用于测量反作用力的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种用于监测、测量和/或估计施加在脊椎哺乳动物的身体或身体部位上的力的装置。所述装置包括加速度传感器，其用于测量身体或身体部位相对于基准惯性系的加速度，并用于提供加速度的数据指示。所述加速度传感器包括：至少一个惯性传感器，用于存储所述数据的存储装置，和适于处理所述数据以估计与该数据相关联的反作用力向的处理器。该处理器配置为能基于一个或多个相关分量来执行用于评估反作用力的算法，其中所述相关分量包括与所述身体或身体部位相关联的质量、速度和/或速率。本发明专利技术还公开一种用于监测、测量和/或估计施加在脊椎哺乳动物的身体或身体部位上的力的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于测量和/或估计反作用力的方法和装置。反作用力包括在例如步行、跑步、疾跑、跳行、着陆和/或跳跃的活动过程中哺乳动物的肢体(诸如人的足部)碰撞或撞击表面时所经受的地面反作用力(GRF)。本专利技术的方法和装置可用于比较由测力板所测量的地面反作用力与由设置在哺乳动物身体上的传感器所测量的地面反作用力。
技术介绍
在诸如康复、运动评估以及工作场地的设计及施工等涉及对地面反作用力的测量与估计的许多应用中，通过得知肢体或身体部位在与表面碰撞时作用在肢体或身体部位上的力(或多个力)，可以提高对活动的评估能力。这是因为，在碰撞过程中作用在肢体、关节或身体部位上的过大的力可能导致肢体、关节或身体部位的受伤和/或损伤。通过知道作用在肢体、关节或身体部位上的力(或多个力)还能够计算各个力之间的对称性/不对称性。在一项研究中，不对称性指标是与受伤风险相关联的。例如，当哺乳动物的肢体或身体部位(例如足部)与诸如地面的相对硬的表面碰撞时，可能会出现多种机械性和/或生理性和/或生物力学性变化。在机械/生物力学方面，在碰撞期间所施加的力会导致参与碰撞的肢体或身体部位的一部位突然错位，这会对哺乳动物的肢体或身体部位的结构造成外部和/或内部损伤。某些表面可能相对更具弹性，并且不同的表面会使肢体、关节或身体部位经受不同的力。类似地，不同的跑步技术、不同的速度、不同的鞋、步态模式也可能影响身体部位所经受的力。也可以在整个身体(例如，哺乳动物的身体)着陆于水面或雪面时对力进行测量。这意味着对投落在雪面上的跳台滑雪运动员进行评估。在一个示例中，可以针对工人的用来碰撞表面以帮助对准部件的手腕/手来对力进行测量，例如，车辆装配工人击打模具组件以推其入位的做法就存在评估工伤的潜在可能。传统上，通过Advanced Mechanical Technical有限公司(AMTI)制造的测力平台或测力板来对地面反作用力进行测量。该测量已被用于量化地面反作用力(GRF)、平衡性、步态和/或其他的生物力学参数。这种测量在诸如医药和运动的应用领域中颇为有用。然而，由于通常不允许在实验室以外或严格控制的配置环境以外将测力平台用于生物力学参数的综合测量，因此这种测量目前仅限于实验室条件。在某些专业跑步机上可获得测力板数据，但是由于地面在受试者下方一直移动，由此从根本上改变了跑步力量。这些跑步机还不能提供对不同的地形、斜坡、弯度(等)上的力的测量能力。本专利技术可以减轻现有技术的缺点，和/或提高GRF数据的准确性和/或有效性和/或功能性和/或可用性。本专利技术还可以提供一种能在几乎任何配置环境、野外现场对力数据进行测量的能力。这里，对以现有技术给出的专利文献或其他主题的引用不视为是承认：截止到本文的任何公开内容或权利要求的优先权日，该文献或主题在澳大利亚或其他地区是公知的，或者其中所含的信息在澳大利亚或其他地区属于知常识的一部分。在本说明书中包含此类有关现有技术的讨论是用于根据本专利技术人的知识和经验对本专利技术的上下文进行阐述。在本文的说明书和权利要求书中，词语“包括”或“包含”以及这些词的变型，例如“具有”、“含有”和“设有”或“有”，并不旨在排除其他添加项、部件、整数或步骤。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，提供了一种用于监测、测量和/或估计施加在脊椎哺乳动物的身体或身体部位上的力的装置，所述装置包括：加速度传感器，其用于测量所述身体或身体部位相对于基准惯性系的加速度，并且用于提供表示所述加速度的数据，其中所述加速度传感器包括至少一个惯性传感器；存储装置，其用于存储所述数据；和处理器，其适于处理所述数据以估计与所述数据相关联的反作用力。根据本专利技术的另一方面，提供了一种用于监测、测量和/或估计施加在脊椎哺乳动物的身体或身体部位上的力的方法，所述方法包括：使用至少一个惯性传感器来测量所述身体或身体部位相对于基准惯性系的加速度，并提供表示所述加速度的数据；将所述数据存储在存储装置中；以及由处理器处理所述数据，以估计出与所述数据相关联的反作用力。所述处理器可配置为执行用于评估反作用力的算法。所述算法适于促使所述处理器基于一个或多个相关分量来估计反作用力，所述相关分量包括与所述身体或身体部位相关联的质量、速度和/或速率。所述处理器可配置为能根据关系函数(例如，加速度数据与反作用力之间的非线性关系函数)来处理所述数据。所述关系函数可以大致呈对数，并且可包括一个或多个校准系数。所述处理器可适于通过均衡所述一个或多个校准系数来处理所述数据。在一种实施例中，所述处理器适于根据以下等式来提供与反作用力的相关性GRFPeak(acc,m)：GRFPeak(acc,m)＝a(m)*[log2(acc+b)]+c(m)其中：m表示哺乳动物受试者的质量；acc表示由加速度传感器或惯性传感器所测量的加速度数据；“a”表示对数函数的斜率；“b”为固定系数，用以补偿低于0g的加速度；和“c”表示与所述对数函数相关联的偏移量。在一个形式中，a(m)＝4.66*m-76.60；并且c(m)＝24.98*m-566.83。所述对数函数的斜率可包括受试者身体质量的线性函数。