半驱动式大腿假肢膝关节的制作方法

专利名称：半驱动式大腿假肢膝关节的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及假肢领域，更具体地，涉及控制附在截肢者的膝上残余下肢的假 肢的动力和非动力操作。
背景技术：
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。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。

发明内容
本发明涉及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。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。为附加的控制目的，还可以使用用 于感应膝关节角度、大腿角度和压力等其他传感器。如此一来，整个系统具有优势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 力，该髋部扭矩和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。本发明的其他对象、特征和优点将通过以下对有限实施例的详细描述更加清晰体 现，其中，同样的附图标记指的是各视图中相应的部件。


结合附图阅读以下具体说明后，将更清楚地理解本发明的特征、各方面及优点，在 所有附图中，同一附图标记指代同一部件，其中
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； 图2为本发明的第一液压阀回路的图解； 图3为图2的液压阀回路的图解，其中进一步包括第一止回阀； 图4为图3的液压阀回路的图解，其中进一步包括第二可控阀； 图5为图4的液压阀回路的图解，其中进一步包括第二止回阀； 图6为包括并联回路的液压阀回路的替代例的图解； 图7为包括驱动阀的液压阀回路的替代例的图解； 图8为图7的液压阀回路的图解，其中进一步包括第一止回阀； 图9为图8的液压阀回路的图解，其中进一步包括第二可控阀； 图10为图9的液压阀回路的图解，其中进一步包括第二止回阀； 图11为包括并联回路的液压阀回路的替代例的图解； 图12为包括三通阀的液压阀回路的替代例的图解； 图13示意了使用中的图12的液压阀回路的三通阀； 图14为图12的液压阀回路的图解，其中进一步包括一个第一止回阀； 图15示意了使用中的图14的液压阀回路的三通阀； 图16为包括蓄能器的液压阀回路替代例的图解； 图17为图12的液压阀回路的图解，其中进一步包括并联回路； 图18为包括第二三通阀的液压阀回路替代例的图解； 图19为包括四通阀的液压阀回路替代例的图解； 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细节视图； 图22为图21的半驱动式假肢膝关节的分解图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M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； 图沈为图25的三通阀的分解图27为位于第一位置的图沈的三通阀的局部横截面侧视图； 图观为位于第二位置的图沈的三通阀的局部横截面侧视图；图29A为位于第一位置的图沈的三通阀的局部横截面顶视图； 图29B为位于第二位置的图沈的三通阀的局部横截面顶视图； 图29C为位于第三位置的图沈的三通阀的局部横截面顶视图； 图29D为位于第四位置的图沈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。
具体实施例方式初始参见图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。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。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。
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。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中的液流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。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液压叶片式执行器等，其中，加压液流通过对移 动表面的转动而产生力或扭矩。电源205的例子包括但不限于电池、镍金属氢化物(NiMH)电池、锂电池、碱性电 池、可充电碱性电池、锂离子电池和聚合物锂离子电池等。电动机202的例子包括但不限于电动机，其中电动机包括但不限于AC (交流)电 动机、刷式DC (直流)电动机、无刷直流电动机、电子整流电动机(ECMs)、步进电动机以及其组合。液压泵201的例子包括但不限于齿轮泵、摆线泵、旋转叶片式泵、螺杆泵、弯轴泵、 轴向活塞泵、斜盘式泵、径向活塞泵和蠕动泵等。步态站立传感器124的例子包括但不限于力传感器、应变式力传感器、压电式力 传感器、力感电阻、偏转基定位传感器、编码器、电位计、处于液压流中的压力传感器以及其组合。膝关节机构107的例子包括但不限于旋转支点、四杆机构、滑面接头、滚动元件接 头以及其组合。所述信号处理器130包括从一组模拟设备中选出的一个元件或多个元件的组合； 模拟计算机模块；数字设备，包括但不限于小规模、中规模和大规模集成电路、专用集成电 路、可编程门阵列、可编程逻辑阵列；机电继电器、固态开关、MOSFET开关和数字计算模块， 包括但不限于微型计算机、微处理器、微控制器和可编程逻辑控制器。在操作中，所述信号 处理器130从各传感器中收集信息，经计算后，对液压回路的各部件发出其应当执行任务 的指令。在本发明的一些实施例中，如图1所示，半驱动式假肢膝关节100进一步包括膝关 节角度传感器120，该膝关节角度传感器120输出膝关节角度信号155，表示大腿连接件103 和小腿连接件105之间的角度。膝关节角度传感器120包括从以下一组设备中选出的一个 元件或多个元件的组合编码器、数字编码器、磁性编码器、光学编码器、电位计、LVDT和分 解器。在一些实施例中，如图1所示，半驱动式假肢膝关节100进一步包括大腿角度传感 器122，该大腿角度传感器122输出大腿角度信号156，表示大腿连接件103的绝对角度。所 述大腿角度传感器122包括从以下一组设备中选出的一个元件或多个元件的组合加速度 计、陀螺仪、测斜仪、编码器、电位计以及其组合。图22表示本发明的一个实施例，其中，所 述大腿角度传感器122固定至大腿连接件103，且包含加速度计133和陀螺仪134。在本发明的一些实施例中，半驱动式假肢膝关节100进一步包括扭矩传感器或力 传感器(详细如下所述)，指示扭矩发生器104中的扭矩或力。在本发明的一些实施例中，力 传感器安装在线性扭矩发生器104的活塞上。在本发明的一些实施例中，用于半驱动式假 肢膝关节100的力传感器包括两个压力传感器1 和127，其用于测量扭矩发生器104两侧 的液流压力，如图16所示。两个压力传感器1 和127测得的数据也表示扭矩发生器104 上的力。在一些实施例中，如图1所示，步态站立传感器1 包括一个力-扭矩传感器，该力-扭矩传感器安装在小腿连接件105上，用于测量矢状面上的力和力矩。在一些实施例中，如图2所示，液压阀回路204包括相互串联的第一可控阀206和 泵阀203，该第一可控阀206能够将液流分为两个方向。液压泵201连接到串联的第一可控 阀206和泵阀203的两个端口上。扭矩发生器104连接到第一可控阀206的两个端口。在 一些情况下，当半驱动式假肢膝关节100在其驱动模式下操作时，第一可控阀206关闭。这 使得整个液压泵的输出流流入扭矩发生器104。这进一步使得信号处理器130通过控制电 动机202来控制扭矩发生器104。在驱动模式下向扭矩发生器104输入能量，能够控制膝关 节机构107的活动，或向膝关节机构107上施加理想的扭矩。当半驱动式假肢膝关节100在其非驱动模式下操作时，泵阀203或关闭，或部分关 闭。当泵阀203完全关闭时，将不会有液流通过液压泵201。通过使用信号处理器130，能 够调整第一可控阀206的开口大小，以适当调节扭矩发生器104中的液流阻力。当泵阀203 部分关闭时，可以只将扭矩发生器104中的液流阻力从零调节至泵阀203和液压泵201中 的液流阻力之和。调节扭矩发生器104中的液流阻力，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，同时使用的电能更少，因为电动机202在该非驱动模式下 未消耗任何电能。