二自由度限位异向变柔性仿生踝关节.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103417314 A (43)申请公布日 2013.12.04 CN 103417314 A *CN103417314A* (21)申请号 201310397537.1 (22)申请日 2013.09.04 A61F 2/66(2006.01) (71)申请人 北京大学 地址 100871 北京市海淀区颐和园路 5 号北 京大学工学院 (72)发明人 白博畅 朱金营 王启宁 (74)专利代理机构 北京纪凯知识产权代理有限 公司 11245 代理人 徐宁 关畅 (54) 发明名称 二自由度限位异向变柔性仿生踝关节 (57) 摘要 本发明涉及一种二自由度限位异向变柔性仿。

2、 生踝关节， 其包括用于与假肢接受腔连接的连接 头， 连接于连接头下端的连接杆， 接于连接杆中 部的弹簧安装架， 连接于连接杆下端的中心球销 副， 设置于中心球销副上部的踝关节限位端盖， 以 及设置于中心球销副下部的球销副底座 ； 踝关节 限位端盖上端为开设有四个弹簧导向孔的限位 弧面， 下端为内球面 ； 弹簧安装架通过安装在四 个弹簧导向孔内的四个螺旋压簧支撑在限位弧面 内 ； 球销副底座上端具有内球面 ； 中心球销副间 隙配合于踝关节限位端盖和球销副底座的内球面 中， 其侧面的销栓间隙配合于踝关节限位端盖和 球销副底座侧面的销栓导向槽中。本发明具有二 个自由度， 不仅可以跖屈、 背屈、 内。

3、翻和外翻， 而且 在各个运动方向上具有不同的角度范围和柔性， 使截肢者适用于更复杂路面的行走。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103417314 A CN 103417314 A *CN103417314A* 1/1 页 2 1. 一种二自由度限位异向变柔性仿生踝关节， 其特征在于， 该仿生踝关节包括 ： 一用于与假肢接受腔连接的连接头， 一连接于所述连接头下端的连接杆， 一连接于所述连接杆中部的弹簧安装架， 一连接于所述连接杆。

4、下端的中心球销副， 一设置于所述中心球销副上部的踝关节限位端盖， 以及 一设置于所述中心球销副下部的球销副底座 ； 其中， 所述踝关节限位端盖的上端内侧具有一限位弧面， 下端内侧具有一内球面， 侧面 开设有一销栓导向槽， 且所述限位弧面内的前后左右四个方向均开设有一弹簧导向孔 ； 所述弹簧安装架位于所述踝关节限位端盖的限位弧面内， 其包括一过盈固定连接于所 述连接杆上的安装套， 所述安装套的外侧径向设置有四个弹簧导向套， 且四个所述弹簧导 向套与四个所述弹簧导向孔一一对应 ； 四个螺旋压簧的两端分别安装于所述踝关节限位端 盖上的弹簧导向孔和所述弹簧安装架上的弹簧导套内 ； 所述球销副底座固定连。

5、接于所述踝关节限位端盖下部， 其上端内侧具有一内球面， 侧 面开设有一销栓导向槽 ； 所述中心球销副的顶部与所述连接杆的下端固定连接， 且其间隙配合于所述踝关节限 位端盖和所述球销副底座的内球面中 ； 所述中心球销副的侧面径向设置有一销栓， 所述销 栓间隙配合于所述踝关节限位端盖和所述球销副底座的销栓导向槽中。 2. 如权利要求 1 所述的二自由度限位异向变柔性仿生踝关节， 其特征在于， 所述连接 头为四方锥连接头， 所述四方锥连接头的上部为用于与所述假肢接受腔连接的四方锥， 下 部为与所述四方锥一体的圆柱形连接套， 所述连接套内侧设置有内螺纹。 3. 如权利要求 2 所述的二自由度限位异向变。

6、柔性仿生踝关节， 其特征在于， 所述连接 杆呈阶梯状， 其上端大轴径段和下端小轴径段上均设置有外螺纹， 且其上端与所述四方锥 连接头的连接套螺纹固定连接。 4. 如权利要求 3 所述的二自由度限位异向变柔性仿生踝关节， 其特征在于， 所述中心 球销副为中空的大半球体结构， 其顶部轴向设置有一螺纹孔， 所述中心球销副通过所述螺 纹孔与所述连接杆的下端螺纹固定连接。 5. 如权利要求 1 或 2 或 3 或 4 所述的二自由度限位异向变柔性仿生踝关节， 其特征在 于， 所述球销副底座下方有若干固定孔， 通过螺栓和假肢脚板固定连接。 6.如权利要求1到5任一项所述的二自由度限位异向变柔性仿生踝关节，。

