CN106859651B - 穿戴式足底压力测定鞋及足底压力测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种穿戴式足底压力测定鞋，包括鞋底和连接在鞋底上的鞋帮，鞋底上设置测量支架，测量支架包括与鞋底边缘轮廓吻合的边框，边框的框面内设置有前脚掌板段和后脚跟板段，前脚掌板段与后脚跟板段之间通过柔性连接件构成柔性连接，前脚掌板段及后脚跟板段与边框的连接处设置有多个敏感元件并构成传感单元，传感单元用于检测前脚掌板段及后脚跟板段压力，本发明灵活轻便，结构简单，可直接穿戴，不影响人的正常行为；可测得人在静止、运动时的足底压力真实分布，测得数据真实可靠，可直接得到所要测得足底压力；可为医疗领域提供康复效果检测、脚型矫正以及寻找运动员最有效的训练方式提供可靠依据。

Description

穿戴式足底压力测定鞋及足底压力测量方法
技术领域
本发明涉及足底压力测量技术领域，具体涉及一种穿戴式足底压力测定鞋及足底压力测量方法。
背景技术
对于需要步态测量的情况，需要了解脚部细节信息，如脑卒中偏瘫患者、脊髓损伤、多发性硬化等中枢神经系统损伤患者康复时，为达到对康复患者的康复情况的了解，需要及时获知脚部的主要部位受力情况，针对脚部主要部位受力情况，能够基本获知康复患者的下肢恢复情况，对于患者的进一步康复治疗有较为科学的参考价值。现有技术中，由于还不存在方便检测康复患者脚部的装置，使得康复患者在实际康复训练时，由于无法获知较为科学的脚部受力情况，也就无法给出康复患者更为科学的康复建议，导致患者康复缓慢。
发明内容
本发明的目的是：提供一种穿戴式足底压力测定鞋及足底压力测量方法，能够准确获知康复患者的脚部受力情况，为患者康复提供临床指导。
为实现上述目的，本发明中的穿戴式足底压测定鞋采用的技术方案是：
穿戴式足底压测定鞋，包括鞋底和环绕在鞋底周围的鞋帮，所述鞋底上设置测量支架，所述测量支架包括与鞋底边缘轮廓吻合的边框，所述边框的框面内设置有前脚掌板段和后脚跟板段，所述前脚掌板段与后脚跟板段之间通过柔性连接件构成柔性连接，所述前脚掌板段及后脚跟板段与边框的连接处设置有多个敏感元件并构成传感单元，所述传感单元用于检测前脚掌板段及后脚跟板段所受压力。
本发明还存在下列技术特征：
所述前脚掌板段的边缘与边框的连接处设置有第一搭接梁，所述第一搭接梁搭设在边框上，所述敏感元件设置在第一搭接梁与边框的搭接处并构成传感单元，所述后脚跟板段的边缘与边框的连接处设置有第二搭接梁，所述敏感元件设置在第二搭接梁上并构成传感单元。
所述边框上设置有搭接槽，所述第一、第二搭接梁搭设在搭接槽内。
所述第一、第二搭接梁分别位于前脚掌板段与后脚跟板段边缘处间隔设置多个。
所述第一搭接梁位于前脚掌板段边缘设置有5个，其中2个第一搭接梁位于前脚掌板段与后脚跟板段的连接处，所述第二搭接梁位于后脚跟板段边缘设置有5个，其中2个第一搭接梁位于后脚跟板段与前脚掌板段的连接处。
所述柔性连接件为波纹板结构。
为实现上述目的，本发明中的足底压力测量方法采用的技术方案是：
所述足底压力测量方法采用了上述穿戴式足底压测定鞋，所述足底压力测量方法步骤如下：
A、在所述支架的前脚掌板段与后脚跟板段的第一、第二搭接梁上搭接处布置多个敏感元件构成传感单元；
