CN102793596B - 一种动态膝关节、动态踝关节假体和动态下肢假体 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态膝关节、动态踝关节假体，及一种包含动态膝关节和踝关节假体的动态下肢假体。动态关节假体包括U型构件，所述U型构件的底板与上部部件相连构成转动副；U型构件的两个侧板与下部部件相连构成另一转动副。U型构件底板、侧板上设有硬凸台进行限位，在所述硬凸台外侧粘接有软挡块以缓冲振动。并通过传感器安装支架安装角位移传感器，实现对关节角位移的实时测量。本发明所公开的动态下肢假体，可实现多个自由度的运动，关节阻尼可调节，并能维持肢体姿态，运动角度可实时测量。

Description

一种动态膝关节、动态踝关节假体和动态下肢假体

技术领域

本发明属于仿生结构设计领域。可以用于机器人、航空弹射、汽车安全碰撞假人和运动员高难度动作设计的下肢结构设计，也可作为下肢康复训练器的参考。

背景技术

在航空弹射或汽车安全碰撞研究中需要动态仿真假人进行实验。假人结构系统不仅需要实现肢体的运动要求和几何形态要求，而且作为动态仿真假人，肢体的惯性参数也必须符合人体特征。同时结构强度能够满足实验条件下的力学载荷的要求。相对于传统的静态假人，几何形态要求容易满足。但是运动、惯性参数和结构强度要求则给动态仿真假人的设计带来了挑战。因此，针对以上要求设计一种航空弹射动态膝关节、踝关节假体，进而设计一种动态仿真假人的下肢结构。

发明内容

标准动态假人代替飞行员进行弹射实验，代替司机进行碰撞实验，代替运动员进行高难度动作设计，所以从仿真人体的角度提出三种设计要求，包括：肢体运动学参数、几何参数和惯性参数。并且考虑到各种实验的力学环境，要求假人结构满足一定的载荷条件。所以假人下肢结构设计需要实现3个功能：（1）肢体运动自由度和运动范围；（2）几何尺寸；（3）惯性参数。同时需要进行强度校核。

为了实现上述功能，本发明一个方面提供一种动态膝关节假体，包括主体、大腿和小腿，所述主体为一U型构件，所述U型构件底板上的孔与大腿下端的旋转轴连接构成一个转动副，实现小腿旋转运动；所述U型构件的两个侧板与小腿上端固接的转轴活动连接构成另外一个转动副，实现小腿相对于大腿前后摆动；

所述膝关节活动范围通过设置在所述U型构件侧板内侧上的硬凸台来限制，并通过粘接与所述硬凸台上的软挡块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，所述关节阻尼可以调节，例如通过锁紧螺母调节摩擦力的大小，进而调节所述关节阻尼的大小。

进而，可以对动态关节进行实时角位移测量，通过设计传感器安装支架，角位移传感器通过所述安装支架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，所述传感器外加防护罩。

本发明的第二个方面提供一种动态踝关节假体，包括小腿和脚，所述小腿的下端形成为一U型构件，所述U型构件与脚相连，实现脚的一个自由度的上下摆动；小腿下端的U型构件的两个侧板上的孔与转轴构成转动副；

所述U型构件上的侧板上设有硬挡块，与粘接在所述硬挡块上的软挡块共同限制关节的运动，取得关节达到极限位置时对碰撞力的吸收，模拟关节阻尼。

同样特别地，所述关节阻尼可以调节，例如通过锁紧螺母调节摩擦力的大小，进而调节所述关节阻尼的大小。

进而，可对动态髋关节假体进行实时角位移测量，通过设计传感器安装支架，角位移传感器通过所述安装支架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，所述传感器外加防护罩。

本发明的第三个方面提供一种动态仿真假人的下肢接头，包括大腿、小腿、脚，另外，包括权利要求前述的膝关节以及前述的踝关节。

优选地，还包括仿真肌肉。

根据本发明的上述三个方面，本发明采用了通过合理的总体布局和结构设计，实现了假人下肢的运动要求、几何要求、惯性参数要求和外形特征，并可对运动参数进行实时测量。可以用于其他拟人机器人和汽车安全碰撞假人等的设计。

附图说明

附图1（a）-（b）：下肢整体结构两个方向的截面视图；

附图2：下肢纵向设计尺寸确定示意图；

附图3：下肢组成结构和总体布局示意图；

附图4（a）-（b）：踝关节结构两个方向的截面视图；

附图5（a）-（c）：膝关节结构两个方向的截面视图及运动范围示意图；

附图6（a）-（b）：两种膝关节传感器安装方式示意图；

附图7（a）-（c）：大腿、小腿和脚的组装结构形式；

附图8（a）-（c）：下肢部分肌肉示意图；

附图9（a）-（c）：下肢各关节活动范围。

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。

如图1所示，本发明为一种假人下肢，可以用于飞行员弹射假人、汽车安全碰撞假人和其他机器人等。本发明包括膝关节2、踝关节3、大腿4、小腿5、脚6和各部分仿真肌肉7共同组成，其中大腿和躯干（模拟骨盆）之间形成的髋关节1的具体结构及运动的实现（具体为前后摆动和内收外展运动）在发明人的另外的专利申请中进行保护，在这里不做重点描述。本发明的重点在于髋关节以下部分。为了清楚表示下肢机械结构，仿真肌肉未在图1中表示。

