CN108852567B - 一种非对称交变载荷下肢假肢性能测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非对称交变载荷下肢假肢性能测试系统，包括仿人体质心运动系统、髋关节驱动系统、仿生假肢大腿、膝关节驱动系统、仿生假肢小腿、跑步机、假肢固定龙门架；本发明假肢性能测试系统通过主动控制提供驱动力，能够输出非对称交变的复杂运动，在一个运动周期内，这种假肢性能测试系统能模仿人体步行，匹配真实人体下肢刚度曲线，为组装在接口下的液压主动踝关节假肢提供类似人体生物特性的行走步态，使其在该系统下获得良好的测试环境；相较于普通的电驱动假肢系统，这种假肢性能测试系统增加了质心运动系统，可以在工况下模仿人体运动的质心波动，提高测试系统的精确度。

Description

一种非对称交变载荷下肢假肢性能测试系统

技术领域

本发明涉及一种测试系统，具体来说，是一种非对称交变载荷下肢假肢性能测试系统。

背景技术

肢体的残缺严重影响了残疾人士的正常生活和工作.因此,残疾人士的康复工程已成为我国社会和谐发展的重要因素。假肢是肢体残疾人解决行动障碍的重要手段之一，区别于上肢假肢,下肢假肢控制涉及人体运动平衡问题,对残疾人日常生活的影响十分关键。下肢假肢根据下肢不同的截肢部位主要分为髋关节、膝关节和踝关节三类假肢。电驱动假肢因机械结构原因成为早期下肢假肢研究的重点，研究历程早时间长，目前已有成熟的产品问世，而液压驱动假肢现阶段尚处于研究进展时期。

智能型主动式下肢假肢拥有仿生的机械结构和自主动力系统来代偿下肢缺失者行走的能力,智能式自动调节人体活动的生物力学参数,从而达到舒适灵活的自如行走目的。为了使假肢的设计在实际使用中更加贴近人性，实际测试中应有较为成熟的电驱动假肢结构作为辅助工具，分段式验证液压驱动假肢，使其的运动规律更加符合人体运动特性，通过不断试验迭代，更好地发挥液压驱动系统的功率密度比大，响应速度快，输出转矩大的优势，使其在未来能应用于人类生产生活中。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种非对称交变载荷下肢假肢性能测试系统，实现模拟小截肢群体行走时人体对辅助假肢的作用，为基于闭式液压回路系统的单自由度主动踝关节假肢提供实验测试条件。本发明的非对称交变载荷下肢假肢性能测试系统，模仿正常人体的生理结构，根据人体的身体高度及大小腿的比例系数进行设计；通过模仿人类运动时所用的髋关节和膝关节，以及运动过程中人体质心高度的变化，设计出仿人体质心运动系统、髋关节驱动系统和膝关节驱动系统，利用压力传感器、位移传感器和角度传感器保证运动的准确性。

本发明非对称交变载荷下肢假肢性能测试系统，具有由上至下依次连接的仿人体质心运动系统、髋关节驱动系统、仿生假肢大腿、膝关节驱动系统、仿生假肢小腿，构成的仿生假肢，安装于假肢固定龙门架上。仿生假肢小腿下端与被测踝关节假肢连接。仿生假肢下方设置有跑步机。其中，仿人体质心运动系统具有由电机驱动的电动缸，由电动缸驱动可上下滑动的导轨滑架，且电动缸与导轨滑架间通过压力传感器相连，导轨滑架底部安装髋关节驱动系统。

上述非对称交变载荷下肢假肢性能测试系统，可实现假肢静态特性测试与动态特性测试，具体为：

测试假肢静态特性时，跑步机处于静止状态，通过髋关节驱动系统和膝关节驱动系统分别控制仿生假肢大腿和仿生假肢小腿轴线垂直于跑步机平面，并使踝关节与跑步机接触，此时控制髋关节驱动系统和膝关节驱动系统保持锁定状态；通过电动缸为液压主动踝关节假肢施加竖直方向的压力，此时液压主动踝关节假肢完成蹬地与转动运动，测试其运动状态。

测试假肢动态特性时，跑步机处于匀速运动状态，根据人体正常步行时的髋膝踝关节运动速度和旋转角度，控制髋关节驱动系统、膝关节驱动系统、液压主动踝关节假肢以同样的运动模式在跑步机上运动，通过压力传感器测试在一个步行周期中人腿踝关节受到的压力参数的变化。

