本發(fā)明涉及測量檢測領(lǐng)域，具體涉及一種鞋墊式足底壓力分布測量裝置和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代人對人體生命健康的關(guān)注越來越多，人們關(guān)注的健康指標也越來越繁雜。足底壓力已經(jīng)成為反映人體形態(tài)健康特征的一個重要方面，靜態(tài)足底壓力分布和動態(tài)足底壓力分布已經(jīng)成為足底壓力分析中兩個最重要的指標。足底壓力信息的獲取一般采用壓力測試板或者足底壓力測試鞋墊。這些壓力采集系統(tǒng)設(shè)備中，國內(nèi)應用廣泛的是美國的Takscan公司的F-Scan系統(tǒng)，比利時RSscan公司的Footscan平板系統(tǒng)，瑞士Kistler測力臺，德國Novel公司的Emed平板系統(tǒng)的Pedar鞋墊系統(tǒng)，國內(nèi)相應公司產(chǎn)品少之又少，上市銷售產(chǎn)品均未能檢索到。

現(xiàn)有技術(shù)中，也存在了一些足底壓力采集裝置，例如在國外公司產(chǎn)品中，Pedar鞋墊壓力測試系統(tǒng)和F-Scan鞋墊系統(tǒng)采用了電容式傳感器，用于動態(tài)足底壓力的測量；比利時RSscan公司的Footscan平板系統(tǒng)則采用壓阻式傳感器，用于動態(tài)和靜態(tài)足底壓力的測量。以上公司并未公開其產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)。國外產(chǎn)品售價昂貴，每套測試設(shè)備均在10萬元以上，其高成本阻礙了足底壓力測試設(shè)備在國內(nèi)和行業(yè)內(nèi)的推廣與應用。

如何利用相對簡單的電路結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)足底壓力分布測量成為亟待解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本申請?zhí)峁┮环N鞋墊式足底壓力分布測量裝置和系統(tǒng)，以提供足底壓力分布測量的新方案。

根據(jù)第一方面，一種實施例中提供一種足底壓力分布測量裝置，包括：

壓力采集模塊，包括多個足底壓力傳感器，多個足底壓力傳感器基于預設(shè)規(guī)則布置在鞋墊中，用于分別采集各個布置位置的足底壓力并轉(zhuǎn)換為電信號；信號處理模塊，與壓力采集模塊連接，用于接收多個足底壓力傳感器發(fā)送的足底壓力的電信號，并調(diào)理為用于表征各個足底壓力傳感器采集的壓力的數(shù)字信號。

根據(jù)第二方面，一種實施例中提供一種足底壓力分布測量系統(tǒng)，包括：

上述的足底壓力分布測量裝置；處理終端，用于接收數(shù)字信號，對數(shù)字信號分析得到足底壓力分布測量結(jié)果。

依據(jù)上述實施例的鞋墊式足底壓力分布測量裝置和系統(tǒng)，由于多個足底壓力傳感器基于預設(shè)規(guī)則布置在鞋墊中，用于分別采集各個布置位置的足底壓力，信號處理模塊對壓力采集模塊采集的電信號調(diào)理為用于表征各個壓力的數(shù)字信號，從而，通過較少的足底壓力傳感器實現(xiàn)了足底壓力重建，并且，由于基于預設(shè)規(guī)則布置多個足底壓力傳感器，使得采集的壓力數(shù)據(jù)集合能夠與預設(shè)的壓力分布進行比較，為判斷數(shù)據(jù)是否異常提供了技術(shù)支持。

