CN106580337B - 一种步态测量装置及测量方法 - Google Patents

一种步态测量装置及测量方法 Download PDF

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CN106580337B CN201710051638.1A CN201710051638A CN106580337B CN 106580337 B CN106580337 B CN 106580337B CN 201710051638 A CN201710051638 A CN 201710051638A CN 106580337 B CN106580337 B CN 106580337B
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    • A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb
    • A61B5/112—Gait analysis

Abstract

本发明公开了一种步态测量装置及测量方法，其特征是多个相同的测力单元在同一平面上呈阵列分布，相邻的测力单元互相独立；测力单元是由长方形平板和四个结构相同的支撑梁构成；在各测力单元的支撑梁上设置应变片，利用应变片的检测信号实现步态测量。本发明能够在进行康复步态训练时，检测步伐的大小和位置，足底压力分布情况以及足底摩擦力；能够适于任何脚底尺寸的人群，实现步态训练时足底压力的检测，也可用于患者训练时矫正步态以及评定患者的康复情况。

Description

一种步态测量装置及测量方法
技术领域
本发明属于康复健身领域，尤其涉及一种步态测量装置及测量方法。
背景技术
步行是人体基本运动之一，任何步行动作都要通过人体足部与地面的相互作用完成，通过对足底力学分布特征的分析可以揭示人体的步态规律，为研究足部的结构、功能和运动姿态控制提供有用的信息，同时利用这些信息还可以对人体生理疾病做出合理的预测和解释。因此对足部压力信号的检测分析在制鞋、医疗康复、体育、机器人工程等方面均有重要的科学意义及应用价值。
目前压力分布测量传感器的主要测量方法是在一个平面上黏附多个微小的压力传感器来确定表面压力的分布情况。其中的典型代表有采用电容传感技术的Xsensor压力测量系统、采用压阻传感技术的Tekscan压力分布测量系统和采用了压电电阻压力传感技术的FSA(Force Sensing Array)压力测试系统，这些均是采用成千个微小压力传感器组成，每个传感器单元只能测一个法向力的大小，位置精度由各个传感器单元的面积决定，精度越高，微小压力传感器单元面积越小，成本更高。同时，这类传感器无法对脚底摩擦力进行测量。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种步态测量装置及测量方法，对在步态测量装置上运动的人实现步态及脚底的压力分布、摩擦力的实时检测。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明步态测量装置的结构特点是：多个相同的测力单元在同一平面上呈阵列分布，相邻的测力单元互相独立；所述测力单元是由平板和四个结构相同的支撑梁构成；
所述平板为长方形板件，在所述测力单元上建立三维坐标系，是以平板的底面的中心点为坐标原点，沿平板的长度方向为X向，沿平板的宽度方向为Y向，沿平板的厚度方向为Z向，支撑梁设置在平板的底面用于对平板形成Z向支撑，四个支撑梁沿X向设置，且两两对称分布在平板的两端，处在同一端的两个支撑梁相互之间形成有Y向间隔，并以X轴为对称中心相互对称；使四个支撑梁分处在平面坐标XOY的四个象限中，令：处在第一、第二、第三和第四各象限中的支撑梁依次为第一梁、第二梁，第三梁和第四梁；各支撑梁的首端与平板固定连接，支撑梁的末端固定在机架上；
