本發(fā)明涉及一種仿真人體關(guān)節(jié)，能實現(xiàn)對人體關(guān)節(jié)的高度仿真，屬于人體模型的仿生結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

仿生學(xué)是一門交叉學(xué)科，主要研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和工作原理，從而為工程技術(shù)提供新的設(shè)計思想及工作原理，它涉及生物學(xué)、數(shù)學(xué)和工程技術(shù)學(xué)科等，是這些學(xué)科相互合作的橋梁。仿生技術(shù)的不斷發(fā)展必將推動數(shù)學(xué)和工程學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展，從而給社會帶來巨大的社會經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)社會的發(fā)展。

在以人為本的思想理念下，生命被視為世界上最寶貴的財富，人機(jī)工程學(xué)的研究顯得尤為必要。在研究人－機(jī)－環(huán)境系統(tǒng)相互關(guān)系時，若危及人的健康和生命，人是不可能也不允許成為試驗品，這時，各種類型的仿真人模型(如：高速運載工具仿真人模型、輻照仿真人模型、醫(yī)學(xué)訓(xùn)練仿真人模型等)以真人替身身份在研究過程中扮演著重要的橋梁和工具作用。

仿真人模型也稱假人(Dummy)。迄今為止，仿真人模型所采用的仿生技術(shù)，大致可歸納為幾何形體仿生、材料仿生、結(jié)構(gòu)功能仿生、物質(zhì)能量傳遞仿生和生物信息傳感仿生等類別。如醫(yī)院每天的第一個病人進(jìn)行儀器的性能檢驗；新醫(yī)療法的第一批受試者，檢驗其科學(xué)性、安全性和實用性；如軍事裝備的第一批參戰(zhàn)人員，檢驗武器的殺傷能力和防護(hù)器材的防護(hù)能力；如高速運載工具的第一批乘客，檢驗安全性、舒適性和生命保障系統(tǒng)；如旅游區(qū)、新建筑的第一批游客和住戶，以對其輻射水平、安全性進(jìn)行客觀評價。

歐美等國家從20世紀(jì)40年代就開始了對仿真人模型的研究，具有代表性的是美國第一安全技術(shù)公司(First Technology safety system)、荷蘭Volvo公司和荷蘭TNO公司。從世界上第一個仿真人模型Sierra Sam到目前較新型的Thor，都是仿生技術(shù)不斷發(fā)展的體現(xiàn)。我國仿真人模型的研究起步較晚，在20世紀(jì)80年代開始，我國不斷地深入對仿真人模型的研究，加強(qiáng)仿生技術(shù)的發(fā)展。從最初單一的幾何形態(tài)模擬發(fā)展為現(xiàn)在的形態(tài)結(jié)構(gòu)功能等的高度仿生，我國仿真人模型已經(jīng)具備一定水平，但是仿生技術(shù)的具體應(yīng)用發(fā)展緩慢，必須加大幅度對仿生技術(shù)這把社會發(fā)展的金鑰匙進(jìn)行研究。

當(dāng)前市場容量和需求最大的仍以結(jié)構(gòu)和功能仿生為主。結(jié)構(gòu)功能仿生包括結(jié)構(gòu)仿生和功能仿生兩個方面，功能仿生必須以結(jié)構(gòu)仿生為基礎(chǔ)，兩者是統(tǒng)一體。我國仿真人模型的結(jié)構(gòu)功能仿生主要體現(xiàn)在兩方面：一是從外部結(jié)構(gòu)考慮，仿真人模型的15個環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)的外部結(jié)構(gòu)功能和人體相似；二是從力學(xué)角度考慮，能夠?qū)崿F(xiàn)對人體運動的各種姿勢和靈活性的模仿，突出體現(xiàn)在對各個關(guān)節(jié)自由度以及活動范圍的仿生。

