专利名称：一种动态肘关节假体及动态上肢假体的制作方法
技术领域：
本发明属于仿生结构设计领域。可以用于机器人、航空弹射或汽车安全碰撞假人的上肢结构设计，也可用作为设计上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仿真肘关节结构及动态仿真假人的上肢结构。
发明内容
标准动态假人代替飞行员进行弹射实验，所以从仿真飞行员的角度需要满足肢体运动学参数和几何参数的要求。并且考虑到弹射实验的力学环境，要求假人结构满足一定的载荷条件。所以假人上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)强度校核。肘关节是上肢比较重要的关节，在设计肘关节时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动态仿真肘关节假体。在此基础上，设计一种动态仿真假人的上肢结构。为了实现上述功能，本发明一方面提供一种动态肘关节假体，包括主体结构、上臂和前臂，所述主体结构为一 U型构件，分别与上臂下端接头和前臂上端接头相连，实现上臂的扭转自由度和前臂相对于上臂的一个上下摆动自由度；上臂下端接头通过轴套与U型构件底板上的孔构成转动副，前臂上端接头通过轴套与U型构件侧板上的孔连接构成转动副；所述U型构件侧板的内侧设有硬凸台进行限位，在所述硬凸台(15)外侧粘接有软挡块以缓冲振动。特别地，所述软挡块为高分子材料，所述硬凸台包括凹槽结构，防止软挡块在压缩过程中产生翘曲。作为关节阻尼设计为可以调节，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，借助垫片调节关节阻尼。为关节假体进行角位移实时测量，优选地，所述肘关节假体包括传感器安装支架，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，所述安装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。根据本发明第二方面，提供一种包括前述动态肘关节假体的，其中，肩关节实现前后摆动和内外摆动，上臂实现一个内外扭转自由度，肘关节实现一个上下摆动自由度，前臂实现一个内外扭转自由度，腕关节实现一个上下摆动自由度。特别地，骨骼尺寸依据中华人民共和国国家军用标准GJB4856-2003来确定。根据以上两个方面，本发明能够提供一种动态肘关节假体和动态仿真假人的上肢接头，实现六个自由度一定范围内的运动，而且能保持一定的关节阻尼，维持关节的稳定性，并能对角位移进行实时测量。
附图I :上肢总体结构；
附图2 (a) - (C):肘关节结构两个方向截面视图及运动范围示意图；附图3 :上肢纵向设计尺寸确定方法；附图4 (a) - (b):上臂和前臂的组装结构；附图5 (a) - (b):肩关节角位移传感器两种安装方式示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。标准动态假人代替飞行员进行弹射实验，所以从仿真飞行员的角度需要满足肢体运动学参数和几何参数的要求。并且考虑到弹射实验的力学环境，要求假人结构满足一定的载荷条件。所以假人上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)强度校核。为了实现上述功能，本发明采用的技术方案是如图I所示，本发明为一种假人上肢，也可以用于汽车安全碰撞假人和其他机器人等。上肢总体结构主要包括躯干I、肩关节2、上臂3、肘关节4、前臂5、腕关节6和手7。附图I为本发明处于上肢水平伸直的静态结构，主要体现出对上肢几何尺寸的要求。上肢的运动通过各关节实现，其中肩关节2实现两个自由度，前后摆动和内外摆动；上臂3实现一个内外扭转自由度，肘关节4实现一个上下摆动自由度，前臂5实现一个内外扭转自由度，腕关节6实现一个上下摆动自由度，共计6个运动自由度。肩关节2的两个自由度分解为两个轴线交叉的单轴自由度，所以6个自由度都为单轴转动。几何尺寸通过设计上臂3和前臂5的结构来实现，分别为肩关节2和肘关节4、肘关节4和腕关节6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，如图3所示。其中，标准中直接提供的尺寸包括B2. 89为全臂长，B2. 90为上臂长，B2. 91为前臂长，B2. 92为腋窝桡骨茎突长。考虑到人体关节解剖结构和假人关节的单轴特点，上臂设计长度为上臂长测量值B2. 90减去全臂长B2. 89和腋窝桡骨茎突长B2. 92差值的一半，而前臂设计长等于前臂长测量值B2. 91。下面详细描述关节的连接方式，以及关节运动的实现方式。以肘关节为例，参见附图2，肘关节4连接上臂3和前臂5，包括上臂3的扭转自由度和肘关节4的摆动自由度。肘关节4的主体部分是一个U型构件9，分别与上臂下端接头13和前臂上端接头12相连，实现上臂3的扭转自由度和前臂5相对于上臂3的一个上下摆动自由度。上臂下端接头13通过耐磨的铅青铜轴套14与构件9底板上的孔构成转动副，并利用圆螺母21进行轴向锁紧。如图2的B-B视图所示，该自由度的运动范围由U型构件9底板上的硬凸台(99)进行限位，为了缓冲振动，在凸台外侧粘接了高分子材料制成的软挡块22，模拟人体关节阻尼。在硬凸台(99)上设有凹槽结构，防止软挡块(22)在压缩过程中产生翘曲。肘关节4的摆动自由度是通过销轴11通过轴套17与U型构件9侧板上的孔构成转动副。销轴11 一端连接角位移传感器安装支架16，另外一端通过锁紧螺母20进行轴向锁紧，调节摩擦力的大小。可以通过垫片18和19调节关节阻尼。前臂上端接头12和销轴11通过锥销10固连。该自由度的运动范围也采用同样的限位方式。硬凸台15通过螺钉8固定在构件9的侧板上。软挡块23粘接在硬凸台的内侧用于缓冲冲击。
