CN115500580A - 具有内藏式感测系统的鞋垫 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有内藏式感测系统的鞋垫，包括：一压力感测层，设置于上述鞋垫的表面上；一红外线感测层，设置于上述鞋垫的内部；一感测模组，设置于与该鞋垫整合的足弓垫内，与该压力感测层以及该红外线感测层电连接用于接收和处理该压力感测层及该红外线感测层所侦测到的电子讯号。
Description
技术领域
本发明涉及鞋垫领域，尤其涉及具有内藏式感测系统的鞋垫。
背景技术
近来，由于电子技术以及信息和通信技术的发展，医疗保健领域已经迅速发展。亦即，需要一种能够通过使用生物信息来测量人体状态的健康管理系统。
足底压力分布数据可以揭露人体步态规律，足底压力分布测量在生物力学、复健医学、整形外科、运动训练、以及制鞋等领域均具有重大参考价值。目前临床使用的压力测试版和测试台技术存在极大的空间局限性，不具备可穿戴性，而且其测试条件以及所测得的压力分布与实际穿着鞋子行走时的压力分布存在差异。因此，本发明于是生焉。
发明内容
基于以上种种，开发具有可穿戴的压力鞋或是压力鞋垫成为上述领域的重要工作。例如，将检测压力的感测器安装在鞋中以检查穿鞋者的健康状况，步行姿势等。然而，当压力感测器内置在鞋底或鞋的内底中时，需要多个感测器，并且需要额外的空间以将感测器插入其中。而且，由于部分与压力感测器配合的装置不具有柔性和弹性，因此难以将整个感测系统器设置于具有双曲面形状的鞋垫上。故，本发明将在以下说明如何克服上述困难，而达到本发明的目的。
作为测试足底压力的鞋垫，其压力感测单元需与人体足部接触。为保证人体在测试过程中自然、舒适的状态，压力感测单元必须轻薄和柔软。而其余与压力感测单元相关的电子组件则需要另行考虑其配置方式。
为此，本发明提出一种具有内藏式感测系统的鞋垫，包括：一压力感测层，设置于上述鞋垫的表面上；一红外线感测层，设置于上述鞋垫的内部；一感测模组，设置于与该鞋垫整合的足弓垫内，与该压力感测层以及该红外线感测层电连接用于接收和处理该压力感测层及该红外线感测层所侦测到的电子讯号。
以一实施例而言，上述的具有内藏式感测系统的鞋垫，进一步包含一与该鞋垫所套用鞋子的鞋内底部的互嵌结构，用于防止该鞋垫与该鞋子的鞋内底部产生相对移动。
以一实施例而言，上述的互嵌结构包括自该鞋垫底部延伸的多个凸块以及位于该鞋内底部的相应位置的多个凹洞。
以一实施例而言，上述的压力感测层包含多个电容式压力感测器或电阻式压力感测器形成阵列配置方式，该压力感测层为可挠式。
以一实施例而言，上述的压力感测层是以不同密度分布的多个电容式压力感测器设置在该鞋垫近鞋头区对应的脚趾区、前脚掌区、足弓外侧区和脚跟区。
以一实施例而言，上述的压力感测层为可挠式。
以一实施例而言，上述的红外线感测层为可挠式。
以一实施例而言，上述的感测模组提供由计算机程序/演算法以控制数据的搜集和储存。
以一实施例而言，上述的感测模组被构造为用于与外部电子装置进行通讯，该外部电子装置是外部计算装置、计算系统、移动装置、或其他电子装置类型。
以一实施例而言，上述的感测模组至少包括：微处理器，用于搜集及分析该压力感测层及该红外线感测层所侦测到的电子讯号，并将其转换为对应的足压分布以及血液循环信息；内存，耦接该微处理器，用于储存该足压分布以及血液循环信息；无线数据传输/接收装置，耦接该微处理器，用于将足压分布以及血液循环信息无线传输至外部电子装置；及电源供应装置，用以对该压力感测层及该红外线感测层、该微处理器、该内存、以及该无线数据传输/接收装置供电。
以一实施例而言，上述的无线数据传输/接收装置是蓝牙芯片、WiFi或类似功能的数据传输/接收装置。
附图说明
图1A显示根据本发明的一个实施例所提出的具有压力侦测功能的鞋垫的俯视图。
图1B显示根据本发明的一个实施例所提出的具有压力侦测功能的鞋垫的侧视图。
