行走膝關節的製作方法

2023-10-25 07:15:42

專利名稱：行走膝關節的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及鉸鏈或接頭設備，尤其涉及一種用於矯正、修復或康復設備的鉸鏈或接頭組件，其具有動態緩衝，能在行走時支撐人體結構，同時使人能進行正常、或接近正常的行走運動。
背景技術：
通常人體行走周期(即，步伐)的描述從跟部衝擊地面開始，接下來是垂直站立階段，此時腳的前部繞著落地跟部樞轉降低至地面。然後步伐轉換至足尖離地階段，在該階段跟部提起，伴隨腿部向前移動以及身體處於腳和的腳趾上。最終，腳部完全從地面提起且在擺動階段向前擺動，以進行下一次跟部衝擊。另外一隻腳以一種大致協調的方式執行同樣的運動周期以實現向前運動。
在這種複雜的運動中，各膝部從跟部衝擊時一種相對直立的伸展狀態轉換到足尖離地階段時一種後彎或彎曲狀態，並在最後的擺動階段回復至伸展狀態。在此周期中，膝部通過變換角度承受患者的體重。
人類的膝部系統可能受到多種病理，其影響患者承受體重和行走能力(疼痛或者不疼痛)。矯正膝部設備主要用來支撐和穩定膝部，以響應肌肉無力和/或關節不穩。該設備支撐、引導和限制步伐周期內膝關節的關節活動範圍。然而，傳統的矯正設備傾向於使移動具有剛性，並且不能提供和健康正常的膝部類似的彎曲和伸展性能。例如，在正常行走運動中，膝部彎曲時存在一定程度的肌肉抵抗力，以及在跟部衝擊時四頭肌實現的一定程度緩衝，從而造成膝部彎曲且避免了透過腿部向上至臀部和背部的衝擊，如同發生在剛硬腿部加固步伐中的情形。
因此，矯正設備的一個目的在於提供基本的支撐，且同時附加提供儘可能多的運動樣式，類似正常的關節和肌肉功能，以吸收地面反作用力且將它們轉向向前運動。此外，一種與正常關節和肌肉運動非常類似的矯正設備能在較長的固定和/或康復期間過程中幫助防止某些肌肉和移動的訓練不到位，因此，該裝置決定補償抑制靈活性的肌肉使用和移動，這最終需要更重更特定的設備以造成導致更明顯的跛行和不完全的步伐。

發明內容
本發明提供一種矯正、修復或康復設備來協助或代替那些乏力或缺失的肌肉，並正常控制及防止膝部在擺動伸展過程中滯後，以及防止在跟部衝擊到最終採用腳部的球狀物和腳趾站立時屈曲，及防止在從椅子坐-立時膝部屈曲。本發明的設備提供了伸展方向的受控多位置旋轉運動，以防止通過棘齒步進部件從坐姿起立時膝部屈曲。此外，通過彈性體彈簧提供了膝部彎曲的抵抗力，實現阻抑緩衝特性，該彈性體彈簧也協助擺動階段的膝部從彎曲姿勢向直腿位置(伸展)運動，直腿位置剛剛在與地面初始接觸(跟部衝擊)之前。彈性體材料特性還使得能相對高站姿的控制力矩被有效地緩衝，以便使擺動回程力矩和回程速率(或滯後)在大小和速度上更小，從而正常地模擬肌肉功能。
本發明提供了一種能在行走時支撐人體結構的體重支承撐杆組件，同時使其連接到一條腿上以正常和自然行走方式彎曲。行走過程中，本發明提供跟部衝擊時的緩衝，以及加速或促進能力，其從膝部彎曲向準備接收跟部衝擊時的重量伸展的擺動過程中向前移動下放的腿部。阻尼、緩衝功能以及促進能力或促進力都是可調的，由於受到提供力的旋轉的力和角度大小可以適應於滿足個人需求。本發明合併具備步進特性安全性的正常和自然行走運動，確保了重量進行伸展時膝部的支撐(例如，從坐姿站起)。該彈性體彈簧可通過改變彈性體彈簧的尺寸、形狀、和/或特性來改造成複製任何人體肌肉的壓力偏轉曲線。
本發明的原理和概念通常可用在鉸鏈和接頭組件中，可用於這裡啟示和描述的矯正和/或康復實施例中、或者可用於被那些了解本發明的本領域技術人員所作的改進修復實施例中。此外，除了通常用在接頭和鉸鏈組件中，本發明明顯可用於支撐諸如踝、肘或肩的任何柔性韌帶關節的設備，並且可用來模擬、協助和/或支撐任何肌肉或組織，其包括提供用來降低接頭和肌肉的剛性、攣縮，或用來處理痙攣狀態的可調糾正力或治療力。
在本發明的一個方面，一種鉸鏈組件包括第一部件，其可移動地連接到第二部件來允許第一部件相對於第二部件在伸展位置和彎曲位置之間角位移；以及至少一個彈性體彈簧，其與第一部件和第二部件連通，通過該彈性體彈簧的壓縮抑制從伸展位置向彎曲位置、或從彎曲位置向伸展位置的角位移，並通過該彈性體彈簧的解壓協助從彎曲位置向伸展位置、或從伸展位置向彎曲位置的角位移。所述彈性體彈簧適於在受壓時提供預定壓力偏轉曲線，在解壓時提供不受約束的回程滯後速率。所述彈性體彈簧可由氨基甲酸乙酯製成。
在本發明的另一方面，該鉸鏈組件包括第一部件，其可移動地連接到第二部件的來允許第一部件相對於第二部件在伸展位置和彎曲位置之間角位移；以及至少一個彈簧，其與第一部件和第二部件連通，通過該彈簧的壓縮阻抑從伸展位置向彎曲位置、或從彎曲位置向伸展位置的角位移，並通過該彈簧的解壓促進從彎曲位置向伸展位置、或從伸展位置向彎曲位置的角位移，其特徵在於所述彈簧相應某一壓力的壓縮時率快於由該壓力導致所述彈簧隨後的解壓時率。在這方面，所述的至少一個彈簧可以是彈性體彈簧或扭轉彈簧。
在本發明的另一方面，該鉸鏈組件適用於矯正、修復或康復設備，並且包括近端部件，其可移動地連接到遠端部件來允許該近端部件相對於該遠端部件角位移；彈簧套，其與所述近端部件和遠端部件連通，其中該彈簧套的移動引導所述近端部件或遠端部件其中之一的移動，並被後一移動引導；在這方面，該鉸鏈組件還包括至少一個與該彈簧套支承接合的彈性體彈簧，其中近端部件相對於遠端部件沿第一方向的角位移壓縮該彈性體彈簧，以阻抑沿此第一方向的角位移，其中該彈性體彈簧的解壓促進近端部件相對於遠端部件沿第二方向角位移。該彈簧套包括一個槽道來保持各彈性體彈簧，各彈性體彈簧壓靠在槽道的內壁上。
在本發明的另一方面，該鉸鏈組件還適用於矯正、修復或康復設備，並且包括近端部件，其可移動地連接到遠端部件來允許該近端部件相對於該遠端部件在伸展位置和彎曲位置之間角位移；以及與所述近端部件和遠端部件連通的圓盤和聯鎖滑片，所述聯鎖滑片和圓盤適於彼此接合。在這方面，所述聯鎖滑片和圓盤在第一預定範圍內的接合阻止了近端部件相對於遠端部件朝向彎曲方向的角位移，且提供了朝向伸展方向的單向齒合步進；此外，所述圓盤相對於該近端和遠端部件在一個第二預定範圍內的角位移提供了近端部件相對於該遠端部件朝向彎曲和伸展方向的自由角位移，此自由角位移出現在整個第二預定範圍上，即便該聯鎖滑片定位為與該圓盤接合。
在本方面，所述第二預定範圍可在近端部件相對於遠端部件朝向彎曲和伸展方向的大約0-30°自由角位移區間內調整。所述第二預定範圍出現在近端部件相對於遠端部件在大約150°至180°之間定位時。此外，所述第一預定範圍可在近端部件相對於遠端部件朝向彎曲和伸展方向的大約90 °-120°角位移區間內調整。所述第一預定範圍出現在近端部件相對於遠端部件在大約60°至180°之間定位時。
在本方面，該鉸鏈組件還可以包括蝸輪，且所述圓盤包括多個蝸杆齒，該蝸輪和蝸杆齒接合定位，從而蝸輪的操作接合併轉動蝸杆齒，將圓盤相對於近端和遠端部件角位移以設定第一和第二預定範圍。所述聯鎖滑片還可以包括一個或多個滑齒，所述圓盤還包括多個盤齒，通過滑齒與盤齒的互鎖使聯鎖滑片與圓盤接合，所述各盤齒和蝸杆齒在相同平面上繞圓盤周邊布置。
