專利名稱：串聯(lián)式五自由度足踝步態(tài)模擬的實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種模擬人體足踝步態(tài)及
測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
足踝復(fù)合體參與人體運(yùn)動(dòng)，是人體的最終負(fù)重部位。站立時(shí)，體重的50-60%分布在足跟，40-50%分布于跖骨頭；正常行走時(shí)，足部負(fù)重是體重的I. 2倍；奔跑時(shí)增為2倍； 像跨欄、籃球和排球等運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，落地時(shí)承受3. 5 7倍于自身體重的沖擊力，與下肢的運(yùn)動(dòng)損傷關(guān)系密切。關(guān)節(jié)損傷中，以足踝部最常見(jiàn)，高達(dá)64. 6%;踝關(guān)節(jié)內(nèi)、外側(cè)韌帶損傷約占全身韌帶損傷的80%，位于首位；高齡人口中80%有足踝疾病(如脛后肌腱炎、跟腱滑囊炎及跟腱斷裂、踝關(guān)節(jié)外側(cè)韌帶損傷、跖筋膜炎、距骨軟骨缺損、糖尿病足、踝關(guān)節(jié)炎等)的困擾。由于足踝部解剖結(jié)構(gòu)和生物力學(xué)特性的復(fù)雜性及人類對(duì)足的存在和作用習(xí)以為常，在醫(yī)學(xué)及其相關(guān)的科學(xué)研究中，有關(guān)足踝的研究在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間未能得到應(yīng)有重視，使其遠(yuǎn)不如髖、膝關(guān)節(jié)那樣被深入了解，對(duì)足踝步態(tài)中的生物力學(xué)特性(特別是各骨塊之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系、骨內(nèi)部應(yīng)力分布、韌帶和肌腱力學(xué)行為、關(guān)節(jié)接觸應(yīng)力變化等)更缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和研究，人類尚未徹底清楚了解并掌握這一系統(tǒng)。臨床上對(duì)一些常見(jiàn)足踝疾病形成和治療的生物力學(xué)機(jī)理還尚不清楚，治療方案優(yōu)化和選擇多依據(jù)經(jīng)驗(yàn)、靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)模型應(yīng)力分析及簡(jiǎn)化模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究成果，還缺乏足夠的科學(xué)依據(jù)；涉及足踝學(xué)科的運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)、現(xiàn)代矯形學(xué)及機(jī)器人行走系統(tǒng)等均對(duì)天然人體足踝系統(tǒng)地運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)探究提出更高的要求。因此，探討人體足踝各組成部分之間的力學(xué)作用關(guān)系，包括相對(duì)運(yùn)動(dòng)和相互作用力關(guān)系以及使足踝完成正常步態(tài)時(shí)肌肉力的時(shí)間歷程變化規(guī)律成為亟待和急需研究的課題。而完成這些研究，需要研制人體足踝步態(tài)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模擬及測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)活體測(cè)量無(wú)法進(jìn)行的試驗(yàn)，同時(shí)獲得活體試驗(yàn)無(wú)法得到的力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。本裝置是基于以上背景被提出來(lái)，通過(guò)機(jī)械與電子控制技術(shù)驅(qū)動(dòng)尸體足踝動(dòng)力學(xué)模型實(shí)現(xiàn)足踝步態(tài)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模擬，并在此過(guò)程中運(yùn)用光學(xué)和力學(xué)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量并采集步態(tài)中足踝各骨塊之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、關(guān)節(jié)力、肌肉力的大小等運(yùn)動(dòng)和力學(xué)參數(shù)，為基于多剛體模型的足踝步態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算分析提供寶貴的原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)。同時(shí)，為現(xiàn)代矯形支具的優(yōu)化設(shè)計(jì)和功能評(píng)價(jià)及足踝系統(tǒng)相關(guān)新興學(xué)科生物力學(xué)問(wèn)題研究提供試驗(yàn)測(cè)量和分析平臺(tái)。經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，目前足踝步態(tài)模擬試驗(yàn)裝置按運(yùn)動(dòng)模式分為兩種一種是脛骨運(yùn)動(dòng)模式，地面模擬平臺(tái)固定，足底與地面動(dòng)態(tài)約束，仿真真實(shí)步態(tài)地面與足底關(guān)系。通過(guò)機(jī)械機(jī)構(gòu)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)脛骨在步態(tài)中的空間運(yùn)動(dòng)及載荷施加模擬。 例如美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)的Neil Sharkey等在《Clinical Biomechanics))(臨床生物力學(xué)，1998 年 13 卷 420-433 頁(yè))報(bào)道了“A dynamic cadaver model of the stance phase of gait: performance characteristics and kinetic validation，，(步態(tài)中相的動(dòng)力
4學(xué)尸體足踝模型行為特征和動(dòng)力學(xué)驗(yàn)證)，采用平面凸輪機(jī)構(gòu)控制脛骨的空間運(yùn)動(dòng)。美國(guó)梅奧醫(yī)學(xué)中心的Kim等在《J Musculoskeletal Res))(骨肌研究雜志，2001年5卷2期 113-121 頁(yè))上發(fā)表了“In vitro simulation of the stance phase in human gait，，(人體步態(tài)站立相的離體模擬)，該設(shè)計(jì)是通過(guò)電機(jī)絲杠驅(qū)動(dòng)脛骨從后向前擺動(dòng)。脛骨載荷通過(guò)與之相連的電動(dòng)缸完成。Nester等在《Journal of Biomechanics》(生物力學(xué)期刊，2007年 40 卷 1927- 1937 頁(yè))上報(bào)道了“In vitro study of foot kinematics using a dynamic walking cadaver model. ”(基于動(dòng)態(tài)行走尸體模型的足運(yùn)動(dòng)學(xué)離體研究),在該設(shè)計(jì)中，胚骨由一獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的臺(tái)車拖動(dòng)。脛骨的6個(gè)自由度中有三個(gè)受到控制，前后移動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)和垂直位移；另一種是試驗(yàn)臺(tái)上固聯(lián)尸體腳的脛骨在試驗(yàn)中保持不動(dòng)，而模擬地面的平臺(tái)作相對(duì)于腳的運(yùn)動(dòng)。德國(guó)圖賓根大學(xué)的Hurschler等在《Foot Ankle Int))(足踝國(guó)際期刊， 2003 年 24 卷 614-622 頁(yè))報(bào)道了“In vitro simulation of stance phase gait part I: Model verification. ”(步態(tài)站立相的離體模擬第I部分模型驗(yàn)證)，在步態(tài)模擬試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)中，試驗(yàn)臺(tái)上固聯(lián)的尸體腳在試驗(yàn)中保持不動(dòng)，而模擬地面的平臺(tái)作相對(duì)于腳的運(yùn)動(dòng)。