移动式足底内力测量系统
阅读：466发布：2023-01-23
专利汇可以提供移动式足底内力测量系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提出了移动式足底内 力 测量系统，包括 数据处理 器、I2C总线以及设置在 鞋 垫上的测力器和柔性弯曲部件；所述测力器把测量得到的 信号 通过I2C总线汇总传输到数据处理器中进行运算，数据处理器中设有六维力解耦计算方法(1)和 姿态 融合计算方法(2)，经过两种计算方法的运算，解算出人体 生物 力学信息。本发明能在人正常行走的状态下，精密测量人体生物力学信息数据，经过汇总运算后将人体生物力学信息数据实时地反馈到人体运动辅助的 外骨骼 或者 机器人 的控制系统中。，下面是移动式足底内力测量系统专利的具体信息内容。
1.移动式足底内力测量系统，其特征在于，包括数据处理器、I2C总线以及设置在鞋垫上的测力器和柔性弯曲部件，所述测力器与所述柔性弯曲部件连接；
所述测力器把测量得到的信号通过I2C总线汇总传输到数据处理器中进行运算，所述数据处理器设有一套六维力解耦计算方法：
C＝Fr·(F)T·(F·(F)T)-1 (1)其中，公式中C是一个6*6的解耦标定矩阵；Fr代表参考力，是一个n*6的矩阵；F是六维力传感器在每次加载时候的输出值，也是一个n*6的矩阵；n是指标定过程中动态加载的次数，n大于6；所述数据处理器还设有一套姿态融合计算方法：
其中，公式中R代表三维姿态矩阵， 和 分别代表六维力传感器测到的原始三维力值和三维力矩值, 和 代表通过计算得到的移动状态的三维力值和三维力矩值；所述数据处理器通过六维力解耦计算方法(1)和姿态融合计算方法(2)运算得到足底内力的信息数据。
2.根据权利要求1所述的移动式足底内力测量系统，其特征在于，所述姿态融合计算方法式中：
其中，Cx(k)、Cy(k)和Cz(k)代表通过三维姿态传感器测量得到的三轴姿态角。
3.根据权利要求1所述的移动式足底内力测量系统，其特征在于，所述测力器包括有脚后跟测力板、足弓测力板和前脚掌测力板。
4.根据权利要求1或3所述的移动式足底内力测量系统，其特征在于，所述测力器内设有传感器。
5.根据权利要求4所述的移动式足底内力测量系统，其特征在于，所述传感器包括有三维姿态传感器和六维力传感器。
6.根据权利要求1或2或3或5所述的移动式足底内力测量系统，其特征在于，所述数据处理器内设有无线接收器。
7.根据权利要求6所述的移动式足底内力测量系统，其特征在于，所述柔性弯曲部件是硅胶块。
移动式足底内力测量系统
技术领域
背景技术
[0002] 目前，在临床医学和体育运动学等领域，英国VICON和日本NAC等公司产品化的基于多个高速照相机运动捕捉的高速图像分析和测力板系统通常可以被用来定量分析人体全身的运动和多维的地面反作用[1]-[4]。这种传统的方法或者系统需要专门的测量空间、专业操作人员以及昂贵的高速图像采集和处理设备，在实时控制和测量的应用上，尽管在人体的运动较大关节如髋关节、膝关节和踝关节的运动测量上可以实现较高的角度和位移精度，但是由于这样固定式人体生物力学分析与测量系统具有低效和高成本等缺点，只能局限于实验研究和有限的临床应用研究。另外这种传统的测量方法对人体运动时候的捕捉范围有限，而且放置在身体表面的大量的标识点也会影响到测量对象的正常运动，针对人体的小关节例如足底的变形和脚趾头弯曲的测量，这种依赖标识点的图像分析系统的精度就会比测量下肢的大关节运动要相对低下。在日常的环境中，例如狭小楼梯、多障碍工作区等环境下，这种传统的运动分析系统将很难进行测量；很难实现实时地解算出人体生物力学信息，并且很难将关节三维角度、关节力和肌肉力等数据实时地反馈到人体运动辅助的外骨骼或者机器人的控制系统中。
[0003] 随着计算机与传感技术的发展，医疗或者监护现场对传感器网络使用的便利程度和信息交互效率提出了更高的要求。无线穿戴式传感器技术正是迎合这一要求而迅猛发展。高效、全方位的信息交互正成为现在和将来医疗保健传感器的发展基调，拥有巨大的研究价值和潜在市场[5]。近年来国内外众多的研究人员就穿戴式传感器在人体生物力学工程领域的研究做了大量的工作[6-14]，在测量三维关节角度、六维地面反作用力、压力中心和关节作用力等方面与传统的人体运动分析系统相比较，这些穿戴式传感器系统在测量精度、操作便利性、多维力学信息获取和价格上都有明显的优势。然而，如果在不使用可靠性和定量化能力相对较低的脑电信号(EEG)和表面肌电信号(EMG)来直接测量人脑皮层和肌肉运动的情况下，研究人员在考虑人的因素为中心而研制的人体运动辅助智能系统中，尤其在基于人体动力学的实时人体内力信息反馈与机器人控制的研究与应用中少见成功的应用实例，其原因可以归纳为：人体逆向动力学研究尚缺少柔性的多维力传感器及测力板。
[0004] 参考文献：
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[0017] [13]K.Nishiwaki,“Asix-axisforcesensorwithparallelsupport mechanismtomeasurethegroundreactionforceofhumanoidrobot,”Proceedingofthe2002IEEEinternationalconferenceonroboticsand automation,pp.2277-2282,2002.
