阅读说明：本技术 一种基于工业机器人的膝关节假肢测试装置及测试方法 (Knee joint artificial limb testing device and testing method based on industrial robot ) 是由 任雷 王同建 付德龙 刘春宝 陈秋 于 2020-05-29 设计创作，主要内容包括：本发明属于假肢测试技术领域,具体涉及一种基于工业机器人的膝关节假肢测试装置及测试方法；装置包括工业机器人,仿生大腿和地反力模块；本假肢测试装置,通过模拟膝关节截肢患者在一个步态周期内残肢的运动,可实现不同速度水平行走,上下坡,上下楼梯等环境下的假肢测试,并能够调节假肢足部受到的地反力,假肢测试过程中的地反力输入更加准确,为组装在接口的智能膝关节提供准确的测试环境,并且由于工业机器人的使用,这种测试系统使用更加方便、灵活,结构更加简单。(The invention belongs to the technical field of artificial limb testing, and particularly relates to a knee joint artificial limb testing device and a knee joint artificial limb testing method based on an industrial robot; the device comprises an industrial robot, a bionic thigh and a ground reaction module; this artificial limb testing arrangement, through the motion of the incomplete limb of simulation knee joint amputation patient in a gait cycle, can realize different speed level walking, go up the downhill path, the artificial limb test under the environment such as going up and down stairs to can adjust the ground counter-force that the artificial limb foot received, ground counter-force input in the artificial limb test process is more accurate, for the intelligent knee joint of equipment at the interface provides accurate test environment, and because industrial robot's use, this kind of test system uses more conveniently, nimble, the structure is simpler.)

一种基于工业机器人的膝关节假肢测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于假肢测试技术领域，具体涉及一种基于工业机器人的膝关节假肢测试装置及 测试方法。

背景技术

目前，能够进行下楼梯，上下坡，坐起转换，快步走等功能的智能假肢发展迅速，但是 对其性能进行测试的设备却很少，大多数假肢研发机构仍然采用招募截肢患者佩戴假肢样品 的方法测试假肢，而智能假肢的设计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装置，传统的测试的方法难以胜任智能假肢的测试。

首先针对一款假肢的测试只能招募有限个数的受试者，能测试的工作条件有限；其次， 智能假肢的开发除机械结构的开发外，更重要的是控制算法的开发，由于新开发产品功能或 控制算法不完善等原因，容易给受试者带来危险；再次，受试者在测试中很快就会进入疲劳 状态，难以保证假肢工作时始终有相同的输入，进而降低测试数据的准确性；最后，传统假 肢测试需要有成熟产品才能开展测试，还要专门为受试者制作接受腔，测试周期长，如果在 设计中存在不合适的地方，则需要大范围的返工。

目前用于智能膝关节假肢开发与性能测试的设备极少，且都没有地反力控制功能，不能 实现上下坡及上下楼梯等环境的测试，难以真正模拟正常人的行走步态，因此急切需求一种 能够模拟正常人行走步态的假肢膝关节测试设备。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提供一种基于工业机器人的膝关节假肢测试装置及测试方 法，是针对下肢假肢模拟人体正常行走、上下楼梯，上下坡，坐起转换等步态进行测试的装 置；为多功能智能下肢假肢提供实验测试条件，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，上下楼梯行走时髋关节的运动，同时利用伺服电机与滚珠 丝杆机构主动调节假肢脚部提供地反力，可实现假肢水平匀速行走测试，坡道行走测试，上 下楼梯行走测试。

一种基于工业机器人的膝关节假肢测试装置，包括具有六个自由度的工业机器人1，仿 生大腿2和地反力模块3，其中工业机器人1与地反力模块3均固定在地面上，且工业机器 人1布置在地反力模块3的后方，仿生大腿2连接在工业机器人1的接口处；

仿生大腿2包括连接架201，大腿框架202，调节螺杆安装板203，调节螺杆204和假肢连接盘205，其中连接架201一端固定在工业机器人1接口处，另一端固定连接有大腿框架202，在大腿框架202底部固定有调节螺杆安装板203，调节螺杆204可选择地固定在调 节螺杆安装板203上，假肢连接盘205固定在调节螺杆204的底端，且假肢连接盘205四周 设有均匀分布的用于与假肢螺栓连接的螺栓孔；

