CN209377595U - 一种关节测力计 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种关节测力计，解决现有技术不能测定关节运动过程中运动肢体在运动范围内各活动位置上所产生的力矩。本实用新型包括伺服电机、第一传动带、减速器、动态力矩传感器、角度传感器、连接器、伺服驱动器、模数转换器、第二传动带和计算机，伺服电机通过传动带与减速器连接，减速器与动态力矩传感器连接，动态力矩传感器与连接器连接，角度传感器通过第二传动带及同步齿轮与动态力矩传感器连接，连接器与关节固定设备相连接，计算机通过模数转换器分别与伺服驱动器、角度传感器和动态力矩传感器连接，伺服驱动器与伺服电机连接。本实用新型可以用来测定关节运动过程中运动肢体在运动范围内各活动位置上所产生的力矩。

Description

一种关节测力计

技术领域

本实用新型涉及关节机能评定康复训练力学训练评估设备领域，具体涉及一种关节测力计。

背景技术

人体的运动主要依赖于关节的运动，骨骼在肌肉的驱动下相互组合，在神经系统的支配下完成日常生活及各种特定条件下的运动。生活中有各种因素可以造成关节和肌肉功能破坏或功能降低，比如外伤引起的骨折，神经损伤；长期不运动，年龄增长等引起关节功能退化，严重地影响人们的生产生活。因此客观对关节功能评价及关节功能训练方案的制定尤为重要。关节功能的评价主要包括：关节的运动范围，驱动关节肌肉的力量，神经系统对关节支配的能力，肌肉的内部张力等。目前，临床关节功能及肌肉力量的评定方法主要采用徒手肌力评定法MMT，或采用一些测力的仪器设备通过测得力学数据进行关节功能评估。

首先徒手肌力评定法MMT，这种方式依赖于医生的感觉经验和受试者在检查中的反应，评估的结果存在很大的主观性，不能系统客观全面的反应关节的功能。其次，应用一些测力设备，通过对关节运动产生的力矩或拉力进行采集分析对关节进行评价，但是这种评估方法的测试过程比较难控制，运动过程中运动速度、关节所处的位置、关节之间相互的代偿因素都能造成测试结果的偏离，测试重复性差。第三，对于测试的结果数据评估主要依赖于操作者的运动解剖学、生物力学的专业知识及丰富的测试经验才能做出相应的评价分析。这种分析方式具有很强的专业性，评价判断的结果也存在着很多人为的因素。

因此，设计一款用来测定关节运动过程中运动肢体在运动范围内各活动位置上所产生力矩的关节测力计，成为所属技术领域技术人员亟待解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：提供一种关节测力计，用来测定关节运动过程中运动肢体在运动范围内各活动位置上所产生的力矩。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种关节测力计，包括伺服电机、第一传动带、减速器、动态力矩传感器、角度传感器、连接器、伺服驱动器、模数转换器、第二传动带、以及计算机，所述伺服电机通过所述传动带与所述减速器连接，所述减速器与所述动态力矩传感器连接，所述动态力矩传感器与所述连接器连接，所述角度传感器通过第二传动带及1﹕1同步齿轮与所述动态力矩传感器连接，所述连接器与外界用于固定关节并保证受试者在规定姿势下完成等速肌力测试的设备相连接，所述计算机通过所述模数转换器分别与所述伺服驱动器、所述角度传感器和所述动态力矩传感器连接，所述伺服驱动器与所述伺服电机连接。

进一步地，还包括测力计外壳，并且所述伺服电机、所述第一传动带、所述减速器、所述动态力矩传感器、所述角度传感器和所述第二传动带均集成在所述测力计外壳内。

进一步地，还包括制动开关，所述制动开关位于所述测力计外壳的顶部，并且通过所述模数转换器与所述计算机连接，用于在异常状态下紧急关闭所述伺服电机。

进一步地，还包括移动平台和安装于所述移动平台上的升降机台，所述测力计外壳安装于所述升降机台上，所述移动平台的底部设有一对固定支架和一对移动滚轮，一对所述固定支架分别位于所述移动平台的底部两端，一对所述移动滚轮分别通过伸缩杆安装于所述移动平台的底部两端，并且两个所述移动滚轮分别位于相应所述固定支架的内侧。