当半驱动式假肢膝关节100在功率再生模式下操作时，泵阀203不关闭，使得来自 扭矩发生器104的液压流的至少一部分转动液压泵201，同时电动机控制器128向电动机 202上施加非零电流，以阻挡液压泵201中的液压流。为更清楚地理解液压阀回路204的实施例，对其弯曲和伸展定义如下。当扭矩发 生器104的活塞在图2所示的箭头131的方向上移动时，假肢膝关节100发生弯曲在。当 扭矩发生器104的活塞在图2所示的箭头132的方向上移动时，假肢膝关节100发生伸展。在一些实施例中，如图3所示，液压阀回路204除其他部件外，还包括与第一可控 阀206串联安装的第一止回阀207。这种实施例的操作类似图2所示的实施例的操作，不 同之处在于，所述第一液压可控阀206只在一个方向上调节扭矩发生器104中液流的阻力。 对比图2的实施例，这种实施例将扭矩发生器104中的液流阻力的范围限制在弯曲方向，使 其总是大于液压泵201产生的液流阻力。进一步地，如果第一可控阀206打开，扭矩发生器 104将可以自由伸展，且仍然能够在扭矩发生器104的伸展方向上注入能量。与图2的实施 例类似，当半驱动式假肢膝关节100在其驱动模式下操作时，第一可控阀206关闭。这样， 信号处理器130通过控制电动机202来控制扭矩发生器104。在驱动模式下，向扭矩发生 器104中输入能量，能够控制膝关节机构107的运动，或向膝关节机构107上施加理想的扭 矩。在一些实施例中，如图4所示，液压阀回路204除其他部件外，还包括第二可控阀 208，该第二可控阀208与串联安装的第一可控阀206和第一止回阀207并联安装。通过使 用信号处理器130，可以调节第一可控阀206和第二可控阀208的开口，以适当调节扭矩发 生器104中的液流阻力。这种实施例的操作类似图3中的实施例的操作，其不同之处在于， 这种实施例不将扭矩发生器104中的液流阻力的范围限制在弯曲方向上。当半驱动式假肢 膝关节100在其驱动模式下操作时，第一可控阀206和第二可控阀208关闭。这使得信号 处理器130通过控制电动机202来控制扭矩发生器104。在驱动模式下，向扭矩发生器104 中输入能量，能够控制膝关节机构107的运动，或向膝关节机构107上施加理想的扭矩。
在一些实施例中，如图5所示，液压阀回路204包括第二止回阀209和第二可控阀 208，二者彼此串联，且与串联安装的第一可控阀206和第一止回阀207并联安装。这种实 施例的操作类似图4所示的实施例的操作，其不同之处在于，如果第二可控阀208打开，则 扭矩发生器104可以自由弯曲，且仍然能够在扭矩发生器104的弯曲方向上注入能量。与 图4的实施例类似，当图5的液压阀回路204在其驱动模式下操作时，第一可控阀206和第 二可控阀208关闭，以便控制膝关节机构107的运动，或向膝关节机构107上施加理想的扭 矩。第一可控阀206和第二可控阀208都包括任何能电动或手动调节阀口大小的阀或 阀的组合。第一可控阀206和第二可控阀208的例子包括但不限于流量控制阀、压力控制 阀、驱动针型阀、电磁阀和双位阀。图6示意了液压阀回路204的另一实施例。图6所示的该液压阀回路204的实施 例与图3所示的实施例相同，其不同之处在于，图3中的第一止回阀207被并联回路217替 代。并联回路217包括第一止回阀207和第一调节限制阀215，二者串联安装，且与串联安 装的第二止回阀209和第二调整限制阀216并联安装。在操作中，当半驱动式假肢膝关节100在其驱动模式下操作时，第一可控阀206关 闭。这使得整个液压泵的输出流流入扭矩发生器104中。这进一步实现了信号处理器130 通过控制电动机202来控制扭矩发生器104。在驱动模式下，向扭矩发生器104中输入能 量，能够控制膝关节机构107的运动，或向膝关节机构107上施加理想的扭矩。当半驱动式 假肢膝关节100在其非驱动模式下操作时，泵阀203关闭，从而没有液流通过液压泵201。 通过使用信号处理器130，可以调整第一可控阀206的开口大小，以调节扭矩发生器104中 的液流阻力。调节限制阀215在扭矩发生器104的伸展方向上对液流提供阻力。调节限制 阀216在扭矩发生器104的弯曲方向上对液流提供阻力。调节扭矩发生器104中的液流阻 力，能够控制膝关节机构107对力和扭矩的阻力，同时使用的电能更少，因为电动机202在 该非驱动模式下未消耗任何电能。在一些实施例中，如图7所示，液压阀回路204包括第一可控阀206和执行器阀 214，该第一可控阀206能在两个方向上控制液压流，该执行器阀214相互串联。在本实施 例中，扭矩104连接到该串联连接的第一可控阀206和执行器阀214的两个自由端口。液 压泵201连接到第一可控阀206的两个端口。在操作中，当半驱动式假肢膝关节100在其驱动状态下操作时，第一可控阀206关 闭。这使得整个液压泵的输出流流入扭矩发生器104。这进一步使得信号处理器130通过 控制电动机202来控制扭矩发生器104。在驱动模式下，向扭矩发生器104中输入能量，能 够控制膝关节机构107的运动，或向膝关节机构107上施加理想的扭矩。当半驱动式假肢 膝关节100在其非驱动模式下操作时，通过使用信号处理器130，可以调节执行器阀214的 开口，以调节扭矩发生器104中的液流阻力。调节扭矩发生器104中的液流阻力，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，同时使用的电能更少，因为电 动机202在该非驱动模式下未消耗任何电能。当半驱动式假肢膝关节100在功率再生模式下操作时，执行器阀214不关闭，使得 来自扭矩发生器104的液压流的至少一部分转动液压泵201，同时电动机控制器1 向电动 机202施加非零电流，以阻挡液压泵201中的液流。
在一些实施例中，如图8所示，液压阀回路204除其他部件外，还包括第一止回阀 207，该第一止回阀207与第一可控阀206串联安装，使得液流只在一个方向上流动。对比 图7的实施例可看出，这种实施例将扭矩发生器104中的液流阻力限制在弯曲方向上，且使 其总是大于液压泵201产生的液流阻力。如果第一可控阀206打开，且仍能够在扭矩发生 器104的伸展方向输入能量，这将进一步使扭矩发生器104自由伸展。当半驱动式假肢膝 关节100在其驱动模式下操作时，第一可控阀206关闭。这样，能够控制膝关节机构107的 运动，或向膝关节机构107上施加理想的扭矩。在一些实施例中，如图9所示，液压阀回路204，除其他部件外，还包括第二可控阀 208，其与串联安装的第一可控阀206和第一止回阀207并联安装。该实施例的操作类似图 8所示的实施例的操作，不同之处在于该实施例不将扭矩发生器104中的液流阻力限制在 弯曲方向，使其总是大于液压泵201产生的流体阻力。在操作中，当图9的液压阀回路204 在其驱动模式下操作时，第一和第二可控阀206和208关闭。这使得整个液压泵的输出流 流入扭矩发生器104中。这进一步使信号处理器130通过控制电动机202来控制扭矩发生 器104。在驱动模式下，向扭矩发生器104中输入能量，能够控制膝关节机构107的运动，或 向膝关节机构107上施加理想的扭矩。在一些实施例中，如图10所示，液压阀回路204包括第二止回阀209和第二可控 阀208，二者串联安装，且与串联安装的第一可控阀206和第一止回阀207并联安装。本实 施例的操作类似图9的实施例的操作，其不同之处在于，如果第二可控阀208打开，且仍能 够在扭矩发生器104的伸展方向输入能量，则该操作允许扭矩发生器104进行自由弯曲。当 半驱动式假肢膝关节100在其驱动模式下操作时，第一和第二可控阀206和208关闭。这 使，能够控制膝关节机构107的运动，或向膝关节机构107上施加理想的扭矩
图11示意了液压阀回路204的另一实施例。图11的液压阀回路204的实施例与图8 的实施例相同，不同之处在于，图8的止回阀207被并联回路217替代。并联回路217包括 第一止回阀207和第一调节限制阀215，二者串联安装，且与串联安装的第二止回阀209和 第二调节限制阀216并联安装。在操作中，当半驱动式假肢膝关节100在其驱动模式下操作时，第一可控阀206关 闭。这使得整个液压泵的输出流流入扭矩发生器104。这进一步使信号处理器130通过控 制电动机202来控制扭矩发生器104。在驱动模式下，向扭矩发生器104中输入能量，能够 控制膝关节机构107的运动，或向膝关节机构107上施加理想的扭矩。当半驱动式假肢膝 关节100在其非驱动模式下操作时，可以调整执行器阀214的开口，以调整扭矩发生器104 中的液流阻力。第一调节限制阀215在扭矩发生器104的伸展方向上向液流提供阻力。第 二调节限制阀216在扭矩发生器104的弯曲方向上向液流提供阻力。调节扭矩发生器104 中的液流阻力，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，同时 使用的电能更少，因为电动机202在该非驱动模式下未消耗任何电能。在一些实施例中，如图12所示，液压阀回路204包括能够控制液压流的三通阀 210。在操作中，当半驱动式假肢膝关节100在其驱动模式下操作时，三通阀将端口 211连 接到端口 213，并封闭端口 212。