一种人体下肢运动模拟装置的制作方法

本发明总体来说涉及人体下肢模型技术领域，具体来说，涉及一种人体下肢运动模拟装置。

背景技术：

膝关节由于是人体最大且构造最复杂的关节，其损伤机会也较大。随着ai技术的不断发展，智能医疗也在不断的推陈出新，膝关节手术机器人已经应用到临床和远程医疗。在研发手术机器人的过程中，需要对手术步骤和人体体位进行模拟操作，故需要一种能够模拟膝关节肢体运动的模型配合膝关节手术机器人的模拟操作。

然而，现有技术中的模型仅能够实现胫骨和股骨在一定角度内转动，而不能实现胫骨和股骨的旋转和摆动，并不能高度还原真实人体膝关节肢体的运动方式，造成膝关节力线以及股骨头中心位置确定的准确性不高，严重制约了手术机器人的研发。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现要素：

本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种人体下肢运动模拟装置，以能够配合手术机器人完成膝关节力线以及股骨头中心位置确定的操作。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供了一种人体下肢运动模拟装置，包括骨盆模型、股骨模型、胫骨模型、底座、第一座、第一固定件、连动组件、第二座以及第二固定件。所述底座具有一平表面，所述平表面设有导轨，所述骨盆模型设于所述底座上，使所述骨盆模型与人体仰卧位相同；第一座与所述导轨构成移动副；第一固定件用以固定支撑所述股骨模型；连动组件分别与所述第一座和所述第一固定件构成球面副；第二座与所述导轨构成移动副；第二固定件用以固定支撑所述胫骨模型，并与所述第二座构成球面副。

根据本发明的一实施方式，所述第一座能够锁紧于所述导轨的路径上；所述第二座能够锁紧于所述导轨的路径上。

根据本发明的一实施方式，所述导轨包括突出于所述平表面的凸条，所述凸条的横截面呈燕尾形；所述第一座包括与所述凸条配合的凹槽，所述凹槽的横截面呈燕尾形；

当所述第一座沿所述导轨移动时，所述第一座借助所述凸条和所述凹槽配合不会脱离所述底座。

根据本发明的一实施方式，所述第一座包括第一球体，所述连动组件与所述第一球体构成球面副。

根据本发明的一实施方式，所述第一固定件包括第一半夹、第二半夹及锁紧件。第二半夹与所述第一半夹相对设置，并形成一夹持空间；锁紧件分别螺接于所述第一半夹和第二半夹，通过旋转所述锁紧件以控制所述第一半夹和所述第二半夹之间的距离。

根据本发明的一实施方式，所述第一半夹设有第二球体，所述连动组件与所述第二球体构成球面副。

根据本发明的一实施方式，所述连动组件包括第一夹板、第二夹板、第一销轴及旋紧帽。第二夹板与所述第一夹板相对设置；所述第一夹板的朝向所述第二夹板的一侧的边缘设有第一弧形凹陷和第二弧形凹陷；所述第二夹板的朝向所述第一夹板的一侧设有与所述第一弧形凹陷对应的第三弧形凹陷，以及与所述第二弧形凹陷对应的第四弧形凹陷；所述第一弧形凹陷和所述第三弧形凹陷能够包覆球体以构成球面副，所述第二弧形凹陷和所述第四弧形凹陷能够包覆球体以构成球面副；第一销轴设于所述第一夹板和所述第二夹板之间，所述第一销轴的一端固定连接于所述第二夹板，所述第一销轴的另一端部穿出所述第一夹板的孔并与所述第一夹板可滑动连接，所述第一销轴的另一端部具有外螺纹；旋紧帽具有内螺纹，与所述第一销轴的另一端部的外螺纹配合，通过旋转所述旋紧帽以使所述旋紧帽抵推所述第一夹板向所述第二夹板靠近。

