CN114872015A - 一种仿生膝关节装置、调节方法和确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及碰撞假人领域，公开了一种仿生膝关节装置、调节方法和确定方法。该装置包括：用于模拟胫骨沿矢状面平动以及测量胫骨沿矢状面平动位移量的膝位移装置总成、用于模拟胫骨沿股骨髁面的变曲率、变圆心的摆动运动以及测量所述摆动运动轨迹的胫骨连接装置总成和用于约束胫骨运动范围的膝盖本体。本发明实施例提供的仿生膝关节装置能够模拟真实人体胫骨运动轨迹且可实现小腿各角度下的膝位移测量，具备较高的仿生度。

Description

一种仿生膝关节装置、调节方法和确定方法

技术领域

本发明涉及碰撞假人领域，尤其涉及一种仿生膝关节装置、调节方法和确定方法。

背景技术

随着全球汽车保有量的增多和道路环境的复杂多变，交通安全问题备受关注。其中汽车碰撞试验可以帮助汽车厂商在新车型研发阶段与投放市场前检验汽车的主被动安全性能，通过模拟现实生活中典型的交通事故场景，采集车内碰撞假人在冲击载荷下的反馈数据，分析得到人体遭受同等事故的损伤情况。这要求汽车碰撞试验用的假人需要具有运动学与力学仿生性能，以保证试验结果的准确。

据统计车内成员下肢损伤约占全部损伤的36％，超过头、胸部成为前碰撞中最易受伤的部位，而其中55％的下肢损伤部位位于膝-大腿-髋关节部位。因此准确获得碰撞假人下肢尤其是膝部的损伤数据显得尤为重要。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种仿生膝关节装置、调节方法和确定方法，通过该装置能够模拟真实人体胫骨运动轨迹且可实现小腿各角度下的膝位移测量，具备较高的仿生度。

本发明实施例提供了一种仿生膝关节装置，该装置包括：

用于模拟胫骨沿矢状面平动以及测量胫骨沿矢状面平动位移量的膝位移装置总成、用于模拟胫骨沿股骨髁面的变曲率、变圆心的摆动运动以及测量所述摆动运动轨迹的胫骨连接装置总成和用于约束胫骨运动范围的膝盖本体；

其中，所述膝位移装置总成包括膝位移滑动系统和膝位移测量系统，所述膝位移滑动系统用于模拟胫骨与股骨髁沿矢状面的滑移，所述膝位移测量系统用于记录胫骨与股骨髁沿矢状面的滑移量；

所述胫骨连接装置总成包括胫骨轴向位移约束系统和胫骨轴向位移测量系统，所述胫骨轴向位移约束系统用于约束胫骨在胫骨轴向的运动，所述胫骨轴向位移测量系统用于记录胫骨的轴向位移变化量，以及根据所述变化量推算胫骨沿骨髁面摆动角度的变化量。

本发明实施例提供了一种用于模仿人体后交叉韧带阻力的调节方法，应用于上述仿生膝关节装置，该方法包括：

通过同步调整第一预紧调节螺栓4a与第二预紧调节螺栓4b的预紧力矩，改变第一胫骨弹簧15a与第二胫骨弹簧15b的预紧量；

根据牛顿第三定律，通过改变第一胫骨弹簧15a与第二胫骨弹簧15b的预紧量，改变第一引导臂3a和第二引导臂3b与膝盖骨1圆弧形金属轨道凸台的接触面法向压力，以调整胫骨连接装置总成的摆动阻力矩，模拟不同后交叉韧带拉力下的小腿摆动状态；

其中，在所述仿生膝关节装置中，第一滑块盖板10a的外侧凹槽向第一弹簧座11a提供法平面约束，第二滑块盖板10b的外侧凹槽向第二弹簧座11b提供法平面约束；第一支撑轴销12a与第二支撑轴销12b为胫骨连接件2的摆动提供支点；第一胫骨位移传感器支架13a与第二胫骨位移传感器支架13b的内凹面与胫骨连接件2上侧的凹槽提供两侧胫骨弹簧的轴向与径向约束，保证胫骨弹簧的运动始终沿胫骨轴线方向。

本发明实施例提供了一种后交叉韧带伸长量的确定方法，应用于上述仿生膝关节装置，该方法包括：

根据胫骨位移传感器14记录的位移量x₁、后交叉韧带由于胫骨弯曲导致的第一韧带伸长量L₁以及胫骨轴向位移与第一韧带伸长量L₁的比例系数k₁之间的第一预设关系确定所述第一韧带伸长量L₁；

其中，所述第一预设关系为：

L₁＝k₁*x₁，x₁＝y_j，(y_j∈[0,8]mm)

y_j表示在胫骨连接件2的摆动过程中，因膝盖骨1的约束作用沿轴向产生的位移。

本发明实施例具有以下技术效果：

本发明实施例提供的仿生膝关节装置具有较高的仿生度，可以模拟以及测量人体小腿胫骨绕股骨的运动，更加符合真实人体的运动学与力学特性，使碰撞假人能够更加准确地模拟交通事故中车内乘客腿部所受到的伤害。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种胫骨绕股骨髁运动轨迹的示意图；

图2是本发明实施例提供的一种仿生膝关节装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种膝位移装置总成的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种仿生膝关节装置的零部件装配示意图；

图5为本发明实施例提供的一种胫骨连接装置总成的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种仿生膝关节装置在胫骨位移测量工作过程中的示意图；

图7为本发明实施例提供的一种仿生膝关节装置的总装配示意图；

图8为本发明实施例提供的一种仿生膝关节装置在膝位移测量工作过程中的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

