全文摘要
本实用新型提供一种小腿假肢阻尼器和下肢假肢，小腿假肢阻尼器包括：设置有套接孔的第一小腿杆；一端内置于套接孔内的第二小腿杆，第二小腿杆和第一小腿杆周向定位且两者可相对轴向移动；外套于第二小腿杆的阻尼弹簧，阻尼弹簧的一端固定在第一小腿杆上；能够调节阻尼弹簧的有效工作长度的变刚度调节件，变刚度调节件设置在第二小腿杆上，阻尼弹簧的有效工作段位于第一小腿杆与变刚度调节件之间。本实用新型的第一小腿杆与第二小腿杆之间通过阻尼弹簧弹性连接，阻尼弹簧能够缓冲下肢假肢使用时受到的外界冲击；同时能根据不同的运动环境，利用变刚度调节件调节阻尼弹簧的有效工作长度，使小腿假肢阻尼器的刚度可调，扩宽了下肢假肢的运动范围。
设计方案
1.一种小腿假肢阻尼器，其特征在于，包括：
设置有套接孔的第一小腿杆(1)；
一端内置于所述套接孔内的第二小腿杆(2)，所述第二小腿杆(2)和所述第一小腿杆(1)周向定位且两者可相对轴向移动；
外套于所述第二小腿杆(2)的阻尼弹簧(3)，所述阻尼弹簧(3)的一端固定在所述第一小腿杆(1)上；
能够调节所述阻尼弹簧(3)的有效工作长度的变刚度调节件，所述变刚度调节件设置在所述第二小腿杆(2)上，所述阻尼弹簧(3)的有效工作段位于所述第一小腿杆(1)与所述变刚度调节件之间。
2.根据权利要求1所述的小腿假肢阻尼器，其特征在于，所述变刚度调节件为旋转套筒(4)，所述第二小腿杆(2)外表面设置外螺纹，所述旋转套筒(4)设置有与所述外螺纹配合的内螺纹和供所述阻尼弹簧(3)的螺旋圈卡入的螺旋槽，当所述旋转套筒(4)沿着所述外螺纹旋转时，所述阻尼弹簧(3)的螺旋圈能够沿着所述螺旋槽移动。
3.根据权利要求2所述的小腿假肢阻尼器，其特征在于，还包括驱动所述旋转套筒(4)沿着所述外螺纹旋转的调节驱动件和控制所述调节驱动件的控制器。
4.根据权利要求3所述的小腿假肢阻尼器，其特征在于，所述调节驱动件为设置在所述第一小腿杆(1)一侧的调节电机(7)。
5.根据权利要求4所述的小腿假肢阻尼器，其特征在于，所述调节电机(7)的输出轴平行于所述第一小腿杆(1)，并通过传动机构与所述旋转套筒(4)连接。
6.根据权利要求5所述的小腿假肢阻尼器，其特征在于，所述传动机构为齿轮机构，所述旋转套筒(4)的外表面设置有调节齿轮；
所述齿轮机构包括套设在所述调节电机(7)的输出轴上的主动齿轮(6)和与所述调节齿轮啮合的从动齿轮(5)，所述从动齿轮(5)的厚度大于所述调节齿轮的厚度。
7.根据权利要求6所述的小腿假肢阻尼器，其特征在于，所述从动齿轮(5)的两端均设置有避免所述调节齿轮脱离所述从动齿轮(5)的限位凸起(51)。
8.根据权利要求1-7任一项所述的小腿假肢阻尼器，其特征在于，所述第一小腿杆(1)位于所述第二小腿杆(2)上方。
9.一种下肢假肢，包括仿生足部结构(11)、踝关节驱动器(10)和小腿假肢，所述小腿假肢的底端与所述仿生足部结构(11)连接，所述踝关节驱动器(10)设置在所述小腿假肢与所述仿生足部结构(11)的连接处，其特征在于，所述小腿假肢为如权利要求1-8任一项所述的小腿假肢阻尼器。
10.根据权利要求9所述的下肢假肢，其特征在于，还包括膝关节驱动器(9)和具有残肢连接部的大腿部件(8)，所述小腿假肢的顶端与所述大腿部件(8)连接，所述膝关节驱动器(9)设置在所述小腿假肢与所述大腿部件(8)的连接处。
设计说明书
技术领域
本实用新型涉及残疾人用品技术领域，更具体地说，涉及一种小腿假肢阻尼器，本实用新型还涉及一种下肢假肢。
背景技术
