一种离体膝关节的动态加载平台及其应用方法与流程

本发明涉及离体膝关节生物力学实验领域，尤其涉及一种离体膝关节的动态加载平台及其应用方法。

背景技术：

膝关节是由股骨、胫骨、腓骨、髌骨以及众多的肌肉、韧带、软骨等软组织构成的滑膜关节(synovialjoint)，是人体最大、结构最为复杂的关节，同时也是最容易受伤的关节。韧带尤其是前交叉韧带(anteriorcruciateligament,all)是维持膝关节稳定的重要结构，研究表明80％的膝关节韧带损伤都会涉及acl损伤，后者每年在全球的发病率高达200万例。因此对于膝关节的稳定性评估和运动功能测试是非常重要的课题。然而，现有的外科手术技术下病人的术后满意率较低，有11％-32％的患者对重建效果不满意，高达86％的患者在术后的3年内会发生膝关节不稳的症状。发展动态可靠的膝关节离体评测系统是研究手术治疗表现和改进内植物设计的最为直接有效的手段。

现有专利，申请号为：201611058599.x专利名称：一种膝关节生物力学性能测试与评估装置，虽然用于离体膝关节的力学测试；完成功能动作，但其只有平面的功能动作，没有内外旋动作，而内外旋为膝关节的运动中的基本特点。该专利不能进行中性位置(neutralposition)检测，且不能进行屈曲、内外旋等动作，这些测试都是检测膝关节稳定度的常用手段，也是外科大夫进行临床诊断的重要方法。

申请号为：201810661368.0专利名称：膝关节力加载及生物力学特性检测实验平台，用于膝关节测试的生物力学测试，包括对不同手术术式下膝关节的生物力学表现。使用电机驱动膝关节产生功能动作；通过气缸牵引附着于肌腱解剖点的钢丝对膝关节产生施加载荷，通过调试各个钢丝的力的值使得膝关节处于中性位置(neutralposition)；然而该专利无法灵活驱动膝关节的活动。

申请号为：201910226044.9专利名称：一种膝关节动态模拟装置，该专利模拟膝关节的功能动作，类在体载荷的加载，用作模拟在人体自重下膝关节的运动状态；靠足部与地面的摩擦接触。

目前的测试装置/平台存在以下缺陷：

1)实验设置复杂，时间成本和学习成本高。样本固定需要复杂的硬件结构和工程或医学技巧，比如需要逐条将钢丝固接于韧带附着点，并不断调整钢丝上的载荷使膝关节达到中性位置(neutralposition)或产生功能动作。

2)测力反馈回路复杂或功能缺失。如不能快速准确找到中性位置(neutralposition)，在运动过程中不能找到中性路径(neutralpath)，而这些都是测试中重要的功能。

3)对样本驱动不能实现快速灵活的6个自由度控制。

4)功能单一，不能完成对膝关节的稳定度测试；

5)无法观察到韧带/人工韧带等核心软组织的应变分布。

技术实现要素：

为克服现有技术的技术缺陷，本申请提供了一种离体膝关节的动态加载平台及应用方法，用于模拟膝关节在不同屈曲角度的功能动作中下，仿生应力分布情况，研究膝关节在正常步态行走时，特定载荷作用下生物力学的评估；通过模拟膝关节屈曲动作以及临床稳定性测试动作，分析关节受力和韧带应变状况，从而评估关节稳定性和运动学功能，并实现具有固定可靠、运动灵活、加载方便等优点，从而确保测试的准确性。

第一方面，本申请实施例提供了一种离体膝关节的动态加载平台，包括：实验台、机械臂系统、非接触全场应变测量系统、动作捕捉系统以及工控机；

所述实验台，用于支撑进行实验的膝关节样本；膝关节样本包括膝关节骨组织及其表面附着的软组织，膝关节样本被观察部表面涂抹有散斑试剂；

所述机械臂系统，包括机械臂本体，其末端连接膝关节样本顶端；接收控制指令后，驱动膝关节样本进行包括关节稳定测试、仿生屈曲测试在内的功能动作；关节稳定测试动作包括抽屉实验、内外旋实验、内外翻实验、轴移实验，运动学评价测试动作包括仿生屈曲生理动作；

所述动作捕捉系统，通过设置标记点，建立膝关节的三维空间坐标系；在膝关节样本进行连续功能动作时，实时获取膝关节样本及所述机械臂末端的空间位置数据；以及获取膝关节样本与所述机械臂末端的相对空间位置关系；

