CN102579060A - 串联式五自由度足踝步态模拟的实验装置 - Google Patents

Abstract

一种串联式五自由度足踝步态模拟的实验装置，该装置包括总体框架、胫骨轴、尸体足踝胫骨插入杆、前后向移动机构及控制系统、矢状面内转动机构及控制系统、冠状面内转动机构及控制系统、水平面内转动机构及控制系统、垂直向移动机构及控制系统、胫骨加载机构及控制系统、肌肉力加载机构及控制系统。本发明不仅可以在3至5秒内模拟足踝步态站立相运动学行为，同时还可以模拟其动力学行为，并可同步实现足踝运动学与力学数据的采集，获得完整、综合、有效的足踝步态站立相中的运动学和力学原始试验数据，为临床足踝运动系统疾病机理探讨、手术方案的科学论证、足踝运动损伤与防护研究、仿生足踝系统研制等提供动力学实验和理论研究平台。

Description

串联式五自由度足踝步态模拟的实验装置

技术领域

本发明涉及的是一种机电系统技术领域的装置，具体是一种模拟人体足踝步态及测量装置。 

背景技术

足踝复合体参与人体运动，是人体的最终负重部位。站立时，体重的50-60％分布在足跟，40-50％分布于跖骨头；正常行走时，足部负重是体重的1.2倍；奔跑时增为2倍；像跨栏、篮球和排球等运动项目，落地时承受3.5～7 倍于自身体重的冲击力，与下肢的运动损伤关系密切。 

关节损伤中，以足踝部最常见，高达64.6%；踝关节内、外侧韧带损伤约占全身韧带损伤的80%，位于首位；高龄人口中80％有足踝疾病（如胫后肌腱炎、跟腱滑囊炎及跟腱断裂、踝关节外侧韧带损伤、跖筋膜炎、距骨软骨缺损、糖尿病足、踝关节炎等）的困扰。 

由于足踝部解剖结构和生物力学特性的复杂性及人类对足的存在和作用习以为常，在医学及其相关的科学研究中，有关足踝的研究在过去很长一段时间未能得到应有重视，使其远不如髋、膝关节那样被深入了解，对足踝步态中的生物力学特性（特别是各骨块之间相对运动关系、骨内部应力分布、韧带和肌腱力学行为、关节接触应力变化等）更缺乏系统的认识和研究，人类尚未彻底清楚了解并掌握这一系统。临床上对一些常见足踝疾病形成和治疗的生物力学机理还尚不清楚，治疗方案优化和选择多依据经验、静态或准静态模型应力分析及简化模型的运动学和动力学研究成果，还缺乏足够的科学依据；涉及足踝学科的运动医学、现代矫形学及机器人行走系统等均对天然人体足踝系统地运动学和动力学探究提出更高的要求。因此，探讨人体足踝各组成部分之间的力学作用关系，包括相对运动和相互作用力关系以及使足踝完成正常步态时肌肉力的时间历程变化规律成为亟待和急需研究的课题。而完成这些研究，需要研制人体足踝步态的运动学和动力学模拟及测量装置，实现活体测量无法进行的试验，同时获得活体试验无法得到的力学和运动学参数。本装置是基于以上背景被提出来，通过机械与电子控制技术驱动尸体足踝动力学模型实现足踝步态的运动学和动力学模拟，并在此过程中运用光学和力学测量系统测量并采集步态中足踝各骨块之间的相对运动、关节力、肌肉力的大小等运动和力学参数，为基于多刚体模型的足踝步态运动学和动力学计算分析提供宝贵的原始试验数据。同时，为现代矫形支具的优化设计和功能评价及足踝系统相关新兴学科生物力学问题研究提供试验测量和分析平台。 

