CN114343613A - 一种基于足底压力的运动检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于足底压力的运动检测装置，包括多个分布在足底的压力感测单元和与各所述压力感测单元通讯连接的处理模块，所述处理模块中预先设置有各所述压力感测单元的中心坐标和及其感测面积，先计算获得各所述压力感测单元对应的压强值，然后采用公式计算获取足底重心位置。本发明提供的运动检测装置可以设置在人体的足底以获取足底重心位置，携带方便，由于能够获取足底重心位置，进而能够量化分析人体运动轨迹和重心变化情况，可以结合运动学和医学知识进一步实现本体感觉评估、跌倒和运动损伤预测、运动能力评估等方面进行量化指导，纠正跑姿、检测运动功能损伤患者的康复状况或运动员的训练效果以及进行运动损伤预测的准确性相对较高。
Description
技术领域
本发明涉及一种智能穿戴设备的检测装置，尤其是一种基于足底压力的运动检测装置。
背景技术
正确的跑资可以避免运动损伤且高效的运动。据统计，由于肌肉拉伤、脚踝扭伤、跟腱炎、膝节磨损、O或X型腿等多方面原因，曾经经历过或者正在经历跑步伤痛的大众跑者比例高达88.3％，与此同时，运动功能损伤患者的康复状况、运动员的训练效果监测和运动损伤预测也非常关键。
三维测力板、立体相机和惯性传感等体感设备可以量化分析人体运动轨迹和重心变化情况，进而可以据此纠正跑姿、检测运动功能损伤患者的康复状况或运动员的训练效果以及进行运动损伤预测。然而，这类设备通常只能布置在固定的地方，不具有便携性。
随着智能传感与通信技术的发展，智能可穿戴装置已经被广泛应用于人体运动跟踪和环境感知与交互等场景，其中以测量足部运动的智能鞋和智能鞋垫等也层出不穷且附加功能日益扩增。申请公布号为CN106768508A的中国发明专利申请公开了一种测量足底压力及动态变化的凝胶电容式传感器及方法，其包括绝缘介质，两片离子凝胶阵列粘贴于绝缘介质上、下表面，离子凝胶-绝缘介质-离子凝胶构成电容器；两片离子凝胶阵列上、下表面各粘贴一层绝缘介质；金属电极粘贴于离子凝胶和绝缘介质的连接处，金属电极与离子凝胶形成电子-离子凝胶混合电流回路；纽扣电池、控制采集模块和蓝牙模块集成在电路板上，通过导线连接金属电极，纽扣电池给离子凝胶供电；当传感器表面压力大小、周期变化时，测量信号传给蓝牙模块，再发送信号到手机，手机程序计算得到足底压力分布及随时间变化数据。然而，该传感器并不能获取足底重心位置，缺少据以纠正跑姿、检测运动功能损伤患者的康复状况或运动员的训练效果以及进行运动损伤预测的重要数据，影响检测或预测的准确性。此外，该传感器的上层离子凝胶阵列和下层离子凝胶阵列的离子凝胶单元的金属电极-离子凝胶界面会产生两个双电层，这两个双电层与中间绝缘介质电容串联，导致传感器的灵敏度和抗干扰能力相对较低。
有鉴于此，本申请人对基于足底压力的运动检测装置进行了深入的研究，遂有本案产生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种携带方便且纠正跑姿、检测运动功能损伤患者的康复状况或运动员的训练效果以及进行运动损伤预测的准确性相对较高的基于足底压力的运动检测装置。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于足底压力的运动检测装置，包括多个分布在足底的压力感测单元和与各所述压力感测单元通讯连接的处理模块，所述处理模块中预先设置有各所述压力感测单元的中心坐标ceni(xi,yi)和及其感测面积Si，所述处理模块在接收到各所述压力感测单元的压力信息后，先计算获得各所述压力感测单元对应的压强值Pi，然后采用以下公式计算获取足底重心位置，式中N为所述压力感测单元的数量：
作为本发明的一种改进，所述压力感测单元包括从下向上依次层叠的下金属屏蔽层、回弹填充层、中间电极层、绝缘材料层和上金属屏蔽层，所述下金属屏蔽层和所述上金属屏蔽层连接有接地线，所述下金属屏蔽层、所述回弹填充层和所述中间电极层共同构成可变电容，所述中间电极层、所述绝缘材料层和上金属屏蔽层共同构成固定电容，所述可变电容和所述固定电容并联连接。
