一种测量足底三维应力状态的便捷式鞋垫的制作方法

本发明涉及足底应力检测技术领域，是一种可精准测量足底应力大小，方向和分布的便捷式鞋垫。

背景技术：

每个人脚的形状都不尽相同，走路的姿势习惯和用力点也不一样。在走路的过程中，脚具有支撑身体，保持平衡的作用，并且在离地前脚掌对地施加一个力从而获得一个反作用力作为动力，在落地时则要用脚掌承受一个冲击力，因此，对足底受力研究具有现实意义。若我们把不同运动状态下足底受力情况研究透彻，将为制鞋方面、体育运动方面、健康方面提供依据。如利用本发明测得的数据量身打造一双鞋，可以让人运动时更舒适，避免一些不合适的鞋子对脚的伤害，并且可以降低运动员因鞋子而引起的发挥失误和生理病变。现有关于足底应力测量方面的技术多将采集单元理想化为点，只能测出足底单方向应力，不能对足底应力精确的进行大小和方向的分析。而本发明不仅实现了对垂直足底方向的应力的检测，也实现了平行足底方向应力的检测，最终测出受力点空间三维方向上应力的大小与方向。同时此发明具有技术简便、灵活的特点。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种测量足底应力大小，方向，分布的便捷式鞋垫，能够解决现有测量装置结构复杂且无法有效测量出实际应力的大小及方向的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：提供一种测量足底三维应力状态的便捷式鞋垫，其特征在于采用组合分层结构，包括pvc薄膜、填充层、第一至第九应力采集单元、无线传输装置。

应力采集单元由压电陶瓷片和直角应变花组合构成，其结构形式是：应变花在上，中间为0.5mm厚度的pvc薄膜，底部是直径9mm的压电陶瓷片，他们之间用粘合剂粘合。

应力采集单元粘贴在pvc薄膜（10）上，通过导线与无线传输装置连接。

pvc薄膜（10）为鞋垫的样式。

所述的直角应变花的系数为2.11。所述的压电陶瓷片直径为9mm。

所述pvc薄膜（10）的厚度为1.25mm，密度为1.30。

应力采集单元（1）粘贴在鞋垫的样式pvc薄膜（10）上，与足底第一趾骨对应。

应力采集单元（2）（3）（4）（5）粘贴在鞋垫样式pvc薄膜上与足底沿斜方肌对应处。

应力采集单元（6）粘贴在鞋垫样式pvc薄膜（10）上与足底前脚掌足弓外侧对应处。

应力采集单元（7）粘贴在鞋垫样式pvc薄膜（10）上与足底后脚掌足弓外侧对应处。

应力采集单元（8）粘贴在鞋垫样式pvc薄膜（10）上与足底足跟对应处。

应力采集单元（9）粘贴在鞋垫样式pvc薄膜（10）上与足底足跟内侧对应处。

粘贴应力采集单元：在pvc薄膜（10）上作xy坐标轴，直角应变花0°与x轴垂直，90°与y轴垂直。

pvc薄膜（10）边缘用热熔胶封闭，应力采集单元输出的导线在鞋垫边缘被热熔胶固定并与无线传输装置连接。

鞋垫内部以水晶滴胶（软）为填充层，粘贴pvc薄膜（11）。

将本发明的鞋垫倒置（即将粘有应变花的pvc薄膜（10）朝上）放于穿戴者鞋子中，足底压力传递到应变花上引起应变花电阻变化，经电桥电路处理，将电阻信号转变为电压信号无线传输至终端，经计算，可得到平面主应变大小及方向。足底压力经应变花传到压电陶瓷片上，引起压电陶瓷片电压变化，采集电压后，将电压信号无线传输至终端，经计算，可得垂直足底应力分量。

具体地，垂直足底应力分量：σ=ku+b

其中u为所测压电陶瓷片电压，标定k、b为常数，σ为应力。

标定方法：静态法

平面主应变由下式确定：

、、为直角应变花测的数值，由此可求出、、，为平面上最大主应变，为平面上最小主应变，为方位角。

平面主应力由下式求出：

ε1=1/e(σ1-μσ2)

ε2=1/e(σ2-μσ1)

e为pvc薄膜（10）的弹性模量，μ为pvc薄膜（10）轴向应变与横向应变的比值，e、μ可由实验测出。σ1、σ2为平面主应力。

附图说明：

图1是一种测量足底三维应力状态的便捷式鞋垫所示的分解示意图；

附图中各部件的标记如下：1,2,3,4,5,6,7,8,9——应力采集单元；10，11——pvc薄膜。

具体实施方式：

结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更容易被本领域技术人员所理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1，本发明实施例包括：

一种测量足底三维应力状态的便捷式鞋垫，其特征在于采用组合分层结构，包括pvc薄膜、第一至第九应力采集单元、无线传输装置。应力采集单元由压电陶瓷片和直角应变花组合构成，其结构形式是：应变花在上，中间是一层0.5mm厚度的pvc薄膜，最下面是直径9mm的压电陶瓷片，他们之间用粘合剂粘合，第一至第九应力采集单元皆是这种结构。

应力采集单元（1）粘贴在鞋垫的样式pvc薄膜（10）上，与足底第一趾骨对应处；

应力采集单元（2）（3）（4）（5）粘贴在鞋垫样式pvc薄膜上与足底沿斜方肌对应处；

应力采集单元（6）粘贴在鞋垫样式pvc薄膜（10）上与足底前脚掌足弓外侧对应处；

应力采集单元（7）粘贴在鞋垫样式pvc薄膜（10）上与足底后脚掌足弓外侧对应处；

应力采集单元（8）粘贴在鞋垫样式pvc薄膜（10）上与足底足跟对应处；

应力采集单元（9）粘贴在鞋垫样式pvc薄膜（10）上与足底足跟内侧对应处。

粘贴过程中在上层pvc薄膜上作xy坐标轴，直角应变花0°与x轴垂直，90°与y轴垂直。

将与pvc薄膜（10）相同的pvc薄膜（11）水平置于所有应力采集单元上面，沿pvc薄膜（10）边缘使用热熔胶形成密封圈，内部用水晶软胶填充。

使用过程：将本发明的鞋垫倒置（即将粘有应变花的pvc薄膜（10）朝上）放于穿戴者鞋子中，测量不同工况下足底受力状态。1.静止状态，测量自然站立、屈膝踮脚时足底应力状态；2.自然行走，在抬脚、落地不同情形下测量足底应力状态；3.奔跑，测量慢跑、加速、冲刺时足底应力状态。在此过程中，足底压力传递到应变花上，引起应变花电阻变化，经电桥电路处理，将电阻信号转变为电压信号无线传输至终端，经计算，可得到平面主应变大小及方向。足底压力经应变花传到压电陶瓷片上，引起压电陶瓷片电压变化，采集电压后，将电压信号无线传输至终端，经计算，可得垂直足底应力分量。

具体以一处为例

垂直足底应力分量：σ=ku+b

其中u为所测压电陶瓷片电压，标定k、b为常数，σ为应力。

标定方法：静态法

平面主应变由下式确定

、、为直角应变花测的数值，由此可求出、、，为平面上最大主应变，为平面上最小主应变，为方位角。

平面主应力由下式求出：

ε1=1/e(σ1-μσ2)

ε2=1/e(σ2-μσ1)

综上所述，本发明的有益效果是：本发明提供一种测量足底三维应力状态的便捷式鞋垫，采用组合分层结构，利用压电陶瓷片的正压电效应和直角应变花的变形，可以实时检测足底应力大小，方向和分布。本发明结构简单，可以有效测量在任意地形下静止、行走和跑动时的足底应力。