CN110718129B - 一种六自由度膝关节运动模拟系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种人体膝关节运动模拟系统。它包括包括框架、弧形轨道运动机构、3RRR球面并联机构、Z轴升降机构、XY二维伺服运动平台和控制系统，所述框架底部布放XY二维伺服运动平台，Z轴升降机构布放在XY二维伺服运动平台的Y轴运动平台上，实现XYZ三个方向上的直线运动，3RRR球面并联机构布放在Z轴升降机构上，实现XYZ三个方向的旋转运动，弧形轨道运动机构布放在框架顶部，用于补偿股骨运动角度；控制系统控制所有运动机构中的电机，旋转给定角度，到达期望位姿而模拟人体膝关节运动。本发明实现胫骨相对股骨的空间6自由度运动，模拟人体膝关节的正常运动以及受到运动损伤后的运动姿态。

Description

一种六自由度膝关节运动模拟系统
技术领域
本发明主要围绕膝关节前交叉韧带修复手术的术后检查、膝关节运动损伤，提供一种模拟人体膝关节运动的六自由度膝关节运动模拟系统。
背景技术
人体膝关节的运动作为人体最为复杂的运动之一，许多临床机构在膝关节受到运动损伤的条件下，研究膝关节的运动和组织载荷情况。其中对于韧带结构性损伤，连接膝关节的前交叉韧带(ACL)受损是最为严重而常见的运动创伤之一。据统计，所有膝关节韧带损伤中前交叉韧带(ACL)损伤占的比例为61％，主要是膝关节的剧烈扭动、慢跑急停、跳跃着地或是直接的膝部撞击等原因造成的，属于典型的非接触性损伤。当人体膝关节受到运动损伤后，膝关节的运动范围受到限制，或者胫骨股骨之间形成非正常角度，前交叉韧带发生非正常变形。为了研究当人体膝关节受到运动损伤后，膝关节胫骨、前交叉韧带以及股骨之间的运动姿态、受力关系，需要一套可以模拟在正常和非正常受力下人体膝关节的运动系统。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术层面存在的缺陷，提供一种六自由度人体膝关节运动模拟系统，可以用于来辅助医生进行前交叉韧带修复术后的检验，以及模拟人体膝关节运动损伤后，胫骨股骨运动姿态、以及用于研究胫骨与股骨的受力情况。
为达到上述目的本发明的构思是：
人体膝关节的运动在空间拥有6个自由度，实现关节6自由度运动是本发明的关键。本套系统将空间6自由度分解为3个直线运动与3个旋转运动，分开进行其结构设计。本发明的前提是指定人体膝关节运动模拟由胫骨、股骨的相对运动完成。譬如在股骨静止的条件下，实现胫骨相对于股骨的空间6自由度运动，但是由于膝关节屈曲角度较大，因此设计一个冗余补偿自由度，在胫骨静止的条件下，实现股骨相对于胫骨屈曲方向上的单自由度转动。经过方案的选定，本发明采用3+3+1自由度的系统结构，即空间6自由度(3个转动、3个平动)和1个冗余补偿自由度。前6个自由度作用于胫骨，实现胫骨相对于股骨空间6自由度运动；第7自由度作用于股骨，转动方向是屈曲拉伸方向，用于补偿屈曲角度。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种六自由度人体膝关节运动的模拟系统，包括框架、弧形轨道运动机构、3RRR球面并联机构、Z轴升降机构、XY二维伺服运动平台和控制系统。其特征在于：框架底部布放XY二维伺服运动平台，Z轴升降机构布放在Y轴运动平台上，实现XYZ三个方向上的直线运动，3RRR球面并联机构布放在Z轴升降机构上，实现XYZ三个方向的旋转运动，弧形轨道运动机构布放在框架顶部，用于补偿股骨运动角度；控制系统控制所有运动机构的电机，旋转一定角度，到达期望位姿模拟人体膝关节运动。