7、 其特征在于， 通过改变所述踝关节限位端盖的限位弧面对踝关节的最大跖屈角度、 最大背屈角度、 最大 内翻角度以及最大外翻角度进行调整限位。 7.如权利要求1到6任一项所述的二自由度限位异向变柔性仿生踝关节， 其特征在于， 通过改变前后左右四个所述螺旋压簧的柔性分别对踝关节背屈、 跖屈、 外翻和内翻的柔性 进行调整。 权 利 要 求 书 CN 103417314 A 2 1/4 页 3 二自由度限位异向变柔性仿生踝关节 技术领域 0001 本发明涉及仿生机械技术领域， 具体涉及一种在各个运动方向上具有不同的角度 范围和柔性的二自由度限位异向变柔性仿生踝关节。 背景技术 0002 全世界每年因为各。

8、种疾病、 意外及交通事故造成下肢截肢的残疾人数以万计， 其 中很大一部分是小腿截肢者。这些小腿截肢者因失去下肢而丧失了工作能力， 甚至生活不 能自理。他们急需安装小腿假肢以改善他们的生活质量， 并恢复他们的工作能力。 0003 踝关节是小腿假肢最重要的一部分， 因为踝关节直接影响着截肢患者能完成的日 常活动 （如行走、 上下台阶） 、 运动效率和步态的自然性。目前， 传统小腿假肢的踝关节多是 固定不能转动的， 或单自由度的只能在有限范围内跖屈或背屈的。这些踝关节仅适用于在 比较平坦的路面上行走。当路面崎岖不平时， 这些踝关节会因无法实现踝关节的内翻与外 翻， 而导致截肢者走姿不自然或行走不平稳。

9、。 0004 现在一些科研机构也开始尝试设计具有多自由度的假肢踝关节， 主要分为多轴踝 关节和中心球面副踝关节。 多轴踝关节虽然可以在一定角度范围内进行背屈、 跖屈、 内翻和 外翻， 但其结构复杂， 应力集中区域较多， 很容易遭受疲劳磨损。中心球面副踝关节可以模 仿人体踝关节的角度， 但由于人体踝关节并非球面副的理想对称结构， 而是更为复杂的滑 车关节曲面结构， 所以会导致截肢者步态不够自然。此外， 与异向变柔性的人体踝关节不 同， 这些踝关节在各个运动方向上的柔性是相同的。 0005 为了解决以上踝关节的设计缺点， 设计能跖屈、 背屈、 内翻和外翻， 又在各个运动 方向上具有不同的角度范围和。

10、柔性的二自由度仿生踝关节成为迫切的需要。 发明内容 0006 针对上述问题， 本发明的目的是提供一种能跖屈、 背屈、 内翻和外翻， 又在各个运 动方向上具有不同的角度范围和柔性的二自由度限位异向变柔性仿生踝关节。 0007 为实现上述目的， 本发明采取以下技术方案 ： 一种二自由度限位异向变柔性仿生 踝关节， 其特征在于， 该仿生踝关节包括 ： 一用于与假肢接受腔连接的连接头， 一连接于所 述连接头下端的连接杆， 一连接于所述连接杆中部的弹簧安装架， 一连接于所述连接杆下 端的中心球销副， 一设置于所述中心球销副上部的踝关节限位端盖， 以及一设置于所述中 心球销副下部的球销副底座 ； 其中， 。

11、所述踝关节限位端盖的上端内侧具有一限位弧面， 下端 内侧具有一内球面， 侧面开设有一销栓导向槽， 且所述限位弧面内的前后左右四个方向均 开设有一弹簧导向孔 ； 所述弹簧安装架位于所述踝关节限位端盖的限位弧面内， 其包括一 过盈固定连接于所述连接杆上的安装套， 所述安装套的外侧径向设置有四个弹簧导向套， 且四个所述弹簧导向套与四个所述弹簧导向孔一一对应 ； 四个螺旋压簧的两端分别安装于 所述踝关节限位端盖上的弹簧导向孔和所述弹簧安装架上的弹簧导套内 ； 所述球销副底座 固定连接于所述踝关节限位端盖下部， 其上端内侧具有一内球面， 侧面开设有一销栓导向 说 明 书 CN 103417314 A 3。

