TWI747370B

TWI747370B - 下肢護具

Info

Publication number: TWI747370B
Application number: TW109123280A
Authority: TW
Inventors: 洪展鉅; 趙立碁
Original assignee: 至笙企業股份有限公司
Priority date: 2020-07-10
Filing date: 2020-07-10
Publication date: 2021-11-21
Also published as: TW202202107A

Abstract

本發明關於一種下肢護具，包括：一上支架，其設有一第一齒排結構；一下支架，其設有一第二齒排結構，該第一齒排結構及該第二齒排結構可活動地相互嚙合；及一連接件，其連接於該上支架及該下支架之間；其中，該第一齒排結構及該第二齒排結構分別延一非圓形路徑延伸。

Description

下肢護具

本發明係有關於一種下肢護具。

護具可穿戴於大腿及小腿上，其又分為預防型、功能型及復健型，可分別達到保護膝關節避免外力衝擊導致膝關節內翻或外翻造成傷害、可防止膝關節過度伸展、及以樞軸裝置控制膝關節的彎曲角度，以達到保護膝關節防止受到傷害。

習知技術如台灣專利第M252394號「膝關節輔具之關節結構」，其係透過四軸桿之設置，使得股骨定位片與脛骨定位片成一弧線運動，提供如人體正常膝關節之活動。然而，習知技術的膝關節輔具之關節結構其股骨定位片及脛骨定位片係以一固定軸點相對轉動，也就是股骨定位片及脛骨定位片之間的軸距係固定不變，造成於活動時所能支撐膝關節的強度及範圍有限。

因此，有必要提供一種新穎且具有進步性之下肢護具，以解決上述之問題。

本發明之主要目的在於提供一種下肢護具，可改變軸距以提供高支撐力強度。

為達成上述目的，本發明提供一種下肢護具，包括：一上支架，其設有一第一齒排結構；一下支架，其設有一第二齒排結構，該第一齒排結構及該第二齒排結構可活動地相互嚙合；及一連接件，其連接於該上支架及該下支架之間；其中，該第一齒排結構及該第二齒排結構分別延一非圓形路徑延伸；其中，該上支架包括一第一軸部，該下支架包括一第二軸部，該第一軸部及該第二軸部之間定義一軸距，當該上支架及該下支架相對樞轉時，該第一軸部及該第二軸部可相對移動而改變該軸距。

