专利名称：一种采集脚底压力和脚部外形三维数据的装置的制作方法
技术领域：
本发明属于为取得诊断数据而对人体实施测量的装置，特别涉及用于测量脚底压力和脚部外形的器具。所称脚底也可称足底；所称脚部也可称足部。
背景技术：
人们穿着的鞋对于脚的健康至关重要。健康的鞋不但形状与脚适应，还要平衡脚底的压力。特殊人群如糖尿病患者合并神经损伤时，前支撑足的压力峰值增大；脚部发生溃疡时，前支撑足压力异常增大。腿部有病患时，脚底压力也会有异常变化。根据脚底压力和脚部外形三维参数制作适合于畸形足患者个体的病理鞋，会使穿着舒适，便于行走；根据脚底压力参数制作的糖尿病人专用鞋，对保护糖尿病人的脚很有意义。在对孕妇、老年人、 小儿麻痹症患者等特殊人群和多种脚部疾病患者进行足功能康复评价、疗效评定和手术矫正效果鉴定时，脚底压力测量是很有意义的客观指标；脚底压力测量在临床生物力学领域的深入研究，可望在帕金森综合症、偏瘫症、糖尿病等患者的步态研究中取得更大进步。现有的脚底压力数据采集装置是采用压力传感器，但由于压力传感器体积较大，在脚底这样小的面积中安装较多的传感器是困难的。如中国专利CN201110074892. 6采用的是10个对应脚底压力分布点的薄膜压力传感器；CN201010230489. 3采用的是8列X 10行的矩阵压力传感器。这些装置在整个脚底布置的压力传感器最多1024个。因其压力传感器数量少，所得数据不能充分反映脚底压力的全面情况。制作一双适用的病理鞋或专用鞋，在掌握脚底压力数据的同时还需要掌握脚部外形三维形状数据。目前，这两方面的数据是使用不同的设备分开测量采集的，尚没有可以同时对脚部外形三维形状和脚底压力同时进行测量的装置。分开测量法不能准确定位脚底压力增大的部位，更无以显示或分析脚底压力变化与脚部形状的关联关系。传统的脚部外形测量一般采用泡沫塑料或橡皮泥印模的方式，这种方法使用的材料不能重复使用，消耗大，污染环境。所采集的印模在设计订制鞋时使用困难。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种可以同时测量、采集脚底压力和脚部外形三维数据的装置。它使用方便，测量精度高。所得数据用于制作脚部异常个体穿着用的病理鞋或专用鞋垫。本发明采集脚底压力和脚部外形三维数据的装置包括脚底压力测量系统、脚部外形三维测量系统、数据传送系统三部分。各部分的结构分别叙述如下。(一)脚底压力测量系统
脚底压力测量系统采用薄膜型压力传感器，采用压敏电阻作传感器探测头。压敏电阻以矩阵的形式排布。每个压敏电阻矩阵由规则的行、列布局，纵向行的数量为20-40行，横向列的数量为10-40列。每两个压敏电阻矩阵为一组，用于对一只脚的测量。每组中的两个压敏电阻矩阵前后布局，分别对应一只脚底的前半部分和后半部分。
在传感器矩阵的上下两面分别覆盖印刷有导电线路的薄膜。压敏电阻两端分别由上下两面薄膜上的导电线路引出，一面以行的形式引出，一面以列的形式引出。前半脚底传感器矩阵的行线与后半脚底传感器矩阵的行线按排列顺序一一对应相联，即前半脚底传感器矩阵的第一行与后半脚底传感器矩阵的第一行连接；前半脚底传感器矩阵的第二行与后半脚底传感器矩阵的第二行连接，以此类推。传感器的行线与电阻一电压转换电路和模数(AD)转换电路连接，传感器的列线连接扫描电路。