可穿戴式足底六維力無線傳感系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及傳感器和足底壓力分析領(lǐng)域，特別涉及一種可穿戴式足底六維力 無線傳感系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 對足底壓力分布情況的檢測研究具有廣泛而深刻的意義。通過對站起和步態(tài)時足 底壓力分布的測量和分析，可以對研究足部結(jié)構(gòu)、功能和運動控制提供科學(xué)可靠的信息。在 康復(fù)醫(yī)療方面，對足底壓力分析可以對一些疾病的診斷和康復(fù)治療提供重要的依據(jù)，也是 對下肢康復(fù)訓(xùn)練機械結(jié)構(gòu)和下肢康復(fù)訓(xùn)練方案可行性進行有效評估的重要依據(jù)之一。目 前，足底壓力分析的研究還會對諸多領(lǐng)域產(chǎn)生積極的促進作用，如生物力學(xué)、體育訓(xùn)練、人 機工程、制鞋業(yè)及機械人控制工程等。
[0003] 對足底壓力測量與分析的研究始于上世紀(jì)六七十年代。最早采用復(fù)印技術(shù)只是定 性的說明足底壓力的分布。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代對足底壓力測量的主要方法有測 力板技術(shù)、測力鞋墊技術(shù)、足底壓力平板成像技術(shù)等，都是在傳感器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的測試 技術(shù)，主要用到的傳感技術(shù)是電容、電壓、應(yīng)變、應(yīng)電等。常用的測力板是使用一個平板作為 支撐面，支撐面下面按照一定的規(guī)律安裝拉壓傳感器。測力板只能測量出足底傳給傳感器 的三維力，而忽略了傳感器作用點的三維力矩，而且系統(tǒng)龐大、設(shè)備占用空間大、價格昂貴。 一般的測力鞋墊是在特制的鞋墊的指定位置貼上壓電傳感器，來測量步態(tài)時足底壓力的分 布，但此項技術(shù)也與有測力板相同的缺點，不能測量三維力矩且造價高。亟待改進。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本實用新型的目的在于提供一種可穿戴式足底六維力無線傳感系統(tǒng)，是一種研究 足底六維力的測量系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題。
[0005] 本實用新型的上述目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0006] 可穿戴式足底六維力無線傳感系統(tǒng)，包括一雙鞋、四個六維力傳感器和計算機，其 中，每只鞋底設(shè)有兩組卡位槽，分別位于前腳掌和后腳跟位置，六維傳感器安裝在所述卡位 槽內(nèi)，所述六維力傳感器包括底座3、頂蓋2、三個測力單元、卡扣1、螺紋釘9和電路板7,所述 測力單元是由剛性小球4、四個擋板8和四個應(yīng)變片5組成，所述擋板8用于應(yīng)變片5的粘貼和 剛性小球4的限位;所述底座3設(shè)有三個螺紋孔和三個三角卡座6,所述測力單元通過三角卡 座6固定連接在底座3上;所述頂蓋2設(shè)有三個凸臺凹槽，所述凸臺凹槽與剛性小球4限位連 接。所述卡扣1上設(shè)有螺紋孔，頂蓋2通過卡扣1、螺紋釘9與底座3連接;所述電路板7與計算 機相連。
[0007] 所述的三個測力單元與中心連線各成120度角，即呈正三角形分布；底座3上的三 個螺紋孔同樣成正三角形的位置關(guān)系;每個測力單元和相鄰的螺紋孔各成60度角。
[0008] 本實用新型的有益效果在于:能有效精確的測量足底壓力三個軸向力和繞三個軸 向的力矩，六維力傳感器的底座和頂蓋設(shè)計為卡扣式連接，并通過傳感模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無 線傳輸，使其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、成本低并且力耦合性強。
【附圖說明】
[0009] 此處所說明的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分， 本實用新型的示意性實例及其說明用于解釋本實用新型，并不構(gòu)成對本實用新型的不當(dāng)限 定。
[0010] 圖1為本實用新型的六維傳感器的等軸視圖；
[0011] 圖2為本實用新型的六維傳感器的分解圖；
[0012] 圖3為本實用新型的六維傳感器的除去頂蓋的俯視圖；
[0013] 圖4為本實用新型的測力單元等軸視圖；
[0014] 圖5為本實用新型的局部剖面圖；
[0015] 圖6為本實用新型的六維傳感器的安裝示意圖；
[0016] 圖7為本實用新型的系統(tǒng)框圖。
[0017] 圖中：1、卡扣;2、頂蓋;3、底座;4、剛性小球;5、應(yīng)變片;6、三角卡座;7、電路 板;8、擋板；9、螺紋釘。
【具體實施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖進一步說明本實用新型的詳細內(nèi)容及其【具體實施方式】。
[0019] 參見圖1至圖7所示，本實用新型的可穿戴式足底六維力無線傳感系統(tǒng)，包括一雙 鞋、四個六維力傳感器和計算機，其中，每只鞋底設(shè)有兩組卡位槽，分別位于前腳掌和后腳 跟位置，六維傳感器安裝在所述卡位槽內(nèi)，所述六維力傳感器包括底座3、頂蓋2、三個測力 單元、卡扣1、螺紋釘9和電路板7,所述測力單元是由剛性小球4、四個擋板8和四個應(yīng)變片5 組成，所述擋板8用于應(yīng)變片5的粘貼和剛性小球4的限位;所述底座3設(shè)有三個螺紋孔和三 個三角卡座6,所述測力單元通過三角卡座6固定連接在底座3上;所述頂蓋2設(shè)有三個凸臺 凹槽，所述凸臺凹槽與剛性小球4限位連接。所述卡扣1上設(shè)有螺紋孔，頂蓋2通過卡扣1、螺 紋釘9與底座3連接;所述電路板7與計算機相連。
