基于氣囊結(jié)構(gòu)鞋墊的足底壓力分布測(cè)量系統(tǒng)

陳 偉,王 勇,沈進(jìn)東,陸益民,穆景頌

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,合肥 230009)

0 引言

人體足底壓力分布能反映足部的結(jié)構(gòu)、功能及整個(gè)身體姿勢(shì)控制的情況,是重要的生物力學(xué)信息。足底壓力測(cè)量在足部疾病診斷、步態(tài)研究、康復(fù)訓(xùn)練指導(dǎo)與評(píng)估等方面也有重要意義[1]。通常,足部病變畸形或身體控制功能異常的人,其足底壓力分布情況會(huì)受到足部病變的影響[2]。Meyring等[3]測(cè)量了偏癱病人的動(dòng)態(tài)足底壓力,并與正常人的動(dòng)態(tài)足底壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,對(duì)偏癱病人的病況評(píng)估和治療提供指導(dǎo)。在Ⅱ型糖尿病治療中,糖尿病神經(jīng)病變會(huì)導(dǎo)致足部靈敏度下降,使得足底壓力分布處于異常狀態(tài),最終引發(fā)足部潰瘍[4-5]。因此,通過(guò)足底壓力的分布特征可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和矯正病況,降低足部潰瘍發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。在足部潰瘍治療期,也可以通過(guò)監(jiān)測(cè)足底壓力數(shù)據(jù)來(lái)防止病情惡化[6]。足底壓力分布特征還可應(yīng)用于穩(wěn)定性和平衡能力的評(píng)估,幫助治療中風(fēng)患者[7-8]。除此之外,足底壓力測(cè)量對(duì)于義肢設(shè)計(jì)也有重要作用,通過(guò)足底壓力數(shù)據(jù)研究和步態(tài)特征分析,以及義肢使用患者的行走步態(tài)和足底壓力的測(cè)量分析可以完善義肢功能,幫助患者盡快恢復(fù)行走能力[9]。進(jìn)入20世紀(jì)后,足底壓力測(cè)量技術(shù)開(kāi)始快速發(fā)展,形成了許多測(cè)量的基本方法,如足印技術(shù)、直接形象化技術(shù)、力板測(cè)試技術(shù)、多負(fù)載單元測(cè)試技術(shù)、壓力鞋與壓力鞋墊技術(shù)[10-11]。目前,足底壓力分布測(cè)量技術(shù)被廣泛應(yīng)用于測(cè)力板、測(cè)力臺(tái)以及壓力鞋墊[12]。結(jié)合國(guó)內(nèi)外關(guān)于足底壓力測(cè)量系統(tǒng)的研究可以發(fā)現(xiàn),足底壓力分布測(cè)量的主流方式就是測(cè)力板/測(cè)力臺(tái)、基于薄膜傳感器陣列的足底壓力測(cè)量鞋墊[13]。雖然足底壓力分布測(cè)量系統(tǒng)正在發(fā)展和完善,但仍存在不足:測(cè)力板/測(cè)力臺(tái)操作麻煩且對(duì)使用場(chǎng)所要求高,多傳感器布置導(dǎo)致成本大,只適用于大型醫(yī)院或企業(yè)?；诒∧鞲衅麝嚵械淖愕讐毫y(cè)量鞋墊可彌補(bǔ)測(cè)力板/測(cè)力臺(tái)的部分不足,但壓電薄膜傳感器的主要材料是聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF),這種材料耐磨性差、使用壽命短,多信號(hào)高速開(kāi)關(guān)電路會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)遲滯性高[14-16]?；谌梭w行走的步態(tài)特征、足內(nèi)外翻和足底壓力的特征,本文中對(duì)氣囊鞋墊進(jìn)行了分區(qū),并采用半球殼結(jié)構(gòu)的硅膠材料氣囊單元體提高穿戴的舒適性,具有成本低、可靠性高、壽命長(zhǎng)等特性。測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)傳感器測(cè)量氣囊鞋墊內(nèi)氣壓變化,可以較高精度地測(cè)量出靜態(tài)站立過(guò)程中足底壓力的分布情況,并可用于平衡能力和平足問(wèn)題的檢測(cè)。此外,根據(jù)足底壓力各測(cè)量區(qū)域的壓力變化趨勢(shì),還可實(shí)現(xiàn)對(duì)直線行走、上樓和下樓過(guò)程中步態(tài)階段的劃分,為后續(xù)足底壓力在康復(fù)訓(xùn)練、平衡能力評(píng)估等應(yīng)用提供參考。