本发明实施例提供的仿生膝关节装置，主要应用于汽车碰撞试验，通过碰撞假人(可以理解的是，碰撞假人包括仿生膝关节装置)模拟车内人员在碰撞发生时的运动响应，可模拟胫骨绕股骨髁面的摆动，且摆动过程为变曲率、变圆心的近似渐开线运动，如图1所示的一种胫骨绕股骨髁运动轨迹的示意图，胫骨绕股骨髁面可进行变曲率、变圆心的近似渐开线运动。

即本发明实施例提供的仿生膝关节装置，能够模拟真实人体胫骨的运动，且能够测量小腿各角度下的膝位移以及胫骨位移，为仿生碰撞假人的开发打下基础，以及可模拟符合人体生物特性的损伤机制，提高汽车碰撞试验结果的准确性，从而指导车内乘员舱腿部空间的设计。

图2是本发明实施例提供的仿生膝关节装置的结构示意图。参见图2，该仿生膝关节装置包括：用于模拟胫骨沿矢状面平动以及测量胫骨沿矢状面平动位移量的膝位移装置总成210、用于模拟胫骨沿股骨髁面的变曲率、变圆心的摆动运动以及测量所述摆动运动轨迹的胫骨连接装置总成220和用于约束胫骨运动范围的膝盖本体230。

其中，膝位移装置总成210包括膝位移滑动系统211和膝位移测量系统212，膝位移滑动系统211用于模拟胫骨与股骨髁沿矢状面的滑移，膝位移测量系统212用于记录胫骨与股骨髁沿矢状面的滑移量。胫骨连接装置总成220包括胫骨轴向位移约束系统221和胫骨轴向位移测量系统222，胫骨轴向位移约束系统221用于约束胫骨在胫骨轴向的运动，胫骨轴向位移测量系统222用于记录胫骨的轴向位移变化量，以及根据所述变化量推算胫骨沿骨髁面摆动角度的变化量。

股骨髁位于膝关节部位，为股骨下端增大的骨质结构。通常大腿股骨的下段膨大、股骨髁与膝盖骨、胫骨上端组成重要的膝关节结构，支持人体保持膝关节活动度。在股骨髁上有很多肌肉和韧带附着，如膝关节内侧副韧带和外侧副韧带，它们可以使膝关节内外侧更加稳定。股骨髁前方有凹槽，可以使膝盖骨在凹槽内来回滑动，在屈伸膝关节时，膝盖骨关节面与股骨髁前面在不停摩擦。本发明实施例提供的仿生膝关节装置正是模拟上述人体真实的膝关节结构。

可选的，膝位移滑动系统包括：第一滑动子系统和第二滑动子系统；其中，所述第一滑动子系统位于所述膝盖本体的膝盖骨1的第一侧，所述第二滑动子系统位于所述膝盖本体的膝盖骨1的第二侧，即第一滑动子系统和第二滑动子系统分别位于膝盖骨1的两侧。

示例性的，参考如图3所示的一种膝位移装置总成的结构示意图以及如图4所示的一种仿生膝关节装置的零部件装配示意图。其中，所述第一滑动子系统包括：第一固定滑块5、第一橡胶块7a和第一移动滑块8a，所述第二滑动子系统包括：第二固定滑块16、第二橡胶块7b和第二移动滑块8b；第一固定滑块5与第二固定滑块16通过螺栓连接，分别装配于膝盖骨1(图3未示出膝盖骨1，可参考图4中的膝盖骨1)的两侧；第一移动滑块8a的稳定臂与第一固定滑块5的第一滑轨组成第一移动副，所述第一移动副用于使第一移动滑块8a与第一固定滑块5沿所述第一滑轨的轴线方向能产生相对位移，且沿所述第一滑轨的法线方向不能产生相对位移，即通过组成第一移动副实现了允许第一移动滑块8a与第一固定滑块5沿所述第一滑轨的轴线方向产生相对位移，沿所述第一滑轨的法线方向不能产生相对位移。第二移动滑块8b的稳定臂与第二固定滑块16的第二滑轨组成第二移动副，所述第二移动副用于使第二移动滑块8b与第二固定滑块16沿所述第二滑轨的轴线方向能产生相对位移，且沿所述第二滑轨的法线方向不能产生相对位移。换言之，第二固定滑块16、第二橡胶块7b、以及第二移动滑块8b的配合方式与第一固定滑块5、第一橡胶块7a和第一移动滑块8a的配合方式相同，或者说第一滑动子系统和第二滑动子系统对称式设置在膝盖骨1的两侧。

示例性的，第一移动滑块8a与第一固定滑块5采用隙配合，第二固定滑块16与第二橡胶块7b采用隙配合。可以理解的是，第一移动滑块8a与第一固定滑块5的配合方式，以及第二固定滑块16与第二橡胶块7b的配合方式并不限定为隙配合，还可以是其它配合方式，只要能实现第一移动滑块8a的稳定臂与第一固定滑块5的第一滑轨组成第一移动副，所述第一移动副用于使第一移动滑块8a与第一固定滑块5沿所述第一滑轨的轴线方向能产生相对位移，且沿所述第一滑轨的法线方向不能产生相对位移，第二移动滑块8b的稳定臂与第二固定滑块16的第二滑轨组成第二移动副，所述第二移动副用于使第二移动滑块8b与第二固定滑块16沿所述第二滑轨的轴线方向能产生相对位移，且沿所述第二滑轨的法线方向不能产生相对位移即可。

