CN112206084A - 一种具有人体足弓三维曲率特征的刚度梯度变化假肢脚板 - Google Patents

一种具有人体足弓三维曲率特征的刚度梯度变化假肢脚板 Download PDF

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Abstract

一种具有人体足弓三维曲率特征的刚度梯度变化假肢脚板属人工假肢制造技术领域，本发明由前掌碳纤曲板、后跟碳纤曲板、连接组件组成，结合人脚纵向足弓和横向足弓三维曲率特征设计假肢脚板三维曲面形状，提供了一种刚度梯度分布的假肢脚板。与横向平直的碳纤脚板相比，一方面在提高假肢脚板整体刚度的同时降低假肢脚板重量，实现更好的支撑推进作用和更加轻便舒适的使用体验；另一方面假肢脚板后部刚度大、前部刚度小、内侧分趾刚度大、外侧分趾刚度小的刚度梯度变化，能动态地满足不同路面情况和不同行走阶段对假肢脚板不同部位刚度的不同需求，实现假肢脚板对运动的响应更加智能和及时可靠。

Description

一种具有人体足弓三维曲率特征的刚度梯度变化假肢脚板
技术领域
本发明属于人工假肢制造技术领域，具体涉及一种结合人体脚板横向足弓曲率特征的刚度梯度变化假肢脚板。
背景技术
随着疾病、老龄化、交通事故等现代化社会问题的迅猛增加，导致截肢患者数量日益增加。安装假肢是弥补因缺损的肢体而带来的功能缺失的有效工程学方法，因而残疾人假肢设备和生活辅助设备的研发受到世界各国的重视。近年来碳纤维增强复合材料以其更加轻便、美观的优点在假肢领域得到了广泛的应用。目前，碳纤维假肢脚板基本是横向平直，且以人体脚板纵向足弓特征为参考来制作，碳纤维主要分布方向为脚板长度方向，如此保证了假肢脚板长度方向上的强度，却使得假肢脚板横向强度欠弱，市场上普遍采用增厚碳纤板来解决强度问题，但这增大了假肢脚板的重量和成本，降低了假肢的使用效果、舒适度。研究表明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。故有必要提供一种结合人脚纵向足弓和横向足弓特征的新型假肢脚板，一方面能很好的起到承重和支撑推进作用，保证假肢脚板承重部位强度合理和刚度分布合理；另一方面能够尽可能的轻便，提高假肢的使用效果和舒适度。
发明内容
本发明的目的在于针对现有假肢脚板的不足，提供一种结合人脚纵向足弓和横向足弓三维曲率特征的刚度梯度变化的假肢脚板，通过将人脚纵向足弓和横向足弓三维曲率特征结合进假肢碳纤脚板设计中，改变以往横向平直的碳纤脚板设计，一方面实现在提高假肢脚板整体刚度的同时降低假肢脚板重量，另一方面假肢脚板横向不同位置的曲率不同使得脚板刚度分布梯度变化，动态地满足不同路面情况和不同行走阶段对假肢脚板不同部位刚度的不同需求。
本发明由前掌碳纤曲板A、后跟碳纤曲板B、连接组件C、螺栓组Ⅰ1、螺栓组Ⅱ2和螺栓组Ⅲ3组成，其中连接组件C的方锥接头6、连接组件C的上连接基座7、前掌碳纤曲板A的后部、后跟碳纤曲板B的上部和连接组件C的下抵板8自上而下顺序排列；连接组件C中方锥接头6的方台6b置于上连接基座7的方形浅沉槽7d中，并经螺栓组Ⅰ1固接；连接组件C中上连接基座7的左圆弧侧翼7b的左孔Ⅲ7c、前掌碳纤曲板A的左孔Ⅰ4a、后跟碳纤曲板B的左孔Ⅱ5a和连接组件C中下抵板8的左孔Ⅳ8a经螺栓组Ⅲ3固接；连接组件C中上连接基座7的右圆弧侧翼7f的右孔Ⅲ7g、前掌碳纤曲板A的右孔Ⅰ4b、后跟碳纤曲板B的右孔Ⅱ5b和连接组件C中下抵板8的右孔Ⅳ8b经螺栓组Ⅱ2固接；
