CN104490498B - 膝踝关节联动式下肢义肢装置 - Google Patents

Abstract

膝踝关节联动式下肢义肢装置，包括大腿圆筒、膝关节转动机构、小腿圆筒和义脚，膝关节转动机构铰接于大腿圆筒下端，小腿圆筒固定连接于膝关节转动机构下端，所述大腿圆筒上部设置有上端开口的大腿接受腔，大腿圆筒下部设置有大腿腔固定接头；所述膝关节转动机构由膝关节前连杆、关节窝连杆和膝关节后连杆组成，本发明使用方便，通过膝关节转动机构和义脚的联动配合，使使用者更加贴近正常人行走的自然状态，更好的保护其隐私；本装置结构紧凑，通过调节阻尼限位机构和行程调节螺栓可以满足不同使用者的行走习惯，另使用者更容易适应本装置；同时本发明制造工艺技术简单，便于推广应用。

Description

膝踝关节联动式下肢义肢装置

技术领域

本发明涉及一种膝踝关节联动式下肢义肢装置，该装置可供从大腿处截肢的残疾人使用，在行走时膝关节和踝关节的运动更加贴近真实肢体的运动情况，能够更方便的适应义肢，更加稳定、自然地使用义肢。

背景技术

下肢截肢的残疾人为实现生活自理，需要安装义肢以完成自主行走。从大腿处截肢，其下端下安装的人工膝关节是实现自主行走动作的关键部件，常见义肢仅膝关节可动，通过假腿义肢虽能使使用者完成行走的动作，但与正常人行走还有差距，特别是在上下台阶时差距跟大，不利于使用者对义肢的适应，动作也很不自然。

目前，实际使用中的假腿义肢，其膝关节可动，但其它位置均采用直接固连方式，不能活动。其膝关节一般采用四杆、七杆结构，上部通过接受腔直接安装在使用者大腿上，下部固连铝合金管作为小腿，铝合金管下方固连义脚，义脚采用橡胶制作，内部安装有弹性钢板，以便在踩地时改变义脚形状。但由于采用直接固联方式，义脚相对小腿不能转动，给使用带来不便。当使用者将腿部前伸，身体重心向前运动准备行走时，义脚相对地面存在一定夹角，当义脚落地，使用者重心前移并将身体重量置于整个义肢上时，义脚在一段时间内只有脚跟位置着地，并非全脚掌着地支撑，影响了义肢在使用时使用者正常行走时身体的稳定性。这一脚步运动与膝部运动不配合的问题在义肢使用者上下台阶时表现的更为显著。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种膝踝关节联动式下肢义肢装置，除具有膝关节外，还安装了踝关节，且两者能够互相联动，能仿照人体行走的自然动作，可使义肢用户在行走时膝关节和踝关节的运动更加贴近真实肢体的运动情况，能够更加方便的适应义肢，更加自然地使用义肢。

具体技术方案为：膝踝关节联动式下肢义肢装置，包括大腿圆筒、膝关节转动机构、小腿圆筒和义脚，膝关节转动机构铰接于大腿圆筒下端，小腿圆筒固定连接于膝关节转动机构下端，所述大腿圆筒上部设置有上端开口的大腿接受腔，大腿圆筒下部设置有大腿腔固定接头；所述膝关节转动机构由膝关节前连杆、关节窝连杆和膝关节后连杆组成，膝关节前连杆上端和膝关节后连杆上端分别铰接于大腿圆筒下端，且膝关节前连杆位于膝关节后连杆左侧，膝关节后连杆下端设置有槽形凸轮；关节窝连杆左端铰接于膝关节前连杆下端，关节窝连杆右端通过销轴与槽形凸轮连接，槽形凸轮上设置有异形槽；所述小腿圆筒与关节窝连杆固定连接，小腿圆筒内设置有拉杆径向限位套、上拉杆和下拉杆，拉杆径向限位套竖直固定于关节窝连杆下端面；上拉杆贯穿拉杆径向限位套，其上端通过设置于异形槽内的凸轮滚柱与槽形凸轮连接，其下端与下拉杆上端转动连接，下拉杆下端铰接于义脚后端；所述义脚通过转轴连接于小腿圆筒下端，且义脚内设置有弹簧板。

