CN116942377A - 一种中踝碳纤维复合材料柔顺储能假脚脚芯 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中踝碳纤维复合材料柔顺储能假脚脚芯，包括：前碳纤维脚板、中碳纤维脚板和后碳纤维脚板；所述前碳纤维脚板与中碳纤维脚板通过胶‑螺栓连接；所述中碳纤维脚板与后碳纤维脚板通过胶‑螺栓连接；所述前碳纤维脚板，用于提供支撑力；所述中碳纤维脚板，用于连接前碳纤维脚板和后碳纤维脚板且用于储存能量；所述后碳纤维脚板，用于提供支撑力和减震。本发明的中踝碳纤维复合材料柔顺储能假脚脚芯，能够更高程度的仿生设计和更高效的储能；后碳纤维脚板采用了仿生学设计，不仅可以增加行走时的舒适感、增强弯曲储能效果；中碳纤维脚板将弹性形变储存的能量更多地被作用于前进方向，减少了多余振动；前碳纤维脚板具有分趾结构。
Description
技术领域
本发明属于假肢技术领域，特别涉及一种中踝碳纤维复合材料柔顺储能假脚脚芯。
背景技术
近5年来，大腿截肢人数逐年增加，不仅给截肢人群的生活带来不便，也为社会带来了极大的负担。假肢脚板智能康复辅具是助下肢残疾人回归融入社会和改善生活品质的有效手段。目前碳纤维复合材料(CFRP)储能假肢脚板由于重量轻、强度高、抗疲劳性能好、可设计等优点，已成为国际下肢智能康复辅具的研究热点。
目前市面上常见的商用碳纤维复合材料假肢脚板通过对下肢骨骼、关节和足弓曲线进行仿生设计，实现了步态过程中的能量存储和定向释放，但是对行走过程中地面下压力的利用率依然较低，用户长时间、中高强度行走仍较为费力。此外，碳纤维复合材料假肢脚板往往采用开孔方式进行机械连接，容易在连接处形成局部应力集中，影响产品使用寿命。
发明内容
针对上述问题，本发明公开了一种中踝碳纤维复合材料柔顺储能假脚脚芯，包括：前碳纤维脚板、中碳纤维脚板和后碳纤维脚板；
所述前碳纤维脚板与中碳纤维脚板通过胶-螺栓连接；
所述中碳纤维脚板与后碳纤维脚板通过胶-螺栓连接；
所述前碳纤维脚板，用于提供支撑力；
所述中碳纤维脚板，用于连接前碳纤维脚板和后碳纤维脚板且用于储存能量；
所述后碳纤维脚板，用于提供支撑力和减震。
更进一步地，所述前碳纤维脚板位于中碳纤维脚板一侧。
更进一步地，所述后碳纤维脚板位于中碳纤维脚板另一侧。
更进一步地，所述前碳纤维脚板和后碳纤维脚板均为分趾结构，且均设置有纵向的通槽。
更进一步地，所述中碳纤维脚板纵截面呈带缺口的环形。
更进一步地，所述后碳纤维脚板纵截面呈倒勾形。
更进一步地，还包括：连接件；
所述连接件与后碳纤维脚板通过胶-螺栓连接；
所述连接件，用于连接小腿管。
更进一步地，还包括：橡胶垫；
所述橡胶垫设置于中碳纤维脚板缺口处的侧壁上；
所述橡胶垫，用于减缓冲击振动。
更进一步地，还包括：补强片；
所述补强片设置于后碳纤维脚板通孔的四周；
所述补强片，用于降低通孔四周的应力，提升承载能力和使用寿命。
更进一步地，所述补强片包括环形碳纤维和径向碳纤维。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)更高程度的仿生设计和更高效的储能；
2)后碳纤维脚板采用了仿生学设计，开发了一种类似人体踝-后跟的流线型整体结构，不仅可以增加行走时的舒适感、增强弯曲储能效果，而且有效提高了整体强度、减少了关节和肢体损伤；
3)中间带缺口的中碳纤维脚板通过胶-螺栓连接着前碳纤维脚板和后碳纤维脚板，起到类似附骨的作用，同时由于在人体重量的作用下中碳纤维脚板的缺口在一个步态周期中会经历两次压并-定向回弹循环，因此可以使假脚脚芯弹性形变储存的能量更多地被作用于前进方向，减少了多余振动，同时大大减轻使用者的行走负担；
