TWI830517B - 足部感測器及分析裝置 - Google Patents
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Abstract
一種具有一體成形夾層感測器的鞋墊，包括：一壓力感測層，設置於上述鞋墊的內部；一感測器模組，設置於該鞋墊的內部與該壓力感測層電性連接，用以接收和處理該壓力感測層所偵測到的電子訊號；其中，該感測器模組包含一電感線圈，用於與外部無線充電系統耦合對該感測器模組中的電池進行無線充電；其中，該壓力感測層及該感測器模組係一體成形地整合於上述鞋墊的內部。
Description
本發明涉及具有內嵌式感測器相關技術，特別是一種足部感測器及分析裝置。
近年來基於電子科技的進步，精密的電子感測器除了提高精準程度術，也朝輕巧及便於攜帶的設計發展，突破過去使用上的限制，更因運動與健康議題的重要性越來越受到重視，使得記錄日常身體活動或專為運動設計的穿戴式科技迅速發展。但目前已成熟開發的功能主要只有簡單計算步數、步頻等，其實感測元件在使用過程中擷取的資料很多，如何進一步分析運用才是未來穿戴科技需要突破的重點。
電子感測元件的微型化讓鞋子裡面能安裝感測器，也讓實驗能走出室內環境，不只如此，量測鞋內的足底壓力也能為運動感測帶來其他優勢。以跑步運動為例，在下肢與地面接觸時，儀器如測力板雖能精準測量人體所受外力，但唯有足底壓力能針對足底範圍內，同步提供外力作用的時間與空間參數。舉例來說，足底特定位置的受力不同，就可能具有不同的代表意義，可能改變
運動傷害或跌倒發生的機率。這些資訊的取得須倚靠足底壓力，無法自其他測量工具得知，此獨特性讓足底壓力對於臨床及運動相關偵測的重要性不容忽視。
臨床上，足底壓力分佈是揭示人體步態規律的重要指標之一，足底壓力分佈測量在生物力學、復健醫學、體育訓練、製鞋等領域有重要指標性意義。目前臨床使用的壓力測試板和測試台存在空間侷限性，不具備可穿戴性。
由於現有的作為測試足底壓力的感測器，其感測單元與人的足部接觸，易於足底頻繁接觸而磨損，不利於長時間穿戴以及測試。
因此，進一步開發一種可穿戴式鞋墊，使得感測器能內嵌於鞋墊內，並使得感測器與鞋墊與製作時能一體成型，可以進一步解決以上的缺失。
本發明的目的在提供一種具有一體成型夾層感測器的鞋墊，該鞋墊包括：一壓力感測層，設置於上述鞋墊的內部；一感測器模組，設置於該鞋墊的內部與該壓力感測層電性連接，用以接收和處理該壓力感測層所偵測到的電子訊號；其中，該感測器模組包含一電感線圈，用於與外部無線充電系統耦合對該感測器模組中的電池進行無線充電；其中，該壓力感測層及該感測器模組係一體成形地整合於上述鞋墊的內部。
以一實施例而言，一體成形夾層感測器的鞋墊，更包含一紅外線感測層，設置於該鞋墊內部與該感測模組電性連接，用以傳送該紅外線感測層所偵測到的電子訊號至該感測模組，其中，該紅外線感測層係一體成形地整合於上述鞋墊的內部。
以一實施例而言，其中上述之壓力感測層是以不同密度分布的複數個壓力感測器設置在該鞋墊近鞋頭區、足弓外側區和腳跟區。
以一實施例而言，上述之複數個壓力感測器包含複數個電阻式壓力感測器形成陣列配置方式，該壓力感測層為可撓式。
以一實施例而言，上述之複數個壓力感測器包含複數個電容式壓力感測器形成陣列配置方式，該壓力感測層為可撓式。
以一實施例而言，上述之紅外線感測層為可撓式。
以一實施例而言，上述之感測模組提供由計算機程式/演算法以控制數據的蒐集和儲存。
以一實施例而言，上述之感測模組被構造為用於與外部電子裝置進行通訊，該外部電子裝置是外部計算裝置、計算系統、行動裝置、或其他電子裝置類型。