所述非接触全场应变测量系统，基于双目视觉原理，利用数字图像相关技术，实时获取膝关节样本表面的散斑图像；按时间序列将前后帧的散斑图像进行比较分析；分析膝关节样本在各种功能动作中，其表面散斑点位移数据及应变分布，以获取其表面受力后的应变行为；

所述工控机，与所述机械臂系统、所述动作捕捉系统以及所述非接触全场应变测量系统信号连接；内置mtalab软件，其包括运动控制和数据处理程序；向所述机械臂系统发送功能动作的控制指令，控制机械臂末端驱动膝关节样本进行功能动作；通过motive软件接收所述动作捕捉系统捕获各标记点在连续功能动作中的空间位置数据，获取膝关节样本的稳定性和运动学数据评价报告；通过数字图像相关技术接收所述非接触全场应变测量系统分析的散斑点位移数据及应变分布，获取膝关节样本的应变分析报告。

进一步地，所述动作捕捉系统包括取点器和至少三个动作捕捉相机；所述取点器用于点出膝关节样本中所需捕获的骨性标志点，所述动作捕捉相机采集骨性标志点，并建立三维空间坐标系；以及通过标记机械臂末端的特征点，获取机械臂末端在膝关节坐标系中的相对位置。

进一步地，所述取点器包括多个红外反光标记，其刚性连接膝关节样本，以作为膝关节样本骨性解剖特征点的标记点；利用光学反馈技术获取标记点在三维空间坐标系中不同时刻的空间位置数据，用以计算膝关节样本的稳定性和运动学数据。

进一步地，所述机械臂系统包括机械臂本体、力规以及机械臂夹具；所述力规的两端通过螺钉分别连接所述机械臂本体的输出端与所述机械臂夹具，通过所述机械臂夹具连接膝关节样本顶端；通过所述机械臂本体与所述力规的配合操作，实现对膝关节样本在非固定端空间位置的微调，驱使膝关节样本达到中性位置。

进一步地，所述机械臂夹具包括连接组件和机械臂夹具本体；所述连接组件用于连接所述机械臂夹具本体以及所述力规；所述机械臂夹具本体用于套接膝关节样本顶端。

进一步地，所述连接组件包括第一连接面、第二连接面以及两个加强筋；所述第一连接面一侧边垂直连接于所述第二连接面的一侧边，并通过两个所述加强筋分别连接相连接侧边的相邻两边；其中，所述第一连接面的内侧面安装所述机械臂夹具本体，所述第二连接面的外侧面连接所述力规；或者，所述第一连接面的外侧面连接所述力规，所述第二连接面的内侧面安装所述机械臂夹具本体。

进一步地，所述非接触全场应变测量系统包括全场应变摄像支架和两个全场应变摄像头，所述全场应变支架通过螺钉固定所述底座，所述全场应变摄像头安装于所述全场应变摄像支架上。

进一步地，所述实验台包括至少包括底座以及安装在所述底座上的支撑架；所述支撑架包括支架和支撑夹具，所述支撑夹具支架底部通过螺钉固定所述底座，所述支撑夹具支架顶部通过螺钉连接所述支撑夹具，所述支撑夹具用于套设所述膝关节样本底端。

第二方面，本申请实施例提供了一种离体膝关节稳定性和运动学特性的测试方法，采用如第一方面所述的离体膝关节的动态加载平台，所述方法包括：

s11，将膝关节样本固定于实验台；

s12，利用动作捕捉系统设置标记点，建立膝关节样本的三维空间坐标系，获取各标记点的空间位置数据，获取机械臂末端与膝关节样本之间的相对空间位置数据；

s13，基于各标记点的空间位置数据，向机械臂系统发送控制指令，根据力规的反馈值驱动膝关节样本处于中性位置；

s14，预设膝关节样本的起始空间位置；

s15，向机械臂系统发送功能动作的控制指令，驱使机械臂末端向膝关节样本产生轴向预紧力；通过机械臂末端和力规的配合，驱动膝关节样本分别进行抽屉实验、内外旋实验、内外翻实验以及轴移实验；以及通过沿屈曲轴的纯力矩驱动膝关节沿中性路径产生屈曲动作；

s16，通过追踪各个标记点，按时间序列接收所述标记点在连续功能动作中的空间位置数据，获取膝关节样本在功能动作中的运动学数据；

s17，利用motive软件接收动作捕捉装置采集的运动位置数据，获取膝关节样本在功能动作中，各个标记点的运动轨迹；并利用matlab软件处理膝关节样本在功能动作中的运动学数据，获取膝关节样本的稳定性和运动学数据评价报告。

