CN211558969U - 基于柔性传感器的智能鞋垫 - Google Patents

Abstract

一种基于柔性传感器的智能鞋垫，包括：底托，开设一收容腔体；柔性传感器，贴附在底托对应前脚掌及脚跟处的表面；信号采集装置设置在收容腔内且过盈配合；导电体设置在底托；柔性传感器包括：第一硅胶层、金属层以及第二硅胶层，金属层的厚度小于毫米；信号采集装置包括：电路板、电源、无线模块和控制模块；柔性传感器通过导电体连接信号采集装置。通过在底托表面设置柔性传感器，当行走或跑步时，对柔性传感器产生了挤压形变，此时柔性传感器的电阻值也发生了相应变化。即前脚掌与脚跟受力情况与柔性传感器的形变量（电阻值）相关，便可实现对脚连续的监控，而这些监控都是通过“电阻值”持续、实时的反映脚受力的形态变化量。

Description

基于柔性传感器的智能鞋垫

技术领域

本实用新型涉及智慧医疗技术领域，特别是涉及一种基于柔性传感器的智能鞋垫。

背景技术

随着人们生活水平的提高，人们对健康认识的提高，运动健身已被大多数人所提倡，例如跑步、健走等运动。然而，不同人的步态会使得人的脚受到不同程度的损伤，甚至会出现疼痛和疾病。

基于此，智慧医疗融入了多种技术用于监控步态，例如传感技术。然而，传统的用于监控步态的产品主要是智能鞋垫，大多数是用于监控步数、行走轨迹或行走距离，但是对于脚的受力情况的监控是极为少见，有些脚的受力监控也仅仅是瞬间非连续受力的监控。因此，对脚的连续受力监控是本领域的技术难点。

发明内容

基于此，有必要提供对脚的连续受力监控的一种基于柔性传感器的智能鞋垫。

一种基于柔性传感器的智能鞋垫，包括：底托，开设一收容腔体；柔性传感器，贴附在所述底托对应前脚掌及脚跟处的表面；信号采集装置，设置在所述收容腔内，且过盈配合；以及导电体，设置在所述底托；所述柔性传感器包括：第一硅胶层、设置在所述第一硅胶层上的金属层以及覆盖所述金属层的第二硅胶层，所述金属层的厚度小于毫米；所述信号采集装置包括：电路板、设置在所述电路板上的电源、无线模块和控制模块，所述电源为所述无线模块、所述控制模块提供电能；所述柔性传感器通过所述导电体连接所述信号采集装置。

在一实施例中，所述金属层设有微裂纹，所述微裂纹沿着形变方向延伸。

在一实施例中，所述金属层包括第一子金属层和第二子金属层，所述第一子金属层和所述第二子金属层皆设有微裂纹，所述第一子金属层的微裂纹方向和所述第二子金属层的微裂纹方向呈角度交错设置。

在一实施例中，所述第一子金属层的微裂纹方向和所述第二子金属层的微裂纹方向呈90度交错设置。

在一实施例中，所述微裂纹为镂空的线性结构。

在一实施例中，还包括保护层，覆盖所述柔性传感器、所述信号采集装置及所述导电体，并贴合在所述底托表面。

在一实施例中，所述柔性传感器与所述底托一体成型。

在一实施例中，所述收容腔体开设在对应脚弓内侧的位置处。

在一实施例中，所述柔性传感器还贴附在所述底托对应前大脚拇趾处的表面。

在一实施例中，所述金属层与所述控制模块电连接。

采用本方案的基于柔性传感器的智能鞋垫，通过在底托对应前脚掌及脚跟处的表面设置柔性传感器，因为人在行走过程中，前脚掌受力约占总受力的40%，脚跟受力约占总受力的30%，因此这两个地方是重点关注的区域。当行走或跑步时，对柔性传感器产生了挤压形变（柔性传感器的表面表现为拉伸形变），此时该柔性传感器的电阻值也发生了变化，即拉伸形变量对应电阻值的变化量。即前脚掌与脚跟受力情况与柔性传感器的形变量相关，而且是柔性传感器因受力而连续输出的电阻值，即可实现对脚（力的相互性）连续的监控，而这些监控都是通过“电阻值”连续、实时且直接的反映脚受力的形态变化量。

若行走或跑步的姿态不对，就能够通过本方案的基于柔性传感器的智能鞋垫实施监控脚的受力分布，能够提前发现脚不合理的受力，预防脚的损失或其它脚的疾病，提高人们生命健康品质。

【附图说明】

图1为一个实施例基于柔性传感器的智能鞋垫的示意图；

图2为一个实施例基于柔性传感器的智能鞋垫的分解示意图；

图3为一个实施例柔性传感器的分解示意图；

图4为一个实施例微裂纹的微显示图；

图5为一个实施例第一子金属层的示意图；

图6为一个实施例第二子金属层的示意图；

图7为一个实施例信号采集装置的示意图。

【具体实施方式】

体现本实用新型特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本实用新型能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本实用新型的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本实用新型。