仿真人模型的橋梁、穩(wěn)定受體、替身和工具等作用，決定了其廣泛的市場需求。為了獲得最佳的安全性、舒適性及各種保障人體安全的評價參數(shù)，仿真人模型必須具有高度的仿生性。仿生決不是簡單的仿生，而是要在仿生中創(chuàng)新。因為在研制仿真人模型時，很多情況下不可能獲得和人體完全一樣的材料和結(jié)構(gòu)，例如：為了得到高速運載工具的評價參數(shù)，在仿真人模型里必須安裝傳感器，而人體沒有傳感器，這就決定了必須在仿生中創(chuàng)新。這樣最終完成的仿真人模型才能廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)工程、安全工程、環(huán)境工程、軍事工程和人機(jī)工程等領(lǐng)域，造福人類。

具體到運動健康教學(xué)領(lǐng)域，測量關(guān)節(jié)角度的教學(xué)難度較大，其難度主要在于以下幾方面：(1)測量對象通常為真人，而真人很難使自己的某一關(guān)節(jié)保持一個動作不變，使得測量本身沒有權(quán)威的標(biāo)準(zhǔn)答案供參考；(2)雖然關(guān)節(jié)測量的理論很簡單，但是人體關(guān)節(jié)本身具有形狀不規(guī)則的特點，很難以客觀標(biāo)準(zhǔn)來評判學(xué)生的測量過程是否標(biāo)準(zhǔn)；(3)由于無法以標(biāo)準(zhǔn)的測量結(jié)果來衡量，教學(xué)過程中往往只能由老師憑借教學(xué)經(jīng)驗，向?qū)W生傳授具體的測量方法，而無法再結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)答案來評判學(xué)生對測量方法的掌握程度。由于仿真關(guān)節(jié)可以持久地保持關(guān)節(jié)動作不變，采用仿真關(guān)節(jié)應(yīng)能解決上述問題。

經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，專利號為CN200510021242.X、授權(quán)公告號CN100492444C、名稱為《人體模型的仿生關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及其用途》的中國發(fā)明專利，該仿生關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)含有上臂、下臂和兩個轉(zhuǎn)動部分，上臂和下臂活動連接，上臂繞水平軸心線相對于下臂轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動位置被限位銷釘和上臂的定位缺口限定，轉(zhuǎn)動部分的摩擦力由摩擦滑動塊和調(diào)節(jié)螺釘共同調(diào)控；聯(lián)接螺釘將下臂的上部分和下部分連接，下臂的下部分相對于下臂的軸心線轉(zhuǎn)動，聯(lián)接螺釘?shù)南旅嫜b設(shè)有摩擦墊片以調(diào)節(jié)該轉(zhuǎn)動部位的摩擦力，止動螺釘固定聯(lián)接螺釘以防止相對于下臂的轉(zhuǎn)動。

專利號為CN200520087642.6、授權(quán)公告號為CN2841103Y、名稱為《關(guān)節(jié)可活動的立體人像》的中國實用新型專利，其頭部支干向下依次組接頸部支干、主肩胛機(jī)構(gòu)，而主肩胛機(jī)構(gòu)之中部下方及兩側(cè)下方分別組接脊椎機(jī)構(gòu)及二肩胛關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，脊椎機(jī)構(gòu)下端組接主髖骨機(jī)構(gòu)、主髖骨機(jī)構(gòu)兩側(cè)分別依次組接二髖骨關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、二大小腿關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)與二腳踝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，二肩胛關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)下端依序組接二上臂關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)及二下臂關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，上述機(jī)構(gòu)與機(jī)構(gòu)之間采用樞軸連接或球面連接方式進(jìn)行連接。

專利號為CN201220013687.9、授權(quán)公告號為CN202436648U、名稱為《一種活動人體模型》的中國實用新型專利，包括頭、頸、軀干、上肢和下肢，軀干包括胸、腹、胯，上肢包括肩、大臂、肘、小臂和手，下肢包括大腿、膝蓋、小腿、后腳掌和前腳掌，各個關(guān)節(jié)處采用與人體關(guān)節(jié)相仿的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

然而，在以上述專利為代表的現(xiàn)有技術(shù)中，仿真人主要用作展示用假人、或者實質(zhì)為機(jī)器人，其關(guān)節(jié)僅需達(dá)到能運轉(zhuǎn)自如的要求即可，并不需要逼真地模擬人體關(guān)節(jié)，因此，在現(xiàn)有技術(shù)中常常可以看到：對于活動自由度小的關(guān)節(jié)，常采用一個簡單的轉(zhuǎn)動副來實現(xiàn)；對于活動自由度大的關(guān)節(jié)，常采用兩個轉(zhuǎn)動副相連來實現(xiàn)。然而，這些結(jié)構(gòu)雖然能使仿真肢體擺出符合人體動作的造型，但卻與真實的人體關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)差距很大。

