CN105615886A - 双足步态模拟及足底压力仿真系统及使用方法 - Google Patents

双足步态模拟及足底压力仿真系统及使用方法 Download PDF

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Abstract

双足步态模拟及足底压力仿真系统及使用方法，包括：机械结构系统，实现步态的模拟及足底压力再现；驱动系统，向机械结构系统提供动力的装置，使机械执行单元按照预期要求实现运动；传感系统，由内、外部传感器组成，获取内、外部环境中的压力、位置、扭矩信息并及时反馈到控制系统；控制系统，根据作业指令以及从传感系统反馈回来的信号，支配机械执行单元去完成规定的运动；机器—环境交互系统，实现机器与外部环境中的设备相互联系和协调；人—机交互系统，是人与机器进行联系和参与机器的控制。本发明能够准确的实现人类步态及足底压力的实时真实再现，同时可以设定步幅、步频。

Description

双足步态模拟及足底压力仿真系统及使用方法
技术领域
本发明属于足部步态模拟产品领域，具体说是一种双足步态模拟及足底压力仿真系统及使用方法。
背景技术
人类对步态分析的研究从三百多年前就已经开始。步态分析领域已经有了多个子分支，并仍处在发展当中。与此同时，足底压力分析也应用于很多领域,如生物力学、矫形外科、康复医学等。正常人的足底压力分析不仅能让我们对正常人的步态有更为深入的理解,而且还能为病态足的足底压力分析提供正常的基线标准。基于此目前衍生出了大量的步态信息采集产品、足部运动矫正产品、运动康复器材、智能鞋等各类产品。
然而人类步态调节或改变是受多种因素影响的，如内因、外因、生理因素、心里因素等，并且改变正常的步态可以是暂时性或永久性的，而检测、验证和优化各类产品却需要一个稳定的测试环境，为此需要研制一套能够真实再现人类正常步态、足底压力、步频、步幅的模拟仿真系统。现有技术的仿真系统存在如下缺点：侧重点都在步态上并没有考虑到足底压力；受稳定性和承载能力的影响将足部放大而脱离了足部的真实尺寸；传统的步态仿真产品结构及运动控制较复杂；很难实现对步幅、步频的设定；基于功能限制应用领域有限。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种双足步态模拟及足底压力仿真系统及使用方法，能够准确的实现人类步态及足底压力的实时真实再现，同时可以设定步幅、步频，能够为基于人类步态分析及足底压力采集、分析而衍生的各系列产品提供一个稳定的测试环境。
为实现上述目的，本发明的技术方案是，双足步态模拟及足底压力仿真系统，包括：
机械结构系统，实现步态的模拟及足底压力再现；
驱动系统，向机械结构系统提供动力的装置，使机械执行单元按照预期要求实现运动；
传感系统，由内、外部传感器组成，获取内、外部环境中的压力、位置、扭矩信息并及时反馈到控制系统；
控制系统，根据作业指令以及从传感系统反馈回来的信号，支配机械执行单元去完成规定的运动；
机器—环境交互系统，实现机器与外部环境中的设备相互联系和协调；
人—机交互系统，是人与机器进行联系和参与机器的控制。
所述的机械结构系统，包括：基座、力控制模块和步态模块；所述的力控制模块，包括：滚珠丝杠、滚珠丝杠帽、定位轴、轴承、移动座、电机和减速器；所述的步态模块，包括：电机减速器Ⅰ、大臂、电机减速器Ⅱ、小臂、电机减速器Ⅲ、踝关节件和足模；所述的减速器一端与电机相连，滚珠丝杠穿过滚珠丝杠帽与减速器另一端相连，滚珠丝杠帽、轴承、电机减速器Ⅰ固定在移动座上，定位轴穿过轴承置于基座上，大臂一端与电机减速器Ⅰ输出端相连，另一端与电机减速器Ⅱ相连，小臂分别与电机减速器Ⅱ输出端、电机减速器Ⅲ相连，足模通过踝关节件与电机减速器Ⅲ相连。
进一步的，所述的轴承为直线轴承；所述的滚珠丝杠通过联轴器与与减速器相连。
进一步的，所述的足模可拆卸。
进一步的，所述步态模块为两个，分别与基座相连。
进一步的，控制系统为运动控制器或单片机。
进一步的，人—机交互系统为微型计算机。
进一步的，内部传感器包括：扭矩传感器、位置传感器、角度传感器和速度传感器；外部传感器包括：压力传感器和距离传感器。
