CN100443066C - 具有多达六个自由度的活动关节 - Google Patents

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Abstract

一种活动关节(100)，包括：本体(102)，具有两个由开口(108)连接的隔开的孔(104、106)；两个臂(110、112)，具有可接纳于孔中的末端；以及弹性连接件(114)，穿过开口(108)以在孔中连接臂的末端，其中，弹性连接件的弹性：允许臂多达六个自由度的独立运动，该运动由臂(110、112)的抵接部分(120)与孔(104、106)的相应抵接部分(122)的接合来控制；并且吸收施加至臂的力。

Description

具有多达六个自由度的活动关节
技术领域
本发明涉及具有多达六个自由度的活动关节。
背景技术
诸如人体膝关节之类的复杂活动关节允许两个部分以六个自由度相对运动。六个自由度是指相对于三个正交相对轴线的移动，加上绕这三个轴线中的每一个的转动。
先前提出的具有多于一个自由度的活动关节通常由销来连接两个部分，该销是可枢转的且可在固定狭槽中成角度地移动。这种销在槽中的活动关节不能模拟人体或动物关节多达六个自由度的正常解剖学运动。此外，销在槽中的活动关节的刚度意味着，它们不能吸收施加至其的冲击、震动和负荷。
因此，需要一种简单、低成本的具有多达六个自由度的活动关节，它能够吸收冲击、震动和负荷。这种活动关节具有多种潜在的用途，例如用在人体或动物关节支承装置中。
发明内容
根据本发明，提供一种活动关节，包括：
本体，具有两个由开口连接的隔开的孔；
两个臂，具有可接纳于孔中的末端；以及
弹性连接件，穿过开口以在孔中连接臂的末端，其中，弹性连接件的弹性：
允许臂多达六个自由度的独立运动，该运动由臂的抵接部分与孔的相应抵接部分的接合来控制；并且
吸收施加至臂的力。
根据本发明，还提供一种活动关节系统，包括：
多个本体，各具有两个由开口连接的隔开的孔；
两个臂，具有可接纳于孔中的末端；以及
弹性连接件，穿过开口以在孔中可释放地连接臂的末端，其中，弹性连接件的弹性：
允许臂多达六个自由度的独立运动，该运动由臂的抵接部分与孔的相应抵接部分的接合来控制；并且
吸收施加至臂的力；
其中，各本体的孔的抵接部分与其它本体的孔的抵接部分不同地成形，由此可通过更换本体来可选择地控制臂多达六个自由度的独立运动。
根据本发明，还提供一种用于人体或动物关节的关节支承装置，包括由至少一个本发明的活动关节和/或由本发明的活动关节系统连接以绕所述人体或动物关节相对运动的两个支承部分。
附图说明
现在将借助非限制性的例子和参照附图来单独地描述本发明的实施例，在这些附图中：
图1是本发明的活动关节的一般实施例的局部剖视的示意立体图；
图2-4是图1的活动关节在多达六个自由度运动的不同位置的局部剖视的示意立体图；
图5-8是本发明的活动关节的弹性连接件的实施例的示意立体图；
图9是包括本发明的活动关节的实施例的膝部支架的示意立体图；
图10是图9的膝部支架的活动关节的示意立体图；
图11-13是具有不同内部几何形状的图10的活动关节的实施例的局部剖视的示意立体图；
图14是图10的活动关节的实施例的示意俯视图；以及
图15是包括本发明的活动关节的实施例的踝部支架的示意立体图。
具体实施方式
图1示出本发明的活动关节100的一般实施例。活动关节100包括本体102，该本体102具有由开口108连接的两个隔开的孔104、106，如同在本体102的剖面中所示出的。孔104、106的尺寸、形状和间隔将根据任何特定应用来变化。两个臂110、112具有末端，该末端接纳于孔104、106中且至少局部与孔104、106相抵接。臂110、112的抵接端的尺寸和形状也将根据任何特定应用来变化。本体102和/或臂110、112可通过例如注射模塑法来制造。本体102和/或臂110、112可由例如聚合材料制成，诸如聚氨酯、硅酮、聚乙烯、尼龙、聚酯、聚酯合成橡胶、以及它们的组合。聚合材料可以包括增强物，诸如玻璃织物或纤维、石墨纤维、Kevlar(商标)纤维和Spheretex(商标)纤维。对于本领域技术人员来说，其它合适的制造方法和材料也将是显而易见的。
