專利名稱：一種多軸力平臺陣列及人體行走步態信息獲取方法
所屬領域本發明涉及醫學領域，特別涉及一種用于運動生物力學和神經學科的人體行走過程中步態動力學信息和身體平衡、協調的測試、分析和評價系統和方法，即一種多軸力平臺陣列及人體行走步態信息獲取方法。
背景技術：
步態是人體步行時的姿態，指人體通過髖、膝、踝、足趾的一系列連續活動，使身體沿著一定方向移動的過程，正常步態具有穩定性、周期性和節律性、方向性、協調性以及個體差異性。步態研究已經成為康復醫學和人類運動生物力學研究的熱點之一，其是用來評價人體自身運動能力和疾病診斷的一個重要參數。
當人們存在疾病時，步態特征將有明顯的改變。可以通過對人體步態的分析，幫助醫生進行病因分析和病情診斷、觀察病人下肢的康復狀況、指導病人行走訓練。同時，步態分析對人工關節、義肢、康復訓練及器材等研究有重要意義。就人工關節而言，步態研究有助于建立設計與測試標準，提高人工關節的性能。
在人類運動生物力學的研究過程中，人體運動的運動學和動力學一直是研究的兩大方向，運動過程中人體的速度、加速度、質心的變化，以及外界施加給人體這個生物力學系統的外力等等，都可以通過對人體步態的測試與分析而獲得。
人體動態步行運動過程中，需要測量一些參數，主要包括時間參數，空間參數、時空參數及力學參數，其中時間參數主要是指行走過程中支撐期和擺動期各個動作階段時序分配；空間參數包括步長，步周長、步距、身體質心上下起伏幅度等；時空參數包括髖、膝、踝在步態周期中的角度-時間關系曲線、身體重心加速度(運動方向、垂直方向)等；力學參數包括雙足與地面垂直、前后、左右接觸力等。
最早的步態實驗研究發生在二十世紀初時，Fisher(1809～1904)、Bernstein(1935)在該領域中進行了初期的實驗研究工作，但他們的研究由于缺乏測量地與腳底之間傳遞的作用力的裝置而受到限制。接下來，Elftman(1939，1940)考查了在行進平面內的力作用，并且根據由電影膠片記錄的下肢位移和由力平臺記錄作用力計算了在該平面的力矩。加里福尼亞大學系統地研究了人的行走運動，研究包括了下肢在空間的線性和角運動、速度及加速度，下肢上的外部作用力，下肢肌肉系統的活動階段的信息采集和分析。該大學的工作至今仍被認為是人類行走研究的一個標準。
自從60年代末以來，步態實驗技術已有很大改進。進入80年代后，計算機輔助電視攝像運動分析系統逐漸實用化。這些系統提供了測量放置在身體關鍵解剖特征點處外表面上的具有反射表面材料的標記點的精確三維空間位置。基于下肢的生物力學模型分析技術，由這些位置數據，下肢各段的運動學及動力學數據可以被求出，加上來自力平臺測量得到的地對腳底的反作用力，則可分析出作用在下肢各段上的外力及力矩。
國外當今比較成熟的步態分析系統有CODA-III、SELSPOT-II、ELLTE和VICON等，它們都由測力板、紅外攝像系統和專用數據處理機以及計算機組成。測力板用于測量人體行走時地面的反作用力，而各個關節的運動及人體位置均由紅外攝像系統來確定，將紅外標記點貼在人體的待測部位上，通過攝像機接受由它發出并被紅外標記點反射回來的紅外線信號，再由專用的數據處理機生成人體的運動位置坐標，最后將這些地面反作用力，人體運動位置信息輸入計算機，計算出步行時人體的質心運動、能量變化、消耗的功率、運動位置、關節受力和肌肉力矩等。這套測量分析系統能比較精確地完成對人體行走的力學測量。
SELSPOT-II3維運動測量系統實時采集空間坐標位姿信息，可廣泛應用于步態分析、物體運動以及其他較大位移運動的場合，它由4個照相機、一個控制單元和配置相關軟件的計算機構成。可以記錄附著在受試者身體上最多達36個紅外發光二極管的空間坐標變換。
VICON 3D運動捕捉與分析系統的應用非常廣泛，有步態分析、生物力學、康復醫學、運動科學、動物運動、motor control、姿態與平衡、人類工程學等。