这使得液压泵201和扭矩发生器104之间具有液流，使得 液压泵的整个输出流流入扭矩发生器104中。这进一步使得信号处理器130通过控制电动 机202来控制扭矩发生器104。在驱动模式下，向扭矩发生器104中输入能量，能够控制膝关节机构107的运动，或向膝关节机构107上施加理想的扭矩。当半驱动式假肢膝关节100 在其非驱动模式下操作时，三通阀210将端口 212连接到端口 213。通过使用信号处理器 130，可以调节端口 213的开口，以调节扭矩发生器104中的液流阻力。调节扭矩发生器104 中液流阻力，能够控制膝关节机构107对力和扭矩的阻力，同时使用的电能更少，因为电动 机202在该非驱动模式下未消耗任何电能。当半驱动式假肢膝关节100在功率再生模式下 操作时，三通阀210将端口 211连接到端口 213，使来自扭矩发生器104的至少一部分液流 转动液压泵201，同时电动机控制器1 对电动机202施加非零电流，以阻挡液压泵201中 的液流。图13示意了图12的实施例的实现。更具体地，图13示意了三通阀210，该三通阀 210具备至少三个活塞。当三通阀210处于其第一位置时，三通阀将端口 211连接到端口 213，并封闭端口 212。这使得半驱动式假肢膝关节100在其驱动模式下操作。三通阀210 在处于其第二位置时，该三通阀210将端口 212连接到端口 213，并封闭端口 211。通过使 用信号处理器130，可以调节端口 212和端口 213、或同时调节端口 212和端口 213的大小， 从而适当调节扭矩发生器104中的液流阻力。当三通阀处于其第三位置时(如图13所示)， 这些端口彼此都互不连接。图14示意了图12的实施例的另一实现方式，其中，液压阀回路204进一步包括连 接到端口 212上的第一止回阀207。与图12的实施例对比可发现，该实施例将扭矩发生器 104中液流阻力的范围限制在弯曲方向上，且使其总是大于液压泵201产生的液流阻力。如 果所有端口 211、212和213都互相连接，且能够在扭矩发生器104的伸展方向上输入能量， 则该操作进一步实现扭矩发生器104的自由伸展。当半驱动式假肢膝关节100在其驱动模 式下操作时，三通阀210将端口 211连接到端口 213，并封闭端口 212。这使液压泵201和 扭矩发生器104之间具有液流，且使液压泵的全部输出流流入扭矩发生器104中。这进一 步使得信号处理器130能够通过控制电动机202来控制膝关节机构107的运动，或者向膝 关节机构107施加理想的扭矩。图15示意了图14中的实施例的实现。图15示意了具有至少三个活塞的三通阀 210。当三通阀210处于其第一位置(驱动模式)时，三通阀210将端口 211连接到端口 213， 并封闭端口 212。当三通阀210处于其第二位置时，所有端口互相连接。通过使用信号处理 器130，可以调节端口 212、端口 213或同时调节端口 212、端口 213的开口大小，以适当调节 扭矩发生器104中的液流阻力。当三通阀210处于其第三位置时(图15所示)，这些端口彼 此之间都不互相连接。图16示意了与图15相同的实施例，其中增加了一些特征。蓄能器230确保在存 在任何泄漏或热膨胀时，系统中仍具有足够的油。两个止回阀2 和2 确保液压流不被 推回到蓄能器230。两个液压流体路径231和232确保任何从三通阀210和液压泵201的 泄漏都回馈至蓄能器230。压力传感器1 和127测量扭矩发生器104的第一和第二室中 的液压流的压力。过滤器233收集液体中的所有杂质。图17示意了图12的另一实施例，其中液压阀回路204进一步包括并联回路217， 该并联回路217连接至端口 212。在操作中，当半驱动式假肢膝关节100在其驱动模式下操 作时，三通阀210将端口 211连接到端口 213，并封闭端口 212。这使得液压泵201和扭矩 发生器104之间具有液流，且液压泵的全部输出流流入扭矩发生器104中。这进一步使信
16号处理器130通过控制电动机202来控制扭矩发生器104的运动。在驱动模式下，向扭矩 发生器104中输入能量，能够控制膝关节机构107的运动，或向膝关节机构107上施加理想 的扭矩。当半驱动式假肢膝关节100在其非驱动模式下操作时，三通阀210将端口 212连 接到端口 213，并封闭端口 211。通过使用信号处理器130，可以调整端口 213或端口 212的 开口大小，以调节扭矩发生器104中的液流阻力。第一调节限制阀215在扭矩发生器104 的伸展方向上对液流产生阻力。第二调节限制阀216在扭矩发生器104的弯曲方向上对液 流产生阻力。调节扭矩发生器104中液流阻力，能够实现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，同时使用的电能更少，因为电动机202在该非驱动模式下未 消耗任何电能。图18示意了液压阀回路204的另一实施例。图18的实施例与图17的实施例相同， 其不同之处在于，图18中的调节限制阀215和216被第二三通阀218取代。在操作中，当 半驱动式假肢膝关节100在其驱动模式下操作时，三通阀210将端口 211连接到端口 213， 并封闭端口 212。这使得液压泵201和扭矩发生器104之间具有液流，且液压泵的全部输出 流流入扭矩发生器104中。这进一步使信号处理器130通过控制电动机202来控制扭矩发 生器104的运动。当半驱动式假肢膝关节100在其非驱动模式下操作时，第一三通阀210 将端口 212连接到端口 213。当扭矩发生器104沿着伸展方向移动时，第二三通阀218调 节端口 219和端口 221之间的液流阻力，当扭矩发生器104沿着弯曲方向移动时，第二三通 阀218调节端口 220和端口 221之间的液流阻力。如果端口 219和端口 221互相连接，端 口 220关闭，且端口 211、212和213互相连接，则该实施例中的扭矩发生器104可以自由伸 展，且能够在扭矩发生器104的伸展方向输入能量。如果端口 220和端口 221互相连接，且 端口 219关闭，且端口 211、212和213互相连接，则该实施例进一步实现扭矩发生器104的 自由弯曲，且能够在扭矩发生器104的弯曲方向上输入能量。图19示意了液压阀回路204的另一实施例。图19中的实施例与图18中的实施 例相同，不同之处在于，两个三通阀210和218被一个四通阀223替代。在操作中，当半驱 动式假肢膝关节100在其驱动模式下操作时，四通阀223将端口 2M连接到端口 227，并封 闭端口 225和226。这使得液流在液压泵201和扭矩发生器104之间流动，从而使得所述 液压泵的全部输出流流入扭矩发生器104中。这进一步使得信号处理器130通过控制电动 机202来控制扭矩发生器104。在半驱动式假肢膝关节100的非驱动模式下，当扭矩发生器 104在伸展方向上移动时，四通阀223调节端口 225和端口 227之间的液压流的阻力，当扭 矩发生器104在弯曲方向上移动时，四通阀223调节端口 2 和端口 227之间的液压流的 阻力。如果端口 2M、225和227互相连接，端口 220关闭，则该实施例允许扭矩发生器104 的自由伸展，且能够在扭矩发生器104的伸展方向上输入能量。如果端口 2对、2沈和227 互相连接，且端口 225关闭，则该实施例进一步允许扭矩发生器104的自由弯曲，且能够在 扭矩发生器104的伸展方向上输入能量。从图1到图19中可见，液压动力单元200包括两条连接到扭矩发生器104的通路 一条通路通过液压泵201，另一条通路通过液压阀回路204。在驱动模式下，液压泵201液 压连接至扭矩发生器104。在非驱动模式下，到扭矩发生器104的液流由至少一个阀进行调 节。图20为半驱动式假肢膝关节100的一个实施例的图解。如前所述，半驱动式假肢
