足底力分布测量系统的研究
发布时间：2021-04-18 09:16
足底地面反作用力的分布测量对某些疾病的预测、诊断具有重要意义。文章针对现有的足底地面反作用力分布测量设备存在寿命短、精准性低的问题,在分析足部生物骨骼数据和足底受力特征的基础上,提出了一种足底分区测量方法,把足底划分为第一跖骨头和趾骨、第二跖骨头～第五跖骨头和趾骨、足跟3个测量区域,研制了一种适应38～43码人群足底力分布的测量系统,系统包括6个传感器组成的足底力采集模块、数据处理模块和足底力信息显示模块。自然站立姿态实验精准测得不同人群足底3个主要受力部位地面反作用力的分布信息,说明了该系统对不同人群足底3个区域的划分正确,能满足38～43码人群足底力测量需要,有较高的准确性,可满足临床需求。
【文章来源】：合肥工业大学学报(自然科学版). 2020,43(07)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
足部骨骼测量标记点
根据划分测量区域的数据,设计了足底力检测装置,主要包括足跟挡板、足部内侧挡板、第一跖骨头和趾骨托板、第二跖骨头～第五跖骨头和趾骨托板、底部支撑板、称重传感器和足跟托板。托板尺寸根据测量数据间隔分开,为了更好地减小操作误差,根据所测得的第一跖骨头和第二跖骨头的间隙,足底第一跖骨头和趾骨托板设计宽度为26 mm,足底第一跖骨头和趾骨托板与第二跖骨头～第五跖骨头和趾骨托板之间的间距为4.5 mm,跖骨头区和足跟的分割区间为足跟到楔骨的公共区间。由于测量数据起始点为足部内侧位置和足跟,需要设置定位结构,保证相应的托板承接对应的足底部位。结构1、结构3分别为足跟挡板、足部内侧挡板,用于对足跟和足部内侧进行限位。在足部托板下分别放置称重传感器用于测量相应区域的力。选择中航电测公司L6N-C3-X-3B6的单点式称重传感器来测量足底的地面反作用力。由于左右脚对称,只给出右脚足底力测量装置的示意图,如图2所示。2.2 数据采集系统
由于称重传感器输出的电压信号为毫伏级,一般不直接进行数据采集,在输入9205模块之前需要对信号进行滤波和放大处理,提高测量准确性和精度。首先对信号进行滤波处理,由于99%的足底力信号频率不大于15 Hz,滤波器的截止频率为36.2 Hz。放大电路的放大器芯片为AD8422,该放大器具有较高的共模抑制比和低漂移优点,能够很好地抑制共模噪声和零点漂移,是调理称重传感器惠斯特电桥信号的理想选择。根据9205模块的分辨率,对电压信号放大100倍,设计的放大器原理如图3所示。数据采集系统的FPGA层根据足底力采集模块配置差分采集模式,采用差分可以有效抑制共模噪声,提高测量准确度,设置I/O通道如图4所示。把数据传输到与RT层数据通讯的先入先出(first input first output,FIFO)队列中,设置FIFO的长度,并检测FIFO队列存储是否溢出,若有溢出则停止。在RT层首先调用FPGA模块,设置FPGA的采样频率,由于FPGA采集数据频率为系统6路总采样频率,设置系统的采样频率为500 Hz;然后对FPGA的通道数进行设置,数据默认写入FIFO中,设置RT层读取FIFO的频率,一般读取频率等于FPGA层的采样频率,可防止FIFO溢出,即设置单周期循环时间。Real Time层程序框图如图4所示。FPGA中是6路数据一起打包写入FIFO中,需要在RT层把采集的数据拆分为6个数组。处理好的数据将传入上位机作进一步处理。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于传感阵列的足底压力扫描系统设计研究[J]. 王墨,樊卓宸,马浩,彭晨,张思旭,王新安. 北京大学学报(自然科学版). 2018(06)
[2]基于足底压力的步态识别研究进展[J]. 聂智超,吕杰,丁皓. 生物医学工程学进展. 2018(03)
[3]基于PVDF压电传感器的足底压力测量系统[J]. 李琳杰,赵伟博. 传感器与微系统. 2018(05)
[4]高精度手部压力分布检测系统的设计及研究[J]. 刘正琼,唐璇,刘明周,张淼,扈静. 合肥工业大学学报(自然科学版). 2017(03)
[5]基于STM32的足底压力测量系统[J]. 郭彦青,孟烈刚,刘璐. 计量与测试技术. 2015(07)
[6]足底压力及其临床康复应用研究进展[J]. 杨洁,倪朝民. 中国临床保健杂志. 2014(03)
[7]Analysis of kinematic data and determination of ground reaction force of foot in slow squat[J]. Xu-Shu Zhang,Yuan Guo,Mei-Wen An,Wei-Yi Chen. Acta Mechanica Sinica. 2013(01)
