本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種假肢踝關(guān)節(jié)，包括：調(diào)節(jié)桿，其一端與脛骨可相對移動地連接，另一端設(shè)置在腳底板上，用于脛骨和腳底板的連接；球鉸，其包括球碗和可在該球碗內(nèi)相對轉(zhuǎn)動的球體，其中，該球體固定設(shè)置在調(diào)節(jié)桿中部，球碗通過球鉸支架固定在腳底板上；回復(fù)組件，其包括套裝在脛骨和球體之間的調(diào)節(jié)桿上的脛骨減震扭轉(zhuǎn)彈簧，和固定在腳底板上且套在所述調(diào)節(jié)桿的下端的回復(fù)盤，踝關(guān)節(jié)的各向運動通過該組件提供回復(fù)力，實現(xiàn)踝關(guān)節(jié)自動回位。本發(fā)明專利技術(shù)利用球鉸結(jié)構(gòu)實現(xiàn)假肢踝關(guān)節(jié)的四個被動自由度，通過脛骨減震扭轉(zhuǎn)彈簧及回復(fù)彈簧組為轉(zhuǎn)動自由度提供回復(fù)力，能保證假肢在支撐相時踝關(guān)節(jié)保持穩(wěn)定，使得踝關(guān)節(jié)具有減震、緩沖的功能。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及截肢患者使用的假肢，具體是一種假肢踝關(guān)節(jié)，屬于康復(fù)工程
技術(shù)介紹
踝關(guān)節(jié)作為人體下肢關(guān)節(jié)的重要組成部分，需要較大的運動靈活性，需滿足三個方向的轉(zhuǎn)動自由度以適應(yīng)各種步態(tài)的要求。這三個轉(zhuǎn)動自由度分別描述為背屈-拓屈；內(nèi)翻-外翻；腳底板前進(jìn)線夾角。然而，針對大腿截肢患者來說，其假肢踝關(guān)節(jié)的自由度數(shù)多未必是件好事，因為大腿截肢患者失去了膝關(guān)節(jié)，對多自由度的踝關(guān)節(jié)不易控制，容易導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)支撐不穩(wěn)，從而使穿戴者跌倒。這也是目前市場上的假肢踝關(guān)節(jié)以無自由度的彈性儲能腳為主的原因之一。因此，對于上述的三個自由度，應(yīng)表現(xiàn)為具有較大剛度的被動自由度，能為上述三個自由度的運動提供回復(fù)力，以保證踝關(guān)節(jié)在不受外力或受到較小的外力時保持踝關(guān)節(jié)處于站立時的狀態(tài)，使穿戴者容易控制，以此提高踝關(guān)節(jié)支撐身體的可靠性和安全性。此外，對于踝關(guān)節(jié)來說，還有兩個重要的作用，即儲能和緩沖。在步行周期的支撐相前期，地面對人身體的反作用力很大，踝關(guān)節(jié)應(yīng)能緩沖該反作用力，保護膝關(guān)節(jié)，并在此過程中將能量儲存起來；在支撐相的后期，另一條腿即將邁出的時候，將儲存好的能量釋放。由于人類在步行時，踝關(guān)節(jié)的主要運動形式表現(xiàn)為背屈-拓屈運動，因此國內(nèi)外研究機構(gòu)針對該轉(zhuǎn)動自由度的實現(xiàn)做了較多的研究。如美國專利US2011166674A1和US6436149B分別公開了一種能實現(xiàn)背屈和拓屈的假肢踝關(guān)節(jié)，具有一個被動的轉(zhuǎn)動自由度，其中提到了一種平面單軸的鉸鏈機構(gòu)踝關(guān)節(jié)，其缺點在于僅能實現(xiàn)一個方向的被動轉(zhuǎn)動自由度，不能內(nèi)翻與外翻，不能產(chǎn)生腳底板前進(jìn)線夾角，因此不能適應(yīng)較多的地形，在不平的路面上行走容易跌倒，且不能在假腳處于支撐相時實現(xiàn)轉(zhuǎn)身。美國專利US3196463B公開的一種踝關(guān)節(jié)，其具有兩個方向的被動轉(zhuǎn)動自由度，能實現(xiàn)背屈和拓屈，內(nèi)翻和外翻，但其缺點在于踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動中心與腳底板的距離較小，處于假腳內(nèi)部，與解剖學(xué)上的踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動中心距離腳底板有一定距離這一點不相符，不能獲得自然的步態(tài)，且從其結(jié)構(gòu)上分析，其回復(fù)力較小，被動自由度的剛度過小，針對大腿截肢患者來說難以控制，此外其無法實現(xiàn)腳底板前進(jìn)線夾角，因此亦不能在假腳處于支撐相時實現(xiàn)轉(zhuǎn)身。中國專利201020270556. X提出了一種踝關(guān)節(jié)，該踝關(guān)節(jié)由一個四方錐、萬向踝關(guān)節(jié)頭，萬向踝關(guān)節(jié)體，緩沖橡膠、左右擺動軸、前后擺動軸、活動片及螺桿組成，通過三個串聯(lián)的平面鉸鏈結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)三個方向的轉(zhuǎn)動自由度，并通過緩沖橡膠來提供回復(fù)力，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖I。