本發明涉及足部姿態信息和壓力測量系統及智能運動鞋。

背景技術：

隨著科學技術的進步和人們生活習慣的改變，智能可穿戴設備進入人們的生活，比如智能手環、智能手表、智能眼鏡等。智能運動鞋也是智能可穿戴設備的一種，不僅保持了運動鞋舒適的優點還能為穿戴者提供關于運動的相關信息，通過手機等移動終端實現人機交互。傳感器的加入，讓智能鞋成為用科技改變生活的載體，這樣的產品能為人類的生活提升幸福指數。國產運動品牌中李寧、安踏、特步、貴人鳥和361度相繼推出了各自的智能跑鞋，智能跑鞋領域就成為各大體育用品廠商爭相搶奪的市場。運動鞋智能化，已然成為市場共識。這些智能運動鞋大都集成了多種傳感器和智能芯片，能為用戶提供一些信息或者對鞋子進行適當的調節使之更舒適。但現在的智能鞋也存在著很多問題，例如壓力傳感器分布稀疏、掃描頻率低、不能提供詳細的動態足底壓力信息、只配備了加速度傳感器、無法測量雙足的姿態、續航能力差、價格昂貴等。專利CN105266257A公布了一種采用壓力陣列傳感器采集足底壓力信息的智能運動鞋，通過陣列式壓力傳感器眾多的壓力敏感點可以測量足底多個位置的壓力信息，但陣列式壓力傳感器電阻存在很多串并聯關系，會產生噪聲嚴重干擾測量結果。專利CN203801848U公布了一種智能跑鞋裝置，該智能跑鞋內含速度傳感器、計時裝置和無線發射裝置，手表和鞋體連接，能顯示相應數據。但該智能鞋傳感器過于單一只能獲取速度信息。專利CN105394867A公布了一種內含微型智能傳感器組的智能運動鞋，但慣性傳感器只有加速度傳感器，無法測量雙足的姿態，也就不能實現運動的重構并進行運動分析。專利CN205107688U公布了一種智能鞋，該智能鞋集成了三軸加速度傳感器、三軸角速度傳感器和三軸磁場傳感器，傳感器測得的數據通過無線模塊傳輸到外部設備，外部設備可以顯示穿戴者的步態信息。

技術實現要素：

本發明是為了解決現有技術無法測量雙足姿態、壓力傳感器分布稀疏、掃描頻率低、陣列式壓力傳感器存在干擾以及不能提供詳細的動態足底壓力信息的問題，而提出的基于足部姿態信息和壓力測量系統的智能運動鞋。

一種足底姿態信息和壓力測量裝置包括：

用于測量足底分布壓力數據的薄膜壓力傳感器模塊；

用于將薄膜壓力傳感器測得的數據進行模數轉換并將轉換后的數據傳輸到中央處理模塊的數據采集模塊；

用于地理信息定位并將定位信息傳輸到中央處理模塊的定位模塊；

用于讀取足底傳感器坐標系三個軸向的加速度、角速度以及磁場信息并將檢測到的信息傳輸到中央處理單元模塊的IMU模塊；

用于存儲由中央處理模塊處理后的數據的存儲模塊；

用于與外部設備進行無線通信的無線傳輸模塊；

用于接收數據采集模塊轉換后數據并控制數據采集模塊開通或關閉、接收定位模塊和IMU模塊輸出的信息、與無線傳輸模塊進行雙向傳輸并控制無線傳輸模塊與外部設備雙向傳輸、將處理后的數據傳輸到存儲模塊的中央處理模塊。

