傳感器陣列系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】傳感器陣列系統(tǒng)
[0001] 本發(fā)明設(shè)及傳感器陣列，所述傳感器陣列可W提供關(guān)于壓力在許多情形中尤其是 為了步態(tài)分析而在鞋類中的應(yīng)用的生物反饋。
[000引發(fā)明背景
[0003] 表面上壓力的感測可W應(yīng)用于在鞋類、床類和運動上進行撞擊感測。
[0004] 已特別針對假肢（prosthetics)提出了鞋內(nèi)傳感器和使用傳感器進行的步態(tài)分 析。
[0005] 美國專利5253656公開了特別用于稱瘡的壓力傳感器的矩陣陣列并且顯示信號 W突出顯示熱點的位置。
[0006] 美國專利5678448公開了一種鞋內(nèi)傳感器陣列和因為闊值壓力被超過而引起的 可聽信號。
[0007] 美國專利7867285公開了一種假肢鞋，所述假肢鞋結(jié)合了彎曲傳感器W感測所施 加的壓力并控制假肢鞋的后跟和鞋底。
[0008] 美國專利8002672公開了具有壓力傳感器的陣列和呈現(xiàn)壓力模式的視覺圖像的 軟件的跑步機。沒有公開對聽覺反饋的使用并且沒有公開詳細的算法。
[0009] 美國專利8122772公開了用于步態(tài)分析的鞋系統(tǒng)W及提供用于活動指數(shù)的算法。 所述系統(tǒng)提供音頻信號反饋W使用戶識別步態(tài)特征。
[0010] 用于壓力測量的裝有儀表的鞋墊和鞋的開發(fā)是已知的。然而，技術(shù)進步和實際適 用性取決于若干參數(shù)，例如：傳感器的精確性；裝有儀表的鞋底的分辨率（傳感器密度，即， 每單位面積鞋墊上的傳感器數(shù)目）；數(shù)據(jù)采樣頻率；數(shù)據(jù)信道的數(shù)目；無線數(shù)據(jù)傳輸率；用 于提高低精確性、密度和數(shù)據(jù)采樣率的數(shù)學算法；用于計算壓力中屯、（COP)的數(shù)學算法；用 于生物反饋信號的數(shù)學算法；和最重要的是治療用的智能鞋墊的經(jīng)濟可承受性和成本（包 括精確性對成本的比）。
[0011] 本發(fā)明的目標是提供一種傳感器陣列和軟件，所述傳感器陣列和軟件可W提供可 用信號輸出和生物反饋W便用戶改變他們的運動并改善姿勢和步態(tài)。 發(fā)明概要
[0012] 為此，本發(fā)明提供一種系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括傳感器陣列、處理器和信號輸出裝置， 所述系統(tǒng)計算與陣列數(shù)據(jù)有關(guān)的至少一個高級壓力參數(shù)，并且所述處理器分析來自所述傳 感器陣列的輸入并提供隨時間過去指示所述高級壓力參數(shù)的量值的信號。
[0013] 所述高級壓力參數(shù)可W是壓力中屯、（COP)的位置、速度和分布W及所述COP的分 形維度?？蒞使用其它屬性，例如熱點位置和壓力脈沖。
[0014] 因此，在更優(yōu)選的方面中，本發(fā)明提供一種系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括傳感器陣列、處理 器和信號輸出裝置，其中安裝在所述處理器中的軟件計算所述陣列上的壓力中屯、的位置、 速度和分布、分析來自所述傳感器陣列的輸入并隨時間過去將指示所述壓力中屯、的量值和 移動的信號提供至所述信號輸出裝置。
