CN105738191B - 一种关节负荷能力测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种关节负荷能力测量装置，该测量装置是由小腿固定板、大腿固定板、扭矩测量仪、第一传动轴、驱动齿轮、传动齿轮、第二传动轴、摩擦轮、外壳、摩擦块、弹簧、弹簧套管、压力调节旋钮、绑带组成。在该关节负荷能力测量装置中，使用摩擦力来模拟膝关节能量采集装置在工作时对膝关节产生的负荷，并通过调节摩擦力的大小来模拟具有不同发电量的膝关节能量采集装置对膝关节所产生不同大小的负荷。在关节负荷能力测试时，通过改变关节负荷能力测量装置中摩擦力的大小，并统计佩戴者不适感和疲劳感的强度等生理体验指标，来确定佩戴者膝关节承受外加负荷的能力大小。

Description

一种关节负荷能力测量装置
技术领域
本发明涉及机械与测量技术领域，特别涉及关节负荷能力测量装置。
背景技术
随着社会的不断发展，现有能源的不断消耗，在不久的将来，能源问题必将成为社会进一步发展所必须解决的问题。为了寻找可持续使用的、绿色的能源，人们开始对人体所携带的能量越来越感兴趣。人在运动时会产生冲击和振动，采集这些机械能并转换为电能，可以很方便地为其随身携带的电子设备等提供能量。人在行走时膝关节所产生的机械能便是人体能量采集的方向之一，一些学者和工程师已经开始了不同原理的膝关节能量采集装置的开发和制作，有望在不久的将来一些具有发电量大和携带方便的膝关节能量采集装置得到大范围的推广应用。
需要指出的是，任何一种膝关节能量采集设备对于膝关节来说都是一种外加负荷。一方面外加负荷会对膝关节形成一定的负担，可能会影响人体的正常活动，并让人迅速产生疲劳感；另一方面膝关节承担这种外加负荷后对膝关节能量采集器做功而输入一定量的机械能，膝关节能量采集器获得机械能后把之转换为电能而向外输出。很显然，若膝关节能量采集设备对膝关节所形成的外加负荷较小，则其对人体活动的影响将较为轻微但同时其输出的电能也将会较小。反之，若膝关节能量采集设备对膝关节所形成的外加负荷较大，则其对人体活动的影响将较为严重，而与此同时其输出的电能将会较大。因此，充分了解和掌握人体膝关节对外加负荷的承受能力是设计膝关节能量采集装置的重要依据，基于这种依据从而可能使得所制造的膝关节能量采集装置不仅不明显影响人体的正常活动，而且还同时具有较高的发电量。
发明内容
本发明的目的是提供一种关节负荷能力测量装置，该装置使用摩擦力来模拟膝关节能量采集装置在工作时对膝关节产生的负荷，并通过调节该摩擦力的大小来模拟具有不同发电量的膝关节能量采集装置对膝关节产生不同大小的负荷。在测试时通过改变关节负荷能力测量装置中摩擦力的大小，并统计佩戴者不适感和疲劳感的强度等生理体验指标，来确定佩戴者膝关节承受外加负荷的能力大小。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明是一种关节负荷能力测试装置，该测量装置是由小腿固定板、大腿固定板、扭矩测量仪、第一传动轴、驱动齿轮、传动齿轮、第二传动轴、摩擦轮、外壳、摩擦块、弹簧、弹簧套管、压力调节旋钮、绑带组成。所述扭矩测量仪固定在大腿固定板上；第一传动轴穿过外壳与扭矩测量仪连接，第一传动轴另一端固定有驱动齿轮；驱动齿轮与传动齿轮啮合，传动齿轮与摩擦轮固定在第二传动轴上；第二传动轴安装于外壳的两侧壁，并可在外壳的两侧壁上进行自由转动；摩擦轮与摩擦块接触；摩擦块置于弹簧套管一侧；弹簧套管内置弹簧，弹簧一端连接摩擦块，另一端连接压力调节旋钮；绑带将关节负荷能力测试装置固定在小腿和大腿上。
当人行走时，人体腿部的力量通过第一传动轴带动扭矩测量仪转动，同时第一传动轴的转动通过驱动齿轮、传动齿轮、第二传动轴传递到摩擦轮，使摩擦轮转动，摩擦块与摩擦轮的接触使得摩擦轮转动的反方向存在一个摩擦力，摩擦力阻碍了摩擦轮的转动，从而对人行走时产生一定的负荷。
通过调节压力调节旋钮改变压力调节旋钮在弹簧套管内的长度，压力调节旋钮长度的变化改变弹簧在弹簧套管内的长度，弹簧的长度变化改变其弹力大小，弹簧弹力的变化改变了与弹簧连接的摩擦块的压力，摩擦块压力的变化改变了对摩擦轮的摩擦力，摩擦力方向与第二转动轴的转动方向相反，阻碍第二转动轴的转动，通过传动装置传动齿轮驱动齿轮第一传动轴将阻碍作用传递到膝关节，从而对人体行走形成一定的负荷。整个装置模拟了带上负荷的关节进行活动的情况，其中摩擦力则模拟了关节的负荷，通过装置中扭矩测量仪结合人体的一些生理体验指标可以测量得膝关节的负荷能力。
本发明的有益效果如下：
1.本发明从根本上解决了膝关节负荷能力无法测量的难题，使关节负荷成为可以量化的具体数值。
2.本发明采用可调节摩擦力的方式模拟关节所承受的负荷，改变摩擦力大小可以改变膝关节承受负荷大小。
3.本发明使用扭矩测量仪具体量化关节负荷，通过摩擦力调节装置辅助扭矩测量仪实现对关节负荷能力的测量。
4.统计佩戴者不适感和疲劳感的强度等生理体验指标，来确定佩戴者膝关节承受外加负荷的能力大小。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明传动轴连接结构示意图。
图3为本发明摩擦力制动结构示意图。
图4为本发明摩擦力调节结构示意图。
图5为本发明的关节负荷能力测试装置穿戴状态示例图。
图中：1-小腿固定板；2-大腿固定板；3-扭矩测量仪；4-第一传动轴；5-驱动齿轮；6-传动齿轮；7-第二传动轴；8-摩擦轮；9-外壳；10-摩擦块；11-弹簧；12-弹簧套管；13-压力调节旋钮。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明提供了一种关节负荷能力测试装置，该测量装置是由小腿固定板1、大腿固定板2、扭矩测量仪3、第一传动轴4、驱动齿轮5、传动齿轮6、第二传动轴7、摩擦轮8、外壳9、摩擦块10、弹簧11、弹簧套管12、压力调节旋钮13、绑带14组成。所述扭矩测量仪3固定在大腿固定板2上，第一传动轴4穿过外壳9一端与扭矩测量仪3连接一端连接驱动齿轮5，驱动齿轮5余传动齿轮6啮合，传动齿轮6与摩擦轮8固定在第二传动轴7上，第二传动轴7置于外壳内部两侧，摩擦轮8与摩擦块10紧贴在一起，摩擦块10置于弹簧套管12一侧，弹簧套管12内置弹簧11，弹簧11一端连接摩擦块10一端连接压力调节旋钮13。
如图2到图4所示，当关节摆动时，关节动力通过第一传动轴4、驱动齿轮5、传动齿轮6、第二传动轴7传递到摩擦轮8，摩擦块10对摩擦轮8起阻碍作用，调节压力调节旋钮13改变弹簧11长度，弹簧11长度变化改变弹簧11内部弹力，弹力变化改变摩擦块10与摩擦轮8的摩擦力，摩擦力的变化对传动装置的转动阻碍能力发生变化，最终膝关节活动所需的力也随之变化，这个变化表现在以膝关节为点的力矩的变化，使用扭矩测量仪对膝关节力矩进行测量，测量得到膝关节的力矩，并统计佩戴者不适感和疲劳感的强度等生理体验指标，来确定佩戴者膝关节承受外加负荷的能力大小，从而获得膝关节负荷能力。
图5为测量装置的穿戴示意图，由图所示，绑带14将装置固定在膝关节处，这样当关节摆动可以驱动第一传动轴4转动。
综上所述，当人体行走时，一方面腿部的摆动通过第一传动轴、驱动齿轮、传动齿轮、第二传动轴传递到摩擦轮，从而带动摩擦轮进行转动；另一方面，摩擦块对摩擦轮产生一定的摩擦力，进而阻碍摩擦轮进行转动，从而对人体行走形成一定的负荷。在该关节负荷能力测量装置中，使用摩擦力来模拟膝关节能量采集装置在工作时对膝关节产生的负荷，并通过调节摩擦力的大小来模拟具有不同发电量的膝关节能量采集装置对膝关节所产生不同大小的负荷。在关节负荷能力测试时，通过改变关节负荷能力测量装置中摩擦力的大小，并统计佩戴者不适感和疲劳感的强度等生理体验指标，来确定佩戴者膝关节承受外加负荷的能力大小。

