TWI407945B - Power - assisted prosthetic structure - Google Patents

Description

動力輔助義肢結構

本發明係有關於一種義肢結構，其係尤指一種動力輔助義肢結構。

按，截肢是治療下肢血管性疾病、先天性畸形、腫瘤或交通意外產生的創傷之最後方法，根據美國截肢人數統計佔全國人口的千分之一點五，其中小腿截肢佔一半以上[1]。在台灣方面，根據連倚南醫師對參與調查的62家醫院在1979-1980與1986-1987兩次的調查統計中，下肢截肢佔三分之二，以兩千萬人口而言，每年約增加440位下肢截肢者，顯示截肢在醫療中日顯重要。

對膝下截肢患者來說，當失去一段肢體最明顯的問題就是日常生活功能性活動受到限制，雖然患者可以藉由木棒、拐杖、步行器、輪椅等取代身體截肢部位進行移動，但在日常生活中還會受到某種程度行動上的限制，因此，膝下義肢便成為截肢患者日常生活中必備之位移輔助工具，透過適當的義肢裝配及復健可充分取代喪失的功能，並改善日常生活能力。

然而，在15世紀，文獻記載印地安人創造了人造腿，此 為人類首次穿戴義肢最早的時期及義肢最早的原型。然而第一次及第二次世界大戰後，義肢的製造與發展技術才有明顯之進展。義肢主要目的係用來取代身體失去之肢體，早期裝具師大多為工匠、鐵匠、木工，甚至病患自己親手打造義肢而成，當時肢體的材料是金屬、木頭及皮革居多。隨著時代進步，下肢義肢的踝關節從無活動的關節型態漸漸地演變成可動關節構造。然而新的義肢材料也開始被採用，達到重量減輕的效果。例如1806年Marks便利用硬橡膠製成義足取代傳統木製產品。另外，一名被截肢的美國南方邦聯軍人J.E.Hanger也在義足內，加入橡膠製成的緩衝墊及模擬膝部結構之關節，成為義肢發展歷史上第一個具有關節的義足。在西元1900年開始，義肢材料與細部結構也逐漸受到重視且有進一步改善，並開始由義肢裝具師參與義肢設計改良，使得一般民眾截肢者也可受惠。至於美國在越戰後，退伍軍人事務部仍然持續投入更多資金主導義肢設計與製作技術之改良精進，也因此肌電控制式(myoelectrical controlled)義肢與內骨骼式(endoskeletal)模組化義肢才逐漸被發展出來。

膝下義肢的功用是承受身體重量，幫助下肢截肢者能以較正常的步態行走，使下肢截肢者具有較高的行動力與獨立性。一般膝下義肢主要元件包含承筒、骨架、義足。其中承筒為義肢與殘肢接觸的部分，能使作用力均勻分布於殘肢上；骨架用於調整義肢的高度；義足用於模擬人的足部。

膝下截肢患者術後，由於人體於行走的動作之主要肌群 包括脛前肌(Tibialis anterior)、腓腸肌(Gastrocnemius)和比目魚肌(soleus)等以及部分小腿骨包括脛骨(Tibia)及腓骨(Fibula)均被切除，造成小腿肌肉及骨骼組織不健全，喪失正常人步態行走時背屈、蹠屈、推進(push off)的動作，因此，截肢病患須穿戴傳統膝下義肢來取代喪失的功能。對截肢者來說健側腳可以自動做出的動作，義肢必須有意識的注意才做得到，換句話說，在正常的神經肌肉系統下只需要次大腦皮質層控制的動作，而對於截肢者就需要大腦皮質層的注意，這種額外需求的注意，需要截肢者額外的動機，限制了對同時發生的其它活動所能給予的注意力，因此，只能依賴視覺代替正常的腳底感覺回饋。截肢病患在穿戴傳統膝下義肢初期，因患側猶如踩高蹺，無法由義肢感知觸地時地面之反作用力及踝關節角度變化，造成本體感覺回饋喪失，導致無法確切掌握步態週期，容易造成步態不穩而跌倒造成二度傷害。

然而，傳統膝下義肢之踝關節無提供動能以輔助患者步態行走，須藉由甩動義肢的方式促使身體向前移動，因此，造成膝下截肢患者穿戴傳統膝下義肢在平地行走時步伐長度相較於健側腳小，產生步態異常的現象，需增加剩餘肢體的使用以代償喪失的肢體功能，造成肢體關節的磨耗，且相較於正常人多消耗20~30%的能量。

