CN107496065B - 智能调整型足下垂康复矫形器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种智能调整型足下垂康复矫形器，包括足部固定组件，腿部固定组件，控制单元，用于通过牵拉机构控制足部固定组件相对于腿部固定组件转动，使得足部固定组件相对腿部固定组件位于初始状态、背曲状态、趾屈状态中的一种。足部固定组件包括足托，腿部固定组件包括腿部支撑杆，足托与腿部支撑杆通过弹性件相连接，二者受弹性力的作用可相向转动，足部固定组件对应前足位置的底部设置绳轮，足托后端设置滑轮，绳件一端固定于腿部固定组件上，另一端通过滑轮与绳轮相连接，驱动电机的动力端与绳轮相连接，通过驱动电机带动绳轮转动，可调整足托与腿部支撑杆的相对位置。本发明可根据人的行走状态，自动调节足部于背曲与趾屈状态间转换。
Description
技术领域
本发明涉及一种足下垂康复训练装置，特别是涉及一种智能调整型足下垂康复矫形器。
背景技术
足下垂是骨外科体征之一，泛指足部自然悬垂，处于跖屈状态，不能主动背屈与内、外翻。足下垂康复矫形器是治疗足下垂的一种有效方式和辅具，其通过辅助的固定和作用力使足部与小腿呈现出背曲，从而不断刺激，促进相应疾病的康复。
目前，足下垂矫形器主要分为以下三种：
第一种为传统的足托，其整体由树脂塑料或炭纤维制成，能够使足部与小腿始终保持在接近相互垂直的位置，使用时，只需穿戴矫形器到鞋中即可。这种足托结构简单，可在行走时使用，实用性较强，但由于足部与小腿角度固定，人行走康复时，无法进行进一步的足部背曲。部分足托在足部与小腿的连接处通过材料和形状的形变，能够实现一定幅度的背曲，但因形变大小有限所以背曲角度有限，且患者存在个体差异性，无法达到满意的康复结果。
第二种为弹性拉伸带，如申请号为201080006062.3的专利申请公开了一种踝关节绷带，其通过弹性织物，被动拉伸足部，以使其处于背曲状态。这种拉伸带结构简单，便于携带，可穿入鞋中辅助患者行走，但由于足部与小腿始终处于牵拉受力状态，趾曲时十分困难，对于长时间行走训练极为不利。
第三种为康复矫形器，其通过复杂的结构，可以实现足部的背曲或相应的康复训练。根据不同的使用状态，康复矫形器分为静态训练型和辅助行走型两种，其中，静态训练型康复矫形器是指人在静止状态下进行足下垂康复训练的康复训练装置，如申请号为201210505294.4、201310014261.4、201310421566.7的专利申请所公开的康复训练装置，这类装置适用于医院或康复机构，对足下垂患者进行临床康复治疗，一般坐姿使用，体积较大，控制较复杂；辅助行走型康复矫形器是利用仿人机器人技术使足下垂患者在机器外骨骼的带动下进行足部背曲和趾屈的康复训练装置，如申请号为201210564248.1，201310026925.9，201410251985.5的专利申请所公开的康复训练装置，这种装置可实现与人体相类似的运动轨迹，但价格较为昂贵。
综上所述，目前已有的几种矫形器能够对足下垂患者的康复训练和辅助行走起到一定的作用，但均存在以下缺点：一方面，无法根据人的行走状态，自动调节足部状态；另一方面，将脚板设计成一个整体，未考虑人体足部由前、后足组成，且前、后足之间存在多个运动自由度，足下垂患者往往伴有前足和后足轴线不齐等问题，这样在牵拉、行走、康复训练的过程中，无法保证正常人的足部状态，不利于相关疾病的治疗。
发明内容
鉴于上述原因，本发明的目的在于提供一种智能调整型足下垂康复矫形器，可根据人的行走状态，自动调节足部于背曲状态与趾屈状态间转换，结构简单，穿戴灵活，可为足下垂患者提供行走助力，起到辅助康复作用。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种智能调整型足下垂康复矫形器，包括：
用于固定足部的足部固定组件，
用于固定小腿部的腿部固定组件，
控制单元，用于通过一牵拉机构控制足部固定组件相对于腿部固定组件转动，使得足部固定组件相对腿部固定组件位于初始状态、背曲状态、趾屈状态中的一种状态。
