可穿戴式足底六维力无线传感系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及传感器和足底压力分析领域，特别涉及一种可穿戴式足底六维力 无线传感系统。
【背景技术】
[0002] 对足底压力分布情况的检测研究具有广泛而深刻的意义。通过对站起和步态时足 底压力分布的测量和分析，可以对研究足部结构、功能和运动控制提供科学可靠的信息。在 康复医疗方面，对足底压力分析可以对一些疾病的诊断和康复治疗提供重要的依据，也是 对下肢康复训练机械结构和下肢康复训练方案可行性进行有效评估的重要依据之一。目 前，足底压力分析的研究还会对诸多领域产生积极的促进作用，如生物力学、体育训练、人 机工程、制鞋业及机械人控制工程等。
[0003] 对足底压力测量与分析的研究始于上世纪六七十年代。最早采用复印技术只是定 性的说明足底压力的分布。随着传感器技术的发展，现代对足底压力测量的主要方法有测 力板技术、测力鞋垫技术、足底压力平板成像技术等，都是在传感器基础上发展起来的测试 技术，主要用到的传感技术是电容、电压、应变、应电等。常用的测力板是使用一个平板作为 支撑面，支撑面下面按照一定的规律安装拉压传感器。测力板只能测量出足底传给传感器 的三维力，而忽略了传感器作用点的三维力矩，而且系统庞大、设备占用空间大、价格昂贵。 一般的测力鞋垫是在特制的鞋垫的指定位置贴上压电传感器，来测量步态时足底压力的分 布，但此项技术也与有测力板相同的缺点，不能测量三维力矩且造价高。亟待改进。
【发明内容】
[0004] 本实用新型的目的在于提供一种可穿戴式足底六维力无线传感系统，是一种研究 足底六维力的测量系统，解决了现有技术存在的上述问题。
[0005] 本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：
[0006] 可穿戴式足底六维力无线传感系统，包括一双鞋、四个六维力传感器和计算机，其 中，每只鞋底设有两组卡位槽，分别位于前脚掌和后脚跟位置，六维传感器安装在所述卡位 槽内，所述六维力传感器包括底座3、顶盖2、三个测力单元、卡扣1、螺纹钉9和电路板7,所述 测力单元是由刚性小球4、四个挡板8和四个应变片5组成，所述挡板8用于应变片5的粘贴和 刚性小球4的限位;所述底座3设有三个螺纹孔和三个三角卡座6,所述测力单元通过三角卡 座6固定连接在底座3上;所述顶盖2设有三个凸台凹槽，所述凸台凹槽与刚性小球4限位连 接。所述卡扣1上设有螺纹孔，顶盖2通过卡扣1、螺纹钉9与底座3连接;所述电路板7与计算 机相连。
[0007] 所述的三个测力单元与中心连线各成120度角，即呈正三角形分布；底座3上的三 个螺纹孔同样成正三角形的位置关系;每个测力单元和相邻的螺纹孔各成60度角。
[0008] 本实用新型的有益效果在于:能有效精确的测量足底压力三个轴向力和绕三个轴 向的力矩，六维力传感器的底座和顶盖设计为卡扣式连接，并通过传感模块实现数据的无 线传输，使其结构简单、紧凑、成本低并且力耦合性强。
【附图说明】
[0009] 此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分， 本实用新型的示意性实例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限 定。
[0010] 图1为本实用新型的六维传感器的等轴视图；
[0011] 图2为本实用新型的六维传感器的分解图；
[0012] 图3为本实用新型的六维传感器的除去顶盖的俯视图；
[0013] 图4为本实用新型的测力单元等轴视图；
[0014] 图5为本实用新型的局部剖面图；
[0015] 图6为本实用新型的六维传感器的安装示意图；
[0016] 图7为本实用新型的系统框图。
[0017] 图中：1、卡扣;2、顶盖;3、底座;4、刚性小球;5、应变片;6、三角卡座;7、电路 板;8、挡板；9、螺纹钉。
【具体实施方式】
[0018] 下面结合附图进一步说明本实用新型的详细内容及其【具体实施方式】。
[0019] 参见图1至图7所示，本实用新型的可穿戴式足底六维力无线传感系统，包括一双 鞋、四个六维力传感器和计算机，其中，每只鞋底设有两组卡位槽，分别位于前脚掌和后脚 跟位置，六维传感器安装在所述卡位槽内，所述六维力传感器包括底座3、顶盖2、三个测力 单元、卡扣1、螺纹钉9和电路板7,所述测力单元是由刚性小球4、四个挡板8和四个应变片5 组成，所述挡板8用于应变片5的粘贴和刚性小球4的限位;所述底座3设有三个螺纹孔和三 个三角卡座6,所述测力单元通过三角卡座6固定连接在底座3上;所述顶盖2设有三个凸台 凹槽，所述凸台凹槽与刚性小球4限位连接。所述卡扣1上设有螺纹孔，顶盖2通过卡扣1、螺 纹钉9与底座3连接;所述电路板7与计算机相连。