因此，如何針對上述問題而提出一種新穎動力輔助義肢結構，其可避免穿戴傳統膝下義肢而產生步態異常、肢體關節磨耗及肢體運動能量耗損之問題。

本發明之目的，在於提供一種動力輔助義肢結構，其可達到增加使用者在行走上的便利性並減少耗費體力。

於是，本發明之動力輔助義肢結構係裝設於截肢患者下肢的一患側腳上，該動力輔助義肢結構包含一支撐件、一腳掌部件與一線性驅動裝置。支撐件係固設於截肢患者下肢的患側腳上；腳掌部件係樞設於該支撐件；以及線性驅動裝置係樞設於該腳掌部件後方與該支撐件，而驅動該腳掌部件轉動，以模擬該人體的一踝關節的角度變化，如此，本發明藉由上述之元件即可達到該人體行走時健患側腳踝關節角度之對稱性，並減少耗費體力。

本發明：

1‧‧‧義肢結構

10‧‧‧支撐件

100‧‧‧樞接孔

102‧‧‧樞接孔

104‧‧‧樞軸

106‧‧‧鎖固件

108‧‧‧樞軸

110‧‧‧鎖固件

20‧‧‧腳掌部件

22‧‧‧腳掌件

220‧‧‧樞接部

222‧‧‧連接部

2220‧‧‧第一連接件

2222‧‧‧第二連接件

2224‧‧‧樞軸

2226‧‧‧鎖固件

24‧‧‧腳指件

240‧‧‧牽動部

2400‧‧‧樞軸

2402‧‧‧樞接孔

242‧‧‧樞接臂

244‧‧‧樞接臂

246‧‧‧樞軸

248‧‧‧樞接孔

26‧‧‧直線傳動裝置

30‧‧‧線性驅動裝置

300‧‧‧固定座

302‧‧‧伺服馬達

304‧‧‧油壓缸

306‧‧‧驅動桿

31‧‧‧線性驅動裝置

301‧‧‧固定座

303‧‧‧伺服馬達

305‧‧‧齒輪組

307‧‧‧驅動桿

309‧‧‧第一夾持件

310‧‧‧第二夾持件

32‧‧‧樞接孔

320‧‧‧樞接部

322‧‧‧連接部

34‧‧‧樞接孔

340‧‧‧樞軸

342‧‧‧樞接孔

40‧‧‧承筒

第一A圖為本發明之一較佳實施例之立體圖；第一B圖為本發明之一較佳實施例之分解圖；第二圖為本發明之一較佳實施例之腳掌部件的分解圖；第三A圖為本發明之一較佳實施例之線性驅動裝置的立體圖；第三B圖為本發明之另一較佳實施例之線性驅動裝置的立體圖；第四A圖為本發明之一較佳實施例之動作示意圖；第四B圖為本發明之另一較佳實施例之動作示意圖；以及第四C圖為本發明之另一較佳實施例之動作示意圖。

茲為使 貴審查委員對本發明之結構特徵及所達成之功 效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：請一併參閱第一A圖與第一B圖，係為本發明之一較佳實施例之立體圖與分解圖。如圖所示，本發明之動力輔助義肢結構1係用以裝設於截肢患者下肢的一患側腳上，該動力輔助義肢結構1包含一支撐件10、一腳掌部件20與一線性驅動裝置30。支撐件10係固設於人體(即截肢患者)的患側腳上，腳掌部件20係樞設於支撐件10，並腳掌部件20位於支撐件10之下方，線性驅動裝置30樞設於腳掌部件20之後方與支撐件10，即線性驅動裝置30之一端樞設於支撐件10，而線性驅動裝置30之另一端樞設於腳掌部件20的後方，如此，線性驅動裝置30係進行直線運動時，驅動腳掌部件30以腳掌部件30和支撐件10間的樞設點為中心而轉動，以模擬人體之踝關節的角度變化。如此，本發明係藉由線性驅動裝置30依據支撐件10而驅動腳掌部件30模擬踝關節的角度變化，例如模擬正常人步態行走時，踝關節所進行背屈、蹠屈、推進(push off)的動作，即可達到該人體行走時健患側腳踝關節角度之對稱性，並減少耗費體力。

此外，本發明之動力輔助義肢結構1更包含一承筒40。承筒40係設於支撐件10之上方，並套合於人體之一腿部，即承筒40用以套合於截肢患者下肢的一患側腳上，以方便截肢患者穿戴。

請一併參閱第二圖，為本發明之一較佳實施例之腳掌部件的分解圖。如圖所示，本發明之義肢結構1的腳掌部件20 包含一腳掌件22、一腳指件24與一直線傳動裝置26。腳掌件22係樞設於支撐件10與線性驅動裝置30，腳指件24係樞設於腳掌件22之前端，直線傳動裝置26係樞設於腳指件24與腳掌件22。其中，腳掌件22設有一樞接部220與一連接部222。樞接部220用以樞設於線性驅動裝置30，連接部222之一側樞接直線傳動裝置26，連接部222之上方樞接支撐件10。再者，本發明之腳指件24設有一牽動部240與複數個樞接臂242，244。牽動部240樞接直線傳動裝置26，該些樞接臂242，244分別設置於腳指件24之兩側，該些樞接臂242，244樞接於腳掌件22。

