一種可測足底壓力分布的腳踏式下肢康復訓練機器人的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種可測足底壓力分布的腳踏式下肢康復訓練機器人，其特征是在固定機架上呈一左一右設(shè)置由電機驅(qū)動并經(jīng)曲柄傳動的腳踏，使一對腳踏能夠在電機驅(qū)動下以自行車腳踏的轉(zhuǎn)動形式進行運轉(zhuǎn)；其腳踏具有腳踏底板，并通過彈性梁連接踏板支撐，在各彈性梁上設(shè)置敏感元件構(gòu)成傳感單元；建立數(shù)學模型對傳感單元進行標定，針對腳踏底板上被測力，檢測獲得各彈性梁上敏感元件應(yīng)變檢測信號，利用數(shù)學模型獲得腳踏底板上被測力的分布情況。本發(fā)明能夠為制定腳踏式下肢康復訓練機器人的訓練方案提供依據(jù)。
【專利說明】
一種可測足底壓力分布的腳踏式下肢康復訓練機器人
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于康復運動訓練儀器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及可測足底壓力分布的腳踏式下 肢康復訓練機器人。
【背景技術(shù)】
[0002] 康復機器作為機器人技術(shù)與康復醫(yī)學結(jié)合的產(chǎn)物，可以幫助治療師從重復性的康 復治療工作中解放出來，讓患者可通過適當?shù)挠柧殎泶碳ど窠?jīng)系統(tǒng)從而逐步恢復肢體的運 動功能。腳踏式下肢康復訓練機器人以其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、安全可靠廣泛應(yīng)用于各大康 復機構(gòu)，并在中風、肌肉萎縮、腦部損傷、脊髓損傷等患者臨床上取得了良好的康復效果。
[0003] 目前多數(shù)康復訓練器主要集中在踏車運動的有效性、經(jīng)濟性等方面，由于缺少運 動信息反饋，患者難以合理調(diào)節(jié)運動參數(shù)，導致患者進行康復訓練的科學性和安全性不夠 尚。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，提供一種可測足底壓力分布的腳踏 式下肢康復訓練機器人，足部具有重要的生物力學信息，獲得足底壓力分布對于康復訓練 計劃的制定，對于臨床醫(yī)學診斷、疾患程度測定、術(shù)后療效評價等有重要意義。
[0005] 本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：
[0006] 本發(fā)明可測足底壓力分布的腳踏式下肢康復訓練機器人的結(jié)構(gòu)特點是:所述腳踏 式下肢康復訓練機器人是在固定機架中內(nèi)置有電機和減速器，由電機驅(qū)動并經(jīng)曲柄傳動的 腳踏位于固定機架的兩側(cè)，使一對腳踏能夠在電機驅(qū)動下以自行車腳踏的轉(zhuǎn)動形式進行運 轉(zhuǎn)；
[0007] 所述腳踏的結(jié)構(gòu)形式為：
[0008] -腳踏底板，被測的一只腳放置于腳踏底板的確定位置上，所述確定位置是指在 所述腳踏底板上按如下方式劃分各區(qū)域:第一趾骨區(qū)、第三至第五趾骨區(qū)、跖骨區(qū)以及足跟 部，所述跖骨區(qū)包含第一跖骨區(qū)、第二跖骨區(qū)以及第三至第五跖骨區(qū)；所述足跟部劃分為足 跟內(nèi)側(cè)區(qū)和足跟外側(cè)區(qū)，令:第一趾骨所在側(cè)為腳踏底板第一側(cè)，第五趾骨所在側(cè)為腳踏底 板第二側(cè)；
