专利名称：单假肢行走辅助训练设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及医疗设备技术，具体涉及一种单假肢行走辅助训练设备。
背景技术：
单腿截肢病人在安装假肢后，均需要训练使用假肢进行走路，单假肢使用训练是单腿 截肢康复的一个重要方面。传统的训练包括站立位平衡功能训练、迈步训练、步行训练、 杠外步行训练和日常应用动作训练等。这些训练存在的问题是持续时间长，效率低，究其 原因，是因为使用者不能直接感觉脚底的压力变化及其变化规律，只能通过不断的试探和 摸索来达到行走的目的，这无形中会增大训练量和加大训练难度，给使用者带来极大的痛 苦和不便。
故如何设计一种可以直观地显示假肢安装者在行走训练时的脚底受力情况，以便于训 练者正确调整行走施力的大小和平衡，达到降低训练量和训练难度，使训练者快速适应假 肢行走的目的的设备，就成为本技术领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是设计一种可以直接检测假肢安装者在行走训练时的脚 底受力情况，并显示、反馈给训练者的设备，以便于训练者正确调整行走施力的大小和平 衡，达到降低训练量和训练难度，使训练者快速适应假肢行走的目的。
本发明的技术方案为单假肢行走辅助训练设备，其特征在于，包括能感知地面力的 医疗鞋，和与所述医疗鞋电连接的显示器；所述医疗鞋底部设有数个力传感器，该力传感 器通过电路板和控制器将脚底受力的变化情况经显示器实时显示，受训者根据健肢的脚底 受力变化规律，调整假肢侧的运动使假肢脚底的受力规律与健腿接近，从而加速训练过程， 降低训练成本。
所述医疗鞋，包括鞋体，设置在鞋体底部前掌和后跟处的若干力传感器，设置于鞋体 侧部并与力传感器相连的电源和电路板，与电路板相连的上位机显示器，其中所述电路 板上设置有小信号放大滤波电路、控制器和串口，所述小信号放大滤波电路由五级放大滤波电路构成，其第一级U1A、 U1B构成同相输人方式，用于抑制共模干扰，第二级U1C构 成差分放大级，用于将差分输入转成单端输出，第三级U1D构成200HZ低通滤波器，用于 将高频干扰信号滤除，第四级U2A构成50HZ的带阻滤波器，用于将工频干扰信号滤除， 第五级U2B构成同相比例运算电路，用于将力传感器的小信号放大到实际需要的电压信号； 所述控制器与小信号放大滤波电路第五级的输出端连接，用于进行模数转换；控制器通过 串口与上位机显示器相连进行通讯。
作为本技术方案的进一步优化，所述鞋底前掌和后跟处设置有附加轮胎底，所述力传 感器设置于附加轮胎底内部，这样附加轮胎底可以对力传感器起到缓冲保护的作用，当然 实际实施时，也可以采用其他的缓冲性能好的材料。
作为本技术方案的进一步优化，所述鞋体侧部设置有保护袋，所述电源和电路板设置
于保护袋内，这样可对电源盒电路板起到保护作用。 下面，更加具体、详细地阐述本发明的技术方案
一种能感知地面力并把脚底受力的变化实时在电脑中显示出来的单假肢行走辅助训 练设备，该设备主要由鞋体、力传感器、附加轮胎底、保护袋，电池，电路板，上位机显 示器组成。
其中，鞋体为普通市购篮球鞋，在每个鞋体的鞋底挖有12个圆槽。篮球鞋能较好地 包裹和保护脚体，有效防止训练的意外伤害，12个圆槽用以嵌入12个力传感器。
力传感器为普通市购传感器，价格低廉，能降低医疗鞋的成本。该传感器通过粘结剂 嵌入到鞋底的圆槽中，并通过信号线与电路板连接。该力传感器用于测量脚底各个部位所 受地面反力的大小。
附加轮胎底为加厚鞋底用的普通轮胎底，通过强力胶粘结在装好传感器的鞋底，轮胎 底与地面接触，即减小了地面反力带来的震动对传感器的的危害，也增强了鞋的耐磨性能， 提高了鞋的使用寿命。
保护袋为缝制的长方体帆布袋，在其后侧开有一方孔，该袋缝在鞋的外侧。保护袋对 放在其中的电路板和电池提供保护，减小意外损坏的几率。方孔为电路板与上位机进行串 口通讯提供了方便。
电池为普通锂电池，提供9伏电压，为运算放大器提供9伏电源，经过电源模块转换， 为控制器提供3.3伏电源。
电路板由小信号放大滤波电路、控制器、串口构成。其小信号放大滤波电路由五级放 大滤波电路构成，对力传感器的小信号起放大、滤波、抗干扰的作用。第一级U1A、 U1B构成同相输人方式，使电路具有高共模抑制比来抑制共模干扰。第二级uic构成差分放大
