[发明专利]一种基于柔性力敏传感器的运动能耗监测鞋及其监测方法

说明书

技术领域

本发明涉及传感技术、运动生物力学、医疗卫生、康复医疗等领域，特别涉及一种基于柔性阵列压力传感器的运动能耗鞋及其监测方法。

背景技术

医学研究表明，人体营养过剩、能量代谢失衡是导致慢性代谢性疾病的一个重要原因，保持能量平衡是预防多种代谢综合症的基本前提。当摄入能量保持相对恒定时，人体能量平衡的本质就归结于寻找科学合理的个体运动形式和运动强度，维持人体总摄入和总消耗能量的平衡。因此个体日常体力活动的能量消耗测评成为现代健康管理和生物医学工程领域最重要的研究方向之一。

值得深思的是，虽然上世纪60年代就开展了基于身体加速度信息的运动能耗评测，并且直到今天这个方向仍是研究热点，开发了多种基于各种不同原理的运动能耗监测仪和计步器，但这些研究成果尚未真正成为指导普通大众科学健身、保持健康生活的生产力。研究成果更多地被用作科研采样的工具或面向高端人群，普通大众并未真正从中受益。这个现象看似不合理，但既然是客观存在就一定有其必然性。究其原因，我们认为有以下两点：第一，目前的能耗监测设备会给人的正常生产生活造成不便甚至限制(设备重量至少有几十克，且需放置在腰间或踝腕部位)、维护繁琐(功耗较大需经常更换电池)；第二，基于加速度信息的能耗模型可区分运动强度和运动模式，但难以对坡度、负重等因素进行建模分析。

以上不足制约了运动能量消耗测评方面的科学研究成果在全民健康领域真正发挥作用，也制约了预防医学、流行病理学等学科的发展。这里有两个关键的科学技术问题必须解决：(1)如何廉价便捷、对日常活动无干扰地获取个体体力运动的特征信息；(2)如何从这些运动特征信息中解析出实时能量消耗功率和总功。

现代运动生物力学应用影像测量、身体平衡测量、肌电测量、支撑反力测量及足底压力分布测量等方法，对人类行走时身体各部分，特别是下肢的运动和受力情况进行动态量化分析，这项研究逐渐发展为生物力学的一个特殊分支——步态分析。步态触觉特征信息包括由支撑相和摆动相等步态周期参数构成的时间信息；由步长、步宽、步频、步速、步向角等参数构成的空间信息；由地面支撑反力、水平剪切力、足底压力分布等参数构成的动力信息，还有关节摆动角度、人体重心加速度等。从完备性、重复性和唯一性等角度分析，步态触觉特征的时间信息、空间信息和动力信息在表征运动能量消耗特性方面要远远优于身体加速度信息，关键是能否找到便捷廉价且不干扰人体日常活动的信息采集方法。经对现有技术文献资料的检索发现，中国专利公开号为CN102727185A的发明专利公开了一种基于心率和加速度的运动能耗测量仪及测量方法,该发明建立基础能量消耗、心率和个性化参数的线性回归方程,利用加速度传感器测量运动加速度,进一步考虑不同方向的影响因素,结合体重在三个方向上分别实施对外做功计算,将心率和运动加速度有效结合,提升了测量精度，但实际使用中该发明会给人的正常生产生活造成不便甚至限制，干扰人体日常活动。

发明内容

本发明的技术解决问题：针对目前运动能耗测量的缺陷，提供一种基于柔性力敏传感器的运动能耗鞋及其监测方法，是一种成本低廉、易于穿戴、能耗计算准确且具有实时反馈功能的运动能耗监测设备。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

基于柔性力敏传感器的运动能耗监测鞋，其特征在于：包括安装有柔性力敏传感鞋垫的运动鞋和腕表。

所述运动鞋内放置所述柔性力敏传感鞋垫，穿在用户足部，用于采集用户足底压力分布信息。所述柔性力敏传感鞋垫包括柔性力敏传感器、信号调理电路、微控制器、ZigBee通讯模块、锂电池、电源管理模块和设备盒。微控制器对柔性力敏传感器进行扫描，调理电路对柔性力敏传感器输出信号进行滤波放大，接着微控制器对调理电路输出信号作A/D转换并对转换结果进行分析提取时间、步数、步频等步态信息，然后将步态信息数据通过ZigBee通讯模块发送给腕表；ZigBee通讯模块与微控制器之间采用SPI串行通讯方式连接；锂电池为系统提供电源，工作时间大于1000小时；电源管理模块为系统提供稳压、上电、断电和电池电量检测功能。

所述信号调理电路、微控制器、ZigBee通讯模块、锂电池和电源管理模块被封装在设备盒内部；设备盒内嵌在运动鞋底部；设备盒与柔性力敏传感器之间通过柔性引线连接。

所述柔性力敏传感器基于电阻式结构，上、下层柔性基材采用耐高温聚酯薄膜，并经过电晕处理以防止静电干扰，然后在基材上分层依次印刷导线银浆层、绝缘层、粘合丝印胶层以及应变电阻浆料层构成敏感层。上下敏感层组成网格状测量回路，压力敏感点位于网格的各个节点处。