一种基于足底压力的步态检测装置的制作方法

[0001]
本申请涉及机器人技术领域，特别涉及一种基于足底压力的步态检测装置。


背景技术：

[0002]
穿戴式外骨骼机器人可以为人们的下肢提供诸如助力、保护、身体支撑等功能，其融合了传感、控制、信息获取、移动计算等机器人技术，是一种能在操作者的无意识控制下完成助力行走等功能和任务的人机一体化系统。而目前的下肢外骨骼机器人仍面临着诸多问题，比如：在行走过程中，步态相位的不同将引起各助力关节所施加的扭矩不同，需要判别如单腿支撑、单腿摆动、双腿支撑等相位来实施对各关节提供适当的扭矩，如没有足够的步态相位过渡，系统对力矩的分配就会产生突变，从而产生冲击及振动，严重影响用户体验以及行走稳定性。
[0003]
目前通常使用足底传感器来判断人体行走时的步态相位，使用较多的是基于电阻应变计的称重力传感器以及基于压阻效应的薄膜型压力传感器来检测足底压力。基于电阻应变计的称重力传感器精度较好，但是具有合适量程的称重力传感器的体积和重量相对较大，并且是刚性的，不适合布置在足底；基于压阻效应的薄膜型压力传感器的体积和重量较小，可以粘贴在鞋垫下，应用方便，但是由于薄膜型压力传感器是基于柔性电路板制备工艺制作，只能在一维方向上进行一定曲率半径弯曲，并无弹性，导致其在粘贴到鞋子内部后，由于粘贴位置不在鞋底中性层，随着人体的运动，鞋底会弯曲，贴在鞋垫方向的薄膜型压力传感器将承受周期性压应力，极易造成内部导线断裂而使整个传感器失效，使用寿命较短，且薄膜型压力传感器每片初始电阻值和受压后电阻变化值不一致性也较大，并且需要脚掌触地时严格与地面平行，否则将无法测到压力数据，使用条件比较苛刻。
[0004]
此外，由于薄膜型压力传感器厚度很薄，其检测要求压力方向垂直于传感器平面，在薄膜型压力传感器贴在鞋子内部后，如有些人步态有轻微的足内外翻，将使压力方向与传感器平面形成一定角度而使传感器无法检测到信号，会产生步态的误判，增加了检测的困难。
[0005]
基于薄膜型压力传感器压力到达一定阈值后的值作为开关量来与设定好的步态模式进行匹配，由于薄膜型压力传感器出厂时，其电阻值偏差较大，而压力传感器的开关量的使用是基于电阻值的变化量，这就必须在使用压力传感器之前进行逐个进行标定才能使用，否则会出现很大误差，大大增加了使用的难度和工作量。
[0006]
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。


技术实现要素：

[0007]
本申请的目的在于提供一种基于足底压力的步态检测装置，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。
[0008]
为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
[0009]
本申请提供了一种基于足底压力的步态检测装置，所述步态检测装置包括：足底
板、足底气囊和信号处理单元；所述足底板上设置有魔术带，所述魔术带用于将目标对象的脚部固定于所述足底板上；所述足底气囊有多个，多个所述足底气囊互不连通，且在所述足底板的底面上呈矩阵排列；每个所述足底气囊上设有气压检测孔，所述气压检测孔处设置有气压传感器，以对所述目标对象行走过程中所述足底气囊受压变形时，所述足底气囊内的气体压力进行检测；所述信号处理单元位于所述足底板上，与所述气压传感器电连接，用于对所述气压传感器检测到的所述足底气囊的压力信号进行处理。
[0010]
可选地，在本申请的任一实施例中，所述足底板的底面的两端分别设有至少两个所述足底气囊，至少两个所述足底气囊沿第一方向对称布置，其中，所述第一方向为所述目标对象的脚部固定于所述足底板上时的所述脚部的宽度方向。
[0011]
可选地，在本申请的任一实施例中，所述气压传感器设置于所述足底气囊上与所述足底板相接触的一面。
[0012]
可选地，在本申请的任一实施例中，所述足底气囊上还设有第一沉孔，所述第一沉孔与所述气压检测孔同轴，且所述气压传感器设置于所述第一沉孔中。
[0013]
可选地，在本申请的任一实施例中，所述足底板上还设置有多个通气孔，对应的，每个所述足底气囊上还设有充气孔，所述充气孔与所述通气孔相适配，且在所述充气孔处设置有单向阀，以穿过所述通气孔经所述单向阀向述足底气囊充气。
[0014]
可选地，在本申请的任一实施例中，所述足底气囊上还设有第二沉孔，所述第二沉孔与所述充气孔同轴，且所述单向阀设置于所述第二沉孔中。
[0015]
可选地，在本申请的任一实施例中，所述足底气囊上还设置有耐磨片，所述耐磨片与所述足底板分别位于所述足底气囊的相对的两面。