图1C显示根据本发明的一个实施例所提出的具有压力侦测功能的鞋垫，其中压力感测器的分布示意图。
图1D显示根据本发明的一个实施例所提出的具有压力侦测功能的鞋垫，其中压力感测器的分布以及其布线的示意图。
图1E显示根据本发明的一个实施例所提出的具有压力侦测功能的鞋垫整合红外线感测层的侧视图。
图1F显示根据本发明的一个实施例所提出的鞋垫与鞋内底部互嵌结构的示意图。
图2显示根据本发明的一个实施例所提出的鞋垫感测系统的功能方块示意图。
图3显示根据本发明的一个实施例所提出的左、右鞋垫感测系统与外部计算装置通讯的系统方块示意图。
符号说明
10 鞋垫 12 压力感测层
12a 压力感测器 13 红外线感测层
14 足弓垫 15 近鞋头区
15a、15b、15c、15d、15e 脚趾区 16、16a、16b 感测模组
17a、17b、17c、17d、17e 前脚掌区 19 足弓外侧区
20 脚跟区 22 导线
24 布线 26 鞋子
26b 鞋内底部 28 凸块
28a 凹洞 30 鞋垫感测系统
30a、30b 左、右鞋垫感测系统 32、32a、32b 无线数据传输/接收装置
34 处理系统 35 内存
36 附加的感测器 37 电源供应装置
38 压力感测装置 39、39a、39b 红外线感测装置
42 计算核心 42a 处理器
42b 其他计算核心组件 43 使用者接口
44 网际网络接口 45 无线通信收发器
46 存储装置
具体实施方式
本发明将以较佳的实施例及观点加以详细叙述。下列描述提供本发明特定的施行细节，使阅者彻底了解这些实施例的实行方式。然该领域的熟习技艺者须了解本发明亦可在不具备这些细节的条件下实行。此外，文中不会对一些已熟知的结构或功能或是作细节描述，以避免各种实施例间不必要相关描述的混淆，以下描述中使用的术语将以最广义的合理方式解释，即使其与本发明某特定实施例的细节描述一起使用。
足压分布在人类移动上扮演关键的角色，足型与走路(跑步)的姿势影响着人体姿态与骨骼变化，以及运动方面的表现与极限。本发明提出具有电容式压力感测元件以及内藏式感测系统的鞋垫。
图1A至图1F显示根据本发明的一个实施例所提出的具有压力侦测功能的鞋垫10。其中，图1A显示鞋垫10的俯视图，压力感测层12设置于鞋垫的表面上，一般而言压力感测层12是呈现使用者的脚型，并且是由多个压力感测器12a形成阵列配置方式的网络接线所组成。以一较佳实施例而言，上述压力感测层12为可挠式，由多个电容式压力感测器12a组成。每个压力感测器12a具有六角形，但不以此为限，亦可以形成如三角形、圆形或是其他形状的压力感测器。图式中仅显示左脚鞋垫，这里要强调的是鞋垫10左、右成对，右脚鞋垫会具有与左脚鞋垫完全相同的元件、装置、以及布线方式等等并与其呈左右对称方式配置。
图1B显示鞋垫10的侧视图，最上层为压力感测层12(箭头指示处)，在其上有由多个压力感测器形成阵列配置方式。压力感测层下方为鞋垫10，鞋垫10可包含热塑性聚酯弹性体层(TPEE)，鞋垫10亦可包含足弓垫14整合于其中。而用于搜集多个压力感测器的电子讯号并对其进行运算处理以及传送的感测模组16则以内藏方式设置于鞋垫的足弓垫14内，可以避免或最小化对穿戴者的脚部的接触和刺激。
压力感测层上的压力感测器，除了如图1A所示由多个压力感测器12a形成阵列配置方式的网络接线所组成的配置方式之外，如图1C所示，压力感测器(未显示)可以以不同密度分布在脚趾区(15a、15b、15c、15d、15e)、前脚掌区(17a、17b、17c、17d、17e)、足弓外侧区19和脚跟区20处，亦即脚底关节部位。为了详细说明，如图1D所示，压力感测器(未显示)可以于整块鞋垫只有近鞋头区15、足弓外侧区19及脚跟区20位置设置，其中压力感测器可以以对应于如图1C所示的脚趾区(15a、15b、15c、15d、15e)、前脚掌区(17a、17b、17c、17d、17e)、足弓外侧区19及脚跟区20位置依需求设置不同密度的压力感测器(未显示)，个别压力感测器利用导线22电连接至感测模组16。