在本發明的另一方面，提供了一種用於矯正、修復或康復設備的纜索釋放機構，並且包括繞軸線旋轉且可相對於支承面線性移動的執行機構，該執行機構具有突出凸輪面以及第一和第二操作面，該凸輪面位於第一和第二操作面之間，凸輪面位於距軸線的距離大於距第二操作面的距離處，第二操作面位於距軸線的距離大於距第一操作面的距離處，該執行機構與纜索和設備預定的第一可接合且可釋放移動部件連通，第一可接合部件可釋放地移動以接合該設備的第二可接合部件。
在這方面，將第一操作面靠所述定位纜索的支承面布置，以允許第一可接合部件去接合第二可接合部件；將第二操作面靠所述支承面布置，相對於支承面線性移動執行機構，以致將纜索相對於第二可接合部件線性縮進足夠使第一可接合部件從第二可接合部件上脫離的距離；最後，將凸輪面靠所述支承面布置，相對於支承面線性移動執行機構，以致將纜索相對於第二可接合部件線性縮進一段大於將第一或第二操作面的任何一面靠支承面定位所必需的距離，從而造成肘杆曲柄動作和急動，在纜索張緊時，當從與支承面接合的凸輪面移到與支承面接合的第一或第二操作面的任何一個時，會向用戶提供該纜索釋放機構的絕對和確定的定位。該纜索釋放機構可適用於本發明的任何鉸鏈組件中。
在本發明的另一方面，提出一種矯正、修復或康復設備，包括近端部件，其通過鉸鏈組件可旋轉連接到遠端部件，所述鉸鏈組件允許近端部件相對於遠端部件在伸展位置和彎曲位置之間來回角位移。在本發明中，該鉸鏈部件包括圓盤；適於與該圓盤接合的聯鎖滑片，其中，在第一預定範圍內聯鎖滑片與圓盤的接合阻止了近端部件相對於遠端部件朝向彎曲方向的角位移，且提供了朝向伸展方向的單向齒合步進。本發明的鉸鏈組件還包括在第二預定範圍內與近端和遠端部件連通的至少一個彈簧，以提供近端部件相對於遠端部件朝向彎曲方向角位移的阻抑作用，且提供朝向伸展方向角位移的促進作用。所述的至少一個彈簧可以是扭轉彈簧或彈性體彈簧。
在這方面，所述鉸鏈組件可能還包括具有一個插銷的機構，該機構角向連通所述圓盤與所述近端和遠端部件，其中聯鎖滑片嚙合在插銷內方便了朝向彎曲方向角位移的阻抑作用，以及朝向伸展方向角位移的促進作用。所述機構可以是一個彈簧套，該彈簧套具有一槽道用來保持每根彈簧，各彈簧壓在槽道壁上以阻抑朝向彎曲方向的角位移，從槽道壁上解壓以促進朝向伸展方向的角位移。此外，至少一根杆柱可固定連接到所述圓盤並從圓盤的一面垂直延伸出，每根杆柱都延伸入彈簧套的相應槽道內，其中，每根杆柱強制地靠在相應的彈簧上以將該彈簧壓靠在槽道壁上，且壓靠在圓盤面上以阻抑朝向彎曲方向的角位移，從各杆柱上解壓且強制移動的彈簧促進朝向伸展方向的角位移。該彈簧套的角位移引導所述近端部件或遠端部件其中之一的角位移，並且也被該位移引導。
在這方面，作為一種替代具有插銷機構的方案，所述鉸鏈組件可以包括具有至少一端齒的轉子，該轉子角向連通所述圓盤與近端和遠端部件，其中所述聯鎖滑片與所述至少一端齒嚙合方便了朝向彎曲方向角位移的阻抑作用，以及朝向伸展方向角位移的促進作用。在具有轉子的本方案中，該鉸鏈組件還可以包括彈簧套，該彈簧套具有用來保持每根彈簧的槽道，各彈簧壓在槽道壁上以阻抑朝向彎曲方向的角位移，從槽道壁上解壓以促進朝向伸展方向的角位移。在具有轉子的本方案中，轉子的角位移造成轉子靠在各彈簧上，以強制性地將每根彈簧壓靠在槽道壁上。
在本發明的另一方面，近端部件相對於遠端部件的角位移出現在繞單獨樞軸點旋轉時。在本方面，所述圓盤可繞所述樞軸點旋轉以設定所述第一和第二預定範圍。在本方面，所述繞樞軸點的第一預定範圍可以大約為90°至120°，且可以出現在繞樞軸點展開的近端部件相對於遠端部件在60°至180°之間時。此外，所述繞樞軸點的第二預定範圍大約為0°至30°，且可以出現在繞樞軸點展開的近端部件相對於遠端部件在150°至180°之間時。在具有單獨樞軸點的本方案中，所述的至少一個彈簧可以是扭轉彈簧或彈性體彈簧。


結合附圖並閱讀前面的發明內容及下面的詳細描述，將會更好的理解本發明。為了說明本發明，附圖中示出了本發明的一些實施例。然而應該理解，本發明不限於所示的精確布置和工具。在附圖中，幾幅圖中相同的標號指定相同的元件。附圖中圖1示出根據本發明一個實施例的用於右腿矯正膝形拉條；圖2示出圖1中膝形拉條的具有纜索釋放機構的一個橫向右手鉸鏈組件以及伴隨的橫向撐杆；圖3a示出根據本發明一個實施例的橫向左手鉸鏈組件的上側或前側的透視分解圖；圖3b示出圖3a中鉸鏈組件的下側透視分解圖；
圖4a示出根據本發明一個實施例的纜索釋放機構的前側透視分解圖；圖4b示出圖4a中纜索釋放機構的背部或下側透視分解圖；圖5a示出圖1中鉸鏈組件處於完全彎曲位置時的主視圖，其聯鎖滑片的滑齒與關節活動範圍(ROM)盤的正齒嚙合，以提供趨於伸展旋轉運動的單向步進齒合；圖5a也示出設定為30°關節活動範圍的ROM盤，因彈簧柱位於不同槽道內而導致彈性體彈簧部分壓縮(以提供預載荷)；圖5b示出圖1中鉸鏈組件處於充分伸展位置時的正視圖，此時滑齒與插銷在彈簧套內嚙合，也示出設定為0°關節活動範圍的ROM盤(也就是說，滑齒靠著ROM盤的最近端的正齒，這種緊靠阻止了朝向彎曲的旋轉運動)；圖5c示出圖1中鉸鏈組件處於充分伸展位置時的正視圖，此時滑齒與插銷在彈簧套內嚙合，也示出設定為30°關節活動範圍時的ROM盤，從而使得在30°的關節活動範圍內阻抑朝向彎曲的旋轉運動，且促進朝向伸展的旋轉運動；圖5d示出圖1中鉸鏈組件處於使關節活動範圍最大為30°時的正視圖，圖5d示出彈簧被壓縮並阻抑朝向彎曲的旋轉運動；圖5e示出圖1中鉸鏈組件處於完全彎曲位置時的正視圖，滑齒再次與正齒嚙合以提供朝向伸展的旋轉運動的單向步進齒合；圖5e也示出設定為30°關節活動範圍時的ROM盤，因彈簧柱位於不同槽道內而導致彈性體彈簧不動(沒有預載荷)。
圖6a示出前面圖形中的ROM盤，示出位於ROM盤周邊上的處於相同平面上的蝸杆齒和正齒；圖6a也示出用來接收彈簧柱的兩個孔；圖6b示出根據本發明的彈性體彈簧的一個實施例；圖7a示出根據本發明另一實施例的橫向左手替代鉸鏈組件的上側或前側透視分解圖；圖7b示出圖7a中鉸鏈組件的下側透視分解圖；圖8示出根據本發明另一實施例的替代纜索釋放機構的前側透視分解圖；
圖9a示出根據本發明另一實施例中採用了扭轉彈簧的鉸鏈組件的上側或前側透視圖；以及圖9b示出圖9a中鉸鏈組件的上側或前側透視分解圖。
具體實施例方式
本發明一般是一種接頭或鉸鏈組件，更具體地是具有幾種實施例的行走膝關節，用來在提供便利康復性能的同時處理各種問題。本發明的實施例包括下面的一個或多個特徵■初始接觸(即，跟部衝擊)時的動態緩衝阻抑了地面反作用力和負載響應，用於行走過程中膝部彎曲更柔和；■擺動輔助以實現伸肌無力時充分的端部擺動，由此確保跟部首先接觸地面(而不是腳中部或前部)；■對於那些從坐姿站起來有困難的人，通過單向步進的齒合從完全彎曲(大約120°彎曲)到充分伸展，提供了從椅子站起來的坐-立支撐，其允許膝部伸展，但如果在到達站立姿勢前膝部開始彎曲則通過鎖定防止膝部屈曲；■可調的關節活動範圍，在步行站立階段經歷的典型彎曲角度之間可調的(例如，在當前使用的實例中是0-30°)，通過使用由蝸輪調整的關節活動範圍(ROM)盤調整，這種可調的關節活動範圍界定了可變受控膝部彎曲(沒有膝部鎖定時)以及行走或站立時伸展的工作範圍，ROM盤允許膝部彎曲，但是如果膝部屈曲(例如，由於四頭肌乏力)超過關節活動範圍的設定值，它也阻止彎曲，由此避免摔倒；■彈性體彈簧提供可變的壓力偏轉曲線以模擬期望的肌肉響應，提供彎曲的可變約束並輔助各種角度的彎曲和伸展；以及■杆鎖採用肘節凸輪來接合與脫離坐-立單向步進齒合支承、具有彈性體彈簧緩衝和擺動輔助的0-30°受控膝部彎曲/伸展、以及用於坐姿自由旋轉的釋放機構(一個ROM盤代用部件)，一種適於用指節輕鬆「推擠」或由受損手的有爪手指「集推」的控制杆(例如，通過撞擊)接合和脫離。所述「推擠」或「集推」所需的手指力需要很小的感覺或技巧，因為用到了整個肘部的移動，有爪手指維持在一種自然放鬆的位置，肘節和凸輪提供了鎖定適當接合或脫離的視覺、感覺和聽覺反饋，控制杆組件在衣服下輕微動作。肘節凸輪也提供了精細的調整以適當張緊纜索釋放機構以實現接合和脫離。
