CN115624325A - 一种无线可穿戴压力与角度检测智能鞋垫及其监测方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种无线可穿戴压力与角度检测智能鞋垫及其监测方法，包括智能鞋垫本体、角度传感器模块、信号处理模块和显示模块；智能鞋垫本体，用于检测穿戴者足底压力，生成足底压力信号；角度传感器模块，用于检测穿戴者行走的三轴角度，生成三轴角度信号；信号处理模块，用于采集、处理和发送所述足底压力信号和三轴角度信号；显示模块，用于接收处理过的足底压力信号和三轴角度信号，并对足底压力信号和三轴角度信号进行数字滤波处理和信号可视化。智能鞋垫舒适性好、柔性大，有利于提高穿戴者在步态测试的穿戴体验。
Description
技术领域
本申请属于步态分析技术领域，具体涉及一种无线可穿戴压力与角度检测智能鞋垫及其监测方法。
背景技术
随着可穿戴设备的发展，柔性传感器被广泛的应用于各种医疗健康、人机交互、运动监测等领域。物联网技术和科技的迅速发展，人们越来越青睐能够给自己的生活、工作、娱乐等多方面带来便利的智能产品，智能鞋垫也逐渐向电子化、智能化方向发展。
目前现有的智能鞋垫主要基于电阻或电容式传感，大多具有实时监控、可动态监测运动信号等功能。然而，大多数产品采用普遍的独立式传感点设计，使得智能鞋垫传感点数量不足，采集数据不足；另一种为了增加传感点数量，采用阵列的方式设计智能鞋垫，不可避免产生了串扰。市面上的传感器材料普遍具有较大的弹性模量、柔韧性低，导致鞋垫舒适度较低，极大地影响了穿着舒适度。有些智能鞋垫制备工艺复杂、制作成本较高，不利于大批量生产。
作为一种智能可穿戴设备，现有的有些智能鞋垫只是单独使用了一类传感器，例如角度传感器或者足底压力传感器，不能获取足够多的满足步态分析的参数。有很多疾病，例如脑卒中，共济失调，阿兹海默病、糖尿病等病症在步态特征上均有异常的表现，因此针对这些慢性病的步态特征以及患者的实际使用需求，现有的鞋垫已经不能满足。
发明内容
本申请提出了一种无线可穿戴压力与角度检测智能鞋垫及其监测方法，本申请的智能鞋垫质量轻、柔性大、传感面积大、舒适度高、制备工艺简单、成本低，能实时查看穿戴者的步态情况。
为实现上述目的，本申请提供了如下方案：
一种无线可穿戴压力与角度检测智能鞋垫，包括智能鞋垫本体、角度传感器模块、信号处理模块和显示模块；
所述智能鞋垫本体，用于检测穿戴者足底压力，生成足底压力信号；
所述角度传感器模块，用于检测穿戴者行走的三轴角度，生成三轴角度信号；
所述信号处理模块，用于采集、处理和发送所述足底压力信号和所述三轴角度信号；
所述显示模块，用于接收处理过的所述足底压力信号和所述三轴角度信号，并分别对所述足底压力信号和所述三轴角度信号进行数字滤波处理和信号可视化。
优选的，所述智能鞋垫本体包括：顶部封装层、叉指电极层、气隙层、压敏层、以及底部封装层；
所述叉指电极层，为柔性电路层，包括正负电极以及用于连接所述正负电极的连接导线，用于传输足底压力信号；
所述叉指电极层与所述气隙层对应位置处设有所述正负电极组成的叉指电极，所述气隙层用于确定鞋垫的耐久性、承受的压强范围、传感器灵敏度以及保护所述智能鞋垫本体；
所述压敏层，包括多个预定位置的压敏单元，每个所述压敏单元设置在一个所述叉指电极处，用于确定所述智能鞋垫本体对压力的灵敏度；
所述顶部封装层与底部封装层，用于封装智能鞋垫本体。
优选的，所述角度传感器模块包括：JY61角度传感器；
所述JY61角度传感器输出的电信号随着运动的变化而变化。
优选的，所述信号处理模块包括：STM32单片机、74HC4067模拟开关、电源、ECB02H2蓝牙单元；
所述电源为所述STM32单片机、所述74HC4067模拟开关、所述ECB02H2蓝牙单元提供电能。
优选的，所述显示模块包括数字滤波处理单元、信号可视化单元、数据存储功能单元和模式单元；
所述数字滤波处理单元，用于去除所述足底压力信号和所述三轴角度信号中的零点漂移；
所述信号可视化单元，用于显示对所述足底压力信号和所述三轴角度信号处理后的实时压力、角度数值以及绘制成波形图，并采集压力数据绘制热力图；
所述数据存储功能单元，用于实时存储和最终存储处理后的所述足底压力信号和处理后的所述三轴角度信号；
