CN110063822B - 假肢膝关节的测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种假肢膝关节的测试系统，包括：地面传动机构、支撑架、第一驱动机构、第二驱动机构、大腿机构、膝关节、小腿机构、脚掌；地面传动机构设置在支撑架的下方，大腿机构的一端与第一驱动机构连接，大腿机构的另一端通过膝关节与小腿机构的一端连接，小腿机构的另一端与脚掌的一端连接；脚掌的另一端的端面与地面传动机构接触连接；其中，第一驱动机构带动大腿机构沿垂直方向运动；第二驱动机构安装在支撑架上，并与大腿机构的下端部匹配连接；第二驱动机构用于限制大腿机构沿水平方向的摆动角度。本发明能够模拟真实丰富的大腿运动，使得所以假肢膝关节的测试状态与真实的使用状态更加接近，使得膝关节的测试结果更加准确。

Description

假肢膝关节的测试系统

技术领域

本发明涉及机电技术领域，具体地，涉及假肢膝关节的测试系统。

背景技术

假腿是下肢截肢患者用于支撑体重、代偿运动功能、恢复日常生活和工作的特殊器具，而膝关节是下肢假肢的关键。膝关节结构虽然十分复杂却具有很高的灵活性，可以协同其他器官完成多种动作。

在假肢膝关节尚未进入实用化阶段之前，由于膝上截肢者能够提供真实丰富的大腿运动，所以将假肢膝关节安装在膝上截肢者的大腿残肢上对摆动期内的运动进行测试是最理想的情况。然而，一方面，由于穿戴假肢膝关节的膝上截肢者欠缺一些平衡能力，另一方面，假肢膝关节(比如主动式智能假肢膝关节)在开发阶段由于控制程序出现的错误有可能连膝上截肢者的安全都无法保证，所以将假肢膝关节直接安装在膝上截肢者身上进行测试是不安全的。因此，需要建立一套用于假肢膝关节测试的运动平台对研究和开发假肢膝关节具有重要意义。

但是，目前开发的用于假肢膝关节测试的运动平台，通常将驱动电机直接安装在大腿假肢和小腿假肢上，忽略了大腿和小腿运动的一致性，导致测量状态与实际使用的状态不符，使得测量结果不能真实反馈出膝关节的性能。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种假肢膝关节的测试系统。

根据本发明提供的一种假肢膝关节的测试系统，包括：地面传动机构、支撑架、第一驱动机构、第二驱动机构、大腿机构、膝关节、小腿机构、脚掌；所述地面传动机构设置在所述支撑架的下方，所述大腿机构的一端与所述第一驱动机构连接，所述大腿机构的另一端通过所述膝关节与所述小腿机构的一端连接，所述小腿机构的另一端与所述脚掌的一端连接；所述脚掌的另一端的端面与所述地面传动机构接触连接；其中，所述第一驱动机构带动所述大腿机构沿垂直方向运动；所述第二驱动机构安装在所述支撑架上，并与所述大腿机构的下端部匹配连接；所述第二驱动机构用于限制所述大腿机构沿水平方向的摆动角度。

可选地，还包括：工作台，所述地面传动机构安装在所述工作台上，所述支撑架的底端与所述工作台紧固连接。

可选地，所述支撑架包括：顶板和四个支撑柱；其中，四个支撑柱的底端通过螺栓与所述工作台紧固连接；所述顶板设置在四个支撑柱的上方。

可选地，所述第一驱动机构包括：电机凸台、第一伺服电机、连接件、垂直设置的第一滚珠丝杠；所述第一伺服电机安装在所述电机凸台上，所述连接件的第一通孔通过螺帽与所述第一滚珠丝杠连接，所述连接件的第二通孔与所述大腿机构的一端同心连接；所述第一伺服电机通过驱动所述连接件带动所述大腿机构沿着所述第一滚珠丝杠运动。

可选地，所述第二驱动机构包括：第二伺服电机、滑台夹紧组件、水平设置的第二滚珠丝杠；所述第二滚珠丝杠的两端通过所述滑台夹紧组件安装在所述支撑架的两个支撑柱上；所述第二伺服电机驱动所述滑台夹紧组件带动所述第二滚珠丝杠沿支撑柱轴线方向运动。

可选地，所述第二滚珠丝杠上还设置有限位螺帽，所述限位螺帽与所述大腿机构上的滑槽匹配连接；当所述第二滚珠丝杠沿支撑柱轴线方向运动时，所述大腿机构在限位螺帽的作用下沿水平方向摆动。

可选地，所述地面传动机构包括：第三伺服电机、前滚轮、后滚轮，以及连接所述前滚轮和所述后滚轮的传送带；所述第三伺服电机与所述前滚轮或者所述后滚轮驱动连接，用于带动所述传送带运动。

