專利名稱：一種采集腳底壓力和腳部外形三維數(shù)據(jù)的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于為取得診斷數(shù)據(jù)而對(duì)人體實(shí)施測量的裝置，特別涉及用于測量腳底壓力和腳部外形的器具。所稱腳底也可稱足底；所稱腳部也可稱足部。
背景技術(shù)：
人們穿著的鞋對(duì)于腳的健康至關(guān)重要。健康的鞋不但形狀與腳適應(yīng)，還要平衡腳底的壓力。特殊人群如糖尿病患者合并神經(jīng)損傷時(shí)，前支撐足的壓力峰值增大；腳部發(fā)生潰瘍時(shí)，前支撐足壓力異常增大。腿部有病患時(shí)，腳底壓力也會(huì)有異常變化。根據(jù)腳底壓力和腳部外形三維參數(shù)制作適合于畸形足患者個(gè)體的病理鞋，會(huì)使穿著舒適，便于行走；根據(jù)腳底壓力參數(shù)制作的糖尿病人專用鞋，對(duì)保護(hù)糖尿病人的腳很有意義。在對(duì)孕婦、老年人、小兒麻痹癥患者等特殊人群和多種腳部疾病患者進(jìn)行足功能康復(fù)評(píng)價(jià)、療效評(píng)定和手術(shù)矯正效果鑒定時(shí)，腳底壓力測量是很有意義的客觀指標(biāo)；腳底壓力測量在臨床生物力學(xué)領(lǐng)域 的深入研究，可望在帕金森綜合癥、偏癱癥、糖尿病等患者的步態(tài)研究中取得更大進(jìn)步?，F(xiàn)有的腳底壓力數(shù)據(jù)采集裝置是采用壓力傳感器，但由于壓力傳感器體積較大，在腳底這樣小的面積中安裝較多的傳感器是困難的。如中國專利CN201110074892. 6采用的是10個(gè)對(duì)應(yīng)腳底壓力分布點(diǎn)的薄膜壓力傳感器；CN201010230489. 3采用的是8列X 10行的矩陣壓力傳感器。這些裝置在整個(gè)腳底布置的壓力傳感器最多1024個(gè)。因其壓力傳感器數(shù)量少，所得數(shù)據(jù)不能充分反映腳底壓力的全面情況。制作一雙適用的病理鞋或?qū)Ｓ眯谡莆漳_底壓力數(shù)據(jù)的同時(shí)還需要掌握腳部外形三維形狀數(shù)據(jù)。目前，這兩方面的數(shù)據(jù)是使用不同的設(shè)備分開測量采集的，尚沒有可以同時(shí)對(duì)腳部外形三維形狀和腳底壓力同時(shí)進(jìn)行測量的裝置。分開測量法不能準(zhǔn)確定位腳底壓力增大的部位，更無以顯示或分析腳底壓力變化與腳部形狀的關(guān)聯(lián)關(guān)系。傳統(tǒng)的腳部外形測量一般采用泡沫塑料或橡皮泥印模的方式，這種方法使用的材料不能重復(fù)使用，消耗大，污染環(huán)境。所采集的印模在設(shè)計(jì)訂制鞋時(shí)使用困難。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是，提供一種可以同時(shí)測量、采集腳底壓力和腳部外形三維數(shù)據(jù)的裝置。它使用方便，測量精度高。所得數(shù)據(jù)用于制作腳部異常個(gè)體穿著用的病理鞋或?qū)Ｓ眯瑝|。本實(shí)用新型采集腳底壓力和腳部外形三維數(shù)據(jù)的裝置包括腳底壓力測量系統(tǒng)、腳部外形三維測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)三部分。各部分的結(jié)構(gòu)分別敘述如下。(一)腳底壓力測量系統(tǒng)腳底壓力測量系統(tǒng)采用薄膜型壓力傳感器，采用壓敏電阻作傳感器探測頭。壓敏電阻以矩陣的形式排布。每個(gè)壓敏電阻矩陣由規(guī)則的行、列布局，縱向行的數(shù)量為20-40行，橫向列的數(shù)量為10-40列。每兩個(gè)壓敏電阻矩陣為一組，用于對(duì)一只腳的測量。每組中的兩個(gè)壓敏電阻矩陣前后布局，分別對(duì)應(yīng)一只腳底的前半部分和后半部分。