技术领域
[0001] 本
发明涉及智能
鞋垫领域，特别涉及一种基于肌电采集和云平台分析的多功能智能鞋垫。
背景技术
[0002] 根据市场调研机构Technavio的最新数据，全球鞋垫市场将以7%的年复合增长率增长，到2021年市场价值将达36亿美元，鞋垫市场需求量非常大；随着人们生活
水平越来越高，人们所需求的不再仅限于鞋垫本身，更注重于鞋垫的扩展功能，即智能鞋垫；目前市面上关于鞋垫的扩展功能有以下几种：医疗康复鞋垫、智能监测鞋垫、蓝牙通信鞋垫、北斗
跟踪鞋垫、充电鞋垫、加热鞋垫、运动
姿态判断鞋垫等。
[0003] 对于鞋垫的康复及运动捕捉功能，目前大多只能做到判断和评价，少有的几个用于训练的鞋垫只能做到间接提醒，而无法做到直接进行操作简单的训练，例如，已有的一种
远程医疗模式下用于康复训练的智能鞋垫（中国发明
专利CN108464832A），包括底端层、
中间层和顶端层，该鞋垫实现了对患者的远程康复医疗功能，该智能鞋垫的不足之处为：鞋垫仅用于采集患者信息，传到医院系统，为以后的康复训练做指导，而无法实现在不用医生的指导下而直接进行康复训练。
[0004] 对于鞋垫的加热功能，目前只有无目的的加热，而不能去控
制鞋垫的具体
温度，例如，已有的一种可快速充电连接的智能鞋垫加热组件及智能加热鞋垫（中国实用新型专利CN207836886U），包括鞋垫加热控
制模块及匹配所述鞋垫加热
控制模块的充电线材模块等。该鞋垫实现了鞋垫可加热的功能，该智能鞋垫的不足之处为：此加热方式属于盲目加热，无法做到人为控制具体温度大小来满足不同领域的需求；目前市面上的智能鞋垫功能单一，功能集成性差，因此现有智能鞋垫只适用于特定的人群，而无法更为广泛地推广。
发明内容
[0005] 本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，公开了一种基于肌电采集和云平台分析的多功能智能鞋垫，集导航、脚型及步态矫正、均匀分布热量三个功能于一体，使用简便，可满足了不同领域人的需求。
[0006] 本发明的技术方案如下： 本发明公开的一种基于肌电采集和云平台分析的多功能智能鞋垫结构包括导航模块、脚型及步态矫正模块、均匀热量模块、锂
电子电池模块、云平台和上位机
软件；所述导航模块、脚型及步态矫正模块、均匀热量模块分别实现导航、脚型及步态矫正和均热功能，且三个模块都采用
嵌入式系统设计，功能独立、结构统一。
[0007] 所述导航模块包括北斗芯片、小型自动充放气气囊、震动片、蓝牙WIFI模块和控制
电路；所述震动片的震动由
电刺激仪实现；所述震动片贴在小型自动充放气气囊内侧近体侧；所述智能鞋垫的导航功能主要针对聋哑人群，可用于提示其左转、右转，提示方式有小型自动充放气气囊提醒和震动片提醒两种提示方式；所述控制电路控制北斗芯片信息传送、小型自动充放气气囊提醒方式与震动片提醒模式的选择与转换。
[0008] 所述脚型及步态矫正模块包括12个小型运动气囊、肌电采集器、足底压
力采集器、姿态采集器、
电子电路、蓝牙WIFI模块；所述小型运动气囊未启动时是一层
薄膜，启动后鼓起，呈小球状，用于
挤压肌肉；所述12个小型运动气囊分别位于人体足底7块肌肉和5个脚趾处（踇展肌、拇长屈肌
腱、拇短屈肌、小趾展肌、趾短屈肌、小趾短屈肌、蚓状肌及5个脚趾）；所述肌电采集器由12个肌电
传感器组成，用于实时监控肌肉状况，通过测定肌肉
纤维收缩的
