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用于膝上截肢者的自动假肢

阅读:926发布:2021-02-16

专利汇可以提供用于膝上截肢者的自动假肢专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且应用于截肢者的股骨连接件(100)的膝上假肢(P),其包括连接到病人股骨连接件的上 铰链 (1),具有模拟膝部运动的功能的关节轴(2),转动连接到股骨段的胫骨-小腿肚肌肉单元(3)以及模拟小腿肚肌肉某些功能并确保假肢 制动 并允许步态的典型依次摆动和站立阶段的阻尼器(5)。阻尼器包括汽缸(5c),其中 活塞 (10)和 连杆 (9)彼此连接并适于响应于加载到假肢上的 力 执行所述阻尼器的阻尼反作用。具体地,力 传感器 被提供在阻尼器中,并被具体设置在连杆中,且具有接收来自传感器的力 信号 并响应于所检测到的力信号操作调整阻尼器反作用的装置的 微处理器 。,下面是用于膝上截肢者的自动假肢专利的具体信息内容。

1.一种用于膝上截肢者的假肢,所述假肢具有能够被固定到股骨连接件的股骨段和可绕模拟膝部运动的关节轴转动连接至彼此的胫骨段,所述胫骨段通过踝部以关节连接到具有脚趾、脚底和脚后跟的足部,其中所述膝部运动包括在使所述脚趾离开地面和使所述脚后跟落地之间的所谓摆动阶段,和包括使所述脚后跟落地,使所述脚底承受负载和使所述脚趾离开地面的所谓站立阶段,提供液压阻尼器,该液压阻尼器具有分别与所述股骨段和所述胫骨段连接并阻尼所述胫骨段相对于所述股骨段相对运动的上铰链和下铰链,使得在站立阶段所述胫骨段相对于在所述股骨段和所述胫骨段之间的膝关节制动,其中所述液压阻尼器包括汽缸、活塞和铰接到所述活塞的连杆,以及用于根据预定的-位置函数调整所述阻尼器的阻尼反作用的微处理器,其中所述阻尼器是液压型的,且其特征在于适于在存在高负载的情况下控制油流出的薄片,从而确保病人的高度舒适性,所述薄片用作止回弹簧,并根据所述汽缸中所述连杆的速度产生用于油流的开口。
2.根据权利要求1所述的假肢,其特征在于力传感器被提供在所述阻尼器中,且所述微处理器接收来自所述力传感器的力信号,并响应于来自所述阻尼器的所述力信号操作微处理器装置,该微处理器装置用于调整所述阻尼器的反作用。
3.根据权利要求2所述的假肢,其特征在于所述力传感器被提供在所述连杆中,且所述微处理器接收来自所述连杆上的所述传感器的力信号,并响应于检测到的所述连杆上的力信号操作所述微处理器装置,该微处理器装置用于调整所述阻尼器的反作用。
4.根据权利要求2所述的假肢,其特征在于所述力传感器是环形测力计,其被放在在所述连杆中形成的孔中,且所述孔的轴与所述连杆的轴正交
5.根据权利要求4所述的假肢,其特征在于所述环形测力计为Morehouse环。
6.根据权利要求2所述的假肢,其特征在于所述阻尼器上的所述力传感器是被设置在所述阻尼器的所述下铰链处的测力元件。
7.根据权利要求1所述的假肢,其中力传感器被提供在所述股骨段中,且所述力传感器是从由以下传感器组成的组中被选择出来的:正交力传感器、纵向力传感器、转矩传感器或其组合,且所述微处理器接收来自所述股骨段中的所述力传感器的力信号,并响应于在所述股骨段上出现的所述力信号操作微处理器装置,该微处理器装置用于调整所述阻尼器的反作用。
8.根据权利要求1所述的假肢,其中在弯曲中的奇点情形时,即完全折弯的膝部时,提供力传感器,以便测量弯曲中过载的存在。
9.根据权利要求8所述的假肢,其中提供弯曲接合器,在所述接合器上具有所述力传感器。
10.根据权利要求7所述的假肢,其中提供了用于存储所述力传感器的力数据的装置,以及将所述数据与最大可容许值相比较的装置。
11.根据权利要求2所述的假肢,其中位置传感器被提供在模拟所述膝部运动的所述关节轴处,所述位置传感器测量所述膝部的转动。
12.根据权利要求2所述的假肢,其中使所述股骨段和所述胫骨段在几何上符合,以便在摆动结束步态周期的开始时处于由被集成在所述阻尼器内的机械接合器测量的奇点状况,所述奇点状况即完全折弯的膝部,所述阻尼器上的所述力传感器在所述奇点状况下也测量传输到所述膝关节的实际负载,且处理对所述实际负载的所述测量的所述微处理器能够在步态过程中区分和控制这样的步骤。
13.根据权利要求2所述的假肢,其中所述阻尼器是液压型的并提供由所述活塞分开的第一腔室(A)和第二腔室(B),还提供了下面部件:
-补偿腔室;
-从所述补偿腔室到所述第一腔室的第一单向管道;
-从所述第一腔室(A)到所述补偿腔室的第二单向管道,沿该第二单向管道设置由所述微处理器控制的可调整流量阀;
-从所述补偿腔室到所述第二腔室的第三单向管道;
-从包括下列部件的组中选出的第四管道:
-从所述第二腔室到所述补偿腔室的单向管道,沿该单向管道设置由所述微处理器控制的可调整流量阀;
-在所述第二腔室和所述第一腔室之间的所述连杆中的单向轴向管道,所述连杆横穿所述第二腔室并具有在所述第二腔室中的多个径向开口,以便借助所述连杆在延伸阶段中的运动,所述多个径向开口被逐步堵塞,以便对所述活塞的运动提供较高的阻力。
14.根据权利要求13所述的假肢,其中第五管道被提供在所述补偿腔室和所述连杆上的油密封腔室之间,以使得所述油密封腔室中的压力与所述补偿腔室相同,从而避免所述油密封腔室中的压力高峰。
15.根据权利要求1所述的假肢,其中所述假肢具有在所述足部处装配具有一批力和位置传感器的脚垫的特征,所述力和位置传感器的信号由所述微处理器处理以便确定病人的所述足部与周围环境相互作用的模式,其中位于脚垫处的传感器允许确定从包括以下数据的组中选择出的数据:
-所述假肢上的合成负载矢量的强度、方向和位置分量,借此所述微处理器能够最有利地调整所述阻尼器的反作用;
-所述合成负载矢量的施加点,其中一个或更多个力传感器位于人造肢体中,与所述脚垫产生的信号一起被处理的所述一个或更多个力传感器的信号允许所述微处理器确定所传输的合成负载矢量。
16.根据权利要求15所述的假肢,其中所述人造肢体包括进一步的位于所述踝部并适于控制所述胫骨和所述足部之间的相对倾斜的度位置传感器,所述微处理器接收位于所述踝部的所述角度位置传感器的信号,以便联系所述脚垫提供的力矢量数据响应于矢量力确定踝部的位置。
17.根据权利要求1所述的假肢,其中所述膝关节包括能够在步态周期的某些阶段提供能量并在其他阶段接收能量的达/发电机,提供能量存储单元,该能量存储单元适于在步态周期的阶段中通过由所述微处理器控制的所述马达收集并再次释放所述能量。
18.根据权利要求17所述的假肢,其中提供根据所述膝关节设置的力和位置传感器,在所述微处理器中提供程序装置,该程序装置响应于来自根据所述膝关节设置的所述力和位置传感器的信号而操作,所述微处理器供应信号给所述马达/发电机以便使其在腿重排阶段作为马达并在支撑阶段作为发电机。
19.根据权利要求18所述的假肢,其中所述微处理器指示所述能量存储单元存储来自具有发电机功能的所述马达/发电机并由所述膝部耗散的能量,并在可变延迟后从所述能量存储单元调用能量,并将该能量提供给具有马达功能的所述马达/发电机作为在步态周期的某些阶段的推进力。
20.根据权利要求19所述的假肢,其中所述步态周期的某些阶段为当加速所述胫骨以确保与所述股骨重排时。
21.根据权利要求17所述的假肢,其中所述阻尼器中提供有变螺距弹簧,该变螺距弹簧允许具有用于所述股骨段和所述胫骨段之间的小角程的低硬度和用于大角程的高硬度。
22.根据权利要求18所述的假肢,其中在所述胫骨段和所述足部之间的踝关节包括进一步的马达/发电机。
23.根据权利要求22所述的假肢,其中所述踝关节包括与所述踝关节的所述马达/发电机并行设置的阻尼元件。
24.根据权利要求22所述的假肢,其中所述踝关节还包括连接到所述微处理器的力和位置传感器,响应于来自于设置在所述踝关节内的所述力和位置传感器的信号,将在支撑所述脚后跟在地面上的步骤中所述踝部产生的能量发送到所述能量存储单元,并在可变延迟后从所述能量存储单元调用能量,并在需要力量提升所述足部时,将该能量提供给所述踝关节上的作为马达的所述马达/发电机,以允许更容易和自然的步态,避免可能的足部-地面碰撞。
25.根据权利要求24所述的假肢,其中所述微处理器以程序装置管理所述膝关节和所述踝关节的所述马达/发电机,该程序装置适于借助来自设置在所述膝关节和所述踝关节处的所述力和位置传感器的信号识别步态的阶段。
26.根据权利要求22所述的假肢,其中所述膝关节上的所述马达/发电机和所述踝关节上的所述进一步的马达/发电机共享同一能量存储单元。
27.根据权利要求26所述的假肢,其中与所述膝关节和所述踝关节相关联的所述马达/发电机和所述能量存储单元是流体装置。
28.根据权利要求1所述的假肢,其中提供适于在同一步态周期中调整步态的步调的装置,所述装置提供至少如下变量的函数:时间、胫骨和股骨之间的相对旋转角度;或等同地,胫骨和股骨之间的相对旋转角度、所述角度对时间的一阶导数;提供用于测量步态周期中所述角度和所述一阶导数或速度的变化的装置,和使所述胫骨遵从对应于步态周期的摆动阶段或站立阶段的函数的装置,该函数的特征在于角度和速度的预定值。
29.一种用于膝上截肢者的假肢,所述假肢具有能够被固定到股骨连接件的股骨段和可绕模拟膝部运动的关节轴转动连接至彼此的胫骨段,所述胫骨段通过踝部以关节连接到具有脚趾、脚底和脚后跟的足部,其中所述膝部运动包括在使所述脚趾离开地面和使所述脚后跟落地之间的所谓摆动阶段,和包括使所述脚后跟落地,使所述脚底承受负载和使所述脚趾离开地面的所谓站立阶段;马达/发电机,该马达被供应以电流,该电流的强度由微处理器调整以在所述关节轴处获得期望的转矩,使得在所述站立阶段所述胫骨段围绕所述关节轴被制动,所述微处理器根据预定力-位置函数改变齿轮马达的阻尼器的阻尼反作用,其中提供适于在同一步态周期中调整步态的步调的装置,所述装置提供至少如下变量的函数:时间、胫骨和股骨之间的相对旋转角度;或等同地,胫骨和股骨之间的相对旋转角度以及所述角度对时间的一阶导数;提供适于测量步态周期中所述角度和所述一阶导数或速度变化的装置,和使所述胫骨遵从对应于步态周期的该阶段的函数的装置,该函数的特征在于角度和速度的预定值,其中所述阻尼器是液压型的,且其特征在于适于在存在高负载的情况下控制油流出的薄片,从而确保病人的高度舒适性,并且其中所述阻尼器包含汽缸、活塞和铰接到所述活塞的连杆,所述薄片用作止回阀弹簧,并根据所述汽缸中的所述连杆的速度产生用于油流的开口。
