一种可测足底压力分布的脚踏式下肢康复训练机器人的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种可测足底压力分布的脚踏式下肢康复训练机器人，其特征是在固定机架上呈一左一右设置由电机驱动并经曲柄传动的脚踏，使一对脚踏能够在电机驱动下以自行车脚踏的转动形式进行运转；其脚踏具有脚踏底板，并通过弹性梁连接踏板支撑，在各弹性梁上设置敏感元件构成传感单元；建立数学模型对传感单元进行标定，针对脚踏底板上被测力，检测获得各弹性梁上敏感元件应变检测信号，利用数学模型获得脚踏底板上被测力的分布情况。本发明能够为制定脚踏式下肢康复训练机器人的训练方案提供依据。
【专利说明】
一种可测足底压力分布的脚踏式下肢康复训练机器人
技术领域
[0001] 本发明属于康复运动训练仪器技术领域，尤其涉及可测足底压力分布的脚踏式下 肢康复训练机器人。
【背景技术】
[0002] 康复机器作为机器人技术与康复医学结合的产物，可以帮助治疗师从重复性的康 复治疗工作中解放出来，让患者可通过适当的训练来刺激神经系统从而逐步恢复肢体的运 动功能。脚踏式下肢康复训练机器人以其结构简单、成本低廉、安全可靠广泛应用于各大康 复机构，并在中风、肌肉萎缩、脑部损伤、脊髓损伤等患者临床上取得了良好的康复效果。
[0003] 目前多数康复训练器主要集中在踏车运动的有效性、经济性等方面，由于缺少运 动信息反馈，患者难以合理调节运动参数，导致患者进行康复训练的科学性和安全性不够 尚。
【发明内容】
[0004] 本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种可测足底压力分布的脚踏 式下肢康复训练机器人，足部具有重要的生物力学信息，获得足底压力分布对于康复训练 计划的制定，对于临床医学诊断、疾患程度测定、术后疗效评价等有重要意义。
[0005] 本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
[0006] 本发明可测足底压力分布的脚踏式下肢康复训练机器人的结构特点是:所述脚踏 式下肢康复训练机器人是在固定机架中内置有电机和减速器，由电机驱动并经曲柄传动的 脚踏位于固定机架的两侧，使一对脚踏能够在电机驱动下以自行车脚踏的转动形式进行运 转；
[0007] 所述脚踏的结构形式为：
[0008] -脚踏底板，被测的一只脚放置于脚踏底板的确定位置上，所述确定位置是指在 所述脚踏底板上按如下方式划分各区域:第一趾骨区、第三至第五趾骨区、跖骨区以及足跟 部，所述跖骨区包含第一跖骨区、第二跖骨区以及第三至第五跖骨区；所述足跟部划分为足 跟内侧区和足跟外侧区，令:第一趾骨所在侧为脚踏底板第一侧，第五趾骨所在侧为脚踏底 板第二侧；
[0009] -踏板支撑，所述踏板支撑是按脚踏底板的外轮廓形状设置的呈直立的侧围板， 所述侧围板的底边与脚踏底板的边缘以不同位置上的各弹性梁相连接，在所述侧围板的一 侧设置有支撑轴，曲柄的一端安装在电机的转轴上，另一端安装在所述支撑轴上，使脚蹬能 够以电机的转轴为转动中心随曲柄转动;在所述各弹性梁上设置敏感元件构成传感单元；
[0010] 设置所述脚踏式下肢康复器械的足底压力检测方法为：
[0011] 步骤a、在所述脚踏底板的不同区域中分布受力点，在受力点上加载垂直于底板的 力[F]，由各弹性梁上的敏感元件获得应变检测信号[ε];根据受力点上加载力[F]，以及各 应变检测信号[ε ]建立数学模型为：[C] X [F] = [ ε ]，完成对传感单元的标定，并获得常数矩 阵[c];
[0012] 步骤b、针对脚踏底板上的被测力，检测获得各弹性梁上的敏感元件的应变检测信 号，利用所述数学模型获得脚踏底板上的被测力的分布情况。
