本發(fā)明涉及可穿戴設(shè)備、醫(yī)療康復(fù)技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及利用電刺激產(chǎn)生足底壓力感知的鞋墊裝置及使用方法。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，低功耗、更便攜的可穿戴設(shè)備廣泛應(yīng)用于人們的日常生活中，給人們的生活帶來了極大的便利。鞋墊由于其便攜性、通用性，在生活中被廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的鞋墊僅僅具有舒適功能、吸汗功能，無法與人進行交互，隨著智能技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了加入了新功能元素的鞋墊，比如按摩鞋墊、測量鞋墊。目前市場上的新功能鞋墊以按摩功能和測量功能的鞋墊為主，無法應(yīng)用在其他場合，由此限制了應(yīng)用的范圍。

人機交互越來越成為提高人們生活水平的必不可少的元素。人工觸覺是一種適用性廣泛的人機交互技術(shù)之一。產(chǎn)生人工觸覺的方式主要是振動觸覺和電觸覺，其中振動觸覺是通過機械振動使皮膚產(chǎn)生機械變形而引發(fā)觸覺感知，實現(xiàn)起來簡單，但模式較為單一。而電觸覺本質(zhì)上是用脈沖電流刺激皮膚下的觸覺感受器來引起觸覺，能夠?qū)崿F(xiàn)壓力感、振動感、滑覺等多種模式的觸覺信息，用電觸覺方式產(chǎn)生人工觸覺更為直接。

人在行走時一側(cè)足跟著地到該側(cè)足跟再次著地的過程被稱為一個步行周期，行走中每個步行周期都包含著一系列典型姿位的轉(zhuǎn)移，一個步行周期可分為支撐相和擺動相，支撐相指下肢接觸地面及承受重力的時間，擺動相指足離開地面向前邁步到再次落地之間的時間。按照行走中步態(tài)的變化規(guī)律用人工觸覺的方式逼真再現(xiàn)人步行時的觸覺感知，并結(jié)合康復(fù)機器人、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)可以更進一步提高人們的生活水平。

經(jīng)文獻檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利公開號為CN103830841A，專利名稱為：可穿戴的經(jīng)皮膚的電刺激設(shè)備及其使用方法，申請日為2013年11月26日。該專利文獻公開的設(shè)備產(chǎn)生的電刺激被驅(qū)動于第一經(jīng)皮膚電極和第二經(jīng)皮膚電極之間。該電刺激設(shè)備存在以下不足：

1、僅僅具備單通道，調(diào)節(jié)模式單一；

2、重量較重，無法滿足便攜式鞋墊裝置的體積和重量限制。

經(jīng)文獻檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利公開號為CN204208193U，專利名稱為：低周波電刺激器，申請日為2014年8月31日。該專利文獻提出了一種脈沖波形可調(diào)的電刺激器，體積較小，該電刺激器通過紐扣與兩片自粘電極片相連，以輸出脈沖電流。該刺激器方便攜帶，但存在以下不足：

1、刺激點僅為兩片自粘電極片，輸出通道單一，無法刺激多個區(qū)域，觸覺模式單一；

2、無法與手機、PC設(shè)備相連接入互聯(lián)網(wǎng)，調(diào)節(jié)模式不夠靈活。

經(jīng)文獻檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利公開號為CN202077703U，專利名稱為：一種新型振動式按摩鞋墊，申請日為2011年5月18日。該專利文獻利用扁平微電機振動作為振動源，通過旋鈕開關(guān)調(diào)節(jié)振動強度，對人體穴位進行振動按摩，通過外接USB接口進行供電。該鞋墊存在以下不足：

1、采用機械振動，振動調(diào)節(jié)模式單一，且調(diào)節(jié)精度不高；

2、外接USB進行供電，不夠便攜；

3、適用范圍領(lǐng)域窄，不能進行擴展應(yīng)用。

總體來說，現(xiàn)有技術(shù)中的新功能鞋墊以按摩功能和測量功能的鞋墊為主，應(yīng)用范圍窄，可擴展性差，人機交互性不明顯，難以滿足人們對鞋墊智能化的要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種利用電刺激產(chǎn)生足底壓力感知的鞋墊裝置及使用方法。本發(fā)明能夠提高人機交互性能，使用者足底無需與地面接觸，就可以產(chǎn)生足底壓力感知；使用者無需真實的行走運動，改變電刺激參數(shù)、模式和時序，就可以產(chǎn)生行走過程中的足底壓力變化；可以模擬不同的場地，改變電刺激參數(shù)和模式，實現(xiàn)不同地面的足底壓力感知。

