CN111603282B - 假脚 - Google Patents

Abstract

本申请的实施例提供一种假脚，包括支架(1)；凸轮(5)，安装在支架(1)中并包括周向布置的凸轮槽(501)，凸轮槽(51)沿凸轮(5)的轴向方向的轮廓呈曲线；电机(2)，驱动凸轮(5)转动；脚板(13)，通过脚板连接件(12)连接于支架(1)的踝关节中心处的脚板回转轴(101)，并绕脚板回转轴(101)转动；推杆(8)，推杆(8)的一端连接有滚轮(9)，滚轮(9)容纳在凸轮槽(501)中，推杆(8)的另一端与脚板(13)的后部连接，凸轮(5)的转动带动推杆(8)在轴向上运动，以使得脚板(13)绕脚板回转轴(101)转动，其中，轮廓的曲线的高度变化与推杆(8)的另一端与脚板(13)的连接处的轴向位移一致，凸轮槽(501)的轮廓的曲线和轴向位移对应于踝关节角度曲线。本申请的目的在于提供一种个性化定制的主动型假脚。

Description

假脚

技术领域

本发明涉及人工假体领域，具体地，涉及一种假脚。

背景技术

假肢是为截肢者弥补肢体缺损和代偿其失去的肢体功能而制造、装配的人工肢体。踝足假肢(即假脚)，不论是大腿还是小腿截肢，安装假脚，帮助截肢的假肢穿戴者恢复行走功能都是必要的选择。

目前，市场中现用的假脚分为被动性和主动型，虽然能够满足穿戴者的行走需求，但对于穿戴者更接近自身的自然步态尚有距离。现有技术中关于假脚的技术方案中，有的方案是通过利用弹性材料以及形状的设计来使得假脚具有可调的弹性，以适应截肢者。有的方案是通过调节腿假肢和检验该调节的方法以及用于测量腿假肢中的力或力矩的装置，并通过这种方法改善了大腿假肢结构尤其是可测定和调节对于行走的站立阶段有利的假肢结构。有的方案是通过传感系统和控制系统管理假体或矫正系统运动以便于残疾人或截肢者的运动。有的方案是两个或更多个关节之间设置一个或多个柔性构件并且在使用期间允许可变的刚度的假足和其他假体装置。现有技术中的假脚设计都没有考虑到步态和个性化定制。

发明内容

针对相关技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种至少能通过凸轮实现个人步姿曲线个性化定制的主动型假脚。

为实现上述目的，本发明提供了一种假脚，包括：支架；凸轮，安装在支架中并包括周向布置的凸轮槽，凸轮槽沿凸轮的轴向方向的轮廓呈曲线；电机，驱动凸轮转动；脚板，通过脚板连接件连接于支架的踝关节中心处的脚板回转轴，并绕脚板回转轴转动；推杆，推杆的一端连接有滚轮，滚轮容纳在凸轮槽中，推杆的另一端与脚板的后部连接，凸轮的转动带动推杆在轴向上运动，以使得脚板绕脚板回转轴转动，其中，轮廓的曲线的高度变化与推杆的另一端与脚板的连接处的轴向位移一致，凸轮槽的轮廓的曲线和轴向位移对应于踝关节角度曲线。

在一个实施例中，减震器，推杆的另一端通过减震器连接至脚板的后部。

在一个实施例中，凸轮为内部中空的圆柱凸轮，凸轮槽的开口朝向圆柱凸轮的轴心，圆柱凸轮的上端具有连接于电机的凸轮轴。

在一个实施例中，支架还包括：推杆导向轴承安装支架，包括容纳推杆的推杆导向轴承以引导推杆在轴向上的运动。

在一个实施例中，还包括复位扭簧，复位扭簧的一端连接至脚板连接件，另一端连接至支架上的扭簧固定支架，复位扭簧的一端和另一端之间的螺旋段环绕脚板回转轴。

在一个实施例中，复位扭簧呈自由状态时，脚板的后部高于脚板的前部。

在一个实施例中，推杆沿轴向的运动的位移为X，沿脚板的前后方向，连接件距推杆的距离为L，脚板与水平面之间的夹角为a，当支架的轴向垂直于水平面并且脚板的前部位于水平面以上时，夹角为正，脚板的前部位于水平面以下时，夹角为负，其中，X＝L*tan(a)。

