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大腿假肢的工作原理与制作方法可编辑
大腿假肢的工作原理与制作方法
上海医疗器械高等专科学校
毕业设计（论文）
大腿假肢的工作原理与制作方法
姓名:
系部:
精密医疗器械系
专业:
康复工程技术班级:
康复班
指导教师:
完成时间2012年6月10日
康复机器人的临床应用与发展前景
摘要
康复机器人技术则是近年来迅速发展的一门新兴机器人技术,是机器人技术在医学领域的新应用;目前康复机器人已成为国际社会研究的热点之一。
本课题主要研究的基于姿态控制步态康复训练系统的设计。
本文介绍了下肢康复机器人国内外发展现状和应用情况,进行了步态训练机器人的总体方案设计、结构设计,和总体控制方案设计等;对步态训练机器人进行三维建模,并对重要零件进行校核。
本步态训练机器人共有7个自由度,其中每一条机械腿上有3个关节（3个自由度）模仿人体腿上的踝关节、膝关节、髋关节和一个用于减重的减重系统（包括1个自由度）。
此系统能用于脑损伤、中风等病人的步态康复训练,帮助病人更好地进行康复训练,减轻他人的帮助,挺高效果。
关键词:
康复训练;机器人;步态
RehabilitationrobotforclinicalapplicationanddevelopmentprospectofABSTRACT
Therehabilitationrobottechnologyisanewrobottechnologydevelopedrapidlyrecently,whichisanewapplicationinmedicalfieldsofrobottechnologyCurrentlytheresearchonrehabilitationrobothasbeenoneofthefocusesintheInternationalSociety.Therehabilitationrobottechnologyisasynthesisofmanysubjects,whichcoversmechanics,electronics,controlandrehabilitativemedicineandsoon;ithasbeenatypicalrepresentationofthemechatronicsresearch.Themainresearchofthispaperisbasedontheattitudecontrolgaitrehabilitationtrainingsystemdesign.
Inthispaper,lowerextremityrehabilitationanddevelopmentofrobotapplicationsathomeandabroad,agaittrainingrobot'soverallprogrammedesign,structuraldesign,designandoverallcontrol;gaittrainingontherobotforthree-dimensionalmodeling,andimportantpartstocheck.Therobotgaittraininghasatotalofsevendegreesoffreedom,eachofwhichamechanicallegjointshavethree3DOFtoimitatehumanlegankle,knee,hipandaweightreliefforweightreliefsystemincludingadegreeoffreedom.Thesystemcanbeusedforbraininjury,stroke,andtohelppatientsbetterrehabilitationtraining,andmeets.theneedsofdifferentgroupsofpeopleKeyWords:
