CN113171219B - 一种用于存在五自由度矫治需求的足踝畸形的并联外固定器系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于存在五自由度矫治需求的足踝畸形的并联外固定器系统，包括参照环组件、牵引环组件和驱动杆组件。为了满足足踝部位不同体段的矫治需求，参照环组件包括六边形参照环、水平U型参照环和竖直U型参照环，牵引环组件包括大六边形牵引环、小六边形牵引环和U型牵引环。通过选择五自由度约束力驱动杆或五自由度约束力偶驱动杆来搭配4条六自由度驱动杆，能够得到三转两移与两转三移类并联外固定器，以适应所有存在五自由度矫治需求的畸形。在这种情况下，驱动器数目正好满足畸形矫治自由度需求，解决了现有并联外固定器在矫治此类型畸形时存在的矫治自由度冗余的缺点。

Description

一种用于存在五自由度矫治需求的足踝畸形的并联外固定器 系统

技术领域

本发明涉及一种足踝并联外固定器系统，具体来说，涉及两种辅助足踝部位完成复杂畸形矫治的并联机构。

背景技术

足踝部位具有复杂的生物力学机制以及多样的畸形种类与形态多样。对于复杂的足踝畸形，其矫治自由度需求个数可能为5个，包括3个转动自由度与2个移动自由度的组合或者2个转动自由度与3个移动自由度的组合。在众多的临床案例中，存在此类矫治自由度需求的畸形涉及：胫骨远端矢状面前弓/后弓-额状面内翻/外翻畸形、踝关节融合前的矢状面马蹄/高弓-额状面内翻/外翻畸形、踝关节融合前的额状面内翻/外翻-横切面内旋/外旋畸形、踝关节马蹄挛缩、前中足矢状面高弓/摇椅足-额状面旋前/旋后-横切面内收/外展畸形和后足马蹄/高弓-内翻/外翻畸形。在矫治上述畸形时，外固定器在存在角度畸形的两个或三个平面内应当具备转动自由度。此外，考虑到足踝畸形矫治过程中，沿牵引环组件自身矢状面的运动更为重要，能够支持包括高度重建、长度重建、加压融合和关节保护等在内的移位操作，而横向的外观能够间接的获得。因此，当横向的移动矫治自由度能够省略时，外固定器在牵引环组件的矢状面获得移动自由度即可。

面向足踝畸形存在五自由度矫治需求的情况，开发具有对应自由度的外固定器是具有重要意义的。在现有的外固定器装置中，尚无专门针对此类型畸形的设计。当足踝畸形矫治所需的矫治自由度为5时，所对应的驱动器个数也为5个，而在临床应用中，基于并联机构的外固定器构型多为6自由度，在矫治此类型畸形的过程中，存在矫治自由度冗余的问题，导致驱动器较多，使成本增加。在后续较长一段时间的人工调节过程中，更会增加患者家属的记忆与操作难度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于存在五自由度矫治需求的足踝畸形的并联外固定器系统，以解决上述问题。

本发明的实施例提供了一种用于存在五自由度矫治需求的足踝畸形的并联外固定器系统，其特征在于：该并联外固定器包括参照环组件、牵引环组件和驱动杆组件，驱动杆组件包括4条六自由度驱动杆、1条五自由度约束力驱动杆和1条五自由度约束力偶驱动杆。

进一步，参照环组件与牵引环组件通过骨针与足踝体段进行连接，驱动杆组件以并联的方式连接参照环组件与牵引环组件，在驱动杆组件的协同运动下，带动牵引环组件相对于参照环组件进行运动，进而完成矫治操作。

进一步，参照环组件包括六边形参照环、水平U型参照环和竖直U型参照环，参照环组件之间能够根据足踝部位出现畸形的体段改变其安装形态，依据矫治需求通过螺钉进行重组，一般为水平U型参照环与竖直U型参照环的组合。