在國內，幾乎沒有公司進行整套系統的生產，大多數都是局限于大學、研究所內實驗室的研究。上海第二醫科大學的徐乃明、戴克戎等人從1980年起采用電影攝影和自制的S9-1型步態分析系統進行步態研究和膝、踝關節在平地行走時關節力和肌肉力的計算分析。并在其基礎上，發展了S9-2型微機化步態分析系統。中國人民解放軍第二0八醫院的門洪學等人研制了三維力測力靴式步態分析系統。這種靴式步態分析系統是由三維力測力靴、多通道放大器及微機系統組成。
從上面的分析可以看出，目前國外在步態分析系統方面種類較多，但主要是基于運動學的方法為主，而步態信息測試中不僅包含運動學的信息，更為重要的是動力學信息，雖然國外的CODA-III、SELSPOT-II、ELLTE和VICON也包含測力板，但不具備同時獲取步態時間參數、時空參數與力學參數信息的功能。而國內清華大學提出的采用三維力平臺獲取動力學信息的平臺只能得到有關力的大小、方向信息，對行走過程中的力的作用點無法獲取，使得有關步距、步長、步速等信息無法得到。
本發明提出一種基于新型結構的六維力平臺構成的陣列系統，其不僅可以測量腳部與地面接觸的三維力信息，而且可以通過多個平臺構成的陣列得到人行走過程中單支撐期、雙支撐期、擺動期所對應的步態時間參數、時空參數和力學參數，同時可以實現人體行走過程中壓力中心點COP的實時測量，用于對人體平衡能力、身體協調和神經系統的測試、分析和評價。

發明內容
本發明的目的是提供一種用于人體行走過程中步態動力學信息獲取的測試系統和步態檢測方法，其是采用多個新型結構的六維力平臺構成的平臺陣列，采用網絡傳感技術將各個平臺聯結在一起，組成一個步行軌道，當人在上面行走的過程中，可以得到腳部行走過程中在各個支撐期與地面的接觸力，并且通過計算得到步幅、步距、步速等步態信息，同時可以實現人體行走過程中壓力中心點COP的變化軌跡，從而實現對人體平衡能力、協調能力及康復等情況的測試、分析。
本發明的技術方案是一種多軸力平臺陣列，其是由基座(1)、安裝軌道(2)、調整螺釘(3)、緊固螺母(4)、第一個六軸力平臺(5)、第二個六軸力平臺(6)、第三個六軸力平臺(7)、第四個六軸力平臺(8)、臺面覆蓋層(9)、網絡傳感接口模塊(10)、網絡數據采集卡(11)、計算機PC(12)組成，其中四個六軸力平臺陣列采用相同的結構設計和尺寸，每個六維力平臺都是采用雙圓膜片結構，每個平臺是由上臺面(13)、上彈性圓膜片(14)、十字梁(15)、下彈性圓膜片(16)、下臺面(17)構成。其特征在于整個平臺陣列的安裝位置和安裝方向是由安裝軌道(2)來保證，安裝軌道(2)是四個平臺(5)、(6)、(7)、(8)安裝基準，每個平臺下臺面(17)是一個四方體，采用中心對稱方式與平臺下彈性圓膜片(16)上的法蘭螺紋聯結在一起，四方體側面為平臺底面安裝基準面；安裝軌道(2)依靠四個調整螺釘(3)和四個緊固螺母(4)來實現水平調整，在平臺陣列安裝之前，首先通過水平儀校準，并調整螺釘保證安裝導軌的水平，然后固定在地面，平臺的四個六軸力平臺測量得到的力/力矩信息通過網絡傳感接口模塊(10)連接到計算機PC(12)的網絡數據采集卡(11)。
上彈性圓膜片(14)和下彈性圓膜片(16)為硬中心結構，硬中心的直徑等于十字梁的外徑，并且上彈性圓膜片(14)硬中心對稱加工有十字槽，下彈性圓膜片(16)硬中心上對稱加工有十字槽，十字槽的長、寬尺寸等于十字梁的長寬，十字槽的深度為5mm；上彈性圓膜片(14)和下彈性圓膜片(16)的十字槽與十字梁(15)采用間隙配合以保證上下圓膜片平面方向一致。并且此方向與整個平臺定義的傳感器坐標方向一致，每個平臺有一個獨立的坐標系，分別是以上彈性圓膜片(14)的上表面為XY坐標平面，中心軸向為Z向，坐標系符合右手定則。
臺面覆蓋層采用輕質的軟體材料，主要保證整個陣列的視覺整體性，使得被測試對象在上面行走時保持自然的步態，不受獨立平臺的影響。
本發明同時公開了一種用于人體動態步態的檢測方法，步態檢測方法包括行走過程中單個平臺受力大小、作用點、方向的信息獲取和步幅、步距、步速等步態參數的信息獲取，其特征在于四個六維力平臺的上彈性圓膜片(14)、十字梁(15)、下彈性圓膜片(16)上粘貼的應變力敏電阻，通過不同的敏感橋路布置方式實現對六維力信息的獲取，并通過標定求出維間耦合關系，對六組橋路輸出解耦處理實現三維力(Fx\Fy\Fz)和三維力矩(Mx\My\Mz)信息獨立獲取；四個六維力平臺都有獨立的坐標系，其各自的坐標原點定義為上彈性圓膜片(14)敏感面中心，其中圓膜片軸線方向為Z向，相應X、Y方向符合卡笛爾坐標右旋方向。
