足底应力检测及精准扫描成像系统的制作方法

本发明涉及足底应力检测技术领域，具体地说，涉及足底应力检测及精准扫描成像系统。

背景技术：

人体足底压力分布反映有关脚的结构、功能及整个身体姿势控制等情况。测试和分析足底压力可以获取人体在各体态和运动下的生理、病理力学参数和机能参数,这对临床医学诊断、疾病程度测定、术后疗效评价、生物力学及康复研究均有重要意。但现有的足底压力检测只能进行单脚测量，同时，由于摄像头采集面积窄，无法采集出来整个足底的呈像，且无法对足底压力值的精确测定。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供足底应力检测及精准扫描成像系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供足底应力检测及精准扫描成像系统，包括一对足底应力检测装置，两个所述足底应力检测装置之间安装有激光准直装置，所述足底应力检测装置的顶部嵌设有棱镜，所述足底应力检测装置的内部设置有直线滑轨，所述直线滑轨的内部设置有传送带，所述直线滑轨的顶部滑动连接有扫描装置，所述直线滑轨的中心位置开设有安装槽，所述安装槽的两端对称开设有定位槽，所述传送带设置在安装槽内，所述传送带的两端传动连接有传动辊，所述传动辊的两端同轴安装有连接轴，其中一个所述传动辊的连接轴上同轴安装有第一锥齿，所述第一锥齿的一端啮合有第二锥齿，所述第二锥齿的一侧安装有旋转电机，所述旋转电机的输出轴和第二锥齿同轴安装，所述扫描装置包括安装板，所述安装板的底部靠近定位槽一侧安装有与定位槽滑动连接的限位块，所述安装板的底部靠近安装槽一侧安装有与安装槽滑动连接的连接板，所述连接板和传送带顶部紧密粘接，所述安装板的顶部安装有光电扫描摄像头。

作为优选，所述直线滑轨靠近安装槽一侧开设有与安装槽相连通的通孔，所述旋转电机的输出轴穿过通孔与第二锥齿同轴安装。

作为优选，所述限位块的底部开设有凹槽，所述凹槽的内壁转动连接有滑轮。

作为优选，所述激光准直装置包括调节轨以及与调节轨滑动连接的滑块，所述调节轨的内部开设有贯通调节轨的调节槽，所述滑块一侧开设有卡槽，所述调节轨和卡槽滑动连接，所述卡槽内壁安装有与调节槽滑动连接的滑板，所述滑块的顶部安装有直线激光准直器。

作为优选，所述光电扫描摄像头的外壁设置有固定盒，所述固定盒的内部开设有内槽，所述光电扫描摄像头的底部两端通过转轴转动连接在内槽内壁上，所述光电扫描摄像头的顶部开设有扣槽。

作为优选，所述光电扫描摄像头的光电扫描方法如下：

s1.1、测量照度分布：通过光电扫描摄像头在像面获得足底照度分布，照度分布公式如下：

e1(x1)＝f(x1)……(1.1)；

s1.2、测量光通量：取样光栏截取扫描足底的部分像面光强，得到光通量，光通量公式如下：

φ(t)＝ae1＝af(x1)＝af(v1*t)……(1.2)

其中，a为光栏截取面积；

s1.3、转换时序电信号：经光电转换得到时序电信号，光电转换公式如下：

u(t)＝kφaf(v1*t)……(1.3)

其中，kφ为光电转换系数；

s1.4、将图像电信号经过传输线送到再现端。

作为优选，所述足底应力检测装置内设置有压力测量系统，所述压力测量系统包括压力传感器、a/d转换器、单片机、led显示器和电源模块，所述压力测量系统的压力测量方法如下：

s2.1、数据采集：通过压力传感器采集棱镜表面的足底应力；

s2.2、a/d转换：采用a/d转换器进行a/d转换，将转换后的电压转换为压力数据；

s2.3、数据显示：将转换后的压力数据显示在led显示器。

作为优选，所述足底应力检测装置内设置有无线传输模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、该足底应力检测及精准扫描成像系统中，设置两个足底应力检测装置，能够通过对双脚的足底应力进行检测。

