一种模仿行走动力模式的康复气垫鞋

摘要

本发明提供了一种模仿行走动力模式的康复气垫鞋，包括鞋支架模块、气垫系统模块、动力系统模块和控制系统模块，其中：鞋支架模块中的脚掌支撑板及脚跟支撑板上分别平放着气垫系统模块中的气垫；动力系统模块中的电机安装在气垫系统模块中的气缸头部固定板上，并根据控制系统模块的信号，推动气垫系统模块中的气缸活塞，实现对气垫系统模块中气缸的充气与抽气，最终达到控制鞋支架模块的脚掌支撑板及脚跟支撑板上的压力刺激大小和压力刺激速度。本发明所述康复气垫鞋能够帮助有行走障碍的患者在利用减重步态训练器训练时，给脚底提供正常步行过程中脚底的压力刺激，从而提高康复效果。

说明书

技术领域

本发明涉及康复机器人技术领域的装置，具体地，涉及一种模仿行走动力模式的康复气垫鞋。

背景技术

我国目前约有卒中患者近700万，年新发卒中病例达150万人，脊髓损伤年新发病例可达10余万人。随着经济建设和诊疗水平的提高，中枢神经系统损伤患者的死亡率明显下降，但最终仍有80％以上致残，其中运动功能障碍最为常见。下肢功能直接决定了患者的站立、转移以及行走能力，从而决定患者的生活活动范围，以及社会参与范围和生活质量，因此对于中枢神经系统损伤的患者，恢复行走能力是他们参加康复训练的首要目标之一。

如今常用的步态训练设备是减重步态训练器。在训练过程中，患者由于生理和心理因素限制，其下肢通常不能够支撑自己的体重。减重步态训练器中利用一个悬吊系统减轻患者下肢的负重，然后患者在减重的状态下训练踏步运动。然而，临床研究结果多次强调脚底压力对步态康复的促进作用。在直立步态训练过程中，脚底刺激增加了患者下肢肌肉活动强度。步态训练中有节奏的脚底压力有助于激活压力感受器，增加感知信息输入，有促进步行功能恢复的潜能。所以患者在利用减重步态训练器训练时，需要一双动力鞋系统，实时模拟正常步行中脚底所受的动力学特征，让患者脚底接收完全负重的正常行走时的动力刺激。

经过对现有技术的检索发现，申请号201220193875.4的中国专利，名称：一种气囊式缓震足底压力鞋，该技术包括鞋帮装置和由脚前掌对应部、脚后跟对应部及中间连接部一体的鞋底装置。鞋底的脚前掌对应部位于第一跖趾和第五跖趾间设置有气囊式缓震弹性体。该系统可平衡足底压力，保护脚底不受伤害；但是不能给脚前掌和后跟不同大小的压力。申请号201020215450.X的中国专利，名称：缓解压力鞋，该技术包括鞋面、鞋底和鞋帮。鞋底前后两端设有弹性缓冲导管，并与鞋底边缘处设置的多个通气孔相连，并且在鞋面内侧的脚趾部位设有5个独立的凹槽。该系统可使脚趾感觉舒适，鞋内有良好的透气性，缓解冲击压力及按摩作用。但是此按摩作用与日常步行过程中脚底接受的压力模式相差甚远，不能给脚掌和脚跟不同大小的压力模仿步行的动态反馈。所以上述专利的结构和性能还有改进的空间。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种模仿行走动力模式的康复气垫鞋，所述康复气垫鞋能够让有行走障碍的患者在进行减重的踏步训练时，脚底依然能接受如完全负重的正常行走过程中一样的压力刺激，促进患者的步行功能康复。