1 足底壓力分布測(cè)量區(qū)域劃分

1.1 足部結(jié)構(gòu)

人的足部組成十分復(fù)雜,包括26塊骨頭、33個(gè)關(guān)節(jié)、20多條肌肉和100多條韌帶[17]。足部不僅支撐整個(gè)身體的重量,還具有緩沖和吸收沖擊力、調(diào)節(jié)身體平衡的作用。但足底并不完全與地面接觸,所以整個(gè)足底各部位的壓力分布并不是均勻的。根據(jù)人體解剖學(xué),足部骨骼主要有趾骨、跖骨、跗骨3個(gè)大群。趾骨群共有14塊骨頭,除大腳趾有2根趾骨,其他4根腳趾均由3根趾骨組成。跖骨群由5根較長(zhǎng)的骨頭組成。跗骨群最為復(fù)雜,它分為前、中、后3列,共有7塊骨頭,其中前列包括內(nèi)、中、外3塊楔骨和骰骨,中列僅有1根足舟骨,后列包括距骨和根骨,距骨在上、根骨在下[18]。

1.2 步態(tài)特征

人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,雙臂和雙腿的擺動(dòng)一般具有周期性,從整個(gè)步態(tài)的周期分析來(lái)看,人在行走過(guò)程中至少有一只腳是在支撐身體,且具有左右對(duì)稱性[19-20]。在單撐階段,另一只腿處于擺動(dòng)階段,擺動(dòng)階段結(jié)束的標(biāo)志是腳跟觸地,而擺動(dòng)階段開(kāi)始的標(biāo)志是腳尖離地。從足底的受力情況來(lái)看,行走過(guò)程中人體足部的足跟位置、前腳掌、還有腳趾3個(gè)位置為主要受力位置,足底壓力中心在足跟和腳趾之間的連線上移動(dòng)。

1.3 足底區(qū)域劃分

根據(jù)人體行走的步態(tài)特征、足內(nèi)外翻和足底壓力特征,將氣囊鞋墊劃分為趾骨區(qū)、內(nèi)跖骨區(qū)、外跖骨區(qū)、足弓區(qū)和足跟區(qū)[21],具體劃分方式:將由足跟開(kāi)始的足長(zhǎng)30%劃分為足跟區(qū);從足跟區(qū)開(kāi)始的足長(zhǎng)30%劃分為足弓區(qū),足弓區(qū)劃分不僅有助于準(zhǔn)確測(cè)量足底壓力分布,還可以通過(guò)足弓處的受力情況判斷足部是否存在平足問(wèn)題;從足弓區(qū)開(kāi)始的足長(zhǎng)25%劃分為跖骨區(qū),跖骨區(qū)又由足內(nèi)側(cè)到足外側(cè)按照約1∶1的比例劃分為內(nèi)跖骨區(qū)和外跖骨區(qū),分別對(duì)應(yīng)第1—2跖骨和第3—5跖骨,可用于測(cè)量人體在站立或運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的足內(nèi)翻和足外翻現(xiàn)象;最后足長(zhǎng)的15%為趾骨區(qū),趾骨區(qū)的受力情況在檢測(cè)人體平衡和異常步態(tài)中發(fā)揮著重要作用。左腳的足底分區(qū)如圖1所示。

圖1 足底分區(qū)示意圖(左腳)

2 氣囊單元體的設(shè)計(jì)與仿真分析

2.1 氣囊單元體設(shè)計(jì)

考慮到足底壓力測(cè)量系統(tǒng)與足部接觸的舒適性,結(jié)合現(xiàn)有硅膠運(yùn)動(dòng)鞋墊的半球面結(jié)構(gòu),采用空腔半球面結(jié)構(gòu)的氣囊單元體設(shè)計(jì)一種氣囊式足底壓力分布測(cè)量系統(tǒng),由氣囊單元體腔內(nèi)氣壓的變化實(shí)現(xiàn)外部載荷測(cè)量。為保證足底壓力分布測(cè)量系統(tǒng)的靈敏度,要求氣囊單元體具有良好的彈性變形。參考市面硅膠鞋墊,確定氣囊單元體的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中,厚度h決定單元體變形程度,會(huì)影響測(cè)量系統(tǒng)的靈敏度。

圖2 氣囊單元體整體結(jié)構(gòu)

