專利名稱：彈性矯形裝置的制作方法
彈性矯形裝置
背景技術(shù)：
通常，鞋包括內(nèi)底，即鞋的內(nèi)底部、與地面接觸的外底、以及在一些情況下的在外底與內(nèi)底之間的中底。中底的目的通常是用作減震器以吸收步行的沖擊并提供額外的緩沖，并且為此通常使用諸如EVA和聚氨酯的材料。矯形插入件，也稱作腳弓墊，是放置在鞋中位于內(nèi)底之上或者代替內(nèi)底的插入件。 矯形件用于校正足部對齊以及在行走期間的左右移動，從而不但減小足部的疼痛而且減小諸如膝部、臀部和下背部的身體的其它部分的疼痛。它們也能增加不穩(wěn)定接頭處的穩(wěn)定性并且防止畸形的足部發(fā)展為附加的問題。剛性矯形裝置通常通過鑄造模型而制成，并且能夠由諸如塑料或碳纖維的材料制成。還已知插入鞋中的碳纖維和鋼板用于使鞋的鞋底加強。這種插入件能夠為有關(guān)節(jié)炎的個人提供額外的舒適。

發(fā)明內(nèi)容
與進化成可支撐的力相比，現(xiàn)代人類環(huán)境中的硬表面(石頭、混凝土和浙青)的使用已經(jīng)改變了人類肌肉骨系統(tǒng)所遇到的力。來自這樣的表面的沖擊能量通過壓縮/縱波進入身體，較高頻率和較短長度的波通過多骨且致密的組織，并且較低頻率和較長長度的波通過軟組織和脂肪組織。然后這種沖擊能量被轉(zhuǎn)換成破壞力、肌肉和肌腱的勢能、熱量、以及有時成為導(dǎo)致外傷的身體上的損傷。一些個人所經(jīng)歷的體重的增加以及鍛煉和健康的普遍減少能使這種身體上的損傷加重。本發(fā)明提供了一種減輕由于與地面撞擊而由對象所經(jīng)歷的身體上的損傷和傷害的裝置。本裝置包括簡單的彈性機械三倍矯形接頭/彈性矯形器，該三倍矯形接頭/彈性矯形器產(chǎn)生一種機械效益，該機械效益用于提高有能力且較少活動的個人的步態(tài)效率和穩(wěn)定性，而同時提供對刺傷的保護。本裝置對于幫助運動是有用的，該運動利用諸如人類肢體的附件，該附件在固體表面上執(zhí)行步態(tài)周期。所述裝置包括(a)下表面；(b)第一平面彈性板，該第一平面彈性板定位在水平延伸支撐件下方并且機械地連接到該水平延伸支撐件，所述彈性板具有近端、遠(yuǎn)端、所述近端與所述遠(yuǎn)端之間的橫向側(cè)、所述近端與所述遠(yuǎn)端之間的中間側(cè)、上表面、以及下表面，其中所述水平延伸支撐件的所述近端以及所述彈性板的所述近端被一豎直區(qū)域分開；以及(c)腹面樞軸，該腹面樞軸定位在所述彈性板下方并且機械地連接到所述彈性板， 其中所述腹面樞軸定位在所述第一平面彈性板的所述橫向側(cè)與所述中間側(cè)之間所述第一彈性板上的在所述步態(tài)周期的第一部分期間接收地面反作用力的點的遠(yuǎn)端。本裝置優(yōu)選地還包括背面樞軸，該背面樞軸定位在所述水平延伸支撐件與所述彈性板之間并且機械地連接到兩者，所述背面樞軸定位在所述腹面樞軸近端。所述背面樞軸和所述腹面樞軸可以包括外表面，該外表面具有例如可以是橢圓形、半球形、管形、正方形或波狀外形的截面形狀，或者所述樞軸也可以是中空的。一個或多個腳趾樞軸也可以在遠(yuǎn)離所述腹面樞軸定位的點處被附接到所述第一平面彈性板的所述下表面。所述水平延伸支撐件可以由選自由下列組成的組的材料制成碳纖維、金屬、乙烯醋酸乙烯酯、尼龍、聚乙烯、聚丙烯、聚亞安酯、碳纖維、或者玻璃纖維。所述水平延伸支撐件還可以形成構(gòu)造成接納人類足部的支架，并且優(yōu)選地所述支架的所述遠(yuǎn)端延伸到所述第一平面彈性板上方的點，該點接近于所述第一平面彈性板上的在所述步態(tài)周期的第二部分期間接收地面反作用力的點，優(yōu)選地鄰近于對象的足部的跖球下面的點。所述第一平面彈性板由選自由下列組成的組的材料制成碳纖維、聚碳酸酯塑料、 以及鋼鐵，優(yōu)選地碳纖維包括凱夫拉爾(KEVLAR)纖維和/或玻璃纖維。所述第一平面彈性板還可以由多種材料制成，多種材料中的每種材料都具有選自由彈性系數(shù)、彈性模數(shù)以及抗張強度組成的組的不同的特性。所述第一平面彈性板的所述遠(yuǎn)端還可以包括向下延伸的凸起形式，其中所述凸起形式優(yōu)選的是半球形的。在附加的實施方式中，本裝置能夠附接到具有近端和遠(yuǎn)端的豎直延伸支撐件，所述遠(yuǎn)端機械地連接到所述水平延伸支撐件的所述上表面。通過將把手附接到所述豎直延伸支撐件的所述近端可以形成拐杖。通過將支具附接到所述豎直延伸支撐件的所述近端可以形成踝足矯形器(AFO)。通過將用于斷肢的容器連接到所述豎直延伸支撐件的所述遠(yuǎn)端可以進一步形成假肢。所述豎直延伸支撐件的所述遠(yuǎn)端也能被機械地連接到諸如機器人或者仿生機構(gòu)的機械裝置。


圖IA是本彈性矯形裝置的實施方式的立體圖；圖IB是本彈性矯形裝置的另一個實施方式的立體圖；圖2A是本彈性矯形裝置的另一個實施方式的正視立體圖；圖2B是圖2的彈性矯形器的后視立體圖；圖3A是本彈性矯形裝置的一個實施方式中的支架的的俯視圖；圖3B是本彈性矯形裝置的一個替代實施方式中的支架的底面的俯視圖；圖3C是在本彈性矯形裝置的另一個替代實施方式中的支架的底面的俯視圖；圖4A是在本彈性矯形裝置的一個實施方式中的彈性板的底面的俯視圖；圖4B是彈性板的一個實施方式的俯視圖；圖4C是彈性板的另一個實施方式的俯視圖；圖4D是本具有剪切減少構(gòu)造的本彈性矯形裝置的一個實施方式的立體圖；圖4E是在靴子中的本彈性矯形裝置的一個實施方式的側(cè)剖視圖；圖4F是在靴子中的包括前足彈性件的本彈性矯形裝置的另一個實施方式的側(cè)剖視圖；圖4G示出了通過將本彈性矯形裝置與鞋一起使用而提供的機械效益；圖5A是合并本彈性矯形裝置的踝足矯形器的立體圖；圖5B是合并本彈性矯形裝置的替代的踝足矯形器的立體圖；圖6A是包括本彈性矯形器的假肢的立體圖；圖6B是包括本彈性矯形器的膝部助行器的立體圖7A是包括本彈性矯形裝置的拐杖的立體圖；圖7B是包括本彈性矯形裝置的替代的拐杖的立體圖；圖7C示出了通過將本彈性矯形裝置與踝足矯形器和拐杖一起使用而提供的機械效益；圖8是具有增強的耐穿刺性的本彈性矯形裝置的實施方式的俯視立體圖；圖9是利用兩個彈性板的本彈性矯形裝置的一個實施方式的仰視立體圖；圖10是示出施加在本彈性矯形裝置中的預(yù)加載的彈性板的足跟上的力的曲線圖；圖11-圖15示出了本彈性矯形裝置的操作；圖16是示出包括合并本彈性矯形裝置的鞋的縱跳測試的結(jié)果的圖；圖17是示出包括合并本彈性矯形裝置的鞋的立定跳遠(yuǎn)測試的結(jié)果的圖。
具體實施例方式定義如本文所使用的，除非由使用該術(shù)語的上下文中清楚地指出不同的含義，否則以下術(shù)語和其變型具有如下含義。當(dāng)本裝置被布置成用在地面上或者旨在使用本裝置的其它表面上時，相對于本裝置中的一個的部件的“上方”和“下方”描述這些部件的定位。例如，如本文所述的彈性板位于支架下方，當(dāng)彈性板的底面面向地面和/或布置有該裝置的鞋時該彈性板連接到支架?！磅?足矯正器” (AFOs)是包圍踝關(guān)節(jié)以及全部或者部分足部的矯正器或者支具。“附件”指的是附接到或者以其它方式連接到個人身體或者機構(gòu)或者其它結(jié)構(gòu)的突出部。本文提到的附件是用于運動的附件，諸如肢體(例如，由拐杖支撐的腿或者臂)或者用于運動機構(gòu)的支撐件。這種附件通常鉸接到身體或者機構(gòu)。足部的“弓形結(jié)構(gòu)”或者“多個弓形結(jié)構(gòu)”指的是由跗骨與跖骨形成的以及由相關(guān)聯(lián)的韌帶和腱形成的弓形結(jié)構(gòu)，該弓形結(jié)構(gòu)使得能通過足部支撐體重。