附图1为本发明处于站立位姿的静态结构，主要体现出对下肢各部分几何尺寸的要求。几何尺寸通过设计大腿4和小腿5的结构来实现，分别为髋关节1和膝关节2、膝关节2和踝关节3转轴中心的距离，其计算依据是中华人民共和国国家军用标准GJB4856－2003：中国男性飞行员人体尺寸。具体参见附图2，其中，标准中直接提供的尺寸包括B2.26为大转子点高，B2.38为膝高，B2.39为胫骨点高，B2.94为小腿长。大腿长度为大转子点高B2.26与膝高B2.38的差值，小腿设计长为小腿长测量值B2.94加上膝高B2.38与胫骨点高B2.39的差值。

下肢的运动通过各关节实现，布局方式如图3所示。其中：髋关节1实现两个自由度，前后摆动和内外摆动，均为单轴转动；膝关节2实现一个前后摆动自由度，一个小腿相对于大腿的旋转自由度；踝关节3实现一个上下摆动自由度。上述5个自由度都为单轴转动。

以踝关节为例，附图4详细介绍踝关节运动的实现方式。如图4所示，小腿5末端U形结构3’的两个侧板上的孔与转轴11构成转动副，实现一个自由度的上下摆动。在转轴11的两端包裹耐磨的铅青铜轴套12，润滑效果好，承载能力强。轴套12设计为台阶结构，便于装配时定位。转轴11两侧分别采用锁紧螺母14、摩擦片如垫片13和C型轴用弹性卡圈10实现轴向定位。如图3（b）所示，关节的运动范围是通过限位挡块8、15来实现。首先是通过螺钉9将硬挡块8固定在小腿末端U形结构侧板内侧，在硬挡块8上粘接有软挡块15，用于缓冲冲击，模拟关节阻尼。通过锁紧螺母14调节摩擦力大小进而调节关节阻尼的大小，垫片13和弹性卡圈10用于控制锁紧螺母14相对于转轴的旋转。

下面详细介绍膝关节假体结构及关节运动的实现方式。膝关节结构如图5（a）和（b）所示，膝关节2连接大腿4和小腿5，包括小腿5相对于大腿4的扭转自由度和摆动自由度。小腿从直立状态可以相对大腿后摆135°。膝关节2的主体部分是一个U型构件2’，有两个侧板32和一块底板31焊接而成，分别与大腿下端接头18和小腿上端接头20相连，实现小腿5的扭转自由度和小腿5相对于大腿4的一个上下摆动自由度。大腿下端接头18通过耐磨的铅青铜轴套34与U型构件2’底板31上的孔构成转动副，并利用圆螺母35进行轴向锁紧，为了防止圆螺母松动，在径向利用螺钉40压紧紫铜块39来进行锁紧。如图5的D-D视图（c）所示，该自由度的运动范围由U型构件底板31上硬凸台55进行限位，为了缓冲振动，在硬凸台外侧粘接了高分子材料制成的软挡块33。膝关节2的摆动自由度是通过销轴44通过轴套37与U型构件侧板32上的孔构成转动副。销轴44一端连接角位移传感器安装支架38，另外一端通过螺母45进行轴向锁紧。可以通过垫片44和46调节关节阻尼。小腿上端接头20和销轴44通过锥销41固连。该自由度的运动范围也采用同样的限位方式。硬凸台42通过螺钉43固定在U型构件侧板32上。软挡块36粘接在硬凸台的内侧用于缓冲冲击，模拟关节阻尼。

在下肢关节结构设计中需要考虑到角位移传感器的安装。主要用于测量下肢运动过程中各关节的运动角度。大腿扭转自由度和髋关节前后摆动自由度的传感器安装方式相同，膝关节自由度和髋关节上下摆动自由度的传感器安装方式相同。图6以膝关节为例，给出了两种安装方式。由于传感器结构尺寸限制，要求两个M1.6的安装孔间距不大于14mm，直接安装在膝关节U型构件上不符合要求。所以对于膝扭转关节和膝前后摆关节，设计了传感器安装支架50和38，并通过螺钉48固定于U型构件侧板32上。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）指向限位块42方向。传感器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。对于大腿扭转关节，是通过调整传感器47在安装支架50上的位置来实现这个目标，而对于膝关节，则是通过调整整个安装支架38相对于U型件侧板32的位置来实现。大腿扭转关节传感器安装在U型件侧板32之间，膝关节传感器安装在U型件侧板32外面，所以外加防护罩49。上述传感器安装方法同样适用于踝关节等。

下肢的几何尺寸通过设计大腿4和小腿5的尺寸来进行控制，大腿长度即髋关节与膝关节转轴中心的距离，小腿长度是膝关节和踝关节转轴中心的距离。该距离的计算依据国标中人体解剖学数据。大腿长度为髂前上棘点和胫骨点的距离，小腿长为胫骨点到内踝点的距离。本发明中的计算依据如图2所示，图2中所示数据来自GJB4856－2003。

