TWM447216U - 無線足底壓力感測系統 - Google Patents

Description

無線足底壓力感測系統

本創作為一種結合壓力感測單元量測足底壓力變化之裝置，特別是指多個電容式壓力感測單元平均分布設置於一軟性基板上，藉由低功耗微處理器系統掃描該些壓力感測單元與藍牙低功耗傳輸至手機/雲端，達到監控足底壓力變化的目的。

目前對於足底壓力感測的研究或是產品，相對於以往已有顯著的增加。最早之前的腳底壓力量測系統，是種橡皮圓錐材質、格子架構的墊子，利用油墨在腳底與墊子間擠壓出來圓形大小，將壓力量化成正向力數值。近二十年來，隨著感測器技術之發展及處理器的普及，量測系統發展至今，量測行走時的動態腳底壓力方法，最普遍且主要的有下列兩種方式：1. Force Plate System是一種壓力平台式的系統，此種系統的解析度比Placed Sensors System的系統來的高，但價格也比較高。2. Placed Sensors System是將感應器置於腳底或鞋內去進行腳底量測，其價格卻也比較低，較容易使人接受。

另外有的公司還使用電容式感測器或自行研發之感測器來製作測力鞋和測力鞋墊，其中具有代表性的如下列數種：1.美國賓夕凡尼亞州立大學(The Pennsylvania State University)於1980年初所研製的一種壓力量測鞋墊，利用高精度之壓電感測器量測壓力之分佈。2.美國Tekscan公司於1990年，研製出一套F-Scan量測鞋墊系統。3.德國Novel公司採用電容量測理論為基礎，開發出Emed測力板系統和Pedar測力鞋墊系統。4.德國Kraemer公司開發的Parotec-system系統，為一個無線量測系統，其受測者不受傳輸線及處理器之牽絆，能自由地活動。以上的產品中，皆未結合智慧型手機，特別是以藍牙4.0的通訊方式，讓手機螢幕即時顯示足壓變化，並且傳送至雲端進行紀錄與運算；另外上述習知產品，未能僅僅使用鈕扣電池，達到至少十小時以上長時間的使用；另外其價格相當高昂，普遍在數萬元到數十萬元，而且耐疲勞性要達到數十萬次-百萬次的行走步數，並不多見。

由此可見，上述習用方式仍有諸多缺失，實非一良善方便使用之設計者，而亟待加以改良。

本創作乃是提出一種結合壓力感測裝置量測足底壓力變化之裝置，特別是指多個電容式壓力感測單元平均分布設置於一軟性基板上，之後將此測力基板置入一鞋子的鞋墊下方，使用者穿著該鞋子活動，藉由低功耗微處理器系統掃描該些壓力感測單元，並由藍牙低功耗傳輸至手機/雲端，達到監控足底壓力變化的目的。

本創作乃是將足底壓力感測裝置設計於一軟性基板上，之後將此測力基板置入一鞋子的鞋墊下方，在電路規劃時，皆選用低功耗的零件，能達到低功耗的目的，並且能以小容量電池供應電源，達到至少十小時的連續運作。

本創作乃是將足底壓力感測裝置設計於一軟性基板上，之後將此測力基板置入一鞋子的鞋墊下方，為了減少重量，以避免增加鞋子的重量，訊號處理電路以及藍芽傳輸模組，皆以小型的表面黏著元件(SMD)為主，可以讓足壓感測系統達到小型化與輕量化方便使用的目的。

本創作乃是將足底壓力感測裝置設計於一軟性基板上，之後將此測力基板置入一鞋子的鞋墊下方，並使該測力基板融合於鞋子外觀上，訊號處理電路以及藍芽傳輸模組，皆以小型的表面黏著元件(SMD)為主，測力基板設計上也讓足壓感測系統達到小型化與隱藏化的目的。