作为本发明的一种改进，所述下金属屏蔽层的下方以及所述上金属屏蔽层的上方分别贴设有保护层。
作为本发明的一种改进，所述回弹填充层为非导电层。
作为本发明的一种改进，所述压力感测单元还包括同时穿插在所述下金属屏蔽层、所述回弹填充层、所述中间电极层、所述绝缘材料层和所述上金属屏蔽层上的导电杆，所述中间电极层与所述导电杆互不接触。
作为本发明的一种改进，所述上金属屏蔽层和所述下金属屏蔽层上分别开设有多个穿孔。
作为本发明的一种改进，还包括基体，多个所述压力感测单元分别嵌设或一体连接在所述基体上。
作为本发明的一种改进，还包括全部嵌设在所述基体内、部分嵌设在所述基体内或位于所述基体外的采集组件，所述采集组件包括电源模块、所述处理模块以及与所述处理模块电连接的通讯模块，所述处理模块与所述电源模块电连接，所述处理模块同时与各所述压力感测单元有线通信连接或无线通讯连接。
作为本发明的一种改进，所述基体上还设置有与所述处理模块通讯连接的运动传感器，所述处理模块在接收到所述运动传感器的加速度信息之后，通过DTW算法判断使用者是否处于跳跃状态，如果处于跳跃状态，则对各所述压力感测单元所获取的压力信息进行补偿处理。
作为本发明的一种改进，所述基体上还设置有温度传感器和/或湿度传感器。
采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的运动检测装置可以设置在人体的足底以获取足底重心位置，携带方便，由于能够获取足底重心位置，进而能够量化分析人体运动轨迹和重心变化情况，可以结合运动学和医学知识进一步实现本体感觉评估、跌倒和运动损伤预测、运动能力评估等方面进行量化指导，纠正跑姿、检测运动功能损伤患者的康复状况或运动员的训练效果以及进行运动损伤预测的准确性相对较高。
2、本发明中的压力感测单元体积相对较小，可以嵌设在鞋垫或鞋子上，携带方便，同时通过设置可变电容和固定电容，并将两者并联连接，有效提高了压力感测单元内的灵敏度和抗干扰能力。
3、由于下金属屏蔽层和上金属屏蔽层连接有接地线，可有效屏蔽外界电容对可变电容和固定电容的影响，提高检测准确度。
4、通过设置导电杆，减少接触电阻过大带来的误差，具有稳定可靠特点。
5、通过在上金属屏蔽层和下金属屏蔽层上分别开设有多个穿孔，有助于降低基础电容。
附图说明
图1为实施例中压力感测单元的结构示意图；
图2为实施例中压力感测单元的电路原理图；
图3为实施例中各压力感测单元在基体上的第一种布设结构示意图，图中带圈的数字为各压力感测单元的编号；
图4为实施例中各压力感测单元在基体上的第二种布设结构示意图，图中带圈的数字为各压力感测单元的编号
图中标示对应如下：
10-压力感测单元； 11-下金属屏蔽层；
12-回弹填充层； 13-中间电极层；
14-绝缘材料层； 15-上金属屏蔽层；
16-保护层； 18-可变电容；
19-固定电容； 20-基体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
如图1-图4所示，本实施例提供一种基于足底压力的运动检测装置，包括压力感测单元10和基体20，其中，压力感测单元10有多个，基体20用于支撑压力感测单元10，以便使用时压力各感测单元10可以被固定在于人体双脚的脚掌对应的位置处，基体20可以为各种类型的部件，例如可以采用鞋底或鞋垫作为基体20，也可以采用使用时覆盖在鞋垫上的薄膜作为基体20等，在本实施例中以鞋垫作为基体20为例进行说明，多个压力感测单元10分别嵌设或一体连接在基体20上，具体的，可采用3D打印、喷涂、柔性PCB板设计或者其他柔性电子加工工艺以实现不同足底尺码、压力感测单元10个数、面积及其分布，实现个性化和精准应用。
