[发明专利]一种动态调节的柔性足弓-足踝系统及其控制方法

说明书

本发明公开了一种动态调节的柔性足弓‑足踝系统及其控制方法。左脚、右脚柔性足弓‑足踝模块均和气压源、传感控制模块连接；左脚、右脚柔性足弓‑足踝模块的结构相同，柔性足弓‑足踝模块中的鞋与传感控制模块电连接，鞋内安装有柔性驱动器，柔性驱动器通过气管和电磁开关阀与气压源相连，电磁开关阀均与传感控制模块电连接；鞋穿着于穿戴者脚上，根据穿戴者的步态，传感控制模块通过控制电磁开关阀的开闭来控制对应柔性驱动器所在气路的通断，进而控制各个柔性驱动器的状态，从而动态调节各个柔性驱动器对穿戴者的足弓和踝关节处的支撑力。本发明的系统能够与穿戴者的足弓和足踝处紧密贴合，并且仅在需要时进行支撑，可以起到正常的助力效果。

技术领域

本发明涉及了一种足弓-足踝系统，具体涉及一种动态调节的柔性足弓-足踝系统及其控制方法。

背景技术

人的足部是一个非常复杂的系统，它包含众多的骨、关节、肌肉、韧带、神经和血管。其中，足弓和踝关节在承受人体重量、吸收地面冲击、足底压力分布和保持平衡等方面起着非常重要作用，而人体正常步态长期承受过载，如长时间的站立或行走后，足弓可能会下降，引起足部的损伤或疼痛，继而出现步态失调甚至平足等足部疾病。

为了防止足弓过低，减小足弓下降带来的损伤，矫形鞋垫不断发展并得到应用。传统的矫形鞋垫通过在足弓区域增加一块刚性的凸起，可以保证穿戴者足弓的正常高度，如Custom Red(Vasyli Medical,Labrador,Australia)产品，但是这类刚性的被动式支撑会限制人体足部的自由度，有研究表明这类鞋垫会增加跑步的能量成本，并且长期的刚性挤压甚至会导致肌肉的废用性萎缩，同时，人体足弓结构随着身体年龄的变化也在发生着变化，因此长期定制矫形鞋垫成本很高。市场现有的Airlift产品使用充气气囊置于足弓处，实现柔性的支撑，但气囊气压始终保持不变，仍属于固定式的被动支撑方式，而人体足在行走过程中的不同步态时期的足弓高度需要动态调节，比如在足接触地面的初期，足弓需要下降以吸收冲击，而在足向前推进时，足弓需要上升以提高足部整体的刚度，因此被动式的支撑不能适应人体足弓在行走过程中的动态变化。

为了克服现有的装置的设计缺陷，需要设计一种新型的、柔性的、能动态调节主动助力的足弓支撑鞋垫，不仅能用于医学上防止足弓塌陷和治疗平足症，还可用于人们日常户外活动的运动助力和平衡保持。

发明内容

为了克服现有足部矫形装置的问题，本发明提供了一种动态调节的柔性足弓-足踝系统及其控制方法，可以通过足底压力传感器获取穿戴者当前的步态，根据人体不同的步态事件对足弓和踝关节进行动态的支撑助力；同时采用气动的柔性驱动器，实现了柔性的主动助力，解除了驱动器对人体足部自由度的限制。本发明主要包含以下三点创新性设计：

(1)基于仿生结构驱动器设计；

(2)完全的柔性结构(足弓-足踝系统)；

(3)动态调节。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一、一种动态调节的柔性足弓-足踝系统

系统包括左脚、右脚柔性足弓-足踝模块、气压源和传感控制模块，左脚、右脚柔性足弓-足踝模块均与传感控制模块电连接，左脚、右脚柔性足弓-足踝模块均与气压源相连，气压源与传感控制模块连接；左脚、右脚柔性足弓-足踝模块的结构相同，柔性足弓-足踝模块包括鞋、柔性驱动器、电磁开关阀和气管；鞋穿着于穿戴者脚上，鞋与传感控制模块电连接，鞋内安装有柔性驱动器，柔性驱动器通过气管与对应的电磁开关阀相连，各个电磁开关阀通过气管与气压源相连，各个电磁开关阀均与传感控制模块电连接；传感控制模块通过控制各个电磁开关阀的开启和关闭来控制对应柔性驱动器所在气路的通断，进而控制各个柔性驱动器的状态，从而动态调节各个柔性驱动器对穿戴者的足弓和踝关节处的支撑力。

所述鞋包括鞋体、柔性鞋垫和足底压力传感器，鞋体内设置有柔性鞋垫，足底压力传感器设置在柔性鞋垫下的鞋体内，足底压力传感器通过导线连接至传感控制模块；