CN105007862A - 使用弯曲阻尼缸的修复术 - Google Patents

Abstract

假关节和肢体组件利用单一的弯曲阻尼缸来减少组件数量和磨损。假足/假足踝只需要三个主要组件；即，适于耦连到足刃的外壳；适于耦连到暂用假肢的足踝组件；以及步行期间在所述外壳中的弯曲缸体内移动的活塞。足踝组件在缸体的曲率中心处被枢转地附连到外壳。活塞限定缸体中的前可变容积腔室和后可变容积腔室。这两个腔室经由端口彼此流体连通，以便当足踝在跖屈和背屈之间枢转时，流体在这些腔室之间通过单向止回阀被交换。流体流量是独立可调节的，以在跖屈和背屈期间建立和保持期望的阻尼水平，包括不同的阻尼水平。

Description

使用弯曲阻尼缸的修复术

技术领域

本发明总体涉及修复术/假体(prosthetics)，特别涉及利用弯曲阻尼缸来减少组件数量和磨损的人工关节和肢体。

背景技术

穿戴假腿或假足的人员对获得自然且舒适的行走面临许多挑战。这些问题包括“有效脚后跟高度”的改变和所遇到地形的坡度的改变。人工假肢可以在光滑、水平的表面上或轻微的斜面上正确地发挥作用，但是在陡峭的斜坡上就存在问题，特别是当走下坡路时。如果足部的角度不是充分可调节的，则只有后脚跟可以接触地，因此使它很难适应使用者的体重并且避免膝盖的屈曲。因为这个原因，许多假体穿戴者在走下坡路时经常选择横着走。

人工的机械调节通常难于设置或校正，并且对于脚后跟高度的变化或变化的地形斜坡不能自动地调节。为了解决这些不足，多年来已经引入了多种自调节结构。阻尼机制的发展已经有了一项改进，其中一些涉及液压技术。早期的示例是美国专利第2,470,480号，其描述一种人造足，该人造足在足踝和脚底板(sole plate)之间具有液压缓冲装置。针阀被提供用于控制液压流体的通道，以便行走动作可以适应特定的个人。

美国专利第6,855,170号公开一种足，其经由枢转轴(pivot axle)连接到腿假体，使得足和腿假体之间的角位置可调节到期望的角位置。这可以通过在附连到腿假体的缸体内可移置的活塞来实现。双向阀允许介质在缸体内的两个腔室之间流动。使用从假体外侧可操作的控制杆可调节该双向阀。这种设计的一个问题是液压缸沿着足部取向，导致庞大的结构。

为了获得更紧凑的设计，美国专利第7,985,265号描述了假足踝和足的组合，其中液压缸沿着腿与足相对地取向。这个装置具有踝关节机制，其被构造成允许足组件相对于胫骨组件的阻尼旋转运动。该机制在行走期间提供了足踝运动的连续液压阻尼范围，其中所述足踝运动具有动态可变的阻尼阻力，并且在跖屈和背屈方向上具有独立变化的阻尼阻力。该专利公开了单活塞和双活塞液压阻尼布置，其包括允许独立的脚后跟高度调节的布置。

虽然第7,985,265号专利所描述的解决方案获得更紧凑的封装件，但是它遭受与利用传统液压缸的其他假体相同的缺点；即，由于足踝旋转并且缸体是直立的，因此必须包括某种形式的联动装置以将枢转运动转换成往复运动。这些联动装置需要其各自的枢轴，从而导致更多的移动零件和可能产生磨损的地方。

发明内容

本发明涉及假关节和肢体组件，其利用单一的弯曲阻尼缸来减少组件的数量和磨损。与假足/足踝关联的实施例只需要三个主要的组件；即，适于耦连到足刃的外壳；适于耦连到暂用假肢的足踝组件；以及步行期间在所述外壳中的弯曲缸体内移动的活塞。

足踝组件在缸体的曲率中心处被枢转地附连到外壳。活塞限定缸体中的前可变容积腔室和后可变容积腔室。这两个腔室经由阀门和内部端口彼此流体连通，以便当足踝在跖屈和背屈之间枢转时，流体在这些腔室之间被交换以控制阻尼。