所述系统框架使用铝型材制作。在基座底部布放二维伺服平台，二维伺服平台上方布放Z轴升降机构，Z轴升降机构上方布放3RRR转动机构，在顶部设立一个平台用于布放弧形轨道运动平台，胫骨通过夹具固定在3RRR转动机构上，股骨通过夹具固定在弧形轨道运动平台上。
所述XY二维伺服运动平是两个一维伺服平台的组装。通过人体膝关节胫骨运动的角度变化、速度变化、负载重量等因素考虑，计算出设计参数。XY二维伺服运动平台的结构为伺服电机—联轴器—丝杆+螺母—直线导轨—运动平台；伺服电机通过联轴器与丝杆连接，丝杠两端通过轴承座固定，螺母与运动平台连接，电机旋转带动丝杆的转动，使得螺母在丝杆上往复运动，带动运动平台在直线导轨上往复运动。Y轴伺服机构底座固定在X轴伺服机构的运动平台上，XY二维伺服机构整体固定在底板上，再布放在系统框架上。X、Y轴伺服机构在确定运动参数后，可直接在厂家购买。
所述Z轴升降机构是一个丝杠螺母结构。在这个结构中，伺服电机驱动螺母，带动丝杠上下往复运动。这个结构整体由四根铝型材搭建，分为上平面和下平面。电机固定在上平面的下方，输出轴端通过轴承座、轴承固定，与电机连接轴连接。电机连接轴用于扩大电机轴径以及增加电机输出轴的长度，再通过同步带轮、同步齿形带传动到丝杠轴向方向。另一个带轮通过齿形带传动旋转，带轮与螺母固定一起旋转，在带轮上方有一个限位平台，同样是铝型材搭建，目的是限制带轮螺母只能在空间Z方向旋转，带动丝杠上下往复运动。在螺柱的顶端通过Y型接头连接Z轴运动平台，在中心螺柱的三个侧面设置三套导柱导套(机构。导柱穿过导套，与Z轴运动平台连接，保证运动平台上下运动不发生倾覆现象。
所述3RRR球面并联机构：该机构有上下两个三角形平台，分为动平台和静平台。3RRR并联机构能够实现绕XYZ三个轴的转动，静平台上安装三个伺服电机以及减速器、电机座与下弧杆连接、下弧杆的另一端与上弧杆连接、最后上弧杆再与动平台连接。上弧杆与下弧杆之间通过台阶轴和法兰轴承固定，两者可以相对转动。伺服电机输出轴通过减速器驱动下弧杆，因为上下弧杆自身的角度和长度，导致整个动平台朝某个方向旋转或者俯仰一定角度，在电机座的侧边设有接近开关，目的是检测此时机构的位姿并且可以将机构复位到零点。在整个动平台上设有胫骨夹具机构，夹具分为两个部分，由带法兰的空心圆筒和弧形夹块组成，圆筒侧面开螺纹孔，通过螺钉控制弧形夹块在圆筒内加紧或松开胫骨。
所述弧形轨道运动机构包括两块弧形板，其中一块外弧侧做成弧形齿条，弧形齿条的半径与股骨长度一致，目的是让股骨与弧形板同心。两块弧形板中间开弧形槽，弧形槽长度对应角度为100°，开弧形槽的目的是让轴承在槽内滑动。两块弧形板靠上端连接板和下端连接板连接，中间是股骨夹具，外形和胫骨夹具很像，为了方便安装，圆筒夹具由两块半圆筒组装，使用上、下弧形夹来夹紧股骨；在圆筒夹具上端固定一个步进电机，该电机输出轴外接小齿，该齿轮与弧形齿条啮合，电机座夹具固定，电机旋转带动齿轮在齿条上运动，使得整个夹具结构在两侧板内槽中滑动。