在另一实施方式中，第一夹板和第二夹板的夹紧方式还可以为：所述第一销轴的一端与所述第二夹板螺纹连接，所述第一销轴的另一端部穿出所述第一夹板的孔并与所述第一夹板可滑动连接，旋紧帽与所述第一销轴的另一端部固定连接，通过旋转所述旋紧帽以使所述旋紧帽抵推所述第一夹板向所述第二夹板靠近。

根据本发明的一实施方式，所述第二座包括第一半夹座、第二半夹座、第二销轴及锁紧帽。第二半夹座与所述第一半夹座相对设置；所述第一半夹座的朝向所述第二半夹座一侧设有第一凹部，所述第二半夹座的朝向所述第一半夹座的一侧设有与所述第一凹部对应的第二凹部，所述第一凹部和所述第二凹部能够包覆球体以构成球面副；第二销轴设于所述第一半夹座和所述第二半夹座之间，所述第二销轴的一端固定连接于所述第二半夹座，所述第二销轴的另一端部穿出所述第一半夹座的孔并与所述第一半夹座可滑动连接，所述第二销轴的另一端部具有外螺纹；锁紧帽具有内螺纹，与所述第二销轴的另一端部的外螺纹配合，通过旋转所述锁紧帽以使所述锁紧帽抵推所述第一半夹座向所述第二半夹座靠近。

在另一实施方式中，第一半夹座和第二半夹座的夹紧方式还可以为：所述第二销轴的一端与所述第二半夹座螺纹连接，所述第二销轴的另一端部穿出所述第一半夹座的孔并与所述第一半夹座可滑动连接，锁紧帽与所述第二销轴的另一端固定连接，通过旋转所述锁紧帽以使所述锁紧帽抵推所述第一半夹座向所述第二半夹座靠近。

根据本发明的一实施方式，所述第一半夹座的与所述导轨配合的表面开有一第一半燕尾凹槽，所述第二半夹座的与所述导轨配合的表面开有一第二半燕尾凹槽，所述第一半燕尾凹槽和所述第二半燕尾凹槽形成一完整燕尾凹槽，所述完整燕尾凹槽能够与所述导轨配合构成移动副。

根据本发明的一实施方式，所述第二固定件包括一杆件，所述杆件的一端设有第三球体，所述杆件的另一端的外表面设有外螺纹。

根据本发明的一实施方式，所述底座的平表面上设有支撑座，用于支撑所述骨盆模型。

由上述技术方案可知，本发明的人体下肢运动模拟装置的优点和积极效果在于：

通过上述的移动副及多个球面副的配合，在摆动股骨模型和屈伸胫骨模型时，股骨模型和胫骨模型之间不仅能够以一定角度固定，股骨模型还能够实现旋转和摆动，高度还原了真实人体膝关节的肢体运动方式，配合膝关节手术机器人模拟操作时，能够准确地确定膝关节力线以及股骨头中心位置，为膝关节手术的临床应用和相关产品的开发提供了有力支撑。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。

