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【摘要】：为了测定不同年龄段人群平路行走、上下坡行走、上下楼梯、坐下起立、时足底压力的变化，建立人体步态行走数据库。
【关键词】：压力传感器；压力值；压力点
一.设计方案及传感器选型
压力鞋垫作为测量足底压力值及反映足底压力变化曲线的一种装置，为确保其精确度其各部分皆为定制尺寸，本体结构如上图所述，最上层为泡沫鞋垫层，放置在鞋子底部时不易左右滑动，且测量足底压力时与脚底板直接接触，舒适性较好；往下为传感器层用于固定传感器；再往下为1mm厚橡胶垫层，用于引线至下层的导线层布线；最后一层为0.5mm厚橡胶垫层，作为鞋垫最底面，将导线层盖住，避免导线的窜动。
综上所述，由于各部分皆为定制尺寸，制作时成本较高且个部分获取难度较大，制作时间周期也相对较长，工序繁琐。为简化制作工序、制作周期、降低成本且能同时保证其精确度，我们采取了以下做法：
1.根据志愿者的鞋子尺寸，取用普通的泡沫鞋垫。其舒适性高且获取难度低放置在鞋底时不易窜动；
2.中间层为3M自粘橡胶条，通过下图的分析确定前脚掌及后脚跟部分受力最大的点并建立平面直角坐标系准确定位該点，由于其周围受力点所受压力值均小于此点，所以此点所受的压力值为峰值。将传感器的传感区域中心点与该点对应，如下图，并沿着传感器外圈轮廓划线向下挖1mm的槽用于放置传感器避免人行走时传感器受挤压滑动而影响所测量的压力值的精确度，并且在传感器弯折时可以起到缓冲的作用。用导线将传感器连接好后导线从足中处引出，沿着导线轮廓也向下挖1mm的槽用于下沉导线更加安全舒适。
3.最下层用2mm的硅胶板粘合
上述制作步骤简洁，所需材料要求简单，制作周期短且更加实用有效。出线部位更加符合人体构造，压力值的测量精度相对较高。
压力传感器是感应特定的物理量，然后根据规律将其转化为可用输出信号的器件。薄膜压力传感器的主要功能部件是由柔软，含有超弹性硅橡胶弹性体微通道填充有液体金属合金的薄结构。为了能够更加准确的测量足底压力变化值及反映足底压力变化曲线，我们分析了以下三类薄膜压力传感器：
1.电容式薄膜压力传感器：柔软耐用，自身较厚以至于鞋垫成品厚度较大，且信号处理及电路设计较为繁琐；
2.压电式薄膜压力传感器：输出信号较弱，容易受外界环境因素干扰，处理难度较大；
3.电阻式薄膜压力传感器：测量精度高、面积小、厚度薄，信号处理简单；
综上所述，通过比较三类薄膜压力传感器的优缺点，充分考虑后我们选择使用电阻式薄膜压力传感器，其综合性能好，操作控制简单。
二.材料及工量具准备
①耗材：普通泡沫鞋垫、3M自粘橡胶条、2mm硅胶板、双面胶、导线、薄膜压力传感器、焊锡丝
②工具：剪刀、直尺、电烙铁、美工刀、2B铅笔
三.具体加工工艺过程
1）.材料、设备的准备
2）.橡胶条、硅胶板的粘合
3）.依照鞋垫样式裁剪
4）.传感器的安装、开槽、布线、接线
5）.鞋垫粘合、余边修剪
四.实际制作过程
1.将制作压力传感鞋垫的普通泡沫鞋垫、3M自粘橡胶条、2mm硅胶板、双面胶、导线、薄膜压力传感器、焊锡丝等材料分类整理完毕后放置在整洁的桌面上，再将事先准备好的剪刀、直尺、美工刀、2B铅笔等工具放置再另一排，将电烙铁插上电源放置在支架上预热备用。
2.用直尺仔细测量42码普通泡沫鞋垫的最大尺寸（长和宽），根据直尺所测量出来的最大尺寸用2B铅笔以其中的一个竖直面为基准划线裁剪出一个长方体。先将3M自粘橡胶条的一侧粘纸撕开对准之前所裁2mm硅胶板的基准面黏贴上去，重复此步骤，直至将所裁的2mm硅胶板的长方体上表面铺满，之后以基准面的垂面为另一基准裁剪3M自粘橡胶条使橡胶条刚刚好完全覆盖的2mm硅胶板所裁长方体的上表面。
3.将鞋垫以后脚跟为基准附在粘好的2mm硅胶板所裁长方体的上表面，与上表面较短边对其，整体对齐对正后用力按住再用2B鉛笔沿着鞋垫轮廓划线，取下鞋垫，用剪刀沿着用2B铅笔画好的轮廓线进行裁剪，裁剪完成后再用美工刀进行余料修剪，直至裁剪成能与42码普通泡沫鞋垫下底面完美贴合。
