控制下肢矫形或假体关节的方法
【专利说明】
[0001] 本申请是申请号为201080051454. 1，申请日为2012年5月11日，发明名称为"控 制下肢矫形或假体关节的方法"的专利申请的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明涉及一种控制下肢的矫形或假体关节的方法，所述下肢具有阻力装置，给 所述阻力装置配置至少一个执行器，根据传感器数据通过所述执行器改变屈曲阻力和/或 者伸展阻力，在使用关节的过程中通过关节提供状态信息。
【背景技术】
[0003] 用于矫形器或者假肢的膝关节具有通过关节装置相互连接的上连接件和下连接 件。通常将大腿残端或者大腿夹板的支托布置在上连接件上，将胫骨柄或者小腿夹板布置 在下连接件上。在最为简单的情况下通过一个单轴关节将上连接件和下连接件相互连接使 其可以摆动。这种装置仅在特殊情况下保证所需的效果，要么使用矫形器保证予以辅助，或 者用于假肢之中保证自然的步态。
[0004] 为了尽可能自然表现或支持各种步态阶段或者其它日常活动期间的不同要求，采 用了可提供屈曲阻力和伸展阻力的阻力装置。通过屈曲阻力调整胫骨柄或小腿夹板在受力 时相对于股骨柄或大腿夹板向后摆动的轻松程度。伸展阻力可限制胫骨柄或小腿夹板向前 运动，此外还形成伸展限位。
[0005] 例如现有技术DE 10 2008 008 284 Al公开了一种矫形膝关节，具有一个上部和 一个可以摆动地布置在所述上部上的下部，将多个传感器分配给所述膝关节，例如屈曲角 传感器、加速度传感器、倾斜传感器和/或者力传感器。根据传感器数据测定伸展限位。
[0006] DE 10 2006 021 802 Al描述了在屈曲方向利用可调阻尼控制被动假肢膝关节， 从而调整具有上端连接构件和义足连接件的假肢装置，使之适应爬楼动作，一旦检测到低 力矩抬起义足，就在抬起阶段将屈曲阻尼降低到适合在平面中行走的水平以下。可以根据 膝角变化并且根据作用于小腿的轴向力提高屈曲阻尼。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种控制人工膝关节的方法，利用该方法可根据情况调整 屈曲阻力和伸展阻力。按照本发明所述采用具有本发明权利要求1所述特征的一种方法， 即可解决这一目的。相关从属权利要求所述均为本发明的有益实施方式和改进实施方式。
[0008] 按照本发明所述控制具有阻力装置的下肢的矫形关节或假肢关节的方法，给所述 阻力装置配置至少一个执行器，通过所述执行器根据传感器数据改变屈曲阻力和/或者伸 展阻力，在膝关节的使用过程中通过传感器提供状态信息，按照本发明所述，至少一个装置 测定传感器数据，所述装置可用来检测至少
[0009] -两个力矩，或者
[0010] -一个力矩和一个力，或者
[0011] -两个力矩和一个力，或者
[0012] -两个力和一个力矩
[0013] 通过数学运算将至少两个测定量的传感器数据相互关联，从而算出至少一个辅助 变量，以该辅助变量为基础控制屈曲阻力和/或者伸展阻力。例如可以将传感器设计成膝 力矩传感器或踝力矩传感器或者轴向负荷传感器，这些传感器可提供基本数据，可根据这 些基本数据通过数学运算，例如加法、乘法、减法或除法，算出一个辅助变量。该辅助变量具 有充分的说服力，从而可以据此算出阻力的调整量。该辅助变量能够以快速方式提供一个 特征参数，无需花费很多运算时间，可通过该特征参数算出当前待调整的阻力作为目标值， 并且相应控制执行器，以便达到所需的阻力。采用剪切力矩、剪切力、力或者距离作为辅助 变量，例如可以测定作用于无法直接通过传感器接近的矫形器或假肢部位上的力和力矩作 为辅助变量。传感器仅可测定直接作用的力或力矩，而通过计算辅助变量则可以考虑一个 用来判定阻力调整且不必直接检测的变量。这样就能有更多方法来判断何时应在关节或假 肢的何种运动状态下或者在哪一个位置中调整哪一个阻力。原则上可以同时确定多个辅助 变量并且可将其用于进行控制。