“軸線”指的是某物圍繞其彎曲或者旋轉(zhuǎn)的點或者線，具體地本裝置中彈性板的一部分圍繞其進行彎曲。足部的“跖球”指的是人的足部在腳趾與弓形結(jié)構(gòu)之間的腳底的墊部分，當(dāng)足跟抬起時身體的重量支撐在該跖球上?！案墙Y(jié)節(jié)”是跟骨的下端和后端，或者跟骨，形成足跟的突出部?！疤祭w維”指的是由直徑大約0. 005-0. 010毫米的極細(xì)纖維組成并且大部分由碳原子構(gòu)成的材料。碳原子以相對于纖維的長軸線以大致平行的方式對齊的顯微晶體結(jié)合在一起。晶體對齊使得纖維對于其尺寸來說是強壯的。幾千個碳纖維能夠擰在一起以形成紗線，紗線可以單獨地使用或者織成織物。碳纖維具有許多不同的編織式樣并且能與塑料樹脂相結(jié)合并且纏繞或者模制以形成諸如碳纖維增強塑料(也被稱作碳纖維)的復(fù)合材料以提供高的強度重量比的材料?！皬?fù)合材料”是由兩個或多個物理或者化學(xué)特性顯著不同的組分材料制成的材料， 所述組分材料在完成的結(jié)構(gòu)中在肉眼可見的水平上保持分離和不同。如本文所用的“支架”是指向位于支架下方的一個或多個樞軸提供支撐的水平延伸的剛性或者半剛性結(jié)構(gòu)件。當(dāng)用于本發(fā)明的足部矯正實施方式中時，支架可以具有與人的足部的底面的至少一部分相符合的上表面，以矯形裝置的上表面插入到鞋中的方式，從而幫助使足部和踝部穩(wěn)定。在一些實施方式中，支架的上表面形成為與具體的使用者的足部的形狀和曲率相匹配，如下所述，而在其它的實施方式中矯正器的上表面可以包括大致與使用者中的至少一部分子群的足底的形狀相匹配的形狀。在本裝置中使用的支架是剛性的。“拐杖”是用于在運動期間利用除了腿或者足部以外的肢體或者身體部分支撐受試人的剛性支撐件。“背面”是指當(dāng)支架的腹側(cè)面以及本彈性矯正裝置的彈性板面向地面時遠(yuǎn)離地面。“足部”是用于運動的由對象所用的腿或者其它支撐件的下端?！白悴砍C正器”指的是幫助下端(足部、踝部、膝部或者腿部)運動的矯正器?！靶悺敝傅氖切?、靴子、以及其它穿在腳上以便保護腳不受環(huán)境和/或裝飾品影響
的覆蓋件?！安綉B(tài)”指的是在步行、跑步、或者利用諸如人的肢體的附件實現(xiàn)的其它運動形式的過程中由對象所采取身體動作?！安綉B(tài)周期”是重復(fù)執(zhí)行以利用附件完成運動的一系列動作。從一個活動(例如，當(dāng)涉及足部的使用時，足跟著地)到下一次發(fā)生利用相同附件的相同活動來測量步態(tài)周期?！暗孛娣醋饔昧?，，是指由地面對接觸其的身體施加的力。如本文所用的“地面”可以指的是本發(fā)明裝置和/或包括本發(fā)明裝置的鞋類接觸到的任何固體表面，包括地板、人行道、泥土、巖石以及本裝置的使用者在其上行走的其它表面?！鞍咽帧敝傅氖窃O(shè)計成被握持以便使用或者移動物體的物體的突出部或者其它附件。足部的“足跟”指的是足部的后端(與正常的移動方向相反)，足跟在人類足部中是弓形結(jié)構(gòu)后面的腳底的墊部分?！白愀亍敝傅氖窃谙蚯斑\動期間當(dāng)對象的足跟(或者覆蓋對象的足部的鞋的鞋跟)首先接觸地面時步態(tài)周期的瞬間?！八降摹笔侵冈诖篌w上平行于地面或者在地面30°內(nèi)，更優(yōu)選地15°內(nèi)的方向中。“撞擊疾病”指的是在運動期間由對象的足部在地面上的沖擊力所產(chǎn)生的對象的一種或多種身體狀況，或者對于一種或多種身體狀況這種力是起作用的因素。這種疾病包括足底筋膜炎、阿基里斯肌腱炎、臏腱炎、脛骨后肌腱炎、補償扁平足、骨關(guān)節(jié)炎、腱鞘炎、臀部和骶髂骨機能障礙、脊椎炎、和下背病變。“內(nèi)底”指的是使用者的足部支撐在其上的一只鞋的一部分?！皺M向”是指朝向足部的外側(cè)，S卩，朝向通常放置最小的(小趾)腳趾的側(cè)面?！斑\動”指的是通過個體對象的移動。“機械地連接”是指通過基于直接物理接觸的連接或者通過另一種機械結(jié)構(gòu)物理地連接。例如下述的背部足跟樞軸提供了一些實施方式中的支架與本裝置的彈性板之間的機械地連接。機械連接可以包括粘合劑或者機械地連接的固定結(jié)構(gòu)的其它裝置使用。
“中間的”是指朝向足部的內(nèi)部，即朝向通常放置大腳趾的側(cè)面?！爸械住敝傅氖俏挥谝恢恍膬?nèi)底與外底之間的該只鞋的一部分?！俺C正器”是指外部地應(yīng)用到身體的一部分以支撐部分身體、矯正畸形、減輕疼痛、 和/或改善一部分身體的機能的裝置。“外底”指的是鞋或者靴子外底部，該外底部包括鞋的底面并且與地面接觸。“樞軸”指的是諸如軸、梁或者突起的剛性件或結(jié)構(gòu)件，該樞軸支撐圍繞由樞軸的長度限定的軸線彎曲或者轉(zhuǎn)動的另一個結(jié)構(gòu)件，并且其受到大致來自垂直于其長度的方向的彎曲應(yīng)力?！捌矫妗爸傅氖侵饕刂S延伸的結(jié)構(gòu)件，S卩，該結(jié)構(gòu)件的長度和寬度均比厚度大，優(yōu)選地至少5倍大，更優(yōu)選地至少10倍大，并且甚至更優(yōu)選地至少20倍大。“假肢”指的是替換缺失的身體部分的機械裝置。“鞋”，如本文使用的，指的是為足部提供支撐或者保護的足部覆蓋件，包括諸如足部支具的治療用足部覆蓋件，以及諸如靴子、禮服鞋、以及運動鞋的傳統(tǒng)的鞋子。鞋子還可以覆蓋假腳。“彈性板”指的是包括可以彈性地變形以存儲機械能的一種或多種材料的平面裝置?！皩ο蟆敝傅氖侨绫疚乃龅膹椥猿C形裝置的使用者。對象通常是人類，盡管本系統(tǒng)也可能被動物或者機械裝置使用?！澳_趾離地”指的是的在向前運動期間在對象的足部(或者對象的足部下面的鞋或裝置)與地面之間發(fā)生最后接觸時步態(tài)周期的瞬間。“腹面”是指當(dāng)支架的腹側(cè)面和本彈性矯形裝置的彈性板面向地面時朝向地面?！柏Q直“指的是朝向或遠(yuǎn)離地面并且不是水平的方向。如本文所用的，術(shù)語“包括”以及諸如“包括著”與“包括”的術(shù)語的變型并不旨在排除其它附加物、部件、整體或者步驟。術(shù)語“一個”、“一種”和“該”以及本文使用的類似的所指對象被解釋為覆蓋單數(shù)和復(fù)數(shù)，除非它們的用法在上下文中表示其它含義。足部矯形裝置圖IA示出了本彈性矯形裝置的一個實施方式。在該實施方式中，本彈性矯形裝置包括支架10、至少一個樞軸50、以及彈性板100。支架10由剛性或者半剛性材料形成并且包括近端12、遠(yuǎn)端14、中間端13、側(cè)端15、以及大體上平的背側(cè)面16。背側(cè)面16具有在中間端13與側(cè)端15之間的寬度，以及在近端12與遠(yuǎn)端14之間的長度，這足以接觸并為使用者的足部的足跟的下部和腹側(cè)面提供支撐。優(yōu)選地，支架10的背側(cè)面16成形為至少與使用者足部的足跟部分的輪廓相匹配， 并且在支架10向遠(yuǎn)端延伸以接觸使用者的足部的腳趾實施方式，諸如圖IA的實施方式中， 支架10優(yōu)選地還成形為與使用者足底的其余部分的輪廓相匹配。也就是說，如圖IA所示， 支架10的背側(cè)面16包括與使用者足底的形狀或者輪廓相反的形狀。在諸如圖IB的其它實施方式中，支架10僅從近端12的足跟部分延伸到接近腳趾的點(當(dāng)支架由使用者穿著時)，并且優(yōu)選地鄰近或者接近使用者足部的跖球，盡管優(yōu)選地支架10向遠(yuǎn)端充分延伸從而支撐使用者足部的足弓。延伸到使用者足部的跖骨頭的近端的點的支架降低了跖骨頭下面的壓力并且能夠減少應(yīng)力骨折。
