一种适用于双平面X光运动捕捉系统的实验平台

摘要

本发明公开一种适用于双平面X光运动捕捉系统的实验平台，包括升降机构、横滚及角度保持机构以及多路面和三维力板系统。本发明不仅可以改变测试路面主板的水平高度，还可以改变其俯仰角，又可以改变主板的横滚角，而且其高度和角度可以通过刻度线实时显示。主板既可以单独使用，提供水平或倾斜状态下的路面，同时力板采集足底的受力信息，还可以与前副板和后副板结合使用，能够同时提供左右及前后两个方向的平面。沙槽可以提供松软地面，可以模拟沙漠或沙滩等松软的路面环境。此实验平台能够灵活调节，在使用双平面X光运动捕捉系统进行不同条件下的多次实验时，可以有效减少定位及标定次数，减少工作量，节省人力和时间。

说明书

技术领域

本发明涉及双平面X光透视及实验设备领域，具体涉及一种适用于双平面X光运动捕捉系统的实验平台。

背景技术

人体关节运动分析是生物力学的重要研究领域，对人体关节运动定性或定量分析在临床上和工程上都有着重要意义。在临床上，人体关节运动分析可用于评估关节运动功能，研究病理关节与正常关节的运动力学差异，用于诊断和康复。同时，还可对植入物或者假体的运动进行追踪与定量描述，用于评估植入物或者假体在人体内的位置变化程度。在工程上，可为仿人机器人、康复辅具的功能关节开发提供重要的人体关节运动生物力学数据支撑。

对人体关节运动的实验研究，早期多是采用离体实验，例如，利用机器人驱动离体下肢样本进行膝关节或踝关节的运动分析，此类离体研究无法真实还原正常的生理运动，实验结果具有很大的局限性。随着技术的发展，将光学运动捕捉和三维测力台两者结合使用成为研究人体关节运动的主要方法。光学运动捕捉系统是通过相机系统对固定或粘贴于人体皮肤表面的标记点进行追踪、捕捉而获得受试者的相关运动学参数，但是由于皮肤和骨骼之间存在一定的相对运动，会造成较大的实验误差。随着透视技术的发展，X光和CT等透视技术用于观察骨性组织，在临床上有着很大的作用，但是透视技术只能在二维或者静态条件下观察关节或骨骼，无法满足三维动态下的关节运动。

利用双平面X光运动捕捉系统研究人体关节运动是最新发展的高精度骨骼运动测试与分析技术。双平面X光运动捕捉系统包括两套高速X射线测量系统，可同时从两个不同的方向拍摄人体运动过程中的骨骼运动的动态影像，再配合建模和影像处理软件，可有效实现对人体关节的三维动态六自由度数据的测试分析。该技术具备在体、无创、三维、运动、精确可靠的特点，但是，在利用该系统进行不同试验对象和运动模式的实验时，为保证测试精度，需要多次进行空间定位和标定，直至标定后计算的误差满足规定要求方可实验。例如，在一次膝关节运动实验之前要进行两对X线发射球管与影像增强器的空间定位，然后进行标定、误差校正，耗费了科研人员大量的时间和精力，如若进行踝关节运动学实验，则需要再次重新进行空间定位，然后进行标定、误差校正等一系列步骤，因而造成了操作过程繁琐，浪费人力和时间等问题。同时，当前实验多采用地面或简易搭接木板和型材装置作为行走平面，无法满足斜面行走、侧倾行走、松软路面行走等多种路面环境的实验测试需求。此外，双平面X光运动捕捉系统仅可分析和研究运动学数据，无地面反力数据，无法结合X光系统测得的运动学数据进行进一步动力学的分析和计算，进而带来了研究局限。

纵观上述利用双平面X光运动捕捉系统研究人体关节运动力学现状，急需一种能够适用于双平面X光运动捕捉系统的辅助实验平台，来减少实验之前进行的定位和校准操作，而且可以提供不同的测试路面，可进行多路面状况下的实验测试，并且可以同时获得地面反力数据，从而满足多路面条件下的人体骨骼肌肉系统运动和力学的高效测试与分析需求。

