專利名稱：具有多達六個自由度的活動關節的制作方法
技術領域：
本發明涉及具有多達六個自由度的活動關節。
背景技術：
諸如人體膝關節之類的復雜活動關節允許兩個部分以六個自由度相對運動。六個自由度是指相對于三個正交相對軸線的移動，加上繞這三個軸線中的每一個的轉動。
先前提出的具有多于一個自由度的活動關節通常由銷來連接兩個部分，該銷是可樞轉的且可在固定狹槽中成角度地移動。這種銷在槽中的活動關節不能模擬人體或動物關節多達六個自由度的正常解剖學運動。此外，銷在槽中的活動關節的剛度意味著，它們不能吸收施加至其的沖擊、震動和負荷。
因此，需要一種簡單、低成本的具有多達六個自由度的活動關節，它能夠吸收沖擊、震動和負荷。這種活動關節具有多種潛在的用途，例如用在人體或動物關節支承裝置中。
發明內容
根據本發明，提供一種活動關節，包括本體，具有兩個由開口連接的隔開的孔；兩個臂，具有可接納于孔中的末端；以及彈性連接件，穿過開口以在孔中連接臂的末端，其中，彈性連接件的彈性允許臂多達六個自由度的獨立運動，該運動由臂的抵接部分與孔的相應抵接部分的接合來控制；并且吸收施加至臂的力。
根據本發明，還提供一種活動關節系統，包括多個本體，各具有兩個由開口連接的隔開的孔；兩個臂，具有可接納于孔中的末端；以及彈性連接件，穿過開口以在孔中可釋放地連接臂的末端，其中，彈性連接件的彈性允許臂多達六個自由度的獨立運動，該運動由臂的抵接部分與孔的相應抵接部分的接合來控制；并且吸收施加至臂的力；其中，各本體的孔的抵接部分與其它本體的孔的抵接部分不同地成形，由此可通過更換本體來可選擇地控制臂多達六個自由度的獨立運動。
根據本發明，還提供一種用于人體或動物關節的關節支承裝置，包括由至少一個本發明的活動關節和/或由本發明的活動關節系統連接以繞所述人體或動物關節相對運動的兩個支承部分。
現在將借助非限制性的例子和參照附圖來單獨地描述本發明的實施例，在這些附圖中圖1是本發明的活動關節的一般實施例的局部剖視的示意立體圖；圖2-4是圖1的活動關節在多達六個自由度運動的不同位置的局部剖視的示意立體圖；圖5-8是本發明的活動關節的彈性連接件的實施例的示意立體圖；圖9是包括本發明的活動關節的實施例的膝部支架的示意立體圖；圖10是圖9的膝部支架的活動關節的示意立體圖；圖11-13是具有不同內部幾何形狀的圖10的活動關節的實施例的局部剖視的示意立體圖；圖14是圖10的活動關節的實施例的示意俯視圖；以及圖15是包括本發明的活動關節的實施例的踝部支架的示意立體圖。
具體實施例方式
圖1示出本發明的活動關節100的一般實施例。活動關節100包括本體102，該本體102具有由開口108連接的兩個隔開的孔104、106，如同在本體102的剖面中所示出的。孔104、106的尺寸、形狀和間隔將根據任何特定應用來變化。兩個臂110、112具有末端，該末端接納于孔104、106中且至少局部與孔104、106相抵接。臂110、112的抵接端的尺寸和形狀也將根據任何特定應用來變化。本體102和/或臂110、112可通過例如注射模塑法來制造。本體102和/或臂110、112可由例如聚合材料制成，諸如聚氨酯、硅酮、聚乙烯、尼龍、聚酯、聚酯合成橡膠、以及它們的組合。聚合材料可以包括增強物，諸如玻璃織物或纖維、石墨纖維、Kevlar(商標)纖維和Spheretex(商標)纖維。對于本領域技術人員來說，其它合適的制造方法和材料也將是顯而易見的。
