一種足底壓力傳感鞋及壓力檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種足底壓力傳感鞋及壓力檢測方法，其具有一平板狀足底托板并構(gòu)成可套穿的鞋套；側(cè)圍狀鞋底板按足底托板的外輪廓形狀設(shè)置，側(cè)圍板的頂邊與足底托板的邊緣以各彈性梁相連接，彈性梁上設(shè)置敏感元件構(gòu)成傳感單元，以側(cè)圍狀鞋底板對足底托板在邊緣形成側(cè)圍支撐；在足底托板不同區(qū)域中分布受力點，在受力點上加載力，由敏感元件獲得應(yīng)變檢測信號，以此建立數(shù)學(xué)模型對檢測裝置進行標(biāo)定；針對足底托板上被測力，檢測獲得各彈性梁上敏感元件應(yīng)變檢測信號，利用數(shù)學(xué)模型獲得足底托板上被測力的分布情況。本發(fā)明可用于檢測足底力大小及分布情況，為不同步態(tài)的分析、臨床醫(yī)學(xué)上的疾患診斷和療效評價，以及為體育訓(xùn)練方案等提供依據(jù)。
【專利說明】
-種足底壓力傳感鞋及壓力檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于康復(fù)運動訓(xùn)練儀器技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說尤其設(shè)及一種足底壓力傳感 鞋及壓力檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 足部作為重要生物力學(xué)信息，其重要性越來越受到關(guān)注，通過測量和分析足底的 壓力，從而獲得足底壓力分布情況，對于W及臨床醫(yī)學(xué)上的疾病診斷和疾患程度的測定、術(shù) 后療效評價、生物力學(xué)及康復(fù)救治等有著重要的意義，也為科學(xué)制定體育訓(xùn)練方案，W及各 種功能鞋的設(shè)計提供重要依據(jù)。目前，足底力測量主要為測力平臺，測力板W及壓力鞋和壓 力鞋墊。測力平臺及測力板，裝置復(fù)雜，價格昂貴，占用空間大，不適合測量不同步態(tài)形式下 的足底力及分布情況;壓力鞋和壓力鞋墊大多是將傳感器置于鞋或鞋墊內(nèi)。關(guān)于足底壓力 鞋W及壓力檢測方法迄今未見相關(guān)的公開報導(dǎo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，提供一種足底壓力傳感鞋及壓力檢 測方法，用于獲得在走路、爬臺階等不同步態(tài)下的足底力的大小及分布情況，為不同步態(tài)分 析，臨床醫(yī)學(xué)上的疾患診斷和療效評價，W及為體育訓(xùn)練方案等提供依據(jù)。
[0004] 本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：
[0005] 本發(fā)明足底壓力傳感鞋的特點是具有：
[0006] -平板狀足底托板，在所述足底托板上連帶有后跟擋板和鞋幫，構(gòu)成可套穿的鞋 套形式;被測的一只腳穿在鞋套中并立足于足底托板的確定位置上，所述確定位置是指在 所述足底托板上按如下方式劃分各區(qū)域:第一趾骨區(qū)、第Ξ至第五趾骨區(qū)、巧骨區(qū)W及足跟 部，所述巧骨區(qū)包含第一巧骨區(qū)、第二巧骨區(qū)W及第Ξ至第五巧骨區(qū)；所述足跟部劃分為足 跟內(nèi)側(cè)區(qū)和足跟外側(cè)區(qū)，令:第一趾骨所在側(cè)為足底托板第一側(cè)，第五趾骨所在側(cè)為足底托 板第二側(cè)；
[0007] -側(cè)圍狀鞋底板，所述鞋底板是按足底托板的外輪廓形狀設(shè)置的呈直立的側(cè)圍 板，所述側(cè)圍板的頂邊與足底托板的邊緣W不同位置上的各彈性梁相連接，在所述彈性梁 上設(shè)置的敏感元件構(gòu)成傳感單元，所述可套穿的鞋套是W側(cè)圍狀鞋底板對足底托板在邊緣 形成側(cè)圍支撐，使足底托板呈懸空。
