CN114983392A - 一种基于混沌算法的步态矫正系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于混沌算法的步态矫正系统，用于偏瘫病人站立、行走时进行康复训练。所述系统包括步态矫正器、服务器和智能终端应用程序。所述步态矫正器包括：鞋子、位于所述鞋子下方的鞋底装置、调整机构、多个压力传感器以及处理器。所述处理器执行如下功能：向智能终端应用程序发送足底压力分布信号以及接收智能终端应用程序下发的适于所述使用者的运动模式；根据所述运动模式基于混沌算法计算得到鞋底装置的高度数据和姿态数据；以及根据计算结果向调整机构发送相应控制信号，以使调整机构根据所述控制信号改变鞋底装置的高度和姿态。所述服务器接收并处理智能终端应用程序上传的足底压力分布信号，并将运动处方下发给智能终端应用程序。

Description

一种基于混沌算法的步态矫正系统

技术领域

本发明涉及康复鞋技术领域，特别涉及一种基于混沌算法的步态矫正系统。

背景技术

中风偏瘫病人出现行走障碍后，康复训练是重塑大脑神经功能、恢复患者行走能力的必要手段。由于医疗资源的缺乏，目前大多数偏瘫患者无法得到专业的训练指导，导致偏瘫病人恢复不理想，所以一个专业的训练康复系统对于广大患者是非常有价值的。

CN103110239A公开了一种康复鞋，在鞋底中设有橡胶塑料囊及其控制箱，通过控制橡胶塑料胶囊中原料的充放，改变胶囊体积，进而调整鞋底位姿，防止使用者跌倒。

CN102866640A公开了一种跌倒控制系统及使用该系统的康复鞋，在鞋底的重心调整机构中设有调整垫片，通过调整垫片位置，改变鞋底板的位姿，进而防止人体跌倒。

但是，现有技术的康复鞋在调整鞋底位姿时存在功能单一的问题，要么只针对足外翻、足内翻、足下垂的脚踝姿势矫正，要么只针对患者的平衡进行干扰训练，没有综合的训练，故康复效果受到限制。此外，现有技术的康复鞋没有运动评估体系，没有针对患者定制化的运动处方来指导患者进行训练，因此疗效不大。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的缺陷，提出了一种基于混沌算法的步态矫正系统。

本发明的一种步态矫正系统，用于偏瘫病人站立、行走时进行康复训练，包括步态矫正器、智能终端应用程序及服务器，

所述步态矫正器，包括：鞋子，所述鞋子供使用者穿着；位于所述鞋子下方的鞋底装置，用于支撑及固定所述鞋子；调整机构，包括电机及由所述电机驱动的多个伸缩结构，所述多个伸缩结构进行上下伸缩运动以改变鞋底装置的整体高度和姿态；多个压力传感器，用于接受使用者的足底压力并产生足底压力分布信号；处理器，用于执行如下功能：向智能终端应用程序发送所述足底压力分布信号以及接收所述智能终端应用程序下发的适于所述使用者的运动处方；根据所述运动处方基于混沌算法计算得到所述鞋底装置的高度数据和姿态数据；以及根据计算结果向所述调整机构发送相应控制信号，以使所述调整机构根据所述控制信号改变所述鞋底装置的整体高度和姿态，

所述智能终端应用程序用于执行如下功能：接收所述步态矫正器上传的所述足底压力分布信号，并上传到所述服务器；接收所述服务器下发的运动处方，并下发给所述步态矫正器；以及向使用者展示人机交互界面,提供可视化的训练管理体系，

所述服务器用于执行如下功能：接收并处理所述智能终端应用程序上传的所述足底压力分布信号；对所述足底压力分布信号提取特征值；将所述特征值与预定值进行比较并根据比较结果判定所述使用者的运动模式；根据所述运动模式,为所述使用者定制所述运动处方；以及将所述运动处方下发给智能终端应用程序。

