傳感墊結(jié)構(gòu)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種用于測(cè)量足底壓力的傳感器墊結(jié)構(gòu)，其包括多個(gè)傳感器被布置在其中的支撐基座。每個(gè)傳感器包含具有截棱錐結(jié)構(gòu)的可變形單元(20)，可變形單元(20)與支撐基座一起限定殼體(25)，該殼體(25)中容納光源的至少一個(gè)發(fā)射器(12)和至少一個(gè)光敏檢測(cè)器(14)，以測(cè)量每個(gè)單元在承受負(fù)荷P時(shí)的變形所造成的變化的光強(qiáng)度。分離元件(13)位于所述發(fā)射器和所述檢測(cè)器之間。當(dāng)單元承受負(fù)荷P時(shí)，分離元件與負(fù)荷P成比例地降低，并且側(cè)壁(23)橫向擴(kuò)展，從而占據(jù)小于分離空間S的變形空間D。該傳感器墊結(jié)構(gòu)可以是被配置為適合鞋子的傳感鞋墊。
【專(zhuān)利說(shuō)明】傳感墊結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及能夠測(cè)量與用戶(hù)的足部的足底接觸的行為、確定該接觸行為的強(qiáng)度和相同行為的應(yīng)用位置的傳感墊(sensorized mat)的結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，為了分析患者的靜止站立位置或者甚至為了評(píng)估步態(tài)的動(dòng)態(tài)，傳感墊(sensorized mat)被足部的許多區(qū)域中的足底壓力、或者步態(tài)訓(xùn)練期間足底壓力的變化和分布要被檢測(cè)的情形中。一種用于評(píng)估足底壓力的具體類(lèi)型的這種墊子是已知的，并且被稱(chēng)為踏足板(footboard)或測(cè)力臺(tái)(force plantform)。
[0003]測(cè)力臺(tái)是一種包括多個(gè)傳感器的墊子，該多個(gè)傳感器在足部運(yùn)動(dòng)期間測(cè)量力、表面和時(shí)間。這三個(gè)因素允許分析下肢的運(yùn)動(dòng)的集合并允許確定患者所描述的癥狀的可能的姿勢(shì)起源。
[0004]替換傳感墊,使用所謂的傳感鞋墊(sensorized insoles),其允許分析鞋中的足部的壓力，也基于一些步行步伐記錄數(shù)據(jù)長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)步行小時(shí)?；颊呖梢愿鶕?jù)自己的習(xí)慣以任何方向自由移動(dòng)。
[0005]特別地，每個(gè)傳 感鞋墊被放入鞋中并被連接到由患者的鞋所承載的數(shù)據(jù)-收集計(jì)算單元。替換地，在不可能的情況下，可以將電子器件系到骨盆、足踝、腿上，或可以用電纜將其連接至鞋墊。
[0006]特別地，各種類(lèi)型的遠(yuǎn)程傳感器被用于鞋墊中，例如足部的壓力改變?nèi)萘康碾娙菔絺鞲衅?例如參見(jiàn)W02009089406)、足部的壓力改變電阻的電阻傳感器、利用油墨或聚合物的導(dǎo)電能力的油墨傳感器或聚合物傳感器。上述類(lèi)型的傳感器需要經(jīng)常調(diào)整，以便獲得精確的測(cè)量結(jié)果。
[0007]一種混合單元(hydrocell)技術(shù)也是已知的，其在足部的支撐表面上設(shè)置了包含液體或空氣的承重，其與所用的壓阻壓力傳感器相結(jié)合以便確定流體壓力。
[0008]進(jìn)一步使用包括光學(xué)傳感器的傳感器，光學(xué)傳感器測(cè)量源朝敏感元件發(fā)射的光的變化。
[0009]可以針對(duì)所用的傳感器的種類(lèi)以及針對(duì)傳感器的數(shù)目和分布將制造傳感鞋墊的墊子進(jìn)行分類(lèi)，包括:分離分布的墊子或鞋墊，以及具有傳感器的矩陣的墊子或鞋墊。
[0010]在第一類(lèi)型中，傳感器的數(shù)量沒(méi)有覆蓋墊子或鞋墊的全部區(qū)域，并且有可能僅確定相對(duì)于感興趣的區(qū)域(即提供傳感器的區(qū)域)中對(duì)地面的作用力的垂直分量的一個(gè)信
肩、O
[0011]由于較少數(shù)量的傳感器，上述類(lèi)型在同一墊子或鞋墊內(nèi)留下自由空間以實(shí)現(xiàn)對(duì)其操作所必需的所有電子器件，使得它們使用舒適并實(shí)際，但是不允許獲得壓力的檢測(cè)。
[0012]在如W02009089406描述的第二類(lèi)型中，即具有傳感器矩陣的墊子或鞋墊，存在基本上覆蓋所有的接觸區(qū)域的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)更高的傳感器。這樣，有可能獲得足底壓力的全部映射，特別是對(duì)地面的反應(yīng)的總的力(總的地面反作用力)的垂直分量、壓力的中心(CoP)和在整個(gè)的足部上(all the foot)的足底壓力的分布。然而，在這種墊子或鞋墊中，會(huì)出現(xiàn)為了相鄰效果的傳感器的矩陣布置以及彼此靠近的布置涉及沒(méi)有直接承受足底壓力的相鄰傳感器受到影響。其后面的非精確測(cè)量是不可靠的，因?yàn)樗婕跋鄬?duì)于實(shí)際承受足底壓力的那些傳感器不同的大量傳感器。
