CN105962944A - 一种穿戴式下肢步态智能检测行走装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种穿戴式下肢步态智能检测行走装置，所述装置包括座椅机构、大腿机构、膝关节机构、小腿机构和鞋套机构，大腿机构与座椅机构活动连接，鞋套机构与小腿机构安装连接；所述膝关节机构包括膝关节外板和膝关节内板，膝关节外板上固定安装有外板轴，膝关节内板上固定安装有内板轴，膝关节外板上设有沿竖直方向延伸的直线槽，内板轴活动卡装在该直线槽中，膝关节内板上设有曲线槽，外板轴活动卡装在该曲线槽中，膝关节内板上部与大腿机构固定连接，膝关节外板下部与小腿机构固定连接。本发明形成个人的步态数据库，供医生诊断和康复使用，并且行走和就座更加方便，操作简便。

Description

一种穿戴式下肢步态智能检测行走装置

技术领域

本发明属于医疗检测器械和运动装备器械领域，尤其涉及一种穿戴式下肢步态智能检测行走装置。

背景技术

随着社会老龄化的加剧和日常交通事故的频发，下肢瘫痪病人不断增多，患者医疗康复的需求日益增加。现有的人体下肢康复训练主要依靠理疗师凭其个人经验进行手把手的肢体运动。然而，理疗师个人经验的主观性较大，没有充分考虑患者个体的行走习惯，也没有前期正常行走的历史数据库可供参考，这种康复方法并不科学。另外，护士、教师、专柜服务员、工厂流水线工人等需要久站的工作容易造成脊椎神经压迫、下肢静脉曲张、膝关节酸痛等职业病；同时这些工作需要频繁地短距离移动，不方便一直坐在固定的椅子上。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种操作简便，有利于康复和诊断的穿戴式下肢步态智能检测行走装置。

为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：

一种穿戴式下肢步态智能检测行走装置，所述装置包括座椅机构、大腿机构、膝关节机构、小腿机构和鞋套机构，大腿机构与座椅机构活动连接，鞋套机构与小腿机构安装连接；所述膝关节机构包括膝关节外板和膝关节内板，膝关节外板上固定安装有外板轴，膝关节内板上固定安装有内板轴，膝关节外板上设有沿竖直方向延伸的直线槽，内板轴活动卡装在该直线槽中，膝关节内板上设有曲线槽，外板轴活动卡装在该曲线槽中，膝关节内板上部与大腿机构固定连接，膝关节外板下部与小腿机构固定连接。

所述膝关节外板下部内活动设有电磁铁的磁芯，该电磁铁的磁芯外套装有线圈，该线圈固定在膝关节外板的内壁上，膝关节内板上设有固定槽。

所述鞋套机构包括底板、绑带、踝关节惯性测量模块和足底压力传感器，绑带、踝关节惯性测量模块和足底压力传感器均固定安装在底板上，足底压力传感器接收到压力激励信号后控制通往线圈的电流。

所述鞋套机构还包括踝关节球座和踝关节球杆，该踝关节球座固定安装在底板上，该踝关节球杆下部活动装设在踝关节球座内，踝关节球杆上部与小腿机构安装连接。

所述底板上还固定有脚后跟板。

所述小腿机构包括小腿杆和小腿惯性测量模块，小腿惯性测量模块安装在小腿杆内。

所述小腿杆由小腿上杆和小腿下杆构成，小腿下杆上部与小腿上杆下部安装连接，小腿下杆下部与踝关节球杆上部安装连接，小腿上杆上部与膝关节外板下部安装连接，小腿惯性测量模块安装在小腿上杆或小腿下杆内。

所述大腿机构包括髋关节板、大腿上杆、大腿绑带、大腿下杆和大腿惯性测量模块，大腿上杆和大腿下杆安装连接，大腿绑带固定在大腿上杆上，大腿惯性测量模块安装在大腿下杆或大腿上杆内，髋关节板通过锁轴转动安装在大腿杆上部，该髋关节板与座椅机构活动连接。

