CN106338353A - 基于压力膜的足底压力、力矩测量鞋垫 - Google Patents

基于压力膜的足底压力、力矩测量鞋垫 Download PDF

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王鹏飞
盛文涛
郭伟
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Abstract

基于压力膜的足底压力、力矩测量鞋垫，它涉及一种测量鞋垫。本发明解决了现有压力膜测力鞋垫不能同时反馈地面支反力、支反力矩，信号容易受到电磁噪声干扰及信号强度低，可靠性低、通用性差的问题。塑料保持架的下端面粘贴在下层弹簧钢板的上端面上，塑料保持架上加工有五个压力膜传感器安装槽，每个压力膜传感器上端面上一一对应设置有第一橡胶缓冲垫、第二橡胶缓冲垫、第三橡胶缓冲垫、第四橡胶缓冲垫和第五橡胶缓冲垫，信号调理板镶嵌在塑料保持架内并通过导线与各个压力膜传感器连接，信号调理板的输出线扣压在锁紧片下方，塑料保持架上端面覆盖有上层弹簧钢板，下层弹簧钢板与上层弹簧钢板固定连接。本发明用于足底压力、力矩测量。

Description

基于压力膜的足底压力、力矩测量鞋垫
技术领域
本发明涉及一种机器人足底力测量装置，具体涉及一种能够实时准确可靠地反馈足底地面支反力和支反力矩的压力膜足底力、力矩测量鞋垫。
背景技术
足底压力与力矩的实时反馈是外骨骼服机器人控制中获得人机接触力的关键，也是双足机器人进行身体位姿检测的重要途径。现有的测力鞋垫主要通过排布于足底主要受力点处的压力膜传感器测量足底的压力分布，由于压力膜传感器无法覆盖整个足底接触面，因此只能获得传感器所在位置的压力值，而无法获得整个足底所受地面支反力的合力，更不能得到地面支反力矩，严重制约了其在骨骼服及双足机器人领域的应用；同时，现有的测力鞋垫信号调理电路均需外置，增大了信号受电磁干扰的风险；此外，现有测力鞋垫主体由柔软的塑料膜构成，难以抵御地面尖锐物的穿刺力，在复杂路面上使用时极易发生局部折弯和破裂损伤。针对上述问题，提出全新的基于压力膜的足底压力、力矩测量鞋垫设计方案。
综上，现有的压力膜测力鞋垫不能同时反馈地面支反力、支反力矩，信号容易受到电磁噪声干扰及信号强度低，可靠性低、通用性差的问题。
发明内容
本发明为解决现有的压力膜测力鞋垫不能同时反馈地面支反力、支反力矩，信号容易受到电磁噪声干扰及信号强度低，可靠性低、通用性差的问题，进而提供一种基于压力膜的足底压力、力矩测量鞋垫。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
本发明的基于压力膜的足底压力、力矩测量鞋垫包括下层弹簧钢板1、塑料保持架2、第一压力膜传感器4、第二压力膜传感器3、第三压力膜传感器5、第一橡胶缓冲垫7、第二橡胶缓冲垫6、第三橡胶缓冲垫8、上层弹簧钢板9、第四橡胶缓冲垫13、第五橡胶缓冲垫14、第四压力膜传感器15、第五压力膜传感器16、信号调理板17和锁紧片20；塑料保持架2的下端面粘贴在下层弹簧钢板1的上端面上，塑料保持架2上加工有五个压力膜传感器安装槽，第一压力膜传感器4、第二压力膜传感器3、第三压力膜传感器5、第四压力膜传感器15和第五压力膜传感器分别镶嵌在塑料保持架2对应的压力膜传感器安装槽内，第一压力膜传感器4、第二压力膜传感器3、第三压力膜传感器5、第四压力膜传感器15和第五压力膜传感器上端面上一一对应设置有第一橡胶缓冲垫7、第二橡胶缓冲垫6、第三橡胶缓冲垫8、第四橡胶缓冲垫13和第五橡胶缓冲垫14，第一橡胶缓冲垫7、第二橡胶缓冲垫6、第三橡胶缓冲垫8、第四橡胶缓冲垫13和第五橡胶缓冲垫14与相对应的压力膜传感器安装槽上沿密封连接，信号调理板17镶嵌在塑料保持架2内并通过导线与各个压力膜传感器连接，信号调理板17的输出线扣压在锁紧片20下方，锁紧片20固定在塑料保持架2上，塑料保持架2上端面覆盖有上层弹簧钢板9，下层弹簧钢板1与上层弹簧钢板9固定连接。