[0016]
可选地，在本申请的任一实施例中，所述足底气囊内的充气压强为50-500千帕。
[0017]
可选地，在本申请的任一实施例中，所述信号处理单元中对接收到的所述足底气囊的压力信号通过无线传输方式进行发送。
[0018]
可选地，在本申请的任一实施例中，所述魔术带包括：足前魔术带和足后魔术带，所述足前魔术带的两端分别通过粘接或螺钉紧固固定于所述足底板的一端；所述足后魔术带的两端分别通过粘接或螺钉紧固固定于所述足底板的另一端。
[0019]
与最接近的现有技术相比，本申请实施例的技术方案具有如下有益效果：
[0020]
本申请实施例提供的基于足底压力的步态检测装置，通过设置在足底板上的魔术带将目标对象的脚部固定在足底板上；使目标对象可以在穿戴自己的鞋子的状态下穿戴该步态检测装置，无需脱鞋，避免了多人穿戴一个步态检测装置可能引起的足部健康问题，而且，穿过后无需消毒，穿戴流程简单。
[0021]
在足底板的底面上设置多个呈矩阵排列的、相互独立互不连通的足底气囊，通过足底气囊的气压检测孔处设置的气压传感器对目标对象在行走过程中足底气囊受压变形时，足底气囊内的气体压力进行检测，并发送至信号处理单元。一方面，由于足底气囊呈矩阵方式排列在足底板上，足底气囊具有一定的厚度，不同的目标对象在行走过程中，针对踝关节的外翻或内翻，布置在足底板上的足底气囊均会受压，足底气囊体积的变化导致足底气囊内的气体压力的变化传递给气压传感器，使步态检测装置不受目标对象的踝关节外翻或内翻的影响，降低了对检测条件的要求；另一方面，足底气囊呈矩阵方式排列在足底板上，气压传感器设置在足底气囊上的气压检测孔处，在目标对象行走过程中，足底气囊的变
形不会带动气压传感器的受力变形，极大的增加了步态检测装置的使用寿命。
附图说明
[0022]
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。其中：
[0023]
图1为根据本申请的一些实施例提供的一种基于足底压力的步态检测装置的结构示意图；
[0024]
图2为根据本申请的一些实施例提供的足底气囊在足底板上的分布示意图；
[0025]
图3为根据本申请的一些实施例提供的足底气囊的结构示意图；
[0026]
图4为根据本申请的一些实施例所示的带有温度补偿的气压传感器的结构示意图；
[0027]
图5为根据本申请的一些实施例所示的信号处理单元的系统示意图；
[0028]
图6为根据本申请的一些实施例提供的足内翻或外翻时足底气囊上气压传感器检测示意图；
[0029]
图7为根据本申请的一些实施例提供的足内翻或外翻时薄膜型压力传感器的检测示意图。
[0030]
附图标记说明：
[0031]
1-耐磨片；2-足底气囊；3-单向阀；4-气压传感器；5-足底板；6-足前魔术带；7-足后魔术带；8-信号处理单元；9-导线；10-充气孔；11-气压检测孔；12-电路模块；13-电池模块；14-通气孔；15-进气孔；16-惰性气体；17-脚部；18-薄膜型压力传感器。
具体实施方式
[0032]
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。各个示例通过本申请的解释的方式提供而非限制本申请。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本申请的范围或精神的情况下，可在本申请中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本申请包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
[0033]
在本申请的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请而不是要求本申请必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。本申请中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0034]
图1为根据本申请的一些实施例提供的一种基于足底压力的步态检测装置的结构示意图；图2为根据本申请的一些实施例提供的足底气囊在足底板上的分布示意图；如图1、图2所示，该步态检测装置包括：足底板5、足底气囊2和信号处理单元8；所述足底板5上设置有魔术带，所述魔术带用于将目标对象的脚部17固定于足底板5上；所述足底气囊2有多个，多个所述足底气囊2互不连通，且在所述足底板5的地面上呈矩阵排列；每个所述足底气囊2
