的表面贴片光敏电阻封装。因此选择1206SMD表面贴片封装型的光敏电阻，根据其正负极性更换LED灯带上的灯珠。从 分压电路节点处焊接信号导线，并采用跳线连接LED灯条和光敏电阻器条，用热熔胶包覆焊点以提高其可靠性。
2-2)柔性透光介质
本发明以半透明硅胶作为主要的弹性介质，并配以相应的增塑剂催化硅胶的凝固反应。 在仅使用硅胶来制备传感单元所形成的光导介质硬度较高的情况下，可借助软化剂(二甲基 硅油)作为硬度中和剂，对透光介质的弹性特性进行优化。将不同比例的硅胶与软化剂进行 混合，最终确定合适比例的混合液作为弹性体介质，其重量比为硅胶：软化剂＝4：1(比例可 以根据不同承载情况进行调整)。
2-3)传感单元集成
使用建模软件设计多个浇注模具，并使用FDM3D打印机制作相应模具。其中包含，一个 用于制作传感器单元的硅胶外壳挡板的模具，一个用于集成整个传感器单元(包括硅胶外壳 挡板，电路，弹性介质)的模具。将传感单元电路固定在两个硅胶外壳挡板的凹槽中，并最 终随着固化的硅胶介质一同集成为整体。制造完成的传感单元最终尺寸：宽度2cm，长度2cm， 高度7mm的方形传感器。
3)光电传感单元特性分析系统
本发明设计一种改进版的校准分析系统用于分析模块化传感单元的机械和电气特性，以 及标定准静态压力和输出信号之间的映射关系，需要对传感单元进行了特性评估实验。首先， 搭建校准仪器，用于测量静态载荷测试期间的载荷力和变形，校准仪器是一种由三部分组成 的微型系统：(1)HX711测力单元，其两侧均有螺栓连接的3D打印硬质塑料(PLA)板；(2) HX711放大器电路模块；(3)Arduino NANO微控制器，用于收集和记录来自校准仪器的数据； 其次，用校准仪器替换FDM3D打印机的原始打印平台，同时打印机的打印头根据不同的测试 目的替换相应的接触压头，通过编写G-code控制3D打印机进行加载、卸载测试。
4)足底压力传感鞋垫方案
基于上述模块化光电式压力传感单元开展的柔性压力感应鞋垫的设计和制造方法，传感 单元在压力传感鞋垫中的布局选择需要将足底压力分布充分考虑在内。由于足部尺寸在不同 人之间的变化差异还是比较明显的，而且压力传感鞋垫中的布局并没有绝对正确的指导方案， 因此根据本发明按照足部尺寸(43码)初步制作了两个柔性压力鞋垫方案。第一个方案中， 传感器被放置在第一脚趾、第三脚趾、第一跖骨、第五跖骨、足弓外侧、脚后跟这六个地方。 第二个方案中，传感器被放置在第一脚趾、第一跖骨、第五跖骨、足弓外侧两个、脚后跟。
首先，设计并3D打印制作了43码鞋垫(右脚)的浇注模具；其次，传感单元按照两种方案布局(每种方案6个传感器)被固定在鞋垫模具的相应位置；然后，所有的导线被引导至鞋垫模具脚后跟处的出口并固定在传感器不相互妨碍的空余位置；接着，在用盖子将模具 出口封闭之后，浇倒入与传感单元内部弹性介质混合比例相同的硅胶混合液，静置4小时使 其凝固；最后，将所有的电源供电线焊接成总线便于外部供电。图7所展示的是两种足底压 力传感鞋垫方案非供电状态与供电状态下的样子。
5)信号采集电路设计
搭建传感器信号采集电路系统用于测量传感器的信号并记录数据。电路系统主要用于传 感器信号采集，数据预处理和数据存储，其中包含微控制器模块，数据存储模块和电源设备。 由于传感单元的分压电路已经集成在传感单元内部，因此无需额外使用调制电路和运算放大 器对信号进行处理。来自压力传感鞋垫的信号通道连接到多路复用器模块(包括但不限于 HC4067，NXP)的输入端口。在微控制器(包括但不限于Arduino UNO)的控制下，多路复 用器依次遍历所有的连接通道，并将采集到的模拟信号传输到微控制器的模拟输入口，并经 过内置的ADC(模数转化器)转化电压信号为数字信号进行存储。传感器信号数据被记录在 SD卡内的文件中，用于离线分析和评估足底压力感应鞋垫的性能。为提高整体的易用性，设 计Arduino UNO扩展板将上述的所有模块集成，系统由5V～12V的聚合物锂电池进行供电。
