感测装置

申请号 CN201580067273.0 申请日 2015-12-10 公开(公告)号 CN107003188A 公开(公告)日 2017-08-01
申请人 HCI维奥卡尔技术公司; 发明人 哈里普拉尚斯·依兰戈万; 克里斯托斯·卡帕托斯;
摘要 一种 力 或压力感测装置,包括:一个或多个磁体(12,406),与一个或多个磁 传感器 (14)弹性地保持间隔,使得该装置上的压力使该磁体(12、406)相对该 磁场 传感器(14)移位。该装置可以被合并到 鞋 垫(100、110、400)中,或者集成到鞋中,或集成到坐垫、垫子、 床垫 或车座中。该装置包括一个或多个磁聚焦元件(18),位于磁场传感器(14)上与磁体(12、406)相反的一侧,以对通过传感器(10、14)的磁场进行会聚和调节。该磁聚焦元件(18)可以是 永磁体 (406),或具有高磁导率的 磁性 材料,如高导磁 合金 。可将附加的磁聚焦元件(18)放置在磁体(12、406)附近。多个磁场传感器(14)可以在该一个或多个磁体(12、406)下方的平面中对称布置,使得施加到该装置的剪切力引起磁体(406)和磁场传感器(14)的横向相对位移改变磁场传感器(14)所感测到的磁场。该装置也可包括 运动检测 器,如可与磁场传感器(14)集成的 加速 度计 。
权利要求

1.一种感测装置,包括:磁场发生器;至少一个磁场传感器;弹性支撑件,支撑所述磁场发生器和磁场传感器,用于响应于施加到所述装置的力的相对运动;所述磁场传感器被设置为测量由这种相对运动导致的、来自所述磁场发生器的磁场中的变化;所述装置还包括:至少一个磁聚焦元件,设置在所述磁场传感器上与所述磁场发生器相反的一侧,对来自所述磁场发生器、通过所述磁场传感器的磁场进行聚焦。
2.根据权利要求1所述的装置,其中所述磁聚焦元件是永磁体、磁化元件、电磁体、或由具有高磁导率的材料制成。
3.根据权利要求1或2所述的装置,其中所述磁场传感器是片簧传感器、霍尔效应传感器磁隧道结MTJ、各向异性磁阻AMR、巨磁阻GMR或微分磁阻DMR传感器或洛伦兹力磁力计,并且其中所述磁场发生器是永磁体、磁化元件或电磁体。
4.根据权利要求1、2或3所述的装置,其中提供了多个磁场传感器和多个磁聚焦元件,每一个分别配置在所述磁场传感器上与所述磁场发生器相反的一侧,所述磁场传感器被设置为测量由于所述磁场发生器和磁场传感器之间彼此相向和远离的相对移动以及彼此横向移动而产生的、来自所述磁场发生器的所述磁场的变化,从而所述装置可以测量施加到所述装置的剪切力。
5.根据权利要求4所述的装置,其中与所述多个磁场传感器中的每一个相邻设置磁聚焦元件。
6.根据权利要求4或5所述的装置,其中有两个、三个或四个磁场传感器。
7.根据权利要求4、5或6所述的装置,其中所述磁场传感器相对于所述磁场发生器对称设置。
8.根据权利要求4、5、6或7所述的装置,其中所述磁场传感器被布置为一个磁场传感器位于结构的中心,并且其余的设置在其周围。
9.根据权利要求8所述的装置,其中所述结构中心的所述磁场传感器位于来自所述磁场发生器的所述磁场的中心轴上。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置,其中又一磁场发生器位于来自所述磁场发生器的所述磁场的所述中心轴上。
11.根据前述权利要求中任一项所述的装置,其中又一磁聚焦元件位于来自所述磁场发生器的所述磁场的所述中心轴上。
12.根据前述权利要求中任一项所述的装置,还包括用于测量所述装置运动的运动传感器。
13.根据权利要求12所述的装置,其中所述运动传感器包括压电传感器陀螺仪传感器、2-轴加速度计和3-轴加速度计中的至少一个。
14.根据权利要求11或12所述的装置,还包括方向传感器,用于感测所述装置的方向,所述方向传感器包括压电传感器、陀螺仪传感器、2-轴加速度计和3-轴加速度计中的至少一个。
15.根据权利要求14所述的装置,其中所述运动传感器和方向传感器彼此成为一体。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的装置,其中所述运动传感器与所述磁场传感器合为一体。
17.根据前述权利要求中任一项所述的装置,其中所述弹性支撑件包括第一层,所述第一层为弹性,并且支撑所述至少一个磁场发生器,以及所述磁场发生器和所述磁场传感器之间的第二弹性层。
18.根据权利要求17所述的装置,其中所述至少一个磁场传感器和磁聚焦元件安装在所述第二弹性层中。
19.根据权利要求17或18所述的装置,还包括第三层,在所述第二层上与所述第一层相反的一侧。
20.根据前述权利要求中任一项所述的装置,还包括第二磁性聚焦元件,被设置为邻近所述磁场发生器。
21.一种垫,合并有至少一个根据前述权利要求中任一项所述的力感测装置。
22.根据权利要求21所述的鞋垫,其中所述装置的所述磁场发生器设置在所述鞋垫的上层中,并且所述至少一个磁场传感器和至少一个聚焦元件设置在所述鞋垫的下层中。
23.根据权利要求22所述的鞋垫,还包括在所述上层和下层之间的弹性中间层
24.一种鞋,合并有至少一个根据权利要求1至20中任一项所述的力感测装置。
25.根据权利要求24所述的鞋,其中所述装置的所述磁场发生器设置在所述鞋的鞋垫内,并且所述至少一个磁场传感器和至少一个聚焦元件设置在所述鞋的鞋底中,在使用中,其上方设置所述鞋垫。
26.根据权利要求25所述的鞋,其中所述鞋垫没有固定到所述鞋的所述鞋底,从而该鞋垫是可拆卸的。
27.根据权利要求25或26所述的鞋,其中所述鞋垫的底面和所述鞋的所述鞋底的上表面包括凸纹和凹纹表面特征,其相互接合,以防止使用中所述鞋垫在所述鞋底上滑动。
28.一种可拆卸鞋垫,用于根据权利要求25、26或27所限定的鞋。
29.一种坐垫、床垫、车座或垫子,合并有至少一个根据权利要求1至20中任一项所述的力感测装置。
30.根据权利要求29所述的坐垫、床垫、车座或垫子,其中所述装置的所述磁场发生器设置在第一层中,并且所述至少一个磁场传感器和至少一个聚焦元件设置在所述坐垫、床垫、车座或垫子的第二层中。
31.一种鞋,包括:力感测装置,包括:磁场发生器;磁场传感器;弹性支撑件,支撑所述磁场发生器和所述磁场传感器,用于响应于施加到所述装置的力的相对运动;所述磁场传感器被设置为测量由所述相对运动导致的、来自所述磁场发生器的磁场的变化,其中所述磁场发生器被设置在所述鞋的鞋垫中,并且所述磁场传感器被设置在所述鞋的鞋底中,所述鞋底上方设置有所述鞋垫,并且其中所述弹性支撑件包括所述鞋垫和鞋底中的至少一个。
32.一种合并了力感测装置的坐垫、床垫、车座或垫子,包括:磁场发生器;磁场传感器;
弹性支撑件,支撑所述磁场发生器和所述磁场传感器,用于响应于施加到所述装置的力的相对运动;所述场传感器被设置为测量由所述相对运动导致的、来自所述磁场发生器的磁场的变化,其中所述装置的所述磁场发生器被设置在第一层,并且所述磁场传感器被设置在所述坐垫、床垫、车座或垫子的第二层。
33.根据权利要求32所述的坐垫、床垫、车座或垫子,其中所述弹性支撑件包括所述第一层、所述第二层和在所述第一层和所述第二层之间的中间层中的至少一个。
34.根据权利要求31所述的鞋,或者根据权利要求32或33所述的坐垫、床垫、车座或垫子,其中有多个磁场传感器,所述磁场传感器适应于感测由施加到所述力感测装置的剪切力而引起的所述磁场中的变化。
35.根据权利要求31或34所述的鞋,或者根据权利要求32、33或34所述的坐垫、床垫、车座或垫子,还包括运动传感器,用于测量所述装置的运动。
36.根据权利要求31、34或35所述的鞋,或者根据权利要求32、33、34或35所述的坐垫、床垫、车座或垫子,其中所述磁场传感器通过包括多个传感器阵列、各向异性磁致伸缩AMR传感器和巨磁阻传感器GMR中的一个,适应于感测由施加到所述力传感装置的剪切力引起的所述磁场中的变化。
37.一种力感测装置,包括:磁场发生器;磁场传感器;弹性支撑件,支撑所述磁场发生器和所述磁场传感器,用于响应于施加到所述装置的力的相对运动;所述磁场传感器被设置为测量由所述相对运动导致的、来自所述磁场发生器的磁场的变化;所述磁场传感器是磁阻传感器,操作于感测所述磁场发生器和磁场传感器在两个正交方向上的相对运动,从而所述力感测装置感测施加到所述力感测装置的压缩和剪切力。
38.根据权利要求37所述的力感测装置,其中所述磁阻传感器操作于感测所述磁场发生器和磁场传感器在三个正交方向上的相对运动。
39.根据权利要求37或38所述的装置,其中所述弹性支撑件包括第一层,所述第一层是弹性的,并且支撑所述磁场发生器,以及所述磁场发生器和所述磁场传感器之间的第二弹性层。
40.根据权利要求39所述的装置,还包括第三层,在所述第二层上与所述第一层相反的一侧。