上设有气压检测孔11，所述气压检测孔11处设置有气压传感器4，以对所述目标对象行走过程中所述足底气囊2受压变形时，所述足底气囊2内的气体压力进行检测；所述信号处理单元8位于所述足底板5上，与所述气压传感器4电连接，用于对所述气压传感器4检测到的所述足底气囊2的压力信号进行处理。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
[0035]
在本申请实施例中，通过设置在足底板5上的魔术带将目标对象的脚部17固定在足底板5上；使目标对象可以在穿戴自己的鞋子的状态下穿戴该步态检测装置，无需脱鞋，避免了多人穿戴一个步态检测装置可能引起的足部健康问题，而且，穿过后无需消毒，穿戴流程简单。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
[0036]
在本申请实施例中，在足底板5的底面上设置多个呈矩阵排列的、相互独立互不连通的足底气囊2，通过足底气囊2的气压检测孔11处设置的气压传感器4对目标对象在行走过程中足底气囊2受压变形时，足底气囊2内的气体压力进行检测，并发送至信号处理单元8。由于足底气囊2呈矩阵方式排列在足底板5上，足底气囊2具有一定的厚度，不同的目标对象在行走过程中，针对踝关节的外翻或内翻，布置在足底板5上的足底气囊2均会受压，足底气囊2体积的变化导致足底气囊2内的气体压力的变化传递给气压传感器4，使步态检测装置不受目标对象的踝关节外翻或内翻的影响，降低了对检测条件的要求。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
[0037]
在本申请实施例中，气压传感器4的进气孔15与气压检测孔11相连通，使气压传感器4的芯片内置于足底气囊2中，足底气囊2呈矩阵方式排列在足底板5上，在目标对象行走过程中，足底气囊2于地面接触受压，导致足底气囊2变形引起气压变化，足底气囊2的变形不会带动气压传感器4的受力变形，极大的增加了步态检测装置的使用寿命。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
[0038]
在本申请实施例中，每个足底气囊2上均设置一个气压传感器4，该气压传感器4与信号处理单元8电连接，将该足底气囊2中气体的压力信号传递给信号处理单元8；由于气压传感器4的一致性较好，使用前不需要像薄膜型压力传感器18一样进行逐个标定，有效的降低了步态检测装置的使用难度和工作量。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
[0039]
在本申请实施例中，气压传感器4也可以通过粘接方式连接于足底气囊2的上部，且气压传感器4的进气孔15与足底气囊2的气压检测孔11相连通。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
[0040]
在一些可选实施例中，所述足底板5的底面的两端分别设有至少两个所述足底气囊2，至少两个所述足底气囊2沿第一方向对称布置，其中，所述第一方向为所述目标对象的脚部17固定于所述足底板5上时所述脚部17的宽度方向。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
[0041]
在本申请实施例中，多个足底气囊2在足底板5上呈矩阵方式排列，在足底板5的底面两端，即目标对象的脚部17的长度方向上，足前脚掌对应处至少设置两个沿脚部17宽度方向对称布置的足底气囊2，足跟对应处至少设置两个沿脚部17宽度方向对称布置的足底气囊2。籍此，对不同目标对象的踝关节的外翻或内翻，呈矩阵排列的足底气囊2均有相应的足底气囊2受压变形，实现对不同走路姿态的目标对象的有效检测。可以理解的是，以上描
述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
[0042]
在本申请实施例中，足底气囊2按照矩阵方式分布于足底板5的底面，并通过粘接方式连接于足底板5的底面，多个足底气囊2(比如：4到100个)沿目标对象的脚部17的宽度方向，在足跟和足前掌至少设置2排足底气囊2，在脚部17的长度方向，至少设置两排足底气囊2，各足底气囊2互不连通，彼此独立，每个足底气囊2内充入惰性气体16的压强为50-500千帕(例如50千帕、100千帕、150千帕、200千帕、300千帕、450千帕或者500千帕)。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
