CN210095737U

CN210095737U - 一种基于柔性压力传感器的智能鞋垫

Info

Publication number: CN210095737U
Application number: CN201920516473.5U
Authority: CN
Inventors: 贾晓辉; 王涛; 刘今越
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2019-04-17
Filing date: 2019-04-17
Publication date: 2020-02-21
Anticipated expiration: 2029-04-17

Abstract

本实用新型为一种基于柔性压力传感器的智能鞋垫，该鞋垫包括鞋垫主体、信号采集装置、无线传输装置和上位机；所述鞋垫主体内部包括五层平面结构堆叠而成的柔性压力传感器，由上至下依次为上缓冲层、上电极层、介电层、下电极层和下缓冲层；外部包裹屏蔽层；上电极层和下电极层的表面分别在水平方向和竖直方向布有间距相等、长度不等的条带状导电布，上电极层和下电极层堆叠后导电布在空间上呈垂直分布，每个交叉的部分则构成了一个电容单元，每个电容单元都是一个小的传感器单元；介电层为聚氨酯海绵；信号采集装置与鞋垫主体的电容单元通过排线连接。该鞋垫能测量使用者的足底压力，并能实时显示人体足底的压力分布图像。

Description

一种基于柔性压力传感器的智能鞋垫

技术领域

本实用新型涉及医疗护理和压力检测等领域，具体是一种基于柔性压力传感器的智能鞋垫。

背景技术

足底压力分布不仅反映了下肢的状态，更反映了人体的生理结构等各方面信息，足底压力分布异常可能会引起糖尿病足溃疡、麻风病足和拇外翻等足部疾病，测量并分析足底压力对于姿态纠正、疾病预警、疾病治疗等方面都有极大地帮助。对于足底压力的研究在医疗护理和压力检测等领域扮演着越来越重要的作用，也越来越得到各界的重视，目前，关于人体足底压力的检测主要是通过各种类型的传感器，如压力传感器、加速度传感器，来制作压力鞋或压力板进行足底压力测量，不但制作复杂，费用昂贵，而且测量精度低，无法用于长期监测。因此，迫切需要一种制作简便、费用低廉、高精度的装置来实现人体足底压力的实时图像化监测。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种基于柔性压力传感器的智能鞋垫。该智能鞋垫采用交叉电极式电容阵列原理，在保证柔性的同时可实现电容单元的高密度阵列，不仅可测量平地行走时足底压力，还可以测量如上下坡、上下楼梯等各种状态下人的足底压力，并在上位机中实时显示人体足底的压力分布图像。

本实用新型解决所述技术问题采用的技术方案是，提供一种基于柔性压力传感器的智能鞋垫，其特征在于该鞋垫包括鞋垫主体、信号采集装置、无线传输装置和上位机；信号采集装置和上位机通过无线传输装置连接；

所述鞋垫主体内部包括五层平面结构堆叠而成的柔性压力传感器，由上至下依次为上缓冲层、上电极层、介电层、下电极层和下缓冲层；外部包裹屏蔽层；上电极层和下电极层的表面分别在水平方向和竖直方向布有间距相等、长度不等的条带状导电布，上电极层和下电极层堆叠后导电布在空间上呈垂直分布，每个交叉的部分则构成了一个电容单元，每个电容单元都是一个小的传感器单元；介电层为聚氨酯海绵；信号采集装置与鞋垫主体的电容单元通过排线连接。

所述信号采集装置包括AD多路通道采集模块、MCU微控制器、DA多路通道输出模块和通信模块；AD多路通道采集模块包括多个输入八通道多路复用器，且每个输入八通道多路复用器的每个通道均并联一个采样电阻，选择输入八通道多路复用器的数字信号通道，采集采样电阻的电压，当采集某个通道采样电阻的电压时，其余通道均屏蔽接地；DA多路通道输出模块包括多个输出八通道多路复用器；在AD多路通道采集模块和DA多路通道输出模块之间连接待测电容；所述无线传输装置为蓝牙模块和/或无线传输模块，分别与信号采集装置和上位机连接。

所述屏蔽层采用防辐射布；上缓冲层采用聚酯纤维编制而成的无尘布；下缓冲层为橡胶材料。

所述聚氨酯海绵在每单位英寸上的孔洞数为60。

所述导电布的宽度为5-8mm，相邻两条导电布之间的间距为0.8-1.2mm，每条导电布的阻值不超过3欧。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1)本实用新型使用的柔性导电布宽度更小，使得电容单元分布更密集，可获得更好的分辨率，实现对足底压力数据的监测。