进一步地，下层弹簧钢板1与上层弹簧钢板9之间通过第一铆钉10、第二铆钉11和第三铆钉12螺纹连接，第一铆钉10、第二铆钉11和第三铆钉12位于上层弹簧钢板9的边缘处。
进一步地，塑料保持架2上与足弓对应处加工有信号调理板凹槽，信号调理板17位于信号调理板凹槽内。
进一步地，第一压力膜传感器4位于足底第一至第四趾骨区，第二压力膜传感器3位于第一跖骨区头部，第三压力膜传感器5位于第五跖骨头部，第四压力膜传感器15位于第五跖骨体部，第五压力膜传感器16位于脚跟下方。
进一步地，第一橡胶缓冲垫7、第二橡胶缓冲垫6、第三橡胶缓冲垫8、第四橡胶缓冲垫13和第五橡胶缓冲垫14的上平面均高出塑料保持架2的上平面。
进一步地，锁紧片20通过第四铆钉18和第五铆钉19固定在塑料保持架2上。
进一步地，第一橡胶缓冲垫7、第二橡胶缓冲垫6、第三橡胶缓冲垫8、第四橡胶缓冲垫13和第五橡胶缓冲垫14通过柔性胶与相对应的压力膜传感器安装槽上沿粘接密封。
进一步地，在第一趾骨外侧通过开槽使上层弹簧钢板9与下层弹簧钢板1反向叠合取代铆钉连接。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明的基于压力膜的足底压力、力矩测量鞋垫可以准确测量足底所受的地面支反力和支反力矩；
本发明的基于压力膜的足底压力、力矩测量鞋垫对于大负载、冲击载荷大的工作条件，有很高的可靠性；
本发明的基于压力膜的足底压力、力矩测量鞋垫隔离电磁噪声，使传感器输出信号不易受到周围电磁噪声的干扰。
附图说明
图1是本发明的基于压力膜的足底压力、力矩测量鞋垫的分解状态结构示意图；
图2是本发明的基于压力膜的足底压力、力矩测量鞋垫的俯视图；
图3是本发明的基于压力膜的足底压力、力矩测量鞋垫的俯视图(去掉上层弹簧钢板9)；
图4是本发明的基于压力膜的足底压力、力矩测量鞋垫的立体结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1～4所示，本实施方式的基于压力膜的足底压力、力矩测量鞋垫包括下层弹簧钢板1、塑料保持架2、第一压力膜传感器4、第二压力膜传感器3、第三压力膜传感器5、第一橡胶缓冲垫7、第二橡胶缓冲垫6、第三橡胶缓冲垫8、上层弹簧钢板9、第四橡胶缓冲垫13、第五橡胶缓冲垫14、第四压力膜传感器15、第五压力膜传感器16、信号调理板17和锁紧片20；塑料保持架2的下端面粘贴在下层弹簧钢板1的上端面上，塑料保持架2上加工有五个压力膜传感器安装槽，第一压力膜传感器4、第二压力膜传感器3、第三压力膜传感器5、第四压力膜传感器15和第五压力膜传感器分别镶嵌在塑料保持架2对应的压力膜传感器安装槽内，第一压力膜传感器4、第二压力膜传感器3、第三压力膜传感器5、第四压力膜传感器15和第五压力膜传感器上端面上一一对应设置有第一橡胶缓冲垫7、第二橡胶缓冲垫6、第三橡胶缓冲垫8、第四橡胶缓冲垫13和第五橡胶缓冲垫14，第一橡胶缓冲垫7、第二橡胶缓冲垫6、第三橡胶缓冲垫8、第四橡胶缓冲垫13和第五橡胶缓冲垫14与相对应的压力膜传感器安装槽上沿密封连接，信号调理板17镶嵌在塑料保持架2内并通过导线与各个压力膜传感器连接，信号调理板17的输出线扣压在锁紧片20下方，锁紧片20固定在塑料保持架2上，塑料保持架2上端面覆盖有上层弹簧钢板9，下层弹簧钢板1与上层弹簧钢板9固定连接。
塑料保持架2上设置了压力膜传感器和信号调理板的安装凹槽，并在压力膜传感器和信号调理板凹槽之间设置了布线沟槽，其作用包括：使得压力膜传感器相对于整个测力鞋垫具有固定的位置；使用时避免传感器信号线及信号调理板受到挤压损伤；所述的塑料保持架在趾骨与跖骨交接区域进行了打薄处理，提高该区域的弯曲柔性。
所述五个压力膜传感器和信号调理板均采用硅胶柔性胶粘接在塑料保持架对应的凹槽内。压力膜传感器信号线通过导线连接到信号调理板上，导线则布置在塑料保持架的沟槽内。信号调理板的输出线扣压在锁紧片下方，锁紧片通过铆钉固定在塑料保持架上，防止外力拉扯信号调理板的输出线造成损坏。
所述五个力膜传感器均镶嵌在塑料保持架对应的凹槽内。第一压力膜传感器设置在人足的第四趾骨区下方，第二压力膜传感器设置在人足的第一跖骨区头部下方，第三压力膜传感器设置在人足的第五跖骨头部下方，第四压力膜传感器设置在人足的第五跖骨体部下方，第五压力膜传感器设置在人足足跟下方。
