用于检测脚和支撑表面之间的力的传感器元件、传感器装置、传感器系统和方法

摘要

本公开提供了一种用于检测脚和支撑表面之间的力的传感器元件(10)。所述传感器元件(10)包括：第一层(11)，该第一层(11)包括非导电载体箔(12)和第一半导电层(13)，该第一半导电层(13)至少部分地沿着所述第一层(11)的纵向方向延伸；包括多个导电部分(19)的层；至少一个电连接区域(17)；以及第二层(14)，该第二层(14)包括非导电载体箔(15)和第二半导电层(16)，该第二半导电层(16)至少部分地沿着所述第二层(14)的纵向方向延伸，其中所述至少一个电连接区域(17)与所述第一层和所述第二层(14)中的一个半导电层(13、16)接触并且适于连接到电能源，并且其中，所述第一半导电层(13)和所述第二半导电层(16)彼此隔开一定距离布置，并且适于用根据施加到所述传感器元件(10)的力的表面面积而选择性地彼此接触，从而改变所述传感器元件(10)的电阻值。

说明书

技术领域

本公开涉及步态分析领域，尤其涉及一种用于检测脚和支撑表面之间的力的传感器元件、传感器装置、传感器系统和方法。此外，本公开涉及相应的计算机程序和计算机可读介质。

背景技术

步态分析可以例如用作临床诊断的仪器。已经发现，肌肉骨骼、结缔组织和神经系统疾病占所有批准的康复服务的大约41％。关节炎疾病和损伤以及所谓的“跑步相关损伤”(RRI)由于其发生频率而在步态相关疾病方面具有突出的重要性。然而，同时，慢性疾病如神经病变/缺血性发病机制和慢性非特异性背痛变得越来越重要。所有现象的共同点是它们与步态技术有关。虽然在某些情况下可以证明直接的联系，但似乎至少与许多疾病和损伤的步态有间接的联系，这些疾病和损伤至今仍无法解释。这里通常不清楚观察到的联系是因果的还是补偿性的。为了实现医疗保健方面的可持续改进，这些问题必须大规模澄清，并通过纵向检查的方式加以澄清，由于目前缺乏技术可能性，这种检查还不能以适当的质量和程度进行。

步态分析因此代表了临床诊断的仪器，其目前主要通过复杂且成本密集的实验室系统来执行。同时，由于现有的实验室系统，许多伤害和疾病的病程完全不清楚。

用于实验室外的移动步态分析系统的已知技术是基于FSR(力感测电阻器)的系统。基本上，所谓的FSR传感器由两个塑料/聚合物膜组成，根据它们的构造设计，这两个塑料/聚合物膜可以通过非导电材料的薄间隙、气隙等彼此分开。其中一个膜通常包含两组电极，另一个用半导体油墨印刷。这三个部件的组成使得部件的电阻能够通过向传感器表面施加限定的力而尽可能可预测地改变。导电和非导电材料通常通过丝网印刷施加到载体膜上。这里，使用半导体油墨，其可以基本上由炭黑或碳-石墨混合物组成。另外，出于与其他材料的粘附和增加柔性的原因，可以添加基底用于绝缘。在检测膜的表面上的力的作用引起作为压缩的结果的墨的机械变形。然后基质的导电颗粒接触电极，改变传感器膜的电阻。施加的力越高，可以闭合的触点或电阻桥越多。结果是与力成反比的阻力比，并且表示非线性信号特性。

为了更好地说明FSR传感器的上述描述，图1A和图1B分别以示意性横截面视图示出了根据现有技术的FSR传感器的功能原理或主要构造设计。因此，图1A示出了处于未加载状态的FSR传感器1，图1B示出了处于力的作用下的FSR传感器1。FSR传感器1包括第一塑料/聚合物膜2和第二塑料/聚合物膜3，第一塑料/聚合物膜2和第二塑料/聚合物膜3通过气隙4彼此分开。半导体油墨5布置在第一塑料/聚合物膜2和第二塑料/聚合物膜3之间并且分别在气隙4的整个长度(或厚度)上延伸。另外，在第一塑料/聚合物膜2和第二塑料/聚合物膜3之间布置有粘合层6。在图1B中，压缩力F沿FSR传感器1的厚度方向施加在第一塑料/聚合物膜2的表面上，引起墨5的机械变形作为压缩的结果。由于油墨的压缩，这导致电阻的变化，如上所述，该电阻具有非线性信号特性。

由于非线性信号特性，上述移动步态分析系统不太适合用于移动步态分析，因为测量的不精确性太高。此外，鞋和鞋垫，例如，但特别是人类肌肉和脂肪组织，由于其材料结构都是非线性系统。几个非线性系统(其中一些具有不可预见的特性)的组合构成了一个重大挑战。原则上，非线性可以导致相当大的偏差，甚至在特性曲线的渐进范围内具有小的偏差。

因此，可能需要减少移动步态分析系统中非线性信号特性的影响。

发明内容

本公开提供了一种减少移动步态分析系统中非线性信号特性的影响的传感器元件、传感器装置、传感器系统和方法。

本公开的第一方面提供了一种传感器元件，该传感器元件特别构造成用于检测脚和支撑表面之间的力。特别地，传感器元件可以被配置为布置在鞋或鞋内底中以执行检测。所述传感器元件包括：

