一种步态采集及神经肌肉电刺激动力式踝足矫形器

本实用新型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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

针对上述存在的技术问题，本实用新型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。

本实用新型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，本实用新型的优点在于：

本实用新型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，本实用新型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。因此本实用新型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实用新型的具体实施进行说明。

如图1所示，在本实用新型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的内壁呈曲面形式，用于贴合用户小腿表面，当然需要注意的是此处的贴合并不需要完全紧密贴合，只要能够大致罩在小腿的腿骨前表面即可。在本实施例中，其整体为半个圆筒形状的筒壳，其顶部、底部和后侧部均开口，以便于用户将其穿戴于下肢上。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，踝足包括踝关节以及脚，脚可直接踩踏于凹形空间中。下外壳20铰接于上外壳10的侧壁上，用户的踝关节位于两者的铰接位置附件，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。

本装置优点在于可以通过连杆机构放大踝关节活动度，使得电机驱动更加精准通过电机驱动连杆机构相对转动从而控制矫形器下外壳的转动。选择在踝关节放置两个电机模拟人体踝关节活动，通过连杆机构控制足前端左右两个支点实现整个装置围绕踝关节进行转动。具体如图2所示，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。两个电机均可采用直流减速电机实现。

在上外壳10一侧的凸轮连杆机构中，第一直连杆3-1与第一凸轮连杆2-1的铰接位置相对于第一电机1-1和第一凸轮连杆2-1的连接位置偏心设置，使第一凸轮连杆2-1在第一电机1-1驱动下旋转过程中，能通过第一直连杆3-1带动所述下外壳20绕铰接点摆动；上外壳10另一侧的凸轮连杆机构结构对称。两个凸轮连杆机构的作用是用于驱动下外壳20绕铰接点摆动，为用户踝关节的转动提供助力，以便于对踝关节的活动进行放大，并且连杆长度与安装位置不同决定矫形器下外壳转动角度范围不同。

在一个优选实施例中，进行实际加工时，为了便于安装，可以在矫形器上外壳10上进一步加工两个安装电机的凸台，凸起部分距离矫形器圆周边缘最近5mm，长宽尺寸为50mm*60mm，凸台边缘对应安装的电机设置四个直径为4毫米的螺纹孔，用于固定电机。另外，整个上外壳10和下外壳20的所有铰接位置，均可通过轴承、销及螺母进行转动连接。加工时，可在上外壳10底部和下外壳20连接处，加工一个安装轴承的凸台，凸台整体尺寸为40mm*40mm*8mm。为了降低连接处的接触压力，在矫形器下外壳20对应位置，加工一个直径为20mm，厚度为5mm的圆形凸台。矫形器下外壳20前端通过轴承与两条直连杆相连，故需加工一个安装轴承的圆形凸台，直径25mm，厚度为10mm。连接处轴承、销及螺母均采用标件，轴承采用角接触球轴承s719-9gb292-94，其外直径为20mm，内直径为9mm，厚度为6mm。销轴采用gb/t882-199。螺母采用六角薄螺母(细牙)gb/t6173-2000m10*1.0,内圈直径为9mm，厚度为4mm。

本实用新型中的功能性电刺激装置30(fes)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。fes也可以采用现有技术中的相关设备实现。现有的fes可通过刺激残存的中枢神经系统神经元的功能重组和运动再学习能力，来促进神经的重塑，改善肢体肌力、运动功能、感觉功能、平衡功能，从而恢复步行能力。

如图3所示，在另一优选实施例中，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。

本实用新型的传感器模块又包括表面肌电传感器、激光测距传感器和惯性传感器三类，不同传感器可以采集不同的信号，进而用于后续的数据融合。在本实用新型中，其可以对下肢的表面肌电信号、欧拉角、角速度、加速度和足踝与地面的直线距离进行同时采集，实现实时步态信息的获取。具体而言，表面肌电传感器，用于采集下肢的多通道表面肌电信号。惯性传感器有两组，即第一惯性传感器和第二惯性传感器。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，该惯性传感器可以固定于绑带上，通过绑带再固定于大腿位置。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(姿态信息均包括欧拉角、角速度和加速度)。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。

