CN203520744U - 足踝万向加载装置 - Google Patents

Abstract

一种足踝万向加载装置，属医学领域。其包括依次连接的第一、第二和第三转动组件，其第一转动组件为矢状面转动组件，第二转动组件为冠状面转动组件，第三转动组件为水平面转动组件；第一转动组件包括实验样本固定平板和第一U字型支架；第二转动组件包括第二U字型支架；第三转动组件包括第三U字型支架；其实验样本固定平板经第一转轴与第一U字型支架连接；第一、第二U字型支架之间固定连接；第二U字型支架经第二转轴与第三U字型支架连接；第三转动组件经夹头连接棒固定在力学实验机的夹头基座上。其为足踝离体标本实验提供六个自由度的、完全符合实际情况的外力加载，能真实的模拟在各个不同姿态下踝关节以及全足对来自胫骨重力的力学响应。

Description

足踝万向加载装置

技术领域

本实用新型属于医学领域，尤其涉及一种用于模拟正常人踝关节六个自由度运动形式的实验装置。

背景技术

足踝生物力学是近年来骨科学与康复医学的研究重点。

正常的人足踝关节具有三个方向的旋转自由度，为了模拟正常人踝关节的跖屈、背伸、内旋、外旋、内翻、外翻六个自由度的单独或复合运动形式，在进行足踝离体标本实验时，需要一套可以模拟足踝跖屈背伸、内旋外旋、内翻外翻这三个自由度的加载装置，以便模拟在各个不同姿态下，踝关节以及全足对来自胫骨的重力的力学响应。

根据关节运动轴心数量或自由度大小，人体关节可以分为：

(1)单轴关节：此类关节只有1个自由度，只能环绕1个运动轴在1个水平面上运动。如指间关节、肱尺关节等；

(2)双轴关节：此类关节有两个自由度，可围绕两个互相垂直的运动轴；并在两个平面上运动，例如拇指的腕掌关节，可作屈伸及内收外展运动及环转运动；

(3)三轴关节：此类关节有三个自由度，即可在3个互相垂直的运动轴上，作屈伸、内收外展、旋转、环转等多方向的运动。包括球窝关节，如肩关节；杵臼关节，如髋关节；平面关节，如肩锁关节、腕骨和跖骨间诸关节。

现有的人足踝关节实验装置，都只能满足一个或数个自由度的调节，无法同时实现全自由度的调节，使得现有的模拟实验不能真正实现六个自由度的复合运动，给足踝关节的生物力学实验和测试带来一定的困难。

授权公告日为2004年5月12日，授权公告号为CN2614651Y的中国实用新型专利中，公开了一种“万向足踝装置”，包含一个固定座，连结在脚底单元上，其所述固定座具有一个顶面、一条垂直所述顶面的轴线，以及一个对应所述轴线且设置在所述顶面上的枢接部；还包括一个枢接件，沿轴线延伸设置且连结在所述下肢杆的底端部，并具有一呈可活动枢设在所述枢接部上的枢转部，所述枢转部与所述枢接部呈凹凸互补。很明显，该技术方案适用于人工假肢，不适于对足踝离体标本进行测试和实验。

公布日为2012年8月1日，公布号为CN102622936A的中国发明专利申请，公开了一种“并联式六自由度步态模拟的实验装置”，包括带可调测力板安装高度装置及肌腱驱动装置的框架、六杆并联机构和串联加载装置，可调测力板安装高度装置是安装在框架下平台面上，由4个丝杠、4个下螺母、4个上螺母和2条测力板安装架组成，肌腱驱动装置由电机、联轴器、减速齿轮组、链轮及链条组成，六杆并联机构由定平台、动平台、12组虎克铰链和6条相同的运动支链组成，串联加载装置由固定于动平台上的液压缸以及由能沿滑槽滑动的导轨固定轴、力传感器、带分度盘的胫骨连接轴的轴系组成。该技术方案能模拟加载轴系所固定的胫骨的六自由度运动，还能对胫骨轴向加载力(比如重力或微重力等)，能较好地用于足踝动力学研究。该实验装置具有六自由度运动能力，包括前后迈步的前后平移、拔脚和踩地的上下平移、形成步宽所需的左右平移等三个方向的平移及小腿的外展和内收、内外翻和屈伸等三个方向的旋转。其是用机械结构来模拟人体小腿胫骨的实际动作过程，不能体现人足踝关节的实际运动特性，依然无法适用于对足踝离体标本进行相关实验和模拟外力加载。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种足踝万向加载装置，其采用三组复合结构，可同时实现水平方向、冠状面和矢状面的旋转，可以对足踝关节提供六个自由度的单独或复合运动形式的外部力学加载，为足踝离体标本实验提供完全符合实际情况的外力加载，以便更加真实的模拟在各个不同姿态下，踝关节以及全足对来自胫骨的重力的力学响应。

