一种足底压力传感鞋及压力检测方法
【专利摘要】本发明公开一种足底压力传感鞋及压力检测方法，其具有一平板状足底托板并构成可套穿的鞋套；侧围状鞋底板按足底托板的外轮廓形状设置，侧围板的顶边与足底托板的边缘以各弹性梁相连接，弹性梁上设置敏感元件构成传感单元，以侧围状鞋底板对足底托板在边缘形成侧围支撑；在足底托板不同区域中分布受力点，在受力点上加载力，由敏感元件获得应变检测信号，以此建立数学模型对检测装置进行标定；针对足底托板上被测力，检测获得各弹性梁上敏感元件应变检测信号，利用数学模型获得足底托板上被测力的分布情况。本发明可用于检测足底力大小及分布情况，为不同步态的分析、临床医学上的疾患诊断和疗效评价，以及为体育训练方案等提供依据。
【专利说明】
-种足底压力传感鞋及压力检测方法
技术领域
[0001] 本发明属于康复运动训练仪器技术领域，更具体地说尤其设及一种足底压力传感 鞋及压力检测方法。
【背景技术】
[0002] 足部作为重要生物力学信息，其重要性越来越受到关注，通过测量和分析足底的 压力，从而获得足底压力分布情况，对于W及临床医学上的疾病诊断和疾患程度的测定、术 后疗效评价、生物力学及康复救治等有着重要的意义，也为科学制定体育训练方案，W及各 种功能鞋的设计提供重要依据。目前，足底力测量主要为测力平台，测力板W及压力鞋和压 力鞋垫。测力平台及测力板，装置复杂，价格昂贵，占用空间大，不适合测量不同步态形式下 的足底力及分布情况;压力鞋和压力鞋垫大多是将传感器置于鞋或鞋垫内。关于足底压力 鞋W及压力检测方法迄今未见相关的公开报导。
【发明内容】
[0003] 本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种足底压力传感鞋及压力检 测方法，用于获得在走路、爬台阶等不同步态下的足底力的大小及分布情况，为不同步态分 析，临床医学上的疾患诊断和疗效评价，W及为体育训练方案等提供依据。
[0004] 本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
[0005] 本发明足底压力传感鞋的特点是具有：
[0006] -平板状足底托板，在所述足底托板上连带有后跟挡板和鞋帮，构成可套穿的鞋 套形式;被测的一只脚穿在鞋套中并立足于足底托板的确定位置上，所述确定位置是指在 所述足底托板上按如下方式划分各区域:第一趾骨区、第Ξ至第五趾骨区、巧骨区W及足跟 部，所述巧骨区包含第一巧骨区、第二巧骨区W及第Ξ至第五巧骨区；所述足跟部划分为足 跟内侧区和足跟外侧区，令:第一趾骨所在侧为足底托板第一侧，第五趾骨所在侧为足底托 板第二侧；
[0007] -侧围状鞋底板，所述鞋底板是按足底托板的外轮廓形状设置的呈直立的侧围 板，所述侧围板的顶边与足底托板的边缘W不同位置上的各弹性梁相连接，在所述弹性梁 上设置的敏感元件构成传感单元，所述可套穿的鞋套是W侧围状鞋底板对足底托板在边缘 形成侧围支撑，使足底托板呈悬空。
[000引本发明足底压力传感鞋的压力检测方法的特点是：
[0009] 步骤a、在所述足底托板(24)的不同区域中分布受力点，在受力点上加载垂直于底 板的力[F]，由各弹性梁上的敏感元件获得应变检测信号[ε];根据受力点上加载力[F]，W 及各应变检测信号[ε ]建立数学模型为：[C] X [F] = [ ε ]，完成对传感单元的标定，并获得常 数矩阵[C];
[0010] 步骤b、针对足底托板上的被测力，检测获得各弹性梁上的敏感元件的应变检测信 号，利用所述数学模型获得足底托板上的被测力的分布情况。
[0011] 本发明足底压力传感鞋的压力检测方法的特点也在于设置所述传感单元中设置 的各弹性梁分别是：
[0012] 位于足底托板第一侧，对应于第一趾骨区所在位置的足底托板边缘上的第一梁；
[0013] 位于足底托板第一侧，对应于巧骨区所在位置的足底托板边缘上间隔的第二梁和 第Ξ梁；