該結(jié)構(gòu)能很好的實現(xiàn)三個方向的轉(zhuǎn)動自由度，但其缺點在于，每個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)獨立而且串聯(lián)，其三個方向的轉(zhuǎn)動中心不在一個點上，且三個轉(zhuǎn)動軸異面正交，因此容易發(fā)生關(guān)節(jié)出現(xiàn)斷點的現(xiàn)象，穿戴者很難控制三個轉(zhuǎn)動軸不相交的三個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，因此導(dǎo)致使用不便，且難以獲得自然的步態(tài)。中國專利200810034002. 7提出了一種具有兩個轉(zhuǎn)動自由度、一個移動自由度的萬向踝關(guān)節(jié)，其原理圖如圖2。該方案中采用了機構(gòu)學(xué)中3-PRS并聯(lián)機構(gòu)，通過三個伺服電機來驅(qū)動三根導(dǎo)桿進(jìn)而實現(xiàn)踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角的控制，能很好地避免串聯(lián)機構(gòu)關(guān)節(jié)出現(xiàn)斷點的缺點，降低誤差積累和放大效應(yīng)，其缺點是僅能實現(xiàn)兩個轉(zhuǎn)動自由度，并非真正意義上的“萬向”，且該踝關(guān)節(jié)沒有緩沖、減震和儲能的功能，此外，其結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，外形尺寸過大，需要電機驅(qū)動，而且不夠美觀。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供了一種具有四個被動自由度的踝關(guān)節(jié)，包括三個被動轉(zhuǎn)動自由度及一個被動移動自由度，其利用球鉸方式而非簡單的平面鉸鏈方式來實現(xiàn)仿生的三個方向的轉(zhuǎn)動自由度，使三個轉(zhuǎn)動方向的軸線交于一點，和解剖學(xué)上的踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)類似，采用一組彈簧來提供兩個方向轉(zhuǎn)動自由度的回復(fù)力，采用另一個彈簧來提供一個方向轉(zhuǎn)動自 由度的回復(fù)力，并起到減震和緩沖的目的，從而解決假肢踝關(guān)節(jié)對多種地形的適應(yīng)，對人體踝關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)的最大程度的類似，以獲得自然的行走步態(tài)。該踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)簡單，尺寸較小無需借助電機等外部助力。為達(dá)到上述目的，本專利技術(shù)的一種基于球鉸形式的踝關(guān)節(jié)，包括腳底板；假肢脛骨；具有三個方向轉(zhuǎn)動自由度的球鉸結(jié)構(gòu)；為該球鉸結(jié)構(gòu)提供回復(fù)力的兩組彈簧，該兩組彈簧包括脛骨減震扭轉(zhuǎn)彈簧，回復(fù)彈簧。進(jìn)一步的，為方便描述,定義一個坐標(biāo)系以胚骨為Z軸,腳底板前進(jìn)方向為X軸，坐標(biāo)系原點為該球鉸轉(zhuǎn)動中心，根據(jù)右手笛卡爾坐標(biāo)系確定的直角坐標(biāo)系C。上述球鉸結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)的三個轉(zhuǎn)動自由度，在坐標(biāo)系C中分別表現(xiàn)為繞Z軸旋轉(zhuǎn)，在解剖學(xué)上表現(xiàn)為腳底板前進(jìn)線夾角這一自由度；繞X軸旋轉(zhuǎn)，在步態(tài)中表現(xiàn)為內(nèi)翻與外翻這一自由度；繞丫軸旋轉(zhuǎn)，在解剖學(xué)上表現(xiàn)為背屈與拓屈這一自由度。進(jìn)一步的，本專利技術(shù)所述的球鉸結(jié)構(gòu)由球體和球碗兩部分組成。其中球體鉆一通孔，與一根調(diào)節(jié)桿通過螺栓連接相固連，構(gòu)成一體，且球鉸位于調(diào)節(jié)桿的中間部分，調(diào)節(jié)桿的兩端都分別伸出了球體；球碗為一球殼結(jié)構(gòu)，且該球殼結(jié)構(gòu)兩端開有凹槽。球體在上述球碗中轉(zhuǎn)動時帶動調(diào)節(jié)桿，上述凹槽能防止調(diào)節(jié)桿與球碗發(fā)生干涉。進(jìn)一步的，上述球鉸在上述坐標(biāo)系C中三個方向的轉(zhuǎn)動自由度為被動自由度。