接上所述，連接部222包含一第一連接件2220與一第二連接件2222。第一連接件2220設置於連接部222之後端，並樞設於支撐件10，而第二連接件2222設置於連接部222之前端，並樞設於直線傳動裝置26，其中，支撐件10具有樞接孔100、102，樞接孔100係對應第一連接件2220，而由一樞軸104與一鎖固件106樞設第一連接件2220與支撐件10；樞接孔102係對應於線性驅動裝置30之一樞接孔32，而由一樞軸108與一鎖固件110樞設支撐件10與線性驅動裝置30，而線性驅動裝置30更具有另一樞接孔34，並藉由一樞軸340與一鎖固件342而樞設線性驅動裝置30與腳掌部件20之樞接部220，如此，本發明之線性驅動裝置30係進行直線運動時，而驅動腳掌部件20以腳掌部件20之連接部222的第一連接件2220和支撐件10之樞接孔100間的樞設點為中心而轉動，以模擬人體之踝關節的角度變化。

承接上述，請復參閱第二圖，第二連接件2222係藉由一樞軸2224與一鎖固件2226而樞設至直線傳動裝置26之一端，直線傳動裝置26之另一端係由一樞軸2400與一鎖固件2402而樞設於牽動部240，腳指件24之該些樞接臂242，244係藉由一樞軸246與一鎖固件248而樞設至腳掌件22，如此，本發明係由直線傳動裝置26進行直線運動時，而牽動該牽動部240，使腳指件24可依據直線傳動裝置26而和腳掌件22有一角度的變化。

請參閱第三A圖，為本發明之一較佳實施例之線性驅動裝置的立體圖。如圖所示，本發明之線性驅動裝置30包含一固定座300、一伺服馬達302、一油壓缸304與一驅動桿306。固定座300樞設於支撐件10，即固定座300藉由樞接孔32而樞設於支撐件10，伺服馬達302係設置於固定座300，油壓缸304設置於固定座300，並與伺服器馬達302相接設，驅動桿306係接設於油壓缸304並樞設於腳掌部件20，如此，本發明之線性驅動裝置30係由伺服馬達302驅動油壓缸304啟動而帶動驅動桿306，使驅動桿306前後伸縮進行直性運動，進而帶動腳掌部件20以腳掌部件20和支撐件10間的第一連接件2220為中心而轉動，以模擬人體之踝關節的角度變化，而可達到增加使用者在行走上的便利性並減少耗費體力。

請一併參閱第三B圖，為本發明之另一較佳實施例之線性驅動裝置的立體圖。如圖所示，本實施例之線性驅動裝置31包含一固定座301、一伺服馬達303、一齒輪組305與一驅動桿307。固定座301樞設於支撐件10，即固定座300藉由樞 接孔31而樞設於支撐件10，伺服馬達303係設置於固定座301，齒輪組305設置於固定座300，並與伺服馬達303相接設，驅動桿307係螺設於齒輪組305，並樞設於腳掌部件20。如此，本實施例之線性驅動裝置31係由伺服馬達303驅動齒輪組305，使齒輪組305帶動驅動桿307伸縮，以進行直線運動，進而帶動腳掌部件20以腳掌部件20和支撐件10間的第一連接件2220為中心而轉動，以模擬人體之踝關節的角度變化，而可達到增加使用者在行走上的便利性並減少耗費體力。

此外，本實施例之線性驅動裝置31更包含一第一夾持件309與一第二夾持件310。第一夾持件309設於齒輪組305之上方；第二夾持件310設於齒輪組305之下方，並與第一夾持件309相對，而形成一夾持部以固定齒輪組305，即伺服馬達303在驅動齒輪組305時，可避免齒輪組305在運作時發生移位的問題。

請一併參閱第四A圖至第四C圖，為本發明之一較佳實施例之動作示意圖。如圖所示，由於本發明主要係解決傳統膝下義肢之踝關節無提供動能以輔助患者步態行走，而須藉由甩動義肢的方式促使身體向前移動，因此，造成膝下截肢患者穿戴傳統膝下義肢在平地行走時步伐長度相較於健側腳小，產生步態異常的現象，需增加剩餘肢體的使用以代償喪失的肢體功能，造成肢體關節的磨耗，且相較於正常人多消耗20~30%的能量的目的，所以，本發明之動力輔助義肢結構1係需要模擬人體之踝關節的角度變化而可模擬步態行走時背屈、蹠屈、推進的動作，以達到增加使用者在行走上的便利 性並減少耗費體力。

