CN116269341A - 一种信息处理方法、终端及自发电劳保鞋 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及可穿戴设备技术领域，具体而言，涉及一种信息处理方法、终端及自发电劳保鞋，其中方法包括如下步骤：获取用户对并联压电片组施加的足底压力分布信息；基于所述足底压力分布信息进行步态分析，并确定用于协调当前并联压电片组状态的指令；根据所述指令输出振动交互。本发明所提供的一种信息处理方法、终端及自发电劳保鞋，压电片既作为发电单元又作为传感单元，仅通过压电片即可实现步态检测，同时能够对踩空等情况进行预警，减少了电路的复杂度并降低了电路的功耗，无需为额外的传感器供电，同时也减轻了鞋体的重量。
Description
技术领域
本发明涉及可穿戴设备技术领域，具体而言，涉及一种信息处理方法、终端及自发电劳保鞋。
背景技术
近年来，对工地作业人员安全状态关注度明显提高，越来越多的用于安全状态监测的可穿戴设备先后面世，例如劳保鞋，但是不合适的劳保鞋并不能够获得很好的安全状态监测效果，并会影响到作业人员的正常工作。对作业人员的步态进行监测分析可取得较好安全状态监测效果，例如通过对步态进行监测分析既能够获取到作业人员腿部疾病、酗酒状态或高空作业下踩空等信息，从而可有效地避免事故的产生。
现有技术中，对作业人员的步态检测通过设置在鞋体中的若干压力传感器采集到的压力值来完成，然而通过设置在鞋体中的若干压力传感器采集到的压力值进行步态检测的方式，需要在鞋体中设置过多的传感装置且需要为传感装置进行供电，不仅增加了鞋体本身的重量，更换电源或进行充电也较为繁琐，影响了作业人员的正常工作。
因此，亟需提供一种方案，在能够实现步态检测的情况下，减轻鞋体的重量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种信息处理方法、终端及自发电劳保鞋，以解决背景技术中所指出的问题。
本发明的实施例通过以下技术方案实现：一种信息处理方法，包括如下步骤：
获取用户对并联压电片组施加的足底压力分布信息；
基于所述足底压力分布信息进行步态分析，并确定用于协调当前并联压电片组状态的指令；
根据所述指令输出振动交互。
根据一种优选实施方式，所述获取用户对并联压电片组施加的足底压力分布信息包括：
设置采样周期，在每个采样周期中检测一次并联压电片组中每个压电片的电压，以连续N次检测到的所述电压的平均值换算得到对应压电片受到的足底压力，得到并联压电片组上的压力分布信息，其中，N为大于或等于1的自然数。
根据一种优选实施方式，所述基于所述足底压力分布信息确定用于协调当前并联压电片组状态的指令包括：
根据足底压力分布信息确定踩空点，基于足底压力中心与踩空点的欧式距离确定用于协调当前并联压电片组状态的指令。
根据一种优选实施方式，所述振动交互包括：
对踩空点对应的压电片外加反向电场使其形变，以及触发与该压电片对应的振动马达产生振动。
本发明还提供一种终端，包括：
获取模块，用于获取用户对并联压电片组施加的足底压力分布信息；
处理模块，用于基于所述足底压力分布信息进行步态分析，并确定用于协调当前并联压电片组状态的指令；
根据所述指令输出振动交互。
根据一种优选实施方式，所述获取用户对并联压电片组施加的足底压力分布信息包括：
设置采样周期，在每个采样周期中检测一次并联压电片组中每个压电片的电压，以连续N次检测到的所述电压的平均值换算得到对应压电片受到的足底压力，得到并联压电片组上的压力分布信息，其中，N为大于或等于1的自然数。
根据一种优选实施方式，所述基于所述足底压力分布信息确定用于协调当前并联压电片组状态的指令包括：
根据足底压力分布信息确定踩空点，基于足底压力中心与踩空点的欧式距离确定用于协调当前并联压电片组状态的指令。