第一层，所述第一层包括非导电载体箔和第一半导电层，所述第一半导电层至少部分地沿着所述第一层的纵向方向延伸并且与所述导电区域接触，

包括多个导电部分的层，

至少一个电连接区域，以及

第二层，所述第二层包括非导电载体箔和第二半导电层，所述第二半导电层至少部分地沿着所述第二层的纵向方向延伸，

其中，至少一个电连接区域与所述第一层和所述第二层中的一个半导电层接触并且适于连接到电能源，并且

其中，所述第一半导电层和所述第二半导电层彼此隔开一定距离布置，并且适于根据施加到所述传感器元件的力而选择性地彼此接触，从而改变所述传感器元件的电阻值。

因此，所述传感器元件可以响应于所施加的力提供至少准线性或至少近似线性的信号特性。所述传感器元件由于施加的负载或力而改变(接触)表面而改变电阻。此外，所述传感器元件在较低的个位数千欧(kOhm)范围内具有低输入阻抗。优选地，电阻值从较高的第一值变化到较低的第二值。前者可以实现力的精确确定或非线性行为对鞋底或人体组织的材料特性的可追溯性，后者可以实现使用简单的电子电路来处理信号。所述传感器元件可以允许位置无关的且选择性的载荷引入，这是用于移动步态分析的有用标准，因为在柔性环境中的移动设置中，例如在鞋或鞋垫中，不能保证FSR传感器所需的恒定和全表面载荷引入。由FSR技术引起的非线性问题在传感器力学中具有本质的根源，因为由于所使用的墨的低压缩路径、材料波动以及由于环境变化(温度和湿度)引起的材料变化是相当重要的。与FSR技术相反，传感器元件不使用垂直路径变化(相对于传感器元件的厚度方向)，而是使用至少基本上水平的路径变化。此外，半导电层不必具有任何压缩特性，因为其不是半导电层本身代表测量介质，而是接触面。这允许使用更均匀且清楚地填充的半导电层结构。由于不需要压缩，所以可以使半导电层结构显著更平坦和最小化。上述两点防止了油墨的老化或由于正常或过大的负载而改变其性能。这使得传感器元件实际上不可破坏。

至少在一些实施例中，传感器元件可以形成传感器矩阵的一部分，或者在至少一些实施例中，可以是或构成传感器矩阵。当传感器元件形成传感器矩阵的一部分时，多个传感器元件可以在基本上共同的平面中彼此相邻地布置。每个传感器元件可以被配置为输出分配的信号，该分配的信号可以根据由所施加的力引起的负载状况而改变。第一层和/或第二层的载体箔可以由合适的塑料(例如聚酯等)形成，并且可以具有约50-150微米(μm)、优选约80-120μm、优选约100μm的厚度。第一和/或第二半导电层可以形成为墨，特别是碳墨。导电区域可以由导电油墨形成，例如含银油墨或银油墨等。导电区域可以用作到电路的连接，并且还可以用作碳中间层的导体和连接器，碳中间层可以布置在第一层和第二层之间。该碳层可以具有确定的电阻，该电阻可以由表面以及混合物确定。该表面的电阻可以根据应用来选择。例如，银具有比石墨更高的电导率，这显著地降低了电阻，特别是输入阻抗。

根据一个实施例，电阻值可以优选地与两个层彼此接触的表面面积成反比。例如，电阻值可以随着接触表面积的增加而减小。因此，传感器元件适于提供线性信号特性。

在一个实施例中，电阻值可以在无负载状态下处于最大值。换句话说，当接触表面面积为最小时或者当接触表面面积为零时，电阻值可以为最大。更一般地，电阻值可随着面积大小的增加而减小。这导致传感器元件的低阻抗输出信号，该低阻抗输出信号可以更容易地处理，还可以用诸如电子器件的性能较低的装置来处理。

根据一个实施例，导电部分可以减小第一半导电层和/或传感器元件的总电阻值。这可以进一步改善传感器元件的输出信号的信号特性和/或处理。

在一个实施例中，电阻值可以根据垂直力被传递到的条形导电部分的平方度量而减小。

根据一个实施例，导电部分可由银墨构成，优选地施加(例如印刷)到不导电箔上。银墨的组成可以变化，以便例如调节传感器元件的信号特性或其他特性。

在一个实施例中，例如银墨形式的导电部分可以以约0.5至15μm、1至10μm、2至8μm、3至6μm、优选约5μm的厚度施加。这种低厚度导致特别平坦的传感器元件。