地反力模块3包括能够调整角度的框架301，支撑座安装板302，伺服电机305，安装板306，测力安装板309，测力板310，滑道，滚珠丝杆机构，拉压传感器311和L型连接 座314，其中安装板306固定在框架301上，框架301固定在地面上，安装板306的底部设 有伺服电机305，伺服电机305通过联轴器307与滚珠丝杆机构底端的丝杆端连接，安装板 306上方的两端均设有滑道，安装板306一侧的滑道上固定连接有支撑座安装板302，滚珠 丝杆机构固定在支撑座安装板302上，滚珠丝杆机构的丝杆螺母座上固定有L型连接座314， 拉压传感器311固定连接在L型连接座314上，测力安装板309的两端分别活动连接在安装 板306两端设置的滑道上，能够沿着滑道上下滑动，且测力安装板309同时还与拉压传感器 311固定连接，测力板310固定在测力安装板309上。

所述地反力模块3的滑道包括安装杆308和导轨313，其中安装杆308分别固定在安装 板306的两端，每个安装杆308上均固定有带有导轨滑块312的导轨313，安装板306一端的安装杆308上固定连接有支撑座安装板302。

所述地反力模块3的滚珠丝杆机构包括丝杆支撑座303，丝杆317，丝杆螺母315和丝 杆螺母座316，其中伺服电机305通过联轴器307与丝杆317一端连接，丝杆317的两端分别通过丝杆支撑座303固定在支撑座安装板302上，丝杆螺母座(316)通过丝杆螺母(315)安装在丝杆(317)上，丝杆螺母座316上固定有L型连接座314，测力安装板309的两端 分别固定在安装板306两端滑道的导轨滑块312上。

所述的框架301包括四根竖直杆和两根水平杆，其中竖直杆固定在地面上，安装板306 的两侧分别固定在两根水平杆上，每个水平杆均通过转向连接盘304连接在框架301一侧的 两个竖直杆上。

上述膝关节假肢测试装置，可实现假肢水平匀速行走，坡道行走，上下楼梯的测试，具 体为：

被测假肢进行平地匀速行走状态测试：

步骤一，将被测假肢固定在仿生大腿2的假肢连接盘205上，根据被测假肢的不同长度， 将仿生大腿2调整至相应角度，使得被测假肢的足部处于脚跟触地且膝关节伸直向前伸的工 作状态，此状态的被测假肢处于步态周期起始位置；

步骤二，工业机器人1带动仿生大腿2移动，进而带动被测假肢移动使得地反力模块3 处于被测假肢的足部下方，且地反力模块3的测力板310与被测假肢足部的脚跟接触，此状 态的本膝关节假肢测试装置处于当被测假肢处于步态周期起始位置时的对应位置；

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，工业机器人1带动仿生大腿2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，安装在仿生大腿2上的被测假肢也开始工作，即被测假肢相应按 照人体在支撑相的动作运动，模拟人正常水平行走时膝关节运动，同时工业机器人1带动仿 生大腿2在水平和竖直两个方向平动，在地反力模块3与工业机器人1协同工作下，使得测 力板310始终与被测假肢足部接触，并且地反力模块3的滚珠丝杆机构通过调节测力板310 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，使被测假 肢足部在支撑相过程中受到的地反力与正常人体行走时脚部受到的地反力一致；

被测假肢足部从脚跟与测力板310接触变为整个脚掌与测力板310接触，再变到脚尖与 测力板310接触，当被测假肢足部的脚尖与测力板310脱离时支撑相结束，进入摆动相；

摆动相时，工业机器人1带动仿生大腿2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，工业机器人1也带动仿 生大腿2在水平方向和竖直方向平动，当摆动相动作结束时，被测假肢回到步态周期起始位 置，即被测假肢足部的脚跟与测力板310接触，工业机器人1也带动仿生大腿2运动至被测 假肢处于步态周期起始位置时对应的位置，同时地反力模块3的测力板310也回到被测假肢 处于步态周期起始位置时对应的位置，摆动相结束，这一个步态周期结束，下一个步态周期 开始，如此反复进行步骤三，模拟人连续行走时被测假肢的工作状态。

被测假肢进行坡道行走测试时：

步骤一，首先进行坡道的构建：调节框架301的角度，安装板306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，将被测假肢固定在仿生大腿2的假肢连接盘205上，根据被测假肢的不同长度， 将仿生大腿2调整至与安装板306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，工业机器人1带动仿生大腿2，使得地反力模块3位于被测假肢的足部下方， 使得地反力模块3的测力板310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假肢膝关节测试装置的对应位置；