第三方面，本申请实施例提供了一种离体膝关节的结构应变分析方法，采用如第一方面所述的离体膝关节的动态加载平台，所述方法包括：

s21，将膝关节样本固定于实验台上；

s22，利用动作捕捉系统设置标记点，建立膝关节样本的三维空间坐标系，获取各标记点的空间位置数据，获取机械臂末端与膝关节样本之间的相对空间位置数据；

s23，基于空间位置数据，向机械臂系统发送功能动作的控制指令，通过力规的反馈值驱动膝关节样本处于中性位置；

s24，预设膝关节样本的起始空间位置；

s25，向所述机械臂系统发送功能动作的控制指令，驱使机械臂末端向膝关节样本产生轴向预紧力；通过机械臂末端和力规的配合，驱动膝关节样本进行抽屉实验、内外旋实验、内外翻实验以及轴移实验；以及通过沿屈曲轴的纯力矩，驱动膝关节样本沿中性路径产生屈曲动作；

s26，利用非接触全场应变测量系统对准膝关节样本中所需分析的目标区域，采集膝关节样本目标区域的应变图像；

s27，利用数字图像分析软件处理目标区域的应变图像，获取应变分析结果。

本申请实施例中提供的一种离体膝关节的动态加载平台及其应用方法，至少具有如下技术效果：

1)本发明利用实验台、机械臂系统、非接触全场应变测量系统、动作捕捉系统以及工控机，从硬件构造以及软件程序上构建简便易用的离体膝关节的动态加载平台，以便进行膝关节的生物力学测试，从而满足离体膝关节的力学测试和运动学测试的要求，并以此降低实验时间成本和学习成本，以提高实验效率，满足膝关节手术术士表面测试和内植物功能测评需求。

2)本发明通过非接触全场应变测量系统采集膝关节样本软组织或骨组织表面的散斑图像，通过在功能动作中的散斑图像，分析膝关节样本软组织或骨组织表面的受力应变行为，以此获取散斑点的位移数据以及应变分布，从而达到膝关节样本应变分析的目的，以此实现对膝关节力学测试要求。

3)本发明通过动作捕捉系统实现膝关节样本的运动学测试要求，具体通过取点器采集膝关节样本与机械臂末端的特征点，建立膝关节样本与机械臂末端的三维空间坐标系，并通过取点器采集机械臂末端结构特征点获取其相对于膝关节坐标系的相对位置，进一步，在膝关节样本上刚接红外反光标记，通过该标记点在膝关节样本的各连续的功能动作中的空间位置数据，获得标记点在连续功能动作中的空间位置数据变化，以此实现对膝关节运动学测试要求。

4)本发明基于外科临床膝关节稳定性检测方法，通过控制机械臂对膝关节样本产生轴向预紧力，进行膝关节前(后)抽屉实验、内外旋实验、内外翻实验以及轴移实验，完成膝关节的稳定性测试；对膝关节进行沿中性路径的屈曲实验，完成膝关节的运动学或生物力学测试。

5)本发明通过机械臂(kukarobot)和力规(atiloadcell)配合，实现对膝关节非固定端的空间位置的微调，使膝关节达到中性位置(neutralposition)，通过机械臂输出端的运动特点，对膝关节的活动驱动更为灵活，各功能测试更加方便。