[0014] 位于足底托板第二侧，对应于第Ξ至第五趾骨区所在位置的足底托板边缘上的第 四梁；
[0015] 位于足底托板第二侧，对应于巧骨区所在位置的足底托板边缘上的第五梁；
[0016] 位于足底托板第一侧，对应于足跟内侧区所在位置的足底托板边缘上的第六梁；
[0017] 位于足底托板第二侧，对应于足跟外侧区所在位置的底板边缘上的第屯梁；
[0018] 位于足底托板边缘的上顶端中屯、位置的第八梁；
[0019] 并有:第一敏感元件对称布置在第一梁的顶面和底面，第二敏感元件对称布置在 第二梁的顶面和底面，第Ξ敏感元件对称布置在第Ξ梁的顶面和底面，第四敏感元件对称 布置在第四梁的顶面和底面，第五敏感元件对称布置在第五梁的顶面和底面，第六敏感元 件对称布置在第六梁的顶面和底面，W及第屯敏感元件对称布置在第屯梁的顶面和底面， 所述第八梁是作为支撑梁。
[0020] 本发明足底压力传感鞋的压力检测方法的特点也在于：
[0021] 设定所述被测力为：作用力点处在第一趾骨头位置的作用力Fi、处在第一巧骨头 位置的作用力F2、处在第二巧骨头位置的作用力的、处在第Ξ至第五趾骨区中屯、位置的作用 力F4、处在第Ξ到五巧骨区中屯、位置的作用力Fs、处在足跟内侧区的作用力F6，W及处在足 跟外侧区的作用力F7;
[0022] 按步骤a、在所述足底托板上对应于被测力所在区域一一对应分布屯个受力点，在 受力点上加载垂直于底板的力[門，由各弹性梁上的敏感元件获得应变检测信号[ε];根据 受力点上加载力[F]，W及各应变检测信号[ε]建立数学模型为：[C]X[F] = [ε]，完成对传 感单元的标定，并获得7 X 7的常数矩阵[C];
[0023] 按步骤巧拥式(1)计算获得各作用力Fi、F2、F3、F4、朽、朽和F?为
[0024] 式（1)中，[C]-i为7 X 7常数矩阵[C]的逆矩阵；
[0025] 61、62、63、64、6日、66和67分别为第一敏感元件、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检测获得的应变信号。
[00%]与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
[0027] 1、本发明通过对人体在不同步态下的足底压力分布进行检测，可W为步态分析、 临床医学上的疾患诊断和疗效评价，W及为体育训练方案等提供可靠依据；
[0028] 2、本发明通过检测各梁上的应变及建立的数学模型获得检测结果，方法简单可 靠；
[0029] 3、本发明结构简单，方便穿戴，可W分别实现静态和动态检测。
【附图说明】
[0030] 图1为本发明结构示意图；
[0031 ]图2为本发明中各弹性梁分布示意图；
[0032] 图中标号：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被测脚，22后跟挡板，23鞋底板，24足底托板，25鞋帮。
【具体实施方式】
[0033] 参见图1和图2,本实施例中足底压力传感鞋具有：
[0034] 一平板状足底托板24,在足底托板24上连带有后跟挡板22和鞋帮25,构成可套穿 的鞋套形式;被测脚21穿在鞋套中并立足于足底托板24的确定位置上，确定位置是指在足 底托板24上按如下方式划分各区域:第一趾骨区、第Ξ至第五趾骨区、巧骨区W及足跟部， 巧骨区包含第一巧骨区、第二巧骨区W及第Ξ至第五巧骨区；足跟部划分为足跟内侧区和 足跟外侧区，令:第一趾骨所在侧为足底托板第一侧，第五趾骨所在侧为足底托板第二侧；
[0035] 一侧围状鞋底板23,鞋底板23是按足底托板24的外轮廓形状设置的呈直立的侧围 板，侧围板的顶边与足底托板24的边缘W不同位置上的各弹性梁相连接，在弹性梁上设置 的敏感元件构成传感单元，可套穿的鞋套是W侧围状鞋底板23对足底托板24在边缘形成侧 围支撑，使足底托板24呈悬空。
[0036] 本实施例中足底压力传感鞋的压力检测方法是：