附圖說明

圖1為本實施例公開的一種足底壓力分布測量裝置/系統(tǒng)示意圖；

圖2為本實施例中多個足底壓力傳感器布置在鞋墊的一種示意圖；

圖3為本實施例公開的一種壓力計算電路原理圖；

圖4為本實施例公開的一種足底壓力分布測量系統(tǒng)示例圖。

具體實施方式

下面通過具體實施方式結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。

請參考圖1，為本實施例公開的一種足底壓力分布測量裝置，包括：壓力采集模塊1和信號處理模塊2，其中：

壓力采集模塊1包括多個足底壓力傳感器11，請參考圖2，多個足底壓力傳感器11基于預設(shè)規(guī)則布置在鞋墊中，用于分別采集各個布置位置的足底壓力并轉(zhuǎn)換為電信號，通常，該電信號為模擬信號。在具體實施例中，在基于預設(shè)規(guī)則將多個足底壓力傳感器11布置在鞋墊中時，多個足底壓力傳感器11按照足底壓力分布區(qū)域變化大小布置在鞋墊中，高壓力和/或壓力變化快區(qū)域布置的足底壓力傳感器11的密集程度大于低壓力和/或壓力變化慢區(qū)域布置的足底壓力傳感器11的密集程度。作為例子，請參考圖2，本實施例中，多個足底壓力傳感器11為16個電阻式薄膜壓力傳感器，足底壓力采集區(qū)域具體分布位置為第一趾骨、第二跖骨、第三至五跖骨、第一趾骨、第二跖骨、第三至五趾骨、足跟骨和足中內(nèi)外側(cè)等16個壓力傳感器。正常人在靜止站立時，足底壓力分布的高壓區(qū)域集中于前足第一跖骨、第二跖骨和第三到五跖骨的部分區(qū)域，和足跟區(qū)域；正常人在行走或者跑動過程中，足底壓力分布的高壓區(qū)域集中于腳趾區(qū)域的第一趾骨、第二趾骨，前足的第一跖骨、第二跖骨，和足跟三個區(qū)域。而正常人足弓內(nèi)側(cè)無壓力分布，足弓外側(cè)、腳趾外側(cè)及連接前足和足跟的中足延伸部分壓強分布較小。使用盡量少的點，得到盡量精確的數(shù)據(jù)分布圖形，需要對傳感器的分布特別考慮。為了得到曲面圖形的分布特征，采樣需要得到曲面圖形的極值點(包括極大值點和極小值點)，更精確的分布則需要在曲面斜率快速變化處采樣，這樣我們可以得到一個連續(xù)光滑曲面的較準確的分布圖形。在足底壓力分布曲面中，足底高壓區(qū)域即為極大值點，無壓區(qū)域為極小值點?；谶@樣的原則，我們在靜態(tài)和動態(tài)的高壓區(qū)域(第一趾骨、第二跖骨、第一趾骨、第二跖骨和足跟骨)密集程度較高地布置傳感器，并在足弓內(nèi)側(cè)密集程度相對低些低布置傳感器，獲得足底壓力分布的極大值和極小值點。觀察正常人的足底壓力分布可以知道，足底壓力的斜率快速變化區(qū)域重要數(shù)據(jù)部分往往靠近極大值區(qū)域。以上我們可以得到傳感器分布的規(guī)律，足底高壓區(qū)域密布壓力傳感器，足底低壓、無壓區(qū)域疏布壓力傳感器。最終壓力傳感器分布結(jié)果如圖2所示?？紤]到不同受試者間腳型及尺碼不一致情況，在制作鞋墊時，按照常規(guī)尺碼設(shè)計了例如8雙標準尺碼的鞋墊，可以適應不同性別、尺碼的受試者。

信號處理模塊2與壓力采集模塊1連接，用于接收多個足底壓力傳感器11發(fā)送的足底壓力的電信號，并調(diào)理為用于表征各個足底壓力傳感器11采集的壓力的數(shù)字信號。由于傳感器采集的信號比較微弱，并且可能存在一定的噪聲，因此，在具體實施例中，請參考圖1，信號處理模塊2包括：信號處理電路21和數(shù)據(jù)處理電路22，其中：

信號處理電路21用于對接收到的足底壓力的電信號進行前置處理，轉(zhuǎn)換為模擬電信號。數(shù)據(jù)處理電路22用于分別對多個足底壓力傳感器11對應的模擬電信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到分別與多個足底壓力傳感器11采集的壓力對應的數(shù)字信號。本實施例中，前置處理可以是濾波、放大等常規(guī)的信號處理。本實施例中，各足底壓力傳感器11采用的是電阻式薄膜壓力傳感器，其特性是輸出電阻隨壓力的增大而減小，即輸出電阻是感應壓力的單一函數(shù)。請參考圖3，為本實施例公開的一種壓力計算電路原理圖，其本質(zhì)為電阻比例反向放大器。根據(jù)理想運放的“虛短虛斷”原理，得到其中R_s為傳感器電阻，R_f為電路中的反饋電阻，V_ref為輸入端的參考電壓。在輸出電壓公式中，輸出電壓只與Rs傳感器電阻成反比變化關(guān)系，其他(例如VDD、GND)為固定值；而傳感器電阻與感應壓力成近似反比關(guān)系，即運算放大器輸出電壓與感應壓力成近似線性關(guān)系。

在優(yōu)選的實施例中，數(shù)據(jù)處理電路22還用于對多個足底壓力傳感器11采集的壓力對應的數(shù)字信號按照預設(shè)協(xié)議進行數(shù)據(jù)打包，以實現(xiàn)對多個足底壓力傳感器11采集的壓力信號進行管理。

在優(yōu)選的實施例中，信號處理模塊2包括存儲單元(圖中未示出)，存儲單元用于存儲數(shù)字信號，在優(yōu)選的實施例中，當數(shù)據(jù)處理電路22對多個足底壓力傳感器11采集的壓力對應的數(shù)字信號按照預設(shè)協(xié)議進行數(shù)據(jù)打包形成打包后的數(shù)字信號時，可選地，存儲單元優(yōu)選存儲打包后的數(shù)字信號。

在可選的實施例中，信號處理模塊2包括：通信單元23，通信單元23用于發(fā)送數(shù)字信號，當然，在優(yōu)選的實施例中，也可以發(fā)送打包后的數(shù)字信號。在優(yōu)選的實施例中，通信單元23為無線通訊模塊，例如可以通過WiFi、藍牙等實現(xiàn)。在可選的實施例中，通信單元23可以實時發(fā)送數(shù)字信號，也可以發(fā)送經(jīng)過緩存后的數(shù)字信號，還可以是發(fā)送存儲單元中存儲的數(shù)字信號。

