六自由度步态模拟的测试装置制造方法
【专利摘要】一种运动模拟【技术领域】的六自由度步态模拟的测试装置，上机架的底部和下机架的顶部相连，基座驱动部和测力板分别设置于上机架的顶部和下机架的底部，并联机构的顶部与基座驱动部相连，底部与足踝夹持胫骨加载部相连，足踝夹持胫骨加载部设置于测力板的上方，下机架的侧边设置肌腱拉伸部，基座驱动部和并联机构分别与足踝夹持胫骨加载部配合。本发明在保证足踝相对地面的6个自由度主动运动的同时，减小试验装置结构尺寸，增加结构刚度，缩短步态模拟周期，提高试验精度。
【专利说明】六自由度步态模拟的测试装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种运动模拟【技术领域】的装置，具体是一种基于基座可移动式Stewart并联机构的六自由度步态模拟的试验装置。
【背景技术】
[0002]足踝复合体参与人体运动，是人体的最终负重部位，其生物力学的研宄在足踝病机理、人工假体、矫形、鞋具开发等领域具有重要的意义和作用。人类的双足可以看作具有多自由度，且各向刚度各异的复杂多刚体力学系统，对于足踝步态中的生物力学特性的研宄，主要依赖于足踝步态模拟装置，利用这种装置，驱动用于测试的非活体(如人造假体、尸体等等)足踝或足踝动力学模型实现人体足踝步态、跑、跳等多种运动和力学状态的模拟，进而测量并采集在完成这些运动时，足踝各骨块之间的相对运动、韧带力、关节力、肌肉力的大小等运动和力学参数。
[0003]通过对现有技术的检索发现，以前的足踝步态模拟装置虽然能够在一定程度上模拟足踝的主要运动，并实现足踝的加载和垂直地面反力的测量，但具有以下缺陷:胫骨所应有的6个自由度不完全受控，不能实现一个完整步态支撑相的模拟；部分模拟机操纵地板作相对运动的做法不利于用常规试验室设备，如测力板和压力分布测试平板等，进行数据采集、测量，这种方式实际上与真实步态运动的主动和被动关系不相吻合，并不能形成动力学上的对偶关系。且现有足踝步态模拟装置模拟一个步态的时间较长，超过了真实步态消耗的时间，因此在模拟速度上与真实步态有差距。
[0004]中国专利文献号CN102622936，
【公开日】2012_8_1，记载了一种并联式六自由度步态模拟的实验装置，包括带有可调测力板安装高度装置及基建驱动装置的框架、六杆并联机构和串联加载装置，不仅能够模拟加载轴系所固定的胫骨的六自由度运动，还能对胫骨轴向进行加载，能够较好的用于足踝动力学研宄。但是该步态模拟装置的核心执行机构为定平台固定在框架上的UPU型Stewart平台，虽然能够实现足踝在步态模拟过程中六个自由度的运动，但是为了满足具体试验过程中，足踝前后平移的要求位移，同时保证步态模拟装置具有较好的刚度、各运动支链不存在干涉，Stewart平台结构尺寸势必非常庞大，这也会在一定程度上降低模拟装置的精度。
【发明内容】
[0005]本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种六自由度步态模拟的测试装置，在保证足踝相对地面的6个自由度主动运动的同时，减小试验装置结构尺寸，增加结构刚度，缩短步态模拟周期，提高试验精度。
[0006]本发明是通过以下技术方案实现的，包括:上机架、下机架、并联机构、基座驱动部、测力板、足踝夹持胫骨加载部和肌腱拉伸部，其中:上机架的底部和下机架的顶部相连，基座驱动部和测力板分别设置于上机架的顶部和下机架的底部，并联机构的顶部与基座驱动部相连，底部与足踝夹持胫骨加载部相连，足踝夹持胫骨加载部设置于测力板的上方，下机架的侧边设置肌腱拉伸部，基座驱动部和并联机构分别与足踝夹持胫骨加载部配合，从而使得设置于足踝夹持胫骨加载部上的待测足踝实现前后平移、上下平移、形成步宽的左右平移以及小腿外展和内收、内外翻和屈伸三个方向的旋转。
[0007]所述的下机架的底部设有水平可调脚轮，用于六自由度步态模拟的测试装置的搬运和水平调节。
[0008]所述的上机架的上表面沿前后平移方向设置两条平行的导轨以及用于限位的挡铁。
[0009]所述的并联机构包括:可移动基座、滑块、若干相配合的虎克铰、若干相配合的第一伺服电机和电动缸，以及动平台，其中:可移动基座上设有滑块且滑块设置于上机架的导轨上，可移动基座与基座驱动部相连，虎克铰的顶部与可移动基座相连，底部均匀设置各个第一伺服电机，动平台的顶部由各个第一电动缸驱动，中部开有安装孔以连接足踝夹持胫骨加载部。
[0010]所述的相配合的第一伺服电机和电动缸的数量为6对。
[0011]第一伺服电机带有制动器和增量式编码器，采用直返式或尾铰安装方式，有利于提高传动刚性，减小并联机构结构尺寸，避免干涉情况发生。
[0012]所述的基座驱动部包括:用于与上机架相连接的液压缸安装支架，用于驱动并联机构实现前后方向移动的第一液压缸。
[0013]所述的第一液压缸的活塞杆连接球铰，该球铰与并联机构相连。
[0014]所述的足踝夹持胫骨加载部包括:第二液压缸、拉压力传感器、液压缸安装套筒、液压缸活塞杆导向轴、涨紧套、多孔盘和胫骨连接杆，其中:第二液压缸与液压缸安装套筒相连，用于实现胫骨沿轴向的加载；拉压力传感器位于液压缸安装套筒的内部，拉压力传感器的两端分别与第二液压缸的活塞杆和液压缸活塞杆导向轴相连，用于检测胫骨加载力大小；液压缸活塞杆导向轴由滑键与液压缸安装套筒进行配合，防止测试过程中，第二液压缸的活塞杆发生转动；涨紧套分别涨紧连接液压缸活塞杆导向轴和胫骨连接杆；多孔盘设置于胫骨连接杆上且与肌腱拉伸部相连，用于导向作用；胫骨连接杆与待测足踝胫骨相连；液压缸安装套筒与并联机构相连，方便调整与拆卸。
[0015]所述的肌腱拉伸部包括:用于与下机架侧边相连接的伺服电机安装板、第二伺服电机、伺服减速机以及钢丝绳及其卷筒，其中:待测足踝的肌腱相连，第二伺服电机由伺服减速机及卷筒驱动钢丝绳，对钢丝绳末端固定的待测足踝的肌腱进行拉伸。
[0016]本发明采用的基座可移动式并联机构来实现6个自由度运动，具有工作空间大、结构紧凑、刚度高等优点，通过液压系统驱动Stewart并联机构的基座运动，可以保证足踝运动幅度在X方向平移范围达到1000mm，其余方向平移范围< 100mm的同时，Stewart并联机构具有较小结构尺寸，且在足踝处于极限位置的情况下，步态模拟装置仍然具有较大刚度。而且模拟装置运动速度理论上可以达到很快，同时因为缩小了结构尺寸，增加了结构刚度，步态模拟精度理论上可以进一步提高，从而能够较真实模拟步态过程中足踝的六自由度运动，也是实现高精度胫骨加载与肌腱拉伸的先决条件。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本发明的立体图；
[0018]图2是图1的底部方向视图；
[0019]图3是下机架的结构示意图；
[0020]图4是上机架的结构示意图；
[0021]图5是并联机构的结构示意图；
[0022]图6是基座驱动部的结构不意图；
[0023]图7是足踝夹持胫骨加载部的结构示意图；
[0024]图8是肌腱拉伸部的结构示意图。
【具体实施方式】
[0025]下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
[0026]如图1和图2所示，本实施例包括:下机架1、上机架2、并联机构3、基座驱动部4、测力板5、足踝夹持胫骨加载部6、肌腱拉伸部7和水平可调脚轮8，其中:上机架2的底部和下机架1的顶部相连，水平可调脚轮8安装于下机架1底部，基座驱动部4和测力板5分别设置于上机架2的顶部和下机架1的底部，并联机构3的顶部与基座驱动部4相连，底部与足踝夹持胫骨加载部6相连，足踝夹持胫骨加载部6设置于测力板5的上方，下机架1的侧边设置肌腱拉伸部7，基座驱动部4和并联机构3分别与足踝夹持胫骨加载部6配合使得安装在足踝夹持胫骨加载部6上的待测足踝实现前后平移、上下平移、形成步宽的左右平移以及小腿外展和内收、内外翻和屈伸三个方向的旋转。
[0027]如图1、图2、图3和图4所示，所述机架包括:下机架1与上机架2，其中下机架1与上机架2都为焊接式结构，利用螺栓进行连接，将机架分成两部分进行加工，有利于减小机架的加工难度，只需对上机架2进行精加工，即可安装基座驱动部4定位所需的导轨和挡铁。
[0028]如图5所示，所述的并联机构3包括:可移动基座9、滑块10、若干相配合的虎克铰11和第一伺服电机12和电动缸13，以及动平台14，其中:可移动基座9上设有滑块10且滑块10设置于上机架2的导轨上，虎克铰11的顶部与可移动基座9相连，底部均匀设置各个第一伺服电机12，动平台14的顶部由各个电动缸13驱动，中部开有法兰式定位安装孔15，以连接足踝夹持胫骨加载部6。
[0029]第一伺服电机12带有制动器和增量式编码器，采用直返式、尾铰安装方式，有利于提高传动刚性，减小并联机构结构尺寸，避免干涉情况发生。动平台14上预先留有法兰式安装孔15，方便与足踝夹持胫骨加载部6进行连接。
[0030]本实施例下机架1底部安装水平可调脚轮8，用于六自由度步态模拟的测试装置的搬运和水平调节，下机架1的下表面安装测力板5，用于测量步态模拟过程中，足底的受力分布情况。
[0031]上机架2的上表面沿前后平移方向安装两条平行导轨以及用于限位的挡铁，并联机构3通过滑块10安装在导轨上。
[0032]所述的相配合的第一伺服电机12和电动缸13的数量为6对。
[0033]如图6所示，所述的基座驱动部4包括:用于与上机架2相连接的液压缸安装支架16，用于驱动并联机构3沿前后方向移动的第一液压缸17，与球铰18。上机架2的侧边通过螺栓连接基座驱动部4，同时，基座驱动部4的第一液压缸17的活塞杆通过球铰18与并联机构3的可移动基座9相连接，驱动并联机构3沿前后平移方向高速运行。
[0034]所述的球铰18分别通过螺纹方式与法兰方式与第一液压缸17的活塞杆连接和可移动基座9相连。
[0035]如图7所示，所述的足踝夹持胫骨加载部6包括:第二液压缸19、拉压力传感器20、液压缸安装套筒21，液压缸活塞杆导向轴22，涨紧套23，多孔盘24以及胫骨连接杆25。
[0036]所述的第二液压缸19通过头部法兰与液压缸安装套筒21连接，用于实现胫骨沿轴向的加载。
[0037]所述的拉压力传感器20位于液压缸安装套筒21内部，两端分别与第二液压缸19的活塞杆与液压缸活塞杆导向轴22通过螺纹方式连接，用于检测胫骨加载力大小。
[0038]所述的液压缸活塞杆导向轴22通过滑键与液压缸安装套筒21进行配合，防止测试过程中，第二液压缸19的活塞杆发生转动。
[0039]所述的涨紧套23通过涨紧方式连接液压缸活塞杆导向轴22与胫骨连接杆25。
[0040]所述多孔盘24通过螺纹方式安装在胫骨连接杆25上，用于肌腱拉伸部7的钢丝绳的导向。
[0041]所述的胫骨连接杆25可以插入待测足踝胫骨内部，通过螺栓方式连接该待测足踝。
[0042]所述的液压缸安装套筒21通过中部法兰与并联机构3的法兰式定位安装孔15相连，方便调整与拆卸。
[0043]如图8所示，所述的肌腱拉伸部7包括:用于与下机架1侧边相连接伺服电机安装板26，第二伺服电机27，伺服减速机28与钢丝绳卷筒29。
[0044]所述第二伺服电机27通过伺服减速机28与钢丝绳卷筒29来驱动钢丝绳，对钢丝绳末端固定的待测足踝的肌腱进行拉伸。
[0045]所述的六自由度步态模拟的测试装置在运行过程中，通过并联机构3、基座驱动部
4、足踝夹持胫骨加载部6以及肌腱拉伸部7的配合，使得安装在足踝夹持胫骨加载部6上的待测足踝实现前后平移、上下平移、左右平移、外展和内收、内外翻和屈伸六个自由度的运动，人体体重的模拟，肌腱伸缩与出力的模拟，同时实现步态过程中足底压力分布的测量以及肌腱受力的测量。
【权利要求】
1.一种六自由度步态模拟的测试装置，其特征在于，包括:上机架、下机架、并联机构、基座驱动部、测力板、足踝夹持胫骨加载部和肌腱拉伸部，其中:上机架的底部和下机架的顶部相连，基座驱动部和测力板分别设置于上机架的顶部和下机架的底部，并联机构的顶部与基座驱动部相连，底部与足踝夹持胫骨加载部相连，足踝夹持胫骨加载部设置于测力板的上方，下机架的侧边设置肌腱拉伸部，基座驱动部和并联机构分别与足踝夹持胫骨加载部配合。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的下机架的底部设有水平可调脚轮，用于六自由度步态模拟的测试装置的搬运和水平调节。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的上机架的上表面沿前后平移方向设置两条平行的导轨以及用于限位的挡铁。
4.根据权利要求1、2或3所述的装置，其特征是，所述的并联机构包括:可移动基座、滑块、若干相配合的虎克铰、若干相配合的第一伺服电机和电动缸，以及动平台，其中:可移动基座上设有滑块且滑块设置于上机架的导轨上，可移动基座与基座驱动部相连，虎克铰的顶部与可移动基座相连，底部均匀设置各个第一伺服电机，动平台的顶部由各个第一电动缸驱动，中部开有安装孔以连接足踝夹持胫骨加载部。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征是，所述的相配合的第一伺服电机和电动缸的数量为6对。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征是，所述的第一伺服电机带有制动器和增量式编码器，采用直返式或尾铰安装方式。
7.根据权利要求4所述的装置，其特征是，所述的基座驱动部包括:用于与上机架相连接的液压缸安装支架，用于驱动并联机构实现前后方向移动的第一液压缸。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征是，所述的第一液压缸的活塞杆连接球铰，该球铰与并联机构相连。
9.根据权利要求5-8中任一项所述的装置，其特征是，所述的足踝夹持胫骨加载部包括:第二液压缸、拉压力传感器、液压缸安装套筒、液压缸活塞杆导向轴、涨紧套、多孔盘和胫骨连接杆，其中:第二液压缸与液压缸安装套筒相连，用于实现胫骨沿轴向的加载；拉压力传感器位于液压缸安装套筒的内部，拉压力传感器的两端分别与第二液压缸的活塞杆和液压缸活塞杆导向轴相连，用于检测胫骨加载力大小；液压缸活塞杆导向轴由滑键与液压缸安装套筒进行配合，防止测试过程中，第二液压缸的活塞杆发生转动；涨紧套分别涨紧连接液压缸活塞杆导向轴和胫骨连接杆；多孔盘设置于胫骨连接杆上且与肌腱拉伸部相连，用于导向作用；胫骨连接杆与待测足踝的胫骨相连；液压缸安装套筒与并联机构相连。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征是，所述的肌腱拉伸部包括:用于与下机架侧边相连接的伺服电机安装板、第二伺服电机、伺服减速机以及钢丝绳及其卷筒，其中:钢丝绳与待测足踝的肌腱相连，第二伺服电机由伺服减速机及卷筒驱动钢丝绳，对钢丝绳末端固定的待测足踝的肌腱进行拉伸。
【文档编号】G09B25/02GK104504984SQ201410664779
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年11月20日 优先权日:2014年11月20日
【发明者】施光林, 郭秦阳, 王冬梅 申请人:上海交通大学