专利名称：仪器化的假足的制作方法
背景技术：
如对于控制工程师熟知的，有时候不容易实现复杂机械系统的自动化。尽管这种系统，传统电动假肢因为有控制问题是声名狼籍的。这些传统的假肢装配有基本控制器，所述基本控制器人工移动关节，而没有来自截肢者的任何反应，并且仅能够产生基本运动。这种基本控制器不考虑工作环境的动态条件，不管假肢在实践应用中需要产生适当控制的事实。它们通常缺乏必须用于与其假肢的响应的预测性的策略，以及缺乏允许对于假肢动力特性的控制参数调节。因为人类肢体移动是复杂的过程，同时包括随意的，反射的和随机的事件，传统的假肢不具有同时与人体和外部环境交互的能力，从而具有最小合适的功能。
因此，本申请的目的是消除或减轻一些或者全部上面的缺陷。
发明内容
依据本发明，提供一种以通过控制器控制的激励腿假肢的方式使用的仪器化的假足，该仪器化的假足包括连接仪器化的假足至腿假肢的连接器，连接至连接器的踝结构，连接至踝的地面接合部件，至少一个沿着足部检测重量分布改变的传感器，以及用于传送来自传感器的信号至控制器的接口。
通过仅参考附图的例子描述本发明的实施例，其中图1示出了具有假肢的下体，在一侧上具有仪器化的假足和具有在另一侧上的健康腿；图2是示出了用于具有激励机构的假肢的控制系统的方块图；
图3是从仪器化的假足的前面稍上的透视图；图4是图3的仪器化的假足的分解透视图；图5是从图3的仪器化的假足的替换实施例的前面稍上的透视图；图6是图5的仪器化的假足的分解透视图；图7是从图3的仪器化的假足的另一替换实施例的前面稍上的透视图；图8是图7的仪器化的假足的分解透视图；图9是在施加至足部的压力的示意图；图10从图3的仪器化的假足的进一步又一替换实施例的前面稍上的透视图；图11是图10的仪器化的假足的分解透视图；图12从图3的仪器化的假足的进一步替换实施例的前面稍上的透视图；图13是图12的仪器化的假足的分解透视图；图14从图3的仪器化的假足的进一步又一替换实施例的前面稍上的透视图；图15是图14的仪器化的假足的分解透视图。
具体实施例方式
附图示出了具有用于使用的传感器(22A，22E)的仪器化的假足(20)，结合可能的附加传感器(24A，24B，26)，用于控制具有激励机构(16)的假肢(14)的控制系统(100)。可以理解，本发明不局限于所述的实施方式，因为于此可以实施各种改变和修改，而不脱离附加权利要求的范围。
因此参照图1，个体(10)具有一对腿(26)和(28)。其一个(26)在膝部截肢。假肢(14)连接至腿(26)，并包括激励机构(16)，其可以是无源的的或有源的。仪器化的假足(20)连接至假肢(14)，并包括传感器(22A，22B)。附加的传感器(24A，24B)位于健康的足上，并且附加的传感器(26)位于个体(10)和/或假肢(14)之上。无源激励机构(16)通常可被限定为仅吸收机械能的电子机械部件，从而修改假肢的机械关节的动态特性，同时有源激励机构通常可被限定为吸收和供给机械能的电-机械部件，从而设置假肢的机械关节的动力特性。
在于2001年1月22日申请的名称为“ELECTRONICALLYCONTROLLED PROSTHETIC KNEE”的U.S.专利申请No.09/767,367中描述了无源激励机构的例子。有源激励机构的例子在StephaneBedard等人于2003年6月17日申请的名称为“ACTUATEDPROSTHESIS FOR ABOVE-KNEE AMPUTEE”的U.S.专利申请No.10/463,495中描述了有源激励机构的例子，于此将其内容全部参照结合。
如图2中示意性示出的，通过包括传感器(22A，22B，24A，24B，26)的基本控制系统(100)，其通过接口(30)连接至控制器(40)，控制假肢(14)。控制器(40)提供信号至假肢(14)中的激励机构(16)，比如在图1中示出的。控制系统(100)的用途是提供对于控制激励机构(16)需要的信号。为了这样做，利用传感器(22A，22B，24A，24B，26)，控制系统(100)与截肢者(10)连接，以确保截肢者(10)和假肢(14)运动之间的合适协调。传感器(22A，22B，24A，24B，26)实时捕获关于截肢者的运动的动力特征的信息，并经由接口(30)为控制器(40)提供该信息。在无源激励机构的情况中，控制器(40)然后利用该信息，以确定被施加至关节的阻抗，或者在有源激励机构的情况中，确定关节轨迹和关节所需要的必须被施加的角向力或扭矩，从而提供协调的运动。