這個(gè)設(shè)計(jì)可以對(duì)矢狀面的脛骨/足體進(jìn)行控制，用氣動(dòng)加載的足底平臺(tái)實(shí)現(xiàn)垂直加載。 脛骨在水平面的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)固聯(lián)在脛骨端點(diǎn)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。美國(guó)華盛頓大學(xué)的Whittaker等在 《Gait & Posture》(步態(tài)雜志，2011 年 33 卷 645-650 頁(yè))報(bào)道了 “Foot bone kinematics as measured in a cadaveric robotic gait simulator”(機(jī)器人尸體足步態(tài)模擬器中足部骨骼運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)量)，該試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)基于一種自由度平臺(tái)，利用該平臺(tái)模擬地面相對(duì)足踝的運(yùn)動(dòng)，而脛骨則固定不動(dòng)，控制六自由度平臺(tái)模擬地面相對(duì)足的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)足踝步態(tài)站立中相的模擬。以上所研制的人尸體足踝步態(tài)模擬試驗(yàn)裝置中，主要存在如下缺點(diǎn)
僅僅對(duì)脛骨運(yùn)動(dòng)的六個(gè)自由度中的2個(gè)或3個(gè)進(jìn)行了控制，不能反映真實(shí)的運(yùn)動(dòng)和受力情況；脛骨運(yùn)動(dòng)周期速率與肌肉力施加速率減小的程度過(guò)大，這樣，對(duì)于持續(xù)時(shí)間僅為
0.6-0. 8秒的真實(shí)步行著地姿態(tài)相，在模擬機(jī)中仿真卻只達(dá)到了 20秒、11秒、最快也只能達(dá)到2秒。即，動(dòng)態(tài)模型沒(méi)有考慮到步行運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵動(dòng)態(tài)影響因素；裝置將腓骨長(zhǎng)肌與短肌結(jié)合在一起，而在解剖學(xué)上，它們僅與其附著點(diǎn)(胚骨/腓骨)相關(guān)，因此，其附著處與功能完全不同，故對(duì)肌肉施力控制不夠準(zhǔn)確，沒(méi)有單獨(dú)考慮所有肌肉的激勵(lì)問(wèn)題；不能完全仿真人體上部施加的負(fù)載，一般只達(dá)到真實(shí)狀態(tài)的一半左右。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，設(shè)計(jì)一種足踝步態(tài)模擬及測(cè)量裝置。根據(jù)人體足踝步態(tài)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，設(shè)計(jì)若干自由度串聯(lián)機(jī)構(gòu)模擬脛骨的空間運(yùn)動(dòng)，同時(shí)利用電動(dòng)缸和步進(jìn)電機(jī)分別實(shí)現(xiàn)脛骨力和肌肉力的施加，使其既能模擬人體足踝步態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)過(guò)程，又能很好測(cè)量運(yùn)動(dòng)與力學(xué)參數(shù)，從而獲得完整、有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本發(fā)明目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
一種足踝步態(tài)模擬裝置，用于人體足踝步態(tài)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究，包括總體框架、脛骨軸、尸體足踝脛骨插入桿、前后向移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)、矢狀面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)、 冠狀面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)、水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)、垂直向移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)、脛骨加載機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)、肌肉力加載機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)。其中，
所述的前后向移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)是用于實(shí)現(xiàn)足踝系統(tǒng)脛骨軸的前后向移動(dòng)；所述矢狀面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)足踝系統(tǒng)脛骨軸的矢狀面內(nèi)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；所述冠狀面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)足踝系統(tǒng)脛骨軸在冠狀面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；所述水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)足踝系統(tǒng)脛骨軸在冠狀面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；所述垂直向移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)足踝系統(tǒng)脛骨軸在垂直向的移動(dòng)；所述脛骨加載機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)足踝系統(tǒng)脛骨軸向力的施加與控制；所述肌肉力加載機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)足踝系統(tǒng)肌肉力的施加與控制。其中，總體框架直接支撐前后向移動(dòng)系統(tǒng)的導(dǎo)軌、固定足底力測(cè)量平臺(tái)、支撐肌肉力加載機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)；冠狀面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)通過(guò)立臂與前后向移動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)輸出板固連，同時(shí)通過(guò)擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)與矢狀面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)串聯(lián)；水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)固定在矢狀面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)的串聯(lián)平行四邊形機(jī)構(gòu)上，并通過(guò)齒輪嚙合運(yùn)動(dòng)控制脛骨軸的水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)；脛骨軸的垂直移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)通過(guò)滑軌及螺旋機(jī)構(gòu)與矢狀面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)的串聯(lián)平行四邊形機(jī)構(gòu)相連，其移動(dòng)支撐板對(duì)脛骨加載電動(dòng)缸起固定支撐作用；脛骨加載機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)固定在垂直移動(dòng)及控制系統(tǒng)的移動(dòng)支撐板上，同時(shí)通過(guò)彈性球鉸裝置與脛骨軸相連；肌肉加載及控制系統(tǒng)固定于裝置的總體框架頂部支撐板上，通過(guò)鋼絲軟軸和肌腱夾具相連；脛骨軸通過(guò)螺紋連接與脛骨加載機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)相連，通過(guò)滑塊與水平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)相作用，通過(guò)螺紋連接實(shí)現(xiàn)與尸體足踝脛骨插入桿固定；脛骨插入桿通過(guò)過(guò)盈配合及螺栓連接實(shí)現(xiàn)與尸體足踝脛骨的固定。