一种基于压力传感器的踝足矫形器力学特性测量装置及方法与流程

本发明属于踝足矫形器力学检测领域，一种基于压力传感器的踝足矫形器力学特性测量装置及方法。

背景技术：

矫形器作为矫形外科治疗的手段，早已应用于临床当中。近年来矫形器由于新的制作材料不断问世及制作水平的不断提高，已在脑卒中、截瘫、偏瘫、脑瘫等治疗中逐渐被人们所应用。通过适当的踝足矫形器,能够预防及矫正足踝部变形,在一定程度上还可以辅助补偿部分缺失的功能，限制足下垂，稳定距上关节，矫正足内外翻，稳定距下关节。

2016年世界卫生组织报告称我国脑卒中发病率世界第一。在存活的脑血管病患者中，约有四分之三不同程度地丧失劳动能力，其中重度致残者约占40％。脑血管病导致的运动等功能的损害需要长期的康复治疗。哥本哈根研究报告指出只有10％的脑卒中患者最终实现功能性的行走。在康复临床实践中，踝足矫形器被广泛的应用于脑卒中病患中，临床效果显著，尤其是有效地提高病患的步速和平衡。

目前，踝足矫形器的制作和临床应用仅凭临床经验和医护人员的粗放测量和感觉进行制作，在使用前需经过很长时间的试戴、调整和修正才能满足患者的需要。为了提高踝足矫形器的设计实用性及准确性，节省制作时间，更好、更高效地为患者服务，利用计算机控制的电机和力学测量系统装置进行踝足矫形器的力学特性评测，可较大程度地节省踝足矫形器的制作时间并解放人力，降低了成本和病患不必要的开销花费等，同时可以方便直观地对穿戴踝足矫形器行走时的足底压力分布进行模拟。对于有效提高医疗服务的效率，对医疗服务水平的提高具有积极意义。通过对踝足矫形器力学特性的检测分析有助于踝足矫形器的优化升级，有助于帮助患者更有针对性地制作出合适的矫形器。

技术实现要素：

本发明针对目前医疗行业评测踝足矫形器力学性能技术不足，拟开展踝足矫形器的定量力学特性评测，后期可针对脑卒中患者人体步态进行评测的应用，在此基础上结合踝足矫形器力学特性和人体运动学参数建立人体和踝足矫形器模型并对踝足矫形器主要力学参数刚度进行优化设计。

本发明的技术方案：

一种基于压力传感器的踝足矫形器力学特性测量装置，该测量装置包括机械框架1，设置于机械框架1内部的直连式转矩变送器6、重力承载轴承8、单片机10、变送器12、扭矩传感器13、蜗轮蜗杆减速器14、传动同轴器15、电源16和电机驱动器17，伺服电机18，行星减速器19、法兰20，以及设置于机械框架1外部的显示屏幕2、升降台、压力传感器7和踏板9；

所述的机械框架1用于承载整个装置的重量，并降低装置的震动；所述的显示屏幕2设置于机械框架1表面，用于输入跖屈背屈角度数据以及活动次数，同时显示测试时的扭矩数据和重力数据；

所述的电源16为整个装置供电，与电机驱动器17相连；电机驱动器17与伺服电机18相连，电机驱动器17负责控制伺服电机18的转速和扭矩，伺服电机18提供踝足矫形器运动的动力和运动速率；伺服电机18的输出轴与行星减速器19相连，行星减速器19的输出轴与蜗轮蜗杆减速器14相连，且二者之间通过法兰20固定，伺服电机18的动力依次传递给行星减速器19和蜗轮蜗杆减速器14，并通过行星减速器19和蜗轮蜗杆减速器14依次对伺服电机18的转速进行降速并提高扭矩；蜗轮蜗杆减速器14通过传动同轴器15与扭矩传感器13相连；传动同轴器15的末端延伸至机械框架1，并通过重力承载轴承8实现与机械框架1外部踏板9的连接；蜗轮蜗杆减速器14内部蜗轮的转动，带动传动同轴器15转动，进而通过重力承载轴承8带动踏板9的运转；所述的扭矩传感器13依次与直连式转矩变送器6、单片机10相连，扭矩传感器13负责检测伺服电机18传递给踝足矫形器的扭矩数据，并将扭矩数据传送给单片机10；

所述的升降台包括支撑杆3、升降杆4、基座5、连接杆、杆套和旋钮，支撑杆3垂直固定于基座5上，升降杆4平行布置于支撑杆3一侧，二者之间通过旋钮、杆套及连接杆的配合实现连接，确保连接杆沿支撑杆3上下滑动的同时，带动升降杆4上下移动，并最终通过旋钮实现升降杆4的定位。

