專利名稱：用于運動受控制的足單元的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的優(yōu)選實施例涉及具有運動(或動作)受控制的肢體特別是踝運動受控制的足的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
世界上成百萬的個人依靠假肢和/或矯正裝置以彌補諸如截肢或衰弱的殘疾并幫助受傷肢體的康復(fù)。矯正裝置包括用于支撐、校直、預(yù)防、保護、矯正人體的畸形或提高人體的可運動部分的功能的外部裝置。假體裝置包括用作用于諸如臂或腿的人體缺失部分的人工替代物的裝置。
因為個體的平均年齡增加，因為諸如糖尿病的衰弱疾病的盛行，殘疾人和截肢人的數(shù)量每一年都在增加。結(jié)果，對假體和矯正裝置的需要也在增加。傳統(tǒng)的矯正法經(jīng)常用于支撐個體的諸如踝或膝蓋的關(guān)節(jié)，且矯正的運動通常僅以使用者的能量消耗為基礎(chǔ)。一些傳統(tǒng)的假體配備有基本的控制器，所述控制器在與截肢者沒有任何相互作用的情況下人工地移動關(guān)節(jié)，并僅能夠產(chǎn)生基本的動作。這樣的基本控制器沒有考慮工作環(huán)境的動力條件。這些傳統(tǒng)的假體裝置和矯正裝置的消極的特性典型地導(dǎo)致運動的不穩(wěn)定、對于殘疾人或截肢者而言消耗很高的能量、步態(tài)偏移和其他短期或長期的不利效果。對于腿部矯正和腿部假肢這尤其確切。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個實施例包括假體或矯正系統(tǒng)，所述假體或矯正系統(tǒng)是自供動力的、且模擬健康肢體的自然運動特別是健康踝的運動。本發(fā)明的另一實施例包括傳感器系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，所述傳感器系統(tǒng)和控制系統(tǒng)管理假體或矯正系統(tǒng)的運動，以便于殘疾人或截肢者的運動。
本發(fā)明的一個實施例包括與肢體相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)。在一個實施例中，所述系統(tǒng)包括足單元；連接元件，所述連接元件具有上端和下端，其中所述下端可樞轉(zhuǎn)地連接到足單元上的第一位置；致動器，所述致動器可操作地聯(lián)接到足單元上和連接元件上，其中所述致動器構(gòu)造為活動地(或自主地，積極地)調(diào)整連接元件與足單元之間的角度。例如足單元可以是假體或矯正裝置。
本發(fā)明的另一實施例包括用于模擬踝的自然運動的假體系統(tǒng)。在一個實施例中，所述假體系統(tǒng)包括假足；樞軸組件，所述樞軸組件連接到假足上的第一位置，其中所述第一位置在假足的自然踝位置附近；在脛骨方向上延伸的下肢元件，所述下肢元件具有上端和下端，其中下肢元件的下端可操作地聯(lián)接到樞軸組件上；和致動器，所述致動器可操作地聯(lián)接到假足上和下肢元件上，其中所述致動器構(gòu)造為繞樞軸組件活動地調(diào)整下肢元件與假足之間的角度。
本發(fā)明的一個實施例包括用于控制與肢體的運動相關(guān)聯(lián)的裝置的方法。在一個實施例中，所述方法包括使用至少一個傳感器監(jiān)視與肢體相關(guān)聯(lián)的可致動裝置的運動；產(chǎn)生指示(或表示)所述運動的數(shù)據(jù)；使用處理模塊處理所述數(shù)據(jù)以確定可致動裝置的移動(行進，運動)的當(dāng)前狀態(tài)；以及基于確定的移動狀態(tài)調(diào)整可致動裝置，其中所述調(diào)整包括大體上模擬健康踝的運動。例如，可致動假體踝裝置可以是假體或矯正器。