[000引本發(fā)明足底壓力傳感鞋的壓力檢測方法的特點是：
[0009] 步驟a、在所述足底托板(24)的不同區(qū)域中分布受力點，在受力點上加載垂直于底 板的力[F]，由各彈性梁上的敏感元件獲得應(yīng)變檢測信號[ε];根據(jù)受力點上加載力[F]，W 及各應(yīng)變檢測信號[ε ]建立數(shù)學(xué)模型為：[C] X [F] = [ ε ]，完成對傳感單元的標(biāo)定，并獲得常 數(shù)矩陣[C];
[0010] 步驟b、針對足底托板上的被測力，檢測獲得各彈性梁上的敏感元件的應(yīng)變檢測信 號，利用所述數(shù)學(xué)模型獲得足底托板上的被測力的分布情況。
[0011] 本發(fā)明足底壓力傳感鞋的壓力檢測方法的特點也在于設(shè)置所述傳感單元中設(shè)置 的各彈性梁分別是：
[0012] 位于足底托板第一側(cè)，對應(yīng)于第一趾骨區(qū)所在位置的足底托板邊緣上的第一梁；
[0013] 位于足底托板第一側(cè)，對應(yīng)于巧骨區(qū)所在位置的足底托板邊緣上間隔的第二梁和 第Ξ梁；
[0014] 位于足底托板第二側(cè)，對應(yīng)于第Ξ至第五趾骨區(qū)所在位置的足底托板邊緣上的第 四梁；
[0015] 位于足底托板第二側(cè)，對應(yīng)于巧骨區(qū)所在位置的足底托板邊緣上的第五梁；
[0016] 位于足底托板第一側(cè)，對應(yīng)于足跟內(nèi)側(cè)區(qū)所在位置的足底托板邊緣上的第六梁；
[0017] 位于足底托板第二側(cè)，對應(yīng)于足跟外側(cè)區(qū)所在位置的底板邊緣上的第屯梁；
[0018] 位于足底托板邊緣的上頂端中屯、位置的第八梁；
[0019] 并有:第一敏感元件對稱布置在第一梁的頂面和底面，第二敏感元件對稱布置在 第二梁的頂面和底面，第Ξ敏感元件對稱布置在第Ξ梁的頂面和底面，第四敏感元件對稱 布置在第四梁的頂面和底面，第五敏感元件對稱布置在第五梁的頂面和底面，第六敏感元 件對稱布置在第六梁的頂面和底面，W及第屯敏感元件對稱布置在第屯梁的頂面和底面， 所述第八梁是作為支撐梁。
[0020] 本發(fā)明足底壓力傳感鞋的壓力檢測方法的特點也在于：
[0021] 設(shè)定所述被測力為：作用力點處在第一趾骨頭位置的作用力Fi、處在第一巧骨頭 位置的作用力F2、處在第二巧骨頭位置的作用力的、處在第Ξ至第五趾骨區(qū)中屯、位置的作用 力F4、處在第Ξ到五巧骨區(qū)中屯、位置的作用力Fs、處在足跟內(nèi)側(cè)區(qū)的作用力F6，W及處在足 跟外側(cè)區(qū)的作用力F7;
[0022] 按步驟a、在所述足底托板上對應(yīng)于被測力所在區(qū)域一一對應(yīng)分布屯個受力點，在 受力點上加載垂直于底板的力[門，由各彈性梁上的敏感元件獲得應(yīng)變檢測信號[ε];根據(jù) 受力點上加載力[F]，W及各應(yīng)變檢測信號[ε]建立數(shù)學(xué)模型為：[C]X[F] = [ε]，完成對傳 感單元的標(biāo)定，并獲得7 X 7的常數(shù)矩陣[C];
[0023] 按步驟巧擁式(1)計算獲得各作用力Fi、F2、F3、F4、朽、朽和F?為
[0024] 式（1)中，[C]-i為7 X 7常數(shù)矩陣[C]的逆矩陣；
[0025] 61、62、63、64、6日、66和67分別為第一敏感元件、第二敏感元件、第^敏感元件、第四 敏感元件、第五敏感元件、第六敏感元件和第屯敏感元件檢測獲得的應(yīng)變信號。
[00%]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：
[0027] 1、本發(fā)明通過對人體在不同步態(tài)下的足底壓力分布進行檢測，可W為步態(tài)分析、 臨床醫(yī)學(xué)上的疾患診斷和療效評價，W及為體育訓(xùn)練方案等提供可靠依據(jù)；