发明内容

本发明提出了一种适用于双平面X光运动捕捉系统的辅助实验平台，可以有效减少使用双平面X光运动捕捉系统进行关节运动研究实验前的定位及标定次数，减少工作量，节省人力和时间。而且，可设置不同的路面，满足多种运动状态下的实验。同时，实验可以获得地面反力数据，可进行动力学的分析和计算。

双平面X光系统由第一X光球管、第二X光球管和第一影像增强器、第二影像增强器组成。第一X光球管的光束中心正对第一影像增强器的中心，第二X光球管的光束中心正对第二影像增强器的中心。两对X光球管和影像增强器的位置可在空间中根据实验要求任意调节，关节运动采集区域在两束光线的交叉处。本发明提出的一种适用于双平面X光运动捕捉系统的实验平台，适用于双平面X光运动捕捉系统进行人体关节运动力学实验。

本发明包括升降机构、横滚及角度保持机构以及多路面和三维力板系统。

所述的升降机构包括左立架、右立架、前导杆、后导杆、滑块、千斤顶、底盘、液压泵和地轮。左立架和右立架的内部都固定有前导杆和后导杆，滑块上设有前导孔和后导孔，前导杆穿过前导孔，后导杆穿过后导孔，使得滑块可以在左立架和右立架的内部沿上下方向滑动，前导杆和后导杆起到导向和定位的作用。立架底部中心固定放置千斤顶，千斤顶活塞柱的上表面和滑块的下表面结合，通过压杆控制活塞柱的升高或下降来控制滑块的升降。左立架和右立架的外表面分别设有刻度尺，通过滑块的下表面与刻度尺的刻度线对齐可以精确显示滑块的离地高度，进而明确行走路面主板的高度和纵向倾角。底盘的下方有四个可以在竖直方向同步移动的地轮，四个地轮的升降由液压泵来控制。当整个实验平台需要移动或需要调节力板的俯仰角进而需要改变左立架和右立架之间的距离时，液压泵控制四个地轮同步下降，使地轮与地面接触，可以方便实验平台的移动或缩短左立架和右立架之间的距离。当调节好实验平台时，为了保持整个实验平台的稳定，液压泵控制四个地轮上升，使底盘的下表面与地面接触。左立架和右立架的上端在前面和后面都布置有多个挂柱，左立架和右立架之间可搭接挂杆，挂杆两端挂在挂柱上，挂杆上有可以沿轴向滑动的扶手，当人在行走实验时，可以手持扶手来保持身体平衡与稳定。

所述的横滚及角度保持机构包括刻度盘、限位块、双向棘轮、棘爪、拉簧、棘爪手柄和压簧。刻度盘和双向棘轮通过转动轴同轴安装，双向棘轮可以围绕中心转动，双向棘轮上方设有棘爪，刻度盘的上方固接有限位块，限位块上开有限位槽，限位槽内装有压簧，压簧的上端与限位槽的上端面连接，压簧的下端与棘爪手柄的上端连接，使得棘爪手柄始终承受向下的压力。两个棘爪中间设有拉簧，使得两个棘爪始终承受指向两者之间的拉力。在拉簧和压簧的共同作用下，使得棘爪与双向棘轮紧密结合，更好的限制双向棘轮的转动。刻度盘上刻有刻度线，用以精确显示双向棘轮的转动角度。双向棘轮下方设有开口向下的U形槽，刻度盘外表面的下方开有两个刻度盘定位孔，双向棘轮表面的上方开有两个棘轮定位孔，当双向棘轮旋转180°使U形槽开口向上时，可使用定位销穿过刻度盘定位孔和棘轮定位孔从而限制双向棘轮相对于刻度盘的转动。U形槽两侧开有转动圆孔，用以连接多路面和三维力板系统。

