柔性下肢康复训练机器人用步态环境模拟装置及方法

技术领域

本发明涉及医疗康复技术领域，尤其涉及一种柔性下肢康复训练机器人用步态环境模拟装置及方法。

背景技术

目前，运用于医疗康复的气囊充气康复鞋主要有保护跟腱、支撑后跟的作用，康复鞋是针对足部发生足下垂、足弓下陷和脑瘫神经系统疾病引起的足部腿部病变而设计的鞋子，气囊在运动过程中起到间歇加压的效果，使运动中的下肢得到更有力保护。

现有技术中，纠正步态的步行鞋，利用鞋底多层结构设计自然引导人体重心变化符合人体行走时脚步的最佳压力分布曲线。

但现有技术中，康复鞋或者步行鞋对患者起到辅助康复训练，并不能运用于柔性下肢康复训练机器人之中，无法给予患者真实的步态模拟，无法结合人体的正常行走步态周期曲线，导致患者不能达到真实的行走训练康复。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柔性下肢康复训练机器人用步态环境模拟装置及方法，旨在解决现有技术中的康复鞋或者步行鞋对患者起到辅助康复训练，并不能运用于柔性下肢康复训练机器人之中，无法给予患者真实的步态模拟，无法结合人体的正常行走步态周期曲线，导致患者不能达到真实的行走训练康复的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的一种柔性下肢康复训练机器人用步态环境模拟装置，包括康复鞋体、康复鞋控制盒、第一气囊、第二气囊、第一康复鞋带、第二康复鞋带、第三康复鞋带、第四康复鞋带和足底气囊组，所述康复鞋控制盒与所述康复鞋体固定连接，并位于所述康复鞋体的外表壁，所述第一气囊与所述康复鞋体固定连接，并位于所述康复鞋体的内壁，所述第二气囊与所述康复鞋体固定连接，并位于所述康复鞋体的内壁，且所述第一气囊和所述第二气囊与所述康复鞋控制盒连通，所述第一康复鞋带设置于所述康复鞋体的外表壁，所述第二康复鞋带设置于所述康复鞋体的外表壁，所述第三康复鞋带设置于所述康复鞋体的外表壁，所述第四鞋带设置于所述康复鞋体的外表壁，所述足底气囊组设置于所述康复鞋体的内部。

其中，所述足底气囊组包括第三气囊、气管组、第四气囊、第五气囊、泄压阀和电源线，所述第三气囊设置于所述康复鞋体的内部，所述第四气囊设置于所述康复鞋体的内部，所述第五气囊设置于所述康复鞋体的内部，所述气管组件设置于所述康复鞋体的内部，且所述气管组连通所述康复鞋控制盒、所述第三气囊、所述第四气囊和所述第五气囊，所述泄压阀的数量为多个，每个所述泄压阀分别嵌于所述第三气囊、所述第四气囊和所述第五气囊的内部，所述电源线的一端与所述康复鞋控制盒电性连接，所述电源线的另一端与多个所述泄压阀连通。

