智能矫形鞋垫系统

1.本发明涉及鞋垫技术领域，特别涉及一种智能鞋垫。


背景技术：

2.足底压力是人体在静止站立或者动态行进时，在自身重力的作用下，足底在垂直方向上受到的一个地面的反作用力。足底压力分布能反映下肢乃至全身的生理、结构和功能等方面的信息，当下肢功能及足内结构轻微变化时,都将改变足底压力负荷的分配，可见对足底压力进行监测具有重要意义。不正常的站立姿态及步态会从足底压力分布上反应出来，目前可通过足底压力检测仪来检测足底压力分布，但现有的足底压力检测仪体积大且笨重，不具有便携性，不能在人自由行走过程中实时监测足底压力情况；更不能实现告知患者具体足底哪个部位出现压力异常，以便让患者及时矫正站立或行走姿态。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的是提供一种智能矫形鞋垫系统，以解决在自由行走时实时采集人体足底压力，并在足底压力出现异常时告知患者出现压力异常具体部位的技术问题。
4.本发明智能矫形鞋垫系统包括鞋垫，还包括电源管理电路、中央控制电路、压力采集电路、足底肌肉刺激电路和上位机，
5.所述电源管理电路包括锂电池和与锂电池连接并对外提供稳定工作电压的稳压芯片；
6.所述中央控制电路包括中央处理器和与中央处理器连接用于与上位机通讯的蓝牙模块；
7.所述压力采集电路包括柔性电路板，所述压力采集电路还包括通过柔性电路板相互连接的压力传感器组、无源滤波器和数据输出接口，所述压力传感器组包括用于检测前脚掌压力的薄膜压力传感器、用于检测足弓侧部压力的薄膜压力传感器和用于检测脚后跟压力的薄膜压力传感器，薄膜压力传感器的信号输出端通过柔性电路板与无源滤波器的信号输入端一一对应连接，无源滤波器的信号输出端通过柔性电路板与数据输出接口连接；数据输出接口通过数据线与中央处理器的信号输入端连接；所述鞋垫上设置有与压力采集电路形状相配的凹槽，压力采集电路嵌在凹槽中；
8.所述足底肌肉刺激电路包括升压电路、开关电路和电极片，所述升压电路包括升压芯片，升压芯片的电压输入口与稳压芯片的电压输出口连接，升压芯片的信号输入口与中央处理器的信号输出口连接；升压芯片的电压输出端通过开关电路与电极片连接，开关电路和电极片一一对应。
9.进一步，所述开关电路包括两个三极管，第一个三极管的基极与中央处理器的信号输出口连接，第一个三极管的发射极接地，第一个三极管的集电极与第二个三极管的基极连接，第二个三极管的集电极与升压电路的电压输出端连接，第二个三极管的发射极与
电极片连接。
10.进一步，所述的智能矫形鞋垫系统还包括与锂电池连接的充电管理电路。
11.进一步，所述用于检测前脚掌压力的薄膜压力传感器为四个，所述用于检测足弓侧部压力的薄膜压力传感器为一个，所述用于检测脚后跟压力的薄膜压力传感器为三个。
12.本发明的有益效果：
13.1、本发明智能矫形鞋垫系统，解决了在人体行走时实时监测足底压力的技术问题，并能通过蓝牙模块将检测数据发送给上位机。
14.2、本发明智能矫形鞋垫系统，当足底压力分布异常时，中央处理器向升压电路和开关电路发出控制信号，升压芯片将输出电压升高，当开关电路导通时，电极片即会对足底压力异常部位输出刺激电压，从而告知患者足底哪个部位出现了压力异常，以便患者能及时的调整站立或行走姿态。
15.3、本发明智能矫形鞋垫系统，其采用了无源滤波器对薄膜压力传感器的输出信号进行滤波处理，减少电阻热噪声、温度等不稳定因素的影响。
16.4、本发明智能矫形鞋垫系统，其采用的柔性电路板能显著减小压力采集电路对足底造成的不舒适感。
附图说明
17.图1为智能矫形鞋垫系统的结构框图；
18.图2为稳压芯片的接口示意图；
19.图3为中央处理器的的接口示意图；
20.图4为无源滤波器的电路结构示意图；
21.图5为usb type-c口的示意图；
22.图6为柔性电路板与薄膜压力传感器的连接示意图；
23.图7为压力采集电路嵌在鞋垫中的示意图；
24.图8为lt8330升压芯片及其外围电路示意图；
25.图9为开关电路的结构示意图；
26.图10为充电管理电路结构示意图。
具体实施方式
27.下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
28.如图所示，本实施例智能矫形鞋垫系统包括鞋垫1，还包括电源管理电路、中央控制电路、压力采集电路、足底肌肉刺激电路和上位机2。
29.所述电源管理电路包括锂电池3和与锂电池连接并对外提供稳定工作电压的稳压芯片4。由于锂电池的电压会随着电量改变，不能为设备提供一个稳定的电压，因此使用了稳压芯片使电源电压持续稳定在3.3v。本实施例中采用型号为spx3819-3.3的线性稳压芯片。
