一種鞋墊式步行輸入傳感裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種鞋墊式步行輸入傳感裝置，包括：壓力采集模塊，用于接受到步行時安裝在鞋墊上的各個壓力傳感器上傳來的壓力；數據處理模塊，用于對壓力采集模塊采集的壓力進行數據處理；無線通信模塊，用于將處理的數據通過無線通信裝置傳送出去；數據分析模塊，用于接受到數據后立刻對數據進行統一處理，然后將人類步行模擬重現。實施本發明，從鞋墊內的壓力傳感器內實時的采集壓力數據，然后將數據處理后傳輸給PC機進行外部數據分析與處理，最后用這些數據將人類的步行狀態在虛擬場景中模擬出來。
【專利說明】一種鞋墊式步行輸入傳感裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及人機交互【技術領域】，具體涉及一種鞋墊式步行輸入傳感裝置。
【背景技術】
[0002]壓力傳感器在步行姿態分析方面已經取得了應用，例如，將壓力傳感器設計成鞋墊形式，用于人體足底壓力分布狀態的測量；或者，將力敏電阻作為測力傳感器，安裝于鞋墊表面設計出鞋墊式測量系統，并提出相位累加法進行步行姿態特征分析，從而得到各個時期的步態運動學參數。然而，到目前為止，還沒有學者開展利用壓力傳感器的計數輸出估計人體運動姿態的研究。
[0003]足底壓力的大小與分布反映了人體腿、足結構等信息。當人體腿部或足部結構形態發生變化時，足底的壓力分布會相應地發生變化，通過檢測盒分析足底壓力與相關參數，可以獲取人體的運動姿態，運動速度和運動方向等方面的信息，這對穿戴式智能設備、虛擬現實的研究與實現具有重要意義。
[0004]足底壓力分布測量已進行了 20多年的研究，其發展歷經了足印技術、足底壓力掃描技術、力板與測力臺技術、壓力鞋與鞋墊技術。其中，壓力鞋與鞋墊技術能夠實時測量連續的步態壓力分布，便于進一步的數字化分析處理，應用前景越來越被看好。最新研究的壓力鞋和鞋墊是將傳感器布置在鞋或鞋墊內，而信號處理與控制部分仍然由人體攜帶，如美國的F-Scan系統、德國的Novel Pedar-X系統和比利時的RSscan系統，有系統過于龐大、不便于動態分析和攜帶等局限。
【發明內容】
[0005]本文針對虛擬現實系統中人類行走狀態，將人類步行實時的在另外的場景中虛擬出來。本發明首先要從鞋墊內的壓力`傳感器內實時的采集壓力數據，然后將數據處理后傳輸給PC機進行外部數據分析與處理，最后用這些數據將人類的步行狀態在虛擬場景中模擬出來。
[0006]相應的，本發明實施例提供了一種鞋墊式步行輸入傳感裝置，包括:
[0007]壓力采集模塊，用于接受到步行時安裝在鞋墊上的各個壓力傳感器上傳來的壓力；
[0008]數據處理模塊，用于對壓力采集模塊采集的壓力進行數據處理；
[0009]無線通信模塊，用于將處理的數據通過無線通信裝置傳送出去；
[0010]數據分析模塊，用于接受到數據后立刻對數據進行統一處理，然后將人類步行模擬重現。
[0011]所述壓力采集模塊是利用壓電陶瓷片的壓電效應，將應力或應變轉換成電壓或電荷，再通過放大器進行放大和輸出的裝置。
[0012]所述數據處理模塊采集從壓力采集鞋墊模塊獲得的數據信息；所述數據處理模塊由一個基于微處理器的電路板組成，包含一個低功率、高性能的8位A V R微處理器ATmegal6L,外圍元件和電源。
[0013]所述數據分析模炔基于支持向量機的識別方法就能實時的判定實驗者的運動行為。
