CN104905804A - 一种测力与支撑结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于人体力学设计技术领域，具体涉及一种测力与支撑结构，用于测量人体足底前后脚掌受力变化情况并支撑配套设备。与现有技术相比较，本发明将足底受力转换为气管内气压的变化，通过采集气体压力达到测力的效果，结构简单可靠，并充分考虑到了踝关节以上配套设备的支撑和负荷冲击缓冲，实用性强。人体运动时，足底压力迫使测压气管受压变形，其内部气压发生变化，气体压力传感器将压力信号转换为电信号，监控系统可根据此信号判断足底压力的变化情况；踝关节的结构保证其具有较高的承载力，并考虑到了运动时对力的缓冲。
Description
技术领域
本发明属于人体力学设计技术领域，具体涉及一种测力与支撑结构，该结构可以穿戴在人体足部，具有较好的人机适配性，可以测量人体足底前后脚掌受力变化情况，并支撑踝关节以上的其它配套设备。
背景技术
人体动力外骨骼及其同类设备中需要对使用者的足底受力情况进行监测，以对控制系统提供数据支撑。现有的足底力测量设备结构单一，测力方式多采用力传感器直接测量，测力器件笨重，电路设计复杂，导致实际应用可靠性不足。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何提供一种用于人体的测力与支撑结构。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种测力与支撑结构，所述测力与支撑结构包括：穿戴部分及踝关节支撑部分；
所述穿戴部分包括：由上至下依次设置的鞋套1、脚跟缓冲橡胶垫2、脚掌缓冲橡胶垫3、传感罩4、测压管鞋垫5、脚跟压力测量气管6、脚掌压力测量气管7、聚亚安脂定形垫8、气管定形垫9、金属支撑板10、底垫11；
踝关节支撑部分包括：由下至上依次设置的支撑体橡胶垫12、测压传感组件13、踝关节支撑体14、踝关节固定头15、踝关节缓冲器下垫片16、踝关节缓冲器17、踝关节缓冲器上垫片18、球头固定环19、球头20、球头臼21、小腿连接器22；
在所述穿戴部分中，所述传感罩4为一向下方开口的罩体，顶部承载鞋套1以及置于鞋套1前后的脚跟缓冲橡胶垫2、脚掌缓冲橡胶垫3；所述鞋套1、传感罩4、测压管鞋垫5均设有连接用的通孔，通过螺钉连接为一体；
所述测压管鞋垫5下方设置压力测量气管组件；所述压力测量气管组件包括：脚跟压力测量气管6、脚掌压力测量气管7、聚亚安脂定形垫8、气管定形垫9、金属支撑板10；
足底力测量区域分为前后两个区域，分别采用脚跟压力测量气管6和脚掌压力测量气管7进行测量，脚跟压力测量气管6和脚掌压力测量气管7各自的一端堵死，另一端连接至踝关节支撑部分的测压传感组件13；所述脚跟压力测量气管6和脚掌压力测量气管7通过聚亚安脂定形垫8、气管定形垫9定形固定于金属支撑板10上部；
所述金属支撑板10下方设置用于缓冲的底垫11；
所述底垫11侧面连接有用于对踝关节支撑部分起缓冲作用的支撑体橡胶垫12；所述金属支撑板10的形状及尺寸设置为覆盖所述底垫11及支撑体橡胶垫12上表面；
金属支撑板10边缘设有小孔，用于与传感罩4缝线固定；传感罩4与金属支撑板10共同构成半封闭结构，用于保护与定位内部的测压管鞋垫5、脚跟压力测量气管6、.脚掌压力测量气管7、聚亚安脂定形垫8、气管定形垫9；
金属支撑板10位于支撑体橡胶垫12上方的部分处设有通孔，用于与踝关节支撑体14连接；
所述踝关节支撑体14置于支撑体橡胶垫12上部，其内部中空，所述测压传感组件13通过螺栓联接固置于其间；