以一實施例而言，上述之感測模組至少包括：微處理器，用於蒐集及分析該壓力感測層、該加速度計及該紅外線感測層所偵測到的電子訊號，並將其轉換為對應的足壓分布資訊、加速度資訊以及血液循環資訊；記憶體，耦接該微處理器，用於儲存該足壓分布資訊、該加速度資訊以及該血液循環資訊；無線數據傳輸/接收裝置，耦接該微處理器，用於將該足壓分布資訊、該加速度資訊以及該血液循環資訊無線傳輸至外部電子裝置；及電源供應裝置，用以對該壓力感測層、該紅外線感測層、該微處理器、該記憶體、以及該無線數據傳輸/接收裝置供電。
以一實施例而言，上述之無線數據傳輸/接收裝置是藍芽晶片、WiFi或類似功能之數據傳輸/接收裝置。
以一實施例而言，上述之感測模組更包含一加速度計，用於檢測使用者步行期間的方向改變、GPS數據、加速度輸出數據、角定向相關數據和角定向變化，以檢測包含速度/距離資訊，並且與壓力感測數據對照相互校正。
10:鞋墊
12:壓力感測層
12a:壓力感測器
13:紅外線感測層
14:足弓墊
16:感測模組
15:近鞋頭區
19:足弓外側區
20:腳跟區
22:導線
24:導線
30:鞋墊感測系統
32:無線數據傳輸/接收裝置
34:處理系統
35:記憶體
36:附加的感測器
37:電源供應裝置
38:壓力感測裝置
39:紅外線感測裝置
30a,30b:左、右鞋墊感測系統
16a,16b:感測模組
38a,38b:壓力感測裝置
39a,39b:紅外線感測裝置
32a,32b:無線數據傳輸/接收裝置
42:計算核心
43:使用者介面
44:網際網路介面
45:無線通信收發器
46:存儲裝置
42a:處理器
42b:其他計算核心組件
[圖1A]顯示根據本發明的一個實施例所提出，具有一體成形夾層感測器的鞋墊之俯視圖。
[圖1B]顯示根據本發明的一個實施例所提出，具有一體成形夾層感測器的鞋墊之側視圖。
[圖1C]顯示根據本發明的一個實施例所提出，具有一體成形夾層感測器的鞋墊，其中壓力感測器的分布以及佈線的示意圖。
[圖1D]顯示根據本發明的一個實施例所提出，具有一體成形夾層感測器的鞋墊，其中整合壓力感測層以及紅外線感測層的剖面示意圖。
[圖2]顯示根據本發明的一個實施例所提出，鞋墊感測系統之功能方塊圖。
[圖3]顯示根據本發明的一個實施例所提出的左、右鞋墊感測系統與外部計算裝置的系統方塊示意圖。
此處本發明將針對發明具體實施例及其觀點加以詳細描述，此類描述為解釋本發明之結構或步驟流程，其係供以說明之用而非用以限制本發明之申請專利範圍。因此，除說明書中之具體實施例與較佳實施例外，本發明亦可廣泛施行於其他不同的實施例中。以下藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技術之人士可藉由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之功效性與其優點。且本發明亦可藉由其他具體實施例加以運用及實施，本說明書
所闡述之各項細節亦可基於不同需求而應用，且在不悖離本發明之精神下進行各種不同的修飾或變更。
足底壓力是指人體在各種形式的運動過程中，足底接觸到地面時單位面積所承受的力。足底壓力檢測系統是由多個壓力感測元件所組成，在測量動作的過程中依據每個感測元件收取到壓力值並進行計算，得到該次測量的足底壓力參數。
目前檢測足底壓力所採用的壓力感測元件，主要可以分為電容式及電阻式兩種類型。電容式壓力感測元件利用隔膜來隔開兩個導電板，當感測元件上的隔膜受到壓力而產生形變時，使隔膜與兩個導電板間的空隙改變進而造成電容的變化，並藉由電容的變化計算壓力的大小。
電阻式壓力感測元件是由導電的聚合物所組成，導電聚合物會隨著壓力的變化而改變電阻。施加力能使導電顆粒接觸，進而增加通過感測元件的電流並計算出壓力值。