所述座椅机构包括座椅、横梁、上固定板和下固定板，座椅安装在横梁上，上固定板和下固定板扣合安装，横梁从上固定板和下固定板之间穿过，髋关节板通过轴与上固定板活动安装。

所述上固定板上设有连接槽，髋关节板设在该连接槽内并通过轴转动连接。

本发明具有以下有益效果：

一方面利用大腿惯性测量模块和小腿惯性测量模块检测人体行走步态，记录人体髋关节、膝关节、踝关节的多维度角度数据，形成个人的步态数据库，供医生诊断和康复使用。另一方面，利用膝关节外骨骼处的直线电磁铁的磁芯形成膝关节锁扣机构，当人体行走或站立感觉累时，采用人体双脚后跟同时抬起又同时落下作为激励信号，利用直线电磁铁的磁铁锁住膝关节，方便人体随地就座；当人体就座休息完毕，人体双脚后跟再次同时抬起又同时落下作为激励信号，解开膝关节直线电磁铁的磁芯锁扣，人体又可以自由走动，操作简便。

附图说明

附图1为本发明立体结构示意图；

附图2为本发明座椅机构的立体结构示意图；

附图3为本发明大腿机构的分解结构示意图；

附图4为本发明膝关节机构的分解结构示意图；

附图5为本发明小腿机构的分解结构示意图；

附图6为本发明鞋套机构的立体结构示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如附图1和4所示，本发明揭示了一种穿戴式下肢步态智能检测行走装置，所述装置包括座椅机构1、大腿机构2、膝关节机构3、小腿机构4和鞋套机构5，大腿机构2与座椅机构1活动连接，鞋套机构5与小腿机构4安装连接；所述膝关节机构3包括膝关节外板304和膝关节内板301，膝关节外板304上固定安装有外板轴306，膝关节内板301上固定安装有内板轴302，膝关节外板304上设有沿竖直方向延伸的直线槽305，内板轴302活动卡装在该直线槽305中，膝关节内板301上设有曲线槽303，外板轴306活动卡装在该曲线槽303中，膝关节内板301上部与大腿机构2固定连接，膝关节外板304下部与小腿机构4固定连接。膝关节外板304下部内活动设有电磁铁的磁芯307，该电磁铁的磁芯307外套装有线圈308，该线圈308固定在膝关节外板304的内壁上，膝关节内板301上设有固定槽309。电磁铁为直线电磁铁，线圈通入电流即可控制电磁铁的磁芯上下移动。膝关节内板与膝关节外板通过内板轴与外板轴实现活动安装连接，使得膝关节外板和膝关节内板可以相对转动。内板轴在膝关节外板上的直线槽中移动，外板轴在膝关节内板上的曲线槽中移动。磁芯与膝关节内板上的固定槽相互配合，当线圈通电后，电磁铁的磁芯插入固定槽内卡住使膝关节外板和膝关节内板相对固定，当断电后，电磁铁的磁芯与固定槽相对脱离，膝关节外板和膝关节内板则可以相对转动。

外板轴与曲线槽、内板轴与直线槽形成运动的行程限制，固定槽及电磁铁的磁芯和线圈形成膝关节锁扣机构，有利于帮助行走或者就座。

如附图6所示，鞋套机构5包括底板501、绑带502、脚后跟板506、踝关节惯性测量模块503和足底压力传感器507，绑带502、踝关节惯性测量模块503和足底压力传感器507均固定安装在底板上，脚后跟板506安装在底板501上，足底压力传感器507接收到压力激励信号后控制通往线圈的电流，进而通过线圈来控制电磁铁的磁芯的动作，实现电磁铁的磁芯与膝关节内板上的固定槽的锁合或者脱离。踝关节惯性测量模块主要用于测量踝关节的角度数据。鞋套机构5还包括踝关节球座505和踝关节球杆504，该踝关节球座505固定安装在底板501上，该踝关节球杆504下部活动装设在踝关节球座505内，踝关节球杆上部与小腿机构安装连接。踝关节球杆下部具有一个球珠，能够实现圆周转动，从而使得踝关节球座和踝关节球杆进行三自由度运动。为了更好的绑紧脚，可设置两个绑带，或者更多绑带。

