CN107041805A - 刚度连续可调节的足踝矫形鞋垫 - Google Patents

Abstract

一种刚度连续可调节的足踝矫形鞋垫，包括：鞋垫体以及设置于鞋垫体底部的刚度可调节装置，其中：刚度可调节装置包括：旋转机构以及一端与旋转机构固定连接的开口弹性件，该开口弹性件的另一端与鞋垫体的前足底部活动连接，旋转机构设置于鞋垫体的足跟部位，通过旋转机构带动开口弹性件的水平转动实现鞋垫体的前足底部至足跟部位之间的刚度连续可调。本发明刚度可调节装置结构简单紧凑，操作方便，精度高，根据需要对刚度可调节装置的刚度进行调节，达到调节足踝矫形鞋垫足弓支撑曲面的竖向支撑刚度的目的，满足足踝在不同运动情况下或/和不同损伤情况下的刚度需求。

Description

刚度连续可调节的足踝矫形鞋垫

技术领域

本发明涉及的是一种生活日用品领域的技术，具体是一种通过改变刚度连续可调装置的刚度来调节矫形鞋垫足弓支撑曲面竖向刚度的装置。

背景技术

足底筋膜炎是中老年群体最为常见的足疾之一，严重影响中老年群体的身体健康和生活质量。足踝外科医生通常采用足弓支撑/足踝矫形鞋垫来治疗足底筋膜炎，通过足弓支撑/足踝矫形鞋垫上的足弓支撑曲面对患者的足弓进行竖向支撑来达到治疗/矫正患足的目的。随着患者足踝功能的恢复/增强，患者足弓的高度发生变化或/和足弓的强度进一步加强，因此需要不同的支撑高度及刚度以对足弓提供适当的支撑。然而传统的足弓支撑/足踝矫形鞋垫是根据患者足踝底面的形状浇模制造而成，足弓支撑曲面的高度和刚度均是确定的；那么在不同的恢复期需要制造不同的矫形鞋垫，以满足患足对于足弓支撑高度及刚度的不同需求。

发明内容

本发明针对现有技术无法通过改变足弓支撑的刚度来满足足弓不同的刚度需求的缺陷，提出一种刚度连续可调节的足踝矫形鞋垫，具有刚度可调节机制，用户可根据需要对足踝矫形鞋垫鞋垫体的竖向支撑刚度进行调节，满足足踝在不同运动情况下或/和不同损伤情况下的刚度需求。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：鞋垫体以及设置于鞋垫体底部的刚度可调节装置，其中：刚度可调节装置包括：旋转机构以及一端与旋转机构固定连接的开口弹性件，该开口弹性件的另一端与鞋垫体的前足底部活动连接，旋转机构设置于鞋垫体的足跟部位，通过旋转机构带动开口弹性件的水平转动实现鞋垫体的前足底部至足跟部位之间的足弓支撑刚度连续可调。

所述的活动连接是指：与鞋垫体的前足底部设有一拉杆，该拉杆末端与开口弹性件滚动接触。

所述的旋转机构包括：蜗轮和中心轴，其中：中心轴与蜗轮固定连接，开口弹性件的一端与中心轴固定连接，中心轴及蜗轮中心与鞋垫体相连，通过转动蜗轮能够带动开口弹性件在水平方向上进行转动，从而改变开口弹性件的有效受力长度，进而改变开口弹性件的输出刚度。

所述的旋转机构上优选进一步设有驱动机构，通过该驱动机构实现蜗轮的快速转动。

所述的驱动机构采用以下任一一种方式实现：

a)带有蜗杆的电机，该蜗杆与蜗轮相啮合以驱动蜗轮旋转；

b)与所述蜗轮同轴的大直径转动齿轮，通过手动或电动驱动转动齿轮的转动以驱动蜗轮旋转。

所述的开口弹性件的径向截面采用但不限于矩形截面，其截面面积优选为由开口一端到开口另一端逐渐增大，开口弹性件径向截面最大的一端通过连杆与中心轴的一端相连，从而实现更大的开口弹性件刚度的调节范围。

