CN113616394A - 一种三功能轴可调的膝关节假肢 - Google Patents

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Abstract

一种三功能轴可调的膝关节假肢属医疗康复器械技术领域，本发明由大腿部件、连接件、小腿部件、液压缸、假腿和假脚组成，拥有触地弯曲轴、虚拟锁定轴和膝关节主轴三个功能轴。其中虚拟锁定轴结构保证触地初期自锁以保持身体稳定和摆动期解锁以使膝关节顺利弯曲；触地弯曲轴结构减小地反力对膝关节的冲击；膝关节主轴配合液压缸完成人体行走运动膝关节的屈曲和伸展。三个功能轴相互配合，使膝关节假肢更加贴合正常人体的运动状态；根据不同的截肢患者拥有不同的运动特征，调节触地弯曲轴和虚拟锁定轴的位置，可以更好地适应每个患者的运动习惯，从而实现更稳定更舒适的运动效果。

Description

一种三功能轴可调的膝关节假肢
技术领域
本发明属医疗康复器械技术领域，具体涉及一种三功能轴可调的膝关节假肢。
背景技术
人体平地行走步态周期大概分为五个子阶段：触地弯曲期、触地伸展期、预摆动期、摆动屈曲期、摆动伸展期。在触地弯曲期的阶段，此时足跟与地面接触，从而产生膝关节的屈曲力矩。该屈曲力矩将会造成膝关节假肢的折弯，导致摔倒。所以膝关节假肢触地弯曲阶段不能过度弯曲，以保持稳定。现有单中心膝主轴功能结构包含手动解锁型、承重自锁型和过度伸展控制型三种主要结构。手动解锁型使膝关节假肢一直处于伸直锁紧状态，其保证了触地弯曲阶段的稳定性，但是使得预摆动期的膝关节无法弯曲，增加绊倒的风险性。承重自锁型在触地弯曲阶段利用患者自重，产生较大的摩擦力阻碍膝关节假肢弯曲以达到自锁的效果；在摆动阶段，假肢不承受患者自重，不产生摩擦从而达到解锁的效果。但制动元件会随着运动次数而磨损。磨损使得摩擦元件不能产生足够的制动力矩，导致膝关节产生不必要屈曲，且仅依靠自身重力不能保证每次都能够达到足够的摩擦力实现自锁。过度伸展控制型在前几个步态子阶段都是处于弯曲锁定状态，直至产生一个过度伸展的运动才可以解锁弯曲，因此解锁膝关节时间会有延迟，使用者需要多次训练，逐渐适应过度伸展解锁结构的运动方式和解锁时间点。针对以上这些问题，本发明设计了一种新型的可调三功能轴膝关节假肢结构，既能在触地初期实现弯曲自锁，保持稳定，又不影响伸展时的运动效果。
发明内容
本发明的目的是为了提高截肢患者运动稳定性和运动自然性，设计了一款基于连杆滑块机构的可调“三功能轴”膝关节假肢，能够实现触地期承重弯曲自锁，保持关节稳定性，并且推动身体向前运动；在触地期弯曲期吸收足跟触地产生的冲击，减少全身重心竖直位移；在预摆动期弯曲产生足够的足底与地面的间隙；在摆动期弯曲和伸展使小腿和足部向前平稳地摆动，为下一次触地做好准备。设计可以调节功能轴位置，能够根据截肢者运动特征进行选择合适功能轴的位置，以达到最佳的运动效果。
发明的一种三功能轴可调的膝关节假肢，由大腿部件A、连接件B、小腿部件C、液压缸1、假腿2和假脚3组成，其中大腿部件A、连接件B、小腿部件C、假腿2和假脚3自上而下顺序排列，液压缸1位于大腿部件A、连接件B和小腿部件C的后面。
连接件B的孔座Ⅳ40与大腿部件A的横孔Ⅰ19通过螺钉对Ⅰ10活动连接；连接件B中锁定杆44的孔对47与小腿部件C中基座J的前板53上端转动连接；连接件B的孔座Ⅰ38与小腿部件C上端右板51、左板52通过连接件B的螺栓对39转动连接；液压缸1下端由小腿部件C的螺钉对48穿过小腿部件C的孔对50固接；液压缸1上端的活塞杆经销轴与大腿部件A的横孔对Ⅱ20活动连接；假脚部件D上端固接于小腿部件C中底座49的下面。