本發明的示例性使用本發明可用在任何接頭或鉸鏈組件中，特別是那些受益於阻抑和/或抵抗兩部件彼此角向靠近、以及促進和/或協助兩部件彼此角向遠離的地方。此外，本申請也可用於任何肌肉適應系統，例如在機器人中，因為彈性體彈簧可用來模擬任何肌體組織和/或肌肉組織。另外，任何柔性韌帶接頭可以使用本發明來支撐和輔助(矯正術)、康復或者替換(彌補術)。
更特別地，本發明的一個實施例滿足了撞擊患者的康復需求。撞擊患者的身體一側常受到局部的、臨時的或永久的麻痺。因此，肌肉力量、控制和協調性減弱。在康復過程中，患者被鼓勵儘可能多地行走以重新訓練、控制和重複強化肌肉，來刺激大腦的神經可塑性來重新學習行走。患者常常缺少必需的信心和力量而在行走中摔倒；這樣的一個患者可以配備根據本發明一個實施例的矯正膝形拉條。
在該實施例中，接頭初始將可能設定為具有0°的關節活動範圍。同樣，膝部被鎖定在充分伸展位置，給予患者穩定的姿勢，並給予他們不會因膝部屈曲而摔倒的信心。隨著康復的進行，將允許有一些關節活動範圍，然後逐步增加，因為本發明的鉸鏈組件可在0-30°彎曲範圍內以不限定的角度增量調整。康復過程中關節活動範圍的逐步增加使得能重新恢復正常的步伐，同時，如果膝部無法防止膝部屈曲的話，其仍然提供支撐。
在另一個實施例以及或許在上述的矯正實施例中，膝部的伸展力矩協助步伐擺動階段的肢體，由此幫助膝部到達充分伸展狀態，以進行肌肉的再教育、強化和皮層維持。這一實施例還可以包括彎曲抑制，在初始接觸(即，跟部衝擊時)時提供動態緩衝以阻抑地面反作用力和負載響應，用於行走過程中使膝部彎曲更柔和，例如在引起膝部不穩定和屈曲的加壓的肢體使用程序、衝擊康復、以及任何永久的伸肌乏力時。
這種拉條的另外潛在用途包括弱化伸肌機理的任何情形(神經病學的或整形外科的)，避免患者在行走過程中達到充分伸展或者當肢體承重站立時膝部屈曲。
接頭可裝配在傳統的金屬和皮革KAFO上，或者模製塑料或合成拉條上。裝配臺可垂直容納3/4×3/16或3/4×1/4的鋁或不鏽鋼，或者與合成或模製拉條構造成一起使用的其它類型接頭。
本發明的一個示例性實施例本發明的一個實施例在具有彈性體彈簧阻抑系統的行走膝關節中加入了一鉸鏈組件，彈性體彈簧阻抑系統在行走過程中緩衝重載衝擊、在步伐擺動階段阻抑彎曲且協助腿部的伸展。這種阻抑和擺動輔助力矩在一定關節活動範圍內起作用，這由一個關節活動範圍(ROM)盤提供且決定於一個可調蝸輪機構。在本實施例中，關節活動範圍可設定在0到30°之間，基於患者的力量和需求而調節(即，當患者變的強壯時，需要更少的支撐，並且通常可增加關節活動範圍)。在該關節活動範圍內的阻抑和擺動輔助力也可以依個人的需求調整，以便在步伐的每個擺動階段提供充足的力矩，並且提供緩衝來使行走更平緩，這是通過將力導向前進的方向以減少患者行走時的能量消耗實現的。
請注意，儘管下面的示例性實施例示出一個第一、或者說是近端部件相對一個第二、或者說是遠端部件繞樞軸點的角位移，且示出其它部件(例如，圓盤、彈簧組件)繞同一樞軸點的角向移動能力，本發明不限於這種結構。本發明包括且其特性適用於鉸鏈組件繞場合中心、偏心面、多心和多中心軸、多個凸輪面等的角向關節聯接。
此外，下面詳細描述的示例性實施例示出沿彎曲方向的角位移或關節聯接的阻抑作用，以及沿伸展方向角位移的促進作用。本發明同樣不限於這種方向需求，本發明企圖在任何方向上進行阻抑和協助。因此，本發明還包括且其特性適用於阻抑、限制或約束從彎曲位置向伸展位置的角位移，和/或輔助或促進從伸展位置向彎曲位置的角位移。
圖1示出一種適於右腿(「右手」)的矯正膝形拉條10，該膝形拉條10含有本發明的一個接頭或鉸鏈組件實施例。該膝形拉條10包括右手橫向接頭組件12和一個右手中間接頭組件13。這些接頭組件功能類似，無論是右手中間橫向、右手中間、左手橫向、或是左手中間接頭組件，其區別僅在於各設備相對於其位置的方位，特別有效的是遠端半接頭(下面描述)的方位。
圖2示出矯正膝形拉條10的右手橫向接頭組件12。該接頭組件12包括一個鉸鏈組件14、一個近端撐杆或稱上部杆件15、一個遠端撐杆或稱低部杆件16、一個與纜索釋放機構20一起的聯鎖滑片18。
圖3a和圖3b是鉸鏈組件14的分解圖，圖3a是上側或稱為前側透視分解圖，圖3b是底側或稱為下側分解透視圖。此外，圖3a和圖3b的分解圖實際上示出一個左手橫向鉸鏈組件。該鉸鏈組件14包括一個通過螺釘31固定連接到上部杆件15的近端半接頭30、一個通過螺釘33固定連接到低部杆件16的遠端半接頭32、一個關節活動範圍(ROM)盤34、彈性體彈簧36、以及一彈簧套38。某些鉸鏈組件14部件通過樞軸柱40和安全銷42可相互旋轉的固定，在這些部件的二者之間插入各種墊圈以方便旋轉運動，實現樞軸柱40和安全銷42厚度和長度的抗磨損和公差累積的消除。一個美觀的蓋43裝配在彈簧套38的凹槽內，以蓋住安全銷42和拆卸鉸鏈的通道。
近端半接頭30容納聯鎖滑片組件18的部件，當鉸鏈組件14從彎曲位置樞轉到伸展位置時，該聯鎖滑片組件18提供旋轉步進特性。一聯鎖滑片44可移動地容納在近端半接頭30的矩形凹槽46內，並被聯鎖滑片蓋47固定在那裡。聯鎖滑片44在矩形凹槽46內線性移動，通過一中心線導引向鉸鏈組件14的樞軸點並穿過它，樞軸點由樞軸柱40以及通常鉸鏈組件14部件圓形部分的中心界定。聯鎖滑片44在其遠端包括一個或多個滑齒48。
遠端半接頭32容納一個蝸輪50，其通過蝸輪螺釘52旋轉連接到遠端半接頭32上。蝸輪50與蝸輪螺釘52互鎖，從而蝸輪螺釘52的軸向旋轉轉化為蝸輪50的軸向旋轉。
近端半接頭30在其下側包括一個凸出阻力板或稱擋板54(該擋板展開在向鉸鏈組件14的樞轉點凸出的中心線上)。該擋板54與從遠端半接頭32圓形部分周邊上徑向凸出的阻力板56接合。擋板54與徑向凸出阻力板56相對支撐或互鎖，以消除從彎曲位置樞轉到伸展位置時膝部的過伸(即，當上部杆件與低部杆件相對180°時，擋板54與徑向凸出阻力板56互鎖或相對支撐)。遠端半接頭32包括與近端半接頭30的後緣60對準並靠在其上的傾斜肩部58，用作沿彎曲方向旋轉運動的阻力板，並由此界定鉸鏈組件14的最大彎曲程度，這出現在上部和低部杆件15、16之間大約為60°時。