17膝关节100除其他部件外，还包括大腿连接件103、小腿连接件105和膝关节机构107，通过 扭矩发生器104连接。膝关节机构107使得大腿连接件103相对于小腿连接件105在弯曲 方向101和伸展方向102上移动。半驱动式假肢膝关节100通过接口 111连接至膝上截肢 者的残余下肢110。更具体地，接口 111通过金字塔形接合器113或已知的类似接合器连 接到大腿连接件103。脚踝塔架109通过步态站立传感器IM将小腿连接件105连接到人 工足108。膝关节角度传感器120测量大腿连接件103和小腿连接件105之间的角度121。 大腿角度传感器122位于大腿连接件103上，用于测量大腿连接件103的绝对角度。图20 示意了液压动力单元200的轮廓。图21和22为图20所示的半驱动式假肢膝关节100的剖面透视图和分解图。在 图21和22所示的实施例中，锥形接合器113连接到大腿连接件103。固定到大腿连接件 103的大腿角度传感器122包括加速计133和陀螺仪134。轴118从大腿连接件103伸展 开，并与大腿连接件103相对静止。膝关节角度传感器120为磁性编码器，固定在编码器壳 体116内，且相对于小腿连接件105保持静止。磁性编码器120测量嵌入在轴118内的磁 体119的角度。轴118固定在大腿连接件103，并转向滚针轴承135的内部。推力套管136 在大腿连接件103和膝关节机构107之间提供轴向支撑。轴承盖115保护滚针轴承135，液 压动力单元200除其他部件外，还包括电动机控制器128、液压泵201、液压歧管190、扭矩发 生器104和压力传感器1 和127。动力单元200枢转连接在位于滚针轴承135上的小腿 连接件105上。扭矩发生器104通过滚针轴承139连接到大腿连接件103，以实现大腿连接 件103、小腿连接件105和扭矩发生器104之间的接合。步态站立传感器IM将小腿连接件 105连接到脚踝塔架109。使用电池129向假肢膝关节100提供能量。图23示意了图16中的液压阀回路的透视图。箭头141表示驱动模式下在箭头 132所示的伸展方向上的液压流通路。三通阀210具有三个端口 211、212和213 (如图16 所示)，且三个端口分别连接到液压泵201、止回阀207和扭矩发生器104。止回阀2 和 229防止液流流回蓄能器230中。液压流通路231和232定义了从液压泵201和三通液压 阀210到蓄能器230的通路。图M为图16的液压阀回路的透视图，其中箭头142示意了 非驱动模式下在伸展方向上的液压流的通路。图25为液压动力单元200的分解图。液压泵201包括泵盖199和泵座198。驱动 齿轮196通过耦合器195连接到电动机202。液压泵201的驱动齿轮197与驱动齿轮196 相啮合。歧管190包括所有液压通路。蓄能器230包括空气/液体分配器236和空气阀 237。空气阀237用于压缩蓄能器230中的空气。散热器192用于从电动机202上的热转 移。压力传感器126和127测量扭矩发生器104的两个室中的液压。杆端106将扭矩发生 器104连接到大腿连接件103。部件191和235分别为电动机安装板和蓄能器壳体。图沈示意了三通阀210的细节。阀带电动机270连接到阀传送器271。编码器包 括编码器壳体274、编码器磁盘272和编码器读取头273，用于测量阀位置。阀壳体260具 有三个端口 211、212和213。在该实施例中，阀壳体260上具有五个孔。阀缸250连接 到阀传送器271的输出轴。如图沈和观所示，两个槽251位于在阀缸250内。当阀缸250 被阀电动机270带动时，三通阀210呈现图16所示的至少三个位置中的其中一个位置。如 图29A所示，当三通阀210处于其第一位置时，端口 211和端口 213彼此完全打开。当三通 阀210处于其第二位置时(图29B所示)，端口 211、端口 212和端口 213连接在一起。当三通阀210处于其第三位置时(图29C所示)，端口彼此不连接。从图沈和图29D可见，槽251 上具有一些凹痕252，以控制端口的开口。不言而喻，阀缸250可位于除图29A-D所示之外 的其他位置。为获得理想的液流阻力，可以通过信号处理器对阀进行实时调节，以实现最佳 性能。图30为半驱动式假肢膝关节100的实施例，其中压力传感器1 和127测量扭矩 发生器104两端的液压。另外，图30为液压动力单元的一个实施例，其中省略了液压歧管 190，以清晰示意扭矩发生器104和压力传感器1 和127之间的连接通路。图31示意了图20所示的半驱动式假肢膝关节100的实施例的步态站立传感器 124。步态站立传感器IM将脚踝塔架109连接到小腿连接件105上。在该实施例中，步态 站立传感器1 上装有数个应变计161-172，以测量在步态站立期通过小腿连接件105传 递的力和力矩。图32A-32C示意了应变计161-172在步态站立传感器IM上的位置。如图 32C所示，步态站立传感器IM包括夹在脚踝塔架109上的管钳159。应变计161、162、163 和164电连接成惠斯登电桥，以测量抗剪腹板160上的竖向剪切应力，该垂直切力由作用在 腹板之一上的力产生。应变计169、170、171和172电连接成惠斯登电桥，以测量第二抗剪 腹板上的垂直切力。两个抗剪腹板160上的垂直切力之和抵消了可能影响垂直切力测量的 正面力矩。应变计165、166、167和168电连接成惠斯登电桥，以测量由于步态站立传感器 1 右侧上的矢状面力矩负载而产生的剪切应变。应变计173、174、175和176电连接成惠 斯登电桥，以测量剪切应变，该剪切应变由步态站立传感器1 左侧上的矢状面力矩负载 产生。步态站立传感器124的左侧和右侧上的力矩负载之和抵消了可能影响矢状力矩测量 结果的旋转力矩。由于步态站立传感器1 上的旋转力矩在常规操作中比矢状面力矩小， 应变计165、166、167和168或应变计173、174、175和176电连接成惠斯登电桥的替代配置， 以测量水平剪切应变力，该水平剪切应变力由作用在步态站立传感器1 上的右侧或左侧 上的水平力产生。图33示意了半驱动式假肢膝关节100，其中去掉了盖151和162。在一些实施例中，信号处理器130接受来自各传感器的信息，以执行膝关节上的 各控制器。这些控制器在本文中称为“状态”。图34为由信号处理器130执行的状态图解。 其中标注出了全部状态。箭头示意了在信号处理器130将假肢膝关节从一种状态移到另一 种状态的条件。以下描述了移向该状态的各种状态和条件。步态站立
在操作中，当步态站立传感器1 示意人工足108已经接触地面，如图20所示时，信 号处理器130开始执行步态站立状态140。在本发明的一些实施例中，在步态站立状态140 中，半驱动式假肢膝关节100在非驱动模式下操作。这意味着在步态站立状态140中，其中 半驱动式假肢膝关节100在非驱动模式下操作，半驱动式假肢膝关节100中没有电能从电 源205转移到电动机202，液压阀回路204调节扭矩发生器104中的液流阻力。调节扭矩发 生器104中液流阻力，能够实现在步态站立状态140时控制膝关节机构107对力和扭矩的 阻力，同时使用的电能更少，因为电动机202在该非驱动模式下未消耗任何电能。在本发明的一些实施例中，当步态站立传感器IM示意人工足108的脚后跟正比 人工足108的脚趾承载了更多负荷时，液压动力单元200对扭矩发生器104中的液流施加 更大阻力，该阻力大于步态站立传感器IM示意的、人工足108的脚趾所承载的比人工足108的脚后跟更多的负载。向前迈步
在本发明的一些实施例中，当半驱动式假肢膝关节100在步态站立状态140操作时，且 信号处理器130得知人工足108已从大致位于截肢者躯体后的地面上分离后，信号处理器 130开始执行向前迈步状态149。在本发明的一些实施例中，在向前迈步状态149中，半驱 动式假肢膝关节100在驱动模式下操作。这意味着，在向前迈步状态149中，其中半驱动式 假肢膝关节100在驱动模式下操作，半驱动式假肢膝关节100用于将电能从电源205转移 到电动机202，以驱动电动机202和液压泵201。在该驱动模式下，液压阀回路204使液压 泵201液压连接至扭矩发生器104，使得整个液压泵的输出流流入扭矩发生器104。液压泵 201和扭矩发生器104之间的这种液压连接使得信号处理器130通过控制电动机202直接 控制扭矩发生器104。在一部分或整个向前迈步状态149中，向扭矩发生器104中输入能 量，能够控制膝关节机构107的运动，或向膝关节机构107上施加理想的扭矩。在本发明的一些实施例中，在向前迈步状态149中，信号处理器130控制大腿连接 件103和小腿连接件105之间的角度，使得人工足108遵循一定的轨迹。在本发明的一些实 施例中，在向前迈步状态中，其中假肢膝关节100在驱动模式下进行操作，信号处理器130 控制大腿连接件103和小腿连接件105之间的角度，该角度为关于大腿角度信号156的函 数(如图1所示)，这样，人工足108遵循一定的轨迹。这使得截肢者在步态迈步时将人工足 108向前和向后移动(即，改变方向)，从而使人工足108在一定轨迹上。在一些实施例中， 人工足108的轨迹为大致平行于地面的直线。应当理解为，可以使用小腿角度传感器，结合 膝关节角度传感器120，以测得大腿角度信号156。在本发明的更具体的实施例中，在向前 迈步状态149中，其中假肢膝关节100在驱动模式下操作，信号处理器130控制大腿连接件 103和小腿连接件105之间的角度，该角度首先为大腿角度信号156的函数，接着为时间的 函数。例如，在一些实施例中，在将人工足108在一定轨迹上调节至一点，使得人工足108位 于截肢者身体的前面时，信号处理器130在适于当前步行速度的时间内伸展膝关节。在本 发明的一些实施例中，在向前迈步状态149中，其中，假肢膝关节100在驱动模式下操作，信 号处理器130控制大腿连接件103和小腿连接件105之间的角度，使得小腿连接件105的 绝对角度遵循一定轨迹。反向迈步
