一种基于无线通信的人体步态监测鞋垫制造技术

本发明专利技术提供了一种基于无线通信的人体步态监测鞋垫，包括电气单元、压力采集鞋垫、缓冲与防滑鞋垫，电气单元包括主控板和电池，主控板包括MCU和无线射频模块；压力采集鞋垫上布置有薄膜压力传感器，用于将脚底不同部位对地面的压力信号转变为模拟电压信号；MCU与无线射频模块电连接，MCU中的AD转换模块开始接收模拟电压信号，将模拟电压信号转换为数字电压信号后，经无线射频模块发送至上位机；缓冲与防滑鞋垫包括位于压力采集鞋垫和电气单元两侧的上层缓冲鞋垫和下层缓冲鞋垫，用于包覆压力采集鞋垫和电气单元，缓冲人体重力负载。本发明专利技术中步态监测鞋垫，结构简单、传输速率快、续航时间长、穿戴方便快捷，能够准确识别出人体运动过程中的步态。运动过程中的步态。运动过程中的步态。

【技术实现步骤摘要】
一种基于无线通信的人体步态监测鞋垫


[0001]本专利技术属于步态识别
，特别涉及一种基于无线通信的人体步态监测鞋垫。

技术介绍

[0002]目前，常见的步态分析鞋垫主要分为两种，基于有线传输和无线传输。基于有线传输的鞋垫可以通过连接在鞋垫末端的电源线与数据线实现电能供给与数据的传输，虽然传输保证了传输速率与续航时间，但是此种智能鞋垫穿戴过程繁琐，穿戴完成后还需在鞋底引出专用线路，严重影响通穿戴舒适性与穿戴完成后的运动灵活性。基于无线传输的步态分析鞋垫绝大部分采用蓝牙传输数据，由于蓝牙传输速率低且需要复杂的握手机制，限制了对人体步态感知的实时性与快速性；且内置电池体积受鞋垫大小的限制，蓝牙传输的高功耗也难以满足鞋垫长时间的续航要求；而常规的发电装置(如包括踏压转动机构、传动机构、微型发电机)不仅结构复杂、体积庞大、成本高,而且发电效率低,且鞋底发生较大变形，走路时容易产生不适感，难以在外骨骼助力机器人感知系统上进行应用。
[0003]因此有必要提供一种结构简单、传输速率快、续航时间长、穿戴方便快捷的人体步态监测智能鞋垫。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是提供一种可以实时检测人体运动过程中步态的鞋垫，并将检测数据通过无线通信的方式传输至上位机，保证传输速率；本专利技术要解决的另一个技术问题是合理布置鞋垫压力点的位置，准确识别出人体运动过程中的四个步态：支撑态前期、支撑态中期、支撑态后期、摆动态；本专利技术要解决的又一个技术问题是实现人体步态监测鞋垫的长时续航问题。r/>[0005]为了克服现有技术中的不足，本专利技术人进行了锐意研究，提供了一款集成压力采集、无线传输、压力缓冲、供电的人体步态监测鞋垫，鞋垫包括电气单元(包括主控板和电池，主控板包括微型控制单元(MCU)和无线射频模块)、压力采集鞋垫、缓冲与防滑鞋垫。工作时，压力采集鞋垫穿在人体脚掌底部，将脚掌不同部位与地面接触的压力信号转变为模拟电压信号，低功耗MCU按照设置的周期采集模拟电压信号，并将其转变为数字电压信号，之后控制无线射频模块将采集的数字电压信号发送至上位机。为解决步态识别问题，根据人体行走过程中的脚底不同部位压力变化等高线图，将压力采集鞋垫压力采集点的位置布置在
①
脚掌足后区跟骨、
②
脚掌足中区楔状骨、
③
足前区小拇指趾骨末端、
④
足前区大拇指趾骨前端、
⑤
