一种设于鞋内的人体活动检测传感器、鞋垫、鞋底、鞋子的制作方法

本发明涉及老人跌倒检测，尤其涉及一种设于鞋内的人体活动检测传感器、鞋垫、鞋底、鞋子。

背景技术：

1、六七十岁的老年人，常常受到腿部肌肉流失、大脑认知功能下降、平衡能力下降、心血管意外和关节老化等问题的困扰，容易发生跌倒。据世界卫生组织统计，每年约有1/3的老年人会发生跌倒，跌倒已经成为65岁以上老年人因伤致死的首位原因，而如何监测老年人是否发生跌倒以便于及时响应救治，已经成为目前热门研发方向之一。

2、当前主流监测手段包括有基于视觉技术进行的跌倒监测，采用摄像装置实时拍摄人体运动图像进行处理，涉及背景噪声滤除、对象识别、状态判别等，需要依赖复杂图像分析算法，且只能在有效摄像区域达到监测目的，因成本和监测区域限制问题目前尚未见商用。

3、主流监测手段之二是利用加速度传感器或者加速度传感器与陀螺仪配合进行检测，常见如运动监测手环，此类利用加速度监测的方案因存在精度不足，以及加速度传感器和/或陀螺仪加上手环本身电子元件导致装置有一定重量，而跌倒监测需要老人对手环进行二十四小时长期佩戴，时间久后对老人造成负担甚至痛苦，导致老人私自取下监测手环现象频现。

4、我们发现，鞋相对于手环而言更适合作为跌倒监测对象，用户在日常行为中自觉养成上床脱鞋下床穿鞋的自然习性，此类习性深入老人记忆，而老人下床活动属于有效监测时间，上床后则属于无效监测时间，此时不穿鞋并不影响，从整体监测周期来看，鞋无需二十四小时穿着，不易引起抗拒。

5、cn109414092a公开在鞋内设置磁力计，或在同平面上布置不同电极，利用互电容检测足部的存在，但无法区分穿鞋者的姿势是否跌倒。

6、cn219803714u公开一种步态监测鞋垫，通过在鞋垫内设置蜂窝状或圆形孔结构的压力传感阵列，每个压力传感由上下两个电极以及夹在电极中间的力敏活性层组成，通过力敏活性层将力转化为电阻信息经电极传递出去，以此实现足部的压力分布的检测，进而监测跑步时的膝损伤，其中压力分布检测结构复杂，且同样无法区分穿鞋者姿势是否跌倒。

7、s i 24559a公开通过光、温度、压力和加速度等多种信息的组合有效地识别跌倒，实现结构复杂，检测要素多，同时不清楚单层电极阵列如何实现测压力。

技术实现思路

1、本发明目的是通过鞋类产品进行用户姿势的识别，并达到监测的低成本、结构简化易设于鞋内，以及识别的准确性。

2、为此，提供一种设于鞋内的人体活动检测传感器，包括可压缩软垫、处理模块、电容数字转换电路、开关阵列；可压缩软垫的顶面布置有至少两个上层电极，可压缩软垫的底面布置有至少两个下层电极；电容数字转换电路通过开关阵列分别耦合各个电极，并配置为至少获取上层电极之间的互电容、下层电极之间的互电容以及上下层电极之间的互电容；处理模块耦合电容数字转换电路，用于依据各个互电容的组合输出穿鞋者的姿势信息。

3、较之于现有技术，本发明具有如下优势：(1)上层电极之间形成互电容1检测人足与鞋底接触情况，下层电极之间构成互电容2检测鞋底与大地接触情况，上层与下层构建的互电容检测人足对鞋底压力情况，通过以上三个维度的信息变化，可以准确区分人坐立、站立、行走、跑步、躺下、跌倒等情况，进而用作老人状态监测，在老人跌倒时报警；(2)检测手段基于电容方式，电极布置便捷易藏于鞋内，包括但不限于鞋垫、半成品鞋底或成品鞋子，检测成本低，利于在数据巨大的鞋类上应用；(3)配合电容数字转换电路(cdc)，例如ad i7142、ad i 7147，采用δ-σ调制方式通过多次对被测电容进行充放电并于参考电容比较的方法(参见：us patent number:5,134,401)直接将被测电容值转换成数字值，对电容的测量灵敏度提高到1ff级别，同时对杂散电容免疫，进一步提升精度。

4、在上层电极和/或下层电极具有至少三个的情况下，通过开关阵列，可以对上层、下层电极进行任意组合和拼接形成不同面积的互电容组合实现对不同距离的物体和材质感知。

5、作为一种改进方案，可压缩软垫具有至少两个，各个可压缩软垫配置为沿脚掌前后方向排布，对应于信号量丰富的脚后跟及脚掌，可通过对以上至少两处的电容进行综合判断，进一步提升精度。进一步地，可压缩软垫上的上层电极和/或下层电极配置为沿脚掌左右方向排布，与软垫排布方向垂直，进一步提升精度。

6、作为另一种改进方案，上层电极之间的互电容或下层电极之间的互电容的获取方式进一步配置为：将相应层上的各个电极分成两组，处理模块控制开关阵列将每组中的各个电极并联；以该层上两组电极之间的互电容作为该层的电极之间的互电容。通过并联形成两个大电极，cdc向其中一个发送激励，另一个作为接收，由于电极面积变大，检测精度能够进一步提升。基于同样增大电极面积提升精度的思想，进一步地，上下层电极之间的互电容的获取方式配置为：处理模块控制开关阵列并联各上层电极组成第一电极，以及并联各下层电极组成第二电极；以第一电极与第二电极之间的互电容作为上下层电极之间的互电容。或者，作为另一种获取上下层电极之间的互电容的方式，可以配置为：处理模块控制开关阵列并联可压缩软垫顶面或底面的各电极作为第一电极，对第一电极输入激励信号获取获取另一面上至少两个电极之间的差分互电容作为上下层电极之间的互电容，利用差分互电容消除环境(如温湿度)的干扰。

7、作为另一种改进方案，电容数字转换电路，配置为还获取有上层电极的自电容和/或下层电极的自电容；处理模块，依据自电容与各个互电容的组合输出穿鞋者的姿势信息。在该方案中，加入自电容进行判断的益处在于，自电容的变化具有方向性，将其加入与各互电容进行综合判断能够区分更细致的姿势信息，达到判断精度的进一步提升。其中，上层电极的自电容可以检测人足或人体运动对检测的影响，是主要的，下层电极的自电容可以检测地面对电容对检测的影响，是次要的，可以加入上下层的自电容进行判断达到最高准确的，也可以仅加入上层电极的自电容以简化算力。进一步地，所述的自电容，配置为相应层上各电极通过开关阵列并联后的自电容，同样基于增大电极面积提升精度的思想。优选地，获取上层电极的自电容时，配置下层电极作为屏蔽电极，如cdc对下层电极输入等电位信号，通过在测上层自电容时以下层电极作为屏蔽，可以避免上层自电容受地的影响导致出现测量误差；和/或获取下层电极的自电容时，配置上层电极作为屏蔽电极，屏蔽人体对下层自电容的影响。

8、本发明中，依据各个电容的组合输出穿鞋者的姿势信息的方式，可以配置为两种方案。其中一种是预先设置所述组合与穿鞋者的姿势的映射关系；处理模块基于映射关系，通过查表获取所述组合对应的姿势。或者，也可以采用人工智能方式，其优势在于只有样本数量足够大，模型输出的准确性能够达到非常精确地步，具体地，可以构建神经网络模型的理论模型；以通过上层电极和下层电极获取的各个电容作为输入，以姿势信息输出，利用机器学习的方式对理论模型进行训练；将穿鞋时上层电极和下层电极的各个电容输入神经网络模型，用神经网络模型计算输出对应的姿势信息。

9、作为另一种改进方案，基于所述姿态，识别到穿鞋者跌倒时输出警报信号。本发明中，人体活动检测传感器可以配置无线通讯模块，如蓝牙，无线通讯模块耦合处理模块，报警时，通过无线通讯模块向用户手机上传警报信号至网络后台。本发明中，人体活动检测传感器还包括有用于供电的柔性电池以及耦合柔性电池用于对其充电的无线充电模块，达到鞋类产品的便携、易充电。

10、作为另一种改进方案，上层电极和下层电极均配置为条形电极，且上层电极的排列方向相对于下层电极的排列方向垂直，此时，可以基于上层电极与下层电极组成多组互电容，形成互电容阵列，通过检测不同电容的数值或数值变化，可以用来检测人足对传感器的压力分布，获得脚底压力分布热图，可以用作收集运动员跑步等运动时脚底受力分布的动态数据。进一步地，所述条状电极，配置为包括引线以及至少两个点状电极；在每条条状电极中，各点状电极沿条形方向排列，并通过引线相互耦合；可压缩软垫顶面的点状电极相对于其底面的投影部分或全部地覆盖可压缩软垫底面的点状电极，该方案中，上层电极点与下层电极点对应的投影面积为有效区域，其他区域为无效区域，无效区域只有直径细腻的引线，可以减少无效区域的寄生电容，实现高空间分辨率的力检测。

11、还提供一种鞋垫，包括上述的人体活动检测传感器。

12、还提供一种半成品的鞋底，包括上述的人体活动检测传感器。

13、还提供一种成品鞋子，同样包括上述的人体活动检测传感器。