人體的肢體關(guān)節(jié)主要包括上肢的肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)，以及下肢的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)。這些肢體關(guān)節(jié)的具體結(jié)構(gòu)各不相同，活動度范圍也大不一樣(有的關(guān)節(jié)某狀態(tài)活動度大至180°，有的關(guān)節(jié)某狀態(tài)活動度小至不到20°)，以現(xiàn)有技術(shù)很難通過某一特定的結(jié)構(gòu)來對這些肢體關(guān)節(jié)進(jìn)行仿真。同時，這些肢體關(guān)節(jié)在活動時，關(guān)節(jié)兩邊所連骨骼的軸線交點固定，不會隨關(guān)節(jié)活動而發(fā)生改變，這也是關(guān)節(jié)仿真的難點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種仿真人體關(guān)節(jié)，仿真程度高，能用于仿真人體的主要肢體關(guān)節(jié)。

本發(fā)明申請人在多年的實踐研究中發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題(見背景技術(shù))，之后即致力于解決這些技術(shù)問題。申請人在深入實踐研究中發(fā)現(xiàn)，若要采用普通機(jī)械結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)，則肯定難以實現(xiàn)高度仿真；若要采用真空結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)，雖然有可能實現(xiàn)高度仿真，但對結(jié)構(gòu)密封性要求過高，不易實現(xiàn)。申請人還嘗試了多種其他結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)，但總是難以兼顧高度仿真和軸線交點固定不變。申請人進(jìn)一步經(jīng)過深入地反復(fù)實踐研究，終于得出了能解決前述技術(shù)問題的技術(shù)方案。具體如下：

一種仿真人體關(guān)節(jié)，包括第一、第二仿骨骼連接件；其特征是，所述第一仿骨骼連接件的末端固連有關(guān)節(jié)球座，所述第二仿骨骼連接件的末端固連有關(guān)節(jié)球，所述關(guān)節(jié)球座與關(guān)節(jié)球相配合，所述關(guān)節(jié)球座具有與關(guān)節(jié)球表面相貼合的球窩，所述球窩覆蓋關(guān)節(jié)球表面的面積小于關(guān)節(jié)球表面總面積的一半；所述關(guān)節(jié)球座、關(guān)節(jié)球分別由導(dǎo)磁材料制成，所述關(guān)節(jié)球座內(nèi)設(shè)有磁吸組件；在磁吸組件的磁吸力作用下，所述關(guān)節(jié)球座與關(guān)節(jié)球形成活動連接；所述關(guān)節(jié)球座的中心軸與關(guān)節(jié)球的球心重合；所述第一仿骨骼連接件的中心軸與關(guān)節(jié)球座的中心軸重合，所述第二仿骨骼連接件的中心軸與關(guān)節(jié)球的球心重合；

所述仿真人體關(guān)節(jié)具有調(diào)低磁吸組件磁吸力后通過擺動第一、第二仿骨骼連接件使仿真人體關(guān)節(jié)擺出預(yù)設(shè)姿態(tài)的第一狀態(tài)，以及調(diào)高磁吸組件磁吸力使第一、第二仿骨骼連接件保持位置不變進(jìn)而使仿真人體關(guān)節(jié)保持姿態(tài)不變的第二狀態(tài)。

該結(jié)構(gòu)中：一方面，球窩尺寸小于關(guān)節(jié)球的一半，可確保適用于活動度較大的關(guān)節(jié)，從而解決現(xiàn)有技術(shù)無法以一種特定結(jié)構(gòu)仿真六個主要的人肢體關(guān)節(jié)的技術(shù)難題；另一方面，以磁吸組件的磁吸力來連接關(guān)節(jié)球座和關(guān)節(jié)球，不僅可避免縮小球窩導(dǎo)致關(guān)節(jié)球脫落的情況，還能通過控制磁吸力的強(qiáng)弱來調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)球座和關(guān)節(jié)球的摩擦阻尼，使得仿真人體關(guān)節(jié)既能按要求擺出動作、又能保持動作不變；再一方面，整個仿真人體關(guān)節(jié)以單一關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)來最大程度地仿真人體關(guān)節(jié)，并通過對仿真人體關(guān)節(jié)各部件位置關(guān)系的嚴(yán)格限定，確保關(guān)節(jié)兩邊所連骨骼的軸線交點固定，實現(xiàn)高度仿真。

