CN113252328A - 一种外骨骼疲劳寿命测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种外骨骼疲劳寿命测试装置，其包括驱动机构和执行机构，所述驱动机构和所述执行机构相连接，其中，所述驱动机构用于向所述执行机构的运动提供动力；所述执行机构用于在所述驱动机构的驱动下，搭载外骨骼模拟关节的往复弯折运动，本发明的外骨骼疲劳寿命测试装置结构简单，实现了对关节外骨骼产品的综合疲劳寿命性能测试。

Description

一种外骨骼疲劳寿命测试装置

技术领域

本发明涉及外骨骼领域，特别是涉及一种外骨骼疲劳寿命测试装置。

背景技术

近年来，外骨骼的研究应用逐渐兴起，外骨骼是一类模仿人体生理构造、能被人穿戴、协同穿戴者运动同时辅助穿戴者的智能装置，他穿戴在操作者身体外部，为穿戴者提供支撑保护的同时，还可以为人体提供额外的动力和感知能力。其主要应用于医疗复健、工业生产、单兵作战等领域。

目前已公布的各种外骨骼系统有许多，其功能包括提高负重行走能力，重型物资搬运助力，人体腰部助力康复，人力上、下肢运行障碍康复等，其中关节外骨骼的研究经过几十年的发展，目前已日益成熟，并逐步向市场普及，其研究用途也由军事领域向民事领域延伸，但到目前为止，针对关节外骨骼，市场上并无有效的寿命测试装置。如果我们不清楚关节外骨骼的实际使用寿命，就无法对关节外骨骼产品进行精细化的市场管理。

目前的疲劳寿命试验大多对被测试装置械产品施加常规负载，试验周期长、耗资大，且一般采用定时截尾试验，无法获知机械产品的真实寿命。且现有的疲劳测试装置大多都针对于产品的单独关键零部件进行测试分析，并没有开展对产品综合疲劳寿命分析，另一方面，现有疲劳寿命测试装置结构复杂、测试范围有限，所以，目前急需一款关节外骨骼疲劳寿命测试装置可以有效的搭载现有的各种外骨骼开展疲劳测试。

因此，目前亟需一种可用于测试外骨骼疲劳寿命的测试装置。

发明内容

为一定程度上缓解或部分地解决上述技术问题，本发明提供一种外骨骼疲劳寿命测试装置，其结构简单，且可测试各种关节外骨骼的综合疲劳寿命。

本发明提供一种外骨骼疲劳寿命测试装置，其包括：驱动机构和执行机构；所述驱动机构和所述执行机构相连接，其中，所述驱动机构的输出端与所述执行机构的移动端相连，用于向所述执行机构的移动端提供动力，使得所述移动端向所述执行机构的固定端靠近/远离，从而搭载关节外骨骼模拟关节的往复弯折运动。

在本发明的一些示例性实施例中，所述驱动机构包括：驱动装置，例如，气缸，所述驱动装置的输出端与所述执行机构的移动端相连。

在本发明的一些示例性实施例中，所述驱动机构还包括：第一安装组件；所述第一安装组件以所述气缸能够稳定地向所述执行机构提供动力的方式固定所述气缸。

在本发明的一些示例性实施例中，所述执行机构包括：用于模拟关节往复弯折运动的关节模拟模块，以及用于向所述关节模拟模块提供运动路径的滑轨模块；其中，所述关节模拟模块的固定端固定安装在所述滑轨模块的一端，所述关节模拟模块的移动端与所述驱动机构的输出端相连，且可相对于所述滑轨模块滑动的方式安装在所述滑轨模块上；当所述驱动机构驱动所述关节模拟模块的移动端沿所述滑轨模块所提供的运动轨迹作往复滑动时，所述关节模拟模块带动所述关节外骨骼作往复弯折运动。

在本发明的一些示例性实施例中，所述关节模拟模块包括：铰接的第一连杆和第二连杆，以及与所述第一连杆的自由端铰接的第一连接块，与所述第二连杆的自由端铰接的第二连接块，其中，所述第二连接块固定安装在所述滑轨模块的一端；所述第一连接块与所述驱动机构的输出端相连，且以可相对于所述滑轨模块滑动的方式安装在所述滑轨模块上，用于在所述驱动机构的驱动下，带动所述第一连杆的自由端向靠近/远离所述第二连接块的方向往复运动，从而使得所述第一连杆和所述第二连杆作往复弯折运动。

在本发明的一些示例性实施例中，所述第一连杆与所述第一连接块之间的第一铰接节点、所述第二连杆与所述第二连接块之间的第二铰接节点，以及所述第一连杆和所述第二连杆之间的第三铰接节点中至少一个采用双转轴结构铰接，从而保证相应铰接节点不会发生方向偏移。

在本发明的一些示例性实施例中，所述关节模拟模块还包括：第二安装组件；所述第一连杆和所述第二连杆通过所述第二安装组件铰接；其中，所述第二安装组件包括：第一铰接端头和第二铰接端头；所述第一铰接端头的第一端与所述第一连杆的第一端(或铰接端)固定连接，所述第一铰接端头的第二端与所述第二铰接端头的第一端铰接，所述第二铰接端头的第二端与所述第二连杆的第一端(或铰接端)固定连接。

在本发明的一些示例性实施例中，所述第一连杆与所述第二连杆之间设有用于限制所述关节模拟模块的关节弯折角度的偏心结构。例如，分别在第一铰接端头和第二铰接端头上设置铰接偏心斜面和铰接限位斜面。

在本发明的一些示例性实施例中，所述关节弯折角度的范围为0°-180°；优选地，0°-130°。

在本发明的一些示例性实施例中，所述偏心结构包括：设置在所述第一连杆的铰接端的铰接偏心斜面，以及设置在所述第二连杆的铰接端的铰接限位斜面，其中，所述铰接偏心斜面与所述铰接限位斜面分别与所述第二连杆的铰接端和第一连杆的铰接端相配合，以限制所述第一连杆和所述第二连杆之间的关节弯折角度。