4.为了防止足底薄膜压力传感器在不同年龄段志愿者测试行走时多次弯折而损毁，我们在原先放置薄膜压力传感器的位置沿着外圈轮廓线（感应区以下）往下挖1mm的槽，给予其弯折延展的空间，改善薄膜压力传感器的工作环境，进而使测量的数据更加精准，有效的减少误差。连接时将待焊接元件蘸上松香用事先预热的电烙铁和焊锡丝压在其上转动元件（导线和足底电阻式薄膜压力传感器）使其均匀的镀上一层很薄的锡层，焊接时操作准确无误即可。待导线与薄膜压力传感器焊接完毕后将鞋垫前后两端薄膜压力传感器的导线布置在足中凹陷处出线，有利于布线，待确定完毕布线路径后用美工刀沿着导线向下挖1mm的槽，使导线可以嵌在压力传感鞋垫间，利于空间的有效利用，最后将导线拧成一股从足中凹陷处（即脚外侧）引出，完成布线需求。
5.将按以上步骤布置好的鞋垫进行粘合，在黑色橡胶条的上表面铺满双面胶，将双面胶上层封纸撕开后再将泡沫鞋垫位置对齐粘合上去，用力压紧，直至两部分充分固定在一起，最后再用美工刀修缮，完成足底薄膜压力传感鞋垫的制作。
五.实验样品测试及改进
将配套的鞋垫塞入志愿者的鞋子中，调试好各部位的仪器进行实际测试。足底压力变化曲线呈周期性变化，其实际值在理论值的误差允许变动范围内。
在实际数据测量的后期，发现足底压力变化曲线不再呈周期性变化，且足底压力反馈值断断续续，测量结束后发现薄膜压力传感器已经损坏。
原因分析：由于薄膜压力传感器用双面胶粘附在3M自粘橡胶条及普通泡沫鞋垫之间，在人行走时压力加大使得双面胶与薄膜压力传感器接触更加充分，两者之间的粘合更加紧凑，另一边（3M自粘橡胶条与薄膜压力传感器部分）同理，最终导致薄膜压力传感器被扯开，失去作用。
改进方法：在3M自粘橡胶条与薄膜压力传感器接触部分加一片很薄的同感应区域大小类似的铁片，使其只有一面被粘合完全，从而加长压力鞋垫中薄膜压力传感器的使用寿命。
参考文献：
[1]金曼，丁辛，甘以明，等.穿戴式足底压力测量技术的研发与进展[J].纺织学报，2011（1）：145-148.
[2]段飞.双足机器人足底压力测量传感系统的研究[D].哈尔滨工业大学，2014.
作者简介：龚仁斌（1997.05-），男，汉族，浙江龙游人，学生，本科，就读于宁波大红鹰学院机械设计制造及其自动化专业。
【关键词】：压力传感器；压力值；压力点
一.设计方案及传感器选型
压力鞋垫作为测量足底压力值及反映足底压力变化曲线的一种装置，为确保其精确度其各部分皆为定制尺寸，本体结构如上图所述，最上层为泡沫鞋垫层，放置在鞋子底部时不易左右滑动，且测量足底压力时与脚底板直接接触，舒适性较好；往下为传感器层用于固定传感器；再往下为1mm厚橡胶垫层，用于引线至下层的导线层布线；最后一层为0.5mm厚橡胶垫层，作为鞋垫最底面，将导线层盖住，避免导线的窜动。
综上所述，由于各部分皆为定制尺寸，制作时成本较高且个部分获取难度较大，制作时间周期也相对较长，工序繁琐。为简化制作工序、制作周期、降低成本且能同时保证其精确度，我们采取了以下做法：
1.根据志愿者的鞋子尺寸，取用普通的泡沫鞋垫。其舒适性高且获取难度低放置在鞋底时不易窜动；
2.中间层为3M自粘橡胶条，通过下图的分析确定前脚掌及后脚跟部分受力最大的点并建立平面直角坐标系准确定位該点，由于其周围受力点所受压力值均小于此点，所以此点所受的压力值为峰值。将传感器的传感区域中心点与该点对应，如下图，并沿着传感器外圈轮廓划线向下挖1mm的槽用于放置传感器避免人行走时传感器受挤压滑动而影响所测量的压力值的精确度，并且在传感器弯折时可以起到缓冲的作用。用导线将传感器连接好后导线从足中处引出，沿着导线轮廓也向下挖1mm的槽用于下沉导线更加安全舒适。
3.最下层用2mm的硅胶板粘合
上述制作步骤简洁，所需材料要求简单，制作周期短且更加实用有效。出线部位更加符合人体构造，压力值的测量精度相对较高。
压力传感器是感应特定的物理量，然后根据规律将其转化为可用输出信号的器件。薄膜压力传感器的主要功能部件是由柔软，含有超弹性硅橡胶弹性体微通道填充有液体金属合金的薄结构。为了能够更加准确的测量足底压力变化值及反映足底压力变化曲线，我们分析了以下三类薄膜压力传感器：