进一步，牵引环组件作为外固定器的运动末端，包括大六边形牵引环、小六边形牵引环和U型牵引环，能够适应足踝部位不同体段的尺寸差异。

进一步，4条六自由度驱动杆包括第一六自由度驱动杆、第二六自由度驱动杆、第三六自由度驱动杆和第四六自由度驱动杆，其运动副设置均为六自由度驱动杆虎克副、六自由度驱动杆移动副与六自由度驱动杆球副的顺次连接，六自由度驱动杆虎克副通过螺钉与参照环组件固定连接，六自由度驱动杆球副与牵引环组件连接。

进一步，五自由度约束力驱动杆的运动副设置为五自由度约束力驱动杆球副、五自由度约束力驱动杆移动副与五自由度约束力驱动杆转动副的顺次连接，五自由度约束力驱动杆球副与参照环组件连接，五自由度约束力驱动杆转动副通过螺钉与牵引环组件固定连接。

进一步，五自由度约束力驱动杆转动副的转动轴线垂直于牵引环组件的矢状面，施加给牵引环组件一个作用于五自由度约束力驱动杆球副，方向沿五自由度约束力驱动杆转动副的约束力，使牵引环组件只能完成自身矢状面内的移动运动。

进一步，五自由度约束力偶驱动杆的运动副设置为五自由度约束力偶驱动杆第一转动副、五自由度约束力偶驱动杆移动副、五自由度约束力偶驱动杆虎克副与五自由度约束力偶驱动杆第二转动副的顺次连接，五自由度约束力偶驱动杆第一转动副与五自由度约束力偶驱动杆第二转动副能够根据需要通过螺钉与参照环组件或牵引环组件固定连接。

进一步，五自由度约束力偶驱动杆虎克副的两条转动轴线分别与五自由度约束力偶驱动杆第一转动副以及五自由度约束力偶驱动杆第二转动副的转动轴线平行，五自由度约束力偶驱动杆施加给牵引环组件一个方向垂直于五自由度约束力偶驱动杆虎克副的两条转动轴线所组成的平面的约束力偶，能够限制牵引环组件沿此方向的转动运动，由此，在外固定器安装时，根据足踝畸形中角度畸形出现的具体平面，对五自由度约束力偶驱动杆虎克副进行合理的布置，使其约束力偶的方向垂直于未出现角度畸形的平面。

进一步，五自由度矫治需求能够分为3个转动自由度与2个移动自由度的组合或者2个转动自由度与3个移动自由度的组合，并联外固定器系统能够根据矫治自由度的实际需求，选择4条六自由度驱动杆与1条五自由度约束力驱动杆以形成三转两移并联外固定器，或选择4条六自由度驱动杆与1条五自由度约束力偶驱动杆以形成两转三移并联外固定器，由此，该并联外固定器系统具有可重构属性。

与现有技术相比本发明的有益效果是：该外固定器系统只针对足踝畸形存在五自由度矫治需求的情况，外固定器的驱动器数目正好满足畸形的矫治自由度需求，而不产生自由度冗余；并联外固定器构型精度高，具有确定的运动学解析，能够提供精确的每日处方；当矫治自由度需求为2个转动自由度与3个移动自由度的组合时，根据出现角度畸形的平面合理的布置五自由度约束力偶驱动杆，能够适应广泛的畸形病症。

附图说明

图1是并联外固定器系统的参照环组件；

图2是并联外固定器系统的牵引环组件；

图3是并联外固定器系统的五自由度约束力驱动杆；

图4是并联外固定器系统的五自由度约束力偶驱动杆；

图5是并联外固定器系统的第一六自由度驱动杆和第二六自由度驱动杆；

图6是并联外固定器系统的第三六自由度驱动杆和第四六自由度驱动杆；

图7是并联外固定器系统用于矫治胫骨远端后弓-外翻畸形时的构型示意图；

图8是并联外固定器系统用于踝关节融合前马蹄-内翻畸形时的构型示意图；

图9是并联外固定器系统用于踝关节融合前内翻-内旋畸形时的构型示意图；

图10是并联外固定器系统用于矫治踝关节马蹄挛缩时的构型示意图；

图11是并联外固定器系统用于矫治前中足高弓-内收-旋后畸形时的构型示意图；

图12是并联外固定器系统用于矫治后足高弓-内翻畸形时的构型示意图；

图13是并联外固定器系统用于矫治前中足高弓-内收-旋后以及后足高弓-内翻多体段畸形时的构型示意图；

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所做的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