[0018] [14]H.M.Schepers,H.F.J.M.Koopman,P.H.Veltink,“Ambulatory assessmentofankleandfootDynamics,”IEEETrans.Biomed.Eng.,54,pp.895–902,2007.发明内容
[0019] 本发明提出了移动式足底内力测量系统，在适应鞋底的弹性变形的情况下，实现不影响正常行走的移动式三维力和三维力矩的精密测量。
[0020] 本发明的技术方案是这样实现的：移动式足底内力测量系统，包括数据处理器、I2C总线以及设置在鞋垫上的测力器和柔性弯曲部件，所述测力器把测量得到的信号通过I2C总线汇总传输到数据处理器中进行运算，
[0021] 所述数据处理器设有一套六维力解耦计算方法：
[0022] C＝Fr·(F)T·(F·(F)T)-1 (1)
[0023] 其中，公式中C是一个6*6的解耦标定矩阵；Fr代表参考力，是一个n*6的矩阵；F是六维力传感器在每次加载时候的输出值，也是一个n*6的矩阵；n是指标定过程中动态加载的次数，n大于6；所述数据处理器还设有一套姿态融合计算方法：
[0024]
[0025] 其中，公式中R代表三维姿态矩阵， 和 分别代表六维力传感器测到的原始三维力值和三维力矩值， 和 代表通过计算得到的移动状态的三维力值和三维力矩值；所述数据处理器通过六维力解耦计算方法(1)和姿态融合计算方法(2)运算得到足底内力的信息数据。
[0026] 进一步优选，所述姿态融合计算方法式中：
[0027]
[0028] 其中，Cz(k)、Cy(k)和Cz(k)代表通过三维姿态传感器测量得到的三轴姿态角。
[0029] 进一步优选，所述测力器包括有脚后跟测力板、足弓测力板和前脚掌测力板。
[0030] 进一步优选，所述测力器内设有传感器。
[0031] 进一步优选，所述传感器包括有三维姿态传感器和六维力传感器。
[0032] 进一步优选，所述数据处理器内设有无线接收器。
[0034] 本发明所具备的有益效果如下：
[0035] 本发明可以在人正常行走的状态下，通过测力器精密测量三维力和三维力矩；将测量得到的数据发送给数据处理器，经过两种计算方法的运算，解算出人体生物力学信息；将人体生物力学信息数据实时地反馈到人体运动辅助的外骨骼或者机器人的控制系统中。
[0037] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0038] 图1为本发明的示意图；
[0039] 图2为本发明鞋垫的结构示意图。
具体实施方式
[0040] 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作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。
[0041] 如图1-2所示，移动式足底内力测量系统，包括数据处理器、I2C总线以及设置在鞋垫1上的测力器和柔性弯曲部件5。测力器通过柔性弯曲部件5固定在鞋垫1上。柔性弯曲部件5采用弹性材料制成，优选是硅胶材料。其中，测力器包括有脚后跟测力板2、足弓测力板3和前脚掌测力板4。柔性弯曲部件5有2个，分别设置在3块测力板之间。
[0042] 其中，设置在测力器中的传感器包括有三维姿态传感器和六维力传感器。
[0043] 测力器把测量得到的六维力信号和三维姿态传感器信号都通过一条I2C总线汇总，在一个集成有WIFI无线模块或者蓝牙无线模块的数据处理器中进行在线运算。然后通过本发明设计在数据处理器中的六维力解耦计算方法(1)和姿态融合计算方法(2)就可以得到实时的足底内力，足底内力包括有压力、摩擦力、三轴扭矩。再结合现有的生物力学计算方法，该系统可以方便地应用在足底生物力学信息的反馈控制系统中。该数据采集系统可以容易实现多传感器模块的扩展，实现对多人的运动和力进行在线检测和分析。
[0044] 六维力解耦计算方法(1)，
[0045] C＝Fr·(F)T·(F·(F)T)-1 (1)
[0046] 其中，公式中C是一个6*6的解耦标定矩阵；Fr代表参考力，是一个n*6的矩阵；F是六维力传感器在每次加载时候的输出值，也是一个n*6的矩阵。(n是标定过程中动态加载的次数，它是一个远大于6的整数)；通过以上的标定计算得到的标定矩阵C，将六维力传感器测到的六个值左乘该矩阵，就可以得到一个高精度的三维力和力矩的测量值。
[0047] 姿态融合计算方法(2)，
[0048]
[0049] 式中
[0050]
[0051] 式中R代表三维姿态矩阵，Cx(k)、Cy(k)和Cz(k)代表通过三维姿态传感器测量得到的三轴姿态角。
[0052] 式中 和 分别代表六维力传感器测到的原始三维力值和三维力矩值， 和 代表通过集成运动传感器测量值而计算得到的移动状态的三
维力值和三维力矩值。
维力值和三维力矩值。
[0053] 本发明可以实现在不影响测量对象的正常步态的情况下，具较高的动态测量精度地进行脚的生物力学分析。传统系统很难实现实时地解算出人体生物力学信息，并且很难将关节三维角度、关节力和肌肉力等数据实时地反馈到人体运动辅助的外骨骼或者机器人的控制系统中。本发明将可以实现包括多维力和三维运动的步态数据的在线运算和无线发送接收。
[0054] 本发明在鞋垫上设置两个柔性弯曲部件5，而且该柔性部件也可以增加，数据采集是通过总线式，可以自由扩展多个测力板，实现多处柔性变形以提高系统的穿戴适度的同时，保证测量精度。
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