一种带踝关节角度自矫正功能的步态相位检测装置

1.一种带踝关节角度自矫正功能的步态相位检测装置，其特征是包括小腿固定机构、踝关节角度控制机构、踝关节角度测量机构和足底压力测量机构：
小腿固定机构包括长度可调的小腿绑带(1)和内、外侧两块小腿夹板(16-1、16-2)，小腿绑带(1)的一端与一块小腿夹板的外侧固定，另一端为长度调节自由端，在两块小腿夹板的内表面分别粘附有弹性衬垫(17)；
踝关节角度控制机构包括电机(2)、工字形连接件(3)、踝关节第一转动件(4)和由第一支撑杆(5)、第二支撑杆(7)以及一字形螺栓螺母组合(6)构成的高度可调的支撑杆，踝关节第一转动件(4)的两面分别与外侧小腿夹板(16-2)和工字形连接件(3)的一端固连，电机(2)外壳与工字形连接件(3)的另一端固连，电机(2)转动轴上的法兰与第一支撑杆(5)的一面固定，第一支撑杆(5)的另一面设有轴，该轴通过滚动轴承与踝关节第一转动件(4)构成踝关节旋转副，第二支撑杆(7)的端部与足底压力测量鞋(8)固连；
踝关节角度测量机构包括踝关节第二转动件(15)、法兰形连接件(14)、∏形连接件(12)、角度传感器(13)和由第三支撑杆(11)、第四支撑杆(9)以及一字形螺栓螺母组合(10)构成的高度可调的支撑杆，踝关节第二转动件(15)的两面分别与内侧小腿夹板(16-1)和∏形连接件(12)开口端固定，法兰形连接件(14)与∏形连接件(12)的底面固连，角度传感器(13)壳体与法兰形连接件(14)固定，第三支撑杆(11)的一面设有盲孔，角度传感器(13)的转动轴与该盲孔构成型面连接，第三支撑杆(11)的另一面设有轴，该轴通过滚动轴承与踝关节第二转动件(15)构成踝关节旋转副，第四支撑杆(9)与足底压力测量鞋(8)固连；
足底压力测量机构包括足底压力测量鞋(8)、四个压力传感器(18)(19)(20)(21)，四个压力传感器(18)(19)(20)(21)分别位于大脚趾、第1跖骨、第3-5跖骨和足跟部的位置。
2.根据权利要求1所述的带踝关节角度自矫正功能的步态相位检测装置，其特征是在踝关节第一转动件(4)和踝关节第二转动件(15)上分别设有机械限位凸块。

一种带踝关节角度自矫正功能的步态相位检测装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种带踝关节角度自矫正功能的步态相位检测装置，属于运动康复器械领域。\n背景技术\n[0002] 一组近乎完美的步态，允许人类能够轻松的、长时间的进行步行运动，Rancho Los Amigos gait analysis committee根据人类步态的关节角度和足底受力的特点，将人类步态分为8个相位，检测步态相位的方法已经出现了很多，但通常会存在以下问题：设备庞大、不能长期穿戴、代价高昂、适用人群不广。\n发明内容\n[0003] 本发明的目的是设计一种结构简单、使用方便、可在步行训练时穿戴的具有踝关节角度自矫正功能的步态相位检测装置。\n[0004] 本发明的带踝关节角度自矫正功能的步态相位检测装置，包括小腿固定机构、踝关节角度控制机构、踝关节角度测量机构和足底压力测量机构：\n[0005] 小腿固定机构包括长度可调的小腿绑带和内、外侧两块小腿夹板，小腿绑带的一端与一块小腿夹板的外侧固定，另一端为长度调节自由端，在两块小腿夹板的内表面分别粘附有弹性衬垫；\n[0006] 踝关节角度控制机构包括电机、工字形连接件、踝关节第一转动件和由第一支撑杆、第二支撑杆以及一字形螺栓螺母组合构成的高度可调的支撑杆，踝关节第一转动件的两面分别与外侧小腿夹板和工字形连接件固定，电机外壳与工字形连接件固连，电机轴上的法兰与第一支撑杆的一面固定，第一支撑杆的另一面设有轴，该轴通过滚动轴承与踝关节第一转动件构成踝关节旋转副，第二支撑杆的端部与足底压力测量鞋固连；\n[0007] 踝关节角度测量机构包括踝关节第二转动件、法兰形连接件、∏形连接件、角度传感器和由第三支撑杆、第四支撑杆以及一字形螺栓螺母组合构成的高度可调的支撑杆，[0008] 踝关节第二转动件的两面分别与内侧小腿夹板和∏形连接件开口端固定，法兰形连接件与∏形连接件的底面固连，角度传感器壳体与法兰形连接件固定，第三支撑杆的一面设有盲孔，角度传感器的转动轴与该盲孔构成型面连接，第三支撑杆的另一面设有轴，该轴通过滚动轴承与踝关节第二转动件构成踝关节旋转副，第四支撑杆的与足底压力测量鞋固连；\n[0009] 足底压力测量机构包括鞋、四个压力传感器，四个压力传感器分别位于大脚趾、第\n1跖骨、第3-5跖骨和足跟部的位置。\n[0010] 为了保证踝关节在正常的角度范围内活动，可在踝关节第一转动件和踝关节第二转动件上分别设置机械限位凸块。\n[0011] 使用时，使用者将本发明穿戴在脚上，利用绑带绑住小腿，根据踝关节位置调节支撑杆长度，踝关节角度转动的范围是根据医学数据库中正常人踝关节运动范围设定，依靠踝关节转动块的机械限位和踝关节角度测量机构以及控制机构的电气限位实现踝关节角度双重限位和保护。