2、该足底应力检测及精准扫描成像系统中，采用棱镜，能够将物像折射缩小，同时，光电扫描摄像头沿着直线滑轨水平运动，采用光电扫描方式，能够完全完整的采集出来整个足底像。

3、该足底应力检测及精准扫描成像系统中，激光准直装置为轨道式，便于对激光准直装置进行平移，调节位置。

4、该足底应力检测及精准扫描成像系统中，设置压力测量系统，在棱镜内部设置压力传感器，能够对足底压力值进行精确测定。

5、该足底应力检测及精准扫描成像系统中，采用无线传输模块对足底应力检测的信息进行无线传输，便于在终端生成检测报告。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的足底应力检测装置结构示意图；

图3为本发明的足底应力检测装置内部结构图；

图4为本发明的直线滑轨结构示意图；

图5为本发明的传送带结构示意图；

图6为本发明的扫描装置结构示意图；

图7为本发明的激光准直装置结构示意图；

图8为本发明的光电扫描摄像头结构示意图；

图9为本发明的光电扫描方法流程框图；

图10为本发明的压力测量系统框图；

图11为本发明的压力测量系统流程图；

图12为本发明的压力传感器工作原理图；

图13为本发明的无线传输整体工作原理图；

图14为本发明的nrf401无线收发芯片引脚图图；

图15为本发明的nrf401无线收发芯片内部结构框图。

图中各个标号意义为：

1、足底应力检测装置；11、棱镜；

12、直线滑轨；121、安装槽；122、定位槽；123、通孔；

13、传送带；131、传动辊；132、连接轴；133、第一锥齿；134、第二锥齿；135、旋转电机；

14、扫描装置；141、安装板；142、限位块；143、连接板；144、光电扫描摄像头；145、凹槽；146、滑轮；

1441、固定盒；1442、内槽；1443、转轴；1444、扣槽；

2、激光准直装置；21、调节轨；22、调节槽；23、滑块；24、卡槽；25、滑板；26、直线激光准直器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例1

本发明提供足底应力检测及精准扫描成像系统，如图1-图8所示，包括一对足底应力检测装置1，两个足底应力检测装置1之间安装有激光准直装置2，两个足底应力检测装置1相互平行设置，两个足底应力检测装置1中间点之间距离15cm-20cm，便于对双脚自然踩在足底应力检测装置1上，并同时对双脚进行检测。足底应力检测装置1的顶部嵌设有棱镜11，采用棱镜11能够将物像折射缩小，进而摄像头可以完全完整的采集出来整个足底的像。

本实施例中，足底应力检测装置1的内部设置有直线滑轨12，直线滑轨12的内部设置有传送带13，传送带13的传送距离和棱镜11的长度相等，直线滑轨12的顶部滑动连接有扫描装置14，使得扫描装置14能够在沿着直线滑轨12全面扫描棱镜11上的图像，且棱镜11和传送带13的长度为18cm-20cm，使得脚掌能够完全放置在棱镜11上，便于对脚掌的图像进行全面采集。

进一步的，直线滑轨12的中心位置开设有安装槽121，安装槽121的两端对称开设有定位槽122，传送带13设置在安装槽121内，传送带13的两端传动连接有传动辊131，传动辊131的两端同轴安装有连接轴132，其中一个传动辊131的连接轴132上同轴安装有第一锥齿133，另一个传动辊131转动连接在安装槽121内壁上，便于传动辊131在安装槽121内部转动，并带动传送带13转动。