在所述各测力单元的支撑梁上设置应变片，利用应变片的检测信号实现步态测量。
本发明步态测量装置的结构特点也在于：在所述支撑梁上设置一沿Y向贯通支撑梁的双通孔和一个沿Z向贯通支撑梁的单通孔。
所述双通孔是不同X向位置上的两只单孔相并列且相连通，令：两只单孔中处在支撑梁首端一侧的单孔为首端孔，处在支撑梁末端一侧的单孔为末端孔；以坐标原点为对称中心，形成如下各对称结构：
第一梁与第二梁中首端孔X向对称，第一梁与第二梁中末端孔X向对称，第三梁与第四梁中首端孔X向对称，第三梁与第四梁中末端孔X向对称，第一梁与第二梁中单通孔X向对称，第三梁与第四梁中单通孔X向对称；
第一梁与第四梁中首端孔Y向对称，第一梁与第四梁中末端孔Y向对称，第二梁与第三梁中首端孔Y向对称，第二梁与第三梁中末端孔Y向对称，第一梁与第四梁中单通孔Y向对称，第二梁与第三梁中单通孔Y向对称。
本发明步态测量装置的结构特点也在于：对应于双通孔和单通孔所在位置，在各支撑梁的表面粘贴的应变片分别是：
对应于第一梁上首端孔的中心位置，在第一梁的上表面和下表面一一对应贴有Y向应变片R31和R32；对应于第一梁上末端孔的中心位置，在第一梁的上表面和下表面一一对应贴有Y向应变片R33和R34；
对应于第二梁上首端孔的中心位置，在第二梁的上表面和下表面一一对应贴有Y向应变片R11和R12；对应于第二梁上末端孔的中心位置，在第二梁的上表面和下表面一一对应贴有Y向应变片R13和R14；
对应于第三梁上首端孔的中心位置，在第三梁的上表面和下表面一一对应贴有Y向应变片R21和R22；对应于第三梁上末端孔的中心位置，在第三梁的上表面和下表面一一对应贴有Y向应变片R23和R24；
对应于第四梁上首端孔的中心位置，在第四梁的上表面和下表面一一对应贴有Y向应变片R41和R42；对应于第四梁上末端孔的中心位置，在第四梁的上表面和下表面一一对应贴有Y向应变片R43和R44；
对应于四个支撑梁中支撑梁A上的单通孔，在支撑梁A的外侧表面和内侧表面一一对应贴有X向应变片R51和R52，所述应变片R51和R52处在偏离支撑梁A上单通孔的中心的位置上；对应于四个支撑梁中支撑梁B上的单通孔，在支撑梁B的外侧表面和内侧表面一一对应贴有X向应变片R53和R54，所述应变片R53和R54处在偏离支撑梁B上单通孔的中心的位置上；所述支撑梁A和支撑梁B是第一梁、第二梁、第三梁和第四梁中的任意两个梁。
本发明步态测量装置的测量方法的特点是：
以应变片R51、R52、R53和R54组成一组惠斯通全桥电路，用于检测Y方向的力Fy；
以应变片R11和R12构成第一惠斯通半桥电路，并输出检测信号U11；
以应变片R13和R14构成第二惠斯通半桥电路，并输出检测信号U12；
以应变片R21和R22构成第三惠斯通半桥电路，并输出检测信号U21；
以应变片R23和R24构成第四惠斯通半桥电路，并输出检测信号U22；
以应变片R31和R32构成第五惠斯通半桥电路，并输出检测信号U31；
以应变片R33和R34构成第六惠斯通半桥电路，并输出检测信号U32；
以应变片R41和R42构成第六惠斯通半桥电路，并输出检测信号U41；
以应变片R43和R44构成第六惠斯通半桥电路，并输出检测信号U42；
建立所述检测信号与平板表面压力的数学模型为：C·F＝M
其中，系数矩阵C是3×8的常数矩阵，通过标定获得，F为等效力向量，并有：
Figure BDA0001215512250000031
