一种康复鞋及其控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种康复鞋，包括鞋面、鞋底板、调整机构和控制器，调整机构包括固定板、固定外壳及传动结构，传动结构包括丝杠、蜗轮、蜗杆、电机和移动支架，丝杠一端连接固定板另一端固接蜗轮，蜗轮连接固定外壳，蜗杆与蜗轮啮合，丝杠与移动支架啮合，电机与蜗杆一端相连，移动支架具有一底盘，该底盘与地面接触的一端装有压力传感器，压力传感器用于获取压力信号，控制器用于处理压力信号并控制电机运动；本发明还涉及一种控制系统，包括信号传感器、位置传感器、信号采集模块、计算机模块和驱动模块，通过采集压力、加速度和肌电信号，并利用位置传感器在线监测康复鞋使用者的运动状态，来控制康复鞋的调整机构，防止人体跌倒。
【专利说明】一种康复鞋及其控制系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及医疗器械领域，具体涉及一种预防跌倒的康复鞋和用于控制该康复鞋 的系统。
【背景技术】
[0002] 足底压力的不稳定性，常常引起人体关节的损伤，甚至导致人体跌倒。对于老年人 或一些行动不便的患者而言，跌倒可能导致严重后果，可能造成骨折甚至昏迷。因此，开发 新的技术，预测人体跌倒的可能性，及时调整人体位姿，十分必要。
[0003] 以色列古里安大学研制出一种Re-Step康复运动鞋，该康复鞋的主要作用是针对 脑中风、脑损伤等患者行走，步态平衡性等进行康复训练。其鞋底安装有突起压力传感装 置，根据测得的压力值来调整压力传感装置的高度，进而调整鞋底的位姿以确保患者不会 失去平衡。
[0004] 2011年5月，以色列海法理工学院研制出一种针对膝关节炎治疗的康复鞋，其特 点是改变脚底的压力重心，来改善膝关节的运动姿态。
[0005] 2011年7月，日本研制出一种跌倒的鞋子，其的底部安装了由橡胶和海绵制成的 气压传动装置，在感知到使用者有失去重心的风险时，鞋底会迅速做出调整以确保使用者 不会失去平衡。
[0006] CN103110239A公开了一种康复鞋，在鞋底中设有橡胶塑料囊及其控制箱，通过控 制橡胶塑料胶囊中原料的充放，改变胶囊体积，进而调整鞋底位姿，防止使用者跌倒。
[0007] CN102866640A公开了一种跌倒控制系统及使用该系统的康复鞋，在鞋底的重心调 整机构中设有调整垫片，通过调整垫片位置，改变鞋底板的位姿，进而防止人体跌倒。
[0008] 虽然已有现有技术对防止人体跌倒做了一定的研究，但仍存在一些问题：
[0009] 1、调整方式反应迟缓，不能有效防止人体跌倒。现有技术中，通过充放鞋底橡胶胶 囊内部原料或调整鞋底垫片等方式调整鞋底位姿，这些方式的反应迟缓，不能快速做出相 应调整，故不能有效地防止人体跌倒。
[0010] 2、控制系统模式单一，不能准确反应人体运动情况。现有技术中主要通过监测人 体压力或重心的改变来判断人体跌倒的可能性，但实际上人体正常的蹲起或弯腰动作都会 引起压力或重心的变化，故单一的控制模式会对人体的跌倒可能性造成误判，对使用者造 成不便。
【发明内容】
[0011] 为了解决上述技术问题，本发明人在进行大量的创造性劳动后，完成了本发明。 [0012] 本发明提供一种康复鞋，包括鞋面、鞋底板、设置在鞋底板中的调整机构及控制 器，所述调整机构和所述控制器设置在所述鞋底板中，所述调整机构包括固定板、固定外壳 和传动结构；
[0013] 所述固定板固设在所述鞋底板上，所述固定外壳连接在所述固定板上，且所述固 定板与所述固定外壳包围形成一容置空间，所述传动结构设置在所述容置空间中；