根据一种优选实施方式，所述振动交互包括：
对踩空点对应的压电片外加反向电场使其形变，以及触发与该压电片对应的振动马达产生振动。
本发明还提供一种自发电劳保鞋，应用到如上述所述的信息处理方法，包括：
劳保鞋本体，以及设置在劳保鞋本体中的检测装置；
所述检测装置用于获取用户对并联压电片组施加的足底压力分布信息，并将所述足底压力分布信息提供给终端，以使得所述终端根据所述足底压力分布信息进行步态分析，并确定用于协调当前并联压电片组状态的指令；
以及，根据所述指令输出振动交互。
本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：本发明所提供的一种信息处理方法、终端及自发电劳保鞋，通过设置在劳保鞋本体中的检测装置，获取用户对并联压电片组施加的足底压力分布信息，并将所述足底压力分布信息提供给终端，以使得所述终端根据所述足底压力分布信息进行步态分析，并确定用于协调当前并联压电片组状态的指令；以及，根据所述指令输出振动交互；压电片既作为发电单元又作为传感单元，仅通过压电片即可实现步态检测，同时能够对踩空等情况进行预警，减少了电路的复杂度并降低了电路的功耗，无需为额外的传感器供电，同时也减轻了鞋体的重量。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的一种信息处理方法的示意图；
图2为本发明实施例1提供的鞋体内压电片受力示意图；
图3为本发明实施例1提供的并联压电片组电路连接示意；
图4为本发明实施例3提供的自发电劳保鞋内部电路连接示意；
图5为本发明实施例3提供的鞋体内压电片分布示意；
图6为本发明实施例1提供的足底分区示意；
图7为本发明实施例提供的足底压力中心轨迹示意；
图8为本发明实施例1提供的神经网络示意；
图9为本发明实施例1提供的二维坐标系示意；
图10为本发明实施例1提供的压电片电压随时间变化曲线示意；
图11为本发明实施例1提供的拟合曲线示意。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
实施例1
参见图1所示，图1为本发明实施例1提供的一种信息处理方法的流程示意图。
本发明实施例所提供的一种信息处理方法，包括如下步骤：
1)、获取用户对并联压电片组施加的足底压力分布信息；具体参见图3所示，并联压电片组所产生的电流由超级电容进行存储，鞋体内其余电路提供稳定的供电；本实施例中，多个压电陶瓷片并联，随着工作人员运动对压电片的挤压，压电片产生随着力学变化而变化的交流电压，经过整流电桥变为直流电，然后输入到超级电容组进行存储。
进一步地，获取足底压力分布信息的具体步骤如下：
1-1)、设置采样周期，在每个采样周期中检测一次并联压电片组中每个压电片的电压；在本发明实施例的一种实施方式中，每间隔3m检测一次并联压电片组中每个压电片的电压，为了排除作业人员偶尔遭遇不平整路面给检测结果带来的影响，本实施例进一步地以连续N次检测到的所述电压的平均值换算得到对应压电片受到的足底压力，其中，N为大于或等于1的自然数。其中，压电片受到的足底压力与压电片的电压成正比，因此可通过获取电压的方式直接获取到并联压电片组中压电片受到的足底压力。
根据压电效应发电的原理，本实施例假设压电片沿坐标Y轴方向极化，鞋体内压电片受力示意图参见图2所示，示出了压电片受力方式和电能输出方向。进一步地，在本实施例的一种实施方式中，每个压电片的电压采用如下方式获取：
模拟工作人员行走时脚沿Y轴方向对压电片施加外力，在足底压力作用下，压电片受到的足底压力采用下式换算：
Q＝Cd*V＝d33F
上式中，Q表示压电片产生的电荷量，Cd表示外加电场，V表示输出电压，d33表示压电片的压电常数，F表示压电片表面受到的负载压力；