在這樣的實施方式中，支架10的背側(cè)面16優(yōu)選地形成為與特定使用者的足底相匹配。在該情況下，支架10能夠由諸如乙烯醋酸乙烯酯的聚合材料形成并且以與目前成形的聚合物矯形器相同的方式成形以便與使用者足部的輪廓相匹配。在其它實施方式中，支架的背側(cè)面另選地可以包括與普通使用者的足部的形狀相反的形狀，即，其可以包括凹入的足跟凹入部17和凸起的弓形部分19，弓形部19位于足跟凹入部17的遠(yuǎn)端并且包括高于足跟凹入部17的最低點的表面，該最低點如當(dāng)本彈性矯形器被放置在地上或鞋中時被測量，其中支架的腹側(cè)面18面向地面。在另一替代方案中，支架10的背側(cè)面16可以包括不同的形狀，并且有時可以是平的。背側(cè)面16還能在治療上被構(gòu)造輪廓，在生物力學(xué)上被平衡或以其它方式改進以便實施治療矯正。在一些實施方式中支架10的背側(cè)面16包括與使用者的足底的輪廓相匹配的表面并且盡可能地或者實際地多接觸使用者的足底的表面，這是有利地，因為抵靠使用者的足底施加的地面反作用力因此盡可能多地分散在使用者的足底的表面積上，從而降低了抵靠使用者的足底上的任何具體點施加的力的量。為了便于橫跨使用者足部的表面的底側(cè)分散地面反作用力，支架10優(yōu)選地由諸如碳纖維、金屬、乙烯醋酸乙烯酯、尼龍、聚乙烯、聚丙烯、聚亞安酯、碳纖維、或者玻璃纖維的剛性或者半剛性的材料形成。這樣的材料通常具有至少約0. 001，更優(yōu)選地至少約0. 05， 并且甚至更優(yōu)選地至少約0. 1的剪切模量，盡管其可以更高，但是更大的剛性是優(yōu)選的。在優(yōu)選的實施方式中，支架由抗穿刺的材料形成。例如，支架能由多個碳纖維材料層來形成，優(yōu)選地包括合并凱夫拉爾對位芳族聚酰胺合成纖維的一個或多個層。優(yōu)選地， 這種支架包括2層或更多層的包括凱夫拉爾纖維的碳纖維材料，更優(yōu)選地包括4層或更多層，并且甚至更優(yōu)選地包括8層或更多層。鑒于碳纖維的剛性，當(dāng)在該實施方式中使用碳纖維或者其它相對剛性的材料時，支架優(yōu)選地向遠(yuǎn)端地延伸不超過鄰近使用者足部的跖球的點，以便使使用者正常地行走。這種支架可以是幾毫米厚諸如在2與8毫米厚之間，更優(yōu)選地在4與7毫米厚之間，以便為使用者足部的近端部分提供保護。在圖8中示出了這種支架。本彈性矯形裝置和/或合并本實施方式中的本彈性矯形裝置的鞋類還優(yōu)選地符合美國材料試驗學(xué)會(ASTM)標(biāo)準(zhǔn)編號F2412-05的耐穿刺性標(biāo)準(zhǔn)(2005年3月1日批準(zhǔn)的，2005 年三月出版的，用于足部保護的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法)。彈性板100位于支架10腹側(cè)面18下面。彈性板100包括近端112、遠(yuǎn)端114、中間側(cè)113、橫向側(cè)115、背側(cè)面116以及腹側(cè)面118。彈性板100的構(gòu)造通常是平面的，并且由優(yōu)選地剛性比支架10小的材料形成并且具有較高的彈性模數(shù)。盡管本文描述的所有彈性板100都包括單片的大體上平面的材料，但是應(yīng)當(dāng)理解，多片材料也可以用于與本彈性矯形裝置結(jié)合的彈性板，這多片材料機械地相互連接或者連接到另一個結(jié)構(gòu)從而圍繞由樞軸50限定的軸線或者軸可變形并且在大體上平面的構(gòu)造中定向。彈性板100在其近端112的遠(yuǎn)側(cè)點處機械地連接到支架10，并且還優(yōu)選地至少位于彈性板100的遠(yuǎn)端114處或遠(yuǎn)端114近側(cè)的另一點處。在圖IA和圖IB示出的實施方式中，支架10的腹側(cè)面18與彈性板100的背側(cè)面116直接接觸。然而在其它實施方式中，諸如圖2A和圖2B的實施方式中，支架10和彈性板100能被經(jīng)由諸如圖2A和圖2B所示的背面足跟樞軸160的另一個機械結(jié)構(gòu)在近端12和112附近連接。本彈性矯形器的一個重要特征是，在沒有布置在支架上的負(fù)荷的情況下，必須在支架10的近端12與彈性板100的近端112之間維持垂直距離。這在使用者的步態(tài)的足跟著地部分期間允許彈性板100的近端112被向上，即朝向支架10的近端12的腹側(cè)面18 偏壓。當(dāng)彈性板100被以這種方式偏壓時，它在足跟著地期間吸收一些地面反作用力。此外，在步態(tài)周期中當(dāng)使用者的重量由足跟轉(zhuǎn)移到使用者足部的腳趾部分時由彈性板100吸收的能量然后被釋放，從而方便步行。鑒于需要在支架10的近端12與彈性板100的近端112之間保持距離，在圖IA和圖IB的實施方式中，支架10的腹側(cè)面18自其與彈性板100接觸的點從彈性板100的背側(cè)面116向上延伸，并且支架10應(yīng)該由足夠剛性的材料形成以在步態(tài)周期的至少一部分期間當(dāng)使用者足跟抵靠支架10施加向下的力時保持距離。在圖2A和圖2B的實施方式中，支架 10的近端12與彈性板100的近端112之間的距離至少部分地被鄰近支架10與彈性板100 的近端并且定位在它們之間的背面足跟樞軸160所保持。圖IA和圖IB的實施方式中的支架10的腹側(cè)面18與彈性板100的背側(cè)面116之間的接觸點充當(dāng)軸線，當(dāng)?shù)挚繌椥园?00的近端112施加向上的地面反作用力時彈性板100 能圍繞該軸線彎曲。在接觸支架10的底面之前在近端112行進的距離范圍內(nèi)由彈性板100 的近端112經(jīng)歷的變形量應(yīng)該在彈性板100的彈性極限以內(nèi)。腹面足跟樞軸140定位在彈性板100下面腹側(cè)，該腹面足跟樞軸140具有中間端 143、橫向端145、背側(cè)面146、腹側(cè)面148、近端147以及遠(yuǎn)端149。腹面足跟樞軸140提供了彈性板100圍繞其發(fā)生彎曲的第二軸線。當(dāng)向下力通過使用者的足跟施加到支架10上時，該力的一部分施加到腹面足跟樞軸140的近端并且致使彈性板100向下彎曲，即，使得腹側(cè)面118在彈性板100的近端112處變得更接近地面。腹面足跟樞軸140和其它樞軸50優(yōu)選地是縱向的，優(yōu)選地延伸橫跨彈性板100的寬度的至少70%，并且更優(yōu)選地延伸橫跨寬度的至少90%或者橫跨彈性板100的全部寬度，盡管在一些實施方式中多個樞軸50能夠用于形成彈性板100能圍繞其彎曲的軸線。在圖2A和圖2B中示出的樞軸50具有橢圓形或者半球形的橫截面，但是也能使用不同形狀的樞軸，例如管狀樞軸、具有正方形橫截面的桿、波狀外形的樞軸、或者其它形狀的樞軸。在本領(lǐng)域技術(shù)人員能根據(jù)彈性板100的特性以及樞軸在本彈性矯形裝置內(nèi)的布置而為樞軸50 確定適當(dāng)?shù)男螤詈筒牧?。如圖2A和圖2B所示，如果樞軸50由足夠剛性的材料形成則樞軸50可以是中空的(以便減小本彈性矯形器的重量)，但是它們還可以由一片實心材料形成。在一個實施方式中，背面足跟樞軸160可以與支架10整體模制。使用中空樞軸，特別是凸起的中空樞軸的一個優(yōu)點在于，它們可以通過被設(shè)計為在小于使用者足骨會將斷裂的壓力的壓力下破裂或者變形而為使用者提供額外的沖擊保護，從而保護使用者免于包括足骨的應(yīng)力骨折的骨折。在一些實施方式中，腹面足跟樞軸140可以包括鞋的一部分，諸如鞋底的一部分， 其與彈性板100機械地連接。在這樣的實施方式中，在彈性板100的近端112下面的鞋的部分將提供足夠的間隙，即在彈性板100的腹面118與鞋底之間的垂直空間，以便當(dāng)在步態(tài)周期的足跟著地部分期間諸如通過使用者的足跟在彈性板100的近端112施加向下的壓力時允許彈性板100的近端112豎直地向下彎曲。