如附图5所示，小腿机构4包括小腿杆和小腿惯性测量模块402，小腿惯性测量模块安装在小腿杆内。进一步的，小腿杆由小腿上杆401和小腿下杆403构成，小腿下杆403上部与小腿上杆401下部安装连接，小腿下杆403下部与踝关节球杆504上部安装连接，小腿上杆401上部与膝关节外板304下部安装连接，小腿惯性测量模块402安装在小腿上杆401或小腿下杆403内。小腿上杆可插装入小腿下杆内进行紧固连接，在本实施例中，优选将小腿惯性测量模块安装在小腿上杆内。小腿上杆有一部分插装入膝关节外板的下部内进行固定安装，电磁铁的磁芯有一部分也插装入小腿上杆内。小腿上杆和小腿下杆可以为伸缩式结构，可根据需要进行长度调节。

如附图3所示，大腿机构2包括髋关节板201、大腿上杆202、大腿绑带203、大腿下杆205和大腿惯性测量模块204，大腿上杆202和大腿下杆205安装连接，大腿绑带203固定在大腿上杆202上，大腿惯性测量模块204安装在大腿下杆205或大腿上杆202内，髋关节板201通过销轴转动安装在大腿杆202上部，该髋关节板201与座椅机构1活动连接。大腿上杆下部插装入大腿下杆内实现紧固连接，大腿上杆和大腿下杆之间可以为伸缩式结构，可根据需要进行长度调节。通过大腿上杆与髋关节板之间的转动连接，使得大腿上杆能够朝向矢状面运动。为了在大腿上杆上安装髋关节板，可以大腿上杆的上部开设有叉槽，髋关节板的一部分活动插装在该叉槽内，通过销轴穿过大腿上杆的叉槽侧壁和髋关节板，实现髋关节板与大腿上杆的转动连接。

如附图2所示，座椅机构1包括座椅101、横梁102、上固定板104和下固定板105，座椅101安装在横梁102上，上固定板104和下固定板105扣合安装，横梁102从上固定板104和下固定板105之间穿过，髋关节板通过轴与上固定板活动安装。上固定板104上设有连接槽103，髋关节板201设在该连接槽103内并通过轴转动连接。从而使得髋关节板与上固定板之间相对转动，从而实现髋关节板在冠状面的运动。

本发明通过分布在不同区域的大腿惯性测量模块、小腿惯性测量模块和踝关节测量模块来检测髋关节、膝关节和踝关节的多维角度数据。具体为，利用大腿惯性测量模块和小腿惯性测量模块联合测量膝关节在矢状面的转动角度。利用小腿惯性测量模块和踝关节惯性测量模块联合测量三自由踝关节转动角度。利用大腿惯性测量模块测量髋关节在矢状面和冠状面的转动角度。

本发明供下肢健康人群使用时，可形成相应的步态数据库。供下肢残障人士使用时，可以帮助其行走或者就座，并且起到促进康复的作用。

本发明作为检测使用时，将大腿绑带绑在人的大腿上，脚则踩在鞋套机构的底板上，并且套在底板的绑带上，脚后跟则被脚后跟板挡住，脚后跟压在足底压力传感器上。人在正常行走时，髋关节板沿冠状面方向摆动，髋关节板和大腿上杆则相对沿矢状面方向摆动，通过分布在不同区域的大腿惯性测量模块、小腿惯性测量模块和踝关节测量模块来检测髋关节、膝关节和踝关节的多维角度数据，形成个人的步态数据库，供医生诊断和康复使用。