以一实施例而言，压力感测器为电容式压力感测器(或电阻式压力感测器)，其中，不同数目的多个电容式压力感测器以及相应布线24形成可挠式压力感应装置，设置于鞋垫不同部位用于感测使用者足部的不同区域(例如，前述的近鞋头区15、足弓外侧区19及脚跟区20位置)的足压分布。换言之，上述三个区域的感测器密度不同，其中密度由小到大依序为近鞋头区15、足弓外侧区19及脚跟区20，其中，感测模组16，包括蓝牙芯片以及其他电子组件，则全部内藏于鞋垫10中足弓部的足弓垫14之内。以一实施例而言，感测模组16可以是由印刷电路板整合的电子感测模组，其具有连接端子与上述多个压力感测装置电性连接。其中，感测模组16的尺寸可以达到薄型化，其厚度约为3～4.5mm。
另外，鞋垫10亦可以整合红外线感测器，用于侦测使用者脚部血液循环状况。基于红外线的高穿透性，红外线感测器不必紧贴人体肌肤就能侦测脚部血液循环状况。图1E显示，红外线感测层13包含可挠式红外线感测器及布线，其设置于鞋垫10内部用于接收人体足部发出的红外线，以此方式配置可以避免与压力感测器相互干扰。以一实施例而言，红外线感测层13可以通过可挠式布线与感测模组16的连接端子电连接。借由上述的红外线的高穿透性量测脚背外侧负责为脚部输送血的动脉，借以判断足背脉搏是否可能存在异常。
为了测量精确性考量，鞋垫10与鞋子26的鞋内底部26b的相对位移应尽量避免。现行的方式是依靠增加在鞋垫底部与鞋内底部的摩擦力来改善，但是，此方式并不完善。为此，本发明提出一种鞋垫与鞋内底部互嵌结构，如图1F所示，鞋垫10底部可以设计多个凸块28与鞋内底部的相应凹洞28a嵌合，如此鞋垫10与鞋内底部26b的相对位移就可避免。
图2显示鞋垫感测系统30的功能方块示意图，其包括能够通过无线数据传输/接收(TX/RX)装置32进行数据传输/接收的感测模组16。虽然图2显示了无线数据传输/接收(TX/RX)装置32是整合至感测模组16中，但是本领域技术人员可以理解无线数据传输/接收(TX/RX)装置32也可以作为一个分离的组件用于数据传输/接收的目的。于图2的例子中，感测模组16可以包括用于传输数据到一个或多个远端系统和/或从一个或多个远端系统接收数据的无线数据传输/接收(TX/RX)装置32。在一实施例中，无线数据传输/接收装置32可以是蓝牙芯片、WiFi或类似功能的无线数据传输/接收装置。感测模组16可以经由连接端子与设置于鞋垫的多个压力感测器(压力感测装置38)以及红外线感测装置39电性连接。感测模组16还包括处理系统(例如，一个或多个微处理器)34、内存35、附加的感测器(包括，加速度计、陀螺仪(G-sensor)、GPS感测器等)36以及电源供应装置37。本发明用陀螺仪(G-sensor)的目的在于感测每个脚步的方向差异、感测高度差异、以及速度感测对照压力感测以互相做校正。电源供应装置37可以向压力感测装置38、红外线感测装置39和/或感测系统的其他组件(例如，处理系统34、内存35、附加的感测器36等)供电。以一较佳实施例，电源供应装置37包括可充电式固态电池、电感线圈(用于与外部无线充电系统耦合对电池进行无线充电)以及USB充电接口。这里应了解的是感测模组16可以提供由计算机程序/演算法以控制数据的搜集和储存(例如，使用者的脚部压力分布数据或与地面互动的压力数据、使用者的足部血液循环状态等)，并且这些程序/演算法可以被储存和/或被执行。
通过TX/RX装置32可以完成对一个或多个感测器的连接，并且提供附加的感测器36用来检测或提供数据或与各种不同参数相关的信息。这些数据或信息包括与使用者相关的生理数据，包含计步器类型速度数据/距离信息、加速计用于检测步行期间的方向改变、GPS数据、加速度输出/数据、角定向相关数据和角定向变化(由陀螺仪感测器得知)，并且这些数据可以被储存于内存或经由TX/RX装置32传送到远端的计算设备或服务器。
