一种足踝康复助力型外骨骼装置的制作方法

本发明涉及人体穿戴设备，尤其是足踝康复助力型外骨骼装置。

背景技术

行走是人体下肢运动带动人体重心移动的结果，足踝在下肢运动中承受较大的力，并维持身体平衡。

中国老龄化现象越来越严重，外骨骼的出现不仅可以帮助一些老年人解决体力较差、行走不便的问题，也可以帮助一些丧失行走能力的人恢复行走能力。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种脚踝关节助力与平衡装置，实现对足部运动的自主平衡，以及为人体行走提供助力。

发明目的是通过以下方式实现的：包括小腿1、脚部2和电池系统3。小腿1由小腿侧板7和自适应动力装置8以及小腿后推板9、小腿外壳10、小腿绑带11构成，自适应动力装置8提供动力带动小腿1转动，同时通过传动皮带28带动踝关节5转动，从而使脚掌4推动脚往前走。小腿侧板7包括：小腿内侧板23、小腿外侧板24、控制板25、控制板固定板26；其中小腿内侧板23、小腿外侧板24同时与第一带轮22活动铆接，使小腿1以第一带轮22为轴心在一定范围内旋转；控制板25与控制板固定板26连接，控制板固定板26与外侧小腿内侧板23和小腿外侧板24连接。自适应动力装置8包括：第二带轮27、传动皮带28、第二六轴传感器29、电机30、电机外壳31；其中电机30与第二带轮27固定连接，电机30转动，带动第二带轮27转动，通过传动皮带28带动第一带轮22转动从而推动脚往前行；第二带轮27与小腿内侧板23和小腿外侧板24固定连接，第二六轴传感器29和电机外壳31分别与内侧小腿内侧板23和小腿外侧板24连接。小腿后推板9包括：小腿后推板施力板32、小腿后推板连接板33；其中小腿后推板施力板32通过小腿后推板连接板33与内侧小腿内侧板23和小腿外侧板24连接。脚部2由脚掌4和踝关节5、鞋形外壳6构成，踝关节5分别联接脚掌4和小腿1。脚掌4包括：下脚底板14、中脚底板15、上脚底板16、脚底板连接板17、脚底压力传感器18；其中下脚底板14、中脚底板15和上脚底板16、脚底压力传感器18分别与脚底板连接板17固定连接；中脚底板15和上脚底板16同时与踝关节5固定连接。踝关节5包括：踝关节连接板19、第一六轴传感器20、第一六轴传感器固定板21、第一带轮22；其中踝关节连接板19、中脚底板15、上脚底板16与第一带轮22固定连接；第一六轴传感器20固定在第一六轴传感器固定板21上，第一六轴传感器固定板21与踝关节连接板19连接；第一带轮22与小腿1活动铆接。电池系统3包括：电源模块12、腰部绑带13；其中电源模块12镶嵌在腰部绑带13中，为控制电路与电机30供电。

本发明足踝康复助力型外骨骼装置，当人踩上脚底板，脚底板的压力传感器感受到压力将信号传给控制板，然后控制板发出指令，让电机带动小腿转动，通过传动皮带传动带动脚踝和脚底板运动，从而在小腿后推板和脚底板的作用力下，推动腿和脚往前行；同时人脚给脚底板施加的压力不断变化，压力传感器就会不停的给控制板反馈信号，从而控制板根据不同的信号发出相应的指令。当小腿和脚部运动时，第一六轴传感器和第二六轴传感器感受到加速度将信号传给控制板，控制板发出相应的指令。

本发明足踝康复助力型外骨骼装置，脚底压力传感器固定在脚底板连接板中间，脚底板连接板设置在下脚底板和中脚底板之间，既能实现脚底压力传感器准确的检测压力，又能实现缓冲的功能；上脚底板与中脚底板直接相连，起到加强脚部抗压的结构性能；同时上脚底板与中脚底板厚度较小，能够更好的满足工艺要求；上脚底板的侧面结构与中脚底板的侧面结构同时与踝关节相连，实现了连接的结构要求。

附图说明

图1为本发明足踝康复助力型外骨骼装置的结构示意图；

图2为本发明的后视图；

图3为本发明足踝康复助力型外骨骼装置的局部结构示意图；

图4为本发明的脚部侧视放大结构示意图；

图5为本发明的脚部俯视放大结构示意图；

图6为本发明的踝关节放大结构示意图；

图7为本发明的小腿放大结构示意图；

图8为本发明受试者行走时脚底压力传感器的波形图；

图9为本发明的运动方向指示图；

图10为本发明的受试者行走时第一六轴传感器的波形图。

上述图中标号名称:1、小腿；2、脚部；3、电池系统；4、脚掌；5、踝关节；6、鞋形外壳；7、小腿侧板8、自适应动力装置；9、小腿后推板；10、小腿外壳；11、小腿绑带；12、电源模块；13、腰部绑带；14、下脚底板；15、中脚底板；16、上脚底板；17、脚底板连接板；18、脚底压力传感器；19、踝关节连接板；20、第一六轴传感器；21、第一六轴传感器固定板；22、第一带轮；23、小腿内侧板；24、小腿外侧板；25、控制板；26、控制板固定板；27、第二带轮；28、传动皮带；29、第二六轴传感器；30、电机；31、电机外壳；32、小腿后推板施力板；33、小腿后推板连接板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明方法做进一步的详述。

