CN115519582A - 用于膝关节外骨骼测试用腿部模拟运动台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于膝关节外骨骼测试用腿部模拟运动台，属于外骨骼的测试领域；包括台架、腰部模拟结构、2个大腿模拟结构、2个大腿驱动机构、2个小腿模拟结构和2个小腿驱动机构；腰部模拟结构固定安装在台架横梁的下表面；2个大腿模拟结构对称安装在腰部模拟结构的底端；每个大腿模拟结构与腰部模拟结构的对接处安装一个大腿驱动机构；每个大腿模拟结构的底部对应竖直安装1个小腿模拟结构；每个小腿模拟结构与大腿模拟结构的对接处安装一个小腿驱动机构；通过小腿驱动机构驱动对应小腿模拟结构相对于大腿模拟结构旋转；本发明应用于外骨骼产品化的测试机构，主要用于模拟人体下肢运动，对外骨骼进行长时间耐久测试，硬件疲劳测试等。
Description
技术领域
本发明属于外骨骼的测试领域，涉及用于膝关节外骨骼测试用腿部模拟运动台。
背景技术
轻负载助力型外骨骼，作为一种新型外骨骼以更高的机动性和更小的能量消耗逐渐受到各方的关注和研究。相比于传统的重载型外骨骼对于人体四肢提供全面的助力，轻负载助力外骨骼大多针对某个或某几个特定关节提供助力。
膝关节助力外骨骼作为一种特殊关节的轻负载外骨骼，可以为穿戴者在行走和攀登楼梯过程中提供助力。行走和上楼梯过程作为人类腿部行走主要面对情况，可以作为参考近似模拟人类大部分腿部活动情况。膝关节外骨骼未来可以应用于助老助残、野外行军、登山探险、消防救援。
目前随着外骨骼技术的快速发展，逐步形成了各种类型的主动助力外骨骼，随着外骨骼技术的逐步成熟，企业开始了从技术到产品的转化。在研发过程中，对于外骨骼的测试主要依靠于试验者亲自穿着测试，但这种测试方法需要大量的人力资源，且长时间的测试可能对人体造成负担，所以在外骨骼的规模化生产中需要设计一个外骨骼性能测试设备，目前在外骨骼的测试设备这一领域还存在大量空白。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出用于膝关节外骨骼测试用腿部模拟运动台，应用于外骨骼产品化的测试机构，主要用于模拟人体下肢运动，对外骨骼进行长时间耐久测试，硬件疲劳测试等。
本发明解决技术的方案是：
用于膝关节外骨骼测试用腿部模拟运动台，包括台架、腰部模拟结构、2个大腿模拟结构、2个大腿驱动机构、2个小腿模拟结构和2个小腿驱动机构；其中，台架为竖直放置的矩形框架结构；腰部模拟结构固定安装在台架横梁的下表面；2个大腿模拟结构对称安装在腰部模拟结构的底端；每个大腿模拟结构与腰部模拟结构的对接处安装一个大腿驱动机构；通过大腿驱动机构驱动对应大腿模拟结构相对于腰部模拟结构旋转；每个大腿模拟结构的底部对应竖直安装1个小腿模拟结构；每个小腿模拟结构与大腿模拟结构的对接处安装一个小腿驱动机构；通过小腿驱动机构驱动对应小腿模拟结构相对于大腿模拟结构旋转。
在上述的用于膝关节外骨骼测试用腿部模拟运动台，所述腰部模拟结构为倒置U形结构；2个大腿模拟结构分别竖直安装在U形腰部模拟结构开口对应的2个内侧壁处；2个大腿驱动机构分别安装在U形腰部模拟结构开口外侧壁处；每个大腿驱动机构的输出轴与对应的1个大腿模拟结构固连。
在上述的用于膝关节外骨骼测试用腿部模拟运动台，所述2个小腿模拟结构分别竖直安装在2个大腿模拟结构的底端外侧壁处；2个小腿驱动机构对应设置在2个大腿模拟结构的内侧壁处，每个小腿驱动机构的输出轴与对应的1个小腿模拟结构固连。
