足底壓力測(cè)量鞋墊系統(tǒng)設(shè)計(jì)及發(fā)展趨勢(shì)

鄧喜樂(lè)，Kamen Ivanov ,梅占勇，鄧詠梅,*

(1.西安工程大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，陜西 西安 710048；2.中國(guó)科學(xué)院 深圳先進(jìn)技術(shù)研究院，廣東 深圳 518055；3.成都理工大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)安全學(xué)院，四川 成都 610059)

隨著我國(guó)人口老齡化的加劇，足部疾病發(fā)病率在持續(xù)增加，如糖尿病引起的足部潰瘍、扁平足高弓足以及膝骨關(guān)節(jié)炎、中風(fēng)引起的相關(guān)足部病癥等步態(tài)康復(fù)問(wèn)題一直得到人們的關(guān)注。監(jiān)測(cè)足底壓力的變化和分析足底力學(xué)分布特征能夠揭示人體步態(tài)規(guī)律，從而對(duì)足部健康做出預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。足底壓力指在靜止或運(yùn)動(dòng)時(shí)人體在自身重力的作用下，足底在垂直方向上受到支撐面的反作用力。足底壓力分布有一定的規(guī)律，人體衰老、下肢受傷或足部疾病都可能會(huì)破壞足底壓力的正常分布，因此足底壓力可以作為早期慢病和未病等疾病預(yù)測(cè)的檢查指標(biāo)[1]。在疾病預(yù)防領(lǐng)域，通過(guò)監(jiān)測(cè)分析人體的足底壓力和步態(tài)模式對(duì)一些疾病作出早期的預(yù)測(cè)；在醫(yī)療保健、康復(fù)治療和運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練等領(lǐng)域，足底壓力和步態(tài)分析可以作為術(shù)后康復(fù)評(píng)估、診斷的重要指標(biāo)；同時(shí)足底壓力分析也在鞋類(lèi)設(shè)計(jì)中有較廣泛的應(yīng)用，根據(jù)足底壓力分布特征選擇舒適性更好的功能性鞋墊材料能夠在一定程度上提高穿著者的運(yùn)動(dòng)水平[2-4]。除此之外近幾年在人體識(shí)別、監(jiān)測(cè)姿勢(shì)分配等領(lǐng)域也有了創(chuàng)新性應(yīng)用，因此開(kāi)發(fā)研究足底壓力測(cè)量系統(tǒng)具有重要的意義[5]。

1 足底壓力測(cè)量技術(shù)的研究現(xiàn)狀

有關(guān)足底壓力的相關(guān)研究，國(guó)外起步較早，經(jīng)歷了足印法、足底壓力掃描技術(shù)、力板與測(cè)力臺(tái)技術(shù)、壓力鞋、鞋墊、智能襪品技術(shù)等。足印法，1872年最早記載研究足-地作用力的一次嘗試，通過(guò)在鞋底放置充氣袋，人體行走時(shí)引起氣壓變化來(lái)反映足-地接觸壓力的近似值。雖然早期的研究人員明白作用地面的壓力是矢量力，只能根據(jù)變形物質(zhì)的變形形態(tài)及深淺或者圖像的變化做大致的判定。1940年，光學(xué)測(cè)量法可視形象化技術(shù)出現(xiàn)，美國(guó)Elftman在1938年設(shè)計(jì)的力板，利用力-光轉(zhuǎn)換原理實(shí)現(xiàn)測(cè)量地面作用力，但這種通過(guò)光學(xué)壓力掃描分析足底壓力只是定性分析，缺乏定量化。隨著計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)50年代，開(kāi)始系統(tǒng)性足底壓力測(cè)量與分析等臨床實(shí)驗(yàn)。隨著微電子技術(shù)和傳感技術(shù)的推進(jìn)，Darwin利用壓敏電阻傳感器設(shè)計(jì)的一種測(cè)力平臺(tái)，采用電-力轉(zhuǎn)換技術(shù)的壓力板得到研究和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)足部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行多點(diǎn)多方位的監(jiān)測(cè)。英國(guó)Srinivasan團(tuán)隊(duì)將壓敏電阻集成傳感陣列，開(kāi)發(fā)的多模塊壓力測(cè)試板,實(shí)現(xiàn)了精確足底壓力測(cè)量，但不利于動(dòng)態(tài)研究。近年來(lái)為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)足底壓力分布的測(cè)量，研究人員將柔性可穿戴能夠執(zhí)行電子功能的電子裝置比如傳感器、執(zhí)行器等轉(zhuǎn)換裝置和電源嵌入鞋內(nèi)、襪中或者鞋墊內(nèi)，通過(guò)肌電圖技術(shù)、現(xiàn)代電子信息技術(shù)、微加工工藝、無(wú)線通信技術(shù)、柔性電子技術(shù)與智能紡織品等技術(shù)實(shí)現(xiàn)可穿戴測(cè)量。