前掌碳纤曲板A的前掌纵向曲线G和后跟碳纤曲板B的后跟纵向曲线H二者整体构成一个纵向弓形I。
所述的前掌碳纤曲板A由后圆弧部分4c、中部曲面部分4d、左前趾4e、右前趾4f和前掌纵向曲线G组成，其中后圆弧部分4c后部设有左孔Ⅰ4a和右孔Ⅰ4b；前掌碳纤曲板A的横曲面形状由曲板后部的横截面曲线ⅠD、曲板中部的横截面曲线ⅡE和曲板前部的横截面曲线ⅢF确定，其中
横截面曲线ⅠD为一段圆弧曲线，其圆弧半径r1为30-35毫米，圆心角θ1为50°-60°；
横截面曲线ⅡE的数学表达式为：y＝-0.00009x3+0.015x2+0.02x+31.5；
横截面曲线ⅢF的数学表达式为：y＝-0.000055x3+0.006x2+0.05x+14.5。
所述横截面曲线ⅡE和横截面曲线ⅢF的形状均按人体横向足弓基本形状绘制，均为内侧曲率大，外侧曲率小；后圆弧部分4c为一段由横截面曲线ⅠD控制的厚度均为4-5毫米的圆弧柱面，后圆弧部分4c的后部设有左孔Ⅰ4a和右孔Ⅰ4b；中部曲面部分4d为一段由横截面曲线ⅠD和横截面曲线ⅡE形成的曲面；前掌碳纤曲板A前部整体为一段由横截面曲线ⅡE和横截面曲线ⅢF形成的曲面，最底部为一段上扬的平直圆弧面，并经由前掌碳纤曲板A前部中间的细槽4g被分成左前趾4e和右前趾4f；中部曲面部分4d至左前趾4e和右前趾4f的顶端，其厚度自后至前从大到小均匀变化，最大厚度与后圆弧部分4c的厚度相同，最小厚度为2.5毫米；前掌纵向曲线G由前掌纵向曲线Ⅰ段4g和前掌纵向曲线Ⅱ段4h组成，前掌纵向曲线Ⅰ段4g为一段倾斜角为23°-30°的直线段；前掌纵向曲线Ⅱ段4h为一段圆弧，其圆弧半径r2为70-80毫米，圆心角θ2为50°-60°，位于前掌纵向曲线G前部末端，前掌纵向曲线Ⅰ段4g和前掌纵向曲线Ⅱ段4h之间平滑相切连接。
所述的后跟碳纤曲板B由上圆弧部分5a、中间过渡部分5b、下曲板部分5c和后跟纵向曲线H组成，所述上圆弧部分5a为一曲率横向分布的圆弧板，其形状与前掌碳纤曲板A中横截面曲线ⅠD匹配；所述上圆弧部分5a左右两侧开有对称的两个通孔，左孔Ⅱ5a和右孔Ⅱ5b；所述下曲板部分5c最底部为一段上扬的横向平直圆弧面；所述上圆弧部分5a和下曲板部分5c由中间过渡部分5b平滑的连接在一起；所述后跟碳纤曲板B的上圆弧部分5a曲板厚度为均匀，为5-7毫米；所述中间过渡部分5b和下曲板部分5c的厚度自后至前从大到小均匀变化，最大厚度与上圆弧部分5a的厚度一致，最小厚度为3毫米。
后跟纵向曲线H由后跟纵向曲线Ⅰ段5f和后跟纵向曲线Ⅱ段5g组成，后跟纵向曲线Ⅰ段5f由一段倾斜直线和一段圆弧构成，圆弧半径r3为70-80毫米，圆心角θ3为130°-150°，位于后跟纵向曲线H中上部；后跟纵向曲线Ⅱ段5g由一段倾斜直线和一段圆弧，构成一段圆弧其圆弧半径r4为60-70毫米，圆心角θ4为8°-12°，位于后跟纵向曲线H下部，后跟纵向曲线Ⅰ段5f和后跟纵向曲线Ⅱ段5g之间用直线平滑相切连接。
