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和運動狀態下的壓力分布和相關力學參數。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和運動狀態下的力學參數，有助于臨床醫療診斷、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疾患程度和手術后療效的量化評定、康復醫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的相關理論和技術研究具有重要意義。
目前，國內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。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，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。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，構成了姿態控制系統，但由于商業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據測試采集模塊后面，一路通過數據存貯模塊、資料查詢模塊，再進入診斷模塊，另一路通過數據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表了論文《足底壓力分布測量系統的設計》(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。
該測量系統雖然成本低、操作簡單，但由于基體較軟，壽命有限；有可能產生塑性變形，造成零點飄逸，線性度不佳。
發明內容
本發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，將本發明置于地面或擬步態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。
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，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。
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為腳踏板姿態角，即豎直平面內坐標軸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康復訓練機器步態規劃、姿態控制、減重控制以及往復人體步態動力學模型的建立。該力/力矩傳感器結構簡單，可靠性好，便于實現足底力動態檢測，不受運動范圍的限制，且經濟實用。
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康復訓練機器步態規劃、姿態控制、減重控制以及往復人體步態動力學模型的建立。該力/力矩傳感器結構簡單，可靠性好，便于實現足底力動態檢測，不受運動范圍的限制，且經濟實用。
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
下面給出本發明的優選實施方式，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，將本發明置于地面或擬步態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。
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康復訓練機器步態規劃、姿態控制、減重控制以及往復人體步態動力學模型的建立。該力/力矩傳感器結構簡單，可靠性好，便于實現足底力動態檢測，不受運動范圍的限制，且經濟實用。
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，將本發明置于地面或擬步態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。
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 優先權日2006年9月6日
發明者張立勛, 王勁松, 王嵐 申請人:哈爾濱工程大學