一种电子压感传感运动鞋的设计方法

1.本发明属于脚型治疗与矫正技术领域，尤其涉及一种电子压感传感运动鞋的设计方法。


背景技术：

2.人在动态运动的过程中，脚部不同位置的受力情况各不相同，错误的脚部受力可能会缩短运动鞋的使用寿命，降低运动鞋带给使用者的舒适感，甚至导致使用者的足部功能缺陷，而现有市场上的运动鞋功能较为单一，其设计缺乏对人体工学的考虑，不能很好的满足正常使用者或脚型患者的个性化需求，本发明关键在于做出对压力产生光线提示的压感电路，通过对压感材料的研究，选择压阻式压力传感器，在压阻式压力传感器中，薄膜压力传感器极其轻薄，并且具有很好的柔韧性和耐折性，使用方便、外接输出电路方式简单，设计材料即选用薄膜压力传感元件，因此，发明一种预防和矫正脚型偏斜且可以弥补现有运动鞋功能较为单一的缺陷的一种电子压感传感运动鞋的设计方法是亟需解决的问题。


技术实现要素：

3.针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种电子压感传感运动鞋的设计方法，在于做出对压力产生光线提示的压感电路，同时以不同压感元件落点位置的实验数据为参考，供研究者在脚型治疗与矫正以及功能鞋设计领域，针对性的做出更多符合人体工学和脚型差异的设计，通过个性化的鞋垫、鞋底和鞋侧等设计，保护正常使用者的跖骨关节，矫正使用者的足外翻情况，并且预防和矫正脚型偏斜等问题，弥补现有运动鞋功能较为单一的缺陷，从人体工学出发，更好的满足不同人群对功能性运动鞋的需求。
4.本发明采用的技术方案如下：一种电子压感传感运动鞋的设计方法，其特征在于针对整套压力感应运动鞋，做出对压力产生光线提示的压感电路，合理选择压感原件的落点位置，主要步骤是：(1)压力感应电路设计，(2)鞋底结构模型与内嵌电路设计，(3)跖骨关节位置平放元件的实验设计，(4)鞋头底面位置平放原件的实验设计，(5)脚掌外侧位置平放原件的实验设计，其中：
5.(1)压力感应电路设计：
6.选择薄膜压力传感元件作为设计材料，搭建可实现压感灯光提示的电路，使用到元件材料：导线、电池、发光二极管、三极管、薄膜压阻、不同阻值的电阻以及发光灯带。
7.(2)鞋底结构模型与内嵌电路设计
8.鞋底结构使用分层的设计方式。
9.①
将压感电路设备置于挖空凹槽的鞋底内部，制作合适形状的凹槽卡住电池和集成电路板设备，并且在此处连接灯带和薄膜压阻元件，将灯带环绕于鞋底的外侧一周作为外部装饰。
10.②
在压感设备上层设计防水隔离，在该防水隔离层的边缘使用双面魔术贴。
11.③
在顶层放置舒适合脚的鞋垫，完成整个鞋底的结构设计。
12.(3)跖骨关节位置平放元件的实验设计
13.①
0不同跖骨位置处放置压感元件，根据感应提示光，获得不同感应点位置的压力作用时间和压力开始时间，综合分析得到人们日常运动的跖骨关节受力状况，判断穿着者的步态情况，以此提示穿着者在运动过程中注意改正步态。
14.②
根据脚跟落地到灯亮起的时间数据，可知在日常运动中第2～3跖骨承受着较大的压强，之后依次为第四跖骨、第一跖骨，最后为第五跖骨，根据这五个点所受压强的排序情况，改善鞋垫的结构设计。
15.(4)鞋头底面位置平放原件的实验设计
16.①①
压感元件放置在鞋头底面的四个不同位置，感应点由于受到压力而使提示灯亮起，实现脚底面向前滚动而提示灯亮起，警示行人及来往车辆注意避让夜跑运动者。
17.②
将压感元件放在鞋头底面靠近脚掌内侧的位置，感应灯亮起的持续时间最长，有效提示他人注意避让夜跑或夜走运动者。
18.(5)脚掌外侧位置平放原件的实验设计
19.①
在脚掌外侧位置平放压感元件，获得轻微至中度足外翻实验者以及正常脚步姿态的实验者足部外侧感应点位置的受压时间情况和受力状况，通过增加鞋子内侧边缘硬度和耐磨度，避免鞋子的过度磨损。
20.②
在鞋垫设计上反向增加倾斜高度，根据不同足外翻患者测试出来的压力时间情况，调整鞋垫反向倾斜的高度，产生对抗力帮助调整和矫正足外翻现象，同时足外翻患者可以自查自身的足外翻矫正情况。