腹面足跟樞軸140優(yōu)選地橫跨彈性板100的寬度的至少一部分，即在彈性板100的中間側(cè)113和橫向側(cè)115之間縱向延伸。腹面足跟樞軸140的縱向長度，即中間端143 與橫向端145之間的距離，優(yōu)選地當(dāng)通過使用者的足跟施加向下的足跟壓力時，足以允許彈性板100的整個寬度圍繞由腹面足跟樞軸140形成的軸線點均勻地彎曲。這允許彈性板更多地彎曲，從而當(dāng)通過使用者的足跟在彈性板100上施加向下壓力時提供待利用的更多的彈力。為此，腹面足跟樞軸140應(yīng)該也足夠地剛性以允許彈性板100圍繞由腹面足跟樞軸140形成的軸線點彎曲。在使用者的步態(tài)的足跟著地部分期間，當(dāng)向下的足跟壓力被施加到彈性板100的近端112時，由腹面足跟樞軸140形成的軸線點位于或者鄰近腹面足跟樞軸140的近端147。在前面的描述中，可以看出本彈性矯形裝置的彈性板100在使用者的步態(tài)的足跟著地部分期間經(jīng)受雙重彎曲，從而比假如彈性板100僅圍繞單個軸線彎曲的情況吸收更大量的力。由于通過使用者的足部的足跟施加的向下的力而發(fā)生圍繞由腹面足跟樞軸140形成的軸線的第一彎曲，而在圖IA和圖IB的實施方式中發(fā)生圍繞由支架10的腹側(cè)面18接觸彈性板100的背側(cè)面116的點形成的軸線點的第二彎曲。在圖2A和圖2B的實施方式中， 第二彎曲軸線出現(xiàn)在背面足跟樞軸160的腹側(cè)面168處或者附近，在該腹側(cè)面168處或附近背面足跟樞軸160與彈性板100接觸。在圖2A和圖2B所示的優(yōu)選的實施方式中，第二樞軸50，即背面足跟樞軸160布置在支架10的腹側(cè)面18與彈性板100的背側(cè)面116之間。背面足跟樞軸160布置在為由腹面足跟樞軸140形成的軸線點的近端的期望的軸線點處。背面足跟樞軸160優(yōu)選地具有與腹面足跟樞軸140相似地物理和結(jié)構(gòu)特征，并且能由與腹面足跟樞軸140相同或者相似的材料制成。背面足跟樞軸160同樣包括機械地連接到支架10的腹側(cè)面18的背側(cè)面166 以及與彈性板100的背側(cè)面116機械連接的腹側(cè)面168。背面足跟樞軸160還包括中間側(cè) 163、橫向側(cè)165、近端167、以及遠(yuǎn)端169。優(yōu)選地，背面足跟160位于彈性板100的近端112附近，以便僅在出現(xiàn)彎曲軸線的背面足跟樞軸160的近端167與彈性板100的近端112之間提供相對短的距離。如上所述， 通過提供該更短的距離，可以抵靠彈性板100的近端112施加較少的杠桿作用，并且彈性板 100由此能夠在較小彎矩期間吸收更多的地面反作用力。在一個優(yōu)選的實施方式中，背面足跟樞軸160位于彈性板100的近端112的約四厘米內(nèi)，并且在更優(yōu)選的實施方式中，背面足跟樞軸160位于彈性板100的近端112的約一厘米內(nèi)。在使用者足跟上的峰值壓力點位于跟骨結(jié)節(jié)下面的足跟的表面上的點處。因此， 在優(yōu)選的實施方式中，當(dāng)使用者的足跟與支架10的背側(cè)面16接觸時背面足跟樞軸160豎直地布置在跟骨結(jié)節(jié)下方。在支架10的背側(cè)面16包括足跟凹入部17的實施方式中，背面足跟樞軸160由此布置在形成足跟凹入部17的凹面的中心下方以便最好地定位背面足跟樞軸160。背面足跟樞軸160的長度優(yōu)選地大于其寬度，并且背面足跟樞軸的長度優(yōu)選地從支架10的中間端13或者附近的點延伸到支架10的背側(cè)面16上的橫向端15或者其附近的點。背面足跟樞軸160的長度也優(yōu)選地近似垂直于支架10的縱軸線。圖IA至圖2B的實施方式采用這種樞軸，其中樞軸沿著其縱軸線是圓形的使得彈性板100沿著背面足跟樞軸160的表面平滑地彎曲。圓形樞軸在使用碳纖維彈性板100的實施方式中通常是優(yōu)選的， 因為在這樣的實施方式中在樞軸50中使用較銳利的角度可能趨于破壞碳纖維。在其它實施方式中，背面足跟樞軸160的長度能相對于支架10的縱向長度成諸如5度、10度、15度、 30度或者其它期望的角度。在諸如圖3A至圖3C中示出的替代實施方式中，背面足跟樞軸160可以包括沿著其縱向長度的一個或更多平面或者曲面。在圖3A的實施方式中，設(shè)置了下平面161，該下平面161接觸并且優(yōu)選地固定到彈性板100。近端平面162從樞軸的下表面161向近側(cè)延伸到支架10的背側(cè)面18，同時腹面平面164從樞軸的下表面161向遠(yuǎn)側(cè)延伸到支架10的腹側(cè)面18。設(shè)置以限定的角度相交的平面，諸如圖3A中的表面161和表面162，允許彈性板 100更急劇地彎曲并且影響本彈性矯形裝置的彈性特征。角度可以是90度，或者可以是如圖3A所示的諸如20度、30度、45度或者其它期望角度的銳角。此外，以限定的角度接合的多個平面也能被設(shè)置在支架的下表面161與腹側(cè)面18之間以便提供不同的彈性特征。在圖IA至3A的實施方式中，示出了背面足跟樞軸160，其中這樣的樞軸的下表面 161沿著它們的縱向長度近似與支架10的背側(cè)面18平行。圖:3B示出了樞軸的另一個替代實施方式，其中與足跟樞軸的其它橫向側(cè)相比，樞軸在一個橫向側(cè)上升高，使得下表面161 相對于支架10的背側(cè)面18形成斜角。在所示的實施方式中，橫向側(cè)165比中間側(cè)163從背側(cè)面18延伸的更遠(yuǎn)，盡管其中中間側(cè)163比橫向側(cè)165從背側(cè)面18延伸更遠(yuǎn)的實施方式也是可能的。圖3B的實施方式能夠幫助矯正腳的翻轉(zhuǎn)或者外翻(內(nèi)轉(zhuǎn))，并且還能夠幫助穩(wěn)定腳踝并且抬起足弓。除具有平面的背面足跟樞軸160之外，這種樞軸可以另選地包括替代的形狀，如在圖3C的實施方式中，該替代形狀包含或者包括波狀表面。在該實施方式中，背面足跟樞軸包括半球形的下表面。在該實施方式中樞軸50允許腳踝加強以及腿部和臀部的靈活性。在一些實施方式中，還可能有利的是包括支柱，即附接或者以其它方式機械地連接到彈性矯形裝置的剛性支撐件。該支柱提供了進一步的機械效益并且增加了裝置的效率，并且能夠幫助防止使用者的足跟抬起，即與裝置的支架10的表面或者支架上方的鞋內(nèi)底失去接觸并且分離。彈性板本彈性矯形器的其中一個優(yōu)點在于，當(dāng)使用者經(jīng)歷了足部的損傷或者其它傷害， 特別是，由肥胖、糖尿病、競技性運動和鍛煉導(dǎo)致的傷害時，減小抵靠使用者的足部底面施加的峰值地面反作用力。通過減少抵靠該使用者足部底面施加并且傳遞到使用者身體內(nèi)的地面反作用力，本彈性矯形設(shè)備減少了疼痛以及對使用者的足部和/或身體的其它部分 (諸如腳踝、臀部、膝部和下背部)的進一步的傷害或者損傷。鑒于對大于平均體重的使用者的額外益處，彈性板100優(yōu)選地構(gòu)造為吸收抵靠大于平均體重(目前在美國對于女性來說是72公斤，男性是86公斤)的個人施加的地面反作用力的2%以上，更優(yōu)選地10%以上， 并且甚至更優(yōu)選地50 %以上。更優(yōu)選地，對于人口中的個體體重占第95 %的，或者約113千克與122千克之間的個人，彈性板100能構(gòu)造為吸收相似的地面反作用力。在一些例子中， 彈性連接器能被構(gòu)造為吸收諸如80千克的體重的平均更大體重的個體的地面反作用力。本彈性矯形裝置的彈性板10由在運動期間通過抵靠裝置施加的力而彈性地變形的材料形成以便存儲并然后釋放機械能。彈性板100可以由能彎曲的多種材料中的任何一種來形成以便存儲并釋放機械能，包括諸如聚碳酸酯塑料的塑料和諸如鋼鐵的金屬。然而， 在優(yōu)選的實施方式中，彈性板100由諸如碳纖維的復(fù)合材料形成。例如，玻璃與碳纖維復(fù)合層壓材料可以被用于形成本彈性板100。由于材料鋼度的增加和重量的減小，因此具有大比值的彈性模數(shù)密度的材料是理想的。下面的表1示出了能夠由碳纖維材料提供的彈性模數(shù)密度的有利的比值表1 彈性模數(shù)比密度
