阅读说明：本技术 一种用于测量肘关节曲伸刚度的实验平台及测量系统 (Experiment platform and measurement system for measuring bending and stretching rigidity of elbow joint ) 是由 梁杰俊一 刘阳 熊蔡华 汪涛 孙晨露 程坤华 邓亦骁 于 2021-07-28 设计创作，主要内容包括：本发明属于关节刚度测量相关技术领域,并公开了一种用于测量肘关节曲伸刚度的实验平台及测量系统。该实验平台包括底板和设置在该底板上的大臂固定单元、小臂固定单元和驱动力单元,其中：大臂固定单元固定大臂,小臂固定单元固定小臂,大臂固定单元与小臂固定单元呈夹角设置,使得大臂和小臂固定时呈相应夹角,驱动力单元给小臂提供拉力改变小臂和大臂之间的夹角；驱动力单元包括设置在小臂固定单元两侧的定滑轮,该定滑轮上悬挂有负载,该负载与小臂固定单元通过牵引绳连接,小臂固定单元底部设置有滚轮,实现小臂正向和反向的两个方向的弯曲。通过本发明,解决刚度测量中包含小臂自重和不能两个方向弯曲的问题。(The invention belongs to the technical field related to joint rigidity measurement, and discloses an experiment platform and a measurement system for measuring elbow joint flexion and extension rigidity. This experiment platform includes the bottom plate and sets up big arm fixed unit, forearm fixed unit and the drive power unit on this bottom plate, wherein: the large arm fixing unit is used for fixing a large arm, the small arm fixing unit is used for fixing a small arm, the large arm fixing unit and the small arm fixing unit are arranged in an included angle mode, so that the large arm and the small arm are in corresponding included angles when fixed, and the driving force unit is used for providing tension for the small arm to change the included angle between the small arm and the large arm; the driving force unit comprises fixed pulleys arranged on two sides of the small arm fixing unit, loads are hung on the fixed pulleys and connected with the small arm fixing unit through a traction rope, and rollers are arranged at the bottom of the small arm fixing unit to realize bending of the small arm in the forward direction and the reverse direction. The invention solves the problems that the stiffness measurement comprises the dead weight of the forearm and the bending in two directions cannot be realized.)

一种用于测量肘关节曲伸刚度的实验平台及测量系统

技术领域

本发明属于关节刚度测量相关技术领域，更具体地，涉及一种用于测量肘关节曲伸刚度的实验平台及测量系统。

背景技术

随着国际科技水平的不断提高，在仿人机器人或假肢臂领域中，柔性关节是一个研究热点，它具有缓解冲撞避免损伤、积累能量、随时改变力输出特性等优点。目前的解决办法有以下几种：串入弹性原件但弹性元件的刚度不变，即只起到弹性驱动器作用；引入磁流变或电流变的介质进行控制，但其中的液体特性需要研究完全；利用气动肌肉模型，但是装置体积过大；利用形状记忆合金，但是不能使得刚度在任何时间随着自己的要求进行变化。

在进行结构设计的基础上，研究清楚人类肘部关节的刚度变化形式是非常重要的，常用的方法一般会引入定位误差、摩擦误差、肌肉代偿误差等等，目前的在测量肘部刚度时，存在的问题包括两个方面，一方面测量刚度过程包含了小臂的自重，另一方面不能小臂在两个方向的弯曲，只能正向弯曲，测量正向的刚度。因此，急需一种能解决上述问题且结构简单的实验平台。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于测量肘关节曲伸刚度的实验平台及测量系统，解决刚度测量中包含小臂自重和不能两个方向弯曲的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于测量肘关节曲伸刚度的实验平台，该实验平台包括底板和设置在该底板上的大臂固定单元、小臂固定单元和驱动力单元，其中：

所述大臂固定单元用于固定大臂，所述小臂固定单元用于固定小臂，所述大臂固定单元与所述小臂固定单元呈夹角设置，使得所述大臂和小臂固定时呈相应夹角，所述驱动力单元用于给小臂提供拉力，以此改变小臂和大臂之间的夹角；

所述驱动力单元包括设置在所述小臂固定单元两侧的定滑轮，该定滑轮上悬挂有负载，该负载与所述小臂固定单元通过牵引绳连接，所述小臂固定单元底部设置有滚轮，利用不同侧的负载的重力对所述小臂固定单元施加拉力，实现小臂正向和反向的两个方向的弯曲。