所述控制单元包括主控芯片、前足压力传感器、后足压力传感器、驱动电机，前足压力传感器设于所述足部固定组件上对应前足的位置，后足压力传感器设于所述足部固定组件上对应后足的位置，驱动电机与所述牵拉机构的活动端相连接，前足压力传感器、后足压力传感器的信号输出端与主控芯片的数据输入端相连接，主控芯片的控制信号输出端与驱动电机的控制端相连接，可分别根据前足压力信号、后足压力信号的大小，分别控制驱动电机进行反转、正转，控制足托与腿部支撑杆之间达到不同的夹角位置，使得足部分别位于不同的趾屈角度、背屈角度。
所述控制单元还包括角度传感器，该角度传感器设置于所述足部固定组件与腿部固定组件的转动连接位置，该角度传感器的信号输出端与所述主控芯片的数据输入端相连接，该角度传感器用于感测背曲角度、趾屈角度。
所述足部固定组件包括足托，所述腿部固定组件包括腿部支撑杆，该足托与腿部支撑杆通过弹性件相连接，在不受外力的情况下，受弹性回复力的作用，足托与腿部支撑杆可相向转动，在静止状态，可以将足部向上拉到人体正常位置，防止足下垂。
所述牵拉机构包括绳轮、滑轮、绳件，该绳轮设于所述足部固定组件对应前足位置的底部，滑轮设于所述足托后端，该绳件一端固定于所述腿部固定组件上，另一端通过该滑轮与绳轮相连接，所述驱动电机的动力端与该绳轮相连接，通过所述驱动电机带动绳轮转动，可调整所述足托与腿部支撑杆的相对位置。
所述腿部固定组件包括腿部后托，腿部后托与所述腿部支撑杆铰接，所述绳件固定于该腿部后托上。
所述足托顶部设有感应鞋垫，该感应鞋垫上对应足尖的位置设置所述前足压力传感器，对应足跟的位置设置所述后足压力传感器。
所述足托还包括与所述足托固定连接的前足固定带与后足固定带。
所述腿部固定组件还包括腿部固定带、腿衬，腿部固定带与所述腿部支撑杆固定连接，腿衬与所述腿部支撑杆铰接。
在步行过程中，当后足与地面接触时，所述后足压力传感器感测到后足压力信号，将后足压力信号传输至所述主控芯片，所述主控芯片根据该后足压力信号，控制所述驱动电机正转，进而带动所述绳轮正转，所述绳件对足托的拉力减小，所述足托在弹性回复力的作用下向所述腿部支撑杆移动，使得足部进行背曲运动；当前足与地面接触时，所述前足压力传感器感测到前足压力信号，将前足压力信号传输至所述主控芯片，所述主控芯片根据该前足压力信号，控制所述驱动电机反转，带动所述绳轮反转，所述绳件对足托的拉力增加，所述足托克服弹性回复力的作用向远离所述腿部支撑杆的方向移动，使得足部进行趾屈运动；当足部与地面不接触，所述主控芯片未检测到所述前足压力传感器与后足压力传感器的压力信号，所述主控芯片控制所述驱动电机旋转，使得所述足托与腿部支撑杆位于正常位置的初始状态。
本发明的优点是：
1、本发明的足下垂康复矫形器，根据人的行走状态，通过控制单元与牵拉机构，可自动调节足部于背曲状态与趾屈状态间转换；
2、本发明的足下垂康复矫形器，通过角度传感器检测足部的背曲、趾屈角度，保证足部活动于正常安全的范围之内；
3、本发明的足下垂康复矫形器，足托由前足部与后足部通过可调节的连接杆连接而成，前、后足的轴线可通过连接杆的调节，实现对齐和转动，可辅助相关疾病患者进行矫正康复训练；
4、本发明的足下垂康复矫形器，牵拉机构通过足底部的驱动电机带动牵拉绳来实现，可以模仿人体足部跟腱的作用；
5、本发明的足下垂康复矫形器，足托对应前、后足的位置分别配有固定带，可以分别对前、后足进行固定，并可调节松紧度；
6、本发明的足下垂康复矫形器，腿部固定组件包括塑料制的腿衬和金属制的托架，塑料制的腿衬可为腿部接触提供舒适的界面，金属制的托架可以提供稳定的力学支撑；
7、本发明的足下垂康复矫形器，金属制的托架包括内、外侧支撑杆和上、下部后托，可以为腿部提供足够的支撑力，并可根据患者的腿部状态灵活调节，提高腿部与矫形器的跟随性。
8、本发明的足下垂康复矫形器，结构简单，与鞋的尺寸相仿，可以灵活穿戴，为足下垂患者提供行走助力，辅助进行足部康复训练。
附图说明
图1是本发明的矫形器的整体结构示意图。
图2是本发明的矫形器于另一视角的整体结构示意图，显示足托底部的牵拉机构。
图3是本发明的矫形器在初始状态与背曲状态间调整的示意图。