在图2的实施例中，感测模组16可以包含启动系统(未显示)。亦即，系统或其部分可与上述感测模组16或鞋垫一起接合或从感测模组16的其他部分分离。启动系统可以用于选择性启动感测模组16，在一个实施例中，感测模组16可以通过特有的模式启动使感测模组被启动或关闭，例如施加于一个或多个感测器一压力阈值。在其他实施例中，可以通过按钮启动或关闭感测模组16。在任何这些实施例中，感测模组16可以包含休眠模式，可在一段不活动期后使系统进入休眠模式。在一个实施例中，例如，陀螺仪(G-sensor)于一预设时间内没有侦测到活动，感测模组16可以进入休眠模式以节省电力。
感测模组16还可以被构造为用于与外部装置进行通讯，外部装置可以是外部计算装置、计算系统、移动装置(智能手机、平板电脑等)、或其他电子装置类型。
图3显示左、右鞋垫感测系统(30a、30b)与外部计算装置40通讯的系统方块示意图。其中，左、右鞋垫感测系统(30a、30b)各自包括一内藏于鞋垫的足弓部的感测模组(16a、16b)与压力感测装置(38a、38b)以及红外线感测装置(39a、39b)电连接，用以接收以及分析使用者的足压分布以及脚部血液循环数据，并通过位于感测模组内的TX/RX装置(32a、32b)将上述数据传送到远端的计算设备或服务器。上述感测模组(16a、16b)各自包括处理系统(例如，一个或多个微处理器)、内存、附加的感测器以及电源供应装置(参考图2)。
外部计算装置40是可以传送数据，处理数据和/或存储数据的任何电子设备。以一实施例而言，计算装置40是可携式计算装置和/或固定计算装置。可携式计算装置可以是社交网络设备、游戏设备、手机、智能型手机、个人数字助理、数字音频/视频播放器、笔记型电脑、平板电脑、视频游戏控制器和/或任何其他包含计算核心的便携式设备。固定计算装置可以是个人电脑(PC)、电脑服务器、电视机，打印机、传真机、家庭娱乐设备、视频游戏机和/或包含计算核心的任何类型的家庭或办公室计算设备。
外部计算装置40包括计算核心42、使用者接口43、网际网络接口44、无线通信收发器45和存储装置46。使用者接口43包括一个或多个输入设备(例如，键盘、触控屏幕、语音输入装置等)、一个或多个音频输出装置(例如扬声器、耳机插孔等)和/或一个或多个可视输出装置(例如视频图形显示器、触控屏幕等等)。网际网络接口44包括一个或多个联网装置(例如，无线局域网(WLAN)装置、有线LAN装置、无线广域网(WWAN)装置等)。存储装置46包括闪存，一个或多个硬盘驱动器，一个或多个固态(SS)存储设备和/或云端存储器。
计算核心42包括处理器42a和其他计算核心组件42b。其他计算核心组件42b包括视频图形处理单元、存储器控制器、主存储器(例如，RAM)、一个或多个输入/输出(I/O)装置接口模组，输入/输出(I/O)接口，输入/输出(I/O)控制器、周边装置接口、一个或多个USB接口模组、一个或多个网络接口模组、一个或多个内存接口模组和/或一个或多个周边装置接口模组。
外部计算装置40的无线通信收发器45和鞋垫感测系统30的无线数据传输/接收装置(32a、32b)具有类似的收发器类型(例如，蓝牙、WLAN、Wifi等)。无线数据传输/接收装置(32a、32b)直接与无线通信收发器45通信，以通过各自的鞋垫感测系统30共享收集的数据和/或从外部计算装置40接收指令。除此以外或作为替代，无线数据传输/接收装置(32a、32b)在它们与其中之一之间通讯收集的数据。无线数据传输/接收装置32a将集体数据传送到外部计算装置40的无线通信收发器45。
外部计算装置40处理数据以产生各种结果。例如，外部计算装置40处理结合演算电路处理来自鞋感测器系统16的数据，可分析穿戴者左右脚上的压力分布、体重于左右脚的配重比例、步态、步频，以及人体动态时的压力中心(center of pressure，COP)等移动时与足压有关的任何资料。
