CN102657535B - 一种柔性脚底力测量系统 - Google Patents

Abstract

一种柔性脚底力测量系统，包括鞋底，在鞋底四个生理负重点处布置有脚底力传感器，脚底力传感器的电源引线与电源相接，脚底力传感器的信号输出引线与放大电路的输入端相连，放大电路的输出端与多路复用器的输入端相连，多路复用器的输出端与模数转换器的输入端相连，模数转换器的输出端和计算机相连，每个脚底力传感器是将一个绝对压力传感器封装在一个硅橡胶球体中，人体脚底力与地面之间的接触力压缩硅橡胶球，导致其体积变小，该压强变化通过绝对压力传感器测出，依次经过放大电路、多路复用器处理，并将信号传送至模数转换器，最终在计算机中显示波形图，间接测得人体脚底力，本发明具有结构简单，测量精度高，性能可靠的优点。

Description

一种柔性脚底力测量系统

技术领域

本发明涉及传感器测量技术领域，具体涉及一种柔性脚底力测量系统。

背景技术

脚底力是反映步态支撑和稳定情况最直接的生物力学参数，在人体步态分析、相关足疾诊断以及其他康复医疗领域中起着至关重要的作用。脚底力测量作为当今步态研究中的先进技术，可在诸多领域得到广泛应用，并有望取得突破性成果。在临床生物力学领域中为特殊人群和足疾患者的脚底力分布和步态特征分析提供相关技术支持；另外通过对所测脚底力的深入研究，有望在帕金森综合症、偏瘫症、糖尿病等患者的步态研究中取得更大研究成果。

脚底力实时测量要求传感器具有较高的灵敏度和较快的响应速度以保证能够准确地完成脚底力的测量，并且要具有较高的可靠性以保证足够的使用寿命。同时还要保证传感器具有较小质量和柔软的材质，以方便实际的安装和使用，确保在使用过程中不会影响被测者的正常步态。虽然目前已有多种类型的传感器可用于脚底力测量，但是受到测量精度和可靠性等因素影响，其应用效果受到不同程度的限制，尤其是以导电橡胶为敏感单元的脚底力传感器具有迟滞性大、响应慢并且传感器各个敏感单元之间一致性较差等问题。

发明内容

为克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种柔性脚底力测量系统，能够实现人体脚底力的准确实时测量，具有结构简单，测量精度高，性能可靠的优点。

为达到上述目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种柔性脚底力测量系统，包括鞋底1，在鞋底1的第一跖趾关节处布置第一脚底力传感器2，第二跖趾关节处布置第二脚底力传感器3，第四跖趾关节处布置第三脚底力传感4，第五跖趾关节处布置第四脚底力传感器5，第一脚底力传感器2、第二脚底力传感器3、第三脚底力传感器4、第四脚底力传感器5的电源引线与电源A相连，第一脚底力传感器2、第二脚底力传感器3、第三脚底力传感器4、第四脚底力传感器5的信号输出引线9分别与第一放大电路11、第二放大电路12、第三放大电路13、第四放大电路14的输入端相连，四个放大电路具有相同的电路结构，四个放大电路的输出端与多路复用器10的输入端相连，多路复用器10的输出端与模数转换器15的输入端相连，模数转换器15的输出端和计算机B相连。

所述的第一脚底力传感器2、第二脚底力传感器3、第三脚底力传感器4、第四脚底力传感器5的结构相同，每个脚底力传感器是将一个绝对压力传感器16封装在一个硅橡胶球体中，硅橡胶球体是由硅橡胶球下半球7与硅橡胶球上半球6连接而成，并在接触处进行密封，绝对压力传感器16固定在塑料制成的绝对压力传感器支承座8上，绝对压力传感器16和信号输出引线9的一端连接，支承座8密封于硅橡胶球下半球7的底部。

所述的支承座8与硅橡胶球下半球7通过硅胶粘合剂密封。

所述的硅橡胶球上半球6与硅橡胶球下半球7通过硅胶粘合剂密封。

所述的绝对压力传感器16与支承座8通过粘胶剂进行粘结。

由硅橡胶球密封的绝对压力传感器所构成的脚底力传感器不仅具有接触面大、表面柔软、结构简单、测量精度高等特点，同时还具有精度高、响应快而且性能可靠的优点。该脚底力传感器能够在准确测量的同时尽量小地影响自然步态，可以用于在步态分析、临床足疾诊疗等康复医疗领域，其柔性脚底力测量系统可满足在实践中的工程应用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明脚底力传感器的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的结构原理与工作原理作详细说明。

参见图1，一种柔性脚底力测量系统，包括鞋底1，在鞋底1的第一跖趾关节处布置第一脚底力传感器2，第二跖趾关节处布置第二脚底力传感器3，第四跖趾关节处布置第三脚底力传感4，第五跖趾关节处布置第四脚底力传感器5，第一脚底力传感器2、第二脚底力传感器3、第三脚底力传感器4、第四脚底力传感器5的电源引线与电源A相连，第一脚底力传感器2、第二脚底力传感器3、第三脚底力传感器4、第四脚底力传感器5的信号输出引线9分别与第一放大电路11、第二放大电路12、第三放大电路13、第四放大电路14的输入端相连，四个放大电路具有相同的电路结构，四个放大电路的输出端与多路复用器10的输入端相连，多路复用器10的输出端与模数转换器15的输入端相连，模数转换器15的输出端和计算机B相连，将转换后的信号传送到计算机B，在计算机B上以波形方式显示。

