CN106263262B - 刚度可调节的足踝矫形鞋垫 - Google Patents

Abstract

一种刚度可调节的足踝矫形鞋垫，该矫形鞋垫上设有用于对足踝纵弓进行竖向支撑的足弓支撑曲面，该矫形鞋垫足弓支撑曲面位置处的下方或足跟位置处的下方设有刚度可调节装置。本发明用户可根据需要对足踝矫形鞋垫足弓支撑曲面的竖向支撑刚度进行调节，满足足踝在不同运动情况下或/和不同损伤情况下的刚度需求。

Description

刚度可调节的足踝矫形鞋垫

技术领域

本发明涉及的是一种生活日用品领域的技术，具体是一种通过改变刚度可调装置的刚度来调节矫形鞋垫足弓支撑曲面竖向刚度的装置。

背景技术

足底筋膜炎是中老年群体最为常见的足疾之一，严重影响中老年群体的身体健康和生活质量。足踝外科医生通常采用足弓支撑/足踝矫形鞋垫来治疗足底筋膜炎，通过足弓支撑/足踝矫形鞋垫上的足弓支撑曲面对患者的足弓进行竖向支撑来达到治疗/矫正患足的目的。随着患者足踝功能的恢复/增强，患者足弓的高度发生变化或/和足弓的强度进一步加强，因此需要不同的支撑高度及刚度以对足弓提供适当的支撑。然而传统的足弓支撑/足踝矫形鞋垫是根据患者足踝底面的形状浇模制造而成，足弓支撑曲面的高度和刚度均是确定的；那么在不同的恢复期需要制造不同的矫形鞋垫，以满足患足对于足弓支撑高度及刚度的不同需求。

经过对现有技术的检索发现，美国专利号US5,903,985，公开(公告)日1999.5.18，公开了一种可调节的足弓支撑以及具有这种可调节足弓支撑的运动靴，运动靴包括具有鞋帮的鞋底，鞋底上的区域分为足底支撑区域以及足弓支撑区域，足弓支撑是可发生弹性变形的可调节的单元，设置在鞋底足弓支撑区域以及鞋帮侧壁之间，足弓支撑具有体积可调节机制，通过对足弓支撑进行调节来改变足弓支撑的高度，进而适应足弓的高度。

美国专利号US6,804,902，公开(公告)日2004.10.19，公开了一种可调节的足弓矫形支撑，其原理是采用设置在足弓支撑下方的张拉装置对足弓支撑曲面进行预张拉，并通过调节张拉装置的长度来改变足弓支撑曲面的上拱高度，满足患足在不同治疗阶段对于不同足弓支撑高度的需求。

上述现有技术均采用不同的机制/装置来改变足弓支撑的高度，以适应足弓不同的高度需求。未发现任何技术通过改变足弓支撑的刚度来满足足弓不同的刚度需求。因此有必要设计一种足弓支撑/足踝矫形鞋垫，具有刚度可调节机制，通过改变其刚度来对足弓提供不同的支撑刚度，以满足足踝在不同运动情况下或/和不同损伤情况下的刚度需求。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种刚度可调节的足踝矫形鞋垫，用户可根据需要对足踝矫形鞋垫足弓支撑曲面的竖向支撑刚度进行调节，满足足踝在不同运动情况下或/和不同损伤情况下的刚度需求。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明矫形鞋垫上设有用于对足踝纵弓进行竖向支撑的足弓支撑曲面，该矫形鞋垫足弓支撑曲面位置处的下方或足跟位置处的下方设有刚度可调节装置。