本实用新型的数据传输模块，用于在传感器模块和上位机模块之间建立通信连接，将传感器模块采集到的数据发送给上位机模块。数据传输模块优选采用无线传输模块，其形式可是包括wifi、蓝牙、5g，无线传输方式可以简化掉上位机和传感器之间的信号线，摆脱了线材的束缚，使得在测量步态时更加方便。

本实用新型的上位机模块可以是pc机、云平台或移动终端中的一种或多种。上位机模块具有无线传输、数据接收、处理运算和数据显示的功能，其功能可以根据实际情况进行开发。在一优选实施例中，其包括数据存储模块和数据处理模块，数据存储模块用于分类存储数据传输模块发送的传感器采集数据以及数据处理模块产生的数据，数据处理模块用于对传感器采集数据进行处理，获得步态特征信息以及电刺激控制参数。上位机模块优选采用移动终端的方式，例如普通的android手机等，以此进行数据的无线接收和数据处理，可以极大地增加系统的便携性和实用性，便于家庭、社区等环境的使用。

本实用新型的刺激模块，用于在上位机模块的控制下对下肢施加电刺激脉冲，可以针对用户进行自适应个性化的电刺激。

在一优选实施例中，表面肌电传感器包括表面肌电电极和信号采集发送板，贴合于皮肤表面进行使用，可同时采集下肢4通道的表面肌电信号(最多可达16通道)。刺激模块与表面肌电传感器为一体化设计，即采用采集刺激复合通道模块，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。

本发明中，第一惯性传感器固定在大腿股四头肌外侧，以便于检测行走时大腿和欧拉角、角速度和加速度。激光测距传感器和第二惯性传感器集成在一个小体积的可佩戴式壳体中，能够固定放置在靠近脚踝的外壳上沿外侧，以便于检测行走时脚踝矢状面的欧拉角、角速度和加速度以及与地面的直线距离。使用过程中，各传感器的数据实时传送到上位机中，后续可进一步根据特征融合算法获得实时步态信息，再结合表面肌电信息进行电刺激的决策融合，进而控制电刺激输入的时机与大小。

如图4所示，作为本实用新型的一个较佳实施例，表面肌电传感器采用表面肌电传感器，激光测距传感器采用vls3l0x，惯性传感器采用mp6050；由hf-lpb100模块实现wifi无线传输功能；同时优选由pc端和android端上位机实现无线传输、数据接收、处理计算和数据显示的功能。

本实用新型工作前需要首先固定传感器模块中的各个传感器。将表面肌电传感器的放置在相关肌群前，需要酒精对相关肌群进行消毒并备皮，然后先在两个大腿股四头肌外侧侧分别用扎带惯性传感器，同时在矫形器外壳靠近脚外踝上侧分别安装惯性传感器和激光测距传感器。

整个系统由电池供电，打开电池开关，使得各个传感器、无线模块上电工作。如图5所示，打开pc端中的上位机，选择好需要连接的传感器，点击上面的监听，则等待每个传感器其与其建立tcp连接，连接成功后，数据显示通道旁边的按钮从灰色变成绿色。点击采集按钮，则发送udp命令至各传感器，传感器开始发送采集到的数据，界面上将会实时显示对应传感器的欧拉角、角速度、加速度、表面肌电信号和足踝地面距离信号，以及相应的步态参数。点击采集按钮后期其按钮内容更新为停止。如果需要停止数据接收，点击停止按钮，将停止接收。点击断开按钮，上位机将会断开与无线传输模块建立的连接。开始前已经默认好了保存地址，接收到的所有传感器的数据会以txt格式保存到pc端，便于后续的分析。当然，本实用新型也可以配合远程数据云平台，支持个体长期数据连续记录、分析，实现个性化管理。

以上所述的实施例只是本实用新型的一种较佳的方案，然其并非用以限制本实用新型。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。