目前市場(chǎng)上常用的測(cè)量足底壓力分布系統(tǒng)主要有鞋內(nèi)系統(tǒng)和平臺(tái)系統(tǒng)[6]。平臺(tái)系統(tǒng)主要有測(cè)力臺(tái)和測(cè)力板，瑞士Kistler公司和比利時(shí)RSscan公司對(duì)測(cè)力臺(tái)、測(cè)力板進(jìn)行的研究相對(duì)較為深入，其測(cè)力臺(tái)和測(cè)力板的足底壓力數(shù)據(jù)采樣精確度高，采集的性能可靠，但是繁重的設(shè)備和非自然的使用環(huán)境，會(huì)讓受試者感到不舒適，測(cè)試時(shí)很難得到人體在自然狀態(tài)下的步態(tài)數(shù)據(jù)，從而影響測(cè)量結(jié)果，且價(jià)格昂貴，測(cè)試范圍存在局限性，所以常用于實(shí)驗(yàn)室或醫(yī)院，而不能用于日?；顒?dòng)的連續(xù)監(jiān)測(cè)。鞋內(nèi)系統(tǒng)主要包括智能襪品和足底壓力測(cè)量鞋墊，相較于固定的平臺(tái)系統(tǒng)，鞋內(nèi)系統(tǒng)將傳感器放置在需要測(cè)量的部位，可以連續(xù)記錄運(yùn)動(dòng)中的足部壓力、時(shí)間等參數(shù)并可以穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)[7]，同時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的柔韌和便攜性強(qiáng)，不受地點(diǎn)限制，穿戴后可以像往常一樣處于自然行走狀態(tài)，測(cè)得結(jié)果更接近人體真實(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在鞋內(nèi)系統(tǒng)中智能襪品相對(duì)于足底壓力測(cè)量鞋墊來(lái)說(shuō)雖然有彈性，但需要經(jīng)常換洗，且對(duì)柔性傳感器和鞋墊材料有更高的要求，所以研究?jī)?nèi)容和領(lǐng)域相對(duì)很窄。而足底壓力測(cè)量鞋墊不需要經(jīng)常換洗，可以用于多種鞋子的測(cè)試,成為了研究的焦點(diǎn)[8]。

2 足底壓力測(cè)量鞋墊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

足底壓力測(cè)量鞋墊主要由4個(gè)部分組成：數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)傳輸模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理模塊、終端顯示模塊，框架如圖1所示。數(shù)據(jù)采集模塊一般由傳感器陣列、導(dǎo)電織物傳感元件和鞋墊材料制成，將多種類(lèi)型的微型傳感器陣列通過(guò)導(dǎo)電線連接嵌入鞋墊的不同位置，構(gòu)成人體足底壓力信號(hào)的采集模塊；信號(hào)傳輸模塊在采集完運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)后需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理包括壓縮打包，針對(duì)某些傳感器輸出信號(hào)微弱的特點(diǎn)，應(yīng)用信號(hào)加入調(diào)理電路對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)，在對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存后再發(fā)送出去[9-10]；在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理模塊中，采用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等相關(guān)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的系統(tǒng)分析；最后將信號(hào)傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)和電腦上的應(yīng)用軟件，用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理和可視化分析，應(yīng)用軟件能夠提供用戶(hù)界面，實(shí)時(shí)顯示和分析足底壓力的時(shí)間和空間分布，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的終端顯示[11-12]。隨著藍(lán)牙、GPRS和Internet無(wú)線技術(shù)的發(fā)展，解決了設(shè)備間繁瑣的連線，逐漸實(shí)現(xiàn)了足底壓力遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與傳輸，突破了監(jiān)測(cè)足底壓力運(yùn)動(dòng)方式和運(yùn)動(dòng)范圍的局限。

2.2 足底壓力測(cè)量鞋墊的設(shè)計(jì)

2.2.1傳感器

柔性壓力傳感器用柔性的高分子聚合物材料和納米導(dǎo)電材料代替剛性基板材料，具有可彎折性、延展性、輕便等屬性，被廣泛應(yīng)用于人工智能化領(lǐng)域。目前常用于足底壓力數(shù)據(jù)采集的單點(diǎn)式薄膜柔性傳感器類(lèi)型主要有電容式、壓電式和壓阻式傳感器[13]。