根据一个实施例，第一半导电层可以由碳墨构成，优选地印刷在导电部分的顶部上，并且可选地，由此将导电部分嵌入第一半导电层中。

在一个实施例中，第一半导电层可以以约1至30μm、2至20μm、5至15μm、8至12μm、优选约10μm的厚度施加。这种低厚度导致特别平坦的传感器元件。

根据实施例，电连接区域由银墨构成。可选地，可以将其印刷到不导电箔上。

在一个实施例中，可以以约0.5至15μm、2至10μm、5至8μm、8至6μm、优选约5μm的厚度施加电连接区域。这种低厚度导致特别平坦的传感器元件。

根据一个实施例，第二半导电层可以由优选印刷在电连接区域顶部上的碳墨构成，并且可选地，由此将导电部分嵌入到第二半导电层中。

在一个实施例中，第二半导电层的厚度为约1至30μm、2至20μm、5至15μm、8至12μm，优选约10μm。这种低厚度导致特别平坦的传感器元件。

在一个实施例中，第一半导电层和第二半导电层形成两个间隔开的表面，所述两个间隔开的表面在未加载状态下(当没有力施加到传感器元件时)彼此间隔开，并且响应于施加到传感器元件的力能够接触，所述两个表面彼此接触的方形尺度，“电阻值”表示传感器元件的电阻值。因此，所述传感器元件由于施加的负载或力而改变(接触)表面而改变电阻。这允许接触面积定向的测量，这导致至少准线性、近似线性或线性的传感器信号特性，因为接触的表面的尺寸的影响可以与电阻成比例地限定。

在一个实施例中，至少两个第一和/或第二半导电层可以相对于其纵向延伸方向至少部分地平行或不平行地布置。如本文所使用的，至少两个第一和/或第二半导电层的重叠面积对于传感器元件的接触表面面积是决定性的。

在一个实施例中，所述至少两个第一和/或第二半导电层的面积可以彼此不同。优选地，所述至少两个第一和/或第二半导电层在高达约40％、更优选高达约25％、最优选高达约10％的面积上彼此不同。在至少两个第一和/或第二半导电层的面积彼此不同的情况下，具有较小面积的半导电层对于传感器元件的接触表面面积是决定性的。

在一个实施例中，至少两个第一和/或第二半导电层可以相对于其纵向延伸方向至少部分地平行地布置并且在面积上彼此不同。从生产的观点来看，有利的是，所述至少两个第一和/或第二半导电层不必以完全平行的方式布置和/或不具有完全相同的面积，因为至少两个第一和/或第二半导电层的重叠面积对于传感器元件的接触表面面积是决定性的。这为制造公差提供了空间，这又降低了制造成本，特别是当传感器元件的第一层和第二层及其每个部件在层压在一起之前首先被制造为单独的单元时。

根据一个实施例，多个导电部分可以布置在第一层和第二层中的另一个的载体箔上，并且与第一层和第二层中的另一个的半导电层接触，导电部分横向于第一层和第二层中的另一个的纵向方向延伸。导电部分也可以称为条或水平条。此外，导电部分可以由导电油墨形成，例如含银油墨或银油墨等，并且可以具有约1-20μm、优选约2-10μm、优选约5μm的厚度。因此，导电部分可允许传感器元件上的不均匀负载，这至少在鞋或鞋垫的设置中是预期的。水平条带不仅允许检测在传感器元件的纵向方向上的信号变化，如条带的布置所暗示的(步数)，而且允许检测在横向方向上的信号变化，因为电阻也可以通过仅部分地位于其上的条带来调制。虽然FSR技术需要恒定的表面负载，但是由于多个导电部分，传感器元件可以在几个点处被加载。其总是传递相同的信号响应。

在一个实施例中，当在传感器元件的厚度方向上考虑或观察时，多个导电部分形成打字键盘或乐器键盘。这允许在纵向方向和横向方向上对传感器元件输出信号进行建模。在一些实施例中，可以提供两个或更多个打字键盘或乐器键盘，优选地布置在一个公共平面中。

在另一实施例中，多个导电部分可形成各种结构或形状，包括但不限于包括条纹图案、三角形图案、矩形图案、树枝状图案或一个或多个前述图案的组合的结构或形状。

根据一个实施例，导电部分可以是条形的，并且两个相邻的条带在第一层和/或第二层的纵向延伸方向上间隔开。因此，传感器元件可以包括像打字键盘(keyboard)或乐器键盘(clavier)一样工作的交叉条纹或水平条纹的结构。连续半导体层在这里的反应将显著不同。另外，机械构造，特别是通过交叉条纹或水平条纹，不仅可以检测传感器的纵向方向上的信号变化，如条纹的布置所暗示的(步骤数)，而且可以检测横向轴上的信号变化，因为电阻也可以仅通过部分暴露的银/碳条纹来建模。

在一个实施例中，多个导电部分可以形成或可以由层构成。此外，在一些实施例中，层和/或导电部分可以至少部分地嵌入在第一层的半导电层中。这可以影响和/或调节电阻，特别是减小电阻值和/或增加半导电层的电导率。通过例如修改导电部分的尺寸、材料成分等对导电部分的选择性修改可以调整传感器元件的输出信号特性。

因此，根据前述权利要求中任一项所述的传感器元件，其中，优选地可以形成为层的电连接区域可以至少部分地嵌入第二层的半导电层中。

在一个实施例中，导电部分可以被配置为提供至少基本上相同的电信号，而不管这是导致哪个单独部分。因此，当传感器元件上的负载不均匀地分布时，也可以识别该负载，因为信号强度、信号质量等在每种情况下至少近似相同。

在一个实施例中，所述至少两个第一和/或第二半导电层相对于其纵向延伸方向平行(或至少部分平行)布置，所述两个第一和/或第二半导电层经由所述至少一个电连接区域彼此连接。可选地，所述至少两个第一和/或第二半导电层可以具有由导电油墨形成的多个导电部分，所述多个导电部分布置在第一层和第二层中的另一个的载体箔上并且与所述第一层和第二层中的另一个的半导电层接触，导电部分横向于第一层和第二层中的另一层的纵向方向延伸。因此，可以在传感器的纵向方向和传感器的横向方向上为灵敏的测量传感器元件提供大量的测量点。