本发明作为行走椅使用时，膝关节内板的固定槽及电磁铁的磁芯和线圈形成膝关节锁扣机构。当人体正常行走时，电磁铁的磁芯与固定槽相对脱离，此时随着人的走动，膝关节外板和膝关节内板相对转动，利用内板轴在直线槽内的移动和外板轴在曲线槽内的移动实现正常行走。当行走或者站立感觉累时，采用人体双脚后跟同时抬起又同时落下压迫足底压力传感器作为激励信号，控制线圈的电流，实现线圈通电，从而使得电磁铁的磁芯相对于线圈作上升移动，使电磁铁的磁芯插装膝关节内板的固定槽中并卡住，将膝关节内板锁住，使得膝关节内板和膝关节外板无法相对转动，从而方便人体随地就座，使得本发明充当了座椅的功能。当人体就座休息完毕后，人体双脚后跟再次同时抬起又同时落下，足底压力传感器接收到相应的压力信号作为激励信号，再传送给线圈，使线圈断电，从而使电磁铁的磁芯下降从固定槽中脱离出来不再锁住固定槽，使得膝关节内板和膝关节外板可以相对转动，人体又可以自由走动。

需要说明的是，以上所述并非是对本发明技术方案的限定，在不脱离本发明的创造构思的前提下，任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之同。

Claims (10)

1.一种穿戴式下肢步态智能检测行走装置，其特征在于，所述装置包括座椅机构、大腿机构、膝关节机构、小腿机构和鞋套机构，大腿机构与座椅机构活动连接，鞋套机构与小腿机构安装连接；

所述膝关节机构包括膝关节外板和膝关节内板，膝关节外板上固定安装有外板轴，膝关节内板上固定安装有内板轴，膝关节外板上设有沿竖直方向延伸的直线槽，内板轴活动卡装在该直线槽中，膝关节内板上设有曲线槽，外板轴活动卡装在该曲线槽中，膝关节内板上部与大腿机构固定连接，膝关节外板下部与小腿机构固定连接。

2.根据权利要求1所述的穿戴式下肢步态智能检测行走装置，其特征在于，所述膝关节外板下部内活动设有电磁铁的磁芯，该电磁铁的磁芯外套装有线圈，该线圈固定在膝关节外板的内壁上，膝关节内板上设有固定槽。

3.根据权利要求2所述的穿戴式下肢步态智能检测行走装置，其特征在于，所述鞋套机构包括底板、绑带、踝关节惯性测量模块和足底压力传感器，绑带、踝关节惯性测量模块和足底压力传感器均固定安装在底板上，足底压力传感器接收到压力激励信号后控制通往线圈的电流。

4.根据权利要求2所述的穿戴式下肢步态智能检测行走装置，其特征在于，所述鞋套机构还包括踝关节球座和踝关节球杆，该踝关节球座固定安装在底板上，该踝关节球杆下部活动装设在踝关节球座内，踝关节球杆上部与小腿机构安装连接。

5.根据权利要求4所述的穿戴式下肢步态智能检测行走装置，其特征在于，所述底板上还固定有脚后跟板。

6.根据权利要求5所述的穿戴式下肢步态智能检测行走装置，其特征在于，所述小腿机构包括小腿杆和小腿惯性测量模块，小腿惯性测量模块安装在小腿杆内。

7.根据权利要求6所述的穿戴式下肢步态智能检测行走装置，其特征在于，所述小腿杆由小腿上杆和小腿下杆构成，小腿下杆上部与小腿上杆下部安装连接，小腿下杆下部与踝关节球杆上部安装连接，小腿上杆上部与膝关节外板下部安装连接，小腿惯性测量模块安装在小腿上杆或小腿下杆内。

8.根据权利要求7所述的穿戴式下肢步态智能检测行走装置，其特征在于，所述大腿机构包括髋关节板、大腿上杆、大腿绑带、大腿下杆和大腿惯性测量模块，大腿上杆和大腿下杆安装连接，大腿绑带固定在大腿上杆上，大腿惯性测量模块安装在大腿下杆或大腿上杆内，髋关节板通过锁轴转动安装在大腿杆上部，该髋关节板与座椅机构活动连接。

9.根据权利要求8所述的穿戴式下肢步态智能检测行走装置，其特征在于，所述座椅机构包括座椅、横梁、上固定板和下固定板，座椅安装在横梁上，上固定板和下固定板扣合安装，横梁从上固定板和下固定板之间穿过，髋关节板通过轴与上固定板活动安装。

10.根据权利要求9所述的穿戴式下肢步态智能检测行走装置，其特征在于，所述上固定板上设有连接槽，髋关节板设在该连接槽内并通过轴转动连接。