本發(fā)明涉及足底壓力檢測領(lǐng)域，尤其是一種檢測精準(zhǔn)、輕便的可穿戴式足底壓力檢測裝置。

背景技術(shù)：

人體步態(tài)的研究對假肢、康復(fù)醫(yī)療外骨骼、雙足機(jī)器人等與人體行走相關(guān)智能裝置研制具有重要的意義，其中利用足底壓力檢測對人體步態(tài)進(jìn)行研究是一種非常重要的手段，本發(fā)明旨在提供一種可穿戴式足底壓力檢測裝置，以實(shí)現(xiàn)對足底壓力的準(zhǔn)確測量。

文獻(xiàn)“下肢外骨骼服傳感靴的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析”公開了一種足底壓力檢測裝置，該裝置在已有的足底結(jié)構(gòu)的不同部位埋入多個(gè)稱重傳感器或力傳感器，通過對這些傳感器的輸出信號進(jìn)行采集得到足底壓力信息。這種方法受制于結(jié)構(gòu)形式，足底的全部壓力并不能全部傳遞到這些傳感器上，在路面不平、足底部分懸空的狀態(tài)下可能造成足底壓力的檢測不準(zhǔn)，同時(shí)現(xiàn)有的稱重傳感器或力傳感器的尺寸較大，造成了外骨骼的鞋子較為笨重。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種可穿戴式足底壓力檢測裝置，解決已有的足底壓力檢測裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大且笨重的問題。

具體的，本發(fā)明提供了一種可穿戴式足底壓力檢測裝置，采用多層結(jié)構(gòu)形式，包括傳感器采集板(5)、金屬應(yīng)變片(4)和柱式結(jié)構(gòu)(10)；

所述柱式結(jié)構(gòu)(10)位于層間；所述金屬應(yīng)變片(4)貼于柱式結(jié)構(gòu)(10)上；所述傳感器采集板(5)通過導(dǎo)線與所述金屬應(yīng)變片(4)相連接。

進(jìn)一步地，還包括下橡膠層(1)、后腳掌支撐件(2)和前腳掌支撐件(3)、支撐層(6)、上橡膠層(7)、卡口式鞋箍(8)；

自下而上分別為下橡膠層(1)、后腳掌支撐件(2)和前腳掌支撐件(3)、支撐層(6)、上橡膠層(7)、卡口式鞋箍(8)。

進(jìn)一步地，還包括密封層(9)；

所述密封層(9)位于下橡膠層(1)與上橡膠層(7)之間的外周圈，采用彈性材料制成，上與上橡膠層(1)粘接固定，下與下橡膠層(7)粘接固定。

進(jìn)一步地，最下層為所述下橡膠層(1)，其底部有防滑花紋，中間部分有凸起，凸起上開有安裝傳感器采集板(5)的凹槽；

進(jìn)一步地，所述后腳掌支撐件(2)為后半鞋底狀，所述前腳掌支撐件(3)為前半鞋底狀，所述后腳掌支撐件(2)、前腳掌支撐件(3)和所述下橡膠層(1)的凸起位于同一層。

進(jìn)一步地，所述后腳掌支撐件(2)和前腳掌支撐件(3)分別安裝有至少一個(gè)所述柱式結(jié)構(gòu)(10)；所述每個(gè)柱式結(jié)構(gòu)(10)上貼有至少一個(gè)金屬應(yīng)變片(4)；

進(jìn)一步地，所述柱式結(jié)構(gòu)(10)由合金材料制成，其直徑為10mm～20mm，高度為3mm～5mm，所述金屬應(yīng)變片(4)平行于所述柱式結(jié)構(gòu)(10)的中軸線方向貼于所述柱式結(jié)構(gòu)(10)的外圓周面。

進(jìn)一步地，所述傳感器采集板(5)粘接固定于所述下橡膠層(1)的凹槽中，是以聚酰亞胺為基材制作的柔性電路板，可隨腳底彎曲，所述傳感采集板(5)上安裝有紐扣電池作為供電。

進(jìn)一步地，所述下橡膠層(1)和上橡膠層(7)均為彈性材料制成；所述后腳掌支撐件(2)、前腳掌支撐件(3)和上支撐層(6)材質(zhì)為合金或硬質(zhì)非金屬。

特別地，一種使用所述的一種可穿戴式足底壓力檢測裝置的方法，其特征在于，使用過程為：

利用卡口式鞋箍(8)將穿戴者的鞋子固定，穿戴者足底的壓力依次通過穿戴者的鞋子、上橡膠層(7)、上支撐層(6)傳遞到后腳掌支撐件(2)或前腳掌支撐件(3)的柱式結(jié)構(gòu)(10)上，使得柱式結(jié)構(gòu)(10)上金屬應(yīng)變片(4)發(fā)生變形，這一變形引起金屬應(yīng)變片(4)的電阻發(fā)生變化，利用傳感采集板(5)實(shí)現(xiàn)對電阻變化的實(shí)時(shí)檢測，由金屬應(yīng)變片(4)的電阻變化得到穿戴者的足底壓力；

