專利名稱：主被動(dòng)式踝關(guān)節(jié)假肢及其運(yùn)動(dòng)方式的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及人體假肢，尤其涉及一種能夠模擬人體踝關(guān)節(jié)肌肉群驅(qū)動(dòng)和儲(chǔ)能功能的主被動(dòng)式雙自由度踝關(guān)節(jié)假肢及其運(yùn)動(dòng)方式。
背景技術(shù)：
假肢是截肢患者日常生活的必備裝置。以下肢踝關(guān)節(jié)假肢為例，其主要功能是代替殘缺肢體，輔助患者正常行走。人體踝足不僅具有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)功能，還具有儲(chǔ)能和緩沖功能。最為理想的踝關(guān)節(jié)假肢應(yīng)該能充分模擬人體踝足的主動(dòng)驅(qū)動(dòng)、儲(chǔ)能特性，以及人體踝關(guān)節(jié)步態(tài)特性。然而，到目前為止市場(chǎng)上絕大多數(shù)踝關(guān)節(jié)假肢都是被動(dòng)的。盡管碳纖維腳底板的引入可以實(shí)現(xiàn)步態(tài)過程中的能量存儲(chǔ)和釋放，但是依舊不能滿足人體正常步態(tài)中所需的能量。此外，人體踝關(guān)節(jié)是多自由度關(guān)節(jié)。起主要作用的是矢狀面的背屈/趾屈和冠狀面的內(nèi)翻/外翻。多自由度的關(guān)節(jié)保證了人體步態(tài)的靈活性和環(huán)境適應(yīng)性。現(xiàn)在市場(chǎng)上大多數(shù)踝關(guān)節(jié)假肢均為單自由度或者類單自由度，只能保證截肢患者在矢狀面的運(yùn)動(dòng)，因此環(huán)境適應(yīng)性較差。
主動(dòng)式踝關(guān)節(jié)假肢的研究目前最具有代表性的是美國麻省理工學(xué)院H. Herr課題組研發(fā)的主動(dòng)式踩足假肢，(S. Au, J. Weber, and H. Herr, “Powered ankle-footprosthesis improves walking metabolic economy,，，IEEE Trans. Robotics, vol. 25,no. I,pp. 51-66, Feb. 2009.)，此外，Ossur公司也開始研究主動(dòng)式踝足假肢。盡管他們的假肢可以提供人體步態(tài)時(shí)所需的能量，但是他們的踝關(guān)節(jié)假肢也都是單自由度。
到目前為止，電機(jī)驅(qū)動(dòng)依舊是實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式假肢的有效且成熟的手段，然而由于電機(jī)的大質(zhì)量，大體積，實(shí)現(xiàn)雙自由度主動(dòng)踝關(guān)節(jié)假肢將很困難和笨重。
因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種主被動(dòng)式雙自由度踝關(guān)節(jié)假肢。發(fā)明內(nèi)容
有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種主被動(dòng)式雙自由度踝關(guān)節(jié)假肢。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種主被動(dòng)式踝關(guān)節(jié)假肢，包括碳纖維儲(chǔ)能腳板、 電機(jī)、減速器、電機(jī)固定支座、帶輪傳動(dòng)裝置、碳纖維管、滾珠絲杠、儲(chǔ)能彈簧、關(guān)節(jié)軸承、儲(chǔ)能橡膠圈、關(guān)節(jié)支撐座；
所述碳纖維儲(chǔ)能腳板通過所述關(guān)節(jié)支撐座與所述碳纖維管連接；所述電機(jī)固定支座通過活動(dòng)銷與所述碳纖維管連接；所述電機(jī)固定支座一端固定所述電機(jī)，一端固定所述滾珠絲杠，兩端通過所述帶輪傳動(dòng)裝置連接；所述儲(chǔ)能彈簧與所述滾珠絲杠螺母連接；所述儲(chǔ)能橡膠圈通過軸與所述關(guān)節(jié)軸承以及所述關(guān)節(jié)支撐座連接。
所述關(guān)節(jié)軸承為三自由度關(guān)節(jié)軸承。
所述關(guān)節(jié)軸承為前關(guān)節(jié)軸承和后關(guān)節(jié)軸承，且兩者并聯(lián)設(shè)置。
所述儲(chǔ)能橡膠圈為四個(gè)。
所述關(guān)節(jié)軸承以及所述滾珠絲杠裝置通過軸相連接組成四連桿機(jī)構(gòu)，用以實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)假肢的雙自由度。