参图1至图13所示，图1是并联外固定器系统的参照环组件，图2是并联外固定器系统的牵引环组件，图3是并联外固定器系统的五自由度约束力驱动杆，图4是并联外固定器系统的五自由度约束力偶驱动杆，图5是并联外固定器系统的第一六自由度驱动杆和第二六自由度驱动杆，图6是并联外固定器系统的第三六自由度驱动杆和第四六自由度驱动杆，图7是并联外固定器系统用于矫治胫骨远端后弓-外翻畸形时的构型示意图，图8是并联外固定器系统用于踝关节融合前马蹄-内翻畸形时的构型示意图，图9是并联外固定器系统用于踝关节融合前内翻-内旋畸形时的构型示意图，图10是并联外固定器系统用于矫治踝关节马蹄挛缩时的构型示意图，图11是并联外固定器系统用于矫治前中足高弓-内收-旋后畸形时的构型示意图，图12是并联外固定器系统用于矫治后足高弓-内翻畸形时的构型示意图，图13是并联外固定器系统用于矫治前中足高弓-内收-旋后以及后足高弓-内翻多体段畸形时的构型示意图。

本实施例提供了一种用于存在五自由度矫治需求的足踝畸形的并联外固定器系统，参图1～图13所示，该并联外固定器包括参照环组件、牵引环组件和驱动杆组件，参照环组件包括六边形参照环1、水平U型参照环2和竖直U型参照环3，牵引环组件包括大六边形牵引环4、小六边形牵引环5和U型牵引环6，驱动杆组件包括4条六自由度驱动杆、1条五自由度约束力驱动杆7和1条五自由度约束力偶驱动杆8，4条六自由度驱动杆包括第一六自由度驱动杆9、第二六自由度驱动杆10、第三六自由度驱动杆11和第四六自由度驱动杆12。

本实施例中，参图3所示，所述五自由度约束力驱动杆7包括五自由度约束力驱动杆球副转轴13、五自由度约束力驱动杆球副上U型架14、五自由度约束力驱动杆球副十字轴15、五自由度约束力驱动杆球副下U型架16、五自由度约束力驱动杆移动副外壳17、五自由度约束力驱动杆移动副调节螺母18、五自由度约束力驱动杆移动副丝杠19、五自由度约束力驱动杆转动副U型架20、五自由度约束力驱动杆转动副旋转轴21和五自由度约束力驱动杆转动副连接块22，所述五自由度约束力驱动杆球副转轴13、五自由度约束力驱动杆球副上U型架14、五自由度约束力驱动杆球副十字轴15与五自由度约束力驱动杆球副下U型架16共同构成五自由度约束力驱动杆球副S1，所述五自由度约束力驱动杆移动副外壳17、五自由度约束力驱动杆移动副调节螺母18与五自由度约束力驱动杆移动副丝杠19共同构成五自由度约束力驱动杆移动副P1，所述五自由度约束力驱动杆转动副U型架20、五自由度约束力驱动杆转动副旋转轴21和五自由度约束力驱动杆转动副连接块22共同构成五自由度约束力驱动杆转动副R1。

本实施例中，参图4所示，所述五自由度约束力偶驱动杆8包括五自由度约束力偶驱动杆第一转动副R2、五自由度约束力偶驱动杆移动副P2、五自由度约束力偶驱动杆虎克副U1和五自由度约束力偶驱动杆第二转动副R3，在所述五自由度约束力偶驱动杆第一转动副R2中，五自由度约束力偶驱动杆第一转动副连接块23与五自由度约束力偶驱动杆第一转动副U型架24通过五自由度约束力偶驱动杆第一转动副旋转轴25进行连接，在所述五自由度约束力偶驱动杆移动副P2中，五自由度约束力偶驱动杆移动副丝杠26通过五自由度约束力偶驱动杆移动副调节螺母27的调节相对于五自由度约束力偶驱动杆移动副外壳28实现伸长与缩短，在所述五自由度约束力偶驱动杆虎克副U1中，五自由度约束力偶驱动杆虎克副U型架29与五自由度约束力偶驱动杆长架30通过五自由度约束力偶驱动杆虎克副T型轴31进行连接，在所述五自由度约束力偶驱动杆第二转动副R3中，五自由度约束力偶驱动杆长架30通过五自由度约束力偶驱动杆第二转动副旋转轴32与五自由度约束力偶驱动杆第二转动副连接块33进行连接。

