用于測(cè)量反作用力的方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于測(cè)量和/或估計(jì)反作用力的方法和裝置。反作用力包括在例如步行、跑步、疾跑、跳行、著陸和/或跳躍的活動(dòng)過(guò)程中哺乳動(dòng)物的肢體(諸如人的足部)碰撞或撞擊表面時(shí)所經(jīng)受的地面反作用力(GRF)。
[0002]本發(fā)明的方法和裝置可用于比較由測(cè)力板所測(cè)量的地面反作用力與由設(shè)置在哺乳動(dòng)物身體上的傳感器所測(cè)量的地面反作用力。
【背景技術(shù)】
[0003]在諸如康復(fù)、運(yùn)動(dòng)評(píng)估以及工作場(chǎng)地的設(shè)計(jì)及施工等涉及對(duì)地面反作用力的測(cè)量與估計(jì)的許多應(yīng)用中，通過(guò)得知肢體或身體部位在與表面碰撞時(shí)作用在肢體或身體部位上的力(或多個(gè)力)，可以提高對(duì)活動(dòng)的評(píng)估能力。這是因?yàn)?，在碰撞過(guò)程中作用在肢體、關(guān)節(jié)或身體部位上的過(guò)大的力可能導(dǎo)致肢體、關(guān)節(jié)或身體部位的受傷和/或損傷。通過(guò)知道作用在肢體、關(guān)節(jié)或身體部位上的力(或多個(gè)力)還能夠計(jì)算各個(gè)力之間的對(duì)稱性/不對(duì)稱性。在一項(xiàng)研宄中，不對(duì)稱性指標(biāo)是與受傷風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)聯(lián)的。
[0004]例如，當(dāng)哺乳動(dòng)物的肢體或身體部位(例如足部)與諸如地面的相對(duì)硬的表面碰撞時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)多種機(jī)械性和/或生理性和/或生物力學(xué)性變化。在機(jī)械/生物力學(xué)方面，在碰撞期間所施加的力會(huì)導(dǎo)致參與碰撞的肢體或身體部位的一部位突然錯(cuò)位，這會(huì)對(duì)哺乳動(dòng)物的肢體或身體部位的結(jié)構(gòu)造成外部和/或內(nèi)部損傷。
[0005]某些表面可能相對(duì)更具彈性，并且不同的表面會(huì)使肢體、關(guān)節(jié)或身體部位經(jīng)受不同的力。類似地，不同的跑步技術(shù)、不同的速度、不同的鞋、步態(tài)模式也可能影響身體部位所經(jīng)受的力。也可以在整個(gè)身體(例如，哺乳動(dòng)物的身體)著陸于水面或雪面時(shí)對(duì)力進(jìn)行測(cè)量。這意味著對(duì)投落在雪面上的跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行評(píng)估。在一個(gè)示例中，可以針對(duì)工人的用來(lái)碰撞表面以幫助對(duì)準(zhǔn)部件的手腕/手來(lái)對(duì)力進(jìn)行測(cè)量，例如，車輛裝配工人擊打模具組件以推其入位的做法就存在評(píng)估工傷的潛在可能。
[0006]傳統(tǒng)上，通過(guò)Advanced Mechanical Technical有限公司(AMTI)制造的測(cè)力平臺(tái)或測(cè)力板來(lái)對(duì)地面反作用力進(jìn)行測(cè)量。該測(cè)量已被用于量化地面反作用力(GRF)、平衡性、步態(tài)和/或其他的生物力學(xué)參數(shù)。這種測(cè)量在諸如醫(yī)藥和運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用領(lǐng)域中頗為有用。然而，由于通常不允許在實(shí)驗(yàn)室以外或嚴(yán)格控制的配置環(huán)境以外將測(cè)力平臺(tái)用于生物力學(xué)參數(shù)的綜合測(cè)量，因此這種測(cè)量目前僅限于實(shí)驗(yàn)室條件。在某些專業(yè)跑步機(jī)上可獲得測(cè)力板數(shù)據(jù)，但是由于地面在受試者下方一直移動(dòng)，由此從根本上改變了跑步力量。這些跑步機(jī)還不能提供對(duì)不同的地形、斜坡、彎度(等)上的力的測(cè)量能力。
[0007]本發(fā)明可以減輕現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，和/或提高GRF數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和/或有效性和/或功能性和/或可用性。本發(fā)明還可以提供一種能在幾乎任何配置環(huán)境、野外現(xiàn)場(chǎng)對(duì)力數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量的能力。
[0008]這里，對(duì)以現(xiàn)有技術(shù)給出的專利文獻(xiàn)或其他主題的引用不視為是承認(rèn):截止到本文的任何公開(kāi)內(nèi)容或權(quán)利要求的優(yōu)先權(quán)日，該文獻(xiàn)或主題在澳大利亞或其他地區(qū)是公知的，或者其中所含的信息在澳大利亞或其他地區(qū)屬于知常識(shí)的一部分。在本說(shuō)明書(shū)中包含此類有關(guān)現(xiàn)有技術(shù)的討論是用于根據(jù)本發(fā)明人的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)對(duì)本發(fā)明的上下文進(jìn)行闡述。
[0009]在本文的說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)中，詞語(yǔ)“包括”或“包含”以及這些詞的變型，例如“具有”、“含有”和“設(shè)有”或“有”，并不旨在排除其他添加項(xiàng)、部件、整數(shù)或步驟。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種用于監(jiān)測(cè)、測(cè)量和/或估計(jì)施加在脊椎哺乳動(dòng)物的身體或身體部位上的力的裝置，所述裝置包括:
