一种基于薄膜传感器的智能压力采集鞋

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一种基于薄膜传感器的智能压力采集鞋\n技术领域\n[0001] 本发明涉及外骨骼机器人稳定状态的压力采集，特别是一种基于薄膜传感器的智能压力采集鞋。\n背景技术\n[0002] ZMP算法在机器人领域被广泛应用于确定机器人的稳定状态。这种算法的要求是能精确测量地面的反作用力。\n[0003] 现有的对脚底压力的测量有两种：\n[0004] 一是对机器人的动态进行分析，用姿态仪测量各个方向的加速度，通过计算求得压力的变化。此种方法计算复杂，对单纯的机器人尚可，但对于与外骨骼结合的外骨骼机器人来说，其动态特性要复杂的多，在计算过程和多姿态传感器采集的过程中会出现较大误差。同时要确定各个部位的动态特性所需姿态传感器的数量较多，并对灵敏度和精确度要求高，使得设计成本高。\n[0005] 二是将压力传感器置于机器人足底。这种设计如果是基于外骨骼的外骨骼机器人，就需要专门制作采集足底压力的鞋子。此种鞋子必须根据人体力学原理，可以全面反映脚底压力在不同步态中的实时变化情况。有的鞋子设计成平地，那么整个底面都收底面的反作用力，而压力传感器只测量某点的压力值，显然是不精确的。有的将薄膜压力传感器置于鞋垫位置，其测量所得压力除前述的不精确外，更是只是测量了脚与鞋子的交互力，而不是地面对整个系统的反作用力。\n[0006] 基于以上情况设计了智能压力采集鞋。但是传感器的选择和设置是个难点。要求：\n1、传感器的量程要符合要；2、传感器的灵敏度和精确度要高；3、传感器体积小，容易安装。\n[0007] 目前市场流行可用的传感器有称重传感器和薄膜型传感器。对于称重传感器，其体积相对较大，装于智能鞋的鞋钉凹槽中比较困难，长久使用容易压坏，鞋钉的设计复杂，工程量大。因此需采用薄膜压力传感器，不易损坏，方便放置和固定，操作简单。\n发明内容\n[0008] 本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种使用寿命长、成本低和能精确采集到地面反作用力的基于薄膜传感器的智能压力采集鞋。\n[0009] 本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于薄膜传感器的智能压力采集鞋，它包括上鞋板、下鞋板和薄膜传感器，所述的下鞋板的下表面上设置有多个鞋钉，在鞋钉内部开设有凹槽，所述的凹槽内安装有一弹簧装置，所述的薄膜传感器安装在弹簧装置上表面上，且薄膜传感器通过一塑胶垫片盖住，所述的上鞋板和下鞋板对齐贴合形成一鞋体并将塑胶垫片压合在上、下鞋板之间，所述的薄膜传感器的数据导线在鞋子后跟部导出。\n[0010] 所述的鞋钉与下鞋板为一体成形，且鞋钉为圆柱体，鞋钉内的凹槽也为圆柱槽体，且凹槽的深度为3mm，直径为20mm。\n[0011] 所述的弹簧装置与凹槽底部之间还安装有一保护板，保护板为圆柱体。\n[0012] 所述的鞋钉内的凹槽设置于一般人步形状态的脚底敏感区域。\n[0013] 所述的薄膜传感器具有一橡胶垫圈，橡胶垫圈压入对应的凹槽内，且橡胶垫圈的高度为3mm，直径为20mm。\n[0014] 所述的塑胶垫片与下鞋板的上表面通过胶水直接粘牢。\n[0015] 所述的上、下鞋板均采用普通的橡胶材料制成。