CN114681261A - 一种旋转瞬心可变的膝关节运动储能机构 - Google Patents

一种旋转瞬心可变的膝关节运动储能机构 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种旋转瞬心可变的膝关节运动储能机构，包括：腿部连接固定件，包括设置于膝关节外侧的上方和下方的两个上连接固定件以及以及两个下连接固定件；两个上齿轮，分别与两个上连接固定件底端的第一旋转轴上的凸起相配合；两个下齿轮，分别与两个下连接固定件顶端的第二旋转轴上的凸起相配合，两个下齿轮均与同一侧的上齿轮啮合；两个连接件，分别设置于两组啮合的上齿轮和下齿轮的外侧，且连接件的两端开设有用于第一螺钉穿过的螺孔，使得第一螺钉穿过该螺孔以及相应的齿轮连接于上连接固定件与下连接固定件上，其中，两个上连接固定件之间设置有第一套管，两个下连接固定件之间设置有第二套管，第一套管与第二套管之间设置有弹簧。

Description

一种旋转瞬心可变的膝关节运动储能机构
技术领域
本发明属于医疗器械康复领域，具体涉及一种旋转瞬心可变的膝关节运动储能机构。
背景技术
从运动学角度分析，膝关节在屈伸时，其股骨远端与胫骨平台形成关节面，造成在矢状面的转动运动，同时其旋转瞬心可随着膝的屈伸角度的增加而发生平动运动。
然而，现有仿生膝关节装置多为定轴旋转的刚体机构，其运动的原理与真正人体解剖学意义上的膝关节运动不相吻合，使得定轴式膝关节装置在使用时与使用者的人体膝关节不能吻合，因而不具备友好的穿戴性。
此外，在人正常行走状态下，膝关节运动会产生动能，在膝关节弯曲时这种动能转化为机构中弹簧的弹性势能，当膝关节再次伸直时，弹簧弹性势能转化为动能，从而产生助力效果。
经对现有的相关技术进行搜索发现，中国专利申请号为：201910693712.9，名称为：一种旋转瞬心可变的膝关节运动仿生机构设计，其由大腿连接部分，小腿连接部分，关节连接支撑和运动缓冲装置连接构成。其设计可实现转动时旋转瞬心可变，但由于运动缓冲装置结构复杂，容易在下肢正常运动时与膝关节产生拮抗，其结构复杂性也造成各部分加工成本高，此外结构无法实现储能功能，在膝关节运动中起不到助力效果。因此，需要设计一种能够解决上述问题的机构。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种旋转瞬心可变的膝关节运动储能机构。
本发明提供了一种旋转瞬心可变的膝关节运动储能机构，具有这样的特征，包括：腿部连接固定件，包括设置于膝关节外侧的上方和下方的两个顶端开设有第一小孔的上连接固定件以及以及两个底端开设有第二小孔的下连接固定件；两个上齿轮，分别与两个上连接固定件底端的第一旋转轴上的凸起相配合；两个下齿轮，分别与两个下连接固定件顶端的第二旋转轴上的凸起相配合，且两个下齿轮均与同一侧的上齿轮啮合，使得上齿轮以及下齿轮在旋转时与上连接固定件以及下连接固定件保持同步；以及两个连接件，分别设置于两组啮合的上齿轮和下齿轮的外侧，且连接件的两端开设有用于第一螺钉穿过的螺孔，进而使得第一螺钉穿过螺孔以及相应的齿轮连接于上连接固定件与下连接固定件上，其中，两个上连接固定件之间设置有第一套管，两个下连接固定件之间设置有第二套管，第一套管与第二套管之间设置有弹簧，用于在膝关节发生旋转时，进行缓冲和储能并限制膝关节的进一步转动。
在本发明提供的旋转瞬心可变的膝关节运动储能机构中，还可以具有这样的特征：其中，两个上连接固定件之间通过穿过第一小孔以及第一套管的第二螺钉和第一铆钉进行连接，使得膝关节在旋转时，两个上连接固定件的动作保持一致。
在本发明提供的旋转瞬心可变的膝关节运动储能机构中，还可以具有这样的特征：其中，两个下连接固定件之间通过穿过第而小孔以及第二套管的第三螺钉和铆钉进行连接，使得膝关节在旋转时，两个下连接固定件的动作保持一致。
在本发明提供的旋转瞬心可变的膝关节运动储能机构中，还可以具有这样的特征：其中，第一旋转轴以及第二旋转轴的顶端横截面均为圆形，用于与连接件配合，从而使得连接件顺滑转动。