从传感器的列线施加电压，通过扫描控制电路完成两只脚最多达80路的扫描。传感器工作原理当需要采集某个传感器位点的压力值时，行多选一选择器选中该传感器所在行至高速运放，列多选一选择器选中其所在列至高速运放，同时其他未选择的行列悬空，经过有效的信号建立时间后，被选中的传感器压力值就会出现在高速运算放大器的输出端。高速模数转换器(ADC)将运放输出的压力信号进行采集的信号转换成数字信号，通过并行接口或通用串行总线传输到PC计算机进行数据处理。 传感器的电阻值通过电阻一电压转换电路转换成电压信号，经模数转换电路转换成数字信号，再经计算机处理成256阶色块显示在显示器相应的位置上，不同色阶代表压力值的大小，压力越大色块颜色越深。(二)脚部外形三维测量系统
脚部外形三维测量系统包括慢恢复泡沫和三维扫描仪，以及起外壳作用的方盒。慢恢复泡沫是一个闭孔的软泡沫塑料或短纤维填充材料，可以选用聚氨酯泡沫、有机硅泡沫、改性有机硅填充无机短纤维等材料。慢恢复泡沫置放在比双脚底略大的方盒中。盒的底部平置薄膜型压力传感器，慢恢复泡沫置放在压力传感器膜之上。在慢恢复泡沫与外盒内壁之间留有I 5mm间隙。该间隙的意义在于，当脚踏上慢恢复泡沫时，未受到脚踩部分的慢恢复泡沫能够保持平整。否则，如果在慢恢复泡沫与外盒之间没有间隙，泡沫上表面没有受到脚踩的部分会由于盒壁的挤压而变形，影响三维扫描的精度。两台扫描仪分别固定安装在两只脚的斜上方，各对一只脚进行扫描。扫描仪直接和计算机连接。所述三维扫描仪可以是单目的或双目的，也可以是照相式的。(三)数据传送系统
本发明的数据传送方式可以采用有线传送或无线传送，有线传送可选用USB连接线传送；无线传送可以选用蓝牙、红外线或超声波传送。本发明薄膜压力传感器置放在慢恢复泡沫的下面，在采集脚部外形三维数据的同时进行脚底压力测量，可以很方便地将压力采集点与脚的外形相对应。本发明对每只脚使用一个固定位置的扫描仪探头，分别对脚面、脚踝和脚底印模进行扫描，很容易通过相应软件将脚面和脚底两个图像合成完整的脚部外形三维模型。生成的三维模型是数字模型，很方便应用于定制鞋垫或定制鞋的设计。本发明采用印刷法制作压力传感器，采用矩阵式连接方式，可以在较小的面积内安装更多的传感器。本发明的传感器压敏电阻探头数量达到80 X 40个，是传统方法传感器数量的几倍到几十倍。本发明每只脚下两个传感器阵列并联的设计，较以往一个传感器阵列技术，在增加压敏电阻探测头数量的同时，不增加模数转换器的数量。传感器的引出线由压敏电阻两个矩阵中间引出，可以根据不同脚的大小，按需求裁剪传感器而不影响效果。
传统方法工艺是以16阶色阶进行显示的，而本传感器压力值经转换后以256阶色阶进行显示。本发明使用慢恢复泡沫，可以重复使用。较之传统技术使用普通泡沫塑料，成本低，少污染。
图I为本发明用于测量脚底压力的传感器结构布局示意 图2为薄膜型压力传感器压敏电阻接线示意图。其中，A图为上面，B图为下面；
图3为薄膜型压力传感器层次结构示意图； 图4为脚底压力测量系统工作原理示意 图5为脚部外形三维测量系统使用状态示意图。其中，A图为脚踏状态，B图为移去受测脚后的凹模状态。图中标号所表示的部件或部位为1 一按矩阵行引出的压敏电阻导线；2—按矩阵列引出的压敏电阻导线；3—压敏电阻；4一压敏电阻并联导线；6—三维扫描仪；7—薄膜型压力传感器；8—方盒；9一慢恢复泡沫；10—脚底凹模；11 一印刷导电层；13—塑料薄膜片基。
