CN102940542B - 一种具有四个被动自由度的假肢踝关节 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种具有四个被动自由度的假肢踝关节

技术领域

本发明涉及截肢患者使用的假肢，具体是一种假肢踝关节，属于康复工程技术领域。

背景技术

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1。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。

发明内容

本发明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，本发明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：以胫骨为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Y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，本发明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，本发明所述踝关节能起到减震缓存和储能的功能。

通过上述结构，本发明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1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所示为本发明的踝关节的原理图。

图4所示为本发明实施例的结构示意图。

图5所示为本发明实施例的轴侧示意图。

图6所示为本发明实施例的分解示意图。

图7所示为本发明实施例的调节套的结构示意图。

图8所示为本发明实施例的球铰上端盖结构示意图。

图9所示为本发明实施例的弹性橡胶端盖示意图。

图10所示为本发明实施例的弹性橡胶端盖受力时的示意图。

图中：

1-胫骨         101-胫骨连接杆

102-弹簧连接轴 2-胫骨减震扭转弹簧

3-球铰球碗     301-球碗下端盖

302-球碗上端盖 4-球铰支架

5-脚底板       501-后脚掌

502-前脚掌     503-后脚掌垫

6-回复弹簧     7-圆形支架

8-调节套       9-调节杆

901-下调节杆   902-上调节杆

903-限位块     10-球铰球体

具体实施方式

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下面特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

实施例一：

图3为本实施实例的一种具有四个被动自由度的假肢踝关节，其包括胫骨部分1、球铰结构3，10、胫骨减震扭转弹簧2、脚底板5和回复弹簧装置。

球铰结构由两部分组成，包括球铰球体10及球铰球碗3，两者组成一转动副，因此球铰球体10可实现三个方向的转动自由度。调节杆9与上述球铰球体10通过焊接的方式固连，球铰球体10位于调节杆9的中部，将调节杆9分为上调节杆902和下调节杆901，上调节杆902和下调节杆901一端分别与球铰球体10焊接固定。其中上调节杆902穿过胫骨1，并且胫骨1可以通过上调节杆902的导向作用相对调节杆9上下滑动。上调节杆902固连一限位块，防止胫骨1与调节杆9发生脱离。

胫骨减震扭转弹簧2套装在上调节杆902上，胫骨减震扭转弹簧2的上端与胫骨1通过焊接的方式相固连，下端通过焊接的方式与球铰结构的球碗3相固连，同时调节杆上端902也为胫骨减震弹簧2起导向作用。

为方便描述，定义一个坐标系：以胫骨1为Z轴，脚底板5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。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5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Y轴旋转，在解剖学上表现为背屈与拓屈这一自由度。

当假肢腿不受外力时，胫骨减震扭转弹簧2处于压缩状态，当假肢腿处于支撑相时，胫骨1沿着上调节杆902滑下，胫骨减震扭转弹簧2的弹力便可以起到缓冲地面压力的作用；当假肢腿处于支撑相末期时，弹簧回复，将储存的能量释放，让穿戴者感到省力。上述过程表现为本实施例的假肢踝关节在前述坐标系C中沿Z轴方向移动的被动自由度。

球铰结构的球碗3通过焊接的方式与一球铰支架4相固连，而球铰支架4又与脚底板5焊接在一起。球碗3、球铰支架3及脚底板5可看作为一个刚体。当假肢腿处于支撑状态时，若此时人需要转身，即胫骨1会以上调节杆902为轴线旋转，球碗3和胫骨1发生相对转动，从而假肢穿戴者在假肢脚的脚掌着地时可以顺利的转身。于此同时，胫骨减震扭转弹簧2会受到扭转力，进而会产生扭转反力，迫使胫骨1回复到原来的状态，因此当人转身结束时，假肢腿的脚掌会自动地恢复到原来的状态。上述过程表现为本实施例的假肢踝关节在前述坐标系C中绕Z轴转动的被动自由度。