图1是根据一示例性实施方式示出的一种人体下肢运动模拟装置的立体图。

图2是图1的俯视图。

图3是根据一示例性实施方式示出的底座的立体图。

图4是根据一示例性实施方式示出的第一座的立体图。

图5是根据一示例性实施方式示出的第一固定件的立体图。

图6是根据一示例性实施方式示出的第二座和第二固定件的装配立体图。

图7是根据一示例性实施方式示出的连动组件的立体图。

图8是根据一示例性实施方式示出的第一固定件、连动组件和第一座的装配立体图。

图9是根据一示例性实施方式示出的设有参考架的人体下肢运动模拟装置的立体图。

图10是根据一示例性实施方式示出的第二座的剖视图。

其中，附图标记说明如下：

1、骨盆模型

2、股骨模型

3、胫骨模型

10、底座

110、平表面

120、导轨

131、第一支撑座

132、第二支撑座

20、第一座

210、凹槽

220、第一球体

230、螺纹孔

30、第一固定件

310、第一半夹

320、第二半夹

330、锁紧件

340、第二球体

350、夹持空间

40、连动组件

410、第一夹板

411、第一弧形凹陷

412、第二弧形凹陷

420、第二夹板

421、第三弧形凹陷

422、第四弧形凹陷

430、旋紧帽

431、第一销轴

440、第一弹性件

441、导向轴

50、第二座

510、第一半夹座

511、第一半燕尾凹槽

512、第一凹部

520、第二半夹座

521、第二半燕尾凹槽

522、第二凹部

530、锁紧帽

531、第二销轴

532、第二弹性件

60、第二固定件

610、第三球体

620、外螺纹

710、第一参考架

720、第二参考架

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”、“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。其他相对性的用语，例如“顶”、“底”等也作具有类似含义。用语“一个”、“一”、“该”和“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。

本发明提供一种人体下肢运动模拟装置，包括骨盆模型、股骨模型和胫骨模型，还包括底座、第一座、第一固定件、连动组件、第二座和第二固定件。底座具有一平表面，平表面设有导轨，骨盆模型设于底座上，使骨盆模型与人体仰卧位相同；第一座与导轨构成移动副；第一固定件用以固定支撑股骨模型；连动组件分别与第一座和第一固定件构成球面副；第二座与导轨构成移动副；第二固定件用以固定支撑胫骨模型，并与第二座构成球面副。

通过上述的移动副及多个球面副的配合，在摆动股骨模型和屈伸胫骨模型时，股骨模型和胫骨模型之间不仅能够以一定角度固定，股骨模型还能够实现旋转和摆动，高度还原了真实人体膝关节的肢体运动方式，配合膝关节手术机器人模拟操作时，能够准确地确定膝关节力线以及股骨头中心位置，为膝关节手术的临床应用和相关产品的开发提供了有力支撑。

下面结合附图，以具体实施方式对本发明提供的人体下肢运动模拟装置的各主要组成部分的结构、连接方式以及功能关系进行详细说明。

其中，图1是根据一示例性实施方式示出的一种人体下肢运动模拟装置的立体图。图2是图1的俯视图。图3是根据一示例性实施方式示出的底座的立体图。图4是根据一示例性实施方式示出的第一座的立体图。图5是根据一示例性实施方式示出的第一固定件的立体图。图6是根据一示例性实施方式示出的第二座和第二固定件的装配立体图。图7是根据一示例性实施方式示出的连动组件的立体图。图8是根据一示例性实施方式示出的第一固定件、连动组件和第一座的装配立体图。图9是根据一示例性实施方式示出的设有参考架的人体下肢运动模拟装置的立体图。图10是根据一示例性实施方式示出的第二座的剖视图。

如图1和图2所示，本发明的一实施方式提供一种人体下肢运动模拟装置，包括骨盆模型1、股骨模型2和胫骨模型3。股骨模型2和骨盆模型1例如可以利用弹性材料通过股骨头模型和髋臼模型连接，以在股骨模型2和骨盆模型1之间形成球面副，使得股骨模型2能够以该球面副为中心作屈曲-伸展、外展-内收以及内旋-外旋运动，从而能够模拟出真实人体股骨和骨盆之间的肢体运动。

胫骨模型3可以利用弹性材料通过胫骨平台模型和股骨髁模型弹性连接于股骨模型2，以使胫骨模型3和股骨模型2能够作屈膝和伸展运动，从而能够模拟出真实人体胫骨和股骨之间的肢体运动。

本发明实施方式提供的人体下肢运动模拟装置还包括底座10、第一座20、第一固定件30、连动组件40、第二座50和第二固定件60。

如图3所示，在本实施方式中，底座10具有一平表面110，平表面110设有两条导轨120，在胫骨模型3和股骨模型2之间进行屈膝和伸展等肢体运动时，导轨120用于导引胫骨模型3和股骨模型2的运动。