所述的连接组件C由方锥接头6、上连接基座7和下抵板8组成，其中方锥接头6下部为方台6b，中心设有阶梯孔6a；上连接基座7由中间平台7a、左右对称布置的左圆弧侧翼7b和右圆弧侧翼7f组成，中间平台7a为左右方向上平置、内部中空的三棱台，中间平台7a顶面设有方形浅沉槽7d和中孔7e；左圆弧侧翼7b上设有左孔Ⅲ7c，右圆弧侧翼7f上设有右孔Ⅲ7g；下抵板8上设有左孔Ⅳ8a和右孔Ⅳ8b；方锥接头6、上连接基座7和下抵板8自上而下顺序排列。
本发明的有益效果在于：
1.本发明一改以往横向平直的碳纤维假肢脚板，结合人脚纵向足弓和横向足弓三维曲率特征设计假肢脚板横向曲面形状，横向弯曲的碳纤板能够在降低碳纤维板厚度的同时提高假肢脚板的整体刚度，实现更好的支撑推进作用和更加轻便舒适的使用体验；
2.本发明依据人脚纵向足弓和横向足弓三维曲率变化特征，将碳纤维假肢脚板的横向曲率设计成梯度变化变化，如此设计使得假肢脚板的刚度分布梯度变化，更加符合人体工程学。总体上假肢脚板刚度分布呈现：后部刚度大，前部刚度小；内侧分趾刚度大，外侧分趾刚度小。本发明设计结构简单，但却能动态地满足在不同路面情况和不同运动状态下，对假肢脚板承重部位和传递地面反作用力部位不同的刚度需求，实现假肢脚板对运动的响应更加智能和及时可靠。
附图说明
图1为具有人体横向足弓曲率特征的刚度梯度变化假肢脚板的轴测图(后右向)
图2为具有人体横向足弓曲率特征的刚度梯度变化假肢脚板的轴测图(前右向)
图3为前掌碳纤曲板A的轴测图(前右向)
图4为前掌碳纤曲板A的结构示意图(正前视图)
图5为前掌碳纤曲板A的横向断面图(前右向)
图6为后跟碳纤曲板B的轴测图(后右向)
图7为前掌纵向曲线G和后跟纵向曲线H的结构示意图(正右视图)
图8为连接组件C的轴测图
图9为方锥接头6的轴测图
图10为上连接基座7的轴测图
图11为下抵板8的轴测图
图12为前掌碳纤曲板A、后跟碳纤曲板B和连接组件C排列关系的轴测图
其中：A.前掌碳纤曲板 B.后跟碳纤曲板 C.连接组件 D.横截面曲线Ⅰ E.横截面曲线Ⅱ F.横截面曲线Ⅲ G.前掌纵向曲线 H.后跟纵向曲线 1.螺栓组Ⅰ 2.螺栓组Ⅱ 3.螺栓组Ⅲ 4a.左孔Ⅰ 4b.右孔Ⅰ 4c.后圆弧部分 4d.中部曲面部分 4e.左前趾 4f.右前趾5a.左孔Ⅱ 5b.右孔Ⅱ 5c.上圆弧部分 5d.中间过渡部分 5e.下曲板部分 4g.前掌纵向曲线Ⅰ段 4h.前掌纵向曲线Ⅱ段 5f.后跟纵向曲线Ⅰ段 5g.后跟纵向曲线Ⅱ段 6.方锥接头6a.阶梯孔 6b.方台 7.上连接基座 7a.中间平台 7b.左圆弧侧翼 7c.左孔Ⅲ 7d.方形浅沉槽 7e.中孔 7f.右圆弧侧翼 7g.右孔Ⅲ 8.下抵板 8a.左孔Ⅳ 8b.右孔Ⅳ
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行描述。