6)传感器特性分析试验
使用自主设计的校准分析系统，对单个传感器进行特性分析实验，得出一批(包括但不 仅限于6个)传感单元的刚度(力-应变响应)，灵敏性(电阻-力响应)的结果。特性分析实验主要是以压头锚定传感单元中心，垂直于压力传感表面的静态载荷测试。静态负载测试 定义为，在垂直于传感器表面步进0.025mm后停留3秒钟时间，以便有足够的时间进行稳定 的测量。步进距离最大为1mm(占传感单元厚度的14.3％)，在加载过程结束后，按照同样的步进距离和驻留时间完成卸载过程，直至压头离开传感单元表面。
在机械特性方面，所有的传感单元表现出一定的机械滞后特性，按照对机械滞后特性的 量化方法，通过计算曲线中加载程和横轴围成的面积与卸载程与横轴围成的面积的比值，来 量化机械滞后特性，压力传感单元的机械特性较为一致，这主要是与传感单元内部的硅胶弹 性体的特性有关。
在电气特性方面，传感信号与所受载荷之间存在一定的线性关系。借助MATLAB的CFTOOL(curve fit tool)工具箱，信号响应与载荷的关系拟合曲线使用两阶多项式拟合得到， 电气滞后特性在加载和卸载过程中几乎可以忽略不计。观察传感单元在无载荷作用下的初始 感应信号有些许差别，但在0-50N负载量程中，传感器的感应量程ΔS比较接近。
7)双足压力信号采集实验
在室内走廊(20米)分别穿戴两种鞋垫方案进行以下测试：从自然站立状态进入正常步 速的步行状态并在结束时保持几秒的站立不动。在行走步态数据采集时，传感单元的输出信 号需要根据各自在无载荷情况下的感应值进行去偏移处理，保证在没有承载压力的情况下， 鞋垫传感单元输出的信号值为0。行走过程中的足底压力信息以100HZ的频率被记录在SD卡 的文件当中用于后续在MATLAB中进行的离线数据分析。计算两种压力传感鞋垫方案的压力中 心。观察足底压力中心在脚掌上沿着前进方向随时间的变化曲线。选择布局较为合理的方案 做进一步试验。
通过观察数据，各传感器呈现出周期性的“静息态”和“激活态”，在“激活态”期间，各传感器信号相继达到各自的峰值，而在“静息态”期间，所有的传感器均恢复到各自的较低水平，这与直观印象中，单腿的完整步态周期中站立支撑相位和摆动相位一致。从“静息态”进入到“激活态”的初始一段时间内，位于脚后跟的传感单元感应到压力并快速上升到峰值；紧接着，位于足弓外侧的传感器的压力也产生了变化；其次，位于前脚掌处以及脚趾处的传感器在间隔相差不大的时间里达到各自的峰值；最后，所有传感器信号恢复到较低水 平的静息状态。对比左右脚的压力曲线，可以看出在右脚压力即将进入到较低水平的短暂期 间，左脚的脚后跟压力就已经产生并且迅速增加到峰值，同理，在左脚压力即将进入到较低 水平的短暂期间，右脚的脚后跟压力也已经开始迅速的达到峰值，这同样揭示了在走路状态 下不易被察觉到的“双足站立相位”，行走过程中两只脚掌同时处于与地面接触的状态。
本实施例基于光电感应效应的足底压力传感鞋垫，利用光敏电阻在环境光强度不同的情 况下表现出不同电阻特性的特点来设计和制造一种新颖的光电感应的足底压力传感方案，鞋 垫设计方案能够体现出基于该原理的压力传感鞋垫，在需要对足底压力进行监测和控制信息 获取的应用场景中能够发挥作用，为诸如动力外骨骼机器人系统等类型的人体运动辅助系统 提供足底交互信息。主要包括模块化光电压力传感单元设计与制造、压力传感特性分析系统、 足底压力传感鞋垫方案的设计及其信号采集电路系统的搭建，在结合动态实验获得的数据对 其步态相关参数进行计算，验证基于光电传感原理的压力传感鞋垫在实际应用中的可行性。