一种足底压力测试装置及带有该装置的全织物鞋垫

摘要

本发明公开了一种足底压力测试装置及带有该装置的全织物鞋垫。所述足底压力测试装置，其特征在于，包括与待测点相对应的多个传感器发生装置，每个传感器发生装置包括一块静电纺PVDF压力纤维网，静电纺PVDF压力纤维网的上下两侧设有一对导电灯芯绒，两者上的凸条相对错位设置；导电灯芯绒一、导电灯芯绒二与信号传输装置连接，通过监测导电灯芯绒一、导电灯芯绒二的电压实现足底压力的检测功能。本发明通过足底施压产生的电信号随时随地测量足底不同部位的压力，本产品可用于步行、跑步、跳跃等任意频率的动态测试，且可以与日常穿着的鞋类相结合，使用便捷、舒适。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于静电纺PVDF纤维网压电效应而制作的分布式足底压 力测试装置及带有该装置的全织物鞋垫，属于可穿戴智能纺织品技术领域。

背景技术

足底压力是反映人体形态特征的一个重要依据，足底压力分布在生物力学、 矫正外科，康复医学等众多领域有着重要的作用。目前临床使用的压力测试板和 测试台技术存在极大的空间局限性，而可穿戴的压力鞋及压力鞋垫测试方便较为 先进，但尚处在研究阶段。研制成功的主要产品有：德国NOVEL公司的Pedar 鞋垫压力系统、美国TEKSCAN公司的F-Scan Mobile鞋垫系统，二者均采用电 容式传感器，可以测量动态足底压力的变化情况，但电容式传感易受使用环境的 温湿度影响，且这些传感敏感单元采用透气透湿性能差的薄膜封装，透气透湿性 能差，不适合长时间无间断监控；比利时RSSCAN公司的足底压力测试仪采用 压阻式传感器形成测试垫，厚度至少12mm，不适合嵌入鞋内对足底压力进行测 试。而且，以上这些产品的关键技术均没有公开。

鞋垫内部传感器种类多种多样，可分为薄膜压阻型压力传感器、压电陶瓷传 感器、压电薄膜传感器、压敏电阻传感器，力敏电阻传感器等等。在中国已有部 分专利技术和学术文献被公开，如发明专利“鞋垫式足底压力测量装置”(公开 号：CN201267478)，该专利采用压电陶瓷元件作为信号采集单元，可提供足底 三维压力测量。由于压电陶瓷元件刚性大，嵌入鞋垫内必然使得鞋垫硬度增加， 较硬的鞋垫能较大程度的分散足底主要受力区域承受的压力，也会影响鞋垫的柔 软性和穿着舒适性，且测试系统仅限于专用鞋或裸足使用，测试存在着局限性。 专利“一种基于足底压力的无线步态测量仪”(专利号CN202096210 U)中采用 薄膜压阻型压力传感器，其需要通过柔软凸点与顶层纤维连接固定，才能获得 与压力对应的电阻信号，脚掌和传感器之间凸点与一层纤维织物，很难保证这种 传感器所输出的数据和真实值相等，受到温度，湿度等影响，同样也存在传感器 敏感材料与顶层纤维层之间不易固结、引线需要焊接等缺陷。专利“带压敏传感 器的鞋垫”(专利号：CN2057062 U)公开了一种足底压力测试鞋垫，压力敏感 单元为铁片衬片夹持压敏传感器的三明治结构，牺牲了鞋垫本身的穿戴舒适性。 并且，这类结构因鞋垫、传感器封装材料和敏感单元本身材料三者之间的差异性 大，相互之间易发生滑移，影响测试结果稳定性。专利“柔性压力传感器及柔 性压力传感列阵”(专利号：CN102770742A)，其使用的是力敏电阻材料的电阻 式压力传感器，导致透气性差，同时成品过厚，在长期使用中，舒适度会大大下 降。从鞋垫的构造来看，在其鞋垫内部有的添加了硅胶，作为主要填充物，增加 了鞋垫的舒适度，如“硅胶保健鞋及其制作方法以及硅胶鞋垫及其制作方法”(专 利号CN102551268 B)，硅胶同时也可以防水耐弱酸碱腐蚀，但经过长期踩踏， 硅胶不能有效的保持其原有形状，给测量带来很大的误差。

