[發明專利]六自由度步態模擬的測試裝置

有效

• 申請號: 201410664779.7
• 申請日: 2015-08-04
• 公開（公告）號: CN104504984A
• 公開（公告）日: 2015-07-29
• 發明（設計）人: 施光林;郭秦陽;王冬梅
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G09B25/02
• 分類號: G09B25/02
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王毓理;王錫麟

技術領域

本發明涉及的是一種運動模擬技術領域的裝置，具體是一種基于基座可移動式Stewart并聯機構的六自由度步態模擬的試驗裝置。

背景技術

足踝復合體參與人體運動，是人體的最終負重部位，其生物力學的研究在足踝病機理、人工假體、矯形、鞋具開發等領域具有重要的意義和作用。人類的雙足可以看作具有多自由度，且各向剛度各異的復雜多剛體力學系統，對于足踝步態中的生物力學特性的研究，主要依賴于足踝步態模擬裝置，利用這種裝置，驅動用于測試的非活體(如人造假體、尸體等等)足踝或足踝動力學模型實現人體足踝步態、跑、跳等多種運動和力學狀態的模擬，進而測量并采集在完成這些運動時，足踝各骨塊之間的相對運動、韌帶力、關節力、肌肉力的大小等運動和力學參數。

通過對現有技術的檢索發現，以前的足踝步態模擬裝置雖然能夠在一定程度上模擬足踝的主要運動，并實現足踝的加載和垂直地面反力的測量，但具有以下缺陷：脛骨所應有的6個自由度不完全受控，不能實現一個完整步態支撐相的模擬；部分模擬機操縱地板作相對運動的做法不利于用常規試驗室設備，如測力板和壓力分布測試平板等，進行數據采集、測量，這種方式實際上與真實步態運動的主動和被動關系不相吻合，并不能形成動力學上的對偶關系。且現有足踝步態模擬裝置模擬一個步態的時間較長，超過了真實步態消耗的時間，因此在模擬速度上與真實步態有差距。

中國專利文獻號CN102622936，公開日2012-8-1，記載了一種并聯式六自由度步態模擬的實驗裝置，包括帶有可調測力板安裝高度裝置及基建驅動裝置的框架、六桿并聯機構和串聯加載裝置，不僅能夠模擬加載軸系所固定的脛骨的六自由度運動，還能對脛骨軸向進行加載，能夠較好的用于足踝動力學研究。但是該步態模擬裝置的核心執行機構為定平臺固定在框架上的UPU型Stewart平臺，雖然能夠實現足踝在步態模擬過程中六個自由度的運動，但是為了滿足具體試驗過程中，足踝前后平移的要求位移，同時保證步態模擬裝置具有較好的剛度、各運動支鏈不存在干涉，Stewart平臺結構尺寸勢必非常龐大，這也會在一定程度上降低模擬裝置的精度。

發明內容

本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種六自由度步態模擬的測試裝置，在保證足踝相對地面的6個自由度主動運動的同時，減小試驗裝置結構尺寸，增加結構剛度，縮短步態模擬周期，提高試驗精度。

本發明是通過以下技術方案實現的，包括：上機架、下機架、并聯機構、基座驅動部、測力板、足踝夾持脛骨加載部和肌腱拉伸部，其中：上機架的底部和下機架的頂部相連，基座驅動部和測力板分別設置于上機架的頂部和下機架的底部，并聯機構的頂部與基座驅動部相連，底部與足踝夾持脛骨加載部相連，足踝夾持脛骨加載部設置于測力板的上方，下機架的側邊設置肌腱拉伸部，基座驅動部和并聯機構分別與足踝夾持脛骨加載部配合，從而使得設置于足踝夾持脛骨加載部上的待測足踝實現前后平移、上下平移、形成步寬的左右平移以及小腿外展和內收、內外翻和屈伸三個方向的旋轉。

所述的下機架的底部設有水平可調腳輪，用于六自由度步態模擬的測試裝置的搬運和水平調節。

所述的上機架的上表面沿前后平移方向設置兩條平行的導軌以及用于限位的擋鐵。

所述的并聯機構包括：可移動基座、滑塊、若干相配合的虎克鉸、若干相配合的第一伺服電機和電動缸，以及動平臺，其中：可移動基座上設有滑塊且滑塊設置于上機架的導軌上，可移動基座與基座驅動部相連，虎克鉸的頂部與可移動基座相連，底部均勻設置各個第一伺服電機，動平臺的頂部由各個第一電動缸驅動，中部開有安裝孔以連接足踝夾持脛骨加載部。

所述的相配合的第一伺服電機和電動缸的數量為6對。

第一伺服電機帶有制動器和增量式編碼器，采用直返式或尾鉸安裝方式，有利于提高傳動剛性，減小并聯機構結構尺寸，避免干涉情況發生。

所述的基座驅動部包括：用于與上機架相連接的液壓缸安裝支架，用于驅動并聯機構實現前后方向移動的第一液壓缸。

所述的第一液壓缸的活塞桿連接球鉸，該球鉸與并聯機構相連。