1:下肢護具

2:大腿

3:小腿

4:膝關節

5:長軸

6:短軸

7:弧長

8:橢圓路徑

9:參考線

10:上支架

11:第一齒排結構

111:齒

12:第一軸部

13:第一中心軸

20:下支架

21:第二齒排結構

22:第二軸部

23:第二中心軸

30:連接件

31:線性軌道

32:第一導軌

33:第二導軌

40:限位件

41,42,43:限位部

44:第一外側面

45:第二外側面

46:頭部

47:尾部

471:外弧面

472:抵面

50:蓋體

51:弧溝槽

60:控制件

70:容槽

71:第一容部

72:第二容部

721:內弧面

722:擋面

80:直線型假想齒條刀

81:頂面

82:直邊刀面

90:橢圓齒輪

D1:軸距

D2:中心距

L1:第一參考線

L2:第二參考線

L3:連心線

L4:距離參考線

P:固定點

M:第一點

N:第二點

I:瞬心點

O1:旋轉中心

圖1為本發明一較佳實施例之立體圖。

圖2為本發明一較佳實施例之分解圖。

圖3為本發明一較佳實施例之另一分解圖。

圖4至圖6為本發明一較佳實施例之使用作動圖。

圖7為本發明一較佳實施例之使用狀態圖。

圖8為本發明一較佳實施例之橢圓節線關係圖。

圖9為本發明一較佳實施例之直線型假想齒條刀之剖面圖。

圖10為本發明一較佳實施例之一直線型假想齒條刀與一被創成之橢圓齒輪之創成關係示意圖。

以下僅以實施例說明本發明可能之實施態樣，然並非用以限制本發明所欲保護之範疇，合先敘明。

請參考圖1至10，其顯示本發明之一較佳實施例，本發明之下肢護具1包括一上支架10、一下支架20及一連接件30。

該上支架10可供穿戴於一大腿2，該下支架20可供穿戴於一小腿3。該上支架10設有一第一齒排結構11；該下支架20設有一第二齒排結構21，該第一齒排結構11及該第二齒排結構21可活動地相互嚙合；及該連接件30連接於該上支架10及該下支架20之間；其中，該第一齒排結構11及該第二齒排結構21分別延一非圓形路徑延伸；較佳地，該非圓形路徑為一橢圓路徑8的部分或一卵形路徑的部分；藉以，該第一齒排結構11及該第二齒排結構21在相對嚙合活動時，其軸距係不斷地變化，使該上支架10及該下支架20結構相對移動至任意角度皆可提供高支撐力(於直立或屈膝之間變換)，分散膝關節4的受力至該上支架10而達到支撐膝關節4，並可達到對膝關節4軟骨支撐減壓的效果。該第一齒排結構11及該第二齒排結構21的齒輪參數相同，於相互嚙合時可找到相同位置的瞬心點，該第一齒排結構11及該第二齒排結構21的橢圓節線相同而得以進行兩接觸位置的限制，以達到支撐及傳動的效果。本實施例中，該第一齒排結構11及該第二齒排結構21為漸開線形齒輪。詳細地說，該第一齒排結構11及該第二齒排結構21相互嚙合的位置係供對應於膝關節4。於本實施例中，可具有二該成對設置之第一齒排結構11及二該成對設置之第二齒排結構21。

該上支架10包括一第一軸部12，該下支架20包括一第二軸部22，該第一軸部12及該第二軸部22之間定義一軸距D1，當該上支架10及該下支架20 相對樞轉時，該第一軸部12及該第二軸部22可相對移動而改變該軸距D1。較佳地，當一第一參考線L1通過該第一軸部12、該第二軸部22及該第一齒排結構11及該第二齒排結構21相互嚙合處，該軸距D1為最大值，該第一參考線L1沿直線路徑延伸，如此當膝關節4於直立狀態時，支撐受力則沿該上支架10及該下支架20分散，支撐力強可有效分散膝關節4的受力而達到穩定支撐的效果。

該連接件30包括一線性軌道31，該第一軸部12及該第二軸部22其中一者可移動地設於該線性軌道31、另一者可轉動地設於該連接件30之一固定點P，於本實施例中該第一軸部12設於該線性軌道31，該第二軸部22設於該固定點P(如軸孔)，該上支架10及該下支架20可分別穩定地配戴於該大腿2及該小腿3上而不易相對該大腿2及該小腿3移動，而得以提供穩定的支撐力。

該上支架10包括一第一中心軸13，該下支架20包括一第二中心軸23，該連接件30包括一第一導軌32及一第二導軌33，該第一中心軸13可移動地設於該第一導軌32，該第二中心軸23可移動地設於該第二導軌33，該第一中心軸13及該第二中心軸23之間定義一中心距D2；當該第一參考線L1通過該第一軸部12、該第二軸部22及該第一齒排結構11及該第二齒排結構21相互嚙合處，該上支架10及該下支架20呈第一狀態，該第一參考線L1沿直線延伸；當一第二參考線L2通過該第一軸部12、該第二軸部22及該第一齒排結構11及該第二齒排結構21相互嚙合處，該第二參考線L2延ㄑ形路徑時，該上支架10及該下支架20呈第二狀態；當該上支架10及該下支架20由該第一狀態樞轉為該第二狀態時，該中心距D2漸大。於本實施例中，該第一導軌32及該第二導軌33不相互對稱。該第一參考線L1通過該第一中心軸13及該第二中心軸22；該第一導軌32及該第二導軌33分為弧形槽，該第一導軌32及該第二導軌33朝向同一側弧彎。藉此，該第一齒排結構11及該第二齒排結構21在相對活動(轉動)時不會相互干涉，而得以相對順暢地活動。