    经过对现有技术的检索发现，目前足踝步态模拟试验装置按运动模式分为两种：一种是胫骨运动模式，地面模拟平台固定，足底与地面动态约束，仿真真实步态地面与足底关系。通过机械机构和电机驱动技术实现胫骨在步态中的空间运动及载荷施加模拟。例如美国宾夕法尼亚州立大学的Neil Sharkey等在《Clinical Biomechanics》 （临床生物力学，1998年13卷420-433页）报道了“A dynamic cadaver model of the stance phase of gait: performance characteristics and kinetic validation”（步态中相的动力学尸体足踝模型：行为特征和动力学验证），采用平面凸轮机构控制胫骨的空间运动。美国梅奥医学中心的Kim等在《J Musculoskeletal Res》（骨肌研究杂志，2001年5卷2期113-121页）上发表了“In vitro simulation of the stance phase in human gait”（人体步态站立相的离体模拟），该设计是通过电机丝杠驱动胫骨从后向前摆动。胫骨载荷通过与之相连的电动缸完成。Nester等在《Journal of Biomechanics》（生物力学期刊，2007年40卷1927- 1937 页）上报道了“In vitro study of foot kinematics using a dynamic walking cadaver model.”（基于动态行走尸体模型的足运动学离体研究），在该设计中，胫骨由一独立驱动的台车拖动。胫骨的6个自由度中有三个受到控制，前后移动，转动和垂直位移；另一种是试验台上固联尸体脚的胫骨在试验中保持不动，而模拟地面的平台作相对于脚的运动。 德国图宾根大学的Hurschler等在《Foot Ankle Int》（足踝国际期刊，2003年24卷614-622页）报道了“In vitro simulation of stance phase gait part I: Model verification.”（步态站立相的离体模拟第I部分：模型验证），在步态模拟试验装置设计中，试验台上固联的尸体脚在试验中保持不动，而模拟地面的平台作相对于脚的运动。这个设计可以对矢状面的胫骨/足体进行控制，用气动加载的足底平台实现垂直加载。胫骨在水平面的转动通过固联在胫骨端点的电机驱动。美国华盛顿大学的Whittaker等在《Gait & Posture》 （步态杂志，2011年33卷645-650页）报道了“Foot bone kinematics as measured in a cadaveric robotic gait simulator”（机器人尸体足步态模拟器中足部骨骼运动学测量），该试验平台设计基于一种自由度平台，利用该平台模拟地面相对足踝的运动，而胫骨则固定不动，控制六自由度平台模拟地面相对足的运动实现足踝步态站立中相的模拟。 

以上所研制的人尸体足踝步态模拟试验装置中，主要存在如下缺点： 

仅仅对胫骨运动的六个自由度中的2个或3个进行了控制，不能反映真实的运动和受力情况；胫骨运动周期速率与肌肉力施加速率减小的程度过大，这样，对于持续时间仅为0.6-0.8 秒的真实步行着地姿态相，在模拟机中仿真却只达到了20 秒、11 秒、最快也只能达到2秒。即，动态模型没有考虑到步行运动的关键动态影响因素；装置将腓骨长肌与短肌结合在一起，而在解剖学上，它们仅与其附着点（胫骨/腓骨）相关，因此，其附着处与功能完全不同，故对肌肉施力控制不够准确，没有单独考虑所有肌肉的激励问题；不能完全仿真人体上部施加的负载，一般只达到真实状态的一半左右。

  

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，设计一种足踝步态模拟及测量装置。根据人体足踝步态的运动学和动力学特性，设计若干自由度串联机构模拟胫骨的空间运动，同时利用电动缸和步进电机分别实现胫骨力和肌肉力的施加，使其既能模拟人体足踝步态运动学和动力学过程，又能很好测量运动与力学参数，从而获得完整、有效的试验数据。 

本发明目的通过以下技术方案实现： 

一种足踝步态模拟装置，用于人体足踝步态的运动学和动力学研究，包括总体框架、胫骨轴、尸体足踝胫骨插入杆、前后向移动机构及控制系统、矢状面内转动机构及控制系统、冠状面内转动机构及控制系统、水平面内转动机构及控制系统、垂直向移动机构及控制系统、胫骨加载机构及控制系统、肌肉力加载机构及控制系统。其中，

所述的前后向移动机构及控制系统是用于实现足踝系统胫骨轴的前后向移动；所述矢状面内转动机构及控制系统用于实现足踝系统胫骨轴的矢状面内旋转运动；所述冠状面内转动机构及控制系统用于实现足踝系统胫骨轴在冠状面内的旋转运动；所述水平面内转动机构及控制系统用于实现足踝系统胫骨轴在冠状面内的旋转运动；所述垂直向移动机构及控制系统用于实现足踝系统胫骨轴在垂直向的移动；所述胫骨加载机构及控制系统用于实现足踝系统胫骨轴向力的施加与控制；所述肌肉力加载机构及控制系统用于实现足踝系统肌肉力的施加与控制。

其中，总体框架直接支撑前后向移动系统的导轨、固定足底力测量平台、支撑肌肉力加载机构及控制系统；冠状面内的转动机构及控制系统通过立臂与前后向移动系统的运动输出板固连，同时通过摆动导杆机构与矢状面内转动机构及控制系统串联；水平面内转动机构及控制系统固定在矢状面内转动机构及控制系统的串联平行四边形机构上，并通过齿轮啮合运动控制胫骨轴的水平面内转动；胫骨轴的垂直移动机构及控制系统通过滑轨及螺旋机构与矢状面内转动机构及控制系统的串联平行四边形机构相连，其移动支撑板对胫骨加载电动缸起固定支撑作用；胫骨加载机构及控制系统固定在垂直移动及控制系统的移动支撑板上，同时通过弹性球铰装置与胫骨轴相连；肌肉加载及控制系统固定于装置的总体框架顶部支撑板上，通过钢丝软轴和肌腱夹具相连；胫骨轴通过螺纹连接与胫骨加载机构及控制系统相连，通过滑块与水平面内的旋转系统相作用，通过螺纹连接实现与尸体足踝胫骨插入杆固定；胫骨插入杆通过过盈配合及螺栓连接实现与尸体足踝胫骨的固定。 