41.一种力感测装置,包括:磁场发生器;至少四个磁场传感器;弹性支撑件,支撑所述磁场发生器和所述磁场传感器,用于响应于施加到所述装置的力的相对运动;所述磁场传感器被设置为测量由所述相对运动导致的、来自所述磁场发生器的磁场的变化;所述至少四个磁场传感器被布置在矩形结构的顶点处,所述矩形结构限定所述平面,与所述磁场发生器之间被所述弹性支撑件隔开。
42.根据权利要求41所述的装置,其中所述磁场传感器相对于所述磁场发生器对称地布置。
43.根据权利要求41或42所述的装置,其中所述磁场传感器被布置在正方形的顶点处。
44.根据权利要求41、42或43所述的装置,还包括运动传感器,用于测量所述装置的运动。
45.根据权利要求41至44中任一项所述的装置,其中还一个磁场发生器位于所述磁场发生器的所述磁场的中心轴上。
46.根据权利要求41至45中任一项所述的装置,其中提供多个磁场发生器,每一个用于所述磁场传感器中的一个,所述多个磁场发生器中的每一个被设置为对应于所述磁场传感器中的对应一个的相应位置,所述多个磁场发生器机械连接在一起。
47.根据权利要求46所述的装置,其中所述多个磁场发生器通过细长的连接元件机械连接在一起,或者通过将所述多个磁场发生器附着在平面载体元件上而机械连接在一起。

说明书全文

感测装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种力感测装置。

背景技术

[0002] 许多应用中出现了测量力的需求。进一步的,存在用于提供力感测的多种不同技术。本发明具体涉及的力感测装置适合用作非侵入性医疗/运动/健身传感器,可用于测量施加于人体或由人体施加的力。通过测量力,可以计算压力、扭矩和剪切力。其目的是提供可用于可穿戴装置的传感装置,如智能服装,以及注重于施加于人体或由人体施加的力的对象,如床垫、垫子、轮椅、车座、滑板和其他运动装置等。对于身体康复、运动训练或实现医疗救治目标,如避免压疮或压力点,等用途而言,这些情况下的力的测量是非常宝贵的。例如,对足部-地面压力数据的精确测量,提供了关于人的足部状况和步态的重要信息,并且可用于改善恢复、性能或设计矫形鞋。对于床垫、坐垫和车座,诸如轮椅坐垫、床垫、汽车坐垫和车座或自行车车座的情况,压力的检测和记录对于皮肤健康和性能方面的原因而言,都是重要的。皮肤压力过度会导致软组织破裂和溃疡。
[0003] 足部问题也是与糖尿病相关的许多并发症之一。老茧、溃疡、感觉丧失(神经性病变)和血液循环不良等问题可导致感染、周围性血管疾病和溃疡,这可能导致需要截肢。由于糖尿病周围神经病变,可能是患者不了解他们脚部的压力点,并且日常缺乏仔细的观察,可能会导致严重的足部问题。通过提供足底压力监测,不仅可以提供这种问题的警告,还可以允许准确地研究患者的行走模式,允许设计定制的辅助装置,如矫形器和鞋支撑
[0004] 在体育和健身领域,可穿戴装置,尤其是那些可与智能手机接口的装置,已经变得非常受欢迎,并且通过提供可用于监测足部、膝盖和臀部压力的压力或力感测装置,可以提供这些区域的连续实时监测,这对运动员,如田径、高尔夫滑雪和自行车运动员来说,可以是重要的。对山地徒步圈而言,这样的装置也是重要的,产生了宝贵的定量数据。
[0005] 目前,主要有三种技术用于商业化的鞋内压力测量系统。例如,Tekscan的F扫描系统是基于电阻式传感器。这包括保持(hold)在两个电极之间的导电泡沫制成的力传感电阻器,并且当压力施加到传感器时,导电泡沫体变形并且电阻改变。电容技术,例如Novel的Pedar系统中采用的电容技术,是基于由两个由介电弹性层隔开的导电性带电板组成的传感器。当压力施加到传感器时,电介质弹性层弯曲,缩短了两板之间的距离,也就改变了电容。也提出了压电应变片,例如Orpyx的Surrosense鞋垫。该传感器使用压阻半导体材料,其体电阻率随施加压力而变化。
[0006] US5,325,869公开了一种用作鞋垫的磁性传感器。该传感器包括至少一个磁体,以及至少一个固定在可变形垫的相对侧上的霍尔效应传感器。力施加在传感器上,使得垫子变形,改变一个或多个磁体与一个或多个传感器之间的距离。多个这样的传感器可以并入鞋的鞋垫中。
[0007] 对于上述应用范围,以及要求传感器提供精确的和可重复的力或压力测量,传感器必须是耐用和可靠的,并且优选具有低功耗。如果传感器的精度不因施力方向不同而受到影响,或者在磁传感器的情况下,不受外部磁性,如地球的磁场或金属或其他磁性物体的接近的,的影响,则也是理想的。

发明内容

[0008] 相应地,本发明提供了一种力感测装置,包括:磁场发生器;磁场传感器;支撑该磁场发生器和磁场传感器的弹性支撑件,用于响应于施加到传感器的力的相对运动;该磁场传感器被设置为测量由这种相对运动引起的来自该磁场发生器的磁场的变化;该装置还包括:聚焦元件,设置在该磁场发生器上该磁场传感器的相对侧,通过该磁场传感器,将来自该磁场发生器的磁场聚焦。
[0009] 本发明的装置有效地测量磁场发生器相对于磁场传感器的位移。由于该位移抵抗由弹性支撑件提供的阻力,故而该位移对应于(经过校准过程)可以计算或测量的力。三个正交方向的位移对应于压缩、膨胀和剪切。知道力和施加该力的面积,就可以给出压力测量。下面描述的一些实施例使用微型力板来提供倾斜和扭矩测量。
[0010] 该磁聚焦元件的使用使自该磁场发生器通过该磁场传感器的磁通量增加。这提高了传感器的灵敏度,增加了传感器输出的分辨率和装置的动态范围。这也降低了该装置对该磁场发生器倾斜,例如在该装置表面上施力不匀而引起的倾斜,的敏感度。由于通过传感器的磁通量较强,不需要放大输出信号,从而降低了装置的功耗。
[0011] 该聚焦元件可以是永磁体、磁化元件、电磁体,或者可以由具有高磁导率的材料制成,例如超材料(meta-material)或高导磁合金(镍-合金)。
[0012] 该磁场传感器可以是片簧传感器、霍尔效应传感器、磁隧道结(magnetic tunneling junction,MTJ)传感器、各向异性磁阻(anisotropic magnetoresistance,AMR)传感器、微分磁阻(differential magnetoresistance,DMR)传感器、巨磁阻(giant magnetoresistance,GMR)传感器或洛伦兹力传感器。
[0013] 可以提供多个磁场传感器和多个磁聚焦元件,每一个分别设置在磁场发生器上磁场传感器的相对侧,该磁场传感器被设置为测量来自该磁场发生器的、由于该磁场发生器和该磁场传感器之间彼此相向和远离移动以及彼此横向相对移动而产生的磁场的变化,通过该装置,可以测量施加到该装置的剪切力。
[0014] 磁聚焦元件可以设置为与多个磁场传感器中的每一个相邻。可以有两个、三个或四个磁场传感器,并且该磁场传感器可以相对于该磁场发生器对称地设置。该磁场传感器可以布置为:一个位于结构的中心,并且其余的布置在其周围,并且结构中心的磁场传感器可以设置在来自该磁场发生器的磁场的中心轴上。更多的磁场发生器可以放置在来自该磁场发生器的磁场的中心轴上。可选地,更多的磁聚焦元件可以放置在来自该磁场发生器的磁场的中心轴上。
[0015] 在一个实施例中,可以有至少四个磁场传感器设置在矩形结构的顶点处,该矩形结构可以是例如正方形,限定了将磁场发生器隔开的平面。这允许通过减去对侧的磁场传感器的读数来计算平面内正交(x和y)的位移。也允许通过对所有四个读数求和来获得平面外(z方向)的位移。这减小了信号处理的负担。
[0016] 本发明的另一方面提供了一种力感测装置,包括:磁场发生器;磁场传感器;支撑该磁场发生器和该磁场传感器的弹性支撑件,用于响应于施加到该装置的力作相对运动;该磁场传感器被设置为测量由这种相对运动引起的来自该磁场发生器的磁场的变化;该磁场传感器是磁阻传感器,操作用于感测该磁场发生器和磁场传感器在两个正交方向上的相对运动,由此,该力感测装置感测施加到该力感测装置的压缩力和剪切力。
[0017] 因此,本发明的这一方面使用该磁阻传感器来感测该磁场发生器和该磁场传感器在两个正交方向上的相对运动引起的磁场变化,从而允许该装置感测并测量施加到其上的剪切力以及压缩力。剪切力使该磁场发生器相对于该磁场传感器发生横向位移,而压缩(或拉伸)力使其朝向和背离传感器发生位移。本发明人已经发现,单个磁阻传感器可以感应和测量这些剪切力,而不需要多个磁场传感器来对相对运动进行三测量。
[0018] 该磁阻传感器可以是各向异性(AMR)传感器、微分磁阻(DMR)传感器或巨磁阻(GMR)传感器。本发明的这个方面也可以使用磁聚焦元件。
[0019] 该弹性支撑件可以包括:弹性的第一层,并且支撑该磁场发生器;以及在该磁场发生器和该磁场传感器之间的第二弹性层。该第一层可以是诸如多孔、泡沫、EVA、脂、硅胶或聚酯材料,并且可以包括柔性和刚性材料的组合。该第二层优选是柔性且可弯曲的材料,优选具有线性压缩特性,并且优选为电绝缘体,例如多孔、泡沫、EVA、硅胶或聚氨酯。该第二层可以包括气垫。
