CN112370313A - 一种抵消重力下肢外骨骼的测试系统与测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种抵消重力下肢外骨骼的测试系统及测试方法，测试系统包括支撑框架以及悬挂在支撑框架上的仿人体下肢结构；所支撑框架上设置两组驱动与传感器组件，每组驱动与传感器组件包括步进电机、丝杆滑台导轨、S型位拉力传感器、拉线位移传感器，驱动与传感器组件通过步进电机驱动的丝杆滑台导轨利用钢丝绳驱动仿人体下肢运动结构来模拟人体下肢运动，S型位拉力传感器以及拉线位移传感器固定于丝杠滑台导轨的滑块上，分别用于采集钢丝绳的承受牵引力及测量滑块的位移。本发明可简单有效地模拟人体下肢腿部动作，可以将外骨骼在重力补偿的效果转化为钢丝绳的拉力进行测量评估。
Description
技术领域
本发明涉及外骨骼测试技术领域，特别是涉及一种抵消重力下肢外骨骼的测试系统与测试方法。
背景技术
为宇航员在空间站或其他星球表面等低重力条件下进行作业，穿戴式外骨骼训练方案被提了出来，此方案利用外骨骼来平衡和抵消人体重力从而在地表进行低重力模拟训练。
但是机械外骨骼动力传递的损耗与信号传递的迟滞，所设计的外骨骼是否能够有效抵消躯干重力，以及外骨骼在实际使用时的表现是否能达到预期尚需要一套完整的测试系统和测试方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，而提供一种抵消重力下肢外骨骼的测试系统与测试方法，旨在通过本测试系统以及测试方法评估下肢外骨骼抵消重力的表现，研究被测试的下肢外骨骼所能对下肢重力的抵消效果和响应速度。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种抵消重力下肢外骨骼的测试系统，包括支撑框架以及悬挂在所述支撑框架上的仿人体下肢结构，所述仿人体下肢结构的下肢运动涉及髋关节处屈伸和膝关节处屈伸两个自由度；所述支撑框架上设置两组驱动与传感器组件，每组所述驱动与传感器组件包括步进电机、丝杆滑台导轨、S型位拉力传感器、拉线位移传感器，所述驱动与传感器组件通过步进电机驱动的丝杆滑台导轨利用钢丝绳驱动仿人体下肢运动结构来模拟人体下肢运动，所述S型位拉力传感器以及拉线位移传感器固定于丝杠滑台导轨的滑块上，分别用于采集钢丝绳的承受牵引力以及测量滑块的位移。
其中，所述钢丝绳的两端分别固定S型位拉力传感器以及所述仿人体下肢结构。
其中，所述仿人体下肢结构包括过轴和轴承连接形成转动铰链接结构的仿人体大腿和仿人体小腿，采用尼龙材料一体加工成型或是采用3D打印技术使用树脂材料打印。
其中，所述钢丝绳外套装有钢丝绳线管，构成线管驱动系统。
其中，所述的支撑框架四个边角处通过攻丝安装万向轮，方便搬运和移动。
其中，所述支撑框架采用欧标铝型材切割，螺钉螺栓组,形成矩形状的框架结构。
其中，所述仿人体下肢结构通过悬挂支撑板悬挂于所述支撑框架上，所述悬挂支撑板通过螺栓固定在撰述支撑框架的上方，采用铝合金机加工成型，用于悬挂下肢外骨骼和仿人体下肢结构。
本发明的目的还在于提供一种所述抵消重力下肢外骨骼的测试系统的测试方法，步骤如下：
将仿人体下肢结构悬挂于支撑框架上，通过驱动与传感组件中的驱动模块仿人体下肢结构进行仿人体步态运动，通过驱动与传感组件中的传感模块测试钢丝绳的拉力和在滑台上的位移；
通过串口通讯将检测的数据传入上位机，所述的上位机通过计算得到无外骨骼状态下驱动仿人体下肢结构所做的功；
将外骨骼安装到抵消重力下肢外骨骼的测试系统中重复上述步骤，得到装配外骨骼后钢丝绳的拉力与位移，通过计算得到在装配外骨骼状态下驱动仿人体下肢结构所做的功；
通过比较无外骨骼状态下驱动仿人体下肢结构所做的功以及在装配下肢外骨骼状态下驱动仿人体下肢结构所做的功，对下肢外骨骼在重力抵消中的性能进行测试。
本发明提供的外骨骼测试系统，通过步进电机、丝杠导轨模组与钢丝绳的简单配合，可以简单有效地模拟人体下肢腿部动作，其可以将外骨骼在重力补偿的效果转化为钢丝绳的拉力进行测量评估，测试方法更简单有效。