上述的总体框架包括：四角可调支撑、矩形支撑框、测力平台支撑架、电机支撑架。其中：四角可调支撑通过丝杆与锁紧螺母调节试验台相对地面的高度，并与矩形支撑框固定；测力平台支撑架固定于矩形框架底部的横梁上，支撑架的支撑平面高度可调，支撑平台通过螺栓连接与测力台固定；电机支撑架固定于框架的顶部。 

上述的前后向移动机构及控制系统包括：平行导轨、丝杆螺母机构、支撑平台、光电开关、伺服电机。其中：平行导轨固定于总体框架的底部横梁上；伺服电机轴与丝杆轴相连，伺服电机的转动带动与丝杆螺母机构的螺母固连的支撑平台沿导轨前后移动，移动的极限位置受光电开关安装位置限制；光电限位开关安装于导轨一侧，由前后两个组成，分别限制支撑平台的前后极限位置。 

 上述冠状面内转动机构及控制系统包括：立臂、U形架、丝杆、螺母、导向杆、L形摆动支架、滑块、导杆、伺服电机、光电限位开关。其中：立臂固定于前后向移动机构及控制系统的支撑平台上；U形架固定于立臂上，丝杆螺母组成螺旋机构；导杆平行于丝杆，固定在U形架上，对螺母移动起导向与支撑作用；滑块与螺母固连，可以沿导杆滑动；L形支架底边与前后向移动机构及控制系统的支撑平台以转动副相连、立边固定导杆，滑块沿导杆的移动的同时带动L形支架绕与其底边平行的轴转动；伺服电机轴与丝杆相连；光电限位开关安装于U形槽的底部，限制螺母沿丝杆移动的极限位置。 

上述矢状面内转动机构及控制系统包括：丝杆、螺母、导轨、滑块、连杆、串联平行四边形机构、伺服电机、光电限位开关。其中：导轨固定于L形支架的底边；滑块与螺母固结并可沿导轨滑动；丝杆与L形支架以转动副连接，丝杆转动时带动螺母、滑块沿导轨移动；连杆以转动副与螺母、串联平行四边形机构的主动摇杆连接，螺母的移动通过连杆驱动平行四边形机构的主动摇杆绕转动中心摆动；串联平行四边形机构由两个平行四边形机构组成，由连杆驱动，运动输出摇杆为矩形结构，其对称线绕虚拟转动中心转动，虚拟转动中心与踝关节中心重合；伺服电机轴与丝杆轴连接，带动丝杆轴转动，从而驱动螺母、滑块移动；光电限位开关固定于L形支架的底边上，控制滑块移动的两个极限位置。 

上述水平面内的转动机构及控制系统包括：滑块、连接柱、端板、齿轮机构、固定板、步进电机。其中：连接柱的两头分别固定一块端板；滑块固定在端板上，并可沿胫骨轴上的滑轨移动；固定板固定在串联平行四边形机构的矩形摇杆上；下部端板与齿轮机构的从动齿轮连接，且与串联平行四边形机构的矩形摇杆以转动副相连，上部端板与固定端板以转动副连接；步进电机固定在固定板上，电机轴与齿轮机构的主动轮轴相连，电机轴的转动带动齿轮机构转动，从而通过滑块带动胫骨轴在水平面内转动。 

上述垂直面内的移动机构及控制系统包括：固定支撑板、移动板、伺服电机、滑块、导轨、丝杆、螺母、光电限位开关。其中：固定支撑板固定在串联平行四边形机构的矩形摇杆上；丝杆与串联平行四边形机构的矩形摇杆、固定支撑板以转动副连接，丝杆转动驱动螺母沿丝杆轴移动；导轨平行于丝杆轴并固定在串联平行四边形机构的矩形摇杆上；滑块与螺母、移动板固定并可沿滑轨滑动；伺服电机固定在串联平行四边形机构的矩形摇杆上，电机轴与丝杆轴连接，驱动丝杆轴转动，从而带动移动板沿胫骨轴向移动；光电限位开关固定在串联平行四边形机构的矩形摇杆上，限制移动板的两个极限位置。 

上述胫骨力加载机构及控制系统包括：电动缸、压力传感器、弹性球铰。其中：电动缸固定在垂直面内的移动机构及控制系统的移动板上，其输出轴与压力传感器连接，以测试施加的载荷大小；压力传感器与弹性球铰连接球形端连接；弹性球铰的凹形结构内放置弹簧，球形压在弹簧上，对来自电动缸上的载荷产生缓冲作用，凹形结构的外部与胫骨轴相连可随胫骨轴转动。 