[0020] 优选地,该磁场传感器和磁聚焦元件安装在该第二弹性层中。
[0021] 该装置也可以包括第三层,在第一层上第二层的相对侧提供。该第三层可以由诸如多孔、泡沫、EVA、硅、硅胶和聚氨酯的柔性和可弯曲的材料制成,并且其用作该磁场传感器和该磁聚焦元件的保护层。
[0022] 该装置还可包括第二磁聚焦元件,相邻该磁场发生器设置,优选在该磁场发生器和磁场传感器之间。
[0023] 本发明的另一方面提供了一种力感测装置,包括:磁场发生器;至少四个磁场传感器;支撑该磁场发生器和该磁场传感器的弹性支撑件,用于响应于施加到该装置的力作相对运动,该磁场传感器被设置为测量由这种相对运动产生的来自磁场发生器的磁场的变化,该至少四个磁场传感器布置在矩形结构的顶点处,该矩形结构所限定的该平面与该磁场发生器之间被该弹性支撑件隔开。
[0024] 该磁场传感器可以相对于该磁场发生器对称地设置。传感器的这种结构不仅为了三角测量,还显著提高了剪切力检测的精度和分辨率,使得这种结构能够检测微剪切力,以及提高力监测的精度和分辨率,消除了压力检测中可能的伪报和不准确性,这种伪报和不准确性可能来自(由剪切力造成的)横向位移。在这个版本中,如果仅测量压力,也可以消除对复杂数学建模的需要;传感器直接位于磁场发生器下方,能够无需周围的传感器即可测量压力。而且,仅通过激活中央传感器,或者通过不考虑周围的传感器的数据,可使该结构可以非常精确地,并且同时非常节能地,读取压力。
[0025] 在一个实施例中,第二磁场发生器可以放置在来自第一磁场发生器的磁场的中心轴上,优选放置在该磁场传感器的平面之中或附近。优选地,为多个磁场传感器中的每一个提供磁聚焦元件,每个聚焦元件被设置为邻近其对应磁场传感器。更多的磁聚焦元件可以放置在来自该磁场发生器的磁场的中心轴上。
[0026] 在一个实施例中,四个磁场传感器设置在矩形结构的顶点处,其中三个或四个定义了与该磁场发生器由该弹性支撑件间隔开的该平面。传感器的这种矩形或“交叉构造”的配置,特别是当在该结构的中心设置附加的磁场发生器时,被设计为测量长“滑动”——即可以得出连续或半连续剪切力读数的长位移。可以覆盖大面积,故而对于床垫和靠垫是理想的。该第二磁场发生器设置在该结构的中心,用作该结构的自归零和自校准,以及顶部磁场发生器的自对准。这种配置可以检测大面积上的剪切力,这是传统传感器配置无法做到的。因此,用户只需使用一个“交叉”配置,而无需使用两个、三个或四个“三角”配置。
[0027] 在另一个实施例中,多个磁场传感器可以布置成阵列,例如围绕由磁场发生器产生的场的轴对称且在其下方的平面中的圆形阵列。这种配置的优点是在所有3个维度上都有精度和分辨率,这在任何现有技术的传感器配置中都是无可比拟的。即使最轻微的运动,都可以精确地检测出,从而记录所施加的每个剪切力或压力。这是一个高精度的配置。
[0028] 可选地,提供多个磁场发生器,每个该磁场传感器各用一个,该多个磁场发生器中的每一个被布置在相对于该磁场传感器中对应一个的相应位置,该多个磁场发生器机械连接在一起。这机械地统一了该磁场发生器,允许该装置检测统一后的磁场发生器的倾斜。该磁场发生器可以通过细长的连接元件机械地连接在一起,或者通过将多个磁场发生器附着到诸如圆盘的平面承载元件来机械连接在一起。连接元件优选是刚性的,如刚性非磁性材料,例如塑料。
[0029] 本发明的装置还可以包括用于测量该装置运动的运动传感器。该运动传感器至少可以包括:压电传感器陀螺仪传感器;2-轴加速度计;和3-轴加速度计。该装置还可以包括方向传感器,用于感测该装置的方向,该方向传感器至少包括:压电传感器;陀螺仪传感器;2-轴加速度计和轴加速度计。该运动传感器和方向传感器可以彼此合为一体。该运动传感器可以与磁场传感器合为一体。
[0030] 在力感测装置中提供运动传感器,可以通过允许检测力和相关运动来提供对医疗、运动和健身应用中的运动的改进的评估。因此,提供了被所监测的个体的运动的更好的分析。进一步的,这是仅通过一个装置实现的,无需在力之外单独监测运动(例如通过使用视频记录和视觉标记来记录运动,用用压力盘来记录力),也就不涉及使测量同步的困难任务。利用本发明,也容易将多个力感测装置一起使用,以给出力和移动的更完整的图景。
[0031] 本发明的一个或多个装置,在本情况中可选地没有磁聚焦元件,但是其他如上所述,可以结合到鞋垫或鞋中,或并入另一要测量压力的物体中,例如坐垫、床垫、车座或垫子。在鞋垫、鞋或物体本身由多层形成的情况下,该装置优选地将这些层用于其自身的结构,以便这些层中的一个或多个可以构成弹性支撑件。例如,鞋垫通常具有靠近脚的上层和靠近鞋底的下层。磁场发生器可以设置在鞋垫上层之内或附近,并且磁场传感器(以及可能提供的聚焦元件)设置在鞋垫下层之内或附近。这种鞋垫可以包括其它层,例如在上层和下层之间的弹性中间层,并且也可以具有上下覆盖或保护层。
[0032] 在本发明装置的另选实施例中,在本情况中可选地没有磁聚焦元件,但其他如上所述,被结合到鞋的结构中,例如磁场发生器设置在鞋垫中,并且磁场传感器(以及可能提供的聚焦元件)设置在被设置在使用时上覆该鞋垫的鞋底中。这样的鞋垫可以是可拆卸的和一次性的。因此,未必固定在鞋底上。这种鞋垫的底表面和鞋底的上表面可以包括凸纹或凹纹的表面特征,相互接合以防止鞋垫在使用中在鞋底上滑动。
[0033] 类似地,坐垫(例如轮椅的坐垫或车辆的坐垫)、床垫、车座和垫子通常通过组合多个不同材料层而形成。可以存在外覆盖层以提供保护,以及弹性内层以提供支撑和缓冲。本发明的装置,在本情况中可选地没有磁聚焦元件,但其他如上所述,可以结合到这样的结构中,利用弹性内层之一作为弹性支撑件,以支撑磁场发生器相对于磁场传感器和磁聚焦元件的运动。
[0034] 可将本发明的一个或多个装置并入矫形器和假体,以监测其使用。它们可以提供有关使用的信息,这对于检查合规性和使用正确性,以及对于训练用户有效地使用它们,是有用的。它们还允许终身监控,以给出磨损和正确功能的指示。因此,本发明的这方面提供了带仪器的矫正器或假体,包括根据在此提到的本发明的不同方面的一个或多个力传感器。
[0035] 因此,本发明的这些方面中的第一方面提供了一种鞋,包括力感测装置,该力感测装置包括磁场发生器;磁场传感器;支撑该磁场发生器和该磁场传感器的弹性支撑件,用于响应于施加到该装置的力而作出相对运动,该磁场传感器被设置为测量由该相对运动产生的来自该磁场发生器的磁场的变化,其中该磁场发生器设置在该鞋的鞋垫内,并且该磁场传感器设置在上方设置有该鞋垫的鞋底中,并且其中该弹性支撑件包括该鞋垫和鞋底中的至少一个。
[0036] 本发明的这些方面中的第二方面提供了一种坐垫、床垫、车座或垫子,其中并入力感测装置,包括磁场发生器;磁场传感器;支撑该磁场发生器和该磁场传感器的弹性支撑件,用于响应于施加到该装置上的力,做出相对运动,该磁场传感器被设置成测量由这种相对运动产生的来自磁场发生器的磁场的变化,其中该装置的该磁场发生器设置在第一层中,并且该磁场传感器被设置在该坐垫、床垫、车座或垫子的第二层中。该弹性支撑件可以包括该第一层、该第二层和/或该第一层和该第二层之间的中间层中的至少一个。
[0037] 本发明的这两个方面中的力感测装置可以具有上述的其他特征,例如多个传感器和聚焦元件或运动和/或方向传感器。
[0038] 以上任何力感测装置可以包括附着有磁场发生器的顶板,该顶板提供平面表面,并允许感测装置用作微型力板,测量三个正交方向的力,以及围绕这些轴的旋转。该顶板可以是刚性的或半刚性的。每个顶板可以与多个力感测装置相关联。该顶板可以是包含磁场发生器的模制塑料塞的上平面,该塞被配置为装配到弹性层(如鞋垫、床垫的衬垫或层、坐垫或车座)中的相应形状的空腔中。可以在该弹性层中提供该磁性传感器和相关的辅助装置(如电源、控制器和通信),通过例如柔性PCB互连,优选地模制在该弹性层中。除提供该顶板之外,该MFP也可共享其他实施例的特征和组件。
[0039] 优选地,本发明的装置包括其自己的本机电源,例如电池。该装置页可以包括本机控制模,例如用于控制该装置并提供输出的微处理器。优选地,该装置包括无线通信单元,如Wi-Fi或蓝牙,从而可以将测量发送到远程模块,以记录和显示该测量,如在个人电脑、平板电脑或智能手机上运行的应用软件上记录和显示。
[0040] 除与远程模块通信之外,本发明的装置可以提供有网络连接性,从而可以与本发明的其他装置进行无线通信,以交换数据和控制信号。例如,每个装置的数据获取速率可以基于来自中央模块或其他装置的信号来改变。
[0041] 可以控制本发明的装置来连续测量所施加的力并输出其测量值。然而,优选的,可以依赖于应用的频率(数据获取速率),仅周期性地激活该装置,以便降低功耗。因此,例如,在测量行走中的足部压力时,以3Hz的频率(每秒三次测量)进行压力测量可能足矣。对于测量跑步或其他更活跃的应用时,可能需要更高的采样频率,并且对于慢走或其他激烈程度较低的应用,可能需要更低的采样频率。采样频率可以基于步态频率自动适应,使之随着较快的步态而增加,并随着较慢的步态而降低。
