足底壓力傳感鞋墊制作

【摘要】：為了測定不同年齡段人群平路行走、上下坡行走、上下樓梯、坐下起立、時足底壓力的變化，建立人體步態行走數據庫。

【關鍵詞】：壓力傳感器；壓力值；壓力點

一.設計方案及傳感器選型

壓力鞋墊作為測量足底壓力值及反映足底壓力變化曲線的一種裝置，為確保其精確度其各部分皆為定制尺寸，本體結構如上圖所述，最上層為泡沫鞋墊層，放置在鞋子底部時不易左右滑動，且測量足底壓力時與腳底板直接接觸，舒適性較好；往下為傳感器層用于固定傳感器；再往下為1mm厚橡膠墊層，用于引線至下層的導線層布線；最后一層為0.5mm厚橡膠墊層，作為鞋墊最底面，將導線層蓋住，避免導線的竄動。

綜上所述，由于各部分皆為定制尺寸，制作時成本較高且個部分獲取難度較大，制作時間周期也相對較長，工序繁瑣。為簡化制作工序、制作周期、降低成本且能同時保證其精確度，我們采取了以下做法：

1.根據志愿者的鞋子尺寸，取用普通的泡沫鞋墊。其舒適性高且獲取難度低放置在鞋底時不易竄動；

2.中間層為3M自粘橡膠條，通過下圖的分析確定前腳掌及后腳跟部分受力最大的點并建立平面直角坐標系準確定位該點，由于其周圍受力點所受壓力值均小于此點，所以此點所受的壓力值為峰值。將傳感器的傳感區域中心點與該點對應，如下圖，并沿著傳感器外圈輪廓劃線向下挖1mm的槽用于放置傳感器避免人行走時傳感器受擠壓滑動而影響所測量的壓力值的精確度，并且在傳感器彎折時可以起到緩沖的作用。用導線將傳感器連接好后導線從足中處引出，沿著導線輪廓也向下挖1mm的槽用于下沉導線更加安全舒適。

3.最下層用2mm的硅膠板粘合

上述制作步驟簡潔，所需材料要求簡單，制作周期短且更加實用有效。出線部位更加符合人體構造，壓力值的測量精度相對較高。

壓力傳感器是感應特定的物理量，然后根據規律將其轉化為可用輸出信號的器件。薄膜壓力傳感器的主要功能部件是由柔軟，含有超彈性硅橡膠彈性體微通道填充有液體金屬合金的薄結構。為了能夠更加準確的測量足底壓力變化值及反映足底壓力變化曲線，我們分析了以下三類薄膜壓力傳感器：

1.電容式薄膜壓力傳感器：柔軟耐用，自身較厚以至于鞋墊成品厚度較大，且信號處理及電路設計較為繁瑣；

2.壓電式薄膜壓力傳感器：輸出信號較弱，容易受外界環境因素干擾，處理難度較大；

3.電阻式薄膜壓力傳感器：測量精度高、面積小、厚度薄，信號處理簡單；

綜上所述，通過比較三類薄膜壓力傳感器的優缺點，充分考慮后我們選擇使用電阻式薄膜壓力傳感器，其綜合性能好，操作控制簡單。

二.材料及工量具準備

①耗材：普通泡沫鞋墊、3M自粘橡膠條、2mm硅膠板、雙面膠、導線、薄膜壓力傳感器、焊錫絲

②工具：剪刀、直尺、電烙鐵、美工刀、2B鉛筆

三.具體加工工藝過程

1）.材料、設備的準備

2）.橡膠條、硅膠板的粘合

3）.依照鞋墊樣式裁剪

4）.傳感器的安裝、開槽、布線、接線

5）.鞋墊粘合、余邊修剪

四.實際制作過程

1.將制作壓力傳感鞋墊的普通泡沫鞋墊、3M自粘橡膠條、2mm硅膠板、雙面膠、導線、薄膜壓力傳感器、焊錫絲等材料分類整理完畢后放置在整潔的桌面上，再將事先準備好的剪刀、直尺、美工刀、2B鉛筆等工具放置再另一排，將電烙鐵插上電源放置在支架上預熱備用。

