全球成百万的个人依靠修复和/或矫正设备，以补偿诸如截肢手术或 衰弱的残障人士，并帮助受伤肢体的复原。矫正设备包括外部装置，用 于支撑、对准、防止、保护、修正畸形或提高身体的活动部分的功能。 修复设备包括用作诸如臂或腿的缺失身体部分的人造替代物的装置。随 着个人的平均年龄增加，随着诸如糖尿病的使人衰弱的疾病的流行，残 障人士或被截肢者的数目每年均在增加。结果，也增加了对修复和矫正 设备的需要。
为了提高可操作性，修复和矫正设备可由受过训练的专业人员适合 地对准，诸如领有执照的修复专业人员。一种用于正确地对准修复/矫正 设备的传统装置使用激光束以确定穿戴时设备的重心。使人遗憾的是， 使用这种对准方法需要不是很便携的昂贵设备。因此，存在对不仅可负 担得起并且便携的对准修复/矫正设备的技术的需要。这种技术也会对制 造与肢体相关设备的其它工业有价值，诸如制衣和体育设备工业，它们 也缺乏用于合适地对准诸如鞋、滑雪靴等的设备的可负担得起和便携的 技术。
一些修复/矫正设备使用传感器以收集关于设备的数据。一种相关信 息源是步行时作用在诸如假足的修复/矫正设备上的压力量。使人遗憾的 是，附于假足的单个传统传感器通常仅探测或者脚后跟撞击或脚趾负 载。通常，传统的传感器无法定位在假足上以同时测量脚后跟撞击和脚 趾负载。因此，存在对修复/矫正设备的改进传感器的需要。这种传感器 技术也将对制造与肢体相关设备的其它工业有价值，诸如制衣和体育设 备工业，它们也缺乏能够被定位在与脚相关的设备上的传感器，以便允 许在步行、跑步等时同时探测脚后跟撞击和脚趾负载。
一些修复/矫正设备具有与设备交互的传感器系统，导致设备基于传 感器读数自动调节自己。使人遗憾的是，传统的传感器系统不提供有效 的、成本高效的技术，用于存储例如关于使用者的步态动力的累计信 息。因此，存在对存储各自设备的累积性能特征的修复/矫正设备的需 要。这种技术也对制造与肢体相关设备的其它工业有价值。
一些修复/矫正设备对使用者提供感觉反馈。然而，传统的感觉反馈 系统的一个缺点在于：它们涉及电刺激。在其它潜在问题中，这些系统 可能(或至少可能出现)不舒服、不美观和不安全。因此，存在对改进 的感觉反馈系统的需要。改进的感觉反馈系统也对制造与肢体相关设备 的其它工业有价值。
目前，存在测量材料的表面张力的传感器。例如，通常已知使用张 力计以测量材料表面中的实际张力。这些张力计可以测量特定张力被应 用于材料时的电阻变化。当张力计被附于材料表面时，张力计典型地仅 测量材料表面处的张力。使用张力计具有许多缺点。例如，传统的张力 计不隔离由于传感器所附表面中的变形所引起的电阻变化。因此，温 度、材料属性、将张力计结合到表面的粘合剂和材料的稳定性均影响探 测的电阻。例如，在修复工业中，诸如假足的个人修复设备可由多种材 料制成。因此，传统的张力计将必须对由不同材料制成的每只脚校准。 另外，甚至需要对由相同材料制成的不同的脚设备校准。这种逐单位的 校准很昂贵并且不实际。传统张力计的另一局限性在于：对于诸如附于 假足的特定应用，它们不够柔性。传统的张力计仅测量小范围的表面张 力。诸如用于假足的碳纤维的非常柔性的材料会超出这种范围。调整传 统张力计用于与诸如假足的与肢体相关的柔性设备一起使用可能不实 际，并且昂贵，并可具有对设备的功能性不期望的影响。因此，存在对 用于与诸如假足的与肢体相关设备的改进传感器的需要。
在这里，并没有试图对本发明的实施例针对的现有技术的所有需要 进行分类。本领域的技术人员将理解到：下面描述的实施例针对解决上 述需求，以及其它未列出的需求。

本发明的特定实施例涉及用于监控步态动力的系统和方法。在一个 实施例中，智能足使用沿该足的一部分的柔性传感器，以测量足的弯 曲。基于特定范围，从传感器(或数个传感器)收集的数据可例如由受 训的修复专业人员使用，以探测假足上的连续脚后跟撞击和/或脚趾负载 的发生或样式。例如，该数据可被用于对准(或者静态或动态)或选择 合适的假足。另外，它也可用于预测并防止设备的潜在故障，以及其它 潜在安全问题。此外，它还可被用于训练修复设备的使用者以认识和将 探测的步态动力与通过佩戴设备导致的相关压力相关联。虽然下述附图 和描述经常通过假足描述本发明，本发明并不局限于这种应用。本发明 的实施例可包括许多不同的修复和矫正设备的应用，诸如但不局限于躯 干、手臂、颈部、腿、手等。另外地，本发明的实施例可包括与肢体关 联的其它设备的应用，诸如例如服装物品(例如鞋)和体育用品装备 (例如，滑雪鞋)。
本发明的一个实施例包括：用于测量矫正或修复设备的性能的系 统，包含矫正或修复设备，该设备能够在使用时弯曲；和传感器，其中 传感器被配置以随着使用中的设备弯曲，并且其中：该传感器产生与设 备的弯曲相关的电阻输出。本发明的另一个实施例包括一种用于测量与 肢体关联的矫正或修复设备的弯曲的方法，包括提供具有与其关联的至 少一个传感器的修复或矫正设备；在设备使用、所述传感器随着设备弯 曲时，利用所述传感器测量传感器的弯曲；并传输关于所述弯曲的信 息。本发明的另一个实施例包括用于测量与下部肢体关联的设备的性能 的系统，包括：与下部肢体关联的设备，该设备能够在使用时弯曲；和 传感器，其中：传感器被配置以随使用中的设备弯曲，并且其中：该传 感器产生与设备的弯曲相关的电阻输出。另一实施例包括假足系统，所 述假足系统包括假足；至少一个传感器，所述至少一个传感器包括沿假 足的一部分设置的电阻条，该电阻条被配置以在使用足时随着假足弯 曲；和用于将所述传感器测量的弯曲信息传输到个人的装置。