波动幅度，并进行云平台分析，来判断身体部位的运动的生理数据；所述足底压力采集器采用压阻式柔性足底
压力传感器，用于灵敏采集足底压力
信号；所述姿态采集器采用九轴姿态传感器，用于全方位采集人体运动瞬时
位置、
加速度等运动参数，并与云平台相连进行
大数据挖掘分析；所述电子电路和蓝牙WIFI模块实现
数据采集控制、数据缓存、数据的无线发送接收和小型运动气囊充放气控制。
[0009] 所述均匀热量模块包括温度传感器、A/D和D/A转换器、嵌入式控制系统、电子电路和8个电刺激发热孔；所述嵌入式控制系统将采集的温度数字信息进行均值加权运算，实现对肌肉块温度的控制；所述8个电刺激发热孔位于脚型及步态矫正模块的小型运动气囊下，其中7个电刺激发热孔位于足底7块肌肉的小型运动气囊下，第8个电刺激发热孔通过导热薄
铜片
覆盖5个脚趾。
[0010] 所述锂电子电池模块是由微型锂电子
电池组串联组成，为智能鞋垫提供充足的
电能，并可实现快速充电。
[0011] 所述云平台包括
数据库模块与运算单元模块，所述数据库模块用于储存患者的身体检测数据、医生的诊疗记录及其数据运算结果；所述运算单元模块从数据库读取所需数据进行运算进而建立病理模型，根据已知的
疾病发病时的步态，构建相关病状的
基础病理模型，可以对患有疾病导致步态不正常的患者进行匹配判别。
[0012] 所述上位机
软件包括智能手机APP和PC机软件，用于方便设置和操作智能鞋垫的各功能模块，并方便与医院或训练机构进行远程连接。
[0013] 所述的一种基于肌电采集和云平台分析的多功能智能鞋垫的导航模块与脚型及步态矫正模块，其特征在于：所述导航模块与脚型及步态矫正模块通过蓝牙或WiFi无线传输方式与上位机通信；所述导航模块的提示功能选择在手机APP上进行，通过无线方式与导航模块进行通信，此外，用户的移动方位也通过无线方式传输到手机APP；所述脚型及步态矫正模块采集的数据，通过无线方式传输至上位机后进行云平台分析，将分析结果转化为指令，并采用无线方式传输到电子电路的接收器，控制小型运动气囊充放气；所述鞋垫通过肌电传感器监测足底肌
电信号、通过足底压力传感器监测足底压力信号、通过姿态传感器监测运动，三者结合并送到云平台分析，综合实现对脚型及步态精确高效的矫正；所述均匀热量模块的嵌入式系统通过均值加权
算法，对8个电刺激发热孔的温度进行单独控制及整体控制。
[0014] 本发明与
现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：基于肌电采集和云平台分析的多功能智能鞋垫，属于智能鞋垫技术领域，包括导航模块、脚型及步态矫正模块、均匀热量模块、锂电子电池模块和上位机软件；该鞋垫集导航、脚型及步态矫正、均匀分布热量三个功能于一体，大大扩展了普通鞋垫的功能：在导航方面，通过鞋垫特定部位的地方震动来方便地提示左右转、前进与后退，实现不用语音提示的导航，尤其是对聋人进行导航；在脚型及步态矫正功能方面，通过实时监测足部七大肌肉以及五个脚趾的运动信息，采用气囊设计对动作进行脚型及步态矫正，结合云平台分析，可满足不同人群的实际需求，如对足部肌肉患者可进行直接康复医疗，对运动员实现足部肌肉以及运动姿态的矫正及训练，对普通人达到保健的目的；均匀分布热量功能还可有效防止运动抽筋；该鞋垫功能多，适用面广，操作简单便捷，便于推广。
附图说明
[0015] 图1是所述基于肌电采集和云平台分析的多功能智能鞋垫分层结构图。
