一种步态脚底压力分布测量方法与流程

本发明属于传感技术领域，更具体地说是一种步态脚底压力分布测量方法。

背景技术：

对于步态脚底压力分布的测量，目前主要的方法是在某一平面上黏附多个微小的压力传感器来确定脚底压力的分布位置和大小。压力分布测量传感器的典型代表有采用电容传感技术的Xsensor压力测量系统、采用压阻传感技术的Tekscan压力分布测量系统和采用压电电阻压力传感技术的FSA(Force Sensing Array)压力测试系统，这些传感器都需要由成千个微小压力传感器组成，每个传感器单元只能测一个压力的大小，位置精度由各个传感器单元的面积决定，而当位置精度要求越高，微小压力传感器单元的体积必须越小，成本更高，同时，这类传感器对于切向力无法进行测量。

技术实现要素：

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种步态脚底压力分布测量方法，既利用多个测力单元阵列排布组成，又利用每个测力单元可测多个压力，提高精度的同时成本较低，而且可以对切向力进行测量。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明步态脚底压力分布测量方法的特点是：将视觉传感器与步态测量装置相结合，利用视觉传感器获取脚底位置及外形，并获取脚底各主要压力作用位置的信息；利用步态测量装置检测获得脚底各主要压力的大小。

本发明步态脚底压力分布的测量方法的特点也在于：所述脚底各主要压力作用位置分别为：

趾骨区域有一个压力作用位置为脚底第一趾骨区域，或趾骨区域有两个压力作用位置分别为脚底第一趾骨区域、第二到五趾骨区域；

跖骨区域有两个压力作用位置分别为第一跖骨区域、第二到第五跖骨区域，或跖骨区域有三个压力作用位置分别为第一跖骨区域、第二跖骨区域、第三到第五跖骨区域；

足跟区域有一个压力作用位置为足跟总区域，或足跟区域有两个压力作用位置分别为足跟内侧区域、足跟外侧区域。

本发明步态脚底压力分布的测量方法的特点也在于：所述步态测量装置是由多个测力单元阵列分布组成，每个测力单元结构相同，相邻的测力单元相互贴近但无连接；步态运动时，一个或多个所述测力单元同时受到脚底压力作用，所述测力单元能够受到一个到七个作用力；

若脚底主要压力作用位置的区域同时覆盖于多个测力单元上，则认为被覆盖的每个测力单元均受到一个分力，各测力单元所受分力的总和不变。

本发明步态脚底压力分布的测量方法的特点也在于：所述测力单元上所需测量的各作用力F为：F＝(F₁,…,F_i)^T，i＝1,…,7，F_i为测力单元上作用力的大小，测力单元的输出信号M＝(u₁,…,u_i)^T，建立测力单元的输出信号与作用力的数学模型：C·F＝M，C是通过对测力单元进行标定获得的i×i的系数矩阵；根据所述数学模型推导出测力单元上各个作用力的大小F＝C^-1·M；针对某个脚底主要压力作用位置的区域同时覆盖多个测力单元，将属于同一个脚底主要压力作用位置的区域的分力求和，获得脚底压力大小。

本发明步态脚底压力分布的测量方法的特点也在于：所述测力单元是由平板和结构相同的四个支撑梁构成，所述四个支撑梁分别是第一梁、第二梁、第三梁和第四梁；所述四个支撑梁关于平板中心呈十字对称，支撑梁的首端呈竖向与平板固定连接，支撑梁的末端为固定端；在所述支撑梁上设置应变片，根据应变片的检测信号计算获得平板上所受力的大小与分布；在所述测力单元上建立三维坐标系，是以平板的底面中心为坐标原点，第一梁和第二梁处在X轴向上，第三梁和第四梁处在Y轴向，沿平板的厚度方向为Z轴向。

本发明步态脚底压力分布的测量方法的特点也在于：在所述第一梁和第二梁上沿Y轴向设置有双通孔，在所述第三梁和第四梁上沿X轴向设置有双通孔；所述双通孔是指相互平行的两只单通孔相连通，所述两只单通孔分别是近支撑梁首端的首端孔和近支撑梁末端的末端孔；设置在支撑梁上的应变片是分处在对应于首端孔和末端孔的中心线所在位置的支撑梁的下表面和上表面，包括：