所述的开口弹性件径向截面矩形的长宽比根据实际应用中需要的挠曲刚度区间的不同，可有不同的长宽比，优选为1～1.6。

所述的鞋垫体优选为曲面，从而实现对足弓的支撑；所述的曲面优选根据用户的足底形状定做或根据经验设定足弓支撑曲面的形状尺寸。

技术效果

与现有技术相比，本发明满足了用户在不同运动状态下/不同损伤情况下的刚度需求，有利于足踝的运动及受力，避免了在不同的治疗阶段需要不同的矫形鞋垫，节约了材料及能源，经济性高；此外，本发明装置简单、刚度调节方便，避免了以往需要足踝外科医生对各个治疗阶段需要的矫形鞋垫进行选择/制备，节省了时间/人力；本发明中刚度可调节装置的刚度不仅能够在不承受外力的情况下对刚度进行调节，也能够在承受外力的情况下对刚度进行调节；在上述两种情况下，刚度可调节装置的中心轴主要承受支座的压力，所受的弯矩非常小，易于保持所需刚度；装置的整体结构简单，电机的输入功率小，操作方便，精度高。

附图说明

图1为本发明整体示意图；

图中：a足踝、b鞋垫体、c刚度可调节装置；

图2为本发明正视图；

图3为本发明的受力及变形示意图；

图4为图2的局部放大图，图示刚度可调节装置的细节示意图；

图5为图4的俯视图，图示刚度可调节装置的细节及步进电机控制刚度的方法；

图6为本发明足踝矫形鞋垫的俯视图；

图7为本发明另一种足踝矫形鞋垫的俯视图，从矫形鞋垫前脚掌中间开口；

图8为本发明另一种足踝矫形鞋垫的俯视图，从矫形鞋垫内侧开口；

图9为与本发明对应的鞋底设计细节示意图；

图10为本发明另一种刚度可调节装置的细节，对应于手动控制刚度的方法示意图；

图11为图10的俯视图，图示刚度可调节装置的细节及手动控制刚度的方法示意图；

图12为与图10及11对应的另一种鞋底设计细节示意图；

图13为Y型头处于不同位置处刚度可调节装置的受力—变形曲线示意图；

图14为带有刚度可调节装置的半圆拱结构的受力简图；

图15为带有刚度可调节装置的半圆拱结构当Y型头处于不同位置处的受力—变形曲线；

图16为承受相同竖向力时，不同刚度半圆拱顶点的竖向下移量的变化情况示意图；

图17为半圆拱顶点承受相同的下移量，不同刚度半圆拱顶点承受竖向力的变化情况。

图中：1矫形鞋垫、2刚度可调节装置、3鞋底、4开口弹性件、5连杆、6中心轴、7Y型头、8滚轮、9拉杆、10蜗轮、11蜗杆、12步进电机、13齿轮、14紧定齿轮、100足弓支撑、101和102螺栓、101’及102’分别矫形鞋垫上螺栓101及102对应的开孔、103和104矫形鞋垫上的开口及开口端部形式、105和106矫形鞋垫上的另一种开口及开口端部形式、107鞋底上的开孔、108鞋底上另一种开孔形式、109鞋底侧面的开孔。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，显示了本发明使用时的示意图。

图2显示了矫形鞋垫1的形式及矫形鞋垫1与刚度可调节装置2的连接细节，矫形鞋垫1上设置足弓支撑曲面100，用来支撑足弓，该足弓支撑曲面最好是根据用户的足底形状定做的；也可以是根据经验设定足弓支撑曲面的形状尺寸，用户通过试穿选择适合本人足弓形状的足弓支撑曲面。矫形鞋垫1上有两个孔101’及102’，螺栓101及102通过孔101’及102’将刚度可调节装置2和矫形鞋垫1连接。

如图3所示，显示了本发明的受力变形图。矫形鞋垫受到竖直向下的力后，足弓支撑曲面100的高度降低，刚度可调节装置2受到水平拉力，螺栓101及102之间的水平距离变大。增大刚度可调节装置2的刚度，足弓支撑曲面100的竖向刚度增大，在受到相同的竖向力下，足弓支撑曲面100高度降低的程度减小，反之亦然。当矫形鞋垫1上面的竖向力消失后，足弓支撑曲面100的形状恢复到受力前的状态。

图4及图5为图2的局部放大图，显示了刚度可调节装置2的细节，开口弹性件4的一端通过连杆5与中心轴6固定连接，中心轴6与蜗轮10固定连接，螺栓102通过中心轴6及蜗轮10的中心，并将刚度可调节装置2与矫形鞋垫1连接，采用带有电机12的蜗杆11驱动蜗轮10转动以带动开口弹性件4转动，从而改变拉杆9与开口弹性件4的接触位置，进而改变开口弹性件4的有效受力长度，进而改变开口弹性件4的输出刚度。

