CN111568613A - 蹲式人体下肢关节生物仿生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及蹲式人体下肢关节生物仿生装置，技术方案是，竖向支撑板上设置有由第一电机驱动、沿竖向支撑板高度方向上下滑动或固定的滑台，滑台上固定有水平的固定轴，固定轴中部通过第一万向节连接有股骨轴，股骨轴下端固定连接有股骨下端模拟块，底座上固定有第二电机的转动轴上绕装有钢丝绳，钢丝绳一端固定在第二电机的转动轴上，另一端向上延伸，绕过固定在滑台上的定滑轮组后与髌骨韧带模拟带的上端相连；本发明通过拉力传感器采集施加下蹲力的情况，并通过陀螺仪采集下蹲过程中的运动轨迹信号、通过应变片采集膝关节和足底的受力，从而模拟人体下肢在一定受力曲线的情况下进行下蹲运动的运动轨迹和受力情况。

Description

蹲式人体下肢关节生物仿生装置
技术领域
本发明涉及生物力学领域，特别是一种蹲式人体下肢关节生物仿生装置。
背景技术
人体下肢装置设计过程中最重要的是髋关节、膝关节以及踝关节的结构设计。髋关节为球窝关节，其在转动过程中旋转中心位置的变化并不明显；踝关节虽然为复合关节，但其在行走过程中转动角度小，因此旋转中心的变化也不明显。这两个部分的外骨骼关节被认为可以简化为绕固定转轴转动的单一关节；膝关节是复合关节，也是人体最大最复杂的关节，对人体的承重及运动起着极其重要的作用，膝关节由骸骨、股骨远端、胫骨近端和胫骨上端组成。膝关节的稳定性与膝关节的生物力学特性紧密相关，目前，临床上普遍采用一系列体格检查试验如前抽屉试验、Lachman试验等对膝关节的生物力学特性进行测试，进而评估膝关节的稳定状态。长期以来，缺少一种能对膝关节生物力学进行实验的仪器，医生凭借手对膝关节施加力力矩，膝关节的微小位移也是凭借手感觉得到，这种方式受主观因素影响较大，严重依赖医生经验，无法进行量化对比，年轻的医生无法实施。
目前在市面上，存在一种膝关节测量仪，主要有Kneelax3，KT1000/KT2000等，其原理是对膝关节胫骨定量加载拉、压力,测量胫骨前移、后移的距离，从而达到定量测试膝关节生物力学特性的目的。但是这种仪器只能对胫骨施加拉压力，无法施加扭矩,同时只能测量垂直于胫骨方向的位移。然而膝关节位移是一个复合运动，不止包括平移运动，还包括内外旋、内外翻运动，这些运动膝关节测量仪都无法精确测量。1951年国外设计了第一代铰链型人工膝关节，经过改良关节屈伸运动达到110°，做单轴运动，假体材料是丙烯酸酯。到20世纪60年代开始使用骨水泥固定的完全限制型膝关节，材料也由原来的不锈钢发展到钴基合金。到20世纪70年代，半限制型人工膝关节开始应用。该类关节在保持原有限制型稳定性的基础上，使人工膝关节有了更大的活动范围。金属/超高分子量聚乙烯关节组合从此得到了进一步发展，并发展为，“槽内滚动”式设计。中国发明专利专利号201611058599.X的专利公开了一种膝关节生物力学性能测试与评估装置，该发明涉及膝关节生物力学性能测试与评估装置，包括框架模块、关节固定模块、膝关节模块、关节屈曲驱动模块、加载模块。该装置通过调整膝关节的屈曲角度，模拟人体下肢关节的运动状态，通过加载外力并测试膝关节不同屈曲角度下，仿生骨组织与假体界面的应力状态。但是，限于体积和构型问题，该装置只能用于测量仿生骨组织与假体界面的应力分布情况。中国发明专利专利号201520657904.1的专利公开了一种人工膝关节仿生机构，其包括股骨杆件、股骨元器件、半月板和胫骨杆件，能够实现人体膝关节关于旋转、屈伸及滚动、滑动的功能，但是其缺少了对髋关节、踝关节的考虑，不能有效地模拟人体下肢的屈膝运动。人们对于膝关节生物力学的认识尚有待提高，对于骨科医生更是如此，能够在一定程度上指导外科手术的开展。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种蹲式人体下肢关节生物仿生装置，可有效解决人体下肢下蹲仿生受力和运动轨迹采集的问题。
