便携式鞋底舒适性检测系统的研究

便携式鞋底舒适性检测系统

胡剑锋 岳博 武艳

（北京恒图科技有限公司 北京 100070）

摘要：便携式鞋底舒适性检测系统是测试人在站立和行走时，足底和鞋底之间压力的可视化工具。本系统由两部分组成：第一部分属于系统硬件部分，包括鞋垫阵列式压力传感器、接口电路、数据采集控制及数据处理模块、无线数据传输模块、充电电源供电模块；第二部分属于系统软件部分，包括实时数据采集显示模块、数据保存模块、数据回放模块、实时测试录像模块。本系统是采用无线通信，可以对人行走中的步态录像，以2D和3D图像直观的显示足底压力数据，并且可以回放数据打印数据报告以供研究分析。

关键字：鞋底舒适性 便携式 压力传感器 足底压力

Portable sole comfortable test system

HuJianFeng YueBo WuYan

 (Beijing Hengtu Technology Co., Ltd  Beijing 100070)

Abstract: Portable sole comfortable test system is a visualization tools, when standing and walking, testing pressure between sole and plantar. This system is composed of two parts: part  one is the hardware part, it includes insole array type pressure sensor, interface circuit, data acquisition control and data processing module, a wireless data transmission module, charging power supply module; part two is the software part, it includes Real-time data collection and display module, data storage module, data playback module, real-time test video recording module. The system is to use wireless communication, people walking gait in the video, can be displayed in a 2d and 3d image intuitive plantar pressure data, and can play back the data to print data for analysis.

Key words: sole comfortable; Portable; pressure sensor; plantar pressure

一、引言

行走是人类的基本活动之一，行走的过程中，足底局部的高受压会引起脚部的不适和病痛。足底压力分布相对分散则会减缓脚步的不适[1]。舒适性鞋底设计的理念在于将人体的重量平均分布于鞋底上，避免体重集中于脚尖的位置，并将重量的分布向脚后方向移动，降低穿高跟鞋的不适感[3、4]。本系统可以提供给两种用户使用，一是鞋设计者，应用本系统可以很直观的看到足底的压力分布，从而更快更好的设计出舒适的鞋子；一种是鞋子的客户，应用本系统可以很方便的挑选出适合自己穿的鞋子。

二、系统结构

(一)系统硬件部分

1.鞋垫阵列式压力传感器的原理与结构

鞋垫阵列式压力传感器是一个由960个压力传感器组成的106mm×305mm的鞋垫阵列式电阻式压力传感器，其工作原理与普通电阻式传感器基本相同。即接触力作用在力敏电阻元件上，力敏电阻元件将物理量转化为电阻变化，通过放大电路又转换成电压变化从而得到相关的力信息。此柔性阵列式压力传感器是由2片很薄的聚酯薄膜组成，一片薄膜的内表面铺设若干行的带状导体，另一片内表面铺设若干列的带状导体，当两片薄膜合为一体时，大量的横向导体和纵向导体的交叉点就形成了压力感应点阵列[2]。如图1。当外力作用到这些感应点上时，半导体的阻值会随外力的变化而成比列变化，由此来反映感应点的压力值。

图1 阵列式压力传感器结构

2.接口电路

传感器和数据采集系统是通过接口电路连接起来的，两个平行排线插头对应插到平行的插槽里。此接口电路是针对传感器接口的特殊性而设计，封装在铝盒中，为方便行走中测试足底压力分布，可以绑在测试者腿上。如图2所示。

图2 接口电路

3.数据采集控制及数据处理模块

数据采集控制及数据处理模块是通过基于STM32微处理器技术，实现对整个系统的控制，以及对采集到的数据的采集、处理和发送。主要是由STM32主控电路，74HC4051选择电路和模拟放大电路三部分。整个系统的示意图如图3所示。STM32主要功能是控制传感器通道的选择、数据采集以及无线传输等。74HC4051选择电路是通过STM32来控制的，即可以对传感器通道进行选择又节省了IO口。传感器信号经过模拟放大电路转换成放大的电压信号，由STM32采集输出给无线模块。

图3 数据采集系统

4.无线通信部分

通过SPI接口，STM32与无线数据传输模块进行数据交换，无线数据传输模块与PC机通过TCP/IP协议传输数据。

5.充电电源供电模块

供电部分是两节锂电池（规格：8.4V 2200mA）供给检测系统±5V的电压。为了方便检测系统的应用，加入了充电电路。3702具有恒流和恒压充电模式，非常适合锂电池的充电。各指示灯如图4所示。

图4 指示灯标识

(二)系统软件部分

1.实时数据采集显示模块

实时数据是通过无线数据传输模块发送过来，PC机接收，通过2D和3D图像显示。2D图像显示，用于显示足底受压状况，利用辅助线显示足底受压长度曲线、（重力）中心部位曲线、后脚跟最大压力点、前脚掌最大压力点、趾关节曲线、足底受压压力中心线等。3D图像将足底受压大小模拟成3D受力等高图，利用模拟的高度表示受力大小。使足底受力情况比2D图形更加直观。在统计信息区域内，可以得到相应测试结果的特征值。如图5所示。

图5 软件界面

2.数据保存模块

数据的图形显示是实时的，为了方便分析研究数据，可以点击保存按钮，那么测试的数据即可保存到用户指定路径和名称的文件中。

3.数据回放模块

    设计者需要看曾经测得的鞋底舒适性数据时，即可打开先前保存的数据，就可以看到数据的2D和3D图形，此过程中也可以暂停，快进，倒退等。设计者可以方便的看到自己想知道的数据。

4.实时测试录像模块

    通过USB摄像头自动监控测试者脚步及鞋子的状态，可以使设计者在操作软件里更好的观察被测对象的动作。

三、系统的应用

    目前鞋业制造设计中，仍然是依靠设计者的经验来完成设计，然后由测试者依据经验来体验舒适度，其缺点可想而知。舒适性检测系统用于鞋子的设计行业，为鞋设计者提供了数字化、形象化的参考数据，提高设计的目的性，减少重复设计，减少设计成本，并有效提高鞋制造的舒适度。也可以用于鞋制造过程中的检测，减少废品，降低制造成本。

参考文献：

[1]Sacco,I.C.N.;Amadio,A.C.,“A study of biomechanical parameters in gait analysis and sensitive cronaxie of diabetic neuropathic patients.”Clinical Biomechanics,Volume:15,Issur:3,March,2000,pp.196-202

[2]杨敏，陈洪，李明海。柔性阵列式压力传感器的发展现状简介【J】。航天器环境工程学报，2009,26（z1）：112-114.

[3]韦启航，陆文莲，傅祖芸，卢世璧。人体步态分析系统——足底压力测量系统的研制【J】。中国生物医学工程学报，2000,19（1）：32-40.

[4]袁刚，张木勋，张建华，足底压力分布测量系统及临床应用【J】。中国健康，2003,18（1）：22-25.