压力感测单元10在基体20上的具体分布结构可以根据实际需要进行布设，使其分布在足底的不同区域，以此来识别足底不同区域的压力大小。。需要说明的是，各压力感测单元10应当尽可能覆盖鞋底或鞋垫的上表面面积，其覆盖面积最好大于盖鞋底或鞋垫的上表面面积的60％。本实施例中提供了两种具体的压力感测单元10的布设结构示意图，第一种结构如图3所示，16个压力感测单元10阵列集成了16通道的压力传感器，并且在足弓设有传感器、在脚趾除设有4个传感器。可以对足部疾病患者的足底压力进行更细致的分析，准确的定位到足底压力异常点；第二种结构如图4所示，13各压力感测单元10阵列集成了13通道的压力传感器，该分布只在运动的主要发力点布置了电容式压力传感器。在降低了通道数的同时，提升了采集频率，可以更精确的捕捉穿戴者的发力瞬间。
各压力感测单元10的结构相同，以其中一个为例，压力感测单元10包括从下向上依次层叠的下金属屏蔽层11、回弹填充层12、中间电极层13、绝缘材料层14和上金属屏蔽层15，其中，下金属屏蔽层11和上金属屏蔽层15连接有接地线(图中未示出)，为接地层，可以屏蔽外界电容对内部电容传感器的影响；绝缘材料层14采用薄绝缘材料制作形成，具体的厚度可以根据实际需要确定，回弹填充层12采用具有高变形率和快速回弹特性的介质材料制作形成，在本实施例中，回弹填充层12的纵向形变>5％，回弹时间<10ms，回弹填充层12和绝缘材料层14都为非导电层。这样，可利用下金属屏蔽层11、绝缘填充层12和中间电极层13共同构成可变电容18，中间电极层13、绝缘材料层14和上金属屏蔽层15共同构成固定电容19，可变电容18和固定电容19并联连接后通过导线与下文将会提及的采集组件连接。该压力感测单元10具有成本低廉、抗干扰能力强、可批量生产和根据需求定制化设计等优点。相对于传统点阵式电阻性足底压力测量方式，本实施例提供的压力感测单元由于回弹填充层12的存在，具有高精度和低功耗特点。
优选的，下金属屏蔽层的下方以及所述上金属屏蔽层的上方分别贴设有保护层16，这样可以为内部的电容结构提供保护并增加脚底接触的舒适性。上金属屏蔽层15和下金属屏蔽层11上分别开设有多个穿孔，形成多孔极板结构，以此来降低基础电容。此外，压力感测单元10还包括同时穿插在下金属屏蔽层11、回弹填充层12、中间电极层13、绝缘材料层14和上金属屏蔽层15上的导电杆(图中未示出)，其中，下金属屏蔽层11和上金属屏蔽层15都与导电杆接触，中间电极层13与导电杆互不接触。具体的，可以在各层上开孔，然后采用铆钉作为导电杆，将铆钉穿插在各个孔中并铆接，中间电极层13上的开孔相对于其他层上的开孔略大以避免与铆钉接触。接地线通过焊接在导电杆上实现与下金属屏蔽层11和上金属屏蔽层15之间的连接。
本实施例提供的基于足底压力的运动检测装置还包括全部嵌设在基体20内、部分嵌设在基体20内或位于基体20外的采集组件，采集组件的具体设置位置可以根据实际需要确定，例如设置在鞋面上等。采集组件包括电源模块、与电源模块电连接的处理模块以及分别与处理模块电连接的通讯模块，其中，处理模块同时与各压力感测单元10有线通信连接或无线通讯连接。此外，基体20上还设置有分别与处理模块通讯连接的运动传感器以及温度传感器和/或湿度传感器，当然，处理模块中需要内置有与各压力感测单元10以及各传感器对应的模数转换模块。
运动传感器优选为可直接从市场上购买获得的九轴惯性传感器，运动传感器和温度等环境传感器用于获取足部运动轨迹(含步幅、步频、步姿等步态信息)、足底温度等环境感知信息，以便对运动训练或者运动康复状态进行监测，进而结合运动学和医学知识进一步实现本体感觉评分、跌倒和运动损伤预测、运动能力评估等方面进行量化指导。当然，通讯模块最好为无线通讯模块，这样可以实现无线监测。