在优选的实施例中，所述流体是液压流体，并且外壳、足踝组件、杆和活塞部分由精密加工的金属制成。第一单向止回阀被用于在跖屈期间引导从后腔室到前腔室的流体流动。第二单向止回阀被用于在背屈期间引导从前腔室到后腔室的流体流动。与每个止回阀在一直线内的独立可调节的流量控制阀被用于在跖屈和背屈期间建立和保持期望的阻尼水平，包括在每个方向上的不同水平阻尼。在优选实施例中，流量控制阀是通过旋转来调节的柱形阀/滑阀(spool valve)。

附图说明

图1A是根据从正面视角看到的优选实施例的外壳的第一斜视图；

图1B是从后面视角观察到的外壳的第二斜视图；

图1C是外壳的中间截面图；

图1D是示出流体端口的外壳的截面图；

图1E是示出不同流体端口的外壳的截面图；

图1F是图示说明在第一阀腔和第二阀腔之间的流体连通的外壳的截面图；

图1G是图示说明液压回路的简化示意图；

图2A是安置于外壳内的两个柱形阀其中之一的第一斜视图；

图2B是图2A的柱形阀的第二斜视图；

图3A是根据从第一视角看到的优选实施例的足踝组件的第一斜视图；

图3B是从不同视角观察到的足踝组件的第二斜视图；

图3C是足踝组件的中间截面图；

图4A是根据从第一视角看到的优选实施例的活塞组件的第一斜视图；

图4B是从不同视角观察到的活塞组件的第二斜视图；

图4C是活塞组件的中间截面图；

图5A是包括在中性条件下的外壳、足踝组件和活塞组件的装配图；

图5B是处于8度跖屈的装配图；和

图5C是处于18度跖屈的装配图。

具体实施方式

本发明涉及假关节和肢体组件，其利用单一的弯曲阻尼缸来减少组件的数量和磨损。与依靠直线缸体的装置相反，本发明只要求一个转动轴，不需要围绕额外轴旋转的连杆构件。这种连杆构件不只增加了零件数量，额外移动零件的运动和潜在的游隙还可能导致额外的费用和增加的磨损。

在与假足/足踝有关的实施例中，只需要三个主要组件：外壳、足踝组件和活塞组件。这些主要组件之外还有一些次要组件和足刃以及暂用假肢，其中外壳附连到足刃，并且足踝组件附连到暂用假肢。足刃和暂用假肢是本领域技术人员熟知的，并且本发明在所使用的足刃、暂用假肢或相关的耦连机制方面并不受限制。

图1A和图1B是从不同视角看到的外壳的斜视图，而图1C是外壳的中间截面图。主要组件优选地由金属制造，但是可以用可靠的陶瓷或硬塑料材料代替。在优选的实施例中，外壳由铝制造，以保持重量下降，但是其他主要组件是不锈钢的。在当代，计算机控制的机加工过程可以用于形成所有主要组件，包括弯曲的缸体和弯曲的活塞，其中公差足以实现延伸操作。

外壳102包括上臂104、106，每个上臂具有限定枢轴线108的通孔。弯曲的缸体110形成在外壳102内，该弯曲的缸体具有与枢轴线同心的圆形曲率半径。缸体的中心线位于与枢轴线正交的平面内，并且缸体具有从枢轴线沿着半径截取的圆形截面。在一个特定的实施例中，弯曲的缸体的直径D是1.88英寸左右，并且曲率半径R是1.25英寸左右。

缸体110的后面包括孔(aperture)112，该孔在足踝组件运动时抵靠活塞组件的杆部分密封。缸体的前面包括开口(opening)113以接收具有第二孔116的盖体114，该第二孔抵靠活塞杆的不同部分密封，这在下面更详细地解释。一旦活塞组件被安装到缸体内，那么盖体114就通过合适的密封件安装到开口113上方，以确保遏制流体。