本发明的一个实施例包括一种收集关于假足的信息的方法，包括： 提供具有与其关联的至少一个传感器的假足；利用所述传感器测量使用 时所述设备的性能特征；并将所述传感器测量的对应于性能特征的数据 存储在存储器中。本发明的另一个实施例包括一种收集有关与肢体关联 的设备的信息的方法，包括：提供具有与其关联的至少一个传感器的与 肢体关联的设备；利用所述传感器测量使用时所述设备的脚趾负载值和 脚后跟撞击值；并确定所述脚趾负载值和脚后跟撞击值中的至少一个是 否落入代表使用者步态的不同状态的预定范围内。本发明的另一个实施 例包括：一种评估与肢体关联的设备是否处于合适工作条件的方法，包 括：提供具有与其关联的至少一个传感器的与肢体关联的设备；利用所 述传感器测量使用时所述设备的生物力学特征；将来自所述传感器的信 息传输到处理器；并处理所述信息以确定所述设备是否处于合适的工作 条件或不处于合适的工作条件；并提供指示所述设备处于合适的工作条 件或不处于的信号。本发明的另一个实施例包括用于附于肢体的设备， 包括：与设备关联的至少一个传感器，所述传感器用以测量使用时所述 设备的生物力学特征；处理器，所述处理器被配置以处理从传感器选择 的信息，以确定所述设备是否满足从对准，安全和故障构成的组中选择 的期望条件，和用于指示所述设备是否满足条件的用户界面。再一实施 例包括：一种假足系统，包括：假足；设置在假足上的至少一个传感 器，所述传感器被配置以测量使用时所述足的性能特征；和存储器，存 储由所述传感器收集的信息，以编译使用中的所述足的性能特征的历 史。
本发明的一个实施例包括一种提供关于假足的信息的方法，包括： 提供具有与其关联的至少一个传感器的假足；利用所述传感器测量使用 时所述设备的力特征；和可听到地或可视地输出对应于力特征的各个信 息。本发明的另一个实施例包括一种用于测量假足的性能的系统，包 括：假足；设备上的传感器，被配置用于测量设备的力特征；和用户界 面，提供关于所测量的力特征的音频或可视信息。本发明的另一个实施 例包括一种为与肢体关联的设备使用者提供信息的方法，包括：提供具 有与其关联的至少一个传感器的与肢体关联的设备；利用所述传感器测 量使用时所述设备的负载特征；并通过声音将有关负载特征的信息传送 给设备使用者。
本发明的一个实施例包括一种确定与使用者的肢体相关的设备的活 动性的方法。在一个实施例中，该方法包括：使用设置在设备上的至少 一个传感器，基于使用者在一段时间行走的步数，计算脚步因子；使用 至少一个传感器，计算设备的冲击水平因子，该冲击水平通过测量该段 时期使用者的脚趾负载和/或脚后跟负载确定；和将测量的脚趾或脚后跟 负载与预定阈值(例如，脚趾负载阈值或脚后跟负载阈值)比较，以确 定是否超过阈值；并基于脚步因子和冲击水平因子，确定使用者的活动 性指标值。
例如，在一个实施例中，该方法可包括：在特定循环期间，计算测 量的负载超过预定阈值的次数。
在其它实施例中，表示测量的脚趾负载和/或脚后跟负载的绝对值被 用于确定活动性指标值。例如，用于确定使用者的活动性的方法可包括 确定使用者的每个步伐的脚趾负载值和脚后跟负载值。然后，该负载值 被处理以确定特定使用者的动量(momentum)值。例如，这种处理可包 括诸如通过低通滤波器过滤负载值数据，和/或分配数据加权值。该方法 还包括从确定的动量值提取重量分量和活动性分量。例如，使用者的重 量可以通过使用外部计量器、使用者外形数据和/或当使用者的脚趾和脚 后跟同时接触地面时，测量力值的传感器获得。其余的活动性分量则被 用于确定使用者的活动性指标。
例如，在一个实施例中，用于计算使用者的活动性指标的算法如 下。通过以下等式计算重量因子(“W”)。
Wn＝(1-a)*ToeLoad maxn+a*HeelLoad maxn；
其中：“n”表示步数；“ToeLoadmax”表示最大测量脚趾负载； “HeelLoadmax”表示最大测量脚后跟负载；并且其中“a”是表示 ToeLoadmax与HeelLoadmax测量值之间的关系的变量。这种数据诸如 通过以下等式被过滤：
Wfn＝(1-b)*Wfn-1+b*Wn
其中：b可以是诸如0.05的恒定变量(其中：最后监控的步伐仅 占总Wfn的5％)。该活动性指标(“A”)则可由以下公式计算：
A＝Wf/(使用者的重量(千克))
由于使用者的重量在计算过程期间通常不改变，则“A”中的增加 能够归因于Wf的增加，这表示更动态的运动样式。还应该认识到：在 计算过程的初始化期间，ToeLoadmax和HeelLoadmax变量可被设置为 零。此外，在其它实施例中，脚趾和/或脚后跟负载的测量值可包括最大 负载测量值以外的测量值。例如，脚趾负载和/或脚后跟负载的测量值可 包括一大踏步长度期间的平均测量值。
在一个实施例中，该设备可包括诸如例如假足的矫正设备或修复设 备，或通过参考并入这里的申请中描述的设备的任何一个。
在另一实施例中，该方法包括将使用者的活动性指标值与用于多种 不同设备的预定活动性指标比较，以选择用于使用者的合适设备。
本发明的一个实施例包括一种选择与使用者的肢体相关联的设备的 方法。一个实施例的方法包括：提供具有紧固到其上的传感器的设备； 利用所述传感器测量使用者使用设备时所述设备的性能特征；将该性能 与不同设备的性能数据的预定矩阵比较；和基于比较选择用于使用者的 合适设备。
在一个实施例中，该设备可包括诸如例如假足的矫正设备或修复设 备，或通过参考并入这里的申请中描述的设备的任何一个。在其它实施 例中，该传感器可测量脚趾和/或脚后跟负载。