[0014] 所述传动结构包括丝杠、蜗轮、蜗杆、电机和移动支架，所述丝杠下端连接所述固 定板，所述丝杠上端固接所述蜗轮，所述蜗轮对应连接所述固定外壳，所述蜗杆与所述蜗轮 啮合，所述电机连接于所述蜗杆一端；
[0015] 所述移动支架包括平台、支杆和底盘，所述平台与所述丝杠啮合，所述支杆上端连 接所述平台，下端连接所述底盘，所述支杆贯穿所述固定板和所述鞋底板，所述底盘与地面 接触；
[0016] 所述底盘与地面接触的一端装有压力传感器，所述压力传感器用于获取压力信 号，所述控制器用于处理压力信号，并控制所述电机运动。
[0017] 进一步地，所述固定板中间开设有通孔，用于使所述移动支架的支杆穿过，所述固 定板上还开设有第一凹台，所述丝杠的下端通过轴承连接方式对应连接在所述固定板的第 一凹台处，所述固定板两侧边上设有第一螺纹孔，用于使所述固定板通过螺纹连接固设在 所述鞋底板上。
[0018] 进一步地，所述固定外壳为倒U型结构，包括顶壁和两侧壁，所述固定外壳的顶壁 上开设有第二凹台，所述蜗轮通过轴承连接方式对应连接在所述固定外壳的第二凹台处， 所述固定外壳的一侧壁上开设有凸台，所述电机安装在所述凸台处，所述固定外壳的另一 侧壁上开设有通孔，所述蜗杆一端贯穿所述通孔。
[0019] 进一步地，所述传动结构还包括联轴器，所述电机通过所述联轴器与所述蜗杆连 接，所述移动支架的平台上设有大小与所述丝杠匹配的第二螺纹孔，用于与所述丝杠啮合。
[0020] 可选地，所述康复鞋至少包括两个所述调整机构，每个所述调整机构至少包括两 个所述丝杠以及与所述丝杠相同数量的所述蜗轮，所述蜗杆上具有若干螺纹段且所述螺纹 段的数量与所述蜗轮数量相同。
[0021] 优选地，所述康复鞋包括三个所述调整机构，每个所述调整机构包括两个所述丝 杠以及与所述丝杠相同数量的所述蜗轮，所述蜗杆上具有若干螺纹段且所述螺纹段的数量 与所述蜗轮数量相同。
[0022] 可选地，所述固定板、所述移动支架的平台和所述移动支架的底盘的形状各自独 立地可以是圆形、椭圆形、矩形、圆角矩形或者五边形中的一种。
[0023] 本发明还提供一种用于控制康复鞋的控制系统，所述控制系统用于控制上述的康 复鞋，所述控制系统包括：
[0024] 信号传感器，用于获取足底压力信号、加速度信号和肌电信号，所述信号传感器包 括压力传感器、加速度传感器和表面肌电传感器；
[0025] 位置传感器，设置于所述电机内，用于在线记录所述康复鞋在各个运动时刻的位 置信息；
[0026] 信号采集模块，用于采集所述足底压力信号、加速度信号和肌电信号，并将所述足 底压力信号、加速度信号和肌电信号传输至计算机模块，所述信号采集模块包括压力信号 采集模块、加速度信号采集模块和表面肌电信号采集模块；
[0027] 计算机模块，用于接收并处理所述足底压力信号、加速度信号和肌电信号，发出控 制指令；
[0028] 驱动模块，用于根据所述计算机模块发出的控制指令做出相应驱动动作，所述驱 动模块包括多轴运动控制卡、驱动器和电机，所述驱动器根据所述多轴运动控制卡的控制 指令驱动所述电机运动。
[0029] 进一步地，所述压力传感器设置于所述移动支架的底盘上，所述加速度传感器设 置于人体的腰部，所述加速度传感器为六轴角加速度传感器，所述表面肌电传感器设置于 人体下肢，所述表面肌电传感器为表面肌电电极。
[0030] 进一步地，所述计算机模块包括数据处理单元，所述数据处理单元包括：
[0031] 信号处理单元，用于对所述足底压力信号、加速度信号和肌电信号进行放大、整形 和滤波；
[0032] 特征值提取单元，用于对经过所述信号处理单元处理后的所述足底压力信号、力口 速度信号和肌电信号进行特征值提取；