如图1、图2和图12所示，本发明由前掌碳纤曲板A、后跟碳纤曲板B、连接组件C、螺栓组Ⅰ1、螺栓组Ⅱ2和螺栓组Ⅲ3组成，其中连接组件C的方锥接头6、连接组件C的上连接基座7、前掌碳纤曲板A的后部、后跟碳纤曲板B的上部和连接组件C的下抵板8自上而下顺序排列；连接组件C中方锥接头6的方台6b置于上连接基座7的方形浅沉槽7d中，并经螺栓组Ⅰ1固接；连接组件C中上连接基座7的左圆弧侧翼7b的左孔Ⅲ7c、前掌碳纤曲板A的左孔Ⅰ4a、后跟碳纤曲板B的左孔Ⅱ5a和连接组件C中下抵板8的左孔Ⅳ8a经螺栓组Ⅲ3固接；连接组件C中上连接基座7的右圆弧侧翼7f的右孔Ⅲ7g、前掌碳纤曲板A的右孔Ⅰ4b、后跟碳纤曲板B的右孔Ⅱ5b和连接组件C中下抵板8的右孔Ⅳ8b经螺栓组Ⅱ2固接；前掌碳纤曲板A的前掌纵向曲线G和后跟碳纤曲板B的后跟纵向曲线H二者整体构成一个纵向弓形I。
如图3至图5和图7所示，所述的前掌碳纤曲板A由后圆弧部分4c、中部曲面部分4d、左前趾4e、右前趾4f和前掌纵向曲线G组成，其中后圆弧部分4c后部设有左孔Ⅰ4a和右孔Ⅰ4b；前掌碳纤曲板A的横曲面形状由曲板后部的横截面曲线ⅠD、曲板中部的横截面曲线ⅡE和曲板前部的横截面曲线ⅢF确定，其中横截面曲线ⅠD为一段圆弧曲线，其圆弧半径r1为30-35毫米，圆心角θ1为50°-60°；
横截面曲线ⅡE的数学表达式为：y＝-0.00009x3+0.015x2+0.02x+31.5；
横截面曲线ⅢF的数学表达式为：y＝-0.000055x3+0.006x2+0.05x+14.5。
所述横截面曲线ⅡE和横截面曲线ⅢF的形状均按人体横向足弓基本形状绘制，均为内侧曲率大，外侧曲率小；后圆弧部分4c为一段由横截面曲线ⅠD控制的厚度均为4-5毫米的圆弧柱面，后圆弧部分4c的后部设有左孔Ⅰ4a和右孔Ⅰ4b；中部曲面部分4d为一段由横截面曲线ⅠD和横截面曲线ⅡE形成的曲面；
前掌碳纤曲板A前部整体为一段由横截面曲线ⅡE和横截面曲线ⅢF形成的曲面，最底部为一段上扬的平直圆弧面，并经由前掌碳纤曲板A前部中间的细槽4g被分成左前趾4e和右前趾4f；中部曲面部分4d至左前趾4e和右前趾4f的顶端，其厚度自后至前从大到小均匀变化，最大厚度与后圆弧部分4c的厚度相同，最小厚度为2.5毫米；前掌纵向曲线G由前掌纵向曲线Ⅰ段4g和前掌纵向曲线Ⅱ段4h组成，前掌纵向曲线Ⅰ段4g为一段倾斜角为23°-30°的直线段；前掌纵向曲线Ⅱ段4h为一段圆弧，其圆弧半径r2为70-80毫米，圆心角θ2为50°-60°，位于前掌纵向曲线G前部末端，前掌纵向曲线Ⅰ段4g和前掌纵向曲线Ⅱ段4h之间平滑相切连接。
如图6和图7所示，所述的后跟碳纤曲板B由上圆弧部分5a、中间过渡部分5b、下曲板部分5c和后跟纵向曲线H组成，所述上圆弧部分5a为一曲率横向分布的圆弧板，其形状与前掌碳纤曲板A中横截面曲线ⅠD匹配；所述上圆弧部分5a左右两侧开有对称的两个通孔，左孔Ⅱ5a和右孔Ⅱ5b；所述下曲板部分5c最底部为一段上扬的横向平直圆弧面；所述上圆弧部分5a和下曲板部分5c由中间过渡部分5b平滑的连接在一起；所述后跟碳纤曲板B的上圆弧部分5a曲板厚度为均匀，为5-7毫米；所述中间过渡部分5b和下曲板部分5c的厚度自后至前从大到小均匀变化，最大厚度与上圆弧部分5a的厚度一致，最小厚度为3毫米。
