技术摘要：
本发明属于假肢测试装置技术领域，具体涉及一种膝关节假肢测试系统及测试方法；测试系统包括髋关节驱动系统，仿生大腿，框架，水平运动模块，地反力模块；本假肢测试平台通过自动控制系统，实现在一个步态周期内，模拟截肢患者残肢的运动，同时为被测假肢提供地反力，  全部
背景技术：
佩戴假肢是解决众多行动障碍患者的主要手段。近些年来，能够帮助患者实现上 下楼梯，上下坡，坐起转换，快步走等功能的智能假肢尤其受到人们青睐。所谓智能假肢，是 指利用各种传感器信息融合、微处理器控制等技术，使之能够根据用户意图进行运动，并具 有主动适应外部条件变化能力的假肢。 但是假肢的测试成为限制智能假肢发展的问题之一，目前大多数假肢研发机构仍 然采用招募截肢患者佩戴假肢成品的方法测试假肢，而智能假肢的设计与制造不同于传统 被动机械假肢，往往是集机、电或机、电、液于一体的复杂机电系统，传统的测试方法难以胜 任智能假肢的测试。 现有的智能假肢测试系统都仅能进行水平行走测试，在测试过程中，要么未考虑 假肢受到的地反力大小是否准确，要么地反力通过控制系统控制髋关节的上下运动间接控 制脚部与跑步机产生，但这种控制系统非常复杂，实现的难度大，另外现有智能假肢测试系 统无法胜任智能假肢上下楼梯及上下坡行走的测试需要。假肢测试系统的出现提升了假肢 测试的准确性，为智能假肢的研发带来了便利。
技术实现要素：
为了克服上述问题，本发明提供一种膝关节假肢测试系统及测试方法，根据正常 人体的身高与身材比例进行设计，模仿人类匀速水平行走、上下坡、上下楼梯时髋关节的转 动，同时利用伺服电机与滚珠丝杆机构主动为假肢脚部提供地反力；实现模拟大腿截肢群 体行走时人体对假肢的作用，为多功能智能假肢提供实验测试条件。 一种膝关节假肢测试系统，包括框架1，髋关节驱动系统2，仿生大腿3，水平运动模 块4和地反力模块5；其中髋关节驱动系统2安装在框架1顶部，水平运动模块4安装在框架1 下方，地反力模块5安装在水平运动模块4上方，且能够在水平运动模块4的驱动下沿着水平 运动模块4前后移动； 所述框架1顶端固定有门型架13，门型架13上固定有仿生大腿安装杆101，框架1的 两侧分别固定有竖直安装杆102，且框架1两侧的竖直安装杆102之间可选择的固定连接有 水平运动模块安装杆103，框架1前侧可选择的固定连接有伺服电机安装架104，且伺服电机 安装架104位于水平运动模块安装杆103下方，水平运动模块安装杆103后端伸出框架1外 部； 所述髋关节驱动系统2包括电机安装板201、直流无刷电机202和减速器203；其中 电机安装板201固定在框架1顶部，电机202与减速器203分别安装在电机安装板201的两端， 且电机202的输出轴与减速器203的转轴连接； 7 CN 111568612 A 说　明　书 2/13 页 仿生大腿3包括仿生大腿联轴器301，轴承座302，转轴303，传动架304，大腿框架 305，调节螺杆安装板306，调节螺杆307和假肢连接盘308，其中转轴303通过轴承座302连接 在仿生大腿安装杆101上，转轴303通过仿生大腿连轴器301与减速器203输出轴连接，传动 架304一端套置在转轴303外部，另一端的两侧下方分别固定有大腿框架305，大腿框架305 的下方固定有调节螺杆安装板306，调节螺杆307可选择地固定在调节螺杆安装板306上，假 肢连接盘308固定在调节螺杆307的底端，假肢连接盘308四周设有均匀分布的用于与假肢 螺栓连接的螺栓孔； 水平运动模块4包括水平运动伺服电机402，滚珠丝杆模块、水平运动导轨410，水 平运动L形连接座412和水平运动拉压传感器413，其中水平运动伺服电机402通过L型电机 安装架401固定在伺服电机安装架104上，带有滑块411的水平运动导轨410固定在框架1的 水平运动模块安装杆103上，滚珠丝杆模块位于水平运动导轨410内侧，且滚珠丝杆模块的 两端分别固定在水平运动模块安装杆103上，水平运动伺服电机402的输出轴通过水平运动 联轴器403与滚珠丝杆模块的丝杆连接，滚珠丝杆模块的丝杆螺母座上固定有水平运动L型 