本实施例中，参图5所示，所述第一六自由度驱动杆8包括第一六自由度驱动杆虎克副上U型架34、第一六自由度驱动杆虎克副十字轴35、第一六自由度驱动杆虎克副下U型架36、第一六自由度驱动杆移动副外壳37、第一六自由度驱动杆移动副调节螺母38、第一六自由度驱动杆移动副丝杠39、第一六自由度驱动杆球副上U型架40、第一六自由度驱动杆球副十字轴41、第一六自由度驱动杆球副下U型架42和第一六自由度驱动杆球副旋转轴43，所述第一六自由度驱动杆虎克副上U型架34与第一六自由度驱动杆虎克副下U型架36通过第一六自由度驱动杆虎克副十字轴35进行连接，共同构成第一六自由度驱动杆虎克副U2，所述第一六自由度驱动杆移动副丝杠39通过第一六自由度驱动杆移动副调节螺母38的调节相对于第一六自由度驱动杆移动副外壳37实现伸长与缩短，进而改变第一六自由度驱动杆移动副P3的长度，所述第一六自由度驱动杆球副上U型架40、第一六自由度驱动杆球副十字轴41、第一六自由度驱动杆球副下U型架42与第一六自由度驱动杆球副旋转轴43共同构成第一六自由度驱动杆球副S2。

本实施例中，参图5所示，所述第二六自由度驱动杆10包括第二六自由度驱动杆虎克副U3、第二六自由度驱动杆移动副P4、第二六自由度驱动杆球副S3、第二六自由度驱动杆虎克副上U型架44、第二六自由度驱动杆虎克副十字轴45、第二六自由度驱动杆虎克副下U型架46、第二六自由度驱动杆移动副外壳47、第二六自由度驱动杆移动副调节螺母48、第二六自由度驱动杆移动副丝杠49、第二六自由度驱动杆球副上U型架50、第二六自由度驱动杆球副十字轴51、第二六自由度驱动杆球副下U型架52和第二六自由度驱动杆球副旋转轴53，由于所述第一六自由度驱动杆9和第二六自由度驱动杆10的连接方式完全相同，因此，所述第二六自由度驱动杆10的连接方式未进行重复描述。

本实施例中，参图6所示，所述第三六自由度驱动杆11包括第三六自由度驱动杆虎克副U4、第三六自由度驱动杆移动副P5、第三六自由度驱动杆球副S4、第三六自由度驱动杆虎克副上U型架54、第三六自由度驱动杆虎克副十字轴55、第三六自由度驱动杆虎克副下U型架56、第三六自由度驱动杆移动副外壳57、第三六自由度驱动杆移动副调节螺母58、第三六自由度驱动杆移动副丝杠59、第三六自由度驱动杆球副上U型架60、第三六自由度驱动杆球副十字轴61、第三六自由度驱动杆球副下U型架62和第三六自由度驱动杆球副旋转轴63，所述第四六自由度驱动杆12包括第四六自由度驱动杆虎克副U5、第四六自由度驱动杆移动副P6、第四六自由度驱动杆球副S5、第四六自由度驱动杆虎克副上U型架64、第四六自由度驱动杆虎克副十字轴65、第四六自由度驱动杆虎克副下U型架66、第四六自由度驱动杆移动副外壳67、第四六自由度驱动杆移动副调节螺母68、第四六自由度驱动杆移动副丝杠69、第四六自由度驱动杆球副上U型架70、第四六自由度驱动杆球副十字轴71、第四六自由度驱动杆球副下U型架72和第四六自由度驱动杆球副旋转轴73，由于所述第三六自由度驱动杆11与第四六自由度驱动杆12和第一六自由度驱动杆9的连接方式完全相同，因此，所述第三六自由度驱动杆11与第四六自由度驱动杆12的连接方式未进行重复描述。