rehabilitationtraining;robot;gait
摘要2
ABSTRACT3
目录4
第1章绪论5
第2章大腿假肢的概述7
2.1假肢的基本知识7
2.2大腿假肢的分类7
2.3假肢制造的主要材料8
第3章大腿假肢的工作原理11
3.1假脚与踝关节部件11
3.2大腿假肢的膝关节机构12
3.3大腿假肢的接受腔15
3.4悬吊装置17
第4章大腿假肢的生物力学和制作方法18
4.1大腿假肢生物力学18
4.2大腿假肢的制作方法和步骤25
第5章大腿假肢未来的发展趋势33
第6章结论34
谢辞35
参考文献36
附录37
F.1英文翻译37
第1章绪论
有史以来,随着人类社会的进步,对失去的东西进行补充,对弱的东西进行增强,从这个意义上说,假肢作为截肢者的必需品,是一直被人们苦心钻研的。
使用假肢的最早记载是希腊历史家Herodotlis所记录的以下的事实:
公元前848年,比利时军人Hegistatu被俘虏,当听到宣判死刑时,他自己截断了自己的下肢,以后又装了木制假肢,作为一个寓言家又再次活跃起来。
在欧洲一些历史博物馆内可以看到15世纪的假肢,当时的假肢是由制造铠甲的武器制造者制作,所以这些假肢都是由铁材料制成的。
17世纪才开始用木材制作假肢的接受腔,用金属制作假肢的膝关节,完成了假肢的一次大飞跃。
这种方法在1839年传入美国,自然成了美式木制假肢发展的母体。
南北战争的伤员Harger根据自己的经验,采用橡胶制的缓冲垫放在踝关节处,这就是今天后缓冲器的雏形。
第一次世界大战中,德国战伤者中约有6.9万人成为了截肢者,这些人的社会康复问题刺激的德国假肢行业的发展。
第二次世界大战后,美国、苏联、日本的假肢行业得到了很大发展,相继成立了假肢研究所、假肢工厂、职业辅导所等机构。
随着工业的发展,采用合金、塑料等新型材料成功研制了各式现代假肢。
而且在材料学、工程学发展的同时,在人体生物力学的启示下,提出了假肢解剖学适合和动态、静态对线这两大假肢装配的基本理论,使假肢作为一门学科有了长足的进步。
我国假肢基础薄弱。
解放前在上海、北京等大城市有英国和美国开办的假肢装配室,东北有日本人开办的假肢作坊,另外少数城市有私人开办的小作坊,比如北京的“万顺”上海的“天工”,他们主要为上层人士服务,平民一般无权问津。
此时的假肢以皮革、铝材为主,属于传统假肢,功能不佳。
解放战争时期,人民政府为了适应革命残废军人的需要,先后在华北、东北、华东解放区建立了假肢厂,其中第一所公立假肢厂于1945年由晋察冀边区政府在张家口建立,解放后,特别是1958年以后,陆续在全国各省建立了假肢工厂,初步形成了假肢装配网。
随着1959年赴苏联考察组归来举办培训班,传达了苏联假肢装配的理论,促进了假肢装配的生理认识。
在此基础上1964年内务部组织了对假肢的统一设计,为标准生产做好了准备。
在70年代我国假肢行业出现了新变化,很多新产品得以投入使用。
如液压腿、尼龙骨架式大腿假肢、静踝假脚、骨骼式假肢等,都显示了假肢的新进展。
1979年以后,随着对外开放,引进了许多具有国际先进水平的假肢结构和装配工艺,使我国的假肢业有了一次新的飞跃,具体表现在以下几个方面:
（一）假肢的结构、种类的更新:
?
1、膑韧带承重小腿假肢的推广应用;?
2、全接触式小腿假肢的装配;3、骨骼式大腿假肢的研制;4、聚氨酯假脚的研制成功。
（二）假肢接受腔材料工艺的改进传统假肢的接受腔是用皮革、铝板、木材等制造,很难与残肢吻合,外型也不美观。
近年在工艺、材料上有较大突破。
普遍采用了科学的取型方法,在修好的石膏阳型上采用抽真空成型工艺,材料则使用丙烯酸树脂或不饱和聚脂,以涤纶纤维和玻璃纤维增强,由于这种工艺和材料的应用,才能制造出先进的全接触式假肢。
