[发明专利]串联式五自由度足踝步态模拟的实验装置

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种机电系统技术领域的装置，具体是一种模拟人体足踝步态及测量装置。 

背景技术

足踝复合体参与人体运动，是人体的最终负重部位。站立时，体重的50-60％分布在足跟，40-50％分布于跖骨头；正常行走时，足部负重是体重的1.2倍；奔跑时增为2倍；像跨栏、篮球和排球等运动项目，落地时承受3.5～7 倍于自身体重的冲击力，与下肢的运动损伤关系密切。 

关节损伤中，以足踝部最常见，高达64.6%；踝关节内、外侧韧带损伤约占全身韧带损伤的80%，位于首位；高龄人口中80％有足踝疾病（如胫后肌腱炎、跟腱滑囊炎及跟腱断裂、踝关节外侧韧带损伤、跖筋膜炎、距骨软骨缺损、糖尿病足、踝关节炎等）的困扰。 

由于足踝部解剖结构和生物力学特性的复杂性及人类对足的存在和作用习以为常，在医学及其相关的科学研究中，有关足踝的研究在过去很长一段时间未能得到应有重视，使其远不如髋、膝关节那样被深入了解，对足踝步态中的生物力学特性（特别是各骨块之间相对运动关系、骨内部应力分布、韧带和肌腱力学行为、关节接触应力变化等）更缺乏系统的认识和研究，人类尚未彻底清楚了解并掌握这一系统。临床上对一些常见足踝疾病形成和治疗的生物力学机理还尚不清楚，治疗方案优化和选择多依据经验、静态或准静态模型应力分析及简化模型的运动学和动力学研究成果，还缺乏足够的科学依据；涉及足踝学科的运动医学、现代矫形学及机器人行走系统等均对天然人体足踝系统地运动学和动力学探究提出更高的要求。因此，探讨人体足踝各组成部分之间的力学作用关系，包括相对运动和相互作用力关系以及使足踝完成正常步态时肌肉力的时间历程变化规律成为亟待和急需研究的课题。而完成这些研究，需要研制人体足踝步态的运动学和动力学模拟及测量装置，实现活体测量无法进行的试验，同时获得活体试验无法得到的力学和运动学参数。本装置是基于以上背景被提出来，通过机械与电子控制技术驱动尸体足踝动力学模型实现足踝步态的运动学和动力学模拟，并在此过程中运用光学和力学测量系统测量并采集步态中足踝各骨块之间的相对运动、关节力、肌肉力的大小等运动和力学参数，为基于多刚体模型的足踝步态运动学和动力学计算分析提供宝贵的原始试验数据。同时，为现代矫形支具的优化设计和功能评价及足踝系统相关新兴学科生物力学问题研究提供试验测量和分析平台。