用于測量反作用力的方法和裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于測量和/或估計反作用力的方法和裝置。反作用力包括在例如步行、跑步、疾跑、跳行、著陸和/或跳躍的活動過程中哺乳動物的肢體(諸如人的足部)碰撞或撞擊表面時所經(jīng)受的地面反作用力(GRF)。
[0002]本發(fā)明的方法和裝置可用于比較由測力板所測量的地面反作用力與由設置在哺乳動物身體上的傳感器所測量的地面反作用力。
【背景技術】
[0003]在諸如康復、運動評估以及工作場地的設計及施工等涉及對地面反作用力的測量與估計的許多應用中，通過得知肢體或身體部位在與表面碰撞時作用在肢體或身體部位上的力(或多個力)，可以提高對活動的評估能力。這是因為，在碰撞過程中作用在肢體、關節(jié)或身體部位上的過大的力可能導致肢體、關節(jié)或身體部位的受傷和/或損傷。通過知道作用在肢體、關節(jié)或身體部位上的力(或多個力)還能夠計算各個力之間的對稱性/不對稱性。在一項研宄中，不對稱性指標是與受傷風險相關聯(lián)的。
[0004]例如，當哺乳動物的肢體或身體部位(例如足部)與諸如地面的相對硬的表面碰撞時，可能會出現(xiàn)多種機械性和/或生理性和/或生物力學性變化。在機械/生物力學方面，在碰撞期間所施加的力會導致參與碰撞的肢體或身體部位的一部位突然錯位，這會對哺乳動物的肢體或身體部位的結構造成外部和/或內部損傷。
[0005]某些表面可能相對更具彈性，并且不同的表面會使肢體、關節(jié)或身體部位經(jīng)受不同的力。類似地，不同的跑步技術、不同的速度、不同的鞋、步態(tài)模式也可能影響身體部位所經(jīng)受的力。也可以在整個身體(例如，哺乳動物的身體)著陸于水面或雪面時對力進行測量。這意味著對投落在雪面上的跳臺滑雪運動員進行評估。在一個示例中，可以針對工人的用來碰撞表面以幫助對準部件的手腕/手來對力進行測量，例如，車輛裝配工人擊打模具組件以推其入位的做法就存在評估工傷的潛在可能。
[0006]傳統(tǒng)上，通過Advanced Mechanical Technical有限公司(AMTI)制造的測力平臺或測力板來對地面反作用力進行測量。該測量已被用于量化地面反作用力(GRF)、平衡性、步態(tài)和/或其他的生物力學參數(shù)。這種測量在諸如醫(yī)藥和運動的應用領域中頗為有用。然而，由于通常不允許在實驗室以外或嚴格控制的配置環(huán)境以外將測力平臺用于生物力學參數(shù)的綜合測量，因此這種測量目前僅限于實驗室條件。在某些專業(yè)跑步機上可獲得測力板數(shù)據(jù)，但是由于地面在受試者下方一直移動，由此從根本上改變了跑步力量。這些跑步機還不能提供對不同的地形、斜坡、彎度(等)上的力的測量能力。
[0007]本發(fā)明可以減輕現(xiàn)有技術的缺點，和/或提高GRF數(shù)據(jù)的準確性和/或有效性和/或功能性和/或可用性。本發(fā)明還可以提供一種能在幾乎任何配置環(huán)境、野外現(xiàn)場對力數(shù)據(jù)進行測量的能力。
[0008]這里，對以現(xiàn)有技術給出的專利文獻或其他主題的引用不視為是承認:截止到本文的任何公開內容或權利要求的優(yōu)先權日，該文獻或主題在澳大利亞或其他地區(qū)是公知的，或者其中所含的信息在澳大利亞或其他地區(qū)屬于知常識的一部分。在本說明書中包含此類有關現(xiàn)有技術的討論是用于根據(jù)本發(fā)明人的知識和經(jīng)驗對本發(fā)明的上下文進行闡述。
[0009]在本文的說明書和權利要求書中，詞語“包括”或“包含”以及這些詞的變型，例如“具有”、“含有”和“設有”或“有”，并不旨在排除其他添加項、部件、整數(shù)或步驟。

【發(fā)明內容】

[0010]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于監(jiān)測、測量和/或估計施加在脊椎哺乳動物的身體或身體部位上的力的裝置，所述裝置包括:
[0011]加速度傳感器，其用于測量所述身體或身體部位相對于基準慣性系的加速度，并且用于提供表示所述加速度的數(shù)據(jù)，其中所述加速度傳感器包括至少一個慣性傳感器；
[0012]存儲裝置，其用于存儲所述數(shù)據(jù)；和
