CN101329206A - 一种用于人体零力矩点测量的测力鞋 - Google Patents

Abstract

一种用于人体零力矩点测量的测力鞋，涉及机器人及传感器的技术领域；尤其涉及用于人体零力矩点测量的测力鞋，可测得人体行走过程中的足底分布正压力、摩擦力等参数的技术领域。本发明包括两个鞋体，每个鞋体的下端设置若干个鞋钉式传感器，其特征在于所述鞋钉式传感器包括弹性体、电路板、底板，弹性体与底板连接，底板与鞋体连接，电路板设置在弹性体内。本发明实现了结构简单、检测效果好、使用范围广的用于人体零力矩点测量的测力鞋，可在满足在不同路况下的行走要求，且不影响人体正常行走。

Description

一种用于人体零力矩点测量的测力鞋

技术领域

本发明涉及机器人及传感器的技术领域；尤其涉及用于人体零力矩点测量的测力鞋，可测得人体行走过程中的足底分布正压力、摩擦力等参数的技术领域。

背景技术

零力矩点(Zero Moment Point，简称ZMP)的概念最早由南斯拉夫的M.伍科布拉托维奇提出，经过几十年的发展现在已经成为机器人稳定行走的重要判据，是机器人步态规划的重要工具。研究真人行走ZMP轨迹，可以为双足机器人稳定行走设计提供参考数据，另外还能为人体行走机理和相关模型的研究提供重要的理论依据。

目前直接检测ZMP的方式主要有：六(多)维力/力矩传感器和测力平台。六维力/力矩传感器可以获得地面的六维反力信息，最成功的应用实例是日本本田公司的ASIMO，但是它过于笨重，用它来检测真人行走的ZMP，将会大大影响人体的正常行走。而且六维传感器一般存在维间耦合，需要通过复杂的方法解耦。测力平台置于地面上，不会影响人体正常行走，但由于尺寸的原因，一般只能测得人体行走一个周期的数据，而且不能用于检测不同路况下人体步行的数据。虽然目前ZMP的检测方法多种多样，但都存在一些不足，如存在维间耦合、过于笨重、影响人体正常行走、不能适应长时间及不同路况下的行走要求等。

发明内容

本发明提供了一种结构简单、检测效果好、使用范围广的用于人体零力矩点测量的测力鞋，可在满足在不同路况下的行走要求，且不影响人体正常行走。

本发明为实现上述目的，采用如下的技术方案：

本发明包括两个鞋体，每个鞋体的下端设置若干个鞋钉式传感器，其特征在于所述鞋钉式传感器包括弹性体、电路板、底板，弹性体与底板连接，底板与鞋体连接，电路板设置在弹性体内。

比较好的是，本发明利用分布布置的鞋钉式传感器测得人体行走过程中脚底的分布正压力，再由计算得到零力矩点。

比较好的是，本发明的电路板包括半桥双臂惠斯通电桥和放大滤波电路，弹性体的横梁上分别对称设置四块电阻应变片，四块电阻应变片相互连接成半桥双臂惠斯通电桥。

比较好的是，本发明的弹性体的受力柱的外周设置橡胶套。

本发明通过测量脚底的分布正压力，再由计算得到零力矩点。为此本发明由2个鞋体和22个鞋钉式传感器构成，鞋体为可换鞋钉式运动跳鞋，每个鞋体底部分别安装11个鞋钉式传感器。鞋钉式传感器由弹性体、电路板、底板和橡胶套构成。弹性体与地面直接作用，获取地面反力信息。弹性体受力柱上包了橡胶套，用以吸收地面的冲击和增大摩擦力。底板通过螺钉与弹性体连接，并由一沉头螺钉连接到鞋体上，调节底板的方向可以改变传感器的水平测力方向。电路板内嵌在鞋钉式传感器内，为应变片组桥及放大电路，采用AD620作为放大芯片。采用4片电阻应变片R1、R2、R3、R4，对称布置在弹性体两侧，R1与R2、R3与R4左右对称，R1与R3、R2与R4上下对称。采用半桥双臂测量电路，R1与R2、R3与R4分别构成一个桥臂时，可以测量作用在弹性体上的正压力F_Ni；R1与R3、R2与R4分别构成一个桥臂时，可以测量作用在弹性体上的与弹性体横梁平行的摩擦力F_fxi。基于各鞋钉式传感器测得的分布正压力F_Ni，经计算可以得到人体行走过程中的总体ZMP。

本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下优点：

1、不仅可以得到人体行走过程中的零力矩点，而且可以测得人体行走过程中脚底的分布正压力以及摩擦力。

2、采用专业运动跳鞋作为鞋体，人体穿着舒适，整个测量装置轻巧，对人体正常行走影响小。

3、测量用的鞋钉式传感器为线性的，理论上不存在维间耦合，不需要进行解耦。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图。