ROM盤34包括沿其周邊的多個正齒62和多個蝸杆齒64，各位於在相同平面內。各正齒62與一個或多個滑齒48幾何互補且可選擇地嚙合。正齒62與滑齒48的接合使聯鎖滑片44和ROM盤34互鎖，以阻止低部杆件16沿彎曲方向相對上部杆件15旋轉運動，並使其從彎曲向伸展方向單向步進齒合。如圖6a清楚顯示的，假如用戶後退，當膝部屈曲時，正齒62被傾斜或變斜將互鎖的正齒62和滑齒48幾何保持在一起。後退用戶的體重引起向彎曲方向的旋轉，使正齒62與滑齒48對衝在一起。由於各齒的傾斜，用戶的體重進一步使角度傾斜的幾何補充齒互鎖。
蝸杆齒64與蝸輪50嚙合布置，從而蝸輪50的運行(繞蝸輪50的縱向軸向將其轉動)遞增地嚙合蝸杆齒64，使ROM盤34繞其軸線旋轉，因此，通過彈性體彈簧阻抑系統在行走過程中緩衝重量載荷衝擊、在步伐的擺動階段輔助腿部伸展時調節關節活動範圍。在本實施例中，關節活動範圍可繞樞軸柱40大約0-30°之間調整。
遠端半接頭32還包括指示齒63，其與ROM盤34的凹槽65接合，提供由蝸輪50操作設定的關節活動範圍的簡單指示。當ROM盤34繞其樞軸柱40旋轉，通過操作蝸輪50來調節關節活動範圍，凹槽65與一定指示齒63的相鄰對準將提供設定的一定關節活動範圍的指示。例如，在圖3a和圖3b所示的實施例中，四個指示齒63的每一個將指示10°關節活動範圍的變化(即，0°、10°、20°、30°)。這種特性有助於確保設定的橫向鉸鏈組件12關節活動範圍，例如，該活動範圍與相應的中間鉸鏈組件13設定的範圍相同。
彈簧套38包括兩個凸狀圓柱形的槽道66，每一槽道66容納一個彈性體彈簧36。在本實施例中，各彈性體彈簧36都是氨基甲酸乙酯圓柱體。然而，可以使用其它彈性體材料，諸如矽、矽樹脂氨基甲酸乙酯、尼龍、聚甲醛樹酯，但是並不限於這些。根據阻抑和促進應用不同，可能需要各種具有從彈性到無彈性屬性的、具有各種程度回復原形的或滯後現象的彈性材料。每一氨基甲酸乙酯彈簧可以選擇性地設計尺寸、形狀和組成，以提供預定壓力偏轉曲線來匹配預期的緩衝特性，和/或提供預定滯後現象以改變彈性體材料回復到原始形狀(即，靜止狀態或無荷載時)的速率，以匹配預期的擺動協助和節奏特性，如下面描述。
彈簧套38包括兩個徑向伸出阻止板68，在其間形成一插銷70，以接納鉸鏈組件14充分伸展時的聯鎖滑片44，因此在鉸鏈組件14後續彎曲時起阻抑作用，並在伸展時起協助作用。ROM盤34包括兩個彈簧操作柱72，各容納在ROM盤34上的柱孔73中，且從ROM盤34的外表面垂直向外延伸。定位各彈簧柱72，使其被彈簧套38的其中一個槽道66容納，並與相應彈性體彈簧36的一端支撐接合，如圖5a所示。當聯鎖滑片44固定在插銷70內時，彈簧套38變得可相對於ROM盤34旋轉，從而鉸鏈組件14的後續彎曲引起各彈簧柱72將相應的彈性體彈簧36壓入相應槽道66內，並靠在槽道66和ROM盤34上。隨著鉸鏈組件14彎曲的增加(即，上部杆件15移向低部杆件16)，容納相應彈簧體彈簧36的槽道66的面積降低(由於彈簧套38相對於彈簧柱72移動)，引起相應彈簧體彈簧36的限制持續增加。壓縮過程中，彈性體彈簧36提供鉸鏈組件14彎曲的阻力或阻抑作用，因此在行走過程中跟部衝擊和荷重轉換時給膝形拉條提供緩衝特性。因此，彎曲肢體上荷重的移除導致彈性體彈簧38的解壓力作用在彈簧套38的彈簧柱72上，由此促進或協助從彎曲位置向伸展位置步伐擺動階段中的膝部運動。當聯鎖滑片44沒有固定在插銷70內時，彎曲限制和伸展輔助特性都脫離，因為彈簧套38相對於ROM盤34的旋轉運動消除了。
現參考圖4a和圖4b，相關聯鎖滑片組件18的纜索釋放機構20包括一控制杆74、一纜索釋放腔75、一肘節凸輪76、一纜索滑杆77、以及兩纜索78。兩纜索78各自容納在一根管79內，每一根管79在其近端具有一殼套接頭80，其與各纜索78端部的帶螺紋的接線端81接合，將纜索滑杆77容納在纜索釋放腔75的凹槽內。兩根纜索78的每一根操作一根相應的聯鎖滑片組件18(一根作用在橫向接頭組件12，另一根作用在中間接頭組件13上)。
現參考圖3a、4a和4b，每根管79在其遠端有一聯鎖滑片端部配件82，該配件與近端半接頭30接合限止聯鎖滑片組件18上的纜索釋放機構20。位於纜索78遠端的一球狀纜索配件83駐留在聯鎖滑片44的環形凹槽84內。纜索78穿過駐留在近端半接頭30上彈簧凹槽86內的末端偏壓彈簧85。當聯鎖滑片蓋48連接到近端半接頭30上時，聯鎖滑片端部配件82被設置和固定在形成於近端半接頭30和聯鎖滑片蓋48內的棘爪87內。末端偏壓彈簧85使聯鎖滑片44的滑齒48偏向與ROM盤34的正齒62嚙合。或者使聯鎖滑片44偏向與彈簧套38的插銷70嚙合，這取決於低部杆件16(或遠端半接頭32)相對於上部杆件15(或近端半接頭30)的位置(彎曲或伸展位置)。牽拉纜索78來壓縮末端偏壓彈簧85和縮進聯鎖滑片44，由此使聯鎖滑片44離開樞軸點並使聯鎖滑片44從ROM盤34的正齒62或彈簧套38的插銷70上脫離。當聯鎖滑片44從彈簧套38和ROM盤34上脫離時，低部杆件16相對上部杆件15繞樞軸點在大約120°的範圍內自由旋轉。
現參考圖2、4a和4b，在上部杆件15的近端，纜索釋放腔75用固定螺絲釘固定連接到上部杆件15上。控制杆74用定位螺釘88固定連接到肘節凸輪76上。肘節凸輪76旋轉且可移動地容納在纜索釋放腔75的凹槽內，通過纜索滑杆77偏壓保持在那裡以實現肘節凸輪76被繃緊纜索78保持在纜索釋放腔75內。
肘節凸輪76設計有突出凸輪面90、一個第一壓扁面91、以及一個第二壓扁面92，凸輪面90與纜索釋放腔75上凹槽的底部75支撐相對。當控制杆74繞定位螺釘88(在樞軸點″P″)樞轉時，與纜索釋放腔75上凹槽的底部75支撐相對的突出凸輪面90引起定位螺釘88和纜索滑杆77在纜索釋放腔75的凹槽內線性移動足夠的距離，從而纜索78縮進相應的聯鎖滑片44，使聯鎖滑片44從中間和橫向鉸鏈組件14的相應彈簧套38或ROM盤34上脫離。凸出凸輪面90含有一個半徑「R」(相對於樞軸點P)，該半徑遠大於其到第一或第二壓扁面91、92任一個的距離，這導致肘杆曲柄動作和急動，在纜索張緊時，當從與底部93接合的凸輪面90移到與底部93接合的第一或第二壓扁面91、92的任何一個時，因此向用戶提供每個橫向和中間接頭組件12、13聯鎖滑片組件18的絕對和確定的位置(接合或脫離)。
因此，當位於縮進位置時，各纜索78獨立地施加一個遠大於相應末端偏壓彈簧85的力，以保證具有完全脫離聯鎖滑片44必需的力。由於凸輪面90的存在，肘節凸輪76線性移動纜索78一段遠大於將聯鎖滑片44從各鉸鏈組件14脫離所必需的距離，並且這樣做還不使相應的纜索78過緊。可用來協助防止纜索過緊的附加部件在後面的纜索釋放機構另一實施例的描述中詳細說明。
當控制杆74被「傾斜」向上時(如圖4a和圖4b所示)，第二壓扁面92(其與樞軸點P的距離遠大於第一壓扁面91與與樞軸點P的距離)適於將纜索夾持在「近拉」位置，以保持聯鎖滑片44相對於ROM盤34和彈簧套38處於完全脫離位置。當控制杆74相對患者「轉動」向下時，第一壓扁面91(其與樞軸點P的距離遠小於第二壓扁面與樞軸點P的距離)適於使張緊纜索78處於更遠定位，以保持聯鎖滑片44相對於ROM盤34或彈簧套38處於完全接合位置。