在医学上，假肢是一种能够替代因创伤、疾病或先天性疾病而丢失的遗体的人工装置。假肢旨在恢复身体缺失部分的正常功能。随着科学技术的进步，尤其是医疗康复机器人技术的大力发展，智能假肢在截肢患者身上有了新的应用。
现有的多功能下肢假肢，包含残肢连接装置、膝关节、肢体、踝关节和假肢足部，其可根据个体差异调整限位调整螺母，达到因人而异的下蹲，限位调整螺母的固定后，行走时小腿部相应角度自然回屈和站立时不反向回折。
然而这种设计的假肢结构整体基于“电机+刚性传动副”直接驱动关节结构，这种方式带来的无法避免干扰和外界冲击、体积较大以及耗能多等原理上的弊端，例如当假肢运动与地点发生干涉时，会导致截肢患者运动时遇到障碍物时容易摔倒。
智能下肢假肢实际使用时，在不同的运动环境与运动状态下，假肢上受到的力变化较大。根据文献调研，人在步行时足部受力的峰值在1.5倍体重附近，而慢跑时足部受力峰值为是2.5倍体重左右，在快跑时甚至可以达到约2.9倍体重。针对这种情况，传统固定刚度的阻尼器也难以满足智能下肢假肢在各个情形下的自由运动。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种小腿假肢阻尼器，以缓冲下肢假肢使用时受到的外界冲击，同时扩宽下肢假肢的运动范围。
本实用新型的另一目的在于提供一种具有上述小腿假肢阻尼器的下肢假肢。
为了达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
一种小腿假肢阻尼器，包括：
设置有套接孔的第一小腿杆；
一端内置于所述套接孔内的第二小腿杆，所述第二小腿杆和所述第一小腿杆周向定位且两者可相对轴向移动；
外套于所述第二小腿杆的阻尼弹簧，所述阻尼弹簧的一端固定在所述第一小腿杆上；
能够调节所述阻尼弹簧的有效工作长度的变刚度调节件，所述变刚度调节件设置在所述第二小腿杆上，所述阻尼弹簧的有效工作段位于所述第一小腿杆与所述变刚度调节件之间。
优选的，上述小腿假肢阻尼器中，所述变刚度调节件为旋转套筒，所述第二小腿杆外表面设置外螺纹，所述旋转套筒设置有与所述外螺纹配合的内螺纹和供所述阻尼弹簧的螺旋圈卡入的螺旋槽，当所述旋转套筒沿着所述外螺纹旋转时，所述阻尼弹簧的螺旋圈能够沿着所述螺旋槽移动。
优选的，上述小腿假肢阻尼器中，还包括驱动所述旋转套筒沿着所述外螺纹旋转的调节驱动件和控制所述调节驱动件的控制器。
优选的，上述小腿假肢阻尼器中，所述调节驱动件为设置在所述第一小腿杆一侧的调节电机。
优选的，上述小腿假肢阻尼器中，所述调节电机的输出轴平行于所述第一小腿杆，并通过传动机构与所述旋转套筒连接。
优选的，上述小腿假肢阻尼器中，所述传动机构为齿轮机构，所述旋转套筒的外表面设置有调节齿轮；
所述齿轮机构包括套设在所述调节电机的输出轴上的主动齿轮和与所述调节齿轮啮合的从动齿轮，所述从动齿轮的厚度大于所述调节齿轮的厚度。
优选的，上述小腿假肢阻尼器中，所述从动齿轮的两端均设置有避免所述调节齿轮脱离所述从动齿轮的限位凸起。
优选的，上述小腿假肢阻尼器中，所述第一小腿杆位于所述第二小腿杆上方。
从上述的技术方案可以看出，本实用新型提供的小腿假肢阻尼器包括第一小腿杆、第二小腿杆、阻尼弹簧和变刚度调节件；第一小腿杆设置有套接孔；第二小腿杆的一端内置于套接孔内，第二小腿杆和第一小腿杆周向定位且两者可相对轴向移动；阻尼弹簧外套于第二小腿杆，阻尼弹簧的一端固定在第一小腿杆上；变刚度调节件能够调节阻尼弹簧的有效工作长度，变刚度调节件设置在第二小腿杆上，阻尼弹簧的有效工作段位于第一小腿杆与变刚度调节件之间。