压力膜传感器上各放置了一个缓冲垫，缓冲垫采用橡胶等柔性材料制成，其作用包括：橡胶缓冲垫与压力膜传感器接触面积略小于压力膜传感器有效区域，使外部载荷均匀作用在压力膜传感器的有效承载区域；缓冲垫的上平面高出塑料保持架，使得整个足底的受力全部作用在压力膜传感器上，而不会作用在塑料保持架上，从而确保所有压力膜传感器测到的合力即为足底承受的地面支反力。此外，缓冲垫陷入塑料保持架的凹槽内，使其相对位置固定，将缓冲垫中心相对于踝关节轴线的作为力臂，乘以该处压力膜传感器所受的力可得到该点对足底的支反力矩，对5个力矩求和，即可得到整个足底受到的地面支反力矩。
塑料保持架底部粘贴了下层弹簧钢板上方覆盖上层弹簧钢板，相当于通过两块弹簧钢板将嵌入了压力膜传感器、缓冲垫、信号调理板的塑料保持架夹在中间，上下两层钢包边缘处开槽、打通孔并通过铆钉连接，考虑到鞋垫弯曲时上层弹簧钢与下层弹簧钢板在趾骨区的相对滑移，在第一趾骨外侧通过开槽使上层弹簧钢板与下层弹簧钢板反向叠合取代铆钉连接。上下两层弹簧钢板的作用包括：将足底力分散到5个压力膜传感器上，提高抗冲击能力；防止地面尖锐物刺伤压力膜传感器及信号调理板；隔离电磁噪声，使传感器输出信号不易受到周围电磁噪声的干扰。
具体实施方式二：如图1～4所示，本实施方式下层弹簧钢板1与上层弹簧钢板9之间通过第一铆钉10、第二铆钉11和第三铆钉12螺纹连接，第一铆钉10、第二铆钉11和第三铆钉12位于上层弹簧钢板9的边缘处。如此设计，可以降低弹簧钢板切割工艺难度，同时实现可靠的连接。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：如图1和图3所示，本实施方式塑料保持架2上与足弓对应处加工有信号调理板凹槽，信号调理板17位于信号调理板凹槽内。如此设计，所述信号调理板位于足弓下方，此处足与地面几乎没有接触压力，可防止电路板承受外力载荷。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：如图1和图3所示，本实施方式第一压力膜传感器4位于足底第一至第四趾骨区，第二压力膜传感器3位于第一跖骨区头部，第三压力膜传感器5位于第五跖骨头部，第四压力膜传感器15位于第五跖骨体部，第五压力膜传感器16位于脚跟下方。如此设计，在主要受力区域布置压力膜传感器使足底受力均匀，避免上、下层钢板倾覆力矩过大。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：如图1和图3所示，本实施方式第一橡胶缓冲垫7、第二橡胶缓冲垫6、第三橡胶缓冲垫8、第四橡胶缓冲垫13和第五橡胶缓冲垫14的上平面均高出塑料保持架2的上平面。如此设计，可有效避免上层钢板与保持架直接接触，导致压力膜所测足底力小于实际值。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或四相同。
具体实施方式六：如图1和图3所示，本实施方式锁紧片20通过第四铆钉18和第五铆钉19固定在塑料保持架2上。如此设计，可通过锁紧片的压力保证信号、电源线的位置相对固定，避免断线、焊点损坏。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：如图1和图3所示，本实施方式第一橡胶缓冲垫7、第二橡胶缓冲垫6、第三橡胶缓冲垫8、第四橡胶缓冲垫13和第五橡胶缓冲垫14通过柔性胶与相对应的压力膜传感器安装槽上沿粘接密封。如此设计，起到防水、防尘作用，同时使得缓冲垫与压力膜相对位置固定不变。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、四或六相同。
具体实施方式八：如图1和图4所示，本实施方式在第一趾骨外侧通过开槽使上层弹簧钢板9与下层弹簧钢板1反向叠合取代铆钉连接。如此设计，避免了脚尖着地时上、下层钢板相对位移导致的上层钢板翘起现象。其它组成及连接关系与具体实施方式七相同。