本發(fā)明進(jìn)一步完善的技術(shù)方案如下：

優(yōu)選地，當(dāng)所述仿真人體關(guān)節(jié)為仿真肩關(guān)節(jié)時，所述第一仿骨骼連接件為仿肩胛骨連接件，所述第二仿骨骼連接件為仿肱骨連接件，所述關(guān)節(jié)球座的球窩為仿肩胛骨關(guān)節(jié)盂，所述關(guān)節(jié)球為仿肱骨頭；所述仿肩胛骨關(guān)節(jié)盂的邊緣設(shè)有仿肩關(guān)節(jié)限位件，在該仿肩關(guān)節(jié)限位件的限位作用下，所述仿真肩關(guān)節(jié)的活動度范圍為：以仿肱骨連接件下垂為中立位，關(guān)節(jié)上舉活動度為160°～180°，關(guān)節(jié)后伸活動度為40°～60°。

采用該優(yōu)選方案，即可進(jìn)一步高度仿真肩關(guān)節(jié)。

優(yōu)選地，當(dāng)所述仿真人體關(guān)節(jié)為仿真肘關(guān)節(jié)時，所述第一仿骨骼連接件為仿肱骨連接件，所述第二仿骨骼連接件為仿前臂骨骼連接件，所述關(guān)節(jié)球座的球窩為仿肱骨窩，所述關(guān)節(jié)球為仿前臂骨骼接頭；所述仿肱骨窩的邊緣設(shè)有仿肘關(guān)節(jié)限位件，在該仿肘關(guān)節(jié)限位件的限位作用下，所述仿真肘關(guān)節(jié)的活動度范圍為：以仿前臂骨骼連接件下垂為中立位，關(guān)節(jié)屈曲活動度為135°～160°，關(guān)節(jié)過度伸直活動度為0°～20°。

采用該優(yōu)選方案，即可進(jìn)一步高度仿真肘關(guān)節(jié)。

優(yōu)選地，當(dāng)所述仿真人體關(guān)節(jié)為仿真腕關(guān)節(jié)時，所述第一仿骨骼連接件為仿前臂骨骼連接件，所述第二仿骨骼連接件為仿手骨連接件，所述關(guān)節(jié)球座的球窩為仿腕關(guān)節(jié)盤，所述關(guān)節(jié)球為仿腕關(guān)節(jié)頭；所述仿腕關(guān)節(jié)盤的邊緣設(shè)有仿腕關(guān)節(jié)限位件，在該仿腕關(guān)節(jié)限位件的限位作用下，所述仿真腕關(guān)節(jié)的活動度范圍為：以仿手骨連接件和仿前臂骨骼連接件呈直線為中立位，關(guān)節(jié)背伸活動度為30°～60°，關(guān)節(jié)掌屈活動度為50°～90°，關(guān)節(jié)撓側(cè)傾斜活動度為25°～40°，關(guān)節(jié)尺側(cè)傾斜活動度為30°～50°。

采用該優(yōu)選方案，即可進(jìn)一步高度仿真腕關(guān)節(jié)。

優(yōu)選地，當(dāng)所述仿真人體關(guān)節(jié)為仿真髖關(guān)節(jié)時，所述第一仿骨骼連接件為仿髖骨連接件，所述第二仿骨骼連接件為仿股骨連接件，所述關(guān)節(jié)球座的球窩為仿髖臼窩，所述關(guān)節(jié)球為仿股骨頭；所述仿髖臼窩的邊緣設(shè)有仿髖關(guān)節(jié)限位件，在該仿髖關(guān)節(jié)限位件的限位作用下，所述仿真髖關(guān)節(jié)的活動度范圍為：以仿真髖關(guān)節(jié)伸直為中立位，關(guān)節(jié)屈曲活動度為130°～150°，關(guān)節(jié)后伸活動度為10°～25°，關(guān)節(jié)外展活動度為30°～55°，關(guān)節(jié)內(nèi)收活動度為20°～40°。