1.电容式薄膜压力传感器：柔软耐用，自身较厚以至于鞋垫成品厚度较大，且信号处理及电路设计较为繁琐；
2.压电式薄膜压力传感器：输出信号较弱，容易受外界环境因素干扰，处理难度较大；
3.电阻式薄膜压力传感器：测量精度高、面积小、厚度薄，信号处理简单；
综上所述，通过比较三类薄膜压力传感器的优缺点，充分考虑后我们选择使用电阻式薄膜压力传感器，其综合性能好，操作控制简单。
二.材料及工量具准备
①耗材：普通泡沫鞋垫、3M自粘橡胶条、2mm硅胶板、双面胶、导线、薄膜压力传感器、焊锡丝
②工具：剪刀、直尺、电烙铁、美工刀、2B铅笔
三.具体加工工艺过程
1）.材料、设备的准备
2）.橡胶条、硅胶板的粘合
3）.依照鞋垫样式裁剪
4）.传感器的安装、开槽、布线、接线
5）.鞋垫粘合、余边修剪
四.实际制作过程
1.将制作压力传感鞋垫的普通泡沫鞋垫、3M自粘橡胶条、2mm硅胶板、双面胶、导线、薄膜压力传感器、焊锡丝等材料分类整理完毕后放置在整洁的桌面上，再将事先准备好的剪刀、直尺、美工刀、2B铅笔等工具放置再另一排，将电烙铁插上电源放置在支架上预热备用。
2.用直尺仔细测量42码普通泡沫鞋垫的最大尺寸（长和宽），根据直尺所测量出来的最大尺寸用2B铅笔以其中的一个竖直面为基准划线裁剪出一个长方体。先将3M自粘橡胶条的一侧粘纸撕开对准之前所裁2mm硅胶板的基准面黏贴上去，重复此步骤，直至将所裁的2mm硅胶板的长方体上表面铺满，之后以基准面的垂面为另一基准裁剪3M自粘橡胶条使橡胶条刚刚好完全覆盖的2mm硅胶板所裁长方体的上表面。
3.将鞋垫以后脚跟为基准附在粘好的2mm硅胶板所裁长方体的上表面，与上表面较短边对其，整体对齐对正后用力按住再用2B鉛笔沿着鞋垫轮廓划线，取下鞋垫，用剪刀沿着用2B铅笔画好的轮廓线进行裁剪，裁剪完成后再用美工刀进行余料修剪，直至裁剪成能与42码普通泡沫鞋垫下底面完美贴合。
4.为了防止足底薄膜压力传感器在不同年龄段志愿者测试行走时多次弯折而损毁，我们在原先放置薄膜压力传感器的位置沿着外圈轮廓线（感应区以下）往下挖1mm的槽，给予其弯折延展的空间，改善薄膜压力传感器的工作环境，进而使测量的数据更加精准，有效的减少误差。连接时将待焊接元件蘸上松香用事先预热的电烙铁和焊锡丝压在其上转动元件（导线和足底电阻式薄膜压力传感器）使其均匀的镀上一层很薄的锡层，焊接时操作准确无误即可。待导线与薄膜压力传感器焊接完毕后将鞋垫前后两端薄膜压力传感器的导线布置在足中凹陷处出线，有利于布线，待确定完毕布线路径后用美工刀沿着导线向下挖1mm的槽，使导线可以嵌在压力传感鞋垫间，利于空间的有效利用，最后将导线拧成一股从足中凹陷处（即脚外侧）引出，完成布线需求。
5.将按以上步骤布置好的鞋垫进行粘合，在黑色橡胶条的上表面铺满双面胶，将双面胶上层封纸撕开后再将泡沫鞋垫位置对齐粘合上去，用力压紧，直至两部分充分固定在一起，最后再用美工刀修缮，完成足底薄膜压力传感鞋垫的制作。
五.实验样品测试及改进
将配套的鞋垫塞入志愿者的鞋子中，调试好各部位的仪器进行实际测试。足底压力变化曲线呈周期性变化，其实际值在理论值的误差允许变动范围内。
在实际数据测量的后期，发现足底压力变化曲线不再呈周期性变化，且足底压力反馈值断断续续，测量结束后发现薄膜压力传感器已经损坏。
原因分析：由于薄膜压力传感器用双面胶粘附在3M自粘橡胶条及普通泡沫鞋垫之间，在人行走时压力加大使得双面胶与薄膜压力传感器接触更加充分，两者之间的粘合更加紧凑，另一边（3M自粘橡胶条与薄膜压力传感器部分）同理，最终导致薄膜压力传感器被扯开，失去作用。
改进方法：在3M自粘橡胶条与薄膜压力传感器接触部分加一片很薄的同感应区域大小类似的铁片，使其只有一面被粘合完全，从而加长压力鞋垫中薄膜压力传感器的使用寿命。
参考文献：
[1]金曼，丁辛，甘以明，等.穿戴式足底压力测量技术的研发与进展[J].纺织学报，2011（1）：145-148.
[2]段飞.双足机器人足底压力测量传感系统的研究[D].哈尔滨工业大学，2014.
作者简介：龚仁斌（1997.05-），男，汉族，浙江龙游人，学生，本科，就读于宁波大红鹰学院机械设计制造及其自动化专业。