其中，所述康复鞋体包括鞋底、鞋舌和鞋筒，所述鞋筒与所述鞋底固定连接，并位于所述鞋底的上端，所述鞋舌与所述鞋筒固定连接，并嵌于所述鞋筒的内部。

本发明还提供一种康复机器人用步态环境模拟方法，应用于如上述所述的柔性下肢康复训练机器人用步态环境模拟装置，包括如下步骤：

连接线路插头与监测仪器；

运行计算软件，利用红外灯架调试运动光学摄像机并将压力板数据归零；

对计算软件和硬件进行调试，调试后，在计算软件之中输入身体参数；

将16个反光传感球对应贴在鞋子、小腿外侧、膝盖内侧和腰间位置；

通过计算软件，将下肢的结构模型建立；

计算软件建立下肢模型后，按下计算软件上的开始按钮，匀速通过压力板，重复进行三次实验，并记录实验结果。

其中，在输入身体数据的步骤中时身体数据包括身高、体重、腿长、膝盖宽度和脚踝宽度。

本发明的一种柔性下肢康复训练机器人用步态环境模拟装置及方法，通过所述气管和所述泄压阀进行充气和放气，所述康复鞋控制盒的内部装有电池可以供给真空气泵，采用气压驱动直接对所述第一气囊、所述第二气囊、所述第三气囊、所述第四气囊和所述第五气囊进行充放气来模拟地面给病人的反作用力，从而使得病人体验到行走的感觉，真空气泵装设于所述康复鞋控制盒的内部，由控制控制充气量和放气量，按动开关后，使得所述第三气囊、所述第四气囊和所述第五气囊达到预设值后，分别通过对应的所述泄压阀进行放气，所述第三气囊、所述第四气囊和所述第五气囊依次充气到预设值后通过对应的所述泄压阀进行放气，进而完成一个康复周期，对康复周期进行无线循环，达到循环式的康复运动，使得脚底承受压力周期性反馈，对患者足底试压的控制部分由单片机实现，通过脉冲信号实现对气囊的充气与放气，当对应气囊内的压力达到预设值后，脉冲控制所述泄压阀进行排气，与整个康复运动鞋各部分协调运动，从而构成闭环控制系统，在柔性下肢康复训练机器人康复过程中其悬吊回转减重平台会使患者处于悬挂减重状态，所述柔性下肢康复训练机器人用步态环境模拟装置可以对患者施加人体正常行走步态规律周期性压力曲线的数据，使得患者在康复机器人的悬吊状态下可以体验到正常真实行走的感觉，以达到刺激患者大脑皮层，重塑患者的脑结构和脑功能，使得患者可以重新正确的学习肢体运动。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的柔性下肢康复训练机器人用步态环境模拟装置的结构示意图。

图2是本发明的柔性下肢康复训练机器人用步态环境模拟装置的内部结构示意图。

图3是本发明的脚底及关节的受力结构示意图。

图4的本发明的小腿肌肉群作用力的结构示意图。

图5是本发明的绳索固定杆子模拟腿部的模型结构示意图。

图6是本发明的行走过程中足部的受力分析图。

图7是本发明的行走过程中足部的受力结构示意图。

图8是本发明的行走过程中足部的图解法图。

图9是本发明的一种康复机器人用步态环境模拟方法的步骤流程图。

1-鞋底、2-鞋舌、3-鞋筒、4-康复鞋控制盒、5-第一气囊、6-第二气囊、7-第一康复鞋带、8-第二康复鞋带、9-第三康复鞋带、10-第四康复鞋带、11-第三气囊、12-气管组、13-第四气囊、14-第五气囊、15-泄压阀、16-电源线。

具体实施方式

请参阅图1至图8，本发明提供了一种柔性下肢康复训练机器人用步态环境模拟装置，包括康复鞋体、康复鞋控制盒4、第一气囊5、第二气囊6、第一康复鞋带7、第二康复鞋带8、第三康复鞋带9、第四康复鞋带10和足底气囊组，所述康复鞋控制盒4与所述康复鞋体固定连接，并位于所述康复鞋体的外表壁，所述第一气囊5与所述康复鞋体固定连接，并位于所述康复鞋体的内壁，所述第二气囊6与所述康复鞋体固定连接，并位于所述康复鞋体的内壁，且所述第一气囊5和所述第二气囊6与所述康复鞋控制盒4连通，所述第一康复鞋带7设置于所述康复鞋体的外表壁，所述第二康复鞋带8设置于所述康复鞋体的外表壁，所述第三康复鞋带9设置于所述康复鞋体的外表壁，所述第四鞋带设置于所述康复鞋体的外表壁，所述足底气囊组设置于所述康复鞋体的内部。

进一步地，所述足底气囊组包括第三气囊11、气管组12、第四气囊13、第五气囊14、泄压阀15和电源线16，所述第三气囊11设置于所述康复鞋体的内部，所述第四气囊13设置于所述康复鞋体的内部，所述第五气囊14设置于所述康复鞋体的内部，所述气管组12件设置于所述康复鞋体的内部，且所述气管组12连通所述康复鞋控制盒4、所述第三气囊11、所述第四气囊13和所述第五气囊14，所述泄压阀15的数量为多个，每个所述泄压阀15分别嵌于所述第三气囊11、所述第四气囊13和所述第五气囊14的内部，所述电源线16的一端与所述康复鞋控制盒4电性连接，所述电源线16的另一端与多个所述泄压阀15连通。

进一步地，所述康复鞋体包括鞋底1、鞋舌2和鞋筒3，所述鞋筒3与所述鞋底1固定连接，并位于所述鞋底1的上端，所述鞋舌2与所述鞋筒3固定连接，并嵌于所述鞋筒3的内部。