30.根据权利要求28或29所述的假肢,其中适于在同一步态周期中调整步态的步调的所述装置包括闭合曲线,所述微处理器存储多个步态模式,每个模式都由所述闭合曲线族描述,所述闭合曲线族响应于平均行走速度具有类似形状并具有不同幅度。
31.根据权利要求28或29所述的假肢,其中运动的条件被表示在n维空间中,所述n维空间包括坐标,该坐标是从由以下坐标组成的组中选择出来的:
-作用于肢体并传输到地面的合成负载矢量的代数值;
-所述合成负载矢量相对所述关节轴的力矩的代数值;
-由所述股骨传递到所述关节轴的力矩;
-施加到所述股骨上的纵向力;
-施加到所述股骨上的正交力;
-所述旋转角度的二次导数,
或它们的组合。
32.根据权利要求31所述的假肢,其中所述n维空间也包括作用于所述阻尼器的纵向力。
33.根据权利要求28或29所述的假肢,其中适于在同一步态周期中调整步态的步调的所述装置还提供至少下列变量的函数:胫骨和足部之间的相对旋转角度;设置在胫骨和足部之间的所述角度对时间的一阶导数;提供用于测量步态周期中所述一阶导数或速度变化的装置,和用于使所述足部遵从对应于步态周期的摆动阶段或站立阶段的函数并具有其速度的装置,从而使所述假肢模拟对应于所述摆动阶段或者站立阶段的函数的特征。
34.根据权利要求31所述的假肢,其中提供传感器装置,该传感器装置适于相对于时间连续地或以离散的时间间隔测量表示所述n维空间的坐标的参数,并适于相对于时间存储所述参数,所述微处理器包括适于分析由所述传感器确定的数据的装置,将该数据与记录在存储器单元中的数据比较,以便从记录的数据中确定最适于表示实际步态的曲线,被称为理想曲线。
35.根据权利要求34所述的假肢,其中所述微处理器调整所述阻尼器和/或马达的反作用,以便最小化偏差,所述偏差由所述n维空间中的实际点和所述理想曲线的相应点之间的偏离构成,该实际点的坐标由所述传感器测量。
36.根据权利要求33所述的假肢,其中所述微处理器根据步态周期内与所述股骨正交的力矩和/或力的变化调整所述阻尼器的反作用。
37.根据权利要求28或29所述的假肢,其中提供位于所述微处理器中的程序装置,该程序装置适于测量在步态中所述足部支撑在地面上的持续时间,并使信心参数与每个不同支撑持续时间相关联,每个信心参数对应由所述微处理器给予所述阻尼器的被测量的阻尼硬度,其中用于测量步态过程中所述足部支撑在地面上的持续时间的所述装置测量双步调事件的持续时间,以确定步态速度和被截肢的肢体的负载时间,并将它们与相对于失去的肢体的负载时间而记录的数据对比,且较高的是允许所述膝部的弯曲,而较低的是测得的负载时间和失去的肢体的负载时间之间的偏离。
38.根据权利要求35所述的假肢,其中提供具有连接到马达的快转轴和连接到所述膝关节的慢转轴的减速齿轮,所述马达被提供以电流,该电流的强度由所述微处理器调整从而在所述关节轴处获得期望的转矩。
39.一种用于膝上截肢者的假肢,所述假肢具有能够被固定到股骨连接件的股骨段和可绕模拟膝部运动的关节轴转动连接至彼此的胫骨段,所述胫骨段通过踝部以关节连接到具有脚趾、脚底和脚后跟的足部,其中所述膝部运动包括在使所述脚趾离开地面和使所述脚后跟落地之间的所谓摆动阶段,和包括使所述脚后跟落地,使所述脚底承受负载和使所述脚趾离开地面的所谓站立阶段,提供具有连接到电动马达的快转轴和连接到所述膝部的关节的慢转轴的减速齿轮,所述马达被提供以电流,该电流的强度由微处理器调整从而在所述关节轴处获得期望的转矩,以使得在所述站立阶段,所述胫骨段围绕所述关节轴被制动,所述微处理器根据预定的力-位置函数改变齿轮马达的阻尼器的阻尼反作用,其中所述阻尼器是液压型的,且其特征在于适于在存在高负载的情况下控制油流出的薄片,从而确保病人的高度舒适性,并且其中所述阻尼器包含汽缸、活塞和铰接到所述活塞的连杆,所述薄片用作止回阀弹簧,并根据所述汽缸中的所述连杆的速度产生用于油流的开口。
40.根据权利要求38或39所述的假肢,其中提供连接至踝关节的第二齿轮马达,该第二齿轮马达具有连接到电动马达的快转轴和连接到所述踝关节的慢转轴,该电动马达被提供以电流,该电流的强度由所述微处理器调整从而在关节轴处获得期望的转矩。
41.根据权利要求39所述的假肢,其中所述齿轮马达也用作发电机。
42.根据权利要求39所述的假肢,其中所述快转轴与连接到所述膝部的所述关节的所述慢转轴彼此正交,从而实现以类似于解剖尺寸的尽可能减小的阻碍。
43.根据权利要求42所述的假肢,其中所述齿轮马达在所述快转轴和所述慢转轴之间具有大于或等于5的齿数比,在所述快转轴上安装第一位置传感器从而确定所述快转轴的瞬间位置;在所述慢转轴上安装第二位置传感器,所述电动马达带动所述快转轴以便保持与所述慢转轴的预定配合并允许运动的可逆性。
44.根据权利要求43所述的假肢,其中所述齿轮马达是蜗杆传动。
45.根据权利要求39所述的假肢,其中自由飞轮位于设置在所述膝关节处的所述减速齿轮与所述膝关节之间,该自由飞轮适于在摆动阶段从所述减速齿轮释放所述胫骨,即当腿的惯性起作用时,反之,当所述电动马达必须作用于所述胫骨时,所述自由飞轮相对彼此约束这两个运动。
46.根据权利要求45所述的假肢,其中在弯曲阶段,所述微处理器操作所述电动马达以便在啮合位置时由所述飞轮保证制动所述胫骨的运动,而在伸展阶段,所述微处理器操作或不操作所述电动马达,使得所述自由飞轮啮合或不啮合。
47.根据权利要求39所述的假肢,其中所述减速齿轮的所述慢转轴和所述快转轴提供适于测量所述慢转轴和所述快转轴的角度位置的两个角度传感器,其中所述减速齿轮的向后效率低于向前效率,所述微处理器处理由所述传感器产生的数据并操作所述电动马达从而限制所述减速齿轮中的适当恢复的腿动能的耗散,配合在运动链中发生。
48.根据权利要求39所述的假肢,其中所述减速齿轮的所述慢转轴和所述快转轴提供一个或更多个力矩传感器。
49.根据权利要求1所述的假肢,其中提供可再充电电池,以及与所述可再充电电池可释放地接合的装置,所述电池为被设置在所述假肢中的电子装置供电。
50.根据权利要求49所述的假肢,其中所述电池在相对于所述关节轴的靠前的位置被连接到所述假肢,并可由呈坐姿的病人从上面以与肢体的几何形状符合的方式接触,以允许坐着的病人取出/安放所述电池。
51.根据权利要求50所述的假肢,其中提供端口,利用该端口有可能连接人造肢体到计算机以便给所述电池再充电,所述电池为被设置在所述人造肢体内的所述电子装置供电,更新固件,为了延后的分析转移由所述人造肢体记录的数据到所述计算机。
52.根据权利要求51所述的假肢,其中所述端口是USB端口。
53.根据权利要求51所述的假肢,其中所述可再充电电池包括可再充电电路,该可再充电电路可通过变压器的初级/次级连接与肢体外部的电源电路连接。
54.根据权利要求29所述的假肢,其中提供可再充电电池,以及与所述可再充电电池可释放地接合的装置,所述电池为被设置在所述假肢中的电子装置供电。
55.根据权利要求32所述的假肢,其中提供可再充电电池,以及与所述可再充电电池可释放地接合的装置,所述电池为被设置在所述假肢中的电子装置供电。

说明书全文

用于膝上截肢者的自动假肢

技术领域

[0001] 本发明涉及整形外科器具领域,且更具体地,涉及膝上截肢者的自动假肢。
[0002] 而且,本发明还涉及能够控制该假肢的电子设备。

背景技术

[0003] 已知有不同类型的膝上截肢者使用的假肢。在许多这类假肢中,有一种构造提供有绕关节轴彼此转动连接的股骨段和胫骨段,该关节轴模仿膝部运动。而且,提供了连接股骨段和胫骨段的液压减震器。这些关节的例子在JP52047638、GB826314、US4212087、和US3599245中公开。
[0004] 胫骨段由踝关节连接到具有脚趾、脚底和脚后跟的足部,膝部运动可分成在使脚趾离开地面和使脚后跟落地之间的所谓摆动阶段,和包括使脚后跟落地,使脚底承受负载和使脚趾离开地面的所谓站立阶段。通过阻尼股骨段与胫骨段之间的相对运动,在站立阶段,胫骨段相对于股骨段和胫骨段之间的连接铰链制动
[0005] 在某些情形中,如GB2216426中,具有可调阻塞的在膝部的弯曲和伸展的不同步骤中改变阻尼器的制动反作用,其中可调节阀由程序和微处理器控制。GB2244006也提供阻塞横截面,阻尼器的流体流经其横截面。该流体是电流变型流体,因此当受电场影响时,其引起阻尼速率改变。传感器传输关于作用于腿的力数据且微处理器由此调整液压阻尼器的粘度
[0006] 关于关节轴,其可以是简单铰链,如上述文献中的铰链,或达或电磁制动器,如FR2623086公开。其中关节被制动或自由,或被特别地加速的阶段的选择是通过设置在胫骨段上的力传感器获得的,这允许操作马达或制动器。而且,FR2623086总是教导使用由假肢脚操作的液压所耗散的能量恢复能量,假肢脚操作位于关节处的液压马达
[0007] 现有膝上截肢者的假肢的一个主要问题是在摆动阶段脚趾碰到地面的险,所谓的脚趾离地(Toe Clearance)。具体地,在低速步态时,存在股骨最小动力效应,其缺点在于小幅提升假肢脚。在摆动阶段,该足部的硬度不辅助股骨和胫骨之间的必要延伸,这会在摆动阶段产生脚趾碰到地面的风险。
[0008] 另一个问题是年长病人或在膝上截肢后恢复步态的病人在平地上走动时重排胫骨和股骨。实际上,一旦通过股骨段和胫骨段之间的TDC,由于胫骨段的最小摆动动作,会产生重排股骨段和胫骨段的困难。
[0009] 进一步的问题是现有假肢不可能在步态周期中调整步调。在遇到意外障碍物的情形中会感觉到这样的需要,需要改变速度以通过它,或需要快速步态。
[0010] 对于现有假肢,另一个问题是难于随着病人对假肢的熟悉逐步调整步态参数。通常,需要由技术专家改变假肢或实施机械调整。
[0011] 再一个问题在于需要电池马达或电致动器的假肢的行程,以及电池再充电阶段的简易性。

发明内容

