CN111821076B - 一种基于人体横弓和液压传动的变刚度假肢脚板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于人体横弓和液压传动的变刚度假肢脚板，由后跟碳纤板、中前足碳纤底板、液压扩张组件、连接件组成，结合人体脚板横向足弓特征，采用液压传动去传递人体重心移动所带来的能量变化，使得假肢脚板能根据不同路面情况以及不同运动状态，更加智能、及时可靠地调节假肢脚板的整体刚度，实现减轻假肢脚板的整体重量的同时，增加假肢脚板的支撑推进作用和舒适度，使用者静态站立时，碳纤曲板横向曲率小，假肢脚板整体刚度小，可适应各类复杂路面，增加静态站立时的稳定性和舒适度；动态行走时，通过液压扩张组件使碳纤曲板曲率增大，假肢脚板整体刚度增大，对地面反作用力的传递效率、支撑推进作用提高。

Description

一种基于人体横弓和液压传动的变刚度假肢脚板
技术领域
本发明属于人工假肢制造技术领域，特别涉及一种基于人体横弓和液压传动的变刚度假肢脚板。
背景技术
假肢对于因疾病、事故等原因截肢的残疾人生活质量的保证和提高具有重要意义。近来碳纤维增强复合材料在假肢领域的应用愈发广泛，尤其是在假肢脚板的制作方面。目前市场上流行的制备碳纤维板的碳纤维排布增强方式有平纹、斜纹和缎纹织物，这种排布方式使得碳纤维板在主纤维方向上强度较好，而其他方向上的强度欠弱。人体脚板的纵向足弓保证脚板具有一定的弹性，着地时有一定的缓冲作用；而人体脚板的横向足弓对于保证脚板的整体刚度有着至关重要的作用，是保证人正常行走的关键。目前市场上推广的假肢脚板基本采用横向平直的碳纤维板来制作，其通常采用较大厚度的碳纤维板来保证假肢脚板的强度，如此便增加了假肢的整体重量。同时，普遍的假肢脚板仅采用固定的碳纤维板制作，不能像人体脚板那样动态地根据行走周期的不同阶段以及不同的路面情况去改变整体刚度。因此有必要提供一种轻便同时可以保证支撑推进作用的动态变刚度新型假肢脚板产品。
发明内容
本发明的目的在于针对现有假肢脚板的不足，提供一种结合人体脚板纵向足弓和横向足弓特征，采用及时可靠并且效率更高的液压方式去传递人体重心移动所带来的能量变化，用该能量去实现曲板横向曲率的变化，实现假肢脚板的整体刚度变化，液动传递能量的方式能够根据假肢脚板左右半边不同的受力状态来调节假肢脚板的整体刚度，使得假肢脚板对路面情况以及运动状态的响应更加智能和及时可靠，满足不同条件下的假肢脚板的刚度需求的变刚度假肢脚板。
一种基于人体横弓和液压传动的变刚度假肢脚板，由后跟碳纤板、中前足碳纤底板、液压扩张组件、连接件、螺栓组一、螺栓组二和紧定螺钉组组成，后跟碳纤板的顶端连接部分的顶面与中前足碳纤底板的左底板上平直部分二和右底板上平直部分一的下表面经螺栓组一对称地紧贴固接在一起，液压扩张组件中碳纤左曲板外侧平直部分二和碳纤右曲板外侧平直部分一分别对应地紧贴于中前足碳纤底板左底板上平直部分二和右底板上平直部分一的上表面，经螺栓组一、螺栓组二和紧定螺钉组固接在一起，液压扩张组件中碳纤左压板和碳纤右压板上表面与中前足碳纤底板的边缘开口直角凹槽二和开口直角凹槽一内侧上表面紧贴，经螺栓组二和紧定螺钉组固接在一起，连接件底部倾斜平面与液压扩张组件中碳纤左压板和碳纤右压板上表面经螺栓组一固接在一起，连接件左右两侧直角状平板经螺栓组二与碳纤左压板和碳纤右压板7左右对称地固接在一起。
所述的后跟碳纤板包括顶端连接部分、中间过渡部分和底端圆弧部分组成，各部分之间平滑过渡，顶端连接部分为顶部有一长方形凸台的平直板状，且开有左右对称分布的六个通孔，中间过渡部分由两段平直碳纤板夹一段圆弧碳纤板联结而成，其中圆弧板的半径为21-23毫米，底端圆弧部分为一小段圆弧，其半径为40-44毫米，后跟碳纤板中部开有一宽度为30-32毫米的通槽，该通槽将中间过渡部分分割成左右对称独立分布的两部分。