所述的多路面和三维力板系统包括主板、前副板、后副板、支撑腿和计算机控制器。所述主板为长方体板，上表面镶嵌有第一力板、第二力板和第三力板，下表面开设有沙槽，第一力板、第二力板和第三力板装有三轴力压电材料传感器，可测量上下、前后、左右三个方向的载荷信息，其受力信号由输出线路传输至计算机控制器，沙槽的前侧边和后侧边采用高密度亚克力板。主板的左右两端设有转动销轴，转动销轴与双向棘轮上的转动圆孔适配，可以使主板围绕转动销轴的轴线上下转动。主板上表面两侧分布有主板连接孔，两侧面开有连接槽，前副板和后副板的侧面设有连接凸台，连接凸台上开有副板连接孔，连接凸台与连接槽适配，使用连接销穿过主板连接孔和副板连接孔，使前副板和后副板与主板连接。实验时可以主板单独提供行走路面，也可以主板和前副板与后副板同时提供左右和前后两个方向的平面。前副板的下表面和后副板的下表面都开有支撑孔，可以连续调节高度的支撑腿上端伸入支撑孔内，下端与地面接触，以确保前副板和后副板在承重时的牢固和稳定。

所述升降机构与横滚及角度保持机构通过滑块与刻度盘固定连接，通过滑块的升降来带动横滚及角度保持机构的升降。所述横滚及角度保持机构与多路面和三维力板系统通过主板两端的转动销轴与双向棘轮上的转动圆孔进行销连接，可以使主板围绕销轴上下转动一定角度。所述多路面和三维力板系统，可以单独使用主板来提供左右方向的平面和斜面以及一定横滚角度的斜面，并由第一力板、第二力板和第三力板采集地面反力信息；也可以使主板翻转180°底面朝上，底面的沙槽内可以填充沙土或沙子等填充物，当人在沙槽内行走时，可以模拟松软路面的行走实验。所述多路面和三维力板系统，主板可以与前副板和后副板结合使用，从而能够同时提供左右及前后两个方向的平面。

本发明的工作过程和原理：

在具体实施过程中，左立架和右立架底部的千斤顶通过活塞柱的升降，进而控制滑块的升降，前导杆和后导杆在滑块升降时起到导向作用，刻度尺可以显示滑块上升或下降过程中的离地高度。滑块与刻度盘固接，通过滑块的升降来带动横滚及角度保持机构的升降，刻度盘与双向棘轮中心有销连接，双向棘轮可相对刻度盘转动，并由棘爪控制双向棘轮的转动位置，刻度盘上的刻度线可以显示双向棘轮的转动角度。主板的左右两端的转动销轴与双向棘轮上的转动圆孔适配，可以使主板围绕转动销轴的轴线上下转动。主板既可以随着双向棘轮水平上升或下降，也可以随着两个双向棘轮上升至不同的高度从而使主板具有俯仰角，还可以随双向棘轮的转动具有横滚角，又可以随双向棘轮转动180°使底面沙槽朝上。主板既可以单独使用，还可以与前副板和后副板结合使用，从而能够同时提供左右及前后两个方向的平面。当需要调节俯仰角进而改变左立架和右立架之间的距离时，钢丝绳绕过定滑轮，一端与左立架内的滑块连接，另一端与右立架连接，同时液压泵控制四个地轮同步下降，因此，随着左立架内的滑块的上升，钢丝绳有拉力作用于右立架，使左立架与右立架之间的距离变短。地轮在改变左立架和右立架之间的距离和在整个实验平台移动的过程中有省力的作用。当实验平台的位置或左立架与右立架之间的距离确定时，液压泵控制四个地轮同步上升，使底盘与地面接触，确保整个实验平台的稳定。左立架和右立架之间可以挂接挂杆，既可以水平挂接，也可以倾斜挂接，挂杆上有可以沿轴向滑动的扶手，当人在行走实验时，可以手持扶手来保持身体平衡与稳定。

本发明的有益效果：

1、本发明可以有效减少使用双平面X光运动捕捉系统进行关节运动研究实验前的定位及标定次数，减少工作量，节省人力和时间。在实验条件变换时，能做到实验平台去适应X光系统，而不是X光系统适应实验平台。