如圖1所示，為本創作的足底壓力感測裝置100，包括至少一壓力感測單元3，一可設置該些壓力感測單元3之軟性基板2，一傳輸線4，一訊號處理模組與無線通訊模組1；複數個壓力感測單元3是以陣列方式分佈於軟性基板2，壓力感測單元3乃是以軟性介電材料上下覆蓋導電膜做為電極所組成，當施加壓力於壓力感測單元3，其電容值會因軟性介電材料變形而改變，將該些陣列方式分佈的壓力感測單元3其上下電極加以串接或並接成一行與列的佈線，經由傳輸線4連結至訊號處理模組1的接頭110；如圖2所示，訊號處理模組與無線通訊模組1包含一掃描積體電路101與102、一電容放大積體電路103、一微控制器與一無線通訊模組104以及一電池105；上述的電子元件基本上都要挑選低功耗的規格。其中的無線通訊模組較佳的選擇是藍牙4.0低功耗(Bluetooth Low Energy,BLE)，若為了減少體積，該微控制器與該無線通訊模組較佳可選用德州儀器TICC2540/2541等二合一的系統晶片(SOC)。掃描積體電路係用來按照順序選擇某一行某一列的壓力感測單元3，使其聯接該電容放大積體電路，將壓力感測單元3變化的電容值轉換成電壓訊號並放大，接著該放大的電壓訊號進入微控制器的類比數位轉換器(ADC)轉成數位訊號，經過微控制器的運算將該數位訊號轉成壓力訊號，再經無線通訊模組傳送至外界。如圖1與圖4所示，傳輸線4的設計具有特定曲折形狀，其目的是當設置壓力感測單元3之軟性基板2放入鞋子的鞋墊下，可以恰好讓該訊號處理模組與無線通訊模組1可放入鞋舌自由端的標籤下或口袋內，使鞋子的外觀看不出有測力基板的存在。此設計讓足壓感測系統達到小型化與隱藏化的目的。

如圖3所示，為本創作的足底壓力感測裝置100之較佳使用例，圖1的足底壓力感測裝置100將其複數個壓力感測單元3感測到的足底壓力分佈數值透過無線通訊模組傳送至外界的手機6或電腦7。特別值得說明的是，微控制器負責將每個壓力感測單元3的訊號進行分析轉換，由於每個壓力感測單元3產生出來的電容特性不一致，導致每個壓力感測單元電容初始值不同，其受壓力量與電容值變化的關係也非每個壓力感測單元相同，所以需要建立資料庫或對照表來適應每個壓力感測單元，經過微控制器的校正程序，以正確取得每個壓力感測單元的初值以及其受壓力量與電容值變化特性。要特別強調的是，本創作為了讓鈕扣電池等小體積的電池能長期連續使用，無線通訊模組使用藍牙4.0低功耗模組，手機也必須支援藍牙4.0的通訊功能，例如iPhone 4S、或是支援Android 4.0的智慧型手機與平板電腦，或是筆電或是插入支援藍牙4.0的外插傳輸器(dongle)。

進一步，將訊號處理模組與無線通訊模組1無線傳送到電腦7或手機6的資料加以分析，例如當使用者行走時雙腳踩在各點壓力感測裝置上，使得各點壓力感測單元壓力大小變化，電腦7或手機6的程式可計算出身體體重和重心位置或壓力中心(Center of Pressure,COP)，特別是COP隨步態的位置變化，再經由電腦7或手機6的WIFI或3G功能傳送到雲端，運用規則庫加以評估使用者足部之不良行進姿態，以利足部輔具如鞋墊或氣墊變形機構之製作，進而改善使用者因不良行進姿態所帶來的傷害。

如圖1與圖3所示，足底壓力感測裝置100，包括至少一壓力感測單元3，一可設置該些壓力感測單元3之軟性基板2，一傳輸線4，一訊號處理模組與無線通訊模組1；複數個壓力感測單元3是以陣列方式分佈於軟性基板2，壓力感測單元3乃是以軟性介電材料上下覆蓋導電膜做為電極所組成，當施加壓力於壓力感測單元3，其電容值會因軟性介電材料變形而改變。圖1顯示的壓力感測單元3共有16個，腳掌部分有8個，腳跟部分有8個，此並非必要的限制，較少的壓力感測單元可降低成本，較多的壓力感測單元可更精確更高解析度取得足底的壓力分佈情形。另每個壓力感測單元的軟性介電材料其厚度可介於0.1mm-1mm，其面積大小可介於1mm² -400mm² ，依照應用而定。

本創作使用的主要程序如下：

步驟一，系統啟動時，使用者穿著內建足底壓力感測裝置100之鞋子8並行走，當鞋底接觸到地面時，感測裝置100內感測單元接收到不同的壓力，即時經過訊號處理模組與無線通訊模組1處理校正送出實際足底壓力值給電腦7或手機6。