[0013]處理器，其適于處理所述數(shù)據(jù)以估計與所述數(shù)據(jù)相關聯(lián)的反作用力。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于監(jiān)測、測量和/或估計施加在脊椎哺乳動物的身體或身體部位上的力的方法，所述方法包括:
[0015]使用至少一個慣性傳感器來測量所述身體或身體部位相對于基準慣性系的加速度，并提供表示所述加速度的數(shù)據(jù)；
[0016]將所述數(shù)據(jù)存儲在存儲裝置中；以及
[0017]由處理器處理所述數(shù)據(jù)，以估計出與所述數(shù)據(jù)相關聯(lián)的反作用力。
[0018]所述處理器可配置為執(zhí)行用于評估反作用力的算法。所述算法適于促使所述處理器基于一個或多個相關分量來估計反作用力，所述相關分量包括與所述身體或身體部位相關聯(lián)的質量、速度和/或速率。
[0019]所述處理器可配置為能根據(jù)關系函數(shù)(例如，加速度數(shù)據(jù)與反作用力之間的非線性關系函數(shù))來處理所述數(shù)據(jù)。所述關系函數(shù)可以大致呈對數(shù)，并且可包括一個或多個校準系數(shù)。所述處理器可適于通過均衡所述一個或多個校準系數(shù)來處理所述數(shù)據(jù)。
[0020]在一種實施例中，所述處理器適于根據(jù)以下等式來提供與反作用力的相關性GRFpeak (acc, m):
[0021]GRFpeak (acc, m) = a (m) * [1g2 (acc+b) ] +c (m)
[0022]其中:
[0023]m表示哺乳動物受試者的質量；
[0024]acc表示由加速度傳感器或慣性傳感器所測量的加速度數(shù)據(jù)；
[0025]“a”表示對數(shù)函數(shù)的斜率；
[0026]“b”為固定系數(shù)，用以補償?shù)陀贠g的加速度；和
[0027]“c”表示與所述對數(shù)函數(shù)相關聯(lián)的偏移量。
[0028]在一個形式中，a(m)= 4.66*m_76.60 ;并且 c (m) = 24.98*m_566.83。所述對數(shù)函數(shù)的斜率可包括受試者身體質量的線性函數(shù)。在一種形式中，系數(shù)b可設為I。在一種形式中，偏移量c可包括身體質量的線性函數(shù)。
[0029]在一個優(yōu)選實施例中，由所述處理器提供的反作用力基本上堪比或等同于由AMTI測力板測得的地面反作用力。
[0030]所述至少一個慣性傳感器可包括加速度計。所述加速度計適于沿著一個或多個正交軸來測量加速度。
[0031]哺乳動物受試者的身體包括諸如腿部的四肢，并且在一個應用中，所述裝置適于監(jiān)測與施加到腿部上的力相關聯(lián)的加速度分量。各個加速度傳感器都可以施加到哺乳動物的腿部上。
[0032]在其他應用中，所述裝置適于監(jiān)測與施加到諸如臂部(或雙臂)的其他肢體上的力相關聯(lián)的加速度分量，或監(jiān)測與施加到整個身體上的力相關聯(lián)的加速度分量。在這些情況下，可以將所述加速度傳感器施加到臂部(或雙臂)上，或者施加到身體上的適于監(jiān)測整個身體的加速度的合適位置上。
[0033]每個慣性傳感器可以包括用于將模擬數(shù)據(jù)轉換成數(shù)字域的模數(shù)(AD)轉換器，或者與該AD轉換器相關聯(lián)。所述AD轉換器可配置為能將來自所述加速度傳感器的模擬輸出轉換成數(shù)據(jù)，之后存儲所述數(shù)據(jù)。
[0034]本發(fā)明可以包括適于在碰撞過程中監(jiān)測作用在哺乳動物的肢體或身體部位上的力(或多個力)的裝置。本發(fā)明還可包括利用來自所述裝置的數(shù)據(jù)來確定在碰撞過程中作用在哺乳動物的肢體或身體部位上的力(或多個力)的方法。所述裝置可包括能設置在肢體(例如，人類受試者的腿部或雙腿)上的傳感器，以及用于測和/或確定在例如步行、跑步、疾跑、跳行、著陸和/或跳躍的活動過程中足部碰撞表面所經(jīng)受的地面反作用力和/或撞擊力的硬件和/或軟件。所述裝置可包括數(shù)字處理引擎和用于處理變量(例如，受試者體重或質量、包括步態(tài)模式在內的運動模式、和/或表面的類型)的一個或多個算法，以更精確地確定地面反作用力