專利名稱：一種體感鞋的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及ー種基于傳感器與電子通訊技術的新型體感鞋子及其在人機交互應用中的實現方法，屬于電子信息、自動化與計算機領域。
背景技術：
傳統的鞋子僅僅作為服飾的ー個品種，大大制約了其在社會生活中的應用范圍和前景。隨著科學技術的不斷發(fā)展，體感游戲與互動應用方興未艾。目前國內外較為著名的體感應用有聯想公司的3D體感控制器鼠標,任天堂的wii游戲主機,微軟的XBOX Kinect等。而這些應用并沒有和現實中真正的鞋子聯系在一起，目前僅有蘋果與NIKE合作的nike+是與鞋子相關的，但是Nike+的傳感器只能計算步數，配合蘋果公司的軟件平臺以顯示戶外運動時人體所運動的時間、距離、速度與消耗的卡路里等，產品定位于健身的輔助エ具。而在室內活動以及家庭娛樂生活中，目前還沒有一款可以將傳感技術以及無線通訊技 術相結合的體感鞋子，用以代替游戲控制器或者傳統的用于人機交互的鍵盤和鼠標。
發(fā)明內容本實用新型設計實現了ー種可以代替?zhèn)鹘y人機交互手段的鞋，定位于ー種基于傳感器與無線通訊技術的新型體感鞋，這種體感鞋將通過無線通訊技術與PC、手機、電視、平板電腦等人機交互終端設備相連接，用于代替?zhèn)鹘y的人機交互方式，尤其在體感應用領域，彌補了體感領域沒有體感鞋的空白。本實用新型提供的體感鞋，能夠檢測人雙腳在三維空間內的移動和轉動信息，通過無線傳輸和信息的二次處理，可用來代替?zhèn)鹘y的鼠標鍵盤等操作模式，尤其對于各類休閑娛樂的游戲應用，提供一種新穎的控制方式，將人機交互操作與運動有機結合。本實用新型所述的體感鞋，主要包括ー個上位機接收模塊和分別設置在左右兩只鞋子上的兩個無線傳感綜合模塊，所述的無線傳感綜合模塊以無線方式連接上位機接收模塊，上位機接收模塊與終端設備相連接；所述的鞋子的底部有卡槽，無線傳感綜合模塊安裝和固定在卡槽內。所述的無線傳感綜合模塊包括加速度傳感器、角度傳感器、信號調理單元、中央處理單元、無線傳輸模塊和電源單元，所述的加速度傳感器的數據通過信號調理單元后，與角度傳感器的數據一起經過中央處理器單元進行處理，通過無線傳輸模塊發(fā)送給上位機接收模塊；所述的電源単元分別連接加速度傳感器、角度傳感器、中央處理單元和無線傳輸模塊；所述的上位機接收模塊包括無線傳輸模塊、USB/UART接ロ轉換芯片、電源芯片以及USB接ロ，所述的無線傳輸模塊用于接收無線傳感綜合模塊發(fā)送的運動信息，并通過USB/UART接ロ轉換芯片轉換為通過USB接ロ輸出的形式，所述的USB接ロ直接與終端設備連接；所述的無線傳感綜合模塊中的無線傳輸模塊和上位機接收模塊中的無線傳輸模塊分別對應著無線傳輸的發(fā)射端和接收端。本實用新型中將設置有卡槽的鞋作為存放無線傳感綜合模塊的載體，用戶雙腳運動信息通過鞋子上的無線傳感綜合模塊采集處理后傳輸。在設計上，左右腳每只鞋子底部有卡槽，便于無線傳感綜合模塊的安裝和固定。即鞋子本身與無線傳感綜合模塊可分離，目的在于便于鞋子的清洗，而不會損壞電子設備；此外，便于給無線傳感綜合模塊充電。本實用新型的優(yōu)點在于I、在普通鞋子或者運動鞋上安裝無線傳感綜合模塊，通過左右兩只鞋子的運動信息來替換鍵盤和鼠標操作，提供了一種新穎的人機交互方式。