2.用直尺仔細測量42碼普通泡沫鞋墊的最大尺寸（長和寬），根據直尺所測量出來的最大尺寸用2B鉛筆以其中的一個豎直面為基準劃線裁剪出一個長方體。先將3M自粘橡膠條的一側粘紙撕開對準之前所裁2mm硅膠板的基準面黏貼上去，重復此步驟，直至將所裁的2mm硅膠板的長方體上表面鋪滿，之后以基準面的垂面為另一基準裁剪3M自粘橡膠條使橡膠條剛剛好完全覆蓋的2mm硅膠板所裁長方體的上表面。

3.將鞋墊以后腳跟為基準附在粘好的2mm硅膠板所裁長方體的上表面，與上表面較短邊對其，整體對齊對正后用力按住再用2B鉛筆沿著鞋墊輪廓劃線，取下鞋墊，用剪刀沿著用2B鉛筆畫好的輪廓線進行裁剪，裁剪完成后再用美工刀進行余料修剪，直至裁剪成能與42碼普通泡沫鞋墊下底面完美貼合。

4.為了防止足底薄膜壓力傳感器在不同年齡段志愿者測試行走時多次彎折而損毀，我們在原先放置薄膜壓力傳感器的位置沿著外圈輪廓線（感應區以下）往下挖1mm的槽，給予其彎折延展的空間，改善薄膜壓力傳感器的工作環境，進而使測量的數據更加精準，有效的減少誤差。連接時將待焊接元件蘸上松香用事先預熱的電烙鐵和焊錫絲壓在其上轉動元件（導線和足底電阻式薄膜壓力傳感器）使其均勻的鍍上一層很薄的錫層，焊接時操作準確無誤即可。待導線與薄膜壓力傳感器焊接完畢后將鞋墊前后兩端薄膜壓力傳感器的導線布置在足中凹陷處出線，有利于布線，待確定完畢布線路徑后用美工刀沿著導線向下挖1mm的槽，使導線可以嵌在壓力傳感鞋墊間，利于空間的有效利用，最后將導線擰成一股從足中凹陷處（即腳外側）引出，完成布線需求。

5.將按以上步驟布置好的鞋墊進行粘合，在黑色橡膠條的上表面鋪滿雙面膠，將雙面膠上層封紙撕開后再將泡沫鞋墊位置對齊粘合上去，用力壓緊，直至兩部分充分固定在一起，最后再用美工刀修繕，完成足底薄膜壓力傳感鞋墊的制作。

五.實驗樣品測試及改進

將配套的鞋墊塞入志愿者的鞋子中，調試好各部位的儀器進行實際測試。足底壓力變化曲線呈周期性變化，其實際值在理論值的誤差允許變動范圍內。

在實際數據測量的后期，發現足底壓力變化曲線不再呈周期性變化，且足底壓力反饋值斷斷續續，測量結束后發現薄膜壓力傳感器已經損壞。

原因分析：由于薄膜壓力傳感器用雙面膠粘附在3M自粘橡膠條及普通泡沫鞋墊之間，在人行走時壓力加大使得雙面膠與薄膜壓力傳感器接觸更加充分，兩者之間的粘合更加緊湊，另一邊（3M自粘橡膠條與薄膜壓力傳感器部分）同理，最終導致薄膜壓力傳感器被扯開，失去作用。

改進方法：在3M自粘橡膠條與薄膜壓力傳感器接觸部分加一片很薄的同感應區域大小類似的鐵片，使其只有一面被粘合完全，從而加長壓力鞋墊中薄膜壓力傳感器的使用壽命。

參考文獻：

[1]金曼，丁辛，甘以明，等.穿戴式足底壓力測量技術的研發與進展[J].紡織學報，2011（1）：145-148.

[2]段飛.雙足機器人足底壓力測量傳感系統的研究[D].哈爾濱工業大學，2014.

作者簡介：龔仁斌（1997.05-），男，漢族，浙江龍游人，學生，本科，就讀于寧波大紅鷹學院機械設計制造及其自動化專業。