本发明的一个实施例包括一种对准与使用者的肢体相关的设备的方 法。一个实施例的方法包括：提供具有紧固到其上的至少一个传感器的 设备；利用所述传感器测量使用者使用设备时所述设备的性能特征；将 来自传感器的数据传送到微处理器并处理该数据；并基于该数据对准设 备。
在一个实施例中，该设备可包括：诸如例如假足的矫正设备或修复 设备，或通过参考并入这里的申请中描述的设备的任何一个。在其它实 施例中，该传感器可测量肢体和/或设备的负载特征。
在一个实施例中，这种对准可包括设备的向前和/或向后对准，诸如 通过手动和/或自动调节。在其它实施例中，对准可包括调节内侧/侧面运 动。例如，在足设备的两侧上设置的多个电阻条可被用于确定脚趾负 载、脚后跟负载、足力矩(moment)和/或内侧/侧向平面中的运动。
在其它实施例中，该方法可另外包括如下的至少一个：在调节期间 提供实时对准信息；通过计算机接口提供有关对准、活动性、步伐计 数、这些的组合或类似物的信息；提供有关已如何处理具体设备的信 息；和/或基于测量值提供有关设备选择的建议。
在其它实施例中，从传感器收集的信息可被用于电子地和/或自动地 调节设备。例如，传感器信号能够被用于触发膝类型设备中的释放点或 与相关的神经运动系统或神经肌肉骨骼(NMS)单元通信。
本发明的一个实施例包括一种测量与使用者的肢体相关的设备的弯 曲的方法。一个实施例的方法包括：提供具有紧固到其上的至少一个传 感器的设备；和当使用者使用肢体时，使用传感器测量设备的弯曲特 征。例如，该方法可被用于测量和/或探测材料的偏转/弯曲，所述材料诸 如例如与设备一起使用的碳和其它高柔性材料。在一个实施例中，该设 备可包括诸如例如假足的矫正设备或修复设备，或通过参考并入这里的 申请中描述的设备的任何一个。在另一实施例中，多个传感器测量假足 的弯曲特征和/或负载特征。例如，在假足的每一侧上可放置一个电阻条 传感器。
本发明的一个实施例包括一种用于测量修复或矫正性能的系统。在 一个实施例中，该系统包括假足和传感器，诸如例如紧固到假足的电阻 条。在另一实施例中，该系统包括：假足和被紧固到假足的传感器，被 配置以测量经过指定步循环的足弯曲特征。在另一实施例中，该系统包 括假足，被紧固到假足的传感器；和被紧固到假足的显示器，以基于传 感器的测量值指示性能。
此外，每个传感器都可被层压入假足，诸如例如被层压在纤维层之 间。

图1显示了具有单个传感器的智能假足的侧视图；
图2显示了弯曲传感器的测量电阻的特定预定范围；
图3显示了智能设备的特定电子部件的示意图；
图4显示了准备附于假足的一部分的传感器的三维视图；
图5显示了具有两个弯曲力传感器的传感器系统；
图6显示了一种具有夹住式连接器的简单智能足，所述连接器用于 传输从弯曲传感器收集的数据；
图7显示了智能假足，具有用于处理和显示从弯曲传感器收集的数 据的内置部件；
图8显示了智能假足，具有用于处理从弯曲传感器收集的数据的可 分离部件；
图9显示了智能假足，具有用于传输从弯曲传感器收集的数据的无 线单元；
图10显示了智能假足，具有用于连接处理和显示从弯曲传感器收 集的数据的计算设备的搭锁连接器；
图11显示了可被用于显示从智能设备的传感器收集的数据的手表 界面；
图12显示了可被用于显示从智能设备的传感器收集的数据的个人 计算设备；
图13显示了可被用于显示自智能设备的传感器收集的数据的膝上 型电脑；
图14显示了可被用于聆听自智能设备的传感器收集的数据的一套 耳机。

在不限制本发明的范围的情况下，下面将描述特定发明实施例。通 过结合前述附图的如下描述和所附权利要求，本发明的多个方面和特性 将变得更加明显。在附图中，类似附图标记指示相同或功能类似的元 件。附图、相关描述和特定实施被提供以说明本发明的实施例，并且不 限制公开的范围。
在这里使用的术语“修复”和“假体”为宽泛的术语，并且以其普 通意义使用，并且不受限制地指可用作身体部分的人工替代物或支撑的 任何系统、设备或装置。
这里使用的术语“矫正”和“矫正法”是宽泛的术语并以其普通意 义使用，并且无限制地指可用于支持、对准、防止、保护、校正畸形、 固定或提高诸如关节和/或肢体的身体部分的功能的任何系统、设备或装 置。
这里使用的术语“听觉”不限制地涉及听力或通过听力感受。例 如，听力地输出个人信息意味着通过有线或无线通信，将声波传送到一 对耳机。
该词组“通过声音传送信息”包括通过人耳可察觉的声波传输信息 的任何装置。
这里使用的术语“对准”非限制性地意味着配置设备的活动部，以 便：设备适合或最佳地起作用。例如，经过训练的修复专业人员可以使 用智能设备以调节例如假足与使用者的对准。对准可以是假体的最初装 配或随后调节的一部分。对准可以是简单地紧固或其它方式地调节螺 丝、螺栓等。通过将对准定义为配置活动部件，并不意图将对准限制为 旋转调节、滑动或需要重新定位的其它调节。例如，螺栓的紧固应被解 释为活动部件的配置。对准可以包括设备的任何可配置轴线。例如，假 足可以通过调节脚后跟高度对准。可选地，假足可以通过对准足相对使 用者的残肢的侧向位置来进行调节。可选地，对准可以包括假足沿脚后 跟到脚趾的轴或向前和向后轴的运动。对准可以指或者静态或者动态对 准。当术语“对准”无任何形容词地使用时，应该理解：对准指静态和/ 或动态对准。通常，当与肢体相关的设备的使用者在静止位置，可能站 立、坐下或躺下时，发生静态对准。另一方面，动态对准是基于表示步 行期间、正常水平地面行走或更复杂的情况下使用者动力的测量值的对 准。通常，术语“对准”既被用于指通过部件运动的智能设备的实际调 节，又用于指示确定如何配置活动部件的分析或处理。