本实用新型的小腿假肢阻尼器适用于下肢假肢，应用时，将小腿假肢阻尼器连接在下肢假肢的相应位置处。
本实用新型提供的小腿假肢阻尼器中，第一小腿杆与第二小腿杆之间通过阻尼弹簧弹性连接，阻尼弹簧能够缓冲下肢假肢使用时受到的外界冲击；同时本实用新型能够根据不同的运动环境，利用变刚度调节件调节阻尼弹簧的有效工作长度，使小腿假肢阻尼器的刚度可调，进而使下肢假肢的刚度刚好适应当前的运动状态，以避免假肢形变过大或过小造成的失稳，扩宽了下肢假肢的运动范围。
本实用新型还提供了一种下肢假肢，包括仿生足部结构、踝关节驱动器和小腿假肢，所述小腿假肢的底端与所述仿生足部结构连接，所述踝关节驱动器设置在所述小腿假肢与所述仿生足部结构的连接处，所述小腿假肢为上述任一种小腿假肢阻尼器，由于上述小腿假肢阻尼器具有上述效果，具有上述小腿假肢阻尼器的下肢假肢具有同样的效果，故本文不再赘述。
优选的，上述下肢假肢中，还包括膝关节驱动器和具有残肢连接部的大腿部件，所述小腿假肢的顶端与所述大腿部件连接，所述膝关节驱动器设置在所述小腿假肢与所述大腿部件的连接处。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型实施例提供的小腿假肢阻尼器的立体结构示意图；
图2是本实用新型实施例提供的小腿假肢阻尼器的主视图；
图3是本实用新型实施例提供的下肢假肢的立体结构示意图；
图4是本实用新型实施例提供的下肢假肢的主视图。
具体实施方式
本实用新型实施例提供了一种小腿假肢阻尼器，能够缓冲下肢假肢使用时受到的外界冲击，同时扩宽了下肢假肢的运动范围。
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”和“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的位置或元件必须具有特定方位、以特定的方位构成和操作，因此不能理解为本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
请参考附图1-2，本实用新型实施例提供的小腿假肢阻尼器包括第一小腿杆1、第二小腿杆2、阻尼弹簧3和变刚度调节件；第一小腿杆1设置有套接孔；第二小腿杆2的一端内置于套接孔内，第二小腿杆2和第一小腿杆1周向定位且两者可相对轴向移动；阻尼弹簧3外套于第二小腿杆2，阻尼弹簧3的一端固定在第一小腿杆1上；变刚度调节件能够调节阻尼弹簧3的有效工作长度，变刚度调节件设置在第二小腿杆2上，阻尼弹簧3的有效工作段位于第一小腿杆1与变刚度调节件之间。
需要说明的是，第二小腿杆2的一端内置于套接孔内时，第一小腿杆1与第二小腿杆2之间采用机械限位结构，使第二小腿杆2不脱出套接孔，从而保证第一小腿杆1与第二小腿杆2始终套接在一起。变刚度调节件通过调节阻尼弹簧3的有效接入长度来调节阻尼弹簧3的有效工作长度，
本实施例的小腿假肢阻尼器适用于下肢假肢，应用时，将小腿假肢阻尼器连接在下肢假肢的相应位置处。
本实施例提供的小腿假肢阻尼器中，第一小腿杆1与第二小腿杆2之间通过阻尼弹簧3弹性连接，阻尼弹簧3能够缓冲下肢假肢使用时受到的外界冲击；同时本实用新型能够根据不同的运动环境，利用变刚度调节件调节阻尼弹簧3的有效工作长度，使小腿假肢阻尼器的刚度可调，进而使下肢假肢的刚度刚好适应当前的运动状态，以避免假肢形变过大或过小造成的失稳，扩宽了下肢假肢的运动范围。
优选的，变刚度调节件为旋转套筒4，第二小腿杆2外表面设置外螺纹(图中未示出)，旋转套筒4设置有与外螺纹配合的内螺纹和供阻尼弹簧3的螺旋圈卡入的螺旋槽，当旋转套筒4沿着外螺纹旋转时，阻尼弹簧3的螺旋圈能够沿着螺旋槽移动。