本实施例中，参图7所示，为并联外固定器系统用于矫治胫骨远端后弓-外翻畸形时使用的构型，包括六边形参照环1、五自由度约束力偶驱动杆8、第一六自由度驱动杆9、第二六自由度驱动杆10、第三六自由度驱动杆11、第四六自由度驱动杆12和大六边形牵引环4，六边形参照环1与大六边形牵引环4通过骨针74与人体骨骼进行连接。

本实施例中，参图8所示，为并联外固定器系统用于踝关节融合前马蹄-内翻畸形时使用的构型，包括六边形参照环1、五自由度约束力偶驱动杆8、第一六自由度驱动杆9、第二六自由度驱动杆10、第三六自由度驱动杆11、第四六自由度驱动杆12和大六边形牵引环4，六边形参照环1与大六边形牵引环4通过骨针74与人体骨骼进行连接。

本实施例中，参图9所示，为并联外固定器系统用于踝关节融合前内翻-内旋畸形时使用的构型，包括六边形参照环1、五自由度约束力偶驱动杆8、第一六自由度驱动杆9、第二六自由度驱动杆10、第三六自由度驱动杆11、第四六自由度驱动杆12和大六边形牵引环4，六边形参照环1与大六边形牵引环4通过骨针74与人体骨骼进行连接。

本实施例中，参图10所示，为并联外固定器系统用于矫治踝关节马蹄挛缩时使用的构型，包括六边形参照环1、五自由度约束力驱动杆7、第一六自由度驱动杆9、第二六自由度驱动杆10、第三六自由度驱动杆11、第四六自由度驱动杆12和U型牵引环6，六边形参照环1与U型牵引环6通过骨针74与人体骨骼进行连接。

本实施例中，参图11所示，为并联外固定器系统用于矫治前中足高弓-内收-旋后畸形时使用的构型，包括水平U型参照环2、竖直U型参照环3、五自由度约束力驱动杆7、第一六自由度驱动杆9、第二六自由度驱动杆10、第三六自由度驱动杆11、第四六自由度驱动杆12和大六边形牵引环4，水平U型参照环2、竖直U型参照环3与大六边形牵引环4通过骨针74与人体骨骼进行连接。

本实施例中，参图12所示，为并联外固定器系统用于矫治后足高弓-内翻畸形时使用的构型，包括水平U型参照环2、竖直U型参照环3、五自由度约束力驱动杆7、第一六自由度驱动杆9、第二六自由度驱动杆10、第三六自由度驱动杆11、第四六自由度驱动杆12和小六边形牵引环5，水平U型参照环2、竖直U型参照环3与小六边形牵引环5通过骨针74与人体骨骼进行连接。

本实施例中，参图13所示，为并联外固定器系统用于矫治前中足高弓-内收-旋后以及后足高弓-内翻多体段畸形时使用的构型，包括水平U型参照环2、竖直U型参照环3、五自由度约束力驱动杆7、第一六自由度驱动杆9、第二六自由度驱动杆10、第三六自由度驱动杆11、第四六自由度驱动杆12和大六边形牵引环4和小六边形牵引环5，水平U型参照环2、竖直U型参照环3、大六边形牵引环4与小六边形牵引环5通过骨针74与人体骨骼进行连接。

本发明提供一种用于存在五自由度矫治需求的足踝畸形的并联外固定器系统，具有如下有益效果：

1)该并联外固定器系统引入两种新型并联外固定器构型，专门用于足踝畸形存在五自由度矫治需求的情况。

2)该并联外固定器系统解决了现有并联外固定器在矫治此类型畸形时存在的矫治自由度冗余的缺点，有效降低了矫治成本。

3)该并联外固定器系统具有可重构属性，通过选择五自由度约束力驱动杆或五自由度约束力偶驱动杆来搭配4条六自由度驱动杆，能够得到三转两移与两转三移类并联外固定器。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (3)