Claims (4)

1.一种关节负荷能力测量装置，其特征在于：该测量装置由小腿固定板(1)、大腿固定板(2)、扭矩测量仪(3)、第一传动轴(4)、驱动齿轮(5)、传动齿轮(6)、第二传动轴(7)、摩擦轮(8)、外壳(9)、摩擦块(10)、弹簧(11)、弹簧套管(12)、压力调节旋钮(13)、绑带(14)组成；所述扭矩测量仪(3)固定在大腿固定板(2)上；第一传动轴(4)的一端穿过外壳(9)与扭矩测量仪(3)连接，第一传动轴(4)的另一端上固定有驱动齿轮(5)；驱动齿轮(5)与传动齿轮(6)啮合；传动齿轮(6)与摩擦轮(8)同固定在第二传动轴(7)上；第二传动轴(7)安装于外壳(9)的两侧壁，并可在外壳(9)的两侧壁上进行自由转动；弹簧套管(12)固定在外壳(9)上，弹簧套管(12)内部放置有弹簧(11)；弹簧套管(12)露出外壳(9)的一端安装有压力调节旋钮(13)，压力调节旋钮(13)与弹簧套管(12)之间是螺纹配合，压力调节旋钮(13)可在弹簧套管(12)中进行旋转；弹簧套管(12)在外壳(9)内部的一端放置有摩擦块(10)，摩擦块(10)与摩擦轮(8)相接触。
2.根据权利要求1所述的关节负荷能力测量装置，其特征在于：绑带(14)用于将小腿固定板(1)和大腿固定板(2)固定在小腿和大腿上。
3.根据权利要求1所述的关节负荷能力测量装置，其特征在于：扭矩测量仪(3)的扭矩测量接口与第一传动轴(4)连接，可以测量第一传动轴(4)产生的扭矩。
4.根据权利要求1所述的关节负荷能力测量装置，其特征在于：在测试关节负荷能力时，通过改变关节负荷能力测量装置中摩擦力的大小，并统计佩戴者的生理体验指标，来确定佩戴者膝关节承受外加负荷的能力大小。
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