需要说明的是，旋转套筒4内侧开设的螺旋槽的螺距、中径与阻尼弹簧3自然状态下的相同，螺旋槽宽度较阻尼弹簧3略宽。阻尼弹簧3的螺旋圈可卡在螺旋槽内，因此当旋转套筒4沿着第二小腿杆2升降时，旋转套筒4也相对于阻尼弹簧3沿着旋转套筒4的长度方向移动。具体的，旋转套筒4转动时能够相对于阻尼弹簧3沿着阻尼弹簧3的伸缩方向移动。
旋转套筒4可沿第二小腿杆2的外螺纹轴向移动，同时不会与阻尼弹簧3自身结构发生干涉；转动旋转套筒4可以使旋转套筒4沿着第二小腿杆2的轴向移动并且不会影响阻尼弹簧3自身结构。
当小腿假肢阻尼器进行刚度调节时，转动旋转套筒4，使其相对于第二小腿杆2旋转。由于旋转套筒4与第二小腿杆2之间通过螺纹连接，故旋转套筒4旋转的同时会沿着螺纹爬升或下降，从而调节阻尼弹簧3的有效工作长度，使下肢假肢的刚度刚好适应当前的运动状态。
本实施例利用旋转套筒4的转动皆可以调节阻尼弹簧3的有效工作长度，结构简单，操作方便，同时旋转套筒4的螺旋槽能够较好地固定阻尼弹簧3的有效工作段的端部，提高了工作平稳性。可以理解的是，上述变刚度调节件还可以为其他结构，如设置在第二小腿杆2上的沿轴向分布的多个调节孔和与该调节孔配合、用于固定阻尼弹簧3的工作端部的固定轴，通过使固定轴固定在不同位置的调节孔内，实现同样的调节阻尼弹簧3的有效工作长度的效果，本实用新型在此不再一一赘述。
为了进一步优化上述技术方案，小腿假肢阻尼器还包括驱动旋转套筒4沿着外螺纹旋转的调节驱动件和控制调节驱动件的控制器。控制器可以根据智能下肢假肢穿戴者的运动需求主动控制调节驱动件的工作。本实用新型通过控制器控制调节驱动件，利用调节驱动件自动驱动旋转套筒4旋转，从而实现自动调节，便于操作。可替换的，本实用新型还可以通过人工转动旋转套筒4。
优选的，调节驱动件为设置在第一小腿杆1一侧的调节电机7。本实施例利用调节电机7驱动旋转套筒4旋转，控制精度较高。可替换的，调节驱动件还可以为气缸等。
如图1-2所示，调节电机7的输出轴平行于第一小腿杆1，并通过传动机构与旋转套筒4连接。本实用新型将调节电机7置于第一小腿杆1的一侧，减小了小腿假肢阻尼器的轴向占用空间，使结构更加紧凑。当然，本实用新型还可以不设置传动机构，利用连接筒使调节电机7直接驱动旋转套筒4转动。调节电机7输出轴还可以垂直于第一小腿杆1。
为了简化结构，传动机构为齿轮机构，旋转套筒4的外表面设置有调节齿轮；齿轮机构包括套设在调节电机7的输出轴上的主动齿轮6和与调节齿轮啮合的从动齿轮5，从动齿轮5的厚度大于调节齿轮的厚度。具体的，主动齿轮6嵌套在电机的输出端上，从动齿轮5的齿轮轴固定在调节电机7的底座上。从动齿轮5具有一定厚度，当旋转套筒4沿着第二小腿杆2轴向移动时，调节齿轮可以始终与从动齿轮5保持啮合。
小腿假肢阻尼器进行刚度调节时，由调节电机7转动带动主动齿轮6旋转，主动齿轮6带动从动齿轮5旋转，从动齿轮5与旋转套筒4上的调节齿轮啮合，故从动齿轮5可带动旋转套筒4以第二小腿杆2为轴旋转，从而驱动旋转套筒4会沿着螺纹爬升或下降，控制旋转套筒4在第二小腿杆2上的位置。
上述传动机构还可以为其他结构，如带传动机构等。
进一步的，从动齿轮5的两端(即上下两端)均设置有避免调节齿轮脱离从动齿轮5的限位凸起51。当小腿假肢阻尼器受到不可控外力作用，使旋转套筒4沿第二小腿杆2爬升或是下降时，因机械限位作用，旋转套筒4与从动齿轮5之间不会脱离啮合，提高了工作可靠性。