第一梁上，对应于首端孔中心线位置在第一梁的下表面和上表面分别设置应变片R11和R12；第一梁上，对应于末端孔中心线位置在第一梁的下表面和上表面分别设置应变片R13和R14；

第二梁上，对应于首端孔中心线位置在第二梁的下表面和上表面分别设置应变片R21和R22；第二梁上，对应于末端孔中心线位置在第二梁的下表面和上表面分别设置应变片R23和R24；

第三梁上，对应于首端孔中心线位置在第三梁的下表面和上表面分别设置应变片R31和R32；第三梁上，对应于末端孔中心线位置在第三梁的下表面和上表面分别设置应变片R33和R34；

第四梁上，对应于首端孔中心线位置在第四梁的下表面和上表面分别设置应变片R41和R42；第四梁上，对应于末端孔中心线位置在第四梁的下表面和上表面分别设置应变片R43和R44；

所述应变片R11、R12、R13和R14，以及应变片R21、R22、R23和R24沿X轴向设置；

所述应变片R31、R32、R33和R34，以及应变片R31、R32、R33和R34沿Y轴向设置；

利用所述应变片R11和R12、应变片R13和R14、应变片R21和R22、应变片R23和R24、应变片R31和R32、应变片R33和R34、应变片R41和R42，以及应变片R43和R44分别组成惠斯通半桥电路，一一对应获得检测信号为U₁₁、U₁₂、U₂₁、U₂₂、U₃₁、U₃₂、U₄₁和U₄₂，共计八个检测信号，其中U₁₁和U₁₂为第一梁检测信号；U₂₁和U₂₂为第二梁检测信号；U₃₁和U₃₂为第三梁检测信号；U₄₁和U₄₂为第四梁检测信号；利用所述检测信号计算获得测力单元(1)上各作用力的大小。

本发明步态脚底压力分布的测量方法的特点也在于：

在各支撑梁的首端呈“T”连接周向梁，所述支撑梁在首端是以周向梁的两端呈竖向与平板固定连接，在所述周向梁的两端对称设置一对首端Z向通孔，所述一对首端Z向通孔是分处在周向梁左端的左端Z向通孔和分处在周向梁右端的右端Z向通孔，所述周向梁分别是：

位于第一梁的首端的第一周向梁；

位于第二梁的首端的第二周向梁；

位于第三梁的首端的第三周向梁；

位于第四梁的首端的第四周向梁；

在各支撑梁的末端设置一末端Z向通孔；或是在各支撑梁的末端设置一段浮动梁，所述浮动梁与支撑梁在同一直线上，并且浮动梁的宽度小于支撑梁的宽度，形成支撑梁的细颈部；

所述应变片也设置在周向梁上、对应于各周向梁上右端Z向通孔所在位置，并朝上周向梁中心偏离右端Z向通孔中心、分处在周向梁的外表面和内表面，包括：

分处在第一周向梁的外表面和内表面上的应变片R51和R52；

分处在第二周向梁的外表面和内表面上的应变片R53和R54；

分处在第三周向梁的外表面和内表面上的应变片R61和R62；

分处在第四周向梁的外表面和内表面上的应变片R63和R64；

应变片R51、R52、R53和R54沿Y轴向设置；所述应变片R61、R62、R63和R64沿X轴向设置。

由所述应变片R51、R52、R53和R54组成一组惠斯通全桥电路，用于检测X轴向的作用力F_x；

由所述应变片R61、R62、R63和R64组成另一组惠斯通全桥电路，用于检测Y轴向的作用力F_y。

本发明步态脚底压力分布的测量方法的特点也在于：针对包括第一趾骨区域、第二到五趾骨区域、第一跖骨区域、第二跖骨区域、第三到第五趾骨区域、足跟内侧区域以及足跟外侧区域的共七个脚底主要压力作用位置，按如下方式进行测力：

