一种步态采集及神经肌肉电刺激动力式踝足矫形器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种步态采集及神经肌肉电刺激动力式踝足矫形器装置，属于康复工程领域。该装置包括上外壳、下外壳和功能性电刺激装置；所述的下外壳铰接于上外壳的侧壁上，使用户的踝关节转动过程中下外壳能绕交接点同步摆动；功能性电刺激装置安装于上外壳中，用于采集用户的步态并施加电刺激脉冲；上外壳的两侧分别设有凸轮连杆机构，两个凸轮连杆机构用于驱动下外壳绕铰接点摆动。本实用新型专利技术针对动力式踝足矫形器设计了一种新型驱动方式，通过连杆机构可以对踝关节的活动进行放大，而且电机安装在矫形器上外壳，符合人体下肢正常承重模式。该装置能够控制踝关节在正常活动范围内，不会对人体造成进一步损伤。

【技术实现步骤摘要】
一种步态采集及神经肌肉电刺激动力式踝足矫形器
本技术涉及到医学康复工程领域，具体涉及到一种步态采集及神经肌肉电刺激动力式踝足矫形器。
技术介绍
下肢外骨骼机器人在助力、助老、助残方面具有非常广阔的应用前景，只有正确识别出下肢的运动模式，才能采取有效的控制策略。因此，下肢步态模式识别成为下肢外骨骼机器人的关键技术之一。人体的行走是十分复杂的过程，想要准确地识别出步态需要多种信号的综合分析。表面肌肉电信号(surfaceelectromyography,SEMG)是伴随肌电收缩产生的一种电信号，可以通过电极在皮肤的表面采集。通过对下肢表面肌电信号的解码，可以识别出对应肌肉相应的运动模式。神经肌肉电刺激一方面可以通过对外部的肌肉增强功能促进中枢神经系统的再学习，另一方面神经肌肉电刺激可以通过精准的时序和幅度来激活瘫痪的肌肉，帮助用户完成功能性任务市场上专业的步态测量系统，价格昂贵，占地面积大用户穿戴体验不足，而且大多使用足底压力传感器来进行步态周期分割，但在实际的操作中足底压力传感器由于长期压迫容易产生机械故障，而且在一些病理步态中，足底压力传感器的贴放位置也难于选择，这些特点都限制了足底压力传感器在步态检测中长期使用。大多数表面肌电传感器只具备采集的性质，对于步态障碍用户的电刺激无能为力。传统的电刺激参数固定，对于对用户的进行个性化的参数刺激。人的行走是一个运动幅度较大的动作过程，因此需要用无线传输的方式尽量减少数据线，实际步态的场景还要求信号的采集和处理装置能够有足够的便携性。矫形器所在的康复领域在国内还处于发展阶段，大部分关于足部矫形器的研究还停留在对儿童脑瘫或者脑卒中患者的步态影响上，对于矫形器本身结构的创新、材料的创新以及制作的创新都还很薄弱。而市场上已有的矫形器需要专门定制尺码，大部分需裸足才能穿戴矫形器，使得产品与用户之间的体验性较差。除此之外，相较于国外已经着眼于便携式动力式的足部矫形器研究，国内的研究基础就更加薄弱。而通过一些研究表明，动力式的足部矫形器在帮助患者神经损伤后的步态康复有较为显著的作用。动力式足部矫形器的设计特征需满足人体正常行走时的生理性跖屈和背屈，使得足部落地到站立期间踝关节运动更加顺畅，提供一个平滑且自然的步态。基于步态采集及神经肌肉电刺激动力式踝足矫形器装置的研究有利于促进用户的康复进程。
技术实现思路
