专利名称：用于控制人造矫形外科或假肢关节的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于控制下肢的人造矫形或假肢关节的方法和设备，具有阻抗装置，给所述阻抗装置配置至少一个促动器，通过所述促动器根据传感器数据改变屈曲和/或伸张阻抗。这种方法和这种设备特别适合于控制下肢的关节即髋关节、膝关节或踝关节。但是原则上也可以将这种设备和这种方法用来运行其他假肢人造关节或矫形人造关节，例如肘关节或假肢手中的关节。
背景技术：
人造关节越来越多地配备有阻抗装置，所述阻抗装置在屈曲阻抗或伸展阻抗方面可改变。阻抗的可改变性具有的优点是，可在运动过程中将阻抗适配于不同的要求。为了例如在一个步子的不同阶段期间尽可能以天然方式表现或支持不同的要求，设置可控制的阻抗装置，所述阻抗装置提供适配的可改变的屈曲阻抗和伸展阻抗。通过屈曲阻抗可调节 小腿筒或大腿轨相对于大腿筒或小腿轨在施加力的情况下以何种程度向后迈步。伸展阻抗制动小腿筒或小腿轨的前进运动并且特别是形成伸张止挡。由DE 10 2008 008 284 Al公开了一种矫形外科技术的膝关节，其具有上部件和可枢转地布置在上部件上的下部件，给小腿部配置多个传感器，例如屈曲角度传感器、加速度传感器、斜率传感器和/或力传感器。伸张止挡根据求得的传感器数据来调节。DE 10 2006 021 802 Al描述了一种被动式假肢膝关节的控制，在伸展方向上具有可调节的阻尼以适配于假肢装置，所述假肢装置具有上侧的连接器件和通往人造脚的连接元件。与楼梯行走进行适配，其中，检测假肢脚的几乎无力矩的抬起并且将屈曲阻尼在抬起阶段中降低到一个对于在平面中行走合适的水平以下。屈曲阻尼可根据膝盖角度的变化并且根据作用在小腿上的轴向力升高。DE 10 2007 053 389 Al描述了一种用于控制具有至少一个自由度的下肢的矫形外科关节的方法，具有可调节的促动器以适配于矫形外科装置，所述矫形外科装置具有连接至肢体的上侧连接器件和相对于所述连接器件远中地铰接布置的矫形外科关节，其用于识别不同于在平面上行走的状态下。在此通过传感器检测该矫形外科装置的多个参数，将检测到的参数与判据(所述判据借助于多个参数和/或参数变化曲线求得并且存放在计算单元中)相比较并且选出一个判据，所述判据根据求得的参数或参数变化曲线是合适的。基于所选出的判据调节屈曲阻抗、运动范围、驱动力和/或其变化曲线以控制不同于在平面中行走的特殊功能。US RE 39，961E描述了一种用于假肢的计算机控制的液压阻抗装置，具有压力传感器。不仅在高压侧而且在低压侧通过弹簧加载的磁体和磁激励的电子传感器检测压力并且在闭合的调整回路中通过微处理器对其进行处理，以便自动地补偿该设备中的变化和液压液的粘度。所述补偿基于压力测量的结果。在人造膝关节假肢或矫形器方面已经发现，关节在站立期在行走期间或在站立期间提供高屈曲阻抗，其中，关节不被完全锁止。在该情况下通过以下方式防止关节在站立时的缓慢屈曲，即，力矢量处于关节轴线前面并且由此将关节压到伸张止挡中。力矢量是否处于关节轴线前面，通过假肢或矫形器的结构来确定。关节在上述状况中不完全锁止事实提供的优点是，关节的使用者还可以干预关节运动。如果使用者例如应在楼梯上行走并且失去平衡，则该使用者通过锁止的关节会不受控制地跌倒，而使用者借助于残肢力尚能够以高屈曲阻抗使关节屈曲。由此避免跌倒的后果或者可完全防止跌倒。同样，高屈曲阻抗简化了关节在狭小空间内的灵活操作或者坐下。同样，高屈曲阻抗的一个大使用性是可向下交替地在斜坡和楼梯上行走。在此，关节的阻抗承担身体支撑功能并且从而使得对面侧也就是健康腿卸载。健康侧的卸载直接表达由阻抗装置消散的能量，所述能量可导致阻抗装置非常强烈地变热。当所述阻抗装置在迈步期中将腿的迈步制动到期望的值上时或者当佩戴者在站立期间在抵抗高阻抗的情况下使关节屈曲和伸张时，所述变热也可在平面中行走时出现。原则上，阻抗装置的变热也可在其他关节例如踝关节或髋关节或者其他关节装置(例如当那里出现高载荷时)中进行。温度升高可导致阻抗性能改变并且必要时也可导致关节装置的部件的损坏。
