CN114712052B - 一种步态矫正装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请属于康复训练技术领域，特别是涉及一种步态矫正装置及方法。现有的步态矫正装置无法通过音符精确表达步态错误，只能通过音乐节奏进行激励刺激，无法将患者步态与音符的发声相结合，无法通过音符进行具体的步态矫正提示；只能通过音乐进行步态矫正提示或者刺激，无法通过外部可穿戴机构辅助患者进行步态矫正。本申请提供了一种步态矫正装置，包括矫正机构，矫正机构上设置有步态采集单元和电控单元，电控单元与语音播放机构连接，电控单元与步态采集单元连接；电控单元用于接收并处理步态信息，向矫正机构发送控制信号，同时向语音播放机构发送语音信息。通过音符精准进行精准步态矫正提示与外部可穿戴机构辅助步态矫正。

Description

一种步态矫正装置及方法
技术领域
本申请属于康复训练技术领域，特别是涉及一种步态矫正装置及方法。
背景技术
最近的调查证明随着年龄的增加患帕金森的人数显著升高，又称为‘震颤麻痹”，作为一种常见的老年神经***退行性疾病，具有特征性运动症状，包括静止性震颤、运动迟缓、肌强直和姿势平衡障碍等。这些症状中姿势平衡障碍，在疾病中晚期出现，表现为患者起立困难和容易向后跌倒。有时患者迈步后，以极小的步伐越走越快，不能及时止生，称为前沖步态或慌张生态。短步和拖曳步态是帕金森病中常见的典型症状。
步行与有节奏的听觉线索的同步已经已被研究为一种有效的训练工具，以支持病理性步态患者的功能独立。特别是帕金森病和中风。2021年，Park等人表明，伴随有节奏的听觉提示(例如节拍器或音乐)步行可诱导帕金森病(PD)患者的步态改善。对音乐提示的熟悉程度会调节步幅幅度和步幅间的变异性；2014年，Hunt,N.,McGrath,D.,&Stergiou,N.等研究者证明，人类表现出一种使他们的动作与音乐同步的天生能力。步态康复领域已经试图利用这一现象，通过让患者及时行走到有节奏的听觉线索，以改善病态步态；2013年，Kaipust等人证明，老年人的步态可以通过听觉刺激操纵；2005年，Lim,I.等作者通过研究证明，外部节律(视觉，听觉，触觉)提示会对帕金森患者的步态参数产生影响。且有证据显示，帕金森患者在听觉提示的帮助下，他们的步行速度会得到提高。即有节奏的音乐会对人的步态产生影响。
现有的步态矫正装置无法通过音符精确表达步态错误，只能通过音乐节奏进行激励刺激，无法将患者步态与音符的发声相结合，无法通过音符进行具体的步态矫正提示；只能通过音乐进行步态矫正提示或者刺激，无法通过外部可穿戴机构辅助患者进行步态矫正。
发明内容
1.要解决的技术问题
基于现有的步态矫正装置无法通过音符精确表达步态错误，只能通过音乐节奏进行激励刺激，无法将患者步态与音符的发声相结合，无法通过音符进行具体的步态矫正提示；只能通过音乐进行步态矫正提示或者刺激，无法通过外部可穿戴机构辅助患者进行步态矫正的问题，本申请提供了一种步态矫正装置及方法。
2.技术方案
为了达到上述的目的，本申请提供了一种步态矫正装置，包括矫正机构，所述矫正机构上设置有步态采集单元和电控单元，所述电控单元与语音播放机构连接，所述电控单元与所述步态采集单元连接；所述电控单元用于接收并处理步态信息，向所述矫正机构发送控制信号，同时向语音播放机构发送语音信息。
本申请提供的另一种实施方式为：所述步态采集单元包括位姿传感器和薄膜压力传感器，所述位姿传感器与所述电控单元连接，所述薄膜压力传感器与所述电控单元连接。
本申请提供的另一种实施方式为：所述矫正机构包括依次连接的环转驱动圈、纵向驱动圈和执行圈，所述电控单元设置于所述环转驱动圈上。
本申请提供的另一种实施方式为：所述环转驱动圈包括环转驱动电机，所述环转驱动电机与所述电控单元连接。
本申请提供的另一种实施方式为：所述纵向驱动圈包括推杆电机，所述推杆电机与所述电控单元连接。
本申请提供的另一种实施方式为：所述电控单元包括无线收发模块，所述无线收发模块与单片机连接，所述单片机与电机驱动器连接，所述无线收发模块与电源连接，所述单片机与电源连接，所述电机驱动器与电源连接。
本申请提供的另一种实施方式为：所述语音播放机构为耳机，所述耳机与所述单片机连接，所述耳机与所述薄膜压力传感器连接。
本申请提供的另一种实施方式为：所述电机驱动器与所述环转驱动电机连接，所述电机驱动器与所述推杆电机连接，所述电源与所述环转驱动电机连接，所述电源与所述推杆电机连接。
本申请提供的另一种实施方式为：所述无线收发模块与所述位姿传感器连接，所述无线收发模块与所述薄膜压力传感器连接。
