[发明专利]一种动态髋关节假体

说明书

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型构件，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型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，并通过粘接与所述硬凸台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型构件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型构件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型构件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。