CN112168441B - 仿生柔性被动足踝关节假肢 - Google Patents

Abstract

本发明的仿生柔性被动足踝关节假肢，包括：足板顶组件；包括前部为足趾部的足前板构件和足板后跟构件；踝部组件设于足板顶组件上侧，其前部通过第一弹性构件连接在足前板构件上方，踝部组件可通过压缩第一弹性构件作用足板后跟构件使其向底部方向弹性活动；足板助力机构；包括定位架、介质输出仓和介质接收仓，足板后跟构件被作用时可挤压介质输出仓；介质输出仓被挤压时产生进入介质接收仓的流体介质，使介质接收仓膨胀变形对足趾部产生推顶作用。本发明的足踝关节假肢，在步态运动的初期通过假肢后跟着地，使足板后跟构件对介质输出仓产生挤压作用，迫使介质接收仓膨胀产生对足趾部在步态运动的末期离地的推顶助力，辅助截肢者自然步态的恢复。

Description

仿生柔性被动足踝关节假肢

技术领域

本发明属于人体假肢技术领域，具体涉及仿生柔性被动足踝关节假肢。

背景技术

踝足关节下体假肢主要作用有以下几个方面，1.支撑人体重量；2.缓震作用；3.辅助恢复自然步态行走；4.足趾离地期推进助力。但是目前现有的下体假肢多数为刚性假肢，主动型刚性假肢虽然在支撑人体重量、缓震及推进过程中能发挥较高的工作效率，但由于其不利于截肢者自然步态的恢复以及过多的增加人体负荷与提高新陈代谢速率，最终导致改变了假肢使用者本身的自然行走特性。

相较于刚性假肢，被动仿生柔性下体假肢自身重量轻，且结构简易、成本花费低廉。其不但尽量辅助截肢者以较为自然的步态行走，且能自主适应不同路面进行内外翻形变以及跖、背屈的上下坡度运动。然而，现有的被动仿生柔性下体假肢辅助在步态运动的末期是通过脚跟的弹性助力结合足板前侧以杠杆原理的方式推动足趾离地，区别于正常人体自然步姿以足趾发力的方式使足板自然脱离地面。可见，现有的被动仿生柔性下体假肢，其人体步姿仿真效果不够理想，不利于截肢者自然步态的恢复。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种使足趾离地期具有较大推进助力的仿生柔性被动足踝关节假肢。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

仿生柔性被动足踝关节假肢，包括：足板顶组件、踝部组件和足板助力机构；足板顶组件包括前部为足趾部的足前板构件和足板后跟构件，足板后跟构件连接在足前板构件后侧，并可向底部方向弹性活动。

踝部组件设于足板顶组件上侧，其前部通过第一弹性构件连接在足前板构件上方，所述踝部组件可通过压缩第一弹性构件并以其为支点向下方作用足板后跟构件，使其向底部方向弹性活动。

足板助力机构位于所述足板顶组件下侧，其包括定位架、介质输出仓和介质接收仓，所述介质输出仓可向所述介质接收仓输送流体介质，所述介质接收仓设于所述定位架内并且位于所述足趾部下侧，所述介质输出仓设于所述定位架内位于介质接收仓后侧，所述足板后跟构件被作用时可挤压所述介质输出仓；所述介质输出仓被挤压时产生进入介质接收仓的流体介质，使介质接收仓膨胀变形对足趾部产生推顶作用。

与现有技术相比，本发明的仿生柔性被动足踝关节假肢，步态运动的初期通过假肢后跟着地，使足板后跟构件弹性变形对介质输出仓产生挤压作用，从而迫使介质接收仓膨胀产生对足趾部在步态运动的末期离地的推顶助力，通过将人体对足板后跟构件的重力逐级转化为对足趾部的弹力，辅助假肢足趾部在步态运动的末期进行推脱，模拟于正常人体自然步姿以足趾发力的方式使足板自然脱离地面，有效地辅助截肢者自然步态的恢复。