采用該優(yōu)選方案，即可進(jìn)一步高度仿真髖關(guān)節(jié)。

優(yōu)選地，當(dāng)所述仿真人體關(guān)節(jié)為仿真膝關(guān)節(jié)時，所述第一仿骨骼連接件為仿股骨連接件，所述第二仿骨骼連接件為仿脛骨連接件，所述關(guān)節(jié)球座的球窩為仿股骨髁，所述關(guān)節(jié)球為仿脛骨髁；所述仿股骨髁的邊緣設(shè)有仿膝關(guān)節(jié)限位件，在該仿膝關(guān)節(jié)限位件的限位作用下，所述仿真膝關(guān)節(jié)的活動度范圍為：以仿真膝關(guān)節(jié)伸直為中立位，關(guān)節(jié)屈曲活動度為120°～160°，關(guān)節(jié)過伸活動度為5°～20°。

采用該優(yōu)選方案，即可進(jìn)一步高度仿真膝關(guān)節(jié)。

優(yōu)選地，當(dāng)所述仿真人體關(guān)節(jié)為仿真踝關(guān)節(jié)時，所述第一仿骨骼連接件為仿小腿骨骼連接件，所述第二仿骨骼連接件為仿距骨連接件，所述關(guān)節(jié)球座的球窩為仿小腿骨關(guān)節(jié)面，所述關(guān)節(jié)球為仿距骨滑車；所述仿小腿骨關(guān)節(jié)面的邊緣設(shè)有仿踝關(guān)節(jié)限位件，在該仿踝關(guān)節(jié)限位件的限位作用下，所述仿真踝關(guān)節(jié)的活動度范圍為：以仿距骨連接件與仿小腿骨骼連接件呈90°為中立位，關(guān)節(jié)背屈活動度為20°～40°，關(guān)節(jié)跖屈活動度為40°～60°，關(guān)節(jié)內(nèi)翻活動度為20°～40°，關(guān)節(jié)外翻活動度為30°～45°。

采用該優(yōu)選方案，即可進(jìn)一步高度仿真踝關(guān)節(jié)。

優(yōu)選地，所述磁吸組件包括電磁線圈、或者永磁鐵和電磁線圈，所述永磁鐵或電磁線圈的中心軸與關(guān)節(jié)球座的中心軸重合；所述永磁鐵或電磁線圈具有預(yù)設(shè)數(shù)值范圍的磁吸力。

采用該優(yōu)選方案，可通過調(diào)節(jié)線圈電流大小來調(diào)節(jié)磁吸力，以滿足實際要求。

優(yōu)選地，所述關(guān)節(jié)球座的球窩設(shè)有具有預(yù)設(shè)摩擦系數(shù)的球窩耐磨層，所述關(guān)節(jié)球表面設(shè)有具有預(yù)設(shè)摩擦系數(shù)的球面耐磨層，所述球窩耐磨層與球面耐磨層相接。

采用該優(yōu)選方案，能使關(guān)節(jié)更好地保持動作不變。

優(yōu)選地，所述第一、第二仿骨骼連接件分別為桿狀構(gòu)件。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過一種特定結(jié)構(gòu)即能實現(xiàn)對六個主要的人肢體關(guān)節(jié)的仿真，同時能確保關(guān)節(jié)兩邊所連骨骼的軸線交點固定，實現(xiàn)人肢體關(guān)節(jié)的高度仿真。

附圖說明

圖1為本發(fā)明具體實施的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明具體實施方式中仿真肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為圖2的A區(qū)域放大示意圖。

圖4為本發(fā)明具體實施方式中仿真肘關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明具體實施方式中仿真腕關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為本發(fā)明具體實施方式中仿真髖關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為本發(fā)明具體實施方式中仿真膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8為圖7的B區(qū)域放大示意圖。

圖9為本發(fā)明具體實施方式中仿真踝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面參照附圖并結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。但是本發(fā)明不限于所給出的例子。