[0012] 本发明的概括目的是为膝上截肢者提供假肢,其以类似于非残疾人员的步态能力的方式恢复截肢者的步态能力,改善现有技术并解决上述问题。
[0013] 本发明的特征还在于提供模拟失去肢体的所有特征的人造肢体,且具体地,允许检测周围环境的数据和肢体相对于周围空间的相对位置的数据。
[0014] 本发明的另一个特征是提供人造肢体,其也允许检测关于肢体状态的数据,具体地是关于肢体所受压力-张力的数据,允许分析关于假肢的关节的瞬间硬度状况。
[0015] 本发明的进一步特征是提供人造肢体,其相对于现有技术具有更好的逻辑控制,允许选择将执行的操作从而确保舒适和安全的步态。
[0016] 本发明的又一特征是提供人造假肢,其允许在膝关节和/或踝关节的步态过程中提供/耗散/恢复能量,具体地,允许恢复在耗散性步态阶段获得并可用于肢体需要能量的阶段的第一类能量(例如机械功)。
[0017] 本发明的进一步特征是提供人造肢体,其允许膝上截肢者执行自然步态,病人的能量消耗减少,响应于步调的反应,以及适应不同类型的路程,从而最小化假肢的能量要求。
[0018] 本发明的又一个特征是提供人造肢体以辅助具有非常有限步态能力的病人,即年长的人或具有不稳步态的病人。
[0019] 本发明的另一个特征是提供人造肢体,其确保动态阻尼,以便在步态过程中实现舒适和稳定性,避免不自然的硬度反应。
[0020] 本发明的又一个特征是提供人造肢体,其增加安全性以便控制膝部从而在所谓的脚趾离地阶段实现较大的空隙。
[0021] 本发明的进一步特征是提供人造肢体,其适于通过应用合适的传感器确定作为相对地面的矢量力的负载位置。
[0022] 本发明的又一个特征是提供人造肢体,其允许确定从脚到地面的施力点及其强度。
[0023] 本发明的一个目的也是提供人造肢体,其允许察觉和识别空间中假肢的位置,具体地是足部相对病人身体的位置。
[0024] 本发明的又一个特征是提供人造肢体,以便改变膝部反应的硬度,且其辅助避免冲击,从而在路缘出现时恢复踝部位置,从而确保高度安全的步态,而且避免病人必须持续注意周围环境。
[0025] 本发明的另一个特征是提供人造肢体,其在步态周期内改变步态的步调。
[0026] 本发明的另一个特征是提供人造假肢,其利用易于充电和更换的电池增加假肢的行程。
[0027] 这些和其他特征是以用于膝上截肢者的一个示例性假肢实现的,所述假肢具有可被固定到股骨连接件的股骨段和绕模拟膝部运动的关节轴彼此枢轴连接的胫骨段,所述胫骨段由踝关节连接到具有脚趾、脚底和脚后跟的足部,其中所述膝部运动包括在使脚趾离开地面和使脚后跟落地之间的所谓摆动阶段,和包括使脚后跟落地,使脚底承受负载和使脚趾离开地面的所谓站立阶段,所提供的液压阻尼器具有分别与所述股骨段和所述胫骨段连接并阻尼所述胫骨段相对于所述股骨段的相对运动的上铰链和下铰链,因此在站立阶段,胫骨段相对于在所述股骨段和所述胫骨段之间的膝关节被制动,其中液压阻尼器包括汽缸活塞和铰接到所述活塞的连杆以及用于调整所述阻尼器的阻尼反作用的微处理器。
[0028] 在本发明的第一特殊方面,假肢具有在所述阻尼器中的力传感器,且该微处理器接收来自所述力传感器的力信号并响应于来自所述阻尼器的力信号操作用于调整所述阻尼器的反作用的装置。
[0029] 具体地,所述力传感器被设置在所述连杆上。优选地,所述力传感器是环测力计,例如Morehouse环,其被放在在所述连杆中形成的孔中,孔轴与连杆轴正交
[0030] 可替换地,阻尼器上的所述力传感器是设置在所述阻尼器的所述下铰链处的测力元件(load cell)。
[0031] 以该方式有可能瞬间验证阻尼器上的负载的状态并反馈控制膝部的动态行为。
[0032] 有利地,进一步的力传感器被提供在所述胫骨段中,且所述微处理器接收来自股骨段中的所述力传感器的力信号,并响应于所述股骨段上所检测到的力信号,操作用于调整所述阻尼器的反作用的所述装置。
[0033] 在有利的示例性实施例中,所述股骨段中的所述力传感器包括适于测量在股骨的纵向方向上作用于股骨上的作用力的第一力传感器,和适于测量在正交于股骨的方向上作用于股骨上的作用力的第二力传感器。以该方式,关于股骨和阻尼器的总体力信息能够令人满意地确定人造肢体中的张力状态。
[0034] 在示例性的简化实施例中,股骨上的所述第二力传感器仅提供在正交于股骨的方向上作用于股骨的力的信号。
[0035] 而且,位置传感器可提供在模拟膝部运动的关节轴处,所述位置传感器测量膝部旋转。
[0036] 有利地,在摆动的末尾在步骤的开始,即在运动的最大伸展阶段,股骨段和胫骨段位于由被集成在阻尼器内的机械接合器(abutment)测量的奇点(singularity)状况下。以该方式,阻尼器上的力传感器在奇点的状况下也测量传输到关节的实际负载,且处理该测量的微处理器可在步态过程中区分和控制该步骤。
[0037] 有利地,其所述状况是关节最大弯曲的状况,且通常不是步态的一部分,并由特定传感器检测和确定,或如果接合器被集成在该阻尼器中,由被集成在阻尼器中的所述力传感器检测和确定,以便微处理器可测量施加到人造肢体的负载的全部历史,且精确地说为测量危及该人造肢体稳固性的可能过载的发生,在该情形中致动合适的发信号和紧急装置。
[0038] 有利地,阻尼器为液压型且特征在于适于在高负载例如冲击存在时控制油流出的薄片(blade),确保病人的高舒适性。
[0039] 优选地,所述阻尼器为液压型并提供由所述活塞分开的第一腔室(A)和第二腔室(B),还提供了下面部件:
[0040] -补偿腔室;
[0041] -从所述第一补偿腔室A到所述第一腔室的第一单向管道;
[0042] -从所述第一腔室(A)到补偿腔室的第二单向管道,沿该管道设置由所述微处理器控制的可调整流量阀;
[0043] -从所述补偿腔室A到所述第二腔室的第三单向管道;
[0044] -从由下列部件组成的组中选择的第四管道:
[0045] -从第二腔室A到补偿腔室的单向管道,沿该管道设置由所述微处理器控制的可调整流量阀;
[0046] -在所述第二腔室和所述第一腔室之间的所述连杆中的单向轴向管道,所述连杆横穿所述第二腔室并具有在所述第二腔室中的多个径向开口,以便借助所述连杆在所述延伸阶段中的运动,这样的开口被逐步堵塞,以便对所述活塞的运动提供较高的阻力。
[0047] 具体地,第五管道被提供在所述补偿腔室和所述连杆上的油密封腔室之间,以便所述油密封腔室中的压力与补偿腔室相同,从而避免油密封腔室中压力高峰。
[0048] 在本发明的第二特殊方面中,所述假肢具有在足部装配具有一批力和位置传感器的脚垫的特征,其信号由所述微处理器处理以便确定病人足部与周围环境相互作用的模式。
[0049] 在脚垫的可能实施例中,位于脚垫处的传感器允许确定合成负载矢量的强度、方向和位置分量,借此微处理器可最有利地调整阻尼器的反作用。
[0050] 在脚垫的另一个实施例中,设置在脚垫的传感器提供关于合成负载矢量施加点的数据,其中提供的一个或更多力传感器设置在人造肢体中,其信号以所述脚垫发生的信号计算,允许微处理器确定传输的合成负载矢量。
[0051] 有利地,所述人造肢体包括进一步的度位置传感器,其位于踝部处并适于控制胫骨和足部之间的相对倾斜。该信息允许响应于相应矢量力结合脚垫提供的力矢量数据确定踝部的位置,因为负载必须通过踝部。
[0052] 在本发明第三特殊方面中,所述膝关节轴包括发电机/马达,其能够在步态周期的某些阶段提供能量并在其他阶段接收能量,所提供的能量存储单元适于在步态周期的阶段中通过由所述微处理器操作的所述马达收集并再次释放所述能量。
[0053] 具体地,所提供的力和位置传感器设置在所述膝关节以便驱动所述能量存储单元和所述发电机/马达之间的能量交换,因此,其能够供应/耗散/恢复能量。更精确地,在微处理器中有程序装置,其响应于来自根据所述膝关节设置的所述力和位置传感器的信号操作,且其引起所述马达/发电机分别在腿部重排阶段中作为马达工作并在支撑阶段作为发电机工作。
[0054] 以该方式,因为在大部分步态中膝部耗散由股骨在股骨-胫骨相对运动中提供的能量,如当在地面上行走时,所以通过尽可能地收集被耗散的能量并在需要时随腿部关节的运动将其释放回去,存在灵敏的能量恢复。更精确地,当以稳定化的功能着地时,所述微处理器以制动转矩减小胫骨段的摆动动作。在这些瞬间,由膝盖耗散的能量被所述能量存储单元恢复并以可变的延迟在步态周期的某些阶段中被供应,具体地,当加速胫骨从而确保与股骨重排时。其他被动阶段,例如当机械功被施加到人造肢体时,例如当坐下时,有能量被收集在存储单元中。
[0055] 然后,在膝关节上使用制动/马达装置,有可能在所有步态状况中确保正确地校正股骨段相对胫骨段的结构,特别是在低速时。
[0056] 有利地,如果病人,尤其是新截肢者或年长者在行走过程中犹豫,则所述马达确保胫骨的正确重排。
[0057] 优选地,为减小假肢的能量消耗,并增加马达/发电机系统的行程,提供允许实现理想硬度的变螺距弹簧,即用于股骨段和胫骨段之间的小角程的低硬度,和用于大角程的高硬度。
[0058] 具体地,所述变螺距弹簧是具有直径的螺旋弹簧,其一端具有第一螺距P1,另一端具有第二螺距P2,且硬度在第一值K1和第二值K2之间连续转变。可替换地,弹簧的特征在于具有不同螺距的两个部分。
[0059] 有利地,在所述胫骨段和所述足部之间的所述踝关节也包括马达/发电机,其可与弹性元件和/或阻尼元件、连接到微处理器的力和角度位置传感器并行设置。
[0060] 以该方式,踝部也适于在脚后跟落地时作为发电机制动胫骨-足部相对转动,且适于作为马达提供提升足部必须的动力。
[0061] 有利地,踝部上的马达/发电机能够调整足部相对胫骨段的安装角(incidence),允许以非常容易和自然的方式避免脚趾在摆动阶段(脚趾离地)碰到地面的风险。
[0062] 由于该特征,所述假肢对于低步态能力的截肢者是有益的,即年长的人或在步态过程中踌躇的人,因此有助于步态。
[0063] 为了避免在摆动阶段中脚趾碰到地面的风险,微处理器使用程序装置管理由膝部-踝部的马达/发电机组成的系统,由于信号来自根据所述踝关节设置的所述力和位置传感器,该程序装置适于识别步态阶段,该程序装置也适于在摆动阶段确定脚趾碰到地面的风险,改变足部相对于胫骨段的安装角,避免在摆动阶段脚趾碰到地面的这类风险。因此,膝部-踝骨系统相对于病人步态的变化是适应的,从而确保更好和更安全的性能。
