弹性矫形装置
阅读：752发布：2021-02-11
专利汇可以提供弹性矫形装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种弹性矫形装置，该弹性矫形装置包括用于 接触 使用者的足部的 支架 、在所述支架下面的弹性板、在所述弹性板下面的腹面枢轴，以及所述弹性板上方并且在所述支架下方位于所述腹面枢轴的近端的背面枢轴。，下面是弹性矫形装置专利的具体信息内容。
1.一种使用在固体表面上执行步态周期的附件来帮助运动的装置，该装置包括：
(a)水平延伸支撑件，该水平延伸支撑件具有近端、远端、上表面、以及下表面；
(b)第一平面弹性板，该第一平面弹性板定位在所述水平延伸支撑件下方并且机械地连接到所述水平延伸支撑件，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平面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。
2.根据权利要求1所述的装置，该装置还包括背面枢轴，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，其中所述背面枢轴定位在所述腹面枢轴的近端。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述背面枢轴和所述腹面枢轴包括外表面，所述外表面具有选自由下列组成的组的截面形状：椭圆形、半球形、管状枢轴、正方形、以及波状外形。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述背面枢轴和/或所述腹面枢轴是中空的。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述水平延伸支撑件包括构造为接收人类足部的支架。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，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。
7.根据权利要求1所述的装置，该装置还包括一个或多个脚趾枢轴，所述一个或多个脚趾枢轴在位于所述腹面枢轴的远端的点处附接到所述第一平面弹性板的所述下表面。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述水平延伸支撑件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。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，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纤维和/或玻璃纤维。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述弹性板包括多种材料，其中所述多种材料中的每种材料都具有选自由下列组成的组的不同的特性：弹性系数、弹性模数以及抗张强度。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一平面弹性板的所述远端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。
12.根据权利要求1所述的装置，该装置还包括具有近端和远端的竖直延伸的支撑件，其中所述远端被机械地连接到所述水平延伸支撑件的所述上表面。
13.根据权利要求12所述的装置，该装置还包括附接到所述竖直延伸支撑件的所述近端的把手，从而形成拐杖。
14.根据权利要求12所述的装置，该装置还包括附接到所述竖直延伸支撑件的所述近端的支具，其中所述支具水平地延伸并且被设计为接纳一对象的膝部下方的腿部的一部分。
15.根据权利要求12所述的装置，该装置还包括附接在所述竖直延伸支撑件的所述近端的把手或者连接件，从而形成踝-足矫形器。
16.根据权利要求12所述的装置，其中，所述竖直延伸支撑件在所述远端附接到用于断肢的容器，从而形成假肢。
17.根据权利要求12所述的装置，其中，所述竖直延伸支撑件的所述远端被机械地连接到机械装置。
18.根据权利要求1所述的装置，该装置还包括：
定位在所述第一平面弹性板下面的第二平面弹性板，以及
第二腹面枢轴，该第二腹面枢轴定位在所述第二弹性板下方并且在定位在所述第一平面弹性板下方的所述腹面枢轴的近端侧被机械地连接到所述第二平面弹性板。
19.根据权利要求1所述的装置，该装置还包括从所述第一平面弹性板的所述远端向远侧地延伸的平面前足弹性件。
20.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置被保持在一只鞋中。
弹性矫形装置
背景技术
[0001] 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。
[0002] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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：
[0007] (a)下表面；
[0008] (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
[0009] (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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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
[0014] 图1A是本弹性矫形装置的实施方式的立体图；
[0015] 图1B是本弹性矫形装置的另一个实施方式的立体图；
[0016] 图2A是本弹性矫形装置的另一个实施方式的正视立体图；
[0017] 图2B是图2的弹性矫形器的后视立体图；
[0018] 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；
[0019] 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；
[0020] 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；
[0021] 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；
[0022] 图4B是弹性板的一个实施方式的俯视图；
[0023] 图4C是弹性板的另一个实施方式的俯视图；
[0024] 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；
[0025] 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；
[0026] 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视图；
[0027] 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；
[0028] 图5A是合并本弹性矫形装置的踝足矫形器的立体图；
[0029] 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；
[0030] 图6A是包括本弹性矫形器的假肢的立体图；
[0031] 图6B是包括本弹性矫形器的膝部助行器的立体图；
[0032] 图7A是包括本弹性矫形装置的拐杖的立体图；
[0033] 图7B是包括本弹性矫形装置的替代的拐杖的立体图；
[0034] 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效益；
[0035] 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；
[0036] 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；
[0037] 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；
[0038] 图11-图15示出了本弹性矫形装置的操作；
[0039] 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；
[0040] 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。
具体实施方式
[0041] 定义
[0042] 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。
[0043] 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。
[0044] “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。
[0045] “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。
[0046] 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。
[0047] “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。
[0048] 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。
[0049] “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。
[0050] “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。
[0051] “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。
[0052] 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。
[0053] “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。
[0054] “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。
[0055] “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。
[0056] “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。
[0058] “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。
[0059] “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。
[0060] “地面反作用力”是指由地面对接触其的身体施加的力。
[0061] 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。
[0062] “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。
[0063] 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。
[0064] “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。
[0065] “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。
[0066] “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。
[0067] “内底”指的是使用者的足部支撑在其上的一只鞋的一部分。
[0068] “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。
[0069] “运动”指的是通过个体对象的移动。
[0070] “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。
[0071] “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。
[0072] “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。
[0073] “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。
[0074] “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。
[0075] “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。
[0076] “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。
[0077] “假肢”指的是替换缺失的身体部分的机械装置。
[0078] “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。
[0079] “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。
[0080] “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。
[0081] “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。
[0082] “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。
[0083] “竖直“指的是朝向或远离地面并且不是水平的方向。
[0084] 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。
[0085] 足部矫形装置