进一步地，一对所述固定支架分别与所述移动平台为一体式结构。

进一步地，还包括备用USP电源，并且所述备用USP电源设于所述移动平台内，所述备用USP电源分别与所述计算机、所述伺服驱动器和所述伺服电机连接。

进一步地，还包括与所述计算机连接的视频显示器。

进一步地，所述减速器的为50﹕1减速器。

进一步地，所述伺服电机的转速为3000转/分，转动力矩为12Nm，功率为1.5KW。

进一步地，所述升降机台为电动升降机台，并且其通过所述模数转换器与所述计算机连接。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型结构简单、设计科学合理，使用方便，可以用来测定关节运动过程中运动肢体在运动范围内各活动位置上所产生的力矩。

本实用新型动态力矩传感器用来完成力矩采集测量，可以直接测量关节旋转运动过程所产生的力矩，并将所测量关节力学数据通过计算机进行显示，可以直观了解关节运动时各肌肉群所产生的力矩，无需丰富的专业知识也能对受训关节做出精准康复训练力学训练评估。本实用新型动态力矩传感器量程为±500Nm，力矩输出为模拟直流电压形式，模拟电压输出范围±5V，顺时针方向用力正电压，逆时针方向用力为负电压，动态力矩传感器无外力驱动时输出为零。应用动态力矩传感器可以直接测试旋转运动中的力矩变化，并非采用压力传感器与力臂乘积计算力矩方式或电机转子电流测量法间接计算力矩。动态力矩传感器直接测量关节力矩能够确保测试数据高精度；测量系统具有高灵敏度、高可靠性。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图。

其中，附图标记对应的名称为：

1-伺服电机、2-第一传动带、3-减速器、4-动态力矩传感器、5-角度传感器、6-连接器、7-伺服驱动器、8-模数转换器、9-计算机、10-第二传动带、11-测力计外壳、12-制动开关、13-移动平台、14-升降机台、15-固定支架、16-移动滚轮、17-视频显示器、18-备用USP电源。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本实用新型作进一步说明，本实用新型的方式包括但不仅限于以下实施例。

如图1所示，本实用新型提供的一种关节测力计，结构简单、设计科学合理，使用方便，可以用来测定关节运动过程中运动肢体在运动范围内各活动位置上所产生的力矩。本实用新型包括伺服电机1、第一传动带2、减速器3、动态力矩传感器4、角度传感器5、连接器6、伺服驱动器7、模数转换器8、第二传动带10、以及计算机9，所述伺服电机1通过所述传动带2与所述减速器3连接，所述减速器3与所述动态力矩传感器4连接，所述动态力矩传感器4与所述连接器6连接，所述角度传感器5通过第二传动带10及1﹕1同步齿轮与所述动态力矩传感器4连接，所述连接器6与外界用于固定关节并保证受试者在规定姿势下完成等速肌力测试的设备相连接，所述计算机9通过所述模数转换器8分别与所述伺服驱动器7、所述角度传感器5和所述动态力矩传感器4连接，所述伺服驱动器7与所述伺服电机1连接，所述减速器3的为50﹕1减速器。所述伺服电机的转速为3000转/分，转动力矩为12Nm，功率为1.5KW，所述计算机9连接有视频显示器17。

本实用新型还包括测力计外壳11，并且所述伺服电机1、所述第一传动带2、所述减速器3、所述动态力矩传感器4、所述角度传感器5和所述第二传动带10均集成在所述测力计外壳11内。如此设计主要是为了合理安排关节测力计各部件的位置，使整体机械结构紧凑，缩小测力计的体积。

本实用新型还包括制动开关12，所述制动开关12位于所述测力计外壳11的顶部，并且通过所述模数转换器8与所述计算机9连接，用于在异常状态下紧急关闭所述伺服电机1。当测力计处于异常工作状态时，按动应急开关，关闭伺服驱动器的电源继电器，切断伺服电机的电源，直接停止伺服电机的工作，伺服电机电刹车启动，紧急制动。

本实用新型还包括移动平台13和安装于所述移动平台13上的升降机台14，所述测力计外壳11安装于所述升降机台14上，所述移动平台13的底部设有一对固定支架15和一对移动滚轮16，一对所述固定支架15分别位于所述移动平台13的底部两端，一对所述移动滚轮16分别通过伸缩杆安装于所述移动平台13的底部两端，并且两个所述移动滚轮16分别位于相应所述固定支架15的内侧，一对所述固定支架15分别与所述移动平台13为一体式结构，所述升降机台14为电动升降机台，并且其通过所述模数转换器8与所述计算机9连接。本实用新型通过设移动平台13、升降机台14、固定支架15和移动滚轮16，可以根据需要进行移动，变换位置固定等操作，可极大方便本实用新型的使用。

本实用新型还包括备用USP电源18，并且所述备用USP电源18设于所述移动平台13内，所述备用USP电源18分别与所述计算机9、所述伺服驱动器7和所述伺服电机1连接。配备备用USP电源，保证在断电的情况下持续工作。

本实用新型关节测力计(joint dynamometer)是用来测定关节运动过程中运动肢体在运动范围内各活动位置上所产生力矩的装置。主要由伺服驱动器、伺服电机、减速器、动态力矩传感器、角度传感器、传动带、连接器、升降机台、移动平台、制动开关、不间断电源、固定支架等部分组成。计算机控制系统由模数转换器、控制计算机、无线视频控制器等组成。

本实用新型关节测力计的驱动是由伺服驱动器控制伺服电机运转完成的，伺服驱动器工作在速度控制模式，伺服电机参数设计采用3000转/分，转动力矩12Nm，功率1.5KW，具备刹车装置。伺服驱动器工作在模拟控制方式，0v-10v直流控制电压对应0-3000转/分的电机转速。伺服电机通过传动带与减速器连接，主要是为了合理安排关节测力计各部件的位置，使整体机械结构紧凑，缩小测力计的体积。伺服电机的额定转速3000转/分经50﹕1减速器减速后连接到动态力矩传感器上，减速后动态力矩的速度范围0-60转/分，力矩传感器经过连接器直接连接到测试关节固定装置，关节固定装置将运动肢体固定，因此测试关节的运动速度范围是0-60转/分，即关节运动角速度的测试范围是0-360°/s。通常等速关节评定的角速度通常采用30°/s；60°/s；90°/s；120°/s；180°/s；最多不会超过300°/s关节运动速度，本实用新型设计的最大速度为360°/s，能够满足等速关节肌力测试速度的要求。

动态力矩传感器用来完成力矩采集测量，可以直接测量关节旋转运动过程所产生的力矩，传感器量程为±500Nm，力矩输出为模拟直流电压形式，模拟电压输出范围±5V，顺时针方向用力正电压，逆时针方向用力为负电压，传感器无外力驱动时输出为零。应用动态力矩传感器可以直接测试旋转运动中的力矩变化，并非采用压力传感器与力臂乘积计算力矩方式或电机转子电流测量法间接计算力矩。动态力矩传感器直接测量关节力矩能够确保测试数据高精度；测量系统具有高灵敏度、高可靠性。

角度传感器采用360°绝对角度传感器，通过传动带及1﹕1的同步齿轮，连接到力矩传感器上与力矩传感器同步运动，不作任何变速处理。角度传感器对于旋转空间0°到360°的位置输出0v-5v电压，即直流电压值对应360°的位置。在本测力计中力矩传感器的空间角度位置由角度传感器输出电压确定，与力矩传感器连接的关节固定装置具有位置指示器，定义垂直向上位置为测力计的0°位置，顺时针旋转的角度范围是0°至360°的空间角度位置。测力计可以采集关节运动在0°到360°位置上转动产生的力矩数据。伺服控驱动器控制伺服电机转速进而控制关节运动角速度，使受试者能够保持角速度恒定的关节往复运动即做等速运动，动态力矩传感器采集运动过程中力矩数据，角度传感器记录关节所处的位置，从而完成关节做等速运动时的肌力测量。关节力矩传感器实现等速肌力测试的整个过程是控制计算机同过模数转换器对伺服控制器、角度传感器、动态力矩传感器进行数据采集与分析控制完成的。

上述实施例仅为本实用新型的优选实施方式之一，不应当用于限制本实用新型的保护范围，但凡在本实用新型的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本实用新型一致的，均应当包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种关节测力计，其特征在于：包括伺服电机(1)、第一传动带(2)、减速器(3)、动态力矩传感器(4)、角度传感器(5)、连接器(6)、伺服驱动器(7)、模数转换器(8)、第二传动带(10)、以及计算机(9)，所述伺服电机(1)通过所述传动带(2)与所述减速器(3)连接，所述减速器(3)与所述动态力矩传感器(4)连接，所述动态力矩传感器(4)与所述连接器(6)连接，所述角度传感器(5)通过第二传动带(10)及1﹕1同步齿轮与所述动态力矩传感器(4)连接，所述连接器(6)与外界用于固定关节并保证受试者在规定姿势下完成等速肌力测试的设备相连接，所述计算机(9)通过所述模数转换器(8)分别与所述伺服驱动器(7)、所述角度传感器(5)和所述动态力矩传感器(4)连接，所述伺服驱动器(7)与所述伺服电机(1)连接。

2.根据权利要求1所述的一种关节测力计，其特征在于：还包括测力计外壳(11)，并且所述伺服电机(1)、所述第一传动带(2)、所述减速器(3)、所述动态力矩传感器(4)、所述角度传感器(5)和所述第二传动带(10)均集成在所述测力计外壳(11)内。

3.根据权利要求2所述的一种关节测力计，其特征在于：还包括制动开关(12)，所述制动开关(12)位于所述测力计外壳(11)的顶部，并且通过所述模数转换器(8)与所述计算机(9)连接，用于在异常状态下紧急关闭所述伺服电机(1)。

4.根据权利要求3所述的一种关节测力计，其特征在于：还包括移动平台(13)和安装于所述移动平台(13)上的升降机台(14)，所述测力计外壳(11)安装于所述升降机台(14)上，所述移动平台(13)的底部设有一对固定支架(15)和一对移动滚轮(16)，一对所述固定支架(15)分别位于所述移动平台(13)的底部两端，一对所述移动滚轮(16)分别通过伸缩杆安装于所述移动平台(13)的底部两端，并且两个所述移动滚轮(16)分别位于相应所述固定支架(15)的内侧。

5.根据权利要求4所述的一种关节测力计，其特征在于：一对所述固定支架(15)分别与所述移动平台(13)为一体式结构。

6.根据权利要求5所述的一种关节测力计，其特征在于：还包括备用USP电源(18)，并且所述备用USP电源(18)设于所述移动平台(13)内，所述备用USP电源(18)分别与所述计算机(9)、所述伺服驱动器(7)和所述伺服电机(1)连接。

7.根据权利要求6所述的一种关节测力计，其特征在于：还包括与所述计算机(9)连接的视频显示器(17)。

8.根据权利要求7所述的一种关节测力计，其特征在于：所述减速器(3)的为50﹕1减速器。

9.根据权利要求8所述的一种关节测力计，其特征在于：所述伺服电机的转速为3000转/分，转动力矩为12Nm，功率为1.5KW。

10.根据权利要求9所述的一种关节测力计，其特征在于：所述升降机台(14)为电动升降机台，并且其通过所述模数转换器(8)与所述计算机(9)连接。