[0013] 本发明可测足底压力分布的脚踏式下肢康复训练机器人的特点也在于：
[0014] 设定所述被测力为：作用力点处在第一跖骨头位置的作用力Fi、处在第二跖骨头 位置的作用力F2、处在第三到五跖骨区中心位置的作用力f 3、处在足跟内侧区的作用力f4， 以及处在足跟外侧区的作用力f5;
[0015] 设置所述传感单元中设置的各弹性梁分别是：
[0016] 位于脚踏底板第一侧，对应于跖骨区所在位置的脚踏底板边缘上间隔的第一梁和 第二梁；
[0017] 位于脚踏底板第二侧，对应于跖骨区所在位置的脚踏底板边缘上的第三梁；
[0018] 位于脚踏底板第一侧，对应于足跟内侧区所在位置的脚踏底板边缘上的第四梁；
[0019] 位于脚踏底板第二侧，对应于足跟外侧区所在位置的底板边缘上的第五梁；
[0020] 并有:第一敏感元件对称布置在第一梁的顶面和底面，第二敏感元件对称布置在 第二梁的顶面和底面，第三敏感元件对称布置在第三梁的顶面和底面，第四敏感元件对称 布置在第四梁的顶面和底面，第五敏感元件对称布置在第五梁的顶面和底面。
[0021] 本发明可测足底压力分布的脚踏式下肢康复训练机器人的特点也在于:所述脚踏 式下肢康复器械的足底压力检测方法为：
[0022]首先，按步骤a、在所述脚踏底板上对应于被测力所在区域一一对应分布五个受力 点，在受力点上加载垂直于底板的力[F]，由各弹性梁上的敏感元件获得应变检测信号[ε]; 根据受力点上加载力[F]，以及各应变检测信号[ε]建立数学模型为：[(：]\^] = [￡]，完成 对传感单元的标定，并获得5 X 5的常数矩阵[C];
[0023] 然后，按步骤b利用式(1)计算获得各作用力朽、F2、F3、F 4、F5为 12345678 式(1)中，[C]-1为5 X 5常数矩阵[C]的逆矩阵；
2
[0025] ε?、ε2、ε3、ε4、ε5分别为第一敏感元件、第二敏感元件、第三敏感元件、第四敏感元 件、第五敏感元件检测获得的应变信号。 3
[0026]与已有技术相比，本发明有益效果体现在： 4
[0027] 1、本发明可实时监测训练过程中足底力的大小和分布情况，对于足底压力信息的 获取，可以提高康复训练的科学性和安全性 5 2、本发明可为下肢康复评定提供客观依据，用来辅助患者进行左右对称训练，识 别内外翻等不同的行走习惯； 6 3、本发明检测方法便捷可靠，不仅可用于静态评估，也可运用在动态评估； 7 4、本发明结构简单、安全可靠，易于操作； 8 5、对于中风、肌肉萎缩、脑部损伤、脊髓损伤等患者均可利用本发明进行训练，以 增强肌肉力量，促进血液循环，从而逐渐恢复肢体运动功能。
[0032] 6、本发明适于医院和普通家庭等各种不同场合的使用。
【附图说明】
[0033]图1为本发明结构不意图；
[0034] 图2为本发明中脚踏结构示意图；
[0035] 图3为本发明中脚踏底板划分区域示意图；
[0036] 图中标号：1固定机架，2脚踏，3左腿护具，4右腿护具，5第一梁，6第二梁，7踏板支 撑，8第四梁，9第五梁，10第三梁，11脚踏底板。
【具体实施方式】
[0037] 参见图1，本实施例中可测足底压力分布的脚踏式下肢康复训练机器人是在固定 机架1中内置有电机和减速器，由电机驱动并经曲柄传动的脚踏2位于固定机架1的两侧，使 一对脚踏2能够在电机驱动下以自行车脚踏的转动形式进行运转;这一形式对于中风、肌肉 萎缩、脑部损伤、脊髓损伤等患者均可进行功能训练，以增强肌肉力量，促进血液循环，逐渐 恢复肢体运动功能；图1中所示的左腿护具3和右腿护具4用于防止患者因腿部力量不足，脚 从脚踏上脱落，造成伤害。使用者坐在座椅上，将左脚右脚对应放置在左右两侧的脚踏中， 左腿护具3固定于左腿，右腿护具4固定于右腿，启动电机转动，左右脚即可随脚踏一同运 动，以此进行功能训练。
[0038]参见图2和图3,本实施例中脚踏2的结构形式为：