在该实施例中，其中一条导轨120可以用以导引人体的左膝关节肢体，其中另一条导轨120用以导引人体的右膝关节肢体。

当然，在其他实施方式中，底座10的上也可以仅设有一条导轨120。

在一示例性实施方式中，导轨120包括突出于底座10的平表面110的凸条，凸条的横截面呈燕尾形，燕尾形凸条呈倒置，即凸条的宽边在窄边之上，以使与该凸条配合的第一座20仅能沿导轨120移动而不会脱离导轨120。

另外，凸条与底座10可以是一体成型的，例如通过铣削加工，也可以是分体构造的，例如通过螺栓将凸条固定于底座10的平表面110上。

当然，在另一实施方式中，导轨120也可以下凹于底座10的平表面110，相应地，第一座20设于与该导轨120配合的凸条；再一实施方式中，导轨120的横截面也可以采用其他形状，例如工字型等，此处不再详细说明。

请继续参阅图2，在本实施方式中，底座10上还设有两个支撑座，即第一支撑座131和第二支撑座132，第一支撑座131和第二支撑座132具有高度差，以使骨盆模型1设于底座10的两个支撑座上时，骨盆模型1的位置与人体在仰卧位时的骨盆位置相同。

另外，第一支撑座131和第二支撑座132可以采用木质材料制成，骨盆模型1可以通过木螺钉固定于第一支撑座131和第二支撑座132。

如图2和图4所示，在本实施方式中，第一座20与导轨120构成移动副。具体来说，第一座20的与导轨120配合的一表面设有凹槽210，该凹槽210的横截面呈燕尾形。当第一座20沿导轨120移动时，借助凸条和凹槽210的配合，第一座20仅能够沿导轨120移动而不会脱离底座10。

如图4所示，在本实施方式中，第一座20具有第一球体220，连动组件40通过全部或部分包覆该球体的方式，与第一座20构成球面副连接，以使连动组件40能够以该第一球体220为中心做屈曲-伸展、外展-内收及内旋-外旋运动。

第一座20还设有贯通的螺纹孔230，当操作人员摆动胫骨模型3和股骨模型2至既定位置后，第一座20的位置也相对固定，此时用一螺栓穿过该螺纹孔230以将第一座20固定在导轨120上，防止第一座20再次移动。

当然，在其他实施方式中，也可以采用其他方式将第一座20固定，此处不再一一列举。

如图5所示，在本实施方式中，第一固定件30包括第一半夹310、第二半夹320、锁紧件330。第二半夹320与第一半夹310相对设置并形成一夹持空间350，该夹持空间350用以夹持股骨模型2。锁紧件330分别螺接于第一半夹310和第二半夹320，通过旋转锁紧件330以控制第一半夹310和第二半夹320之间的距离。当第一半夹310和第二半夹320之间的距离足够近时，第一固定件30夹持股骨模型2；当第一半夹310和第二半夹320之间的距离逐渐变大时，股骨模型2从第一固定件30脱离。

请继续参阅图5，第一固定件30包括一第二球体340，例如第二球体340设于第一半夹310的一侧表面，连动组件40通过全部或部分包覆该球体的方式，与第一固定件30构成球面副连接，以使连动组件40能够以该第二球体340为中心做屈曲-伸展、外展-内收及内旋-外旋运动。

如图6和图10所示，在本实施方式中，第二座50包括第一半夹座510、第二半夹座520、第二销轴531、第二弹性件532和锁紧帽530。第二半夹座520与第一半夹座510相对设置。第二销轴531设于第一半夹座510和第二半夹座520之间，第二销轴531的一端固定连接于第二半夹座520，第二销轴531的另一端部穿出第一半夹座510的孔并与第一半夹座510可滑动连接，第二销轴531的另一端部具有外螺纹。锁紧帽530具有内螺纹，并能够与第二销轴531的另一端部的外螺纹配合。通过旋转锁紧帽530以使锁紧帽530抵推第一半夹座510向第二半夹座520靠近。