2、本发明不仅可以改变测试路面主板的水平高度，还可以改变其俯仰角，既能左高右低，还能左低右高，又可以改变主板的横滚角，而且其高度和角度可以通过刻度线实时显示。

3、主板既可以单独使用，提供水平或倾斜状态下的路面，同时力板采集地面反力信息，还可以与前副板和后副板结合使用，能够同时提供左右及前后两个方向的平面。

4、滑轮和钢丝绳的使用，在改变主板俯仰角时，可以同步改变左立架和右立架之间的距离，不至于主板两端的销轴受力过大而发生损坏。地轮的使用，可以在改变左立架和右立架之间的距离和在整个实验平台移动的过程中有省力的作用。

5、沙槽可以提供松软地面，可以模拟沙漠或沙滩等松软的路面环境，沙槽的前侧边和后侧边采用高密度亚克力板，可以减少在模拟松软地面行走实验时金属材料对X光线的遮挡。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图。

图2为本发明的升降机构示意图。

图3为本发明的横滚及角度保持机构示意图。

图4为本发明的多路面和三维力板系统的分解图。

图5为本发明的主板俯仰动作时的示意图。

图6为本发明的主板横滚动作时的示意图。

其中：1-升降机构；101-左立架；102-右立架；103-前导杆；104-后导杆；105-滑块；106-千斤顶；107-底盘；108-液压泵；109-地轮；110-前导孔；111-后导孔；112-活塞柱；113-压杆；114-刻度尺；115-挂柱；2-横滚及角度保持机构；201-刻度盘；202-限位块；203-双向棘轮；204-棘爪；205-压簧；206-棘爪手柄；207-拉簧；208-转动轴；209-限位槽；210-刻度线；211-U形槽；212-刻度盘定位孔；213-棘轮定位孔；214-转动圆孔；3-多路面和三维力板系统；301-主板；302-前副板；303-后副板；304-支撑腿；305-第一力板；306-第二力板；307-第三力板；308-沙槽；309-输出线路；310-计算机控制器；311-转动销轴；312-主板连接孔；313-连接槽；314-连接凸台；315-副板连接孔；316-连接销；317-支撑孔；318-前侧边；319-后侧边；4-挂杆；5-扶手；6-定滑轮；7-挂环；8-钢丝绳；9-挂钩；10-双平面X光系统；1011-第一X光球管；1012-第二X光球管；1013-第一影像增强器；1014-第二影像增强器；

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，本实施例包括升降机构1、横滚及角度保持机构2以及多路面和三维力板系统3；

所述的升降机构1包括左立架101、右立架102、前导杆103、后导杆104、滑块105、千斤顶106、底盘107、液压泵108和地轮109。左立架101和右立架102的内部都固定有前导杆103和后导杆104，滑块105上设有前导孔110和后导孔111，滑块105的一侧与横滚及角度保持机构2中的刻度盘201固连，前导杆103穿过前导孔110，后导杆104穿过后导孔111，使得滑块105可以在左立架101和右立架102的内部沿上下方向滑动，前导杆103和后导杆104起到导向的作用。左立架101和右立架102底部中心固定放置千斤顶106，由于滑块105和横滚及角度保持机构2的重力作用，千斤顶的活塞柱112的上表面和滑块105的下表面结合，通过压杆113控制活塞柱112的升高或下降来控制滑块105的升降，进而使得横滚及角度保持机构2可以在竖直方向上下移动。左立架101和右立架102的外表面分别设有刻度尺114，通过滑块105的下表面与刻度尺114的刻度线对齐可以精确显示滑块105的离地高度，由左右两个滑块105的离地高度，进而可以计算行走路面主板301的高度和纵向倾角。底盘107的下方有四个可以在竖直方向同步移动的地轮109，四个地轮109的升降由液压泵108来控制。当整个实验平台需要移动或需要调节主板301的俯仰角进而改变左立架101和右立架102之间的距离时，液压泵108控制四个地轮109同步下降，使地轮109与地面接触，可以方便实验平台的移动或缩短左立架101和右立架102之间的距离。当调节好实验平台时，为了保持整个实验平台的稳定，液压泵108控制四个地轮109同步上升，使底盘107的下表面与地面接触，因此，在需要移动左立架101和右立架102时，地轮109与地面接触，在稳定状态时，底盘107与地面接触。左立架101和右立架102的上端在前面和后面都布置有多个挂柱115，左立架101和右立架102之间可搭接挂杆4，挂杆4两端挂在挂柱115上，挂杆4既可以水平挂接，也可以倾斜挂接，挂杆4上有可以沿轴向滑动的扶手5，当人在行走实验时，可以手持扶手5来保持身体平衡与稳定。

