专利名称：地形自适应仿生踝关节装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于回转式微型液压缸的假脚仿生踝关节装置，尤其是一种用于
模拟人体踝关节运动的回转式微型液压缸，以及一种可根据不同患者体重与步速调节踝关 节阻尼力，从而以最佳稳定性与灵活性来适应不同地形的踝关节阻尼调节机构。
背景技术：
据2006年第二次全国残疾人抽样调查结果显示，我国肢体残疾人数已达2400多 万人，其中有200多万的截肢者。特别是近年来因车祸、工伤事故以及糖尿病、心血管病截 肢的人数还在上升，因此数量庞大的截肢者人群的康复问题对假肢技术革新提出了迫切的 要求。 假脚是下肢假肢中一个非常重要的组成部分，具有与人体脚部功能相似的仿生假 脚是假脚设计的理想目标。它对人体行走的功能代偿性能决定了下肢假肢的应用价值。功 能越完善、功能代偿性能越强大的假脚，越能给使用者更加正常的步态和舒适感，让使用者 恢复和正常人一样的步行感受。当代假脚的功能已经越来越完善，可是仍然有一定的缺陷， 最突出的一个缺陷便是无法适应不同的地形。大多数假脚需要在平地上行走时才能发挥 应有的功能，而若在具有一定坡度的地形上行走时，则会造成行走不稳定，甚至导致假脚失 效。主要原因在于现在决大多数假脚不能很好的实现正常人体足部踝关节的大角度转动与 稳定功能，导致在遇到陡坡而需要踝关节转动角度变大时，为适应平地设计的假脚因无法 满足这一要求而失效。现在市场上的假脚大多是通过增加脚板形变能力，或是使用弹性橡 胶来的适应地形坡度的变化，但这些方法效果相当有限。踝关节适应不同坡度路面的角度 调节需要满足如下两个条件(l)踝关节是非固定的，很方便解锁或不用解锁即可通过对 脚板施加力来调节；(2)踝关节需要一定的阻尼力或锁定功能，以保证踝关节在各种角度 下的稳定性。 国际上已有一些公司开展了相关的研究，但真正面市的产品却很少。目前，英国曾 生产了一种液压仿生踝，能够实现上/下楼梯或上/下坡的踝关节角度的适应，但这种踝关 节的阻尼力是固定的，不能适应不同体重患者的需要进行个性化设定。最近冰岛亦推出了 一款电动踝关节假脚，以自动适应不同坡度里面的行走，这种假脚结构复杂、需要电池且提 供能量的时间有限，价格昂贵。如果能设计一种可以根据不同患者体重与习惯调节踝关节 阻尼力大小的新型假脚，使患者能更舒适、方便地适应不同坡度路面的行走，则对截肢者来 说无疑具有很大帮助。
发明内容
本发明是为假脚适应各种坡度或不平稳地形而提供一种地形自适应仿生踝关节 装置，该装置采用新型设计，结构紧凑，使用安全、方便、舒适，且可以安装于标准踝关节接 头之上，从而可直接与已上市的大多数假脚脚板配合使用。 为实现上述目的，本发明的技术方案是一种地形自适应仿生踝关节装置，包括小
3腿干接口座，液压缸连接套，回转式微型液压缸体，回转式微型液压缸体两侧安装有液压缸 密封板，回转式微型液压缸体内充满油液，其特点是回转式微型液压缸内腔为扇形主腔 室，扇形主腔体下端中部连接有活塞转轴，活塞转轴上面固定连接有旋转式液压活塞，旋转 式液压活塞将扇形主腔室分隔为左、右两个腔室，且左、右腔室分别与跖屈管路和背屈管路 相连通，跖屈管路和背屈管路内分别设有位于回转式微型液压缸体底部的跖屈、背屈阻尼 调节系统。 旋转式液压活塞嵌入活塞转轴中，其顶部外圆弧面与回转式微型液压缸体内圆弧
面相重合；活塞转轴穿过液压缸密封板在轴两端与液压缸连接套相互固定；液压缸密封板
上凸台嵌入回转式微型液压缸内；液压缸连接套在顶部与小腿干接口座相互固定。 跖屈、背屈阻尼调节系统由阻尼调节器固定套、阻尼调节器、阻尼控制弹簧、截流
针阀四个部件组成，其中阻尼调节器固定套通过螺纹连接安装于回转式微型液压缸体侧向