检测信号向量M为检测信号U11、U12、U21、U22、U31、U32、U41和U42中任意三个信号组成的向量，每个支撑梁上最多选取一个检测信号，检测信号向量可以是：
Figure BDA0001215512250000032
式(1)中，Fz1为平板上的等效法向作用力，(x1，y1)是平板上等效法向作用力Fz1在平板XOY坐标系上的等效作用坐标点，利用数学模型C·F＝M，根据各检测信号，获得等效于平板上的一个法向力的大小和位置分别为：Fz1和(x1，y1)；
或是：其中，系数矩阵C是6×8的常数矩阵，通过标定获得，F为等效力向量，并有：
Figure BDA0001215512250000033
检测信号向量M为检测信号U11、U12、U21、U22、U31、U32、U41和U42中任意六个组成的向量，每个支撑梁上最少选取一个检测信号，检测信号向量可以是：
Figure BDA0001215512250000041
式(2)中，Fz1和Fz2分别为平板上的等效法向作用力，(x1，y1)和(x2，y2)分别是Fz1、Fz2在平板XOY坐标系上的等效作用坐标点，利用数学模型C·F＝M，根据各检测信号，分别获得等效于平板上两个法向力的大小和位置：Fz1、Fz2、(x1，y1)和(x2，y2)。
针对行走在所述步态测量装置上的人，通过对每个测力单元的Z向力的分布以及Y向力的大小，确定步态测量装置上的力分布情况，实现步态测量。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明能够在进行康复步态训练时，实时检测步伐的大小和位置，足底压力分布情况以及足底摩擦力大小；
2、本发明能够适于任何脚底尺寸的人群，实现步态训练时足底压力的检测，也可用于患者训练时矫正步态以及评定患者的康复情况。
3、本发明装置结构简单，容易加工制造，成本低。
附图说明
图1为步态测量装置的结构图；
图2为测力单元的结构图；
图3a为本发明中测力单元中支撑梁上表面应变片位置示意图；
图3b为本发明中测力单元中支撑梁上表面应变片位置示意图；
图中标号：1测力单元；2平板；3支撑梁；4单通孔；5双通孔；3a第一梁，3b第二梁，3c第三梁，3d第四梁。
具体实施方式
参见图1和图2，本实施例中步态测量装置的结构形式是：多个相同的测力单元1在同一平面上呈阵列分布，相邻的测力单元1互相独立；测力单元1是由平板2和四个结构相同的支撑梁3构成。
如图2、图3a和图3b所示，平板2为长方形板件，在测力单元1上建立三维坐标系，是以平板2的底面的中心点为坐标原点，沿平板2的长度方向为X向，沿平板2的宽度方向为Y向，沿平板2的厚度方向为Z向，支撑梁3设置在平板2的底面用于对平板2形成Z向支撑，四个支撑梁3沿X向设置，且两两对称分布在平板2的两端，处在同一端的两个支撑梁3相互之间形成有Y向间隔，并以X轴为对称中心相互对称；使四个支撑梁3分处在平面坐标XOY的四个象限中，令：处在第一、第二、第三和第四各象限中的支撑梁依次为第一梁3a、第二梁3b，第三梁3c和第四梁3d；各支撑梁3的首端与平板7固定连接，支撑梁3的末端固定在机架上。
为了使应变集中于支撑梁3上，在支撑梁3上设置一沿Y向贯通支撑梁3的双通孔5和一个沿Z向贯通支撑梁3的单通孔4；其中，双通孔5是不同X向位置上的两只单孔相并列且相连通，令：两只单孔中处在支撑梁首端一侧的单孔为首端孔，处在支撑梁末端一侧的单孔为末端孔；以坐标原点为对称中心，形成如下各对称结构：
第一梁与第二梁中首端孔X向对称，第一梁与第二梁中末端孔X向对称，第三梁与第四梁中首端孔X向对称，第三梁与第四梁中末端孔X向对称，第一梁与第二梁中单通孔X向对称，第三梁与第四梁中单通孔X向对称。