结合附图1～7，在一个实施例中，基于柔性传感器的智能鞋垫1，包括：底托11，开设一收容腔体111；柔性传感器2，贴附在底托11对应前脚掌及脚跟处的表面；信号采集装置3，设置在收容腔111内，且过盈配合；以及导电体4，设置在底托11。柔性传感器2通过导电体4连接信号采集装置3。在其它实施例中，该导电体4可以是导电布、导电线、导电薄膜或任意的导电的连接体即可，当然，该导电体4表面覆盖防水硅胶层，用于防水。

在一实施例中，结合附图3，本方案的柔性传感器2包括：第一硅胶层21、设置在第一硅胶层21上的金属层22以及覆盖金属层22的第二硅胶层23。即该柔性传感器2是三层结构，且通过磁控溅射的方式实现该柔性传感器2。具体的，底层为第一硅胶层21，然后通过磁控溅射的方式溅射金属而构成金属层22，该金属层22的材质可以是金、银、铜、铁或合金等金属，该金属层22的厚度小于毫米，根据产品的需要设置微米级或纳米级的厚度；最后，在该金属层22上再设置第二硅胶层23，形成立体结构的柔性传感器2。

进一步的，结合附图4，该柔性传感器2的金属层22设有微裂纹223，微裂纹223沿着形变方向延伸。当然，在其它实施例中，该微裂纹223为镂空的线性结构，也可以是其它形状，例如菱形、圆形、线性或者不规则形状等。该微裂纹223结构的设计，其核心是在拉伸形变的过程中，微裂纹223中的空隙为拉伸形变提供了空间，同时在拉伸形变的过程中，金属层22的长度（横向）或者厚度（纵向）都发生了形变，由R=ρL/S (其中,ρ表示电阻的电阻率,是由其本身性质决定,L表示电阻的长度,S表示电阻的横截面积)可知，电阻值就会跟随柔性传感器2的形变（实质是金属层22的形变）而发生变化，电阻值就会与柔性传感器2的形变量构建关联关系，实现柔性传感器2对应脚（前脚掌、脚跟或脚的其它部位）形变的监控。包裹该金属层22的第一硅胶层21和第二硅胶层23快速的把金属层22“拉回”至初始状态（未超过为该柔性传感器2拉伸的极限位置，一般可达2-3倍的拉伸形变量），同时硅胶还可以保护金属层22不受到破坏，使得该柔性传感器2的使用寿命会更长。

在其它实施例中，结合附图5和6，金属层22包括第一子金属层221和第二子金属层222，第一子金属层221和第二子金属层222皆设有微裂纹223，第一子金属层221的微裂纹223方向和第二子金属层222的微裂纹223方向呈角度交错设置。该设计的优势是，可以保证在第一子金属层221或第二子金属层222中出现断裂或损坏时，其另外的子金属层可以起到备份作用。另外，不同子金属层的微裂纹223方向，也可以在微裂纹223出现“断裂”的时候，不同子金属层的微裂纹223可以起到“补充”作用。在一实施例中，第一子金属层221的微裂纹223方向和第二子金属层222的微裂纹223方向呈90度交错设置，能够有效的满足该柔性传感器2在横向和纵向拉伸形变时的大尺度形变，且有效保持“多角度”形变过程中的“稳定性”。

采用本方案的柔性传感器2，当柔性传感器2拉伸发生形变，由于其中间设有金属层22，该金属层22随着外部硅胶拉伸形变而发生形变，该金属层22（金属的长宽等都发生变化）的电阻值也发生了变化。此时，该柔性传感器2的拉伸形变量与电阻值的变化量构成关联关系，可用于测量待测物体的形变，并通过导电体4把电阻值向外传递。

由于该柔性传感器2的硅胶为柔性，金属在微裂纹223的结构设计（微裂纹223为金属层拉伸变化提供空间），该金属层22的厚度小于毫米级，甚至可以达到微米或纳米级，且金属本身具有一定的柔软性。导电体4可以是导电布、导电线、导电薄膜或任意的导电体4即可，起到电阻值信号导出作用。因此，该柔性传感器2可以检测脚发生形变的区域，包括拉伸、扭曲、挤压等所带来的形变，这些形变其最终在柔性传感器2的表面表现为拉伸形变。

结合附图7，在一实施例中，本方案的信号采集装置3包括：电路板31、设置在电路板31上的电源32、无线模块33和控制模块34，电源32为无线模块33、控制模块34提供电能。具体的，电源32为纽扣电池，无线模块33为WiFi、蓝牙或红外。另外，金属层22通过导电体4与控制模块34电连接。