該下肢護具1另包括一限位件40，該限位件40可相對該第一軸部12移動地設於該連接件30，該第一軸部12可於一活動路徑移動以改變該軸距D1，該限位件40包括至少三限位部41,42,43，該限位件40可調整地選擇其中一該限位部41,42,43對應該活動路徑上而與該第一軸部12相互限位；其中，該至少三限位部41,42,43可對應於該活動路徑上的相異位置。詳細地說，該限位件40相對該第一軸部12轉動，該限位件40設有一第一外側面44及一第二外側面45，該第一外側面44及該第二外側面45相互且非線性延伸的連接，該第一外側面44設有該限位部41，該第二外側面45設有二該限位部42,43，各該限位部41,42,43為一凹槽亦可為一擋塊，該凹槽朝外側開放。具體的說，該下肢護具1另包括一蓋體50及一控制件60，該蓋體50與該連接件30之間定義一容槽70，該限位件40可移動地設於該容槽70，該容槽70包括一第一容部71及一與該第一容部71相互連通之第二容部72，該第二容部72設有一內弧面721及一橫向於該內弧面721之擋面722，該限位件40包括一頭部46及一連接於該頭部46之尾部47，該頭部46設有各該限位部41,42,43，該尾部47設有一與該內弧面721相面對之外弧面471及一橫向於該外弧面471之抵面472，該尾部47可移動地容設於該第二容部72，該抵面472可脫離地抵止於該擋面722，以達到限位及支撐效果；該蓋體50設有一弧溝槽51，該控制件60可移動地設於該弧溝槽51並與該頭部46相連接；可調控該控制件60帶動該限位件40相對該第一軸部12轉動使其中一該限位部41,42,43對應該第一軸部12，令該第一軸部12可直接卡入其中一該限位部41,42,43。詳細地說，由於任一該限位部41,42,43對應該第一軸部12時兩者之間的距離相異，以使該上支架10可相對該下支架20於指定的角度樞擺限位，如當該限位部41與該第一軸部12互卡，該上支架10及該下支架20呈直立狀(180度，如圖4，膝關節4呈直立狀)、當該限位部43與該第一軸部12互卡呈第一彎曲狀(90度，如圖6，膝關節4呈彎曲垂直狀)、或當該限位部42與該第一軸部12互卡呈第二彎曲狀(45度，如圖5，膝關節4呈微彎曲狀)，但不限於上述的角度。故，結構簡單且利於快速加工完成。

下述該上支架10之該第一齒排結構11及該下支架20之該第二齒排結構21之橢圓型齒輪設計所參考自文獻(S.L.Chang and C.B.Tsay,“MATHEMATICAL MODEL AND UNDERCUTTING ANALYSIS OF ELLIPTICAL GEARS GENERATED BY RACK CUTTERS,”Mech.Mach.Theory Vol.31 No.7,1996)，該非圓形路徑為一橢圓路徑8，該橢圓路徑8定義一旋轉中心O1，該第一齒排結構11繞該旋轉中心O1延伸，請參考圖8，該橢圓路徑8定義一長軸5及一橫向於該長軸5之短軸6，該長軸5橫向於該短軸6，該橢圓路徑8定義一通過該橢圓路徑8之一中心及該旋轉中心O1之連心線L3及一通過該旋轉中心O1及該橢圓路徑8的一節線之距離參考線L4，該連心線L3及該距離參考線L4之間界定一夾角，該夾角為Ø₁，該旋轉中心O1位於該橢圓路徑8的一焦點上，該旋轉中心O1到該橢圓路徑8的該節線上的距離以一極座標表示為：

其中，

，該長軸5為2a，該短軸6為2b；其中，該距離參考線L4與該橢圓路徑8相交於一第一點M；該第一點M的卡氏座標為：

其中，該第一點M的一切線向量為：

其中，τ=cosγ i ₁+sinγ j ₁，該橢圓路徑8定義一與該長軸5平行之參考線9，該參考線9通過該第一點M並與該切線向量之間定義一外夾角，該外夾角為γ，該連心線L3與該橢圓路徑8相交於一第二點N，該第一點M為M，該第二點N為N該橢圓路徑8由該第一點M至該第二點N之間的一弧長7為S _MN，由畢氏定理關係求得：

該第一齒排結構11及該第二齒排結構21之齒型分別由一直線型假想齒條刀80與一被創成之橢圓齒輪90之相對運動關係求得，請參考圖9及圖10。該直線型假想齒條刀80截面如圖9，該直線型假想齒條刀80方程式在S_C(X_C,Y_C)座標係可表示為：x _c=-a _c+l cos α

y _c=±b _c±a _c tan α∓l sin α

該直線型假想齒條刀80與該被創成之橢圓齒輪90之創成關係如圖10，將該直線型假想齒條刀80方程式表示在該被創成之橢圓齒輪90之座標係S₁(X₁,Y₁)上為：x ₁=(-a _c+l cos α)sin γ _n+(±b _c±a _c tan α∓l sin α)cos γ _n+r₁ cos Ø₁+S cos γ _n

y ₁=-(-a _c+l cos α)cos γ _n+(±b _c±a _c tan α∓l sin α)sin γ _n-r ₁ cos Ø₁+S sin γ _n