所述的接触位置通过Y型头7和滚轮8实现调节，其中：滚轮8设置于Y型头7的Y型开口处并套设于开口弹性件4，外力通过拉杆9传递到连接件，进而传递至开口弹性件4。

采用如下方法对开口弹性件的刚度进行调节：采用步进电机12驱动蜗杆11带动蜗轮10转动，进而带动开口弹性件4转动，从而改变Y型头7内的滚轮8在开口弹性件4上的相对位置，从而改变开口弹性件4的有效受力长度，进而改变开口弹性件4的输出刚度。

刚度调节完成后，步进电机12停止工作，蜗杆11及蜗轮10停止转动，Y型头7内的滚轮8在开口弹性件4上的相对位置固定，开口弹性件4的输出刚度也就固定了。

一般情况下，在开口弹性件4不受外力的情况下，对开口弹性件4的刚度进行调节。此时，Y型头7内的滚轮8和开口弹性件4接触，但两者之间没有压力。步进电机12带动蜗杆11及蜗轮10转动时，只需要克服系统中的摩擦，步进电机12所受力矩非常小。

此外，也可以在开口弹性件4承受外力的情况下进行刚度调节。此时，Y型头7内的滚轮8和开口弹性件4接触且两者之间存在压力。步进电机12带动蜗杆11及蜗轮10转动时，需要克服系统中的摩擦以及滚轮8与开口弹性件4之间的摩擦，由于Y型头7和开口弹性件4之间采用滚轮设计，Y型头7和开口弹性件4之间的摩擦力很有限，因此步进电机12所受力矩也是很小的。

图6图示了矫形鞋垫1的俯视图，矫形鞋垫1对应足弓的位置设置了足弓支撑100，用来对足弓进行竖向支撑，刚度可调节装置通过螺栓101及102连接到矫形鞋垫的下底面。

图7图示了矫形鞋垫的另一种细节，矫形鞋垫1从脚掌前端中部对应位置设置一条开口103，延伸至整个矫形鞋垫2/3长度处，目的是允许足弓支撑100在竖向变形时矫形鞋垫在水平方向能够发生自由的横向变形，开口103的端部设置成平滑形状104以避免矫形鞋垫发生横向变形时在此处发生应力集中而导致撕裂。

图8图示了矫形鞋垫的另一种细节，矫形鞋垫1从脚掌内侧足弓支撑起始处附近设置一条开口105，延伸至整个矫形鞋垫2/3宽度处，目的是允许足弓支撑100在竖向变形时矫形鞋垫在水平方向能够发生自由的横向变形，开口105的端部设置成平滑形状106以避免矫形鞋垫发生横向变形时此处发生应力集中而导致撕裂。

图9图示了带有刚度可调节装置2的矫形鞋垫1对应的鞋底3的设计细节，鞋底3对应于刚度可调节装置所处位置设置开口107，开口107比刚度可调节装置2及拉杆9的尺寸稍大，目的是将刚度可调节装置2置于其中，使得刚度可调节装置2的拉杆9及开口弹性件4等部件可以自由的受力及变形。

实施例2

图10及图11为另一种刚度可调节装置的正视图和俯视图，其中：开口弹性件4的一端通过连杆5与中心轴6固定连接，中心轴6与齿轮13固定连接，螺栓102通过中心轴6及齿轮13的中心，并将刚度可调节装置2与矫形鞋垫1连接，实施例2和实施例1的区别在于，实施例2采用手动控制齿轮转动，进而带动开口弹性件4转动，从而改变开口弹性件4的有效受力长度，进而改变开口弹性件4的输出刚度。

相应的，在齿轮13的下方设置紧定齿轮14，且中心轴6对应于紧定齿轮14位置处设置螺纹。当需要改变刚度可调节装置2的刚度时，把紧定齿轮14放松，手动旋转齿轮13带动开口弹性件4转动以调节刚度；当刚度可调节装置的刚度调节完成后，拧紧紧定齿轮14，此时开口弹性件的位置固定，即开口弹性件的刚度固定。

图12图示了和图10及图11中的带有刚度可调节装置2的矫形鞋垫1对应的鞋底3细节，鞋底3对应于刚度可调节装置2所处位置设置开口108，开口108比刚度可调节装置2及拉杆9的尺寸稍大，目的是将刚度可调节装置2置于其中，使得刚度可调节装置2的拉杆9及开口弹性件4等部件可以自由的受力及变形。在鞋跟内侧齿轮13及紧定齿轮14对应位置处设置开口109，以方便手动操作紧定齿轮14及齿轮13，调节刚度可调节装置2的刚度。