在本发明的一些实施例中，当半驱动式假肢膝关节100在步态站立状态140下进行操 作时，且信号处理器得知人工足108已从截肢者躯体前面的地面上分离信号后，处理器130 开始执行反向迈步状态。在本发明的一些实施例中，在反向迈步状态150中，半驱动式假肢 膝关节100在驱动模式下操作。这意味着，在反向迈步状态下，向扭矩发生器104中输入能量，能够控制膝关节机 构107的运动，或向膝关节机构107上施加理想的扭矩，这一过程发生在反向迈步状态的 150的一部分中或整个状态中。在本发明的一些实施例中，在反向迈步状态150中，信号处理器130控制大腿连接 件103和小腿连接件105之间的角度，使得人工足108遵循一定轨迹。在本发明的另一些 实施例中，在反向迈步状态150中，其中假肢膝关节100在驱动模式下操作，信号处理器130 控制大腿连接件103和小腿连接件105之间的角度，该角度为大腿角度信号156的函数，这样使得人工足108遵循一定轨迹。这使得截肢者反向迈步150时将人工足108向前和向后 移动(即，改变方向)，并使人工足108位于一定轨迹上。在一些实施例中，人工足108的轨迹 为大致平行于地面的直线。另外应当理解，可以使用小腿角度传感器，结合膝关节角度传感 器120，以测得大腿角度信号156。在本发明的更具体的实施例中，在反向迈步状态150中， 其中假肢膝关节100在驱动模式下操作，信号处理器130控制大腿连接件103和小腿连接 件105之间的角度，该角度首先为大腿角度信号156的函数，接着为时间的函数。例如，在 一些实施例中，在将人工足108在一个轨迹上调节至一点，使得人工足108位于截肢者身体 的前面时，信号处理器130在适于当前步行速度的时间内伸展膝关节。在本发明的一些实 施例中，在反向迈步状态150中，其中，假肢膝关节100在驱动模式下操作，信号处理器130 控制大腿连接件103和小腿连接件105之间的角度，使得小腿连接件105的绝对角度遵循 一定轨迹。上升迈步
在本发明的一些实施例中，当半驱动式假肢膝关节100在步态站立状态140下进行操 作时，且信号处理器得知人工足108已从截肢者躯体前面的地面上分离后，信号处理器130 开始执行反向迈步状态。在本发明的一些实施例中，在上升迈步状态143中，半驱动式假肢 膝关节100在驱动模式下操作。这意味着，在上升迈步状态143中，其中半驱动式假肢膝关 节100在驱动模式下操作，假肢膝关节100用于将电能从电源205转移到电动机202，以驱 动电动机202和液压泵201。在本发明的一些实施例中，在上升迈步状态143中，信号处理器130控制大腿连接 件103和小腿连接件105之间的角度，使得人工足108遵循一定轨迹。在本发明的另一些 实施例中，在上升迈步状态中，信号处理器130控制大腿连接件103和小腿连接件105之间 的角度，该角度为大腿角度信号156的函数，这使得人工足108遵循一定轨迹。这使得截肢 者在上升迈步时上下移动人工足108 (即，改变方向)，并使人工足108保持在一定轨迹上。 在一些实施例中，人工足108的轨迹为向上移动、再前行的通路，以便将人工足放置在楼梯 上。另外应当理解，可以使用小腿角度传感器，结合膝关节角度传感器120，以测得大腿角度 信号156。在本发明的另一些实施例中，在上升迈步状态143中，其中假肢膝关节100在驱 动模式下操作，信号处理器130控制大腿连接件103和小腿连接件105之间的角度，使得小 腿连接件105的绝对角度遵循一定轨迹或保持恒定值。上升站立
在本发明的一些实施例中，当步态站立传感器1 指示人工足108已经接触地面，且膝 关节角度近似弯曲时，信号处理器开始执行上升站立状态144。在该上升站立状态144的一 部分中，半驱动式假肢膝关节100在驱动模式下操作。在本发明的一些实施例中，在上升站立状态144中，信号处理器130控制大腿连接 件103和小腿连接件105之间的角度，使得膝关节角度遵循一定轨迹。在本发明的另一些 实施例中，在上升站立状态144中，信号处理器130控制扭矩发生器104产生的扭矩。在本 发明的另一些实施例中，在上升站立状态144中，信号处理器130控制输入至电动机202中 的电流。在本发明的另一些实施例中，在上升站立状态144中，信号处理器130控制电动机 202的速度。在本发明的一些实施例中，当半驱动式假肢膝关节100在上升站立状态144下进
21行操作时，且信号处理器130得知所述人工足108刚从地面上分离(无论人工足的位置如 何)，信号处理器开始执行上升迈步状态143。当半驱动式假肢膝关节100在上升站立状态 144下进行操作，且膝关节角度信号155指示半驱动式假肢膝关节100未弯曲时，信号处理 器130还是执行站立状态140。下降站立
在本发明的一些实施例中，当半驱动式假肢膝关节100在站立状态140下进行操作时， 且扭矩发生器140中的扭矩大于特定值时，信号处理器130开始执行下降站立状态145。在 下降站立状态140中，使用者倾向于弯曲半驱动式假肢膝关节100，这样增大了扭矩发生器 104的扭矩。在一个实施例中，使用压力传感器1 和127来测量扭矩发生器104中的力， 并由此反映出扭矩发生器104的相关扭矩。在本发明的一些实施例中，当半驱动式假肢膝 关节100处于站立状态140，且压力传感器1 和127指示了扭矩发生器的第一和第二室中 的巨大压力差时，信号处理器130开始执行下降站立状态145。在本发明的一些实施例中， 在下降站立状态145中，半驱动式假肢膝关节100在非驱动模式下操作。这意味着，在下降站立状态145的该部分中，其中半驱动式假肢膝关节100在非驱 动模式下操作，半驱动式假肢膝关节100中从电源205到电动机202没有电能的转移，且液 压阀回路204调节扭矩发生器104中的液流阻力。在下降站立状态145中，调节扭矩发生 器104中的液流阻力，能够控制膝关节机构107对力和扭矩的阻力，同时减少电能的使用， 因为电动机202在该非驱动模式下未消耗任何电能。在一些实施例中，半驱动式假肢膝关节100包括功率再生模式，该模式用于下降 站立状态145。在该模式下，泵阀203未关闭，使得至少一部分液压流从扭矩发生器104转 向液压泵201中，且电动机控制器使得电动机202产生电能。该步骤也可以通过非液压的 其他许多方式来完成。下降迈步
在本发明的一些实施例中，当信号处理器130得知在下降站立状态145中，人工足108 刚从地面上分离，且置于截肢者躯体后面时，信号处理器130开始执行下降迈步状态146。 在本发明的一些实施例中，在下降迈步状态145的一部分时，半驱动式假肢膝关节100在驱 动模式下操作。在本发明的一些实施例中，在下降迈步状态145中，信号处理器130控制控制大腿 连接件103和小腿连接件105之间的角度，使得人工足108遵循一定轨迹。在本发明的另 一些实施例中，在上升迈步状态中，信号处理器130控制大腿连接件103和小腿连接件105 之间的角度，该角度首先为大腿角度信号156的函数，其次为时间的函数。例如在一些实施 例中，以一定轨迹调节人工足108至一点，估测人工足108在该点上能够通过标准楼梯，则 信号处理器130在适于步行下楼的时间内伸展所述膝关节。在本发明的一些实施例中，在 下降迈步状态146中，其中假肢膝关节100在驱动模式下操作，信号处理器130控制小腿连 接件105的绝对角度值，以遵循任意轨迹。坐下
在本发明的一些实施例中，当信号处理器130得知在下降站立状态145中，人工足108 刚与截肢者躯干前的地面分离时，信号处理器130执行坐下状态147。在本发明的一些实施 例中，在坐下状态147的一部分时，半驱动式假肢膝关节100在非驱动模式下操作。这意味着，在坐下状态147中，其中半驱动式假肢膝关节100在非驱动模式下操作，半驱动式假肢 膝关节100中从电源205到电动机202没有电能的转移，且液压阀回路204调节扭矩发生 器104中的液流阻力，使假肢膝关节100在阻力很小或无阻力状态下弯曲。，调节扭矩发生 器104中的液流阻力能使人在站立状态140的一部分中控制膝关节机构107对力和扭矩的 阻力，同时减少电能的使用，由于电动机202在该非驱动模式下未消耗任何电能。起身(从椅子上起身)
在本发明的一些实施例中，当步态站立传感器1 指示为，在坐下状态147中，人工足 108刚接触截肢者身下的地面时，信号处理器130开始执行起身状态148。在起身状态148 的一部分时，半驱动式假肢膝关节100在驱动模式下操作。在本发明的一些实施例中，在起 身状态148中，信号处理区130控制大腿连接件103和小腿连接件105之间的角度，使得膝 关节角度遵循一定轨迹。在本发明的一些实施例中，在起身状态148中，信号处理器130控 制扭矩发生器104产生的扭矩。在本发明的另一些实施例中，在起身状态148中，信号处理 器130控制电动机202中的电流。在本发明的另一些实施例中，在起身状态148中，信号处 理器130控制电动机202的速度。图35为电路图，示意了电源205与电动机控制器128之间的电连接，其中包括过 流保护电路184。在功率再生模式下，液压流通过液压泵201，使得电动机202转向并产生 电流。信号处理器130向电动机控制1 发出输出理想电流的命令，该命令中增加了总线 183的电压，使能量从电动机202流向电源205，从而实现功率再生。如果总线电压足够高， 则使用分压器182，将比较器179的开关178打开，该开关178使电流转向，离开电源205， 因而在功率电阻177中损失了一部分能量。电压参照器180为比较器179设置了断路点， 且反馈电阻器181提供了迟滞。以上结合优选实施例对本发明进行了描述，应当理解为，能够在不脱离本发明的 精神的范围内，对本发明作出各种改进和修正，且本发明的保护范围不应当仅限于权利要 求所述范围。
