CN109459307B - 一种可模拟体重加载的踝足矫形器力学特性测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可模拟体重加载的踝足矫形器力学特性测量装置及方法，属于踝足矫形器力学检测领域。该测量装置包括机械框架，设置于机械框架内部的直连式转矩变送器、重力承载轴承、单片机、变送器、扭矩传感器、蜗轮蜗杆减速器、传动同轴器、电源、电机驱动器、伺服电机、行星减速器、法兰，以及设置于机械框架外部的显示屏幕、可调节压力装置和踏板。本发明结构设计简单、检测速度快、可靠性较高、实用性较大，有较大的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于踝足矫形器力学检测领域，一种可模拟体重加载的踝足矫形器力学特性测量装置及方法。
背景技术
矫形器作为矫形外科治疗的手段，早已应用于临床当中。近年来矫形器由于新的制作材料不断问世及制作水平的不断提高，已在脑卒中、截瘫、偏瘫、脑瘫等治疗中逐渐被人们所应用。通过适当的踝足矫形器,能够预防及矫正足踝部变形,在一定程度上还可以辅助补偿部分缺失的功能，限制足下垂，稳定距上关节，矫正足内外翻，稳定距下关节。
2016年世界卫生组织报告称我国脑卒中发病率世界第一。在存活的脑血管病患者中，约有四分之三不同程度地丧失劳动能力，其中重度致残者约占40％。脑血管病导致的运动等功能的损害需要长期的康复治疗。哥本哈根研究报告指出只有10％的脑卒中患者最终实现功能性的行走。在康复临床实践中，踝足矫形器被广泛的应用于脑卒中病患中，临床效果显著，尤其是有效地提高病患的步速和平衡。
目前，踝足矫形器的制作和临床应用仅凭临床经验和医护人员的粗放测量和感觉进行制作，由于患者体重等个体差异，在使用前需要经过长时间的试戴、调整和修正才能满足患者的需要，在对踝足矫形器测试过程中缺乏可量化的指标。为了提高踝足矫形器的设计准确性及实用性，减少制作时间，更好、更高效地为患者服务，利用计算机控制的电机和力学测量系统装置进行踝足矫形器的力学特性评测，并在过程中通过施加力传感器6模拟人体体重，可较大程度地节省踝足矫形器的制作时间并解放人力，降低了成本和病患不必要的开销花费等。对于有效提高医疗服务的效率，对医疗服务水平的提高具有积极意义。
发明内容
本发明针对目前医疗行业评测踝足矫形器力学性能技术不足，拟开展踝足矫形器的定量力学特性评测，后期可针对脑卒中患者人体步态进行评测的应用，在此基础上结合踝足矫形器力学特性和人体运动学参数建立人体和踝足矫形器模型并对踝足矫形器主要力学参数刚度进行优化设计。
本发明技术方案：
一种可模拟体重加载的踝足矫形器力学特性测量装置，该测量装置包括机械框架1，设置于机械框架1内部的直连式转矩变送器21、重力承载轴承8、单片机10、变送器12、扭矩传感器13、蜗轮蜗杆减速器14、传动同轴器15、电源16、电机驱动器17、伺服电机18、行星减速器19、法兰20，以及设置于机械框架1外部的显示屏幕2、可调节压力装置和踏板9；
所述的机械框架1用于承载整个装置的重量，并降低装置的震动；所述的显示屏幕2设置于机械框架1表面，用于输入跖屈背屈角度数据以及活动次数，同时显示测试时的扭矩数据和重力数据；