圖1顯示根據本發明的一個實施例所提出的，具有一體成形夾層感測器的鞋墊10。其中，圖1A顯示鞋墊之俯視圖，其中壓力感測層12係內嵌於鞋墊的內部，於圖式中以虛線表示，其包括由複數個壓力感測器12a形成陣列配置方式，個別壓力感測器12a作為感測點，用於感測足部壓力產生變化時壓力的變化和位置分佈。壓力感測器12a透過導線24電性連接至感測模組16。
以一實施例而言，圖1A中的壓力感測器12a為電阻式壓力感測元件。其中，電阻式壓力感測元件是由導電的聚合物所組成，導電聚合物會隨著壓力的變化而改變電阻。施加力能使導電顆粒接觸，進而增加通過感測元件的電流並計算出壓力值。
以另一實施例而言，圖1A中的壓力感測器12a為電容式壓力感測元件。其中，電容式壓力感測元件利用隔膜來隔開兩個導電板，當感測元件上的隔膜受到壓力而產生形變時，使隔膜與兩個導電板間的空隙改變進而造成電容的變化，並藉由電容的變化計算壓力的大小。
圖1B顯示鞋墊10之側視圖，壓力感測層(未顯示)是以一體成形方式整合於鞋墊10內。鞋墊10可包含熱塑性聚酯彈性體層(TPEE)，鞋墊10亦可包含足弓墊14整合於其中。而用於蒐集複數個壓力感測器的電子訊號並對其進行運算處理以及傳送之感測模組16則以內藏方式設置於鞋墊之足弓墊14內或是以一體成形方式設置於鞋墊10之內，可以避免或最小化對穿戴者的腳部的接觸和刺激。
根據本發明的一個實施例，上述感測模組16可以整合封裝於一軟性基板，便於使其以一體成形的方式設置於鞋墊10內。
圖1C所示，壓力感測器(未顯示)可以以不同密度分布在包含腳趾區及前腳掌區的近鞋頭區15、足弓外側區19和腳跟區20處，亦即腳底關節部位。個別壓力感測器利用導線22電連接至感測模組16。其中，不同數目的複數個壓力感測器以及相應導線24形成可撓式壓力感應裝置，設置於鞋墊不同部位用於感測使用者足部的不同區域(例如，前述的對應腳趾區及前腳掌區的近鞋頭區15、足弓外側區19及腳跟區20位置)的足壓分布。換言之，上述三個區域之感測器密度不同，其中密度由大到小依序為近鞋頭區15、足弓外側區19及腳跟區20。其中，感測模組16，包括藍芽晶片以及其他電子組件，則全部內藏於鞋墊10中足弓部的足弓墊14之內或是以一體成形方式與壓力感測器一起設置於鞋墊10之內。
以一實施例而言，感測模組16可以是由印刷電路板整合的電子感測模組，其具有連接端子與上述複數個壓力感測裝置電性連接。其中，感測模組16的尺寸可以達到薄型化，其厚度約為3~4.5mm。
圖1D顯示鞋墊10之側剖面視圖，其下方圖式為鞋墊10位於虛線方框區域的局部剖面視圖，圖式中個別壓力感測器12a係設置於一軟性基板，並於軟性基板上製作相應的佈線，使個別壓力感測器12a可以透過導線將感測到的訊號傳輸至感測模組16。以一實施例而言，壓力感測層12包含可撓式壓力感測器12a以及佈線。
另外，鞋墊10亦可以整合紅外線感測器，用於偵測使用者腳部血液循環狀況。基於紅外線的高穿透性，紅外線感測器不必緊貼人體肌膚就能偵測
腳部血液循環狀況。圖1D顯示，其中，紅外線感測層13包含可撓式紅外線感測器及佈線，其同樣也是以一體成形方式設置於鞋墊10內部用於接收人體足部發出的紅外線。以此方式配置可以避免與壓力感測器相互干擾。以一實施例而言，紅外線感測層13可以透過可撓式佈線與感測模組16的連接端子電連接。藉由上述紅外線的高穿透性量測腳背外側負責為腳部輸送血的動脈，藉以判斷足背脈搏是否可能存在異常。
以一實施例而言，上述的壓力感測層12、紅外線感測層13以及感測模組16均可製作為可撓式，使得壓力感測層12、紅外線感測層13以及感測模組16於鞋墊10射出成形時以一體成形方式內嵌於鞋墊10之內部。其中，鞋墊10係採無線充電模式，整體鞋墊可完全無外露孔，鞋墊10可進洗衣機清洗。