进一步优选地，所述大臂固定单元在所述底座上可旋转，通过旋转大臂固定单元改变大臂与小臂的初始夹角。

进一步优选地，所述大臂固定单元包括大臂底座和C型大臂托盘，所述大臂底座用于将该大臂固定单元固定在所述底板上，所述C型大臂托盘用于夹持大臂。

进一步优选地所述底板上设置有多个大臂安装孔，通过将大臂底座与所述底板上不同的大臂安装孔连接，旋转所述大臂固定单元。

进一步优选地，所述C型大臂托盘上设置有绷带，用于将大臂固定。

进一步优选地，所述小臂固定单元包括小臂底座和C型小臂托盘，所述小臂底座底部设置有所述滚轮，所述C型小臂托盘用于夹持小臂。

进一步优选地所述底板上设置有多个定滑轮安装孔，通过调整所述定滑轮的安装位置，调节小臂固定单元前后位置，以此适应不同的小臂长度。

进一步优选地，所述C型小臂托盘上设置有绷带，用于固定小臂。

进一步优选地，所述底板1上设置有缺口，所述牵引绳穿过该缺口，避免该牵引绳与底板发生干涉。

按照本发明的另一个方面，提供了一种用于测量肘关节曲伸刚度的测量系统，该测量系统中包括上述的实验平台和光学动作捕捉装置，所述光学动作捕捉装置用于捕捉实验平台上肘关节的关节角度变化。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：

1.本发明通过设置的实验平台将大臂和小臂固定且平放，通过沿小臂方向施加拉力，避免刚度测量过程中小臂自重对肘关节关节角度的影响，通过在小臂固定单元两侧设定的驱动力单元，实现在正向和方向两个方向上对小臂施加拉力，使得小臂可以正向和反向弯曲，以此测量两个方向的肘关节刚度变化；

2.本发明中的大臂固定单元可旋转，其可以通过旋转大臂固定单元调节大臂和小臂的初始夹角，同时，小臂固定单元的位置也可以前后移动，以此适应不同待测对象大臂和小臂的长度，另外，驱动力单元有效将负载通过定滑轮方式改变了原有的外部输出力方向，适合多次做实验；

3.本发明中通过实验平台将人体的腕关节、肘关节、肩关节三者共面，同时固定了大臂，让小臂以肘关节为中心，只能绕着大臂做平面旋转，不引入其他肌肉代偿，提高刚度测量的精度。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的用于测量肘关节曲伸刚度的实验平台的结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的大臂固定单元的结构示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的小臂固定单元的结构示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的驱动力单元的结构示意图；

图5是按照本发明的优选实施例所构建负载的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-底板，2-大臂固定单元，3-小臂固定单元，4-驱动力单元，5-负载，6-缺口，7-大臂安装孔，8-定滑轮安装孔，201-大臂底座，202-C型大臂托盘，301-C型小臂托盘，302-小臂底座，303-滚轮，501-牵引绳，502-定滑轮。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

一种用于测试肘关节曲伸刚度的平台，包括底板1、大臂固定单元2、小臂固定单元3、驱动力单元4。

参见图1，在本实施例中，底板1是一个钣金件，前端缺口6用来防止定滑轮出口绳索的干涉，两侧定滑轮安装孔8可以使得小臂固定单元2的位置符合试验人员的手臂长度，中间的大臂安装孔7，用来改变不同的大臂固定方向，形成与小臂的不同初始角度。

参见图2，大臂固定单元2包括大臂底座201与C型大臂托盘202。C型大臂托盘202采用3D打印，通过中下部四孔固连在大臂固定底座201上，可用绷带固定人体大臂，大臂底座201采用钣金件，固连在底板1上。

参见图3，小臂固定单元3包括C型小臂托盘301、小臂底座302与滚轮303，人的小臂通过绷带被固定在C型小臂托盘301中，C型小臂托盘301通过底部的四个固定孔固定在小臂底座302上。4个小臂固定滚轮303通过底部螺孔固连在小臂底座302上，可以实现垂直于小臂方向的平移运动。

参见图4，驱动力单元4包括定滑轮502，定滑轮502固定在底板1上，底板上述设置有多个定滑轮安装孔8，通过改变定滑轮与底板1的固定位置，可以改变小臂的位置从而适应不同的实验人员的小臂长度。

参见图5，负载5由牵引绳501与小臂固定单元3连接，可以根据实验要求配置不同的重物。

当实验目的是研究人体肘部的收缩刚度变化时候，可以将定滑轮502与牵引绳501安装在偏向于人体胸部的底板1。当实验目的是研究人体肘部的舒张刚度变化时候，可以将定滑轮502与牵引绳501安装在远离于人体胸部的底板1。

本实施例的前提是人体肩部三角肌、肘部、腕部三者所处平面与地面平行。

当测量肘关节关节曲伸刚度时，测量系统还需设置有光学动作捕捉系统，用于捕捉肘关节角度的变化，然后根据公式以此计算肘关节的刚度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。