具體地，前腳掌的足底壓力G_f為：

G_f＝m₁g×R₁+m₂g

其中，R₁為前腳掌支撐件(3)上兩個(gè)柱式結(jié)構(gòu)(10)上金屬應(yīng)變片(4)的電阻之和,g為重力加速度，m₁、m₂為常數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定；

m₁、m₂的標(biāo)定過程為：分別將5kg、10kg的標(biāo)準(zhǔn)銅塊置于前腳掌，記錄此時(shí)前腳掌支撐件(3)上兩個(gè)柱式結(jié)構(gòu)(10)上金屬應(yīng)變片(4)的電阻之和分別為R₅、R₁₀，m₁、m₂可由下式計(jì)算：

m₁＝(R₁₀-R₅)/5

m₂＝5-(R₁₀-R₅)×R₅/5

后腳掌的足底壓力G_b可由下式計(jì)算

G_b＝m₃g×R₂+m₄g

其中，R₂為后腳掌支撐件(2)兩個(gè)柱式結(jié)構(gòu)(10)上金屬應(yīng)變片(4)的電阻之和，m₃、m₄為常數(shù)，通過與m₁、m₂相同的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定；

m₃、m₄的標(biāo)定過程為：分別將5kg、10kg的標(biāo)準(zhǔn)銅塊置于后腳掌，記錄此時(shí)后腳掌支撐件(2)兩個(gè)柱式結(jié)構(gòu)(10)上金屬應(yīng)變片(4)的電阻之和分別為R₅₂、R₁₀₂，m₃、m₄可由下式計(jì)算：

m₃＝(R₁₀₂-R₅₂)/5

m₄＝5-(R₁₀₂-R₅₂)×R₅₂/5。

本發(fā)明提供了一種可穿戴式足底壓力檢測裝置，采用多層結(jié)構(gòu)形式，并在層間布置有柱式結(jié)構(gòu)(10)，用于承受足底的全部重量，利用金屬應(yīng)變片(4)檢測柱式結(jié)構(gòu)(10)的變形，可以實(shí)時(shí)檢測總體的足底壓力及前后腳掌的壓力分配，配合傳感采集板可以實(shí)現(xiàn)對足底壓力的有效測量。本裝置結(jié)構(gòu)簡單，可以檢測任意地形下足底的全部壓力，同時(shí)本發(fā)明可以不受制與已有傳感器的尺寸與量程，在厚度上可以更小，使得整體上更加輕便。

附圖說明

附圖僅用于示出具體實(shí)施例的目的，而并不認(rèn)為是對本發(fā)明的限制，在整個(gè)附圖中，相同的參考符號表示相同的部件。

圖1是本發(fā)明的可穿戴式足底壓力檢測裝置整體結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明的可穿戴式足底壓力檢測裝置各部件組裝圖。

圖中：1-下橡膠層、2-后腳掌支撐件、3-前腳掌支撐件、4-金屬應(yīng)變片、5-傳感器采集板、6-支撐層、7-上橡膠層、8-卡口式鞋箍、9-密封層、10-柱式結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

本發(fā)明提供了一種可穿戴式足底壓力檢測裝置，如圖1所示，采用多層結(jié)構(gòu)形式。自下而上分別為下橡膠層(1)、后腳掌支撐件(2)和前腳掌支撐件(3)、支撐層(6)、上橡膠層(7)、卡口式鞋箍(8)，測壓元件傳感器采集板(5)和金屬應(yīng)變片(4)位于后腳掌支撐件(2)和前腳掌支撐件(3)所在層。

如圖2所示，最下層為下橡膠層(1)，即接觸地面的最下層鞋底，由橡膠等材料制成，其底部有防滑花紋，中間部分有凸起，凸起上開有安裝傳感器采集板(5)的凹槽；

下橡膠層(1)的上層為后腳掌支撐件(2)和前腳掌支撐件(3)，后腳掌支撐件(2)為后半鞋底狀，前腳掌支撐件(3)為前半鞋底狀，后腳掌支撐件(2)、前腳掌支撐件(3)和下橡膠層(1)的凸起位于同一層，后腳掌支撐件(2)和前腳掌支撐件(3)均由鋁合金制成，下橡膠層(1)與后腳掌支撐件(2)、前腳掌支撐件(3)粘接固定；

后腳掌支撐件(2)與前腳掌支撐件(3)上均焊接固定有兩根柱式結(jié)構(gòu)(10)，柱式結(jié)構(gòu)(10)由鋁合金材料制成，其直徑為10mm～20mm，高度為3mm～5mm，柱式結(jié)構(gòu)(10)上貼有金屬應(yīng)變片(4)，金屬應(yīng)變片(4)平行于柱式結(jié)構(gòu)(10)的中軸線方向貼于柱式結(jié)構(gòu)(10)的外圓周面，用于檢測柱式結(jié)構(gòu)所承受的壓力；

