專利名稱：足底力傳感器的制作方法
技術領域：
一種足底力傳感器，是由懸臂梁和應變片組成的五維力/力矩傳感器，可用于測量足底在各種體態(tài)和運動狀態(tài)下的壓力分布和相關力學參數(shù)。屬力學量測量儀領域。
背景技術：
測量、分析足底壓力分布，獲取人體在各種體態(tài)和運動狀態(tài)下的力學參數(shù)，有助于臨床醫(yī)療診斷、療效評估和體育訓練等。目前主要應用于糖尿病周圍神經(jīng)病變和糖尿病足潰瘍的早期預測和診斷、骨科和矯形外科對關節(jié)疾患程度和手術后療效的量化評定、康復醫(yī)學中指導患者術后的行走訓練和設計智能化假肢等領域。該研究對于科學培訓空降兵、運動員的落地位姿及人體足部著地造成的損傷機理研究以及制鞋業(yè)的相關理論和技術研究具有重要意義。
目前，國內(nèi)外足底力傳感器主要有以下幾種1.六維力/力矩傳感器主要由美國RTI、Lord及JR等公司生產(chǎn)。傳感器彈性體的結構形式有1)三垂直筋式、四垂直筋式；這類結構的上、下分別為兩個圓環(huán)，中間有筋相連；結構簡單，承載能力強，但對于沿垂直筋方向的力不靈敏。2)筒形結構；在一個整體上加工出的上部橫粱及下部豎梁上貼有應變片；其主要缺點是高度較大、加工較為復雜。3)十字交叉梁式；這種結構是成型產(chǎn)品中使用較多的一種結構，Lord公司的六維力/力矩傳感器就是這種結構；其主要變形部分為十字梁的四個臂，每個臂的四個面均貼有應變片，共有32個應變片；電路簡化，但對外機械連接較麻煩，外形尺寸較太。
日本早稻田大學的WL-12RIII是采用六維力/力矩傳器的先驅(qū)。本田公司的P2、P3和ASIMO采用六維力/力矩傳感器獲得地面反力，進行實時ZMP的檢測，構成了姿態(tài)控制系統(tǒng)，但由于商業(yè)原因本田公司并未公布其關鍵技術。
2.平板式足底壓力分布測量裝置袁剛等人的實用新型專利《平板式足底壓力分布測量裝置》ZL 02228378.1包括有硬件部分和軟件部分，其特征在于硬件中有一測量平臺，其內(nèi)設置有由多個微型壓力傳感器構成的傳感器矩陣，每個傳感器的受力點分別引到測量平臺上的相應測量孔，傳感器后面設置有信號放大器，其輸出與傳感器矩陣接口電路相連，矩陣接口電路與多路信號高速切換電路相接，輸出與計算機中的高速A/D變換電路相連；計算機中的控制板上的控制電路與多路信號高速切換電路相連，計算機中通過PC總線分別與主機板、高速A/D和控制板相連，主機板再與顯示器和硬盤相連；軟件部分中的實時數(shù)據(jù)測試采集模塊后面，一路通過數(shù)據(jù)存貯模塊、資料查詢模塊，再進入診斷模塊，另一路通過數(shù)據(jù)顯示分析模塊后直接進入診斷模塊；與此同時，病歷資料模塊也進入診斷模塊。
由于該測力板由200個直徑為1.3cm的壓力傳感器組成，所以結構復雜，價格昂貴；且測力面積僅為30cm*15cm，所以測試范圍將會受到很大影響。
3.采用裝在鞋底上的測力傳感鞋墊西安工程科技學院的李慧、張欣等人設計了一種“壓力測量鞋墊”，在西安工程科技學院學報上發(fā)表了論文《足底壓力分布測量系統(tǒng)的設計》(2006年2月，第20卷第1期P36～40)。該測量鞋墊選用了4個BE120-KA電阻應變片，搭成惠斯登電橋電路。選擇了10個區(qū)域作為實驗的測量位置。鞋墊選用厚度為1mm的塑料薄膜，將塑料薄膜裁剪成3片完全相同的37號標準女性鞋墊(約23.5cm)形狀，選其中的一片作為應變片的載體，在其表面確定10個測量位置進行壓力測量，將剩下的兩片分別粘貼到應變片載體的薄膜兩側。