进一步的，第一橡胶块7a置于第一移动滑块8a与第一固定滑块5之间的空隙处，并通过硫化工艺将第一橡胶块7a、第一移动滑块8a以及第一固定滑块5粘接为一整体，组成膝位移滑动系统中的第一滑动子系统，当沿所述第一滑轨的轴向方向存在大于阈值的冲击力时，第一移动滑块8a与第一固定滑块5之间产生相对位移，且第一移动滑块8a与第一固定滑块5在预设时长内复原，其中，预设时长通常为一较短的时间数值，换言之，当沿第一滑轨的轴向方向存在一较大冲击力时，上述硫化工艺应保证第一移动滑块8a与第一固定滑块5在产生相对位移后能立刻复原，以保证一定的仿生度。可以理解的是，上述工艺并不限定为硫化工艺，还可以是其它工艺，只要能实现当沿第一滑轨的轴向方向存在一较大冲击力时，第一移动滑块8a与第一固定滑块5在产生相对位移后能立刻复原即可。

同样的，第二橡胶块7b置于第二移动滑块8b与第二固定滑块16之间的空隙处，并通过硫化工艺将第二橡胶块7b、第二移动滑块8b以及第二固定滑块16粘接为一整体，当沿所述第二滑轨的轴向方向存在大于阈值的冲击力时，第二移动滑块8b与第二固定滑块16之间产生相对位移，且第二移动滑块8b与第二固定滑块16在预设时长内复原。

第一固定滑块5、第一橡胶块7a以及第一移动滑块8a的装配位置分别为各自的中心孔，目的是保证经过硫化工艺后三者中心孔与仿生膝盖骨1中心孔同心，便于安装膝位移装置总成与膝盖骨1之间的连接螺栓，即第一固定滑块5、第一橡胶块7a、第一移动滑块8a以及膝盖骨1的中心孔同心，可通过连接螺栓穿过各自的中心孔实现连接。

可选的，膝位移测量系统包括：膝位移传感器支架6和膝位移传感器9；如图2所示，膝位移传感器9为拉线式位移传感器，且布置于第一移动滑块8a的底面，膝位移传感器支架6通过螺栓安装于第一固定滑块5的前端面，膝位移传感器支架6包括拉线阻拦孔，且所述拉线阻拦孔与膝位移传感器9的孔同轴，以使膝位移传感器9的拉线穿过膝位移传感器支架6的阻拦孔，膝位移传感器9用于记录第一固定滑块5与第二固定滑块16的相对位移变化量，以模拟车内乘客的胫骨与股骨髁沿矢状面的滑移。

进一步的，参考如图5所示的一种胫骨连接装置总成的结构示意图以及图4所示的一种仿生膝关节装置的零部件装配示意图。其中，胫骨连接装置总成包括：胫骨连接件2，第一引导臂3a，第二引导臂3b，第一预紧调节螺栓4a，第二预紧调节螺栓4b，第一滑块盖板10a，第二滑块盖板10b，第一弹簧座11a，第二弹簧座11b，第一支撑轴销12a，第二支撑轴销12b，第一胫骨位移传感器支架13a，第二胫骨位移传感器支架13b，胫骨位移传感器14，第一胫骨弹簧15a以及第二胫骨弹簧15b。其中，第一滑块盖板10a通过内侧面中央的凸台和螺栓定位并连接于第二移动滑块8b，胫骨连接件2的内侧贴合于第一滑块盖板10a，组成胫骨轴向位移约束系统。第一引导臂3a通过第一预紧调节螺栓4a安装于胫骨连接件2的顶部，第一支撑轴销12a穿过第一弹簧座11a使用螺纹连接于第一滑块盖板10a的外侧面，第一胫骨弹簧15a嵌于第一弹簧座11a上表面凹槽内并贴合于第一滑块盖板10a的外侧面的引导槽中，组成第一弹簧约束系统。第一胫骨位移传感器支架13a通过螺栓与胫骨连接件2和第一引导臂3a连接，与第一预紧调节螺栓4a共同组成第一弹簧预紧调节系统。胫骨位移传感器14安装于第一胫骨位移传感器支架13a的下端，在第一弹簧座11a上胫骨位移传感器14的拉线延长线的位置处设置有阻拦孔，共同组成胫骨轴向位移测量系统，胫骨轴向位移测量系统不仅可以记录胫骨的轴向位移变化量，还可以根据该变化量推算小腿摆动角度的变化量，参考如图6所示的一种仿生膝关节装置在胫骨位移测量工作过程中的示意图。

第二引导臂3b、第二预紧调节螺栓4b、第二滑块盖板10b、第二弹簧座11b、第二支撑轴销12b、第二胫骨位移传感器支架13b、第二胫骨弹簧15b与胫骨连接件2的连接及系统组成与第一引导臂3a、第一预紧调节螺栓4a、第一滑块盖板10a、第一弹簧座11a、第一支撑轴销12a、第二胫骨位移传感器支架13a、第二胫骨弹簧15a与胫骨连接件2的连接及系统组成呈对称分布。具体的，第二引导臂3b通过第二预紧调节螺栓4b安装于胫骨连接件2的顶部，第二支撑轴销12b穿过第二弹簧座11b使用螺纹连接于第二滑块盖板10b的外侧面，第二胫骨弹簧15b嵌于第二弹簧座11b上表面凹槽内并贴合于第二滑块盖板10b的外侧面的引导槽中，组成第二弹簧约束系统。第二胫骨位移传感器支架13b通过螺栓与胫骨连接件2和第二引导臂3b连接，与第二预紧调节螺栓4b共同组成第二弹簧预紧调节系统，通过同步调整第一预紧调节螺栓4a与第二预紧调节螺栓4b的预紧力矩与进给长度，设置胫骨连接件2不同的摆动初始阻力。

胫骨位移传感器14的拉线穿过第一弹簧座11a上的所述阻拦孔，胫骨位移传感器14在工作过程中，与胫骨连接件2的相对位置保持不变，以测量碰撞过程中假人小腿胫骨沿胫骨轴向的位移量。

