本发明涉及支具，尤其涉及用于支撑和/或辅助肢体伸展的支具用铰链。
背景技术：
众所周知，诸如膝部支具之类的肢体支具可以起到完全预防的作用，或者提供辅助力帮助其使用者伸展他们的肢体，或者两者兼有。尤其，膝部支具还能提供身体防护以免受伤，例如，可供参与膝盖受伤可能性较高的高风险运动的运动员使用。
许多人有膝关节问题，通常是由于以前的膝伤。这类问题会严重影响行动和/或支持受伤人员的能力。尽管诸如训练和理疗等矫正措施，或者在更严重的情况下做手术，能够帮助纠正或部分缓解一些膝关节问题，但在许多情况下仍需要膝关节支撑和增强伸展。
尤其是在有韧带损伤的地方，例如前循环韧带(anteriorcruciateligament,acl)，内侧副韧带(medialcollateralligament,mcl)或外侧副韧带(lateralcollateralligament,lcl)中的撕裂或拉伤时，可以使用膝部支具提供支撑并增强伸展强度，从而减轻受伤膝关节的负荷。常规的膝部支具为膝关节伸展提供主动辅助，被设计成在膝关节弯曲时屈服，在此过程中对扭转弹簧或压缩弹簧加载。当使用者弯曲他们的腿时，弹簧被加载，当使用者伸展他们的腿时，弹簧卸载，施加增强伸展动作的力。这也有助于当受伤的膝关节弯曲时支撑使用者以防止突然倒下。
然而，常规的弹簧不能提供足够的力来显著地提高膝关节的伸展或抵抗膝关节弯曲。此外，用于支具的常规张紧机构不提供允许精确调整的可调力曲线以及保持经长时间使用后的力曲线轮廓。
技术实现要素：
因此，提供一种具有允许精确调整的可调力曲线并经长时间使用后仍能保持力曲线轮廓的张紧机构将是有利的，其在需要提高强度和抵抗膝关节的弯曲时能够有效地增强膝关节的伸展动作。
附图说明
在仅以举例的方式说明本发明的优选实施例的附图中，
图1是根据本发明所述支具用铰链机构的一实施例的透视图。
图2是图1所示铰链机构中的弹簧的局部剖开透视图
图3是图1所示铰链机构的旋转部分透视图。
图4是铰链机构的旋转部分截面图，其示出处于接合位置的张紧锁。
图5是图4所示旋转部分的截面图，其示出处于脱离位置的张紧锁。
图6是上述铰链机构的张紧部的调节机构的放大透视图。
图7是安装到膝部支具上的图1所示张紧机构的透视图。
具体实施方式
本发明的描述是基于供人使用的膝部支具这一背景。然而，可以理解的是，本发明的原理同样适用于其他人体的附属物的支具以及包括(但不限于)马、狗和猫在内的动物的支具。
图1所示为在肢体支具中使用的本发明所述铰链20的一实施例，例如图7所示的膝部支具10。已知，膝部支具10通常包括上臂12和下臂14。上臂12具有接合部12a和附属部12b，接合部12a用于与使用者腿部的股骨部分2的前部或后部，例如股骨部分2的前部相抵接。下臂14具有接合部14a和附属部14b，接合部14a用于与使用者腿部的胫骨部分4，例如胫骨部分4的前部或后部相抵接。上臂12所形成的轮廓跟使用者的腿部舒适地抵接，并可以加装衬垫以获得更高的舒适性，并且可以通过常规的顶部绑带20和上部十字绑带22固定到腿部。下臂12所形成的轮廓跟使用者的腿部舒适地抵接，类似地可以加装衬垫以获得更高的舒适性，并且可以通过底部绑带24和可选的下部十字绑带(图中未标示出)固定到腿部。
铰链20包含张紧部22和锚定部24，每个均枢接到角板26上。在所示实施例中，锚定部24通过从锚定块40的凹陷部分45突出的销74枢接到角板26上，张紧部22通过从张紧块40的凹陷部分55突出的销58枢接到角板26上。张紧部22和锚定部24优选沿着运动弧线可操作地啮合在一起，如在嵌齿28a、28b处，以确保当铰链20弯曲时，在22、24两个部分之间相对于角板26做大致对称的移动。在所述铰链的实施例中，张紧部22和锚定部24不可操作地啮合在一起也是可能的，然而在一些情况中，正在治疗的特定病理将受益于在22、24两个部分之间相对于角板26大致对称的移动，并且在这种情况下，允许张紧部22和锚定部24相对于彼此的自由旋转可能是不利的。
在优选的实施例中，张紧部22安装到支具的上臂12。如图所示的张紧绳30之类的张紧部件被锚定在锚定部24上，而锚定部24安装在支具的下臂14上。这种结构是有利的，因为它通过使该实施例中所示的液压弹簧100保持尽可能地靠近髋关节，减少了由张紧机构的重量引起的使用者腿上的拉力，从而减少膝盖抬起时施加在髋部屈肌上的力矩。然而，可以理解的是，也可以将张紧部22安装到下臂14上，将锚定部24安装到上臂12上，而不需要改变铰链20的设计。