所述的大腿部件A由上部D、螺钉对板E调节器F、下部G、弹簧组件ⅠH、弹簧组件ⅡI和螺钉对Ⅰ10组成，其中上部D由顶板4、立板对5、后叉板Ⅰ7和后叉板Ⅱ8组成，立板对5固接于顶板4的中部下面，后叉板Ⅰ7固接于顶板4后面右侧，后叉板Ⅱ8固接于顶板4后面左侧；立板对5下部设有横孔对Ⅰ6；螺钉对板E为u形板9、螺钉对Ⅰ10和纵孔对11组成，螺钉对Ⅰ10设于u形板9的左右两侧，纵孔对11的两个孔设于u形板9的后端左右两边；螺钉对板E的u形板9经螺钉对Ⅰ10固接于上部D的立板对5的前面；调节器F由后座12、丝杠13、滑块14和旋钮15组成，丝杠13后端与后座12活动连接，丝杠13中部与滑块14中心螺纹连接，丝杠13前端与旋钮15固接。下部G由框架16、右光杆17、左光杆18、横孔Ⅰ19、横孔对Ⅱ20、孔座Ⅰ21、孔座Ⅱ22、后板23组成，横孔对Ⅰ19设于框架16下部偏上；横孔对Ⅱ20设于框架16下部偏后；右光杆17固接于框架16右侧上部；左光杆18固接于框架16左侧上部；孔座Ⅰ21固接于框架16右后中部；孔座Ⅱ22固接于框架16左后中部；后板23固接于框架16后上部；弹簧组件ⅠH由上螺钉Ⅰ24、左弹簧25和下螺钉Ⅰ26组成，左弹簧25上端固接于上螺钉Ⅰ2224下端，左弹簧25下端固接于下螺钉Ⅰ26上端。弹簧组件ⅡI由上螺钉Ⅱ27、右弹簧28和下螺钉Ⅱ29组成，右弹簧28上端固接于上螺钉Ⅱ27下端，右弹簧28下端固接于下螺钉Ⅱ29上端；调节器ⅠF的后座12固接于下部G的后板23前面，调节器ⅠF的旋钮15位于下部G的框架16前面；调节器ⅠF的滑块14经螺丝固接于螺钉对板E的纵孔对11；弹簧组件ⅠH上端经上螺钉Ⅰ24与上部D的后叉板Ⅰ7固接，弹簧组件ⅠH下端经下螺钉Ⅰ26与下部G的孔座Ⅰ21固接；弹簧组件ⅡI上端经上螺钉Ⅱ27与上部D的后叉板Ⅱ8固接，弹簧组件ⅡI下端经下螺钉Ⅱ29与下部G的孔座Ⅱ22固接。
所述的连接件B由上挡板30、侧板对31、限位杆33、连接杆34、调节旋钮35、弹簧36、连接侧板37、螺栓对39、连接前板41、螺钉对Ⅱ43、锁定杆44、自锁横杆45组成，上挡板30为框架结构，固接于侧板对31上面，侧板对31后部设有侧孔对32；连接侧板37为框架结构，连接侧板37上部前面设有孔座Ⅴ42；连接侧板37后部上端设有孔座Ⅳ40；连接侧板37后下部设有孔对a38；自锁横杆45固接于锁定杆44上端孔对b46中；锁定杆44下端设有孔对c47；限位杆33的上部分别与锁定杆44的中部和连接侧板37的孔座Ⅴ42铰接；调节旋钮35设有中心孔，调节旋钮35与弹簧36 前端固接，连接杆34自前向后穿过调节旋钮35和弹簧36，与连接前板41螺纹连接。
所述的小腿部件C由基座J、右调节器K、左调节器L、中座M、下挡板N和螺钉对Ⅱ48组成，其中，基座J、中座M和下挡板N和螺钉对Ⅱ48组成，基座J由底座49、右板51、左板52和前板53组成，左板52和右板51分别固接于底座49上端后部左右两边；前板53固接于底座49上端前部；底座49近上端设有上孔对54；底座49近下端设有前部前孔对55；底座49近下端后部设有下孔对50；右调节器K由旋钮Ⅰ56、前套Ⅰ57、丝杠Ⅰ58、滑块Ⅰ59和后座Ⅰ60组成，丝杠Ⅰ58前端固接旋钮Ⅰ56，前套Ⅰ57与丝杠Ⅰ58近前端活动连接；后座Ⅰ60中心与丝杠Ⅰ58后端活动连接；滑块Ⅰ59中心与丝杠Ⅰ58中部螺纹连接。左调节器L由旋钮Ⅱ61、前套Ⅱ62、丝杠Ⅱ63、滑块Ⅱ64、后座Ⅱ65组成，丝杠Ⅱ63前端固接旋钮Ⅱ61，前套Ⅱ62与丝杠Ⅱ63近前端活动连接；后座Ⅱ65中心与丝杠Ⅱ63后端活动连接；滑块Ⅱ64中心与丝杠Ⅱ63中部螺纹连接；左调节器L位于基座J中左板52和前板53之间，其中左调节器L的后座Ⅰ60与基座J的左板52前面固接，左调节器L的前套Ⅱ62与基座J中前板53的左孔固接；右调节器K位于基座J中右板51和前板53之间，其中右调节器K的后座Ⅱ65与基座J的右板51前面固接，右调节器K的前套Ⅰ57与基座J中前板53的右孔固接。