根据一个实施例，第一层和第二层可以层压在一起，第一半导电层和第二半导电层通过碳中间层和/或布置在其间的粘合剂间隔开。在一些实施例中，层压件可包括具有相对于外围轮廓向内指向的至少一个凹口的至少一个外围轮廓，和/或层压件包括具有布置在外围轮廓内的至少一个材料凹部的至少一个外围轮廓。因此，可以提供鲁棒的传感器元件。如果提供了至少一个凹口和/或材料凹部，则可以至少减少或防止层的箔或箔中的褶皱的形成，使得箔和/或传感器装置更加耐用和坚固。

在一个实施例中，第一层可以是底层，第二层可以是顶层。术语“顶部(top)”和“底部(bottom)”可以指例如鞋或鞋内底中的布置，其中外底(outsole)通常在底部，并且当鞋被穿着或鞋内底(insole)在脚上时，脚在上面。

本公开的第二方面提供了一种用于检测脚和支撑表面之间的力的传感器装置。传感器装置可以被配置为布置在鞋或鞋内底中以执行检测。所述传感器装置包括：

根据第一方面的任何实施例的多个传感器元件，所述传感器元件在至少基本共同的平面中彼此相邻地布置，

多条电线，其被配置为将各个传感器元件连接到第一电势和第二电势和/或评估装置，

其中，所述传感器装置包括具有相对于外围轮廓向内指向的至少一个凹口的至少一个外围轮廓，和/或所述传感器装置包括具有布置在所述外围轮廓内的至少一个材料凹部的至少一个外围轮廓。因此，可以至少减少或防止层的箔或箔中的褶皱的形成，使得箔和/或传感器装置更加耐用和坚固。由于鞋垫的上材料和下材料的剪切运动，特别是在鞋垫中，配备传感器的箔的收缩包裹或实施可导致在负载过程中形成褶皱。作为褶皱形成的结果，可能出现影响电线和传感器本身的裂纹。除了剪切运动之外，箔片还应当能够承受脚的3D运动和变形。

本公开的第三方面提供了一种用于检测脚和支撑表面之间的力的传感器系统。传感器系统可以被配置为布置在鞋或鞋内底中以执行检测。所述传感器系统包括：

根据第一方面的任何实施例的至少一个传感器元件，其具有可变电阻并且适于响应于施加到其上的力而提供电检测信号，并且连接到第一电势，

电阻器阵列，适于电影响所述传感器元件的电检测信号，并连接到第二电势，

转换器，其具有至少一个输入通道和至少一个输出通道，所述至少一个输入通道适于获得所述传感器元件的受电影响的电信号，所述至少一个输出通道用于基于经转换的电检测信号来提供数字检测信号，以及

数据处理装置，该数据处理装置适于确定用于影响所述电检测信号的所述电阻器阵列的一个或多个电阻器的电路配置。

因此，传感器系统具有简单的构造设计。此外，测量范围的阈值因此可以通过选择电阻器来限定。还可以将硬件调整到预期的负载范围。此外，可以使用相对且传感器特定的参考点，这使得可以仅对测量范围进行校准。只要传感器元件的工作范围在其整体特性的线性部分中，该校准也可以应用于所有的传感器元件，并且只要传感器元件不被其他影响破坏或干扰，该校准就可以工作。通过使用相对参考点，由于传感器动态特性的改变(例如，由于温度或湿度增加而导致的较软墨)而引起的干扰不具有任何效果。特别地，出于有效性和再现性的原因，不使用整个电压范围，而是仅使用最大电压的约45％至约75％之间的范围。例如，如果转换器的分辨率是12位并且因此具有4096个电压电平，而诸如8位、16位等的其他值也是可能的，则这意味着低于阈值在电压电平1843处为最大电压的45％，并且高于阈值在电压电平3072处为最大电压的75％。因此，1229，即3072-1843＝1229，电压电平可用于力的分辨率或测量。例如，如果传感器的设计力为800N/cm

在一些实施例中，电阻器阵列(其可以是SIL电阻器阵列)、转换器(其可以是模数转换器(ADC))和/或数据处理装置(其可以是合适的微处理器，诸如基于Arduino平台的微处理器，例如ATmega328等)可以布置在印刷电路板(PCB)上。应注意，电阻器阵列也可由微处理器的内部上拉电阻器提供，该电阻器可根据需要接通或断开。部件的能量供应可以例如经由能量存储装置(例如电池、一次电池或二次电池)或发电元件(例如压电元件)来提供。

在一些实施例中，PCB的模拟输入可以经由电阻器阵列连接到GND，例如，连接到(电阻器阵列的电阻器的数目)乘以(其电阻值)，例如(8)x(2.2kOhm)或其他合适的值。这些可以是当输入为空时将AD输入拉到零的下拉电阻器。在一些实施例中，具有可变电阻值的至少一个传感器元件可以连接到PCB并且连接到相对侧的工作电压，例如3.3V或其他合适的电压值，由此转换器处的电压与外部电阻的下降成比例地增加。假设外部电阻器在无负载状态下具有2.2KΩ的电阻值，则转换器处的电压可以是工作电压的50％。