具体的，第一锥齿133的一端啮合有第二锥齿134，通过第二锥齿134的转动能够带动第一锥齿133旋转运动。

值得说明的是，第二锥齿134的一侧安装有旋转电机135，旋转电机135的输出轴和第二锥齿134同轴安装，通过旋转电机135带动第二锥齿134同步转动。

进一步的，扫描装置14包括安装板141，安装板141的底部靠近定位槽122一侧安装有与定位槽122滑动连接的限位块142，通过限位块142在定位槽122内滑动，能够防止安装板141整体在直线滑轨12顶部滑动时产生晃动，减少扫描装置14扫描的抖动。

具体的，安装板141的底部靠近安装槽121一侧安装有与安装槽121滑动连接的连接板143，连接板143和传送带13顶部紧密粘接，通过传送带13和连接板143粘连，使得传送带13转动时，带动连接板143运动，进而带动安装板141运动，同时，安装板141的顶部安装有光电扫描摄像头144，光电扫描摄像头144随着安装板141转动，实现光电扫描摄像头144沿着直线滑轨12直线运动，通过光电扫描摄像头144对脚掌进行全面扫描。

此外，直线滑轨12靠近安装槽121一侧开设有与安装槽121相连通的通孔123，旋转电机135的输出轴穿过通孔123与第二锥齿134同轴安装，便于将旋转电机135安装在直线滑轨12外侧。

除此之外，限位块142的底部开设有凹槽145，凹槽145的内壁转动连接有滑轮146，通过滑轮146和直线滑轨12接触，减少限位块142滑动时产生的摩擦阻力，使得限位块142滑动更加平稳。

具体的，激光准直装置2包括调节轨21以及与调节轨21滑动连接的滑块23，调节轨21的内部开设有贯通调节轨21的调节槽22，滑块23一侧开设有卡槽24，调节轨21和卡槽24滑动连接，便于滑块23通过卡槽24在调节轨21上滑动，同时，卡槽24内壁安装有与调节槽22滑动连接的滑板25，滑板25在调节槽22内滑动，防止滑块23在调节轨21内滑动时产生偏移，滑块23的顶部安装有直线激光准直器26，通过直线激光准直器26对腿部进行准直线定位。

值得说明的是，光电扫描摄像头144的外壁设置有固定盒1441，固定盒1441的内部开设有内槽1442，光电扫描摄像头144的底部两端通过转轴1443转动连接在内槽1442内壁上，光电扫描摄像头144的顶部开设有扣槽1444，以便于光电扫描摄像头144旋转收纳至固定盒1441内。

实施例2

为了便于完整的采集出来整个足底的像，本发明还对光电扫描摄像头144作出改进，具体如图9所示，光电扫描摄像头144的光电扫描方法如下：

s1.1、测量照度分布：通过光电扫描摄像头144在像面获得足底照度分布，照度分布公式如下：

e1(x1)＝f(x1)……(1.1)；

s1.2、测量光通量：取样光栏截取扫描足底的部分像面光强，得到光通量，光通量公式如下：

φ(t)＝ae1＝af(x1)＝af(v1*t)……(1.2)

其中，a为光栏截取面积；

s1.3、转换时序电信号：经光电转换得到时序电信号，光电转换公式如下：

u(t)＝kφaf(v1*t)……(1.3)

其中，kφ为光电转换系数；

s1.4、将图像电信号经过传输线送到再现端。

其中，当发光器件连同透光光栏作扫描运动时，发光点的运动为：

x2＝v2*t……(1.4)

式中，v2为时空转换系数，x2为再现端的位置坐标。

其中，在再现光屏上形成随时间&位置变化的照度分布e2(x2，t)，并有：

e2(x2，t)＝ke·b(t)

＝ke·kb·kφ·af(v1·t)

＝ke·kb·kφ·af(v1·x2/v2)

＝kf(v1·x2/v2)

＝kf(x2·v1/v2)

