弹性矫形装置 背景技术 通常， 鞋包括内底， 即鞋的内底部、 与地面接触的外底、 以及在一些情况下的在外 底与内底之间的中底。中底的目的通常是用作减震器以吸收步行的冲击并提供额外的缓 冲， 并且为此通常使用诸如 EVA 和聚氨酯的材料。
矫形插入件， 也称作脚弓垫， 是放置在鞋中位于内底之上或者代替内底的插入件。 矫形件用于校正足部对齐以及在行走期间的左右移动， 从而不但减小足部的疼痛而且减小 诸如膝部、 臀部和下背部的身体的其它部分的疼痛。它们也能增加不稳定接头处的稳定性 并且防止畸形的足部发展为附加的问题。刚性矫形装置通常通过铸造模型而制成， 并且能 够由诸如塑料或碳纤维的材料制成。
还已知插入鞋中的碳纤维和钢板用于使鞋的鞋底加强。 这种插入件能够为有关节 炎的个人提供额外的舒适。
发明内容 与进化成可支撑的力相比， 现代人类环境中的硬表面 ( 石头、 混凝土和沥青 ) 的使 用已经改变了人类肌肉骨系统所遇到的力。来自这样的表面的冲击能量通过压缩 / 纵波进 入身体， 较高频率和较短长度的波通过多骨且致密的组织， 并且较低频率和较长长度的波 通过软组织和脂肪组织。然后这种冲击能量被转换成破坏力、 肌肉和肌腱的势能、 热量、 以 及有时成为导致外伤的身体上的损伤。 一些个人所经历的体重的增加以及锻炼和健康的普 遍减少能使这种身体上的损伤加重。
本发明提供了一种减轻由于与地面撞击而由对象所经历的身体上的损伤和伤害 的装置。本装置包括简单的弹性机械三倍矫形接头 / 弹性矫形器， 该三倍矫形接头 / 弹性 矫形器产生一种机械效益， 该机械效益用于提高有能力且较少活动的个人的步态效率和稳 定性， 而同时提供对刺伤的保护。
本装置对于帮助运动是有用的， 该运动利用诸如人类肢体的附件， 该附件在固体 表面上执行步态周期。所述装置包括 ：
(a) 下表面 ；
(b) 第一平面弹性板， 该第一平面弹性板定位在水平延伸支撑件下方并且机械地 连接到该水平延伸支撑件， 所述弹性板具有近端、 远端、 所述近端与所述远端之间的横向 侧、 所述近端与所述远端之间的中间侧、 上表面、 以及下表面， 其中所述水平延伸支撑件的 所述近端以及所述弹性板的所述近端被一竖直区域分开 ； 以及
(c) 腹面枢轴， 该腹面枢轴定位在所述弹性板下方并且机械地连接到所述弹性板， 其中所述腹面枢轴定位在所述第一平面弹性板的所述横向侧与所述中间侧之间所述第一 弹性板上的在所述步态周期的第一部分期间接收地面反作用力的点的远端。
本装置优选地还包括背面枢轴， 该背面枢轴定位在所述水平延伸支撑件与所述弹 性板之间并且机械地连接到两者， 所述背面枢轴定位在所述腹面枢轴近端。所述背面枢轴 和所述腹面枢轴可以包括外表面， 该外表面具有例如可以是椭圆形、 半球形、 管形、 正方形
或波状外形的截面形状， 或者所述枢轴也可以是中空的。一个或多个脚趾枢轴也可以在远 离所述腹面枢轴定位的点处被附接到所述第一平面弹性板的所述下表面。
所述水平延伸支撑件可以由选自由下列组成的组的材料制成 ： 碳纤维、 金属、 乙烯 醋酸乙烯酯、 尼龙、 聚乙烯、 聚丙烯、 聚亚安酯、 碳纤维、 或者玻璃纤维。 所述水平延伸支撑件 还可以形成构造成接纳人类足部的支架， 并且优选地所述支架的所述远端延伸到所述第一 平面弹性板上方的点， 该点接近于所述第一平面弹性板上的在所述步态周期的第二部分期 间接收地面反作用力的点， 优选地邻近于对象的足部的跖球下面的点。
所述第一平面弹性板由选自由下列组成的组的材料制成 ： 碳纤维、 聚碳酸酯塑料、 以及钢铁， 优选地碳纤维包括凯夫拉尔 (KEVLAR) 纤维和 / 或玻璃纤维。所述第一平面弹性 板还可以由多种材料制成， 多种材料中的每种材料都具有选自由弹性系数、 弹性模数以及 抗张强度组成的组的不同的特性。 所述第一平面弹性板的所述远端还可以包括向下延伸的 凸起形式， 其中所述凸起形式优选的是半球形的。
在附加的实施方式中， 本装置能够附接到具有近端和远端的竖直延伸支撑件， 所 述远端机械地连接到所述水平延伸支撑件的所述上表面。 通过将把手附接到所述竖直延伸 支撑件的所述近端可以形成拐杖。 通过将支具附接到所述竖直延伸支撑件的所述近端可以 形成踝足矫形器 (AFO)。通过将用于断肢的容器连接到所述竖直延伸支撑件的所述远端可 以进一步形成假肢。 所述竖直延伸支撑件的所述远端也能被机械地连接到诸如机器人或者 仿生机构的机械装置。 附图说明
图 1A 是本弹性矫形装置的实施方式的立体图 ； 图 1B 是本弹性矫形装置的另一个实施方式的立体图 ； 图 2A 是本弹性矫形装置的另一个实施方式的正视立体图 ； 图 2B 是图 2 的弹性矫形器的后视立体图 ； 图 3A 是本弹性矫形装置的一个实施方式中的支架的的俯视图 ； 图 3B 是本弹性矫形装置的一个替代实施方式中的支架的底面的俯视图 ； 图 3C 是在本弹性矫形装置的另一个替代实施方式中的支架的底面的俯视图 ； 图 4A 是在本弹性矫形装置的一个实施方式中的弹性板的底面的俯视图 ； 图 4B 是弹性板的一个实施方式的俯视图 ； 图 4C 是弹性板的另一个实施方式的俯视图 ； 图 4D 是本具有剪切减少构造的本弹性矫形装置的一个实施方式的立体图 ； 图 4E 是在靴子中的本弹性矫形装置的一个实施方式的侧剖视图 ； 图 4F 是在靴子中的包括前足弹性件的本弹性矫形装置的另一个实施方式的侧剖 图 4G 示出了通过将本弹性矫形装置与鞋一起使用而提供的机械效益 ； 图 5A 是合并本弹性矫形装置的踝足矫形器的立体图 ； 图 5B 是合并本弹性矫形装置的替代的踝足矫形器的立体图 ； 图 6A 是包括本弹性矫形器的假肢的立体图 ； 图 6B 是包括本弹性矫形器的膝部助行器的立体图 ；5视图 ；
102368923 A CN 102368932
说明书3/19 页图 7A 是包括本弹性矫形装置的拐杖的立体图 ； 图 7B 是包括本弹性矫形装置的替代的拐杖的立体图 ； 图 7C 示出了通过将本弹性矫形装置与踝足矫形器和拐杖一起使用而提供的机械 图 8 是具有增强的耐穿刺性的本弹性矫形装置的实施方式的俯视立体图 ； 图 9 是利用两个弹性板的本弹性矫形装置的一个实施方式的仰视立体图 ； 图 10 是示出施加在本弹性矫形装置中的预加载的弹性板的足跟上的力的曲线 图 11- 图 15 示出了本弹性矫形装置的操作 ； 图 16 是示出包括合并本弹性矫形装置的鞋的纵跳测试的结果的图 ； 图 17 是示出包括合并本弹性矫形装置的鞋的立定跳远测试的结果的图。效益 ；
图；
具体实施方式
定义
如本文所使用的， 除非由使用该术语的上下文中清楚地指出不同的含义， 否则以 下术语和其变型具有如下含义。 当本装置被布置成用在地面上或者旨在使用本装置的其它表面上时， 相对于本装 置中的一个的部件的 “上方” 和 “下方” 描述这些部件的定位。例如， 如本文所述的弹性板位 于支架下方， 当弹性板的底面面向地面和 / 或布置有该装置的鞋时该弹性板连接到支架。
“踝 - 足矫正器” (AFOs) 是包围踝关节以及全部或者部分足部的矫正器或者支具。
“附件” 指的是附接到或者以其它方式连接到个人身体或者机构或者其它结构的 突出部。本文提到的附件是用于运动的附件， 诸如肢体 ( 例如， 由拐杖支撑的腿或者臂 ) 或 者用于运动机构的支撑件。这种附件通常铰接到身体或者机构。
足部的 “弓形结构” 或者 “多个弓形结构” 指的是由跗骨与跖骨形成的以及由相关 联的韧带和腱形成的弓形结构， 该弓形结构使得能通过足部支撑体重。