[0014]實施本發明實施例，提供了一種便攜式人體足底壓力檢測系統的設計方法，將所有器件集成于鞋墊之中，具有體積小、易于攜帶等特點，實現了多路足底壓力的可穿戴式檢測、無線數據傳輸、顯示及存儲的功能，以此來模擬人類的步行。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖。
[0016]圖1是本發明實施例中的基于壓力傳感器的運動識別系統結構圖；
圖2是本發明實施例中的壓力式力傳感器的力學模型結構圖；
圖3是本發明實施例中的傳感器結構示意圖；
圖4是本發明實施例中的傳感器測量原理圖；
圖5是本發明實施例 中的足底解剖區域結構示意圖；
圖6是本發明實施例中的傳感器分布位置結構示意圖。
【具體實施方式】
[0017]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0018]本文針對虛擬現實系統中人類行走狀態，提出一種具有實際意義的方法，將人類步行實時的在另外的場景中虛擬出來。本發明首先要從鞋墊內的壓力傳感器內實時的采集壓力數據，然后將數據處理后傳輸給PC機進行外部數據分析與處理，最后用這些數據將人類的步行狀態在虛擬場景中模擬出來。
[0019]本文針對虛擬現實系統中人類行走模擬再現，提出一種具有實際意義的方法。首先接受到步行時安裝在鞋墊上的各個壓力傳感器上傳來的壓力，然后將這些數據統一進行處理，處理后將數據通過無線通信裝置傳送出去，接收器接受到這些數據后立刻對數據進行統一處理，然后將人類步行模擬重現。整個模塊的設計如圖1所示。
[0020]1、壓力采集模塊
[0021]1.1傳感器工作原理
[0022]壓電傳感器是利用壓電陶瓷片的壓電效應，將應力(或應變)轉換成電壓(或電荷)，再通過放大器進行放大和輸出的裝置。壓電陶瓷片是其中的關鍵部件，從信號變換角度來看，壓電陶瓷片相當于一個電荷發生器(q)。壓電傳感器是由將外界力傳遞到壓電陶瓷片的力學系統、壓電陶瓷片和將電荷傳遞到儀表的測量電路3部分構成。壓電式力傳感器的力學模型如圖2所示:
[0023]圖2中，F是作用在傳感器上的力(待測力)，m是壓電轉換元件上的等效質量，k是等效剛度系數，C為等效阻尼系數，X為m相對于基座的位移。在F作用下，壓電晶體產生的電荷量為
[0024]Q=Clij F (I)
[0025]即傳感器輸出的電荷量與被測力F成正比，通過適當的測量系統測出傳感器的電荷量，也就實現了對力參量的測量。
[0026]1.2傳感器的結構及分布
[0027]利用壓電陶瓷元件制成三維傳感器，其結構如圖3所示。每個三維力傳感器單元由3個壓電元件粘貼在一塊IC基板上組成，3個單元分別測量垂直力以及前向和側向剪切力，3個部分是由同一材料、同一工藝制成而極化處理不同的壓電陶瓷元件。陶瓷片I的極化方向為垂直方向，用以測量垂直力；陶瓷片IIJII極化方向為水平方向，分別用以測量前向與側向的剪切力，如圖4所示。
[0028]從圖4中可以看出，利用壓電陶瓷檢測原理，沿圖示方向施以壓力(剪力)，能夠產生與力成正比的電荷及電壓。在人體的解剖學上，人腳可以劃分為若干個解剖區域，如圖5所示。
[0029]人在步行、站立等運動中，這些解剖區域支撐著人體大部分重量，并調節著人體的平衡；測量這些部位的力可以獲取下肢乃至全身的生理、結構及功能等方面的大量信息。本系統采集模塊制成鞋墊式，左右各采集8個區域的受力情況。傳感器分別置于與腳相對應的鞋墊區域上，如圖6所示。
[0030]系統包括左右2只測量鞋墊，每只測量鞋墊有8個測量點，每個測量點有3個傳感器測量X，Y，Z3個方向上的力的分量，所以整個系統內含48個傳感器。保證每一個測量點X，Y, Ζ3個方向上的力采樣的同步性，然后將采集到的數據傳輸進存儲區域。
