[发明专利]一种具有四个被动自由度的假肢踝关节

说明书

技术领域

本发明涉及截肢患者使用的假肢，具体是一种假肢踝关节，属于康复工程技术领域。

背景技术

踝关节作为人体下肢关节的重要组成部分，需要较大的运动灵活性，需满足三个方向的转动自由度以适应各种步态的要求。这三个转动自由度分别描述为：背屈-拓屈；内翻-外翻；脚底板前进线夹角。然而，针对大腿截肢患者来说，其假肢踝关节的自由度数多未必是件好事，因为大腿截肢患者失去了膝关节，对多自由度的踝关节不易控制，容易导致踝关节支撑不稳，从而使穿戴者跌倒。这也是目前市场上的假肢踝关节以无自由度的弹性储能脚为主的原因之一。

因此，对于上述的三个自由度，应表现为具有较大刚度的被动自由度，能为上述三个自由度的运动提供回复力，以保证踝关节在不受外力或受到较小的外力时保持踝关节处于站立时的状态，使穿戴者容易控制，以此提高踝关节支撑身体的可靠性和安全性。

此外，对于踝关节来说，还有两个重要的作用，即储能和缓冲。在步行周期的支撑相前期，地面对人身体的反作用力很大，踝关节应能缓冲该反作用力，保护膝关节，并在此过程中将能量储存起来；在支撑相的后期，另一条腿即将迈出的时候，将储存好的能量释放。

由于人类在步行时，踝关节的主要运动形式表现为背屈-拓屈运动，因此国内外研究机构针对该转动自由度的实现做了较多的研究。如美国专利US2011166674A1和US6436149B分别公开了一种能实现背屈和拓屈的假肢踝关节，具有一个被动的转动自由度，其中提到了一种平面单轴的铰链机构踝关节，其缺点在于仅能实现一个方向的被动转动自由度，不能内翻与外翻，不能产生脚底板前进线夹角，因此不能适应较多的地形，在不平的路面上行走容易跌倒，且不能在假脚处于支撑相时实现转身。

美国专利US3196463B公开的一种踝关节，其具有两个方向的被动转动自由度，能实现背屈和拓屈，内翻和外翻，但其缺点在于踝关节转动中心与脚底板的距离较小，处于假脚内部，与解剖学上的踝关节转动中心距离脚底板有一定距离这一点不相符，不能获得自然的步态，且从其结构上分析，其回复力较小，被动自由度的刚度过小，针对大腿截肢患者来说难以控制，此外其无法实现脚底板前进线夹角，因此亦不能在假脚处于支撑相时实现转身。

中国专利201020270556.X提出了一种踝关节，该踝关节由一个四方锥、万向踝关节头，万向踝关节体，缓冲橡胶、左右摆动轴、前后摆动轴、活动片及螺杆组成，通过三个串联的平面铰链结构来实现三个方向的转动自由度，并通过缓冲橡胶来提供回复力，其结构原理图如图1。该结构能很好的实现三个方向的转动自由度，但其缺点在于，每个转动关节独立而且串联，其三个方向的转动中心不在一个点上，且三个转动轴异面正交，因此容易发生关节出现断点的现象，穿戴者很难控制三个转动轴不相交的三个转动关节，因此导致使用不便，且难以获得自然的步态。

中国专利200810034002.7提出了一种具有两个转动自由度、一个移动自由度的万向踝关节，其原理图如图2。该方案中采用了机构学中3-PRS并联机构，通过三个伺服电机来驱动三根导杆进而实现踝关节转动角的控制，能很好地避免串联机构关节出现断点的缺点，降低误差积累和放大效应，其缺点是仅能实现两个转动自由度，并非真正意义上的“万向”，且该踝关节没有缓冲、减震和储能的功能，此外，其结构非常复杂，外形尺寸过大，需要电机驱动，而且不够美观。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种具有四个被动自由度的踝关节，包括三个被动转动自由度及一个被动移动自由度，其利用球铰方式而非简单的平面铰链方式来实现仿生的三个方向的转动自由度，使三个转动方向的轴线交于一点，和解剖学上的踝关节结构类似，采用一组弹簧来提供两个方向转动自由度的回复力，采用另一个弹簧来提供一个方向转动自由度的回复力，并起到减震和缓冲的目的，从而解决假肢踝关节对多种地形的适应，对人体踝关节解剖结构的最大程度的类似，以获得自然的行走步态。该踝关节结构简单，尺寸较小无需借助电机等外部助力。

为达到上述目的，本发明的一种基于球铰形式的踝关节，包括：脚底板；假肢胫骨；具有三个方向转动自由度的球铰结构；为该球铰结构提供回复力的两组弹簧，该两组弹簧包括：胫骨减震扭转弹簧，回复弹簧。