所述踝關(guān)節(jié)假肢具有兩個(gè)自由度，分別是可以實(shí)現(xiàn)矢狀面的腳板的背屈趾屈以及冠狀面的內(nèi)翻外翻；所述矢狀面的腳板的背屈趾屈是主動(dòng)運(yùn)動(dòng)，所述冠狀面的內(nèi)翻外翻是被動(dòng)運(yùn)動(dòng)。
所述假肢在矢狀面上的背屈趾屈直接驅(qū)動(dòng)力來源于所述碳纖維儲(chǔ)能腳板和所述儲(chǔ)能彈黃
I)在步態(tài)前期，腳跟著地時(shí)，身體重心的下移和前傾將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換成所述碳纖維腳板的彈性勢(shì)能；
2)在步態(tài)中期，所述電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)所述帶動(dòng)帶輪及所述滾珠絲杠壓縮所述儲(chǔ)能彈簧， 在步態(tài)后期，腳尖離地之前，儲(chǔ)存在所述碳纖維儲(chǔ)能腳板和儲(chǔ)能彈簧的能量同時(shí)瞬間釋放， 提供給假肢足夠的蹬地能量；
3)在步態(tài)后期，假肢擺動(dòng)過程中，所述電機(jī)恢復(fù)初始狀態(tài)，為下一步腳跟著地做準(zhǔn)備，從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)主動(dòng)步態(tài)。
所述假肢在所述冠狀面上的內(nèi)翻/外翻通過假肢關(guān)節(jié)以及所述儲(chǔ)能橡膠圈的緩沖實(shí)現(xiàn)
假肢關(guān)節(jié)兩側(cè)分別墊有大小不同的所述儲(chǔ)能橡膠圈，當(dāng)假肢內(nèi)翻或者外翻時(shí)，處于內(nèi)側(cè)或者外側(cè)的所述儲(chǔ)能橡膠圈受到擠壓并存儲(chǔ)能量，假肢離地時(shí)，所述儲(chǔ)能橡膠圈恢復(fù)原狀，假肢亦恢復(fù)原狀。
所述矢狀面的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角達(dá)到正負(fù)20度。
所述冠狀面的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角達(dá)到正負(fù)10度。
本發(fā)明中的踝關(guān)節(jié)假肢不僅可以完全提供人體步態(tài)所需的能量，還可以適應(yīng)不同的地形地貌。此外，該踝關(guān)節(jié)假肢可以完全模擬人體踝關(guān)節(jié)在矢狀面以及冠狀面上的活動(dòng)角度，因此可以更好的滿足截肢患者的正常行走要求。
圖I是本發(fā)明的踝關(guān)節(jié)假肢的主視圖2是本發(fā)明的踝關(guān)節(jié)假肢的左視圖3是本發(fā)明的踝關(guān)節(jié)假肢的俯視圖。
具體實(shí)施方式
以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。
如圖I所示，本發(fā)明的主被動(dòng)式雙自由度踝關(guān)節(jié)假肢包括碳纖維腳板9、電機(jī)4、減速器3、電機(jī)固定座2、主動(dòng)帶輪19、從動(dòng)帶輪15、傳送帶I、滾珠絲杠16、儲(chǔ)能彈簧13、碳纖維管18、碳纖維管支撐座5、關(guān)節(jié)左支撐座7、關(guān)節(jié)右支撐座24、腳板連接座8。電機(jī)固定座2分別固定電機(jī)和滾珠絲杠15，固定座2通過活動(dòng)銷與碳纖維管18連接。儲(chǔ)能彈簧13分別固定在滾珠絲杠傳動(dòng)螺母14和關(guān)節(jié)軸承連接座12之間。前關(guān)節(jié)軸承11 一端與關(guān)節(jié)軸承連接座12固定連接，另一端通過軸10固定于關(guān)節(jié)左支撐座7和關(guān)節(jié)右支撐座24之間。碳纖維支撐座5與后關(guān)節(jié)軸承一端25連接，軸關(guān)節(jié)軸承另一端通過軸6固定于關(guān)節(jié)左支撐座7和關(guān)節(jié)右支撐座24之間。關(guān)節(jié)左支撐座7和關(guān)節(jié)右支撐座24分別固定于腳板連接座 8上，腳板連接座8固定于碳纖維腳板9上。