[0013]此外，在上述類(lèi)型的具有高密度的傳感器的墊子和鞋墊中，必須提供分離的且外部的電子器件來(lái)分析和放大來(lái)自傳感器的信號(hào)并將其傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制單元以及遠(yuǎn)程電池。因此，這些矩陣墊子或鞋墊僅僅用在專(zhuān)業(yè)化的中心中，由于它們需要必須由專(zhuān)業(yè)的操作人員組裝和調(diào)節(jié)以獲得可靠的測(cè)量的專(zhuān)用空間和裝備。
[0014]這使得不可能在家庭治療設(shè)備或定制設(shè)備的領(lǐng)域中使用。
[0015]感到需要提供一種傳感墊或鞋墊，其不具有傳感器的調(diào)節(jié)的問(wèn)題，不需要外部控制裝置或供應(yīng)裝置，并且其使之有可能獲得精確和可靠的測(cè)量。
[0016]特別地，在鞋墊的情況下，希望的是其可以被完全集成在鞋中并且同時(shí)允許獲得族地區(qū)與的全部映射。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]因此本發(fā)明的一個(gè)特征在于提供一種傳感墊(sensorized mat)的結(jié)構(gòu),該傳感墊具有高密度的傳感器，并且于是具有良好的空間分辨率，并且同時(shí)不需要外部設(shè)備。
[0018]本發(fā)明的另一個(gè)特征為提供一種傳感墊的結(jié)構(gòu)，該傳感墊使得有可能進(jìn)行非常精確的測(cè)量，并且不需要調(diào)整操作。
[0019]本發(fā)明的進(jìn)一步的特征為提供一種傳感墊的結(jié)構(gòu)，該傳感墊可以被完全地插入鞋內(nèi)，從而監(jiān)測(cè)患者的每日步行條件。
[0020]本發(fā)明的還有一個(gè)特征為提供一種容易且廉價(jià)制造的傳感墊的結(jié)構(gòu)。
[0021]這些和其它目的通過(guò)傳感墊的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其包括:
[0022]支撐基座；
[0023]分布在所述支撐基座上多個(gè)傳感器，所述多個(gè)傳感器適于在它們遇到承載在其上的負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的測(cè)量信號(hào)；
[0024]與所述多個(gè)傳感器相關(guān)聯(lián)的控制單元，所述控制單元被配置成分析和/或傳輸所述測(cè)量信號(hào)；
[0025]被布置成提供所述多個(gè)傳感器和所述控制單元的供給單元；
[0026]其中每個(gè)傳感器均包括具有盒狀形狀的可變形單元，并且其中所述多個(gè)傳感器被布置在所述支撐基座上使得所述單元關(guān)于彼此相鄰，
[0027]所述單元中的每一個(gè)包括:
[0028]使用時(shí)在所述支撐基座對(duì)面并被布置成接納所述負(fù)荷的支撐壁，以及位于所述支撐基座和所述支撐壁之間、限定殼體的多個(gè)可變形的側(cè)壁；
[0029]所述殼體中的至少一個(gè)光發(fā)射器和至少一個(gè)光敏檢測(cè)器，所述光敏檢測(cè)器被配置為測(cè)量由所述發(fā)射器所發(fā)射的變化的光強(qiáng)度，所述變化的光強(qiáng)度是由于每個(gè)單元在遇到所述負(fù)荷時(shí)變形所造成的，
[0030]其中所述單元以預(yù)定的分離空間彼此隔開(kāi)，使得當(dāng)每個(gè)單元的所述支撐壁遭受所述負(fù)荷時(shí)，所述側(cè)壁改變它們的形狀并朝向所述支撐基座被壓縮，同時(shí)橫向擴(kuò)展，占據(jù)小于所述分離空間的變形空間，從而使相鄰的單元彼此不接觸。
[0031]這樣，每個(gè)單元在不存在相鄰單元之間的串?dāng)_現(xiàn)象的情況下恢復(fù)響應(yīng)于承載在其上的負(fù)荷的測(cè)量信號(hào)。實(shí)際上，只有承受負(fù)荷的單元產(chǎn)生相應(yīng)的測(cè)量信號(hào)，且相鄰的單元不受影響，因?yàn)槊總€(gè)單元的側(cè)壁的變形小于在相同的單元之間所設(shè)置的變形空間。換句話(huà)說(shuō)，不直接承受負(fù)荷的單元不承受負(fù)荷的單元的變形或“腫脹(swelling) ”的影響，并且于是不提供相應(yīng)的測(cè)量信號(hào)。即，就可保證行走期間或在靜態(tài)站立位置的保持期間對(duì)足底上產(chǎn)生的壓力的最精確的測(cè)量。
[0032]此外，具有盒狀形狀的這些單元被布置為彈性減震器的陣列，該彈性減震器陣列允許整體減震，于是不需要進(jìn)一步的鞋墊減震層。
[0033]有利地，每個(gè)單元包括彈性材料的邊界框架，以便限定所述發(fā)射器和所述光敏檢測(cè)器位于其中的所述殼體，所述邊界框架被布置成容納電子部件如獲取/調(diào)節(jié)組件。
[0034]邊界框架?chē)@其中布置了發(fā)射器和檢測(cè)器的殼體，提供可用于以分布式方式布置電子部件的自由區(qū)域。實(shí)際上，由于側(cè)壁及其厚度的存在，在俯視平面圖中看它們，傳感器中的區(qū)域被由發(fā)射器和由檢測(cè)器所占的區(qū)域所不感興趣的邊界框架包圍。該框架提供了在其中有可能以分布式方式布置電子部件如獲取/調(diào)節(jié)部件的可用區(qū)域。
[0035]特別地，每個(gè)單元包括“空”部分，它表示其中容納所述光發(fā)射器和所述光敏檢測(cè)器的所述殼體，以及連接 至所述支撐基座的裝滿(mǎn)彈性材料(特別是硅橡膠)的“實(shí)”部分。在俯視平面圖中看它們，實(shí)部分形成一種“框架的矩陣”。有利地，所有這些區(qū)域可以被用來(lái)以分布式方式容納諸如用于調(diào)節(jié)或傳輸所獲得的數(shù)據(jù)的有用的電子部件。