2)本实用新型使用的柔性导电布电阻更小，使得传感器能测得更小的压力，测量精度得以提高。

3)本实用新型可制作性好，成品易制作且造价低廉，具有良好的经济性。

附图说明

图1为本实用新型基于柔性压力传感器的智能鞋垫一种实施例的整体结构示意图；

图2为本实用新型基于柔性压力传感器的智能鞋垫一种实施例的鞋垫主体的结构示意图；

图3为本实用新型基于柔性压力传感器的智能鞋垫一种实施例的电容单元所受压强和电容大小变化关系示意图；

图4为本实用新型基于柔性压力传感器的智能鞋垫一种实施例的信号采集装置的结构示意图；

图5为本实用新型基于柔性压力传感器的智能鞋垫一种实施例的人体足底双脚的压力分布图；

图中：1、鞋垫主体，2、信号采集装置，3、无线传输装置，4、上位机；11、上缓冲层，12、上电极层，13、介电层，14、下电极层，15、下缓冲层；21、AD多路通道采集模块，22、MCU微控制器，23、DA多路通道输出模块，24、通信模块。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步解释本实用新型，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。

本实用新型基于柔性压力传感器的智能鞋垫(简称鞋垫，参见图1)包括鞋垫主体1、信号采集装置2、无线传输装置3和上位机4；所述上位机4与无线传输装置3连接，接收并处理从无线传输装置3传送来的数据，并将作用于鞋垫上的压力分布状态呈现在上位机4的显示屏中，得到人体足底的压力分布图像；

所述鞋垫主体1(参见图2)内部是由五层平面结构堆叠而成的柔性压力传感器，由上至下依次为上缓冲层11、上电极层12、介电层13、下电极层14和下缓冲层15；外部包裹屏蔽层，所述屏蔽层采用防辐射布；上缓冲层11采用聚酯纤维编制而成的无尘布；上电极层12和下电极层14的表面分别在水平方向和竖直方向布有间距相等、长度不等的条带状导电布，导电布是以纤维布(常用聚酯纤维布)为基材，经处理后施以电镀金属镀层使其具有金属特性而成为导电纤维布，可分为镀镍导电布，镀金导电布，镀炭导电布，铝箔纤维复合布，本文所用电极材料就是市场上常见的镀镍导电布，柔性极佳，导电率高、价格低廉；上电极层12和下电极层14堆叠后导电布在空间上呈垂直分布，每个交叉的部分则构成了一个电容单元，每个电容单元都是一个小的传感器单元，鞋垫上的导电布宽度小，布置密集，使得每个传感器单元更加灵敏，可达到1.17％/kPa，精度更好，能够感知0-70kPa范围的压强；介电层13为聚氨酯海绵，密度小于20kg/m³，不同规格的海绵主要区别在每单位英寸上的孔洞数(PPI)，选取了多种不同PPI的海绵作为介电层进行试验(参见图3)，并结合均匀性考虑，选择了PPI＝60的海绵C作为传感器的电容介电层效果更好；下缓冲层15为橡胶材料，橡胶材料缓冲效果更好，舒适度高；

所述信号采集装置2是一块电容垫数据采集卡(参见图4)，主要包括AD多路通道采集模块21、MCU微控制器22、DA多路通道输出模块23和通信模块24等部分；AD多路通道采集模块21包括多个输入八通道多路复用器，且每个输入八通道多路复用器的每个通道均并联一个采样电阻，选择输入八通道多路复用器的数字信号通道，采集采样电阻的电压，为了减少电容干扰，当采集某个通道采样电阻的电压时，其余通道均屏蔽接地；MCU微控制器22分别与AD多路通道采集模块21、DA多路通道输出模块23和通信模块24连接；DA多路通道输出模块23包括多个输出八通道多路复用器，用来选择数字信号通路为相应的待测电容输出正弦电压；在AD多路通道采集模块21和DA多路通道输出模块23之间连接待测电容；通信模块24的输出端与无线传输装置3连接，将鞋垫上的压力信息传输至上位机4；

所述无线传输装置3为蓝牙模块和/或无线传输模块，分别与信号采集装置2和上位机4连接，用于接收和发送数据信息；

本实用新型的进一步特征在于所述导电布的宽度为5-8mm，相邻两条导电布之间的间距为0.8-1.2mm，防止相邻两个导电布连接一起，每条导电布的阻值不超过3欧，使得每个传感器单元更灵敏，精度更高；