[0043]
在一些可选实施例中，气压传感器4设置于足底气囊2上于足底板5相接触的一面。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
[0044]
在本申请实施例中，将气压传感器4设置在足底气囊2的上部，即气压传感器4位于足底气囊2和足底板5之间，籍此，在目标对象行走过程中，足底气囊2受压变形，不会对气压传感器4造成变形，相比于薄膜型压力传感器18，极大的增加了使用寿命。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
[0045]
图3为根据本申请的一些实施例提供的足底气囊2的结构示意图；如图3所示，所述足底气囊2上还设有第一沉孔，所述第一沉孔与所述气压检测孔11同轴，且所述气压传感器4设置与所述第一沉孔中。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
[0046]
在本申请实施例中，第一沉孔与气压检测孔11同轴，通过将气压传感器4安装在第一沉孔中，且位于足底气囊2的上部，使足底气囊2于足底板5连接时，可以有效的避免对气压传感器4造成的影响。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
[0047]
在本申请实施例中，将气压传感器4置于第一沉孔中，足底气囊2在受压变形时，可以有效的避免气压传感器4受压变形，提高气压传感器4的使用寿命。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
[0048]
在本申请实施例中，由第一沉孔和气压检测孔11组成的部分的轴截面为t型，籍此，气压传感器4位于t型结构上方的第一沉孔中，气压传感器4的芯片通过气压检测孔11内置于足底气囊2中，使得对气压传感器4形成有效保护。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
[0049]
在一些可选实施例中，所述足底板5上还设置有多个通气孔14，对应的，每个所述足底气囊2上还设有充气孔10，所述充气孔10与所述通气孔14相适配，且在所述充气孔10处设置有单向阀3，以穿过所述通气孔14经所述单向阀3向所述足底气囊2充气。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
[0050]
在本申请实施例中，足底板5上开设的通气孔14的数量与足底气囊2的数量相同，通气孔14的位置与单向阀3的位置一致，以穿过通气孔14经单向阀3向足底气囊2中充气。单向阀3可以穿过足底气囊2上的充气孔10粘接在足底气囊2的上部。籍此，可以及时的对足底气囊2中的压力进行控制，保证足底气囊2中压力检测的准确性。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
[0051]
在一具体的例子中，所述足底气囊2上还设有第二沉孔，所述第二沉孔与所述充气孔10同轴，且所述单向阀3设置于所述第二沉孔中。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，
本申请实施例对此并不进行限定。
[0052]
在本申请实施例中，通过将单向阀3设置在第二沉孔中，使足底气囊2于足底板5连接时，可以有效的避免对单向阀3造成的影响。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
[0053]
在本申请实施例中，第二沉孔和充气孔10组成的部分的轴截面为t型，籍此，单向阀3位于t型结构上方的第二沉孔中，在足底气囊2受压变形时，单向阀3不会受到压力而产生变形，有效延长了单向阀3的使用寿命。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
[0054]
在本申请实施例中，穿过足底板5上的通气孔14，经过单向阀3向足底气囊2中充入惰性气体16，由于单向阀3的作用，足底气囊2中的惰性气体16难以通过充气孔10向外泄露，有效保证了足底气囊2的密闭性。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
[0055]
在本申请实施例中，足底气囊2可通过注塑工艺加工而成，单向阀3、气压传感器4均可以在足底气囊2注塑过程中，置于足底气囊2的注塑磨具中，直接有注塑材料包覆。即足底气囊2注塑完成后，单向阀3、气压传感器4就包覆于足底气囊2中。籍此，有效的提高加工效率，减少制造工序。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