本发明具有如下有益效果：

本发明的基于混沌算法的步态矫正系统，对偏瘫病人的脚踝姿势矫正、脚踝拉伸、平衡训练、以及重塑大脑功能均有非常好的作用，可以有效缩短偏瘫病人康复的时间。相比于康复医院高昂的康复训练费用，本发明的步态矫正系统大大降低了康复成本，可以减轻病人及其家属的负担。此外，本发明可以为患者定制个性化的运动处方，有效地提高康复训练效果。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例的步态矫正器的立体图。

图2是本发明一个较佳实施例的步态矫正器的鞋底装置的立体图。

图3(a)是本发明一个较佳实施例的步态矫正器的分解示意图，图3(b)是本发明一个较佳实施例的鞋垫安装于鞋子内部的示意图。

图4是本发明一个较佳实施例的步态矫正器的调整机构的立体图。

图5是本发明一个较佳实施例的步态矫正器的伸缩结构的剖面图。

图6是本发明一个较佳实施例的步态矫正系统的构成示意图。

图7是本发明一个较佳实施例的步态矫正系统的云端服务器的工作流程图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图对本发明的实施方式予以说明。需要说明的是，本说明书中所涉及的实施方式不是穷尽的，不代表本发明的唯一实施方式。以下相应的实施例只是为了清楚的说明本发明专利的发明内容，并非对其实施方式的限定。对于该领域的普通技术人员来说，在该实施例说明的基础上还可以做出不同形式的变化和改动，凡是属于本发明的技术构思和发明内容并且显而易见的变化或变动也在本发明的保护范围之内。

如图6所示为本发明一个较佳实施例的步态矫正系统的示意图。如图6所示，本发明基于混沌算法的步态矫正系统包括步态矫正器A、智能终端应用程序B以及云端服务器C。

其中，步态矫正器A供使用者穿着、并根据智能终端应用程序B提供的运动处方(或称为训练方案)通过混沌原理(混沌算法)改变鞋底装置的整体高度和姿态来对使用者进行康复训练，起到校正脚踝姿势、脚踝拉伸训练及平衡训练的作用。

智能终端应用程序B，将步态矫正器A产生的数据上传至云端服务器C，以及将云端服务器C生成的运动处方下发至所述步态矫正器A。以及，智能终端应用程序B具有人机交互界面，用于向使用者提供直观的、可视化的训练管理体系。较佳地，智能终端应用程序B通过手机信号连接云端服务器C，并通过蓝牙连接步态矫正器A。本发明中，智能终端可以是计算机，例如为个人计算机或笔记本电脑。智能终端也可以是移动通讯装置，例如为智能手机。当智能终端为智能手机时，智能终端应用程序为智能手机APP。

云端服务器C根据智能终端应用程序B上传的使用者的足底压力分布评估其偏瘫程度，并根据偏瘫程度为步态矫正器A提供适于该使用者的定制化的运动处方。运动处方包括矫正器运动模式、训练强度、训练频率和训练时长等。同时，云端服务器C也为智能终端应用程序提供训练数据管理服务，通过智能终端应用程序B为使用者提供训练指导和咨询服务。

下面对结合附图对本发明的步态矫正系统中的步态矫正器A进行详细说明。

如图1-3所示，本发明的一种步态矫正器A，包括：鞋子1、鞋底装置2、调整机构6、多个压力传感器12及处理器5。

鞋子1供使用者穿着。位于所述鞋子1下方的鞋底装置2，用于支撑及固定所述鞋子1。较佳地，鞋子1与鞋底装置2之间通过卡扣方式连接。所述鞋子1里面具有鞋垫11。鞋底装置2具有外壳3及盖板4。所述外壳3具有例如鞋底板的形状，包括底板及周边侧壁，上部呈开口状。本实施例中，外壳3的内部还用于容纳处理器5及调整机构6的一部分。外壳3的上部开口由盖板4配合覆盖。较佳地，外壳3的边缘与盖板4的边缘通过螺纹连接的方式固定在一起。

调整机构6，包括电机61及由所述电机61驱动的多个伸缩结构65，所述多个伸缩结构65进行上下伸缩运动以改变鞋底装置2的高度和姿态。调整机构6的具体结构将在下文进行详细说明。