足前区大拇指趾骨末端五个位置。为解决鞋垫的长时续航问题，MCU与无线射频模块均选用低功耗产品。除此之外，自定义一种远程唤醒协议：打开鞋垫开关后，MCU上电后初始化无线射频模块，并使其进入到低功耗监听状态，此时MCU控制器不采集压力数据，而是等待上位机的启动命令，若接收到上位机的启动命令，无线射频模块进入工作模式，定时发送压力数据。
[0006]本专利技术提供的技术方案如下：
[0007]一种基于无线通信的人体步态监测鞋垫，包括电气单元、压力采集鞋垫、以及缓冲与防滑鞋垫，所述电气单元包括主控板和电池，主控板包括微型控制单元(MCU)和无线射频模块；
[0008]所述压力采集鞋垫上布置有薄膜压力传感器，用于将脚底不同部位对地面的压力信号转变为模拟电压信号；
[0009]所述MCU与无线射频模块电连接，MCU上电初始化无线射频模块，当未与上位机建立通信时，无线射频模块进入低功耗监听状态，在该状态下，MCU 中的AD转换模块不实施模拟电压信号的采集及转换；在接收到上位机的启动指令后，无线射频模块进入定时发送状态，MCU中的AD转换模块开始接收模拟电压信号，将模拟电压信号转换为数字电压信号后，经无线射频模块发送至上位机；
[0010]所述电池为整个步态监测鞋垫的用电器件供电；
[0011]所述缓冲与防滑鞋垫包括位于压力采集鞋垫和电气单元两侧的上层缓冲鞋垫和下层缓冲鞋垫，用于包覆压力采集鞋垫和电气单元，缓冲人体重力负载。
[0012]根据本专利技术提供的一种基于无线通信的人体步态监测鞋垫，具有以下有益效果：
[0013](1)本专利技术提供的一种基于无线通信的人体步态监测鞋垫，相比于国内现有的单片式有线压力采集鞋垫，不需要外接供电总线以及数据传输总线，可实现脚底压力数据的实时采集与无线传输功能，且鞋垫整体尺寸与普通鞋垫并无差异，系统集成性强；
[0014](2)本专利技术提供的一种基于无线通信的人体步态监测鞋垫，采用特定频率的无线射频模块，通过编写符合控制需求的传输协议，相比于蓝牙传输与WIFI 传输方式不需要复杂的握手机制与繁琐的传输协议，保证了压力数据传输的实时性与快速性，可以实现最低3ms的数据延迟传输性能；
[0015](3)本专利技术提供的一种基于无线通信的人体步态监测鞋垫，根据行走过程中脚底压力变化等高分布图，优化压力采集鞋垫压力采集点布置位置与大小，通过本专利技术设定的判定方法，可以准确识别人体下肢行走过程中的四个步态相：支撑态前期、支撑态中期、支撑态后期、摆动态；同时，通过脚掌足中区楔状骨区域压力采集点，能够识别足弓处作为受力点的特殊支撑态；
[0016](4)本专利技术提供的一种基于无线通信的人体步态监测鞋垫，采用低功耗 MCU控制器、低功耗无线射频模块、远程唤醒的逻辑机制或睡眠模式，使得本专利技术设计的人体步态监测鞋垫待机时长与工作时长分别可达48小时与24小时之久。
附图说明
[0017]图1为本专利技术提供的基于无线通信的人体步态监测鞋垫的结构简图；
[0018]图2为电气单元的组成原理图；
[0019]图3为无线射频模块模式转换流程图；
[0020]图4为压力采集鞋垫上薄膜压力传感器(压力采集点)分布图；
[0021]图5为压力采集点上压力随步态变化曲线图；
[0022]图6为柔性天线安装示意图。图7为安装有柔性天线的步态监测鞋垫。
[0023]附图标号说明
[0024]1‑
上层缓冲鞋垫；2
‑
压力采集鞋垫；3
‑
中层缓冲鞋垫；4
‑
主控板上壳体；5
‑ꢀ
防水Micro USB接口；6
‑
电池；7
‑
主控板；8
‑
主控板下壳体；9
‑
下层缓冲鞋垫； 10
‑
充电电路；11
‑
保护电路；12
‑