[0015] 提供一種傳感器柵格，所述傳感器柵格能夠提供所施加壓力的量值和在所述柵格 上的位置的信號。在步態(tài)分析的主要應(yīng)用中，在鞋底中的傳感器提供了隨時間過去指示壓 力中屯、的量值和移動的信號。在經(jīng)界定的區(qū)域中傳感器的最小數(shù)目是3。壓力中屯、的移動 可W呈現(xiàn)為示出壓力中屯、在鞋底外形上的位置的視覺信號，其中壓力值是經(jīng)顏色編碼的。 或者，所述位置可W表示為音頻信號的音高，而量值通過音量表示。此類信號可W用W向患 者提供反饋W通過修改他們的步態(tài)W產(chǎn)生所要信號來校正他們的步態(tài)。分析軟件使用算法 來識別壓力中屯、（CCP)的位置、速度和分布并且另外評估COP的分形維度。其它屬性，例如 熱點位置和壓力脈沖，可W用W增強生物反饋信號。傳感器系統(tǒng)可W用在其它感測應(yīng)用中， 例如測量運動中的撞擊或被約束為坐姿或邸姿的患者身上的壓力點。在現(xiàn)有技術(shù)中，傳感 器陣列和軟件不適合于測量、定位和追蹤COP。
[0016] 所述傳感器陣列可W是任何常規(guī)的傳感器類型，例如具有電阻、電容或壓電特性 的壓力敏感材料。在本發(fā)明中，所述傳感器可W是"無傳感器"，因為不使用常規(guī)傳感器。通 過在壓力敏感材料的任一面上或僅在壓力敏感材料的一個面上設(shè)置導線或電極帶的柵格， 建立壓力敏感柵格。如果所述柵格僅位于壓力敏感材料的一個面上，那么在彼此垂直地延 伸的導線或帶狀電極的交點處設(shè)置絕緣材料。運使得可W使用材料的較大區(qū)域，其中導線 在一個面上垂直地、在另一個面上水平地橫過或僅在一個面上垂直地和水平地橫過，而不 是切割，本發(fā)明的系統(tǒng)可W用在很多應(yīng)用中。
[0017] ?用于不同目的的智能鞋墊：
[0018] 1):用于小的腳部肌肉的訓練，步態(tài)測繪（負荷分布，修復(fù)）；作為藝術(shù)工具（舞 蹈、音樂）；活動分類（鍛煉、軍事監(jiān)視）。顯示可W是簡單的壓力分布圖或呈聽覺和視覺形 式的生物反饋，顯示壓力中屯、的位置和移動，使得參與者可W看到他們自己的輸出。
[0019] 2)用于醫(yī)療應(yīng)用，例如糖尿病、多發(fā)性神經(jīng)病、中風和跌倒預(yù)防。顯示可W是高級 壓力分布圖或呈聽覺和視覺形式的生物反饋，顯示壓力中屯、的位置和熱點（集中的壓力） 圖和熱點的壓力脈沖。所述顯示可W幫助防止使熱點超負荷（壓瘡預(yù)防和治療）和指導 兩腳之間的負荷轉(zhuǎn)移（高爾夫揮桿評估）或兩腿之間的壓力分布（跑步，一個腿超負荷的 檢測。一側(cè)超負荷的指示可W通過同一側(cè)的聲生物反饋系統(tǒng)來進行；或使同一側(cè)的音樂漸 弱）。
[0020] 3)用在用于截擁/四肢擁痕者和軍事使用的外骨骼中。運些鞋墊可W提供呈聽覺 和/或視覺信號形式的生物反饋W提供對外骨骼的激活的闊值控制。
[0021] ?智能運動鞋，用在橄攬球、足球、踢球訓練中W提供呈聽覺和/或視覺信號形式 的生物反饋W顯示壓力中屯、的位置和它的壓力速率。
[0022] ?假肢/截肢殘端，W提供聽覺和/或視覺信號W顯示熱點（集中的壓力）的位置 和它的壓力脈沖；壓力速率。
[002引?傷口管理，包括完整皮膚的不連續(xù)性和其它傷口的治療、預(yù)防、修復(fù)。
[0024] ?坐墊（椅子、輪椅、汽車的、宇宙航行的、車座），W顯示壓力分布，作為對疲勞或 健康和安全問題的指示符。呈聽覺和/或視覺信號形式的生物反饋可W顯示壓力速率、壓 力中屯、的速度。
[00巧]?智能墊（智能床墊、病床、瑜伽墊），W顯示壓力分布作為睡眠概況的指示符并幫 助嬰兒監(jiān)護和預(yù)防壓瘡。呈聽覺和/或視覺信號形式的生物反饋可W顯示熱點（集中的壓 力）的位置和它的壓力脈沖；壓力速率。
[0026] ?智能頭盎，用于損傷記錄、撞擊和大腦損傷風險的記錄。呈聽覺信號形式的生物 反饋可W指示減速、加加速度和頭部損傷標準的量值。呈視覺信號形式的生物反饋可W顯 示減速和加加速度向量W及它們關(guān)于虛擬頭部的原點W及作為關(guān)于虛擬頭部的向量或球 體的頭部損傷標準。
