本發(fā)明屬于康復(fù)健身領(lǐng)域，尤其涉及一種用于跑步機(jī)的步態(tài)及足底壓力檢測裝置及檢測方法。

背景技術(shù)：

步行是人體基本運(yùn)動(dòng)之一，任何步行動(dòng)作都要通過人體足部與地面的相互作用完成，通過對(duì)足底力學(xué)分布特征的分析可以揭示人體的步態(tài)規(guī)律，為研究足部的結(jié)構(gòu)、功能和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制提供有用的信息，同時(shí)利用這些信息還可以對(duì)人體生理疾病做出合理的預(yù)測和解釋。因此對(duì)足部壓力信號(hào)的檢測分析在制鞋、醫(yī)療康復(fù)、體育、機(jī)器人工程等方面均有重要的科學(xué)意義及應(yīng)用價(jià)值。

目前壓力分布測量傳感器的主要測量方法是在一個(gè)平面上黏附多個(gè)微小的壓力傳感器來確定表面壓力的分布情況。其中的典型代表有采用電容傳感技術(shù)的Xsensor壓力測量系統(tǒng)、采用壓阻傳感技術(shù)的Tekscan壓力分布測量系統(tǒng)和采用了壓電電阻壓力傳感技術(shù)的FSA(ForceSensing Array)壓力測試系統(tǒng)，這些均是采用成千個(gè)微小壓力傳感器組成，每個(gè)傳感器單元只能測一個(gè)法向力的大小，位置精度由各個(gè)傳感器單元的面積決定，精度越高，微小壓力傳感器單元面積越小，成本更高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，提供一種用于跑步機(jī)的步態(tài)測量平臺(tái)及測量方法，將其固定在跑步機(jī)支架的平板上，對(duì)在跑步機(jī)上運(yùn)動(dòng)的人實(shí)現(xiàn)步態(tài)及腳底的壓力分布情況的實(shí)時(shí)檢測。

本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明用于跑步機(jī)的步態(tài)測量平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：所述步態(tài)測量平臺(tái)固定設(shè)置在支撐平板上，所述支撐平板固定設(shè)置在跑步機(jī)支架上；循環(huán)傳送帶支撐在兩端滾輪上形成包含有上帶和下帶的循環(huán)帶，步態(tài)測量平臺(tái)和支撐平板位于由上帶和下帶形成的空間中，所述循環(huán)傳送帶中上帶的下表面與所述步態(tài)測量平臺(tái)的上表面相接觸，所述循環(huán)傳送帶中下帶的上表面與支撐平板的下表面之間保持有間隙。

本發(fā)明用于跑步機(jī)的步態(tài)測量平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于：所述步態(tài)測量平臺(tái)是由呈陣列排布的多個(gè)設(shè)置有敏感元件的測量單元組成，根據(jù)各測量單元上敏感元件輸出的檢測信號(hào)獲得步態(tài)測量平臺(tái)的力分布情況，進(jìn)而確定跑步機(jī)上行走的人的腳底壓力分布，實(shí)現(xiàn)步態(tài)測量。

本發(fā)明用于跑步機(jī)的步態(tài)測量平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于：所述測量單元設(shè)置為左右兩列，左右兩列中的各測量單元一一對(duì)應(yīng)地左右對(duì)稱分布，左右對(duì)稱位置上的測量單元相互獨(dú)立。

本發(fā)明用于跑步機(jī)的步態(tài)測量平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于：所述測量單元是由平板和四個(gè)結(jié)構(gòu)相同的支撐梁構(gòu)成；所述平板為長方形板件，在所述測量單元上建立三維坐標(biāo)系，以平板的底面的中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿平板的長度方向?yàn)閄向，沿平板的寬度方向?yàn)閅向，沿平板的厚度方向?yàn)閆向；支撐梁設(shè)置在平板的底面用于對(duì)平板形成支撐，四個(gè)支撐梁沿X向設(shè)置，且兩兩對(duì)稱分布在平板的兩端，處在同一端的兩個(gè)支撐梁相互之間形成有Y向間隔，并以X軸為對(duì)稱中心相互對(duì)稱；使四個(gè)支撐梁分處在平面坐標(biāo)XOY的四個(gè)象限中，令：處在第一、第二、第三和第四各象限中的支撐梁依次為第一梁、第二梁，第三梁和第四梁；各支撐梁的首端與平板固定連接，支撐梁的末端固定在支撐平板上。