根据一个实施例，数据处理装置还可以适于确定与相对电阻或相对电压值相关的一个或多个电阻器的电路配置。

因此，可以进一步改进通过选择电阻器来限定测量范围的阈值。如果使用相对电阻或相对电压作为参考点，则偏移保持在50％(例如2048位)，并且测量范围保持恒定，而与相应的灵敏度无关。

在一个实施例中，数据处理装置还可以适于通过确定要使用的一个或多个电阻器的电路配置来设置要使用的转换器的测量范围，该测量范围小于转换器的预定分辨率。因此，可以进一步改进通过选择电阻器来限定测量范围的阈值。

根据一个实施例，数据处理装置还可以适于确定检测信号的特性并且将测量范围设置在上限和下限之间，并且其中，将检测信号在上限和下限之间的特性确定为至少准线性。因此，可以进一步改进通过选择电阻器来限定测量范围的阈值。

在一个实施例中，数据处理装置还可以适于设置与传感器元件的期望灵敏度相关的测量范围的上限和/或下限。因此，可以进一步改进通过选择电阻器来限定测量范围的阈值。

本公开的第四方面提供了一种用于检测脚和支撑表面之间的力的方法。该方法可以特别适合于与根据第二方面的传感器系统一起使用。该方法包括：

获得力检测信号，

分析所述力检测信号以检测所述检测信号的至少非线性特性，

生成配置信号，所述配置信号包括电阻器阵列的一个或多个电阻器的配置，所述电阻器阵列用于影响所述力检测信号所基于的电检测信号，其中，所述配置基于所检测的非线性特性来确定，以及

提供所述配置信号。

因此，可以通过选择所使用的电阻器来限定测量范围的阈值。还可以将硬件调整到预期的负载范围。此外，可以使用相对且传感器特定的参考点，这使得可以仅对测量范围进行校准。通过使用相对参考点，由于传感器动态特性的改变(例如，由于温度或湿度增加而导致的较软墨)而引起的干扰不具有任何效果。特别地，出于有效性和再现性的原因，不使用整个电压范围，而是仅使用最大电压的约45％至约75％之间的范围。这种基于窗口的方法，即限制测量范围，也允许在不必求助于另一传感器的情况下就灵敏度进行较小的调整。根据范围有多大或者极限范围位于曲线上的位置，其还可以使得在较低电压范围中的传感器不太敏感或者在较高范围中的传感器更敏感。

在一些实施例中，力检测信号可由根据第一方面的任何实施例的至少一个传感器元件获得。

根据实施例，在提供配置信号之后，可以设置电阻阵列的配置。

在一个实施例中，在提供配置信号之后，可以使用连接到电阻阵列的至少一个传感器元件来执行传感器系统的测量操作，并且电阻阵列的配置定义了具有下阈值和上阈值的至少一个传感器元件的测量范围。因此，可以通过选择所使用的电阻器来限定测量范围的阈值。还可以将硬件调整到预期的负载范围。此外，可以使用相对且传感器特定的参考点，这使得可以仅对测量范围进行校准。通过使用相对参考点，由于传感器动态特性的改变(例如，由于温度或湿度增加而导致的较软墨)而引起的干扰不具有任何效果。特别地，出于有效性和再现性的原因，不使用整个电压范围，而是仅使用最大电压的约45％至约75％之间的范围。这种基于窗口的方法，即限制测量范围，也允许在不必求助于另一传感器的情况下就灵敏度进行较小的调整。根据范围有多大或者极限范围位于曲线上的位置，其还可以使得在较低电压范围中的传感器不太敏感或者在较高范围中的传感器更敏感。

本公开的第五方面提供了一种用于分析和/或诊断对象的步态的计算机实现的方法。所述方法包括以下步骤：

使用根据所述第三方面的传感器系统来确定对象的至少一个步态周期的地面反作用力的时间进程，

将所确定的地面反作用力的时间过程标准化，

将标准化的时间进程与参考进行比较，以及

基于所述比较的结果确定对象的步态。

换句话说，根据第三方面的传感器系统可用于诊断、监测和/或分析对象的步态。为此目的，第一方面的传感器元件中的一个或多个可以优选地作为传感器装置等布置在鞋、鞋垫等中。将所确定的时间进程进行标准化和/或将标准化的时间进程与参考进行比较和/或基于所述比较的结果确定受试者的步态的步骤可以由传感器系统自身通过例如使用第三方面的数据处理装置自动执行，或者由单独的计算机装置(例如个人计算机、智能电话等)自动执行，其也可以被布置成远离传感器系统，例如计算云、服务器等。参考可以是例如存储在数据库等中的数据集。将标准化的时间过程与参考进行比较和/或确定步态的步骤可以利用数值方法、估计方法等。

本公开的第六方面提供了一种用于检测脚和支撑表面之间的力的计算机程序，该计算机程序包括指令，当该程序由计算机和/或数据处理装置(例如第三方面的数据处理装置)执行时，该指令使计算机执行根据第四方面的任何实施例的方法。如本文所使用的，上述方面的脚与支撑表面之间的力也可称为地面反作用力。