6)本发明着重对不同手术术式的膝关节的生物力学表现进行测试，如稳定度测试、植入物的应力应变的运动状态的测试等，当然不局限于上述描述的两种功能测试。

7)本发明不局限于离体膝关节，可扩展到其他骨组织，比如，脊柱测试。

8)本发明通过定制夹具实现对膝关节样本的稳定性和运动学、力学测试测试。

附图说明

图1为本申请实施例中的一种离体膝关节的动态加载平台的系统框图；

图2为本申请实施例中的一种离体膝关节的动态加载平台的结构示意图；

图3为本申请实施例中的一种实验台的结构实体图；

图4为本申请实施例中的动作捕捉系统结构示意图；

图5为本申请实施例非接触全场应变测量系统结构示意图；

图6为本申请实施例中的一种机械臂结构示意图；

图7为本申请实施例中的一种机械臂夹具结构示意图；

图8为本申请实施例中的一种离体膝关节的稳定性测试方法流程示意图；

图9为本申请实施例中的一种离体膝关节的结构应变分析方法流程示意图。

附图标号：

工控机100，机械臂系统200，机械臂本体210，力规220，机械臂夹具230，连接组件231，机械臂夹具本体232，非接触全场应变测量系统300，全场应变摄像头310，全场应变摄像支架320，动作捕捉系统400，动作捕捉相机410，标记设备420，实验台500，底座510，支撑架520，支撑夹具521，支撑夹具支架522。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例一

参考附图1-2所示，本实施例提供了一种离体膝关节的动态加载平台，主要包括实验台500、机械臂系统200、非接触全场应变测量系统300、动作捕捉系统400以及工控机100。

本实施例中利用实验台500、机械臂系统200、非接触全场应变测量系统300、动作捕捉系统400以及工控机100，从硬件构造以及软件程序上构建简便易用的离体膝关节的动态加载平台，以便进行膝关节的生物力学测试，从而满足离体膝关节的力学测试和运动学测试的要求，并以此降低实验时间成本和学习成本，以提高实验效率，满足膝关节手术术士表现测试和内植物功能测评的需求。

本实施例中的实验台500，用于支撑进行实验的膝关节样本。其中，膝关节样本包括膝关节骨组织及表面附着的软组织；骨组织至少包括胫骨、股骨。

在一种实施例中，参考图3所示，实验台500至少包括底座510以及安装在底座510上的支撑架520。支撑架520包括支撑夹具支架522和支撑夹具521，支撑夹具支架522底部通过螺钉固定底座510，支撑夹具支架522顶部通过螺钉与支撑夹具521固定连接，支撑夹具521用于套设膝关节样本的底端。

进一步地，支撑夹具支架522由上到下依次包括支撑夹具521、托台、托台支柱以及底板，其中，底板、托台呈矩形，底板四周通过螺钉固定在底座510上方；托台支柱包括4个，托台支柱的底端分别安装在底板上，顶端稳定支撑托台。托台的上方通过螺钉固定安装支撑夹具521。本实施例中的支撑夹具521包括安装部和夹具部，夹具部呈一端开口的圆筒，圆筒的另一端固定在安装部上，膝关节样本的下端安装在圆筒内。

本实施例中的机械臂系统200，包括机械臂本体，其末端连接膝关节样本顶端。进一步地，通过专用夹具套接于套接膝关节样本的顶端。本实施例中的机械臂末端连接机械臂运动工具端。本实施例中的机械臂系统200在接收到控制指令后，控制机械臂末端运动，驱使膝关节样本进行包括关节稳定测试、仿生屈曲测试在内的功能动作。关节稳定测试动作包括抽屉实验、内外旋实验、内外翻实验以及轴移实验，运动学评价测试动作包括仿生屈曲生理动作。当然不限于上述的稳定度测试动作以及仿生屈曲动作，本实施例针对各种实验进行适配的各种功能动作测试，以获取相关数据分析膝关节中的力学仿生实验。

进一步地，机械臂系统200包括机械臂本体210、力规220以及机械臂夹具230。其中，参考图5所示，机械臂夹具230为本实施例中针对膝关节样本自制的专用夹具。力规220的两端通过螺钉分别连接机械臂本体210的输出端(末端)与机械臂夹具230，通过机械臂夹具230连接/套接膝关节样本的顶端。通过机械臂本体210与力规220的配合操作，控制机械臂末端的机械臂夹具230进行运动，以实现驱动对膝关节样本在非固定端空间位置的微调，驱使膝关节样本达到中性位置(neutralposition)以及进行各种功能动作。在一种实施例中，参考图4所示，机械臂本体210采用六自由度的机械臂(kukarobot)和力规(atiloadcell)。通过六自由度的机械臂(kukarobot)和力规(atiloadcell)配合，实现对膝关节非固定端的空间位置的微调，使膝关节达到中性位置(neutralposition)，利用机械臂工具端的运动特征，使对膝关节的活动驱动更为灵活，从而能够完成膝关节的稳定测试和运动学测试，例如，前(后)抽屉试验，内外旋试验，内外翻试验、轴移试验、沿中性路径的屈曲实验等。

