專利名稱：一種動(dòng)態(tài)髖關(guān)節(jié)假體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域?？梢杂糜跈C(jī)器人、下肢訓(xùn)練器、航空彈射或汽車安全碰撞假人的髖關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，也可作為其他關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)的參考。
背景技術(shù)：
髖關(guān)節(jié)連接下肢和骨盆，是人體的重要關(guān)節(jié)。其運(yùn)動(dòng)自由度包括屈伸、收展、旋轉(zhuǎn)，屬于多自由多軸關(guān)節(jié)。在機(jī)器人和仿真假人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要實(shí)現(xiàn)前后擺動(dòng)和內(nèi)外擺動(dòng)兩個(gè)自由度，并且運(yùn)動(dòng)范圍符合人體解剖學(xué)數(shù)據(jù)。人體通過股骨和髖白的配合實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，并且通過韌帶控制關(guān)節(jié)穩(wěn)定性。但是假人髖關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)難度較大，不僅要實(shí)現(xiàn)多自由度多方向在一定范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，而且作為被動(dòng)假人，還要保持一定的關(guān)節(jié)阻尼，維持關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。同時(shí)假人在實(shí)驗(yàn)中承擔(dān)著數(shù)據(jù)檢測(cè)的重要功能，所以在關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)中，需要考慮傳 感器的選擇與安裝。目前現(xiàn)有技術(shù)中的仿真假人均不能用于模擬關(guān)節(jié)承受極限載荷時(shí)的情形，尤其是人體坐姿時(shí)承受沖擊載荷時(shí)，髖關(guān)節(jié)起著重要的力的傳遞作用，其仿真研究對(duì)汽車、航空及體育等領(lǐng)域有著重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
在髖關(guān)節(jié)假體設(shè)計(jì)中，需要關(guān)注關(guān)節(jié)每個(gè)自由度的活動(dòng)范圍、關(guān)節(jié)阻尼、關(guān)節(jié)摩擦力、角位移傳感器的安裝、關(guān)節(jié)摩擦力調(diào)整等。本發(fā)明的目的是為針對(duì)以上要求設(shè)計(jì)一種新型的仿真動(dòng)態(tài)髖關(guān)節(jié)假體。本發(fā)明動(dòng)態(tài)髖關(guān)節(jié)假體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)3個(gè)功能(I)兩個(gè)自由度，以坐姿為參考狀態(tài)，前擺0 25°、后擺(Γ90°、外展(Γ40°、內(nèi)收(Γ30° ; (2)運(yùn)動(dòng)角度可以實(shí)時(shí)測(cè)量；
(3)關(guān)節(jié)具有一定的阻尼，并且可以根據(jù)要求調(diào)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種仿真髖關(guān)節(jié)假體，包括主體結(jié)構(gòu)、軀干部件和大腿端部部件，其特征在于所述主體結(jié)構(gòu)為一 U型構(gòu)件，所述軀干部件兩端外伸的水平軸為所述U形構(gòu)件提供支撐，所述U形構(gòu)件底板與軀干部件外伸的額狀面水平軸構(gòu)成一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，實(shí)現(xiàn)大腿端部部件前后擺動(dòng)；所述U型構(gòu)件兩個(gè)側(cè)板與大腿端部部件相連接構(gòu)成另外一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，實(shí)現(xiàn)大腿左右側(cè)擺；所述U形構(gòu)件通過底板上的孔與所述軀干部件活動(dòng)連接；并通過兩個(gè)側(cè)板上同軸的兩個(gè)孔及大腿端部部件固接的轉(zhuǎn)軸與大腿端部部件3活動(dòng)連接；關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍通過設(shè)置在所述U形構(gòu)件I側(cè)板5內(nèi)側(cè)上的硬凸臺(tái)7來限制，并通過粘接與所述硬凸臺(tái)7上的軟擋塊8取得關(guān)節(jié)達(dá)到極限位置時(shí)對(duì)碰撞力的吸收，模擬人體關(guān)節(jié)阻尼。特別地，所述軟擋塊8為高分子材料，所述硬凸臺(tái)7包括凹槽結(jié)構(gòu)，防止軟擋塊8在壓縮過程中產(chǎn)生翹曲。