此时负载压力F可由压电片的压电常数d33、厚度t、截面积A的关系表达式换算出来，具体见下式：
例如，本实施所采用的压电片截面积A＝10*10mm2，厚度t＝1mm，压电常数d33＝26.5×10-3vm/N，基于上述已知数据，当测得的输出电压V＝2.65V时，负载压力F＝10N。
需要说明的是，本实施例采用的并联压电片组中每个压电片均为拱形结构，彼此并联组成所述并联压电片组，拱形压电片为上下对称结构，包括最外层的拱形金属层，中间的PVDF压电膜层以及内部的PZT压电片层，其中拱形金属层用于固定压电片层的形变量和基于自身的机械韧性，在所受足底压力消失后恢复形变位移。
1-2)、基于各压电片受到的足底压力，得到并联压电片组上的压力分布信息。
2)、基于所述足底压力分布信息进行步态分析，包括如下步骤：
2-1)、计算足底压力中心，包括如下步骤：
根据解剖学原理，将足底压力划分为10个区域：第1趾骨(T1)、第2-5趾骨(T2-5)、第1跖骨(M1)、第2跖骨(M2)、第3跖骨(M3)、第4跖骨(M4)、第5跖骨(M5)、足弓(MF)、足跟内侧(MH)以及足跟外侧(LH)，具体参见图6所示，本实施例通过并联压电片组分别获取各区域的足底压力信息。
在上述步骤取得各区域足底压力信息的情况下，将各区域产生的足底力合力为一个单独的力和力矩，得到作用在压电片组上的合力的三个正交分量：沿着X轴的力Fx、沿着Y轴的力Fy、沿着Z轴的力Fz，以及在同一正交坐标系中合力矩的三个分量：绕着X轴的力矩Mx、绕着Y轴的力矩MY、绕着Z轴的力矩MZ。
进一步的，基于沿着X轴的力Fx、沿着Y轴的力Fy、沿着Z轴的力Fz，以及绕着X轴的力矩Mx、绕着Y轴的力矩My、绕着Z轴的力矩Mz，计算压力中心的坐标COPx和COPy，具体步骤如下：
进而得到压力中心的坐标(COPx，COPy)。
2-2)、为每一个支撑期形成一条足底压力中心运动轨迹，具体步骤如下：
步行是周期性运动，在人体行走过程中，足底压力中心COP随着足底支撑部位和支撑时间的变化呈纵向的往复移动，每个支撑期均会形成一条足底压力中心运动轨迹，本实施例以该足底压力中心运动轨迹作为工作人员行走状态判断的参考依据，在已知足底压力的情况下基于逆向思维推导得到工作人员的不同行走状态，从而实现危险行走状态(例如：腿部疾病、酗酒状态或高空作业下踩空)预警。
2-3)、对足底压力中心运动轨迹进行分析，具体步骤如下：
在连续行走的步态周期中，双脚的足底压力中心由一侧足跟始发，经该侧中足到达前脚掌，后移至脚趾，然后移至另一侧的足跟，如此循环往复。需要说明的是，当以正常的步态行走时，压力中心应在单足、双足、对侧单足、双足之间平稳的转移，使得足底压力中心运动轨迹形成左右对称的“蝴蝶形”，参考图7所示。而危险行走状态(例如：腿部疾病、酗酒状态或高空作业下踩空)步行时，足底压力中心运动轨迹则表现为无序的特性，无法形成“蝴蝶形”。基于此，即可根据每个支撑期足底压力中心运动轨迹是否形成左右对称的“蝴蝶形”作为是否是危险行走状态的评判标准。进一步地，为左右足足底压力中心运动轨迹的偏移量设定偏移阈值，偏移阈值分为左右偏移量和前后偏移量，当左右偏移量超出偏移阈值时，则可能出现身体左右晃动，而当前后偏移量超出偏移阈值时，则可能出现身体前后倾斜，为身体的平衡性提供参考评价。
进一步地，当通过足底压力分布信息确定足底存在踩空情况时，进一步地通过计算足底压力中心与踩空点的距离，将该距离信息与预设距离阈值进行比较，当大于预设距离阈值则进行提前预警，具体预警方式后续具体介绍。
3)、基于所述足底压力分布信息确定用于协调当前并联压电片组状态的指令，包括如下步骤：
3-1)、为了实现作业人员腿部疾病、酗酒状态或高空作业下踩空等情况的预警，根据足底压力分布信息确定踩空点，基于足底压力中心与踩空点的欧氏距离确定用于协调当前并联压电片组状态的指令。