传感器(22A，22B，24A，24B，26)可以包括肌电传感器，神经传感器，运动传感器，动力传感器，应变计或足底压力传感器。肌电传感器是用于测量骨骼肌肉的外部或内部肌电活动的电极。神经传感器用于测量外围神经的一个或多个动作电位的总和。运动传感器用于测量活动关节的位置，较下末端的移动性速度或加速度。动力传感器用于测量活动关节处的角向力或较下末端的反作用力。应变计用于测量指定脚下区域处的应变力。足底压力传感器用于测量指定脚下区域的垂直足底压力。当然，也可以使用提供关于人移动的动力学特性的各种信息的其它类型的传感器。对于给出的应用，传感器(22A，22B，24A，24B，26)的使用不局限于指定类型的传感器，可以使用以各种方式组合的多种类型的传感器。
如图1中所述的，传感器(22A，22B)可以包括位于假足(20)上间隔位置处的局部足底压力传感器，以测量指定脚下区域的垂直足底压力。类似地，可以在定制鞋内底中的间隔位置处提供位于健康足一侧上的足底传感器(24A，24B)，优选以标准矫形术的鞋内底为形式，其被修改，以嵌入两个传感器(24A，24B)，用于两个局部足底压力的测量。传感器(22A，22B，24A，24B)是可操作的，以随着个体运动测量沿着足的重量转移，这些传感器与其它传感器(26)结合，比如运动传感器，以测量较下末端的体节的角速度，以及运动传感器，以测量假肢(14)膝关节的角度。
每一传感器(22A，22B，24A，24B)可以包括直接连接至控制系统(100)的接口(30)或利用中间系统(未示出)，例如无线发射器，间接连接的薄压力传感电阻器(FSR)聚合体单元，。当然，也可以使用其它类型的通信链路技术，比如光学。FSR单元具有响应垂直施加至其表面的增加的压力的减小的电阻抗。每一单元输出时变的电信号，为此，强度成比例于在它的表面区域之上的总垂直足底压力。在移动过程中，可以依据通过某一足下区域提供的局部足底压力信号的稳定性和丰满度(强度)限定足底压力传感器(22A，22B，24A，24B)的尺寸和位置。例如，在踵和脚趾区域是足底部的两个区域的实验中发现，其中足底压力最大变化(PPMV)可被认为是提供温度和充裕信息的信号。
此外，控制器(40)可以利用来自四个局部足底压力传感器(22A，22B，24A，24B)的数据信号，以及从其它传感器(26)的数据信号收集的信息，比如运动传感器，从而将个体(10)的移动分解成有限数量的状态，并产生合适的控制信号，以依据移动控制激励机构(16)。当然，控制器(40)不局限于使用前述数据信号。
在Stephane Bedard于2003年6月20日申请的名称为“CONTROLSYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING AN ACTUATEDFROSTHESIS”的U.S.专利申请No.10/600,725中描述了利用包括足底压力传感器以及运动传感器的控制器(40)和控制系统(100)的例子，因此于此将其内容整体参照结合。
为了实现以可重复和可靠的方式获取数据，将传感器(22A，22B)结合至足(20)的结构。在图3和4中以细节示出仪器化的假足(20)的实施例。仪器化的假足(20)包括足板(53)，形成拉伸的主体，在一端处的连接器(51)，脚趾板(55A)和踵板(55B)，其从足板(53)悬臂伸展。通过例如来自Ossur的Vari-flex假足提供这种装置。分别在足板(53)和踵板(55)的下侧纵向间隔的位置处设置压力传感器(22A，22B)。通过刚性板(52A，52B)和弹性衬垫(54A，54B)覆盖传感器(22A，22B)。定位压力传感器(22A，22B)，从而响应在分别对应于脚趾区域和踵区域的区域处施加于仪器化的假足(20)上的负载。