如第四A圖與第四B圖所示，係為動力輔助義肢結構1模擬步態行走時蹠屈與背屈的動作，其中，如第四A圖所示，線性驅動裝置30係縮短驅動桿306的長度，使腳掌部件20向下轉動，而模擬步態行走時蹠屈的動作，其蹠屈的角度可為0~20度左右。如第四B圖所示，線性驅動裝置30係伸長驅動桿306的長度，使腳掌部件20向上轉動，而模擬步態行走時背屈的動作，其背屈的角度可為0~45度左右。

接著，如第四C圖所示，其模擬步態行走時推進力的動作，即在患者行走時，義肢結構1著地而要向進的一個動作，也就是，在義肢結構1之腳掌部件20著地而需要向前時，線性驅動裝置30係先驅動腳掌件22向上提起離開地面後，腳掌部件20之直線傳動裝置係伸長牽動腳指件24，使之產生推進力而推進患者向前行走，如此，本發明即可達到該人體行走時健患側腳踝關節角度之對稱性，並減少耗費體力。

此外，本發明之動力輔助義肢結構1係受控於一控制系統(圖中未示)，其控制系統會依據正常人的步行狀態而控制動力輔助義肢結構1主動調整角度變化而達到該人體行走時健患側腳踝關節角度之對稱性，並減少耗費體力。

綜上所述，本發明之動力輔助義肢結構係由一支撐件固設於人體；一腳掌部件樞設於支撐件；一線性驅動裝置樞設於腳掌部件後方與支撐件，線性驅動裝置驅動腳掌部件轉動，以模擬人體踝關節的角度變化。如此，本發明即可達到該人體行走時健患側腳踝關節角度之對稱性，並減少耗費體力 。

故本發明係實為一具有新穎性、進步性及可供產業利用者，應符合我國專利法所規定之專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈 鈞局早日賜准專利，至感為禱。

惟以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

1‧‧‧動力輔助義肢結構

10‧‧‧支撐件

20‧‧‧腳掌部件

30‧‧‧線性驅動裝置

40‧‧‧承筒

Claims (9)

1. 一種義肢結構，包含：一支撐件，固設於一人體；一腳掌部件，樞設於該支撐件；以及一線性驅動裝置，樞設於該腳掌部件後方與該支撐件，該線性驅動裝置驅動該腳掌部件轉動，以模擬該人體的一踝關節，其中該線性驅動裝置包含：一固定座，樞設於該支撐件；一伺服馬達，設於該固定座；一油壓缸，設於該固定座並與該伺服馬達相接設；以及一驅動桿，接設於該油壓缸並樞設於該腳掌部件。
2. 如申請專利範圍第1項所述之義肢結構，更包含一承筒，該承筒設於該支撐件上方並套合於該人體之一腿部。
3. 如申請專利範圍第1項所述之義肢結構，其中該腳掌部件包含：一腳掌件，樞設於該支撐件與該線性驅動裝置；一腳指件，樞設於該腳掌件前端；以及一直線傳動裝置，樞設於該腳指件與該腳掌件。
4. 如申請專利範圍第3項所述之義肢結構，其中該腳掌件設有一樞接部，該樞接部樞設於該線性驅動裝置。
5. 如申請專利範圍第3項所述之義肢結構，其中該腳掌件設有一連接部，該連接部一側樞接該直線傳動裝置，該連接部上方樞接該支撐件。
6. 如申請專利範圍第3項所述之義肢結構，其中該腳指件設有一牽動部，該牽動部樞接該直線傳動裝置。
7. 如申請專利範圍第3項所述之義肢結構，其中該腳指件之兩側分別設有一樞接臂，該些樞接臂樞接於該腳掌件。
8. 一種義肢結構，包含：一支撐件，固設於一人體；一腳掌部件，樞設於該支撐件；以及一線性驅動裝置，樞設於該腳掌部件後方與該支撐件，該線性驅動裝置驅動該腳掌部件轉動，以模擬該人體的一踝關節，其中該線性驅動裝置包含：一固定座，樞設於該支撐件；一伺服馬達，設於該固定座；一齒輪組，設於該固定座並與該伺服馬達相接設；以及一驅動桿，螺設於該齒輪組並樞設於該腳掌部件。
9. 如申請專利範圍第8項所述之義肢結構，其中該線性驅動裝置更包含：一第一夾持件，設於該齒輪組之上方；以及一第二夾持件，設於該齒輪組之下方，並與該第一夾持件相對，以固定該齒輪組。