[发明专利]一种可穿戴足底阵列式三维测力系统

说明书

本发明属于一种可穿戴足底阵列式三维测力系统，所述的可穿戴足底阵列式三维测力系统设置有三维力传感器单元，三维力传感器单元包括十字梁、十字梁中部的受力杆和十字梁四端的固定端，受力杆与固定端之间的十字梁上表面设置有应变片，十字梁下表面设置有应变片；本发明提供的可穿戴足底阵列式三维测力系统的三维力传感器单元的固定端首尾相连进行共用时，结构紧凑，阵列密集，可以对足底各个区域进行三维力的精细检测，同时，该结构通过合理的布置压阻参数和组桥方式，提高测量精度，减少了电路的复杂性，使得三个方向的力的完全解耦，消除了三个纬度的力或位移之间的交叉干扰问题。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种可检测人体在行走过程中足底各区域的多点、三维受力全息数据的可穿戴足底阵列式三维测力系统。

背景技术

足部作为人体站立、步行时唯一同地面接触的器官，其作用包括支撑体重、缓冲、推动身体向各方向运动、调节及维持人体的平衡等，因此，对人体的姿势控制能力起着非常重要的作用。身体姿势偏离正常状态时，足底同地面的接触分区及其各个方向的受力也将发生变化，足底受力恢复稳定的过程是人体平衡功能的一种较为公认的评价内容。同时，足底的受力状态直接影响着近端髋、膝、踝的运动，其受力变化表征了人体姿势变化的过程，是静态及动态姿势变化最明显的参数。目前，常用测力台、测力平板来了解姿势控制调节中人体受力特征和平衡状况，无法在日常活动中对足底受力状况进行连续测量和分析，而传统的测力鞋/鞋垫则主要针对足底垂直方向压力进行测量。因此，利用可穿戴式三维足底测力系统，可对人体在自然状态及日常活动中，对其足底与支撑面的足底各个分区的三维受力进行全息测量、连续记录和分析，获取人体姿态变化乃至全身的生理、结构及功能等方面的大量信息，对人体静态及动态姿势及生理功能的研究，有着重要意义。

目前，国内外常用的测量及评价足底受力及压力分布三种仪器是测力台、压力平板、测力鞋及鞋垫系统。测力台可用来测量人体足部对地面作用的集中矢量力，其力学敏感单元的设计和加工技术相对成熟。基于足底的测力台在国内外的相关产品都很多。如英国SMS Healthcare的Balance performance monitor，美国Micro Medical Tech.的SportKat和BalanceQuest，美国NeuroCom Inc的Balance Master和EquiTest，法国Synapsys的SYNAPSYS platform，以色列的Tetrax系统。具有代表性的产品是KISTLER(瑞士)和AMTI(美国)测力台两大测量系统。测力台的优点是测量精度高，数据可靠性高，能测量前后、左右及垂直方向上的三维受力。缺点是具有一定的电延迟性，不利于进行动态、实时测量，同时，它无法对足底进行分区测量、不具备对不同下肢病变和解剖结构的区分度，从而难以探究足底各部位在不同状态下的生物力学特征。

压力平板则通过阵列排布的触觉传感器实现对压强的测量，可以表现出足底接触面的分布压力和接触形状。这一测量过程相当于多个触觉传感器分别测量对应区域的压强。基于足底分布力的足底测量系统主要有比利时Rsscan公司的平板系统，美国TEKSCAN公司的F-Scan系统，德国Novel公司的Pedar-X测量系统等。它们可以记录其表面所承受的静态和动态压力。其不足之处在于只能测量一维数据，且测量的精确度和可靠性稍逊于测力台。另外，测力台和压力平板由于其体积大、重量沉、不宜携带，所以只能测量站立时、或步行一步的步态参数，不能测量连续步态下的足底压力分布，无法在自然环境中如室外、日常活动进行检测，这样就限制了其使用范围。