在一实施方式中，第二销轴531可以为阶梯轴，其与第一半夹座510滑动连接的部分的截面尺寸大于与第二半夹座520固定连接的部分的截面尺寸。

第二弹性件532，例如为一压簧，套设于第二销轴531的外周，并且第二弹性件532的两端分别抵顶于第一半夹座510和第二半夹座520，以使第一半夹座510和第二半夹座520之间具有一弹性力。

当然，在其他实施方式中，还可以采用其他方式控制第一半夹座510和第二半夹座520之间的距离，例如，第二销轴531的一端与第二半夹座520螺纹连接，第二销轴531的另一端部穿出第一半夹座510的孔并与第一半夹座510可滑动连接，锁紧帽530与第二销轴531的另一端固定连接，通过旋转锁紧帽530以使锁紧帽530抵推第一半夹座510向第二半夹座520靠近。

第一半夹座510的与导轨120配合的表面开有一第一半燕尾凹槽511，第二半夹座520的与导轨120配合的表面开有一第二半燕尾凹槽521，第一半燕尾凹槽511和第二半燕尾凹槽521形成一完整燕尾凹槽，该完整燕尾凹槽能够与导轨120配合构成移动副。

另外，通过调整第一半夹座510和第二半夹座520之间距离，能够使第二座50夹持于导轨120上，从而将第二座50固定。

请继续参阅图6，第一半夹座510的朝向第二半夹座520一侧设有第一凹部512，第二半夹座520的朝向第一半夹座510的一侧设有与第一凹部512对应的第二凹部522，第一凹部512和第二凹部522能够包覆一球体以构成球面副，以使第二固定件60能够以该球面副为中心做屈曲-伸展、外展-内收及内旋-外旋运动。

如图6所示，在本实施方式中，第二固定件60包括一杆件，杆件的一端设有第三球体610，杆件的另一端的外表面设有外螺纹620。第三球体610被包覆在第二固定件60的第一凹部512和第二凹部522内以形成球面副。杆件的另一端通过外螺纹620连接于胫骨模型3的远离股骨模型2的一端。

如图7所示，在本实施方式中，连动组件40包括第一夹板410、第二夹板420、第一销轴431和旋紧帽430。第二夹板420与第一夹板410相对设置，第一销轴431设于第一夹板410和第二夹板420之间，第一销轴431的一端固定连接于第二夹板420，第一销轴431的另一端部穿出第一夹板410的孔并与第一夹板410可滑动连接，第一销轴431的另一端部具有外螺纹。旋紧帽430具有内螺纹，并与第一销轴431的另一端部的外螺纹配合，通过旋转旋紧帽430以使旋紧帽430抵推第一夹板410向第二夹板420靠近。

第一夹板410的朝向第二夹板420的一侧的两端边缘分别设有第一弧形凹陷411和第二弧形凹陷412；第二夹板420的朝向第一夹板410的一侧设有与第一弧形凹陷411对应的第三弧形凹陷421，以及与第二弧形凹陷412对应的第四弧形凹陷422。第一弧形凹陷411和第三弧形凹陷421能够包覆球体以构成球面副，第二弧形凹陷412和第四弧形凹陷422能够包覆球体以构成球面副。

第一夹板410和第二夹板420之间还设有第一弹性件440，第一弹性件440的两端分别抵顶于第一夹板410和第二夹板420，以提供一弹性力，所述弹性力分别作用于所述第一夹板410和所述第二夹板420，第一弹性件440例如为压簧，以使第一夹板410始终具有远离第二夹板420的趋势。

在一些实施方式中，第一弹性件440可以套设于导向轴441的外周，该导向轴441设于第一夹板410和第二夹板420之间，且导向轴441的一端固定连接于第二夹板420，导向轴441的另一端部穿出第一夹板410并与第一夹板410可滑动配合。