在圖1中以虛線示出的彈性連接件114穿過開口108，并在孔104、106中連接臂110、112的末端。彈性連接件114通過例如螺釘之類的可釋放固定件116、18來可釋放地連接至臂110、112的末端。在使用中，彈性連接件114的彈性允許臂110、112以多達六個自由度來獨立運動，該運動是由臂110、112的抵接部分120與孔104、106的相應抵接部分122的接合來控制的。在圖1中，三個正交軸線X、Y、Z為六個自由度運動中的每一個提供了參考方向。臂110、112的六個自由度包括三個平移自由度Tx、Ty、Tz和三個轉動自由度Rx、Ry、Rz。圖2-4示出了臂110、112以六個自由度運動的不同示例位置。在使用過程中，彈性連接件114的彈性還吸收了施加至臂110、112的力，諸如沖擊、震動和負荷。根據彈性連接件114的彈性特征，施加至臂110、112的外部張力、壓縮力和/或扭轉力和負荷可被緩沖、吸收或抵抗。
圖5-7示出制造彈性連接件114的一個實施例的順序步驟。此實施例的制造開始于由間隔件128連接的兩個隔開的卷軸124、126的一體組件。然后，將卷軸124、126和間隔件128的一體組件放置在夾具(未示出)中，預先張緊的脊部130通過相對于間隔件128縱向和徑向地圍繞卷軸124、126并在卷軸124、126之間纏繞纖維來形成，如圖6所示。然后，彈性構件132模塑于卷軸124、126和預先張緊的脊部130之上。卷軸124、126具有橫向的通孔，用于接納固定件以將彈性連接件114連接至臂110、112。在使用中，預先張緊的脊部130抵抗施加至臂110、112拉伸負荷。除了便于制造之外，間隔件128還可在制造的彈性連接件114中提供一定程度的硬度。圖8示出彈性連接件114的另一實施例。在此實施例中，預先張緊的脊部130是通過在兩個端塞134、136的內部之間系上纖維來形成的。然后，彈性構件132模塑于端塞134、136的內部和預先張緊的脊部130之上。端塞134、136的外部具有橫向的通孔，用于接納固定件以將彈性連接件114連接至臂110、112。
卷軸124、126和/或間隔件128可以通過例如注射模塑來形成。卷軸124、126和/或間隔件128可以由例如聚合材料來制成，諸如聚氨酯、硅酮、聚乙烯、尼龍、聚酯、聚酯合成橡膠、以及它們的組合。聚合材料可以包括增強物，諸如玻璃織物或纖維、石墨纖維、Kevlar(商標)纖維和Spheretex(商標)纖維。端塞134、136可以由例如不銹鋼來制成。預先張緊的脊部130可以由例如具有高的拉伸強度、抗撓曲疲勞強度和低的蠕變的天然纖維或合成纖維來制成。合適的材料包括諸如Vectran(商標)纖維之類的聚酯或液晶聚合物纖維；諸如Kevlar(商標)纖維之類的芳族聚酰胺纖稚；諸如Dyneema(商標)纖維或Spectra(商標)纖維之類的超高分子量聚乙烯纖維；諸如大麻纖維之類的天然纖維。彈性構件132可以由例如透明的熱塑性聚氨酯來制成，從而可用肉眼觀察到完整的預先張緊的脊部130。對于本領域技術人員來說，其它合適的制造方法和材料也將是顯而易見的。
一般的活動關節100可以通過控制孔104、106和/或臂110、112的抵接端的幾何形狀和/或控制彈性連接件114的彈性特征來定制以用于特定應用。具體地說，臂110、112多達六個自由度的獨立運動可通過臂110、112的抵接部分120、122和/或孔104、106的相應三維形狀、和/或通過選擇彈性件114的彈性特征來控制。例如，可控制臂的六個自由度的獨立運動，以基本模擬多達六個自由度的人體或動物關節的解剖學運動。
圖9示出具有由兩個活動關節206a、206b連接的大腿和小腿支承架202、204的膝部支架200。大腿和小腿支承架202、204可以適于通過例如帶、鉤和環固定件(未示出)來固定至大腿和小腿。各活動關節206a、206b包括兩個臂208、210，這兩個臂208、210在一端分別經由螺釘212連接至大腿和小腿支承架202、204。各臂208、210的另一端接納于本體214中。參見圖10，臂208、210通過以虛線示出的彈性連接件220連接在本體214的孔216、218中。彈性連接件220由螺釘可釋放地連接至臂208、210的末端，該螺釘使臂208、210能容易地與本體214脫開和連接至本體214。