上述的總體框架包括四角可調(diào)支撐、矩形支撐框、測(cè)力平臺(tái)支撐架、電機(jī)支撐架。 其中四角可調(diào)支撐通過(guò)絲桿與鎖緊螺母調(diào)節(jié)試驗(yàn)臺(tái)相對(duì)地面的高度，并與矩形支撐框固定；測(cè)力平臺(tái)支撐架固定于矩形框架底部的橫梁上，支撐架的支撐平面高度可調(diào)，支撐平臺(tái)通過(guò)螺栓連接與測(cè)力臺(tái)固定；電機(jī)支撐架固定于框架的頂部。上述的前后向移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)包括平行導(dǎo)軌、絲桿螺母機(jī)構(gòu)、支撐平臺(tái)、光電開(kāi)關(guān)、伺服電機(jī)。其中平行導(dǎo)軌固定于總體框架的底部橫梁上；伺服電機(jī)軸與絲桿軸相連，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)與絲桿螺母機(jī)構(gòu)的螺母固連的支撐平臺(tái)沿導(dǎo)軌前后移動(dòng)，移動(dòng)的極限位置受光電開(kāi)關(guān)安裝位置限制；光電限位開(kāi)關(guān)安裝于導(dǎo)軌一側(cè)，由前后兩個(gè)組成，分別限制支撐平臺(tái)的前后極限位置。上述冠狀面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)包括立臂、U形架、絲桿、螺母、導(dǎo)向桿、L形擺動(dòng)支架、滑塊、導(dǎo)桿、伺服電機(jī)、光電限位開(kāi)關(guān)。其中立臂固定于前后向移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)的支撐平臺(tái)上；U形架固定于立臂上，絲桿螺母組成螺旋機(jī)構(gòu)；導(dǎo)桿平行于絲桿，固定在U形架上，對(duì)螺母移動(dòng)起導(dǎo)向與支撐作用；滑塊與螺母固連，可以沿導(dǎo)桿滑動(dòng)山形支架底邊與前后向移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)的支撐平臺(tái)以轉(zhuǎn)動(dòng)副相連、立邊固定導(dǎo)桿，滑塊沿導(dǎo)桿的移動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)L形支架繞與其底邊平行的軸轉(zhuǎn)動(dòng)；伺服電機(jī)軸與絲桿相連；光電限位開(kāi)關(guān)安裝于U形槽的底部，限制螺母沿絲桿移動(dòng)的極限位置。上述矢狀面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)包括絲桿、螺母、導(dǎo)軌、滑塊、連桿、串聯(lián)平行四邊形機(jī)構(gòu)、伺服電機(jī)、光電限位開(kāi)關(guān)。其中導(dǎo)軌固定于L形支架的底邊；滑塊與螺母固結(jié)并可沿導(dǎo)軌滑動(dòng)；絲桿與L形支架以轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)螺母、滑塊沿導(dǎo)軌移動(dòng)； 連桿以轉(zhuǎn)動(dòng)副與螺母、串聯(lián)平行四邊形機(jī)構(gòu)的主動(dòng)搖桿連接，螺母的移動(dòng)通過(guò)連桿驅(qū)動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)的主動(dòng)搖桿繞轉(zhuǎn)動(dòng)中心擺動(dòng)；串聯(lián)平行四邊形機(jī)構(gòu)由兩個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)組成，由連桿驅(qū)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)輸出搖桿為矩形結(jié)構(gòu)，其對(duì)稱線繞虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)中心轉(zhuǎn)動(dòng)，虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)中心與踝關(guān)節(jié)中心重合；伺服電機(jī)軸與絲桿軸連接，帶動(dòng)絲桿軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)螺母、滑塊移動(dòng)； 光電限位開(kāi)關(guān)固定于L形支架的底邊上，控制滑塊移動(dòng)的兩個(gè)極限位置。上述水平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)包括滑塊、連接柱、端板、齒輪機(jī)構(gòu)、固定板、步進(jìn)電機(jī)。其中連接柱的兩頭分別固定一塊端板；滑塊固定在端板上，并可沿脛骨軸上的滑軌移動(dòng)；固定板固定在串聯(lián)平行四邊形機(jī)構(gòu)的矩形搖桿上；下部端板與齒輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)齒輪連接，且與串聯(lián)平行四邊形機(jī)構(gòu)的矩形搖桿以轉(zhuǎn)動(dòng)副相連，上部端板與固定端板以轉(zhuǎn)動(dòng)副連接；步進(jìn)電機(jī)固定在固定板上，電機(jī)軸與齒輪機(jī)構(gòu)的主動(dòng)輪軸相連，電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而通過(guò)滑塊帶動(dòng)脛骨軸在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。上述垂直面內(nèi)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)包括固定支撐板、移動(dòng)板、伺服電機(jī)、滑塊、 導(dǎo)軌、絲桿、螺母、光電限位開(kāi)關(guān)。其中固定支撐板固定在串聯(lián)平行四邊形機(jī)構(gòu)的矩形搖桿上；絲桿與串聯(lián)平行四邊形機(jī)構(gòu)的矩形搖桿、固定支撐板以轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)螺母沿絲桿軸移動(dòng)；導(dǎo)軌平行于絲桿軸并固定在串聯(lián)平行四邊形機(jī)構(gòu)的矩形搖桿上；滑塊與螺母、移動(dòng)板固定并可沿滑軌滑動(dòng)；伺服電機(jī)固定在串聯(lián)平行四邊形機(jī)構(gòu)的矩形搖桿上，電機(jī)軸與絲桿軸連接，驅(qū)動(dòng)絲桿軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)移動(dòng)板沿脛骨軸向移動(dòng)；光電限位開(kāi)關(guān)固定在串聯(lián)平行四邊形機(jī)構(gòu)的矩形搖桿上，限制移動(dòng)板的兩個(gè)極限位置。上述脛骨力加載機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)包括電動(dòng)缸、壓力傳感器、彈性球鉸。其中電動(dòng)缸固定在垂直面內(nèi)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)的移動(dòng)板上，其輸出軸與壓力傳感器連接，以測(cè)試施加的載荷大??；壓力傳感器與彈性球鉸連接球形端連接；彈性球鉸的凹形結(jié)構(gòu)內(nèi)放置彈簧，球形壓在彈簧上，對(duì)來(lái)自電動(dòng)缸上的載荷產(chǎn)生緩沖作用，凹形結(jié)構(gòu)的外部與脛骨軸相連可隨脛骨軸轉(zhuǎn)動(dòng)。上述脛骨軸包括主軸、導(dǎo)軌、導(dǎo)向盤(pán)、外螺紋軸、雙頭內(nèi)螺紋柱。其中導(dǎo)軌固定在實(shí)心主軸上，可帶動(dòng)脛骨軸轉(zhuǎn)動(dòng)；主軸上端連接彈性球鉸，下部固定導(dǎo)向盤(pán)；外螺紋柱上部連接在導(dǎo)向盤(pán)上，下部與雙頭內(nèi)螺紋柱相連，內(nèi)螺紋柱兩端的螺紋旋向相反，旋轉(zhuǎn)內(nèi)螺紋柱，可調(diào)節(jié)脛骨軸的長(zhǎng)度。上述脛骨插入桿一端具有螺紋，與脛骨軸的雙頭內(nèi)螺紋柱相連；一端具有軸向圓弧凹槽及橫向孔，圓弧凹槽可以增加與尸體足脛骨的結(jié)合力，橫向孔用于尸體足脛骨與脛骨插入桿之間的螺栓連接。上述肌肉力加載機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)、鏈傳動(dòng)、齒輪機(jī)構(gòu)、鋼絲軟軸、拉力傳感器、肌腱夾具。