权利要求
1.一种半驱动式假肢膝关节设备，用于连接到截肢者的膝上残余下肢，并可在驱动和 非驱动模式下操作，该设备包括小腿连接件，用于连接到人工足；大腿连接件，用于连接到截肢者的膝上残余下肢；膝关节机构，该膝关节机构连接所述大腿连接件和所述小腿连接件，并使所述大腿连 接件和所述小腿连接件能够相对于彼此进行弯曲和伸展运动；液压扭矩发生器，该液压扭矩发生器置于所述大腿连接件和所述小腿连接件之间；液压动力单元，包括液压阀回路、液压泵和电动机，其中所述液压阀回路液压连接到所 述扭矩发生器，所述电动机机械连接到所述液压泵；电源，用于向所述电动机提供电能；至少一个传感器，用于感应与所述小腿连接件、所述大腿连接件和所述膝关节机构中 的其中一个相关联的操作；连接到电源和液压动力单元的信号处理器，该信号处理器基于从所述至少一个传感器 处接收的信号来控制液压动力单元的操作，其中，当所述半驱动式假肢膝关节设备在其驱动模式下操作时，电能从所述电源转移 到所述电动机，以驱动液压泵，使液压泵在信号处理器的控制下为所述扭矩发生器提供工 作液流，从而在所述小腿连接件和所述大腿连接件之间产生扭矩，当所述半驱动式假肢膝 关节设备在其非驱动模式下操作时，所述液压阀回路调节所述扭矩发生器中液流的阻力， 使得所述半驱动式假肢膝关节设备在没有任何电能从所述电源转移到所述电动机的条件 下进行操作。
2.根据权利要求1所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于所述半驱动式假肢 膝关节在功率再生模式下是可操作的，在该模式下，所述液压泵液压连接至所述扭矩发生 器，并且，至少一部分来自所述扭矩发生器的液压流流向所述液压泵、引起所述电动机转动 并产生电能。
3.根据权利要求1所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于所述液压阀回路包 括彼此串联的第一可控阀和泵阀，所述液压泵连接到所述第一可控阀的两个端口、以及连 接至所述泵阀，且所述扭矩发生器连接到所述第一可控阀的两个端口，其中，当所述半驱动 式假肢膝关节在其驱动模式下操作时，所述泵阀不关闭，使得所述信号处理器通过控制所 述电动机来控制所述扭矩发生器，并且，当所述半驱动式假肢膝关节在其非驱动模式下操 作时，所述第一可控阀调节所述扭矩发生器中液流的阻力。
4.根据权利要求3所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于当所述半驱动式假 肢膝关节在所述非驱动模式下操作时，所述泵阀为完全或部分关闭。
5.根据权利要求3所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于所述半驱动式假肢 膝关节在功率再生模式下为可操作的，在该模式下，所述泵阀未关闭，使得至少一部分来自 所述扭矩发生器的液流转动所述液压泵，并且，电动机控制器向所述电动机上施加非零电 流，以抵制所述液压泵中的液流。
6.根据权利要求3所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于所述液压阀回路进 一步包括第一止回阀，该第一止回阀与所述第一可控阀串联安装，使得所述第一可控阀只 在一个方向上调节所述扭矩发生器中的液流阻力。
7.根据权利要求6所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于所述液压阀回路进 一步包括一个第二可控阀，该第二可控阀与串联在一起的所述第一可控阀和第一止回阀并 联安装。
8.根据权利要求6所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于所述液压阀回路进 一步包括第二可控阀和第二止回阀，二者串联安装且与每个所述第一可控阀和所述第一止 回阀并联安装。
9.根据权利要求1所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于所述液压阀回路包 括串联的第一止回阀和执行器阀，所述扭矩发生器连接到所述第一可控阀和所述执行器阀 的两个端口，且所述液压泵连接到所述第一可控阀的两个端口，其中，当所述半驱动式假肢 膝关节在其驱动模式下操作时，所述第一可控阀关闭，所述执行器阀不关闭，使得所述信号 处理器通过控制所述电动机来控制所述扭矩发生器，并且，当所述半驱动式假肢膝关节在 非驱动模式下操作时，所述执行器阀调节所述扭矩发生器中的液流阻力。
10.根据权利要求9所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于所述半驱动式假肢 膝关节在功率再生模式下是可操作的，在该模式下，所述执行器阀不关闭，使得至少一部分 来自所述扭矩发生器的液流转动所述液压泵，并且，电动机控制器向所述电动机上施加非 零电流，以抵制所述液压泵中的液流。
11.根据权利要求9所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于所述液压阀回路进 一步包括第一止回阀，该第一止回阀与所述第一可控阀串联安装，使得所述第一可控阀只 在一个方向上调节所述扭矩发生器中的液流阻力。
12.根据权利要求11所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于所述液压阀回路 进一步包括一个第二可控阀，该第二可控阀与串联在一起的所述第一可控阀和第一止回阀 并联安装。
13.根据权利要求11所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于所述液压阀回路 进一步包括第二可控阀和第二止回阀，二者串联安装且与每个所述第一可控阀和所述第一 止回阀并联安装。
14.根据权利要求1所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于所述液压阀回路包 括具有第一端口、第二端口和第三端口的三通阀，所述液压泵连接到所述三通阀的第一端 口和第二端口，所述扭矩发生器连接到所述三通阀的第二端口和第三端口，其中，当所述半 驱动式假肢膝关节在其驱动模式下操作时，所述三通阀封闭所述第二端口，并将所述第一 端口连接到所述第三端口，以使液流在所述液压泵和所述扭矩发生器之间流动，并且，当所 述半驱动式假肢膝关节在非驱动模式下操作时，所述三通阀封闭所述第一端口，并调节所 述第三端口的开口大小，以调节流经所述扭矩发生器的液流的阻力。
15.根据权利要求14所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于所述半驱动式假 肢膝关节在功率再生模式下是可操作的，在该模式下，所述三通阀将所述第一端口连接到 所述第三端口，使得至少一部分来自所述扭矩发生器的液流转动所述液压泵，并且，电动机 控制器向所述电动机上施加非零电流，以抵制所述液压泵中的液流。
16.根据权利要求14所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于进一步包括安装 在所述三通阀的所述第二端口的止回阀。
17.根据权利要求1所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于所述液压阀回路包括三通阀，该三通阀具有第一端口、第二端口和第三端口，所述液压泵连接到所述三通阀的 第一端口和第二端口，所述扭矩发生器连接到所述三通阀的第二端口和第三端口，其中，当 所述半驱动式假肢膝关节在其驱动模式下操作时，所述三通阀封闭所述第二端口，并将所 述第一端口连接到所述第三端口，以使液流在所述液压泵和所述扭矩发生器之间流动，并 且，当所述半驱动式假肢膝关节在非驱动模式下操作时，所述三通阀调节所述第三端口的 开口大小，以调节所述扭矩发生器中的液流的阻力。
18.根据权利要求17所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于进一步包括安装 在所述三通阀的所述第二端口的止回阀。
19.根据权利要求1所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于所述至少一个传感 器包括步态站立传感器，用于识别人工足是否与支撑表面接触。
20.根据权利要求19所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于所述步态站立传 感器包括力与扭矩传感器，该力与扭矩传感器安装在所述小腿连接件上，用于测量矢状面 上的力和力矩。