在本发明的一些示例性实施例中，所述第二铰接端头包括相对设置在所述第二连杆的第一端的一对子铰接端头；其中，两个子铰接端头的转轴上各自设置有一轴承，第一铰接端头上设置有可与所述轴承相配合的偏心轴承导槽；当所述一对子铰接端头与所述第一铰接端头通过转轴与偏心轴承配合铰接时，所述第一铰接端头和所述第二铰接端头可在0°-130°的角度范围内弯折。

在本发明的一些示例性实施例中，所述滑轨模块包括：用于向所述关节模拟模块提供运动轨迹的至少一条滑轨，所述执行机构的移动端，如第一连接块以可沿所述运动轨迹(例如直线状滑轨的长度方向)滑动的方式安装在所述滑轨上，且当所述移动端，如第一连接块在所述驱动机构的驱动下沿所述运动轨迹在所述滑轨上往复滑动时，所述第一连杆和所述第二连杆作往复弯折运动。

在本发明的一些示例性实施例中，所述移动端，如第一连接块的位移由所述第一连接块和所述第二连接块(即移动端和固定端)之间的最大距离，所述第一连杆和所述第二连杆各自的长度，以及所述第一连杆和所述第二连杆之间的关节弯折角度共同确定。

在本发明的一些示例性实施例中，所述滑轨模块还包括：设置在每根所述滑轨上的至少一组滑块组，其中，每组包括至少一个滑块，且所述至少一根滑轨上的所述至少一组滑块组之间通过至少一个连接板相连，所述连接板与所述第一连接块相连。当所述驱动机构驱动所述执行机构时，所述执行机构的移动端带动所述滑动件在所述滑轨上往复运动。

在本发明的一些示例性实施例中，为了保证往复弯折运动的稳定性，所述滑轨为两根，且每根滑轨上并列设置有一组滑块组；其中，每组包括至少一个滑块，且两组所述滑块组之间通过一个连接板相连，所述连接板与所述第一连接块相连。

在本发明的一些实施例中，为了便于直接获取移动端的位移，或者移动端与固定端之间的距离，所述滑轨上还设置有刻度。

在本发明的一些示例性实施例中，所述测试装置还包括：设置在所述驱动机构上的压力数据采集模块，用于实时监控所述驱动机构向所述执行机构输出的动力数据。

在本发明的一些示例性实施例中，所述压力数据采集模块包括：压力传感器，所述压力传感器安装在所述驱动机构上，用于实时监测所述驱动机构向所述执行机构提供的动力数据。

在本发明的一些示例性实施例中，所述压力数据采集模块还包括：用于连接所述压力传感器与所述驱动机构的连接套筒，所述连接套筒的两端分别与所述压力传感器的受力端和所述驱动机构的末端连接，例如，螺纹连接。

在本发明的一些示例性实施例中，所述压力数据采集模块还包括：用于固定安装所述压力传感器的第四安装组件，所述第四安装组件包括：末端顶块，所述末端顶块设置有末端顶块过孔，所述压力传感器的固定端插入所述末端顶块过孔，并通过螺母等固定件固定，即所述压力传感器的固定端与所述末端顶块固定连接。

在本发明的一些示例性实施例中，所述第四安装组件还包括：

用于防止所述压力传感器旋转滑移的传感器导程套筒，所述传感器导程套筒套设在所述压力传感器和所述连接套筒上。

在本发明的一些示例性实施例中，所述测试装置还包括：角度数据采集模块，所述角度数据采集模块设置在所述执行机构的移动端和/或固定端，用于实时监控所述执行机构中关节模拟模块的移动端和/或固定端转轴的旋转角度。

在本发明的一些示例性实施例中，所述角度数据采集模块包括：至少一个旋转角度采集装置，所述旋转角度采集装置与所述执行机构中的第一连杆和/或第二连杆的自由端同步转动设置，用于实时监控所述第一连杆或所述第二连杆作往复弯折运动时的旋转角度。

在本发明的一些示例性实施例中，所述旋转角度采集装置包括：角度传感器(或称编码器)，所述角度传感器的输出轴与所述执行机构中第二连杆的自由端以同步转动的方式连接。

在本发明的一些示例性实施例中，所述角度数据采集模块还包括：导向块和基座顶块，其中，所述基座顶块与所述第一连杆/所述第二连杆的自由端同轴转动连接，所述角度传感器通过所述导向块与所述基座顶块同轴转动连接。

在本发明的一些示例性实施例中，所述基座顶块与所述第二连杆的自由端之间采用花键配合。

在本发明的一些示例性实施例中，所述测试装置还包括：机架，所述机架包括：用于安装并支撑所述驱动机构的第一支撑架，以及用于安装所述执行机构的第二支撑架。其中，该第一支撑架和第二支撑架可相连，也可不相连。

在本发明的一些示例性实施例中，所述第一连接块的位移由所述第一连接块和所述第二连接块之间的最大距离，所述第一连杆和所述第二连杆各自的长度，以及所述第一连杆和所述第二连杆之间的关节弯折角度共同确定；或者，由所述第一连杆和所述第二连杆各自的长度，以及所述第一连杆和所述第二连杆之间的关节弯折角度共同确定。

在本发明的一些示例性实施例中，所述关节转矩T由所述驱动机构所提供的动力，所述第一连杆和所述第二连杆各自的长度，以及所述第一连杆和所述第二连杆之间的关节弯折角度确定。