第一梁与第四梁中首端孔Y向对称，第一梁与第四梁中末端孔Y向对称，第二梁与第三梁中首端孔Y向对称，第二梁与第三梁中末端孔Y向对称，第一梁与第四梁中单通孔Y向对称，第二梁与第三梁中单通孔Y向对称。
本实施例中，为了实施测量，在各测力单元1的支撑梁3上设置应变片，利用应变片的检测信号实现步态测量。
如图3a和图3b所示，本实施例中对应于双通孔5和单通孔4所在位置，在各支撑梁3的表面粘贴的应变片分别是：
对应于第一梁3a上首端孔的中心位置，在第一梁3a的上表面和下表面一一对应贴有Y向应变片R31和R32；对应于第一梁3a上末端孔的中心位置，在第一梁3a的上表面和下表面一一对应贴有Y向应变片R33和R34。
对应于第二梁3b上首端孔的中心位置，在第二梁3b的上表面和下表面一一对应贴有Y向应变片R11和R12；对应于第二梁3b上末端孔的中心位置，在第二梁3b的上表面和下表面一一对应贴有Y向应变片R13和R14。
对应于第三梁3c上首端孔的中心位置，在第三梁3c的上表面和下表面一一对应贴有Y向应变片R21和R22；对应于第三梁3c上末端孔的中心位置，在第三梁3c的上表面和下表面一一对应贴有Y向应变片R23和R24。
对应于第四梁3d上首端孔的中心位置，在第四梁3d的上表面和下表面一一对应贴有Y向应变片R41和R42；对应于第四梁3d上末端孔的中心位置，在第四梁3d的上表面和下表面一一对应贴有Y向应变片R43和R44。
对应于四个支撑梁中支撑梁A上的单通孔，在支撑梁A的外侧表面和内侧表面一一对应贴有X向应变片R51和R52，所述应变片R51和R52处在偏离支撑梁A上单通孔的中心的位置上；对应于四个支撑梁中支撑梁B上的单通孔，在支撑梁B的外侧表面和内侧表面一一对应贴有X向应变片R53和R54，所述应变片R53和R54处在偏离支撑梁B上单通孔的中心的位置上；所述支撑梁A和支撑梁B是第一梁3a、第二梁3b、第三梁3c和第四梁3d中的任意两个梁。
本实施例中步态测量装置的测量方法是：
以应变片R51、R52、R53和R54组成一组惠斯通全桥电路，用于检测Y方向的力Fy；
以应变片R11和R12构成第一惠斯通半桥电路，并输出检测信号U11；
以应变片R13和R14构成第二惠斯通半桥电路，并输出检测信号U12；
以应变片R21和R22构成第三惠斯通半桥电路，并输出检测信号U21；
以应变片R23和R24构成第四惠斯通半桥电路，并输出检测信号U22；
以应变片R31和R32构成第五惠斯通半桥电路，并输出检测信号U31；
以应变片R33和R34构成第六惠斯通半桥电路，并输出检测信号U32；
以应变片R41和R42构成第六惠斯通半桥电路，并输出检测信号U41；
以应变片R43和R44构成第六惠斯通半桥电路，并输出检测信号U42；
建立检测信号与平板表面压力的数学模型为：C·F＝M
该测力单元可以测量一个或两个法向作用力的大小和位置。
测量一个法向作用力的大小和位置的方法为：设置系数矩阵C是3×8的常数矩阵，通过标定获得，F为等效力向量，并有：
Figure BDA0001215512250000061
检测信号向量M为检测信号U11、U12、U21、U22、U31、U32、U41和U42中任意三个信号组成的向量，每个支撑梁上最多选取一个检测信号，检测信号向量可以是：
Figure BDA0001215512250000062
式(1)中，Fz1为平板上的等效法向作用力，(x1，y1)是平板上等效法向作用力Fz1在平板XOY坐标系上的等效作用坐标点，利用数学模型C·F＝M，根据各检测信号，获得等效于平板(7)上的一个法向力的大小和位置分别为：Fz1和(x1，y1)；
测量两个法向作用力的大小和位置的方法为：设置系数矩阵C是6×8的常数矩阵，通过标定获得，F为等效力向量，并有：