材料最終抗張強度 (MPa)密度(g/cm3)彈性模數(shù)(GPa)彈性模數(shù)比密度天然金剛石10483.21703326碳纖維復(fù)合材料7581.68221451碳鋼A-364487.8320657骨1721.4914115聚碳酸酯塑料680.832.382橡膠71.380.035在圖4A中示出的另一個實施方式中，本彈性矯形器的彈性板可以包括諸如腹面跖球樞軸180和/或腳趾樞軸200的其它樞軸50。腹面跖球樞軸180包括中間端183、橫向端185、背側(cè)面186、腹側(cè)面188、近端187、以及遠(yuǎn)端189。腹面跖球樞軸180以與腹面足跟樞軸140相似的方式與彈性板100的腹側(cè)面118相關(guān)聯(lián)地定位，但是位于腹面足跟樞軸 140的遠(yuǎn)端。當(dāng)使用者的步態(tài)轉(zhuǎn)變到步態(tài)周期的腳趾離地部分，腹面跖球樞軸180在其遠(yuǎn)端 189周圍提供了軸線，其中彈性板100可以圍繞該軸線彎曲，從而吸收抵靠使用者足部的遠(yuǎn)端或者跖球部施加的地面反作用力。優(yōu)選地，腹面跖球樞軸180定位在使用者足部的跖骨頭下方。另外，可以在彈性板100與支架10之間向腹面跖球樞軸180的近側(cè)或者遠(yuǎn)側(cè)提供背面跖球樞軸，以便如上所述提供雙倍彈性的益處。圖4A中示出的腳趾樞軸200與前述軸50的不同之處在于，其縱向長度在其近端 207與其遠(yuǎn)端209之間，即腳趾樞軸的較長部分沿著大致垂直于上述樞軸的方向布置，并且大致平行于在步態(tài)周期期間足部行走的向前的方向，即平行于本彈性矯形器的縱向長度。 更重要的是，腳趾樞軸200的縱向長度被取向為使得沿著縱向長度提供軸線，圍繞該軸線沿著左右的方向發(fā)生彎曲，即，從而吸收優(yōu)先地施加在使用者足部的一側(cè)上的地面反作用力。在步態(tài)周期的腳趾離地部分期間，可以抵靠使用者的足部的一側(cè)(根據(jù)具體對象，中間側(cè)或者橫向側(cè))施加比抵靠另一側(cè)大的向下力。從而腳趾樞軸200優(yōu)選地被定位成使得其提供軸線，在步態(tài)周期的腳趾離地部分期間彈性板100的中間側(cè)113和/或橫向側(cè)115可以圍繞該軸線向下地彎曲。在其它實施方式中，腳趾樞軸的縱向長度可以相對于彈性板100 的縱向長度成諸如5度、10度、15度、30度或者其它期望角度的角度。腳趾樞軸200可以幫助控制前足的翻轉(zhuǎn)與外翻，即外轉(zhuǎn)和內(nèi)轉(zhuǎn)。在其它實施方式中，這種縱向延伸樞軸可以定位在本裝置的近端，即，本彈性板100的近端112附近，以便控制使用者的足部的后部的翻轉(zhuǎn)和外翻。在本彈性矯形器的實施方式中，該矯形器合并具有不同尺寸的長度和寬度的樞軸 50，諸如圖3A、圖3B、圖4A中所示的樞軸50 (它們的長度大于寬度)，樞軸50能以水平地可旋轉(zhuǎn)但是可固定的方式安裝在支架10上和/或彈性板100上。在該實施方式中，樞軸可以圍繞固定軸線(中心軸線或者靠近樞軸的縱向端的軸線)旋轉(zhuǎn)以便改變本彈性矯形裝置的彈性特征。樞軸是可逆地固定的，使得它們可以被旋轉(zhuǎn)，但是然后被固定在支架10和/或彈性板100上的固定位置。另選地或者另外，樞軸或多個樞軸50可以垂直地調(diào)節(jié)，即，調(diào)節(jié)樞軸的垂直高度?？梢岳缡褂眉啓C構(gòu)來實現(xiàn)樞軸的水平和/或垂直調(diào)節(jié)，在棘輪機構(gòu)中樞軸包括插孔、齒或其它突起，它們與支架10或彈性板100上或者附接到支架10或者彈性板100的插孔、齒或其它突起相接合，從而形成使樞軸旋轉(zhuǎn)的齒狀機構(gòu)。通過這種方式可以沿著三維進行調(diào)節(jié)樞軸。腹面足跟樞軸140和背面足跟樞軸160，以及本文所公開的其它樞軸，也可以是不同形狀、大小和尺寸的，以便提供符合特定個人需要的定制裝置。例如，具有比腹面足跟樞軸140高的背面足跟樞軸160的彈性矯形器可以在彈性板100和與其接觸的下表面之間提供更長、更柔軟的接觸。在另一個實施方式中，具有比背面足跟樞軸160更高的腹面足跟樞軸的彈性矯形器可以提供更大的杠桿半徑并且允許由本裝置完成更多的機械工作。圖4B示出了彈性板的實施方式，這彈性板允許在步態(tài)周期的腳趾離地部分期間抵靠使用者足部的一側(cè)施加比抵靠另一個側(cè)大的向下力。在該實施方式中，這通過生產(chǎn)與彈性板100的另一橫向側(cè)相比在彈性板的一個橫向側(cè)上具有不同彈性系數(shù)、彈性模數(shù)和/ 或抗張強度的彈性板來實現(xiàn)。在圖4B的實施方式中，彈性板100的位于其近端112和橫向側(cè)115處的部分由第一材料101構(gòu)成而遠(yuǎn)端114的中間側(cè)113由具有不同彈性系數(shù)、彈性模數(shù)和/或抗張強度的第二材料102構(gòu)成。另選地，彈性板100可以由均勻材料制成，但是可以形成有比彈性板100的另一部分更厚或者更薄的部分(例如，圖4B中的區(qū)域102)，或者另一種材料已經(jīng)結(jié)合至該更厚或更薄的部分。在圖4C的實施方式中以不同的方式應(yīng)用相同的概念，圖4示出了替代的彈性板， 在該彈性板中，與彈性板100的周圍部分相比在使用者的足部的跖球上方的區(qū)域103存儲并且釋放較少的機械能，以便減小施加到高壓區(qū)域的力的量。例如，與彈性板的剩余部分相比部分103可以用較薄或者較柔軟的材料形成。另選地，彈性板100包括在彈性板的希望減小抵靠使用者的足部施加的力的區(qū)域中的孔。在一些實施方式中，材料的更剛性的區(qū)域(即，具有更大的抗張強度和/或更小的柔性的區(qū)域)可以設(shè)置在第一跖骨趾關(guān)節(jié)之間的使用者的足部部分的下面。這減小了拇趾背屈，并且在遭受該關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)炎的個人中，這能減少疼痛以及該關(guān)節(jié)的炎癥。本彈性板 100的更剛性的部分也能有利地被設(shè)置在由于糖尿病使用者已經(jīng)歷足趾的截肢或者其它損失的區(qū)域的下面。較大的抗張強度能補償足趾或多個足趾的損失，并且減小剩余足趾上的壓力和/或應(yīng)力。為了進一步減小抵靠足部的跖球施加的峰值地面反作用力，本彈性矯形裝置的遠(yuǎn)端部可以設(shè)有前足彈性件。前足彈性件優(yōu)選地能夠吸收抵靠其施加的地面反作用力的至少大約2 %，更優(yōu)選地至少大約5%至10%，并且更優(yōu)選地至少50%。在圖1至3A和圖4A至4E中所示的本裝置的實施方式中，彈性板100沿著使用者的足部的長度延伸，并且包括當(dāng)使用者使用本彈性矯形裝置時位于使用者的足部的趾球的下面的前足彈性板部分120。在這些實施方式中前足彈性板120大體上是平面的構(gòu)造，并且可以由與彈性板100的剩余部分相同類型的材料，例如由類似碳纖維的復(fù)合材料形成。