一種足腕姿態信息測量裝置包括：

用于為電池充電并將電池電壓轉換為中央處理模塊所需電壓的電壓轉換及充電模塊；

用于讀取足腕傳感器坐標系三個軸向的加速度、角速度以及磁場信息并將檢測到的信息傳輸到中央處理單元模塊的IMU模塊；

用于與外部設備進行無線傳輸的無線傳輸模塊；

用于接收IMU模塊輸出的信息，并與無線傳輸模塊進行雙向傳輸并控制無線傳輸模塊與外部設備雙向傳輸的中央處理模塊。

一種足部姿態信息和壓力測量系統，所述系統包括所述足底姿態信息和壓力測量裝置和所述足腕姿態信息測量裝置；

足腕姿態信息測量裝置的IMU模塊讀取的信息通過足腕姿態信息測量裝置的無線傳輸模塊傳輸到足底姿態信息和壓力測量裝置的無線傳輸模塊，足底姿態信息和壓力測量裝置的無線傳輸模塊將數據傳輸到足底姿態信息和壓力測量裝置的中央處理模塊，中央處理模塊處理后的數據通過足底姿態信息和壓力測量裝置的無線傳輸模塊傳輸到終端設備。

基于足部姿態信息和壓力測量系統的智能運動鞋包括：運動鞋主體、足底姿態信息和壓力測量裝置、足腕姿態信息測量裝置、電池槽、鋰離子電池和狀態指示燈；

足底姿態信息和壓力測量裝置由柔性PCB電路板和薄膜壓力傳感器構成；

在運動鞋主體的鞋底內部與足弓對應處安裝柔性PCB電路板，在鞋底與腳底接觸處安裝薄膜壓力傳感器，在鞋底內與足跟對應處設置電池槽，鋰離子電池安裝在電池槽(4)內，在鞋面上設置狀態指示燈，足腕姿態信息測量裝置固定在腳腕處與足底姿態信息和壓力測量裝置進行無線傳輸。

發明效果：

本發明彌補了現有智能運動鞋的不足，提供了一種基于足部姿態信息和壓力測量系統的智能運動鞋。該智能運動鞋融合了多種傳感器，各個傳感器的合理配置融合，提升了穿戴者的體驗，可以提供雙足的姿態信息、位置信息、壓力信息以及足部與腳腕的相對運動信息，分析并指導運動，監測足部健康，預防疾病。

智能模塊采用柔性PCB電路制作，柔性PCB能夠適應足底的曲面，重量比剛性PCB輕90％，主模塊內嵌于鞋體足弓部位，從模塊固定于足腕部位，狀態指示燈位于鞋面上，便于穿戴者查看智能運動鞋的當前狀態，電源內嵌于足跟，薄膜壓力傳感器做成鞋墊形狀置于鞋內，使足底與薄膜壓力傳感器全面接觸。

