CN112807194A - 穿戴式下肢康复运动训练器 - Google Patents

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胡庆浩
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Abstract

本发明公开了一种穿戴式下肢康复运动训练器，包括：足垫组件，用于接触用户足底以检测用户的足底面的姿态；执行器，用于控制大腿支撑件与膝转接件的转动阻尼；控制器，用于根据足垫组件的检测数据控制执行器的控制器；足垫组件包括：足底垫，用于从患者的足底面支撑患者的脚；惯性传感器，用于检测用户的足底面的角度数据并将角度数据发送至控制器；多个压力传感器，用于检测患者足底面各处所受到的压力并将足底面的压力数据发送至控制器；控制器对接收到的角度数据和压力数据进行分析处理识别患者的足底面姿态。穿戴式下肢康复运动训练器能够根据步态信息精准控制执行器，进而提高穿戴式下肢康复运动训练器对患者的训练效果。

Description

穿戴式下肢康复运动训练器
技术领域
本发明涉及一种穿戴式下肢康复运动训练器。
背景技术
现有的下肢康复运动训练器仍采用较传统的电机+减速器+丝杠的方式，导致其重量大，耗电量大，续航能力低；且其造价成本高，仅适用于患者在特定的，专业的康复科室或机构使用。
同时，在控制方式方面，现有的方案对患者步态分相不够精确。患者步态往往不能与常人相比，通常表现为受累侧的支持时间短，受累侧无力支持患者整体重量，因此仅根据足底压力信号识别患者步态往往难以精准判断患者的实时步态相位。对此，专利《一种健壮的基于IMU的室内行人步态检测方法》描述的是适用于行人导航的步态检测算法，意在识别正常人于走动和跑步状态下的静止态度和摆动态，对于行走功能障碍患者的步态识别并不十分适用。
发明内容
本发明提供了一种穿戴式下肢康复运动训练器，采用如下的技术方案：
一种穿戴式下肢康复运动训练器，包括：小腿支撑件、膝转接件和大腿支撑板；小腿支撑件连接至膝转接件的下端；大腿支撑板转动连接至膝转接件的上端；穿戴式下肢康复运动训练器还包括：
足垫组件，用于接触用户足底以检测用户的足底面的姿态；
执行器，用于控制大腿支撑件与膝转接件的转动阻尼；
控制器，用于根据足垫组件的检测数据控制执行器的控制器；
执行器的一端转动连接至膝转接件且另一端固定连接至大腿支撑板；执行器通讯连接至控制器；
足垫组件包括：
足底垫，用于从患者的足底面支撑患者的脚；
惯性传感器，用于检测用户的足底面的角度数据并将角度数据发送至控制器；
多个压力传感器，用于检测患者足底面各处所受到的压力并将足底面的压力数据发送至控制器；
控制器对接收到的角度数据和压力数据进行分析处理识别患者的足底面姿态；
足底面姿态包括：足尖上翘且足底面绕足跟向下转动；足底面水平且静止；足底面绕足尖向上转动且翘足跟；足底面快速运动且无相近或相邻回转中心；
足底垫连接至小腿支撑件的下端；惯性传感器和多个压力传感器分布于足底垫内；惯性传感器和压力传感器通讯连接至控制器；控制器电性连接至执行器。
进一步地，执行器包括：壳体、第一轴、第二轴、用于提供转动力的舵机、主动齿轮、从动齿轮、阻尼调节阀和阻尼执行器；壳体的一端通过第一轴转动连接至膝转接件且另一端通过第二轴转动连接至大腿支撑板；舵机安装于壳体内；主动齿轮固定连接至舵机的输出端；从动齿轮固定连接至阻尼调节阀的输入端且与主动齿轮啮合；阻尼调节阀的输出端连接至阻尼执行器的一端；阻尼执行器的另一端转动套设于第二轴的外周。
进一步地，控制器还包括：用于显示控制器的电量的状态灯；状态灯电性连接至控制器的电池。