[0039] -脚踏底板11，被测的一只脚放置于脚踏底板11的确定位置上，确定位置是指在 脚踏底板11上按如下方式划分各区域：第一趾骨区、第三至第五趾骨区、跖骨区以及足跟 部，所述跖骨区包含第一跖骨区、第二跖骨区以及第三至第五跖骨区；所述足跟部划分为足 跟内侧区和足跟外侧区，令:第一趾骨所在侧为脚踏底板第一侧，第五趾骨所在侧为脚踏底 板11第二侧。
[0040] -踏板支撑7,踏板支撑7是按脚踏底板11的外轮廓形状设置的呈直立的侧围板， 侧围板的底边与脚踏底板11的边缘以不同位置上的各弹性梁相连接，在侧围板的一侧设置 有支撑轴，曲柄的一端安装在电机的转轴上，另一端安装在所述支撑轴上，使脚踏2能够以 电机的转轴为转动中心随曲柄转动;在各弹性梁上设置敏感元件构成传感单元；
[0041 ]设置脚踏式下肢康复器械的足底压力检测方法为：
[0042] 步骤a、在脚踏底板11的不同区域中分布受力点，利用软件ansys workbench针对 受力点加载垂直于底板的力[F]，由各弹性梁上的敏感元件获得应变检测信号[ε]，多次加 载并对应获得多组应变检测信号；依据受力点上加载力[F]，以及各应变检测信号[ε]建立 数学模型为：[(：]\[?] = [￡]，完成对传感单元的标定，并获得常数矩阵[(：];其中，[?]为多 次加载力的矩阵表达形式，[ε]为多组应变检测信号的矩阵表达形式，[C]为数学模型中常 数的矩阵表达形式，即：常数矩阵;常数矩阵[C]通过软件仿真标定获得，也可以通过实验标 定获得。
[0043] 步骤b、针对脚踏底板11上的被测力，检测获得各弹性梁上的敏感元件的应变检测 信号，利用数学模型获得脚踏底板11上的被测力的分布情况。
[0044] 具体实施中，脚踏2中弹性梁的数量和位置是按设定检测的足底力的分布情况而 定。
[0045]本实施例中，为了获得患者进行康复训练过程中其足部第一跖骨区、第二跖骨区、 第三至第五跖骨区、足跟内侧区和外侧区的五个区域受力分布，设定被测力为:作用力点处 在第一跖骨头位置的作用力h、处在第二跖骨头位置的作用力F 2、处在第三到五跖骨区中心 位置的作用力F3、处在足跟内侧区的作用力F4,以及处在足跟外侧区的作用力F 5;对应设置 传感单元中设置的各弹性梁分别是:位于脚踏底板第一侧，对应于跖骨区所在位置的脚踏 底板边缘上间隔的第一梁5和第二梁6;位于脚踏底板第二侧，对应于跖骨区所在位置的脚 踏底板边缘上的第三梁10;位于脚踏底板第一侧，对应于足跟内侧区所在位置的脚踏底板 边缘上的第四梁8;位于脚踏底板第二侧，对应于足跟外侧区所在位置的底板边缘上的第五 梁9;并有:第一敏感元件对称布置在第一梁5的顶面和底面，第二敏感元件对称布置在第二 梁6的顶面和底面，第三敏感元件对称布置在第三梁10的顶面和底面，第四敏感元件对称布 置在第四梁8的顶面和底面，第五敏感元件对称布置在第五梁9的顶面和底面，检测方法为： [0046]首先，按步骤a、在脚踏底板11上对应于被测力所在区域一一对应分布五个受力 点，在受力点上加载垂直于底板的力[F]，由各弹性梁上的敏感元件获得应变检测信号[ε]; 根据受力点上加载力[F]，以及各应变检测信号[ε]建立数学模型为：[(：]\^] = [￡]，完成 对传感单元的标定，并获得5 X 5的常数矩阵[C];
[0047] 然后，按步骤b利用式(1)计算获得各作用力朽、F2、F3、F 4、F5为
[0048] 式(1)中，[CP1为5 X 5常数矩阵[C]的逆矩阵；
[0049] ε?、ε2、ε3、ε4、ε5分别为第一敏感元件、第二敏感元件、第三敏感元件、第四敏感元 件、第五敏感元件检测获得的应变信号。
【主权项】