示例性實施例的操作描述圖5a-5e示出用在不同位置膝形拉條的鉸鏈組件14，各位置使用一個或多個本發明的特性。圖5a示出處於完全彎曲位置的鉸鏈組件，此時遠端半接頭32的傾斜肩部58與近端半接頭30的後緣60支撐相對，此支撐關係用作彎曲方向旋轉運動的擋板。處於完全彎曲位置時，在上部和低部杆件15、16之間大約為60°。因此，大約120°界定了完全彎曲和充分伸展之間的整個關節活動範圍。
圖5a示出聯鎖滑片44與相應的ROM盤34的正齒62接合，因此，對於那些從坐姿站起來有困難的人，通過單向步進的齒合提供椅子上的坐-立支撐。如圖5a所示，朝向伸展的旋轉運動引起滑齒48在ROM盤34的正齒62上方遞增地前進和齒合。這種單向步進的齒合允許控制膝部伸展的同時防止膝部屈曲。如果在到達充分伸展前膝部開始彎曲運動(即，開始屈曲)，滑齒48與正齒62嚙合且鎖入正齒62。在充分伸展時，滑齒48從正齒62上脫離且遷出其附近。
圖5b示出處於充分伸展位置時的鉸鏈組件14，此時聯鎖滑片44固定在彈簧套38的插銷70內。儘管與插銷70接合，該聯鎖滑片44(如圖5b所示)仍然與繞ROM盤34周邊布置的最近端正齒94緊靠，圖5b所示的最近端正齒94部分位於最遠端徑向延伸阻力板68的後面(最遠是因為圖5b是右手橫向鉸鏈組件14的視圖)。在此位置，任何意圖彎曲移動過程中聯鎖滑片44的至少一個滑齒48將與最近端正齒94支撐相對。因此，該鉸鏈組件14被鎖定在充分伸展位置。相應地，圖5b示出ROM盤34定位為允許0°的關節活動範圍，此關節活動範圍通過操作蝸輪50實現。同樣地，膝部鎖定在充分伸展位置，給予用戶穩定站立的姿勢，以及不會因膝部屈曲而倒下的信心，但需要用戶使用僵硬的膝和相因而生的因此而生的加固步伐。撞擊患者可能在康復的早期使用0°的關節活動範圍，其時可能缺少信心和力量。
圖5c示出處於充分伸展位置時的鉸鏈組件14，聯鎖滑片44固定在彈簧套38的插銷70內，ROM盤34定位為允許30°關節活動範圍，其可由蝸輪50的操作設定並且也可以由最近端正齒94和最遠徑向延伸阻力板68之間的位置關係。在此30°的關節活動範圍內，固定在插銷70內的聯鎖滑片44向彎曲位置的移動引起彈簧套38與近端半接頭30一起繞樞軸柱40旋轉，並且相對ROM盤34旋轉，從而向彎曲位置移動的過程中各彈簧柱72都將彈性體彈簧36壓入相應的槽道66和ROM盤34且與它們相對。
圖5d示出鉸鏈組件14，其中聯鎖滑片44固定在插銷70內、ROM盤34定位為允許30°的關節活動範圍、並且彈性體彈簧36彎曲阻抑/伸展輔助機構已接合。圖5d顯示達到了30°關節活動範圍的最大值的鉸鏈組件14，此時聯鎖滑片44將與最近端正齒94緊靠以阻止進一步彎曲，並由此防止膝部屈曲和假如用戶膝部無力時可能的摔倒。圖5d示出壓在相應槽道66內抑制彎曲的彈性體彈簧36，其在初始接合(即，中立時的跟部衝擊)時提供動態緩衝，並減弱地面反作用力和負載響應，將力導向前進的方向以實現行走過程中更有效更柔和的膝部彎曲。因此，鉸鏈組件14的荷重支承力的釋放引起壓縮彈性體彈簧36促進上部和低部杆件15、16退向伸展位置，從而協助用戶在伸肌無力的情況下實現充分的端部擺動，並確保初始衝擊時腳後跟首先接合地面(而不是腳的中部或前部)。彈性體彈簧36的尺寸、類型和形狀可以變化，以提供寬的壓力偏轉曲線範圍，從而使本發明模擬各種預期的肌肉響應，和/或沿關節活動範圍的不同位置提供變化的彎曲抑制和伸展協助，如下面所述。
在操作過程中的任何位置，向近端移動纜索78(即，向上「傾斜」控制杆74)將聯鎖滑片44從彈簧套38上脫離，以允許上部杆件15相對於低部杆件16自由旋轉運動。脫離聯鎖滑片44使得彎曲超過所述30°的關節活動範圍至預期坐立位置，直到且包括完全彎曲位置。完全彎曲位置時，再向下「轉動」控制杆74使聯鎖滑片44與ROM盤34嚙合以實現單向步進特徵，如圖5e所示。圖5e還示出ROM盤34定位為允許30°的關節活動範圍，並且在彎曲阻抑/伸展輔助機構脫離時彈性體彈簧36鬆弛。
彈性體彈簧的示例性實施例彈性體彈簧36被ROM盤34的彈簧柱72壓在槽道66內。彈簧柱72在槽道66內移動，每個與彈性體彈簧36的一端支撐相對，通過該端開始的彈簧36傳遞非線性壓縮力。壓縮時，彈性體圓柱體長度減小、直徑膨脹，摩擦地環繞槽道66的內壁和ROM盤34的外表面。相應地，改變彈性體彈簧36的屬性和/或彈簧36對槽道66和ROM盤34的摩擦環繞特性，可以控制彈性體彈簧36的壓力偏轉和復原響應速率。
在一個實施例中，彈性體彈簧的外徑小於或略小於槽道的內徑。在此實施例中，根據期望的偏轉響應，內壁的形狀可以近似彈簧的外形，或可以在一定程度上改變。在本實施例的任何一種情況下，通過長度壓縮，彈簧的直徑必定膨脹一定程度，在彈簧摩擦環繞槽道和ROM盤的內壁前。在另一個實施例中，彈簧的外壁可以與槽道的內壁基本上相等(形狀和直徑)，從而產生更高的摩擦係數以立即吸收更多的能量。
在另一個實施例中，彈性體彈簧可以有一個縱向鑽通的孔，該孔影響壓縮過程中彈簧直徑的膨脹，由於彈簧材料現在必定膨脹來填充該孔，因此該孔相應地影響彈簧的摩擦係數。這一縱向孔以及該孔直徑的變化可用於上述的任一個彈簧直徑構造。
在另一實施例中，定位螺釘或銷釘放置在槽道內的預定位置以強化阻抑響應。由於具有更小表面區域的槽道(由定位螺釘或銷釘的位置確定)提供給彈性體彈簧更小的膨脹空間，彈性體彈簧不久就會變得不可壓縮，從而增加了對彎曲的抵抗力。
在另一實施例中，圓柱形彈性體彈簧36被縱向分段為具有不同硬度或密度的部分，以改變鉸鏈組件的整個關節活動範圍內的約束力和回程速率。現參考圖6b，示出一個具有三段的彈性體彈簧36，各段具有不同的密度，以便在關節活動範圍的相應部分上實現某一預期的壓力偏轉曲線。例如，第一段96可以具有相對低的硬度以及相應的高彈性，從而提供更小的緩衝力矩，而提供步伐正常擺動時典型的回程速率或伸展協助。第二段97可以具有適中的硬度以及適中的彈性，從而提供較大的約束力和緩衝，但提供較小的回程速率。第三段98可以包括具有高硬度和低彈性的緻密材料，從而提供更大力的緩衝，但提供更慢的回程(速率)並由此不提供多少擺動輔助。
在彈性體彈簧96的上述分段實施例中，第一區段96因其位置與彈簧柱72支撐相對，故在彎曲約束過程中首先作用或獲得壓縮力，且在伸展協助過程中最後作用或解壓。因此，希望一種具有高彈性和低硬度的材料來確保跟部衝擊和荷載響應過程中一定的彎曲度，同時提供高回程速率或擺動協助，以確保擺動的最後部分或範圍內具有適當跟部衝擊(即，確保跟部首先衝擊地面)。由於第三段98是維持壓縮力的彈性體彈簧36的最後部分，且在彎曲過程中的整個關節活動範圍內提供彎曲約束，人們也可能希望將第三段98設計成具有高硬度的緻密材料，以提供彎曲這個最後部分時具有高度的緩衝或彎曲約束，從而避免跟部衝擊和體重傳遞過程中接頭組件的「竭盡全力」(即，避免在達到最大關節活動範圍設定值(例如，30°)時彎曲的完全阻止)。
