CN106289597B - 一种使用可穿戴式足底压力检测装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种使用可穿戴式足底压力检测装置的方法，该检测装置采用多层结构形式，并在其层间布置有柱式结构，用于承受足底的全部重量，利用金属应变片检测柱式结构的变形，可以实时检测总体的足底压力及前后脚掌的压力分配，配合传感采集板可以实现对足底压力的有效测量。本方法操作简单，可以检测任意地形下足底的全部压力，检测精度高，同时本发明可以不受制与已有传感器的尺寸与量程，在厚度上可以更小，使得整体上更加轻便。

Description

一种使用可穿戴式足底压力检测装置的方法

技术领域

本发明涉及足底压力检测领域，尤其是一种使用检测精准、轻便的可穿戴式足底压力检测装置的方法。

背景技术

人体步态的研究对假肢、康复医疗外骨骼、双足机器人等与人体行走相关智能装置研制具有重要的意义，其中利用足底压力检测对人体步态进行研究是一种非常重要的手段，本发明旨在提供一种可穿戴式足底压力检测装置，以实现对足底压力的准确测量。

文献“下肢外骨骼服传感靴的结构优化分析”公开了一种足底压力检测装置，该装置在已有的足底结构的不同部位埋入多个称重传感器或力传感器，通过对这些传感器的输出信号进行采集得到足底压力信息。这种方法受制于结构形式，足底的全部压力并不能全部传递到这些传感器上，在路面不平、足底部分悬空的状态下可能造成足底压力的检测不准，同时现有的称重传感器或力传感器的尺寸较大，造成了外骨骼的鞋子较为笨重。

发明内容

本发明的目的是提供一种使用可穿戴式足底压力检测装置的方法，解决已有的足底压力检测装置结构复杂、尺寸大且笨重以及检测精度差的问题。

具体的，本发明提供了一种可穿戴式足底压力检测装置，采用多层结构形式，包括传感器采集板、金属应变片和柱式结构；

所述柱式结构位于层间；所述金属应变片贴于柱式结构上；所述传感器采集板通过导线与所述金属应变片相连接。

进一步地，还包括下橡胶层、后脚掌支撑件和前脚掌支撑件(3)、支撑层、上橡胶层、卡口式鞋箍；

自下而上分别为下橡胶层、后脚掌支撑件和前脚掌支撑件(3)、支撑层、上橡胶层、卡口式鞋箍。

进一步地，还包括密封层；

所述密封层位于下橡胶层与上橡胶层之间的外周圈，采用弹性材料制成，上与上橡胶层粘接固定，下与下橡胶层粘接固定。

进一步地，最下层为所述下橡胶层，其底部有防滑花纹，中间部分有凸起，凸起上开有安装传感器采集板的凹槽；

进一步地，所述后脚掌支撑件为后半鞋底状，所述前脚掌支撑件(3)为前半鞋底状，所述后脚掌支撑件、前脚掌支撑件和所述下橡胶层的凸起位于同一层。

进一步地，所述后脚掌支撑件和前脚掌支撑件分别安装有至少一个所述柱式结构；所述每个柱式结构上贴有至少一个金属应变片；

进一步地，所述柱式结构由合金材料制成，其直径为10mm～20mm，高度为3mm～5mm，所述金属应变片平行于所述柱式结构的中轴线方向贴于所述柱式结构的外圆周面。

进一步地，所述传感器采集板粘接固定于所述下橡胶层的凹槽中，是以聚酰亚胺为基材制作的柔性电路板，能够随脚底弯曲，所述传感采集板上安装有纽扣电池作为供电。

进一步地，所述下橡胶层和上橡胶层均为弹性材料制成；所述后脚掌支撑件、前脚掌支撑件和上支撑层材质为合金或硬质非金属。

特别地，一种使用所述的一种可穿戴式足底压力检测装置的方法，其特征在于，使用过程为：

利用卡口式鞋箍将穿戴者的鞋子固定，穿戴者足底的压力依次通过穿戴者的鞋子、上橡胶层、上支撑层传递到后脚掌支撑件或前脚掌支撑件的柱式结构上，使得柱式结构上金属应变片发生变形，这一变形引起金属应变片的电阻发生变化，利用传感采集板实现对电阻变化的实时检测，由金属应变片的电阻变化得到穿戴者的足底压力；