大腿和小腿支承架202、204可以通過例如模塑來制造。大腿和小腿支承架202、204可以由例如具有或不具有增強物的玻璃纖維來制成。假如使用增強物的話，該增強物可以包括玻璃織物或纖維、石墨纖維、Kevlar(商標)纖維和Spheretex(商標)纖維。對于本領域技術人員來說，其它合適的制造方法和材料也將是顯而易見的。本體214和/或臂208、210可以由與上述本體102和/或臂110、112相同的材料制成。彈性連接件220可以由與上述彈性連接件114相同的材料制成。
各活動關節206a、206b被定制成模擬多達六個自由度的人體膝關節的自然解剖學運動。人體膝關節的六個自由度包括三個轉動自由度-彎曲/延伸、外展/內收、向內/向外-和三個平移自由度-向前/向后、向中央延伸/側向、向近端/向遠端。在使用中，活動關節206a、206b具有與上述一般活動關節100相同的一般功能。
臂208、210多達六個自由度的獨立運動可通過控制孔216、218和/或臂208、210的抵接端的幾何形狀、和/或通過控制彈性連接件220的彈性特征來定制。圖11-14示出具有不同示例形狀的孔216、218的本體214的實施例，這些孔用于控制膝部支架200多達六個自由度的運動范圍。圖11是本體214的實施例的剖面，在該本體214中，孔216、218成形成將膝部支架200彎曲和延伸的范圍控制在從約0度的延伸到約15度的彎曲。圖12示出本體214的另一剖面，在該本體214中，孔216、218成形成將膝部支架200彎曲和延伸的范圍控制在從約5度的延伸到約30度的彎曲。在圖13中的另一實施例中，孔216、218成形成將膝部支架200彎曲和延伸的范圍控制在從約10度的延伸到約45度的彎曲。圖14是本體214的實施例的俯視圖，在該本體214中，孔216、218成形成在彎曲和延伸過程中將向內/向外轉動控制在從約0度到約15度。
在圖11-14中示出的本體214的不同實施例可包括活動關節系統，在該活動關節系統中，各本體214的孔216、218與其它本體214的孔216、218不同地成形。在這種系統中，臂208、210能夠經由螺釘222容易地與不同本體214脫開和連接，從而將臂208、210的獨立運動限制在彎曲和延伸的不同的選定角度。因此，可互換不同的本體214，從而使任何給定的活動關節206a、206b滿足膝部支架200的佩戴者的需要。例如，假如活動關節系統用在由病人佩戴的整形外科膝部支架200中，可隨病人需求的變化來改變不同的本體214。因此，假如病人的需求改變了，則可相應地改變本體214。相反地，假如同一個膝部支架200要再度用于不同的病人，只要通過簡單地更換本體214，就可容易地修改臂208、210多達六個自由度的獨立運動的限制，從而滿足第二位病人的需求。
圖15示出踝部支架300，其具有由兩個活動關節306a、306b連接的小腿支承架302和足部支承架304。小腿支承架和足部支承架302、304可適于通過例如帶、鉤和環固定件(未示出)固定至小腿和足部。踝部支架300的部件和活動關節306a、306b具有與如前文所述的膝部支架200和活動關節206a、206b大體相同的結構和組成。因此，各活動關節306a、306b大體包括具有兩個孔310、312的本體308，這兩個孔310、312接納由彈性連接件318連接的兩個臂314、316。然而，孔310、312的抵接部分和活動關節306a、306b的臂314、316的抵接端的形狀被定制成將小腿支承架302和足部支承架304的運動控制在對應于人體踝部的正常解剖學運動的若干自由度。踝部的自由度包括背屈、足底曲、內翻和外翻。背屈是足部朝向腿部樞轉的運動。足底曲是足部遠離腿部樞轉的運動。內翻是足部向內轉動時的運動，而外翻是足部向外轉動時的運動。在使用中，當控制內翻、外翻和扭曲時，孔310、312的幾何形狀允許踝部支架300背屈和足底曲。
