ES2944582T3 - Sistema para determinar fuerzas en los pies - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un sistema para medir fuerzas en diferentes regiones del pie con el fin de apoyar el tratamiento médico, mejorar el rendimiento deportivo, etc. Utiliza una pluralidad de sensores de fuerza dispuestos en zonas en las que la pluralidad de sensores de fuerza comprende sensores de diferentes tipos. El sistema incluye un transmisor que transmite datos a una unidad de procesamiento que recibe y procesa datos para determinar el desempeño de un atleta o condiciones médicas en relación con la locomoción. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema para determinar fuerzas en los pies

Antecedentes de la invención

La medición de la presión plantar se puede utilizar para mejorar el rendimiento en deportes y para diagnóstico y rehabilitación u otros fines en el cuidado de la salud. El análisis de la fuerza o la presión en el calzado se puede utilizar con fines médicos para ayudar con la rehabilitación, diagnosticar problemas relacionados con el equilibrio, el balanceo, la marcha u otras funciones del pie. El análisis de la fuerza y la presión en el calzado también se puede utilizar para mejorar el rendimiento en los deportes, por ejemplo, en atletismo, fútbol o baloncesto.

Hay varias soluciones en el mercado que miden la presión en la suela y la traducen en un mapa de presión visual o en gráficos de fuerza-tiempo. Los gráficos de fuerza-tiempo pueden proporcionar información valiosa sobre la fisiología o el rendimiento. Con frecuencia, estos datos se utilizan y evalúan en comparación con un umbral o un perfil ideal, o con los datos históricos del usuario, para sacar conclusiones útiles. Por ejemplo, tales conclusiones pueden relacionarse con el posicionamiento, la fuerza o la sincronicidad adecuados de un atleta.

Los sistemas que se utilizan con fines de diagnóstico médico se pueden considerar como parte de la inversión en infraestructura que realiza una clínica, por ejemplo, y los pacientes simplemente usarían estos sistemas cada vez que visitan a su médico. En otros casos, por ejemplo, en aplicaciones deportivas, los usuarios pueden necesitar tener cada uno su propio par de zapatos sensores. Por ejemplo, un equipo de fútbol puede necesitar más de 30 zapatos para diferentes jugadores. Por lo tanto, para muchas aplicaciones, el bajo costo es un requisito adicional para obtener datos confiables y una respuesta rápida.

Descripción de la técnica anterior

Hay varios sistemas conocidos que usan mediciones relacionadas con la presión o la fuerza dentro del zapato y que proporcionan un perfil de distribución de presión o señales de fuerza-tiempo. El uso de múltiples sensores es bien conocido en la técnica, véanse, por ejemplo, los documentos US2014326085, WO2006100331, KR101530225 o KR20110124964.

El documento EP0846441(B1) describe sensores en conjuntos formados como una matriz direccionable por filas y columnas, cada punto en el tiempo interrogando la salida de cada fila y columna de manera conmutable. El problema de esta disposición es que una matriz de sensores de tipo resistivo o de tensión no es muy precisa y siempre hay un pequeño retraso en la medición de un punto físico de la plantilla con respecto a otro punto físico de la plantilla.

De forma similar, el documento ES2120860 (B1) da a conocer una disposición matricial que consta de 2048 elementos piezorresistivos. Aunque tal enfoque hace posible encontrar la presión en cualquier punto de la huella, hay un costo significativo asociado a esto.

En muchas implementaciones, la medición de presión confiable requiere una capa rígida sobre la cual descansan los sensores.

Por ejemplo, el documento US9005140B2 describe una disposición en la que la capa inferior de una plantilla es rígida. Tal disposición tiene la desventaja de que no es adecuada cuando un buen rendimiento requiere una plantilla flexible, como es el caso de muchas aplicaciones relacionadas con el deporte.

