【摘 要】
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本文设计了一种基于霍尔传感单元的柔性足垫,能够对人体足底分布式力位信息进行动态监测。与传统压力传感器相比,该传感器能够同时测量力和位移两种模态信息,同时具有测量精度高,变形范围大,模块化设计,制作成本低等优点。通过构建逆向求解模型,霍尔传感器输出的电压值可以定量反映压力和柔性体变形。基于这个原理,通过理论计算、数值解析和有限元仿真,完成了柔性霍尔传感单元的结构设计和快速成型制造,并进行了性能测试与
【基金项目】
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国家自然科学基金委-深圳联合基金重点项目:基于人体关节模型的顺应康复外骨骼设计和控制（U11713204）；
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本文设计了一种基于霍尔传感单元的柔性足垫,能够对人体足底分布式力位信息进行动态监测。与传统压力传感器相比,该传感器能够同时测量力和位移两种模态信息,同时具有测量精度高,变形范围大,模块化设计,制作成本低等优点。通过构建逆向求解模型,霍尔传感器输出的电压值可以定量反映压力和柔性体变形。基于这个原理,通过理论计算、数值解析和有限元仿真,完成了柔性霍尔传感单元的结构设计和快速成型制造,并进行了性能测试与标定实验。结果表明,该传感单元具有良好的线性度,一致性误差均小于1N,最大重复度误差仅为1%。接着利用BP神经网络修正传感器的回程误差,进一步提高了传感器的精度。基于柔性霍尔传感单元中柔性体的材料特性,完成分区式的力位动态监测足垫测量系统设计,包括足垫硬件结构、信号采集与处理系统和人机交互系统。足垫的结构总体分为上下两层,在较软的足垫基底层与耐磨的足垫底座之间,分5个测量区域布置19个柔性霍尔传感单元。数据采集和处理部分主要通过STM32F103系统板实现,在此基础上添加了模拟开关来增加采集的通道数量,通过稳压模块实现传感器信号的稳定采集。利用蓝牙模块实现无线传输功能。接着利用QT设计了人机交互界面。最后对其样机性能进行实验分析,多个测试者穿戴足垫后进行静态下和动态下的实验,对比他们在德国商用Zebris测力平板下的测试结果。其中,在静态下脚码与足垫尺码最为接近的测试者在足底压力占比最大的跖骨区和足跟区的误差为1.909%与0.429%;在动态从坐到站实验中,测试者在两种设备下的足底力变化趋势一致,验证了足垫数据的准确性和有效性。该分布式压力测量的动态监测足垫,除了可动态地、实时地获取足底压力信息,进行步态分析外,还可获得足弓高度的动态变化信息。
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