防水触摸开关；13
‑
开关电路；14
‑
电源变换电路；15
‑
压力采集电路；16
‑
微型连接器；17
‑
MCU；18
‑
无线射频模块；19
‑
柔性天线。
具体实施方式
[0025]下面通过对本专利技术进行详细说明，本专利技术的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
[0026]在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于无线通信的人体步态监测鞋垫，其特征在于，包括电气单元、压力采集鞋垫、以及缓冲与防滑鞋垫，所述电气单元包括主控板和电池，主控板包括微型控制单元(MCU)和无线射频模块；所述压力采集鞋垫上布置有薄膜压力传感器，用于将脚底不同部位对地面的压力信号转变为模拟电压信号；所述MCU与无线射频模块电连接，MCU上电初始化无线射频模块，当未与上位机建立通信时，无线射频模块进入低功耗监听状态，在该状态下，MCU中的AD转换模块不实施模拟电压信号的采集及转换；在接收到上位机的启动指令后，无线射频模块进入定时发送状态，MCU中的AD转换模块开始接收模拟电压信号，将模拟电压信号转换为数字电压信号后，经无线射频模块发送至上位机；所述电池为整个步态监测鞋垫的用电器件供电；所述缓冲与防滑鞋垫包括位于压力采集鞋垫和电气单元两侧的上层缓冲鞋垫和下层缓冲鞋垫，用于包覆压力采集鞋垫和电气单元，缓冲人体重力负载。2.根据权利要求1所述的基于无线通信的人体步态监测鞋垫，其特征在于，所述压力采集鞋垫上的薄膜压力传感器分布于脚掌足后区跟骨、脚掌足中区楔状骨、足前区小拇指趾骨末端、足前区大拇指趾骨前端、以及足前区大拇指趾骨末端，分别对应压力采集点I～V。3.根据权利要求2所述的基于无线通信的人体步态监测鞋垫，其特征在于，以F1代表压力采集点I处压力，F2代表压力采集点II处压力，F3代表压力采集点III处压力，F4代表压力采集点IV处压力，F5代表压力采集点V处压力；(a)对于支撑态前期F1≥第三阈值，F2≤第三阈值，F3≤第三阈值，F4≤第三阈值，F5≤第三阈值，除F1大于第三阈值外，其余四个点压力值均小于第三阈值，且F1未到达过峰值；(b)对于支撑态中期F2≥第二阈值，F5≤第三阈值，F3≥第二阈值，F3、F4和F5未到达过峰值，且F1已到达过峰值；(c)对于支撑态末期F1≤第一阈值，F2≤第二阈值，F3≥第三阈值，F4≥第五阈值，F5≥第四阈值；F3、F4和F5将要达到峰值，且F1已到达过峰值；(d)对于摆动态F1≤第一阈值，F2≤第一阈值，F3≤第一阈值，F4≤第一阈值，且F5≤第一阈值；其中，第五阈值＞第四阈值＞第三阈值＞第二阈值＞第一阈值。4.根据权利要求3所述的基于无线通信的人体步态监测鞋垫，其特征在于，对于成年男性(身高170～185cm、60～90kg)，所述第五阈值、第四阈值、第三阈值、第二阈值和第一阈值分别为250、150、125、75和50N。5.根据权利要求1所述的基于无线通信的人体步态监测鞋垫，其特征在于，所述MCU和无线射频模块还具有睡眠模式，MCU上电后初始化无线射频模块，MCU和无线射频模块均进入睡眠模式，无线射频模块设置为每隔B毫秒由睡眠模式进入接收模式，接收模式持续时长为2A毫...

【专利技术属性】
技术研发人员：周世通，刘家伦，尹业成，闫国栋，何程函，赵哲，
申请(专利权)人：北京精密机电控制设备研究所，
类型：发明
国别省市：