一种测定行走步态的智能鞋垫及方法

摘要

本发明提供了一种测定行走步态的智能鞋垫及方法，该智能鞋垫包括鞋垫体、布置在鞋垫体上的压力传感器、控制中心、信号传输模块和分析模块，控制中心通过模拟开关与压力传感器的一端依次相连，压力传感器的另一端则与控制中心直接相连，控制中心和分析模块通过信号传输模块进行信息交互。本发明智能鞋垫成本低廉，结构简单，便于推广，可随时测定使用者的行走步态，使得各类人都能够及时了解自身的足部情况，实用性强。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测定行走步态的智能鞋垫及方法，可用于八字脚等不正确步 态的检测。

背景技术

人脚是三点受力：大拇指、小拇指和脚后跟。人正确行走时足部受力情况与 内八字脚、外八字脚、扁平足等不正确步态的完全不同。内八字脚是由于前足内 测过重受力，产生身体负力线，而引起的不正确步态。扁平足指足纵弓降低或消 失，有外翻畸形，站立时足弓塌陷，内缘接近地面，凡足印实体超过标准线即为 扁平足，这里的标准线是指足跟至足第三趾中点的连线。

八字脚、扁平足、后跟外翻等都是由于脚的不正确受力产生了身体的负力线 而导致的，不及时矫正，不仅会影响体态，还会导致骨骼变形。及时检测出足病 的隐患才能尽早治疗，有利于减缓病痛，及时康复。

目前，八字脚等不正确步态的检测一般采用专门的检测设备，设备成本高， 且使用复杂。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了成本低廉、使用方便的能测定出不 正确行走步态的智能鞋垫及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种测定行走步态的智能鞋垫，包括：鞋垫体、布置在鞋垫体上的压力传感 器、控制中心、信号传输模块和分析模块，控制中心通过模拟开关与压力传感器 的一端依次相连，压力传感器的另一端则与控制中心直接相连，控制中心和分析 模块通过信号传输模块进行信息交互。控制中心主要用来控制采集压力传感器信 号并对采集到的压力传感器信号进行处理，分析模块则根据控制中心所采集的信 号分析并判断行走步态是否正确。

上述鞋垫体为印刷电路板，该印刷电路板的基板为聚对苯二甲酸类（PET） 塑料薄膜，其上的电路采用丝网印刷方式印刷。采用聚对苯二甲酸类（PET）塑 料薄膜作为基板，是考虑到其优良的耐磨性和柔软度。

上述压力传感器根据行走时足部各骨骼分区的受力大小进行设置，优选数量 为8～16个。

上述信号传输模块为无线传输模块，进一步包括无线信号发射模块和无线信 号接收模块。

上述控制中心进一步包括控制模块、模数转换模块和存储模块。所述的控制 中心采用MSP430G2553型号的单片机。

上述模拟开关型号为CD4051B，其采样频率为5000Hz～50000Hz。

上述分析模块为智能终端。

上述压力传感器，其组分包括单组份室温硫化硅橡胶、白炭黑和导电炭 黑，其中，单组份室温硫化硅橡胶、白炭黑和导电炭黑的质量比为3.8： （0.8～1）：（5～6）。所述的压力传感器具有优良的压阻性能和柔韧性， 在满足电学性能的同时，可增加舒适度。

一种采用上述智能鞋垫测定行走步态的方法，包括步骤：

控制中心控制模拟开关依次导通设置在鞋垫体上的压力传感器，获得反映行 走时足部受力情况的压力传感器信号；

控制中心对接收的压力传感器信号进行模数转换后，通过信号传输模块传至 分析模块；

分析模块根据接收的压力传感器信号对行走步态进行判断。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明智能鞋垫成本低廉，结构简单，便于推广。

2、本发明鞋垫体积小，重量轻，将其置于鞋内，可随时测定使用者的行走 步态，使得各类人都能够及时了解自身的足部情况，实用性强。

3、本发明借助智能终端，使用者可以实时看到自己的足部受力情况；智能 终端可以把足部情况数据传送至云端存储器，便于使用者查看；也可以将足部情 况数据储存在单独存储设备中，可以在不同的智能终端中读取数据，方便使用者 更换智能终端。