所述踝关节支撑体14顶部设有与踝关节固定头15配合的凹槽和通孔，踝关节固定头15置于凹槽中，通过螺栓穿入通孔使踝关节固定头15与踝关节支撑体14连接；
球头20通过螺纹配合安装在踝关节固定头15的顶端；球头臼21通过螺栓固定于球头固定环19上部，球头臼21和球头固定环19连接状态下形成内部空腔，内部空腔与球头20配合构成踝关节，实现球头臼21和球头固定环19的连接结构自由转动；
踝关节支撑体14上端面与球头固定环19下端面之间设置踝关节缓冲组件，所述踝关节缓冲组件包括：踝关节缓冲器下垫片16、踝关节缓冲器17、踝关节缓冲器上垫片18，用于在踝关节转动时进行缓冲和强制踝关节回位；所述踝关节缓冲器下垫片16、踝关节缓冲器17、踝关节缓冲器上垫片18各自的轴线与踝关节固定头15轴线重合，踝关节缓冲器上垫片18上端面与球头固定环19下端面配合，踝关节缓冲器下垫片16下端面与脚踝支撑体14上端面配合，踝关节缓冲器17安装在踝关节缓冲器上垫片18和踝关节缓冲器下垫片16之间；
球头臼21上端与小腿连接器22通过四方锥结构进行联接。
其中，所述金属支撑板10上开有容置槽，用于在脚跟压力测量气管6和脚掌压力测量气管7受压变形时容置测压气管堵头，所述测压气管堵头用于将脚跟压力测量气管6和脚掌压力测量气管7各自一端堵死。
其中，所述踝关节固定头15和踝关节支撑体14的周向定位为：两者的配合处凹槽的形状非圆形，用以限制踝关节固定头15相对其轴线的周向自由度。
(三)有益效果
本发明公开了一种测力与支撑结构，用于测量人体足底前后脚掌受力变化情况并支撑配套设备。与现有技术相比较，本发明将足底受力转换为气管内气压的变化，通过采集气体压力达到测力的效果，结构简单可靠，并充分考虑到了踝关节以上配套设备的支撑和负荷冲击缓冲，实用性强。
人体运动时，足底压力迫使测压气管受压变形，其内部气压发生变化，气体压力传感器将压力信号转换为电信号，监控系统可根据此信号判断足底压力的变化情况；踝关节的结构保证其具有较高的承载力，并考虑到了运动时对力的缓冲。
基于该结构，可形成一种足底力测量的简单有效方案，其踝关节支撑结构扩展性强，可与人体外骨骼及同类设备配套使用，在同类设备中实用性与可靠性较强。
附图说明
图1为测力与支撑结构外形图(右脚部分)。
图2为测力区域的划分与测力原理示意图。
图3为力传递结构连接通孔示意图。
图4为测压气管的形状固定示意图。
图5为金属支撑板结构特征示意图。
图6为金属支撑板与传感罩组成的包覆结构示意图。
图7为脚踝支撑体结构特征示意图。
图8为脚踝支撑体与踝关节固定头的周向定位结构示意图。
图9为踝关节总成结构示意图。
图10为鞋套的结构示意图。
图11为测力与支撑结构组成示意图。
图12为踝关节缓冲器缓冲状态示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为解决现有技术的问题，本发明提供一种测力与支撑结构，所述测力与支撑结构包括：穿戴部分及踝关节支撑部分；
所述穿戴部分包括：由上至下依次设置的鞋套1、脚跟缓冲橡胶垫2、脚掌缓冲橡胶垫3、传感罩4、测压管鞋垫5、脚跟压力测量气管6、脚掌压力测量气管7、聚亚安脂定形垫8、气管定形垫9、金属支撑板10、底垫11；
踝关节支撑部分包括：由下至上依次设置的支撑体橡胶垫12、测压传感组件13、踝关节支撑体14、踝关节固定头15、踝关节缓冲器下垫片16、踝关节缓冲器17、踝关节缓冲器上垫片18、球头固定环19、球头20、球头臼21、小腿连接器22；
在所述穿戴部分中，所述传感罩4为一向下方开口的罩体，顶部承载鞋套1以及置于鞋套1前后的脚跟缓冲橡胶垫2、脚掌缓冲橡胶垫3；所述鞋套1、传感罩4、测压管鞋垫5均设有连接用的通孔，通过螺钉连接为一体；