21.根据权利要求1所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于至少一个传感器包 括角度传感器，该角度传感器产生膝关节角度信号，该角度信号表示所述小腿连接件和所 述大腿连接件之间的角度。
22.根据权利要求20所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于至少一个传感器 包括大腿角度传感器，该大腿角度传感器产生大腿角度信号，该角度信号表示所述大腿连 接件的绝对角度。
23.根据权利要求1所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于至少一个传感器包 括两个压力传感器，分别测量所述扭矩发生器的第一室和第二室中的液压流的压力。
24.一种假肢膝关节设备，用于连接到具有躯干的截肢者的膝上残余下肢，该设备包括具有脚趾和脚后跟的人工足；与人工足相连的小腿连接件；大腿连接件，用于连接到截肢者的膝上残余下肢；膝关节机构，该膝关节机构连接所述大腿连接件和所述小腿连接件，并使所述大腿连 接件和所述小腿连接件能够相对彼此进行弯曲和伸展运动；扭矩发生器，用于在所述大腿连接件和所述小腿连接件之间产生扭矩；膝关节角度传感器，该膝关节角度传感器产生膝关节角度信号，该角度信号表示所述 大腿连接件和所述小腿连接件之间的角度；步态站立传感器，用于识别人工足与地面相接触的部位；能够提供电能的电源；以及信号处理器，该信号处理器与电源、扭矩发生器和每个膝关节角度传感器和步态 站立传感器相连，其中所述信号处理器接收来自膝关节角度传感器和步态站立传感器的信 号，估计人工足相对于截肢者躯干的位置，并在所述人工足基于估计位置离开地面时，建立 迈步状态。
25.根据权利要求M所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于当所述步态站立 传感器指示出所述人工足已接触地面时，所述信号处理器开始执行步态站立状态。
26.根据权利要求25所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于在所述步态站立 状态中，所述假肢膝关节在非驱动模式下操作。
27.根据权利要求25所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于在所述步态站立 状态中，所述假肢膝关节为抗弯曲的。
28.根据权利要求25所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于在所述步态站立 状态中，所述信号处理器通过所述扭矩发生器形成膝关节机构中的阻力。
29.根据权利要求25所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于当所述步态站立 传感器指示出所述人工足的脚后跟所承担的负载大于所述人工足的脚趾所承担的负载时， 所述信号处理器发出信号，该信号表明此时通过扭矩发生器的阻力大于当所述步态站立传 感器指示出所述人工足的脚趾所承担的负载大于所述人工足的脚后跟所承担的负载时通 过扭矩发生器的阻力。
30.根据权利要求M所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于当所述人工足离 开大致位于截肢者躯干身后的地面时，所述信号处理器开始执行向前迈步状态。
31.根据权利要求30所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于在所述向前迈步 状态中，所述信号处理器控制所述小腿连接件和所述大腿连接件之间的角度，使得所述人 工足遵循预定轨迹。
32.根据权利要求30所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于在所述向前迈步 状态中，所述信号处理器控制所述小腿连接件和所述大腿连接件之间的角度，该角度为所 述大腿角度信号的函数，从而使得所述人工足遵循预定轨迹。
33.根据权利要求M所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于当所述人工足离 开截肢者的躯干前面的地面时，所述信号处理器开始进入反向迈步状态。
34.根据权利要求33所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于在所述反向迈步 状态中，所述信号处理器控制所述小腿连接件和所述大腿连接件之间的角度，该角度为所 述大腿角度信号的函数，从而使得所述人工足遵循预定轨迹。
35.根据权利要求33所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于在所述反向迈步 状态中，所述信号处理器控制所述小腿连接件和所述大腿连接件之间的角度，从而使得所 述人工足遵循预定轨迹。
36.根据权利要求M所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于当所述人工足离 开截肢者的躯干下面的地面时，所述信号处理器开始执行上升迈步状态。
37.根据权利要求36所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于在所述上升迈步 状态中，所述信号处理器控制所述小腿连接件和所述大腿连接件之间的角度。
38.根据权利要求37所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于在所述上升迈步 状态中，所述信号处理器控制所述小腿连接件和所述大腿连接件之间的角度，该角度为所 述大腿角度信号的函数，从而使得所述人工足遵循预定轨迹。
39.根据权利要求M所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于当所述步态站立 传感器指示出所述人工足以大致弯曲的膝关节角度接触地面时，所述信号处理器开始执行 上升站立状态。
40.根据权利要求39所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于在所述上升站立 状态中，所述信号处理器控制所述小腿连接件和所述大腿连接件之间的角度。
41.根据权利要求39所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于在所述上升站立 状态中，所述信号处理器控制所述扭矩发生器产生的扭矩。
42.根据权利要求39所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于在所述上升站立 状态中，所述信号处理器控制所述扭矩发生器的速度。
43.根据权利要求M所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于所述扭矩发生器 包括多个室，且该设备进一步包括用于扭矩发生器的压力传感器，其中，当所述人工足与地 面接触、且所述压力传感器指示出扭矩发生器的多个室之间存在大的压力差时，所述信号 处理器执行下降站立状态。
44.根据权利要求43所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于在所述下降站立 状态的一部分时段，所述假肢膝关节在非驱动模式下操作。
45.根据权利要求43所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于在所述下降站立 状态中，所述假肢膝关节为抗弯曲的。
46.根据权利要求M所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于当所述步态站立 传感器指示出所述人工足离开了截肢者躯干后面的地面时，所述信号处理器开始执行下降 迈步状态。
47.根据权利要求46所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于在所述下降迈步 状态中，所述信号处理器控制所述小腿连接件和所述大腿连接件之间的角度。
48.根据权利要求46所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于在所述下降迈步 状态中，所述信号处理器控制所述小腿连接件和所述大腿连接件之间的角度，该角度为所 述大腿角度信号的函数，从而使得所述人工足遵循预定的轨迹。
49.根据权利要求M所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于当所述信号处理 器得知在所述下降站立状态中，所述人工足刚刚离开地面、且置于截肢者的躯干前方时，所 述信号处理器执行坐下状态。
50.根据权利要求49所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于在所述坐下状态 的一部分时段，所述假肢膝关节在非驱动模式下操作。