[0064] 有利地,膝部和踝部共享同一能量存储单元;因此,当连接到膝盖的马达/发电机必须作为马达工作时,其可使用被收集在能量存储单元中的能量,该能量是在先前马达/发电机作为发电机工作的阶段中由连接到踝部的马达/发电机产生的。
[0065] 该方案的应用是爬楼梯:脚停在台阶上,且重心的前移对踝部做可收集的功,然后该能量被用于膝部以提升病人身体。以该方式,膝部和踝部彼此互相作用并通过所述能量存储单元交换能量从而实现总能量恢复(总恢复系统)。
[0066] 有利地,关联到膝关节和踝关节的马达/发电机装置和能量收集器是流体装置。
[0067] 在本发明的第四特殊方面,人造肢体包括适于在同一步态周期中调整步态步调的装置,所述装置提供至少具有下列变量的函数:时间、胫骨和股骨之间相对旋转角以及所述角度对时间的一阶导数。
[0068] 具体地,适于在同一步态周期中调整步态步调的所述装置包括闭合曲线。例如在平地上行走由一族响应于平均行走速度具有不同幅度的类似曲线定义。更精确地,适于在同一步态周期中调整步态的步调的所述装置定义适于描述步态周期的n维空间内的曲线,所述曲线由胫骨相对于时间的轨迹组成,该轨迹由胫骨-股骨角度及其对时间的导数描述。
[0069] 在平地上行走的情形中,每条曲线为确定的平均速度定义理想的步态周期,以便随着平均速度改变,曲线改变其幅度,但曲线形状基本相同。在平面或多维空间内的类似曲线族明确地识别在平地上的行走,且参数例如平均速度将族中的曲线彼此区分。
[0070] 提供了测量步态周期内速度变化的装置和使得胫骨在该步态周期的该阶段中遵从相应曲线的装置。以该方式,有可能快速识别截肢者的需要从而改变步态的速度,然后转变胫骨使其相对于前面遵从的曲线遵从不同幅度的曲线,而无需等待连续周期的开始。
[0071] 从行走、坐下和站起停止的典型操作可进而由特定曲线族定义。类似地,上坡、下坡、下楼和上楼、蹬自行车、滑以及几乎任何其他可能的步态类型一般都可通过特征曲线族表示在n维空间中。
[0072] 每族曲线的特征在于一个特征形状和表示曲线以与其他曲线区分的参数。
[0073] 在可能的配置中,作为示例而非限制,在所述空间中坐标为5个:
[0074] -时间;
[0075] -胫骨和股骨之间的相对旋转角;
[0076] -所述角度对时间的一阶导数;
[0077] -传输到地面的合成负载矢量的代数值;
[0078] -所述合成矢量相对于所述关节旋转轴的力矩的代数值。
[0079] 有可能提出进一步的参数,例如角度的二阶导数,以便以更完整和一般的方式表示不同的可能步态条件。
[0080] 在优选的简化配置中,空间坐标为三个:胫骨-股骨旋转角度、胫骨-股骨旋转角度对时间的一阶导数、作用于阻尼器的力。
[0081] 进一步提供的传感器装置适于相对于时间连续测量或以离散时间间隔测量表示所述空间坐标的参数。具体地,提供适于相对于时间存储所述曲线的特征数据和由传感器确定的数据的存储器单元,例如RAM、ROM、EPROM等。
[0082] 而且,提供微处理器,其适于分析由传感器确定的数据,将其与记录在所述存储器单元中的数据比较,以便在所记录的数据中确定曲线族和最适于表示实际步态的曲线,即所谓的理想曲线。
[0083] 所述微处理器调整阻尼器的反作用以便最小化n维空间中坐标由传感器在实际瞬间测量值定义的实际点和理想曲线的相应点之间的偏差(例如距离偏差)以及关节(膝部或踝部)的角度和角度导数下的力偏差。
[0084] 有利地,所述微处理器根据偏差、使用的理想曲线和曲线族确定,继续该实际理想曲线是否是有用的,或使用不同理想曲线或改变曲线族是否更好。
[0085] 有利地,所述控制架构适于响应于病人的心理生理条件的变化最优化步态,因此病人在刚截肢后步态犹豫性高时和当截肢者获得更多信心时总能最好地行走。进一步的优点是康复时间减少,因为病人由发挥适于矫正和改善步态的电子康复装置作用的装置持续性辅助。
[0086] 可能的示例性实施例提供对关节处股骨力矩的测量,且在该情形中,不限制本发明的范围,所述空间坐标如下:
[0087] -时间;
[0088] -胫骨和股骨之间的相对旋转角度;
[0089] -所述角度对时间的一阶导数;
[0090] -作用于阻尼器的纵向力;
[0091] -股骨传递到关节的力矩。
[0092] 后面的参数允许间接检测病人的意愿,因为病人的意愿由残肢作用于关节的力矩证明。
[0093] 不限制本发明的范畴,平地上加速步态的需要引起与股骨正交的力矩和/或力的变化,且在病人希望减速时类似情形发生。
[0094] 采集这些与病人需求关联的参数值的控制系统能够调整人造肢体的行为,从而确保非常快地响应以便立即遵从病人的意愿。所述控制系统特别适于需要高推动力(dynamism)的病人。一般地,其至少部分恢复所失去的肢体的本体感受,因为在病人的意愿例如残肢对假肢的压力、动作和直觉之间建立直接关系。
[0095] 可替换地,用于定义步态状况的所述装置是矩阵类型的。
[0096] 在本发明的第五特殊方面,提供减速齿轮,其具有连接到电子马达的快转轴(shaft)和连接到膝盖关节的慢转轴(shaft),马达由电流供应,电流强度由微处理器调整从而在关节轴(axis)处获得类似于通过液压阻尼器获得的转矩。
[0097] 有利地,提供第二齿轮电动机,其连接到由微处理器控制的踝关节,以便获得类似于液压阻尼器的转矩。
[0098] 有利地,位于所述膝关节的所述减速齿轮具有彼此正交的连接到电动马达的快转轴和连接到关节的慢转轴,从而实现类似于解剖尺寸(anatomic sizes)的尽可能减少的阻碍。
[0099] 有利地,人造肢体提供第二齿轮马达,其具有正交轴并在踝关节处连接到慢转轴。
[0100] 优选,所述齿轮马达,特别是蜗杆传动马达,在所述快转轴和所述慢转轴之间的齿轮比大于或等于5,在所述快转轴上安装有第一位置传感器以确定所述快转轴的瞬间位置;在所述慢转轴上安装第二位置传感器,所述马达带动所述快转轴以便保持与所述慢转轴的预定配合,并允许运动可逆。
[0101] 有利地,在位于所述膝关节处的所述减速齿轮和所述关节之间设置有自由飞轮,该自由飞轮适于在摆动阶段从减速齿轮释放胫骨,即由腿的惯性引起,反之,当马达/制动必须作用于胫骨时,自由飞轮相对彼此约束这两种运动。
[0102] 作为对所述自由飞轮的替换,在所述减速齿轮的所述轴上应用两个角度传感器,其适于测量所述转轴的角度位置。
[0103] 因为所述减速齿轮的特征在于后退运动的效率低于向前运动的效率,所述微处理器处理由所述传感器产生的数据,并操作马达从而保持齿轮的齿之间的接触与后退转矩的传动侧相反,从而限制腿动能在减速齿轮中的耗散;这是由于运动链中不可避免的后冲,在该情形中,该后冲具有积极作用,其允许微处理器操作马达,以便不制动或最可能小地制动腿惯性能量。
[0104] 在可替换示例性实施例中,提供了一个或更多力矩传感器,代替角度传感器;在该情形中,微处理器操作马达以控制必须耗散在齿轮马达和/或必须存储在收集器中的功率量。
[0105] 在本发明的第六特殊方面,设置在人造肢体中的电子装置,在仅有膝关节的情形和在膝关节与踝关节结合的情形中,都由可再充电电池供电,例如锂离子电池,当更换电池时,该可再充电电池能够由能戴人造肢体的病人自己快速自主更换。
[0106] 特殊装置例如声学警报在人造肢体上的电池将要耗尽时给病人发车信号,且病人使用所携带的第二电池容易地更换其;以该方式,假肢的行程更长。
[0107] 病人携带的充电电池的数目当然可多于两个,而且这对于喜欢远足的或即使偶尔住在不易于充电的地方的病人,或避免长时间等待电池再充电是有利的。
[0108] 可替换地,示例性的而非限制性地,在人造肢体上存在USB端口,在仅有膝关节的情形或在有膝关节和踝关节的情形中,人造肢体可利用该USB连接到计算机以便给给设置在所述人造肢体内的电子装置供电的电池充电,更新固件,以及为了延后的分析将人造肢体记录的数据转移到计算机。
[0109] 有利地,安装在计算机上或在网络中可用的特殊软件分析存储在人造肢体存储器中的数据并再次编程固件以便响应于病人的意愿改善人造肢体的行为。
[0110] 有利地,结合或替换前面的特征地,在仅膝关节的情形中或在膝关节与踝关节结合的情形中,在人造肢体上,该装置由可再充电电池供电,例如锂离子电池这种类型,其再充电电路可通过变压器的初级/次级连接与肢体外部的电源电路连接。
[0111] 以该方式,病人可在穿戴人造肢体、美观的外套和衣服的同时容易地给电池再充电。
[0112] 有利地,转而通过较大尺寸的电池给外部再充电电路供电,病人可携带该较大尺寸的电池,例如固定到腰带上、背包中、口袋中,等等。附图说明
[0113] 通过参考附图和下面对本发明示例性实施例的示例而非限制性的描述可以更清楚地理解本发明,在附图中:
[0114] 图1示出现有技术的膝上假肢的示意运动图;
[0115] 图2和3示出优选的示例性实施例中膝上假肢的横截面示图,其以两种功能步态构造应用于病人的残肢,没有示出踝部机构;
[0116] 图4示出图2和3中的膝上假肢的一部分的放大横截面示图,其中活塞完全撤回,并详细示出连接假肢和病人股骨区、膝关节以及控制和约束其运动的阻尼器的上铰链;
[0117] 图5示出以与图4中轴平面正交的轴平面截出的膝上关节横截面,而且示出连接胫骨小腿肚肌肉单元(tibia-calf)中的阻尼器的约束装置;
[0118] 图6和图6A以简化表示示出根据本发明的阻尼器操作的两个液压图,不同之处在于主部件,该阻尼器操作适于模拟小腿肚肌肉的功能;
[0119] 图7示出阻尼器单元的汽缸的正视图,其中控制单元和伺服马达安装在各自的阀组上,这些阀组在假肢的压缩和伸展阶段单独作用并操作;
[0120] 图8示出集成到各个伺服马达(没有剖开)的阻尼器的阀单元的横截面示图;
[0121] 图9示出在流体流动通过各通道的区域中根据图8中的箭头IX-IX的阀单元的截面示图;
[0122] 图10示出连杆-活塞装置的可能示例性实施例的透视图,其示出安装在连杆中的环状力传感器;