2.2 有限元仿真分析

為研究不同厚度氣囊單元體對(duì)測(cè)量系統(tǒng)靈敏度的影響,采用硅膠的三階Yeoh模型[22-23]進(jìn)行靜力學(xué)有限元分析(C10=110.64 kPa,C20=5.82 kPa,C30=-0.09 kPa,D1=D2=D3=0 kPa)。結(jié)合足底分區(qū)和整個(gè)鞋墊的尺寸,選用氣囊單元體的外徑R=4 mm,H=1 mm。考慮到測(cè)量系統(tǒng)的靈敏度和氣囊單元體承受較大的外部載荷,對(duì)厚度h分別為1.4、1.0、0.6 mm的氣囊單元體模型進(jìn)行有限元仿真,結(jié)果如圖3所示。

圖3 氣囊單元體仿真結(jié)果

用薄板模擬足底與氣囊接觸,在薄板的上表面施加壓強(qiáng)來(lái)模擬體質(zhì)量70 kg成年人的足底壓力,因此分別在3種厚度氣囊單元體的薄板上施加17 kPa的載荷。

從圖3可以看出,厚度為0.6 mm的氣囊單元體最大變形量達(dá)到1.445 mm,能夠獲得更好的測(cè)量靈敏度和分辨率,但易受破壞導(dǎo)致使用壽命降低;厚度為1.4 mm的氣囊單元體變形量較小,會(huì)降低系統(tǒng)靈敏度和分辨率。因此,測(cè)量系統(tǒng)最佳選擇應(yīng)為厚度1.0 mm的氣囊單元體,以獲得更好的測(cè)量范圍、靈敏度和分辨率。

2.3 迭代方法

為研究氣囊單元體內(nèi)部壓強(qiáng)和外部載荷的關(guān)系,提出一種較為簡(jiǎn)單的迭代方法來(lái)簡(jiǎn)化計(jì)算。具體方法如下:

步驟1首先在薄板上施加1 kPa的壓強(qiáng),將變形后的氣囊單元體模型通過(guò)ANSYS SpaceClaim進(jìn)行修復(fù)導(dǎo)出,并利用SolidWorks計(jì)算出變形后的氣囊單元體內(nèi)部空腔體積,從而計(jì)算出 氣囊單元體內(nèi)部產(chǎn)生的壓強(qiáng)。

步驟2由于氣囊單元體在1 kPa的外部壓強(qiáng)作用下產(chǎn)生的變形會(huì)引起內(nèi)部壓強(qiáng)的變化,故將上步計(jì)算得出的氣囊單元體內(nèi)部壓強(qiáng)施加到氣囊單元體內(nèi)壁,在不改變外部載荷的同時(shí)進(jìn)行二次仿真,從而得出外部載荷為1 kPa時(shí)修正后的氣囊單元體內(nèi)部壓強(qiáng)。

步驟3通過(guò)分析設(shè)置的步數(shù)控制,在第1步外部載荷為1 kPa的基礎(chǔ)上添加第2步,并設(shè)置第2步結(jié)束時(shí)的外部載荷為2 kPa,保持步驟2的內(nèi)部壓強(qiáng)不變,即可仿真得出外部載荷為2 kPa時(shí)的內(nèi)部壓強(qiáng);類比步驟2,將內(nèi)部氣壓修正為+,即可得出外部載荷為2 kPa時(shí)修正后的氣囊單元體內(nèi)部壓強(qiáng)。

步驟4以此類推,可逐步迭代得出外部載荷與氣囊單元體內(nèi)部氣壓之間的關(guān)系,迭代至外部載荷為20 kPa,并仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,結(jié)果如圖4所示。

圖4 外部載荷與內(nèi)部氣壓的關(guān)系曲線

通過(guò)圖4可以看出,氣囊單元體外部載荷與內(nèi)部壓強(qiáng)具有較好的線性關(guān)系?？紤]到加工工藝和測(cè)量區(qū)域的氣囊單元體承載能力,本文的氣囊鞋墊采用氣囊陣列結(jié)構(gòu)。

2.4 氣囊整列實(shí)驗(yàn)

有限元仿真結(jié)果表明氣囊單元體外部載荷與內(nèi)部壓強(qiáng)呈線性關(guān)系,本節(jié)進(jìn)一步研究氣囊陣列的外部載荷與內(nèi)部氣壓的關(guān)系。根據(jù)劃分的足底壓力分布測(cè)量區(qū)域特點(diǎn),將跖骨區(qū)、內(nèi)跖骨區(qū)和外跖骨區(qū)、足弓區(qū)和足跟區(qū)分別簡(jiǎn)化為3×4、4×8、7×10的氣囊陣列,如圖5所示。