彈性體材料的滯後特性使得彈性體材料適合用於本發明。使用具有更大緩衝或彎曲約束的彈性體材料，受壓時不必與解壓時的回程速率或擺動協助具有等量值。解壓時彈性體材料的回程速率慢於受壓時力的相應響應。這種特性類似於人體肌肉組織，例如，對於四頭肌而言，在跟部衝擊和站立時吸收或抵抗的力遠大於步伐擺動階段中隨後的回程力。這種特性使彈性體彈簧優於回程迅速的扭轉彈簧，彈簧受載吸收很大的力，然後隨擺動協助的回程力遠大於用戶需要和預期的力。相應地，彈性體彈簧響應某一壓力壓縮的時間速率快於隨後由該壓力導致的彈性體彈簧解壓的時間速率。此外，結果是本發明的彈性體彈簧可用於在壓縮時提供預定的壓力偏轉曲線，並在解壓時提供獨立的回程滯後速率。
彈性體彈簧上述參考的替代方案和方面提供了很多特性排列，不同的排列可實現多個的壓力偏轉和滯後曲線。相應地，可由本發明複製或模擬任何肌體組織或肌肉。例如，可在實驗室對肌肉性能進行評估並繪製壓力偏轉曲線。接著，彈性體彈簧可適用於通過選擇性地確定彈性體彈簧必需的尺寸、形狀、特徵及特性來模擬繪製的壓力偏轉曲線。
鉸鏈組件和纜索釋放機構的其它實施例圖7a和圖7b示出替代圖3a和3b所示實施例的鉸鏈組件14a。後一鉸鏈組件14a包括許多圖3a和圖3b的鉸鏈組件14的同樣部件和功能，但是至少一個改進的彈簧套38和一個附加元件轉子100與之有異，如下面所述。
彈簧套38包括兩個凸起圓柱形的槽道66，每個槽道66容納一個彈性體彈簧36。在本實施例中，每個彈性體彈簧36都是氨基甲酸乙酯圓柱體。在彈簧套38內與每一個槽道66相鄰的是一個繞孔104(樞軸柱40從其中穿過)居中容納轉子100的凹槽102。在凹槽102中，轉子100繞樞軸柱40旋轉。轉子100包括一個或多個端齒106和兩個卡爪108。所述的一個或多個端齒106分別與一個或多個滑齒48幾何互補且可選擇地嚙合。當一個或多個端齒106與一個或多個滑齒48嚙合(發生在充分伸展時)時，低部杆件16相對於上部杆件15向彎曲位置旋轉，引起轉子100的各卡爪與相應的彈性體彈簧36支撐相對，並將彈簧36壓向其相應的限制槽道66。壓縮過程中彈性體彈簧36提供了鉸鏈組件14a彎曲的抵抗力，和行走時跟部衝擊和荷重傳遞的緩衝特性。因此，從相應的彎曲肢體上移去重力產生彈性體彈簧36作用在轉子100卡爪108上的解壓力，由此促進或協助步伐的擺動階段中由彎曲位置向伸展位置時膝部的移動。
考慮彈性體彈簧36提供的壓力偏轉曲線，圖7a和7b中的鉸鏈組件14a功能上不同於圖3a和3b的鉸鏈組件14。通過操作蝸輪50旋轉ROM盤34來調整鉸鏈組件14a的關節活動範圍(ROM)，確實不會影響轉子100或彈簧套38(即，在ROM調整時轉子100和彈簧套38保持靜止(不受影響))。相應地，剛好在跟部衝擊之前時，不管ROM的設置如何，轉子100的卡爪108相對於相應的彈性體彈簧36相同布置。
與圖3a和3b的鉸鏈組件14相比，連接到ROM盤34的彈簧柱72在ROM設置的改變過程中與ROM盤34一起旋轉。相應地，彈性體彈簧36可以在鬆弛(即，未壓縮)時開始(即，剛好在跟部衝擊之前時)，或者基於選定的ROM設置在壓縮的各階段開始(見圖5a，其中的彈簧36在壓縮下0°的ROM設置時開始，相對照的圖5c中彈簧36在基本鬆弛下30°的ROM設置時開始)。這種功能上的不同增加了上面已討論的不同彈簧排列，進一步實現多個壓力偏轉和滯後曲線。
圖8示出替代圖4a和4b所示實施例的纜索釋放機構20a。後一纜索釋放機構20a包括許多圖4a和4b的纜索釋放機構20的同樣部件和功能，尤其是纜索78移動和凸輪作用的線性度，該機構線性地移動纜索78一段大於脫離聯鎖滑片44必需的距離而不使相應的纜索78過緊，提供了嚙合時確定的感覺和聽覺反饋(猛咬)，從而確保用戶在嚙合(鎖定)或脫離(解鎖)位置的任一位置完全起動。後一纜索釋放機構20a通過下述的不同部件、或相似部件的不同形式實現相似的功能。此外，引入的部件用來協助防止纜索過緊。這裡描述的部件同樣適用在圖4a和4b的纜索釋放機構20中。
圖8中的纜索釋放機構20a包括一控制杆114、纜索控制杆腔116、纜索導向器117、兩根纜索78、近端頭119、近端壓縮彈簧120、防松螺母121、遠端頭122、末端偏壓彈簧85以及球狀纜索配件83。
在上部杆件15的近端，控制杆腔116通過固定螺絲釘固定地連接到上部杆件15上。控制杆114通過將結合柱127穿過纜索控制杆腔116上的狹槽128而可旋轉移動地連接到纜索控制杆腔126上，結合柱127還固定纜索78的近端，纜索78位於控制杆腔116的槽129內，且在其中線性移動。
和肘節凸輪76類似，控制杆114設計有一個突出凸輪面130、一個第一壓扁面131、以及一個第二壓扁面132，當控制杆114繞狹槽128內的結合柱127樞轉時，凸輪面130與上部杆件15的近端133支撐相對。凸輪面130與上部杆件15的近端133支撐相對引起結合柱127在狹槽128內線性移動一段足夠長的距離，從而纜索78將相應的聯鎖滑片44縮進，使聯鎖滑片44與中間和橫向鉸鏈組件14、14a的彈簧套38或ROM盤34脫離。突出凸輪面含有一個半徑R(相對於控制杆樞軸點P)，其遠大於樞軸點P到第一或第二壓扁面131、132任一個的距離，在纜索張緊時，當從與近端133嚙合凸輪面130到與近端133嚙合的第一和第二壓扁面131、132的任何一個時，會引起肘杆曲柄動作和急動，從而提供給用戶橫向和中間鉸鏈組件14、14a每一個的聯鎖滑片組件18的絕對和確定的定位(嚙合或脫離)。
相應地，當縮進定位時，每個纜索78獨立地施加遠大於相應的末端偏壓彈簧85(的纜索)上的力，以確保完全脫離聯鎖滑片44所必需的力。近端頭119、近端壓縮彈簧120、防松螺母121、遠端頭122使得可以單獨調整纜索長度和纜索張緊度，從而允許了可單獨精細調整相應的各纜索釋放機構20a。
由於凸輪面130的存在，控制杆114線性移動纜索一段遠大於將聯鎖滑片44從各鉸鏈組件14、14a脫離所必需的距離，且這樣做還不會使相應纜索78過緊。因為近端壓縮彈簧120的較大偏移允許過行程(over-travel)，由此避免了過緊。近端壓縮彈簧120也用來張緊各纜索78，以將第一或第二壓扁面131、132的其中一個保持(偏壓)向上部杆件15的近端133，從而向用戶提供嚙合時確定的感覺和聽覺反饋(猛咬)，並確保在嚙合(鎖定)或脫離(解鎖)位置時凸輪鎖定(cam-lock)特徵的完全起動。
當控制杆114被向後「傾斜」時(如圖8所示)，第二壓扁面132(到樞軸點P的距離遠大於第一壓扁面131到樞軸點P的距離)適於將纜索保持在一個「近拉」位，以將聯鎖滑片44相對於ROM盤34和彈簧套38保持在一個完全脫離的位置。近端壓縮彈簧120可調整來避免由於過度行程(excess travel)而出現的過緊。當控制杆114被相對於患者向前「轉動」時，第一壓扁面131(到樞軸點P的距離遠小於第二壓扁面132到樞軸點P的距離)適於將張緊的纜索78在更遠處定位，首先解壓近端壓縮彈簧120，然後使聯鎖滑片44相對於ROM盤34或彈簧套38維持在一個完全嚙合的位置。
圖9a和9b示出替代圖3a、3b、7a和7b所示實施例的鉸鏈組件14b。後一鉸鏈組件14b包括許多圖3a、3b，以及圖7a、7b的鉸鏈組件14、14a的同樣部件和功能的，但是至少在一個改進的ROM盤34和一個扭轉彈簧36a上不同，如下面所述。