通孔中，阻尼调节器通过螺纹连接安装于阻尼调节器固定套内通孔中，截流针阀则通过其
尾部圆盘安装于阻尼调节器固定套顶部通孔，阻尼控制弹簧安装于截流针阀与阻尼调节器
之间，当阻尼调节器旋进或旋出时，弹簧的压縮量则随之增加或减少，从而控制截流针阀轴
向后移的阻力，进而控制油液顶开针阀的阻力。 本发明的有益效果是 (1)利用油液的不可压縮性使旋转式液压活塞在液压缸中随油液的流动而绕旋转 中心旋转，进而使假脚脚板与小腿干之间发生相对旋转，从而更加近似地模拟人体踝关节 转动。 (2)不同于以往的圆柱式液压缸设计，而是将用于提供踝关节转动阻尼的液压缸 设计成圆弧形的回转式液压缸，使液压缸内的活塞转动直接表现成踝关节的转动，能够更 加直接地对踝关节转动进行阻尼力的调节，踝关节结构更加紧凑。 (3)回转式微型液压缸体与液压缸连接套通过两圆弧面接触，保证了在踝关节转 动的每一个角度，回转式微型液压缸体与液压缸连接套都能够有足够的接触面积，保证了 踝关节的稳定性以及结构的强度。 (4)使用独特设计的跖屈、背屈阻尼调节系统，对油液流量可以进行无级调控，所 以本实用新型可以对假脚踝关节旋转阻尼进行无级调节，以适应患者体重与步速对踝关节 稳定性及转动灵活性的不同需要。 (5)将假脚跖屈、背屈分别控制，可以更有效的针对不同的使用者、步速调节出合 适的阻尼设定，适用范围更广。 不同患者根据行走速度要求进行训练，可以设置相应的假脚跖屈、背屈阻尼，行走 时患者仅需直接通过残肢对脚板施加一定的转动力矩就可以使踝关节达到路面一致的角 度。因此这种回转式液压假脚踝关节能使患者以最舒适的状态、方便地适应不同坡度路面 的行走。
图1是本发明立体整体示意图；
图2是本发明的跖屈管路局部剖视图；
图3是本发明的横剖视 图4是跖屈、背屈阻尼液压调节系统图。
具体实施例方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。 如图1至图3所示，本发明的地形自适应仿生踝关节装置，包括小腿干接口座1 、液 压缸连接套2、回转式微型液压缸体3、液压缸密封板4、、旋转式液压活塞5、活塞转轴6，跖 屈阻尼调节器固定套7、跖屈阻尼调节器8、跖屈阻尼控制弹簧9、跖屈截流针阀10、背屈阻 尼调节器固定套11、背屈阻尼调节器12、背屈阻尼控制弹簧13、背屈截流针阀14。
如图2所示，回转式微型液压缸体1内部为中通，内部圆弧面围成一个开放式的腔 室，内上部圆弧面与旋转式液压活塞上部的圆弧面同心，能够互相重合，旋转式液压活塞5 底部的则嵌入活塞转轴6的内部。活塞转轴6的外圆弧面则与回转式微型液压缸体1圆心 处的内圆弧面相贴合，此时，旋转式液压活塞5与活塞转轴6能绕圆心在回转式微型液压缸 体1旋转，且将回转式微型液压缸体1内部主腔室分为左右两个腔室A， B。结合附图4，在 回转式微型液压缸体1下部有两条对称的油液管路，分别为跖屈管路和背屈管路。在左腔 室的下方有一油液管路连通跖屈管路。跖屈阻尼控制器、背屈阻尼分别控制器控制跖屈、背 屈截流针阀10，14伸入各自油液管路中，控制油液流通管路的开口大小，从而分别控制跖 屈、背屈的油液流通阻尼。 如图4所示，跖屈、背屈阻尼调节系统位于回转式微型液压缸体1的底部。由阻尼 调节器固定套、阻尼调节器、阻尼控制弹簧、截流针阀四个部件组成。以背屈阻尼调节系统 为例，背屈阻尼调节器固定套11通过螺纹连接安装于回转式微型液压缸体1侧向通孔中， 背屈阻尼调节器12通过螺纹连接安装于背屈阻尼调节器固定套11内通孔中。背屈截流针 阀14则通过其尾部圆盘安装于背屈阻尼调节器固定套11顶部通孔，可以自由做轴向移动， 但不可越出背屈阻尼调节器固定套11顶部。