本發(fā)明涉及足部姿態(tài)信息和壓力測量系統(tǒng)及智能運動鞋。

背景技術(shù)：

隨著科學技術(shù)的進步和人們生活習慣的改變，智能可穿戴設(shè)備進入人們的生活，比如智能手環(huán)、智能手表、智能眼鏡等。智能運動鞋也是智能可穿戴設(shè)備的一種，不僅保持了運動鞋舒適的優(yōu)點還能為穿戴者提供關(guān)于運動的相關(guān)信息，通過手機等移動終端實現(xiàn)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(chǎn)品能為人類的生活提升幸福指數(shù)。國產(chǎn)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(lǐng)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?shù)恼{(diào)節(jié)使之更舒適。但現(xiàn)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(tài)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(tài)、續(xù)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(lián)關(guān)系，會產(chǎn)生噪聲嚴重干擾測量結(jié)果。專利CN203801848U公布了一種智能跑鞋裝置，該智能跑鞋內(nèi)含速度傳感器、計時裝置和無線發(fā)射裝置，手表和鞋體連接，能顯示相應數(shù)據(jù)。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(nèi)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(tài)，也就不能實現(xiàn)運動的重構(gòu)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(shù)據(jù)通過無線模塊傳輸?shù)酵獠吭O(shè)備，外部設(shè)備可以顯示穿戴者的步態(tài)信息。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有技術(shù)無法測量雙足姿態(tài)、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(tài)足底壓力信息的問題，而提出的基于足部姿態(tài)信息和壓力測量系統(tǒng)的智能運動鞋。

一種足底姿態(tài)信息和壓力測量裝置包括：

用于測量足底分布壓力數(shù)據(jù)的薄膜壓力傳感器模塊；

用于將薄膜壓力傳感器測得的數(shù)據(jù)進行模數(shù)轉(zhuǎn)換并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒胩幚砟K的數(shù)據(jù)采集模塊；

用于地理信息定位并將定位信息傳輸?shù)街醒胩幚砟K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?shù)街醒胩幚韱卧K的IMU模塊；

用于存儲由中央處理模塊處理后的數(shù)據(jù)的存儲模塊；

用于與外部設(shè)備進行無線通信的無線傳輸模塊；

用于接收數(shù)據(jù)采集模塊轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)并控制數(shù)據(jù)采集模塊開通或關(guān)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(shè)備雙向傳輸、將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯δK的中央處理模塊。

一種足腕姿態(tài)信息測量裝置包括：

用于為電池充電并將電池電壓轉(zhuǎn)換為中央處理模塊所需電壓的電壓轉(zhuǎn)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?shù)街醒胩幚韱卧K的IMU模塊；

用于與外部設(shè)備進行無線傳輸?shù)臒o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(shè)備雙向傳輸?shù)闹醒胩幚砟K。

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

足腕姿態(tài)信息測量裝置的IMU模塊讀取的信息通過足腕姿態(tài)信息測量裝置的無線傳輸模塊傳輸?shù)阶愕鬃藨B(tài)信息和壓力測量裝置的無線傳輸模塊，足底姿態(tài)信息和壓力測量裝置的無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶愕鬃藨B(tài)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(shù)據(jù)通過足底姿態(tài)信息和壓力測量裝置的無線傳輸模塊傳輸?shù)浇K端設(shè)備。

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

足底姿態(tài)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(gòu)成；

在運動鞋主體的鞋底內(nèi)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(nèi)與足跟對應處設(shè)置電池槽，鋰離子電池安裝在電池槽(4)內(nèi)，在鞋面上設(shè)置狀態(tài)指示燈，足腕姿態(tài)信息測量裝置固定在腳腕處與足底姿態(tài)信息和壓力測量裝置進行無線傳輸。

發(fā)明效果：

本發(fā)明彌補了現(xiàn)有智能運動鞋的不足，提供了一種基于足部姿態(tài)信息和壓力測量系統(tǒng)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(tài)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(jiān)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(nèi)嵌于鞋體足弓部位，從模塊固定于足腕部位，狀態(tài)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(tài)，電源內(nèi)嵌于足跟，薄膜壓力傳感器做成鞋墊形狀置于鞋內(nèi)，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(jiān)測得到豐富的雙足和足腕姿態(tài)信息，能夠識別各種運動模式，并根據(jù)不同的運動模式對傳感器工作狀態(tài)進行調(diào)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(tài)、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(shè)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(jiān)測的模式也為其社交功能擴展打下基礎(chǔ)。

(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(tǒng)功耗、提高續(xù)航能力。

(7)裝置還具有便攜性良好，使用壽命長等優(yōu)點。

附圖說明

圖1為足底姿態(tài)信息和壓力測量裝置功能結(jié)構(gòu)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(fā)明智能運動鞋使用流程圖；

圖6為本發(fā)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(tài)信息和壓力測量裝置包括：

用于測量足底分布壓力數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)，該陣列由平行的行導線和列導線交叉構(gòu)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(jié)構(gòu)的優(yōu)點是可以大量減少引線數(shù)量，但也帶來了串并聯(lián)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(lián)后與電阻R₁₁并聯(lián)得到的阻值與真實值存在一定偏差。本發(fā)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?yún)⒖茧妷篤_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(wǎng)中形成等勢區(qū)，使與被測力敏感點電阻并聯(lián)的電阻網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)采集模塊依次采集各個力敏感點的數(shù)據(jù)。每個力敏感點采用六邊形形狀，便于對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行模數(shù)轉(zhuǎn)換并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒胩幚砟K的數(shù)據(jù)采集模塊；數(shù)據(jù)采集模塊有多個數(shù)據(jù)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(guān)斷，并完成模擬量的采集與AD轉(zhuǎn)換。