傳感器采集板(5)粘接固定于下橡膠層(1)的凹槽中，傳感器采集板(5)是以聚酰亞胺為基材制作的柔性電路板，可隨腳底彎曲，傳感采集板(5)上安裝有紐扣電池作為供電，傳感采集板(5)通過導(dǎo)線與金屬應(yīng)變片(4)連接，用于檢測金屬應(yīng)變片(4)的電阻變化，進(jìn)而得到柱式結(jié)構(gòu)所承受的壓力；

后腳掌支撐件(2)和前腳掌支撐件(3)的上層為上支撐層(6)，上支撐層(6)采用鋁合金材料制成，且粘結(jié)固定于后腳掌支撐件(2)和前腳掌支撐件(3)上方，用于承受穿戴者的重量；

上支撐層(6)之上為上橡膠層(7)，上橡膠層(7)采用橡膠材料制成，起到緩沖的作用，上橡膠層(7)上固定安裝有卡口式鞋箍(8)，用于固定穿戴者的腳；

下橡膠層(1)與上橡膠層(7)之間的外周圈為密封層(9)，密封層(9)采用橡膠材料制成，上與上橡膠層(1)粘接固定，下與下橡膠層(7)粘接固定，對整個(gè)多層結(jié)構(gòu)起加強(qiáng)固定的作用，對金屬應(yīng)變片(4)及傳感器采集板(5)起到防塵、防水的保護(hù)作用。

工作時(shí)，利用卡口式鞋箍(8)將穿戴者的鞋子固定，穿戴者足底的壓力依次通過穿戴者的鞋子、上橡膠層(7)、上支撐層(6)傳遞到后腳掌支撐件(2)或前腳掌支撐件(3)的柱式結(jié)構(gòu)(10)上，使得柱式結(jié)構(gòu)(10)上金屬應(yīng)變片(4)發(fā)生變形，這一變形引起金屬應(yīng)變片(4)的電阻發(fā)生變化，利用傳感采集板(5)實(shí)現(xiàn)對電阻變化的實(shí)時(shí)檢測，由金屬應(yīng)變片(4)的電阻變化得到穿戴者的足底壓力。

具體地，前腳掌的足底壓力G_f為：

G_f＝m₁g×R₁+m₂g

其中，R₁為前腳掌支撐件(3)上兩個(gè)柱式結(jié)構(gòu)(10)上金屬應(yīng)變片(4)的電阻之和,g為重力加速度，m₁、m₂為常數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定。

m₁、m₂的標(biāo)定過程為：分別將5kg、10kg的標(biāo)準(zhǔn)銅塊置于前腳掌，記錄此時(shí)前腳掌支撐件(3)上兩個(gè)柱式結(jié)構(gòu)(10)上金屬應(yīng)變片(4)的電阻之和分別為R₅、R₁₀，m₁、m₂可由下式計(jì)算：

m₁＝(R₁₀-R₅)/5

m₂＝5-(R₁₀-R₅)×R₅/5

后腳掌的足底壓力G_b可由下式計(jì)算

G_b＝m₃g×R₂+m₄g

其中，R₂為后腳掌支撐件(2)兩個(gè)柱式結(jié)構(gòu)(10)上金屬應(yīng)變片(4)的電阻之和，m₃、m₄為常數(shù)，通過與m₁、m₂相同的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定。

m₃、m₄的標(biāo)定過程為：分別將5kg、10kg的標(biāo)準(zhǔn)銅塊置于后腳掌，記錄此時(shí)后腳掌支撐件(2)兩個(gè)柱式結(jié)構(gòu)(10)上金屬應(yīng)變片(4)的電阻之和分別為R₅₂、R₁₀₂，m₃、m₄可由下式計(jì)算：

m₃＝(R₁₀₂-R₅₂)/5

m₄＝5-(R₁₀₂-R₅₂)×R₅₂/5

綜上所述，本發(fā)明提供了一種可穿戴式足底壓力檢測裝置，采用多層結(jié)構(gòu)形式，并在層間布置有柱式結(jié)構(gòu)(10)，用于承受足底的全部重量，利用金屬應(yīng)變片(4)檢測柱式結(jié)構(gòu)(10)的變形，可以實(shí)時(shí)檢測總體的足底壓力及前后腳掌的壓力分配，配合傳感采集板可以實(shí)現(xiàn)對足底壓力的有效測量。本裝置結(jié)構(gòu)簡單，可以檢測任意地形下足底的全部壓力，同時(shí)本發(fā)明可以不受制與已有傳感器的尺寸與量程，在厚度上可以更小，使得整體上更加輕便。

盡管已經(jīng)結(jié)合優(yōu)選的實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)地描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是在不違背本發(fā)明精神和實(shí)質(zhì)的情況下，各種修正都是允許的，它們都落入本發(fā)明的權(quán)利要求的保護(hù)范圍之中。