[0033] 模式识别单元，用于对所提取的所述特征值进行描述、辨认、分类和解释；
[0034] 控制单元，用于根据所述模式识别单元的处理结果发出相应的控制指令。
[0035] 本发明的有益效果如下：
[0036] 1、调整方式迅速，能及时防止人体跌倒。
[0037] 本发明中，电机与蜗杆连接，蜗杆与蜗轮是啮合配合，蜗轮与丝杠为固定连接，因 此驱动电机即可通过啮合传动方式带动丝杠沿其轴向运动；
[0038] 同时，控制系统中的位置传感器实时监测人体各运动时刻的位置信息，一旦人体 有跌倒的可能性，康复鞋的控制系统会快速发出控制命令，进而通过调整机构快速调整鞋 底板位姿。
[0039] 2、控制系统智能化，有效防止跌倒发生。本发明中，采集人体足底压力信号、加速 度信号、人体肌肉的表面肌电信号作为监测信号，通过计算机模块对采集的信号进行处理， 对人体的跌倒状态做出判断。
[0040] 与单一的压力信号或重心信号的监测相比，本发明中采集的信号信息更全面，有 利于计算机模块对人体的运动状态做出正确的判断，有效地防止跌倒事件发生。
[0041] 3、安装简单，适用范围广。本发明中，康复鞋底板上的调整机构为可拆卸机构，该 调解机构可方便地拆卸和安装于任何平底鞋上，故适用范围广泛。
【专利附图】
【附图说明】
[0042] 图1是本发明实施例一康复鞋的整体示意图。
[0043] 图2是本发明实施例一康复鞋内部结构示意图。
[0044] 图3是本发明实施例一康复鞋的调整机构的立体图。
[0045] 图4是本发明实施例一康复鞋的调整机构的立体分解图。
[0046] 图5是本发明实施例一康复鞋的调整机构的主视图。
[0047] 图6是本发明实施例一康复鞋的固定板的结构示意图。
[0048] 图7是本发明实施例一康复鞋的固定外壳的结构示意图。
[0049] 图8是本发明实施例一康复鞋的移动支架的结构示意图。
[0050] 图9是本发明实施例二控制系统的工作流程示意图。
【具体实施方式】
[0051] 下面通过具体的实施例对本发明进行详细说明，应当理解的是，这些具体实施方 式仅用来例举本发明，并非对本发明的实际保护范围构成任何形式的任何限定。
[0052] 在本发明中，术语"内"、"外"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"顶"、"底"、"坚 直"、"水平"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅为了便于描述 本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以 特定方位进行构造和操作。
[0053] 此外，术语"安装"、"设置"、"设有"、"连接"、"相连"应做广义理解。例如，可以是 固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者 是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领 域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0054] 实施例1
[0055] 参阅图1至图8,本发明的第一实施例是一种预防跌倒的康复鞋，该康复鞋包括鞋 面1、鞋底板2、设置在鞋底板2中的三个调整机构3及控制器4。如图2所示，该调整机构 3和该控制器4设置在该鞋底板2中，该鞋底板2中设有三个用于配合该调整机构3的第一 通孔21，。可以理解的是，为清楚显示各部件的连接关系，图2中鞋底板前端的两个该调整 机构3的结构图未示出。
[0056] 参阅图3至图5,每一个该调整机构3包括固定板31、固定外壳32和传动结构33。