上述胫骨轴包括：主轴、导轨、导向盘、外螺纹轴、双头内螺纹柱。其中：导轨固定在实心主轴上，可带动胫骨轴转动；主轴上端连接弹性球铰，下部固定导向盘；外螺纹柱上部连接在导向盘上，下部与双头内螺纹柱相连，内螺纹柱两端的螺纹旋向相反，旋转内螺纹柱，可调节胫骨轴的长度。 

上述胫骨插入杆一端具有螺纹，与胫骨轴的双头内螺纹柱相连；一端具有轴向圆弧凹槽及横向孔，圆弧凹槽可以增加与尸体足胫骨的结合力，横向孔用于尸体足胫骨与胫骨插入杆之间的螺栓连接。 

上述肌肉力加载机构及控制系统包括：步进电机、链传动、齿轮机构、钢丝软轴、拉力传感器、肌腱夹具。其中：步进电机固定于装置总体框架的顶部横梁上，电机轴与齿轮机构的主动轮连接，带动其转动；齿轮机构的从动轮与链传动的链轮同轴，轮轴固定于装置总体框架的顶部，齿轮机构使转速降低并带动链轮转动；开环链条一端安装在链轮上，随链轮的转动而上下移动，链条的另一端与钢丝软轴的一端相连，链的移动带动钢丝软轴的运动；钢丝软轴的另一端通过胫骨轴上导向盘的导向孔后与拉力传感器相连；拉力传感器与肌腱夹具连接，肌腱夹具夹持尸体足上的肌腱，通过电机带动链条移动，从而拉动肌腱施加肌腱力。 

本发明不仅可以在3至5秒内模拟足踝步态站立相运动学行为，同时还可以模拟其动力学行为，并可同步实现足踝运动学与力学数据的采集，获得完整、综合、有效的足踝步态站立相中的运动学和力学原始试验数据，从而把一直以来蒙着神秘面纱的足踝运动系统内部作用的生物力学机理在该装置上动态展现出来，为临床足踝运动系统疾病机理探讨、手术方案的科学论证、足踝运动损伤与防护研究、仿生足踝系统研制等提供动力学实验和理论研究平台。 

附图说明

图 1为足踝步态模拟装置正视图； 

图 2 A-图2C分别为装置框架正视图、俯视图、侧视图；

图 3 A、图3B分别为前后向移动机构及控制系统正视图、俯视图；

图 4 A、图4B分别为冠状面内旋转及控制系统正视图、侧视图；

图 5 A、图5B分别为矢状面内旋转机构及控制系统正视图、轴视图；

图 6 为水平面旋转机构及控制系统正视图；

图 7 为垂直向移动机构及控制系统正视图；

图 8 为胫骨轴向加载机构及控制系统正视图；

图 9A、图9B分别为胫骨轴正视图、侧视图；

图10为肌肉力加载机构与控制系统轴视图；

图11为胫骨插入杆正视图。

具体实施方式

    下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。 

下面将结合附图对本发明作进一步详述。 

参见图1所示，本发明包括: 装置总体框架1、测力台固定支架2、前后向移动机构及控制系统固定板3、前后向移动机构及控制系统4、冠状面内转动机构及控制系统5、矢状面内旋转机构及控制系统6、水平面内转动机构及控制系统7、垂直面内移动机构及控制系统8、胫骨轴向加载机构及控制系统9、胫骨轴10、肌肉力加载机构及控制系统101、尸体足踝胫骨插入杆102，103为尸体足踝示意图，不包含在本发明内。其中，测力台固定支架2和前后向移动机构及控制系统固定板3分别固定在装置总体框架1上；前后向移动机构及控制系统4可以通过螺栓固定在前后向移动机构及控制系统固定板3上，其输出构件的运动为前后向移动；冠状面内转动机构及控制系统5固定在前后向移动机构及控制系统4的运动输出构件上，前后向移动机构及控制系统4的输出构件前后向移动可以带动冠状面内转动机构及控制系统5前后向移动，冠状面内转动机构及控制系统5的输出构件运动为冠状面内的转动；矢状面内旋转机构及控制系统6以冠状面内转动机构及控制系统5的输出构件为机架，可以随冠状面内转动机构及控制系统5中输出构件的转动而转动；水平面内转动机构及控制系统7固定在矢状面内旋转机构及控制系统6的运动输出构件上，同时可以带动胫骨轴在水平面内转动；垂直面内移动机构及控制系统8固定在矢状面内旋转机构及控制系统6的运动输出构件上，通过滑块带动胫骨轴10在垂直方向上移动；胫骨轴向加载机构及控制系统9固定在垂直面内移动机构及控制系统8的运动输出构件上，可以通过螺纹件与胫骨轴10连接，实现胫骨轴10的轴向加载；肌肉力加载机构及控制系统101固定在装置总体框架1的顶部，通过钢丝软轴、夹具与尸体足踝13上的肌腱连接，施加肌肉力。 胫骨插入杆102通过螺纹与胫骨轴10连接，并通过螺栓与尸体足踝胫骨连接，带动尸体足踝进行步态仿真运动。尸体足踝的运动为前后向移动机构及控制系统4、冠状面内转动机构及控制系统5、矢状面内旋转机构及控制系统6、水平面内转动机构及控制系统7、垂直面内移动机构及控制系统8运动的串联叠加，也可以实现独立的单一运动，同时可以实现胫骨轴向力和肌肉力的施加及测量。 

