CN1123133A - 整形外科辅助装置中构件之间的摆动机构 - Google Patents

整形外科辅助装置中构件之间的摆动机构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种实现“姿态弯曲”(StanceFlexion)的机构。为达到本发明的目的，在多关节的铰接系统中，一个关节(关节部分)可相对于与之相连的另一些关节(关节部分)进行两种运动，其中，在将一种运动引入后，至少这一种运动将另一种可能的运动至少基本上抑止住。

Description

整形外科辅助装置中构 件之间的摆动机构
本发明涉及整形外科辅助装置中构件之间的摆动机构，例如用于腿切除后的假肢膝关节，它由多关节的运动关节链和至少4个关节部分组成，其中互相连接的部分有共同的旋转轴，这些旋转轴的走向基本上互相平行。
这种机构是现有已知的。使用多关节的铰接系统在整形外科装置中代替或支持关节功能，是长期以来众所周知并经常被采用的，这主要由于与传统的仅有一个固定回转点(旋转中心)的机构相比，这种装置有一些优点。这些优点中包括，与单轴的关节机构相比较，对肢体的自然运动有更好的随动性和更好的模仿性，在受力时能提高或改善可控制的关节稳定性，以及，通过适当选定铰接系统各关节的尺寸和它们的相互位置可以获得上述优点。尤其是当采用多关节式铰接系统作为膝关节的代用或支撑装置时，上述观点有重要意义。在开始迈步时，此时脚后跟与地面接触，关节机构在其伸展位置受到使用者重量造成的力，重要之点是此机构并不立即弯曲，因为否则使用者的身体将没有任何支撑。在单轴式关节机构中，这种情况只能通过采用复杂的但可靠性差的制动装置来防止。
在多关节式铰接系统中，这一特性可通过选择关节的几何尺寸来保证，使关节机构在伸展状态下，小腿或代替小腿的假腿部分绕其摆动的实际回转点，在连接这两个负荷点，亦即脚后跟与髋关节的作用线后方。
此外，通过适当选择多连杆机构的几何尺寸，使迈步运动实际回转点，处于使假肢与单轴机构相比能更容易作向前摆运动的位置。由于开始迈步运动时实现了良好的稳定性、比较容易造成回摆运动、以及可以用简单的办法找到这两种特性之间良好的协调性，所以使多连杆机构完全适用于替代或支持关节功能。
在这种使用场合对于运动的多连杆机构重要的前提条件是，在受载时它有一个初始的弹性弯曲，如同人的膝关节在受力时有这种弯曲一样。在腿受力时这种关节的初始弹性弯曲的减震作用，避免形成冲击式步伐，这对于使用者是不舒服的，时间一长甚至会造成疼痛。初始的关节弯曲防止进一步限制身体重心的垂直运动，从而限制了行走所需能量。此种膝关节弯曲称为姿态弯曲(StanceFlexton)。
整形外科辅助装置构件之间现有的这种摆动机构，例如用于腿切除后的假肢，至少有下列缺点之一：
-它们根本不具备上述特性；
-它们只是在很小的程度上有上述特性。也就是说，实际上产生的姿态弯曲不大于3°至4°，这一角度与能够完全实现上述姿态弯曲的优点而言，实在是太小了；
-它们通过采用有两个自由度的多关节铰接系统实现了上述特性，这两个自由度可理解为所说的机构的摆动，其中，按照唯一的一个自由度的运动克服一个弹性构件的弹力实现，而两个自由度会互相影响，尽管如此，彼此可以是独立的。这种机构的缺点是，总是有可能在这些自由度之间交换储存的弹性能，这会令使用者感到特别不舒服，所以需要有附加的机构，例如消耗性的构件，使这些弹性能通过耗散转变成热量；
-它们通过采用只有一个自由度和一个摆动回转点的多关节铰接系统实现了上述特性，做到这一点是在多关节铰接系统中一个关节的延长线上，设置第二个关节或推移连接装置，从而使此机构比较长。
本发明的目的是制成一种能实现姿态弯曲的机构，此姿态弯曲大到能使它的优点，如同自然的膝关节具有的姿态弯曲那样，在全部范围内实现。
本发明另一项目的是，使上述目的是在没有前面所提到的那些现有机构的缺点的情况下达到。本发明再一个目的是制成一种机构，它结构简单，并有良好的可靠性。
为了达到上述各项目的，本发明设计了一种本文开始所述类型的机构，其特征为，在多关节铰接系统的起动位置，一个关节(关节部分)相对于与它连接的另一些关节(关节部分)可进行两种运动，其中，在将一种运动引入后，至少这一种运动将另一种可能的运动至少基本上抑止住。
按本发明的机构具有所要求的灵活性，及较大的姿态弯曲，并能阻止第二种运动(自由度)，而且是一种较小的和易于实现的机构。