21.作为本方案的一种优选技术方案，通过在跖骨关节位置放置压感元件，测得大部分人在第二到第三跖骨关节位置承受压强最大，因此可以在鞋垫的设计上多考虑保护跖骨关节的设计，比如在不同点位置可以做不同减震量级的蜂窝结构，并且可以根据个人跑步习惯进行五个点位置的调整分布，并且还可以设置内部的吸力弹簧，均匀分散脚掌落地时的压强，提高运动时接触地面的安全度。
22.作为本方案的一种优选技术方案，通过在脚掌外侧放置压感元件，测得足外翻人士在该点位置比普通人多了将近一倍的作用力时间，脚掌两侧受力时间不均且差异较大，因此对于足外翻的脚型而言，可以在鞋侧和大底上做更多的设计，比如在鞋的大底内侧适当提高倾斜面，矫正足外翻使用者日常走路时的重心分布情况，同时鞋面内侧可以增加硬度来更好地支撑，对抗脚型的向内作用力，使足外翻人士的重心保持在中立位，预防和矫正脚型偏斜。
23.采用上述结构后，本发明有益效果如下：本发明一种电子压感传感运动鞋的设计方法，在于做出对压力产生光线提示的压感电路，同时以不同压感元件落点位置的实验数据为参考，供研究者在脚型治疗与矫正以及功能鞋设计领域，针对性的做出更多符合人体工学和脚型差异的设计，通过个性化的鞋垫、鞋底和鞋侧等设计，保护正常使用者的跖骨关节，矫正使用者的足外翻情况，并且预防和矫正脚型偏斜等问题，弥补现有运动鞋功能较为单一的缺陷，从人体工学出发，更好的满足不同人群对功能性运动鞋的需求。
附图说明
24.附图用来提供对本方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实
施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
25.图1为本方案一种电子压感传感运动鞋的设计方法的压感电路设计图；
26.图2为本方案一种电子压感传感运动鞋的设计方法的鞋底结构模型与内嵌电路实物展示图；
27.图3为本方案一种电子压感传感运动鞋的设计方法的压感元件实验测试点位置图；
28.图4为本方案一种电子压感传感运动鞋的设计方法的实验者在位置1～5的亮灯持续时间测量结果图；
29.图5为本方案一种电子压感传感运动鞋的设计方法的实验者在位置1～5脚跟落地至灯亮起的时间总和测量结果图；
30.图6为本方案一种电子压感传感运动鞋的设计方法的随机四位实验者各个跖骨关节位置的压力作用时间分布差异情况图；
31.图7为本方案一种电子压感传感运动鞋的设计方法的实验者在位置1～5脚跟落地至灯亮起的时间平均数值图；
32.图8为本方案一种电子压感传感运动鞋的设计方法的鞋垫对应跖骨关节位置的压强情况示意图；
33.图9为本方案一种电子压感传感运动鞋的设计方法的压感元件实验测试放置位置图；
34.图10为本方案一种电子压感传感运动鞋的设计方法的鞋头底面不同位置亮灯持续时间的平均数据图；
35.图11为本方案一种电子压感传感运动鞋的设计方法的压感元件实验测试放置位置图；
36.图12为本方案一种电子压感传感运动鞋的设计方法的脚掌外侧亮灯持续时间的平均数据对比图。
37.在附图中：1、薄膜压阻，2、三极管，3、发光二极管，4、电池，5、凹槽，6、压感电路设备，7、薄膜压阻，8、灯带，9、防水隔离层，10、双面魔术贴，11、，12、，13、，14、，15、，16、，17、，18、，19、，20、，21、，22、，23、，24、，25、，26、，27、，28、，29、，30、。
具体实施方式
38.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
40.如图1-图12所示，一种电子压感传感运动鞋的设计方法，包括
41.(1)压力感应电路设计