51.根据权利要求49所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于在所述坐下状态 中，所述假肢膝关节为在阻力很小或无阻力情况下平滑弯曲。
52.根据权利要求M所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于当所述信号处理 器得知在所述下降站立状态中，所述人工足刚刚离开地面、且置于截肢者的躯干前方时，所 述信号处理器执行坐下状态。
53.根据权利要求52所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于在所述上升状态 中，所述信号处理器控制所述小腿连接件和所述大腿连接件之间的角度。
54.根据权利要求52所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于在所述上升状态 中，所述信号处理器控制由所述扭矩发生器产生的扭矩的量。
55.根据权利要求52所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于在所述上升站立 状态中，所述信号处理器控制作用在电动机上的电流，该电动机连接到所述扭矩发生器。
56.根据权利要求52所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于在所述上升站立 状态中，所述信号处理器所述扭矩发生器的速度。
57.一种半驱动式假肢膝关节设备，用于连接到具有躯干的截肢者的膝上残余下肢，并可在驱动和非驱动模式下操作，该设备包括 小腿连接件，用于连接到人工足； 大腿连接件，用于连接到截肢者的膝上残余下肢；膝关节机构，该膝关节机构连接所述大腿连接件和所述小腿连接件，并使所述大腿连 接件和所述小腿连接件能够相对彼此进行弯曲和伸展运动；液压扭矩发生器，该液压扭矩发生器包括扭矩发生器端口，所示液压扭矩发生器用于 在所述小腿连接件和所述大腿连接件之间产生扭矩；液压动力单元，该液压动力单元具有连接所述扭矩发生器端口的第一通路和第二通 路，其第一通路通过液压泵，该液压泵机械连接至电动机，其第二通路通过液压阀回路； 电源，用于向所述电动机提供电能；步态站立传感器，其能够识别所述人工足的与地面接触的部分；以及 信号处理器，用于接收来自步态站立传感器的信号，并控制所述电动机， 其中，当所述半驱动式假肢膝关节在其驱动模式下操作时，所述扭矩发生器端口连接 到所述液压泵，并且，当所述半驱动式假肢膝关节在非驱动模式下操作时，所述半驱动式假 肢膝关节被设置为使得所述扭矩发生器端口连接到所述液压阀回路。
58.根据权利要求57所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于在非驱动模式下， 所述液压阀回路调节所述扭矩发生器中的液流的阻力，使得所述半驱动式假肢膝关节设备 在没有任何能量从所述电源转移到所述电动机的情况下操作。
59.根据权利要求57所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于在所述驱动模式 下，所述半驱动式假肢膝关节设备被设置为没有任何能量从所述电源转移到所述电动机， 且所述液压泵液压连接至所述扭矩发生器，同时所述信号处理器控制所述扭矩发生器。
60.根据权利要求57所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于所述液压阀回路 包括第一可控阀，其中，当所述半驱动式假肢膝关节在非驱动模式下操作时，所述第一可控 阀调节所述扭矩发生器中的液流的阻力。
61.根据权利要求60所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于所述液压阀回路 进一步包括第一止回阀，该第一止回阀与所述第一可控阀串联安装，使得所述第一可控阀 只在一个方向上调节所述扭矩发生器中的液流的阻力。
62.根据权利要求60所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于所述液压阀回路 进一步包括第二可控阀，该第二可控阀与所述第一可控阀和所述第一止回阀并联安装。
63.根据权利要求61所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于所述液压阀回路 进一步包括第二可控阀和第二止回阀，二者彼此串联安装，且与所述第一可控阀和所述第 一止回阀并联安装。
64.根据权利要求57所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于所述液压阀回路 包括三通阀，该三通阀具有第一端口、第二端口和第三端口，所述泵连接到所述三通阀的第 一端口和第二端口，所述扭矩发生器连接到所述三通阀的第二端口和第三端口，其中，当所 述半驱动式假肢膝关节在其非驱动模式下操作时，所述三通阀封闭所述第一端口。
65.根据权利要求64所述的半驱动式假肢膝关节设备，其特征在于当所述半驱动式 假肢膝关节在驱动模式下操作时，所述三通阀使得在所述液压泵和所述扭矩发生器之间具 有液流。
66. 一种半驱动式假肢膝关节设备，用于连接到具有躯干的截肢者的膝上残余下肢，并 可在驱动和非驱动模式下操作，该设备包括 具有脚趾和脚后跟的人工足； 与人工足相连的小腿连接件； 大腿连接件，用于连接到截肢者的膝上残余下肢；膝关节机构，该膝关节机构连接所述大腿连接件和所述小腿连接件，并使所述大腿连 接件和所述小腿连接件能够相对彼此进行弯曲和伸展运动；液压扭矩发生器，该液压扭矩发生器具有扭矩发生端口，所述液压扭矩发生器置于所 述大腿连接件和所述小腿连接件之间，且用于在所述小腿连接件和所述大腿连接件之间产 生扭矩；液压动力单元，包括液压阀回路、液压泵和电动机，其中液压阀回路液压连接到所述扭 矩发生器，所述电动机机械连接到所述液压泵，所述液压动力单元具有连接所述扭矩发生 器端口的第一通路和第二通路，其第一通路通过液压泵，该液压泵机械连接至电动机，其第 二通路通过液压阀回路；电源，用于向所述电动机提供电能；至少一个设置在所述小腿连接件、所述大腿连接件和所述膝关节机构中的其中之一 上的传感器，用于感应所述假肢膝关节上的操作参数，所述至少一个传感器包括膝关节角 度传感器，该膝关节角度传感器产生膝关节角度信号，该角度信号表示所述大腿连接件和 所述小腿连接件之间的角度，还包括步态站立传感器，用于识别人工足与地面相接触的部 位；信号处理器，该信号处理器与电源、扭矩发生器和每个膝关节角度传感器和步态站立 传感器相连，其中每个所述信号处理器用于膝关节角度传感器、步态站立传感器和液压动 力单元，用于在从至少一个传感器所接收到的信号的基础上控制液压动力单元的操作，其 中当所述半驱动式假肢膝关节设备在其驱动模式下操作时，电能从所述电源转移到所述 电动机，以驱动液压泵，使液压泵在信号处理器的控制下为所述扭矩发生器提供工作液流， 从而在所述小腿连接件和所述大腿连接件之间产生扭矩，当所述半驱动式假肢膝关节设备 在其非驱动模式下操作时，所述液压阀回路调节所述扭矩发生器中液流的阻力，使得所述 半驱动式假肢膝关节设备在没有任何电能从所述电源转移到所述电动机的情形下进行操 作；所述信号处理器接收来自膝关节角度和步态站立传感器的信号，估计人工足相对于截 肢者躯干的位置，并在所述人工足基于估计位置离开地面时，建立迈步状态；所述信号处理器接收来自步态站立传感器的信号，并控制所述电动机，其中，当所述半 驱动式假肢膝关节在其驱动模式下操作时，所述扭矩发生器端口连接到所述液压泵，并且， 当所述半驱动式假肢膝关节在非驱动模式下操作时，所述半驱动式假肢膝关节被设置为使 得所述扭矩发生器端口连接到所述液压阀回路。
全文摘要
一种半驱动式膝上假肢系统(100)，包括连接到人工足(108)的小腿连接件(105)、连接到小腿连接件(105)的膝关节机构(107)，以及连接到截肢者的膝上残余下肢(110)的大腿连接件(103)，该系统可以在由信号处理器(130)控制的两种模式下操作，该信号处理器(130)与各传感器(120,122,124,126,127)相连。在驱动模式下，能量输送到与膝关节机构(107)相连的扭矩发生器(104)中，以移动大腿连接件(103)和小腿连接件(105)。在非驱动模式下，控制回路(204)在无动力方式下操作，其膝关节机构(107)中为调节后的阻力。能量通过连接到电池电源(205)的电动机(202)输入，并用于驱动液压泵(201)，作为包括扭矩发生器(104)的整个液压动力单元(200)的一部分。
文档编号A61F2/64GK102065799SQ200980122636
公开日2011年5月18日 申请日期2009年6月16日 优先权日2008年6月16日
发明者亚当·布莱恩·佐斯, 内森·哈丁, 塞巴斯蒂安·克鲁斯, 密涅瓦·瓦素德兰·皮莱, 布朗姆·吉尔伯特·安东·兰布雷希特, 狄伦·米勒·费尔班克斯, 米克拉斯·施瓦兹, 荷梅勇·卡扎若尼, 马修·罗萨 申请人:伯克利仿生技术公司, 加利福尼亚大学董事会