所述模式单元，用于对上位机的运行模式进行转换，其中，所述运行模式包括无限模式和定时模式。
一种无线可穿戴压力与角度检测智能鞋垫的监测方法，包括如下步骤：
检测穿戴者足底压力，生成足底压力信号；
检测穿戴者行走的三轴角度，生成三轴角度信号；
采集、处理和发送所述足底压力信号和所述三轴角度信号；
接收处理过的所述足底压力信号和三轴角度信号，并对所述足底压力信号和三轴角度信号进行数字滤波处理和信号可视化。
优选的，检测穿戴者足底压力的方法如下：
基于穿戴者足底产生的压力，生成足底压力信号；
基于所述足底压力信号，确定所述穿戴者足底承受的压强范围；
基于所述压强范围，确定所述穿戴者足底对压力的灵敏度，完成对穿戴者足底压力的检测。
优选的，生成足底压力信号采用导电聚合材料油性石墨烯和PET基底，所述油性石墨烯包括石墨烯纳米片、胶浆；所述石墨烯纳米片厚度为10～60nm；所述PET基底厚度为100μm；
确定所述穿戴者足底承受的压强范围采用硅胶材料，所述硅胶材料包括PDMS和固化剂；
确定所述穿戴者足底对压力的灵敏度采用纳米-织物复合材料，所述纳米-织物复合材料包括碳纳米管水溶液和压敏胶带织物。
本申请的有益效果为：
1、本申请操作简单可以无线传输数据，穿戴者可以轻松使用。智能鞋垫舒适性好和柔性大，有利于提高穿戴者在步态测试的穿戴体验。实时显示的功能，可以实时监测步态实验过程。
2、本申请采用价格低廉的材料和简单的刮涂以及丝网印刷工艺制备智能鞋垫，有利于降低智能鞋垫成本，大面积生产。
3、本申请采用新颖的气隙层与叉指电极方案制备传感器，且传感器具有高灵敏度、宽检测范围、高耐久性的优点，有利于提高智能鞋垫系统的性能。
4、本申请采用了多模态传感器，结合薄膜压力传感器和角度传感器，同时检测穿戴者在步态实验过程中的足底压力、旋转角度。集成PCB板的设计，简化了系统体积，使得智能鞋垫系统轻便易携。
5、本申请开发了三种实时显示检测数据的方式：数值显示、折线图显示以及热力图显示。使得智能鞋垫系统采集到的数据更加直观，并能从中分析出步频、步长、步速、足角以及步行时相等的参数。
6、本申请采集的数据可以分为实时保存以及最终保存两种方式，有利于实验数据的记录以及后续的分析。
本申请智能鞋垫的柔韧性高且稳定性高，能够用于足部压力检测。
本申请具有广阔的推广空间和使用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例一一种无线可穿戴压力与角度检测智能鞋垫模块连接图；
图2为实施例一装配结构示意图，其中，(a)为外壳结构示意图，(b)为智能鞋垫本体结构示意图，(c)为PCB板结构示意图；
图3为实施例一智能鞋垫本体结构示意图；
图4为实施例一智能鞋垫本体传感点分布示意图；
图5为实施例一显示模块PC端上位机示意图；
图6为实施例一电路原理图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
实施例一：一种无线可穿戴压力与角度检测智能鞋垫
如图1至6所示，一种无线可穿戴压力与角度检测智能鞋垫，包括智能鞋垫本体、角度传感器模块、信号处理模块和显示模块；
智能鞋垫本体，用于检测穿戴者足底压力，生成足底压力信号；
角度传感器模块，用于检测穿戴者行走的三轴角度，生成三轴角度信号；
信号处理模块，用于采集、处理和发送足底压力信号和三轴角度信号；
显示模块，用于接收处理过的足底压力信号和三轴角度信号，并对足底压力信号和三轴角度信号进行数字滤波处理、信号可视化，并对足底压力信号和三轴角度信号进行检测结果记录。
智能鞋垫本体，设置在鞋子内部；角度传感器模块，设置在鞋子脚踝处；智能鞋垫本体通过杜邦线与信号处理模块以及显示模块电连接，角度传感器模块与信号处理模块以及显示模块在同一PCB板上连接；信号处理模块与智能鞋垫和角度传感器模块电连接。
智能鞋垫本体包括：顶部封装层、叉指电极层、气隙层、压敏层、以及底部封装层；
顶部封装层与底部封装层，用于封装智能鞋垫本体；
叉指电极层，为柔性电路层，包括正负电极以及用于连接所述正负电极的连接导线，用于传输足底信号；
叉指电极层与气隙层对应位置处设有正负电极组成的叉指电极，气隙层用于确定鞋垫的耐久性、承受的压强范围、传感器灵敏度以及保护所述智能鞋垫本体；
