带动力的下肢矫形器及其操作方法
【专利说明】带动力的下肢矫形器及其操作方法
[0001]相关申请的交叉引用
本申请要求2012年5月24日提交的名称为“POWERED LOWER EXTREMITY ORTHOTIC ANDMETHOD OF OPERAT1N”的第13/480，160号美国专利申请的优先权，该第13/480，160号美国专利申请是2009年6月16日提交的名称为“SEM1-ACTUATED TRANSFEM0RAL PROSTHETICKNEE”的第12/457，573号美国专利申请的部分继续申请，该第12/457，573号美国专利申请要求 2008 年 6 月 16 日提交的名称为“SEM1-ACTUATED TRANSFEM0RAL PROSTHETIC KNEE”的第61/132,217号美国临时申请和2008年9月12日提交的名称为“SEM1-ACTUATEDTRANSFEM0RAL PROSTHETIC KNEE”的第61/136，535号美国临时申请的优先权。
技术领域
[0002]本发明通常涉及人造足的轨迹控制。本发明详述了假肢的发展，同时转化某些发展到人体外骨骼领域中，该人体外骨骼为穿戴在仍然保留有肢体的用户身上的矫正装置。特别地，这些人体外骨骼由具有瘫痪的肢体的个体所使用，并因此需要具备很像在假肢情况下的关节活动恢复的能力。
【背景技术】
[0003]近年来，假肢领域取得了很大的进步。例如，现今不但各种各样的截肢者都能获得定制的合适假肢，而且假肢自身也可按使用目的进行定制。因此，为截肢者定做假肢，不仅包括大小尺寸的定制，还根据其他各种因素而有所不同，尤其出于截肢者将使用假肢设备进行的活动的类型。
[0004]涉及膝上假肢，需要建立对步态迈步期和步态站立期的控制。显然，步态迈步期控制需适应更广范围的活动，其潜在的活动种类甚至可因截肢者的年龄和活动层次的不同而不同。鉴于这一点，过去使用的是液体系统，因为液体具有能够实现相对恒定的运动的特性。然而，运动速度还可能需要具备变化，以及由此产生的对液体系统的适当控制。此外，人们认为假肢领域中的发展的某种特性可以有力地转化到其他矫形领域，特别是人体外骨骼。
【发明内容】
[0005]本发明涉及带动力的下肢矫形器，其工作类似于膝上假肢。根据本发明的一个方面，公开了一种半驱动式膝上假肢系统，该系统本质为被动系统，在行走周期中，该系统只在移位时需要能量。总的来说，所述假肢包括小腿连接件、膝关节机构和大腿连接件，其中，小腿连接件适于连接至人造足，膝关节机构在远离人造足的位置连接至所述小腿连接件，大腿连接件适于附着在截肢者的膝上残余下肢。所述膝关节机构使所述大腿连接件和小腿连接件相对于彼此进行弯曲和伸展运动。根据本发明，所述假肢可在驱动模式或非驱动模式下进行操作。在驱动模式下，能量传递至与膝关节机构相连的扭矩发生器，使该扭矩发生器在大腿连接件和小腿连接件之间运动。在非驱动模式下，控制回路以非动力方式操作，使所述膝关节机构在阻力调节状态下操作。
[0006]根据本发明的一个优选实施例，电动机与电池电源相连，该电动机用于驱动液压阀，该液压阀为包括扭矩发生器的整个液压动力装置的一部分，该扭矩发生器用于调节所述膝关节机构。信号处理器根据从多个设置在膝上假肢上的传感器接收到的信号，来控制液压动力单元的操作，以建立驱动和非驱动模式。尽管传感器的分布、数量和类型可以有所不同，例如，一个优选实施例采用了步态站立传感器，其能够识别人造足接触支撑件表面(例如地面)的特定部位，同时，当所述人造足离开支撑表面后，基于人造足相对于截肢者的躯干的估测位置，信号处理器选择理想的步态迈步状态。为额外的控制目的，还可以使用膝关节角度、大腿角度、压力和其他传感器。
[0007]采用这种设置，整个系统有利地比全驱动膝关节消耗更少的电能，这样，使用给定容量的电池，截肢者能行走更远。另外，本发明的膝上假肢通常小于全驱动的膝关节。进一步地，所述半驱动假肢膝关节减少了髋部扭矩和动力，该髋部扭矩和动力是截肢者必须通过在一个行走周期的有效部分中，有效地制造同步扭矩和动力从而物理施加的。并且，各传感器向信号处理器提供了输入，该输入有效地使截肢者的运动范围和类型最大化。
[0008]本发明的假肢膝关节还通过以下方式控制:在步态迈步期间，不管假肢关于地面的方向，允许脚，或更具体地，脚尖，跟踪穿过与地面相符的空间的轨迹，而不是简单地重复膝关节运动。这是通过测量用户的大腿的角度，并且使用测量值得到描述确定的轨迹所必需的当前膝关节角度来完成的。根据整个发明，除了使用假肢的用户，本技术还可以应用于其他矫形设备，特别是人体外骨骼。
[0009]本发明的其他目的、特征和优点将通过以下对优选实施例的详细描述更加清晰地体现，其中，同样的附图标记指示各个示图中相应的部件。
【附图说明】
[0010]下面参照附图的描述有助于更好地理解本发明的特征、各方面及优点，在所有附图中，相同的特性代表相同的部件。
[0011]图1为根据本发明的第一实施例构建的半驱动假肢膝关节的示意图；
图2为本发明的第一液压阀回路的示意图；
图3为图2的液压阀回路进一步包括第一止回阀的示意图；
图4为图3的液压阀回路进一步包括第二可控阀的示意图；
图5为图4的液压阀回路进一步包括第二止回阀的示意图；
图6为包括并联回路的可选的液压阀回路的示意图；