进一步的，所述足板助力机构还包括设于所述定位架内的弹性缓冲结构，所述弹性缓冲结构设于所述介质输出仓侧部并位于所述足板后跟构件下侧，所述足板后跟构件被作用时可压缩所述弹性缓冲结构，使弹性缓冲结构向介质输出仓一侧产生挤压作用；通过这样设置，假肢后跟着地后，使足板后跟构件在弹性缓冲结构的作用下自然脱离地面，辅助假肢后跟的在步态运动的中期进行推脱。

进一步的，所述弹性缓冲结构包括缓冲气垫和设于所述缓冲气垫内的弹性复位件；通过这样设置，有效保证弹性缓冲结构具有可变形挤压所述介质输出仓的效果。

进一步的，所述踝部组件底部设有第二弹性构件，所述第二弹性构件与足板后跟构件之间设有间距；通过这样设置，有效减小第二弹性构件与足板后跟构件之间的距离，使假肢后跟着地时，提高踝部组件更迅速地推动足板后跟构件。

进一步的，所述足板后跟构件底部设有后跟气垫，所述后跟气垫内设有第一气腔，所述第一气腔顶部坡度沿外侧方向减小；所述足前板构件底部前侧设有前足气垫，所述前足气垫内设有第二气腔，所述第二气腔顶部坡度沿内侧方向减小；通过这样设置，在步态末期趾尖离地时，足踝部整体会有向内侧旋后的动作，第一气腔设计坡度就是为了在脚跟着地时可以使假肢沿着坡度高的地方辅助人体向坡度低的方向倾斜，第二气腔设计坡度就是为了在趾尖离地时可以使假肢沿着坡度高的地方辅助人体向坡度低的方向倾斜，从而使假肢模拟人的自然步态。

附图说明

图1为仿生柔性被动足踝关节假肢的示意图

图2为仿生柔性被动足踝关节假肢的侧视图

图3为足板助力机构的纵向断面图

图4为足板助力机构的定位架的示意图

图5为足板顶组件的底部示意图

图6为后跟气垫的局部剖视图

图7为前足气垫的局部剖视图

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的技术方案：

参见图1至图7，本发明的仿生柔性被动足踝关节假肢，包括：足板顶组件2、踝部组件1和足板助力机构3；足板顶组件2包括前部为足趾部211的足前板构件21和足板后跟构件22，足板后跟构件22连接在足前板构件21后侧，并可向底部方向弹性活动。

踝部组件1设于足板顶组件2上侧，其前部通过第一弹性构件11连接在足前板构件21上方，所述踝部组件1可通过压缩第一弹性构件11并以其为支点向下方作用足板后跟构件22，使足板后跟构件22向底部方向弹性活动。

足板助力机构3位于所述足板顶组件2下侧，其包括定位架31、介质输出仓32和介质接收仓33，所述介质输出仓32可向所述介质接收仓33输送流体介质，所述介质接收仓33设于所述定位架31内并且位于所述足趾部211下侧，所述介质输出仓32设于所述定位架31内位于介质接收仓33后侧，所述足板后跟构件22被作用时可挤压所述介质输出仓32；所述介质输出仓32被挤压时产生进入介质接收仓33的流体介质，使介质接收仓33膨胀变形对足趾部211产生推顶作用。所述足板后跟构件22被作用的外力消除时，所述介质接收仓33形变恢复使其内部的流体介质回流至介质输出仓32，以便假肢佩戴者在连续步行时，介质接收仓33可持续地对足趾部211产生推顶作用，模拟正常人体自然步姿以足趾发力的方式使足板自然脱离地面。

优选的，所述介质输出仓32和介质接收仓33为具有可弹性形变恢复的薄壁空腔结构，所述介质接收顶端薄壁尺寸为1mm，使介质接收仓33向上部的体积形变幅度会相对较大。

所述定位架31设有上侧开口的第一定位槽320和第二定位槽330，所述第一定位槽320和第二定位槽330相互连通，所述介质接收仓33安装在第一定位槽320内，所述介质接收仓33与所述第一定位槽320形状相适配，所述介质输出仓32安装在第二定位槽330内，所述介质输出仓32与所述第二定位槽330形状相适配，所述介质输出仓32和介质接收仓33之间通过连接管道、排液阀34或排气阀连通，所述流体介质优选为液体介质，因为液体介质具有更好的流体压强。所述介质输出仓32受压时产生进入介质接收仓33的流体介质，由于第一定位槽320的内壁限制介质接收仓33的形变，从而迫使所述介质接收仓33向上方膨胀变形，从而对足趾部211产生推顶作用。