本发明解决的技术方案是：
一种蹲式人体下肢关节生物仿生装置，包括支架，支架包括底座和竖直设置在底座一侧的竖向支撑板，竖向支撑板上设置有由第一电机驱动、沿竖向支撑板高度方向上下滑动或固定的滑台，滑台上固定有水平的固定轴，固定轴中部通过第一万向节连接有股骨轴，股骨轴下端固定连接有股骨下端模拟块；
底座上设置够足底位置调节机构，足底位置调节机构上通过第二万向节连接有胫骨轴，胫骨轴的上端连接有胫骨上端模拟块；
胫骨上端模拟块上端插装有半月板连接块，半月板连接块上端设置有半月板卡槽，半月板模拟块压紧固定在半月板连接块顶面的半月板卡槽内；
股骨下端模拟块下端呈与人体股骨下端相对应的圆弧面形，圆弧面形支撑在半月板模拟块上，股骨下端模拟块两侧分别固定有股骨韧带上夹具，胫骨上端模拟块的分别固定有与股骨韧带夹具相对应的股骨韧带下夹具，股骨韧带上夹具与股骨韧带下夹具之间连接有韧带模拟带，胫骨上端模拟块的正面固定有髌骨韧带夹具，髌骨韧带夹具上固定连接有向上延伸的髌骨韧带模拟带；
底座上固定有第二电机的转动轴上绕装有钢丝绳，钢丝绳一端固定在第二电机的转动轴上，另一端向上延伸，绕过固定在滑台上的定滑轮组后与髌骨韧带模拟带的上端相连。
优选的，所述竖向支撑板靠近底座中心的侧固定有沿竖直方向布置的轨道，轨道上滑动设置有沿其长度方向上下滑动的滑台固定板，轨道上方的竖向支撑板上固定有第一电机，轨道正前方转动设置有与其长度方向平行的丝杠，第一电机的转动轴竖直朝下且下端与丝杠的上端固定连接，丝杠上旋装有与滑台固定板固定在一起的螺母，构成滑台固定板沿轨道长度方向上下滑动的驱动结构，滑台固定在滑台固定板远离轨道的一侧。
优选的，所述的第一电机通过顶部电动机固定板固定在丝杠的正上方，第一电机的转轴穿过电动机固定板并通过联轴器与丝杆的上端同轴连接在一起，滑台固定板靠近轨道的一侧固定有滑块，滑块滑动设置在轨道上。
优选的，所述蹲式人体下肢关节生物仿生装置还包括控制器、拉力传感器、应变仪、第一陀螺仪、第二陀螺仪、第一应变片和第二应变片，第一应变片设置在半月板连接块顶面与半月板模拟块的底面之间，第二应变片设置在踝关节底部滑台的上表面与踝关节顶部滑台的下表面之间，拉力传感器设置在各个钢丝绳上，第一陀螺仪固定在股骨轴上，第二陀螺仪固定在胫骨轴上，控制器的输出端分别与第一电机和第二电机相连，第一应变片的输出端、第二应变片的输出端、第一陀螺仪的输出端、第二陀螺仪的输出端和拉力传感器的输出端均与控制器的输入端相连。
优选的，所述股骨轴上固定有钢丝绳合股导向套，第二电机有三个，每个第二电机的转动轴上均绕装有钢丝绳，三根钢丝绳绕过定滑轮组后穿过钢丝绳合股导向套并与髌骨韧带模拟带的上端相连。
本发明结构新颖独特，通过股骨轴、半月板模拟块、胫骨轴和足底位置调节机构模拟人体下肢，通过滑台调节高度模拟下蹲动作，由于股骨轴上端和胫骨轴下端均通过万向节连接，因此当装置模拟人体下蹲运动时，股骨轴和胫骨轴会模拟人体下蹲时在三维方向上的运动轨迹，通过三根钢丝绳模拟下肢主要肌肉，通过拉力传感器采集施加下蹲力的情况，并通过陀螺仪采集下蹲过程中的运动轨迹信号、通过应变片采集膝关节和足底的受力，从而模拟人体下肢在一定受力曲线的情况下进行下蹲运动的运动轨迹和受力情况，模拟人体下肢的主要骨与软组织结构，以及下蹲时主要的肌肉和韧带组织的受力状态，测试人体膝关节在运动时的生物力学特性，获得人体膝关节在屈曲的各个角度所受生物力学，从而获得人体下肢的受力和复合运动轨迹，包括内外旋、内外翻运动等进行全面测量；同时采集关节和足底受力的大小等基础数据，为人体下肢及其关节的锻炼、康复以及手术治疗提供生物力学的数据基础，也为下肢假肢的生产提供了有效的生物仿生数据，其使用方便，效果好，是人体下肢关节生物仿生装置上的创新，有良好的社会和经济效益。