其中步進(jìn)電機(jī)固定于裝置總體框架的頂部橫梁上，電機(jī)軸與齒輪機(jī)構(gòu)的主動(dòng)輪連接，帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)；齒輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)輪與鏈傳動(dòng)的鏈輪同軸，輪軸固定于裝置總體框架的頂部，齒輪機(jī)構(gòu)使轉(zhuǎn)速降低并帶動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)；開(kāi)環(huán)鏈條一端安裝在鏈輪上，隨鏈輪的轉(zhuǎn)動(dòng)而上下移動(dòng)，鏈條的另一端與鋼絲軟軸的一端相連，鏈的移動(dòng)帶動(dòng)鋼絲軟軸的運(yùn)動(dòng)； 鋼絲軟軸的另一端通過(guò)脛骨軸上導(dǎo)向盤(pán)的導(dǎo)向孔后與拉力傳感器相連；拉力傳感器與肌腱夾具連接，肌腱夾具夾持尸體足上的肌腱，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)鏈條移動(dòng)，從而拉動(dòng)肌腱施加肌腱力。本發(fā)明不僅可以在3至5秒內(nèi)模擬足踝步態(tài)站立相運(yùn)動(dòng)學(xué)行為，同時(shí)還可以模擬其動(dòng)力學(xué)行為，并可同步實(shí)現(xiàn)足踝運(yùn)動(dòng)學(xué)與力學(xué)數(shù)據(jù)的采集，獲得完整、綜合、有效的足踝步態(tài)站立相中的運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而把一直以來(lái)蒙著神秘面紗的足踝運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部作用的生物力學(xué)機(jī)理在該裝置上動(dòng)態(tài)展現(xiàn)出來(lái)，為臨床足踝運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)疾病機(jī)理探討、手術(shù)方案的科學(xué)論證、足踝運(yùn)動(dòng)損傷與防護(hù)研究、仿生足踝系統(tǒng)研制等提供動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)和理論研究平臺(tái)。


圖I為足踝步態(tài)模擬裝置正視圖2 A-圖2C分別為裝置框架正視圖、俯視圖、側(cè)視圖3 A、圖3B分別為前后向移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)正視圖、俯視圖4 A、圖4B分別為冠狀面內(nèi)旋轉(zhuǎn)及控制系統(tǒng)正視圖、側(cè)視圖5 A、圖5B分別為矢狀面內(nèi)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)正視圖、軸視圖6為水平面旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)正視圖7為垂直向移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)正視圖8為胚骨軸向加載機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)正視圖9A、圖9B分別為脛骨軸正視圖、側(cè)視圖10為肌肉力加載機(jī)構(gòu)與控制系統(tǒng)軸視圖11為胚骨插入桿正視圖。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。參見(jiàn)圖I所示，本發(fā)明包括裝置總體框架I、測(cè)力臺(tái)固定支架2、前后向移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)固定板3、前后向移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)4、冠狀面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)5、矢狀面內(nèi)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)6、水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)7、垂直面內(nèi)移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)8、脛骨軸向加載機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)9、脛骨軸10、肌肉力加載機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)101、尸體足踝脛骨插入桿102，103為尸體足踝示意圖，不包含在本發(fā)明內(nèi)。其中，測(cè)力臺(tái)固定支架2 和前后向移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)固定板3分別固定在裝置總體框架I上；前后向移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)4可以通過(guò)螺栓固定在前后向移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)固定板3上，其輸出構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)為前后向移動(dòng)；冠狀面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)5固定在前后向移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)4的運(yùn)動(dòng)輸出構(gòu)件上，前后向移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)4的輸出構(gòu)件前后向移動(dòng)可以帶動(dòng)冠狀面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)5前后向移動(dòng),冠狀面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)5的輸出構(gòu)件運(yùn)動(dòng)為冠狀面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)；矢狀面內(nèi)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)6以冠狀面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)5的輸出構(gòu)件為機(jī)架，可以隨冠狀面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)5中輸出構(gòu)件的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)；水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)7固定在矢狀面內(nèi)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)6的運(yùn)動(dòng)輸出構(gòu)件上，同時(shí)可以帶動(dòng)脛骨軸在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)；垂直面內(nèi)移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)8固定在矢狀面內(nèi)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)6的運(yùn)動(dòng)輸出構(gòu)件上，通過(guò)滑塊帶動(dòng)脛骨軸10在垂直方向上移動(dòng)；脛骨軸向加載機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)9固定在垂直面內(nèi)移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)8的運(yùn)動(dòng)輸出構(gòu)件上，可以通過(guò)螺紋件與脛骨軸10連接，實(shí)現(xiàn)脛骨軸10的軸向加載；肌肉力加載機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)101固定在裝置總體框架I的頂部，通過(guò)鋼絲軟軸、夾具與尸體足踝13上的肌腱連接，施加肌肉力。 脛骨插入桿102通過(guò)螺紋與脛骨軸10連接，并通過(guò)螺栓與尸體足踝脛骨連接，帶動(dòng)尸體足踝進(jìn)行步態(tài)仿真運(yùn)動(dòng)。尸體足踝的運(yùn)動(dòng)為前后向移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)4、冠狀面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)5、矢狀面內(nèi)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)6、水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)7、垂直面內(nèi)移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)8運(yùn)動(dòng)的串聯(lián)疊加，也可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的單一運(yùn)動(dòng)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)脛骨軸向力和肌肉力的施加及測(cè)量。以上僅是本裝置的一個(gè)簡(jiǎn)單總體介紹，需要說(shuō)明的是，各個(gè)部件、各個(gè)系統(tǒng)之間的連接關(guān)系僅是舉例，用現(xiàn)有的其它連接去替代，也應(yīng)落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。參見(jiàn)圖2A至圖2C所示，裝置總體框架I包括框架11、腳座12、測(cè)力臺(tái)固定支架