双足步态模拟及足底压力仿真系统的使用方法，是基于上述系统实现的，具体步骤为：
S1：操作人员通过人机界面的微型计算机将指令上传；
S2：微型计算机经过运算后将指令传达到运动控制器或单片机，运动控制器或单片机接受指令后调用已存储的相关数据库信息并将其转化后的指令传递给驱动系统；
S3：驱动系统的驱动器将接收到的指令信息转化为驱动信号驱动各伺服电机协调运转，进而使机械结构系统中的各运动模块按照已规划的轨迹运动，实现人类步态和足底压力的再现；
S4：运动过程中传感系统的内部传感器将各关节的扭矩、位置信息反馈到运动控制器或单片机；同时足模的运动位置和足底压力通过外部传感器反馈到微型计算机，实现对足部的步态、足底压力进行实时控制、监测、矫正与更新。
本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：本发明能够准确的实现人类步态及足底压力的实时真实再现，同时可以设定步幅、步频，能够为基于人类步态分析及足底压力采集、分析而衍生的各系列产品提供一个稳定的测试环境。
可广泛应用于生物力学、矫形外科、康复医学、鞋类制作及检测等各大领域。可以方便的替换不同尺寸、型号的脚模，模拟出不同的足部运动。
附图说明
本发明共有附图3幅：
图1为本发明系统构成示意图。
图2为本发明机械结构图。
图3为本系统的控制电路图。
图中序号说明：1、基座，2、滚珠丝杠，3、滚珠丝杠帽，4、定位轴，5、直线轴承，6、电机减速器Ⅰ，7、移动座，8、大臂，9、电机减速器Ⅱ，10、小臂，11、电机减速器Ⅲ，12、踝关节件，13、足模、14、电机，15、减速器。
图3为本系统的控制电路图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。
实施例1
双足步态模拟及足底压力仿真系统，包括机械结构系统、驱动系统、传感系统、控制系统、机器—环境交互系统和人—机交互系统；机械结构系统是本申请的执行单元，实现步态的模拟及足底压力再现；驱动系统是向机械结构系统提供动力的装置，能够保证机械执行单元按照预期要求实现运动；传感系统由内、外部传感器组成，获取内、外部环境中的压力、位置、扭矩等信息并及时反馈到控制系统以保证整个系统精确的完成任务；控制系统的任务是根据作业指令以及从传感系统反馈回来的信号，支配机器的执行单元去完成规定的运动和功能；机器—环境交互系统是实现机器与外部环境中的设备相互联系和协调；人—机交互系统是人与机器进行联系和机器的控制。
该机械结构系统包括：基座1、力控制模块和步态模块；所述的力控制模块，包括：滚珠丝杠2、滚珠丝杠帽3、定位轴4、轴承、移动座7、电机14和减速器15；所述的步态模块，包括：电机减速器Ⅰ6、大臂8、电机减速器Ⅱ9、小臂10、电机减速器Ⅲ11、踝关节件12和足模13；所述的减速器15一端采用螺栓与电机14相连，滚珠丝杠2穿过滚珠丝杠帽3与减速器15另一端相连，滚珠丝杠帽3、轴承、电机减速器Ⅰ6固定在移动座7上，定位轴4穿过轴承置于基座1上，大臂8一端采用螺栓与电机减速器Ⅰ6输出端相连，另一端与电机减速器Ⅱ9相连，小臂10分别与电机减速器Ⅱ9输出端、电机减速器Ⅲ11相连，足模13通过踝关节件12与电机减速器Ⅲ11螺栓相连。所述的轴承为直线轴承5。所述的滚珠丝杠2通过联轴器与与减速器15相连。
机械结构系统的工作过程为：在伺服驱动的作用下电机减速器Ⅰ6中的电机轴带动减速器轴进行转动，电机减速器Ⅰ6输出端的大腿8随之转动；电机减速器Ⅱ9的电机轴、减速器轴在伺服驱动作用下转动并带动其输出端的小腿10转动；电机减速器Ⅲ11的电机、减速器轴转动带动踝关节件12转动，从而带动足模13运动。三个关节同时协调运动就实现了对足部的位置和姿态的要求即步态。与此同时，电机14轴转动带动减速器15轴转动，并通过联轴器带动滚珠丝杠2转动，滚珠丝杠2的旋转运动通过滚珠丝杠帽3转化为直线运动从而带动移动座7上下移动，进而在实现步态模拟的同时达到控制足底压力的作用。