[0020] 所述的三个测力单元与中心连线各成120度角，即呈正三角形分布；底座3上的三 个螺纹孔同样成正三角形的位置关系;每个测力单元和相邻的螺纹孔各成60度角。
[0021] 参见图4所示，本实用新型的每个测力单元是由三个侧面挡板、一个底面挡板和中 间的一个刚性小球4组成。将应变片5粘贴于各挡板8最大应变位置，以提高传感器的灵敏 度。为了测量绕三轴的力矩M r、JWt、，将三个测量单元按照正三角的位置安装（如图3 所示），三个测力单元的是由三个三角卡座6固定在底座3上。测力单元的受力是由顶盖2承 受的足底压力经过刚性小球4传递而来。顶盖2上的圆形凹槽能将顶盖2承受的足底各方向 的压力传递给刚性小球4,以得到应变片5的变形。为了实现顶盖2可以在X、Y和Z方向上的移 动和绕顶盖2中心轴的转动，将足底力传递给刚性小球4,本实施例将底座3和顶盖2设计为 阶梯式间隙对接，三个卡扣1用三个螺纹钉9固定到底座3上，卡扣1和顶盖2之间有一定间 隙，这样既有利于足底压力的传递，也可防止顶盖2与底座3脱离(如图5所示）。电路板7用来 采集、处理和发送数据。经过力的传递过程，根据力的平衡条件得六维力的计算表达式：
[0023] 本实用新型的可穿戴式足底六维力无线传感器系统是由安装了四个六维传感器 的两只鞋的数据采集端和计算机处理端组成。由测力板上所测得的步态足底压力分布图， 可知足底压力聚中出现在足掌和足跟处，而足底中部承受的足底压力较小，所以在测量足 底压力的时候传感器的布位选择在脚掌和足跟两个位置(如图6所示）。传感器受到足底压 力，随之应变片5形变产生的微弱信号由电路板7中的放大电路放大，滤波电路滤波，然后将 采集来的信号经行A/D转化(模拟信号转化为数字信号），最后通过无线传输电路传输给计 算机。计算机根据六维力的计算表达式得出的六维力数据，并对数据处理、储存和显示。
[0024] 以上所述仅为本实用新型的优选实例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领 域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡对本实用新型所作的任何修改、 等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种可穿戴式足底六维力无线传感系统，其特征在于:包括一双鞋、四个六维力传感 器和计算机，其中，每只鞋底设有两组卡位槽，分别位于前脚掌和后脚跟位置，六维传感器 安装在所述卡位槽内，所述六维力传感器包括底座(3)、顶盖(2)、三个测力单元、卡扣（1)、 螺纹钉(9)和电路板(7)，所述测力单元是由刚性小球(4)、四个挡板(8)和四个应变片(5)组 成，所述挡板(8)用于应变片(5)的粘贴和刚性小球(4)的限位;所述底座(3)设有三个螺纹 孔和三个三角卡座（6)，所述测力单元通过三角卡座（6)固定连接在底座（3)上；所述顶盖 (2)设有三个凸台凹槽，所述凸台凹槽与刚性小球(4)限位连接;所述卡扣（1)上设有螺纹 孔，顶盖(2)通过卡扣（1)、螺纹钉(9)与底座(3)连接;所述电路板(7)与计算机相连。2. 根据权利要求1所述的可穿戴式足底六维力无线传感系统，其特征在于:所述的三个 测力单元与中心连线各成120度角，即呈正三角形分布;底座（3)上的三个螺纹孔同样成正 三角形的位置关系;每个测力单元和相邻的螺纹孔各成60度角。
【专利摘要】本实用新型涉及一种可穿戴式足底六维力无线传感系统，属于传感器和足底压力分析领域。六维力传感器安装在卡位槽内，所述六维力传感器包括底座、顶盖、三个测力单元、卡扣等，所述测力单元是由刚性小球、四个挡板和四个应变片组成，所述挡板用于应变片的粘贴和刚性小球的限位；所述底座设有三个螺纹孔和三个三角卡座，所述测力单元通过三角卡座固定连接在底座上；所述顶盖设有三个凸台凹槽，所述凸台凹槽与刚性小球限位连接。优点在于：能有效精确的测量足底压力三个轴向力和绕三个轴向的力矩，六维力传感器的底座和顶盖设计为卡扣式连接，并通过蓝牙模块实现数据的无线传输，使其结构简单、紧凑、成本低。
【IPC分类】A61B5/00, A61B5/103
【公开号】CN205107681
【申请号】CN201520889855
【发明人】刘坤, 李超
【申请人】吉林大学
【公开日】2016年3月30日
【申请日】2015年11月10日