圖5 氣囊陣列劃分實(shí)物圖

分別對(duì)不同氣囊陣列施加外部載荷,由氣壓傳感器測(cè)量氣囊陣列的氣壓變化。為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性,每個(gè)氣囊陣列均重復(fù)此過(guò)程5次,取5次數(shù)據(jù)的平均值作為實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)果,如圖6所示。

圖6 氣囊陣列輸出氣壓曲線

由圖6可知,氣囊陣列的外部載荷與內(nèi)部氣壓值之間呈線性關(guān)系,與氣囊的仿真結(jié)果一致,但氣囊單元體數(shù)量對(duì)氣囊陣列的靈敏度存在影響。

3 氣囊鞋墊的制備流程

1) 硅膠制備。將Dragon skin 30的A,B兩種硅膠液按照質(zhì)量1∶1混合,攪拌,放置于真空消泡桶中消除空氣,待硅膠液中不再產(chǎn)生氣泡時(shí)消泡完成。

2) 澆注。為保證后期容易脫模,在模具內(nèi)表面噴上脫模劑,將硅膠液緩慢倒入下層模具中,硅膠液注滿后放置于消泡桶中進(jìn)行二次消泡。

3) 合模。當(dāng)二次消泡完成后,即可按趾骨區(qū)、跖骨區(qū)、足弓區(qū)、足跟區(qū)的順序?qū)⑸蠈拥?塊模具緩慢扣在下層模具上,如圖7所示。

圖7 氣囊鞋墊模具實(shí)物圖

4) 固化。將注滿硅膠液的模具放置于恒溫加熱箱中,在恒溫70 ℃的環(huán)境中靜置1 h左右即可完成固化。

5) 脫模。待硅膠液固化后,取下模具上的螺栓和螺母,將上層的趾骨區(qū)、跖骨區(qū)、足弓區(qū)、足跟區(qū)模具逐個(gè)脫出。

6) 粘合。氣囊陣列層取出后,將其與事先準(zhǔn)備好的硅膠板通過(guò)硅膠粘合劑進(jìn)行粘合。最終完成后的氣囊鞋墊如圖8所示。

圖8 制作完成的氣囊鞋墊實(shí)物圖

4 硬件設(shè)計(jì)

4.1 傳感器類型選擇

采用的傳感器需要測(cè)量動(dòng)態(tài)和靜態(tài)力,且需要具備較強(qiáng)的抗干擾能力。由于需要滿足便攜條件,故傳感器的體積和功耗要盡量小。因此,采用MPS-3118系列壓阻式壓力傳感器。

4.2 數(shù)據(jù)采集部分設(shè)計(jì)

基于STM32F103C8T6完成對(duì)主控芯片及最小系統(tǒng)、電源電路、前置調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、藍(lán)牙模塊各單元模塊的電路設(shè)計(jì)。采用4層板的設(shè)計(jì)方式繪制PCB,并通過(guò)全熱風(fēng)循環(huán)回流焊接機(jī)完成元器件的焊接。數(shù)據(jù)采集部分是整個(gè)足底壓力分布測(cè)量系統(tǒng)的重要部分,其工作流程:氣囊內(nèi)部氣壓變化通過(guò)氣壓傳感器轉(zhuǎn)化為電壓變化輸出,氣壓傳感器輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)放大和濾波處理后,通過(guò)MCU內(nèi)集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),然后利用藍(lán)牙模塊進(jìn)行無(wú)線通訊,將采集的數(shù)據(jù)傳輸至PC端。數(shù)據(jù)采集部分的設(shè)計(jì)方案如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)采集部分的設(shè)計(jì)方案

5 系統(tǒng)標(biāo)定與足底壓力測(cè)量

5.1 足底壓力分布測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定

對(duì)足底壓力分布測(cè)量系統(tǒng)的各個(gè)測(cè)量區(qū)域進(jìn)行標(biāo)定,獲得各測(cè)量區(qū)域的靈敏度。