12、 2/4 页 4 槽 ； 所述中心球销副的顶部与所述连接杆的下端固定连接， 且其间隙配合于所述踝关节限 位端盖和所述球销副底座的内球面中 ； 所述中心球销副的侧面径向设置有一销栓， 所述销 栓间隙配合于所述踝关节限位端盖和所述球销副底座的销栓导向槽中。 0008 在一个优选的实施例中， 所述连接头为四方锥连接头， 所述四方锥连接头的上部 为用于与所述假肢接受腔连接的四方锥， 下部为与所述四方锥一体的圆柱形连接套， 所述 连接套内侧设置有内螺纹。 0009 在一个优选的实施例中， 所述连接杆呈阶梯状， 其上端大轴径段和下端小轴径段 上均设置有外螺纹， 且其上端与所述四方锥连接头的连接套螺纹固定连。

13、接。 0010 在一个优选的实施例中， 所述中心球销副为中空的大半球体结构， 其顶部轴向设 置有一螺纹孔， 所述中心球销副通过所述螺纹孔与所述连接杆的下端螺纹固定连接。 0011 在一个优选的实施例中， 所述球销副底座下方有若干固定孔， 通过螺栓和假肢脚 板固定连接。 0012 在一个优选的实施例中， 通过改变所述踝关节限位端盖的限位弧面对踝关节的最 大跖屈角度、 最大背屈角度、 最大内翻角度以及最大外翻角度进行调整限位。 0013 在一个优选的实施例中， 通过改变前后左右四个所述螺旋压簧的柔性分别对踝关 节背屈、 跖屈、 外翻和内翻的柔性进行调整。 0014 本发明由于采取以上技术方案， 其。

14、具有以下优点 ： 1、 本发明提供的仿生踝关节具 有二个自由度， 可以跖屈、 背屈、 内翻和外翻， 使截肢者适用于更复杂路面的行走。 2、 本发明 提供的仿生踝关节采用中心球销副结构， 可减小应力集中和疲劳磨损， 增加踝关节的使用 寿命。 3、 本发明提供的仿生踝关节在各个运动方向上的角度范围可以通过踝关节限位端盖 上的限位弧面进行调整限位。 4、 本发明提供的仿生踝关节在各个运动方向上的柔性可以通 过分别改变前螺旋压簧、 后螺旋压簧、 左螺旋压簧和右螺旋压簧的柔性进行调整。 附图说明 0015 以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解， 附图的提供仅为了更 好地理解本发明， 它们不。

15、应该理解成对本发明的限制。 0016 图 1 为本发明的使用状态立体图 ； 0017 图 2 是本发明的剖视图 ； 0018 图 3 是本发明四方锥连接头的结构示意图 ； 0019 图 4 是本发明连接杆的结构示意图 ； 0020 图 5 是本发明踝关节限位端盖与弹簧安装架的结构示意图 ； 0021 图 6 是本发明中心球销副的结构示意图 ； 0022 图 7 是本发明球销副底座的结构示意图。 具体实施方式 0023 下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。 0024 如图 1、 图 2 所示， 本发明包括四方锥连接头 1、 连接杆 2、 踝关节限位端盖 3、 弹簧 安装架 4、 中心球销。

16、副 5 和球销副底座 6。 0025 如图 2、 图 3 所示， 四方锥连接头 1 的上部为用于与假肢接受腔 （图中未示出） 连接 说 明 书 CN 103417314 A 4 3/4 页 5 的四方锥 11， 下部为与四方锥 11 一体的圆柱形连接套 12， 连接套 12 内侧设置有内螺纹。 0026 如图2、 图4所示， 连接杆2呈阶梯状， 其上端大轴径段和下端小轴径段上均设置有 外螺纹， 且其上端与四方锥连接头 1 的连接套 12 螺纹固定连接。 0027 如图 2、 图 5 所示， 踝关节限位端盖 3 的上端内侧具有一限位弧面 31， 下端内侧具 有一内球面32， 侧面开设有一个销栓导。

17、向槽33， 且限位弧面31内的前后左右四个方向均开 设有一弹簧导向孔 34。 0028 弹簧安装架 4 位于踝关节限位端盖 3 的限位弧面 31 内， 其包括一轴向设置的安装 套 41， 安装套 41 的外侧径向设置有四个弹簧导向套 42， 且四个弹簧导向套 42 与四个弹簧 导向孔 34 一一对应。弹簧安装架 4 的安装套 41 与连接杆 2 的下端过盈固定连接， 前后左 右四个螺旋压簧 43、 44、 45、 46 的两端分别安装于踝关节限位端盖 3 上的弹簧导向孔 34 和 弹簧安装架 4 上的弹簧导套 42 内， 这样可以通过改变前后左右四个螺旋压簧 43、 44、 45、 46 的柔。

