CN115607348B - 一种变刚度踝足矫形器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变刚度踝足矫形器，涉及康复训练器械领域，包括用于脚掌穿戴的脚掌组件、用于与小腿连接的护腿组件，还包括与脚掌组件连接的离合机构、与所述离合机构相匹配的拉绳组，所述拉绳组的两端分别与护腿组件的前侧、后侧相连；所述拉绳组包括若干弹性件；所述离合机构用于制动拉绳组。本发明提供一种变刚度踝足矫形器，以解决现有技术中的变刚度方式与人体工学结构的适配性不足的问题，实现更加符合行走过程中的人体工学结构、以提高恢复训练效果的目的。

Description

一种变刚度踝足矫形器

技术领域

本发明涉及康复训练器械领域，具体涉及一种变刚度踝足矫形器。

背景技术

踝足矫形器又称作小腿矫形器，是具有从小腿到足底的结构，用于对踝关节运动进行控制的矫形器。通常可在踝关节缺乏稳定性以及肌肉力量不足的情况下使用，一般用于踝部关节肌无力造成的下垂、内外翻等情况时对足踝部位固定。

传统的踝足矫形器其一般刚度固定，无法适配患者在行走过程中的步态变化。此外，现有技术中也出现了少量变刚度的踝足矫形设备，但是现有的变刚度方式完全依赖弹簧弹力的自由变化实现，患者行走过程中随着步态不断变化，踝足矫形器的各处刚度随之不断变化，这种变刚度方式与人体工学结构的适配性不足，容易导致患者的舒适度较低、行走动作不自然。

发明内容

本发明提供一种变刚度踝足矫形器，以解决现有技术中的变刚度方式与人体工学结构的适配性不足的问题，实现更加符合行走过程中的人体工学结构、以提高恢复训练效果的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

一种变刚度踝足矫形器，包括用于脚掌穿戴的脚掌组件、用于与小腿连接的护腿组件，还包括与脚掌组件连接的离合机构、与所述离合机构相匹配的拉绳组，所述拉绳组的两端分别与护腿组件的前侧、后侧相连；

所述拉绳组包括若干弹性件；

所述离合机构用于制动拉绳组。

针对现有技术中的变刚度方式与人体工学结构的适配性不足的问题，本发明提出一种变刚度踝足矫形器，其中脚掌组件用于脚掌穿戴、护腿组件用于与小腿连接，两者均是踝足矫形器与患者身体配合的部件。本申请设置与脚掌组件连接的离合机构，其具体连接方式在此不做限定。拉绳组与离合机构相匹配，即是拉绳组是本申请中离合机构的作用对象，离合机构启动即可制动拉绳组，使被制动的部分无法动作。拉绳组的两端分别与护腿组件的前侧、后侧相连，其中前侧和后侧是以踝足矫形器的前、后方向进行定义，即脚尖方向为前、脚跟方向为后。拉绳组包括若干弹性件，通过各弹性件使得拉绳组在不同步态下具有不同的拉力，从而提供变刚度效果。本申请由于具有离合机构，因此在不同步态下能够根据需要使离合机构对拉绳组的不同位置进行制动，从而使得在不同步态下、由不同的弹性件发挥变刚度的作用，进而使得本申请能够更加符合人体工学结构、更加符合人体行走过程中的踝关节扭矩变化趋势。

进一步的，所述离合机构共两个，分别位于脚掌组件的前脚掌、脚跟处，所述拉绳组穿过两个离合机构；

所述护腿组件前侧、后侧，以及两个离合机构之间，均具有所述弹性件；

当离合机构承载时，制动穿过其中的拉绳组。

本方案通过两个离合机构以实现在行走过程中的自动变刚度调节。其中，两个离合机构分别位于脚掌组件的前脚掌、脚跟处，由于拉绳组穿过两个离合机构，因此，在行走过程中：

当前脚掌受力时，下压位于前脚掌处的离合机构，对拉绳组穿过该离合机构的部分进行制动，从而使得从该离合机构到拉绳组与护腿组件前侧相连的一端之间的弹性件不会发生变形，此时只有护腿组件后侧、以及两个离合机构之间的弹性件能够随踝关节的转动而参与变刚度工作；