其中該橢圓齒輪90之橢圓形節曲線為r ₁，參數γ _n為該橢圓齒輪90之Yc軸與該橢圓齒輪90之Xc軸在瞬心點I之夾角，該被創成之橢圓齒輪90時該直線型假想齒條刀80沿著Yc軸平移，Ø₁為參數γ _n的函數。

將該直線型假想齒條刀80方程式具微分，可求得該直線型假想齒條刀80之刀面法向量：n _cx=∓sin α

n _cy=-cos α

由齒輪原理可知，該直線型假想齒條刀80之節線與該被創成之橢圓齒輪90之節圓相切處為瞬心位置，其相對速度為0，在此瞬心點具有以下關係條件：

由上式的關係計算出該第一齒排結構11(橢圓形齒輪)及該第二齒排結構21(橢圓形齒輪)的嚙合方程式：

其中，該直線型假想齒條刀80的節點之一壓力角為α，該直線型假想齒條刀80包括一頂面81及二橫向設於該頂面81相對二側之直邊刀面82，各該直邊刀面82的起始位置的參數定義分別為a_c及b_c，該橢圓齒輪90之一橢圓弧長為S。藉以，該第一齒排結構11及該第二齒排結構21可順暢相對運動嚙合且不易崩壞。

綜上，本發明之下肢護具透過該第一齒排結構及該第二齒排結構分別延一非圓形路徑延伸，該第一齒排結構及該第二齒排結構21在相對嚙合活動時，其軸距係不斷地變化，使該上支架及該下支架結構相對移動至任意角度皆可提供高支撐力，分散膝關節的受力至該上支架而達到支撐膝關節，並可達到對膝關節軟骨支撐減壓的效果。