所述的刚度可调节装置至少一端通过连杆与所述矫形鞋垫底部固定连接。

当所述刚度可调节装置位于矫形鞋垫底部对应足跟部分的位置处时，其侧面与矫形鞋垫足跟位置处的底部固定连接且端部通过连杆与矫形鞋垫前脚掌位置处的底部固定连接。

当所述刚度可调节装置位于矫形鞋垫足弓支撑曲面位置处的下方时，其两端均通过连杆与矫形鞋垫足弓支撑曲面的起始端/终止端底部固定连接。

所述的固定连接采用但不限于螺栓、螺栓和垫片或螺栓和连接件相结合的方式。

所述的刚度可调节装置包括：壳体、弹性件和调节件，其中：弹性件位于壳体内部且一端与壳体相连，调节件活动设置于壳体内并通过改变弹性件的有效工作长度实现刚度调节。

所述的弹性件的另一端设有端部装置。

所述的调节件上设有转轴，该转轴位于弹性件内且转轴的任意一部分与调节件或壳体固定或活动连接。

所述的转轴上设有与之相接触的旋转件，通过旋转件转动转轴并带动调节件实现刚度调节。

所述的接触可以但不限于齿轮啮合、螺纹紧固等方式实现。

所述的弹性件为至少一根螺旋弹簧。

所述的壳体为螺旋弹簧或内壁设有螺纹的容器。

所述的矫形鞋垫上设有开口，该开口为在前脚掌前端延伸到矫形鞋垫2/3长度处或在前脚掌内侧延伸到矫形鞋垫2/3宽度处。

所述的开口的端部设置为平滑形状以避免此处因应力集中而发生撕裂的现象。

技术效果

与现有技术相比，本发明满足了用户在不同运动状态下/不同损伤情况下的刚度需求，有利于足踝的运动及受力，避免了在不同的治疗阶段需要不同的矫形鞋垫，节约了材料及能源，经济性高；此外，本发明装置简单、刚度调节方便，避免了以往需要足踝外科医生对各个治疗阶段需要的矫形鞋垫进行选择/制备，节省了时间/人力；用户/患者根据需要，可将刚度可调节的足踝矫形鞋垫从一双鞋中取出再放入另一双鞋使用，也可将刚度可调节的足踝矫形鞋垫和特定的鞋组成一个整体来使用，方便灵活，满足用户/患者不同的习惯和需求。

附图说明

图1为本发明的俯视图；

图2为图1的侧视图，图示足弓支撑变形前形状；

图3为图1的侧视图，图示足弓支撑变形后形状；

图4为图1的局部放大图，图示刚度可调节装置的细节，图4a中刚度可调节装置包括：壳体、螺旋弹簧以及调节件，图4b中刚度可调节装置包括：壳体、两个刚度不同的螺旋弹簧以及调节件；

图5为本发明另一种足踝矫形鞋垫侧视图，刚度可调节装置设置在足弓支撑曲面下方；

图6为图5的局部放大图，图示刚度可调节装置及其与矫形鞋垫的连接细节；

图7为本发明另一种足踝矫形鞋垫侧视图，刚度可调节装置设置在足踝矫形鞋垫足跟下方；

图8为图7的局部放大图，图示刚度可调节装置及其与矫形鞋垫的连接细节；

图9为本发明另一种刚度调节件的细节，采用伞齿轮带动调节件；

图10为图9的局部放大图，图示刚度可调节装置及其与矫形鞋垫的连接细节；

图11为图5、图7以及图9中刚度可调节装置的细节图；

图12为本发明的另一种足踝矫形鞋垫，鞋垫中间有开口；

图13为本发明的另一种足踝矫形鞋垫，鞋垫内侧有开口；

图14为本发明使用示意图；

图15为实施例弹簧的受力—变形曲线示意图1；

图16为实施例弹簧的受力—变形曲线示意图2；

图17为实施例弹簧的受力—变形曲线示意图3；

图18为实施例简化模型示意图；

图19为实施例弹簧的伸长量以及足弓支撑曲面顶点下降程度的变化情况示意图；

图20为实施例足弓支撑曲面可承受竖向力的变化情况示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，显示了矫形鞋垫1的形式，矫形鞋垫1上设置足弓支撑曲面10，用来支撑足弓，该足弓支撑曲面最好是根据用户的足底形状定做的；也可以是根据经验设定足弓支撑曲面的形状尺寸，用户通过试穿选择适合本人足弓形状的足弓支撑曲面。矫形鞋垫1上有两个螺栓5及5’用来连接刚度可调节装置。

如图2所示，为本发明的侧视图。所述的刚度可调节装置2位于矫形鞋垫1上足弓支撑曲面10的下方，刚度可调节装置2的两端固定在连杆3上，再通过螺栓5及5’固定在矫形鞋垫1上足弓支撑曲面内侧的起始端/终止端。通过刚度可调节装置2上面的调节件20来调节刚度可调节装置2的刚度，进而调节矫形鞋垫1上足弓支撑曲面10的竖向刚度。

矫形鞋垫受到竖直向下的力后，变形图如图3。足弓支撑曲面的高度降低，刚度可调节装置2受到水平拉力，螺栓5及5’之间的水平距离变大。增大刚度可调节装置的刚度，足弓支撑曲面的竖向刚度增大，在受到相同的竖向力下，足弓支撑曲面高度降低的程度减小，反之亦然。当矫形鞋垫1上面的竖向力消失后，足弓支撑曲面10的形状恢复到受力前的状态。