2、本實用新型采用加 速度計和數字陀螺，制作成本低，易于大規(guī)模的生產實踐。3、本實用新型采用低功耗設計方案，選用低功耗的加速度計、數字陀螺、無線傳輸模塊等。具有功耗低，使用時間長的優(yōu)點。4、本實用新型中通過在鞋底設置卡槽來安裝無線傳感綜合模塊，可拆卸式的結構更加方便清洗鞋子和檢查測試及維護無線傳感綜合模塊。5、本實用新型中采用左右兩只鞋子的信息組合，獲得的信息更加豐富，可實現更多的輸入信息指令組合。

圖I是本實用新型提供的體感鞋的總體結構示意圖；圖2是本實用新型硬件系統總體結構示意圖；圖3是本實用新型硬件系統工作流程圖；圖4是本實用新型中子節(jié)點入網流程圖；圖5是本實用新型中運動信息采集和處理的工作流程圖；圖6是本實用新型中上位機接收模塊硬件組成。圖7是本實用新型的多用戶腳步移動信息的動態(tài)鏈表建立流程具體實施方式
下面將結合附圖和實施例對本實用新型作進ー步的詳細說明。本實用新型提供ー種體感鞋，如圖I所示，所述的體感鞋I的鞋底具有凹槽，凹槽中安裝有無線傳感綜合模塊2，結合圖2，所述的無線傳感綜合模塊2與上位機接收模塊3之間無線連接，上位機接收模塊3直接與PC機等終端設備連接。所述的無線傳感綜合模塊2與上位機接收模塊3進行通信，上位機接收模塊3用于接收兩只體感鞋I的運動信息，通過上位機軟件將體感鞋的運動信息數據按一定的映射關系，轉換為預先設定的人機交互操作指令。所述的運動信息包括有人體的雙腳運動導致的體感鞋的位移、轉動和跳躍信息，雙腳分別對應著左右兩只體感鞋，雙腳的運動信息通過兩只體感鞋上的無線傳感綜合模塊進行采集和發(fā)送。所述的映射關系是指運動信息與操作指令之間的映射關系，人機交互操作指令根據用戶的需要進行設定，不同的運動信息，分別可以對應擊左鍵、擊右鍵、上翻、下翻等操作指令。本實用新型的硬件系統總體結構實現如附圖2所示，包括無線傳感綜合模塊和上位機接收模塊，所述的無線傳感綜合模塊包含加速度傳感器、角度傳感器、信號調理單元、中央處理單元、無線傳輸模塊和電源單元；所述的加速度傳感器的數據通過信號調理單元后，與角度傳感器的角度數據一起經過中央處理器單元進行處理，通過無線傳輸模塊的發(fā)送端發(fā)送給上位機接收模塊；所述的電源単元分別連接加速度傳感器、角度傳感器、中央處理單元和無線傳輸模塊，以提供穩(wěn)定電源。所述的上位機接收模塊包含無線傳輸模塊，USB/UART接ロ轉換芯片、電源芯片以及USB接，所述的無線傳輸模塊接收無線傳感綜合模塊發(fā)送的運動信息，并通過USB/UART接ロ轉換芯片轉換為可以通過USB接ロ輸出的形式，所述的USB接ロ直接與終端設備連接，實現即插即用ロ。所述的加速度傳感器為三軸加速度計，采用KXR94加速度計芯片，KXR94是Kionix公司生產的三軸加速度計。該加速度計內部已經對溫度和電壓波動引起的偏差進行了設計補償，因此由于電壓和溫度引起的偏差較小。該器件測量范圍為±2g，靈敏度系數為560mV/g，非線性度為O. I %，工作電壓為2. 8 3. 3 V ;該加速度計功耗很低，靜態(tài)電流約I. 1mA，可以滿足整體設計的低功耗要求。KXR94三路輸出分別代表X軸輸出、Y軸輸出、Z軸輸出，提供給后續(xù)信號調理單元之后最終被中央處理單元的單片機AD采集。