压敏层，包括多个预定位置的压敏单元，每个压敏单元设置在一个叉指电极处，用于确定智能鞋垫本体对压力的灵敏度。
气隙层也用于提高传感器灵敏度；顶部和底部封装层不仅用于封装传感器，同时由于其棉布基材，耐磨损，防滑。
智能鞋垫本体还包括电阻，电阻根据足底的压力变化增大或减小，输出相应的电信号，用于检测压力大小。
叉指电极层、气隙层、压敏层和封装层构成了薄膜压力传感器，薄膜压力传感器为柔性器件，能够很好地贴合进行行走以及站立等步态实验，准确测量足底的压力。
叉指电极层中设有20个叉指电极，每个叉指电极包括一个叉指正电极和一个叉指负电极，每个叉指正电极和叉指负电极各引出一条正极连接导线和一条负极连接导线。
进一步地，20个传感点分布在脚趾区、前足、中足和脚跟区。
气隙层，所述气隙层包括多个叠在所述叉指电极层设有所述叉指电极的位置，且所述气隙层为中间镂空的设计，气隙层放置在每个叉指电极处与叉指电极同心放置。气隙层的形状为圆环形，内径比叉指电极外径大2mm。
压敏层，所述压敏层包括多个预定位置的压敏单元，每个所述的压敏单元设置在一个所述叉指电极处，并与所述气隙层同心放置。
在压敏层中，压敏单元的个数为20个；
角度传感器模块包括：JY61角度传感器、电路板；
JY61角度传感器输出的电信号随着运动的变化而变化。
信号处理模块包括：STM32单片机、74HC4067模拟开关、电源、ECB02H2蓝牙单元，上述装置均封装在外壳内；
电源为STM32单片机、74HC4067模拟开关、ECB02H2蓝牙单元提供电能。
显示模块包括数字滤波处理单元、信号可视化单元、数据存储功能单元和模式单元；
数字滤波处理单元，用于去除足底压力信号和三轴角度信号中的零点漂移；
信号可视化单元，用于显示对足底压力信号和三轴角度信号处理后的实时压力、角度数值以及绘制成波形图，并采集压力数据绘制热力图；
数据存储功能单元，用于实时存储和最终存储处理后的足底压力信号和处理后的三轴角度信号；
模式单元，用于对上位机的运行模式进行转换，其中，运行模式包括无限模式和定时模式。
具体的，测得的足底压力信号和三轴角度信号即数字信号通过ECB02H2蓝牙单元无线传递至显示模块即上位机端进行数据处理；
显示模块PC端压力与惯性检测上位机软件其内部处理函数可以对STM32单片机发送的足底压力信号和三轴角度信号进行数字滤波处理、信号可视化和检测结果记录；
数字滤波处理包括消除零漂，用于去除足底压力信号和三轴角度信号中的零点漂移；去除零点漂移通过运算初始5个数据点与零点之间的距离进行整体数据的上下移动；去除零点漂移其计算公式如下：
其中，Data为单片机发送的数据，x1、x2、x3、x4、x5为单片机发送的初始5个数据，Dresult为处理后的最终数据。
信号可视化包括显示处理后的实时压力、角度数值以及绘制成波形图，并采集压力数据绘制热力图；
显示模块有三种实时显示检测数据的方式：数值显示、折线图显示以及热力图显示。
一种无线可穿戴压力与角度检测智能鞋垫的使用方法，操作步骤如下：
(1)穿戴者启动智能鞋垫以及显示模块，提前调试好蓝牙连接以备后续步态实验；
(2)穿戴者穿戴好智能鞋垫，准备就绪后，通过蓝牙连接智能鞋垫系统以及显示模块；
(3)穿戴者开始实验，并得到实时显示的穿戴者的足底压力信号、波形图以及热力图、实时角度信号。实验结束后可通过显示模块将测得的步态数据及波形图保存至PC端。
实施例二：一种无线可穿戴压力与角度检测智能鞋垫的监测方法
一种无线可穿戴压力与角度检测智能鞋垫的监测方法，包括如下步骤：
检测穿戴者足底压力，生成足底压力信号；
检测穿戴者行走的三轴角度，生成三轴角度信号；
采集、处理和发送足底压力信号和三轴角度信号；
接收处理过的足底压力信号和三轴角度信号，并对足底压力信号和三轴角度信号进行数字滤波处理、信号可视化，并对足底压力信号和三轴角度信号进行检测结果记录。
基于穿戴者足底产生的压力，生成足底压力信号；
基于足底压力信号，确定穿戴者足底承受的压强范围；
基于压强范围，确定穿戴者足底对压力的灵敏度，完成对穿戴者足底压力的检测。
生成足底压力信号采用导电聚合材料油性石墨烯和PET基底，油性石墨烯包括石墨烯纳米片、胶浆；石墨烯纳米片厚度为10～60nm；，PET基底厚度为100μm；