与现有技术相比，本发明的仿生柔性被动足踝关节假肢，步态运动的初期通过假肢后跟着地，使足板后跟构件22弹性变形对介质输出仓32产生挤压作用，从而迫使介质接收仓33膨胀产生对足趾部211在步态运动的末期离地的推顶助力，通过将人体对足板后跟构件22的重力逐级转化为对足趾部211的弹力，辅助假肢足趾部211在步态运动的末期进行推脱，模拟于正常人体自然步姿以足趾发力的方式使足板自然脱离地面，有效地辅助截肢者自然步态的恢复。相比刚性假肢，本发明的假肢在实际使用过程中的负重更小，降低佩戴者的无用功消耗。

参见图1至图4，在一种实施例中，所述定位架31位于所述第二定位槽330后侧还设有第三定位槽350，所述第二定位槽330与第三定位槽350相互连通，所述足板助力机构3还包括设于所述第三定位槽350内的弹性缓冲结构35，所述弹性缓冲结构35设于所述介质输出仓32侧部并位于所述足板后跟构件22下侧；所述弹性缓冲结构35与所述介质输出仓32相互贴触或与介质输出仓32具有间隙空间，所述间隙空间优选为(0,2]mm。所述足板后跟构件22被作用时可压缩所述弹性缓冲结构35，使弹性缓冲结构35向介质输出仓32一侧产生挤压作用；通过这样设置，假肢后跟着地后，使足板后跟构件22在弹性缓冲结构35的作用下自然脱离地面，辅助假肢后跟的在步态运动的中期进行推脱。

在进一步的实施例中，所述弹性缓冲结构35包括缓冲气垫351和设于所述缓冲气垫351内的多个弹性复位件352，所述为缓冲气垫351具有可弹性形变恢复的薄壁空腔结构，所述弹性复位件352可以是弹簧或弹性垫等结构；通过这样设置，有效保证弹性缓冲结构35具有可变形挤压所述介质输出仓32的效果，而且所述弹性缓冲结构35在压力消除时，弹性复位件352可使缓冲气垫351快速恢复形变，以便使用者在连续行走时，可以高频地重复地挤压弹性缓冲结构35，发挥足板助力机构3的功能作用。

在一种实施例中，所述第一弹性构件11为S型弹性构件，所述第一弹性构件11可通过金属件折弯制成或通过注塑方式制成，所述踝部组件1挤压所述第一弹性构件11时可向后侧侧向摆动并抵压所述足板后跟构件22。所述踝部组件1底部设有第二弹性构件12，所述第二弹性构件12为C型弹性构件，所述第二弹性构件12可通过金属件折弯制成或通过注塑方式制成，所述第二弹性构件12与足板后跟构件22之间设有间距，所述踝部组件1抵压所述足板后跟构件22时所述第二弹性构件12起到两者间的缓冲作用；通过这样设置，设置第二弹性构件12有效减小踝部组件1与足板后跟构件22之间的距离，使假肢后跟着地时，提高踝部组件1更迅速地推动足板后跟构件22；另外，踝部组件1在不受力时，第一弹性构件11复位使踝部组件1与足板后跟构件22之间保留间距，避免踝部组件1通过足板后跟构件22触发所述足板助力机构3。

在一种实施例中，所述介质输出仓32两侧侧部沿所述介质接收仓33方向向内收窄，优选的，所述介质输出仓32为梯形状；通过这样设置，有效提高介质输出仓32输送流体介质的速度，同时提高踝部组件1推动足板后跟构件22的响应速度。

参见图2、图5至图7，在一种实施例中，所述足板后跟构件22底部设有后跟气垫23，所述后跟气垫23内设有第一气腔231，所述第一气腔231顶部坡度沿外侧方向减小；具体的，所述第一气腔231包括位于内侧的第一气仓232和位于外侧的第二气仓233，所述第一气仓232的厚度大于所述第二气仓233的厚度，假肢脚跟着地时，所述后跟气垫23受压于所述足板后跟构件22与弹性缓冲结构35之间。