中座M由左孔板66、倒T形基板67和右孔板69组成，左孔板67和右孔板69左右对称固接于倒T形基板67后面；倒T形基板66上端设有孔座68；中座M的左孔板67与左调节器L的滑块Ⅱ64前后面固接；中座M的右孔板69与右调节器K的滑块Ⅰ59后前面固接。下挡板N为空心壳体70，空心壳体70近上端设有挡板上孔对71，空心壳体70近下端前部设有挡板下孔对72，空心壳体70近下端后部设有挡板后孔对73；下挡板N套于基座J的底座49，下挡板N的近下端经螺钉对Ⅱ48与基座J的底座49固接。
本发明通过使用三功能轴结构使膝关节假肢的摆动更趋向正常人的行走的步态特征。在站立屈曲期，由于足跟触地产生的地反力产生的弯矩使得虚拟锁定轴旋转，闩锁结构紧紧贴合，膝关节主轴无法大角度转动，避免假肢弯折，同时此地反力使触地弯曲轴产生弯曲，由于触地弯曲轴结构处的弹簧刚度很大，所以弯曲角度只有15°左右，可以减缓触地的冲击。到站立伸展阶段，施加在假肢上的重量转移至对侧腿或者地反力前移，触地弯曲轴结构的弹簧等复位元件产生力矩使膝关节伸展。在预摆动期，需对接下来的摆动相做准备，则需利用脚尖离地产生的地反力产生的弯矩使得虚拟锁定轴旋转，闩锁结构打开，解锁膝关节主轴，使膝关节顺利地完成转动。在摆动相阶段，膝关节主轴开始旋转,配合液压缸被动输出的阻尼力，使得膝关节假肢贴合健康人体行走弯曲的运动状态。
本发明的触地弯曲轴结构和基于连杆滑块机构的虚拟锁定轴结构设计为可调节其旋转中心的结构，可适应不同截肢患者的运动特征。
本发明的功能轴之间相互配合能实现最佳的运动效果，虚拟锁定轴结构能保证触地初期自锁，保持身体稳定；触地弯曲轴结构能减小地反力对膝关节的冲击；膝关节主轴配合液压缸能完成人体行走运动膝关节的屈曲和伸展，并且可通过调节“三功能轴”的位置，适应不同截肢患者的运动特征。
附图说明
图1为三功能轴可调的膝关节假肢的立体图；
图2为本发明的结构分解图；
图3为本发明的外观立体图；
图4为本发明的主视图；
图5为本发明的左视图；
图6为大腿部件的结构分解图；
图7为大腿部件中上部的外观立体图；
图8为螺钉对板的立体图；
图9为调节器的立体图；
图10为大腿部件中下部的外观立体图；
图11为触地弯曲轴结构中的弹簧组件；
图12为触地弯曲轴结构中的弹簧组件；
图13为连接件的结构分解图；
图14为小腿部件的结构分解图；
图15为小腿部件中的基座结构图；
图16为虚拟锁定轴旋转中心的调节器结构图；
图17为虚拟锁定轴旋转中心的调节器结构图；
图18为小腿部件中中座的示意图；
图19为小腿部件中下挡板示意图；
图20为步态行走周期阶段示意图；
图21为单个稳定性功能轴和双稳定功能轴不稳定区域对比图；
图22为图1中足跟触地使虚拟锁定轴结构锁定状态图；
图23为足跟触地使虚拟锁定轴结构锁定状态局部放大图；
图24为基于连杆滑块机构的虚拟锁定轴锁定过程结构示意图；
图25为触地弯曲轴未工作状态下结构示意图；
图26为触地弯曲轴工作状态下结构示意图；
图27为图1中a-a,脚尖离地使虚拟锁定轴结构解锁状态图；
图28为脚尖离地使虚拟锁定轴解锁结构状态局部放大图；
图29为基于连杆滑块机构的虚拟锁定轴解锁过程结构示意图；
图30为液压缸对膝关节主轴作用示意图；
图31为本发明触地弯曲轴的旋转中心调节示意图；
图32为本发明虚拟锁定轴的旋转中心调节示意图；
