CN104382608A - 一种基于脚底压力的人体步态信息采集鞋 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人脚底压力检测领域，具体涉及一种基于脚底压力的人体步态信息采集鞋，包括软质鞋底（1）和鞋面，所述软质鞋底（1）的底部均匀设置有鞋钉（2）和走线槽（3），在所述鞋钉（2）内均设有压力传感器（4），所述压力传感器（4）通过设置在走线槽（3）的信号线和信号采集中心无线或有线信号连接。本发明能够人体力学原理，全面反映脚底压力在不同步态中的实时变化情况，更加精确测量人体步态，提高灵敏度；并且成本低，穿着舒适，测量精度只取决于传感器精度，环境适应性强，能在不同地形和不同步态下使用。

Description

一种基于脚底压力的人体步态信息采集鞋

技术领域

本发明涉及机器人脚底压力检测领域，具体涉及一种基于脚底压力的人体步态信息采集鞋。 

背景技术

目前针对机器人步态稳定性的ZMP算法已广泛应用于机器人的设计和测量，这种算法对人机混合体也同样适用。对脚底压力的测量一直是个难点问题，也是实现ZMP算法的重点。当前国内外对脚底压力的测量系统在选择上有三种： 

一是用硬鞋底，压力传感器置于鞋底夹层中。好处是不易形变，压力传感器使用寿命长，适用于双足和多足机器人。缺点是机器人必须全脚掌同时着地和离地，并在离地前始终保持与地面接触，否则压力曲线是不连续的，与真正的人体步态差别很大，不适用于外骨骼等人机融合体。 

二是软鞋底，将压力传感器置于鞋垫位置，适用于外骨骼等人机融合体。缺点是只能使用当前市场上的薄膜式压力传感器，对薄膜压力传感器的测量范围要求苛刻，目前薄膜式的市场上流行的压力传感器最大只能测量10公斤左右。并且脚在鞋底与鞋垫是有滑动摩擦的，脚的部分部位压力也不能测得，而且只能测量人的压力，不能对人机系统整体压力进行测量。 

三是软鞋底，压力传感器置于鞋底夹层中。可以测量人机融合体的总压力。缺点是容易变形，使用寿命不长久，也只能测量鞋底的某些部位压力。 

目前大多数脚底压力的测量系统只是简单的测量出脚底某一部位的压力变化，不能反应总体压力情况，而脚底在行走过程中各个部位的压力是不均匀的，如果不能精确测定脚底压力的变化，对最终生成的ZMP曲线影响非常大，因而造成上位机对机器人系统的控制出现偏差或只能人为缩小机器人的行动幅度来中和这种偏差。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于脚底压力的人体步态信息采集鞋，解决现有的机器人脚底压力在行走时因着力不统一不均匀导致压力检测不均匀，不能精确的反映脚底总体压力情况和变化，ZMP曲线准确率低的问题。 

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案： 

一种基于脚底压力的人体步态信息采集鞋，包括软质鞋底和鞋面，所述软质鞋底的底部均匀设置有鞋钉和走线槽，在所述鞋钉内均设有压力传感器，所述压力传感器通过设置在走线槽的信号线和信号采集中心无线或有线信号连接。 

更进一步的技术方案的，所述鞋钉是和软质鞋底螺纹连接的。 

一种基于脚底压力的人体步态信息采集鞋绘制ZMP曲线的方法，包括以下步骤： 

首先定义：F(x)为水平方向合力，F(z)为垂直方向合力，P为ZMP点，T(p_x)为绕点P的等效力矩，f(x)为水平方向单位长度的作用力；g(x)为垂直方向单位长度作用力； 

则 $F\left(x\right)={\∫}_{x_1}^{x_2}f\left(x\right)\mathrm{dx},F\left(z\right)={\∫}_{x_1}^{x_2}g\left(x\right)\mathrm{dx},T\left(p_x\right)={\∫}_{x_1}^{x_2}(x-p_x)g\left(x\right)\mathrm{dx};$