1:下肢護具

10:上支架

20:下支架

50:蓋體

60:控制件

Claims

一種下肢護具，包括：一上支架，設有一第一齒排結構；一下支架，設有一第二齒排結構，該第一齒排結構及該第二齒排結構可活動地相互嚙合；及一連接件，連接於該上支架及該下支架之間；其中，該第一齒排結構及該第二齒排結構分別延一非圓形路徑延伸；其中，該上支架包括一第一軸部，該下支架包括一第二軸部，該第一軸部及該第二軸部之間定義一軸距，當該上支架及該下支架相對樞轉時，該第一軸部及該第二軸部可相對移動而改變該軸距。
如請求項1所述的下肢護具，其中該非圓形路徑為一橢圓路徑的部分或一卵形路徑的部分。
如請求項1所述的下肢護具，其中當一第一參考線通過該第一軸部、該第二軸部及該第一齒排結構及該第二齒排結構相互嚙合處，該軸距為最大值，該第一參考線沿直線路徑延伸。
如請求項1所述的下肢護具，其中該連接件包括一線性軌道，該第一軸部及該第二軸部其中一者可移動地設於該線性軌道、另一者可轉動地設於該連接件之一固定點。
如請求項1所述的下肢護具，其中該上支架包括一第一中心軸，該下支架包括一第二中心軸，該連接件包括一第一導軌及一第二導軌，該第一中心軸可移動地設於該第一導軌，該第二中心軸可移動地設於該第二導軌，該第一中心軸及該第二中心軸之間定義一中心距；一第一參考線通過該第一軸部、該第二軸部及該第一齒排結構及該第二齒排結構相互嚙合處，當該第一參考線延直性路徑延伸時，該上支架及該下支架呈第一狀態；當該第一參考線延ㄑ形路徑延伸時，該上支架及該下支架呈第二狀態；當該上支架及該下支架由該第一狀態樞轉為該第二狀態時，該中心距漸大。
如請求項5所述的下肢護具，其中該第一導軌及該第二導軌不相互對稱。
如請求項1所述的下肢護具，另包括一限位件，該限位件可相對該第一軸部移動地設於該連接件，該第一軸部可於一活動路徑移動以改變該軸距，該限位件包括至少三限位部，該限位件可調整地選擇其中一該限位部對應該活動路徑上而與該第一軸部相互限位；其中，該至少三限位部可對應於該活動路徑上的相異位置。
如請求項7所述的下肢護具，其中該限位件相對該第一軸部轉動，該限位件設有一第一外側面及一第二外側面，該第一外側面及該第二外側面相互且非線性延伸的連接，該第一外側面設有至少一該限位部，該第二外側面設有至少二該限位部，各該限位部為一凹槽，該凹槽朝外側開放。
如請求項6所述的下肢護具，其中該非圓形路徑為一橢圓路徑的部分；當該第一參考線通過該第一軸部、該第二軸部及該第一齒排結構及該第二齒排結構相互嚙合處，該軸距為最大值，該第一參考線沿直線路徑延伸；該連接件包括一線性軌道，該第一軸部及該第二軸部其中一者可移動地設於該線性軌道、另一者可轉動地設於該連接件之一固定點；該第一參考線通過該第一中心軸及該第二中心軸；該第一導軌及該第二導軌分為弧形槽，該第一導軌及該第二導軌朝向同一側弧彎；該下肢護具另包括一限位件，該限位件可相對該第一軸部移動地設於該連接件，該第一軸部可於一活動路徑移動以改變該軸距，該限位件包括至少三限位部，該限位件可調整地選擇其中一該限位部對應該活動路徑上而與該第一軸部相互限位；其中，該至少三限位部可對應於該活動路徑上的相異位置；該限位件相對該第一軸部轉動，該限位件設有一第一外側面及一第二外側面，該第一外側面及該第二外側面相互且非線性延伸的連接，該第一外側面設有至少一該限位部，該第二外側面設有至少二該限位部，各該限位部為一凹槽，該凹槽朝外側開放；該下肢護具另包括一蓋體及一控制件，該蓋體與該連接件之間定義一容槽，該限位件可移動地設於該容槽，該容槽包括一第一容部及一與該第一容部相互連通之第二容部，該第二容部設有一內弧面及一橫向於該內弧面之擋面，該限位件包括一頭部及一連接於該頭部之尾部，該頭部設有各該限位部，該尾部設有一與該內弧面相面對之外弧面及一橫向於該外弧面之抵面，該尾部可移動地容設於該第二容部，該抵面可脫離地抵止於該擋面；該蓋體設有一弧溝槽，該控制件可移動地設於該弧溝槽並與該頭部相連接。
如請求項1所述的下肢護具，其中該非圓形路徑為一橢圓路徑，該橢圓路徑定義一旋轉中心，該第一齒排結構繞該旋轉中心延伸，該橢圓路徑定義一長軸及一橫向於該長軸之短軸，該橢圓路徑定義一通過該橢圓路徑之一中心及該旋轉中心之連心線及一通過該旋轉中心及該橢圓路徑的一節線之距離參考線，該連心線及該距離參考線之間界定一夾角，該夾角為Ø₁，該旋轉中心位於該橢圓路徑的一焦點上，該旋轉中心到該橢圓路徑的該節線上的距離以一極座標表示為：
其中，
，該長軸為2a，該短軸為2b；其中，該距離參考線與該橢圓路徑相交於一第一點；該第一點的卡氏座標為：
其中，該第一點的切線向量為：
其中，τ=cosγ i ₁+sinγ j ₁，該橢圓路徑定義一與該長軸平行之參考線，該參考線通過該第一點並與該切線向量之間定義一外夾角，該外夾角為γ，該參考線與該橢圓路徑相交於一第二點，該第一點為M，該第二點為N，該橢圓路徑由該第一點至該第二點之間的一弧長為S _MN，由畢氏定理關係求得：
如請求項1所述的下肢護具，其中該非圓形路徑為該橢圓路徑，該第一齒排結構及該第二齒排結構之齒型分別由一直線型假想齒條刀與一被創成之橢圓齒輪之相對運動關係求得，該第一齒排結構及該第二齒排結構的嚙合方程式為：
其中，該直線型假想齒條刀的節點之一壓力角為α，該直線型假想齒條刀包括一頂面及二橫向設於該頂面相對二側之直邊刀面，各該直邊刀面的起始位置的參數定義分別為a_c及b_c，該橢圓齒輪之一橢圓弧長為S。