[0010]在傳感器矩陣的上下兩面分別覆蓋印刷有導(dǎo)電線路的薄膜。壓敏電阻兩端分別由上下兩面薄膜上的導(dǎo)電線路引出，一面以行的形式引出，一面以列的形式引出。前半腳底傳感器矩陣的行線與后半腳底傳感器矩陣的行線按排列順序一一對(duì)應(yīng)相聯(lián)，即前半腳底傳感器矩陣的第一行與后半腳底傳感器矩陣的第一行連接；前半腳底傳感器矩陣的第二行與后半腳底傳感器矩陣的第二行連接，以此類推。傳感器的行線與電阻一電壓轉(zhuǎn)換電路和模數(shù)(AD)轉(zhuǎn)換電路連接，傳感器的列線連接掃描電路。從傳感器的列線施加電壓，通過掃描控制電路完成兩只腳最多達(dá)80路的掃描。傳感器工作原理當(dāng)需要采集某個(gè)傳感器位點(diǎn)的壓力值時(shí)，行多選一選擇器選中該傳感器所在行至高速運(yùn)放，列多選一選擇器選中其所在列至高速運(yùn)放，同時(shí)其他未選擇的行列懸空，經(jīng)過有效的信號(hào)建立時(shí)間后，被選中的傳感器壓力值就會(huì)出現(xiàn)在高速運(yùn)算放大器的輸出端。高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將運(yùn)放輸出的壓力信號(hào)進(jìn)行采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過并行接口或通用串行總線傳輸?shù)絇C計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。傳感器的電阻值通過電阻一電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)計(jì)算機(jī)處理成256階色塊顯示在顯示器相應(yīng)的位置上，不同色階代表壓·力值的大小，壓力越大色塊顏色越深。(二)腳部外形三維測量系統(tǒng)腳部外形三維測量系統(tǒng)包括慢恢復(fù)泡沫和三維掃描儀，以及起外殼作用的方盒。慢恢復(fù)泡沫是一個(gè)閉孔的軟泡沫塑料或短纖維填充材料，可以選用聚氨酯泡沫、有機(jī)硅泡沫、改性有機(jī)硅填充無機(jī)短纖維等材料。慢恢復(fù)泡沫置放在比雙腳底略大的方盒中。盒的底部平置薄膜型壓力傳感器，慢恢復(fù)泡沫置放在壓力傳感器膜之上。在慢恢復(fù)泡沫與外盒內(nèi)壁之間留有I 5_間隙。該間隙的意義在于，當(dāng)腳踏上慢恢復(fù)泡沫時(shí)，未受到腳踩部分的慢恢復(fù)泡沫能夠保持平整。否則，如果在慢恢復(fù)泡沫與外盒之間沒有間隙，泡沫上表面沒有受到腳踩的部分會(huì)由于盒壁的擠壓而變形，影響三維掃描的精度。兩臺(tái)掃描儀分別固定安裝在兩只腳的斜上方，各對(duì)一只腳進(jìn)行掃描。掃描儀直接和計(jì)算機(jī)連接。所述三維掃描儀可以是單目的或雙目的，也可以是照相式的。(三)數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)本實(shí)用新型的數(shù)據(jù)傳送方式可以采用有線傳送或無線傳送，有線傳送可選用USB連接線傳送；無線傳送可以選用藍(lán)牙、紅外線或超聲波傳送。本實(shí)用新型薄膜壓力傳感器置放在慢恢復(fù)泡沫的下面，在采集腳部外形三維數(shù)據(jù)的同時(shí)進(jìn)行腳底壓力測量，可以很方便地將壓力采集點(diǎn)與腳的外形相對(duì)應(yīng)。本實(shí)用新型對(duì)每只腳使用一個(gè)固定位置的掃描儀探頭，分別對(duì)腳面、腳踝和腳底印模進(jìn)行掃描，很容易通過相應(yīng)軟件將腳面和腳底兩個(gè)圖像合成完整的腳部外形三維模型。生成的三維模型是數(shù)字模型，很方便應(yīng)用于定制鞋墊或定制鞋的設(shè)計(jì)。