在图1中以虚线示出的弹性连接件114穿过开口108，并在孔104、106中连接臂110、112的末端。弹性连接件114通过例如螺钉之类的可释放固定件116、18来可释放地连接至臂110、112的末端。在使用中，弹性连接件114的弹性允许臂110、112以多达六个自由度来独立运动，该运动是由臂110、112的抵接部分120与孔104、106的相应抵接部分122的接合来控制的。在图1中，三个正交轴线X、Y、Z为六个自由度运动中的每一个提供了参考方向。臂110、112的六个自由度包括三个平移自由度Tx、Ty、Tz和三个转动自由度Rx、Ry、Rz。图2-4示出了臂110、112以六个自由度运动的不同示例位置。在使用过程中，弹性连接件114的弹性还吸收了施加至臂110、112的力，诸如冲击、震动和负荷。根据弹性连接件114的弹性特征，施加至臂110、112的外部张力、压缩力和/或扭转力和负荷可被缓冲、吸收或抵抗。
图5-7示出制造弹性连接件114的一个实施例的顺序步骤。此实施例的制造开始于由间隔件128连接的两个隔开的卷轴124、126的一体组件。然后，将卷轴124、126和间隔件128的一体组件放置在夹具(未示出)中，预先张紧的脊部130通过相对于间隔件128纵向和径向地围绕卷轴124、126并在卷轴124、126之间缠绕纤维来形成，如图6所示。然后，弹性构件132模塑于卷轴124、126和预先张紧的脊部130之上。卷轴124、126具有横向的通孔，用于接纳固定件以将弹性连接件114连接至臂110、112。在使用中，预先张紧的脊部130抵抗施加至臂110、112拉伸负荷。除了便于制造之外，间隔件128还可在制造的弹性连接件114中提供一定程度的硬度。图8示出弹性连接件114的另一实施例。在此实施例中，预先张紧的脊部130是通过在两个端塞134、136的内部之间系上纤维来形成的。然后，弹性构件132模塑于端塞134、136的内部和预先张紧的脊部130之上。端塞134、136的外部具有横向的通孔，用于接纳固定件以将弹性连接件114连接至臂110、112。
卷轴124、126和/或间隔件128可以通过例如注射模塑来形成。卷轴124、126和/或间隔件128可以由例如聚合材料来制成，诸如聚氨酯、硅酮、聚乙烯、尼龙、聚酯、聚酯合成橡胶、以及它们的组合。聚合材料可以包括增强物，诸如玻璃织物或纤维、石墨纤维、Kevlar(商标)纤维和Spheretex(商标)纤维。端塞134、136可以由例如不锈钢来制成。预先张紧的脊部130可以由例如具有高的拉伸强度、抗挠曲疲劳强度和低的蠕变的天然纤维或合成纤维来制成。合适的材料包括：诸如Vectran(商标)纤维之类的聚酯或液晶聚合物纤维；诸如Kevlar(商标)纤维之类的芳族聚酰胺纤稚；诸如Dyneema(商标)纤维或Spectra(商标)纤维之类的超高分子量聚乙烯纤维；诸如大麻纤维之类的天然纤维。弹性构件132可以由例如透明的热塑性聚氨酯来制成，从而可用肉眼观察到完整的预先张紧的脊部130。对于本领域技术人员来说，其它合适的制造方法和材料也将是显而易见的。
一般的活动关节100可以通过控制孔104、106和/或臂110、112的抵接端的几何形状和/或控制弹性连接件114的弹性特征来定制以用于特定应用。具体地说，臂110、112多达六个自由度的独立运动可通过臂110、112的抵接部分120、122和/或孔104、106的相应三维形状、和/或通过选择弹性件114的弹性特征来控制。例如，可控制臂的六个自由度的独立运动，以基本模拟多达六个自由度的人体或动物关节的解剖学运动。