结合图1和图2、图3可以看到，一种足踝康复助力型外骨骼装置，包括小腿和脚部、电池系统。小腿由小腿侧板和自适应动力装置以及小腿后推板、小腿外壳、小腿绑带构成，自适应动力装置提供动力带动小腿转动，同时通过传动皮带带动踝关节转动，从而使脚掌推动脚往前走。脚部由脚掌和踝关节、鞋形外壳构成，踝关节分别联接脚掌和小腿。

结合图4和图5可以看到，脚掌包括：下脚底板、中脚底板、上脚底板、脚底板连接板、脚底压力传感器；其中下脚底板、中脚底板和上脚底板、脚底压力传感器分别与脚底板连接板固定连接；中脚底板和上脚底板同时与踝关节固定连接。

结合图6可以看到，踝关节包括：踝关节连接板、第一六轴传感器、第一六轴传感器固定板、第一带轮；其中踝关节连接板、中脚底板、上脚底板与第一带轮固定连接；第一六轴传感器固定在第一六轴传感器固定板上，第一六轴传感器固定板与踝关节连接板连接；第一带轮与小腿活动铆接。电池系统包括：电源模块和腰部绑带；其中电源模块镶嵌在腰部绑带中，为自适应动力装置供电。

结合图7可以看到，小腿侧板包括：小腿内侧板、小腿外侧板、控制板、控制板固定板；其中小腿内侧板、小腿外侧板同时与第一带轮活动铆接，使小腿以第一带轮为轴心在一定范围内旋转；控制板与控制板固定板连接，控制板固定板与外侧小腿内侧板和小腿外侧板连接。自适应动力装置包括：第二带轮、传动皮带、第二六轴传感器、电机、电机外壳；其中电机与第二带轮固定连接，电机转动，带动第二带轮转动，通过传动皮带带动第一带轮转动从而推动脚往前行；第二带轮与小腿内侧板和小腿外侧板固定连接，第二六轴传感器和电机外壳分别与内侧小腿内侧板和小腿外侧板连接。小腿后推板包括：小腿后推板施力板、小腿后推板连接板；其中小腿后推板施力板通过小腿后推板连接板与内侧小腿内侧板和小腿外侧板连接。

本发明足踝康复助力型外骨骼装置，脚底板压力传感器会根据相应的动作给控制板传达不同的信号，然后控制板传达指令，电机启动，自适应动力装置提供动力带动小腿转动，同时通过传动皮带带动踝关节转动，使脚掌给脚提供推力，从而装置为穿戴者提供前行助力，同时六轴传感器给控制板反馈信号，从而控制板发出不同指令为前行的各个动作提供不同角度的助力和平衡力，实现多传感器的自主平衡的功能。

本发明足踝康复助力型外骨骼装置，实现步态预测与控制的步骤如下：

步骤1.采集和处理数据。使用者穿戴好装置，开启电源，完成微处理器控制板与网络的连接，使用者开始行走，微处理器记录各传感器输出的数值，并通过网络传输到云端数据库以及电子移动端应用，云端服务器与移动端应用最后都可以对采集的数据进行处理并生成数据处理报告。

步骤2.分析数据。结合图8可以看到，四个脚底压力传感器p1,p2,p3,p4受力波动图呈周期性变化，在每个周期内，每个压力传感器的受力最大值都小于或接近受试者体重的1/4，最小值接近0，四个脚底压力传感器的受力图波动状态基本一致。

结合图9和图10可以看到，六轴传感器波动图呈周期性变化，在每个周期内，脚在落地时将会产生一个非常显著的峰值。根据四个压力传感器的测量数据分布，得出使用者行走时后脚跟先落地，前脚再落地，再根据前后时差可得出其脚步用力的情况以及行走脚步运动特点。

步骤3.自适应应用。根据六轴传感器和足底压力传感器的探测，系统可以由在起始阶段判断出脚踝的运动意图，并对踝关节的运动进行主动型助力；同时，系统也根据正常人行走的步态以及康复医师的处方调整参数控制电机，对使用者踝关节进行被动型往复训练。

步骤4.根据数据制定康复方案。康复医师根据系统采集的数据，分析使用者踝关节以及脚步的生理情况，为使用者制定个性化的康复训练方案。