本發(fā)明的另一實施例包括用于控制假體踝裝置的方法。在一個實施例中，所述方法包括使用至少一個傳感器監(jiān)視可致動假體踝裝置的運動，其中所述至少一個傳感器產(chǎn)生指示(或表示)假體踝裝置運動的數(shù)據(jù)；使用控制模塊接收和處理所述數(shù)據(jù)以確定可致動假體踝裝置的移動的當(dāng)前狀態(tài)；使用控制模塊輸出基于所述確定的移動狀態(tài)的至少一個控制信號；以及至少基于所述控制信號調(diào)整可致動假體踝裝置，其中所述調(diào)整包括大體上模擬健康踝的運動。
在一個實施例中，提出了具有踝運動受控制的足的假體或矯正系統(tǒng)。所述假體或矯正系統(tǒng)包括尤其是下肢元件、致動器和足單元。所述致動器構(gòu)造為通過調(diào)整下肢元件與足單元之間的角度模擬踝的動作。所述假體或矯正系統(tǒng)也包括連接部分，所述連接部分便于將下肢元件聯(lián)接到另一個假體或矯正元件上、聯(lián)接到截肢者的殘肢上、或聯(lián)接到另一元件上。所述假體或矯正系統(tǒng)也可以包括可充電電池以向致動器或系統(tǒng)的其它元件供給電力。本發(fā)明的實施例包括用于小腿和大腿的截肢者的系統(tǒng)。
在本發(fā)明另一實施例中，所述假體或矯正系統(tǒng)包括傳感器系統(tǒng)，所述傳感器系統(tǒng)用于獲取關(guān)于假體或矯正裝置的位置和運動的信息。此信息可以被實時處理從而為假體或矯正裝置預(yù)測適當(dāng)?shù)倪\動并從而相應(yīng)地調(diào)整假體或矯正裝置。
在本發(fā)明的一個實施例中，提出了具有傳感器模塊、中央處理器單元、存儲器、外部接口、控制驅(qū)動模塊、致動器、和踝裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。所述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通過外部接口可以接收來自外部來源的例如使用者或電子裝置的指令和/或數(shù)據(jù)。
在一個實施例中，可以設(shè)置控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)管理矯正器或假體的運動。在一個實施例中，控制系統(tǒng)管理例如螺桿電動機的致動器的運動。這種動作控制提供使用者的上到上傾表面、下下傾表面或在樓梯上的運動。在一個實施例中，所述控制系統(tǒng)可以構(gòu)造為通過傳感器監(jiān)視健康肢體的運動并使用此測量值控制假體或矯正器的運動。所述控制系統(tǒng)也管理致動器的阻尼或矯正器或假體的其它部分。
在一個實施例中，提供了一種用于控制假體或矯正裝置的致動的方法。所述方法包括在可致動的假體或矯正裝置上設(shè)置一個或多個傳感器。從傳感器接收的數(shù)據(jù)被處理且用于確定假體裝置的移動的當(dāng)前狀態(tài)。處理單元使用從傳感器接收的數(shù)據(jù)的至少一部分，然后預(yù)測假體或矯正裝置的運動。在一個實施例中，提出了模擬健康踝的運動的假踝。所述一個或更多個傳感器可以包括例如回轉(zhuǎn)器和/或加速計。在本發(fā)明另一實施例中，除非使用者的移動類型被處理單元確定高于預(yù)定閾值的安全系數(shù)，否則不對可致動的假體或矯正裝置作出調(diào)整。
在另一實施例中，提出了用于識別假體或矯正裝置的動作的方法。所述方法包括在裝置移動的同時從放置在假體或矯正裝置上的一個或更多個傳感器接收數(shù)據(jù)。由傳感器接收的數(shù)據(jù)產(chǎn)生波形。通過將所述波形與已知的用于特定動作類型的波形相關(guān)聯(lián)，用于假體或矯正裝置的特定動作被識別。例如，已知的波形可以由使用者輸入或從外部裝置或系統(tǒng)下載。所述波形也可存儲在在假體或矯正裝置上的存儲器內(nèi)。
在另一實施例中，提出了一種用于致動踝幫助裝置的方法。通過提供計算機控制器，所述裝置被致動以提供裝置的第一部分和第二部分之間的相對動作。在一個實施例中，所述裝置是矯正器。在另一實施例中，所述裝置是假體。在一個實施例中，所述計算機控制器預(yù)測裝置的將來動作。在另一實施例中，所述計算機控制器從至少一個傳感器模塊接收輸入信號，所述至少一個傳感器模塊接收關(guān)于環(huán)境變量和/或假體或矯正裝置的運動或位置的信息。在另一實施例中，所述計算機控制器從至少一個傳感器模塊接收輸入信號，所述至少一個傳感器模塊接收關(guān)于健康肢體的運動和位置的信息。