具体地，前脚掌的足底压力G_f为：

G_f＝m₁g×R₁+m₂g

其中，R₁为前脚掌支撑件上两个柱式结构上金属应变片的电阻之和,g为重力加速度，m₁、m₂通过实验进行标定；

m₁、m₂的标定过程为：分别将5kg、10kg的标准铜块置于前脚掌，记录此时前脚掌支撑件上两个柱式结构上金属应变片的电阻之和分别为R₅、R₁₀，m₁、m₂由下式计算：

m₁＝5kg/(R₁₀-R₅)

m₂＝5kg-5kg×R₅/(R₁₀-R₅)

后脚掌的足底压力G_b由下式计算

G_b＝m₃g×R₂+m₄g

其中，R₂为后脚掌支撑件两个柱式结构上金属应变片的电阻之和，m₃、m₄通过与m₁、m₂相同的标定实验进行标定；

m₃、m₄的标定过程为：分别将5kg、10kg的标准铜块置于后脚掌，记录此时后脚掌支撑件两个柱式结构上金属应变片的电阻之和分别为R₅₂、R₁₀₂，m₃、m₄由下式计算：

m₃＝5kg/(R₁₀₂-R₅₂)

m₄＝5kg-5kg×R₅₂/(R₁₀₂-R₅₂)；

式中，m₁和m₃的单位为kg/Ω，m₂和m₄的单位为kg。

本发明提供了一种可穿戴式足底压力检测装置，采用多层结构形式，并在层间布置有柱式结构，用于承受足底的全部重量，利用金属应变片检测柱式结构的变形，可以实时检测总体的足底压力及前后脚掌的压力分配，配合传感采集板可以实现对足底压力的有效测量。本装置结构简单，可以检测任意地形下足底的全部压力，同时本发明可以不受制与已有传感器的尺寸与量程，在厚度上可以更小，使得整体上更加轻便。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1是本发明的可穿戴式足底压力检测装置整体结构图；

图2是本发明的可穿戴式足底压力检测装置各部件组装图。

图中：1-下橡胶层、2-后脚掌支撑件、3-前脚掌支撑件、4-金属应变片、5-传感器采集板、6-支撑层、7-上橡胶层、8-卡口式鞋箍、9-密封层、10-柱式结构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供了一种可穿戴式足底压力检测装置，如图1所示，采用多层结构形式。自下而上分别为下橡胶层1、后脚掌支撑件2和前脚掌支撑件3、支撑层6、上橡胶层7、卡口式鞋箍8，测压元件传感器采集板5和金属应变片4位于后脚掌支撑件2和前脚掌支撑件3所在层。

如图2所示，最下层为下橡胶层1，即接触地面的最下层鞋底，由橡胶等材料制成，其底部有防滑花纹，中间部分有凸起，凸起上开有安装传感器采集板5的凹槽；

下橡胶层1的上层为后脚掌支撑件2和前脚掌支撑件3，后脚掌支撑件2为后半鞋底状，前脚掌支撑件3为前半鞋底状，后脚掌支撑件2、前脚掌支撑件3和下橡胶层1的凸起位于同一层，后脚掌支撑件2和前脚掌支撑件3均由铝合金制成，下橡胶层1与后脚掌支撑件2、前脚掌支撑件3粘接固定；

后脚掌支撑件2与前脚掌支撑件3上均焊接固定有两根柱式结构10，柱式结构10由铝合金材料制成，其直径为10mm～20mm，高度为3mm～5mm，柱式结构10上贴有金属应变片4，金属应变片4平行于柱式结构10的中轴线方向贴于柱式结构10的外圆周面，用于检测柱式结构所承受的压力；

传感器采集板5粘接固定于下橡胶层1的凹槽中，传感器采集板5是以聚酰亚胺为基材制作的柔性电路板，可随脚底弯曲，传感采集板5上安装有纽扣电池作为供电，传感采集板5通过导线与金属应变片4连接，用于检测金属应变片4的电阻变化，进而得到柱式结构所承受的压力；