[0028] 2、本發(fā)明通過檢測各梁上的應(yīng)變及建立的數(shù)學(xué)模型獲得檢測結(jié)果，方法簡單可 靠；
[0029] 3、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，方便穿戴，可W分別實現(xiàn)靜態(tài)和動態(tài)檢測。
【附圖說明】
[0030] 圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031 ]圖2為本發(fā)明中各彈性梁分布示意圖；
[0032] 圖中標(biāo)號：1第一梁，2第二梁，3第Ξ梁，4第四梁，5第五梁，6第六梁，7第屯梁，8第 八梁，21被測腳，22后跟擋板，23鞋底板，24足底托板，25鞋幫。
【具體實施方式】
[0033] 參見圖1和圖2,本實施例中足底壓力傳感鞋具有：
[0034] 一平板狀足底托板24,在足底托板24上連帶有后跟擋板22和鞋幫25,構(gòu)成可套穿 的鞋套形式;被測腳21穿在鞋套中并立足于足底托板24的確定位置上，確定位置是指在足 底托板24上按如下方式劃分各區(qū)域:第一趾骨區(qū)、第Ξ至第五趾骨區(qū)、巧骨區(qū)W及足跟部， 巧骨區(qū)包含第一巧骨區(qū)、第二巧骨區(qū)W及第Ξ至第五巧骨區(qū)；足跟部劃分為足跟內(nèi)側(cè)區(qū)和 足跟外側(cè)區(qū)，令:第一趾骨所在側(cè)為足底托板第一側(cè)，第五趾骨所在側(cè)為足底托板第二側(cè)；
[0035] 一側(cè)圍狀鞋底板23,鞋底板23是按足底托板24的外輪廓形狀設(shè)置的呈直立的側(cè)圍 板，側(cè)圍板的頂邊與足底托板24的邊緣W不同位置上的各彈性梁相連接，在彈性梁上設(shè)置 的敏感元件構(gòu)成傳感單元，可套穿的鞋套是W側(cè)圍狀鞋底板23對足底托板24在邊緣形成側(cè) 圍支撐，使足底托板24呈懸空。
[0036] 本實施例中足底壓力傳感鞋的壓力檢測方法是：
[0037] 步驟a、在足底托板24的不同區(qū)域中分布受力點，在受力點上加載垂直于底板的力 [門，由各彈性梁上的敏感元件獲得應(yīng)變檢測信號[ε];根據(jù)受力點上加載力[門，W及各應(yīng) 變檢測信號[ε ]建立數(shù)學(xué)模型為：[C] X [F] = [ ε ]，完成對傳感單元的標(biāo)定，并獲得常數(shù)矩陣 [C];
[0038] 在足底托板的不同區(qū)域中分布受力點，通過軟件ansys wor化ench多次分別對運 些受力點加載力，得到梁的應(yīng)變，并求其平均值。根據(jù)梁上應(yīng)變與加載力的關(guān)系，建立數(shù)學(xué) 模型[C]X[F] = [ε]，其中[C]為常數(shù)矩陣，[F]為力矩陣，[ε]為應(yīng)變矩陣。常數(shù)矩陣[C]可W 通過軟件仿真標(biāo)定得到，也可通過實驗標(biāo)定得到。
[0039] 步驟b、針對足底托板24上的被測力，檢測獲得各彈性梁上的敏感元件的應(yīng)變檢測 信號，利用所述數(shù)學(xué)模型獲得足底托板24上的被測力的分布情況。
[0040] 具體實施中，為了獲得人體足部各個區(qū)域-第一趾骨區(qū)、第Ξ到五趾骨區(qū)、第一巧 骨區(qū)、第二巧骨區(qū)、第Ξ至第五巧骨區(qū)、足跟內(nèi)側(cè)W及足跟外側(cè)區(qū)的受力分布，設(shè)置傳感單 元中設(shè)置的各彈性梁分別是：
[0041] 位于足底托板第一側(cè)，對應(yīng)于第一趾骨區(qū)所在位置的足底托板邊緣上的第一梁1;
[0042] 位于足底托板第一側(cè)，對應(yīng)于巧骨區(qū)所在位置的足底托板邊緣上間隔的第二梁2 和第Ξ梁3;