多个压力传感器12，用于接受使用者的足底压力并产生足底压力分布信号。在本实施例中，多个压力传感器12设置于所述鞋垫11中。所述多个压力传感器12基于足底产生压力的区域而适当分布，以便更有效地获取使用者的足底压力分布。所述鞋垫11上还具有连接片13，鞋子1上的对应位置预留出口(未图示)供连接片13伸出，所述连接片13再通过盖板4上的贯通孔43与处理器5电气连接，从而将足底压力分布信号传送至处理器5。

处理器5，用于执行如下功能：

向智能终端应用程序B发送所述足底压力分布信号以及接收所述智能终端应用程序B下发的适于所述使用者的运动处方；

根据所述运动处方基于混沌算法计算得到所述述鞋底装置的高度数据和姿态数据；以及

根据计算结果向所述调整机构6发送相应控制信号，以使所述调整机构6根据所述控制信号改变所述鞋底装置2相对于地面的高度和姿态。这里所述的地面指训练场地的地面或地板等。

如前所述，所述处理器5和所述调整机构6的一部分设置在所述外壳3中，由所述盖板4覆盖于所述外壳3的上部开口。进一步地，所述盖板4包括上盖板41和软板42。所述上盖板41和所述软板42固定在一起，所述软板42上还设置行程检测装置。行程检测装置例如可以由霍尔传感器44构成，与所述处理器5连接，用以控制电机61的行程。具体地，霍尔传感器记录电机旋转圈数，当圈数到达所设数目时，则由处理器5发出控制信号至调整机构6，使电机61停止转动，由此来控制电机61的行程。如前所述盖板4上还具有贯通孔43以供连接片13通过。

下面结合图4-5对调整机构6的结构进行详细说明。较佳地，所述调整机构6包括电机61、电机轮盘62、皮带63、伸缩结构轮盘64及伸缩结构65。所述电机61带动电机轮盘62转动，所述电机轮盘62通过皮带63带动所述伸缩结构轮盘64转动，所述伸缩结构轮盘64带动所述伸缩结构65进行上下伸缩运动。

所述伸缩结构(也称为可伸缩脚撑)65包括内芯螺纹651与外螺管654，所述内芯螺纹651与所述伸缩结构轮盘64紧配合，所述内芯螺纹651随所述伸缩结构轮盘64转动从而使所述外螺管654产生上下伸缩运动，即外螺管654在鞋底装置2的底部伸长或缩短，外螺管654与所述地面接触而受到地面的反作用力，从而可以调整鞋底装置2的底部相对于所述地面的高度和姿态。

进一步地，所述可伸缩脚撑65还具有轴承652、导套655和外螺管橡胶套657。轴承652设置于伸缩结构轮盘64及内芯螺纹651之间，用于减小内芯螺纹6的旋转阻力。导套655设置于外螺管654的上部外侧，为外螺管654导向，使外螺管654进行上下垂直运动。外螺管橡胶套657包裹外螺管654的下部外侧起到保护外螺管及隔离灰尘的作用。另外，外螺管橡胶套657的上端套设在导套655的下端提供静摩擦力，可以避免外螺管654随内芯螺纹651自转，使得外螺管654仅能进行上下运动。

接下来结合图7对云端服务器C进行说明。如图7所示，云端服务器C执行如下功能，具体为下述步骤S1-S5。

步骤S1：接收并处理所述智能终端应用程序B上传的所述足底压力分布信号。

步骤S2：对所述足底压力分布信号提取特征值。所述特征值为基于足底压力数值获得的使用者患肢的重心坐标分布范围。

步骤S3：将所述特征值与预定值进行比较并根据比较结果判定所述使用者的运动模式。所述预定值为使用者健肢的重心坐标分布范围。所述云端服务器C根据所述特征值与预定值的比较结果评估使用者的偏瘫程度，并根据所述偏瘫程度判定适于该使用者的运动模式。

本发明中，所述运动模式限定所述鞋底装置的整体高度、前倾范围、后倾范围、左倾范围以及右倾范围。所述整体高度可以理解为整个步态矫正器A(包括鞋子1及鞋底装置2)在水平(无倾斜)状态时的整体高度(或平均高度、或某一点的高度)，也即在对鞋底装置2进行倾斜度调整前的初始高度。具体地，该整体高度可以用步态矫正器A在水平状态时鞋底装置2的高度来表示，也可以用步态矫正器A在水平状态时鞋子1的高度来表示。这里如无特别说明，所述的高度均为相对于训练场地的高度。基于步态矫正器A的结构，例如该整体高度可以由伸缩结构65的相对于收缩至极限处的长度确定，伸缩结构65收缩至极限处时设为零。

