CN102895051B - 一种具有动力踝的膝下假肢 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有动力踝的膝下假肢，它包括一小腿假肢、一踝关节和一假肢脚板，其特征在于：所述踝关节包括设置在所述假肢脚板后部顶面的两支架，每一所述支架通过一转轴连接一摆动框的一侧，所述摆动框内设置有一减速器，所述减速器的壳体顶部与所述摆动框的顶部固定连接；所述摆动框一侧连接一电机，所述电机的输出端驱动所述减速器的各级齿轮转动，所述减速器的输出齿轮为一不完全齿轮，所述不完全齿轮的输出轴转动连接在所述减速器内，且与两所述支架上的转轴同心；所述不完全齿轮的底端穿出所述减速器壳体与所述假肢脚板顶面固定连接，所述摆动框的顶部与所述小腿假肢的底端固定连接。本发明可以广泛应用于人体假肢和智能机器人下肢的生产过程中。

Description

一种具有动力踝的膝下假肢

技术领域

本发明涉及一种膝下假肢，特别是关于一种适用于各类膝下截肢者使用的具有动力踝的膝下假肢。

背景技术

随着各种自然灾难、疾病及交通事故的增加，残疾人士的数量逐年增多，据统计，目前我国下肢残疾的人已接近900万。随着残疾人的增多，假肢的需求也日益增大。在人体膝下假肢产品中，传统的被动式膝下假肢的踝关节采用单轴踝或者万向踝关节等被动式踝关节，其存在的问题是步行速度不能自然、随意地跟随截肢者步行速度的变化而变化，截肢者经常被迫通过身体前倾来弥补推进能力的不足，使截肢者更容易感觉疲劳；目前已有的由电机驱动的主动式膝下假肢，能够为身体前进提供足够的能量，从而实现人体自然步态，但是关于踝关节的设计相对比较简单，不能很好的满足使用者的需求。

目前动力关节的驱动器主要有电机、液压和气压三种。液压和气压驱动器能够瞬时提供巨大扭矩，但是其控制精度低，噪音大，体积大，不适于在人体假肢的踝关节处应用；电机虽然有很高的控制精度，但是不能瞬间提供巨大扭矩，且存在锁紧问题。而市场上现有的踝关节，其制动方式大多是利用惯性制动，惯性制动装置虽然结构简单，但截肢截肢者穿着具有惯性制动装置的假肢希望停止运动时，其存在有两方面的问题：一方面假肢制动速度较慢，可靠性低，另一方面会产生摩损，降低假肢的使用寿命。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够使截肢者实现人体自然步态，且制动响应快的具有动力踝的膝下假肢。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种具有动力踝的膝下假肢，它包括一小腿假肢、一踝关节和一假肢脚板，其特征在于：所述踝关节包括设置在所述假肢脚板后部顶面的两支架，每一所述支架通过一转轴连接一摆动框的一侧，所述摆动框内设置有一减速器，所述减速器的壳体顶部与所述摆动框的顶部固定连接；所述摆动框一侧连接一电机，所述电机的输出端驱动所述减速器的各级齿轮转动，所述减速器的输出齿轮为一不完全齿轮，所述不完全齿轮的输出轴转动连接在所述减速器内，且与两所述支架上的转轴同心；所述不完全齿轮的底端穿出所述减速器壳体与所述假肢脚板顶面固定连接，所述摆动框的顶部与所述小腿假肢的底端固定连接。

在所述摆动框内，与所述电机相对的所述减速器壳体另一侧固定连接有一磁流变液箱，所述磁流变液箱的内部设置有磁流变液，所述磁流变液内设置有一连接所述不完全齿轮输出轴的叶轮，围绕所述叶轮的转轴，所述磁流变液箱外部设置有连接供电设备的线圈。

所述假肢脚板包括一上脚板和一脚跟弹片，所述脚跟弹片的前部固定连接在所述上脚板底面中部，所述脚跟弹片的后部与所述上脚板直接留有弹性活动空间，所述假肢脚板和脚跟弹片采用碳纤维布经铺层设计制作的碳纤维板，所述碳纤维板相邻层中的碳纤维呈交错的铺层角。