[0057] 参阅图6,该固定板31为一矩形固定板，该固定板31的中间开设一第二通孔312， 在该通孔312两侧分别开设一第一凹台311，在该固定板31的两侧边缘设有4个第一螺纹 孔313,该固定板31通过螺纹连接方式固设在该鞋底板2上。
[0058] 参阅图7,该固定外壳32为倒U型结构，包括顶壁和两侧壁，在该固定外壳32的顶 壁上开设两第二凹台321，在该固定外壳32的一侧壁上开设一通孔型凸台322,在该固定外 壳32的另一侧壁上对应该凸台322开设一第三通孔（图未示出）。
[0059] 该固定外壳32固接在该固定板32上，且该固定外壳32与该固定板31包围形成 一容置空间，该传动结构33设置在该容置空间中。参阅图5,该传动结构3包括两根丝杠 331、两个蜗轮332、一根具有两段螺纹的蜗杆333、电机334和移动支架335。
[0060] 每一根该丝杠331下端通过轴承连接方式对应连接在该固定板的第一凹台311 上，该丝杠331上端对应固接一该蜗轮332,该蜗轮332通过轴承连接方式连接在该固定外 壳32的第二凹台321上，该蜗杆333的两段螺纹与两个该蜗轮332啮合，该蜗杆333的一 端通过一联轴器（图未示出）与该电机334连接，另一端贯穿于该固定外壳32侧壁上的第 三通孔，该电机334固设于该固定外壳32侧壁上的通孔型凸台322。
[0061] 参阅图8,该移动支架335包括平台、支杆和底盘，该平台为圆角矩形平台，该平台 上开设两个大小与该丝杠331配合的第二螺纹孔，用于与该丝杠331啮合运动，该支杆上端 连接该平台，下端连接该底盘，该支杆通过第一通孔21和第二通孔312贯穿该鞋底板2和 该固定板31，该底盘为圆形底盘，该底盘与地面接触；
[0062] 该底盘与地面接触的一端装有压力传感器3351，该压力传感器3351用于获取压 力信号，该控制器4用于处理压力信号，并控制该电机334运动。
[0063] 本实施例中，康复鞋的调整机构主要通过机械传动方式快速调整鞋底板的位姿。 在康复鞋的调整机构中，丝杠与蜗轮为固定连接结构，蜗杆与蜗轮啮合，移动支架与丝杠啮 合，蜗杆与电机连接，因此，当电机被驱动时，电机迅速带动蜗杆转动，蜗杆通过啮合传动带 动蜗轮与丝杆转动，进一步地，带动与丝杆哨合的移动支架沿着丝杆的坚直轴向方向做上 下往复运动，从而调整鞋底板的位姿。
[0064] 使用者穿上康复鞋后，康复鞋的控制器可根据设置在鞋底的压力感应器监测使用 者的位姿状态，控制调整机构中的电机的驱动状态，当监测到人体可能跌到的情况时，快速 驱动电机，从而带动调整机构的运动。
[0065] 另外，康复鞋底板上的调整机构为可拆卸机构，所以可以通过方便地拆卸和安装 将调整机构用于任何平底鞋上。
[0066] 实施例2
[0067] 本发明的第二实施例是一种用于控制康复鞋的控制系统，参阅图9,是该控制系统 的工作流程示意图。
[0068] 该控制系统用于控制实施例一的康复鞋，该控制系统包括：
[0069] 压力传感器101，设置于康复鞋的移动支架的底盘上，用于获取足底压力信号；六 轴角加速度传感器102,设置于人体的腰部，用于获取加速度信号；表面肌电传感器103,设 置于人体下肢，用于获取肌电信号，该表面肌电传感器103为表面肌电电极。
[0070] 位置传感器104,设置于康复鞋的电机内，用于在线记录所述康复鞋在各个运动时 刻的位置信息。
[0071] 压力信号采集模块201，用于采集足底压力信号并将该信号传输至计算机模块； 加速度信号采集模块202,用于采集加速度信号并将该信号传输至计算机模块；表面肌电 信号采集模块203,用于采集肌电信号并将该信号传输至计算机模块。