所述中前足碳纤底板由左右对称的左底板和右底板组成，左底板由上平直部分二和下弯曲部分二组成，上平直部分二内侧中空，上平直部分二比下弯曲部分二宽度上小，右底板由上平直部分一和下弯曲部分一组成，上平直部分一内侧中空，上平直部分一比下弯曲部分一宽度上小，中前足碳纤底板的左底板和右底板上部整体上构成一个开口的矩形通槽，中前足碳纤底板的左底板和右底板边缘均有向上弯折形成的开口直角凹槽二和开口直角凹槽一，中前足碳纤底板的左底板和右底板边缘均开有连接用的通孔。
所述液压扩张组件由左右对称的碳纤左曲板和碳纤右曲板、左右对称的碳纤左压板和碳纤右压板以及橡胶液压腔组成，碳纤左曲板和碳纤右曲板在前后方向上为平直状态，在左右方向上为弯曲状态，且均具有较好的弹性，其均在外侧边缘开有连接用的通孔，碳纤左曲板由外侧平直部分二和内侧圆弧部分二组成，碳纤右曲板由外侧平直部分一和内侧圆弧部分一组成，碳纤左曲板和碳纤右曲板在无外力作用条件下，横向曲率较小，接近平直状态，碳纤左曲板和碳纤右曲板在有外力作用条件下向内侧弯曲，横向曲率变大，橡胶液压腔由相通的上液压腔和下液压腔组成，橡胶液压腔的密封橡胶壁具有弹性，上液压腔为细长管状，下液压腔为扁平弧面状，且上液压腔顶端密封处有用以连接固定的通孔，碳纤左压板由平直部分二和弯曲部分二组成，碳纤右压板由平直部分一和弯曲部分一组成，碳纤左压板和碳纤右压板均具有较好的弹性，且其均在外侧边缘开有连接用的通孔，碳纤左曲板和碳纤右曲板位于橡胶液压腔下方，碳纤左曲板内侧圆弧部分二和碳纤右曲板内侧圆弧部分一包夹着橡胶液压腔的上液压腔，碳纤左曲板内侧圆弧部分二上表面和碳纤右曲板内侧圆弧部分一上表面分别与上液压腔的底部外侧壁面紧贴，碳纤左压板和碳纤右压板位于橡胶液压腔上方，碳纤左压板和碳纤右压板下表面与橡胶液压腔的上表面紧贴。
所述连接件顶部为一直径为18毫米的螺柱，底部为一倾斜平面，左右两侧有用以固定连接的直角状平板，在此直角平板上对称地开有用以连接固定的通孔。
本发明的有益效果：
在采用厚度较小的碳纤板的条件下，利用液压扩张组件利用行走过程中利用人体重心变化使假肢脚板中的橡胶液压腔发生体积变化来动态地改变碳纤板的横向曲率，以实现假肢脚板整体刚度发生变化，满足行走过程中不同阶段对假肢脚板整体刚度的不同需求：
1.静态站立时，液压扩张组件中橡胶液压腔的液体主要集中在前掌的下液压腔内，此时碳纤左曲板和碳纤右曲板横向曲率较小，假肢脚板整体刚度小，在一定程度上假肢脚板可以适应各类复杂路面，增加静态站立时的稳定性和舒适度；
2.动态行走时，假肢脚板后跟抬起、前掌着地过程中，液压扩张组件中橡胶液压腔在人体重心前倾的压力作用下，橡胶液压腔的液体从前掌的下液压腔被挤压至上液压腔，此时上液压腔膨胀后使得碳纤左曲板和碳纤右曲板横向曲率增大，假肢脚板整体刚度增大，使得假肢脚板对地面反作用力的传递效率提高，支撑推进作用提高。
本发明采用液动方式去传递人体重心移动所带来的能量变化，传递能量过程更加及时可靠、效率更高。用该能量去实现曲板横向曲率的变化，实现假肢脚板的整体刚度变化。同时液压扩张组件能够根据假肢脚板左右半边不同的受力状态来调节假肢脚板的整体刚度，使得假肢脚板对路面情况以及运动状态的响应更加智能和及时可靠。如此，实现在减轻假肢脚板的整体重量同时，增加假肢脚板使用过程中支撑推进作用和舒适度。
附图说明
图1为本发明的轴测图；
图2为本发明的轴测图；
图3为本发明的爆炸图；
图4为本发明的主要零件爆炸图；
图5为本发明中前足碳纤底板的结构示意图；
图6为本发明的俯视图；
图7为本发明图6中后跟着地工作状态时M-M向截面视图；
图8为本发明图7中A处的详细视图；
图9为本发明液压扩张组件后跟着地工作状态时变刚度工作原理示意图；
图10为本发明图7中N-N向截面视图；
图11为本发明图6中后跟抬起、前掌着地工作状态时M-M向截面视图；