(1)對雙足各個部分的方位信息進行直接測量較間接測量方式準確度更高。

(2)采用陣列式薄膜壓力傳感器，對足部的壓力分布測量更加細膩，并且用“電壓鏡法”進行掃描，使測量誤差降低。

(3)通過多個傳感器的監測得到豐富的雙足和足腕姿態信息，能夠識別各種運動模式，并根據不同的運動模式對傳感器工作狀態進行調整。

(4)可以在手機、電腦端生動直觀的以動畫形式實時顯示雙足和足腕的姿態、運動和壓力信息。

(5)用戶可以在手機、電腦端輸入身高體重信息，軟件會自動設置合適的模式切換閾值，較其他裝置自由度和交互性更好。且采用APP監測的模式也為其社交功能擴展打下基礎。

(6)具有休眠模式，在保證智能運動鞋滿足使用要求的同時也能夠有效的降低系統功耗、提高續航能力。

(7)裝置還具有便攜性良好，使用壽命長等優點。

附圖說明

圖1為足底姿態信息和壓力測量裝置功能結構示意圖；

圖2為普通陣列式壓力傳感器進行掃描的原理圖；

圖3為采用“電壓鏡”方法進行掃描的原理圖；

圖4為鞋底陣列式壓力傳感器分布圖；

圖5為本發明智能運動鞋使用流程圖；

圖6為本發明智能運動鞋剖視圖；

圖7為IMU坐標系示意圖。

具體實施方式

具體實施方式一：如圖1所示，一種足底姿態信息和壓力測量裝置包括：

用于測量足底分布壓力數據的薄膜壓力傳感器模塊；

薄膜壓力傳感器如圖4所示采用陣列式結構，該陣列由平行的行導線和列導線交叉構成，陣列的每個交叉點上有個力敏感點，力敏感點可以等效為力敏電阻，其阻值會隨作用在其上的力的變化而變化。采用陣列式結構的優點是可以大量減少引線數量，但也帶來了串并聯干擾，如圖2所示，當測量電阻R₁₁的阻值時，實測得到的電阻值為電阻R₁₂、電阻R₂₁、電阻R₂₂串聯后與電阻R₁₁并聯得到的阻值與真實值存在一定偏差。本發明采用了“電壓鏡法”測量陣列式薄膜壓力傳感器的阻值，有效地減少了干擾，提高了測量精度。該方法的原理如圖3所示，被選測量行接入參考電壓V_ref，被選測量列接參考電阻V_ref后接地，參考電阻上的電位V_m施加到其余未被選中的各行列，這樣，除正測量的行列，其余各行列在陣列電阻網中形成等勢區，使與被測力敏感點電阻并聯的電阻網絡無法形成干擾電流，大大降低了電路的噪聲，提高了測量精度。中央處理模塊控制數據采集模塊依次采集各個力敏感點的數據。每個力敏感點采用六邊形形狀，便于對數據進行插值運算使壓力圖顯示更加細膩。

用于將薄膜壓力傳感器測得的數據進行模數轉換并將轉換后的數據傳輸到中央處理模塊的數據采集模塊；數據采集模塊有多個數據采集通道，這些通道可以在中央處理模塊的控制下快速開通與關斷，并完成模擬量的采集與AD轉換。

用于地理信息定位并將定位信息傳輸到中央處理模塊的定位模塊；定位模塊采用GPS和北斗系統雙星定位或其他定位方式，記錄戶外運動路徑。

用于讀取足底傳感器坐標系三個軸向的加速度、角速度以及磁場信息并將檢測到的信息傳輸到中央處理單元模塊的IMU模塊；

IMU由三軸加速度計、三軸陀螺儀和三軸磁強計組成，可以檢測傳感器坐標系三個軸向的加速度、角速度以及磁場信息。每只智能運動鞋的鞋底足弓部位安裝了一個IMU傳感器，在足腕部位安裝了另一個IMU傳感器，一雙智能運動鞋共有4個IMU傳感器。足腕部位的IMU通過無線傳輸模塊與位于足弓部位的足底姿態信息和壓力測量裝置通信。

用于存儲由中央處理模塊處理后的數據的存儲模塊；中央處理模塊處理的數據為IMU模塊、定位模塊和數據采集模塊傳輸給中央處理模塊的數據。

用于與外部設備進行無線通信的無線傳輸模塊；無線模塊具有低功耗和可休眠的特點，可以與移動終端實時通信。

用于接收數據采集模塊轉換后數據并控制數據采集模塊開通或關閉、接收定位模塊和IMU模塊輸出的信息、與無線傳輸模塊進行雙向傳輸并控制無線傳輸模塊與外部設備雙向傳輸、將處理后的數據傳輸到存儲模塊的中央處理模塊。

中央處理模塊協調控制各模塊的工作、完成數據的預處理、模式切換以及數據流向控制。

具體實施方式二：一種足腕姿態信息測量裝置，所述裝置包括：

用于為電池充電并將電池電壓轉換為中央處理模塊所需電壓的電壓轉換及充電模塊；電壓轉換及充電模塊可以從USB端口為鋰離子電池充電，并且把鋰離子電池的電壓轉換為中央處理單位所需電壓。