图9示出具有由两个活动关节206a、206b连接的大腿和小腿支承架202、204的膝部支架200。大腿和小腿支承架202、204可以适于通过例如带、钩和环固定件(未示出)来固定至大腿和小腿。各活动关节206a、206b包括两个臂208、210，这两个臂208、210在一端分别经由螺钉212连接至大腿和小腿支承架202、204。各臂208、210的另一端接纳于本体214中。参见图10，臂208、210通过以虚线示出的弹性连接件220连接在本体214的孔216、218中。弹性连接件220由螺钉可释放地连接至臂208、210的末端，该螺钉使臂208、210能容易地与本体214脱开和连接至本体214。
大腿和小腿支承架202、204可以通过例如模塑来制造。大腿和小腿支承架202、204可以由例如具有或不具有增强物的玻璃纤维来制成。假如使用增强物的话，该增强物可以包括玻璃织物或纤维、石墨纤维、Kevlar(商标)纤维和Spheretex(商标)纤维。对于本领域技术人员来说，其它合适的制造方法和材料也将是显而易见的。本体214和/或臂208、210可以由与上述本体102和/或臂110、112相同的材料制成。弹性连接件220可以由与上述弹性连接件114相同的材料制成。
各活动关节206a、206b被定制成模拟多达六个自由度的人体膝关节的自然解剖学运动。人体膝关节的六个自由度包括三个转动自由度-弯曲/延伸、外展/内收、向内/向外-和三个平移自由度-向前/向后、向中央延伸/侧向、向近端/向远端。在使用中，活动关节206a、206b具有与上述一般活动关节100相同的一般功能。
臂208、210多达六个自由度的独立运动可通过控制孔216、218和/或臂208、210的抵接端的几何形状、和/或通过控制弹性连接件220的弹性特征来定制。图11-14示出具有不同示例形状的孔216、218的本体214的实施例，这些孔用于控制膝部支架200多达六个自由度的运动范围。图11是本体214的实施例的剖面，在该本体214中，孔216、218成形成将膝部支架200弯曲和延伸的范围控制在从约0度的延伸到约15度的弯曲。图12示出本体214的另一剖面，在该本体214中，孔216、218成形成将膝部支架200弯曲和延伸的范围控制在从约5度的延伸到约30度的弯曲。在图13中的另一实施例中，孔216、218成形成将膝部支架200弯曲和延伸的范围控制在从约10度的延伸到约45度的弯曲。图14是本体214的实施例的俯视图，在该本体214中，孔216、218成形成在弯曲和延伸过程中将向内/向外转动控制在从约0度到约15度。
在图11-14中示出的本体214的不同实施例可包括活动关节系统，在该活动关节系统中，各本体214的孔216、218与其它本体214的孔216、218不同地成形。在这种系统中，臂208、210能够经由螺钉222容易地与不同本体214脱开和连接，从而将臂208、210的独立运动限制在弯曲和延伸的不同的选定角度。因此，可互换不同的本体214，从而使任何给定的活动关节206a、206b满足膝部支架200的佩戴者的需要。例如，假如活动关节系统用在由病人佩戴的整形外科膝部支架200中，可随病人需求的变化来改变不同的本体214。因此，假如病人的需求改变了，则可相应地改变本体214。相反地，假如同一个膝部支架200要再度用于不同的病人，只要通过简单地更换本体214，就可容易地修改臂208、210多达六个自由度的独立运动的限制，从而满足第二位病人的需求。