进一步地，机械臂夹具230包括连接组件231和机械臂夹具本体232；连接组件231用于连接机械臂夹具本体232以及力规220；机械臂夹具本体232用于套接膝关节样本顶端。在一种实施例中，连接组件231包括第一连接面、第二连接面以及两个加强筋；第一连接面一侧边垂直连接于第二连接面的一侧边，并通过两个加强筋分别连接相连边的相邻两边；其中，第一连接面的内侧面安装机械臂夹具本体232，第二连接面的外侧面连接力规220；或者，第一连接面的外侧面连接力规220，第二连接面的内侧面安装机械臂夹具本体232。

参考图6所示，本实施例中的动作捕捉系统400，通过设置标记点，建立膝关节的三维空间坐标系；在膝关节样本进行连续功能动作时，实时获取膝关节样本及机械臂末端的空间位置数据；以及获取膝关节样本与机械臂末端的相对空间位置关系。

本实施例中的动作捕捉系统400，在实验前，用于确定膝关节样本与机械臂末端的初始空间位置关系；进一步地，利用已校正的取点器(pointer)依次点出多个特征点的空间位置，以建立膝关节三维空间坐标系。其中，多个特征点包括机械臂末端、机械臂夹具、膝关节样本中膝关节骨性解剖参考点，进而获取机械臂末端和膝关节的相对空间位置关系。在实验中，用于追踪膝关节样本中的骨性标志点，例如，追踪胫骨、股骨或髌骨实时位置信息。进一步地，分别实时追踪膝关节股骨、胫骨或髌骨上的标记点，从而获得股骨、胫骨或髌骨的实时运动位置信息。

在一种实施例中，动作捕捉系统400包括软件部分和硬件部分，硬件部分包括红外摄像机、取点器、标记设备、信号传输设备以及数据处理设备等；软件部分采用motive软件，并内置于工控机100中，进行捕捉系统设置、空间定位定标、运动捕捉以及数据处理。标记设备采用红外反光标记设备，为一种信号发射传感器，其设于膝关节样本上，持续发出的信号通过定位传感器接收后，再利用传输设备进入数据处理工作站处理，通过软件中进行运动解析，获取连贯的三维运动数据，包括膝关节的三维空间坐标、自由度运动参数。

本实施例中的动作捕捉系统400包括取点器(pointer)420以及至少三个动作捕捉相机410。取点器420用于点出膝关节样本中所需捕获的骨性标志点，动作捕捉相机410采集骨性标志点，并建立三维空间坐标系；以及通过标记机械臂末端的特征点，获取机械臂末端在膝关节坐标系中的相对位置。

进一步地，取点器420包括多个红外反光标记，各红外反光标记刚性连接膝关节样本，以作为膝关节样本骨性解剖特征点的标记点；并利用光学反馈技术获取标记点在三维空间坐标系不同时刻的空间位置数据，用以计算膝关节的稳定性和运动学数据。

其中，采用光学反馈技术获取三维空间坐标系内的空间位置数据，具体可以理解为基于计算机视觉原理，由多个高速相机从不同角度对目标特征点的监视和跟踪，以完成运动捕捉。本实施例中采用至少三个动作捕捉相机410从不同角度进行跟踪捕捉。本实施例中的三个动作捕捉相机410同时采集膝关节样本中的标记点的图像。当动作捕捉相机410以足够高的速率连续拍摄时，从图像序列中可以得到该标记点的运动轨迹。可以理解为本实施例中的动作捕捉相机410为光学相机。目标传感器可以在目标物体上额外添加标记，例如采用基于二维图像特征或三维形状特征提取的关节信息作为探测目标，即为无标记点式光学动作捕捉系统400，可以在物体上粘贴标记点作为目标传感器，即为标记点式光学动作捕捉。

在一种实施例中，取点器420为一种光学标记设备，取点器420包括4个红外反光标记和1个尖端(tip)。举例说明，取点器42的尖端指向膝关节样本特定的骨性标记点(bonylandmarks)，如，内外髁凸点(内外侧副韧带的中心点)，建立三维空间坐标系。进一步地，通过红外反光标记(marker)作为光学标识，通过动作捕捉相机进行动作捕捉，红外反光标记(marker)受脉冲信号控制明暗，以此对红外反光标记(marker)进行时域编码识别，识别鲁棒性好，有较高的跟踪准确率。另外，时序编码的红外反光标记(marker)识别原理本质上是依靠相机在不同时刻对不同的红外反光标记(marker)采集成像来进行id标识,并在同一个动作帧中针对所有的红外反光标记(marker)进行曝光，以便实现动作捕获时，红外反光标记(marker)检测的同步，避免运动变形，便于快速捕获运动动作。本实施例中针对膝关节样本的运动姿态进行捕获，通过两个以上的相机近距离捕获红外反光标记(marker)。

