一种具有四个被动自由度的假肢踝关节制造技术

本发明专利技术公开了一种假肢踝关节，包括：调节杆，其一端与胫骨可相对移动地连接，另一端设置在脚底板上，用于胫骨和脚底板的连接；球铰，其包括球碗和可在该球碗内相对转动的球体，其中，该球体固定设置在调节杆中部，球碗通过球铰支架固定在脚底板上；回复组件，其包括套装在胫骨和球体之间的调节杆上的胫骨减震扭转弹簧，和固定在脚底板上且套在所述调节杆的下端的回复盘，踝关节的各向运动通过该组件提供回复力，实现踝关节自动回位。本发明专利技术利用球铰结构实现假肢踝关节的四个被动自由度，通过胫骨减震扭转弹簧及回复弹簧组为转动自由度提供回复力，能保证假肢在支撑相时踝关节保持稳定，使得踝关节具有减震、缓冲的功能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及截肢患者使用的假肢，具体是一种假肢踝关节，属于康复工程

技术介绍
踝关节作为人体下肢关节的重要组成部分，需要较大的运动灵活性，需满足三个方向的转动自由度以适应各种步态的要求。这三个转动自由度分别描述为背屈-拓屈；内翻-外翻；脚底板前进线夹角。然而，针对大腿截肢患者来说，其假肢踝关节的自由度数多未必是件好事，因为大腿截肢患者失去了膝关节，对多自由度的踝关节不易控制，容易导致踝关节支撑不稳，从而使穿戴者跌倒。这也是目前市场上的假肢踝关节以无自由度的弹性储能脚为主的原因之一。因此，对于上述的三个自由度，应表现为具有较大刚度的被动自由度，能为上述三个自由度的运动提供回复力，以保证踝关节在不受外力或受到较小的外力时保持踝关节处于站立时的状态，使穿戴者容易控制，以此提高踝关节支撑身体的可靠性和安全性。此外，对于踝关节来说，还有两个重要的作用，即储能和缓冲。在步行周期的支撑相前期，地面对人身体的反作用力很大，踝关节应能缓冲该反作用力，保护膝关节，并在此过程中将能量储存起来；在支撑相的后期，另一条腿即将迈出的时候，将储存好的能量释放。由于人类在步行时，踝关节的主要运动形式表现为背屈-拓屈运动，因此国内外研究机构针对该转动自由度的实现做了较多的研究。如美国专利US2011166674A1和US6436149B分别公开了一种能实现背屈和拓屈的假肢踝关节，具有一个被动的转动自由度，其中提到了一种平面单轴的铰链机构踝关节，其缺点在于仅能实现一个方向的被动转动自由度，不能内翻与外翻，不能产生脚底板前进线夹角，因此不能适应较多的地形，在不平的路面上行走容易跌倒，且不能在假脚处于支撑相时实现转身。美国专利US3196463B公开的一种踝关节，其具有两个方向的被动转动自由度，能实现背屈和拓屈，内翻和外翻，但其缺点在于踝关节转动中心与脚底板的距离较小，处于假脚内部，与解剖学上的踝关节转动中心距离脚底板有一定距离这一点不相符，不能获得自然的步态，且从其结构上分析，其回复力较小，被动自由度的刚度过小，针对大腿截肢患者来说难以控制，此外其无法实现脚底板前进线夹角，因此亦不能在假脚处于支撑相时实现转身。中国专利201020270556. X提出了一种踝关节，该踝关节由一个四方锥、万向踝关节头，万向踝关节体，缓冲橡胶、左右摆动轴、前后摆动轴、活动片及螺杆组成，通过三个串联的平面铰链结构来实现三个方向的转动自由度，并通过缓冲橡胶来提供回复力，其结构原理图如图I。该结构能很好的实现三个方向的转动自由度，但其缺点在于，每个转动关节独立而且串联，其三个方向的转动中心不在一个点上，且三个转动轴异面正交，因此容易发生关节出现断点的现象，穿戴者很难控制三个转动轴不相交的三个转动关节，因此导致使用不便，且难以获得自然的步态。中国专利200810034002. 7提出了一种具有两个转动自由度、一个移动自由度的万向踝关节，其原理图如图2。该方案中采用了机构学中3-PRS并联机构，通过三个伺服电机来驱动三根导杆进而实现踝关节转动角的控制，能很好地避免串联机构关节出现断点的缺点，降低误差积累和放大效应，其缺点是仅能实现两个转动自由度，并非真正意义上的“万向”，且该踝关节没有缓冲、减震和储能的功能，此外，其结构非常复杂，外形尺寸过大，需要电机驱动，而且不够美观。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供了一种具有四个被动自由度的踝关节，包括三个被动转动自由度及一个被动移动自由度，其利用球铰方式而非简单的平面铰链方式来实现仿生的三个方向的转动自由度，使三个转动方向的轴线交于一点，和解剖学上的踝关节结构类似，采用一组弹簧来提供两个方向转动自由度的回复力，采用另一个弹簧来提供一个方向转动自 由度的回复力，并起到减震和缓冲的目的，从而解决假肢踝关节对多种地形的适应，对人体踝关节解剖结构的最大程度的类似，以获得自然的行走步态。