[8]正常中国成年人足底压力分析[J]. 王明鑫,俞光荣,陈雁西,杨云峰,黄四平,胡孙君. 中国矫形外科杂志. 2008(09)
[9]足底压力分布测量系统及临床应用[J]. 袁刚,张木勋,张建华,程家明,闫世强,徐向东,景创新. 中国康复. 2003(01)
本文编号：3145222
【文章来源】：合肥工业大学学报(自然科学版). 2020,43(07)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
足部骨骼测量标记点
根据划分测量区域的数据,设计了足底力检测装置,主要包括足跟挡板、足部内侧挡板、第一跖骨头和趾骨托板、第二跖骨头～第五跖骨头和趾骨托板、底部支撑板、称重传感器和足跟托板。托板尺寸根据测量数据间隔分开,为了更好地减小操作误差,根据所测得的第一跖骨头和第二跖骨头的间隙,足底第一跖骨头和趾骨托板设计宽度为26 mm,足底第一跖骨头和趾骨托板与第二跖骨头～第五跖骨头和趾骨托板之间的间距为4.5 mm,跖骨头区和足跟的分割区间为足跟到楔骨的公共区间。由于测量数据起始点为足部内侧位置和足跟,需要设置定位结构,保证相应的托板承接对应的足底部位。结构1、结构3分别为足跟挡板、足部内侧挡板,用于对足跟和足部内侧进行限位。在足部托板下分别放置称重传感器用于测量相应区域的力。选择中航电测公司L6N-C3-X-3B6的单点式称重传感器来测量足底的地面反作用力。由于左右脚对称,只给出右脚足底力测量装置的示意图,如图2所示。2.2 数据采集系统
由于称重传感器输出的电压信号为毫伏级,一般不直接进行数据采集,在输入9205模块之前需要对信号进行滤波和放大处理,提高测量准确性和精度。首先对信号进行滤波处理,由于99%的足底力信号频率不大于15 Hz,滤波器的截止频率为36.2 Hz。放大电路的放大器芯片为AD8422,该放大器具有较高的共模抑制比和低漂移优点,能够很好地抑制共模噪声和零点漂移,是调理称重传感器惠斯特电桥信号的理想选择。根据9205模块的分辨率,对电压信号放大100倍,设计的放大器原理如图3所示。数据采集系统的FPGA层根据足底力采集模块配置差分采集模式,采用差分可以有效抑制共模噪声,提高测量准确度,设置I/O通道如图4所示。把数据传输到与RT层数据通讯的先入先出(first input first output,FIFO)队列中,设置FIFO的长度,并检测FIFO队列存储是否溢出,若有溢出则停止。在RT层首先调用FPGA模块,设置FPGA的采样频率,由于FPGA采集数据频率为系统6路总采样频率,设置系统的采样频率为500 Hz;然后对FPGA的通道数进行设置,数据默认写入FIFO中,设置RT层读取FIFO的频率,一般读取频率等于FPGA层的采样频率,可防止FIFO溢出,即设置单周期循环时间。Real Time层程序框图如图4所示。FPGA中是6路数据一起打包写入FIFO中,需要在RT层把采集的数据拆分为6个数组。处理好的数据将传入上位机作进一步处理。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于传感阵列的足底压力扫描系统设计研究[J]. 王墨,樊卓宸,马浩,彭晨,张思旭,王新安. 北京大学学报(自然科学版). 2018(06)
[2]基于足底压力的步态识别研究进展[J]. 聂智超,吕杰,丁皓. 生物医学工程学进展. 2018(03)
[3]基于PVDF压电传感器的足底压力测量系统[J]. 李琳杰,赵伟博. 传感器与微系统. 2018(05)
[4]高精度手部压力分布检测系统的设计及研究[J]. 刘正琼,唐璇,刘明周,张淼,扈静. 合肥工业大学学报(自然科学版). 2017(03)
[5]基于STM32的足底压力测量系统[J]. 郭彦青,孟烈刚,刘璐. 计量与测试技术. 2015(07)
[6]足底压力及其临床康复应用研究进展[J]. 杨洁,倪朝民. 中国临床保健杂志. 2014(03)
[7]Analysis of kinematic data and determination of ground reaction force of foot in slow squat[J]. Xu-Shu Zhang,Yuan Guo,Mei-Wen An,Wei-Yi Chen. Acta Mechanica Sinica. 2013(01)
[8]正常中国成年人足底压力分析[J]. 王明鑫,俞光荣,陈雁西,杨云峰,黄四平,胡孙君. 中国矫形外科杂志. 2008(09)
[9]足底压力分布测量系统及临床应用[J]. 袁刚,张木勋,张建华,程家明,闫世强,徐向东,景创新. 中国康复. 2003(01)
本文编号：3145222
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