13、肌肉力加載機(jī)構(gòu)與控制系統(tǒng)支撐板\\、前后向移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)固定板3。其中，框架11可以由四個(gè)腳座12支撐，在本實(shí)例中，選用長(zhǎng)2490-2600mm (X向)，寬779_800mm (Y 向)，高1790-1900mm (Z向);腳座12的高度可調(diào)，便于轉(zhuǎn)置的移動(dòng)及整體高度調(diào)節(jié)，高度調(diào)節(jié)范圍可以為50-100mm ;測(cè)力臺(tái)固定支架13固定在框架底部橫梁上，測(cè)力臺(tái)在測(cè)力臺(tái)固定支13上的固定高度可調(diào)范圍為30-50mm ;肌肉力加載機(jī)構(gòu)與控制系統(tǒng)支撐板14固定在框架11的頂部橫梁上，可以由1-10塊小的固定板組成，可以固定1-10根肌肉的力加載機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng) ，前后向移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)固定板3固定在框架I的底部橫梁上，長(zhǎng)度方向?yàn)?X向，測(cè)力臺(tái)固定支架13與前后向移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)固定板3對(duì)包〒11的寬度對(duì)稱中心線上。裝置坐標(biāo)系規(guī)定如下Χ0Ζ平面為矢狀面、XOY平面為水平面、YOZ平面為冠狀面，X向?yàn)榍昂笙?、Y為內(nèi)外向、Z為垂直向。需要說(shuō)明地是，上述取名時(shí)是用功能名來(lái)說(shuō)明本結(jié)構(gòu)，并非來(lái)局限本發(fā)明。前后向移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)固定板支暮敗，也可以是實(shí)現(xiàn)支撐作用的支撐件，窺后應(yīng)歡動(dòng)放海及逆斂募統(tǒng)蔥U并非局限于板，僅是為了舉例說(shuō)明之用，其它機(jī)構(gòu)類似，在此就不再詳細(xì)說(shuō)明。參見(jiàn)圖3Α、圖3Β所示，前后向移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)4包括滑軌41、滑塊42、支撐板43、絲桿軸44、螺母45、伺服電機(jī)46、軸承座47、軸承座48、聯(lián)軸器49、限位開(kāi)關(guān)40。導(dǎo)軌41、軸承座47、軸承座48、限位開(kāi)關(guān)40均固定在圖2中飽如后向移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)固 U上；滑塊42、支撐板43、螺母45固定連接在一起；滑塊42安裝在導(dǎo)軌41上，可沿導(dǎo)軌移動(dòng)；絲桿軸44由軸承座47和軸承座48支撐，絲桿與螺母組成螺旋副，絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)可帶動(dòng)螺母沿絲桿軸移動(dòng)，絲桿軸與導(dǎo)軌平行；伺服電機(jī)46通過(guò)聯(lián)軸器49與絲桿軸連接，電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)絲桿軸44轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)螺母45、滑塊42及支撐板沿導(dǎo)軌移動(dòng)；限位開(kāi)關(guān)40 限制滑塊移動(dòng)的前后向(如圖I所示，即X方向)的兩個(gè)極限位置，支撐板43的移動(dòng)行程為 140-200_。前后向移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)4公開(kāi)的是一種實(shí)現(xiàn)方案，現(xiàn)有很多機(jī)械結(jié)構(gòu)都是能夠?qū)崿F(xiàn)的，在此就不再詳細(xì)說(shuō)明。參見(jiàn)圖4Α、圖4Β所示,冠狀面內(nèi)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)5包括立臂51、U形槽支架 52、絲桿軸53、限位開(kāi)關(guān)54、連接桿55、導(dǎo)桿56、滑塊57、L形支架立臂58、轉(zhuǎn)軸支撐座59、 支撐板60、L形支架橫臂61 (即轉(zhuǎn)軸)、轉(zhuǎn)軸支撐座62、支撐板63、螺母64、伺服電機(jī)65、聯(lián)軸器66。其中，立臂51、轉(zhuǎn)軸支撐座59、轉(zhuǎn)軸支撐座62均固定于圖3中的支撐板43上；L 形支架包含立臂58和橫臂61,橫臂61與立臂58固定連接,且橫臂61與支撐板63和支撐板60固定連接，并安裝在轉(zhuǎn)軸支撐座59和轉(zhuǎn)軸支撐座62上，L形支撐架和支撐板63可以繞與X軸平行的軸在與YOZ平行的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)；U形槽支架52的底部固定在立臂I上，側(cè)邊支撐絲桿軸53 ;導(dǎo)桿56固定在L形支架立臂58上，滑塊57套于導(dǎo)桿56上，可在導(dǎo)桿56 上滑動(dòng)；螺母64與絲桿53組成螺旋副，絲桿53的轉(zhuǎn)動(dòng)可帶動(dòng)螺母54沿絲桿軸向移動(dòng)；連桿55與螺母64及滑塊57固連，螺母64的移動(dòng)帶動(dòng)連桿55和滑塊57移動(dòng)，通過(guò)導(dǎo)桿56 帶動(dòng)L形支架立臂58和橫臂61繞橫臂的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使支撐板60和支撐板63在與YOZ 平行的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)；伺服電機(jī)65通過(guò)聯(lián)軸器66與絲桿軸53連接，伺服電機(jī)65的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)絲桿軸53轉(zhuǎn)動(dòng)，絲桿軸53轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)螺母64移動(dòng)的兩個(gè)極限位置受限位開(kāi)關(guān)54控制，限位開(kāi)關(guān)54固定在U形槽支架52底部,螺母64的移動(dòng)極限行程為80 90mm,可使支撐板60 和支撐板63在與YOZ平行的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為-9° +8°。參見(jiàn)圖5所示，矢狀面內(nèi)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)6包括伺服電機(jī)71、聯(lián)軸器72、螺母73、滑塊74、絲桿軸75、導(dǎo)軌76、絲桿軸支撐座77、限位開(kāi)關(guān)78、連桿79、平行四邊形組合機(jī)構(gòu)80、平行四邊形組合機(jī)構(gòu)80的矩形框輸出件81、鉸鏈支座82、虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)中心83、矩形框立柱84、矩形框底板85、矩形框頂板86。