所述异形槽位于槽形凸轮左下方。

所述异形槽由斜向槽和V型槽组成，V型槽开口向右上方；斜向槽左高右低，其右端与V型槽左侧边连通。

所述异形槽各节点处均为圆弧过渡。

所述大腿圆筒内侧面设置有指向膝关节后连杆的行程调节螺栓，膝关节后连杆左侧设置有与行程调节螺栓对应的缓冲垫。

所述槽形凸轮周向左下方侧面设置有限位槽，所述小腿圆筒上端设置有阻尼限位机构，阻尼限位机构由限位孔、螺栓和阻尼杆组成，螺栓和阻尼杆均设置于限位孔内，螺栓位于阻尼杆左侧并与限位孔配合连接，阻尼杆通过弹簧与螺栓连接，且阻尼杆右端指向限位槽。

所述阻尼杆右端设置有阻尼轮，阻尼轮与限位槽配合连接。

所述上拉杆上端设置有滚柱耳片，凸轮滚柱贯穿滚柱耳片，凸轮滚柱两端设置有滚柱挡片，凸轮滚柱上套设有滚柱套筒。

所述槽形凸轮前后两端面上设置有板簧，板簧两端与槽形凸轮固定连接，且板簧经过V型槽中间位置。

本发明使用方便，通过膝关节转动机构和义脚的联动配合，使使用者更加贴近正常人行走的自然状态，更好的保护其隐私；本装置结构紧凑，通过调节阻尼限位机构和行程调节螺栓可以满足不同使用者的行走习惯，另使用者更容易适应本装置；同时本发明制造工艺技术简单，便于推广应用。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明槽形凸轮结构示意图；

图3为图2中A-A向剖视图；

图4为本发明实施例1力学结构分析图；

图5为本发明实施例2力学结构分析图；

图6为本发明实施例3力学结构分析图；

图7为图1中C处放大示意图；

图8为本发明力学结构分析图；

图9为本发明异形槽结构示意图。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，膝踝关节联动式下肢义肢装置，包括大腿圆筒1、膝关节转动机构、小腿圆筒2和义脚3，膝关节转动机构铰接于大腿圆筒1下端，小腿圆筒2固定连接于膝关节转动机构下端，所述大腿圆筒1上部设置有上端开口的大腿接受腔4，在使用时，根据不同使用者大腿的截肢长度选择相应长度的大腿圆筒1，将使用者大腿放入大腿接受腔4内并与大腿圆筒1固定，大腿圆筒1下部设置有大腿腔固定接头5；膝关节转动机构由膝关节前连杆6、关节窝连杆7和膝关节后连杆8组成，膝关节前连杆6、关节窝连杆7、膝关节后连杆8和大腿固定接头5组成四连杆机构，膝关节前连杆6上端和膝关节后连杆8上端分别铰接于大腿圆筒1下端，且膝关节前连杆6位于膝关节后连杆8左侧，膝关节后连杆8下端设置有槽形凸轮9；关节窝连杆7左端铰接于膝关节前连杆6下端，关节窝连杆7右端通过销轴10与槽形凸轮9连接，槽形凸轮9上设置有异形槽11；所述小腿圆筒2与关节窝连杆7固定连接，小腿圆筒2内设置有拉杆径向限位套12、上拉杆13和下拉杆14，拉杆径向限位套12竖直固定于关节窝连杆7下端面；上拉杆13贯穿拉杆径向限位套12，使上拉杆13在拉杆径向限位套12只能沿其轴向运动，上拉杆13上端通过设置于异形槽11内的凸轮滚柱15与槽形凸轮9连接，其下端与下拉杆14上端转动连接，下拉杆14下端铰接于义脚3后端；义脚3通过转轴16连接于小腿圆筒2下端，且义脚3内设置有弹簧板17，在义脚3前端着地时，其前端产生弯曲，模拟出人体脚趾弯曲的动作。

异形槽11位于槽形凸轮9侧面左下方。异形槽11由斜向槽18和V型槽19组成，V型槽19开口向右上方；斜向槽18左高右低，其右端与V型槽19左侧边连通，异形槽11各节点处均为圆弧过渡。

大腿圆筒1内侧面设置有指向膝关节后连杆8的行程调节螺栓20，膝关节后连杆8左侧设置有与行程调节螺栓20对应的缓冲垫21，通过调整行程调节螺栓20与缓冲垫21之间的距离可调整小腿圆筒2向前摆动的幅度，从而适应不同使用者的行走习惯。

如图7所示，槽形凸轮9周向左下方侧面设置有限位槽22，所述小腿圆筒2上端设置有阻尼限位机构，阻尼限位机构由限位孔23、螺栓24和阻尼杆25组成，螺栓24和阻尼杆25均设置于限位孔23内，螺栓24位于阻尼杆25左侧并与限位孔23配合连接，阻尼杆25通过弹簧26与螺栓24连接，且阻尼杆25右端指向限位槽22，阻尼杆25右端设置有阻尼轮27，阻尼轮27与限位槽22配合连接。

