一种柔性智能鞋垫及其编织方法

技术领域

本发明涉及一种柔性智能鞋垫及其编织方法，属于纺织品生产技术领域。

背景技术

随着对智能可穿戴纺织品研究的深入，目前已有部分智能纺织品进行了量产。适量的运动可以增强人体的免疫力，从一定程度上改善人体的健康情况，但不当的运动习惯会导致不良的足部状态和腿部变形等问题。人体在行走过程中的步态周期一般包括三个阶段：脚后跟落地，脚掌全部落地以及脚后跟离地脚前掌落地。智能鞋垫能够通过对各个行走阶段步态的信号监测观察到人体在运动和行走过程中的不良行为，从而达到矫正步态的目的。对足部压力信号的监测分析在医疗康复、体育运动等方面均有着重要的科学意义及应用价值。但现有的智能鞋垫用的压力传感器硬，形变小，导致感知应力范围小、灵敏度低；并且压力传感器与鞋垫固定不牢固，容易掉落。

公开号为CN109077729A的专利披露了一种压力传感智能鞋垫及基于压力传感智能鞋垫的可个性化足底压力测量装置，其设置的压力传感模块通过层层复合的方法将软性保护层、硬质传感层和压力传感器组合在一起，这种方式形成的鞋垫过于硬板，受到外力时难以产生大形变，导致传递信号时误差增大，最终会影响数据的精确度。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种柔性智能鞋垫及其编织方法，所述柔性智能鞋垫采用一体化针织结构柔性编织，结构牢固的同时具有良好的柔软性和透气性，能适应人体工学的要求，扩大应力感知范围以及提高信号的灵敏度。

本发明的第一个目的在于提供一种柔性智能鞋垫，包括柔性压容式传感器、转换信号模块、处理器模块、鞋垫本体、数据显示模块和导电纱线，所述鞋垫本体正反两面的正对位置通过导电纱线编织有导电区域，所述鞋垫本体正反两面的导电区域形成柔性压容式传感器的上下电极，所述柔性压容式传感器有若干个，相邻的柔性压容式传感器之间通过导电纱线编织有导电通路区域；鞋垫本体正反两面还通过基础纱线编织有非导电区域；鞋垫本体正反两面之间设有介质层。

本发明的一种实施方式中，所述转换信号模块和信号处理器模块固定在鞋垫本体内；所述处理器模块和数据显示模块之间通过导电纱线连接，所述转换信号模块与处理器模块之间通过导电纱线连接，所述若干柔性压容式传感器组成柔性压容式传感器阵列，由导电纱线编织的导电通路区域连接各个压容式传感器正反面导电区域，所述柔性压容式传感器阵列通过导电纱线与转换信号模块连接。

本发明的一种实施方式中，所述柔性压容式传感器用于将力学信号通过转换信号模块转换成电学信号，所述处理器模块对电学信号进行处理分析并传输模拟数字信号至数据显示模块；所述数据显示模块用于将模拟数字信号可视化并传输到终端设备进行数据存储。

本发明的一种实施方式中，所述介质层为织物介质层，介质层采用高性能纱线编织，在全成形横编机的前后针床上隔针来回集圈，使介质层固定于鞋垫本体正反两面之间。

本发明的一种实施方式中，所述基础纱线采用粗细为150D且具有吸湿功能的纱线，所述导电纱线采用200D镀银纱。

本发明的一种实施方式中，所述鞋垫本体的正面编织有横向连接导电区域的导电通路区域，鞋垫本体的反面编织有纵向连接导电区域的导电通路区域，以形成一个完整的导电传感路径。

本发明的一种实施方式中，所述鞋垫本体中央位置通过移圈组织和浮线形成孔洞，以放置转换信号模块和处理器模块。

本发明的另一个目的在于提供一种柔性智能鞋垫编织方法，包括如下步骤：

S1.以所述柔性智能鞋垫设置的转换信号模块和处理器模块的区域为界，将柔性智能鞋垫分为上下两部分，从柔性智能鞋垫下半部分的底端开始，由四针床全成形横机的第一纱嘴喂入四股150D粘胶纱编织若干横列组成鞋垫底端的非导电区域；