图12为本发明图11中B处的详细视图；
图13为本发明液压扩张组件后跟抬起、前掌着地工作状态时变刚度工作原理示意图；
图14为本发明图11中H-H向截面视图。
其中：11、中前足碳纤底板，12、液压扩张组件，13、螺栓组一，14、螺栓组二，15、紧定螺钉组，1、后跟碳纤板，2、右底板，3、左底板，4、碳纤右曲板，5、碳纤左曲板，6、橡胶液压腔，7、碳纤右压板，8、碳纤左压板，9、连接件，111、顶端连接部分，112、中间过渡部分，113、底端圆弧部分，21、上平直部分一，22、下弯曲部分一，23、开口直角凹槽一，31、上平直部分二，32、下弯曲部分二，33、开口直角凹槽二，41、外侧平直部分一，42、内侧圆弧部分一，51、外侧平直部分二，52、内侧圆弧部分二，61、上液压腔，62、下液压腔，71、平直部分一，72、弯曲部分一，81、平直部分二，82、弯曲部分二。
具体实施方式
下面结合附图1至附图14对本发明进行描述。
请参阅图1至图14所示，一种基于人体横弓和液压传动的变刚度假肢脚板，由后跟碳纤板1、中前足碳纤底板11、液压扩张组件11、连接件9、螺栓组一13、螺栓组二14和紧定螺钉组15组成，后跟碳纤板1的顶端连接部分111的顶面经螺栓组一13与中前足碳纤底板11左底板3上平直部分二31和右底板2平直部分一21的下表面对称地紧贴固接在一起，液压扩张组件11中碳纤曲板的碳纤左曲板5外侧平直部分二51和碳纤右曲板4外侧平直部分一41分别对应地紧贴于中前足碳纤底板11左底板3上平直部分二31和右底板2平直部分一21的上表面，经螺栓组一13、螺栓组二14和紧定螺钉组15固接在一起，液压扩张组件11中碳纤左压板8和碳纤右压板7上表面与中前足碳纤底板11的边缘开口直角凹槽二33和开口直角凹槽一23内侧上表面紧贴，经螺栓组二14和紧定螺钉组15固接在一起，连接件9底部倾斜平面与液压扩张组件11中碳纤左压板8和碳纤右压板7上表面经螺栓组一13固接在一起，连接件9左右两侧直角状平板经螺栓组二14与碳纤左压板8和碳纤右压板7左右对称地固接在一起。
如图4所示，后跟碳纤板1顶端连接部分111，中间过渡部分112和底端圆弧部分113组成，各部分之间平滑过渡，顶端连接部分111为顶部有一长方形凸台的平直板状，且开有左右对称分布的六个通孔，中间过渡部分112由两段平直板夹一段圆弧板联结而成，其中圆弧板的半径为21-23毫米，底端圆弧部分113为一小段圆弧，其半径为40-44毫米，所述的后跟碳纤板1中部开有一宽度为30-32毫米的通槽，该通槽将中间过渡部分112分割成左右对称独立分布的两部分。
如图4和图5所示，所述中前足碳纤底板11由左右对称的左底板3和右底板2组成，左底板3由上平直部分二31和下弯曲部分二32组成，上平直部分二31布置在两侧、内侧中空，上平直部分二31较下弯曲部分二32宽度上小，右底板2由平直部分一21和下弯曲部分一22组成，平直部分一21布置在两侧、内侧中空，平直部分一21较下弯曲部分一22宽度上小，中前足碳纤底板11的左底板3和右底板2上部整体上构成一个开口的矩形通槽，中前足碳纤底板11的左底板3和右底板2边缘均有向上弯折形成的开口直角凹槽二33和开口直角凹槽一23，中前足碳纤底板11的左底板3和右底板2边缘均开有连接用的通孔。
如图4和图7所示，液压扩张组件11由左右对称的碳纤左曲板5和碳纤右曲板4、左右对称的碳纤左压板8和碳纤右压板7以及橡胶液压腔6组成，碳纤左曲板5和碳纤右曲板4在前后方向上为平直状态，在左右方向上为弯曲状态，且均具有较好的弹性，其均在外侧边缘开有连接用的通孔，碳纤左曲板5由外侧平直部分二51和内侧圆弧部分二52组成，碳纤右曲板4由外侧平直部分一41和内侧圆弧部分一42组成，碳纤左曲板5和碳纤右曲板4在无外力作用条件下，横向曲率较小，接近平直状态，碳纤左曲板5和碳纤右曲板4在有外力作用条件下向内侧弯曲，横向曲率