上拉杆13上端设置有滚柱耳片28，凸轮滚柱15贯穿滚柱耳片28，凸轮滚柱15两端设置有滚柱挡片29，凸轮滚柱15上套设有滚柱套筒30，防止凸轮滚柱15与槽形凸轮9直接摩擦，增加凸轮滚柱15的使用寿命。

槽形凸轮9前后两端面上设置有板簧31，板簧31两端与槽形凸轮9固定连接，且板簧31经过V型槽19中间位置。板簧31为凸轮滚柱15提供一定向上的支持力，防止凸轮滚柱15在异形槽11部分运动段因压力角较小而影响凸轮滚柱15运动，使凸轮滚柱15具有良好的通过性。

在本发明中凸轮滚柱15在异形槽11中的运动由异形槽11进行导向，板簧31与异形槽11组成可变压力角凸轮结构，板簧31利用形变产生的弹性力辅助凸轮滚柱15在槽中的运动。

如图9所示，设V型槽19右侧边上端位置为D点，V型槽19右侧边中间位置为E点，V型槽19底部为F点，V型槽19左侧边与斜向槽18连接处为G点，斜向槽18左端位置为H点。

实施例1

如图8和图4中A1所示，使用者准备平地行走时，先迈出安装本装置的一条腿，本装置随使用者大腿向上运动脱离地面并处于自由状态，凸轮滚柱15位于E点，通过阻尼限位机构与限位槽22的配合，此时膝关节转动机构不会发生转动，保持使用者的平衡状态；如图4中B1和C1所示，当使用者向前运动，大腿向前带动本装置运动，由于惯性，阻尼限位机构与限位槽22脱离，膝关节前连杆6和膝关节后连杆8分别绕其上端铰链顺时针转动，小腿圆筒2在关节窝连杆7的带动下略向前甩，在膝关节前连杆6和膝关节后连杆8转动到一定程度时，行程调节螺栓20与缓冲垫21接触，阻止在膝关节前连杆6和膝关节后连杆8继续转动，从而防止小腿圆筒2过于前倾影响使用者的身体平衡，使用者可以根据自身的行走习惯调整行程调节螺栓20，从而改变小腿圆筒2的前甩幅度，当小腿圆筒2前甩时，凸轮滚柱15由E点运动至D点，运动动力来自于小腿圆筒2前甩前甩带动槽形凸轮9的旋转，该旋转经E点与D点之间的异形槽11传递给凸轮滚柱15，压力点处于异形槽11下部，由于凸轮滚柱15的运动还受到直动机构的限制，故凸轮滚柱15实际的运动为直动，在直动过程中运动随槽形凸轮9转动的位置变化受到异形槽11的限制。在该运动过程中，槽形凸轮9的压力角能够满足驱动凸轮滚柱15的需要，凸轮滚柱15运动的同时带动上拉杆13一起向上运动，上拉杆13带动下拉杆14使义脚3绕转轴16逆时针转动，使使用者在向前运动的过程中义脚3脚底始终与地面平行，从而实现使用者的平稳着地；当使用者继续前进，重心落在安装本装置的一条腿上，如图4中D1所示，此时义脚3脚底始终贴于地面，随着使用者不断前移，小腿圆筒2绕转轴16逆时针转动，上拉杆13和下拉杆14向下运动，上拉杆13拉动凸轮滚柱15向下运动至E点，小腿圆筒2从前甩位置返回平衡位置，此过程中，运动动力仍然来自小腿圆筒2角度变化带动槽形凸轮9的旋转，在此过程中，槽形凸轮9压力点处于异形槽11上部。