“轴线” 指的是某物围绕其弯曲或者旋转的点或者线， 具体地本装置中弹性板的一 部分围绕其进行弯曲。
足部的 “跖球” 指的是人的足部在脚趾与弓形结构之间的脚底的垫部分， 当足跟抬 起时身体的重量支撑在该跖球上。
“跟骨结节” 是跟骨的下端和后端， 或者跟骨， 形成足跟的突出部。
“碳纤维” 指的是由直径大约 0.005-0.010 毫米的极细纤维组成并且大部分由碳 原子构成的材料。 碳原子以相对于纤维的长轴线以大致平行的方式对齐的显微晶体结合在 一起。晶体对齐使得纤维对于其尺寸来说是强壮的。几千个碳纤维能够拧在一起以形成纱 线， 纱线可以单独地使用或者织成织物。碳纤维具有许多不同的编织式样并且能与塑料树 脂相结合并且缠绕或者模制以形成诸如碳纤维增强塑料 ( 也被称作碳纤维 ) 的复合材料以 提供高的强度重量比的材料。
“复合材料” 是由两个或多个物理或者化学特性显著不同的组分材料制成的材料， 所述组分材料在完成的结构中在肉眼可见的水平上保持分离和不同。
如本文所用的 “支架” 是指向位于支架下方的一个或多个枢轴提供支撑的水平延
伸的刚性或者半刚性结构件。当用于本发明的足部矫正实施方式中时， 支架可以具有与人 的足部的底面的至少一部分相符合的上表面， 以矫形装置的上表面插入到鞋中的方式， 从 而帮助使足部和踝部稳定。在一些实施方式中， 支架的上表面形成为与具体的使用者的足 部的形状和曲率相匹配， 如下所述， 而在其它的实施方式中矫正器的上表面可以包括大致 与使用者中的至少一部分子群的足底的形状相匹配的形状。 在本装置中使用的支架是刚性 的。
“拐杖” 是用于在运动期间利用除了腿或者足部以外的肢体或者身体部分支撑受 试人的刚性支撑件。
“背面” 是指当支架的腹侧面以及本弹性矫正装置的弹性板面向地面时远离地面。
“足部” 是用于运动的由对象所用的腿或者其它支撑件的下端。
“足部矫正器” 指的是帮助下端 ( 足部、 踝部、 膝部或者腿部 ) 运动的矫正器。
“鞋类” 指的是鞋、 靴子、 以及其它穿在脚上以便保护脚不受环境和 / 或装饰品影响 的覆盖件。
“步态” 指的是在步行、 跑步、 或者利用诸如人的肢体的附件实现的其它运动形式 的过程中由对象所采取身体动作。 “步态周期” 是重复执行以利用附件完成运动的一系列动作。 从一个活动 ( 例如， 当 涉及足部的使用时， 足跟着地 ) 到下一次发生利用相同附件的相同活动来测量步态周期。
“地面反作用力” 是指由地面对接触其的身体施加的力。
如本文所用的 “地面” 可以指的是本发明装置和 / 或包括本发明装置的鞋类接触 到的任何固体表面， 包括地板、 人行道、 泥土、 岩石以及本装置的使用者在其上行走的其它 表面。
“把手” 指的是设计成被握持以便使用或者移动物体的物体的突出部或者其它附 件。
足部的 “足跟” 指的是足部的后端 ( 与正常的移动方向相反 )， 足跟在人类足部中 是弓形结构后面的脚底的垫部分。
“足跟着地” 指的是在向前运动期间当对象的足跟 ( 或者覆盖对象的足部的鞋的鞋 跟 ) 首先接触地面时步态周期的瞬间。
“水平的” 是指在大体上平行于地面或者在地面 30°内， 更优选地 15°内的方向 中。
“撞击疾病” 指的是在运动期间由对象的足部在地面上的冲击力所产生的对象的 一种或多种身体状况， 或者对于一种或多种身体状况这种力是起作用的因素。这种疾病包 括足底筋膜炎、 阿基里斯肌腱炎、 膑腱炎、 胫骨后肌腱炎、 补偿扁平足、 骨关节炎、 腱鞘炎、 臀 部和骶髂骨机能障碍、 脊椎炎、 和下背病变。
“内底” 指的是使用者的足部支撑在其上的一只鞋的一部分。
“横向” 是指朝向足部的外侧， 即， 朝向通常放置最小的 ( 小趾 ) 脚趾的侧面。
“运动” 指的是通过个体对象的移动。
“机械地连接” 是指通过基于直接物理接触的连接或者通过另一种机械结构物理 地连接。 例如下述的背部足跟枢轴提供了一些实施方式中的支架与本装置的弹性板之间的 机械地连接。机械连接可以包括粘合剂或者机械地连接的固定结构的其它装置使用。
“中间的” 是指朝向足部的内部， 即朝向通常放置大脚趾的侧面。
“中底” 指的是位于一只鞋的内底与外底之间的该只鞋的一部分。
“矫正器” 是指外部地应用到身体的一部分以支撑部分身体、 矫正畸形、 减轻疼痛、 和 / 或改善一部分身体的机能的装置。
“外底” 指的是鞋或者靴子外底部， 该外底部包括鞋的底面并且与地面接触。
“枢轴” 指的是诸如轴、 梁或者突起的刚性件或结构件， 该枢轴支撑围绕由枢轴的 长度限定的轴线弯曲或者转动的另一个结构件， 并且其受到大致来自垂直于其长度的方向 的弯曲应力。
“平面 “指的是主要沿着二维延伸的结构件， 即， 该结构件的长度和宽度均比厚度 大， 优选地至少 5 倍大， 更优选地至少 10 倍大， 并且甚至更优选地至少 20 倍大。
“假肢” 指的是替换缺失的身体部分的机械装置。
“鞋” ， 如本文使用的， 指的是为足部提供支撑或者保护的足部覆盖件， 包括诸如足 部支具的治疗用足部覆盖件， 以及诸如靴子、 礼服鞋、 以及运动鞋的传统的鞋子。鞋子还可 以覆盖假脚。
“弹性板” 指的是包括可以弹性地变形以存储机械能的一种或多种材料的平面装 置。 “对象” 指的是如本文所述的弹性矫形装置的使用者。对象通常是人类， 尽管本系 统也可能被动物或者机械装置使用。
“脚趾离地” 指的是的在向前运动期间在对象的足部 ( 或者对象的足部下面的鞋或 装置 ) 与地面之间发生最后接触时步态周期的瞬间。
“腹面” 是指当支架的腹侧面和本弹性矫形装置的弹性板面向地面时朝向地面。
“竖直 “指的是朝向或远离地面并且不是水平的方向。
如本文所用的， 术语 “包括” 以及诸如 “包括着” 与 “包括” 的术语的变型并不旨在 排除其它附加物、 部件、 整体或者步骤。术语 “一个” 、 “一种” 和 “该” 以及本文使用的类似 的所指对象被解释为覆盖单数和复数， 除非它们的用法在上下文中表示其它含义。
足部矫形装置
图 1A 示出了本弹性矫形装置的一个实施方式。在该实施方式中， 本弹性矫形装置 包括支架 10、 至少一个枢轴 50、 以及弹性板 100。支架 10 由刚性或者半刚性材料形成并且 包括近端 12、 远端 14、 中间端 13、 侧端 15、 以及大体上平的背侧面 16。背侧面 16 具有在中 间端 13 与侧端 15 之间的宽度， 以及在近端 12 与远端 14 之间的长度， 这足以接触并为使用 者的足部的足跟的下部和腹侧面提供支撑。
优选地， 支架 10 的背侧面 16 成形为至少与使用者足部的足跟部分的轮廓相匹配， 并且在支架 10 向远端延伸以接触使用者的足部的脚趾实施方式， 诸如图 1A 的实施方式中， 支架 10 优选地还成形为与使用者足底的其余部分的轮廓相匹配。也就是说， 如图 1A 所示， 支架 10 的背侧面 16 包括与使用者足底的形状或者轮廓相反的形状。在诸如图 1B 的其它 实施方式中， 支架 10 仅从近端 12 的足跟部分延伸到接近脚趾的点 ( 当支架由使用者穿着 时 )， 并且优选地邻近或者接近使用者足部的跖球， 尽管优选地支架 10 向远端充分延伸从 而支撑使用者足部的足弓。 延伸到使用者足部的跖骨头的近端的点的支架降低了跖骨头下 面的压力并且能够减少应力骨折。