B、在所述支架的前脚掌板段与后脚跟板段不同区域中分布受力点，在受力区域加载多组垂直于支架的力f1，由前脚掌板段与后脚跟板段上的第一、第二搭接梁上的敏感元件获得应变检测信号ε1；根据受力点上加载力f1，以及各应变检测信号ε建立数学模型为：C1×f1＝ε1，并获得常数矩阵C1；
C、在所述支架前脚掌板段处不同区域布受力点，即在受力区域加载多组垂直于前脚掌板段的力f2，由各第一搭接梁上的敏感元件获得应变检测信号ε2；根据受力点上加载力f2，以及各应变检测信号ε建立数学模型为：C2×f2＝ε2，并获得常数矩阵C2；
D、在所述支架的后脚跟板段处不同区域布受力点，即在受力区域加载多组垂直于后脚跟板段的力f3，由各第二搭接梁上的敏感元件获得应变检测信号ε3；根据受力点上加载力f3，以及各应变检测信号ε建立数学模型为：C3×f3＝ε3，并获得常数矩阵C3；
设定所述被测力F1为穿戴者第一趾骨位置作用力；设定被测力F2为穿戴者第2～5趾骨位置作用力；设定被测力F3为穿戴者在第一跖骨头位置作用力；设定被测力F4为穿戴者在第二跖骨头位置作用力；设定被测力F5为穿戴者在第3～5跖骨头位置作用力；设定被测力F6为穿戴者在足跟位置作用力；
①设定康复患者处在站立状态，根据上述步骤B中，
利用式(1)计算获得各作用力F1’、F2’、F3’、F4’、F5’、F6’，F7’、F8’、F9’、F10’。为：
其中，C1-1为10×10常数矩阵C1的逆矩阵；
即求得脚的部位受力：
F1＝F1’，F2＝F2’,F3＝F3’+F6’，F4＝F4’+F7’，F5＝F5’+F8’，F6＝F9’+F10’；
②设定患者处在在行走时，根据步骤C、D中，计算获得各作用力F1”、F2”、F3”、F4”、F5”、F6”，F7”、F8”、F9”、F10”；
和/>
其中C2-1和C3-1是5×5的常数矩阵C2和C3的逆矩阵；
即求得脚的部位受力：行走时脚掌着地时，
F1＝F1”，
行走时脚跟着地时，
F6＝F9”+F10”；
根据角度关系，跖骨测出为矢量和，趾骨处的力的大小为其模的大小；
上述ε1、ε2、ε3、ε4、ε5、ε6、ε7、ε8、ε9和ε10分别为所述第一、第二搭接梁处的传感单元获得的应变信号。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明在前脚掌和后脚跟部分设有柔性连接部分，符合脚部结构，结构简单，可直接穿戴行走，不影响人的正常行为。
本发明可测得人在静止、运动时的足底各部分压力真实分布，柔性阵列传感器相比，可得到脚底板压力大小，且测得数据真实可靠，可直接得到所要测得足底压力。
本发明可为步态检测提供依据，如医疗领域提供康复效果检测、脚型矫正以及寻找运动员最有效的训练方式提供可靠依据。
附图说明
图1是穿戴式足底压测定鞋的立体图；
图2是穿戴式足底压测定鞋中的支架结构示意图。
具体实施方式
结合图1和图2，对本发明作进一步地说明：
穿戴式足底压力测定鞋，包括鞋底10和环绕在鞋底10周围的鞋帮20，所述鞋底10上设置测量支架30，所述测量支架30包括与鞋底10边缘轮廓吻合的边框31，所述边框31的框面内设置有前脚掌板段32和后脚跟板段33，所述前脚掌板段32与后脚跟板段33之间通过柔性连接件34构成柔性连接，所述前脚掌板段32及后脚跟板段33的边缘设置有多个敏感元件并构成传感单元，所述传感单元用于检测前脚掌板段32及后脚跟板段33压力；