与肢体相关的设备是可用于有助于肢体的某种功能的任何设备。例 如，修复设备是与肢体关联的设备。修复设备可替换肢体的一部分或整 个肢体。可选地，矫正设备是与肢体关联的设备。例如，矫正设备支持 或对准肢体。另外，诸如衣服物品或体育用品设备的其它设备可以是与 肢体关联的设备。例如，鞋是与肢体关联的设备，因为它有助于鞋的使 用者用脚例如走路或跑步。类似地，滑雪鞋是与肢体关联的设备，因为 它帮助滑雪鞋的使用者例如用脚滑雪。
弯曲力传感器是测量弯曲力的传感器。弯曲力传感器的一个实例是 在薄柔性基片上的可变印刷电阻器。随着基片弯曲，传感器产生与弯曲 半径相关的电阻输出。即，半径越小，电阻值越高。因此，弯曲力传感 器可以是弯曲的传感器。
设备的力特征是指示与设备关联的力的任何特征。该力可以是外 力，例如当使用者行走、而假足与地面接触时，施加到设备的压力。力 还可以是内力，诸如设备包括的传导材料的电阻。力特征可以来源于其 它测量值，并且可形成其它得出测量值的基础。例如，力特征可以是设 备部件经历的弯曲量。例如，这种测量的弯曲通过测量部件的电阻确 定。此外，该测量弯曲或电阻可用于测量诸如假足的设备的使用者是否 已进入特定使用状态，诸如在设备使用者行走中脚后跟撞击()状态。
这里使用的术语“适合的工作条件”旨在指示涉及与肢体关联的设 备的适合和最佳使用的多种条件。例如，在合适对准中操作、在安全参 数内操作和无可预知的内部故障地操作均是与肢体关联的设备的适合工 作条件的实例。例如，当未适当地对准设备时，则它未处于适合的工作 条件。
这里使用的术语“生物力学”指与活体的结构关联的设备的任何机 械特征或属性。例如，与肢体关联的设备的对准是与活体的结构关联的 设备的机械特征。类似地，与肢体关联的设备的弯曲是生物力学属性。 由于分层将改变设备的机械响应，从而影响设备干扰肢体的方式，因此 测量特定弯曲是否表示与肢体关联的设备的分层或者其它方式的恶化是 一种生物力学测量。与肢体关联的设备经受的诸如压力负载的内和外力 也是设备的生物力学特征。生物力学关节的特定角度理论上能够从设备 的弯曲特征计算，并且从而角度被认为是生物力学属性。
这里使用的术语“预定”是指在应用时间的前期确定的任何属性、 功能、值等。例如，用于评估与肢体关联的设备的测量值的阈值、算法 或状态条件均可被预先确定。一些预定算法、条件、值、变量、功能等 被用于计算不使用时的其它值等。因此，预定范围既可以理解为预先选 择(即，被预定)的数字范围，也可理解为通过预定算法动态确定的数 字范围。对于预定阈值也一样。
这里使用的术语“用户界面”意味着用于感知智能设备的传感器的 读数的任何装置。例如，用户界面可以包括被附于智能假足的计算机的 LCD监视器。可选地，用户界面可以是安装在智能假足上的LED指示 器。在其它实施例中，用户界面可包括传送到智能足的使用者并通过耳 机接收的声音信号。应该认识到：存在来自传感器系统的信息可与使用 者或第三方通信的许多方式。该术语“用户界面”不应被理解为限制于 用户。因此，受过训练的修复人员可以是用户界面的预期使用者。
性能特征是针对设备性能的任何区别特征。例如，性能特征的一个 实例是设备的弯曲，诸如假足、矫正足或鞋的弯曲。此外，性能特征可 以测量力，更具体地弯曲力。此外，性能特征可以测量负载，更具体地 弯曲负载。然而，单一性能特征可被用于探测多种条件。例如，电阻条 可被用于测量弯曲的性能特征，这又可用于确定脚相对于地面的位置。 相应地，电阻条的弯曲的特定程度可表示：电阻条嵌入其中的假足在脚 后跟撞击位置中，或脚趾负载位置中，或中间的位置。因此，诸如弯曲 的性能特征可被用于测量诸如脚后跟撞击、脚趾负载或中间条件的多种 条件。此外，性能特征可以与其它性能特征组合以确定特殊条件或值。 例如，两个电阻条可在假足中对准，以给出有关足的左和右部的弯曲特 征的数据。这些测量值结合在一起可被用于确定假足的内侧(中间)/侧 向运动。
本发明的一些实施例集成了传感器和微控制器以监控使用者的步行 动力。例如，本发明的实施例可用于测量诸如假足或矫正足的与肢体相 关的设备的运动和/或动力。在本发明的其它实施例中，其它类型的设备 可以与足或其它肢体一起使用。为了说明的目的，下面将描述包括假足 的本发明的实施例。
本发明的一个实施例包括提供涉及如下至少一个的信息的假足系 统：
1.脚走的步数
2.脚趾负载
3.脚后跟负载
4.有关脚负载的实时信息
5.活动性指标(例如，步数/时间*冲击级)
6.脚的内侧/侧向对准
7.脚的背曲/跖屈
这种数据采样的益处包括有关如下至少一个的信息：
1.使用者的活动(例如在特定时期中走动的步数)
2.脚趾负载和脚后跟负载可指示脚选择正确与否。例如，系统可包 括软件，处理涉及可用假足产品的信息并确定当前假足是否适合选择用 于使用者，和/或基于这种信息，建议可选的假足。
3.在对准过程期间，实时负载信息是有益的，并且集成负载指示器 (例如被集成入假足)基于实时分析提供用于动态对准。
4.专用活动性指标可被用于给出有关由多种类型的修复设备的不同 调节或设置配置导致的增加活动性的结果。
5.通过力学模型，假足的挠曲或偏转可以转换为假足的每个端部处 的力值。这允许通过单个传感器单元的脚趾负载和脚后跟负载的测量。
6.通过监控修复单元的弯曲，特定弯曲值的突然的永久变化可指示 由于断裂或分层的设备故障。