所述测压管鞋垫5下方设置压力测量气管组件；所述压力测量气管组件包括：脚跟压力测量气管6、脚掌压力测量气管7、聚亚安脂定形垫8、气管定形垫9、金属支撑板10；
足底力测量区域分为前后两个区域，分别采用脚跟压力测量气管6和脚掌压力测量气管7进行测量，脚跟压力测量气管6和脚掌压力测量气管7各自的一端堵死，另一端连接至踝关节支撑部分的测压传感组件13；所述脚跟压力测量气管6和脚掌压力测量气管7通过聚亚安脂定形垫8、气管定形垫9定形固定于金属支撑板10上部，以保证其形状满足测力要求；当穿戴者行走时，所述鞋套1、传感罩4、测压管鞋垫5的一体化结构将足底力传递给脚跟压力测量气管6和脚掌压力测量气管7；脚跟压力测量气管6和脚掌压力测量气管7测到的压力通过测压传感组件13进行处理并发送；
所述金属支撑板10下方设置用于缓冲的底垫11；
所述底垫11侧面连接有用于对踝关节支撑部分起缓冲作用的支撑体橡胶垫12；所述金属支撑板10的形状及尺寸设置为覆盖所述底垫11及支撑体橡胶垫12上表面；
金属支撑板10边缘设有小孔，用于与传感罩4缝线固定；传感罩4与金属支撑板10共同构成半封闭结构，用于保护与定位内部的测压管鞋垫5、脚跟压力测量气管6、.脚掌压力测量气管7、聚亚安脂定形垫8、气管定形垫9；
金属支撑板10位于支撑体橡胶垫12上方的部分处设有通孔，用于与踝关节支撑体14连接；
所述踝关节支撑体14置于支撑体橡胶垫12上部，其内部中空，所述测压传感组件13通过螺栓联接固置于其间；脚踝支撑体14侧壁下端有气管出口，后部有电缆走线出口；
所述踝关节支撑体14顶部设有与踝关节固定头15配合的凹槽和通孔，踝关节固定头15置于凹槽中，通过螺栓穿入通孔使踝关节固定头15与踝关节支撑体14连接；
球头20通过螺纹配合安装在踝关节固定头15的顶端；球头臼21通过螺栓固定于球头固定环19上部，球头臼21和球头固定环19连接状态下形成内部空腔，内部空腔与球头20配合构成踝关节(配合A)，实现球头臼21和球头固定环19的连接结构自由转动；
踝关节支撑体14上端面与球头固定环19下端面之间设置踝关节缓冲组件，所述踝关节缓冲组件包括：踝关节缓冲器下垫片16、踝关节缓冲器17、踝关节缓冲器上垫片18，用于在踝关节转动时进行缓冲和强制踝关节回位；所述踝关节缓冲器下垫片16、踝关节缓冲器17、踝关节缓冲器上垫片18各自的轴线与踝关节固定头15轴线重合，踝关节缓冲器上垫片18上端面与球头固定环19下端面配合(配合B)，踝关节缓冲器下垫片16下端面与脚踝支撑体14上端面配合(配合C)，踝关节缓冲器17安装在踝关节缓冲器上垫片18和踝关节缓冲器下垫片16之间；
球头臼21上端与小腿连接器22通过四方锥结构进行联接。
其中，所述鞋套1采用两侧包覆式穿戴结构，用于固定人体足部。在前脚面和脚跟后侧有可以调节长度的扣带。有防滑锥状体，布置于鞋套底板前侧用于防滑。
其中，所述金属支撑板10上开有容置槽，用于在脚跟压力测量气管6和脚掌压力测量气管7受压变形时容置测压气管堵头，所述测压气管堵头用于将脚跟压力测量气管6和脚掌压力测量气管7各自一端堵死。
其中，所述踝关节固定头15和踝关节支撑体14的周向定位为：两者的配合处凹槽的形状非圆形，用以限制踝关节固定头15相对其轴线的周向自由度。
下面结合具体实施例来详细描述本发明。
实施例