在一个实施例中，脚板的后部包括从脚板的前部分支的两个支部，两个支部的上支部连接至支架，两个支部之间的距离弹性可变。

在一个实施例中，还包括连接电机和凸轮的同步带传动机构，同步带传动机构包括：驱动轮，驱动轮与电机同轴连接并由电机驱动，从动轮，从动轮与凸轮轴连接，同步带，同步带分别与驱动轮、从动轮啮合。

在一个实施例中，支架还包括：电机轴孔，电机轴孔位于电机与驱动轮之间并且用于容纳电机转轴；从动轮孔，从动轮孔位于从动轮与凸轮之间，从动轮孔容纳凸轮轴。

本发明的有益技术效果在于：方便个性化定制假脚，凸轮可根据不同人的步姿曲线定制，在使用时重现个性化步姿曲线，减轻假肢穿戴者的不适。根据个人步态不同和使用环境不同，本申请的个性化定制假脚将能够更好的满足假肢穿戴者的行走需求。尤其地，这种假脚能够使单侧假肢穿戴者的步态更接近于自身健侧肢体的正常步态。

附图说明

图1示出了一个步态周期内踝关节角度的变化

图2示出了一个步态周期踝关节角度变化曲线

图3示出了通过Vicon建模获取健侧踝关节角度数据的模型图

图4示出了假脚踝关节角度为0时的侧视剖面图

图5示出了图4的假脚的俯视图

图6示出了图4的假脚的后视图

图7示出了假脚踝关节角度为负值时的侧视剖面图

图8示出了图7的假脚的后视图

图9示出了示出了假脚的立体分解图

图10示出了假脚的支架图

图11示出了假脚的侧视分解图

图12示出了图11的分解图的后视图

具体实施方式

以下公开内容提供了许多用于实现所提供主题的不同特征的不同实施例或实例。下面描述了组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅仅是实例，而不旨在限制本发明。此外，本发明可在各个实例中重复参考标号和/或字母。该重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身不指示所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。现结合附图说明。

根据本申请的实施例，提供了一种假脚15，本申请的假脚15体现为主动型假脚，其中，“主动型假脚”是与“被动型假脚”相对应的，它是可以由电机驱动作跎/背屈运动，自带动力源。

如图1、图2所示，一个步态周期是指同一只脚从脚跟离地跨出，到再次脚跟着地的行进过程。在此过程中，包括背屈、跖屈以及摆动阶段。背屈是指脚尖上抬，脚尖向小腿的方向转动。跖屈是指脚尖下降，脚尖朝远离小腿的方向转动。在一个步态周期中，包括：可控跖屈、可控背屈、动力跖屈、摆动阶段。在可控跖屈初步阶段，脚跟着地，脚尖离地，小腿和脚之间的角度较小，胫骨前肌所积蓄的能量使得小腿和脚之间角度变大，进入可控背屈阶段初期，此时，脚尖着地，脚板贴地，支撑整个身体的重量，接着，小腿朝着脚尖转动至进入动力跖屈阶段，使得人体向前方移动，最后，小腿向上抬起，脚板离地，进入摆动阶段，在摆动阶段末期，脚跟着地，将进入下一个步态周期。

如图7所示，线l1位于推杆8的轴线处，线l2为通过踝关节中心O点的与支架1的轴线同向的直线，线l3为通过踝关节中心O点与线l2垂直的线。注意，在本申请中，所指的“水平面”仅针对图7的与线l3共面的平面，当假脚运动时，线l3会一直与支架1的轴线同向的直线l2垂直，因此本申请所指的“水平面”也会一直与支架1的轴线同向的直线l2垂直。线l1与线l2之间的距离为推杆8与踝关节中心O点之间的偏置距离L，l4为与l5平行，l5与脚板后跟上表面重合，l4与水平线l3之间的夹角a为踝关节角度。结合图2示出的曲线是一个步态周期中，以一个步态周期为横坐标，踝关节角度值a为纵坐标的踝关节角度值的变化曲线。踝关节角度a定义为：以小腿和脚相互垂直时作为踝关节角度零点，背屈(脚尖上抬)为正，跖屈(脚尖下降)为负。