優(yōu)選地，關(guān)節(jié)阻尼式可以調(diào)節(jié)的，通過鎖緊螺母11調(diào)節(jié)摩擦力的大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)所述關(guān)節(jié)阻尼的大小，借助防轉(zhuǎn)墊片10以防止摩擦片9轉(zhuǎn)動(dòng)。作為髖關(guān)節(jié)可通過傳感器進(jìn)行角位移實(shí)時(shí)測(cè)量，具體而言，所述髖關(guān)節(jié)假體包括傳感器安裝支架13，角位移傳感器12通過所述安裝支架13安裝在所述關(guān)節(jié)假體上，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度的實(shí)時(shí)測(cè)量，所述支架13安裝時(shí)要利用安裝孔和傳感器上的長(zhǎng)孔調(diào)整傳感器和轉(zhuǎn)軸之間的位置，確保對(duì)中。優(yōu)選地，所述傳感器12外加防護(hù)罩14。通過本發(fā)明的技術(shù)方案，采用了緊湊可靠的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)自由度、運(yùn)動(dòng)范圍、阻尼調(diào)節(jié)和運(yùn)動(dòng)測(cè)量功能，也可以用于其他關(guān)節(jié) 的設(shè)計(jì)。


附圖I :本發(fā)明仿真髖關(guān)節(jié)假體立體結(jié)構(gòu)圖；附圖2 :本發(fā)明仿真髖關(guān)節(jié)假體剖面圖；附圖3 :關(guān)節(jié)阻尼調(diào)節(jié)裝置；附圖4 :髖側(cè)擺關(guān)節(jié)的限位方式和關(guān)節(jié)阻尼；附圖5 :傳感器安裝方法示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明的仿真髖關(guān)節(jié)假體，以右側(cè)髖關(guān)節(jié)為例，髖關(guān)節(jié)總體結(jié)構(gòu)如附圖I所示。其中髖關(guān)節(jié)主體結(jié)構(gòu)為一 U型構(gòu)件I，軀干2用于模擬人體骨盆，部件3用于模擬人體大腿(或股骨)。具體連接關(guān)系參見附圖2，其中U型構(gòu)件I底面的孔與軀干2外伸的額狀面水平軸構(gòu)成一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，實(shí)現(xiàn)大腿3前后擺動(dòng)(簡(jiǎn)稱髖前后擺關(guān)節(jié))；U型構(gòu)件I兩個(gè)側(cè)板上同軸的兩個(gè)孔，通過一個(gè)與大腿3固接的轉(zhuǎn)軸，構(gòu)成另外一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，實(shí)現(xiàn)大腿左右側(cè)擺(簡(jiǎn)稱髖側(cè)擺關(guān)節(jié))。上述連接關(guān)系不是唯一的，類似的連接方式也可應(yīng)用于此。利用三個(gè)構(gòu)件形成的兩個(gè)交叉軸線，實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)的兩個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)。這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)共同確定大腿相對(duì)于軀干的位置，其旋轉(zhuǎn)角度可以分別利用傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量。所述的U形構(gòu)件I是髖關(guān)節(jié)主體，結(jié)構(gòu)復(fù)雜?？紤]到加工和裝配方便，設(shè)計(jì)為焊接結(jié)構(gòu)。首先將兩個(gè)側(cè)板和底板初加工，再焊接成一個(gè)整體，經(jīng)過時(shí)效處理，釋放殘余應(yīng)力后，進(jìn)行最終機(jī)加工。這種設(shè)計(jì)方式，既可以使U型件結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，又可以保證各個(gè)關(guān)節(jié)孔之間的位置精度，并且節(jié)省構(gòu)件材料。所述的軀干2，模擬人體骨盆，兩端外伸的水平軸，為U形構(gòu)件I提供支撐。所述的大腿3 (或股骨)，為多個(gè)零件的組裝結(jié)構(gòu)，大腿上接頭4和轉(zhuǎn)軸5通過銷釘6固接。至于關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍的限制，參見附圖2，利用軀干2和U形構(gòu)件I底板和側(cè)板內(nèi)側(cè)上的硬凸臺(tái)7，保證關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍滿足要求。同時(shí)在關(guān)節(jié)到達(dá)極限位置時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)碰撞力的吸收，模擬人體關(guān)節(jié)阻尼，在凸臺(tái)末端設(shè)置了高分子材料加工的軟擋塊8，并利用硬凸臺(tái)7上的凹槽結(jié)構(gòu)，防止軟擋塊8在壓縮過程中產(chǎn)生翹曲。所述的關(guān)節(jié)阻尼的模擬，是通過調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)摩擦力來實(shí)現(xiàn)，使得關(guān)節(jié)可以克服肢體的自重，在沒有外力作用時(shí)可以保持某一姿態(tài)。為防止摩擦片轉(zhuǎn)動(dòng)，每個(gè)高分子材料摩擦片9與一個(gè)A3鋼制成的防轉(zhuǎn)墊片10組合使用，參見附圖3。