S2.编织柔性智能鞋垫下半部分由非导电区域、导电区域以及导电通路区域组合而成的横条区域；

S3.编织只包含非导电区域的横条区域；

S4.S1、S2和S3编织的过程中同时编织介质层；

S5.S1、S2和S3编织的过程中同时编织柔性智能鞋垫边缘；

S6.编织所述柔性智能鞋垫中间位置的转换信号模块和处理器模块的区域，采用移圈组织和浮线使得织物表面留有孔洞，用于放置转换信号模块和处理器模块；

S7.重复S1～S6，编织位于转换信号模块和处理器模块上半部分的柔性智能鞋垫。

本发明的一种实施方式中，所述S2中，非导电区域、导电区域使用第一纱嘴和第二纱嘴进行编织，第一纱嘴喂入四股150D粘胶纱用作非导电纱，第二纱嘴喂入三股200D镀银纱用作导电纱；导电通路区域使用第三纱嘴进行编织，第三纱嘴喂入与第二纱嘴同规格的纱线；非导电区域通过第一纱嘴编织，在非导电区域、导电区域交接处停放第一纱嘴，此时将编织纱嘴更换为第二纱嘴；导电区域通过第二纱嘴编织，第一纱嘴待第二纱嘴运行一段时间后进入导电区域进行编织，在导电区域、非导电区域的交接处停放第二纱嘴，此时第一纱嘴继续编织，即在同一横列形成导电区域与非导电区域间隔排列的布局；导电通路区域通过第三纱嘴采用成圈方式进行编织，将织物表面的导电区域连接起来，形成完整的导电回路；

所述S3中，使用第一纱嘴喂入四股150D粘胶纱采用成圈方式进行编织；

所述S4中，柔性智能鞋垫的织物正反面由中间的纱线连接起来，S1及S3中涉及到的非导电区域在第一纱嘴完成一横列编织后，使用第四纱嘴喂入高性能纱线作为间隔丝，采用集圈的方式编织下一个横列，以此连接鞋垫的正反面，形成介质层；S2中涉及到的横条区域在第一纱嘴、第二纱嘴和第三纱嘴编织完一横列后，使用第四纱嘴喂入高性能纱线作为间隔丝，采用集圈的方式编织下一个横列，以此连接鞋垫的正反面，形成介质层，使正反面成为一个整体。

本发明的一种实施方式中，所述S5中，对所述柔性智能鞋垫需要外扩的边缘进行放针编织，由第一纱嘴喂入四股150D粘胶纱先在后上针床编织若干线圈，然后在前上针床编织一个线圈后回到后上针床继续编织，一个横列编织结束后，将后上针床边缘的线圈翻至前上针床，此时给予前上针床向右摇床一针的指令，再将前上针床的所有线圈翻针至后上针床的对应针位，用于增加织物宽度；

所述柔性智能鞋垫下半部分的局部边缘向内收缩，由第一纱嘴喂入四股150D粘胶纱先在后上针床编织若干线圈，并空出一针，在前上针床成圈后回到后上针床继续编织，一个横列编织结束后，将后上针床的边缘线圈翻至前上针床，此时给予前上针床向左摇床一针的指令，再将前上针床的所有线圈翻至后上针床的对应针位，用于减少织物宽度，使线圈难以脱散，稳定织物形态。

有益效果

(1)本发明的柔性智能鞋垫可以根据人体脚部大小的不同而设计织物电极的大小以及位置，充分适应人体工学要求，具有丰富多样性与良好的适应性。

(2)本发明的柔性智能鞋垫正反两面之间设有介质层，介质层采用高性能纱线编织，在全成形横编机的前后针床上隔针来回集圈，使介质层固定于鞋垫本体正反两面之间，扩大了电路信号传递的空间可能性，可以提高智能鞋垫的灵敏性。

(3)本发明鞋垫本体在四针床全成形横编机上形成，正反两面表以进行导电区域和非导电区域的交替编织，一体成形技术使导电区域和鞋垫本体之间的结合更牢固，使用寿命提高，以致具有更多应用可能性。

(4)本发明的柔性智能鞋垫更适宜应用于运动过程中信号的动态监测，应用场景广泛，如计步、步态矫正等；形成导电通路后，不仅能够记录运动状态以及判断所处步态阶段，而且能够根据瞬时状态下电容值进行转化为压力值并记录。

附图说明

图1为本发明柔性智能鞋垫的结构示意图；

图2为行走过程中正常的人体步态阶段；

图3为本发明柔性智能鞋垫的工作流程图；

图4为本发明智能本体正面的局部编织示意图；

图5为本发明智能本体的正反面之间介质层的局部立体结构示意图；

图6本发明柔性智能鞋垫编织方法中的放针过程；

图7本发明柔性智能鞋垫编织方法中的收针过程；

图8为本发明柔性智能鞋垫的一种穿戴方法；

图中：柔性压容式传感器1，转换信号模块2，处理器模块3，鞋垫本体4，数据显示模块5，导电纱线6，袜子7，活动性弹性绷带8；非导电区域9；导电区域10；导电通路区域11；放针编织区域001；收针编织区域002。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向。使用的词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

