CN210301008U - 一种灵活的足底传感插件 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种灵活的足底传感插件，一种灵活的足底传感插件，其包括底层、位于底层上的至少一个压力测点、至少一个输出端口、至少一个智能模块；每个压力测点包括传感电极、压敏材料层和顶层，所述传感电极位于底层上，所述压敏材料层位于传感电极的上方，所述传感电路与引出电路连接，所述顶层位于压敏材料层上方；所述引出电路与输出端口连接，所述至少一个输出端口与信号转换处理器连接；所述底层、顶层为柔性材料，本传感插件引入波纹式可拉伸结构，本实用新型的技术方案，体积小，可以直接封装于鞋垫内部，本传感插件引入波纹式可拉伸结构，同一产品适应于多个足部尺码，安装方便，利于生产，可提供具有丰富的足底力学状态信息。

Description

一种灵活的足底传感插件

技术领域

本实用新型涉及一种传感插件，尤其涉及一种灵活的足底传感插件。

背景技术

人在站立、行走过程中的足部受压情况，可一定程度上反映人体健康状况。对人步态、体态进行实时检测，可有效防止高低肩、脊柱侧弯、长短腿等骨骼问题，甚至可对部分疾病进行预判，如糖尿病人的足部溃疡病症。另一方面，各类体育运动，尤其在长距离径赛，登山等项目中，长期错误的足部发力与缓冲姿势会对人体骨骼肌肉造成严重损伤，需要对运动足部的力学状态进行实时、准确的采集。

在足底压力分布的测量技术中，压力板测试设备是具有较为广泛的研究和市场应用，这种压力板上有多个局部划分区域，通过人在其表面的站立、行走，可将足部压力转换可测量的电信号。但是，这种压力板体积庞大、结构复杂、价格偏贵，难以用于做实时动态监测。

实用新型内容

针对上述技术问题，本实用新型公开了一种灵活的足底传感插件，体积小，可装于鞋垫内部，结构简单，方便进行不用测点位置的受力状况的监测。

对此，本实用新型的技术方案为：

一种灵活的足底传感插件，其包括底层、位于底层上的至少一个压力测点、至少一个输出端口、至少一个智能模块；

每个压力测点包括传感电极、压敏材料层和顶层，所述传感电极位于底层上，所述压敏材料层位于传感电路的上方，所述传感电极与引出电路连接，所述压敏材料附着于顶层表面；

所述引出电路包含至少一个输出端口，所述智能模块包括电源模块、信号转换处理器、无线通信模块，所述至少一个输出端口与信号转换处理器连接，所述信号转换处理器与无线通信模块连接，所述电源模块与信号转换处理器、无线通信模块连接提供电源；

所述底层、顶层为柔性材料。

其中，输出端口用于数据的输出。所述底层、顶层的作用为传递载荷和或电路保护。传感电极可以根据产品所需定制位置。引出电路采用与传感电极都附着于同一底层的表面，为整个导电电路的一部分；不同于其他传感插件采用电线或其他方式连接。传感电极的图形以及压敏材料层均可定制，可设计为不同敏感度不同量程，从而配合不同产品需求。引出电路的输出端在足底传感插件的内部。

采用此技术方案，各个压力测点包含传感电路及压敏材料层，在不同压力下，压敏材料层与传感电路接触面积不同，压敏材料层表面的电阻不同，进而输出给传感电路可测量的电阻值。对于每个压力测点，压力与输出电阻值成负线性关系，可根据输出的电阻值直接判断测点所受外力大小，可提供具有丰富的足底力学状态信息。另外，传感电路的引出电极在底层与顶层内，所连接的智能模块可封装于鞋垫内部，不影响外观。优选的，引出电路及模块位置接近足弓，为足部非主要受压位置，行走时不会发生弯折，则在使用过程中引出电路、智能模块等结构不易发生损坏，同时降低穿着鞋垫时的异物感。同时，插件中底层及柔性隔离层引入波纹可拉伸结构，该结构可使插件在一定范围内尺寸可调，更利于大批量生产，节约成本。