[0037] 步骤a、在足底托板24的不同区域中分布受力点，在受力点上加载垂直于底板的力 [門，由各弹性梁上的敏感元件获得应变检测信号[ε];根据受力点上加载力[門，W及各应 变检测信号[ε ]建立数学模型为：[C] X [F] = [ ε ]，完成对传感单元的标定，并获得常数矩阵 [C];
[0038] 在足底托板的不同区域中分布受力点，通过软件ansys wor化ench多次分别对运 些受力点加载力，得到梁的应变，并求其平均值。根据梁上应变与加载力的关系，建立数学 模型[C]X[F] = [ε]，其中[C]为常数矩阵，[F]为力矩阵，[ε]为应变矩阵。常数矩阵[C]可W 通过软件仿真标定得到，也可通过实验标定得到。
[0039] 步骤b、针对足底托板24上的被测力，检测获得各弹性梁上的敏感元件的应变检测 信号，利用所述数学模型获得足底托板24上的被测力的分布情况。
[0040] 具体实施中，为了获得人体足部各个区域-第一趾骨区、第Ξ到五趾骨区、第一巧 骨区、第二巧骨区、第Ξ至第五巧骨区、足跟内侧W及足跟外侧区的受力分布，设置传感单 元中设置的各弹性梁分别是：
[0041] 位于足底托板第一侧，对应于第一趾骨区所在位置的足底托板边缘上的第一梁1;
[0042] 位于足底托板第一侧，对应于巧骨区所在位置的足底托板边缘上间隔的第二梁2 和第Ξ梁3;
[0043] 位于足底托板第二侧，对应于第Ξ至第五趾骨区所在位置的足底托板边缘上的第 四梁4;
[0044] 位于足底托板第二侧，对应于巧骨区所在位置的足底托板边缘上的第五梁5;
[0045] 位于足底托板第一侧，对应于足跟内侧区所在位置的足底托板边缘上的第六梁6;
[0046] 位于足底托板第二侧，对应于足跟外侧区所在位置的底板边缘上的第屯梁7;
[0047] 位于足底托板边缘的上顶端中屯、位置的第八梁8;
[0048] 并有:第一敏感元件对称布置在第一梁1的顶面和底面，第二敏感元件对称布置在 第二梁2的顶面和底面，第Ξ敏感元件对称布置在第Ξ梁3的顶面和底面，第四敏感元件对 称布置在第四梁4的顶面和底面，第五敏感元件对称布置在第五梁5的顶面和底面，第六敏 感元件对称布置在第六梁6的顶面和底面，W及第屯敏感元件对称布置在第屯梁7的顶面和 底面，所述第八梁8是作为支撑梁。
[0049] 设定被测力为：作用力点处在第一趾骨头位置的作用力Fi、处在第一巧骨头位置 的作用力F2、处在第二巧骨头位置的作用力F3、处在第Ξ至第五趾骨区中屯、位置的作用力 F4、处在第Ξ到五巧骨区中屯、位置的作用力Fs、处在足跟内侧区的作用力F6，W及处在足跟 外侧区的作用力F7。
[0050] 按步骤a、在足底托板24上对应于被测力所在区域一一对应分布屯个受力点，在受 力点上加载垂直于底板的力[門，由各弹性梁上的敏感元件获得应变检测信号[ε];根据受 力点上加载力[門，W及各应变检测信号[ε]建立数学模型为：[C]X[F] = [ε]，完成对传感 单元的标定，并获得7 X 7的常数矩阵[C]。
[005。 按步骤b利用式(1)计算获得各作用力打术兩击4、朽爪和尸7为
[0052] 式（1)中，[C]-i为7X7常数矩阵[C]的逆矩阵；
[0053] 61、62、63、64、6日、66和67分别为第一敏感元件、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检测获得的应变信号。
[0054] 对于本发明的使用，患者可像穿戴普通鞋一样，穿上本实施例中足底压力传感鞋 进行康复训练，其测力部分置于鞋内，可方便测得患者在各种训练状态下的足底压力的大 小及分布。
【主权项】
