CN207428525U - 智能鞋 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种智能鞋，包括鞋体、安装于鞋体中的电路和手机APP，电路包括微处理器和信号采集模块、无线传输模块以及电池模块，信号采集模块包括三轴加速度传感器和倾斜角度传感器，信号采集模块采集数据传给微处理器，微处理器进行分析处理后得到步姿的具体信息，并将其传给无线传输模块；无线传输模块信号发送至手机APP。本实用新型操作方便，能够准确获得用户步姿的具体信息，不需要提供标准的步姿作为参照，能够广泛普及到普通用户，有利于大规模推广使用。

Description

智能鞋

技术领域

本实用新型涉及鞋类，尤其涉及带有智能检测及辅助人们矫正步姿的鞋类。

背景技术

很多人走路时或多或少都会存在着不合理的步姿，比如“外八字”、“内八字”、“足内翻”，“足外翻”等等。这些不合理的步姿往往暗示着身体里存在着某种疾病，另一方面，不合理的步姿会使对身体的软组织造成伤害，如脚踝、膝关节、胯关节等等。这些问题存在安全隐患，经过日积月累，会诱发各种疾病，比如关节炎，进而对人体健康产生巨大的影响。目前缺乏一种有效辅助人们矫正不合理步姿的设备。

传统的矫正步姿的方法有：

一是在走路的过程中，用户需要自觉地低头观察自己的步姿，并需时时刻刻有意地发现并矫正自己错误的步姿；

二是通过视频或图像的方式将步姿信息展现给用户观察。在特定的装有摄像头的环境下，用户在走路的过程中，需要被摄像头全程录像或拍照来捕捉步姿。捕捉后需要用专门的视频图像处理软件进一步分析处理步姿信息，然后再告诉用户步姿的具体错误之处；

三是通过一些专业的步姿检测设备对步姿进行分析。用户需要在专业的实验环境下使用检测设备，并且需要做出特定的走路动作。步姿检测设备会实时地捕捉步姿并分析处理后呈现步姿给用户观察以便矫正。

矫正步姿的设备有智能鞋垫、智能鞋等，它们大多数都采用压力传感器来采集脚掌压力的分布情况，再进行分析处理。

然而，传统的矫正步姿方法存在以下几大问题：

一、若用户靠自己有意地去发现并矫正错误的步姿，则效果差，因为得靠用户的主观性来判断，用户需要时时刻刻注意着自己的走路姿势，稍微不注意又会走出错误的步姿。而且，如果错误的步姿已经养成习惯的话，用户刻意去改变是很难做到的。

二、采用视频图像分析步姿的方式，用户需要到装有摄像头的地方，全程被摄像头监控，无法随时随地监测，而且后期处理也比较麻烦。

三、现有的专业的步姿检测设备一般比较大型，而且需要到实验环境去检测，操作起来也不方便。同时，专业设备费用昂贵，无法普及到普通用户，无法推广使用。

发明内容

本实用新型的目的在于解决现有技术存在的问题，本实用新型提供一种能够实时、随地监测用户的步姿，并对步姿作出较全面准确判断的智能鞋。

为了实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：一种智能鞋，包括鞋体、安装于鞋体中的电路和手机APP，其电路包括微处理器和分别与之相连的信号采集模块、无线传输模块以及向整个电路供电的电池模块，信号采集模块包括用于采集鞋子三轴加速度信号的三轴加速度传感器和用于采集鞋子航向角和横滚角的倾斜角度传感器，信号采集模块采集数据传给微处理器，微处理器进行分析处理后得到步姿的具体信息，并将其传给无线传输模块；无线传输模块信号发送至手机APP。

所述电路还包括与微处理器相连的震动提醒模块，当出现不合理步姿时，微处理器判断步姿错误，并发送震动信号到震动提醒模块，震动提醒模块工作，鞋子产生轻微震动。

所述震动提醒模块包括微型震动马达。

无线传输模块与手机APP通过蓝牙、或WiFi、或ZigBee进行连接。

所述电路整体封装，安装在鞋体的后跟处。

本实用新型的发明作用以及效果是：操作方便，能够准确获得用户步姿的具体信息，不需要提供标准的步姿作为参照，能够广泛普及到普通用户，有利于大规模推广使用；整体结构简单，设备成本低，随时随地实时监测并判断不合理的步姿，实时呈现步姿给用户观察并相应地根据步姿提出合理的建议，以便于用户及时调整步姿。手机APP和电路中的震动提醒模块都能提醒用户矫正步姿。若不需要观察步姿，用户可以不使用手机APP，使用灵活，提高了本智能鞋的使用便利性。