本實(shí)用新型采用印刷法制作壓力傳感器，采用矩陣式連接方式，可以在較小的面積內(nèi)安裝更多的傳感器。本實(shí)用新型的傳感器壓敏電阻探頭數(shù)量達(dá)到80X40個(gè)，是傳統(tǒng)方法傳感器數(shù)量的幾倍到幾十倍。本實(shí)用新型每只腳下兩個(gè)傳感器陣列并聯(lián)的設(shè)計(jì)，較以往一個(gè)傳感器陣列技術(shù)，在增加壓敏電阻探測頭數(shù)量的同時(shí)，不增加模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)量。傳感器的引出線由壓敏電阻兩個(gè)矩陣中間引出，可以根據(jù)不同腳的大小，按需求裁剪傳感器而不影響效果。[0021]傳統(tǒng)方法工藝是以16階色階進(jìn)行顯示的，而本傳感器壓力值經(jīng)轉(zhuǎn)換后以256階色階進(jìn)行顯示。本實(shí)用新型使用慢恢復(fù)泡沫，可以重復(fù)使用。較之傳統(tǒng)技術(shù)使用普通泡沫塑料，成本低，少污染。

圖I為本實(shí)用新型用于測量腳底壓力的傳感器結(jié)構(gòu)布局示意圖；圖2為薄膜型壓力傳感器壓敏電阻接線示意圖。其中，A圖為上面，B圖為下面；圖3為薄膜型壓力傳感器層次結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為腳底壓力測量系統(tǒng)工作原理示意圖；·[0027]圖5為腳部外形三維測量系統(tǒng)使用狀態(tài)示意圖。其中，A圖為腳踏狀態(tài)，B圖為移去受測腳后的凹模狀態(tài)。圖中標(biāo)號(hào)所表示的部件或部位為1 一按矩陣行引出的壓敏電阻導(dǎo)線；2—按矩陣列引出的壓敏電阻導(dǎo)線；3—壓敏電阻；4一壓敏電阻并聯(lián)導(dǎo)線；6—三維掃描儀；7—薄膜型壓力傳感器；8—方盒；9一慢恢復(fù)泡沫；10—腳底凹模；11 一印刷導(dǎo)電層；13—塑料薄膜片基。
具體實(shí)施方式
如圖5所示，以硬質(zhì)材料制作槽形方盒8。方盒8的長、寬尺寸根據(jù)進(jìn)行腳部測量的人群的腳的大小確定，應(yīng)在將兩只受測腳踏入后，腳的四周與方盒8側(cè)壁有不小于2cm的間距，且允許兩腳之間有5 — IOcm的間隔。在方盒8內(nèi)底平整置放薄膜型壓力傳感器7，在壓力傳感器7之上置放慢恢復(fù)泡沫9。泡沫厚度15-30_。慢恢復(fù)泡沫9選用聚氨酯泡沫、有機(jī)硅泡沫、改性有機(jī)硅填充無機(jī)短纖維等材料。在慢恢復(fù)泡沫9四周與方盒8內(nèi)壁之間留有I 5_間隙。兩臺(tái)三維掃描儀6分左右分別安裝在相當(dāng)于受測腳的斜上方，與方盒8相固定或?qū)嵭胁鹧b式固定。調(diào)整掃描儀高度使掃描范圍能夠涉及整個(gè)腳部和腳踝部。如圖I一3所示，上述機(jī)器結(jié)構(gòu)中，作為壓力傳感器7探測頭的壓敏電阻3以矩陣的形式排布，每個(gè)壓敏電阻矩陣由40X40個(gè)壓敏電阻組成，即40行、40列布置。腳底壓力測量系統(tǒng)包括有兩組共四個(gè)壓敏電阻3矩陣，每兩個(gè)壓敏電阻3矩陣為一組。兩組壓敏電阻3矩陣分別對(duì)應(yīng)左右兩只腳。每組中的兩個(gè)壓敏電阻3矩陣分別對(duì)應(yīng)一只腳底的前半部分和后半部分。在壓敏電阻3矩陣的上下兩面分別覆蓋印有導(dǎo)電線路11的薄膜13。壓敏電阻3兩端的引線分別由上下兩面薄膜上的導(dǎo)電線路11引出，一面以行的形式引出導(dǎo)線1，一面以列的形式引出導(dǎo)線2。前半腳底傳感器矩陣的行線I與后半腳底傳感器矩陣的行線I按排列順序一一對(duì)應(yīng)相聯(lián)，即前半腳底傳感器矩陣的第一行與后半腳底傳感器矩陣的第一行連接；前半腳底傳感器矩陣的第二行與后半腳底傳感器矩陣的第二行連接，以此類推。