所述足前板构件21底部前侧设有前足气垫24，所述前足气垫24内设有第二气腔241，所述第二气腔241顶部坡度沿内侧方向减小；具体的，所述第二气腔241包括位于内侧的第三气仓242和位于外侧的第四气仓243，所述第三气仓242的厚度小于所述第四气仓243的厚度。上述“外侧方向”为人体两脚部的相对外侧方向，上述“内侧方向”为人体两脚部的相对内侧方向，假肢脚尖离地时，所述前足气垫24受压于所述足趾部211与介质输出仓32之间。通过这样设置，在步态初期脚跟着地时，人体足踝部整体会有向外旋转的动作，在步态末期趾尖离地时，人体足踝部整体会有向内侧旋后的动作，第一气腔231设计坡度就是为了在脚跟着地时可以使假肢沿着坡度高的地方辅助人体向坡度低的方向倾斜，第二气腔241设计坡度就是为了在趾尖离地时可以使假肢沿着坡度高的地方辅助人体向坡度低的方向倾斜，从而使假肢模拟人的自然步态。

在进一步实施例中，所述后跟气垫23装嵌在所述足板后跟构件22底部，所述弹性缓冲结构35与介质接收仓33的距离优选为[2,4]mm，所述前足气垫24装嵌在所述足趾部211底部,所述前足气垫24与缓冲气垫351的的距离优选为[2,4]mm，所述足前板构件21底部后侧设有连接部25，所述后跟气垫23和前足气垫24通过第一弹臂26连接在所述连接部25的两侧。

参见图2和图4，在一种实施例中，所述定位架31采用硬质材料制成，例如碳纤维材料，所述足前板构件21后侧连接在所述定位架31中部，所述足前板构件21的前侧形成自由端，所述足板后跟构件22通过第二弹臂221连接在所述足前板构件21后侧，所述足趾部211与介质接收仓33之间设有设计距离；通过这样设置，使假肢在足趾部211恢复自然状态时与足板助力机构3分开，避免足趾部211接受外力作用。

参见图1和图2，在一种实施例中，所述踝部组件1包括踝部底板14、踝部顶板15和形变挤压块13，所述踝部顶板15底部沿纵向方向转动连接在踝部底板14上，所述踝部底板14沿纵向方向的两侧分别设有所述形变挤压块13，所述形变挤压块13夹设于所述踝部底板14和踝部顶板15之间，所述形变挤压块13使所述踝部顶板15侧向摆动时自动复位，所述踝部底板14与第一弹性构件11优选为一体结构，具体为通过金属件一体折弯加工而成或用注塑方式制成，使踝部底板14与第一弹性构件11之间的弹性恢复能力更好；通过这样设置，使踝部顶板15在不受力时具有向中部的自动复位的功能，模拟人体站立时小腿保持直线的姿态。

本发明的假肢模拟了人体在矢状面上的跖屈、背屈运动，并且由于跖屈、背屈的角度不同(一般踝关节允许15°～25°的背屈和40°～55°的跖屈)，因此，两个踝部形变挤压块13的杨氏模量数值会是不同的，前部的形变挤压块13的杨氏模量要大于后部的形变挤压块13的杨氏模量。

参见图1，在一种实施例中，所述足前板构件21上表面中部设有沿长度方向向内凹陷的弧形面212；通过这样设置，足前板构件21的弧形面212造型可以简约形象地将假肢二趾区分出来，模拟人体脚趾的二趾区。

参见图1和图2，在一种实施例中，所述足板助力机构3底部设有缓震组件4，所述缓震组件4包括足部底板41、后缓震气垫42和前缓震气垫43，所述足部底板41采用硬质材料制成，例如碳纤维材料。所述足部底板41包括依次连接的足底前压板411、足底连接部412和足底后压板413，所述足底前压板411和足底后压板413相对所述足底连接部412向下方错位设置,所述足底前压板411和足底后压板413底部设有防滑纹路，所述足底连接部412连接在所述定位架31底部，所述前缓震气垫43安装在所述足底前压板411和所述定位架31底部之间，所述足底前压板411可相对所述足底连接部412相对弹性活动压缩所述前缓震气垫43从而起到缓震作用；所述后缓震气垫42安装在所述足底后压板413和所述定位架31底部起到相当与人体足底脂肪的缓冲作用，所述足底后压板413可相对所述足底连接部412相对弹性活动压缩所述后缓震气垫42从而起到缓冲作用；通过这样设置，缓震组件4对假肢底部起到较好的缓震作用。