所述的横滚及角度保持机构2包括刻度盘201、限位块202、双向棘轮203、棘爪204、压簧205、棘爪手柄206和拉簧207。刻度盘201和双向棘轮203通过转动轴208同轴安装，双向棘轮203可以围绕中心转动，进而带动主板301横滚，双向棘轮203上方设有棘爪204，刻度盘201的上方固接有限位块202，限位块202上开有限位槽209，限位槽209内装有压簧205，压簧205的上端与限位槽209的上端面连接，压簧205的下端与棘爪手柄206的上端连接，使得棘爪手柄206始终承受向下的压力。两个棘爪204中间设有拉簧207，使得两个棘爪204始终承受指向两者之间的拉力。在压簧205和拉簧207的共同作用下，使得棘爪204与双向棘轮203紧密结合，更好的限制双向棘轮203的转动。刻度盘201上刻有刻度线210，用以精确显示双向棘轮203的转动角度。当需要转动双向棘轮203时，向上提棘爪手柄206，棘爪204与双向棘轮203分离，当双向棘轮203参照刻度线210转至指定的角度时，放开棘爪手柄206且让棘爪204与指定的齿啮合即可。双向棘轮203下方设有开口向下的U形槽211，刻度盘201外表面的下方开有两个刻度盘定位孔212，双向棘轮203表面的上方开有两个棘轮定位孔213，当双向棘轮203旋转180°使U形槽211开口向上时，此时主板301的反面朝上，可使用定位销穿过刻度盘定位孔212和棘轮定位孔213从而限制双向棘轮203相对于刻度盘201的转动。U形槽211两侧开有转动圆孔214，用以连接多路面和力板系统3。

所述多路面和三维力板系统3包括主板301、前副板302、后副板303、支撑腿304和计算机控制器310。所述主板301为长方体板，上表面镶嵌有第一力板305、第二力板306和第三力板307，下表面开设有沙槽308，第一力板305、第二力板306和第三力板307装有三轴力压电材料传感器，可测量上下、前后、左右三个方向的载荷信息，其受力信号由输出线路309传输至计算机控制器310，沙槽308的前侧边318和后侧边319采用高密度亚克力板，可以减少在模拟松软地面行走实验时金属材料对X光线的遮挡。主板301的左右两端设有转动销轴311，转动销轴311与双向棘轮203上的转动圆孔214适配，可以使主板301围绕转动销轴311的轴线上下转动，因此在升高或降低左右横滚及角度保持机构2的同时，能够改变主板301的俯仰角，主板301既可以左高右低，也可以左低右高。主板301上表面两侧分布有主板连接孔312，两侧面开有连接槽313，前副板302和后副板303的侧面设有连接凸台314，连接凸台314上开有副板连接孔315，连接凸台314与连接槽313适配，使用连接销316穿过主板连接孔312和副板连接孔315，使前副板302和后副板303与主板301连接。实验时可以主板301单独提供行走路面，也可以主板301和前副板302与后副板303同时提供左右和前后两个方向的平面。前副板302的下表面和后副板303的下表面都开有支撑孔317，可以连续调节高度的支撑腿304上端伸入支撑孔317内，下端与地面接触，以确保前副板302和后副板303在承重时的牢固和稳定。