图1显示了根据本发明的一个实施例的假足系统的实例。通常，所 示智能假足30可包括假足的许多通用元件，诸如脚后跟部件32，伸长 部件34，和附加部件36。智能假足30可另外包括将诸如可变电阻条 的力传感器38层叠在假足30中(或上)。另外，智能假足30可包括 诸如在图1所示的外壳40中的微控制器(未显示)，其可选地存在于 设备上。在所示实施例中，连接线42提供了通路，用于将数据传输到 存在于外壳40中的微处理器(未示出)。所示智能假足30提供了包 括两个LED灯的用户界面44，用于传输收集和处理的数据。
该力传感器38有利地位于假足上，以便能够测量在足的弯曲轴线 的两侧上的力，更具体地弯曲力。在本发明的一个实施例中，至少一个 传感器纵向(前/后方向)地位于假足上。传感器的这种定位有利地提供 用于监控通常预期最大弯曲的假足的部分。在另一实施例中，至少一个 传感器纵向地位于假足的每一侧上。这提供用于感应内侧/侧平面中的力 的差，这可用于计算足的力矩(moment)。
当假足弯曲时，可变电阻条的电阻改变。微控制器监控电阻变化 (诸如通过连续或周期监控)并基于电阻的变化探测脚中的不同弯曲 (例如诸如通过预定算法)。在一个实施例中，微控制器是可以1.2 MHz的频率运行的ATMEL ATtinyl 5L。在一个实施例中，传感器和/或 微控制器可被集成入假足。
在一个实施例中，系统的接口是从微控制器的RS232的串行连接， 微控制器可通过电缆或蓝牙连接连接到任何串行设备。在其它实施例 中，可以使用诸如红外、WiFi或无线电频率(RF)技术的其它类型的 无线技术。在其它实施例中，有线技术可用于与微控制器通信。
在一个实施例中，软件程序读取并翻译从假足读取的数据。诸如两 个LED的显示器指示假足系统的状态。
假足系统的校准可在系统重新设置(重启)时进行。更确切地说， 假足系统的“正常”状态可以被定义为假足系统被重置时注册的状态。 在一个实施例中，假足系统限定了与假足的放松或正常状态关联的电阻 值范围(或“静区”)。即使在这种放松状态时，假足通常弯曲并可记 录通过电阻条测量的特定电阻值。落在正常状态值的限定范围外的电阻 值通常被认为是有效状态变化。例如，当使用者大步行走时，在脚后跟 撞击状态(即，当使用者的脚后跟接触地面时)，通过电阻条测量的电 阻(即脚后跟负载值)通常小于放松状态值。在脚趾负载状态(即刚好 在脚离开地面前的状态)时，电阻值(即脚趾负载值)通常大于放松状 态值。对于由假足系统登记的完整“步伐”(例如，增加步伐计数)， 假足系统通常等待脚后跟撞击状态(低电阻)和脚趾负载状态(高电 阻)，所述状态也可以相反的顺序出现(即，脚趾负载状态和脚后跟撞 击状态)。图2图示地说明其中测量电阻值可落入的不同状态(例如静 带)的范围。
下述描述提供了上面公开的方法的实例。使用者和/或修复专业人员 将放松状态限定为具有约20kiloOhms的电阻值、将脚后跟撞击状态限 定为具有约10kiloOhms的电阻值，并且将脚趾负载状态限定为具有约 40kiloOhms的电阻值。因此，“静区”包括大于脚后跟负载值并小于脚 趾负载值的放松状态值。当来自电阻条的测量值超过值的“静区”范围 和/或脚趾负载值时，则TRUE值被分配给脚趾负载变量。如果来自电阻 条的测量值小于值的“静区”范围和/或脚后跟负载值，则TRUE值被分 配给脚后跟撞击变量。对于每个连续的程序循环，如果脚后跟撞击和脚 趾负载的变量均为TRUE，则步伐计数变量加1，并且脚趾负载和脚后 跟负载变量均被重置为FALSE值。在另一实施例中，对于将增加的步 伐计数变量，仅脚后跟撞击和脚趾负载变量中的一个需要为TRUE。如 下所述，这种过程能够对循环内的每一步伐继续，并且结果信息可被存 储在报告中和/或由修复专业人员观察用于对准。
假足系统的显示部可被用于指示假足系统的实时信息，并且优选地 足部负载信息。例如，如果显示部的LED均未亮，则假足大概在对准 位置中。另一方面，如果假足系统经受大于脚趾负载或脚后跟负载可接 受值的力，显示器可向使用者或修复专业人员指示该过载。例如，显示 器可以通过LED闪烁图案指示假足系统经受的力类型和/或幅度，和/或 所需校正对准的类型。在一个实施例中，对于动态对准(例如，基于使 用者的(当前)步行属性，对准假足系统的足)，通过某种LED闪烁 顺序，假足系统的足可以在步行后指示对准太向后或向前。
修复专业人员可以使用由传感器生成的信息(例如，通过LED显示 器或通过从传感器发射的数据)以对准假足。例如，该假足的向前/向后 对准能够通过调节假足上的螺丝实现。在一个实施例中，这种对准包括 调节假足上的多个(例如4个)螺丝的至少一个。在其它实施例中，可 以使用其它调节方式。例如，假足的脚后跟高度可以通过按压按钮来调 节，而这又改变假足的角度。例如，本发明的实施例可包括在2003年12 月18日申请的序号为10/742,455的题为″PROSTHETIC FOOT WITH ROCKER MEMBER″的申请人的共同未决美国申请描述的设计，其整体 通过参考并入这里并被认为是本说明书的一部分。当假足向下倾斜(跖 屈)时，脚趾负载增加并且脚后跟负载减小。类似地，假足向上倾斜 (背曲)增加了脚后跟负载并减小脚趾负载。
类似类型的对准可执行用于系统中的内侧/侧向对准，其中：传感器 测量内侧/侧向负载。基于修复专业人员对设置在设备上的LED的直接 和/或实时观察或通过观看基于关于传感器测量值收集的数据产生的报 告，可以执行这种对准。这种对准信息也可提供给制造商以提供有关如 何处理和/或执行设备的信息。
在一个实施例中，计算机程序分析对准信息以基于来自设备的测量 值给出建议。该计算机程序可以实时地或者基于概要基础起作用，并且 可以在一些预定行走模式已由使用者执行后显示计算结果。