圖2顯示鞋墊感測系統30之功能方塊示意圖，其包括能夠透過無線數據傳輸/接收(TX/RX)裝置32進行數據傳輸/接收的感測模組16。雖然圖2顯示了無線數據傳輸/接收(TX/RX)裝置32是整合至感測模組16中，但是本領域技術人員可以理解無線數據傳輸/接收(TX/RX)裝置32也可以作為一個分離的組件用於數據傳輸/接收的目的。於圖2的例子中，感測模組16可以包括用於傳輸數據到一個或複數個遠端系統和/或從一個或複數個遠端系統接收數據的無線數據傳輸/接收(TX/RX)裝置32。在一實施例中，無線數據傳輸/接收裝置32可以是藍芽晶片、WiFi或類似功能之無線數據傳輸/接收裝置。感測模組16可以經由連接端子與設置於鞋墊之複數個壓力感測器(壓力感測裝置38)以及紅外線感測裝置39電性連接。感測模組16還包括處理系統(例如，一個或多個微處理器)34、記憶體35、
附加的感測器(包括，加速度計、陀螺儀(G-sensor)、GPS等)36以及電源供應裝置37。電源供應裝置37可以向壓力感測裝置38、紅外線感測裝置39和/或感測系統的其他組件(例如，處理系統34、記憶體35、附加的感測器36等)供電。以一較佳實施例，電源供應裝置37包括可充電式固態電池、電感線圈(用於與外部無線充電系統耦合對電池進行無線充電)以及USB充電接口。這裡應了解的是感測模組16可以提供由計算機程式/演算法以控制數據的蒐集和儲存(例如，使用者的腳部壓力分佈數據或與地面互動的壓力數據、使用者的足部血液循環狀態等)，並且這些程式/演算法可以被儲存和/或被執行。
透過TX/RX裝置32可以完成對一個或複數個感測器的連接，並且提供附加的感測器36用來檢測或提供數據或與各種不同參數相關的資訊。這些數據或資訊包括與使用者相關的生理數據，包含計步器類型速度數據/距離資訊、加速計用於檢測步行期間的方向改變、GPS數據、加速度輸出/數據、角定向相關數據和角定向變化(由陀螺儀感測器得知)，並且壓力感測數據對照相互校正，這些數據可以被儲存於記憶體或經由TX/RX裝置32傳送到遠端的計算設備或伺服器。
在圖2的實施例中，感測模組16可以包含啟動系統(未顯示)。亦即，系統或其部分可與上述感測模組16或鞋墊一起接合或從感測模組16的其他部分分離。啟動系統可以用於選擇性啟動感測模組16，在一個實施例中，感測模組16可以透過特有的模式啟動使感測模組被啟動或關閉，例如施加於一個或多個感測器一壓力閥值。在其他實施例中，可以透過按鈕啟動或關閉感測模組16。
在任何這些實施例中，感測模組16可以包含休眠模式，可在一段不活動期後使系統進入休眠模式。在一個實施例中，例如，陀螺儀(G-sensor)於一預設時間內沒有偵測到活動，感測模組16可以進入休眠模式以節省電力。
感測模組16還可以被構造為用於與外部裝置進行通訊，外部裝置可以是外部計算裝置、計算系統、行動裝置(智慧手機、平板電腦等)、或其他電子裝置類型。
圖3顯示左、右鞋墊感測系統(30a、30b)與外部計算裝置40通訊的系統方塊示意圖。其中，左、右鞋墊感測系統(30a、30b)各自包括一內藏於鞋墊之足弓部的感測模組(16a、16b)與壓力感測裝置(38a、38b)以及紅外線感測裝置(39a、39b)電連接，用以接收以及分析使用者的足壓分布以及腳部血液循環數據，並透過位於感測模組內之TX/RX裝置(32a、32b)將上述數據傳送到遠端的計算設備或伺服器。上述感測模組(16a、16b)各自包括處理系統(例如，一個或多個微處理器)、記憶體、附加的感測器以及電源供應裝置(參考圖2)。