步驟二，當電腦7或手機6收到無線通訊模組傳送的壓力資料，就可以進行資料分析與顯示，顯示部分可以看出力量的分布與COP位置，分析部分可以先將壓力資料儲存於記憶體中，需要分析時再將資料透過無線傳輸到雲端伺服器中進行分析，再回傳分析結果顯示於電腦7或手機6螢幕上。

如圖3和圖4所示，使用者穿戴具有足底壓力感測裝置100之鞋子8行走跑跳，該足底壓力感測結合無線通訊之系統就能即時將感測出的足底壓力分布情況與足底重心位置顯示在電腦7或是手機6上，並且也能儲存一段資料再上傳到雲端伺服器分析。如圖5所示，螢幕上可以顯示各個壓力感測單元之壓力大小對應之顏色變化11、足底壓力分佈之重心、以及訊息框9。訊息框9上可以有目前體重資訊，或整體足步施力的大小，以及從雲端伺服器回傳的分析結果顯示。整體足步施力的大小若超過體重過多，可能代表使用者行走時腳步沉重，情緒不佳等。

如圖2所示，進一步加裝至少一三軸加速度計106於訊號處理模組1，用以偵測足部運動的軌跡。進一步加裝至少一多軸陀螺儀107於訊號處理模組1，用以偵測足部運動的轉向。進一步於雲端將足底著地的力量變化，以及足部未著地之前的運動軌跡與運動轉向加以整合，以獲得足部運動全程的協調性與姿態的正確性，有利於矯正或復健。

實施例一

圖6為系統整體的訊號流程。足底壓力感測裝置100放置於鞋墊底部，掃描速度為每秒10次。穩壓電源電路12提供穩定的電壓源給藍芽4.0模組13與訊號處理模組15。使用者穿著具有陣列式足底壓力感測基板14的鞋子行走，當鞋底接觸到地面時，感測裝置內感測單元接收到不同的壓力，利用訊號處理模組15的掃描與放大電路產生不同的直流電壓。訊號處理模組15的微控制器將直流電壓類比訊號轉換成數位訊號資料，並儲存在藍芽4.0模組13中。再利用藍芽4.0模組13透過無線傳輸的方式傳輸到手機18，或是先傳輸到藍芽4.0外插傳輸器(dongle)16透過USB傳輸給電腦17。手機18或電腦17每次接收到的資訊時，會將每顆感測單元顯示於手機程式對應的腳掌位置，而上方的顏色隨著受力大小，顏色會由淺至深變化，手機18或電腦17顯示的顏色為當下使用者目前足底壓力的狀態，而每次的壓力資訊會儲存並顯示於手機18或電腦17中。另外應用程式會利用目前16顆感測單元的數值與位置，計算出使用者重心，並在腳掌處以大紅點的方式呈現，進而觀察到使用者重心的移動軌跡。在量測期間，手機18或電腦17會將所有的資料都先暫存在記憶體中，在測量結束後，可以上傳到雲端19，而利用此資訊可以分析出使用者行走的狀態，雲端19分析完的結果會回傳顯示於手機18或電腦17。

綜上所述，足底壓力感測結合無線通訊之系統雖然只是以人體足底為例，但是不以此為限，足底壓力感測系統可以製作成坐墊或是背墊或是機器手或義肢的力量感測器，以即時無線傳送臀部或背部或機器手或義肢與物體接觸的受力分佈。

雖然本創作已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本創作，任何熟習此技藝者，在不脫離本創作之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本創作之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1．．．訊號處理模組與無線通訊模組

2．．．設置壓力感測單元之軟性基板

3．．．壓力感測單元

4．．．傳輸線

5．．．足部

6．．．手機

7．．．電腦

8．．．具有足底壓力感測裝置之鞋子

9．．．訊息框

10．．．足底壓力分佈之重心

11．．．壓力大小對應之顏色變化

12．．．穩壓電源電路

13．．．藍芽4.0模組

14．．．陣列式足底壓力感測基板

15．．．訊號處理模組

16．．．藍芽4.0外插傳輸器(dongle)