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，工业机器人1带动仿生大腿2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， 同时工业机器人1带动仿生大腿2在水平和竖直两个方向平动，在地反力模块3与工业机器 人1协同工作下，保证测力板310始终与被测假肢足部接触，并且地反力模块3的滚珠丝杆 机构通过调节测力板310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；工业 机器人1带动仿生大腿2运动，保持地反力模块3的测力板310一直在被测假肢足部下方， 被测假肢的足部始终踩在测力板310上，整个过程被测假肢的足部从脚跟与测力板310接触 变为整个脚掌与测力板310接触，再变到脚尖与测力板310接触，测力板310与被测假肢足 部脱离时支撑相结束，进入摆动相；

摆动相时，工业机器人1带动仿生大腿2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，同时工业机器 人1带动仿生大腿2在水平和竖直两个方向平动，当摆动相动作结束时，被测假肢回到上下 坡步态周期起始位置，工业机器人1带动仿生大腿2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310也被地反力模块3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310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。

被测假肢进行上楼梯测试时：

步骤一，将被测假肢固定在仿生大腿2的假肢连接盘205上，根据被测假肢的不同长度 与测试要求，将仿生大腿2调整至相应角度，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相应角度，使得被测假肢小腿与竖直方向平行；

步骤二，工业机器人1带动仿生大腿2使地反力模块3处于被测假肢足部正下方，地反 力模块3的滚珠丝杆机构将测力板310带至顶端位置，使得被测假肢足部的脚掌全部踩在测 力板310上，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装置的起始位 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，工业机器人 1带动仿生大腿2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，工业机器人1带动仿生大腿2在水平和竖直两个方向 平动，保证地反力模块3的测力板310一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310上，同时地反力模块3的滚珠丝杆机构带动测力板310向 下运动，通过拉压传感器311测得测力板310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3调节测力板310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2与竖直方向平行，被测假肢膝盖处弯曲 角度为零，此过程，模拟了上楼梯行走支撑相的动作，随后，工业机器人1带动仿生大腿2 在矢状面内按照人体运动的角速度向后摆动，同时工业机器人1带动仿生大腿2在水平和竖 直两个方向平动，被测假肢足部与测力板310自然脱离，支撑相结束，被测假肢进入摆动相， 工业机器人1带动仿生大腿2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上楼梯摆动相的动作运动，同时，工业机器人1带动仿生大腿2在 水平和竖直两个方向平动，当被测假肢回到上楼梯步态周期起始位置，本膝关节假肢测试装 置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310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。

被测假肢进行下楼梯测试时：

步骤一，将被测假肢固定在仿生大腿2的假肢连接盘205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，工业机器人1带动仿生大腿2使得地反力模块3的测力板310与被测假肢足部 的全脚掌接触，且被测假肢小腿与测力板310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装置对应的起始位置；

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，工业机器人1带 动仿生大腿2在矢状面内按照人体运动的角速度向后摆动，安装在仿生大腿2的被测假肢相 应按照人体在下楼梯支撑相的动作运动，模拟人下楼梯时膝关节运动；与此同时，工业机器 人1带动仿生大腿2在水平方向平动，使得被测假肢足部一直踩在测力板310上，同时地反 力模块3的滚珠丝杆机构带动测力板310向上运动，通过拉压传感器311测得测力板310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3调节测力板310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2调整至相应角度，被测假肢的膝关节弯曲至相应角 度，此过程，被测假肢模拟了下楼梯行走支撑相的动作，随后，工业机器人1继续带动仿生 大腿2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，同时，工业机器人 1带动仿生大腿2在水平和竖直两个方向平动，被测假肢足部脚尖与测力板310脱离，支撑 相结束，被测假肢进入摆动相；

工业机器人1带动仿生大腿2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，工业机器人1带动仿生大 腿2在水平和竖直两个方向平动，当被测假肢回到下楼梯步态周期起始位置，本膝关节假肢 测试装置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310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，对被测假肢进行下楼梯测试。

本发明的有益效果：

1.本发明能够主动调节假肢受到的地反力，而且整个装置由于工业机器人的使用结构更 加简单，控制装置更加方便灵活。

2.本发明可以构建假肢处于坡道行走，上下楼梯时的测试条件。

3.本发明仿生大腿的工作长度以及地反力模块的工作高度均可调节，可以胜任不同长度 假肢的测试。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的仿生大腿结构示意图。