本发明提供的外骨骼测试系统，将驱动模块与传感模块集成一体，减小结构体积，方便拆装使用。
本发明提供的外骨骼测试系统，所用组件技术成熟，制造工艺简单，所消耗成本较低。
附图说明
图1为本发明的下肢外骨骼测试系统的结构图；
图2为发明的驱动与传感组件的结构示意图；
图3为仿人体下肢结构示意图；
图4-5为仿人体下肢结构驱动原理示图(图4为钢丝绳拉动前，图5为钢丝绳拉动后)；
图6为根据测试数据绘制得到的预测图。
图中：1-驱动与传感组件；2-仿人体下肢结构；3-悬挂支撑板；4-支撑框架；5-中控箱；6-步进电机；7-S型位拉力传感器；8-拉线位移传感器；9-丝杠滑台导轨；10-固定底板；11-驱动器，12-仿人体大腿；13-仿人体小腿；14-驱动线槽，15-钢丝绳，16-钢丝绳线管。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一套下肢外骨骼性能测试系统，通过在搭建的下肢铝材平台上悬挂仿人体下肢，由于下肢运动涉及髋关节处屈伸和膝关节处屈伸两个自由度，利用钢丝绳驱动下肢来模拟人体下肢运动，钢丝绳末端固定拉力传感器，采集钢丝绳承受牵引力，从而实现对下肢外骨骼性能测试。
如图1-5所示，本发明提供一套下肢外骨骼性能测试系统，包括支撑框架4以及通过悬挂支撑板3而悬挂在所述支撑框架上的仿人体下肢结构2，所述的仿人体下肢结构2的下肢运动涉及髋关节处屈伸和膝关节处屈伸两个自由度；所述支撑框架上设置驱动与传感器组件1，包括步进电机6、丝杆滑台导轨9，以及S型位拉力传感器7、拉线位移传感器8，上述的拉力传感器固定在钢丝绳15的末端，驱动与传感器组件1通过步进电机6、丝杆滑台导轨9利用钢丝绳驱动仿人体下肢运动来模拟人体下肢运动，S型位拉力传感器7、拉线位移传感器8采集钢丝绳承受牵引力，从而实现对下肢外骨骼性能测试。
其中，所述驱动与传感组件1的步进电机6、丝杆滑台导轨9安装固定在固定底板10上，所述的S型拉力传感器与拉线位移传感器固定于丝杠导轨的滑块上，所述S型拉力传感器挂钩与蝴蝶扣配合使用固定钢丝绳的一端，用于测量绳索的牵引力。所述拉线位移传感器固定于丝杠滑块导轨上，用于测量滑块的位移，所述的钢丝绳两端分别固定在推拉力计挂钩和仿人体下肢结构。
其中，所述仿人体下肢结构2，包括仿人体大腿12和仿人体小腿13，采用尼龙材料一体加工成型，也可采用3D打印技术使用树脂材料打印。仿人体大腿12的上端与悬挂支撑板3连接，仿人体大腿的下端与仿人体小腿13通过轴和轴承连接形成转动铰链，在人体下肢结构面向侧与背向侧设有凹槽结构的驱动线槽14，用于安装钢丝绳15及钢丝绳线管16所构成的线管驱动系统。
其中，所述的驱动与传感组件1为两个，两个驱动与传感组件1分别安装在整个测试系统的支撑框架1的顶端两侧，分别驱动和传感检测仿人体下肢结构2中的仿人体大腿12和仿人体小腿13。通过单片机或者上位机通过驱动器11可控制步进电机6通过滚珠丝杠导轨带动滑块做直线运动。
进一步的，所述下肢外骨骼测试系统的所述驱动与传感组件1的固定底板10上设有控制器11，用于实现对驱动与传感器组件1的控制，其中，所述控制器11与步机电机6连接，并与所述的S型位拉力传感器7、拉线位移传感器8，驱动步进电机旋转，并采集S型位拉力传感器7、拉线位移传感器8的信号。
其中，所述的控制器11与中控箱5连接，所述的中控箱可以安装在支撑框架上。所述中控箱中安放电源与电机控制器，并且预留空间安放测试外骨骼控制器，收纳所有电路走线并集中供电。
其中，所述的支撑框架可以采用欧标铝型材切割，螺钉螺栓组装，安装简单，且有较强的可靠性和一定的可加工性。
进一步的，所述的支撑框架四个边角处可通过攻丝安装万向轮，方便搬运和移动。
其中，所述的悬挂支撑板3通过螺栓固定在支撑框架的上方，采用铝合金机加工成型，用于悬挂下肢外骨骼和仿人体下肢结构。
整个测试系统测试时，通过驱动与传感组件1中的驱动模块驱动仿人体下肢结构2进行仿人体步态运动，过驱动与传感组件1中的传感模块测试钢丝绳15的拉力和在滑台上的位移。