覆盖传感器(22A，22B)的刚性板(52A，52B)，尽管不必须，有助于最优化传感器(22A，22B)的整个表面上的压力分部以及抑制任何切变，并且可以由85A硬度的聚氨基甲酸脂制成。当然，也可以使用其它类型的材料。
衬垫(54A，54B)包围刚性板(52A，52B)和传感器(22A，22B)，形成地面接合部件，从而最优化仪器化的假足(20)和地面之间的接触。衬垫(54A，54B)可以由40A硬度的聚氨基甲酸脂制成。当然，也可以使用其它类型的材料。
因此在操作中，当足(20)横越地面时，通过传感器(22B)测量施加至踵板(55B)的压力，并将相应信号传送至控制器(40)。还通过传感器(22A)测量施加至脚趾板(55A)的压力，并且测量两个位置之间的相对负载。当足(20)连续横越地面时，施加至脚趾区域的压力增加，并在踵处减小，以提供一对信号，从所述信号可以确定腿的分布，以及被供给至激励器(16)的合适控制。
在图5和6中示出仪器化的假足(20)的替换实施例。仪器化的假足(20)包括连接器(61)，足板(63)，脚趾板(64A)和踵板(64B)，比如通过例如来自Ossur的Vari-flex假足提供。压力传感器(22A，22B)位于足板(63)和刚性板(62A，62B)之间。定位压力传感器(22A，22B)，从而响应在分别对应于脚趾区域和踵区域的区域处施加于仪器化的假足(20)上的负载。更具体地，压力传感器(22A)夹在一对刚性板(62A)之间，这对刚性板又位于踵板(64B)和足板(63)之间。压力传感器(22B)夹在一对刚性板(62B)之间，这对刚性板又位于足板(63)和连接器(61)之间。
如对于先前的实施例，覆盖传感器(22A，22B)的刚性板(62A，62B)，尽管不是必须的，有助于最优化传感器(22A，22B)的整个表面上的压力分部以及抑制任何切变，并且可以由85A硬度的聚氨基甲酸脂制成。当然，也可以使用其它类型的材料。
在图7和8中示出仪器化的假足(20)的另一替换实施例。仪器化的假足(20)包括连接器(71)，顶足板(75)，泡沫软垫芯(73)和底足板(74)，比如通过例如来自Ossur的LP Talux假足提供。压力传感器(22A，22B)夹在成对的刚性板(72A，72B)之间。定位压力传感器(22A，22B)，从而响应在分别对应于脚趾区域和踵区域的区域处施加于仪器化的假足(20)上的负载。更具体地，压力传感器(22A)夹在一对刚性板(72A)之间，这对刚性板又位于间隙(76A)中，该间隙位于足板(74)和泡沫软垫芯(73)之间。压力传感器(22B)夹在一对刚性板(72B)之间，这对刚性板又位于间隙(76B)中，该间隙处于泡沫软垫芯(73)中。
再一次地，如对于先前实施例，覆盖传感器(22A，22B)的刚性板(72A，72B)，尽管不必需，有助于最优化传感器(22A，22B)的整个表面上的压力分部以及抑制任何切变，并且可以由85A硬度的聚氨基甲酸脂制成。当然，也可以使用其它类型的材料。
在先前的实施例中，通过直接在那些区域处的定位压力传感器(22A，22B)获得脚趾和踵区域处的压力(力)，分别为F_toe和F_heel。更具体地，参照图9，如下获得F_toe和F_heelF_toe＝F_toe_meas 方程1F_heel＝F_heel_meas方程2在仪器化的假足(20)的其它可能的实施例中，传感器(22A，22B)不局限于被直接定位于脚趾和踵区域处，通过测量踝处的等价扭矩和仪器化的假足(20)的连接器处的轴向压力可以获得等价信息。利用下面的方程，根据踝处测量的扭矩，M_ankle_meas，和在连接器处测量的压力，F_conn_neas可以限定F_toe和F_heelF_toe=M_ankle_meas+(F_conn_meas·I_heel)(I_heel+I_toe)]]>方程3F_heel=-M_ankle_meas+(F_conn_meas·I_heel)(I_heel+I_toe)]]>方程4其中，1_heel是连接器的中心和踵区域的中心之间的距离；1_toe是连接器的中心和脚趾区域中心之间的距离。