將氣囊鞋墊與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分連接,將ADC模塊轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)通過(guò)編程還原為放大后的電壓信號(hào),打開(kāi)數(shù)據(jù)采集部分與PC端的串口助手進(jìn)行通訊,測(cè)試數(shù)據(jù)收發(fā)是否正常。將硬質(zhì)薄板置于測(cè)量區(qū)域上,然后利用手動(dòng)智能推拉力試驗(yàn)機(jī)對(duì)氣囊鞋墊各測(cè)量區(qū)域施加載荷進(jìn)行標(biāo)定,如圖10所示(圖10中L表示左腳)。

圖10 輸出電壓線性擬合曲線

將各個(gè)區(qū)域所受的外部載荷與輸出電壓進(jìn)行線性擬合,每個(gè)測(cè)量區(qū)域的線性擬合相關(guān)性較高,且線性度良好。擬合直線的系數(shù)即為測(cè)量區(qū)域的靈敏度,將各個(gè)區(qū)域的擬合直線方程編寫進(jìn)主控芯片的程序中就可以計(jì)算出足底各區(qū)域的底面反作用力,即足底壓力分布情況。

5.2 測(cè)量系統(tǒng)的遲滯性檢測(cè)和重復(fù)性誤差分析

為研究足底壓力分布測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度,以足跟區(qū)氣囊陣列為例,在4×8的氣囊陣列上施加分別進(jìn)行0～320 N的正向和反向加載,電壓信號(hào)隨外部載荷變化如圖11所示。

圖11 遲滯性誤差實(shí)驗(yàn)輸出電壓曲線

通過(guò)計(jì)算遲滯性誤差γH、重復(fù)性誤差γR、平均測(cè)量誤差來(lái)驗(yàn)證該系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性,具體形式:

(1)

(2)

式中:γH為傳感器的延遲誤差;γR為傳感器的重復(fù)性誤差;ΔHmax為輸出的最大誤差;ΔRmax為傳感器最大的重復(fù)性誤差;yFS為滿量程輸出。

足跟區(qū)氣囊陣列的遲滯性誤差γH為2.8%,重復(fù)性誤差γR為1.77%。為說(shuō)明足底壓力分布測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確性,通過(guò)手動(dòng)智能推拉力試驗(yàn)機(jī)的壓桿對(duì)足跟區(qū)氣囊陣列施加標(biāo)準(zhǔn)外部載荷,對(duì)比氣囊陣列測(cè)量信號(hào)(見(jiàn)表1),平均測(cè)量誤差為1.91%。說(shuō)明其靜態(tài)響應(yīng)的穩(wěn)定性較好,達(dá)到現(xiàn)有產(chǎn)品的技術(shù)水平[24],可應(yīng)用于足底壓力測(cè)量。

5.3 足底壓力分布測(cè)量

將志愿者分為3組:50～60 kg、60～70 kg、70～80 kg。每組2名實(shí)驗(yàn)者,穿戴該系統(tǒng)做一些簡(jiǎn)單動(dòng)作,采集足底壓力分布信息,包括靜止站立、直線行走2個(gè)動(dòng)作。

5.3.1足底壓力分布測(cè)量

靜態(tài)足底壓力分布測(cè)量即測(cè)量實(shí)驗(yàn)者在自然站立過(guò)程中的足底壓力分布信息。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前,設(shè)置數(shù)據(jù)的采樣頻率為1 kHz。對(duì)實(shí)驗(yàn)者的站立姿態(tài)規(guī)定:實(shí)驗(yàn)者雙腳分開(kāi)且保持腳跟在同一水平線,雙腳之間的距離與肩同寬,雙臂自然下垂,雙眼正視前方。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,實(shí)驗(yàn)者保持穩(wěn)定站立10 s,每位實(shí)驗(yàn)者之間間隔3 min;間隔期間,使足底壓力分布測(cè)量系統(tǒng)處于空載狀態(tài)。由于6位實(shí)驗(yàn)者的靜態(tài)足底壓力分布曲線特征均近似水平線,因此以1號(hào)實(shí)驗(yàn)者的靜態(tài)足底壓力分布曲線為例進(jìn)行分析,如圖12所示。圖12中L表示左腳采集的數(shù)據(jù),R表示右腳采集的數(shù)據(jù)。

圖12 靜態(tài)足底壓力分布曲線

從圖12可以看出,人在保持站立姿態(tài)時(shí),身體會(huì)輕微晃動(dòng),趾骨區(qū)和足弓區(qū)的曲線波動(dòng)很小,而足跟區(qū)的曲線波動(dòng)較大。當(dāng)足跟區(qū)受力大幅減小或增大時(shí),內(nèi)跖骨區(qū)和外跖骨區(qū)的曲線會(huì)出現(xiàn)相反的波動(dòng),這是由于人體在晃動(dòng)過(guò)程中重心發(fā)生轉(zhuǎn)移所致。由此可見(jiàn),足底壓力分布測(cè)量系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)靜止站立過(guò)程中的平衡能力。6名實(shí)驗(yàn)者的靜態(tài)足底壓力分布測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表2,表明足底壓力分布測(cè)量系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測(cè)量足底壓力分布。