具体实施例方式如图5所示，以硬质材料制作槽形方盒8。方盒8的长、宽尺寸根据进行脚部测量的人群的脚的大小确定，应在将两只受测脚踏入后，脚的四周与方盒8侧壁有不小于2cm的间距，且允许两脚之间有5 — IOcm的间隔。在方盒8内底平整置放薄膜型压力传感器7，在压力传感器7之上置放慢恢复泡沫9。泡沫厚度15-30_。慢恢复泡沫9选用聚氨酯泡沫、有机硅泡沫、改性有机硅填充无机短纤维等材料。在慢恢复泡沫9四周与方盒8内壁之间留有I 5_间隙。两台三维扫描仪6分左右分别安装在相当于受测脚的斜上方，与方盒8相固定或实行拆装式固定。调整扫描仪高度使扫描范围能够涉及整个脚部和脚踝部。如图I一3所示，上述机器结构中，作为压力传感器7探测头的压敏电阻3以矩阵的形式排布，每个压敏电阻矩阵由40X40个压敏电阻组成，即40行、40列布置。脚底压力测量系统包括有两组共四个压敏电阻3矩阵，每两个压敏电阻3矩阵为一组。两组压敏电阻3矩阵分别对应左右两只脚。每组中的两个压敏电阻3矩阵分别对应一只脚底的前半部分和后半部分。在压敏电阻3矩阵的上下两面分别覆盖印有导电线路11的薄膜13。压敏电阻3两端的引线分别由上下两面薄膜上的导电线路11引出，一面以行的形式引出导线1，一面以列的形式引出导线2。前半脚底传感器矩阵的行线I与后半脚底传感器矩阵的行线I按排列顺序一一对应相联，即前半脚底传感器矩阵的第一行与后半脚底传感器矩阵的第一行连接；前半脚底传感器矩阵的第二行与后半脚底传感器矩阵的第二行连接，以此类推。传感器的行线I与电阻一电压转换电路和模数转换电路连接；传感器的列线2用于连接扫描电路，从传感器的列线2施加电压，通过扫描控制电路完成两只脚80路的扫描。
压力传感器7通过导线与计算机连接。数据传送系统可以采用有线传送或无线传送，有线传送可选用USB连接线传送；无线传送可以选用蓝牙、红外线或超声波传送。使用时，受测者将两只脚踏上慢恢复泡沫直立站稳，慢恢复泡沫受到挤压变成与脚底形状相对应的凹模10。此时压力传感器7测量脚底压力分布，三维扫描仪6对脚面和脚踝进行三维扫描。脚底的压力测量过程由逻辑控制单元完成。如图4所示，脚底压力测量的程序为，选定一只脚，由控制单元向列多路选一控制器发出信号，首先选定第一列，然后由控制单元向行多路选一控制器发出信号，对第一列对应的I 40行逐行顺序加电,该切换加电功能由行多路选一控制器完成，采集与第一列相交的40个传感器上的压力值；然后选定第二列，对第二列对应的I 40行逐行扫描；重复该过程，直至所有40列采集完成。之后进行另一只脚的逐列逐行扫描。采集的信号经过高速运放放大后高速模数转换器转换成数字信 号通过并行接口或通用串行总线传送到PC计算机进行处理。当脚底压力分布数据和脚面三维图像采集完成，移开受测脚，这时脚底形状在慢恢复泡沫上留下凹模10，启动三维扫描仪对凹模10进行三维扫描。将采集的脚部外形三维图像用中国科学院先进技术研究院编写的“脚底三维压力测量分析系统”或其他可用程序拼合，得到整个脚部的三维图像数据，加载到数控加工中心的控制系统中，制作出与三维图形相适应的鞋或鞋垫。慢恢复泡沫9在脚移开后约一分钟恢复原状，可进行下一个样本的采集。 本发明实现了应用一台机器同时测量脚底压力与脚部外形三维形状。所得数据可用于制作有脚部疾患的人所用的病理鞋、特殊人群所用的专用鞋、正常人用的订制鞋；也可以用于制作专用鞋垫，衬垫于市售鞋只中，解决不同个体的需要。