本申请还提供一种采用所述的步态矫正装置的方法，所述方法包括对所述步态采集单元进行编号，对应不同音符，根据所述步态采集单元触地先后顺序触发不同的音符发音，根据触地后的受力大小确定该音符的发音音量大小，正确的步态导致正确的触地方式及落地后正确的受力会触发出悦耳的音乐旋律，所述音乐旋律由患者事先选择并录入所述电控单元，错误的步态导致错误的触地方式及落地后错误的受力会触发出不协调的音乐旋律，患者通过所述音乐旋律直接体会到步态的错误及具体的错误形式，即可主观驱使进行矫正；如果主动步态矫正不足以完全矫正错误的步态，则进一步控制所述矫正机构进行被动步态矫正。
3.有益效果
与现有技术相比，本申请提供的步态矫正装置及方法的有益效果在于：
本申请提供的步态矫正装置，为一种基于音符提示的可穿戴步态矫正装置。
本申请提供的步态矫正装置，通过音符精准进行精准步态矫正提示与外部可穿戴机构辅助步态矫正。
本申请提供的步态矫正装置，利用传感器获取患者实时步态、通过分布式传感器参与音符产生、通过可穿戴机构与听觉刺激进行步态矫正。
本申请提供的步态矫正装置，患者穿戴该装置并带好所述耳机、固定好所述位姿传感器与所述薄膜压力传感器后，当患者走路时，所述步态采集单元采集患者步态信息并传输至所述电控单元，所述电控单元处理该信息后通过所述耳机播放触发音符组成的旋律，提示患者进行主动步态矫正，如果主动步态矫正不足以完全矫正错误的步态，则进一步控制所述环转驱动电机和所述推杆电机进行对应的动作进行被动步态矫正。
本申请提供的步态矫正装置，通过足底薄膜压力传感器触发通过音符的方式精确提示步态错误，同时通过音乐节奏进行激励患者主动矫正步态，将患者步态与音符的发声相结合，通过音符进行具体的步态矫正提示；对于患者主动矫正不完全的情况，还可以通过外部可穿戴机构辅助患者进行被动步态矫正。
附图说明
图1是本申请的步态矫正装置结构示意图；
图2是本申请的环转驱动圈结构示意图；
图3是本申请的纵向驱动圈结构示意图；
图4是本申请的纵向驱动圈俯视图与剖面图；
图5是本申请的执行圈结构示意图；
图6是本申请的矫正机构第一装配示意图；
图7是本申请的矫正机构第二装配示意图；
图8是本申请的薄膜压力传感器分部示意图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。
参见图1～8，本申请提供一种步态矫正装置，包括矫正机构1，所述矫正机构1上设置有步态采集单元和电控单元3，所述电控单元3与语音播放机构连接，所述电控单元3与所述步态采集单元连接；所述电控单元3用于接收并处理步态信息，向所述矫正机构1发送控制信号，同时向语音播放机构发送语音信息。
矫正机构1通过穿戴的方式与人体的小腿和足部结合，提供被动环转力和纵向推拉力矫正患者步态，步态采集单元2可以采集患者足部的空间位姿和足底触地顺序与落地后的受力情况，电控单元3可以接收和处理患者步态信息并向矫正机构1和语音播放机构发送控制信号和音乐信息，语音播放机构可以播放用于提示患者主动矫正步态的音乐旋律。
进一步地，所述步态采集单元包括位姿传感器21和薄膜压力传感器22，所述位姿传感器21与所述电控单元3连接，所述薄膜压力传感器22与所述电控单元3连接。
图8展示的是步态采集单元2中的薄膜压力传感器22在足底的分布情况，步态采集单元2包括位姿传感器21和薄膜压力传感器22，位姿传感器21主芯片为MPU6050，放置于患者足背部中心，用于采集患者足部的空间位姿，薄膜压力传感器22根据足部受力分布固定在患者的足底，分别布置在：大拇指处、内侧掌处、外侧掌处、内侧足跟处和外侧足跟处，用于采集患者足部触地时的顺序与力度，从而进一步判断患者步态与落地发力状态，所采集的上述信息均通过无线收发模块传输至电控单元3。
进一步地，所述矫正机构1包括依次连接的环转驱动圈11、纵向驱动圈12和执行圈13，所述电控单元3设置于所述环转驱动圈11上。电控单元3安装在环转驱动圈11的一侧。
进一步地，所述环转驱动圈11包括环转驱动电机111，所述环转驱动电机111与所述电控单元3连接。
图2展示的是环转驱动圈11的具体结构，环转驱动圈11包括：环转驱动电机111、环转固定滚球112、卡扣131、合页14和安装台16，环转驱动圈11分为左右等分两部分，后端通过合页14连接可以开合，前端通过卡扣131连接闭合或者打开，以此方便患者穿戴，在环转驱动圈11左右两部分各设置两个安装台16，共四个安装台16，相邻的安装台16中心夹角为90°，安装台16为一个适于安装电机等组件的平台，环转驱动圈11、纵向驱动圈12和执行圈13都设置了同样的卡扣131、合页14、安装台16结构，环转驱动电机111和环转固定滚球112固定在环转驱动圈11的安装台16上，环转驱动电机111的输出端为齿轮结构，环转固定滚球112的末端为实心滚球.