在上述的用于膝关节外骨骼测试用腿部模拟运动台，腿部模拟运动台的工作过程为：
外部上位机向腿部模拟运动台发送人体运动数据，2个大腿驱动机构和2个小腿驱动机构分别驱动2个大腿模拟结构和2个小腿驱动机构按照人体运动数据模拟人体运动。
在上述的用于膝关节外骨骼测试用腿部模拟运动台，所述人体运动数据包括行走模式、奔跑模式、上楼梯模式和下楼梯模式；每个模式中的数据均包括速度、加速度、方向变化、目标角度。
在上述的用于膝关节外骨骼测试用腿部模拟运动台，大腿模拟结构与小腿模拟结构均竖直成直线时定义为0°；人朝向方向定义为正，人背向方向定义为负方向；模拟的角度范围为：
小腿模拟结构相对于大腿模拟结构的转动角度为10°至-145°；大腿模拟结构相对于腰部模拟结构的转动角度为40°至-145°。
在上述的用于膝关节外骨骼测试用腿部模拟运动台，在2个大腿模拟结构和2个小腿模拟结构的表面分别安装1个惯性传感器，实现对大腿模拟结构和小腿模拟结构速度、加速度、方向变化的实时测量。
在上述的用于膝关节外骨骼测试用腿部模拟运动台，在每个小腿模拟结构与大腿模拟结构的对接处，即膝关节处，分别安装1个扭矩传感器，实现对小腿模拟结构与大腿模拟结构之间扭矩的实时测量。
在上述的用于膝关节外骨骼测试用腿部模拟运动台，在2个大腿模拟结构和2个小腿模拟结构正向分别安装1个角度传感器，实现对摆动角的实时测量。
在上述的用于膝关节外骨骼测试用腿部模拟运动台，惯性传感器测量大腿模拟结构和小腿模拟结构模拟人体运动时的速度、加速度、方向变化；角度传感器测量大腿模拟结构和小腿模拟结构的摆动角；将测量数据与外部上位机传来的人体运动数据进行对比，当误差小于5％时，判断模拟运动台的模拟效果好；否则，对小腿驱动机构和大腿驱动机构的输出进行调整，直至测量数据与人体运动数据的误差小于5％。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明根据人体真实数据复现人体下肢运动，可以以单个人体步态周期运动数据或大段连续动作运动数据循环工作，采用位置控制方法，尽可能模拟人体运动方式；
(2)本发明由上位机控制，上位机为本发明提供运动学数据，本发明将运动学数据转换为位置控制目标，在本发明工作时，可以实时存储自身的运动数据，同时可以将数据回传给上位机。在上位机给膝关节外骨骼提供助力指令时，也会同时给本发明提供一个指令用于标定采集数据的时间戳，方便与外骨骼自身数据进行对比分析。
附图说明
图1为本发明腿部模拟运动台结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明提供了一种用于膝关节外骨骼测试用腿部模拟运动台，用于模拟人体下肢运动，目的在于提供一种模拟人体腿部在矢状面的运动状态的机构，模拟人体下肢做长时间运动，在模拟腿部机构运动过程中，上位机根据自身提供给腿部模拟运动台的运动学数据给外骨骼提供指令让外骨骼输出力矩，对外骨骼进行长时间耐久测试，硬件疲劳测试等。
腿部模拟运动台，如图1所示，具体包括台架5、腰部模拟结构6、2个大腿模拟结构3、2个大腿驱动机构2、2个小腿模拟结构4和2个小腿驱动机构1；其中，台架5为竖直放置的矩形框架结构；腰部模拟结构6固定安装在台架5横梁的下表面；2个大腿模拟结构3对称安装在腰部模拟结构6的底端；每个大腿模拟结构3与腰部模拟结构6的对接处安装一个大腿驱动机构2；通过大腿驱动机构2驱动对应大腿模拟结构3相对于腰部模拟结构6旋转；每个大腿模拟结构3的底部对应竖直安装1个小腿模拟结构4；每个小腿模拟结构4与大腿模拟结构3的对接处安装一个小腿驱动机构1；通过小腿驱动机构1驱动对应小腿模拟结构4相对于大腿模拟结构3旋转。