必须强调指出，所使用的术语“运动(Bewegung)”必须理解为，或单纯转动，或单纯移动，或转动与移动的每一种固定的组合。对术语“运动”的另一种表述、说明或含义，是指一种按关节机构典型的单一运动-自由度的运动。
从属权利要求2至13说明了本发明实施例的优点。
按权利要求10所述之附加的弹性构件，可例如用于使小腿在摆动过程终了时容易向前移。
本发明的其它特征借助于后面附图表示的本发明的实施例进行说明，本发明当然不受它们的限制。其中：
图1为按本发明装在人工大腿与人工小腿之间的假肢膝关节侧视图；
图2为图1所示假肢膝关节比例放大并局部剖切的透视图；
图3为按图2的假肢膝关节在静止状态下侧视示意图；
图4为在重力负荷作用下，假肢膝关节与图3所示的一致的视图；
图5为在受力状态下一种改型的局部剖切透视图；
图6为按图5的假肢膝关节受力状态下与图4一致的视图；
图7为不受力状态假肢膝关节与图6一致的视图；
图8为在没有重量负荷的情况下另一种修改后的设计局部剖切透视图；
图9为按图8的假肢膝关节处于静止状态下与图3和图7一致的视图；
图10为按图8的假肢膝关节处于重量负荷下与图9一致的视图；
图11为一种改型的与图6一致的视图；
图12为一种改型的与图7一致的视图；
图13为一种改型的与图8一致的视图；以及
图14、15、16；17、18、19；20、21、22；23、24、25；26、27、28为五种其它的实施例，各处于三种状态下的示意侧视图。
图1表示假肢膝关节1，它包括一个与人工大腿2连接的第一部分3和一个与带有脚5的人工小腿4连接的下部6。假肢膝关节1还包括下面要介绍的运动关节链，构件3和6便属于此关节链。
所有的回转轴线(回转关节)8、9、10、11，彼此之间基本平行，并共同确定了一个垂直于它们的运动平面。
导块15与回转轴11铰接，后部关节部分14可在导块15中滑动导引。导块15和设置在关节部分14上的凸耳16之间装了一个压力弹簧17。此压力弹簧将关节部分14向上压，使上部3相对于下部6处于一个确定的静止位置。在处于图2所表示的不受力静止位置下，上部3可相对于下部6自由摆动。作为举例，用虚线表示了回转轴(回转关节)8和10摆动后的位置，并用8′或10′表示。
图4表示在重量负荷作用下后关节部分14克服了弹簧17作用力向下移动的情况。在这一位置，端部18与设置在下部6上的止挡面20共同起作用。从而抑止住在图3中用虚线表示的转动自由度。
可以注意到，在端部18上装有一个横向销钉19，它用来防止关节部分14在弹簧17的作用下从导块15中脱出。
图5、6和7表示了一种改型。假肢膝关节101包括一个上部103，一个下部106，两个前关节部分107和两个彼此相连的后关节部分114。各关节用108、109、110和111表示。与假肢膝关节1不同，下部106上装有横销20，它安装成可在后关节部分114中的长孔21中移动。这一结构与图1～4在导块15中对后关节部分14的导引功能是一致的。
端部118装有销子23，销子上装有板弹簧的钩环状端部。板弹簧通过固定部分25与下部106连接。板弹簧一方面起复位弹簧的作用，使假肢膝关节101运动到图7所示之静止位置，另一方面作为导臂，它迫使销子23并因而端部118沿预定轨道运动；而且在这种情况下，在图7中用虚线表示的转动自由度抑止在图5和图6所示位置。图5和图6中表示的位置在是在重量负荷下达到的，尤其是当使用者站在没有假肢膝关节的假腿上时。
图8、9和10表示假肢膝关节201。它包括一个上部203和一个下部206，它们通过一个前关节部分207和一个后关节部分214互相连接。与图1～4中的轴(关节)8、9、10、11和图5～7中的轴(关节)108、109、110、111相对应的回转轴(回转关节)，各用208、209、210和211表示。
在假肢膝关节201中，后关节部分214通过第五根回转轴212与导臂26连接，导臂26通过第四根回转轴211与下部206的后部27相连。后关节部分214的自由端部218装有横销28，它可在下部206的长孔29中移动。