本發(fā)明用于跑步機(jī)的步態(tài)測量平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于：在所述支撐梁的中部設(shè)置雙通孔，所述雙通孔是兩只不同X向位置上的單孔相并列且相連通，令：兩只單孔中處在支撐梁首端一側(cè)的單孔為首端孔，處在支撐梁末端一側(cè)的單孔為末端孔，所述雙通孔在支撐梁上為Y向貫通孔；

以坐標(biāo)原點(diǎn)為對(duì)稱中心，形成如下各對(duì)稱結(jié)構(gòu)：

第一梁與第二梁中首端孔X向?qū)ΨQ，第一梁與第二梁中末端孔X向?qū)ΨQ，第三梁與第四梁中首端孔X向?qū)ΨQ，第三梁與第四梁中末端孔X向?qū)ΨQ；

第一梁與第四梁中首端孔Y向?qū)ΨQ，第一梁與第四梁中末端孔Y向?qū)ΨQ，第二梁與第三梁中首端孔Y向?qū)ΨQ，第二梁與第三梁中末端孔Y向?qū)ΨQ。

本發(fā)明用于跑步機(jī)的步態(tài)測量平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于：對(duì)應(yīng)于雙通孔中兩只單孔的中心位置，在各支撐梁的上表面和下表面分別貼有應(yīng)變片；分別為：

對(duì)應(yīng)于第一梁上首端孔的中心位置，在第一梁的上表面和下表面一一對(duì)應(yīng)貼有應(yīng)變片R31和R32；對(duì)應(yīng)于第一梁上末端孔的中心位置，在第一梁的上表面和下表面一一對(duì)應(yīng)貼有應(yīng)變片R33和R34；

對(duì)應(yīng)于第二梁上首端孔的中心位置，在第二梁的上表面和下表面一一對(duì)應(yīng)貼有應(yīng)變片R11和R12；對(duì)應(yīng)于第二梁上末端孔的中心位置，在第二梁的上表面和下表面一一對(duì)應(yīng)貼有應(yīng)變片R13和R14；

對(duì)應(yīng)于第三梁上首端孔的中心位置，在第三梁的上表面和下表面一一對(duì)應(yīng)貼有應(yīng)變片R21和R22；對(duì)應(yīng)于第三梁上末端孔的中心位置，在第三梁的上表面和下表面一一對(duì)應(yīng)貼有應(yīng)變片R23和R24；

對(duì)應(yīng)于第四梁上首端孔的中心位置，在第四梁的上表面和下表面一一對(duì)應(yīng)貼有應(yīng)變片R41和R42；對(duì)應(yīng)于第四梁上末端孔的中心位置，在第四梁的上表面和下表面一一對(duì)應(yīng)貼有應(yīng)變片R43和R44；

本發(fā)明用于跑步機(jī)的步態(tài)測量平臺(tái)的測量方法的特點(diǎn)是：

所述各應(yīng)變片按X向粘貼；

以應(yīng)用片R11和R12構(gòu)成第一惠斯通半橋電路，并輸出檢測信號(hào)U₁₁；

以應(yīng)用片R13和R14構(gòu)成第二惠斯通半橋電路，并輸出檢測信號(hào)U₁₂；

以應(yīng)用片R21和R22構(gòu)成第三惠斯通半橋電路，并輸出檢測信號(hào)U₂₁；

以應(yīng)用片R23和R24構(gòu)成第四惠斯通半橋電路，并輸出檢測信號(hào)U₂₂；

以應(yīng)用片R31和R32構(gòu)成第五惠斯通半橋電路，并輸出檢測信號(hào)U₃₁；

以應(yīng)用片R33和R34構(gòu)成第六惠斯通半橋電路，并輸出檢測信號(hào)U₃₂；

以應(yīng)用片R41和R42構(gòu)成第六惠斯通半橋電路，并輸出檢測信號(hào)U₄₁；

以應(yīng)用片R43和R44構(gòu)成第六惠斯通半橋電路，并輸出檢測信號(hào)U₄₂；

建立所述檢測信號(hào)與平板表面壓力的數(shù)學(xué)模型為：C·F＝M

其中，系數(shù)矩陣C是3×8的常數(shù)矩陣，通過標(biāo)定獲得，F(xiàn)為等效力向量，并有：

檢測信號(hào)向量M為檢測信號(hào)U₁₁、U₁₂、U₂₁、U₂₂、U₃₁、U₃₂、U₄₁和U₄₂中任意三個(gè)信號(hào)組成的向量，每個(gè)支撐梁上最多選取一個(gè)檢測信號(hào)，檢測信號(hào)向量可以是：