（三）假肢装配工具的科学化近年来引进了西德的承重取型架、动态对线仪、组装仪。
国内还研制了“大腿选位器”、“下肢对线调节仪”等。
在先进装配理论的指导下,使用专门的器械,对科学的装配假肢迈出了可喜的一步。
（四）向综合康复迈进:
装配假肢仅仅是截肢者康复的一部份,近年来不仅在理论上统一了认识,而且许多假肢制作单位多开设了康复门诊、理疗、体疗、功能训练等项目,配合假肢的装配。
各个医院也相继设立了义肢矫形科,这就把截肢者的综合康复向前推进了一大步,从而使假肢的功能得到更好的发挥。
把假肢纳入综合康复的范畴,应当说,这是假肢概念的一大改变。
本文分三个部分叙述了大腿假肢,第一部分简单写了大腿假肢的一些相关的基本知识;第二部分描写了大腿假肢的工作原理;第三部分描写了大腿假肢的制作方法等,本文重点论述了大腿假肢的工作原理和制作步骤,让人们更好的了解大腿假肢的知识,并且掌握一些基本的制作方法。
第2章大腿假肢的概述
2.1假肢的基本知识
用于大腿截肢的假肢,适用于从坐骨结节下10cm至膝关节间隙上8cm范围内的截肢者。
由于丧失了正常膝关节,大腿截肢后功能丧失较多,但装配上合适的假肢后,经过系统的使用训练,完全能以较好的步态步行。
如果装配高性能的假肢,不但能骑自行车,而且能跑步和参加适当的体育运动。
大腿假肢由假脚、踝关节、小腿、膝关节、接受腔、悬吊装置等几部分组成。
由于大腿假肢的结构比较复杂,可采用不同的接受腔和膝、踝等关节件,故假肢的品种较多。
（如图2.1）
图2.1大腿截肢与假肢
2.2大腿假肢的分类
1.按整体结构类型分
大体可分为传统式大腿假肢和现代组件式大腿假肢,又可分为外壳式大腿假肢和骨骼式大腿假肢。
①传统式大腿假肢:
采用外壳式结构,接受腔为圆锥形插入式,需用腰带悬吊。
根据接受腔用材,传统式大腿假肢主要有铝大腿假肢和皮大腿假肢。
这类假肢虽然制作成本较低,但其装配技术较为陈旧,接受腔的适配不尽合理,而且比较笨重,因此现在已基本上被淘汰,只为少数特殊需求的患者制作。
②外壳式组件化大腿假肢:
组件化大腿假肢在是80年代以后发展起来的,初期多为外壳式假肢,膝关节采用块状结构。
这种假肢采用树脂复合材料抽真空成形接受腔,全面接触,重点部位承重;膝、踝、足及其连接件采用标准件,便于组装、调整和维修。
接受腔的口型按生理解剖要求制作,承重合理;接受腔下端装有排气阀,利用接受腔与残肢间的负压悬吊假肢（又称为吸着式大腿假肢）,不用腰带等悬吊装置,穿脱方便。
对于残肢状况太差或患者穿不惯吸着式接受腔的情况,也可做成不完全接触（尤其是残肢末端）的接受腔,再加腰带进行悬吊。
③骨骼式组件化大腿假肢:
近代,组件式假肢普遍采用骨骼式结构,即标准组件化的关节、连接件、支撑件呈内骨骼状,外加装饰软泡和针织袜套,外形更加逼真。
随着膝关节等组件的不断向多功能、高强度和轻量化的改进,假肢的性能也大有提高。
2.按接受腔的型式分
随着现代假肢装配技术的进步,大腿假肢接受腔的形式也在不断发展,目前主要有以下几种,可根据患者的需要选择。
⑴四边形接受腔大腿假肢:
这是一种较早较为常规的吸着式大腿假肢,采用全面接触的四边形接受腔,坐骨结节承重,坐骨承重点在接受腔后上缘平台处。
接受腔装有排气阀,利用接受腔与残肢间的负压悬吊假肢。
⑵ISNY大腿假肢:
采用ISNY接受腔的大腿假肢。
ISNY接受腔又称硬框式软接受腔,是将残肢收纳与体重支撑分离成两部分,采用有弹性的透明聚乙烯制作内接受腔,再与外部用碳素纤维复合材料制作的承重框架组合而成。
这种接受腔富有弹性,同时也符合支撑体重传递力的要求,患者穿着较舒适、轻便。
ISNY接受腔开始是在四边形接受腔的基础上发展起来的,近年来随着CAT/CAM大腿接受腔的推广也开始采用CAT/CAM型ISNY接受腔。
