一种肢体末端刚度测量装置及其测量方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN108387351A(43)申请公布日2018.08.10(21)申请号201810146719.4(22)申请日2018.02.12(71)申请人华中科技大学地址430074湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号(72)发明人张琴林剑锋熊蔡华(74)专利代理机构华中科技大学专利中心42201代理人张彩锦曹葆青(51)Int.Cl.G01M5/00(2006.01)G06F17/50(2006.01)权利要求书2页说明书6页附图5页(54)发明名称一种肢体末端刚度测量装置及其测量方法(57)摘要本发明公开了一种肢体末端刚度测量装置及测量方法，用于测量人体上肢末端刚度。该装置包括测力模块，传动模块和驱动模块，驱动模块包括主轴、支座、齿轮传动机构和导轨连接板，齿轮传动机构与支座内圆周的外齿圈啮合，导轨连接板与齿轮机构连接，导轨连接板上设置有导轨；传动模块包括支架、凸轮机构和传动连接板，导轨将驱动模块和支架连接；测力模块包括传感器连接板、力传感器和手柄，通过传感器连接板与传动连接板的中心轴连接。通过本发明实现振幅变化范围在2-8mm之间的小幅随机运动，适用于不同需求下的肢体末端刚度实验，且振动频率可调，调整步骤简单易行。本发明还公开了装置的测量方法。CN108387351ACN108387351A权利要求书1/2页1.一种肢体末端刚度测量装置，该装置包括测力模块，传动模块和驱动模块，其特征在于，所述驱动模块包括主轴(21)和套装在该主轴上的支座(9)、齿轮传动机构和导轨连接板(8)，所述齿轮传动机构设置在所述支座内部，并与该支座内圆周的外齿圈(19)啮合，所述导轨连接板(8)设置在所述齿轮传动机构的上方，并与该齿轮机构连接，所述主轴(21)通过与所述齿轮传动机构的啮合带动该齿轮传动机构和所述导轨连接板(8)一起转动，此外，该导轨连接板(8)上还设置有导轨(7)，用于连接所述驱动模块和传动模块；所述传动模块包括支架(6)、凸轮机构和传动连接板(4)，所述支架通过所述导轨与所述导轨连接板(8)连接，其沿所述导轨做往复运动的同时跟随所述导轨连接板转动，所述凸轮机构与所述主轴(21)连接，且设置在所述支架(6)的上方，用于将所述主轴的转动转化为所述传动连接板沿导轨(7)方向的往复运动，所述传动连接板(4)设置在所述凸轮机构的上方并与该凸轮机构连接；所述测力模块包括传感器连接板(3)、力传感器(2)和手柄(1)，所述传感器连接板将所述力传感器与所述传动连接板(4)的中心轴(11)连接，并使得所述力传感器跟随所述中心轴(11)做随机振动，所述手柄与所述力传感器连接，并跟随其做随机振动。2.如权利要求1所述一种肢体末端刚度测量装置，其特征在于，所述齿轮传动机构包括行星架(18)和设置在其内部的三个行星齿轮(16)，该三个行星齿轮一方面与所述主轴上的太阳轮(17)啮合，另一方面与所述支座的外齿圈(19)啮合。3.如权利要求1或2所述一种肢体末端刚度测量装置，其特征在于，所述凸轮机构包括凸轮(14)和凸轮连接板(5)，所述凸轮通过键(13)与所述主轴(21)连接，所述凸轮连接板的底部设置有顶杆(12)，该顶杆沿凸轮轨道做跟随运动。4.如权利要求2所述一种肢体末端刚度测量装置，其特征在于，每个所述行星齿轮的行星轴的底部均设置有弹性挡圈(20)，用于所述行星轴的轴向定位。5.如权利要求1-4任一项所述一种肢体末端刚度测量装置，其特征在于，所述传感器连接板通过螺钉与所述传动连接板的中心轴(11)连接，所述传动连接板(4)通过轴承(22)与中心轴(11)连接，使得所述传感器连接板只进行平面内各个方向的往复运动而不转动，从而实现随机振动。6.一种如权利要求1-5任一项所述的肢体末端刚度测量装置的测量方法，其特征在于，该测量方法包括下列步骤：(a)被测试对象的肢体末端握住测量装置的手柄，同时将被测试对象的肢体末端连接位置传感器，驱动测量装置的主轴转动，从所述位置传感器获得肢体末端的二维位移x，从测量装置的力传感器上获得二维回复力F的大小；(b)建立所述肢体末端的位移x和回复力F动力学方程(ⅰ)，其中，x是肢体末端的二维位移，x1和x2分别代表矢状轴方向与冠状轴方向两个不同方2CN108387351A权利要求书2/2页向的位移，是速度，是加速度，F是肢体末端的二维回复力，F1和F2分别代表矢状轴方向与冠状轴方向两个不同方向的回复力，Iij是肢体末端i方向的力在j方向的惯量,Bij是i方向的力在j方向阻尼,Kij是i方向的力在j方向刚度,i＝1或j＝1表示矢状轴方向，i＝2或j＝2表示冠状轴方向；(c)对动力学方程(ⅰ)进行傅立叶变换，获得所述位移与回复力的动力学方程在频域上的表达式(ii)，