式(1)中，F(xiàn)_z1為平板上的等效法向作用力，(x₁，y₁)是平板上等效法向作用力F_z1在平板XOY坐標(biāo)系上的等效作用坐標(biāo)點(diǎn)，利用數(shù)學(xué)模型C·F＝M，根據(jù)各檢測信號(hào)，獲得等效于平板(7)上的一個(gè)法向力的大小和位置分別為：F_z1和(x₁，y₁)；

或是：

其中，系數(shù)矩陣C是6×8的常數(shù)矩陣，通過標(biāo)定獲得，F(xiàn)為等效力向量，并有：

檢測信號(hào)向量M為檢測信號(hào)U₁₁、U₁₂、U₂₁、U₂₂、U₃₁、U₃₂、U₄₁和U₄₂中任意六個(gè)組成的向量，每個(gè)支撐梁上最少選取一個(gè)檢測信號(hào)，檢測信號(hào)向量可以是：

式(2)中，F(xiàn)_z1和F_z2分別為平板上的等效法向作用力，(x₁，y₁)和(x₂，y₂)分別是F_z1、F_z2在平板XOY坐標(biāo)系上的等效作用坐標(biāo)點(diǎn)，利用數(shù)學(xué)模型C·F＝M，根據(jù)各檢測信號(hào)，分別獲得等效于平板上兩個(gè)法向力的大小和位置：F_z1、F_z2、(x₁，y₁)和(x₂，y₂)。

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：

1、本發(fā)明能夠與跑步機(jī)配合使用，在進(jìn)行康復(fù)步態(tài)訓(xùn)練時(shí)，實(shí)時(shí)檢測步伐的大小和位置，以及足底壓力分布情況；

2、本發(fā)明能夠適于任何腳底尺寸的人群，實(shí)現(xiàn)步態(tài)訓(xùn)練時(shí)足底壓力的檢測，也可用于患者訓(xùn)練時(shí)矯正步態(tài)以及評(píng)定患者的康復(fù)情況。

3、本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡單，容易加工制造，成本低。

附圖說明

圖1為本發(fā)明裝置用于跑步機(jī)的具體應(yīng)用結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明步態(tài)測量平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明步態(tài)測量平臺(tái)中測量單元結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4a為本發(fā)明步態(tài)測量平臺(tái)中支撐梁上表面應(yīng)變片分布示意圖；

圖4b為本發(fā)明步態(tài)測量平臺(tái)中支撐梁下表面應(yīng)變片分布示意圖；

圖中標(biāo)號(hào)：1跑步機(jī)支架；2循環(huán)傳送帶；3滾輪；4步態(tài)測量平臺(tái)；5支撐平板；6測量單元；7平板；8支撐梁；9雙通孔；8a第一梁，8b第二梁，8c第三梁，8d第四梁。

具體實(shí)施方式

參見圖1，本實(shí)施例中用于跑步機(jī)的步態(tài)測量平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式是：步態(tài)測量平臺(tái)4固定設(shè)置在支撐平板5上，支撐平板5固定設(shè)置在跑步機(jī)支架1上；循環(huán)傳送帶2支撐在兩端滾輪3上形成包含有上帶和下帶的循環(huán)帶，步態(tài)測量平臺(tái)4和支撐平板5位于由上帶和下帶形成的空間中，循環(huán)傳送帶2中上帶的下表面與步態(tài)測量平臺(tái)4的上表面相接觸，循環(huán)傳送帶2中下帶的上表面與支撐平板5的下表面之間保持有間隙。

