專利名稱：一種帶踝關節角度自矯正功能的步態相位檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種帶踝關節角度自矯正功能的步態相位檢測裝置，屬于運動 康復器械領域。
背景技術：
一組近乎完美的步態，允許人類能夠輕松的、長時間的進行步行運動，
Rancho Los Amigos gait analysis committee根據人類步態的關節角度和足底受力 的特點，將人類步態分為8個相位，檢測步態相位的方法已經出現了很多，但
通常會存在以下問題設備龐大、不能長期穿戴、代價高昂、適用人群不廣。
發明內容
本發明的目的是設計一種結構簡單、使用方便、可在步行訓練時穿戴的具 有踝關節角度自矯正功能的步態相位檢測裝置。
本發明的帶踝關節角度自矯正功能的步態相位檢測裝置，包括小腿固定機
構、踝關節角度控制機構、踝關節角度測量機構和足底壓力測量機構
小腿固定機構包括長度可調的小腿綁帶和內、外側兩塊小腿夾板，小腿綁 帶的一端與一塊小腿夾板的外側固定，另一端為長度調節自由端，在兩塊小腿 夾板的內表面分別粘附有彈性襯墊；
踝關節角度控制機構包括電機、工字形連接件、踝關節第一轉動件和由第 一支撐桿、第二支撐桿以及一字形螺栓螺母組合構成的高度可調的支撐桿，踝 關節第一轉動件的兩面分別與外側小腿夾板和工字形連接件固定，電機外殼與 工字形連接件固連，電機軸上的法蘭與第一支撐桿的一面固定，第一支撐桿的 另一面設有軸，該軸通過滾動軸承與踝關節第一轉動件構成踝關節旋轉副，第 二支撐桿的端部與足底壓力測量鞋固連；
踝關節角度測量機構包括踝關節第二轉動件、法蘭形連接件、n形連接件、
角度傳感器和由第三支撐桿、第四支撐桿以及一字形螺栓螺母組合構成的高度 可調的支撐桿，
踝關節第二轉動件的兩面分別與內側小腿夾板和n形連接件開口端固定，法 蘭形連接件與n形連接件的底面固連，角度傳感器殼體與法蘭形連接件固定，第 三支撐桿的一面設有盲孔，角度傳感器的轉動軸與該盲孔構成型面連接，第三 支撐桿的另一面設有軸，該軸通過滾動軸承與踝關節第二轉動件構成踝關節旋轉副，第四支撐桿的與足底壓力測量鞋固連；
足底壓力測量機構包括鞋、四個壓力傳感器，四個壓力傳感器分別位于大 腳趾、第1跖骨、第3—5跖骨和足跟部的位置。
為了保證踝關節在正常的角度范圍內活動，可在踝關節第一轉動件和踝關 節第二轉動件上分別設置機械限位凸塊。
使用時，使用者將本發明穿戴在腳上，利用綁帶綁住小腿，根據踝關節位 置調節支撐桿長度，踝關節角度轉動的范圍是根據醫學數據庫中正常人踝關節 運動范圍設定，依靠踝關節轉動塊的機械限位和踝關節角度測量機構以及控制 機構的電氣限位實現踝關節角度雙重限位和保護。
對于足下垂病人，需使用踝關節角度自矯正功能，當病人進行減重步行訓 練，在下肢從支撐相末期(即只有腳尖觸地)，向擺動相初期轉換時，踝關節跖 屈角最大，位于足底的4個壓力傳感器測得的壓力值都為0，足下垂病人因為背 屈的能力不足，導致足尖在地上拖曳現象的產生，造成踝關節受損，此時，電 機帶動踝關節背屈一定角度，保護踝關節并鍛煉背屈能力，在擺動相末期向支 撐態初期轉換時，足下垂病人的前腳掌著地，比較激烈的沖擊地面，傷害足部， 此時，穿著本發明，踝關節呈一定的背屈角，后腳跟著地，保護足部安全著地， 并且當位于腳后跟的壓力傳感器檢測到壓力信號時，電機停止工作，直至在下 肢從支撐相末期(即只有腳尖觸地)，向擺動相初期轉換時，電機再開始工作。 對于一般病人，可以不使用踝關節角度自矯正功能，在步行訓練時，數據采集 卡定時采集足底壓力傳感器的壓力信號和角度傳感器的角度信號，計算機現場 顯示足底4個部位隨步行變化的壓力值和踝關節轉動的角度值，直接給使用者 視覺反饋，使訓練生動。壓力信號經過上位機的模糊邏輯算法，區分各個時期 的步態相位，供醫生或訓練師參考，根據正常步態，評價恢復的程度，并為后 續訓練方法的改進提供依據。