[0086] 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。
[0087] 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。
[0088] 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。
[0089] 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。
[0090] 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。
[0091] 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)。
[0092] 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。
[0093] 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。
[0094] 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。
[0095] 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。
[0096] 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。
[0097] 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。
[0098] 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。
[0099] 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。
[0100] 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。
[0101] 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。
[0102] 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。
[0103] 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。
[0104] 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。
[0105] 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。
[0106] 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。
[0107] 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。
[0108] 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。
[0109] 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。
[0110] 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。
[0111] 弹性板
[0112] 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。
[0113] 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：
[0114] 表1：弹性模数比密度
[0115]
[0116] 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。
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。
[0117] 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。
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。
[0118] 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。
[0119] 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。
[0120] 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。
[0121] 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。
[0122] 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％。
[0123] 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。
[0124] 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。
[0125] 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。
[0126] 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。
[0127] 弹性矫形器的操作
[0128] 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。
[0129] 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)：
[0130]
[0131] 其中：
[0132] L是弹性板100从背面足跟枢轴160到近端112的长度；
[0133] δ是挠度
[0134] E是拉伸模量(弹性模数)
[0135] W是弹性板100的宽度；以及
[0136] H是弹性板100的高度。
[0137] 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。
[0138] 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)：
[0139]
[0140] 其中：
[0141] 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；
[0142] δ是挠度；
[0143] E是拉伸模量(弹性模数)；
[0144] w是弹性板100的宽度；以及
[0145] h是弹性板100的高度。
[0146] 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％。
[0147] 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)：
[0148] F1×D1＝F2×D2
[0149] 其中：
[0150] F＝所施加的力；和
[0151] D＝到支点的垂直距离。
[0152] 踝-足矫形器
[0153] 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。
[0154] 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。
[0155] 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。
[0156] 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。
[0157] 假肢装置
[0158] 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。
[0159] 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。
[0160] 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。
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。
[0161] 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。
420之间的空间。
[0162] 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。
[0163] 拐杖和附加用途
[0164] 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。
734与可选择的紧固件732一起设置。
[0165] 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)。
[0166] 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。
[0167] 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。
[0168] 鞋类
[0169] 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。
[0170] 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。
[0171] 使用方法
[0172] 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。
[0173] 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。
[0174] 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。
[0175] 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。
[0176] 实施例
[0177] 实施例1
[0178] 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，：
[0179] 表2：弹性板特征
[0180]符号 定义 值(in) 值(mm)
h 弹性件的厚度 0.06 1.5
w 弹性件的宽度 2.57 70
L 枢轴之间的距离 1.57 40
δ 挠度 0.395 10
E 拉伸模量 6.00E+06(41Gpa)
F 足跟上施加的/由足跟施加的力
h 弹性件的厚度 0.06 1.5
w 弹性件的宽度 2.57 70
L 枢轴之间的距离 1.57 40
δ 挠度 0.395 10
E 拉伸模量 6.00E+06(41Gpa)
F 足跟上施加的/由足跟施加的力
[0181] 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。
[0182] 实施例2
[0183] 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。
[0184] 实施例3
[0185] 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。
[0186] 实施例4
[0187] 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。
[0188] 实施例5
[0189] 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。
[0190] 实施例6
[0191] 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：
(公式IV)：F＝mxv/r来计算，其中：
[0192] F是摆动重力(牛顿)；
[0193] m是运动中的对象的质量；
[0194] v是切向速度；并且
[0195] r是对象距旋转中心的距离。
[0196] 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。
[0197] 图16中的图例如下：
[0198] A：CROCS凉鞋；
[0199] B：Nike SHOX运动鞋；
[0200] C：BOXER(以色列军用)靴；
[0201] D：DANNER作战登山靴；
[0202] E：BELLEVILLE靴；
[0203] 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)；
[0204] 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
[0205] H：包括传统18规格钢插入件的RHINO摔跤鞋。
[0206] 表3：动态摆动重力对穿刺保护
[0207]
[0208] 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。
[0209] 实施例7
[0210] 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。
[0211] 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：
[0212] A：赤脚
[0213] B：Nike SHOX运动鞋
[0214] C：BELLEVILLE靴子
[0215] 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[0216] E：平均值
[0217] 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。
[0218] 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。
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