所述的电源16为整个装置供电，与电机驱动器17相连；电机驱动器17与伺服电机18相连，电机驱动器17负责控制伺服电机18的转速和扭矩，伺服电机18提供踝足矫形器运动的动力和运动速率；伺服电机18的输出轴与行星减速器19相连，行星减速器19的输出轴与蜗轮蜗杆减速器14相连，且二者之间通过法兰20固定，伺服电机18的动力依次传递给行星减速器19和蜗轮蜗杆减速器14，并通过行星减速器19和蜗轮蜗杆减速器14依次对伺服电机18的转速进行降速并提高扭矩；蜗轮蜗杆减速器14通过传动同轴器15与扭矩传感器13相连；传动同轴器15的末端延伸至机械框架1，并通过重力承载轴承8实现与机械框架1外部踏板9的连接；蜗轮蜗杆减速器14内部蜗轮的转动，带动传动同轴器15转动，进而通过重力承载轴承8带动踏板9的运转；所述的扭矩传感器13依次与直连式转矩变送器21、单片机10相连，扭矩传感器13负责检测伺服电机18传递给踝足矫形器的扭矩数据，并将扭矩数据传送给单片机10；
所述的可调节压力装置用于模拟体重，通过连接板固定于机械框架1的上端，包括丝杆升降机、施加力传感器6和固定压盘7；丝杆升降机包括防护筒3、手轮4、丝杆5和箱体；连接板的下表面固定箱体，箱体内设置蜗轮、蜗杆；蜗杆与箱体外部的手轮4同轴相连，手轮4能够带动蜗杆发生同向转动，蜗杆与蜗轮相啮合，使蜗杆的转动能带动蜗轮转动，蜗轮的内螺纹与丝杆5配合，驱动丝杆5上升或下降；丝杆5下端依次固定施加力传感器6和固定压盘7，固定压盘7位于踏板9的上方，与踏板9配合完成踝足矫形器对重力的模拟；施加力传感器6与机械框架1中的变送器12相连，负责检测施加给踝足矫形器的重力，并将重力数据通过变送器12传输至单片机10中，实现施加力信号的传送；所述的丝杆5上端穿过连接板，通过连接板上表面的防护筒3防护。
所述的固定压盘7为盖体结构，能够通过与踏板9配合以防止踝足矫形器倾倒。
所述箱体内部的蜗杆与手轮4之间增设轴承，方便手轮4的动力传递；轴承外部套设挡圈，确保蜗杆转动时的轴向限位；导向套间隙套设于丝杆5外部，保证丝杆5与蜗轮的同轴度。
所述的单片机10能将变送器12和直连式转矩变送器21传送的电信号数据经过A/D转换，转换成数字信号，然后将压力数值呈现在显示屏幕2上。
所述的单片机10上设置USB数据输出口11，单片机10通过USB数据线与计算机实现数据的传输。
所述的行星减速器19与蜗轮蜗杆减速器14的速比均为10：1。
一种可模拟体重加载的踝足矫形器力学特性测量方法，步骤如下：
(一)将踝足矫形器穿戴于实验用替代腿外，共同放置于踏板9上，将实验用替代腿与踝足矫形器之间进行捆绑固定，并将实验用踝足矫形器与踏板9之间进行固定，防止实验过程中踝足矫形器出现移位。
(二)将踝足矫形器调整至固定压盘7正下方，转动手轮4，使丝杆5带动固定压盘7下降，将踝足矫形器固定于固定压盘7内缘，防止实验中出现倾倒。
(三)打开电源16，在显示屏幕2上能观察到当前施加力大小即模拟体重大小，扭矩数据以及角度数据。调整手轮4改变模拟体重大小至实验所需数值，所观察到的数据以牛顿N为单位。
(四)在显示屏幕2上输入实验所规定的跖屈、背屈活动角度以及活动次数，点击运行后装置开始运行。电机驱动器17驱动伺服电机18开始工作，通过行星减速器19与蜗轮蜗杆减速器14来降低转速，提高扭矩。通过传动同轴器15带动重力承载轴承8运转，从而使踏板9工作，带动踝足矫形器随踏板9一起转动。完成规定的运动次数后装置自行停止运作，过程中出现异常时通过显示屏幕2控制实验的停止或暂停。