在这样的实施方式中， 支架 10 的背侧面 16 优选地形成为与特定使用者的足底相 匹配。在该情况下， 支架 10 能够由诸如乙烯醋酸乙烯酯的聚合材料形成并且以与目前成形 的聚合物矫形器相同的方式成形以便与使用者足部的轮廓相匹配。在其它实施方式中， 支 架的背侧面另选地可以包括与普通使用者的足部的形状相反的形状， 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 的远端并且包括高于 足跟凹入部 17 的最低点的表面， 该最低点如当本弹性矫形器被放置在地上或鞋中时被测 量， 其中支架的腹侧面 18 面向地面。
在另一替代方案中， 支架 10 的背侧面 16 可以包括不同的形状， 并且有时可以是平 的。背侧面 16 还能在治疗上被构造轮廓， 在生物力学上被平衡或以其它方式改进以便实施 治疗矫正。在一些实施方式中支架 10 的背侧面 16 包括与使用者的足底的轮廓相匹配的表 面并且尽可能地或者实际地多接触使用者的足底的表面， 这是有利地， 因为抵靠使用者的 足底施加的地面反作用力因此尽可能多地分散在使用者的足底的表面积上， 从而降低了抵 靠使用者的足底上的任何具体点施加的力的量。
为了便于横跨使用者足部的表面的底侧分散地面反作用力， 支架 10 优选地由诸 如碳纤维、 金属、 乙烯醋酸乙烯酯、 尼龙、 聚乙烯、 聚丙烯、 聚亚安酯、 碳纤维、 或者玻璃纤维 的刚性或者半刚性的材料形成。这样的材料通常具有至少约 0.001， 更优选地至少约 0.05， 并且甚至更优选地至少约 0.1 的剪切模量， 尽管其可以更高， 但是更大的刚性是优选的。
在优选的实施方式中， 支架由抗穿刺的材料形成。 例如， 支架能由多个碳纤维材料 层来形成， 优选地包括合并凯夫拉尔对位芳族聚酰胺合成纤维的一个或多个层。优选地， 这种支架包括 2 层或更多层的包括凯夫拉尔纤维的碳纤维材料， 更优选地包括 4 层或更多 层， 并且甚至更优选地包括 8 层或更多层。鉴于碳纤维的刚性， 当在该实施方式中使用碳纤 维或者其它相对刚性的材料时， 支架优选地向远端地延伸不超过邻近使用者足部的跖球的 点， 以便使使用者正常地行走。这种支架可以是几毫米厚诸如在 2 与 8 毫米厚之间， 更优选 地在 4 与 7 毫米厚之间， 以便为使用者足部的近端部分提供保护。在图 8 中示出了这种支 架。本弹性矫形装置和 / 或合并本实施方式中的本弹性矫形装置的鞋类还优选地符合美国 材料试验学会 (ASTM) 标准编号 F2412-05 的耐穿刺性标准 (2005 年 3 月 1 日批准的， 2005 年三月出版的， 用于足部保护的标准试验方法 )。
弹性板 100 位于支架 10 腹侧面 18 下面。弹性板 100 包括近端 112、 远端 114、 中 间侧 113、 横向侧 115、 背侧面 116 以及腹侧面 118。弹性板 100 的构造通常是平面的， 并且 由优选地刚性比支架 10 小的材料形成并且具有较高的弹性模数。尽管本文描述的所有弹 性板 100 都包括单片的大体上平面的材料， 但是应当理解， 多片材料也可以用于与本弹性 矫形装置结合的弹性板， 这多片材料机械地相互连接或者连接到另一个结构从而围绕由枢 轴 50 限定的轴线或者轴可变形并且在大体上平面的构造中定向。
弹性板 100 在其近端 112 的远侧点处机械地连接到支架 10， 并且还优选地至少位 于弹性板 100 的远端 114 处或远端 114 近侧的另一点处。在图 1A 和图 1B 示出的实施方式 中， 支架 10 的腹侧面 18 与弹性板 100 的背侧面 116 直接接触。然而在其它实施方式中， 诸 如图 2A 和图 2B 的实施方式中， 支架 10 和弹性板 100 能被经由诸如图 2A 和图 2B 所示的背 面足跟枢轴 160 的另一个机械结构在近端 12 和 112 附近连接。
本弹性矫形器的一个重要特征是， 在没有布置在支架上的负荷的情况下， 必须在支架 10 的近端 12 与弹性板 100 的近端 112 之间维持垂直距离。这在使用者的步态的足 跟着地部分期间允许弹性板 100 的近端 112 被向上， 即朝向支架 10 的近端 12 的腹侧面 18 偏压。当弹性板 100 被以这种方式偏压时， 它在足跟着地期间吸收一些地面反作用力。此 外， 在步态周期中当使用者的重量由足跟转移到使用者足部的脚趾部分时由弹性板 100 吸 收的能量然后被释放， 从而方便步行。
鉴于需要在支架 10 的近端 12 与弹性板 100 的近端 112 之间保持距离， 在图 1A 和 图 1B 的实施方式中， 支架 10 的腹侧面 18 自其与弹性板 100 接触的点从弹性板 100 的背侧 面 116 向上延伸， 并且支架 10 应该由足够刚性的材料形成以在步态周期的至少一部分期间 当使用者足跟抵靠支架 10 施加向下的力时保持距离。在图 2A 和图 2B 的实施方式中， 支架 10 的近端 12 与弹性板 100 的近端 112 之间的距离至少部分地被邻近支架 10 与弹性板 100 的近端并且定位在它们之间的背面足跟枢轴 160 所保持。
图 1A 和图 1B 的实施方式中的支架 10 的腹侧面 18 与弹性板 100 的背侧面 116 之 间的接触点充当轴线， 当抵靠弹性板 100 的近端 112 施加向上的地面反作用力时弹性板 100 能围绕该轴线弯曲。 在接触支架 10 的底面之前在近端 112 行进的距离范围内由弹性板 100 的近端 112 经历的变形量应该在弹性板 100 的弹性极限以内。 腹面足跟枢轴 140 定位在弹性板 100 下面腹侧， 该腹面足跟枢轴 140 具有中间端 143、 横向端 145、 背侧面 146、 腹侧面 148、 近端 147 以及远端 149。腹面足跟枢轴 140 提供 了弹性板 100 围绕其发生弯曲的第二轴线。当向下力通过使用者的足跟施加到支架 10 上 时， 该力的一部分施加到腹面足跟枢轴 140 的近端并且致使弹性板 100 向下弯曲， 即， 使得 腹侧面 118 在弹性板 100 的近端 112 处变得更接近地面。
腹面足跟枢轴 140 和其它枢轴 50 优选地是纵向的， 优选地延伸横跨弹性板 100 的 宽度的至少 70％， 并且更优选地延伸横跨宽度的至少 90％或者横跨弹性板 100 的全部宽 度， 尽管在一些实施方式中多个枢轴 50 能够用于形成弹性板 100 能围绕其弯曲的轴线。在 图 2A 和图 2B 中示出的枢轴 50 具有椭圆形或者半球形的横截面， 但是也能使用不同形状的 枢轴， 例如管状枢轴、 具有正方形横截面的杆、 波状外形的枢轴、 或者其它形状的枢轴。 在本 领域技术人员能根据弹性板 100 的特性以及枢轴在本弹性矫形装置内的布置而为枢轴 50 确定适当的形状和材料。
如图 2A 和图 2B 所示， 如果枢轴 50 由足够刚性的材料形成则枢轴 50 可以是中空 的 ( 以便减小本弹性矫形器的重量 )， 但是它们还可以由一片实心材料形成。 在一个实施方 式中， 背面足跟枢轴 160 可以与支架 10 整体模制。使用中空枢轴， 特别是凸起的中空枢轴 的一个优点在于， 它们可以通过被设计为在小于使用者足骨会将断裂的压力的压力下破裂 或者变形而为使用者提供额外的冲击保护， 从而保护使用者免于包括足骨的应力骨折的骨 折。
在一些实施方式中， 腹面足跟枢轴 140 可以包括鞋的一部分， 诸如鞋底的一部分， 其与弹性板 100 机械地连接。在这样的实施方式中， 在弹性板 100 的近端 112 下面的鞋的 部分将提供足够的间隙， 即在弹性板 100 的腹面 118 与鞋底之间的垂直空间， 以便当在步态 周期的足跟着地部分期间诸如通过使用者的足跟在弹性板 100 的近端 112 施加向下的压力 时允许弹性板 100 的近端 112 竖直地向下弯曲。