所述控制系统由压力传感器以及相应的控制电路和程序组成。其特征在于：系统采用trio控制器，通过分布式EtherCAT网线与6轴自由度控制电机驱动器相连，控制器通过以太网与上位机相连，伺服电机里面编码器反馈信号给驱动器。通过上位机计算出膝关节运动平台的运动轨迹，通过控制器分配给每个伺服电机运动参数，最终使得机构到达期望位姿。假如实现胫骨股骨屈曲-拉伸运动，控制X、Z轴电机、同时控制弧形轨道步进电机，模拟膝关节运动；实现外展-内收运动，控制Y、Z轴电机，模拟膝关节运动；实现内旋，外旋角，控制3RRR球面并联机构的三个伺服电机，模拟膝关节运动。在实现胫骨股骨屈曲-拉伸运动的过程中，需要控制弧形轨道步进电机，转动一定角度去补偿屈曲角度。
本发明与现有技术相比较，具有如下突出实质特征点和显著优点：
目前国内该领域还没有关于膝关节运动模拟机构，该系统与现有技术相比拥有以下优点，首先在这套系统上可以模仿人体膝关节运动的各种步态，在医用领域特指膝关节韧带康复手术中拥有巨大意义。同时本系统也可以模拟人体膝关节受到运动损伤后，膝关节胫骨相对于股骨三个方向上大角度的扭转、拉伸等形变，用于测量膝关节非正常运动状态下的前交叉韧带的受力情况。
附图说明：
图1是膝关节运动模拟系统结构框图。
图2是整体使用的型材框架结构总图。
图3是弧形导轨运动结构总图。
图4是3RRR球面并联结构总图。
图5是Z轴升降结构总图(1)。
图6是Z轴升降结构总图(2)。.
图7是X-Y二维伺服结构总图。
具体实施方式：
本发明的优选实施例结合附图详述如下：
实施例一：
参见图1～图7，本六自由度人体膝关节运动模拟系统，包括框架(1)、弧形轨道运动机构(2)、3RRR球面并联机构(3)、Z轴升降机构(4)、XY二维伺服运动平台(5)和控制系统，其特征在于：所述框架(1)底部布放XY二维伺服运动平台(5)，Z轴升降机构(4)布放在XY二维伺服运动平台(5)的Y轴运动平台上，实现XYZ三个方向上的直线运动，3RRR球面并联机构(3)布放在Z轴升降机构(4)上，实现XYZ三个方向的旋转运动，弧形轨道运动机构(2)布放在框架(1)顶部，用于补偿股骨运动角度；控制系统控制所有运动机构中的电机，旋转给定角度，到达期望位姿而模拟人体膝关节运动。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
所述弧形轨道运动机构(2)包括两块弧形板，其中一块外弧侧做成弧形齿条(13)，弧形齿条的半径与股骨长度一致，目的是让股骨与弧形板同心；两块弧形板中间开弧形槽，弧形槽长度对应角度为100°，开弧形槽(10)的目的是让轴承(11)在槽内滑动；两块弧形板靠上端连接板(9)和下端连接板(12)连接，中间是股骨夹具，外形和胫骨夹具很像，为了方便安装，一个圆筒夹具由两块半圆筒(18、17)组装而成，使用其上的上、下弧形夹块(19)来夹紧股骨；在圆筒夹具上端固定一个步进电机，该电机输出轴外接小齿轮(16)，该小齿轮(16)与弧形齿条(13)啮合，该电机的电机座(15)与一个夹具(14)固定，该夹具(14)与圆筒夹具固定，电机旋转带动小齿轮(16)在齿条(13)上运动，使得整个夹具结构在两侧板内弧形槽中滑动。