当脚跟受力时，下压位于脚跟处的离合机构，对拉绳组穿过该离合机构的部分进行制动，从而使得从该离合机构到拉绳组与护腿组件后侧相连的一端之间的弹性件不会发生变形，此时只有护腿组件前侧、以及两个离合机构之间的弹性件能够随踝关节的转动而参与变刚度工作；

当前脚掌与脚跟同时受力时，同时下压两个离合机构，使得两个离合机构之间的弹性件不会发生变形，此时只有护腿组件前侧和后侧的弹性件能够随踝关节的转动而参与变刚度工作。

可以看出，本方案实现了在不同步态下，使不同位置的弹性件参与踝足矫形器的刚度调节的效果，可以更好的模拟在行走过程中的不同阶段时踝关节的刚度变化情况，更准确的与踝关节的理论扭矩变化曲线相匹配；此外，本方案只需调整不同弹性件的刚度，即可得到不同康复需求下的刚度调节效果，显著提高了踝足矫形器在康复训练应用上的适用范围；如针对脚掌、小腿前侧肌肉、小腿后侧肌肉等不同位置的康复训练需求，对应的改变各弹性件的刚度即可。

进一步的，所述离合机构包括基体、设置在基体上的导向槽、与所述导向槽相匹配的制动件、连接在制动件上方的承载板，所述导向槽用于拉绳组穿过；在无外力作用时，所述制动件位于导向槽外。

本方案中，离合机构通过基体实现与脚掌组件的连接，导向槽为拉绳组提供穿过的通道，同时起到导向作用。承载板用于承载人体重量，其下方连接的制动件与导向槽匹配。其中的无外力作用，是指无重力以外的其它外力。

本方案的踝足矫形器在穿戴后，脚掌（包括前脚掌和脚跟）直接或间接的位于承载板上方，当前脚掌和/或脚跟触地时，对应的承载板被人体重力下压，使对应的制动件进入导向槽内，对从该导向槽内穿过的拉绳组进行压制，使拉绳组位于导向槽内的部分被人体重力牢牢压住、稳定的夹持在导向槽，从而实现对拉绳组的制动。

进一步的，所述基体上固定连接穿绳件，所述导向槽开设在穿绳件上。本方案中的穿绳件用于为导向槽提供开设工位，其长度保持与导向槽一致。

进一步的，所述承载板一端与所述基体固定连接、另一端为悬空端；所述制动件连接在承载板底面靠近悬空端所在方向的一侧。本方案中的承载板一端悬空，利用其韧性使其受压后悬空端向下运动，实现对制动件的驱动。当上方压力解除后，承载板复位，制动件回到导向槽外、解除对拉绳组的夹持即可。

进一步的，所述离合机构共两个，且两个离合机构内的承载板的悬空端相互背离。本方案使两个离合机构内的承载板的悬空端相互背离，进而保证两个悬空端分别位于前脚掌、脚跟方向，便于在步态变换、脚跟和前脚掌分别触地时各自发挥作用。

进一步的，所述拉绳组包括若干绳段，相邻两绳段之间通过弹性件连接。

进一步的，所述拉绳组包括依次连接的第一绳段、第二绳段、第三绳段、第四绳段；

所述第一绳段与第二绳段之间由第一弹簧连接，所述第二绳段与第三绳段之间由第二弹簧连接，所述第三绳段与第四绳段之间由第三弹簧连接。

所述护腿组件包括上护腿件、下护腿件；

所述第一绳段远离第一弹簧所在方向的一端、所述第四绳段远离第三弹簧所在方向的一端，均连接在上护腿件上；

所述下护腿件上开设分别用于第二绳段、第三绳段穿过的导向孔。

在优选方案中，弹性件为若干弹簧，其中第一弹簧位于护腿组件的前侧方向、第二弹簧位于脚掌底部、第三弹簧位于护腿组件的后侧方向。

其中，上护腿件、下护腿件可通过任意现有方式实现与患者小腿之间的穿戴配合，在此不做限定，如通过绑带绑扎、通过卡扣卡接等。

进一步的，所述脚掌组件包括本体部、开设在本体部上的第一装配槽、位于本体部前后两端的导向轮、连接在本体部上的穿戴部；所述第一装配槽用于装配离合机构，所述导向轮用于拉绳组绕过，所述穿戴部用于脚掌穿戴。