可选地，所述脚掌的另一端的端面与所述传送带接触连接。

可选地，还包括：第一角度传感器和第二角度传感器，所述第一角度传感器用于测量大腿机构的摆动角度；所述第二角度传感器用于测量大腿机构和小腿机构之间的夹角。

可选地，还包括：位置传感器，用于测量膝关节的位置变化。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提供的假肢膝关节的测试系统，能够模拟真实丰富的大腿运动，使得所以假肢膝关节的测试状态与真实的使用状态更加接近，使得膝关节的测试结果更加准确。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例提供的假肢膝关节的测试系统的立体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的假肢膝关节的测试系统的后视图；

图3为本发明实施例中大腿机构的运动结构示意图；

图中：

1-第一伺服电机、2-电机凸台、3-第一滚珠丝杠、4-连接件、5-顶板、6-第二伺服电机、7-传送带、8-工作台、9-螺帽、10-大腿机构、11-限位螺帽、12-第二滚珠丝杠、13-膝关节、14-小腿机构、15-脚掌、16-支撑柱、17-滑台夹紧组件、18-第三伺服电机、19-前滚轮、20-丝杠固定螺栓、21-滑台固定螺栓、22-后滚轮。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供一种能够模仿人类行走步态、具有实时变化的，用于测试假肢膝关节的系统，以达到提高下肢假肢膝关节测试的便捷高效、精度高的目的。

本发明提供的用于假肢膝关节测试的系统，可以根据人体下肢运动的特点，模拟大腿在矢状面内的摆动和整个下肢的前后及上下运动。由于整个下肢的前后运动不影响被测假肢膝关节的弯曲角度，所以本发明忽略了整个下肢的前后运动。本发明中将人体大腿运动等效为矢状面内大腿的摆动和整个下肢的上下运动。

具体地，本发明实施例提供的假肢膝关节的测试系统可以包括：地面传动机构、支撑架、第一驱动机构、第二驱动机构、大腿机构、膝关节、小腿机构、脚掌；所述地面传动机构设置在所述支撑架的下方，所述大腿机构的一端与所述第一驱动机构连接，所述大腿机构的另一端通过所述膝关节与所述小腿机构的一端连接，所述小腿机构的另一端与所述脚掌的一端连接；所述脚掌的另一端的端面与所述地面传动机构接触连接；其中，所述第一驱动机构带动所述大腿机构沿垂直方向运动；所述第二驱动机构安装在所述支撑架上，并与所述大腿机构的下端部匹配连接；所述第二驱动机构用于限制所述大腿机构沿水平方向的摆动角度。

可选地，本实施例中的大腿机构、小腿机构的制作材料为铝合金，脚掌使用ABS硬质塑料制成。

在一种可选的实施方式中，本实施例的系统还可以包括工作台，所述地面传动机构安装在所述工作台上，所述支撑架的底端与所述工作台紧固连接。

在一种可选的实施方式中，本实施例中的支撑架包括：顶板和四个支撑柱；其中，四个支撑柱的底端通过螺栓与工作台紧固连接；所述顶板设置在四个支撑柱的上方。

在一种可选的实施方式中，本实施例的第一驱动机构包括：电机凸台、第一伺服电机、连接件、垂直设置的第一滚珠丝杠；所述第一伺服电机安装在所述电机凸台上，所述连接件的第一通孔通过螺帽与所述第一滚珠丝杠连接，所述连接件的第二通孔与所述大腿机构的一端同心连接；所述第一伺服电机通过驱动所述连接件带动所述大腿机构沿着所述第一滚珠丝杠运动。

本实施例中，第一驱动机构安装在所述顶板的上方位置。可选地，可以在顶板上开设一个贯通的槽，使得第一驱动机构的部分结构通过该槽与所述大腿机构的一端连接。

在一种可选的实施方式中，本实施例的第二驱动机构包括：第二伺服电机、滑台夹紧组件、水平设置的第二滚珠丝杠；所述第二滚珠丝杠的两端通过所述滑台夹紧组件安装在所述支撑架的两个支撑柱上；所述第二伺服电机驱动所述滑台夹紧组件带动所述第二滚珠丝杠沿支撑柱轴线方向运动。

可选地，在本实施例中，所述第二滚珠丝杠上还设置有限位螺帽，所述限位螺帽与所述大腿机构上的滑槽匹配连接；当所述第二滚珠丝杠沿支撑柱轴线方向运动时，所述大腿机构在限位螺帽的作用下沿水平方向摆动。

具体地，为了满足丝杆大转速和最大扭矩要求，可以设置第二滚珠丝杆的直径为20mm，导程为20mm；第一滚珠丝杆的直径为16mm，导程为10mm。

在一种可选的实施方式中，本实施例的地面传动机构包括：第三伺服电机、前滚轮、后滚轮，以及连接所述前滚轮和所述后滚轮的传送带；所述第三伺服电机与所述前滚轮或者所述后滚轮驱动连接，用于带动所述传送带运动。