附图说明：

图1为本发明的结构框图；

图2为足部骨骼分区示意图；

图3为本发明的具体实施示意图。

图中，1-压力传感器。

具体实施方式

图1为本发明的结构框图。控制中心进一步包括控制模块、模数转换模块和 存储模块，控制中心用来控制模拟开关与各压力传感器依次导通，模数转换模块 将接收的压力传感器电压信号转换成数字信号，存储模块用来存储数字信号。

压力传感器设置在鞋垫体上的压力测量点，当使用者行走时，受到压力的压 力传感器向控制中心发送电压信号，因此，压力传感器的电压信号可反映使用者 的脚底受力大小。压力传感器的电压信号经模数转换模块转换后，通过信号传输 模块传输至分析模块，分析模块分析接收到的压力传感器信号，获得使用者行走 时脚底的受力情况，从而对行走步态进行判断。

本发明的一种具体实施方案为：

鞋垫体为印刷电路板，为了使用舒适度，该印刷电路板基板应采用具有优良 的耐磨性和柔软度的材料制备，本具体实施中采用聚对苯二甲酸类（PET）塑料 薄膜作为印刷电路板基板，其上的电路采用丝网印刷方式印刷。

控制中心为MSP430G2553型号单片机，其进一步包括控制模块、模数转换 电路和存储模块，控制模块用来控制模拟开关与压力传感器的选通，模数转换电 路用来将压力传感器的电压信号转换成数字信号，存储模块用来存储模数转换得 到的数字信号。

模拟开关型号为CD4051B，其采样频率为5000Hz～50000Hz。

本发明中压力测量点依据足部骨骼分区来设置，在鞋垫体上与压力测量点对 应的位置放置压力传感器。图2为足部骨骼分区示意图，足部骨骼可分为第1 趾骨区、第2～5趾骨区、第1跖骨区、第2跖骨区、第3跖骨区、第4跖骨区、 第5跖骨区、足弓区、足跟内测区和足跟外侧区等10个骨骼分区，由于行走时， 第1趾骨区、第1跖骨区、第2跖骨区、第3跖骨区、第4跖骨区、足弓区、足 跟内测区和足跟外侧区等8个骨骼区的压力变化相对较大，因此，本发明选择在 上述8个骨骼区分别设置至少1个压力测量点，优选方案是在上述8个骨骼分区 分别设置1～2个压力测量点。

图3为本发明的一种具体实施，在第1趾骨区、第1跖骨区、第2跖骨区、 第3跖骨区、第4跖骨区、足弓区、足跟内测区和足跟外侧区等8个分区分别设 置1个压力测量点，在鞋垫体上与压力测量点对应的区域布置压力传感器，即共 布置8个压力传感器。当使用者行走时，各压力传感器则可感应到足部各骨骼区 域与地面的接触情况。

本发明可对外八字脚和内八字脚等不正确步态进行判断，基本思想如下：

参见图2，以外八字姿势行走时，足部最大受力部位在足跟区，其他各部位 受到压力由大到小依次为：第2跖骨区、第1跖骨区、第3跖骨区、第l趾骨区、 第4跖骨区、第2～5趾骨区、足弓区和第5跖骨区，左右双足的受力分布规律基 本一致。而且，以外八字姿势行走时，整足接触地面阶段的时间最长，其他阶段 的时间从长到短依次为：离地阶段、前掌接触地面阶段和着地阶段。因此，外八 字行走的特点是：整足接触地面阶段时间较正常步态长，且受力中心密集。

以内八字姿势行走时，足部最大受力部位还是在足跟区，但其他各部位受到 压力由大到小依次为：第2跖骨区、第3跖骨区、足弓区、第4跖骨区、第1 趾骨区、第5跖骨区、第2～5趾骨区。而且，以内八字姿势行走时，整足接触地 面阶段的时间较正常步态短，受力中心移动速度过快且不均匀，离地阶段时间较 长。

