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CN116602801A - 一种小腿膝踝联动仿生假肢 - Google Patents

一种小腿膝踝联动仿生假肢 Download PDF

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CN116602801A CN202310672552.6A CN202310672552A CN116602801A CN 116602801 A CN116602801 A CN 116602801A CN 202310672552 A CN202310672552 A CN 202310672552A CN 116602801 A CN116602801 A CN 116602801A
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Abstract

本发明公开了一种小腿膝踝联动仿生假肢，包括大腿连接件、小腿连接件、以及踝足连接件，大腿连接件与小腿连接件铰接，踝足连接件与小腿连接件铰接，大腿连接件与踝足连接件通过联动杆相连、并由大腿部驱动同步运动，联动杆与大腿连接件通过上铰接点铰接，联动杆与与踝足连接件通过下铰接点铰接，上铰接点与膝关节转动轴之间的距离小于下铰接点与踝关节转动轴的距离。本发明由人体膝关节的屈伸运动带动假肢踝关节的背屈和柘屈运动，实现上下台阶和斜坡、下蹲时的膝踝联动，起到假肢仿生运动的作用，为上下台阶、斜坡和下蹲的自由运动和身体重心的平衡提供良好的仿生效果，为截肢者的工作和生活带来更大的方便。

Description

一种小腿膝踝联动仿生假肢
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种小腿膝踝联动仿生假肢。
背景技术
穿戴踝关节假肢可以达到对人体缺失功能的代偿。早期的假肢多数为被动式踝关节假肢，早起被动式踝关节采用木质假肢，后期由于材料变革多采用弹性储能器件增加假肢弹性性能，现在一般假肢材质采用橡胶、碳纤维等储能类材料制作脚板。国内研究主要侧重于膝关节假肢功能的实现，而踝关节仅被当作弹性储能结构辅助人体行走，一些关键技术尚待发展与完善，解决截肢患者的痛点。
现有小腿假肢踝关节多为被动式，利用脚板自身变形量来满足残肢所需要的回弹力，运动起来较为死板、僵硬、灵活性较差。对于上下楼梯的爬行，上下斜坡的行走，裸关节不能根据路面情况进行跖屈和背屈变化，基本上需要装配者残端和胯部的身体摆动提供动力，行动起来比较吃力，极为不便。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种小腿膝踝联动仿生假肢，能模拟正常人的行走步态，并能根据路面情况进行跖屈和背屈变化，其运动灵活性好，便于上下楼梯的爬行和上下斜坡的行走。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种小腿膝踝联动仿生假肢，包括与大腿部连接的大腿连接件、与小腿部连接的小腿连接件、以及踝足连接件，所述大腿连接件与小腿连接件铰接、并能绕膝关节转动轴转动做屈伸运动，所述踝足连接件与小腿连接件铰接、并能绕踝关节转动轴转动做跖屈运动和背屈运动，所述大腿连接件与踝足连接件通过联动杆相连、并由大腿部驱动同步运动，所述联动杆与大腿连接件通过上铰接点铰接，所述联动杆与与踝足连接件通过下铰接点铰接，所述上铰接点与膝关节转动轴之间的距离小于下铰接点与踝关节转动轴的距离。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述上铰接点与膝关节转动轴的距离为17mm，所述下铰接点与踝关节转动轴的距离为21mm。
所述上铰接点与膝关节转动轴的连线与大腿部的中心线呈15°夹角，所述下铰接点与踝关节转动轴的连线与小腿部的中心线呈45°夹角。
所述踝足连接件上设有缓冲限位装置，所述缓冲限位装置位于踝关节转动轴的前侧、并用于对踝关节背屈起缓冲和限制踝关节的最大背屈，所述缓冲限位装置为气缸、油缸和弹簧中的任意一种。
所述上铰接点位于膝关节转动轴远离小腿部的一侧，所述下铰接点位于踝关节转动轴靠近足跟部的一侧。
所述小腿连接件上转动安装有转盘，所述大腿连接件靠近膝关节转动轴的一端与转盘连接。
所述联动杆设于小腿部的外侧，所述联动杆呈靠近小腿连接件外表面的弧形、并与小腿连接件间距设置。
所述大腿连接件上铰接有腿围件，所述腿围件与大腿部以可拆卸的方式连接。