跟着关于传感器(22A，22B)的位置的先前讨论，在图10和11中示出仪器化的假足(20)的进一步替换实施例。仪器化的假足(20)包括连接器(81)，足板(83)，脚趾板(84A)和踵板(84B)，比如通过例如来自Ossur的Vari-Flex假足提供，以及负载单元(22A，22B)。在连接器(91)之下定位负载单元(22A，22B)，朝向足的脚趾区域稍微偏置负载单元(22A)，并且朝向踵区域稍微偏置负载单元(22B)。由于不在脚趾和踵区域处直接定位负载单元(22A，22B)，可以使用方程3和方程4，例如通过控制器(40)，以如下通过限定踝处的等价扭矩和连接器处的轴向压力，计算脚趾和踵区域处的等价压力F_conn_meas＝F_22B+F_22A 方程5M_ankle_meas＝F_22b·I_22A方程6其中，F_22B是在传感器22B处测量的压力；F_22A是在传感器22A处测量的压力；1_22B是连接器(81)的中心和传感器22B的中心之间的距离；1_22A是连接器(81)的中心和传感器22A的中心之间的距离。
在仪器化的假足(20)的先前实施例中，通过直接在那些区域处的定位压力传感器(22A，22B)或通过在其它区域中定位压力传感器或负载单元(22A，22B)获得脚趾和踵区域处的压力(力)，分别为F_toe和F_heel，并通过计算踝处的等价扭矩和连接器处的轴向压力获得等价信息。也可以使用其它类型的传感器，以获得踝处的等价扭矩和连接器处的轴向压力。通过仪器化的假足(20)的进一步的实施例描述这种例子，其在图12和图13中示出。仪器化的假足(20)包括连接器(91)，装配于旋转踝(93)上。在旋转踝(93)和位于足板(94)上的摇臂板(95)之间定位缓冲器(92A，92B)。旋转踝(93)通过旋转销(96)连接至摇臂板(95)。通过例如来自Elation假足提供这种装置。负载单元(22A)和光学编码器(22B)结合至足(20)，以提供沿着足(20)的压力分布的测量。在连接器(91)和旋转踝(93)之间定位负载单元(22A)。光学编码器(22B)包括阅读器(221)和磁盘(223)。在旋转踝(93)上定位阅读器(221)，同时在摇臂板(95)定位磁盘(223)并围绕旋转销(96)。再一次地，可以使用方程3和方程4，例如通过控制器(40)，以如下通过限定踝处的等价扭矩和连接器(91)处的轴向压力，计算脚趾和踵区域处的等价压力F_conn_meas＝F_22A 方程7M_ankle_meas＝R_anke_meas·R_const 方程8其中F_22A是在传感器22A处测量的压力；R_ankle_meas是通过光学编码器(22B)测量的旋转踝(93)关于旋转销(96)的旋转测量；R_const是与用以压缩的与缓冲器(92A，92B)的阻抗有关的常量，该常量基于使用的材料变化。
在图14和图15中示出仪器化的假足(20)的又一替换实施例。仪器化的假足(20)包括连接器(101)，装配于旋转踝(103)上。在旋转踝(103)和位于足板(104)上的摇臂板(105)之间定位缓冲器(102A，102B)。旋转踝(103)通过旋转销(106)连接至摇臂板(105)。通过例如来自Elation假足提供这种装置。压力传感器(22A，22B)和负载单元(22C)结合至足(20)，以提供沿着足(20)的压力分布的测量。在摇臂板(85)和缓冲器(82A)之间定位压力传感器(22A)，同时在摇臂板(85)和缓冲器(82B)之间定位压力传感器(22B)。在连接器(91)和旋转踝(93)之间定位负载单元(22C)。
在该实施例中，方程6用于计算踝处的等价扭矩，同时利用下面的方程计算连接器(101)处的轴向压力F_conn_meas＝F_22C方程9需要负载单元(22C)计算连接器(101)处的轴向压力，因为当在踝处存在扭矩时，也就是假肢的使用者静止站立时，轴向力全部施加至旋转销(96)上。