所述3RRR球面并联机构(3)：该机构有上下两个三角形平台，分别为动平台(22)和静平台(25)；3RRR并联机构能够实现绕XYZ三个轴的转动，静平台上安装三个伺服电机以及减速器、电机座(24)与下弧杆(27)连接、下弧杆(27)的另一端与上弧杆(23)连接、最后上弧杆(23)再与动平台(22)连接；上弧杆(23)与下弧杆(27)之间通过台阶轴(28)和法兰轴承固定，两者可以相对转动；伺服电机输出轴通过减速器驱动下弧杆(27)，因为上下弧杆(23、27)自身的角度和长度，导致整个动平台(22)朝某个方向旋转或者俯仰一定角度，在电机座的侧边设有接近开关，目的是检测此时机构的位姿并且将机构复位到零点；在整个动平台(22)上设有胫骨夹具机构，夹具分为两个部分，由带法兰的空心圆筒(21)和弧形夹块(19)组成，圆筒侧面开螺纹孔，通过螺钉(20)控制弧形夹块(19)在圆筒内加紧或松开胫骨。
所述Z轴升降机构(4)是一个丝杠(39)螺母(44)结构，在这个结构中，伺服电机驱动螺母(44)，带动丝杠(39)上下往复运动；这个结构整体由四根铝型材(34)搭建，该结构分为上平面(36)和下平面(33)；电机固定在上平面的下方，输出轴端通过轴承座(45)、轴承固定，与电机连接轴连接；电机连接轴用于扩大电机轴径以及增加电机输出轴的长度，再通过同步带轮(37)、同步齿形带传动到丝杠轴向方向；另一个带轮通过齿形带传动旋转，带轮与螺母固定一起旋转，在带轮上方有一个限位平台(42)，同样是铝型材(30)搭建，目的是限制带轮螺母只能在空间Z方向旋转，带动丝杠上下往复运动；在螺柱的顶端通过Y型接头(43)连接Z轴运动平台，在中心螺柱的三个侧面设置三套导柱导套(40)机构。导柱穿过导套，与Z轴运动平台(41)连接，保证运动平台上下运动不发生倾覆现象。
所述XY二维伺服运动平台(5)的结构为伺服电机—联轴器—丝杆+螺母—直线导轨—运动平台；伺服电机通过联轴器与丝杆连接，丝杠两端通过轴承座固定。螺母与运动平台连接，电机旋转带动丝杆的转动，使得螺母在丝杆上往复运动，带动运动平台在直线导轨上往复运动；Y轴伺服机构(47)底座固定在X轴伺服机构(48)的运动平台上，二维伺服机构整体固定在底板(46)上，再布放在框架(1)上。X、Y轴伺服机构在确定运动参数后，可直接在厂家购买。

Claims (4)

1.一种六自由度人体膝关节运动模拟系统，包括框架(1)、弧形轨道运动机构(2)、3RRR球面并联机构(3)、Z轴升降机构(4)、XY二维伺服运动平台(5)和控制系统，其特征在于：所述框架(1)底部布放XY二维伺服运动平台(5)，Z轴升降机构(4)布放在XY二维伺服运动平台(5)的Y轴运动平台上，实现XYZ三个方向上的直线运动，3RRR球面并联机构(3)布放在Z轴升降机构(4)上，实现XYZ三个方向的旋转运动，弧形轨道运动机构(2)布放在框架(1)顶部，用于补偿股骨运动角度；控制系统控制所有运动机构中的电机，旋转给定角度，到达期望位姿而模拟人体膝关节运动；所述弧形轨道运动机构(2)包括两块弧形板，其中一块外弧侧做成弧形齿条(13)，弧形齿条的半径与股骨长度一致，目的是让股骨与弧形板同心；两块弧形板中间开弧形槽，弧形槽长度对应角度为100°，开弧形槽(10)的目的是让轴承(11)在槽内滑动；两块弧形板靠上端连接板(9)和下端连接板(12)连接，中间是股骨夹具，外形和胫骨夹具很像，为了方便安装，一个圆筒夹具由两块半圆筒(18、17)组装而成，使用其上的上、下弧形夹块(19)来夹紧股骨；在圆筒夹具上端固定一个步进电机，该电机输出轴外接小齿轮(16)，该小齿轮(16)与弧形齿条(13)啮合，该电机的电机座(15)与一个夹具(14)固定，该夹具(14)与圆筒夹具固定，电机旋转带动小齿轮(16)在齿条(13)上运动，使得整个夹具结构在两侧板内弧形