\n[0016] 本发明具有以下优点：本发明的智能压力采集鞋具有以下优点：\n[0017] 一、工艺简单，制作成本低；\n[0018] 二、压力数据直接反应地面反作用力，从而使薄膜传感器能精确采集到地面反作用力；\n[0019] 三、薄膜传感器位置固定比较牢固，不易变形和滑动，提高了薄膜传感器的测试精度；\n[0020] 四、选用薄膜压力传感器不容易因鞋底随动态形变损坏，从而提高了该采集鞋的使用寿命。\n附图说明\n[0021] 图1 为本发明的立体结构示意图；\n[0022] 图2 为本发明的主视示意图；\n[0023] 图3 为本发明的局部剖视示意图；\n[0024] 图4 为普通人步行状态时脚底敏感区域分布图；\n[0025] 图中，1-上鞋板，2-下鞋板，3-薄膜传感器，4-鞋钉，5-凹槽，6-弹簧装置，7-塑胶垫片，8-保护板，9-橡胶垫圈。\n具体实施方式\n[0026] 下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：\n[0027] 如图1、图2和图3所示，一种基于薄膜传感器的智能压力采集鞋，它包括上鞋板1、下鞋板2和薄膜传感器3，所述的下鞋板2的下表面上设置有多个鞋钉4，在鞋钉4内部开设有凹槽5，所述的凹槽5内安装有一弹簧装置6，在本实施例中，所述的弹簧装置6与凹槽5底部之间还安装有一保护板8，保护板8为圆柱体，保护板可对弹簧装置6起到支撑作用，同时也可保护鞋钉4以及凹槽5不被弹簧装置6顶坏，从而提高了该采集鞋的使用寿命，所述的薄膜传感器3安装在弹簧装置6上表面上，且薄膜传感器3通过一塑胶垫片7盖住，在本实施例中，所述的塑胶垫片7与下鞋板2的上表面通过胶水直接粘牢，防止运动过程中发生形变使薄膜传感器3位置发生变化，从而影响薄膜传感器3的测试精度，所述的上鞋板1和下鞋板2对齐贴合形成一鞋体并将塑胶垫片7压合在上、下鞋板1、2之间，所述的薄膜传感器3的数据导线在鞋子后跟部导出。\n[0028] 在本实施例中，所述的鞋钉4与下鞋板2为一体成形，避免了鞋钉4与下鞋板2之间连接不牢靠所导致的薄膜传感器的偏移现象，从而提高了薄膜传感器的测试精度，鞋钉4为圆柱体，鞋钉4内的凹槽5也为圆柱槽体，且凹槽5的深度为3mm，直径为20mm。\n[0029] 在本实施例中，如图4所示，所述的鞋钉4内的凹槽5设置于一般人步形状态的脚底敏感区域，经研究表面，人体在步行状态时，脚底敏感区域为图4中的A1 A6区域。\n~\n[0030] 在本实施例中，所述的薄膜传感器3具有一橡胶垫圈9，橡胶垫圈9压入对应的凹槽\n5内，且橡胶垫圈9的高度为3mm，直径为20mm，当薄膜传感器3受到鞋钉4压力时，如果压力值过大，大于薄膜传感器3可正常工作的量程时，弹簧装置6下压到与下鞋板2平齐，此时橡胶垫圈9的下表面与凹槽底部接触，使弹簧装置6不能再下压，此时薄膜传感器3受到的压力为其最大可正常工作量程。\n[0031] 设鞋钉4底面到下鞋板的高度为h，弹簧长度为H，弹簧系数为K，薄膜传感器3最大工作受压为F，则K(H-h)>=F\n[0032] 在本实施例中，用于康复外骨骼的机器人，由于鞋子在整个绑缚系统中需要对瘫痪病人提供支持力，鞋底的材料需要选择耐磨抗变形的硬质材料，而用于辅助外骨骼，鞋子要求舒适，可以选择一般的鞋底材料制作，因此所述的上、下鞋板1、2均采用普通的橡胶材料制成。\n[0033] 在本实施例中，为适应足底压力量程和灵敏度要求，所述的薄膜传感器3选艾动薄膜压力传感器，其具体性能参数为：\n[0034] 传感器有效区域:直径20mm的圆形区域；\n[0035] 量程:100G 150kg；\n~\n[0036] 传感器尺寸：120mmX20mm；\n[0037] 引线宽度：120mm；\n[0038] 材质：PET。