圓膜片、上下法蘭上刻有表示X、Y方向互相垂直的基準標記線，以保證平臺傳感器設計、安裝過程中X、Y坐標方向傳遞的一致性；X、Y方向力矩信息獲取敏感橋路采用在上彈性圓膜片(14)平面互相垂直布置，其力敏電阻布置方向與下彈性圓膜片(16)的敏感單元布置方向相同，其中上彈性圓膜片(14)敏感面上電阻R1y、R2y、R3y、R4y對稱布置在膜片敏感面上，其中R1y、R4y布置在靠近法蘭盤的圓膜片外圓，R2y、R3y布置在靠近硬中心的圓膜片內圓部分，R1y、R2y、R3y、R4y組成全橋用來實現對力矩Mx的測量；上彈性圓膜片(14)敏感面上電阻R1x、R2x、R3x、R4x對稱布置在膜片敏感面上，其中R1x、R4x布置在靠近法蘭盤的圓膜片外圓，R2x、R3x布置在靠近硬中心的圓膜片內圓部分，R1x、R2x、R3x、R4x組成全橋用來實現對力矩My的測量；下彈性圓膜片(16)和上彈性圓膜片(14)的兩個敏感方向要求保持一致，X、Y方向力信息獲取敏感橋路由電阻R1x、R2x、R3x、R4x及R1y、R2y、R3y、R4y實現，其采用在下彈性圓膜片(16)平面內互相垂直布置，Z方向力信息獲取敏感電阻R1z、R2z、R3z、R4z是布置在下彈性圓膜片(16)上沿X、Y敏感方向相交45度方向，其中下彈性圓膜片(16)敏感面上電阻R1x、R2x、R3x、R4x對稱布置在膜片敏感面上，其中R1x、R4x布置在靠近法蘭盤的圓膜片外圓，R2x、R3x布置在靠近硬中心的圓膜片內圓部分，R1x、R2x、R3x、R4x組成全橋用來實現對力Fx的測量；下彈性圓膜片(16)敏感面上電阻R1y、R2y、R3y、R4y對稱布置在膜片敏感面上，其中R1y、R4y布置在靠近法蘭盤的圓膜片外圓，R2y、R3y布置在靠近硬中心的圓膜片內圓部分，R1y、R2y、R3y、R4y組成全橋用來實現對力Fy的測量；下彈性圓膜片(16)敏感面上電阻R1z、R2z、R3z、R4z對稱布置在膜片敏感面上，其中R1z、R4z布置在靠近法蘭盤的圓膜片外圓，R2z、R3z布置在靠近硬中心的圓膜片內圓部分，R1y、R2y、R3y、R4y組成全橋用來實現對力Fz的測量；上彈性圓膜片(16)敏感面上的電阻R1z、R2z、R3z、R4z還可以提供一路對力Fz測量的冗余信息，用于傳感器校準；十字梁(15)敏感面上的電阻R1、R2、R3、R4用來實現對力矩Mz的測量；傳感器的信號處理電路包括兩個部分模擬處理電路和數字處理電路，模擬處理電路和數字處理電路可以同時置于傳感器內部，也可以將模擬處理電路置于傳感器內部，在本發明中，數字處理電路與網絡接口模塊是一個整體；行走過程中單支撐期、雙支撐期、擺動期所對應的步態時間參數信息獲取是通過人體步行時雙腳與不同臺面接觸的時間計算得到步速信息，通過獲取雙腳與不同臺面的接觸位置計算得到步距、步幅參數信息，而各個不同步態周期的力學參數信息由各個臺面本身提供的三維力信息得到。計算方法如下以第一個六維力平臺(5)的臺面中心位置為坐標原點(0，0，0)，第一個六維力平臺(5)、第二個六軸力平臺(6)、第三個六軸力平臺(7)、第四個六軸力平臺(8)相互之間間距為固定值SY，平臺沿著Y軸方向安裝，每個平臺都有獨立坐標系，分別為(X1，Y1，Z1)(X2，Y2，Z2)(X3，Y3，Z3)(X4，Y4，Z4)，其中Z1＝Z2＝Z3＝Z4＝SZ；人體行走過程中，雙足分別在各個平臺上的接觸位置定義為(x1，y1，SZ)(x2，y2，SZ)(x3，y3，SZ)(x4，y4，SZ)，從而得到步距＝|(x2-x1)+(x3-x2)+(x4-x3)|/3步幅＝|(y2+SY-y1)+(y3+SY-y2)+(y4+SY-y3)|/3步速＝步幅/t其中t為雙足與四個臺面分別接觸的時間間隔。