表2 靜態(tài)足底壓力分布測(cè)量數(shù)據(jù)

5.3.2動(dòng)態(tài)足底壓力分布測(cè)量

用足底壓力測(cè)量鞋墊進(jìn)行人體正常步頻行走和勻速跑步測(cè)試,檢測(cè)不同步頻下步態(tài)的劃分以及足底壓力分布的測(cè)量情況。

將采集的6名實(shí)驗(yàn)者數(shù)據(jù)通過(guò)Matlab平滑濾波后,輸出足底壓力分布曲線。由于6名實(shí)驗(yàn)者足底壓力分布曲線的特征具有一致性,故選取1號(hào)實(shí)驗(yàn)者的足底壓力分區(qū)曲線為例進(jìn)行分析。1號(hào)實(shí)驗(yàn)者為健康男大學(xué)生,足部健康,體質(zhì)量為 80 kg,身高185 cm,在跑步機(jī)上分別進(jìn)行不同頻率的勻速運(yùn)動(dòng)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖13所示,L表示左腳采集的數(shù)據(jù),R表示右腳采集的數(shù)據(jù)。

圖13 人體正常步頻和跑步狀態(tài)的足底壓力測(cè)試結(jié)果

由圖13可知,穿鞋墊測(cè)試時(shí)的頻率響應(yīng)特征顯著。圖13(a)中的5個(gè)曲線在足底對(duì)應(yīng)5個(gè)測(cè)量區(qū)域。A1C1段為左雙撐階段;C1D1段為左單撐階段;D1E1段為右雙撐階段;E1F1段為右單撐階段。在1個(gè)步態(tài)周期內(nèi),足跟區(qū)、足弓區(qū)、跖骨區(qū)和趾骨區(qū)會(huì)依次出現(xiàn)壓力峰值,反映出動(dòng)態(tài)情形下各測(cè)量區(qū)域的壓力變化趨勢(shì),表明足底壓力中心是在足跟和腳趾之間的連線上移動(dòng),可以實(shí)現(xiàn)直線行走過(guò)程中足底壓力分布測(cè)量和步態(tài)階段劃分。由圖13(b)可知,隨著步頻的加快,內(nèi)跖骨區(qū)域的壓力逐步加大,而足弓區(qū)域的壓力相對(duì)減小,與實(shí)際情況符合。氣囊鞋墊也可以實(shí)現(xiàn)直線慢跑過(guò)程的足底壓力分布測(cè)量。

6 結(jié)論

基于氣囊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)足底壓力分布測(cè)量系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)足底5個(gè)區(qū)域的壓力測(cè)量,完成足底壓力分布測(cè)量系統(tǒng)的制作。對(duì)足跟區(qū)氣囊陣列進(jìn)行測(cè)量精度實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明足底壓力分布測(cè)量系統(tǒng)具有良好的測(cè)量精度。測(cè)量人體在靜態(tài)、不同步態(tài)下的足底壓力分布,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明足底壓力分布測(cè)量系統(tǒng)的遲滯性誤差為2.8%,重復(fù)性誤差為1.77%,平均測(cè)量誤差為1.91%,具有良好的測(cè)量精度,具有較高的測(cè)量精度和穩(wěn)定性;能通過(guò)各區(qū)域的連續(xù)足底壓力實(shí)現(xiàn)步態(tài)階段劃分。

根據(jù)足部結(jié)構(gòu)研究的足底壓力分布測(cè)量系統(tǒng)傳感器與氣囊鞋墊分離結(jié)構(gòu),可提高穿戴的舒適性,且具有成本低、可靠性高、壽命長(zhǎng)等特性,能夠有效獲取足底壓力分布特征并進(jìn)行步態(tài)階段劃分,可為步態(tài)研究、康復(fù)訓(xùn)練、平衡能力評(píng)估等應(yīng)用提供參考。但是,由于各氣囊陣列靈敏度存在差異,故需進(jìn)一步研究氣囊陣列靈敏度的影響因素,提高足底壓力分布測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)量精度。