專利名稱：一種多軸力平臺(tái)陣列及人體行走步態(tài)信息獲取方法
所屬領(lǐng)域本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，特別涉及一種用于運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)和神經(jīng)學(xué)科的人體行走過程中步態(tài)動(dòng)力學(xué)信息和身體平衡、協(xié)調(diào)的測(cè)試、分析和評(píng)價(jià)系統(tǒng)和方法，即一種多軸力平臺(tái)陣列及人體行走步態(tài)信息獲取方法。
背景技術(shù)：
步態(tài)是人體步行時(shí)的姿態(tài)，指人體通過髖、膝、踝、足趾的一系列連續(xù)活動(dòng)，使身體沿著一定方向移動(dòng)的過程，正常步態(tài)具有穩(wěn)定性、周期性和節(jié)律性、方向性、協(xié)調(diào)性以及個(gè)體差異性。步態(tài)研究已經(jīng)成為康復(fù)醫(yī)學(xué)和人類運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究的熱點(diǎn)之一，其是用來評(píng)價(jià)人體自身運(yùn)動(dòng)能力和疾病診斷的一個(gè)重要參數(shù)。
當(dāng)人們存在疾病時(shí)，步態(tài)特征將有明顯的改變?？梢酝ㄟ^對(duì)人體步態(tài)的分析，幫助醫(yī)生進(jìn)行病因分析和病情診斷、觀察病人下肢的康復(fù)狀況、指導(dǎo)病人行走訓(xùn)練。同時(shí)，步態(tài)分析對(duì)人工關(guān)節(jié)、義肢、康復(fù)訓(xùn)練及器材等研究有重要意義。就人工關(guān)節(jié)而言，步態(tài)研究有助于建立設(shè)計(jì)與測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，提高人工關(guān)節(jié)的性能。
在人類運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的研究過程中，人體運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)一直是研究的兩大方向，運(yùn)動(dòng)過程中人體的速度、加速度、質(zhì)心的變化，以及外界施加給人體這個(gè)生物力學(xué)系統(tǒng)的外力等等，都可以通過對(duì)人體步態(tài)的測(cè)試與分析而獲得。
人體動(dòng)態(tài)步行運(yùn)動(dòng)過程中，需要測(cè)量一些參數(shù)，主要包括時(shí)間參數(shù)，空間參數(shù)、時(shí)空參數(shù)及力學(xué)參數(shù)，其中時(shí)間參數(shù)主要是指行走過程中支撐期和擺動(dòng)期各個(gè)動(dòng)作階段時(shí)序分配；空間參數(shù)包括步長，步周長、步距、身體質(zhì)心上下起伏幅度等；時(shí)空參數(shù)包括髖、膝、踝在步態(tài)周期中的角度-時(shí)間關(guān)系曲線、身體重心加速度(運(yùn)動(dòng)方向、垂直方向)等；力學(xué)參數(shù)包括雙足與地面垂直、前后、左右接觸力等。
最早的步態(tài)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)生在二十世紀(jì)初時(shí)，F(xiàn)isher(1809～1904)、Bernstein(1935)在該領(lǐng)域中進(jìn)行了初期的實(shí)驗(yàn)研究工作，但他們的研究由于缺乏測(cè)量地與腳底之間傳遞的作用力的裝置而受到限制。接下來，Elftman(1939，1940)考查了在行進(jìn)平面內(nèi)的力作用，并且根據(jù)由電影膠片記錄的下肢位移和由力平臺(tái)記錄作用力計(jì)算了在該平面的力矩。加里福尼亞大學(xué)系統(tǒng)地研究了人的行走運(yùn)動(dòng)，研究包括了下肢在空間的線性和角運(yùn)動(dòng)、速度及加速度，下肢上的外部作用力，下肢肌肉系統(tǒng)的活動(dòng)階段的信息采集和分析。該大學(xué)的工作至今仍被認(rèn)為是人類行走研究的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。
自從60年代末以來，步態(tài)實(shí)驗(yàn)技術(shù)已有很大改進(jìn)。進(jìn)入80年代后，計(jì)算機(jī)輔助電視攝像運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)逐漸實(shí)用化。這些系統(tǒng)提供了測(cè)量放置在身體關(guān)鍵解剖特征點(diǎn)處外表面上的具有反射表面材料的標(biāo)記點(diǎn)的精確三維空間位置?；谙轮纳锪W(xué)模型分析技術(shù)，由這些位置數(shù)據(jù)，下肢各段的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)可以被求出，加上來自力平臺(tái)測(cè)量得到的地對(duì)腳底的反作用力，則可分析出作用在下肢各段上的外力及力矩。
國外當(dāng)今比較成熟的步態(tài)分析系統(tǒng)有CODA-III、SELSPOT-II、ELLTE和VICON等，它們都由測(cè)力板、紅外攝像系統(tǒng)和專用數(shù)據(jù)處理機(jī)以及計(jì)算機(jī)組成。測(cè)力板用于測(cè)量人體行走時(shí)地面的反作用力，而各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)及人體位置均由紅外攝像系統(tǒng)來確定，將紅外標(biāo)記點(diǎn)貼在人體的待測(cè)部位上，通過攝像機(jī)接受由它發(fā)出并被紅外標(biāo)記點(diǎn)反射回來的紅外線信號(hào)，再由專用的數(shù)據(jù)處理機(jī)生成人體的運(yùn)動(dòng)位置坐標(biāo)，最后將這些地面反作用力，人體運(yùn)動(dòng)位置信息輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算出步行時(shí)人體的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)、能量變化、消耗的功率、運(yùn)動(dòng)位置、關(guān)節(jié)受力和肌肉力矩等。這套測(cè)量分析系統(tǒng)能比較精確地完成對(duì)人體行走的力學(xué)測(cè)量。
