[發明專利]一種步態測量裝置及測量方法

有效

• 申請號: 201710051638.1
• 申請日: 2017-01-20
• 公開（公告）號: CN106580337B
• 公開（公告）日: 2023-03-28
• 發明（設計）人: 王勇;胡珊珊;王淮陽;陸益民;劉正士
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: A61B5/11
• 分類號: A61B5/11
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 何梅生

1.一種步態測量裝置，其特征是：多個相同的測力單元(1)在同一平面上呈陣列分布，相鄰的測力單元(1)互相獨立；所述測力單元(1)是由平板(2)和四個結構相同的支撐梁(3)構成；

所述平板(2)為長方形板件，在所述測力單元(1)上建立三維坐標系，是以平板(2)的底面的中心點為坐標原點，沿平板(2)的長度方向為X向，沿平板(2)的寬度方向為Y向，沿平板(2)的厚度方向為Z向，支撐梁(3)設置在平板(2)的底面用于對平板(2)形成Z向支撐，四個支撐梁(3)沿X向設置，且兩兩對稱分布在平板(2)的兩端，處在同一端的兩個支撐梁(3)相互之間形成有Y向間隔，并以X軸為對稱中心相互對稱；使四個支撐梁(3)分處在平面坐標XOY的四個象限中，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(3a)、第二梁(3b)，第三梁(3c)和第四梁(3d)；各支撐梁(3)的首端與平板(7)固定連接，支撐梁(3)的末端固定在機架上；在所述各測力單元(1)的支撐梁(3)上設置應變片，利用應變片的檢測信號實現步態測量；

在所述支撐梁(3)上設置一沿Y向貫通支撐梁(3)的雙通孔(5)和一個沿Z向貫通支撐梁(3)的單通孔(4)；

所述雙通孔(5)是不同X向位置上的兩只單孔相并列且相連通，令：兩只單孔中處在支撐梁首端一側的單孔為首端孔，處在支撐梁末端一側的單孔為末端孔；以坐標原點為對稱中心，形成如下各對稱結構：

第一梁與第二梁中首端孔X向對稱，第一梁與第二梁中末端孔X向對稱，第三梁與第四梁中首端孔X向對稱，第三梁與第四梁中末端孔X向對稱，第一梁與第二梁中單通孔X向對稱，第三梁與第四梁中單通孔X向對稱；

第一梁與第四梁中首端孔Y向對稱，第一梁與第四梁中末端孔Y向對稱，第二梁與第三梁中首端孔Y向對稱，第二梁與第三梁中末端孔Y向對稱，第一梁與第四梁中單通孔Y向對稱，第二梁與第三梁中單通孔Y向對稱；

對應于雙通孔(5)和單通孔(4)所在位置，在各支撐梁(3)的表面粘貼的應變片分別是：

對應于第一梁(3a)上首端孔的中心位置，在第一梁(3a)的上表面和下表面一一對應貼有Y向應變片R31和R32；對應于第一梁(3a)上末端孔的中心位置，在第一梁(3a)的上表面和下表面一一對應貼有Y向應變片R33和R34；

對應于第二梁(3b)上首端孔的中心位置，在第二梁(3b)的上表面和下表面一一對應貼有Y向應變片R11和R12；對應于第二梁(3b)上末端孔的中心位置，在第二梁(3b)的上表面和下表面一一對應貼有Y向應變片R13和R14；

對應于第三梁(3c)上首端孔的中心位置，在第三梁(3c)的上表面和下表面一一對應貼有Y向應變片R21和R22；對應于第三梁(3c)上末端孔的中心位置，在第三梁(3c)的上表面和下表面一一對應貼有Y向應變片R23和R24；

對應于第四梁(3d)上首端孔的中心位置，在第四梁(3d)的上表面和下表面一一對應貼有Y向應變片R41和R42；對應于第四梁(3d)上末端孔的中心位置，在第四梁(3d)的上表面和下表面一一對應貼有Y向應變片R43和R44；

對應于四個支撐梁中支撐梁A上的單通孔，在支撐梁A的外側表面和內側表面一一對應貼有X向應變片R51和R52，所述應變片R51和R52處在偏離支撐梁A上單通孔的中心的位置上；對應于四個支撐梁中支撐梁B上的單通孔，在支撐梁B的外側表面和內側表面一一對應貼有X向應變片R53和R54，所述應變片R53和R54處在偏離支撐梁B上單通孔的中心的位置上；所述支撐梁A和支撐梁B是第一梁(3a)、第二梁(3b)、第三梁(3c)和第四梁(3d)中的任意兩個梁；

所述步態測量裝置的測量方法是：

以應變片R51、R52、R53和R54組成一組惠斯通全橋電路，用于檢測Y方向的力F_y；

以應變片R11和R12構成第一惠斯通半橋電路，并輸出檢測信號U₁₁；

以應變片R13和R14構成第二惠斯通半橋電路，并輸出檢測信號U₁₂；

以應變片R21和R22構成第三惠斯通半橋電路，并輸出檢測信號U₂₁；

以應變片R23和R24構成第四惠斯通半橋電路，并輸出檢測信號U₂₂；

以應變片R31和R32構成第五惠斯通半橋電路，并輸出檢測信號U₃₁；

以應變片R33和R34構成第六惠斯通半橋電路，并輸出檢測信號U₃₂；

以應變片R41和R42構成第六惠斯通半橋電路，并輸出檢測信號U₄₁；

以應變片R43和R44構成第六惠斯通半橋電路，并輸出檢測信號U₄₂；

建立所述檢測信號與平板表面壓力的數學模型為：C·F＝M

其中，系數矩陣C是3×8的常數矩陣，通過標定獲得，F為等效力向量，并有：

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

式(1)中，F_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坐標系上的等效作用坐標點，利用數學模型C·F＝M，根據各檢測信號，獲得等效于平板(7)上的一個法向力的大小和位置分別為：F_z1和(x₁，y₁)；

或是：

其中，系數矩陣C是6×8的常數矩陣，通過標定獲得，F為等效力向量，并有：

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

式(2)中，F_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坐標系上的等效作用坐標點，利用數學模型C·F＝M，根據各檢測信號，分別獲得等效于平板(7)上兩個法向力的大小和位置：F_z1、F_z2、(x₁，y₁)和(x₂，y₂)；

針對行走在所述步態測量裝置上的人，通過對每個測力單元(1)的Z向力的分布以及Y向力的大小，確定步態測量裝置上的力分布情況，實現步態測量。