确定穿戴者足底承受的压强范围采用硅胶材料，硅胶材料包括PDMS和固化剂；
确定穿戴者足底对压力的灵敏度采用纳米-织物复合材料，纳米-织物复合材料包括碳纳米管水溶液和压敏胶带织物。
以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种无线可穿戴压力与角度检测智能鞋垫，其特征在于，包括智能鞋垫本体、角度传感器模块、信号处理模块和显示模块；
所述智能鞋垫本体，用于检测穿戴者足底压力，生成足底压力信号；
所述角度传感器模块，用于检测穿戴者行走的三轴角度，生成三轴角度信号；
所述信号处理模块，用于采集、处理和发送所述足底压力信号和所述三轴角度信号；
所述显示模块，用于接收处理过的所述足底压力信号和所述三轴角度信号，并分别对所述足底压力信号和所述三轴角度信号进行数字滤波处理和信号可视化。
2.根据权利要求1所述无线可穿戴压力与角度检测智能鞋垫，其特征在于，所述智能鞋垫本体包括：顶部封装层、叉指电极层、气隙层、压敏层、以及底部封装层；
所述叉指电极层，为柔性电路层，包括正负电极以及用于连接所述正负电极的连接导线，用于传输足底压力信号；
所述叉指电极层与所述气隙层对应位置处设有所述正负电极组成的叉指电极，所述气隙层用于确定鞋垫的耐久性、承受的压强范围、传感器灵敏度以及保护所述智能鞋垫本体；
所述压敏层，包括多个预定位置的压敏单元，每个所述压敏单元设置在一个所述叉指电极处，用于确定所述智能鞋垫本体对压力的灵敏度；
所述顶部封装层与底部封装层，用于封装智能鞋垫本体。
3.根据权利要求1所述无线可穿戴压力与角度检测智能鞋垫，其特征在于，所述角度传感器模块包括：JY61角度传感器；
所述JY61角度传感器输出的电信号随着运动的变化而变化。
4.根据权利要求1所述无线可穿戴压力与角度检测智能鞋垫系统，其特征在于，所述信号处理模块包括：STM32单片机、74HC4067模拟开关、电源、ECB02H2蓝牙单元；
所述电源为所述STM32单片机、所述74HC4067模拟开关、所述ECB02H2蓝牙单元提供电能。
5.根据权利要求1所述无线可穿戴压力与角度检测智能鞋垫，其特征在于，
所述显示模块包括数字滤波处理单元、信号可视化单元、数据存储功能单元和模式单元；
所述数字滤波处理单元，用于去除所述足底压力信号和所述三轴角度信号中的零点漂移；
所述信号可视化单元，用于显示对所述足底压力信号和所述三轴角度信号处理后的实时压力、角度数值以及绘制成波形图，并采集压力数据绘制热力图；
所述数据存储功能单元，用于实时存储和最终存储处理后的所述足底压力信号和处理后的所述三轴角度信号；
所述模式单元，用于对上位机的运行模式进行转换，其中，所述运行模式包括无限模式和定时模式。
6.一种无线可穿戴压力与角度检测智能鞋垫的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
检测穿戴者足底压力，生成足底压力信号；
检测穿戴者行走的三轴角度，生成三轴角度信号；
采集、处理和发送所述足底压力信号和所述三轴角度信号；
接收处理过的所述足底压力信号和三轴角度信号，并对所述足底压力信号和三轴角度信号进行数字滤波处理和信号可视化。
7.根据权利要求6所述一种无线可穿戴压力与角度检测智能鞋垫的监测方法，其特征在于，检测穿戴者足底压力的方法如下：
基于穿戴者足底产生的压力，生成足底压力信号；
基于所述足底压力信号，确定所述穿戴者足底承受的压强范围；
基于所述压强范围，确定所述穿戴者足底对压力的灵敏度，完成对穿戴者足底压力的检测。
8.根据权利要求7所述一种无线可穿戴压力与角度检测智能鞋垫的监测方法，其特征在于，
生成足底压力信号采用导电聚合材料油性石墨烯和PET基底，所述油性石墨烯包括石墨烯纳米片、胶浆；所述石墨烯纳米片厚度为10～60nm；所述PET基底厚度为100μm；
确定所述穿戴者足底承受的压强范围采用硅胶材料，所述硅胶材料包括PDMS和固化剂；
确定所述穿戴者足底对压力的灵敏度采用纳米-织物复合材料，所述纳米-织物复合材料包括碳纳米管水溶液和压敏胶带织物。
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