應該理解，本發明的實施例提供一種簡單、低成本的具有多達六個自由度的活動關節，它能夠吸收沖擊、震動和負荷。這種活動關節具有多種潛在的用途，包括但不限于用在人體或動物關節支承裝置中。本發明的活動關節的實施例可具有基本任何形狀，并可完全由聚合物或共混聚合物來制成。
本發明并不局限于已經描述和描繪的實施例，而可不脫離本發明的范圍作出變型和修改。
權利要求
1.一種活動關節，包括本體，具有兩個由開口連接的隔開的孔；兩個臂，具有可接納于所述孔中的末端；以及彈性連接件，穿過所述開口以連接所述孔中的所述臂的所述末端，其中，所述彈性連接件的彈性允許所述臂多達六個自由度的獨立運動，該運動由所述臂的抵接部分與所述孔的相應抵接部分的接合來控制；并且吸收施加至所述臂的力。
2.如權利要求1所述的活動關節，其特征在于，所述臂多達六個自由度的所述獨立運動通過選擇所述臂和/或所述孔的所述抵接部分的三維形狀、和/或通過選擇所述彈性連接件的彈性特性來控制。
3.如權利要求2所述的活動關節，其特征在于，所述臂多達六個自由度的所述獨立運動被控制成基本模擬人體或動物關節多達六個自由度的解剖學運動。
4.如前述權利要求中任一項所述的活動關節，其特征在于，所述彈性連接件被預先張緊以抵抗施加至所述臂的拉伸負荷。
5.如權利要求4所述的活動關節，其特征在于，所述彈性連接件包括設置在彈性件內的預先張緊的構件。
6.如前述權利要求中任一項所述的活動關節，其特征在于，所述彈性連接件可釋放地連接所述孔中的所述臂的所述末端。
7.一種活動關節系統，包括多個本體，各具有兩個由開口連接的隔開的孔；兩個臂，具有可接納于所述孔中的末端；以及彈性連接件，穿過所述開口以可釋放地連接所述孔中的所述臂的所述末端，其中，所述彈性連接件的彈性允許臂多達六個自由度的獨立運動，該運動由所述臂的抵接部分與所述孔的相應抵接部分的接合來控制；并且吸收施加至所述臂的力；其中，各本體的所述孔的所述抵接部分與其它本體的所述孔的所述抵接部分具有不同的形狀，由此可通過互換所述本體來選擇性地控制所述臂多達六個自由度的獨立運動。
8.一種用于人體或動物關節的關節支承裝置，包括由至少一個如權利要求1-6中任一項所述的活動關節連接以繞所述人體或動物關節相對運動的兩個支承部分。
9.一種用于人體或動物關節的關節支承裝置，包括由如權利要求7所述的活動關節系統連接以繞所述人體或動物關節相對運動的兩個支承部分。
10.如權利要求8或9所述的用于人體或動物關節的關節支承裝置，其特征在于，所述關節支承裝置是人體膝部支架，而所述兩個支承部分是大腿和小腿部分。
11.如權利要求8或9所述的用于人體或動物關節的關節支承裝置，其特征在于，所述關節支承裝置是人體踝部支架，而所述兩個支承部分是小腿部分和足部。
12.一種活動關節，基本如同上文參照附圖所述。
13.一種活動關節系統，基本如同上文參照附圖所述。
14.一種關節支承裝置，基本如同上文參照附圖所述。
全文摘要
一種活動關節(100)，包括本體(102)，具有兩個由開口(108)連接的隔開的孔(104、106)；兩個臂(110、112)，具有可接納于孔中的末端；以及彈性連接件(114)，穿過開口(108)以在孔中連接臂的末端，其中，彈性連接件的彈性允許臂多達六個自由度的獨立運動，該運動由臂(110、112)的抵接部分(120)與孔(104、106)的相應抵接部分(122)的接合來控制；并且吸收施加至臂的力。
文檔編號A61F5/01GK101060819SQ200580039799
公開日2007年10月24日 申請日期2005年11月18日 優先權日2004年11月19日
發明者G·馬洛尼 申請人:珀德I.P.控股有限公司