1. 一种可测足底压力分布的脚踏式下肢康复训练机器人，其特征是:所述脚踏式下肢 康复训练机器人是在固定机架（1)中内置有电机和减速器，由电机驱动并经曲柄传动的脚 踏(2)位于固定机架（1)的两侧，使一对脚踏(2)能够在电机驱动下以自行车脚踏的转动形 式进行运转； 所述脚踏(2)的结构形式为： 一脚踏底板（11)，被测的一只脚放置于脚踏底板（11)的确定位置上，所述确定位置是 指在所述脚踏底板（11)上按如下方式划分各区域:第一趾骨区、第三至第五趾骨区、跖骨区 以及足跟部，所述跖骨区包含第一跖骨区、第二跖骨区以及第三至第五跖骨区；所述足跟部 划分为足跟内侧区和足跟外侧区，令:第一趾骨所在侧为脚踏底板第一侧，第五趾骨所在侧 为脚踏底板(11)第二侧； 一踏板支撑(7)，所述踏板支撑(7)是按脚踏底板（11)的外轮廓形状设置的呈直立的侧 围板，所述侧围板的底边与脚踏底板（11)的边缘以不同位置上的各弹性梁相连接，在所述 侧围板的一侧设置有支撑轴，曲柄的一端安装在电机的转轴上，另一端安装在所述支撑轴 上，使脚蹬(2)能够以电机的转轴为转动中心随曲柄转动;在所述各弹性梁上设置敏感元件 构成传感单元； 设置所述脚踏式下肢康复器械的足底压力检测方法为： 步骤a、在所述脚踏底板(11)的不同区域中分布受力点，在受力点上加载垂直于底板的 力[F]，由各弹性梁上的敏感元件获得应变检测信号[e];根据受力点上加载力[F]，以及各 应变检测信号[e ]建立数学模型为：[C] X [F] = [ e ]，完成对传感单元的标定，并获得常数矩 阵[C]; 步骤b、针对脚踏底板（11)上的被测力，检测获得各弹性梁上的敏感元件的应变检测信 号，利用所述数学模型获得脚踏底板(11)上的被测力的分布情况。2. 根据权利要求1所述的可测足底压力分布的脚踏式下肢康复训练机器人，其特征是： 设定所述被测力为:作用力点处在第一跖骨头位置的作用力Fi、处在第二跖骨头位置的 作用力F2、处在第三到五跖骨区中心位置的作用力F3、处在足跟内侧区的作用力F4,以及处 在足跟外侧区的作用力F5; 设置所述传感单元中设置的各弹性梁分别是： 位于脚踏底板第一侧，对应于跖骨区所在位置的脚踏底板边缘上间隔的第一梁(5)和 第二梁(6); 位于脚踏底板第二侧，对应于跖骨区所在位置的脚踏底板边缘上的第三梁（10); 位于脚踏底板第一侧，对应于足跟内侧区所在位置的脚踏底板边缘上的第四梁(8); 位于脚踏底板第二侧，对应于足跟外侧区所在位置的底板边缘上的第五梁(9); 并有:第一敏感元件对称布置在第一梁(5)的顶面和底面，第二敏感元件对称布置在第 二梁(6)的顶面和底面，第三敏感元件对称布置在第三梁（10)的顶面和底面，第四敏感元件 对称布置在第四梁(8)的顶面和底面，第五敏感元件对称布置在第五梁(9)的顶面和底面。3. 根据权利要求2所述的可测足底压力分布的脚踏式下肢康复训练机器人，其特征是： 所述脚踏式下肢康复器械的足底压力检测方法为： 首先，按步骤a、在所述脚踏底板（11)上对应于被测力所在区域一一对应分布五个受力 点，在受力点上加载垂直于底板的力[F]，由各弹性梁上的敏感元件获得应变检测信号[e]; 根据受力点上加载力[F]，以及各应变检测信号[e]建立数学模型为：[(：]\[?] = [￡]，完成 对传感单元的标定，并获得5 X 5的常数矩阵[C];然后，按步骤b利用式（1)计算获得各作用力 式(1)中，[订1为5 X 5常数矩阵[C]的逆矩阵； ￡1、￡2、￡3、￡4、￡5分别为第一敏感元件、第二敏感元件、第三敏感元件、第四敏感元件、第 五敏感元件检测获得的应变信号。
【文档编号】A61B5/103GK106038170SQ201610451001
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月17日
【发明人】王勇, 胡保华, 查海星, 王良谊, 赵鹏鹏
【申请人】合肥工业大学