实施例1

一种柔性智能鞋垫，如图1所示，包括柔性压容式传感器1、转换信号模块2、处理器模块3、鞋垫本体4、数据显示模块5和导电纱线6，所述鞋垫本体4正反两面的正对位置通过导电纱线6编织有导电区域10，所述鞋垫本体4正反两面的导电区域10形成柔性压容式传感器1的上下电极，所述柔性压容式传感器1有若干个，相邻的柔性压容式传感器1之间通过导电纱线6编织有导电通路区域11；鞋垫本体4正反两面还通过基础纱线编织有非导电区域9；鞋垫本体4正反两面之间设有介质层，所述介质层为多微孔弹性介质层或织物结构介质层。

所述处理器模块3和数据显示模块5之间通过导电纱线6连接，所述转换信号模块2与处理器模块3之间通过导电纱线6连接，所述若干柔性压容式传感器1组成柔性智能鞋垫中的柔性压容式传感器阵列，由导电纱线6编织的导电通路区域11连接各个压容式传感器正反面导电区域10，所述柔性压容式传感器阵列通过导电纱线6与转换信号模块2连接，所述导电纱线6位于介质层内，以增加穿着舒适感。所述转换信号模块2提供电源，转换信号模块2和信号处理器模块3固定在鞋垫本体4内；所述转换信号模块2将处理器模块3与柔性压容式传感器阵列串联起来。所述柔性压容式传感器1用于将力学信号通过转换信号模块2转换成电学信号，所述处理器模块3对电学信号进行处理分析并传输模拟数字信号至数据显示模块5；所述数据显示模块5用于将模拟数字信号可视化并传输到终端设备进行数据存储。

进一步地，所述基础纱线采用粗细为150D且具有吸湿功能的纱线，所述导电纱线6为200D的镀银纱。

进一步地，所述导电区域10设计为正方形，可以为4横列×4纵行或者5横列×5纵行，每个导电区域10的距离根据脚掌的关节发力点间距来进行调整。

进一步地，所述鞋垫本体4的正面编织有横向连接正方形导电区域10的导电通路区域11，鞋垫本体4的反面编织有纵向连接且与正面对应正方形导电区域10的导电通路区域11，以此形成一个完整的导电传感路径；

进一步地，所述介质层采用回弹性较好的高性能纱线编织，在全成形横编机的前后针床上隔针来回集圈，使介质层固定于鞋垫本体4正反两面之间；

进一步地，所述鞋垫本体4中央位置通过移圈组织和浮线形成孔洞，以放置转换信号模块2和处理器模块3。

如图2-3所示，所述柔性智能鞋垫的工作原理为：开始工作时，所述智能鞋垫受到来自人体在行走过程中的压力变化，具体感知分布到鞋垫上下表面的导电区域10，此时电路接通；

转换信号模块2开始工作，将接收到的力学信号转换成电学信号方便读取，处理器模块3接收转换信号模块2传输过来的电学信号进行处理，并输出模拟数字信号；

由于压力分布的不均匀，每个柔性压容式传感器1产生的形变不相同，数据显示模块5接收模拟数字信号，运用算法对数据进行分析处理，经数据显示模块5形成可视化矩阵压力分布，一个柔性压容式传感器1对应一个矩形面积，柔性压容式传感器1感知的压力大小将通过矩形面积颜色的深浅表现出来，颜色深即受到较大的压力，若无颜色覆盖则说明该导电区域10没有感知到压力，从而达到对人体正确步态监测的目的；同时，因为人体在行走过程中的步态周期一般包括脚后跟落地，脚掌全部落地以及脚后跟离地脚前掌落地三个阶段，通过对数据显示模块5展现的可视化信息进行分析，利用不同阶段压力变化的特征，可知经历的步态周期循环数，从而达到计步的目的，通过蓝牙通信技术将处理过的数据传输给终端设备并进行存储。

实施例2

本实施例提供了一种柔性智能鞋垫编织方法，所述柔性智能鞋垫在四针床全成形横机上织造，机器内分为前后针床，前针床又分为上下针床，后针床也分为上下针床，将这些针床简称为前上(FU)、前下(FD)、后上(BU)、后下(BD)；

所述柔性智能鞋垫编织方法包括如下步骤：

S1.以所述柔性智能鞋垫设置的转换信号模块2和处理器模块3的区域为界，将柔性智能鞋垫分为上下两部分，从柔性智能鞋垫下半部分的底端开始，由四针床全成形横机的第一纱嘴喂入四股150D粘胶纱编织若干横列组成鞋垫底端的非导电区域9；