在可選的實施例中，信號處理模塊2中的供電模塊可以使用鋰電池供電，通過電源管理芯片得到需要的電壓和較低的待機功耗。考慮該子系統(tǒng)的使用環(huán)境和方式，本實施例中使用輕薄的鋰電池作為總電源，且鋰電池具有可以重復充電使用的特性。

在可選的實施例中，信號處理模塊2中的各個電路及功能模塊可以封裝在同一個盒子中，該盒子可以通過魔術(shù)貼和/或繩子系帶固定在受試者的小腿處、鞋子上等部位。

基于在鞋墊上布置多個足底壓力傳感器11的方式來測量足底壓力，鞋墊的厚度、柔軟程度、耐勞、抗壓、穩(wěn)定性及重復性等都是需要重點考慮的問題，在具體實施例中，可以根據(jù)經(jīng)驗來確定鞋墊的型號等。在優(yōu)選的實施例中，為了滿足電學性能以及舒適性和可靠性要求，本實施例采用柔性印刷電路(FPC)適應場景的需求。本方案中，將購置的傳感器進行加工處理后，布置在FPC中并制作相應引線，封裝后統(tǒng)一從鞋墊外側(cè)后部接線引出，以將壓力采集模塊1與信號處理模塊2通過FPC排線進行可拆卸電連接。設(shè)置在鞋墊上的壓力采集模塊1與信號處理模塊2使用FPC排線連接，連線長度隨使用場景可以隨意改變。

本實施例還公開了一種足底壓力分布測量系統(tǒng)，請參考圖1，該足底壓力分布測量系統(tǒng)包括：上述的足底壓力分布測量裝置和處理終端3，處理終端3用于接收所述數(shù)字信號，對數(shù)字信號分析得到足底壓力分布測量結(jié)果。在具體實施例中，處理終端3為一個具有無線通信、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理分析及顯示功能的終端硬件設(shè)備，本實施例中的處理終端為個人電腦(PC)，主要用于壓力信息的處理分析、數(shù)據(jù)圖形化呈現(xiàn)和人機交互。在具體實施例中，處理終端3可以通過通信單元23實現(xiàn)與足底壓力分布測量裝置進行數(shù)據(jù)交互。

作為示例，請參考圖4，各個鞋墊足底壓力分布測量裝置與處理終端(例如終端PC)間的通信采用Wi-Fi無線模式，終端PC與兩個鞋墊足底壓力分布測量裝置(左右各一個)組成通訊網(wǎng)絡(luò)，其中終端PC作為服務(wù)器(Server)同時接收兩個足底壓力分布測量裝置的壓力數(shù)據(jù)，并可以通過Wi-Fi遠程監(jiān)控并控制足底壓力分布測量裝置的運行狀態(tài)(例如啟動、終止測試)。這里，由于兩只腳的壓力數(shù)據(jù)并沒有相關(guān)性，且人體運動模型中，兩只腳在正常的步態(tài)周期內(nèi)是一起受力的，即兩只腳會出現(xiàn)同時測量到壓力數(shù)據(jù)的情況，實時測量足底壓力的要求使得三個設(shè)備需要組成網(wǎng)絡(luò)，在同一個無線網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)實時傳輸。

本實施例公開的鞋墊式足底壓力分布測量裝置和系統(tǒng)，由于多個足底壓力傳感器基于預設(shè)規(guī)則布置在鞋墊中，用于分別采集各個布置位置的足底壓力，信號處理模塊對壓力采集模塊采集的電信號調(diào)理為用于表征各個壓力的數(shù)字信號，從而，通過較少的足底壓力傳感器實現(xiàn)了足底壓力重建，并且，由于基于預設(shè)規(guī)則布置多個足底壓力傳感器，使得采集的壓力數(shù)據(jù)集合能夠與預設(shè)的壓力分布進行比較，為判斷數(shù)據(jù)是否異常提供了技術(shù)支持。

將壓力傳感器布置在足底壓力分布的多個極值點處及足底壓力分布曲面斜率快速變化處，這樣可以利用較少傳感器獲得更多足底壓力分布細節(jié)，數(shù)據(jù)信息更豐富。

本實施例的鞋墊足底壓力分布測量裝置通過將傳感器與引線集成在柔性印刷電路板當中，傳感器牢固性、可靠性、一致性與穩(wěn)定性好；

本實施例的鞋墊足底壓力分布測量裝置的足底壓力采集模塊位于鞋中，而處理電路集成在一塊PCB上后綁在小腿上，系統(tǒng)可以通過無線模塊傳輸數(shù)據(jù)和通訊，減少了引線數(shù)目，受試者可以自由地在空間活動。

以上應用了具體個例對本發(fā)明進行闡述，只是用于幫助理解本發(fā)明，并不用以限制本發(fā)明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，還可以做出若干簡單推演、變形或替換。