SELSPOT-II3維運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集空間坐標(biāo)位姿信息，可廣泛應(yīng)用于步態(tài)分析、物體運(yùn)動(dòng)以及其他較大位移運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合，它由4個(gè)照相機(jī)、一個(gè)控制單元和配置相關(guān)軟件的計(jì)算機(jī)構(gòu)成。可以記錄附著在受試者身體上最多達(dá)36個(gè)紅外發(fā)光二極管的空間坐標(biāo)變換。
VICON 3D運(yùn)動(dòng)捕捉與分析系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛，有步態(tài)分析、生物力學(xué)、康復(fù)醫(yī)學(xué)、運(yùn)動(dòng)科學(xué)、動(dòng)物運(yùn)動(dòng)、motor control、姿態(tài)與平衡、人類工程學(xué)等。
在國內(nèi)，幾乎沒有公司進(jìn)行整套系統(tǒng)的生產(chǎn)，大多數(shù)都是局限于大學(xué)、研究所內(nèi)實(shí)驗(yàn)室的研究。上海第二醫(yī)科大學(xué)的徐乃明、戴克戎等人從1980年起采用電影攝影和自制的S9-1型步態(tài)分析系統(tǒng)進(jìn)行步態(tài)研究和膝、踝關(guān)節(jié)在平地行走時(shí)關(guān)節(jié)力和肌肉力的計(jì)算分析。并在其基礎(chǔ)上，發(fā)展了S9-2型微機(jī)化步態(tài)分析系統(tǒng)。中國人民解放軍第二0八醫(yī)院的門洪學(xué)等人研制了三維力測(cè)力靴式步態(tài)分析系統(tǒng)。這種靴式步態(tài)分析系統(tǒng)是由三維力測(cè)力靴、多通道放大器及微機(jī)系統(tǒng)組成。
從上面的分析可以看出，目前國外在步態(tài)分析系統(tǒng)方面種類較多，但主要是基于運(yùn)動(dòng)學(xué)的方法為主，而步態(tài)信息測(cè)試中不僅包含運(yùn)動(dòng)學(xué)的信息，更為重要的是動(dòng)力學(xué)信息，雖然國外的CODA-III、SELSPOT-II、ELLTE和VICON也包含測(cè)力板，但不具備同時(shí)獲取步態(tài)時(shí)間參數(shù)、時(shí)空參數(shù)與力學(xué)參數(shù)信息的功能。而國內(nèi)清華大學(xué)提出的采用三維力平臺(tái)獲取動(dòng)力學(xué)信息的平臺(tái)只能得到有關(guān)力的大小、方向信息，對(duì)行走過程中的力的作用點(diǎn)無法獲取，使得有關(guān)步距、步長、步速等信息無法得到。
本發(fā)明提出一種基于新型結(jié)構(gòu)的六維力平臺(tái)構(gòu)成的陣列系統(tǒng)，其不僅可以測(cè)量腳部與地面接觸的三維力信息，而且可以通過多個(gè)平臺(tái)構(gòu)成的陣列得到人行走過程中單支撐期、雙支撐期、擺動(dòng)期所對(duì)應(yīng)的步態(tài)時(shí)間參數(shù)、時(shí)空參數(shù)和力學(xué)參數(shù)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)人體行走過程中壓力中心點(diǎn)COP的實(shí)時(shí)測(cè)量，用于對(duì)人體平衡能力、身體協(xié)調(diào)和神經(jīng)系統(tǒng)的測(cè)試、分析和評(píng)價(jià)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于人體行走過程中步態(tài)動(dòng)力學(xué)信息獲取的測(cè)試系統(tǒng)和步態(tài)檢測(cè)方法，其是采用多個(gè)新型結(jié)構(gòu)的六維力平臺(tái)構(gòu)成的平臺(tái)陣列，采用網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)將各個(gè)平臺(tái)聯(lián)結(jié)在一起，組成一個(gè)步行軌道，當(dāng)人在上面行走的過程中，可以得到腳部行走過程中在各個(gè)支撐期與地面的接觸力，并且通過計(jì)算得到步幅、步距、步速等步態(tài)信息，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)人體行走過程中壓力中心點(diǎn)COP的變化軌跡，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)人體平衡能力、協(xié)調(diào)能力及康復(fù)等情況的測(cè)試、分析。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種多軸力平臺(tái)陣列，其是由基座(1)、安裝軌道(2)、調(diào)整螺釘(3)、緊固螺母(4)、第一個(gè)六軸力平臺(tái)(5)、第二個(gè)六軸力平臺(tái)(6)、第三個(gè)六軸力平臺(tái)(7)、第四個(gè)六軸力平臺(tái)(8)、臺(tái)面覆蓋層(9)、網(wǎng)絡(luò)傳感接口模塊(10)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集卡(11)、計(jì)算機(jī)PC(12)組成，其中四個(gè)六軸力平臺(tái)陣列采用相同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和尺寸，每個(gè)六維力平臺(tái)都是采用雙圓膜片結(jié)構(gòu)，每個(gè)平臺(tái)是由上臺(tái)面(13)、上彈性圓膜片(14)、十字梁(15)、下彈性圓膜片(16)、下臺(tái)面(17)構(gòu)成。