具体的实施方式中，第一小腿杆1位于第二小腿杆2上方。此时，第一小腿杆1为上小腿杆，第二小腿杆2为下小腿杆，阻尼弹簧3套在下小腿杆上，且其上端与上小腿杆的下底面处固定连接，使缓冲弹簧位于较低的位置处，提高了平稳性。当然，上述第一小腿杆1也可以位于第二小腿杆2下方。
本实施例中，旋转套筒4设计为在转动时相对于阻尼弹簧3沿着阻尼弹簧3的伸缩方向移动时并不会压缩阻尼弹簧3；当旋转套筒4不转动时相对于阻尼弹簧3沿着下小腿杆轴线方向上下移动时才会压缩阻尼弹簧3。这样，调节电机7可以通过改变阻尼弹簧3接入长度的方式实现了阻尼弹簧3的刚度连续调节。
记在可变刚度小腿阻尼器结构中，K0<\/sub>为阻尼弹簧3在初始自然条件下的刚度，G为弹簧材料切变模量，d为弹簧线径，D为弹簧中径，N0<\/sub>为弹簧初始自然状态下的有效圈数，则阻尼弹簧3的初始刚度为：
记主动齿轮6的齿数为m1<\/sub>，从动齿轮5的齿数为m2<\/sub>，旋转套筒4外表面调节齿轮的齿数为m3<\/sub>，调节电机7转动x周，此时旋转套筒4沿下小腿杆转动了z圈：
此时阻尼弹簧3的刚度为：
综上可知，调节电机7通过从动齿轮5将控制量传递给旋转套筒4，进而通过旋转套筒4在下小腿杆上沿螺纹的爬升或下降运动，改变阻尼弹簧3的接入长度，从而实现小腿假肢阻尼器的刚度调节。
请参考附图3-4，本实用新型实施例还提供了一种下肢假肢，包括仿生足部结构11、踝关节驱动器10和小腿假肢，小腿假肢的底端与仿生足部结构11连接，踝关节驱动器10设置在小腿假肢与仿生足部结构11的连接处，小腿假肢为上述任一项实施例提供的小腿假肢阻尼器，能够缓冲下肢假肢使用时受到的外界冲击，同时扩宽了下肢假肢的运动范围，其优点是由小腿假肢阻尼器带来的，具体的请参考上述实施例中相关的部分，在此就不再赘述。
优选的，下肢假肢还包括膝关节驱动器9和具有残肢连接部的大腿部件8，小腿假肢的顶端与大腿部件8连接，膝关节驱动器9设置在小腿假肢与大腿部件8的连接处。大腿部件8通过残肢连接部与残肢紧密相连，并且其内部空间放有锂电池与控制器；并且大腿部件8上有简易的人机交互控制面板，可以对调节电机7进行人为控制；大腿部件8、膝关节驱动器9与小腿假肢阻尼器结构相连，构成膝关节；仿生足部结构11、踝关节驱动器10与小腿假肢阻尼器结构相连、构成踝关节，形成了智能下肢假肢，使用范围更广。同时依靠假肢内置电池驱动，解决了截肢患者的康复训练、正常运动的问题。
此外，本实用新型的小腿假肢阻尼器可以很好地应用于智能下肢假肢，提高了智能下肢假肢的可靠性，舒适性，具有极大的应用价值。
当然，下肢假肢还可以仅包括仿生足部结构11、踝关节驱动器10与小腿假肢阻尼器结构。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920306005.5
申请日:2019-03-11
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:34(安徽)
授权编号:CN209884437U
授权时间:20200103
主分类号:A61F2/60
专利分类号:A61F2/60
范畴分类:申请人:中国科学技术大学
第一申请人:中国科学技术大学
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发明人:李智军;魏冬;徐崔超;杨辰光
第一发明人:李智军
当前权利人:中国科学技术大学
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类型名称:外观设计