有益效果

本发明提供的一种用于测试外骨骼疲劳寿命的测试装置，通过由驱动机构向执行机构提供驱动力，以驱动执行机构移动端向执行机构的固定端靠近/远离，以搭载各个外骨骼模拟关节的往复弯折运动，从而模拟实际工况中产生的疲劳损耗，相较于现有的只能够对整体装置，且需搭载负载的疲劳测试装置，其结构简单，制造成本更低，并且能够适应于各种产品中关键的关节外骨骼进行综合疲劳寿命测试。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1a是本发明一示例性实施例的疲劳测试装置的结构示意图；

图1b和图1c分别是本发明一示例性实施例的疲劳测试装置中的执行机构作往复弯折运动过程中关节处于不同关节弯折角度的结构示意图；

图2a是本发明一示例性实施例的疲劳测试装置的驱动机构和压力数据采集模块的爆炸图；

图2b是反映图2a中压力数据采集模块中传感器导程套筒的安装示意图；

图3a是本发明一示例性实施例的疲劳测试装置中的关节模拟模块的爆炸图；

图3b是本发明另一示例性实施例的疲劳测试装置的关节模拟模块中第三铰接节点中偏心结构示意图；

图3c是反映图3b中偏心结构分别与第一铰接端头和第二铰接端头相配合的示意图；

图3d是反映图3a中第一连接块与第一铰接块的爆炸图；

图3e是反映图3a中第二连接块与第二铰接块、角度数据采集模块的爆炸图；

图4是本发明一示例性实施例的疲劳测试装置的滑块模块的爆炸图；

图5是本发明另一示例性实施例的疲劳测试装置中机架的结构示意图；

图6a是反应本发明一示例性实施例的疲劳测试装置中执行机构的移动端处于初始位置时的示意图；

图6b是本发明一示例性实施例的疲劳测试装置中执行机构的移动端滑动一定以为X时的受力分析图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本文中，使用用于表示元件的诸如“装置”、“机构”或“组件”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“装置”、“机构”或“组件”可以混合地使用。

名词释义：

“关节外骨骼”：本文中的“关节外骨骼”是指在实际应用中，其可与人体关节(如肘关节或膝关节等)一样发生弯折运动的外骨骼，其可以是独立存在的产品，例如，可穿戴的膝关节外骨骼和肘关节外骨骼，或者，工业应用中的机械手臂等，也可以是某个外骨骼产品中的重要关节，例如用于辅助搬运的可穿戴外骨骼中的膝关节外骨骼等。

“固定端”：本文中的“固定端”是指一个设备或部件的一端被固定在其他设备或部件上，且即使在外力作用下，若整个装置不发生移动/位移，该设备或部件的一端都不会发生移动/位移。例如，关节模拟模块中，固定在机架上，且与第一连杆铰接的第一连接块(也即关节模拟模块/执行机构的固定端)。

“移动端”：本文中的“移动端”是相对于“固定端”来说的，其是指一个设备或部件的一端，并没有固定安装在其他设备或部件上，且其可在外力作用下相对于该固定端移动。例如，关节模拟模块中，可在滑轨模块上移动，且与第一连杆铰接的第二连接块(即执行机构的移动端)，其可在驱动机构的驱动下向靠近，或远离执行机构的固定端的方向移动。

“运动轨迹”：本文中的“运动轨迹”是指执行机构的移动端在驱动机构的驱动下，向执行机构固定端靠近或远离时的移动路径，其可采用直线状的滑轨来实现，也可以是曲线状的滑轨来实现，当然也可以按照关节外骨骼的实际情况设置该运动路径的形状。

实施例一

参见图1，为本发明一示例性实施例装置的结构示意图，具体地，本示例性实施例的测试装置包括：驱动机构200和执行机构100；其中，驱动机构200的输出端和执行机构100的移动端相连接，以用于向执行机构100的移动端提供动力，使得该移动端向该执行机构100的固定端靠近/远离，从而实现搭载外骨骼模拟关节的往复弯折运动，进而模拟实际工况中产生的疲劳损耗，参见图1b和图1c。

在一些实施例中，该驱动机构200包括动力装置，如气缸220(当然也可采用其他能够提供动力的装置)，具体地，该气缸220的输出端260与执行机构100的移动端相连。

在一些实施例中，为了保证驱动机构200工作的稳定性，该驱动机构200还包括：第一安装组件，用于固定该气缸220，使上述气缸220能够稳定地向上述执行机构100提供动力。具体地，参见图2a，该第一安装组件包括：气缸导程上盖240a和气缸导程下盖240b，且该气缸导程上盖240a和气缸导程下盖240b通过螺栓和螺母等固定件将气缸220的两端夹持在两者之间，并稳定固定在相应位置，从而使气缸220能够稳定向上述执行机构100的移动端提供动力。

参见图1a，在一些实施例中，上述执行机构100包括：用于模拟关节往复弯折运动的关节模拟模块110，以及用于向该关节模拟模块110提供运动路径的滑轨模块120；其中，该关节模拟模块110的固定端(也即执行机构100的固定端)固定安装在滑轨模块120的一端(具体地，该固定端可直接固定安装在该滑轨模块120上，或者，该固定端与该滑轨模块的一端保持一定的安全距离h，具体地，该h的大小至少能够保证当移动端最接近固定端时，关节转角不为0，从而以避免执行机构100的移动端与固定端过于靠近而导致难以再次伸展的情况)，而该关节模拟模块110的移动端与驱动机构200的输出端(如气缸220的输出端)相连，且以可相对于该滑轨模块120滑动的方式安装在该滑轨模块120上，使得该关节模拟模块110的移动端能在驱动机构200的驱动下，沿滑轨模块120所提供的运动轨迹作往复滑动，从而搭载关节外骨骼作往复弯折运动。