图3为本发明的地反力模块结构示意图。

图4为本发明进行水平匀速行走测试过程图。

图5为本发明进行上下坡道测试过程示意图。

图6为本发明进行上楼梯行走测试过程图。

图7为本发明进行下楼梯行走测试过程图。

其中：1工业机器人；2仿生大腿；3地反力模块；201连接架；202大腿框架；203调 节螺杆安装板；204调节螺杆；205假肢连接盘；301框架；302支撑座安装板；303丝杆支 撑座；304转向连接盘；305伺服电机；306安装板；307联轴器；308安装杆；309测力安 装板；310测力板；311拉压传感器；312-导轨滑块；313导轨；314L型连接座；315丝杆 螺母；316丝杆螺母座；317丝杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种基于工业机器人的膝关节假肢测试装置，包括工业机器人1，仿生大 腿2和地反力模块3，其中工业机器人1与地反力模块3均固定在地面上，且工业机器人1布置在地反力模块3的后方，仿生大腿2连接在工业机器人1的接口处；

工业机器人1为具有六个自由度的新松SR120D工业机器人，测试过程中能够进行两个 方向的平动并且带动仿生大腿摆动，竖直方向的平移模拟人行走时髋关节的上下平移，水平 方向的平移用在支撑相来模拟人行走时髋关节的水平平移。同时，在摆动相时快速运动使被 测假肢在完成摆动相动作时，处于下一个步台周期的起始位置。仿生大腿2摆动用来模拟人 行走髋关节带动大腿摆动。通过工业机器人的示教器设置工业机器人在假肢水平匀速行走测 试，坡道行走测试，上下楼梯行走测试的动作，并由外置控制柜控制工业机器人动作。

如图2所示，仿生大腿2包括连接架201，大腿框架202，调节螺杆安装板203，调节螺杆204和假肢连接盘205，其中连接架201一端固定在工业机器人1接口处，另一端固定 连接有大腿框架202，大腿框架202由两列铝合金型材拼接而成，在大腿框架202底部固定 有调节螺杆安装板203，调节螺杆204可选择地固定在调节螺杆安装板203上，具体地：调 节螺杆204螺纹连接在调节螺杆安装板203上，并通过两个螺母紧固在调节螺杆安装板203 上，转动调节螺杆204就可实现调节长度的功能。假肢连接盘205固定在调节螺杆204的底 端，且假肢连接盘205四周设有均匀分布的用于与假肢螺栓连接的螺栓孔，用于与假肢顶部 的连接盘螺栓连接；

如图3所示，地反力模块3包括能够调整角度的框架301，支撑座安装板302，伺服电机305，安装板306，测力安装板309，测力板310，滑道，滚珠丝杆机构，拉压传感器311 和L型连接座314，其中安装板306固定在框架301上，框架301固定在地面上，安装板306 的底部设有伺服电机305，伺服电机305通过联轴器307与滚珠丝杆机构底端的丝杆端连接， 安装板306上方的两端均设有滑道，安装板306一侧的滑道上固定连接有支撑座安装板302， 滚珠丝杆机构固定在支撑座安装板302上，滚珠丝杆机构的丝杆螺母座上固定有L型连接座314，拉压传感器311固定连接在L型连接座314上，测力安装板309的两端分别活动连接 在安装板306两端设置的滑道上，能够沿着滑道上下滑动，且测力安装板309同时还与拉压 传感器311固定连接，测力板310固定在测力安装板309上；拉压传感器311用来测量地反 力模块3为假肢脚部提供的地反力大小；

所述地反力模块3的滑道包括安装杆308和导轨313，其中安装杆308分别固定在安装 板306的两端，每个安装杆308上均固定有带有导轨滑块312的导轨313，安装板306一端的安装杆308上下分别固定连接有支撑座安装板302。

所述地反力模块3的滚珠丝杆机构包括丝杆支撑座303，丝杆317，丝杆螺母315和丝 杆螺母座316，其中伺服电机305通过联轴器307与丝杆317一端连接，具体为：联轴器307其一端与安装板306底面安装的伺服电机305的输出轴连接，另一端连接有丝杆317，丝杆317的两端分别通过丝杆支撑座303固定在两个支撑座安装板302上，丝杆螺母座316固定在丝杆螺母315上，丝杆螺母315安装丝杆317上，丝杆螺母座316上固定有L型连接座 314，测力安装板309的两端分别固定在安装板306两端滑道的导轨滑块312上。拉压传感 器311用来测量地反力模块3为假肢脚步提供的地反力大小；