进一步的，信号转换处理器采用艾动IMS系列传感器信号转换模块，作用为将模拟的电阻信号转换成电压信号。可将电阻信号转换为电压信号的模块均可应用于本实用新型当中。

所述压力测点中，引出电路应避免与压敏材料层接触，同时在使用过程中尽量防止临近电路发生接触短接，需对引出电路进行表面保护处理，如表面贴附柔性薄膜隔离层。作为本实用新型的进一步改进，所述引出电路的表面设有柔性薄膜隔离层。

作为本实用新型的进一步改进，所述底层及柔性薄膜隔离层在无压力测点的位置设有波纹可拉伸结构。在合适位置引入波纹可拉伸结构，可在一定范围对产品尺寸调整。所述波纹可拉伸结构的制备步骤为，在无压力测点的位置对底层进行模版法冷冲压或热压处理，使底层形成波纹可拉伸结构，采用此技术方案，可实现薄膜在一定范围内尺寸可调。

进一步的，所述波纹状可拉伸结构，在印制电路前，对柔性薄膜进行预处理，使薄膜的特定位置具有N个直径为D的半圆形凹凸结构，拉伸前尺寸为L1，拉伸后尺寸为L2，拉伸前后的薄膜具有∆L的长度差，这种特殊结构使插件在鞋垫封装过程中，可以通过调整长度来适应不同尺码鞋垫的封装要求。

作为本实用新型的进一步改进，所述传感电路为通过印制电路方式形成的在底层上的图案化传感电路及引出电路，所述底层上未印制电路部分设有气孔，可以减少柔性薄膜材料面积，增加鞋垫透气性及舒适感。

作为本实用新型的进一步改进， 所述引出电路包括将所述传感电极相串和/或并联的连接电路和输出端口，所述传感电极与引出电路连接，所述压敏材料层与传感电极接触。进一步的，所述引出电路与传感电极均印制于同一底层的表面，不需要二次连接，最终形成的插件较薄。

进一步的，传感电极与压敏材料直接接触，从而实现在不同受压情况下具有不同的电阻输出值。优选地，所述传感电极的表面在不影响其表面导电性的前提下进行抗氧化处理，处理方式可为表面沉金。

作为本实用新型的进一步改进，所述底层和顶层为柔性薄膜。进一步的，所述柔性薄膜的材料为聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜、聚丙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜等材料中的至少一种。

作为本实用新型的进一步改进，所述底层与顶层之间、在位于传感电极、压敏材料层的四周通过粘结剂固定密封。

作为本实用新型的进一步改进，所述压敏材料层为一层或多层具有压阻特性的、在受压时可与柔性薄膜材料同步变形的压敏材料层，所述压敏材料层附着于顶层材料表面。

优选地，所述压敏材料层与传感电极的形状、尺寸相同，使电极和压敏材料层能够实现面对面贴合封装。

作为本实用新型的进一步改进，所述压敏材料层的材质为高分子材料、导电介质及其他添加物的混合物。

进一步的，所述压敏材料层其与顶层的柔性材料具有良好的附着力，同时在受压时可与顶层的柔性材料同步变形。

进一步的，所述压敏材料组成中所述高分子材料优选为聚氨酯类树脂、环氧树脂、氯化丙烯类树脂等材料中的至少一种；所述导电介质优选为碳纳米管、炭黑、石墨烯、石墨纤维等材料中的至少一种；所述其他添加物为改善压敏材料性能的助剂、稀释剂、分散剂、掺杂物等。

作为本实用新型的进一步改进，所述输出端口位于底层内。采用此技术方案，输出端位于底层柔性薄膜的内部，安装后输出口位于脚内部，不影响外观。进一步的，底层的形状可为足底形状或其他形状，输出端口位于底层的内部，不影响封装后的外观。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

采用本实用新型的技术方案，体积小，结构简单，直接封装于鞋垫内部，不影响外观，安装方便；采用柔性材料，不容易发生弯折失效，可靠性高；同一产品适应多种尺码足部，利于生产；该插件可提供具有丰富的足底力学状态信息，可应用于体态矫正、疾病预判、运动检测等领域。