如圖2以及圖3所示，前左橡膠圈22和前右橡膠圈23分別緊扣在軸10上，分布于前關(guān)節(jié)軸承11兩端。后左橡膠圈20和后右橡膠圈21分別緊扣在軸6上，分布于后關(guān)節(jié)軸承25兩端。所有橡膠圈均分布并固定在左支撐座7和關(guān)節(jié)右支撐座24之間。該假肢具有雙自由度，通過兩個(gè)并聯(lián)的三自由度關(guān)節(jié)軸承(前關(guān)節(jié)軸承和后關(guān)節(jié)軸承)、軸17以及滾珠絲杠裝置所組成的四連桿機(jī)構(gòu)所實(shí)現(xiàn)。其中矢狀面上的背屈趾屈運(yùn)動(dòng)由電機(jī)主動(dòng)驅(qū)動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，而冠狀面上的內(nèi)翻外翻則有兩個(gè)并聯(lián)的關(guān)節(jié)軸承實(shí)現(xiàn)。矢狀面上的運(yùn)動(dòng)屬于主動(dòng)運(yùn)動(dòng)，冠狀面上的運(yùn)動(dòng)屬于被動(dòng)運(yùn)動(dòng)
此外，主動(dòng)運(yùn)動(dòng)能量不僅來自于電機(jī)驅(qū)動(dòng)，還來自于碳纖維儲(chǔ)能腳和儲(chǔ)能彈簧的能量釋放。在步態(tài)前期，電機(jī)4運(yùn)動(dòng)依次帶動(dòng)帶輪19、15和滾珠絲杠16，螺母14以及彈簧 13，調(diào)整腳板的方位保證腳跟著地。步態(tài)中期，人體重心的下移將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)變成腳板的彈性勢(shì)能，此外，電機(jī)反轉(zhuǎn)壓縮儲(chǔ)能彈簧13，將電機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成儲(chǔ)能彈簧13的彈性勢(shì)能。在步態(tài)后期腳尖離地之前，存儲(chǔ)在彈簧以及腳板的彈性勢(shì)能同時(shí)釋放，從而為腳板離地提供足夠的蹬離能量，從而完成整個(gè)步態(tài)循環(huán)。
在假肢矢狀面的背屈趾屈運(yùn)動(dòng)中，其驅(qū)動(dòng)能量分別來自于碳纖維儲(chǔ)能腳版9和儲(chǔ)能彈簧13。在步態(tài)前期，電機(jī)4運(yùn)動(dòng)依次帶動(dòng)帶輪19、15和滾珠絲杠16，螺母14以及彈簧 13，調(diào)整腳板的方位保證腳跟著地。步態(tài)中期，人體重心的下移將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)變成腳板的彈性勢(shì)能，此外，電機(jī)反轉(zhuǎn)壓縮儲(chǔ)能彈簧13，將電機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成儲(chǔ)能彈簧13的彈性勢(shì)能。在步態(tài)后期腳尖離地之前，存儲(chǔ)在彈簧以及腳板的彈性勢(shì)能同時(shí)釋放，從而為腳板離地提供足夠的蹬離能量，從而完成整個(gè)步態(tài)循環(huán)。此外，矢狀面的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角達(dá)到正負(fù)20度， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)假肢的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角。
假肢冠狀面的內(nèi)外翻被動(dòng)運(yùn)動(dòng)通過關(guān)節(jié)軸承11和25以及彈性橡膠圈20、21、22、 23實(shí)現(xiàn)。當(dāng)腳板處在不平整的道路環(huán)境中，比如上下坡，腳板9內(nèi)翻時(shí)，前左橡膠圈22和后左橡膠圈20同時(shí)受壓儲(chǔ)能，起到一定的緩沖作用，從而保證了環(huán)境的適應(yīng)性以及步態(tài)的穩(wěn)定性。當(dāng)腳板9外翻時(shí)，前右橡膠圈23和后右橡膠圈21同時(shí)受壓儲(chǔ)能，同樣能起到緩沖作用，此外，冠狀面的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角達(dá)到正負(fù)10度，保證了腳步移動(dòng)的靈活性。
本發(fā)明的主被動(dòng)式雙自由度踝關(guān)節(jié)假肢，包括碳纖維儲(chǔ)能腳板、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、帶輪、 滾珠絲杠、儲(chǔ)能彈簧、碳纖維連接管、儲(chǔ)能彈性膠、雙自由度關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié)支撐裝置；
所述踝關(guān)節(jié)假肢具有兩個(gè)自由度，其中矢狀面上的是主動(dòng)驅(qū)動(dòng)，冠狀面上的是被動(dòng)。所述矢狀面上的背屈/趾屈驅(qū)動(dòng)裝置包括電機(jī)、減速器、帶輪傳動(dòng)裝置、滾珠絲杠、儲(chǔ)能彈簧。滾珠絲杠將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為儲(chǔ)能腳板的背屈和趾屈運(yùn)動(dòng)。
在本發(fā)明的較佳實(shí)施方式中，假肢在矢狀面上的背屈趾屈直接驅(qū)動(dòng)力來源于儲(chǔ)能腳板和儲(chǔ)能彈簧，在步態(tài)前期，腳跟著地時(shí)，身體重心的下移和前傾將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換成碳纖維腳板的彈性勢(shì)能，在步態(tài)中期，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)帶輪及滾珠絲杠壓縮儲(chǔ)能彈簧，在步態(tài)后期，腳尖離地之前，儲(chǔ)存在腳板和彈簧的能量同時(shí)瞬間釋放，提供給假肢足夠的蹬地能量， 在步態(tài)后期，假肢擺動(dòng)過程中，電機(jī)恢復(fù)初始狀態(tài)，為下一步腳跟著地做準(zhǔn)備，從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)主動(dòng)步態(tài)。假肢在冠狀面上的內(nèi)翻/外翻通過假肢關(guān)節(jié)以及彈性橡膠圈的緩沖實(shí)現(xiàn)。冠狀面上的內(nèi)外翻主要是為了適應(yīng)不同的地形，比如上下坡等。假肢關(guān)節(jié)兩側(cè)分別墊有大小不同的彈性橡膠圈，當(dāng)假肢內(nèi)翻或者外翻時(shí)，處于內(nèi)側(cè)或者外側(cè)的彈性橡膠圈受到擠壓并存儲(chǔ)能量，假肢離地時(shí)，彈性橡膠圈恢復(fù)原狀，假肢亦恢復(fù)原狀。進(jìn)一步地，假肢矢狀面上的踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角在正負(fù)20度之間，近似于人體踝關(guān)節(jié)活動(dòng)角度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常見被動(dòng)假肢的活動(dòng)角度。進(jìn)一步地，假肢冠狀面上的關(guān)節(jié)活動(dòng)角度在正負(fù)10度之間，從而大大增加了假肢的環(huán)境適應(yīng)性。該假肢充分模擬人體踝足背屈/趾屈和內(nèi)翻/外翻特性。其中，背屈/趾屈通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，而內(nèi)翻/外翻則由被動(dòng)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)。以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)無需創(chuàng)造性勞動(dòng)就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種主被動(dòng)式踝關(guān)節(jié)假肢，其特征在于，包括碳纖維儲(chǔ)能腳板、電機(jī)、減速器、電機(jī)固定支座、帶輪傳動(dòng)裝置、碳纖維管、滾珠絲杠、儲(chǔ)能彈簧、關(guān)節(jié)軸承、儲(chǔ)能橡膠圈、關(guān)節(jié)支撐座； 所述碳纖維儲(chǔ)能腳板通過所述關(guān)節(jié)支撐座與所述碳纖維管連接；所述電機(jī)固定支座通過活動(dòng)銷與所述碳纖維管連接；所述電機(jī)固定支座一端固定所述電機(jī)，一端固定所述滾珠絲杠，兩端通過所述帶輪傳動(dòng)裝置連接；所述儲(chǔ)能彈簧與所述滾珠絲杠螺母連接；所述儲(chǔ)能橡膠圈通過軸與所述關(guān)節(jié)軸承以及所述關(guān)節(jié)支撐座連接。
2.如權(quán)利要求1所述的主被動(dòng)式踝關(guān)節(jié)假肢，其特征在于，所述關(guān)節(jié)軸承為三自由度關(guān)節(jié)軸承。
3.如權(quán)利要求1或2所述的主被動(dòng)式踝關(guān)節(jié)假肢，其特征在于，所述關(guān)節(jié)軸承為前關(guān)節(jié)軸承和后關(guān)節(jié)軸承，且兩者并聯(lián)設(shè)置。
4.如權(quán)利要求1所述的主被動(dòng)式踝關(guān)節(jié)假肢，其特征在于，所述儲(chǔ)能橡膠圈為四個(gè)。
5.如權(quán)利要求1所述的主被動(dòng)式踝關(guān)節(jié)假肢，其特征在于，所述關(guān)節(jié)軸承以及所述滾珠絲杠裝置通過軸相連接組成四連桿機(jī)構(gòu)，用以實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)假肢的雙自由度。
