CN103622709A - 一种鞋垫式步行输入传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种鞋垫式步行输入传感装置，包括：压力采集模块，用于接受到步行时安装在鞋垫上的各个压力传感器上传来的压力；数据处理模块，用于对压力采集模块采集的压力进行数据处理；无线通信模块，用于将处理的数据通过无线通信装置传送出去；数据分析模块，用于接受到数据后立刻对数据进行统一处理，然后将人类步行模拟重现。实施本发明，从鞋垫内的压力传感器内实时的采集压力数据，然后将数据处理后传输给PC机进行外部数据分析与处理，最后用这些数据将人类的步行状态在虚拟场景中模拟出来。
Description
技术领域
本发明涉及人机交互技术领域，具体涉及一种鞋垫式步行输入传感装置。
背景技术
压力传感器在步行姿态分析方面已经取得了应用，例如，将压力传感器设计成鞋垫形式，用于人体足底压力分布状态的测量；或者，将力敏电阻作为测力传感器，安装于鞋垫表面设计出鞋垫式测量***，并提出相位累加法进行步行姿态特征分析，从而得到各个时期的步态运动学参数。然而，到目前为止，还没有学者开展利用压力传感器的计数输出估计人体运动姿态的研究。
足底压力的大小与分布反映了人体腿、足结构等信息。当人体腿部或足部结构形态发生变化时，足底的压力分布会相应地发生变化，通过检测盒分析足底压力与相关参数，可以获取人体的运动姿态，运动速度和运动方向等方面的信息，这对穿戴式智能设备、虚拟现实的研究与实现具有重要意义。
足底压力分布测量已进行了20多年的研究，其发展历经了足印技术、足底压力扫描技术、力板与测力台技术、压力鞋与鞋垫技术。其中，压力鞋与鞋垫技术能够实时测量连续的步态压力分布，便于进一步的数字化分析处理，应用前景越来越被看好。最新研究的压力鞋和鞋垫是将传感器布置在鞋或鞋垫内，而信号处理与控制部分仍然由人体携带，如美国的F-Scan***、德国的Novel Pedar-X***和比利时的RSscan***，有***过于庞大、不便于动态分析和携带等局限。
发明内容
本文针对虚拟现实***中人类行走状态，将人类步行实时的在另外的场景中虚拟出来。本发明首先要从鞋垫内的压力传感器内实时的采集压力数据，然 后将数据处理后传输给PC机进行外部数据分析与处理，最后用这些数据将人类的步行状态在虚拟场景中模拟出来。
相应的，本发明实施例提供了一种鞋垫式步行输入传感装置，包括：
压力采集模块，用于接受到步行时安装在鞋垫上的各个压力传感器上传来的压力；
数据处理模块，用于对压力采集模块采集的压力进行数据处理；
无线通信模块，用于将处理的数据通过无线通信装置传送出去；
数据分析模块，用于接受到数据后立刻对数据进行统一处理，然后将人类步行模拟重现。
所述压力采集模块是利用压电陶瓷片的压电效应,将应力或应变转换成电压或电荷，再通过放大器进行放大和输出的装置。
所述数据处理模块采集从压力采集鞋垫模块获得的数据信息；所述数据处理模块由一个基于微处理器的电路板组成，包含一个低功率、高性能的8位AVR微处理器ATmegal6L，***元件和电源。
所述数据分析模块基于支持向量机的识别方法就能实时的判定实验者的运动行为。
实施本发明实施例，提供了一种便携式人体足底压力检测***的设计方法，将所有器件集成于鞋垫之中，具有体积小、易于携带等特点，实现了多路足底压力的可穿戴式检测、无线数据传输、显示及存储的功能，以此来模拟人类的步行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例中的基于压力传感器的运动识别***结构图；
图2是本发明实施例中的压力式力传感器的力学模型结构图；
图3是本发明实施例中的传感器结构示意图；
图4是本发明实施例中的传感器测量原理图；
图5是本发明实施例中的足底解剖区域结构示意图；
图6是本发明实施例中的传感器分布位置结构示意图。
具体实施方式
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本文针对虚拟现实***中人类行走状态，提出一种具有实际意义的方法，将人类步行实时的在另外的场景中虚拟出来。本发明首先要从鞋垫内的压力传感器内实时的采集压力数据，然后将数据处理后传输给PC机进行外部数据分析与处理，最后用这些数据将人类的步行状态在虚拟场景中模拟出来。
本文针对虚拟现实***中人类行走模拟再现，提出一种具有实际意义的方法。首先接受到步行时安装在鞋垫上的各个压力传感器上传来的压力，然后将这些数据统一进行处理，处理后将数据通过无线通信装置传送出去，接收器接受到这些数据后立刻对数据进行统一处理，然后将人类步行模拟重现。整个模块的设计如图1所示。
1、压力采集模块
1.1传感器工作原理