附图说明

图1为本实用新型的一种灵活的足底传感插件的压力测点结构示意图。

图2 为本实用新型的一种灵活的足底传感插件中底层可拉伸波纹设计的原理图。

图3 为本实用新型的一种灵活的足底传感插件底层整体的示意图。

图4 为本实用新型的一种灵活的足底传感插件封装入鞋垫产品后的侧视图。

附图标记包括：1-底层，2-传感电极，3-引出电路，4-粘结剂，5-柔性薄膜隔离层，6-压敏材料层，7-顶层，8-波纹状可拉伸结构；

9-输出端口切割位置，10-足底传感插件，11-大拇趾压力测点，13-第一跖骨关节压力测点，15-第五跖骨关节压力测点，20-跟骨关节压力测点；12-第一辅助压力测点，14-第二辅助压力测点，16-第三辅助压力测点，17-第四辅助压力测点，18-第五辅助压力测点，19-第六辅助压力测点；

21-鞋垫上层，22-鞋垫下层，23-输出端口，24-粘性材料，25-气孔，26-电路输出端口插孔；27-足部前脚掌区波纹，28-足弓区波纹，29-足跟前侧区波纹，30-柔性薄膜隔离层开孔。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的较优的实施例作进一步的详细说明。

实施例1

如图1、图2并结合图3所示，一种足底传感插件，其包括底层1、位于底层1上的至少一个压力测点、至少一个输出端口、至少一个智能模块；每个压力测点包括传感电极2、压敏材料层6和顶层7，所述传感电极2位于底层1上，所述压敏材料层6位于传感电极2的上方，所述传感电极2与引出电路3连接，所述压敏材料层6附着于顶层7表面；所述引出电路3与输出端口23连接，所述智能模块包括电源模块、信号转换处理器、无线通信模块，所述输出端口23与信号转换处理器连接，所述信号转换处理器与无线通信模块连接，所述电源模块与信号转换处理器、无线通信模块连接提供电源；所述底层1、顶层7为柔性薄膜。所述底层1与顶层7之间、在位于传感电极、压敏材料层6的四周通过粘结剂4固定密封。所述输出端口23位于底层1内。

所述引出电路3包括将所述传感电极2相串和/或并联的连接电路和输出端口23，所述传感电极3与引出电路3连接，所述压敏材料层6与传感电极2接触。所述引出电路3的表面设有柔性薄膜隔离层5。

所述传感电极2为通过印制电路方式形成的在底层1上的图案化传感电路。所述引出电路3也是采用印刷电路的方式形成于底层1的表面。所述底层1上未印制电路部分设有气孔25，可以减少柔性薄膜材料面积，增加鞋垫透气性及舒适感。

如图2所示，所述底层1和柔性薄膜隔离层5在无压力测点处设有波纹可拉伸结构。进一步的，所述波纹状可拉伸结构8，在印制电路前，对柔性薄膜进行预处理，使薄膜的特定位置具有N个直径为D的半圆形凹凸结构，拉伸前尺寸为L1，拉伸后尺寸为L2，拉伸前后的薄膜具有∆L的长度差，这种特殊结构使插件在鞋垫封装过程中，可以通过调整长度来适应不同尺码鞋垫的封装要求。

进一步的，传感电极2与压敏材料层6直接接触，从而实现在不同受压情况下具有不同的电阻输出值。优选地，所述传感电极2的表面在不影响其表面导电性的前提下进行抗氧化处理，处理方式可为表面沉金。

进一步的，所述柔性薄膜的材料为聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜、聚丙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜等材料中的至少一种。

进一步的，所述压敏材料层为一层或多层具有压阻特性的、在受压时可与柔性薄膜材料同步变形的压敏材料层，所述压敏材料层6附着于顶层7材料表面。优选地，所述压敏材料层与传感电极的形状、尺寸相同，使电极和压敏材料层6能够实现面对面贴合封装。

进一步的，所述压敏材料层的材质为高分子材料、导电介质及其他添加物的混合物。所述压敏材料层其与顶层的柔性材料具有良好的附着力，同时在受压时可与顶层的柔性材料同步变形。所述压敏材料组成中所述高分子材料优选为聚氨酯类树脂、环氧树脂、氯化丙烯类树脂等材料中的至少一种；所述导电介质优选为碳纳米管、炭黑、石墨烯、石墨纤维等材料中的至少一种；所述其他添加物为改善压敏材料性能的助剂、稀释剂、分散剂、掺杂物等。