图2是本发明鞋钉式传感器安装位置图。

图3是本发明鞋钉式传感器装配图主视图。

图4是本发明鞋钉式传感器装配图俯视图。

图5是本发明弹性体受力及应变片布置示意图。

图6是本发明电阻应变片组桥示意图。

图7是本发明电路板原理图。

图8是本发明弹性体受力等效分析图。

图中1、鞋体；2、鞋钉式传感器，21、弹性体；22、电路板；23、底板；3、橡胶套；221、电阻应变片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，本发明包括两个鞋体1，每个鞋体1的下端设置若干个鞋钉式传感器2，其特征在于所述鞋钉式传感器2包括弹性体21、电路板22、底板23，弹性体21与底板23连接，底板23与鞋体1连接，电路板22设置在弹性体31内。

本发明利用布置在鞋体1上的鞋钉式传感器2测得人体行走过程中脚底的分布正压力，再由计算得到零力矩点。

比较好的是，本发明的电路板22包括半桥双臂惠斯通电桥和放大滤波电路，弹性体21的横梁上分别对称设置四块电阻应变片221，四块电阻应变片221相互连接成半桥双臂惠斯通电桥。

比较好的是，本发明的弹性体21的受力柱的外周设置橡胶套3。

如图2所示，为鞋钉式传感器安装位置图。该安装位置即为鞋体1底部的螺孔位置，在脚掌前部安装了7个鞋钉式传感器2，脚跟处安装了4个鞋钉式传感器2，这样的位置安排考虑了人体行走时的支撑状况。其中传感器S19和S22仅在脚跟离地时才与地面接触。

如图3所示，为鞋钉式传感器装配图主视图。如图4所示，为鞋钉式传感器装配图俯视图。弹性体21采用的材料为17-4PH不锈钢，结构为两端固定梁型，通过橡胶套3与地面直接作用，获取地面反力信息。弹性体中部与地面接触的受力柱上包有橡胶套3，可以吸收地面的冲击，同时增大了摩擦力，起防滑作用。底板23通过4个螺钉与弹性体21连接，并由一沉头螺钉连接到鞋体1上，调节底板23的方向可以改变传感器的水平测力方向。在弹性体31的横梁上对称布置四片电阻应变片R1、R2、R3和R4。电路板22内嵌在鞋钉式传感器2内，包括应变片组桥及放大电路，采用AD620作为放大芯片。

如图5所示为弹性体21受力及电阻应变片221布置示意图。采用4片型号为BHF120-1AA的电阻应变片R1、R2、R3、R4，对称布置在弹性体21横梁两侧，R1与R2、R3与R4左右对称，R1与R3、R2与R4上下对称。弹性体21的受力柱上受到正压力F_Ni和摩擦力F_fi的作用。

如图6所示，为电阻应变片组桥221示意图。如图7所示，为电路板原理图。采用半桥双臂惠斯通电桥测量电路，根据不同的测力要求，组成不同的电桥。如欲测量脚底分布正压力F_Ni及ZMP时，图5中Ra、Rb、Rc、Rd分别对应电阻应变片R1、R2、R3、R4，即R1与R2、R3与R4分别构成一个桥臂；若要测量脚底分布摩擦力F_fi时，图5中Ra~Rd分别对应电阻应变片R1、R3、R2、R4，即R1与R3、R2与R4分别构成一个桥臂，并调整底板23的方向，保证弹性体21的横梁与行走方向平行。

如图8所示，为弹性体21受力等效分析图。作用在弹性体21受力柱上的力有摩擦力F_fi和正压力F_Ni，可以将其等效到弹性体21横梁的中点。等效后横梁的中点受到正压力F_Ni、与横梁平行的摩擦力F_fxi、与横梁垂直的摩擦力F_fyi、弯矩M_ci及扭矩T_ci的作用。

根据材料力学知识，可以得到正压力F_Ni作用下应变片R1、R2处应变为ε_Ni，可由公式(1)计算，应变片R3、R4处应变为-ε_Ni。与弹性体21横梁平行的摩擦力F_fxi作用下，应变片R1、R3处应变为ε_fxi，可由公式(2)计算，应变片R2、R4处应变为-ε_fxi。

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ni}}=\frac{3F_{\mathrm{Ni}}{L}_1}{{\mathrm{bh}}^{2}E}(\frac{1}{4}-\frac{L_2}{L_1})---\left(1\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{fxi}}=\frac{F_{\mathrm{fxi}}}{2\mathrm{bhE}}---\left(2\right)$

其中L₁为弹性体21横梁的长度，L₂为应变片中心距弹性体21横梁根部的长度，b为弹性体21横梁的宽度，h为弹性体21横梁的厚度，E为弹性体21的材料弹性模量。本发明中L₁＝16mm，L₂＝2mm，b＝3mm，h＝2mm，E＝195000MPa。

各力单独作用下应变片阻值的变化如表1所示，应变片总的阻值变化为各力作用效果的叠加。

表1各力单独作用下应变片阻值的变化

在各力作用下电阻应变片R1~R4的阻值分别变为：

R1＝R+ΔR_j-ΔR_k+ΔR_m+ΔR_n    (3)

R2＝R+ΔR_j+ΔR_k-ΔR_m+ΔR_n    (4)