该踝关节结构简单，尺寸较小无需借助电机等外部助力。为达到上述目的，本专利技术的一种基于球铰形式的踝关节，包括脚底板；假肢胫骨；具有三个方向转动自由度的球铰结构；为该球铰结构提供回复力的两组弹簧，该两组弹簧包括胫骨减震扭转弹簧，回复弹簧。进一步的，为方便描述,定义一个坐标系以胚骨为Z轴,脚底板前进方向为X轴，坐标系原点为该球铰转动中心，根据右手笛卡尔坐标系确定的直角坐标系C。上述球铰结构能实现的三个转动自由度，在坐标系C中分别表现为绕Z轴旋转，在解剖学上表现为脚底板前进线夹角这一自由度；绕X轴旋转，在步态中表现为内翻与外翻这一自由度；绕丫轴旋转，在解剖学上表现为背屈与拓屈这一自由度。进一步的，本专利技术所述的球铰结构由球体和球碗两部分组成。其中球体钻一通孔，与一根调节杆通过螺栓连接相固连，构成一体，且球铰位于调节杆的中间部分，调节杆的两端都分别伸出了球体；球碗为一球壳结构，且该球壳结构两端开有凹槽。球体在上述球碗中转动时带动调节杆，上述凹槽能防止调节杆与球碗发生干涉。进一步的，上述球铰在上述坐标系C中三个方向的转动自由度为被动自由度。Z方向的被动转动自由度，其回复力由胫骨减震扭转弹簧的扭转力提供；胫骨减震扭转弹簧的一端连接胫骨，另一端与上述球铰结构中的球碗连接；而上述的球碗同时通过球铰支架，与脚底板相固连。当脚底板相对胫骨发生转动时，胫骨减震扭转弹簧产生扭转力，为该转动提供回复力；上述胫骨减震扭转弹簧的刚度系数由使用者的身体素质及步行参数，比如体重、步行周期中踝关节所受的最大冲击力来决定。进一步的，上述球铰在上述坐标系C中绕X、Y轴两个方向的被动自由度，其回复力由三个参数完全相同的弹簧来提供。上述三个回复弹簧，均匀分布在一个圆形支架上，该圆形支架通过螺栓连接与脚底板相固连。上述回复弹簧的一段连接该弹簧支架，另一端连接一调节套，而该调节套套在上述调节杆的一端中，当上述球铰结构中的球体转动时，必然会带动与之固连的调节杆，此时调节杆的一端受到了调节套的限制，并通过回复弹簧的弹力来获得回复力。进一步的，上述调节杆的另一端穿过假肢胫骨部分，且为上述胫骨减震扭转弹簧提供导向作用；上述调节杆另一端的末端，固连一限位块，该限位块防止上述胫骨与球碗分离，使得胫骨减震扭转弹簧在未受力时便处于压缩状态，由于上述胫骨减震扭转弹簧的原因，本专利技术所述踝关节能起到减震缓存和储能的功能。通过上述结构，本专利技术能够实现绕三个轴转动的被动自由度，使得假肢踝关节具有充分的灵活性，以适应各种不同的地形；由于每个自由度都是被动的，即存在回复力使假肢踝关节回复到站立相的状态，因此在假肢踝关节受到较小作用力的时候不易受到扰动，能使假肢穿戴者易于控制假肢脚部的运动；进一步的，胫骨减震扭转弹簧还能在假肢穿戴者在步行中储能和减震，使得整个假肢具有优良的运动性能。附图说明 图I所示为现有技术中的一种万向假肢踝关节。图2所示为现有技术中的另一种万向假肢踝关节。图3所示为本专利技术的踝关节的原理图。图4所示为本专利技术实施例的结构示意图。图5所示为本专利技术实施例的轴侧示意图。图6所示为本专利技术实施例的分解示意图。图7所示为本专利技术实施例的调节套的结构示意图。图8所示为本专利技术实施例的球铰上端盖结构示意图。图9所示为本专利技术实施例的弹性橡胶端盖示意图。图10所示为本专利技术实施例的弹性橡胶端盖受力时的示意图。图中I-胫骨10本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种假肢踝关节，其特征在于，包括：调节杆（9），其一端与胫骨（1）可相对移动地连接，另一端设置在脚底板（5）上，用于胫骨（1）和脚底板（5）的连接；球铰（3，10），其包括球碗（3）和可在该球碗（3）内相对转动的球体（10），其中，该球体（10）固定设置在调节杆（9）中部，球碗（3）通过球铰支架（4）固定在脚底板（5）上；回复组件，其包括套装在胫骨（1）和球体（10）之间的调节杆（9）上的胫骨减震扭转弹簧（2），和固定在脚底板（5）上且套在所述调节杆（9）的下端的回复盘，踝关节的各向运动通过该组件提供回复力，实现踝关节自动回位。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李小平，贺鑫，陈学东，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：