CN102622936B - 一种并联式六自由度步态模拟的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种并联式六自由度步态模拟的实验装置，包括带可调测力板安装高度装置及肌腱驱动装置的框架、六杆并联机构和串联加载装置，可调测力板安装高度装置是安装在框架下平台面上，由四个丝杠、四个下螺母、四个上螺母和两条测力板安装架组成，肌腱驱动装置由电机、联轴器、减速齿轮组、链轮及链条组成，六杆并联机构由定平台、动平台、12组虎克铰链和六条相同的运动支链组成，串联加载装置由固定于动平台上的液压缸以及由能沿滑槽滑动的导轨固定轴、力传感器、带分度盘的胫骨连接轴的轴系组成。本发明不仅能模拟加载轴系所固定的胫骨的六自由度运动，还能对胫骨轴向加载力(比如重力或微重力等)，能较好地用于足踝动力学研究。

Description

一种并联式六自由度步态模拟的实验装置

技术领域

本发明涉及一种运动模拟技术领域的机械装置，具体涉及一种具有6自由度步态运动模拟和足部加载的实验装置。

背景技术

人脚是重要的负重和运动器官，有26块骨头、33个关节以及100多条肌腱、韧带和肌肉。近几年发展的步态模拟实验装置是利用尸体脚进行模拟人体双腿或单腿的运动的实验装置。依托这种装置，研究者可以考察人体足踝系统的动力学特性、验证足踝模型正确性、护具设计的有效性等生物力学问题及进行临床医学中足部病因的探索，能获取医疗康复研究及护具设计所需的宝贵数据。

通过对现有技术的检索发现，以前的足踝步态模拟实验台虽然能模拟足踝的主要运动及对足踝加载和垂直地面反力的测量和控制，但具有如下缺点：不能完全模拟和控制胫骨的6自由度运动，往往是少自由度的运动，这样就与真实步态的运动情形具有一定差距。我们知道，完整的步态描述是6自由度的运动，早先的步态模拟器多采用串联机构，只能实现部分运动，比如只有部分方向的平移及部分方向的转动的少自由度复合运动。最近华盛顿大学开发出的步态动力学模拟器实现了下肢足踝结合部的6自由度运动，但采用的是地面(测力板)的6自由度运动来相对地模拟足部步态运动，这种模拟器虽然运动上实现了6自由度，实际上与真实步态运动的主动和被动关系不相吻合，并不能形成动力学上的对偶关系。除此以外，现有的六自由度步态模拟器模拟一个步态的时间都要在2秒以上，比一个真实步态花的时间多，因此在模拟的速度上与真实步态有差距。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种有6自由度步态运动模拟和足部加载的实验装置，一方面能保证小腿主动实现6自由度运动；另一方面保证足部对地面的主动运动以及提高模拟速度以接近真实步态。具体来说，该实验装置具有六自由度运动能力，包括前后迈步的前后平移、拔脚和踩地的上下平移、形成步宽所需的左右平移等三个方向的平移及小腿的外展和内收、内外翻和屈伸等三个方向的旋转。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种并联式六自由度步态模拟的实验装置，包括框架机构、六杆并联机构及串联加载机构，所述的框架机构固定在地面，最上方安装有肌腱驱动设备，下部安有可调高度的测力板，所述的六杆并联机构通过定平台固定悬挂在框架机构内，所述的串联加载机构的液压缸的缸体通过头部法兰安装在六杆并联机构的动平台上。

所述的六杆并联机构为Stewart并联结构，由一定平台、六组相同的顶部虎克铰、六条相同的运动支链、六组相同的底部虎克铰和一动平台组成的UPU并联机构，所述的动平台可实现沿X、Y、Z向的平移和绕X、Y、Z轴的旋转。

所述的定平台上设有空间朝向的六个安装座及座上的安装孔，用于安装六组顶部虎克铰链的固定U形耳，以便最小化顶部虎克铰在并联机构工作零位时的摆角。

所述的动平台上设有空间朝向的六个安装座及座上的安装孔，用于安装六组底部虎克铰链的固定U形耳，以便最小化底部虎克铰在并联机构工作零位时的摆角。

所述的运动支链由顶部U形转动连接座、液压缸、活塞杆及底部U形转动连接座组成，所述的液压缸为位移传感器内置的伺服液压缸，所述的顶部U形转动连接座经法兰固定在液压缸尾部，所述的活塞杆的头部与底部虎克铰的转动U形耳螺纹固连。

所述的顶部虎克铰由顶部固定U形耳、顶部十字轴和顶部转动U形耳构成，所述的顶部固定U形耳通过轴孔座连接顶部十字轴的一轴，顶部十字轴的另一轴与顶部转动U形耳的轴孔座连接，顶部固定U形耳与定平台的安装座上的孔固定连接，顶部转动U形耳与运动支链的液压缸尾部的法兰连接。