图3显示了上述修复系统的一个实施例的示意图。特别地，示意图 显示了与两个电阻条(RESSTRIP-1和RESSTRIP-2)和多个其它部件通 信的处理器(ATMEL ATtinyl5L)。图4的简图的对应的部件列表如下：
  部件   值   设备   程序包   库   IC1   TINYI5LP   TINY 15LP   DIL08   atmel   Q1   BC546A   BC546A   TO92-EBC   transistor-npn   R1   16K   R-EU_0204/5   0204/5   rc1   R2   1K   R-EU 0204/5   0204/5   rc1   R3   10K   R-EU_0204/5   0204/5   rc1   R4   68   R-EU 0204/5   0204/5   Rc1   RESSTRIP   53047-02   53047-02   con-molex   SERPORT   53047-02   53047-02   con-molex   U$1   LED3MM   LED3MM   Led   U$2   LED3MM   LED3MM   Led
图4显示了准备用于附于假足的一部分的传感器系统的三维视图。 该传感器系统包括两个弯曲力传感器38(诸如可变电阻条)，准备附加 以形成智能假足30。该假足可以是任何适合的假足，其中存在在负载下 弯曲的足的一部分。例如，可从冰岛的雷克雅未克(Reykjavik)的Ossur 获得如下假足：AxiaTM，Ceterus，ElationTM，LP CeterusTM，Chopart，K2 SensationTM，LP Vari-Flex，Modular IIITM，Re-Flex VSPTM，Cheetah，Flex- SprintTM，Flex-RunTM，Talux，Vari-Flex，Flex-FootJunior，Flex- SymesTM，和Sure-Flex。在通过参考整体并入这里的如下专利和申请中 披露了特定假足的进一步细节：美国专利申请第10/642,125号；美国专 利申请第10/944,436号；美国专利第6,969,408号；美国专利申请第 10/742,455号；美国专利第6,899,737号；美国专利第5,181,932号； 美国专利第4,822,363号；美国专利第6,071,313号；和美国专利第 6,811,571号。
如所示，图4的智能假足30的足部件包括在前端47和后端48 之间延伸的伸长部件34。智能假足30的足部件优选地由大致板状的整 件材料制成，具有沿其长度方向大致矩形横截面的大致平坦结构。如图 6所示，足部件进一步包括脚后跟部件32，其从前端47和后端48的 中间的足部件上的位置向后延伸。该脚后跟部件32还可具有伸长的、 类似伸长部件34的大致板状的结构。如图6所示，伸长部件34和脚 后跟部件32能够使用螺栓56或其它适合装置连接。调节器58被设 置在足部件的上部表面上，用于联接到暂用假肢或其它中间部件。
该伸长部件34和脚后跟部件32优选地由能够沿多个方向弯曲的 弹性材料组成。该材料可包括多层或薄片。用于部件的可能材料的实例 是碳、任何聚合体材料以及聚合体与纤维的任何组合体。该聚合体可以 是热固的或热塑的。在合成物中，纤维加强件可以是诸如碳、玻璃或芳 族聚酰胺的任何类型的纤维。该纤维可能较长和单向性的，或者它们能 够切割和随意定向。
如图4所示的伸长部件34被分成多个独立脚趾部件，被配置为至 少部分地沿它们的长度基本上独立于彼此地弯曲。在所示实施例中，伸 长部件34被分成两个独立的脚趾部件45，46。例如，脚部件10可包 括至少一个具有大致恒定宽度的纵向狭槽49，狭槽49从其前端47向 靠近伸长部件34的后端48的后点延伸。
基本假足的进一步细节可在通过参考并入这里的美国专利申请第 10/642,125号找到。
在图5到10中，相同的附图标记代表两个图共同的类似的部件。 另外，下述文本提及了称作“传感器系统”的部件。该传感器系统应被 理解为指根据本发明的实施例的弯曲力传感器的任何集合。在图5到 10中所示的实施例中，传感器系统50包括两个弯曲力传感器38。除 了传感器，术语“传感器系统”是指传感器嵌入的基片，该基片例如可 以附于、结合、嵌入、粘合、层压以及相同或类似物的组合等到诸如假 足的与肢体关联的设备。另外，图5中所示的传感器系统包括连接线 42，其提供感应数据到达一些处理单元的通路，其通常不被认为是感应 系统的一部分。所示传感器系统50还包括没有任何传感器材料的附加 部52。所示附加部52提供另外的表面区域，用于将传感器系统50粘 合到例如假足。在其它实施例中，传感器系统50可被层压入智能设备 的纤维内，诸如假足的碳纤维。孔54提供了用于结合假足的平板的螺 栓的入口，例如如图6所示的螺栓56。该连接线55提供了自弯曲力 传感器38到连接附加装置的通信通路，所述附加装置提供到处理数据 的计算设备的通信通路。