[0042] 一般来说,人类的平均步态周期持续时间为1.4秒,其中54%为站立阶段,46%为摆动阶段。对于一条腿,受力发生0.68秒,卸力0.008秒,零载荷0.64秒。因此,如果需要在受力阶段进行精确测量,例如在每个受力阶段进行10次测量,则数据获取频率将为约10/0.68=14.7Hz。在实践中,使用3至150Hz的数据获取速率,更优选为5至50Hz,还更优选为10至20Hz。
[0043] 在床垫、坐垫或车座的应用中,可以使用较低的数据获取速率来检测坐姿或卧姿,但是在例如车辆坐垫碰撞试验中,可能需要高数据获取速率。同样的,数据获取速率可以基于感测到的活动的频率而自动适应,使之随着更快的活动而增加,并随着较慢的活动而降低。
[0044] 在一个实施例中,可以使用一组装置中的一个来测量活动的特征频率(例如每分钟的步数),并且该装置的本机微控制器,或者中央模块,可以控制网络中的其他装置,以根据测得的该活动的特征频率,适当地调整各采样频率。另选地,可使用来自一个装置的信号作为触发器,激活其他装置以打开并测量压力(例如,可由放置在脚跟下方的装置检测步幅中的脚跟落地,继而打开网络中的其他装置)。
[0045] 因此,本发明可以提供一种力感测装置,用于医疗、健康、运动和健身领域。例如,它提供了实时监测脚部、膝盖和臀部区域的力,以及可选地,关节角度和运动的能力,这在体育和健身领域中,对于运动员包括登山、高尔夫、滑雪和自行车,以及户外运动爱好者来说,在改进技术、监测表现、避免损伤和疲劳方面,都是有用的。其提供所有三个力、关节角度和活动信息的能力,意味着可以监测姿势和肢体的位置和运动。同样的装置,既可用于测量脚和腿中的力和运动,又可用于测量上身和手臂的运动,这在各种运动中是无价的。附图说明
[0046] 本发明将通过示例并结合附图来进一步描述,在附图中:
[0047] 图1示意性地示出了根据本发明的第一实施例的装置的剖切面;
[0048] 图2示出了图1装置结构的平面示意图;
[0049] 图3A示出了磁聚焦元件的聚焦效应,并且图3B示出了没有这种磁聚焦元件的磁场;
[0050] 图4A和B分别示出了包括磁聚焦元件的本发明的实施例中使磁场发生器倾斜的影响;
[0051] 图5A和B示出了没有磁聚焦元件时使磁场发生器倾斜的影响;
[0052] 图6A和B分别示出了根据本发明的第二实施例的装置的侧面和平面结构的示意图;
[0053] 图7A和B分别示出了根据本发明第三实施例的传感器的侧面和平面截面示意图;
[0054] 图8A和B示出了本发明第四实施例的侧面和平面结构示意图;
[0055] 图9A和B示出了本发明第五实施例的侧面和平面结构示意图;
[0056] 图10示意性地示出了通过装有根据本发明第二十三实施例的装置的鞋垫的剖视图;
[0057] 图11示意性地示出了包括根据本发明第二十四实施例的装置的鞋的剖视图;
[0058] 图12示意性地示出了本发明的第二十六实施例的剖视图,其中装置被合并到用于垫子、坐垫、床垫或车座的层状结构中;
[0059] 图13A-C示出了根据本发明的实施例的装置的放置以监测足部压力;
[0060] 图14A-C示出了用于足部压力监测的还一装置的放置;
[0061] 图15A-C示出了用于足部压力监测的又一装置的放置;
[0062] 图16A-C示出了用于足部压力测监的再一装置的放置;
[0063] 图17是本发明实施例的电子部件的示意性方框图
[0064] 图17A示意性地示出了本发明一个实施例中天线的结构;
[0065] 图18A-C示出了根据本发明还一个实施例的双向装置;
[0066] 图19示意性地示出了根据本发明第六实施例的穿过力感测装置的横截面;
[0067] 图20示出了图19的传感器结构的平面示意图;
[0068] 图21A和B分别示出了在包括磁聚焦元件的本发明实施例中使磁场发生器倾斜的影响;
[0069] 图22A和B示出了没有磁聚焦元件时使磁场发生器倾斜的影响;
[0070] 图23A和B分别示出了根据本发明第七实施例的装置的侧面和平面结构的示意图;
[0071] 图23C是图5A和B的实施例的主要部件的轴测图的示意图;
[0072] 图24A、B和C示出了本发明第八实施例的示意性侧面和平面结构;
[0073] 图25A和B示出了本发明第九实施例的示意性侧面和平面结构;
[0074] 图26A和B示出了本发明第十实施例的示意性侧面和平面结构;
[0075] 图27A和B示出了本发明的第十一实施例的示意性侧面和平面结构;
[0076] 图28A-C示出了根据本发明还一个实施例的双向力感测装置;
[0077] 图29示意性地示出了三个磁场发生器用框架连接,在本发明的另一个实施例中使用;
[0078] 图30A和B示意性地示出了图29的传感器中的三个连接的磁场发生器;
[0079] 图31A和B示意性地示出了根据本发明另一个实施例的传感器中的四个连接的磁场发生器;
[0080] 图32示意性地示出了根据本发明第十二实施例的通过传感器的横截面;
[0081] 图33示出了图32的传感器结构的平面示意图;
[0082] 图34A和B分别示出了根据本发明第十三实施例的传感器的侧面和平面结构示意图;
[0083] 图35A和B分别示出了根据本发明第十四实施例的传感器的侧视图和平面截面示意图;
[0084] 图36A和B示出了本发明第十五实施例的示意性侧面和平面结构;
[0085] 图37A和B示出了本发明第十六实施例的示意性侧面和平面结构;
[0086] 图38和39示出了本发明第十七实施例的示意性侧面和平面结构;
[0087] 图40A、B和C示出了本发明第十八实施例的示意性侧面、平面图和轴测结构;
[0088] 图41A和B示出了本发明第十九实施例的示意性侧面和平面结构;
[0089] 图42A和B示出了本发明第二十实施例的示意性侧面和平面结构;
[0090] 图43A和B示出了本发明的第二十一实施例的示意性侧面和平面结构;
[0091] 图44A和B示出了本发明第二十二实施例的示意性侧面和平面结构;
[0092] 图45示出了根据本发明的还一个实施例的成型装置;
[0093] 图46示出了图45的鞋垫的构造中具有磁体的印刷电路板和顶板;
[0094] 图47示出了具有顶板和磁体的鞋垫的顶层;
[0095] 图48是图45至47的鞋垫的示意性剖视图;图49是根据本发明的另一个实施例的另选鞋垫的示意性俯视图;
[0096] 图50是根据本发明的另一个实施例的另选鞋垫的示意性横截面;并且[0097] 图51是根据图50的实施例的另选鞋垫的示意性俯视图。

具体实施方式

[0098] 图1和图2示意性地示出了根据本发明的第一实施例的压力或力感测装置。该装置包括磁场发生器12,在本实施例中,磁场发生器12是圆盘永磁体,如铁磁材料磁体,如磁铁矿(Fe3O4)或钕,其在磁场传感器14之上,间距D,该磁场传感器14在本实施例中是霍尔效应传感器,如霍尼韦尔SS466A或霍尼韦尔SS3OAT,不过可以使用其它类型的磁场传感器。可用各种MEMS磁力计。间距D是通过将磁场发生器12安装在由柔性和可弯曲材料,如多孔、泡沫、EVA、硅脂、硅胶或聚氨酯制成的层1中,并且在磁场发生器12和磁场传感器14之间提供层2来提供的。层2是柔性和可弯曲的材料,例如多孔、泡沫、EVA、硅脂、硅胶和聚氨酯,或者可以是或包含密封的充气垫。层1和2一起作为弹性支撑件,通过改变间距D,允许磁场发生器12和磁场传感器14的相对运动。层1中可以提供刚性部分,金属或塑料制成的侧面或顶部,来形成装置外壳15。在第二层2和磁场传感器14之间,可以提供设置PVC或高密度泡沫或硬质硅的保护膜16。
[0099] 在磁场发生器12上磁场传感器14的相对侧,提供了磁聚焦元件18。这可以是永磁体或磁化元件或电磁体,或者另选地,是高磁导率材料,例如金属合金,如高导磁合金,或含镍和铁的合金,或纯铁。该聚焦元件也起屏蔽作用,以保护传感器免受外部干扰。
[0100] 聚焦(和屏蔽)层的结构优选地取决于传感器的形状和意图使用的应用。避免了多个力感测装置共同的大的单片聚焦(和屏蔽)层,由于它们往往容易损坏,使得设备沉重,且在一些情况下会在传感器系统中引入串扰。在大多数情况下,聚焦(和屏蔽)层被划分为位于传感器或传感器14下方的小的单个的“岛”,例如每个力感测装置10一个。在这种情况下,例如,当将该装置用于床垫时,就属于这种情况:床垫中的每个装置都具有其一个聚焦(和屏蔽)层。相比之下,已并有本发明的传感器的鞋垫中的一些(并非全部,取决于传感器的数量和应用)具有作用于一组传感器的聚焦(和屏蔽)层:特定区域,例如跖骨或脚跟,所以位于这些区域的传感器,有一个共用的、单一的屏蔽聚焦层。
[0101] 磁聚焦元件18的朝向使得其磁极朝向与磁场发生器12的朝向相同。因此,如图1所示,在这两种情况下,南极最上,北极最下。
