CN102758994B - 一种动态髋关节假体 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态髋关节假体，采用多自由多轴关节设计方案，包括U形构件（1）、躯干部件（2）和大腿端部部件（3），形成髋前后摆关节和髋侧摆关节。通过U形构件（1）侧板上的凸台（7）保证关节活动范围，并通过软挡块（8）吸收关节达到极限位置时的碰撞力，通过锁紧螺母（11）调节摩擦力的大小，进而调节所述关节阻尼的大小，通过传感器支架（13）安装传感器（12），实现对关节角位移的实时测量。本发明的仿真髋关节模型可实现髋关节前后摆动和内外摆动，关节阻尼可调节，并能维持肢体在无外力作用下保持姿态，运动角度传感器可实时测量。

Description

一种动态髋关节假体

技术领域

本发明属于仿生结构设计领域。可以用于机器人、下肢训练器、航空弹射或汽车安全碰撞假人的髋关节设计，也可作为其他关节设计的参考。

背景技术

髋关节连接下肢和骨盆，是人体的重要关节。其运动自由度包括屈伸、收展、旋转，属于多自由多轴关节。在机器人和仿真假人整体结构设计中，需要实现前后摆动和内外摆动两个自由度，并且运动范围符合人体解剖学数据。人体通过股骨和髋臼的配合实现了复杂的运动，并且通过韧带控制关节稳定性。但是假人髋关节设计难度较大，不仅要实现多自由度多方向在一定范围内的运动，而且作为被动假人，还要保持一定的关节阻尼，维持关节的稳定性。同时假人在实验中承担着数据检测的重要功能，所以在关节设计中，需要考虑传感器的选择与安装。

目前现有技术中的仿真假人均不能用于模拟关节承受极限载荷时的情形，尤其是人体坐姿时承受冲击载荷时，髋关节起着重要的力的传递作用，其仿真研究对汽车、航空及体育等领域有着重要的意义。

发明内容

在髋关节假体设计中，需要关注关节每个自由度的活动范围、关节阻尼、关节摩擦力、角位移传感器的安装、关节摩擦力调整等。本发明的目的是为针对以上要求设计一种新型的仿真动态髋关节假体。

本发明动态髋关节假体结构设计需要实现3个功能：(1)两个自由度，以坐姿为参考状态，前摆0～25°、后摆0～90°、外展0～40°、内收0～30°；(2)运动角度可以实时测量；(3)关节具有一定的阻尼，并且可以根据要求调节。

为了实现上述功能，本发明采用的技术方案是：

一种仿真髋关节假体，包括主体结构、躯干部件和大腿端部部件，其特征在于：所述主体结构为一U形构件，所述躯干部件两端外伸的水平轴为所述U形构件提供支撑，所述U形构件底板与躯干部件外伸的额状面水平轴构成一个转动副，实现大腿端部部件前后摆动；所述U形构件两个侧板与大腿端部部件相连接构成另外一个转动副，实现大腿左右侧摆；

所述U形构件通过底板上的孔与所述躯干部件活动连接；并通过两个侧板上同轴的两个孔及大腿端部部件固接的转轴与大腿端部部件3活动连接；

关节活动范围通过设置在所述U形构件1侧板5内侧上的硬凸台7来限制，并通过粘接于所述硬凸台7上的软挡块8取得关节达到极限位置时对碰撞力的吸收，模拟人体关节阻尼。

特别地，所述软挡块8为高分子材料，所述硬凸台7包括凹槽结构，防止软挡块8在压缩过程中产生翘曲。

优选地，关节阻尼式可以调节的，通过锁紧螺母11调节摩擦力的大小，进而调节所述关节阻尼的大小，借助防转垫片10以防止摩擦片9转动。

作为髋关节可通过传感器进行角位移实时测量，具体而言，所述髋关节假体包括传感器安装支架13，角位移传感器12通过所述安装支架13安装在所述关节假体上，实现关节运动角度的实时测量，所述支架13安装时要利用安装孔和传感器上的长孔调整传感器和转轴之间的位置，确保对中。