槽中滑动；所述控制系统由压力传感器以及相应的控制电路和程序组成，系统采用trio控制器，通过分布式EtherCAT网线与6轴自由度控制电机驱动器相连，控制器通过以太网与上位机相连，伺服电机里面编码器反馈信号给驱动器，通过上位机计算出膝关节运动平台的运动轨迹，通过控制器分配给每个伺服电机运动参数，最终使得机构到达期望位姿，假如实现屈曲-拉伸角，控制X，Z轴电机在速度和位置控制模式下模拟膝关节运动，同时控制第7轴步进电机旋转，用于补偿屈曲角度；实现外展-内收角，控制X，Z轴电机在速度和位置控制模式下模拟膝关节运动；实现内旋-外旋角，控制3RRR球面并联机构三个电机的输入角度，以及X、Y和Z轴电机同时运动到达期望位姿。
2.根据权利要求1所述的六自由度人体膝关节运动模拟系统，其特征在于：所述3RRR球面并联机构(3)：该机构有上下两个三角形平台，分别为动平台(22)和静平台(25)；3RRR并联机构能够实现绕XYZ三个轴的转动，静平台上安装三个伺服电机以及减速器、电机座(24)与下弧杆(27)连接、下弧杆(27)的另一端与上弧杆(23)连接、最后上弧杆(23)再与动平台(22)连接；上弧杆(23)与下弧杆(27)之间通过台阶轴(28)和法兰轴承固定，两者可以相对转动；伺服电机输出轴通过减速器驱动下弧杆(27)，因为上下弧杆(23、27)自身的角度和长度，导致整个动平台(22)朝某个方向旋转或者俯仰一定角度，在电机座的侧边设有接近开关，目的是检测此时机构的位姿并且将机构复位到零点；在整个动平台(22)上设有胫骨夹具机构，夹具分为两个部分，由带法兰的空心圆筒(21)和弧形夹块(19)组成，圆筒侧面开螺纹孔，通过螺钉(20)控制弧形夹块(19)在圆筒内加紧或松开胫骨。
3.根据权利要求1所述的六自由度人体膝关节运动模拟系统，其特征在于：所述Z轴升降机构(4)是一个丝杠(39)螺母(44)结构，在这个结构中，伺服电机驱动螺母(44)，带动丝杠(39)上下往复运动；这个结构整体由四根铝型材(34)搭建，该结构分为上平面(36)和下平面(33)；电机固定在上平面的下方，输出轴端通过轴承座(45)、轴承固定，与电机连接轴连接；电机连接轴用于扩大电机轴径以及增加电机输出轴的长度，再通过同步带轮(37)、同步齿形带传动到丝杠轴向方向；另一个带轮通过齿形带传动旋转，带轮与螺母固定一起旋转，在带轮上方有一个限位平台(42)，同样是铝型材(30)搭建，目的是限制带轮螺母只能在空间Z方向旋转，带动丝杠上下往复运动；在螺柱的顶端通过Y型接头(43)连接Z轴运动平台，在中心螺柱的三个侧面设置三套导柱导套(40)机构，导柱穿过导套，与Z轴运动平台(41)连接，保证运动平台上下运动不发生倾覆现象。
4.根据权利要求1所述的六自由度人体膝关节运动模拟系统，其特征在于：所述XY二维伺服运动平台(5)的结构为伺服电机—联轴器—丝杆+螺母—直线导轨—运动平台；伺服电机通过联轴器与丝杆连接，丝杠两端通过轴承座固定，螺母与运动平台连接，电机旋转带动丝杆的转动，使得螺母在丝杆上往复运动，带动运动平台在直线导轨上往复运动；Y轴伺服机构(47)底座固定在X轴伺服机构(48)的运动平台上，二维伺服机构整体固定在底板(46)上，再布放在框架(1)上，X、Y轴伺服机构在确定运动参数后，可直接在厂家购买。
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