使用时，分两个步骤进行测试。第一步为先单独利用驱动与传感组件1中的步进电机6与丝杠滑台导轨9通过线管装置(包括钢丝绳15和钢丝绳线管16)带动仿人体下肢结构2(包括仿人体大腿12和仿人体小腿13)运动，模拟人体下肢步行运动。驱动与传感组件1中的S型位拉力传感器7和拉线位移传感器8将钢丝绳15的拉力F1与位移X测得，通过串口通讯将数据传入上位机。所述的上位机通过计算可以得到无外骨骼状态下驱动仿人体下肢结构2所做的功W1。第二步为将外骨骼安装到整个外骨骼测试系统中重复上述步骤，即可得到装配外骨骼后钢丝绳15的拉力F2与位移X。通过计算可以得到在装配外骨骼状态下驱动仿人体下肢结构2所做的功W2。通过比较可以对下肢外骨骼在重力抵消中的性能进行测试。
其中，未安装外骨骼时，步进电机对仿人体下肢结构所做的功为，
安装外骨骼时，步进电机对仿人体下肢结构所做的功为，
所以测试的外骨骼抵消重力的抵消效率η可由，
计算得出。
根据上述拉力、位移以及所做的功的测试数据绘制预测图如图6所示。图6中两阴影区域区域的差值即可作为为外骨骼的性能评价的重要参数。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种抵消重力下肢外骨骼的测试系统，其特征在于，包括支撑框架以及悬挂在所述支撑框架上的仿人体下肢结构，所述仿人体下肢结构的下肢运动涉及髋关节处屈伸和膝关节处屈伸两个自由度；所述支撑框架上设置两组驱动与传感器组件，每组所述驱动与传感器组件包括步进电机、丝杆滑台导轨、S型位拉力传感器、拉线位移传感器，所述驱动与传感器组件通过步进电机驱动的丝杆滑台导轨利用钢丝绳驱动仿人体下肢运动结构来模拟人体下肢运动，所述S型位拉力传感器以及拉线位移传感器固定于丝杠滑台导轨的滑块上，分别用于采集钢丝绳的承受牵引力以及测量滑块的位移。
2.根据权利要求1所述抵消重力下肢外骨骼的测试系统，其特征在于，所述钢丝绳的两端分别固定S型位拉力传感器以及所述仿人体下肢结构。
3.根据权利要求1所述抵消重力下肢外骨骼的测试系统，其特征在于，所述仿人体下肢结构包括过轴和轴承连接形成转动铰链接结构的仿人体大腿和仿人体小腿，采用尼龙材料一体加工成型或是采用3D打印技术使用树脂材料打印。
4.根据权利要求1所述抵消重力下肢外骨骼的测试系统与测试方法，其特征在于，所述钢丝绳外套装有钢丝绳线管，构成线管驱动系统。
5.根据权利要求1所述抵消重力下肢外骨骼的测试系统，其特征在于，所述的支撑框架四个边角处通过攻丝安装万向轮，方便搬运和移动。
6.根据权利要求1所述抵消重力下肢外骨骼的测试系统，其特征在于，所述支撑框架采用欧标铝型材切割，螺钉螺栓组,形成矩形状的框架结构。
7.根据权利要求1所述抵消重力下肢外骨骼的测试系统，其特征在于，所述仿人体下肢结构通过悬挂支撑板悬挂于所述支撑框架上，所述悬挂支撑板通过螺栓固定在撰述支撑框架的上方，采用铝合金机加工成型，用于悬挂下肢外骨骼和仿人体下肢结构。
8.一种权利要求1-7任一项所述抵消重力下肢外骨骼的测试系统的测试方法，步骤如下：
将仿人体下肢结构悬挂于支撑框架上，通过驱动与传感组件中的驱动模块仿人体下肢结构进行仿人体步态运动，通过驱动与传感组件中的传感模块测试钢丝绳的拉力和在滑台上的位移；
通过串口通讯将检测的数据传入上位机，所述的上位机通过计算得到无外骨骼状态下驱动仿人体下肢结构所做的功；
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通过比较无外骨骼状态下驱动仿人体下肢结构所做的功以及在装配下肢外骨骼状态下驱动仿人体下肢结构所做的功，对外骨骼在重力抵消中的性能进行测试。
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112370313B (zh) | 2022-11-22 |
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