用于来自下肢矫形器的通信的人机接口的制作方法

文档序号:9931919阅读:448来源:国知局
用于来自下肢矫形器的通信的人机接口的制作方法
【专利说明】用于来自下肢矫形器的通信的人机接口
[0001 ] 相关申请案的交叉参考
[0002]本申请案主张2013年11月12日提出申请的标题为“用于步态辅助的矫形器(Orthoses for Gait Assistance)”的序列号为61/903,087的美国临时申请案的权益。
【背景技术】
[0003]本发明涉及辅助具有受损肌肉功能或控制的患者進行肌肉功能的康复及复原的矫形装置。更特定来说,本发明涉及适合用于关于具有附器的受损神经肌肉/肌肉功能的患者的治疗用途的矫形装置及这些矫形装置的配置,包含但不限于包含加强附器的经改进功能以用于例如行走的活动的机动化支具系统及相关控制系统的矫形装置。
[0004]数百万个体患有行走能力的部分或全部丧失,从而导致受折磨个体的大大受损的可动性。此残疾状态可起因于外伤、中风或导致影响肌肉控制的紊乱的其它病况。不管起源,行走受损的开始及继续可导致患病个体的额外消极身体及/或心理结果。为了改进具有行走受损的患者的健康及生活质量,可改进或复原行走功能的装置及方法的开发对于医疗及治疗团体具有重大效用。除行走受损之外,还存在干扰附器的肌肉控制从而导致受影响个体的功能丧失及其它不利状况的一系列病况。改进或复原这些额外功能的装置及方法的开发也受到医疗及治疗团体的极大关注。
[0005]医学领域中正开发人类外骨骼装置以使具有影响肌肉控制的紊乱的人的适当肌肉功能复原及康复。这些外骨骼装置可表示为可将力施加到穿戴者的附器的机动化支具的系统。在康复设定中,外骨骼由理疗师及/或穿戴外骨骼的患者(其使用多个可能输入中的一者来命令外骨骼控制系统)控制。继而,外骨骼控制系统致动机动化支具的位置,从而引起到外骨骼穿戴者的身体的力施加及通常外骨骼穿戴者的身体的移动。
[0006]外骨骼控制系统规定且控制外骨骼的关节的轨迹。这些轨迹可规定为基于位置的、基于力的或两种方法的组合,例如在阻抗控制器中看到的那些。基于位置的控制系统可直接通过规定位置的修改来修改外骨骼轨迹。基于力的控制系统可通过规定力分布曲线的修改来修改外骨骼轨迹。外骨骼控制系统通过一系列外骨骼轨迹的使用来命令复杂外骨骼移动(例如行走),其中越来越复杂的外骨骼移动需要一系列越来越复杂的外骨骼轨迹。这些系列的轨迹可为循环的,例如外骨骼关于每条腿采取一系列步伐,或其可为离散的,例如外骨骼从坐位起身为站位。
[0007]取决于患者的特定生理或康复阶段,外骨骼在行走所需要的各种运动中必须提供不同程度的辅助。对于一些患者(例如下身麻痹患者),现代外骨骼的致动器必须提供行走所需要的所有力。然而,在其中患者具有某种功能的一些应用中,仅仅在步态循环中在正确位置处沿正确方向提供推力可为足够的。此种运动辅助可比作推秋千上的小孩:所提供的推力不必为精确的,只要其既不小得使秋千的运动衰减也不大得使秋千的运动变得不稳定。因此,外骨骼可能通过仅仅在步态循环的关键部分处提供某种辅助而促进患者的行走。
[0008]在对其下肢具有受限制使用的人中,复原膝盖的功能对于站立或行走功能的复原是关键的,因为腿在不具有发挥机能膝盖的情况下无法承受重量。此在假肢领域内是清晰的,其中最大努力及设计复杂度致力于膝盖假肢的设计。在历史上,膝盖假肢首先并入有微处理器且稍后还并入有动力致动器。在矫形器领域中,常规机械装置包含在膝盖打直时锁定且在稍后站立中解锁使得人可在摆动期间弯曲其膝盖的支具;这些装置已可用达数十年,但最近进展已使其更小且更可靠。较新矫形器(如假肢)已开始包含对于可变状况允许较大稳健性的微处理器。举例来说,在传统纯机械矫形器中,通过在末期摆动中达到完全膝盖伸展而触发锁定膝盖以用于站立。然而,通过使用其它标志器(例如使用加速度计寻找与支撑表面的撞击)而使膝盖在末期摆动中锁定可为合意的,即使膝盖伸展并非完全的。机械地设计此些行为是极其困难的,但用微处理器实施此些行为可为平凡的。存在此项技术已知的此些装置的许多实例,此些装置中的一些装置可用于出售。
[0009]现有膝盖矫形器装置具有许多缺点。首先,站立控制膝盖支具无法提供主动辅助以帮助人从坐着变为站立。一些装置具有给人的步态提供动力的能力。就是说,除具有可将膝盖锁定在固定位置处的微处理器之外,装置还具有足够大以将机械动力转变成人的步态的致动器。所需要的额外复杂度是非平凡的:为实际的仅有致动系统是使用大(通常为大约1:100)传动比的电动马达,所述电动马达将马达的高速低扭矩运动转换成人类运动所需的高扭矩低速运动。在一些装置中,此传动装置是滚珠螺杆装置;在其它装置中是谐波驱动器;且在其它装置中是液压栗及汽缸。在所有情形中,存在除致动以外的常见困难,所述困难在于装置必须耦合到人。表面上,此可不表现为限制性因素,因为已设计如此多的无动力站立控制膝盖支具,但实际上存在重要差异。站立控制的膝盖支具仅经设计以在膝盖几乎打直时支撑身体重量;在此情况中,由装置抵抗的扭矩是小的。动力膝盖支具可甚至在膝盖角度很大时提供扭矩,且经设计以产生通常类似于由人体产生的那些扭矩的极大扭矩。在这些情形中,尝试耦合到人并非平凡问题,因为必须通过在大腿及小腿两者处的人-装置连接分解由装置在膝盖处产生的大扭矩。此连接通常是软的,以便不伤害人,且因此施加高扭矩导致不合意人-装置运动。出于这种考虑,存在提供如下装置的未满足需求:动力膝盖支具可通过所述装置对耦合到膝盖支具的人的膝盖施加足够大的力以便影响耦合到膝盖支具的人行走,然而同时减小人与膝盖支具装置之间的相对运动。此装置还必须在不对耦合到所述装置的患者产生过度不适或尴尬的情况下如此操作。
[0010]单独具有动力膝盖支具的矫形装置可既不辅助腿的摆动,也不在站立期间辅助身体的推进。生物力学上,髋部在两个功能方面发挥作用:在站立期间帮助推进人;及在摆动期间将腿抛向前。虽然已提议用来在行走期间辅助人的髋部运动的装置,但这些装置是麻烦的,因为其需要对人的高动力致动及/或紧密拟人化耦合。人类髋部是三个自由度关节,从而允许在所有三个旋转轴上的运动;且当仅在失状平面中需要用于行走的高动力时,通常必须在其它轴上提供无动力自由度以便允许正常行走。一些装置用复杂机制来粗略估计这些自由度,且其它装置仅仅锁定这些自由度,从而约束人。因此,还存在提供如下矫形髋部装置的未满足需求:所述装置允许辅助在摆动中的腿移动且在站立中的身体的推进,但不限制围绕髋部的自由度或不需要极度复杂、庞大、沉重机构。
[0011]对于患有下肢衰弱(通常为但不总是中风后)的一些人,阻止脚下垂是重要的,因为否则人可在地面上拖拉其脚趾、姅倒及跌倒。因此,进一步存在提供如下装置的未满足需求:所述装置能够在摆动期间可靠地抬起人的脚趾。