所述支架内设置有轴承，所述支架上的转轴支撑在所述轴承内。

所述假肢脚板的外面设置有一与人脚形状相应的脚套，所述脚套采用聚氨酯材料。

所述小腿假肢采用聚乙烯材料、金属材料和木质材料中的一种材料制作而成。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于在假肢脚板的后部通过一对支架交接了一电机和一由该电机驱动的齿轮减速器，而齿轮减速器的输出齿轮为一固定连接在假肢脚板上的不完全齿轮，因此电机驱动齿轮减速器输入端的齿轮正向或反向旋转，可以带动假肢脚板绕着不完全齿轮的中心轴在一定角度范围内摆动，不但可以模仿人脚踝的背屈和跖屈运动，而且能够在行走时为截肢者提供前进的动力，以减少截肢者的能量消耗，使截肢者在行走时能够实现人体自然步态。2、本发明由于在不完全齿轮一侧的减速器壳体的外壁上固定连接了一磁流变液箱，磁流变液箱的外部设置了线圈，内部设置了磁流变液和一叶轮，叶轮的转轴与不完全齿轮的输出轴连接，因此向磁流变液箱外部设置的线圈通以电流产生磁场，这样磁流变液在磁场的作用下转变为类似固体的状态，迫使浸在磁流变液中的叶轮停止转动，进而带动不完全齿轮和假肢脚板停止转动，以实现踝关节的制动。3、本发明由于是利用磁流变液受到强磁场时由液体转变为类似固体的状态，以锁紧各部件来实现制动，因此本发明制动响应快，不需要采用动力系统制动，能耗低，且磁流变液对叶轮等部件的磨损较小，能够延长假肢的使用寿命。4、本发明由于将电机、减速器和磁流变液箱都设置在假肢脚板的脚踝处，使得整个踝关节的结构变得紧凑，大大降低了带踝关节的高度，而且本发明的小腿假肢的长度可以根据截肢者残肢的长度来进行设计，使得残肢较长的截肢患者也能够使用。5、本发明由于设置了独立的电机，电机输出的高转速低扭矩经过多级齿轮减速器的变速，能够转变成为低转速大扭矩，而且电机控制还可以提高脚踝部位的控制精度，因此本发明可以最大限度地发挥电机驱动的优势，以减少患者的能量消耗。本发明可以广泛应用于人体假肢和智能机器人下肢体的生产过程中。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是本发明假肢脚板内部铺层示意图

图3是本发明的踝关节结构示意图

图4是本发明踝关节连接在假肢脚板上的俯视示意图

图5是本发明另一实施例踝关节结构示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

实施例1：

如图1所示，本发明包括一假肢脚板1，一设置在假肢脚板1后部顶面的踝关节2和一固定连接在踝关节2上的小腿假肢3，还可以包括一包覆在假肢脚板1外的脚套4。

本发明的假肢脚板1包括采用碳纤维板制作的一上脚板11和一脚跟弹片12，脚跟弹片12的前部固定连接在上脚板11底面的中部，脚跟弹片12的后部与上脚板11之间留有弹性活动空间，上脚板11前部和脚跟弹片12的下表面均设置有耐磨层。本发明的假肢脚板1还可以采用其它已有技术的脚板，或者通过其它结构设计或材料制成的脚板。

如图2所示，本发明制作上脚板11和脚跟弹片12的碳纤维板采用碳纤维布经现有技术的铺层设计方式制作而成，碳纤维板的各截面厚度均一，且表面平整。但是，本发明的碳纤维板中各相邻的碳纤维布层中的碳纤维需要呈交错的角度铺设，即铺层角各不相同，比如第一层的铺层角α=68°，第二层的铺层角β=24°，第三层的铺层角γ=168°。这样使得假肢脚板1上的各处都能在不同的方向上进行一定的弯曲。

如图3、图4所示，本发明的踝关节2包括固定连接在假肢脚板1后部顶面的两个支架21，两个支架21通过转轴22连接一摆动框23的两侧，摆动框23内设置有一减速器24，减速器24的壳体顶部与摆动框23的顶部固定连接。摆动框23的一侧固定连接一转角板25，转角板25上固定连接一电机26，电机26的输出端穿过摆动框23与减速器24的输入轴27连接。减速器24的输入轴27通过主动齿轮28啮合一从动齿轮29，与从动齿轮29同轴设置有一过渡齿轮30，过渡齿轮30啮合一不完全齿轮31，不完全齿轮31的输出轴支撑在减速器24壳体内，且与两支架21上的转轴22同心，不完全齿轮31的底端穿出减速器24壳体，与假肢脚板1顶面固定连接。

如图1所示，本发明的小腿假肢4可以采用各种已有技术的小腿假肢，也可以采用聚乙烯材料模拟人体小腿形状制作的小腿假肢，还可采用金属材料或木质材料等材料制作而成的小腿假肢。小腿假肢4的长度可以根据截肢者的残肢长度进行设计，小腿假肢4的下端通过螺栓或其它固定件固定连接在摆动框23的顶部。

本发明还可以在假肢脚板1外面设置一脚套5，脚套5可以采用聚氨酯材料制作而成，其具有耐腐蚀、耐磨损以及电绝缘等性能。

实施例2：

如图5所示，本实施例与实施例1基本相同，其与实施例1的不同之处在于：在摆动框23内，与电机26相对的减速器24另一侧设置有一磁流变液箱32，磁流变液箱32内部设置有磁流变液，磁流变液内浸有一叶轮33，叶轮33的转轴穿出磁流变液箱32与不完全齿轮31的输出轴连接。围绕叶轮33的转轴，在磁流变液箱32外部设置有与供电设备连接的线圈34。

上述各实施例中，电机26具有独立的供电设备，电机26的输出端可以进行正向或反向旋转。另外减速器24的减速级数除上述采取的结构以外，还可以根据需要有所增加，但是最后一级的输出齿轮应为不完全齿轮31。