所述的压力传感器7共四个，均固定于踏板9上，其中两个位于踝足矫形器的前端，另外两个位于踝足矫形器的后端；四个压力传感器7分别各自与机械框架1内部的四个变送器12相连，负责检测施加给踝足矫形器各个部分的重力，并将重力分布数据通过变送器12传输至单片机10中，实现施加力信号的传送。

所述的单片机10能将变送器12和直连式转矩变送器6传送的电信号数据经过a/d转换，转换成数字信号，然后将压力数值呈现在显示屏幕2上。

所述的单片机10上设置usb数据输出口11，单片机10通过usb数据线与计算机实现数据的传输。

所述行星减速器19与蜗轮蜗杆减速器14的速比均为10：1。

一种基于压力传感器的踝足矫形器力学特性测量方法，步骤如下：

(一)将踝足矫形器穿戴于实验用替代腿外，共同放置于压力传感器7上，将实验用替代腿与踝足矫形器之间进行捆绑固定，并将实验用踝足矫形器与压力传感器7之间进行固定，防止实验过程中踝足矫形器出现移位。

(二)将踝足矫形器调整至升降杆4正下方，转动旋钮，使升降杆4沿支撑杆3下降，并与实验用替代腿中央紧密接触固定，防止实验中踝足矫形器及替代腿倾倒。

(三)打开电源16，在显示屏幕2上观察到当前踝足矫形器足底压力数据，即四个压力传感器数据，扭矩数据以及角度数据。所观察到的数据以牛顿n为单位。

(四)在显示屏幕2上输入实验所规定的跖屈、背屈活动角度以及活动次数，点击运行后装置开始运行。电机驱动器17驱动伺服电机18开始工作，通过行星减速器19与蜗轮蜗杆减速器14来降低转速，提高扭矩。通过传动同轴器15带动重力承载轴承8运转，从而使踏板9工作，带动压力传感器7上的踝足矫形器一起转动。完成规定运动次数后装置自行停止运作，过程中出现异常时通过显示屏幕2控制实验的停止或暂停。

(五)装置运行过程中，压力传感器7检测踝足矫形器前后四个不同位置的压力分布情况，通过变送器12将压力信号转化为1-5v的电压信号，传送的电压信号在单片机10经过a/d转换，转换为数字信号，将压力分布数值呈现在显示屏幕2上。传动同轴器15所传递的扭矩信号由扭矩传感器13进行检测，通过直连式扭矩变送器6将扭矩信号转化为1-5v的电压信号，之后传送的扭矩信号在单片机10经过a/d转换，转换为数字信号，将不同的扭矩数值呈现在显示屏幕2上。

本发明的有益效果：本装置结构设计简单、检测速度快、可靠性较高、实用性较大，有较大的应用前景。本装置可通过实验中扭矩及角度的测量用于踝足矫形器刚度的检测，在临床中有利于对不同病人情况，有针对性地设计及制造踝足矫形器，减少重复检测及制作修改时间，利用计算机控制的电机和力学测量系统装置进行踝足矫形器的力学特性评测，检测速度快，基于压力传感器7所显示数据，了解穿戴踝足矫形器的行走过程中足底压力分布情况，能在检测过程中及时发现踝足矫形器的问题并及时进行修正，可较大程度地节省踝足矫形器的制作时间并解放人力，降低了成本和病患不必要的开销。

附图说明

图1是本发明的外部结构示意图。

图2是本发明的内部结构示意图。

图中：1机械框架；2显示屏幕；3支撑杆；4升降杆；5基座；6直连式转矩变送器；7压力传感器；8重力承载轴承；9踏板；10单片机；11usb数据输出口；12变送器；13扭矩传感器；14蜗轮蜗杆减速器；15传动同轴器；16电源；17电机驱动器；18伺服电机；19行星减速器；20法兰。

具体实施方式

下面将结合具体实施例和附图对本发明的技术方案进行进一步的说明。

一种基于压力传感器的踝足矫形器力学特性测量装置，该测量装置包括机械框架1，设置于机械框架1内部的直连式转矩变送器6、重力承载轴承8、单片机10、变送器12、扭矩传感器13、蜗轮蜗杆减速器14、传动同轴器15、电源16和电机驱动器17，伺服电机18，行星减速器19、法兰20，以及设置于机械框架1外部的显示屏幕2、升降台、压力传感器7和踏板9；

所述的机械框架1用于承载整个装置的重量，并降低装置的震动；所述的显示屏幕2设置于机械框架1表面，用于输入跖屈背屈角度数据以及活动次数，同时显示测试时的扭矩数据和重力数据；