所述的底部虎克由底部固定U形耳、底部十字轴和底部转动U形耳构成，所述的底部固定U形耳通过轴孔座连接底部十字轴的一轴，底部十字轴的另一轴与底部转动U形耳的轴孔座连接，底部固定U形耳与动平台安装座上的孔固定连接，底部转动U形耳与运动支链的液压缸的活塞头部螺纹连接。

所述的串联加载装置由加载液压缸、2个滑槽固定角件、2个固定滑槽、2个导轨、1个导轨固定轴、1个力位移传感器、1个胫骨连接杆、1个多孔盘和数条肌腱力驱动线缆组成，所述的加载液压缸通过头部法兰固定在动平台上，加载液压缸的活塞推杆螺纹连接导轨固定轴一端，提供加载胫骨所需轴向位移和力(比如模拟重力或微重力)。

所述的滑槽固定角件的一端固定在动平台上，另一端固定滑槽，2个滑槽固定角件为相对布置，所述的导轨一面通过内六角螺钉固定在导轨固定轴上，另一面在滑槽内滑动，保证了活塞杆相对缸体(缸体和动平台已固定在一个坐标系下)不会有转动，又允许活塞加载时附带产生的轴向位移。

所述的胫骨连接杆的下端连接脚的胫骨，上端连接力位移传感器，中下部通过键槽固定多孔盘，所述的力位移传感器检测导轨固定轴传递的加载力，所述的加载肌腱力的线缆通过孔来分隔开。

所述的可调高度的测力板依靠调节4个支撑测力板安装架的下螺母在各自丝杠上的停留高度进行高度调节。

所述的肌腱驱动设备经电机输出经齿轮减速组后带动链轮来拉动链条末端夹紧肌腱。

与现有技术相比，本发明采用并联机构来实现6自由度运动，结构简单且紧凑，刚度高。而且动平台运动速度理论上可以很快，能较逼真的模拟足踝运动，胫骨运动幅度X方向平移范围能达到正负550毫米，Y方向平移可达到正负100毫米，Z方向平移可达到另外正负50毫米。附带的串联加载装置能较准确地定向和定位的对胫骨加载，韧带或肌腱力亦可通过线缆加载到尸体上的主要肌腱或韧带上，并且利用尸体脚自身完整的足踝关节、足部骨头等骨骼肌肉皮肤系统，这样不仅可以模拟足踝的运动学，亦可较完整地模拟和验证足踝系统的动力学情形。测力板可调节以满足不同尸体脚形态，分度盘使各肌腱分隔开有助于肌腱拉伸和加载。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明在去除框架后的结构示意图；

图3为定平台的结构示意图；

图4为动平台的结构示意图；

图5为运动支链的结构示意图；

图6为底部虎克铰结构示意图；

图7为顶部虎克铰结构示意图；

图8为串联加载部分的结构示意图；

图9为胫骨加载连杆的俯视结构示意图；

图10为测力板调节高度装置的主视结构示意图；

图11为测力板调节高度装置的俯视结构示意图；

图12为肌腱驱动设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，该并联式六自由度步态模拟实验装置包括框架结构1、图2的六杆并联机构和图8的串联加载机构。其中，框架1固定在地面，框架最上方安装有肌腱驱动电机2，六杆并联机构悬于框架上部，框架下部安有可调高度的测力板3。六杆并联机构通过其定平台4与框架1固定，串联加载机构安装在六杆并联机构的动平台6上。

如图2所示，六杆并联机构采用典型的Stewart并联结构，是由定平台4、6个顶部U形固定座16、6条相同的运动支链5、6个底部U形座和动平台6组成的UPU并联机构，其动平台可以实现沿X、Y、Z向的平移和绕X、Y、Z轴的旋转。

如图3所示，定平台4上设有六个安装座，每个座上均有安装孔，用于螺纹安装六个顶部虎克铰链(图7所示)的顶部U形固定座16。六个安装座被设计成一定空间朝向，以便最小化顶部虎克铰在并联机构工作零位时的摆角。

如图4所示，动平台6上设有六个安装座，每个座上均有安装孔，用于螺纹安装六个底部虎克铰链(图6所示)的底部U形固定座14。六个安装座被设计成一定空间朝向，以便最小化底部虎克铰在并联机构工作零位时的摆角。

如图5所示，运动支链5是由顶部U形转动连接座9、液压缸10、活塞杆11和底部U形转动连接座12依次连接而成。液压缸10与活塞杆11选用位移传感器内置的伺服液压缸。顶部U形转动连接座通过螺钉固定在缸体10的尾部。活塞杆11与底部虎克铰的转动U形耳12螺纹连接。

如图6所示，底部虎克铰是由底部固定U形座14、底部十字轴13和底部转动U形连接座12构成，底部固定U形座14通过底部十字轴13与底部转动U形耳12连接。底部固定U形座14与动平台6固定螺纹连接，底部转动U形座12与活塞杆11螺纹连接。由于工作空间要求底部虎克铰的摆角大于顶部虎克摆角，底部虎克铰链的U形为棱柱形侧座。