外部計算裝置40是可以傳送數據，處理數據和/或存儲數據的任何電子設備。以一實施例而言，計算裝置40是可攜式計算裝置和/或固定計算裝置。可攜式計算裝置可以是社交網路設備、遊戲設備、手機、智慧型手機、個人數位助理、數位音頻/視頻播放器、筆記型電腦、平板電腦、視頻遊戲控制器和/或任何其他包含計算核心的便攜式設備。固定計算裝置可以是個人電腦(PC)、
電腦伺服器、電視機，印表機、傳真機、家庭娛樂設備、視頻遊戲機和/或包含計算核心的任何類型的家庭或辦公室計算設備。
外部計算裝置40包括計算核心42、使用者介面43、網際網路介面44、無線通信收發器45和存儲裝置46。使用者介面43包括一個或多個輸入設備(例如，鍵盤、觸控螢幕、語音輸入裝置等)、一個或多個音頻輸出裝置(例如揚聲器、耳機插孔等)和/或一個或多個可視輸出裝置(例如視頻圖形顯示器、觸控螢幕等等)。網際網路介面44包括一個或多個聯網裝置(例如，無線局域網(WLAN)裝置、有線LAN裝置、無線廣域網(WWAN)裝置等。存儲裝置46包括快閃記憶裝置，一個或多個硬碟驅動器，一個或多個固態(SS)存儲設備和/或雲端存儲器。
計算核心42包括處理器42a和其他計算核心組件42b。其他計算核心組件42b包括視頻圖形處理單元、存儲器控制器、主存儲器(例如，RAM)、一個或多個輸入/輸出(I/O)裝置介面模組，輸入/輸出(I/O)介面，輸入/輸出(I/O)控制器、周邊裝置介面、一個或多個USB介面模組、一個或多個網路介面模組、一個或多個記憶體介面模組和/或一個或多個周邊裝置介面模組。
外部計算裝置40的無線通信收發器45和鞋墊感測系統30的無線數據傳輸/接收裝置(32a、32b)具有類似的收發器類型(例如，藍牙、WLAN、Wifi等)。無線數據傳輸/接收裝置(32a、32b)直接與無線通信收發器45通信，以透過各自的鞋墊感測系統30共享收集的數據和/或從外部計算裝置40接收指令。除此
以外或作為替代，無線數據傳輸/接收裝置(32a、32b)在它們與其中之一之間通訊收集的數據。無線數據傳輸/接收裝置32a將集體數據傳送到外部計算裝置40的無線通信收發器45。
外部計算裝置40處理數據以產生各種結果。例如，外部計算裝置40處理結合演算電路處理來自鞋墊感測器系統16的數據，可分析穿戴者左右腳上的壓力分佈、體重於左右腳的配重比例、步態、步頻，以及人體動態時之壓力中心(center of pressure,COP)等移動時與足壓有關的任何資料。
足壓分布在人類移動上扮演關鍵的角色，足型與走路(跑步)的姿勢影響著人體姿態與骨骼變化，以及運動員的表現與極限。本發明所提出的具有一體成形夾層式感測器之鞋墊，可以藉由上述鞋墊設置於鞋內取得眾多使用者的足壓分布對時間、空間的參數數據，並藉由無線傳輸上傳至外部計算裝置(例如，智慧型手機、個人電腦、電腦伺服器等)計算分析並儲存至雲端系統作為相關大數據資料庫。
另外，本發明所提出的具有一體成形夾層式感測器之鞋墊，其亦可整合紅外線偵測裝置，同步提供使用者的血液循環狀況資訊。突破以往只有醫療機構或是運動研究機構才可能獲得數據分析的限制，讓更多樣的運動項目、更多的使用者都可獲得專屬個人的移動或運動分析。同步也開啟各專業領域建立與使用數據平台，使不同專業領域(例如運動、醫療保健、製鞋等領域)可以建立其與足壓表現的連動關係。
以一實施例而言，上述數據以無線方式傳輸，結合APP可以即時顯示，讓上述資料達到可視化。
上述應用於運動領域之數據可以讓更多樣的運動、更多的使用者都可獲得專屬個人的移動或運動分析。同步也開啟各專業領域建立與使用數據平台，使不同專業運動可以建立運動與足壓表現的連動關係，進一步開發各式的演算法與APP，進而解開人類運動與姿態的奧秘。
另外，本發明所提出的感測鞋墊係採無線充電模式，整體鞋墊可完全無外露孔，鞋墊可進洗衣機清洗；並且，感測模組與鞋墊在射出成形時可一體成型。