30.所述中央控制电路包括中央处理器5和与中央处理器连接用于与上位机通讯的蓝牙模块6。本实施例中采用型号为stm32f103c8t6中央处理器，中央处理器用于实现数据采集、数据预处理、数据传输和电量监测。本实施例中使用型号为pw-01的蓝牙模块与上位机
进行通信连接，pw-01的蓝牙模块具有功耗超低、体积小、传输距离远、抗干扰能力强等特点。
31.所述压力采集电路包括柔性电路板7，所述压力采集电路还包括通过柔性电路板相互连接的压力传感器组、无源滤波器8和数据输出接口9，所述压力传感器组包括用于检测前脚掌压力的薄膜压力传感器10、用于检测足弓侧部压力的薄膜压力传感器10和用于检测脚后跟压力的薄膜压力传感器10，薄膜压力传感器的信号输出端通过柔性电路板与无源滤波器的信号输入端一一对应连接，无源滤波器的信号输出端通过柔性电路板与数据输出接口连接；数据输出接口通过数据线与中央处理器的信号输入端连接。所述鞋垫上设置有与压力采集电路相配的凹槽，压力采集电路嵌在凹槽中。
32.本实施例中数据输出接口9采用usb type-c口，具有体积小的优点。本实施例中无源滤波器由一个1μf电容和一个10kω电阻组成，电阻串联在电路中，电容一端与电阻的一端连接，电容的另一端接地，正常人平均自然步频为95～125步/分钟，该无源滤波器的截至频率约为16hz，完全满足该应用场景的需求。无源滤波器减少了电阻热噪声、温度等不稳定因素的影响。
33.所述足底肌肉刺激电路包括升压电路11、开关电路12和电极片13，所述升压电路包括升压芯片，升压芯片的电压输入口与稳压芯片的电压输出口连接，升压芯片的信号输入口与中央处理器的信号输出口连接；升压芯片的电压输出端通过开关电路与电极片连接，开关电路和电极片一一对应。本实施例中选择以36v作为最大刺激电压，并选择型号为lt8330的锂电池升压芯片。在使用时电极片贴在足底，一个薄膜压力传感器旁对应有一个电极片。
34.由于电刺激的时间过长，容易造成皮肤灼伤，因此足底肌肉刺激电路中设计了开关电路。本实施例中，所述开关电路包括两个三极管，第一个三极管的基极与中央处理器的信号输出口连接，第一个三极管的发射极接地，第一个三极管的集电极与第二个三极管的基极连接，第二个三极管的集电极与升压电路的电压输出端连接，第二个三极管的发射极与电极片连接。本实施例中第二个三极管的发射极具体通过音频接口与电极片连接。本实施例中采用的三极管型号为bc847cw，该三极管集电极和发射极的耐压为45v，基极和集电极的耐压为50v，集电极可流过的电流最大值为100ma，完全满足电刺激的所有参数需求。
35.作为对上述实施例的改进，本智能矫形鞋垫系统还包括与锂电池连接的充电管理电路。本实施例中充电管理电路采用型号为tp4056的充电管理芯片14，该充电管理芯片可以适合usb电源和适配器电源工作，具有便携式的优点。
36.作为对上述实施例的改进，所述用于检测前脚掌压力的薄膜压力传感器为四个，该四个薄膜压力传感器在鞋垫上与前脚掌对应的区域均匀分布；所述用于检测足弓侧部压力的薄膜压力传感器为一个，该薄膜压力传感器布置在鞋垫上与足弓侧部对应区域的中部；所述用于检测脚后跟压力的薄膜压力传感器为三个，该三个薄膜压力传感器在鞋垫上与足跟对应的区域均匀分布。薄膜压力传感器分布合理，能更全面准确的测量足底压力分布情况。
37.在具体实施中，电源管理电路、中央控制电路、升压电路、开关电路和充电管理电路可封装在一个盒子中佩戴在人体脚上或身上其它部分，携带方便。
38.本实施例中智能矫形鞋垫系统，在人体行走时通过设置在鞋垫中的压力采集电路
实时监测足底压力，中央控制电路对压力采集电路输入的信号进行预处理，并将预处理后的数据通过蓝牙模块发送给上位机，上位机根据收到的信号分析足底压力分布图，并将其与正常足底压力分布图进行对比，从而判断足底压力分布是否正常，并判断出足底异常高压的部位和该部位对应的电极片编号，并向中央处理器发送电极片编号数据，中央处理器再根据接收到的电极片编号数据控制升压电路工作升高输出电压及并控制对应的开关电路导通，使对应电极片放电从而对足底肌肉产生电刺激，以告知患者足底对应部位出现了压力异常，以便患者能及时的调整站立或行走姿态。上位机还可将分析的结果上传至云服务器进行存储，云服务器对用户以及医生提供相应接口，可随时查看足底压力的分布情况，从而实现医生和患者云端交流。
39.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。