根据本申请的一个实施例，踝关节角度曲线根据穿戴者因人而异个性化定制而成，曲线的确定方式是：采集假肢穿戴者的人体基本信息(例如性别、年龄、身高、体重)以及身体特征参数(例如左右膝宽、左右踝宽、左右腿长)；结合图3所示，通过Vicon三维运动捕捉系统中的Vicon Plug-In gait半身模型100建模，获取单侧假肢穿戴者自然步速行走时健侧踝关节角度数据，具体地，图3中健侧与假肢侧互相配合，健侧受到健侧地面反力，假肢侧受到假肢侧地面反力，在健侧设置踝关节标记点，捕捉踝关节标记点在一个运动周期中的变化以形成踝关节运动轨迹，进而通过Vicon计算得到单侧假肢穿戴者自然步速行走时健侧踝关节角度数据；按照步态周期进行归一化处理即基于插值法原理使用MATLAB软件将一个步态周期的时间进行标准化，使其均按照步态周期的百分比来表示；假肢穿戴者行走多次，求取多个曲线叠加后的平均值曲线；使用电子束熔融金属3D打印机(EBM A^2XX，Arcam公司，瑞典)打印凸轮部分结构，在假肢穿戴者行走环境(例如平地、上/下斜坡、上/下楼梯等)和状态(例如奔跑、行走)需求发生改变时，可以根据图2的踝关节角度曲线变化重新制作凸轮进行更换，更好的配合健侧步态。

根据本申请的一个实施例，如图4、图5、图6、图7、图8、图11、图12所示的假脚15，包括支架1，支架1用于容纳支撑假脚的其他部件。凸轮5，安装在支架1中并包括周向布置的凸轮槽501，凸轮槽501沿凸轮的轴向方向的轮廓呈曲线。电机2用于提供主动力，驱动凸轮5转动。假脚15运行的阻力为支架1上部连接人体的重量以及行走时的冲击。脚板13通过连接件12连接于支架1的踝关节中心处的脚板回转轴101，并绕脚板回转轴101转动。推杆8的一端连接有滚轮9，滚轮9容纳在凸轮槽501中，推杆8的另一端与脚板13的后部连接，凸轮5的转动带动推杆8在轴向上运动，以使得脚板13绕脚板回转轴101转动。

根据本申请的一个实施例，凸轮槽501轮廓曲线的设计，与图2所示的踝关节角度a曲线相关。凸轮槽501轮廓曲线通过推杆的运动位移X与踝关节角度a的变化曲线关联来获得，踝关节角度a的变化曲线为一个步态周期踝关节角度a的变化曲线，利用凸轮槽501记录个人步姿曲线，能够更为个性化的定制假脚。

根据本申请的一个实施例，如图4所示，电机2与凸轮5之间还有同步带传动系统传输动力。同步带传动系统包括驱动轮3，驱动轮3与电机转轴201连接，驱动轮3与同步带7啮合传动，同步带7又与从动轮6啮合。从动轮6与凸轮5的凸轮轴502连接，将电机2的动力通过同步带7传输至凸轮5。同步带7传输动力，传输过程中，传动平稳，缓冲减震。对假脚15的运行起到传输动力的同时提供了减震作用，提高假肢穿戴者的舒适性。

如图4、图7、图11所示，在一个实施例中，凸轮5为内部中空的圆柱凸轮，凸轮槽501的开口朝向圆柱凸轮的轴心，圆柱凸轮的上端具有连接与电机的凸轮轴502。圆柱凸轮凸轮槽501的轮廓曲线与踝关节角度曲线相关，以实现个人步姿曲线的运动重现。

如图4、图7、图9、图11所示，在一个实施例中，支架1还包括推杆导向轴承安装支架102，包括容纳推杆8的推杆导向轴承103，推杆导向轴承103引导推杆8沿着轴向方向的往复直线运动更加平稳和灵敏。

如图4、图7、图9、图11所示，在一个实施例中，假脚15还包括复位扭簧14，复位扭簧位于脚板的前部，为前置复位扭簧。在一个实施例中，复位扭簧14选用NIV型双扭簧。在一个实施例中，复位扭簧14的一端连接至脚板连接件12，另一端连接至支架1上的扭簧固定支架104，复位扭簧的一端和另一端之间的螺旋段环绕脚板回转轴101。在一个实施例中，复位扭簧14为假脚15提供最初的推动力，复位扭簧14模拟的肌肉为胫骨前肌，其设计主要考虑复位扭簧14的刚度和尺寸，扭簧刚度取决于假肢穿戴者本人体重，该复位扭簧14的角度对应于踝关节角度a。结合图2所示的踝关节角度变化曲线，当a＜a1时(a1大约为6-7度)时提供最初的推动力。在一个步态周期的早期，其最初的阻力主要是假肢穿戴者本人的重力，电机2提供主动力的同时，由于复位扭簧14的存在，其刚度取决于假肢穿戴者本人的体重，在最初时，复位扭簧14的角度使得复位扭簧14处于蓄能而需释放能量的状态，复位扭簧14很好地向假脚15提供了最初的推动力，降低了电机2初步启动时的负载的同时也起到了缓冲减震的效果。结合图2，当复位扭簧14的角度到达踝关节角度曲线a的第一个波谷2时，复位扭簧14处于自由状态。