[0072] 计算机模块，用于接收并处理足底压力信号、加速度信号和肌电信号，并发出控制 指令。该计算机模块包括数据处理单元，该数据处理单元包括：信号处理单元301、特征值 提取单元302、模式识别单元303和控制单元304。
[0073] 该信号处理单元301，用于对足底压力信号、加速度信号和肌电信号进行放大、整 形和滤波；该特征值提取单元302,用于对经过该信号处理单元301处理后的足底压力信 号、加速度信号和肌电信号进行特征值提取；该模式识别单元303,用于对所提取的特征值 进行描述、辨认、分类和解释；该控制单元304,用于根据该模式识别单元303的处理结果发 出相应的控制指令。
[0074] 驱动模块，用于根据该计算机模块发出的控制指令做出相应驱动动作，该驱动模 块包括多轴运动控制卡401、驱动器402和电机403,该驱动器402根据该多轴运动控制卡 401的控制指令驱动该电机403运动。
[0075] 可以理解的是，该控制系统也可以用于控制包括其他类型调整机构的康复鞋。
[0076] 在本实施例中，使用者穿上康复鞋，将4块无线装置的该表面肌电电极103分别贴 放于人体下肢的股直肌和胫骨前肌，将该六轴角加速度传感器102贴放于人体腰部，该压 力传感器101设置于康复鞋的底盘上，利用压力信号、加速度信号和肌电信号，监测使用者 的位姿状态，同时利用设置在康复鞋电机中的位置传感器，在线实时监测康复鞋在各个运 动时刻的位置信息。
[0077] 当人体位姿异常时，例如人体向前跌倒时，双足的前部分压信号增强，股直肌和胫 骨前肌的表面肌电信号也增强，同时腰部角加速度信号的向前分量信号也增强，此时，通过 压力信号采集模块201、加速度信号采集模块202和表面肌电信号采集模块203采集相应的 压力信号、加速度信号和肌电信号，并将信号传输至计算机模块，通过信号处理、特征值提 取和模式识别，判断出人体的位姿状态，快速地向驱动模块发出控制信号，驱动电机，进而 带动康复鞋的调整机构快速对鞋底板的位姿进行调整，有效地防止人体跌倒。
[0078] 应当理解，这些实施例的用途仅用于说明本发明而非意欲限制本发明的保护范 围。此外，也应理解，在阅读了本发明的技术内容之后，本领域技术人员可以在不脱离本发 明原理的前提下，对发明的技术方案做若干改动、修改和/或变型，例如动平台和固定平台 的形状可以是不规则多边形，各部件连接处的连接方式不限于焊接、螺纹连接、销钉连接或 球关节连接，只要所采用的连接方式可以满足各部件的水平旋转或空间旋转，所有的这些 等同形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种康复鞋，包括鞋面、鞋底板、设置在鞋底板中的调整机构及控制器，所述调整机 构和所述控制器设置在所述鞋底板中，其特征在于，所述调整机构包括固定板、固定外壳和 传动结构； 所述固定板固设在所述鞋底板上，所述固定外壳连接在所述固定板上，且所述固定板 与所述固定外壳包围形成一容置空间，所述传动结构设置在所述容置空间中； 所述传动结构包括丝杠、蜗轮、蜗杆、电机和移动支架，所述丝杠下端连接所述固定板， 所述丝杠上端固接所述蜗轮，所述蜗轮对应连接所述固定外壳，所述蜗杆与所述蜗轮啮合， 所述电机连接于所述蜗杆一端； 所述移动支架包括平台、支杆和底盘，所述平台与所述丝杠啮合，所述支杆上端连接 所述平台，下端连接所述底盘，所述支杆贯穿所述固定板和所述鞋底板，所述底盘与地面接 触； 所述底盘与地面接触的一端装有压力传感器，所述压力传感器用于获取压力信号，所 述控制器用于处理压力信号，并控制所述电机运动。