[0043] 位于足底托板第二側(cè)，對應(yīng)于第Ξ至第五趾骨區(qū)所在位置的足底托板邊緣上的第 四梁4;
[0044] 位于足底托板第二側(cè)，對應(yīng)于巧骨區(qū)所在位置的足底托板邊緣上的第五梁5;
[0045] 位于足底托板第一側(cè)，對應(yīng)于足跟內(nèi)側(cè)區(qū)所在位置的足底托板邊緣上的第六梁6;
[0046] 位于足底托板第二側(cè)，對應(yīng)于足跟外側(cè)區(qū)所在位置的底板邊緣上的第屯梁7;
[0047] 位于足底托板邊緣的上頂端中屯、位置的第八梁8;
[0048] 并有:第一敏感元件對稱布置在第一梁1的頂面和底面，第二敏感元件對稱布置在 第二梁2的頂面和底面，第Ξ敏感元件對稱布置在第Ξ梁3的頂面和底面，第四敏感元件對 稱布置在第四梁4的頂面和底面，第五敏感元件對稱布置在第五梁5的頂面和底面，第六敏 感元件對稱布置在第六梁6的頂面和底面，W及第屯敏感元件對稱布置在第屯梁7的頂面和 底面，所述第八梁8是作為支撐梁。
[0049] 設(shè)定被測力為：作用力點處在第一趾骨頭位置的作用力Fi、處在第一巧骨頭位置 的作用力F2、處在第二巧骨頭位置的作用力F3、處在第Ξ至第五趾骨區(qū)中屯、位置的作用力 F4、處在第Ξ到五巧骨區(qū)中屯、位置的作用力Fs、處在足跟內(nèi)側(cè)區(qū)的作用力F6，W及處在足跟 外側(cè)區(qū)的作用力F7。
[0050] 按步驟a、在足底托板24上對應(yīng)于被測力所在區(qū)域一一對應(yīng)分布屯個受力點，在受 力點上加載垂直于底板的力[門，由各彈性梁上的敏感元件獲得應(yīng)變檢測信號[ε];根據(jù)受 力點上加載力[門，W及各應(yīng)變檢測信號[ε]建立數(shù)學(xué)模型為：[C]X[F] = [ε]，完成對傳感 單元的標(biāo)定，并獲得7 X 7的常數(shù)矩陣[C]。
[005。 按步驟b利用式(1)計算獲得各作用力打術(shù)兩擊4、朽爪和尸7為
[0052] 式（1)中，[C]-i為7X7常數(shù)矩陣[C]的逆矩陣；
[0053] 61、62、63、64、6日、66和67分別為第一敏感元件、第二敏感元件、第^敏感元件、第四 敏感元件、第五敏感元件、第六敏感元件和第屯敏感元件檢測獲得的應(yīng)變信號。
[0054] 對于本發(fā)明的使用，患者可像穿戴普通鞋一樣，穿上本實施例中足底壓力傳感鞋 進行康復(fù)訓(xùn)練，其測力部分置于鞋內(nèi)，可方便測得患者在各種訓(xùn)練狀態(tài)下的足底壓力的大 小及分布。
【主權(quán)項】
1. 一種足底壓力傳感鞋，其特征是具有： 一平板狀足底托板(24)，在所述足底托板(24)上連帶有后跟擋板(22)和鞋幫（25)，構(gòu) 成可套穿的鞋套形式;被測的一只腳穿在鞋套中并立足于足底托板(24)的確定位置上，所 述確定位置是指在所述足底托板(24)上按如下方式劃分各區(qū)域:第一趾骨區(qū)、第三至第五 趾骨區(qū)、跖骨區(qū)以及足跟部，所述跖骨區(qū)包含第一跖骨區(qū)、第二跖骨區(qū)以及第三至第五跖骨 區(qū)；所述足跟部劃分為足跟內(nèi)側(cè)區(qū)和足跟外側(cè)區(qū)，令:第一趾骨所在側(cè)為足底托板第一側(cè)， 第五趾骨所在側(cè)為足底托板第二側(cè)； 一側(cè)圍狀鞋底板(23)，所述鞋底板(23)是按足底托板(24)的外輪廓形狀設(shè)置的呈直立 的側(cè)圍板，所述側(cè)圍板的頂邊與足底托板(24)的邊緣以不同位置上的各彈性梁相連接，在 所述彈性梁上設(shè)置的敏感元件構(gòu)成傳感單元，所述可套穿的鞋套是以側(cè)圍狀鞋底板(23)對 足底托板(24)在邊緣形成側(cè)圍支撐，使足底托板(24)呈懸空。