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本 发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、 修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背 离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于光电感应的足底压力传感鞋垫，其特征在于：在具有柔性材料制成的鞋垫本体中设置光电压力传感单元、锂电池，并对压力传感特性进行分析；
光电压力传感单元包括光发射器、光接收器、弹性透光介质和电气连接线，光发射器和光接收器安装在柔性电路板上，光发射器的发射端正对光接收器的感光部，在发射器、光接收器之间设置弹性透光介质，所述弹性透光介质为透明材料介质或者带孔的非透明材料介质；当弹性透光介质采用非透明材料时，孔洞为光发射器、光接收器之间的通光孔；
设置压力传感特性分析系统，包括数据预处理和数据存储模块、微控制器，在微控制器的控制下，光电压力传感器采集的信号经过数据预处理和数据存储模块，进行模数转化并存储，所存储的数据用于离线分析和评估足底压力；
足底压力传感鞋垫的使用者在步行过程中，脚掌通过鞋垫地面上施加作用力，鞋垫在垂直于鞋面的方向上发生一定程度的形变；在形变过程中，光发射器与光接收器之间的距离发生变化，引发光接收器的感光强度的变化，进而触发光接收器的电气参数变化，压力传感特性系统通过分析光接收器的采集信号，实现对足底压力分布的数据测量。
2.根据权利要求1所述基于光电感应的足底压力传感鞋垫，其特征在于：一个光发射器、一个光接收器和弹性透光介质组成的单体光电压力传感单元，设置于同一个鞋垫本体中的一系列光电压力传感单元，构成光电压力传感器。
3.根据权利要求2所述基于光电感应的足底压力传感鞋垫，其特征在于：光电压力传感单元为立方体结构，其长度或宽度不低于2cm，其厚度不大于1cm。
4.根据权利要求1所述基于光电感应的足底压力传感鞋垫，其特征在于：光电压力传感单元的布局参考足底压力分布，由至少6个光电压力传感单元组成传感器系统，可采用如下二种方案中的至少一种方案：
第一个方案：不同的光电压力传感单元分别设置在鞋垫上对应第一脚趾、第三脚趾、第一跖骨、第五跖骨、足弓外侧、脚后跟这6个位置处；
第二个方案：不同的光电压力传感单元分别设置在鞋垫上对应第一脚趾、第一跖骨、第五跖骨、足弓外侧两个、脚后跟这5个位置处，其中在鞋垫上对应足弓外侧位置处设置2个光电压力传感单元。
5.根据权利要求1所述基于光电感应的足底压力传感鞋垫，其特征在于：弹性透光介质采用半透明硅胶作为主料，并配以相应的增塑剂催化硅胶进行凝固反应，并以软化剂作为硬度中和剂，形成弹性介质。
6.根据权利要求5所述基于光电感应的足底压力传感鞋垫，其特征在于：按照重量比为计算，硅胶和软化剂的配比为4：1。
7.根据权利要求1所述基于光电感应的足底压力传感鞋垫，其特征在于：所述锂电池采用5～12V的聚合物锂电池。
8.根据权利要求1所述基于光电感应的足底压力传感鞋垫，其特征在于：所述光发射器采用光电二极管，所述光接收器采用光敏电阻，利用光敏电阻在环境光强度不同的情况下表现出的电阻不同，即光敏电阻的阻值随着入射光强度的增大而减小的关系，进行压力传感特性分析。
9.根据权利要求8所述基于光电感应的足底压力传感鞋垫，其特征在于：将光电二极管和光敏电阻安装在柔性电路板，在光电二极管和光敏电阻之间设置用于吸收被施加压力并在压力撤销时复原的弹性透光介质。
10.根据权利要求1所述基于光电感应的足底压力传感鞋垫，其特征在于：所有电气连接线被引导至鞋垫对应脚后跟位置处的出口，并固定在传感器不相互妨碍的空余位置处。
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