附图说明
图1为本发明的立体图。
图2为本发明的侧视图。
图3为本发明轨道的爆炸图。
图4为本发明丝杆上部的局部放大图。
图5为本发明滑台、股骨轴的爆炸图。
图6为本发明胫骨轴及下部踝关节滑台的爆炸图。
图7为本发明胫骨轴及半月板模拟块的爆炸图。
图8为发明电路原理框式图。
图9为本发明第一万向节的爆炸图。
图10为本发明踝关节顶部滑台的立体图。
图11为本发明踝关节第一滑台的立体图。
图12为文献Sharma[1]记载的股四头肌肌力曲线。
图13为人体膝关节的相对运动示意图
图14膝关节股骨相对于胫骨的内外旋对比。
图15膝关节股骨相对与胫骨的内收外展对比图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
由图1-11给出，本发明包括支架，支架包括底座18和竖直设置在底座18一侧的竖向支撑板23，竖向支撑板23上设置有由第一电机1驱动、沿竖向支撑板高度方向上下滑动或固定的滑台4，滑台上固定有水平的固定轴41，固定轴41中部通过第一万向节连接有股骨轴7，股骨轴7下端固定连接有股骨下端模拟块8；
底座18上设置够足底位置调节机构，足底位置调节机构上通过第二万向节13连接有胫骨轴12，胫骨轴12的上端连接有胫骨上端模拟块9；
胫骨上端模拟块9上端插装有半月板连接块92，半月板连接块92上端设置有半月板卡槽，半月板模拟块91压紧固定在半月板连接块顶面的半月板卡槽内；
股骨下端模拟块8下端呈与人体股骨下端相对应的圆弧面形，圆弧面形支撑在半月板模拟块91上，股骨下端模拟块8两侧分别固定有股骨韧带上夹具8a，胫骨上端模拟块9的分别固定有与股骨韧带夹具相对应的股骨韧带下夹具9a，股骨韧带上夹具8a与股骨韧带下夹具9a之间连接有韧带模拟带10，胫骨上端模拟块9的正面固定有髌骨韧带夹具，髌骨韧带夹具上固定连接有向上延伸的髌骨韧带模拟带11；
底座18上固定有第二电机19的转动轴上绕装有钢丝绳6，钢丝绳6一端固定在第二电机的转动轴上，另一端向上延伸，绕过固定在滑台4上的定滑轮组5后与髌骨韧带模拟带11的上端相连。
为保证使用效果，所述竖向支撑板23靠近底座中心的侧固定有沿竖直方向布置的轨道21，轨道21上滑动设置有沿其长度方向上下滑动的滑台固定板3，轨道21上方的竖向支撑板上固定有第一电机1，轨道21正前方转动设置有与其长度方向平行的丝杠24，第一电机1的转动轴竖直朝下且下端与丝杠24的上端固定连接，丝杠24上旋装有与滑台固定板3固定在一起的螺母26，构成滑台固定板沿轨道长度方向上下滑动的驱动结构，滑台4固定在滑台固定板远离轨道的一侧。
所述的第一电机1通过顶部电动机固定板2固定在丝杠的正上方，第一电机1的转轴穿过电动机固定板2并通过联轴器1a与丝杆24的上端同轴连接在一起，滑台固定板3靠近轨道的一侧固定有滑块22，滑块滑动设置在轨道上；滑块22通过两侧对称的连接板3a固定在滑台固定板上，螺母26固定在两连接板3a之间。使用时，启动第一电机，带动丝杠转动，由于滑动与轨道相互配合，限制了滑台固定板只能沿轨道上下滑动，因此在丝杠的转动过程中，会驱动螺母沿丝杠上下旋转滑动，从而带动滑台固定板沿轨道上下滑动，构成滑台的高度调节机构。