6.一種如權(quán)利要求1所述的主被動(dòng)式踝關(guān)節(jié)假肢的運(yùn)動(dòng)方式，其特征在于， 所述踝關(guān)節(jié)假肢具有兩個(gè)自由度，分別是可以實(shí)現(xiàn)矢狀面的腳板的背屈趾屈以及冠狀面的內(nèi)翻外翻；所述矢狀面的腳板的背屈趾屈是主動(dòng)運(yùn)動(dòng)，所述冠狀面的內(nèi)翻外翻是被動(dòng)運(yùn)動(dòng)。
7.如權(quán)利要求6所述的主被動(dòng)式踝關(guān)節(jié)假肢的運(yùn)動(dòng)方式，其特征在于，所述假肢在矢狀面上的背屈趾屈直接驅(qū)動(dòng)力來源于所述碳纖維儲(chǔ)能腳板和所述儲(chǔ)能彈簧 1)在步態(tài)前期，腳跟著地時(shí)，身體重心的下移和前傾將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換成所述碳纖維腳板的彈性勢(shì)能； 2)在步態(tài)中期，所述電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)所述帶動(dòng)帶輪及所述滾珠絲杠壓縮所述儲(chǔ)能彈簧，在步態(tài)后期，腳尖離地之前，儲(chǔ)存在所述碳纖維儲(chǔ)能腳板和儲(chǔ)能彈簧的能量同時(shí)瞬間釋放，提供給假肢足夠的蹬地能量； 3)在步態(tài)后期，假肢擺動(dòng)過程中，所述電機(jī)恢復(fù)初始狀態(tài)，為下一步腳跟著地做準(zhǔn)備，從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)主動(dòng)步態(tài)。
8.如權(quán)利要求6所述的踝關(guān)節(jié)假肢的運(yùn)動(dòng)方式，其特征在于，所述假肢在所述冠狀面上的內(nèi)翻/外翻通過假肢關(guān)節(jié)以及所述儲(chǔ)能橡膠圈的緩沖實(shí)現(xiàn) 假肢關(guān)節(jié)兩側(cè)分別墊有大小不同的所述儲(chǔ)能橡膠圈，當(dāng)假肢內(nèi)翻或者外翻時(shí)，處于內(nèi)側(cè)或者外側(cè)的所述儲(chǔ)能橡膠圈受到擠壓并存儲(chǔ)能量，假肢離地時(shí)，所述儲(chǔ)能橡膠圈恢復(fù)原狀，假肢亦恢復(fù)原狀。
9.如權(quán)利要求6所述的主被動(dòng)式踝關(guān)節(jié)假肢的運(yùn)動(dòng)方式，其特征在于，所述矢狀面的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角達(dá)到正負(fù)20度。
10.如權(quán)利要求6所述的主被動(dòng)式踝關(guān)節(jié)假肢的運(yùn)動(dòng)方式，其特征在于，所述冠狀面的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角達(dá)到正負(fù)10度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種主被動(dòng)式雙自由度踝關(guān)節(jié)假肢，包括碳纖維儲(chǔ)能腳板、電機(jī)、減速器、電機(jī)固定支座、帶輪傳動(dòng)裝置、碳纖維管、滾珠絲杠、儲(chǔ)能彈簧、關(guān)節(jié)軸承、儲(chǔ)能橡膠圈、關(guān)節(jié)支撐座；所述碳纖維儲(chǔ)能腳板通過所述關(guān)節(jié)支撐座與所述碳纖維管連接；所述電機(jī)固定支座通過活動(dòng)銷與所述碳纖維管連接；所述電機(jī)固定支座一端固定所述電機(jī)，一端固定所述滾珠絲杠，兩端通過所述帶輪傳動(dòng)裝置連接；所述儲(chǔ)能彈簧與所述滾珠絲杠螺母連接；所述儲(chǔ)能橡膠圈通過軸與所述關(guān)節(jié)軸承以及所述關(guān)節(jié)支撐座連接。本發(fā)明中的踝關(guān)節(jié)假肢不僅可以完全提供人體步態(tài)所需的能量，還可以適應(yīng)不同的地形地貌。此外，該踝關(guān)節(jié)假肢可以完全模擬人體踝關(guān)節(jié)在矢狀面以及冠狀面上的活動(dòng)角度，因此可以更好的滿足截肢患者的正常行走要求。
文檔編號(hào)A61F2/66GK102973338SQ201210525570
公開日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月7日
發(fā)明者殷躍紅, 張健軍, 朱劍英 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)