為總結(jié)本發(fā)明，本發(fā)明的一些方面、優(yōu)點和新穎性特征已經(jīng)在此描述。要理解不是必然地所有的這樣的優(yōu)點可以根據(jù)本發(fā)明的任何特定的實施例被實現(xiàn)。從而，本發(fā)明能夠以實現(xiàn)或最優(yōu)化在此教導(dǎo)的一個優(yōu)點或一組優(yōu)點的方式體現(xiàn)或?qū)嵤?，而不必實現(xiàn)在此教導(dǎo)或建議的其它優(yōu)點。


圖1是具有根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的具有踝動作受控制的足單元的下肢假體的透視圖；圖2是圖1的下肢假體的透視圖，其中蓋子被移除以顯示假體的內(nèi)部元件；圖3是圖2的假體的側(cè)視圖；圖4是圖2的假體的后視圖；圖5是圖1的下肢假體的側(cè)視圖，顯示的蓋子部分移除的，其中踝動作受控制的足被調(diào)整以適應(yīng)上傾。
圖6是圖5的下肢假體的側(cè)視圖，其中踝動作受控制的足被調(diào)整以適應(yīng)下傾。
圖7是表示在假體的足單元的示范性實施例上的踝樞軸點與人足的自然踝關(guān)節(jié)之間的相關(guān)性的圖解圖；圖8是描述在水平表面上的一個完整步幅期間假體系統(tǒng)或矯正系統(tǒng)的示范性實施例的踝動作的范圍的圖表。
圖9是具有踝動作受控制的足的假體或矯正系統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的示范性實施例的框圖；
圖10是圖示可用于調(diào)整根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的假體或矯正系統(tǒng)的踝的角度的控制信號的表格；和圖11是描述在假體或矯正系統(tǒng)的控制與對應(yīng)的完好的肢體的動作之間的關(guān)系的示范性實施例的圖表。
具體實施例方式
在此描述的本發(fā)明的一些優(yōu)選的實施例一般與假體和矯正系統(tǒng)有關(guān)，特別地與具有踝動作(或運動)受控制的足的假體和矯正裝置有關(guān)。在描述闡述多種特定實施例的細(xì)節(jié)時，應(yīng)該理解所述描述只是說明性的且不應(yīng)該以任何方式解釋為限制本發(fā)明。而且，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員易于想到的本發(fā)明的各種應(yīng)用和對其的修改，也都被在此描述的上位概念所包含。
現(xiàn)在將參照在上面概括的附圖描述本系統(tǒng)和發(fā)明的特征。在全部附圖中，標(biāo)號被再次使用以表示元件之間的一致(同樣的標(biāo)號表示同樣的元件)。附圖、相關(guān)的描述和特定的實施被用來說明本發(fā)明的實施例而不是限制本發(fā)明的保護范圍。
使用在此的術(shù)語“假體的”和“假體”是寬泛(或上位)的術(shù)語且在它們的一般意義上使用，并且，沒有限制地，術(shù)語“假體的”和“假體”指任何可用于支撐、校直、預(yù)防、保護、矯正人體的畸形、固定或提高人體的諸如關(guān)節(jié)和/或四肢的部分的功能的系統(tǒng)、裝置或裝置。
在此使用的術(shù)語“踝裝置”是寬泛的術(shù)語且在其一般意義上使用，并涉及任何假體、矯正或踝幫助(或輔助)裝置。
在此使用的術(shù)語“橫過脛骨的(transtibial，小腿)”是寬泛的術(shù)語且在其一般意義上使用，并沒有限制地涉及位于包括人造膝關(guān)節(jié)在內(nèi)的人體膝關(guān)節(jié)處或其下面的任何平面、方向、位置或橫截面。