4)、根据所述协调并联压电片组状态的指令输出振动交互。
4-1)、对踩空点对应的压电片外加反向电场使其形变，以及触发与该压电片对应的振动马达产生振动；需要说明的是，本实施例基于逆压电效应，对踩空位置对应的压电片外加反向电场引起对应位置的压电片机械变形，从而产生振动，以振动的方式进行预警，提醒作业人员存在踩空的情况；考虑到压电片所产生的振感有限，本实施例进一步地在压电片的上方设置振动马达，以此增加该局部位置所产生的振感，振动马达由超级电容进行供电；此外，也可只采用振动马达进行振动预警，在此不做过多赘述。需要说明的是，为了避免压电片被退极化的风险，外加反向电场应受到限制，例如，针对不同材料的压电陶瓷，负压限制在-0.25-1.5kV/mm之间，针对高温及高负载工作环境，则负压需进一步减小，以此提高压电片使用寿命。
5)、分单脚、双脚进行异常判断，具体步骤如下：
参见图5，单脚设置的并联压电片组共计16个压电片，根据图6所示解剖学原理将足底压力划分为10个区域，将所述16个压电片编号与区域相关联，如表1所述：
本实施例所提供的单脚判断以神经网络算法为基础，将16个压电片对应16个节点作为输入层，传输至隐藏层的4个节点，最终输入输出层所在的节点，参见图8所示，其中隐藏层的4个节点表达式如下：
在得到单个检测周期内的f1(x)、f2(x)、f3(x)以及f4(x)后，通过加权w21-w24系数得到函数g(x)输入输出层所在的节点，表达式如下：
output＝g(w21*f1(x)+w22*f2(x)+w23*f3(x)+w24*f4(x))
将其表示在二维坐标系中，参见图9所示，由此可获得穿戴者单脚行走完时，压电片电压随时间变化曲线，参见图10所示，基于单脚压电片电压随时间变化曲线进行足底压力异常判断，具体不再赘述。
在一种实施方式中，双脚判断如下：分别获取双脚超级电容中电量随时间变化量，并拟合曲线，参见图11所示，通过记录相邻波峰间隔，进行异常检测，具体不再赘述。
综上所述，本发明所提供的一种信息处理方法、终端及自发电劳保鞋，通过设置在劳保鞋本体中的检测装置，获取用户对并联压电片组施加的足底压力分布信息，并将所述足底压力分布信息提供给终端，以使得所述终端根据所述足底压力分布信息进行步态分析，并确定用于协调当前并联压电片组状态的指令；根据所述指令输出振动交互；压电片既作为发电单元又作为传感单元，仅通过压电片即可实现步态检测，同时能够对踩空等情况进行预警，减少了电路的复杂度并降低了电路的功耗，无需为额外的传感器供电，同时也减轻了鞋体的重量。
实施例2
区别于实施例1，本实施例提供一种终端，包括：
获取模块，用于获取用户对并联压电片组施加的足底压力分布信息；所述获取用户对并联压电片组施加的足底压力分布信息包括：
设置采样周期，在每个采样周期中检测一次并联压电片组中每个压电片的电压，以连续N次检测到的所述电压的平均值换算得到对应压电片受到的足底压力，得到并联压电片组上的压力分布信息，其中，N为大于或等于1的自然数。
处理模块，用于基于所述足底压力分布信息确定用于协调当前并联压电片组状态的指令；所述基于所述足底压力分布信息进行步态分析，并确定用于协调当前并联压电片组状态的指令包括：
根据足底压力分布信息确定踩空点，基于足底压力中心与踩空点的欧氏距离确定用于协调当前并联压电片组状态的指令。
根据所述协调并联压电片组状态的指令输出振动交互；具体地，所述调整包括对踩空点对应的压电片外加反向电场使其形变，以及触发与该压电片对应的振动马达产生振动。
在本实施例的一种实施方式中，终端可选为手机、平板、智能手机、智能手表等，通过例如蓝牙、zigbee等短距离传输方式实现与劳保鞋本体的通信连接。
实施例3
参见图4所示，区别于实施例2，本实施例提供一种自发电劳保鞋，应用到如实施例1所述的信息处理方法，包括：