为实现以上目的，本发明提供一种模仿行走动力模式的康复气垫鞋，包括鞋支架模块、气垫系统模块、动力系统模块和控制系统模块，其中：

鞋支架模块，用于支撑整只脚的底面；

气垫系统模块，用于给脚掌及脚跟提供压力刺激的气动元件；

控制系统模块，该模块根据鞋支架模块的运动角度信息，发出控制鞋支架模块的压力大小和刺激速度的信号；

动力系统模块，该模块根据控制系统模块发出的信号准确控制鞋支架模块上气垫系统模块所产生的压力大小和刺激速度，最终达到如正常行走一般的脚底压力刺激。

优选地，所述鞋支架模块包含有脚掌支撑板和脚跟支撑板；所述气垫系统模块包含有气垫、气缸和气缸头部固定板；所述鞋支架模块的脚掌支撑板及脚跟支撑板上分别平放着气垫系统模块中的气垫；所述动力系统模块设有电机，该电机安装在气垫系统模块中的气缸头部固定板上，并根据控制系统模块的信号，推动气垫系统模块中的气缸活塞，实现对气缸的充气与抽气，最终达到控制鞋支架模块的脚掌支撑板及脚跟支撑板上的压力刺激大小和压力刺激速度。

优选地，所述的鞋支架模块还包括：脚趾支撑板、小腿固定架、踝关节固定板、气垫固定板、支撑板旋转轴、支撑板连接杆、角度传感器、压力传感器，其中：脚趾支撑板通过支撑板旋转轴与脚掌支撑板相连；脚掌支撑板通过支撑板连接杆与脚跟支撑板连接，并通过支撑板连接杆调节康复气垫鞋的总长度；脚跟支撑板的后部安装有小腿固定架、中部两外侧位置分别安装有踝关节固定板；在脚掌支撑板和脚跟支撑板的两侧分别设置有用于固定气垫的气垫固定板；支撑板旋转轴上设置有用以记录转动角度的角度传感器；脚掌支撑板和脚跟支撑板上各设置有一个用于记录脚底板上压力的压力传感器。

优选地，所述的气垫系统模块还包括：通气管、气缸出气口、气缸尾部固定板、气缸活塞和活塞推动板，其中：通气管的一端连接气垫、另一端连接到气缸出气口上；气缸通过气缸尾部固定板和气缸头部固定板限位；气缸的头端连接气缸活塞；气缸活塞的顶端连接活塞推动板。

优选地，所述的动力系统模块还包括：电机固定板、联轴器、丝杆和丝杆固定板，其中：电机通过电机固定板实现空间限位；联轴器的一端与电机的输出轴相连、另一端与丝杆相连，实现丝杆的旋转运动；丝杆的一端固定在气缸头部固定板上、另一端固定在丝杆固定板上，所述丝杆固定在气垫系统模块的活塞推动板上。

更优选地，所述的动力系统模块还包括：导杆，导杆穿过活塞推动板，两端分别固定在气垫系统模块中的气缸头部固定板和丝杆固定板上。

优选地，所述的控制系统模块包括四个支路，分别是：左脚跟支路、左脚掌支路、右脚跟支路和右脚掌支路，每个支路根据压力传感器和角度传感器的记录结果，分别给电机三种运动信号：正向转动、制动和反向转动。以左脚跟的电机为例：当右脚角度传感器的测量角度显示右脚正在经历脚跟抬起过程的时候，左脚跟的电机正向转动，给左脚跟气垫充气；当左脚底的压力传感器显示压力达到最大值时，左脚电机制动，使左脚跟保持恒定压力；当左脚角度传感器的测量角度显示左脚正在经历后跟抬起过程时候，左脚跟的电机反向转动，给左脚跟气垫抽气；当左脚底的压力传感器显示压力达到最小值时，左脚电机制动。右脚的电机控制与此相似。

更优选地，每个支路均设有电机驱动器、压力传感器控制开关、计时器和计时器控制开关；左脚跟支路和左脚掌支路共同连接了角度传感器控制开关，右脚跟支路和右脚掌支路共同连接了另一角度传感器控制开关；压力传感器控制开关是根据压力传感器的记录结果而开合控制的开关；计时器控制开关是根据计时器显示的一定延时而开合控制的开关；角度传感器控制开关是根据角度传感器的记录结果而开合控制的开关；电机驱动器驱动电机正向转动、制动和反向转动，从而控制气缸的充气与抽气。