在此使用的術(shù)語“橫過股骨的(transfemoral，大腿)”是概括的術(shù)語且在其一般意義上使用，并沒有限制地涉及位于包括人造膝關(guān)節(jié)在內(nèi)的人體膝關(guān)節(jié)處或其上面的任何平面、方向、位置或橫截面。
在此使用的術(shù)語“矢狀的”是寬泛的術(shù)語且在其一般意義上使用，且涉及與平面有關(guān)或位于平面內(nèi)或在平面內(nèi)或靠近平面的任何描述、位置或方向，所述平面是人體的正中面(即將人體縱向分成左右半邊的平面)或與正中面大體上平行的任何平面?！笆笭蠲妗币部梢灾溉魏卧谇懊娲怪庇谕ㄟ^人體的后面平面，所述后面平面平行于或大體上平行于正中面，且將人體分成相等的或不等的右邊部分和左邊部分。
在此使用的術(shù)語“冠的”是寬泛的術(shù)語且在其一般意義上使用，且涉及與平面有關(guān)或位于平面內(nèi)或在平面內(nèi)或靠近平面的任何描述、位置或方向，所述平面穿過人體的縱向軸線?！肮跔蠲妗币部梢灾肛Q直穿過或大體上豎直穿過人體的、并且與正中面垂直或大體垂直的任何平面，且所述平面將人體分為前部和后部。
圖1圖示了下肢假體100的一個實施例，所述下肢假體100具有踝動作(或運動)受控制的足，所述足具有聯(lián)接元件。假體100包括下肢元件102形式的聯(lián)接元件，所述下肢元件102可操作地聯(lián)接到足單元104上。如在此使用的，術(shù)語“聯(lián)接元件”是寬泛的術(shù)語且在其一般意義上使用，并且在假體足實施例中沒有限制地涉及直接或間接連接到足單元104上的、并以例如樞轉(zhuǎn)的方式相對于足單元104可移動的任何元件，所述聯(lián)接元件用于將假體100連接到殘肢或中間假體上。如圖解地，在踝假體實施例中聯(lián)接元件可以采取下肢元件的形式。在其它實施例中，例如矯正實施例中，聯(lián)接元件例如使用支架可以用來連接到身體部分上并支撐身體部分，所述聯(lián)接元件也可移動地連接到例如足單元的第二元件上，所述足單元也會連接到例如足的身體部分上并支撐該身體部分。在一個實施例中，下肢元件102通常是具有主縱向軸線的細(xì)長元件，所述縱向軸線在大體上脛骨的方向，即通常沿著自然脛骨骨頭的軸線延伸的方向，上延伸。例如，圖1描述下肢元件102為大體上豎直的方向。
在另一實施例中，下肢元件102可以包括多個部分。例如，下肢元件102可以包括兩個細(xì)長部分，所述兩個細(xì)長部分在脛骨方向上大體平行地延伸并且連接在一起。在另一實施例中，下肢元件102包括具有兩側(cè)的腔室，所述腔室具有兩個大體上對稱的部分以形成局部封閉的殼體。在另一實施例中，下肢元件102可以包括例如管狀結(jié)構(gòu)的中空元件。在其它實施例中，下肢元件102可以包括細(xì)長的扁平部分或圓形部分。在其它實施例中，下肢元件102的結(jié)構(gòu)不是細(xì)長的。例如，下肢元件102可以包括大體上圓形、圓柱形、半圓形、圓頂形，橢圓形或矩形結(jié)構(gòu)。下肢元件可能的一個示例是踝組件，2003年12月18日申請的、名稱為“PROSTHETIC FOOT WITHROCKER MEMBER(具有搖桿元件的假足)”的美國專利申請No.10/742455中描述了其結(jié)構(gòu)，所述專利的整體在此通過參考并入并被認(rèn)為是此說明書的一部分。
在一個實施例中，下肢元件102通常由例如鋁的加工金屬或碳纖維材料形成。在本發(fā)明的另一實施例中，下肢元件102可以包括適于假體裝置的其它材料。在一個實施例中，下肢元件102有利地具有在約12至15厘米之間的高度。在本發(fā)明的其它實施例中，基于使用者的尺寸和/或假體100的預(yù)期使用，下肢元件102可以具有小于12厘米或高于15厘米的高度。例如，下肢元件102可以具有大約20厘米的高度。
在一個實施例中，假體100構(gòu)造為當(dāng)假體100在靜止位置時，下肢元件102的主縱向軸線與足單元104的下表面大體垂直。在另一實施例中，當(dāng)足單元104停留在地面上時，下肢元件102可以與水平地面大體垂直。這樣的結(jié)構(gòu)有利地給使用者提供了改進的支撐和/或穩(wěn)定性。