其中，离合机构与第一装配槽的装配方式、导向轮的安装方式、穿戴部与患者脚部的穿戴配合方式等在此均不做限定，任何本领域技术人员能够实现的相关技术手段均可适用于本申请中。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种变刚度踝足矫形器，在不同步态下能够根据需要使离合机构对拉绳组的不同位置进行制动，从而使得在不同步态下、由不同的弹性件发挥变刚度的作用，进而使得踝足矫形器能够更加符合人体工学结构、更加满足人体行走过程中的踝关节扭矩变化趋势。

2、本发明一种变刚度踝足矫形器，在不同步态下使不同位置的弹性件参与踝足矫形器的刚度调节，可以更好的模拟在行走过程中的不同阶段时踝关节的刚度变化情况，更准确的与踝关节的理论扭矩变化曲线相匹配。

3、本发明一种变刚度踝足矫形器，只需调整不同弹性件的刚度，即可得到不同康复需求下的刚度调节效果，显著拓宽了踝足矫形器在康复训练应用上的适用范围。

4、本发明一种变刚度踝足矫形器，提出了专用于变刚度踝足矫形器的离合机构，可利用人体重力，在行走过程中自动实现所需的离合效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明具体实施例的结构示意图；

图2为本发明具体实施例的局部侧视图；

图3为本发明具体实施例中离合机构的结构示意图；

图4为本发明具体实施例中离合机构的半剖示意图；

图5为本发明具体实施例中脚掌组件的结构示意图；

图6为本发明具体实施例中滑轮座的结构示意图；

图7为本发明另一具体实施例的结构示意图；

图8为本发明具体实施例行走过程的步态变化示意图；

图9为本发明具体实施例的刚度曲线图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-离合机构，101-基体，102-导向槽，103-制动件，104-承载板，105-穿绳件，201-第一弹簧，202-第二弹簧，203-第三弹簧，3-第一绳段，4-第二绳段，5-第三绳段，6-第四绳段，701-上护腿件，702-下护腿件，703-导向孔，801-本体部，802-第一装配槽，803-导向轮，804-穿戴部，805-滑轮座，806-第二装配槽，9-软质通道。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

实施例1：

一种变刚度踝足矫形器，包括用于脚掌穿戴的脚掌组件、用于与小腿连接的护腿组件，还包括与脚掌组件连接的离合机构1、与所述离合机构1相匹配的拉绳组，所述拉绳组的两端分别与护腿组件的前侧、后侧相连；

所述拉绳组包括若干弹性件；

所述离合机构1用于制动拉绳组。

本实施例中，如图1与图2所示，所述离合机构1共两个，分别位于脚掌组件的前脚掌、脚跟处，所述拉绳组穿过两个离合机构1；

所述护腿组件前侧、后侧，以及两个离合机构1之间，均具有所述弹性件；

当离合机构1承载时，制动穿过其中的拉绳组。

需要说明的是，图2中为了更为清晰的展示内部结构，隐去了脚掌组件。

本实施例中，所述拉绳组包括若干绳段，若干弹性件串联在拉绳组上。

实施例2：

一种变刚度踝足矫形器，在实施例1的基础上，本实施例的离合机构如图3与图4所示，包括基体101、设置在基体101上的导向槽102、与所述导向槽102相匹配的制动件103、连接在制动件103上方的承载板104，所述导向槽102用于拉绳组穿过；在无外力作用时，所述制动件103位于导向槽102外。

所述基体101上固定连接穿绳件105，所述导向槽102开设在穿绳件105上。

所述承载板104一端与所述基体101固定连接、另一端为悬空端；所述制动件103连接在承载板104底面靠近悬空端所在方向的一侧。

请结合图1与图2，离合机构共两个，且两个离合机构内的承载板104的悬空端相互背离。

其中，承载板104可使用韧性较好的现有材料制成，也可在承载板与基体之间设置复位弹簧，以保证承载板和制动件的稳定复位。

实施例3：

一种变刚度踝足矫形器，在实施例2的基础上，所述脚掌组件如图1、图5所示，包括本体部801、开设在本体部801上的第一装配槽802、位于本体部801前后两端的导向轮803、连接在本体部801上的穿戴部804；本实施例中，两个离合机构1装配在第一装配槽802内，所述导向轮803用于拉绳组绕过，所述穿戴部804用于脚掌穿戴。