附图说明

图1是本实用新型智能鞋的实物结构示意图；

图2是本实用新型智能鞋的电路的结构示意图；

图3是加速度传感器信号处理流程图。

图4是二维坐标系的坐标转换示意图。

图5是三维坐标系的坐标转换示意图。

具体实施方式

应理解，本说明书中的上、下、左、右、向上、向下、向左、向右等方向性术语是针对附图中所示的方位的描述，这些方位并不是限制性的。如果没有特定说明，本文中的术语向内、向外、内、外、内侧、外侧是指相对于部件中心的范围，例如以电机轴线作为参照，内和内侧指更靠近或指向电机轴线的位置或取向，外和外侧是指更远离电机中心部位。此外，术语水平、竖起、悬垂等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而允许可以稍微倾斜。如水平仅是指其方向相对竖直而言更加水平，并不是表示该结构要完全水平，而是可以稍微倾斜。

如图1所示，本实用新型的智能鞋1包括鞋体2及安装于鞋体底部的电路3，电路包括微处理器6和分别与之相连的信号采集模块4、无线传输模块5、震动提醒模块7以及向整个电路供电的电池模块8。整个电路封装起来，安装在鞋子的后跟处。

信号采集模块4包括用于采集鞋子三轴加速度信号的三轴加速度传感器和用于采集鞋子航向角和横滚角的倾斜角度传感器。倾斜角度包括鞋子的航向角(以用户的运动方向为基准)和横滚角(以地面水平方向为基准)，即鞋子与运动方向的夹角和鞋子与地面的夹角。倾斜角度传感器采集各个倾斜角的原始数据并传给微处理器6分析处理，在测量航向角时以鞋子的运动方向为基准，即可得到鞋子与运动方向的夹角，进而判断步姿是否为内外八字；通过测量鞋子的横滚角，即可判断步姿是否为足内翻或者足外翻。加速度传感器采集原始的加速度数据，这些原始数据除了包含人体运动产生的加速度信号，还包含了人体重力加速度和其它随机噪声如系统测量噪声，必须对这些数据进行滤波预处理，去除噪声后，从而得到加速度信号，经过模数转换传输到微处理器6处理，再通过绝对坐标转换，即可得到鞋子相对于地理坐标系各个方向轴的角度，进而判断出鞋子的运动方向。

信号采集模块采集到的原始信号传给微处理器6，微处理器6进行分析处理后，将信号传给无线传输模块5；无线传输模块5将鞋子的步姿信息发送至手机APP；手机APP进一步处理后显示用户的步姿；当出现不合理的步姿时，震动提醒模块会收到来自微处理器6传来的震动信号而起震，以便及时提醒用户矫正步姿。

无线传输模块5与手机APP之间的无线传输方式可以为蓝牙模块、WiFi模块、或ZigBee模块。

微处理器6可以为任何合适的处理器，如STM32系列单片机、AVR系列单片机等等。

震动提醒模块7可以为微型震动马达。

电池模块8可以为可充电电池模块，如锂离子电池。

手机APP的开发可采用原生开发、非原生开发或混合模式开发。

下面以一实施例来说明本实用新型的技术方案。信号采集模块的传感器采用MEMS加速度传感器ADXL345和倾斜角度传感器GY-25。ADXL345功耗极低，分辨率最高达到3.9mg/LSB。倾斜角度传感器GY-25内置数据融合算法，测量精度高，稳定性高，分辨率可达0.01度。

如图3所示，加速度信号处理流程为：微处理器将采集到原始加速度数据进行滤波预处理去除噪声，再经过模数转换传输到微处理器处理，接着经过绝对坐标系的转换，即可得到绝对坐标系下与各个方向轴的角度，得出运动方向。

本实例中采用中断触发的方式控制加速度传感器采集人体运动加速度数据。由于加速度传感器输出的电压信号很容易受到各种噪声的干扰，因而必须先对模拟电压信号进行预处理，以去除各种干扰。加速度信号的预处理主要包括去除噪声以及根据使用目的将信号分离。本实例中采用卡尔曼滤波算法对采集到的加速度原始数据进行滤波处理，有效消除了输出电压信号中的随机噪声，对于分离人体重力加速度部分采用低通滤波的方法滤除。

绝对坐标系的转换过程：由于鞋子在运动中会发生方向的改变，加速度传感器的X、Y、Z轴所在的坐标系也会随之改变。为了方便进行运动方向的计算，需要把测得的加速度转换到一个恒定不变的参考坐标系中。本实例采用地理坐标系为绝对坐标系，采用坐标变换矩阵完成从载体坐标系到绝对坐标系的转换。