发明内容
因此本发明的任务在于，提供一种方法和一种设备，利用其能够降低或防止所述问题。根据本发明，该任务通过具有独立权利要求特征的方法和具有并列权利要求特征的设备来解决。本发明的有利的构型和进一步方案在从属权利要求中予以描述。根据本发明，提出了一种用于利用阻抗装置控制人造矫形或假肢关节的方法，给所述阻抗装置配置至少一个促动器，通过所述促动器根据传感器数据改变屈曲阻抗和/或伸张阻抗，本发明提出，所述阻抗根据至少一个测量到的温度或测量到的温度信号改变。由此可以保护阻抗装置或者所述人造较小或假肢关节的其他部件免于太强地变热。关节失效的情况下可导致变热，因为关节的部件丧失形状或结构强度或者因为电子装置在允许的运行参数之外运行。所述阻抗在此优选这样地改变，使得降低散失的能量。由于待转换的能量较低，由此可使得阻抗装置或人造关节的其他部件冷却并且在一个对其设置的温度范围内工作。此外可提出，使阻抗装置这样地匹配，使得那些由于温度改变出现的温度得到补偿。例如，如果液压液的密度由于变热而降低，则可相应地调节阻抗装置，以便仍然提供惯常的屈曲阻抗和伸展阻抗，从而使得假肢或矫形器使用者仍然可信任人造膝关节的对于该使用者熟知的特性。如果将所述人造关节构造为下肢关节，则在一个变型方案中提出，对于站立期、例如在行走期间在温度升高的情况下提高阻抗。在此可不仅提高伸展阻抗而且可提高屈曲阻抗。通过提高阻抗，强迫使用者缓慢行走并且由此可将更少的能量输入到关节中。由此可使关节冷却，从而可使得其在允许的运行参数之内运行。在下肢上使用人造关节时的另一变型方案提出，在行走时对于迈步期在温度升高的情况下降低屈曲阻抗。如果在迈步期内或者对于迈步期降低屈曲阻抗，则这导致关节进一步大幅挥动。由此，假肢脚此后向前脚跟着地，由此又迫使使用者缓慢行走，这导致更少的能量转换为热。所述阻抗可在达到或超过温度阈值时改变。所述阻抗在此可在达到或超过温度阈值时跳跃式地改变，从而进行这个阻抗值或这些阻抗值的转换。有利地提出，在达到温度阈值之后，阻抗随着温度连续地改变。温度阈值设定多高，这取决于相应的设计参数、所使用的材料和假肢或矫形器的阻抗特性所力求达到的均匀性。站立期内的阻抗特别是不允许这样程度地增高，使得由此例如在下楼梯时产生不安全的状况。由温度引起的阻抗改变并不是阻抗改变的唯一控制参数，相反提出，将这种由温度引起的阻抗改变与功能性的阻抗改变叠加。人造关节、例如膝关节或踝关节通过多个参数与环境相关地被控制，从而所谓的功能性阻抗改变可通过由于温度导致的阻抗改变补充，所述功能性阻抗改变例如基于行走速度、行走状况或类似情况进行。此外可提出，在达到或超过温度阈值时输出报警信号，以便让假肢或矫形器的使用者意识到关节或阻抗装置处于临界的温度范围内。所述报警信号可作为触觉、视觉或声学的报警信号输出。同样也可以设置不同输出可能性的组合。优选测量所述阻抗装置的温度并且将其用作控制基础，对此替代地也可使其他装置经历温度测量，如果这些装置具有温度临界特性的话。如果例如控制电子装置对于温度 置相应的温度传感器。如果单个的部件例如由于所使用的材料而对于温度敏感，则建议，在相应的部位上设置测量装置以便能够获得相应的温度信号。可设置调节装置，通过所述调节装置使阻抗改变的程度改变。例如可基于求得的数据例如假肢或矫形器使用者的重量或落地时求得的轴向力识别必须进行超比例地高的阻抗改变。同样也存在的可能性是，设置手动的调节装置，通过所述手动的调节装置进行相应的阻抗改变，从而可根据设定的或求得的数据按情况发展趋势进行较大或较小的阻抗改变。根据本发明，还提出了一种用于执行上述方法的设备，本发明提出，存在可调节的阻抗装置以及控制装置和传感器，所述阻抗装置布置在人造矫形关节或假肢关节的两个铰接地彼此支承的部件之间，所述传感器检测所述设备中的状态信息。设置至少一个温度传感器和调节装置，其中，通过所述调节装置能够激活和/或去活与温度有关的阻抗改变。由此能够可选地进行温度控制的阻抗改变并且有意地激活或去活例如膝盖控制方法的该特别的功能或附加功能。