所述的框架301包括四根铝合金型材的竖直杆和两根水平杆，其中竖直杆固定在地面 上，安装板306的两侧分别固定在两根铝合金型材的水平杆上，每个水平杆均通过转向连接 盘304连接在框架301一侧的两个竖直杆上。通过调节转向连接盘304在竖直杆上的安装位 置，从而实现水平杆与水平方向之间的角度；

上述膝关节假肢测试装置，可实现假肢水平匀速行走，坡道行走，上下楼梯的测试，具 体为：

首先在使用时，工业机器人1带动仿生大腿2摆动，被测膝关节假肢螺栓连接在仿生大 腿2的假肢连接盘205上。

如图4所示，被测膝关节假肢进行平地匀速行走状态测试：(被测膝关节假肢以下简称 被测假肢)

将被测假肢固定在仿生大腿2的假肢连接盘205上，根据被测假肢的不同长度，将仿生 大腿2调整至与竖直方向之间呈20°到40°，且将被测假肢调整至步态周期起始位置，即 被测假肢的足部处于脚跟触地且膝关节伸直向前伸的工作状态；

工业机器人1带动被测假肢使得地反力模块3处于被测假肢的足部下方，且地反力模块 3的测力板310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 本膝关节假肢测试装置的对应位置；每当整个装置处于此状态时，标志着被测假肢上一个步 态周期结束，下一个步态周期开始。

一个步态周期由支撑相和摆动相组成，测试时由支撑相开始到摆动相再到下一个周期的 支撑相和摆动相；一个步态周期的摆动相结束，这个步态周期就结束了，同时下一个周期开 始，无缝衔接。对于单腿来说，支撑相和摆动相交替进行。

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，工业 机器人1带动仿生大腿2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，安装在仿生大腿2上的被测假肢也开始工作，模拟人正常水平行走时膝关 节运动，具体为：工业机器人1带动大腿框架202运动，再带动调节螺杆204运动，进而使 得固定在假肢连接盘205上的被测假肢运动，工业机器人1带动仿生大腿2摆动，被测假肢 就相应的完成支撑相动作，按照人体运动的动作运动，其中控制柜中的预设程序控制工业机 器人1的接口水平运动至支撑相结束用来模拟水平行走支撑相髋关节向前平动，同时，控制 柜中的预设程序控制工业机器人1带动仿生大腿2前后摆用来模拟水平行走支撑相时髋关节 转动带动仿生大腿2摆动；

地反力模块3的伺服电机305启动，进而驱动滚珠丝杆机构的丝杆运转，进而通过L型 连接座314和拉压传感器311带动测力安装板309在滑道上滑动，从而使得测力板310上下 运动，与工业机器人1协同工作，使得测力板310始终与被测假肢足部接触，并通过调节测 力板310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， 使被测假肢足部在支撑相过程中受到的地反力与正常人体行走时脚步受到的地反力一致；如 测力板310与被测假肢足部之间的地反力过大(过小)，则地反力模块3带动测力板310在 与被测假肢足部保持接触的前提下向下(向上)运动，随之被测假肢阻尼力减小(增大)， 被测假肢足部与测力板310之间地反力减小(增大)，直到地反力达到目标值。

其中测力板310的工作高度是通过地反力模块3的丝杆机构改变地反测力安装板309在 滑道上的位置来调节的，

被测假肢足部从脚跟与测力板310接触变为整个脚掌与测力板310接触，再变到脚尖与 测力板310接触，被测假肢的膝关节按照假肢长度与测试要求不同，膝关节成25°到45° 时，脚尖与测力板脱离，测力板310与被测假肢足部脱离时支撑相结束，进入摆动相；

摆动相时，工业机器人1带动仿生大腿2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，被测假肢就相应的完成摆动相动作，工业机器人1也带动仿生大腿2 在水平方向和竖直方向平动，当摆动相动作结束时，控制柜中的预设程序控制工业机器人1 带动仿生大腿2水平运动至被测假肢处于步态周期起始位置时对应的位置，同时被测假肢也 回到步态周期起始位置，控制柜中的预设程序控制工业机器人1带动仿生大腿2前摆用来模 拟水平行走摆动相时髋关节转动带动大腿摆动，