进一步地，所述纵向驱动圈12包括推杆电机123，所述推杆电机123与所述电控单元3连接。
图3和图4展示的是纵向驱动圈12的具体结构，纵向驱动圈12包括：齿条带121、球槽带122、推杆电机123、卡扣131、合页14和安装台16，齿条带121和球槽带122位于环转驱动电机111和环转固定滚球112的正下方，齿条带121和球槽带122对应的圆心角为70°，在人体足内、外旋的范围内，齿条带121与环转驱动电机111的齿轮头啮合，由环转驱动电机111依靠齿轮齿条传动结构驱动纵向驱动圈12周向转动，球槽带122的截断面为四分之三圆，该圆与环转固定滚球112的球头周长相等，环转固定滚球112嵌入球槽带122，使得环转驱动圈11和纵向驱动圈12形成滑动连接，推杆电机123固定在安装台16上。
图5展示的是执行圈13的具体结构，执行圈13包括：铰接孔131、踝部上支架132、踝部下支架133、足底固定片134、卡扣131、合页14和安装台16，铰接孔131固定在安装台16上，与纵向驱动圈12的推杆电机123执行杆头部铰接，踝部上支架132上端固定在执行圈13的左右两侧，踝部上支架132下端与踝部下支架133铰接，铰接点位于人体踝骨位置，踝部下支架133穿越人体足底，在足底交汇位置设置了足底固定片134，足底固定片134用于与患者的鞋固定连接。
图6和图7展示的是矫正机构1各部分的装配方式，矫正机构1包括：环转驱动圈11、纵向驱动圈12和执行圈13，按照从小腿到脚部的纵向上下顺序，环转驱动圈11在最上方，对应固定在人体小腿中部，纵向驱动圈12在环转驱动圈11的下方，对应固定在人体小腿的下部，执行圈13在纵向驱动圈12的下方，对应固定在人体小腿与脚踝的连接处，执行圈13下端与人体足底部固定，环转驱动圈11带动纵向驱动圈12和执行圈13实现以小腿为轴心的周向旋转运动，矫正走路时脚部的旋前、旋后问题，纵向驱动圈12带动执行圈13实现以小腿为轴心的轴向上下运动，矫正走路时脚部的足内翻、足外翻问题。
进一步地，所述电控单元3包括无线收发模块，所述无线收发模块与单片机连接，所述单片机与电机驱动器连接，所述无线收发模块与电源连接，所述单片机与电源连接，所述电机驱动器与电源连接。
进一步地，所述语音播放机构为耳机4，所述耳机4与所述单片机连接，所述耳机4与所述薄膜压力传感器22连接。
进一步地，所述电机驱动器与所述环转驱动电机111连接，所述电机驱动器与所述推杆电机123连接，所述电源与所述环转驱动电机111连接，所述电源与所述推杆电机123连接。
进一步地，所述无线收发模块与所述位姿传感器21连接，所述无线收发模块与所述薄膜压力传感器22连接。
无线收发模块用于接收步态采集单元2发送的足部空间位姿与落地受力信息和发送控制信息，单片机控制核心用于处理接收的信息并解算得出控制信息，包括电机驱动器动作控制信息和耳机4播放音乐信息，电机驱动器用于在接收控制信息后驱动环转驱动电机111和推杆电机123进行对应的动作，移动电源用于给转驱动电机和推杆电机123以及电控单元3其他元件供能，耳机4为无线包耳式耳机4，用于播放电控单元3发送的音乐信息。
本申请还提供一种采用所述的步态矫正装置的方法，所述方法包括对所述步态采集单元进行编号，对应不同音符，根据所述步态采集单元触地先后顺序触发不同的音符发音，根据触地后的受力大小确定该音符的发音音量大小，正确的步态导致正确的触地方式及落地后正确的受力会触发出悦耳的音乐旋律，所述音乐旋律由患者事先选择并录入所述电控单元，错误的步态导致错误的触地方式及落地后错误的受力会触发出不协调的音乐旋律，患者通过所述音乐旋律直接体会到步态的错误及具体的错误形式，即可主观驱使进行矫正；如果主动步态矫正不足以完全矫正错误的步态，则进一步控制所述矫正机构1进行被动步态矫正。