国际上将这种CAT/CAM口型与ISNY框架结构结合起来的接受腔,统称为IRC接受腔（IschialRamalContainmentSocket,坐骨支包容接受腔）。
⑶CAT/CAM大腿假肢:
采用CAT/CAM接受腔（或IRC接受腔）的大腿假肢。
CAT/CAM接受腔直译为"轮廓内收的大转子控制对线接受腔",又称为"坐骨包容式接受腔"、"内外径（M-L）狭窄式接受腔"。
从口型特点来看,这是一种纵向椭圆形接受腔,与常规的四边形大腿接受腔、即横向扁方形接受腔在形状和取型方法上都有很大区别。
它是通过股骨内收和适当压迫残肢软组织并将其包容在接受腔内,增加了软组织（臀肌）和股骨的承重份量。
CAT/CAM接受腔目前普遍采用ISNY框架结构,即制成IRC接受腔,其制作工艺要求较高。
CAT/CAM接受腔的特点:
①没有明显的坐骨支撑平面,接受腔从内侧和后侧包容和支撑坐骨;
②接受腔的内外径相当窄,而前后径相当宽,成纵向椭圆形,股三角处的血管、神经避免了受压;
③接受腔外侧缘高过大转子,使股骨保持内收位,增加了接受腔的横向稳定性;
④接受腔除利用坐骨包容处和外侧大转子下部支撑外,还主要利用软组织和股骨承重,使力分布于整个残肢表面;
⑤接受腔受到合力的作用点趋近于髋关节中心,使之更接近于自然生理状态。
所以这种接受腔穿戴更为舒适,比较容易控制假肢,尤其适合老年及有循环障碍的截肢者使用。
2.3假肢制造的主要材料
假肢制造的主要材料包括金属材料、塑料、木材、皮革、植物等材料。
为了便于各种假肢的特性,便于选择,需要治疗师具有一些主要的假肢材料知识。
金属材料
包括各种碳素钢、不锈钢、铝合金、钛合金等。
金属材料的共性是都具有良好的机械强度、刚性和耐用性能,主要用于制造假肢的各种金属关节铰链。
不锈钢的主要性能特点是其表面具有良好的防锈功能,而一般碳素钢制品表面都需要防锈处理。
各种钢质假肢部件都具有体积小与良好的耐用性能,价格较低,但重量较大。
铝合金假肢部件体积比例比钢质部件大一些,但重量轻,多用于体重较轻、活动水平不高的截肢者使用。
钛合金是一种现代的高技术合金材料,重量既轻,机械强度、耐用性能又好,但是价格比较贵。
[1]
木材
由于重量轻,容易雕刻,多应用椴木。
椴木是传统假腿、假手制造的常用材料,特别是木腿,接受腔、膝、踝关节铰链、假脚芯等部件都是用木材制成的。
为了防止木材部件变形,部件制作前,木材必须经过严格的干燥处理,制作后其表面必须做防湿处理。
[1]
皮革
分面皮、里皮、带子皮。
传统假肢中的皮腿接受腔、大腿的皮上?
、腿的外形、假脚都用皮革制成。
现代假肢皮革主要用于制造髌韧带小腿假肢的皮上?
大腿假肢的腰吊带。
[1]
弹性橡胶
1.天然橡胶是一种天然植物分泌物中提炼的不定形物质,亦称为橡胶质。
在这种物质中加入硫磺、过氧化物、催化剂、填料等材料进行模塑、硫化称为天然橡胶制品。
天然橡胶在假肢制造中主要用于制造假脚和踝部活动的缓冲部件。
这类制品便宜、耐用,但是都比较重。
[1]
2.合成橡胶近代合成橡胶已经得到广泛应用。
合成橡胶种类繁多。
目前假肢制造中应用最多的是聚氨酯合成橡胶弹性体,主要用于代替天然橡胶制造假肢的弹性部件、关节铰链的缓冲部件。
合成橡胶是介于橡胶、塑料之间的一种材料。
由于其泡沫体不但重量轻而且仍然具有相当良好的耐磨、耐拉伸性能,已经广泛应用于制造假肢。
[1]
织物
假肢制造、装配、穿用中应用的织物种类很多。
这里只简单介绍假肢制造中常用的织物。
1.各种尼龙条带多为白色,多用于制造各种上肢假肢的悬吊带。
2.用于制造增强塑料用的各种增强袜套,包括:
棉纤维袜套;腈纶袜套;涤纶袜套;玻璃纤维织物、袜套;碳纤维织物等等。
3.弹性织物多为聚氨酯弹性纤维织物,主要制造用于小腿假肢、大腿假肢的弹性悬吊套。
4.装饰性外套织物多用薄的皮肤颜色的尼龙丝袜套,用于假肢的外层,作为装饰性覆盖物如果在装饰性外套织物的外面再喷涂一层弹性的聚氨酯树脂,则假肢可以具有良好的防水性能。