综合上述分析，则可通过鞋垫体上分布的各压力传感器测量整个足底受力时 间长短，从而来判断内八字脚和外八字脚。

下面将以图3中所示的具体实施为例对本发明做进一步说明。

鞋垫体上的8个压力传感器构成电桥，单片机利用模拟开关依次选通其中的 1个压力传感器；当选通1个压力传感器时，该选通的压力传感器与单片机连通， 其他压力传感器相当于断路，选通的压敏电阻产生的电压值（即模拟信号）传输 到单片机；单片机将采集到的模拟信号进行模数转换得到数字信号并存储；单片 机控制模拟开关依次选通8个压力传感器，每采集完8个压力传感器的信号，即 利用信号模块传输将8个压力传感器的信号传输到分析模块，本具体实施中，分 析模块为智能终端，可以为移动智能终端，例如手机；或电脑；分析模块通过信 号传输模块接收8个压力传感器的数字信号。

单片机采用上述方法采集压力传感器产生的表示足部受力情况的信号，经处 理后发送给分析模块，分析模块对大量数据进行分析，获取足部各骨骼区域的受 力顺序及受力大小，从而对使用者行走步态进行判断。

本发明所采用的压力传感器的优选方案为：所述的压力传感器，其组分包括 单组份室温硫化硅橡胶、白炭黑和导电炭黑，其中，单组份室温硫化硅 橡胶、白炭黑和导电炭黑的质量比为3.8：（0.8～1）：（5～6）。

压力传感器的制备方法如下：

（1）按比例称量单组份室温硫化硅橡胶、白炭黑、导电炭黑和丙酮， 并将称好的单组份室温硫化硅橡胶、白炭黑和导电炭黑加入丙酮中得 到前驱体，单组份室温硫化硅橡胶、白炭黑、导电炭黑和丙酮的质量 比为3.8：（0.8～1）：（5～6）：（4～6）；

（2）将所得前驱体在55～65℃温度下搅拌1小时；

（3）将搅拌后的前驱体转移至载玻片或承载物上，压制成膜，经 干燥、剥离，即得到压力传感器。

由于单组份室温硫化硅橡胶容易固化，固化后的单组份室温硫化硅 橡胶则会呈絮状分散在丙酮中，导致白炭黑和导电炭黑组分的分布不 均匀，从而影响到复合压力传感器的性能，因此，一旦称好单组份室 温硫化硅橡胶，就应该将其立刻加入丙酮助溶剂中。

测试所得压力传感器的压阻性能和拉伸性能：

1、压阻性能测试

测试仪器：

ITO树脂薄膜和万用表，ITO树脂薄膜是将ITO导电材料涂布 在树脂薄膜上所制成的一面导电而另一面绝缘的透明材料。

测试方法：

将复合压力传感器裁成面积为4平方厘米的正方形待测薄片，利 用两个ITO树脂薄膜的导电面夹住待测薄片，在上面放置底面积为 4平方厘米的重量不同的重物，每次放置重物时，利用万用表测量 ITO树脂薄膜两端的电阻，即可得到不同压力条件下，待测薄片的电 阻。

测试结果：

压力为0时，压力传感器的电阻约730～750Ω，压力每增加10kg， 压力传感器的电阻约下降40～55Ω。导电炭黑加入量越多，压力传感 器在压力为0时电阻越小。

2、拉伸性测试

测试仪器：万能电子拉力试验机。

测试方法及结果：

将复合压力传感器裁成长50mm、宽15mm、厚0.5mm的薄片置于测试 仪器上，测得在弹性范围内，待测薄片的伸长量Δx与拉力F的关系：

Δx＝(8～8.2)F          （1）

其中，Δx单位为mm，F的单位是N，导电炭黑加入量越多，式（1） 中的比例系数越小。

根据上述测试结果，可以明显看出，所得压力传感器在具有优良的压 阻性能的同时，还具有优良的柔韧性，可以增加鞋垫的舒适度。