具体的，腰部模拟结构6为倒置U形结构；2个大腿模拟结构3分别竖直安装在U形腰部模拟结构6开口对应的2个内侧壁处；2个大腿驱动机构2分别安装在U形腰部模拟结构6开口外侧壁处；每个大腿驱动机构2的输出轴与对应的1个大腿模拟结构3固连。
2个小腿模拟结构4分别竖直安装在2个大腿模拟结构3的底端外侧壁处；2个小腿驱动机构1对应设置在2个大腿模拟结构3的内侧壁处，每个小腿驱动机构1的输出轴与对应的1个小腿模拟结构4固连。
腿部模拟运动台的工作过程为：
外部上位机向腿部模拟运动台发送人体运动数据，人体运动数据包括行走模式、奔跑模式、上楼梯模式和下楼梯模式；每个模式中的数据均包括速度、加速度、方向变化、目标角度。2个大腿驱动机构2和2个小腿驱动机构1分别驱动2个大腿模拟结构3和2个小腿驱动机构1按照人体运动数据模拟人体运动。
在进行模拟人体运动时，大腿模拟结构3与小腿模拟结构4均竖直成直线时定义为0°；人朝向方向定义为正，人背向方向定义为负方向；模拟的角度范围为：
小腿模拟结构4相对于大腿模拟结构3的转动角度为10°至-145°；大腿模拟结构3相对于腰部模拟结构6的转动角度为40°至-145°。
在2个大腿模拟结构3和2个小腿模拟结构4的表面分别安装1个惯性传感器，实现对大腿模拟结构3和小腿模拟结构4速度、加速度、方向变化的实时测量。在每个小腿模拟结构4与大腿模拟结构3的对接处，即膝关节处，分别安装1个扭矩传感器，实现对小腿模拟结构4与大腿模拟结构3之间扭矩的实时测量。在2个大腿模拟结构3和2个小腿模拟结构4正向分别安装1个角度传感器，实现对摆动角的实时测量。
传感器用途：
惯性传感器和角度传感器：腿部模拟运动台主要用于模拟人体运动。在腿部模拟机构上安装的惯性传感器主要用于采集速度、加速度、方向变化，在模拟人体运动时，外骨骼和腿部模拟机构不发生相对运动，所以传感器会获得相似的数据，在腿部模拟机构上会应用更准确更稳定的传感器。
扭矩传感器主要用于测量在模拟人体运动过程中施加给腿部模拟机构的力矩。
惯性传感器测量大腿模拟结构3和小腿模拟结构4模拟人体运动时的速度、加速度、方向变化；角度传感器测量大腿模拟结构3和小腿模拟结构4的摆动角；将测量数据与外部上位机传来的人体运动数据进行对比，当误差小于5％时，判断模拟运动台的模拟效果好；否则，对小腿驱动机构1和大腿驱动机构2的输出进行调整，直至测量数据与人体运动数据的误差小于5％。
本发明可以根据人体真实数据复现人体下肢运动，可以以单个人体步态周期运动数据或大段连续动作运动数据循环工作，采用位置控制方法，尽可能模拟人体运动方式。在本发明工作时，可以实时存储自身的运动数据，同时可以将数据回传给上位机。在上位机给膝关节外骨骼提供助力指令时，也会同时给本发明提供一个指令用于标定采集数据的时间戳，方便与人体运动数据进行对比分析。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.用于膝关节外骨骼测试用腿部模拟运动台，其特征在于：包括台架(5)、腰部模拟结构(6)、2个大腿模拟结构(3)、2个大腿驱动机构(2)、2个小腿模拟结构(4)和2个小腿驱动机构(1)；其中，台架(5)为竖直放置的矩形框架结构；腰部模拟结构(6)固定安装在台架(5)横梁的下表面；2个大腿模拟结构(3)对称安装在腰部模拟结构(6)的底端；每个大腿模拟结构(3)与腰部模拟结构(6)的对接处安装一个大腿驱动机构(2)；通过大腿驱动机构(2)驱动对应大腿模拟结构(3)相对于腰部模拟结构(6)旋转；每个大腿模拟结构(3)的底部对应竖直安装1个小腿模拟结构(4)；每个小腿模拟结构(4)与大腿模拟结构(3)的对接处安装一个小腿驱动机构(1)；通过小腿驱动机构(1)驱动对应小腿模拟结构(4)相对于大腿模拟结构(3)旋转。