参见图3a，在一些实施例中，上述关节模拟模块110包括：第一连接块113、第二连接块114、第一连杆111和第二连杆112；其中，第一连接块113与驱动机构200的输出端(如气缸220的输出端260)相连，且该第一连接块113与第一连杆111的第二端(或自由端)1112铰接，第一连杆112的第一端(或铰接端)1114与第二连杆112的第一端(或铰接端)1124铰接，第二连杆112的第二端(或自由端)1122与第二连接块114铰接，且该第二连接块114固定安装在上述滑轨模块120的一端(具体地，该第二连接块112可直接固定安装在滑轨模块120的一端，或者固定安装在其他设备或部件上，例如机架或墙上等，并位于该滑轨模块120的一端，且其与滑轨模块120的一端保持一定的安全距离h)；

当驱动机构200向该第一连接块113提供动力时，该第一连接块113带动第一连杆111的第二端1112在滑轨模块120沿靠近/远离第二连接块114方向往复滑动，从而实现第一连杆111和第二连杆112作往复弯折运动，参见图1b和图1c，进而可搭载关节外骨骼作往复弯折运动，以模拟实际工况中产生的疲劳损耗；其中，该第一连接块113即为执行机构100的移动端，第二连接块114即为执行机构100的固定端。

参见图3a，在一些实施例中，上述第一连杆111和第二连杆112通过该第二安装组件铰接；具体地，该第二安装组件包括：第一铰接端头115和第二铰接端头116；其中，该第一铰接端头115的第一端1152与上述第一连杆111的第一端(或铰接端)1114固定连接(例如，通过螺钉和螺母等固定连接)，而该第一铰接端头115的第二端1154与该第二铰接端头116的第一端11612铰接，而该第二铰接端头116的第二端11614与上述第二连杆112的第一端(或铰接端)1124固定连接(例如，通过螺钉和螺母等固定连接)，即该第一连杆111和第二连杆112通过各自的铰接端固定设置的第一铰接端头115和第二铰接端头116铰接。

具体地，参见图3b，在一些实施例中，上述第二铰接端头116包括：相对设置(或对称设置)在上述第二连杆112的第一端(或铰接端)1124两侧的一对子铰接端头1161a、1161b，且该两个子铰接端头的第二端11614通过螺钉和螺母等固定件固定在第二连杆112的铰接端1124，而两个子铰接端头1161a、1161b的第一端11612相对的一侧分别设置有一第二转轴11613，且该第二转轴11613的两端分别设置一轴承11616(具体地，分别在两个子铰接端头1161a、1161b的第一端11612设置一个第一轴承导槽11615用以安装该轴承11616即可)；相应地，上述第一铰接端头115的第二端1154设置可供该第二转轴11613贯穿的偏心轴孔1153(即该轴孔的中心不在该第一铰接端头115的中心轴上)，且该偏心轴孔1153的内孔壁上分别对应于两个子铰接端头1161a、1161b的两侧对称设置有可与上述两个轴承11616相配合的两偏心轴承导槽1155。即当第一铰接端头115和第二铰接端头116相配合时，该第二铰接端头116上的两个第二转轴11613分别从该第一铰接端头115上的偏心轴孔1153两侧插入，而该两个子铰接端头1161a、1161b上的第一轴承导槽11615则分别与该第一铰接端头115上的两个偏心轴承导槽1155相连通形成用于安装布设在两个转轴11613上的轴承11616的安装槽，从而实现第一铰接端头115和第二铰接端头116之间的铰接，也即使得第一连杆111和第二连杆112之间的铰接。本实施例中，由于第二铰接端头116采用双转轴设计，保证了第一连杆111和第二连杆112铰接处的转动方向的准确性。

参见图3a，在一些实施例中，第一连杆111和第二连杆112通过第三安装组件分别与第一连接块113和第二连接块114铰接，该第三安装组件具体包括：第一铰接块117、第二铰接块118；其中，该第一铰接块117的第一端1172与第一连接块113铰接(具体地，该第一铰接块117和该第一连接块113之间也采用双转轴设计，例如，参见图3d，在该第一铰接块117的第一端1172开设一第三轴孔1173，并在该第三轴孔1173的内孔壁两侧对称设置第二轴承导槽1175，同时，在第一连接块113上对称设置的两侧第一侧壁1132上分别开设第二轴孔1131(两第二轴孔1131同轴/同心)，当将第一铰接块117与该第一连接块113相配合时，两个第一转轴1130分别贯穿各自对应的第二轴孔1131，并插入第一铰接块117上的第三轴孔1173，即两第一侧壁1132上的第二轴孔1131与第一铰接块117上的第三轴孔1173同心设置，相应地，每个第一转轴1130上的轴承1133则被安装该第一铰接块117上的第二轴承导槽1175内，并通过螺钉等将第一转轴1130锁紧，从而将第一连接块113和第一铰接块117的铰接)，该第一铰接块的第二端1174与第一连杆111的第二端(或自由端)1112固定连接(例如通过螺钉和螺母等固定在第一连杆111的自由端1112)，即该第一连杆111的自由端1112通过该第一铰接块117与第一连接块113铰接；同理，该第二铰接块118的第一端1182与上述第二连接块114铰接(具体地，该第二铰接块118和第二连接块114也采用双转轴设计，其原理相同，例如，参见图3e，在第二连接块114对称设置的两第二侧壁1140上分别开设一个轴孔1141，两个轴孔1141同轴/同心，同时，在第二铰接块118的第一端1182开设一第一轴孔1186，并在第一轴孔1186内壁两侧对称设置轴承导槽，然后将两个转轴分别从该第二连接块114两第二侧壁1140上的轴孔1141插入，并通过安装在第二铰接块118上的轴承导槽内的轴承安装，从而实现第二铰接块118和第二连接块114之间的铰接；当然，也可采用花键4602作为转轴，相应地，该第二铰接块118上设置花键过孔作为第一轴孔与该花键4602配合即可)，而第一铰接块117的第二端1174与第二连杆112的第二端(或自由端)1122固定连接，即该第二连杆112的自由端1122通过该第二铰接块118与第二连接块114铰接。