参考图7所示的一种仿生膝关节装置的总装配示意图，结合图4和图5所示，膝盖骨1为仿生膝关节装置的承载部件，在膝盖骨1的外侧与圆弧面相切的平面一端与碰撞假人的股骨相连接；过中心孔与第一固定滑块5和第二固定滑块16通过螺栓连接，以使所述膝位移装置总成可绕膝盖骨1定轴转动。膝盖骨1的两侧平面上有对称布置的两条圆弧形金属轨道凸台，凸台曲面垂直于膝盖骨1的侧平面，且半径较小的曲面向膝盖骨1侧平面的投影为符合人体膝关节仿生结构的渐开线。胫骨连接装置总成120的第一引导臂3a的顶部圆弧面以及第二引导臂3b的顶部圆弧面分别与所述渐开线所在曲面相切，通过所述第一弹簧预紧调节系统和/或所述第二弹簧预紧调节系统改变两曲面间的接触压力，以模拟不同韧带拉力下的胫骨摆动阻力。

膝位移传感器9在工作过程中与所述胫骨连接装置总成保持相对滑动，且位移测量方向始终与胫骨连接装置总成垂直，以实现与胫骨轴向位移相互独立的膝位移测量。对应的可以参考如图8所示的一种仿生膝关节装置在膝位移测量工作过程中的示意图。

其中，仿生膝关节装置的各部件可采用45钢或满足同等设计功能的材料。

在上述实施例提供的一种仿生膝关节装置的基础上，本发明实施例还提供一种胫骨轴向位移测量方法，此方法中，通过将拉线式线位移传感器(即胫骨位移传感器14)固定于第一胫骨位移传感器支架13a的下端，并将胫骨位移传感器14的传感器拉线穿过第一弹簧座11a面上的阻拦孔。因胫骨位移传感器14工作过程中与胫骨连接件2的相对位置始终不变，该布置方式可以实时测量碰撞过程中假人小腿沿轴向的位移量。

本发明实施例还提供了一种与胫骨轴向位移相互独立的膝位移测量方法，此方法中，通过将拉线式膝位移传感器9固定于膝位移装置总成中第一移动滑块8a的底面，并将膝位移传感器9的拉线穿过膝位移传感器支架6的阻拦孔。膝位移传感器9工作过程中可与胫骨连接装置总成保持相对滑动，但位移测量方向始终与胫骨连接装置总成垂直，因此膝位移传感器9的布置方式可以实现与胫骨轴向位移相互独立的膝位移测量。

在上述实施例提供的一种仿生膝关节装置的基础上，本发明实施例还提供一种后交叉韧带阻力调节方法，在此方法中，通过同步调整第一预紧调节螺栓4a与第二预紧调节螺栓4b的预紧力矩与进给长度，实现胫骨连接件2不同的摆动初始阻力。

设两侧预紧调节螺栓所需预紧总力矩(可称为螺栓预紧总力矩)为M_pre，克服螺纹摩擦副所产生的摩擦力矩(可称为螺纹副摩擦力矩)为M_pre-t，克服螺栓底面与弹簧支持面间摩擦力所需力矩为M_pre-n，螺栓公称直径为D_N，螺栓预紧力矩系数为K，螺栓轴向力为F_N。

螺栓轴向力F_N与螺纹副摩擦力矩M_pre-t的关系式如下所示：

胫骨在约束范围内任一位置处的摆动阻力矩为M_B的调节取决于螺栓预紧总力矩M_pre的调节，因螺栓轴向力F_N均由弹簧正压力提供，故设螺栓与弹簧支撑面接触半径为r，接触面单位正压力为q，接触面摩擦系数为f_s1，引导臂与金属轨道凸台的动摩擦系数为f_s2，摩擦力作用点到胫骨连接件2初始极限位置转动中心的距离为l，基于上述参数定义可获得如下关系式：

M_pre-n＝f_s1∫2π(D_N/2)²qd(D_N/2)

因此，模拟后交叉韧带拉力与调整螺栓预紧总力矩的关系式为：

其中，μ为安全系数。

实施示例(1)提供一种用于模仿人体后交叉韧带阻力的调节方法，通过胫骨连接装置总成与膝盖骨内的金属凸台内曲面实现，具体包括：膝盖骨1，胫骨连接件2，第一引导臂3a，第二引导臂3b，第一预紧调节螺栓4a，第二预紧调节螺栓4b，第一滑块盖板10a，第二滑块盖板10b，第一弹簧座11a，第二弹簧座11b，第一支撑轴销12a，第二支撑轴销12b，第一胫骨位移传感器支架13a，第二胫骨位移传感器支架13b，第一胫骨弹簧15a和第二胫骨弹簧15b。在装配过程中，第一滑块盖板10a与第二滑块盖板10b的外侧凹槽向两侧弹簧座提供法平面约束；第一支撑轴销12a与第二支撑轴销12b为胫骨连接件2的摆动提供支点，并与两侧弹簧座孔间隙配合；第一胫骨位移传感器支架13a与第二胫骨位移传感器支架13b的内凹面与胫骨连接件2上侧的凹槽提供两侧胫骨弹簧的轴向与径向约束，保证弹簧的运动始终沿胫骨轴线方向；第一预紧调节螺栓4a，第二预紧调节螺栓4b预紧力矩可通过力矩扳手准确调节预紧量。

在此方法中，通过同步调整第一预紧调节螺栓4a与第二预紧调节螺栓4b的预紧力矩，改变弹簧预紧调节系统中第一胫骨弹簧15a与第二胫骨弹簧15b的预紧量，根据牛顿第三定律，可以改变第一引导臂3a和第二引导臂3b与膝盖骨1圆弧形金属轨道凸台的接触面法向压力，进而调整胫骨连接装置总成的摆动阻力矩，模拟不同后交叉韧带拉力下的小腿摆动状态。