级，将差分输入转成单端输出。第三级U1D构成200HZ低通滤波器将高频干扰信号滤除。 第四级U2A构成50HZ的带阻滤波器将工频干扰信号滤除。第五级U2B构成同相比例运算 电路，将力传感器的小信号放大到实际需要的电压信号。小信号放大滤波电路的输出端与 控制器连接，控制器用来进行模数转换,并且控制器通过串口与上位机显示器通讯。
本发明的工作过程是残疾人行走时，假设他先迈健肢，底面橡胶垫与地面直接接触， 橡胶引导块引导地面反力作用于力传感器上，并且起到保护力传感器的作用，力传感器把 地面反力转化为0 10mv的电压信号，通过电路板上的小信号放大滤波电路把小信号放大 到能够应用与实际的电压信号并传到控制器中，控制器通过A/D转换把电压信号转换为数 字信号，并把该信号通过串口传送到上位机中，在上位机中根据力的大小，可设置用不同 的颜色表示。我们把受力大小分为3个等级，由大到小分别由红，黄，蓝表示。参考该颜 色分布，控制用力，迈动假肢，得到假肢的颜色分布，比较两脚颜色分部差异，根据差异 调整假肢迈步，如此重复多次，直到调整至与健腿的颜色分布非常接近，最终实现正确步 行。
本发明针对现有单假肢使用训练的不足之处，提供了一种能感知地面力并把脚底受力 的变化，通过图形化界面，实时在电脑中显示出来的单假肢行走辅助训练设备，给训练者 提供健肢和假肢脚底受力的变化规律，训练者就可以参考健肢的脚底受力变化规律，来调 整假肢侧的运动，使假肢脚底的受力规律与健腿接近，从而加速训练过程，降低训练成本。
更加具体地说，本技术方案具有以下有益效果
1. 本发明不仅可以测量地面反力，而且可以通过串口与上位机的通讯，实时地把受 力情况，通过图形化界面直观地显示出来，从而有效地指导单腿假肢行走训练。
2. 本发明用的是市场上购买的普通力传感器，该力传感器技术成熟、重量轻、经济， 从而进一步减小了鞋的重量与成本，便于推广应用。
3. 本发明采用篮球鞋体，能较好地包裹，保护脚体，有效防止训练的意外伤害。
4. 传感器的安置采用嵌入式结构，与鞋底融为一体，并附加轮胎底，既保护了传感 器，又不会影响训练者的穿鞋感觉。
5. 借助于篮球鞋较大的表面积，在其外侧可缝制一个保护袋，电路板以及电池放置 在其中，即可得到良好保护，也易于扩展和维护。
6. 本发明可广泛用作假肢使用训练的辅助，特别适用于单腿假肢使用训练的辅助。
图1是本发明单假肢行走辅助训练设备的结构示意图，图中省略上位机显示器。
图2是本发明单假肢行走辅助训练设备的鞋底结构图。
图3是本发明单假肢行走辅助训练设备的保护袋左侧结构图。
图4是本发明单假肢行走辅助训练设备的电路板原理框图。
图5是本发明单假肢行走辅助训练设备小信号放大滤波电路原理图。
图6是本发明单假肢行走辅助训练设备上位机图形用户界面。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步详细说明
如图1 图5所示， 一种基于脚掌传感的单假肢行走辅助训练设备，主要由两个鞋和 一个上位机显示器组成，每个鞋主要包括鞋体l，保护袋3，电池4，后附加轮胎底5，前 附加轮胎底7，力传感器8和电路板2。
鞋体l为普通篮球鞋，空间大，鞋底较厚，在鞋底可以挖出十二个圆槽，前掌分可三 排设置八个，后脚跟可分两排设置四个，用以嵌入传感器，并以粘结剂固定。
保护袋3为一个长方体帆布袋，牢固，耐用，在其一侧有方孔9，便于放置其中的电
路板的串口与上位机通讯。
电池4为运算放大器提供9伏电源，经过电源模块转换，为控制器提供3. 3伏电源。
后附加轮胎底5与前附加轮胎底7，用强力胶分别粘结在鞋底的前掌和后掌上，既保 护了传感器，又增加了耐磨性能。
力传感器5为12个普通的市购力传感器，型号为CZL 204G,价格低廉，能降医疗鞋 的成本。12个力传感器5分别通过信号线与电路板7上的小信号放大电路连接。
电路板2由小信号放大滤波电路、控制器，串口构成。如图4所示，其小信号放大滤 波电路由五级放大滤波电路构成，对力传感器5的小信号起放大、滤波、抗干扰的作用。 第一级U1A、 U1B构成同相输人方式，使电路具有高共模抑制比来抑制共模干扰。第二级 U1C构成差分放大级，将差分输入转成单端输出。第三级U1D构成200HZ低通滤波器将高 频干扰信号滤除。第四级U2A构成50HZ的带阻滤波器将工频干扰信号滤除。第五级U2B 构成同相比例运算电路，将力传感器的小信号放大到实际需要的电压信号。小信号放大滤 波电路的输出端与控制器连接，控制器用来进行模数转换，并且控制器通过串口与上位机 通讯，把受力的变化，通过图形化界面，实时在电脑中显示出来。其中U1A、 U1B、 U1C、U1D、 U2A、 U2B为市购的普通运算放大器LM324。