所述蹲式人体下肢关节生物仿生装置还包括控制器、拉力传感器、应变仪、第一陀螺仪、第二陀螺仪、第一应变片和第二应变片，第一应变片设置在半月板连接块92顶面与半月板模拟块91的底面之间，第二应变片设置在踝关节底部滑台15的上表面与踝关节顶部滑台14的下表面之间，拉力传感器设置在各个钢丝绳上，第一陀螺仪固定在股骨轴7上，第二陀螺仪固定在胫骨轴12上，控制器的输出端分别与第一电机和第二电机相连，第一应变片的输出端、第二应变片的输出端、第一陀螺仪的输出端、第二陀螺仪的输出端和拉力传感器的输出端均与控制器的输入端相连。
所述踝关节底部滑台15与踝关节顶部滑台14通过螺栓压紧固定。
所述的控制器分别与按键、显示器和电源相连；按键用于输入指令，显示器用于显示检测数据，电源用于为各元器件供电。
所述拉力传感器用于采集各股钢丝绳的拉力；
所述第一应变片和第二应变片通过采集电压信号来检测受力情况，第一应变片用于采集膝关节受力情况，第二应变片用于采集足底受力情况；
所述第一陀螺仪和第二陀螺仪分别用于采集股骨轴7和胫骨轴12的运动轨迹；
所述第一电机用于控制滑台的升降，即模拟人体下肢下蹲动作，其下降速度即为下蹲速度；
所述第二电机通过钢丝绳对三根钢丝绳施加拉力，模拟肌肉受力；
所述控制器用于控制第一电机和第二电机的转动，第一电机的转动对模拟肌肉的钢丝绳施加一个力作为第一个输入量，并通过拉力传感器实时采集控制施力，第二电机的转动用于控制滑台的升降，模拟人体下肢下蹲速度，作为第二个输入量，并在模拟下蹲过程中接收陀螺仪的运动轨迹信号和应变片的受力信号，从而模拟人体下肢在一定受力曲线的情况下的运动轨迹和受力情况，控制器为现有技术，如型号为STC15W401AS的控制芯片、型号为STC89C51的单片机控制器、型号为8051的单片机控制器、PLC控制器等，安装时，可以将控制器及按键、显示器、电源等元器件直接固定在竖向支撑板背面即可。
所述足底位置调节机构包括固定在底座18上第三电机20，第三电机20转轴竖直朝上，第三电机20的转轴上固定有转盘17，转盘17上固定有踝关节第一导向滑轨15，踝关节第一导向滑轨15上设置有沿其长度方向滑动或固定的踝关节底部滑台15，踝关节底部滑台15的上表面连接有踝关节顶部滑台14，第二万向节设置在踝关节顶部滑台14上，所述第三电机与控制器相连。
所述踝关节第一滑台15底部固定有与踝关节导向滑轨相对应的踝关节第一导向滑块151，踝关节第一导向滑块151滑动置于踝关节第一导向滑轨上，踝关节第一导向滑块151侧面设置有用于固定其滑动位置的锁止开关，构成踝关节底部滑台的滑动导向和锁止结构；
所述踝关节顶部滑台14包括滑台底座141，滑台底座141上设置有踝关节第二导向滑轨142和与其平行的导向丝杠144，踝关节第二导向滑轨142上滑动连接有沿其长度方向前后滑动的踝关节第二导向滑块143，踝关节第二导向滑块143与导向丝杠144螺纹连接，伸出滑台底座141一侧的导向丝杠上固定有位置调节旋钮145，第二万向节13连接在踝关节第二导向滑块143上。
所述锁止开关可以为如图6所示的锁止螺杆152，通过拧紧锁止螺杆压紧固定踝关节第一导向滑块，或者所述锁止开关可以为如图9所示的锁止卡扣153，通过旋转轴锁止卡扣即可锁定踝关节第一导向滑块的位置，该锁止卡扣的结构为现有技术，如与共享单车座椅高度调节的锁止卡扣结构相同。通过第三电机转动带动转盘旋转，通过踝关节第一导向滑块151和踝关节第二导向滑块143的滑动和固定调节调节足底的不同初始位置和角度。
所述底座18由两个平行的支撑板分为上下两层，第二电机19和第三电机20均固定在下层支撑板上，竖向支撑板23固定在上层固定板上，上层固定板上开有供钢丝绳穿过的窗口。