(五)装置运行过程中，施加力传感器6负责检测可调节压力装置向下施加的力，通过变送器12将检测到的压力信号转化为1-5V的电压信号，之后传送出的电压信号在单片机10经过A/D转换，转换为数字信号，从而将施加力数值呈现在显示屏幕2上。传动同轴器15所传递的扭矩信号由扭矩传感器13进行检测，通过直连式扭矩变送器21将扭矩信号转化为1-5V的电压信号，之后传送的扭矩信号在单片机10经过A/D转换，转换为数字信号，将不同的扭矩数值呈现在显示屏幕2上。
本发明的有益效果：本发明结构设计简单、检测速度快、可靠性较高、实用性较大，有较大的应用前景。本装置可通过实验中扭矩及角度的测量用于踝足矫形器刚度的检测，在临床中有利于对不同病人情况，有针对性地设计及制造踝足矫形器，减少重复检测及制作修改时间，利用计算机控制的电机和力学测量系统装置进行踝足矫形器的力学特性评测，检测速度快，并在过程中模拟人体体重，能在检测过程中及时发现踝足矫形器的问题并及时进行修正，可较大程度地节省踝足矫形器的制作时间并解放人力，降低了成本和病患不必要的开销。
附图说明
图1是本发明的外部结构示意图。
图2是本发明的内部结构示意图。
图中：1机械框架；2显示屏幕；3防护筒；4手轮；5丝杆；6施加力传感器；7固定压盘；8重力承载轴承；9踏板；10单片机；11USB数据输出口；12变送器；13扭矩传感器；14蜗轮蜗杆减速器；15传动同轴器；16电源；17电机驱动器；18伺服电机；19行星减速器；20法兰；21直连式转矩变送器。
具体实施方式
下面将结合具体实施例和附图对本发明的技术方案进行进一步的说明。
一种可模拟体重加载的踝足矫形器力学特性测量装置，其特征在于，该测量装置包括机械框架1，设置于机械框架1内部的直连式转矩变送器21、重力承载轴承8、单片机10、变送器12、扭矩传感器13、蜗轮蜗杆减速器14、传动同轴器15、电源16、电机驱动器17、伺服电机18、行星减速器19、法兰20，以及设置于机械框架1外部的显示屏幕2、可调节压力装置和踏板9；
所述的机械框架1用于承载整个装置的重量，并降低装置的震动；所述的显示屏幕2设置于机械框架1表面，用于输入跖屈背屈角度数据以及活动次数，同时显示测试时的扭矩数据和重力数据；
所述的电源16为整个装置供电，与电机驱动器17相连；电机驱动器17与伺服电机18相连，电机驱动器17负责控制伺服电机18的转速和扭矩，伺服电机18提供踝足矫形器运动的动力和运动速率；伺服电机18的输出轴与行星减速器19相连，行星减速器19的输出轴与蜗轮蜗杆减速器14相连，且二者之间通过法兰20固定，伺服电机18的动力依次传递给行星减速器19和蜗轮蜗杆减速器14，并通过行星减速器19和蜗轮蜗杆减速器14依次对伺服电机18的转速进行降速并提高扭矩；蜗轮蜗杆减速器14通过传动同轴器15与扭矩传感器13相连；传动同轴器15的末端延伸至机械框架1，并通过重力承载轴承8实现与机械框架1外部踏板9的连接；蜗轮蜗杆减速器14内部蜗轮的转动，带动传动同轴器15转动，进而通过重力承载轴承8带动踏板9的运转；所述的扭矩传感器13依次与直连式转矩变送器21、单片机10相连，扭矩传感器13负责检测伺服电机18传递给踝足矫形器的扭矩数据，并将扭矩数据传送给单片机10；