18、性来分别调整踝关节背屈、 跖屈、 外翻和内翻的柔性。 0029 如图2、 图6所示， 中心球销副5为中空的大半球体结构， 其顶部轴向设置有一螺纹 孔 51， 侧面径向设置有一销栓 52。中心球销副 5 通过螺纹孔 51 与连接杆 2 的下端螺纹固 定连接， 并且其上半球与踝关节限位端盖 3 的内球面 32 为间隙配合， 销栓 52 与踝关节限位 端盖 3 上的销栓导向槽 33 为间隙配合。 0030 如图 2、 图 7 所示， 球销副底座 6 为圆柱筒形结构， 其上端内侧具有一内球面 61， 侧 面开设有销栓导向槽 62。球销副底座 6 通过螺栓固定连接在踝关节限位端盖 3 下部， 且其 内球。

19、面与中心球销副5的下半球间隙配合， 销栓导向槽62与与中心球销副5上的销栓52间 隙配合， 这样踝关节限位端盖 3 上的销栓导向槽 33 和球销副底座 6 上的销栓导向槽 62 可 以对中心球销副 5 的销栓 52 起导向作用， 因此可以从机械结构上消除中心球销副 5 在横断 面内的旋转自由度。球销副底座 6 下方有四个固定孔 63， 通过螺栓和假肢脚板 7 固定连接 （如图 1 所示） 。 0031 在上述实施例中， 踝关节限位端盖 3 的限位弧面 31 可以在结构上限制踝关节的 活动范围， 这些范围分别为最大跖屈角度、 最大背屈角度、 最大内翻角度以及最大外翻角度 等。踝关节的具体活动范围。

20、可通过改变限位弧面 31 再进行调整， 以满足不同截肢患者的实 际需求。 0032 下面详细说明本发明在使用时的各种运动状态 ： 0033 1） 背屈运动 ： 0034 中心球销副 5、 连接杆 2 连同四方锥连接头 1， 沿前螺旋压簧 43 运动。前螺旋压簧 43 被压缩， 弹簧安装架 4 与踝关节限位端盖 3 上的限位弧面 31 相切。 0035 2） 跖屈运动 ： 0036 中心球销副 5、 连接杆 2 连同四方锥连接头 1， 沿后螺旋压簧 44 运动。后螺旋压簧 44 被压缩， 弹簧安装架 4 与踝关节限位端盖 3 上的限位弧面 31 相切。 0037 3） 外翻运动 ： 0038 中。

21、心球销副 5、 连接杆 2 连同四方锥连接头 1， 沿左螺旋压簧 43 运动。左螺旋压簧 45 被压缩 , 弹簧安装架 4 与踝关节限位端盖 3 上的限位弧面 31 相切。 0039 4） 内翻运动 ： 0040 中心球销副 5、 连接杆 2 连同四方锥连接头 1， 沿右螺旋压簧 43 运动。右螺旋压簧 说 明 书 CN 103417314 A 5 4/4 页 6 46 被压缩， 弹簧安装架 4 与踝关节限位端盖 3 上的限位弧面 31 相切。 0041 5） 旋前运动 ： 0042 连接杆 2 连同四方锥连接头 1， 沿后螺旋压簧 44 和左螺旋压簧 45 的角平分线运 动。后螺旋压簧 44。

22、 和左螺旋压簧 45 同时被压缩， 弹簧安装架 4 与踝关节限位端盖 3 上的 限位弧面 31 相切。 0043 6） 旋后运动 ： 0044 连接杆 2 连同四方锥连接头 1， 沿前螺旋压簧 43 和右螺旋压簧 46 的角平分线运 动。前螺旋压簧 43 和右螺旋压簧 46 同时被压缩， 弹簧安装架 4 与踝关节限位端盖 3 上的 限位弧面 31 相切。 0045 上述各实施例仅用于对本发明的目的、 技术方案和有益效果进行了进一步详细说 明， 并不用于限制本发明， 凡在本发明的精神和原则之内， 所做的任何修改、 等同替换、 改进 等， 均应包含在本发明的保护范围之内。 说 明 书 CN 103417314 A 6 1/3 页 7 图 1 图 2 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103417314 A 7 2/3 页 8 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103417314 A 8 3/3 页 9 图 7 说 明 书 附 图 CN 103417314 A 9 。