[0036]在示例性實(shí)施例中，發(fā)射器和檢測(cè)器被直接連接到支撐基座，該支撐基座優(yōu)選地可以是半導(dǎo)體層。這樣，每個(gè)單元表示限定殼體并安裝支撐基座的彈性鐘形結(jié)構(gòu)的外殼。
[0037]替換地，每個(gè)單元包括封閉的底部以形成封閉的容器，發(fā)射器和檢測(cè)器存在于該封閉的容器中。即使在這種情況下，每個(gè)單元隨后被布置在支撐基座上，以便形成傳感支撐表面。
[0038]有利地，所述單元具有截棱錐結(jié)構(gòu)，特別是截棱錐正方形或矩形基底。特別地，所述單元充滿(mǎn)基座，并具有終止在所述支撐壁上的傾斜側(cè)壁。
[0039]這樣，截棱錐結(jié)構(gòu)關(guān)于承載在側(cè)壁上的切向負(fù)荷是剛硬的，并且關(guān)于承載在支撐壁上的法向負(fù)荷是可變形的。這樣的結(jié)構(gòu)于是允許最小化側(cè)壁的擴(kuò)展，并且使高數(shù)量的傳感器的支撐基座上的布置能夠彼此接近，顯著提高了傳感墊的分辨率。
[0040]此外，與光學(xué)傳感器結(jié)合的截棱錐結(jié)構(gòu)允許測(cè)量信號(hào)具有足夠高以被控制單元直接傳輸和分析的范圍/信號(hào)偏移。
[0041]有利地，所述單元具有截棱錐結(jié)構(gòu)，特別是每個(gè)截棱錐單元具有階梯狀部分，使得在所述階梯狀部分處所述截棱錐單元基本上彼此相鄰，并且在所述支撐壁處所述截棱錐單元間隔所述分離空間的距離。
[0042]此外，階梯狀部分在階梯狀部分處限定最小分離空間Smin并在支撐壁處限定最大分離空間Smax。
[0043]在這種情況下，相鄰單元之間的預(yù)定分離空間S在高度上在最小值和最大值之間增加，使得在截棱錐底底部單元基本上彼此相鄰，而在截棱錐頂部單元被間隔開(kāi)。這樣，由于截棱錐單元的擴(kuò)展在棱錐的平截頭體的中間區(qū)域執(zhí)行，它在棱錐的平截頭體的側(cè)壁之間在任何情況下都不存在實(shí)質(zhì)接觸的情況下發(fā)生。
[0044]特別地,所述單元中的每個(gè)包括:
[0045]光發(fā)射器；
[0046]布置在關(guān)于所述發(fā)射器的相對(duì)側(cè)的光敏檢測(cè)器；
[0047]位于所述光發(fā)射器和所述光敏檢測(cè)器之間的分離元件，所述分離元件被布置成從靜止結(jié)構(gòu)移動(dòng)到承載結(jié)構(gòu)，在所述靜止結(jié)構(gòu)中，所述單元是不承受所述負(fù)荷的單元并且所述發(fā)射器發(fā)射的基本上所有的發(fā)射光都被所述光敏檢測(cè)器收集，在所述承載結(jié)構(gòu)中，所述分離元件與所述負(fù)荷成比例地降低并在所述光發(fā)射器和所述光敏檢測(cè)器之間部分地遮蔽由光敏檢測(cè)器所收集的光。這樣，分離器使傳感器能夠極其不受對(duì)齊到相同元件的切向變形影響。
[0048]此外，包括具有光敏檢測(cè)器的光發(fā)射器的光學(xué)傳感器和具有分離元件的單元的錐結(jié)構(gòu)之間的組合允許獲得輸出測(cè)量信號(hào)，所述輸出測(cè)量信號(hào)已經(jīng)包含足夠高以被直接傳輸和分析的范圍/信號(hào)偏移。特別地，輸出信號(hào)具有寬的動(dòng)態(tài)范圍(最大信號(hào)偏移)，因此簡(jiǎn)化了可以用來(lái)處理該信號(hào)的電子器件。這樣，安裝到墊子的電子器件被減小到最小，使得它可以被完全集成在傳感塾中。
[0049]單元的結(jié)構(gòu)和傳感器的這種組合產(chǎn)生非常寬的輸出，使得傳感器對(duì)環(huán)境條件(溫度、濕度、漂移時(shí)間)的靈敏度是最小的。這樣，傳感器不需要在第一次使用之后重新校準(zhǔn)。 [0050]具體而言，以與大多數(shù)的切向作用力相同的方向定向所述分離；在分析步態(tài)的情況下，所述分離沿相同的方向被定向。這樣，傳感器沿在足部和鞋底之間所展開(kāi)的步態(tài)的方向?qū)η邢蛄旧鲜遣幻舾械摹?br> [0051]可選擇地，每個(gè)單元在所述殼體中包括N個(gè)發(fā)射機(jī)和配備有K個(gè)分離元件的M個(gè)接收機(jī)。在這種情況下，有可能在也存在切向力的情況下以最精確的方式確定法向力，并且還用于確定切向力。
[0052]在特定的示例性實(shí)施例中，所述的傳感墊是傳感鞋墊(sensorized insole),所述傳感鞋墊被配置以適合鞋子以便監(jiān)測(cè)由用戶(hù)的足部所產(chǎn)生的壓力。
[0053]有利地，所述傳感鞋墊包括被布置在足底弓處、用于所述控制單元和所述供給單元的殼體。這樣，在足底弓處獲得的殼體有利于利用沒(méi)有承受足底壓力的區(qū)域(在健康主題中)。在該區(qū)域中，于是有可能集成用于數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理的所有的電子器件，從而獲得具有板上電子器件的鞋墊。
[0054]特別地，所述控制單元包括用于將所述傳感器所測(cè)量的測(cè)量信號(hào)傳送到遠(yuǎn)程單元的裝置，例如藍(lán)牙發(fā)射器。后者被放在足底弓內(nèi)的殼體中，特別是關(guān)于鞋墊正交的位置中。
[0055]特別地，提供了一種涂覆層，其包括被布置以與在布置所述傳感器(10)之處與所述支撐基座耦合的所述多個(gè)單元。優(yōu)選地，所述涂覆層可由彈性材料制成。特別地，彈性材料可以選自由以下材料構(gòu)成的群組:
[0056]粘彈性材料，特別是硅橡膠；
[0057]塑料材料；
[0058]合成橡膠；
[0059]天然橡膠；
[0060]或其組合。[0061]這樣，彈性材料具有柔軟、符合人機(jī)工學(xué)以及具有緩沖效果的優(yōu)點(diǎn)。此外，人體工學(xué)的優(yōu)點(diǎn)不會(huì)被不需要被添加到傳感器的進(jìn)一步的外部層(如現(xiàn)有技術(shù)的鞋墊)所阻礙，但是被同樣是人體工學(xué)的且柔軟的傳感器的相同單元結(jié)構(gòu)所阻礙，以及被結(jié)合所使用的彈性材料的每個(gè)單元的盒狀形狀所阻礙。
[0062]有利地，所述單元的所述涂覆層是深色屏蔽，特別是黑色的，從而避免外部光影響設(shè)備或者光泄漏到環(huán)境中。
[0063]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種用于測(cè)量作用在表面上的負(fù)荷的方法包括下列步驟:
[0064]預(yù)布置支撐基座；
[0065]以分布式方式將多個(gè)傳感器預(yù)布置在所述支撐基座上，所述多個(gè)傳感器適于在它們承受承載在其上的所述負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的測(cè)量信號(hào)，其中每個(gè)傳感器包括具有盒狀形狀的可變形單元，所述單元中的每個(gè)包括:
[0066]在使用中與所述支撐基座相對(duì)并被布置以接收所述負(fù)荷的支撐壁，以及位于所述基座與所述支撐壁之間、限定殼體的多個(gè)可變形側(cè)壁；
[0067]在所述殼體 中的至少一個(gè)光發(fā)射器和至少一個(gè)光敏檢測(cè)器；
[0068]并且其中所述多個(gè)傳感器被布置在所述支撐基座上使得所述單元彼此相鄰并以預(yù)定的分離空間相互分開(kāi)，
[0069]通過(guò)每個(gè)單元的每個(gè)光敏檢測(cè)器測(cè)量由于所述單元在承受所述負(fù)荷時(shí)的變形所引起的、從所述單元的相應(yīng)發(fā)射器收集的光強(qiáng)度的變化，
[0070]其中在兩個(gè)相鄰單元之間的所述分離空間使得當(dāng)每個(gè)單元的所述支撐壁承受所述負(fù)荷時(shí)，所述側(cè)壁改變它們的形狀并朝向所述支撐基座被壓縮，同時(shí)橫向擴(kuò)展，占據(jù)小于所述分離空間的變形空間，從而使相鄰的單元彼此不接觸。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0071]現(xiàn)在將參照所附的附圖以本發(fā)明的示例性但非限制性的示例實(shí)施例的下列描述示出本發(fā)明，在附圖中:
[0072]圖1根據(jù)本發(fā)明示出具有傳感單元矩陣的傳感墊的透視圖；
[0073]圖2示出具有光發(fā)射器和檢測(cè)器以及分離元件的傳感單元的示意橫截面圖，其中分離元件適用于響應(yīng)于作用在該單元上的負(fù)荷遮擋所發(fā)射的光；
[0074]圖3示出彼此相鄰的具有平截頭體形狀的一對(duì)單元的示意橫截面圖，該單元以間隔空間分開(kāi)，該間隔空間比較單元在承受負(fù)荷時(shí)的行為并強(qiáng)調(diào)側(cè)壁的變形不會(huì)產(chǎn)生與相鄰單元串?dāng)_的效果；
[0075]圖4A示意性地示出墊或床墊的透視圖，其中可以實(shí)現(xiàn)圖1至3中所示的傳感墊結(jié)構(gòu)；
[0076]圖4B示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的傳感墊可以被安裝在座位或靠背上的椅子的透視圖；
[0077]圖4C示出包括圖2的傳感單元的傳感鞋墊的透視示意圖，該傳感鞋墊包括用被布置以限定用戶(hù)的足部的支撐表面的可變形單元的矩陣耦連到彈性材料的封面的支撐基座；[0078]圖5A示意性地示出包括多個(gè)區(qū)域并在足底弓處具有用于電子器件的殼體的半導(dǎo)體支撐基座；
[0079]圖5B示意性地示出了圖5的半導(dǎo)體支撐基座，其中多個(gè)發(fā)射器和接收器被布置在每個(gè)區(qū)域上并且其中提供了控制并供應(yīng)傳感器的電子板；
[0080]圖6示出設(shè)置在鞋中的傳感鞋墊的頂視平面圖，其描繪覆蓋整個(gè)足部支撐區(qū)域的彼此相鄰的多個(gè)傳感單元。
【具體實(shí)施方式】
[0081]在圖1中，示意性地地示出傳感墊的結(jié)構(gòu)100，其包括支撐基座1，其中設(shè)置了多個(gè)傳感器10，該支撐基座適于當(dāng)傳感器承受承載在其上的負(fù)荷P (圖2)時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的測(cè)量信號(hào)15。
[0082]墊的結(jié)構(gòu)100還包括與多個(gè)傳感器10相關(guān)聯(lián)被配置成分析和/或發(fā)送測(cè)量信號(hào)15的控制單元30，以及被設(shè)置成供應(yīng)多個(gè)傳感器10和控制單元30的供給單元40。
[0083]特別地，如在圖2的放大視圖中所示的，每個(gè)傳感器10包括具有盒狀形狀的可變形單元20，并且多個(gè)傳感器10被設(shè)置在支撐底座I (特別是由普遍用于板電子器件的類(lèi)型的樹(shù)脂制成)上，使得單元20彼此相鄰并以預(yù)定分離空間S隔開(kāi)(圖3)。存在于兩個(gè)相鄰單元20之間的預(yù)定分 離空間(S)，特別是針對(duì)小的負(fù)荷，避免了被相鄰布置的、能夠彼此接觸的傳感器彼此接觸。這樣，避免了影響測(cè)量的風(fēng)險(xiǎn)。