膝关节前连杆6和膝关节后连杆8分别绕其上端逆时针转动，如图4中E1所示，当使用者的另一只脚到达地面时，此时凸轮滚柱15运动至F点，上拉杆13和下拉杆14停止向下继续运动，义脚3无法绕转轴16转动，小腿圆筒2处于从平衡位置后甩的过程。该过程中凸轮滚柱15移动的动力来自于小腿圆筒2的后甩带来的槽形凸轮9角度的变化，随着角度的增加，槽形凸轮9运动的压力角随异形槽11的曲率变化逐渐增大。 如图4中F1所示，随着使用者继续前移，凸轮滚柱15从F点向G点运动，到凸轮滚柱15运动到在F点时，槽形凸轮9压力角过大，导致槽形凸轮9不能运动，凸轮滚柱15从F点运动至G点的运动过程，其动力主要是板簧31提供的。板簧31的变形从滚柱从E点到F点之间的某个位置开始，当到达F点后，其变形量所能提供给凸轮滚柱15的动力可以使凸轮滚柱15顺利的从F点向G点运动。在滚柱29从F点运动至G点的过程中，板簧31相当于一个弹性凸轮，而异形槽11起到运动路径引导的作用。凸轮滚柱15带动上拉杆13和下拉杆14向上运动，从而使义脚3后端向上运动，义脚3在弹簧板17的作用下发生弯曲，只有前脚掌着地；如图4中G1所示，当使用者的另一条腿完全直立时，使用者的重心完全落在其直立的另一条腿上，安装本装置的大腿向前运动，同时逐渐向上提起，此时义脚3脱离地面，并随着大腿的前摆向前运动，膝关节前连杆6和膝关节后连杆8分别绕其上端逆时针转动，使义脚3与地面保持一定角度向前运动。当凸轮滚柱15运动到G点后，板簧31不再给凸轮滚柱15运动提供动力，此时，异形槽11的曲率亦产生较大变化，使槽形凸轮9的压力角迅速减小并能满足驱动槽形凸轮9的需要，使槽形凸轮9的旋转能够继续为凸轮滚柱15的运动提供动力。最终使凸轮滚柱15顺利运动到H点，从而完成凸轮滚柱15从E点经F、G点到达H点的整个运动过程。如图4中H1所示，使用者重心继续向前运动，且安装本装置的大腿逐渐向下运动，凸轮滚柱15从H点返回向E点运动时，从H点向G点运动，凸轮滚柱15的动力同样是通过槽形凸轮9的旋转驱动的，当运动到G点后，压力角急剧变大到不能再驱动槽形凸轮9运动，此时由于异形槽11的G点到F点一段相对于水平面角度很大，故重力可帮助凸轮滚柱15完成该阶段的运动，即在重力的作用下，同时加上异形槽11的引导，使凸轮滚柱15从G点运动到F点，并在该过程中通过机构惯性给板簧31加压使其产生形变。膝关节前连杆6和膝关节后连杆8分别开始绕其上端顺时针转动，带动小腿圆筒2随关节窝连杆7顺时针转动，当凸轮滚柱15运动到F点后，槽形凸轮9的异形槽11提供给凸轮滚柱15的压力角逐渐减小，并能够满足槽形凸轮9的旋转驱动凸轮机构运动，使凸轮滚柱15运动到平衡位置E点。凸轮滚柱15异形槽11内运动的过程中，同时带动上拉杆13和下拉杆14运动，使义脚3绕转轴16转动，当义脚3到达地面时，义脚3底面与地面平行，可平稳着地，此时使用者的运动状态回到图4中B1所示的运动状态，然后依次循环，完成在平地上的平稳行走过程。

实施例2

参照实施例1，如图5中A2所示，使用者上台阶之前为竖直站立状态，如图5中B2所示，使用者上台阶时将装有本装置的大腿向上提起并向前运动，膝关节前连杆6和膝关节后连杆8分别开始绕其上端逆时针转动，槽形凸轮9随膝关节后连杆8逆时针转动，凸轮滚柱15从V型槽19内向斜向槽18左端运动，凸轮滚柱15带动上拉杆13和下拉杆14向上运动，使义脚3绕转轴16逆时针转动，产生脚尖下点的动作；如图5中C2所示，当使用者将重心前移并下降时，义脚3脚尖先着地，由于脚尖下点，重心下移的幅度相对减小，有利于使用者下台阶时的身体侧向摆幅，增加身体在运动状态下的重心稳定性。如图5中D2所示，使用者继续将重心前移，并完全落在安装本装置的一条腿上，义脚3全脚掌着地，保证了使用者身体的稳定。如图5中E2、F2、G2和H2所示，在使用者另一条腿脱离地面并向上运动的过程中，小腿圆筒2始终绕着转轴16转动，义脚3始终以全脚掌与地面接触，保证了使用者在运动状态下能始终保持身体平衡，如图5中I2所示，使用者继续前进，安装本装置的大腿抬起，重心重新落回另一只腿上，然后重新运动到如图5中B2所示的运动状态，然后依次循环，完成上台阶的整个过程。