图4a为图2的局部放大图，显示了刚度可调节装置2的细节以及刚度可调节装置2与矫形鞋垫1的连接细节，该刚度可调节装置2包括：壳体200、弹性件201以及调节件20，其中：弹性件201的右端与壳体200固定连接，弹性件201左端是自由端并且具有端部装置210。

本实施例中，所述的弹性件201通过螺旋弹簧实现，在其他情况下也可以采用不同的具有弹性的装置实现。

所述的端部装置210与调节件20之间的弹性部分为有效工作部分。

本实施例中，所述的壳体200的侧壁具有螺旋弹簧形式，并且螺距和弹性件201的螺距相同。

刚度可调节装置2固定连接在连杆3上，然后通过螺栓5及5’固定在矫形鞋垫1上足弓支撑曲面10内侧的起始端和终止端。通过对调节件20进行旋转，促使调节件20在壳体200内左移或右移，改变弹性件201的有效工作圈数，进而改变刚度可调节装置2的弹性刚度，从而改变矫形鞋垫1上足弓支撑曲面10的竖向刚度。

图4b为图2的局部放大图，显示了刚度可调节装置2的另一种构成。图4b与图4a的区别在于，图4b中刚度可调节装置2中的弹性件201替换为两个弹性刚度不同且依次串联的第一弹性件201及第二弹性件202。在这种情况下，刚度可调节装置的弹性刚度可调节范围更大，弹性件201及202可以采用螺旋弹簧或其他有弹性的装置实现。

实施例2

如图5所示，本实施例中的刚度可调节装置2位于足弓支撑曲面10下方且分别与主连杆3、第一辅助连杆31以及第二辅助连杆32固定连接，即端部装置201与主连杆3固定连接，壳体200则分别与第一辅助连杆31和第二辅助连杆32固定连接；然后进一步通过两个连接件4及4’与所述螺栓5及5’固定在足弓支撑曲面10内侧的起始端和终止端。

如图6所示，本实施例与实施例1的区别在于：刚度可调节装置2的调节件20的一侧设有刚度调节轴21，该刚度调节轴21端部有旋转件25，通过对旋转件25进行旋转带动刚度调节轴21旋转，进一步带动调节件20在壳体200内左移或右移，改变螺旋弹性件201的有效工作圈数，进而改变刚度可调节装置2的弹性刚度，从而改变足弓支撑曲面10的竖向刚度。

所述的调节件20内设有与刚度调节轴21截面匹配的卡位孔(图中未示出)。

所述的旋转件25位于足跟后方，所述的刚度调节轴21表面光滑，用户根据需要调节刚度后，可以将刚度调节轴21及旋转件25从壳体200取出或留在壳体200内。

实施例3

如图7所示，本实施例与实施例2的区别在于：刚度可调节装置2固定设置于矫形鞋垫1的足跟部分位置下方。通过旋转位于足跟后方的旋转件25带动刚度调节轴21旋转，改变刚度可调节装置2的弹性刚度，进而改变足弓支撑曲面10的竖向刚度。

图8是图7的局部放大图，图示了刚度可调节装置的细节以及刚度可调节装置与矫形鞋垫的连接细节。刚度可调节装置2的壳体200表面设置两个U型连接件220及220’，并通过对应的螺栓51(51’)及52(52’)连接在矫形鞋垫1足跟部位内侧边缘。位于刚度可调节装置2前端的端部装置210与连杆3固定连接，再通过两个螺栓5及5’连接在矫形鞋垫1的前脚掌内侧边缘。

所述的螺栓5及5’处设置垫片300以使得刚度可调接装置2保持水平。刚度调节方法和图6相同。

实施例4

如图9所示，所述的旋转件25也可以通过锥齿轮实现，同样实现对刚度可调节装置的刚度进行调节。刚度可调节装置2与矫形鞋垫1的连接方式和图6类似。由于采用锥齿轮，用户可以在足踝内侧对刚度进行调节。

图10是图9的局部放大图，图示了刚度可调节装置的细节以及刚度可调节装置与矫形鞋垫的连接细节。刚度调节轴21端部设置锥齿轮22，另旋转轴23上设置锥齿轮24，并且锥齿轮24与锥齿轮22匹配，通过对旋转轴23端部的旋转件25进行旋转，带动刚度调节轴21转动，进而改变刚度可调节装置2的弹性刚度。