腹面足跟枢轴 140 优选地横跨弹性板 100 的宽度的至少一部分， 即在弹性板 100
的中间侧 113 和横向侧 115 之间纵向延伸。腹面足跟枢轴 140 的纵向长度， 即中间端 143 与横向端 145 之间的距离， 优选地当通过使用者的足跟施加向下的足跟压力时， 足以允许 弹性板 100 的整个宽度围绕由腹面足跟枢轴 140 形成的轴线点均匀地弯曲。这允许弹性板 更多地弯曲， 从而当通过使用者的足跟在弹性板 100 上施加向下压力时提供待利用的更多 的弹力。为此， 腹面足跟枢轴 140 应该也足够地刚性以允许弹性板 100 围绕由腹面足跟枢 轴 140 形成的轴线点弯曲。在使用者的步态的足跟着地部分期间， 当向下的足跟压力被施 加到弹性板 100 的近端 112 时， 由腹面足跟枢轴 140 形成的轴线点位于或者邻近腹面足跟 枢轴 140 的近端 147。
在前面的描述中， 可以看出本弹性矫形装置的弹性板 100 在使用者的步态的足跟 着地部分期间经受双重弯曲， 从而比假如弹性板 100 仅围绕单个轴线弯曲的情况吸收更大 量的力。由于通过使用者的足部的足跟施加的向下的力而发生围绕由腹面足跟枢轴 140 形 成的轴线的第一弯曲， 而在图 1A 和图 1B 的实施方式中发生围绕由支架 10 的腹侧面 18 接触 弹性板 100 的背侧面 116 的点形成的轴线点的第二弯曲。在图 2A 和图 2B 的实施方式中， 第二弯曲轴线出现在背面足跟枢轴 160 的腹侧面 168 处或者附近， 在该腹侧面 168 处或附 近背面足跟枢轴 160 与弹性板 100 接触。 在图 2A 和图 2B 所示的优选的实施方式中， 第二枢轴 50， 即背面足跟枢轴 160 布 置在支架 10 的腹侧面 18 与弹性板 100 的背侧面 116 之间。背面足跟枢轴 160 布置在为由 腹面足跟枢轴 140 形成的轴线点的近端的期望的轴线点处。背面足跟枢轴 160 优选地具有 与腹面足跟枢轴 140 相似地物理和结构特征， 并且能由与腹面足跟枢轴 140 相同或者相似 的材料制成。背面足跟枢轴 160 同样包括机械地连接到支架 10 的腹侧面 18 的背侧面 166 以及与弹性板 100 的背侧面 116 机械连接的腹侧面 168。背面足跟枢轴 160 还包括中间侧 163、 横向侧 165、 近端 167、 以及远端 169。
优选地， 背面足跟 160 位于弹性板 100 的近端 112 附近， 以便仅在出现弯曲轴线的 背面足跟枢轴 160 的近端 167 与弹性板 100 的近端 112 之间提供相对短的距离。 如上所述， 通过提供该更短的距离， 可以抵靠弹性板 100 的近端 112 施加较少的杠杆作用， 并且弹性板 100 由此能够在较小弯矩期间吸收更多的地面反作用力。 在一个优选的实施方式中， 背面足 跟枢轴 160 位于弹性板 100 的近端 112 的约四厘米内， 并且在更优选的实施方式中， 背面足 跟枢轴 160 位于弹性板 100 的近端 112 的约一厘米内。
在使用者足跟上的峰值压力点位于跟骨结节下面的足跟的表面上的点处。因此， 在优选的实施方式中， 当使用者的足跟与支架 10 的背侧面 16 接触时背面足跟枢轴 160 竖 直地布置在跟骨结节下方。在支架 10 的背侧面 16 包括足跟凹入部 17 的实施方式中， 背面 足跟枢轴 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 枢轴 160。
背面足跟枢轴 160 的长度优选地大于其宽度， 并且背面足跟枢轴的长度优选地从 支架 10 的中间端 13 或者附近的点延伸到支架 10 的背侧面 16 上的横向端 15 或者其附近 的点。背面足跟枢轴 160 的长度也优选地近似垂直于支架 10 的纵轴线。图 1A 至图 2B 的 实施方式采用这种枢轴， 其中枢轴沿着其纵轴线是圆形的使得弹性板 100 沿着背面足跟枢 轴 160 的表面平滑地弯曲。 圆形枢轴在使用碳纤维弹性板 100 的实施方式中通常是优选的， 因为在这样的实施方式中在枢轴 50 中使用较锐利的角度可能趋于破坏碳纤维。在其它实
施方式中， 背面足跟枢轴 160 的长度能相对于支架 10 的纵向长度成诸如 5 度、 10 度、 15 度、 30 度或者其它期望的角度。
在诸如图 3A 至图 3C 中示出的替代实施方式中， 背面足跟枢轴 160 可以包括沿着 其纵向长度的一个或更多平面或者曲面。 在图 3A 的实施方式中， 设置了下平面 161， 该下平 面 161 接触并且优选地固定到弹性板 100。近端平面 162 从枢轴的下表面 161 向近侧延伸 到支架 10 的背侧面 18， 同时腹面平面 164 从枢轴的下表面 161 向远侧延伸到支架 10 的腹 侧面 18。设置以限定的角度相交的平面， 诸如图 3A 中的表面 161 和表面 162， 允许弹性板 100 更急剧地弯曲并且影响本弹性矫形装置的弹性特征。角度可以是 90 度， 或者可以是如 图 3A 所示的诸如 20 度、 30 度、 45 度或者其它期望角度的锐角。此外， 以限定的角度接合的 多个平面也能被设置在支架的下表面 161 与腹侧面 18 之间以便提供不同的弹性特征。
在图 1A 至 3A 的实施方式中， 示出了背面足跟枢轴 160， 其中这样的枢轴的下表面 161 沿着它们的纵向长度近似与支架 10 的背侧面 18 平行。图 3B 示出了枢轴的另一个替代 实施方式， 其中与足跟枢轴的其它横向侧相比， 枢轴在一个横向侧上升高， 使得下表面 161 相对于支架 10 的背侧面 18 形成斜角。在所示的实施方式中， 横向侧 165 比中间侧 163 从 背侧面 18 延伸的更远， 尽管其中中间侧 163 比横向侧 165 从背侧面 18 延伸更远的实施方 式也是可能的。图 3B 的实施方式能够帮助矫正脚的翻转或者外翻 ( 内转 )， 并且还能够帮 助稳定脚踝并且抬起足弓。 除具有平面的背面足跟枢轴 160 之外， 这种枢轴可以另选地包括替代的形状， 如 在图 3C 的实施方式中， 该替代形状包含或者包括波状表面。在该实施方式中， 背面足跟枢 轴包括半球形的下表面。在该实施方式中枢轴 50 允许脚踝加强以及腿部和臀部的灵活性。
在一些实施方式中， 还可能有利的是包括支柱， 即附接或者以其它方式机械地连 接到弹性矫形装置的刚性支撑件。该支柱提供了进一步的机械效益并且增加了装置的效 率， 并且能够帮助防止使用者的足跟抬起， 即与装置的支架 10 的表面或者支架上方的鞋内 底失去接触并且分离。
弹性板
本弹性矫形器的其中一个优点在于， 当使用者经历了足部的损伤或者其它伤害， 特别是， 由肥胖、 糖尿病、 竞技性运动和锻炼导致的伤害时， 减小抵靠使用者的足部底面施 加的峰值地面反作用力。通过减少抵靠该使用者足部底面施加并且传递到使用者身体内 的地面反作用力， 本弹性矫形设备减少了疼痛以及对使用者的足部和 / 或身体的其它部分 ( 诸如脚踝、 臀部、 膝部和下背部 ) 的进一步的伤害或者损伤。鉴于对大于平均体重的使用 者的额外益处， 弹性板 100 优选地构造为吸收抵靠大于平均体重 ( 目前在美国对于女性来 说是 72 公斤， 男性是 86 公斤 ) 的个人施加的地面反作用力的 2％以上， 更优选地 10％以上， 并且甚至更优选地 50％以上。 更优选地， 对于人口中的个体体重占第 95％的， 或者约 113 千 克与 122 千克之间的个人， 弹性板 100 能构造为吸收相似的地面反作用力。在一些例子中， 弹性连接器能被构造为吸收诸如 80 千克的体重的平均更大体重的个体的地面反作用力。
