足底压力分布测量鞋垫的研制

摘要

基于生物力学、康复医学、矫形外科、体育训练、制鞋业等的需要,对人体步态的测试及分析是非常重要的理论依据,而人体足底压力分布特征则是揭示步态规律的重要指标之一。
　　20世纪以后各种测量人体足底压力的方法不断出现,测量技术不断更新,并逐渐向可穿戴运动监测领域发展。本课题应用PVDF压电薄膜和基本放大电路制作了一种可穿戴的智能鞋垫,可以用于记录人体动态足底压力分布状况。运动测量作为人体生理监测的重要组成部分,是足疾诊断和步态研究等领域的支撑技术。
　　目前临床使用的压力测试板和测试台技术存在极大的空间局限性,而可穿戴的压力鞋及压力鞋垫测试方便较为先进但尚处在研究阶段。由于所研制的传感器要适于嵌入日常穿着的鞋垫中,而鞋垫的设计要求柔软度和弹性较好,因此必须选择柔性的,易于形变的传感材料。本课题选择薄膜状PVDF压电材料,其质地柔软、方便剪裁,可根据需要嵌入纺织品中制成具备传感性能的功能型鞋垫。但与此同时这种材料特性和使用环境也使传感器的设计面临弹性滞后、响应弱,人体高速运动时测试信号失真、调理电路难于匹配的问题。
　　本课题针对上述问题做出了分析和讨论,并给出解决方案。本课题详细阐述了足底压力传感鞋垫的研制方法、性能测试分析及其人体实测案例。主要开展了以下四方面的工作:(1)利用PVDF压电薄膜独特的积分特性,参考足部运动力学特征确定传感单元的形状、大小和接线方式,制作足底压力传感器感芯,同时根据传感材料特性设计后续调理电路。(2)通过实验,分析不同的感芯结构和电路设计对传感器性能的影响。通过改进感芯结构解决传感器信号强度弱和高频响应不稳定的问题;通过合理选择放大电路中的反馈电阻、反馈电容等元件使后续电路与所设计的传感器匹配并达到最佳的测试效果。对比实测信号,选择最佳的设计方案,保证所设计传感器在实际应用中具备可行性。(3)参考人体足部结构及足部运动力学特征设计动态压力分布测试鞋垫,并根据足底压力测量设备的工作原理,搭建足底压力分布测量一采集系统,实现信号实时采集与显示。(4)应用所设计足底压力分布测试鞋垫进行人体实测,通过实际测试波形揭示人体运动状态及不同穿鞋习惯对足底压力分布的影响,并分析足底压力分布所表征的生理意义,同时对保护足部运动健康提出建议。
　　本课题在分析人体足部结构和足部运动生物力学特性的基础上,针对PVDF薄膜特性及测试柔性环境的要求对智能鞋垫中的传感单元结构进行了调整,提高了薄膜传感材料的信号响应、改善了柔性传感器的滞后性,同时通过电路元件的调整使测试系统具备良好的稳定性。应用所研制智能鞋垫测试人体动态足底压力分布,证实所制成的压力鞋垫具备良好的可穿戴性,且在人体高频运动条件下仍具备良好的测试性能。智能鞋垫在日常活动中即可使用,有助于使用者了解自身足部健康状况、保持良好运动姿态,并可为人体步态分析研究提供依据。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 引言

1.1 研究的背景以及意义

1.2 研究目标

1.3 研究的内容和方法

1.4 论文的章节安排

第二章 文献综述

2.1 柔性传感器

2.2 可穿戴人体运动监测技术的研究现状

2.3 人体足底压力测试技术的研究现状

2.4 人体足部运动力学

2.5 本章小结

第三章 足底压力传感器的研制

3.1 PVDF压电薄膜传感器

3.2 传感器后续调理电路

3.3 本章小结

第四章 足底压力传感器测试性能分析

4.1 感芯结构对传感器测试性能的影响

4.2 电路设计对传感器测试性能的影响

4.3 本章小结

第五章 足底压力分布测试鞋垫的设计

5.1 压力鞋垫

5.2 足底压力分布测试系统

5.3 本章小结

第六章 足底压力分布测试鞋垫的应用

6.1 人体运动状态对足底压力分布的影响

6.2 不同穿鞋习惯对足底压力分布的影响

6.3 本章小结

第七章 总结与结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文及获奖情况