在更为优选的实施方式中，导向轮803为定滑轮，每个导向轮803均配套有如图6所示的滑轮座805；脚掌组件的本体部801两端开设与滑轮座805相匹配的第二装配槽806，使滑轮座805稳定的安装在第二装配槽806内。

在更为优选的实施方式中，如图7所示，还包括位于拉绳组外的软质通道9，软质通道9用于保护拉绳组、同时避免拉绳或弹簧直接与患者腿部接触带来的不适感。软质通道9可以是直接包覆在拉绳组外，也可是固定在护腿组件上、并使拉绳组从中穿过。

在更为优选的实施方式中，所述脚掌组件、护腿组件均可采用软质材料制成，还可在内侧设置海绵垫等柔性材料，以提高穿戴的舒适度。

在更为优选的实施方式中，脚掌组件、护腿组件等均可采用3D打印、树脂等材料，可以在保证一定强度的基础上减轻重量，减轻行走人员的负担。

实施例4：

一种变刚度踝足矫形器，在上述任一实施例的基础上，本实施例中的拉绳组包括依次连接的第一绳段3、第二绳段4、第三绳段5、第四绳段6；

所述第一绳段3与第二绳段4之间由第一弹簧201连接，所述第二绳段4与第三绳段5之间由第二弹簧202连接，所述第三绳段5与第四绳段6之间由第三弹簧203连接。

所述护腿组件包括上护腿件701、下护腿件702；

所述第一绳段3远离第一弹簧201所在方向的一端、所述第四绳段6远离第三弹簧203所在方向的一端，均连接在上护腿件701上；

所述下护腿件702上开设分别用于第二绳段4、第三绳段5穿过的导向孔703。

如图2所示，本实施例中第一弹簧201位于护腿组件前侧面，所述第二弹簧202位于脚掌组件内部，所述第三弹簧203位于护腿组件后侧面。

一个完整的步态周期从脚跟着地开始，可以分为四个阶段，图8中从上至下分别展示了本实施例在该四个阶段的工作过程，具体的：

第1阶段：脚跟刚触地，脚跟处的离合机构状态改变，第三绳段5被夹持住，此时第三弹簧203由于两端的第三绳段5、第四绳段6都被固定住，因此不会发生形变，即此时只有第一弹簧201和第二弹簧202参与工作；随着脚掌慢慢着地，此过程中第一弹簧201和第二弹簧202产生拉伸变形，直到脚前掌完全着地，此时脚前掌处的离合机构状态改变，同理第二绳段4被固定住；

第2阶段：从脚掌完全着地开始，小腿往前移动、踝关节转动，此过程中由于两个离合机构的共同作用，脚掌底部的第二弹簧202由于两端被夹持住因此不发生形变，只有第一弹簧201、第三弹簧203参与工作；此过程中第一弹簧201产生压缩变形、第三弹簧203产生拉伸变形；

第3阶段：脚跟抬起使得脚跟处的离合机构状态再次改变，第三绳段5被松开，第三绳段5恢复正常状态，第二弹簧202再次参与到工作中、与第三弹簧203形成串联状态，由于第三弹簧203的串联导致刚度减小；此过程汇总第二弹簧202、第三弹簧203产生压缩变形；

第4阶段：随着脚掌慢慢抬起直到脚尖完全离地，此过程中脚前掌处的离合机构改变状态，当完全离地时，松开第二绳段4，此时整个拉绳组完全不受离合机构的作用，第一弹簧201、第二弹簧202、第三弹簧203共同处于串联状态，此时相比第3阶段，整体刚度再次减小，此时为踝足矫形器整体刚度最小的阶段。

至此，完成一个完整的步态周期的动作，直至再次脚跟着地时，重新进入第1阶段，循环往复。

需要说明的是，图8中本实施例的简要示意图，图中根据不同情况，对离合结构做了实心和空心的区别处理，其中实心表示对应离合机构处于承载受力状态；空心则表示对应理解机构处于非承载状态。

