[发明专利]一种并联式六自由度步态模拟的实验装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种运动模拟技术领域的机械装置，具体涉及一种具有6自由度步态运动模拟和足部加载的实验装置。

背景技术

人脚是重要的负重和运动器官，有26块骨头、33个关节以及100多条肌腱、韧带和肌肉。近几年发展的步态模拟实验装置是利用尸体脚进行模拟人体双腿或单腿的运动的实验装置。依托这种装置，研究者可以考察人体足踝系统的动力学特性、验证足踝模型正确性、护具设计的有效性等生物力学问题及进行临床医学中足部病因的探索，能获取医疗康复研究及护具设计所需的宝贵数据。

通过对现有技术的检索发现，以前的足踝步态模拟实验台虽然能模拟足踝的主要运动及对足踝加载和垂直地面反力的测量和控制，但具有如下缺点：不能完全模拟和控制胫骨的6自由度运动，往往是少自由度的运动，这样就与真实步态的运动情形具有一定差距。我们知道，完整的步态描述是6自由度的运动，早先的步态模拟器多采用串联机构，只能实现部分运动，比如只有部分方向的平移及部分方向的转动的少自由度复合运动。最近华盛顿大学开发出的步态动力学模拟器实现了下肢足踝结合部的6自由度运动，但采用的是地面(测力板)的6自由度运动来相对地模拟足部步态运动，这种模拟器虽然运动上实现了6自由度，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。除此以外，现有的六自由度步态模拟器模拟一个步态的时间都要在2秒以上，比一个真实步态花的时间多，因此在模拟的速度上与真实步态有差距。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种有6自由度步态运动模拟和足部加载的实验装置，一方面能保证小腿主动实现6自由度运动；另一方面保证足部对地面的主动运动以及提高模拟速度以接近真实步态。具体来说，该实验装置具有六自由度运动能力，包括前后迈步的前后平移、拔脚和踩地的上下平移、形成步宽所需的左右平移等三个方向的平移及小腿的外展和内收、内外翻和屈伸等三个方向的旋转。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种并联式六自由度步态模拟的实验装置，包括框架机构、六杆并联机构及串联加载机构，所述的框架机构固定在地面，最上方安装有肌腱驱动设备，下部安有可调高度的测力板，所述的六杆并联机构通过定平台固定悬挂在框架机构内，所述的串联加载机构的液压缸的缸体通过头部法兰安装在六杆并联机构的动平台上。

所述的六杆并联机构为Stewart并联结构，由一定平台、六组相同的顶部虎克铰、六条相同的运动支链、六组相同的底部虎克铰和一动平台组成的UPU并联机构，所述的动平台可实现沿X、Y、Z向的平移和绕X、Y、Z轴的旋转。

所述的定平台上设有空间朝向的六个安装座及座上的安装孔，用于安装六组顶部虎克铰链的固定U形耳，以便最小化顶部虎克铰在并联机构工作零位时的摆角。

所述的动平台上设有空间朝向的六个安装座及座上的安装孔，用于安装六组底部虎克铰链的固定U形耳，以便最小化底部虎克铰在并联机构工作零位时的摆角。

所述的运动支链由顶部U形转动连接座、液压缸、活塞杆及底部U形转动连接座组成，所述的液压缸为位移传感器内置的伺服液压缸，所述的顶部U形转动连接座经法兰固定在液压缸尾部，所述的活塞杆的头部与底部虎克铰的转动U形耳螺纹固连。

所述的顶部虎克铰由顶部固定U形耳、顶部十字轴和顶部转动U形耳构成，所述的顶部固定U形耳通过轴孔座连接顶部十字轴的一轴，顶部十字轴的另一轴与顶部转动U形耳的轴孔座连接，顶部固定U形耳与定平台的安装座上的孔固定连接，顶部转动U形耳与运动支链的液压缸尾部的法兰连接。

所述的底部虎克由底部固定U形耳、底部十字轴和底部转动U形耳构成，所述的底部固定U形耳通过轴孔座连接底部十字轴的一轴，底部十字轴的另一轴与底部转动U形耳的轴孔座连接，底部固定U形耳与动平台安装座上的孔固定连接，底部转动U形耳与运动支链的液压缸的活塞头部螺纹连接。

所述的串联加载装置由加载液压缸、2个滑槽固定角件、2个固定滑槽、2个导轨、1个导轨固定轴、1个力位移传感器、1个胫骨连接杆、1个多孔盘和数条肌腱力驱动线缆组成，所述的加载液压缸通过头部法兰固定在动平台上，加载液压缸的活塞推杆螺纹连接导轨固定轴一端，提供加载胫骨所需轴向位移和力(比如模拟重力或微重力)。

所述的滑槽固定角件的一端固定在动平台上，另一端固定滑槽，2个滑槽固定角件为相对布置，所述的导轨一面通过内六角螺钉固定在导轨固定轴上，另一面在滑槽内滑动，保证了活塞杆相对缸体(缸体和动平台已固定在一个坐标系下)不会有转动，又允许活塞加载时附带产生的轴向位移。