实施例3

参照实施例1和实施例2，如图6中A3所示，使用者下台阶之前为竖直站立状态，如图6中B3所示，将安装本装置的一条腿向前迈出并重心前移，槽形凸轮9顺时针旋转，义脚3逆时针旋转，产生脚尖下点的动作，使用者重心继续前移，如图6中C3所示，义脚3脚尖先着地，使用者重心下降，如图6中D3所示，由于脚尖下点，重心下移的幅度相对减小，有利于使用者下台阶时的身体侧向摆幅，增加身体在运动状态下的重心稳定性。义脚3全脚掌着地，同时使用者将重心全部转移到安装本装置的身体一侧，使用者迈出另一侧腿，如图6中E3所示，在此过程中，义脚3全脚掌与地面接触，有利于本装置承受运动中身体的重量，也有利于使用者身体重心位置的稳定变化。随着使用者重心继续前移，如图6中F3、G3和H3所示，义脚3发生弯曲，另一侧未安装本装置的腿其脚掌逐渐落地，并将重心转移至未安装本装置的腿上，在此过程中，虽然义脚3后脚跟逐渐离地，但另一侧脚掌距离地面已经非常接近，有利于使用者对身体的倾斜做出快速的反应，更好的控制自身平衡。在使用者完全将重心转移至未安装本装置的腿上之后，如图6中I3所示，使用者安装本装置的腿继续向前并向下运动，并重新运动至如图6中B3所示的运动状态，然后依次循环，完成下台阶的整个过程。

Claims (9)

1.膝踝关节联动式下肢义肢装置，包括大腿圆筒、膝关节转动机构、小腿圆筒和义脚，膝关节转动机构铰接于大腿圆筒下端，小腿圆筒固定连接于膝关节转动机构下端，其特征在于：所述大腿圆筒上部设置有上端开口的大腿接受腔，大腿圆筒下部设置有大腿腔固定接头；所述膝关节转动机构由膝关节前连杆、关节窝连杆和膝关节后连杆组成，膝关节前连杆上端和膝关节后连杆上端分别铰接于大腿圆筒下端，且膝关节前连杆位于膝关节后连杆左侧，膝关节后连杆下端设置有槽形凸轮；关节窝连杆左端铰接于膝关节前连杆下端，关节窝连杆右端通过销轴与槽形凸轮连接，槽形凸轮上设置有异形槽；所述小腿圆筒与关节窝连杆固定连接，小腿圆筒内设置有拉杆径向限位套、上拉杆和下拉杆，拉杆径向限位套竖直固定于关节窝连杆下端面；上拉杆贯穿拉杆径向限位套，其上端通过设置于异形槽内的凸轮滚柱与槽形凸轮连接，其下端与下拉杆上端转动连接，下拉杆下端铰接于义脚后端；所述义脚通过转轴连接于小腿圆筒下端，且义脚内设置有弹簧板。

2.如权利要求1所述的膝踝关节联动式下肢义肢装置，其特征在于：所述异形槽位于槽形凸轮左下方。

3.如权利要求2所述的膝踝关节联动式下肢义肢装置，其特征在于：所述异形槽由斜向槽和V型槽组成，V型槽开口向右上方；斜向槽左高右低，其右端与V型槽左侧边连通。

4.如权利要求3所述的膝踝关节联动式下肢义肢装置，其特征在于：所述异形槽各节点处均为圆弧过渡。

5.如权利要求1所述的膝踝关节联动式下肢义肢装置，其特征在于：所述大腿圆筒内侧面设置有指向膝关节后连杆的行程调节螺栓，膝关节后连杆左侧设置有与行程调节螺栓对应的缓冲垫。

6.如权利要求1所述的膝踝关节联动式下肢义肢装置，其特征在于：所述槽形凸轮周向左下方侧面设置有限位槽，所述小腿圆筒上端设置有阻尼限位机构，阻尼限位机构由限位孔、螺栓和阻尼杆组成，螺栓和阻尼杆均设置于限位孔内，螺栓位于阻尼杆左侧并与限位孔配合连接，阻尼杆通过弹簧与螺栓连接，且阻尼杆右端指向限位槽。

7.如权利要求6所述的膝踝关节联动式下肢义肢装置，其特征在于：所述阻尼杆右端设置有阻尼轮，阻尼轮与限位槽配合连接。

8.如权利要求1所述的膝踝关节联动式下肢义肢装置，其特征在于：所述上拉杆上端设置有滚柱耳片，凸轮滚柱贯穿滚柱耳片，凸轮滚柱两端设置有滚柱挡片，凸轮滚柱上套设有滚柱套筒。

9.如权利要求3所述的膝踝关节联动式下肢义肢装置，其特征在于：所述槽形凸轮前后两端面上设置有板簧，板簧两端与槽形凸轮固定连接，且板簧经过V型槽中间位置。