[0102] 装置10的底部被第三层3覆盖,第三层3依然由用作磁场传感器14的保护层的柔性和可弯曲材料,例如多孔、泡沫、EVA、硅脂、硅胶或氨基甲酸乙酯制成。在另一个实施例中,可以省略层3,或者如果装置作为整体而言不必是可弯曲的,则可以由刚性材料制成,如金属或塑料。
[0103] 尽管在图1中未示出,但如图8A、B和9A、B所示,层2也可以容纳用于运行装置10的电子仪器。因此,可以包含电源单元24,包括电池,例如可充电电池;以及可编程微控制器和无线通信单元22,用于控制磁场传感器并处理压力测量,以及将之传输到远程装置50(参见图17)。电源单元24、磁场传感器14、微控制器和无线通信单元22通过印刷电路板140(参见图13至17)或柔性印刷电路板140互连,不过也可以通过电线连接。优选地,微控制器和无线通信单元22并入到单个单元(芯片)中,以节省空间和功率。尽管电池被描述为可再充电电池,但也可以是可更换的电池,或是响应于压力传感器的变形而充电的自动充电机构(如压电充电机构构)。
[0104] 在操作中,磁场传感器14由电源单元22供电,并且感测和记录来自磁场发生器12的、响应于施加到压力传感器10的力和压力的改变、在磁场发生器12和压力传感器10之间的相对运动而引起的磁场大小的改变。这种力或压力引起层1和2的变形,导致磁场发生器12和磁传感器元件14的相对垂直位移,从而改变距离D。由磁场传感器14感测的磁场的变化被转换成电压变化,由可编程微控制器单元记录,并通过板载校准,将电压变化与相应的负载值相关联,转换成力和压力读数。这种校准可以在初始校准过程中实现,其中将已知的力施加到装置10,同时记录来自磁场传感器14输出的电压。在医疗领域或需要高精度的地方,每个装置10可单独校准,并且校准结果存储在可编程微控制器或远程模块50中。在健康和健身应用中,较低的准确度是可接受的,但成本较低是重要的,则只需要对批次中的样品进行校准,并将结果存储在该批次的所有装置中。
[0105] 然后,已处理或未处理的力和/或压力读数无线输出到远程数据记录、分析和显示模块50(参见图17),例如在个人电脑、平板电脑或智能手机上运行的应用软件。读数可以按原始状态发送到无线通信单元22,由远程模块50处理。读数可以被压缩传输。进一步的,某些处理,如通过校准来转换数据,可以由微处理器22进行。
[0106] 除了与远程模块50通信之外,装置10上可以提供网络连接,从而可与其他装置10无线通信,以交换数据和交换控制信号。例如,每个装置10的数据获取速率可以基于来自中央模块50或其他装置10的信号来改变。
[0107] 为了无线传输数据,需要天线与远程模块50进行通信。图17A示意性地示出了作为环形天线的天线170的结构,可将其视为折叠偶极子天线。其位置取决于放置传感器的介质的形状和应用。例如,对于大多数鞋垫而言,天线170遵循示出的整个鞋垫的轮廓。然而,在一些使用低获取和传输速率的鞋垫中,天线可以仅位于鞋垫的拱形区域。当仅位于拱形区域时,天线可以布置成螺旋形状。天线170由细线制成,并且与传感器系统的无线发射机22’(蓝牙、Wi-Fi等)连接。可以作为一种另选方案,可使用PCB天线。
[0108] 图3A和3B示出了磁聚焦元件18的效应。将具有磁聚焦元件18的图3A与没有磁聚焦元件18的图3B进行比较可以看出,磁聚焦元件18引起通过磁性传感器元件14的磁通量的增加。除了改变通量的大小之外,还改变磁场传感器14所在区域中磁场的形状。磁通量的变化,意味着装置10在有效零点时,穿过磁场传感器14的磁场比没有聚焦元件18的情况更高。这自磁传感器14提供了更强的信号,消除了号放大的必要性,也就增大了信噪比,并且允许传感器14具有更高的分辨率和动态范围。磁通量增加也减少了外来磁源,如地球磁场或装置附近可能的金属物体,的相对影响。
[0109] 图4A和4B示出了磁聚焦元件18进一步的有益效果,即通过传感器14的磁场方向趋于更直,并且对磁场发生器12的倾斜变得较不敏感。图5A和5B示意性地示出了在不存在磁聚焦元件的情况下通过磁场传感器14的场,并且可以看出,磁场发生器12的倾斜对磁场传感器14处磁场的方向和幅度的影响更大。在本发明目的中的柔性和可弯曲的装置应用中,磁场发生器12的倾斜是一项重要问题。
[0110] 磁聚焦元件18还通过磁场发生器12与磁聚焦元件18之间的磁吸引力,为磁场发生器12提供一定程度的物理自对准。
[0111] 通过使用磁聚焦元件18来增加磁场传感器14的信噪比,这意味着不需要用于处理低信噪比的现有技术方法,如进行多次测量并取平均。反过来,这意味着装置需要被激活的频率较低,并且可以按“脉冲模式”操作,其中仅周期性地激活,其周期基于具体应用。
[0112] 图6A和6B示出了本发明的第二实施例。该实施例与第一实施例的不同之处仅在于设置了邻近磁场发生器12设置的第二磁聚焦元件20。此元件20可以是永磁体、磁化元件或电磁体或高磁导率材料,例如高导磁合金或纯铁。可以与磁聚焦元件18相同,也可以不同。附加的磁聚焦元件20的作用类似于磁性透镜,进一步增加通过磁场传感器14的磁通量,提高装置的灵敏度、线性度、范围和信噪比。第二磁聚焦元件20与磁场发生器12相邻,位于磁场传感器14与磁场发生器12之间。如图所示,二者之间相抵接,但也可以有小间距,例如被中间的非磁性层隔开。第二磁聚焦元件20位于或邻近第二层2上与磁场传感器14相反的一侧。
[0113] 图7A和7B示出了本发明装置的第三实施例。在该实施例中,磁场传感器14是各向异性磁场(AMR)或微分或巨磁阻(DMR或GMR)传感器,并且其他组件如图1实施例所示。可以使用单个AMR,DMR或GMR传感器以监测压力和剪切力(即平行于装置10的顶面的横向运动),因为可以跟踪磁场发生器12在所有3个维度上的运动,故而可同时测量压力(y方向)和前-后与外-内剪切力(x和z方向)。于是,可以通过了解中间层的力学性能,并通过校准程序,施加已知载荷,并记录其所造成的位移,从而将磁体在所有三个方向上的移动转化成压力和剪切(力)数据。
[0114] 图8A和8B示意性地示出了在第四实施例中,装置10如何在层2中包括板载微控制器和无线通信模块22。可编程微控制器和无线通信模块22通过印刷电路板140,或柔性印刷电路板140,或嵌入在层2中的电线,连接到磁场传感器14。图9A和9B示出了在第五实施例中,在装置10内设置电源单元24,用于为磁场传感器14和微控制器以及无线通信模块22供电。电源单元24可以包括可再充电或可替换的电池,或者在另一个实施例中,可以是诸如包括压电发电机的自充电电源。
[0115] 本发明10、10a的两个力感测装置也可以使用公共的第三层进行背对背(back-to-back)的组合。这提供了双向的力感测装置。另选地,更多的磁场发生器12a可以位于第三层3的底部,或者位于第三层3下方的弹性支撑件1a、2a之中(与所示的层1和2相同,但是反向),使得磁场传感器14被两个磁场发生器共用。这些变化分别在图18A、B和C中示出。
[0116] 现在将描述包括多个传感器和聚焦元件的本发明的一些实施例。其他部分与上述实施例相同。图19和20示意性地示出了根据本发明第六实施例的力感测装置。该装置包括磁场发生器12,其在本实施例中是圆盘永磁体,例如铁磁材料磁体,如磁铁矿(Fe3O4)或钕,其位于磁场传感器14的上方,间距D,在本实施例中,有四个磁场传感器14的结构,其在本实施例中是霍尔效应传感器,例如霍尼韦尔SS466A或霍尼韦尔SS30AT,不过也可以使用其它类型的磁场传感器。可以使用各种MEMS磁力计。所述间距D来自将磁场发生器12安装在由柔性和可弯曲材料如多孔、泡沫、EVA、硅脂、硅胶或聚氨酯制成的层1中,并且在磁场发生器12和磁场传感器14之间设置第二层2。所述层2是柔性和可弯曲的材料,如多孔、泡沫、EVA、硅脂、硅胶和聚氨酯,或者可以是或包含密封的充气垫。层1和2一起作为弹性支撑件,允许磁场发生器12和磁场传感器14的相对移动改变距离D。层1可以设置刚性部分,例如,由金属或塑料制成侧面或顶部,形成装置外壳15。在第二层2和磁场传感器14之间,可以设置PVC或高密度泡沫或硬硅胶的保护膜16。
[0117] 在磁场传感器14上与磁场发生器12相反的一侧,设置有对应的磁聚焦元件18。每一个都可以是永磁体、磁化元件或电磁体,或者另选地是高导磁率材料,如高导磁合金或纯铁。该磁聚焦元件18磁极的朝向与磁场发生器12的相同。如此,如图19所示,在这两种情况下,南极都是最上,且北极最下。在另选结构中,对应的磁聚焦(和屏蔽)元件18可以组合成用于整个装置10的单个片状元件。
[0118] 装置10的底部被第三层3覆盖,第三层3依然由柔性和可弯曲材料制成,如多孔、泡沫、EVA、硅脂、硅胶或氨基甲酸乙酯的,用作磁场传感器14的保护层。层3在另选实施例中可以省略,或者如果装置整体不需要是可弯曲的,则可以由刚性材料制成,如金属或者塑料。
