新型多自由度足力测试装置设计

　　0　引　言

　　人体足底力学的测试与分析在许多工程领域有着广泛的用途。准确测试人体在不同条件下左右脚的受力和所受压力的平衡情况,对于科学培训空降兵、运动员的落地位姿、临床诊断和康复中人工关节手术前后的功能和疗效评定、躯干和下肢疾病的检查、康复训练的分析和评价、帕金森病的肌力和平衡功能评定、以及体育运动、舞蹈训练中人体足部着地造成的损伤机理研究具有重要意义[1-5]。目前比较成熟的足力测试与步态分析系统有CODA-Ⅲ、SELSPOT-Ⅱ、ELLTE等,但它们均价格昂贵[6],而且往往只能测定二个方向的力,无法提供足够而准确的力信息,在上述的一些步态分析的应用过程中,往往需要测定受试者足部及腿部在三个线性方向及三个转动方向所能施加的力及力矩。文中提出了一种新的六自由度足力测试装置,运用PSD技术及计算机软件技术,可以提供多个自由度的力及力矩信息,且使用方便,操作简单,数据准确、可靠,能及时而完整地反映足部(腿部)六个方向的力(矩)的大小与变化,为康复医学中治疗方案的制定、体育运动、机器人研制等提供了必要的数据[7]。

　　1　测试系统简介

　　该装置是由位移———力传感器和计算机组成,其中传感器又分为动子、定子及弹性体三部分[8]。动子通过弹性体与定子相联,三只PSD(平面传感器)固定在定子上(见图1),其中,平面传感器1与2相平行,3与1, 2垂直;三只LED安装在动子上,其中二只成一线,另一只与之垂直(见图2)。工作时, PSD输出光点当前坐标,经采集计算后,可得出动子上参考点的

　　其中C6×6为刚度距阵,阵中各元素很难从理论上推导,但通过实测标定法可容易获得。分六次施加任意力,测出其相应位移量分别构成6×6位移矩阵及6×6力矩阵,然后通过矩阵运算可得出刚度矩阵C6×6。

　　4　试验结果与结论

　　表1为试验中三光点在PSD二维坐标系中的一组坐标,经计算后得出参考点(取动系原点)的相对位移量列入。表2和表3为通过刚度矩阵计算出的力信息及实际施加外力数值,两者比较接近,符合精度要求。大量实验表明,该装置方案可行,结构较为合理,数学模型正确,刚度矩阵的标定能满足精度要求,基本达到使用程度。

　　参考文献: