專利名稱：一種具有四個被動自由度的假肢踝關節的制作方法
技術領域：
本發明涉及截肢患者使用的假肢，具體是一種假肢踝關節，屬于康復工程技術領域。
背景技術：
踝關節作為人體下肢關節的重要組成部分，需要較大的運動靈活性，需滿足三個方向的轉動自由度以適應各種步態的要求。這三個轉動自由度分別描述為背屈-拓屈；內翻-外翻；腳底板前進線夾角。然而，針對大腿截肢患者來說，其假肢踝關節的自由度數多未必是件好事，因為大腿截肢患者失去了膝關節，對多自由度的踝關節不易控制，容易導致踝關節支撐不穩，從而使穿戴者跌倒。這也是目前市場上的假肢踝關節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，應表現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力，以保證踝關節在不受外力或受到較小的外力時保持踝關節處于站立時的狀態，使穿戴者容易控制，以此提高踝關節支撐身體的可靠性和安全性。此外，對于踝關節來說，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，踝關節應能緩沖該反作用力，保護膝關節，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，踝關節的主要運動形式表現為背屈-拓屈運動，因此國內外研究機構針對該轉動自由度的實現做了較多的研究。如美國專利US2011166674A1和US6436149B分別公開了一種能實現背屈和拓屈的假肢踝關節，具有一個被動的轉動自由度，其中提到了一種平面單軸的鉸鏈機構踝關節，其缺點在于僅能實現一個方向的被動轉動自由度，不能內翻與外翻，不能產生腳底板前進線夾角，因此不能適應較多的地形，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轉身。美國專利US3196463B公開的一種踝關節，其具有兩個方向的被動轉動自由度，能實現背屈和拓屈，內翻和外翻，但其缺點在于踝關節轉動中心與腳底板的距離較小，處于假腳內部，與解剖學上的踝關節轉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，且從其結構上分析，其回復力較小，被動自由度的剛度過小，針對大腿截肢患者來說難以控制，此外其無法實現腳底板前進線夾角，因此亦不能在假腳處于支撐相時實現轉身。中國專利201020270556. X提出了一種踝關節，該踝關節由一個四方錐、萬向踝關節頭，萬向踝關節體，緩沖橡膠、左右擺動軸、前后擺動軸、活動片及螺桿組成，通過三個串聯的平面鉸鏈結構來實現三個方向的轉動自由度，并通過緩沖橡膠來提供回復力，其結構原理圖如圖I。該結構能很好的實現三個方向的轉動自由度，但其缺點在于，每個轉動關節獨立而且串聯，其三個方向的轉動中心不在一個點上，且三個轉動軸異面正交，因此容易發生關節出現斷點的現象，穿戴者很難控制三個轉動軸不相交的三個轉動關節，因此導致使用不便，且難以獲得自然的步態。中國專利200810034002. 7提出了一種具有兩個轉動自由度、一個移動自由度的萬向踝關節，其原理圖如圖2。該方案中采用了機構學中3-PRS并聯機構，通過三個伺服電機來驅動三根導桿進而實現踝關節轉動角的控制，能很好地避免串聯機構關節出現斷點的缺點，降低誤差積累和放大效應，其缺點是僅能實現兩個轉動自由度，并非真正意義上的“萬向”，且該踝關節沒有緩沖、減震和儲能的功能，此外，其結構非常復雜，外形尺寸過大，需要電機驅動，而且不夠美觀。
發明內容