由上述可知，本实施例中，由于该第一连杆111与第一连接块113之间的第一铰接节点(即第一连接块113和第一铰接块117之间)、第一连杆111和第二连杆112之间的第三铰接节点(第一铰接端头115和第二铰接端头116之间)，以及第二连杆112与第二连接块114之间的第二铰接节点(第二连接块114和第二铰接块118之间)均采用了双转轴设计，因此，保证了这三个铰接节点所在平面垂直于水平面，从而一定程度上缓解或避免了执行机构100在做往复弯折运动过程中，任意一个铰接节点发生偏离，例如，第三铰接节点不会左右偏摆。

在另一些实施例中，上述第一铰接端头115也可与第一连杆111一体成型，相应地，第二铰接端头116也可与第二连杆112一体成型。

本实施例中，该第一连杆111和第二连杆112之间的关节弯折角度范围为0-180°。

进一步地，为了使得关节模拟模块的关节弯折角度符合人体关节的生理关节弯折角度(即0°-130°)，通过在第一铰接端头115与第二铰接端头116之间设有用于限制关节模拟模块的关节弯折角度的偏心结构。

参见图3b和图3c，在一些实施例中，上述偏心结构包括：设置在上述第一铰接端头115上的铰接偏心斜面1151(具体地，其包括与第二铰接端头116的第一端11612的相配合以限定关节的最小关节弯折角度的第一斜面1151a，以及与第二铰接端头116的第一端11612的相配合以限定关节的最大关节弯折角度的第二斜面1151b，且该第一斜面1151a和第二斜面1151b的延长线(图3b中虚线所示)与该第一铰接端头115的轴线I1各自呈一定的角度，参见图3b)，以及设置在上述第二铰接端头116上的铰接限位斜面11617，当第一铰接端头115和第二铰接端116相铰接后，上述铰接偏心斜面1151与该第二铰接端头116呈弧形或半圆状的第一端11612相配合(例如相切)，从而由该铰接偏心斜面1151限定第二铰接端头116转动的幅度；而上述铰接限位斜面11617则与第一铰接端头115呈弧形的偏心轴承导槽1155外轮廓相切，从而由该铰接限位斜面11617限定第一铰接端头115转动的幅度，也即是说，由该铰接偏心斜面1151和铰接限位斜面11617共同协作来限定第一连杆111和第二连杆112之间的关节弯折角度在0-130°之间。

当然，也可通过调整该铰接偏心斜面1151中第一斜面和第二斜面各自延长线与第一铰接端头115的轴线I1之间的夹角，以及铰接限位斜面11617的延长线(图3b中虚线所示)与第二铰接端头116的轴线I2之间的夹角，来调整关节的关节弯折角度(即第一铰接端头115和第二铰接端头116之间的关节弯折角度)的最大值和最小值，从而避免因关节弯折角度过大(例如，180°时)或过小(例如，0°时)而导致难以，甚至无法再次进行弯折的情况。

在另一些实施例中，上述铰接偏心斜面1151和铰接限位斜面11617也可直接分别设置在第一连杆111的铰接端和第二连杆112的铰接端上。

参见图4，在一些实施例中，滑轨模块120包括：用于向关节模拟模块110提供运动轨迹的至少一条滑轨122，执行机构100的移动端(也即与第一连杆111的自由端1112铰接的第一连接块113)以可沿该运动轨迹滑动的方式安装在该滑轨122上；从而使得当执行机构100的移动端(例如第一连接块113)在驱动机构200的驱动下，沿该滑轨122的长度方向(或称之为运动轨迹)在该滑轨122上往复滑动时，该执行机构100(也即第一连杆111和第二连杆112)作往复弯折运动。

在另一些实施例中，该滑轨模块还包括：以可沿滑轨122提供的运动轨迹滑动的方式安装在每根滑轨122上的至少一组滑块组，其中，每组包括至少一个滑块124，且滑块124与所述执行机构100的移动端(例如，与第一连接块113固定连接)相连。

参见图4，在一些具体实施例中，该滑轨模块120具体包括：两根滑轨122，且每根滑轨122上并列设置有两个滑块124(即一组滑块组)；进一步地，为了保证两根滑轨122上的两组滑块组的移动步调一致，还在两根滑轨122之间设置了一块连接板128，其两侧通过螺钉或螺母等固定件分别与两根滑轨122上的两个滑块124固定连接，并将执行机构100的移动端，如上述第一连接块113固定安装在该连接板128上，从而使得当该第一连接块113在驱动机构200的驱动下，带动该连接块128和滑块124在滑轨122上往复运动，从而实现执行机构100，或第一连杆111和第二连杆112之间的往复弯折运动。

参见图1a和图5，进一步地，为了保证测试装置的各装置部件能够稳定地协作，该测试装置还包括：机架500，其包括：第一支撑架502和第二支撑架504；其中，第一支撑架502用于固定安装驱动机构200，而该第二支撑架504用于固定安装执行机构100中的滑轨模块120；且该第一支撑架502和第二支撑架504以驱动机构200能够驱动所述执行机构100运动的方式相连。

在一些实施例中，参见图2a，上述驱动机构200中的气缸220通过上述气缸导程上盖240a和气缸导程下盖240b固定安装在上述第一支撑架502上，具体地，通过螺栓等将气缸220夹持在气缸导程上盖240a与气缸导程下盖240b之间，并固定在该第一支撑架502上。

在一些实施例中，参见图4，上述滑轨模块120中的滑轨122通过导轨基座126等固定件安装在上述第二支撑架504上，且上述第一连接块113通过滑块124等以可沿滑轨122提供的运动轨迹滑动的方式安装在该滑轨122上。