R3＝R-ΔR_j+ΔR_k+ΔR_m+ΔR_n    (5)

R4＝R-ΔR_j-ΔR_k-ΔR_m+ΔR_n    (6)

其中R为应变片未受力时的阻值，本发明中R＝120Ω。

采用图5所示的测量电路，桥路的输出电压U_o为：

$U_o=\frac{R_a+R_b}{R_a+R_b+R_c+R_d}{U}_i-\frac{240\mathrm{\Ω}}{240\mathrm{\Ω}+240\mathrm{\Ω}}{U}_i---\left(7\right)$

其中U_i为桥路的输入电压，本发明中U_i＝5V。

当测量脚底分布正压力F_Ni及ZMP时，由公式(3)～(7)及R＝120Ω可得：

$U_o=\frac{{\mathrm{\ΔR}}_j}{2(R+{\mathrm{\ΔR}}_n)}{U}_i\≈\frac{{\mathrm{\ΔR}}_j}{2R}{U}_i=\frac{{\mathrm{KU}}_i}{2}\·{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ni}}---\left(8\right)$

公式(8)和公式(9)中的近似是基于ΔR_n＜＜R这一事实，其中K为应变片的灵敏度系数。本发明中K＝2.08。

当测量脚底分布摩擦力F_fi时，由公式(3)～(7)及R＝120Ω可得：

$U_o=\frac{{\mathrm{\ΔR}}_m}{2(R+{\mathrm{\ΔR}}_n)}{U}_i\≈\frac{{\mathrm{\ΔR}}_m}{2R}{U}_i=\frac{{\mathrm{KU}}_i}{2}\·{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{fxi}}---\left(9\right)$

由公式(1)和公式(8)可以得到桥路输出电压U_o与脚底分布正压力F_Ni间的关系为：

$U_o=\frac{3{\mathrm{KL}}_1(1/4-L_2/L_1)U_i}{2b{h}^{2}E}\·F_{\mathrm{Ni}}=A_1\·F_{\mathrm{Ni}}---\left(10\right)$

由公式(2)和公式(9)可以得到桥路输出电压U_o与脚底分布正压力F_Ni间的关系为：

$U_o=\frac{{\mathrm{KU}}_i}{4\mathrm{bhE}}\·F_{\mathrm{fxi}}=A_2\·F_{\mathrm{fxi}}---\left(11\right)$

根据已有数据，可以算得A₁＝13.33×10^-6，A₂＝2.22×10^-6，即桥路输出电压U_o与所要测量的力成线性关系，正压力F_Ni或摩擦力F_fxi，这从理论上说明了本发明的鞋钉式传感器2具有输入输出为线性的良好特性。在实际应用时，A₁和A₂的值可以通过标定实验来获得，即在弹性体21上施加标准压力(或与横梁平行的侧向力)，测得对应的输出电压，再绘出标定曲线，其斜率即为对应的A₁(或A₂)。

基于各鞋钉式传感器测得的分布正压力F_Ni，根据公式(12)和公式(13)可以得到左右脚的单脚ZMP：O_L、O_R，再由式(14)～(16)算出实际的总体ZMP(O点)。由于单脚支撑期悬空脚脚底受力为0，即若左脚单脚支撑，则F_NRSum＝0。由式(5)可得

即总体ZMP(O点)与左脚单脚ZMP(O_L点)重合。同样，若右脚单脚支撑，则总体ZMP(O点)与右脚单脚ZMP(O_R点)重合。这种方法有利于程序的统一运算，且不用区分单脚支撑期和双脚支撑期。

$F_{\mathrm{NLSum}}=\underset{i=1}{\overset{11}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{N_{2i-1}}---\left(14\right)$

$F_{\mathrm{NRSum}}=\underset{i=1}{\overset{11}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{N_{2i}}---\left(15\right)$

其中P为相应传感器在全局坐标系下的位置，O为待求的ZMP点。F_NLSum和F_NRSum分别为左脚和右脚的地面总压力。

Claims (4)

1、一种用于人体零力矩点测量的测力鞋，包括两个鞋体(1)，每个鞋体(1)的下端设置若干个鞋钉式传感器(2)，其特征在于所述鞋钉式传感器(2)包括弹性体(21)、电路板(22)、底板(23)，弹性体(21)与底板(23)连接，底板(23)与鞋体(1)连接，电路板(22)设置在弹性体(21)内。

2、根据权利要求1所述的用于人体零力矩点测量的测力鞋，其特征在于上述电路板(22)包括半桥双臂惠斯通电桥和放大滤波电路，弹性体(21)的横梁上分别对称设置四块电阻应变片(221)，四块电阻应变片(221)相互连接成半桥双臂惠斯通电桥。

3、根据权利要求1所述的用于人体零力矩点测量的测力鞋，其特征在于上述弹性体(21)采用的结构为两端固定梁式。

4、根据权利要求1所述的用于人体零力矩点测量的测力鞋，其特征在于上述弹性体(21)的受力柱的外周设置橡胶套(3)。

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