具體實施時，如圖1所示，本發(fā)明的仿真人體關(guān)節(jié)，包括第一、第二仿骨骼連接件14、15；第一仿骨骼連接件14的末端固連有關(guān)節(jié)球座11，第二仿骨骼連接件15的末端固連有關(guān)節(jié)球12，關(guān)節(jié)球12座11與關(guān)節(jié)球12相配合，關(guān)節(jié)球12座11具有與關(guān)節(jié)球12表面相貼合的球窩，球窩覆蓋關(guān)節(jié)球12表面的面積小于關(guān)節(jié)球12表面總面積的一半；關(guān)節(jié)球座11、關(guān)節(jié)球12分別由導(dǎo)磁材料制成，關(guān)節(jié)球座11內(nèi)設(shè)有磁吸組件13；在磁吸組件13的磁吸力作用下，關(guān)節(jié)球座11與關(guān)節(jié)球12形成活動連接；關(guān)節(jié)球座11的中心軸與關(guān)節(jié)球12的球心重合；第一、第二仿骨骼連接件14、15分別為桿狀構(gòu)件；第一仿骨骼連接件14的中心軸與關(guān)節(jié)球座11的中心軸重合，第二仿骨骼連接件15的中心軸與關(guān)節(jié)球12的球心重合。第一、第二仿骨骼連接件可選擇剛度大的輕質(zhì)材料，如鈦合金或鋁合金材料等。

仿真人體關(guān)節(jié)具有調(diào)低磁吸組件13磁吸力后通過擺動第一、第二仿骨骼連接件14、15使仿真人體關(guān)節(jié)擺出預(yù)設(shè)姿態(tài)的第一狀態(tài)，以及調(diào)高磁吸組件13磁吸力使第一、第二仿骨骼連接件14、15保持位置不變進(jìn)而使仿真人體關(guān)節(jié)保持姿態(tài)不變的第二狀態(tài)。這一過程可以通過手動控制實現(xiàn)，也可以通過單片機(jī)自動控制實現(xiàn)。

磁吸組件13包括電磁線圈、或者永磁鐵和電磁線圈，永磁鐵或電磁線圈的中心軸與關(guān)節(jié)球座11的中心軸重合；永磁鐵或電磁線圈具有預(yù)設(shè)數(shù)值范圍的磁吸力。電磁線圈可根據(jù)不同關(guān)節(jié)選用不同功率。

關(guān)節(jié)球座11的球窩設(shè)有具有預(yù)設(shè)摩擦系數(shù)的球窩耐磨層，關(guān)節(jié)球12表面設(shè)有具有預(yù)設(shè)摩擦系數(shù)的球面耐磨層，球窩耐磨層與球面耐磨層相接。

在使用時，可先適度調(diào)低電磁線圈的磁吸力，再通過擺動第一、第二仿骨骼連接件14、15來擺出預(yù)設(shè)的關(guān)節(jié)姿態(tài)(這一過程即仿真人體關(guān)節(jié)的第一狀態(tài))，然后調(diào)高電磁線圈的磁吸力使關(guān)節(jié)球座11與關(guān)節(jié)球12牢固貼合在一起，從而保持關(guān)節(jié)姿勢(此即仿真人體關(guān)節(jié)的第二狀態(tài))，之后即可用于測量關(guān)節(jié)角度。

實施例1 仿真肩關(guān)節(jié)

如圖2、圖3所示，本實施例的仿真人體關(guān)節(jié)為仿真肩關(guān)節(jié)，第一仿骨骼連接件14為仿肩胛骨連接件，第二仿骨骼連接件15為仿肱骨連接件，關(guān)節(jié)球座11的球窩為仿肩胛骨關(guān)節(jié)盂，關(guān)節(jié)球12為仿肱骨頭；仿肩胛骨關(guān)節(jié)盂的邊緣設(shè)有仿肩關(guān)節(jié)限位件16，在該仿肩關(guān)節(jié)限位件16的限位作用下，仿真肩關(guān)節(jié)的活動度范圍為：以仿肱骨連接件下垂為中立位，關(guān)節(jié)上舉活動度為160°～180°，關(guān)節(jié)后伸活動度為40°～60°。