所述的可调节压力装置用于模拟体重，通过连接板固定于机械框架1的上端，包括丝杆升降机、施加力传感器6和固定压盘7；丝杆升降机包括防护筒3、手轮4、丝杆5和箱体；连接板的下表面固定箱体，箱体内设置蜗轮、蜗杆；蜗杆与箱体外部的手轮4同轴相连，手轮4能够带动蜗杆发生同向转动，蜗杆与蜗轮相啮合，使蜗杆的转动能带动蜗轮转动，蜗轮的内螺纹与丝杆5配合，驱动丝杆5上升或下降；丝杆5下端依次固定施加力传感器6和固定压盘7，固定压盘7位于踏板9的上方，与踏板9配合完成踝足矫形器对重力的模拟；施加力传感器6与机械框架1中的变送器12相连，负责检测施加给踝足矫形器的重力，并将重力数据通过变送器12传输至单片机10中，实现施加力信号的传送；所述的丝杆5上端穿过连接板，通过连接板上表面的防护筒3防护。
所述的固定压盘7为盖体结构，能够通过与踏板9配合以防止踝足矫形器倾倒。
所述箱体内部的蜗杆与手轮4之间增设轴承，方便手轮4的动力传递；轴承外部套设挡圈，确保蜗杆转动时的轴向限位；导向套间隙套设于丝杆5外部，保证丝杆5与蜗轮的同轴度。
所述的单片机10能将变送器12和直连式转矩变送器21传送的电信号数据经过A/D转换，转换成数字信号，然后将压力数值呈现在显示屏幕2上。
所述的单片机10上设置USB数据输出口11，单片机10通过USB数据线与计算机实现数据的传输。
所述的行星减速器19与蜗轮蜗杆减速器14的速比均为10：1。
一种可模拟体重加载的踝足矫形器力学特性测量方法，步骤如下：
(一)将踝足矫形器穿戴于实验用替代腿外，共同放置于踏板9上，将实验用替代腿与踝足矫形器之间进行捆绑固定，并将实验用踝足矫形器与踏板9之间进行固定，防止实验过程中踝足矫形器出现移位。
(二)将踝足矫形器调整至固定压盘7正下方，转动手轮4，使丝杆5带动固定压盘7下降，将踝足矫形器固定于固定压盘7内缘，防止实验中出现倾倒。
(三)打开电源16，在显示屏幕2上能观察到当前施加力大小即模拟体重大小，扭矩数据以及角度数据。调整手轮4改变模拟体重大小至实验所需数值，所观察到的数据以牛顿N为单位。
(四)在显示屏幕2上输入实验所规定的跖屈、背屈活动角度以及活动次数，点击运行后装置开始运行。电机驱动器17驱动伺服电机18开始工作，通过行星减速器19与蜗轮蜗杆减速器14来降低转速，提高扭矩。通过传动同轴器15带动重力承载轴承8运转，从而使踏板9工作，带动踝足矫形器随踏板9一起转动。完成规定的运动次数后装置自行停止运作，过程中出现异常时通过显示屏幕2控制实验的停止或暂停。
(五)装置运行过程中，施加力传感器6负责检测可调节压力装置向下施加的力，通过变送器12将检测到的压力信号转化为1-5V的电压信号，之后传送出的电压信号在单片机10经过A/D转换，转换为数字信号，从而将施加力数值呈现在显示屏幕2上。传动同轴器15所传递的扭矩信号由扭矩传感器13进行检测，通过直连式扭矩变送器21将扭矩信号转化为1-5V的电压信号，之后传送的扭矩信号在单片机10经过A/D转换，转换为数字信号，将不同的扭矩数值呈现在显示屏幕2上。
实验前，将记录数据的U盘插于USB数据输出口11。实验过程中的数据经过USB数据输出口11由U盘存储，输出数据为原始信号。
装置运行过程中，在显示屏幕2上能观察到不同时刻的施加力数值即模拟体重数值，扭矩数据、角度数据以及当前已完成的运行次数。同时施加力数据以图像形式呈现在屏幕左侧，便于在实验中观察力的周期性变化，并能方便观察数据是否出现异常。
Claims (10)