根据现有人体数据，已知在一个步态周期内踝关节的扭矩和转动角度之间满足如下方程组：

y1=sin(x)/(17-8*sin(x))+0.04；

y2=sin(x+0.5π)/(17-8*sin(x+0.5π))+sin(x)/( 17-8*sin(x))+0.04；

y3= sin(x+0.5π)/ (17-8*sin(x+0.5π))+0.04。

式中，x为踝关节转动角度，y1、y2、y3分别为第1阶段、第2阶段、第3阶段时的踝关节扭矩。

为了验证本申请的科学性和有效性，本实施例对所提出的变刚度踝足矫形器的刚度变化过程了进行仿真模拟，将仿真模拟得到的大量数据进行拟合，得到如图9所示的刚度曲线图；图9中：横坐标θ表示踝关节转动角度。对应上述方程组中的x，纵坐标T表示踝关节扭矩，图中的T1、T2、T3分别对应上述方程组中的y1、y2、y3。

从图9中可以看出，本实施例中的种变刚度踝足矫形器，与上述方程组所体现的正常人行走时的曲线能够保持基本一致的二次曲线形式，可证明本申请更加符合人体工学结构、更加满足人体行走过程中的踝关节扭矩变化趋势。

此外，本实施例还可以结合不同的弹簧刚度组合方式，得到更多、更具有适应性的不同刚度曲线，具有极大的适用范围，可满足更多的、不同种类的病患康复训练使用需求。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体，意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，在本文中使用的术语“连接”在不进行特别说明的情况下，可以是直接相连，也可以是经由其他部件间接相连。

Claims (6)

1.一种变刚度踝足矫形器，包括用于脚掌穿戴的脚掌组件、用于与小腿连接的护腿组件，其特征在于，还包括与脚掌组件连接的离合机构（1）、与所述离合机构（1）相匹配的拉绳组，所述拉绳组的两端分别与护腿组件的前侧、后侧相连；

所述拉绳组包括若干弹性件；

所述离合机构（1）用于制动拉绳组；

所述离合机构（1）共两个，分别位于脚掌组件的前脚掌、脚跟处，所述拉绳组穿过两个离合机构（1）；

所述护腿组件前侧、后侧，以及两个离合机构（1）之间，均具有所述弹性件；

当离合机构（1）承载时，制动穿过其中的拉绳组；

所述拉绳组包括依次连接的第一绳段（3）、第二绳段（4）、第三绳段（5）、第四绳段（6）；

所述第一绳段（3）与第二绳段（4）之间由第一弹簧（201）连接，所述第二绳段（4）与第三绳段（5）之间由第二弹簧（202）连接，所述第三绳段（5）与第四绳段（6）之间由第三弹簧（203）连接；

所述护腿组件包括上护腿件（701）、下护腿件（702）；

所述第一绳段（3）远离第一弹簧（201）所在方向的一端、所述第四绳段（6）远离第三弹簧（203）所在方向的一端，均连接在上护腿件（701）上；

所述下护腿件（702）上开设分别用于第二绳段（4）、第三绳段（5）穿过的导向孔（703）。

2.根据权利要求1所述的一种变刚度踝足矫形器，其特征在于，所述离合机构（1）包括基体（101）、设置在基体（101）上的导向槽（102）、与所述导向槽（102）相匹配的制动件（103）、连接在制动件（103）上方的承载板（104），所述导向槽（102）用于拉绳组穿过；在无外力作用时，所述制动件（103）位于导向槽（102）外。

3.根据权利要求2所述的一种变刚度踝足矫形器，其特征在于，所述基体（101）上固定连接穿绳件（105），所述导向槽（102）开设在穿绳件（105）上。

4.根据权利要求3所述的一种变刚度踝足矫形器，其特征在于，所述承载板（104）一端与所述基体（101）固定连接、另一端为悬空端；所述制动件（103）连接在承载板（104）底面靠近悬空端所在方向的一侧。

5.根据权利要求4所述的一种变刚度踝足矫形器，其特征在于，所述离合机构（1）共两个，且两个离合机构（1）内的承载板（104）的悬空端相互背离。

6.根据权利要求1所述的一种变刚度踝足矫形器，其特征在于，所述脚掌组件包括本体部（801）、开设在本体部（801）上的第一装配槽（802）、位于本体部（801）前后两端的导向轮（803）、连接在本体部（801）上的穿戴部（804）；所述第一装配槽（802）用于装配离合机构（1），所述导向轮（803）用于拉绳组绕过，所述穿戴部（804）用于脚掌穿戴。

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