其中：A.大腿部件 B.连接件 C.小腿部件 D.上部 E.螺钉对板 F.调节器G.下部 H.弹簧组件 I.弹簧组件Ⅱ J.基座 K.右调节器 L.左调节器 M.中座 N.下挡板 1.液压缸 2.假腿 3.假脚 4.顶板 5.立板对 6.横孔对Ⅰ 7.后叉板Ⅰ 8.后叉板Ⅱ 9.u形板 10.螺钉对Ⅰ 11.纵孔对 12.后座 13.丝杠 14.滑块 15.旋钮16.框架 17.右光杆 18.左光杆 19.横孔Ⅰ 20.横孔对Ⅱ 21.孔座Ⅰ 22.孔座Ⅱ23.后板 24.上螺钉Ⅰ 25.左弹簧 26.下螺钉Ⅰ 27.上螺钉Ⅱ 28.右弹簧 29.下螺钉Ⅱ 30.上挡板 31.侧板对 32.侧孔对 33.限位杆 34.连接杆 35.调节旋钮 36.弹簧 37.连接侧板 38.孔对a 39.螺栓对 40.孔座Ⅳ 41.连接前板 42.孔座Ⅴ 43.螺钉对Ⅱ 44.锁定杆 45.自锁横杆 46.孔对b 47.孔对c 48.螺钉对Ⅱ 49.底座50.下孔对 51.右板 52.左板 53.前板 54.上孔对 55.前孔对 56.旋钮Ⅰ 57.前套Ⅰ 58.丝杠Ⅰ 59.滑块Ⅰ 60.后座Ⅰ 61.旋钮Ⅱ 62.前套Ⅱ 63.丝杠Ⅱ 64.滑块Ⅱ65.后座Ⅱ 66.左孔板 67.倒T形基板 68.基板孔座 69.右孔板 70.空心壳体 71.挡板上孔对 72.挡板前孔对 73.挡板后孔对。
具体实施方式
如图1至图5所示，本发明的一种三功能轴可调膝关节假肢，由大腿部件A、连接件B、小腿部件C、液压缸1、假腿2和假脚3组成，其中大腿部件A、连接件B、小腿部件C、假腿2和假脚3自上而下顺序排列，液压缸1位于大腿部件A、连接件B和小腿部件C的后面。连接件B的孔座Ⅳ40与大腿部件A的横孔Ⅰ19通过螺钉对Ⅰ10活动连接；连接件B中锁定杆44的孔对47与小腿部件C中基座J的前板53上端转动连接；连接件B的孔座Ⅰ38与小腿部件C上端右板51、左板52通过连接件B的螺栓对39转动连接；液压缸1下端由小腿部件C的螺钉对48穿过小腿部件C 的孔对50固接；液压缸1上端的活塞杆经销轴与大腿部件A的横孔对Ⅱ20活动连接；假脚部件D上端固接于小腿部件C中底座49的下面。
如图6到图11所示，所述的大腿部件A由上部D、螺钉对板E 调节器F、下部G、弹簧组件ⅠH、弹簧组件ⅡI和螺钉对Ⅰ10组成，其中上部D由顶板4、立板对5、后叉板Ⅰ7和后叉板Ⅱ8组成，立板对5固接于顶板4的中部下面，后叉板Ⅰ7固接于顶板4后面右侧，后叉板Ⅱ8固接于顶板4后面左侧；立板对5下部设有横孔对Ⅰ6；螺钉对板E为u形板9、螺钉对Ⅰ10和纵孔对11组成，螺钉对Ⅰ10设于u形板9的左右两侧，纵孔对11的两个孔设于u形板9的后端左右两边；螺钉对板E的u形板9经螺钉对Ⅰ10固接于上部D的立板对5的前面；调节器F由后座12、丝杠13、滑块14和旋钮15组成，丝杠13后端与后座12活动连接，丝杠13中部与滑块14中心螺纹连接，丝杠13前端与旋钮15固接；下部G由框架16、右光杆17、左光杆18、横孔Ⅰ19、横孔对Ⅱ20、孔座Ⅰ21、孔座Ⅱ22、后板23组成，横孔对Ⅰ19设于框架16下部偏上；横孔对Ⅱ20设于框架16下部偏后；右光杆17固接于框架16右侧上部；左光杆18固接于框架16左侧上部；孔座Ⅰ21固接于框架16右后中部；孔座Ⅱ22固接于框架16左后中部；后板23固接于框架16后上部；弹簧组件ⅠH由上螺钉Ⅰ24、左弹簧25和下螺钉Ⅰ26组成，左弹簧25上端固接于上螺钉Ⅰ2224下端，左弹簧25下端固接于下螺钉Ⅰ26上端；弹簧组件ⅡI由上螺钉Ⅱ27、右弹簧28和下螺钉Ⅱ29组成，右弹簧28上端固接于上螺钉Ⅱ27下端，右弹簧28下端固接于下螺钉Ⅱ29上端；调节器ⅠF的后座12固接于下部G的后板23前面，调节器ⅠF的旋钮15位于下部G的框架16前面；调节器ⅠF的滑块14经螺丝固接于螺钉对板E的纵孔对11；弹簧组件ⅠH上端经上螺钉Ⅰ24与上部D的后叉板Ⅰ7固接，弹簧组件ⅠH下端经下螺钉Ⅰ26与下部G的孔座Ⅰ21固接；弹簧组件ⅡI上端经上螺钉Ⅱ27与上部D的后叉板Ⅱ8固接，弹簧组件ⅡI下端经下螺钉Ⅱ29与下部G的孔座Ⅱ22固接。螺钉对Ⅰ10为触地弯曲轴的旋转中心，大腿部件A可绕螺钉对Ⅰ10做轻微旋转运动，约15°左右。
