CN109758277A - 一种低能耗假肢 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及医疗保健器械技术领域，尤其是一种低能耗假肢，包括小腿假肢、踝关节和假肢脚板，所述踝关节包括设置在所述假肢脚板后部顶面的两支架，两所述支架分别通过一转轴连接一摆动装置的一侧，所述摆动装置的底部通过一弹簧与假肢脚板的顶部连接，所述摆动装置内设有一充电转换装置，所述充电转换装置将弹簧拉伸时产生的动能转换成电能储存在蓄电池组中，蓄电池组中储存的电能用于驱动假肢脚板抬起时弹簧的拉伸，本发明可以解决现有技术中的假肢舒适感差、行走不便利、穿戴不轻便且工作时能耗高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及医疗保健器械技术领域，具体领域为一种低能耗假肢。
背景技术
目前，市面上踝关节假肢的种类很多，主要有被动踝关节假肢、电机驱动主动踝关节假肢等。被动踝关节假肢是采用橡胶、碳纤维等材料制作脚板，或在结构中引入弹簧等储能器件使得脚整体具有一定弹性，被动踝关节假肢具有机构简单、重量轻、能量消耗低等优点，但由于被动踝关节假肢无动力源，存在截肢患者行走与正常肢体运动轨迹不匹配问题；主动踝关节假肢是在假肢结构中引入电机等主动驱动器件，主动踝关节假肢的主要优点是使得穿戴者的步态较自然，且能适应不同路况，但其存在缺陷问题，由于加入电机等驱动器件的原因导致假肢系统重量大、能耗高等问题。不管是被动踝关节假肢还是电机驱动主动踝关节假肢，都不能给穿戴者带来舒适感，使穿戴者行走便利、穿戴轻便，且使其工作时能耗降低的作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低能耗假肢，以解决现有技术中的假肢舒适感差、行走不便利、穿戴不轻便且工作时能耗高的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种低能耗假肢，包括小腿假肢、踝关节和假肢脚板，所述踝关节包括设置在所述假肢脚板后部顶面的两支架，两所述支架分别通过一转轴连接一摆动装置的一侧，所述摆动装置的底部通过一弹簧与假肢脚板的顶部连接，所述摆动装置内设有一充电转换装置，所述充电转换装置将弹簧拉伸时产生的动能转换成电能储存在蓄电池组中，蓄电池组中储存的电能用于驱动假肢脚板抬起时弹簧的拉伸。
优选的，所述假肢脚板包括一上脚板和一脚跟弹片，所述脚跟弹片的前部固定连接在所述上脚板底面中部，所述脚跟弹片的后部与所述上脚板之间留有弹性活动空间，所述假肢脚板和脚跟弹片采用碳纤维布经铺层设计制作的碳纤维板，所述碳纤维板相邻层中的碳纤维呈交错的铺层角。
优选的，所述脚跟弹片的后部与所述上脚板之间留有呈30°的空隙。
优选的，所述充电转换装置为一动能转换电能装置，所述动能转换电能装置将弹簧拉伸时产生的动能转换成电能储存在蓄电池组中，且将其转换为电能用于驱动假肢脚板抬起时弹簧的拉伸。
优选的，所述充电转换装置内通过物理学与算法相结合的方法将动能转换为电能，所述算法为牛顿-伽利略法算法。
优选的，所述蓄电池组以蛇形方式铺设在假肢脚板和脚跟弹片夹层中。
优选的，所述摆动装置内设有一弹簧连接器，所述弹簧连接器与弹簧的一端连接，所述弹簧连接器为螺旋弹簧。
优选的，所述假肢脚板的外面设置有一与人脚形状相应的脚套，所述脚套采用硅橡胶材料。