在一些实施例中，通过螺钉等紧固件将上述第二连接块114固定安装在该第二支撑架504上。进一步地，为了避免第一连接块113过于靠近第二连接块114而导致无法再次进行伸展，或增加伸展难度，该第二连接块114与该滑轨122的末端(即远离驱动机构200的一端)之间保持一定的安全距离h。

当然，该第一支撑架502和第二支撑架504之间也可根据实际需要将两者之间分开布设，即第一支撑架502和第二支撑架504不相连，只需要其能够保证驱动机构200可稳定地驱动该执行机构100作往复弯折运动即可。

实施例二

为了能够为关节外骨骼疲劳寿命的具体分析提供相应的分析数据，例如驱动机构200所提供的动力，本发明还提供了另一种测试装置，其除了包括上述实施例一中的各个部件(相同的部件，其附图标记及其工作原理相同，这里不再赘述)外，参见图2a，还包括：压力采集装置300，其设置在驱动机构200上，用户实时采集该驱动机构200向执行机构100输出的动力数据。

在一些实施例中，该压力采集装置300包括：压力传感器320，其中，压力传感器320安装在上述驱动机构200的一端，用于实时监测上述驱动机构200向执行机构100提供的压力的数据。

在一具体实施例中，参见图2a，为了安装固定上述压力传感器320，上述压力采集装置300还包括：用于连接压力传感器320与驱动机构200的连接套筒340，该连接套筒340的两端分别与压力传感器320的受力端320b和驱动机构200(如气缸220的末端2201)螺纹连接。

更进一步地，为了固定上述压力传感器320，上述压力采集装置300还包括：用于固定该压力传感器320的第四安装组件，具体地，该第四安装组件包括：末端顶块360，该末端顶块360设置有末端顶块过孔330，该压力传感器320的固定端320a插入该末端顶块过孔330，并由螺母等固定件固定在该末端顶块360上；相应地，该末端顶块360可通过螺钉和螺母等固定件固定在其它设备或部件或结构上，从而使得在往复弯折运动过程中，该压力传感器320不会受到影响而发送位移或偏移等。

在一些实施例中，参见图2a和图2b，通过螺钉等紧固件将上述末端顶块360安装在上述第一支撑架502上。

更进一步地，参见图2a和图2b，为了防止在往复弯折过程中，压力传感器320和连接套筒340旋转滑移，例如，压力传感器320和连接套筒340发生相对旋转从而出现松动的情况，该第四安装组件中还设置了一个用于防止压力传感器320和连接套筒340旋转滑移的传感器导程套筒380，其套设在该压力传感器320和连接套筒340上。

实施例三

为了能够为关节外骨骼疲劳寿命的具体分析提供相应的分析数据，例如，执行机构中关节的关节弯折角度(或称关节转角)(例如，第一连杆111和第二连杆112之间的角度θ)，本发明还提供了另一种测试装置，其除了包括上述实施例一或二中的各个部件(相同的部件，其附图标记及其工作原理相同，这里不再赘述)外，参见图3a和图3e，还包括：：设置在执行机构100固定端(例如，第二连接块114上)的角度数据采集装置400，用于实时监控执行机构100中关节模拟模块110的固定端的旋转角度变化，从而使得可根据该旋转角度计算得到执行机构100的关节弯折角度(或第一连杆111和第二连杆112之间的关节弯折角度)。

在一些实施例中，该角度数据采集装置包括：至少一个旋转角度采集装置，其与上述执行机构100中的第二连杆112的自由端同轴转动设置(具体地，该旋转角度采集装置与该第二连杆112自由端的第二铰接块118同轴转动设置)，用以实时采集往复弯折运动时，该第二连杆112的旋转角度(也即执行机构的固定端的转轴的转动角度)。

当然，在另一些实施例中，也可将该至少一个旋转角度采集装置设置在第一连杆111的自由端上，并于该第一连杆111自由端处的第一铰接块117同轴转动设备，用以实时采集往复弯折运动时，该第一连杆111的旋转角度(也即执行机构的移动端的转轴的旋转角度)。

当然，在另一些实施例中，还可同时在该第一连杆111的自由端和第二连杆112的自由端分别设置只是一个旋转角度采集装置，一同时采集执行机构100移动端和固定端的旋转角度，从而可直接计算得到执行机构100中关节的关节弯折角度。

在一些具体实施例中，参见图3a，该旋转角度采集装置包括：编码器(或角度传感器)420，该编码器420的输出轴与上述执行机构100中第二连杆112的第二端1122(或第二铰接块118)以同步转动连接。

具体地，上述角度采集装置还包括：基座顶块460和导向块440，其中，该基座顶块460与第二连杆112的自由端1122(或与第二铰接块118)同轴转动连接，而该编码器420的输出轴4201通过该导向块440与该基座顶块460同轴转动连接。

具体地，该基座顶块460包括：基座本体4601，该基座本体4601对应于第二连接块114的一侧设置有花键4602，相对的另一侧设置有可用于安装该导向块440的导向块安装槽4603；其中，且该花键4602通过轴承安装在第二连接块114上，并与第二铰接块118上设置的花键过孔花键配合，也即，该第二铰接块118与该第二连接块114通过花键配合来实现第二连杆112与第二连接块114之间的铰接，其中，该花键4602则作为第二连杆112的转轴；而编码器420的输出轴4201插入导向块440的中心孔4401，并于该基座本体4601上的花键4602同轴设置(即该编码器420的输出轴4201与该花键4602同轴安装)，从而使得编码器420的输出轴4201旋转角度与第二连杆112(或第二铰接块118)的旋转角度相同，从而读取到往复弯折运动过程中，该第二连杆112的旋转角度变化数值。