本发明所述动力系统模块的工作方式：电机的旋转轴带动丝杆做旋转运动，使安装在丝杆上的螺母做左右直线运动，进而驱动活塞推动板做左右直线运动；由于气缸活塞固定在活塞推动板上，所以电机的动力使气缸活塞往复运动，最终实现对气缸充气或者抽气的目的。

本发明所述的气垫鞋系统能够模仿行走时前脚掌和后脚跟的动力模式。有行走障碍的患者在进行减重的步态训练时，能利用此气垫鞋使脚底依然能接受如完全负重的正常行走过程中的压力刺激，促进步行功能康复。本发明通过电机控制气缸内气流的运动速度和方向，进而控制左右两只气垫鞋脚掌和脚跟的气垫的气量的改变速度，最终准确的控制了脚底压力刺激的速度和大小，为患者的步态康复训练提供辅助作用。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明中鞋支架模块给没有自主站立能力的患者有效的支撑，气垫系统模块让患者感觉舒适，动力系统模块和控制系统模块的结合能有效控制脚掌和脚跟的压力大小和改变速度，能模仿步行过程中脚底所受的动态压力刺激；便于患者在利用减重步态训练器训练时，给脚底提供正常步行过程中脚底的压力刺激，从而提高训练效率，促进康复效果，对康复器械在医学领域的应用具有十分重要的意义。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明的模仿行走动力模式的康复气垫鞋的整体结构示意图；

图2是图1所示的鞋支架模块的结构示意图；

图3是图1所示的气垫系统模块的结构示意图；

图4是图1所示的动力系统模块的结构示意图；

图5是图1所示的控制系统模块的控制示意图；

图中：

鞋支架模块1、气垫系统模块2、动力系统模块3、控制系统模块4；

脚趾支撑板10、脚掌支撑板11、脚跟支撑板12、小腿固定架13、踝关节固定板14、气垫固定板15、支撑板旋转轴16、支撑板连接杆17、角度传感器18、压力传感器19、绑带固定孔110、轮子111；

气垫20、通气管21、气缸出气口22、气缸23、气缸尾部固定板24、气缸头部固定板25、气缸活塞26、活塞推动板27；

电机30、电机固定板31、联轴器32、丝杆33、螺母34、导杆35、丝杆固定板36；

电机驱动器40、压力传感器控制开关41、计时器42、计时器控制开关43。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例提供一种模仿行走动力模式的康复气垫鞋，包括：鞋支架模块1、气垫系统模块2、动力系统模块3、控制系统模块4，其中：气垫系统模块2通过设置的气垫20固定在鞋支架模块1中的脚掌支撑板11及脚跟支撑板12上；动力系统模块3中的电机30通过设置的电机固定板31安装在气垫系统模块2中的气缸头部固定板25上，并根据控制系统模块4的信号，推动气垫系统模块2中的气缸活塞26，实现对气垫系统模块2中气缸23的充气与抽气，从而控制鞋支架模块1中的脚掌支撑板11及脚跟支撑板12上的压力大小和刺激速度，最终如正常行走时的脚底压力刺激。

如图2所示，在本发明的一优选实施例中，所述的鞋支架模块1包括：脚趾支撑板10、脚掌支撑板11、脚跟支撑板12、小腿固定架13、踝关节固定板14、气垫固定板15、支撑板旋转轴16、支撑板连接杆17、角度传感器18、压力传感器19、绑带固定孔110和轮子111，其中：脚趾支撑板10通过支撑板旋转轴16与脚掌支撑板11相连；脚掌支撑板11与脚跟支撑板12通过支撑板连接杆17连接，且通过支撑板连接杆17可以调节鞋子的总长度；脚跟支撑板12的后部安装有小腿固定架13、中部两外侧均安装有踝关节固定板14；脚掌支撑板11和脚跟支撑板12的两侧均安装有气垫固定板15，以便于固定气垫系统模块2中的气垫20；角度传感器18固定在支撑板旋转轴16上，用以记录转动角度；脚掌支撑板11和脚跟支撑板12上各安装有一个压力传感器19，用于记录脚底板上的压力；绑带固定孔110位于脚掌支撑板11的两侧；鞋子前后共安装有6个轮子111，方便滚动。