本发明的优点在于：

(1)本发明非对称交变载荷下肢假肢性能测试系统，设计有仿人体质心运动系统，真实模拟人体运动过程中质心的上下波动，具有更加真实准确的测试结果用于后续假肢的优化；

(2)本发明非对称交变载荷下肢假肢性能测试系统中，位移传感器和角度传感器的配合反馈，使仿人体质心运动系统和髋膝关节驱动系统的运动稳定控制；压力传感器精确量化人体对假肢的作用，提高可信度；

(3)本发明非对称交变载荷下肢假肢性能测试系统实现模块化，可测试多种电液辅助假肢系统；

(4)本发明非对称交变载荷下肢假肢性能测试系统负载可调，能够模拟不同人穿戴时的工况。

附图说明

图1是本发明非对称交变载荷下肢假肢性能测试系统的正视图；

图2是本发明非对称交变载荷下肢假肢性能测试系统的左视图；

图3是本发明非对称交变载荷下肢假肢性能测试系统中假肢固定龙门架的轴测图；

图4是本发明非对称交变载荷下肢假肢性能测试系统中仿人体质心运动系统的轴测图；

图5是本发明非对称交变载荷下肢假肢性能测试系统中髋关节运动系统的剖面图；

图6是本发明非对称交变载荷下肢假肢性能测试系统中仿生假肢大腿的轴测图；

图7是本发明非对称交变载荷下肢假肢性能测试系统中仿生假肢小腿的轴测图。

图中：

1-仿人体质心运动系统 2-髋关节驱动系统 3-仿生假肢大腿

4-膝关节驱动系统 5-仿生假肢小腿 6-跑步机

7-假肢固定龙门架 101-驱动电机 102-电动缸

103-导轨滑架 104-导轨 105-油压缓冲器

106-LVDT位移传感器 107-压力传感器 108-安装架

109-连接筒 201-无框力矩电机 202-谐波减速器

203-编码器 204-T型机壳 301-假肢大腿转接筒

302-膝关节连接筒 501-假肢小腿转接筒 502-踝关节转接筒

503-卡扣

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明非对称交变载荷下肢假肢性能测试系统，如图1、图2所示，包括由仿人体质心运动系统1、髋关节驱动系统2、仿生假肢大腿3、膝关节驱动系统4、仿生假肢小腿5构成的仿生假肢，以及跑步机6与假肢固定龙门架7。

上述仿人体质心运动系统1、髋关节驱动系统2、仿生假肢大腿3、膝关节驱动系统4、仿生假肢小腿5由上至下依次连接，安装于假肢固定龙门架7上。

如图3所示，所述假肢固定龙门架7为由梁与立柱构成的立方体框架结构，且通过尼龙角实现梁与立柱之间的连接；同时在各立柱底端连接有L型地脚701，通过地脚螺栓可将假肢性能测试系统固定于地面上，防止假肢运动时发生倾倒现象。假肢固定龙门架7顶部通过尼龙角安装有沿x轴方向的两条横梁702，两条横梁702间通过尼龙角安装有两条沿y轴方向的悬梁703，用来连接人体质心运动系统1。上述假肢固定龙门架7前后两侧通过尼龙角安装横向的加固梁704，可根据不同需求改变加固梁704的安装高度增加假肢固定龙门架7结构稳定性。

如图4所示，所述仿人体质心运动系统1包括驱动电机101、电动缸102、导轨滑架103、导轨104、油压缓冲器105、LVDT位移传感器106与压力传感器107。其中，电动缸102的缸体底部通过四个螺栓与假肢固定龙门架7上的悬梁703固连。驱动电机101与电动缸102通过转接法兰相连，利用电机驱动器控制驱动电机101完成指定速度的旋转运动，由电动缸102将旋转运动转换成相应的直线运动。电动缸102的输出推杆末端的连接头与压力传感器107一端固定安装，压力传感器107的另一端固定安装于水平设置的导轨滑架103上表面，通过压力传感器107实现仿生假肢蹬地时的压力测量。导轨滑架103两端安装有滑块，分别与假肢固定龙门架7上固定的竖直安装架108两侧安装的竖直导轨104滑动连接，由此使髋关节驱动系统2的中心垂直于地面上下往复运动，在一个循环运动周期中不会产生水平运动，保证质心运动的仿生特性；同时，假肢固定龙门架7上安装架108底部安装有支架，用来安装油压缓冲器105，使油压缓冲器105的缓冲端正对导轨滑架103底面，实现导轨滑架103的运动机械限位和运动缓冲。导轨滑架103底部安装有髋关节连接筒109，可用来与髋关节驱动系统2间便捷连接。LVDT位移传感器106的外壳通过卡扣固连在假肢固定龙门架7上的悬梁703上，铁芯通过连接支架与导轨滑架103相连，实现电动缸102的位移测量；利用LVDT位移传感器106和压力传感器107设计闭环控制系统，实现电动缸102的精确运动。