如图7所示，顶部虎克铰是由顶部固定U形座16、底部十字轴15和顶部转动U形连接座9构成，顶部固定U形座16通过顶部十字轴15与顶部转动U形耳9连接。顶部固定U形座16与定平台4固定螺纹连接，顶部转动U形座9与液压缸体10的尾部法兰用螺纹固定连接。

如图8所示，串联加载装置是由加载液压缸7、活塞杆17、滑槽固定角件20、滑槽块21、导轨22、导轨固定轴23、力位移传感器18、胫骨连接杆24、多孔分度盘19和韧带或肌腱拉伸线缆25组成。加载液压缸固定在动平台6上，通过活塞推杆17推动导轨固定轴23提供加载胫骨所需力(比如模拟重力)；胫骨连接杆24下端连接尸体脚8的胫骨，上端连接力位移传感器18。力位移传感器18另一端连接导轨固定轴23以检测活塞杆施加的加载力。多孔盘19通过键槽连接固定在胫骨连接杆24中下部，加载韧带力或肌腱力的线缆25通过孔来分隔开。肌腱拉伸线缆25是通过框架1上的肌腱驱动电机经3传动机构(经齿轮减速后再链传动牵引线缆)后带动，对夹紧的肌腱或韧带施加肌腱力。

如图9所示，多块分度盘在同一圆周上开有数个均布孔，方便肌腱驱动线缆分隔。

如图10-11所示，可调测力板安装装置的可调功能主要由丝杆28、上螺母29、下螺母30和测力板固定架27来实现。整个装置通过4个安装底板31上的各四个安装孔连接至型材框架1上。四个丝杠一端固定至安装底板31后，套上下螺母30。两个测力板固定架27通过其上的二个通孔套至相对的两组丝杠28后，通过获取足踝运动模拟要求需要的高度，调节相对丝杠组28上的下螺母30来螺旋微调使两个测力板固定架27达到要求高度，两个测力板固定架27经连接横板26连接。再用水平测量尺来测量，据此调节下螺母30使两测力板安装架处于同一水平高度，最后拧紧上螺母29使测力板固定。

如图12所示，肌腱驱动设备是由驱动电机2、联轴器32、减速齿轮组33、链轮35、肌腱驱动安装座34组成。驱动电机2经联轴器32输出后，经减速齿轮组33带动链轮35，链轮35驱动链条，而链条一端连接夹紧了肌腱的线缆。

Claims (1)

1.一种并联式六自由度步态模拟的实验装置，其特征在于，该装置包括框架机构、六杆并联机构及串联加载机构，所述的框架机构固定在地面，最上方安装有肌腱驱动设备，下部安有可调高度的测力板，所述的六杆并联机构通过定平台固定悬挂在框架机构内，所述的串联加载机构安装在六杆并联机构的动平台上；

所述的六杆并联机构为Stewart并联结构，由一定平台、六组相同的顶部虎克铰、六条相同的运动支链、六组相同的底部虎克铰和一动平台组成的UPU并联机构，所述的动平台可实现沿X、Y、Z向的平移和绕X、Y、Z轴的旋转；

所述的串联加载装置由加载液压缸、活塞杆、滑槽固定角件、滑槽块、导轨、导轨固定轴、力位移传感器、胫骨连接杆、多孔分度盘和韧带或肌腱力拉伸线缆组成；所述的加载液压缸固定在动平台上，通过活塞杆推动导轨固定轴提供加载胫骨所需力；所述的胫骨连接杆的下端连接脚的胫骨，上端连接力位移传感器，中下部通过键槽固定多孔分度盘，所述的力位移传感器检测导轨固定轴传递的加载力，加载韧带力或肌腱力的所述线缆通过孔来分隔开；

所述的肌腱驱动设备的驱动电机经联轴器输出后，经减速齿轮组带动链轮，链轮驱动链条，而链条一端连接夹紧了肌腱的线缆；

所述的可调高度的测力板依靠调节相对丝杠上的下螺母来螺旋微调，使两个测力板固定架达到要求高度；

所述的定平台上设有六个安装座及座上的安装孔，用于安装六组顶部虎克铰的顶部U形固定座，最小化顶部虎克铰在并联机构工作零位时的摆角；所述的动平台上设有六个安装座及座上的安装孔，用于安装六组底部虎克铰的底部U形固定座，最小化底部虎克铰在并联机构工作零位时的摆角；

所述的运动支链由液压缸和活塞杆组成，所述的液压缸为位移传感器内置的伺服液压缸；

所述的顶部虎克铰由顶部U形固定座、顶部十字轴和顶部U形转动连接座构成，所述的顶部U形固定座通过顶部十字轴与顶部U形转动连接座连接；顶部U形固定座与定平台固定螺纹连接，顶部U形转动连接座与运动支链的液压缸的尾部法兰用螺纹固定连接；所述的底部虎克铰由底部U形固定座、底部十字轴和底部U形转动连接座构成，所述的底部U形固定座通过底部十字轴与底部U形转动连接座连接；底部U形固定座与动平台固定螺纹连接，底部U形转动连接座与运动支链的活塞杆螺纹连接。