外壳的底表面包括表面120，其连接到图5的装配图所示的足刃。多个螺纹紧固件可以被用于提供外壳和足刃之间的牢固连接，其中图1C的截面在112处示出一个这样的连接。图1B中的螺纹孔124、126与两个额外的紧固件相关联。

外壳包括两个腔体130、132，每个腔体被配置为接收阀门装配件，该阀门装配件包括图2中描述的类型的单向止回阀和柱形阀。如图1F的局部截面所示，每个腔体的上部分通过端口142、144与缸体110的后腔室连通。图1D示出端口到与腔体130关联的后腔室。腔体的底部分通过端口140互相连通，并且进一步通过端口146(在图1E的截面中描述)与缸体的前腔室连通，也通过腔体130，但是偏离图1D的截面。

图1G是液压回路的简化示图。腔体130包括柱形阀202和单向的、弹簧偏压的止回阀150，其允许流体在跖屈期间从前腔室501通过端口142行进到后腔室502内。腔体132包括柱形阀202和单向的、弹簧偏压的止回阀152，其允许流体在背屈期间从后腔室501通过端口140、142行进到前腔室502内。由柱形阀202设置的流体流动独立地控制两个方向上的阻尼程度。

图2A是两个单向阀202其中一个的第一斜视图，该单向阀被安置在外壳内，而图2B是从不同视角看到的图2A的单向阀的斜视图。两个阀中的每个是完全相同的，并且每个包括带有渐变孔眼206的套筒204。可旋转的零件208在移动进出该套筒，以确定哪些孔眼被用于确定通过该阀的流动控制。单向阀(未示出)被安装到相应的腔体130、132，然后安装柱形阀，其中可旋转的零件208被暴露出以用于流量设置。应当注意，每个腔体130、132都可以用于跖屈-背屈，这取决于止回阀以何种方式安装到该腔体。

图3A是优选足踝组件的第一斜视图。图3B是该组件的不同视图，而图3C是中间截面图。组件302包括上螺纹口304，用以接收暂用假肢(未示出)。该组件进一步包括具有轴线108的通孔，该轴线108对应于外壳102的中心枢轴线，从而足踝组件在与缸体113的圆轴线平行的平面内绕轴线108旋转。

如图3C的截面所示，可选地提供螺纹端口306，以接收螺栓或定位螺钉(未示出)，从而在相对于外壳的适当位置锁定足踝组件。足踝组件进一步包括第二孔口310，用以接收图4中图示说明的活塞组件402的螺纹端404。图4A是活塞组件的第一斜视图，图3B是该组件的不同视图，而图3C是中间截面图。

活塞组件402包括杆部分406以及一体形成的外展段(flared section)408。外展段408包括被配置为接收多部分(multipart)聚四氟乙烯环的外部周边槽410，当活塞在缸体内运动时，该多部分聚四氟乙烯环抵靠缸体的内壁密封外展段。杆部分406的弯曲部优选地具有与缸体的中心线同等延伸的中心线，其中外展段的平面412与中心线在点414处正交。

图5A是包括在中性条件下的外壳、足踝组件和活塞组件的装配图。这些图示出了足踝组件，其耦连到外壳，从而围绕单一轴线108旋转。还示出了后部分足踝组件302被耦连到活塞杆406的螺纹部分404而导致牢固的机械连接的方式。在113处示出了活塞杆406和穿过外壳的孔112之间的后密封件。前板114已经安装了在115处描述的密封件。外壳被附连到合适的足刃502，并且在504处示出了柔软的脚型。外展部分408抵靠缸体110的内壁111被密封，从而建立了在活塞的外展部分408前面的前腔室501和在外展部分后面的后腔室500。前腔室和后腔室501、500的容积不是固定的，而是在步行活动过程中发生变化。

在图5A所示的中性状态中，前腔室501具有最大的容积，而后腔室500具有最小的容积。图5B描述处于8度跖屈的装配件，而图5C是处于18度跖屈的装配件。当足踝在跖屈期间向后枢转时，活塞在缸体内向前旋转，从而通过安装在132处的单向阀将流体从前腔室501排出到后腔室500。通过阀门的流速设定值来建立并控制该运动的阻尼。当背屈开始时，流体从后腔室500被转移返回到前腔室501，其中阻尼水平通过另一阀门的流速设定值来独立地控制。