2.根据权利要求1所述的用于膝关节外骨骼测试用腿部模拟运动台，其特征在于：所述腰部模拟结构(6)为倒置U形结构；2个大腿模拟结构(3)分别竖直安装在U形腰部模拟结构(6)开口对应的2个内侧壁处；2个大腿驱动机构(2)分别安装在U形腰部模拟结构(6)开口外侧壁处；每个大腿驱动机构(2)的输出轴与对应的1个大腿模拟结构(3)固连。
3.根据权利要求1所述的用于膝关节外骨骼测试用腿部模拟运动台，其特征在于：所述2个小腿模拟结构(4)分别竖直安装在2个大腿模拟结构(3)的底端外侧壁处；2个小腿驱动机构(1)对应设置在2个大腿模拟结构(3)的内侧壁处，每个小腿驱动机构(1)的输出轴与对应的1个小腿模拟结构(4)固连。
4.根据权利要求1所述的用于膝关节外骨骼测试用腿部模拟运动台，其特征在于：腿部模拟运动台的工作过程为：
外部上位机向腿部模拟运动台发送人体运动数据，2个大腿驱动机构(2)和2个小腿驱动机构(1)分别驱动2个大腿模拟结构(3)和2个小腿驱动机构(1)按照人体运动数据模拟人体运动。
5.根据权利要求4所述的用于膝关节外骨骼测试用腿部模拟运动台，其特征在于：所述人体运动数据包括行走模式、奔跑模式、上楼梯模式和下楼梯模式；每个模式中的数据均包括速度、加速度、方向变化、目标角度。
6.根据权利要求5所述的用于膝关节外骨骼测试用腿部模拟运动台，其特征在于：大腿模拟结构(3)与小腿模拟结构(4)均竖直成直线时定义为0°；人朝向方向定义为正，人背向方向定义为负方向；模拟的角度范围为：
小腿模拟结构(4)相对于大腿模拟结构(3)的转动角度为10°至-145°；大腿模拟结构(3)相对于腰部模拟结构(6)的转动角度为40°至-145°。
7.根据权利要求6所述的用于膝关节外骨骼测试用腿部模拟运动台，其特征在于：在2个大腿模拟结构(3)和2个小腿模拟结构(4)的表面分别安装1个惯性传感器，实现对大腿模拟结构(3)和小腿模拟结构(4)速度、加速度、方向变化的实时测量。
8.根据权利要求7所述的用于膝关节外骨骼测试用腿部模拟运动台，其特征在于：在每个小腿模拟结构(4)与大腿模拟结构(3)的对接处，即膝关节处，分别安装1个扭矩传感器，实现对小腿模拟结构(4)与大腿模拟结构(3)之间扭矩的实时测量。
9.根据权利要求8所述的用于膝关节外骨骼测试用腿部模拟运动台，其特征在于：在2个大腿模拟结构(3)和2个小腿模拟结构(4)正向分别安装1个角度传感器，实现对摆动角的实时测量。
10.根据权利要求9所述的用于膝关节外骨骼测试用腿部模拟运动台，其特征在于：惯性传感器测量大腿模拟结构(3)和小腿模拟结构(4)模拟人体运动时的速度、加速度、方向变化；角度传感器测量大腿模拟结构(3)和小腿模拟结构(4)的摆动角；将测量数据与外部上位机传来的人体运动数据进行对比，当误差小于5％时，判断模拟运动台的模拟效果好；否则，对小腿驱动机构(1)和大腿驱动机构(2)的输出进行调整，直至测量数据与人体运动数据的误差小于5％。
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