圖1 便攜式足底壓力測(cè)量鞋墊結(jié)構(gòu)

電容式柔性壓力傳感器由2個(gè)隔開(kāi)的電極板組成，通過(guò)非接觸式感應(yīng)引起電容變化，從而獲得相應(yīng)的電信號(hào)。其優(yōu)點(diǎn)是可用于靜態(tài)或長(zhǎng)時(shí)間負(fù)荷連續(xù)監(jiān)測(cè)，但其靈敏度較低，信號(hào)標(biāo)定和電路設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。壓電式柔性壓力傳感器基于壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)壓力和電信號(hào)轉(zhuǎn)換，優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，大部分只適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量而不能用于靜態(tài)測(cè)量，且溫度效應(yīng)敏感。壓阻式傳感器多采用半導(dǎo)體材料制成，當(dāng)受到壓力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生與施加的力成比例的電信號(hào)，優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、精度高，缺點(diǎn)是溫度特性差，量程小工藝復(fù)雜[14]。

壓力傳感器的結(jié)構(gòu)形式繁多，研制和開(kāi)發(fā)要符合可穿戴設(shè)備穿戴舒適性和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠性的要求。舒適性體現(xiàn)在傳感器間接接觸人體足部時(shí)，嵌入鞋墊內(nèi)的壓力傳感器和一些剛性微電子器件應(yīng)該盡可能柔軟、重量輕、體積小、便于攜帶，不影響人體正常行走為首要考慮的因素。柔性壓力傳感器的可靠性主要有壓力測(cè)量范圍、線性度、靈敏度、采樣頻率、耐用性等[15]。

傳感器需要具有合適的壓力范圍，范圍太小，超量程使用會(huì)降低傳感器性能甚至破壞傳感器。對(duì)于運(yùn)動(dòng)而言，壓力范圍應(yīng)該更大，但范圍過(guò)大導(dǎo)致信號(hào)不明顯，足底壓力測(cè)量系統(tǒng)最大壓力高達(dá)3 MPa,因此最大壓力的測(cè)量上限為3 MPa；再者需要良好的線性度，即當(dāng)傳感器承載時(shí)，實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值與滿(mǎn)量程輸出值之比，比值越小表示傳感器的線性特性越好。目前柔性壓力傳感器使用的高分子材料大多為非線性彈性材料，不具有良好的線性度，對(duì)于不具有嚴(yán)格線性度的壓力傳感器，當(dāng)比值的絕對(duì)值>1 kPa-1時(shí)，認(rèn)為傳感器靈敏度好。傳感器還要有合適的采樣頻率，采樣頻率越高，單位時(shí)間得到的壓力數(shù)據(jù)越多，計(jì)算速度越慢，這對(duì)存儲(chǔ)空間也提出了要求，通常柔性傳感器的采樣頻率要求在200 Hz以上就可以滿(mǎn)足測(cè)量要求[16]。由于傳感器是由不同的材料和原理組成的，容易受到環(huán)境溫度的干擾，受溫度影響越小，傳感器穩(wěn)定性越好。根據(jù)人體的溫度，在20～37 ℃范圍內(nèi)，低敏感的傳感器是最優(yōu)選[17]。最重要的一點(diǎn)是傳感器在大量重復(fù)加載循環(huán)下還應(yīng)具有足夠的精度和可靠性，也就是耐用性好。

為了應(yīng)對(duì)足底壓力測(cè)量對(duì)壓力傳感器的需求，近年來(lái)，多種新型材料被用于研制新型柔性壓力傳感器。壓電陶瓷材料、PVDF(聚偏二氟乙烯)、PDMS(聚二甲基硅氧烷)、TPU(熱塑性聚氨酯)等因具有優(yōu)良的物理性能或化學(xué)特性常用作制備傳感器的材料[18-19]；金屬納米顆粒、金屬納米線、導(dǎo)電炭黑、石墨烯及碳納米管等納米導(dǎo)電材料也因其成本低、導(dǎo)電性?xún)?yōu)異被用于制做柔性傳感器[20-21]。壓電式陶瓷傳感器具有較好的壓電特性、線性特征和抗沖擊力，實(shí)驗(yàn)證明陶瓷傳感器的非線性度小于0.8%FS[22]。PDMS涂敷在導(dǎo)電纖維表面制成的電容式的柔性壓力傳感器，在密集進(jìn)行了10 000次試驗(yàn)后輸出信號(hào)還很穩(wěn)定，證明其具有優(yōu)異的耐久性[23]。石墨烯薄膜制作的柔性壓力傳感器，靈敏度高達(dá)0.012 kPa-1，具有良好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，這些都為足底壓力測(cè)量鞋墊的研究奠定了基礎(chǔ)[24]。新型柔性傳感器具有成本低、柔韌性、延展性、靈敏度高，耐腐蝕，穩(wěn)定性好，測(cè)量壓力范圍大，廣泛適用于智能化領(lǐng)域。