該測量系統(tǒng)雖然成本低、操作簡單，但由于基體較軟，壽命有限；有可能產(chǎn)生塑性變形，造成零點飄逸，線性度不佳。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是公開一種足底力傳感器，它是由四根貼有應變片的懸臂梁組成的傳感器，可實現(xiàn)除橫向力之外的五維力/力矩測量，具有成本低，原理誤差小，結構簡單，耐用，可靠性高的特點。
足底力傳感器由上踏板、下踏板、上支柱、下支柱、懸臂梁、應變片和系帶組成。其中，上踏板為四周略大于腳掌的矩形薄板，在四角處對稱固裝四個上支柱。下踏板與上踏板規(guī)格相同，在長邊的對稱軸線上以短邊軸線為對稱地固裝兩個下支柱，且當把上、下踏板的帶支柱側扣裝一起時，兩個下支柱分別位于兩對上支柱的中間位置。四根矩形斷面懸臂梁分別插裝在上、下支柱之間。每根懸臂梁的四側分別粘貼一片應變片，共16片。系帶固定在上踏板的上表面上，用于縛住腳面。
使用時，將本發(fā)明置于地面或擬步態(tài)下肢康復訓練機器人的腳踏板上，腳插入系帶和上踏板之間即可。傳感器的輸出既可用于檢測足底力，又可用于控制下肢康復訓練機器人的步態(tài)。
由于懸臂梁縱向不可壓縮，故這種結構可測出沿踏板法線、長邊對稱軸線方向的力以及繞踏板法線和板面兩根對稱軸線的力矩，其五維等價廣義力/力矩可表示為q＝[RxRzMxMyMz]，其具有如下定量關系(計算時，將同軸線的兩根短梁視為一根兩端固定、中部加載的超靜定梁)。
組橋后四組橋路(同一根短梁上的四個應變片組成一組橋路)的輸出電壓為U1j＝UK(S1j-S2j)；U2j＝UK(S3j-S4j)；U3j＝UK(S5j-S6j)；U4j＝UK(S7j-S8j)；式中j(＝1，2)為梁的標號，i(＝1，2，3，4，5，6，7，8)為每根梁上應變片的標號，K為應變片靈敏系數(shù)，U為電源電壓，Sij為應變值。
解藕后，可得相關梁應變與外載荷的關系，
Pxj=G1j(S1j-S2j)-G2j(S5j-S6j)Mzj=G1j(S1j-S2j)+G2j(S5j-S6j)Pzj=G3j(S3j-S4j)-G4j(S7j-S8j)Mxj=G3j(S3j-S4j)+G4j(S7j-S8j)]]>其中Gmj(m＝1，2，3，4)為梁j上對應橋路m的標定系數(shù)。
代入Rx=-Px1-Px2-Tltx-GxRz=-Pz1-Pz2-Tlcz-GzMx=-Mx1-Mx2My=-Pz1xb-Pz2xf-MlyMz=-Mz1-Mz2]]>可得足底力大小，方向和作用點。其中xb/xf分別為梁j的中心軸線在坐標系o′x′y′z′中x′軸上的坐標；θ為腳踏板姿態(tài)角，即豎直平面內(nèi)坐標軸x′與水平面的夾角；Tlcz為轉動的慣性離心力；Tltx為切向慣性力；Gx＝-m(g+az)sinθ-maxcosθGz＝-m(g+az)cosθ-maxsinθ。
該法通過足底力生物信息檢測，可用于基于足底力反饋的腳踏板式擬人步態(tài)康復訓練機器步態(tài)規(guī)劃、姿態(tài)控制、減重控制以及往復人體步態(tài)動力學模型的建立。該力/力矩傳感器結構簡單，可靠性好，便于實現(xiàn)足底力動態(tài)檢測，不受運動范圍的限制，且經(jīng)濟實用。