用于地理信息定位并將定位信息傳輸?shù)街醒胩幚砟K的定位模塊；定位模塊采用GPS和北斗系統(tǒng)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?shù)街醒胩幚韱卧K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(tài)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(shù)據(jù)的存儲模塊；中央處理模塊處理的數(shù)據(jù)為IMU模塊、定位模塊和數(shù)據(jù)采集模塊傳輸給中央處理模塊的數(shù)據(jù)。

用于與外部設(shè)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(shù)據(jù)采集模塊轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)并控制數(shù)據(jù)采集模塊開通或關(guān)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(shè)備雙向傳輸、將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯δK的中央處理模塊。

中央處理模塊協(xié)調(diào)控制各模塊的工作、完成數(shù)據(jù)的預處理、模式切換以及數(shù)據(jù)流向控制。

具體實施方式二：一種足腕姿態(tài)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(zhuǎn)換為中央處理模塊所需電壓的電壓轉(zhuǎn)換及充電模塊；電壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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?shù)街醒胩幚韱卧K的IMU模塊；

用于與外部設(shè)備進行無線傳輸?shù)臒o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(shè)備雙向傳輸?shù)闹醒胩幚砟K。

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

足腕姿態(tài)信息測量裝置的IMU模塊讀取的信息通過足腕姿態(tài)信息測量裝置的無線傳輸模塊傳輸?shù)阶愕鬃藨B(tài)信息和壓力測量裝置的無線傳輸模塊，足底姿態(tài)信息和壓力測量裝置的無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶愕鬃藨B(tài)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(shù)據(jù)通過足底姿態(tài)信息和壓力測量裝置的無線傳輸模塊傳輸?shù)浇K端設(shè)備。

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

足底姿態(tài)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(gòu)成；

在運動鞋主體1的鞋底內(nèi)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(nèi)與足跟對應處設(shè)置電池槽4，鋰離子電池5安裝在電池槽4內(nèi)，在鞋面上設(shè)置狀態(tài)指示燈6，足腕姿態(tài)信息測量裝置3固定在腳腕處與足底姿態(tài)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(shè)計，并且可以防止插反，有電池電量指示燈和電源開關(guān)。

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(shù)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(tài)指示燈6為LED燈。狀態(tài)指示燈6為LED三色燈，可單獨發(fā)出紅、綠、藍三色光，也可以組合發(fā)光，共可以發(fā)出七種顏色的光，辨識度很高。狀態(tài)指示燈6用于引導穿戴者校準運動鞋。

其它步驟及參數(shù)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(tài)電池槽4內(nèi)安裝鋰離子電池，；鋰離子電池用于為足底姿態(tài)信息和壓力測量裝置2、足腕姿態(tài)信息測量裝置3供電。

其它步驟及參數(shù)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(guān)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(tài)指示燈發(fā)出紅色光，兩秒后狀態(tài)指示燈發(fā)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(shù)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(shù)值，在以后的運動過程中呈現(xiàn)給穿戴者的數(shù)據(jù)是實測數(shù)據(jù)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(wèi)星，輸出標準定位時間、使用中的衛(wèi)星數(shù)目、海拔高度以及經(jīng)緯度信息。

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

該智能運動鞋可以監(jiān)測穿著者處于何種狀態(tài)，若處于運動狀態(tài)時兩分鐘內(nèi)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(tài)時傳感器測量值超過該閾值，則立刻切換到運動狀態(tài)；運動狀態(tài)分為步行狀態(tài)和劇烈運動狀態(tài)，若處于步行狀態(tài)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(tài)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(shù)值通過無線模塊傳輸?shù)浇K端設(shè)備，經(jīng)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(jié)構(gòu)、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(shù)后療效評價均具有重要意義。根據(jù)薄膜壓力傳感器得到的壓力分布數(shù)據(jù)可以對人體進行平衡性分析，由加權(quán)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(tài)以及在運動或受到外力作用時能自動調(diào)整并維持姿勢的一種能力，包括靜態(tài)平衡和動態(tài)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(shù)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(shù)值越大，縱向擺動幅度越大；橢圓面積指包絡(luò)95％壓力中心軌跡在內(nèi)區(qū)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(yī)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(tài)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(shè)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(jù)IMU所測量的數(shù)據(jù)可以進行步態(tài)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(shù)，步頻、步長，足偏角等信息，IMU測得的雙足及足腕部位的姿態(tài)再結(jié)合壓力傳感器測得的壓力數(shù)據(jù)能夠?qū)ψ悴窟\動以及受力進行分析，這樣全面的步態(tài)分析為分析異常步態(tài)和矯正異常步態(tài)、制定康復治療計劃和評定康復療效提供了客觀的依據(jù)。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(chǎn)生一定的噪聲，所以在進行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行濾波后采用內(nèi)置的數(shù)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(xù)算法處理。系統(tǒng)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(zhuǎn)角，作為初始姿態(tài)。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(tài)信息。