本實(shí)施例中相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)置也包括：

如圖2所示，步態(tài)測量平臺(tái)4是由呈陣列排布的多個(gè)設(shè)置有敏感元件的測量單元6組成，根據(jù)各測量單元6上敏感元件輸出的檢測信號(hào)獲得步態(tài)測量平臺(tái)4的力分布情況，進(jìn)而確定跑步機(jī)上行走的人的腳底壓力分布，實(shí)現(xiàn)步態(tài)測量；本實(shí)施例中測量單元6設(shè)置為左右兩列，左右兩列中的各測量單元一一對(duì)應(yīng)地左右對(duì)稱分布，左右對(duì)稱位置上的測量單元相互獨(dú)立。

如圖3所示，測量單元6是由平板7和四個(gè)結(jié)構(gòu)相同的支撐梁8構(gòu)成；平板7為長方形板件，在測量單元6上建立三維坐標(biāo)系，以平板7的底面的中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿平板7的長度方向?yàn)閄向，沿平板7的寬度方向?yàn)閅向，沿平板7的厚度方向?yàn)閆向；支撐梁8設(shè)置在平板7的底面用于對(duì)平板7形成支撐，四個(gè)支撐梁8沿X向設(shè)置，且兩兩對(duì)稱分布在平板7的兩端，處在同一端的兩個(gè)支撐梁8相互之間形成有Y向間隔，并以X軸為對(duì)稱中心相互對(duì)稱；使四個(gè)支撐梁8分處在平面坐標(biāo)XOY的四個(gè)象限中，令：處在第一、第二、第三和第四各象限中的支撐梁依次為第一梁8a、第二梁8b，第三梁8c和第四梁8d；各支撐梁8的首端與平板7固定連接，支撐梁8的末端固定在支撐平板5上。

如圖3所示，為了使應(yīng)變集中于支撐梁8上，在支撐梁8的中部設(shè)置雙通孔9，雙通孔9是兩只不同X向位置上的單孔相并列且相連通，令：兩只單孔中處在支撐梁首端一側(cè)的單孔為首端孔，處在支撐梁末端一側(cè)的單孔為末端孔，雙通孔9在支撐梁8上為Y向貫通孔。

以坐標(biāo)原點(diǎn)為對(duì)稱中心，形成如下各對(duì)稱結(jié)構(gòu)：

第一梁與第二梁中首端孔X向?qū)ΨQ，第一梁與第二梁中末端孔X向?qū)ΨQ，第三梁與第四梁中首端孔X向?qū)ΨQ，第三梁與第四梁中末端孔X向?qū)ΨQ；

第一梁與第四梁中首端孔Y向?qū)ΨQ，第一梁與第四梁中末端孔Y向?qū)ΨQ，第二梁與第三梁中首端孔Y向?qū)ΨQ，第二梁與第三梁中末端孔Y向?qū)ΨQ。

如圖4a和圖4b所示，本實(shí)施例中的是以應(yīng)變片為敏感元件，對(duì)應(yīng)于雙通孔9中兩只單孔的中心位置，在各支撐梁8的上表面和下表面分別貼有應(yīng)變片；分別為：

對(duì)應(yīng)于第一梁8a上首端孔的中心位置，在第一梁8a的上表面和下表面一一對(duì)應(yīng)貼有應(yīng)變片R31和R32；對(duì)應(yīng)于第一梁8a上末端孔的中心位置，在第一梁8a的上表面和下表面一一對(duì)應(yīng)貼有應(yīng)變片R33和R34。

對(duì)應(yīng)于第二梁8b上首端孔的中心位置，在第二梁8b的上表面和下表面一一對(duì)應(yīng)貼有應(yīng)變片R11和R12；對(duì)應(yīng)于第二梁8b上末端孔的中心位置，在第二梁8b的上表面和下表面一一對(duì)應(yīng)貼有應(yīng)變片R13和R14。

對(duì)應(yīng)于第三梁8c上首端孔的中心位置，在第三梁8c的上表面和下表面一一對(duì)應(yīng)貼有應(yīng)變片R21和R22；對(duì)應(yīng)于第三梁8c上末端孔的中心位置，在第三梁8c的上表面和下表面一一對(duì)應(yīng)貼有應(yīng)變片R23和R24。