为了便于加工，上臂3和前臂5都采用多个零件组装或焊接的方式，如图4所示，(a)为上臂结构，(b)为上臂结构。考虑到上臂结构的加工、装配和重量分布等，上臂3结构由三大部分组成上臂上端接头24、上臂管26和上臂下端接头13。上臂管26和其他两个构件24和13两端通过两个相互垂直的圆柱销25连接。上臂管可以采用型材，减少加工量。同样设计思路，前臂5也采用组装结构。有所不同的是，前臂上需要安装拉力传感器29。所以除了前臂上端接头12、前臂管27外，包括了传感器上接头28、套管30和前臂下端接头32。在上肢结构设计中需要考虑到两种传感器的安装。一是拉力传感器。为了测量在弹射过程中上肢所承受的拉力，需要在前臂上安装一个拉力传感器。拉力传感器29主体为圆柱体，两端通过螺纹与前臂结构28和32连接，侧面有接线柱。在设计时，主要保证前臂上的拉力完全通过拉力传感器传递，并且要防止传感器两端螺纹松动，所以采用图4所示的安装结构。在传感器与前臂两端结构通过螺纹装配完成后，在外面加装一个套管30。套管外壁设有一个开口槽，用于通过接线柱。另外，套管两端设有椭圆长孔，通过螺纹销31与前臂结构28、32联接。椭圆长孔不影响套管沿前臂轴向移动，但是可以防止前臂上下部分，即传感器两端相对转动，从而达到螺纹防松目的。另一个传感器是角位移传感器37，主要用于测量上肢运动过程中各关节的运动角度。上臂扭转自由度和肩关节前后摆动自由度的传感器安装方式相同，肘关节自由度和肩关节上下摆动自由度的传感器安装方式相同。图5以肩关节为例，给出了两种安装方式。由于传感器结构尺寸限制，要求两个Ml. 6的安装孔间距不大于14mm，直接安装在肩关节U型构件33上不符合要求。所以对于肩前后摆关节和肩上下摆关节，设计了传感器安装支架34和35，并通过螺钉36固定于U型构件33。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U型构件限位块39方向。对于肩前后摆关节，是通过调整传感器在安装支架34上的位置来实现这个目标，而对于肩上下摆关节，则是通过调整整个安装支架35相对于U型构件33的位置来实现。肩前后摆关节传感器安装在U型构件33内部，肩上下摆关节传感器安装在U型构件33侧板外面，所以外加防护罩38。安装时，安装支架33、34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。上述传感器的安装方式也适用于肘关节等其他关节。本发明采用了通过合理的总体布局和结构设计，实现了假人上肢的运动要求和几何要求。可以用于其他拟人机器人和汽车安全碰撞假人等的设计。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。
权利要求
1.一种动态肘关节假体，包括主体结构、上臂(3)和前臂(5)，其特征在于所述主体结构为一 U型构件(9)，分别与上臂(3)下端接头(13)和前臂(5)上端接头(12)相连，实现上臂(3)的扭转自由度和前臂(5)相对于上臂(3)的一个上下摆动自由度； 上臂(3)下端接头(13)通过轴套(14)与U型构件(9)底板上的孔构成转动副，前臂(5)上端接头(12)通过轴套(17)与U型构件(9)侧板上的孔连接构成转动副； 所述U型构件(9)侧板的内侧设有硬凸台(15)进行限位，在所述硬凸台(15)外侧粘接有软挡块(22)以缓冲振动。
2.根据权利要求I所述的动态肘关节假体，其特征在于，所述软挡块(22)为高分子材料，所述硬凸台(15)包括凹槽结构，防止软挡块(22)在压缩过程中产生翘曲。
3.根据权利要求I所述的动态肘关节假体，其特征在于关节阻尼可以调节，例如通过锁紧螺母(20)调节摩擦力的大小，进而调节所述关节阻尼的大小，借助垫片(18、19)调节关节阻尼。
4.根据权利要求I或3所述的动态肘关节假体，其特征在于，所述肘关节假体包括传感器安装支架(33、34)，角位移传感器(37)通过所述安装支架(33、34)安装在所述关节假体上，实现关节运动角度的实时测量，所述安装支架(33、34)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。
5.根据权利要求6所述的动态肘关节假体，其特征在于，所述传感器(37)外加防护罩(38)。
6.一种动态上肢假体，其特征在于，包括前述权利要求任一项的动态肘关节假体，其中，肩关节实现前后摆动和内外摆动，上臂(3)实现一个内外扭转自由度，肘关节(4)实现一个上下摆动自由度，前臂(5 )实现一个内外扭转自由度，腕关节(6 )实现一个上下摆动自由度。
7.根据权利要求6所述的动态上肢假体，骨骼尺寸依据中华人民共和国国家军用标准GJB4856-2003 来确定。
全文摘要
本发明公开了一种动态肘关节假体，及一种包含动态肘关节假体的动态上肢假体，包括主体结构、上臂(3)和前臂(5)，所述主体结构为一U型构件(9)，上臂(3)和前臂(5)分别与U型构件(9)的底板或侧板活动连接构成转动副；所述U型构件(9)侧板的内侧设有硬凸台(15)进行限位，在所述硬凸台(15)外侧粘接有软挡块(22)以缓冲振动。并通过传感器支架(33、34)安装角位移传感器(2)，实现对关节角位移的实时测量。本发明所公开的动态上肢假体，可实现六个自由度的运动，关节阻尼可调节，并能维持肢体姿态，运动角度可实时测量。
文档编号F16M11/12GK102758995SQ20121026064
公开日2012年10月31日 申请日期2012年7月25日 优先权日2012年7月25日
发明者柳松杨, 王颉, 贾晓红 申请人:中国人民解放军空军航空医学研究所