[0084]更特別地，每個(gè)單元20包括在使用中與支撐基座I相對(duì)并被布置成接收負(fù)荷P的支撐壁22。此外，該單元包括多個(gè)側(cè)壁23，其在使用中與支撐壁22以及支撐基座I 一起限定腔室或空間或殼體25，在殼體25中存在至少一個(gè)光發(fā)射器12和至少一個(gè)光敏檢測(cè)器14，后者被配置成測(cè)量由于每個(gè)單元20在承受負(fù)荷時(shí)的變形所造成的變化的光強(qiáng)度。
[0085]這樣，如圖3所示，當(dāng)每個(gè)單元20的支撐壁22承受負(fù)荷P時(shí)，側(cè)壁23改變其形狀并朝向支撐基座I被壓縮，同時(shí)橫向延伸，占據(jù)小于分離空間S的變形空間D。
[0086]特別地，在圖3中，示出承受負(fù)荷P的單元20’和沒(méi)有承受該負(fù)荷的單元20之間的對(duì)比。單元20和20’的形狀使得側(cè)壁23相對(duì)于沒(méi)有占據(jù)分離空間S的靜止結(jié)構(gòu)被擴(kuò)展，用非連續(xù)線(xiàn)示出，從而避免使相鄰單元變形，并避免造成影響測(cè)量的“串?dāng)_”。這樣，保證了在行走時(shí)或在靜止站立位置中足部所產(chǎn)生的壓力的最精確的測(cè)量。實(shí)際上，只有承受負(fù)荷P的單元20’產(chǎn)生相應(yīng)的測(cè)量信號(hào)15，而相鄰單元不受影響，因?yàn)槊總€(gè)單元的側(cè)壁23的變形D小于設(shè)置在單元20、20’之間的分離空間S。換句話(huà)說(shuō)，沒(méi)有直接承受負(fù)荷P的單元不涉及使處于負(fù)荷下的單元變形的相同動(dòng)作，并且于是不產(chǎn)生相應(yīng)的測(cè)量信號(hào)。此外，具有盒狀形狀的單元是彈性減震器的陣列，該彈性減震器允許減震作用，不需要鞋墊上的進(jìn)一步的減震層。
[0087]特別地，每個(gè)單元20包括彈性材料的邊界框架26，其限定其中布置發(fā)射器12與光敏檢測(cè)器14的殼體25。邊界框架26適于容納電子組件，例如獲取/調(diào)節(jié)組件。
[0088]更特別地，由于側(cè)壁23及其厚度的存在，單元20的這種形狀使得傳感器10內(nèi)的內(nèi)部區(qū)域25在頂視平面圖中被沒(méi)有被發(fā)射器12和檢測(cè)器14所占據(jù)的邊界框架26(圖2)所包圍。特別地，每個(gè)單元20包括表示殼體的“空”部分25和粘合到支撐基座I的填滿(mǎn)彈性材料(特別是硅氧烷橡膠)的“實(shí)”部分26。如果在頂視平面圖中看，實(shí)部分26形成“框架的矩陣”。所有該剩余區(qū)域可以被有利地利用，如上所述，用于以分布式方式容納有用的電子組件，例如用于處理或傳輸所測(cè)量的數(shù)據(jù)的電子組件。
[0089]更特別地，如在圖2和3中所示，每個(gè)可變形單元20具有截棱錐結(jié)構(gòu)，特別是是正方形底的截棱錐結(jié)構(gòu)或矩形底的截棱錐結(jié)構(gòu)。這樣的形狀使側(cè)壁23的擴(kuò)展最小化，并且使得高數(shù)量的傳感器的支撐基座I上的布置能夠使彼此接近，顯著提高了傳感墊的分辨率。此外，這樣的截棱錐結(jié)構(gòu)對(duì)于切向負(fù)荷非常剛硬，而對(duì)于法向負(fù)荷不會(huì)如此剛硬。因此，該鞋墊結(jié)構(gòu)確定感興趣的法向負(fù)荷的大量變形，以及切向負(fù)荷的弱變形。
[0090]墊100的結(jié)構(gòu)借助于具有截棱錐結(jié)構(gòu)的單元20被“填充”，每一個(gè)截棱錐結(jié)構(gòu)都有階梯狀部分24，該階梯狀部分24使得有可能在每個(gè)單元20和支撐基座I所限定的每個(gè)腔室25的基底處獲得最小的分隔空間Smin，從而使得下一個(gè)單元20的變形僅占據(jù)該空間而不涉及下一個(gè)單元。這樣，相鄰單元之間的預(yù)定分離空間S相對(duì)于高度在值Smin和值Smax之間增加，使得在棱錐的平截頭體的階梯狀部分24處，這些單元基本上彼此相鄰，并且在截棱錐頂部22處，這些單元明顯地彼此遠(yuǎn)離(圖3)。這樣，在棱錐的平截頭體的中間區(qū)域中進(jìn)行截棱錐單元的擴(kuò)展，在任何情況下都不存在截棱錐單元的側(cè)壁23之間的實(shí)質(zhì)接觸。
[0091]特別地，每個(gè)單元20包括單個(gè)光發(fā)射器12和相對(duì)于彼此被布置在相對(duì)側(cè)的相應(yīng)的光敏檢測(cè)器14。在它們(之間提供了從框架26中獲得的分離元件13，該分離元件13被設(shè)置成從靜止結(jié)構(gòu)A移動(dòng)到承載結(jié)構(gòu)B (圖3)，在靜止結(jié)構(gòu)A中，允許檢測(cè)器14捕獲源12所發(fā)射的所有的光輻射；在承載結(jié)構(gòu)B中，分離元件13與復(fù)合P成比例地降低并被定位在源12和檢測(cè)器14之間，從而允許獲得與負(fù)荷P成比例的變化的光強(qiáng)度。這樣，分離器13使傳感器能夠變得極不受對(duì)齊到相同元件的切向變形的影響。 [0092]包含光發(fā)射器12與光敏檢測(cè)器14的光學(xué)傳感器和具有分離元件13的單元20的椎體結(jié)構(gòu)之間的組合允許獲得已經(jīng)包含足夠高以被直接傳送和分析的范圍/信號(hào)偏移的輸出測(cè)量信號(hào)。特別地，輸出信號(hào)具有寬的動(dòng)態(tài)范圍(最大信號(hào)偏移)，因此簡(jiǎn)化了可以被用于處理該信號(hào)的電子器件。這樣，安裝到該墊的電子器件被減小到最小，從而使得其可以被完全集成到傳感墊中。