足压分布在人类移动上扮演关键的角色，足型与走路(跑步)的姿势影响着人体姿态与骨骼变化，以及运动员的表现与极限。本发明所提出的具有内藏式感测系统的鞋垫，可以借由上述鞋垫设置于鞋内取得众多使用者的足压分布对时间、空间的参数数据，并借由无线传输上传至外部计算装置(例如，智能型手机、个人电脑、电脑服务器等)计算分析并储存至云端系统作为相关大数据资料库。另外，本发明所提出的具有内藏式感测系统的鞋垫，其亦可整合红外线侦测装置，同步提供使用者的血液循环状况信息。突破以往只有医疗机构或是运动研究机构才可能获得数据分析的限制，让更多样的运动项目、更多的使用者都可获得专属个人的移动或运动分析。同步也开启各专业领域建立与使用数据平台，使不同专业领域(例如运动、医疗保健、制鞋等领域)可以建立其与足压表现的连动关系。
本发明无论就目的、手段及功效，在在均显示其迥异于现有技术的特征，为一大突破。惟须注意，上述实施例仅为例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明的范围。虽然在这里已阐明与解释特定实施例与所揭露的应用，所述实施例并不意图局限于精确解释，任何熟于此项技艺的人士均可在不违背本发明的技术原理及精神下，对实施例作修改与变化。也应当了解，在不背离本发明所揭露的精神与范畴下，本发明所揭露于此的组件与其的各种修正、变更、对于此领域的技术者为显而易见的加以排列的延伸、操作、所述方法的细节，以及在此所揭露的装置与方法将不被局限，且应包含于前述权利要求范围内。
Claims (10)
1.一种具有内藏式感测系统的鞋垫，其特征在于，其至少包含：
一压力感测层，设置于上述鞋垫的表面上；
一红外线感测层，设置于上述鞋垫的内部；及
一感测模组，设置于与该鞋垫整合的足弓垫内，与该压力感测层以及该红外线感测层电连接用于接收和处理该压力感测层及该红外线感测层所侦测到的电子讯号。
2.如权利要求1所述的具有内藏式感测系统的鞋垫，其特征在于，进一步包含一与该鞋垫所套用鞋子的鞋内底部的互嵌结构，用于防止该鞋垫与该鞋子的鞋内底部产生相对移动。
3.如权利要求2所述的具有内藏式感测系统的鞋垫，其特征在于，所述互嵌结构包括自该鞋垫底部往外延伸的多个凸块以及位于该鞋内底部的相应位置的多个凹洞。
4.如权利要求1所述的具有内藏式感测系统的鞋垫，其特征在于，所述压力感测层包含多个电容式压力感测器或电阻式压力感测器形成阵列配置方式，该压力感测层为可挠式。
5.如权利要求1所述的具有内藏式感测系统的鞋垫，其特征在于，所述压力感测层是以不同密度分布的多个电容式感测器设置在该鞋垫近鞋头区、足弓外侧区和脚跟区。
6.如权利要求1所述的具有内藏式感测系统的鞋垫，其特征在于，所述红外线感测层为可挠式。
7.如权利要求1所述的具有内藏式感测系统的鞋垫，其特征在于，所述感测模组提供由计算机程序/演算法以控制数据的搜集和储存。
8.如权利要求1所述的具有内藏式感测系统的鞋垫，其特征在于，进一步包含加速度计、陀螺仪(G-sensor)或GPS感测器。
9.如权利要求1所述的具有内藏式感测系统的鞋垫，其特征在于，该感测模组至少包括：微处理器，用于搜集及分析该压力感测层及该红外线感测层所侦测到的电子讯号，并将其转换为对应的足压分布以及血液循环信息；
内存，耦接该微处理器，用于储存该足压分布以及该血液循环信息；
无线数据传输/接收装置，耦接该微处理器，用于将该足压分布以及该血液循环信息无线传输至外部电子装置；及
电源供应装置，用以对该压力感测层及该红外线感测层、该微处理器、该内存、以及该无线数据传输/接收装置供电。
10.如权利要求9所述的具有内藏式感测系统的鞋垫，其特征在于，所述无线数据传输/接收装置是蓝牙芯片或WiFi装置。
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