坐标变换矩阵也称为方向余弦矩阵，它的元素为两个参考坐标系的轴与轴间的夹角余弦。由于正交性限制，方向余弦矩阵为正交矩阵，逆矩阵等于转置矩阵，每行(列)元素的对应元素乘积之和等于0。因此，方向余弦矩阵中的9个元素具有6个限制条件，只含有3个独立变量。通过参考坐标系的平面旋转，可用旋转角(即欧拉角)定义正交坐标系之间的变换矩阵。地理坐标系只要分别绕相应的轴旋转适当的角度三次，可根据每次旋转的变换矩阵和欧拉角之间的关系得到三个平面旋转正交矩阵，这三个正交矩阵的连乘积便将载体坐标系与地理坐标系联系在一起，便可产生载体坐标系。

如图4，二维平面坐标系O-x1y1逆时针旋转θ后与坐标系O-x2y2重合,利用三角关系就可以得到以下公式：

x1＝x2 cosθ-y2 sinθ

y1＝x2 sinθ-y2 cosθ

将其化为矩阵的形式，即

同理，若三维坐标系O-xyz绕自身的x轴逆时针转θ之后与坐标系O-XYZ重合，坐标系O-XYZ和O-xyz中的坐标描述存在以下关系：

同理，若坐标系O-xyz绕自身的y轴或z轴逆时针转θ之后与坐标系O-XYZ重合，则对应的坐标关系如下：

如图5，假设三维坐标系O-X1Y1Z1为载体坐标系，O-X3Y3Z3为地理坐标系，根据上述关系，只要分别绕相应的轴旋转适当的角度三次，可根据每次旋转的变换矩阵和欧拉角之间的关系得到三个平面旋转正交矩阵，这三个正交矩阵的连乘积便将载体坐标系与地理坐标系联系在一起：

人们的运动方向会在走路过程中不断改变，通过以上所述的坐标转换矩阵，将载体坐标系和地理坐标系联系起来，就可以得到在某一时刻鞋子的运动方向，为倾斜角度传感器测量角度提供基准。

本实例中，倾斜角度传感器GY-25通过串口总线与微处理器连接。微处理器读取GY-25采集的原始数据，每次读一帧数据(八个字节)，每一帧都有帧头标志(一个字节)和帧结束标志(一个字节)，其他六个字节即为角度的原始数据。当微处理器没有判断出帧头标志和帧结束标志时，就认为这帧数据不是角度的真实数据，便丢弃数据后重新接收并判断；当微处理器判断到帧头标志和帧结束标志后，就将剩余的角度数据通过公式转换出角度，可得到鞋子的航向角和横滚角，即脚与运动方向的夹角和脚与地面的夹角。通过这些角度信息，能够判断出用户的步姿是否存在问题。例如，当脚与运动方向夹角超过5度则判定当前步姿不正常，即当前步姿为内八字脚或外八字脚；当脚与地面的夹角超过5度则判定当前步姿不正常，即当前步姿为足内翻或足外翻。

本实用新型智能鞋的工作场景为：用户穿上智能鞋，打开智能鞋侧边的电源开关以初始化各个模块，打开手机APP与智能鞋无线连接后，用户只需要正常走路，传感器将实时采集加速度信号和各个角度信号经微处理器处理控制后，通过无线传输模块将步姿的角度数据发送至手机APP实时呈现步姿信息，同时，根据步姿向用户给出合理的建议。倘若用户不需要观察步姿的具体状态，可以不需要使用手机APP建立无线连接，就只需要穿上智能鞋，上电后正常走路即可。智能鞋会实时监测步姿，一旦出现不合理的步姿，将会自动震动提醒用户矫正。

本实用新型包括但并不限于上述实施例及附图所示的内容，其它一切与本实用新型的技术方案具有相同实质性内容的产品结构均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种智能鞋，包括鞋体、安装于鞋体中的电路和手机APP，其特征在于：电路包括微处理器和分别与之相连的信号采集模块、无线传输模块、震动提醒模块以及向整个电路供电的电池模块，

信号采集模块包括用于采集鞋子三轴加速度信号的三轴加速度传感器和用于采集鞋子航向角和横滚角的倾斜角度传感器，

信号采集模块采集数据传给微处理器，微处理器进行分析处理后得到步姿的具体信息，并将其传给无线传输模块；无线传输模块信号发送至手机APP；当出现不合理步姿时，微处理器判断步姿错误，并发送震动信号到震动提醒模块，震动提醒模块中的微型震动马达工作，鞋子产生轻微震动。

2.根据权利要求1所述的智能鞋，其特征在于：无线传输模块与手机APP通过蓝牙、或WiFi、或ZigBee进行连接。

3.根据权利要求1所述的智能鞋，其特征在于：所述电路整体封装，安装在鞋体的后跟处。