其中p_x为ZMP点，合力矩为0， $T\left(p_x\right)={\∫}_{x_1}^{x_2}(x-p_x)g\left(x\right)\mathrm{dx}=0,$ 则 $p_x=\frac{{\∫}_{x_1}^{x_2}x\·g\left(x\right)\mathrm{dx}}{{\∫}_{x_1}^{x_2}g\left(x\right)\mathrm{dx}};$

利用离散公式得出X方向上P点的位置，利用公式得出Y方向上P点的位置； 

利用P点在X方向上的位置和Y方向上的位置绘出ZMP曲线。 

与现有技术相比，本发明的有益效果是：能够人体力学原理，全面反映脚底压力在不同步态中的实时变化情况，更加精确测量人体步态，提高灵敏度；并且成本低，穿着舒适，测量精度只取决于传感器精度，环境适应性强，能在不同地形和不同步态下使用。 

附图说明

图1为本发明一种基于脚底压力的人体步态信息采集鞋的结构示意图。 

图2为图1的侧视图。 

图3为ZMP点在足底支撑面内落点示意图。 

图4为鞋底与地面接触力及力矩示意图。 

图5为鞋底试装4个传感器的示意图。 

图6为Adams仿真示意图。 

图7为本发明一个实施例的ZMP曲线图。 

图8为本发明一个实施例的COG曲线图。 

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 

图1和图2示出了本发明一种基于脚底压力的人体步态信息采集鞋的一个实施例：一种基于脚底压力的人体步态信息采集鞋，包括软质鞋底1和鞋面，所述软质鞋底1的底部均匀设置有鞋钉2和走线槽3，在所述鞋钉2内均设有压力传感器4，所述压力传感器4通过设置在走线槽3的信号线和信号采集中心无线或有线信号连接。 

根据本发明一种基于脚底压力的人体步态信息采集鞋的一个优选实施例，所述鞋钉2是和软质鞋底1螺纹连接的。 

图3示出的是半个步态周期的ZMP变化，分别为双足同时着地；左足支撑，右足起步；左足着地，右足悬空摆动；左足着地，右足脚后跟着地的ZMP点变化情况。 

图4为ZMP算法实现的足底接触力分析：T(x)为垂直方向力矩；g(x)为地面支撑力；f(x)为鞋底摩擦力；x2、x1为鞋子前后的位移量；F(z)为垂直方向的鞋子受地面的合力；F(x)为鞋子水平方向受地面的合力。 

图3和图4本发明一种利用基于脚底压力的人体步态信息采集鞋绘制ZMP曲线的方法，包括以下步骤： 

首先定义：F(x)为水平方向合力，F(z)为垂直方向合力，P为ZMP点，T(p_x)为绕点P的等效力矩，f(x)为水平方向单位长度的作用力；g(x)为垂直方向单位长度作用力； 

则 $F\left(x\right)={\∫}_{x_1}^{x_2}f\left(x\right)\mathrm{dx},F\left(z\right)={\∫}_{x_1}^{x_2}g\left(x\right)\mathrm{dx},T\left(p_x\right)={\∫}_{x_1}^{x_2}(x-p_x)g\left(x\right)\mathrm{dx};$

其中p_x为ZMP点，合力矩为0， $T\left(p_x\right)={\∫}_{x_1}^{x_2}(x-p_x)g\left(x\right)\mathrm{dx}=0,$ 则 $p_x=\frac{{\∫}_{x_1}^{x_2}x\·g\left(x\right)\mathrm{dx}}{{\∫}_{x_1}^{x_2}g\left(x\right)\mathrm{dx}};$

利用离散公式得出X方向上P点的位置，利用公式得出Y方向上P点的位置； 

利用P点在X方向上的位置和Y方向上的位置绘出ZMP曲线。 

图5示出了4个传感器的安放位置，S1、S2、S3、S4为坐标，L为双跨间的固定距离，设S为脚底压力传感器，左右脚各有2个S，以左脚后跟中部为坐标原点，因为外骨骼尺寸已设定，胯部Z-Y平面内无自由度，即胯间距L保持不变，则x_1-4，y_1-4都可通过前述公式得到，g(x_i)由脚底压力传感器可测，因此可以得到P点的水平面内的坐标。(注：以一只脚后跟中点为坐标原点,在计算中S₁、S₂位置不变，S₃、S₄做正负变化，形象直观。) 