[0009] -踏板支撐，所述踏板支撐是按腳踏底板的外輪廓形狀設(shè)置的呈直立的側(cè)圍板， 所述側(cè)圍板的底邊與腳踏底板的邊緣以不同位置上的各彈性梁相連接，在所述側(cè)圍板的一 側(cè)設(shè)置有支撐軸，曲柄的一端安裝在電機的轉(zhuǎn)軸上，另一端安裝在所述支撐軸上，使腳蹬能 夠以電機的轉(zhuǎn)軸為轉(zhuǎn)動中心隨曲柄轉(zhuǎn)動;在所述各彈性梁上設(shè)置敏感元件構(gòu)成傳感單元；
[0010] 設(shè)置所述腳踏式下肢康復器械的足底壓力檢測方法為：
[0011] 步驟a、在所述腳踏底板的不同區(qū)域中分布受力點，在受力點上加載垂直于底板的 力[F]，由各彈性梁上的敏感元件獲得應(yīng)變檢測信號[ε];根據(jù)受力點上加載力[F]，以及各 應(yīng)變檢測信號[ε ]建立數(shù)學模型為：[C] X [F] = [ ε ]，完成對傳感單元的標定，并獲得常數(shù)矩 陣[c];
[0012] 步驟b、針對腳踏底板上的被測力，檢測獲得各彈性梁上的敏感元件的應(yīng)變檢測信 號，利用所述數(shù)學模型獲得腳踏底板上的被測力的分布情況。
[0013] 本發(fā)明可測足底壓力分布的腳踏式下肢康復訓練機器人的特點也在于：
[0014] 設(shè)定所述被測力為：作用力點處在第一跖骨頭位置的作用力Fi、處在第二跖骨頭 位置的作用力F2、處在第三到五跖骨區(qū)中心位置的作用力f 3、處在足跟內(nèi)側(cè)區(qū)的作用力f4， 以及處在足跟外側(cè)區(qū)的作用力f5;
[0015] 設(shè)置所述傳感單元中設(shè)置的各彈性梁分別是：
[0016] 位于腳踏底板第一側(cè)，對應(yīng)于跖骨區(qū)所在位置的腳踏底板邊緣上間隔的第一梁和 第二梁；
[0017] 位于腳踏底板第二側(cè)，對應(yīng)于跖骨區(qū)所在位置的腳踏底板邊緣上的第三梁；
[0018] 位于腳踏底板第一側(cè)，對應(yīng)于足跟內(nèi)側(cè)區(qū)所在位置的腳踏底板邊緣上的第四梁；
[0019] 位于腳踏底板第二側(cè)，對應(yīng)于足跟外側(cè)區(qū)所在位置的底板邊緣上的第五梁；
[0020] 并有:第一敏感元件對稱布置在第一梁的頂面和底面，第二敏感元件對稱布置在 第二梁的頂面和底面，第三敏感元件對稱布置在第三梁的頂面和底面，第四敏感元件對稱 布置在第四梁的頂面和底面，第五敏感元件對稱布置在第五梁的頂面和底面。
[0021] 本發(fā)明可測足底壓力分布的腳踏式下肢康復訓練機器人的特點也在于:所述腳踏 式下肢康復器械的足底壓力檢測方法為：
[0022]首先，按步驟a、在所述腳踏底板上對應(yīng)于被測力所在區(qū)域一一對應(yīng)分布五個受力 點，在受力點上加載垂直于底板的力[F]，由各彈性梁上的敏感元件獲得應(yīng)變檢測信號[ε]; 根據(jù)受力點上加載力[F]，以及各應(yīng)變檢測信號[ε]建立數(shù)學模型為：[(：]\^] = [￡]，完成 對傳感單元的標定，并獲得5 X 5的常數(shù)矩陣[C];
[0023] 然后，按步驟b利用式(1)計算獲得各作用力朽、F2、F3、F 4、F5為 12345678 式(1)中，[C]-1為5 X 5常數(shù)矩陣[C]的逆矩陣；
2
[0025] ε?、ε2、ε3、ε4、ε5分別為第一敏感元件、第二敏感元件、第三敏感元件、第四敏感元 件、第五敏感元件檢測獲得的應(yīng)變信號。 3
[0026]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在： 4