參考圖9b，該鉸鏈組件14b包括扭轉彈簧36a、樞軸柱40、止銷140、遠端半接頭32、近端半接頭30、ROM盤34、鉸鏈組件蓋142、安全銷42以及手柄144。在本實施例中，當ROM盤34與近端、遠端半接頭30、32居中對準且放置在其頂部時，ROM盤34的頂面與近端半接頭30凸起部分的頂部處於同一平面內。當鉸鏈組件蓋142固定連接到近端半接頭30的凸起部分時，ROM盤34繞樞軸柱40的圓形部分旋轉固定(可自由旋轉)。ROM盤包括設計來與聯鎖滑片44的滑齒48嚙合的正齒62(與上述的用於前述鉸鏈組件14、14的實施例相似)。
聯鎖滑片44、末端偏壓彈簧85、纜索接頭83和纜索78(聯鎖滑片組件18的部件)容納在近端半接頭30內並與其接合，如上面描述的用於前述鉸鏈組件14、14a的實施例。然而，在本實施例中，使用一簡單的手柄144來操作聯鎖滑片組件18，而不是前述的纜索釋放機構20、20a。
止銷140穿過遠端半接頭32上多個止銷孔146(在本實施例中為2個)中的其中一個，並且穿入ROM盤34上多個止銷孔148(在本實施例中為4個)的其中一個，使ROM盤34和遠端半接頭32如同一個整體一樣繞樞軸柱40旋轉。正如上述，止銷140的放置提供了一種可調整的彎曲擋板(即，最大的彎曲程度)，避免了膝部(在用在膝形拉條的情況下)超過一定角度時屈曲。圖9a和9b的實施例可調整為下面的角度範圍0-20°、0-40°或0-60°。
如前面描述的，聯鎖滑片組件18與ROM盤34接合(即，偏壓滑齒48與正齒62嚙合)以提供從預定彎曲位置向預定伸展位置(即，允許鉸鏈組件14b向充分伸展(180°)旋轉，但不允許向彎曲位置間歇旋轉)的單向步進(齒合)。如果用戶期待超過預設關節活動範圍的彎曲(例如，完全彎曲以獲得一種就座位置)，通過拉動手柄144壓縮彈簧85移除聯鎖滑片44上的偏壓力以使滑齒48從正齒62上脫離。
樞軸柱40的一個六角形部分放置在遠端半接頭32的12邊孔內(一種與12點插座和六角頭螺釘完全相同的布置)。樞軸柱40的底部開狹槽以容納扭轉彈簧36a的杆端。扭轉彈簧36a的張力靠重新分度(重新調整)十二邊形內樞軸柱40的六角強化。在扭轉彈簧36另一端的環或鉤與近端半接頭30或上部杆件15上的凸出阻力板接合。增長的張力增加了在跟部衝擊時緩衝的阻抑，並進一步協助步伐擺動階段時降低肢體。這種構造同樣適於操作接頭穩定和攣縮，因為使用扭轉彈簧來調整軟組織的張緊是非常有效的。
對本領域普通技術人員而言，從前面的描述中看出本發明的這些和其它優點是顯而易見的。相應地，那些本領域普通技術人員可以意識到，在不脫離本發明主要創造性思想的情況下可對上述實施例進行變化或改進。因此也應該意識到，本發明不限於這裡描述的具體實施例，而是用來包括本發明範圍和精神的所有可能的變化和改進。
權利要求
1.一種鉸鏈組件，包括第一部件，其可移動地連接到第二部件來允許第一部件相對於第二部件在伸展位置和彎曲位置之間角位移；以及至少一個彈性體彈簧，其與第一部件和第二部件連通，通過該彈性體彈簧的壓縮抑制從伸展位置向彎曲位置、或從彎曲位置向伸展位置的角位移，並通過該彈性體彈簧的解壓協助從彎曲位置向伸展位置、或從伸展位置向彎曲位置的角位移。
2.根據權利要求1所述的鉸鏈組件，其中至少一個彈性體彈簧適於在受壓時提供預定壓力偏轉曲線，在解壓時提供不受約束的回程滯後速率。
3.根據權利要求1所述的鉸鏈組件，其中至少一個彈性體彈簧響應一定壓力的壓縮時率快於由該一定壓力導致所述彈性體彈簧隨後的解壓時率。
4.一種鉸鏈組件，包括第一部件，其可移動地連接到第二部件的一個來允許第一部件相對於第二部件在伸展位置和彎曲位置之間角位移；以及至少一個彈簧，其與第一部件和第二部件連通，通過該彈簧的壓縮阻抑從伸展位置向彎曲位置、或從彎曲位置向伸展位置的角位移，並通過該彈簧的解壓促進從彎曲位置向伸展位置、或從伸展位置向彎曲位置的角位移，其中至少一個彈簧相應某一壓力的壓縮時率快於由該壓力導致所述彈簧隨後的解壓時率。
5.根據權利要求4所述的鉸鏈組件，其中至少一個彈簧適於在受壓時提供預定壓力偏轉曲線，在解壓時提供不受約束的回程滯後速率。
6.用於矯正、修復或康復設備的一種鉸鏈組件，包括近端部件，其可移動地連接到遠端部件來允許該近端部件相對於該遠端部件角位移；彈簧套，其與所述近端部件和遠端部件連通，其中該彈簧套的移動引導所述近端部件或遠端部件其中之一的移動，並被該移動引導；以及至少一個與該彈簧套支承接合的彈性體彈簧，其中近端部件相對於遠端部件沿第一方向的角位移壓縮該彈性體彈簧，以阻抑沿此第一方向的角位移，其中該彈性體彈簧的解壓促進近端部件相對於遠端部件沿第二方向角位移。
7.根據權利要求6所述的鉸鏈組件，其中至少一個彈性體彈簧相應某一壓力的壓縮時率快於由該壓力導致所述彈簧隨後的解壓時率。
8.根據權利要求6所述的鉸鏈組件，其中彈簧套包括來保持各彈性體彈簧的槽道，各彈性體彈簧壓靠在槽道的內壁上。
9.根據權利要求6所述的鉸鏈組件，其中至少一個彈性體彈簧選擇性地設計其尺寸、形狀和密度，以提供受壓時預定的壓力偏轉曲線和解壓時某一速率的回程滯後。
10.根據權利要求6所述的鉸鏈組件，其中至少一個彈性體彈簧由氨基甲酸乙酯製成。
11.用於矯正、修復或康復設備的一種鉸鏈組件，包括近端部件，其可移動地連接到遠端部件的來允許該近端部件相對於該遠端部件在伸展位置和彎曲位置之間角位移；以及圓盤和聯鎖滑片，其與所述近端部件和遠端部件連通，所述聯鎖滑片和圓盤適於彼此接合；其特徵在於所述聯鎖滑片和圓盤在一個第一預定範圍內的接合阻止了近端部件相對於遠端部件朝向彎曲方向的角位移，且提供了朝向伸展方向的單向齒合步進；並且所述圓盤相對於該近端和遠端部件在第二預定範圍內的角位移提供了近端部件相對於該遠端部件朝向彎曲和伸展方向的自由角位移，此自由角位移出現在整個第二預定範圍上，即便該聯鎖滑片定位為與該圓盤接合。
12.權利要求11中所述的設備，其中聯鎖滑片具有一個或多個滑齒，圓盤具有多個盤齒，所述一個或多個滑齒各自與盤齒幾何互補且可選擇地嚙合，所述聯鎖滑片與圓盤的接合通過滑齒與盤齒的互鎖實現。
13.權利要求11中所述的設備，其中第二預定範圍可在近端部件相對於遠端部件朝向彎曲和伸展方向的大約0-30°自由角位移區間內調整。
14.權利要求11中所述的設備，其中第二預定範圍出現在近端部件相對於遠端部件在大約150°至180°之間定位時。
15.權利要求11中所述的設備，其中鉸鏈組件還包括一蝸輪，且所述圓盤包括多個蝸杆齒，該蝸輪和蝸杆齒接合定位，從而蝸輪的操作接合併轉動蝸杆齒，將圓盤相對於近端和遠端部件角位移以設定第一和第二預定範圍。
16.權利要求15中所述的設備，其中聯鎖滑片具有一個或多個滑齒，所述圓盤還包括多個盤齒，聯鎖滑片與圓盤的接合通過滑齒與盤齒的互鎖實現，所述各盤齒和蝸杆齒在相同平面上繞圓盤周邊布置。
17.權利要求11中所述的設備，其中第一預定範圍可在近端部件相對於遠端部件朝向彎曲和伸展方向的大約90°-120°角位移區間內調整。
18.權利要求11中所述的設備，其中第一預定範圍出現在近端部件相對於遠端部件在大約60°至180°之間定位時。