[0031]2、數據處理模塊
[0032]數據處理模塊采集從壓力采集鞋墊模塊獲得的數據信息。該模塊由一個基于微處理器的電路板組成，包含一個低功率、高性能的8位AVR微處理器ATmegal6L，外圍元件(電阻、電容等)和電源。該模塊簡潔輕便，可以通過線路與壓力采集鞋墊模塊連接，并便于與用戶的鞋墊集成。
[0033]3、無線通信模塊
[0034]無線通信模塊的任務是將經過基于微處理器的數據處理模塊處理后的數字數據實時地無線傳輸到后臺。鞋墊內數據采集系統的轉換方法:在快閃隨機存儲器中重組原始信息并在步態測試后利用并行端口下載到PC中進行深入研究。
[0035]4、數據分析模塊
[0036]無線通信模塊把從壓力傳感器采集的數據傳到計算機，經過計算機的數據處理，再用基于支持向量機的識別方法就能實時的判定實驗者的運動行為。
[0037]由傳感器發送來的數據，根據傳感器受力的先后順序，可判斷出此時人實在前進還是后退。然后根據每只鞋墊上的8個傳感器每個傳感器X，Y, Z3個方向上的分量，根據人體運動特征計算出人的行走方向以及步幅，然后就可以得到模擬人類步行的數據。
[0038]綜上，本發明提供了一種便攜式人體足底壓力檢測系統的設計方法，將所有器件集成于鞋墊之中，具有體積小、易于攜帶等特點，實現了多路足底壓力的可穿戴式檢測、無線數據傳輸、顯示及存儲的功能，以此來模擬人類的步行。[0039]本領域普通技術人員可以理解上述實施例的各種方法中的全部或部分步驟是可以通過程序來指令相關的硬件來完成，該程序可以存儲于一計算機可讀存儲介質中，存儲介質可以包括:只讀存儲器(ROM，Read Only Memory)、隨機存取存儲器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盤或光盤等。
[0040]以上對本發明實施例所提供的一種鞋墊式步行輸入傳感裝置進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在【具體實施方式】及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。·
【權利要求】
1.一種鞋墊式步行輸入傳感裝置，其特征在于，包括: 壓力采集模塊，用于接受到步行時安裝在鞋墊上的各個壓力傳感器上傳來的壓力； 數據處理模塊，用于對壓力采集模塊采集的壓力進行數據處理； 無線通信模塊，用于將處理的數據通過無線通信裝置傳送出去； 數據分析模塊，用于接受到數據后立刻對數據進行統一處理，然后將人類步行模擬重現。
2.如權利要求1所述的鞋墊式步行輸入傳感裝置，其特征在于，所述壓力采集模塊是利用壓電陶瓷片的壓電效應，將應力或應變轉換成電壓或電荷，再通過放大器進行放大和輸出的裝置。
3.如權利要求2所述的鞋墊式步行輸入傳感裝置，其特征在于，所述數據處理模塊采集從壓力采集鞋墊模塊獲得的數據信息；所述數據處理模塊由一個基于微處理器的電路板組成，包含一個低功率、高性能的8位AVR微處理器ATmegal6L，外圍元件和電源。
4.如權利要求3所述的鞋墊式步行輸入傳感裝置，其特征在于，所述數據分析模炔基于支持向量機的識別方法就能實時的判定實驗者的運動行為。
【文檔編號】A61B5/22GK103622709SQ201310461938
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年9月29日 優先權日:2013年9月29日
【發明者】翟振明, 羅笑南, 蔡梟, 胡平華, 趙宏遠, 湯志強 申請人:中山大學