1. 一种足底压力传感鞋，其特征是具有： 一平板状足底托板(24)，在所述足底托板(24)上连带有后跟挡板(22)和鞋帮（25)，构 成可套穿的鞋套形式;被测的一只脚穿在鞋套中并立足于足底托板(24)的确定位置上，所 述确定位置是指在所述足底托板(24)上按如下方式划分各区域:第一趾骨区、第三至第五 趾骨区、跖骨区以及足跟部，所述跖骨区包含第一跖骨区、第二跖骨区以及第三至第五跖骨 区；所述足跟部划分为足跟内侧区和足跟外侧区，令:第一趾骨所在侧为足底托板第一侧， 第五趾骨所在侧为足底托板第二侧； 一侧围状鞋底板(23)，所述鞋底板(23)是按足底托板(24)的外轮廓形状设置的呈直立 的侧围板，所述侧围板的顶边与足底托板(24)的边缘以不同位置上的各弹性梁相连接，在 所述弹性梁上设置的敏感元件构成传感单元，所述可套穿的鞋套是以侧围状鞋底板(23)对 足底托板(24)在边缘形成侧围支撑，使足底托板(24)呈悬空。2. -种权利要求1所述的足底压力传感鞋的压力检测方法，其特征是： 步骤a、在所述足底托板(24)的不同区域中分布受力点，在受力点上加载垂直于底板的 力[F]，由各弹性梁上的敏感元件获得应变检测信号[ε];根据受力点上加载力[F]，以及各 应变检测信号[ε ]建立数学模型为：[C] X [F] = [ ε ]，完成对传感单元的标定，并获得常数矩 阵[C]; 步骤b、针对足底托板(24)上的被测力，检测获得各弹性梁上的敏感元件的应变检测信 号，利用所述数学模型获得足底托板(24)上的被测力的分布情况。3. 根据权利要求2所述的足底压力传感鞋的压力检测方法，其特征是设置所述传感单 元中设置的各弹性梁分别是： 位于足底托板第一侧，对应于第一趾骨区所在位置的足底托板边缘上的第一梁（1); 位于足底托板第一侧，对应于跖骨区所在位置的足底托板边缘上间隔的第二梁（2)和 第三梁(3); 位于足底托板第二侧，对应于第三至第五趾骨区所在位置的足底托板边缘上的第四梁 (4)； 位于足底托板第二侧，对应于跖骨区所在位置的足底托板边缘上的第五梁(5); 位于足底托板第一侧，对应于足跟内侧区所在位置的足底托板边缘上的第六梁(6); 位于足底托板第二侧，对应于足跟外侧区所在位置的底板边缘上的第七梁(7); 位于足底托板边缘的上顶端中心位置的第八梁(8); 并有:第一敏感元件对称布置在第一梁（1)的顶面和底面，第二敏感元件对称布置在第 二梁(2)的顶面和底面，第三敏感元件对称布置在第三梁(3)的顶面和底面，第四敏感元件 对称布置在第四梁(4)的顶面和底面，第五敏感元件对称布置在第五梁(5)的顶面和底面， 第六敏感元件对称布置在第六梁(6)的顶面和底面，以及第七敏感元件对称布置在第七梁 (7)的顶面和底面，所述第八梁(8)是作为支撑梁。4. 根据权利要求3所述的足底压力传感鞋的压力检测方法，其特征是： 设定所述被测力为:作用力点处在第一趾骨头位置的作用力Fi、处在第一跖骨头位置的 作用力F2、处在第二跖骨头位置的作用力F3、处在第三至第五趾骨区中心位置的作用力F 4、 处在第三到五跖骨区中心位置的作用力F5、处在足跟内侧区的作用力F6,以及处在足跟外侧 区的作用力F7; 按步骤a、在所述足底托板(24)上对应于被测力所在区域一一对应分布七个受力点，在 受力点上加载垂直于底板的力[F]，由各弹性梁上的敏感元件获得应变检测信号[ε];根据 受力点上加载力[F]，以及各应变检测信号[ε]建立数学模型为：[(：]\[?] = [￡]，完成对传 感单元的标定，并获得7 X 7的常数矩阵[C];按步骤b利用式(1)计算获得各作用力 式(1)中，[Cr1为7 X 7常数矩阵[C]的逆矩阵； ￡1、￡2、￡3、￡4、￡5、 ￡6和￡7分别为第一敏感元件、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检测获得的应变信号。
【文档编号】G01L5/00GK105919217SQ201610451004
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月17日
【发明人】王勇, 胡保华, 张方双, 张秀锋, 何淩立, 赵鹏鹏
【申请人】合肥工业大学