本發明的目的在于提供了一種具有四個被動自由度的踝關節，包括三個被動轉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仿生的三個方向的轉動自由度，使三個轉動方向的軸線交于一點，和解剖學上的踝關節結構類似，采用一組彈簧來提供兩個方向轉動自由度的回復力，采用另一個彈簧來提供一個方向轉動自 由度的回復力，并起到減震和緩沖的目的，從而解決假肢踝關節對多種地形的適應，對人體踝關節解剖結構的最大程度的類似，以獲得自然的行走步態。該踝關節結構簡單，尺寸較小無需借助電機等外部助力。為達到上述目的，本發明的一種基于球鉸形式的踝關節，包括腳底板；假肢脛骨；具有三個方向轉動自由度的球鉸結構；為該球鉸結構提供回復力的兩組彈簧，該兩組彈簧包括脛骨減震扭轉彈簧，回復彈簧。進一步的，為方便描述,定義一個坐標系以胚骨為Z軸,腳底板前進方向為X軸，坐標系原點為該球鉸轉動中心，根據右手笛卡爾坐標系確定的直角坐標系C。上述球鉸結構能實現的三個轉動自由度，在坐標系C中分別表現為繞Z軸旋轉，在解剖學上表現為腳底板前進線夾角這一自由度；繞X軸旋轉，在步態中表現為內翻與外翻這一自由度；繞丫軸旋轉，在解剖學上表現為背屈與拓屈這一自由度。進一步的，本發明所述的球鉸結構由球體和球碗兩部分組成。其中球體鉆一通孔，與一根調節桿通過螺栓連接相固連，構成一體，且球鉸位于調節桿的中間部分，調節桿的兩端都分別伸出了球體；球碗為一球殼結構，且該球殼結構兩端開有凹槽。球體在上述球碗中轉動時帶動調節桿，上述凹槽能防止調節桿與球碗發生干涉。進一步的，上述球鉸在上述坐標系C中三個方向的轉動自由度為被動自由度。Z方向的被動轉動自由度，其回復力由脛骨減震扭轉彈簧的扭轉力提供；脛骨減震扭轉彈簧的一端連接脛骨，另一端與上述球鉸結構中的球碗連接；而上述的球碗同時通過球鉸支架，與腳底板相固連。當腳底板相對脛骨發生轉動時，脛骨減震扭轉彈簧產生扭轉力，為該轉動提供回復力；上述脛骨減震扭轉彈簧的剛度系數由使用者的身體素質及步行參數，比如體重、步行周期中踝關節所受的最大沖擊力來決定。進一步的，上述球鉸在上述坐標系C中繞X、Y軸兩個方向的被動自由度，其回復力由三個參數完全相同的彈簧來提供。上述三個回復彈簧，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。上述回復彈簧的一段連接該彈簧支架，另一端連接一調節套，而該調節套套在上述調節桿的一端中，當上述球鉸結構中的球體轉動時，必然會帶動與之固連的調節桿，此時調節桿的一端受到了調節套的限制，并通過回復彈簧的彈力來獲得回復力。進一步的，上述調節桿的另一端穿過假肢脛骨部分，且為上述脛骨減震扭轉彈簧提供導向作用；上述調節桿另一端的末端，固連一限位塊，該限位塊防止上述脛骨與球碗分離，使得脛骨減震扭轉彈簧在未受力時便處于壓縮狀態，由于上述脛骨減震扭轉彈簧的原因，本發明所述踝關節能起到減震緩存和儲能的功能。通過上述結構，本發明能夠實現繞三個軸轉動的被動自由度，使得假肢踝關節具有充分的靈活性，以適應各種不同的地形；由于每個自由度都是被動的，即存在回復力使假肢踝關節回復到站立相的狀態，因此在假肢踝關節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；進一步的，脛骨減震扭轉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良的運動性能。
圖I所示為現有技術中的一種萬向假肢踝關節。圖2所示為現有技術中的另一種萬向假肢踝關節。圖3所示為本發明的踝關節的原理圖。圖4所示為本發明實施例的結構示意圖。圖5所示為本發明實施例的軸側示意圖。圖6所示為本發明實施例的分解示意圖。圖7所示為本發明實施例的調節套的結構示意圖。圖8所示為本發明實施例的球鉸上端蓋結構示意圖。圖9所示為本發明實施例的彈性橡膠端蓋示意圖。圖10所示為本發明實施例的彈性橡膠端蓋受力時的示意圖。圖中I-脛骨101-脛骨連接桿102-彈簧連接軸2-脛骨減震扭轉彈簧3-球鉸球碗 301-球碗下端蓋302-球碗上端蓋4-球鉸支架5-腳底板501-后腳掌502-前腳掌 503-后腳掌墊6-回復彈簧 7-圓形支架8-調節套9-調節桿901-下調節桿 902-上調節桿903-限位塊 10-球鉸球體