除此之外，《中国生物医学工程学报》2000年第19卷第1期发表了论文《人 体步态分析系统一足底压力测量系统的研制》，介绍了一种足底压力测试系统， 核心传感元件为半导体扩散式硅压敏电阻阵列传感器，该传感器集成成本高，往 往为嵌入固定结构，不适合与鞋垫间头现一体化，测试过程中稳固性较弱。《压 电与声光》2008年第30卷第4期发表了论文“PVDF压电薄膜在足底压力测量 中的应用”和2011年第1期发表了论文“PVDF足底压力传感器及其测量系统 的设计”，介绍了采用压电薄膜制作传感阵列用于足底压力测量的可能性；纺织 学报于2010年第9期发表了论文“足底压力分布测量鞋垫的研制”，文中选用薄 膜状PVDF压电材料作为敏感元件，引线为焊接导线。直接使用传统的PVDF 薄膜作为压力敏感单元，往往为嵌入封装式，由于鞋垫材质和PVDF薄膜之间相 差较大，与鞋垫本身的贴合性很差，而且它的弹性和舒适性远远低于鞋垫本身， 信号输出的引线往往需要采用焊接工艺，使用中易断裂。此外，由于嵌入鞋垫中 使用的聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜感芯单元面积不能过大，不可避免地将导 致所产生的信号弱、信噪比低。《传感器世界》于2009年第3期发表的“基于 LabVIEW的鞋垫式足底压力测试系统的设计与实现”一文中应用了压电陶瓷， 其优点是烧制方便，耐湿，耐高温，缺点是有热释电性，会对力学量测量造成干 扰。有机压电材料有聚二氟乙烯，聚氟乙烯，尼龙等十余种高分子材料，长期使 用，会对身体有害。

作为测试足底压力而集成压力敏感单元的鞋垫，其与人体足部实时接触，为 保证在测试过程中处于自然、舒适的状态，传感器单元及封装组合体必须轻薄和 柔软，具有鞋垫材质近似的穿戴舒适性特性；为保证易于集成到鞋垫中且几乎不 改变鞋垫本身的舒适性，传感器单元的材质结构必须符合鞋垫的纺织材料性能。 另外，为了准确地反映足底指定位置的压力分布，传感器单元的表面积不能过大， 但目前可穿戴柔性传感器单元由于自身材料和结构的限制，在受到动态压力时， 信号稳定性差。由于所研制的压力传感器要适于日常穿着的鞋垫中，对鞋垫的柔 软度和弹性要求较高，因此必须选择柔性高、舒适性好的传感材料和封装集成工 艺。

鉴于以上概述，现有的足底压力测量仪器大都为单点测量，且体积较大，难 以满足测量要求。目前所研制的测试鞋或鞋垫采用的传感元件主要以导电橡胶和 应变片为主。而导电橡胶材料对变形恢复有滞后效应，并不适应往复压力变化， 特别是动态力的测试，因此系统的稳定性和重复性遭受质疑。使用PVDF压电薄 膜或应变片作为传感元件，其引线易脱落，结构简单，功能单一。而力敏电阻材 料的电阻式压力传感器，灵敏度低，透气性差，同时成品过厚影响穿着，不利于 长期测试；少数基于压电式传感器的足底压力测试鞋垫，封装材料和结构设计不 合理，稳固性不好。为了解决上述问题，我们设计了一款新型全织物压力测试鞋 垫。

发明内容

本发明所要解决的是现有足底压力测量仪器大都为单点测量，且体积较大， 难以满足测量要求的技术问题。

为了解决上述问题，本发明所采用的方案是：提供一种足底压力测试装置， 其特征在于，包括与待测点相对应的多个传感器发生装置，每个传感器发生装置 包括一块静电纺PVDF压力纤维网，静电纺PVDF压力纤维网的上下两侧设有一 对导电灯芯绒，导电灯芯绒一、导电灯芯绒二靠近静电纺PVDF压力纤维网的一 面设有均匀依次均匀排列的凸条，导电灯芯绒一、导电灯芯绒二夹持静电纺 PVDF纤维网时，两者上的凸条相对错位设置；导电灯芯绒一、导电灯芯绒二与 信号传输装置连接，通过监测导电灯芯绒一、导电灯芯绒二的电压实现足底压力 的检测功能。

优选地，所述信号传输装置包括分别穿设于导电灯芯绒一、导电灯芯绒二内 的引线一、引线二；引线一、引线二的一端依次连接每个传感器发生装置，另一 端依次连接信号传输电路、信号过滤放大电路，传感器发生装置产生变化电压经 信号传输电路传输至信号过滤放大电路，并且从信号过滤放大电路的电压输出端 口输出。