其特征在于整個(gè)平臺(tái)陣列的安裝位置和安裝方向是由安裝軌道(2)來保證，安裝軌道(2)是四個(gè)平臺(tái)(5)、(6)、(7)、(8)安裝基準(zhǔn)，每個(gè)平臺(tái)下臺(tái)面(17)是一個(gè)四方體，采用中心對(duì)稱方式與平臺(tái)下彈性圓膜片(16)上的法蘭螺紋聯(lián)結(jié)在一起，四方體側(cè)面為平臺(tái)底面安裝基準(zhǔn)面；安裝軌道(2)依靠四個(gè)調(diào)整螺釘(3)和四個(gè)緊固螺母(4)來實(shí)現(xiàn)水平調(diào)整，在平臺(tái)陣列安裝之前，首先通過水平儀校準(zhǔn)，并調(diào)整螺釘保證安裝導(dǎo)軌的水平，然后固定在地面，平臺(tái)的四個(gè)六軸力平臺(tái)測(cè)量得到的力/力矩信息通過網(wǎng)絡(luò)傳感接口模塊(10)連接到計(jì)算機(jī)PC(12)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集卡(11)。
上彈性圓膜片(14)和下彈性圓膜片(16)為硬中心結(jié)構(gòu)，硬中心的直徑等于十字梁的外徑，并且上彈性圓膜片(14)硬中心對(duì)稱加工有十字槽，下彈性圓膜片(16)硬中心上對(duì)稱加工有十字槽，十字槽的長、寬尺寸等于十字梁的長寬，十字槽的深度為5mm；上彈性圓膜片(14)和下彈性圓膜片(16)的十字槽與十字梁(15)采用間隙配合以保證上下圓膜片平面方向一致。并且此方向與整個(gè)平臺(tái)定義的傳感器坐標(biāo)方向一致，每個(gè)平臺(tái)有一個(gè)獨(dú)立的坐標(biāo)系，分別是以上彈性圓膜片(14)的上表面為XY坐標(biāo)平面，中心軸向?yàn)閆向，坐標(biāo)系符合右手定則。
臺(tái)面覆蓋層采用輕質(zhì)的軟體材料，主要保證整個(gè)陣列的視覺整體性，使得被測(cè)試對(duì)象在上面行走時(shí)保持自然的步態(tài)，不受獨(dú)立平臺(tái)的影響。
本發(fā)明同時(shí)公開了一種用于人體動(dòng)態(tài)步態(tài)的檢測(cè)方法，步態(tài)檢測(cè)方法包括行走過程中單個(gè)平臺(tái)受力大小、作用點(diǎn)、方向的信息獲取和步幅、步距、步速等步態(tài)參數(shù)的信息獲取，其特征在于四個(gè)六維力平臺(tái)的上彈性圓膜片(14)、十字梁(15)、下彈性圓膜片(16)上粘貼的應(yīng)變力敏電阻，通過不同的敏感橋路布置方式實(shí)現(xiàn)對(duì)六維力信息的獲取，并通過標(biāo)定求出維間耦合關(guān)系，對(duì)六組橋路輸出解耦處理實(shí)現(xiàn)三維力(Fx\Fy\Fz)和三維力矩(Mx\My\Mz)信息獨(dú)立獲?。凰膫€(gè)六維力平臺(tái)都有獨(dú)立的坐標(biāo)系，其各自的坐標(biāo)原點(diǎn)定義為上彈性圓膜片(14)敏感面中心，其中圓膜片軸線方向?yàn)閆向，相應(yīng)X、Y方向符合卡笛爾坐標(biāo)右旋方向。
圓膜片、上下法蘭上刻有表示X、Y方向互相垂直的基準(zhǔn)標(biāo)記線，以保證平臺(tái)傳感器設(shè)計(jì)、安裝過程中X、Y坐標(biāo)方向傳遞的一致性；X、Y方向力矩信息獲取敏感橋路采用在上彈性圓膜片(14)平面互相垂直布置，其力敏電阻布置方向與下彈性圓膜片(16)的敏感單元布置方向相同，其中上彈性圓膜片(14)敏感面上電阻R1y、R2y、R3y、R4y對(duì)稱布置在膜片敏感面上，其中R1y、R4y布置在靠近法蘭盤的圓膜片外圓，R2y、R3y布置在靠近硬中心的圓膜片內(nèi)圓部分，R1y、R2y、R3y、R4y組成全橋用來實(shí)現(xiàn)對(duì)力矩Mx的測(cè)量；上彈性圓膜片(14)敏感面上電阻R1x、R2x、R3x、R4x對(duì)稱布置在膜片敏感面上，其中R1x、R4x布置在靠近法蘭盤的圓膜片外圓，R2x、R3x布置在靠近硬中心的圓膜片內(nèi)圓部分，R1x、R2x、R3x、R4x組成全橋用來實(shí)現(xiàn)對(duì)力矩My的測(cè)量；下彈性圓膜片(16)和上彈性圓膜片(14)的兩個(gè)敏感方向要求保持一致，X、Y方向力信息獲取敏感橋路由電阻R1x、R2x、R3x、R4x及R1y、R2y、R3y、R4y實(shí)現(xiàn)，其采用在下彈性圓膜片(16)平面內(nèi)互相垂直布置，Z方向力信息獲取敏感電阻R1z、R2z、R3z、R4z是布置在下彈性圓膜片(16)上沿X、Y敏感方向相交45度方向，其中下彈性圓膜片(16)敏感面上電阻R1x、R2x、R3x、R4x對(duì)稱布置在膜片敏感面上，其中R1x、R4x布置在靠近法蘭盤的圓膜片外圓，R2x、R3x布置在靠近硬中心的圓膜片內(nèi)圓部分，R1x、R2x、R3x、R4x組成全橋用來實(shí)現(xiàn)對(duì)力Fx的測(cè)量；下彈性圓膜片(16)敏感面上電阻R1y、R2y、R3y、R4y對(duì)稱布置在膜片敏感面上，其中R1y、R4y布置在靠近法蘭盤的圓膜片外圓，R2y、R3y布置在靠近硬中心的圓膜片內(nèi)圓部分，R1y、R2y、R3y、R4y組成全橋用來實(shí)現(xiàn)對(duì)力Fy的測(cè)量；下彈性圓膜片(16)敏感面上電阻R1z、R2z、R3z、R4z對(duì)稱布置在膜片敏感面上，其中R1z、R4z布置在靠近法蘭盤的圓膜片外圓，R2z、R3z布置在靠近硬中心的圓膜片內(nèi)圓部分，R1y、R2y、R3y、R4y組成全橋用來實(shí)現(xiàn)對(duì)力Fz的測(cè)量；上彈性圓膜片(16)敏感面上的電阻R1z、R2z、R3z、R4z還可以提供一路對(duì)力Fz測(cè)量的冗余信息，用于傳感器校準(zhǔn)；十字梁(15)敏感面上的電阻R1、R2、R3、R4用來實(shí)現(xiàn)對(duì)力矩Mz的測(cè)量；傳感器的信號(hào)處理電路包括兩個(gè)部分模擬處理電路和數(shù)字處理電路，模擬處理電路和數(shù)字處理電路可以同時(shí)置于傳感器內(nèi)部，也可以將模擬處理電路置于傳感器內(nèi)部，在本發(fā)明中，數(shù)字處理電路與網(wǎng)絡(luò)接口模塊是一個(gè)整體；行走過程中單支撐期、雙支撐期、擺動(dòng)期所對(duì)應(yīng)的步態(tài)時(shí)間參數(shù)信息獲取是通過人體步行時(shí)雙腳與不同臺(tái)面接觸的時(shí)間計(jì)算得到步速信息，通過獲取雙腳與不同臺(tái)面的接觸位置計(jì)算得到步距、步幅參數(shù)信息，而各個(gè)不同步態(tài)周期的力學(xué)參數(shù)信息由各個(gè)臺(tái)面本身提供的三維力信息得到。