傳感器的行線I與電阻一電壓轉(zhuǎn)換電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路連接；傳感器的列線2用于連接掃描電路，從傳感器的列線2施加電壓，通過掃描控制電路完成兩只腳80路的掃描。壓力傳感器7通過導(dǎo)線與計(jì)算機(jī)連接。[0034]數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)可以采用有線傳送或無線傳送，有線傳送可選用USB連接線傳送；無線傳送可以選用藍(lán)牙、紅外線或超聲波傳送。使用時(shí)，受測者將兩只腳踏上慢恢復(fù)泡沫直立站穩(wěn)，慢恢復(fù)泡沫受到擠壓變成與腳底形狀相對(duì)應(yīng)的凹模10。此時(shí)壓力傳感器7測量腳底壓力分布，三維掃描儀6對(duì)腳面和腳踝進(jìn)行三維掃描。腳底的壓力測量過程由邏輯控制單元完成。如圖4所示，腳底壓力測量的程序?yàn)?，選定一只腳，由控制單元向列多路選一控制器發(fā)出信號(hào)，首先選定第一列，然后由控制單元向行多路選一控制器發(fā)出信號(hào)，對(duì)第一列對(duì)應(yīng)的I 40行逐行順序加電,該切換加電功能由行多路選一控制器完成，采集與第一列相交的40個(gè)傳感器上的壓力值；然后選定第二列，對(duì)第二列對(duì)應(yīng)的I 40行逐行掃描；重復(fù)該過程，直至所有40列采集完成。之后進(jìn)行另一只腳的逐列逐行掃描。采集的信號(hào)經(jīng)過高速運(yùn)放放大后高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)通過并行接口或通用串行總線傳送到PC計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。·當(dāng)腳底壓力分布數(shù)據(jù)和腳面三維圖像采集完成，移開受測腳，這時(shí)腳底形狀在慢恢復(fù)泡沫上留下凹模10，啟動(dòng)三維掃描儀對(duì)凹模10進(jìn)行三維掃描。將采集的腳部外形三維圖像用中國科學(xué)院先進(jìn)技術(shù)研究院編寫的“腳底三維壓力測量分析系統(tǒng)”或其他可用程序拼合，得到整個(gè)腳部的三維圖像數(shù)據(jù)，加載到數(shù)控加工中心的控制系統(tǒng)中，制作出與三維圖形相適應(yīng)的鞋或鞋墊。慢恢復(fù)泡沫9在腳移開后約一分鐘恢復(fù)原狀，可進(jìn)行下一個(gè)樣本的采集。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用一臺(tái)機(jī)器同時(shí)測量腳底壓力與腳部外形三維形狀。所得數(shù)據(jù)可用于制作有腳部疾患的人所用的病理鞋、特殊人群所用的專用鞋、正常人用的訂制鞋；也可以用于制作專用鞋墊，襯墊于市售鞋只中，解決不同個(gè)體的需要。
權(quán)利要求1.一種采集腳底壓力和腳部外形三維數(shù)據(jù)的裝置，其特征在于，它包括腳底壓力測量系統(tǒng)、腳部外形三維測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)三部分；其中， 腳底壓力測量系統(tǒng)采用薄膜型壓力傳感器； 