CN100403984C - 足底力传感器 - Google Patents

Abstract

一种足底力传感器，它是由四根贴有应变片的悬臂梁组成的传感器，可实现除横向力之外的五维力/力矩测量。具有成本低，原理误差小，结构简单，耐用，可靠性高的特点。它由上踏板、下踏板、上支柱、下支柱、悬臂梁、应变片和系带组成。其中，上下踏板为略大于脚掌、规格相同的矩形薄板，四根四侧分别粘贴应变片的矩形断面悬臂梁分别插装在上下踏板内侧的上下支柱之间。系带固定在上踏板的上表面上，用于缚住脚面。使用时，将本发明置于地面或拟步态下肢康复训练机器人的脚踏板上，脚插入系带和上踏板之间即可。传感器的输出既可用于检测足底力，又可用于控制下肢康复训练机器人的步态。

Description

足底力传感器

技术领域

一种足底力传感器，是由悬臂梁和应变片组成的五维力/力矩传感器，可用于测量足底在各种体态和运动状态下的压力分布和相关力学参数。属力学量测量仪领域。

背景技术

测量、分析足底压力分布，获取人体在各种体态和运动状态下的力学参数，有助于临床医疗诊断、疗效评估和体育训练等。目前主要应用于糖尿病周围神经病变和糖尿病足溃疡的早期预测和诊断、骨科和矫形外科对关节疾患程度和手术后疗效的量化评定、康复医学中指导患者术后的行走训练和设计智能化假肢等领域。该研究对于科学培训空降兵、运动员的落地位姿及人体足部着地造成的损伤机理研究以及制鞋业的相关理论和技术研究具有重要意义。

目前，国内外足底力传感器主要有以下几种：

1.六维力/力矩传感器

主要由美国RTI、Lord及JR等公司生产。传感器弹性体的结构形式有：1)三垂直筋式、四垂直筋式；这类结构的上、下分别为两个圆环，中间有筋相连；结构简单，承载能力强，但对于沿垂直筋方向的力不灵敏。2)筒形结构；在一个整体上加工出的上部横粱及下部竖梁上贴有应变片；其主要缺点是高度较大、加工较为复杂。3)十字交叉梁式；这种结构是成型产品中使用较多的一种结构，Lord公司的六维力/力矩传感器就是这种结构；其主要变形部分为十字梁的四个臂，每个臂的四个面均贴有应变片，共有32个应变片；电路简化，但对外机械连接较麻烦，外形尺寸较大。

日本早稻田大学的WL-12RIII是采用六维力/力矩传器的先驱。本田公司的P2、P3和ASIMO采用六维力/力矩传感器获得地面反力，进行实时ZMP的检测，构成了姿态控制系统，但由于商业原因本田公司并未公布其关键技术。

2.平板式足底压力分布测量装置

袁刚等人的实用新型专利《平板式足底压力分布测量装置》ZL 02228378.1包括有硬件部分和软件部分，其特征在于：硬件中有一测量平台，其内设置有由多个微型压力传感器构成的传感器矩阵，每个传感器的受力点分别引到测量平台上的相应测量孔，传感器后面设置有信号放大器，其输出与传感器矩阵接口电路相连，矩阵接口电路与多路信号高速切换电路相接，输出与计算机中的高速A/D变换电路相连；计算机中的控制板上的控制电路与多路信号高速切换电路相连，计算机中通过PC总线分别与主机板、高速A/D和控制板相连，主机板再与显示器和硬盘相连；软件部分中的实时数据测试采集模块后面，一路通过数据存贮模块、资料查询模块，再进入诊断模块，另一路通过数据显示分析模块后直接进入诊断模块；与此同时，病历资料模块也进入诊断模块。

由于该测力板由200个直径为1.3cm的压力传感器组成，所以结构复杂，价格昂贵；且测力面积仅为30cm*15cm，所以测试范围将会受到很大影响。

3.采用装在鞋底上的测力传感鞋垫

西安工程科技学院的李慧、张欣等人设计了一种“压力测量鞋垫”，在西安工程科技学院学报上发表了论文《足底压力分布测量系统的设计》(2006年2月，第20卷第1期P36～40)。该测量鞋垫选用了4个BE120一KA电阻应变片，搭成惠斯登电桥电路。选择了10个区域作为实验的测量位置。鞋垫选用厚度为1mm的塑料薄膜，将塑料薄膜裁剪成3片完全相同的37号标准女性鞋垫(约23.5cm)形状，选其中的一片作为应变片的载体，在其表面确定10个测量位置进行压力测量，将剩下的两片分别粘贴到应变片载体的薄膜两侧。

该测量系统虽然成本低、操作简单，但由于基体较软，寿命有限；有可能产生塑性变形，造成零点飘移，线性度不佳。

发明内容

本发明的目的是公开一种足底力传感器，它是由四根贴有应变片的悬臂梁组成的传感器，可实现除横向力之外的五维力/力矩测量，具有成本低，原理误差小，结构简单，耐用，可靠性高的特点。

足底力传感器由上踏板、下踏板、上支柱、下支柱、悬臂梁、应变片和系带组成。其中，上踏板为四周略大于脚掌的矩形薄板，在四角处对称固装四个上支柱。下踏板与上踏板规格相同，在长边的对称轴线上以短边轴线为对称地固装两个下支柱，且当把上、下踏板的带支柱侧扣装一起时，两个下支柱分别位于两对上支柱的中间位置。四根矩形断面悬臂梁分别插装在上、下支柱之间。每根悬臂梁的四侧分别粘贴一片应变片，共16片。系带固定在上踏板的上表面上，用于缚住脚面。