5.尼龙搭扣主要用于悬吊装置的搭接。
常用塑料材料
1.热固性材料
亦称层叠塑料。
用于假肢制作的聚酯树脂可作为层压成型材料。
聚氨酯泡沫是用途广泛的热固性材料,主要用于装饰性外表和衬垫。
[2]
2.热塑性材料品种很多,可塑性好,加工方便,可准确快速成形,已广泛用于假肢各个不同类型和部件上。
（1）聚丙烯（PP）:
热变形性能好,在135℃100h的蒸汽中消毒不被破坏,机械性能好,可用做热塑型聚丙烯承重接受腔,有更大的柔韧性,患者感觉非常舒适,已逐步取代传统的纤维加固的热固性材料。
（2）聚乙烯PE:
低密度聚乙烯主要在假肢中作柔性接受腔,半透明,耐低温,抗腐蚀,易加工,其硬度、加工性能均优于普通聚乙烯板材。
（3）聚碳酸酯:
Lexan是一种新型的透明热塑板材,由于其高刚性,高冲击强度,透明性好,可以对残肢直接观察,用于制作校验式模塑假肢等。
（4）透明高温塑料:
瑟林塑料具有独特的可弯性和透明性,它通常用于对疑难患者进行试穿检查的校验接受腔上,包括小腿截肢、大腿截肢和上肢截肢使用的校验接受腔,也可以当作临时性的和永久性的假肢接受腔。
[2]
3.硅橡胶硅橡胶属于特种橡胶,耐高温（300℃）及低温（100℃）,绝缘性能优良,与皮肤有良好的生物相容性,在假肢中可做村套、美容性手指、功能性半足等。
制作假手皮肤,手形、肤色和表面纹理都可按真手设计和制作。
4.聚乙烯醇薄膜亦称PVA薄膜,无色、透明,易溶于水,可用其水溶液粘合边缘,再用热熨斗热合制造成聚乙烯醇薄膜套。
这种套子放在湿手巾内20分钟后即可具有良好的延伸性能,主要适用于假肢层叠塑料接受腔真空成型制造中的分离层。
5.记忆塑料某些塑料有“记忆性能”,如在一定条件下拉伸,在拉伸形状下冷却,它们将保持这种拉伸形成的形状,直到被加热到一定温度。
将阳型放进可热收缩的塑料半成品中,加热、软化、收缩、服帖于石膏型的轮廓,最后成型,在冷却、硬化时能保持不变。
由记忆塑料收缩成型的假肢接受腔,比现有技术有更多的优越性。
[2]第3章大腿假肢的工作原理大腿假肢由假脚、踝关节机构、小腿部、膝关节机构、大腿部、接受腔、悬吊装置构成。
（如图3.1）本章就主要对假脚与踝关节部件、膝关节机构、接受腔和悬吊装置进行一些简单的工作原理的描述。
图3.1大腿假肢
3.1假脚与踝关节部件
假脚、踝关节,亦称下肢假肢的踝足机构,是各种小腿假肢、大腿假肢所共有的基本部件,种类很多,有各自不同的特点和不同的适用性。
目前使用最多的假脚是固定踝关节的SACH脚和单轴多踝脚。
近来假脚结构的发展有两个主要的方向,一是多轴动踝脚,其代表是德国产的Greissinger;二是“储能”假脚,为假肢的应用开辟了崭新的领域。
1.单轴脚（singlefoot;图3.2）单轴脚是一种动踝脚,主要机械部件式一根垂直于矢状面的旋转轴。
假肢的小腿部分和脚之间可以围绕这根旋转轴作相对转动,从而实现假脚趾屈和背屈。
在旋转轴的前后各有一块用硬橡胶做的弹性缓冲块,以适应假脚踝关节所受的趾屈和背屈力。
假脚的主体部分是用木材制成的。
其底面及前部脚趾部分则是用橡胶或聚氨酯材料制作的,因此称为木胶脚或聚氨酯脚。
单轴动踝后方的趾屈缓冲块刚度较低,使得脚跟落地时的冲击力大部分被吸收,因此有助于提高膝关节的稳定性。
通过调节前后缓冲块的弹性,可以使假脚适应不同截肢者的需要。
脚趾部分在受力时的弯曲变形,使得行走较为自然、舒适。
单轴动踝脚的缺点是单轴脚只能有趾屈、背屈运动,无法实现内、外翻及水平面上的转动,所以在不平路面行走时不能补偿其他方面的受力。
与固定踝类的假脚相比,单轴动踝脚较重,其外观也不如固定踝假脚好。
[3]
图3.2单轴脚
2.万向脚（multi-axisfoot）通常是用一块可以允许任何方向运动的弹性块作为假脚小腿部分和脚之间的联接件,如图3.3所示的是最流行的万向脚?