2.2.2連接方式

紡織品鞋墊與傳感器等電子元件結(jié)合主要有3種技術(shù)：(1)基于模塊化技術(shù)。將電子元件集成于一個(gè)或幾個(gè)獨(dú)立的“盒子”中，作為鞋墊的附件，電子元件和紡織品的功能各自獨(dú)立，通過(guò)縫紉可將小型的電子元件和導(dǎo)線直接縫合到織物上，以實(shí)現(xiàn)所需的功能[25]。(2)基于纖維的技術(shù)。部分或全部的電子元件及傳感器直接由纖維和織物構(gòu)成，通過(guò)紡織電路連接電子元器件。紡織電路是建立在紡織品基底上的電路，將高度集成的微電子器件置于纖維紗線中，把包含豐富功能的大量電子模塊編織在一起，分布在給定纖維上，再通過(guò)傳統(tǒng)的服裝結(jié)構(gòu)，如織造(針織、梭織)、刺繡、印花等方法制作紡織電路，來(lái)傳輸電信號(hào)；部分纖維本身含有金屬絲或者經(jīng)金屬涂層能導(dǎo)電，可直接作為電子元器件之間的導(dǎo)體傳輸電信號(hào)[26]。(3)基于嵌入式技術(shù)。電子元件是紡織品(鞋墊)的一部分，可通過(guò)將電子元件印刷、模壓直接生產(chǎn)，通過(guò)織物上的導(dǎo)電紗線連接電路板、柔性傳感器及其他微電子元件，此種方法成本高，過(guò)程復(fù)雜，制成的鞋墊耐磨。

為了使傳感器在使用中不受溫濕度等外界環(huán)境影響，減少因電子器件輻射給人體帶來(lái)的負(fù)面影響，還需要根據(jù)傳感器和鞋墊材料結(jié)合方式，對(duì)傳感器進(jìn)行封裝處理，確保穿戴者的舒適性和安全性。

2.2.3足底壓力鞋墊的材料

制作鞋墊的材料、結(jié)構(gòu)不同，人們穿著的舒適性不同，對(duì)于足部健康的矯治也不同。太軟的材料對(duì)腳底沒(méi)有支撐力，容易疲勞；材料太硬，運(yùn)動(dòng)中腳和地面產(chǎn)生的作用力對(duì)足部關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)造成傷害。人們?cè)诓粩嗵剿骱透倪M(jìn)鞋墊的材料和制作工藝。

常用的鞋墊材料分為天然材料、高分子材料和3D打印材料。天然材料制成的鞋墊富有彈性，吸濕透氣性好，但耐用性差[20]，因此天然材料不適用智能鞋墊的制作。高分子材料如乙烯醋酸乙烯聚合物(EVA)、聚乙烯(PE)、聚氨酯(PU)、乳膠及多層復(fù)合材料，具有質(zhì)輕、柔軟、防潮隔熱、抗菌彈性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于制作各類(lèi)功能性鞋墊。3D打印鞋墊具有可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、靈活度高、效率高、加工精度高等優(yōu)點(diǎn)，但其耗材成本和設(shè)備成本較高，在研究功能性鞋墊材料時(shí)也多有應(yīng)用[27]。3D打印的間隔織物鞋墊對(duì)足底壓力有緩沖作用，通過(guò)在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中監(jiān)測(cè)人體足部壓力峰值，減少了趾骨1～3的12%的峰值壓力[28]。近年來(lái)智能鞋墊開(kāi)發(fā)新型材料，如智能纖維、碳纖維材料、有機(jī)硅人體仿生材料，利用混紡交織等方法改進(jìn)鞋墊材料，具有穿著舒適、吸汗、殺菌、除臭等特點(diǎn)。

