CN103222905A - 一种运动瞬心可调式假肢多轴关节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过调节杆长改变运动瞬心的假肢多轴关节，属于生物医学工程和康复辅具技术领域。该多轴关节由小腿连接杆、关节后臂、上关节体和关节前臂组成，四个构件间两两铰接，构成一个带有连接杆的四边形结构；关节后臂和关节前臂的轴线在运动平面内的延长线交点即为假肢的运动瞬心；所述关节后臂、上关节体和关节前臂的长度可调，以得到不同位置的运动瞬心；该多轴关节通过上关节体和接收腔连接，通过小腿连接杆和小腿连接。本发明在原有多轴膝关节的基础上，使除了机架以外的其他连接杆长度均可调，通过调节杆长，可获得不同的关节运动瞬心，通过瞬心轨迹的变换实现绝对稳定型、协调稳定型和灵活控制型三种假肢的切换。

Description

一种运动瞬心可调式假肢多轴关节

技术领域

本发明涉及一种通过调节杆长改变运动瞬心的假肢多轴关节，属于生物医学工程和康复辅具技术领域。

背景技术

21世纪，假肢技术发展迅速，伴随着生活品质的提高，截肢患者对下肢假肢的要求也不断提高，人们希望假肢能够在外观和功能两方面更加逼近人的自然腿。人体下肢各关节（髋、膝、踝）十分复杂，各关节和肌肉，肌腱等密切配合，实现人体优美步态。膝关节和踝关节均为滑车关节。以膝关节为例，膝关节是人体最大，最复杂的关节，由股骨下端、胫骨上端和髌骨构成。股骨的内、外侧髁分别与胫骨的内、外侧髁相对。由于股骨下端和胫骨上端接触表面的形状使膝关节在屈曲或伸展过程中，两表面间既有滚动又有滑动。在步行过程中，下肢运动模式非常复杂，腿的总长以及膝关节的速度瞬心都是实时变化的。单轴膝关节机构的运动瞬心是固定的，多轴膝关节采用多杆机构，可以模拟人腿膝关节的运动瞬心变化。

多轴膝关节假肢种类繁多，一般通过假肢步态稳定性和灵活性两个指标来衡量多轴膝关节假肢的质量好坏。稳定性指标指当假肢处于站立相时，具有可靠地稳定性；灵活性指标指假肢能够平稳、顺利地摆动进入到摆动相，使其尽可能逼近正常下肢的摆动，以保证身体的平衡及良好的步态。目前全球假肢公司，如德国奥托博克，台湾德林，奥索等，均有不同形式的多轴膝关节假肢在市面上销售。不同公司的假肢，拥有不同的稳定性能和灵活性。一般分为绝对稳定型、协调稳定型和灵活控制型三类。绝对稳定型假肢瞬心无论脚跟着地还是脚尖离地都处于载荷线之后，稳定性好，从支撑期到摆动期的过渡时，弯曲较困难，适合残肢肌力弱或老年患者。协调稳定型假肢的瞬心位置处于稳定协调区内，在脚跟着地时处于载荷线之后，在脚尖离地时处于载荷线之前，瞬心位置较高，稳定性较好，灵活性较差，适合于残肢肌力较弱或老年患者。灵活控制型假肢的瞬心处于稳定协调区，但是瞬心距较小，瞬心位置较低，稳定性较弱，所需髋关节力矩较大，但是灵活性好，适合于残肢肌力较强的患者或动力型假肢。专利CN101336849A中提到的一种气缸固定式四杆机构智能假肢膝关节为一种综合性能良好，相对于强调稳定性的假肢膝关节而言，性能稍差，但是灵活性更佳，具有良好的踝关节提升量，适合残肢肌力较强，能够很好的控制假肢的患者。

综上所述，目前市面上的多轴关节假肢的稳定性和灵活性方面均有很大的差异，而且，不同的假肢仅适用于一部分人群，不仅适用范围较小，而且，患者通过锻炼后，可能不再适用原先佩戴的假肢，需要在使用过程中不断更换假肢以适应其病理的变化，无疑增大了患者的经济负担。因此，本发明提出一种杆长可调节的下肢关节，通过对多轴关节不同杆长的调节，以产生不同的瞬心轨迹，使假肢可以在绝对稳定型、协调稳定型和灵活控制型三类假肢中自由切换，以适应不同的患者人群。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种运动瞬心可调式假肢多轴关节。

本发明采用的技术方案为：

该多轴关节由小腿连接杆、关节后臂、上关节体和关节前臂组成，四个构件间两两铰接，构成一个带有连接杆的四边形结构；关节后臂和关节前臂的轴线在运动平面内的延长线交点即为假肢的运动瞬心；所述关节后臂、上关节体和关节前臂的长度可调，以得到不同位置的运动瞬心；

