专利名称：关节运动测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于人体运动科学和康复医学领域，是一种可测量人体运动中关节的屈伸角、内收外展角、内旋外旋角以及关节下臂相对于上臂的内外、前后和上下位移等六自由度运动情况的装置。
关于人体关节运动六自由度的测量装置，哈瓦得等人1989年曾在《美国运动医学》杂志，17卷，第三期上，于一篇题为“前交叉韧带损伤三维运动分析”(Howardetol“AnteriorCru－ciateLigamentInsufficiencyADynamicThree－DimensionalMotionAnalysis”TheAmericanJ·ofsportsMedicine，Vol·17，No·3，1989)的文章中公开了一种。该装置虽可以测量人体关节运动时产生的六个运动量，但由于机构设计上尚有缺陷，故使其实用性和测量精度都受影响。如①机构的关节上连臂与第一连轴为刚性连接，不易保证第一连轴与人体的冠状轴协调对中，测量使用精度都受影响；②机构的关节上连臂为单杆式结构，测量时，关节上骨顶盘固定不牢，极易产生移动带来误差；③机构中关节下连臂支撑板太长且又呈一定形状的弯曲，测试时不但容易引起晃动，使测试不准，而且在换测另一侧肢体关节时，必须将关节下连臂连同支撑板一起拆下，调换一个方向装上后才能测试，较为麻烦；④机构中无安装标校连接件，安装标校受限且易因此而造成测试数据不准确。
本实用新型的任务旨在克服已有技术存在的缺陷，为人体运动科学及康复医学领域提供一种测量精度高、实用性强、方便可靠的人体关节运动六自由度测量装置。
即在具有关节上连臂、关节下连臂、关节上骨顶盘、关节下连臂滑动连杆、关节下连臂支撑板、位移传感器、连轴和位移传感器连块构成的已有技术基础上，首先将关节上连臂设计为由一个长臂和一个短臂铰接而成，在铰接处安装一个扭力弹簧，而关节上连臂中的短臂另一端与连轴Ⅰ铰连。这样不仅可借助扭力弹簧的回复力，使与短臂另一端铰连的连轴Ⅰ上的关节上骨顶盘在测量时总能与关节上骨头紧贴，还由于关节上连臂与连轴Ⅰ已为柔性连接，能保证连轴Ⅰ自动与人体冠状轴协调对中，故消除了测量误差，大大提高了测量的准确性和精度。其次将关节下连臂支撑板的形状设计成为一个短小而直立的凸柱，并与位移传感器连块Ⅵ连为一体，关节下连臂直接固连于关节下连臂支撑板上。由于关节下连臂支撑板长度的缩短和弯曲度的改变，避免了晃动和测量不同肢体时更换方向的麻烦，使测量更精确，使用更方便可靠。
图1是本实用新型主视结构示意图；图2是本实用新型俯视结构示意图；图3是关节上连臂长臂主视结构示意图；图4是图3俯视结构示意图；图5是关节上连臂短臂主视结构示意图；图6是图5俯视结构示意图；图7是连轴Ⅰ结构示意图；图8是图7左视结构示意图；图9是图7的A－A剖视结构示意图；图10是连块Ⅰ的结构示意图；图11是连块Ⅰ和连轴Ⅱ连接后的A－A剖视结构示意图；图12是连块Ⅴ和连轴Ⅲ剖视结构及连接关系示意图；图13是连块Ⅵ与关节下连臂支撑板的主视结构示意图；图14是图13的俯视结构示意图；图15是卡块主视结构示意图；图16是图15的左视结构示意图。
以下结合附图给出实施例并对本实用新型作进一步说明。
本实用新型以空间连杆测量机构为测量主体，它主要包括关节上连臂(1)、关节下连臂(35)、关节上骨顶盘(15)、关节下连臂滑动连杆(29)、关节下连臂支撑板(34)、位移传感器(27)、连轴Ⅰ、ⅡⅢ(8、9、10)和连块Ⅰ～Ⅵ(17、18、19、20、21、22)，见图1和图2。