該法通過足底力生物信息檢測，可用于基于足底力反饋的腳踏板式擬人步態(tài)康復訓練機器步態(tài)規(guī)劃、姿態(tài)控制、減重控制以及往復人體步態(tài)動力學模型的建立。該力/力矩傳感器結構簡單，可靠性好，便于實現(xiàn)足底力動態(tài)檢測，不受運動范圍的限制，且經(jīng)濟實用。
圖1足底力傳感器結構示意2足底力傳感器A-A剖視示意3應變片布片示意圖
具體實施例方式
下面給出本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，并結合附圖加以說明。
足底力傳感器由上踏板1、下踏板2、上支柱3、4、下支柱5、懸臂梁8、應變片7和系帶6組成。其中，上踏板1為四周略大于人腳掌的矩形薄板，在四角處對稱固裝四個上支柱3、4。下踏板2與上踏板1規(guī)格相同，在長邊的對稱軸線上以短邊軸線為對稱地固裝兩個下支柱5，且當把上、下踏板1、2的帶支柱側扣裝一起時，兩個下支柱5分別位于兩對上支柱3、4的中間位置。四根矩形斷面懸臂梁8分別插裝在上、下支柱3、4、5之間。每根懸臂梁8的四側分別粘貼一片應變片7，共16片。系帶6固定在上踏板1的上表面上，用于縛住腳面。
使用時，將本發(fā)明置于地面或擬步態(tài)下肢康復訓練機器人的腳踏板上，腳插入系帶6和上踏板1之間即可。傳感器的輸出既可用于檢測足底力，又可用于控制下肢康復訓練機器人的步態(tài)。
該法通過足底力生物信息檢測，可用于基于足底力反饋的腳踏板式擬人步態(tài)康復訓練機器步態(tài)規(guī)劃、姿態(tài)控制、減重控制以及往復人體步態(tài)動力學模型的建立。該力/力矩傳感器結構簡單，可靠性好，便于實現(xiàn)足底力動態(tài)檢測，不受運動范圍的限制，且經(jīng)濟實用。
權利要求
1.一種足底力傳感器，包括懸臂梁和應變片；其特征在于它還包括上踏板(1)、下踏板(2)、上支柱(3、4)、下支柱(5)和系帶(6)；其中，上踏板(1)為四周略大于人腳掌的矩形薄板，在四角處對稱固裝四個上支柱(3、4)；下踏板(2)與上踏板(1)規(guī)格相同，在長邊的對稱軸線上以短邊軸線為對稱地固裝兩個下支柱(5)，且當把上、下踏板(1、2)的帶支柱側扣裝一起時，兩個下支柱(5)分別位于兩對上支柱(3、4)的中間位置；四根矩形斷面懸臂梁(8)分別插裝在上、下支柱(3、4、5)之間；每根懸臂梁(8)的四側分別粘貼一片應變片(7)，共16片；系帶(6)固定在上踏板(1)的上表面上。
全文摘要
一種足底力傳感器，它是由四根貼有應變片的懸臂梁組成的傳感器，可實現(xiàn)除橫向力之外的五維力/力矩測量。具有成本低，原理誤差小，結構簡單，耐用，可靠性高的特點。它由上踏板、下踏板、上支柱、下支柱、懸臂梁、應變片和系帶組成。其中，上下踏板為略大于腳掌、規(guī)格相同的矩形薄板，四根四側分別粘貼應變片的矩形斷面懸臂梁分別插裝在上下踏板內(nèi)側的上下支柱之間。系帶固定在上踏板的上表面上，用于縛住腳面。使用時，將本發(fā)明置于地面或擬步態(tài)下肢康復訓練機器人的腳踏板上，腳插入系帶和上踏板之間即可。傳感器的輸出既可用于檢測足底力，又可用于控制下肢康復訓練機器人的步態(tài)。
文檔編號A61B5/11GK1915168SQ20061001049
公開日2007年2月21日 申請日期2006年9月6日 優(yōu)先權日2006年9月6日
發(fā)明者張立勛, 王勁松, 王嵐 申請人:哈爾濱工程大學