若利用测力单元测量一个作用力大小F_i，c_i·F_i＝m_i；其中c_i为常数，常数c_i与作用力的位置坐标(x_i,y_i)及选择的检测信号相关，m_i为靠近作用力位置的支撑梁上的任意一个检测信号；

若利用测力单元测量两个作用力大小F_a和F_b；C·F＝M；其中C为2×2常数矩阵，常数矩阵C与作用力位置坐标(x_a,y_a)和(x_b,y_b)以及选择的检测信号相关；向量F＝(F_a，F_b)^T；针对靠近作用力位置的两个支撑梁上各选取一个检测信号，构成向量M；

若利用测力单元测量三个作用力大小F_a、F_b和F_c；C·F＝M；其中C为3×3常数矩阵，常数矩阵C与作用力位置坐标(x_a,y_a)、(x_b,y_b)、(x_c,y_c)以及选择的检测信号相关；向量F＝(F_a，F_b，F_c)^T；M为八个检测信号中三个检测信号组成的向量，且针对每个支撑梁(3)最多选取一个检测信号；

若利用测力单元测量四个作用力大小F_a、F_b、F_c和F_d；C·F＝M；其中C为4×4常数矩阵，常数矩阵C与作用力位置坐标(x_a,y_a)、(x_b,y_b)、(x_c,y_c)和(x_d,y_d)以及选择的检测信号相关；向量F＝(F_a，F_b，F_c，F_d)^T；M为八个检测信号中四个检测信号组成的向量，且每个支撑梁上选取一个检测信号；

若利用测力单元测量五个作用力大小F_a、F_b、F_c、F_d和F_e；C·F＝M；其中C为5×5常数矩阵，常数矩阵C与作用力位置坐标(x_a,y_a)、(x_b,y_b)、(x_c,y_c)、(x_d,y_d)、(x_e,y_e)以及选择的检测信号相关；向量F＝(F_a，F_b，F_c，F_d，F_e)^T；M为八个检测信号中五个检测信号组成的向量，且在行走时的前后方向上的两个支撑梁上各选取一个检测信号，在行走时的左右方向上的支撑梁上任意选取三个输出信号；

若利用测力单元测量六个作用力大小F_a、F_b、F_c、F_d、F_e和F_f；C·F＝M；其中C为6×6常数矩阵，常数矩阵C与作用力位置坐标(x_a,y_a)、(x_b,y_b)、(x_c,y_c)、(x_d,y_d)、(x_e,y_e)和(x_f,y_f)以及选择的检测信号相关；向量F＝(F_a，F_b，F_c，F_d，F_e，F_f)^T；M为八个检测信号中六个检测信号组成的向量，且行走时的前后方向上的每个支撑梁(3)上至少选取一个输出信号，行走时的左右方向上的两个支撑梁上至少选取三个输出信号；

若利用测力单元测量七个作用力大小F_a、F_b、F_c、F_d、F_e、F_f和F_g；C·F＝M；其中C为7×7常数矩阵，常数矩阵C与作用力位置坐标(x_a,y_a)、(x_b,y_b)、(x_c,y_c)、(x_d,y_d)、(x_e,y_e)、(x_f,y_f)和(x_g,y_g)以及选择的检测信号相关；向量F＝(F_a，F_b，F_c，F_d，F_e，F_f，F_g)^T；M为八个输出信号中七个检测信号组成的向量，且行走时的前后方向上的两个支撑梁上任意选取三个输出信号，行走时的左右方向上的两个支撑梁上选取四个输出信号；

则各个测量单元上的作用力大小F即为：F＝C^-1·M；将属于同一个脚底主要压力作用位置的区域的作用力合并为一个脚底主要压力大小，根据脚底各个主要压力大小及位置实现步态测量。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明将视觉传感器和力传感器相结合，可以准确地测出脚底主要压力的分布位置和大小；