計(jì)算方法如下以第一個(gè)六維力平臺(tái)(5)的臺(tái)面中心位置為坐標(biāo)原點(diǎn)(0，0，0)，第一個(gè)六維力平臺(tái)(5)、第二個(gè)六軸力平臺(tái)(6)、第三個(gè)六軸力平臺(tái)(7)、第四個(gè)六軸力平臺(tái)(8)相互之間間距為固定值SY，平臺(tái)沿著Y軸方向安裝，每個(gè)平臺(tái)都有獨(dú)立坐標(biāo)系，分別為(X1，Y1，Z1)(X2，Y2，Z2)(X3，Y3，Z3)(X4，Y4，Z4)，其中Z1＝Z2＝Z3＝Z4＝SZ；人體行走過程中，雙足分別在各個(gè)平臺(tái)上的接觸位置定義為(x1，y1，SZ)(x2，y2，SZ)(x3，y3，SZ)(x4，y4，SZ)，從而得到步距＝|(x2-x1)+(x3-x2)+(x4-x3)|/3步幅＝|(y2+SY-y1)+(y3+SY-y2)+(y4+SY-y3)|/3步速＝步幅/t其中t為雙足與四個(gè)臺(tái)面分別接觸的時(shí)間間隔。
單個(gè)平臺(tái)雙足接觸位置坐標(biāo)的計(jì)算，參見單個(gè)平臺(tái)坐標(biāo)系和坐標(biāo)位置，其中當(dāng)受力點(diǎn)為A時(shí)，其在坐標(biāo)系中的位置計(jì)算公式為 所述的COP軌跡計(jì)算方法，是根據(jù)人體行走過程中身體各個(gè)關(guān)節(jié)的慣性力、重力及摩擦力在平臺(tái)上力的作用點(diǎn)變化軌跡得到，具體含義ZMP定義一致，實(shí)際計(jì)算方法如下。
對(duì)于所示的運(yùn)動(dòng)鏈來說，ZMP條件可以描述為公式Σi(ri×miai+Iiαi+ωi×Iiωi)-Σiri×mig=(0,0*)T---(1)]]>其中ri＝pi-pzmp，pi＝(x，y，0)是整個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈與地面的接觸點(diǎn)，pzmp＝(xzmp，yzmp，0)T；mi和Ii分別是第i個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ωi和αi分別是第i個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈的角速度和角加速度；g為重力加速度；*表示某一個(gè)值，(0，0，*)T表示矢量的一種形式。
對(duì)于運(yùn)動(dòng)鏈，在雙支撐期，左右腳與地面均有接觸點(diǎn)，通過這一點(diǎn)，地面對(duì)運(yùn)動(dòng)鏈有合成的反作用力(fL或fR)和反作用力矩(nL或nR)，這里的反作用力矩實(shí)際上就是六維力/力矩傳感器所測(cè)量出的Mz，從而(1)式可轉(zhuǎn)化為
-Σi(ri×mi(ai-g)+Iiαi+ωi×Iiωi)+rL×fL+rR×fR+nL+nR=0---(2)]]>其中rL/R＝pL/R-pzmp＝(*，*，0)T，pL/R分別為左右足與地面的接觸點(diǎn)；nL/R＝(0，0，*)T所以rL×fL+rR×fR+nL+nR＝(0，0，*)T(3)ZMP點(diǎn)計(jì)算與人所處狀態(tài)有關(guān)，在單支撐期和雙支撐期對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式如下單腳支撐期，在單腳支撐狀態(tài)下，(3)式簡化為r×f+n＝(0，0，*)T(4)其中r＝(x-xzmp，y-yzmp，0)，f＝(fx，fy，fz)，n＝(0，0，*)T有r×f=ijkx-xzmpy-yzmp0fxfyfz=(y-yzmp)fzi-(x-xzmp)fzi+[(x-xzmp)fy-(y-yzmp)fx]k]]>由式(4)可有 所以，在單腳支撐期，實(shí)際ZMP點(diǎn)就是單腳與地面的接觸點(diǎn)。
雙腳支撐期，ZMP的計(jì)算公式如下在雙腳支撐狀態(tài)下，左足fL＝(fLx，fLy，fLz)，同理，fR＝(fRx，fRy，fRz)，(3)式中，有rL×fL=ijkxL-xzmpyL-yzmp0fLxfLyfLz]]>=(yL-yzmp)fLzi-(xL-xzmp)fLzj+[(xL-xzmp)fLy-(yL-yzmp)fLx]k]]>同理rR×fR=(yR-yzmp)fRzi-(xR-xzmp)fRzj+[(xR-xzmp)fRy-(yR-yzmp)fRx]k]]>
將四個(gè)或者多個(gè)六維力平臺(tái)按照上述方法等間距地安裝在固定的軌道上，構(gòu)成一個(gè)測(cè)試通道，采用網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)將各個(gè)平臺(tái)獲取的六維力/力矩信息傳送到計(jì)算機(jī)PC中，當(dāng)人在測(cè)試通道上行走時(shí)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取行走過程中腳與平臺(tái)的接觸力/力矩信息，通過上述方法計(jì)算得到步幅、步距、步速等步態(tài)信息，以及人體行走過程中壓力中心點(diǎn)COP的變化軌跡，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)人體平衡能力、協(xié)調(diào)能力以及術(shù)后康復(fù)情況的測(cè)試、分析和評(píng)價(jià)。
本發(fā)明的有益效果是通過網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)，將多個(gè)六維力平臺(tái)系統(tǒng)組成一個(gè)陣列，不僅可以實(shí)現(xiàn)人體行走過程中身體對(duì)地面的三維作用力，還可以記錄行走過程中步幅、步距、步速等步態(tài)信息。本發(fā)明可以用于對(duì)人體行走過程中雙足步態(tài)信息的測(cè)量，不僅可以測(cè)量得到步態(tài)信息，也可以實(shí)現(xiàn)人體行走過程中壓力中心點(diǎn)COP的實(shí)時(shí)測(cè)量，用于對(duì)人體平衡能力、身體協(xié)調(diào)和神經(jīng)系統(tǒng)的測(cè)試、分析和評(píng)價(jià)。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明專利做進(jìn)一步的說明。