后跟纵向曲线H由后跟纵向曲线Ⅰ段5f和后跟纵向曲线Ⅱ段5g组成，后跟纵向曲线Ⅰ段5f由一段倾斜直线和一段圆弧构成，圆弧半径r3为70-80毫米，圆心角θ3为130°-150°，位于后跟纵向曲线H中上部；后跟纵向曲线Ⅱ段5g由一段倾斜直线和一段圆弧，构成一段圆弧其圆弧半径r4为60-70毫米，圆心角θ4为8°-12°，位于后跟纵向曲线H下部，后跟纵向曲线Ⅰ段5f和后跟纵向曲线Ⅱ段5g之间用直线平滑相切连接。
如图8至图11所示，所述的连接组件C由方锥接头6、上连接基座7和下抵板8组成，其中方锥接头6下部为方台6b，中心设有阶梯孔6a；上连接基座7由中间平台7a、左右对称布置的左圆弧侧翼7b和右圆弧侧翼7f组成，中间平台7a为左右方向上平置、内部中空的三棱台，中间平台7a顶面设有方形浅沉槽7d和中孔7e；左圆弧侧翼7b上设有左孔Ⅲ7c，右圆弧侧翼7f上设有右孔Ⅲ7g；下抵板8上设有左孔Ⅳ8a和右孔Ⅳ8b；方锥接头6、上连接基座7和下抵板8自上而下顺序排列。

Claims (4)

1.一种具有人体足弓三维曲率特征的刚度梯度变化假肢脚板，其特征在于：由前掌碳纤曲板(A)、后跟碳纤曲板(B)、连接组件(C)、螺栓组Ⅰ(1)、螺栓组Ⅱ(2)和螺栓组Ⅲ(3)组成，其中连接组件(C)的方锥接头(6)、连接组件(C)的上连接基座(7)、前掌碳纤曲板(A)的后部、后跟碳纤曲板(B)的上部和连接组件(C)的下抵板(8)自上而下顺序排列；连接组件(C)中方锥接头(6)的方台(6b)置于上连接基座(7)的方形浅沉槽(7d)中，并经螺栓组Ⅰ(1)固接；连接组件(C)中上连接基座(7)的左圆弧侧翼(7b)的左孔Ⅲ(7c)、前掌碳纤曲板(A)的左孔Ⅰ(4a)、后跟碳纤曲板(B)的左孔Ⅱ(5a)和连接组件(C)中下抵板(8)的左孔Ⅳ(8a)经螺栓组Ⅲ(3)固接；连接组件(C)中上连接基座(7)的右圆弧侧翼(7f)的右孔Ⅲ(7g)、前掌碳纤曲板(A)的右孔Ⅰ(4b)、后跟碳纤曲板(B)的右孔Ⅱ(5b)和连接组件(C)中下抵板(8)的右孔Ⅳ(8b)经螺栓组Ⅱ(2)固接；前掌碳纤曲板(A)的前掌纵向曲线(G)和后跟碳纤曲板(B)的后跟纵向曲线(H)二者整体构成一个纵向弓形I。
2.按权利要求1所述的具有人体足弓三维曲率特征的刚度梯度变化假肢脚板，其特征在于：所述的前掌碳纤曲板(A)由后圆弧部分(4c)、中部曲面部分(4d)、左前趾(4e)、右前趾(4f)和前掌纵向曲线(G)组成，其中后圆弧部分(4c)后部设有左孔Ⅰ(4a)和右孔Ⅰ(4b)；前掌碳纤曲板(A)的横曲面形状由曲板后部的横截面曲线Ⅰ(D)、曲板中部的横截面曲线Ⅱ(E)和曲板前部的横截面曲线Ⅲ(F)确定，其中横截面曲线Ⅰ(D)为一段圆弧曲线，其圆弧半径r1为：30-35毫米，圆心角θ1为：50°-60°；
横截面曲线Ⅱ(E)的数学表达式为：y＝-0.00009x3+0.015x2+0.02x+31.5；
横截面曲线Ⅲ(F)的数学表达式为：y＝-0.000055x3+0.006x2+0.05x+14.5；