4)前碳纤维脚板具有分趾结构，符合人体工程学设计要求；当脚前掌落地时，当发生了一定形变后，前碳纤维脚板会被压并，自接触为一个倒“6”字形结构，从而迅速提升刚度，在缓冲-储能之后提供充分的支撑；
5)整体设计脱离了传统碳纤维假肢脚板的额状面、弓状面、矢状面划分设计，设计了一种高度仿生的串联型结构，可以为佩戴者提供更接近正常脚的使用体验。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明实施例的假脚脚芯的结构示意图；
图2示出了根据本发明实施例的假脚脚芯的主视图；
图3示出了根据本发明实施例的假脚脚芯的俯视图；
图4示出了根据本发明实施例的补强片的结构示意图；
图5示出了根据本发明实施例的通孔附近的主应力轨迹示意图；
图6示出了根据本发明实施例的补强片中碳纤维的铺放路径示意图。
附图标记：1、连接件；2、后碳纤维脚板；3、中碳纤维脚板；4、前碳纤维脚板；5、橡胶垫；6、补强片。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提出的一种中踝碳纤维复合材料柔顺储能假脚脚芯，包括：前碳纤维脚板4、中碳纤维脚板3和后碳纤维脚板2；
所述前碳纤维脚板4与中碳纤维脚板3通过胶-螺栓连接；
所述中碳纤维脚板3与后碳纤维脚板2通过胶-螺栓连接；
所述前碳纤维脚板4，用于提供支撑力，在缓冲-储能之后提供充分的支撑；
所述中碳纤维脚板3，用于连接前碳纤维脚板4和后碳纤维脚板2并用于储存能量，配合产生多次储能效果；
所述后碳纤维脚板2，用于提供支撑力和减震，增加行走时的舒适感、增强弯曲储能效果。
如图2所示，前碳纤维脚板4位于中碳纤维脚板3左侧，后碳纤维脚板2位于中碳纤维脚板3右侧。后碳纤维脚板2与中碳纤维脚板3在连接螺栓上下有第一间隙；中碳纤维脚板3与前碳纤维脚板4在连接螺栓上下有第二间隙。
中踝碳纤维复合材料柔顺储能假脚脚芯，还包括：连接件1；
连接件1呈半圆柱形，侧壁上设置有多个通孔且与后碳纤维脚板2抵接，连接件1和后碳纤维脚板2通过胶-螺栓连接；连接件1顶端与小腿管通过顶丝连接。连接件1，用于传递力。连接件1为中空结构，能够减小中踝碳纤维复合材料柔顺储能假脚脚芯的重量。
连接件1为金属材料制备而成，优选地，金属材料为不锈钢材料。前碳纤维脚板4、中碳纤维脚板3和后碳纤维脚板2均由碳纤维材料制备而成。
胶-螺栓连接的具体步骤如下：
首先对后碳纤维脚板2与中碳纤维脚板3的接触面进行表面处理，以去除表面污物和提高表面胶接性能，随后将环氧树脂胶均匀涂在中碳纤维脚板3与后碳纤维脚板2的接触面上，最后进行螺栓连接。同理对连接件1 和后碳纤维脚板2的胶-螺栓连接处以及前碳纤维脚板4一端和中碳纤维脚板3的胶-螺栓连接处进行相同的表面处理及连接。
完成胶-螺栓连接装配后，需常温放置24小时固化(不同的胶固化时间不同，目前所用的环氧树脂胶的固化时间为常温24小时，放置4天后粘接效果更佳)。采用胶-螺栓连接方式集中了胶接的耐疲劳能力和螺栓连接的抗剥离能力，互相弥补缺点，可以使结构获得更优异的力学性能和耐疲劳性能。
前碳纤维脚板4呈未闭合的倒“6”字形，为一体成型结构，缺口部分相距约15mm。前碳纤维脚板4具有分趾结构，设置有纵向的通槽，通槽延伸50-80mm，各分趾区域(第一区域)的刚度小于其他区域(第二区域) 的刚度。分趾结构允许了一定的侧翻形变的发生，缓解了假脚脚芯落地时的震动，符合人体工程学设计要求。当脚前掌落地时，在发生了一定形变后，前碳纤维脚板4会被压并，自接触为一个倒“6”字形结构(即缺口部分的压并，逐渐闭合为完整的倒“6”字形结构)，从而迅速提升刚度，在缓冲-储能之后提供充分的支撑。