本弹性矫形装置的弹性板 10 由在运动期间通过抵靠装置施加的力而弹性地变形 的材料形成以便存储并然后释放机械能。弹性板 100 可以由能弯曲的多种材料中的任何一 种来形成以便存储并释放机械能， 包括诸如聚碳酸酯塑料的塑料和诸如钢铁的金属。 然而， 在优选的实施方式中， 弹性板 100 由诸如碳纤维的复合材料形成。例如， 玻璃与碳纤维复合
层压材料可以被用于形成本弹性板 100。 由于材料钢度的增加和重量的减小， 因此具有大比 值的弹性模数 ： 密度的材料是理想的。下面的表 1 示出了能够由碳纤维材料提供的弹性模 数： 密度的有利的比值 ：
表1： 弹性模数比密度
在图 4A 中示出的另一个实施方式中， 本弹性矫形器的弹性板可以包括诸如腹面 跖球枢轴 180 和 / 或脚趾枢轴 200 的其它枢轴 50。腹面跖球枢轴 180 包括中间端 183、 横 向端 185、 背侧面 186、 腹侧面 188、 近端 187、 以及远端 189。腹面跖球枢轴 180 以与腹面足 跟枢轴 140 相似的方式与弹性板 100 的腹侧面 118 相关联地定位， 但是位于腹面足跟枢轴 140 的远端。 当使用者的步态转变到步态周期的脚趾离地部分， 腹面跖球枢轴 180 在其远端 189 周围提供了轴线， 其中弹性板 100 可以围绕该轴线弯曲， 从而吸收抵靠使用者足部的远 端或者跖球部施加的地面反作用力。优选地， 腹面跖球枢轴 180 定位在使用者足部的跖骨 头下方。另外， 可以在弹性板 100 与支架 10 之间向腹面跖球枢轴 180 的近侧或者远侧提供 背面跖球枢轴， 以便如上所述提供双倍弹性的益处。
图 4A 中示出的脚趾枢轴 200 与前述轴 50 的不同之处在于， 其纵向长度在其近端 207 与其远端 209 之间， 即脚趾枢轴的较长部分沿着大致垂直于上述枢轴的方向布置， 并且 大致平行于在步态周期期间足部行走的向前的方向， 即平行于本弹性矫形器的纵向长度。 更重要的是， 脚趾枢轴 200 的纵向长度被取向为使得沿着纵向长度提供轴线， 围绕该轴线 沿着左右的方向发生弯曲， 即， 从而吸收优先地施加在使用者足部的一侧上的地面反作用 力。在步态周期的脚趾离地部分期间， 可以抵靠使用者的足部的一侧 ( 根据具体对象， 中间 侧或者横向侧 ) 施加比抵靠另一侧大的向下力。从而脚趾枢轴 200 优选地被定位成使得其 提供轴线， 在步态周期的脚趾离地部分期间弹性板 100 的中间侧 113 和 / 或横向侧 115 可 以围绕该轴线向下地弯曲。 在其它实施方式中， 脚趾枢轴的纵向长度可以相对于弹性板 100 的纵向长度成诸如 5 度、 10 度、 15 度、 30 度或者其它期望角度的角度。脚趾枢轴 200 可以帮 助控制前足的翻转与外翻， 即外转和内转。 在其它实施方式中， 这种纵向延伸枢轴可以定位 在本装置的近端， 即， 本弹性板 100 的近端 112 附近， 以便控制使用者的足部的后部的翻转 和外翻。
在本弹性矫形器的实施方式中， 该矫形器合并具有不同尺寸的长度和宽度的枢轴 50， 诸如图 3A、 图 3B、 图 4A 中所示的枢轴 50( 它们的长度大于宽度 )， 枢轴 50 能以水平地可 旋转但是可固定的方式安装在支架 10 上和 / 或弹性板 100 上。在该实施方式中， 枢轴可以
围绕固定轴线 ( 中心轴线或者靠近枢轴的纵向端的轴线 ) 旋转以便改变本弹性矫形装置的 弹性特征。枢轴是可逆地固定的， 使得它们可以被旋转， 但是然后被固定在支架 10 和 / 或 弹性板 100 上的固定位置。另选地或者另外， 枢轴或多个枢轴 50 可以垂直地调节， 即， 调节 枢轴的垂直高度。可以例如使用棘轮机构来实现枢轴的水平和 / 或垂直调节， 在棘轮机构 中枢轴包括插孔、 齿或其它突起， 它们与支架 10 或弹性板 100 上或者附接到支架 10 或者弹 性板 100 的插孔、 齿或其它突起相接合， 从而形成使枢轴旋转的齿状机构。通过这种方式可 以沿着三维进行调节枢轴。
腹面足跟枢轴 140 和背面足跟枢轴 160， 以及本文所公开的其它枢轴， 也可以是不 同形状、 大小和尺寸的， 以便提供符合特定个人需要的定制装置。例如， 具有比腹面足跟枢 轴 140 高的背面足跟枢轴 160 的弹性矫形器可以在弹性板 100 和与其接触的下表面之间提 供更长、 更柔软的接触。在另一个实施方式中， 具有比背面足跟枢轴 160 更高的腹面足跟枢 轴的弹性矫形器可以提供更大的杠杆半径并且允许由本装置完成更多的机械工作。
图 4B 示出了弹性板的实施方式， 这弹性板允许在步态周期的脚趾离地部分期间 抵靠使用者足部的一侧施加比抵靠另一个侧大的向下力。在该实施方式中， 这通过生产与 弹性板 100 的另一横向侧相比在弹性板的一个横向侧上具有不同弹性系数、 弹性模数和 / 或抗张强度的弹性板来实现。在图 4B 的实施方式中， 弹性板 100 的位于其近端 112 和横向 侧 115 处的部分由第一材料 101 构成而远端 114 的中间侧 113 由具有不同弹性系数、 弹性 模数和 / 或抗张强度的第二材料 102 构成。另选地， 弹性板 100 可以由均匀材料制成， 但是 可以形成有比弹性板 100 的另一部分更厚或者更薄的部分 ( 例如， 图 4B 中的区域 102)， 或 者另一种材料已经结合至该更厚或更薄的部分。
在图 4C 的实施方式中以不同的方式应用相同的概念， 图 4 示出了替代的弹性板， 在该弹性板中， 与弹性板 100 的周围部分相比在使用者的足部的跖球上方的区域 103 存储 并且释放较少的机械能， 以便减小施加到高压区域的力的量。 例如， 与弹性板的剩余部分相 比部分 103 可以用较薄或者较柔软的材料形成。另选地， 弹性板 100 包括在弹性板的希望 减小抵靠使用者的足部施加的力的区域中的孔。
在一些实施方式中， 材料的更刚性的区域 ( 即， 具有更大的抗张强度和 / 或更小的 柔性的区域 ) 可以设置在第一跖骨趾关节之间的使用者的足部部分的下面。这减小了拇趾 背屈， 并且在遭受该关节的关节炎的个人中， 这能减少疼痛以及该关节的炎症。本弹性板 100 的更刚性的部分也能有利地被设置在由于糖尿病使用者已经历足趾的截肢或者其它损 失的区域的下面。较大的抗张强度能补偿足趾或多个足趾的损失， 并且减小剩余足趾上的 压力和 / 或应力。为了进一步减小抵靠足部的跖球施加的峰值地面反作用力， 本弹性矫形 装置的远端部可以设有前足弹性件。 前足弹性件优选地能够吸收抵靠其施加的地面反作用 力的至少大约 2％， 更优选地至少大约 5％至 10％， 并且更优选地至少 50％。
在图 1 至 3A 和图 4A 至 4E 中所示的本装置的实施方式中， 弹性板 100 沿着使用者 的足部的长度延伸， 并且包括当使用者使用本弹性矫形装置时位于使用者的足部的趾球的 下面的前足弹性板部分 120。 在这些实施方式中前足弹性板 120 大体上是平面的构造， 并且 可以由与弹性板 100 的剩余部分相同类型的材料， 例如由类似碳纤维的复合材料形成。在 图 4D 所示的替代实施方式中， 前足弹性板 120 包括向下延伸凸起形式， 该凸起形式的形状 可以是完整的或者部分半球形。当抵靠前足弹性件 120 的下凸面施加向上的地面反作用力时， 弹性件偏转并且吸收一些地面反作用力， 以使得当抵靠前足弹性板 120 的背侧面向下 施加压力时前足弹性板 120 的中央部分能够向下偏转。