1.一种用于存在五自由度矫治需求的足踝畸形的并联外固定器系统，其特征在于：该并联外固定器系统包括参照环组件、牵引环组件和驱动杆组件，驱动杆组件包括4条六自由度驱动杆、1条五自由度约束力驱动杆和1条五自由度约束力偶驱动杆；

参照环组件与牵引环组件通过骨针与足踝体段进行连接，驱动杆组件以并联的方式连接参照环组件与牵引环组件，在驱动杆组件的协同运动下，带动牵引环组件相对于参照环组件进行运动，进而完成矫治操作；

参照环组件包括六边形参照环、水平U型参照环和竖直U型参照环；

牵引环组件作为外固定器的运动末端，包括大六边形牵引环、小六边形牵引环和U型牵引环，能够适应足踝部位不同体段的尺寸差异；

4条六自由度驱动杆包括第一六自由度驱动杆、第二六自由度驱动杆、第三六自由度驱动杆和第四六自由度驱动杆，其运动副设置均为六自由度驱动杆虎克副、六自由度驱动杆移动副与六自由度驱动杆球副的顺次连接，六自由度驱动杆虎克副通过螺钉与参照环组件固定连接，六自由度驱动杆球副与牵引环组件连接；

五自由度约束力驱动杆的运动副设置为五自由度约束力驱动杆球副、五自由度约束力驱动杆移动副与五自由度约束力驱动杆转动副的顺次连接，五自由度约束力驱动杆球副与参照环组件连接，五自由度约束力驱动杆转动副通过螺钉与牵引环组件固定连接；

五自由度约束力驱动杆转动副的转动轴线垂直于牵引环组件的矢状面，施加给牵引环组件一个作用于五自由度约束力驱动杆球副，方向沿五自由度约束力驱动杆转动副的约束力，使牵引环组件只能完成自身矢状面内的移动运动；

五自由度约束力偶驱动杆的运动副设置为五自由度约束力偶驱动杆第一转动副、五自由度约束力偶驱动杆移动副、五自由度约束力偶驱动杆虎克副与五自由度约束力偶驱动杆第二转动副的顺次连接，五自由度约束力偶驱动杆第一转动副与五自由度约束力偶驱动杆第二转动副能够根据需要通过螺钉与参照环组件或牵引环组件固定连接；

五自由度约束力偶驱动杆虎克副的两条转动轴线分别与五自由度约束力偶驱动杆第一转动副以及五自由度约束力偶驱动杆第二转动副的转动轴线平行，五自由度约束力偶驱动杆施加给牵引环组件一个方向垂直于五自由度约束力偶驱动杆虎克副的两条转动轴线所组成的平面的约束力偶，能够限制牵引环组件沿此方向的转动运动，由此，在外固定器安装时，根据足踝畸形中角度畸形出现的具体平面，对五自由度约束力偶驱动杆虎克副进行合理的布置，使其约束力偶的方向垂直于未出现角度畸形的平面；

五自由度矫治需求能够分为3个转动自由度与2个移动自由度的组合或者2个转动自由度与3个移动自由度的组合，并联外固定器系统选择4条六自由度驱动杆与1条五自由度约束力驱动杆以形成三转两移并联外固定器，或选择4条六自由度驱动杆与1条五自由度约束力偶驱动杆以形成两转三移并联外固定器。

2.根据权利要求1所述的一种用于存在五自由度矫治需求的足踝畸形的并联外固定器系统，其特征在于：参照环组件、牵引环组件和驱动杆组件上配置有方形定位槽或方形定位销，以使参照环组件与牵引环组件相对于驱动杆组件，以及驱动杆组件的运动副之间能够按照预期的位置进行安装，进而在牵引环组件的预期平面上施加运动约束。

3.根据权利要求1所述的一种用于存在五自由度矫治需求的足踝畸形的并联外固定器系统，其特征在于：当足踝部位的多个体段存在畸形时，能够通过并行或串行连接2个或多个并联外固定器来满足矫治需求，当两个并联外固定器串联时，参照环组件与牵引环组件能够通过螺钉固定连接。

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