[0027] 1、本發(fā)明可實時監(jiān)測訓練過程中足底力的大小和分布情況，對于足底壓力信息的 獲取，可以提高康復訓練的科學性和安全性 5 2、本發(fā)明可為下肢康復評定提供客觀依據(jù)，用來輔助患者進行左右對稱訓練，識 別內(nèi)外翻等不同的行走習慣； 6 3、本發(fā)明檢測方法便捷可靠，不僅可用于靜態(tài)評估，也可運用在動態(tài)評估； 7 4、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠，易于操作； 8 5、對于中風、肌肉萎縮、腦部損傷、脊髓損傷等患者均可利用本發(fā)明進行訓練，以 增強肌肉力量，促進血液循環(huán)，從而逐漸恢復肢體運動功能。
[0032] 6、本發(fā)明適于醫(yī)院和普通家庭等各種不同場合的使用。
【附圖說明】
[0033]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)不意圖；
[0034] 圖2為本發(fā)明中腳踏結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035] 圖3為本發(fā)明中腳踏底板劃分區(qū)域示意圖；
[0036] 圖中標號：1固定機架，2腳踏，3左腿護具，4右腿護具，5第一梁，6第二梁，7踏板支 撐，8第四梁，9第五梁，10第三梁，11腳踏底板。
【具體實施方式】
[0037] 參見圖1，本實施例中可測足底壓力分布的腳踏式下肢康復訓練機器人是在固定 機架1中內(nèi)置有電機和減速器，由電機驅(qū)動并經(jīng)曲柄傳動的腳踏2位于固定機架1的兩側(cè)，使 一對腳踏2能夠在電機驅(qū)動下以自行車腳踏的轉(zhuǎn)動形式進行運轉(zhuǎn);這一形式對于中風、肌肉 萎縮、腦部損傷、脊髓損傷等患者均可進行功能訓練，以增強肌肉力量，促進血液循環(huán)，逐漸 恢復肢體運動功能；圖1中所示的左腿護具3和右腿護具4用于防止患者因腿部力量不足，腳 從腳踏上脫落，造成傷害。使用者坐在座椅上，將左腳右腳對應(yīng)放置在左右兩側(cè)的腳踏中， 左腿護具3固定于左腿，右腿護具4固定于右腿，啟動電機轉(zhuǎn)動，左右腳即可隨腳踏一同運 動，以此進行功能訓練。
[0038]參見圖2和圖3,本實施例中腳踏2的結(jié)構(gòu)形式為：
[0039] -腳踏底板11，被測的一只腳放置于腳踏底板11的確定位置上，確定位置是指在 腳踏底板11上按如下方式劃分各區(qū)域：第一趾骨區(qū)、第三至第五趾骨區(qū)、跖骨區(qū)以及足跟 部，所述跖骨區(qū)包含第一跖骨區(qū)、第二跖骨區(qū)以及第三至第五跖骨區(qū)；所述足跟部劃分為足 跟內(nèi)側(cè)區(qū)和足跟外側(cè)區(qū)，令:第一趾骨所在側(cè)為腳踏底板第一側(cè)，第五趾骨所在側(cè)為腳踏底 板11第二側(cè)。
[0040] -踏板支撐7,踏板支撐7是按腳踏底板11的外輪廓形狀設(shè)置的呈直立的側(cè)圍板， 側(cè)圍板的底邊與腳踏底板11的邊緣以不同位置上的各彈性梁相連接，在側(cè)圍板的一側(cè)設(shè)置 有支撐軸，曲柄的一端安裝在電機的轉(zhuǎn)軸上，另一端安裝在所述支撐軸上，使腳踏2能夠以 電機的轉(zhuǎn)軸為轉(zhuǎn)動中心隨曲柄轉(zhuǎn)動;在各彈性梁上設(shè)置敏感元件構(gòu)成傳感單元；
[0041 ]設(shè)置腳踏式下肢康復器械的足底壓力檢測方法為：
[0042] 步驟a、在腳踏底板11的不同區(qū)域中分布受力點，利用軟件ansys workbench針對 受力點加載垂直于底板的力[F]，由各彈性梁上的敏感元件獲得應(yīng)變檢測信號[ε]，多次加 載并對應(yīng)獲得多組應(yīng)變檢測信號；依據(jù)受力點上加載力[F]，以及各應(yīng)變檢測信號[ε]建立 數(shù)學模型為：[(：]\[?] = [￡]，完成對傳感單元的標定，并獲得常數(shù)矩陣[(：];其中，[?]為多 次加載力的矩陣表達形式，[ε]為多組應(yīng)變檢測信號的矩陣表達形式，[C]為數(shù)學模型中常 數(shù)的矩陣表達形式，即：常數(shù)矩陣;常數(shù)矩陣[C]通過軟件仿真標定獲得，也可以通過實驗標 定獲得。