如图5所示，所述髋关节驱动系统2由无框力矩电机201、谐波减速器202、编码器203、T型机壳204组成。其中，无框力矩电机201胶粘于T型机壳204中，轴线沿T型机壳204相通端轴线设置，内部转子与主轴同轴相连，主轴前端与谐波减速器202相连，无框力矩电机201驱动主轴旋转时，利用谐波减速器202将无框力矩电机201输出的高速旋转运动转换为低速大扭矩的旋转运动；无框力矩电机201抱闸安装于T型机壳204后部，当系统断电时闸瓦紧紧抱住闸轮实现制动和自锁功能。编码器203安装于T型机壳204后端，无框力矩电机201主轴穿过其中，实时监测无框力矩电机201的旋转速度反馈给电机控制器，实现精确的角度控制。所述膝关节驱动系统4与髋关节驱动系统2组成结构相同，仅谐波减速器202减速比不同，髋关节驱动系统2的减速比为80:1，膝关节驱动系统4的减速比为50:1。T型机壳204凸出端设计有圆周阵列通孔，通过螺栓可以使髋关节驱动系统2与仿人体质心运动系统1中的髋关节连接筒109固连，实现髋关节驱动系统2整体垂直运动。

如图6所示，所述仿生假肢大腿3为筒状结构，由铝合金加工而成，分为上下二段，两段间通过周向上的螺钉同轴固定。上段为假肢大腿转接筒301，顶端设计有圆周阵列通孔，可通过螺栓与髋关节驱动系统2的谐波减速器202输出端相连，无框力矩电机201驱动髋关节驱动系统2的主轴旋转时，经过谐波减速器202输出低速大转矩的旋转运动，实现仿生假肢大腿3与髋关节驱动系统2的相对旋转；上段末端设计有圆周阵列通孔，可通过螺栓与下段顶端连接。下段为膝关节连接筒302，末端同样设计有圆周阵列通孔，通过螺栓可使仿生假肢大腿3与膝关节驱动系统4的T型壳体凸出端相连。仿生假肢大腿3内部空心结构便于电机导线穿过，上下二段侧壁上，距末端30cm处开有通孔，供导线穿入仿生假肢大腿3内部空心结构。上述仿生假肢大腿3的二段式结构使肢假肢性能测试系统模块化，使得在更改膝关驱动系统4结构时，可将膝关节连接筒302直接拆下下来进行膝关节驱动系统4的替换；且可通过替换膝关节连接筒302长度来改变仿生假肢大腿3的长度。

如图7所示，所述仿生假肢小腿5同样为二段式结构，由铝合金加工而成；上段为假肢小腿转接筒501，顶端设计有圆周阵列通孔，可通过螺栓与膝关节驱动系统4中谐波减速器输出端相连相连；下端设计有圆周阵列通孔，可通过螺栓与下段顶部的连接盘连接。下段为踝关节转接筒502，由于测试的对象为液压主动踝关节假肢，其连接接口为梯形凸台，因此在踝关节转接筒502末端设计有梯形凹槽，与踝关节连接接口配合定位，并通过卡扣503配合实现液压主动踝关节假肢的夹紧。假肢小腿转接筒501中间为空心结构，末端侧壁上开有通孔可供导线穿过。

所述跑步机安装于底面上位于仿生假肢下方。

通过本发明非对称交变载荷下肢假肢性能测试系统，可实现假肢静态特性测试与动态特性测试，具体为：

测试假肢静态特性时，跑步机处于静止状态，通过髋关节驱动系统2和膝关节驱动系统4分别控制仿生假肢大腿3和仿生假肢小腿5轴线垂直于跑步机平面，并使踝关节与跑步机接触，此时控制髋关节驱动系统2和膝关节驱动系统4保持锁定状态。通过电动缸为液压主动踝关节假肢施加竖直方向的压力，此时液压主动踝关节假肢完成蹬地与转动运动，测试其运动状态(静力学特性，主要是力)。

测试假肢动态特性时，跑步机处于匀速运动状态，根据人体正常步行时的髋膝踝关节运动速度和旋转角度，控制髋关节驱动系统2、膝关节驱动系统4、液压主动踝关节假肢以同样的运动模式在跑步机上运动，LVDT位移传感器17保证仿人体质心运动系统1输出同样的质心运动，通过压力传感器18测试在一个步行周期中人腿踝关节受到的压力参数的变化。