连接座412，水平运动L型连接座412上安装有水平运动拉压传感器413，水平运动拉压传感 器413与地反力运动模块5相连； 地反力模块5包括地反力伺服电机501，安装板502，滚珠丝杆机构，滑道，地反力地 反力支撑座安装板507，地反力L型连接座512，地反力拉压传感器513，测力板514，测力安装 板515和传感器连接板516；其中安装板502的底部设有地反力伺服电机501，地反力伺服电 机501通过地反力联轴器503与滚珠丝杆机构底端的丝杆端连接，安装板502上方的两端均 设有滑道，安装板502一侧的滑道上固定连接有地反力支撑座安装板507，滚珠丝杆机构的 两端均固定在地反力支撑座安装板507上，滚珠丝杆机构的丝杆螺母座上固定有地反力L型 连接座512，地反力拉压传感器513固定连接在地反力L型连接座512上，测力安装板515的两 端分别活动连接在安装板502两端设置的滑道上，且测力安装板515同时还与地反力拉压传 感器513固定连接，测力板514固定在测力安装板515上；传感器连接板516通过角码固定在 地反力模块安装板502上，地反力模块安装板502固定在水平运动导轨410上的滑块411上， 水平运动拉压传感器413未与水平运动L型连接座412连接的一端固定在传感器连接板516 上。 所述的框架1包括顶部的长方形架体11和长杆12，其中长方形架体11的四角处分 别固定有长杆12，长方形架体11的上方固定有门型架13，仿生大腿安装杆101固定在门型架 13上，且与长方形架体11的长边平行。 所述框架1前侧的两个长杆12之间以及后侧的两个长杆12之间均固定有连接杆 14，每个连接杆14下方均固定有两个竖直安装杆102。 所述的水平运动模块4还包括水平运动支撑座安装板408和水平运动垫块409，水 平运动模块安装杆103前后两端的下方均固定有水平运动支撑座安装板408，且在水平运动 支撑座安装板408与水平运动模块安装杆103之间设有垫块409。 所述水平运动模块4的滚珠丝杆模块包括水平运动丝杆404，水平运动丝杆螺母 405，水平运动丝杆螺母座406，水平运动丝杆支撑座407，其中水平运动丝杆404的两端分别 通过水平运动丝杆支撑座407安装在水平运动支撑座安装板408上，水平运动伺服电机402 的输出轴通过水平运动联轴器403与水平运动丝杆404的一端连接，水平运动丝杆螺母座 8 CN 111568612 A 说　明　书 3/13 页 406通过水平运动丝杆螺母405安装在水平运动丝杆404上，水平运动L型连接座412固定在 水平运动丝杆螺母座406上，水平运动L型连接座412上安装有水平运动拉压传感器413，水 平运动拉压传感器413与地反力运动模块5相连。 所述地反力模块5的滑道包括模块安装杆504和地反力导轨506，其中地反力模块 安装杆504分别固定在安装板502的两端，每个地反力模块安装杆504上均固定有带有导轨 滑块505的地反力导轨506，其中位于安装板502一端的地反力模块安装杆504的上下两端分 别固定连接有地反力支撑座安装板507。 所述地反力模块5的滚珠丝杆机构包括地反力丝杆支撑座508，地反力丝杆509，地 反力丝杆螺母510和地反力丝杆螺母座511，其中地反力伺服电机501通过地反力联轴器503 与地反力丝杆509一端连接，地反力丝杆509的两端均通过地反力丝杆支撑座508固定在地 反力支撑座安装板507上，地反力丝杆螺母座511通过丝杆螺母510安装在地反力丝杆509 上，地反力丝杆螺母座511上固定有地反力L型连接座512，测力安装板515的两端分别固定 在安装板502两端滑道的导轨滑块505上。 所述的地反力模块安装板502上设有缺口，水平运动L型连接板412卡接在该缺口 处。 