进一步地，动作捕捉系统400还包括动作捕捉相机410支架，动作捕捉相机410支架采用可伸缩式支架，支撑两个动作捕捉相机410。

参考图7所示，本实施例中的非接触全场应变测量系统300，基于双目视觉原理，利用数字图像相关技术(digitalimagecorrelation，dic)，实时获取膝关节样本表面的散斑图像。按时间序列将前后帧的散斑图像比较分析，分析膝关节样本在功能动作中，其表面散斑点位移数据及应变分布，以获取其表面受力后的应变行为。

在一种实施例中，非接触全场应变测量系统300包括全场应变摄像支架320和两个全场应变摄像头310，全场应变支架通过螺钉固定底座510，全场应变摄像头310安装于全场应变摄像支架320上。

非接触全场应变测量系统300为一种非接触式全场应变测量系统，利用图像相关点进行对比算法实现数字图像相关技术。其中，基于双目视觉原理，通过两个全场应变摄像头310捕捉膝关节表面的散斑点，并与预先散斑点的灰度进行对比，计算出每一帧下散斑点的空间位置，按照时间序列，不同散斑点之间的空间运动，获取膝关节表面的应变行为。本实施例通过在软组织或骨组织上涂抹散斑试剂，相比于传统的应变测量方法如贴应变片或traingauge节约时间的同时，避免对软组织的形变产生影响。本实施例中采用数字图像相关技术(digitalimagecorrelation，dic)技术通过“所见即所得”效果，实现对全场径向应变观察；从而避免人工误差，提高精度。其中，应变图像为在外力作用下膝关节表面局部的相对变化，通过应变数据获取膝关节局部受力变化及受力变化大小，从而获得膝关节在该屈曲运动下，物理受力状态。

本实施例中的工控机100，与机械臂、动作捕捉相机410以及非接触全场应变测量系统300信号连接。工控机100内置matlab软件，其包括运动控制程序和数据处理程序。工控机100向机械臂系统200发送功能动作的控制指令后，控制机械臂末端驱动膝关节样本进行功能动作；通过motive软件接收动作捕捉系统捕获的各标记点在连续功能动作中的空间位置数据，本实施例中利用定制程序对motive接收的红外标记原始运动数据进行计算处理，获取膝关节样本的稳定性和运动学数据评价报告；以及通过数字图像相关技术接收非接触全场应变测量系统300分析的散斑点位移数据及应变分布，获取膝关节样本的应变分析报告。

进一步地，工控机100通过内置matlab软件中的运动控制程序向机械臂发送功能动作的控制指令，机械臂接收控制指令驱动膝关节样本进行功能动作的过程进一步包括：获取膝关节样本上的标记点(例如，外侧副韧带中心lfc，内侧副韧带中心mfc)以及机械臂末端的空间点坐标数据(例如，夹具末端膝关节内侧点mep，夹具末端膝关节外侧点lep，lep上侧点lup)，分别建立膝关节样本坐标系coord1(z轴方向为mfc指向lfc，y轴方向lep指向lfc，x轴方向由y轴、z轴及右手定则确定)、机械臂末端坐标系coord2(向lfc，x轴方向由y轴、z轴及右手定则确定)、机械臂末端坐标系coord2(z轴方向为mep指向lep，y轴方向lup指向lep，x轴方向由y轴、z轴及右手定则确定)，基于isb(国际生物力学学会)建议，假设膝关节运动的前方为x轴、上方为y轴、向右方为z轴。当机械臂驱动膝关节样本发生功能动作时，机械臂末端的coord2绕coord1的z轴运动，驱动力为anm，进行功能动作时，机械臂上的力规220实时控制coord1的z轴的扭矩，当扭矩值达到预设值anm时，停止功能动作。