Figure BDA0001215512250000071
检测信号向量M为检测信号U11、U12、U21、U22、U31、U32、U41和U42中任意六个组成的向量，每个支撑梁上最少选取一个检测信号，检测信号向量可以是：
Figure BDA0001215512250000072
式(2)中，Fz1和Fz2分别为平板上的等效法向作用力，(x1，y1)和(x2，y2)分别是Fz1、Fz2在平板XOY坐标系上的等效作用坐标点，利用数学模型C·F＝M，根据各检测信号，分别获得等效于平板(7)上两个法向力的大小和位置：Fz1、Fz2、(x1，y1)和(x2，y2)。
由此可以得出测力单元1上的一个或者两个法向力的大小和位置，以及Y方向的力。将测力单元1左右对称阵列分布组成步态测量装置。人行走时，脚底主要作用力为法向的作用力和前后的脚底摩擦力，而对于行走于该步态测量装置上的人，该装置可以测出脚底每块平板上的法向力和行走时产生的前后方向的摩擦力。若步态测量装置足够长，则可以测出人行走时脚底每时每刻力的分布情况，实现步态测量。该装置也可以用于测量跳远等其他运动时脚底力的分布情况。

Claims (1)

1.一种步态测量装置，其特征是：多个相同的测力单元(1)在同一平面上呈阵列分布，相邻的测力单元(1)互相独立；所述测力单元(1)是由平板(2)和四个结构相同的支撑梁(3)构成；
所述平板(2)为长方形板件，在所述测力单元(1)上建立三维坐标系，是以平板(2)的底面的中心点为坐标原点，沿平板(2)的长度方向为X向，沿平板(2)的宽度方向为Y向，沿平板(2)的厚度方向为Z向，支撑梁(3)设置在平板(2)的底面用于对平板(2)形成Z向支撑，四个支撑梁(3)沿X向设置，且两两对称分布在平板(2)的两端，处在同一端的两个支撑梁(3)相互之间形成有Y向间隔，并以X轴为对称中心相互对称；使四个支撑梁(3)分处在平面坐标XOY的四个象限中，令：处在第一、第二、第三和第四各象限中的支撑梁依次为第一梁(3a)、第二梁(3b)，第三梁(3c)和第四梁(3d)；各支撑梁(3)的首端与平板(7)固定连接，支撑梁(3)的末端固定在机架上；在所述各测力单元(1)的支撑梁(3)上设置应变片，利用应变片的检测信号实现步态测量；
在所述支撑梁(3)上设置一沿Y向贯通支撑梁(3)的双通孔(5)和一个沿Z向贯通支撑梁(3)的单通孔(4)；
所述双通孔(5)是不同X向位置上的两只单孔相并列且相连通，令：两只单孔中处在支撑梁首端一侧的单孔为首端孔，处在支撑梁末端一侧的单孔为末端孔；以坐标原点为对称中心，形成如下各对称结构：
第一梁与第二梁中首端孔X向对称，第一梁与第二梁中末端孔X向对称，第三梁与第四梁中首端孔X向对称，第三梁与第四梁中末端孔X向对称，第一梁与第二梁中单通孔X向对称，第三梁与第四梁中单通孔X向对称；
第一梁与第四梁中首端孔Y向对称，第一梁与第四梁中末端孔Y向对称，第二梁与第三梁中首端孔Y向对称，第二梁与第三梁中末端孔Y向对称，第一梁与第四梁中单通孔Y向对称，第二梁与第三梁中单通孔Y向对称；
对应于双通孔(5)和单通孔(4)所在位置，在各支撑梁(3)的表面粘贴的应变片分别是：
对应于第一梁(3a)上首端孔的中心位置，在第一梁(3a)的上表面和下表面一一对应贴有Y向应变片R31和R32；对应于第一梁(3a)上末端孔的中心位置，在第一梁(3a)的上表面和下表面一一对应贴有Y向应变片R33和R34；
对应于第二梁(3b)上首端孔的中心位置，在第二梁(3b)的上表面和下表面一一对应贴有Y向应变片R11和R12；对应于第二梁(3b)上末端孔的中心位置，在第二梁(3b)的上表面和下表面一一对应贴有Y向应变片R13和R14；