后脚掌支撑件2和前脚掌支撑件3的上层为上支撑层6，上支撑层6采用铝合金材料制成，且粘结固定于后脚掌支撑件2和前脚掌支撑件3上方，用于承受穿戴者的重量；

上支撑层6之上为上橡胶层7，上橡胶层7采用橡胶材料制成，起到缓冲的作用，上橡胶层7上固定安装有卡口式鞋箍8，用于固定穿戴者的脚；

下橡胶层1与上橡胶层7之间的外周圈为密封层9，密封层9采用橡胶材料制成，上与上橡胶层1粘接固定，下与下橡胶层7粘接固定，对整个多层结构起加强固定的作用，对金属应变片4及传感器采集板5起到防尘、防水的保护作用。

工作时，利用卡口式鞋箍8将穿戴者的鞋子固定，穿戴者足底的压力依次通过穿戴者的鞋子、上橡胶层7、上支撑层6传递到后脚掌支撑件2或前脚掌支撑件3的柱式结构10上，使得柱式结构10上金属应变片4发生变形，这一变形引起金属应变片4的电阻发生变化，利用传感采集板5实现对电阻变化的实时检测，由金属应变片4的电阻变化得到穿戴者的足底压力。

具体地，前脚掌的足底压力G_f为：

G_f＝m₁g×R₁+m₂g

其中，R₁为前脚掌支撑件3上两个柱式结构10上金属应变片4的电阻之和,g为重力加速度，m₁、m₂通过实验进行标定。

m₁、m₂的标定过程为：分别将5kg、10kg的标准铜块置于前脚掌，记录此时前脚掌支撑件3上两个柱式结构10上金属应变片4的电阻之和分别为R₅、R₁₀，m₁、m₂可由下式计算：

m₁＝5kg/(R₁₀-R₅)m₂＝5kg-5kg×R₅/(R₁₀-R₅)

后脚掌的足底压力G_b可由下式计算

G_b＝m₃g×R₂+m₄g

其中，R₂为后脚掌支撑件2两个柱式结构10上金属应变片4的电阻之和，m₃、m₄通过与m₁、m₂相同的标定实验进行标定。

m₃、m₄的标定过程为：分别将5kg、10kg的标准铜块置于后脚掌，记录此时后脚掌支撑件2两个柱式结构10上金属应变片4的电阻之和分别为R₅₂、R₁₀₂，m₃、m₄可由下式计算：

m₃＝5kg/(R₁₀₂-R₅₂)

m₄＝5kg-5kg×R₅₂/(R₁₀₂-R₅₂)，

式中，m₁和m₃的单位为kg/Ω，m₂和m₄的单位为kg。

综上所述，本发明提供了一种可穿戴式足底压力检测装置，采用多层结构形式，并在层间布置有柱式结构10，用于承受足底的全部重量，利用金属应变片4检测柱式结构10的变形，可以实时检测总体的足底压力及前后脚掌的压力分配，配合传感采集板可以实现对足底压力的有效测量。本装置结构简单，可以检测任意地形下足底的全部压力，同时本发明可以不受制与已有传感器的尺寸与量程，在厚度上可以更小，使得整体上更加轻便。

尽管已经结合优选的实施例对本发明进行了详细地描述，但是本领域技术人员应当理解的是在不违背本发明精神和实质的情况下，各种修正都是允许的，它们都落入本发明的权利要求的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种使用可穿戴式足底压力检测装置的方法，所述可穿戴式足底压力检测装置采用多层结构形式，包括传感器采集板(5)、金属应变片(4)和柱式结构(10)；所述柱式结构(10)位于层间；所述金属应变片(4)贴于柱式结构(10)上；所述传感器采集板(5)通过导线与所述金属应变片(4)相连接；

所述可穿戴式足底压力检测装置还包括下橡胶层(1)、后脚掌支撑件(2)和前脚掌支撑件(3)、支撑层(6)、上橡胶层(7)、卡口式鞋箍(8)；自下而上分别为下橡胶层(1)、后脚掌支撑件(2)和前脚掌支撑件(3)、支撑层(6)、上橡胶层(7)、卡口式鞋箍(8)；