如图12所示，所述的连接件B由上挡板30、侧板对31、限位杆33、连接杆34、调节旋钮35、弹簧36、连接侧板37、螺栓对39、连接前板41、螺钉对Ⅱ43、锁定杆44、自锁横杆45组成，上挡板30为框架结构，固接于侧板对31上面，侧板对31后部设有侧孔对32；连接侧板37为框架结构，连接侧板37上部前面设有孔座Ⅴ42；连接侧板37后部上端设有孔座Ⅳ40；连接侧板37后下部设有孔对a38；自锁横杆45固接于锁定杆44上端孔对b46中；锁定杆44下端设有孔对c47；限位杆33的上部分别与锁定杆44的中部和连接侧板37的孔座Ⅴ42铰接；调节旋钮35设有中心孔，调节旋钮35与弹簧36前端固接，连接杆34自前向后穿过调节旋钮35和弹簧36，与连接前板41螺纹连接。孔座Ⅳ40为膝关节主轴的旋转中心，配合液压缸1被动输出的阻尼力实现假肢的自然弯曲和伸展。
如图13至图18所示，所述的小腿部件C由基座J、右调节器K、左调节器L、中座M、下挡板N和螺钉对Ⅱ48组成，其中，基座J、中座M和下挡板N和螺钉对Ⅱ48组成，基座J由底座49、右板51、左板52和前板53组成，左板52和右板51分别固接于底座49上端后部左右两边；前板53固接于底座49上端前部；底座49近上端设有上孔对54；底座49近下端设有前部前孔对55；底座49近下端后部设有下孔对50；右调节器K由旋钮Ⅰ56、前套Ⅰ57、丝杠Ⅰ58、滑块Ⅰ59和后座Ⅰ60组成，丝杠Ⅰ58前端固接旋钮Ⅰ56，前套Ⅰ57与丝杠Ⅰ58近前端活动连接；后座Ⅰ60中心与丝杠Ⅰ58后端活动连接；滑块Ⅰ59中心与丝杠Ⅰ58中部螺纹连接。
左调节器L由旋钮Ⅱ61、前套Ⅱ62、丝杠Ⅱ63、滑块Ⅱ64、后座Ⅱ65组成，丝杠Ⅱ63前端固接旋钮Ⅱ61，前套Ⅱ62与丝杠Ⅱ63近前端活动连接；后座Ⅱ65中心与丝杠Ⅱ63后端活动连接；滑块Ⅱ64中心与丝杠Ⅱ63中部螺纹连接；左调节器L位于基座J中左板52和前板53之间，其中左调节器L的后座Ⅰ60与基座J的左板52前面固接，左调节器L的前套Ⅱ62与基座J中前板53的左孔固接；右调节器K位于基座J中右板51和前板53之间，其中右调节器K的后座Ⅱ65与基座J的右板51前面固接，右调节器K的前套Ⅰ57与基座J中前板53的右孔固接。
中座M由左孔板66、倒T形基板67和右孔板69组成，左孔板67和右孔板69左右对称固接于倒T形基板67后面；倒T形基板66上端设有孔座68；中座M的左孔板67与左调节器L的滑块Ⅱ64前后面固接；
中座M的右孔板69与右调节器K的滑块Ⅰ59后前面固接。
下挡板N为空心壳体70，空心壳体70近上端设有挡板上孔对71，空心壳体70近下端前部设有挡板下孔对72，空心壳体70近下端后部设有挡板后孔对73；下挡板N套于基座J的底座49，下挡板N的近下端经螺钉对Ⅱ48与基座J的底座49固接。
膝关节主轴运动的解锁和锁定状态由连接件B相对于小腿部件C的位置决定。本发明的虚拟锁定轴结构是基于摇杆滑块的可调锁定轴结构，锁定杆44作为摇杆，调节滑块Ⅰ59和滑块Ⅱ64的位置改变虚拟锁定轴旋转中心。