中碳纤维脚板3纵截面呈带缺口的环形，前后两端均设置有通孔，通过胶-螺栓连接着前碳纤维脚板4和后碳纤维脚板2，起到类似附骨的作用，同时由于在人体重量的作用下中碳纤维脚板3的缺口在一个步态周期中会经历两次压并-定向回弹循环，因此可以使假脚脚芯弹性形变储存的能量更多地被作用于前进方向，减少了多余振动，同时大大减轻使用者的行走负担。
如图2所示，后碳纤维脚板2的纵截面呈倒勾形，上端和中端均设置有通孔，后碳纤维脚板2中端与中碳纤维脚板3通过胶-螺栓连接，其中上端的角度是根据连接件1和其连接的小腿管的连接位置确定，从而增加舒适感并减少关节和肢体损伤；中端的角度需与中碳纤维脚板3配合，即后碳纤维脚板2和中碳纤维脚板3在行走过程中会逐渐接触，导致刚度逐渐增大，从而产生了整体结构在步态周期的变刚度特性，满足一个步态周期内各阶段不同的刚度需求；下端具有分趾设计，用于减震和增加接触地面时的稳定性。
后碳纤维脚板2纵截面呈倒勾形，不仅可以增加行走时的舒适感、增强弯曲储能效果，而且有效提高了整体强度。如图3所示，后碳纤维脚板2 下端为分趾结构，开设有纵向的通槽，通槽延伸50cm-80mm，各分趾尖端 (第三区域)的刚度小于其他区域(第四区域)的刚度。由于分趾设计，分趾尖端的刚度较小，后碳纤维脚板2在地面反作用力的作用下发生弯曲形变的同时，还允许发生部分侧偏形变，因此提高了在不同路面条件和接地方式下假脚脚芯的整体平衡性。
如图2所示，后碳纤维脚板2、中碳纤维脚板3和前碳纤维脚板4上均设置有多个通孔。优选地，后碳纤维脚板2上端处设置有2个通孔、中端设置有2个通孔；中碳纤维脚板3中间区域前后处各设置有2个通孔；前碳纤维脚板4右侧设置有2个通孔。
另外的一些设计方式，后碳纤维脚板2一端与中碳纤维脚板3通过胶- 螺栓连接，另一端直接与小腿管连接。
如图2所示，中踝碳纤维复合材料柔顺储能假脚脚芯，还包括：橡胶垫5；
橡胶垫5设置于中碳纤维脚板3缺口处的侧壁上，通过胶水粘接；
橡胶垫5，用于减缓中碳纤维脚板3压并时的冲击振动。在一个步态周期中，中碳纤维脚板3的缺口处会经历两次压并-定向回弹循环，因此设置了橡胶垫5来防止摩擦过度。
如图4所示，中踝碳纤维复合材料柔顺储能假脚脚芯，还包括：补强片6；
补强片6设置于后碳纤维脚板2通孔的四周；
补强片6，用于降低后碳纤维脚板2通孔四周的应力，提升构件的承载能力和使用寿命。优选地，补强片6近似为环形，其半径为15-20mm，补强片6与后碳纤维脚板2一体固化成型后再进行开孔以保证强度。
如图5所示，通过对后碳纤维脚板2整体仿真受力分析，得到后碳纤维脚板2上通孔周围的主应力分布情况，黑色虚线为通孔，黑色实线为通孔附近的主应力轨迹。
如图6所示，补强片6的碳纤维分为两层，第一层碳纤维(黑色实线) 为近似环形，沿着后碳纤维脚板2上通孔周围的环向应力轨迹方向进行铺放，主要承受环向应力，第二层碳纤维(黑色虚线)为径向，沿着后碳纤维脚板2上通孔周围的径向应力轨迹方向进行铺放，整体呈放射状，主要承受径向应力。
采用纤维变角度牵引铺缝技术和仿真技术设计了补强片6，有利于缓解后碳纤维脚板2开孔处的应力集中问题，提高后碳纤维脚板2的使用寿命，并且增大开孔处的强度，可以有效降低开孔处的设计厚度，能实现减少碳纤维的用料、减轻假脚脚芯的整体重量，有利于减轻截肢患者的正常行走负担。
在使用者静态站立时，本发明的假脚脚芯会经历三个储能形变阶段：缓冲段、储能段和支撑段。在缓冲段，后碳纤维脚板2和前碳纤维脚板4 的分趾尖端接触地面，分趾结构允许了一定程度的内翻或外翻形，同时降低了整体刚度，该阶段本发明的假脚脚芯整体刚度最低，可以适应不平的地面，吸收假脚脚芯落地时的部分冲击和多余振动并储能，让使用者在接地时更加平稳、舒适。在储能段，由于人体重量的作用，假脚脚芯继续弯曲，载荷由螺栓传递到中碳纤维脚板3，逐渐使缺口结构被完全压并成为闭合的O形，这个过程中起始刚度较低，之后刚度逐渐提高，允许弯曲形变发生的同时起到超越传统碳纤维假肢脚的储能效果。在支撑段，已经被压并的中碳纤维脚板3基本不继续发生形变，前碳纤维脚板4和后碳纤维脚板2继续弯曲，使得与中碳纤维脚板3的贴合面积逐渐增大，此过程中刚度迅速增大，允许发生的形变量很小，为使用者的平稳站立提供强支撑性。