其特征在于，使用过程为：

利用卡口式鞋箍(8)将穿戴者的鞋子固定，穿戴者足底的压力依次通过穿戴者的鞋子、上橡胶层(7)、上支撑层(6)传递到后脚掌支撑件(2)或前脚掌支撑件(3)的柱式结构(10)上，使得柱式结构(10)上金属应变片(4)发生变形，这一变形引起金属应变片(4)的电阻发生变化，利用传感采集板(5)实现对电阻变化的实时检测，由金属应变片(4)的电阻变化得到穿戴者的足底压力；

具体地，前脚掌的足底压力G_f为：

G_f＝m₁g×R₁+m₂g

其中，R₁为前脚掌支撑件(3)上两个柱式结构(10)上金属应变片(4)的电阻之和,g为重力加速度，m₁、m₂通过实验进行标定；

m₁、m₂的标定过程为：分别将5kg、10kg的标准铜块置于前脚掌，记录此时前脚掌支撑件(3)上两个柱式结构(10)上金属应变片(4)的电阻之和分别为R₅、R₁₀，m₁、m₂由下式计算：

m₁＝5kg/(R₁₀-R₅)

m₂＝5kg-5kg×R₅/(R₁₀-R₅)

后脚掌的足底压力G_b由下式计算

G_b＝m₃g×R₂+m₄g

其中，R₂为后脚掌支撑件(2)两个柱式结构(10)上金属应变片(4)的电阻之和，m₃、m₄通过与m₁、m₂相同的标定实验进行标定；

m₃、m₄的标定过程为：分别将5kg、10kg的标准铜块置于后脚掌，记录此时后脚掌支撑件(2)两个柱式结构(10)上金属应变片(4)的电阻之和分别为R₅₂、R₁₀₂，m₃、m₄由下式计算：

m₃＝5kg/(R₁₀₂-R₅₂)

m₄＝5kg-5kg×R₅₂/(R₁₀₂-R₅₂)；

式中，m₁和m₃的单位为kg/Ω，m₂和m₄的单位为kg。

2.根据权利要求1所述的使用可穿戴式足底压力检测装置的方法，其特征在于，所述可穿戴式足底压力检测装置还包括密封层(9)；

所述密封层(9)位于下橡胶层(1)与上橡胶层(7)之间的外周圈，采用弹性材料制成，上与上橡胶层(1)粘接固定，下与下橡胶层(7)粘接固定。

3.根据权利要求2所述的使用可穿戴式足底压力检测装置的方法，其特征在于，最下层为所述下橡胶层(1)，其底部有防滑花纹，中间部分有凸起，凸起上开有安装传感器采集板(5)的凹槽。

4.根据权利要求3所述的使用可穿戴式足底压力检测装置的方法，其特征在于，所述后脚掌支撑件(2)为后半鞋底状，所述前脚掌支撑件(3)为前半鞋底状，所述后脚掌支撑件(2)、前脚掌支撑件(3)和所述下橡胶层(1)的凸起位于同一层。

5.根据权利要求1所述的使用可穿戴式足底压力检测装置的方法，其特征在于，所述后脚掌支撑件(2)和前脚掌支撑件(3)分别安装有至少一个所述柱式结构(10)；所述柱式结构(10)上贴有至少一个金属应变片(4)。

6.根据权利要求5所述的使用可穿戴式足底压力检测装置的方法，其特征在于，所述柱式结构(10)由合金材料制成，其直径为10mm～20mm，高度为3mm～5mm，所述金属应变片(4)平行于所述柱式结构(10)的中轴线方向贴于所述柱式结构(10)的外圆周面。

7.根据权利要求1所述的使用可穿戴式足底压力检测装置的方法，其特征在于，所述传感器采集板(5)粘接固定于所述下橡胶层(1)的凹槽中，是以聚酰亚胺为基材制作的柔性电路板，能够随脚底弯曲，所述传感采集板(5)上安装有纽扣电池作为供电。

8.根据权利要求1所述的使用可穿戴式足底压力检测装置的方法，其特征在于，所述下橡胶层(1)和上橡胶层(7)均为弹性材料制成；所述后脚掌支撑件(2)、前脚掌支撑件(3)和上支撑层(6)材质为合金或硬质非金属。