在圖4D所示的替代實施方式中，前足彈性板120包括向下延伸凸起形式，該凸起形式的形狀可以是完整的或者部分半球形。當(dāng)?shù)挚壳白銖椥约?20的下凸面施加向上的地面反作用力時，彈性件偏轉(zhuǎn)并且吸收一些地面反作用力，以使得當(dāng)?shù)挚壳白銖椥园?20的背側(cè)面向下施加壓力時前足彈性板120的中央部分能夠向下偏轉(zhuǎn)。如圖4D所示，彈性板100通常被放置一只鞋中的鞋外底的上方。在圖4D中，彈性板作為整體構(gòu)造示出，其中彈性板100沿著鞋的長度延伸。然而圖4E示出了替代實施方式，在該實施方式中彈性板100僅延伸到足部的跖球，在該跖球處或其附近支架接觸彈性板10。單獨的前足彈性件然后從彈性板100的遠(yuǎn)端向遠(yuǎn)側(cè)延伸。通過這種方式，還可以為使用者提供步態(tài)輔助，同時減少或者避免彈性板100在支架與彈性板100的交叉點處的破損。前足彈性件優(yōu)選地與彈性板100重疊，即前足彈性件的近端向近側(cè)延伸超出彈性板100 的遠(yuǎn)端。彈性板100也優(yōu)選地被自由地保持在一只鞋內(nèi)，該鞋類包括本鞋式矯形器的本實施方式，即，彈性板100未被粘合或者以其它方式物理地結(jié)合到前足彈性部分120，盡管若需要也可以以本領(lǐng)域公知的方式設(shè)置將兩個結(jié)構(gòu)連接在一起的連接件。前足彈性件120可以由具有類似特性的與彈性板100相同類型的材料制成，或者另選地可以由具有與彈性板 100不同特性的材料形成。例如，如圖4B和4C的實施方式所示的前足彈性件120可以包括材料組合，或者可以包括具有與彈性板100不同的特性的單一材料。在本彈性矯形裝置的另一個實施方式中，裝置可以包括以豎直方式堆疊的多個彈性板100。圖9中示出的實施方式包括兩個彈性板，上彈性板192和下彈性板194，盡管可以使用附加的彈性板。如本彈性矯形器的其它實施方式中上彈性板192的第一腹面足跟樞軸193相對于背面足跟樞軸(如果使用)定位，但是在該實施方式中第一腹面足跟樞軸193 的下表面布置為與下彈性板194的上表面接觸或以其它方式機械地連接到下彈性板194的上表面。與下彈性板194的下表面接觸或者以其它方式機械地連接到下彈性板194的下表面的第二腹面足跟樞軸195定位在第一腹面足跟樞軸193的近端，即下彈性板192相對于第一腹面足跟樞軸193圍繞其彎曲的軸線位于下彈性板192相對于第二腹面足跟樞軸195 圍繞其彎曲的軸線的遠(yuǎn)端。附加彈性板100的使用可以允許由本彈性矯形裝置承受更大的負(fù)賀。彈性矯形器的操作彈性板100的近端112的彎矩(扭矩)，即，圍繞軸線使彈性板100彎曲的旋轉(zhuǎn)力既由彈性板100的材料特性又由軸線點60與彈性板100的近端112之間的距離來確定，在該近端112處彈性板100與表面(在大多數(shù)情況下地面或者鞋)接觸，其中該彈性板100 放置該表面上。軸線60與近端112之間的距離量決定施加在彈性板100上的杠桿作用的量，其中較短的距離提供較少的杠桿作用，從而這允許彈性板100能夠以較小偏轉(zhuǎn)(彎曲) 量吸收更多的地面反作用力。彈性板100應(yīng)該圍繞軸線點60以1°與90°之間的偏轉(zhuǎn)角， 優(yōu)選地以15°與60°之間的偏轉(zhuǎn)角的彎曲。圖10示出了施加在懸臂梁上或由懸臂梁施加的力，當(dāng)通過力使懸臂梁偏轉(zhuǎn)時懸臂梁存儲勢能。施加在彈性板100的近端112上或者由彈性板100的近端112施加的力 (F)能類似地如下表示(公式I)其中
15
L是彈性板100從背面足跟樞軸160到近端112的長度；δ是撓度E是拉伸模量(彈性模數(shù))W是彈性板100的寬度；以及H是彈性板100的高度。如在圖11和圖12中進一步示出的，當(dāng)通過使用者的足跟抵靠本裝置的支架10施加向下的踩踏力(圖10)，彈性板100圍繞腹面足跟樞軸140向下彎曲(圖12)，將踩踏力作為如彈性板100的材料中的張力的勢能存儲。然后使用者足跟的力繼續(xù)使彈性板100向下彎曲，并且當(dāng)彈性板100的近端112接觸直接位于其下面的表面(通常是鞋外底)時， 通過地面反作用力(G)使彈性板100圍繞背面足跟樞軸160向上彎曲(圖13)。該彈性板 100的雙重彎曲基本上使彈性板100的有勢力(升力)加倍(如上面公式I中所計算的)， 同時有效地將彈性板100的材料上的應(yīng)力減到最小。在步態(tài)周期的后面部分期間，當(dāng)使用者的足跟抬起時，因為彈性板100返回到其預(yù)彎曲形狀，所以通過向下踩踏力的施加而存儲在彈性板100中的勢能被釋放，從而幫助本裝置的使用者將足部帶回到水平位置處。如圖14所示，在本裝置的合并前足彈性件的實施方式中，由于地面反作用力G-I和G-2造成的彈性板100圍繞足部的跖球(在圖14中P 點處)的彎曲導(dǎo)致了附加的勢能被存儲在彈性板100中。在步態(tài)周期的該階段期間存儲在彈性板100中的有勢力(P)能被如下表示(公式II)其中L是彈性板100在施加地面反作用力G-I和G-2的點之間的部分的長度；δ是撓度；E是拉伸模量(彈性模數(shù))；w是彈性板100的寬度；以及h是彈性板100的高度。通過控制彈性板100的尺寸，樞軸的關(guān)系，或者利用的材料，可以獲得不同的“彈性因素”。例如可見上述公式對于樞軸(L)之間的距離非常敏感。假如樞軸的距離僅減少 10%，則施加在足跟上的法向力便增加40%以上。也可以通過改變彈性板的橫截面的形狀來控制施加在足跟上的法向力，改變彈性板的橫截面的形狀將增大彈性板的抗彎強度(轉(zhuǎn)動慣量)。使彈性板的厚度增加10%將會使法向力增加約35%，并且使厚度加倍將會使法向力增加800%。通過本彈性矯形裝置可以實現(xiàn)的效率和節(jié)能通過由鞋類和其它機械地連接到本裝置的支撐件所提供的杠桿作用而提高。如圖4G所示，當(dāng)25千克的力被施加到點(P，位于圖4G中的包括本裝置的靴子的殼體前面)，該點P其距離彈性板100上的支點(F) 160毫米，并且當(dāng)從支點(F)到彈性板100的遠(yuǎn)端114的距離是80毫米時，50千克的力被施加在彈性板100的遠(yuǎn)端114。這通過下列公式來表示(公式III)F1XD1 = F2XD2其中
F=所施加的力；和D=到支點的垂直距離。踝-足矯形器本彈性矯形裝置也可以被并入踝-足矯形器中以便幫助具有足部或者腿部損傷需要腿支架的個人。矯形器也可以被沒有這種損傷的人來使用，因為將矯形器的支架部分固定在使用者踝部上方能夠幫助利用來自彈性板100的遠(yuǎn)端部分的更多的扭矩。在圖5A中示出的一個實施方式中，包括前述的彈性矯形器的彈性系統(tǒng)的踝-足矯形器300包括豎直支撐件320、支架310以及支具或者緊固件330，該支具或者緊固件330用于將踝-足矯形器300附接到對象的腿部。在該實施方式中，支架310的近端312被附接到豎直支撐件320 的下端322 (或者與其一體形成)。如圖5A中所示豎直支撐件320從支架310的近端312 豎直地向上延伸，并且設(shè)計為當(dāng)穿上踝-足矯形器時布置在對象的腿部的后側(cè)附近。豎直支撐件320可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的諸如碳纖維復(fù)合材料或者塑料的剛性材料制成， 并且可以由與支架310相同的材料或者由不同的材料制成。圖5A中示出的緊固件330被附接到豎直支撐件320的上端324。還可以沿著支具330的縱向長度布置附加的緊固件330以便更好地將踝-足矯形器300固定到對象的腿部。