地反力模块2的测力板310也回到被测假肢处于步态周期起始位置时对应的位置，被测 假肢足部的脚跟与测力板310接触，摆动相结束，这一个步态周期结束，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。

在支撑相与摆动相，控制柜中的预设程序均控制工业机器人1上下平动来模拟人水平行 走时髋关节的上下平动，其运动规律与人水平行走时髋关节的上下平动的运动规律一致，周 期与步态周期一致。整个测试装置周期性重复工作，对假肢进行处于水平行走工况的测试。

如图5所示，被测假肢进行坡道行走测试时：

首先进行坡道的构建：调节框架301的角度，具体为：调节转向连接板304，通过转向 连接板304调节框架301的水平杆在竖直杆上的安装位置与角度，安装板306也就随之发生 倾斜，产生所需的测试角度，完成坡道的构建；

将被测假肢固定在仿生大腿2的假肢连接盘205上，根据被测假肢的不同长度，将仿生 大腿2调整至与安装板306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；

其次进行坡道行走测试，地反力模块3的工作状态与水平匀速行走时相似，

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，工业机器人1按照预设的控制程序带动仿生大腿2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，同时工业机器人1按照预设的控制程序带动仿生大腿2在水平和竖直两个方向平 动，在地反力模块3与工业机器人1协同工作下，保证测力板310始终与被测假肢足部接触， 并且地反力模块3的滚珠丝杆机构通过调节测力板310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；工业机器人1按照预设的控制程序带动仿生大腿2运动，保持地反 力模块3的测力板310一直在被测假肢足部下方，被测假肢的足部始终踩在测力板310上， 整个过程被测假肢的足部从脚跟与测力板310接触变为整个脚掌与测力板310接触，再变到 脚尖与测力板310接触，测力板310与被测假肢足部脱离时支撑相结束，进入摆动相；

摆动相时，工业机器人1按照预设的控制程序带动仿生大腿2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，同时工业机器人1按照预设的控制程序带动仿生大腿2在水平和竖直两个方向平动， 当摆动相动作结束时，被测假肢回到上下坡步态周期起始位置，工业机器人1按照预设的控 制程序带动仿生大腿2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 310也被地反力模块3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310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，模拟人在坡道行走时被测假肢的工作状态。

如图6和图7所示，被测假肢进行上楼梯测试时：

根据被测假肢的不同长度与测试要求，将仿生大腿2调整至与竖直方向之间呈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直方向平行；

工业机器人1带动被测假肢使得地反力模块3处于被测假肢足部正下方，同时地反力模 块3的滚珠丝杆机构将测力板310带至顶端位置，使得被测假肢足部的脚掌全部踩在测力板 310上，此时地反力模块3的测力板310位置恰好能让仿生大腿2与被测假肢处于上述状态， 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装置的起始位置；每当处于 此状态时，标志着上一个步态周期结束，下一个步态周期开始。工业机器人1带动仿生大腿 2摆动，同时带动仿生大腿2在水平往复平动，安装在仿生大腿2的膝关节假肢也开始工作， 模拟人上楼梯时膝关节运动。

由上楼梯步态周期起始位置开始，首先进入支撑相，工业机器人1带动仿生大腿2在矢 状面内按照人体运动的角速度内向后摆动，安装在仿生大腿2的被测假肢相应按照人体在下 楼梯支撑相的动作运动，模拟人下楼梯时膝关节运动；与此同时，工业机器人1带动仿生大 腿2在水平方向平动，使得被测假肢足部一直踩在测力板310上，保证地反力模块3的测力 板310一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 310上，同时测力板310向下运动，通过拉压传感器311测得测力板310与被测假肢足部产 生的地反力，根据该地反力大小，快速的主动地反力模块3调节测力板310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，控制柜中的预设 程序控制工业机器人1接口水平运动至支撑相结束用来模拟上楼梯支撑相髋关节向前平动， 同时，控制柜中的预设程序控制工业机器人1带动仿生大腿2向后摆动，用来模拟上楼梯支 撑相时髋关节转动带动仿生大腿2摆动，整个过程被测假肢足部一直全脚掌与测力板310接 触，直到仿生大腿2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310上时，此过程，被测假肢相对于测力板310向前上方运动，模拟了上楼梯 行走支撑相的动作，随后，工业机器人1继续带动仿生大腿2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310自然脱离，支撑相结束， 被测假肢进入摆动相，