19.權利要求11中所述的設備還包含一纜索釋放機構，其包括繞一軸線旋轉且可相對於支承面線性移動的執行機構，該執行機構具有突出凸輪面以及第一和第二操作面，該凸輪面位於第一和第二操作面之間，凸輪面位於距軸線的距離大於距第二操作面的距離處，第二操作面位於距軸線的距離大於距第一操作面的距離處；以及與該執行機構和聯鎖滑片連通的纜索；其特徵在於將第一操作面靠所述定位纜索的支承面布置，以允許聯鎖滑片與圓盤接合；將第二操作面靠所述支承面布置，相對於支承面線性移動執行機構，以致將纜索相對於鉸鏈組件線性縮進足夠使聯鎖滑片從圓盤上脫離的距離；以及將凸輪面靠所述支承面布置，相對於支承面線性移動執行機構，以致將纜索相對於鉸鏈組件線性縮進一段大於將第一或第二操作面的任何一面靠支承面定位所必需的距離，從而造成肘杆曲柄動作和急動，在纜索張緊時，當從與支承面接合的凸輪面移到與支承面接合的第一或第二操作面的任何一個時，會向用戶提供該纜索釋放機構的絕對和確定的定位。
20.用於矯正、修復或康復設備的一種纜索釋放機構，包括繞一軸線旋轉且可相對於支承面線性移動的執行機構，該執行機構具有突出凸輪面以及第一和第二操作面，該凸輪面位於第一和第二操作面之間，凸輪面位於距軸線的距離大於距第二操作面的距離處，第二操作面位於距軸線的距離大於距第一操作面的距離處，該執行機構與纜索和設備預定的第一可接合且可釋放移動部件連通，第一可接合部件可釋放地移動以接合該設備的第二可接合部件；其特徵在於將第一操作面靠所述定位纜索的支承面布置，以允許第一可接合部件去接合第二可接合部件；將第二操作面靠所述支承面布置，相對於支承面線性移動執行機構，以致將纜索相對於第二可接合部件線性縮進足夠使第一可接合部件從第二可接合部件上脫離的距離；並且將凸輪面靠所述支承面布置，相對於支承面線性移動執行機構，以致將纜索相對於第二可接合部件線性縮進一段大於將第一或第二操作面的任何一面靠支承面定位所必需的距離，從而造成肘杆曲柄動作和急動，在纜索張緊時，當從與支承面接合的凸輪面移到與支承面接合的第一或第二操作面的任何一個時，會向用戶提供該纜索釋放機構的絕對和確定的定位。
21.一種矯正、修復或康復設備，包括近端部件，通過鉸鏈組件可旋轉連接到遠端部件的，所述鉸鏈組件允許近端部件相對於遠端部件在伸展位置和彎曲位置之間來回角位移，該鉸鏈部件包括圓盤；適於與該圓盤接合的聯鎖滑片，其中，在第一預定範圍內聯鎖滑片與圓盤的接合阻止了近端部件相對於遠端部件朝向彎曲方向的角位移，且提供了朝向伸展方向的單向齒合步進；以及至少一個彈簧，其在第二預定範圍內與近端和遠端部件連通，以提供近端部件相對於遠端部件朝向彎曲方向角位移的阻抑作用，且提供朝向伸展方向角位移的促進作用。
22.根據權利要求21所述的設備，其中至少一個彈簧是扭轉彈簧。
23.根據權利要求21所述的設備，其中至少一個彈簧是彈性體彈簧。
24.根據權利要求21所述的設備，還包括具有一個插銷的機構，該機構角向連通所述圓盤與所述近端和遠端部件，其中聯鎖滑片嚙合在插銷內方便了朝向彎曲方向角位移的阻抑作用，以及朝向伸展方向角位移的促進作用。
25.根據權利要求24所述的設備，其中機構是一個彈簧套，該彈簧套具有用來保持每根彈簧的槽道，各彈簧壓在槽道壁上以阻抑朝向彎曲方向的角位移，從槽道壁上解壓以促進朝向伸展方向的角位移。
26.根據權利要求25所述的設備，其中至少一根杆柱固定連接到所述圓盤並從圓盤的一面垂直延伸出，每根杆柱都延伸入彈簧套的相應槽道內，其中，每根杆柱強制地靠在相應的彈簧上以將該彈簧壓靠在槽道壁上，且壓靠在圓盤面上以阻抑朝向彎曲方向的角位移，從各杆柱上解壓且強制移動的彈簧促進朝向伸展方向的角位移。
27.根據權利要求25所述的設備，其中該彈簧套的角位移引導所述近端部件或遠端部件其中之一的角位移，並被該角位移引導。
28.根據權利要求21所述的設備，還包括具有至少一端齒的轉子，該轉子角向連通所述圓盤與近端和遠端部件，其中所述聯鎖滑片與所述至少一端齒嚙合方便了朝向彎曲方向角位移的阻抑作用，以及朝向伸展方向角位移的促進作用。
29.根據權利要求28所述的設備，還包括彈簧套，該彈簧套具有一槽道用來保持每根彈簧，各彈簧壓在槽道壁上以阻抑朝向彎曲方向的角位移，從槽道壁上解壓以促進朝向伸展方向的角位移。
30.根據權利要求29所述的設備，其中轉子的角位移造成轉子靠在各彈簧上，以強制性地將每根彈簧壓靠在槽道壁上。
31.根據權利要求21所述的設備，其中近端部件相對於遠端部件的角位移出現在繞單獨樞軸點旋轉時。
32.根據權利要求31所述的設備，其中圓盤繞所述樞軸點旋轉以設定所述第一和第二預定範圍。
33.根據權利要求32所述的設備，其中繞樞軸點的第一預定範圍大約為90°至120°。
34.根據權利要求32所述的設備，其中第一預定範圍出現在繞樞軸點展開的近端部件相對於遠端部件在60°至180°之間時。
35.根據權利要求32所述的設備，其中繞樞軸點的第二預定範圍大約為0°至30°。
36.根據權利要求32所述的設備，其中第二預定範圍出現在繞樞軸點展開的近端部件相對於遠端部件在150°至180°之間時。
37.根據權利要求32所述的設備，其中聯鎖滑片具有一個或多個滑齒，圓盤具有多個盤齒，所述一個或多個滑齒各自與盤齒幾何互補且可選擇地嚙合，所述聯鎖滑片與圓盤的接合通過滑齒與盤齒的互鎖實現。
38.根據權利要求37所述的設備，其中鉸鏈組件還包括蝸輪，且所述圓盤包括多個蝸杆齒，該蝸輪和蝸杆齒接合定位，從而蝸輪的操作接合併轉動蝸杆齒，將圓盤繞樞軸點旋轉以設定第一和第二預定範圍。
39.根據權利要求38所述的設備，其中各盤齒和蝸杆齒在相同平面上繞圓盤周邊布置。
40.根據權利要求39所述的設備，其中至少一個彈簧是扭轉彈簧。
41.一種矯正、修復或康復設備，包括近端部件，其通過鉸鏈組件可移動連接到遠端部件，該鉸鏈組件允許近端部件相對於遠端部件在伸展位置和彎曲位置之間來回角位移，該鉸鏈部件包括具有多個盤齒和至少一根彈簧柱的一圓盤；可相對於近端或遠端部件的其中一個線性移動的聯鎖滑片，該聯鎖滑片具有一個或多個滑齒，所述一個或多個滑齒的每個與多個盤齒幾何互補且可選擇地嚙合，其中聯鎖滑片與圓盤的接合阻止朝向彎曲方向時近端部件相對遠端部件的角位移，且提供了朝向伸展方向時單向齒合步進；彈簧套，其角向連通所述圓盤以及近端和遠端部件，所述彈簧套具有至少一個由壁面限定的槽道；以及至少一個彈性體彈簧，各彈簧容納在彈簧套的相應槽道內，每一彈簧與所述至少一根彈簧柱的其中一根製成接合，其中，近端部件相對遠端部件朝向彎曲方向的角位移造成該彈簧柱將所述至少一個彈性體彈簧壓靠在相應槽道壁上以阻抑朝向彎曲方向的角位移，其中，所述至少一個彈性體彈簧背對相應彈簧柱的解壓促進朝向伸展方向的角位移。
全文摘要
提供一種鉸鏈或接頭組件(12、13)，包括第一和第二部件，樞軸，其旋轉連接第一和第二部件且允許其在伸展位置和彎曲位置之間移動，以及連通第一部件和第二部件的至少一個彈性體彈簧(36)，通過該彈性體彈簧的壓縮抑制這些部件朝向彎曲位置的樞轉移動，通過該彈性體彈簧的解壓協助朝向伸展位置的樞轉移動。該組件還包括圓盤(34)、以及聯鎖滑片(44)，該圓盤和聯鎖滑片各具有互補的齒形，在嚙合時提供朝向伸展方向的樞轉移動的阻止作用。
文檔編號A61H3/00GK1662194SQ03814805
公開日2005年8月31日 申請日期2003年4月25日 優先權日2002年4月25日
發明者馬克·德哈德, 肯尼斯·A·帕特切爾, 託馬斯·沃特斯 申請人:阿爾特弗蘭克斯系統公司