如同上面所介绍的那些实施例那样，通过这种具有附加导引装置的关节结构，可以达到如图8和图9所示的自由状态，在这一状态通过压力弹簧217，保证绕回转轴208、209、210、212的自由转动。用虚线表示上部203转动后的状态。在重量负荷作用下，上部203向下运动，并因而把压力弹簧217压得靠拢。因此，横销28移向长孔29的右部。在这种结构关系下可以看出，左部30是弯曲的，此曲线的中点构成回转轴212。此左部30接着与右部31连通。
所有这三种按本发明的假肢膝关节实施例，都有一个公共的行程止挡32，它设置在上部3、103或203上，并与前关节部分7、107、207的上部共同工作。
图11和12表示假肢膝关节301处于与图6和7相应的两个位置。在此设计中，图5、6和7中的板弹簧24用导杆132代替，它装在第二根回转轴与销子23之间，并经过一个装在导杆132与下部106之间的压力弹簧33。
图13表示与图8的视图一致的假肢膝关节401。与图8的设计的区别在于，假肢膝关节401的复位通过扭簧34、35，它们如同假肢膝关节201中的压力弹簧217那样有这样的作用，即可将导臂26从一个弹簧被压缩在一起的位置(见图10)起，移动到一个更向上方移的位置(见图8和9)。扭簧34、35在下部206和导臂26之间起作用。
图14、15、16；17、18、19；20、21、22；23、24、25表示了4种不同的假肢膝关节501、601、701和801各处于三种不同的位置，亦即起始位置、进行“运动1”或作“摆动弯曲”后的位置，以及进行“运动2”或作“姿态弯曲”后的位置。在对有关的实施例作了上述详细说明后，不需要对各种位置作进一步解释。所以对后面的那些设计仅限于说明基本的不同点。
按图14、15、16的假肢膝关节设计成，后关节部分14通过与之铰接的导杆36与回转轴509连接。在导杆36上作用有弹簧533。后关节部分14的下自由端与导引面537共同工作。
按图17、18、19的假肢膝关节601采用了板簧38，它与下部606固定连接，与后关节部分14铰接在固定位置上。后关节部分14的下端与导引面637共同工作。
按图20、21、22的假肢膝关节701有其特点，它的前关节部分7没有与下部706直接连接。在这里采用了摇杆38代替这种直接连接，摇杆38的中部与下部706铰接，其前部与前关节部分707以及其后部与后关节部分714分别铰接。压力弹簧39使摇杆38处于图20所示之静止位置或起始位置。
按图23、24和25的假肢膝关节801的特点是，后关节部分814通过回转轴810和811与上部3和下部806连接。前关节部分807通过回转轴808与上部3连接。关节部分807在与下部806连接的滑移活节40中导引。关节部分807的下端与导引面41共同工作。与前关节部分807固定连接的导引机构与导引面共同工作，所有的导引面都用数字43表示。
按图26、27和28的假肢膝关节901包括下部906和上部903。与所有上述实施例不同，膝关节901有两个关节部分44、45，如图中清楚地表示的那样，它们在两部分903和906之间的区域内交叉。关节部分44通过前关节909与下部906相连，通过后关节910与上部903连接。关节部分45通过前关节908与上部903连接。导杆936利用关节909的回转轴和借助于铰链46与关节部分45的下部相连。关节部分45的端部47与在下部906中的导引面48共同工作。图中示意性地表示了复位弹簧933。
应强调指出，由于是示意图，在许多位置没有表示弹簧机构。然而应当明白，弹簧机构可设在按本发明的摆动机构互相连接的构件之间每一个适当的地方。相应地这同样适用于作为减震装置。
最后应指出，功能相同的构件在各实施例中符号是一致的，在各实施例中的实际数字说明所涉及的特征部分。

Claims (13)

1、整形外科辅助装置构件间的摆动机构，例如用于腿切除后的假肢膝关节，它由多关节的运动关节链和至少4个关节部分组成，其中互相连接的关节有共同的回转轴，这些回转轴的走向基本上互相平行，其特征为：在此多关节铰接系统的起始位置，一个关节(关节部分)可相对于与之连接的另一些关节(关节部分)进行两种运动，其中，在引入一种运动后，至少这一种运动将另一种可能的运动至少基本上抑止住。
2、按照权利要求1所述机构，其特征为：一个关节部分只与一个上部的连接-关节部分和一个下部的连接-关节部分可摆动地连接起来，其中，摆动运动至少通过一个止挡限制了摆动量，沿行走方向看设在此关节部分后面的后关节部分的一端，与上部的连接-关节部分可摆动地连接，而在另一端按此方式与下部的连接-关节部分相连；后关节部分在起始位置可相对于下部的连接-关节部分作平行移动和摆动，其中，一个弹性构件与至少一个止档结合起来，对此平行移动运动起反作用，以及，在引入平行移动运动后，后关节部分相对于下部的连接-关节部分的摆动运动至少基本上被阻止。