劳保鞋本体，以及设置在劳保鞋本体中的检测装置，参见图5所示，为鞋体内压电片分布示意；
所述检测装置用于获取用户对并联压电片组施加的足底压力分布信息，并将所述足底压力分布信息提供给终端，以使得所述终端根据所述足底压力分布信息进行步态分析，并确定用于协调当前并联压电片组状态的指令；
以及，根据所述协调并联压电片组状态的指令输出振动交互。
进一步地，在本发明实施例中，采用信号采集单元ADC获取足底压力分布信息，并将所获取的信息发送至MCU进行处理判断，当存在作业人员腿部疾病、酗酒状态或高空作业下踩空等情况时，输出振动交互，并通过无线通信向管理端发送提示信息。
进一步地，本发明实施例还在劳保鞋本体上设置有UWB定位模块，所示UWB定位模块用于实现作业人员定位，根据电子围栏信息判断作业人员是否闯入禁区，若定位信息在电子围栏内，则向作业人员进行预警。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种信息处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取用户对并联压电片组施加的足底压力分布信息；
基于所述足底压力分布信息进行步态分析，并确定用于协调当前并联压电片组状态的指令；
根据所述指令输出振动交互。
2.如权利要求1所述的信息处理方法，其特征在于，所述获取用户对并联压电片组施加的足底压力分布信息包括：
设置采样周期，在每个采样周期中检测一次并联压电片组中每个压电片的电压，以连续N次检测到的所述电压的平均值换算得到对应压电片受到的足底压力，得到并联压电片组上的压力分布信息，其中，N为大于或等于1的自然数。
3.如权利要求2所述的信息处理方法，其特征在于，所述确定用于协调当前并联压电片组状态的指令包括：
根据足底压力分布信息确定踩空点，基于足底压力中心与踩空点的欧式距离确定用于协调当前并联压电片组状态的指令。
4.如权利要求3所述的信息处理方法，其特征在于，所述振动交互包括：
对踩空点对应的压电片外加反向电场使其形变，以及触发与该压电片对应的振动马达产生振动。
5.一种终端，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取用户对并联压电片组施加的足底压力分布信息；
处理模块，用于基于所述足底压力分布信息进行步态分析，并确定用于协调当前并联压电片组状态的指令；
根据所述指令输出振动交互。
6.如权利要求5所述的终端，其特征在于，所述获取用户对并联压电片组施加的足底压力分布信息包括：
设置采样周期，在每个采样周期中检测一次并联压电片组中每个压电片的电压，以连续N次检测到的所述电压的平均值换算得到对应压电片受到的足底压力，得到并联压电片组上的压力分布信息，其中，N为大于或等于1的自然数。
7.如权利要求6所述的终端，其特征在于，所述基于所述足底压力分布信息确定用于协调当前并联压电片组状态的指令包括：
根据足底压力分布信息确定踩空点，基于足底压力中心与踩空点的欧式距离确定用于协调当前并联压电片组状态的指令。
8.如权利要求7所述的终端，其特征在于，所述振动交互包括：
对踩空点对应的压电片外加反向电场使其形变，以及触发与该压电片对应的振动马达产生振动。
9.一种自发电劳保鞋，应用到如权利要求1至4任一项所述的信息处理方法，其特征在于，包括：
劳保鞋本体，以及设置在劳保鞋本体中的检测装置；
所述检测装置用于获取用户对并联压电片组施加的足底压力分布信息，并将所述足底压力分布信息提供给终端，以使得所述终端根据所述足底压力分布信息进行步态分析，并确定用于协调当前并联压电片组状态的指令；
以及，根据所述指令输出振动交互。
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