所述的固定轴41通过两端的轴座42固定在滑台4的两侧壁之间，固定轴41两侧分别固定套设有对侧的夹紧套451，第一万向节设置在两夹紧套451之间，第一万向节包括固定在两夹紧套之间的球形支座46，股骨轴7上端固定连接有与其同轴的股骨关节延展接头44，股骨关节延展接头44上端固定有股骨关节轴承套43，股骨关节轴承套43活动套设在球形支座46上，构成万向连接结构。
所述股骨轴7上固定有钢丝绳合股导向套71，第二电机19有三个，每个第二电机的转动轴上均绕装有钢丝绳，三根钢丝绳绕过定滑轮组后穿过钢丝绳合股导向套71并与髌骨韧带模拟带11的上端相连。
所述支架侧面设置有斜向支撑25，进一步保持支架稳定。
所述的定滑轮组数量与钢丝绳数量相等且一一对应，每组定滑轮组均包括分别固定在滑台4上的第一定滑轮5a和第二定滑轮5b。第一定滑轮5a通过顶部的螺栓、螺母压紧固定，可以松开调整其角度，调整到位孔拧紧固定即可，如图5所示两侧的第二定滑轮5b呈向中心方向倾斜，用于两侧钢丝绳的合股。
所述韧带模拟带10和髌骨韧带模拟带11均由弹性材料制成，如橡胶材料，用于模拟韧带，韧带模拟带的两端分别被夹紧固定在股骨韧带上、下夹具内；髌骨韧带模拟带下端被夹紧在髌骨韧带夹具内；所述半月板模拟块91与人体半月板形状相匹配，股骨下端模拟块8的圆弧面与人体股骨下端形状像对应，同时半月板模拟块下端的圆弧面形又支撑在半月板模拟块91上，由于股骨轴7上端和胫骨轴12下端均通过万向节连接，因此当装置模拟人体下蹲运动时，股骨轴7和胫骨轴12会模拟人体下蹲时在三维方向上的运动轨迹，通过模拟人体下肢的主要骨与软组织结构，以及下蹲时主要的肌肉和韧带组织的受力状态，测试人体膝关节在运动时的生物力学特性，获得人体膝关节在屈曲的各个角度所受生物力学，从而获得人体下肢的受力和复合运动轨迹，包括内外旋、内外翻运动等进行全面测量；同时采集关节和足底受力的大小等基础数据，为人体下肢及其关节的锻炼、康复以及手术治疗提供生物力学的数据基础，也为下肢假肢的生产提供了有效的生物仿生数据。
本发明的使用情况时，如图1所示，钢丝绳有3根，用于模拟下肢最主要的三束肌肉，与钢丝绳一一对应的第二电机转动，从而通过三根钢丝绳传递拉力，对膝关节施力作为第一个输入量，模拟肌肉受力；第一电机的转动用于控制滑台的升降，即模拟人体下肢下蹲动作，其下降速度即为下蹲速度，作为第二个输入量，并在模拟下蹲过程中通过陀螺仪采集下肢的运动轨迹信号、通过应变片采集膝关节和足底对的受力信号，从而模拟人体下肢在一定受力曲线的情况下的运动轨迹和受力情况，从而模拟人体下肢在一定受力曲线的情况下进行下蹲运动的运动轨迹和受力情况，模拟人体下肢的主要骨与软组织结构，以及下蹲时主要的肌肉和韧带组织的受力状态，测试人体膝关节在运动时的生物力学特性，获得人体膝关节在屈曲的各个角度所受生物力学，从而获得人体下肢的受力和复合运动轨迹，为人体下肢及其关节的锻炼、康复以及手术治疗提供生物力学的数据基础，也为下肢假肢的生产提供了有效的生物仿生数据，通过实际检测，最终得到的运动轨迹基本与实际一致，具体如下：
一、装置的输入
本装置按照文献Sharma[1]在08年发表的文章中的股四头肌肌力曲线中正常膝关节曲线进行力的加载，加载的三束力的曲线如图12所示。
[1]Sharma A,Leszko F,Komistek R D,et al.In vivo patellofemoral forcesin high flexion total knee arthroplasty[J].journal of biomechanics,2008,41(3):642-648.