[0027] ?在拳擊和武術(shù)中使用的智能手套，用于記分和測量損傷風險。呈聽覺和/或視覺 信號形式的生物反饋可W顯示減速與加加速度的量值W及頭部損傷標準。
[0028] ?智能走道，用于隨時間過去對乘客或行人的監(jiān)視W及還有車輛監(jiān)視W提供統(tǒng)計 數(shù)據(jù)。呈聽覺和/或視覺信號形式的生物反饋可W顯示壓力中屯、（人的位置）、方向和速度 (交通監(jiān)視）；兒童游樂場（用于娛樂、安全監(jiān)控的音樂）；閩口的控制（行人在閩口前面排 隊（在高峰時段通過智能走道測量）將導致通過將口口前面的紅燈信號切換成綠燈（作為 生物反饋信號）來打開更多閩口）。
[0029] ?鞋墊、測力板或姿態(tài)平衡板（4個單獨板）：用于測量跌倒指數(shù)、不穩(wěn)定性、頭暈 等。
[0030] ?用于打祀記分的智能墻
[0031] ?具有用于內(nèi)力（肌肉壓力）和外力（拖曳力，例如，在滑雪、自行車和游泳時）的 生物反饋的多個傳感器或材料層（無傳感器感測）的智能背屯、或衣服，W生物反饋信號的 形式來指示壓力中屯、和總體壓力。此外，它們可W用于檢測肌肉壓力和振動（緊身衣）的 改變，W生物反饋信號的形式來指示肌肉激活模式和肌肉振動的量值。
[0032] ?振動監(jiān)視：在穿上緊身衣時的肌肉振動；關(guān)于健康和安全的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。
[0033] ?表面陣列還可W用于游戲應(yīng)用或跑步機或攀巖中。
[0034] 瞬時COP的位置可W通過對壓力量值與每一傳感器沿著笛卡爾傳感器矩陣坐標 系的X和y軸的X或y坐標的乘積求平均來確定，借此按照笛卡爾坐標系的X和y坐標或 按照極坐標系的角度和半徑來表示所述COP。笛卡爾坐標或極坐標可W被轉(zhuǎn)換成生物反饋 信號。
[0035] 瞬時COP的速度可W根據(jù)將所述COP在X和y方向上的位移對時間進行微分而確 定，并且COP的速度可W被轉(zhuǎn)換成生物反饋信號。
[0036] 所述COP圍繞其平均點的分布可W根據(jù)所述COP在X和y方向上的標準差、均方 根、偏度或峰度或根據(jù)在經(jīng)界定的時間段內(nèi)最大限度地容納所述COP位置的100%的區(qū)域 的尺寸而計算出。COP圍繞其平均點的分布可W被轉(zhuǎn)換成生物反饋信號。
[0037] 跌倒指數(shù)可W根據(jù)所述COP在X和y方向上的標準差、或均方根、偏度或峰度或根 據(jù)在經(jīng)界定的時間段內(nèi)最大限度地容納所述COP位置的100%的區(qū)域的尺寸而計算出。跌 倒指數(shù)的量值可W被轉(zhuǎn)換成生物反饋信號。
[0038] 如技術(shù)方案8中所述的系統(tǒng)，其中所述COP在X和/或y方向上的移動的分形維 度是根據(jù)用于確定信號的分形維度的常規(guī)方法來計算出，并且其中所述分形維度的量值被 轉(zhuǎn)換成生物反饋信號。
[0039] 至少一個傳感器點的壓力速率可W根據(jù)將所述壓力對時間進行微分而確定；并且 其中所述壓力速率可W被轉(zhuǎn)換成生物反饋信號。
[0040] 所述力可W通過在有效傳感器區(qū)域內(nèi)對所述壓力進行積分來計算出，并且線性加 速度（垂直于所述傳感器陣列的區(qū)域）可W通過將所述力除W物體、身體或身體部位的有 效質(zhì)量而計算出，所述傳感器陣列附接至所述物體、身體或身體部位或與所述物體、身體或 身體部位接觸，并且用戶引致的加速度是根據(jù)所述線性加速度減去重力加速度而計算出。 力和/或加速度的量值可W被轉(zhuǎn)換成生物反饋信號。
[0041] 當用于評估頭部損傷標準時，所述頭部損傷標準可W根據(jù)從加速度對時間的積分 乘W時段