所述的角度傳感器采用ST公司的L3G4200D數字輸出陀螺儀。該陀螺儀具有I2C/SPI數字輸出接ロ，16比特率值的數據輸出，2. 4V 3. 6V的寬電源工作電壓，嵌入式 power-down和睡眠模式，高抗撞擊能力，可以滿足設計的低功耗防撞擊的要求。L3G4200D獲得的角度信號可以直接傳給中央處理單元中的單片機使用。所述的中央處理單元的核心是單片機。單片機選用PIC18F2520。該單片機具有寬工作電壓2. O 5. 5V ;具有10通道10位AD采集；低功耗，空閑模式下典型電流僅5. 8uA ；自帶看門狗電路；支持SPI及I2C。中央處理單元通過所選單片機自帶的AD采集三軸加速度傳感器經過信號調理單元調理的輸出信號，并直接接收數字陀螺儀的信號，通過所編寫的內部解算程序獲得體感信息，存入緩存中；之后，通過無線傳輸模塊傳輸至上位機接收模塊供上位機軟件使用。工作過程如附圖5所示，單片機初始化后開始采集加速度及角度信息，采集完畢后，進入數據解算程序，即將加速度解算為鞋子的位移，將位移信息和角度信息作為運動信息一起存入緩沖區(qū)中，并將運動信息向上位機接收模塊發(fā)送。無線傳輸模塊采用ZigBee模塊。ZigBee無線通信技術是ー種低速率、低功耗、低復雜度、低成本的雙向無線通信網絡技術，可廣泛應用于エ業(yè)監(jiān)控、安全系統、傳感器網絡、智能家居等領域。ZigBee的優(yōu)勢在于低功耗，相較藍牙或者WiFi待機時間可提高幾十倍；低成本，降低了對通訊控制器的要求，而且協議專利免費；高容量，一個主節(jié)點可以管理多個子節(jié)點，最多可達254個子節(jié)點；此外還具有短時延，高安全，免執(zhí)照頻段等優(yōu)勢。Zigbee模塊可以滿足設計應用的要求。無線傳輸模塊包括發(fā)送和接收兩部分，分別安裝在無線傳感綜合模塊以及上位機接收模塊中，用于數據通信。電源單元采用鋰電池供電，并加入AMS1117-3. 3作為電源穩(wěn)壓芯片，使電源單元輸出穩(wěn)定為3. 3V，可以為單片機、三軸加速度計、數字陀螺儀及無線傳輸模塊供電。AMSl117-3. 3芯片輸入電壓范圍4. 75 12V，輸出電壓3. 267 3. 333V，輸出電流1A，工作溫度-40 125°C。電池采用可充電鋰電池，容量800 lOOOmAh，工作電壓6V，充放電次數可達500次，即使使用很頻繁也可以保證至少一年的使用時間。上位機接收模塊主要包括了無線傳輸模塊的接收部分、USB/UART接ロ轉換芯片、電源芯片以及USB接ロ。如附圖6所示。無線傳輸模塊的接收部分主要用于接收無線傳感綜合模塊發(fā)送過來的運動信息數據。而信號類型轉換芯片為FT232R，FT232R為USB/UART轉換芯片，其主要功能是在內部硬件邏輯作用下實現USB和一歩串行數據傳輸接ロ的轉換。芯片內部繼承了 1024位的EEPROM和多頻率時鐘發(fā)生器(6MHz，12MHz，24MHz，48MHz)。電源芯片采用上文提到的AMSl117-3. 3，提供3. 3V輸出為FT232R和Zigbee模塊供電。USB接ロ用于與終端設備如PC機相連，完成數據傳輸以及電源供電功能。如附圖3所示，采用上述的無線傳感綜合模塊進行人機交互的工作流程包括如下步驟I.