图5中所示的传感器系统50包括两个伸长传感器38，它们可以 是诸如上述的电阻条。应该认识到：任何合适的传感器可被用于测量脚 的期望性能、力、对准或生物力学特征。这种传感器38包括伸长、大 致平面的主体，其提供了沿纵向或前-后方向跨过假足的上部表面延伸的 平坦表面。如这里使用的，传感器38的伸长结构通常指具有大于约 2∶1的长度与宽度比的传感器，长宽比更优选地大于约5∶1或甚至 10∶1。在一个实施例中，传感器38具有约1/2英寸或更大的长度，更 优选地约1英寸或更大，更优选地约两英寸或更大，或者甚至约3英寸 或更大。在一个实施例中，传感器38的宽度在约1英寸的1/8与1/2 英寸之间。该传感器38也具有柔性结构，允许它们在使用脚期间随着 足部件弯曲。一些传感器可包括电阻碳技术。合适的传感器可从犹他州 盐湖城的Spectra Symbol公司获得。
如图6所示，传感器38优选地沿足部件的上部表面的中间部定 位。然而，将认识到：传感器38可设置在任何合适的位置，用于进行 弯曲或其它的测量。所示传感器系统50被设置为：左和右传感器38 被设置在狭槽49的相对侧上，以便：不仅能够进行沿前-后方向的弯曲 测量，而且能够比较内侧/侧向差别。
因为图6到10包括前述的许多类似的元件，所以不重复那些元件 的描述。
图6显示了具有夹住式连接器的简单智能足，所述连接器用于传输 从弯曲传感器收集的数据。在所示实施例中，传感器系统50粘合到假 足的顶部表面。在这个简单实施例中，智能足不执行任何处理。代替 地，提供用于感应数据的通路的连接线被构造成连接带60，简单夹住式 连接器62可附于所述连接带60。该夹住式连接器62提供用于感应数 据的通路，指向诸如下面描述的可连接的处理部件。在这个实施例中， 感应数据的处理、存储和输出出现在可连接设备(未示出)。这种外部 处理部件可适于执行如下所述的功能。因为传感器系统(包括弯曲力传 感器)是成本高效的，该感应器系统50可包括在例如假足的与肢体关 联的许多设备中。该感应器系统50可保持永久附于假足。当假足被首 次附于其使用者并且此后在例如受训修复专业人员后续访问期间，该传 感器系统50可被连接到处理设备。
图7显示了智能假足，具有用于处理和显示从弯曲传感器收集的数 据的内置部件。在图6中所示的实施例对比，图7中所示的实施例包 括内置处理单元70，其可包括用于处理感应数据的处理器(未示出)； 用于操作内置处理单元70的电池(未示出)；和包括三个LED灯的用 户界面72。当假足分别经历脚后跟撞击、脚趾负载或其间的中间位置 时，这些灯可被配置从而指示。另外，当脚后跟撞击或脚趾负载值在预 定或期望范围内或外或超过阈值时，该灯可指示。受训修复专业人员可 以在为其使用者对准假足时观察灯。当使用者例如站立、坐、走或跑步 时，这种对准可以产生，从而提供静态或动态对准。
另外或可选地，内置处理单元70可包括精密数据信号处理器，能 够指示例如步态不是最佳的。在这种场合中，用户界面72上的灯可指 示特定的非最佳的性能特征。在一些实施例中，内置处理单元70可被 配置以确定例如有关用户的安全、使用统计、设备选择或设备的内部故 障的其它条件。例如，处理器可被编程以探测假足是否太硬(刚性)。 如果传感器系统从未探测到超出预定或期望阈值的特定弯曲量(例如， 由固定值或算法先前限定的期望阈值)，这种条件可被探测到。其它探 测的安全条件可包括：使用者重量的增加；假足的主要偏好侧；或探测 交替脚后跟撞击和/或脚趾负载中的不规则。可能被探测的内部故障的类 型的实例是例如假足的碳纤维的分层。例如通过感应已超过预定阈值， 该内置处理单元可探测到设备弯曲得太大。太大的弯曲可能表示碳纤维 分层，如果未被注意到，这可导致脚趾断裂。该用户界面72可被编程 以对分层发信号，以及其它探测到的安全和/或内部故障条件。该内置处 理单元70还可被配置用于对应于频率和/或共振变化的振动分析。
在一些实施例中，内置信号处理单元70包括：嵌入处理器中的随机 存取存储器(RAM)。这种存储器可在感应数据的实时处理期间时使用。 另外或可选地，内置处理单元70可包括长期存储器，诸如闪存，用于存 储积累的数据，诸如步数、力、负载或弯曲测量值，包括逐步的测量 值。这种存储数据可被用于计算诸如上述的活动性指标。在这些实施例 中，处理器将能够基于传感器系统50探测的步态动力学的历史提供反 馈。阈值可被存储在长期存储器中或嵌入处理器的控制逻辑中。
图8显示了智能假足，具有用于处理从弯曲传感器收集的数据的可 分离部件。在这个实施例中，感应器系统50经搭锁(扣锁式)连接器 82链接到可分离处理单元80。该可分离处理单元可执行参照图7在上 面描述的属于内置处理单元的所有功能。另外，可分离单元82可被配 置以通过可选连接器84与其它计算/外围设备交互。其它计算/外围设备 可提供另外的处理或可提供用户界面。在一些实施例中，可分离处理单 元80可主要包括用于存储感应数据的存储器，其或者通过可选的连接器 84或某种其它连接(未示出)由另一设备处理。
图9显示了智能假足，具有用于传输从弯曲传感器收集的数据的无 线单元。在这个实施例中，通过无线发射器90，该传感器系统50将感 应的数据传输到远程处理单元(未示出)。
如参照图6或图8所讨论，在一些实施例中，智能足可被连接到 用于处理和/或用户界面功能性的另一计算/外围设备。图10显示了具有 用于连接到其它计算/外围设备的搭锁连接器的智能足。与图8中所示的 实施例对比，图10中所示的实施例不具有本地处理单元，但将所有数 据通信到单独的计算/外围设备。参照图10，传感器系统50经搭锁连接 器82连接到专用计算设备120，其也可是个人数字助理(PDA)。图 11到14显示了可能的计算/外围设备，分别包括：手表110(图 11)；专用计算设备120(图12)；膝上电脑130(图13)；以及一 套耳机140(图14)。本领域的技术人员将理解到：存在可适合提供辅 助或补充的处理和/或界面功能性的许多计算/外围设备，这应被认为上述 实施例预期并包括在其中。