圖5A中示出的緊固件330包括用于布置在對象的腿部周圍的帶子，但是如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所公知的可以另選地包括其它構(gòu)造或者機構(gòu)。同樣地，根據(jù)對象的需要可以以不同方式構(gòu)造豎直支撐件320。在一些實施方式中，從使用者的膝部延伸的第二豎直支撐件能在下端通過鉸接而接合到豎直支撐件320。踝-足矯形器300還包括支架310下面的彈性板301、背面足跟樞軸360以及腹面足跟樞軸340。踝-足矯形器300的上述部件與已經(jīng)在前描述的用于彈性矯形裝置的部件相同，因此這里不再進一步詳細(xì)描述。在前描述的用于本彈性裝置的附加樞軸和替代構(gòu)造也能和踝-足矯形器300 —起使用，因此這里也不再描述。圖5B示出了踝-足矯形器的另一個實施方式。圖5B的AFO的下部可以與圖5A 的相同。在圖5B的實施方式中，然而，豎直支撐件320的上部334設(shè)有把手336并且優(yōu)選地還設(shè)有緊固件332。在該實施方式中，對象可以通過以拐杖的方式抓住把手336來部分地支撐他或者她的體重，以便減輕使用者的足部上的壓力。假肢裝置圖6A示出了利用本彈性矯形裝置的彈性系統(tǒng)的假肢裝置400。該腿部假肢包括豎直支撐件420、位于支撐件420的上端424的一個或多個緊固件430、以及位于支撐件420 的下端422的水平支撐件410。在該情況下緊固件被設(shè)計為接納斷肢。在圖6A中，緊固件是容器430。假肢裝置400與圖5A的踝-足矯形器的不同之處在于，緊固件430既被構(gòu)造為將假肢裝置400附接到對象的肢體(在這種情形中是斷肢)，但是又被設(shè)計為將斷肢支撐在地面上。同樣地豎直支撐件420與垂直支撐件320的不同之處在于，它必須足夠強壯以承受在地面上方穿著假肢裝置400的個人的體重的至少一部分。水平延伸支撐件與圖5A的踝-足矯形器的支架310不同之處在于，水平支撐件 410的背側(cè)面416不必成形為接納足部的底面。如圖6A所示，假肢裝置400還包括彈性板 401，背面足跟樞軸460以及水平支撐件410下面的腹面足跟樞軸440。盡管在圖6A中未示出，至少彈性板401、背面足跟樞軸460和腹面足跟樞軸440通常將會位于殼體內(nèi)，在一些實施方式中殼體可以類似人類足部的形式。和本彈性矯形器一起使用的附加的樞軸以及上述其它特征也能被用于根據(jù)本發(fā)明的彈性假肢中。為了便于假肢裝置400的使用者的正常步態(tài)，腹面足跟樞軸440和背面足跟樞軸 460以與上述的將這些部件定位在彈性矯形器中相似的方式被定位在水平支撐件410的近端。在圖6A中示出的實施方式中，豎直支撐件420在遠(yuǎn)離腹面足跟樞軸440與背面足跟樞軸460的定位的第一點處被附接到水平支撐件410(或者與其一體形成)。然而，在替代實施方式中，垂直支撐件420能以與踝-足矯形器300的豎直支撐件320與支架310相連接的方式類似的方式在更靠近或者位于水平支撐件410的近端的位置處被附接至水平支撐件410。如圖6A所示，垂直支撐件420也可以通過交叉支撐件425在遠(yuǎn)離第一點的第二點處被連接到水平支撐件410，該交叉支撐件425在近端附接到豎直地位于下端422上方的豎直支撐件420上的點，并且在遠(yuǎn)端附接到遠(yuǎn)離豎直支撐件420的下端422附接到水平支撐件410的點的水平支撐件410上的點。在替代實施方式中交叉支撐件425可以與豎直支撐件422并且/或者水平支撐件410 —體地形成，并且不要求交叉支撐件425與豎直支撐件 420之間的空間。圖6B示出了假肢裝置的另一個實施方式，在該情況下是“膝部-助行器” 500或者用于在膝部下面受傷的肢體的臨時替代品。在該實施方式中，代替用于斷肢的容器，支具 530被附接到豎直延伸支撐件的上端424，并且設(shè)置了一個或多個緊固件532以便將對象的腿部的脛骨部分固定到支具530。在該實施方式中支具530相對于豎直支撐件420大體上水平地延伸。拐杖和附加用途圖7A和圖7B示出了利用在上述踝-足矯形器和假肢中的豎直支撐件420和豎直支撐件420下面的其它部件的拐杖。通過將把手636附接到豎直支撐件420的上端似4處或者其附近這些部件可以被用于形成拐杖600?？蛇x地，可以設(shè)置用于對象的臂部的緊固件 432。在圖7A的實施方式中，把手被近似水平地附接到拐杖600。在圖7B的實施方式中，在拐杖700的上部734中的把手736近似豎直地定位，并且用于支撐對象的臂部的水平支具 734與可選擇的緊固件732 —起設(shè)置。如圖7C中所示，本彈性矯形裝置與拐杖、踝足矯形器、或者包括將裝置支撐到使用者的腿部的其它機械裝置聯(lián)合使用，大大地增加了裝置的效率并且提供了更大的杠桿作用。例如，當(dāng)25千克的力被施加在所示的支具330上時，125千克的力被施加在彈性板100 的遠(yuǎn)端114(5 1的機械效益)。較長的支撐件，諸如拐杖，提供了附加的機械效益。在圖7C中示出的實施方式中， 通過1200毫米的支撐件可以獲得15 1的機械效益。在該實施方式中，施加在拐杖頂部的8千克的力將會導(dǎo)致在彈性板100的遠(yuǎn)端114處的125千克的力，即較長的杠桿將實現(xiàn)較大的機械效益。另選地，上述的彈性系統(tǒng)也可以被用于機器人或者其它機器或者機械裝置的運動系統(tǒng)，特別是利用支撐件或者其它附件的運動系統(tǒng)中，其中該支撐件或者其它附件被抬起到地面以上并且然后在步態(tài)周期的不同點被返回到地面以便移動機械裝置。本裝置能被用于減小由這種機械裝置所經(jīng)歷的沖擊力。該實施方式與圖6A中示出的假肢裝置40相似，除了豎直支撐件420在上端似4被附接到機器人或者其它機械系統(tǒng)的一部分，特別是附接到該裝置的鉸接接頭。在另一個替代方案中，豎直支撐件420的上端424能被附接到仿生系統(tǒng)，即，附接到擴大或者代替生理機能的機械或者機電元件。鞋類本彈性矯形裝置通常地被穿在鞋或者其它一只鞋類的內(nèi)部，并且能設(shè)計為被從鞋移除并且并入不同的鞋中。在這樣的實施方式中，彈性矯形器的腹側(cè)面向一只鞋的內(nèi)底的背側(cè)面和/或與一只鞋的內(nèi)底的背側(cè)面接觸。如圖5和圖6中所示的實施方式中，當(dāng)本裝置還包括踝-足矯形器、假肢、或者其它支撐對象的肢體的裝置時，這種裝置也能被設(shè)計為與標(biāo)準(zhǔn)鞋一起使用。在一些實施方式中，本彈性矯形裝置能以不可逆的方式被并入鞋子中，使得鞋將必須被破壞以便諸如通過切斷粘接或者縫接來移除該裝置。在該實施方式中，本彈性矯形器能代替鞋中的中底，如圖4C所示，示出了將本矯形器布置在靴子的外底上方。使用方法上述彈性矯形裝置通過吸收地面反作用力、通過分散峰值地面反作用力、并且通過在釋放由裝置的彈性板吸收的能量時向上施加力便于使用者的步態(tài)，從而減少了使用者行走所需要的能量。在超重或者下肢經(jīng)歷過損傷的個體的情況下，上述減少能量是重要的優(yōu)點。當(dāng)彈性矯形器存在于鞋中或者對象的假肢中時，使用這種矯形器的益處從足跟著地開始，當(dāng)向上的地面反作用力被施加在定位有本裝置的鞋的近端處時。彈性板100的近端112通過在足跟著地處的這種地面反作用力而圍繞背面足跟樞軸160的近端167處的軸線(或者圍繞在圖IA和圖IB的實施方式中的軸線60)被向上偏壓(彎曲)。與此同時或者此后不久，由使用者的足跟施加在支架10上的向下力圍繞腹面足跟樞軸140的近端147 處的軸線向下偏壓彈性板100的更遠(yuǎn)端處。彈性板100圍繞背面足跟樞軸160和腹面足跟樞軸140的彎曲吸收能量，該能量在步態(tài)周期中隨后被釋放。