本发明还提供了一种带有上述足底压力测试装置的全织物鞋垫。

优选地，所述足底压力测试装置设于鞋垫内部。

静电纺PVDF压电纤维网可分布在鞋垫脚掌的前(左右)、中(左右)、后(左 右)或其它位置组成足底压力测试鞋垫。目前现有的压力敏感单元是基于刚性半 导体材料，缺乏舒适性和灵活性，本发明所提供的静电纺PVDF压电纤维网本身 具有很大的柔软性、透气和透湿性，保持了鞋垫原有的穿着舒适性。由一对灯芯 绒正面凸条错位夹持静电纺PVDF纤维网，在同等受力条件下，增加了PVDF 纤维网的变形程度，进而加大了其压电响应强度，提供了测试敏感性。同时，灯 芯绒经过化学聚合方法处理形成了导电织物，在PVDF纤维网两侧又作为收集压 电信号的电极材料。另外，在灯芯绒中经缝编或刺绣引入一组导电纤维(或纱)， 它们作为压电信号引线，解决了现有压力测试鞋垫中引线不容易固结的难题，在 反复使用中也不会因某根导电纤维(或纱)断裂而影响测试。经这样封装的静电 纺PVDF压电纤维网，在上层灯芯绒表面施加一定的压力时，PVDF压电纤维网 将发生形变，上下两极必然存在极性相反的电荷，从而在整个电路中产生电信号， 经导线分别与R_in和V_out并联，可将电信号输出。信号传输装置最后把信号发送 给通用信号采集装置、显示装置，实现测试鞋垫的PVDF纤维网传感器产生的电 荷信号的转换、传输、采集和显示。

在材料上本发明选用无毒的PVDF高聚物经静电纺制成PVDF压电纤维网， 作为压力敏感单元进行封装，敏感单元大小可根据需要任意裁剪，简单轻便，也 使足底压力测试鞋垫具有很好的舒适性。同时，PVDF纤维网由纳米尺度的纤维 组成，表面能高，与灯芯绒表面贴附性好，夹在灯芯绒中间不易滑动，保证在人 体运动测试过程中有良好的稳定效果。此外，灯芯绒凸条耐用且具有较高回弹性， 使得在不同运动频率下都能保持良好的弹性和可重复性。总之，本发明通过使用 中对PVDF压电纤维网施压，产生的电信号经过转换进而测量出该部位的足底压 力，在不影响压力测量的同时，增加了鞋垫的弹性和舒适性，使长时间的无障碍 测量成为可能。

本发明通过足底施压产生的电信号随时随地测量足底不同部位的压力，本产 品可用于步行、跑步、跳跃等任意频率的动态测试，且可以与日常穿着的鞋类相 结合，使用便捷、舒适。

本发明对于现有技术来说，其技术效果在于：采用鞋垫对应于足部需要测试 压力的位置上均设置基于静电纺PVDF纤维网的全织物压电传感器，敏感单元大 小可根据需要任意裁剪，压电信号传输引线基于纺织工艺技术缝编或刺绣到压电 传感器上，结构相对简单、稳定，可有效的对脚部不同部位的压力进行对比分析， 根据压力的大小判断人体对足底的压力是否分布均匀，可及时纠正其脚部的压 力，保证骨骼正常的发育。

在材料上选用无毒的PVDF高聚物经静电纺制备传感器，不仅传感器制作工 艺简单，且保留了纺织材料的基本性能，具有良好的柔软性、舒适性。采用灯芯 绒，PVDF压电纤维网被夹持在一对灯芯绒之间，有效地增强了在运动过程中的 压电响应强度和稳定性，减少了试验中的误差；其凸条具有良好的弹性回复性和 耐磨性，达到持久、重复使用的目的；在增强鞋垫的舒适度同时，压力鞋垫内部 不再填充橡胶材料，使得在不同条件下都能保持良好的弹性，更加改善了原有滞 后性的问题。测量时，脚掌对上层灯芯绒给予一定的压力，PVDF薄膜所发生的 形变会产生相应的电信号，为减少其他外界信号的干扰，采用滤波二次放大的原 理，使信号扩大，提高了产品的信噪比。构成压力测试鞋垫的一组压力传感器同 时产生电信号，构成一个完整的内电路，可测得其中任意一点的压力，也可同时 测得各个部位的压力。通过显示模块得出测量部位压力的大小，这样定位准确， 方便，测量精度高。