本实施例中，所述脚掌的另一端的端面与所述传送带接触连接。

需要说明的是，本实施例中的第一伺服电机、第二伺服电机可以分别驱动第一滚珠丝杠、第二滚珠丝杠执行往复运动，从而模拟人体的运动。

本实施例，能够提供真实丰富的大腿运动，其不但拥有丰富的摆动，还能够模拟人体运动时整个下肢的上下运动，符合正常人腿运动的特点，所以将假肢膝关节安装在该测试装置上对摆动期内的运动进行测试是最理想的情况。并且，本实施例的测试系统具有结构简单、安装方便、易于控制、测试效果好的特点。

本实施例，抛弃传统电机驱动模式，采用双丝杠，传动效率高。滚珠丝杠传动精度高，运动平稳，无爬行现，反向时无空行程；由于滚珠丝杠传动的摩擦损失小，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，其运动也具有往复性与可逆性。

本实施例，采用皮带来模拟相对地面的运动，使得对假肢膝关节的性能评价更加准确。

具体地，图1为本发明实施例提供的假肢膝关节的测试系统的立体结构示意图，图2为本发明实施例提供的假肢膝关节的测试系统的后视图，如图1、图2所示，本实施例中的系统可以包括：第一伺服电机1、电机凸台2、第一滚珠丝杠3、连接件4、顶板5、第二伺服电机6、传送带7、工作台8、螺帽9、大腿机构10、限位螺帽11、第二滚珠丝杠12、膝关节13、小腿机构14、脚掌15、支撑柱16、滑台夹紧组件17、第三伺服电机18、前滚轮19、丝杠固定螺栓20、滑台固定螺栓21、后滚轮22。工作台8为水平放置在地面上的长方体结构，在其四个角上分别设置有等高支撑件16，支撑件16为圆柱形且呈竖直状态，支撑柱16的底座通过四个拆装螺栓固定在工作台8上实现可拆卸固定连接。

地面传动机构的下端与工作台8相接触。具体地，通过第三伺服电机18带动前滚轮19或者后滚轮22转动，以使得传送带7跟随前滚轮19和后滚轮22传动。需要说明的是，在工作时，可以调整第三伺服电机18的转速，从而满足不同行走速度下的测试要求。

脚掌15的足底与传送带7相接触，接受传送带传来的反馈。小腿机构14安装在脚掌15上，膝关节13下端与小腿机构14相连，膝关节13的上端与大腿机构10相连，共同构成待测的假肢。

结合图2，在支撑柱16远离工作台8的一侧，同心安装有滑台夹紧组件17,滑台夹紧组件17通过滑台固定螺栓21以及定位销固定在支撑柱上，从而可以控制第二滚珠丝杆沿着支撑柱16上下滑动。当第二滚珠丝杠的位置改变时，大腿机构10可摆动的范围也随之改变。

具体地，将第二滚珠丝杠12竖直安装于滑台夹紧组件17上，拧紧多个滑台固定螺栓21，使第二滚珠丝杠12与滑台夹紧组件17牢牢接触且其位置只能跟随夹紧机构17而改变。第二伺服电机16安装在第二滚珠丝杠背板的一侧。

可选地，第二滚珠丝杠12还设置有两条辅助定位杆，限位螺帽11为特制结构。在第二滚珠丝杠螺帽11上，还有一圆柱形顶块，该顶块与大腿机构10中间的直槽相切，其直径等于直槽的宽度。

参见图1，连接件4为两端圆形的连接件，其一端通过螺帽12与第一滚珠丝杠3固定，另一端与大腿机构10的上端固定。其中，连接件另一端的通孔与大腿机构10的装配关系为同心，即大腿机构10可以进行旋转。

第一滚珠丝杠3安置在电机凸台2的顶面上，其上下均有螺栓锁紧，第一伺服电机1放置在电机凸台2的上端。在支撑柱16的顶端的零件为顶板5，顶板5为水平放置的长方形铝板，在铝板的正中间开有长方形的槽。电机凸台2固定在顶板5上。可选地，电机凸台2为一立方体结构，其长度为上盖板的1/3,宽度为1/2，高度与第一滚珠丝杠3的长度相等。

进一步地，应用本实施例中的系统测试假肢膝关节的工作流程如下：

测量时，控制膝关节13的上端与大腿机构10的下端相连接，膝关节的下端与小腿机构14的一端相连，小腿机构14的另一端和脚掌15相连接。调整第三伺服电机18按照1.1m/s的速度(正常人类步速)进行转动。