背屈阻尼控制弹簧13怎安装于背屈截流针阀 14与背屈阻尼调节器12之间，当将背屈阻尼调节器12旋进或旋出时，弹簧的压縮量则随之 增加或减少，从而控制背屈截流针阀14轴向后移的阻力，进而控制背屈时油液顶开针阀的 阻力，增大了背屈阻尼。跖屈阻尼控制与背屈原理是一致的。 使用时，如图1，将小腿干与小腿干接口座1连接好，将回转式微型液压缸体1与标 准接口假脚连接好。同时将两块液压缸密封板4安装于回转式微型液压缸体4两侧，使左 右两腔室完全密封。将左右腔室、油液通道内注满油液，此时，小腿干则可以与假脚发生相 对旋转运动。跖屈时，推动油液从左腔室向右腔室流动，背屈时，推动油液从右腔室向左腔 室流动。 使用时，根据使用者体重、步速或习惯的不同，分别调节跖屈、背屈阻尼。如上坡 时，应增大跖屈阻尼，而减小背屈阻尼，以防止行走时向后塌，同时能轻松向前迈进。下坡时 则相反调节。通过调节使患者行走时感觉达到最舒适状态。
权利要求
一种地形自适应仿生踝关节装置，包括小腿干接口座(1)，液压缸连接套(2)，回转式微型液压缸体(3)，回转式微型液压缸体(3)两侧安装有液压缸密封板(4)，回转式微型液压缸体(3)内充满油液，其特征在于所述回转式微型液压缸(3)内腔为扇形主腔室，扇形主腔体下端中部连接有活塞转轴(6)，活塞转轴(6)上面固定连接有旋转式液压活塞(5)，旋转式液压活塞(5)将扇形主腔室分隔为左、右两个腔室(A，B)，且左、右腔室(A，B)分别与跖屈管路和背屈管路相连通，跖屈管路和背屈管路内分别设有位于回转式微型液压缸体1底部的跖屈、背屈阻尼调节系统。
2. 根据权利要求1所述的地形自适应仿生踝关节装置，其特征在于所述旋转式液压 活塞(5)嵌入活塞转轴(6)中，其顶部外圆弧面与回转式微型液压缸(3)内圆弧面相重合； 所述活塞转轴(6)穿过液压缸密封板(4)在轴两端与液压缸连接套(2)相互固定。
3. 根据权利要求1所述的地形自适应仿生踝关节装置，其特征在于所述液压缸密封 板(4)上凸台嵌入回转式微型液压缸(3)内。
4. 根据权利要求1所述的地形自适应仿生踝关节装置，其特征在于所述液压缸连接 套(2)在顶部与小腿干接口座(1)相互固定。
5. 根据权利要求l所述的地形自适应仿生踝关节装置，其特征在于所述跖屈、背屈阻尼调节系统由阻尼调节器固定套、阻尼调节器、阻尼控制弹簧、截流针阀四个部件组成，其 中阻尼调节器固定套通过螺纹连接安装于回转式微型液压缸体侧向通孔中，阻尼调节器通 过螺纹连接安装于阻尼调节器固定套内通孔中，截流针阀则通过其尾部圆盘安装于阻尼调 节器固定套顶部通孔，阻尼控制弹簧安装于截流针阀与阻尼调节器之间，当阻尼调节器旋 进或旋出时，弹簧的压縮量则随之增加或减少，从而控制截流针阀轴向后移的阻力，进而控 制油液顶开针阀的阻力。
全文摘要
本发明涉及一种地形自适应仿生踝关节装置，包括小腿干接口座，液压缸连接套，回转式微型液压缸体，回转式微型液压缸体两侧安装有液压缸密封板，回转式微型液压缸体内充满油液，回转式微型液压缸内腔为扇形主腔室，扇形主腔体下端中部连接有活塞转轴，活塞转轴上面固定连接有旋转式液压活塞，旋转式液压活塞将扇形主腔室分隔为左、右两个腔室，且左、右腔室分别与跖屈管路和背屈管路相连通，跖屈管路和背屈管路内分别设有位于回转式微型液压缸体底部的跖屈、背屈阻尼系统。本发明利用回转式液压活塞在液压缸中绕旋转中心旋转来模拟人体踝关节转动，同时利用油液经过针阀在左、右两个腔室之间流动产生的阻尼力来保持踝关节在任意角度的稳定性。
文档编号A61F2/42GK101785716SQ20101012956
公开日2010年7月28日 申请日期2010年3月19日 优先权日2010年3月19日
发明者喻洪流, 简卓 申请人:上海理工大学