针对上述存在的技术问题，本技术旨在一定程度上解决上述的技术问题，提供了一种步态采集及神经肌肉电刺激动力式踝足矫形器装置。本技术的目的至少通过如下技术方案之一实现。一种步态采集及神经肌肉电刺激动力式踝足矫形器，其特征在于，包括上外壳、下外壳和功能性电刺激装置；所述的上外壳的内壁呈曲面形式，用于贴合用户小腿表面；所述下外壳中具有供用户穿戴状态下的容纳踝足位置的凹形空间；所述的下外壳铰接于上外壳的侧壁上，使用户的踝关节转动过程中下外壳能绕交接点同步摆动；所述功能性电刺激装置安装于上外壳中，用于采集用户的步态并施加电刺激脉冲；所述上外壳的两侧分别设有凸轮连杆机构，上外壳一侧的凸轮连杆结构包括第一电机、第一凸轮连杆和第一直连杆，第一电机通过第一凸轮连杆与第一直连杆一端相连传动，第一直连杆另一端与下外壳一侧铰接；上外壳另一侧的凸轮连杆结构包括第二电机、第二凸轮连杆和第二直连杆，第二电机通过第二凸轮连杆与第二直连杆一端相连传动，第二直连杆另一端与下外壳一侧铰接；两个凸轮连杆机构用于驱动所述下外壳绕铰接点摆动。作为优选，所述的功能性电刺激装置包括传感器模块、刺激模块、数据传输模块和上位机模块；所述传感器模块，包括表面肌电传感器、激光测距传感器、惯性传感器；所述表面肌电传感器，用于采集下肢的多通道表面肌电信号；所述惯性传感器有两组，第一惯性传感器固定于大腿位置，用于检测行走时大腿位置的姿态信息，第二惯性传感器固定于下外壳中的脚踝位置，用于检测行走时脚踝位置的姿态信息；所述姿态信息包括欧拉角、角速度和加速度；所述激光测距传感器固定于下外壳中的脚踝位置，用于检测行走时脚踝与地面之间的直线距离；所述上位机模块通过所述数据传输模块与传感器模块通信连接；所述刺激模块固定于上外壳上，且与上位机模块通信连接，用于在上位机模块的控制下对用户下肢施加电刺激脉冲。进一步的，所述数据传输模块为无线传输模块。进一步的，所述的无线传输模块采用蓝牙、WIFI或5G模块。进一步的，所述的刺激模块与表面肌电传感器一体化集成，表面肌电传感器中的表面肌电电极与刺激模块中的刺激电极复用。进一步的，所述第一惯性传感器固定于绑带上，通过绑带固定于大腿位置。进一步的，所述激光测距传感器采用VLS3L0X激光测距模块。作为优选，所述惯性传感器采用MP6050陀螺仪。作为优选，所述的第一电机和第二电机均采用直流减速电机。作为优选，所述上外壳一侧的凸轮连杆机构中，第一直连杆与第一凸轮连杆的铰接位置相对于第一电机和第一凸轮连杆的连接位置偏心设置，使第一凸轮连杆在第一电机驱动下旋转过程中，能通过第一直连杆带动所述下外壳绕铰接点摆动；上外壳另一侧的凸轮连杆机构结构对称。和现有技术相比，本技术的优点在于：本技术针对动力式踝足矫形器设计了一种新型驱动方式，通过连杆控制足部前端，可以在满足踝关节矢状面活动的基础上保留其他两个面活动的可能。电机安装在矫形器上外壳，符合人体下肢正常承重模式。同时连杆机构可以对踝关节的活动进行放大，即凸轮连杆转动角度是下外壳转动角度的几倍。经过计算，该装置能够控制踝关节在正常活动范围内，不会对人体造成进一步损伤。另外，本技术还进一步提供了一种多传感器融合的功能性电刺激装置。基于单传感器的信号可以提供一定的步态信息，但是不能较为完整地表征步态信息。而在该多传感器融合的功能性电刺激装置中，表面肌电信号能够反映对应肌肉的激活情况，可以反映肢体的运动意图；激光测距传感器的可以检测脚踝与地面间的直线距离，配合脚踝处惯性传感器估算出步态周期和判断，避免了使用足底压力传感器难以长期使用和适配性弱的缺点；固定在大腿的惯性传感器可以动态表征髋关节的运动状态。因此本技术中通过多种传感器的融合可以极大提高步态识别的准确率，更加有利于下肢外骨骼的控制。附图说明图1为步态采集及神经肌肉电刺激动力式踝足矫形器装置侧视图；图2为步态采集及神经肌肉电刺激动力式踝足矫形器装置轴测图；图3为另一实施例中的踝足矫形器上的功能性电刺激装置具体结构示意图；图4为另一实施例中的功能性电刺激装置连接结构示意图；图5为另一实施例中的PC上位机示意图。具体实施方式下面将结合实施例和附图对本技术的具体实施进行说明。