[0093]此外，單元結(jié)構(gòu)20和光學(xué)傳感器的組合產(chǎn)生非常寬的輸出，并且最小化傳感器對(duì)環(huán)境條件(溫度、濕度、漂移時(shí)間)的靈敏度。這樣，傳感器在第一次使用之后不需要重新校準(zhǔn)。這允許在沒(méi)有操作人員和特定機(jī)器的幫助的情況下，持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間地在生態(tài)場(chǎng)所(家庭使用，或其它)進(jìn)行采集。
[0094]特別地，分離元件13的定向與大部分的切向力朝向的方向相一致。在步態(tài)分析的情況下，分離元件13沿相同的方向被定向。這樣，相對(duì)于步態(tài)的方向，傳感器對(duì)切向力基本不敏感，該切向力在足部和鞋墊之間產(chǎn)生。
[0095]替換地，每一單元在殼體25內(nèi)包括N個(gè)發(fā)射器12和配備有K個(gè)分離元件13的M個(gè)接收機(jī)14。在這種情況下，有可能在存在切向力的情況下以最精確的方式確定法向力，以及也用于確定切向力。
[0096]如上所述并在圖1至3中示出的傳感墊100可以被用于具有測(cè)量壓力(特別是施加到該傳感墊上的分布式壓力)的相同目的的各種類(lèi)型的應(yīng)用中。
[0097]例如，傳感墊100可以被集成到用戶(hù)可以躺在上面的墊子或床墊300中(見(jiàn)圖4A)。特別地，可以提供在靠背300a處的第一傳感墊IOOa和在躺椅300b處的第二墊100b。[0098]在另一示例性實(shí)施例中并如圖4B中示意性地示出的，傳感墊100可以被放在座椅300’或扶手椅的靠背300’ a和/或座位300’ b處。通常，墊100可以被集成或?qū)崿F(xiàn)在圖中為示出的其它設(shè)備或產(chǎn)品中，對(duì)這些設(shè)備或產(chǎn)品而言，壓力，特別是分布式壓力，必須被測(cè)量。
[0099]在圖4C的特定的示例性實(shí)施方式中，傳感墊是傳感鞋墊(sensorizedinsole) 100’，該傳感鞋墊被配置為適合鞋子150 (圖6)以便監(jiān)測(cè)用戶(hù)的足部所產(chǎn)生的壓力。[0100]從結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)來(lái)看，如圖5所示，傳感鞋墊100’包括例如通過(guò)模制制成的半導(dǎo)體支撐基座1，該基座包括其中布置相應(yīng)的發(fā)射器12和接收器14 (圖5A)的多個(gè)區(qū)域10’，多個(gè)區(qū)域10’被耦合到其中印制了多個(gè)單元20的涂覆層la。于是，每個(gè)單元20限定被安裝到支撐基座I的彈性鐘形結(jié)構(gòu)的外殼。在這種情況下，如圖所示6，發(fā)射器12和檢測(cè)器14被直接連接到支撐基座I。
[0101]替換地，每個(gè)單元20包括封閉的底部并形成封閉的容器，發(fā)射器12和檢測(cè)器14存在于該封閉的容器中。即使在這種情況下，每個(gè)單元20接著被設(shè)置在支撐基座I上，從而形成填充支撐表面。
[0102]此外，支撐基座I和涂覆層Ia在足底弓處包括用于控制單元30和電源單元40 (圖5)的殼體110。殼體可以被用來(lái)布置與控制單元30相關(guān)聯(lián)的、能夠向遠(yuǎn)程單元傳輸數(shù)據(jù)的收發(fā)裝置，例如藍(lán)牙發(fā)射器。這樣，在足底弓處獲得的殼體110有利于沒(méi)有承受足底壓力的區(qū)域在健康的個(gè)體中)。在該區(qū)域中，有可能集成用于用于數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理的所有電子器件，以便獲得具有板上電子器件的鞋墊。傳輸元件50有利地位于關(guān)于鞋墊正交(圖5A)，以便利用足底弓的內(nèi)側(cè)部分下的自由體積。
[0103]具體地，涂覆層Ia是由彈性材料制成的。特別地，彈性材料可以選自由由以下物質(zhì)組成的群組:粘彈性材料(特別是硅酮橡膠)、塑料材料、合成橡膠、天然橡膠或其組合。這樣，彈性材料具有柔軟、符合人體工學(xué)，以及具有減震作用的優(yōu)點(diǎn)。此外，人體工學(xué)的優(yōu)勢(shì)不會(huì)被進(jìn)一步的外部層阻礙，這些外部層不需要被添加到傳感器，如現(xiàn)有技術(shù)的鞋墊，并且人體工學(xué)的優(yōu)點(diǎn)來(lái)源于傳感器的相同的單元結(jié)構(gòu)，該單元結(jié)構(gòu)同樣是符合人體工學(xué)的和柔軟的，并且來(lái)源于與所使用的彈性材料相結(jié)合的每個(gè)單元的盒狀形狀。
[0104]涂覆層Ia是深色屏蔽，特別是黑色的，其被設(shè)置以便避免外部光影響光敏檢測(cè)器14或者避免由源12所發(fā)射的光泄漏到環(huán)境中。
[0105]此外，圖6示出位于殼體110上的剛硬覆蓋物36被設(shè)置以覆蓋電子控制裝置30和收發(fā)裝置50。