以上仅是本装置的一个简单总体介绍，需要说明的是，各个部件、各个系统之间的连接关系仅是举例，用现有的其它连接去替代，也应落在本发明的范围内。 

参见图2A至图2C所示，装置总体框架1包括：框架11、脚座12、测力台固定支架13、肌肉力加载机构与控制系统支撑板14、前后向移动机构及控制系统固定板3。其中，框架11可以由四个脚座12支撑，在本实例中，选用长2490-2600mm（X向），宽779-800mm（Y向），高1790-1900mm（Z向）；脚座12的高度可调，便于转置的移动及整体高度调节，高度调节范围可以为50-100mm；测力台固定支架13固定在框架底部横梁上，测力台在测力台固定支13上的固定高度可调范围为30-50mm；肌肉力加载机构与控制系统支撑板14固定在框架11的顶部横梁上，可以由1-10块小的固定板组成，可以固定1-10根肌肉的力加载机构及控制系统；前后向移动机构及控制系统固定板3固定在框架1的底部横梁上，长度方向为X向，测力台固定支架13与前后向移动机构及控制系统固定板3均位于框架11的宽度对称中心线上。装置坐标系规定如下：XOZ平面为矢状面、XOY平面为水平面、YOZ平面为冠状面， X向为前后向、Y为内外向、Z为垂直向。需要说明地是，上述取名时是用功能名来说明本结构，并非来局限本发明。比如前后向移动机构及控制系统固定板3可以是支撑板，也可以是实现支撑作用的支撑件，前后向移动机构及控制系统固定板3并非局限于板，仅是为了举例说明之用，其它机构类似，在此就不再详细说明。 

参见图3A、图3B所示，前后向移动机构及控制系统4包括：滑轨41、滑块42、支撑板43 、丝杆轴44、螺母45、伺服电机46、轴承座47、轴承座48、联轴器49、限位开关40。导轨41、轴承座47、轴承座48 、限位开关40均固定在图2中的前后向移动机构及控制系统固定板3上；滑块42、支撑板43 、螺母45 固定连接在一起；滑块42安装在导轨41上，可沿导轨移动；丝杆轴44由轴承座47和轴承座48支撑，丝杆与螺母组成螺旋副，丝杆转动可带动螺母沿丝杆轴移动，丝杆轴与导轨平行；伺服电机46通过联轴器49与丝杆轴连接，电机轴的转动带动丝杆轴44转动，从而驱动螺母45、滑块42及支撑板沿导轨移动；限位开关40限制滑块移动的前后向（如图1所示，即X方向）的两个极限位置，支撑板43的移动行程为140-200mm。前后向移动机构及控制系统4公开的是一种实现方案，现有很多机械结构都是能够实现的，在此就不再详细说明。 

参见图4A、图4B所示，冠状面内旋转机构及控制系统5包括：立臂51、U形槽支架52、丝杆轴53、限位开关54、连接杆55、导杆56、滑块57、L形支架立臂58、转轴支撑座59、支撑板60、L形支架横臂61（即转轴）、转轴支撑座62、支撑板63、螺母64、伺服电机65、联轴器66。其中，立臂51、转轴支撑座59、转轴支撑座62 均固定于图3中的支撑板43上；L形支架包含立臂58和横臂61，横臂61与立臂58固定连接，且横臂61与支撑板63和支撑板60固定连接，并安装在转轴支撑座59和转轴支撑座62上，L形支撑架和支撑板63可以绕与X轴平行的轴在与YOZ平行的平面内转动；U形槽支架52的底部固定在立臂1上，侧边支撑丝杆轴53；导杆56固定在L形支架立臂58上，滑块57套于导杆56上，可在导杆56上滑动；螺母64与丝杆53组成螺旋副，丝杆53的转动可带动螺母54沿丝杆轴向移动；连杆55与螺母64及滑块57固连，螺母64的移动带动连杆55和滑块57移动，通过导杆56带动L形支架立臂58和横臂61绕横臂的轴线转动，从而使支撑板60和支撑板63在与YOZ平行的平面内转动；伺服电机65通过联轴器66与丝杆轴53连接，伺服电机65的转动带动丝杆轴53转动，丝杆轴53转动驱动螺母64移动的两个极限位置受限位开关54控制，限位开关54固定在U形槽支架52底部，螺母64的移动极限行程为80～90mm， 可使支撑板60和支撑板63在与YOZ平行的平面内转动，转动范围为-9°～+8°。 