图7为包括驱动阀的可选的液压阀回路的示意图；
图8为图7的液压阀回路进一步包括第一止回阀的示意图；
图9为图8的液压阀回路进一步包括第二可控阀的示意图；
图10为图9的液压阀回路进一步包括第二止回阀的示意图；
图11为包括并联回路的可选的液压阀回路的示意图；
图12为包括三通阀的可选的液压阀回路的示意图；
图13为图12的液压阀回路的三通阀在使用中的示意图；
图14为图12的液压阀回路进一步包括一个第一止回阀的示意图； 图15为图14的液压阀回路的三通阀在使用中的示意图；
图16为包括流体贮存器的可选的液压阀回路的示意图；
图17为图12的液压阀回路进一步包括并联回路的示意图；
图18为包括第二三通阀的可选的液压阀回路的示意图；
图19为包括四通阀的可选的液压阀回路的示意图；
图20为图1的半驱动式假肢膝关节的侧视图；
图21为图20的半驱动式假肢膝关节的更详细的透视图；
图22为图21的半驱动式假肢膝关节的分解图；
图23为在伸展时的驱动模式中的具有液体流的图16的液压阀回路的局部透视图；
图24为在伸展时的非驱动模式中的具有液体流的图16的液压阀回路的局部透视图； 图25为图1的动力单元的分解图；
图26为图25的三通阀的分解图；
图27为位于第一位置的图26的三通阀的局部横截面侧视图；
图28为位于第二位置的图26的三通阀的局部横截面侧视图；
图29A为位于第一位置的图26的三通阀的局部横截面顶视图；
图29B为位于第二位置的图26的三通阀的局部横截面顶视图；
图29C为位于第三位置的图26的三通阀的局部横截面顶视图；
图29D为位于第四位置的图26的三通阀的局部横截面顶视图；
图30为本发明的液压动力回路的局部横截面视图；
图31为图20的半驱动膝关节的局部分解图；
图32A为本发明的步态站立传感器的局部横截面后透视图；
图32B为图32A的步态站立传感器的后透视图；
图32C为图32A的步态站立传感器的前透视图；
图33为本发明的半驱动式假肢膝关节的局部分解图；
图34为根据本发明的由信号处理器执行的状态图；
图35为电源与电动机控制器之间的连接的电路图。
[0012]图36为根据本发明的一个方面利用足端轨迹的外骨骼系统的示意图；
图37为与图36的系统相关联的流程图；
图38为根据本发明的另一实施例类似于图36的外骨骼系统的示意图；
图39为图38的外骨骼系统的示范性轨迹操作的示意图；
图40A和40B分别为根根据本发明的外骨骼系统的另一实施例的侧视图和后视图。
[0013]图41为用于本发明的外骨骼系统的简单的有限状态机的流程图；
图42为用在本发明中的修改的、更复杂的流程图版本。
【具体实施方式】
[0014]首先参考图1，根据本发明的第一实施例所构建的半驱动式假肢膝关节100通过接口 111连接到膝上截肢者的残余下肢110。除其他部件外，半驱动式假肢膝关节100包括大腿连接件103和小腿连接件105，该大腿连接件103与连接到膝关节机构107，该小腿连接件105连接到人造足108。膝关节机构107用于使大腿连接件103和小腿连接件105沿弯曲方向101和伸展方向102相对于彼此进行弯曲和伸展活动。液压扭矩发生器104用于在大腿连接件103和小腿连接件105之间产生扭矩。
[0015]半驱动式假肢膝关节100还包括液压动力单元200，该液压动力单元200连接至液压扭矩发生器104。除其他部件外，液压动力单元200还包括液压阀回路204，该液压阀回路204液压连接至扭矩发生器104。液压动力单元200还包括液压泵201，该液压泵201机械连接至电动机202，并液压连接至液压阀回路204。
[0016]半驱动式假肢膝关节100还包括电源205，用于为电动机202和半驱动式假肢膝关节100的其他部件提供电能。电动机控制器128 (有时称放大器)将电源205的输出转化为适用于电动机202的电压或电流。半驱动式假肢膝关节100还包括信号处理器130，除其他功能外，该信号处理器130还控制电动机202，并实现包括一组状态的控制器的功能。半驱动式假肢膝关节100另外包括产生步态站立信号234的步态站立传感器124。除其他信息外，步态站立信号234还包括用于识别人工足108与地面相接触的部位的信息。
[0017]在操作中，当在其驱动模式下时，半驱动式假肢膝关节100用于将电能从电源205传送到电动机202，驱动电动机202和液压泵201。在该驱动模式下，液压阀回路204用于将液压泵201液压连接至扭矩发生器104。液压泵201与扭矩发生器104之间的液压连接使得信号处理器130控制扭矩发生器104。这种向扭矩发生器104输入动力的能力能够在行走周期的各阶段控制膝关节机构107，或向膝关节机构107施加理想的扭矩。
[0018]当半驱动式假肢膝关节100在非驱动模式时，液压动力单元200设置为没有电能从电源205传输到电动机202。在该非驱动模式中，液压阀回路204调节扭矩发生器104中液流的阻力。截肢者对扭矩发生器104中的液体流动阻力的调节能力使其能够在行走周期的各阶段中控制膝关节机构107对力和扭矩的阻力，从而减少电能的使用，因为电动机202在该非驱动模式下未消耗任何电能。
[0019]液压扭矩发生器104的例子包括但不限于线性液压活塞式液压缸、旋转式液压执行器、齿条与小齿轮式旋转执行器以及旋转