本发明装置能够实现假肢水平匀速行走，坡道行走，上下楼梯的测试，具体为： 采用上述膝关节假肢测试系统对被测膝关节假肢进行平地匀速行走状态测试的 方法，包括以下步骤： 步骤一，将被测假肢固定在仿生大腿3的假肢连接盘308上，根据被测假肢的不同 长度，将仿生大腿3调整至相应角度，且将被测假肢调整至步态周期起始位置，即被测假肢 的膝关节伸直向前伸，足部处于脚跟触地的工作状态； 步骤二，水平运动模块4将地反力模块5带到被测假肢的足部下方，使得地反力模 块5的测力板514与被测假肢足部的脚跟接触，此状态为当被测假肢处于步态周期起始位置 时本膝关节假肢测试系统的对应位置； 步骤三：由被测假肢的步态周期起始位置开始，首先进入支撑相，被测假肢处于支 撑相时，髋关节驱动系统2带动仿生大腿3进行支撑相的动作，即在矢状面内按照人体运动 的角速度先向后摆动，再向前摆动，被测假肢相应按照人体在支撑相的动作运动，地反力模 块5与水平运动模块4协同工作，测力板514始终与被测假肢足部接触，并且地反力模块5的 滚珠丝杆机构通过调节测力板514的工作高度调节被测假肢工作时的阻尼力，进而调节被 测假肢足部受到的地反力；水平运动模块4带动地反力模块5跟随被测假肢足部运动，保持 地反力模块5的测力板514一直在被测假肢足部下方，被测假肢的足部始终踩在测力板514 上，整个过程被测假肢的足部从脚跟与测力板514接触变为整个脚掌与测力板514接触，再 变到脚尖与测力板514接触，测力板514与被测假肢足部脱离时支撑相结束，进入摆动相； 摆动相时，髋关节驱动系统2带动仿生大腿3进行摆动相的动作，即在矢状面内按 照人体运动的角速度向前摆动，被测假肢相应按照人体在摆动相的动作运动，当摆动相动 作结束时，被测假肢也回到步态周期起始位置，运动模块4带动地反力模块5运动至被测假 肢处于步态周期起始位置时对应的位置，测力板514也被地反力模块5的滚珠丝杆机构带回 被测假肢处于步态周期起始位置时对应的位置，被测假肢在完成摆动相的动作时，被测假 肢足部也运动到步态周期起始位置，即被测假肢足部脚跟与测力板514接触，摆动相结束， 9 CN 111568612 A 说　明　书 4/13 页 这个步态周期结束，同时下一个步态周期开始，如此反复进行，模拟人连续行走时被测假肢 的工作状态。 采用上述膝关节假肢测试系统对被测膝关节假肢进行坡道行走测试的方法，包括 如下步骤： 步骤一，首先进行坡道的构建：调节转向连接板105，通过转向连接板105调节水平 运动模块安装杆103在竖直安装杆102上的安装位置与角度以及伺服电机安装杆104在框架 1前侧的安装位置与角度，水平运动模块4也就随之发生倾斜，产生所需的测试角度，完成坡 道的构建； 步骤二，步骤二，将被测假肢固定在仿生大腿3的假肢连接盘308上，根据被测假肢 的不同长度，将仿生大腿(3)调整至与水平运动模块安装杆(103)之间呈50°到70°，且将被 测假肢调整至上下坡步态周期起始位置，即被测假肢的膝关节伸直向前伸，被测假肢足部 处于脚跟触地的工作状态； 步骤三，水平运动模块(4)将地反力模块(5)带到被测假肢的足部下方，使得地反 力模块(5)的测力板(514)与被测假肢足部的脚跟接触，此状态为当被测假肢处于上下坡步 态周期起始位置时本膝关节假肢测试系统的对应位置； 步骤四，由被测假肢处于上下坡步态周期起始位置开始，首先进入支撑相，被测假 肢处于支撑相时，髋关节驱动系统(2)带动仿生大腿(3)进行支撑相的动作，即在矢状面内 按照人体运动的角速度先向后摆动，再向前摆动，被测假肢相应按照人体在上下坡时支撑 相的动作运动，地反力模块(5)与水平运动模块(4)协同工作，测力板(514)始终与被测假肢 足部接触，并且地反力模块(5)的滚珠丝杆机构通过调节测力板(514)的工作高度调节被测 假肢工作时的阻尼力，进而调节被测假肢足部受到的地反力，保证被测假肢足部受到的地 反力与正常人上下坡时受到的地反力一致；水平运动模块(4)带动地反力模块(5)跟随被测 假肢足部运动，保持地反力模块(5)的测力板(514)一直在被测假肢足部下方，被测假肢的 足部始终踩在测力板(514)上，整个过程被测假肢的足部从脚跟与测力板(514)接触变为整 个脚掌与测力板(514)接触，再变到脚尖与测力板(514)接触，测力板(514)与被测假肢足部 脱离时支撑相结束，进入摆动相； 摆动相时，髋关节驱动系统(2)带动仿生大腿3进行摆动相的动作，即在矢状面内 