如图 4D 所示， 弹性板 100 通常被放置一只鞋中的鞋外底的上方。在图 4D 中， 弹性 板作为整体构造示出， 其中弹性板 100 沿着鞋的长度延伸。然而图 4E 示出了替代实施方 式， 在该实施方式中弹性板 100 仅延伸到足部的跖球， 在该跖球处或其附近支架接触弹性 板 10。单独的前足弹性件然后从弹性板 100 的远端向远侧延伸。通过这种方式， 还可以为 使用者提供步态辅助， 同时减少或者避免弹性板 100 在支架与弹性板 100 的交叉点处的破 损。 前足弹性件优选地与弹性板 100 重叠， 即前足弹性件的近端向近侧延伸超出弹性板 100 的远端。
弹性板 100 也优选地被自由地保持在一只鞋内， 该鞋类包括本鞋式矫形器的本实 施方式， 即， 弹性板 100 未被粘合或者以其它方式物理地结合到前足弹性部分 120， 尽管若 需要也可以以本领域公知的方式设置将两个结构连接在一起的连接件。前足弹性件 120 可 以由具有类似特性的与弹性板 100 相同类型的材料制成， 或者另选地可以由具有与弹性板 100 不同特性的材料形成。例如， 如图 4B 和 4C 的实施方式所示的前足弹性件 120 可以包括 材料组合， 或者可以包括具有与弹性板 100 不同的特性的单一材料。 在本弹性矫形装置的另一个实施方式中， 装置可以包括以竖直方式堆叠的多个弹 性板 100。图 9 中示出的实施方式包括两个弹性板， 上弹性板 192 和下弹性板 194， 尽管可 以使用附加的弹性板。如本弹性矫形器的其它实施方式中上弹性板 192 的第一腹面足跟枢 轴 193 相对于背面足跟枢轴 ( 如果使用 ) 定位， 但是在该实施方式中第一腹面足跟枢轴 193 的下表面布置为与下弹性板 194 的上表面接触或以其它方式机械地连接到下弹性板 194 的 上表面。与下弹性板 194 的下表面接触或者以其它方式机械地连接到下弹性板 194 的下表 面的第二腹面足跟枢轴 195 定位在第一腹面足跟枢轴 193 的近端， 即下弹性板 192 相对于 第一腹面足跟枢轴 193 围绕其弯曲的轴线位于下弹性板 192 相对于第二腹面足跟枢轴 195 围绕其弯曲的轴线的远端。附加弹性板 100 的使用可以允许由本弹性矫形装置承受更大的 负贺。
弹性矫形器的操作
弹性板 100 的近端 112 的弯矩 ( 扭矩 )， 即， 围绕轴线使弹性板 100 弯曲的旋转力 既由弹性板 100 的材料特性又由轴线点 60 与弹性板 100 的近端 112 之间的距离来确定， 在 该近端 112 处弹性板 100 与表面 ( 在大多数情况下地面或者鞋 ) 接触， 其中该弹性板 100 放置该表面上。轴线 60 与近端 112 之间的距离量决定施加在弹性板 100 上的杠杆作用的 量， 其中较短的距离提供较少的杠杆作用， 从而这允许弹性板 100 能够以较小偏转 ( 弯曲 ) 量吸收更多的地面反作用力。弹性板 100 应该围绕轴线点 60 以 1°与 90°之间的偏转角， 优选地以 15°与 60°之间的偏转角的弯曲。
图 10 示出了施加在悬臂梁上或由悬臂梁施加的力， 当通过力使悬臂梁偏转时悬 臂梁存储势能。施加在弹性板 100 的近端 112 上或者由弹性板 100 的近端 112 施加的力 (F) 能类似地如下表示 ( 公式 I) ：
其中 ：L 是弹性板 100 从背面足跟枢轴 160 到近端 112 的长度 ；
δ 是挠度
E 是拉伸模量 ( 弹性模数 )
W 是弹性板 100 的宽度 ； 以及
H 是弹性板 100 的高度。
如在图 11 和图 12 中进一步示出的， 当通过使用者的足跟抵靠本装置的支架 10 施 加向下的踩踏力 ( 图 10)， 弹性板 100 围绕腹面足跟枢轴 140 向下弯曲 ( 图 12)， 将踩踏力 作为如弹性板 100 的材料中的张力的势能存储。然后使用者足跟的力继续使弹性板 100 向 下弯曲， 并且当弹性板 100 的近端 112 接触直接位于其下面的表面 ( 通常是鞋外底 ) 时， 通过地面反作用力 (G) 使弹性板 100 围绕背面足跟枢轴 160 向上弯曲 ( 图 13)。该弹性板 100 的双重弯曲基本上使弹性板 100 的有势力 ( 升力 ) 加倍 ( 如上面公式 I 中所计算的 )， 同时有效地将弹性板 100 的材料上的应力减到最小。
在步态周期的后面部分期间， 当使用者的足跟抬起时， 因为弹性板 100 返回到其 预弯曲形状， 所以通过向下踩踏力的施加而存储在弹性板 100 中的势能被释放， 从而帮助 本装置的使用者将足部带回到水平位置处。如图 14 所示， 在本装置的合并前足弹性件的实 施方式中， 由于地面反作用力 G-1 和 G-2 造成的弹性板 100 围绕足部的跖球 ( 在图 14 中 P 点处 ) 的弯曲导致了附加的势能被存储在弹性板 100 中。在步态周期的该阶段期间存储在 弹性板 100 中的有势力 (P) 能被如下表示 ( 公式 II) ：
其中 ：
L 是弹性板 100 在施加地面反作用力 G-1 和 G-2 的点之间的部分的长度 ；
δ 是挠度 ；
E 是拉伸模量 ( 弹性模数 ) ；
w 是弹性板 100 的宽度 ； 以及
h 是弹性板 100 的高度。
通过控制弹性板 100 的尺寸， 枢轴的关系， 或者利用的材料， 可以获得不同的 “弹 性因素” 。例如可见上述公式对于枢轴 (L) 之间的距离非常敏感。假如枢轴的距离仅减少 10％， 则施加在足跟上的法向力便增加 40％以上。也可以通过改变弹性板的横截面的形状 来控制施加在足跟上的法向力， 改变弹性板的横截面的形状将增大弹性板的抗弯强度 ( 转 动惯量 )。使弹性板的厚度增加 10％将会使法向力增加约 35％， 并且使厚度加倍将会使法 向力增加 800％。
通过本弹性矫形装置可以实现的效率和节能通过由鞋类和其它机械地连接到本 装置的支撑件所提供的杠杆作用而提高。 如图 4G 所示， 当 25 千克的力被施加到点 (P， 位于 图 4G 中的包括本装置的靴子的壳体前面 )， 该点 P 其距离弹性板 100 上的支点 (F)160 毫 米， 并且当从支点 (F) 到弹性板 100 的远端 114 的距离是 80 毫米时， 50 千克的力被施加在 弹性板 100 的远端 114。这通过下列公式来表示 ( 公式 III) ：
F1×D1 ＝ F2×D2
其中 ：
F ＝所施加的力 ； 和
D ＝到支点的垂直距离。
踝 - 足矫形器
本弹性矫形装置也可以被并入踝 - 足矫形器中以便帮助具有足部或者腿部损伤 需要腿支架的个人。矫形器也可以被没有这种损伤的人来使用， 因为将矫形器的支架部分 固定在使用者踝部上方能够帮助利用来自弹性板 100 的远端部分的更多的扭矩。 在图 5A 中 示出的一个实施方式中， 包括前述的弹性矫形器的弹性系统的踝 - 足矫形器 300 包括竖直 支撑件 320、 支架 310 以及支具或者紧固件 330， 该支具或者紧固件 330 用于将踝 - 足矫形 器 300 附接到对象的腿部。在该实施方式中， 支架 310 的近端 312 被附接到竖直支撑件 320 的下端 322( 或者与其一体形成 )。如图 5A 中所示竖直支撑件 320 从支架 310 的近端 312 竖直地向上延伸， 并且设计为当穿上踝 - 足矫形器时布置在对象的腿部的后侧附近。竖直 支撑件 320 可以由本领域技术人员公知的诸如碳纤维复合材料或者塑料的刚性材料制成， 并且可以由与支架 310 相同的材料或者由不同的材料制成。