所述腿围件呈弧形、且设有开口，所述开口的两侧设有相互配合连接的收紧带。
所述小腿连接件设有收纳小腿部的接受腔。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明通过联动杆的连接，使其与大腿连接件、小腿连接件和踝足连接件连接构成一非平行四边形的连杆机构，使得踝关节与膝关节联动，从而实现大腿部驱动膝关节的屈伸运动、与踝关节做跖屈运动和背屈运动的同步运动；由人体膝关节的屈伸运动带动假肢踝关节的背屈和柘屈运动，实现上下台阶和斜坡、下蹲时的膝踝联动，起到假肢仿生运动的作用，为上下台阶、斜坡和下蹲的自由运动和身体重心的平衡提供良好的仿生效果，为截肢者的工作和生活带来更大的方便；通过上铰接点与膝关节转动轴之间的距离小于下铰接点与踝关节转动轴的距离，能更为省力，使人体站立支撑时踝关节更稳，且在行走时，更利于膝关节屈曲初期带动踝关节柘屈，在站立时，大腿连接件、小腿连接件和联动杆，形成三角支撑，具有稳定支撑的结构特征。
附图说明
图1为小腿膝踝联动仿生假肢的外侧视图结构示意图。
图2为小腿膝踝联动仿生假肢的内侧视图结构示意图。
图3为小腿膝踝联动仿生假肢的后视结构示意图。
图例说明：
100、大腿部；1、大腿连接件；11、腿围件；12、收紧带；2、小腿连接件；21、转盘；22、接受腔；3、踝足连接件；31、踝关节转动轴；4、联动杆；41、上铰接点；42、下铰接点；5、缓冲限位装置。
实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1-图3所示，本实施例的小腿膝踝联动仿生假肢，包括与大腿部100连接的大腿连接件1、与小腿部连接的小腿连接件2、以及踝足连接件3，大腿连接件1与小腿连接件2铰接、并能绕膝关节转动轴转动做屈伸运动，踝足连接件3与小腿连接件2铰接、并能绕踝关节转动轴31转动做跖屈运动和背屈运动，大腿连接件1与踝足连接件3通过联动杆4相连、并由大腿部100驱动同步运动，联动杆4与大腿连接件1通过上铰接点41铰接，联动杆4与与踝足连接件3通过下铰接点42铰接，上铰接点41与膝关节转动轴之间的距离小于下铰接点42与踝关节转动轴31的距离。通过联动杆4的连接，使其与大腿连接件1、小腿连接件2和踝足连接件3连接构成一非平行四边形的连杆机构，使得踝关节与膝关节联动，从而实现大腿部100驱动膝关节的屈伸运动、与踝关节做跖屈运动和背屈运动的同步运动；由人体膝关节的屈伸运动带动假肢踝关节的背屈和柘屈运动，实现上下台阶和斜坡、下蹲时的膝踝联动，起到假肢仿生运动的作用，为上下台阶、斜坡和下蹲的自由运动和身体重心的平衡提供良好的仿生效果，为截肢者的工作和生活带来更大的方便；通过上铰接点41与膝关节转动轴之间的距离小于下铰接点42与踝关节转动轴31的距离，能更为省力，使人体站立支撑时踝关节更稳，且在行走时，更利于膝关节屈曲初期带动踝关节柘屈，在站立时，大腿连接件1、小腿连接件2和联动杆4，形成三角支撑，具有稳定支撑的结构特征。
本实施例中，上铰接点41与膝关节转动轴的距离为17mm，下铰接点42与踝关节转动轴31的距离为21mm。由于上铰接点41位于膝关节转动轴的上前侧17毫米，上铰接点41和膝关节转动轴的连线与大腿部100的中心线成15度的夹角。此设计使得膝关节屈曲15度初期即脚尖蹬离地期，踝关节柘屈15度，起到弥补因髋膝关节瞬间屈曲产生的下肢长度缩短的支撑弥补，以保持身体平衡和步态的自然。联动杆4与踝足连接件3的铰接点位于踝关节转动轴31后上侧21毫米，该铰接点和踝关节转动轴31与小腿中心线成45度的夹角，该位置点的确定使得膝关节屈曲15度时，踝关节柘屈15度，膝关节屈曲由15度到更大角度时，踝关节由柘屈变为背屈，摆腿期脚掌相应抬起，避免脚尖触地和踢到台阶。
本实施例中，上铰接点41与膝关节转动轴的连线与大腿部100的中心线呈15°夹角，下铰接点42与踝关节转动轴31的连线与小腿部的中心线呈45°夹角。联动杆4与大腿连接件1的铰接点绕膝关节转动轴转动的倾角范围为70°～90°，联动杆4与踝足连接件3的铰接点绕踝关节转动轴31转动的倾角范围为45°～60°。通过对联动杆4与大腿连接件1和踝足连接件3铰接点在合适的转动范围内，能进一步地模拟正常人的行走步态，从而更为运动灵活性。当踝关节最大背屈45度时，膝关节最大屈曲75度不再屈曲。