在上位機接收模塊已經插入且PC機打開的情況下，打開無線傳感綜合模塊電源；中央處理單元的單片機、加速度計、數字陀螺以及信號調理單元進行上電和初始化；2.上位機接收模塊開始自組網工作，子節(jié)點的入網流程如附圖4所示，具體為(A)需接入的子節(jié)點上電并初始化，延時后，判斷子節(jié)點是否收到信標幀，如果沒有收到，則認為子節(jié)點入網失?。蝗绻盏?，則轉⑶；(B)監(jiān)聽信標幀選擇主節(jié)點；(C)下位機發(fā)送入網請求給上位機接收模塊，如果下位機接收到主節(jié)點的回復，則轉(D);如果下位機沒有接收到主節(jié)點回復，則轉(E)；(D)分配短地址給子節(jié)點，此時子節(jié)點入網成功；(E)判斷是否存在主節(jié)點，如果沒有主節(jié)點則認為子節(jié)點入網失敗，如果存在主節(jié)點，則返回(B)。所述的子節(jié)點為需要接入的無線傳感綜合模塊，所述的主節(jié)點為上位機接收模塊，所述的下位機為需接入的子節(jié)點，也是無線傳感綜合模塊。3.組網成功后上位機接收模塊發(fā)送運動信息采集指令，中央處理單元開始采集加速度傳感器和角度傳感器的數據；4.中央處理單元的單片機對采集到的數據進行解算，對加速度數據還原出位移數據，將位移數據及角度數據作為運動信息數據存儲于緩存中；5.將緩存中數據通過無線傳輸模塊進行傳輸，傳輸給上位機接收模塊；6.上位機接收模塊接收數據后通過USB直接連接PC機等終端設備，進行保存等以備后續(xù)調用操作。本實用新型在人機交互方法的具體實現主要針對用戶的雙腳分別采集運動數據的特點，并考慮到多用戶同時互連進行人機交互的可行性，特別設計了雙腳運動信息的數據結構，每只鞋子的傳感器的采集數據將以六元組的方式傳輸，左腳的運動數據記作， Α(ΔχΑ, ΔΥα, Δζα, 04，3ル，取)，右腳數據記作0“八ち，ΔΥβ, ΔΖβ, 0b，SNb，IDb)。為了便于對問題進行描述，這里將世界坐標系記作XYZ三個軸向，與三軸加速度傳感器的軸向重合。其中ΛΧα，Λ yA表示在地平面坐標系下，用戶左腳的移動位移信息，變量類型為float型，物理含義為以分米為計量的位移；△ zA表示在高度上用戶左腳抬起的高度，變量類型為浮點型，物理含義為以分米為計量的位移；ΘΑ表示左腳圍繞其Z軸所旋轉的角度，變量類型為整型，物理含義是表示以。為單位的旋轉角度；SNA表示無線傳感綜合模塊的序列號，該變量為長整型，是無線傳感綜合模塊唯一表示，用以區(qū)分生產出的每雙鞋子，便于后續(xù)的多人互連交互的入網以及識別；IDa作為左腳的標識，變量類型為Bool型，O代表左腳，I代表右腳。同樣的，右腳數據結構有類似的含義。人機交互控制方法的實現主要在于，基于數據包Da( Λ χΑ，ΔΥα, Δζα, θ α, SNa, IDa), Β(ΔχΒ, ΔΥβ, Δζβ, 9b，SNb，IDb)，設計ー個有限狀態(tài)機組，用多個狀態(tài)機的組合表示用戶的雙腳移動狀態(tài)，每個無線傳感綜合模塊作為ー個狀態(tài)機。這里以單個用戶的雙腳運動信息為例進行說明MA用以表示當前左腳運動信息的狀態(tài)機，MB用以表示右腳運動信息的狀態(tài)機，其數據結構為M(mx, my, mz, θ ζ)，其中mx, my的取值分別為1、0和I, mx = -I表示沿x軸負方向移動了，mx = I表示沿X軸正方向移動了，mx = O表示沒有移動,my的取值與mx有相同含義；而1^的取值有兩個，為O和I，對應沿Z軸正方向沒有移動和沿Z軸正方向向上移動。