[0020] 所述的三個測力單元與中心連線各成120度角，即呈正三角形分布；底座3上的三 個螺紋孔同樣成正三角形的位置關(guān)系;每個測力單元和相鄰的螺紋孔各成60度角。
[0021] 參見圖4所示，本實用新型的每個測力單元是由三個側(cè)面擋板、一個底面擋板和中 間的一個剛性小球4組成。將應(yīng)變片5粘貼于各擋板8最大應(yīng)變位置，以提高傳感器的靈敏 度。為了測量繞三軸的力矩M r、JWt、，將三個測量單元按照正三角的位置安裝（如圖3 所示），三個測力單元的是由三個三角卡座6固定在底座3上。測力單元的受力是由頂蓋2承 受的足底壓力經(jīng)過剛性小球4傳遞而來。頂蓋2上的圓形凹槽能將頂蓋2承受的足底各方向 的壓力傳遞給剛性小球4,以得到應(yīng)變片5的變形。為了實現(xiàn)頂蓋2可以在X、Y和Z方向上的移 動和繞頂蓋2中心軸的轉(zhuǎn)動，將足底力傳遞給剛性小球4,本實施例將底座3和頂蓋2設(shè)計為 階梯式間隙對接，三個卡扣1用三個螺紋釘9固定到底座3上，卡扣1和頂蓋2之間有一定間 隙，這樣既有利于足底壓力的傳遞，也可防止頂蓋2與底座3脫離(如圖5所示）。電路板7用來 采集、處理和發(fā)送數(shù)據(jù)。經(jīng)過力的傳遞過程，根據(jù)力的平衡條件得六維力的計算表達式：
[0023] 本實用新型的可穿戴式足底六維力無線傳感器系統(tǒng)是由安裝了四個六維傳感器 的兩只鞋的數(shù)據(jù)采集端和計算機處理端組成。由測力板上所測得的步態(tài)足底壓力分布圖， 可知足底壓力聚中出現(xiàn)在足掌和足跟處，而足底中部承受的足底壓力較小，所以在測量足 底壓力的時候傳感器的布位選擇在腳掌和足跟兩個位置(如圖6所示）。傳感器受到足底壓 力，隨之應(yīng)變片5形變產(chǎn)生的微弱信號由電路板7中的放大電路放大，濾波電路濾波，然后將 采集來的信號經(jīng)行A/D轉(zhuǎn)化(模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號），最后通過無線傳輸電路傳輸給計 算機。計算機根據(jù)六維力的計算表達式得出的六維力數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)處理、儲存和顯示。
[0024] 以上所述僅為本實用新型的優(yōu)選實例而已，并不用于限制本實用新型，對于本領(lǐng) 域的技術(shù)人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡對本實用新型所作的任何修改、 等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種可穿戴式足底六維力無線傳感系統(tǒng)，其特征在于:包括一雙鞋、四個六維力傳感 器和計算機，其中，每只鞋底設(shè)有兩組卡位槽，分別位于前腳掌和后腳跟位置，六維傳感器 安裝在所述卡位槽內(nèi)，所述六維力傳感器包括底座(3)、頂蓋(2)、三個測力單元、卡扣（1)、 螺紋釘(9)和電路板(7)，所述測力單元是由剛性小球(4)、四個擋板(8)和四個應(yīng)變片(5)組 成，所述擋板(8)用于應(yīng)變片(5)的粘貼和剛性小球(4)的限位;所述底座(3)設(shè)有三個螺紋 孔和三個三角卡座（6)，所述測力單元通過三角卡座（6)固定連接在底座（3)上；所述頂蓋 (2)設(shè)有三個凸臺凹槽，所述凸臺凹槽與剛性小球(4)限位連接;所述卡扣（1)上設(shè)有螺紋 孔，頂蓋(2)通過卡扣（1)、螺紋釘(9)與底座(3)連接;所述電路板(7)與計算機相連。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可穿戴式足底六維力無線傳感系統(tǒng)，其特征在于:所述的三個 測力單元與中心連線各成120度角，即呈正三角形分布;底座（3)上的三個螺紋孔同樣成正 三角形的位置關(guān)系;每個測力單元和相鄰的螺紋孔各成60度角。
【專利摘要】本實用新型涉及一種可穿戴式足底六維力無線傳感系統(tǒng)，屬于傳感器和足底壓力分析領(lǐng)域。六維力傳感器安裝在卡位槽內(nèi)，所述六維力傳感器包括底座、頂蓋、三個測力單元、卡扣等，所述測力單元是由剛性小球、四個擋板和四個應(yīng)變片組成，所述擋板用于應(yīng)變片的粘貼和剛性小球的限位；所述底座設(shè)有三個螺紋孔和三個三角卡座，所述測力單元通過三角卡座固定連接在底座上；所述頂蓋設(shè)有三個凸臺凹槽，所述凸臺凹槽與剛性小球限位連接。優(yōu)點在于：能有效精確的測量足底壓力三個軸向力和繞三個軸向的力矩，六維力傳感器的底座和頂蓋設(shè)計為卡扣式連接，并通過藍牙模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，使其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、成本低。
【IPC分類】A61B5/00, A61B5/103
【公開號】CN205107681
【申請?zhí)枴緾N201520889855
【發(fā)明人】劉坤, 李超
【申請人】吉林大學(xué)
【公開日】2016年3月30日
【申請日】2015年11月10日