本公开的第七方面提供了一种存储了第六方面的计算机程序的计算机可读介质。

计算机程序元素因此可以存储在计算机单元上，这也可以是本公开的实施例。该计算单元可适于执行或诱导执行上述方法的步骤。此外，其可适于操作上述装置的组件。计算单元可适于自动操作和/或执行用户的命令。计算机程序可以被加载到数据处理器的工作存储器中。因此，数据处理器可以被装备成执行本公开的方法。本公开的该示例性实施例既包括从开始就安装了干预的计算机程序，也包括通过更新将现有程序转变为使用本公开的程序的计算机程序。计算机程序可以存储和/或分布在合适的介质上，例如光学存储介质，或者与其他硬件一起提供的固态介质，或者作为其他硬件的一部分，但是也可以以其他形式分布，例如经由互联网或其他有线或无线电信系统。然而，计算机程序也可以在诸如万维网的网络上呈现，并且也可以从这样的网络下载到数据处理器的工作存储器中。

应当注意，如上所述的实施例可以相对于彼此进行组合，以便获得协同效果，该协同效果可以在单个特征的单独技术效果上延伸。下面将描述本公开的示例性实施例。此外，参考不同的主题来描述本公开的实施例。特别地，参考方法类型权利要求描述一些实施例，而参考设备类型权利要求描述其他实施例。然而，本领域技术人员将从以上和以下描述中了解到，除非另外通知，除了属于一种类型的主题的特征的任何组合之外，本申请还认为公开了与不同主题相关的特征之间的其他组合。

附图说明

下面将参照以下附图描述本公开的示例性实施例。

图1A示出了根据现有技术的处于未加载状态的FSR(力感测电阻器)传感器的示意性截面图。

图1B示出了在力的作用下根据现有技术的图1A的FSR传感器的示意性截面图。

图2示出了根据本公开的实施例的用于检测脚和支撑表面之间的力的传感器装置的顶视图。

图3示出了根据本公开的实施例的用于检测脚和支撑表面之间的力的传感器装置的顶视图。

图4示出了根据本公开实施例的传感器装置在鞋底复合物中的示例性应用。

图5以分解图的形式示出了根据本公开的实施例的用于检测脚和支撑表面之间的力的传感器元件的构造结构。

图6A以示意性截面图示出了处于未加载状态的根据本公开的实施例的传感器元件。

图6B以示意性截面图示出了在力的作用下的传感器元件。

图7A至图7D以示意性俯视图示出了根据本公开实施例的传感器元件的不同负载状态。

图8以示意框图示出了根据本公开的实施例的用于检测脚和支撑表面之间的力的传感器系统。

图9以流程图的形式示出了根据本公开的实施例的用于检测脚和支撑表面之间的力的方法。

图10在流程图中示出了根据本公开的实施例的用于诊断和/或监测和/或分析对象的步态的计算机实现的方法。

图11在力-电压/电阻图中示出了通过根据本公开实施例的方法和/或系统线性化的信号特性。

图12示出了根据本公开的实施例的用于分析对象的步态的计算机实现的方法的示例性结果的图形表示。

图13A至图13E以示意性俯视图示出了根据本公开的实施例的包括多个导电部分的层的替代布置。

图14示出了根据本公开的实施例的第一半导电层和第二半导电层彼此的可替换布置。

具体实施方式

在下文中，将给出示例性实施例的详细描述以更详细地解释本公开。

图2示出了用于检测脚和支撑表面之间的力的传感器装置100的示例性实施例，其允许步态分析。传感器装置100被配置为布置在鞋或鞋内底中以执行检测，并且包括多个传感器元件10，所述多个传感器元件10在至少基本共同的平面中彼此相邻地布置，所述至少基本共同的平面在这里由载体110形成。应当注意，虽然仅四个传感器元件由附图标记标识，但是传感器元件的数量可以不同于四个，如图2所示，其中作为示例示出了分布在足根、跖骨和脚趾上的总共15个传感器元件。此外，传感器装置100包括多个电线120，其被配置为将各个传感器元件连接到传感器装置100和/或传感器系统200的其他部分，传感器装置100和/或传感器系统200将在下面描述。电线120可例如印刷或由具有小横截面的电缆等形成。

图3示出了用于检测脚和支撑表面之间的力的传感器装置100的另一示例性实施例。如可在图3中看到的，至少在一些实施例中，传感器装置100包括至少一个外围轮廓101，该外围轮廓101具有相对于外围轮廓101向内指向的至少一个凹口102，该凹口102也可被称为环绕布置有传感器元件10的公共平面的外围轮廓。除了至少一个凹口102之外或可替代地，传感器装置100包括布置在外围轮廓101内的至少一个材料凹部103。如果传感器装置100是多层的，则材料凹陷103可以指至少一些层(例如，如下面描述的顶层、底层和/或中间层，也参见图5)，或者优选地，指所有层，使得材料凹陷在传感器装置100的整个厚度方向上延伸。

图4示出了鞋底复合物的示例性实施例，其代表了传感器装置100的示例性应用。鞋底复合物沿传感器装置100的厚度方向布置并且包括传感器装置100，传感器装置100以夹层布置布置布置在覆盖鞋底120、底鞋底130和可选的电池保护件140之间。传感器装置100特别地布置在覆盖鞋底120和底鞋底130之间。传感器装置100还可以通过鞋底复合物的变型而适合于不同的目的。