所述横截面曲线Ⅱ(E)和横截面曲线Ⅲ(F)的形状均按人体横向足弓基本形状绘制，均为内侧曲率大，外侧曲率小；后圆弧部分(4c)为一段由横截面曲线Ⅰ(D)控制的厚度均为4-5毫米的圆弧柱面，后圆弧部分(4c)的后部设有左孔Ⅰ(4a)和右孔Ⅰ(4b)；中部曲面部分(4d)为一段由横截面曲线Ⅰ(D)和横截面曲线Ⅱ(E)形成的曲面；前掌碳纤曲板(A)前部整体为一段由横截面曲线Ⅱ(E)和横截面曲线Ⅲ(F)形成的曲面，最底部为一段上扬的平直圆弧面，并经由前掌碳纤曲板(A)前部中间的细槽(4g)被分成左前趾(4e)和右前趾(4f)；中部曲面部分(4d)至左前趾(4e)和右前趾(4f)的顶端，其厚度自后至前从大到小均匀变化，最大厚度与后圆弧部分(4c)的厚度相同，最小厚度为2.5毫米；前掌纵向曲线(G)由前掌纵向曲线Ⅰ段(4g)和前掌纵向曲线Ⅱ段(4h)组成，前掌纵向曲线Ⅰ段(4g)为一段倾斜角为23°-30°的直线段；前掌纵向曲线Ⅱ段(4h)为一段圆弧，其圆弧半径r2为70-80毫米，圆心角θ2为50°-60°，位于前掌纵向曲线(G)前部末端，前掌纵向曲线Ⅰ段(4g)和前掌纵向曲线Ⅱ段(4h)之间平滑相切连接。
3.按权利要求1所述的具有人体足弓三维曲率特征的刚度梯度变化假肢脚板，其特征在于：所述的后跟碳纤曲板(B)由上圆弧部分(5a)、中间过渡部分(5b)、下曲板部分(5c)和后跟纵向曲线(H)组成，所述上圆弧部分(5a)为一曲率横向分布的圆弧板，其形状与前掌碳纤曲板(A)中横截面曲线Ⅰ(D)匹配；所述上圆弧部分(5a)左右两侧开有对称的两个通孔，左孔Ⅱ(5a)和右孔Ⅱ(5b)；所述下曲板部分(5c)最底部为一段上扬的横向平直圆弧面；所述上圆弧部分(5a)和下曲板部分(5c)由中间过渡部分(5b)平滑的连接在一起；所述后跟碳纤曲板(B)的上圆弧部分(5a)曲板厚度为均匀，为5-7毫米；所述中间过渡部分(5b)和下曲板部分(5c)的厚度自后至前从大到小均匀变化，最大厚度与上圆弧部分(5a)的厚度一致，最小厚度为3毫米；后跟纵向曲线(H)由后跟纵向曲线Ⅰ段(5f)和后跟纵向曲线Ⅱ段(5g)组成，后跟纵向曲线Ⅰ段(5f)由一段倾斜直线和一段圆弧构成，圆弧半径r3为70-80毫米，圆心角θ3为130°-150°，位于后跟纵向曲线(H)中上部；后跟纵向曲线Ⅱ段(5g)由一段倾斜直线和一段圆弧，构成一段圆弧其圆弧半径r4为60-70毫米，圆心角θ4为8°-12°，位于后跟纵向曲线(H)下部，后跟纵向曲线Ⅰ段(5f)和后跟纵向曲线Ⅱ段(5g)之间用直线平滑相切连接。
4.按权利要求1所述的具有人体足弓三维曲率特征的刚度梯度变化假肢脚板，其特征在于：所述的连接组件(C)由方锥接头(6)、上连接基座(7)和下抵板(8)组成，其中方锥接头(6)下部为方台(6b)，中心设有阶梯孔(6a)；上连接基座(7)由中间平台(7a)、左右对称布置的左圆弧侧翼(7b)和右圆弧侧翼(7f)组成，中间平台(7a)为左右方向上平置、内部中空的三棱台，中间平台(7a)顶面设有方形浅沉槽(7d)和中孔(7e)；左圆弧侧翼(7b)上设有左孔Ⅲ(7c)，右圆弧侧翼(7f)上设有右孔Ⅲ(7g)；下抵板(8)上设有左孔Ⅳ(8a)和右孔Ⅳ(8b)；方锥接头(6)、上连接基座(7)和下抵板(8)自上而下顺序排列。
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