本实施例中所述信号转换处理器为艾动IMS系列传感器信号转换模块，作用为将模拟的电阻信号转换成数字电压和模拟电压信号。也可以采用将电阻信号转换为电压信号的其他模块。

本实施例的灵活的足底传感插件的工作原理为：所述足底传感插件中含有至少一个压力测点，各个压力测点包含传感电极2及压敏材料层6，在不同压力下，压敏材料层6与传感电极2接触面积不同，压敏材料层6表面电阻不同，进而输出可测量的电阻值。对于每个压力测点，压力与输出电阻值成负线性关系，可根据输出的电阻值直接判断测点所受外力大小。

将输出端口与智能模块相连，将插件的波纹可拉伸结构的区域调整至合适长度，并封装于鞋垫本体材料内部，即可进行后续使用。使用过程中，在不同运动状态下，足部与鞋垫接触并产生不同压力状态，各传感测点输出不同电阻值，经过智能模块采集及处理后，使用者可了解自身在不同运动状态下足部在不用测点位置的受力状况。

本实施例的传感电路的引出端在薄膜内部，所连接的智能模块可封装于鞋垫内部，不影响外观，引出端及模块位置接近足弓，为足部非主要受压位置，行走时不会发生弯折，则在使用过程中引出接口、智能模块等结构不易发生损坏，同时降低穿着鞋垫时的异物感。电路及压敏材料的材料均为柔性薄膜材料，材料柔软、可弯折、厚度薄、质量轻，电路、传感及相关模块结构可封装于传统鞋垫内部，形成三明治结构，不改变鞋垫外观及厚度，不降低穿着舒适感。同时，该传感插件可根据不同产品功能、需求对压力测点位置、数量、敏感度、传感量程进行定制，本实施例通过设计波纹可拉伸结构，实现了结构的定量可调，达到了一种基础构型对多种脚型尺寸覆盖的目的，进而大幅度提高了产品的易用性，降低了开模，制版，以及生产管理成本。本发明适用于运动监测、康复训练、体态矫正、疾病预判等应用领域，市场前景较大，且易于控制及推广。

实施例2

如图3和图4所示，一种压力传感智能鞋垫，结构包括鞋垫上层21、实施例1的足底传感插件10、鞋垫下层22堆叠密封而成。足底传感插件10的压力测点包括四个主要压力测点：大拇趾压力测点11、第一跖骨关节压力测点13、第五跖骨关节压力测点15和跟骨关节压力测点20，以及六个辅助压力测点：第一辅助压力测点12、第二辅助压力测点14、第三辅助压力测点16、第四辅助压力测点17、第五辅助压力测点18和第六辅助压力测点19，每组压力测点上传感电极2的图案为叉指结构，更利于与压敏材料层6组成敏感的传感测点。足底传感插件10的传感电路表面覆盖一层柔性薄膜隔离层5，起到保护作用，并在柔性薄膜隔离层5的传感电极2位置处设有柔性薄膜隔离层开孔30，从而将传感电极2外漏，实现传感电极2与压敏材料层6的直接接触，同时在不影响电性能的前提下保护引出电路。

所有压力测点中的传感电极2中，一侧电极分别相互连接并引出，另一侧电极分别单独引出，最终形成具有十二个接触点的输出端口23，为方便输出端与智能模块连接，可在利用激光切割，沿引出端进行切割裁剪，输出端口切割位置9如图3所示。在不影响电路导通的位置，可在底层1和柔性薄膜隔离层5上进行开设气孔25，该气孔25可增加鞋垫的透气性，提升穿着舒适度，气孔数量、位置及尺寸可根据实际应用修改优化。

足底传感插件10的波纹可拉伸结构包括足部前脚掌区波纹27、足弓区波纹28以及足跟前侧区波纹29，结合体图2所示，其中波纹中D=2mm，N=8。本实施例的传感插件在拉伸前可适用于35码鞋垫，在完全拉伸后长度可增加25-27mm，可适用于40码鞋垫。