COG与ZMP的关系： $\left[\begin{array}{c}{x}_c\left(t\right)\\ y_c\left(t\right)\\ z_c\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{[{\stackrel{\·\·}{x}}_c\left(t\right)+x_z\left(t\right)]\·m[\frac{1}{2}(\frac{f_z\left(t\right)}{m}-g)t^2+z_c\left(0\right)]}{f_z\left(t\right)}\\ \frac{[{\stackrel{\·\·}{y}}_c\left(t\right)+y_z\left(t\right)]\·m[\frac{1}{2}(\frac{f_z\left(t\right)}{m}-g)t^2+z_c\left(0\right)]}{f_z\left(t\right)}\\ \frac{1}{2}(\frac{f_z\left(t\right)}{m}-g)t^2+z_c\left(0\right)\end{array}\right]$

利用上述公式及前面所得ZMP点坐标位置，得到COG点坐标 

仿真及结果：图6为基于ADAMS的仿真。 

图7示出了MATLAB与ADAMS联合仿真所得ZMP坐标，横坐标为时间t，纵坐标上半部分为Xz(t)，下半部分Yz(t)。 

图8示出了MATLAB与ADAMS联合仿真所得COG坐标，纵轴分别为Xc(t)、Yc(t)、Zc(t)。 

在上述实施例中，所述压力传感器可以选用参数如下的压力传感器： 

额定载荷：10kg----1t， 

综合精度：0.5％(线性、滞后、重复性)， 

灵敏度：1.0---1.5mV/V， 

蠕变：±0.5％F·S/30min， 

零点输出：±1％F·S， 

零点温度影响：±0.5％F·S/10℃， 

输出温度影响：±0.5％F·S/10℃， 

工作温度：-20℃---65℃， 

输入阻抗：350±20Ω， 

输出阻抗：350±3Ω， 

绝缘电阻：＞5000MΩ， 

安全过载：150％F·S， 

供桥电压：10V。 

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主 题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。 

Claims (3)

1.一种基于脚底压力的人体步态信息采集鞋，包括软质鞋底(1)和鞋面，其特征在于：所述软质鞋底(1)的底部均匀设置有鞋钉(2)和走线槽(3)，在所述鞋钉(2)内均设有压力传感器(4)，所述压力传感器(4)通过设置在走线槽(3)的信号线和信号采集中心无线或有线信号连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于脚底压力的人体步态信息采集鞋，其特征在于：所述鞋钉(2)是和软质鞋底(1)螺纹连接的。

3.一种利用权利要求1所述的一种基于脚底压力的人体步态信息采集鞋绘制ZMP曲线的方法，其特征在于包括以下步骤：

首先定义：F(x)为水平方向合力，F(z)为垂直方向合力，P为ZMP点，T(p_x)为绕点P的等效力矩，f(x)为水平方向单位长度的作用力；g(x)为垂直方向单位长度作用力；

则 $F\left(x\right)={\∫}_{x_1}^{x_2}f\left(x\right)\mathrm{dx},F\left(z\right)={\∫}_{x_1}^{x_2}g\left(x\right)\mathrm{dx},T\left(p_x\right)={\∫}_{x_1}^{x_2}\left({x-p}_x\right)g\left(x\right)\mathrm{dx};$

其中p_x为ZMP点，合力矩为0， $T\left(p_x\right)={\∫}_{x_1}^{x_2}\left({x-p}_x\right)g\left(x\right)\mathrm{dx}=0,$ 则 $p_x=\frac{{\∫}_{x_1}^{x_2}x\·g\left(x\right)\mathrm{dx}}{{\∫}_{x_1}^{x_2}g\left(x\right)\mathrm{dx}};$

利用离散公式得出X方向上P点的位置，利用公式得出Y方向上P点的位置；

利用P点在X方向上的位置和Y方向上的位置绘出ZMP曲线。