所述升降机构1与横滚及角度保持机构2通过滑块105与刻度盘201固定连接，通过滑块105的升降来带动横滚及角度保持机构2的升降。所述横滚及角度保持机构2和多路面和三维力板系统3通过主板301两端的转动销轴311与双向棘轮203上的转动圆孔214进行销连接，可以使主板301围绕销轴上下转动一定角度。所述多路面和三维力板系统3可以单独使用主板301来提供左右方向的平面和斜面以及一定横滚角度的斜面，并由第一力板305、第二力板306和第三力板307采集地面反力信息；也可以使主板301翻转180°底面朝上，底面的沙槽308内可以填充沙土或沙子等填充物，当人在沙槽308内行走时，可以模拟松软路面的行走实验。所述多路面和力板系统3，主板301还可以与前副板302和后副板303结合使用，从而能够同时提供左右及前后两个方向的平面。

在具体实施过程中，左立架101和右立架102底部的千斤顶106通过活塞柱112的升降，进而控制滑块105的升降，前导杆103和后导杆104在滑块105升降时起到导向作用，刻度尺114可以显示滑块105上升或下降过程中的离地高度。滑块105与刻度盘201固接，通过滑块105的升降来带动横滚及角度保持机构2的升降，刻度盘201与双向棘轮203中心有销连接，双向棘轮203可相对刻度盘201转动，并由棘爪204控制双向棘轮203的转动位置，刻度盘201上的刻度线可以显示双向棘轮203的转动角度。主板301的左右两端的转动销轴311与双向棘轮203上的转动圆孔214适配，可以使主板301围绕转动销轴311的轴线上下转动。主板301既可以随着双向棘轮203水平上升或下降，也可以随着两个双向棘轮203上升至不同的高度从而使主板301具有俯仰角，还可以随双向棘轮203的转动具有横滚角，又可以随双向棘轮203转动180°使底面沙槽308朝上。主板301既可以单独使用，还可以与前副板302和后副板303结合使用，从而能够同时提供左右及前后两个方向的平面。当需要调节俯仰角进而改变左立架101和右立架102之间的距离时，钢丝绳8绕过定滑轮6，一端与左立架101内的滑块105连接，另一端与右立架102连接，同时液压泵108控制四个地轮109同步下降，因此，随着左立架101内的滑块105的上升，钢丝绳8有拉力作用于右立架102，使左立架101与右立架102之间的距离变短。地轮109在改变左立架101和右立架102之间的距离和在整个实验平台移动的过程中有省力的作用。当实验平台的位置或左立架101与右立架102之间的距离确定时，液压泵108控制四个地轮109同步上升，使底盘107与地面接触，确保整个实验平台的稳定。左立架101和右立架102之间可以挂接挂杆4，既可以水平挂接，也可以倾斜挂接，挂杆4上有可以沿轴向滑动的扶手5，当人在行走实验时，可以手持扶手5来保持身体平衡与稳定。

双平面X光系统10由第一X光球管1011、第二X光球管1012和第一影像增强器1013、第二影像增强器1014组成。第一X光球管1011的光束中心正对第一影像增强器1013的中心，第二X光球管1012的光束中心正对第二影像增强器1014的中心。两对X光球管和影像增强器的位置可在空间中根据实验要求任意调节，关节运动采集区域在两束光线的交叉处。因此，调整好X光球管和影像增强器的空间位置后，通过移动本实验平台至采集区域，更换不同的实验时，只需调节实验平台即可，使双平面X光系统10能做到一次定位，多次使用。

因此，本发明不仅可以改变测试路面主板301的水平高度，还可以改变其俯仰角，既能左高右低，还能左低右高，又可以改变主板301的横滚角，而且其高度和角度可以通过刻度线实时显示。主板301既可以单独使用，提供水平或倾斜状态下的路面，同时第一力板305、第二力板306、第三力板307采集地面反力信息，还可以与前副板302和后副板303结合使用，能够同时提供左右及前后两个方向的平面。沙槽308可以提供松软地面，可以模拟沙漠或沙滩等松软的路面环境。因为此实验平台能够灵活调节，所以在使用双平面X光系统10进行不同条件下的多次实验时，可以有效减少定位及标定次数，减少工作量，节省人力和时间。