[0011]加速度傳感器，其用于測(cè)量所述身體或身體部位相對(duì)于基準(zhǔn)慣性系的加速度，并且用于提供表示所述加速度的數(shù)據(jù)，其中所述加速度傳感器包括至少一個(gè)慣性傳感器；
[0012]存儲(chǔ)裝置，其用于存儲(chǔ)所述數(shù)據(jù)；和
[0013]處理器，其適于處理所述數(shù)據(jù)以估計(jì)與所述數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的反作用力。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于監(jiān)測(cè)、測(cè)量和/或估計(jì)施加在脊椎哺乳動(dòng)物的身體或身體部位上的力的方法，所述方法包括:
[0015]使用至少一個(gè)慣性傳感器來(lái)測(cè)量所述身體或身體部位相對(duì)于基準(zhǔn)慣性系的加速度，并提供表示所述加速度的數(shù)據(jù)；
[0016]將所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)裝置中；以及
[0017]由處理器處理所述數(shù)據(jù)，以估計(jì)出與所述數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的反作用力。
[0018]所述處理器可配置為執(zhí)行用于評(píng)估反作用力的算法。所述算法適于促使所述處理器基于一個(gè)或多個(gè)相關(guān)分量來(lái)估計(jì)反作用力，所述相關(guān)分量包括與所述身體或身體部位相關(guān)聯(lián)的質(zhì)量、速度和/或速率。
[0019]所述處理器可配置為能根據(jù)關(guān)系函數(shù)(例如，加速度數(shù)據(jù)與反作用力之間的非線性關(guān)系函數(shù))來(lái)處理所述數(shù)據(jù)。所述關(guān)系函數(shù)可以大致呈對(duì)數(shù)，并且可包括一個(gè)或多個(gè)校準(zhǔn)系數(shù)。所述處理器可適于通過(guò)均衡所述一個(gè)或多個(gè)校準(zhǔn)系數(shù)來(lái)處理所述數(shù)據(jù)。
[0020]在一種實(shí)施例中，所述處理器適于根據(jù)以下等式來(lái)提供與反作用力的相關(guān)性GRFpeak (acc, m):
[0021]GRFpeak (acc, m) = a (m) * [1g2 (acc+b) ] +c (m)
[0022]其中:
[0023]m表示哺乳動(dòng)物受試者的質(zhì)量；
[0024]acc表示由加速度傳感器或慣性傳感器所測(cè)量的加速度數(shù)據(jù)；
[0025]“a”表示對(duì)數(shù)函數(shù)的斜率；
[0026]“b”為固定系數(shù)，用以補(bǔ)償?shù)陀贠g的加速度；和
[0027]“c”表示與所述對(duì)數(shù)函數(shù)相關(guān)聯(lián)的偏移量。
[0028]在一個(gè)形式中，a(m)= 4.66*m_76.60 ;并且 c (m) = 24.98*m_566.83。所述對(duì)數(shù)函數(shù)的斜率可包括受試者身體質(zhì)量的線性函數(shù)。在一種形式中，系數(shù)b可設(shè)為I。在一種形式中，偏移量c可包括身體質(zhì)量的線性函數(shù)。
[0029]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，由所述處理器提供的反作用力基本上堪比或等同于由AMTI測(cè)力板測(cè)得的地面反作用力。
[0030]所述至少一個(gè)慣性傳感器可包括加速度計(jì)。所述加速度計(jì)適于沿著一個(gè)或多個(gè)正交軸來(lái)測(cè)量加速度。
[0031]哺乳動(dòng)物受試者的身體包括諸如腿部的四肢，并且在一個(gè)應(yīng)用中，所述裝置適于監(jiān)測(cè)與施加到腿部上的力相關(guān)聯(lián)的加速度分量。各個(gè)加速度傳感器都可以施加到哺乳動(dòng)物的腿部上。
[0032]在其他應(yīng)用中，所述裝置適于監(jiān)測(cè)與施加到諸如臂部(或雙臂)的其他肢體上的力相關(guān)聯(lián)的加速度分量，或監(jiān)測(cè)與施加到整個(gè)身體上的力相關(guān)聯(lián)的加速度分量。在這些情況下，可以將所述加速度傳感器施加到臂部(或雙臂)上，或者施加到身體上的適于監(jiān)測(cè)整個(gè)身體的加速度的合適位置上。
[0033]每個(gè)慣性傳感器可以包括用于將模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字域的模數(shù)(AD)轉(zhuǎn)換器，或者與該AD轉(zhuǎn)換器相關(guān)聯(lián)。所述AD轉(zhuǎn)換器可配置為能將來(lái)自所述加速度傳感器的模擬輸出轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，之后存儲(chǔ)所述數(shù)據(jù)。
[0034]本發(fā)明可以包括適于在碰撞過(guò)程中監(jiān)測(cè)作用在哺乳動(dòng)物的肢體或身體部位上的力(或多個(gè)力)的裝置。本發(fā)明還可包括利用來(lái)自所述裝置的數(shù)據(jù)來(lái)確定在碰撞過(guò)程中作用在哺乳動(dòng)物的肢體或身體部位上的力(或多個(gè)力)的方法。所述裝置可包括能設(shè)置在肢體(例如，人類受試者的腿部或雙腿)上的傳感器，以及用于測(cè)和/或確定在例如步行、跑步、疾跑、跳行、著陸和/或跳躍的活動(dòng)過(guò)程中足部碰撞表面所經(jīng)受的地面反作用力和/或撞擊力的硬件和/或軟件。所述裝置可包括數(shù)字處理引擎和用于處理變量(例如，受試者體重或質(zhì)量、包括步態(tài)模式在內(nèi)的運(yùn)動(dòng)模式、和/或表面的類型)的一個(gè)或多個(gè)算法，以更精確地確定地面反作用力