單個平臺雙足接觸位置坐標的計算，參見單個平臺坐標系和坐標位置，其中當受力點為A時，其在坐標系中的位置計算公式為 所述的COP軌跡計算方法，是根據人體行走過程中身體各個關節的慣性力、重力及摩擦力在平臺上力的作用點變化軌跡得到，具體含義ZMP定義一致，實際計算方法如下。
對于所示的運動鏈來說，ZMP條件可以描述為公式Σi(ri×miai+Iiαi+ωi×Iiωi)-Σiri×mig=(0,0*)T---(1)]]>其中ri＝pi-pzmp，pi＝(x，y，0)是整個運動鏈與地面的接觸點，pzmp＝(xzmp，yzmp，0)T；mi和Ii分別是第i個運動鏈的質量和轉動慣量；ωi和αi分別是第i個運動鏈的角速度和角加速度；g為重力加速度；*表示某一個值，(0，0，*)T表示矢量的一種形式。
對于運動鏈，在雙支撐期，左右腳與地面均有接觸點，通過這一點，地面對運動鏈有合成的反作用力(fL或fR)和反作用力矩(nL或nR)，這里的反作用力矩實際上就是六維力/力矩傳感器所測量出的Mz，從而(1)式可轉化為
-Σi(ri×mi(ai-g)+Iiαi+ωi×Iiωi)+rL×fL+rR×fR+nL+nR=0---(2)]]>其中rL/R＝pL/R-pzmp＝(*，*，0)T，pL/R分別為左右足與地面的接觸點；nL/R＝(0，0，*)T所以rL×fL+rR×fR+nL+nR＝(0，0，*)T(3)ZMP點計算與人所處狀態有關，在單支撐期和雙支撐期對應的計算公式如下單腳支撐期，在單腳支撐狀態下，(3)式簡化為r×f+n＝(0，0，*)T(4)其中r＝(x-xzmp，y-yzmp，0)，f＝(fx，fy，fz)，n＝(0，0，*)T有r×f=ijkx-xzmpy-yzmp0fxfyfz=(y-yzmp)fzi-(x-xzmp)fzi+[(x-xzmp)fy-(y-yzmp)fx]k]]>由式(4)可有 所以，在單腳支撐期，實際ZMP點就是單腳與地面的接觸點。
雙腳支撐期，ZMP的計算公式如下在雙腳支撐狀態下，左足fL＝(fLx，fLy，fLz)，同理，fR＝(fRx，fRy，fRz)，(3)式中，有rL×fL=ijkxL-xzmpyL-yzmp0fLxfLyfLz]]>=(yL-yzmp)fLzi-(xL-xzmp)fLzj+[(xL-xzmp)fLy-(yL-yzmp)fLx]k]]>同理rR×fR=(yR-yzmp)fRzi-(xR-xzmp)fRzj+[(xR-xzmp)fRy-(yR-yzmp)fRx]k]]>
將四個或者多個六維力平臺按照上述方法等間距地安裝在固定的軌道上，構成一個測試通道，采用網絡傳感技術將各個平臺獲取的六維力/力矩信息傳送到計算機PC中，當人在測試通道上行走時，系統實時獲取行走過程中腳與平臺的接觸力/力矩信息，通過上述方法計算得到步幅、步距、步速等步態信息，以及人體行走過程中壓力中心點COP的變化軌跡，從而實現對人體平衡能力、協調能力以及術后康復情況的測試、分析和評價。
本發明的有益效果是通過網絡傳感技術，將多個六維力平臺系統組成一個陣列，不僅可以實現人體行走過程中身體對地面的三維作用力，還可以記錄行走過程中步幅、步距、步速等步態信息。本發明可以用于對人體行走過程中雙足步態信息的測量，不僅可以測量得到步態信息，也可以實現人體行走過程中壓力中心點COP的實時測量，用于對人體平衡能力、身體協調和神經系統的測試、分析和評價。


下面結合附圖和實施例對本發明專利做進一步的說明。
圖1是整個系統總體示意圖；圖2是平臺陣列的側視圖；圖3是平臺陣列的立體視4是單個平臺陣列安裝調整方式示意圖；圖5是單個平臺陣列結構示意圖；圖6上彈性圓膜片應變電阻布置圖；圖7十字梁應變電阻布置圖；圖8下彈性圓膜片應變電阻布置圖；圖9單個平臺陣列坐標系及位置坐標計算；圖10步態參數定義示意圖；圖11人體行走過程步態測試過程。
圖1中，1、基座，2、安裝軌道，3、調整螺釘，4、緊固螺母，5、第一個六軸力平臺，6、第二個六軸力平臺，7、第三個六軸力平臺，8、第四個六軸力平臺，9、臺面覆蓋層，10、網絡傳感接口模塊，11、網絡數據采集卡，12、計算機PC。
具體實施例方式