導(dǎo)軌76、絲桿軸支撐座77、限位開(kāi)關(guān)78固定在圖4中的支撐板60上；鉸鏈支座82固定在圖4中的支撐板63上；組合平行四邊形機(jī)構(gòu)80 由兩個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)串聯(lián)組合而成，前一個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)的輸出構(gòu)件作為后一個(gè)平行四邊機(jī)構(gòu)的輸入構(gòu)件，組合平行四邊形機(jī)構(gòu)80運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其輸出構(gòu)建矩形框81上孔中心線的虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)中心83與鉸鏈支座82的相對(duì)位置保持不變，虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)中心83與尸體足踝的踝關(guān)節(jié)中心重合，模擬踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)；伺服電機(jī)71通過(guò)聯(lián)軸器72與絲桿軸75連接，并帶動(dòng)絲桿軸75轉(zhuǎn)動(dòng)；導(dǎo)軌76與絲桿軸75平行，滑塊74安裝于導(dǎo)軌上76，可沿導(dǎo)軌76滑動(dòng)；螺母 73與滑塊74固定，絲桿軸75與螺母73組成螺旋機(jī)構(gòu)，絲桿軸75的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)螺母73沿滑軌76移動(dòng)；連桿79兩端分別與螺母73和平行四邊形組合機(jī)構(gòu)80的主動(dòng)件鉸接，螺母73的移動(dòng)將驅(qū)動(dòng)平行四邊形組合機(jī)構(gòu)繞鉸鏈支座82的中心在矢狀面(即XOZ平面)內(nèi)繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)80的輸出構(gòu)件81繞虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)中心點(diǎn)83在矢狀面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為-21° +45。。參見(jiàn)圖6所示，水平面旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)91、固定支撐板92、連接件93、聯(lián)軸器94、主動(dòng)齒輪95、移動(dòng)滑塊96、從動(dòng)齒輪97、連接柱98、端板99、推力軸承 110、推力軸承111。其中，固定支撐板92通過(guò)連接件93固定于圖5中的矩形框立柱84上； 電機(jī)19固定在固定支撐板92上，通過(guò)聯(lián)軸器94與主動(dòng)齒輪95固連在一起，帶動(dòng)主動(dòng)齒輪 95旋轉(zhuǎn)；端板99、移動(dòng)滑塊96、從動(dòng)齒輪97、連接柱98固定連接在一起，并通過(guò)推力軸承 110和推力軸承111分別與固定支撐板92和圖5中的矩形框底板85連接；主動(dòng)齒輪95帶動(dòng)從動(dòng)齒輪97轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)滑塊96實(shí)現(xiàn)任意角度的旋轉(zhuǎn)。參見(jiàn)圖7所示，垂直向移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)包括伺服電機(jī)121、聯(lián)軸器122、移動(dòng)螺母123、移動(dòng)支撐板124、限位開(kāi)關(guān)125、滑塊126、絲桿127、固定板128、導(dǎo)軌129。其中， 導(dǎo)軌129固定于圖5中的串聯(lián)平行四邊形機(jī)構(gòu)的矩形框架81上，隨矩形框架81的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)；滑塊126、移動(dòng)支撐板124、移動(dòng)螺母123固定在一起，滑塊126裝配于導(dǎo)軌129上，可沿導(dǎo)軌129移動(dòng)；固定板128固定在圖5中的串聯(lián)平行四邊形機(jī)構(gòu)的矩形框架81上，隨矩形框架81的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)；絲桿軸127由移動(dòng)支撐板124和固定板128支撐，并通過(guò)聯(lián)軸器 122與伺服電機(jī)121相連，與移動(dòng)螺母123組成螺旋副，當(dāng)伺服電機(jī)121帶動(dòng)絲桿軸127轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，螺母123帶動(dòng)移動(dòng)支撐板124、滑塊126沿導(dǎo)軌129滑動(dòng)；限位開(kāi)關(guān)125安裝于圖5中的串聯(lián)平行四邊形機(jī)構(gòu)的矩形框架81上，控制移動(dòng)支撐板4的上下兩個(gè)極限位置，移動(dòng)板的行程為83 104mm。參見(jiàn)圖8所示，脛骨軸向加載機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)包括伺服電機(jī)131、電動(dòng)缸132、連接器134、壓力傳感器135、彈性球角聯(lián)軸器136、螺紋連接件137。其中，伺服電機(jī)131與電動(dòng)缸132匹配，安裝于圖7中的移動(dòng)支撐板124上，實(shí)現(xiàn)脛骨的軸向加載，電動(dòng)缸132的輸出軸移動(dòng)行程為65mm，最大載荷可達(dá)5000N ;連接器134通過(guò)螺紋連接把電動(dòng)缸132的輸出軸與壓力傳感器135連接在一起；壓力傳感器135下端與彈性球鉸聯(lián)軸器136相連，測(cè)試施加在軸上的載荷大小，量程為7000N ;彈性球鉸聯(lián)軸器136內(nèi)由彈簧和球形鉸鏈組成，可以實(shí)現(xiàn)壓力傳感器135相對(duì)于螺紋連接件137的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)又可以傳遞軸向壓力，彈簧起到改善載荷動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的作用；連接件137用于脛骨軸的連接；系統(tǒng)整體可隨圖7中移動(dòng)支撐板134的上下移動(dòng)而移動(dòng)。參見(jiàn)圖9所示，脛骨軸包括連接件141、限位器142、主軸143、滑軌144、導(dǎo)向盤(pán) 145、導(dǎo)向孔146、連接軸147、雙頭螺紋連接件148。其中，連接件141的上端與圖8中的137 通過(guò)螺紋連接，下端與脛骨主軸143相連；限位器142對(duì)脛骨軸的軸向行程起到機(jī)械限位的作用，固連于脛骨主軸143 ;滑軌144固定于脛骨主軸143上，與圖6中的移動(dòng)滑塊96配合， 帶動(dòng)脛骨軸在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；導(dǎo)向盤(pán)145與脛骨主軸143固連，上面均勻分布10個(gè)導(dǎo)向孔 146 ;連接軸147上端連接脛骨主軸143，下端與雙頭螺紋連接件148相連；雙頭螺紋連接件 148兩端具有反向螺紋，旋動(dòng)時(shí)可調(diào)節(jié)脛骨軸的長(zhǎng)度。參見(jiàn)圖10所示，肌肉力加載機(jī)構(gòu)與控制系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)151、聯(lián)軸器152、齒輪機(jī)構(gòu)主動(dòng)輪153、齒輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)輪154、鏈輪155、鏈條156、支撐架157、導(dǎo)向架158、鋼絲軟軸159、夾具和拉力傳感器160、肌腱161。輔助不意部分包括尸體足踝162、胚骨軸163、導(dǎo)向盤(pán)164、脛骨插入桿165、測(cè)力板166。其中，支撐架157安裝于圖2中的肌肉力加載機(jī)構(gòu)與控制系統(tǒng)支撐板14上，用于支撐步進(jìn)電機(jī)151、聯(lián)軸器152、齒輪機(jī)構(gòu)主動(dòng)輪153和從動(dòng)輪154及鏈輪155的軸；步進(jìn)電機(jī)151輸出軸通過(guò)聯(lián)軸器152與齒輪機(jī)構(gòu)的主動(dòng)齒輪153的軸連接，帶動(dòng)主動(dòng)齒輪153轉(zhuǎn)動(dòng)；主動(dòng)齒輪153通過(guò)嚙合運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)從動(dòng)齒輪154轉(zhuǎn)動(dòng)；鏈輪 155與齒輪154同軸，隨齒輪154的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)；鏈條156下端與鋼絲軟軸159內(nèi)的鋼絲連接，上端安裝在鏈輪上，隨鏈輪155的轉(zhuǎn)動(dòng)拉動(dòng)鋼絲軟軸159內(nèi)的鋼絲上移；鋼絲軟軸159 由外殼和鋼絲組成，外殼具有柔韌性和一定的剛度，能夠沿一定方向支撐內(nèi)部的鋼絲，鋼絲可在外殼內(nèi)自由移動(dòng)，夕卜殼的上端和下端分別頂在導(dǎo)向架158和導(dǎo)向盤(pán)164上,鋼絲上端與鏈條156連接，下端與肌腱夾具和拉力傳感器160相連；肌腱夾具與拉力傳感器160連接鋼絲軟軸159和尸體足踝162的肌腱161，夾持力確保3000N以上肌腱不打滑、不斷裂，實(shí)現(xiàn)鋼絲軟軸159與肌腱161的可靠連接，拉力傳感器量程為100N 5000N。參見(jiàn)圖11所示，脛骨插入桿包括螺紋連接端171、固位孔172、弧形槽173、插入端174。螺紋連接段與圖9中的雙頭螺紋連接件48連接，螺紋長(zhǎng)度50 80mm ;插入端174 的直徑為9 12mm，插入尸體足踝脛骨的髓腔內(nèi)，長(zhǎng)190 250mm，實(shí)現(xiàn)脛骨軸與尸體足踝脛骨的連接；弧形槽173的圓弧直徑為3 5mm，增加脛骨插入桿與脛骨髓腔的連接；固位孔172的直徑為5 6_，沿插入端4軸向分布4 5個(gè)，用于脛骨與脛骨插入桿的螺栓連接