如图11所示，为图5～10中可采用的刚度可调节装置的细节。刚度可调节装置2的壳体200侧面可以是内壁具有螺纹形式的封闭壳体或开放壳体，如图11a所示；壳体内螺旋弹簧可以是单根螺旋弹簧或两根及以上刚度不同的螺旋弹簧串联而成，如图11b所示；刚度调节轴可以是表面光滑且穿过调节件的光轴，在刚度调节好之后，可以留在壳体内或从壳体取出，刚度调节轴也可以和调节件组成整体，如图11c所示；刚度调节轴可以从螺旋弹簧自由端穿过，也可以从螺旋弹簧的固定端穿过，如图11d所示。

如图12所示，所述的矫形鞋垫1在鞋垫前脚掌前端设有开口100，该开口100从脚掌前端中部一直延伸到矫形鞋垫约2/3长度处，并且开口的端部101是平滑的。该开口100能够允许矫形鞋垫在受力时能够自由变形，不会因为受到鞋帮侧壁的限制而发生扭曲或者翘曲；所述的端部101设置为平滑形状，目的是避免此处因应力集中而发生撕裂的现象。

如图13所示，所述的矫形鞋垫1也可以是在鞋垫前脚掌内侧靠近足弓支撑曲面的起始端设有开口100，该开口100一直延伸到矫形鞋垫约2/3宽度处，并且开口的端部101是平滑的。设置开口的目的和图12相同。

图14图示了刚度可调节的足踝矫形鞋垫在使用时的侧面图，所述刚度可调节的足踝矫形鞋垫1位于足踝100的底面，矫形鞋垫1的足弓支撑曲面10位于足弓下方，为足弓提供竖向支撑，通过改变刚度可调节装置2的弹性刚度来改变足弓支撑曲面10的竖向刚度，为足弓提供不同的竖向支撑刚度。

技术效果

当采用单根钢丝螺旋弹簧，钢丝抗剪模量为8×10⁴MPa，弹簧长度为38.4mm，节距3.84mm，弹簧外径10mm，线径1.6mm，总圈数10圈，可调节圈数为1‐6圈。

弹簧的弹性刚度计算公式为：其中：k为弹簧的刚度，F为弹簧所受的载荷，λ为弹簧在受载荷F时所产生的变形量，G为弹簧材料的抗剪模量，d为弹簧线径，D为弹簧中径，n为弹簧有效圈数，C为弹簧旋绕比。

当螺旋弹簧的有效工作圈数从1增加到6时，弹簧的受力—变形曲线见图15。弹簧的弹性刚度的变化范围为110571.2～18428.5N/m。刚度变化倍数为6倍。

当采用两个弹性刚度不同的螺旋弹簧串联而成的弹簧组时，螺旋弹簧201的弹簧线径为1.6mm，长度为19.2mm，弹簧圈数为5圈，可调节圈数为1‐3圈；螺旋弹簧202的弹簧线径为0.8mm，长度为19.2mm，弹簧圈数为5圈，可调节圈数为1‐3圈。弹簧其余参数和单根钢丝螺旋弹簧相同。

弹簧组的弹性刚度计算公式为：

其中：k₁、k₂为两个螺旋弹簧的弹性刚度。

A大范围粗调方式：当调节件3从螺旋弹簧201端部出发，逐渐增加螺旋弹簧201的有效工作圈数；然后调节件和螺旋弹簧202咬合，再逐渐增加螺旋弹簧202的有效工作圈数。

弹簧组的有效工作圈数从1增加到6时弹簧组的受力—变形曲线见图16。弹簧的弹性刚度的变化范围为110571.2～4067.8N/m。弹簧组刚度变化倍数约为27.2倍。

B小范围精调方式：当调节件3从螺旋弹簧202端部出发，逐渐增加螺旋弹簧202的有效工作圈数；然后调节件和螺旋弹簧201咬合，再逐渐增加螺旋弹簧201的有效工作圈数。

弹簧组的有效工作圈数从1增加到6时，弹簧组的受力—变形曲线见图17。弹簧的弹性刚度的变化范围为13717.4～4067.8N/m。弹簧组刚度变化倍数约为3.4倍。

将刚度可调节装置和足踝矫形鞋垫集成后，此处采用简化分析来说明刚度可调节的足踝矫形鞋垫的效果。将刚度可调节的足踝矫形鞋垫等效为一个具有水平拉杆的拱结构，其中，足踝矫形鞋垫等效为一个圆拱，拱高15mm，拱的横截面为20×0.25mm；拉杆长80mm，如图18。足踝矫形鞋垫采用玻璃纤维和环氧树脂(E‐glass Epoxy)的合成材料制成，杨氏弹性模量为38.6GPa。拉杆的横截面半径为0.25mm，拉杆的等效杨氏弹性模量可通过下式得到：其中，k为刚度可调节装置的弹性刚度，l为拉杆长度，A为拉杆的横截面积。