本实用新型的技术方案是：提供一种足踝万向加载装置，其特征是：所述的加载装置至少包括依次连接的第一转动组件、第二转动组件和第三转动组件，其中，所述的第一转动组件为矢状面转动组件；所述的第二转动组件为冠状面转动组件；所述的第三转动组件为水平面转动组件；其中，所述的第一转动组件至少包括实验样本固定平板和第一U字型支架；所述的第二转动组件至少包括第二U字型支架；所述的第三转动组件至少包括第三U字型支架；其所述的实验样本固定平板经其两端的第一转轴，可转动地与所述第一U字型支架连接；所述的第一U字型支架与所述第二U字型支架固定连接；所述的第二U字型支架的两端分别经过第二转轴，可转动地与所述第三U字型支架的两端连接；在所述第三转动组件的下方，设置夹头连接棒；所述的第三转动组件经夹头连接棒固定在力学实验机的夹头基座上。

具体的，其所述的各个U字型支架分别包括一个横板和分别固定在所述横板两端的左、右立板；在各个左、右立板上对应设置有转轴孔，在转轴孔中分别设置对应设置有转轴；其中，所述第一U字型支架的第一左、右立板经左、右第一转轴与所述实验样本固定平板的两端对应连接；所述第一U字型支架的第一横板与第二U字型支架的第二横板固定连接；所述第二U字型支架的第二左、右立板，分别经左、右第二转轴与第三U字型支架的第三左、右立板对应连接；所述第三U字型支架的第三横板底部，与所述夹头连接棒连接。

进一步的，所述第一横板的纵向轴心线与第二横板的纵向轴心线成90度夹角。

在所述左、右第一转轴的内侧设置有夹持槽，所述实验样本固定平板的两端，分别经过左、右第一转轴内侧的夹持槽，与左、右第一转轴连接。

在所述第一U字型支架一侧的立板的内侧和另一侧的第一转轴上，分别设置有第一、第二固定槽，所述实验样本固定平板的两端，分别经紧固螺丝固定在第一、第二固定槽中。

其所述夹头连接棒的纵轴心线与所述第三横板所在平面相垂直。

更进一步的，在所述第一/第三U字型支架的至少一侧的立板上，分别设置有第一/第三定位调节孔组，所述的第一/第三定位调节孔组由多个定位孔构成，所述的多个定位孔以第一/第二转轴为半径圆心分布在立板上。

其所述第一、第二转轴的纵轴心线设置在同一平面中；所述第一、第二转轴的纵轴心线成90度夹角；所述夹头连接棒的纵轴心线与所述第一、第二转轴的纵轴心线所在平面垂直，且穿过所述第一、第二转轴纵轴心线的交汇点。

在所述实验样本固定平板上设置有足踝离体标本固定孔。

所述的第一转动组件、第二转动组件和第三转动组件成依次包裹的机械结构，即，所述的第一转动组件设置在第二转动组件中，所述的第二转动组件设置在第三转动组件中，整体构成一个可使所述实验样本固定平板作万向运动的六自由度复合运动机构。

与现有技术比较，本实用新型的优点是：

1.采用三组转动组件的结合，方便地实现了正常人踝关节的跖屈、背伸、内旋、外旋、内翻、外翻六个自由度的单独或复合运动形式，可以对足踝关节提供六个自由度的单独或复合运动形式的外部力学加载；