實施例2 仿真肘關(guān)節(jié)

如圖4所示，本實施例的仿真人體關(guān)節(jié)為仿真肘關(guān)節(jié)時，第一仿骨骼連接件14為仿肱骨連接件，第二仿骨骼連接件15為仿前臂骨骼連接件，關(guān)節(jié)球座11的球窩為仿肱骨窩，關(guān)節(jié)球12為仿前臂骨骼接頭；仿肱骨窩的邊緣設(shè)有仿肘關(guān)節(jié)限位件16，在該仿肘關(guān)節(jié)限位件16的限位作用下，仿真肘關(guān)節(jié)的活動度范圍為：以仿前臂骨骼連接件下垂為中立位，關(guān)節(jié)屈曲活動度為135°～160°，關(guān)節(jié)過度伸直活動度為0°～20°。

實施例3 仿真腕關(guān)節(jié)

如圖5所示，本實施例的仿真人體關(guān)節(jié)為仿真腕關(guān)節(jié)時，第一仿骨骼連接件14為仿前臂骨骼連接件，第二仿骨骼連接件15為仿手骨連接件，關(guān)節(jié)球座11的球窩為仿腕關(guān)節(jié)盤，關(guān)節(jié)球12為仿腕關(guān)節(jié)頭；仿腕關(guān)節(jié)盤的邊緣設(shè)有仿腕關(guān)節(jié)限位件16，在該仿腕關(guān)節(jié)限位件16的限位作用下，仿真腕關(guān)節(jié)的活動度范圍為：以仿手骨連接件和仿前臂骨骼連接件呈直線為中立位，關(guān)節(jié)背伸活動度為30°～60°，關(guān)節(jié)掌屈活動度為50°～90°，關(guān)節(jié)撓側(cè)傾斜活動度為25°～40°，關(guān)節(jié)尺側(cè)傾斜活動度為30°～50°。

實施例4 仿真髖關(guān)節(jié)

如圖6所示，本實施例的仿真人體關(guān)節(jié)為仿真髖關(guān)節(jié)時，第一仿骨骼連接件14為仿髖骨連接件，第二仿骨骼連接件15為仿股骨連接件，關(guān)節(jié)球座11的球窩為仿髖臼窩，關(guān)節(jié)球12為仿股骨頭；仿髖臼窩的邊緣設(shè)有仿髖關(guān)節(jié)限位件16，在該仿髖關(guān)節(jié)限位件16的限位作用下，仿真髖關(guān)節(jié)的活動度范圍為：以仿真髖關(guān)節(jié)伸直為中立位，關(guān)節(jié)屈曲活動度為130°～150°，關(guān)節(jié)后伸活動度為10°～25°，關(guān)節(jié)外展活動度為30°～55°，關(guān)節(jié)內(nèi)收活動度為20°～40°。

實施例5 仿真膝關(guān)節(jié)

如圖7、圖8所示，本實施例的仿真人體關(guān)節(jié)為仿真膝關(guān)節(jié)時，第一仿骨骼連接件14為仿股骨連接件，第二仿骨骼連接件15為仿脛骨連接件，關(guān)節(jié)球座11的球窩為仿股骨髁，關(guān)節(jié)球12為仿脛骨髁；仿股骨髁的邊緣設(shè)有仿膝關(guān)節(jié)限位件16，在該仿膝關(guān)節(jié)限位件16的限位作用下，仿真膝關(guān)節(jié)的活動度范圍為：以仿真膝關(guān)節(jié)伸直為中立位，關(guān)節(jié)屈曲活動度為120°～160°，關(guān)節(jié)過伸活動度為5°～20°。

實施例6 仿真踝關(guān)節(jié)

如圖9所示，本實施例的仿真人體關(guān)節(jié)為仿真踝關(guān)節(jié)時，第一仿骨骼連接件14為仿小腿骨骼連接件，第二仿骨骼連接件15為仿距骨連接件，關(guān)節(jié)球座11的球窩為仿小腿骨關(guān)節(jié)面，關(guān)節(jié)球12為仿距骨滑車；仿小腿骨關(guān)節(jié)面的邊緣設(shè)有仿踝關(guān)節(jié)限位件16，在該仿踝關(guān)節(jié)限位件16的限位作用下，仿真踝關(guān)節(jié)的活動度范圍為：以仿距骨連接件與仿小腿骨骼連接件呈90°為中立位，關(guān)節(jié)背屈活動度為20°～40°，關(guān)節(jié)跖屈活動度為40°～60°，關(guān)節(jié)內(nèi)翻活動度為20°～40°，關(guān)節(jié)外翻活動度為30°～45°。