式中，ke为光度变换系数，k为灰度变换因子。

采用光电扫描摄像头144通过光电扫描能够完整的采集出来整个足底的像。

实施例3

为了对足底压力值的进行精确测定，本发明还设置有压力测量系统，具体如图10-图12所示，足底应力检测装置1内设置有压力测量系统，压力测量系统包括压力传感器、a/d转换器、单片机、led显示器和电源模块，压力测量系统的压力测量方法如下：

s2.1、数据采集：通过压力传感器采集棱镜11表面的足底应力；

s2.2、a/d转换：采用a/d转换器进行a/d转换，将转换后的电压转换为压力数据；

s2.3、数据显示：将转换后的压力数据显示在led显示器。

本实施例中，压力传感器采用mpx4115系列压电电阻传感器是一个硅压力传感器，压力传感器嵌设在棱镜11内部，其工作原理如图12所示。

进一步的，a/d转换器采用型号为adc0832的a/d转换器，adc0832的输入电压是0-5v且8位分辨率时的电压精度为19.53mv，如果作为由in+与in-输入的输入时，可是将电压值设定在某一个较大范围之内，从而提高转换的宽度，值得注意的是，在进行in+与in-的输入时，如果in-的电压大于in+的电压则转换后的数据结果始终为00h。

具体的，单片机采用at89c51单片机，at89c2051是一种带2k字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用atmel高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的mcs-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位cpu和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel的at89c51是一种高效微控制器。

值得说明的是，led显示器采用led动态扫描显示，将压力数值显示在led显示器上。

实施例4

为了将足底应力检测的信息进行无线传输，本发明还设置有无线传输模块，具体如图13-图15所示，足底应力检测装置1内设置有无线传输模块。

本实施例中，无线传输模块采用nrf401无线收发芯片，其工作原理如图13所示，其包括输入输出模块、pll环路滤波器、vco电感、晶振电路、rf输出功率。

其中，输入输出模块具体为：当nrf401是接收模式时，ant1和ant2引脚端提供射频输入到低噪声放大器(lna)；当nrf401为发射模式时，从功率放大器提供射频输出到天线。

其中，pll环路滤波器，是一个单端二阶滤波器，滤波器元件参数值：c3＝820pf，c4＝15nf，r2＝4.7k。

其中，芯片的vco电路需要外接一个vco电感，其q值大于45，最大误差2％。

其中，晶体振荡器需要外接晶振，晶振的特性要求是：并联谐振频率f＝4mhz，并联等效电容c0<5pf，晶振等效串联电阻resr<150ω，全部负载电容，包括印制板电容cl<14pf。负载电容cl如下式所示：

式中c2′＝c2+cpcb2和c1′＝c1+cpcb1，cpcb1和cpcb2是电路板的寄生电容。

其中，连接在rf_pwr端和vss之间的电阻r3可以设置输出功率，最大发射功率可以调整到+10dbm。

进一步的，nrf401引脚如图14所示，其引脚说明如下：

(1)、9脚及10脚分别是din输入数字信号和dout输出数字信号均为标准的逻辑电平信号，需要发射的数字信号通过din输入，解调出来的信号经过dout输出；

(2)、12脚为通道选择，freq＝“0”为通道#1(433.92mhz)，freq＝“1”为通道#2(434.33mhz)；

(3)、18脚为电源开关，pwr_up＝“1”为工作模式，pwr_up＝“0”为待机模式；

(4)、19脚txen：高电平允许发送数据，低电平允许接收数据；

(5)、ant1、ant2：天线接入端。

值得说明的是，nrf401无线收发芯片的结构框图如图15所示，芯片内包含有发射功率放大器(pa)、低噪声接收放大器(lna)，晶体振荡器(osc)，锁相环(pll)，压控振荡器(vco)，混频器(mixer)等电路。

其中，在接收模式中，rf输入信号被低噪声放大器(lna)放大，经由混频器(mixer)变换，这个被变换的信号在送入解调器(dem)之前被放大和滤波，经解调器解调，解调后的数字信号在dout端输出。在发射模式中，压控振荡器(vco)的输出信号是直接送入到功率放大器(pa)，din端输入的数字信号被频移键控后馈送到功率放大器输出。由于采用了晶体振荡器和pll合成技术，频率稳定性极好。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。