最终鞋垫封装的侧视图如图4所示，其中，将足底传感插件10的足部前脚掌区波纹27、足弓区波纹28以及足跟前侧区波纹29拉伸至合适尺寸后，利用粘性材料24固定于鞋垫上层21、鞋垫下层22之间，鞋垫上层21、鞋垫下层22表面均按照足底传感插件10的气孔25位置进行开孔，从而增加鞋垫透气性及舒适度；鞋垫下层22的内部封装相关智能模块并预留电路输出端口插孔26，切割裁剪后的输出端口23插装于电路输出端口插孔26内，从而实现电路连接与数据输出。

本实施例中，所述压力测点的压敏材料层的材料主要成分为丙烯酸树脂和碳纳米管；所述波纹可拉伸结构的制作工艺为模版法热压；所述图案化传感电路中，电路材料为铜，并在传感电极位置进行沉金处理；所述柔性薄膜的材料为聚酰亚胺。

本实施例中，传感电极的图形为叉指结构，但不限于该结构。

该鞋垫具有十个测试点，各个位置的测点在受压条件下均可输出互不干扰的电阻值，可独立或同时采集测点的受压数据。同时该鞋垫外形与普通鞋垫相同，智能模块均位于鞋垫内部靠近足弓位置，最大程度上减小穿着的不舒适感。进一步的，底层的柔性薄膜上的波纹设计可以根据不同尺寸足部尺码进行调整，并且柔性薄膜与鞋垫本体材料均可进行局部开孔，形成气孔，从而增加鞋垫的透气性。

本实用新型的灵活的足底传感插件，将输出端与智能模块相连，调整至合适长度，并封装于鞋垫本体材料内部，即可进行后续使用。使用过程中，在不同运动状态下，足部与鞋垫接触并产生不同压力状态，各传感测点输出不同电阻值，经过智能模块采集及处理后，使用者可了解自身在不同运动状态下足部在不用测点位置的受力状况。

以上所述之具体实施方式为本实用新型的较佳实施方式，并非以此限定本实用新型的具体实施范围，本实用新型的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本实用新型之形状、结构所作的等效变化均在本实用新型的保护范围内。

Claims (9)

1.一种灵活的足底传感插件，其特征在于：其包括底层、位于底层上的至少一个压力测点、至少一个输出端口、至少一个智能模块；

每个压力测点包括传感电极、压敏材料层和顶层，所述传感电极位于底层上，所述压敏材料层位于传感电极的上方，所述传感电极与引出电路连接，所述压敏材料层附着于顶层表面；

所述引出电路包含至少一个输出端口，所述智能模块包括电源模块、信号转换处理器、无线通信模块，所述至少一个输出端口与信号转换处理器连接，所述信号转换处理器与无线通信模块连接，所述电源模块与信号转换处理器、无线通信模块连接提供电源；

所述底层、顶层为柔性材料。

2.根据权利要求1所述的灵活的足底传感插件，其特征在于：所述传感电极为通过印制电路方式形成的在底层上的图案化传感电路，所述底层上未印制电路部分设有气孔。

3.根据权利要求1所述的灵活的足底传感插件，其特征在于：所述引出电路包括将所述传感电极相串和/或并联的连接电路和输出端口，所述压敏材料层与传感电极接触；所述引出电路与传感电极均印制于底层。

4.根据权利要求3所述的灵活的足底传感插件，其特征在于：所述引出电路的表面设有柔性薄膜隔离层。

5.根据权利要求1所述的灵活的足底传感插件，其特征在于：所述底层及柔性薄膜隔离层在无压力测点的位置设有波纹可拉伸结构。

6.根据权利要求1~5任意一项所述的灵活的足底传感插件，其特征在于：所述底层和顶层为柔性薄膜。

7.根据权利要求1~5任意一项所述的灵活的足底传感插件，其特征在于：所述底层与顶层之间、在位于传感电极、压敏材料层的四周通过粘结剂固定密封。

8.根据权利要求1~5任意一项所述的灵活的足底传感插件，其特征在于：所述压敏材料层为一层或多层具有压阻特性的、在受压时可与柔性薄膜材料同步变形的压敏材料层，所述压敏材料层附着于顶层材料表面。

9.根据权利要求1~5任意一项所述的灵活的足底传感插件，其特征在于：所述输出端口位于底层的内部。

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