根据本申请的一个实施例，结合图1、图2以及图7，当脚板13的后部高于脚板13的前部时，复位扭簧14处于自由状态。

在本申请的一个实施例中，结合图7，推杆运动的规律方程为：

X＝L*tan(a)

其中，X——推杆8沿轴向运动的位移，其中，X为凸轮槽的竖向尺寸；

L——踝关节中心距推杆8的距离，踝关节中心是指：沿脚板13的前后方向，脚板连接件12环绕脚板回转轴101时，其脚板回转轴101轴心对应于踝关节中心；

a——脚板13与水平面之间的夹角。

在一个实施例中，结合图2，图2的横坐标表示步态周期，纵坐标为踝关节角度值，即上述公式中的a。由X和a之间的关系以及图2，凸轮槽501轮廓曲线的设计如下：可以以步态周期为横坐标，以由a推算所得的X为纵坐标，从而可得到凸轮槽的轮廓曲线。

如图7、图10所示，在一个实施例中，支架1向脚板13的转动提供可向上转动或向下转动的活动空间。

如图4、图7、图11所示，在本申请的一个实施例中，脚板13的后部包括从脚板13的前部分支的两个支部，两个支部的上支部通过第一连接件11连接至支架。两个支部之间的距离弹性可变。当然，脚板13的形状不限于此。

如图9所示，在一个实施例中，支架1还包括电机轴孔105，位于电机2与驱动轮3之间并且用于容纳电机转轴201。在一个实施例中，支架1还包括从动轮孔106，位于从动轮6与凸轮5之间，用于容纳凸轮轴502。

如图4、图7、图11所示，在一个实施例中，推杆8的另一端通过减震器10连接至脚板13的后部。减震器10与脚板13通过第一连接件11连接。在一个实施例中，减震器10为弹性阻尼减震器标准件。减震器10用于缓冲来自推杆8的往复运动所带来的冲击，以及身体运动所带来的重力冲击，起到减震作用。

在一个实施例中，弹性脚板13、复位扭簧14、减震器10、同步带传动机构假肢穿戴者提供四级减震，从而具备良好的减震效果，降低电机冲击，增加舒适感。

本申请所提供的实施例中，如图4所示，凸轮轴502与从动轮孔106之间安装由轴承4，轴承4为标准件。

在本申请的一个实施例中，电机2通过同步带7驱动从动轮6，从动轮6和凸轮5连接，凸轮5驱动滚轮9和推杆8沿凸轮轴502轴向方向运动，推杆8下部连接减震器10，减震器10通过第一连接件11与脚板连接，当电机2驱动凸轮5转动时，推杆8做直线运动，使得脚板13绕脚板回转轴501也就是踝关节中心转动以实现假脚的运动，支架1不会转动。在一个实施例中，减震器10与第一连接件11之间的连接方式包括但不限于通过螺栓连接，第一连接件11与脚板之间的连接方式包括但不限于通过螺钉连接，螺栓以及螺钉为标准件。

本申请提供了一种可以记录个人位姿曲线的带有凸轮的主动型假脚，在假肢穿戴者使用时，重现个人位姿，以适合假肢穿戴者的行走步态。同时，还提供了复位扭簧模拟胫骨前肌的刚度，用于在最初启用时提供推动力，有效降低电机的负载。同步带、弹性脚板、复位扭簧、减震器起到四级减震的作用。以上部件的选用和设计，方便个性化定制假脚，且减震效果明显，对于假肢穿戴者来说，具有较好的舒适性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种假脚，其特征在于，包括：

支架(1)；

凸轮(5)，安装在所述支架(1)中并包括周向布置的凸轮槽(501)，所述凸轮槽(501)沿所述凸轮(5)的轴向方向的轮廓呈曲线，所述凸轮槽(501)的开口朝向所述凸轮(5)的轴心；