2、本发明可以测量平板所受的切向力的大小和方向，两个互相垂直的切向力分开测量，具有很好抗干扰性；

3、本发明测量灵敏度高，测量单元结构简单成本低，稳定性好，使用寿命长。

附图说明

图1为本发明步态脚底压力分布测量方法示意图；

图2为本发明中测力单元结构示意图；

图3a为图2所示测力单元下表面的应变片位置示意图；

图3b为图2所示测力单元上表面的应变片位置示意图；

图4为本发明中第二种测力单元结构示意图；

图5a为图4所示测力单元下表面的应变片位置示意图；

图5b为图4所示测力单元上表面的应变片位置示意图；

图6为本发明中第三种测力单元结构示意图；

图7a为图6所示测力单元下表面的应变片位置示意图；

图7b为图6所示测力单元上表面的应变片位置示意图；

图中标号：1测力单元；2平板；3支撑梁；4双通孔；5压力作用位置；6周向梁；7首端Z向通孔；8末端Z向通孔；9浮动梁；1a第一梁，2a第二梁，3a第三梁，4a第四梁，1b第一周向梁，2b第二周向梁，3b第三周向梁，4b第四周向梁。

具体实施方式

参见图1，本实施例中步态脚底压力分布测量方法是将视觉传感器与步态测量装置相结合，利用视觉传感器获取脚底位置及外形，并获取脚底各主要压力作用位置5的信息；利用步态测量装置检测获得脚底各主要压力的大小。

脚底各主要压力作用位置5分别为：趾骨区域有一个压力作用位置为脚底第一趾骨区域，或趾骨区域有两个压力作用位置分别为脚底第一趾骨区域、第二到五趾骨区域；跖骨区域有两个压力作用位置分别为第一跖骨区域、第二到第五跖骨区域，或跖骨区域有三个压力作用位置分别为第一跖骨区域、第二跖骨区域、第三到第五跖骨区域；足跟区域有一个压力作用位置为足跟总区域，或足跟区域有两个压力作用位置分别为足跟内侧区域、足跟外侧区域。

本实施例中步态测量装置是由多个测力单元1阵列分布组成，每个测力单元1结构相同，相邻的测力单元1相互贴近但无连接；步态运动时，一个或多个所述测力单元1同时受到脚底压力作用，测力单元1能够受到一到七个作用力。

若脚底主要压力作用位置5的区域同时覆盖于多个测力单元1上，则认为被覆盖的每个测力单元1均受到一个分力，各测力单元1所受分力的总和不变。

令：测力单元1上所需测量的各作用力F为：F＝(F₁,…,F_i)^T，i＝1,…,7，F_i为测力单元1上作用力的大小，测力单元1的输出信号M＝(u₁,…,u_i)^T，建立测力单元1的输出信号与作用力的数学模型：C·F＝M，其中，C是通过对测力单元进行标定获得的i×i的系数矩阵；根据数学模型推导出测力单元1上各个作用力的大小F＝C^-1·M。

针对某个脚底主要压力作用位置5的区域同时覆盖多个测力单元1，将属于同一个脚底主要压力作用位置5的区域的分力求和，获得脚底压力大小。

如图2、图4和图6所示，本实施例中测力单元1是由平板2和结构相同的四个支撑梁3构成，四个支撑梁3分别是第一梁1a、第二梁2a、第三梁3a和第四梁4a；四个支撑梁3关于平板2中心呈十字对称，支撑梁3的首端呈竖向与平板2固定连接，支撑梁3的末端为固定端；在支撑梁3上设置应变片，根据应变片的检测信号计算获得平板2上所受力的大小与分布；在测力单元上建立三维坐标系，是以平板2的底面中心为坐标原点，第一梁1a和第二梁2a处在X轴向上，第三梁3a和第四梁4a处在Y轴向，沿平板2的厚度方向为Z轴向。

如图3a和图3b所示，本实施例中，在第一梁1a和第二梁2a上沿Y轴向设置有双通孔4，在第三梁3a和第四梁4a上沿X轴向设置有双通孔4；双通孔4是指相互平行的两只单通孔相连通，两只单通孔分别是近支撑梁首端的首端孔和近支撑梁末端的末端孔；设置在支撑梁3上的应变片是分处在对应于首端孔和末端孔的中心线所在位置的支撑梁的下表面和上表面，包括：