如图19所示，展示完整步态周期的示意图，分为站立相和摆动相两个阶段。在站立相中分为站立屈曲期，站立伸展期和预摆动期。在站立屈曲阶段，为减小足跟触地的冲击，膝关节转动一个较小的角度（15°），主要为触地弯曲轴弯曲来达到所需角度，同时保证膝关节主轴处于锁紧状态，防止膝关节弯曲角度过大产生折弯而使患者跌倒。在站立伸展期，施加在假肢上的重量转移至对侧腿或者地反力前移，触地弯曲轴结构的弹簧等复位元件产生力矩使膝关节伸展。在预摆动期，需对接下来的摆动相做准备，则需利用脚尖离地产生的地反力解锁膝关节主轴，使膝关节顺利地完成转动。在摆动相阶段，膝关节主轴开始旋转,配合液压缸被动输出的阻尼力，使得膝关节假肢贴合健康人体行走弯曲的运动状态。
如图20所示，展示了单个稳定性功能轴和双稳定功能轴不稳定区域，当为单个稳定性功能轴假肢时，分别求取膝关节假肢的脚趾、足跟和初始转动中心三个边界位置的不稳定力域；再将三个位置的不稳定力域叠加，得到该膝关节假肢的不稳定区域图；当为双稳定性功能轴假肢时，分别以脚趾、膝主轴初始转动中心和锁定轴为边界位置，求取其不稳定力域。将上述三个边界位置的不稳定力域叠加，得到具有膝主轴和锁定轴假肢的不稳定区域图。对比可得双稳定功能轴假肢的不稳定区域大大地减少，因此本发明设计触地弯曲轴和膝关节主轴来减小不稳定区域。
如图21至图23所示，展示了足跟触地时，虚拟锁定轴使闩锁结构锁紧的结构图。本发明采用闩锁结构作为虚拟锁定轴的锁合作用机构。当足跟触地时会产生一个位于虚拟锁定轴的旋转中心后方的地反力，即对虚拟锁定轴产生一个顺时针的扭矩使连接件B后移，锁定膝关节主轴运动。小腿部件C在孔对a 38内相对连接件B向上运动，此时锁定杆44进入到连接件B前部的卡槽，此时关节无法绕膝主轴转动，膝关节处于锁定状态。
如图24至图25所示，展示了触地弯曲轴工作的结构示意图。当地反力的方向指向螺钉对Ⅰ10前侧，则给锁定轴形成一个顺时针方向的伸展力矩。由于大腿部件A的上部进行了限位，无法绕触地弯曲轴的旋转中心做过度伸展运动，此时膝关节处于伸直状态。在触地弯曲阶段，地反力方向指向触地弯曲轴旋转中心的后侧，则给大腿部件A的上部造成一个逆时针方向的弯曲力矩。该弯曲力矩克服了左弹簧25和右弹簧28提供的伸展力矩，使得大腿部件A的上部相对下部屈曲转动。由于选用的左弹簧25和右弹簧28的刚度系数较大，其转动最大角度约为15°左右。在站立伸展阶段，施加在假肢上的重量转移至对侧腿或者地反力前移时，左弹簧25和右弹簧28提供的伸展力矩将大于地反力形成的弯曲力矩。此时，大腿部件A的上部相对下部做伸展运动，膝关节将回到伸直的位置。
如图26至图28所示，展示了在预摆动阶段，脚尖离地进入摆动时，虚拟锁定轴使闩锁结构锁紧的结构示意图。当脚尖蹬地时会产生一个位于虚拟锁定轴的旋转中心前方的地反力，即对虚拟锁定轴产生一个逆时针的扭矩使连接件B前移，小腿部件C在弹簧36的作用下在孔对a 38内相对连接件B向下运动，此时锁定杆44脱离连接件B前部的卡槽，此时关节可绕膝主轴转动，膝关节处于解锁状态，为摆动相阶段的膝关节自然转动做准备。
如图29所示，展示了液压缸1对膝关节主轴作用示意图。在虚拟锁定轴结构解锁膝关节主轴的运动之后，假肢的大腿部件A绕膝关节主轴做相对于连接件B和小腿部件C屈曲的旋转运动，液压缸1的活塞杆受压向下运行而产生阻尼力。其旋转角度约从0°到65°。液压缸1被动输出的贴合健康人体行走的力矩曲线，实现稳定平滑的摆动期弯曲和伸展运动，有助于行走时稳定的步速和步长，减少摆动末期的冲击，保证膝关节平稳地过渡到下一次足跟触地阶段。
如图30所示，展示了调节触地弯曲轴的旋转中心的示意图。通过旋转触地弯曲轴调节器F的旋钮15，使滚珠丝杠13带动滑块14前后移动，滑块14固连在大腿部件A的上部上，则大腿部件A的螺钉对Ⅰ10（触地弯曲轴旋转中心）的位置因而也随滑块14改变。可调的触地弯曲轴旋转中心可适应不同截肢患者触地运动姿态，使其减小地反力的冲击同时产生合适的弯曲角度。