图5以分解图示出了根据示例性实施例的传感器元件10中的示例性传感器元件的构造结构。通常，传感器装置110的传感器元件10彼此相同。传感器元件10包括第一层11和第一半导电层13，第一层11包括非导电载体箔12或膜，第一半导电层13至少部分地沿着第一层11的纵向方向延伸。传感器元件10还包括第二层14和第二半导电层16，第二层14包括不导电的载体箔15或膜，第二半导电层16至少部分地沿着第二层14的纵向方向延伸。例如，第一层11是底层，第二层是顶层，其中脚从顶层开始放置。至少一个电连接区域17与第一层11和第二层14中的一个半导电层接触，并且适于连接到电能源(未示出)。例如，第一和/或第二半导电层16由碳墨形成。在至少一些实施例中，第一层11和第二层14层压在一起，第一半导电层13和第二半导电层16通过中间碳层和/或布置在其间的粘合层18间隔开。例如，如图5所示，电连接区域17与传感器元件10的第一层11的第一半导电层13接触。应注意，第一半导电层13和第二半导电层16布置成彼此相距一定距离，并且适于根据施加到传感器元件10的力而选择性地彼此接触，如在例如图6A和图6B中可以看到的。

仍然参照图5，至少在一些实施例中，第一半导电层13和第二半导电层16形成两个间隔开的表面，两个间隔开的表面在无负载状态下彼此间隔开，并且响应于施加到传感器元件10的力而可以接触，两个表面彼此接触的方形尺度，指示传感器元件10的电阻值(更多细节也参见图6A和图6B)。应当注意的是，平方度量也可以被称为例如以平方毫米(mm

此外，至少在一些实施例中，至少两个第一和/或第二半导电层13、16相对于其的纵向延伸方向平行地布置，两个第一和/或第二半导电层13、16经由至少一个电连接区域17彼此连接。这可以在图5中看到，其中两层彼此相邻地布置。应当注意，在另一电连接区域17的相对侧上布置另一电连接区域17。

仍然参照图5，至少在一些实施例中，多个导电部分19布置在第一层11和第二层14中的另一个的载体箔12、15上，并且与第一层11和第二层14中的另一个的半导电层13、16接触，导电部分19横向于第一层11和第二层14中的另一个的纵向延伸。例如，如图5所示，导电部分19布置在第二层14的载体箔15上。导电部分19布置在载体箔15和第二半导电层16之间。此外，第二层的导电部分19是条形的，并且两个相邻的条带在第一层11和/或第二层14的纵向延伸方向上间隔开。例如，导电部分19由银墨形成或包括银墨。

参照图6A和图6B，下面解释传感器元件10的功能原理。图6A示出了处于未加载状态的传感器元件10，图6B示出了在力的作用下的传感器元件10，该力也可以被称为地面反作用力，作为步态分析中的参数。如图6A所示，在无负载状态下，第一层11和第二层14的第一半导电层13和第二半导电层16的表面彼此至少稍微间隔开，因此彼此不接触，或者彼此仅稍微导电或不导电接触。可选地，在两个半导电层13、16之间可以存在例如气隙G。因此，在该无负载状态下，传感器元件10具有大致对应于输入阻抗的第一电阻值。在图6B中，压缩力F沿传感器元件10的厚度方向施加在第二层14的外表面上，作为压缩的结果，导致至少第二层14的机械变形。机械变形使得第一半导电层13和第二半导电层16的两个表面至少部分地彼此靠近，或者分别使得气隙G的尺寸至少部分地减小。换句话说，这使得第二半导电层16在第一层11的第一半导电层13的方向上被挤压。根据第一半导电层13和第二半导电层16之间的表面接触的尺寸，即平方尺寸，传感器元件10的电阻根据施加到其上的力F而改变。原则上，与FSR传感器(参见示出现有技术的图1A和图1B)相比，这里使用水平路径改变。通过将测量原理从垂直(如FSR传感器使用的)改为水平(如本文使用的)，路径从几μm变为几mm，甚至几厘米。结果，可能的材料波动和对墨结构的环境影响几乎不明显。例如，对于这里的传感器元件10的16.7mm的传感器尺寸和FSR传感器的大约30nm的传感器尺寸进行比较。这相当于大约5000:1的比率。因此，材料缺陷对传感器信号的影响小于5000分之一，这与环境条件变化引起的材料波动相同。通过表面定向测量实现的另一效果是产生线性传感器信号特性，因为面积的效果可以与电阻成比例地限定。由于碳墨的更紧凑和均匀的结构，在生产中也可以使用更小的丝网，从而产生更精确的打印图像。这使得生产公差小于1％。油墨的更均匀的表面还可以允许更好或更明确的印刷适性(施加几层)。