在使用者动态行走过程中，本发明的假脚脚芯会循环经历两个阶段：压缩储能阶段和释能推进阶段。在压缩储能段，使用者的重心在假脚脚芯后部，后碳纤维脚板2的后跟部先接触地面，前掌随后接触地面，迅速发生类似静态过程中发生的缓冲-储能-支撑三个阶段，弯曲形变的各碳纤维脚板储存了大部分落地时的能量。在释能推进阶段，使用者重心前移至脚前掌并上移，主要由中碳纤维脚板3和前碳纤维脚板4承担人体体重载荷，而后跟部储存的能量，包括后碳纤维脚板2的弯曲形变储存的能量和中碳纤维脚板3被压并成O形所储存的能量，被依次沿踝关节前进方向释放，提高了使用者蹬离地面时的向上和向前的反作用力，使行走更加高效、省力。
本发明中提出的中踝碳纤维复合材料柔顺储能假脚脚芯，整体设计脱离了传统碳纤维假肢脚板的额状面、弓状面、矢状面划分设计，设计了一种高度仿生的串联型结构，可以为佩戴者提供更接近正常脚的使用体验。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种中踝碳纤维复合材料柔顺储能假脚脚芯，其特征在于，包括：前碳纤维脚板(4)、中碳纤维脚板(3)和后碳纤维脚板(2)；
所述前碳纤维脚板(4)与中碳纤维脚板(3)通过胶-螺栓连接；
所述中碳纤维脚板(3)与后碳纤维脚板(2)通过胶-螺栓连接；
所述前碳纤维脚板(4)，用于提供支撑力；
所述中碳纤维脚板(3)，用于连接前碳纤维脚板(4)和后碳纤维脚板(2)且用于储存能量；
所述后碳纤维脚板(2)，用于提供支撑力和减震。
2.根据权利要求1所述的中踝碳纤维复合材料柔顺储能假脚脚芯，其特征在于，所述前碳纤维脚板(4)位于中碳纤维脚板(3)一侧。
3.根据权利要求2所述的中踝碳纤维复合材料柔顺储能假脚脚芯，其特征在于，所述后碳纤维脚板(2)位于中碳纤维脚板(3)另一侧。
4.根据权利要求1所述的中踝碳纤维复合材料柔顺储能假脚脚芯，其特征在于，所述前碳纤维脚板(4)和后碳纤维脚板(2)均为分趾结构，且均设置有纵向的通槽。
5.根据权利要求1所述的中踝碳纤维复合材料柔顺储能假脚脚芯，其特征在于，所述中碳纤维脚板(3)纵截面呈带缺口的环形。
6.根据权利要求1所述的中踝碳纤维复合材料柔顺储能假脚脚芯，其特征在于，所述后碳纤维脚板(2)纵截面呈倒勾形。
7.根据权利要求1所述的中踝碳纤维复合材料柔顺储能假脚脚芯，其特征在于，还包括：连接件(1)；
所述连接件(1)与后碳纤维脚板(2)通过胶-螺栓连接；
所述连接件(1)，用于连接小腿管。
8.根据权利要求5所述的中踝碳纤维复合材料柔顺储能假脚脚芯，其特征在于，还包括：橡胶垫(5)；
所述橡胶垫(5)设置于中碳纤维脚板(3)缺口处的侧壁上；
所述橡胶垫(5)，用于减缓冲击振动。
9.根据权利要求1所述的中踝碳纤维复合材料柔顺储能假脚脚芯，其特征在于，还包括：补强片(6)；
所述补强片(6)设置于后碳纤维脚板(2)通孔的四周；
所述补强片(6)，用于降低通孔四周的应力，提升承载能力和使用寿命。
10.根据权利要求9所述的中踝碳纤维复合材料柔顺储能假脚脚芯，其特征在于，所述补强片(6)包括环形碳纤维和径向碳纤维。
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2022
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