本發明裝置結構簡單，使用方便，具有踝關節角度自矯正功能，對于行走 能力有缺陷的病人或者步態有一定畸形的正常人，穿戴本發明裝置步行訓練時， 可以增強背屈能力，檢測行走時的步態相位信息，為康復訓練提供客觀科學的 評價和訓練策略的參考。
圖1是帶踝關節角度自矯正功能的步態相位檢測裝置結構示意圖； 圖2是四個壓力傳感器在鞋上的分布示意圖。
具體實施例方式
以下結合附圖進一步說明本發明。
參照圖1，本發明的帶踝關節角度自矯正功能的步態相位檢測裝置，包括小 腿固定機構、踝關節角度控制機構、踝關節角度測量機構和足底壓力測量機構 小腿固定機構包括長度可調的小腿綁帶1和內、外側兩塊小腿夾板16-1、
16-2，小腿綁帶1的一端與一塊小腿夾板的外側固定，另一端為長度調節自由 端，在兩塊小腿夾板的內表面分別粘附有彈性襯墊17，這樣，利用小腿綁帶綁 緊小腿，讓使用者感覺柔軟舒適。
踝關節角度控制機構包括電機2、工字形連接件3、踝關節第一轉動件4和 由第一支撐桿5、第二支撐桿7以及一字形螺栓螺母組合6構成的高度可調的支 撐桿，踝關節第一轉動件4的兩面分別與外側小腿夾板16-2和工字形連接件3 的一端固連，電機2外殼與工字形連接件3的另一端固連，電機2轉動軸上的 法蘭與第一支撐桿5的一面固定，第一支撐桿5的另一面設有軸，該軸通過滾 動軸承與踝關節第一轉動件4構成踝關節旋轉副，第二支撐桿7的端部與足底 壓力測量鞋8固連。這樣，小腿固定機構，踝關節角度控制機構和足底壓力測 量機構依次串行連接，可實現電機對踝關節背屈角度和跖屈角度的控制。
踝關節角度測量機構包括踝關節第二轉動件15、法蘭形連接件14、 n形連
接件12、角度傳感器13和由第三支撐桿11、第四支撐桿9以及一字形螺栓螺 母組合10構成的高度可調的支撐桿，踝關節第二轉動件15的兩面分別與內側 小腿夾板16-1和n形連接件12開口端固定，法蘭形連接件14與n形連接件12 的底面固連，角度傳感器13殼體與法蘭形連接件14固定，第三支撐桿11的一 面設有盲孔，角度傳感器13的轉動軸與該盲孔構成型面連接，第三支撐桿11 的另一面設有軸,該軸通過滾動軸承與踝關節第二轉動件15構成踝關節旋轉副， 第四支撐桿9的與足底壓力測量鞋8固連。這樣，小腿固定機構，踝關節角度 測量機構和足底壓力測量鞋依次串行連接，可以實現踝關節在背屈角度和跖屈
x足底壓力測量機構包括足底壓力測量鞋8、四個壓力傳感器18、 19、 20、 21，四個壓力傳感器18、 19、 20、 21分別位于大腳趾、第1跖骨、第3—5跖 骨和足跟部的位置(見圖2)。
根據人類步態8個相位對應的足底各部位的壓力模型，在模糊邏輯算法中 建立模糊推理規則庫，利用模糊產生器將4個位置定時測得的壓力值映射到輸入空間的模糊集合，去模糊化后解出隸屬度值，對應得出下肢該時刻所處的相 位。
為了在病人訓練時保護使用者的踝關節，在踝關節轉動關節的背屈和跖屈 方向上均設有機械限位，角度參考正常人踝關節運動角度。踝關節角度測量機 構在線測量踝關節轉動角度反饋給控制機構，在角度超出限定后，角度控制機 構實現踝關節角度恢復到初始位置。若病人進行減重行走，在下肢從支撐相末 期(即只有腳尖觸地)，向擺動相初期轉換時，踝關節跖屈角最大，位于足底的