[0123] 图11示出与连杆分开的图10中活塞元件的透视图;
[0124] 图12示出类似于图11中的具体的“四面”连杆-活塞,处于其操作中的一个步骤中,具体地,当油流出时通过在内部形成的通道从一个表面到另一个表面;
[0125] 图13示出可几何调整的制动装置的横截面示图;
[0126] 图14示出图13中装置的放大示图;
[0127] 图15示出图1的示意运动图,其示出适于接收并分析周围环境数据的传感器的位置;
[0128] 图16示出膝上假肢的示意运动图,其由股骨/胫骨和胫骨/足部之间的能量恢复元件和用于接收周围环境数据的装置组成;
[0129] 图17,17A和17B以相对示图分别示出所谓的脚趾离地,分别为在摆动阶段中有脚趾碰地面的风险的情形(I),和在摆动阶段地面脚趾与脚趾没有冲突的情形(II);
[0130] 图18以图18A和18B中的相对曲线图示意地示出具有液压阻尼器的膝上假肢,该液压阻尼器具有薄层活塞,其确保动态阻尼,以便在步态过程中实现舒适和稳定;
[0131] 图19示意示出相对周围环境的相互作用和控制传感器的布置,其具有形成假肢的装置,此外图19A和19B示出膝部和踝部的曲线图;
[0132] 图20示意示出膝上假肢,其提供磁力马达用作液压阻尼器的替换;
[0133] 图21示意示出具有由依次连接到能量收集器的测力元件和压力传感器控制的流体冲击吸收器和电动马达的系统;
[0134] 图22示出可能的示例性实施例中的液压系统,其具有弹簧机械收集器;
[0135] 图23示出本体感受腿中足部上的位置传感器的结构,而图23A和23B示出其响应于股骨/胫骨和胫骨/足部之间相对角度的曲线图;
[0136] 图24示出感官化的脚底,其用于检测力相对地面的方向;
[0137] 图25示出图24中感官化的脚底,其应用于膝上假肢的足部;
[0138] 图26示出用于膝上截肢者的假肢示意图,其中膝部铰链在靠前位置上;
[0139] 图27示出膝上假肢的示意图,其中膝关节轴设置在靠前位置上并示出这样的假肢在图25A中所谓的脚趾离地阶段中具有的优点;
[0140] 图28示出膝上假肢的示意图,其中当假肢与地面正交时关节轴设置在靠前位置上;
[0141] 图29示出股骨段上的传感器的位置和阻尼器上的传感器的位置,以及相对地面的矢量力的方向;
[0142] 图30示出具有自由飞轮的马达/减速齿轮的示意图;
[0143] 图31和31A示出自行车型自由飞轮示例的横截面示图,齿轮马达固定到该自由飞轮上,其用作安装在膝关节轴的制动/马达;
[0144] 图32示出简化构造操作中的蜗杆传动型齿轮马达;
[0145] 图33示出具有变螺距弹簧的马达,其允许在不同构造中实现最优刚度以便减小假肢的能量消耗;
[0146] 图34示出模拟分别在2和4km/h的步态周期阶段的曲线图;
[0147] 图35以三维简化表示示出包含胫骨-股骨旋转角度,该角度对时间的一阶导数和作用于阻尼器的力的曲线;
[0148] 图35A另外示出三维曲线,其中每个曲线都表示与参考模型不同的步态;
[0149] 图35B示出根据微处理器操作和控制步态中所遵从的主要阶段的流程图
[0150] 图36示出形式为可再充电电池的存储单元,其以可释放方式应用于胫骨段;
[0151] 图37示出图36中的能量存储单元,其具有单独的保护元件;
[0152] 图38示出比内部电池尺寸大且病人可携带以用于给内部电池充电的外部电池;
[0153] 图39示出能量存储单元,其封闭在单独外壳内并具有互连元件;
[0154] 图40示意示出抽出图39所示的电池以便充电和/或更换的操作。

具体实施方式

[0155] 参考图1,其示出现有技术中膝上截肢者的假肢P的示意运动图,该假肢P用于可能病人的股骨连接件100,并包括:
[0156] -属于假肢P的上铰链或股骨段1,其实现与病人股骨连接件100的连接;
[0157] -关节轴2,其连接股骨段1和胫骨段3并模拟正常膝部的运动;
[0158] -踝部3a,其连接胫骨段3和假肢足部400;
[0159] -阻尼器5,其位于股骨段1和胫骨段3之间,其阻尼上述段之间的相对运动并允许膝上假肢P再现正常肢体的某些功能。
[0160] 具体地,在图1的膝上假肢P中,股骨段1和胫骨段3可绕关节轴2转动彼此连接,关节轴2模拟膝部运动。而且,胫骨段3由踝部3a关节连接到足部400,足部400包括脚趾400a、脚底400b和脚后跟400c。
[0161] 众所周知,膝部运动可分成在使脚趾400a离开地面和使脚后跟400c落地之间的所谓摆动阶段,和包括使脚后跟400c落地,使脚底400b承受负载和使脚趾400a离开底面的所谓站立阶段。
[0162] 液压阻尼器5连接股骨段1和胫骨段3并阻尼股骨段1和胫骨段3之间的相对运动,因此,特别在站立阶段,而且在摆动阶段,胫骨段3相对于连接铰链2和股骨段1被制动。
[0163] 参考图2和3,其示出根据本发明的膝上假肢P,其应用于截肢者的股骨连接件100;便利地,在图2和3中,踝部没有详细示出并由人造脚套(foot cover)遮住。
[0164] 假肢P包括:
[0165] -上铰链或股骨段1,其连接到病人的股骨连接件100;
[0166] -关节轴2,其具有模拟膝部运动的功能;
[0167] -胫骨-小腿肚肌肉单元或胫骨段3,其具有容纳构成假肢P的许多元件在其内的功能,如液压、电气、和电子元件,并转动连接到股骨段1;
[0168] -阻尼器5,其模拟小腿肚肌肉的某些功能并确保假肢P制动并允许步态通常的依次摆动和站立阶段;
[0169] -下铰链11,其与相对踝骨3a(未示出)和假肢足部400连接。
[0170] 图2和3也示出阻尼器5,其包括汽缸5c,互相连接的活塞10和连杆9在此处运行,并且阻尼器5适于响应于加载到假肢的力实施阻尼反作用。
[0171] 在本示例性实施例中,阻尼器5是汽缸5c中含油的液压阻尼器。
[0172] 具体地,汽缸5c中的活塞10和连杆9的交替运动允许股骨段1和胫骨段3之间的相对运动,允许假肢P有两个主要运动,图2中可见的第一伸展运动14,和图3中可见的第二压缩运动15。特别地,根据优选示例性实施例,胫骨段3可绕关节轴2转动约110度角。
[0173] 参考图4,在假肢P的上部件的放大图中,除了再次示出股骨段1,关节轴2,容纳阻尼器5的胫骨段3,还示出容纳为假肢P供电的电池(未示出,图32和33中示为80)的区6,和集成到阻尼器5的由相对微处理器(未示出)操作并控制的两个阀组20a和20b,以及伺服马达(未示出,且图7中示为20)。在图4中,箭头7a指示伺服马达安装在两个阀组20a和20b上。后者由位于控制单元中的未示出微处理器操作,微处理器操作阀的打开和关闭运动(图中未示出),其引起伸展运动14和压缩运动15。
[0174] 具体地,股骨段1包括与股骨连接件100接合的连接元件1c。根据该优选示例性实施例,连接件1c具有棱柱形。
[0175] 在图4中可以看到,根据本发明示例性实施例,没有详细示出的齿轮马达4是膝关节2的致动元件,其通过抗转动(anti-rotation)装置(该图中不可见)连接到股骨段1。
[0176] 并行地,假肢包括被动元件,即阻尼器5,其连接到与胫骨段3连接的铰链5a(图5中示出)和与股骨段1连接的铰链5b(图4)。具体地,齿轮马达4提供转矩,在步态周期的某些阶段,适于根据用户需要调整假肢的操作。例如,在慢步态过程中,当股骨的惯性不足以使胫骨段和股骨段对准时,齿轮马达4被操作。
[0177] 参考图5,根据本发明示出膝关节P的横截面示图,该横截面是使轴平面与图4中的轴平面正交而作出的,其包括安装在金属框架4a内的齿轮马达4,其由连接螺钉约束(图中看不到)到股骨段1。具体地,金属框架4a在例如由PTFE(聚四氟乙烯)制成的衬套4b上旋转,该衬套设置在支架4c内,支架4c利用螺钉4e被约束至胫骨段3。
[0178] 这样的连接允许齿轮马达4的轴4d集成至胫骨段3,同时允许齿轮马达4的主体集成到股骨段1。具体地,齿轮马达4和股骨段1之间的连接是通过轴1a和刚性接合件(positive engagement)1b(图4中可见)执行的。通过该方式,相对于股骨段1,齿轮马达4对轴4d产生运动引起胫骨段3旋转。
[0179] 另外,在图5中,示出了两个铰链5a,其转动连接阻尼器5到胫骨段3,且允许阻尼器响应于股骨段1和胫骨段3之间的相对运动调整其角度位置。
[0180] 参考图6,其示出阻尼器5的示意液压简化图,其安装在上文描述的那种假肢P上,包括汽缸5c,作为阻尼器5的运动部件的活塞10和连杆9在汽缸5c内滑动。具体地,连杆9和各活塞10将汽缸5c分成两个含液压油的腔室,腔室A和腔室B。
[0181] 在假肢P的伸展14或压缩15的过程中,油从腔室A流入腔室B中。具体地,因为进/出汽缸5c的连杆9的体积必须得到补偿,所以提供外部补偿腔室16,其部分填充有油13和受压空气18。
[0182] 在不同的示例性实施例中,未示出,作为对空气18的替换,可提供具有预定弹性常数的弹簧。
[0183] 图6中阻尼器5的示意液压图还包括:
[0184] -从腔室B延伸到补偿腔室16的通道E_1,其间设置了无预负载的止回阀VN_1和调整阀遥控19_E;
[0185] -从补偿腔室16延伸到腔室A的通道E_2,其间设置了无预负载的止回阀VN_2;
[0186] -从腔室A延伸到补偿腔室16的通道C_1,其间设置了无预负载的止回阀VN_3和调整阀遥控19_C;
[0187] -从补偿腔室16延伸到腔室B的通道C_2,其间设置了止回阀VN_4;
[0188] -通道14’,其连接油密封腔室9a的腔室9b到腔室16并被用于避免油密封腔室9a中的压力高峰,其也可在填充阻尼器5的阶段中被用作补偿腔室和空气排空腔室。
[0189] 此外,活塞上可考虑两个进一步的通道,具体地,用作具有预负载弹簧和本征阻尼特征的止回阀的通道10A和通道10B。具体地,这些通道使接触腔室A和腔室B直接接触并用作压力高峰的可能的安全系统。
[0190] 阻尼器5的操作主要提供压缩15和伸展14。具体地,压缩阶段15在阻尼器5的操作过程中包括:
[0191] -活塞10和连杆9的运动,以便腔室A的体积减小同时各腔室B的体积增加。以该方式,通道E_1和通道E_2中建立的低压引起止回阀VN_1和VN_2关闭。通过活塞10的压缩推动,油流动然后通过通道C_1并打开阀VN_3。然后,在阀VN_3的出口处,油遇到以适当的进口压力而被调节的阀19_C的阻力。一旦通过阀19_C的阻力,油然后就进入补偿腔室16。具体地,由连杆9在进口处引起的油量保持在补偿腔室16中,同时由上部腔室B汲取的油进入通道C_2并打开阀VN_4。
[0192] 伸展阶段14转而包括:
[0193] -活塞10和连杆9的运动,以便腔室A的体积增加同时腔室B的体积减小。以该方式,通道C_1和C_2由止回阀VN_3和VN_4关闭。油流动然后通过通道E_1,因此打开阀VN_1并遇到阀19_E的阻力,该阻力也是根据给定的输出压力调整的。油进入补偿腔室16且离开的油经止回阀VN_2从腔室16流入通道A。通道14’在伸展阶段存在压力高峰时用作密封元件上的低压系统。
[0194] 然后,对于伸展阶段,制动反作用是“纯泄露”型的,泄露面积可响应于位置而变化,制动反作用是在膝弯曲冲程的最后7°-10°之间被致动的。而肢体的压缩基本以多个相反阶段被执行。
[0195] 在图6A的替换示例性实施例中,在“几何”型伸展阶段中有制动反作用的调整。更精确地,在伸展阶段,提供泄露连杆9’代替通道10A,其中形成的孔9”的尺寸彼此不同,并允许油逐步通过。在该情形中,实际上在伸展阶段,油返回通道C_2被止回阀VN_4关闭且不允许油通过。以该方式,由于设置在该通道上的止回阀VN_5,油通过连杆9’上存在的通道从腔室B流入腔室A。具体地,油从连杆9’上横向孔9”流入连杆9’中形成的通道并打开阀VN_5。相反,在压缩阶段,连杆上的止回阀被阻塞。
[0196] 还应该注意,油流量由连杆9’上的横向孔9”调整。当它们在连杆9’的滑动衬套内时,其对油流量不起作用,且因此油通道的横截面减小,使得制动反作用在该方式中变得更强,如上面定义的“几何”方式。
[0197] 图7示出阻尼器5的汽缸5c的示图,其外部有两个连接到各自的伺服马达20的阀组20a和20b。具体地,伺服马达20传输被各微处理器控制单元(未示出)为各阀单元20a到20b而调节的转矩,其操作并调整各内阀24(图8中可见)的打开和闭合步骤。
[0198] 具体地,阻尼器5的阻尼反作用是通过根据源自特定步态条件的需要,同时或分开调整图2和图3中的伸展阶段14和压缩阶段15而获得的。每个伺服马达20是独立安装在各自的阀单元20a或20b上的,以便独立控制伸展阶段14和压缩阶段15。
[0199] 图8还以放大图示出两个伺服马达20中的一个,描绘了与相关阀单元20a(或未示出的20b)的机械和液压连接。具体地,以横截面示出的阀单元20a包括:
[0200] -微处理器控制单元,未示出,其操作和调整阀24,其中阀24具有固定主体24a和栓塞24b,其中固定主体24a上形成有开口19,且栓塞24b通过旋转打开和阻塞开口19(参看图9);
[0201] -管接头23,其用于在伺服马达20的轴21和栓塞24b之间传递转矩。具体地,栓塞24b传递其旋转运动到阀主体24,以便调整开口19的打开和闭合运动;
[0202] -轴承22a,套管23转动在其中转动,且安装环元件23a适于支撑它;
[0203] -用于油流入阀主体24的密封元件23b,和用于阀24a的端部止挡件25。
[0204] 具体地,微处理器单元由缆线(未示出)连接到霍尔效应角度传感器7和伺服马达20。
[0205] 图9具体示出沿阀24a、栓塞24b和阀主体24的线IX-IX的横截面示图。具体地,其中所示开口19允许油流动并被接连设置并具有可变尺寸。以该方式,围绕其中形成有开口19的阀主体24相对旋转的阀24a,根据假肢要求的阻尼强度,调整上述开口19部分或全部打开从而允许油流动。
[0206] 参考图10,透视图示出连杆9和各自的活塞10,活塞10是阻尼器5的致动部分并将汽缸5c分成两个腔室A和B(图6中示出)。具体地,可在连杆9上形成孔8a,其轴垂直于连杆9的轴,在其中插入测力计8,所谓的“Morehouse环”。显然,连杆上可应用其他类型的力传感器。
[0207] 在连杆9的上端形成衬套9c从而连接其对偶部件(antithetic part)(图中不可见),该对偶部件表示股骨段1的铰链5b(图4中可见)。
[0208] 可替换地或额外地,在未示出的方式中,如本发明提供,力传感器可提供在阻尼器的其它点上,如在上铰链5b的衬套9c处(参考图10),或在下铰链5a的衬套上,例如使用应变仪或测力传感器或环形传感器。
[0209] 图11示出图10中活塞10的透视图和细节,其是阻尼器5的一部分。具体地,活塞10包括“面”10a,10b,10c和10d,并被设置以便被不同厚度和直径的金属薄片和盘(图12中示出)覆盖,该金属薄片和盘用作弹簧并根据汽缸5c中的连杆的速度打开开口。
[0210] 图12以放大示图示出活塞10和相关连杆9,根据优选示例性实施例其包括第一薄层30a与直径和厚度小于第一薄层30a的第二薄层30b。具体地,第一薄层30a位于活塞10的面10a(图11中可见)处,然而第二薄层30b位于第一薄层30a处。特别地,薄片30a和30b位于活塞10处,以便各对称轴与连杆的轴9一致。
[0211] 详细地,第一薄层30a在活塞的面10b(图11中可见)和薄层30a的下表面之间建立间隙10e。具体地,间隙10e允许从腔室A到腔室B的最小油流。更精确地,图12中所示的活塞10的运动表示汽缸5c中的压缩阶段15。在压缩运动15中,油经通道10f从腔室A流入腔室B。通过通道10f的油流69的力引起薄片30a和30b的变形,从而允许油从一个腔室泄露到另一个腔室。特别地,薄片30a和30b响应于施加在阻尼器上的力和活塞10的速度控制较高或较低的油流量。在如上所述的类似操作步骤中,可控制假肢的伸展阶段14(图中未示出)。
[0212] 图13和14示出以几何控制执行膝部假肢P的制动反作用的横截面示图,如图6A的液压回路示意示出。具体地,在该装置中,油流被连杆9’中形成的横向孔9”调整。以该方式,当这些在连杆9’的滑套(slidingbush)内时,油流停止,因此油路横截面被堵住且因此制动反作用增加。
[0213] 在本发明示例性实施例中,参考图1,5,其再次示出膝上截肢者的假肢P的示意图,除了上述任何示例性实施例中的部件,还包括如下部件:
[0214] -传感器单元31,其用于接收关于周围环境的数据,并具体地,以允许采集关于股骨的相对位置信息,或关于力的数据;
[0215] -微处理器32,其用于处理数据并定义操作的控制和选择的最佳逻辑以执行从而确保舒适和安全步态。
[0216] -能量收集器33,其以合适方式作用从而确保存储通过在步态过程中恢复能量而获得的第一种(未起作用的(noble))能量,并在装置要求能量的步骤中使用该能量;
[0217] -约束件,其具有可调整的硬度,包括能够在步态中提供/耗散/恢复能量的装置,该装置被提供在膝关节处,表示为34,或被提供在踝关节处,表示为35,或这二者都包括。
[0218] 在图16中,图15中所示的被描绘为方框图,即膝部-踝部TRS(总恢复系统),其包括:
[0219] -在股骨段100和胫骨段3之间的恢复装置34;
[0220] -在胫骨段3和足部400之间的恢复装置35;
[0221] -能量收集器33;
[0222] -踝部3a的数据采集传感器36;
[0223] -关节轴2中的数据采集传感器31。
[0224] 具体地,TRS的运行允许关节轴2和踝部3a彼此作用从而交换数据众所周知,在大部分步态中都是在平地上行走,该期间关节轴2工作耗散提供的能量,因为由股骨100(股骨和胫骨之间的相对运动)供应的能量提升并发动胫骨3。关节轴2操作以减小胫骨3的摆动作用并在支撑阶段以稳定化的动量提供安全性。在这些阶段中,可使用单元中的适当存储装置恢复通常在关节轴2处耗散的能量,该单元具有能量收集器33的作用。能量可被同一关节轴2部分利用,例如在步态周期的某些阶段中供应能量,且具体地,当加速胫骨3时,以确保与股骨段1的重排,且能量部分被踝部3a利用,或用于其他目的。
[0225] 在步态期间,踝部3a既作为耗散元件也作为致动元件工作。具体地,在从脚后跟400c着地开始的步态第一阶段中,踝部3a并行用作弹簧和阻尼器的系统,其中能量耗散发生在足部400相对胫骨3的相对运动中。然后,当脚后跟400c不再被压缩时,足部400用作提供能量以便提升肢体的致动元件。在耗散阶段,过剩能量可收集在位于关节轴2的收集器33中。类似于在关节轴2处发生的,踝部3a在其活动阶段利用提供在踝部内的与弹簧并行的另一个致动元件使用来自收集器33的能量。
[0226] 能量存储单元33可以例如被设置在胫骨上,如图15所示。可替换地,存储单元被集成在安装在膝部铰链上的马达34中。
[0227] 与装置33集成的装置34允许作用于踝部3a和关节轴2的行为,使得集成的装置34和33的行为适于分阶段;关节轴2和踝部3a的位置数据由传感器36和传感器31连续监视,这两个传感器还管理它们的力数据交换。
[0228] 图17示出膝部和踝部上的马达/发电机如何形成膝部-踝部系统TC(脚趾离地),其包括:
[0229] -装置41,其调整和控制集成在图16中马达/发电机34内的关节轴2;
[0230] -装置42,其调整和控制集成在图16中马达/发电机35内的踝部3a;
[0231] -微处理器32,其用作决策单元;
[0232] -地面/腿相互作用的两个传感器44和45,其定义步态的状态。
[0233] 此外,角度α在被定义在股骨段1和胫骨3之间,而角度β被决定在胫骨3和与胫骨3正交的轴3a’之间。
[0234] 具体地,在低速时,通常最小股骨100的最小动力效应决定假肢足部400的小提升,由于足部400的硬度,该小提升不超过摆动阶段中股骨段1和胫骨3之间的TDC(上止点)就结束,但在摆动阶段可产生脚趾碰到地面I的风险(图17A)。