本实用新型的进一步特征在于所述采样电阻的阻值为一兆欧。采样电阻阻值的不同对电容两端电压响应时间有影响，一兆欧较为理想。

本实用新型基于柔性压力传感器的智能鞋垫工作原理和工作流程是：人脚踩到鞋垫上后，柔性压力传感器的阵列单元因受外界压力电容产生变化，引起串联的采样电阻两端电压发生变化，通过AD多路通道采集模块21测得采样电阻两端的电压变化即可反应出所要采集的电容大小的变化，电容变化时采样电阻上的AD采集值也会相应发生变化，测得多路电容时先将DA多路通道输出模块23连接多路电容(即上述的电容单元)，再通过无线传输装置3连接上位机4，上位机4即可显示采样电阻两端的电压值，而且经过处理可以实时显示人脚踩到鞋垫时的压力分布图像。

实施例

本实施例基于柔性压力传感器的智能鞋垫(简称鞋垫，参见图1)包括鞋垫主体1，信号采集装置2，无线传输装置3和上位机4；所述上位机4与无线传输装置3连接，接收并处理从无线传输装置3传送来的数据，并将作用于鞋垫上的压力分布状态呈现在上位机4的显示屏中，得到人体足底的压力分布图像；

所述鞋垫主体1(参见图2)内部是由五层平面结构堆叠而成的柔性压力传感器，由上至下依次为上缓冲层11、上电极层12、介电层13、下电极层14和下缓冲层15；外部包裹屏蔽层，所述屏蔽层采用防辐射布；上缓冲层11采用聚酯纤维编制而成的无尘布；上电极层12和下电极层14的表面分别在水平方向和竖直方向布有间距相等、长度不等的条带状导电布，导电布是以纤维布(常用聚酯纤维布)为基材，经处理后施以电镀金属镀层使其具有金属特性而成为导电纤维布，可分为镀镍导电布，镀金导电布，镀炭导电布，铝箔纤维复合布，本文所用电极材料就是市场上常见的镀镍导电布，柔性极佳，导电率高、价格低廉；上电极层12和下电极层14堆叠后导电布在空间上呈垂直分布，每个交叉的部分则构成了一个电容单元，每个电容单元都是一个小的传感器单元，鞋垫上的导电布宽度小，布置密集，使得每个传感器单元更加灵敏，可达到1.17％/kPa，精度更好，能够感知0-70kPa范围的压强；介电层13为聚氨酯海绵，密度小于20kg/m³，不同规格主要区别在每单位英寸上的孔洞数(PPI)，选取了多种不同PPI的海绵作为介电层进行试验(参见图3)，并结合均匀性考虑，选择了PPI＝60的海绵C作为传感器的电容介电层效果更好；下缓冲层15为橡胶材料，橡胶材料缓冲效果更好，舒适度高；

本实施例中所述电容垫数据采集卡的型号为MR600_V1.0(工作原理和采集电路等详见专利号为ZL201720274020.7的中国专利)；上位机为计算机，所述导电布的宽度为6mm，相邻两条导电布之间的间距为1mm，每条导电布的阻值不超过3欧；每个采样电阻的阻值为一兆欧。

图5为本实施例智能鞋垫采集到的测试者(测试者身高为170cm，体重为55kg)的双脚的足底压力分布图，可以直观地得到压力分布情况，实现足底压力的实时监测。

本实用新型未述及之适用于现有技术。

Claims

1.一种基于柔性压力传感器的智能鞋垫，其特征在于该鞋垫包括鞋垫主体、信号采集装置、无线传输装置和上位机；信号采集装置和上位机通过无线传输装置连接；

2.根据权利要求1所述的基于柔性压力传感器的智能鞋垫，其特征在于，所述信号采集装置包括AD多路通道采集模块、MCU微控制器、DA多路通道输出模块和通信模块；AD多路通道采集模块包括多个输入八通道多路复用器，且每个输入八通道多路复用器的每个通道均并联一个采样电阻，选择输入八通道多路复用器的数字信号通道，采集采样电阻的电压，当采集某个通道采样电阻的电压时，其余通道均屏蔽接地；DA多路通道输出模块包括多个输出八通道多路复用器；在AD多路通道采集模块和DA多路通道输出模块之间连接待测电容。

3.根据权利要求1所述的基于柔性压力传感器的智能鞋垫，其特征在于，所述无线传输装置为蓝牙模块和/或无线传输模块。

4.根据权利要求1所述的基于柔性压力传感器的智能鞋垫，其特征在于，所述屏蔽层采用防辐射布；上缓冲层采用聚酯纤维编制而成的无尘布；下缓冲层为橡胶材料。

5.根据权利要求1所述的基于柔性压力传感器的智能鞋垫，其特征在于，所述聚氨酯海绵在每单位英寸上的孔洞数为60。

6.根据权利要求1所述的基于柔性压力传感器的智能鞋垫，其特征在于，所述导电布的宽度为5-8mm，相邻两条导电布之间的间距为0.8-1.2mm，每条导电布的阻值不超过3欧。