所述前倾范围为所述步态矫正器A的脚跟部位相对于脚尖部位上升形成的鞋底装置2的底面与水平面之间的角度范围，所述后倾范围为所述步态矫正器A的脚尖部位相对于脚跟部位上升形成的鞋底装置2的底面与水平面之间的角度范围，所述左倾范围为所述步态矫正器A的左侧相对于右侧下降形成的鞋底装置2的底面与水平面之间的角度范围，所述右倾范围为所述步态矫正器A的右侧相对于左侧下降形成的鞋底装置2的底面与水平面之间的角度范围。

所述运动模式包括多个等级，每个等级限定各自的整体高度、前倾范围、后倾范围、左倾范围以及右倾范围。例如，所述运动模式可以具有12个等级。在一个较佳的实施例中，第一等级的整体高度为1mm，前倾范围为0～1.5度，后倾范围为0～1.5度，左倾范围为0～1.5度，右倾范围为0～1.5度。第二等级的整体高度2mm，前倾范围为0～3度，后倾范围为0～3度，左倾范围为0～3度，右倾范围为0～3度。第三等级～第十二等级依次类推，整体高度递增1mm，各倾斜角度范围分别递增1.5度。

步骤S4：根据所述运动模式确定使用者的运动处方，运动处方包括步态矫正器A的运动模式、每次训练的时间、训练周期、训练频率等。

步骤S5：将所述运动处方下发给所述智能终端应用程序B。

再回到步态矫正器A，当步态矫正器A的处理器接收到智能终端应用程序B发送的运动处方数据后，该运动处方包括了运动模式的某一个等级的数据，处理器5将在所述运动模式的多个等级中的该一个等级的范围内基于混沌算法计算得到某个时段的整体高度、前倾范围或后倾范围、以及左倾范围或右倾范围，从而获得该运动模式等级范围内的确定的高度和姿态。例如，在一个实施例中，在运动模式的前述第一等级范围内，基于混沌算法计算得到步态矫正器A某个时段的整体高度为1mm，前倾角度为1度，左倾角度为1度。优选地，所述运动模式的一个等级下可以设定多个时段以及每个时段的时长，每个时段内的高度和姿态均限定在该运动模式等级范围内，但各时段内的具体高度和姿态可以是变化的。处理器5再基于该确定的高度和姿态向所述电机61发送相应控制信号来驱动所述多个伸缩结构中各伸缩结构65伸缩相应的行程。通过设定混沌系数，使得基于混沌算法计算获得的步态矫正器的整体高度和姿态更有利于该使用者的康复训练，更有效地提高训练效果。

较佳地，回到图1-2所示，本实施例中包括四个所述调整机构6。两个所述调整机构6位于所述鞋底装置2的前部，即前脚掌部位。另外两个所述调整机构6位于所述鞋底装置2的后部，即后脚跟部位。通过这样设置调整机构6并分别控制各个调整机构6的伸缩行程，可以实现无限多个维度地调整鞋底装置2相对于地面的高度和姿态，即鞋底装置2的底部相对于地面可以形成无限多的倾斜度，从而使得位姿调整更精确。

如上所述，本发明的基于混沌算法的步态矫正系统，通过获取使用者的足底压力分布，并评估使用者的偏瘫程度，从而确定适于使用者的个性化运动处方，所述运动处方包括了运动模式的等级，训练时长，训练频率，训练周期等等，所述运动处方在智能终端应用程序中为使用者提供人机交互界面和训练数据管理，并在确定的运动模式的等级范围内基于混沌算法获得适于该使用者的步态矫正器整体高度和姿态，进而通过分别控制多个伸缩结构中的各伸缩结构伸缩相应的行程，从而可以控制步态矫正器形成无限多的倾斜度。采用本发明系统，使用者既可以实现脚踝姿势矫正，又可以进行脚踝拉伸及平衡训练，能够有效提升康复训练效果。