二、装置的输出
本装置通过陀螺仪采集数据，输出膝关节在三个方向的角度，分别为屈曲度，内外旋和内收外展。
膝关节的三维运动有三个平移和三个旋转运动，如图13所示，三个平移分别是上下移、前后移和内外移；三个旋转分别是内外旋、内收外展和屈曲运动。
以屈曲度为横坐标，内外旋和内收外展为纵坐标，得到的实验数据与文献Sharma[1]中的数据进行对比相对比，结果如图14、15所示。
图14所示为膝关节股骨相对于胫骨的内外旋对比图，文献中通过建立有限元模型，加载相关边界条件来模拟屈曲运动。由图14可知文献Sharma[1]里数据与本实验数据的内外旋的变化范围基本一致，本实验两组数据在膝关节下蹲屈曲过程中，股骨相对胫骨始终处于外旋状态，这与K.E.Moglo[2]等研究结果相似，他认为在膝关节屈曲过程中，股骨相对胫骨始终处于外旋状态，在膝关节屈曲到50度左右时，股骨相对胫骨开始小幅度内旋，接着又开始外旋，直到屈曲结束，与本实验数据结果基本一致。
[2]K.E.Moglo,A.Shirazi-Adl,Cruciate coupling and screw-home mechanismin passive knee joint during extension–flexion,Journal of biomechanics,2009,38(5):1075-108
如图15为膝关节股骨相对于胫骨的内收外展对比图，文献Sharma[1]中的股四头肌的各个部件都用缆绳和滑轮吊着重物，施加总荷载175N的股四头肌力来模拟屈曲运动，得到的数据和本实验装置的内收外展的变化范围基本一致，本实验的两组数据在膝关节下蹲屈曲过程中，股骨相对胫骨先内收后外展，这与Azhar M[3]等研究结果相似，运动模式都是先内收后外展，文献Azhar M[3]中是在屈曲70度左右时开始外展，与本发明数据结果基本一致。
[3]Azhar M.Merican,Andrew A.Amis,et al.Iliotibial band tensionaffects patellofemoral and tibiofemoral kinematics,Journal of biomechanics,2009,42(10):1539-1546.
三、结论
本发明装置测得的膝关节屈曲度、内外旋和内收外展，与文献中数据对比可知膝关节的运动模式基本一致，膝关节的运动都是持续外旋，先内收后外展，与文献对比可知相差的最大外旋值在5°左右，相差的最大的内收值3°左右，在运动测量的误差范围内，证明了该装置运动测量的可行性。

Claims (9)

1.一种蹲式人体下肢关节生物仿生装置，包括支架，其特征在于，支架包括底座(18)和竖直设置在底座(18)一侧的竖向支撑板(23)，竖向支撑板(23)上设置有由第一电机(1)驱动、沿竖向支撑板高度方向上下滑动或固定的滑台(4)，滑台上固定有水平的固定轴(41)，固定轴(41)中部通过第一万向节连接有股骨轴(7)，股骨轴(7)下端固定连接有股骨下端模拟块(8)；
底座(18)上设置够足底位置调节机构，足底位置调节机构上通过第二万向节(13)连接有胫骨轴(12)，胫骨轴(12)的上端连接有胫骨上端模拟块(9)；
胫骨上端模拟块(9)上端插装有半月板连接块(92)，半月板连接块(92)上端设置有半月板卡槽，半月板模拟块(91)压紧固定在半月板连接块顶面的半月板卡槽内；
股骨下端模拟块(8)下端呈与人体股骨下端相对应的圆弧面形，圆弧面形支撑在半月板模拟块(91)上，股骨下端模拟块(8)两侧分别固定有股骨韧带上夹具(8a)，胫骨上端模拟块(9)的分别固定有与股骨韧带夹具相对应的股骨韧带下夹具(9a)，股骨韧带上夹具(8a)与股骨韧带下夹具(9a)之间连接有韧带模拟带(10)，胫骨上端模拟块(9)的正面固定有髌骨韧带夹具，髌骨韧带夹具上固定连接有向上延伸的髌骨韧带模拟带(11)；
底座(18)上固定有第二电机(19)的转动轴上绕装有钢丝绳(6)，钢丝绳(6)一端固定在第二电机的转动轴上，另一端向上延伸，绕过固定在滑台(4)上的定滑轮组(5)后与髌骨韧带模拟带(11)的上端相连。