关节上连臂(1)由一个长臂和一个短臂铰接构成，见图1。长臂为一细长的直杆，其铰接端为一“匚”形卡口(2)，见图4。卡口(2)卡面的形状呈“┐”形，在横竖卡面的重合处开有一对对称的铰接孔(3)，竖卡面上开有一对对称的圆孔(4)，见图3。安装时，圆孔(4)中装有销轴(5)，销轴(5)由弹簧档圈固定。长臂直杆两边各开有一对连接孔(6)，以固定测量束缚卡块(36)。短臂由两个相背的“匚”形卡口(2)连体构成，见图6。其中长卡口卡面上顺次开有对称的一对铰接孔(3)和一对圆孔(4)，见图5。安装时，圆孔(4)内也装有用弹簧档圈固定其中的销轴(5)。当长臂与短臂铰接时，将短臂长卡口(2)一端置于长臂铰接端的卡口(2)中，使相互的铰接孔(3)对齐，并通过一销轴(5)用弹簧档圈铰接固定。短臂短卡口(2)的卡面上也开有一对对称的圆孔(4)，见图5、6。当卡口(2)夹卡在连轴Ⅰ(8)上时，通过该圆孔(4)和连轴Ⅰ(8)上的通孔(11)，即可用一销轴(5)与连轴Ⅰ(8)铰连，销轴(5)用弹簧档圈固定。为了使关节上骨顶盘(15)在测量时能紧贴上关节骨，避免移动带来误差，在长臂和短臂的铰接处安装了一对扭力弹簧(7)，见图2。这对扭力弹簧(7)相对并列，簧身套在铰连的销轴(5)上，两端分别固定在位于长臂和短臂圆孔(4)内的销轴(5)上。
连轴Ⅰ(8)由上、中、下三段轴体连体构成，见图7。下段轴体截面形状为圆形(见图8)，端面中部沿轴向开有一轴孔(13)。当下段轴体穿过连块Ⅰ(17)顶部通孔(11)时，固定在连块Ⅰ(17)底脚(23)上的位移传感器(27)的轴(28)恰好置于该轴孔(13)内，并通过一销钉或其它紧固连接件穿过端头部份及传感器轴(28)上的锁孔(12)，将其锁紧固定随轴(8)转动。中段轴体截面形状为矩形，轴体的长边轴面上开有一个通孔(11)(见图7、8)，通过该矩形轴面和通孔(11)与关节上连臂(1)相连。上段轴体截面形状为圆形，其端面中部沿轴向也开有一轴孔(13)，见图7、9。为了使本实用新型便于安装和标校，除将连轴Ⅰ中段轴体设计为矩形便于安装外，还在与中段轴体矩形的长边轴面同侧的上段轴体上开有一条键槽(14)。标校时，标校仪以中段轴体的长边轴面为基准面，利用上段轴体和自身所带的键槽(14)，用一根键插入其中即可定位进行标校。标校完后，关节上骨顶盘(15)套固在上段轴体上。
关节上骨顶盘(15)是一个用弹性材料制成的球面盘，见图1。盘底有一轴套(16)，轴套(16)内的盘底中还有一个实心轴。当轴套(16)套于连轴Ⅰ(8)上段轴体时，实心轴即位于上段轴体端面的轴孔(13)内，使关节上骨顶盘(15)不易偏移，也更加稳固。
连块Ⅰ(17)有两块，分置于两个连块Ⅱ(18)内，见图1。其形状如一个“冂”形拱道，拱道顶部正中的水平和垂直方向上各开有一个通孔(11)，两通孔(11)相交，见图10。当连轴Ⅰ(8)和一个连轴Ⅲ(10)穿于垂向通孔(11)内时，水平方向上的通孔(11)即被隔断，故连块Ⅰ(17)是通过由两段轴体构成的连轴Ⅱ(9)与连块Ⅱ(18)相连的。连块Ⅰ(17)的两拱道脚(23)外撇，其上开有螺孔(26)，位移传感器(27)通过螺孔(26)用螺钉与其相连。
连轴Ⅱ(9)有两个，分别由长、短两段分离轴体(24、25)构成。每个连轴Ⅱ(9)的长、短轴体(24、25)分置于连块Ⅰ(17)拱道顶部的水平通孔(11)两端，然后由连接件，如螺钉通过连块Ⅰ(17)和轴体上对应开的螺孔(26)与连块Ⅰ(17)固连，见图11。短轴体(25)上沿轴向开一轴孔(13)，当长轴体(24)一端与连块Ⅱ(18)相连后，固定在连块Ⅱ(18)上的位移传感器(27)的轴(28)即位于轴孔(13)内，并由端部及传感器轴(28)上对应的锁孔(12)，用销钉或其它紧固件穿过其中将连块Ⅰ(17)与连块Ⅱ(18)相连。
连块Ⅱ(18)也为两块，相对连接在关节下连臂滑动连杆(29)的左右侧，见图2。其形状犹如一把异形手钳，钳口外侧咬口形状呈直角，内侧咬口平直；手柄中与直角咬口垂直相连的一个手柄形状也呈直角，而另一个手柄与平直形咬口交错平行，也呈平直形。钳口和手柄各形成一个相背交错的“匚”形卡口(2)，钳口两卡面上开有一对对称的连接孔；手柄两卡面上开有对称的一对圆孔。位移传感器(27)固定在平直形手柄卡面外侧；其轴(28)穿过卡面圆孔，位于卡口(2)内。连块Ⅰ(17)由连轴Ⅱ(9)固定在手柄形成的卡口(2)内，其固定方式是长轴体(24)一端穿在直角形手柄的卡面圆孔内，短轴体(25)一端由插入其轴孔(13)内的传感器的轴(28)及它们的对应锁孔(12)，用销钉或其它紧固件穿过其中加以固定。关节下连臂滑动连杆(29)两端固定在两相对直角手柄的竖卡面外侧。钳口形成的卡口(2)中分别固连连块Ⅲ(19)和连块Ⅳ(20)。