优选地，所述传感器12外加防护罩14。

通过本发明的技术方案，采用了紧凑可靠的结构实现了髋关节的运动自由度、运动范围、阻尼调节和运动测量功能，也可以用于其他关节的设计。

附图说明

附图1：本发明仿真髋关节假体立体结构图；

附图2：本发明仿真髋关节假体剖面图；

附图3：关节阻尼调节装置；

附图4：髋侧摆关节的限位方式和关节阻尼；

附图5：传感器安装方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明的仿真髋关节假体，以右侧髋关节为例，髋关节总体结构如附图1所示。其中髋关节主体结构为一U形构件1，躯干2用于模拟人体骨盆，部件3用于模拟人体大腿(或股骨)。具体连接关系参见附图2，其中U形构件1底面的孔与躯干2外伸的额状面水平轴构成一个转动副，实现大腿3前后摆动(简称：髋前后摆关节)；U形构件1两个侧板上同轴的两个孔，通过一个与大腿3固接的转轴，构成另外一个转动副，实现大腿左右侧摆(简称：髋侧摆关节)。上述连接关系不是唯一的，类似的连接方式也可应用于此。利用三个构件形成的两个交叉轴线，实现髋关节的两个自由度运动。这两个运动共同确定大腿相对于躯干的位置，其旋转角度可以分别利用传感器进行动态测量。

所述的U形构件1是髋关节主体，结构复杂。考虑到加工和装配方便，设计为焊接结构。首先将两个侧板和底板初加工，再焊接成一个整体，经过时效处理，释放残余应力后，进行最终机加工。这种设计方式，既可以使U型件结构最为简单，又可以保证各个关节孔之间的位置精度，并且节省构件材料。

所述的躯干2，模拟人体骨盆，两端外伸的水平轴，为U形构件1提供支撑。

所述的大腿3(或股骨)，为多个零件的组装结构，大腿上接头4和转轴5通过销钉6固接。

至于关节活动范围的限制，参见附图2，利用躯干2和U形构件1底板和侧板内侧上的硬凸台7，保证关节活动范围满足要求。同时在关节到达极限位置时实现对碰撞力的吸收，模拟人体关节阻尼，在凸台末端设置了高分子材料加工的软挡块8，并利用硬凸台7上的凹槽结构，防止软挡块8在压缩过程中产生翘曲。

所述的关节阻尼的模拟，是通过调节关节摩擦力来实现，使得关节可以克服肢体的自重，在没有外力作用时可以保持某一姿态。为防止摩擦片转动，每个高分子材料摩擦片9与一个A3钢制成的防转垫片10组合使用，参见附图3。防转垫片10内孔的内凸与关节转轴上的键槽配合，保证在实现摩擦的同时，避免轴端锁紧螺母11和转轴之间不必要的相对转动，达到防松效果。考虑到加工、误差和使用过程中的磨损，每个关节的摩擦力按需要进行调整。利用轴端的锁紧螺母11实现关节摩擦力的调整，螺母周向采用锁紧螺钉实现锁紧。

针对髋前后摆关节和髋侧摆关节两种类型，分别设计了限位方式。在实现髋前后摆关节活动范围的限制方式时，依靠躯干(模拟骨盆支架)和髋U形构件侧板上硬凸台7(称为硬挡块，下同)，保证关节活动范围满足要求。并且利用粘接在硬挡块7上的软挡块8，实现关节到达极限位置时对碰撞力的吸收，模拟人体关节阻尼。硬挡块7上设计有凹槽结构，目的是为了防止软挡块被压缩过程产生翘曲。软挡块8采用高分子材料，周向原始尺寸为22°，可压缩角度为15°。图4为髋侧摆关节的限位方式，利用髋U形构件侧板上的硬凸台7实现活动范围。软挡块8同样与硬挡块7粘接，周向原始尺寸为22°，可压缩角度为15°。