[0014] 例如可以将传感器布置在胫骨柄或小腿夹板上以及关节区域之中。辅助变量可以 表达虚拟传感器形式的物理量，此外因为可根据力矩、力和人工关节的几何尺寸将其算出， 因此可以测定某个力、力与基准点或基准高度之间的距离、某个基准高度中的剪切力矩或 者剪切力作为辅助变量。可以测定某个力矢量与基准高度中某个轴线之间的距离、某个基 准高度中的剪切力矩或者剪切力作为辅助变量。例如将力矩除以轴向力，即可算出地面反 作用力矢量的距离。例如可采用至少一个用于检测力矩的装置（例如力矩传感器）来检测 膝力矩，从而可在例如膝高度、也就是在膝关节轴线高度测定地面反作用力矢量的距离作 为辅助变量。也可以测定与某个纵轴线之间的距离，例如可以测定与某个纵轴线上某个基 准点之间的距离，所述纵轴线连接用来检测力矩的装置。例如在膝关节也就是在小腿部分 上可以使用某个力矢量与下连接件纵轴线之间的距离。可通过用来检测两个力矩和一个力 的至少一个装置的数据关联，测定某个基准位置中力矢量与关节连接件轴线之间的距离作 为辅助变量。
[0015] 原则上也可以使用其它基准高度，方法是将用来检测一个力矩的装置安装在基准 高度的等高处，或者将不在基准高度上的两个力矩加权相加，算出某个基准高度上的力矩。 可以通过基准高度中的某个分量测定剪切力矩或者剪切力作为辅助变量。在计算单元中、 例如在微处理器中对利用虚拟传感器也就是通过多个传感器值的数学关系检测的辅助变 量进行计算。
[0016] 尤其可以将以下变量作为用来控制人工膝关节的辅助变量：地面反作用力与膝关 节轴线之间的距离，或者地面反作用力围绕膝轴线的力矩，脚部高度的地面反作用力的距 离，或者地面反作用力围绕小腿轴线在脚部高度尤其在地面高度产生的力矩。
[0017] 另一种用来计算辅助变量的可能性在于，通过用来检测一个力矩和一个轴向力传 感器的两个装置的数据关联，测定某个基准位置中力矢量与小腿轴线之间的距离。如果所 讨论的是力矩传感器，那么这种表述也包括用来检测一个力矩的装置，这些装置由多个组 件构成，并且不一定要将其布置在该力矩的作用位置上。
[0018] 也可以将踝力矩传感器和膝力矩传感器的值加权相加或相减，测定某个基准高度 中的剪切力矩，然后该剪切力矩就是据以用来相应地调整控制的辅助变量。
[0019] 此外还可以根据两个力矩（例如膝力矩和踝力矩）之差与力矩传感器的距离的商 数，确定施加在某个下连接件（例如脚部）上的横向力作为辅助变量。然后根据测定的辅 助变量或者多个辅助变量，计算并且调整相应的阻力值。在超过辅助变量的最大值之后，可 以利用辅助变量连续降低阻力，以便能够在斜坡或者楼梯上更加容易摆动关节。
[0020] 当达到或者超过辅助变量的预定值时，则可以将阻力装置切换到摆动相，从而可 以相对于站立相改变屈曲阻尼和伸展阻尼的基本设置。为此适宜使用剪切力矩或者脚部高 度的地面反作用力矢量的距离。
[0021] 可采用传感器来测定矫形器或假肢的膝角、膝角速度、大腿夹板位置或者股骨柄 位置、小腿位置或者胫骨柄位置、这些位置的变化和/或者加速度，并且也可以除了使用辅 助变量之外也可以使用传感器的数据来控制阻力或多个阻力。
[0022] 为了尽可能顺利调整阻力使之适应于状态条件，不仅要实时检测数据，而且也要 计算辅助变量并且调整阻力。适宜利用辅助变量和/或者传感器数据连续改变阻力，以便 平缓调整控制变化，使得矫形器或者假肢使用者不会面对矫形器或假肢特性的突然变化。
[0023] 此外提出，还可以在发现卸荷时，也就是当作用于矫形器或假肢的地面反作用力 减小时，例如在抬腿时减小屈曲阻力，并且可在负荷逐渐增大时提高屈曲阻力。就这种潜在 而且始终可执行的站立功能而言，当自然运动形式出现时，阻力可能会导致关节锁止。适宜 连续提高和减小阻力，实现平缓的过渡，从而近似于自然的运动，并且使得假肢或矫形器佩 戴者有一种可靠的感觉。当辅助变量变化时，例如可以根据假肢或矫形器的空间位置变化， 取消或减小站立期间激活的锁定或阻力增大作用。
[0024] 原则上可根据负荷从站立相过渡到摆动相，同样也可以通过逐渐调整阻力的方式 从调整站立相的阻力过渡到调整摆动相的阻力，并且如有需要，也就是当存在相应的辅助 变量数据时，通常可以逐渐重新返回到站立相。这样特别有利于在斜坡上实现摆动相，方法 是使用小腿中的横向力作为辅助变量。
[0025] 按照本发明的另一观点，根据测定的温度改变阻力。这样就能防止阻力装置或者 矫形关节或假肢关节的其它组件过度发热。发热可能会导致关节失灵，因为关节的零件将 会丧失