关节下连臂滑动连杆(29)由滑杆(30)和滑槽(31)构成，见图1、2。滑杆(30)为一圆形长杆，端头一端的连接板(32)上开有连接孔。滑槽(31)的槽孔为圆形，端头一端的连接板(32)上也开有连接孔。当滑杆(30)插入滑槽(31)槽孔后，其连接板(32)一端用连接件如螺栓螺帽分别与两个相对的连块Ⅱ(18)相连。
连块Ⅲ(19)呈扁长形，两端分别开有一个连接孔和轴孔，连接孔一端插入一个连块Ⅱ(18)的钳口形成的卡口(2)中固连。连块Ⅳ(20)也呈扁长形，开有连接孔的一端插入另一个连块Ⅱ(18)钳口形成的卡口(2)中固连。为使与连块Ⅲ(19)相连的一端与其错开，连块Ⅳ(20)的另一端斜方伸出后位于另一个平行的平面，其上连接位移传感器(27)。位移传感器的轴(28)先后穿过连块Ⅳ(20)和Ⅲ(19)上的轴孔，由连块Ⅲ(19)及轴(28)上的锁孔，用销钉或其它紧固件穿于其中，使连块Ⅲ(19)与Ⅳ(20)相连，见图1、2。连块Ⅲ、Ⅳ(19、20)的相连，不仅将关节下连臂滑动连杆(29)的往复位移转化成角度位移，而且还是滑动连杆(29)的限位机构。
连轴Ⅲ(10)有两个，其一端端面中部沿轴向开有一轴孔(13)，另一端为连接端，其上沿径向开有连接孔(6)。连接端与轴体中部相交形成一环形台阶(33)，见图12。当两连轴Ⅲ(10)分别通过连接孔(6)用连接件固连于连块Ⅴ(21)所开的轴孔(13)内时，该台阶(33)起限位作用。
连块Ⅴ(21)呈反倒“┕”形，两端头分别开有一个通孔(11)。在连块Ⅴ厚度方向上的通孔(11)孔壁上对称还开有一对连接孔(6)。当一个连轴Ⅲ(10)通过通孔(11)垂直固定在连块Ⅴ(21)一端内侧时，另一个连轴Ⅲ(10)则通过通孔(11)水平固定在连块Ⅴ(21)另一端的外侧，见图12。安装时，位于连块Ⅴ(21)内侧的连轴Ⅲ(10)穿过机构右边的连块Ⅰ(17)拱道顶部的垂向通孔(11)，使固定在拱道脚(23)下的位移传感器的轴(28)位于其端面轴孔(13)内，并由对应的锁孔(12)用锁钉或其它紧固件穿于其中固定。而位于连块Ⅴ(21)外侧的连轴Ⅲ(10)则穿过连块Ⅵ(22)上的通孔(11)，与固定在连块Ⅵ(22)上的位移传感器的轴(28)锁紧相连。
连块Ⅵ(22)呈“匚”形，在垂直框面上开有一个水平通孔(11)，见图13。位移传感器(27)固定在两个端头形成的端面上。
为了改变已有技术中关节下连臂支撑板(34)长、弯引起晃动，使测试不准，和换测肢体关节时，需调换方向而拆装带来的麻烦，本实用新型的关节下连臂支撑板(34)形如一个凸柱，短小直立呈矩形，并与连块Ⅵ(22)连为一体，见图13。关节下连臂支撑板(34)端顶面上开有两连接螺孔(26)，见图14，关节下连臂(35)通过该螺孔(26)用螺钉直接固连在关节下连臂支撑板(34)上。
关节下连臂(35)为一扁长的直杆，中间连接部位呈矩形，其上开有两个连接螺孔，以与支撑板(34)相连，见图1、2。关节下连臂(35)的左右两边还各开了一对连接孔，以固定测量束缚卡块(36)。
测量束缚卡块(36)截面呈羊角形，下部有两条直立的卡脚(37)，见图15。卡块(36)由这两条直立的卡脚(37)，通过羊角卡面凹底上的连接孔(6)，用连接件骑固在关节上连臂(1)和关节下连臂(35)扁长的直杆上。由于测量时，需将测量机构捆缚在肢体上，故在卡块卡脚(37)的脚面上对称开有一对扁长的束缚带穿孔(38)，见图16。
本实用新型的位移传感器(27)全部采用角位移传感器。