回复弹簧装置包括回复弹簧6、圆形支架7及调节套8。本实施例中回复弹簧6共有三个，其参数完全相同，各间隔120°径向均布在圆形支架7上，圆形支架7与脚底板5通过焊接的方式相固连。回复弹簧6的一段固连在圆形支架7上，另一端固连在调节套8上，当调节套不受外力时，调节套8由于回复弹簧6的作用处于圆形支架7的中间，其轴线与圆形支架7的轴线共线。

下调节杆901与球铰球体10相固连，且下调节杆901被套在调节套8中。当球铰球体10相对球碗3做转动时，必然会带动下调节杆901发生偏斜运动，由于下调节杆901被套在调节套8中，因此会带动调节套8运动。而调节套8与回复弹簧6固连，因此回复弹簧6受到外力后会施加一反力给调节套，进而限制调节杆9的偏斜运动，给踝关节在前述坐标系C中绕X轴、Y轴转动中提供回复力。当调节套8往任意方向偏移时，由于三个均布回复弹簧6的作用，分别会施加给调节套8弹力，而三者弹力的合理与调节套8的偏移方向恰好相反。因此回复弹簧产生的回复力会使得假肢踝关节在不受外力或者受到较小外力时，不发生背屈和拓屈、内翻和外翻，使得穿戴者容易控制；当假肢踝关节受到较大外力时，比如踩在石块上、走上坡路时，假肢踝关节能顺利的实现上述两个自由度的转动。因此上述过程中，球铰结构可以绕前述坐标系C的X轴和Y轴转动，体现为两个被动转动自由度。

实施例二：

图4、5、6为另一种具有四个被动自由度的假肢踝关节，本实施例与实施例一的区别在于实施实例一中球铰结构的球碗被剖分成两个部分，此外，球铰支架4和脚底板5的连接及其构造均不一样。

如图5，6所示，胫骨1被分为了两个部分，胫骨连接杆101和弹簧连接轴102。胫骨连接杆101与整个假肢的膝关节相连，弹簧连接轴102与胫骨减震扭转弹簧2相连。胫骨减震扭转弹簧套装在弹簧连接轴102上，该弹簧连接轴102径向开有一孔，胫骨减震扭转弹簧，且其末端插入上述孔中。弹簧连接轴102和胫骨连接杆101通过螺纹连接相固连。

如图4、6所示，球铰结构的球碗制成一体，这在加工时可能会遇到困难，本实施实例中的球碗剖分成两个部分：球碗下端盖301和球碗上端盖302。两部分合并成为一球碗，两者的连接通过六个均布的螺栓连接。且连接两者的螺栓还将其与球铰支架4连接起来，并非如实施实例一中采用焊接的方式，从而实现球铰球碗结构和球铰支架4相固连。

本实施实例中，脚底板被分成了3部分：后脚掌501、前脚掌502、后脚掌垫503。三者的连接均采用螺栓连接，而非实施实例一中采用焊接的方式，如此拆装方便，亦可以实现零部件更换。后脚掌为一折弯的钢板，其竖直的一面通过螺栓连接与球铰支架4相固连，水平一面通过螺栓连接与后脚掌垫503固连，斜面部分通过螺栓连接与前脚掌502相连。上述后脚掌垫503具有少量的弹性，其厚度可以更换，以适应鞋底厚度不同的鞋子，优选为橡胶垫；前脚掌502优选为折成弓形的碳纤维板，与后脚掌501的斜面部分相固连。

本实施实例中，调节杆9为一体成型，在调节杆9的顶端通过螺栓连接限位块903；调节杆9的固定部位攻有外螺纹，球铰球体10沿其直径开有一螺纹通孔，调节杆9伸入其中，调节杆9穿过球铰球体10中心与其螺纹连接固定。本实施例中的两者对应的螺纹部分相配合通过螺纹连接紧固，而非采用实施实例一中焊接的方式。

