帶膝關節損傷預警功能的智能跑鞋及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及穿戴式智能設備技術領域，更確切地說涉及一種帶膝關節損傷預警功能的智能跑鞋及其控制方法。
【背景技術】
[0002]穿戴式智能設備是應用穿戴式技術對日常穿戴進行智能化設計、開發出可以穿戴的設備的總稱，如眼鏡、手套、手表、服飾及鞋類，而鞋子幾乎是每一個人每天的必備生活物品之一，走路、跑步靠腳，更靠鞋。跑鞋是鞋子的一種，供人們在運動時穿著。但目前的跑鞋結構簡單，功能單一，尚不能對人體在運動過程中的膝關節損傷進行預警，而運動員在運動的過程中由于運動姿勢不正確，膝關節長時間承受過高的負荷，容易導致膝關節損傷，影響鍛煉熱情、縮短運動壽命。
【發明內容】
[0003]本發明要解決的技術問題是，提供一種帶膝關節損傷預警功能的智能跑鞋，該跑鞋具有膝關節損傷預警功能，避免運動員在跑步過程中損傷膝關節。
[0004]本發明的技術解決方案是，提供一種具有以下結構的帶膝關節損傷預警功能的智能跑鞋，包括左跑鞋和右跑鞋;所述的左跑鞋和右跑鞋均包括鞋體，所述的智能跑鞋還包括控制模塊及預警模塊;所述的左跑鞋和右跑鞋的鞋體的前掌部均設有第一壓力傳感器，所述的左跑鞋和右跑鞋的鞋體的后跟部設有第二壓力傳感器;所述的左跑鞋和右跑鞋的第一壓力傳感器和第二壓力傳感器均與所述的控制模塊電連接，所述的預警模塊與所述的控制模塊電連接。
[0005]采用以上結構后，本發明的帶膝關節損傷預警功能的智能跑鞋，與現有技術相比，具有以下優點:
[0006]所述的左跑鞋和右跑鞋上的第一壓力傳感器用于檢測左跑鞋和右跑鞋的鞋體的前掌部的垂直地面反作用力值，所述的左跑鞋和右跑鞋上的第二壓力傳感器用于檢測左跑鞋和右跑鞋的鞋體的后跟部的垂直地面反作用力值，當左跑鞋的第一壓力傳感器或第二壓力傳感器檢測到有垂直地面反作用力值信號出現時到左跑鞋的第一壓力傳感器和第二壓力傳感器的垂直地面反作用力值信號均消失時為左跑鞋的一腳步；當右跑鞋的第一壓力傳感器或第二壓力傳感器檢測到有垂直地面反作用力值信號出現時到右跑鞋的第一壓力傳感器和第二壓力傳感器的垂直地面反作用力值信號均消失時為右跑鞋的一腳步;控制器根據第一壓力傳感器和第二壓力傳感器傳輸過來的數據可以得出人體運動時每一腳步的垂直負荷增長率曲線，根據垂直負荷增長率曲線得出平均垂直負荷增長率，有文獻證實，平均垂直負荷增長率與足部以及膝關節損傷緊密相關，其值越大，膝關節潛在損傷風險程度就越高，運動過程中長時間過高的垂直負荷增長率的累積會致使膝關節慢性損傷性風險的增大，而控制模塊可實現膝關節損傷預警，從而可有效防止運動員在運動的過程中損傷膝關節，糾正運動員錯誤的運動姿勢。
[0007]作為改進，所述的鞋體的鞋底從上到下依次為鞋墊、鞋中底和鞋大底;所述的第一壓力傳感器和第二壓力傳感器均設于所述的鞋中底上。采用此種結構后，第一壓力傳感器和第二壓力傳感器設置在鞋中底中為最佳實施方案，可避免人體在運動的過程中損壞壓力傳感器。
[0008]作為改進，所述的控制模塊包括控制器及計時器;所述的計時器、第一壓力傳感器、第二壓力傳感器和預警模塊均與所述的控制器電連接。采用此種結構后，結構簡單，實施方便。
[0009]作為改進，所述的控制模塊還包括無線通信模塊，所述的無線通信模塊與所述的控制器電連接，所述的控制器通過無線通信模塊與無線智能移動終端信號連接。采用此種結構后，可以通過無線智能移動終端來監控運動員的體重和運動狀態，并能保存數據，使用戶使用和監控更加方便。
[0010]作為改進，所述的控制模塊包括控制器及無線通信模塊;第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、無線通信模塊和預警模塊均與所述的控制器電連接;所述的控制器通過無線通信模塊與無線智能移動終端信號連接。采用此種結構后，控制器可將第一壓力傳感器和第二壓力傳感器檢測的數據傳輸給無線智能移動終端，在無線智能移動終端內得出垂直負荷增長率曲線和平均垂直負荷增長率曲線，這樣可簡化左跑鞋和右跑鞋內的結構，通過無線智能移動終端來監控運動員的運動狀態。