圖1是整個(gè)系統(tǒng)總體示意圖；圖2是平臺(tái)陣列的側(cè)視圖；圖3是平臺(tái)陣列的立體視4是單個(gè)平臺(tái)陣列安裝調(diào)整方式示意圖；圖5是單個(gè)平臺(tái)陣列結(jié)構(gòu)示意圖；圖6上彈性圓膜片應(yīng)變電阻布置圖；圖7十字梁應(yīng)變電阻布置圖；圖8下彈性圓膜片應(yīng)變電阻布置圖；圖9單個(gè)平臺(tái)陣列坐標(biāo)系及位置坐標(biāo)計(jì)算；圖10步態(tài)參數(shù)定義示意圖；圖11人體行走過程步態(tài)測(cè)試過程。
圖1中，1、基座，2、安裝軌道，3、調(diào)整螺釘，4、緊固螺母，5、第一個(gè)六軸力平臺(tái)，6、第二個(gè)六軸力平臺(tái)，7、第三個(gè)六軸力平臺(tái)，8、第四個(gè)六軸力平臺(tái)，9、臺(tái)面覆蓋層，10、網(wǎng)絡(luò)傳感接口模塊，11、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集卡，12、計(jì)算機(jī)PC。
具體實(shí)施例方式
圖1、圖2、圖3分別是整個(gè)平臺(tái)陣列系統(tǒng)示意圖、平臺(tái)陣列的側(cè)視圖和立體視圖，整個(gè)系統(tǒng)是由基座1、安裝軌道2、調(diào)整螺釘3、緊固螺母4、第一個(gè)六軸力平臺(tái)5、第二個(gè)六軸力平臺(tái)6、第三個(gè)六軸力平臺(tái)7、第四個(gè)六軸力平臺(tái)8、臺(tái)面覆蓋層9、網(wǎng)絡(luò)傳感接口模塊10、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集卡11、計(jì)算機(jī)PC12組成。
其中四個(gè)六軸力平臺(tái)采用相同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和尺寸，每個(gè)六維力平臺(tái)都是采用雙圓膜片結(jié)構(gòu)，每個(gè)平臺(tái)是由上臺(tái)面13、上彈性圓膜片14、十字梁15、下彈性圓膜片16、下臺(tái)面17構(gòu)成。
整個(gè)平臺(tái)陣列的安裝位置和安裝方向是由安裝軌道2來保證，安裝軌道2是四個(gè)平臺(tái)5、6、7、8安裝基準(zhǔn)。安裝軌道采用T型梁結(jié)構(gòu)，T型梁互相垂直的兩個(gè)面需要保證有較高的平面度和垂直度，梁上等間隔的距離加工有安裝孔，安裝孔的距離大于平臺(tái)上臺(tái)面長度尺寸，并超過20mm±0.05。每個(gè)平臺(tái)下臺(tái)面17是一個(gè)四方體，采用中心對(duì)稱方式與平臺(tái)下彈性圓膜片16上的法蘭螺紋聯(lián)結(jié)在一起，四方體側(cè)面為底面平臺(tái)安裝基準(zhǔn)面。
安裝軌道2依靠四個(gè)調(diào)整螺釘3和四個(gè)緊固螺母4來實(shí)現(xiàn)水平調(diào)整，在平臺(tái)陣列安裝之前，首先通過水平儀校準(zhǔn)，并調(diào)整螺釘保證安裝導(dǎo)軌的水平，然后固定在地面，平臺(tái)的四個(gè)六軸力平臺(tái)測(cè)量得到的力/力矩信息通過網(wǎng)絡(luò)傳感接口模塊10連接到計(jì)算機(jī)PC12的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集卡11。
臺(tái)面覆蓋層采用輕質(zhì)的軟體材料，主要保證整個(gè)陣列的視覺整體性，使得被測(cè)試對(duì)象在上面行走時(shí)保持自然的步態(tài)，不受獨(dú)立平臺(tái)的影響。
圖4是單個(gè)平臺(tái)安裝調(diào)整方式示意圖，底座1預(yù)先固定在地面上，通過調(diào)整螺釘3將T型導(dǎo)軌2調(diào)整好，使其處于水平狀態(tài)，并通過緊固螺母4固定。導(dǎo)軌2也可以采用平板結(jié)構(gòu)，只需要在平板沿安裝平臺(tái)方向嵌鑲上基準(zhǔn)長條，當(dāng)將平板調(diào)整到水平狀態(tài)時(shí)，即可安裝前述方式安裝每一個(gè)平臺(tái)。導(dǎo)軌和平臺(tái)的下臺(tái)面17都采用通孔，每一個(gè)平臺(tái)安裝過程中，是通過螺栓和螺母來固定，以減少安裝應(yīng)力。
圖5是單個(gè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖，上彈性圓膜片14和下彈性圓膜片16為硬中心結(jié)構(gòu)，硬中心的直徑等于十字梁的外徑，具體尺寸根據(jù)不同的臺(tái)面尺寸而定，如臺(tái)面尺寸400mm×400mm時(shí)，外徑為100mm。并且上彈性圓膜片14硬中心對(duì)稱加工有十字槽，下彈性圓膜片16硬中心上對(duì)稱加工有十字槽，十字槽的長、寬尺寸等于十字梁的長寬，十字槽的深度為5mm。
上彈性圓膜片14和下彈性圓膜片16的十字槽與十字梁15采用間隙配合以保證上下圓膜片平面坐標(biāo)方向一致。并且此方向與整個(gè)平臺(tái)定義的傳感器坐標(biāo)方向一致，每個(gè)平臺(tái)有一個(gè)獨(dú)立的坐標(biāo)系，分別是以上彈性圓膜片14的上表面為XY坐標(biāo)平面，中心軸向?yàn)閆向，坐標(biāo)系符合右手定則。