如图14所示，智能设备的使用者可配置设备以发送由使用者的头 戴耳机或耳机接收的声音信号。这些声音信号可有助于使用者将特定声 音与传感器系统感知的探测到的性能特征相关联。在一个实施例中，性 能特征是电阻条的弯曲，它可选地可以指示假足的脚后跟撞击状态和脚 趾负载状态。该智能设备可被配置以给出设备运动期间的这些交替事件 的声音信号。例如，智能足的使用者可以周期地利用设备训练，以训练 大脑以将切除的肢体上的压力例如与通过佩戴智能设备感知的性能特征 相关联。例如，在脚后跟撞击时，使用者可以感觉到自设备或诸如暂用 假肢的中间部件对切除肢体的特定压力。此时，智能设备可被配置以发 送特定声音信号。随着时间的流逝，使用者可以学会将脚后跟撞击的声 音与在肢体上感受的相关压力相关联。当传感器系统已感受到脚趾的负 载时，另一声音可指示。从而，当使用者听到这种可选声音时，使用者 的大脑可开始将这种声音与切断的肢体上感觉到的、例如通过与假足的 窝(socket)接触所引起的不同压力感觉关联起来。当智能设备既没有探 测到脚后跟撞击也没有探测到脚趾负载，例如，智能设备可发出其它声 音，指示没有感觉到的状态。通过训练使用者将例如由与肢体关联的设 备所引起的肢体上的压力与声音相关联，设备的使用者可以开始重新恢 复可能被损害的肢体的自然的本体感受的功能。在这种感觉中，本发明 的实施例可被用于对设备的使用者提供人为(模拟)的本体感受。
在一些实施例中，智能设备可以发出恒定和连续的声音，指示传感 器系统感受的当前状态。在其它实施例中，可以使用不同的不连续的声 音。除了节奏，也可改变音调和音量，以及会影响使用者或其他个人听 到的声音的任何其它调节。当使用者穿戴智能设备时，使用者的例如特 定步态模式将由根据本发明的实施例的诸如假足的智能设备发出的声音 表示。随着时间的流逝，使用者可习惯交替的声音，并开始通过预定声 音(例如，分配给不同感觉读数的编程声音)来认识和关联来自设备的 不同感觉。经过一段时间，使用者会习惯声音和相关感觉，以便：使用 者不再需要声音，以理解例如来自假关节窝的感觉。因此，在一些情况 中，音频信号可暂时配置。在这些实施例中，音频功能可包括到传感器 系统的连接、到用于接收传感器输入的处理器的连接和到用于为相关性 能特征创建声音信号的发射器的连接。这些部件可以设置在设备的可分 离部件上，或可以无线连接。在其它实施例中，智能足可配置发射单 元。在其它实施例中，声音发送单元可作为诸如便携、膝上电脑或台式 计算机的单独计算设备附于足部。使用者可以通过多种设备接收音频信 号。例如，如已提及的，使用者可以佩戴接收信号的耳机。这些信号可 以或者通过无线或者有线通信设备发送。例如，无线信号可通过 Bluetooth、WiFi、红外或无线发射设备发送。该耳机可能佩带在使用 者的耳朵内或耳朵上，或可植入耳朵中。在其它实施例中，该声音可通 过设备上的扬声器发射，以将声音广播给听力所及范围的任何人。
本发明的实施例涉及或可结合使用下面申请中公开的主题，每个申 请从而通过参考并入这里：2005年2月11日申请并且2005年9月 8日公开的作为美国专利申请公开第2005/0197717-A1号的题为 ″SYSTEM AND METHOD FOR MOTION-CONTROLLED FOOT UNIT″ 的美国专利申请第11/056,344号；2005年2月11日申请并且2005 年9月1日公开的作为美国专利申请公开第2005/0192677-A1号的题为 ″SYSTEM AND METHOD FOR MOTION-CONTROLLED FOOT UNIT″ 美国专利申请第11/057,391号；2005年12月22日申请的题为 ″SYSTEMS AND METHODS FOR LIMB DETECTION″的美国专利申请 第11/315,648号；2005年3月9日申请并且2005年12月22日公 开的作为美国专利申请公开第2005/0283257-A1号的题为″CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR A PROSTHETIC KNEE″的美国专利申请 第11/077,177号；2005年5月6日申请的题为 ″MAGNETORHEOLOGICALLY ACTUATED PROSTHETIC KNEE″的美 国专利申请第11/123,870号；2003年7月8日申请并且2004年3 月25日公开的作为美国专利申请公开第2004/0059432号的题为 ″SOCKET LINER INCORPORATING SENSORS TO MONITOR AMPUTEE PROGRESS″的美国专利申请第10/615,336号；美国专利第 6,610,101号；和美国专利第6,764,520号。
应该理解：前述内容仅描述了本发明的原理，并且应该理解：在不 背离本发明的范围与精神的情况下，本领域的技术人员可以对其进行多 种修改、更改和组合。虽然本发明已就特定实施例进行了描述，对本领 域普通技术人员很明显的其它实施例，包括未提供这里列出的所有益处 和特性的实施例，也在本发明的范围内。因此，本发明的范围仅由所附 权利要求限定。
相关申请的参照
本申请要求具有2005年2月2日申请的题为″SENSING SYSTEMS AND METHODS FOR MONITORING GAIT DYNAMICS″的美国临时专 利申请第60/649,226号的优先权，并通过参考并入这里。