以上公開(kāi)的僅為本申請(qǐng)的幾個(gè)具體實(shí)施例，但本申請(qǐng)并非局限于此，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員能思之的變化，都應(yīng)落在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種串聯(lián)式五自由度足踝步態(tài)模擬的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于該裝置包括總體框架、脛骨軸、尸體足踝脛骨插入桿、前后向移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)、矢狀面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)、冠狀面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)、水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)、垂直向移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)、脛骨加載機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)、肌肉力加載機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)，其中所述的前后向移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)是用于實(shí)現(xiàn)足踝系統(tǒng)脛骨軸的前后向移動(dòng)；所述矢狀面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)足踝系統(tǒng)脛骨軸的矢狀面內(nèi)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；所述冠狀面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)足踝系統(tǒng)脛骨軸在冠狀面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；所述水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)足踝系統(tǒng)脛骨軸在冠狀面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；所述垂直向移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)足踝系統(tǒng)脛骨軸在垂直向的移動(dòng)；所述脛骨加載機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)足踝系統(tǒng)脛骨軸向力的施加與控制；所述肌肉力加載機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)足踝系統(tǒng)肌肉力的施加與控制，所述的總體框架固定在地面上，其距地面的高度可調(diào)，最上方安裝肌腱力驅(qū)動(dòng)施加機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)，下部安裝高度可調(diào)的六自由度測(cè)力板和支撐運(yùn)動(dòng)及加載機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)的支撐板。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種串聯(lián)式五自由度足踝步態(tài)模擬的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是 總體框架由四個(gè)腳座支撐，長(zhǎng)2490 2600mm、寬779 800mm、高1790 1900mm ;腳座的高度可調(diào)，便于轉(zhuǎn)置的移動(dòng)及整體高度調(diào)節(jié)，高度調(diào)節(jié)范圍為50 IOOmm ;測(cè)力臺(tái)支架固定在框架底部橫梁上，測(cè)力臺(tái)在固定支架上的固定高度可調(diào)范圍為30 50mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種串聯(lián)式五自由度足踝步態(tài)模擬的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是前后向移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)主要包括滑塊導(dǎo)軌、螺旋機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)輸出支撐板、伺服電機(jī)，導(dǎo)軌固定在總體框架的底部支撐板上，運(yùn)動(dòng)輸出支撐板的移動(dòng)行程受伺服電機(jī)和限位開(kāi)關(guān)控制，前后向移動(dòng)輸出支撐板的移動(dòng)行程為140 200mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或3所述的一種串聯(lián)式五自由度足踝步態(tài)模擬的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是冠狀面內(nèi)旋轉(zhuǎn)及控制系統(tǒng)安裝于前后向移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)的前后向移動(dòng)輸出支撐板上，通過(guò)螺旋機(jī)構(gòu)和擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)裝置冠狀面內(nèi)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，絲桿螺母組成的螺旋機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，螺母行程受限位開(kāi)關(guān)控制，其移動(dòng)行程為80 90mm，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)輸出支撐板在冠狀面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)，范圍為-9° +8°。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或4所述的一種串聯(lián)式五自由度足踝步態(tài)模擬的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是矢狀面內(nèi)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)安裝于冠狀面內(nèi)旋轉(zhuǎn)及控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)輸出支撐板上， 主要包括螺旋機(jī)構(gòu)、搖桿滑塊機(jī)構(gòu)、串聯(lián)平行四邊形機(jī)構(gòu)、伺服電機(jī)，螺旋機(jī)構(gòu)的絲桿由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，螺旋機(jī)構(gòu)的螺母行程受伺服電機(jī)和限位開(kāi)關(guān)控制，極限行程為280 300mm ； 搖桿滑塊機(jī)構(gòu)的主動(dòng)件滑塊由螺母驅(qū)動(dòng)，輸出構(gòu)件搖桿則為串聯(lián)平行四邊形的主動(dòng)件搖桿；串聯(lián)平行四邊形機(jī)構(gòu)的前一個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)的輸出構(gòu)件為后一個(gè)平行四邊形的主動(dòng)件，第二個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)的從動(dòng)搖桿為矩形框架結(jié)構(gòu)，且繞一個(gè)虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)中心在矢狀面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，范圍為-21° +45°。