压电传感器是利用压电陶瓷片的压电效应,将应力(或应变)转换成电压(或电荷),再通过放大器进行放大和输出的装置。压电陶瓷片是其中的关键部件,从信号变换角度来看,压电陶瓷片相当于一个电荷发生器(q)。压电传 感器是由将外界力传递到压电陶瓷片的力学***、压电陶瓷片和将电荷传递到仪表的测量电路3部分构成。压电式力传感器的力学模型如图2所示：
图2中，F是作用在传感器上的力(待测力)，m是压电转换元件上的等效质量，k是等效刚度系数，c为等效阻尼系数，x为m相对于基座的位移。在F作用下，压电晶体产生的电荷量为
Q=dij F (1)
即传感器输出的电荷量与被测力F成正比,通过适当的测量***测出传感器的电荷量,也就实现了对力参量的测量。
1.2传感器的结构及分布
利用压电陶瓷元件制成三维传感器，其结构如图3所示。每个三维力传感器单元由3个压电元件粘贴在一块IC基板上组成，3个单元分别测量垂直力以及前向和侧向剪切力，3个部分是由同一材料、同一工艺制成而极化处理不同的压电陶瓷元件。陶瓷片I的极化方向为垂直方向,用以测量垂直力；陶瓷片Ⅱ、Ⅲ极化方向为水平方向，分别用以测量前向与侧向的剪切力，如图4所示。
从图4中可以看出，利用压电陶瓷检测原理，沿图示方向施以压力(剪力)，能够产生与力成正比的电荷及电压。在人体的解剖学上，人脚可以划分为若干个解剖区域，如图5所示。
人在步行、站立等运动中，这些解剖区域支撑着人体大部分重量，并调节着人体的平衡；测量这些部位的力可以获取下肢乃至全身的生理、结构及功能 等方面的大量信息。本***采集模块制成鞋垫式，左右各采集8个区域的受力情况。传感器分别置于与脚相对应的鞋垫区域上，如图6所示。
***包括左右2只测量鞋垫,每只测量鞋垫有8个测量点,每个测量点有3个传感器测量X,Y,Z3个方向上的力的分量,所以整个***内含48个传感器。保证每一个测量点X,Y,Z3个方向上的力采样的同步性,然后将采集到的数据传输进存储区域。
2、数据处理模块
数据处理模块采集从压力采集鞋垫模块获得的数据信息。该模块由一个基于微处理器的电路板组成，包含一个低功率、高性能的8位AVR微处理器ATmegal6L，***元件(电阻、电容等)和电源。该模块简洁轻便，可以通过线路与压力采集鞋垫模块连接，并便于与用户的鞋垫集成。
3、无线通信模块
无线通信模块的任务是将经过基于微处理器的数据处理模块处理后的数字数据实时地无线传输到后台。鞋垫内数据采集***的转换方法：在快闪随机存储器中重组原始信息并在步态测试后利用并行端口下载到PC中进行深入研究。
4、数据分析模块
无线通信模块把从压力传感器采集的数据传到计算机，经过计算机的数据处理，再用基于支持向量机的识别方法就能实时的判定实验者的运动行为。
由传感器发送来的数据，根据传感器受力的先后顺序，可判断出此时人实在前进还是后退。然后根据每只鞋垫上的8个传感器每个传感器X,Y,Z3个方向上的分量，根据人体运动特征计算出人的行走方向以及步幅，然后就可以得到模拟人类步行的数据。
综上，本发明提供了一种便携式人体足底压力检测***的设计方法，将所有器件集成于鞋垫之中，具有体积小、易于携带等特点，实现了多路足底压力的可穿戴式检测、无线数据传输、显示及存储的功能，以此来模拟人类的步行。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器（ROM，Read Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁盘或光盘等。
以上对本发明实施例所提供的一种鞋垫式步行输入传感装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (4)
1.一种鞋垫式步行输入传感装置，其特征在于，包括：
压力采集模块，用于接受到步行时安装在鞋垫上的各个压力传感器上传来的压力；
数据处理模块，用于对压力采集模块采集的压力进行数据处理；
无线通信模块，用于将处理的数据通过无线通信装置传送出去；
数据分析模块，用于接受到数据后立刻对数据进行统一处理，然后将人类步行模拟重现。
2.如权利要求1所述的鞋垫式步行输入传感装置，其特征在于，所述压力采集模块是利用压电陶瓷片的压电效应,将应力或应变转换成电压或电荷，再通过放大器进行放大和输出的装置。
3.如权利要求2所述的鞋垫式步行输入传感装置，其特征在于，所述数据处理模块采集从压力采集鞋垫模块获得的数据信息；所述数据处理模块由一个基于微处理器的电路板组成，包含一个低功率、高性能的8位AVR微处理器ATmegal6L，***元件和电源。
4.如权利要求3所述的鞋垫式步行输入传感装置，其特征在于，所述数据分析模块基于支持向量机的识别方法就能实时的判定实验者的运动行为。
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