本实施例提供的基于足底压力的运动检测装置可以获取足底重心位置，进而可以结合运动学和医学知识进一步实现本体感觉评估、跌倒和运动损伤预测、运动能力评估等方面进行量化指导。具体的，处理模块先基于基体10的上表面建立直角坐标系，然后根据各压力感测单元10的实际布置位置和上金属屏蔽层15的实际面积，在处理模块中预先设置各个压力感测单元10的中心坐标ceni(xi,yi)和及其感测面积Si，使用时，处理模块在接收到各压力感测单元10的压力信息后，先计算获得各压力感测单元对应的压强值Pi，然后采用以下公式计算获取足底重心位置，式中，N为压力感测单元10的数量：
由于电容式的压力感测单元10对于瞬态的冲击响应不灵敏，因此本实施例中采用了多通道多源数融合的方式来克服上述问题，具体的，处理模块在接收到运动传感器的加速度信息之后，通过DTW(Dynamic time warping)算法判断使用者是否处于跳跃状态，如果处于跳跃状态，则对各压力感测单元10所获取的压力信息进行补偿处理。其中，DTW算法为本领域常用的算法，并非本实施例的重点，此处不再详述。补充处理根据以下公式获取跳跃落地时刻的压力：
Ft＝a*Fc+b*accz
上述公式中，Ft为落地时刻的压力，a和b为预先设定的补偿系数，Fc为压力感测单元10获取的压力值，accz为运动传感器获取的加速度。
上面结合附图对本发明做了详细的说明，但是本发明的实施方式并不仅限于上述实施方式，本领域技术人员根据现有技术可以对本发明做出各种变形，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于足底压力的运动检测装置，其特征在于，包括多个分布在足底的压力感测单元和与各所述压力感测单元通讯连接的处理模块，所述处理模块中预先设置有各所述压力感测单元的中心坐标ceni(xi,yi)和及其感测面积Si，所述处理模块在接收到各所述压力感测单元的压力信息后，先计算获得各所述压力感测单元对应的压强值Pi，然后采用以下公式计算获取足底重心位置，式中N为所述压力感测单元的数量：
2.如权利要求1所述的基于足底压力的运动检测装置，其特征在于，所述压力感测单元包括从下向上依次层叠的下金属屏蔽层、回弹填充层、中间电极层、绝缘材料层和上金属屏蔽层，所述下金属屏蔽层和所述上金属屏蔽层连接有接地线，所述下金属屏蔽层、所述回弹填充层和所述中间电极层共同构成可变电容，所述中间电极层、所述绝缘材料层和上金属屏蔽层共同构成固定电容，所述可变电容和所述固定电容并联连接。
3.如权利要求2所述的基于足底压力的运动检测装置，其特征在于，所述下金属屏蔽层的下方以及所述上金属屏蔽层的上方分别贴设有保护层。
4.如权利要求2所述的基于足底压力的运动检测装置，其特征在于，所述回弹填充层为非导电层。
5.如权利要求4所述的基于足底压力的运动检测装置，其特征在于，所述压力感测单元还包括同时穿插在所述下金属屏蔽层、所述回弹填充层、所述中间电极层、所述绝缘材料层和所述上金属屏蔽层上的导电杆，所述中间电极层与所述导电杆互不接触。
6.如权利要求2所述的基于足底压力的运动检测装置，其特征在于，所述上金属屏蔽层和所述下金属屏蔽层上分别开设有多个穿孔。
7.如权利要求1-6中任一权利要求所述的基于足底压力的运动检测装置，其特征在于，还包括基体，多个所述压力感测单元分别嵌设或一体连接在所述基体上。
8.如权利要求7所述的基于足底压力的运动检测装置，其特征在于，还包括全部嵌设在所述基体内、部分嵌设在所述基体内或位于所述基体外的采集组件，所述采集组件包括电源模块、所述处理模块以及与所述处理模块电连接的通讯模块，所述处理模块与所述电源模块电连接，所述处理模块同时与各所述压力感测单元有线通信连接或无线通讯连接。
9.如权利要求7所述的基于足底压力的运动检测装置，其特征在于，所述基体上还设置有与所述处理模块通讯连接的运动传感器，所述处理模块在接收到所述运动传感器的加速度信息之后，通过DTW算法判断使用者是否处于跳跃状态，如果处于跳跃状态，则对各所述压力感测单元所获取的压力信息进行补偿处理。
10.如权利要求7所述的基于足底压力的运动检测装置，其特征在于，所述基体上还设置有温度传感器和/或湿度传感器。
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