图 5A 中示出的紧固件 330 被附接到竖直支撑件 320 的上端 324。还可以沿着支 具 330 的纵向长度布置附加的紧固件 330 以便更好地将踝 - 足矫形器 300 固定到对象的腿 部。图 5A 中示出的紧固件 330 包括用于布置在对象的腿部周围的带子， 但是如本领域的技 术人员所公知的可以另选地包括其它构造或者机构。同样地， 根据对象的需要可以以不同 方式构造竖直支撑件 320。 在一些实施方式中， 从使用者的膝部延伸的第二竖直支撑件能在 下端通过铰接而接合到竖直支撑件 320。
踝 - 足矫形器 300 还包括支架 310 下面的弹性板 301、 背面足跟枢轴 360 以及腹面 足跟枢轴 340。踝 - 足矫形器 300 的上述部件与已经在前描述的用于弹性矫形装置的部件 相同， 因此这里不再进一步详细描述。在前描述的用于本弹性装置的附加枢轴和替代构造 也能和踝 - 足矫形器 300 一起使用， 因此这里也不再描述。
图 5B 示出了踝 - 足矫形器的另一个实施方式。图 5B 的 AFO 的下部可以与图 5A 的相同。在图 5B 的实施方式中， 然而， 竖直支撑件 320 的上部 334 设有把手 336 并且优选 地还设有紧固件 332。 在该实施方式中， 对象可以通过以拐杖的方式抓住把手 336 来部分地 支撑他或者她的体重， 以便减轻使用者的足部上的压力。
假肢装置
图 6A 示出了利用本弹性矫形装置的弹性系统的假肢装置 400。 该腿部假肢包括竖 直支撑件 420、 位于支撑件 420 的上端 424 的一个或多个紧固件 430、 以及位于支撑件 420 的下端 422 的水平支撑件 410。在该情况下紧固件被设计为接纳断肢。在图 6A 中， 紧固件 是容器 430。
假肢装置 400 与图 5A 的踝 - 足矫形器的不同之处在于， 紧固件 430 既被构造为将 假肢装置 400 附接到对象的肢体 ( 在这种情形中是断肢 )， 但是又被设计为将断肢支撑在地 面上。同样地竖直支撑件 420 与垂直支撑件 320 的不同之处在于， 它必须足够强壮以承受 在地面上方穿着假肢装置 400 的个人的体重的至少一部分。
水平延伸支撑件与图 5A 的踝 - 足矫形器的支架 310 不同之处在于， 水平支撑件 410 的背侧面 416 不必成形为接纳足部的底面。如图 6A 所示， 假肢装置 400 还包括弹性板 401， 背面足跟枢轴 460 以及水平支撑件 410 下面的腹面足跟枢轴 440。尽管在图 6A 中未示出， 至少弹性板 401、 背面足跟枢轴 460 和腹面足跟枢轴 440 通常将会位于壳体内， 在一些实 施方式中壳体可以类似人类足部的形式。 和本弹性矫形器一起使用的附加的枢轴以及上述 其它特征也能被用于根据本发明的弹性假肢中。
为了便于假肢装置 400 的使用者的正常步态， 腹面足跟枢轴 440 和背面足跟枢轴 460 以与上述的将这些部件定位在弹性矫形器中相似的方式被定位在水平支撑件 410 的近 端。在图 6A 中示出的实施方式中， 竖直支撑件 420 在远离腹面足跟枢轴 440 与背面足跟枢 轴 460 的定位的第一点处被附接到水平支撑件 410( 或者与其一体形成 )。然而， 在替代实 施方式中， 垂直支撑件 420 能以与踝 - 足矫形器 300 的竖直支撑件 320 与支架 310 相连接 的方式类似的方式在更靠近或者位于水平支撑件 410 的近端的位置处被附接至水平支撑 件 410。如图 6A 所示， 垂直支撑件 420 也可以通过交叉支撑件 425 在远离第一点的第二点 处被连接到水平支撑件 410， 该交叉支撑件 425 在近端附接到竖直地位于下端 422 上方的竖 直支撑件 420 上的点， 并且在远端附接到远离竖直支撑件 420 的下端 422 附接到水平支撑 件 410 的点的水平支撑件 410 上的点。在替代实施方式中交叉支撑件 425 可以与竖直支撑 件 422 并且 / 或者水平支撑件 410 一体地形成， 并且不要求交叉支撑件 425 与竖直支撑件 420 之间的空间。
图 6B 示出了假肢装置的另一个实施方式， 在该情况下是 “膝部 - 助行器” 500 或 者用于在膝部下面受伤的肢体的临时替代品。 在该实施方式中， 代替用于断肢的容器， 支具 530 被附接到竖直延伸支撑件的上端 424， 并且设置了一个或多个紧固件 532 以便将对象的 腿部的胫骨部分固定到支具 530。在该实施方式中支具 530 相对于竖直支撑件 420 大体上 水平地延伸。
拐杖和附加用途
图 7A 和图 7B 示出了利用在上述踝 - 足矫形器和假肢中的竖直支撑件 420 和竖直 支撑件 420 下面的其它部件的拐杖。通过将把手 636 附接到竖直支撑件 420 的上端 424 处 或者其附近这些部件可以被用于形成拐杖 600。 可选地， 可以设置用于对象的臂部的紧固件 432。在图 7A 的实施方式中， 把手被近似水平地附接到拐杖 600。在图 7B 的实施方式中， 在 拐杖 700 的上部 734 中的把手 736 近似竖直地定位， 并且用于支撑对象的臂部的水平支具 734 与可选择的紧固件 732 一起设置。
如图 7C 中所示， 本弹性矫形装置与拐杖、 踝足矫形器、 或者包括将装置支撑到使 用者的腿部的其它机械装置联合使用， 大大地增加了装置的效率并且提供了更大的杠杆作 用。例如， 当 25 千克的力被施加在所示的支具 330 上时， 125 千克的力被施加在弹性板 100 的远端 114(5 ∶ 1 的机械效益 )。
较长的支撑件， 诸如拐杖， 提供了附加的机械效益。在图 7C 中示出的实施方式中， 通过 1200 毫米的支撑件可以获得 15 ∶ 1 的机械效益。在该实施方式中， 施加在拐杖顶部 的 8 千克的力将会导致在弹性板 100 的远端 114 处的 125 千克的力， 即较长的杠杆将实现 较大的机械效益。
另选地， 上述的弹性系统也可以被用于机器人或者其它机器或者机械装置的运动 系统， 特别是利用支撑件或者其它附件的运动系统中， 其中该支撑件或者其它附件被抬起 到地面以上并且然后在步态周期的不同点被返回到地面以便移动机械装置。 本装置能被用 于减小由这种机械装置所经历的冲击力。该实施方式与图 6A 中示出的假肢装置 40 相似，除了竖直支撑件 420 在上端 424 被附接到机器人或者其它机械系统的一部分， 特别是附接 到该装置的铰接接头。在另一个替代方案中， 竖直支撑件 420 的上端 424 能被附接到仿生 系统， 即， 附接到扩大或者代替生理机能的机械或者机电元件。
鞋类
本弹性矫形装置通常地被穿在鞋或者其它一只鞋类的内部， 并且能设计为被从鞋 移除并且并入不同的鞋中。在这样的实施方式中， 弹性矫形器的腹侧面向一只鞋的内底的 背侧面和 / 或与一只鞋的内底的背侧面接触。如图 5 和图 6 中所示的实施方式中， 当本装 置还包括踝 - 足矫形器、 假肢、 或者其它支撑对象的肢体的装置时， 这种装置也能被设计为 与标准鞋一起使用。
在一些实施方式中， 本弹性矫形装置能以不可逆的方式被并入鞋子中， 使得鞋将 必须被破坏以便诸如通过切断粘接或者缝接来移除该装置。在该实施方式中， 本弹性矫形 器能代替鞋中的中底， 如图 4C 所示， 示出了将本矫形器布置在靴子的外底上方。
使用方法