上述各实施例中，摆动框23与两支架21之间可以采用销钉或其它杆件作为转轴，还可以在两支架21上设置轴承，在轴承内连接固定在摆动框23上的转轴22。

上述各实施例中，为了使连接在一起的减速器24的壳体和磁流变液箱32与摆动框22之间的连接更加稳固，还可以在减速器24壳体和磁流变液箱32分别与相应一侧摆动框4的侧壁之间再设置固定连接点。

本发明使用时，电机26的输出端带动主动齿轮28正向或反向转动时，主动齿轮28通过从动齿轮29和过渡齿轮30带动不完全齿轮31转动，由于不完全齿轮31固定连接在假肢脚板1上，而不完全齿轮31的输出轴转动连接在减速箱24内，且与两支架21上的转轴22同心，因此不完全齿轮31带动的假肢脚板1会相对于摆动框23和减速器24绕着转轴22摆动，形成一由电机26驱动的假肢脚板1与小腿假肢4相对转动的踝关节，实现模仿人脚踝背屈和跖屈运动的转角轨迹。

本发明在实施例2中增加了磁流变液箱32，且在磁流变液箱32外部设置了线圈34，内部设置了磁流变液和叶轮33，因此当供电设备向磁流变液箱32的线圈34通以电流产生磁场时，磁流变液在磁场的作用下瞬间转变为类似固体的状态，迫使浸在磁流变液中的叶轮33停止转动，进而带动不完全齿轮31和假肢脚板1停止转动，增加了踝关节2的制动功能。当需要再次行走时，可以断开线圈34的供电设备，使磁流变液瞬间回复到原来的液态。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种具有动力踝的膝下假肢，它包括一小腿假肢、一踝关节和一假肢脚板，其特征在于：所述踝关节包括设置在所述假肢脚板后部顶面的两支架，两所述支架分别通过一转轴连接一摆动框的一侧，两所述转轴具有同轴关系，所述摆动框内设置有一减速器，所述减速器的壳体顶部与所述摆动框的顶部固定连接；所述摆动框一侧连接一电机，所述电机的输出端驱动所述减速器的各级齿轮转动，所述减速器的输出齿轮为一不完全齿轮，所述不完全齿轮的输出轴转动连接在所述减速器内，且与两所述支架上的转轴同心；所述不完全齿轮的底端穿出所述减速器壳体与所述假肢脚板顶面固定连接，所述摆动框的顶部与所述小腿假肢的底端固定连接。

2.如权利要求1所述的一种具有动力踝的膝下假肢，其特征在于：在所述摆动框内，与所述电机相对的所述减速器壳体另一侧固定连接有一磁流变液箱，所述磁流变液箱的内部设置有磁流变液，所述磁流变液内设置有一连接所述不完全齿轮输出轴的叶轮，围绕所述叶轮的转轴，所述磁流变液箱外部设置有连接供电设备的线圈。

3.如权利要求1所述的一种具有动力踝的膝下假肢，其特征在于：所述假肢脚板包括一上脚板和一脚跟弹片，所述脚跟弹片的前部固定连接在所述上脚板底面中部，所述脚跟弹片的后部与所述上脚板之间留有弹性活动空间，所述假肢脚板和脚跟弹片采用碳纤维布经铺层设计制作的碳纤维板，所述碳纤维板相邻层中的碳纤维呈交错的铺层角。

4.如权利要求2所述的一种具有动力踝的膝下假肢，其特征在于：所述假肢脚板包括一上脚板和一脚跟弹片，所述脚跟弹片的前部固定连接在所述上脚板底面中部，所述脚跟弹片的后部与所述上脚板之间留有弹性活动空间，所述假肢脚板和脚跟弹片采用碳纤维布经铺层设计制作的碳纤维板，所述碳纤维板相邻层中的碳纤维呈交错的铺层角。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种具有动力踝的膝下假肢，其特征在于：所述支架内设置有轴承，所述支架上的转轴支撑在所述轴承内。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种具有动力踝的膝下假肢，其特征在于：所述假肢脚板的外面设置有一与人脚形状相应的脚套，所述脚套采用聚氨酯材料。

7.如权利要求5所述的一种具有动力踝的膝下假肢，其特征在于：所述假肢脚板的外面设置有一与人脚形状相应的脚套，所述脚套采用聚氨酯材料。

8.如权利要求1或2或3或4或7所述的一种具有动力踝的膝下假肢，其特征在于：所述小腿假肢采用聚乙烯材料、金属材料和木质材料中的一种材料制作而成。

9.如权利要求5所述的一种具有动力踝的膝下假肢，其特征在于：所述小腿假肢采用聚乙烯材料、金属材料和木质材料中的一种材料制作而成。

10.如权利要求6所述的一种具有动力踝的膝下假肢，其特征在于：所述小腿假肢采用聚乙烯材料、金属材料和木质材料中的一种材料制作而成。