可控被动人工膝部的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及人工下体假肢及矫正系统：更具体地，涉及外骨骼膝部，其能够用于多 种矫正应用。
【背景技术】
[0002] 传统的膝踝足矫形器（KAFO)用于增加患者在负重行走阶段期间的稳定性。传统 的KAFO将膝部锁定为完全伸展，这提供了稳定性。这种锁定的姿势导致患者的步行能力具 有步态偏差，这会导致过度使用性损伤。姿态控制矫形器（SCO)允许膝部在步态周期的摆 动期期间屈曲，并且在支撑期期间为了稳定性而防止膝部屈曲。通过允许膝部在摆动期期 间弯曲，SCO允许更加自然的步态，这可以减少来自步态补偿的二期并发症，并且允许患者 用较少的力气行走。存在一些姿态控制矫形器（现有技术）。
[0003] Fillauer开发了一种重力致动的膝部关节锁定系统，以用于其摆动期锁定（SPL) 矫形器（美国专利20030153854)。摆动期锁定使用被安装在大腿连接件（该构件与使用者 的大腿一致地移动）上的简单的内部摆机构。随着大腿连接件移动，摆的摆动运动相对于 大腿连接件锁定和解锁小腿连接件（该构件与使用者的小腿一致地移动）。这允许膝部关 节针对步行周期的适当阶段锁定和解锁。
[0004] 自由行走矫形器（由Ottobock所售）和UTX矫形器（由Becker所售）基于所述 原则工作。在支撑结束时，足部的背屈拉动在膝部关节处被连接到锁定机构的可控线缆。该 拉动动作释放锁定机构，以用于摆动。当膝部被完全伸展时，锁定机构弹性负载并且锁定膝 部。
[0005] 感应行走（由Ottobock制造）在膝部关节处使用绕簧，以用于锁定和解锁膝部。 此矫形器包括两套传感器，其一个在膝部处用以测量膝部角度且另一个在踏板处用以测 量足部和地板之间的力；替代外侧膝部关节的绕簧离合器，其用以提供制动能力来支撑解 剖学的膝部关节；微处理器控制的释放器，其用于制动；电子电路；以及装在腰包中的电池 组。在支撑期的后期，当重量已被转移到对侧并且为单体支撑做好准备时，踏板中的传感器 释放绕簧离合器并且允许膝关节弯曲。膝部传感器检测足趾离地后膝关节的伸展并且发送 信号到微处理器，以将绕簧离合器置于它的锁定位置。
[0006] Horton姿态控制矫形器（美国6635024和美国200220169402)包括在推动杆的帮 助下锁定和解锁膝部的锁定机构。该推动杆被置于足跟和膝部之间。推动杆在足跟着地时 锁定膝部并且在支撑期结束时解锁膝部。该装置将膝部锁定为任意角度。
[0007] 发明公开
[0008] 本发明涉及外骨骼系统，其至少包括具有可控阻力矩的外骨骼膝部。特别地，本发 明在此描述外骨骼膝部和它在多种外骨骼系统中的应用，其中两个表面之间的摩擦力被用 来阻碍在步行周期的不同阶段中膝部的屈曲和伸展运动。通过控制两个表面之间的摩擦 力，可以在某部分移动周期期间提供用于外骨骼膝部的任意阻力矩。在外骨骼膝部处产生 阻碍力矩会减小佩带者在他/她的膝部处需要提供的力矩。另外，外骨骼膝部会在大部分 支撑期期间去除佩戴者膝部的负荷。在此描述的外骨骼膝部不仅可以独立地佩戴在佩戴者 的膝部上，也可与髋部、踝部或足部协作。这为多种医疗、民用和军事应用中的外骨骼膝部 的使用提供了很大的灵活性。
【附图说明】
[0009] 图1描述本发明的外骨骼的实施方式；
[0010] 图2描述外骨骼的实施方式，其中为了清晰起见移除了梏具；
[0011] 图3是图2的外骨骼的爆炸图；
[0012] 图4是描述绕簧接合到大腿连接件的爆炸图；
[0013] 图5描述图4的组装的接合；
[0014] 图6示出本发明的实施方式和它的控制器；
[0015] 图7描述大腿连接件或使用者的大腿相对于垂直重力线的绝对角度；
[0016] 图8描述使用者相对于垂直重力线的绝对大腿角度；
[0017] 图9示出预定的最大和最小大腿角度；
[0018] 图10示出阻力矩分布的实施方式；
[0019] 图11示出阻力矩分布的实施方式；
[0020] 图12示出与外骨骼控制有关的有限状态机；
[0021] 图13示出在下楼梯期间使用者相对于垂直重力线的大腿角度；
[0022] 图14示出在下楼梯期间的阻力矩分布；
[0023] 图15示出在上楼梯期间使用者相对于垂直重力线的绝对大腿角度；
[0024] 图16示出进一步包括第一踝足矫形器的本发明的实施方式；
[0025] 图17示出进一步包括第二踝足矫形器的本发明的实施方式；
[0026] 图18示出进一步包括第三踝足矫形器的本发明的实施方式；
[0027] 图19示出进一步包括第四踝足矫形器的本发明的实施方式；