第一梁1a上，对应于首端孔中心线位置在第一梁的下表面和上表面分别设置应变片R11和R12；第一梁1a上，对应于末端孔中心线位置在第一梁的下表面和上表面分别设置应变片R13和R14；

第二梁2a上，对应于首端孔中心线位置在第二梁的下表面和上表面分别设置应变片R21和R22；第二梁2a上，对应于末端孔中心线位置在第二梁的下表面和上表面分别设置应变片R23和R24；

第三梁3a上，对应于首端孔中心线位置在第三梁的下表面和上表面分别设置应变片R31和R32；第三梁3a上，对应于末端孔中心线位置在第三梁的下表面和上表面分别设置应变片R33和R34；

第四梁4a上，对应于首端孔中心线位置在第四梁的下表面和上表面分别设置应变片R41和R42；第四梁4a上，对应于末端孔中心线位置在第四梁的下表面和上表面分别设置应变片R43和R44；

应变片R11、R12、R13和R14，以及应变片R21、R22、R23和R24沿X轴向设置；

应变片R31、R32、R33和R34，以及应变片R31、R32、R33和R34沿Y轴向设置；

利用应变片R11和R12、应变片R13和R14、应变片R21和R22、应变片R23和R24、应变片R31和R32、应变片R33和R34、应变片R41和R42，以及应变片R43和R44分别组成惠斯通半桥电路，一一对应获得检测信号为U₁₁、U₁₂、U₂₁、U₂₂、U₃₁、U₃₂、U₄₁和U₄₂，共计八个检测信号，其中U₁₁和U₁₂为第一梁检测信号；U₂₁和U₂₂为第二梁检测信号；U₃₁和U₃₂为第三梁检测信号；U₄₁和U₄₂为第四梁检测信号；利用检测信号计算获得测力单元1上各作用力的大小。

如图4所示和图6所示，可以在各支撑梁3的首端呈“T”连接周向梁6，支撑梁3在首端是以周向梁6的两端呈竖向与平板2固定连接，在周向梁6的两端对称设置一对首端Z向通孔7，一对首端Z向通孔7是分处在周向梁左端的左端Z向通孔和分处在周向梁右端的右端Z向通孔，周向梁分别是：

位于第一梁1a的首端的第一周向梁1b；

位于第二梁2a的首端的第二周向梁2b；

位于第三梁3a的首端的第三周向梁3b；

位于第四梁4a的首端的第四周向梁4b；

图4所示是在各支撑梁3的末端设置一末端Z向通孔8；图6所示是在各支撑梁3的末端设置一段浮动梁9，浮动梁9与支撑梁3在同一直线上，并且浮动梁9的宽度小于支撑梁3的宽度，形成支撑梁3的细颈部。

应变片也设置在周向梁6上、对应于各周向梁上右端Z向通孔所在位置，并朝上周向梁中心偏离右端Z向通孔中心、分处在周向梁6的外表面和内表面，包括如图5a和图5b，以及图7a和图7b所示的：

分处在第一周向梁1b的外表面和内表面上的应变片R51和R52；

分处在第二周向梁2b的外表面和内表面上的应变片R53和R54；

分处在第三周向梁3b的外表面和内表面上的应变片R61和R62；

分处在第四周向梁4b的外表面和内表面上的应变片R63和R64；

应变片R51、R52、R53和R54沿Y轴向设置；应变片R61、R62、R63和R64沿X轴向设置。

由应变片R51、R52、R53和R54组成一组惠斯通全桥电路，用于检测X轴向的作用力F_x；由应变片R61、R62、R63和R64组成另一组惠斯通全桥电路，用于检测Y轴向的作用力F_y。

针对包括第一趾骨区域、第二到五趾骨区域、第一跖骨区域、第二跖骨区域、第三到第五趾骨区域、足跟内侧区域以及足跟外侧区域的共七个脚底主要压力作用位置5，按如下方式进行测力：