本实施例提供一种测力与支撑结构，由以下部分组成，如图11(右脚部分)所示：鞋套1、脚跟缓冲橡胶垫2、脚掌缓冲橡胶垫3、传感罩4、测压管鞋垫5、脚跟压力测量气管6、脚掌压力测量气管7、聚亚安脂定形垫8、气管定形垫9、金属支撑板10、底垫11、支撑体橡胶垫12、测压电路板13、脚踝支撑体14、踝关节固定头15、踝关节缓冲器下垫片16、踝关节缓冲器17、踝关节缓冲器上垫片18、球头固定环19、球头20、球头臼21、小腿连接器22。
穿戴者可以在正常穿鞋的情况下穿戴测力与支撑结构(左脚部分和右脚部分)。穿戴时，首先松开鞋套1的扣带，将两翼式结构打开，将脚伸入鞋套1内并踩实，将两翼式结构包在脚面，调整扣带长度并扣紧扣带，完成穿戴。此时，防滑锥状体与鞋底紧密接触，起到防滑效果。
测力与支撑结构的测力过程如下：
以右脚为例，穿戴者正常行走时，脚跟首先着地。在极短的时间内，随着接地面积的加大，脚跟的受力由零增大。此过程中，脚跟压力测量气管6受到测压管鞋垫5脚跟部位的压缩，内部气体压强增大。测压电路板13上与脚跟压力测量气管6连接的气体压力传感器将增大的气体压力输入转化为电信号的变化，并通过电缆将此信号从脚踝支撑体14输出。脚掌因没有触地，因而对应的信号不会有变化。
随人体重心的移动，足底受力由脚跟向脚掌转移，脚跟受力减小，脚掌受力增大。此过程中，脚跟压力测量气管6内的气体压强减小，脚掌压力测量气管7内的气体压强增大，直至脚跟离地，脚掌完全解除地面，脚跟压力测量气管6内的气体压强变为最小，脚掌压力测量气管7内的气体压强达到较大值。此过程中，与脚跟压力测量气管6和脚掌压力测量气管7连接的气体压力传感器的输出产生变化，并通过电缆将此信号从脚踝支撑体14输出。
当右脚悬空时，脚跟压力测量气管6和脚掌压力测量气管不会受到测压管鞋垫5的压缩，气体压强小，气体压力传感器信号输出也会对应此状态。由于传感罩4与金属支撑板10通过缝线的方式固定，其包覆的内部组件不会发生串动和松脱。
在实际应用中，测力与支撑结构的左脚部分和右脚部分同时起作用，根据它们输出的信号，监测系统可以进行步态分析，人体外骨骼等设备也可以据此进行系统控制。
在实际应用中，测力与支撑结构的踝关节可对其支撑的设备在运动过程中产生的冲击进行缓冲，保护人体，过程如下：
测力与支撑结构的踝关节发生运动时，踝关节缓冲器17会缓冲运动冲击并提供恢复力。如图12，以踝关节背屈动作为例：踝关节背屈时，球头臼21、球头固定环19、踝关节缓冲器上垫片18为一体相对球头20转动，踝关节缓冲器上垫片18的锥面端靠近脚尖一侧会压缩踝关节缓冲器17的同侧，使其发生变形。踝关节缓冲器17可采用橡胶等弹性材料制成，其压缩变形可以吸收力和冲击。踝关节缓冲器17变形越大，回复力越强，迫使球头臼21等部件回到原位，由此起到了保护穿戴者踝关节的作用。为达到更好的效果，实际使用中可以在安装时对踝关节缓冲器17进行预紧，使其保持一定的预紧力。预紧方法为加大踝关节固定头15在球头20内的旋入深度。
踝关节的部件都为类圆柱结构，因此对于踝关节其它方向的运动，该结构会起到同样的效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种测力与支撑结构，其特征在于，所述测力与支撑结构包括：穿戴部分及踝关节支撑部分；
所述穿戴部分包括：由上至下依次设置的鞋套(1)、脚跟缓冲橡胶垫(2)、脚掌缓冲橡胶垫(3)、传感罩(4)、测压管鞋垫(5)、脚跟压力测量气管(6)、脚掌压力测量气管(7)、聚亚安脂定形垫(8)、气管定形垫(9)、金属支撑板(10)、底垫(11)；
踝关节支撑部分包括：由下至上依次设置的支撑体橡胶垫(12)、测压传感组件(13)、踝关节支撑体(14)、踝关节固定头(15)、踝关节缓冲器下垫片(16)、踝关节缓冲器(17)、踝关节缓冲器上垫片(18)、球头固定环(19)、球头(20)、球头臼(21)、小腿连接器(22)；