防轉(zhuǎn)墊片10內(nèi)孔的內(nèi)凸與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸上的鍵槽配合，保證在實(shí)現(xiàn)摩擦的同時(shí)，避免軸端鎖緊螺母11和轉(zhuǎn)軸之間不必要的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到防松效果?？紤]到加工、誤差和使用過程中的磨損，每個(gè)關(guān)節(jié)的摩擦力按需要進(jìn)行調(diào)整。利用軸端的鎖緊螺母11實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)摩擦力的調(diào)整，螺母周向采用鎖緊螺釘實(shí)現(xiàn)鎖緊。針對(duì)髖前后擺關(guān)節(jié)和髖側(cè)擺關(guān)節(jié)兩種類型，分別設(shè)計(jì)了限位方式。在實(shí)現(xiàn)髖前后擺關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍的限制方式時(shí)，依靠軀干(模擬骨盆支架)和髖U型構(gòu)件側(cè)板上硬凸臺(tái)7 (稱為硬擋塊，下同)，保證關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍滿足要求。并且利用粘接在硬擋塊7上的軟擋塊8，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)到達(dá)極限位置時(shí)對(duì)碰撞力的吸收，模擬人體關(guān)節(jié)阻尼。硬擋塊7上設(shè)計(jì)有凹槽結(jié)構(gòu)，目的是為了防止軟擋塊被壓縮過程產(chǎn)生翹曲。軟擋塊8采用高分子材料，周向原始尺寸為 22°，可壓縮角度為15°。圖4為髖側(cè)擺關(guān)節(jié)的限位方式，利用髖U型構(gòu)件側(cè)板上的硬凸臺(tái)7實(shí)現(xiàn)活動(dòng)范圍。軟擋塊8同樣與硬擋塊7粘接，周向原始尺寸為22°，可壓縮角度為15。。所述的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度的實(shí)時(shí)測(cè)量，通過角位移傳感器12來實(shí)現(xiàn)。由于空間位置所限，且要保證傳感器工作在最佳測(cè)量角度范圍，又由于角度傳感器12結(jié)構(gòu)尺寸限制，要求兩個(gè)Ml. 6的安裝孔間距不大于14mm，直接安裝在U型件上不符合要求。所以對(duì)于髖前后擺關(guān)節(jié)和髖側(cè)擺關(guān)節(jié)，設(shè)計(jì)了傳感器安裝支架13，同時(shí)設(shè)計(jì)傳感器的安裝方位。由于這種傳感器在部分轉(zhuǎn)角范圍工作性能較差，在使用時(shí)需要盡量避免。所以在傳感器安裝時(shí)也進(jìn)行了考慮，總體原則是讓傳感器的后端(接線端)指向U型構(gòu)件限位塊7方向。支架安裝時(shí)要利用安裝孔和傳感器上的長(zhǎng)孔調(diào)整傳感器和轉(zhuǎn)軸之間的位置，確保對(duì)中。傳感器外加防護(hù)罩14，具體參見附圖5。動(dòng)態(tài)髖關(guān)節(jié)假體以坐姿為參考狀態(tài)，受沖擊載荷作用時(shí)，可實(shí)現(xiàn)前擺(Γ25°、后擺0、0°、外展(Γ40°、內(nèi)收(Γ30°，運(yùn)動(dòng)角度可以實(shí)時(shí)測(cè)量，關(guān)節(jié)具有一定的阻尼，并且可以根據(jù)要求調(diào)節(jié)。綜上，利用本發(fā)明可成功實(shí)現(xiàn)了髖關(guān)節(jié)前后擺動(dòng)和內(nèi)外擺動(dòng)兩個(gè)自由度上運(yùn)動(dòng)范圍的要求，阻尼可以調(diào)整，維持肢體在無外力作用保持姿態(tài)。運(yùn)動(dòng)角度可以通過角度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量，服務(wù)于假人等在實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)數(shù)據(jù)的功能需求。值得注意的是，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非因此限定本發(fā)明的專利保護(hù)范圍，本發(fā)明還可以對(duì)上述各種零部件的構(gòu)造進(jìn)行材料和結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，或者是采用技術(shù)等同物進(jìn)行替換。故凡運(yùn)用本發(fā)明的說明書及圖示內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)變化，或直接或間接運(yùn)用于其他相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域均同理皆包含于本發(fā)明所涵蓋的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種動(dòng)態(tài)髖關(guān)節(jié)假體，包括主體結(jié)構(gòu)(I)、軀干部件(2)和大腿端部部件(3)，其特征在于所述主體結(jié)構(gòu)(I)為一 U型構(gòu)件(I )，所述軀干部件(2)兩端外伸的水平軸為所述U形構(gòu)件(I)提供支撐，所述U形構(gòu)件底板(4)與軀干部件(2 )外伸的額狀面水平軸構(gòu)成一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，實(shí)現(xiàn)大腿端部部件(3)前后擺動(dòng)；所述U型構(gòu)件的兩個(gè)側(cè)板(5)與大腿端部部件(3)活動(dòng)連接構(gòu)成另外一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，實(shí)現(xiàn)大腿左右側(cè)擺； 所述U形構(gòu)件(I)通過底板(4)上的孔與所述軀干部件(2)活動(dòng)連接；并通過兩個(gè)側(cè)板上同軸的兩個(gè)孔及大腿端部部件(3)固接的轉(zhuǎn)軸與大腿端部部件(3)活動(dòng)連接。