[0016] 图2是所述基于肌电采集和云平台分析的多功能智能鞋垫中层布局图。
[0017] 图3是所述基于肌电采集和云平台分析的多功能智能鞋垫外观布局图。
[0018] 图4是所述基于肌电采集和云平台分析的多功能智能鞋垫功能的实现简图。
[0019] 在图1至图4中：1—导航模块 2—脚型及步态矫正模块 3—均匀热量模块
4—锂电子电池模块 5—蓝牙模块 6—鞋垫顶层保护层
11—北斗模块 12—小型运动气囊 13—电刺激震动片
21—小型自动充放气左气囊 22—小型自动充放气右气囊 23—肌电采集器
24—足底压力采集器 25—姿态采集器 31—温度传感器
32—嵌入式系统 33—电子电路 34—
导管35—脚趾电刺激发热孔 36—电刺激发热孔。
具体实施方式
[0020] 下面结合附图及
实施例进一步详细介绍本发明的具体结构、工作原理的内容。
[0021] 如图1所示的基于肌电采集和云平台分析的多功能智能鞋垫，其结构包括导航模块1、脚型及步态矫正模块2、均匀热量模块3、锂电子电池模块4和上位机软件；并采用三层设计，即顶层、中层和底层；顶层是一层薄膜，用于覆盖保护中层及以下电路和装饰鞋垫；中层包括脚型及步态矫正模块2和均匀热量模块3；顶层和中层之间的前脚掌和后脚跟处分别置一块脚垫，使用户穿着舒适；底层放置导航模块1，底层后部较厚，内含锂电子电池模块4。
[0022] 如图1所示的脚型及步态矫正模块2包括12个小型运动气囊12、肌电采集器23、足底压力采集器24、姿态采集器25、电子电路33、蓝牙WIFI模块5；所述小型运动气囊12未启动时是一层薄膜，启动后鼓起，呈小球状，用于挤压肌肉；所述12个小型运动气囊12分别位于人体足底7块肌肉和5个脚趾处（踇展肌、拇长屈肌腱、拇短屈肌、小趾展肌、趾短屈肌、小趾短屈肌、蚓状肌及5个脚趾）；所述肌电采集器23由12个肌电传感器组成，分别位于各小型运动气囊12之下，用于实时监控肌肉状况，通过测定肌肉纤维收缩的波动幅度，来判断身体部位的运动状态和肌肉疲劳情况等生理数据；所述电子电路33和蓝牙WIFI模块5实现数据采集控制、数据缓存、数据的无线发送接收和小型运动气囊充放气控制；适用于各种不同需求的用户，正常人可以用于跑步时纠正跑步姿势以利于
膝关节等骨骼良好发育和保养，足部患者可以用于刻意锻炼足底某块肌肉以高效进行康复训练，运动员可用于脚型及步态矫正具体动作中肌肉的发力程度以及肌肉发力位置，例如，一项体育运动的正确动作是小趾展肌轻微发力，若某运动员发力过大而使动作
变形，该足底鞋垫的肌电传感器采集到的信息通过云平台分析后可知运动员发力过大，并将信息通过蓝牙快速传递到电路，控制该肌肉对应的小型运动气囊充气，挤压发力过大的肌肉来告知运动员；通过这种长时间训练，可使运动员动作准确和优雅，进而提高比赛成绩；所述电子电路33采用轻
导线条搭建，重量小，用户穿着舒适，感受不到有电路的存在；所述足底压力采集器24采用压阻式柔性足底压力传感器，压阻式柔性足底压力传感器放置于智能鞋垫中层，实时采集行走运动过程中人体足底的受力情况数据；所述姿态采集器25采用九轴姿态传感器，九轴姿态传感器包含三轴加速度传感器、三轴
陀螺仪和三轴磁感应传感器，可以得到运动中人体在空间中的
角度、
角速度、
角加速度和位置；压阻式柔性足底压力传感器采集到的数据与九轴姿态传感器采集到的数据进行加权融合，提高人体跳跃指标综合评测