若利用测力单元1测量一个作用力大小F_i，c_i·F_i＝m_i；其中c_i为常数，常数c_i与作用力的位置坐标(x_i,y_i)及选择的检测信号相关，m_i为靠近作用力位置的支撑梁3上的任意一个检测信号。

若利用测力单元1测量两个作用力大小F_a和F_b；C·F＝M；其中C为2×2常数矩阵，常数矩阵C与作用力位置坐标(x_a,y_a)和(x_b,y_b)以及选择的检测信号相关；向量F＝(F_a，F_b)^T；针对靠近作用力位置的两个支撑梁3上各选取一个检测信号，构成向量M。

若利用测力单元1测量三个作用力大小F_a、F_b和F_c；C·F＝M；其中C为3×3常数矩阵，常数矩阵C与作用力位置坐标(x_a,y_a)、(x_b,y_b)、(x_c,y_c)以及选择的检测信号相关；向量F＝(F_a，F_b，F_c)^T；M为八个检测信号中三个检测信号组成的向量，且针对每个支撑梁3最多选取一个检测信号。

若利用测力单元1测量四个作用力大小F_a、F_b、F_c和F_d；C·F＝M；其中C为4×4常数矩阵，常数矩阵C与作用力位置坐标(x_a,y_a)、(x_b,y_b)、(x_c,y_c)和(x_d,y_d)以及选择的检测信号相关；向量F＝(F_a，F_b，F_c，F_d)^T；M为八个检测信号中四个检测信号组成的向量，且每个支撑梁3上选取一个检测信号。

若利用测力单元1测量五个作用力大小F_a、F_b、F_c、F_d和F_e；C·F＝M；其中C为5×5常数矩阵，常数矩阵C与作用力位置坐标(x_a,y_a)、(x_b,y_b)、(x_c,y_c)、(x_d,y_d)、(x_e,y_e)以及选择的检测信号相关；向量F＝(F_a，F_b，F_c，F_d，F_e)^T；M为八个检测信号中五个检测信号组成的向量，且在行走时的前后方向上的两个支撑梁(3)上各选取一个检测信号，在行走时的左右方向上的支撑梁3上任意选取三个输出信号。

若利用测力单元1测量六个作用力大小F_a、F_b、F_c、F_d、F_e和F_f；C·F＝M；其中C为6×6常数矩阵，常数矩阵C与作用力位置坐标(x_a,y_a)、(x_b,y_b)、(x_c,y_c)、(x_d,y_d)、(x_e,y_e)和(x_f,y_f)以及选择的检测信号相关；向量F＝(F_a，F_b，F_c，F_d，F_e，F_f)^T；M为八个检测信号中六个检测信号组成的向量，且行走时的前后方向上的每个支撑梁3上至少选取一个输出信号，行走时的左右方向上的两个支撑梁3上至少选取三个输出信号。

若利用测力单元1测量七个作用力大小F_a、F_b、F_c、F_d、F_e、F_f和F_g；C·F＝M；其中C为7×7常数矩阵，常数矩阵C与作用力位置坐标(x_a,y_a)、(x_b,y_b)、(x_c,y_c)、(x_d,y_d)、(x_e,y_e)、(x_f,y_f)和(x_g,y_g)以及选择的检测信号相关；向量F＝(F_a，F_b，F_c，F_d，F_e，F_f，F_g)^T；M为八个输出信号中七个检测信号组成的向量，且行走时的前后方向上的两个支撑梁3上任意选取三个输出信号，行走时的左右方向上的两个支撑梁3上选取四个输出信号。

则各个测量单元1上的作用力大小F即为：F＝C^-1·M；将属于同一个脚底主要压力作用位置5的区域的作用力合并为一个脚底主要压力大小，根据脚底各个主要压力大小及位置实现步态测量。

本发明既利用多个测力单元阵列排布组成，又利用每个测力单元可测多个压力，提高精度的同时成本较低，而且可以对切向力进行测量。本发明可以用来检测人体步态和足底各部位压力状况，对于小孩脚型矫正、脚步患者康复程度的检测以及找到运动员最有效地运动方式等具有重要作用。