优选的，所述小腿假肢采用热塑性塑料、记忆型塑料的一种材料制作而成。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：在摆动装置内设置充电转换装置将行走时弹簧产生的动能转化为电能储存在蓄电池中，并将该电能用于后续驱动假肢脚板抬起时弹簧的拉伸，给患者提供省力、舒服的活动感受，让患者减少截肢后行走时的能量消耗，使他们行走时的步态更加自然；在充电转换装置内通过物理学与算法相结合的方法高效地将动能转换为电能，且算法采用牛顿-伽利略法算法，利用该算法可以使收集率最大化；以蛇形的方式铺设蓄电池组，使蓄电池组连接更加紧密，从而收集的电能也就更加多，此外在夹层中铺设蓄电池组可以使假肢体积更小，且不占位置，穿戴者使用更加方便也不影响美观；本发明中脚跟弹片的后部与所述上脚板之间留有呈30°的空隙，还在制作材料上选取了最舒适最符合人体构造学的模型，可以使患者在行走时行走自如；弹簧连接器采用螺旋弹簧，而螺旋弹簧是一个蓄能器，它有储存能量的功能，将弹簧收集到的能量传输给充电转换装置为后续的假肢脚板活动提供相应的动能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的结构剖视图。
图中：1小腿假肢、2假肢脚板、3踝关节、4充电转换装置、5脚套、6上脚板、7脚跟弹片、8支架、9转轴、10摆动装置、11弹簧。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种低能耗假肢，包括小腿假肢1、踝关节3和假肢脚板2，踝关节3包括设置在假肢脚板2后部顶面的两支架8，两支架8分别通过一转轴9连接一摆动装置10的一侧，摆动装置10的底部通过一弹簧11与假肢脚板2的顶部连接，摆动装置10内设有一充电转换装置4，充电转换装置4将弹簧11拉伸时产生的动能转换成电能储存在蓄电池组中，蓄电池组中储存的电能用于驱动假肢脚板2抬起时弹簧11的拉伸，在摆动装置10内设置充电转换装置4将行走时弹簧11产生的动能转化为电能储存在蓄电池中，并将该电能用于后续驱动假肢脚板2抬起时弹簧11的拉伸，给患者提供省力、舒服的活动感受，让患者减少截肢后行走时的能量消耗，使他们行走时的步态更加自然。
进一步的，假肢脚板2包括一上脚板6和一脚跟弹片7，脚跟弹片7的前部固定连接在上脚板6底面中部，脚跟弹片7的后部与上脚板6之间留有弹性活动空间，假肢脚板2和脚跟弹片7采用碳纤维布经铺层设计制作的碳纤维板，碳纤维板相邻层中的碳纤维呈交错的铺层角，具体的，脚跟弹片7的后部与上脚板6之间留有呈30°的空隙，本发明还在制作材料上选取了最舒适最符合人体构造学的模型，可以使患者在行走时行走自如。
优选的，充电转换装置4为一动能转换电能装置，动能转换电能装置将弹簧11拉伸时产生的动能转换成电能储存在蓄电池组中，且将其转换为电能用于驱动假肢脚板2抬起时弹簧11的拉伸，进一步的，充电转换装置4内通过物理学与算法相结合的方法高效地将动能转换为电能，算法为牛顿-伽利略法算法，算法步骤如下：
首先，选择一个接近函数f(x)零点的x0，计算相应的f(x0)和切线斜率f’(x0)。然后计算穿过点(x0,f(x0))并且斜率为f’(x0)的直线和x轴的交点的x坐标，也就是求如下方程的解：
x·f’(x0)+f(x0)-x0·f’(x0)＝0
将新求得的点的x坐标命名为x1，通常x1会比x0更接近方程f(x)＝0的解。因此可以利用x1开始下一轮迭代。迭代公式可化简为如下所示：
上述算法可以看出，利用该算法可以使收集率最大化。
优选的，本发明在假肢脚板2和脚跟弹片7的夹层中以蛇形的方式铺设小型的蓄电池组，以蛇形的方式可以使各个小蓄电池连接更加紧密，从而收集的电能也就更加多，此外在夹层中铺设蓄电池组可以使假肢体积更小，且不占位置，穿戴者使用更加方便也不影响美观。