按照人体运动的角速度向前摆动，被测假肢相应按照人体在上下坡时摆动相的动作运动， 当摆动相动作结束时，被测假肢也回到上下坡步态周期起始位置，运动模块(4)带动地反力 模块(5)运动至被测假肢处于上下坡步态周期起始位置时对应的位置，测力板(514)也被地 反力模块(5)的滚珠丝杆机构带回被测假肢处于上下坡步态周期起始位置时对应的位置， 被测假肢在完成摆动相的动作时，被测假肢足部也运动到上下坡步态周期起始位置，即被 测假肢足部脚跟与测力板(514)接触，摆动相结束，这个步态周期结束，同时下一个步态周 期开始，如此反复进行步骤四，模拟人在坡道行走时被测假肢的工作状态。 采用上述膝关节假肢测试系统对被测膝关节假肢进行上楼梯测试的方法，包括如 下步骤： 步骤一，将被测假肢固定在仿生大腿(3)的假肢连接盘(308)上，根据被测假肢的 不同长度与测试要求，将仿生大腿3调整至与垂直方向之间呈40°到60°，且将被测假肢调整 至上楼梯步态周期起始位置，即被测假肢的膝关节弯曲40°到60°，使得被测假肢小腿与竖 10 CN 111568612 A 说　明　书 5/13 页 直方向平行； 步骤二，水平运动模块4带动地反力模块5使地反力模块5处于被测假肢足部正下 方，地反力模块5的滚珠丝杆机构将测力板514带至顶端位置，使得被测假肢足部的脚掌全 部踩在测力板514上，此时水平运动模块4带动地反力模块5在被测假肢足部正下方，此为被 测假肢处于上楼梯步态周期起始位置时本膝关节假肢测试系统的起始位置； 步骤三，由被测假肢处于上楼梯步态周期起始位置开始，首先进入支撑相，髋关节 驱动系统2带动仿生大腿3在矢状面内按照人体运动的角速度内向后摆动，被测假肢相应按 照人体在上楼梯支撑相的动作运动，与此同时，水平运动模块4带动地反力模块5跟随被测 假肢足部移动，保证地反力模块5的测力板514一直位于被测假肢足部下方，运动过程中被 测假肢足部一直保持全脚掌踩在测力板514上，同时地反力模块5的滚珠丝杆机构带动测力 板514向下运动，通过地反力拉压传感器513测得测力板514与被测假肢足部产生的地反力， 根据该地反力大小，地反力模块5调节测力板514的工作位置，从而调节被测假肢受到的地 反力，使其一直与正常人上楼梯时的地反力一致，直到仿生大腿3与竖直方向平行，被测假 肢膝盖处弯曲角度为零，且被测假肢的整个脚掌踩在测力板514上时，此过程，被测假肢相 对于测力板514向前上方运动，模拟了上楼梯行走支撑相的动作，随后，髋关节驱动系统2继 续带动仿生大腿3在矢状面内按照人体运动的角速度向后摆动，被测假肢继续动作，被测假 肢足部与测力板514自然脱离，支撑相结束，被测假肢进入摆动相，髋关节驱动系统2带动仿 生大腿3进行摆动相的动作，在矢状面内按照人体运动的角速度向前摆，同时，被测假肢相 应按照人体在上楼梯摆动相的动作运动，同时，水平运动模块4和地反力模块5上的测力板 514也向膝关节假肢测试系统的起始位置移动，被测假肢也回到上楼梯步态周期起始位置， 本膝关节假肢测试系统也回到被测假肢处于上楼梯步态周期起始位置时对应的起始位置， 此刻被测假肢足部再次与测力板514接触，摆动相结束，本步态周期结束，下一个步态周期 开始，如此反复运行步骤三，对被测假肢进行上楼梯测试。 采用上述膝关节假肢测试系统对被测膝关节假肢进行下楼梯测试的方法，包括如 下步骤： 步骤一，将被测假肢固定在仿生大腿3的假肢连接盘308上，仿生大腿3与竖直方向 平行，被测假肢的膝关节弯曲角度为0，完全伸直，被测假肢小腿与竖直方向平行，此为被测 假肢下楼梯步态周期起始位置； 步骤二，水平运动模块4将地反力模块5带到被测假肢的足部下方，使得地反力模 块5的测力板514与被测假肢足部的全脚掌接触，且被测假肢小腿与测力板514垂直，此状态 为当被测假肢处于下楼梯步态周期起始位置时本膝关节假肢测试系统对应的起始位置； 步骤三，被测假肢由下楼梯步态周期起始位置开始，首先进入支撑相，髋关节驱动 系统2带动仿生大腿3在矢状面内按照人体运动的角速度向后摆动，被测假肢相应按照人体 