穿戴者穿戴上述的测定鞋，在实际奔跑、行走以及站立时，可使得前脚掌板段32及后脚跟板段33产生一定程度的弹性形变，前脚掌板段32及后脚跟板段33的边缘设置的敏感元件并构成的传感单元，可方便检测到上述前脚掌板段32及后脚跟板段33的形变量，进而换成所检测的压力值，通过测定各个位置传感单元测定的压力，从而获知穿戴者的脚步各部分的受力情况，即可判断脚步的康复情况；
上述的前脚掌板段32与后脚跟板段33之间通过柔性连接件34构成柔性连接，可使得支架30可以在康复患者行走时，能够产生折叠，从而避免支架30的折断，提高整个测定鞋的使用寿命。
作为本发明的优选方案，所述前脚掌板段32的边缘与边框31的连接处设置有第一搭接梁321，所述第一搭接梁321搭设在边框31上，所述敏感元件设置在第一搭接梁321与边框31的搭接处且构成传感单元，所述后脚跟板段33的边缘与边框31的连接处设置有第二搭接梁331，所述敏感元件设置在第二搭接梁331上与边框31的搭接处且构成传感单元；
上述的前脚掌板段32及后脚跟板段33边缘处设置的第一搭接梁321以及第二搭接梁331能够产生一定的弹性形变，利用传感单元可方便测得上述搭接梁由于形变产生的压力。
进一步地，所述边框31上设置有搭接槽311，所述第一、第二搭接梁321、331搭设在搭接槽311内，所述第一搭接梁321及第二搭接梁331上分别设置有第一、第二螺钉322、332与边框31连接；
上述第一、第二搭接梁321、331分别搭设在搭接槽311，即可实现对前脚掌板段32及后脚跟板段33的定位，避免前脚掌板段32及后脚跟板段33的随意移位，第一、第二螺钉322、332可将前脚掌板段32及后脚跟板段33固定下来，上述的敏感元件可设置在搭接槽311内。
为实现对康复患者脚部各部分的受力精准测量，所述第一、第二搭接梁321、331分别位于前脚掌板段32与后脚跟板段33边缘处间隔设置多个；
上述实施例中的传感单元根据脚部各部分结构，从而实现对脚部的各个部分的受力情况的准确测量。
具体地，所述第一搭接梁321位于前脚掌板段32边缘设置有5个，其中2个第一搭接梁321位于前脚掌板段32与后脚跟板段33的连接处，所述第二搭接梁331位于后脚跟板段33边缘设置有5个，其中2个第一搭接梁321位于后脚跟板段33与前脚掌板段32的连接处。
更为具体地，所述柔性连接件34为波纹板结构；上述的柔性连接件34可以为铝制板，确保强度的同时，提高上述前脚掌板段32与后脚跟板段33连接韧性。
当上述装置拆去鞋帮仅保留有鞋底装置，可以作为康复病人站立的平衡板装置，通过与正常人数据的对比，可以用于平衡训练，如调整脚部疾病的站姿等。
下面简述利用上述测定鞋获得脚部压力的方法，该方法内容如下：
所述足底压力测量方法采用了上述穿戴式足底压测定鞋，所述足底压力测量方法步骤如下：
A、在所述支架30的前脚掌板段32与后脚跟板段33的第一、第二搭接梁321、331上搭接处布置多个敏感元件构成传感单元；
B、在所述支架30的前脚掌板段32与后脚跟板段33不同区域中分布受力点，在受力区域加载多组垂直于支架30的力f1，由前脚掌板段32与后脚跟板段33上的第一、第二搭接梁321、331上的传敏感元件获得应变检测信号ε1；根据受力点上加载力f1，以及各应变检测信号ε建立数学模型为：C1×f1＝ε1，并获得常数矩阵C1；
C、在所述支架30的前脚掌板段32处不同区域布受力点，即在受力区域加载多组垂直于前脚掌板段32的力f2，由各第一搭接梁321上的敏感元件获得应变检测信号ε2；根据受力点上加载力f2，以及各应变检测信号ε建立数学模型为：C2×f2＝ε2，并获得常数矩阵C2；