技术效果

通过三维打印制作了一个刚度可调节装置，所用材料为PLA，开口弹性件4内径为40mm，开口弹性件4开口起始端径向截面最小为2×2mm，而后径向截面逐渐变大，至开口弹性件4靠近连杆5端部处达到最大截面2×3mm，连杆5的横截面尺寸为2×3mm。采用MTS万能试验机对刚度可调节装置的刚度调节范围进行测试。试验中，确定开口弹性件的7个测量位置P1、P2、P3、P4、P5、P6和P7分别为与连杆5夹角为22.5°、67.5°、112.5°、157.5°、247.5°、292.5°和337.5°处。外力通过拉杆传递到Y型头，进而施加在开口弹性件的上述7个不同的位置，在每个位置测量3次，3次测量结果的平均值作为这个位置的平均刚度值。图13显示了在这7个位置刚度可调节装置的受力-变形关系。可以看出：1)这7个位置处的拉力—变形曲线总体呈直线，说明Y型头处于各个位置处开口弹性件的刚度一定；2)随着Y型头从P1位置逐渐变化到P7，刚度可调节装置的刚度逐渐变大，并且越接近P7位置刚度连续可调越大。各个位置处刚度测试结果的平均值见表1，刚度单位N/mm。经计算，P7位置处的刚度值17.09N/mm，是P1位置处刚度值0.3N/mm的57.3倍。

表1Y型头作用于开口弹性件不同位置处刚度可调节装置的刚度测试结果的平均值

位置	P1	P2	P3	P4	P5	P6	P7
								刚度	0.30	0.35	0.48	0.61	0.92	1.81	17.09

与现有技术相比，本发明中的开口弹性件通过Y型头承受拉力时，拉力方向通过开口弹性件的中心，因此开口弹性件的中心轴只承受其支座的压力，不受弯矩，避免了采用额外的能量或装置来抵抗弯矩，易于保持设置的刚度。不受外力的情况下调节装置的刚度时，中心轴不受任何支座反力或弯矩，步进电机只需要很小的能量带动蜗轮进行转动，易于对刚度进行调节。如果需要在承受外力的作用下对刚度进行调节，此时中心轴也主要承受支座压力，滚轮与开口弹性件之间的横向摩擦会引起支座处的弯矩，本发明采用滚动连接最大程度减小滚轮与开口弹性件之间的摩擦，因此在开口弹性件承受外力情况下开口弹性件中心轴承受的弯矩值也很有限。因此，即使在开口弹性件承受外力的情况下对开口弹性件的刚度进行调节，步进电机输出功率的需求也是有限的。本发明结构简单紧凑，在很小的空间就可实现刚度的大幅变化(实验测得57.3倍)，采用步进电机带动蜗轮的方式来调节开口弹性件的输出刚度，操作方便，精度高，并且对步进电机的输出功率要求很小，可以选用微型步进电机，易于实现整体结构微型化。

制作一个半圆拱，和刚度可调节装置组装起来，用于模拟刚度可调节装置在矫形鞋垫上使用的效果。半圆拱由玻璃纤维和环氧树脂(E-glass Epoxy)的合成材料制成，杨氏弹性模量为38.6GPa，半圆拱的直径为108mm，拱厚度1mm。采用MTS万能试验机测得带有刚度可调节装置的半圆拱结构的受力—变形曲线。带有刚度可调节装置的半圆拱的受力简图如图14。

在试验中，Y型头处于开口弹性件4的7个测量位置P1、P2、P3、P4、P5、P6和P7分别为与连杆5夹角为22.5°、67.5°、112.5°、157.5°、247.5°、292.5°和337.5°处。竖向力作用在半圆拱顶最高位置处，在上述7个位置每个位置测量3次，3次测量结果的平均值作为这个位置的半圆拱的平均刚度值。图15显示了在这7个位置半圆拱的受力—变形关系。可以看出：1)这7个位置处的拉力—变形曲线总体呈直线，说明Y型头处于各个位置处带有刚度可调节装置的半圆拱的竖向刚度一定；2)随着Y型头从P1位置逐渐变化到P7，带有刚度可调节装置的半圆拱的竖向刚度逐渐变大。刚度测试结果的平均值见表2，刚度单位N/mm。经计算，P7位置处的刚度值4.60N/mm是P1位置处刚度值1.83N/mm的2.5倍。