进一步地，穿戴式下肢康复运动训练器还包括：用于检测大腿支撑件与膝转接件之间的转动角度的编码器；编码器固定至膝转接件且通讯连接至控制器。
进一步地，足垫组件包括：4个分别用于检测用户足底面的各处的压力的压力传感器；4 个压力传感器分别分布于足底垫的对应患者脚掌处的脚掌部；惯性传感器设置于足底垫的对应患者足弓处的足弓部。
进一步地，穿戴式下肢康复运动训练器还设有实时记录用户的训练数据以了解用户的训练情况的移动端；移动端通讯连接至控制器。
进一步地，移动端通过蓝牙通讯连接至控制器。
进一步地，小腿支撑件可拆卸连接有用于将小腿支撑件束缚至小腿的第一调节带；大腿支撑板可拆卸连接有用于将大腿支撑板束缚至大腿的第二调节带。
进一步地，第二调节带的外周还套设有用于提高使用舒适度的套垫。
进一步地，控制器通过第三调节带可拆卸连接至大腿支撑板；控制器可拆卸安装至第三调节带。
本发明的有益之处在于所提供的穿戴式下肢康复运动训练器通过执行器辅助患者进行训练，使用轻盈，续航时间长，适用于平时在使用。穿戴式下肢康复运动训练器通过足垫组件能够精确识别患者的足底面的步态信息，从而能够根据步态信息精准控制执行器，进而提高穿戴式下肢康复运动训练器对患者的训练效果。
附图说明
图1是本发明的穿戴式下肢康复运动训练器的示意图；
图2是图1中的穿戴式下肢康复运动训练器的另一角度的示意图；
图3是图1中的穿戴式下肢康复运动训练器的执行器的内部结构示意图；
图4是图1中的穿戴式下肢康复运动训练器的足垫组件的结构示意图。
穿戴式下肢康复运动训练器10，小腿支撑件11，膝转接件12，大腿支撑板13，足垫组件14，足底垫141，惯性传感器142，压力传感器143，执行器15，壳体151，第一轴152，第二轴153，舵机154，主动齿轮155，从动齿轮156，阻尼调节阀157，阻尼执行器158，控制器16，编码器17，第一调节带18，第二调节带19，第三调节带20，套垫21。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
如图1至图3所示，为本发明的一种穿戴式下肢康复运动训练器10，包括：小腿支撑件11、膝转接件12和大腿支撑板13。小腿支撑件11连接至膝转接件12的下端。大腿支撑板13转动连接至膝转接件12的上端。患者穿上穿戴式下肢康复运动训练器10后，在走路时，大腿支撑板13会根据患者的腿部动作相对于膝转接件12进行转动，从而辅助患者进行走路训练。
作为进一步的方案，穿戴式下肢康复运动训练器10还包括：足垫组件14、执行器15和控制器16。执行器15的一端转动连接至膝转接件12且另一端固定连接至大腿支撑板13。在安装时，大腿支撑板13的一侧通过轴转动连接至膝转接件12的上端，执行器15的一端转动连接至膝转接件12的上端且另一端固定至大腿支撑板13，这样大腿支撑板13就能够相对于膝转接件12转动。足垫组件14用于接触用户足底以检测用户的足底面的姿态。执行器15用于控制大腿支撑件与膝转接件12的转动阻尼，从而根据患者的走路步态调节大腿支撑件与膝转接件12的之间转动的阻尼大小。比如，患者在站立时，执行器15控制大腿支撑件与膝转接件12的转动阻尼增大，这样大腿支撑件与膝转接件12就难以转动，则能够使得患者站得更加稳，安全性更高；患者在行走时，小腿和大腿的角度需要发生变化，也就是腿需要弯曲，这时，执行器15控制大腿支撑件与膝转接件12的转动阻尼减小，这样大腿支撑件与膝转接件12就容易转动，从而使得患者的腿能够自由弯曲。通过这样的方式能够有效帮助患者进行康复训练。控制器16用于根据足垫组件14的检测数据控制执行器15调节转动阻尼的大小，从而使得对患者的康复训练更加精准有效。控制器16通过电线电性连接至执行器15。