2.采用三组转动组件的结合，可同时实现水平方向、冠状面和矢状面的旋转，可更加真实的模拟在各个不同姿态下，踝关节以及全足对来自胫骨的重力的力学响应；

3.整体装置结构简洁，便于操作，维护工作量小，完全可以胜任各种对足踝离体标本的相关实验和模拟外力加载。

附图说明

图1是本实用新型的立体结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的侧视图；

图4是图3的A向视图；

图5是图1的45度斜仰视图；

图6是夹头连接棒的结构示意图；

图7是固定槽的结构示意图；

图8是本装置设置在力学实验机上时的实施例示意图。

图中1为实验样本固定平板，2为第一U字型支架，2-1、2-2为第一左、右立板，2-3为第一横板，3为第二U字型支架，3-1、3-2为第二左、右立板，3-3为第二横板，4为第三U字型支架，4-1、4-2为第三左、右立板，4-3为第三横板，5-1、5-2为左、右第一转轴，6-1、6-2为左、右第二转轴，7为夹头连接棒，7-1为被夹持端，7-2为承载平台，7-3为转动轴，8-1、8-2为左、右夹持槽，9-1、9-2为第一、第二固定槽，10为第一定位调节孔组，11为第三定位调节孔组，12为足踝离体标本固定孔，13为力学实验机的夹头基座，14为力学实验机的上夹头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。

图1中，本技术方案的万向加载装置至少包括依次连接的第一转动组件、第二转动组件和第三转动组件，其中，所述的第一转动组件为矢状面转动组件；所述的第二转动组件为冠状面转动组件；所述的第三转动组件为水平面转动组件。

其中，第一转动组件至少包括实验样本固定平板1和第一U字型支架2；第二转动组件至少包括第二U字型支架3；第三转动组件至少包括第三U字型支架4。

其实验样本固定平板经其两端的第一转轴（图中以左第一转轴5-1来表示），可转动地与第一U字型支架2连接；

其第一U字型支架与第二U字型支架固定连接；

第二U字型支架3的两端分别经过第二转轴6-1/6-2，可转动地与第三U字型支架4的两端连接；

在第三U字型支架4的下方，设置夹头连接棒7。

在第一/第三U字型支架的至少一侧的立板（图中以第一U字型支架的立板2-1为例）上，设置有第一定位调节孔组10，其第一定位调节孔组由多个定位孔构成，所述的多个定位孔分别以第一转轴5-1为半径圆心分布在该立板上。

同样地，在第三U字型支架的至少一侧的立板（图中以第三U字型支架的立板4-2为例）上，设置有第三定位调节孔组11，其第三定位调节孔组由多个定位孔构成，所述的多个定位孔分别以第二转轴6-1为半径圆心分布在该立板上。

足踝复合体参与人体运动，是人体的最终负重部位，其生物力学的研究在足踝病机理、人工假体、矫形、鞋具开发等领域具有重要的意义和作用。

探讨人体足踝各组成部分之间的力学作用关系，包括相对运动和相互作用力关系以及使足踝完成正常步态和各种复杂运动时肌肉力的时间历程变化规律成为亟待研究的课题。

而完成这些研究，需要研制多功能人体足踝运动和动力学模拟及测量装置（即足踝生物力学动态仿真器），实现活体测量无法进行的试验，同时获得活体试验无法得到的力学和运动学参数。

本技术方案中的万向加载装置，其第一转动组件、第二转动组件和第三转动组件呈依次包裹的机械结构，即，实验样本固定平板设置在第一转动组件中，第一转动组件设置在第二转动组件中，第二转动组件设置在第三转动组件中，整体构成一个可使所述实验样本固定平板作万向运动的六自由度复合运动机构。

具体的，本装置的最上层为带有足踝离体标本固定孔的实验样本固定平板，用于放置离体足踝标本，其两侧通过第一转动轴固定于第一U字型支架的两侧，用于实现矢状面的旋转。

本装置的上层为第一U字型支架，通过螺钉或紧固件固定于中层的第二U字型支架上，可随其一同做旋转运动。

本装置的中层，采用同轴双U字型支架（即前述的第二、第三U字型支架），其位于内层的第二U字型支架的尺寸小于位于外层的第三U字型支架，通过二者同轴嵌套后，实现冠状面的旋转。

本装置位于第三U字型支架底部的夹头连接棒，构成第三U字型支架的旋转轴，用于实现整个装置水平方向的旋转。

图2中，第一U字型支架的第一左、右立板2-1、2-2，经左、右第一转轴5-1、5-2与实验样本固定平板1的两端对应连接。

进一步的，在左、右第一转轴的内侧设置有夹持槽8-1、8-2，实验样本固定平板1的两端，分别经过左、右第一转轴内侧的夹持槽，与左、右第一转轴连接。

进一步的，在第一U字型支架一侧的立板2-1的内侧和另一侧第一转轴的夹持槽8-2上，分别设置有第一、第二固定槽9-1、9-2，实验样本固定平板的两端，分别经紧固螺丝（图中未示出）固定在第一、第二固定槽中。