[0119] 如图19所示,层2也可以容纳用于运行装置10的电子仪器。因此,可以包含电源单元24,该电源单元24包括电池,例如可充电电池,以及用于控制磁场传感器14、处理压力测量并将其传输到到远程装置50的可编程微控制器和无线通信单元22(参见图17)。所述电源单元24、磁场传感器14、微控制器和无线通信单元22通过印刷电路板140(参见图13至16)或柔性印刷电路板140互连,不过也可以通过电线连接。优选地,微控制器和无线通信单元22并入到单个单元(芯片)中以节省空间和功率。尽管电池被描述为可充电电池,但可以是可更换的电池,或是响应于压力传感器的变形而充电的自充电机构(例如压电充电机构)。另选地,电源单元24和微控制器和无线通信单元22可以与装置10分离,而非与其合为一体。
[0120] 在操作中,磁场传感器14由装置10中的电源单元24供电,并且感测并记录由磁场发生器12的相对运动引起的磁场发生器12的磁场的大小变化和响应于施加到装置10的力和压力的改变的磁场传感器14的变化。这种力或压力导致层1和2变形,导致磁场发生器12和磁传感器元件14的相对垂直和/或横向位移,使得间距D改变。由磁场传感器14感测的磁场变化被转化为电压变化,该电压变化由可编程微处理器单元记录,并通过板载校准转换为力和压力读数,使电压改变与相应的负载值建立关联。这种校准可以在初始校准过程中实现,其中,已知的力被施加到装置10,同时记录从磁场传感器14输出的电压。剪切力可以通过对由磁场传感器14记录的磁场的读数进行三角测量来计算,并且这种计算可以在可编程微控制器22或在接收数据的远程单元50中发生。在医疗领域或需要高精度的情况下,可以对每个传感器进行单独校准,并将校准结果存储在可编程微控制器或远程模块50中。在健康和健身应用中,准确度较低是可以接收的,而成本较低是重要的,则只需要对批次样品进行校准,并且为该批次的所有传感器存储其结果。
[0121] 然后,将已处理或未处理的读数以无线方式输出到远程数据记录、分析和显示模块50(参见图17),例如在个人电脑、平板电脑或智能手机上运行的应用软件。读数可以以原始形式传送到无线通信单元22以在远程模块50进行处理。读数可以压缩传输。进一步的,某些处理,如通过校准数据进行转换,可以由微处理器22进行。除了与远程模块50通信之外,装置10可以设置网络连接,从而可以与其他装置10无线通信,交换数据和交换控制信号。例如,每个装置10的数据获取速率可以基于来自中央模块50或其他装置10的信号来改变。
[0122] 图21A和21B示出了磁聚焦元件18的作用,即使通过磁场传感器14的磁场方向更趋于平直,并且使磁场传感器14对磁场发生器12的倾斜较不敏感。图22A和22B示意性地示出了在没有磁聚焦元件时通过磁场传感器14的场,可以看出,磁场发生器12的倾斜对磁场传感器14上场的方向和幅度有较大的影响。在本发明目的的柔性和可弯曲传感器应用中,磁场发生器12的倾斜是一项不可忽视的问题。
[0123] 通过磁场发生器12和磁聚焦元件18之间的磁吸引力,磁聚焦元件18也为磁场发生器12提供了一定程度的物理自对准。
[0124] 通过使用磁聚焦元件18来提高磁场传感器14的信噪比,意味着不需要用于处理低信噪比的现有技术方法,如进行多次测量并求平均。反过来,这意味着力感测装置需要被较少地激活,并且可以以“脉冲模式”操作,其中它仅被周期性地激活,其周期基于具体应用。
[0125] 图23A、B和C示出了本发明的第七实施例。该实施例与第六实施例的不同之处仅在于:在磁场发生器12中心轴下方的层2中,设置了第二磁场发生器12”,即与磁场传感器14的结构共面。其他部件与图19和20所示相同。附加磁场发生器元件12”可以是永磁体、磁化元件或电磁体。其可以与磁场发生器12相同或不同。第二磁场发生器12用于进一步增加通过磁场传感器14的磁通量的幅度和线性度,从而提高装置10的灵敏度、线性度、量程和信噪比。如图23C的主要部件的示意性等距视图所示,磁场传感器围绕第二磁场发生器12”轴向对称设置。
[0126] 虽然在附图中示出的装置10中的层1最上且层3最下,但装置在使用中的方向并不重要。只要有压力或力施加到层3或层1或两者,无论装置以任何方向,均可有效工作。
[0127] 图24A、B和C示出了本发明的第八实施例,其中四个磁场传感器14与附加磁场发生器12”一道,或者不一道,成十字形结构,如图24C所示。这种结构的目的,在于提供高效的磁传感器配置来测量所有三个方向上的力。前文的三角形结构可能具有低精度和分辨率,特别是在x和y轴上,故而需要密集的信号处理,方可产生有意义的结果,因为使用极性几何来计算磁场变化。相比之下,四传感器系统(图24A、B和C)利用正交放置的磁传感器,通过直接减法(x和y轴)提供磁体的位置。同时,磁性传感器的机械组装和对准变得更加容易,让系统的分辨率和精度提高了十倍。
[0128] 四个传感器交叉方形配置需要的信号处理大大减少。随着磁体从传感器移开的距离越远,输出也就减小。更准确地说,靠近磁体的表面,磁体就像一个单极子,所以场随距离的平方减小。距离面的距离越远,则场随距离的立方减小。由于各种距离处磁场的通量密度,理论上难以预测精确的关系。这是三个传感器配置面临的主要问题,也是需要密集信号处理的原因。然而,这不会影响四传感器配置,因为不直接计算场密度;只是减去两个相对的x轴传感器和两个相对的y轴传感器上的值,以给出x和y方向上的测量,并通过求所有四个传感器的输出的和,获得z轴测量值。这种更轻的处理负担对于电源和空间要求较为严格的板载处理应用特别有用。同样的,在另选结构中,如果需要,对应的磁聚焦(和屏蔽)元件18可以组合单个成片状元件,用于整个装置10。
[0129] 图25A和B示意性地示出了本发明的第九实施例,其中磁场传感器和磁聚焦元件被集成到圆形阵列148中,该圆形阵列148的轴线与磁场发生器12的轴线对齐放置。这样的阵列148可以包括8个、12个甚或几百个单独的磁传感器元件14和对应的磁聚焦元件18,以提供增强的剪切力检测性能和精度。
[0130] 在图25A和B的第九实施例中,装置10自身并不包括板载微控制器和无线通信单元22或电源24。这些在传感器10之外单独提供。图26A和B示出了装置10可以适应于包括板载微处理器和无线通信单元22(以蓝牙模块的形式)。在图26A和26B的第十实施例中,电源是单独提供的,但是图27A和27B示出了第十一实施例,其为进一步的修改,其中电源单元24,其可以与上述电源单元24相同,被结合到装置10中。
[0131] 如前所述,本发明10、10a的两个力感测装置也可以使用公共的第三层进行背对背的组合。这提供了双向力感测装置。另选地,另外的磁场发生器12a可以位于第三层3的底部,或者位于第三层3下方的弹性支撑件1a、2a之中(与所示的层1和2相同,但是反向),使得磁场传感器14被两个磁场发生器共用。这些结构在图28A-C中示出。
[0132] 上述任何实施例都可以通过在磁场发生器12附近设置第二磁聚焦元件来加以修改。该元件可以是永磁体、磁化元件、电磁体或高导磁率材料,例如高导磁合金或纯铁。可以与磁聚焦元件18相同或不同。附加的磁聚焦元件的作用类似于磁透镜,进一步增加通过磁场传感器14的磁通量,增强装置的灵敏度、线性度、量程和信噪比。第二磁聚焦元件优选地位于磁场发生器12与磁场传感器14之间,靠近磁场发生器12。可以相接触,但是也可以有微小的间隔距离,例如被中间的非磁性层隔开。其位于或接近第二层2上与磁场传感器14相反的一侧。
[0133] 现在将描述包括运动/方向传感器的本发明的实施例。这些实施例在其他方面的构造与以上述方式相同,因此对公同部件的描述将不再赘述。图32和33示意性地示出了根据本发明的第十二实施例的力感测装置10。该装置10基本与前述相同,唯有层2中还容纳了运动/方向传感器单元23。在本实施例中,运动传感器单元23也包括用于感测装置方向的方向传感器,并且运动传感器单元23可以包括以下至少一个:压电传感器、陀螺仪传感器、2轴加速度计、3轴加速度计。运动传感器和取向传感器可以彼此合为一体,并且其中的一个或两者可以集成在MEMS类型装置中,如STMicroelectronics LSM33ODLCiEMO惯性模块或Kionix KMX61G或InvenSense MPU-6050。
[0134] 尽管在图32中未示出,但如图34A、B和35A、B所示,层2也可以按与上述相同的方式,容纳用于运行装置10的电子仪器。电源单元24、磁场传感器14、运动/方向传感器单元23、微控制器和无线通信单元22通过印刷电路板140(参见图13至17)或柔性印刷电路板140互连,不过也可以通过电线连接。优选地,微控制器和无线通信单元22并入到单个单元(芯片)中以节省空间和功率。尽管电池被描述为可充电电池,但可以是可更换的电池,或是响应于装置的形变而充电的自充电机构(例如压电充电机构)。