腳部外形三維測量系統(tǒng)包括慢恢復(fù)泡沫和三維掃描儀，以及起外殼作用的方盒，方盒的內(nèi)底面平置薄膜型壓力傳感器，在壓力傳感器之上置放慢恢復(fù)泡沫；在相當(dāng)于受測腳的斜上方安裝三維掃描儀，三維掃描儀與方盒固定連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采集腳底壓力和腳部外形三維數(shù)據(jù)的裝置，其特征在于，所述薄膜型壓力傳感器使用壓敏電阻作傳感器探測頭，壓敏電阻以矩陣的形式排布；每個(gè)壓敏電阻矩陣由規(guī)則的行、列布局，縱向行的數(shù)量為20-40行，橫向列的數(shù)量為10-40列；每兩個(gè)壓敏電阻矩陣為一組，用于對(duì)一只腳的測量；每組中的兩個(gè)壓敏電阻矩陣前后布局，分別對(duì)應(yīng)一只腳底的前半部分和后半部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的采集腳底壓力和腳部外形三維數(shù)據(jù)的裝置，其特征在于，在傳感器矩陣的上下兩面分別覆蓋印刷有導(dǎo)電線路的薄膜，壓敏電阻兩端分別由上下兩面薄膜上的導(dǎo)電線路引出，一面以行的形式引出，一面以列的形式引出；前半腳底傳感器矩陣的行線與后半腳底傳感器矩陣的行線按排列順序一一對(duì)應(yīng)相聯(lián)；傳感器的行線與電阻一電壓轉(zhuǎn)換電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路連接，傳感器的列線連接掃描電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采集腳底壓力和腳部外形三維數(shù)據(jù)的裝置，其特征在于，所述慢恢復(fù)泡沫是聚氨酯泡沫，或有機(jī)硅泡沫，或改性有機(jī)硅填充無機(jī)短纖維材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采集腳底壓力和腳部外形三維數(shù)據(jù)的裝置，其特征在于，在慢恢復(fù)泡沫與方盒內(nèi)壁之間有I 5mm間隙。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采集腳底壓力和腳部外形三維數(shù)據(jù)的裝置，其特征在于，所述三維掃描儀是單目的或雙目的，或是照相式的。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采集腳底壓力和腳部外形三維數(shù)據(jù)的裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)為有線傳送或無線傳送。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的采集腳底壓力和腳部外形三維數(shù)據(jù)的裝置，其特征在于，所述有線傳送為USB連接線傳送。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的采集腳底壓力和腳部外形三維數(shù)據(jù)的裝置，其特征在于，所述無線傳送為藍(lán)牙，或紅外線，或超聲波傳送。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種采集腳底壓力和腳部外形三維數(shù)據(jù)的裝置，它包括腳底壓力測量系統(tǒng)、腳部外形三維測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)三部分。其中，腳底壓力測量系統(tǒng)采用薄膜型壓力傳感器；腳部外形三維測量系統(tǒng)包括慢恢復(fù)泡沫和三維掃描儀，以及起外殼作用的方盒，方盒的內(nèi)底面平置薄膜型壓力傳感器，在壓力傳感器之上置放慢恢復(fù)泡沫；在相當(dāng)于受測腳的斜上方安裝三維掃描儀。本裝置可以同時(shí)測量、采集腳底壓力和腳部外形三維數(shù)據(jù)，使用方便，測量精度高，所得數(shù)據(jù)用于制作病理鞋或?qū)Ｓ眯瑝|。
文檔編號(hào)A61B5/22GK202699155SQ20122041557
公開日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月21日
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