在实验样本固定平板上，设置有足踝离体标本固定孔12。

在图3、图4中，本装置的各个U字型支架分别包括一个横板和分别固定在所述横板两端的左、右立板；在各个左、右立板上对应设置有转轴孔，在转轴孔中分别设置对应设置有转轴。

具体的，第一U字型支架的第一左、右立板（图3中仅可见其左立板2-1）经左、右第一转轴（图3中仅可见其左第一转轴5-1）与实验样本固定平板1的两端对应连接。

第一U字型支架的第一横板2-3（图3中以虚线表示）与第二U字型支架的第二横板3-3固定连接。

第二U字型支架的第二左、右立板3-1、3-2，分别经左、右第二转轴6-1、6-2与第三U字型支架的第三左、右立板4-1、4-2对应连接；

第三U字型支架第三横板4-3的底部，与夹头连接棒7连接。

实验样本固定平板1的两端，分别与左、右第一转轴内侧的夹持槽8-1、8-2连接（参见图4所示）；夹持槽8-1、8-2分别与左、右第一转轴5-1、5-2的内侧端固定连接，左、右第一转轴可转动地设置在第一U字型支架的两个立板2-1、2-2上。

在第一/第三U字型支架至少一侧的立板（图3中显示的是第一U字型支架的立板2-1，图4中显示的是第三U字型支架的立板4-2）上，分别设置有第一/第三定位调节孔组10/11，其第一/第三定位调节孔组由多个定位孔构成，所述的多个定位孔分别以第一/第二转轴为半径圆心分布在对应的立板上。

此外，由图3可知，第一转轴（图中以左第一转轴5-1来代表）、第二转轴（见图中的左右第二转轴6-1、6-2）的纵轴心线设置在同一平面中；由图4可知，第一、第二转轴的纵轴心线成90度夹角（亦可参考图2所示的第一转轴2-1、2-1和第二转轴6-1、6-2之间的位置关系）。

同样地，由图可知，夹头连接棒7的纵轴心线与所述第一、第二转轴的纵轴心线所在平面垂直，且穿过所述第一、第二转轴纵轴心线的交汇点。

夹头连接棒7的纵轴心线与第三U字型支架的第三横板4-3所在平面相垂直。

本技术方案中采用两组定位调节孔组分别来控制、调节实验样本固定平板和第二U字型支架的位置关系，可以满足不同试验的需要，亦可方便地实现特殊条件下足踝离体标本的生物力学实验。

图5中，第一U字型支架的第一横板2-3的纵向轴心线与第二U字型支架的第二横板3-3的纵向轴心线成90度夹角。

夹头连接棒7的纵轴心线与第三U字型支架的第三横板4-3所在的平面相垂直。

图6中，夹头连接棒由被夹持端7-1、承载平台7-2和转动轴7-3构成，其中的被夹持端被用于固定在力学实验机的夹头基座上，转动轴插入第三U字型支架的第三横板上的转动孔中，承载平台和转动轴配合，用于承载整个万向加载装置的重量并经被夹持端传递到力学实验机的夹头基座上。

图7中，在第一转轴（图中以左第一转轴5-1为例）的内侧，设置有夹持槽（图中以左夹持槽8-1为例），实验样本固定平板的两端，分别经过左、右第一转轴内侧的夹持槽，与左、右第一转轴连接。

采用夹持槽和固定槽来夹持、固定实验样本固定平板，是为了便于将实验样本固定平板抽出或更换，当固定离体足踝标本或清洗实验样本固定平板时，一个便于取出或分离的固定平板是十分必要的。

图8中，足踝万向加载装置经夹头连接棒7固定在力学实验机的夹头基座13上，力学实验机的上夹头14用于固定离体实验样本的胫骨。

当足踝离体标本被固定在实验样本固定平板1上，且其小腿胫骨被固定在力学实验机的上夹头上后，推动实验样本固定平板，即可对足踝离体标本进行相关实验和模拟外力加载，实验样本固定平板可以对足踝关节提供六个自由度的单独或复合运动形式的外部力学加载，为足踝离体标本实验提供完全符合实际情况的外力加载，能更加真实的模拟在各个不同姿态下，踝关节以及全足对来自胫骨的重力的力学响应。