电机(2)，驱动所述凸轮(5)转动；

脚板(13)，通过脚板连接件(12)连接于所述支架(1)的踝关节中心处的脚板回转轴(101)，并绕所述脚板回转轴(101)转动；

推杆(8)，所述推杆(8)的一端连接有滚轮(9)，所述滚轮(9)容纳在所述凸轮槽(501)中，所述推杆(8)的另一端与所述脚板(13)的后部连接，所述凸轮(5)的转动带动所述滚轮进而带动所述推杆(8)在所述轴向上运动，以使得所述脚板(13)绕所述脚板回转轴(101)转动，其中，所述轮廓的所述曲线的高度变化与所述推杆(8)的所述另一端与所述脚板(13)的连接处的轴向位移一致，所述凸轮槽(501)的所述轮廓的所述曲线和所述轴向位移对应于踝关节角度曲线，

其中，所述推杆(8)沿所述轴向的运动的位移为X，沿所述脚板(13)的前后方向，所述脚板连接件(12)距所述推杆(8)的距离为L，所述脚板(13)与水平面之间的夹角为a，当所述支架(1)的轴向垂直于所述水平面并且所述脚板(13)的前部位于所述水平面上时，所述夹角为正，所述脚板(13)的所述前部位于所述水平面下时，所述夹角为负，其中，X＝L*tan(a)，

其中，所述凸轮槽(501)的所述轮廓的所述曲线的设计如下：以步态周期为横坐标，以由a推算所得的X为纵坐标，从而得到凸轮槽的轮廓曲线，

第一条线为通过踝关节中心点、与所述支架(1)的纵向轴线同向的直线，第二条线为通过所述踝关节中心点、与所述第一条线垂直的线，所述水平面为与所述第二条线共面并且垂直于所述第一条线的平面。

2.根据权利要求1所述的假脚，其特征在于，还包括减震器(10)，所述推杆(8)的所述另一端通过所述减震器(10)连接至所述脚板(13)的所述后部。

3.根据权利要求1所述的假脚，其特征在于，所述凸轮(5)为内部中空的圆柱体，所述凸轮(5)的上端具有连接于所述电机(2)的凸轮轴(502)。

4.根据权利要求1所述的假脚，其特征在于，所述支架(1)还包括：

推杆导向轴承安装支架(102)，包括容纳所述推杆(8)的推杆导向轴承(103)以引导所述推杆(8)在所述轴向上的运动。

5.根据权利要求1所述的假脚，其特征在于，还包括复位扭簧(14)，所述复位扭簧(14)的一端连接至所述脚板连接件(12)，另一端连接至所述支架(1)上的扭簧固定支架(104)，所述复位扭簧(14)的所述一端和所述另一端之间的螺旋段环绕所述脚板回转轴(101)。

6.根据权利要求5所述的假脚，其特征在于，在所述复位扭簧(14)呈自由状态时，所述脚板(13)的所述后部高于所述脚板(13)的前部。

7.根据权利要求4所述的假脚，其特征在于，

在假脚穿戴者行走环境和状态需求发生改变时，根据踝关节角度曲线变化重新制作凸轮进行更换，其中，所述行走环境包括平地、上/下斜坡、上/下楼梯，所述状态包括奔跑、行走。

8.根据权利要求1所述的假脚，其特征在于，所述脚板(13)的所述后部包括从所述脚板(13)的前部分支的两个支部，所述两个支部的上支部连接至所述支架(1)，所述两个支部之间的距离弹性可变。

9.根据权利要求3所述的假脚，其特征在于，还包括连接所述电机(2)和所述凸轮(5)的同步带传动机构，所述同步带传动机构包括：

驱动轮(3)，所述驱动轮(3)与所述电机(2)同轴连接并由所述电机(2)驱动，

从动轮(6)，所述从动轮(6)与所述凸轮轴(502)连接，

同步带(7)，所述同步带(7)分别与所述驱动轮(3)、所述从动轮(6)啮合。

10.根据权利要求9所述的假脚，其特征在于，所述支架(1)还包括：

电机轴孔(105)，所述电机轴孔(105)位于所述电机(2)与所述驱动轮(3)之间并且用于容纳电机转轴(201)；

从动轮孔(106)，所述从动轮孔(106)位于所述从动轮(6)与所述凸轮(5)之间，所述从动轮孔(106)容纳所述凸轮轴(502)。

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