需要說明的是，以上各實施例在關(guān)節(jié)活動度范圍的限定中，中立位以及每種活動度下的具體關(guān)節(jié)狀態(tài)按照國家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的《事故傷害損失工作日標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15499－1995》中“A12關(guān)節(jié)運動活動度的鑒定”的相應(yīng)文字和圖進(jìn)行定義。此外，以上各實施例提及的各相應(yīng)限位件16，其結(jié)構(gòu)為能使相應(yīng)仿真人體關(guān)節(jié)活動度范圍滿足相應(yīng)限定的任何結(jié)構(gòu)，附圖中所示限位件僅供示意，并非對限位件結(jié)構(gòu)的限定。

下面對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳述：

電流磁效應(yīng)作為物理學(xué)一個基本應(yīng)用，與生活聯(lián)系緊密，如電磁繼電器、電磁起重機(jī)、磁懸浮列車、電子門鎖、智能通道匝、電磁流量計等。電磁鐵有許多優(yōu)點：電磁鐵的磁性有無可以用通、斷電流控制；磁性的大小可以用電流的強(qiáng)弱或線圈的匝數(shù)多少來控制；也可通過改變電阻控制電流大小來控制磁性大小等等。即：磁性的強(qiáng)弱可以改變、磁性的有無可以控制、磁性可因電流的消失而消失。

上述仿真人體關(guān)節(jié)中，連接結(jié)構(gòu)采用球窩形式，含有關(guān)節(jié)球和關(guān)節(jié)球座，可實現(xiàn)關(guān)節(jié)球在關(guān)節(jié)球座的轉(zhuǎn)動以及自身繞仿骨骼連接件軸線的轉(zhuǎn)動；關(guān)節(jié)球和關(guān)節(jié)球座活動連接通過電磁吸力完成。仿真人體關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動活動度通過對關(guān)節(jié)球座尺寸和結(jié)構(gòu)的設(shè)計來限制，因此上述仿真人體關(guān)節(jié)具有與人體關(guān)節(jié)相類似的自由度，能進(jìn)行活動范圍的三維模擬。

上述仿真人體關(guān)節(jié)采用可調(diào)的電磁設(shè)計，關(guān)節(jié)球和關(guān)節(jié)球座均采用導(dǎo)磁材料，電磁線圈可根據(jù)不同關(guān)節(jié)選用功率不同，通過調(diào)整直流電壓調(diào)整電磁場強(qiáng)度進(jìn)而實際滑動摩擦阻尼無級調(diào)整；關(guān)節(jié)球和關(guān)節(jié)球座相互接觸面具有耐磨和一定摩擦系數(shù)，加之關(guān)節(jié)球座模擬人體關(guān)節(jié)的限位可實現(xiàn)人體關(guān)節(jié)活動度的仿真。

本發(fā)明的仿真人體關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)不同于機(jī)器人關(guān)節(jié)，主要用于假人和仿真人模型。機(jī)器人關(guān)節(jié)主要從運動自由度及運動軌跡的可實現(xiàn)性來設(shè)計運動關(guān)節(jié)，而仿真人體關(guān)節(jié)的設(shè)計包括人體關(guān)節(jié)活動度的模擬，活動范圍的模擬及限位，摩擦阻尼的模擬，本發(fā)明仿真人體關(guān)節(jié)的特色在于：

1)仿真人體關(guān)節(jié)具有與人體關(guān)節(jié)相類似的自由度，能進(jìn)行活動范圍的三維模擬；

2)球窩式關(guān)節(jié)和可調(diào)的電磁設(shè)計相結(jié)合，加之以關(guān)節(jié)球座模擬人體關(guān)節(jié)的限位可實現(xiàn)人體關(guān)節(jié)活動和活動度的仿真。