[0235] 在年长病人或截肢后恢复阶段的病人在平地上的步态中,重排胫骨3和股骨段1容易出现问题。在第一种情况下,脚趾离地情形发生,即,在步态中脚趾400a和地面之间缺少间隙(图17A I)。在该阶段,股骨100提供的最小动力效应引起胫骨3不恰当的提升动作,该胫骨3相对股骨段1具有相对角度,具有足部400的脚趾碰到地面的非常低的风险。在后一种情况下,一旦通过股骨段1和胫骨3之间的TDC,在胫骨3的最小摆动作用情形中有效重排就会成问题。为了解决第一问题,即摆动阶段的脚趾离地,膝部-踝部系统TC根据由传感器确定的数据识别出当前配置并将这些数据与相应理想配置的值比较。以该方式,改变足部400相对胫骨3的角度β,在摆动阶段,脚趾碰到地面的风险可被避免(图17A II中可见)。类似地,供应能量给关节轴2,对于低步态速度,可保证股骨段1和胫骨3的重排。
[0236] 因此,膝部-踝部系统TC的特征在于存在控制进出系统关节的双向能量流的装置,因此利用合适的控制逻辑确定使安全性、舒适度和节能最优化的步态条件。
[0237] 图18示意示出示例性实施例,其类似于图4至图到14所示的实施例,即安装有液压阻尼器46的膝上部假肢P上通过具有两个并行阀的液压汽缸46a安装有包括两个界面连接腔室46b、46c的液压阻尼器46包括通过带两个平行阀的液压汽缸46a接口的两个接口腔室46b,46c,这两个阀为泄露阀46e和薄层阀46d,其特征在于为利用具有2或4个面的活塞(图11中可见)的可能性。两个阀46e和46d的结合如同响应于活塞46a的速度具有可变面积的等效阀。该解决方案决定了对以力而非位置进行的等效控制的逐步制动行为。该结果恰是逐步动态行为,其排除脉冲负载情形中阻尼器的意外差分反作用;这样的反作用通常是传统纯泄露系统,其具有固定面积的开口。因此,阻尼器如同低通过滤器,能够过滤且不传递脉冲负载给病人,且因此确保步态中更高的舒适性。应该注意,上面的膝部假肢P可被控制作用于薄层阀46d或作用于旁路的相对面积,因此确保图18B中的制动曲线IV、V、VI、VII的变化(traslation),通过在高步态速度时阻尼和停止重排阶段或提升脚后跟,为支撑阶段获取高等效硬度,并可为步态的其他动态阶段可调整。
[0238] 图19示意表示关于膝上假肢P的本发明的可能实施例,其包括允许检测关于假肢P内部变形的数据的传感器48、假肢足底400上的传感器49、位置传感器50和用于采集关于周围环境数据51的位置传感器。具体地,这样的假肢允许膝上截肢者执行自然步态,开发用于调整和控制步态的系统,由于感受器的活动类似于肌肉和肌的活动以及观察和空间相对位置,该系统部分模拟本体感受功能。如果以该方式受到控制,则假肢P可以适于确保使用适用于实际步态的控制逻辑的方式对周围环境具有预测力,在此方式中肢体寻求安全和舒适的响应。
[0239] 参考图20,关于膝上假肢P的本发明可能实施例被示意性地示出,其包括低噪声马达/发电机。具体地,根据优选的示例性实施例,该马达/发电机52是声波脉冲马达或线性磁力马达,如在某些汽车应用中使用的马达。此外,该装置的特征在于给予马达52发电机功能和电子阻尼器功能。
[0240] 图21示意地示出关于膝上假肢P的本发明的可能实施例,其包括液压阻尼器55和56,电动马达57和58,分别应用于股骨段1与胫骨3之间和胫骨3与足部400之间。具体地,电动马达57和58分别具有位置传感器59,例如编码器,并根据需要在步态过程中提供转矩。此外,在图21中,示出负载传感器60和能量恢复装置61,两个液压阻尼器55和56连接至该能量恢复装置61。在耗散步骤中,具体地,在关节轴2的运动中,能量剩余可被收集在装置61中。类似于关节轴2,踝部3a可经回收装置61吸收能量以便执行致动步骤。
[0241] 图22示意地示出膝上假肢P,其包括利用弹簧的能量存储装置。该图具体示出连接到弹簧收集器64的液压单元63和63a。而且,膝上假肢P在股骨段100、胫骨3和足部400之间具有预负载弹簧67,其在相对阻尼中并行作用于液压单元62。然后在图22中还示出应用于关节轴2和踝部3a的位置传感器63,其与位于脚底400的测力元件68连接。这些传感器由管理关于两个系统的力的交换并与确定步态状态相关的软件连续监视。
[0242] 图23具体示出安装在假肢P足部400上的位置传感器70的布置。具体地,这些传感器70彼此连接测量足部相对地面的位置并改变距地面的可能高度。图23A详细示出在步态周期的相应阶段中,与图23B中距地面的距离Δt相比,角度β(在图23A中相应于图16中可见的角度)的变化过程。
[0243] 参考图24,在本发明第二特殊方面,所示假肢具有这样的特征,即在足部400处装配有脚底,如图25所示,脚底具有一批力和位置传感器,其信号由微处理器处理以便确定病人足部400与周围环境的交互作用模式。
[0244] 在脚底的可能实施例中,由闭合曲线201表示的位于脚底200的传感器,允许确定合成负载在强度、方向、和位置方面的矢量,因而微处理器可最有利地调整阻尼器的反作用。
[0245] 在脚底200的另一个实施例中,位于脚底的传感器201提供关于合成负载矢量应用点的数据,其中提供的一个或更多个力传感器位于人造肢体中,其信号与由所述脚底产生的信号一起被处理,允许微处理器确定传输的合成负载矢量。
[0246] 此外,人造肢体进一步包括角度位置传感器,其位于踝部3a(未示出)并适于控制胫骨3和足部400之间的相对倾斜。该信息允许响应于相应的矢量力,结合由脚底提供的关于力矢量的数据确定踝部位置,因为负载必须传递通过踝部。
[0247] 图25示出应用于膝上假肢P的足部400的感官化的脚底200。具体地,脚底采集关于在足部400和其停留的地面之间的接触中形成的力的位置的数据。以该方式,有可能确保对假肢P空间位置的高度精确的本体感受,尤其是足部400相对用户身体的高度精确的本体感受。主要目的是了解地面上的力应用点,该力与由轴向力传感器确定的力的强度并行合成。
[0248] 图26示出膝上假肢P,其中关节轴2在向前位置。该构造允许足部400的位置进一步提升,且其特征在于安全,这是由于阻挡的阻尼器5给出的制动反作用。
[0249] 在图27中可见的摆动情况下,IRC的被描述的位置恢复相对于地面的间距,如图27A中的曲线表示的,其中峰值101对应于在股骨段1和胫骨段3之间形成的最大角度(图
19中可见)。具体地,由于脚趾离地阶段大致对应于股骨段1和胫骨3之间的最大相对角度,关节轴2’的预期位置确保相对地面的一定毫米的间隙。特别地,在股骨相对垂直方向成20°角时,有可能关节轴2’前向运动每毫米,就相对于地面离开0.35毫米的间隙。1厘米的前向运动大约相当于距地面3.5毫米的间隙恢复,2厘米相当于距地面7毫米。
[0250] 根据本发明的示例性实施例,图28示意性地表示假肢P1,其中股骨100的轴与地面正交。图28示出关节轴2’的位置和假肢P1中阻尼器5的不同结构。具体地,由于关节轴2’的位置而导致的假肢P1的不稳定被阻尼器5在步态阶段中提供的安全性补偿。
[0251] 参考图29,其示出膝上假肢P,尤其是根据本发明第一方面的膝上假肢P。该假肢具有位于阻尼器5的力传感器S1,微处理器接收力传感器S1发出的力信号,并响应于在股骨段1上所检测到的力信号操作用于调整阻尼器5的反作用的装置。
[0252] 具体地,可替换图10中所示地,力传感器S1被布置在连杆上。
[0253] 可替换地,阻尼器上的力传感器是设置在阻尼器5的下铰链5a上的测力元件。以该方式,瞬时验证阻尼器上的负载的状态和对膝部动态行为的反馈控制是有可能的。
[0254] 根据有利的示例性实施例,可替换地或额外地,在股骨段1上提供又一力传感器S2(图29),以便微处理器从股骨段1上的传感器S2接收力信号,并响应于在股骨段1上所检测到的力信号操作用于调整阻尼器5的反作用的装置。
[0255] 在有利实施例中,股骨段1上的力传感器S2包括第一力传感器,其适于测量在股骨纵向上对股骨100的作用力,还包括第二力传感器,其适于测量在股骨正交方向上对股骨的作用力。以该方式,股骨100和阻尼器5上的整体力信息能够令人满意地确定人造肢体中的张力状态。
[0256] 在示例性简化实施例中,股骨100的第二力传感器仅提供在股骨正交方向上的力信号。
[0257] 而且,位置传感器可被提供在模拟膝部运动的股骨轴2处,因此该位置传感器测量膝部的旋转。
[0258] 在特殊实施例中,操作提供如下,即在摆动的末尾在阶段的开始,为运动的最大伸展阶段,股骨段1和胫骨段3位于由被集成在阻尼器内的机械接合器测量的奇点(singularity)状况下。以该方式,阻尼器5上的力传感器S1在奇点的状况下也测量传输到关节的实际负载,且处理该测量的微处理器可在步态过程中区分和控制该阶段。
[0259] 在本发明的第五特殊方面,图30示出在任何情形中都允许病人摆动作用或摆动的膝关节上的马达。在第一可能实施例中,这是通过安装在马达91上的减速齿轮92获得的,该减速齿轮具有连接到电动马达91的快转轴(未示出)和连接到膝关节的慢转轴93。供应电流给马达91,且电流强度可由微处理器(未示出)调节从而在关节轴获得类似于可由液压阻尼器获得的转矩。编码器90传递马达的rpm(转速)给微处理器。具有后冲力测量系统的输出转轴95被安装到慢转轴93上。
[0260] 具体地,马达91的角度位置由编码器90连续确定。慢转轴95的角度位置由第二编码器或由具有磁体的霍尔效应传感器94连续确定。以该方式,有可能驱动伺服马达以便收集以所需转速旋转的运动链的后冲力,例如与传输的力矩一致或相异且根据齿轮马达的向前或向后运动;以该方式,有可能最小化向后运动中所耗散的能量量,其特征在于效率比向前运动低,然后最大化对动能和收集器中能量恢复的利用。
[0261] 类似地,以没有示出的方式但类似于膝部的齿轮马达的方式,可所提供连接到踝关节由微处理器控制的的马达可连接到由微处理器控制的踝关节以便获得类似于液压阻尼器的转矩。
[0262] 以没有示出的方式,位于膝关节的减速齿轮具有连接到电动马达的快转轴和连接到关节的慢转轴,这两个转轴彼此正交,从而以类似于解剖学的尺寸(anatomic sizes)平尽可能实现减小的妨碍。以类似地方式,人造肢体提供第二齿轮马达,其具有正交轴并在踝关节连接到慢转轴。
