移動式足底內力測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了移動式足底內力測量系統(tǒng)，包括數據處理器、I2C總線以及設置在鞋墊上的測力器和柔性彎曲部件；所述測力器把測量得到的信號通過I2C總線匯總傳輸到數據處理器中進行運算，數據處理器中設有六維力解耦計算方法(1)和姿態(tài)融合計算方法(2)，經過兩種計算方法的運算，解算出人體生物力學信息。本發(fā)明能在人正常行走的狀態(tài)下，精密測量人體生物力學信息數據，經過匯總運算后將人體生物力學信息數據實時地反饋到人體運動輔助的外骨骼或者機器人的控制系統(tǒng)中。
【專利說明】移動式足底內力測量系統(tǒng)
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及電子信息技術及傳感器【技術領域】，更具體地說，涉及人體日常運動條件下適應于鞋底彈性變形的足底三維反作用力和三維反作用力矩的實時測量系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]目前，在臨床醫(yī)學和體育運動學等領域，英國VICON和日本NAC等公司產品化的基于多個高速照相機運動捕捉的高速圖像分析和測力板系統(tǒng)通?？梢员挥脕矶糠治鋈梭w全身的運動和多維的地面反作用[1]_[4]。這種傳統(tǒng)的方法或者系統(tǒng)需要專門的測量空間、專業(yè)操作人員以及昂貴的高速圖像采集和處理設備，在實時控制和測量的應用上，盡管在人體的運動較大關節(jié)如髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)的運動測量上可以實現較高的角度和位移精度，但是由于這樣固定式人體生物力學分析與測量系統(tǒng)具有低效和高成本等缺點，只能局限于實驗研究和有限的臨床應用研究。另外這種傳統(tǒng)的測量方法對人體運動時候的捕捉范圍有限，而且放置在身體表面的大量的標識點也會影響到測量對象的正常運動，針對人體的小關節(jié)例如足底的變形和腳趾頭彎曲的測量，這種依賴標識點的圖像分析系統(tǒng)的精度就會比測量下肢的大關節(jié)運動要相對低下。在日常的環(huán)境中，例如狹小樓梯、多障礙工作區(qū)等環(huán)境下，這種傳統(tǒng)的運動分析系統(tǒng)將很難進行測量；很難實現實時地解算出人體生物力學信息，并且很難將關節(jié)三維角度、關節(jié)力和肌肉力等數據實時地反饋到人體運動輔助的外骨骼或者機器人的控制系統(tǒng)中。[0003]隨著計算機與傳感技術的發(fā)展，醫(yī)療或者監(jiān)護現場對傳感器網絡使用的便利程度和信息交互效率提出了更高的要求。無線穿戴式傳感器技術正是迎合這一要求而迅猛發(fā)展。高效、全方位的信息交互正成為現在和將來醫(yī)療保健傳感器的發(fā)展基調，擁有巨大的研究價值和潛在市場[5]。近年來國內外眾多的研究人員就穿戴式傳感器在人體生物力學工程領域的研究做了大量的工作[6-14]，在測量三維關節(jié)角度、六維地面反作用力、壓力中心和關節(jié)作用力等方面與傳統(tǒng)的人體運動分析系統(tǒng)相比較，這些穿戴式傳感器系統(tǒng)在測量精度、操作便利性、多維力學信息獲取和價格上都有明顯的優(yōu)勢。然而，如果在不使用可靠性和定量化能力相對較低的腦電信號(EEG)和表面肌電信號(EMG)來直接測量人腦皮層和肌肉運動的情況下，研究人員在考慮人的因素為中心而研制的人體運動輔助智能系統(tǒng)中，尤其在基于人體動力學的實時人體內力信息反饋與機器人控制的研究與應用中少見成功的應用實例，其原因可以歸納為:人體逆向動力學研究尚缺少柔性的多維力傳感器及測力板。
[0004]參考文獻:
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【發(fā)明內容】

[0019]本發(fā)明提出了移動式足底內力測量系統(tǒng)，在適應鞋底的彈性變形的情況下，實現不影響正常行走的移動式三維力和三維力矩的精密測量。[0020]本發(fā)明的技術方案是這樣實現的:移動式足底內力測量系統(tǒng)，包括數據處理器、I2C總線以及設置在鞋墊上的測力器和柔性彎曲部件，所述測力器把測量得到的信號通過I2C總線匯總傳輸到數據處理器中進行運算，
[0021]所述數據處理器設有一套六維力解耦計算方法:
[0022]C = Fr.(F)T.(F.(F)V1(I)
[0023]其中，公式中C是一個6*6的解耦標定矩陣；Fr代表參考力，是一個n*6的矩陣；F是六維力傳感器在每次加載時候的輸出值，也是一個n*6的矩陣；11是指標定過程中動態(tài)加載的次數，η大于6 ;所述數據處理器還設有一套姿態(tài)融合計算方法:
【權利要求】
1.移動式足底內力測量系統(tǒng)，其特征在于，包括數據處理器、I2C總線以及設置在鞋墊上的測力器和柔性彎曲部件，所述測力器與所述柔性彎曲部件連接； 所述測力器把測量得到的信號通過I2C總線匯總傳輸到數據處理器中進行運算， 所述數據處理器設有一套六維力解耦計算方法:
2.根據權利要求1所述的移動式足底內力測量系統(tǒng)，其特征在于，所述姿態(tài)融合計算方法式中:
3.根據權利要求1所述的移動式足底內力測量系統(tǒng)，其特征在于，所述測力器包括有腳后跟測力板、足弓測力板和前腳掌測力板。
4.根據權利要求1或3所述的移動式足底內力測量系統(tǒng)，其特征在于，所述測力器內設有傳感器。
5.根據權利要求4所述的移動式足底內力測量系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器包括有三維姿態(tài)傳感器和六維力傳感器。
6.根據權利要求1或2或3或5所述的移動式足底內力測量系統(tǒng)，其特征在于，所述數據處理器內設有無線接收器。
7.根據權利要求6所述的移動式足底內力測量系統(tǒng)，其特征在于，所述柔性彎曲部件是娃I父塊。
【文檔編號】A61B5/22GK103932721SQ201410178505
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月29日 優(yōu)先權日:2014年4月29日
【發(fā)明者】劉濤, 韓梅梅 申請人:紹興共立傳感科技有限公司