Z方向的被動轉(zhuǎn)動自由度，其回復(fù)力由脛骨減震扭轉(zhuǎn)彈簧的扭轉(zhuǎn)力提供；脛骨減震扭轉(zhuǎn)彈簧的一端連接脛骨，另一端與上述球鉸結(jié)構(gòu)中的球碗連接；而上述的球碗同時通過球鉸支架，與腳底板相固連。當(dāng)腳底板相對脛骨發(fā)生轉(zhuǎn)動時，脛骨減震扭轉(zhuǎn)彈簧產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力，為該轉(zhuǎn)動提供回復(fù)力；上述脛骨減震扭轉(zhuǎn)彈簧的剛度系數(shù)由使用者的身體素質(zhì)及步行參數(shù)，比如體重、步行周期中踝關(guān)節(jié)所受的最大沖擊力來決定。進(jìn)一步的，上述球鉸在上述坐標(biāo)系C中繞X、Y軸兩個方向的被動自由度，其回復(fù)力由三個參數(shù)完全相同的彈簧來提供。上述三個回復(fù)彈簧，均勻分布在一個圓形支架上，該圓形支架通過螺栓連接與腳底板相固連。上述回復(fù)彈簧的一段連接該彈簧支架，另一端連接一調(diào)節(jié)套，而該調(diào)節(jié)套套在上述調(diào)節(jié)桿的一端中，當(dāng)上述球鉸結(jié)構(gòu)中的球體轉(zhuǎn)動時，必然會帶動與之固連的調(diào)節(jié)桿，此時調(diào)節(jié)桿的一端受到了調(diào)節(jié)套的限制，并通過回復(fù)彈簧的彈力來獲得回復(fù)力。進(jìn)一步的，上述調(diào)節(jié)桿的另一端穿過假肢脛骨部分，且為上述脛骨減震扭轉(zhuǎn)彈簧提供導(dǎo)向作用；上述調(diào)節(jié)桿另一端的末端，固連一限位塊，該限位塊防止上述脛骨與球碗分離，使得脛骨減震扭轉(zhuǎn)彈簧在未受力時便處于壓縮狀態(tài)，由于上述脛骨減震扭轉(zhuǎn)彈簧的原因，本專利技術(shù)所述踝關(guān)節(jié)能起到減震緩存和儲能的功能。通過上述結(jié)構(gòu)，本專利技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)繞三個軸轉(zhuǎn)動的被動自由度，使得假肢踝關(guān)節(jié)具有充分的靈活性，以適應(yīng)各種不同的地形；由于每個自由度都是被動的，即存在回復(fù)力使假肢踝關(guān)節(jié)回復(fù)到站立相的狀態(tài)，因此在假肢踝關(guān)節(jié)受到較小作用力的時候不易受到擾動，能使假肢穿戴者易于控制假肢腳部的運動；進(jìn)一步的，脛骨減震扭轉(zhuǎn)彈簧還能在假肢穿戴者在步行中儲能和減震，使得整個假肢具有優(yōu)良的運動性能。附圖說明 圖I所示為現(xiàn)有技術(shù)中的一種萬向假肢踝關(guān)節(jié)。圖2所示為現(xiàn)有技術(shù)中的另一種萬向假肢踝關(guān)節(jié)。圖3所示為本專利技術(shù)的踝關(guān)節(jié)的原理圖。圖4所示為本專利技術(shù)實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5所示為本專利技術(shù)實施例的軸側(cè)示意圖。圖6所示為本專利技術(shù)實施例的分解示意圖。圖7所示為本專利技術(shù)實施例的調(diào)節(jié)套的結(jié)構(gòu)示意圖。圖8所示為本專利技術(shù)實施例的球鉸上端蓋結(jié)構(gòu)示意圖。圖9所示為本專利技術(shù)實施例的彈性橡膠端蓋示意圖。圖10所示為本專利技術(shù)實施例的彈性橡膠端蓋受力時的示意圖。圖中I-脛骨10本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
一種假肢踝關(guān)節(jié)，其特征在于，包括：調(diào)節(jié)桿（9），其一端與脛骨（1）可相對移動地連接，另一端設(shè)置在腳底板（5）上，用于脛骨（1）和腳底板（5）的連接；球鉸（3，10），其包括球碗（3）和可在該球碗（3）內(nèi)相對轉(zhuǎn)動的球體（10），其中，該球體（10）固定設(shè)置在調(diào)節(jié)桿（9）中部，球碗（3）通過球鉸支架（4）固定在腳底板（5）上；回復(fù)組件，其包括套裝在脛骨（1）和球體（10）之間的調(diào)節(jié)桿（9）上的脛骨減震扭轉(zhuǎn)彈簧（2），和固定在腳底板（5）上且套在所述調(diào)節(jié)桿（9）的下端的回復(fù)盤，踝關(guān)節(jié)的各向運動通過該組件提供回復(fù)力，實現(xiàn)踝關(guān)節(jié)自動回位。
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：李小平，賀鑫，陳學(xué)東，
申請(專利權(quán))人：華中科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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