设单侧预紧调节螺栓的预紧总力矩为M_pre-i，克服螺纹副摩擦力所需力矩为M_pre-ti，克服螺栓底面与弹簧支持面间摩擦力所需力矩为M_pre-ni，i＝(1、2)分别表示第一预紧调节螺栓4a、第二预紧调节螺栓4b。具体的，i＝1时，M_pre-1表示第一预紧调节螺栓4a的预紧总力矩，M_pre-t1表示第一预紧调节螺栓4a克服螺纹副摩擦力所需力矩，M_pre-n1表示第一预紧调节螺栓4a克服螺栓底面与弹簧支持面间摩擦力所需力矩；i＝2时，M_pre-2表示第二预紧调节螺栓4b的预紧总力矩，M_pre-t2表示第二预紧调节螺栓4b克服螺纹副摩擦力所需力矩，M_pre-n2表示第二预紧调节螺栓4b克服螺栓底面与弹簧支持面间摩擦力所需力矩。

胫骨在约束范围内任一位置处的摆动阻力矩为M_B，螺栓公称直径为D_N，螺栓预紧力矩系数为K，螺栓轴向力为F_N，螺栓与弹簧支撑面接触半径为r，接触面单位正压力为q，接触面摩擦系数为f_s1，引导臂与金属轨道凸台的动摩擦系数为f_s2，摩擦力作用点到胫骨连接件2初始极限位置转动中心的距离为l。

单侧螺栓(单侧螺栓具体是指第一预紧调节螺栓4a或者第二预紧调节螺栓4b，下述通过下标i对两者进行区分，例如i＝时，F_N1表示第一预紧调节螺栓4a的轴向力，i＝2时，F_N2表示第二预紧调节螺栓4b的轴向力)轴向力与克服螺纹副摩擦力所需力矩M_pre-ti的关系为：

单侧引导臂与金属轨道凸台的正压力为：

单侧螺栓底面与弹簧顶面单位正压力为：

其中，单侧螺栓具体是指第一预紧调节螺栓4a或者第二预紧调节螺栓4b，上述通过下标i对两者进行区分，例如q₁可以表示第一预紧调节螺栓4a的底面与弹簧顶面单位正压力，q₂可以表示第二预紧调节螺栓4b的底面与弹簧顶面单位正压力。

单侧螺栓克服底面与弹簧支持面间摩擦力所需力矩为：

M_pre-ni＝f_s1∫2π(D_N/2)²q_id(D_N/2)，(i＝1，2)

单侧螺栓预紧总力矩与胫骨摆动力矩关系：

其中，μ为安全系数。

此方法中第一预紧调节螺栓4a，第二预紧调节螺栓4b的预紧总力矩应通过力矩扳手准确调节至相同，且调节时需保证胫骨在上极限位置。

实施示例(2)还提供了一种适应不同膝关节后交叉韧带拉力特性的仿生膝关节调整方法，主要通过上述实施例提供的仿生膝关节装置中的膝盖骨1，胫骨连接件2，第一引导臂3a，第二引导臂3b，第一预紧调节螺栓4a，第二预紧调节螺栓4b，第二支撑轴销12b，第一胫骨弹簧15a以及第二胫骨弹簧15b实现，结构装配及运动方式如上述实施示例(1)中所展示。

此方法中，通过更换相同直径、相同长度、不同刚度的弹簧，实现胫骨连接件2在摆动过程中引导臂与膝盖骨1金属凸台内曲面正压力的不同增量，进而实现针对不同种类人群或不同病理条件下因膝关节后交叉韧带拉力性能不同导致的胫骨沿股骨髁不同摆动阻力的调节。具体的，通过改变第一胫骨弹簧15a的刚度(第一胫骨弹簧15a的直径和长度不发生改变)，实现胫骨连接件2在摆动过程中第一引导臂3a与膝盖骨1金属凸台内曲面正压力的不同增量；通过改变第二胫骨弹簧15b的刚度(第二胫骨弹簧15b的直径和长度不发生改变)，实现胫骨连接件2在摆动过程中第二引导臂3b与膝盖骨1金属凸台内曲面正压力的不同增量；通过胫骨连接件2在摆动过程中第一引导臂3a与膝盖骨1金属凸台内曲面正压力的不同增量，以及第二引导臂3b与膝盖骨1金属凸台内曲面正压力的不同增量，实现针对不同种类人群或不同病理条件下因膝关节后交叉韧带拉力性能不同导致的胫骨沿股骨髁不同摆动阻力的调节。

设一种弹簧的刚度为S_ki(i＝1、2、3…)，在胫骨连接件2摆动过程中，因膝盖骨1的约束作用沿轴向产生位移y_j(y_j∈[0，8]mm)时，引导臂与金属台曲面的正压力相较于初始位置的变化量为：

ΔF_N＝y_j·S_ki，(i＝1，2，3...，y_j∈[0，8])

当引导臂摩擦力作用点到胫骨连接件2初始极限位置中心距离为l时，胫骨在约束范围内任一位置处的摆动阻力矩为M_B与不同刚度的弹簧和轴向位移的关系为：

M_B＝f_s2·y_j·S_ki·(l+y_j) i＝1，2，3…，y_j∈[0，8]。

该关系式表明随着胫骨摆动角度的增加，摩擦阻力随之增加。因此该结构与调节方法可以模拟不同拉力状态下的后交叉韧带以及随着小腿弯曲角度的增加，后交叉韧带拉力逐渐增大的生理特性。