對(duì)應(yīng)于第四梁8d上首端孔的中心位置，在第四梁8d的上表面和下表面一一對(duì)應(yīng)貼有應(yīng)變片R41和R42；對(duì)應(yīng)于第四梁8d上末端孔的中心位置，在第四梁8d的上表面和下表面一一對(duì)應(yīng)貼有應(yīng)變片R43和R44。

本實(shí)施例中用于跑步機(jī)的步態(tài)測量平臺(tái)的測量方法是各應(yīng)變片按X向粘貼；

以應(yīng)用片R11和R12構(gòu)成第一惠斯通半橋電路，并輸出檢測信號(hào)U₁₁；

以應(yīng)用片R13和R14構(gòu)成第二惠斯通半橋電路，并輸出檢測信號(hào)U₁₂；

以應(yīng)用片R21和R22構(gòu)成第三惠斯通半橋電路，并輸出檢測信號(hào)U₂₁；

以應(yīng)用片R23和R24構(gòu)成第四惠斯通半橋電路，并輸出檢測信號(hào)U₂₂；

以應(yīng)用片R31和R32構(gòu)成第五惠斯通半橋電路，并輸出檢測信號(hào)U₃₁；

以應(yīng)用片R33和R34構(gòu)成第六惠斯通半橋電路，并輸出檢測信號(hào)U₃₂；

以應(yīng)用片R41和R42構(gòu)成第六惠斯通半橋電路，并輸出檢測信號(hào)U₄₁；

以應(yīng)用片R43和R44構(gòu)成第六惠斯通半橋電路，并輸出檢測信號(hào)U₄₂；

建立檢測信號(hào)與平板表面壓力的數(shù)學(xué)模型為：C·F＝M

該測量單元6可以測量一個(gè)或兩個(gè)法向作用力的大小和位置。

測量一個(gè)法向作用力的大小和位置的方法為：設(shè)置系數(shù)矩陣C是3×8的常數(shù)矩陣，通過標(biāo)定獲得，F(xiàn)為等效力向量，并有：

檢測信號(hào)向量M為檢測信號(hào)U₁₁、U₁₂、U₂₁、U₂₂、U₃₁、U₃₂、U₄₁和U₄₂中任意三個(gè)信號(hào)組成的向量，每個(gè)支撐梁上最多選取一個(gè)檢測信號(hào)，檢測信號(hào)向量可以是：

式(1)中，F(xiàn)_z1為平板上的等效法向作用力，(x₁，y₁)是平板上等效法向作用力F_z1在平板XOY坐標(biāo)系上的等效作用坐標(biāo)點(diǎn)，利用數(shù)學(xué)模型C·F＝M，根據(jù)各檢測信號(hào)，獲得等效于平板(7)上的一個(gè)法向力的大小和位置分別為：F_z1和(x₁，y₁)；

測量出兩個(gè)法向作用力的大小和位置的方法為：設(shè)置系數(shù)矩陣C是6×8的常數(shù)矩陣，通過標(biāo)定獲得，F(xiàn)為等效力向量，并有：

檢測信號(hào)向量M為檢測信號(hào)U₁₁、U₁₂、U₂₁、U₂₂、U₃₁、U₃₂、U₄₁和U₄₂中任意六個(gè)組成的向量，每個(gè)支撐梁上最少選取一個(gè)檢測信號(hào)，檢測信號(hào)向量可以是：

式(2)中，F(xiàn)_z1和F_z2分別為平板上的等效法向作用力，(x₁，y₁)和(x₂，y₂)分別是F_z1、F_z2在平板XOY坐標(biāo)系上的等效作用坐標(biāo)點(diǎn)，利用數(shù)學(xué)模型C·F＝M，根據(jù)各檢測信號(hào)，分別獲得等效于平板(7)上兩個(gè)法向力的大小和位置：F_z1、F_z2、(x₁，y₁)和(x₂，y₂)。

由此可以得出測量單元6上的一個(gè)或兩個(gè)法向力的大小和位置。將測量單元6左右對(duì)稱陣列分布組成步態(tài)測量平臺(tái)4，并安裝在跑步機(jī)上。對(duì)于行走于該跑步機(jī)上的人，該裝置可以測出每一刻腳底每塊平板上的法向力的大小及位置，即腳底壓力分布情況，從而實(shí)現(xiàn)步態(tài)測量。