S2.编织柔性智能鞋垫下半部分由非导电区域9、导电区域10以及导电通路区域11组合而成的横条区域；

四针床全成形横机的第一纱嘴进入非导电区域9、导电区域10以及导电通路区域11组合而成的横条区域进行编织；所述横条区域的局部编织如图4所示，箭头代表纱嘴行进方向即编织方向；非导电区域9、导电区域10使用第一纱嘴和第二纱嘴进行编织，第一纱嘴喂入四股150D粘胶纱用作非导电纱，第二纱嘴喂入三股200D镀银纱用作导电纱；导电通路区域11使用第三纱嘴进行编织，第三纱嘴喂入与第二纱嘴同规格的纱线；非导电区域9通过第一纱嘴编织，在非导电区域9、导电区域10交接处停放第一纱嘴，此时将编织纱嘴更换为第二纱嘴；导电区域10通过第二纱嘴编织，第一纱嘴待第二纱嘴运行一段时间后进入导电区域10进行编织，在导电区域10、非导电区域9的交接处停放第二纱嘴，此时第一纱嘴继续编织，这样即在同一横列形成导电区域10与非导电区域9间隔排列的布局；导电通路区域11通过第三纱嘴采用成圈方式进行编织，将织物表面的导电区域10连接起来，形成完整的导电回路，便于电信号的传播；

S3.编织只包含非导电区域9的横条区域；

纱嘴进入只包含非导电区域9的横条区域编织，使用第一纱嘴喂入四股150D粘胶纱采用成圈方式进行编织；

S4.S1、S2和S3编织的过程中同时编织介质层；

如图5所示，柔性智能鞋垫的织物正反面由中间的纱线连接起来，S1及S3中涉及到的非导电区域在第一纱嘴完成一横列编织结束后，使用第四纱嘴喂入高性能纱线作为间隔丝，采用集圈的方式编织下一个横列，以此连接鞋垫的正反面，形成介质层；S2中涉及到的横条区域在第一纱嘴、第二纱嘴和第三纱嘴编织完一横列后，使用第四纱嘴喂入高性能纱线作为间隔丝，采用集圈的方式编织下一个横列，以此连接鞋垫的正反面，形成介质层，使正反面成为一个整体；

S5.S1、S2和S3编织的过程中同时编织柔性智能鞋垫边缘；

在不增减参与编织织针数量的情况下，若干横列和纵行线圈组成的织物是规则矩形状，难以获得如鞋垫这样不规则的形状，如图1所示；此时需要在鞋垫边缘减少或者增加参与编织的织针数量，以达到减少或者增加织物宽度的目的；

鞋垫下半部分的局部边缘向外扩张，类似放针编织区域001，此时对鞋垫需要外扩的边缘进行放针编织，如图6所示，由第一纱嘴喂入4股150D粘胶纱先在后上针床编织若干线圈，然后在前上针床编织一个线圈后回到后上针床继续编织，一个横列编织结束后，将后上针床边缘的线圈翻至前上针床，此时给予前上针床向右摇床一针的指令，再将前上针床的所有线圈翻针至后上针床的对应针位，达到增加织物宽度的目的；

鞋垫下半部分的局部边缘向内收缩，类似收针编织区域002，如图7所示，由第一纱嘴喂入4股150D粘胶纱先在后上针床编织若干线圈，并空出一针，在前上针床成圈后回到后上针床继续编织，一个横列编织结束后，将后上针床的边缘线圈翻至前上针床，此时给予前上针床向左摇床一针的指令，再将前上针床的所有线圈翻至后上针床的对应针位，达到减少织物宽度的目的，这样的编织方法使线圈难以脱散，织物形态更为稳定；

S6.编织所述柔性智能鞋垫中间位置的转换信号模块2和处理器模块3的区域，采用移圈组织和浮线使得织物表面留有孔洞，以此放置转换器模块和处理器模块；

S7.重复S1～S6，编织位于转换信号模块2和处理器模块3上半部分的柔性智能鞋垫；

最后进入鞋垫上半部分的编织，此部分的布局同鞋垫的下半部分，鞋垫表面以及边缘的编织过程与鞋垫下半部分编织过程一致。

实施例3

如图8所示，本实施例提供一种柔性智能鞋垫的穿戴方法：所述数据显示模块5设于鞋垫本体4外，鞋垫本体4的上方为用户穿着的袜子7，所述鞋垫本体4通过导电纱线6与处理器模块3相连，实现信号传递电路的畅通。若将数据显示模块5也设置于鞋垫内，鞋垫的柔软性会降低，使得人体的体验感大大下降。因此可以将数据显示模块5嵌入活动式弹性绷带8内，放置于人体脚踝与膝盖之间的任一位置，也可根据用户的视觉需求选择放置于腿部内侧还是外侧，提高了使用灵活性，具有更多的应用可能性。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同更换，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改，等同替换，改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。