双足步态模拟及足底压力仿真系统的使用方法，是基于上述系统实现的，具体步骤为：操作人员通过人机界面的微型计算机将指令上传；微型计算机经过运算后将指令传达到运动控制器或单片机，运动控制器或单片机接受指令后调用已存储的相关数据库信息并将其转化后的指令传递给驱动系统；驱动系统的驱动器将接收到的指令信息转化为驱动信号驱动各伺服电机协调运转，进而使机械结构系统中的各运动模块按照已规划的轨迹运动，实现人类步态和足底压力的再现；运动过程中传感系统的内部传感器将各关节的扭矩、位置等信息反馈到运动控制器或单片机，以保证运动控制器或单片机能够实时准确的采集运动信息并进行稳定控制；同时足模的运动位置和足底压力通过外部传感器反馈到微型计算机，以进一步实现对整个系统及足部的步态、足底压力进行实时控制、监测、矫正与更新。本发明为一个闭环的控制系统，该系统采用了伺服控制方式但不仅限于此控制方式。另机械结构图中输出端为真实尺寸的脚模，该脚模具有可替换性，可以根据情况更换脚模的型号来满足不同的需求。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.双足步态模拟及足底压力仿真系统，其特征在于，包括：
机械结构系统，实现步态的模拟及足底压力再现；
驱动系统，向机械结构系统提供动力的装置，使机械执行单元按照预期要求实现运动；
传感系统，由内、外部传感器组成，获取内、外部环境中的压力、位置、扭矩信息并及时反馈到控制系统；
控制系统，根据作业指令以及从传感系统反馈回来的信号，支配机械执行单元去完成规定的运动；
机器—环境交互系统，实现机器与外部环境中的设备相互联系和协调；
人—机交互系统，是人与机器进行联系和参与机器的控制。
2.根据权利要求1所述的双足步态模拟及足底压力仿真系统，其特征在于，所述的机械结构系统，包括：基座(1)、力控制模块和步态模块；所述的力控制模块，包括：滚珠丝杠(2)、滚珠丝杠帽(3)、定位轴(4)、轴承、移动座(7)、电机(14)和减速器；所述的步态模块，包括：电机减速器Ⅰ(6)、大臂(8)、电机减速器Ⅱ(9)、小臂(10)、电机减速器Ⅲ(11)、踝关节件(12)和足模(13)；所述的减速器一端与电机(14)相连，滚珠丝杠(2)穿过滚珠丝杠帽(3)与减速器另一端相连，滚珠丝杠帽(3)、轴承、电机减速器Ⅰ(6)固定在移动座(7)上，定位轴(4)穿过轴承置于基座(1)上，大臂(8)一端与电机减速器Ⅰ(6)输出端相连，另一端与电机减速器Ⅱ(9)相连，小臂(10)分别与电机减速器Ⅱ(9)输出端、电机减速器Ⅲ(11)相连，足模(13)通过踝关节件(12)与电机减速器Ⅲ(11)相连。
3.根据权利要求2所述的双足步态模拟及足底压力仿真系统，其特征在于，所述的轴承为直线轴承(5)；所述的滚珠丝杠(2)通过联轴器与与减速器(15)相连。
4.根据权利要求2所述的双足步态模拟及足底压力仿真系统，其特征在于，所述的足模(13)可拆卸。
5.根据权利要求1-4任一项所述的双足步态模拟及足底压力仿真系统，其特征在于，所述步态模块为两个，分别与基座相连。
6.根据权利要求1所述的双足步态模拟及足底压力仿真系统，其特征在于，控制系统为运动控制器或单片机。
7.根据权利要求1所述的双足步态模拟及足底压力仿真系统，其特征在于，人—机交互系统为微型计算机。
8.根据权利要求6或7所述的双足步态模拟及足底压力仿真系统，其特征在于，所述内部传感器包括：扭矩传感器、位置传感器、角度传感器和速度传感器；外部传感器包括：压力传感器和距离传感器。
9.双足步态模拟及足底压力仿真系统的使用方法，是基于上述系统实现的，其特征在于，具体步骤为：
S1：操作人员通过人机界面的微型计算机将指令上传；
S2：微型计算机经过运算后将指令传达到运动控制器或单片机，运动控制器或单片机接受指令后调用已存储的相关数据库信息并将其转化后的指令传递给驱动系统；
S3：驱动系统的驱动器将接收到的指令信息转化为驱动信号驱动各伺服电机协调运转，进而使机械结构系统中的各运动模块按照已规划的轨迹运动，实现人类步态和足底压力的再现；
S4：运动过程中传感系统的内部传感器将各关节的扭矩、速度、位置信息反馈到运动控制器或单片机；同时足模的运动位置和足底压力通过外部传感器反馈到微型计算机，实现对足部的步态、足底压力进行实时控制、监测、矫正与更新。
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