3、按照权利要求1所述之机构，其特征为：一个关节部分只与一个上部的连接-关节部分和一个下部的连接-关节部分可摆动地连接起来，其中，摆动运动至少通过一个止挡限制了摆动量，沿行走方向看设在此关节部分后面的后关节部分的一端与上部的连接-关节部分可摆动地连接，而在另一端按此方式与下部的连接-关节部分相连；后关节部分在起始位置可相对于下部的连接-关节部分作平行移动和摆动，其中，一个弹性构件与至少一个止挡结合起来对此摆动运动起反作用，以及，在引入摆动运动后，后关节部分相对于下部的连接-关节部分的平行移动运动至少基本上被阻止。
4、按照权利要求1所述之机构，其特征为：一个关节部分只与一个上部的连接-关节部分和一个下部的连接-关节部分可摆动地连接，其中，通过至少一个止挡限制了摆动量，沿行走方向看设在此关节部分后面的后关节部分的一端与上部的连接-关节部分可摆动地连接，而在另一端以此方式借助于一个连接件与下部的连接-关节部分相连；后关节部分在起始位置可相对于下部的连接-关节部分作两种不同类型(以双重方式)摆动，其中，一个弹性构件与至少一个止挡结合起来对连接件的摆动运动起反作用，以及，在将这种摆动运动引入后，后关节部分相对于下部的连接-关节部分的另一种摆动运动至少基本上被阻止。
5、按照权利要求4所述的机构，其特征为：连接件和弹性构件在结构上统一设计为板簧，板簧的一端夹紧在下部的连接-关节部分上，其另一端固定或可摆动地与后关节部分未与上部的连接-关节部分连接的那一端相连。
6、按照权利要求1所述之机构，其特征为：一个关节部分只与一个上部的连接-关节部分和一个连接件可摆动地连接，其中，通过至少一个止挡限制了摆动量，沿行走方向看设在此关节部分后面的后关节部分的一端与上部的连接-关节部分可摆动地连接，而其另一端以此方式借助于前面已提及的连接件与下部的连接-关节部分相连；后关节部分在起始位置可相对于下部的连接-关节部分作两种不同型式摆动，其中，一个弹性构件与至少一个止挡结合起来对连接件的一种摆动运动起反作用，以及，在引入此摆动运动后，后关节部分相对于下部的连接-关节部分的另一种摆动运动至少基本上被阻止。
7、按照权利要求1所述之机构，其特征为：一个关节部分只与一个上部的连接-关节部分和一个下部的连接-关节部分可摆动地连接，其中，通过至少一个止挡限制了摆动量，沿行走方向看设在此关节部分后面的后关节部分的一端与上部的连接-关节部分可摆动地连接，而其另一端以此方式与下部的连接-关节部分相连；后关节部分在起始位置可相对于下部的连接-关节部分作平行移动和摆动，其中，一个弹性构件与至少一个止挡结合起来对此平行移动运动起反作用，以及，在引入此平行移动运动后，后关节部分相对于下部的连接-关节部分的摆动运动，通过一个与下部的连接-关节部分相连的连接件至少基本上被阻止。
8、按照权利要求1所述之机构，其特征为：一个关节部分只与一个上部的连接-关节部分和一个连接件可摆动地连接，其中，通过至少一个止挡限制了摆动量，沿行走方向看设在此关节部分后面的后关节部分的一端与上部的连接-关节部分可摆动地连接，而其另一端以此方式与下部的连接-关节部分相连；后关节部分在起始位置可相对于下部的连接-关节部分作平行移动和摆动，其中，一个弹性构件与至少一个止挡结合起来对后关节部分的摆动式平行移动运动起反作用，以及，在引入平行移动运动后，后关节部分相对于下部的连接-关节部分的摆动运动，通过后关节部分与上述连接件的摆动连接至少基本上被阻止住。
9、按照权利要求1所述之机构，其特征为：关节(关节部分)中至少一个设计成多重的。
10、按照权利要求2至8之一所述之机构，其特征为：至少有一个附加的弹性构件与至少两个关节部分相连。
11、按照权利要求1所述之机构，其特征为：至少有一个减震的构件与至少两个关节部分相连。
12、按照权利要求11所述之构件，其特征为：减震构件设计为用于在运动中耗散能量。
13、按照权利要求11所述之构件，其特征为：减震构件设计为用于在站立时耗散能量。
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