需要补充说明的是，本技术方案中的各个U字型支架，直接采用U字形或槽型构件亦可实现本技术方案的同样功能和技术效果，关键是考虑其制造工艺的简便和能完成同样的技术功能即可，不一定非要局限于如上所述的由一个横板和两端的立板构成的倒“门”字形构架结构。

由于本实用新型采用了三组复合结构，可同时实现水平方向、冠状面和矢状面的旋转，可以对足踝关节提供六个自由度的单独或复合运动形式的外部力学加载，可以真实地模拟在各个不同姿态下，踝关节以及全足对来自胫骨的重力的力学响应，为足踝生物力学的顺利开展提供了便利条件。

本实用新型可广泛用于足踝生物力学实验装置的设计和制造领域。

Claims (10)

1.一种足踝万向加载装置，其特征是：

所述的加载装置至少包括依次连接的第一转动组件、第二转动组件和第三转动组件，其中，所述的第一转动组件为矢状面转动组件；所述的第二转动组件为冠状面转动组件；所述的第三转动组件为水平面转动组件；

其中，所述的第一转动组件至少包括实验样本固定平板和第一U字型支架；所述的第二转动组件至少包括第二U字型支架；所述的第三转动组件至少包括第三U字型支架；

其所述的实验样本固定平板经其两端的第一转轴，可转动地与所述第一U字型支架连接；

所述的第一U字型支架与所述第二U字型支架固定连接；

所述的第二U字型支架的两端分别经过第二转轴，可转动地与所述第三U字型支架的两端连接；

在所述第三转动组件的下方，设置夹头连接棒；

所述的第三转动组件经夹头连接棒固定在力学实验机的夹头基座上。

2.按照权利要求1所述的足踝万向加载装置，其特征是所述的各个U字型支架分别包括一个横板和分别固定在所述横板两端的左、右立板；在各个左、右立板上对应设置有转轴孔，在转轴孔中分别设置对应设置有转轴；

其中，所述第一U字型支架的第一左、右立板经左、右第一转轴与所述实验样本固定平板的两端对应连接；

所述第一U字型支架的第一横板与第二U字型支架的第二横板固定连接；

所述第二U字型支架的第二左、右立板，分别经左、右第二转轴与第三U字型支架的第三左、右立板对应连接；

所述第三U字型支架的第三横板底部，与所述夹头连接棒连接。

3.按照权利要求2所述的足踝万向加载装置，其特征是所述第一横板的纵向轴心线与第二横板的纵向轴心线成90度夹角。

4.按照权利要求2所述的足踝万向加载装置，其特征是在所述左、右第一转轴的内侧设置有夹持槽，所述实验样本固定平板的两端，分别经过左、右第一转轴内侧的夹持槽，与左、右第一转轴连接。

5.按照权利要求2所述的足踝万向加载装置，其特征是在所述第一U字型支架一侧立板的内侧和另一侧的第一转轴上，分别设置有第一、第二固定槽，所述实验样本固定平板的两端，分别经紧固螺丝固定在第一、第二固定槽中。

6.按照权利要求2所述的足踝万向加载装置，其特征是所述夹头连接棒的纵轴心线与所述第三横板所在平面相垂直。

7.按照权利要求2所述的足踝万向加载装置，其特征是在所述第一/第三U字型支架的至少一侧立板上，分别设置有第一/第三定位调节孔组，所述的第一/第三定位调节孔组由多个定位孔构成，所述的多个定位孔以第一/第二转轴为半径圆心分布在立板上。

8.按照权利要求1所述的足踝万向加载装置，其特征是所述第一、第二转轴的纵轴心线设置在同一平面中；所述第一、第二转轴的纵轴心线成90度夹角；所述夹头连接棒的纵轴心线与所述第一、第二转轴的纵轴心线所在平面垂直，且穿过所述第一、第二转轴纵轴心线的交汇点。

9.按照权利要求1所述的足踝万向加载装置，其特征是在所述实验样本固定平板上设置有足踝离体标本固定孔。

10.按照权利要求1所述的足踝万向加载装置，其特征是所述的第一转动组件、第二转动组件和第三转动组件成依次包裹的机械结构，即，所述的第一转动组件设置在第二转动组件中，所述的第二转动组件设置在第三转动组件中，整体构成一个可使所述实验样本固定平板作万向运动的六自由度复合运动机构。

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