在不脫離本實施例的範圍的情況下，可以對上述方法和系統進行改變。因此，應當注意，包含在以上描述中或者在附圖中示出的內容應當被解釋為說明性的，而不是有限制意義的。這裡，除非另有說明，短語“在實施例中”等同於短語“在某些實施例中”，而不是指所有實施例。所附的權利要求旨在覆蓋這裡描述的所有一般的和特定的特徵，以及就語言而言可以說落在它們之間的本方法和系統的範圍的所有陳述。
10:鞋墊
12:壓力感測層
12a:壓力感測器
13:紅外線感測層
16:感測模組
Claims (11)
- 一種足部感測器及分析裝置，包括：一壓力感測層，設置於鞋墊的內部；一感測器模組，設置於該鞋墊的內部與該壓力感測層電性連接，用以接收和處理該壓力感測層所偵測到的電子訊號；一附加感測器，選自加速度計、陀螺儀(G-sensor)或GPS之一或任意組合，設置於上述鞋墊內部；其中該足部感測器及分析裝置與一外部電子裝置進行通訊，該外部電子裝置分析左、右腳壓力分佈、體重於左右腳的配重比例、步態、步頻，及人體動態時之壓力中心(center of pressure,COP)資料之一或任意組合；該外部電子裝置結合APP可即時顯示，使資料達到可視化；其中上述可視化顯示個人的移動或運動分析，建立運動與足壓表現連動關係。
- 如請求項1所述之足部感測器及分析裝置，更包含一紅外線感測層，設置於該鞋墊內部與該感測器模組電性連接，用以傳送該紅外線感測層所偵測到的電子訊號至該感測器模組。
- 如請求項1所述之足部感測器及分析裝置，其中上述之壓力感測層是以不同密度分布的複數個壓力感測器設置在該鞋墊近鞋頭區、足弓外側區和腳跟區。
- 如請求項3所述之足部感測器及分析裝置，其中上述之複數個壓力感測器包含複數個電阻式壓力感測器形成陣列配置方式，該壓力感測層為可撓式。
- 如請求項3所述之足部感測器及分析裝置，其中上述之複數個壓力感測器包含複數個電容式壓力感測器形成陣列配置方式，該壓力感測層為可撓式。
- 如請求項2所述之足部感測器及分析裝置，其中上述之紅外線感測層為可撓式。
- 如請求項1所述之足部感測器及分析裝置，其中上述之感測器模組提供由計算機程式/演算法以控制數據的蒐集和儲存。
- 如請求項1所述之足部感測器及分析裝置，其中更包含一電感線圈，用於與外部無線充電系統耦合對該感測器模組中的電池進行無線充電。
- 如請求項2所述之足部感測器及分析裝置，其中上述之感測器模組至少包括：微處理器，用於蒐集及分析該壓力感測層、該加速度計及該紅外線感測層所偵測到的電子訊號，並將其轉換為對應的足壓分布資訊、加速度資訊以及血液循環資訊； 記憶體，耦接該微處理器，用於儲存該足壓分布資訊、該加速度資訊以及該血液循環資訊；無線數據傳輸/接收裝置，耦接該微處理器，用於將該足壓分布資訊、該加速度資訊以及該血液循環資訊無線傳輸至該外部電子裝置；及電源供應裝置，用以對該壓力感測層、該紅外線感測層、該微處理器、該記憶體、以及該無線數據傳輸/接收裝置供電。
- 如請求項9所述之足部感測器及分析裝置，其中上述之無線數據傳輸/接收裝置是藍芽晶片、WiFi數據傳輸/接收裝置。
- 如請求項9所述之足部感測器及分析裝置，其中更包含用於檢測使用者步行期間的方向改變、GPS數據、加速度輸出數據、角定向相關數據和角定向變化，以檢測包含速度/距離資訊，並且與壓力感測數據對照相互校正。
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Patent Citations (2)
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