2. 根据权利要求1所述的康复鞋，其特征在于，所述固定板中间开设有通孔，用于使所 述移动支架的支杆穿过，所述固定板上还开设有第一凹台，所述丝杠的下端通过轴承连接 方式对应连接在所述固定板的第一凹台处，所述固定板两侧边上设有第一螺纹孔，用于使 所述固定板通过螺纹连接固设在所述鞋底板上。
3. 根据权利要求1所述的康复鞋，其特征在于，所述固定外壳为倒U型结构，包括顶壁 和两侧壁，所述固定外壳的顶壁上开设有第二凹台，所述蜗轮通过轴承连接方式对应连接 在所述固定外壳的第二凹台处，所述固定外壳的一侧壁上开设有凸台，所述电机安装在所 述凸台处，所述固定外壳的另一侧壁上开设有通孔，所述蜗杆一端贯穿所述通孔。
4. 根据权利要求1所述的康复鞋，其特征在于，所述传动结构还包括联轴器，所述电机 通过所述联轴器与所述蜗杆连接，所述移动支架的平台上设有大小与所述丝杠匹配的第二 螺纹孔，用于与所述丝杠啮合。
5. 根据权利要求1至4任一项所述的康复鞋，其特征在于，所述康复鞋至少包括两个所 述调整机构，每个所述调整机构至少包括两个所述丝杠以及与所述丝杠相同数量的所述蜗 轮，所述蜗杆上具有若干螺纹段且所述螺纹段的数量与所述蜗轮数量相同。
6. 根据权利要求5所述的康复鞋，其特征在于，所述康复鞋包括三个所述调整机构，每 个所述调整机构包括两个所述丝杠以及与所述丝杠相同数量的所述蜗轮，所述蜗杆上具有 若干螺纹段且所述螺纹段的数量与所述蜗轮数量相同。
7. 根据权利要求1至4任一项所述的康复鞋，其特征在于，所述固定板、所述移动支架 的平台和所述移动支架的底盘的形状各自独立地可以是圆形、椭圆形、矩形、圆角矩形或者 五边形中的一种。
8. -种用于控制康复鞋的控制系统，其特征在于，所述控制系统用于控制如权利要求 1至7任一项所述的康复鞋，所述控制系统包括： 信号传感器，用于获取足底压力信号、加速度信号和肌电信号，所述信号传感器包括压 力传感器、加速度传感器和表面肌电传感器； 位置传感器，设置于所述电机内，用于在线记录所述康复鞋在各个运动时刻的位置信 息； 信号采集模块，用于采集所述足底压力信号、加速度信号和肌电信号，并将所述足底压 力信号、加速度信号和肌电信号传输至计算机模块，所述信号采集模块包括压力信号采集 模块、加速度信号采集模块和表面肌电信号采集模块； 计算机模块，用于接收并处理所述足底压力信号、加速度信号和肌电信号，发出控制指 令； 驱动模块，用于根据所述计算机模块发出的控制指令做出相应驱动动作，所述驱动模 块包括多轴运动控制卡、驱动器和电机，所述驱动器根据所述多轴运动控制卡的控制指令 驱动所述电机运动。
9. 根据权利要求8所述的控制系统，其特征在于，所述压力传感器设置于所述移动支 架的底盘上，所述加速度传感器设置于人体的腰部，所述加速度传感器为六轴角加速度传 感器，所述表面肌电传感器设置于人体下肢，所述表面肌电传感器为表面肌电电极。
10. 根据权利要求8所述的控制系统，其特征在于，所述计算机模块包括数据处理单 元，所述数据处理单元包括： 信号处理单元，用于对所述足底压力信号、加速度信号和肌电信号进行放大、整形和滤 波； 特征值提取单元，用于对经过所述信号处理单元处理后的所述足底压力信号、加速度 信号和肌电信号进行特征值提取； 模式识别单元，用于对所提取的所述特征值进行描述、辨认、分类和解释； 控制单元，用于根据所述模式识别单元的处理结果发出相应的控制指令。
【文档编号】A43B7/00GK104102236SQ201410348692
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月22日 优先权日:2014年7月22日
【发明者】赵国如, 王永奉, 范顺成, 刘更谦, 周晓晨 申请人:中国科学院深圳先进技术研究院