圖6是上彈性圓膜片應(yīng)變電阻布置圖，上彈性圓膜片14敏感面上電阻R1y、R2y、R3y、R4y對(duì)稱布置在圓膜片敏感面上，其中R1y、R4y布置在靠近法蘭盤的圓膜片外圓，R2y、R3y布置在靠近硬中心的圓膜片內(nèi)圓部分，R1y、R2y、R3y、R4y組成全橋用來實(shí)現(xiàn)對(duì)力矩Mx的測(cè)量；上彈性圓膜片14敏感面上電阻R1x、R2x、R3x、R4x對(duì)稱布置在圓膜片敏感面上，其中R1x、R4x布置在靠近法蘭盤的圓膜片外圓，R2x、R3x布置在靠近硬中心的圓膜片內(nèi)圓部分，R1x、R2x、R3x、R4x組成全橋用來實(shí)現(xiàn)對(duì)力矩My的測(cè)量；上彈性圓膜片14敏感面上的電阻R1z、R2z、R3z、R4z還可以提供一路對(duì)力Fz測(cè)量的冗余信息，R1z、R2z、R3z、R4z對(duì)稱布置在圓膜片敏感面上，其中R1z、R4z布置在靠近法蘭盤的圓膜片外圓，R2z、R3z布置在靠近硬中心的圓膜片內(nèi)圓部分，R1z、R2z、R3z、R4z組成全橋用來實(shí)現(xiàn)對(duì)力矩Fz的測(cè)量；圖7是十字梁應(yīng)變電阻布置圖，十字梁15敏感面上的電阻R1、R2、R3、R4用來實(shí)現(xiàn)對(duì)力矩Mz的測(cè)量，電阻R1、R2、R3、R4按照?qǐng)D示位置對(duì)稱布置在四個(gè)梁上，貼片方向沿著對(duì)角線方向，并且四個(gè)應(yīng)變電阻盡可能靠近十字梁15的邊緣。
圖8是下彈性圓膜片應(yīng)變電阻布置圖，下彈性圓膜片16和上彈性圓膜片14的兩個(gè)敏感方向要求保持一致，X、Y方向力信息獲取敏感橋路由電阻R1x、R2x、R3x、R4x及R1y、R2y、R3y、R4y實(shí)現(xiàn)，其采用在下彈性圓膜片16平面內(nèi)互相垂直布置，Z方向力信息獲取敏感電阻R1z、R2z、R3z、R4z是布置在下彈性圓膜片16上沿X、Y敏感方向相交45度方向，其中下彈性圓膜片16敏感面上電阻R1x、R2x、R3x、R4x對(duì)稱布置在圓膜片敏感面上，其中R1x、R4x布置在靠近法蘭盤的圓膜片外圓，R2x、R3x布置在靠近硬中心的圓膜片內(nèi)圓部分，R1x、R2x、R3x、R4x組成全橋用來實(shí)現(xiàn)對(duì)力Fx的測(cè)量；下彈性圓膜片16敏感面上電阻R1y、R2y、R3y、R4y對(duì)稱布置在圓膜片敏感面上，其中R1y、R4y布置在靠近法蘭盤的圓膜片外圓，R2y、R3y布置在靠近硬中心的圓膜片內(nèi)圓部分，R1y、R2y、R3y、R4y組成全橋用來實(shí)現(xiàn)對(duì)力Fy的測(cè)量；下彈性圓膜片16敏感面上電阻R1z、R2z、R3z、R4z對(duì)稱布置在圓膜片敏感面上，其中R1z、R4z布置在靠近法蘭盤的圓膜片外圓，R2z、R3z布置在靠近硬中心的圓膜片內(nèi)圓部分，R1y、R2y、R3y、R4y組成全橋用來實(shí)現(xiàn)對(duì)力Fz的測(cè)量。
圖9為單個(gè)平臺(tái)坐標(biāo)系和位置坐標(biāo)計(jì)算，對(duì)于每一個(gè)平臺(tái)來說，都有一個(gè)獨(dú)立的坐標(biāo)系，其是以圖4中平臺(tái)的上彈性圓膜片平面為XY平面，圓膜片中心為Z方向，平臺(tái)上臺(tái)面14距離坐標(biāo)平面距離為z，則雙足與臺(tái)面的接觸點(diǎn)位置可根據(jù)前面提到的計(jì)算方法得到。
圖10為步態(tài)參數(shù)定義示意圖，這里給出了一個(gè)人體行走周期所對(duì)應(yīng)的步長、步距和步周長的定義，其中步長是指人體行走過程中左右腳后跟沿行走方向?qū)?yīng)的距離；步距，也稱步寬，是指人體行走過程中雙足中心沿X方向的距離；步周長是指一個(gè)人體行走周期，左腳或者右腳沿行走方向?qū)?yīng)距離。
圖11為人體行走過程步態(tài)測(cè)試過程，整個(gè)人體行走過程的測(cè)試可以通過四個(gè)平臺(tái)組成的陣列完成步態(tài)的測(cè)試，當(dāng)人體雙足中右腳踏上第一個(gè)平臺(tái)時(shí)，左腳離地即開始第一個(gè)單支撐期；當(dāng)人體左腳落在第二個(gè)平臺(tái)上時(shí)，即開始第一個(gè)雙支撐期；隨后重復(fù)前面的動(dòng)作即實(shí)現(xiàn)第二個(gè)單支撐期和第二個(gè)雙支撐期。在單雙支撐期中間的過程存在一個(gè)擺動(dòng)期。由于行走過程中，每只腳分別作用在不同的平臺(tái)上，從而可以實(shí)現(xiàn)人體不同步態(tài)周期中步態(tài)信息的測(cè)試。
通過傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將多個(gè)(至少四個(gè))六維力平臺(tái)組成一個(gè)多軸力平臺(tái)陣列，可以實(shí)現(xiàn)人體行走過程中的步態(tài)測(cè)試，主要包括步長、步距、步周長和步速等信息，同時(shí)人體行走過程中的壓力中心點(diǎn)(COP)的變化軌跡也可以得到。
通過比較人體行走過程中左、右腳與平臺(tái)作用力的變化，可以判斷人體平衡和協(xié)調(diào)能力，以此對(duì)人體的神經(jīng)系統(tǒng)和手術(shù)后的恢復(fù)情況進(jìn)行測(cè)試、分析和評(píng)價(jià)。
權(quán)利要求
1.一種多軸力平臺(tái)陣列，是由基座(1)、安裝軌道(2)、第一個(gè)六軸力平臺(tái)(5)、第二個(gè)六軸力平臺(tái)(6)、第三個(gè)六軸力平臺(tái)(7)、第四個(gè)六軸力平臺(tái)(8)、計(jì)算機(jī)PC(12)組成，其中四個(gè)六軸力平臺(tái)陣列采用相同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和尺寸，每個(gè)六維力平臺(tái)都是采用雙圓膜片結(jié)構(gòu)，由上臺(tái)面(13)、上彈性圓膜片(14)、十字梁(15)、下彈性圓膜片(16)、下臺(tái)面(17)構(gòu)成，其特征在于整個(gè)平臺(tái)陣列的安裝位置和安裝方向是由安裝軌道(2)來保證，安裝軌道(2)是由四個(gè)六軸力平臺(tái)(5)、(6)、(7)、(8)安裝基準(zhǔn)，每個(gè)平臺(tái)下臺(tái)面(17)是一個(gè)四方體，采用中心對(duì)稱方式與平臺(tái)下彈性圓膜片(16)上的法蘭螺紋聯(lián)結(jié)在一起，四方體側(cè)面為底面安裝基準(zhǔn)面；安裝軌道(2)依靠四個(gè)調(diào)整螺釘(3)和四個(gè)緊固螺母(4)來實(shí)現(xiàn)水平調(diào)整，在多軸力平臺(tái)陣列安裝之前，首先通過水平儀校準(zhǔn)，并調(diào)整螺釘保證安裝導(dǎo)軌的水平，然后固定在地面上，多軸力平臺(tái)陣列上的的四個(gè)六軸力平臺(tái)測(cè)量得到的力/力矩信息通過網(wǎng)絡(luò)傳感接口模塊(10)連接到計(jì)算機(jī)PC(12)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集卡(11)上；上彈性圓膜片(14)和下彈性圓膜片(16)為硬中心結(jié)構(gòu)，硬中心的直徑等于十字梁的外徑，并且上彈性圓膜片(14)和下彈性圓膜片(16)硬中心上都對(duì)稱加工有十字槽，十字槽的長寬尺寸等于十字梁的長寬，十字槽的深度為5mm，上彈性圓膜片(14)和下彈性圓膜片(16)的十字槽與十字梁(15)采用間隙配合以保證上下圓膜片平面方向的一致。