当然，在另一些实施例中，为了便于更快地获取到执行机构100的移动端，如第一连接块113在滑轨122上的位移，在执行机构的滑轨122上设置刻度尺，从而使得可直接从该刻度尺上读取到执行机构100的移动端的位移。

下面结合本示例性实施例的测试装置的工作原理进行进一步的说明：

初始状态时，执行机构100呈自然伸展状态(例如，关节模拟模块110中的第一连杆111和第二连杆112之间的关节弯折角度呈最大角度，(例如，130°，或参见图6a，关节弯折角度最大角度呈180°)，也即，执行机构100的移动端处于初始位置(即第一连接块113的位移X＝0)，且此时其与固定端之间的距离最大为X_max，参见图6b；此时，驱动机构200也并未向关节模拟模块110的移动端提供任何驱动力，同时，预先设置好驱动机构200中气缸220的各项参数，例如输出的作用力F大小；

然后，将可穿戴关节外骨骼设备穿戴在执行机构100的关节模拟模块110上，例如，分别将关节外骨骼的小腿连杆和大腿连杆分别搭载在关节模拟模块110的第一连杆111和第二连杆112上，其中，第一连杆111和第二连杆112之间的第三铰接节点对应于该关节外骨骼的膝关节；

当测试装置处于工作状态时，即驱动机构200向执行机构100的移动端提供相应的驱动力F，例如，气缸220向第一连接块113提供驱动力F，使得第一连接块133在滑轨122上向靠近/远离第二连接块114的方向往复运动，也即驱动关节模拟模块110进行往复弯折运动，从而搭载上述可穿戴关节外骨骼设备模拟关节的往复弯折运动，进而模拟实际工况中的疲劳损耗。

进一步地，为了便于分析关节外骨骼的疲劳寿命或者损耗，还通过在驱动机构200上设置压力传感器来实时记录气缸220的压力输出的作用力F大小(即关节模拟模块110的移动端受到的水平推力F的值)；同时，采用编码器/角度传感器420实时记录关节模拟模块110中第二连杆112旋转的角度变化值β，从而可根据所采集到的压力数据和角度数据进行分析得到外骨骼关节转角θ和关节转矩T，进而为疲劳分析提供可靠的分析数据，以综合判断外骨骼关重件疲劳损伤情况，具体地：

参见图6b，若以固定端或第二连接块114中转轴的中心(或固定端的中心)为原点，移动端向固定端远离的方向为x轴，以图中竖直方向为y轴建立坐标系，其中，A为第三铰接节点(或关节)，B为固定端，C为移动端，从而得到三角形ABC，且该三角形的两条边长L₁和L₂分别为第一连杆111和第二连杆112的长度，是已知的，而该三角形的第三条边长L为移动端和固定端之间的直线距离(即第一连接块113和第二连接块114之间的直线距离)，其随着移动端相对于移动端初始位置所移动的直线位移X变化而变化，即L＝X_max-X。

参见图6a和图6b，当关节转角θ＝180°时，X_max＝L₁+L₂(1)，其中，X_max为移动端所移动的最大直线位移；

当第一连接块113处于滑动状态时，则根据余弦定理有：

同时，根据正弦定理有：

因此，

移动端的直线位移

即移动端的(直线)位移是由移动端和固定端之间的最大距离，第一连杆和第二连杆112各自的长度以及两个连杆之间的关节弯折角度共同确定；或者，进一步简化为该移动端的位移由第一连杆和第二连杆各自的长度以及两个连杆之间的关节弯折角度共同确定。

另外，由上述公式(1)、(2)、(3)可得：

由上述公式(4)可知，当知晓第二连杆112的旋转角度β、第一连杆111的长度L₁和第二连杆112的长度L₂时，即可计算得到关节转角θ(也即第一连杆111和第二连杆112之间的弯折角度)。

众所周知，转矩为作用力与力臂之乘积，因此，该关节转矩T为：

T＝F'×L₁ (5)。

其中，F’为气缸220提供的水平推力F沿第一连杆111的法向(即垂直于第一连杆111轴向的方向)推力，即：

F'＝F×sin(180°-θ-β) (6)，则将该公式(6)代入上述公式(5)得到：

T＝F×sin(180°-θ-β)×L₁ (7)；

根据正弦定理：

则将该公式(8)代入上述公式(7)可得到：

由此可知，关节转矩T由所述驱动机构所提供的动力F，第一连杆111和第二连杆112各自的长度L1、L2，以及两个连杆之间的关节弯折角度θ确定，也即通过上述方程(9)即可实时监测可穿戴外骨骼关节(关节模拟模块110的第一连杆和第二连杆铰接处)转矩的变化，从而为疲劳寿命测试分析提供分析数据。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (24)

1.一种外骨骼疲劳寿命测试装置，其特征在于，所述测试装置包括：驱动机构和执行机构；其中，

所述驱动机构的输出端与所述执行机构的移动端相连，用于向所述执行机构的移动端提供动力，使得所述移动端向所述执行机构的固定端靠近/远离，从而搭载关节外骨骼模拟关节的往复弯折运动。

2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，还包括：设置在所述驱动机构上的压力数据采集模块，用于实时监控所述驱动机构向所述执行机构输出的动力数据。

3.根据权利要求1或2所述的测试装置，其特征在于，还包括：设置在所述执行机构固定端的角度数据采集模块，所述角度数据采集模块用于实时监控所述执行机构作往复弯折运动时，所述执行机构固定端的旋转角度。

4.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述执行机构包括：用于模拟关节往复弯折运动的关节模拟模块，以及用于向所述关节模拟模块提供运动路径的滑轨模块；其中，

所述关节模拟模块的固定端固定安装在所述滑轨模块的一端，所述关节模拟模块的移动端与所述驱动机构的输出端相连，且以可相对于所述滑轨模块滑动的方式安装在所述滑轨模块上；