图7A至图7D以示意性俯视图示出了根据实施例的传感器元件10的不同负载状态。传感器元件10的不同负载状态在图7A至图7D中通过不同或不同布置的阴影线示出，这可以至少通过将各个图彼此比较来看到。例如，传感器元件10包括两个第一半导电层13和/或第二半导电层16，所述两个第一半导电层13和/或第二半导电层16相对于其纵向延伸方向平行地布置和/或布置在公共平面中，所述两个第一半导电层13和/或第二半导电层16经由至少一个电连接区域17彼此连接。另外的电连接区域形式17被提供用于直接或间接地连接到电势或电阻器阵列。在一些实施例中，如图7A所示，可以仅提供上述布置的一部分，例如一半。在图7A至图7D中，可以看出，条形导电部分19形成一种打字键盘或乐器键盘。条形导电部分19例如用于减小半导电层13、16的电阻。条带的数量和/或厚度可以变化以调节电阻和/或信号灵敏度的下降。传感器的响应行为也可以通过调节导电部分19的宽度和/或半导体层13、16的性质(例如材料性质)来建模。条形导电部分19还可以允许传感器元件10上的不均匀负载，这在用于鞋垫中时是预期的。虽然FSR技术(参见示出现有技术的图1A和图1B)需要恒定的表面载荷，但是这里的传感器元件10可以在几个点处加载。其总是传递相同的信号响应。

图8以示意性框图示出了用于检测脚和支撑表面之间的力的传感器系统200。传感器系统200包括例如如上所述的多个传感器元件10。它们具有可变电阻并且适于响应于施加到其上的力而提供电检测信号，并且连接到第一电势(未示出)。此外，传感器系统200包括电阻器阵列210，该电阻器阵列210适于电影响传感器元件10的电检测信号，并且连接到第二电势(未示出)。此外，传感器系统200包括转换器220，转换器220具有至少一个输入通道221和至少一个输出通道222，至少一个输入通道221适于获得传感器元件10的受电影响的电信号，至少一个输出通道222用于基于转换的电检测信号提供数字检测信号。此外，传感器系统200包括数据处理装置230，该数据处理装置230适于确定用于影响电检测信号的电阻器阵列210的一个或多个电阻器的电路配置。作为示例，电阻器阵列210在这里是数据处理装置230的一部分，数据处理装置230是微处理器。应当注意，数据处理装置230和电阻器阵列210也可以是分开的，尽管这里没有明确示出这一点。

在至少一些实施例中，数据处理装置230还适于确定与相对电阻或电压值相关的一个或多个电阻器的电路配置。

在至少一些实施例中，数据处理装置230还适于通过确定要使用的一个或多个电阻器的电路配置来设置要使用的转换器220的测量范围，该测量范围小于转换器220的预定分辨率。在至少一些实施例中，数据处理装置230还适于确定检测信号的特性并且将测量范围设置在上限和下限之间，并且其中，将检测信号在上限和下限之间的特性确定为至少准线性(参见例如图10)。在至少一些实施例中，数据处理装置230还适于设置与传感器元件10的期望灵敏度相关的测量范围的上限和/或下限。

图9在流程图中示出了用于检测脚和支撑表面之间的力的方法。在步骤S1中，例如通过如上所述的至少传感器元件10获得力检测信号。在步骤S2中，对力检测信号进行分析以检测检测信号的至少非线性特性。在步骤S3中，生成配置信号，该配置信号包括电阻器阵列220的一个或多个电阻器的配置，所述电阻器阵列用于影响所述力检测信号所基于的电检测信号，其中，所述配置基于所检测的非线性特性来确定。在步骤S4中，配置信号被提供给例如处理装置230。

图10在流程图中示出了用于诊断和/或监测和/或分析对象的步态的计算机实现的方法，上述系统200可用于该方法。在第一步骤S1中，确定对象的至少一个步态周期的地面反作用力的时间进程。在步骤S2中，将所确定的地面反作用力的时间进程标准化。在步骤S3中，将标准化的时间进程与参考进行比较。然后，在步骤S4中，基于所述比较的结果确定对象的步态。

图11在力-电压/电阻图中示出了通过上述传感器系统200和/或上述方法进行线性化的传感器元件10的信号特性SC。可以看出，传感器元件10的测量范围MR的阈值可以通过选择所使用的电阻器来限定或设置。例如，测量范围MR被设置在下限阈值T1和上限阈值T2之间，从而产生基于窗口的方法。在设定的测量范围MR中，传感器元件10的传感器元件信号特性SC是准线性的，如虚线所示。

图12示出了使用传感器系统(200)分析对象步态的上述计算机实现的方法的示例性结果的图形表示。这里，确定患病对象(腿的手术干预)的一个步态周期的地面反作用力的时间进程，将其标准化为对象的体重和脚的接触时间，并比较参考(健康对象)的标准化时间进程。这里，虚线表示在腿的手术干预之后对象的标准化时间进程，而实线表示参考，即健康对象的一个步态周期的地面反作用力的时间进程。虚线与实线的视觉比较清楚地示出了手术干预后9个月后对象的步态周期的改善，但仍与参考(健康对象)不同。

图13A至图13E示出了包括多个导电部分19的层的可选布置。浅色纵向条纹区域表示例如由银墨形成或包括银墨的导电部分19，而深色对角条纹区域表示半导电层16。替代布置包括呈条纹图案(图12A)、三角形图案(图12B)、矩形图案(图12C)、单区域图案(图12D)或树枝状图案(图12E)形式的导电部分19。

图14示出了第一半导电层13和第二半导电层16彼此的可选布置。这里，当与作为第一层11的一部分的第一半导电层13相比时，作为第二层14的一部分的第二半导电层16在尺寸上较小。特别地，传感器元件的接触表面面积由第一半导电层13和第二半导电层16的重叠面积确定。