摆动相时，控制柜中的预设程序控制工业机器人1水平运动至被测假肢处于步态周期起 始位置时对应的位置，控制柜中的预设程序控制工业机器人1带动仿生大腿2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，被测假肢相应的完成摆动相动作，当摆动 相动作结束时，被测假肢也回到步态周期起始位置，同时，地反力模块3上的测力板310快 速运动到被测假肢处于步态周期起始位置时对应的位置，当被测假肢足部再次与测力板310 接触时，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，对假肢进行上楼 梯测试。

上楼梯时人体质心，即髋关节，相对于楼梯台阶向上方，前方移动，本发明髋关节不动， 水平运动模块与地反力模块向后，下方动作，相当于被测假肢的髋关节相对的向前上方移动， 模拟假肢上楼梯的工作状态。

被测假肢进行下楼梯测试时：

仿生大腿2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；

工业机器人1带动仿生大腿2使得地反力模块3的测力板310与被测假肢足部的全脚掌 接触，且被测假肢小腿与测力板310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装置对应的起始位置；

地反力模块3的测力板310位置恰好能让仿生大腿2与被测假肢处于上述状态。每当整 个装置处于此状态时，标志着上一个步态周期结束，下一个步态周期开始；

由下楼梯步态周期起始位置开始，首先进入支撑相，工业机器人1带动仿生大腿2在矢 状面内按照人体运动的角速度向后摆动，安装在仿生大腿2的被测假肢相应按照人体在下楼 梯支撑相的动作运动，模拟人下楼梯时膝关节运动；与此同时，工业机器人1带动仿生大腿 2在水平方向平动，使得被测假肢足部一直踩在测力板310上，地反力模块3跟随被测假肢 足部移动，保证地反力模块3的测力板310一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310上，同时测力板310向上运动，通过地反力拉压传感器513测得 测力板310与被测假肢足部产生的地反力，根据该地反力大小，快速的主动地反力模块3调 节测力板310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，直到按照假肢长度与测试要求不同，仿生大腿2与竖直方向成15°到20°， 被测假肢的膝关节弯曲30°到40°时，此过程，被测假肢相对于测力板310向下前方运动， 模拟了下楼梯行走支撑相的动作，随后，工业机器人1继续带动仿生大腿2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310脱离，支 撑相结束，被测假肢进入摆动相；

具体的说，控制柜中的预设程序控制工业机器人1水平运动至支撑相结束，工业机器人 1用来模拟下楼梯支撑相髋关节向前平动，同时，控制柜中的预设程序控制工业机器人1带 动仿生大腿2向后摆动用来模拟下楼梯支撑相时髋关节转动带动大腿摆动，整个过程被测假 肢足部全脚掌与测力板310接触变为脚尖与测力板310接触，到被测假肢弯曲到达下楼梯测 试的指定角度时，支撑相结束，此过程，假肢整体相对于测力板向前下方运动，模拟了下楼 梯行走支撑相的动作。

控制柜中的预设程序控制工业机器人1反向水平运动至被测假肢处于步态周期起始位 置时对应的位置，控制柜中的预设程序控制工业机器人1带动仿生大腿2进行摆动相的动作， 在矢状面内按照人体运动的角速度先向后摆动，再向前摆，被测假肢相应的完成摆动相动作， 当摆动相动作结束时，被测假肢也回到步态周期起始位置，同时，地反力模块3运动到被测 假肢处于步态周期起始位置时对应的位置，当被测假肢足部与测力板310再次接触时，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，对假肢进行下楼梯测试。

测试假肢处于上下楼梯状态时，均从上下楼梯步态周期起始位置开始测试，工业机器人 1与地反力模块3模拟人上下楼梯行走时腿部、脚部与楼梯面的相对运动，摆动相时，工业 机器人1迅速返回下一个测试周期的起始位置，如此反复进行，模拟被测假肢处于上下楼梯 时的工作状态。

在对不同被测假肢进行测试时，通过调节仿生大腿2上的调节螺杆204的位置，即旋转 调节螺杆204，调节螺杆204就位于调节螺杆安装板203上的不同高度处，从而调节仿生大 腿2的工作长度，通过调节测力板310的工作位置调节被测假肢足部到仿生大腿2之间的工 作距离，当调节测力板310的工作位置不能满足工作要求时，可以控制工业机器人1来扩大 工作距离。