精度；所述压阻式柔性足底压力传感器为双面感应大幅面压力传感涂层，其薄膜基材上有压力敏感油墨，通过先进丝网印刷制成，各压力敏感油墨模块通过导线丝相连，当压力传感涂层受到外界压力时，其
电阻随压力的增大而减小，电阻的倒数与压力近似直线关系，通过上位机软件对数据进行处理，即可获得人体跳跃过程中足底压力的大小和分布情况。
[0023] 如图1所示的锂电子电池模块由两块标称
电压为3.7V的微型锂电子电池串联组成，为智能鞋垫提供充足的电能，并采用VOOC闪充充电技术实现快速充电，其充满电电压为4.2V，过放电保护电压：2.7V±0.1V，过
电流保护电压：3.0±1.0A（2.7V 4.25V），容量为~
5000毫安，厚度为5.6mm，宽度为54mm，长度为90mm，该电池带保护板以防止过充/过放/
短路/过流等保护。
[0024] 如图2所示的均匀热量模块3包括温度传感器31、A/D和D/A转换器、嵌入式系统32、导管34、电子电路33和8个电刺激发热孔36；所述嵌入式系统32将采集的温度数字信息进行均值加权等运算，实现对肌肉块温度的控制；所述导管34控制8个电刺激发热孔的温度调节；所述8个电刺激发热孔36位于脚型及步态矫正模块的小型运动气囊12下，其中7个电刺激发热孔位于足底7块肌肉的小型运动气囊下，第8个电刺激发热孔覆盖5个脚趾；所述均匀热量模块3通过温度传感器31采集到足底各块肌肉周围的温度，通过A/D转换器将温度变为
数字信号，传至嵌入式系统32进行希望做的数学运算，所述数学运算的选择与设置可与手机APP上进行，嵌入式系统32计算完成后，转入电子电路33，对想控制的肌肉进行升温或降温；嵌入式系统32通过平均加权运算操作，均值运算算法为T=(t1+t2+⋯+t8)/8
其中t1到t8时每个温度传感器的采集到的温度数据，即将8个温度传感器采集到的温度数据取均值；加权算法即以平均温度值为基准，令某一个温度传感器下对应的电刺激发热孔温度为平均值的n倍，其中n取1 2：
~
T1=(t1+t2+⋯+t8)/8
t=n*T1
将数据传输到各个肌肉块，使每块肌肉均达到某一相同的舒适温度值，这对人脚防抽筋有重要作用；若对数据进行加权运算操作，可对某一块具体的肌肉进行升温和降温，这对足底肌肉
运动障碍患者的肌肉康复有重大意义；发热功能采用电生热的原理，通过电刺激仪来实现；所述均匀热量模块3的
温度控制采集装置包括温度传感器、电刺激发热仪、通
风口和嵌入式控制系统；当温度传感器采集的数据经嵌入式系统计算后，将计算值通过电子电路传输到D/A转换器，最终送到各个电刺激发热仪，各个电刺激发热仪将根据数据大小进行温度的输出调节；当某块区域需要降温时，嵌入式系统将通过电路控制位于每个电刺激发热仪下面的
通风口的开闭，通风口打开时，该区域的温度将降低；震动功能是通过电刺激仪来实现，当导航功能启用时，聋哑人听不到声音，可通过足底震动来提示其进行左右转、前进与后退，产生震动的电刺激仪分别位于第一脚趾、第五脚趾处、脚掌骨外侧及脚掌骨内侧；当北斗观测到左右转信号时，将通过蓝牙或WIFI无线通信到智能鞋垫的电子电路，以控制电刺激仪的工作；当需要左转时，位于左端的电刺激仪会产生电刺激，以告知聋哑人需要左转，右转时则为与右侧的电刺激仪产生电刺激；前进与后退提醒与左右转原理相同。