 参见图5所示，矢状面内旋转机构及控制系统6包括：伺服电机71、联轴器72、螺母73、滑块74、丝杆轴75、导轨76、丝杆轴支撑座77、限位开关78、连杆79、平行四边形组合机构80、平行四边形组合机构80的矩形框输出件81、铰链支座82、虚拟转动中心83、矩形框立柱84、矩形框底板85、矩形框顶板86。导轨76、丝杆轴支撑座77、限位开关78固定在图4中的支撑板60上；铰链支座82固定在图4中的支撑板63上；组合平行四边形机构80由两个平行四边形机构串联组合而成，前一个平行四边形机构的输出构件作为后一个平行四边机构的输入构件，组合平行四边形机构80运动过程中，其输出构建矩形框81上孔中心线的虚拟转动中心83与铰链支座82的相对位置保持不变，虚拟转动中心83与尸体足踝的踝关节中心重合，模拟踝关节运动；伺服电机71通过联轴器72与丝杆轴75连接，并带动丝杆轴75转动；导轨76与丝杆轴75平行，滑块74安装于导轨上76，可沿导轨76滑动；螺母73与滑块74固定，丝杆轴75与螺母73组成螺旋机构，丝杆轴75的转动带动螺母73沿滑轨76移动；连杆79两端分别与螺母73和平行四边形组合机构80的主动件铰接，螺母73的移动将驱动平行四边形组合机构绕铰链支座82的中心在矢状面（即XOZ平面）内绕Z轴转动，从而带动80的输出构件81绕虚拟转动中心点83在矢状面内转动，转动范围为-21°～+45°。 

参见图6所示，水平面旋转机构及控制系统包括：步进电机91、固定支撑板92、连接件93、联轴器94、主动齿轮95、移动滑块96、从动齿轮97、连接柱98、端板99、推力轴承110、推力轴承111。其中，固定支撑板92通过连接件93固定于图5中的矩形框立柱84上；电机19固定在固定支撑板92上，通过联轴器94与主动齿轮95固连在一起，带动主动齿轮95旋转；端板99、移动滑块96、从动齿轮97、连接柱98固定连接在一起，并通过推力轴承110和推力轴承111分别与固定支撑板92和图5中的矩形框底板85连接；主动齿轮95带动从动齿轮97转动，进而带动滑块96实现任意角度的旋转。 

    参见图7所示，垂直向移动机构及控制系统包括：伺服电机121、联轴器122、移动螺母123、移动支撑板124、限位开关125、滑块126、丝杆127、固定板128、导轨129。其中，导轨129固定于图5中的串联平行四边形机构的矩形框架81上，随矩形框架81的运动而运动；滑块126、移动支撑板124、移动螺母123固定在一起，滑块126装配于导轨129上，可沿导轨129移动；固定板128固定在图5中的串联平行四边形机构的矩形框架81上，随矩形框架81的运动而运动；丝杆轴127由移动支撑板124和固定板128支撑，并通过联轴器122与伺服电机121相连，与移动螺母123组成螺旋副，当伺服电机121带动丝杆轴127转动时，螺母123带动移动支撑板124、滑块126沿导轨129滑动；限位开关125安装于图5中的串联平行四边形机构的矩形框架81上，控制移动支撑板4的上下两个极限位置，移动板的行程为83～104mm。 

参见图8所示，胫骨轴向加载机构及控制系统包括伺服电机131、电动缸132、连接器134、压力传感器135、弹性球角联轴器136、螺纹连接件137。其中，伺服电机131与电动缸132匹配，安装于图7中的移动支撑板124上，实现胫骨的轴向加载，电动缸132的输出轴移动行程为65mm，最大载荷可达5000N；连接器134通过螺纹连接把电动缸132的输出轴与压力传感器135连接在一起；压力传感器135下端与弹性球铰联轴器136相连，测试施加在轴上的载荷大小，量程为7000N；弹性球铰联轴器136内由弹簧和球形铰链组成，可以实现压力传感器135相对于螺纹连接件137的相对转动，同时又可以传递轴向压力，弹簧起到改善载荷动态响应特性的作用；连接件137用于胫骨轴的连接；系统整体可随图7中移动支撑板134的上下移动而移动。 