La mayoría de los sistemas utilizan sensores individuales y procesan los datos de cada sensor individual. Por ejemplo, el documento US2014222173(A1) describe un sistema mediante el cual se utiliza una pluralidad de sensores de fuerza donde hay al menos un sensor en cada parte de la falange del pie, una parte del antepié y una parte del talón. Cada una de las señales de los sensores de fuerza se compara con plantillas u otra información relacionada con ese sensor. Cuando se utilizan puntos de presión individuales, las conclusiones pueden ser más difíciles de sacar, ya que el sistema depende de manera crítica de la fisiología del usuario y necesita ser recalibrado cada vez para la fisiología del usuario. El procesamiento de la señal también es más complejo cuanto mayor sea el número de sensores utilizados, y la falla de un solo sensor puede inutilizar el sistema.

Se conocen en la técnica diferentes disposiciones especiales de sensores y, en muchos casos, se sabe que los sensores están organizados en zonas. Por ejemplo, el documento WO2006100331A2 describe una superficie de presión que está dividida en zonas adyacentes independientes y que tiene numerosos sensores. Cada una de las zonas está equipada con un terminal de salida y un circuito impreso flexible alimentado recoge los terminales y los conduce o transmite de forma inalámbrica a un sistema inteligente que interpreta las señales. La disposición de los sensores en zonas es significativa, pero el sistema puede ser muy costoso si se utilizan sensores de alta precisión.

El objetivo de esta invención es proporcionar un sistema de detección en el calzado que se pueda usar cómodamente durante períodos prolongados y que pueda brindar una alta confiabilidad en las mediciones a un costo relativamente bajo. La confiabilidad de la medición debe salvaguardarse incluso si falla algún sensor. Otro objetivo de esta invención es permitir comparaciones entre perfiles de muchos usuarios al permitir un procesamiento de señales simplificado que no está ligado a la fisiología específica de cada usuario individual. Esto, por ejemplo, puede ser importante para equipos deportivos en pruebas o para un entrenador que necesita guiar a los atletas o planificar su juego. Otro objetivo más de esta invención es permitir una sensación natural y cómoda al poder utilizar una plantilla que se puede doblar de forma natural.

Resumen de la invención

La invención comprende un sistema para detectar la fuerza en la suela en un calzado caracterizado por el uso de una pluralidad de sensores de fuerza dispuestos en zonas donde la pluralidad de sensores de fuerza comprende sensores de tipo A y sensores de tipo B. Los sensores de tipo A y tipo B miden el mismo parámetro; el tipo A puede tener un rango alto de fuerza y el tipo B puede tener un rango bajo de fuerza. Alternativamente, el tipo A puede ser una tasa de respuesta rápida y el tipo B una tasa de respuesta lenta. Dentro de cada zona del calzado, los sensores están en contacto con una o más superficies rígidas. La combinación de sensores tipo A y tipo B dispuestos en zonas permite obtener señales buenas y fiables sin un coste elevado. Un circuito electrónico flexible conecta dichos sensores de fuerza y se transmite una señal a una unidad de procesamiento.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1a ilustra un ejemplo de las capas de una suela de un zapato en una realización preferida en la que el sistema es integral a la suela del zapato

La Figura 1b ilustra una realización en la que la capa inferior comprende además depresiones donde los sensores encajan al menos parcialmente.

La Figura 2 ilustra un ejemplo de un sistema general que incluye dispositivos en dos zapatos que se comunican con una unidad de procesamiento

La Figura 3a ilustra un ejemplo de realización con zonas y placas rígidas

La Figura 3b ilustra un ejemplo de realización con zonas y placas rígidas de diferente grado de rigidez

Las Figuras 4a y 4b ilustran un ejemplo de una realización alternativa donde las placas rígidas no coinciden con las zonas de presión fisiológica del pie

La Figura 5a ilustra un ejemplo de una realización con sensores colocados en la zona del talón que muestra sensores de tipo A y tipo B

La Figura 5b ilustra un ejemplo de una realización con sensores tipo A y tipo B dispuestos en diferentes zonas La Figura 6 ilustra un ejemplo de los diferentes rangos operativos de los sensores de presión o fuerza

La Figura 7 ilustra esquemáticamente un ejemplo de sensores montados en una capa electrónica flexible La Figura 8a ilustra esquemáticamente los módulos de la unidad de manejo y potencia

La Figura 8b ilustra esquemáticamente los módulos de la unidad de manejo y potencia con acelerómetro integrado, giroscopio y capacidad de carga inalámbrica.