显然，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围。

Claims (10)

1.一种基于混沌算法的步态矫正系统，用于偏瘫病人站立、行走时进行康复训练，其特征在于，包括步态矫正器、智能终端应用程序及服务器，

所述步态矫正器，包括：

鞋子，所述鞋子供使用者穿着；

位于所述鞋子下方的鞋底装置，用于支撑及固定所述鞋子；

调整机构，包括电机及由所述电机驱动的多个伸缩结构，所述多个伸缩结构进行上下伸缩运动以改变鞋底装置的整体高度和姿态；

多个压力传感器，用于接受使用者的足底压力并产生足底压力分布信号；

处理器，用于执行如下功能：

向智能终端应用程序发送所述足底压力分布信号以及接收所述智能终端应用程序下发的适于所述使用者的运动处方；

根据所述运动处方基于混沌算法计算得到所述鞋底装置的高度数据和姿态数据；以及

根据计算结果向所述调整机构发送相应控制信号，以使所述调整机构根据所述控制信号改变所述鞋底装置的整体高度和姿态，

所述智能终端应用程序用于执行如下功能：

接收所述步态矫正器上传的所述足底压力分布信号，并上传到所述服务器；

接收所述服务器下发的运动处方，并下发给所述步态矫正器；以及

向使用者展示人机交互界面,提供可视化的训练管理体系，

所述服务器用于执行如下功能：

接收并处理所述智能终端应用程序上传的所述足底压力分布信号；

对所述足底压力分布信号提取特征值；

将所述特征值与预定值进行比较并根据比较结果判定所述使用者的运动模式；

根据所述运动模式,为所述使用者定制所述运动处方；

将所述运动处方下发给智能终端应用程序。

2.根据权利要求1所述的步态矫正系统，其特征在于，所述特征值为基于足底压力数值获得的使用者患肢的重心坐标分布范围，所述预定值为使用者健肢的重心坐标分布范围。

3.根据权利要求1所述的步态矫正系统，其特征在于，所述运动模式限定所述鞋底装置的整体高度、前倾范围、后倾范围、左倾范围以及右倾范围。

4.根据权利要求3所述的步态矫正系统，其特征在于，所述整体高度为所述步态矫正器在水平状态时鞋底装置的高度，所述前倾范围为所述步态矫正器的脚跟部位相对于脚尖部位上升形成的鞋底装置的底面与水平面之间的角度范围，所述后倾范围为所述步态矫正器的脚尖部位相对于脚跟部位上升形成的鞋底装置的底面与水平面之间的角度范围，所述左倾范围为所述步态矫正器的左侧相对于右侧下降形成的鞋底装置的底面与水平面之间的角度范围，所述右倾范围为所述步态矫正器的右侧相对于左侧下降形成的鞋底装置的底面与水平面之间的角度范围。

5.根据权利要求4所述的步态矫正系统，其特征在于，所述运动模式包括多个等级，每个等级限定各自的整体高度、前倾范围、后倾范围、左倾范围以及右倾范围。

6.根据权利要求5所述的步态矫正系统，其特征在于，所述运动模式具有12个等级。

7.根据权利要求6所述的步态矫正系统，其特征在于，所述运动处方包括所述运动模式、训练时长、以及训练周期。

8.根据权利要求7所述的步态矫正系统，其特征在于，根据所述运动处方基于混沌算法计算得到的所述鞋底装置的所述姿态数据包括所述鞋底装置的前倾角度或后倾角度、以及左倾角度或右倾角度。

9.根据权利要求8所述的步态矫正系统，其特征在于，根据所述运动处方基于混沌算法计算得到的所述鞋底装置的整体高度数据及姿态数据不超过所述运动处方中所述运动模式的所述等级限定的整体高度、前倾范围、后倾范围、左倾范围以及右倾范围。

10.根据权利要求1所述的步态矫正系统，其特征在于，所述多个伸缩结构的数量为四个伸缩结构，其中两个伸缩结构位于所述鞋底装置的前部，两个伸缩结构位于所述鞋底装置的后部。

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