参见图9所示，胫骨轴包括：连接件141、限位器142、主轴143、滑轨144、导向盘145、导向孔146、连接轴147、双头螺纹连接件148。其中，连接件141的上端与图8中的137通过螺纹连接，下端与胫骨主轴143相连；限位器142对胫骨轴的轴向行程起到机械限位的作用，固连于胫骨主轴143；滑轨144 固定于胫骨主轴143上，与图6中的移动滑块96配合，带动胫骨轴在水平面内旋转；导向盘145与胫骨主轴143固连，上面均匀分布10个导向孔146；连接轴147上端连接胫骨主轴143，下端与双头螺纹连接件148相连；双头螺纹连接件148两端具有反向螺纹，旋动时可调节胫骨轴的长度。 

参见图10所示，肌肉力加载机构与控制系统包括：步进电机151、联轴器152、齿轮机构主动轮153、齿轮机构从动轮154、链轮155、链条156、支撑架157、导向架158、钢丝软轴159、夹具和拉力传感器160、肌腱161。辅助示意部分包括：尸体足踝162、胫骨轴163、导向盘164、胫骨插入杆165、测力板166。其中，支撑架157安装于图2中的肌肉力加载机构与控制系统支撑板14上，用于支撑步进电机151、联轴器152、齿轮机构主动轮153和从动轮154及链轮155的轴；步进电机151输出轴通过联轴器152与齿轮机构的主动齿轮153的轴连接，带动主动齿轮153转动；主动齿轮153通过啮合运动带动从动齿轮154转动；链轮155与齿轮154同轴，随齿轮154的转动而转动；链条156下端与钢丝软轴159内的钢丝连接，上端安装在链轮上，随链轮155的转动拉动钢丝软轴159内的钢丝上移；钢丝软轴159由外壳和钢丝组成，外壳具有柔韧性和一定的刚度，能够沿一定方向支撑内部的钢丝，钢丝可在外壳内自由移动，外壳的上端和下端分别顶在导向架158和导向盘164上，钢丝上端与链条156连接，下端与肌腱夹具和拉力传感器160相连；肌腱夹具与拉力传感器160连接钢丝软轴159和尸体足踝162的肌腱161，夹持力确保3000N以上肌腱不打滑、不断裂，实现钢丝软轴159与肌腱161的可靠连接，拉力传感器量程为100N～5000N。 

参见图11所示，胫骨插入杆包括：螺纹连接端171、固位孔172、弧形槽173、插入端174。螺纹连接段与图9中的双头螺纹连接件48连接，螺纹长度50～80mm；插入端174的直径为9～12mm，插入尸体足踝胫骨的髓腔内，长190～250mm，实现胫骨轴与尸体足踝胫骨的连接；弧形槽173的圆弧直径为3～5mm，增加胫骨插入杆与胫骨髓腔的连接；固位孔172的直径为5～6mm，沿插入端4轴向分布4～5个，用于胫骨与胫骨插入杆的螺栓连接 

以上公开的仅为本申请的几个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。

Claims (11)

1.一种串联式五自由度足踝步态模拟的实验装置，其特征在于：该装置包括总体框架、胫骨轴、尸体足踝胫骨插入杆、前后向移动机构及控制系统、矢状面内转动机构及控制系统、冠状面内转动机构及控制系统、水平面内转动机构及控制系统、垂直向移动机构及控制系统、胫骨加载机构及控制系统、肌肉力加载机构及控制系统，其中：

所述的前后向移动机构及控制系统是用于实现足踝系统胫骨轴的前后向移动；

所述矢状面内转动机构及控制系统用于实现足踝系统胫骨轴的矢状面内旋转运动；

所述冠状面内转动机构及控制系统用于实现足踝系统胫骨轴在冠状面内的旋转运动；

所述水平面内转动机构及控制系统用于实现足踝系统胫骨轴在冠状面内的旋转运动；

所述垂直向移动机构及控制系统用于实现足踝系统胫骨轴在垂直向的移动；

所述胫骨加载机构及控制系统用于实现足踝系统胫骨轴向力的施加与控制；

所述肌肉力加载机构及控制系统用于实现足踝系统肌肉力的施加与控制，

所述的总体框架固定在地面上，其距地面的高度可调，最上方安装肌腱力驱动施加机构及控制系统，下部安装高度可调的六自由度测力板和支撑运动及加载机构及控制系统的支撑板。

2.根据权利要求1所述的一种串联式五自由度足踝步态模拟的实验装置，其特征是：总体框架由四个脚座支撑，长2490～2600mm、宽779～800mm、高1790～1900mm；脚座的高度可调，便于转置的移动及整体高度调节，高度调节范围为50～100mm；测力台支架固定在框架底部横梁上，测力台在固定支架上的固定高度可调范围为30～50mm。

3.根据权利要求1或2所述的一种串联式五自由度足踝步态模拟的实验装置,其特征是: 前后向移动机构及控制系统主要包括滑块导轨、螺旋机构、运动输出支撑板、伺服电机，导轨固定在总体框架的底部支撑板上，运动输出支撑板的移动行程受伺服电机和限位开关控制，前后向移动输出支撑板的移动行程为140～200mm。