图4是本发明的感应鞋垫的平面示意图。
图5是本发明的前足部与后足部的连接的俯视图。
图6是本发明的控制单元的结构框图。
图7是不能背曲的足部及拉动该足部使其回到正常位置的示意图。
图8是人体行进状态的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步详细的说明。
如图1-6所示，本发明公开的智能调整型足下垂康复矫形器，包括足部固定组件、腿部固定组件、牵拉机构、控制单元。
如图1、2、5所示，足部固定组件包括足托1，足托1上对应人体前足的位置设有前足固定带15，对应人体后足的位置设有后足固定带16。足托1包括前足部11和后足部12，前足部11与人体前足的位置对应，后足部12与人体后足的位置对应，前足部11与后足部12通过可调节的连接杆相连接，具体的说，前足部11与后足部12的外侧通过外侧连接杆13连接，前足部11与后足部12的内侧通过内侧连接杆14连接，且外侧连接杆13与内侧连接杆14的长度可调，通过调节两连接杆的长度(同时调节或是调节其中一个)，可以调节前、后足的轴向对线和转动角度，以便于适应不同患者进行穿戴，对相关足部疾病进行矫正康复训练。
如图1、4所示，足托1顶部(人体足部接触的部分)设有感应鞋垫2，感应鞋垫2上对应人体足尖的位置设有前足压力传感器21，感应鞋垫2上对应人体足跟的位置设有后足压力传感器22。
腿部固定组件包括腿部支撑杆3(包括外侧支撑杆、内侧支撑杆)、上部后托41、下部后托42、腿部固定带5(包括上部、下部固定带)、塑料制的腿衬6。腿部支撑杆3的下端与足托1靠近足跟的位置通过弹性件(如，扭簧)连接，在无外力的作用下，腿部支撑杆3与足托1之间在弹性回复力的作用下，可相向转动而彼此靠近。上部后托41、下部后托42、腿衬6分别与腿部支撑杆3通过铰链连接，腿部固定带5通过螺钉与腿部支撑杆3固定连接。
牵拉机构7包括绳轮71、滑轮72、软绳73、驱动电机74，绳轮71及驱动电机74固定于足托1底部靠近人体前足的位置，滑轮72固定于足托1后端，驱动电机74的动力端与绳轮71相连接，软绳73一端固定于下部后托42，另一端通过滑轮72连接于绳轮71上。
控制单元包括主控芯片、角度传感器、前足压力传感器21、后足压力传感器22，腿部支撑杆3与足托1的连接位置设置角度传感器8，角度传感器8、前足压力传感器21、后足压力传感器22的信号输出端分别与主控芯片的数据输入端相连接，主控芯片的控制信号输出端与驱动电机74的控制端相连接。
本发明的智能调整型足下垂康复矫形器的工作原理是：
结合图7，对于足部不能背曲的足下垂患者，穿戴本发明的矫形器后，足托1与腿部支撑杆3之间受弹性回复力的作用，将足部向上拉到正常位置(初始状态)，进一步向上可达到背曲状态。
结合图8，以右足部为例。当后足与地面接触，后足压力传感器感测到后足压力信号，将后足压力信号传输至主控芯片，主控芯片根据该后足压力信号，控制驱动电机74正转，驱动电机74正转，带动绳轮71正转，软绳73对足托1的拉力减小，足托1在弹性回复力的作用下向腿部支撑杆3移动，使得足部进行背曲运动。在足托1相对腿部支撑杆3的转动过程中，角度传感器8检测足托1与腿部支撑杆3之间的背曲角度信号，将背曲角度信号传输至主控芯片，主控芯片将背曲角度信号与预设的背曲角度阈值进行比较，当背曲角度信号达到预设的背曲角度阈值时，主控芯片控制驱动电机74停止正转，使得足托1与腿部支撑杆3不再相向转动，防止背曲角度超过人体的正常范围值。
当前足与地面接触，前足压力传感器感测到前足压力信号，将前足压力信号传输至主控芯片，主控芯片根据该前足压力信号，控制驱动电机74反转，驱动电机74反转，带动绳轮71反转，软绳73对足托1的拉力增加，足托1克服弹性回复力的作用向远离腿部支撑杆3的方向移动，使得足部进行趾屈运动。在足托1相对腿部支撑杆3的转动过程中，角度传感器8检测足托1与腿部支撑杆3之间的趾屈角度信号，将趾屈角度信号传输至主控芯片，主控芯片将趾屈角度信号与预设的趾屈角度阈值进行比较，当趾屈角度信号达到预设的趾屈角度阈值时，主控芯片控制驱动电机74停止反转，使得足托1与腿部支撑杆3不再相向转动，防止趾屈角度超过人体的正常范围值。