在全部所述的实施例中，传感器(22A，22B)可以直接连接至控制系统(100)的接口(30)或利用中间系统(未示出)间接连接，例如无线发射器。当然，可以使用其它类型的通信链路，比如光学。
也可以使用其它类型的非活动或活动假足，只要选择的假足提供如上面这里提到的近似相同的动力学响应。尽管如此，假足提供最佳性能。该仪器化的假足(20)可以进一步具有暴露的金属或合成结构，或可以具有给出人踝和足的外观的装饰覆盖。
可以理解，本发明并不将其使用局限于图1中所述的机械结构或图2中所述的控制系统(100)。其可以用于具有多于一个关节的腿假肢。例如，处膝关节之外，其可用于具有踝关节、跖趾关节或髋关节的假肢。此外，取代传统的插座，也可以使用骨骼集成装置，确保假肢的机械部件和截肢者骨骼之间的直接连接。也可以使用其它的假肢。
权利要求
1.一种用于由控制器控制的激励腿假肢的仪器化的假足，该仪器化的假足包括具有顶部和底部的拉伸主体；用于连接仪器化的假足至腿假肢的连接器，该连接器连接至拉伸主体的顶部；连接至拉伸主体的底部的地面接合部件；用于检测沿着足的重量分布改变的至少一个传感器；以及用于传送来自传感器的信号至控制器的接口。
2.依据权利要求1的仪器化的假足，其中地面接合部件包括一对基本足下位置，第一区域对应于人足的踵区域，并且第二区域对应于人足的脚趾区域。
3.依据权利要求2的仪器化的假足，其中提供至少两个传感器，一个传感器与地面接合部件的每一基本足下位置相联系。
4.依据权利要求3的仪器化的假足，其中传感器包括应变感传器，以测量在地面接合部件的相应的基本足下位置处施加的应变。
5.依据权利要求3的仪器化的假足，其中传感器包括压力传感器，以测量在地面接合部件的相应的基本足下位置处施加的压力。
6.依据权利要求3的仪器化的假足，其中传感器包括负载单元，以测量在地面接合部件的相应的基本足下位置处施加的压力。
7.依据权利要求3的仪器化的假足，其中在地面接合部件之下定位传感器。
8.依据权利要求3的仪器化的假足，其中在地面接合部件和拉伸主体之间定位传感器。
9.依据权利要求3的仪器化的假足，其中在拉伸主体和连接器之间定位传感器。
10.依据权利要求5的仪器化的假足，其中压力传感器是压力传感电阻器。
11.依据权利要求5的仪器化的假足，进一步包括设置于传感器的至少一侧上的刚性板。
12.依据权利要求11的仪器化的假足，进一步包括覆盖刚性板和传感器的弹性衬垫。
13.依据权利要求1的仪器化的假足，进一步包括旋转连接拉伸主体至连接器的踝结构。
14.依据权利要求13的仪器化的假足，其中提供至少两个传感器，该传感器包括在连接器和踝结构之间定位的两个负载单元。
15.依据权利要求13的仪器化的假足，其中提供至少两个传感器，该传感器包括光学编码器和负载单元，在具有拉伸主体的旋转轴附近的踝结构上定位光学编码器，并在踝结构和连接器之间定位负载单元。
16.依据权利要求1的仪器化的假足，其中用于传送来自传感器的信号至控制器的接口是有线连接。
17.依据权利要求1的仪器化的假足，其中用于传送来自传感器的信号至控制器的接口是无线连接。
18.依据权利要求1的仪器化的假足，进一步包括用于可拆卸连接仪器化的假足至腿假肢的装置。
全文摘要
本发明公开了一种用于由控制器控制的激励腿假肢的仪器化的假足(20)，该仪器化的假足(20)包括连接仪器化的假足(20)至腿假肢(14)的连接器，连接至连接器的踝结构，连接至踝的地面接合部件，用于检测沿着足的重量分布改变的至少一个传感器(22a，22b，24a，24b，26)，以及用于传送来自传感器的信号至控制器的接口。
文档编号A61F2/68GK1878517SQ200380110708
公开日2006年12月13日 申请日期2003年11月18日 优先权日2003年11月18日
发明者斯特凡·贝达尔, 皮埃尔-奥利维尔·罗伊 申请人:维克多姆人体机械公司