在本发明提供的旋转瞬心可变的膝关节运动储能机构中，还可以具有这样的特征：其中，第一旋转轴以及第二旋转轴的内部均具有螺纹，该螺纹与穿过设置于连接件两端部的垫片的第一螺钉相配合，从而固定膝关节两侧的上齿轮、下齿轮以及连接件。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的旋转瞬心可变的膝关节运动储能机构，因为采用双齿轮啮合，模拟膝关节在旋转过程中，股骨髁与胫骨平台面接触的平动与转动，使其旋转中心始终与人体解剖学中膝关节实际的转动轴心贴合；因为采用了弹簧，从而能够利用弹簧的刚度，来模拟膝关节周围韧带与肌肉对膝关节转动的缓冲与股骨和胫骨角度的限位，并对膝关节运动进行储能，此外，还能通过选取不同刚度的弹簧来实现对膝关节转动时缓冲与限位的调节，并利用连接件使得膝关节在整个屈伸过程中接触面的免荷。
因此，本发明的旋转瞬心可变的膝关节运动储能机构能够同时实现矢状面上的转动与平动运动，且其旋转轴心平动程度可通过改变齿轮的尺寸达到动态可调，以满足真正人体膝关节解剖运动的特性；此外，通过机构中设置特定弹簧装置，从而实现膝关节弹性储能的功能。
附图说明
图1是本发明的实施例中旋转瞬心可变的膝关节运动储能机构的伸直状态的立体示意图；
图2是本发明的实施例中旋转瞬心可变的膝关节运动储能机构的伸直状态的正面示意图；
图3是本发明的实施例中旋转瞬心可变的膝关节运动储能机构的***示意图；
图4是本发明的实施例中旋转瞬心可变的膝关节运动储能机构的弯曲状态的立体示意图；
图5是本发明的实施例中旋转瞬心可变的膝关节运动储能机构的弯曲状态的侧面示意图；
图6是本发明的实施例中旋转瞬心可变的膝关节运动储能机构的腿部连接固定件的示意图；
图7是本发明的实施例中旋转瞬心可变的膝关节运动储能机构的第一套管和第二套管的示意图；
图8是本发明的实施例中旋转瞬心可变的膝关节运动储能机构的上齿轮和下齿轮的示意图；
图9是本发明的实施例中旋转瞬心可变的膝关节运动储能机构的连接件的示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。
实施例：
如图1和图5所示，本实施例的一种旋转瞬心可变的膝关节运动储能机构100，用于膝关节的弹性储能，包括：腿部连接固定件、上齿轮10、下齿轮11以及连接件12。
如图6所示，腿部连接固定件包括设置于膝关节外侧的上方和下方的两个顶端开设有第一小孔15的上连接固定件1以及以及两个底端开设有第二小孔16的下连接固定件2。
如图7所示，两个上连接固定件1之间设置有第一套管3，两个下连接固定件之间设置有第二套管4，第一套管3与第二套管4之间设置有弹簧5，用于在膝关节发生旋转时，进行缓冲和储能并限制膝关节的进一步转动。
进一步地，弹簧5的两端分别固定于第一套管3和第二套管4上，当4个齿轮在转动时，即与膝关节同步旋转时，如图4和图5所示，弹簧5发生弯曲，产生回弹力，储存运动能量，限制膝关节进一步转动，当膝关节伸直时，弹簧5储存的能量转化为转动时的动能，达到助力效果，另外，还可通过选择不同刚度的弹簧来调节该机构对膝关节活动的限制保护和运动储能的能力。
此外，两个上连接固定件1之间通过穿过第一小孔15以及第一套管3的第二螺钉6和第一铆钉7进行连接，使得膝关节在旋转时，两个上连接固定件1的动作保持一致，其中，第一铆钉7穿过第一套管3通过第二螺钉6将两个上连接固定件1相连，上连接固定件1的顶端包含销与定位孔，使上连接固定件1在旋转时保持同步位置，其中，该定位孔为第三小孔17，销为上连接固定件1上的棒状结构18。
进一步地，两个下连接固定件2之间通过穿过第二小孔16以及第二套管4的第三螺钉8和第二铆钉9进行连接，使得膝关节在旋转时，两个下连接固定件2的动作保持一致，其中，第二铆钉9穿过第二套管4通过第三螺钉8将两个下连接固定件2相连，下连接固定件2的底端包含销与定位孔，使下连接固定件2在旋转时保持同步位置，其中，该定位孔为第四小孔19，销为下连接固定件2上的棒状结构20。
如图8所示，两个上齿轮10分别与两个上连接固定件1底端的第一旋转轴上的凸起相配合，其中，凸起处与上齿轮的中心孔啮合，用于固定上齿轮10。
两个下齿轮11分别与两个下连接固定件2顶端的第二旋转轴上的凸起相配合，且两个下齿轮11均与同一侧的上齿轮10啮合，使得上齿轮10以及下齿轮11在旋转时与上连接固定件1以及下连接固定件2保持同步，其中，凸起处与下齿轮11的中心孔啮合，用于固定下齿轮11。
本实施例中，第一旋转轴以及第二旋转轴的顶端横截面均为圆形，用于与连接件12配合，使得两个连接件12可分别绕第一旋转轴回合第二旋转轴自由转动，从而使得连接件12顺滑转动。