图15示出踝部支架300，其具有由两个活动关节306a、306b连接的小腿支承架302和足部支承架304。小腿支承架和足部支承架302、304可适于通过例如带、钩和环固定件(未示出)固定至小腿和足部。踝部支架300的部件和活动关节306a、306b具有与如前文所述的膝部支架200和活动关节206a、206b大体相同的结构和组成。因此，各活动关节306a、306b大体包括具有两个孔310、312的本体308，这两个孔310、312接纳由弹性连接件318连接的两个臂314、316。然而，孔310、312的抵接部分和活动关节306a、306b的臂314、316的抵接端的形状被定制成将小腿支承架302和足部支承架304的运动控制在对应于人体踝部的正常解剖学运动的若干自由度。踝部的自由度包括背屈、足底曲、内翻和外翻。背屈是足部朝向腿部枢转的运动。足底曲是足部远离腿部枢转的运动。内翻是足部向内转动时的运动，而外翻是足部向外转动时的运动。在使用中，当控制内翻、外翻和扭曲时，孔310、312的几何形状允许踝部支架300背屈和足底曲。
应该理解，本发明的实施例提供一种简单、低成本的具有多达六个自由度的活动关节，它能够吸收冲击、震动和负荷。这种活动关节具有多种潜在的用途，包括但不限于用在人体或动物关节支承装置中。本发明的活动关节的实施例可具有基本任何形状，并可完全由聚合物或共混聚合物来制成。
本发明并不局限于已经描述和描绘的实施例，而可不脱离本发明的范围作出变型和修改。

Claims (13)

1.一种活动关节，包括：
本体，具有两个由开口连接的隔开的孔；
两个臂，具有可接纳于所述孔中的末端；以及
弹性连接件，穿过所述开口以连接所述孔中的所述臂的所述末端，其中，所述弹性连接件的弹性：
允许所述臂多达六个自由度的独立运动，该运动由所述臂的抵接部分与所述孔的相应抵接部分的接合来控制；并且
吸收施加至所述臂的力。
2.如权利要求1所述的活动关节，其特征在于，所述臂多达六个自由度的所述独立运动通过选择所述臂和/或所述孔的所述抵接部分的三维形状、和/或通过选择所述弹性连接件的弹性特性来控制。
3.如权利要求2所述的活动关节，其特征在于，所述臂多达六个自由度的所述独立运动被控制成基本模拟人体或动物关节多达六个自由度的解剖学运动。
4.如权利要求1所述的活动关节，其特征在于，所述弹性连接件被预先张紧以抵抗施加至所述臂的拉伸负荷。
5.如权利要求4所述的活动关节，其特征在于，所述弹性连接件包括设置在弹性件内的预先张紧的构件。
6.如权利要求1所述的活动关节，其特征在于，所述弹性连接件可释放地连接所述孔中的所述臂的所述末端。
7.一种活动关节系统，包括：
多个本体，各具有两个由开口连接的隔开的孔；
两个臂，具有可接纳于所述孔中的末端；以及
弹性连接件，穿过所述开口以可释放地连接所述孔中的所述臂的所述末端，其中，所述弹性连接件的弹性：
允许臂多达六个自由度的独立运动，该运动由所述臂的抵接部分与所述孔的相应抵接部分的接合来控制；并且
吸收施加至所述臂的力；
其中，各本体的所述孔的所述抵接部分与其它本体的所述孔的所述抵接部分具有不同的形状，由此可通过互换所述本体来选择性地控制所述臂多达六个自由度的独立运动。
8.一种用于人体或动物关节的关节支承装置，包括由至少一个如权利要求1-6中任一项所述的活动关节连接以绕所述人体或动物关节相对运动的两个支承部分。
9.如权利要求8所述的用于人体或动物关节的关节支承装置，其特征在于，所述关节支承装置是人体膝部支架，而所述两个支承部分是大腿和小腿部分。
10.如权利要求8所述的用于人体或动物关节的关节支承装置，其特征在于，所述关节支承装置是人体踝部支架，而所述两个支承部分是小腿部分和足部。
11.一种用于人体或动物关节的关节支承装置，包括由如权利要求7所述的活动关节系统连接以绕所述人体或动物关节相对运动的两个支承部分。
12.如权利要求11所述的用于人体或动物关节的关节支承装置，其特征在于，所述关节支承装置是人体膝部支架，而所述两个支承部分是大腿和小腿部分。
13.如权利要求11所述的用于人体或动物关节的关节支承装置，其特征在于，所述关节支承装置是人体踝部支架，而所述两个支承部分是小腿部分和足部。
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