实施示例(3)提供了一种测量胫骨轴向位移的方法，主要通过上述实施例提供的仿生膝关节装置中的胫骨连接件2，第一弹簧座11a，第一胫骨位移传感器支架13a，胫骨位移传感器14以及第一胫骨弹簧15a实现。

胫骨位移传感器14通过螺栓安装于胫骨位移传感器支架13a与胫骨连接件2上，在仿生膝关节装置工作过程中传感器始终与胫骨连接件2保持相对静止。拉线式位移传感器的不锈钢绳穿过第一弹簧座11a的阻拦孔并固定，实现胫骨上端至摆动中心距离的测量。

设胫骨位移传感器14某一瞬时记录的位移量为x₁，L₁为后交叉韧带由于胫骨弯曲导致的伸长量，k₁为胫骨轴向位移与韧带伸长量的比例系数，三者关系为：

L₁＝k₁*x₁，x₁＝y_j，(y_j∈[0,8]mm)

y_j表示在胫骨连接件(2)的摆动过程中，因膝盖骨(1)的约束作用沿轴向产生的位移。

实施示例(4)提供了一种测量膝位移的方法，主要通过上述实施例提供的仿生膝关节装置中的胫骨连接件2，第一固定滑块5，膝位移传感器支架6，第一橡胶块7a，第二橡胶块7b，第一移动滑块8a，第二移动滑块8b，膝位移传感器9以及第二固定滑块16实现。

此方法中，拉线式膝位移传感器9固定于第一移动滑块8a的下端面，将膝位移传感器9的不锈钢绳穿过膝位移传感器支架6的阻拦孔并固定。该膝位移传感器9用于测量胫骨受到纵向载荷时，第一移动滑块8a相对于第二固定滑块16的位移变化情况。第一固定滑块5的两侧挡板内壁与胫骨连接件2组成移动副，可以使胫骨连接件2沿轴向的滑动与膝位移的产生相对独立。

设膝位移传感器9某一瞬时记录的位移量为x₂，L₂为后交叉韧带因受到纵向载荷导致的伸长量，k₂为膝位移与后交叉韧带伸长量的比例系数，三者关系为：

L₂＝k₂*x₂，x₂＝y_j，(y_j∈[0,8]mm)

因该测量方法具有独立性，结合这一碰撞瞬时由于小腿弯曲导致的后交叉韧带伸长量可得到总伸长量L为：

L＝L₁+L₂＝k₁·x₁+k₂·x₂

该韧带伸长量测量与计算方法可以更好地模拟人体膝关节的运动特性，结合实施示例(3)，通过两个相对独立的位移测量方法，可获得更加准确的韧带伸长量计算方式。

概括性的，本发明实施例提供一种后交叉韧带伸长量的确定方法，所述方法包括：

根据胫骨位移传感器14记录的位移量x₁、后交叉韧带由于胫骨弯曲导致的第一韧带伸长量L₁以及胫骨轴向位移与第一韧带伸长量L₁的比例系数k₁之间的第一预设关系确定所述第一韧带伸长量L₁；

其中，所述第一预设关系为：

L₁＝k₁*x₁，x₁＝y_j，(y_j∈[0,8]mm)

y_j表示在胫骨连接件2的摆动过程中，因膝盖骨1的约束作用沿轴向产生的位移。

根据膝位移传感器9记录的位移量x₂、后交叉韧带因受到纵向载荷导致的第二韧带伸长量L₂以及膝位移与第二韧带伸长量L₂的比例系数k₂之间的第二预设关系确定所述第二韧带伸长量L₂；

其中，所述第二预设关系为：

L₂＝k₂*x₂，x₂＝y_j，(y_j∈[0,8]mm)

y_j表示在胫骨连接件2的摆动过程中，因膝盖骨1的约束作用沿轴向产生的位移；

根据所述第一韧带伸长量L₁和所述第二韧带伸长量L₂确定所述后交叉韧带总伸长量，其中，不同的所述后交叉韧带总伸长量用于作为模拟人体膝关节运动特性的参考量。

本发明实施例的有益效果是：采用合理的机械结构，优化了碰撞假人膝关节与胫骨的连接方式，使胫骨在绕膝盖摆动的同时，摆动中心相对膝盖中心在矢状面内做渐开线运动，令其更加符合真实人体的运动学与力学特性。进一步的，通过调节预紧螺栓改变胫骨摆动摩擦预紧力，模拟不同年龄阶段或膝关节不同病理状态人群的韧带拉力不同的效果，并提出了改进结构后的膝位移测量方法与胫骨沿渐开线轨迹法向偏移量和轴向摆动角度的测量，使碰撞假人能够更加准确的模拟交通事故中车内乘客腿部所受到的伤害，同时为碰撞假人的开发提供了结构方案。

需要说明的是，本发明所用术语仅为了描述特定实施例，而非限制本申请范围。如本发明说明书和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法或者设备中还存在另外的相同要素。

还需说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案。

Claims (13)

1.一种仿生膝关节装置，其特征在于，包括：

用于模拟胫骨沿矢状面平动以及测量胫骨沿矢状面平动位移量的膝位移装置总成、用于模拟胫骨沿股骨髁面的变曲率、变圆心的摆动运动以及测量所述摆动运动轨迹的胫骨连接装置总成和用于约束胫骨运动范围的膝盖本体；

其中，所述膝位移装置总成包括膝位移滑动系统和膝位移测量系统，所述膝位移滑动系统用于模拟胫骨与股骨髁沿矢状面的滑移，所述膝位移测量系统用于记录胫骨与股骨髁沿矢状面的滑移量；