图2所示为张紧部22，其提供使支具10返回到平衡位置的恢复力。在优选的实施例中，张紧部22包含液压弹簧100，该液压弹簧100包含一对液压缸120，每个液压缸具有一个与张紧块50相连的固定端，例如，该固定端通过螺纹接头121连接到张紧块50的端部中的互补螺纹。在2014年6月27日提交的美国专利申请第14/317,447号申请“ahydraulictensionspring”中描述并说明了该类型的液压弹簧，其全部内容在此引用作为参考。
在实施例中所示的弹簧100包含一对液压缸120，每个液压缸具有闭合端122和开口端124。每个液压缸120由不透液体壁125限定，该不透液体壁125的壁厚能抵抗在使用弹簧100的环境中通常遇到的最大压力的变形。每个液压缸120的开口端124带有螺纹，以接纳具有互补螺纹的密封固定帽130，并被固定(例如，如图所示螺合到密封固定帽130)到连接梁123，以使液压缸120的开口端124保持固定的间隔关系。液压缸的封闭端122与张紧块50螺合，因此，液压缸120保持稳定且牢固地保持间隔排列。
在每个液压缸120内，活塞140包含可滑动地穿过密封固定帽130的活塞杆142，例如，由硬化钢或其他能够形成高精度公差的合适的耐用材料构成，穿过每个液压缸120的开口端124。例如，密封固定帽130可以具有外螺纹与液压缸120端部的内螺纹相接合。活塞杆142从活塞杆帽150可滑动地延伸到液压缸120中，通过中心轴开口130a穿过密封固定帽130并穿过液压密封件132。
液压密封件132在液压缸120内限定了填充有液体的液体容纳空间120a，例如填充有硅基液体或其他具有所需压缩特性的合适的液压用流体。因此，当活塞140处于图2所示的平衡位置时，液体充满液体容纳空间120a，并且基本上处于未被压缩的状态。
在所示的实施例中，在液压缸120内的活塞杆142的端部设置有液体可渗透的活塞导向器144，例如，设置有轴向流动通道144a，当活塞140被压入液压缸120时，液压用液体流过此轴向流动通道144a，并自由地通过液体容纳空间120a，同时在块102内与活塞杆142保持精确的轴向对齐。每个活塞杆142的另一端支撑(或固定到)活塞杆帽150，例如，通过将每个活塞杆的两端嵌入活塞杆帽150表面中面对液压缸120的凹槽内(图中未显示)，以便将活塞杆142保持在相对于活塞杆帽150的中心对称的位置，使得施加到每个活塞杆142上的力基本相等。通过调节螺钉60来限制活塞杆帽150相对于液压缸120的轴向运动，张紧绳30的第一端被固定于螺钉60，当活塞140被压入液压缸120时，张紧绳30进入在连接梁124上的导孔123与调节螺钉60直接对齐。
调节螺钉60优选地与活塞杆帽150螺纹连接，并穿过活塞杆帽150，使得可以通过旋转调节螺钉60来对施加到张紧绳30上的拉力进行微调。这允许张紧绳30在其平衡位置被有效地“预张紧”，或松弛，以允许铰链20在不给弹簧100加载的情况下做的一定程度的运动，这在任何特定情况下都是可取的。如图6所示，调节螺钉60可以包括两部分：有帽螺钉60a和通常为圆柱形的跟有帽螺钉60a螺纹连接的锚定部60。如图所示，锚定部60b的端部可选地在每一侧设有凹槽，加工在锚定部60b的里面，因此张紧绳30不会碰到尖角。锚定部60b设置有用于接纳张紧绳30端部的边孔61。因此锚定部60b基本上起到孔型锚定螺母的作用，具有用于容纳有帽螺钉60a的螺纹端和用于系张紧绳30的孔的另一端。沿一个方向或另一个方向旋转有帽螺钉60a使得锚定部60b进入或退出活塞杆帽150中的凹座(未示出)，分别收紧或松弛张紧绳30上的张力。锚定部60b虽然显示为圆柱形，但也可以是能够接纳有帽螺钉60a和张紧绳30的端部并具有足够强度以施加所需拉力的任何形状和尺寸。
锚定块40和张紧块50可以由坚固耐用的材料形成，比如，金属，例如7075铝或17-4ph不锈钢或者能够承受弹簧100负荷的任何其它的合适材料。由于涉及非常大的力和小尺寸的铰链20，特别是在40、50两个块体之间的齿轮区域中的嵌齿28a、28b处，最好是相对较轻以减小使用者所体验到的重量。每个块40、50优选地被形成为一个整体，各自分别具有两个纵向部分42、44和52、54。块40、50互锁的齿轮端分别设有凹面45和55，每个凹面形成有容纳各自张紧构件的狭槽46、56(在图1中最易看清)，在实施例中示出的凸轮70中，当铰链以下面描述的方式弯曲时，张紧绳30围绕凸轮70运行来给弹簧提供加载力。块40、50可以根据需要可选地设置横向开口或切口部分(图中未示出)，来减小铰链20的总重量，而并不损害块40、50的结构完整性。