变大，橡胶液压腔6由相通的上液压腔61和下液压腔62组成，橡胶液压腔6的密封橡胶壁具有较大弹性，上液压腔61为细长管状，下液压腔62为扁平弧面状，且上液压腔61顶端密封处有用以连接固定的通孔，碳纤左压板8由平直部分二81和弯曲部分二82组成，碳纤右压板7由平直部分一71和弯曲部分一72组成，碳纤左压板8和碳纤右压板7均具有较好的弹性，且其均在外侧边缘开有连接用的通孔，碳纤左曲板5和碳纤右曲板4位于橡胶液压腔6下方，碳纤左曲板5内侧圆弧部分二52和碳纤右曲板4内侧圆弧部分一42包夹着橡胶液压腔6的上液压腔61，碳纤左曲板5内侧圆弧部分二52上表面和碳纤右曲板4内侧圆弧部分一42上表面分别与上液压腔61的底部外侧壁面紧贴，碳纤左压板8和碳纤右压板7位于橡胶液压腔6上方，碳纤左压板8和碳纤右压板7下表面与橡胶液压腔6的上表面紧贴。
如图3和图6所示，连接件9顶部为一直径为18毫米的螺柱，底部为一倾斜平面，左右两侧有用以固定连接的直角状平板，在此直角平板上对称地开有用以连接固定的通孔。
如图7至图14所示，本发明中可分为两种工作状态a和b，状态a为后跟着地时工作状态，状态b为后跟抬起、前掌着地时工作状态。
如图6至图10所示，当假肢脚板使用者静态站立时，后跟着地，人体重心大部分落在后跟碳纤板1上，人体重量施加给假肢脚板的压力F与地面反作用力F1和F2相平衡，后跟碳纤板1上的反作用力F1远大于地面反作用力F2，此时，液压扩张组件11中橡胶液压腔6的下液压腔62受到的压强较小，橡胶液压腔6内的液压油基本集中在下液压腔62内，而夹在碳纤左曲板5内侧圆弧部分二52和碳纤右曲板4内侧圆弧部分一42间的上液压腔61内液体压力很小，对两侧曲板基本没有作用力，人体静立状态下橡胶液压腔6内的流量状态如图7和图8所示，如图9和图10所示，此时碳纤左曲板5内侧圆弧部分二52和碳纤右曲板4内侧圆弧部分一42的横向曲率较小，假肢脚板的整体刚度较小，脚板柔性比较大，对不同环境的道路适应性较好，给使用者舒适的穿戴体验。
如图11至图14所示，当假肢脚板使用者行走过程中后跟抬起、前掌着地的状态下，使用者重心落到前脚掌，人体重量施加给假肢脚板的压力F与地面反作用力F3相平衡，此时假肢脚板前掌受到的力非常大，碳纤左压板8和碳纤右压板7施加在橡胶液压腔6的下液压腔62上的压强使得其中的液压油向上液压腔61中转移，液压油流动方向如图11中箭头L所示，如图12所示，下液压腔62中的大量液压油转移到上液压腔61后使得上液压腔61腔体膨胀，上液压腔61挤压碳纤左曲板5内侧圆弧部分二52和碳纤右曲板4内侧圆弧部分一42，使得这两侧的曲板横向曲率大幅增大，如图13和图14所示，相应的，假肢脚板的整体刚度变大，提高了对地面反作用力的传递效率，增强了假肢脚板的支撑推进作用，使得使用者行走更加省力，另外，橡胶液压腔6能根据前掌受到的地面反作用力的不同大小和不同作用点，动态地响应、智能地调节上液压腔61和下液压腔62的体积，以达到动态地改变假肢脚板的整体刚度。

Claims (2)

1.一种基于人体横弓和液压传动的变刚度假肢脚板，其特征在于：是由后跟碳纤板(1)、中前足碳纤底板(11)、液压扩张组件(12)、连接件(9)、螺栓组一(13)、螺栓组二(14)和紧定螺钉组(15)组成，后跟碳纤板(1)顶端连接部分(111)的顶面与中前足碳纤底板(11)的左底板(3)上平直部分二(31)和右底板(2)上平直部分一(21)的下表面经螺栓组一(13)对称地紧贴固接在一起，液压扩张组件(12)中碳纤左曲板(5)外侧平直部分二(51)和碳纤右曲板(4)外侧平直部分一(41)分别对应地紧贴于中前足碳纤底板(11)左底板(3)上平直部分二(31)和右底板(2)上平直部分一(21)的上表面，经螺栓组一(13)、螺栓组二(14)和紧定螺钉组(15)固接在一起，液压扩张组件(12)中碳纤左压板(8)和碳纤右压板(7)上表面与中前足碳纤底板(11)的边缘开口直角凹槽二(33)和开口直角凹槽一(23)内侧上表面紧贴，经螺栓组二(14)和紧定螺钉组(15)固接在一起，连接件(9)底部倾斜平面与液压扩张组件(12)中碳纤左压板(8)和碳纤右压板(7)上表面经螺栓组一(13)固接在一起，连接件(9)左右两侧直角状平板经螺栓组二(14)与碳纤左压板(8)和碳纤右压板(7)左右对称地固接在一起；