上述弹性矫形装置通过吸收地面反作用力、 通过分散峰值地面反作用力、 并且通 过在释放由装置的弹性板吸收的能量时向上施加力便于使用者的步态， 从而减少了使用者 行走所需要的能量。在超重或者下肢经历过损伤的个体的情况下， 上述减少能量是重要的 优点。
当弹性矫形器存在于鞋中或者对象的假肢中时， 使用这种矫形器的益处从足跟着 地开始， 当向上的地面反作用力被施加在定位有本装置的鞋的近端处时。弹性板 100 的近 端 112 通过在足跟着地处的这种地面反作用力而围绕背面足跟枢轴 160 的近端 167 处的轴 线 ( 或者围绕在图 1A 和图 1B 的实施方式中的轴线 60) 被向上偏压 ( 弯曲 )。与此同时或 者此后不久， 由使用者的足跟施加在支架 10 上的向下力围绕腹面足跟枢轴 140 的近端 147 处的轴线向下偏压弹性板 100 的更远端处。弹性板 100 围绕背面足跟枢轴 160 和腹面足跟 枢轴 140 的弯曲吸收能量， 该能量在步态周期中随后被释放。
当步态周期继续并且使用者的体重向前， 即沿着步行的方向偏移时， 在弹性矫形 器的近端处的地面反作用力减小。当由于弹性板 100 围绕背面足跟枢轴 160 和腹面足跟枢 轴 140 的弯曲而由弹性板 100 施加的力的量超过抵靠弹性板 100 的近端部分施加的地面反 作用力时， 弹性板 100 开始沿着相反的方向弯曲， 即， 弹性板 100 的近端 112 围绕在背面足 跟枢轴 160 的近端 167 处的轴线向下弯曲， 并且弹性板 100 的更远端部分围绕腹面足跟枢 轴 140 的近端 147 处的轴线向上地弯曲， 从而释放其存储的能量。弹性板 100 在该点处施 加向上弹力， 从而减少了弹性矫形器的使用者完成步态周期的该部分所需的努力的量。
当使用者的体重在步态周期期间继续向前偏移时， 向下力被施加在弹性板 100 的 更远端部分。弹性板 100 然后围绕在腹面跖球枢轴 180 的近端 187 的轴线向下弯曲。在步 态周期中稍后， 当使用者的体重继续向前偏移时， 通过使弹性板 100 围绕腹面跖球枢轴 180 弯曲而吸收的能量被向上施加， 进一步减小了弹性矫形器的使用者完成步态周期的该部分 所需的努力的量。
实施例
实施例 1
用于本弹性矫形器的弹性板由碳纤维制成。弹性板具有如结合上述公式 I 测量的下列特征， ：
表2： 弹性板特征
符号 h w L δ E F
定义 弹性件的厚度 弹性件的宽度 枢轴之间的距离 挠度 拉伸模量 足跟上施加的 / 由足跟施加的力 值 (in) 0.06 2.57 1.57 0.395 6.00E+06(41Gpa) 值 (mm) 1.5 70 40 10为了使弹性板前进到偏转位置而在该弹性板上施加的 / 由该弹性板施加的力是 90.94lbs。
实施例 2
生产如图 8 中所示支架以用于可能会有鞋穿刺风险的应用中。 支架由 10 层 12k 碳 纤维形成， 该碳纤维由 Sigmatexm( 贝尼西亚， 加利福尼亚州 ) 利用 Toray700 纤维 (Toray 国 际美国公司， 纽约， NY)， 以及树脂服务公司 (Resin Service Inc)( 史德林高地， 密歇根州 ) 的环氧树脂编织而成。形成支架的层被放入 4 巴的真空袋 / 高压釜 @ 中之后在 200° F 下 固化 2 个小时。所形成的支架是 7 毫米厚。
实施例 3
除了使用 6 层碳纤维和一层 KEVLAR 以外， 使用上面实施例 2 中描述的方法制作支 架， 结果产生 5.6 毫米厚的支架。从支架的底侧开始， 使用一层 12K 碳纤维， 然后放置 6 层 KEVLER， 然后放置另一层 12K 碳纤维。
实施例 4
除了使用 4 层 KEVLAR 和 7 层碳纤维以外， 利用上面实施例 2 中所述的方法制作支 架。从支架的底侧开始， 使用 1 层 12K 碳纤维、 放置 4 层 KEVLAR、 然后放置另外 6 层 12K 碳 纤维。
实施例 5
弹性板由 12k 碳纤维的顶层和底层形成， 该 12K 碳纤维由 Sigmatexm( 贝尼西 亚， 加拿大 ) 利用 Toray700 纤维 (Toray 国际美国公司， 纽约， NY) 织成， 其中间具有四 层 Hexcel7781 玻璃纤维 (Hexcel 公司， 圣克利门蒂， 加利福尼亚州 )， 与 PROSET 环氧树脂 (ProSET Inc， 贝城， 密歇根州 ) 粘结。 通过在 3 个小时的过程中使温度倾斜升温到 180° F， 在 27 英寸汞柱 (.914 巴 ) 的真空袋 / 高压釜中固化弹性板， 继而在 180° F 下固化 6 个小 时。
实施例 6
对 一 系 列 鞋 和 靴 子 测 验 它 们 的 耐 穿 刺 性 和 摆 动 重 力。 根 据 ASTM 标 准F2412-05(2005 年 3 月 1 日批准， 2005 年 3 月出版的用于足部保护的标准试验方法 ) 评价 穿刺保护。动态摆动重力 ( 转动惯量 ) 是对象对象对角加速度的阻力， 并且根据下列公式 2 ( 公式 IV) ： F ＝ mxv /r 来计算， 其中 ：
F 是摆动重力 ( 牛顿 ) ；
m 是运动中的对象的质量 ；
v 是切向速度 ； 并且
r 是对象距旋转中心的距离。
使用 1 米的距离 (r) 和 5.55 米每秒的切向速度来测试鞋类。结果在图 16 中以及 下面的表 2 中示出。
图 16 中的图例如下 ：
A： CROCS 凉鞋 ；
B： Nike SHOX 运动鞋 ；
C： BOXER( 以色列军用 ) 靴 ；
D： DANNER 作战登山靴 ；
E： BELLEVILLE 靴 ；
F： 根据实施例 2 用 5 层 12K 碳纤维制成的 RHINO 摔跤鞋 ( 测试鞋 A) ；
G： 根据实施例 2 用 8 层 12K 碳纤维和一层 KEVLAR 纤维制成的 RHINO 摔跤鞋 ( 测 试鞋 B) ； 以及
H： 包括传统 18 规格钢插入件的 RHINO 摔跤鞋。
表3： 动态摆动重力对穿刺保护
摆动较低动态摆动重力意味着对象较容易被移动或者加速。如图 16 中通过图表 可见， 包括本弹性矫形装置的鞋能够在低摆动重力下提供优秀的穿刺保护， 并且由此在给 定量的鞋类摆动重力下提供显著增强的穿刺保护。实施例 7
与实施例 6 中使用的那些相似的具有合并凯夫拉尔纤维的 10 毫米厚的碳纤维支 架的弹性矫形器被并入鞋中以便评价它们对跳跃性能的影响。 人们利用合并这种弹性矫形 器的 RHINO 摔跤鞋执行一系列纵跳和立定跳远， 并且相同的人们赤脚并且用 NikeSHOX 运动 鞋和 Belleville 军靴执行相同的纵跳和立定跳远。
在图 17 中示出了纵跳测试的结果， 并且在图 18 中示出了立定跳远测试的结果。 图 17 和图 18 中图例 A-E 表示如下 ：
A： 赤脚
B： Nike SHOX 运动鞋
C： BELLEVILLE 靴子
D： 具有包括凯夫拉尔纤维的 10 毫米厚的碳纤维支架的 RHINO 摔跤鞋
E： 平均值
上述测试指出合并具有耐穿刺性支架的本弹性矫形器的鞋类完成得与其它鞋类 一样好或者比其它鞋类更好， 并且本弹性矫形器不会降低鞋的性能。
尽管已经参照一些优选的实施方式相当详细地讨论了本发明， 但是其它的实施方 式也是可能的。 本方法所公开的步骤并不旨在限定并且它们也不旨在指出每个步骤对于本 方法都是必不可少的， 而仅仅是示例性的步骤。 因此， 所附权利要求的范围不应被限于对本 公开内容中所含的优选的实施方式的描述。 本文引用的所有参考资料都以引用方式全部并 入。