本实施例中，踝足连接件3上设有缓冲限位装置5，缓冲限位装置5位于踝关节转动轴31的前侧、并用于对踝关节背屈起缓冲和限制踝关节的最大背屈，缓冲限位装置5为气缸、油缸和弹簧中的任意一种。缓冲限位装置优选为回转型液压缸，缓冲限位装置5能对踝关节背屈起缓冲作用，并能限制踝关节的最大背屈为45度。
本实施例中，上铰接点41位于膝关节转动轴远离小腿部的一侧，下铰接点42位于踝关节转动轴31靠近足跟部的一侧。其结构更加简洁，体积和重量更小，且传动更加有效。
本实施例中，小腿连接件2上转动安装有转盘21，大腿连接件1靠近膝关节转动轴的一端与转盘21连接。通过转盘21的设置，使得大腿连接件1与小腿连接件2的铰接更加顺畅，连接更加牢固稳定。
本实施例中，联动杆4设于小腿部的外侧，联动杆4呈靠近小腿连接件2外表面的弧形、并与小腿连接件2间距设置。能更进一地步地减少整体体积，不影响视觉外观。
本实施例中，大腿连接件1上铰接有腿围件11，腿围件11与大腿部100以可拆卸的方式连接。通过腿围件11能方便穿戴和拆卸，从而使穿戴者的体验度更好。绑缚在人体大腿部100上的腿围件11可以随其铰接点转动，使人体膝关节能够弯曲更大角度，是因为腿围件11围绕大腿部100铰接点转动时，小腿部的残肢会从小腿连接件2的接受腔22内自然移除一部分，有利于人体的下蹲动作。该腿围件11的设计为通过铰接点与大腿连接件1铰接，有效地解决了膝踝联动中踝关节最大只能背屈45度，而膝关节需要屈曲75度以上的受限问题。
本实施例中，腿围件11呈弧形、且设有开口，开口的两侧设有相互配合连接的收紧带12。收紧带12易于采购，价格低廉，便于制作安装。
本实施例中，小腿连接件2设有收纳小腿部的接受腔22。通过接受腔22的设置，能舒适地收纳小腿部。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种小腿膝踝联动仿生假肢，其特征在于，包括与大腿部（100）连接的大腿连接件（1）、与小腿部连接的小腿连接件（2）、以及踝足连接件（3），所述大腿连接件（1）与小腿连接件（2）铰接、并能绕膝关节转动轴转动做屈伸运动，所述踝足连接件（3）与小腿连接件（2）铰接、并能绕踝关节转动轴（31）转动做跖屈运动和背屈运动，所述大腿连接件（1）与踝足连接件（3）通过联动杆（4）相连、并由大腿部（100）驱动同步运动，所述联动杆（4）与大腿连接件（1）通过上铰接点（41）铰接，所述联动杆（4）与与踝足连接件（3）通过下铰接点（42）铰接，所述上铰接点（41）与膝关节转动轴之间的距离小于下铰接点（42）与踝关节转动轴（31）的距离。
2.根据权利要求1所述的小腿膝踝联动仿生假肢，其特征在于，所述上铰接点（41）与膝关节转动轴的距离为17mm，所述下铰接点（42）与踝关节转动轴（31）的距离为21mm。
3.根据权利要求2所述的小腿膝踝联动仿生假肢，其特征在于，所述上铰接点（41）与膝关节转动轴的连线与大腿部（100）的中心线呈15°夹角，所述下铰接点（42）与踝关节转动轴（31）的连线与小腿部的中心线呈45°夹角。
4.根据权利要求1所述的小腿膝踝联动仿生假肢，其特征在于，所述踝足连接件3上设有缓冲限位装置（5），所述缓冲限位装置（5）位于踝关节转动轴31的前侧、并用于对踝关节背屈起缓冲和限制踝关节的最大背屈，所述缓冲限位装置（5）为气缸、油缸和弹簧中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的小腿膝踝联动仿生假肢，其特征在于，所述上铰接点（41）位于膝关节转动轴远离小腿部的一侧，所述下铰接点（42）位于踝关节转动轴（31）靠近足跟部的一侧。
6.根据权利要求1所述的小腿膝踝联动仿生假肢，其特征在于，所述小腿连接件（2）上转动安装有转盘（21），所述大腿连接件（1）靠近膝关节转动轴的一端与转盘（21）连接。
7.根据权利要求1所述的小腿膝踝联动仿生假肢，其特征在于，所述联动杆（4）设于小腿部的外侧，所述联动杆（4）呈靠近小腿连接件（2）外表面的弧形、并与小腿连接件（2）间距设置。
8.根据权利要求1-7中任一所述的小腿膝踝联动仿生假肢，其特征在于，所述大腿连接件（1）上铰接有腿围件（11），所述腿围件（11）与大腿部（100）以可拆卸的方式连接。
9.根据权利要求8所述的小腿膝踝联动仿生假肢，其特征在于，所述腿围件（11）呈弧形、且设有开口，所述开口的两侧设有相互配合连接的收紧带（12）。
10.根据权利要求9所述的小腿膝踝联动仿生假肢，其特征在于，所述小腿连接件（2）设有收纳小腿部的接受腔（22）。
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