具体地，足垫组件14包括：足底垫141、惯性传感器142和多个压力传感器143。足底垫141连接至小腿支撑件11的下端。惯性传感器142和多个压力传感器143分布于足底垫141内。惯性传感器142用于检测用户的足底面的角度数据并将角度数据发送至控制器16。多个压力传感器143用于检测患者足底面各处所受到的压力并将足底面的压力数据发送至控制器16。具体地，惯性传感器142内设有的加速度计和陀螺仪传感器能够精确检测用户的足底面相对于地面的角度，即足底面所处的姿态。惯性传感器142和压力传感器143通讯连接至控制器16，以将检测到的足底面姿态的数据发送至控制器16。控制器16对接收到的角度数据和压力数据进行分析处理识别患者的足底面姿态。控制器16电性连接至执行器15，从而根据识别出的用户的足底面所处的姿态信息控制执行器15调节大腿支撑板13和膝转接件 12之间的转动阻尼的大小。
进一步地，小腿支撑件11可拆卸连接有第一调节带18。第一调节带18用于将小腿支撑件11束缚至小腿。大腿支撑板13可拆卸连接有第二调节带19。第二调节带19用于将大腿支撑板13束缚至大腿。第二调节带19的外周还套设有套垫21。套垫21用于提高患者的使用舒适度。本方案中，通过两个第一调节带18将小腿支撑件11束缚至小腿，以及通过两个第二调节带19将大腿支撑板13束缚至大腿。
更进一步地，控制器16通过第三调节带20可拆卸连接至大腿支撑板13；控制器16可拆卸安装至第三调节带20。第三调节带20可以束缚至患者的腰部。
具体而言，在使用时患者以坐姿穿戴完成训练器后，再以站姿调整舒适度，也就是调整第一调节带18和第二调节带19，使得患者以舒适的姿势穿上该穿戴式下肢康复运动训练器 10。然后对穿戴式下肢康复运动训练器10进行开机，此时穿戴式下肢康复运动训练器10立即执行自检程序，确保足垫组件14内的加速度计和陀螺仪传感器以及执行器15能够正常工作。
患者开始进行行走训练时，穿戴式下肢康复运动训练器10通过足垫组件14内的惯性传感器142中的加速度计和陀螺仪传感器以及多个压力传感器143检测患者的足底面的步态信息并将检测到的步态信息实时反馈给控制器16。穿戴式下肢康复运动训练器10可将足底面姿态分为四种姿态：1.足尖上翘且足底面绕足跟向下转动；2.足底面水平且静止；3.足底面绕足尖向上转动翘足跟；4.足底面快速运动且无相近或相邻回转中心。以上的四种姿态分别对应下肢行走过程划分的四种步态相位分别为：支撑初相(后脚跟着地)、全支撑相(脚掌全着地)、支撑末相(趾关节以上部分着地)和摆动相。足垫组件14将检测到的足底面步态信息发送至控制器16。控制器16根据接收到的足底面步态信息控制执行器15将大腿支撑板13 和膝转接件12之间的转动阻尼调节至相应的大小，以使患者能够进行安全高效地训练。执行器15对应四种步态相位的执行动作分别为：在支撑初相时，增大转动阻尼，这时判断患者为行走中的落步姿态，增大转动阻尼有助于患者站立稳定；在全支撑相时，全阻尼，这时判断患者为站立姿态，调节转动阻尼为全阻尼有助于患者站立稳定；在支撑末相时，减小转动阻尼，这时判断患者为行走中的起步姿态，减小转动阻尼有助于患者弯曲腿部进行行走；在摆动相时，无阻尼，这时判断患者为行走时的离步姿态，也就是脚完全离地，此时患者的腿部需要能够自由弯曲，所以将转动阻尼调节至无阻尼。