D、在所述支架30的后脚跟板段33处不同区域布受力点，即在受力区域加载多组垂直于后脚跟板段33的力f3，由各第二搭接梁331上的敏感元件获得应变检测信号ε3；根据受力点上加载力f3，以及各应变检测信号ε建立数学模型为：C3×f3＝ε3，并获得常数矩阵C3；
设定所述被测力F1为穿戴者第一趾骨位置作用力；设定被测力F2为穿戴者第2～5趾骨位置作用力；设定被测力F3为穿戴者在第一跖骨头位置作用力；设定被测力F4为穿戴者在第二跖骨头位置作用力；设定被测力F5为穿戴者在第3～5跖骨头位置作用力；设定被测力F6为穿戴者在足跟位置作用力；
①设定康复患者处在站立状态，根据上述步骤B中，
利用式(1)计算获得各作用力F1’、F2’、F3’、F4’、F5’、F6’，F7’、F8’、F9’、F10’。为：
其中，C1-1为10×10常数矩阵C1的逆矩阵；
即求得脚的部位受力：
F1＝F1’，F2＝F2’,F3＝F3’+F6’，F4＝F4’+F7’，F5＝F5’+F8’，F6＝F9’+F10’；
②设定患者处在在行走时，根据步骤C、D中，计算获得各作用力F1”、F2”、F3”、F4”、F5”、F6”，F7”、F8”、F9”、F10”。
其中C2-1和C3-1是5×5的常数矩阵C2和C3的逆矩阵。
即求得脚的部位受力：行走时脚掌着地时，
F1＝F1”，
行走时脚跟着地时，
F6＝F9”+F10”；
根据角度关系，跖骨测出为矢量和，趾骨处的力的大小为其模的大小；
上述ε1”、ε2”、ε3”、ε4”、ε5”、ε6”、ε7”、ε8”、ε9”和ε10”分别为行走时所述第一、第二搭接梁321、331处的传感单元获得的应变信号。
根据需要，前脚掌板段32及后脚跟板段33与支架30的连接处可设置为3个、4个、5个、6个等多个并附有敏感元件，并组成传感单元。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施敏感元件的个数。

Claims (4)

1.穿戴式足底压力测定鞋，包括鞋底(10)和连接在鞋底(10)上的鞋帮(20)及测量支架(30)，其特征在于：所述鞋底(10)上设置测量支架(30)，所述测量支架(30)包括与鞋底(10)边缘轮廓吻合的边框(31)，所述边框(31)的框面内设置有前脚掌板段(32)和后脚跟板段(33)，所述前脚掌板段(32)与后脚跟板段(33)之间通过柔性连接件(34)构成柔性连接，所述前脚掌板段(32)及后脚跟板段(33)的边缘与边框(31)的连接处设置有多个敏感元件构成传感单元，所述传感单元用于检测前脚掌板段(32)及后脚跟板段(33)脚部所受的力；
所述前脚掌板段(32)的边缘与边框(31)的连接处设置有第一搭接梁(321)，所述第一搭接梁(321)搭设在边框(31)上，所述敏感元件设置在第一搭接梁(321)上并构成传感单元，所述后脚跟板段(33)的边缘与边框(31)的连接处设置有第二搭接梁(331)，所述敏感元件设置在第二搭接梁(331)上并构成传感单元；
所述边框(31)上设置有搭接槽(311)，所述第一、第二搭接梁(321、331)搭设在搭接槽(311)内；
所述第一、第二搭接梁(321、331)分别位于前脚掌板段(32)与后脚跟板段(33)边缘处间隔设置多个；