下面借助于附图对本发明的实施例进行详细说明。图I在站立期中阻抗增加时的特征参量的特性；图2在迈步期中阻抗降低时的特征参量的特性；图3在平面中行走时的膝盖角度变化和阻抗曲线；以及图4在斜面中行走时的膝盖角度变化和阻抗曲线。
具体实施例方式在图I中示范性地在图表中示出在假肢膝关节的情况下在站姿中的特征参量膝盖力矩M、功率P和速度V与阻抗R的关系。在此，在假肢膝关节中设置阻抗装置和促动器，通过所述促动器可改变抵抗屈曲和/或伸张的阻抗。除了假肢之外还可以使用相应地配备的矫形器，同样，另外的关节装置也可以作为应用领域，例如髋关节或脚关节。在阻抗装置中通常将机械能转换为热能，以便制动小腿部相对于大腿部的运动，对于其他关节也是这样。在此阻抗装置的温度取决于在站立期间施加的功率P的大小。所述功率P取决于有效的膝盖力矩M和速度V，膝关节以所述速度屈曲。所述速度又取决于阻抗R，所述阻抗通过未示出的阻抗装置抵抗站立期内的相应运动。特别是在斜坡上或楼梯上向下行走时，在斜坡或楼梯的情况下阻抗装置典型地最强地变热，如果在站立期中在脚跟着地之后提高屈曲阻抗并且在进一步的过程中在开始伸展运动的情况下提高伸展阻抗，则关节部件彼此间的运动速度并且从而阻抗装置的运动速度降低。通过超比例强地降低速度V使得功率P在站立期间尽管力矩M增大也降低，从而使得待转换的能量根据降低的功率P而减少。相应地，在冷却保持不变的情况下，阻抗装置或温度被监控的部件的温度降低。在图2中示出所描述的特征参量与阻抗R在迈步期中的关系。在阻抗R在迈步期中降低的情况下，速度V、膝盖力矩M并且从而施加的功率P降低，从而使得待转换的能量减少。相应地，阻抗装置的温度在迈步期阻抗降低的情况下也降低。图3在上部的图表中示出膝盖角度KA在时间t上的变化，以所谓的“足跟着地(heel strike)”即脚跟着地开始，所述脚跟着地通常在膝关节伸直的情况下实施。在脚落地期间进行膝关节的轻微屈曲，即所谓的站立期屈曲，以便缓和脚的落地以及脚跟着地。在脚完全落地之后，膝盖完全伸直，直到达到所谓的“膝休息(knee break) ”为止，这时膝关节屈曲以便使膝关节向前运动并且在前脚上滚动。从所述“膝休息”起，膝盖角度KA提高到迈步期的最大膝盖角度，以便然后在屈曲的腿和假肢脚前置之后又过渡到伸张状态中，并且然后又以脚跟落在地上。该膝盖角度变化对于在平面中行走是典型。在下部的图表中示出阻抗R与时间t的关系，与相应的膝盖角度相对应。是存在伸张阻抗还是存在屈曲阻抗，这取决于膝盖角度变化曲线，在膝盖角度增大的情况下，起作用的是屈曲阻抗，在膝盖角度减小的情况下，起作用的是伸展阻抗。在“脚跟着地”之后存在相应高的屈曲阻抗；在倒转过来运动之后存在高的伸展阻抗。在“膝休息”的情况下降低阻抗以便简化膝盖的屈曲和前置。由此简化行走。在阻抗在“膝休息”的情况下降低时，将阻抗在迈步期的一部分上保持在低水平上，以便简化假肢脚的向后迈步。为了使得迈步运动不过大，在达到膝盖角度最大值之前提高屈曲阻抗并且在达到膝盖角度最大值和运动倒转之后将伸展阻抗降低到迈步期屈曲的低水平上。伸展阻抗的阻抗降低也在迈步期中在伸展运动期间保持，直到“脚跟着地”前不久。在达到完全伸直前不久重新提高阻抗，以便避免猛烈撞击在伸张止挡中。为了在假肢脚落地时获得足够的安全性以防止不受控制地弯曲，也将屈曲阻抗提高到高水平上。如果现在提高屈曲阻抗(这通过虚线表示)，则膝盖角速度变慢并且由此假肢使用者的行走也变慢。在“脚跟着地”之后在站立期屈曲期间跟随着仅仅一个相对小的屈曲和缓慢的伸张，这使得浪费的能量少。在达到膝盖角度最大值之前屈曲阻抗的升高以比在标准阻尼的情况下不显著的方式进行，这通过向下指向的箭头表示。