优选的，摆动装置10内设有一弹簧连接器，弹簧连接器与弹簧11的一端连接，弹簧连接器为螺旋弹簧，螺旋弹簧是一个蓄能器，它有储存能量的功能，将弹簧11收集到的能量传输给充电转换装置4为后续的假肢脚板2活动提供相应的动能。
本发明还可以在假肢脚板2的外面设置有一与人脚形状相应的脚套5，脚套5采用硅橡胶材料制作而成，其具有耐腐蚀、耐磨损以及电绝缘等性能。
本发明的小腿假肢1可以采用各种已知技术的小腿假肢1，也可以采用热塑性塑料、记忆型塑料等材料制作而成，小腿假肢1的长度可以根据截肢者的残肢长度进行设计，小腿假肢1的下端通过螺栓或其它固定件固定连接在摆动装置10的顶部。
工作原理：当假肢脚板2抬起时，上脚板6向下拉伸弹簧11到达脚跟弹片7的位置，此时，弹簧11被拉伸将存储的能量传输到充电转换装置4中，经过假肢患者的抬起活动不断收集能量，当能量足够多时充电转换装置4将其输出给摆动装置10，摆动装置10又将这部分能量转化为动能驱动假肢脚板2抬起时弹簧11的拉伸，为假肢患者减少能量消耗，如此反复形成一个动能-电能的循环操作。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种低能耗假肢，包括小腿假肢(1)、踝关节(3)和假肢脚板(2)，所述踝关节(3)包括设置在所述假肢脚板(2)后部顶面的两支架(8)，两所述支架(8)分别通过一转轴(9)连接一摆动装置(10)的一侧，其特征在于：所述摆动装置(10)的底部通过一弹簧(11)与假肢脚板(2)的顶部连接，所述摆动装置(10)内设有一充电转换装置(4)，所述充电转换装置(4)将弹簧(11)拉伸时产生的动能转换成电能储存在蓄电池组中，蓄电池组中储存的电能用于驱动假肢脚板(2)抬起时弹簧(11)的拉伸。
2.根据权利要求1所述的一种低能耗假肢，其特征在于：所述假肢脚板(2)包括一上脚板(6)和一脚跟弹片(7)，所述脚跟弹片(7)的前部固定连接在所述上脚板(6)底面中部，所述脚跟弹片(7)的后部与所述上脚板(6)之间留有弹性活动空间，所述假肢脚板(2)和脚跟弹片(7)采用碳纤维布经铺层设计制作的碳纤维板，所述碳纤维板相邻层中的碳纤维呈交错的铺层角。
3.根据权利要求2所述的一种低能耗假肢，其特征在于：所述脚跟弹片(7)的后部与所述上脚板(6)之间留有呈30°的空隙。
4.根据权利要求1所述的一种低能耗假肢，其特征在于：所述充电转换装置(4)为一动能转换电能装置，所述动能转换电能装置将弹簧(11)拉伸时产生的动能转换成电能储存在蓄电池组中，且将其转换为电能用于驱动假肢脚板(2)抬起时弹簧(11)的拉伸。
5.根据权利要求4所述的一种低能耗假肢，其特征在于：所述充电转换装置(4)内通过物理学与算法相结合的方法将动能转换为电能，所述算法为牛顿-伽利略法算法。
6.根据权利要求1所述的一种低能耗假肢，其特征在于：所述蓄电池组以蛇形方式铺设在假肢脚板(2)和脚跟弹片(7)夹层中。
7.根据权利要求1所述的一种低能耗假肢，其特征在于：所述摆动装置(10)内设有一弹簧连接器，所述弹簧连接器与弹簧(11)的一端连接，所述弹簧连接器为螺旋弹簧。
8.根据权利要求1所述的一种低能耗假肢，其特征在于：所述假肢脚板(2)的外面设置有一与人脚形状相应的脚套(5)，所述脚套(5)采用硅橡胶材料。
9.根据权利要求1-8任一所述的一种低能耗假肢，其特征在于：所述小腿假肢(1)采用热塑性塑料、记忆型塑料的一种材料制作而成。
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