我們認定用戶是無法運動到地平面以下的，因此mz沒有負值；θζ取值為[0，360]，表示用戶的腳步旋轉角度；數據結構中M的狀態(tài)由mx,my,mz附加上θ z共同決定,而mx,my,mz值則由(θ χ，Δγ, Δ ζ)與其本身的當前狀態(tài)共同決定，設mx當前狀態(tài)用mx(k)表示，my當前狀態(tài)用my (k)表示,mz當前狀態(tài)用mz (k)表示；相應的，mx下一個狀態(tài)用mx(k+l)表示,my下ー個狀態(tài)用my (k+Ι)表示，mz下一個狀態(tài)用mz (k+1)表示。則mx的狀態(tài)轉換如表I所示表I中出現的閾值變量Dis，含義ー個以分米為單位的正數。用來表示只有超過這個值的移動，才認為是用戶腳步狀態(tài)有了改變。例如當用戶腳步出現微小移動時，我們認為用戶并不是在改變狀態(tài)，同時這種設計也是為了便于人機交互控制。表I mx狀態(tài)轉換表
權利要求1.一種體感鞋，其特征在于所述的體感鞋主要包括一個上位機接收模塊和分別設置在左右兩只鞋子上的兩個無線傳感綜合模塊，所述的無線傳感綜合模塊以無線方式連接上位機接收模塊，上位機接收模塊與終端設備相連接；所述的鞋子的底部有卡槽，無線傳感綜合模塊安裝和固定在卡槽內。
2.根據權利要求I所述的一種體感鞋，其特征在于所述的無線傳感綜合模塊包括加速度傳感器、角度傳感器、信號調理單元、中央處理單元、無線傳輸模塊和電源單元，所述的加速度傳感器的數據通過信號調理單元后，與角度傳感器的數據一起經過中央處理器單元進行處理，通過無線傳輸模塊發(fā)送給上位機接收模塊；所述的電源單元分別連接加速度傳感器、角度傳感器、中央處理單元和無線傳輸模塊；所述的上位機接收模塊包括無線傳輸模塊、USB/UART接口轉換芯片、電源芯片以及USB接口，所述的無線傳輸模塊用于接收無線傳感綜合模塊發(fā)送的運動信息，并通過USB/UART接口轉換芯片轉換為通過USB接口輸出的形式，所述的USB接口直接與終端設備連接；所述的無線傳感綜合模塊中的無線傳輸模塊和上位機接收模塊中的無線傳輸模塊分別對應著無線傳輸的發(fā)射端和接收端。
專利摘要本實用新型公開了一種體感鞋，屬于電子信息、自動化與計算機領域。所述的體感鞋主要包括一個采用無線技術的上位機接收模塊和設置在一雙鞋上的無線傳感綜合模塊，所述的無線傳感綜合模塊用于采集用戶腳步移動、轉動、跳躍等運動信息，并將運動信息以無線方式傳輸給上位機接收模塊，與終端設備間實現交互。本實用新型在普通鞋子或者運動鞋上安裝無線傳感綜合模塊，通過左右兩只鞋子的運動信息來替換鍵盤和鼠標操作，提供了一種新穎的人機交互方式；采用加速度計和數字陀螺，制作成本低，易于大規(guī)模的生產實踐；具有功耗低，使用時間長的優(yōu)點。
文檔編號G06F3/033GK202472553SQ20122012663
公開日2012年10月3日 申請日期2012年3月28日 優(yōu)先權日2012年3月28日
發(fā)明者劉高峰, 宋子健 申請人:劉高峰, 宋子健