2.根据权利要求1所述的蹲式人体下肢关节生物仿生装置，其特征在于，所述竖向支撑板(23)靠近底座中心的侧固定有沿竖直方向布置的轨道(21)，轨道(21)上滑动设置有沿其长度方向上下滑动的滑台固定板(3)，轨道(21)上方的竖向支撑板上固定有第一电机(1)，轨道(21)正前方转动设置有与其长度方向平行的丝杠(24)，第一电机(1)的转动轴竖直朝下且下端与丝杠(24)的上端固定连接，丝杠(24)上旋装有与滑台固定板(3)固定在一起的螺母(26)，构成滑台固定板沿轨道长度方向上下滑动的驱动结构，滑台(4)固定在滑台固定板远离轨道的一侧。
3.据权利要求2的蹲式人体下肢关节生物仿生装置，其特征在于，所述的第一电机(1)通过顶部电动机固定板(2)固定在丝杠的正上方，第一电机(1)的转轴穿过电动机固定板(2)并通过联轴器(1a)与丝杆(24)的上端同轴连接在一起，滑台固定板(3)靠近轨道的一侧固定有滑块(22)，滑块滑动设置在轨道上。
4.根据权利要求1或2所述的蹲式人体下肢关节生物仿生装置，其特征在于，所述蹲式人体下肢关节生物仿生装置还包括控制器、拉力传感器、应变仪、第一陀螺仪、第二陀螺仪、第一应变片和第二应变片，第一应变片设置在半月板连接块(92)顶面与半月板模拟块(91)的底面之间，第二应变片设置在踝关节底部滑台(15)的上表面与踝关节顶部滑台(14)的下表面之间，拉力传感器设置在各个钢丝绳上，第一陀螺仪固定在股骨轴(7)上，第二陀螺仪固定在胫骨轴(12)上，控制器的输出端分别与第一电机和第二电机相连，第一应变片的输出端、第二应变片的输出端、第一陀螺仪的输出端、第二陀螺仪的输出端和拉力传感器的输出端均与控制器的输入端相连。
5.根据权利要求4所述的蹲式人体下肢关节生物仿生装置，其特征在于，所述的控制器分别与按键、显示器和电源相连。
6.根据权利要求4所述的蹲式人体下肢关节生物仿生装置，其特征在于，所述足底位置调节机构包括固定在底座(18)上第三电机(20)，第三电机(20)转轴竖直朝上，第三电机(20)的转轴上固定有转盘(17)，转盘(17)上固定有踝关节第一导向滑轨(15)，踝关节第一导向滑轨(15)上设置有沿其长度方向滑动或固定的踝关节底部滑台(15)，踝关节底部滑台(15)的上表面连接有踝关节顶部滑台(14)，第二万向节设置在踝关节顶部滑台(14)上，所述第三电机与控制器相连。
7.根据权利要求6所述的蹲式人体下肢关节生物仿生装置，其特征在于，所述踝关节第一滑台(15)底部固定有与踝关节导向滑轨相对应的踝关节第一导向滑块(151)，踝关节第一导向滑块(151)滑动置于踝关节第一导向滑轨上，踝关节第一导向滑块(151)侧面设置有用于固定其滑动位置的锁止开关，构成踝关节底部滑台的滑动导向和锁止结构；
所述踝关节顶部滑台(14)包括滑台底座(141)，滑台底座(141)上设置有踝关节第二导向滑轨(142)和与其平行的导向丝杠(144)，踝关节第二导向滑轨(142)上滑动连接有沿其长度方向前后滑动的踝关节第二导向滑块(143)，踝关节第二导向滑块(143)与导向丝杠(144)螺纹连接，伸出滑台底座(141)一侧的导向丝杠上固定有位置调节旋钮(145)，第二万向节(13)连接在踝关节第二导向滑块(143)上。
8.权利要求1的蹲式人体下肢关节生物仿生装置，其特征在于，所述的固定轴(41)通过两端的轴座(42)固定在滑台(4)的两侧壁之间，固定轴(41)两侧分别固定套设有对侧的夹紧套(451)，第一万向节设置在两夹紧套(451)之间，第一万向节包括固定在两夹紧套之间的球形支座(46)，股骨轴(7)上端固定连接有与其同轴的股骨关节延展接头(44)，股骨关节延展接头(44)上端固定有股骨关节轴承套(43)，股骨关节轴承套(43)活动套设在球形支座(46)上，构成万向连接结构。
9.利要求1的蹲式人体下肢关节生物仿生装置，其特征在于，所述股骨轴(7)上固定有钢丝绳合股导向套(71)，第二电机(19)有三个，每个第二电机的转动轴上均绕装有钢丝绳，三根钢丝绳绕过定滑轮组后穿过钢丝绳合股导向套(71)并与髌骨韧带模拟带(11)的上端相连。
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