用于讀取足腕傳感器坐標系三個軸向的加速度、角速度以及磁場信息并將檢測到的信息傳輸到中央處理單元模塊的IMU模塊；

用于與外部設備進行無線傳輸的無線傳輸模塊；

用于接收IMU模塊輸出的信息，并與無線傳輸模塊進行雙向傳輸并控制無線傳輸模塊與外部設備雙向傳輸的中央處理模塊。

具體實施方式三：一種足部姿態信息和壓力測量系統，所述系統包括足底姿態信息和壓力測量裝置和足腕姿態信息測量裝置；

足腕姿態信息測量裝置的IMU模塊讀取的信息通過足腕姿態信息測量裝置的無線傳輸模塊傳輸到足底姿態信息和壓力測量裝置的無線傳輸模塊，足底姿態信息和壓力測量裝置的無線傳輸模塊將數據傳輸到足底姿態信息和壓力測量裝置的中央處理模塊，中央處理模塊處理后的數據通過足底姿態信息和壓力測量裝置的無線傳輸模塊傳輸到終端設備。

具體實施方式四：如圖6所示，基于足部姿態信息和壓力測量系統的智能運動鞋包括：運動鞋主體1、足底姿態信息和壓力測量裝置2、足腕姿態信息測量裝置3、電池槽4、鋰離子電池5和狀態指示燈6；

足底姿態信息和壓力測量裝置2由柔性PCB電路板2-1和薄膜壓力傳感器2-2構成；

在運動鞋主體1的鞋底內部與足弓對應處安裝柔性PCB電路板2-1，在鞋底與腳底接觸處安裝薄膜壓力傳感器2-2，在鞋底內與足跟對應處設置電池槽4，鋰離子電池5安裝在電池槽4內，在鞋面上設置狀態指示燈6，足腕姿態信息測量裝置3固定在腳腕處與足底姿態信息和壓力測量裝置2進行無線傳輸。

鋰離子電池采用可插拔設計，并且可以防止插反，有電池電量指示燈和電源開關。

具體實施方式五：本實施方式與具體實施方式四不同的是：所述薄膜壓力傳感器2-2的大小與鞋底一致。

其它步驟及參數與具體實施方式四相同。

具體實施方式六：本實施方式與具體實施方式四或五不同的是：所述所述狀態指示燈6為LED燈。狀態指示燈6為LED三色燈，可單獨發出紅、綠、藍三色光，也可以組合發光，共可以發出七種顏色的光，辨識度很高。狀態指示燈6用于引導穿戴者校準運動鞋。

其它步驟及參數與具體實施方式四或五相同。

具體實施方式七：本實施方式與具體實施方式四至六之一不同的是：所述狀態電池槽4內安裝鋰離子電池，；鋰離子電池用于為足底姿態信息和壓力測量裝置2、足腕姿態信息測量裝置3供電。

其它步驟及參數與具體實施方式四至六之一相同。

實施例一：

為了使測量準確，需要在打開智能運動鞋開關后進行初始化校準。右足智能運動鞋的初始化校準過程如下(如圖5所示)：中央處理模塊上電復位，狀態指示燈發出紅色光，兩秒后狀態指示燈發出藍色閃爍燈光，此時要求穿戴者雙足平行直立5s，IMU記錄初始坐標系(如圖7所示)，5s后藍色燈光常量，此時要求穿戴者左足單足站立，并輕輕搖晃右足，中央處理模塊將會判斷右足加速度傳感器數值是否超過壓力傳感器初始化閾值，若超過該閾值，軟件會記錄此時右足薄膜壓力傳感器數值，在以后的運動過程中呈現給穿戴者的數據是實測數據減去初始化時的記錄值，右足壓力校準完成后綠色燈常亮，右足智能運動鞋的初始化校準完成。按照同樣的方法可完成左足智能運動鞋的初始化校準。