如图31所示，展示了调节虚拟锁定轴的旋转中心的示意图。通过同时旋转虚拟锁定轴调节器M和调节器N的旋钮Ⅰ56和旋钮Ⅱ61，使滚珠丝杠带动滑块前后移动，则滑块的垂直线可前后改变，因而与孔对a 38垂线的交点位置改变，即改变了初始虚拟锁定轴旋转中心的位置。可调的虚拟锁定轴的旋转中心可以适应不同截肢患者所需膝关节解锁和固定的运动特征，给患者带来更安全流畅的运动感受。

Claims (1)

1.一种三功能轴可调的膝关节假肢，其特征在于：由大腿部件(A)、连接件(B)、小腿部件(C)、液压缸(1)、假腿(2)和假脚(3)组成，其中大腿部件(A)、连接件(B)、小腿部件(C)、假腿(2)和假脚(3)自上而下顺序排列，液压缸(1)位于大腿部件(A)、连接件(B)和小腿部件(C)的后面；所述的大腿部件(A)由上部(D)、螺钉对板(E)调节器(F)、下部(G)、弹簧组件Ⅰ(H)、弹簧组件Ⅱ(I)和螺钉对Ⅰ(10)组成，其中上部(D)由顶板(4)、立板对(5)、后叉板Ⅰ(7)和后叉板Ⅱ(8)组成，立板对(5)固接于顶板(4)的中部下面，后叉板Ⅰ(7)固接于顶板(4)后面右侧，后叉板Ⅱ(8)固接于顶板(4)后面左侧；立板对(5)下部设有横孔对Ⅰ(6)；螺钉对板(E)为u形板(9)、螺钉对Ⅰ(10)和纵孔对(11)组成，螺钉对Ⅰ(10)设于u形板(9)的左右两侧，纵孔对(11)的两个孔设于u形板(9)的后端左右两边；螺钉对板(E)的u形板(9)经螺钉对Ⅰ(10)固接于上部(D)的立板对(5)的前面；调节器(F)由后座(12)、丝杠(13)、滑块(14)和旋钮(15)组成，丝杠(13)后端与后座(12)活动连接，丝杠(13)中部与滑块(14)中心螺纹连接，丝杠(13)前端与旋钮(15)固接；下部(G)由框架(16)、右光杆(17)、左光杆(18)、横孔Ⅰ(19)、横孔对Ⅱ(20)、孔座Ⅰ(21)、孔座Ⅱ(22)、后板(23)组成，横孔对Ⅰ(19)设于框架(16)下部偏上；横孔对Ⅱ(20)设于框架(16)下部偏后；右光杆(17)固接于框架(16)右侧上部；左光杆(18)固接于框架(16)左侧上部；孔座Ⅰ(21)固接于框架(16)右后中部；孔座Ⅱ(22)固接于框架(16)左后中部；后板(23)固接于框架(16)后上部；弹簧组件Ⅰ(H)由上螺钉Ⅰ(24)、左弹簧(25)和下螺钉Ⅰ(26)组成，左弹簧(25)上端固接于上螺钉Ⅰ22(24)下端，左弹簧(25)下端固接于下螺钉Ⅰ(26)上端；弹簧组件Ⅱ(I)由上螺钉Ⅱ(27)、右弹簧(28)和下螺钉Ⅱ(29)组成，右弹簧(28)上端固接于上螺钉Ⅱ(27)下端，右弹簧(28)下端固接于下螺钉Ⅱ(29)上端；调节器Ⅰ(F)的后座(12)固接于下部(G)的后板(23)前面；调节器Ⅰ(F)的旋钮(15)位于下部(G)的框架(16)前面；调节器Ⅰ(F)的滑块(14)经螺丝固接于螺钉对板(E)的纵孔对(11)；弹簧组件Ⅰ(H)上端经上螺钉Ⅰ(24)与上部(D)的后叉板Ⅰ(7)固接，弹簧组件Ⅰ(H)下端经下螺钉Ⅰ(26)与下部(G)的孔座Ⅰ(21)固接；弹簧组件Ⅱ(I)上端经上螺钉Ⅱ(27)与上部(D)的后叉板Ⅱ(8)固接，弹簧组件Ⅱ(I)下端经下螺钉Ⅱ(29)与下部(G)的孔座Ⅱ(22)固接；所述的连接件(B)由上挡板(30)、侧板对(31)、限位杆(33)、连接杆(34)、调节旋钮(35)、弹簧(36)、连接侧板(37)、螺栓对(39)、连接前板(41)、螺钉对Ⅱ(43)、锁定杆(44)、自锁横杆(45)组成，上挡板(30)为框架结构，固接于侧板对(31)上面，侧板对(31)后部设有侧孔对(32)；连接侧板(37)为框架结构，连接