力传感器8的小信号放大滤波电路原理图，如图5所示，由五级放大滤波构成，第-级U1A、 U1B构成同相输人方式，使电路具有高共模抑制比来抑制共模干扰。
其中R2:R3， —"w为力传感器输出电压信号
W = (2"2)/
第一级放大倍数为_ 第一级输出电压为仏=^*(^—
第二级U1C构成差分放大级，将差分输入转成单端输出。
其中R4=R5， R6-R7,"" 一仏2为第一级输出电压信号
=及7/
第二级放大倍数为
第二级输出电压为Wjt"(W" —W,2)
第三级U1D构成200HZ低通滤波器将高频干扰信号滤除。
=1 , Rll
其中当参数R8=R9时，R=R8=R9,up — + RIO ,
/=丄 第三级截至频率7° 2;rf C
"(7) "'(3乂)+
第三级放大倍数 "7。 第三级输出电压为仏=^3*"2
第四级U2A构成50HZ的带阻滤波器将工频干扰信号滤除。 其中R=R12=R13，C=C3=C4, Rm、 Rn是导线连接 带阻滤波器放大倍数-
/丄 中心频率。2;rf c
通带截至频率入2= J(2-^J+i+(2-A>/
第四级输出电压为仏
仏
第五级U2B构成同相比例运算电路，将力传感器的小信号放大到实际需要的电压信号。 第五级放大倍数为"=1 + ^%16
第五级输出电压为仏=^*仏
所述医疗鞋控制器的信号与所述显示器通过有线或无线进行通讯，例如医疗鞋控制器
内设有ZigBee无线发送模块；显示器设有ZigBee无线接收模块进行进行通讯。有线或无 线进行通讯技术均采用现有成熟技术。
图形用户界面压力传感器ll，如图6，图中IO是显示的鞋底界面，ll是显示的力传 感器受力点，具体实施时采用不同的颜色表示受力大小变化的状况。当脚底压力变化时， 根据各传感器的受力大小，以红，黄，蓝表示出来，以便假肢参考健肢脚底的受力情况， 进行步行训练。
权利要求
1、单假肢行走辅助训练设备，其特征在于，包括能感知地面力的医疗鞋，和与所述医疗鞋电连接的显示器；所述医疗鞋底部设有数个力传感器，该力传感器通过电路板和控制器将脚底受力的变化情况经显示器实时显示，受训者根据健肢的脚底受力变化规律，调整假肢侧的运动使假肢脚底的受力规律与健腿接近，以加速训练过程。
2、 根据权利要求1所述的单假肢行走辅助训练设备，其特征在于，所述医疗鞋，包 括鞋体，设置在鞋体底部前掌和后跟处的数个力传感器，设置于鞋体侧部并与力传感器相 连的电源和电路板，与电路板电连接的上位机显示器，其中所述电路板上设置有小信号 放大滤波电路、控制器和串口，所述小信号放大滤波电路由五级放大滤波电路构成，其第 一级U1A、 U1B构成同相输人方式，用于抑制共模干扰，第二级U1C构成差分放大级，用 于将差分输入转成单端输出，第三级U1D构成200HZ低通滤波器，用于将高频干扰信号滤 除，第四级U2A构成50HZ的带阻滤波器，用于将工频干扰信号滤除，第五级U2B构成同 相比例运算电路，用于将力传感器的小信号放大到实际需要的电压信号；所述控制器与小 信号放大滤波电路第五级的输出端连接，用于进行模数转换；控制器通过串口与上位机显 示器相连进行通讯。
3、 如权利要求1所述的单假肢行走辅助训练设备，其特征在于，所述医疗鞋控制器 的信号与所述显示器通过有线或无线进行通讯。
4、 如权利要求1所述的单假肢行走辅助训练设备，其特征在于，所述鞋底前掌和后 跟处设置有附加轮胎底，所述力传感器设置于附加轮胎底内部。
5、 如权利要求1所述的单假肢行走辅助训练设备，其特征在于，所述鞋体侧部设置 有保护袋，所述电源和电路板设置于保护袋内。
全文摘要
本发明公开了一种单假肢行走辅助训练设备，包括能感知地面力的医疗鞋，和与所述医疗鞋电连接的显示器；所述医疗鞋底部设有数个力传感器，该力传感器通过电路板和控制器将脚底受力的变化情况经显示器实时显示，受训者根据健肢的脚底受力变化规律，调整假肢侧的运动使假肢脚底的受力规律与健腿接近，从而加速训练过程，降低训练成本。采用本发明可以直观地显示假肢安装者在行走训练时的脚底受力情况的设备，以便于训练者正确调整行走施力的大小和平衡，达到降低训练量和训练难度，使训练者快速适应假肢行走的目的。
文档编号G01L1/00GK101579283SQ20091010407
公开日2009年11月18日 申请日期2009年6月12日 优先权日2009年6月12日
发明者楠 李, 李祖枢, 王晓龙, 薛方正, 邓航见 申请人:重庆大学