當(dāng)步態(tài)周期繼續(xù)并且使用者的體重向前，即沿著步行的方向偏移時，在彈性矯形器的近端處的地面反作用力減小。當(dāng)由于彈性板100圍繞背面足跟樞軸160和腹面足跟樞軸140的彎曲而由彈性板100施加的力的量超過抵靠彈性板100的近端部分施加的地面反作用力時，彈性板100開始沿著相反的方向彎曲，即，彈性板100的近端112圍繞在背面足跟樞軸160的近端167處的軸線向下彎曲，并且彈性板100的更遠(yuǎn)端部分圍繞腹面足跟樞軸140的近端147處的軸線向上地彎曲，從而釋放其存儲的能量。彈性板100在該點處施加向上彈力，從而減少了彈性矯形器的使用者完成步態(tài)周期的該部分所需的努力的量。當(dāng)使用者的體重在步態(tài)周期期間繼續(xù)向前偏移時，向下力被施加在彈性板100的更遠(yuǎn)端部分。彈性板100然后圍繞在腹面跖球樞軸180的近端187的軸線向下彎曲。在步態(tài)周期中稍后，當(dāng)使用者的體重繼續(xù)向前偏移時，通過使彈性板100圍繞腹面跖球樞軸180 彎曲而吸收的能量被向上施加，進一步減小了彈性矯形器的使用者完成步態(tài)周期的該部分所需的努力的量。實施例實施例1用于本彈性矯形器的彈性板由碳纖維制成。彈性板具有如結(jié)合上述公式I測量的下列特征，表2:彈性板特征
權(quán)利要求
1.一種使用在固體表面上執(zhí)行步態(tài)周期的附件來幫助運動的裝置，該裝置包括(a)水平延伸支撐件，該水平延伸支撐件具有近端、遠(yuǎn)端、上表面、以及下表面；(b)第一平面彈性板，該第一平面彈性板定位在所述水平延伸支撐件下方并且機械地連接到所述水平延伸支撐件，所述彈性板具有近端、遠(yuǎn)端、所述近端與所述遠(yuǎn)端之間的橫向側(cè)、所述近端與所述遠(yuǎn)端之間的中間側(cè)、上表面、以及下表面，其中所述水平延伸支撐件的所述近端以及所述彈性板的所述近端被豎直區(qū)域分開；以及(c)腹面樞軸，該腹面樞軸定位在所述彈性板下方并且機械地連接到所述彈性板；其中所述腹面樞軸定位所述第一平面彈性板的所述橫向側(cè)與所述中間側(cè)之間所述第一平面彈性板上的在所述步態(tài)周期的第一部分期間接收地面反作用力的點的遠(yuǎn)端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，該裝置還包括背面樞軸，該背面樞軸定位在所述水平延伸支撐件與所述彈性板之間并且機械地連接到兩者，其中所述背面樞軸定位在所述腹面樞軸的近端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述背面樞軸和所述腹面樞軸包括外表面，所述外表面具有選自由下列組成的組的截面形狀橢圓形、半球形、管狀樞軸、正方形、以及波狀外形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述背面樞軸和/或所述腹面樞軸是中空的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述水平延伸支撐件包括構(gòu)造為接收人類足部的支架。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述支架的所述遠(yuǎn)端延伸到所述第一平面彈性板上方的點，該點接近于所述第一平面彈性板上的在所述步態(tài)周期的第二部分期間接收地面反作用力的點，優(yōu)選地鄰近于對象的足部的跖球下面的點。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，該裝置還包括一個或多個腳趾樞軸，所述一個或多個腳趾樞軸在位于所述腹面樞軸的遠(yuǎn)端的點處附接到所述第一平面彈性板的所述下表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述水平延伸支撐件由選自由下列組成的組的材料制成碳纖維、金屬、乙烯醋酸乙烯酯、尼龍、聚乙烯、聚丙烯、聚亞安酯、碳纖維、或者玻璃纖維。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述第一平面彈性板由選自由下列組成的組的材料制成碳纖維、聚碳酸酯塑料、以及鋼鐵，優(yōu)選地碳纖維包括凱夫拉爾纖維和/或玻璃纖維。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述彈性板包括多種材料，其中所述多種材料中的每種材料都具有選自由下列組成的組的不同的特性彈性系數(shù)、彈性模數(shù)以及抗張強度。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述第一平面彈性板的所述遠(yuǎn)端包括向下延伸的凸起形式，其中所述凸起形式優(yōu)選的是半球形的。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，該裝置還包括具有近端和遠(yuǎn)端的豎直延伸的支撐件， 其中所述遠(yuǎn)端被機械地連接到所述水平延伸支撐件的所述上表面。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，該裝置還包括附接到所述豎直延伸支撐件的所述近端的把手，從而形成拐杖。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，該裝置還包括附接到所述豎直延伸支撐件的所述近端的支具，其中所述支具水平地延伸并且被設(shè)計為接納一對象的膝部下方的腿部的一部分。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，該裝置還包括附接在所述豎直延伸支撐件的所述近端的把手或者連接件，從而形成踝_足矯形器。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中，所述豎直延伸支撐件在所述遠(yuǎn)端附接到用于斷肢的容器，從而形成假肢。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中，所述豎直延伸支撐件的所述遠(yuǎn)端被機械地連接到機械裝置。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，該裝置還包括定位在所述第一平面彈性板下面的第二平面彈性板，以及第二腹面樞軸，該第二腹面樞軸定位在所述第二彈性板下方并且在定位在所述第一平面彈性板下方的所述腹面樞軸的近端側(cè)被機械地連接到所述第二平面彈性板。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，該裝置還包括從所述第一平面彈性板的所述遠(yuǎn)端向遠(yuǎn)側(cè)地延伸的平面前足彈性件。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述裝置被保持在一只鞋中。
全文摘要
一種彈性矯形裝置，該彈性矯形裝置包括用于接觸使用者的足部的支架、在所述支架下面的彈性板、在所述彈性板下面的腹面樞軸，以及所述彈性板上方并且在所述支架下方位于所述腹面樞軸的近端的背面樞軸。
文檔編號A43B7/14GK102368923SQ201080014523
公開日2012年3月7日 申請日期2010年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月8日
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