17．．．電腦

18．．．手機

19．．．雲端

100．．．足底壓力感測裝置

110．．．接頭

101．．．掃瞄積體電路

102．．．掃瞄積體電路

103．．．電容放大積體電路

104．．．微控制器與無線通訊模組SOC

105．．．電池

106．．．三軸加速度計

107．．．多軸陀螺儀

圖1本創作的足底壓力感測裝置，包含複數個壓力感測單元與一訊號處理模組的示意圖。

圖2本創作的量測足部壓力透過無線傳輸模組，即時傳送到電腦或手機顯示應用示意圖。

圖3本創作的使用者穿著具有足底壓力感測裝置之鞋子示意圖。

圖4本創作的足部壓力與重心分布示意圖。

圖5本創作的訊號處理模組內部電路方塊示意圖。

圖6本創作的使用實施例

1‧‧‧微處理器系統與線傳輸模組

2‧‧‧設置壓力感測單元之軟性基板

3‧‧‧壓力感測單元

4‧‧‧傳輸線

5‧‧‧足部

6‧‧‧手機

7‧‧‧電腦

Claims (10)

1. 一種無線足底壓力感測系統，包括：一足底壓力感測裝置包含一軟性基板，至少一電容式壓力感測單元設置於該軟性基板，用以取得足底壓力資訊，一訊號處理模組，藉由該軟性基板延伸的傳輸線電性聯接該些壓力感測單元，並且處理該些壓力感測單元的擷取訊號，一無線通訊模組，電性聯接訊號處理模組，將來自訊號處理模組處理過的足底壓力訊號以無線方式傳送至外界，一電池用以供應上述電子元件的電源；以及一電腦或一行動裝置，用以接收並且分析來自無線通訊模組的足底壓力訊號。
2. 如申請專利範圍第1項所述的無線足底壓力感測系統，其中的訊號處理模組主要包含一掃描積體電路、一電容放大積體電路、一微控制器；掃描積體電路係用來按照順序選擇某一行某一列的壓力感測單元，使其聯接該電容放大積體電路，將壓力感測單元變化的電容值轉換成電壓訊號並放大，接著該放大的電壓訊號進入微控制器的類比數位轉換器(ADC)轉成數位訊號，經過微控制器的運算將該數位訊號轉成壓力訊號。
3. 如申請專利範圍第1項所述的無線足底壓力感測系統，其中的無線通訊模組為符合藍芽4.0及其以上規範的模組。
4. 如申請專利範圍第2項所述的無線足底壓力感測系統，其中的微控制器主要係對每個壓力感測單元不同的壓力電容值變化特性關係藉由建立資料庫進行每個壓力感測單元的校正，使得每個壓力感測單元輸出正確的壓力訊號。
5. 如申請專利範圍第1項所述的無線足底壓力感測系統，進一步使用者雙腳穿著有足底壓力感測裝置之鞋子，行走時雙腳踩在各個壓力感測單元上，使得各個壓力感測單元產生壓力訊號變化，計算出身體體重和重心位置，再透過無線通訊模組將資料傳送到電腦或手機再送到雲端，運用規則庫加以評估使用者足部之不良行進姿態，以利足部輔具如鞋墊或氣墊變形機構之製作，進而改善使用者因不良行進姿態所帶來的傷害。
6. 如申請專利範圍第1項所述的無線足底壓力感測系統，進一步加裝至少一三軸加速度計於訊號處理模組，用以偵測足部運動的軌跡。
7. 如申請專利範圍第1項所述的無線足底壓力感測系統，進一步加裝至少一多軸陀螺儀於訊號處理模組，用以偵測足部運動的轉向。
8. 如申請專利範圍第5至7項中任一項所述的無線足底壓力感測系統，進一步於雲端將足部著地的力量變化，以及足部未著地之前的運動軌跡與運動轉向加以整合，以獲得足部運動全程的協調性與姿態的正確性，有利於矯正或復健。
9. 如申請專利範圍第1項所述的無線足底壓力感測系統，其中的軟性基板與傳輸線的設計具有特定曲折形狀，其目的是當該軟性基板放入鞋子的鞋墊下，可以恰好讓該訊號處理模組與無線通訊模組可放入鞋舌自由端的標籤下或口袋內，使鞋子的外觀看不出有足底壓力感測裝置的存在。
10. 如申請專利範圍第1項所述的無線足底壓力感測系統，其中的電腦或行動裝置支援藍牙4.0及其以上規範的通訊功能。