具體實施例方式為讓本發明的上述和其它目的、特征和優點能更明顯易懂，下面特舉較佳實施例，并配合附圖，作詳細說明如下。實施例一圖3為本實施實例的一種具有四個被動自由度的假肢踝關節，其包括脛骨部分I、球鉸結構3，10、脛骨減震扭轉彈簧2、腳底板5和回復彈簧裝置。球鉸結構由兩部分組成,包括球鉸球體10及球鉸球碗3,兩者組成一轉動副，因此球鉸球體10可實現三個方向的轉動自由度。調節桿9與上述球鉸球體10通過焊接的方式固連，球鉸球體10位于調節桿9的中部，將調節桿9分為上調節桿902和下調節桿901，上調節桿902和下調節桿901 —端分別與球鉸球體10焊接固定。其中上調節桿902穿過脛骨1，并且脛骨I可以通過上調節桿902的導向作用相對調節桿9上下滑動。上調節桿902固連一限位塊，防止脛骨I與調節桿9發生脫離。脛骨減震扭轉彈簧2套裝在上調節桿902上，脛骨減震扭轉彈簧2的上端與脛骨I通過焊接的方式相固連，下端通過焊接的方式與球鉸結構的球碗3相固連，同時調節桿上端902也為脛骨減震彈簧2起導向作用。為方便描述,定義一個坐標系以胚骨I為Z軸,腳底板5前進方向為X軸,坐標系原點為該球鉸轉動中心，根據右手笛卡爾坐標系確定的直角坐標系C。球鉸結構能實現的三個轉動自由度，在坐標系C中分別表現為繞Z軸旋轉，在解剖學上表現為腳底板5前進線 夾角這一自由度；繞X軸旋轉，在步態中表現為內翻與外翻這一自由度；繞Y軸旋轉，在解剖學上表現為背屈與拓屈這一自由度。當假肢腿不受外力時，脛骨減震扭轉彈簧2處于壓縮狀態，當假肢腿處于支撐相時，脛骨I沿著上調節桿902滑下，脛骨減震扭轉彈簧2的彈力便可以起到緩沖地面壓力的作用；當假肢腿處于支撐相末期時，彈簧回復，將儲存的能量釋放，讓穿戴者感到省力。上述過程表現為本實施例的假肢踝關節在前述坐標系C中沿Z軸方向移動的被動自由度。球鉸結構的球碗3通過焊接的方式與一球鉸支架4相固連,而球鉸支架4又與腳底板5焊接在一起。球碗3、球鉸支架3及腳底板5可看作為一個剛體。當假肢腿處于支撐狀態時，若此時人需要轉身，即脛骨I會以上調節桿902為軸線旋轉，球碗3和脛骨I發生相對轉動，從而假肢穿戴者在假肢腳的腳掌著地時可以順利的轉身。于此同時，脛骨減震扭轉彈簧2會受到扭轉力，進而會產生扭轉反力，迫使脛骨I回復到原來的狀態，因此當人轉身結束時，假肢腿的腳掌會自動地恢復到原來的狀態。上述過程表現為本實施例的假肢踝關節在前述坐標系C中繞Z軸轉動的被動自由度。回復彈簧裝置包括回復彈簧6、圓形支架7及調節套8。本實施例中回復彈簧6共有三個，其參數完全相同，各間隔120°徑向均布在圓形支架7上，圓形支架7與腳底板5通過焊接的方式相固連。回復彈簧6的一段固連在圓形支架7上，另一端固連在調節套8上，當調節套不受外力時，調節套8由于回復彈簧6的作用處于圓形支架7的中間，其軸線與圓形支架7的軸線共線。下調節桿901與球鉸球體10相固連，且下調節桿901被套在調節套8中。當球鉸球體10相對球碗3做轉動時，必然會帶動下調節桿901發生偏斜運動，由于下調節桿901被套在調節套8中，因此會帶動調節套8運動。而調節套8與回復彈簧6固連，因此回復彈簧6受到外力后會施加一反力給調節套，進而限制調節桿9的偏斜運動，給踝關節在前述坐標系C中繞X軸、Y軸轉動中提供回復力。當調節套8往任意方向偏移時，由于三個均布回復彈簧6的作用，分別會施加給調節套8彈力，而三者彈力的合理與調節套8的偏移方向恰好相反。