请参阅图9，本发明还提供一种康复机器人用步态环境模拟方法，应用于上述所述的柔性下肢康复训练机器人用步态环境模拟装置，包括如下步骤：

S1：连接线路插头与监测仪器；

S2：运行计算软件，利用红外灯架调试运动光学摄像机并将压力板数据归零；

S3：对计算软件和硬件进行调试，调试后，在计算软件之中输入身体参数；

S4：将16个反光传感球对应贴在鞋子、小腿外侧、膝盖内侧和腰间位置；

S4：通过计算软件，将下肢的结构模型建立；

S6：计算软件建立下肢模型后，按下计算软件上的开始按钮，匀速通过压力板，重复进行三次实验，并记录实验结果。

进一步地，在输入身体数据的步骤中时：身体数据包括身高、体重、腿长、膝盖宽度和脚踝宽度。

在本实施方式中，通过所述气管和所述泄压阀15进行充气和放气，所述康复鞋控制盒4的内部装有电池可以供给真空气泵，采用气压驱动直接对所述第一气囊5、所述第二气囊6、所述第三气囊11、所述第四气囊13和所述第五气囊14进行充放气来模拟地面给病人的反作用力，从而使得病人体验到行走的感觉，真空气泵装设于所述康复鞋控制盒4的内部，由控制控制充气量和放气量，按动开关后，使得所述第三气囊11、所述第四气囊13和所述第五气囊14达到预设值后，分别通过对应的所述泄压阀15进行放气，所述第三气囊11、所述第四气囊13和所述第五气囊14依次充气到预设值后通过对应的所述泄压阀15进行放气，进而完成一个康复周期，对康复周期进行无线循环，达到循环式的康复运动，使得脚底承受压力周期性反馈，对患者足底试压的控制部分由单片机实现，通过脉冲信号实现对气囊的充气与放气，当对应气囊内的压力达到预设值后，脉冲控制所述泄压阀15进行排气，与整个康复运动鞋各部分协调运动，从而构成闭环控制系统，在柔性下肢康复训练机器人康复过程中其悬吊回转减重平台会使患者处于悬挂减重状态，所述柔性下肢康复训练机器人用步态环境模拟装置可以对患者施加人体正常行走步态规律周期性压力曲线的数据，用于纠正步态和保护跟腱的作用，使得患者可以体验到正常真实行走的感觉，以达到刺激患者大脑皮层，重塑患者的脑结构和脑功能，使得患者可以重新正确的学习肢体运动；

在计算软件之中预设计算程序，仅需输入患者对应的身体数据即可，待将患者的身体数据输入至计算软件之中进行计算，根据输入的关键性数据进行对应计算，计算出患者所需的充气时间和充气是产生力的大小，通过对所述第三气囊11、所述第四气囊13和所述第五气囊14的充气力度和对应的持续时长来达到模拟行走时的触感，并且可以刺激对应的神经，使患者在柔性下肢康复之中感受到真实的行走感觉，为患者后续的行走做铺垫，其具体的计算如以下实施例1所示：

实施例1，假设人体重量为65kg，速度以25步/min；

当人体静止站立时：

人体的质量为65kg，双脚与地面的接触面积为0.04m

G人＝Fn人＝mg＝650N，此时P＝F/S＝650/0.04＝16.25Kpa；

当人体单脚静止站立时：人的质量为65千克，单脚与地面的接触面积为0.02平方米，此时将人体看作是一个整体，脚底的压力可以由地面支持力代替，由二力平衡可知：

G人＝Fn人＝mg＝650N；此时P＝F/S＝650/0.02＝32.5Kpa；

参阅图5，当身体前倾使得重心前移的时候，抓住足部不离开地面的情况：进行力学分析：

在每只足上会承受650/2＝325N的重力，O点为足弓胫骨与距骨互相接触的地方，F为肌力，分别为两个力F和N的力臂，地面对整个人体的支持力用N表示，通过力矩的平衡条件，得：

N＝G＝325牛顿；

dN＝0.02米，dF＝0.03米；

F＝N×dN/dF＝325*0.02/0.03＝216牛顿；

请参阅图6，作用在脚底局部的力可以根据牛顿第三定理用T进行表示，N与F大致平行可得：

T＝N+F＝325+216＝541牛顿；

此时脚底压强为P＝F/S＝541/0.02＝27Kpa；

当人体行走时，一只脚接触地面，另一只脚离地约30°时，受力情况分析：

参阅图7，由平衡条件：

F×dF-N×dN＝0，F＝N×dN/dF；

其中N为与重力对应的人看作整体时的支持力，N＝G＝325牛顿；

通过三力平衡的条件可知必汇交与一点，利用力的多边形原理，请参阅图8，可以通过画图求解的方法求出F＝655牛顿，作用在脚底局部的力可以根据牛顿第三定理用T进行表示：

T＝975牛顿；

此时离地约30°的脚的压强为P＝F/S＝975/0.02＝48.75Kpa

此时另外一只脚可以看作是第一种重心前倾的情况，脚底压强为27Kpa；

运动速度：由估计的行走速度25步/分，人体运动机构4.8s看作一个运动周期，即T＝4.8s，ω

代入数值积分后可得A＝1.37rad/s。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。