本发明的采集部分可做成鞋垫样式，且可以和日常穿着的鞋类结合，方便使 用。在测试过程中，配以信号采集电路，转换显示电路，可采集人体步行，跑步， 跳跃等任意频率下的动态测试。

附图说明

图1为本发明提供的一种带有足底压力测试装置的全织物鞋垫的示意图；

图2为图1中传感器发生装置的剖视图；

图3为传感器发生装置受力时的示意图；

图4为信号传输装置的电路图；

图5a为频率为1Hz、强度为30N的三角波载荷作用下所产生的电压值图表；

图5b在频率为1Hz、强度为24N的三角波载荷作用下所产生的电压值图表；

图5c在频率为1Hz、强度为15N的三角波载荷作用下所产生的电压值图表；

图5d在频率为2Hz、强度为15N的三角波载荷作用下所产生的电压值图表；

图5e在频率为3Hz、强度为15N的三角波载荷作用下所产生的电压值图表；

图5f在频率为10Hz、强度为15N的三角波载荷作用下所产生的电压值图表。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

实施例

如图1所示，为本发明提供的提供的一种带有足底压力测试装置的全织物鞋 垫的示意图，在全织物鞋垫的夹层中安装一种足底压力测试装置，其包括与六个 待测点相对应的六个传感器发生装置C(分别位于脚的前左、前右、中左、中右、 后左和后右)。每个传感器发生装置C如图2所示(当鞋垫受力时，图2中箭头 为受力方向，传感器发生装置C如图3所示)，包括一块静电纺PVDF压力纤维 网3，静电纺PVDF压力纤维网3的上下两侧设有一对导电灯芯绒，导电灯芯绒 一1、导电灯芯绒二2靠近静电纺PVDF压力纤维网3的一面设有均匀依次均匀 排列的凸条，导电灯芯绒一1、导电灯芯绒二2夹持静电纺PVDF纤维网3时， 两者上的凸条相对错位设置；导电灯芯绒一1、导电灯芯绒二2与信号传输装置 连接，通过监测导电灯芯绒一1、导电灯芯绒二2的电压实现足底压力的检测功 能。

如图4所示，信号传输装置包括分别穿设于导电灯芯绒一1、导电灯芯绒二 2内的引线一4、引线二5；引线一4、引线二5的一端依次连接每个传感器发生 装置，另一端依次连接信号传输电路7、信号过滤放大电路6，传感器发生装置 产生变化电压经信号传输电路7传输至信号过滤放大电路6，并且从信号过滤放 大电路6的电压输出端口V_out输出。最后连接通用信号采集装置和信号显示装置 实现足底压力的测试和评价。信号过滤放大电路6是一个单位益增电路，包括滤 波放大器和运算放大器，经处理过的电压信号将进入信号传输端。信号传输电路 7将电压信号传递给信号采集装置。信号传输装置与通用信号采集装置和信号显 示装置相连，将电压信号转换成数字信号，显示在显示装置的交互界面上。

测试效果：

1、在频率相同和强度不同的三角波载荷作用下，记录足底压力测试装置的 压电响应

在施压频率为1Hz的条件下，即模拟人体行走情形下，本发明在施压强度 分别为30N、24N、15N三角波载荷作用下所产生的电压值分别如图5a-c所示。

2、在强度相同和频率不同的三角波载荷作用下，记录足底压力测试装置的 压电响应，模拟人在慢走、快走和跑步时鞋垫传感器的响应能力

在施压强度为15N的条件下，本发明在施压频率分别为1Hz、2Hz、3Hz、 10Hz条件下进行周期性运动，本发明所产生的电压值分别如图5c-f所示。

由图5a-f可见，在频率相同、强度增加的载荷作用下，压电响应强度呈现明 显的变化，说明本发明所述的足底压力测试装置对载荷的敏感度高，适合用于足 底压力分布测试；而在强度相同、频率增加的载荷作用下，压电响应强度没有呈 现明显的变化，且响应频率与载荷作用频率之间没有出现显著的异步，说明本发 明所述的足底压力测试装置的测试过程不受作用频率的影响，动态测试稳定性 好，适合散步、慢跑和快跑等多种运动下的足底压力分布测试。这些测试实例呈 现的优点说明，本发明提出的传感器发生装置和信号传输装置合理，所述的全织 物鞋垫可随时检测足底压力的分布，并有效地判断穿着者是否存在偏足问题。