侧板(37)上部前面设有孔座Ⅴ(42)；连接侧板(37)后部上端设有孔座Ⅳ(40)；连接侧板(37)后下部设有孔对a(38)；自锁横杆(45)固接于锁定杆(44)上端孔对b(46)中；锁定杆(44)下端设有孔对c(47)；限位杆(33)的上部分别与锁定杆(44)的中部和连接侧板(37)的孔座Ⅴ(42)铰接；调节旋钮(35)设有中心孔，调节旋钮(35)与弹簧(36)前端固接，连接杆(34)自前向后穿过调节旋钮(35)和弹簧(36)，与连接前板(41)螺纹连接；所述的小腿部件(C)由基座(J)、右调节器(K)、左调节器(L)、中座(M)、下挡板(N)和螺钉对Ⅱ(48)组成，其中，基座(J)、中座(M)和下挡板(N)和螺钉对Ⅱ(48)组成，基座(J)由底座(49)、右板(51)、左板(52)和前板(53)组成，左板(52)和右板(51)分别固接于底座(49)上端后部左右两边；前板(53)固接于底座(49)上端前部；底座(49)近上端设有上孔对(54)；底座(49)近下端设有前部前孔对(55)；底座(49)近下端后部设有下孔对(50)；右调节器(K)由旋钮Ⅰ(56)、前套Ⅰ(57)、丝杠Ⅰ(58)、滑块Ⅰ(59)和后座Ⅰ(60)组成，丝杠Ⅰ(58)前端固接旋钮Ⅰ(56)，前套Ⅰ(57)与丝杠Ⅰ(58)近前端活动连接；后座Ⅰ(60)中心与丝杠Ⅰ(58)后端活动连接；滑块Ⅰ(59)中心与丝杠Ⅰ(58)中部螺纹连接；左调节器(L)由旋钮Ⅱ(61)、前套Ⅱ(62)、丝杠Ⅱ(63)、滑块Ⅱ(64)、后座Ⅱ(65)组成，丝杠Ⅱ(63)前端固接旋钮Ⅱ(61)，前套Ⅱ(62)与丝杠Ⅱ(63)近前端活动连接；后座Ⅱ(65)中心与丝杠Ⅱ(63)后端活动连接；滑块Ⅱ(64)中心与丝杠Ⅱ(63)中部螺纹连接；左调节器(L)位于基座(J)中左板(52)和前板(53)之间，其中左调节器(L)的后座Ⅰ(60)与基座(J)的左板(52)前面固接，左调节器(L)的前套Ⅱ(62)与基座(J)中前板(53)的左孔固接；右调节器(K)位于基座(J)中右板(51)和前板(53)之间，其中右调节器(K)的后座Ⅱ(65)与基座(J)的右板(51)前面固接，右调节器(K)的前套Ⅰ(57)与基座(J)中前板(53)的右孔固接；中座(M)由左孔板(66)、倒T形基板(67)和右孔板(69)组成，左孔板(67)和右孔板(69)左右对称固接于倒T形基板(67)后面；倒T形基板(66)上端设有孔座(68)；中座(M)的左孔板(67)与左调节器(L)的滑块Ⅱ(64)前后面固接；中座(M)的右孔板(69)与右调节器(K)的滑块Ⅰ(59)后前面固接；下挡板(N)为空心壳体(70)，空心壳体(70)近上端设有挡板上孔对(71)，空心壳体(70)近下端前部设有挡板下孔对(72)，空心壳体(70)近下端后部设有挡板后孔对(73)；下挡板(N)套于基座(J)的底座(49)，下挡板(N)的近下端经螺钉对Ⅱ(48)与基座(J)的底座(49)固接；连接件(B)的孔座Ⅳ(40)与大腿部件(A)的横孔Ⅰ(19)通过螺钉对Ⅰ(10)活动连接；连接件(B)中锁定杆(44)的孔对(47)与小腿部件(C)中基座(J)的前板(53)上端转动连接；连接件(B)的孔座Ⅰ(38)与小腿部件(C)上端右板(51)、左板(52)通过连接件(B)的螺栓对(39)转动连接；液压缸(1)下端由小腿部件(C)的螺钉对(48)穿过小腿部件(C)的孔对(50)固接；液压缸(1)上端的活塞杆经销轴与大腿部件(A)的横孔对Ⅱ(20)活动连接；假脚部件(D)上端固接于小腿部件(C)中底座(49)的下面。
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