1.一种可模拟体重加载的踝足矫形器力学特性测量装置，其特征在于，该测量装置包括机械框架(1)，设置于机械框架(1)内部的直连式转矩变送器(21)、重力承载轴承(8)、单片机(10)、变送器(12)、扭矩传感器(13)、蜗轮蜗杆减速器(14)、传动同轴器(15)、电源(16)、电机驱动器(17)、伺服电机(18)、行星减速器(19)、法兰(20)，以及设置于机械框架(1)外部的显示屏幕(2)、可调节压力装置和踏板(9)；
所述的机械框架(1)用于承载整个装置的重量，并降低装置的震动；所述的显示屏幕(2)设置于机械框架(1)表面，用于输入跖屈背屈角度数据以及活动次数，同时显示测试时的扭矩数据和重力数据；
所述的电源(16)为整个装置供电，与电机驱动器(17)相连；电机驱动器(17)与伺服电机(18)相连，电机驱动器(17)负责控制伺服电机(18)的转速和扭矩，伺服电机(18)提供踝足矫形器运动的动力和运动速率；伺服电机(18)的输出轴与行星减速器(19)相连，行星减速器(19)的输出轴与蜗轮蜗杆减速器(14)相连，且二者之间通过法兰(20)固定，伺服电机(18)的动力依次传递给行星减速器(19)和蜗轮蜗杆减速器(14)，并通过行星减速器(19)和蜗轮蜗杆减速器(14)依次对伺服电机(18)的转速进行降速并提高扭矩；蜗轮蜗杆减速器(14)通过传动同轴器(15)与扭矩传感器(13)相连；传动同轴器(15)的末端延伸至机械框架(1)，并通过重力承载轴承(8)实现与机械框架(1)外部踏板(9)的连接；蜗轮蜗杆减速器(14)内部蜗轮的转动，带动传动同轴器(15)转动，进而通过重力承载轴承(8)带动踏板(9)的运转；所述的扭矩传感器(13)依次与直连式转矩变送器(21)、单片机(10)相连，扭矩传感器(13)负责检测伺服电机(18)传递给踝足矫形器的扭矩数据，并将扭矩数据传送给单片机(10)；
所述的可调节压力装置用于模拟体重，通过连接板固定于机械框架(1)的上端，包括丝杆升降机、施加力传感器(6)和固定压盘(7)；丝杆升降机包括防护筒(3)、手轮(4)、丝杆(5)和箱体；连接板的下表面固定箱体，箱体内设置蜗轮、蜗杆；蜗杆与箱体外部的手轮(4)同轴相连，手轮(4)能够带动蜗杆发生同向转动，蜗杆与蜗轮相啮合，使蜗杆的转动能带动蜗轮转动，蜗轮的内螺纹与丝杆(5)配合，驱动丝杆(5)上升或下降；丝杆(5)下端依次固定施加力传感器(6)和固定压盘(7)，固定压盘(7)位于踏板(9)的上方，与踏板(9)配合完成踝足矫形器对重力的模拟；施加力传感器(6)与机械框架(1)中的变送器(12)相连，负责检测施加给踝足矫形器的重力，并将重力数据通过变送器(12)传输至单片机(10)中，实现施加力信号的传送；所述的丝杆(5)上端穿过连接板，通过连接板上表面的防护筒(3)防护。
2.根据权利要求1所述的一种可模拟体重加载的踝足矫形器力学特性测量装置，其特征在于，所述的固定压盘(7)为盖体结构，能够通过与踏板(9)配合以防止踝足矫形器倾倒。
3.根据权利要求1或2所述的一种可模拟体重加载的踝足矫形器力学特性测量装置，其特征在于，所述箱体内部的蜗杆与手轮(4)之间增设轴承，方便手轮(4)的动力传递；轴承外部套设挡圈，确保蜗杆转动时的轴向限位；导向套间隙套设于丝杆(5)外部，保证丝杆(5)与蜗轮的同轴度。