圖1、圖2、圖3分別是整個平臺陣列系統示意圖、平臺陣列的側視圖和立體視圖，整個系統是由基座1、安裝軌道2、調整螺釘3、緊固螺母4、第一個六軸力平臺5、第二個六軸力平臺6、第三個六軸力平臺7、第四個六軸力平臺8、臺面覆蓋層9、網絡傳感接口模塊10、網絡數據采集卡11、計算機PC12組成。
其中四個六軸力平臺采用相同的結構設計和尺寸，每個六維力平臺都是采用雙圓膜片結構，每個平臺是由上臺面13、上彈性圓膜片14、十字梁15、下彈性圓膜片16、下臺面17構成。
整個平臺陣列的安裝位置和安裝方向是由安裝軌道2來保證，安裝軌道2是四個平臺5、6、7、8安裝基準。安裝軌道采用T型梁結構，T型梁互相垂直的兩個面需要保證有較高的平面度和垂直度，梁上等間隔的距離加工有安裝孔，安裝孔的距離大于平臺上臺面長度尺寸，并超過20mm±0.05。每個平臺下臺面17是一個四方體，采用中心對稱方式與平臺下彈性圓膜片16上的法蘭螺紋聯結在一起，四方體側面為底面平臺安裝基準面。
安裝軌道2依靠四個調整螺釘3和四個緊固螺母4來實現水平調整，在平臺陣列安裝之前，首先通過水平儀校準，并調整螺釘保證安裝導軌的水平，然后固定在地面，平臺的四個六軸力平臺測量得到的力/力矩信息通過網絡傳感接口模塊10連接到計算機PC12的網絡數據采集卡11。
臺面覆蓋層采用輕質的軟體材料，主要保證整個陣列的視覺整體性，使得被測試對象在上面行走時保持自然的步態，不受獨立平臺的影響。
圖4是單個平臺安裝調整方式示意圖，底座1預先固定在地面上，通過調整螺釘3將T型導軌2調整好，使其處于水平狀態，并通過緊固螺母4固定。導軌2也可以采用平板結構，只需要在平板沿安裝平臺方向嵌鑲上基準長條，當將平板調整到水平狀態時，即可安裝前述方式安裝每一個平臺。導軌和平臺的下臺面17都采用通孔，每一個平臺安裝過程中，是通過螺栓和螺母來固定，以減少安裝應力。
圖5是單個平臺結構示意圖，上彈性圓膜片14和下彈性圓膜片16為硬中心結構，硬中心的直徑等于十字梁的外徑，具體尺寸根據不同的臺面尺寸而定，如臺面尺寸400mm×400mm時，外徑為100mm。并且上彈性圓膜片14硬中心對稱加工有十字槽，下彈性圓膜片16硬中心上對稱加工有十字槽，十字槽的長、寬尺寸等于十字梁的長寬，十字槽的深度為5mm。
上彈性圓膜片14和下彈性圓膜片16的十字槽與十字梁15采用間隙配合以保證上下圓膜片平面坐標方向一致。并且此方向與整個平臺定義的傳感器坐標方向一致，每個平臺有一個獨立的坐標系，分別是以上彈性圓膜片14的上表面為XY坐標平面，中心軸向為Z向，坐標系符合右手定則。
圖6是上彈性圓膜片應變電阻布置圖，上彈性圓膜片14敏感面上電阻R1y、R2y、R3y、R4y對稱布置在圓膜片敏感面上，其中R1y、R4y布置在靠近法蘭盤的圓膜片外圓，R2y、R3y布置在靠近硬中心的圓膜片內圓部分，R1y、R2y、R3y、R4y組成全橋用來實現對力矩Mx的測量；上彈性圓膜片14敏感面上電阻R1x、R2x、R3x、R4x對稱布置在圓膜片敏感面上，其中R1x、R4x布置在靠近法蘭盤的圓膜片外圓，R2x、R3x布置在靠近硬中心的圓膜片內圓部分，R1x、R2x、R3x、R4x組成全橋用來實現對力矩My的測量；上彈性圓膜片14敏感面上的電阻R1z、R2z、R3z、R4z還可以提供一路對力Fz測量的冗余信息，R1z、R2z、R3z、R4z對稱布置在圓膜片敏感面上，其中R1z、R4z布置在靠近法蘭盤的圓膜片外圓，R2z、R3z布置在靠近硬中心的圓膜片內圓部分，R1z、R2z、R3z、R4z組成全橋用來實現對力矩Fz的測量；圖7是十字梁應變電阻布置圖，十字梁15敏感面上的電阻R1、R2、R3、R4用來實現對力矩Mz的測量，電阻R1、R2、R3、R4按照圖示位置對稱布置在四個梁上，貼片方向沿著對角線方向，并且四個應變電阻盡可能靠近十字梁15的邊緣。