2.一種如權(quán)利要求1所述的一種多軸力平臺(tái)陣列對(duì)人體動(dòng)態(tài)步態(tài)進(jìn)行檢測(cè)的方法，其特征在于四個(gè)六維力平臺(tái)的上彈性圓膜片(14)、十字梁(15)、下彈性圓膜片(16)上粘貼的應(yīng)變力敏電阻，通過不同的敏感橋路布置方式實(shí)現(xiàn)對(duì)六維力信息的獲取，并通過標(biāo)定求出維間耦合關(guān)系，對(duì)六組橋路輸出解耦處理實(shí)現(xiàn)三維力Fx\Fy\Fz和三維力矩Mx\My\Mz信息獨(dú)立獲??；四個(gè)六維力平臺(tái)都有獨(dú)立的坐標(biāo)系，其各自的坐標(biāo)原點(diǎn)定義為上彈性圓膜片(14)敏感面中心，其中圓膜片軸線方向?yàn)閆向，相應(yīng)X、Y方向符合卡笛爾坐標(biāo)右旋方向，圓膜片和上下法蘭上刻有表示X、Y方向互相垂直的基準(zhǔn)標(biāo)記線，以保證平臺(tái)傳感器設(shè)計(jì)、安裝過程中X、Y坐標(biāo)方向傳遞一致性；上下圓膜片方向一致，并且此方向與整個(gè)平臺(tái)定義的傳感器坐標(biāo)方向一致，每個(gè)平臺(tái)有一個(gè)獨(dú)立的坐標(biāo)系，分別是以上彈性圓膜片(14)的上表面為XY坐標(biāo)平面，中心軸向?yàn)閆向，坐標(biāo)系符合右手定則；X、Y方向力矩信息獲取敏感橋路采用在上彈性圓膜片(14)平面互相垂直布置，其力敏電阻布置方向與下彈性圓膜片(16)相同，其中上彈性圓膜片(14)敏感面上電阻R1y、R2y、R3y、R4y對(duì)稱布置在圓膜片敏感面上，其中R1y、R4y布置在靠近法蘭盤的圓膜片外圓，R2y、R3y布置在靠近硬中心的圓膜片內(nèi)圓部分，R1y、R2y、R3y、R4y組成全橋用來實(shí)現(xiàn)對(duì)力矩Mx的測(cè)量；上彈性圓膜片(14)敏感面上電阻R1x、R2x、R3x、R4x對(duì)稱布置在圓膜片敏感面上，其中R1x、R4x布置在靠近法蘭盤的圓膜片外圓，R2x、R3x布置在靠近硬中心的圓膜片內(nèi)圓部分，R1x、R2x、R3x、R4x組成全橋用來實(shí)現(xiàn)對(duì)力矩My的測(cè)量；下彈性圓膜片(16)和上彈性圓膜片(14)的兩個(gè)敏感方向要求保持一致，X、Y方向力信息獲取敏感橋路由電阻R1x、R2x、R3x、R4x及R1y、R2y、R3y、R4y實(shí)現(xiàn)，其采用在下彈性圓膜片(16)平面內(nèi)互相垂直布置，Z方向力信息獲取敏感電阻R1z、R2z、R3z、R4z是布置在下彈性圓膜片(16)上沿X、Y敏感方向相交45度方向，其中下彈性圓膜片(16)敏感面上電阻R1x、R2x、R3x、R4x對(duì)稱布置在圓膜片敏感面上，其中R1x、R4x布置在靠近法蘭盤的圓膜片外圓，R2x、R3x布置在靠近硬中心的圓膜片內(nèi)圓部分，R1x、R2x、R3x、R4x組成全橋用來實(shí)現(xiàn)對(duì)力Fx的測(cè)量；下彈性圓膜片(16)敏感面上電阻R1y、R2y、R3y、R4y對(duì)稱布置在圓膜片敏感面上，其中R1y、R4y布置在靠近法蘭盤的圓膜片外圓，R2y、R3y布置在靠近硬中心的圓膜片內(nèi)圓部分，R1y、R2y、R3y、R4y組成全橋用來實(shí)現(xiàn)對(duì)力Fy的測(cè)量；下彈性圓膜片(16)敏感面上電阻R1z、R2z、R3z、R4z對(duì)稱布置在膜片敏感面上，其中R1z、R4z布置在靠近法蘭盤的圓膜片外圓，R2z、R3z布置在靠近硬中心的圓膜片內(nèi)圓部分，R1y、R2y、R3y、R4y組成全橋用來實(shí)現(xiàn)對(duì)力Fz的測(cè)量；其中上彈性圓膜片(16)敏感面上的電阻R1z、R2z、R3z、R4z還可以提供一路對(duì)力Fz測(cè)量的冗余信息，用于傳感器校準(zhǔn)；十字梁(15)敏感面上的電阻R1、R2、R3、R4用來實(shí)現(xiàn)對(duì)力矩Mz的測(cè)量；傳感器的信號(hào)處理電路包括兩個(gè)部分模擬處理電路和數(shù)字處理電路，模擬處理電路和數(shù)字處理電路可以同時(shí)置于傳感器內(nèi)部，也可以將模擬處理電路置于傳感器內(nèi)部，在本發(fā)明中，數(shù)字處理電路與網(wǎng)絡(luò)接口模塊是一個(gè)整體；行走過程中單支撐期、雙支撐期、擺動(dòng)期所對(duì)應(yīng)的步態(tài)時(shí)間參數(shù)信息獲取是通過人體步行時(shí)雙腳與不同臺(tái)面接觸的時(shí)間計(jì)算得到步速信息，通過獲取雙腳與不同臺(tái)面的接觸位置計(jì)算得到步距、步幅參數(shù)信息，而各個(gè)不同步態(tài)周期的力學(xué)參數(shù)信息由各個(gè)臺(tái)面本身提供的三維力信息得到，計(jì)算方法如下以第一個(gè)六維力平臺(tái)(5)的臺(tái)面中心位置為坐標(biāo)原點(diǎn)0、0、0，第一個(gè)六維力平臺(tái)(5)、第二個(gè)六軸力平臺(tái)(6)、第三個(gè)六軸力平臺(tái)(7)、第四個(gè)六軸力平臺(tái)(8)相互之間間距為固定值SY，平臺(tái)沿著Y軸方向安裝，每個(gè)平臺(tái)都有獨(dú)立坐標(biāo)系，分別為X1，Y1，Z1、X2，Y2，Z2、X3，Y3，Z3、X4，Y4，Z4，其中Z1＝Z2＝Z3＝Z4＝SZ；人體行走過程中，雙足分別在各個(gè)平臺(tái)上的接觸位置定義為x1，y1，SZ、x2，y2，SZ、x3，y3，SZ、x4，y4，SZ，從而得到步距＝|(x2-x1)+(x3-x2)+(x4-x3)|/3步幅＝|(y2+SY-y1)+(y3+SY-y2)+(y4+SY-y3)|/3步速＝步幅/t其中t為雙足與四個(gè)臺(tái)面分別接觸的時(shí)間間隔；單個(gè)平臺(tái)雙足接觸位置坐標(biāo)的計(jì)算，參見單個(gè)平臺(tái)坐標(biāo)系和坐標(biāo)位置，其中當(dāng)受力點(diǎn)為A時(shí)，其在坐標(biāo)系中的位置計(jì)算公式為 