在下楼梯支撑相的动作运动，与此同时，水平运动模块4带动地反力模块5跟随被测假肢足 部移动，保证地反力模块5的测力板514一直位于被测假肢足部下方，运动过程中被测假肢 足部一直踩在测力板514上，同时地反力模块5的滚珠丝杆机构带动测力板514向上运动，通 过地反力拉压传感器513测得测力板514与被测假肢足部产生的地反力，根据该地反力大 小，地反力模块5调节测力板514的工作位置，从而调节被测假肢受到的地反力，使其一直与 正常人下楼梯时的地反力一致，直到按照被测假肢长度与测试要求不同，将仿生大腿3调整 11 CN 111568612 A 说　明　书 6/13 页 至相应角度，被测假肢的膝关节弯曲至相应角度，此过程，被测假肢相对于测力板514向下 前方运动，模拟了下楼梯行走支撑相的动作，随后，髋关节驱动系统2继续带动仿生大腿3在 矢状面内按照人体运动的角速度向后摆动，被测假肢继续动作，被测假肢足部脚尖与测力 板514脱离，支撑相结束，被测假肢进入摆动相； 髋关节驱动系统2带动仿生大腿3进行摆动相的动作，在矢状面内按照人体运动的 角速度向前摆，被测假肢相应按照人体在下楼梯摆动相的动作运动，同时，水平运动模块4 和地反力模块5上的测力板514也向膝关节假肢测试系统的起始位置移动，当被测假肢回到 下楼梯步态周期起始位置，本膝关节假肢测试系统也回到被测假肢处于下楼梯步态周期起 始位置时对应的起始位置，此刻被测假肢足部再次与测力板514接触，摆动相结束，本步态 周期结束，下一个步态周期开始，如此反复运行步骤三，对假肢进行下楼梯测试。 本发明的有益效果： 1.本发明膝关节假肢测试系统主动为假肢提供地反力，即地反力由地反力模块上 测力板与假肢脚部直接接触产生，相似测试假肢机构一般通过控制髋关节的上下运动间接 控制脚部与跑步机产生地反力，相比传统方案，本发明产生地反力的方式更加直接，控制更 方便。 2.本发明膝关节假肢测试系统可以构建假肢处于坡道行走，上下楼梯时的测试条 件。 3 .本发明膝关节假肢测试系统的仿生大腿的工作长度，水平运动系统的工作高 度，地反力模块测力板的工作位置均可调节，可以胜任不同长度假肢的测试。 附图说明 图1是本发明的结构示意图。 图2是本发明的框架结构示意图。 图3是本发明的髋关节驱动系统结构示意图。 图4是本发明的仿生大腿结构示意图。 图5是本发明的水平运动模块结构示意图。 图6是本发明的部分结构示意图。 图7是本发明的地反力模块结构示意图。 图8是本发明的部分结构示意图。 图9是本本发明的结构示意图。 图10是本本发明的结构示意图。 图11是本发明进行水平匀速行走测试状态示意图。 图12是本发明进行上下坡道测试状态示意图。 图13是本发明进行上楼梯行走测试状态示意图。 图14是本发明进行下楼梯行走测试状态示意图。 其中：1框架；11长方形架体；12长杆；13门型架；14连接杆；101仿生大腿安装杆； 102竖直安装杆；103水平运动模块安装杆；104伺服电机安装杆；105转向连接板；2髋关节驱 动系统；201电机安装板；202直流无刷电机；203减速器；3仿生大腿；301仿生大腿联轴器； 302轴承座；303转轴；304传动架；305大腿框架；306调节螺杆安装板；307调节螺杆；308假肢 12 CN 111568612 A 说　明　书 7/13 页 连接盘；4水平运动模块；401L型电机安装架；402水平运动伺服电机；403水平运动联轴器； 404水平运动丝杆；405水平运动丝杆螺母；406水平运动丝杆螺母座；407水平运动丝杆支撑 座；408水平运动支撑座安装板；409水平运动垫块；410水平运动导轨；411滑块；412水平运 动L形连接座；413水平运动拉压传感器；5地反力模块；501地反力伺服电机；502安装板；503 地反力联轴器；504地反力模块安装杆；505导轨滑块；506地反力导轨；507支撑座安装板； 508地反力丝杆支撑座；509地反力丝杆；510地反力丝杆螺母；511地反力丝杆螺母座；512地 反力L型连接座；513地反力拉压传感器；514测力板；515测力安装板；516传感器连接板。