假设人体重量为60kg，一只足踝承受的压力为60×9.8×0.5＝294N，假设足弓支撑曲面承受单只足踝受力的10％，即29.4N，那么足弓支撑曲面的均布压应力为16838.3N/m²。

刚度可调节装置的弹性件采用单根钢丝螺旋弹簧，钢丝抗剪模量为8×10⁴MPa，弹簧长度为38.4mm，节距3.84mm，弹簧外径10mm，线径1.6mm，总圈数10圈，可调节圈数为1‐6圈。

从前面的分析可知，刚度可调节装置的刚度增大，足弓支撑曲面的竖向刚度增大，在同等受力情况下，足弓支撑曲面的下降程度减小，反之亦然。图19图示了在同等受力情况下，螺旋弹簧的有效工作圈数从1增加到6时，弹簧的伸长量以及足弓支撑曲面顶点下降程度的变化情况。从图19看出，螺旋弹簧的有效工作圈数从1增加到6时，足弓支撑曲面顶点下降量从6.8mm增大到11.2mm，弹簧的伸长量从5mm增大到6.7mm。

从另一方面来看，当足弓支撑曲面顶点的下降量相同时，随着刚度可调节装置弹性刚度逐渐增大，足弓支撑曲面可承受的竖向力也增大，反之亦然。图20图示了足弓支撑曲面顶点的下降量保持在8mm时，随着螺旋弹簧的有效工作圈数从1增加到6，足弓支撑曲面可承受竖向力的变化情况。从图20看出，当螺旋弹簧的有效工作圈数从1增加到6时，足弓支撑曲面可承受竖向力从950N下降到345N。这个思想在治疗/缓解足踝病变时非常有用，因为医生/患者可以根据足弓下降的合理程度来设定刚度可调节装置的合理刚度。此外，使用者也可根据不同运动情况下受力的不同对刚度可调节装置的刚度进行调节，促使足弓的下降量处于一个合理的范围。

Claims (9)

1.一种刚度可调节的足踝矫形鞋垫，其特征在于，该矫形鞋垫上设有用于对足踝纵弓进行竖向支撑的足弓支撑曲面，该矫形鞋垫的足弓支撑曲面位置处的下方或足跟位置处的下方设有刚度可调节装置，当所述刚度可调节装置位于矫形鞋垫足跟位置处的下方时，通过连接件与矫形鞋垫足跟位置处底部固定连接且端部通过连杆与矫形鞋垫前脚掌底部固定连接；

所述的刚度可调节装置包括：壳体、弹性件和调节件，其中：弹性件位于壳体内部且一端与壳体相连，调节件活动设置于壳体内并通过改变弹性件的有效工作长度实现刚度调节。

2.根据权利要求1所述的刚度可调节的足踝矫形鞋垫，其特征是，所述的刚度可调节装置至少一端通过连杆与所述矫形鞋垫底部固定连接。

3.根据权利要求1或2所述的刚度可调节的足踝矫形鞋垫，其特征是，当所述刚度可调节装置位于矫形鞋垫足弓支撑曲面位置处下方时，其两端均通过连杆与矫形鞋垫底部固定连接。

4.根据权利要求1所述的刚度可调节的足踝矫形鞋垫，其特征是，所述的调节件上设有转轴，该转轴位于弹性件内且转轴的任意一部分与调节件或壳体固定或活动连接。

5.根据权利要求4所述的刚度可调节的足踝矫形鞋垫，其特征是，所述的转轴上设有与之相接触的旋转件，通过旋转件转动转轴并带动调节件实现刚度调节。

6.根据权利要求1所述的刚度可调节的足踝矫形鞋垫，其特征是，所述的弹性件为至少一根螺旋弹簧。

7.根据权利要求1所述的刚度可调节的足踝矫形鞋垫，其特征是，所述的壳体为螺旋弹簧或内壁设有螺纹的容器。

8.根据权利要求1所述的刚度可调节的足踝矫形鞋垫，其特征是，所述的矫形鞋垫上设有开口，该开口为在前脚掌前端延伸到矫形鞋垫2/3长度处或在前脚掌内侧延伸到矫形鞋垫2/3宽度处。

9.根据权利要求8所述的刚度可调节的足踝矫形鞋垫，其特征是，所述的开口的端部设置为平滑形状以避免此处因应力集中而发生撕裂的现象。