具体的，采用音符触发方式进行提示，将薄膜压力传感器22进行编号，对应不同音符，跟据步态采集单元2的薄膜压力传感器22触地先后顺序触发不同的音符发音，根据触地后的受力大小确定该音符的发音音量大小，正确的步态导致正确的触地方式及落地后正确的受力会触发出一段悦耳的音乐旋律，该旋律由患者事先选择并录入电控单元3，错误的步态导致错误的触地方式及落地后错误的受力会触发出一段不协调的音乐旋律，患者通过该旋律即可直接体会到步态的错误及具体的错误形式，即可主观驱使进行矫正。
本申请提供了一种基于音符提示的可穿戴步态矫正装置，患者穿戴该装置并带好耳机4、固定好位姿传感器21与薄膜压力传感器22后，当患者走路时，步态采集单元2采集患者步态信息并传输至电控单元3，电控单元3处理该信息后通过耳机4播放触发音符组成的旋律，提示患者进行主动步态矫正，如果主动步态矫正不足以完全矫正错误的步态，则进一步控制环转驱动电机111和推杆电机123进行对应的动作进行被动步态矫正。
尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。

Claims (6)

1.一种步态矫正装置，其特征在于：包括矫正机构，所述矫正机构上设置有步态采集单元和电控单元，所述电控单元与语音播放机构连接，所述电控单元与所述步态采集单元连接；所述电控单元用于接收并处理步态信息，向所述矫正机构发送控制信号，同时向所述语音播放机构发送语音信息；所述矫正机构包括依次连接的环转驱动圈、纵向驱动圈和执行圈，所述电控单元设置于所述环转驱动圈上；所述环转驱动圈包括环转驱动电机，所述环转驱动电机与所述电控单元连接；所述纵向驱动圈包括推杆电机，所述推杆电机与所述电控单元连接；所述环转驱动圈包括环转驱动电机、环转固定滚球、卡扣、合页和安装台，所述环转驱动圈分为左右等分两部分，后端通过所述合页连接可以开合，前端通过所述卡扣连接闭合或者打开，方便患者穿戴，在所述环转驱动圈左右两部分各设置两个所述安装台，共四个所述安装台，相邻的所述安装台中心夹角为90°，所述安装台为一个适于安装电机等组件的平台，所述环转驱动圈、所述纵向驱动圈和所述执行圈都设置了同样的卡扣、合页、安装台结构，所述环转驱动电机和所述环转固定滚球固定在所述安装台上，所述环转驱动电机的输出端为齿轮结构，所述环转固定滚球的末端为实心滚球；所述纵向驱动圈包括齿条带、球槽带、推杆电机、卡扣、合页和安装台，所述齿条带和所述球槽带位于所述环转驱动电机和所述环转固定滚球的正下方，所述齿条带和所述球槽带对应的圆心角为70°，在人体足内、外旋的范围内，所述齿条带与所述环转驱动电机的齿轮头啮合，由所述环转驱动电机依靠齿轮齿条传动结构驱动所述纵向驱动圈周向转动，所述球槽带的截断面为四分之三圆，该圆与所述环转固定滚球的球头周长相等，所述环转固定滚球嵌入所述球槽带，使得所述环转驱动圈和所述纵向驱动圈形成滑动连接，所述推杆电机固定在所述安装台上。
2.如权利要求1所述的步态矫正装置，其特征在于：所述步态采集单元包括位姿传感器和薄膜压力传感器，所述位姿传感器与所述电控单元连接，所述薄膜压力传感器与所述电控单元连接。
3.如权利要求2所述的步态矫正装置，其特征在于：所述电控单元包括无线收发模块，所述无线收发模块与单片机连接，所述单片机与电机驱动器连接，所述无线收发模块与电源连接，所述单片机与电源连接，所述电机驱动器与电源连接。
4.如权利要求3所述的步态矫正装置，其特征在于：所述语音播放机构为耳机，所述耳机与所述单片机连接，所述耳机与所述薄膜压力传感器连接。
5.如权利要求4所述的步态矫正装置，其特征在于：所述电机驱动器与所述环转驱动电机连接，所述电机驱动器与所述推杆电机连接，所述电源与所述环转驱动电机连接，所述电源与所述推杆电机连接。
6.如权利要求5所述的步态矫正装置，其特征在于：所述无线收发模块与所述位姿传感器连接，所述无线收发模块与所述薄膜压力传感器连接。
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