除了其极好的简单性和很少的移动零件外，刚刚描述的装置还提供了许多优点。与使用直线缸体并且实现大约7-9度的有限运动范围(ROM)的先前设计对比，该装配件实现18度的运动范围。虽然被动阻尼被用于在前腔室和后腔室之间交换流体，但是在可替换的实施例中，假体可以是具有角度传感器或其他位置传感器的器械，其中主动的流体增压和抽吸被用作主动机电系统的一部分。也可以使用除了液压流体之外的其他流体，包括气态流体(包括空气)，并且该设计适用于基本在平面内枢转的其他关节(如膝盖)。

Claims (12)

1.一种假足踝，包括：

外壳，其适于耦连到足刃；

在所述外壳中的弯曲缸体；

足踝组件，其适于耦连到暂用假肢耦连件，所述足踝组件在所述缸体的曲率中心处被枢转地附连到所述外壳；

所述足踝组件被耦连到所述缸体内的弯曲的杆和活塞，所述活塞限定所述缸体内的前腔室和后腔室，所述前腔室和所述后腔室彼此流体连通；以及

其中当所述足踝在跖屈和背屈之间枢转时，流体在所述前腔室和所述后腔室之间被交换以控制阻尼。

2.根据权利要求1所述的假足踝，其中所述流体是液压流体。

3.根据权利要求1所述的假足踝，其中所述外壳、足踝组件、杆和活塞部分是金属。

4.根据权利要求1所述的假足踝，进一步包括：

在所述外壳内的端口，所述端口与所述前腔室和所述后腔室流体互连；

第一单向止回阀和流量阀，其与所述端口在一直线内以便控制跖屈期间的阻尼；和

第二单向止回和流量阀，其与所述端口在一直线内以便控制背屈期间的阻尼。

5.根据权利要求4所述的假足踝，其中所述流量阀是独立可调节的柱形阀，以在跖屈和背屈期间建立和保持期望的阻尼水平。

6.根据权利要求5所述的假足踝，其中每个柱形阀包括具有渐变孔眼的嵌件，从而所述嵌件的旋转使通过该阀门的流体的流量发生变化。

7.一种假足踝，包括：

外壳，其具有上部分和下部分，其中所述上部分具有枢轴线，所述下部分适于耦连到足刃；

缸体，其具有限定所述外壳内的截面的内壁，所述缸体具有横贯于所述枢轴线的中心圆形轴线并且具有与所述枢轴线对应的曲率半径；

足踝组件，其具有适于耦连到暂用假肢的上部分；

所述足踝组件被配置为在所述枢轴线上相对于所述外壳枢转；

所述足踝组件被进一步耦连到设置在所述弯曲缸体内的弯曲杆，所述弯曲杆具有与所述缸体的所述中心线同等延伸的中心线；

所述弯曲杆包括具有抵靠所述缸体的所述内壁的外部周边密封件的活塞部分，所述周边密封件限定了所述缸体内的前可变容积密封腔室和后可变容积密封腔室；

在所述外壳内的端口，所述端口与所述前腔室和所述后腔室流体互连；

第一单向止回阀和流量阀，其与所述端口在一直线内以控制跖屈期间的阻尼；以及

第二单向止回和流量阀，其与所述端口在一直线内以控制背屈期间的阻尼。

8.根据权利要求7所述的假足踝，其中所述流体是液压流体。

9.根据权利要求7所述的假足踝，其中所述流量阀是独立可调节的柱形阀，以在跖屈和背屈期间建立和保持期望的阻尼水平。

10.根据权利要求9所述的假足踝，其中每个柱形阀包括具有渐变孔眼的嵌件，从而所述嵌件的旋转使通过该阀门的流量发生变化。

11.根据权利要求7所述的假足踝，其中所述外壳、足踝组件、杆和活塞部分是金属。

12.根据权利要求7所述的假足踝，其中所述活塞部分包括周边凹槽，以接收所述周边密封件。