在进一步的实施例中，所述后缓震气垫42设有向外侧是否气压的排气阀44，使当人体足跟着地重力向下施加时后缓震气垫42会因挤压作用将内部气体通过排气阀44排出，这一方式模拟了人体步态运动学中足弓的下降缓震过程；当步态末期趾尖离地过程时，由于足尖的施力会压缩足前缓震气垫43，而当趾尖离地的瞬间前缓震气垫43因为受力消失会产生一定的回弹力，与此同时后缓震气垫42也在受力消失时因其腔内的气压与外界气压差的不同，而通过排气阀44重新吸入后缓震气垫42，这一过程同样类似于足弓的变刚度助力脚尖抬起的过程，并且亦能为假肢提供一定的助力。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (8)

1.仿生柔性被动足踝关节假肢，其特征在于，包括：

足板顶组件，包括前部为足趾部的足前板构件和足板后跟构件，足板后跟构件连接在足前板构件后侧，并可向底部方向弹性活动；

踝部组件，设于足板顶组件上侧，其前部通过第一弹性构件连接在足前板构件上方，所述踝部组件可通过压缩第一弹性构件并以其为支点向下方作用足板后跟构件，使其向底部方向弹性活动；

足板助力机构，位于所述足板顶组件下侧，其包括定位架、介质输出仓和介质接收仓，所述介质输出仓可向所述介质接收仓输送流体介质，所述介质接收仓设于所述定位架内并且位于所述足趾部下侧，所述介质输出仓设于所述定位架内位于介质接收仓后侧，所述足板后跟构件被作用时可挤压所述介质输出仓；

所述介质输出仓被挤压时产生进入介质接收仓的流体介质，使介质接收仓膨胀变形对足趾部产生推顶作用；

所述足板助力机构还包括设于所述定位架内的弹性缓冲结构，所述弹性缓冲结构设于所述介质输出仓侧部并位于所述足板后跟构件下侧，所述足板后跟构件被作用时可压缩所述弹性缓冲结构，使弹性缓冲结构向介质输出仓一侧产生挤压作用；

所述弹性缓冲结构包括缓冲气垫和设于所述缓冲气垫内的弹性复位件。

2.根据权利要求1所述的仿生柔性被动足踝关节假肢，其特征在于，所述踝部组件底部设有第二弹性构件，所述第二弹性构件与足板后跟构件之间设有间距。

3.根据权利要求1所述的仿生柔性被动足踝关节假肢，其特征在于，所述流体介质为液体介质。

4.根据权利要求1至3任一项所述的仿生柔性被动足踝关节假肢，其特征在于，所述介质输出仓两侧侧部沿所述介质接收仓方向向内收窄。

5.根据权利要求1至3任一项所述的仿生柔性被动足踝关节假肢，其特征在于，所述足板后跟构件底部设有后跟气垫，所述后跟气垫内设有第一气腔，所述第一气腔顶部坡度沿外侧方向减小；

所述足前板构件底部前侧设有前足气垫，所述前足气垫内设有第二气腔，所述第二气腔顶部坡度沿内侧方向减小。

6.根据权利要求1至3任一项所述的仿生柔性被动足踝关节假肢，其特征在于，所述足前板构件后侧连接在所述定位架中部，所述足前板构件的前侧形成自由端。

7.根据权利要求6所述的仿生柔性被动足踝关节假肢，其特征在于，所述踝部组件包括踝部底板、踝部顶板和形变挤压块，所述踝部顶板底部沿纵向方向转动连接在踝部底板上，所述踝部底板沿纵向方向的两侧分别设有所述形变挤压块，所述形变挤压块使所述踝部顶板侧向摆动时自动复位。

8.根据权利要求1所述的仿生柔性被动足踝关节假肢，其特征在于，所述足前板构件上表面中部设有沿长度方向向内凹陷的弧形面；所述足板助力机构底部设有缓震组件。

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