进一步地，执行器15包括：壳体151、第一轴152、第二轴153、用于提供转动力的舵机154、主动齿轮155、从动齿轮156、阻尼调节阀157和阻尼执行器158；壳体151的一端通过第一轴152转动连接至膝转接件12且另一端通过第二轴153转动连接至大腿支撑板13；舵机154安装于壳体151内；主动齿轮155固定连接至舵机154的输出端；从动齿轮156固定连接至阻尼调节阀157的输入端且与主动齿轮155啮合；阻尼调节阀157的输出端连接至阻尼执行器158的一端；阻尼执行器158的另一端转动套设于第二轴153的外周。在使用时，控制器16根据接收到的足底面的步态信息控制舵机154进行转动。舵机154通过主动齿轮 155带动从动齿轮156转动从而通过阻尼调节阀157的输入端来调节阻尼调节阀157，进而调节阻尼执行器158的阻尼大小。由于阻尼执行器158的另一端转动套设于第二轴153的外周：当阻尼执行器158的阻尼增大时，阻尼执行器158通过第二轴153推动大腿支撑板13，使得第二轴153保持在远离第一轴152的位置，此时大腿支撑板13和膝转接件12难以发生转动；当阻尼执行器158的阻尼减小时，阻尼执行器158通过第二轴153推动大腿支撑板13的推力减小，此时大腿支撑板13和膝转接件12能够根据转动阻尼的大小发生相应的转动转动。大腿支撑板13和膝转接件12之间的转动阻尼是呈线性增加后减小的。
总而言之，上述的穿戴式下肢康复运动训练器10通过执行器15辅助患者进行训练，使用轻盈，续航时间长，适用于平时使用。穿戴式下肢康复运动训练器10通过足垫组件14能够精确识别患者的足底面的步态信息，从而能够根据步态信息精准控制执行器15，进而提高穿戴式下肢康复运动训练器10对患者的训练效果。
进一步地，控制器16还包括：状态灯。状态灯用于显示控制器16的电量。状态灯电性连接至控制器16的电池。当控制器16的电池的电量不够时，状态灯提醒患者充电。
作为一种具体的实施方式，穿戴式下肢康复运动训练器10还包括：编码器17。编码器 17用于检测大腿支撑件与膝转接件12之间的转动角度，从而得到膝关节的摆动角度。编码器17固定至膝转接件12且通讯连接至控制器16。当大腿支撑件与膝转接件12之间发生相对转动时，编码器17便会实时记录二者之间的转动角度。
进一步地，穿戴式下肢康复运动训练器10还设有移动端。移动端用于实时记录用户的训练数据以了解用户的训练情况。移动端通讯连接至控制器16。
在患者进行训练时，控制器16可将接收到的检测数据实时发送至移动端，实时发送状态数据。状态数据包括：足底面姿态数据、足垫组件14中压力传感器143数据、以及膝转接件 12处的编码器17的数据。移动端上设有数据监测软件APP。数据监测软件APP实时将接受到的检测数据后，对检测数据进行分析并绘制成足底面运动模拟动画、足底压力变化云图、以及膝关节转动角度曲线。数据监测软件APP又具备数据存储功能，并能计算出患者的两下肢步态相位的时长的平均值、最大值、最小值，以及两下肢膝关节摆动角度的平均值、最大值、最小值。通过这样的方式，能够便于医生和患者随时查看患者使用穿戴式下肢康复运动训练器10训练时的详细信息，以期帮助医患诊疗。
更进一步地，移动端可通过蓝牙通讯连接至控制器16。也就是说，控制器16可以通过蓝牙实时向移动端传输相关数据。
作为一种具体的实施方式，足垫组件14包括：4个分别用于检测用户足底面的各处的压力的压力传感器143；4个压力传感器143分别分布于足底垫141的对应患者脚掌处的脚掌部；惯性传感器142设置于足底垫141的对应患者足弓处的足弓部，也就是脚掌中部的内凹的部位。具体地，4个压力传感器143中的两个位于足底垫141的脚掌部的对应患者的前脚掌的位置；4个压力传感器143中的一个位于足底垫141的脚掌部的对应患者的脚掌中部的位置； 4个压力传感器143中的最后一个位于足底垫141的脚掌部的对应患者的脚后跟的位置。通过这样的设置，能够精准检测患者的足底面姿态。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种穿戴式下肢康复运动训练器，包括：小腿支撑件、膝转接件和大腿支撑板；所述小腿支撑件连接至所述膝转接件的下端；所述大腿支撑板转动连接至所述膝转接件的上端；其特征在于，所述穿戴式下肢康复运动训练器还包括：