为了便于加工，大腿4、小腿5和脚6都采用多个零件组装或焊接的方式，如图7所示。考虑到大腿结构的加工、装配和重量分布等，大腿4结构有三大部分组成：髋侧摆关节头16、大腿腿管17和大腿扭转轴18。大腿腿管17和其他两个构件16和18两端通过两个相互垂直的圆柱销19连接。大腿腿管可以采用型材，减少加工量。同样设计思路，小腿5由膝关节头20、工字梁腿杆21和踝关节头22焊接组成。脚没有自由度要求，脚骨架由4个零件焊接而成，即图7中的脚底板23、前筋板24、连接块25和后筋板26，通过零件上的通孔与踝关节连接；外露的金属零件表面需要做镀铬防锈处理。

仿真肌肉设计主要依据飞行员体表尺寸，尽量满足人体生物学特征。以小腿为例，小腿的外形尺寸包括：小腿肚厚，小腿肚高，内踝高，内踝围，胫骨点高，膝盖高等。用这些参数来指导小腿肌肉设计从而确定小腿外形尺寸。外形不区分左右腿。另外，仿真肌肉设计还要考虑关节活动的限制，所以将下肢肌肉划分为三大部分：大腿上段肌肉、大腿下段肌肉、小腿肌肉，并且设计时要注意肌肉不能干涉关节活动范围。大腿肌肉分为上下两部分，上段27在髋关节处进行圆弧切割，下段28在膝关节后部要进行切割，不影响小腿后摆。小腿肌肉29也做同样的处理（附图8）。肌肉尺寸一方面参考人体的正常外形，一方面要满足大腿和小腿的质心和转动惯量的要求。

附图9给出了下肢各关节在允许范围内运动的两个极限位置。大腿前后摆动和外展内收运动通过髋关节实现。小腿5相对于大腿4绕竖直轴III－III扭转，外扭40°，内扭40°。由大腿下端18和膝关节U型构件底板31构成转动副。膝关节2可实现小腿5相对于大腿4绕水平轴IV－IV前摆90°，后摆45°，由膝关节2U型构件底板31和小腿上端接头20构成转动副。踝关节3可实现脚6相对于小腿5上摆45°，下摆30°。由踝关节U型构件侧板32和脚6的连接块25构成转动副。各个自由度上的限位方式用于控制关节的运动范围，都是通过限位挡块来实现。以踝关节为例，首先是通过螺钉9将硬挡块8固定在小腿末端U型结构侧板内侧，在硬挡块上粘接有软挡块15，用于缓冲冲击。附图9给出了膝踝关节的限位方式和运动范围。

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 (6)

1.一种动态膝关节假体，包括主体、大腿(4)和小腿(5)，所述主体为一U型构件(2’)，所述U型构件底板(31)上的孔与大腿(4)下端(18)的旋转轴连接构成一个转动副，实现小腿旋转运动；所述U型构件(2’)的两个侧板(32)与小腿上端(20)固接的转轴活动连接构成另外一个转动副，实现小腿相对于大腿前后摆动；

所述膝关节活动范围通过设置在所述U型构件(2’)底板(31)和侧板(32)内侧上的硬凸台(55，42)来限制，并通过粘接于所述硬凸台(55，42)上的软挡块(33，36)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：

所述膝关节假体包括传感器安装支架(38,50)，角位移传感器(47)通过所述安装支架(38,50)安装在所述膝关节假体上，实现关节运动角度的实时测量，所述支架(38,50)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；其中，所述角位移传感器(47)还外加防护罩(49)。

2.根据权利要求1所述的动态膝关节假体，其特征在于，所述关节阻尼可以调节，通过锁紧螺母(45)调节摩擦力的大小，进而调节所述关节阻尼的大小。

3.一种动态踝关节假体，包括小腿(5)和脚(6)，所述小腿(5)的下端形成为一U型构件(3’)，所述U型构件(3’)与脚(6)相连，实现脚(6)的一个自由度的上下摆动；小腿(5)下端的U型构件(3’)的两个侧板上的孔与转轴(11)构成转动副；

所述U型构件(3’)上的侧板上设有硬挡块(8)，与粘接在所述硬挡块(8)上的软挡块(15)共同限制踝关节的运动，取得关节达到极限位置时对碰撞力的吸收，模拟关节阻尼，其特征在于：

所述踝关节假体包括传感器安装支架(38,50)，角位移传感器(47)通过所述安装支架(38,50)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(38,50)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；所述角位移传感器(47)外加防护罩(49)。

4.根据权利要求3所述的动态踝关节假体，其特征在于，所述关节阻尼可以调节，通过锁紧螺母(14)调节摩擦力的大小，进而调节所述关节阻尼的大小。

5.一种动态下肢假体，包括大腿、小腿、脚，其特征在于，包括权利要求1至2任一项所述的膝关节假体以及权利要求3至4任一项所述的踝关节假体。

6.根据权利要求5所述的动态下肢假体，其特征在于，还包括仿真肌肉(7)。