關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍通過設(shè)置在所述U形構(gòu)件(I)側(cè)板(5)內(nèi)側(cè)上的硬凸臺(tái)(7)來限制，并通過粘接與所述硬凸臺(tái)(7)上的軟擋塊(8)取得關(guān)節(jié)達(dá)到極限位置時(shí)對(duì)碰撞力的吸收，模擬人體關(guān)節(jié)阻尼。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的動(dòng)態(tài)髖關(guān)節(jié)假體，其特征在于，所述軟擋塊(8)為高分子材料，所述硬凸臺(tái)(7)包括凹槽結(jié)構(gòu)，防止軟擋塊(8)在壓縮過程中產(chǎn)生翹曲。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的動(dòng)態(tài)髖關(guān)節(jié)假體，其特征在于，關(guān)節(jié)阻尼可以調(diào)節(jié)，例如通過鎖緊螺母(11)調(diào)節(jié)摩擦力的大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)所述關(guān)節(jié)阻尼的大小，借助防轉(zhuǎn)墊片(10)以防止摩擦片(9)轉(zhuǎn)動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3任一項(xiàng)所述的動(dòng)態(tài)髖關(guān)節(jié)假體，其特征在于，所述髖關(guān)節(jié)假體包括傳感器安裝支架(13)，角位移傳感器(12)通過所述安裝支架(13)安裝在所述關(guān)節(jié)假體上，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度的實(shí)時(shí)測(cè)量，所述支架(13)安裝時(shí)要利用安裝孔和傳感器上的長(zhǎng)孔調(diào)整傳感器和轉(zhuǎn)軸之間的位置，確保對(duì)中。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的動(dòng)態(tài)髖關(guān)節(jié)假體，其特征在于，所述傳感器(12)外加防護(hù)罩(14)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任一項(xiàng)所述的動(dòng)態(tài)髖關(guān)節(jié)假體，其特征在于，以坐姿為參考狀態(tài)，在受到?jīng)_擊載荷作用時(shí)，可實(shí)現(xiàn)前擺0 25°、后擺0 90°、外展0 40°、內(nèi)收0 30°。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種動(dòng)態(tài)髖關(guān)節(jié)假體，采用多自由多軸關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)方案，包括U形構(gòu)件(1)、軀干部件(2)和大腿端部部件(3)，形成髖前后擺關(guān)節(jié)和髖側(cè)擺關(guān)節(jié)。通過U形構(gòu)件(1)側(cè)板上的凸臺(tái)(7)保證關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍，并通過軟擋塊(8)吸收關(guān)節(jié)達(dá)到極限位置時(shí)的碰撞力，通過鎖緊螺母(11)調(diào)節(jié)摩擦力的大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)所述關(guān)節(jié)阻尼的大小，通過傳感器支架(13)安裝傳感器(12)，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)角位移的實(shí)時(shí)測(cè)量。本發(fā)明的仿真髖關(guān)節(jié)模型可實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)前后擺動(dòng)和內(nèi)外擺動(dòng)，關(guān)節(jié)阻尼可調(diào)節(jié)，并能維持肢體在無外力作用下保持姿態(tài)，運(yùn)動(dòng)角度傳感器可實(shí)時(shí)測(cè)量。
文檔編號(hào)F16C11/04GK102758994SQ201210260340
公開日2012年10月31日 申請(qǐng)日期2012年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月25日
發(fā)明者柳松楊, 王頡, 賈曉紅 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍空軍航空醫(yī)學(xué)研究所