如图1所示，在本技术的一个较佳实施例中，提供了一种步态采集及神经肌肉电刺激动力式踝足矫形器，其主要的结构部件包括上外壳10、下外壳20和功能性电刺激装置30几部分。其中，上外壳10的内本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种步态采集及神经肌肉电刺激动力式踝足矫形器，其特征在于，包括上外壳(10)、下外壳(20)和功能性电刺激装置(30)；所述的上外壳(10)的内壁呈曲面形式，用于贴合用户小腿表面；所述下外壳(20)中具有供用户穿戴状态下的容纳踝足位置的凹形空间；所述的下外壳(20)铰接于上外壳(10)的侧壁上，使用户的踝关节转动过程中下外壳(20)能绕交接点同步摆动；所述功能性电刺激装置(30)安装于上外壳(10)中，用于采集用户的步态并施加电刺激脉冲；所述上外壳(10)的两侧分别设有凸轮连杆机构，上外壳(10)一侧的凸轮连杆结构包括第一电机(1-1)、第一凸轮连杆(2-1)和第一直连杆(3-1)，第一电机(1-1)通过第一凸轮连杆(2-1)与第一直连杆(3-1)一端相连传动，第一直连杆(3-1)另一端与下外壳(20)一侧铰接；上外壳(10)另一侧的凸轮连杆结构包括第二电机(1-2)、第二凸轮连杆(2-2)和第二直连杆(3-2)，第二电机(1-2)通过第二凸轮连杆(2-2)与第二直连杆(3-2)一端相连传动，第二直连杆(3-2)另一端与下外壳(20)一侧铰接；两个凸轮连杆机构用于驱动所述下外壳(20)绕铰接点摆动。/n...

【技术特征摘要】
1.一种步态采集及神经肌肉电刺激动力式踝足矫形器，其特征在于，包括上外壳(10)、下外壳(20)和功能性电刺激装置(30)；所述的上外壳(10)的内壁呈曲面形式，用于贴合用户小腿表面；所述下外壳(20)中具有供用户穿戴状态下的容纳踝足位置的凹形空间；所述的下外壳(20)铰接于上外壳(10)的侧壁上，使用户的踝关节转动过程中下外壳(20)能绕交接点同步摆动；所述功能性电刺激装置(30)安装于上外壳(10)中，用于采集用户的步态并施加电刺激脉冲；所述上外壳(10)的两侧分别设有凸轮连杆机构，上外壳(10)一侧的凸轮连杆结构包括第一电机(1-1)、第一凸轮连杆(2-1)和第一直连杆(3-1)，第一电机(1-1)通过第一凸轮连杆(2-1)与第一直连杆(3-1)一端相连传动，第一直连杆(3-1)另一端与下外壳(20)一侧铰接；上外壳(10)另一侧的凸轮连杆结构包括第二电机(1-2)、第二凸轮连杆(2-2)和第二直连杆(3-2)，第二电机(1-2)通过第二凸轮连杆(2-2)与第二直连杆(3-2)一端相连传动，第二直连杆(3-2)另一端与下外壳(20)一侧铰接；两个凸轮连杆机构用于驱动所述下外壳(20)绕铰接点摆动。


2.如权利要求1所述的步态采集及神经肌肉电刺激动力式踝足矫形器，其特征在于，所述的功能性电刺激装置(30)包括传感器模块、刺激模块、数据传输模块和上位机模块；
所述传感器模块，包括表面肌电传感器、激光测距传感器、惯性传感器；所述表面肌电传感器，用于采集下肢的多通道表面肌电信号；所述惯性传感器有两组，第一惯性传感器固定于大腿位置，用于检测行走时大腿位置的姿态信息，第二惯性传感器固定于下外壳(20)中的脚踝位置，用于检测行走时脚踝位置的姿态信息；所述姿态信息包括欧拉角、角速度和加速度；所述激光测距传感器固定于下外壳(20)中的脚踝位置，用于检测行走时脚踝与地面之间的直线距离；
所述上位机模块通过所述数据传输...

【专利技术属性】
技术研发人员：周聪聪，叶学松，杨力林，褚建农，
申请(专利权)人：浙江大学，红河创新技术研究院有限责任公司，
类型：新型
国别省市：浙江;33