所述胫骨连接装置总成包括胫骨轴向位移约束系统和胫骨轴向位移测量系统，所述胫骨轴向位移约束系统用于约束胫骨在胫骨轴向的运动，所述胫骨轴向位移测量系统用于记录胫骨的轴向位移变化量，以及根据所述变化量推算胫骨沿骨髁面摆动角度的变化量。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述膝位移滑动系统，包括：第一滑动子系统和第二滑动子系统；

其中，所述第一滑动子系统位于所述膝盖本体的膝盖骨(1)的第一侧，所述第二滑动子系统位于所述膝盖本体的膝盖骨(1)的第二侧；

所述第一滑动子系统包括：第一固定滑块(5)、第一橡胶块(7a)和第一移动滑块(8a)，所述第二滑动子系统包括：第二固定滑块(16)、第二橡胶块(7b)和第二移动滑块(8b)；

第一固定滑块(5)与第二固定滑块(16)通过螺栓连接，分别装配于膝盖骨(1)的两侧；第一移动滑块(8a)的稳定臂与第一固定滑块(5)的第一滑轨组成第一移动副，所述第一移动副用于使第一移动滑块(8a)与第一固定滑块(5)沿所述第一滑轨的轴线方向能产生相对位移，且沿所述第一滑轨的法线方向不能产生相对位移；第二移动滑块(8b)的稳定臂与第二固定滑块(16)的第二滑轨组成第二移动副，所述第二移动副用于使第二移动滑块(8b)与第二固定滑块(16)沿所述第二滑轨的轴线方向能产生相对位移，且沿所述第二滑轨的法线方向不能产生相对位移。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，第一橡胶块(7a)置于第一移动滑块(8a)与第一固定滑块(5)之间的空隙处，并通过硫化工艺将第一橡胶块(7a)、第一移动滑块(8a)以及第一固定滑块(5)粘接为一整体，当沿所述第一滑轨的轴向方向存在大于阈值的冲击力时，第一移动滑块(8a)与第一固定滑块(5)之间产生相对位移，且第一移动滑块(8a)与第一固定滑块(5)在预设时长内复原；

第二橡胶块(7b)置于第二移动滑块(8b)与第二固定滑块(16)之间的空隙处，并通过硫化工艺将第二橡胶块(7b)、第二移动滑块(8b)以及第二固定滑块(16)粘接为一整体，当沿所述第二滑轨的轴向方向存在大于阈值的冲击力时，第二移动滑块(8b)与第二固定滑块(16)之间产生相对位移，且第二移动滑块(8b)与第二固定滑块(16)在预设时长内复原。

4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，第一固定滑块(5)、第一橡胶块(7a)以及第一移动滑块(8a)的装配位置分别为各自的中心孔，且第一固定滑块(5)、第一橡胶块(7a)、第一移动滑块(8a)以及膝盖骨(1)的中心孔同心。

5.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述膝位移测量系统包括：膝位移传感器支架(6)和膝位移传感器(9)；

其中，膝位移传感器(9)为拉线式位移传感器，且布置于第一移动滑块(8a)的底面，膝位移传感器支架(6)通过螺栓安装于第一固定滑块(5)的前端面，膝位移传感器支架(6)包括拉线阻拦孔，且所述拉线阻拦孔与膝位移传感器(9)的孔同轴，以使膝位移传感器(9)的拉线穿过膝位移传感器支架(6)的阻拦孔，膝位移传感器(9)用于记录第一固定滑块(5)与第二固定滑块(16)的相对位移变化量，以模拟车内乘客的胫骨与股骨髁沿矢状面的滑移。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，膝位移传感器(9)在工作过程中与所述胫骨连接装置总成保持相对滑动，且位移测量方向始终与胫骨连接装置总成垂直，以实现与胫骨轴向位移相互独立的膝位移测量。

7.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述胫骨连接装置总成包括：胫骨连接件(2)，第一引导臂(3a)，第二引导臂(3b)，第一预紧调节螺栓(4a)，第二预紧调节螺栓(4b)，第一滑块盖板(10a)，第二滑块盖板(10b)，第一弹簧座(11a)，第二弹簧座(11b)，第一支撑轴销(12a)，第二支撑轴销(12b)，第一胫骨位移传感器支架(13a)，第二胫骨位移传感器支架(13b)，胫骨位移传感器(14)，第一胫骨弹簧(15a)以及第二胫骨弹簧(15b)；

其中，第一滑块盖板(10a)通过内侧面中央的凸台和螺栓定位并连接于第二移动滑块(8b)，胫骨连接件(2)的内侧贴合于第一滑块盖板(10a)，组成胫骨轴向位移约束系统；

第一引导臂(3a)通过第一预紧调节螺栓(4a)安装于胫骨连接件(2)的顶部，第一支撑轴销(12a)穿过第一弹簧座(11a)使用螺纹连接于第一滑块盖板(10a)的外侧面，第一胫骨弹簧(15a)嵌于第一弹簧座(11a)上表面凹槽内并贴合于第一滑块盖板(10a)的外侧面的引导槽中，组成第一弹簧约束系统；

第一胫骨位移传感器支架(13a)通过螺栓与胫骨连接件(2)和第一引导臂(3a)连接，与第一预紧调节螺栓(4a)共同组成第一弹簧预紧调节系统；

胫骨位移传感器(14)安装于第一胫骨位移传感器支架(13a)的下端，在第一弹簧座(11a)上胫骨位移传感器(14)的拉线延长线的位置处设置有阻拦孔，共同组成胫骨轴向位移测量系统；