进一步地，包括两个导向轴441和两个第一弹性件440，两个第一弹性件440分别套设于两个导向轴441的外部，且两个导向轴441分别位于第一销轴431的两侧，以使施加在第一夹板410和第二夹板420之间的弹性力保持均衡。

当然，在其他实施方式中，也可以采用其他方式控制第一夹板410和第二夹板420相互夹紧或松开，例如，第一销轴431的一端与第二夹板420螺纹连接，第一销轴431的另一端部穿出第一夹板410的孔并与第一夹板410可滑动连接，旋紧帽430与第一销轴431的另一端部固定连接，通过旋转旋紧帽430以使旋紧帽430抵推第一夹板410向第二夹板420靠近。

如图8所示，第一夹板410和第二夹板420相对设置，第一夹板410和第二夹板420的一端通过第一弧形凹陷411和第三弧形凹陷421包覆第二固定件60的球体以形成球面副，第一夹板410和第二夹板420的另一端通过第二弧形凹陷412和第四弧形凹陷422包覆第一座20的球体以形成球面副。

本发明的模型在使用时，借助第一座20与导轨120之间的移动副、连动组件40分别与第一座20和第一固定件30之间的球面副以及股骨模型2与骨盆模型1之间的球面副，股骨模型2能够模拟人体大腿实现旋转和摆动，保证与底座10之间成角运动；借助第二座50与导轨120之间的移动副和第二座50和第二固定件60之间的球面副，胫骨模型3能够模拟人体胫骨实现屈膝和伸展。

本发明提供的人体下肢运动模拟装置可与ndi设备配合使用，以模拟手术中计算股骨头中心位置和膝关节力线的操作步骤。

具体来说，分别在股骨模型2上设有第一参考架710，以及在胫骨模型3上设有第二参考架720，第一参考架710和第二参考架720的外形不同且均带有球型反射点。第一参考架710、第二参考架720以及ndi设备构成监视和测量系统，通过摆动屈伸股骨模型2和胫骨模型3，以使ndi设备能够计算出股骨头中心位置和膝关节力线。本发明提供的模型能够高度还原真实人体的膝关节肢体运动，所获得的模拟参数更加贴近真实人体，为膝关节手术的临床应用和相关产品的开发提供了有力支撑。

另外，应当理解的是，所述领域的技术人员可根据设计需要将盆骨模型、股骨模型2和胫骨模型3分别替换为其他物体，其他物体在上述公开的底座10、第一固定件30、第二固定件60、第一座20和第二座50共同限制下所作出的相对运动，而对上述的具体实施方式作出的多种改型、添加、替代、删除或其他变化，仍在本发明的保护范围内。

综上所述，本发明提供的一种人体下肢运动模拟装置的优点和有益效果在于：

通过上述的移动副及多个球面副的配合，在摆动股骨模型2和屈伸胫骨模型3时，股骨模型2和胫骨模型3之间不仅能够以一定角度固定，股骨模型2还能够实现旋转和摆动，高度还原了真实人体膝关节的肢体运动方式，配合膝关节手术机器人模拟操作时，能够准确地确定膝关节力线以及股骨头中心位置，为膝关节手术的临床应用和相关产品的开发提供了有力支撑。

在此应注意，附图中示出而且在本说明书中描述的人体下肢运动模拟装置仅仅是采用本发明的原理的一个示例。本领域的普通技术人员应当清楚地理解，本发明的原理并非仅限于附图中示出或说明书中描述的装置的任何细节或任何部件。

应可理解的是，本发明不将其应用限制到本说明书提出的部件的详细结构和布置方式。本发明能够具有其他实施方式，并且能够以多种方式实现并且执行。前述变形形式和修改形式落在本发明的范围内。应可理解的是，本说明书公开和限定的本发明延伸到文中和/或附图中提到或明显的两个或两个以上单独特征的所有可替代组合。所有这些不同的组合构成本发明的多个可替代方面。本说明书所述的实施方式说明了已知用于实现本发明的最佳方式，并且将使本领域技术人员能够利用本发明。