如圖1中所示，下肢元件102還包括蓋子106。所述蓋子106容納和/或保護下肢元件102的內(nèi)部元件。在另一實施例中，蓋子106可以是圓形的或可以是自然人的腿的形狀。
下肢元件102還包括聯(lián)接部分108以方便下肢元件102的聯(lián)接。例如，如圖1中所示，下肢元件102的聯(lián)接部分108將假體100聯(lián)接到暫用假肢110上。在本發(fā)明的其它實施例中，聯(lián)接部分108可以構(gòu)造為將假體100聯(lián)接到截肢者的殘肢上或另外的假體裝置上。圖1也示出了控制線112，所述控制線112可用于提供電力到假體100上和/或傳送控制信號到假體100上。
足單元104可以包括多種類型的假足或矯正足。如圖1中所圖示的，足單元104裝有2003年8月15日申請的、名稱為“LOW PROFILE PROSTHETIC FOOT(不引人注目的假足)”的、本申請人的同時待審美國專利申請No.10/642125中描述的設(shè)計，所述專利申請的整體因此通過參考并入并被認(rèn)為是此說明書的一部分。例如，足單元可以包括可以從ssur可得到的、標(biāo)準(zhǔn)的LP VARI-FLEX。
在一個實施例中，足單元104構(gòu)造為對在足單元104上的重力或沖擊水平作出成比例的反應(yīng)。另外，足單元104可以包括阻尼器(振動吸收器)，所述阻尼器用于舒適地裝載腳后跟和/或用于回復(fù)消耗的能量。足單元104可以包括具有增強的靈活性的全長的足尖桿，從而提供用于模擬健康肢體步長的假肢的步長。另外，如圖1中所示，足單元104可以包括分開的足尖構(gòu)造，這便于在不平的地形上的行走。足單元104也可以包括美化物或諸如從ssur可得到的標(biāo)準(zhǔn)的Flex-Foot蓋子的足蓋。
圖2示出了蓋子106移除時的假體100。如圖所示，下肢元件102的下端在樞軸組件114處聯(lián)接到足單元104上。如圖所示，下肢元件102聯(lián)接到足單元104的踝板上，所述踝板從足單元104的足尖部分大體上向后向上延伸。樞軸組件114允許足單元104的相對于下肢元件102的角運動。例如，在一個實施例中，樞軸組件114有利地包括至少一個樞銷。在其它實施例中，樞軸組件114包括鉸鏈、多軸結(jié)構(gòu)、多中心結(jié)構(gòu)、以上的組合等。優(yōu)選地，樞軸組件114位于足單元104的、靠近足單元104的自然踝位置的部分上。在本發(fā)明的其它實施例中，樞軸組件114可以是用螺栓固定的或可釋放地連接到足單元104上。
圖2還示出了具有致動器116的假體100。在一個實施例中，致動器116有利地為假體100提供必要的能量以執(zhí)行與截肢者的行動同步的角位移。例如，致動器116可以使足單元104與自然人足相似地移動。在一個實施例中，致動器116的下端在第一聯(lián)接點118處聯(lián)接到足單元104。如圖所示，足聯(lián)接點118有利地位于足單元104的、在其后面部分上的上表面上。致動器116的上端在第二聯(lián)接點120處聯(lián)接到下肢元件102。
在一個實施例中，致動器116的線性移動(或延伸與收縮)控制或活動地(或自主地，活動地)調(diào)整下肢元件102與足單元104之間的角度。圖2示出了包括雙頭螺紋電動機的致動器116，其中電動機相對于下肢元件102推或拉足單元104的后部。在其它的實施例中，致動器116包括能夠活動地調(diào)整多個元件之間的角度或規(guī)定多個元件之間的動作的其它機構(gòu)。例如，致動器116可以包括單螺紋電動機、活塞氣缸式結(jié)構(gòu)、伺服電動機、步進電動機、回轉(zhuǎn)電動機、彈簧、流體致動器等。然而在其它的實施例中，致動器116可以僅在一個方向上調(diào)整下肢元件102與足單元104之間的角度。在這樣的實施例中，使用者的重量也可以用在由和/或致動器116的運動引起的角度的控制中。