圖8是下彈性圓膜片應變電阻布置圖，下彈性圓膜片16和上彈性圓膜片14的兩個敏感方向要求保持一致，X、Y方向力信息獲取敏感橋路由電阻R1x、R2x、R3x、R4x及R1y、R2y、R3y、R4y實現，其采用在下彈性圓膜片16平面內互相垂直布置，Z方向力信息獲取敏感電阻R1z、R2z、R3z、R4z是布置在下彈性圓膜片16上沿X、Y敏感方向相交45度方向，其中下彈性圓膜片16敏感面上電阻R1x、R2x、R3x、R4x對稱布置在圓膜片敏感面上，其中R1x、R4x布置在靠近法蘭盤的圓膜片外圓，R2x、R3x布置在靠近硬中心的圓膜片內圓部分，R1x、R2x、R3x、R4x組成全橋用來實現對力Fx的測量；下彈性圓膜片16敏感面上電阻R1y、R2y、R3y、R4y對稱布置在圓膜片敏感面上，其中R1y、R4y布置在靠近法蘭盤的圓膜片外圓，R2y、R3y布置在靠近硬中心的圓膜片內圓部分，R1y、R2y、R3y、R4y組成全橋用來實現對力Fy的測量；下彈性圓膜片16敏感面上電阻R1z、R2z、R3z、R4z對稱布置在圓膜片敏感面上，其中R1z、R4z布置在靠近法蘭盤的圓膜片外圓，R2z、R3z布置在靠近硬中心的圓膜片內圓部分，R1y、R2y、R3y、R4y組成全橋用來實現對力Fz的測量。
圖9為單個平臺坐標系和位置坐標計算，對于每一個平臺來說，都有一個獨立的坐標系，其是以圖4中平臺的上彈性圓膜片平面為XY平面，圓膜片中心為Z方向，平臺上臺面14距離坐標平面距離為z，則雙足與臺面的接觸點位置可根據前面提到的計算方法得到。
圖10為步態參數定義示意圖，這里給出了一個人體行走周期所對應的步長、步距和步周長的定義，其中步長是指人體行走過程中左右腳后跟沿行走方向對應的距離；步距，也稱步寬，是指人體行走過程中雙足中心沿X方向的距離；步周長是指一個人體行走周期，左腳或者右腳沿行走方向對應距離。
圖11為人體行走過程步態測試過程，整個人體行走過程的測試可以通過四個平臺組成的陣列完成步態的測試，當人體雙足中右腳踏上第一個平臺時，左腳離地即開始第一個單支撐期；當人體左腳落在第二個平臺上時，即開始第一個雙支撐期；隨后重復前面的動作即實現第二個單支撐期和第二個雙支撐期。在單雙支撐期中間的過程存在一個擺動期。由于行走過程中，每只腳分別作用在不同的平臺上，從而可以實現人體不同步態周期中步態信息的測試。
通過傳感網絡技術，將多個(至少四個)六維力平臺組成一個多軸力平臺陣列，可以實現人體行走過程中的步態測試，主要包括步長、步距、步周長和步速等信息，同時人體行走過程中的壓力中心點(COP)的變化軌跡也可以得到。
通過比較人體行走過程中左、右腳與平臺作用力的變化，可以判斷人體平衡和協調能力，以此對人體的神經系統和手術后的恢復情況進行測試、分析和評價。
權利要求
1.一種多軸力平臺陣列，是由基座(1)、安裝軌道(2)、第一個六軸力平臺(5)、第二個六軸力平臺(6)、第三個六軸力平臺(7)、第四個六軸力平臺(8)、計算機PC(12)組成，其中四個六軸力平臺陣列采用相同的結構設計和尺寸，每個六維力平臺都是采用雙圓膜片結構，由上臺面(13)、上彈性圓膜片(14)、十字梁(15)、下彈性圓膜片(16)、下臺面(17)構成，其特征在于整個平臺陣列的安裝位置和安裝方向是由安裝軌道(2)來保證，安裝軌道(2)是由四個六軸力平臺(5)、(6)、(7)、(8)安裝基準，每個平臺下臺面(17)是一個四方體，采用中心對稱方式與平臺下彈性圓膜片(16)上的法蘭螺紋聯結在一起，四方體側面為底面安裝基準面；安裝軌道(2)依靠四個調整螺釘(3)和四個緊固螺母(4)來實現水平調整，在多軸力平臺陣列安裝之前，首先通過水平儀校準，并調整螺釘保證安裝導軌的水平，然后固定在地面上，多軸力平臺陣列上的的四個六軸力平臺測量得到的力/力矩信息通過網絡傳感接口模塊(10)連接到計算機PC(12)的網絡數據采集卡(11)上；上彈性圓膜片(14)和下彈性圓膜片(16)為硬中心結構，硬中心的直徑等于十字梁的外徑，并且上彈性圓膜片(14)和下彈性圓膜片(16)硬中心上都對稱加工有十字槽，十字槽的長寬尺寸等于十字梁的長寬，十字槽的深度為5mm，上彈性圓膜片(14)和下彈性圓膜片(16)的十字槽與十字梁(15)采用間隙配合以保證上下圓膜片平面方向的一致。