所述的电源16为整个装置供电，与电机驱动器17相连；电机驱动器17与伺服电机18相连，电机驱动器17负责控制伺服电机18的转速和扭矩，伺服电机18提供踝足矫形器运动的动力和运动速率；伺服电机18的输出轴与行星减速器19相连，行星减速器19的输出轴与蜗轮蜗杆减速器14相连，且二者之间通过法兰20固定，伺服电机18的动力依次传递给行星减速器19和蜗轮蜗杆减速器14，并通过行星减速器19和蜗轮蜗杆减速器14依次对伺服电机18的转速进行降速并提高扭矩；蜗轮蜗杆减速器14通过传动同轴器15与扭矩传感器13相连；传动同轴器15的末端延伸至机械框架1，并通过重力承载轴承8实现与机械框架1外部踏板9的连接；蜗轮蜗杆减速器14内部蜗轮的转动，带动传动同轴器15转动，进而通过重力承载轴承8带动踏板9的运转；所述的扭矩传感器13依次与直连式转矩变送器6、单片机10相连，扭矩传感器13负责检测伺服电机18传递给踝足矫形器的扭矩数据，并将扭矩数据传送给单片机10；

所述的升降台包括支撑杆3、升降杆4、基座5、连接杆、杆套和旋钮，支撑杆3垂直固定于基座5上，升降杆4平行布置于支撑杆3一侧，二者之间通过旋钮、杆套及连接杆的配合实现连接，确保连接杆沿支撑杆3上下滑动的同时，带动升降杆4上下移动，并最终通过旋钮实现升降杆4的定位。

所述的压力传感器7共四个，均固定于踏板9上，其中两个位于踝足矫形器的前端，另外两个位于踝足矫形器的后端；四个压力传感器7分别各自与机械框架1内部的四个变送器12相连，负责检测施加给踝足矫形器各个部分的重力，并将重力分布数据通过变送器12传输至单片机10中，实现施加力信号的传送。

所述的单片机10能将变送器12和直连式转矩变送器6传送的电信号数据经过a/d转换，转换成数字信号，然后将压力数值呈现在显示屏幕2上。

所述的单片机10上设置usb数据输出口11，单片机10通过usb数据线与计算机实现数据的传输。

所述行星减速器19与蜗轮蜗杆减速器14的速比均为10：1。

一种基于压力传感器的踝足矫形器力学特性测量方法，步骤如下：

(一)将踝足矫形器穿戴于实验用替代腿外，共同放置于压力传感器(7)上，将实验用替代腿与踝足矫形器之间进行捆绑固定，并将实验用踝足矫形器与压力传感器7之间进行固定，防止实验过程中踝足矫形器出现移位。

(二)将踝足矫形器调整至升降杆4正下方，转动旋钮，使升降杆4沿支撑杆3下降，并与实验用替代腿中央紧密接触固定，防止实验中踝足矫形器及替代腿倾倒。

(三)打开电源16，在显示屏幕2上观察到当前踝足矫形器足底压力数据，即四个压力传感器数据，扭矩数据以及角度数据。所观察到的数据以牛顿n为单位。

(四)在显示屏幕2上输入实验所规定的跖屈、背屈活动角度以及活动次数，点击运行后装置开始运行。电机驱动器17驱动伺服电机18开始工作，通过行星减速器19与蜗轮蜗杆减速器14来降低转速，提高扭矩。通过传动同轴器15带动重力承载轴承8运转，从而使踏板9工作，带动压力传感器7上的踝足矫形器一起转动。完成规定运动次数后装置自行停止运作，过程中出现异常时通过显示屏幕2控制实验的停止或暂停。

(五)装置运行过程中，压力传感器7检测踝足矫形器前后四个不同位置的压力分布情况，通过变送器12将压力信号转化为1-5v的电压信号，传送的电压信号在单片机10经过a/d转换，转换为数字信号，将压力分布数值呈现在显示屏幕2上。传动同轴器15所传递的扭矩信号由扭矩传感器13进行检测，通过直连式扭矩变送器6将扭矩信号转化为1-5v的电压信号，之后传送的扭矩信号在单片机10经过a/d转换，转换为数字信号，将不同的扭矩数值呈现在显示屏幕2上。

实验前，将记录数据的u盘插于usb数据输出口11。实验过程中的数据经过usb数据输出口11由u盘存储，输出数据为原始信号。

装置运行过程中，在显示屏幕2上能观察到不同时刻的四个压力传感器数据，扭矩数据、角度数据以及当前已完成的运行次数。同时压力传感器数据分别以四条不同颜色曲线，以图像形式呈现在屏幕左侧，便于在实验中观察力的周期性变化，并能方便观察数据是否出现异常。