Las Figuras 9a y 9b ilustran el posicionamiento de la unidad de manejo y potencia en una depresión en la suela del zapato.

La Figura 10 ilustra un posicionamiento alternativo de la unidad de manejo y potencia en una posición fuera de la suela del zapato.

Descripción detallada de la invención

Con referencia a la Figura 1a, el sistema de medición es integral con la suela (1) del zapato y comprende una capa inferior (2), una capa superior (3), una pluralidad de sensores (4), un circuito electrónico flexible (5 ) que conecta dichos sensores (4), y una unidad de manejo y potencia (6). La capa inferior es solidaria o en contacto con la suela del calzado y la capa superior está en contacto con el pie, caracterizado porque la pluralidad de sensores comprende sensores de tipo A y tipo B. Los sensores de tipo A y tipo B miden el parámetro mismo; el tipo A puede ser de alto intervalo de fuerza y el tipo B puede ser de bajo intervalo de fuerza. Alternativamente, el tipo A puede ser una tasa de respuesta rápida y el tipo B una tasa de respuesta lenta. La capa superior incluye una serie de superficies rígidas (12). El circuito electrónico está conectado a la unidad de manejo y potencia (6) y a una unidad de procesamiento. En una realización preferida, la unidad de procesamiento es remota y la transmisión de datos se realiza de forma inalámbrica.

La Figura 1b muestra una realización alternativa en la que la capa inferior (22) comprende además depresiones (16) donde los sensores (4) encajan al menos parcialmente.

En una realización preferida, los sensores son sensores de fuerza o presión. Los sensores de fuerza pueden medir las fuerzas inferior-superior (vertical), anterior-posterior (atrás-frente) y medial-lateral (de lado a lado) experimentadas en la superficie plantar del pie. La fuerza de reacción del suelo inferior-superior o vertical es a menudo la fuerza más significativa que se utiliza para evaluar el rendimiento y la condición médica.

La fuente de alimentación (61) tiene la forma de una batería pequeña, preferiblemente una batería de iones de litio tipo moneda. La fuente de alimentación puede integrar una capacidad de carga inalámbrica (67) para recargar dicha batería. La memoria (62) es preferiblemente una memoria flash, e-PR0M, e2-PR0M u otra memoria de estado sólido. La transmisión (64) es en una realización preferida un transmisor inalámbrico, cuya forma puede variar dependiendo de la aplicación y las demandas de rango de transmisión. La unidad de manejo y potencia también puede integrar un componente integrado de acelerómetro y giroscopio (65) para medir la orientación del pie, la velocidad de la marcha y la aceleración. También se puede incluir una unidad de GPS (66) en dicha unidad de manejo y potencia para registrar la ubicación geográfica de la medición y aumentar la medición del acelerómetro y el giroscopio para posicionar con precisión el calzado.

En una realización preferida, el procesamiento de los datos lo realiza un ordenador remoto (8). La Figura 2 muestra una realización en la que los datos se transmiten de forma inalámbrica, mediante unidades de transmisión (64a, 64b) en cada zapato, a un ordenador remoto (8). Este ordenador remoto puede ser, por ejemplo, un ordenador portátil o de escritorio, un teléfono inteligente o una tableta, u otro dispositivo portátil o portátil. Cada sistema de medición en cada zapato genera una señal (9a, 9b) que luego se transmite a un receptor del ordenador (10). Las dos señales (9a, 9b) se sincronizan y luego se procesan para proporcionar visualizaciones (11) u otra información significativa después del procesamiento de la señal.