2.一種如權利要求1所述的一種多軸力平臺陣列對人體動態步態進行檢測的方法，其特征在于四個六維力平臺的上彈性圓膜片(14)、十字梁(15)、下彈性圓膜片(16)上粘貼的應變力敏電阻，通過不同的敏感橋路布置方式實現對六維力信息的獲取，并通過標定求出維間耦合關系，對六組橋路輸出解耦處理實現三維力Fx\Fy\Fz和三維力矩Mx\My\Mz信息獨立獲取；四個六維力平臺都有獨立的坐標系，其各自的坐標原點定義為上彈性圓膜片(14)敏感面中心，其中圓膜片軸線方向為Z向，相應X、Y方向符合卡笛爾坐標右旋方向，圓膜片和上下法蘭上刻有表示X、Y方向互相垂直的基準標記線，以保證平臺傳感器設計、安裝過程中X、Y坐標方向傳遞一致性；上下圓膜片方向一致，并且此方向與整個平臺定義的傳感器坐標方向一致，每個平臺有一個獨立的坐標系，分別是以上彈性圓膜片(14)的上表面為XY坐標平面，中心軸向為Z向，坐標系符合右手定則；X、Y方向力矩信息獲取敏感橋路采用在上彈性圓膜片(14)平面互相垂直布置，其力敏電阻布置方向與下彈性圓膜片(16)相同，其中上彈性圓膜片(14)敏感面上電阻R1y、R2y、R3y、R4y對稱布置在圓膜片敏感面上，其中R1y、R4y布置在靠近法蘭盤的圓膜片外圓，R2y、R3y布置在靠近硬中心的圓膜片內圓部分，R1y、R2y、R3y、R4y組成全橋用來實現對力矩Mx的測量；上彈性圓膜片(14)敏感面上電阻R1x、R2x、R3x、R4x對稱布置在圓膜片敏感面上，其中R1x、R4x布置在靠近法蘭盤的圓膜片外圓，R2x、R3x布置在靠近硬中心的圓膜片內圓部分，R1x、R2x、R3x、R4x組成全橋用來實現對力矩My的測量；下彈性圓膜片(16)和上彈性圓膜片(14)的兩個敏感方向要求保持一致，X、Y方向力信息獲取敏感橋路由電阻R1x、R2x、R3x、R4x及R1y、R2y、R3y、R4y實現，其采用在下彈性圓膜片(16)平面內互相垂直布置，Z方向力信息獲取敏感電阻R1z、R2z、R3z、R4z是布置在下彈性圓膜片(16)上沿X、Y敏感方向相交45度方向，其中下彈性圓膜片(16)敏感面上電阻R1x、R2x、R3x、R4x對稱布置在圓膜片敏感面上，其中R1x、R4x布置在靠近法蘭盤的圓膜片外圓，R2x、R3x布置在靠近硬中心的圓膜片內圓部分，R1x、R2x、R3x、R4x組成全橋用來實現對力Fx的測量；下彈性圓膜片(16)敏感面上電阻R1y、R2y、R3y、R4y對稱布置在圓膜片敏感面上，其中R1y、R4y布置在靠近法蘭盤的圓膜片外圓，R2y、R3y布置在靠近硬中心的圓膜片內圓部分，R1y、R2y、R3y、R4y組成全橋用來實現對力Fy的測量；下彈性圓膜片(16)敏感面上電阻R1z、R2z、R3z、R4z對稱布置在膜片敏感面上，其中R1z、R4z布置在靠近法蘭盤的圓膜片外圓，R2z、R3z布置在靠近硬中心的圓膜片內圓部分，R1y、R2y、R3y、R4y組成全橋用來實現對力Fz的測量；其中上彈性圓膜片(16)敏感面上的電阻R1z、R2z、R3z、R4z還可以提供一路對力Fz測量的冗余信息，用于傳感器校準；十字梁(15)敏感面上的電阻R1、R2、R3、R4用來實現對力矩Mz的測量；傳感器的信號處理電路包括兩個部分模擬處理電路和數字處理電路，模擬處理電路和數字處理電路可以同時置于傳感器內部，也可以將模擬處理電路置于傳感器內部，在本發明中，數字處理電路與網絡接口模塊是一個整體；行走過程中單支撐期、雙支撐期、擺動期所對應的步態時間參數信息獲取是通過人體步行時雙腳與不同臺面接觸的時間計算得到步速信息，通過獲取雙腳與不同臺面的接觸位置計算得到步距、步幅參數信息，而各個不同步態周期的力學參數信息由各個臺面本身提供的三維力信息得到，計算方法如下以第一個六維力平臺(5)的臺面中心位置為坐標原點0、0、0，第一個六維力平臺(5)、第二個六軸力平臺(6)、第三個六軸力平臺(7)、第四個六軸力平臺(8)相互之間間距為固定值SY，平臺沿著Y軸方向安裝，每個平臺都有獨立坐標系，分別為X1，Y1，Z1、X2，Y2，Z2、X3，Y3，Z3、X4，Y4，Z4，其中Z1＝Z2＝Z3＝Z4＝SZ；人體行走過程中，雙足分別在各個平臺上的接觸位置定義為x1，y1，SZ、x2，y2，SZ、x3，y3，SZ、x4，y4，SZ，從而得到步距＝|(x2-x1)+(x3-x2)+(x4-x3)|/3步幅＝|(y2+SY-y1)+(y3+SY-y2)+(y4+SY-y3)|/3步速＝步幅/t其中t為雙足與四個臺面分別接觸的時間間隔；單個平臺雙足接觸位置坐標的計算，參見單個平臺坐標系和坐標位置，其中當受力點為A時，其在坐標系中的位置計算公式為 