当球铰球体10转动时，带动调节杆9围绕球铰球体10的中心转动，呈现出一圆锥形的运动空间。为不与调节杆9发生干涉，球碗上端盖302及球碗下端盖301应开一锥形槽，如图7所示。上述锥型槽的锥度应根据人体在步行时背屈和拓屈、内翻与外翻产生的最大角度αmax而定。同样的，为了使调节套8在调节杆9的带动下，顺利地在一个平面内发生偏移，其结构形式同球碗上端盖302、球碗下端盖301类似，开一锥形槽，如图8所示，且其锥度的确定同球碗上端盖302、球碗下端盖301类似。

实施例三：

如图9和10所示，为一弹性橡胶端盖，用以取代上述实施实例中的回复弹簧组。弹性橡胶端盖直接套在调节杆9上，不需要再通过调节套8来限制调节杆9的运动，直接约束约束调节杆9的运动。当调节杆9因球铰球体10转动而发生偏斜时，须克服弹性橡胶端盖的弹力。

如图9和10所示，此弹性橡胶端盖中心钻通孔，直径大小与调节杆9一致，调节杆9同轴穿过该中心通孔。弹性橡胶端盖安装在圆形支架7上，二者通过螺钉连接，而圆形支架7通过螺钉与后脚掌501及后脚掌垫503相固连。

Claims (9)

1.一种假肢踝关节，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，所述回复盘包括圆形支架(7)、调节套(8)和多个回复弹簧(6)，其中，所述圆形支架(7)固定设置在脚底板(5)上，所述各回复弹簧(6)一端固定在所述圆形支架(7)上，另一端均连接到所述调节套(8)，从而在圆形支架(7)上形成径向均匀分布并保持所述调节套(8)位于圆形支架(7)中心，所述调节杆(9)的另一端穿过该调节套(8)并固定其上；

踝关节的各向运动通过该回复组件提供回复力，实现踝关节自动回位。

2.一种假肢踝关节，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，所述回复盘包括圆形支架(7)和弹性橡胶端盖，该弹性橡胶端盖固定安装在圆形支架(7)上，其中心开有通孔，所述调节杆(9)另一端同轴穿过该中心通孔后固定其上；

踝关节的各向运动通过该回复组件提供回复力，实现踝关节自动回位。

3.根据权利要求1或2所述的假肢踝关节，其特征在于，所述调节杆(9)包括上调节杆(902)和下调节杆(901)，该上调节杆(902)和下调节杆(902)一端均分别与球铰球体(10)焊接固定，各自的另一端分别连接到胫骨(1)和脚底板(5)上。

4.根据权利要求3所述的假肢踝关节，其特征在于，所述上调节杆(902)与所述胫骨(1)连接的一端设置有限位块(903)，用于防止胫骨(1)与所述上调节杆(902)脱离。

5.根据权利要求1或2所述的假肢踝关节，其特征在于，所述球体(10)开有具有内螺纹的中心通孔，所述调节杆(9)穿过该中心通孔后，通过其外周的外螺纹与所述球体(10)螺纹连接固定。

6.根据权利要求1或2或4所述的假肢踝关节，其特征在于，所述球碗(3)包括球碗下端盖(301)和球碗上端盖(302)，两者组合形成球形内腔，用以容纳所述球体(10)。

7.根据权利要求6所述的假肢踝关节，其特征在于，球碗上端盖(302)及球碗下端盖(301)开有锥型槽，用于防止所述调节杆(9)在发生偏斜运动时与球碗干涉，导致调节杆(9)无法偏斜，从而使球铰(3，10)无法转动。

8.根据权利要求1或2或4或7所述的假肢踝关节，其特征在于，所述脚底板包括依次固连的前脚掌(502)、后脚掌(501)和后脚掌垫(503)，其中，所述后脚掌(501)为一折弯板，包括呈脚弓形的第一部分，用于连接前脚掌(502)，呈竖直状的第二部分，用于与所述球铰支架(4)连接，和呈水平状的第三部分，其底部设置有所述后脚掌垫(503)。

9.根据权利要求1或2或4或7所述的假肢踝关节，其特征在于，所述胫骨减震扭转弹簧(2)套装在所述上调节杆(902)上，其一端与胫骨(1)固连，另一端与所述球碗(3)固连。