进一步的，柔性传感器2的金属层22与控制模块34电连接，当柔性传感器2发生形变的时候，金属层22的电阻值信号发生变化，通过导电体4（例如：柔性导电线或柔性导电布）把电阻值信号传递至控制模块34，控制模块34（例如ARM处理器内核）计算得到电阻值并通过无线模块33传递至计算机后台（例如移动终端的APP或计算机设备等设备）或其它接收设备。

在其它实施例中，也可以在该信号采集装置3还设置一显示灯或液晶数字显示屏（图未示），直接显示该基于柔性传感器的智能鞋垫1拉伸形变量所对应的形变数据。当然，也可以设置蜂鸣器（图未示），通过响声或震动反馈该受力数据大小。

在一实施例中，结合幅图2，基于柔性传感器的智能鞋垫1，还包括保护层12，覆盖柔性传感2、信号采集装置3及导电体4，并贴合在底托11表面。对柔性传感器2、导电体4、信号采集装置3进行保护。另外，底托11材质可以是由聚乙烯、全硅胶、或者其它缓冲性材质构成。

在一实施例中，柔性传感器2与底托11一体成型。另外，底托11的收容腔体111开设在对应脚弓内侧的位置处，因为脚弓内侧的位置受力较小，占总受力的小于5%，因此安装在该收容腔体111的信号采集装置3受到压力的影响最小，信号采集装置3较为安全和稳定。在其它实施例中，柔性传感器3还贴附在底托11对应前大脚拇趾处的表面，对大脚拇趾的受力情况也进行分析，因为大脚拇趾受力约5%，具有重要的分析价值。

采用本方案的基于柔性传感器的智能鞋垫，通过在底托11对应前脚掌及脚跟处的表面设置柔性传感器2，因为人在行走过程中，前脚掌受力约占总受力的40%，脚跟受力约占总受力的30%，因此这两个地方是重点关注的区域。当行走或跑步时，对柔性传感器2受到脚的压力而产生了挤压形变（柔性传感器2的表面表现为拉伸形变），此时该柔性传感器2的电阻值也发生了变化，即拉伸形变量对应电阻值的变化量。即前脚掌与脚跟受力情况与柔性传感器2的形变量相关，而且是柔性传感器2因受力输出连续的电阻值，即可实现对脚（力的相互性）连续的监控，而这些监控都是通过“电阻值”直接反映脚受力的形态变化量。

若行走或跑步的姿态不对，就能够通过本方案的基于柔性传感器的智能鞋垫1实施监控脚的受力分布，能够提前发现脚不合理的受力分布和不对的用脚习惯，起到预防脚的损失或其它脚的疾病，提高人们生命健康品质，做普惠大众的智慧医疗产品。

以上实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于柔性传感器的智能鞋垫，其特征在于，包括：

底托，开设一收容腔体；

柔性传感器，贴附在所述底托对应前脚掌及脚跟处的表面；

信号采集装置，设置在所述收容腔内，且过盈配合；以及

导电体，设置在所述底托；

所述柔性传感器包括：第一硅胶层、设置在所述第一硅胶层上的金属层以及覆盖所述金属层的第二硅胶层，所述金属层的厚度小于毫米；

所述信号采集装置包括：电路板、设置在所述电路板上的电源、无线模块和控制模块，所述电源为所述无线模块、所述控制模块提供电能；

所述柔性传感器通过所述导电体连接所述信号采集装置。

2.根据权利要求1所述的基于柔性传感器的智能鞋垫，其特征在于，所述金属层设有微裂纹，所述微裂纹沿着形变方向延伸。

3.根据权利要求1所述的基于柔性传感器的智能鞋垫，其特征在于，所述金属层包括第一子金属层和第二子金属层，所述第一子金属层和所述第二子金属层皆设有微裂纹，所述第一子金属层的微裂纹方向和所述第二子金属层的微裂纹方向呈角度交错设置。

4.根据权利要求3所述的基于柔性传感器的智能鞋垫，其特征在于，所述第一子金属层的微裂纹方向和所述第二子金属层的微裂纹方向呈90度交错设置。

5.根据权利要求2～4任意一项所述的基于柔性传感器的智能鞋垫，其特征在于，所述微裂纹为镂空的线性结构。

6.根据权利要求1所述的基于柔性传感器的智能鞋垫，其特征在于，还包括保护层，覆盖所述柔性传感器、所述信号采集装置及所述导电体，并贴合在所述底托表面。

7.根据权利要求1所述的基于柔性传感器的智能鞋垫，其特征在于，所述柔性传感器与所述底托一体成型。

8.根据权利要求1所述的基于柔性传感器的智能鞋垫，其特征在于，所述收容腔体开设在对应脚弓内侧的位置处。

9.根据权利要求1所述的基于柔性传感器的智能鞋垫，其特征在于，所述柔性传感器还贴附在所述底托对应前大脚拇趾处的表面。

10.根据权利要求1所述的基于柔性传感器的智能鞋垫，其特征在于，所述金属层与所述控制模块电连接。

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