所述的COP軌跡計算方法，是根據人體行走過程中身體各個關節的慣性力、重力及摩擦力在平臺上力的作用點變化軌跡得到，具體含義同ZMP定義一致，實際計算方法如下；對于運動鏈來說，ZMP條件可以描述為公式Σi(ri×miai+Iiαi+ωi×Iiωi)-Σiri×mig=(0,0,*)T--(1)]]>其中ri＝pi-pzmp，pi＝(x，y，0)是整個運動鏈與地面的接觸點，pzmp＝(xzmp，yzmp，0)T；mi和Ii分別是第i個運動鏈的質量和轉動慣量；ωi和αi分別是第i個運動鏈的角速度和角加速度；g為重力加速度；*表示某一個值，(0，0，*)T表示矢量的一種形式；對于運動鏈，在雙支撐期，左右腳與地面均有接觸點，通過這一點，地面對運動鏈有合成的反作用力fL或fR和反作用力矩nL或nR，這里的反作用力矩實際上就是六維力/力矩傳感器所測量出的Mz，從而(1)式可轉化為-Σi(ri×mi(ai-g)+Iiαi+ωi×Iiωi)+rL×fL+rR×fR+nL+nR=0--(2)]]>其中rL/R＝pL/R-pzmp＝(*，*，0)T，pL/R分別為左右足與地面的接觸點；nL/R＝(0，0，*)T所以rL×fL+rR×fR+nL+nR＝(0，0，*)T(3)ZMP點計算與人所處狀態有關，在單支撐期和雙支撐期對應的計算公式如下單腳支撐期，在單腳支撐狀態下，(3)式簡化為r×f+n＝(0，0，*)T(4)其中r＝(x-xzmp，y-yzmp，0)，f＝(fx，fy，fz)，n＝(0，0，*)T有r×f=ijkx-xzmpy-yzmp0fxfyfz=(y-yzmp)fzi-(x-xzmp)fzj+[(x-xzmp)fy-(y-yzmp)fx]k]]>由公式(4)可有 所以，在單腳支撐期，實際ZMP點就是單腳與地面的接觸點；雙腳支撐期，ZMP的計算公式如下在雙腳支撐狀態下，左足fL＝(fLx，fLy，fLz)，同理，fR＝(fRx，fRy，fRz)，(3)式中，有rL×fL=ijkxL-xzmpyL-yzmp0fLxfLyfLz]]>=(yL-yzmp)fLzi-(xL-xzmp)fLzj+[(xL-xzmp)fLy-(yL-yzmp)fLx]k]]>同理rR×fR=(yR-yzmp)fRzi-(xR-xzmp)fRzj+[(xR-xzmp)fRy-(yR-yzmp)fRx]k]]> 將四個或者多個六維力平臺按照上述方法等間距地安裝在固定的軌道上，構成一個測試通道，采用網絡傳感技術將各個平臺獲取的六維力/力矩信息傳送到計算機PC中，當人在測試通道上行走時，系統實時獲取行走過程中腳與平臺的接觸力/力矩信息，通過上述方法計算得到步幅、步距、步速等步態信息，以及人體行走過程中壓力中心點COP的變化軌跡，從而實現對人體平衡能力、協調能力以及術后康復情況的測試、分析和評價。
全文摘要
本發明公開了一種多軸力平臺陣列，包括安裝軌道、第一至第四個六軸力平臺、臺面覆蓋層、網絡傳感接口模塊、網絡數據采集卡，安裝軌道依靠四個調整螺釘和緊固螺母來實現水平調整，四個六軸力平臺測量得到的力/力矩信息通過網絡傳感接口模塊連接到計算機的網絡數據采集卡。本發明同時公開了一種基于多軸力平臺陣列實現人體行走過程中的動態步態信息獲取方法，其是通過計算機對獲取的平臺陣列力/力矩信息進行數據處理，計算得到人體步幅、步距、步速等信息。測量人體行走過程中雙足步態信息，不僅可以得到步態信息，也可以實現人體行走過程中壓力中心點COP的實時測量，用于對人體平衡能力、身體協調和神經系統的測試、分析和評價。
文檔編號A61B5/11GK1561908SQ20041001435
公開日2005年1月12日 申請日期2004年3月16日 優先權日2004年3月16日
發明者吳仲城, 戈瑜, 申飛, 錢敏, 余永, 葛運建 申請人:中國科學院合肥智能機械研究所