该多轴关节通过上关节体和接收腔连接，通过小腿连接杆和小腿连接。

所述关节后臂、上关节体和关节前臂分别由两个连接板通过螺栓连接在一起，在两个连接板上分别设置若干等距排列的通孔，通过螺栓、弹簧垫片和螺母将两个连接板固定在一起，通过调节孔洞之间的相对位置来改变长度。

本发明的有益效果为：

本发明是在原有多轴膝关节的基础上，使除了机架以外的其他连接杆长度均可调，通过调节杆长，可获得不同的关节运动瞬心。本发明可以通过瞬心轨迹的变换实现绝对稳定型、协调稳定型和灵活控制型三种假肢的切换。

附图说明

图1是本发明所述的杆长可调的多轴下肢假肢关节结构示意图；

图2（a）和图2（b）分别是多轴关节的运动顺心及瞬心轨迹示意图；

图3是杆长调节后瞬心轨迹变化图；

图4是可变连杆结构图。

附图标记：

1-多轴关节；2-小腿；3-踝关节；4-脚板；5-接收腔；11-小腿连接杆；12-关节后臂；13-上关节体；14-关节前臂；15-运动瞬心；2b1-瞬心轨迹；2b2-全伸展位相对瞬心距；2b3-全伸展位瞬心距；121-上连接板；122-下连接板；123-螺栓；124-弹簧垫片；125-螺母。

具体实施方式

本发明提供了一种运动瞬心可调式假肢多轴关节，下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细的说明。

如图1和图2（a）所示，多轴关节1由小腿连接杆11、关节后臂12、上关节体13和关节前臂14组成。其中，四个构件两两铰接，形成如图所示的多轴机构，图例中给出的为四杆机构关节示意图。关节后臂12和关节前臂14轴线在运动平面内的延长线交点即为假肢的运动瞬心15。要实现假肢关节的运动，将小腿连接杆11作为四杆机构关节的机架，上关节体13作为原动件。图2b中虚线表示四杆机构各连杆的运动轨迹，曲线2b1为四杆机构假肢关节运动过程中运动瞬心15的运动轨迹。图2b中点划线为载荷线，即小腿杆所在直线。

可调的多轴关节下肢假肢主要由多轴关节1、小腿2、踝关节3、脚板4和残端接收腔5组成。其中，多轴关节1和接收腔5通过上关节13连接，接收腔穿戴在截肢患者残端。多轴关节1和小腿2通过小腿连接杆11连接，小腿2和脚板4通过适当的连接形成踝关节4。关节组件运动时，可带动小腿相对大腿摆动，从而实现假肢的运动。

本发明对四杆机构假肢关节各连杆（除小腿连接杆11作为机架不变）的长度进行适当调节，可以得到不同的瞬心轨迹。不同的瞬心轨迹对应不同的假肢稳定性指数和假肢灵活性指数。如图2（b）所示，全伸展位相对瞬心距2b2越大，施加在假肢上的力矩越大，稳定性越高，反之，全伸展位相对瞬心距2b2越小，灵活性越高。同理，全伸展位瞬心距2b3越大，稳定性越高，反之越小。不同的瞬心轨迹，反映了不同的假肢假肢稳定性特征和灵活性特征，使假肢可以在绝对稳定型、协调稳定型和灵活控制型三类假肢中自由切换，以适应不同的患者人群。

图4为本发明的关节零件。以关节后臂12为例，关节后臂12由上连接板121和下连接板122通过螺栓123连接在一起。在两个连接板上分别由若干等距排列的通孔，通过螺栓123、弹簧垫片124和螺母125将两个连接板固定在一起，通过调节孔洞之间的相对位置形成可以变化长度的连杆，以实现对运动瞬心的调整。

本发明不仅可以应用在多轴膝关节假肢的设计中，还可以应用在多轴踝关节假肢的设计中，也可以应用于多轴关节助行机器人，矫形器等康复机械技术中。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (2)

1.一种运动瞬心可调式假肢多轴关节，其特征在于，该多轴关节（1）由小腿连接杆（11）、关节后臂（12）、上关节体（13）和关节前臂（14）组成，四个构件间两两铰接，构成一个带有连接杆的四边形结构；关节后臂（12）和关节前臂（14）的轴线在运动平面内的延长线交点即为假肢的运动瞬心；所述关节后臂（12）、上关节体（13）和关节前臂（14）的长度可调，以得到不同位置的运动瞬心；

该多轴关节（1）通过上关节体（13）和接收腔（5）连接，通过小腿连接杆（11）和小腿（2）连接。

2.根据权利要求1所述的一种运动瞬心可调式假肢多轴关节，其特征在于，所述关节后臂（12）、上关节体（13）和关节前臂（14）分别由两个连接板通过螺栓连接在一起，在两个连接板上分别设置若干等距排列的通孔，通过螺栓、弹簧垫片和螺母将两个连接板固定在一起，通过调节孔洞之间的相对位置来改变长度。

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