在一种形式中，系数b可设为1。在一种形式中，偏移量c可包括身体质量的线性函数。在一个优选实施例中，由所述处理器提供的反作用力基本上堪比或等同于由AMTI测力板测得的地面反作用力。所述至少一个惯性传感器可包括加速度计。所述加速度计适于沿着一个或多个正交轴来测量加速度。哺乳动物受试者的身体包括诸如腿部的四肢，并且在一个应用中，所述装置适于监测与施加到腿部上的力相关联的加速度分量。各个加速度传感器都可以施加到哺乳动物的腿部上。在其他应用中，所述装置适于监测与施加到诸如臂部(或双臂)的其他肢体上的力相关联的加速度分量，或监测与施加到整个身体上的力相关联的加速度分量。在这些情况下，可以将所述加速度传感器施加到臂部(或双臂)上，或者施加到身体上的适于监测整个身体的加速度的合适位置上。每个惯性传感器可以包括用于将模拟数据转换成数字域的模数(AD)转换器，或者与该AD转换器相关联。所述AD转换器可配置为能将来自所述加速度传感器的模拟输出转换成数据，之后存储所述数据。本专利技术可以包括适于在碰撞过程中监测作用在哺乳动物的肢体或身体部位上的力(或多个力)的装置。本专利技术还可包括利用来自所述装置本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于监测、测量和/或估计施加在脊椎哺乳动物的身体或身体部位上的力的装置，所述装置包括：加速度传感器，其用于测量所述身体或身体部位相对于基准惯性系的加速度，并且用于提供表示所述加速度的数据，其中所述加速度传感器包括至少一个惯性传感器；存储装置，其用于存储所述数据；和处理器，其适于处理所述数据，以估计与所述数据相关联的反作用力。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.08.07 AU 20129033991.一种用于监测、测量和/或估计施加在脊椎哺乳动物的身体或身体部位上
的力的装置，所述装置包括：
加速度传感器，其用于测量所述身体或身体部位相对于基准惯性系的加速
度，并且用于提供表示所述加速度的数据，其中所述加速度传感器包括至少一个
惯性传感器；
存储装置，其用于存储所述数据；和
处理器，其适于处理所述数据，以估计与所述数据相关联的反作用力。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述处理器配置为执行用于评估所
述反作用力的算法。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述算法所述算法适于促使所
述处理器基于一个或多个相关分量来评估所述反作用力，所述相关分量包括与所
述身体或身体部位相关联的质量、速度和/或速率。
4.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述处理器配置为根据
所述数据与所述反作用力之间的非线性关系函数来处理所述数据。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述关系函数大致呈对数，并且包
括一个或多个校准系数。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述处理器适于通过均衡所述一个
或多个校准系数来处理所述数据。
7.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述处理器适于根据以
下等式来提供与反作用力的相关性GRFPeak(acc,m)：
GRFPeak(acc,m)＝a(m)*[log2(acc+b)]+c(m)
其中：
m表示哺乳动物受试者的质量；
acc表示由所述加速度传感器所测量的加速度数据；
“a”表示对数函数的斜率；
“b”为固定系数，用以补偿低于0g的加速度；和
“c”表示与所述对数函数相关联的偏移量。
8.根据权利要求7所述的装置，其中：
a(m)＝4.66*m-76.60；并且
c(m)＝24.98*m-566.83。
9.根据权利要求7或8所述的装置，其中，所述对数函数的斜率包括受试
者身体质量的线性函数。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的装置，其中，所述系数b设为1。
11.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中，由所述处理器提供的所
述反作用力基本上相当于由AMTI测力板测得的地面反作用力。
12.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述至少一个惯性传感
器包括加速度计。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述加速度计适于沿着一个或多
个正交的轴来测量加速度。
14.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述哺乳动物的身体或
身体部位包括腿部，并且所述装置适于监测与施加到所述腿部上的力相关联的加
速度分量。
15.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中，各个加速度传感器均施
加到所述哺乳动物的腿部上。
16.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其中，每个惯性传感器包括用
于将模拟数据转换成数字域的模数转换器。
17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述模数转换器配置为将来自所
述加速度传感器的模拟输出转换...

【专利技术属性】
技术研发人员：丹尼尔·马修·朗奇，安德鲁·詹姆斯·朗奇，埃德加·查理，阿坎克沙·驰卡拉，胡文正，
申请(专利权)人：多萨威澳大利亚私人有限公司，
类型：发明
国别省市：澳大利亚;AU