通过matlab对机械臂末端的coord2进行运动控制。本实施例中可以理解为控制coord2绕着coord1进行空间运动，matlab发送机械臂末端关于时序的位置信息，机械臂系统200会自动运算机械臂内部各个关节间的位置运动关系。进一步地，matlab软件利用矩阵变换计算出coord2绕coord1运动发生过程中的空间位置信息，后调用dll动态链接库将该信息转换成机械臂系统200能够识别的运动指令，机械臂系统200执行该控制指令，驱使机械臂末端产生目标动作，直到到达目标位置(targetposition)。

本实施例中获取膝关节样本测试的力学信息和运动学信息。在进行位置控制过程中，通过非接触全场应变测量系统300采集目标物表面的应变时序图像，分析膝关节样本表面的力学行为，即力学行为；通过动作捕捉系统400采集膝关节各刚体的运动学数据，分析膝关节稳定性或运动学行为。

膝关节样本的屈曲运动动作可以理解为，获取膝关节屈曲过程中的neutralpath，即coord2绕coord1运动的中性路径，确保整个屈曲过程中力规220测到的力只有绕coord1的z轴的力矩，绕coord1其他轴(x轴和y轴)的力矩小于设定误差值接近于0。中性路径是体外实验的一个重要的通用概念，是指样本只受到某一个方向的纯力矩的时候，产生的被动运动路径，常常做为离体实验的运动学参数的基准线。

工控机100控制机械臂寻找中性路径的过程中，根据初始的coord1和coord2的位置关系，给机械臂一个初始的运动方向和较小角度(例如3°)，读取力规220上相对于coord1的各轴的力矩，当出现非z轴的其他力矩时，例如绕x轴力矩不为零且大于允许的误差值，控制coord2绕x轴的反方向做修补，直至除z轴以外其他轴上的力矩均在误差值以内，然后进行下一步迭代，直至运动完成即只有绕z轴力矩为设定值(targetforce)。

实施例二

参考图8所示，本实施例提供了一种离体膝关节的稳定性测试方法，采用实施例一中的离体膝关节的动态加载平台。该方法包括如下步骤：

s11，将膝关节样本固定到实验台500上。

s12，利用动作捕捉系统400设置标记点，建立膝关节样本的三维空间坐标系，获取各标记点的空间位置数据，获取机械臂末端与膝关节样本之间的相对空间位置关系。

s13，基于各标记点的空间位置数据，向机械臂系统200发送控制指令，根据力规的反馈值驱动膝关节样本处于中性位置。

s14，预设膝关节样本的起始空间位置。

s15，向机械臂系统200发送功能动作的控制指令，驱使机械臂末端向膝关节样本产生轴向预紧力；通过机械臂末端与力规的配合，驱动膝关节样本分别进行抽屉实验、内外旋实验、内外翻实验以及轴移实验；以及通过沿屈曲轴的纯力矩，驱动膝关节样本沿中性路径产生屈曲动作。

s16，通过追踪各个标记点，按时间序列接收标记点在连续功能动作中的空间位置数据，获取膝关节样本在功能动作中的运动学数据。

s17，利用motive软件接收动作捕捉装置采集的运动位置数据，获取膝关节样本在功能动作中，各个标记点的运动轨迹；并利用matlab软件处理膝关节样本在功能动作中的运动学数据，获取膝关节样本的稳定性和运动学数据评价报告。

实施例三

参考图9所示，本实施例提供了一种离体膝关节的结构应变分析方法，采用如实施例一中的离体膝关节的动态加载平台，该方法包括如下步骤。

s21，将膝关节样本固定于实验台500上。

s22，利用动作捕捉系统400设置标记点，建立膝关节样本的三维空间坐标系，获取各标记点的空间位置数据，获取机械臂末端与膝关节样本之间的相对空间位置数据。

s23，基于空间位置数据，向机械臂系统200发送功能动作的控制指令，通过力规的反馈值驱动膝关节样本处于中性位置。

s24，预设膝关节样本的起始空间位置。

s25，向机械臂系统发送功能动作的控制指令，驱使机械臂末端向膝关节样本产生轴向预紧力；通过机械臂末端和力规的配合，驱动膝关节样本进行抽屉实验、内外旋实验、内外翻实验以及轴移实验；以及通过沿屈曲轴的纯力矩，驱动膝关节样本沿中性路径产生屈曲动作。

s26，利用非接触全场应变测量系统300对准膝关节样本中所需分析的目标区域，采集膝关节样本目标区域的应变图像。

s29，利用数字图像分析软件处理目标区域的应变图像，获取应变分析结果。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。