当足部与地面不接触，主控芯片未检测到前足压力传感器与后足压力传感器的压力信号，主控芯片控制驱动电机74旋转，使得足托与腿部支撑杆3位于正常位置的初始状态。
进一步的，主控芯片可分别根据前足压力信号、后足压力信号的大小，分别通过控制驱动电机74的反转、正转，控制足托与腿部支撑杆3之间达到不同的夹角位置，即，使得足部分别位于不同的趾屈角度、背屈角度。
以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。
Claims (6)
1.智能调整型足下垂康复矫形器，其特征在于，包括：
用于固定足部的足部固定组件，
用于固定小腿部的腿部固定组件，
控制单元，用于通过一牵拉机构控制足部固定组件相对于腿部固定组件转动，使得足部固定组件相对腿部固定组件位于初始状态、背曲状态、趾屈状态中的一种状态；
所述控制单元包括主控芯片、前足压力传感器、后足压力传感器、驱动电机，前足压力传感器设于所述足部固定组件上对应前足的位置，后足压力传感器设于所述足部固定组件上对应后足的位置，驱动电机与所述牵拉机构的活动端相连接，前足压力传感器、后足压力传感器的信号输出端与主控芯片的数据输入端相连接，主控芯片的控制信号输出端与驱动电机的控制端相连接，可分别根据前足压力信号、后足压力信号的大小，分别控制驱动电机进行反转、正转，控制足托与腿部支撑杆之间达到不同的夹角位置，使得足部分别位于不同的趾屈角度、背屈角度；
所述控制单元还包括角度传感器，该角度传感器设置于所述足部固定组件与腿部固定组件的转动连接位置，该角度传感器的信号输出端与所述主控芯片的数据输入端相连接，该角度传感器用于感测背曲角度、趾屈角度；
所述足部固定组件包括足托，所述腿部固定组件包括腿部支撑杆，该足托与腿部支撑杆通过弹性件相连接，在不受外力的情况下，受弹性回复力的作用，足托与腿部支撑杆可相向转动，在静止状态，可以将足部向上拉到人体正常位置，防止足下垂；
所述牵拉机构包括绳轮、滑轮、绳件，该绳轮设于所述足部固定组件对应前足位置的底部，滑轮设于所述足托后端，该绳件一端固定于所述腿部固定组件上，另一端通过该滑轮与绳轮相连接，所述驱动电机的动力端与该绳轮相连接，通过所述驱动电机带动绳轮转动，可调整所述足托与腿部支撑杆的相对位置。
2.根据权利要求1所述的智能调整型足下垂康复矫形器，其特征在于，所述腿部固定组件包括腿部后托，腿部后托与所述腿部支撑杆铰接，所述绳件固定于该腿部后托上。
3.根据权利要求1所述的智能调整型足下垂康复矫形器，其特征在于，所述足托顶部设有感应鞋垫，该感应鞋垫上对应足尖的位置设置所述前足压力传感器，对应足跟的位置设置所述后足压力传感器。
4.根据权利要求1所述的智能调整型足下垂康复矫形器，其特征在于，所述足托还包括与所述足托固定连接的前足固定带与后足固定带。
5.根据权利要求2所述的智能调整型足下垂康复矫形器，其特征在于，所述腿部固定组件还包括腿部固定带、腿衬，腿部固定带与所述腿部支撑杆固定连接，腿衬与所述腿部支撑杆铰接。
6.根据权利要求1所述的智能调整型足下垂康复矫形器，其特征在于，在步行过程中，当后足与地面接触时，所述后足压力传感器感测到后足压力信号，将后足压力信号传输至所述主控芯片，所述主控芯片根据该后足压力信号，控制所述驱动电机正转，进而带动所述绳轮正转，所述绳件对足托的拉力减小，所述足托在弹性回复力的作用下向所述腿部支撑杆移动，使得足部进行背曲运动；当前足与地面接触时，所述前足压力传感器感测到前足压力信号，将前足压力信号传输至所述主控芯片，所述主控芯片根据该前足压力信号，控制所述驱动电机反转，带动所述绳轮反转，所述绳件对足托的拉力增加，所述足托克服弹性回复力的作用向远离所述腿部支撑杆的方向移动，使得足部进行趾屈运动；当足部与地面不接触，所述主控芯片未检测到所述前足压力传感器与后足压力传感器的压力信号，所述主控芯片控制所述驱动电机旋转，使得所述足托与腿部支撑杆位于正常位置的初始状态。
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