[0028] 图20示出进一步包括外骨骼主体的本发明的实施方式；
[0029] 图21示出其他外骨骼主体的实施方式；
[0030] 图22示出进一步包括含有图16的踝足矫形器的外骨骼主体的本发明的实施方 式；
[0031] 图23示出进一步包括含有图17的踝足矫形器的外骨骼主体的本发明的实施方 式；
[0032] 图24示出进一步包括含有图18的踝足矫形器的外骨骼主体的本发明的实施方 式；
[0033] 图25示出进一步包括含有图19的踝足矫形器的外骨骼主体的本发明的实施方 式；
[0034] 图26示出本发明的实施方式，其中绕簧不受致动器约束并且沿着方向135自由移 动；
[0035] 图27示出本发明的实施方式，其中绕簧不受致动器约束并且沿着方向135自由移 动；以及
[0036] 图28示出与外骨骼控制有关的有限状态机的其他实施方式。
[0037] 实施本发明的方式
[0038] 图1示出外骨骼100的实施方式，其被接合到使用者101。外骨骼100包括大腿 连接件102、小腿连接件104以及膝部关节106,该膝部关节106被配置为允许大腿连接件 102和小腿连接件104之间沿着膝部轴线108的屈曲和伸展旋转。伸展旋转表示在小腿连 接件104和大腿连接件102远离彼此移动时小腿连接件104和大腿连接件102的运动。箭 头175示出小腿连接件104相对于大腿连接件102的伸展运动的方向。屈曲旋转表示在小 腿连接件104和大腿连接件102靠近彼此移动时小腿连接件104和大腿连接件102的运动。 在本发明的一些实施方式中，外骨骼100进一步包括允许接合到使用者的大腿155的大腿 连接器150。在本发明的一些实施方式中，外骨骼100进一步包括允许接合到使用者的小 腿154的小腿连接器152。在本发明的一些实施方式中，大腿连接器150和小腿连接器152 包括梏具。虽然在图1中梏具被用于示范小腿连接件104和大腿连接件102接合到使用者 的大腿155和小腿154,但是本领域的普通技术人员会理解的是，可以采用导致小腿连接件 104和大腿连接件102与使用者的小腿154和使用者的大腿155 -致的移动的许多方法和 装置，通过小腿和大腿梏具接合只是导致一致的运动的一种方法。
[0039] 图2示出外骨骼100的实施方式，其中为了清晰起见移除了梏具150和152。图3 是图2的外骨骼100的爆炸图，其中为了清晰起见移除了梏具。外骨骼100进一步包括绕 簧110,其中绕簧110的第一端部112被接合到大腿连接件102。可以通过多种机械方法实 现这种接合，然而，以下在图4和图5的帮助下描述这种接合的实施方式。通过盘体115和 盖体122促进了绕簧110接合到大腿连接件102。图4示出盖体122、盘体115和绕簧110 的其他视图。绕簧110的第一端部112被连接到盖体122。绕簧110被缠绕在盘体115周 围。盘体115继而通过穿过孔113的四个紧固件（未显示）被固定到盖体122。定位螺钉 142继而被用于保证绕簧110不会相对于盘体115旋转。盖体122通过穿过一组孔130和 131 (分别地显示在图3和4中）的紧固件（未显示）被接合到大腿连接件102。这种方法 将绕簧110的第一端部112固定到大腿连接件102。此外，外骨骼100包括被接合到小腿连 接件104的柱体114。柱体114大致位于绕簧110内部，它的主轴线大致平行于绕簧110的 主轴线。外骨骼100进一步包括至少一个电子致动器116,其能够定位绕簧110的第二端部 118。当被组装时，第二端部118延伸穿过致动器166的杆133中的孔132,并且被保持在其 中。虽然在此实施方式中致动器116允许杆133沿着箭头135和136直线运动，但是应该 理解的是，可以使用多种致动器来控制绕簧110的第二端部118的位置。外骨骼100进一 步包括能够控制电子致动器116的控制器120。在操作中，控制器120致使电子致动器116 定位绕簧110的第二端部118,以在柱体114的圆柱形表面126和绕簧110的内表面134之 间提供任意压力。该压力造成柱体114和绕簧110之间的阻力矩。因此，可以通过控制绕 簧110的第二端部118来控制大腿连接件102和小腿连接件104之间的阻力矩。随着第二 端部118在致动器116的帮助下沿着箭头136移动，大腿连接件102和小腿连接件104之 间的阻力矩增加。随着第二端部118在致动器116的帮助下沿着箭头135移动，大腿连接 件102和小腿连按件104之间的阻力矩减小。
[0040] 图1至图5示出外骨骼100的实施方式，其中通过使用两个摩擦表面之间的摩擦 力来产生可控阻力矩。如图3中最佳所