对应于第三梁(3c)上首端孔的中心位置，在第三梁(3c)的上表面和下表面一一对应贴有Y向应变片R21和R22；对应于第三梁(3c)上末端孔的中心位置，在第三梁(3c)的上表面和下表面一一对应贴有Y向应变片R23和R24；
对应于第四梁(3d)上首端孔的中心位置，在第四梁(3d)的上表面和下表面一一对应贴有Y向应变片R41和R42；对应于第四梁(3d)上末端孔的中心位置，在第四梁(3d)的上表面和下表面一一对应贴有Y向应变片R43和R44；
对应于四个支撑梁中支撑梁A上的单通孔，在支撑梁A的外侧表面和内侧表面一一对应贴有X向应变片R51和R52，所述应变片R51和R52处在偏离支撑梁A上单通孔的中心的位置上；对应于四个支撑梁中支撑梁B上的单通孔，在支撑梁B的外侧表面和内侧表面一一对应贴有X向应变片R53和R54，所述应变片R53和R54处在偏离支撑梁B上单通孔的中心的位置上；所述支撑梁A和支撑梁B是第一梁(3a)、第二梁(3b)、第三梁(3c)和第四梁(3d)中的任意两个梁；
所述步态测量装置的测量方法是：
以应变片R51、R52、R53和R54组成一组惠斯通全桥电路，用于检测Y方向的力Fy；
以应变片R11和R12构成第一惠斯通半桥电路，并输出检测信号U11；
以应变片R13和R14构成第二惠斯通半桥电路，并输出检测信号U12；
以应变片R21和R22构成第三惠斯通半桥电路，并输出检测信号U21；
以应变片R23和R24构成第四惠斯通半桥电路，并输出检测信号U22；
以应变片R31和R32构成第五惠斯通半桥电路，并输出检测信号U31；
以应变片R33和R34构成第六惠斯通半桥电路，并输出检测信号U32；
以应变片R41和R42构成第六惠斯通半桥电路，并输出检测信号U41；
以应变片R43和R44构成第六惠斯通半桥电路，并输出检测信号U42；
建立所述检测信号与平板表面压力的数学模型为：C·F＝M
其中，系数矩阵C是3×8的常数矩阵，通过标定获得，F为等效力向量，并有：
Figure FDA0004037273930000021
检测信号向量M为检测信号U11、U12、U21、U22、U31、U32、U41和U42中任意三个信号组成的向量，每个支撑梁上最多选取一个检测信号，检测信号向量可以是：
Figure FDA0004037273930000031
式(1)中，Fz1为平板上的等效法向作用力，(x1，y1)是平板上等效法向作用力Fz1在平板XOY坐标系上的等效作用坐标点，利用数学模型C·F＝M，根据各检测信号，获得等效于平板(7)上的一个法向力的大小和位置分别为：Fz1和(x1，y1)；
或是：
其中，系数矩阵C是6×8的常数矩阵，通过标定获得，F为等效力向量，并有：
Figure FDA0004037273930000032
检测信号向量M为检测信号U11、U12、U21、U22、U31、U32、U41和U42中任意六个组成的向量，每个支撑梁上最少选取一个检测信号，检测信号向量可以是：
Figure FDA0004037273930000033
式(2)中，Fz1和Fz2分别为平板上的等效法向作用力，(x1，y1)和(x2，y2)分别是Fz1、Fz2在平板XOY坐标系上的等效作用坐标点，利用数学模型C·F＝M，根据各检测信号，分别获得等效于平板(7)上两个法向力的大小和位置：Fz1、Fz2、(x1，y1)和(x2，y2)；
针对行走在所述步态测量装置上的人，通过对每个测力单元(1)的Z向力的分布以及Y向力的大小，确定步态测量装置上的力分布情况，实现步态测量。
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