根據(jù)本發(fā)明提供的一種利用電刺激產(chǎn)生足底壓力感知的鞋墊裝置，包括左鞋墊和/或右鞋墊；其中，所述左鞋墊、右鞋墊均包括：

鞋墊本體；

刺激點，所述刺激點設(shè)置在所述鞋墊本體上，所述刺激點為柔性電極陣列；

電刺激控制裝置，所述電刺激控制裝置產(chǎn)生脈沖電流輸出到所述刺激點上，以刺激皮膚的觸覺感受器，進而產(chǎn)生觸覺。

優(yōu)選地，所述電刺激控制裝置包含殼體，還包括安裝于殼體上的載體、電源模塊、無線通訊模塊及控制模塊；

所述載體包括腳踝佩戴裝置；

所述電源模塊包括聚合物鋰電池和無線充電模塊，用于提供電源；

所述無線通訊模塊實時接收來自移動設(shè)備的電觸覺指令，進而將電觸覺指令傳給控制模塊；

所述控制模塊實時處理電觸覺指令得到處理結(jié)果，并基于處理結(jié)果產(chǎn)生相應(yīng)電刺激特性的脈沖電流，輸出到所述刺激點，進而產(chǎn)生步態(tài)感知。

優(yōu)選地，所述載體由親膚材料制作，所述載體的兩頭是相匹配的魔術(shù)貼，用來將所述電刺激控制裝置固定在腳踝處；

所述電刺激控制裝置還包括指示燈、按鍵以及導(dǎo)線；其中，所述按鍵設(shè)置在殼體表面，用于使用者對電刺激控制裝置進行開閉控制；所述導(dǎo)線為軟排線，用來連接刺激點。

優(yōu)選地，所述控制模塊為PCB電路板，包括：

主控模塊，所述主控模塊主要由主控芯片stm32f407及外圍電路構(gòu)成；

恒流模塊，所述恒流模塊用于將脈沖電壓轉(zhuǎn)化為刺激皮膚的脈沖電流；

多路復(fù)用模塊，所述多路復(fù)用模塊用于選通電極陣列，并通過分時復(fù)用方式實現(xiàn)多個電極通道選通；

電壓轉(zhuǎn)換模塊，所述電壓轉(zhuǎn)換模塊用來為恒流模塊、多路復(fù)用模塊、無線通訊模塊、主控模塊供電。

優(yōu)選地，所述電刺激特性包括電刺激參數(shù)、電刺激模式以及電刺激時序，通過改變電刺激參數(shù)、電刺激模式、電刺激時序，以模擬再現(xiàn)人在行走時的足底壓力變化感以及實現(xiàn)人在不同地面的足底壓力感知。

優(yōu)選地，所述電刺激參數(shù)為脈沖電流的幅值、脈寬以及頻率，幅值可調(diào)范圍為0mA—10mA，精度為0.1mA；脈寬可調(diào)范圍為10us—1ms，精度為1us；頻率可調(diào)范圍為1Hz—2KHz，精度為1Hz。

優(yōu)選地，所述電刺激模式包括單點刺激和/或多點混合刺激。

優(yōu)選地，所述電刺激時序是：按照設(shè)定時序輪流刺激左腳、右腳的不同區(qū)域，產(chǎn)生足底不同區(qū)域的壓力感知，進而再現(xiàn)人在行走時的足底壓力變化感。

優(yōu)選地，所述刺激點分布在鞋墊本體上的足趾處、足掌處、足跟處。

根據(jù)本發(fā)明提供的一種上述的利用電刺激產(chǎn)生足底壓力感知的鞋墊裝置的使用方法，包括：

-定義人在行走時，足底接觸地面感知壓力的區(qū)域分為足趾著地接觸區(qū)域、足掌著地接觸區(qū)域、足跟局部著地接觸區(qū)域以及足底整個同時著地接觸區(qū)域；按照行走時相應(yīng)步態(tài)所對應(yīng)的左鞋墊電極陣列和右鞋墊電極陣列，以設(shè)定時序輸出電刺激，來模擬再現(xiàn)行走時不同步態(tài)下的足底壓力變化感；具體過程為，按下按鍵，電刺激控制裝置開始工作；電刺激控制裝置通過無線通訊模塊實時接收來自移動設(shè)備的電觸覺指令，電觸覺指令是包含電刺激參數(shù)、電刺激模式以及電刺激時序的指令，控制模塊通過處理電觸覺指令，按相應(yīng)的時序選通左鞋墊和右鞋墊相應(yīng)所述區(qū)域的電極陣列，將相應(yīng)幅值、頻率以及脈寬的脈沖電流實時輸出到選通的電極陣列上進行刺激，進而產(chǎn)生行走時不同步態(tài)下足底壓力的變化感；和/或