所述的关节运动角度的实时测量，通过角位移传感器12来实现。由于空间位置所限，且要保证传感器工作在最佳测量角度范围，又由于角度传感器12结构尺寸限制，要求两个M1.6的安装孔间距不大于14mm，直接安装在U型件上不符合要求。所以对于髋前后摆关节和髋侧摆关节，设计了传感器安装支架13，同时设计传感器的安装方位。由于这种传感器在部分转角范围工作性能较差，在使用时需要尽量避免。所以在传感器安装时也进行了考虑，总体原则是让传感器的后端(接线端)指向U形构件限位块7方向。支架安装时要利用安装孔和传感器上的长孔调整传感器和转轴之间的位置，确保对中。传感器外加防护罩14，具体参见附图5。

动态髋关节假体以坐姿为参考状态，受冲击载荷作用时，可实现前摆0～25°、后摆0～90°、外展0～40°、内收0～30°，运动角度可以实时测量，关节具有一定的阻尼，并且可以根据要求调节。

综上，利用本发明可成功实现了髋关节前后摆动和内外摆动两个自由度上运动范围的要求，阻尼可以调整，维持肢体在无外力作用保持姿态。运动角度可以通过角度传感器实时测量，服务于假人等在实验中检测数据的功能需求。

值得注意的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限定本发明的专利保护范围，本发明还可以对上述各种零部件的构造进行材料和结构的改进，或者是采用技术等同物进行替换。故凡运用本发明的说明书及图示内容所作的等效结构变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本发明所涵盖的范围内。

Claims (3)

1.一种动态髋关节假体，包括主体结构(1)、躯干部件(2)和大腿端部部件(3)，所述主体结构(1)为一U形构件(1)，所述躯干部件(2)两端外伸的水平轴为所述U形构件(1)提供支撑，所述U形构件底板(4)与躯干部件(2)外伸的额状面水平轴构成一个转动副，实现大腿端部部件(3)前后摆动；所述U形构件的两个侧板(5)与大腿端部部件(3)活动连接构成另外一个转动副，实现大腿左右侧摆；

所述U形构件(1)通过底板(4)上的孔与所述躯干部件(2)活动连接；并通过两个侧板上同轴的两个孔及大腿端部部件(3)固接的转轴与大腿端部部件(3)活动连接；

关节活动范围通过设置在所述U形构件(1)侧板(5)内侧上的硬凸台(7)来限制，并通过粘接于所述硬凸台(7)上的软挡块(8)取得关节达到极限位置时对碰撞力的吸收，模拟人体关节阻尼，其特征在于：

所述U形构件(1)采用焊接结构，其通过两个侧板和底板进行初加工、焊接为一整体、进行时效处理、释放残余应力以及最终机加工形成；

所述软挡块(8)粘接在所述硬凸台(7)末端，其周向原始尺寸为22°，可压缩角度为15°；

所述髋关节假体包括传感器安装支架(13)，角位移传感器(12)通过所述传感器安装支架(13)安装在所述关节假体上，实现关节运动角度的实时测量，所述传感器安装支架(13)安装时要利用安装孔和传感器上的长孔调整传感器和转轴之间的位置，确保对中，所述传感器的接线端指向U形构件硬凸台(7)方向，且所述传感器(12)外加防护罩(14)；

所述关节阻尼可以调节，通过锁紧螺母(11)调节摩擦力的大小，进而调节所述关节阻尼的大小，借助防转垫片(10)以防止摩擦片(9)转动。

2.根据权利要求1所述的动态髋关节假体，其特征在于，所述软挡块(8)为高分子材料，所述硬凸台(7)包括凹槽结构，防止软挡块(8)在压缩过程中产生翘曲。

3.根据权利要求1或2所述的动态髋关节假体，其特征在于，以坐姿为参考状态，在受到冲击载荷作用时，所述动态髋关节假体实现前摆0～25°、后摆0～90°、外展0～40°、内收0～30°。