张紧绳30可以由基本没有弹性的绳形成，例如，由聚乙烯纤维构成诸如商标为“honeywellspectra(tm)”的高强度轻质的聚乙烯纤维，其具有很高的抗拉强度。这种材料还有很低的摩擦系数，所以它很容易沿着凸轮70滑动，而没有明显的磨损或者对使用者的动作有阻力。张紧绳30的第一端固定在调节螺钉60上，绕锚定部60b绞接，绞接端位于槽62中，张紧绳30的第二端设有绕销48的绞接端47，销48进而被限制在锚固定孔49中。绳通道32为张紧绳30提供从锚定块40的出口，优选地设置在提供平滑地过渡到凸轮70的角度。
如图所示的张紧构件，凸轮70，在图4和5中可最清楚地看到。在所示实施例中，凸轮70被固定到锚定块40的凹面45上，例如，安装到销74上，优选地基于下面的原因进行枢接。凸轮70包含外围凸轮边缘72，张紧绳30沿其运行，该边缘可以是横向凹入的，以便牢固地保留住张紧绳30。
凸轮边缘72可以设置成有不均匀的曲率，例如，在所示的实施例中，凸轮边缘72的曲率半径随着其靠近锚定块40而沿着张紧绳30的路径逐渐减小。因此，当铰链20弯曲并且张紧绳30进一步缠绕凸轮边缘72时，凸轮70对张紧绳30的力非线性地增加。可选地，凸轮边缘72可以有恒定的曲率半径，在这种情况下，当铰链20弯曲时，凸轮70对张紧绳30的力的增加将基本上是线性的。然而，由于所示配置中的曲率半径逐渐减小，当张紧绳30围绕凸轮边缘72进一步缠绕时，对于铰链20的张紧部22和锚定部24之间发生的每度角位移，凸轮70对张紧绳30的力以更高的速率增加。
在所示的实施例中，凸轮70是可释放的，并通过释放构件80保留在操作位置。释放构件80提供与凸轮70的接合面76互补的接合面82，从而旋转地将凸轮70固定于图4所示的操作位置。在锚定块40外部的释放旋钮90被可旋转地固定至释放构件80。当旋钮90被转动时(在所示实施例中为顺时针方向转动)，释放构件80的接合面82旋转脱离跟凸轮70的接合面76的接合，允许凸轮70在狭槽46、56内旋转，并且有效地从张紧绳30的路径收回凸轮边缘72，如图5所示。因此，在图5所示的分离位置，因为凸轮边缘72已完全收回脱离张紧绳30的路径，所以不管铰链20弯曲的程度如何，张紧绳30都不会受到拉力。在优选的实施例中，释放构件80设置有突起或突出部85，当旋钮90旋转回到接合位置(在所示实施例中逆时针方向旋转)时，突出部85对凸轮70的接合面76施加力使得释放构件80的接合面82返回而与凸轮70的接合面76的接合，由此使凸轮70返回到图4中所示的操作位置，并且将凸轮边缘72保留在张紧绳30的路径上。
在图7所示的膝部支具所在的环境中操作时，张紧绳30被固定到调节螺钉60上，缠绕凸轮70的凸轮边缘72，并锚定到锚定孔49。铰链20以图7所示的方式固定在支具10上，使枢轴58和74与使用者的膝关节6对齐。旋转调节螺钉60设定张紧绳30所需的张力。
当使用者弯曲他或她的膝盖时，支具10的上臂12和下臂14相对于彼此弯曲，进而弯曲铰链20。当铰链20弯曲时，互锁嵌齿28a、28b限制张紧部22和锚定部24的角位置，以保持这两个部分相对于两个枢轴58、74之间的线基本对称。同时，当铰链20弯曲时，张紧绳30缠绕凸轮边缘72，对张紧绳30的第一端和第二端施加力。张紧绳30的第二端固定于锚定块40，张紧绳30的第一端产生由凸轮70施加的力，并将连接梁150拉向液压缸120。这将活塞140压入液压缸120中，压缩液体容纳空间120a中的液压用液体，并给弹簧100加载。调节螺钉60快速地进入连接梁124的导孔123中，帮助稳定活塞杆142，并避免弯曲。弹簧100继续以由凸轮边缘72的构造所决定的速率加载，从而建立势能。当使用者释放支具10上的拉力时，势能将恢复力施加到支具10以使支具和使用者的腿返回到平衡位置。
使用者可以设置具有不同结构的凸轮边缘72的凸轮70，其可以安装到铰链中，以改变支具在不同活动范围或作为治疗方案的一部分时施加的力曲线的形状。用户(或医疗保健供应商)可以通过从锚定部40移除旋钮90从而将销从凸轮70取出来从一个凸轮70切换到另一个凸轮70，经由狭槽46移除凸轮70，从而将现有的凸轮70更换成不同的凸轮70，然后将旋钮90重新附接到锚定部，将铰链20恢复到操作状态，从而确保张紧绳30正确地缠绕凸轮边缘72。
已经通过示例详细描述了本发明的各种实施例，对于本领域的技术人员来说显而易见的是，可以在不脱离本发明的情况下进行变化和修改。本发明包括落入所附权利要求的范围内的所有这些变化和修改。