[0106]上述描述的各種具體實(shí)施例將根據(jù)概念的觀點(diǎn)充分地揭示本發(fā)明，從而使其他人通過(guò)應(yīng)用當(dāng)前知識(shí)，將能夠在沒(méi)有進(jìn)一步的研究并且不脫離本發(fā)明的情況下在各種應(yīng)用中修改和/或改變這些具體的實(shí)施例，并且因此，這意味著這樣的改變和修改將必須被認(rèn)為是等同于這些具體實(shí)施例。實(shí)現(xiàn)本文所描述的不同功能的裝置和材料可以具有不同的性質(zhì)，并不因此原因而脫離本發(fā)明的范圍。應(yīng)理解的是，本文所采用的措詞或術(shù)語(yǔ)是為了說(shuō)明目的，而不是限制。
【權(quán)利要求】
1.一種傳感墊的結(jié)構(gòu)(100),其包括: 支撐基座(1)； 分布在所述支撐基座(1)上的多個(gè)傳感器(10)，所述多個(gè)傳感器適于在受到承載在所述傳感墊(100)上的負(fù)荷(P)時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的測(cè)量信號(hào)(15)； 與所述多個(gè)傳感器(10)相關(guān)聯(lián)的控制單元(30)，所述控制單元(30)被配置成分析所述測(cè)量信號(hào)(15)和/或?qū)⑺鰷y(cè)量信號(hào)(15)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程單元； 供給單元(40)，其被布置成供應(yīng)所述多個(gè)傳感器(10)和所述控制單元(30)； 其中每個(gè)傳感器(10)包括具有可變形的盒狀形狀的單元(20)，并且其中所述多個(gè)傳感器(10)被布置在所述支撐基座(1)上以使得所述單元彼此相鄰， 所述單元(20)中的每一個(gè)包括: 使用時(shí)與所述支撐基座(1)對(duì)立的支撐壁(22)，所述支撐壁(22)被布置成接收所述負(fù)荷⑵， 多個(gè)可變形的側(cè)壁(23)，所述多個(gè)側(cè)壁(23)和所述支撐壁(22)在使用時(shí)與所述支撐基座(1) 一起限定殼體(25)； 在所述殼體中的光源的至少一個(gè)發(fā)射器(12)和至少一個(gè)光敏檢測(cè)器(14)，所述光敏檢測(cè)器(14)被配置成測(cè)量由于每個(gè)單元在承受所述負(fù)荷(P)時(shí)的變形所引起的由所述發(fā)射器(12)發(fā)射的變化光強(qiáng)度； 其中所述單元(20)以預(yù)定的分離空間(S)彼此隔開(kāi)，從而當(dāng)每個(gè)單元(20)的所述支撐壁(22)承受所述負(fù)荷(P)時(shí)，所述側(cè)壁(23)改變它們的形狀并朝向所述支撐基座(1)被壓縮，同時(shí)橫向擴(kuò)展，占據(jù)小于所述分離空間(S)的變形空間(D)，從而使相鄰單元彼此不接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感墊的結(jié)構(gòu)(100)，其中每個(gè)單元(20)包括彈性材料的邊界框架(26)，以限定所述發(fā)射器(12)和所述光敏檢測(cè)器(14)位于其中的所述殼體(25)，所述邊界框架(26)被布置成容納電子組件，例如用于采集/處理所述測(cè)量信號(hào)(15)的組件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感墊的結(jié)構(gòu)(100)，其中所述單元(20)具有截棱錐結(jié)構(gòu)，通過(guò)這樣的方式使得: 所述截棱錐結(jié)構(gòu)相對(duì)于承載在所述側(cè)壁(23)上的切向負(fù)荷是剛硬的，并且相對(duì)于承載在所述支撐壁(22)上的法向負(fù)荷是可變形的； 所述截棱錐結(jié)構(gòu)與所述傳感器(10)的組合允許所述測(cè)量信號(hào)(15)具有足夠高以被所述控制單元(30)直接傳輸和分析的范圍/信號(hào)偏移。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感墊的結(jié)構(gòu)(100)，其中所述單元(20)具有正方形底的截棱錐結(jié)構(gòu)或矩形底的截棱錐結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感墊的結(jié)構(gòu)(100)，其中提供具有截棱錐結(jié)構(gòu)的單元(20)的矩陣。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感墊的結(jié)構(gòu)(100)，其中提供具有截棱錐結(jié)構(gòu)的單元(20)的矩陣，每個(gè)截棱錐單元(20)具有階梯狀部分(24)，使得: 相鄰的截棱錐單元(20)的階梯狀部分(24)是基本上彼此相鄰的； 最小分離空間(Smin)被限定在所述階梯狀部分(24)處，并且最大分離空間(Smax)被限定在所述支撐壁(22)處。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感墊的結(jié)構(gòu)(100)，其中所述單元(20)中的每一個(gè)都包括: 光源的所述發(fā)射器(12)； 相對(duì)于所述發(fā)射器(12)被布置在相反側(cè)的所述光敏檢測(cè)器(14)； 位于所述發(fā)射器(12)和所述光敏檢測(cè)器(14)之間的分離元件(13)，所述分離元件(13)被布置成從靜止構(gòu)型(A)移動(dòng)到承載構(gòu)型(B)，其中在所述靜止構(gòu)型中，所述單元(20)不承受所述負(fù)荷(P)并且所述發(fā)射器(12)的所有發(fā)射光都由所述光敏檢測(cè)器(14)收集，而在所述承載構(gòu)型中，所述分離元件13與所述負(fù)荷(P)成比例地降低并被定位在所述發(fā)射器(12)和所述光敏檢測(cè)器(14)之間以便與所述負(fù)荷(P)成比例地部分遮蔽朝向所述光敏檢測(cè)器(14)的光。