测量下肢关节时，束缚带穿过卡块(36)上的穿孔(38)，将关节上连臂(1)和下连臂(35)分别捆缚于股骨和胫骨上，关节上骨顶盘(15)顶在股骨某选定的参考点上。当肢体运动或处于某一位置时，安装在各连轴(8、9、10)及连块Ⅲ、Ⅳ(19、20)端头的各角位移传感器(27)通过引线将关节运动的六个信息传给计算机，然后由特别编制的计算机程序将采集的信号进行数据处理后，即可得到膝关节任意时刻、任意状态下的三个旋转量和三个位移量。
本实用新型测量精度高，安装标校简单方便，实用性强，可广泛用于体育科学和康复医学的研究、设计和评定。尤其是对于研究关节的运动损伤机制、诊断关节的损伤情况、评定关节的康复效果，人工关节的设计和制造、关节护具的设计，运动解剖学研究和人体运动学研究等具有很大的实用价值。此外，对运动员的选材和训练也具有指导意义。
权利要求1.一种关节运动测量装置，包括关节上连臂(1)、关节下连臂(35)、关节上骨顶盘(15)、关节下连臂滑动连杆(29)、关节下连臂支撑板(34)、位移传感器(27)、连轴Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ(8、9、10)和连块Ⅰ～Ⅵ(17、18、19、20、21、22)，其特征在于关节上连臂(1)是由一个长臂和一个短臂铰接而成，在铰接处安有扭力弹簧(7)，短臂另一端与连轴Ⅰ(8)铰连；关节下连臂支撑板(34)形如一个凸柱，并与连块Ⅵ(22)连为一体，关节下连臂(35)固连于关节下连臂支撑板(34)上。
2.根据权利要求1所述的关节运动测量装置，其特征在于长臂的铰接端为一“匚”形卡口(2)，卡口(2)卡面的形状呈“”形，在横竖卡面的重合处开有一对对称的铰接孔(3)，竖卡面上开有一对对称圆孔(4)，圆孔(4)中装有销轴(5)；短臂由两相背的“匚”形卡口(2)连体构成，长卡口(2)卡面上顺次开有对称的一对铰接孔(3)和一对圆孔(4)，圆孔(4)内装有销轴(5)，铰接时，其卡口(2)位于长臂卡口(2)内，使相互的铰接孔(3)对齐，并通过一销轴(5)铰连，短卡口(2)的卡面上也开有一对对称圆孔(4)，通过该圆孔(4)用销轴(5)与连轴Ⅰ(8)铰连；扭力弹簧(7)为一对，相对并列，其簧身套在铰连销轴(5)上，两端分别固定在位于长臂和短臂圆孔(4)中的销轴(5)上。
3.根据权利要求1或2所述的关节运动测量装置，其特征在于在关节上连臂(1)和下连臂(35)两端各固定了一个羊角形的测量束缚卡块(36)，卡块(36)下部有两条卡脚(37)，卡脚(37)脚面上对称开有束缚带穿孔(38)。
4.根据权利要求1或2所述的关节运动测量装置，其特征在于连轴Ⅰ(8)由上、中、下三段轴体连体构成，下段轴体截面形状为圆形，端面中部沿轴向开有一轴孔(13)，中段轴体截面形状为矩形，轴体的长边轴面上开有一个通孔(11)；上段轴体截面形状为圆形，在与中段轴体的长边轴面同侧的轴体上开有一条键槽(14)，上段轴体端面中部沿轴向也开有一轴孔(13)。
5.根据权利要求3所述的关节运动测量装置，其特征在于连轴Ⅰ(8)由上、中、下三段轴体连体构成，下段轴体截面形状为圆形，端头中部沿轴向开有一轴孔(13)；中段轴体截面形状为矩形，轴体的长边轴面上开有一通孔(11)；上段轴体截面形状为圆形，在与中段轴体的长边轴面同侧的轴体上开有一条键槽(14)，上段轴体端头中部沿轴向也开有一轴孔(13)。
专利摘要本实用新型涉及一种改进的关节运动测量装置，其技术特征是在以空间连杆测量机构为测量主体的已有技术基础上，将关节上连臂设计为由一个长臂和一个短臂铰接构成。铰接处安有扭力弹簧；短臂与连轴I铰链；连轴I上有标校仪连接处；关节下连臂支撑板为一短小直立凸柱；关节上、下连臂上固定有羊角形卡块。
本实用新型具有测量精度高，安装标校简单方便，实用性强等优点，可广泛用于体育科学和康复医学的研究、设计和评定。
文档编号A61B5/11GK2173588SQ9323896
公开日1994年8月10日 申请日期1993年7月9日 优先权日1993年7月9日
发明者李雪梅 申请人:国家体委成都运动创伤研究所