[发明专利]一种鞋垫式足底压力测量系统及方法

说明书

本发明公开了一种鞋垫式足底压力测量系统及方法，用来区分站立和行走姿态。此足底压力测量系统既包括数据采集、信号传输的硬件部分，还包括下位机和上位机的软件程序部分。下位机MCU连接薄膜压阻式传感器采集到足底压力数据，通过蓝牙模块无线传输到上位机PC。上位机PC使用Labview编写图形化界面，并通过特有算法计算压力比进行站立与行走姿态的区分。本发明拓宽了压力测量鞋垫的应用范围。并且通过特殊的姿态区分方法而大大减少了所需的压力传感单元数目，降低了硬件成本。

技术领域

本发明设计了一种鞋垫式的足底压力测量系统及方法，特别是通过压力比可以有效区分站立和行走姿态，帮助长时间处于一种工作姿态的工作者适时改变姿态从而降低健康风险。属于智能穿戴设备领域。

背景技术

活动姿态可以分成需要调整运动状态的动态姿态和保持恒定状态的静态姿态。行走和站立分别是工作场所中最常用的动态与静态姿态。长期保持一种工作姿态会对身体健康产生危害，例如：长期站立会导致肌肉骨骼疼痛，慢性静脉功能不全和心血管疾病等健康问题。为了减少健康风险可以在一种长期姿态间穿插其他活动姿态。有研究证明在长时间站立时通过行走的休息可以有效缓解站立导致的腰痛。因此寻找能够区分站立和行走的特征信息，并及时调整长时间的工作姿态很有意义。

尽管在身体各关节部位佩戴加速传感器仍然是目前提取活动姿态特征信息的最常用方法，但是多加速度计系统在日常使用过程中穿戴复杂，并且长时间的佩戴会导致人体的不适。除了加速度信息之外，足底压力也被发现是人体活动的代表性指标。特别是对于区分行走和站立，行走时足底的最高接触压力在前脚和后脚之间交替出现，而站立时最高接触压力始终位于后脚区域。事实上，足底压力已经在许多疾病的预防和治疗中得到了广泛研究，例如糖尿病和帕金森。

通常，表征足底压力信息的度量分为两类，即接触压力指标(如峰值/平均接触压力)和接触面积指标(如峰值/平均接触面积)。然而由于传统足底压力信息度量受个体性别、年龄、体重的巨大影响，因此很难确定每个度量标准对应于不同姿势的代表性取值范围。现有的鞋垫式足底压力测量系统往往只能检测足底压力和接触面积等传统指标而无法有效区分站立和行走姿态。此外这些系统都拥有很高的传感单元空间分辨率，而未考虑传感器信息冗余的问题，导致系统硬件成本的极大提高。

发明内容

针对现有的足底压力测量系统存在的上述缺陷，本发明的目的是提出一种能够区分站立、行走姿态的鞋垫式足底压力测量系统，其拓宽了压力测量鞋垫的应用范围。并且通过特殊的姿态区分方法而大大减少了所需的压力传感单元数目，降低了硬件成本。

本发明提供一种基于压力比指标区分站立、行走姿态的足底压力测量系统，该系统包括硬件部分和软件部分。所述硬件部分包括电源、EVA(Ethylene-Vinyl Acetate)材质鞋垫、压力传感器、信号调理电路、下位机MCU最小系统、蓝牙通信模块、上位机PC。所述压力传感器放置在EVA材质鞋垫表面，并使用美国 Ecoflex00-10硅胶溶液进行固定。所述下位机MCU、信号调理电路、压力传感器依次使用扁平杜邦线连接获得足底压力数据。所述下位机MCU使用杜邦线与蓝牙通信模块连接与上位机PC通信。所述电源与下位机MCU连接并给除上位机PC外其他所有硬件供电。所述软件部分包括下位机MCU的数据采集程序，蓝牙串口通信程序和上位机PC的数据后处理显示程序。所述数据采集程序负责将压力传感器采集的模拟电压型号转换为数字信号，所述蓝牙串口通信程序负责将数字信号无线传输给上位机PC，所述上位机PC数据后处理显示程序负责将足底压力数据图形化显示并通过算法计算出压力比数据进行站立和行走姿态的分辨。

作为本发明的进一步技术方案，还对压力传感器的位置布局进行了优化论证。考虑到站立和行走时足底压力的具体特征，所述的EVA材质鞋垫被划分为七个区域，包括脚趾区域(TB)、前足内侧(MFF)、前足中部(CFF)、前足外侧(LFF)、足弓区域(MF)、脚跟内侧(MH)、脚跟外侧(LH)。由于足前掌与脚跟和运动姿态的关系密切，所述鞋垫的前足内侧、前足中部、前足外侧、脚跟内侧、脚跟外侧布置有较高密度的所述压力传感器。