鞋墊材料的選擇是足—鞋環(huán)境系統(tǒng)舒適性的重要因素，鞋墊材料的硬度、厚度和結(jié)構(gòu)是影響鞋墊舒適性的主要因素。較硬的鞋墊能較大程度地分散足底主要受力區(qū)域承受的壓力，人在行走時(shí)穿著不同厚度和硬度的EVA鞋墊，厚度在1.5～4.68 mm、硬度在23.7°～33.7°之間穿著舒適性較好，其中硬度33°、厚度4.5 mm鞋墊的舒適性最佳[29-30]，鞋墊的腰窩高度到達(dá)足部腰窩整體高度的一半時(shí)舒適性最佳[31]。在設(shè)計(jì)鞋墊的結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)根據(jù)足部的力學(xué)特性，通過(guò)在足底壓力較大區(qū)域，插入復(fù)合型材料，或者使用多種材料組合來(lái)調(diào)節(jié)穿著舒適性[32]。

3 發(fā)展趨勢(shì)與挑戰(zhàn)

3.1 挑戰(zhàn)

盡管現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外足底壓力測(cè)量鞋墊已經(jīng)有了一定的研究基礎(chǔ)，但其發(fā)展還是存在一些問(wèn)題:

(1)目前最佳穿著舒適性的鞋墊材料硬度和厚度的研究，尚未達(dá)成統(tǒng)一的量化數(shù)據(jù)[30]。對(duì)鞋墊材料舒適性的研究多數(shù)停留在對(duì)足底壓力進(jìn)行客觀測(cè)量的同時(shí)，再結(jié)合主觀評(píng)價(jià)的方法獲得最佳的材料數(shù)據(jù)，由于主觀評(píng)價(jià)受個(gè)體偏好、身高、體重和生活習(xí)慣差異等多方面因素的制約，評(píng)價(jià)精度不高，因此鞋墊舒適性還有待進(jìn)一步研究，提出足部的舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo)尤為重要[33]。

(2)安全性需加強(qiáng)。足底壓力測(cè)量鞋墊與人體接觸，要控制、規(guī)范輻射或者防止漏電，降低可能對(duì)人體造成過(guò)敏等傷害，保護(hù)人身安全。

(3)提高鞋墊的實(shí)用性。目前的智能鞋墊都不能洗滌，盡管電子元件已被封裝，但不能保證濕氣和灰塵影響其精確性。因此，多次使用后應(yīng)保證鞋墊具有的測(cè)量精度和穩(wěn)定的尺寸，提高鞋墊的耐洗滌性、耐磨性等服用性能。

(4)電池續(xù)航能力有待提高。輕便是對(duì)可穿戴的基本要求，這也是可穿戴電池續(xù)航時(shí)間的弊端[34]。傳統(tǒng)符合要求的是鋰電池紐扣電池，隨著可穿戴產(chǎn)品的發(fā)展，續(xù)航能力難以跟上可穿戴設(shè)備的步伐。

3.2 發(fā)展趨勢(shì)

(1)舒適性更加顯著。在柔性織造物體上進(jìn)行基板的設(shè)計(jì)，能夠擁有柔性電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)良好的緩沖性能和舒適性，朝著更輕便、更舒適的方向轉(zhuǎn)變，更趨于家用和日?；?。

(2)滿(mǎn)足人們的多元需求。人們?cè)絹?lái)越追求“個(gè)性化”和“時(shí)尚化”，智能鞋墊的生產(chǎn)將從規(guī)模批量個(gè)性定制的方向發(fā)展，針對(duì)部分人群的足部狀況和個(gè)人愛(ài)好實(shí)現(xiàn)量身定制，生產(chǎn)出滿(mǎn)足不同人群特殊需求的產(chǎn)品。

(3)功能更加多元化,實(shí)用性更強(qiáng)。從測(cè)量足底壓力和運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)，包括步速、距離、步幅和節(jié)奏，到跟蹤健康和評(píng)估健康指標(biāo)，比如卡路里、體重等，智能鞋墊可以為用戶(hù)提供個(gè)性化的反饋。

(4)無(wú)線鞋墊的續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng)，電池體積在最小化的前提下，具有較長(zhǎng)的使用時(shí)間。就傳感器的能量供給而言，目前最可能的解決方案是具有高能量密度的可充電的電化學(xué)電池?？紤]到生活環(huán)境周?chē)嬖诖罅侩姶泡椛洌虼藷o(wú)線充電有希望成為下一個(gè)可靠的能量來(lái)源。如今新能源應(yīng)用也成為理想的能源，太陽(yáng)能電池和體能發(fā)電可再生，且分布廣泛，不污染環(huán)境，研究開(kāi)發(fā)可持續(xù)和具有能量收集裝置也是智能可穿戴的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。