Greissinger脚的基本构造,这种假脚能够减少假肢其他部件在侧向和水平面上的受力,实现内、外翻及水平转动,适合于截肢者在水平路面上的行走。
其缺点是结构复杂,维修需求高,价格较贵,重量也大。
[3]
图3.3万向脚
3.定踝软跟脚solidanklecushionheel简称SACH脚。
（图3.4）
SACH脚与单轴脚不同,SACH脚没有一个活动的踝关节,假肢的小腿和脚是用螺栓固定在一起的。
假脚整体用橡胶或聚氨酯材料制成,脚后跟处有一个楔形的弹性好的软垫。
行走时,这一软垫起的作用与单轴动踝脚的趾屈缓冲块的作用相似,而类似于单轴轴背屈缓冲块的作用则是靠胶质假脚前掌部分的整体变形来实现的。
假脚的整体都具有一定的弹性,SACH脚能允许一定的内、外翻和水平转动。
由于结构简单,基本上不需要维修,它的重量很轻,因此降低了运动时的能量消耗;SACH脚的外观可以做得与真实的脚一样,在脚和小腿之间没有像动踝脚那样的缝隙。
SACH脚的缺点是她不能像单轴脚一样很方便地调整脚的趾屈和背屈角度,如果后跟硬,对不平路面上的行走,穿SACH脚的稳定性不如万向脚好。
随着橡胶等材料的老化,SACH脚会逐渐失去弹性,脚前部趾跖关节处也会因反复折曲而断裂。
[1]
图3.4SACH脚
4.“储能”脚（图3.5）“储能”脚为SACH脚的变种,属于固定踝类的假脚,其样式很多。
图3.5A表示了Seattle“储能”脚的内部结构。
其最主要特征是有一个用特殊弹性材料做得脚芯,称为“龙骨”,其外面用橡胶或聚氨酯铸成脚的形状。
“储能”脚是为了适应截肢者运动的需要而发展起来的。
使用弹性“龙骨”是为了让假脚具有良好的回弹性或称“储能”性。
这样假脚就能在运动时对人有一个助力,部分地代偿截肢者所失去的腿部肌肉的功能。
世界上著名的“储能”脚有美国的FLEX脚（图3.5F）,由碳纤材料制作,质轻、回弹性好,适合于下肢运动员跑、跳运动。
[1]
图3.5“储能”脚
A.Seattle脚;B.Sten脚;C.Dynamic脚;D.Rax脚;E.Quantum脚;F.Flex脚
3.2大腿假肢的膝关节机构人体膝关节由股骨下端、胫骨上端和髌骨构成。
股骨的内、外侧踝分别与胫骨的内、外侧踝相对。
由于股骨下端和胫骨上端相接触表面形状不规则,在膝关节屈曲或伸展过程中,两表面间既有滚动又有滑动。
因而,在人体步行过程中,大、小腿的长度是变化的,膝关节的速度瞬心也是时变的。
1.稳定性要求
即膝关节在受力条件下要稳定,不能打弯造成截肢者跌倒。
2.助伸要求
在向前迈步时要能够代偿股四头肌的功能,带动小腿向前摆动,不能使小腿落后于大腿。
3.摆动控制要求
在摆动中期要能使小腿加速,摆动结束时要能使小腿减速。
不让腿伸直时有过大的冲击,引起膝关节的碰撞声。
另外还有体积小、重量轻、强度大、寿命长等要求。
为了满足上述要求,人们设计出了各式各样的膝关节机构。
最简单的膝关节机构为一个自由摆动的单轴关节。
复杂一点的膝关节有可调定摩擦摆动控制膝关节;有模拟真实膝关节转动轴心瞬间变化的四连杆机构关节;有承重自锁关节;更复杂的还有液压或气动控制的关节;最先进的是微机控制的膝关节机构。
假肢膝关节的支撑期稳定控制机构
（1）手控的带锁膝关节:
是最简单的控制膝关
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