所述的后跟碳纤板(1)包括顶端连接部分(111)、中间过渡部分(112)和底端圆弧部分(113)组成，各部分之间平滑过渡，顶端连接部分(111)为顶部有一长方形凸台的平直板状，且开有左右对称分布的六个通孔，中间过渡部分(112)由两段平直碳纤板夹一段圆弧碳纤板联结而成，其中圆弧板的半径为21-23毫米，底端圆弧部分(113)为一小段圆弧，其半径为40-44毫米，后跟碳纤板(1)中部开有一宽度为30-32毫米的通槽，该通槽将中间过渡部分(112)分割成左右对称独立分布的两部分；
所述中前足碳纤底板(11)由左右对称的左底板(3)和右底板(2)组成，左底板(3)由上平直部分二(31)和下弯曲部分二(32)组成，上平直部分二(31)内侧中空，上平直部分二(31)比下弯曲部分二(32)宽度上小，右底板(2)由上平直部分一(21)和下弯曲部分一(22)组成，上平直部分一(21)内侧中空，上平直部分一(21)比下弯曲部分一(22)宽度上小，中前足碳纤底板(11)的左底板(3)和右底板(2)上部整体上构成一个开口的矩形通槽，中前足碳纤底板(11)的左底板(3)和右底板(2)边缘均有向上弯折形成的开口直角凹槽二(33)和开口直角凹槽一(23)，中前足碳纤底板(11)的左底板(3)和右底板(2)边缘均开有连接用的通孔；
所述液压扩张组件(12)由左右对称的碳纤左曲板(5)和碳纤右曲板(4)、左右对称的碳纤左压板(8)和碳纤右压板(7)以及橡胶液压腔(6)组成，碳纤左曲板(5)和碳纤右曲板(4)在前后方向上为平直状态，在左右方向上为弯曲状态，且均具有弹性，均在外侧边缘开有连接用的通孔，碳纤左曲板(5)由外侧平直部分二(51)和内侧圆弧部分二(52)组成，碳纤右曲板(4)由外侧平直部分一(41)和内侧圆弧部分一(42)组成，碳纤左曲板(5)和碳纤右曲板(4)在无外力作用条件下，横向曲率小，接近平直状态，碳纤左曲板(5)和碳纤右曲板(4)在有外力作用条件下向内侧弯曲，横向曲率变大，橡胶液压腔(6)由相通的上液压腔(61)和下液压腔(62)组成，橡胶液压腔(6)的密封橡胶壁具有弹性，上液压腔(61)为细长管状，下液压腔(62)为扁平弧面状，且上液压腔(61)顶端密封处有用以连接固定的通孔，碳纤左压板(8)由平直部分二(81)和弯曲部分二(82)组成，碳纤右压板(7)由平直部分一(71)和弯曲部分一(72)组成，碳纤左压板(8)和碳纤右压板(7)均具有弹性，且其均在外侧边缘开有连接用的通孔，碳纤左曲板(5)和碳纤右曲板(4)位于橡胶液压腔(6)下方，碳纤左曲板(5)内侧圆弧部分二(52)和碳纤右曲板(4)内侧圆弧部分一(42)包夹着橡胶液压腔(6)的上液压腔(61)，碳纤左曲板(5)内侧圆弧部分二(52)上表面和碳纤右曲板(4)内侧圆弧部分一(42)上表面分别与上液压腔(61)的底部外侧壁面紧贴，碳纤左压板(8)和碳纤右压板(7)位于橡胶液压腔(6)上方，碳纤左压板(8)和碳纤右压板(7)下表面与橡胶液压腔(6)的上表面紧贴。
2.根据权利要求1所述的一种基于人体横弓和液压传动的变刚度假肢脚板，其特征在于：所述连接件(9)顶部为一直径为18毫米的螺柱，底部为一倾斜平面，左右两侧有用以固定连接的直角状平板，在此直角平板上对称地开有用以连接固定的通孔。
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