使用时，将本发明置于地面或拟步态下肢康复训练机器人的脚踏板上，脚插入系带和上踏板之间即可。传感器的输出既可用于检测足底力，又可用于控制下肢康复训练机器人的步态。

由于悬臂梁纵向不可压缩，故这种结构可测出沿踏板法线、长边对称轴线方向的力以及绕踏板法线和板面两根对称轴线的力矩，其五维等价广义力/力矩可表示为q＝[R_x R_z M_x M_y M_z]，其具有如下定量关系(计算时，将同轴线的两根短梁视为一根两端固定、中部加载的超静定梁)。

组桥后四组桥路(同一根短梁上的四个应变片组成一组桥路)的输出电压为：

U_1j＝UK(S_1j-S_2j)

U_2j＝UK(S_3j-S_4j)

U_3j＝UK(S_5j-S_6j)

U_4j＝UK(S_7j-S_8j)

式中：j(＝1，2)为梁的标号，i(＝1，2，3，4，5，6，7，8)为每根梁上应变片的标号，K为应变片灵敏系数，U为电源电压，S_ij为应变值。

解耦后，可得相关梁应变与外载荷的关系，

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{xj}}=G_{1j}(S_{1j}-S_{2j})-G_{2j}(S_{5j}-S_{6j})\\ M_{\mathrm{zj}}=G_{1j}(S_{1j}-S_{2j})+G_{2j}(S_{5j}-S_{6j})\\ P_{\mathrm{zj}}=G_{3j}(S_{3j}-S_{4j})-G_{4j}(S_{7j}-S_{8j})\\ M_{\mathrm{xj}}=G_{3j}(S_{3j}-S_{4j})+G_{4j}(S_{7j}-S_{8j})\end{array}\right.$

其中G_mj(m＝1，2，3，4)为梁j上对应桥路m的标定系数。

代入 $\left\{\begin{array}{c}{R}_x=-P_{x1}-P_{x2}-T_{\mathrm{Itx}}-G_x\\ R_z=-P_{z1}-P_{z2}-T_{\mathrm{Icz}}-G_z\\ M_x=-M_{x1}-M_{x2}\\ M_y=-P_{z1}{x}_b-P_{z2}{x}_f-M_{\mathrm{Iy}}\\ M_z=-M_{z1}-M_{z2}\end{array}\right.$

可得足底力大小，方向和作用点。其中：x_b/x_f分别为梁j的中心轴线在坐标系o′x′y′z′中x′轴上的坐标；θ为脚踏板姿态角，即竖直平面内坐标轴x′与水平面的夹角；T_Icz为转动的惯性离心力；T_Itx为切向惯性力；

G_x＝-m(g+a_z)sinθ-ma_xcosθ

G_z＝-m(g+a_z)cosθ-ma_xsinθ。

该法通过足底力生物信息检测，可用于基于足底力反馈的脚踏板式拟人步态康复训练机器步态规划、姿态控制、减重控制以及往复人体步态动力学模型的建立。该力/力矩传感器结构简单，可靠性好，便于实现足底力动态检测，不受运动范围的限制，且经济实用。

该法通过足底力生物信息检测，可用于基于足底力反馈的脚踏板式拟人步态康复训练机器步态规划、姿态控制、减重控制以及往复人体步态动力学模型的建立。该力/力矩传感器结构简单，可靠性好，便于实现足底力动态检测，不受运动范围的限制，且经济实用。

附图说明

图1足底力传感器结构示意图

图2足底力传感器A-A剖视示意图

图3应变片布片示意图

具体实施方式

下面给出本发明的优选实施方式，并结合附图加以说明。

足底力传感器由上踏板1、下踏板2、上支柱3、4、下支柱5、悬臂梁8、应变片7和系带6组成。其中，上踏板1为四周略大于人脚掌的矩形薄板，在四角处对称固装四个上支柱3、4。下踏板2与上踏板1规格相同，在长边的对称轴线上以短边轴线为对称地固装两个下支柱5，且当把上、下踏板1、2的带支柱侧扣装一起时，两个下支柱5分别位于两对上支柱3、4的中间位置。四根矩形断面悬臂梁8分别插装在上、下支柱3、4、5之间。每根悬臂梁8的四侧分别粘贴一片应变片7，共16片。系带6固定在上踏板1的上表面上，用于缚住脚面。

使用时，将本发明置于地面或拟步态下肢康复训练机器人的脚踏板上，脚插入系带6和上踏板1之间即可。传感器的输出既可用于检测足底力，又可用于控制下肢康复训练机器人的步态。

该法通过足底力生物信息检测，可用于基于足底力反馈的脚踏板式拟人步态康复训练机器步态规划、姿态控制、减重控制以及往复人体步态动力学模型的建立。该力/力矩传感器结构简单，可靠性好，便于实现足底力动态检测，不受运动范围的限制，且经济实用。

Claims (1)

1.一种足底力传感器，包括悬臂梁和应变片；其特征在于：它还包括上踏板(1)、下踏板(2)、上支柱(3、4)、下支柱(5)和系带(6)；其中，上踏板(1)为四周略大于人脚掌的矩形薄板，在四角处对称固装四个上支柱(3、4)；下踏板(2)与上踏板(1)规格相同，在长边的对称轴线上以短边轴线为对称地固装两个下支柱(5)，且当把上、下踏板(1、2)的带支柱侧扣装一起时，两个下支柱(5)分别位于两对上支柱(3、4)的中间位置；四根矩形断面悬臂梁(8)分别插装在上、下支柱(3、4、5)之间；每根悬臂梁(8)的四侧分别粘贴一片应变片(7)，共16片；系带(6)固定在上踏板(1)的上表面上。

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