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳感墊的結(jié)構(gòu)(100)，其中特別是在分析所述步態(tài)的情況下，所述分離元件(13)被定向在沿所述步態(tài)方向的切向力的應(yīng)用方向。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感墊的結(jié)構(gòu)(100)，其中每個(gè)單元(20)在所述殼體(25)中包括配備有K個(gè)分離元件(13)的N個(gè)發(fā)射器(12)和M個(gè)接收器(14)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感墊的結(jié)構(gòu)(100)，其中所述傳感墊(100)是傳感鞋墊(100’)，所述傳感鞋墊被配置為適配鞋子(150)以便監(jiān)測(cè)由用戶(hù)的足部所產(chǎn)生的壓力。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感墊的結(jié)構(gòu)(100)，其中所述傳感鞋墊(100’)包括在足底弓處用于所述控制單元(30)和所述供給單元(40)的殼體(110)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感墊的結(jié)構(gòu)(100)，其中所述控制單元(30)包括朝向遠(yuǎn)程單元收發(fā)由所述傳感器(10)測(cè)量的所述測(cè)量信號(hào)(15)的收發(fā)裝置(50)，特別是被置于所述足底弓的所述殼體(110)中的藍(lán)牙發(fā)射器。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感墊的結(jié)構(gòu)(100)，其中所述藍(lán)牙發(fā)射器被置于所述足底弓的所述殼體(110)中相對(duì)于所述鞋墊(100’ )正交的位置中。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感墊的結(jié)構(gòu)(100)，其中提供包括彼此集成的所述多個(gè)單元(20)的涂覆層(Ia)，所述涂覆層(Ia)被布置成與所述支撐基座(1)在布置所述傳感器(10)之處耦合，優(yōu)選地，所述涂覆層(Ia)可以由彈性材料制成。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感墊的結(jié)構(gòu)(100)，其中所述彈性材料選自包括以下材料的群組: 粘彈性材料，特別是娃橡膠; 塑料材料； 合成橡膠； 天然橡膠；或者其組合。
16.一種用于測(cè)量作用在表面上的負(fù)荷(P)的方法，所述方法包括以下步驟: 預(yù)布置支撐基座(1); 以分布式方式將多個(gè)傳感器(10)預(yù)布置在所述支撐基座(1)上，所述多個(gè)傳感器(10)適于在受到承載在所述傳感器(10)上的所述負(fù)荷(P)時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的測(cè)量信號(hào)(15)，其中每個(gè)傳感器(10)包括具有盒狀形狀的可變形單元(20)，所述單元(20)中的每一個(gè)包括: 支撐壁(22)，其在使用中與所述支撐基座(1)對(duì)立并被布置成接收所述負(fù)荷(P)；多個(gè)可變形的側(cè)壁(23)，其在使用中被布置在所述支撐基座(1)與所述支撐壁(22)之間以便與所述支撐基座(1) 一起限定殼體(25)； 在所述殼體(25)中的光源的至少一個(gè)發(fā)射器(12)和至少一個(gè)光敏檢測(cè)器(14)， 并且其中所述多個(gè)傳感器(10)被布置在所述支撐基座(1)上，以使得所述單元(20)彼此相鄰并以預(yù)定的分離空間(S)相互分開(kāi)， 通過(guò)每個(gè)單元(20)的每個(gè)光敏檢測(cè)器(14)測(cè)量由于所述單元(20)在承受所述負(fù)荷(P)時(shí)變形所引起的從所述單元(20)的相應(yīng)發(fā)射器(12)收集的光強(qiáng)度的變化， 其中在兩個(gè)相鄰單元(20)之間的所述分離空間(S)使得當(dāng)每個(gè)單元(20)的所述支撐壁(22)承受所述負(fù)荷(P)時(shí)，所述側(cè)壁(23)改變它們的形狀并朝向所述支撐基座(1)被壓縮，同時(shí)橫向擴(kuò)展，占據(jù)小于所述分離空間(S)的變形空間(D)，從而使相鄰單元彼此不接觸。
【文檔編號(hào)】A61B5/103GK103930026SQ201280052075
【公開(kāi)日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2012年8月9日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月23日
【發(fā)明者】S·M·M·德羅西, T·倫茲, N·維迪耶羅, A·帕西徹蒂, F·焦瓦基尼, M·C·卡羅扎 申請(qǐng)人:圣安娜高等學(xué)校