\n[0012] 对于足下垂病人，需使用踝关节角度自矫正功能，当病人进行减重步行训练，在下肢从支撑相末期(即只有脚尖触地)，向摆动相初期转换时，踝关节跖屈角最大，位于足底的4个压力传感器测得的压力值都为0，足下垂病人因为背屈的能力不足，导致足尖在地上拖曳现象的产生，造成踝关节受损，此时，电机带动踝关节背屈一定角度，保护踝关节并锻炼背屈能力，在摆动相末期向支撑态初期转换时，足下垂病人的前脚掌着地，比较激烈的冲击地面，伤害足部，此时，穿着本发明，踝关节呈一定的背屈角，后脚跟着地，保护足部安全着地，并且当位于脚后跟的压力传感器检测到压力信号时，电机停止工作，直至在下肢从支撑相末期(即只有脚尖触地)，向摆动相初期转换时，电机再开始工作。对于一般病人，可以不使用踝关节角度自矫正功能，在步行训练时，数据采集卡定时采集足底压力传感器的压力信号和角度传感器的角度信号，计算机现场显示足底4个部位随步行变化的压力值和踝关节转动的角度值，直接给使用者视觉反馈，使训练生动。压力信号经过上位机的模糊逻辑算法，区分各个时期的步态相位，供医生或训练师参考，根据正常步态，评价恢复的程度，并为后续训练方法的改进提供依据。\n[0013] 本发明装置结构简单，使用方便，具有踝关节角度自矫正功能，对于行走能力有缺陷的病人或者步态有一定畸形的正常人，穿戴本发明装置步行训练时，可以增强背屈能力，检测行走时的步态相位信息，为康复训练提供客观科学的评价和训练策略的参考。\n附图说明\n[0014] 图1是带踝关节角度自矫正功能的步态相位检测装置结构示意图；\n[0015] 图2是四个压力传感器在鞋上的分布示意图。\n具体实施方式\n[0016] 以下结合附图进一步说明本发明。\n[0017] 参照图1，本发明的带踝关节角度自矫正功能的步态相位检测装置，包括小腿固定机构、踝关节角度控制机构、踝关节角度测量机构和足底压力测量机构：\n[0018] 小腿固定机构包括长度可调的小腿绑带1和内、外侧两块小腿夹板16-1、16-2，小腿绑带1的一端与一块小腿夹板的外侧固定，另一端为长度调节自由端，在两块小腿夹板的内表面分别粘附有弹性衬垫17，这样，利用小腿绑带绑紧小腿，让使用者感觉柔软舒适。\n[0019] 踝关节角度控制机构包括电机2、工字形连接件3、踝关节第一转动件4和由第一支撑杆5、第二支撑杆7以及一字形螺栓螺母组合6构成的高度可调的支撑杆，踝关节第一转动件4的两面分别与外侧小腿夹板16-2和工字形连接件3的一端固连，电机2外壳与工字形连接件3的另一端固连，电机2转动轴上的法兰与第一支撑杆5的一面固定，第一支撑杆5的另一面设有轴，该轴通过滚动轴承与踝关节第一转动件4构成踝关节旋转副，第二支撑杆7的端部与足底压力测量鞋8固连。这样，小腿固定机构，踝关节角度控制机构和足底压力测量机构依次串行连接，可实现电机对踝关节背屈角度和跖屈角度的控制。\n[0020] 踝关节角度测量机构包括踝关节第二转动件15、法兰形连接件14、∏形连接件\n12、角度传感器13和由第三支撑杆11、第四支撑杆9以及一字形螺栓螺母组合10构成的高度可调的支撑杆，踝关节第二转动件15的两面分别与内侧小腿夹板16-1和∏形连接件\n12开口端固定，法兰形连接件14与∏形连接件12的底面固连，角度传感器13壳体与法兰形连接件14固定，第三支撑杆11的一面设有盲孔，角度传感器13的转动轴与该盲孔构成型面连接，第三支撑杆11的另一面设有轴，该轴通过滚动轴承与踝关节第二转动件15构成踝关节旋转副，第四支撑杆9的与足底压力测量鞋8固连。这样，小腿固定机构，踝关节角度测量机构和足底压力测量鞋依次串行连接，可以实现踝关节在背屈角度和跖屈角度的测量。\n[0021] 足底压力测量机构包括足底压力测量鞋8、四个压力传感器18、19、20、21，四个压力传感器18、19、20、21分别位于大脚趾、第1跖骨、第3-5跖骨和足跟部的位置(见图2)。\n[0022] 根据人类步态8个相位对应的足底各部位的压力模型，在模糊逻辑算法中建立模糊推理规则库，利用模糊产生器将4个位置定时测得的压力值映射到输入空间的模糊集合，去模糊化后解出隶属度值，对应得出下肢该时刻所处的相位。\n[0023] 为了在病人训练时保护使用者的踝关节，在踝关节转动关节的背屈和跖屈方向上均设有机械限位，角度参考正常人踝关节运动角度。踝关节角度测量机构在线测量踝关节转动角度反馈给控制机构，在角度超出限定后，角度控制机构实现踝关节角度恢复到初始位置。若病人进行减重行走，在下肢从支撑相末期(即只有脚尖触地)，向摆动相初期转换时，踝关节跖屈角最大，位于足底的4个压力传感器测得的压力值都为0，电机工作，带动踝关节背屈一定角度，保护踝关节并锻炼背屈能力，在摆动相末期向支撑态初期转换时，由于在前一状态踝关节呈一定的背屈角，后脚跟着地，保护足部安全着地，并且当位于脚后跟的压力传感器检测到压力信号时，电机停止工作，直至在下肢从支撑相末期(即只有脚尖触地)，向摆动相初期转换时，电机再开始工作，实现踝关节角度自矫正。