定位模塊搜索定位衛星，輸出標準定位時間、使用中的衛星數目、海拔高度以及經緯度信息。

中央處理模塊檢測終端設備是否連接，若終端設備連接則開啟無線傳輸模塊數據通道，將IMU、薄膜壓力傳感器和衛星定位模塊的輸出數據傳到終端設備實時顯示，終端設備的軟件可根據用戶輸入的身高體重信息和實時監測數據生成分析報告及3D圖形，若終端設備沒有連接則開啟存儲模塊數據傳輸通道，根據薄膜壓力傳感器數據計算出體重，程序自動設定定模式切換閾值，然后將IMU、薄膜壓力傳感器和衛星定位模塊的輸出數據存儲到數據存儲模塊以供后續提取數據并分析。

該智能運動鞋可以監測穿著者處于何種狀態，若處于運動狀態時兩分鐘內傳感器測量值未超過模式切換閾值則智能模塊自動休眠；若處于靜止狀態時傳感器測量值超過該閾值，則立刻切換到運動狀態；運動狀態分為步行狀態和劇烈運動狀態，若處于步行狀態則足底壓力測量頻率自動切換到低頻率，若處于劇烈運動狀態足底壓力測量頻率自動切換到高頻率。

薄膜壓力傳感器測得的數值通過無線模塊傳輸到終端設備，經過圖形處理程序可以直觀的看到足底壓力分布圖。足底壓力的大小與分布能反映人體腿、足結構、功能及整個身體姿勢控制等信息，測試、分析足底應力，對臨床診斷、疾患程度測定和術后療效評價均具有重要意義。根據薄膜壓力傳感器得到的壓力分布數據可以對人體進行平衡性分析，由加權平均算法得到運動過程中的足底壓力中心。平衡指的是身體所處的一種姿態以及在運動或受到外力作用時能自動調整并維持姿勢的一種能力，包括靜態平衡和動態平衡。平衡能力由以下幾個指標來衡量：壓力中心在X軸上移動軌跡的最大絕對值，反映了人體站立時壓力中心橫向移動的距離，數值越大，橫向擺動幅度越大；壓力中心在Y軸上移動軌跡的最大絕對值，反映人體站立時壓力中心縱向移動的距離，數值越大，縱向擺動幅度越大；橢圓面積指包絡95％壓力中心軌跡在內區域的面積，橢圓面積越大，則說明站立時移動范圍也越大。這些指標可以定量、客觀地評定穿戴者的平衡能力，有助于醫生診斷和制定適宜的運動康復訓練。

裝置還能通過IMU測量雙足和足腕部位的姿態信息并將其與壓力傳感器測得的壓力信息進行整合，穿戴者能從終端設備上直觀的看到雙足及足腕的3D圖形和雙足的速度、加速度曲線。根據IMU所測量的數據可以進行步態分析，得到八個邁步周期(首次著地、雙支撐期、站立中期、站立末期、邁步前期、邁步初期、邁步中期、邁步末期)的時間、，也可以得到步數，步頻、步長，足偏角等信息，IMU測得的雙足及足腕部位的姿態再結合壓力傳感器測得的壓力數據能夠對足部運動以及受力進行分析，這樣全面的步態分析為分析異常步態和矯正異常步態、制定康復治療計劃和評定康復療效提供了客觀的依據。傳感器對加速度、陀螺儀和磁場信息進行測量不可避免會因為傳感器的抖動而產生一定的噪聲，所以在進行數據處理前需要用卡爾曼濾波算法對其進行濾波處理。在對傳感器數據進行濾波后采用內置的數字運動處理器(DMP)將3軸加速度、3軸角速度和磁場信息進行融合得到歐拉角用于后續算法處理。系統在校準時刻記錄下安裝于足弓下的IMU和安裝于足腕處的IMU的位置信息和俯仰角、偏航角和滾轉角，作為初始姿態。在運動過程中實時對各個IMU的方位信息和加速度信息進行迭代計算，得到當前時刻姿態信息。