[0043] 步驟b、針對腳踏底板11上的被測力，檢測獲得各彈性梁上的敏感元件的應(yīng)變檢測 信號，利用數(shù)學模型獲得腳踏底板11上的被測力的分布情況。
[0044] 具體實施中，腳踏2中彈性梁的數(shù)量和位置是按設(shè)定檢測的足底力的分布情況而 定。
[0045]本實施例中，為了獲得患者進行康復訓練過程中其足部第一跖骨區(qū)、第二跖骨區(qū)、 第三至第五跖骨區(qū)、足跟內(nèi)側(cè)區(qū)和外側(cè)區(qū)的五個區(qū)域受力分布，設(shè)定被測力為:作用力點處 在第一跖骨頭位置的作用力h、處在第二跖骨頭位置的作用力F 2、處在第三到五跖骨區(qū)中心 位置的作用力F3、處在足跟內(nèi)側(cè)區(qū)的作用力F4,以及處在足跟外側(cè)區(qū)的作用力F 5;對應(yīng)設(shè)置 傳感單元中設(shè)置的各彈性梁分別是:位于腳踏底板第一側(cè)，對應(yīng)于跖骨區(qū)所在位置的腳踏 底板邊緣上間隔的第一梁5和第二梁6;位于腳踏底板第二側(cè)，對應(yīng)于跖骨區(qū)所在位置的腳 踏底板邊緣上的第三梁10;位于腳踏底板第一側(cè)，對應(yīng)于足跟內(nèi)側(cè)區(qū)所在位置的腳踏底板 邊緣上的第四梁8;位于腳踏底板第二側(cè)，對應(yīng)于足跟外側(cè)區(qū)所在位置的底板邊緣上的第五 梁9;并有:第一敏感元件對稱布置在第一梁5的頂面和底面，第二敏感元件對稱布置在第二 梁6的頂面和底面，第三敏感元件對稱布置在第三梁10的頂面和底面，第四敏感元件對稱布 置在第四梁8的頂面和底面，第五敏感元件對稱布置在第五梁9的頂面和底面，檢測方法為： [0046]首先，按步驟a、在腳踏底板11上對應(yīng)于被測力所在區(qū)域一一對應(yīng)分布五個受力 點，在受力點上加載垂直于底板的力[F]，由各彈性梁上的敏感元件獲得應(yīng)變檢測信號[ε]; 根據(jù)受力點上加載力[F]，以及各應(yīng)變檢測信號[ε]建立數(shù)學模型為：[(：]\^] = [￡]，完成 對傳感單元的標定，并獲得5 X 5的常數(shù)矩陣[C];
[0047] 然后，按步驟b利用式(1)計算獲得各作用力朽、F2、F3、F 4、F5為
[0048] 式(1)中，[CP1為5 X 5常數(shù)矩陣[C]的逆矩陣；
[0049] ε?、ε2、ε3、ε4、ε5分別為第一敏感元件、第二敏感元件、第三敏感元件、第四敏感元 件、第五敏感元件檢測獲得的應(yīng)變信號。
【主權(quán)項】
1. 一種可測足底壓力分布的腳踏式下肢康復訓練機器人，其特征是:所述腳踏式下肢 康復訓練機器人是在固定機架（1)中內(nèi)置有電機和減速器，由電機驅(qū)動并經(jīng)曲柄傳動的腳 踏(2)位于固定機架（1)的兩側(cè)，使一對腳踏(2)能夠在電機驅(qū)動下以自行車腳踏的轉(zhuǎn)動形 式進行運轉(zhuǎn)； 所述腳踏(2)的結(jié)構(gòu)形式為： 一腳踏底板（11)，被測的一只腳放置于腳踏底板（11)的確定位置上，所述確定位置是 指在所述腳踏底板（11)上按如下方式劃分各區(qū)域:第一趾骨區(qū)、第三至第五趾骨區(qū)、跖骨區(qū) 以及足跟部，所述跖骨區(qū)包含第一跖骨區(qū)、第二跖骨區(qū)以及第三至第五跖骨區(qū)；所述足跟部 劃分為足跟內(nèi)側(cè)區(qū)和足跟外側(cè)區(qū)，令:第一趾骨所在側(cè)為腳踏底板第一側(cè)，第五趾骨所在側(cè) 為腳踏底板(11)第二側(cè)； 一踏板支撐(7)，所述踏板支撐(7)是按腳踏底板（11)的外輪廓形狀設(shè)置的呈直立的側(cè) 