La activación para la grabación se puede realizar, por ejemplo, mediante una señal inalámbrica que activa ambos sistemas de medición en cada zapato para comenzar a grabar al mismo tiempo. La activación también se puede realizar cuando un reloj interno en cada sistema de medición en cada zapato alcanza un tiempo establecido. Los dos relojes, uno en cada zapato, se sincronizan con antelación.

Los datos se recopilan como series temporales y, en una realización preferida, el procesamiento comprende comparaciones de datos de series temporales. Tales comparaciones pueden, por ejemplo, indicar el grado de mejora que un atleta logra con el tiempo.

Como ilustra la Figura 3a, la capa superior (3, 31) que está en contacto con el pie comprende varias placas rígidas (12) que se organizan en zonas (13). Estas placas rígidas están hechas de material liviano como el compuesto de fibra de carbono. Un cierto grado de flexión es posible y de hecho deseable para estas placas rígidas (6). Diferentes placas rígidas (12) pueden tener una rigidez diferente o un grado de flexión diferente según la posición o la aplicación. La Figura 3b muestra un ejemplo de capa que comprende placas rígidas de diferente rigidez (12a, 12b, 12c). La rigidez es necesaria para garantizar que la fuerza se transfiera de manera efectiva a los diferentes sensores (4) que están en contacto con una placa rígida (12). Un equilibrio de rigidez alta, media o baja proporciona comodidad y movimiento natural al mismo tiempo que satisface el objetivo de transferir fuerza o presión a los sensores.

Es posible que las placas rígidas no siempre coincidan con las regiones de presión del pie aplicado al zapato. La Figura 4a muestra una región típica de presión (14) de un pie y la Figura 4b muestra la misma región (14) acoplada a la capa superior de un sistema de medición. En este ejemplo, la región de presión abarca dos placas rígidas (121, 122).

Generalmente, una sola placa rígida está en contacto tanto con el sensor tipo A (4A) como con el sensor tipo B (4B). La Figura 5a ilustra una disposición en una realización preferida donde cada una de las placas rígidas mostradas (12) está en contacto con dos tipos de sensores, tanto del tipo A (4A) como del tipo B (4B). Al tener sensores de tipo A y tipo B en contacto con la misma placa rígida, la señal se puede promediar de manera efectiva, mientras que las fluctuaciones de frecuencias más altas pueden ser capturadas por el sensor con la tasa de respuesta más rápida. Una sola placa rígida no puede estar en contacto con el sensor tipo A (4A) y el sensor tipo B (4B). La Figura 5b muestra una disposición en una realización alternativa donde una zona (121) está en contacto con sensores de un solo tipo, tipo B (4B), mientras que otras zonas (120) están en contacto con sensores tipo A y tipo B. Por ejemplo, el tipo de sensor B puede representar un sensor de tasa de respuesta más lenta y, por lo tanto, de menor costo.

La disposición en la que una zona incluye sensores de tipo A y tipo B, donde el tipo A puede ser un sensor que cubre un rango de presión y el tipo B puede ser un sensor que cubre otro rango de presión, permite una alta precisión y confiabilidad general a un costo mucho menor. La Figura 6 muestra un ejemplo de los rangos de fuerza o presión que pueden cubrir los sensores. Generalmente, los sensores que mantienen una alta precisión en un rango largo tienden a ser más costosos que los sensores que mantienen la precisión en un rango más pequeño. Los sensores tipo A y tipo B pueden representar sensores que funcionan en un rango diferente de medición de fuerza o presión. De esta forma, se logra una resolución más alta por un costo menor al combinar las señales de dos sensores, cada uno de los cuales opera en un rango estrecho, ya que los sensores que operan en un rango más amplio son generalmente más costosos que los sensores que operan en un rango estrecho para la misma resolución.

Por lo general, los errores en los sensores son menores en la región del 10-50% de la escala completa. Por ejemplo, un sensor que mide de cero a 100 Kg, al medir 5Kg de fuerza tendría un error mucho mayor que un sensor que tiene un rango de operación de cero a 50Kg de fuerza y mide 5Kg de fuerza.