所述的COP軌跡計(jì)算方法，是根據(jù)人體行走過程中身體各個(gè)關(guān)節(jié)的慣性力、重力及摩擦力在平臺(tái)上力的作用點(diǎn)變化軌跡得到，具體含義同ZMP定義一致，實(shí)際計(jì)算方法如下；對(duì)于運(yùn)動(dòng)鏈來說，ZMP條件可以描述為公式Σi(ri×miai+Iiαi+ωi×Iiωi)-Σiri×mig=(0,0,*)T--(1)]]>其中ri＝pi-pzmp，pi＝(x，y，0)是整個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈與地面的接觸點(diǎn)，pzmp＝(xzmp，yzmp，0)T；mi和Ii分別是第i個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ωi和αi分別是第i個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈的角速度和角加速度；g為重力加速度；*表示某一個(gè)值，(0，0，*)T表示矢量的一種形式；對(duì)于運(yùn)動(dòng)鏈，在雙支撐期，左右腳與地面均有接觸點(diǎn)，通過這一點(diǎn)，地面對(duì)運(yùn)動(dòng)鏈有合成的反作用力fL或fR和反作用力矩nL或nR，這里的反作用力矩實(shí)際上就是六維力/力矩傳感器所測(cè)量出的Mz，從而(1)式可轉(zhuǎn)化為-Σi(ri×mi(ai-g)+Iiαi+ωi×Iiωi)+rL×fL+rR×fR+nL+nR=0--(2)]]>其中rL/R＝pL/R-pzmp＝(*，*，0)T，pL/R分別為左右足與地面的接觸點(diǎn)；nL/R＝(0，0，*)T所以rL×fL+rR×fR+nL+nR＝(0，0，*)T(3)ZMP點(diǎn)計(jì)算與人所處狀態(tài)有關(guān)，在單支撐期和雙支撐期對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式如下單腳支撐期，在單腳支撐狀態(tài)下，(3)式簡化為r×f+n＝(0，0，*)T(4)其中r＝(x-xzmp，y-yzmp，0)，f＝(fx，fy，fz)，n＝(0，0，*)T有r×f=ijkx-xzmpy-yzmp0fxfyfz=(y-yzmp)fzi-(x-xzmp)fzj+[(x-xzmp)fy-(y-yzmp)fx]k]]>由公式(4)可有 所以，在單腳支撐期，實(shí)際ZMP點(diǎn)就是單腳與地面的接觸點(diǎn)；雙腳支撐期，ZMP的計(jì)算公式如下在雙腳支撐狀態(tài)下，左足fL＝(fLx，fLy，fLz)，同理，fR＝(fRx，fRy，fRz)，(3)式中，有rL×fL=ijkxL-xzmpyL-yzmp0fLxfLyfLz]]>=(yL-yzmp)fLzi-(xL-xzmp)fLzj+[(xL-xzmp)fLy-(yL-yzmp)fLx]k]]>同理rR×fR=(yR-yzmp)fRzi-(xR-xzmp)fRzj+[(xR-xzmp)fRy-(yR-yzmp)fRx]k]]> 將四個(gè)或者多個(gè)六維力平臺(tái)按照上述方法等間距地安裝在固定的軌道上，構(gòu)成一個(gè)測(cè)試通道，采用網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)將各個(gè)平臺(tái)獲取的六維力/力矩信息傳送到計(jì)算機(jī)PC中，當(dāng)人在測(cè)試通道上行走時(shí)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取行走過程中腳與平臺(tái)的接觸力/力矩信息，通過上述方法計(jì)算得到步幅、步距、步速等步態(tài)信息，以及人體行走過程中壓力中心點(diǎn)COP的變化軌跡，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)人體平衡能力、協(xié)調(diào)能力以及術(shù)后康復(fù)情況的測(cè)試、分析和評(píng)價(jià)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多軸力平臺(tái)陣列，包括安裝軌道、第一至第四個(gè)六軸力平臺(tái)、臺(tái)面覆蓋層、網(wǎng)絡(luò)傳感接口模塊、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集卡，安裝軌道依靠四個(gè)調(diào)整螺釘和緊固螺母來實(shí)現(xiàn)水平調(diào)整，四個(gè)六軸力平臺(tái)測(cè)量得到的力/力矩信息通過網(wǎng)絡(luò)傳感接口模塊連接到計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集卡。本發(fā)明同時(shí)公開了一種基于多軸力平臺(tái)陣列實(shí)現(xiàn)人體行走過程中的動(dòng)態(tài)步態(tài)信息獲取方法，其是通過計(jì)算機(jī)對(duì)獲取的平臺(tái)陣列力/力矩信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算得到人體步幅、步距、步速等信息。測(cè)量人體行走過程中雙足步態(tài)信息，不僅可以得到步態(tài)信息，也可以實(shí)現(xiàn)人體行走過程中壓力中心點(diǎn)COP的實(shí)時(shí)測(cè)量，用于對(duì)人體平衡能力、身體協(xié)調(diào)和神經(jīng)系統(tǒng)的測(cè)試、分析和評(píng)價(jià)。
文檔編號(hào)A61B5/11GK1561908SQ20041001435
公開日2005年1月12日 申請(qǐng)日期2004年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月16日
發(fā)明者吳仲城, 戈瑜, 申飛, 錢敏, 余永, 葛運(yùn)建 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所