[发明专利]串联式五自由度足踝步态模拟的实验装置

权利要求书

1.一种串联式五自由度足踝步态模拟的实验装置，其特征在于：该装置包括总体框架、胫骨轴、尸体足踝胫骨插入杆、前后向移动机构及控制系统、矢状面内转动机构及控制系统、冠状面内转动机构及控制系统、水平面内转动机构及控制系统、垂直向移动机构及控制系统、胫骨加载机构及控制系统、肌肉力加载机构及控制系统，其中：

所述的前后向移动机构及控制系统是用于实现足踝系统胫骨轴的前后向移动；

所述矢状面内转动机构及控制系统用于实现足踝系统胫骨轴的矢状面内旋转运动；

所述冠状面内转动机构及控制系统用于实现足踝系统胫骨轴在冠状面内的旋转运动；

所述水平面内转动机构及控制系统用于实现足踝系统胫骨轴在冠状面内的旋转运动；

所述垂直向移动机构及控制系统用于实现足踝系统胫骨轴在垂直向的移动；

所述胫骨加载机构及控制系统用于实现足踝系统胫骨轴向力的施加与控制；

所述肌肉力加载机构及控制系统用于实现足踝系统肌肉力的施加与控制，

所述的总体框架固定在地面上，其距地面的高度可调，最上方安装肌腱力驱动施加机构及控制系统，下部安装高度可调的六自由度测力板和支撑运动及加载机构及控制系统的支撑板。

2.根据权利要求1所述的一种串联式五自由度足踝步态模拟的实验装置，其特征是：总体框架由四个脚座支撑，长2490～2600mm、宽779～800mm、高1790～1900mm；脚座的高度可调，便于转置的移动及整体高度调节，高度调节范围为50～100mm；测力台支架固定在框架底部横梁上，测力台在固定支架上的固定高度可调范围为30～50mm。

3.根据权利要求1或2所述的一种串联式五自由度足踝步态模拟的实验装置,其特征是: 前后向移动机构及控制系统主要包括滑块导轨、螺旋机构、运动输出支撑板、伺服电机，导轨固定在总体框架的底部支撑板上，运动输出支撑板的移动行程受伺服电机和限位开关控制，前后向移动输出支撑板的移动行程为140～200mm。

4.根据权利要求1或3所述的一种串联式五自由度足踝步态模拟的实验装置,其特征是: 冠状面内旋转及控制系统安装于前后向移动机构及控制系统的前后向移动输出支撑板上，通过螺旋机构和摆动导杆机构实现装置冠状面内旋转运动，丝杆螺母组成的螺旋机构由伺服电机驱动，螺母行程受限位开关控制，其移动行程为80～90mm， 可实现转动输出支撑板在冠状面内的转动，范围为-9°～+8°。

5.根据权利要求1或4所述的一种串联式五自由度足踝步态模拟的实验装置,其特征是: 矢状面内旋转机构及控制系统安装于冠状面内旋转及控制系统的转动输出支撑板上，主要包括螺旋机构、摇杆滑块机构、串联平行四边形机构、伺服电机，螺旋机构的丝杆由伺服电机驱动，螺旋机构的螺母行程受伺服电机和限位开关控制，极限行程为280～300mm；摇杆滑块机构的主动件滑块由螺母驱动，输出构件摇杆则为串联平行四边形的主动件摇杆；串联平行四边形机构的前一个平行四边形机构的输出构件为后一个平行四边形的主动件，第二个平行四边形机构的从动摇杆为矩形框架结构，且绕一个虚拟转动中心在矢状面内转动，范围为-21°～+45°。

6.根据权利要求1或5所述的一种串联式五自由度足踝步态模拟的实验装置,其特征是: 水平面旋转机构及控制系统安装于串联平行四边形的输出构件---矩形框架上，主要由齿轮机构、步进电机、滑块及支架组成，步进电机驱动齿轮机构转动，带动滑块转动，转动角度受步进电机控制。

7.根据权利要求1或5所述的一种串联式五自由度足踝步态模拟的实验装置,其特征是: 垂直向移动机构及控制系统安装于串联平行四边形的输出构件---矩形框架上，主要包括伺服电机、螺旋机构、移动支撑板，伺服电机驱动螺旋机构的丝杆转动，带动螺旋机构的螺母移动，从而带动与螺母固定的移动支撑板沿垂直向移动，移动行程受伺服电机及限位开关控制，移动板的行程为83～104mm。

8.根据权利要求1或7所述的一种串联式五自由度足踝步态模拟的实验装置,其特征是: 胫骨轴向加载机构及控制系统安装于垂直向移动机构及控制系统的移动支撑板上，主要包括电动缸、压力传感器、弹性球铰联轴器组成，弹性球铰联轴器内由弹簧和球形铰链组成，上端与压力传感器连接，下端与胫骨轴连接，既能传递来自电动缸的压力载荷，又能实现胫骨轴相对于电动缸输出轴转动。