表2Y型头处于不同位置时带有刚度可调节装置的半圆拱的竖向刚度测试结果的平均值

位置	P1	P2	P3	P4	P5	P6	P7
								刚度	1.83	2.02	2.43	2.72	3.30	3.92	4.60

假设人体重量为50kg，一只足踝承受的压力为50×9.8×0.5＝245N，假设足弓支撑曲面承受单只足踝受力的10％，即24.5N。

由分析可知，刚度可调节装置的刚度增大，足弓支撑曲面的竖向刚度增大，在同等受力情况下，足弓支撑曲面的下降程度减小，反之亦然。图16图示了在同样受竖向力24.5N情况下，Y型头从P1位置逐渐改变到P7时，半圆拱顶点下降程度的变化情况。从图16看出，Y型头从P1位置逐渐改变到P7时，半圆拱顶点下降量从13.4mm减小到5.3mm。

从另一角度来看，当足弓支撑曲面顶点的下降量相同时，随着刚度可调节装置刚度逐渐增大，半圆拱可承受的竖向力也增大，反之亦然。图17图示了半圆拱顶点的下降量保持在6mm时，Y型头从P1位置逐渐改变到P7位置，半圆拱承受竖向力的变化情况。从图17看出，Y型头从P1位置逐渐改变到P7时，半圆拱承受竖向力从11.0N上升到27.6N。

从上述分析可知，可以通过调节刚度可调节装置的刚度对半圆拱的竖向变形以及半圆拱提供的支撑力进行调节。这个思想在治疗/缓解足踝病变时非常有用，因为医生/患者可以根据足弓下降的合理程度来设定刚度可调节装置的合理刚度，以对足弓进行有效的支撑。此外，使用者也可根据不同运动情况下受力的不同对刚度可调节装置的刚度进行调节，促使足弓的下降量处于一个合理的范围。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (12)

1.一种刚度连续可调节的足踝矫形鞋垫，其特征在于，包括：鞋垫体以及设置于鞋垫体底部的刚度可调节装置，其中：刚度可调节装置包括：旋转机构以及一端与旋转机构固定连接的开口弹性件，该开口弹性件的另一端与鞋垫体的前足底部活动连接，旋转机构设置于鞋垫体的足跟部位，通过旋转机构带动开口弹性件的水平转动实现鞋垫体的前足底部至足跟部位之间的足弓支撑刚度连续可调。

2.根据权利要求1所述的足踝矫形鞋垫，其特征是，所述的活动连接是指：与鞋垫体的前足底部设有一拉杆，该拉杆末端与开口弹性件滚动接触。

3.根据权利要求2所述的足踝矫形鞋垫，其特征是，所述的拉杆末端采用滚轮的方式与开口弹性件滚动接触。

4.根据权利要求1所述的足踝矫形鞋垫，其特征是，所述的旋转机构包括：蜗轮和中心轴，其中：中心轴与蜗轮固定连接，开口弹性件的一端与中心轴固定连接，中心轴及蜗轮中心与鞋垫体相连，通过转动蜗轮能够带动开口弹性件在水平方向上进行转动，从而改变开口弹性件的有效受力长度，进而改变开口弹性件的输出刚度。

5.根据权利要求1或4所述的足踝矫形鞋垫，其特征是，所述的旋转机构上设有驱动机构，通过该驱动机构实现蜗轮的快速转动。

6.根据权利要求5所述的足踝矫形鞋垫，其特征是，所述的驱动机构采用以下任一一种方式实现：

a)带有蜗杆的电机，该蜗杆与蜗轮相啮合以驱动蜗轮旋转；

b)与所述蜗轮同轴的大直径转动齿轮，通过手动或电动驱动转动齿轮的转动以驱动蜗轮旋转。

7.根据权利要求1～4中任一所述的足踝矫形鞋垫，其特征是，所述的开口弹性件的截面面积为由开口一端到开口另一端逐渐增大，开口弹性件径向截面最大的一端通过连杆与中心轴的一端相连，从而实现更大的开口弹性件刚度的调节范围。

8.根据权利要求1～4中任一所述的足踝矫形鞋垫，其特征是，所述的开口弹性件的径向截面采用矩形截面。

9.根据权利要求8所述的足踝矫形鞋垫，其特征是，所述的开口弹性件径向截面矩形的长宽比为1～1.6。

10.根据权利要求1或2或4所述的足踝矫形鞋垫，其特征是，所述的鞋垫体为曲面，从而实现对足弓的支撑。

11.根据权利要求10所述的足踝矫形鞋垫，其特征是，所述的鞋垫体上设有开口，该开口为从前脚掌前端延伸到矫形鞋垫2/3长度处或从前脚掌内侧延伸到矫形鞋垫2/3宽度处。

12.根据权利要求11所述的足踝矫形鞋垫，其特征是，所述的鞋垫体上的开口端部设置为平滑形状以避免此处因应力集中而发生撕裂的现象。