42.图1中，半导体三极管作为信号放大器，由于发光灯带功率较大，因此增加电路的三极管配置来驱动控制该大电流设备，把电路的微弱信号放大成幅度值较大的电信号；发光二极管用于显示、指示该电路是否通路以及完备情况，具有和发光灯带一样的显示不同光线强弱的功能；薄膜压力传感器作为电路中的变化电阻，电阻值可由极小值变为极大值，相当于整个压感电路的开关，无压力接触时阻值极大，整个电路相当于断路，压力增加时，薄膜压阻的阻值减小，通过电路的电流增大，从而使发光灯带越来越亮。
43.(2)鞋底结构模型与内嵌电路设计
44.图2中，在鞋底结构的设计上，使用分层的方式，首先将压感电路设备置于挖空凹槽的鞋底内部，制作合适形状的凹槽可以恰好卡住电池和集成电路板设备，并且在此处连接灯带和薄膜压阻元件，将灯带环绕于鞋底的外侧一周作为外部装饰，在压感设备的上层设计了一层防水隔离，可以防止进水导致短路等安全问题的发生，并且该防水隔离层的边缘使用双面魔术贴的方式，可以灵活的取下和安放，更换电池时只需将该层撕开即可进行电池的替换，最后在顶层放置舒适合脚的鞋垫，完成整个鞋底的结构设计。
45.(3)跖骨关节位置平放元件的实验设计
46.①
根据人体足部的结构，可知正常人在动态运动的时候，脚底的第1～5跖骨关节为主要的受力点，本次实验选择在这五个位置处放置感应压力的元件，采集这5个部位在动态运动时的压力状况，图3中，压感元件1～5位置分别代表ch1、ch2、ch3、ch4、ch5五个跖骨关节点。
47.②
根据选取的5个测量点，分别将压感元件贴在鞋垫上面的这5个对应跖骨的位置，若该点位置在运动的过程中感受到了压力，鞋外侧的提示灯带就会亮起，压力消失则灯也熄灭，压感元件的灵敏度很高，可以满足行走时的动态测量，由于压感元件很薄，方便固定，所以不会影响受试者正常站立和走路。
48.③
进行测量时选取二十名实验者，在没有负重的条件下正常平稳走路，并且步幅尽量保持一致，为了排除刚起步时的不稳定性因素，选取起步后第3～8秒的亮灯数据，对于压感元件放置的5个对应位置，分别同样做实验和记录，测取实验者足和地接触时的压力开始时间和作用持续时间。
49.④
实验者的5个测力点位置的亮灯持续时间总和(采用第3～8秒行走过程中的数据，单位：帧，1帧≈3.3
×
10-2秒)，以及脚跟落地到灯亮起的时间总和(采用第3～8秒行走过程中的数据)可见下表，计算每名实验者5次亮灯持续时间总和的平均值，分别记为d1，d2，d3，d4，d5，再分别将各个位置的数据与平均值作差，可得该点位置与平均值的差异情况，图4中、图5中，可以清晰的看出每位实验者各个跖骨关节位置的压力作用时间分布差异的情况，图6中，柱状图差距越大的实验者，说明其脚部五个跖骨关节的受力时间越不均匀，某柱形数据越大，说明压力在该点位置的作用时间最久。
50.实验者在位置1～5的亮灯持续时间数据
[0051][0052]
实验者在位置1～5脚跟落地至灯亮起的时间数据
[0053]
[0054][0055]
④
图7中，计算五个压感元件位置“脚跟落地至灯亮起的时间总和”的平均值，将该五项平均数值从小到大排列，可以看出五个跖骨位置开始受力的不同时间顺序，平均时间最大的点表明该位置最晚接触到压力，该时刻脚掌已经快离开地面，此时该跖骨关节的弯曲程度最大，与地面的接触面积最小，因此该位置所受的压强最大，根据五个位置的数据从小到大排列，将5处压感元件点位置绘制到对应的鞋垫位置，点位置的颜色从浅到深，图8中，可更清晰直观的看出，何处的点位置所受压强最大。
[0056]
⑤
对于亮灯持续时间的数据收集与分析而言，可以根据压感元件在不同跖骨关节收集到的压力作用时间，来判断穿着者的步态情况，压力在五个跖骨关节作用时间差异大的话，可以通过直观的柱形图来反映出来，并且提示穿着者在运动过程中可以注意改正步态；柱状图的分布若是显示两侧跖骨位置压力作用时间较久，对于足外翻或足内翻倾向的人而言，可以帮助他们更及时地认识到这一足部问题，及时改善足部的走路习惯；柱状图的分布若是较为均匀，以及中间点位置的受力时间相对较长，说明使用者走路的重心在垂直线足部中间的位置，可以更稳健的行走和运动。
[0057]
⑥