直接设定第二滚珠丝杠12运动控制所需的运动参考曲线，使得第二伺服电机6驱动滚珠丝杠按照该运动曲线进行摆动。

本实施例中的测试系统可以实现待测膝关节13的上前(控制大腿机构同时向上和向前运动)、上后(控制大腿机构同时向上和向后运动)、下前(控制大腿机构同时向下和向前运动)、下后(控制大腿机构同时向下和向前运动)运动；或是控制单春的按照上、下、左、右、前、后运动。

在一种可选的实施方式中，本实施例的系统还可以包括：第一角度传感器和第二角度传感器，所述第一角度传感器用于测量大腿机构的摆动角度；所述第二角度传感器用于测量大腿机构和小腿机构之间的夹角。

在一种可选的实施方式中，本实施例的系统还可以包括：位置传感器，用于测量膝关节的位置变化。

可选地，可以将位置传感器安装在第一滚珠丝杆3的电机凸台2上，该位置传感器的下端固定在第一滚珠丝杆的螺帽9上，用以测量第一滚珠丝杆的螺帽9的上下运动位置变化。

具体地，第一滚珠丝杠3向上运动时，第一滚珠丝杠3带动大腿机构10向上运动，膝关节13也向上屈伸；当第一滚珠丝杠向前运动时，大腿机构10被摆动到一定位置，此时角度传感器和位置传感器用来测量大腿机构的运动，角度传感器用来测量假肢膝关节的摆动角度，至此测量完成。

本实施例，通过设置角度传感器用以测量大腿机构和小腿机构之间的夹角，即被测假肢膝关节的摆动角度。位置传感器用以测量垂直丝杆副螺母的上下运动位置变化，也就是测量髋关节模拟机构的上下运动位置。多项传感器可以深入地分析下肢假肢关节的性能，进一步提高该测试装置的测试性能。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种假肢膝关节的测试系统，其特征在于，包括：地面传动机构、支撑架、第一驱动机构、第二驱动机构、大腿机构、膝关节、小腿机构、脚掌、第一角度传感器、第二角度传感器、位置传感器；所述地面传动机构设置在所述支撑架的下方，所述大腿机构的一端与所述第一驱动机构连接，所述大腿机构的另一端通过所述膝关节与所述小腿机构的一端连接，所述小腿机构的另一端与所述脚掌的一端连接；所述脚掌的另一端的端面与所述地面传动机构接触连接；其中，所述第一驱动机构带动所述大腿机构沿垂直方向运动；所述第二驱动机构安装在所述支撑架上，并与所述大腿机构的下端部匹配连接；所述第二驱动机构用于限制所述大腿机构沿水平方向的摆动角度；所述第一角度传感器用于测量大腿机构的摆动角度；所述第二角度传感器用于测量大腿机构和小腿机构之间的夹角；所述位置传感器，用于测量膝关节的位置变化；

所述第一驱动机构包括：电机凸台、第一伺服电机、连接件、垂直设置的第一滚珠丝杠；所述第一伺服电机安装在所述电机凸台上，所述连接件的第一通孔通过螺帽与所述第一滚珠丝杠连接，所述连接件的第二通孔与所述大腿机构的一端同心连接；所述第一伺服电机通过驱动所述连接件带动所述大腿机构沿着所述第一滚珠丝杠运动；

所述第二驱动机构包括：第二伺服电机、滑台夹紧组件、水平设置的第二滚珠丝杠；所述第二滚珠丝杠的两端通过所述滑台夹紧组件安装在所述支撑架的两个支撑柱上；所述第二伺服电机驱动所述滑台夹紧组件带动所述第二滚珠丝杠沿支撑柱轴线方向运动；

所述第二滚珠丝杠上还设置有限位螺帽，所述限位螺帽与所述大腿机构上的滑槽匹配连接；当所述第二滚珠丝杠沿支撑柱轴线方向运动时，所述大腿机构在限位螺帽的作用下沿水平方向摆动。

2.根据权利要求1所述的假肢膝关节的测试系统，其特征在于，还包括：工作台，所述地面传动机构安装在所述工作台上，所述支撑架的底端与所述工作台紧固连接。

3.根据权利要求2所述的假肢膝关节的测试系统，其特征在于，所述支撑架包括：顶板和四个支撑柱；其中，四个支撑柱的底端通过螺栓与所述工作台紧固连接；所述顶板设置在四个支撑柱的上方。

4.根据权利要求1所述的假肢膝关节的测试系统，其特征在于，所述地面传动机构包括：第三伺服电机、前滚轮、后滚轮，以及连接所述前滚轮和所述后滚轮的传送带；所述第三伺服电机与所述前滚轮或者所述后滚轮驱动连接，用于带动所述传送带运动。

5.根据权利要求4所述的假肢膝关节的测试系统，其特征在于，所述脚掌的另一端的端面与所述传送带接触连接。

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