因此回復彈簧產生的回復力會使得假肢踝關節在不受外力或者受到較小外力時，不發生背屈和拓屈、內翻和外翻，使得穿戴者容易控制；當假肢踝關節受到較大外力時，比如踩在石塊上、走上坡路時，假肢踝關節能順利的實現上述兩個自由度的轉動。因此上述過程中，球鉸結構可以繞前述坐標系C的X軸和Y軸轉動，體現為兩個被動轉動自由度。實施例二 圖4、5、6為另一種具有四個被動自由度的假肢踝關節，本實施例與實施例一的區別在于實施實例一中球鉸結構的球碗被剖分成兩個部分，此外，球鉸支架4和腳底板5的連接及其構造均不一樣。如圖5，6所示，脛骨I被分為了兩個部分，脛骨連接桿101和彈簧連接軸102。脛骨連接桿101與整個假肢的膝關節相連，彈簧連接軸102與脛骨減震扭轉彈簧2相連。脛骨減震扭轉彈簧套裝在彈簧連接軸102上，該彈簧連接軸102徑向開有一孔，脛骨減震扭轉彈簧，且其末端插入上述孔中。彈簧連接軸102和脛骨連接桿101通過螺紋連接相固連。如圖4、6所示，球鉸結構的球碗制成一體，這在加工時可能會遇到困難，本實施實例中的球碗剖分成兩個部分球碗下端蓋301和球碗上端蓋302。兩部分合并成為一球碗，兩者的連接通過六個均布的螺栓連接。且連接兩者的螺栓還將其與球鉸支架4連接起來，并非如實施實例一中采用焊接的方式，從而實現球鉸球碗結構和球鉸支架4相固連。本實施實例中，腳底板被分成了 3部分后腳掌501、前腳掌502、后腳掌墊503。三者的連接均采用螺栓連接，而非實施實例一中采用焊接的方式，如此拆裝方便，亦可以實現 零部件更換。后腳掌為一折彎的鋼板，其豎直的一面通過螺栓連接與球鉸支架4相固連，水平一面通過螺栓連接與后腳掌墊503固連，斜面部分通過螺栓連接與前腳掌502相連。上述后腳掌墊503具有少量的彈性，其厚度可以更換，以適應鞋底厚度不同的鞋子，優選為橡膠墊；前腳掌502優選為折成弓形的碳纖維板，與后腳掌501的斜面部分相固連。本實施實例中，調節桿9為一體成型，在調節桿9的頂端通過螺栓連接限位塊903 ；調節桿9的固定部位攻有外螺紋，球鉸球體10沿其直徑開有一螺紋通孔，調節桿9伸入其中，調節桿9穿過球鉸球體10中心與其螺紋連接固定。本實施例中的兩者對應的螺紋部分相配合通過螺紋連接緊固，而非采用實施實例一中焊接的方式。當球鉸球體10轉動時,帶動調節桿9圍繞球鉸球體10的中心轉動,呈現出一圓錐形的運動空間。為不與調節桿9發生干涉，球碗上端蓋302及球碗下端蓋301應開一錐形槽，如圖7所示。上述錐型槽的錐度應根據人體在步行時背屈和拓屈、內翻與外翻產生的最大角度amax而定。同樣的，為了使調節套8在調節桿9的帶動下，順利地在一個平面內發生偏移，其結構形式同球碗上端蓋302、球碗下端蓋301類似，開一錐形槽，如圖8所示，且其錐度的確定同球碗上端蓋302、球碗下端蓋301類似。實施例三如圖9和10所示，為一彈性橡膠端蓋，用以取代上述實施實例中的回復彈簧組。彈性橡膠端蓋直接套在調節桿9上，不需要再通過調節套8來限制調節桿9的運動，直接約束約束調節桿9的運動。當調節桿9因球鉸球體10轉動而發生偏斜時，須克服彈性橡膠端蓋的彈力。如圖9和10所示，此彈性橡膠端蓋中心鉆通孔，直徑大小與調節桿9 一致，調節桿9同軸穿過該中心通孔。彈性橡膠端蓋安裝在圓形支架7上，二者通過螺釘連接，而圓形支架7通過螺釘與后腳掌501及后腳掌墊503相固連。
權利要求
1.一種假肢踝關節，其特征在于，包括 調節桿(9)，其一端與脛骨(I)可相對移動地連接，另一端設置在腳底板(5)上，用于脛骨(I)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 )內相對轉動的球體(10 )，其中，該球體(10)固定設置在調節桿(9)中部，球碗(3)通過球鉸支架(4)固定在腳底板(5)上； 回復組件，其包括套裝在脛骨(I)和球體(10)之間的調節桿(9)上的脛骨減震扭轉彈簧(2)，和固定在腳底板(5)上且套在所述調節桿(9)的下端的回復盤，踝關節的各向運動通過該組件提供回復力，實現踝關節自動回位。