所述第一搭接梁(321)位于前脚掌板段(32)边缘设置有5个，其中2个第一搭接梁(321)位于前脚掌板段(32)与后脚跟板段(33)的连接处，所述第二搭接梁(331)位于后脚跟板段(33)边缘设置有5个，其中2个第一搭接梁(321)位于后脚跟板段(33)与前脚掌板段(32)的连接处。
2.根据权利要求1所述的穿戴式足底压力测定鞋，其特征在于：所述柔性连接件(34)为波纹板结构。
3.足底压力测量方法，其特征在于：所述足底压力测量方法采用了上述权利要求1至2所述的穿戴式足底压测定鞋，所述足底压力测量方法步骤如下：
A、在所述支架(30)的前脚掌板段(32)与后脚跟板段(33)的第一、第二搭接梁(321、331)上搭接处布置多个敏感元件构成传感单元；
B、在所述支架(30)的前脚掌板段(32)与后脚跟板段(33)不同区域中分布受力点，在受力区域加载多组垂直于支架(30)的力f1，由前脚掌板段(32)与后脚跟板段(33)上的第一、第二搭接梁(321、331)上的敏感元件获得应变检测信号ε1；根据受力点上加载力f1，以及各应变检测信号ε建立数学模型为：C1×f1＝ε1，并获得常数矩阵C1；
C、在所述支架(30)的前脚掌板段(32)处不同区域布受力点，即在受力区域加载多组垂直于前脚掌板段(32)的力f2，由各第一搭接梁(321)上的敏感元件获得应变检测信号ε2；根据受力点上加载力f2，以及各应变检测信号ε建立数学模型为：C2×f2＝ε2，并获得常数矩阵C2；
D、在所述支架(30)的后脚跟板段(33)处不同区域布受力点，即在受力区域加载多组垂直于后脚跟板段(33)的力f3，由各第二搭接梁(331)上的敏感元件获得应变检测信号ε3；根据受力点上加载力f3，以及各应变检测信号ε建立数学模型为：C3×f3＝ε3，并获得常数矩阵C3。
4.根据权利要求3所述的足底压力测量方法，其特征在于：设定所述被测力F1为穿戴者第一趾骨作用力；设定被测力F2为穿戴者第2～5趾骨作用力；设定被测力F3穿戴者第一跖骨作用力；设定被测力F4为穿戴者第二跖骨作用力；设定被测力F5为穿戴者第3～5跖骨作用力；设定被测力F6为穿戴者足跟作用力；
①设定康复患者处在站立状态，根据上述步骤B中，
利用式(1)计算获得各作用力F1’、F2’、F3’、F4’、F5’、F6’，F7’、F8’、F9’、F10’为：
其中，C1-1为10×10常数矩阵C1的逆矩阵；
上述ε1’、ε2’、ε3’、ε4’、ε5’、ε6’、ε7’、ε8’、ε9’和ε10’分别为站立时所述第一、第二搭接梁(321、331)处的传感单元获得的应变信号；
即求得脚的部位受力：
F1＝F1’，F2＝F2’,F3＝F3’+F6’，F4＝F4’+F7’，F5＝F5’+F8’，F6＝F9’+F10’；
②设定患者处在在行走时，根据步骤C、D中，计算获得各作用力F1”、F2”、F3”、F4”、F5”、F6”，F7”、F8”、F9”、F10”；
和/>
其中C2-1和C3-1是5×5的常数矩阵C2和C3的逆矩阵；
即求得脚的部位受力：行走时脚掌着地时，
F1＝F1”，
行走时脚跟着地时，
F6＝F9”+F10”；
根据角度关系，跖骨测出为矢量和，趾骨处的力的大小为其模的大小；
上述ε1”、ε2”、ε3”、ε4”、ε5”、ε6”、ε7”、ε8”、ε9”和ε10”分别为行走时所述第一、第二搭接梁(321、331)处的传感单元获得的应变信号。
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