4.根据权利要求1或3所述的一种串联式五自由度足踝步态模拟的实验装置,其特征是: 冠状面内旋转及控制系统安装于前后向移动机构及控制系统的前后向移动输出支撑板上，通过螺旋机构和摆动导杆机构实现装置冠状面内旋转运动，丝杆螺母组成的螺旋机构由伺服电机驱动，螺母行程受限位开关控制，其移动行程为80～90mm， 可实现转动输出支撑板在冠状面内的转动，范围为-9°～+8°。

5.根据权利要求1或4所述的一种串联式五自由度足踝步态模拟的实验装置,其特征是: 矢状面内旋转机构及控制系统安装于冠状面内旋转及控制系统的转动输出支撑板上，主要包括螺旋机构、摇杆滑块机构、串联平行四边形机构、伺服电机，螺旋机构的丝杆由伺服电机驱动，螺旋机构的螺母行程受伺服电机和限位开关控制，极限行程为280～300mm；摇杆滑块机构的主动件滑块由螺母驱动，输出构件摇杆则为串联平行四边形的主动件摇杆；串联平行四边形机构的前一个平行四边形机构的输出构件为后一个平行四边形的主动件，第二个平行四边形机构的从动摇杆为矩形框架结构，且绕一个虚拟转动中心在矢状面内转动，范围为-21°～+45°。

6.根据权利要求1或5所述的一种串联式五自由度足踝步态模拟的实验装置,其特征是: 水平面旋转机构及控制系统安装于串联平行四边形的输出构件---矩形框架上，主要由齿轮机构、步进电机、滑块及支架组成，步进电机驱动齿轮机构转动，带动滑块转动，转动角度受步进电机控制。

7.根据权利要求1或5所述的一种串联式五自由度足踝步态模拟的实验装置,其特征是: 垂直向移动机构及控制系统安装于串联平行四边形的输出构件---矩形框架上，主要包括伺服电机、螺旋机构、移动支撑板，伺服电机驱动螺旋机构的丝杆转动，带动螺旋机构的螺母移动，从而带动与螺母固定的移动支撑板沿垂直向移动，移动行程受伺服电机及限位开关控制，移动板的行程为83～104mm。

8.根据权利要求1或7所述的一种串联式五自由度足踝步态模拟的实验装置,其特征是: 胫骨轴向加载机构及控制系统安装于垂直向移动机构及控制系统的移动支撑板上，主要包括电动缸、压力传感器、弹性球铰联轴器组成，弹性球铰联轴器内由弹簧和球形铰链组成，上端与压力传感器连接，下端与胫骨轴连接，既能传递来自电动缸的压力载荷，又能实现胫骨轴相对于电动缸输出轴转动。

9.根据权利要求1、6或8所述的一种串联式五自由度足踝步态模拟的实验装置,其特征是: 胫骨轴与胫骨轴向加载机构及控制系统的弹性球铰联轴器连接，主要包括滑轨、主轴、双头螺纹连接件、导向盘，滑轨安装于主轴上，并与水平面旋转机构及控制系统的滑块装配在一起，受滑块驱动可在水平面内旋转；双螺纹连接件两端具有反向螺纹，两端螺纹长度均为50～60mm；导向盘上面均匀分布10个导向孔，孔的直径大小为4～5mm。

10.根据权利要求1或9所述的一种串联式五自由度足踝步态模拟的实验装置,其特征是:胫骨插入杆上端与胫骨轴的双头螺纹连接件连接，包括螺纹端、插入端、弧形槽和固位孔，其螺纹连接段的螺纹长度50～80mm，插入端4的直径为9～12mm，插入尸体足踝胫骨的髓腔内，长190～250mm，实现胫骨轴与尸体足踝胫骨的连接；其弧形槽的圆弧直径为3～5mm，增加胫骨插入杆与胫骨髓腔的连接；固位孔的直径为5～6mm，沿插入端轴向分布4～5个，用于胫骨与胫骨插入杆的螺栓连接。

11.根据权利要求1、2、9或10所述的一种串联式五自由度足踝步态模拟的实验装置,其特征是: 肌肉力加载机构与控制系统安装于总体框架的顶部支撑板上，主要包括电机、齿轮机构、链传动、钢丝软轴、肌腱夹具、拉力传感器组成，电机带动齿轮机构转动，进而驱动链轮转动，链条下端与钢丝软轴连接，上端通过与链轮的啮合实现钢丝软轴拉动，钢丝软轴的直径3～4mm，承载力大于6000N；钢丝软轴下端穿过胫骨轴的导向盘与拉力传感器及肌腱夹具连接，拉力传感器量程为100N～5000N；肌腱夹具夹持尸体足踝的肌腱，夹持力确保3000N以上肌腱不打滑、不断裂，实现钢丝软轴与肌腱的可靠连接。

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