第二引导臂(3b)通过第二预紧调节螺栓(4b)安装于胫骨连接件(2)的顶部，第二支撑轴销(12b)穿过第二弹簧座(11b)使用螺纹连接于第二滑块盖板(10b)的外侧面，第二胫骨弹簧(15b)嵌于第二弹簧座(11b)上表面凹槽内并贴合于第二滑块盖板(10b)的外侧面的引导槽中，组成第二弹簧约束系统；

第二胫骨位移传感器支架(13b)通过螺栓与胫骨连接件(2)和第二引导臂(3b)连接，与第二预紧调节螺栓(4b)共同组成第二弹簧预紧调节系统，通过同步调整第一预紧调节螺栓(4a)与第二预紧调节螺栓(4b)的预紧力矩与进给长度，设置胫骨连接件(2)不同的摆动初始阻力。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，胫骨位移传感器(14)的拉线穿过第一弹簧座(11a)上的所述阻拦孔，胫骨位移传感器(14)在工作过程中，与胫骨连接件(2)的相对位置保持不变，以测量碰撞过程中假人小腿胫骨沿胫骨轴向的位移量。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，膝盖骨(1)为仿生膝关节装置的承载部件，在膝盖骨(1)的外侧与圆弧面相切的平面一端与碰撞假人的股骨相连接；过中心孔与第一固定滑块(5)和第二固定滑块(16)通过螺栓连接，以使所述膝位移装置总成可绕膝盖骨(1)定轴转动；

膝盖骨(1)的两侧平面上有对称布置的两条圆弧形金属轨道凸台，凸台曲面垂直于膝盖骨(1)的侧平面，且半径较小的曲面向膝盖骨(1)侧平面的投影为符合人体膝关节仿生结构的渐开线；

胫骨连接装置总成的第一引导臂(3a)的顶部圆弧面以及第二引导臂(3b)的顶部圆弧面分别与所述渐开线所在曲面相切，通过所述第一弹簧预紧调节系统和/或所述第二弹簧预紧调节系统改变两曲面间的接触压力，以模拟不同韧带拉力下的胫骨摆动阻力。

10.一种用于模仿人体后交叉韧带阻力的调节方法，其特征在于，应用于上述权利要求7-9任一项所述的仿生膝关节装置，所述调节方法包括：

通过同步调整第一预紧调节螺栓(4a)与第二预紧调节螺栓(4b)的预紧力矩，改变第一胫骨弹簧(15a)与第二胫骨弹簧(15b)的预紧量；

根据牛顿第三定律，通过改变第一胫骨弹簧(15a)与第二胫骨弹簧(15b)的预紧量，改变第一引导臂(3a)和第二引导臂(3b)与膝盖骨(1)圆弧形金属轨道凸台的接触面法向压力，以调整胫骨连接装置总成的摆动阻力矩，模拟不同后交叉韧带拉力下的小腿摆动状态；

其中，在所述仿生膝关节装置中，第一滑块盖板(10a)的外侧凹槽向第一弹簧座(11a)提供法平面约束，第二滑块盖板(10b)的外侧凹槽向第二弹簧座(11b)提供法平面约束；第一支撑轴销(12a)与第二支撑轴销(12b)为胫骨连接件(2)的摆动提供支点；第一胫骨位移传感器支架(13a)与第二胫骨位移传感器支架(13b)的内凹面与胫骨连接件(2)上侧的凹槽提供两侧胫骨弹簧的轴向与径向约束，保证胫骨弹簧的运动始终沿胫骨轴线方向。

11.根据权利要求10所述的调节方法，其特征在于，还包括：

通过改变第一胫骨弹簧(15a)的刚度，实现胫骨连接件(2)在摆动过程中第一引导臂(3a)与膝盖骨(1)金属凸台内曲面正压力的不同增量；

通过改变第二胫骨弹簧(15b)的刚度，实现胫骨连接件(2)在摆动过程中第二引导臂(3b)与膝盖骨(1)金属凸台内曲面正压力的不同增量；

通过胫骨连接件(2)在摆动过程中第一引导臂(3a)与膝盖骨(1)金属凸台内曲面正压力的不同增量，以及第二引导臂(3b)与膝盖骨(1)金属凸台内曲面正压力的不同增量，实现针对不同种类人群或不同病理条件下因膝关节后交叉韧带拉力性能不同导致的胫骨沿股骨髁不同摆动阻力的调节。

12.一种后交叉韧带伸长量的确定方法，其特征在于，应用于上述权利要求7-9任一项所述的仿生膝关节装置，所述方法包括：

根据胫骨位移传感器(14)记录的位移量x₁、后交叉韧带由于胫骨弯曲导致的第一韧带伸长量L₁以及胫骨轴向位移与第一韧带伸长量L₁的比例系数k₁之间的第一预设关系确定所述第一韧带伸长量L₁；

其中，所述第一预设关系为：

L₁＝k₁*x₁，x₁＝y_j，(y_j∈[0,8]mm)

y_j表示在胫骨连接件(2)的摆动过程中，因膝盖骨(1)的约束作用沿轴向产生的位移。

13.根据权利要求12所述的确定方法，其特征在于，还包括：

根据膝位移传感器(9)记录的位移量x₂、后交叉韧带因受到纵向载荷导致的第二韧带伸长量L₂以及膝位移与第二韧带伸长量L₂的比例系数k₂之间的第二预设关系确定所述第二韧带伸长量L₂；

其中，所述第二预设关系为：

L₂＝k₂*x₂，x₂＝y_j，(y_j∈[0,8]mm)

y_j表示在胫骨连接件(2)的摆动过程中，因膝盖骨(1)的约束作用沿轴向产生的位移；

根据所述第一韧带伸长量L₁和所述第二韧带伸长量L₂确定所述后交叉韧带总伸长量，其中，不同的所述后交叉韧带总伸长量用于作为模拟人体膝关节运动特性的参考量。

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