[0263] 可替换地,位于膝关节和踝关节的自由飞轮设置在膝关节和踝关节(图31,31A),并适于在摆动阶段将减速齿轮从胫骨释放,即由腿的惯性引起,反之,当马达/制动必须作用于胫骨时,自由飞轮约束相对彼此的两种运动。没有示出的进一步的示例性实施例中,在自由飞轮上,在减速齿轮的转轴上,两个角度传感器用于测量转轴的角度位置。
[0264] 等效于上文前面结构的示例性替换结构在传感器角度提供一个或更多个力矩传感器。
[0265] 图32示出蜗杆传动型齿轮马达110。具体地,轮子105在快转轴107和慢转轴108之间的齿轮齿数比大于或等于5。
[0266] 具体地,在快转轴107上,第一位置传感器(未示出)用于确定快转轴107的瞬时位置;在慢转轴108上,安装了第二位置传感器(未示出)。以该方式,马达109驱动快转轴107以便保持与慢转轴108的预定配合并允许运动的可逆性。
[0267] 图33示出膝关节2上的制动/马达装置96的另一个示例性实施例。目的是在所有步态条件下确保股骨段100相对胫骨段3的正确位置,特别是在低速时。
[0268] 具体地,如果病人,特别是新截肢者或年长人员,在步态过程中存在犹豫,则马达96干预确保胫骨3正确的重排。
[0269] 根据该解决方案的操作,为了减小假肢P的能量消耗,并增加马达/发电机系统96的行程,提供了变螺距弹簧97,其允许实现理想的硬度,即用对于股骨段100和胫骨段3之间小角程的低硬度,和用于大角程的高硬度。
[0270] 具体地,变螺距弹簧97是具有一定直径的螺旋弹簧,其一端具有第一螺距P1,另一端具有第二螺距P2,以便实现硬度在第一值K1和第二值K2之间连续转变。
[0271] 根据本发明第四特殊方面,图34示出曲线图,其模拟人造肢体的运动,以便在同一步态周期中调整步态的步调。具体地,图34示出在平地上行走的情形,其由响应于平均行走速度而具有不同幅度的相似曲线族定义。曲线包括胫骨3相对时间的轨迹,由胫骨-股骨角及其对时间的导数描述。
[0272] 更精确地,对于被测量的速度,至少对于第一象限部分,描述步态的理想的曲线包括两个副曲线,对应相应于站立阶段的较小的内曲线X’,和总是部分对相应于站立阶段的较大的外曲线X”,至少对于第一象限部分。
[0273] 两条曲线都通过原点。曲线随步态速度改变形状,其随着步态速度增加而描述较宽的轨迹,分别由相应的曲线XI’,XI”描绘。具体地,对于曲线X’,X”和XI’,XI”,步态的相对速度分别是2和4km/h。
[0274] 然后,由于每条曲线都定义对于所测速度的理想步态周期,且曲线随步态速度改变其形状,且每条曲线具有相应参数,一旦检测到步态周期内的速度变化,就有可能使胫骨3遵从步态周期内该阶段的相应曲线,但是是对于新速度的。以该方式,通过快速识别截肢者的需要从而改变步态速度,相对先前遵从的曲线,有可能可以使假肢相对于先前遵从的曲线遵从不同幅度的曲线。
[0275] 行走后的停下、坐下和站立的典型操作可进而由特殊曲线族定义。类似地,上坡、下坡、下楼梯和上楼梯、蹬自行车,以及总体说来其他可能的运动条件一般都可通过特征曲线族表示在n维空间中。
[0276] 有可能增加定义曲线的参数,并且可以在空间的可能配置中增加定义曲线的参数,示例性的而非限制性的,坐标有五个:
[0277] -时间;
[0278] -胫骨和股骨之间的相对旋转角;
[0279] -所述角度对时间的一阶导数;
[0280] -传输到地面的合成负载矢量的代数值;
[0281] -相对于关节旋转轴的合成力矩的代数值。
[0282] 有可能可以提出进一步的参数,如角度的二阶导数,以便以更完整和一般的方式表示不同的可能步态条件;或有可能可以减少坐标数目从而获得简化的但更概略粗糙的表示。
[0283] 此外,被提供的进一步提供的传感器装置适于关于时间连续或以离散的时间间隔测量,或在离散时间间隔测量,表示所述空间坐标的参数。具体地,提供至少一个适于关于时间存储所述曲线X’,X”和XI’,XI”的特征数据和由传感器确定的数据的至少一个存储器单元,如RAM、ROM、EPROM等,该存储所述曲线X’,X”和XI’,XI”的特征数据且适于储存由传感器确定的数据。
[0284] 而且,所提供的微处理器适于分析由传感器确定的数据,将其与记录在存储器单元中的数据比较,以便从记录数据中确定最适于表示实际步态的曲线,被称为理想曲线。
[0285] 以该方式,微处理器调整阻尼器的反作用以便最小化在n维空间中实际点和理想曲线的相应点之间可定义为距离的偏差,实际点的坐标是由传感器测量的。而且,微处理器根据该偏差、所用的理想曲线和曲线族,确定继续实际理想曲线是否是有用的,或使用不同的理想曲线或改变曲线族是否更好。
[0286] 因此,该控制架构能够响应于病人心理生理状况的变化最优化步态,因此,病人在刚截肢后步态犹豫性高时,和当截肢者获得更多信心时,总是能最好地行走。进一步的优点是康复时间减少了,因为病人由发挥适于矫正和改善步态的电子康复装置作用的装置持续性辅助。
[0287] 另一个可能的示例性实施例提供关节处股骨力矩的测量,且在该情形中,不限制本发明的范围,空间坐标如下:
[0288] -时间;
[0289] -胫骨和股骨之间的相对旋转角度;
[0290] -所述角度对时间的一阶导数;
[0291] -作用于阻尼器的纵向力;
[0292] -由股骨传递到关节的力矩。
[0293] 后面的参数允许直接检测病人的意愿,因为这些被残肢对关节施加的力矩所证明。
[0294] 图35示出为确定的平均速度定义理想步态周期的曲线。对于平均速度,曲线改变其幅度,但曲线形状相同。如图35中的在三维空间中描绘的类似曲线族明确地识别出在平地上的行走,且参数,如平均速度,将族中的曲线彼此区分。
[0295] 而图35A示出使用的多条三维曲线,作为控制和调整摆动阶段的参考。该图强调曲线120,其与参考模型不同。在该情形中,原因可能是病人错误的步态,即在步态过程中碰到障碍物或绊倒。
[0296] 在该简化的配置中,空间坐标有三个:胫骨-股骨旋转角102,胫骨-股骨旋转角度103对时间的一阶导数和作用于阻尼器104的力,该力与含两个轴102和103的平面正交。
[0297] 不限制本发明范畴,在平地上加速步态的需要引起与股骨正交的力矩和/或力的变化。当病人希望减速时也同样会发生该变化。
[0298] 采集这些与病人需求关联的参数值的控制系统能够调整人造肢体的行为,从而确保非常快的响应以便大概基本立即遵从病人的意愿。该控制系统特别适于需要高推动力的病人。一般地,其至少部分恢复所失去的肢体的本体感受,因为在病人的意愿(例如固定假肢对残肢皮肤的压力)、动作与感觉之间建立了直接关系。
[0299] 可替换地,定义步态状况的装置是矩阵类型的。
[0300] 图35B表明装配到假肢上的步态的控制和操作环的流程图。具体地,在输入数据例如关节的角度及其一阶导数后,计算步态速度的估计。同时,程序从存储器调用参考曲线。然后,通过积分所选参考曲线获得参考速度。以该方式,在连续步态周期中,通过施加到阻尼器上的力的输入和输出获得力的相应参考和对偏差的补偿。如果假肢的液压回路如图6所示,那么作为最后阶段,发送命令信号以便通过各电磁阀调整油流。反之,在图6A中在生长阶段具有几何调整的情形下,仅发送命令信号到电磁阀。
[0301] 图36和37示出本发明第六特殊方面的电子装置的示图,该电子装置设置在人造肢体中,在仅膝关节的情形和膝关节与踝关节结合的情形中,该电子装置都由例如锂离子电池这种类型的可充电电池80供电,当更换电池时,该可再充电电池80能够由能戴人造肢体的病人自己快速自主更换。
[0302] 一种特殊装置,例如声音警报(未示出),在人造肢体上的电池80将耗尽时给病人发信号。因此病人可以用所携带的第二电池容易地替换;以该方式,假肢的行程(range)更长。
[0303] 病人携带的充电电池的数目当然可多于两个,而且这对于喜欢远足的或即使偶尔住在不易于充电的地方的病人,或避免长时间等待电池再充电是有利的。
[0304] 电池80位于处于比关节轴2靠前的位置的膝盖骨处;病人可接近电池80以便仅在安全状况下移除和更换,即当坐下时,而含电池的狭缝在其他情形中不能打开(如图40所示);因此关于安全人体工程学状况地,在电池前部位置上的布置允许易于从上面接近,同时确保几何形状遵从失去的肢体的解剖。
[0305] 组合或替换地,借助前面的特征,在人造肢体上,在仅膝关节的情形或膝关节与踝关节结合的情形中,装置由例如锂离子电池这种类型的可再充电电池80供电,其再充电电路可经变压器的初级/次级连接88连接到肢体外部的供电电路83’,如图38所示。
[0306] 两个电路之间的识别和连接是通过两个各自的磁体130实现的,磁体在使用中彼此一致地设置。以该方式,病人可易于在戴人造肢体的同时给电池80再充电,美观的外套81和衣物81’也在图36中示出。
[0307] 此外,外部再充电电路可转而由病人可携带的较大尺寸电池(未示出)供应,例如固定到腰带上,背包中,或口袋中等。
[0308] 可替换地,在人造肢体上可提供端口85,例如USB型,如图39所示,在仅膝关节的情形和在膝关节与踝关节结合的情形中,人造肢体P都可利用该端口连接到计算机,以便利用单个线路给设置在人造肢体内的电子装置供电的电池80充电,从而更新固件,并为了延后的分析传递人造肢体记录的数据到计算机。
[0309] 而且,安装在计算机上或网络中可用的特殊软件分析存储在人造肢体的存储器中的数据,并再次程序化固件以便响应于病人的意愿改善人造肢体的行为。
[0310] 图40示出更换电池80的步骤。具体地,其包括打开盖子84并更换电池80。电池80位于相对于关节轴2靠前的膝盖骨处,且可由坐着的病人以安全姿势以与肢体的几何形状适合的方式从上面可接近。
[0311] 上文对于具体实施例的描述将根据概念性观点充分揭示本发明,因此,其他人利用现有知识将能够为不同应用修改和/或调整这类实施例,而无需进一步的研究且无需偏离本发明,因此应理解这样的调整和修改应视为等效于具体实施例。实现本文所述的不同功能的装置和材料可具有不同的特性,因此不偏离本发明的领域。应该理解,本文使用的措辞和术语是为了说明而非限制的目的。
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