-當(dāng)要實現(xiàn)人對不同地面的足底壓力感知時，按下按鍵，電刺激控制裝置開始工作；電刺激控制裝置通過無線通訊模塊實時接收來自移動設(shè)備的電觸覺指令，電觸覺指令是包含電刺激參數(shù)、電刺激模式的對應(yīng)于相應(yīng)地面的指令，控制模塊通過處理電觸覺指令，將相應(yīng)幅值、頻率以及脈寬的脈沖電流輸出到選通的左鞋墊和右鞋墊電極陣列上進行刺激，使人產(chǎn)生不同地面足底壓力的感知。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

本發(fā)明應(yīng)用范圍廣泛，靈活性高，通過手機、PC設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，可以逼真再現(xiàn)人行走時不同步態(tài)時的足底壓力感知變化以及人處于不同地面的壓力感知。本發(fā)明有以下應(yīng)用：一是康復(fù)(配合下肢康復(fù)機器人使用)；二是游戲娛樂，本發(fā)明和虛擬現(xiàn)實結(jié)合，可以使游戲者產(chǎn)生行走時的足底壓力變化，增加真實感和臨場感；三是模擬軍事訓(xùn)練，本發(fā)明與虛擬現(xiàn)實結(jié)合，根據(jù)各種戰(zhàn)場情況(山地、沙漠、草地等)，可使受訓(xùn)者產(chǎn)生相應(yīng)行走時的足底壓力變化，增強真實感和臨場感。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：

圖1為本發(fā)明中一種利用電刺激產(chǎn)生足底壓力感知的鞋墊裝置的鞋墊結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中一種利用電刺激產(chǎn)生足底壓力感知的鞋底的鞋墊電極陣列示意圖；

圖3為本發(fā)明中一種利用電刺激產(chǎn)生足底壓力感知的鞋墊裝置的使用方法的使用方法示意圖；

圖4為本發(fā)明中一種利用電刺激產(chǎn)生足底壓力感知的鞋墊裝置及使用方法的電刺激控制原理圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變化和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。

如圖1所示，1為鞋墊本體，采用親膚材質(zhì)制成。2為刺激點，所述刺激點設(shè)置在鞋墊本體1上，為柔性電極陣列，分布在鞋墊本體1的足趾處、足掌處與足跟處。3為載體，兩頭是魔術(shù)貼，用來將電刺激控制裝置4固定在腳踝處。4為電刺激控制裝置，包含殼體、載體、導(dǎo)線、電源模塊、無線通訊模塊及控制模塊。5為電刺激控制裝置的按鍵，用來開斷電刺激。6為指示燈，用來指示電刺激控制裝置的工作狀態(tài)。7為導(dǎo)線，是軟排線，用于將刺激點2連接到電刺激控制裝置4上。

如圖2所示，左鞋墊足趾處電極陣列8、左鞋墊足掌處電極陣列9、左鞋墊足跟處電極陣列10、右鞋墊足趾處電極陣列11、右鞋墊足掌處電極陣列12、右鞋墊足跟處電極陣列13構(gòu)成了左鞋墊和右鞋墊的刺激點，通過選通不同的電極陣列，刺激不同區(qū)域的足底區(qū)域感受器，可以產(chǎn)生不同位置的足底壓力感知。

如圖3所示，14為電刺激按照一定時序刺激的鞋墊本體，15為標(biāo)示有對應(yīng)電刺激區(qū)域產(chǎn)生的足底壓力分布的足底，按照一定時序刺激可模擬人步行時的步態(tài)足底壓力變化，16為由電刺激產(chǎn)生的模擬對應(yīng)于人行走時一個步態(tài)周期的相應(yīng)步態(tài)感知。