4個壓力傳感器測得的壓力值都為0，電機工作，帶動踝關節背屈一定角度，保 護踝關節并鍛煉背屈能力，在擺動相末期向支撐態初期轉換時，由于在前一狀 態踝關節呈一定的背屈角，后腳跟著地，保護足部安全著地，并且當位于腳后 跟的壓力傳感器檢測到壓力信號時，電機停止工作，直至在下肢從支撐相末期 (即只有腳尖觸地)，向擺動相初期轉換時，電機再開始工作，實現踝關節角度 自矯正。
權利要求
1.一種帶踝關節角度自矯正功能的步態相位檢測裝置，其特征是包括小腿固定機構、踝關節角度控制機構、踝關節角度測量機構和足底壓力測量機構小腿固定機構包括長度可調的小腿綁帶(1)和內、外側兩塊小腿夾板(16-1、16-2)，小腿綁帶(1)的一端與一塊小腿夾板的外側固定，另一端為長度調節自由端，在兩塊小腿夾板的內表面分別粘附有彈性襯墊(17)；踝關節角度控制機構包括電機(2)、工字形連接件(3)、踝關節第一轉動件(4)和由第一支撐桿(5)、第二支撐桿(7)以及一字形螺栓螺母組合(6)構成的高度可調的支撐桿，踝關節第一轉動件(4)的兩面分別與外側小腿夾板(16-2)和工字形連接件(3)的一端固連，電機(2)外殼與工字形連接件(3)的另一端固連，電機(2)轉動軸上的法蘭與第一支撐桿(5)的一面固定，第一支撐桿(5)的另一面設有軸，該軸通過滾動軸承與踝關節第一轉動件(4)構成踝關節旋轉副，第二支撐桿(7)的端部與足底壓力測量鞋(8)固連；踝關節角度測量機構包括踝關節第二轉動件(15)、法蘭形連接件(14)、∏形連接件(12)、角度傳感器(13)和由第三支撐桿(11)、第四支撐桿(9)以及一字形螺栓螺母組合(10)構成的高度可調的支撐桿，踝關節第二轉動件(15)的兩面分別與內側小腿夾板(16-1)和∏形連接件(12)開口端固定，法蘭形連接件(14)與∏形連接件(12)的底面固連，角度傳感器(13)殼體與法蘭形連接件(14)固定，第三支撐桿(11)的一面設有盲孔，角度傳感器(13)的轉動軸與該盲孔構成型面連接，第三支撐桿(11)的另一面設有軸，該軸通過滾動軸承與踝關節第二轉動件(15)構成踝關節旋轉副，第四支撐桿(9)的與足底壓力測量鞋(8)固連；足底壓力測量機構包括足底壓力測量鞋(8)、四個壓力傳感器(18)(19)(20)(21)，四個壓力傳感器(18)(19)(20)(21)分別位于大腳趾、第1跖骨、第3-5跖骨和足跟部的位置。
2. 根據權利要求1所述的帶踝關節角度自矯正功能的步態相位檢測裝置，其 特征是在踝關節第一轉動件(4)和踝關節第二轉動件(15)上分別設有機械限 位凸塊。
全文摘要
本發明公開的帶踝關節角度自矯正功能的步態相位檢測裝置，包括小腿固定機構、踝關節角度控制機構、踝關節角度測量機構和足底壓力測量鞋。對于足下垂病人，本發明可以根據足底壓力信號控制踝關節電機轉角，在病人進行減重步行訓練時，調整踝關節角度，防止由于足下垂產生的拖曳和沖擊對腳造成傷害，并增強足下垂病人的背屈能力，由壓力傳感器和角度傳感器定時采集足底壓力信號和踝關節角度信號，經過上位機的模糊邏輯算法實現平滑、柔順的檢測步態相位。對于行走能力有缺陷的病人或者步態有一定畸形的正常人，可以穿著本發明行走，檢測行走時的步態相位信息，科學的評價步態恢復程度，優化步態訓練策略。
文檔編號A61H1/00GK101548925SQ20091009817
公開日2009年10月7日 申請日期2009年5月5日 優先權日2009年5月5日
發明者暉 余, 寅 楊, 楊燦軍, 昱 耿, 鄧美英 申請人:浙江大學