[0135] 在操作中,运动传感器23输出加速度和方向的读数,并传递到微控制器22。
[0136] 然后,经处理或未处理的力读数以无线方式输出到远程数据记录、分析和显示模块50(参见图17),例如在个人电脑、平板电脑或智能手机上运行的应用软件。读数可以按原始形态发送到无线通信单元22,由远程模块50处理。读数可以压缩传输。进一步的,可以由微处理器22进行诸某些处理,如通过校准数据进行转换。在与远程模块50通信的同时,装置10上可以设置网络,从而可以与其他装置10无线通信,以交换数据和控制信号。例如,可以基于来自中央模块50或其他装置10的信号,改变每个装置10的数据获取速率。
[0137] 图34A和B示出了本发明的第十三实施例。本实施例与第十二实施例的不同之处仅在于:与磁场发生器12相邻设置有第二磁聚焦元件20。
[0138] 图35A和B示出了本发明的压力传感器的第十四实施例。在本实施例中,第一层1包含磁场传感器14,在本情况中是各向异性磁致伸缩(AMR)或差分或巨磁阻(DMR或GMR)传感器,其它部件则如图32的实施例所示。
[0139] 图36A和B示意性地示出了在第十五实施例中,装置10包括在层2中的板载微控制器和无线通信模块22的方式。可编程微控制器和无线通信模块22通过印刷电路板140或柔性印刷电路板140或嵌入在层2中的电线连接到磁场传感器14。图37A和B在第十六实施例中示出了用于为磁场传感器14、运动传感器23、微控制器和无线通信模块22供电的电源单元24在装置10内的设置。电源单元24可以包括可充电或可替换的电池,或者在另选实施例中,可以是自充电电源,如包括压电发电器的自充电电源。
[0140] 图38和39示意性地示出了第十七实施例,其是力感测装置10,其除了以上讨论的力和运动测量之外,还可以测量施加到装置的剪切力。装置10包括与前述相同的磁场发生器12,该磁场发生器12设置在磁场传感器的结构上方,间距为D,在本实施例4中,布置的磁场传感器有四个,例如可以是霍尔效应传感器,不过也可使用其他类型的磁场传感器。该装置的其他方面与上面的图32相同。
[0141] 如图38所示,层2还容纳运动传感器23,以及用于运行装置10的可选的电子仪器22和24,同样如前所述。
[0142] 图40A、B和C示出了本发明的第十八实施例。这个实施例与之前实施例的不同之处仅在于:在磁场发生器12下方的层2中同轴设置第二磁场发生器12,即与所布置的磁场传感器14共面。其他组件与图38和39中所示的相同。
[0143] 图41A和B示出了本发明的第十九实施例,其中四个磁场传感器14以十字形结构设置,但其他如图40A和B所示。
[0144] 图42A和B示意性地示出了本发明的第二十实施例,其中磁场传感器14和磁聚焦元件18被集成到圆形阵列148中,该圆形阵列148被放置为使其轴线与磁场发生器12的轴线对齐。这样的阵列148可以包括8个、12个甚或几百个单独的磁传感器元件14和对应的磁聚焦元件18,以提供增加的剪切力检测性能和精度。
[0145] 在图42A和B的实施例中,装置10自身并不包括板载微控制器和无线通信单元22或电源24。这些在传感器10之外单独提供。图43A和B示出了装置10可以适应于包括板载微处理器和无线通信单元22(以蓝牙模块的形式)。在图43A和B的第二十一实施例中,电源是单独提供的,但是图44A和B示出了进一步的修改,其中将电源单元24,其可以与上述电源单元24相同,并入传感器10之中。
[0146] 如前所述,本发明10、10a的两个力感测装置也可以使用公共的第三层进行背对背的组合。这提供了双向力感测装置。另选地,另外的磁场发生器12a可以位于第三层3的底部,或者位于第三层3下方的弹性支撑件1a、2a之中(与所示的层1和2相同,但反向),使得磁场传感器14被两个磁场发生器共用。
[0147] 应当理解的是,装置10可以包括其自己的控制器和通信模块22及其自己的电源单元24,或者这些功能可以从外部提供。此外,虽然附图中示出的装置10的层1最上且层3最下,但在使用中,装置的方向并不重要。只要有压力或力施加到层3或层1或两者,则不论装置方向如何,均可有效工作。
[0148] 装置10也可以包括温度传感器。可以使用任何类型的商用的模拟和/或数字温度传感器。传感器由电源24供电,并且来自温度传感器的输出信号被提供给控制器和通信模块22,与力测量一道进行传输。按照不同的间隔时间监测和记录温度,在预防溃疡和皮肤破裂中是非常有用的工具。据报道,即使早在溃疡发生的一周之前,受影响区域都会出现温度上的升高(可达5℃)。因此,准确的温度记录可以作为预警系统;阻止溃疡生长成为严重问题,甚至预防溃疡。
[0149] 上述装置10可以并入多种产品中。例如,一个或多个装置可以结合到鞋的鞋垫中,或者结合到鞋的鞋底结构中,或结合到坐垫、垫子、床垫或车座中,或结合到希望测量所施加的力或压力的任何产品中。在使用多个装置10的情况下,微控制器和无线通信模块22可以适于提供如上该的设备10之间的相互通信。下面将参考本发明的实施例更详细地描述多个装置的使用,其中通过使用产品本身的结构将本发明的主要部件并入产品中以提供支撑传感器磁性元件的层1、2和3。
[0150] 图10示意性地示出了如何根据本发明的第二十三个实施例,将可以是上述任一种的装置并入鞋底内。如图10所示,鞋垫包括三个不同的柔性和可弯曲层101、102和103,是在鞋垫中常见的三个常规层。通常可以由柔性材料制成,如多孔、泡沫、EVA、硅脂、硅胶和/或聚氨酯。在图10的实施例中,层101包括与前述实施例的磁场发生器12相同类型的多个磁场发生器12’。磁场发生器12’可以放置在任何配置中,以满足终端用户的需求。图13、14、15和16示出了分别基于16个元件、20个元件、31个元件和72个元件的共四个这样的配置。所示的传感器和磁体的放置对于监测糖尿病足部状况和大多数足部病理,以及运动,如高尔夫和许多其他运动,都是有效的。
[0151] 在鞋垫100中,第二层102类似地由柔性和可弯曲材料制成,如多孔、泡沫,EVA、硅脂、硅胶和/或氨基甲酸酯,并且用作缓冲层,以在使用者步行或跑动时为其提供舒适度和支撑。该层也可包含用于吸收冲击的空气和/或凝胶。第三层103也是柔性且可弯曲的材料,使用与上述相同的材料,但也可以包括刚性材料,如金属或塑料。层103包括:磁场传感器单元14’,其可以是用于每个磁场发生器12’的单独的磁场传感器14(类似于不感测剪切力的实施例),或者每个单元14’可以是多传感器14结构(类似于前述也要感测剪切力的实施例);磁聚焦元件18'和可编程微控制器和无线通信单元22’;可选地包括运动传感器23’和电源单元24’,依然可以与前述相同。嵌入在层103中的电子装置可以被连接和/或放置在柔性印刷电路板上,不过作为一种另选,可以通过嵌入在层103中的电线连接。图13A、14B、15A和16A示出了每个所示传感器配置的印刷电路板配置。图13B、14B、15B和16B示出了用于鞋内实施例的磁场发生器12的布局的配置,并且图13C、14C、15C和16C示出了用于足上或鞋垫实施例的磁场发生器12的布局的配置。
[0152] 虽然图10示出的是本发明应用于鞋垫,但是本发明也可应用于鞋上,如图11的第二十四实施例所示。在图11中,可互换的鞋垫110上携带着磁场发生器12’,而鞋的鞋底13(与鞋面一体)携带着磁场传感器14’、磁聚焦元件18’,以及微控制器、无线通信单元22’和电源单元24’。
[0153] 鉴于磁场发生器12'相对便宜,鞋垫110可视为是一次性的,因此通过非永久地固定在鞋中,以便于互换。这种鞋垫常规的是可拆卸的,例如以允许鞋子的清洁或干燥。为了防止在鞋底上滑动,鞋垫110设置有凸纹表面元件115,其与鞋垫中凹纹凹纹表面元件17互相啮合。当然,凹纹元件117可以设置在鞋垫上,并且凸纹元件115在鞋底上,或者可以在每个上面都同时设置一些凸纹和凹纹元件。使用互相啮合的表面元件可有效地防止鞋垫的滑动,但是仍允许其容易地取下,以便清洁、干燥或处置。
[0154] 鞋垫100和110的厚度根据应用而变化,并且通常在2mm至15mm的范围内,更典型地为约8mm。
[0155] 应当理解的是,磁场传感器14’的用途在于,当压力施加到鞋垫100、110的上表面和从鞋垫100、110的上表面拆卸时,感测由磁体12’朝向和远离磁场传感器14’移动而造成的磁通量的变化。磁场传感器14’产生变化的电压,由微处理器和无线通信单元22’感测,并与之前的实施例一样,被传输至远程记录和可视化模块50。通过提供装置阵列,如图13至16所示的装置阵列,可以获得并显示通过脚施加的压力的模式,并且可以记录和显示压力在典型步态周期期间随时间的变化。
[0156] 除了提供关于用户的信息之外,磁传感器14’有效地检测传感器14’和磁场发生器12’之间的距离,这一事实意味着,可以随着时间的推移,检测鞋垫层或鞋的结构的破坏(其将被视为由磁场传感器14’感测到的磁场的稳定变化),故而可以检测鞋本身的状态和性能。