如图3所示，在本发明的一优选实施例中，所述的气垫系统模块2包括：气垫20、通气管21、气缸出气口22、气缸23、气缸尾部固定板24、气缸头部固定板25、气缸活塞26和活塞推动板27，其中：四个气垫20(两只鞋，每只鞋上各两个)通过气垫固定板15分别安装在左、右鞋的脚掌支撑板11与脚跟支撑板12上；四个气垫20通过四根通气管21分别连接到四个气缸出气口22上；四个气缸23分别通过一个气缸尾部固定板24和一个气缸头部固定板25限位；四个气缸23的头端分别连接一个气缸活塞26，每个气缸活塞26的顶端分别连接一个活塞推动板27。

如图4所示，在本发明的另一优选实施例中，所述的动力系统模块3包括：电机30、电机固定板31、联轴器32、丝杆33、螺母34、导杆35和丝杆固定板36，其中：电机30通过电机固定板31实现空间限位；联轴器32一端与电机30的输出轴相连、另一端与丝杆33相连，从而实现丝杆33的旋转运动；丝杆33的一端固定在气缸头部固定板25上、另一端固定在丝杆固定板36上；丝杆33上的螺母34固定在活塞推动板27上；四根导杆35穿过活塞推动板27、两端分别固定在气缸头部固定板25和丝杆固定板36上。

本实施例中，一双所述康复气垫鞋共设置有四套所述的动力系统模块3，共包括四个电机30、四个电机固定板31、四个联轴器32、四根丝杆33、四个螺母34和十六根导杆35，上述组成部件都固定在一个气缸头部固定板25和一个丝杆固定板36之间。

本实施例中，所述动力系统模块3的工作方式：电机30的旋转轴带动丝杆33做旋转运动，并使丝杆33上的螺母34做左右直线运动，进而驱动活塞推动板27做左右直线运动；由于气缸活塞26固定在活塞推动板27上，所以电机30的动力使气缸活塞26往复运动，最终实现对气缸23充气或者抽气的目的。

如图5所示，在本发明的再一优选实施例中，所述的控制系统模块4包括四个支路：左脚跟支路、左脚掌支路、右脚跟支路和右脚掌支路；每个支路均包含电机驱动器40、压力传感器控制开关41、计时器42和计时器控制开关43。此外，左脚跟支路和左脚掌支路共同连接有一个角度传感器控制开关44，右脚跟支路和右脚掌支路也共同连接有另一角度传感器控制开关44。压力传感器控制开关41是根据压力传感器19的记录结果而开合控制的开关；计时器控制开关43是根据计时器显示的一定延时而开合控制的开关电机；角度传感器控制开关44是根据角度传感器18的记录结果而开合控制的开关；电机驱动器40根据压力传感器19、角度传感器18和计时器42的记录结果，分别给电机30三种运动信号：正向转动、制动和反向转动。

本实施例中，所述控制系统模块4的工作状态如下：

开始步行训练后，当右脚角度传感器18测量角度大于5度时(表示右脚正在经历脚跟抬起过程，左脚进入踏地阶段)，左脚跟支路中的角度传感器控制开关44接通，左脚跟的计时器42开始记录时间，左脚跟支路的计时器控制开关43接通，左脚跟支路中的电机驱动器40给电机30第一种信号：正向旋转。电机30所连接的气垫20充气，从而左脚跟有压力刺激。