由此，小腿并且从而假肢脚进一步大幅挥动，从而在“脚跟着地”之间存在较大的时间间隔。屈曲阻抗在迈步期屈曲期间的降低也导致行走速度的降低。 在迈步期伸展结束时、也就是在落地和“脚跟着地”前不久，伸展阻抗与标准水平相比降低。也就是规定，伸张阻抗降低，从而使得小腿部更快速地进入到伸直状态中，使得功率P并且从而使得散失的能量减少。在站立期间在“脚跟着地”和“膝休息”期间可不仅提高屈曲阻抗而且可提高伸展阻抗，以便降低站立期间的屈曲并且从而降低浪费的能量。在图4中在上半部分示出在斜坡上行走时的膝盖角度变化曲线，在此在倾斜的斜坡上行走。在“脚跟着地”之后将膝盖角度KA连续增大到膝盖角度最大值。该角度变化在交替下斜坡时出现。膝盖承担佩戴者的重量，缓慢地下降并且由此使得对面侧卸载。在达到膝盖角度最大值之后进行膝盖和小腿的快速前置，直到完全伸直为止，这引起重新的“脚跟着地”。屈曲阻抗在此在进一步的过程中保持在恒定的高水平上，直到该屈曲阻抗然后降低以便允许膝盖屈曲并且从而允许假肢脚抬起并且允许向回迈步为止。所述往回迈步在达到阻抗的最小值之后进行一直到达到阻抗的最大值为止。接着将伸展阻抗保持在低的阻抗水平上，直到该伸展阻抗在落地前不久重新提高为止。如果现在在阻抗装置中出现升高的温度，则提高站立期中的阻抗以便确保缓慢的 行走速度和缓慢的屈曲。在达到迈步阶段并且假肢脚前置之后也降低伸展阻抗，这同样导致散逸能量的降低。
权利要求
1.一种用于利用阻抗装置控制人造矫形或假肢关节的方法，给所述阻抗装置配置至少一个促动器，通过所述促动器根据传感器数据改变屈曲阻抗和/或伸张阻抗，其特征在于，所述阻抗根据至少一个测量到的温度信号改变。
2.根据权利要求I的方法，其特征在于，所述人造关节构造为下肢的关节并且在站立期间在温度升高的情况下提高阻抗。
3.根据权利要求I或2的方法，其特征在于，所述人造关节构造为下肢的关节并且在迈步期间在温度升高的情况下降低屈曲阻抗。
4.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，在达到或超过温度阈值时，所述阻抗改变。
5.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，所述阻抗随着温度的改变而连续改变。
6.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，将由温度引起的阻抗改变与功能性的阻抗改变叠加。
7.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，在达到或超过温度阈值时输出报警信号。
8.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，测量所述阻抗装置的温度并且将其用作控制基础。
9.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，设置调节装置，通过所述调节装置使阻抗改变的程度改变。
10.一种用于执行根据上述权利要求之一所述方法的设备，具有可调节的阻抗装置，所述阻抗装置布置在人造矫形关节或假肢关节的两个铰接地彼此支承的部件之间，存在控制装置和传感器，所述传感器检测所述设备的状态信息，其特征在于，设置至少一个温度传感器和调节装置，通过所述调节装置能够激活和/或去活与温度有关的阻抗改变。
全文摘要
本发明涉及一种用于利用阻抗装置控制人造矫形或假肢关节的方法，给所述阻抗装置配置至少一个促动器，通过所述促动器根据传感器数据改变屈曲阻抗和/或伸张阻抗。本发明提出，所述阻抗根据至少一个测量到的温度信号改变。
文档编号A61F5/01GK102711672SQ201080051505
公开日2012年10月3日 申请日期2010年11月12日 优先权日2009年11月13日
发明者C·波普, M·赛伊, P·肯帕斯 申请人:奥托·博克保健产品有限公司