2. -種權(quán)利要求1所述的足底壓力傳感鞋的壓力檢測方法，其特征是： 步驟a、在所述足底托板(24)的不同區(qū)域中分布受力點，在受力點上加載垂直于底板的 力[F]，由各彈性梁上的敏感元件獲得應(yīng)變檢測信號[ε];根據(jù)受力點上加載力[F]，以及各 應(yīng)變檢測信號[ε ]建立數(shù)學(xué)模型為：[C] X [F] = [ ε ]，完成對傳感單元的標(biāo)定，并獲得常數(shù)矩 陣[C]; 步驟b、針對足底托板(24)上的被測力，檢測獲得各彈性梁上的敏感元件的應(yīng)變檢測信 號，利用所述數(shù)學(xué)模型獲得足底托板(24)上的被測力的分布情況。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的足底壓力傳感鞋的壓力檢測方法，其特征是設(shè)置所述傳感單 元中設(shè)置的各彈性梁分別是： 位于足底托板第一側(cè)，對應(yīng)于第一趾骨區(qū)所在位置的足底托板邊緣上的第一梁（1); 位于足底托板第一側(cè)，對應(yīng)于跖骨區(qū)所在位置的足底托板邊緣上間隔的第二梁（2)和 第三梁(3); 位于足底托板第二側(cè)，對應(yīng)于第三至第五趾骨區(qū)所在位置的足底托板邊緣上的第四梁 (4)； 位于足底托板第二側(cè)，對應(yīng)于跖骨區(qū)所在位置的足底托板邊緣上的第五梁(5); 位于足底托板第一側(cè)，對應(yīng)于足跟內(nèi)側(cè)區(qū)所在位置的足底托板邊緣上的第六梁(6); 位于足底托板第二側(cè)，對應(yīng)于足跟外側(cè)區(qū)所在位置的底板邊緣上的第七梁(7); 位于足底托板邊緣的上頂端中心位置的第八梁(8); 并有:第一敏感元件對稱布置在第一梁（1)的頂面和底面，第二敏感元件對稱布置在第 二梁(2)的頂面和底面，第三敏感元件對稱布置在第三梁(3)的頂面和底面，第四敏感元件 對稱布置在第四梁(4)的頂面和底面，第五敏感元件對稱布置在第五梁(5)的頂面和底面， 第六敏感元件對稱布置在第六梁(6)的頂面和底面，以及第七敏感元件對稱布置在第七梁 (7)的頂面和底面，所述第八梁(8)是作為支撐梁。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的足底壓力傳感鞋的壓力檢測方法，其特征是： 設(shè)定所述被測力為:作用力點處在第一趾骨頭位置的作用力Fi、處在第一跖骨頭位置的 作用力F2、處在第二跖骨頭位置的作用力F3、處在第三至第五趾骨區(qū)中心位置的作用力F 4、 處在第三到五跖骨區(qū)中心位置的作用力F5、處在足跟內(nèi)側(cè)區(qū)的作用力F6,以及處在足跟外側(cè) 區(qū)的作用力F7; 按步驟a、在所述足底托板(24)上對應(yīng)于被測力所在區(qū)域一一對應(yīng)分布七個受力點，在 受力點上加載垂直于底板的力[F]，由各彈性梁上的敏感元件獲得應(yīng)變檢測信號[ε];根據(jù) 受力點上加載力[F]，以及各應(yīng)變檢測信號[ε]建立數(shù)學(xué)模型為：[(：]\[?] = [￡]，完成對傳 感單元的標(biāo)定，并獲得7 X 7的常數(shù)矩陣[C];按步驟b利用式(1)計算獲得各作用力 式(1)中，[Cr1為7 X 7常數(shù)矩陣[C]的逆矩陣； ￡1、￡2、￡3、￡4、￡5、 ￡6和￡7分別為第一敏感元件、第二敏感元件、第三敏感元件、第四敏感元 件、第五敏感元件、第六敏感元件和第七敏感元件檢測獲得的應(yīng)變信號。
【文檔編號】G01L5/00GK105919217SQ201610451004
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月17日
【發(fā)明人】王勇, 胡保華, 張方雙, 張秀鋒, 何淩立, 趙鵬鵬
【申請人】合肥工業(yè)大學(xué)