Los diferentes tipos de sensores pueden incluir diferentes especificaciones de detección, por ejemplo, diferentes rangos operativos, diferentes áreas de detección, diferente precisión de escala completa (FS) y diferente linealidad, deriva y repetibilidad. Cuanto menor sea el costo de un sensor, generalmente menor será la precisión, la linealidad o la repetibilidad.

El uso de diferentes tipos de sensores también permite el uso de un sensor de mayor rendimiento, como un sensor de mayor precisión, para calibrar un sensor de menor rendimiento, logrando así un buen rendimiento a un costo mucho menor.

En una configuración en la que varios sensores (4) están en contacto con una placa rígida (12), el procesamiento de la señal se puede simplificar tomando un valor del promedio de los valores de cada sensor individual para aquellos sensores para los que el valor real de la fuerza está dentro de sus rangos de operación. Mediante el uso de comparaciones de promedios simples y el examen visual de la fuerza o los mapas de fuerza se hace mucho más fácil para el médico o para un entrenador deportivo, por ejemplo.

En una configuración donde varios sensores (4) están en contacto con placas rígidas (12) también es posible compensar la falla de un solo sensor permitiendo que el sistema continúe siendo utilizado incluso si falla un sensor. En una configuración donde varios sensores (4) están en contacto con placas rígidas (12) en zonas (13), tomando la suma de los valores de sensores individuales en cada zona, se calcula el valor de fuerza total para esa zona. Los valores de fuerza para cada zona se suman para proporcionar el valor total de la fuerza de reacción vertical del suelo para dicho calzado.

Los sensores están conectados a un circuito electrónico flexible que, a su vez, está conectado a la unidad de manejo y potencia (6). La Figura 7 muestra un ejemplo de dicho circuito electrónico flexible. Es posible que todos los componentes de dicho circuito sean impresos y flexibles. Un conector flexible (51) conduce a la unidad de manejo y potencia (6). Varios sensores (4) conectados al circuito electrónico flexible (5). En otra realización, los sensores son parte integral del circuito electrónico flexible y se producen mediante técnicas de impresión directa.

La Figura 8a muestra la unidad de manejo y encendido (6) que comprende la fuente de alimentación (61), la memoria (62), el acondicionamiento de datos (63) y la transmisión (64). La fuente de alimentación (61) tiene la forma de una batería pequeña, preferiblemente una batería de iones de litio tipo moneda. La memoria (62) es preferiblemente una memoria flash, e-PR0M, e2-PR0M u otra memoria de estado sólido. También es posible que no haya memoria y los datos se transmitan directamente tal como se generan. La transmisión (64) es, en una realización preferida, un transmisor inalámbrico. La tecnología transmitida específica depende de la aplicación y las demandas de rango de transmisión. En otra realización, no hay transmisión de datos. Los datos se almacenan en la memoria y se descargan cuando el zapato está cerca de un ordenador conectando un dispositivo de comunicación a un puerto de conexión que accede a la memoria. Dicho puerto podría ser, por ejemplo, un puerto USB.

La Figura 8b muestra la unidad de manejo y potencia con acelerómetro y giroscopio integrados (65), GPS (66) y capacidad de carga inalámbrica (67). Se utiliza un componente integrado de acelerómetro y giroscopio (65) para medir la orientación del pie, la velocidad de la marcha y la aceleración. Se usa una unidad de g Ps (66) para registrar la ubicación geográfica de la medición y aumentar la medición del acelerómetro y giroscopio para posicionar con precisión el calzado.

Las Figuras 9a y 9b ilustran una realización preferida en la que la unidad de accionamiento y manejo (6) está asegurada en una cavidad (15) dentro de la suela del zapato. Esto tiene la ventaja de que la unidad de accionamiento y manejo está completamente oculta. Por otro lado, esto puede tener un impacto negativo con respecto al rendimiento de las zapatillas, como el rebote y la absorción de impactos, y también puede tener un impacto negativo en el alcance de la transmisión.