权利要求
1.一种采集脚底压力和脚部外形三维数据的装置，其特征在于，它包括脚底压力测量系统、脚部外形三维测量系统、数据传送系统三部分；其中， 脚底压力测量系统采用薄膜型压力传感器； 脚部外形三维测量系统包括慢恢复泡沫和三维扫描仪，以及起外壳作用的方盒，方盒的内底面平置薄膜型压力传感器，在压力传感器之上置放慢恢复泡沫；在相当于受测脚的斜上方安装三维扫描仪，三维扫描仪与方盒固定连接。
2.根据权利要求I所述的采集脚底压力和脚部外形三维数据的装置，其特征在于，所述薄膜型压力传感器使用压敏电阻作传感器探测头，压敏电阻以矩阵的形式排布；每个压敏电阻矩阵由规则的行、列布局，纵向行的数量为20-40行，横向列的数量为10-40列；每两个压敏电阻矩阵为一组，用于对一只脚的测量；每组中的两个压敏电阻矩阵前后布局，分别对应一只脚底的前半部分和后半部分。
3.根据权利要求2所述的采集脚底压力和脚部外形三维数据的装置，其特征在于，在传感器矩阵的上下两面分别覆盖印刷有导电线路的薄膜，压敏电阻两端分别由上下两面薄膜上的导电线路引出，一面以行的形式引出，一面以列的形式引出；前半脚底传感器矩阵的行线与后半脚底传感器矩阵的行线按排列顺序一一对应相联；传感器的行线与电阻一电压转换电路和模数转换电路连接，传感器的列线连接扫描电路。
4.根据权利要求I所述的采集脚底压力和脚部外形三维数据的装置，其特征在于，所述慢恢复泡沫是聚氨酯泡沫，或有机硅泡沫，或改性有机硅填充无机短纤维材料。
5.根据权利要求I所述的采集脚底压力和脚部外形三维数据的装置，其特征在于，在慢恢复泡沫与方盒内壁之间有I 5mm间隙。
6.根据权利要求I所述的采集脚底压力和脚部外形三维数据的装置，其特征在于，所述三维扫描仪是单目的或双目的，或是照相式的。
7.根据权利要求I所述的采集脚底压力和脚部外形三维数据的装置，其特征在于，所述数据传送系统为有线传送或无线传送。
8.根据权利要求7所述的采集脚底压力和脚部外形三维数据的装置，其特征在于，所述有线传送为USB连接线传送。
9.根据权利要求7所述的采集脚底压力和脚部外形三维数据的装置，其特征在于，所述无线传送为蓝牙，或红外线，或超声波传送。
全文摘要
本发明涉及一种采集脚底压力和脚部外形三维数据的装置，它包括脚底压力测量系统、脚部外形三维测量系统、数据传送系统三部分。其中，脚底压力测量系统采用薄膜型压力传感器；脚部外形三维测量系统包括慢恢复泡沫和三维扫描仪，以及起外壳作用的方盒，方盒的内底面平置薄膜型压力传感器，在压力传感器之上置放慢恢复泡沫；在相当于受测脚的斜上方安装三维扫描仪。本装置可以同时测量、采集脚底压力和脚部外形三维数据，使用方便，测量精度高，所得数据用于制作病理鞋或专用鞋垫。
文档编号A61B5/22GK102793542SQ201210298409
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月21日 优先权日2012年8月21日
发明者付强, 穆志强, 陈洵, 张腾, 温铁祥 申请人:北京加华丰业科技有限公司