2.根據權利要求I所述的假肢踝關節，其特征在于，所述回復盤包括圓形支架(7)、調節套(8)和多個回復彈簧(6)，其中，所述圓形支架(7)固定設置在腳底板(5)上，所述各回復彈簧(6)—端固定在所述圓形支架(7)上，另一端均連接到所述調節套(8)，從而在圓形支架(7)上形成徑向均勻分布并保持所述調節套(8)位于圓形支架(7)中心，所述調節桿(9)的另一端穿過該調節套(8)并固定其上。
3.根據權利要求I所述的假肢踝關節，其特征在于，所述回復盤包括圓形支架(7)和彈性橡膠端蓋，該彈性橡膠端蓋固定安裝在圓形支架(7)上，其中心開有通孔，所述調節桿(9)另一端同軸穿過該中心通孔后固定其上。
4.根據權利要求1-3之一所述的假肢踝關節，其特征在于，所述調節桿(9)包括上調節桿(902)和下調節桿(901)，該上調節桿(902)和下調節桿(902) —端均分別與球鉸球體(10)焊接固定，各自的另一端分別連接到脛骨(I)和腳底板(5)上。
5.根據權利要求4所述的假肢踝關節，其特征在于，所述上調節桿(902)與所述脛骨(1)連接的一端設置有限位塊(903)，用于防止脛骨(I)與所述上調節桿(902 )脫離。
6.根據權利要求1-3之一所述的假肢踝關節，其特征在于，所述球體(10)開有具有內螺紋的中心通孔，所述調節桿(9)穿過該中心通孔后，通過其外周的外螺紋與所述球體(10)螺紋連接固定。
7.根據權利要求1-6之一所述的假肢踝關節，其特征在于，所述球碗(3)包括球碗下端蓋(301)和球碗上端蓋(302 )，兩者組合形成球形內腔，用以容納所述球體(10 )。
8.根據權利要求7所述的假肢踝關節，其特征在于，球碗上端蓋(302)及球碗下端蓋(301)開有錐型槽，用于防止所述調節桿(9)在發生偏斜運動時與其干涉，導致調節桿(9)無法偏斜，從而使球鉸(3,10)無法轉動。
9.根據權利要求1-8之一所述的假肢踝關節，其特征在于，所述腳底板包括依次固連的前腳掌(502)、后腳掌(501)和后腳掌墊(503)，其中，所述后腳掌(501)為一折彎板，包括呈腳弓形的第一部分，用于連接前腳掌(502)，呈豎直狀的第二部分，用于與所述球鉸支架(4)連接，和呈水平狀的第二部分，其底部設置有所述后腳掌墊(503)。
10.根據權利要求1-9之一所述的假肢踝關節，其特征在于，所述脛骨減震扭轉彈簧(2)套裝在所述上調節桿(902)上，其一端與脛骨(I)固連，另一端與所述球碗(3)固連。
全文摘要
本發明公開了一種假肢踝關節，包括調節桿，其一端與脛骨可相對移動地連接，另一端設置在腳底板上，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相對轉動的球體，其中，該球體固定設置在調節桿中部，球碗通過球鉸支架固定在腳底板上；回復組件，其包括套裝在脛骨和球體之間的調節桿上的脛骨減震扭轉彈簧，和固定在腳底板上且套在所述調節桿的下端的回復盤，踝關節的各向運動通過該組件提供回復力，實現踝關節自動回位。本發明利用球鉸結構實現假肢踝關節的四個被動自由度，通過脛骨減震扭轉彈簧及回復彈簧組為轉動自由度提供回復力，能保證假肢在支撐相時踝關節保持穩定，使得踝關節具有減震、緩沖的功能。
文檔編號A61F2/66GK102940542SQ20121040583
公開日2013年2月27日 申請日期2012年10月23日 優先權日2012年10月23日
發明者李小平, 賀鑫, 陳學東 申請人:華中科技大學