圍板，所述側(cè)圍板的底邊與腳踏底板（11)的邊緣以不同位置上的各彈性梁相連接，在所述 側(cè)圍板的一側(cè)設(shè)置有支撐軸，曲柄的一端安裝在電機的轉(zhuǎn)軸上，另一端安裝在所述支撐軸 上，使腳蹬(2)能夠以電機的轉(zhuǎn)軸為轉(zhuǎn)動中心隨曲柄轉(zhuǎn)動;在所述各彈性梁上設(shè)置敏感元件 構(gòu)成傳感單元； 設(shè)置所述腳踏式下肢康復器械的足底壓力檢測方法為： 步驟a、在所述腳踏底板(11)的不同區(qū)域中分布受力點，在受力點上加載垂直于底板的 力[F]，由各彈性梁上的敏感元件獲得應(yīng)變檢測信號[e];根據(jù)受力點上加載力[F]，以及各 應(yīng)變檢測信號[e ]建立數(shù)學模型為：[C] X [F] = [ e ]，完成對傳感單元的標定，并獲得常數(shù)矩 陣[C]; 步驟b、針對腳踏底板（11)上的被測力，檢測獲得各彈性梁上的敏感元件的應(yīng)變檢測信 號，利用所述數(shù)學模型獲得腳踏底板(11)上的被測力的分布情況。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可測足底壓力分布的腳踏式下肢康復訓練機器人，其特征是： 設(shè)定所述被測力為:作用力點處在第一跖骨頭位置的作用力Fi、處在第二跖骨頭位置的 作用力F2、處在第三到五跖骨區(qū)中心位置的作用力F3、處在足跟內(nèi)側(cè)區(qū)的作用力F4,以及處 在足跟外側(cè)區(qū)的作用力F5; 設(shè)置所述傳感單元中設(shè)置的各彈性梁分別是： 位于腳踏底板第一側(cè)，對應(yīng)于跖骨區(qū)所在位置的腳踏底板邊緣上間隔的第一梁(5)和 第二梁(6); 位于腳踏底板第二側(cè)，對應(yīng)于跖骨區(qū)所在位置的腳踏底板邊緣上的第三梁（10); 位于腳踏底板第一側(cè)，對應(yīng)于足跟內(nèi)側(cè)區(qū)所在位置的腳踏底板邊緣上的第四梁(8); 位于腳踏底板第二側(cè)，對應(yīng)于足跟外側(cè)區(qū)所在位置的底板邊緣上的第五梁(9); 并有:第一敏感元件對稱布置在第一梁(5)的頂面和底面，第二敏感元件對稱布置在第 二梁(6)的頂面和底面，第三敏感元件對稱布置在第三梁（10)的頂面和底面，第四敏感元件 對稱布置在第四梁(8)的頂面和底面，第五敏感元件對稱布置在第五梁(9)的頂面和底面。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的可測足底壓力分布的腳踏式下肢康復訓練機器人，其特征是： 所述腳踏式下肢康復器械的足底壓力檢測方法為： 首先，按步驟a、在所述腳踏底板（11)上對應(yīng)于被測力所在區(qū)域一一對應(yīng)分布五個受力 點，在受力點上加載垂直于底板的力[F]，由各彈性梁上的敏感元件獲得應(yīng)變檢測信號[e]; 根據(jù)受力點上加載力[F]，以及各應(yīng)變檢測信號[e]建立數(shù)學模型為：[(：]\[?] = [￡]，完成 對傳感單元的標定，并獲得5 X 5的常數(shù)矩陣[C];然后，按步驟b利用式（1)計算獲得各作用力 式(1)中，[訂1為5 X 5常數(shù)矩陣[C]的逆矩陣； ￡1、￡2、￡3、￡4、￡5分別為第一敏感元件、第二敏感元件、第三敏感元件、第四敏感元件、第 五敏感元件檢測獲得的應(yīng)變信號。
【文檔編號】A61B5/103GK106038170SQ201610451001
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月17日
【發(fā)明人】王勇, 胡保華, 查海星, 王良誼, 趙鵬鵬
【申請人】合肥工業(yè)大學