La Figura 10 muestra una realización alternativa en la que la unidad de manejo y potencia puede estar asegurada en la superficie superior externa del zapato, y el circuito electrónico flexible puede estar en comunicación con la unidad de manejo y potencia (6) a través de un conector flexible largo (51).

En esta descripción y en las reivindicaciones de esta invención, la presión y la fuerza pueden usarse indistintamente ya que ambos parámetros se relacionan fundamentalmente con la misma condición física del pie y la presión es una fuerza distribuida en el área de un sensor.

Claims (15)

REIVINDICACI0NES

1. Aparato para detectar la fuerza en la suela del calzado que comprende:

una capa inferior, una capa superior, una pluralidad de sensores de fuerza dispuestos en zonas, un circuito electrónico flexible que conecta dichos sensores de fuerza, y una unidad de manejo y potencia conectada al circuito electrónico, recibiendo dicha unidad de manejo y potencia señales sin procesar de dichos sensores en donde la capa inferior es integral o está en contacto con la suela del calzado y la capa superior está en contacto con el pie, caracterizado porque dichos sensores de fuerza comprenden al menos dos tipos diferentes de sensor de fuerza, tipo A y tipo B, en donde los sensores de fuerza tipo A y tipo B difieren en las siguientes formas: el tipo A tiene un intervalo de fuerza más alto que el tipo B, el tipo A tiene una mayor precisión que el tipo B, o el tipo A tiene una tasa de respuesta más rápida que el tipo B.

2. El aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la capa superior comprende regiones de material rígido y regiones de material flexible y en donde cada región de material rígido se coloca por encima de al menos parte de cada zona de sensores de fuerza.

3. El aparato de acuerdo con la reivindicación 2, en donde cada zona de sensores de fuerza está en contacto con una o más regiones de material rígido de la capa superior.

4. El aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dichos sensores de fuerza están dispuestos esencialmente a la misma profundidad con respecto a la superficie de dicha capa superior distal al pie.

5. El aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el circuito electrónico flexible y los sensores de fuerza están conectados integralmente y forman una capa intermedia entre dicha capa superior y dicha capa inferior.

6. El aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la capa inferior comprende además depresiones donde los sensores encajan al menos parcialmente y/o regiones de mayor rigidez y regiones de menor rigidez.

7. El aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los sensores miden la fuerza en dirección vertical o transversal o longitudinal o la fuerza de reacción vertical del suelo.

8. El aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde se incluyen un acelerómetro, un giroscopio y un GPS en dicha unidad de manejo y potencia y en donde el acelerómetro y el giroscopio miden la orientación del pie, la velocidad de la marcha y la aceleración.

9. El aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el circuito electrónico flexible comprende un módulo de memoria adaptado de manera que los datos pueden descargarse desde el módulo de memoria para su procesamiento externo.

10. El aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la energía es proporcionada por una batería recargable, integrando dicha unidad de manejo y potencia una capacidad de carga inalámbrica para recargar dicha batería.

11. Un sistema para evaluar la fuerza de la suela en el calzado, que comprende un aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 y una unidad de procesamiento adaptada para recibir y procesar señales del aparato.

12. El sistema de acuerdo con la reivindicación 11, en donde el circuito electrónico flexible comprende un transmisor inalámbrico y en donde la unidad de procesamiento está conectada al circuito electrónico flexible de forma inalámbrica.

13. El sistema de acuerdo con la reivindicación 11 o la reivindicación 12, en donde las mediciones de fuerza de los sensores de fuerza dentro de cada zona se suman o promedian para proporcionar un valor de fuerza total o promedio para esa zona.

14. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 13, en donde se utilizan sensores de fuerza de un intervalo de fuerza para calibrar sensores de fuerza de otro intervalo de fuerza diferente.

15. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 14, en donde los datos de los sensores de fuerza se recopilan como series temporales, y en donde el procesamiento por parte de la unidad de procesamiento comprende comparaciones de datos de series temporales.