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或5所述的一種串聯(lián)式五自由度足踝步態(tài)模擬的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是水平面旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)安裝于串聯(lián)平行四邊形的輸出構(gòu)件一矩形框架上，主要由齒輪機(jī)構(gòu)、步進(jìn)電機(jī)、滑塊及支架組成，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)滑塊轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)角度受步進(jìn)電機(jī)控制。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或5所述的一種串聯(lián)式五自由度足踝步態(tài)模擬的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是垂直向移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)安裝于串聯(lián)平行四邊形的輸出構(gòu)件一矩形框架上，主要包括伺服電機(jī)、螺旋機(jī)構(gòu)、移動(dòng)支撐板，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)的絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)的螺母移動(dòng)，從而帶動(dòng)與螺母固定的移動(dòng)支撐板沿垂直向移動(dòng)，移動(dòng)行程受伺服電機(jī)及限位開(kāi)關(guān)控制，移動(dòng)板的行程為83 104mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求I或7所述的一種串聯(lián)式五自由度足踝步態(tài)模擬的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是脛骨軸向加載機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)安裝于垂直向移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)的移動(dòng)支撐板上，主要包括電動(dòng)缸、壓力傳感器、彈性球鉸聯(lián)軸器組成，彈性球鉸聯(lián)軸器內(nèi)由彈簧和球形鉸鏈組成，上端與壓力傳感器連接，下端與脛骨軸連接，既能傳遞來(lái)自電動(dòng)缸的壓力載荷，又能實(shí)現(xiàn)脛骨軸相對(duì)于電動(dòng)缸輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、6或8所述的一種串聯(lián)式五自由度足踝步態(tài)模擬的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是脛骨軸與脛骨軸向加載機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)的彈性球鉸聯(lián)軸器連接，主要包括滑軌、主軸、雙頭螺紋連接件、導(dǎo)向盤(pán)，滑軌安裝于主軸上，并與水平面旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)的滑塊裝配在一起，受滑塊驅(qū)動(dòng)可在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；雙螺紋連接件兩端具有反向螺紋，兩端螺紋長(zhǎng)度均為50 60mm ;導(dǎo)向盤(pán)上面均勻分布10個(gè)導(dǎo)向孔，孔的直徑大小為4 5mm。
10.根據(jù)權(quán)利要求I或9所述的一種串聯(lián)式五自由度足踝步態(tài)模擬的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是脛骨插入桿上端與脛骨軸的雙頭螺紋連接件連接，包括螺紋端、插入端、弧形槽和固位孔，其螺紋連接段的螺紋長(zhǎng)度50 80mm，插入端4的直徑為9 12mm，插入尸體足踝脛骨的髓腔內(nèi)，長(zhǎng)190 250mm，實(shí)現(xiàn)脛骨軸與尸體足踝脛骨的連接；其弧形槽的圓弧直徑為 3 5mm，增加脛骨插入桿與脛骨髓腔的連接；固位孔的直徑為5 6mm，沿插入端軸向分布 4 5個(gè)，用于脛骨與脛骨插入桿的螺栓連接。
11.根據(jù)權(quán)利要求1、2、9或10所述的一種串聯(lián)式五自由度足踝步態(tài)模擬的實(shí)驗(yàn)裝置， 其特征是肌肉力加載機(jī)構(gòu)與控制系統(tǒng)安裝于總體框架的頂部支撐板上，主要包括電機(jī)、 齒輪機(jī)構(gòu)、鏈傳動(dòng)、鋼絲軟軸、肌腱夾具、拉力傳感器組成，電機(jī)帶動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，鏈條下端與鋼絲軟軸連接，上端通過(guò)與鏈輪的嚙合實(shí)現(xiàn)鋼絲軟軸拉動(dòng)，鋼絲軟軸的直徑3 4mm，承載力大于6000N ;鋼絲軟軸下端穿過(guò)脛骨軸的導(dǎo)向盤(pán)與拉力傳感器及肌腱夾具連接，拉力傳感器量程為100N 5000N ;肌腱夾具夾持尸體足踝的肌腱，夾持力確保3000N以上肌腱不打滑、不斷裂，實(shí)現(xiàn)鋼絲軟軸與肌腱的可靠連接。
全文摘要
一種串聯(lián)式五自由度足踝步態(tài)模擬的實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置包括總體框架、脛骨軸、尸體足踝脛骨插入桿、前后向移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)、矢狀面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)、冠狀面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)、水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)、垂直向移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)、脛骨加載機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)、肌肉力加載機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)。本發(fā)明不僅可以在3至5秒內(nèi)模擬足踝步態(tài)站立相運(yùn)動(dòng)學(xué)行為，同時(shí)還可以模擬其動(dòng)力學(xué)行為，并可同步實(shí)現(xiàn)足踝運(yùn)動(dòng)學(xué)與力學(xué)數(shù)據(jù)的采集，獲得完整、綜合、有效的足踝步態(tài)站立相中的運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為臨床足踝運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)疾病機(jī)理探討、手術(shù)方案的科學(xué)論證、足踝運(yùn)動(dòng)損傷與防護(hù)研究、仿生足踝系統(tǒng)研制等提供動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)和理論研究平臺(tái)。
文檔編號(hào)A61B19/00GK102579060SQ20121003942
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月21日
發(fā)明者克利斯托夫·杰姆斯·奈斯特, 馮洋, 劉安民, 姜建元, 戴衛(wèi)·霍華德, 王冬梅, 王尚城, 王成燾, 王旭, 馬昕 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué), 復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院