此外，第一旋转轴以及第二旋转轴的内部均具有螺纹，该螺纹与穿过设置于连接件12两端部的垫片13的第一螺钉14相配合，从而固定膝关节两侧的上齿轮10、下齿轮11以及连接件12。
两个连接件12分别设置于两组啮合的上齿轮10和下齿轮11的外侧，且连接件12的两端开设有用于第一螺钉14穿过的螺孔，进而使得第一螺钉14穿过螺孔以及相应的齿轮连接于上连接固定件1与下连接固定件2上。
本实施例中，通过改变连接件12的长度，可以实现在膝关节旋转时，关节面的免荷或部分免荷，整体机构与膝关节并联，达到应力屏蔽作用。
本实施例的旋转瞬心可变的膝关节运动储能机构的工作过程：
本实施例的旋转瞬心可变的膝关节运动储能机构100工作时，首先将其放置于膝关节处，与膝关节并联，当人处于站立状态时及下肢处于伸直状态时，上连接固定件1和下连接固定件2保持竖直状态，弹簧5也保持相同的竖直状态；当膝关节弯曲时，上齿轮10与下齿轮11与膝关节同步旋转，且弹簧5发生弯曲，产生回弹力后储存运动能量，在膝关节再次伸直时，弹簧5储存的能量转化为转动时的动能，进而达到助力效果。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的旋转瞬心可变的膝关节运动储能机构，因为采用双齿轮啮合，模拟膝关节在旋转过程中，股骨髁与胫骨平台面接触的平动与转动，使其旋转中心始终与人体解剖学中膝关节实际的转动轴心贴合；因为采用了弹簧，从而能够利用弹簧的刚度，来模拟膝关节周围韧带与肌肉对膝关节转动的缓冲与股骨和胫骨角度的限位，并对膝关节运动进行储能，此外，还能通过选取不同刚度的弹簧来实现对膝关节转动时缓冲与限位的调节，并利用连接件使得膝关节在整个屈伸过程中接触面的免荷。
因此，本实施例的旋转瞬心可变的膝关节运动储能机构能够同时实现矢状面上的转动与平动运动，且其旋转轴心平动程度可通过改变齿轮的尺寸达到动态可调，以满足真正人体膝关节解剖运动的特性；此外，通过机构中设置特定弹簧装置，从而实现膝关节弹性储能的功能。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种旋转瞬心可变的膝关节运动储能机构，用于膝关节的弹性储能，其特征在于，包括：
腿部连接固定件，包括设置于膝关节外侧的上方和下方的两个顶端开设有第一小孔的上连接固定件以及以及两个底端开设有第二小孔的下连接固定件；
两个上齿轮，分别与两个所述上连接固定件底端的第一旋转轴上的凸起相配合；
两个下齿轮，分别与两个所述下连接固定件顶端的第二旋转轴上的凸起相配合，且两个所述下齿轮均与同一侧的所述上齿轮啮合，使得所述上齿轮以及所述下齿轮在旋转时与所述上连接固定件以及所述下连接固定件保持同步；以及
两个连接件，分别设置于两组啮合的所述上齿轮和所述下齿轮的外侧，且所述连接件的两端开设有用于第一螺钉穿过的螺孔，进而使得所述第一螺钉穿过所述螺孔以及相应的齿轮连接于所述上连接固定件与所述下连接固定件上，
其中，两个所述上连接固定件之间设置有第一套管，两个所述下连接固定件之间设置有第二套管，
所述第一套管与所述第二套管之间设置有弹簧，用于在膝关节发生旋转时，进行缓冲和储能并限制膝关节的进一步转动。
2.根据权利要求1所述的旋转瞬心可变的膝关节运动储能机构，其特征在于：
其中，两个所述上连接固定件之间通过穿过所述第一小孔以及所述第一套管的第二螺钉和第一铆钉进行连接，使得膝关节在旋转时，两个所述上连接固定件的动作保持一致。
3.根据权利要求1所述的旋转瞬心可变的膝关节运动储能机构，其特征在于：
其中，两个所述下连接固定件之间通过穿过所述第二小孔以及所述第二套管的第三螺钉和第二铆钉进行连接，使得膝关节在旋转时，两个所述下连接固定件的动作保持一致。
4.根据权利要求1所述的旋转瞬心可变的膝关节运动储能机构，其特征在于：
其中，所述第一旋转轴以及所述第二旋转轴的顶端横截面均为圆形，用于与所述连接件配合，从而使得所述连接件顺滑转动。
5.根据权利要求1所述的旋转瞬心可变的膝关节运动储能机构，其特征在于：
其中，所述第一旋转轴以及所述第二旋转轴的内部均具有螺纹，该螺纹与穿过设置于所述连接件两端部的垫片的所述第一螺钉相配合，从而固定膝关节两侧的所述上齿轮、所述下齿轮以及所述连接件。
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