对于脚跟落地到灯亮起的时间的数据而言，通过分析可知，在日常运动中第2～3跖骨承受着较大的压强，之后依次为第四跖骨、第一跖骨，最后为第五跖骨，为此，可以根据这五个点所受压强的排序情况，来改善鞋垫的结构设计。
[0058]
(4)鞋头底面位置平放原件的实验设计
[0059]
①
根据鞋头部分的形状，可知平放鞋子时前部有微微的向上翘起，当走路或跑步时，脚掌的滚动会让鞋头底面逐渐接触地面，因此，本次实验选择在鞋头底面的四个位置处
放置感应压力的元件，采集这4个部位在动态运动时提示灯的亮灯时间。
[0060]
②
进行测量时选取二十名实验者，在没有负重的条件下正常平稳走路，并且步幅尽量保持一致，为了排除刚起步时的不稳定性因素，选取起步后第3～8秒的亮灯数据，对于压感元件放置的4个对应位置，分别同样做实验和记录，测取不同位置时提示灯亮灯的持续时间。
[0061]
③
图9中，序号1～4分别代表压感元件上述的四个放置位置，下表中，列出实验者的4个压感元件位置的亮灯持续时间总和(采用第3～8秒行走过程中的数据)，以及不同放置位置的亮灯持续时间总和的平均数值，可见图10。
[0062]
鞋头底面不同位置的亮灯持续时间测量数据
[0063][0064]
鞋头底面不同位置亮灯持续时间的平均数据
[0065][0066]
④
通过对比分析可得，第一位置点(即最靠近脚底内侧的点)所受的压力时间最
长，随着压感元件逐渐向外移动位置，越往外的位置受力时间越短，也就是说，当压感元件放置在离脚底面越靠近内侧的位置，感应灯亮起的持续时间最长。
[0067]
⑤
为了使感应灯伴随日常运动者的步伐亮的时间更长久，可以将压感元件放在鞋头底面靠近脚掌内侧的位置，该位置压力作用的时间最久，因此这样整个提示灯的系统工作时间总计最长，可以伴随着运动的动态过程更有效地提示他人注意避让夜跑或夜走运动者。
[0068]
(5)脚掌外侧位置平放原件的实验设计
[0069]
①
图11中，由于足外翻的基本外翻部位出现在前脚掌和后脚跟，在正常平稳行走中，正常姿势测试者和足外翻测试者脚部姿态不同，尤其是脚掌外侧的受力状态不同，因此本次实验选择在前脚掌外侧放置压力感应元件，采集该位置在动态运动时提示灯的亮灯时间。
[0070]
②
进行测量时选取五名轻微足外翻实验者，在没有负重的条件下正常平稳走路，并且步幅尽量保持一致，为了排除刚起步时的不稳定性因素，选取起步后第3～8秒的亮灯数据，同时选取十五名正常足部实验者，对于压感元件放置的该位置，分别同样做实验和记录，测取该测试点位置的亮灯持续时间。
[0071]
③
下表中列出正常足部实验者在该测试点位置的亮灯持续时间总和(采用第3～8秒行走过程中的数据)，以及足外翻实验者在该测试点位置的亮灯持续时间总和(采用第3～8秒行走过程中的数据)，图12中，列出正常足和外翻足实验者在脚掌外侧测试点位置的亮灯持续时间总和的平均数值。
[0072]
脚掌外侧位置的亮灯持续时间测量数据(正常足)
[0073][0074]
脚掌外侧位置的亮灯持续时间测量数据(外翻足)
[0075][0076]
④
通过对比分析可得，在脚掌外侧位置足外翻患者比正常足部人士多了将近一倍的受力时间，该位置长时间的受力将会使鞋子内侧边缘产生磨损严重的情况，后续将更不利于姿态的矫正，根据该点位置测试出来的结果，为了能更好地帮助足外翻患者矫正足部姿态，一是可以在鞋子内侧边缘增加硬度和耐磨度，更好地避免鞋子的过度磨损情况；二是可以在鞋垫的设计上反向的增加倾斜高度，根据不同足外翻患者测试出来的压力时间情况，来调整鞋垫反向倾斜的高度，产生对抗力帮助调整和矫正足外翻现象，并且足外翻患者还可以以正常足部人士的测试数据作为标准，以此来自查自身的足外翻矫正情况。
[0077]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。总而言之如果本领域的普通技术
人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。