Claims (8)

1.一种基于压力膜的足底压力、力矩测量鞋垫，其特征在于：所述测量鞋垫包括下层弹簧钢板(1)、塑料保持架(2)、第一压力膜传感器(4)、第二压力膜传感器(3)、第三压力膜传感器(5)、第一橡胶缓冲垫(7)、第二橡胶缓冲垫(6)、第三橡胶缓冲垫(8)、上层弹簧钢板(9)、第四橡胶缓冲垫(13)、第五橡胶缓冲垫(14)、第四压力膜传感器(15)、第五压力膜传感器(16)、信号调理板(17)和锁紧片(20)；塑料保持架(2)的下端面粘贴在下层弹簧钢板(1)的上端面上，塑料保持架(2)上加工有五个压力膜传感器安装槽，第一压力膜传感器(4)、第二压力膜传感器(3)、第三压力膜传感器(5)、第四压力膜传感器(15)和第五压力膜传感器分别镶嵌在塑料保持架(2)对应的压力膜传感器安装槽内，第一压力膜传感器(4)、第二压力膜传感器(3)、第三压力膜传感器(5)、第四压力膜传感器(15)和第五压力膜传感器上端面上一一对应设置有第一橡胶缓冲垫(7)、第二橡胶缓冲垫(6)、第三橡胶缓冲垫(8)、第四橡胶缓冲垫(13)和第五橡胶缓冲垫(14)，第一橡胶缓冲垫(7)、第二橡胶缓冲垫(6)、第三橡胶缓冲垫(8)、第四橡胶缓冲垫(13)和第五橡胶缓冲垫(14)与相对应的压力膜传感器安装槽上沿密封连接，信号调理板(17)镶嵌在塑料保持架(2)内并通过导线与各个压力膜传感器连接，信号调理板(17)的输出线扣压在锁紧片(20)下方，锁紧片(20)固定在塑料保持架(2)上，塑料保持架(2)上端面覆盖有上层弹簧钢板(9)，下层弹簧钢板(1)与上层弹簧钢板(9)固定连接。
2.根据权利要求1所述的基于压力膜的足底压力、力矩测量鞋垫，其特征在于：下层弹簧钢板(1)与上层弹簧钢板(9)之间通过第一铆钉(10)、第二铆钉(11)和第三铆钉(12)螺纹连接，第一铆钉(10)、第二铆钉(11)和第三铆钉(12)位于上层弹簧钢板(9)的边缘处。
3.根据权利要求1或2所述的基于压力膜的足底压力、力矩测量鞋垫，其特征在于：塑料保持架(2)上与足弓对应处加工有信号调理板凹槽，信号调理板(17)位于信号调理板凹槽内。
4.根据权利要求3所述的基于压力膜的足底压力、力矩测量鞋垫，其特征在于：第一压力膜传感器(4)位于足底第一至第四趾骨区，第二压力膜传感器(3)位于第一跖骨区头部，第三压力膜传感器(5)位于第五跖骨头部，第四压力膜传感器(15)位于第五跖骨体部，第五压力膜传感器(16)位于脚跟下方。
5.根据权利要求1、2或4所述的基于压力膜的足底压力、力矩测量鞋垫，其特征在于：第一橡胶缓冲垫(7)、第二橡胶缓冲垫(6)、第三橡胶缓冲垫(8)、第四橡胶缓冲垫(13)和第五橡胶缓冲垫(14)的上平面均高出塑料保持架(2)的上平面。
6.根据权利要求5所述的基于压力膜的足底压力、力矩测量鞋垫，其特征在于：锁紧片(20)通过第四铆钉(18)和第五铆钉(19)固定在塑料保持架(2)上。
7.根据权利要求1、2、4或6所述的基于压力膜的足底压力、力矩测量鞋垫，其特征在于：第一橡胶缓冲垫(7)、第二橡胶缓冲垫(6)、第三橡胶缓冲垫(8)、第四橡胶缓冲垫(13)和第五橡胶缓冲垫(14)通过柔性胶与相对应的压力膜传感器安装槽上沿粘接密封。
8.根据权利要求7所述的基于压力膜的足底压力、力矩测量鞋垫，其特征在于：在第一趾骨外侧通过开槽使上层弹簧钢板(9)与下层弹簧钢板(1)反向叠合取代铆钉连接。
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Inventor after: Wang Pengfei

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