在所述穿戴部分中，所述传感罩(4)为一向下方开口的罩体，顶部承载鞋套(1)以及置于鞋套(1)前后的脚跟缓冲橡胶垫(2)、脚掌缓冲橡胶垫(3)；所述鞋套(1)、传感罩(4)、测压管鞋垫(5)均设有连接用的通孔，通过螺钉连接为一体；
所述测压管鞋垫(5)下方设置压力测量气管组件；所述压力测量气管组件包括：脚跟压力测量气管(6)、脚掌压力测量气管(7)、聚亚安脂定形垫(8)、气管定形垫(9)、金属支撑板(10)；
足底力测量区域分为前后两个区域，分别采用脚跟压力测量气管(6)和脚掌压力测量气管(7)进行测量，脚跟压力测量气管(6)和脚掌压力测量气管(7)各自的一端堵死，另一端连接至踝关节支撑部分的测压传感组件(13)；所述脚跟压力测量气管(6)和脚掌压力测量气管(7)通过聚亚安脂定形垫(8)、气管定形垫(9)定形固定于金属支撑板(10)上部；
所述金属支撑板(10)下方设置用于缓冲的底垫(11)；
所述底垫(11)侧面连接有用于对踝关节支撑部分起缓冲作用的支撑体橡胶垫(12)；所述金属支撑板(10)的形状及尺寸设置为覆盖所述底垫(11)及支撑体橡胶垫(12)上表面；
金属支撑板(10)边缘设有小孔，用于与传感罩(4)缝线固定；传感罩(4)与金属支撑板(10)共同构成半封闭结构，用于保护与定位内部的测压管鞋垫(5)、脚跟压力测量气管(6)、.脚掌压力测量气管(7)、聚亚安脂定形垫(8)、气管定形垫(9)；
金属支撑板(10)位于支撑体橡胶垫(12)上方的部分处设有通孔，用于与踝关节支撑体(14)连接；
所述踝关节支撑体(14)置于支撑体橡胶垫(12)上部，其内部中空，所述测压传感组件(13)通过螺栓联接固置于其间；
所述踝关节支撑体(14)顶部设有与踝关节固定头(15)配合的凹槽和通孔，踝关节固定头(15)置于凹槽中，通过螺栓穿入通孔使踝关节固定头(15)与踝关节支撑体(14)连接；
球头(20)通过螺纹配合安装在踝关节固定头(15)的顶端；球头臼(21)通过螺栓固定于球头固定环(19)上部，球头臼(21)和球头固定环(19)连接状态下形成内部空腔，内部空腔与球头(20)配合构成踝关节，实现球头臼(21)和球头固定环(19)的连接结构自由转动；
踝关节支撑体(14)上端面与球头固定环(19)下端面之间设置踝关节缓冲组件，所述踝关节缓冲组件包括：踝关节缓冲器下垫片(16)、踝关节缓冲器(17)、踝关节缓冲器上垫片(18)，用于在踝关节转动时进行缓冲和强制踝关节回位；所述踝关节缓冲器下垫片(16)、踝关节缓冲器(17)、踝关节缓冲器上垫片(18)各自的轴线与踝关节固定头(15)轴线重合，踝关节缓冲器上垫片(18)上端面与球头固定环(19)下端面配合，踝关节缓冲器下垫片(16)下端面与脚踝支撑体(14)上端面配合，踝关节缓冲器(17)安装在踝关节缓冲器上垫片(18)和踝关节缓冲器下垫片(16)之间；
球头臼(21)上端与小腿连接器(22)通过四方锥结构进行联接。
2.如权利要求1所述的测力与支撑结构，其特征在于，所述金属支撑板(10)上开有容置槽，用于在脚跟压力测量气管(6)和脚掌压力测量气管(7)受压变形时容置测压气管堵头，所述测压气管堵头用于将脚跟压力测量气管(6)和脚掌压力测量气管(7)各自一端堵死。
3.如权利要求1所述的测力与支撑结构，其特征在于，所述踝关节固定头(15)和踝关节支撑体(14)的周向定位为：两者的配合处凹槽的形状非圆形，用以限制踝关节固定头(15)相对其轴线的周向自由度。
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