当所述驱动机构驱动所述关节模拟模块的移动端沿所述滑轨模块所提供的运动轨迹作往复滑动时，所述关节模拟模块带动所述关节外骨骼作往复弯折运动。

5.根据权利要求4所述的测试装置，其特征在于，所述关节模拟模块包括：铰接的第一连杆和第二连杆，以及与所述第一连杆的自由端铰接的第一连接块，与所述第二连杆的自由端铰接的第二连接块，其中，

所述第二连接块固定安装在所述滑轨模块的一端；

所述第一连接块与所述驱动机构的输出端相连，且以可相对于所述滑轨模块滑动的方式安装在所述滑轨模块上，用于在所述驱动机构的驱动下，带动所述第一连杆的自由端向靠近/远离所述第二连接块的方向往复运动，从而使得所述第一连杆和所述第二连杆作往复弯折运动。

6.根据权利要求5所述的测试装置，其特征在于，所述第一连杆与所述第一连接块之间的第一铰接节点、所述第二连杆与所述第二连接块之间的第二铰接节点，以及所述第一连杆和所述第二连杆之间的第三铰接节点中至少一个采用双转轴结构铰接。

7.根据权利要求6所述的测试装置，其特征在于，所述第一连杆和所述第二连杆之间采用偏心结构进行铰接，用于限定所述第一连杆和所述第二连杆作往复运动时的关节弯折角度，同时避免发生反向弯折。

8.根据权利要求7所述的测试装置，其特征在于，所述关节弯折角度的范围为0°-180°。

9.根据权利要求8所述的测试装置，其特征在于，所述关节弯折角度的范围为0°-130°。

10.根据权利要求7所述的测试装置，其特征在于，所述偏心结构包括：设置在所述第一连杆的铰接端的铰接偏心斜面，以及设置在所述第二连杆的铰接端的铰接限位斜面，其中，所述铰接偏心斜面与所述铰接限位斜面分别与所述第二连杆的铰接端和第一连杆的铰接端相配合，以限制所述第一连杆和所述第二连杆之间的所述关节弯折角度。

11.根据权利要求5所述的测试装置，其特征在于，所述滑轨模块包括：用于向所述关节模拟模块提供运动轨迹的至少一条滑轨，所述第一连接块以可沿所述滑轨提供的运动轨迹滑动的方式安装在所述滑轨上，且当所述第一连接块在所述驱动机构的驱动下沿所述运动轨迹在所述滑轨上往复滑动时，所述第一连杆和所述第二连杆作往复弯折运动。

12.根据权利要求11所述的测试装置，其特征在于，所述滑轨模块还包括：设置在每条所述滑轨上的至少一组滑块组，其中，每组包括至少一个滑块，且所述至少一条滑轨上的所述至少一组滑块组之间通过至少一个连接板相连，所述连接板与所述第一连接块相连。

13.根据权利要求12所述的测试装置，其特征在于，所述滑轨为两条，且每条滑轨上并列设置有一组滑块组；其中，每组包括至少一个滑块，且两组所述滑块组之间通过一个连接板相连，所述连接板与所述第一连接块相连。

14.根据权利要求11所述的测试装置，其特征在于，所述滑轨上设置有刻度，用于测量所述执行机构的移动端的位移。

15.根据权利要求2所述的测试装置，其特征在于，所述压力数据采集模块包括：压力传感器和连接套筒，其中，所述压力传感器的固定端固定安装，受力端通过所述连接套筒与所述驱动机构的末端相连，用于实时监测所述执行机构作往复弯折运动时，所述驱动机构所提供的动力。

16.根据权利要求15所述的测试装置，其特征在于，所述压力数据采集模块还包括：固定安装的末端顶块，所述压力传感器的固定端与所述末端顶块固定连接。

17.根据权利要求16所述的测试装置，其特征在于，所述压力数据采集模块还包括：用于防止所述压力传感器旋转滑移的传感器导程套筒，所述传感器导程套筒套设在所述压力传感器和所述连接套筒上。

18.根据权利要求3所述的测试装置，其特征在于，所述角度数据采集模块包括：至少一个旋转角度采集装置，所述旋转角度采集装置与所述执行机构中的第一连杆和/或第二连杆的自由端同轴转动设置，用于实时监控所述第一连杆或所述第二连杆作往复弯折运动时的旋转角度。

19.根据权利要求18所述的测试装置，其特征在于，所述旋转角度采集装置包括角度传感器。

20.根据权利要求19所述的测试装置，其特征在于，所述角度数据采集模块还包括：导向块和基座顶块，其中，所述基座顶块与所述第一连杆/所述第二连杆的自由端同轴转动连接，所述角度传感器通过所述导向块与所述基座顶块同轴转动连接。

21.根据权利要求20所述的测试装置，其特征在于，所述基座顶块与所述第二连杆的自由端之间采用花键配合。

22.根据权利要求1至21中任一所述的测试装置，其特征在于，所述测试装置还包括：机架，所述机架包括：用于安装并支撑所述驱动机构的第一支撑架，以及用于安装所述执行机构的第二支撑架。

23.根据权利要求5至21中任一所述的测试装置，其特征在于，

所述第一连接块的位移由所述第一连接块和所述第二连接块之间的最大距离，所述第一连杆和所述第二连杆各自的长度，以及所述第一连杆和所述第二连杆之间的关节弯折角度共同确定；或者，由所述第一连杆和所述第二连杆各自的长度，以及所述第一连杆和所述第二连杆之间的关节弯折角度共同确定。

24.根据权利要求5至21中任一所述的测试装置，其特征在于，

所述关节转矩T由所述驱动机构所提供的动力，所述第一连杆和所述第二连杆各自的长度，以及所述第一连杆和所述第二连杆之间的关节弯折角度确定。

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