Claims (6)

1.一种非对称交变载荷下肢假肢性能测试系统，其特征在于：具有由上至下依次连接的仿人体质心运动系统、髋关节驱动系统、仿生假肢大腿、膝关节驱动系统、仿生假肢小腿，构成的仿生假肢，安装于假肢固定龙门架上；仿生假肢小腿下端与被测踝关节假肢连接；仿生假肢下方设置有跑步机；

其中，仿人体质心运动系统具有由电机驱动的电动缸，由电动缸驱动可上下滑动的导轨滑架，且电动缸与导轨滑架间通过压力传感器相连，导轨滑架底部安装髋关节驱动系统；

所述仿人体质心运动系统包括驱动电机、电动缸、导轨滑架、导轨、油压缓冲器、LVDT位移传感器与压力传感器；其中，电动缸的缸体底部通过四个螺栓与假肢固定龙门架上的悬梁固连；驱动电机与电动缸通过转接法兰相连，利用电机驱动器控制驱动电机完成指定速度的旋转运动，由电动缸将旋转运动转换成相应的直线运动；电动缸的输出推杆末端的连接头与压力传感器一端固定安装，压力传感器的另一端固定安装于水平设置的导轨滑架上表面，通过压力传感器实现仿生假肢蹬地时的压力测量；导轨滑架两端安装有滑块，分别与假肢固定龙门架上固定的竖直安装架两侧安装的竖直导轨滑动连接，由此使髋关节驱动系统的中心垂直于地面上下往复运动，在一个循环运动周期中不会产生水平运动，保证质心运动的仿生特性；同时，假肢固定龙门架上安装架底部安装有支架，用来安装油压缓冲器，使油压缓冲器的缓冲端正对导轨滑架底面，实现导轨滑架的运动机械限位和运动缓冲；导轨滑架底部安装有髋关节连接筒，可用来与髋关节驱动系统间便捷连接；LVDT位移传感器的外壳通过卡扣固连在假肢固定龙门架上的悬梁上，铁芯通过连接支架与导轨滑架相连，实现电动缸的位移测量；利用LVDT位移传感器和压力传感器设计闭环控制系统，实现电动缸的精确运动；

实现假肢静态特性测试与动态特性测试：

测试假肢静态特性时，跑步机处于静止状态，通过髋关节驱动系统和膝关节驱动系统分别控制仿生假肢大腿和仿生假肢小腿轴线垂直于跑步机平面，并使液压主动踝关节与跑步机接触，此时控制髋关节驱动系统和膝关节驱动系统保持锁定状态；通过电动缸为液压主动踝关节假肢施加竖直方向的压力，此时液压主动踝关节假肢完成蹬地与转动运动，测试其运动状态；

测试假肢动态特性时，跑步机处于匀速运动状态，根据人体正常步行时的髋膝踝关节运动速度和旋转角度，控制髋关节驱动系统、膝关节驱动系统、液压主动踝关节假肢以同样的运动模式在跑步机上运动，通过压力传感器测试在一个步行周期中人腿踝关节受到的压力参数的变化。

2.如权利要求1所述一种非对称交变载荷下肢假肢性能测试系统，其特征在于：髋关节驱动系统与膝关节驱动系统结构相同，由无框力矩电机、谐波减速器、编码器与机壳组成；其中，无框力矩电机固定于机壳中，内部转子与电机主轴同轴相连，主轴前端与谐波减速器相连；编码器安装于主轴后端。

3.如权利要求2所述一种非对称交变载荷下肢假肢性能测试系统，其特征在于：髋关节驱动系统与膝关节驱动系统中谐波减速器减速比不同，髋关节驱动系统的减速比为80:1，膝关节驱动系统的减速比为50:1。

4.如权利要求2所述一种非对称交变载荷下肢假肢性能测试系统，其特征在于：机壳采用T型结构，凸出端设计有圆周阵列通孔，通过螺栓与仿人体质心运动系统中导轨滑架下方设计的髋关节连接筒固连。

5.如权利要求1所述一种非对称交变载荷下肢假肢性能测试系统，其特征在于：仿生假肢大腿为筒状结构，分为上下二段，两段间通过周向上的螺钉同轴固定；仿生假肢大腿内部空心结构，上下二段侧壁上开孔。

6.如权利要求1所述一种非对称交变载荷下肢假肢性能测试系统，其特征在于：仿生假肢小腿为二段式结构，两段间通过周向上的螺钉同轴固定；上段中间为空心结构，侧壁上开孔。

Images