足垫组件，用于接触用户足底以检测用户的足底面的姿态；
执行器，用于控制所述大腿支撑件与所述膝转接件的转动阻尼；
控制器，用于根据所述足垫组件的检测数据控制所述执行器的控制器；
所述执行器的一端转动连接至所述膝转接件且另一端固定连接至所述大腿支撑板；所述执行器通讯连接至所述控制器；
所述足垫组件包括：
足底垫，用于从患者的足底面支撑患者的脚；
惯性传感器，用于检测用户的足底面的角度数据并将所述角度数据发送至所述控制器；
多个压力传感器，用于检测患者足底面各处所受到的压力并将足底面的压力数据发送至所述控制器；
所述控制器对接收到的所述角度数据和所述压力数据进行分析处理识别患者的足底面姿态；
所述足底面姿态包括：足尖上翘且足底面绕足跟向下转动；足底面水平且静止；足底面绕足尖向上转动且翘足跟；足底面快速运动且无相近或相邻回转中心；
所述足底垫连接至所述小腿支撑件的下端；所述惯性传感器和多个所述压力传感器分布于所述足底垫内；所述惯性传感器和所述压力传感器通讯连接至所述控制器；所述控制器电性连接至所述执行器。
2.根据权利要求1所述的穿戴式下肢康复运动训练器，其特征在于，
所述执行器包括：壳体、第一轴、第二轴、用于提供转动力的舵机、主动齿轮、从动齿轮、阻尼调节阀和阻尼执行器；所述壳体的一端通过所述第一轴转动连接至所述膝转接件且另一端通过第二轴转动连接至所述大腿支撑板；所述舵机安装于所述壳体内；所述主动齿轮固定连接至所述舵机的输出端；所述从动齿轮固定连接至所述阻尼调节阀的输入端且与所述主动齿轮啮合；所述阻尼调节阀的输出端连接至所述阻尼执行器的一端；所述阻尼执行器的另一端转动套设于所述第二轴的外周。
3.根据权利要求2所述的穿戴式下肢康复运动训练器，其特征在于，
所述控制器还包括：用于显示所述控制器的电量的状态灯；所述状态灯电性连接至所述控制器的电池。
4.根据权利要求1所述的穿戴式下肢康复运动训练器，其特征在于，
所述穿戴式下肢康复运动训练器还包括：用于检测所述大腿支撑件与所述膝转接件之间的转动角度的编码器；所述编码器固定至所述膝转接件且通讯连接至所述控制器。
5.根据权利要求4所述的穿戴式下肢康复运动训练器，其特征在于，
所述足垫组件包括：4个分别用于检测用户足底面的各处的压力的压力传感器；4个所述压力传感器分别分布于所述足底垫的对应患者脚掌处的脚掌部；所述惯性传感器设置于所述足底垫的对应患者足弓处的足弓部。
6.根据权利要求5所述的穿戴式下肢康复运动训练器，其特征在于，
穿戴式下肢康复运动训练器还设有实时记录用户的训练数据以了解用户的训练情况的移动端；所述移动端通讯连接至所述控制器。
7.根据权利要求6所述的穿戴式下肢康复运动训练器，其特征在于，
所述移动端通过蓝牙通讯连接至所述控制器。
8.根据权利要求1所述的穿戴式下肢康复运动训练器，其特征在于，
所述小腿支撑件可拆卸连接有用于将所述小腿支撑件束缚至小腿的第一调节带；所述大腿支撑板可拆卸连接有用于将所述大腿支撑板束缚至大腿的第二调节带。
9.根据权利要求8所述的穿戴式下肢康复运动训练器，其特征在于，
所述第二调节带的外周还套设有用于提高使用舒适度的套垫。
10.根据权利要求1所述的穿戴式下肢康复运动训练器，其特征在于，
所述控制器通过第三调节带可拆卸连接至所述大腿支撑板；所述控制器可拆卸安装至所述第三调节带。
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