根據(jù)本發(fā)明提供給的一種利用電刺激產(chǎn)生足底壓力感知的鞋墊裝置的使用方法是：

-人在行走時一側(cè)足跟著地到該側(cè)足跟再次著地的過程被稱為一個步行周期，行走中每個步態(tài)周期都包含著一系列典型姿位的轉(zhuǎn)移，一個步行周期可分為支撐相和擺動相，支撐相指下肢接觸地面及承受重力的時間，擺動相指足離開地面向前邁步到再次落地之間的時間。按照行走時相應(yīng)步態(tài)所對應(yīng)的左鞋墊和右鞋墊電極陣列，以設(shè)定時序輸出不同模式的電刺激，可以逼真再現(xiàn)行走時不同步態(tài)下的足底壓力變化感。具體過程為，按下按鍵，左鞋墊和右鞋墊電刺激控制裝置開始工作；電刺激控制裝置通過無線通訊模塊實時接收來自手機、PC設(shè)備的電觸覺指令，該電觸覺指令是包含電刺激參數(shù)、電刺激模式和電刺激時序的指令，控制模塊通過處理電觸覺指令，按相應(yīng)的時序選通左鞋墊和右鞋墊相應(yīng)區(qū)域的電極陣列，將相應(yīng)幅值、頻率和脈寬的脈沖電流實時輸出到選通的電極陣列上進行刺激，進而逼真再現(xiàn)行走時不同步態(tài)下足底壓力的變化感；

-當(dāng)要實現(xiàn)人對不同地面的足底壓力感知時，按下按鍵，電刺激控制裝置開始工作；電刺激控制裝置通過無線通訊模塊實時接收來自手機、PC設(shè)備的電觸覺指令，電觸覺指令是包含電刺激參數(shù)、電刺激模式的對應(yīng)于相應(yīng)地面的指令，控制模塊通過處理電觸覺指令，將相應(yīng)幅值、頻率和脈寬的脈沖電流輸出到選通的左鞋墊和右鞋墊電極陣列上進行刺激，再現(xiàn)在不同地面的足底壓力感知。

如圖4所示，通過無線充電模塊17為聚合物鋰電池18充電，無線充電模塊17利用核磁共振技術(shù)進行無線充電，該充電方式更安全可靠，避免傳統(tǒng)有線充電的繁瑣步驟。電壓轉(zhuǎn)換模塊19為恒流模塊21、多路復(fù)用模塊22、無線通訊模塊24、主控模塊20供電。無線通訊模塊24是藍牙4.0通訊模塊，實時接收來自手機、PC等設(shè)備的電觸覺指令，進而將電觸覺指令傳給主控模塊20，主控模塊20實時處理電觸覺指令，并基于處理結(jié)果通過恒流模塊21和多路復(fù)用模塊22將相應(yīng)電刺激特性的脈沖電流，輸出到刺激點，進而產(chǎn)生步態(tài)感知。主控模塊20為主要由主控芯片stm32f407及外圍電路構(gòu)成；恒流模塊21用于將脈沖電壓轉(zhuǎn)化為刺激皮膚的脈沖電流；多路復(fù)用模塊22，用于選通電極陣列，并結(jié)合分時復(fù)用技術(shù)實現(xiàn)多個電極通道選通；23是刺激點的電極陣列，分布在鞋墊的足趾、足掌和足跟處。主控模塊20通過處理電觸覺指令可以調(diào)節(jié)電刺激特性，電刺激特性包括電刺激參數(shù)、電刺激模式和電刺激時序，通過改變電刺激參數(shù)、電刺激模式、電刺激時序，可以逼真再現(xiàn)人在行走時的足底壓力變化感以及實現(xiàn)人在不同地面的足底壓力感知。電刺激參數(shù)為脈沖電流的幅值、脈寬和頻率，幅值可調(diào)范圍為0mA—10mA，精度為0.1mA；脈寬可調(diào)范圍為10us—1ms，精度為1us；頻率可調(diào)范圍為1Hz—2KHz，精度為1Hz。電刺激模式包括單點刺激、多點混合刺激。電刺激時序指按照設(shè)定時序輪流刺激左腳和右腳的不同區(qū)域，產(chǎn)生足底不同區(qū)域的壓力感知，進而再現(xiàn)人在行走時的足底壓力變化感。

本發(fā)明一種利用電刺激產(chǎn)生足底壓力感知的鞋墊裝置及使用方法可應(yīng)用的場合包括：

1.康復(fù)，使用者利用本發(fā)明配合下肢康復(fù)機器人進行下肢訓(xùn)練，使用者無需站立行走，在坐著、平躺的情況下就可以感知到下肢訓(xùn)練的足底壓力變化。

2.游戲娛樂，本發(fā)明和虛擬現(xiàn)實結(jié)合，可以使游戲者產(chǎn)生行走時的足底壓力變化，增加真實感和臨場感。

3.模擬軍事訓(xùn)練，本發(fā)明與虛擬現(xiàn)實結(jié)合，根據(jù)各種戰(zhàn)場情況(山地、沙漠、草地等)，可使受訓(xùn)者產(chǎn)生相應(yīng)行走時的足底壓力變化，增強真實感和臨場感。

以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變化或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。在不沖突的情況下，本申請的實施例和實施例中的特征可以任意相互組合。