[0056]
在一些可选实施例中，所述足底气囊2上还设有耐磨片1，所述耐磨片1与所述足底板5分别位于所述足底气囊2的相对的两面。籍此，在目标对象行走过程中，避免足底气囊2直接与地面接触摩擦，对足底气囊2形成有效保护。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
[0057]
图4为根据本申请的一些实施例所示的带有温度补偿的气压传感器4的结构示意图；如图4所示，气压传感器4为带温度补偿的传感器，以有效消除环境温度的变化(升高或降低)导致的足底气囊2中的压力变化，给压力信号检测带来的影响，提高压力检测的准确性和有效性。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
[0058]
在一些可选实施例中，所述信号处理单元8对接收到的所述足底气囊2的压力信号通过无线传输方式进行发送。籍此，在目标对象行走过程中，可以实时的将各检测到的各足底气囊2的压力信号发送给接收设备，以便对压力信号进行分析，确定目标对象的步态相位。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
[0059]
图5为根据本申请的一些实施例所示的信号处理单元8的系统示意图；如图5所示，信号处理单元8中设置有电路模块12和电池模块13，电路模块12通过导线9与气压传感器4电连接，用于将接收到的足底气囊2的压力信号通过无线传输方式发送给接收设备，电池模块13用于向电路模块12供电。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
[0060]
在本申请实施例中，根据气压传感器4的量程和精度，可以确定气压传感器4的最小检测能力，根据最小检测能力可以将气压传感器4分为n个压力检测区间，其中，n为正整数，n的最大取值为气压传感器4的量程与最小检测能力的比值。由于多个足底气囊2在足底板5上呈矩阵排列，因而，根据足底气囊2在足底板5上，沿程度方向的分布行数(假设m行，m为正整数，m大于等于2)，可以定义步态相位模式的数量为n
×
m种。在目标对象行走过程中，
气压传感器4对足底气囊2内的压力进行实时检测得到的压力信号为模拟量，通过沿着足底宽度方向的每一排气压传感器4的压力值的均值与定义的步态模式相匹配，可以计算出此时目标对象的步态相位。而传统的，气压传感器4在使用单一开关量的情况下，步态相位模式的数量仅为m种，对足底气囊2的压力变化的分辨能力较低。因而，使用模拟量对足底气囊2的压力变化进行实时检测，根据需要将气压传感器4分为多个压力检测区间，可以有效的提高目标对象的步态检测的精度，使步态检测装置的适应性更强。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
[0061]
在一些可选实施例中，所述魔术带包括：足前魔术带6和足后魔术带7，所述足前魔术带6的两端分别通过粘接或螺钉紧固固定于所述足底板5的一端；所述足后魔术带7的两端分别通过粘接或螺钉紧固固定于所述足底板5的另一端。籍此，可以有效快捷的将目标对象的脚部17固定在足底板5上，对不同目标对象进行测试时，也无需目标对象脱鞋，即方便穿戴，也避免了足部卫生问题。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
[0062]
本申请实施例的基于足底压力的步态检测装置，一方面，通过足底气囊2的变形检测足底压力，结构紧凑、质量轻、功耗低、使用寿命长，能够较好的用于检测外骨骼机器人在随目标对象行走过程中的步态相位，从而可以有效精准地分配外骨骼机器人各关节力矩，实现外骨骼机器人的柔顺控制；另一方面，在目标对象行走过程中，由于足底气囊2的缓冲作用，使得目标对象在行走时具有较好的缓冲作用，避免目标对象的关节损伤；再一方面，由于足底气囊2的变形特性，使的步态检测装置与地面接触时，即使与地面有一定的倾斜角度，足底气囊2的变形亦可使惰性气体16在足底气囊2内流动，从而检测出足底气囊2内的压力变化(如图6所示)，实现薄膜型压力传感器18无法有效测量足部与地面有倾角状态下足底压力的功能(如图7所示)，能够具有更好的环形适应性。可以理解的是，以上描述仅为示例性的，本申请实施例对此并不进行限定。
[0063]
以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。