[0011]作為改進，所述的第一壓力傳感器和第二壓力傳感器均為柔性陣列式壓力傳感器。采用此種結構后，柔性陣列式壓力傳感器材質較柔軟，不會給運動員穿著跑鞋帶來不適感;數據采集點分布較多，采集數據較準確。
[0012]本發明要解決的另一技術問題是，提供一種帶膝關節損傷預警功能的智能跑鞋的控制方法，該跑鞋具有膝關節損傷預警功能，避免運動員在跑步過程中損傷膝關節。
[0013]本發明的技術解決方案是，提供一種具有以下步驟的帶膝關節損傷預警功能的智能跑鞋的控制方法，其特征在于:
[0014]人體垂直站立時，左跑鞋和右跑鞋鞋中底部分的第一壓力傳感器和第二壓力傳感器將采集到的足底壓力信息發送給控制模塊，控制模塊根據第一壓力傳感器和第二壓力傳感器發送過來的足底壓力信息獲得人體垂直站立時的體重；
[0015]人體運動時，左跑鞋或右跑鞋的第一壓力傳感器和第二壓力傳感器將每一腳步采集到的足底壓力信息實時地發送給控制模塊，所述的控制模塊根據實時的足底壓力信息可獲得實時的垂直地面反作用力值；
[0016]所述的控制模塊將獲得的人體垂直站立時的體重乘以重力加速度換算成人體垂直站立時的體重換算值;所述的控制模塊根據人體垂直站立時的體重換算的值、人體運動時每一腳步實時的垂直地面反作用力值和人體運動時每一腳步的時間得出垂直負荷增長率曲線，根據垂直負荷增長率曲線得出平均垂直負荷增長率，在人體運動過程中當所述的平均垂直負荷增長率超出閾值且在一定行程S內所述的平均垂直負荷增長率超出閾值的次數累積超出一定數值M時，預警模塊發出預警信號。
[0017]采用以上結構后，本發明的帶膝關節損傷預警功能的智能跑鞋的控制方法，與現有技術相比，具有以下優點:
[0018]由于本發明的智能跑鞋的控制方法的控制模塊根據獲得的人體垂直站立時的體重、人體運動時每一腳步實時的垂直地面反作用力值和人體運動時每一腳步的時間得出垂直負荷增長率曲線，根據垂直負荷增長率曲線得出平均垂直負荷增長率，在人體運動過程中當所述的平均垂直負荷增長率超出閾值且在一定行程S內所述的平均垂直負荷增長率超出閾值的次數累積超出一定數值M時，預警模塊發出預警信號，這樣，運動員能夠及時地發現問題并及時地糾正錯誤的運動姿勢或者停止超負荷的運動過程，如此便可有效地避免損傷膝關節，讓運動員能夠健健康康的運動。
[0019]作為改進，所述的閾值為72BW/s。所述的S為10公里，所述的M為500。此種設計為最佳實施方案。
【附圖說明】
[0020]圖1是運動員在運動過程中每一腳步的垂直負荷增長率曲線圖。
[0021]圖2是本發明的帶膝關節損傷預警功能的智能跑鞋的右跑鞋的結構示意圖。
[0022]圖中所示:1、第一壓力傳感器，2、第二壓力傳感器，3、控制器，4、無線通信模塊，5、警示燈，a、平均垂直負荷增長率。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明。
[0024]請參閱圖1所示，圖1為垂直負荷增長率曲線。圖1中橫坐標表示人體運動時每一腳步的支撐期(單位為S)，即表示人體運動時每一腳步所用的時間，為了統一標準，每個時間點所取的值為每一腳步所用的時間的百分比。圖1中縱坐標表示垂直地面反作用力值除以運功員體重的換算值(單位為BW，BW為body weight的縮寫，表示垂直地面反作用力相對于體重的倍數。)，所述的運動員體重換算的值=運動員體重*重力加速度(g = 9.8N/kg)，上述處理是為了統一標準，便于橫向比較。垂直負荷增長率是評價膝關節潛在損傷風險的一項重要生物力學指標，平均垂直負荷增長率是垂直地面反作用力第一次達到峰值時對應的縱坐標的值與相對應的橫坐標的值之比(單位為BW/S)。
[0025]請參閱圖2所示，本發明帶膝關節損傷預警功能的智能跑鞋包括左跑鞋、右跑鞋、控制模塊及預警模塊;所述的左跑鞋和右跑鞋均包括鞋體。所述的左跑鞋和右跑鞋的鞋體的前掌部