参照图2，所述的第一脚底力传感器2、第二脚底力传感器3、第三脚底力传感器4、第四脚底力传感器5结构相同，每个脚底力传感器是将一个绝对压力传感器16封装在一个硅橡胶球体中，硅橡胶球体是由硅橡胶球下半球7与硅橡胶球上半球6连接而成，并在接触处进行密封，绝对压力传感器16固定在塑料制成的绝对压力传感器支承座8上，绝对压力传感器16和信号输出引线9的一端连接，支承座8密封于硅橡胶球下半球7的底部，为了防止硅橡胶球压缩后因为气体压力增大气体泄漏，故要求保证严格密封。

所述的支承座8与硅橡胶球下半球7通过硅胶粘合剂密封。

所述的硅橡胶球上半球6与硅橡胶球下半球7在接触处通过硅胶粘合剂密封。

所述的绝对压力传感器16与支承座8通过普通粘胶剂进行粘结，保证绝对压力传感器16具有可靠的位置性和固定性。

本发明的工作原理是：

人体体重由骨头传到脚上，再由脚上的骨头作用到地面上。人体脚底的肌肉组织以及柔软的鞋垫等缓冲物体的存在使得人体的体重在脚底上以较大的接触面积分布。因此硅橡胶球设计为具有一定平面的半球结构，选用的硅橡胶柔韧性强、弹性大、具有较强的伸缩性。增大的硅橡胶球高度可以保证在同等条件下传感器具有更大的量程。

绝对压力传感器工作原理是依据玻意耳定律，即一定质量的气体在温度不变时，它的压强与体积成反比。其关系式如下：

P₁V₁=P₂V₂                    (1)

或者

$\frac{P_1}{P_2}=\frac{V_2}{V_1}---\left(2\right)$

式中：P₁——气体初态压强；

V₁——气体初态体积；

P₂——气体末态压强；

V₂——气体末态体积。

柔性脚底力测量系统的工作原理是当接通电源A后，人体脚底力施加在硅橡胶球的上表面时，人体脚底力与地面之间的接触力压缩硅橡胶球，导致其体积变小。因为球体密封使得球体内气体压强变大，该压强的变化通过绝对压力传感器16测出，并由绝对压力传感器16的输出引线9将信号传送到放大电路，由于第一脚底力传感器2、第二脚底力传感器3、第三脚底力传感器4，第四脚底力传感器5各自分别连接放大电路11、12、13和14，故需要通过多路复用器10进行通道选择后再将信号传送到模数转换器15，模数转换器15完成模数转换后将信号传送到计算机B中，最后在计算机B对测得的数据进行相应的处理，在计算机B上以波形方式显示。

由硅橡胶球密封的绝对压力传感器所构成的脚底力传感器不仅具有接触面大、表面柔软、结构简单、测量精度高等特点，同时还具有精度高、响应快而且性能可靠的优点。该脚底力传感器能够在准确测量的同时尽量小地影响自然步态，可以用于在步态分析、临床足疾诊疗等康复医疗领域，其柔性脚底力测量系统可满足在实践中的工程应用。

Claims (4)

1.一种柔性脚底力测量系统，包括鞋底（1），其特征在于：在鞋底（1）的第一跖趾关节处布置第一脚底力传感器（2），第二跖趾关节处布置第二脚底力传感器（3），第四跖趾关节处布置第三脚底力传感（4），第五跖趾关节处布置第四脚底力传感器（5），第一脚底力传感器（2）、第二脚底力传感器（3）、第三脚底力传感器（4）、第四脚底力传感器（5）的电源引线与电源（A）相连，第一脚底力传感器（2）、第二脚底力传感器（3）、第三脚底力传感器（4）、第四脚底力传感器（5）的信号输出引线（9）分别与第一放大电路（11）、第二放大电路（12）、第三放大电路（13）、第四放大电路（14）的输入端相连，四个放大电路具有相同的电路结构，四个放大电路的输出端与多路复用器（10）的输入端相连，多路复用器（10）的输出端与模数转换器（15）的输入端相连，模数转换器（15）的输出端和计算机（B）相连；

所述的第一脚底力传感器（2）、第二脚底力传感器（3）、第三脚底力传感器（4）和第四脚底力传感器（5）结构相同，每个脚底力传感器是将一个绝对压力传感器（16）封装在一个硅橡胶空心球体中，硅橡胶空心球体是由硅橡胶球下半球（7）与硅橡胶球上半球（6）连接而成，并在接触处进行密封，绝对压力传感器（16）固定在塑料制成的绝对压力传感器支承座（8）上，绝对压力传感器（16）和信号输出引线（9）的一端连接，支承座（8）密封于硅橡胶球下半球（7）的底部。

2.根据权利要求1所述的一种柔性脚底力测量系统，其特征在于：所述的支承座（8）与硅橡胶球下半球（7）通过硅胶粘合剂密封。

3.根据权利要求1所述的一种柔性脚底力测量系统，其特征在于：所述的硅橡胶球上半球（6）与硅橡胶球下半球（7）通过硅胶粘合剂密封。

4.根据权利要求1所述的一种柔性脚底力测量系统，其特征在于：所述的绝对压力传感器（16）与支承座（8）通过粘胶剂进行粘结。

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