【发明内容】

[0012]本发明的目标是提供一种下肢矫形装置,所述下肢矫形装置允许动力膝盖支具对耦合到所述动力膝盖支具的人施加足够力以便在站立及行走两者中提供辅助给所述人,其中此膝盖支具能够产生类似于由人体在行走期间产生的那些扭矩的极大扭矩,但这些扭矩不导致不合意人-装置运动。本发明的又一目标是此动力膝盖支具装置在不对耦合到所述装置的患者产生过度不适或尴尬的情况下起作用。
[0013]本发明的额外目标是使下肢矫形装置允许矫形髋部装置提供如下辅助给所耦合患者:在摆动中的腿移动及在站立中的身体的推进,但不限制围绕髋部的自由度或不需要极度复杂且通常庞大或沉重机构。
[0014]本发明的又一目标是使下肢矫形装置能够在摆动期间可靠地抬起穿戴矫形器或外骨骼的人的脚趾,以便阻止所述人姅倒或跌倒。
[0015]本发明的主要方面包括一种不仅仅在其小腿及大腿处耦合到人的动力膝盖矫形器装置,其中此装置包含从致动模块沿大腿的长度向上延续到髋部且沿小腿向下延续到脚踝的轻量翼樑,或其它刚性连杆机构,其中此装置具有分别与人的髋部及脚踝枢轴对准的小的无动力枢轴,其中这些连接枢轴分别耦合到人的髋部及脚踝。当人的髋部及脚踝处的耦合件距膝盖非常远时,在那里受到反作用的力比在使矫形器力在小腿及大腿处受到反作用时小得多,且因此人与装置之间的运动小得多,从而允许给膝盖的运动提供动力的致动器提供更多力。
[0016]本发明的第二方面提供一种如下系统:所述系统通过直接定位在大腿之间的致动装置给外骨骼的髋部提供动力,因此避免骨盆连杆的复杂度及提供大腿旋转及外展的需要。根据此方面,人的大腿通过致动器耦合使得设计不需要围绕人的骨盆耦合。此实施例的变体借助不同封装允许较高扭矩,其中从髋部上与人的髋部枢轴一致的位置进行髋部之间的连接。
[0017]本发明的第三方面提供一种辅助穿戴外骨骼装置的人的髋部移动的无源机构。在最简单实施例中,提供当髋部非常弯曲时在末期站立期间啮合且因此在摆动早期期间提供辅助的弹簧元件。
[0018]本发明的第四方面使穿戴外骨骼的人的髋部以使得动力从一个髋部转移到另一髋部的方式耦合。根据本发明的此方面,髋部通过运动逆转机构(例如差动器
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