4.根据权利要求1或2所述的一种可模拟体重加载的踝足矫形器力学特性测量装置，其特征在于，所述的单片机(10)能将变送器(12)和直连式转矩变送器(21)传送的电信号数据经过A/D转换，转换成数字信号，然后将压力数值呈现在显示屏幕(2)上。
5.根据权利要求3所述的一种可模拟体重加载的踝足矫形器力学特性测量装置，其特征在于，所述的单片机(10)能将变送器(12)和直连式转矩变送器(21)传送的电信号数据经过A/D转换，转换成数字信号，然后将压力数值呈现在显示屏幕(2)上。
6.根据权利要求1、2或5所述的一种可模拟体重加载的踝足矫形器力学特性测量装置，其特征在于，所述的单片机(10)上设置USB数据输出口(11)，单片机(10)通过USB数据线与计算机实现数据的传输。
7.根据权利要求3所述的一种可模拟体重加载的踝足矫形器力学特性测量装置，其特征在于，所述的单片机(10)上设置USB数据输出口(11)，单片机(10)通过USB数据线与计算机实现数据的传输。
8.根据权利要求4所述的一种可模拟体重加载的踝足矫形器力学特性测量装置，其特征在于，所述的单片机(10)上设置USB数据输出口(11)，单片机(10)通过USB数据线与计算机实现数据的传输。
9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的一种可模拟体重加载的踝足矫形器力学特性测量装置，其特征在于，所述的行星减速器(19)与蜗轮蜗杆减速器(14)的速比均为10：1。
10.采用权利要求1、2、5、7或8所述的一种可模拟体重加载的踝足矫形器力学特性测量装置的测量方法，其特征在于，步骤如下：
(一)将踝足矫形器穿戴于实验用替代腿外，共同放置于踏板(9)上，将实验用替代腿与踝足矫形器之间进行捆绑固定，并将实验用踝足矫形器与踏板(9)之间进行固定，防止实验过程中踝足矫形器出现移位；
(二)将踝足矫形器调整至固定压盘(7)正下方，转动手轮(4)，使丝杆(5)带动固定压盘(7)下降，将踝足矫形器固定于固定压盘(7)内缘，防止实验中出现倾倒；
(三)打开电源(16)，在显示屏幕(2)上能观察到当前施加力大小即模拟体重大小，扭矩数据以及角度数据；调整手轮(4)改变模拟体重大小至实验所需数值，所观察到的数据以牛顿N为单位；
(四)在显示屏幕(2)上输入实验所规定的跖屈、背屈活动角度以及活动次数，点击运行后装置开始运行；电机驱动器(17)驱动伺服电机(18)开始工作，通过行星减速器(19)与蜗轮蜗杆减速器(14)来降低转速，提高扭矩；通过传动同轴器(15)带动重力承载轴承(8)运转，从而使踏板(9)工作，带动踝足矫形器随踏板(9)一起转动；完成规定的运动次数后装置自行停止运作，过程中出现异常时通过显示屏幕(2)控制实验的停止或暂停；
(五)装置运行过程中，施加力传感器(6)负责检测可调节压力装置向下施加的力，通过变送器(12)将检测到的压力信号转化为1-5V的电压信号，之后传送出的电压信号在单片机(10)经过A/D转换，转换为数字信号，从而将施加力数值呈现在显示屏幕(2)上；传动同轴器(15)所传递的扭矩信号由扭矩传感器(13)进行检测，通过直连式扭矩变送器(21)将扭矩信号转化为1-5V的电压信号，之后传送的扭矩信号在单片机(10)经过A/D转换，转换为数字信号，将不同的扭矩数值呈现在显示屏幕(2)上。
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