[0025] 如图3所示的导航模块1包括北斗芯片、小型自动充放气左气囊、小型自动充放气右气囊、电刺激震动片、蓝牙WIFI模块和控制电路；所述右电刺激震动片贴在小型自动充放气右气囊内侧近体侧；所述左电刺激震动片贴在小型自动充放气左气囊内侧近体侧；所述控制电路控制北斗信息传送、小型自动充放气气囊提醒方式与电刺激震动片提醒模式的选择与转换；所述导航模块通过北斗芯片得到具体路况信息和具体行进指令，例如左转或右转，将指令经过A/D转换，通过控制电路传至相应左右小型自动充放气气囊或左右电刺激震动片，小型自动充放气气囊通过充气或电刺激震动片通过震动提醒行人左转或右转；所述小型自动充放气气囊模式和左右电刺激震动片模式的选取由控制电路控制，用户只需在手机APP上进行简单的选取操作即可。
[0026] 如图4所示的上位机软件包括
可视化界面、
接口和软件程序部分；其可视化界面简洁优雅，易于操作，界面背景可自定义，适用于各年龄段的用户；其接口可使该软件与云平台相连，用于快速、大量、高效处理数据；该软件适用于Windows、IOS、Android多个
操作系统；云
服务器模块包括数据库模块与运算单元模块；其数据库模块，与用户终端、医院终端及其运算单元相连，用于储存患者的身体检测数据、医生的诊疗记录及其数据运算结果；其运算单元模块与数据库模块相连，从数据库读取所需数据进行运算进而建立病理模型，根据已知的疾病发病时的步态，构建相关病状的基础病理模型，可以对患有疾病导致步态不正常的患者进行匹配判别；其通过信息采集器接收传感器和监控器的数据，存储到本地及云端数据库，并基于控制软件与数据分析模块，可深度分析人体足部数据，实现步态分析、病理模型建立和预测、爆发力分析和患者自主的康复训练；根据已知的疾病发病前期时对患者步态的影响，构建相关病状的基础病理
预测模型，每次步态数据发生变化的时候，借助建立的模型进行初步的匹配判别，来预测该病的发病率；在进行过病理模型匹配后，根据相关病理模型，可对患者推送医生原来已经制定好的
治疗方案，同时患者也可以在线寻求医生的帮助。具体实施例
[0027] 首先将智能鞋垫放置在受试者鞋子里，打开智能鞋垫和手机上的蓝牙，在手机app或pc机上位机软件上选择要开启的功能；选择导航功能，双击可进入导航设置界面，选择气囊鼓瘪或电刺激振动的提示方式，之点击开始按钮，走动时智能鞋垫便有了导航的功能；选择脚形及步态矫正功能，双击可进入矫正界面，会出现普通模式、运动员模式、康复模式三种模式：选择普通模式，在正常走路时，即可通过手机APP，查看关于自己调整走路或跑步等运动姿势的建议；选择运动员模式和运动方式，比如跳跃、短跑等，通过手机app或PC机软件，即可查看系统对运动员姿势的矫正建议，点击矫正按钮，系统将触发气囊，通过气囊的鼓瘪对脚型步态进行矫正；选择康复模式，系统则触发气囊，在走路过程中，通过气囊的鼓瘪进行康复训练；选择均匀热量分布功能，双击进入均匀热量分布界面，可选择平均热量、加权热量和
散热，选择平均热量后，智能鞋垫，整体将维持在一个固定的温度平均值；选择加权热量，通过手机app或PC机软件选择鞋垫的重点加
热处理位置，以达到热足疗的目的；选择散热，鞋垫的温度将降低，可通过软件选择鞋垫的某个位置实现温度降低；使用完后，关闭电源，鞋垫从受试者鞋子里取出，进行充电或放置在安全处。
[0028] 以上显示和描述了本发明的基本原理、实施过程和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的
权利要求书及其等效物界定。