[0157] 还应当理解的是,尽管图11示出的磁场传感器14’在数量和位置上与磁场发生器12’对应,但不同的鞋垫可以设置不同的磁场发生器12’数量和结构。例如,可以为一些应用提供更少的磁体,并且对于其他应用可以提供更多的磁体,所有这些都可用于同一种鞋。同样的,上述实施例中的磁场发生器和传感器的结构可以颠倒,使得传感器处于最上。
[0158] 图12通过本发明的第二十五实施例,示意性地示出了应用于如坐垫、床垫、坐垫或车座的横截面。实质上,布局和功能与上面参照图10描述的鞋垫实施例相同,除了层120、220和320是垫子、坐垫、床垫或车座中常见的各种层中的三种。因此,磁场发生器12’设置在较高层中,并且通过中间弹性层220,与磁场传感器14’和磁聚焦元件18’隔开。同样的,微控制器和无线通信单元22’和电源单元24’设置在较低层320,通过印刷电路板140、柔性印刷电路板140或嵌入布线连接到磁场传感器14’。同样的,磁场发生器和传感器的结构可以颠倒,使得传感器在最上。设置有该压力检测装置的坐垫或床垫可用于监测使用者身体对坐垫或床垫的压力,并且当检测到过大的压力时产生警告(例如视觉或听觉警告),以避免出现溃疡和组织破裂和损伤。模块50也可检测时间和压力的组合,使得孤立的压力尖峰(例如由活动引起)可以被忽略,而持续的压力则导致警报。传感器装置也可应用于车辆坐垫,不仅可以用于避免疲劳或伤害,还可在碰撞试验中监测压力,以优化坐垫形状。在鞋垫、鞋和床垫/坐垫/垫子实施例中,可以仅提供单个传感器来监测材料/物体的疲劳。例如,传感器简单地监测鞋底/床垫/坐垫/垫子的厚度,并当厚度低于一个预设值、表明该物品需要更换时,提供指示,例如视觉指示器,如点亮LED。这对于指示床垫疲劳或鞋底的磨损是特别有用的。
[0159] 在鞋垫、鞋和床垫/坐垫/垫子实施例中,单独的力感测装置可以单独地校准,或者可以将对象作为整体,通过施加已知的力并测量传感器输出来校准。如上所述,在医疗领域或需要高精度的地方,可以对每个物体和传感器进行单独校准,并将校准结果存储在可编程微控制器或远程模块50中。在健康和健身应用中,较低的精确度是可以接受的,但是较低成本是重要的,则只需要对批次样品进行校准,并将结果存储在该批次的所有对象或传感器中。
[0160] 图17示出了本发明的各种电子部件的方框图。如图所示,电源单元24或24’向微控制器和无线通信单元22、22’以及每个磁场传感器14、14’供电,也为可能设置的每个运动/方向传感器23、23’(未示出)供电。来自磁场传感器14、14’的磁场测量的输出被馈送到微控制器和无线通信单元22、22’(与运动/方向一道,如有提供的话)。这些部件通过印刷电路板140互连。处理后的测量数据被无线传输至远程记录和可视化模块50,其可以在如前所述的个人电脑、平板电脑或智能手机上运行的应用软件中实施。远程记录和可视化模块50还可以向无线通信单元22、22’返回控制信号,例如以改变设置,如数据采集速率、有源传感器数量、仅压力或仅剪切力操作、自校准和调零以及打开和关闭传感器。
[0161] 本发明的进一步的实施方式是利用根据本发明的传感器,测量由骑手的脚施加到自行车踏板上的动力。
[0162] 在上述任何实施例中,单个磁场发生器12可通过框架或板(例如盘),例如塑料或其他非磁性但刚性的材料,机械连接在一起。这允许它们形成倾斜传感器。图38示出了在装置10的层1上使用的磁性元件/多个元件的这种变化。在这种变化中,所用磁体12的数量与磁传感器元件14(如霍尔效应传感器)的数量相同(在本情况下为三个),并且其连接被示意性地作为细长元件190示出以形成框架。图39A和B示出了通过位于三个磁性传感器元件14上的连杆190连接的三个磁体12。磁体12通过连杆190相互连接,以产生刚性结构,强制它们成为一个对象。这使装置10在压力和剪切力之外,还能够测量倾斜。如果将力施加在结构中的一个磁体12的顶部,则该磁体所在的一侧将被向下推向相应的磁性传感器元件14,并且同时(如果没有力施加在其他磁体),磁体框架的另外两侧将被相对地推高,远离其相应的磁性传感器元件14。这种位置的变化将被磁性传感器元件14记录,并且将产生定位数据,显示出传感器10表面的倾斜。图40A、B和C示出了相应的四个磁体/传感器版本,其中四个磁场发生器12通过细长连杆190连接,形成框架状单个对象。每个磁场发生器12下面都是相应的磁场传感器14。装置10的这些具体变化在垫子和床垫中具有有用的应用,因为其中倾斜是重要的变量。例如,在床上倾斜可以提供关于使用者动作的数据,增加压力和剪切力测量的准确性,并且增加信息,如身体位置、姿势、卧位、骨盆倾斜和下背部伸展(弓起)动作、身体曲度,以及监测(睡眠中的)睡眠和位置变化。
[0163] 图45至51示出了执行作为多个力板系统的智能鞋垫(或鞋内系统),以测量在x,y和z方向上作用在脚和鞋垫之间的力(及其方向)(Fx、Fy、Fz)。如图45和47所示,鞋垫400的表面被划分成不同的区域,并且在每个区域中放置微型力板402(MFP)(在本实施中有十四个)。MFP适应于自主工作,测量Fx、Fy和Fz并本地记录,以及与其他MFP一道,组成“传感器网络”的一部分。微型力板402分布在鞋垫400表面,其分布方式提供最大的覆盖。微型力板402的数量仅受传感器的物理尺寸的限制。每个MFP 402包括刚性或半刚性的顶板404,并且具有附着,如通过粘合附着,到其底面的一个或多个永磁体406。,所述顶板404位于磁场传感器或传感器阵列的上方,所述磁场传感器或传感器阵列连接到柔性印刷电路板(PCB)408(不过可以使用电线作为另选),从而如前述实施例一般,连接到电源(例如电池)、可编程微控制器和无线连接模块。磁聚焦元件也可以包括在每个传感器下方。所述磁体、传感器、聚焦元件和辅助电子部件都优选地与上述实施例相同。
[0164] 图45、47和48示出了顶板和磁体组件优选地模制在鞋垫400的顶层410中,并且传感器和PCB优选地模制在底层412中,所述两层被模制在一起,或由凸纹和凹纹相互啮合的形状特征414、415相互连接。
[0165] 小型鞋内力板区域在每个鞋垫400的顶部单独标出。这些中的每一个包括一个顶板404和一个或两个感测装置(每个感测装置由磁体406和磁场传感器或传感器阵列组成,例如如上所述的,位于磁体下方的正方形阵列中)。更具体地说,对于跖骨区域处的三个微型力板和在大脚趾区域的微型力板,在每个顶板下方具有两个感测装置,而其他MFP具有一个感测装置。由于形状、特性和传感器配置,每个微型力板可以测量步态中的倾斜、扭矩(作为相对力)和压力中心(COP)。鞋垫单元有屏蔽,以避免任何外部干扰。
[0166] 图49示出了一种另选结构,其中每个顶板的下方仅具有一个感测装置。在这种情况下,在跖骨区域中提供六个MFP,并且在鞋垫的大脚趾区域中设置三个MFP。
[0167] 鞋垫400通过无线连接模块而具有蓝牙功能,因此唯一的物理连接是微型充电端口,位于鞋垫400的足弓区域下方,用于对电池充电。可编程微控制器设置鞋垫的数据获取速率及其分辨率。鞋垫中的传感器没有过载限制。当然,如果施加非常高的负载,例如高于200N,由于所使用的材料性质和厚度,传感器会饱和,然而,当负载被去除时,传感器将返回到零,并且将再次起作用。为了使传感器过载并使其不可用,则必须将其物理损坏(传感器的电子装置或其上方的中间层)。尽管这里是在鞋底中示出的,但是与前文一样,多个微型力板的概念适用于床垫、垫子以及任何需要测量三个方向上的力的应用。
[0168] 一个关于多个微型力板的设计的另选实施例如图51和52所示。在这种情况下,磁体406被嵌入小型和可互换的模制硅胶“塞子”409中,可以装配到鞋垫400的表面上对应形状的端口或空腔411中。每个塞子409的顶表面是平坦的,提供MFP的顶板,故而塞子具有蘑菇形或T形横截面。还提供没有磁体的空塞子,使得该设计提供灵活性,可根据用户的需求,使用合适数量和配置的“活动(带磁体)塞子”,同时用不包含磁体的“塞子”填充余下的端口411。因此,例如,同一种鞋垫,糖尿病患者可以用来监测六点高压,业余运动员也可用来检测跑步时十四个不同部位的足部受力。
[0169] 该传感器的这种微型力板的实施方式也可用于确定表面倾斜以及表面引起的扭矩。每个磁体406下方的磁场传感器的十字形结构可以检测和测量磁体在所有3个正交方向上的运动,以及围绕x和/或y轴进行的扭转和旋转。因此,传感器可以提供倾斜度的距离值,因为已经知道传感器的磁体和/或传感器的表面的物理尺寸,所以可以转换为度数值,同时,由于已经测得导致该倾斜的力,且传感器的尺寸是已知的,所以也可以转换为力矩值。
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