当计时器42到达预定的时间延时10％的步态周期时，左脚掌支路的计时器控制开关43接通，左脚掌支路接通，左脚掌支路中的电机驱动器40给电机30第一种信号：正向旋转。电机30所连接的气垫20充气，从而左脚掌有压力刺激。

当左脚跟支架上的气垫所连接的压力传感器19达到了预定的最大压力值后，左脚跟支路中的电机驱动器40给电机30第二种信号：制动。电机30保持在转动所达位置，保持左脚跟支架上的气垫20里的恒定压力，并且左脚跟支路的计时器42停止计时。

当左脚掌支架上的气垫所连接的压力传感器19达到了预定的最大压力值后，左脚掌支路中的电机驱动器40给电机30第二种信号：制动。电机30保持在转动所达位置，保持左脚掌支架上的气垫20里的恒定压力，并且左脚掌支路的计时器42停止计时。

当左脚角度传感器18示数大于5度时(表示左脚跟正在经历抬起离地动作)，左脚跟支路的角度传感器控制开关44接通，左脚跟支路的计时器42开始记录时间，左脚跟支路的计时器控制开关43接通，此时左脚跟支路的电机驱动器40给电机30第三种信号：反向转动；连接的气缸23抽气，气垫20压力减小。

当左脚掌支路的计时器42到达预定的时间延时10％的步态周期时，左脚掌支路的计时器控制开关43接通，左脚掌支路的电机驱动器40给电机30第三种信号：反向转动；连接的气缸23抽气，气垫20压力减小。

当左脚跟支架上的气垫所连接的压力传感器19达到了预定的最小压力值后，左脚跟支路中的电机驱动器40给电机30第二种信号：制动。电机30保持在转动所达位置，保持左脚跟支架上的气垫20里的恒定压力，并且左脚跟支路上的计时器42停止计时。

当左脚掌支架上的气垫所连接的压力传感器19达到了预定的最小压力值后，左脚掌支路中的电机驱动器40给电机30第二种信号：制动。电机30保持在转动所达位置，保持左脚掌支架上的气垫20里的恒定压力，并且左脚掌支路上的计时器42停止计时。

当右脚角度传感器18测量角度大于5度时，说明下一个步态周期开始，左脚两支路的电机驱动器根据上述描述的方式，循环控制电机30，从而实现左脚底的压力刺激强度和速度。

对应地，右脚两支路控制方式与左脚两支路的方式相似。当左脚角度传感器18测量角度大于5度时(表示左脚正在经历后跟抬起过程，右脚进入踏地阶段)，右脚跟支路中的角度传感器控制开关44接通，右脚跟的计时器42开始记录时间，右脚跟支路的计时器控制开关43接通，右脚跟支路中的电机驱动器40给电机30第一种信号：正向旋转。右脚跟支路和右脚掌支路间的压力控制与上述左脚跟支路和左脚掌支路间的压力控制相同。如此循环，实现连续步态周期的压力刺激。

本实施例使用时，首先测量患者足的长度和宽度尺寸，并调节鞋支架模块1设置的脚掌支撑板11与脚跟支撑板12间的连接距离，使鞋子的总长度满足患者的使用尺寸；然后患者在使用减重步态训练器后，穿上所述的康复气垫鞋；使患者的脚掌和脚跟放在固定在脚掌支撑板11和脚跟支撑板12上的气垫20上，踝关节与康复鞋的踝关节固定板14对齐，前脚趾旋转关节与康复鞋的支撑板旋转轴16对齐，并将患者的足部通过绑带固定。启动控制系统模块4，当患者开始步态训练后，动力系统模块3中的电机30会推动气垫系统模块2中的气缸活塞26，最终给患者足底提供大小可调的、速度可控的、模仿行走动力模式的压力刺激。

本实施例通过四个电机控制四个气缸内气流的运动速度和方向，进而控制左右两只康复气垫鞋的气垫的气量改变速度，最终准确的控制脚底压力刺激的速度和大小，为患者的步态康复训练提供辅助作用。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。