圖2示出了在后部構(gòu)造中的致動器116，其中致動器116位于下肢元件102的后面。在其它實施例中，致動器116可以被使用在前面結(jié)構(gòu)中，其中致動器116位于下肢元件102的前面。在本發(fā)明另一實施例中，致動器116包括自動調(diào)整踝結(jié)構(gòu)且裝有例如在美國專利No.5957981中描述的設(shè)計，所述專利的整體因此通過引用并入并被認(rèn)為是此說明書的一部分。可以選擇特定的構(gòu)造或結(jié)構(gòu)以最接近地模仿自然人踝關(guān)節(jié)的運動和位置，并便于假體100插入到外部的美化物內(nèi)。
而且，致動器116有利地構(gòu)造為運行不發(fā)出大的、被使用者和/或其他人察覺的、例如間歇噪音的噪音。致動器116也可以構(gòu)造為在假體100經(jīng)受例如在矢狀面內(nèi)的、超過某一水平的扭矩的情況下不運行或調(diào)整。例如，如果扭矩水平超過四個牛頓米(N.m)，致動器116可以停止運行或發(fā)出警報。
致動器116也可以如圖1中所示大體上被包圍在蓋子106內(nèi)，從而致動器116的部分看不見和/或沒有暴露到環(huán)境中。在另一實施例中，致動器116可以被下肢元件102至少部分地包圍。
圖2進一步描述了控制電路122和/或致動器116，所述控制電路122能夠用于控制致動器116的操作。在一個實施例中，控制電路122包括至少一個印刷電路板(PCB)。所述PCB可以進一步包括微處理器。軟件也可以置于PCB上以便執(zhí)行信號處理和/或控制假體100的運動。
在一個實施例中，假體100包括向控制電路122和/或足單元116供電的電池(沒有示出)。在一個實施例中，所述電池包括可充電的鋰離子電池，所述鋰離子電池優(yōu)選地具有至少12至16小時的動力循環(huán)(動力沖程)。然而在其它實施例中，電池的動力循環(huán)可以小于12小時或大于16小時。在本發(fā)明的其它實施例中，電池包括鋰聚合物電池、燃料電池技術(shù)、或其它形式的能夠向假體100供給電力的電池或技術(shù)。然而在其它實施例中，電池可移除地連接到下肢元件102的后表面上、假體100的其它部分上或電池位于離假體100較遠的地方。在進一步的實施例中，假體100例如通過墻壁適配器或汽車適配器可以連接到外部電源上以給電池充電。
在一個實施例中，當(dāng)電池沒有電或進入低動力階段時，假體100構(gòu)造為鎖定在中性(或中間)位置，例如當(dāng)足單元104停留在水平地面表面上時、下肢元件102調(diào)整成相對于水平地面基本垂直。這種鎖定為使用者提供了運行上的安全、可靠、和/或穩(wěn)定。假體100也提供電池狀態(tài)顯示屏，所述顯示屏給使用者警告電池的狀態(tài)(即電荷)。在另一實施例中，當(dāng)假體100的動作控制功能被使用者關(guān)閉或禁止時，假體100鎖定到大體上的中性位置內(nèi)。
如上所述，美化材料或其它裝飾可以被假體100使用從而給假體100更加自然的外表或形狀。另外，美化物、裝飾、或其它填充材料可以用于防止例如灰塵或水的致污物接觸假體100的元件。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的假體的側(cè)視圖。如圖3所示，致動器116還包括主殼體124、下可延伸部分126和上可延伸部分128。下可延伸部分126在第一連接點118處將致動器116的主殼體124聯(lián)接到足單元104上。上可延伸部分128在第二聯(lián)接點120處將致動器116的主殼體124聯(lián)接到下肢元件102上。在運行和積極調(diào)整假體100期間，下可延伸部分126和/或上可延伸部分128移動到致動器116的主殼體124內(nèi)或從主殼體124中移動出來、以調(diào)整下肢元件102與足單元104之間的角度。
例如，為增加下肢元件102與足單元104之間的角度，致動器116使下可延伸部分126和/或上可延伸部分128收縮或縮回到主殼體124內(nèi)。例如，可延伸部分126、128中的至少一個可以具有螺紋表面從而一個方向(例如順時針方向)上的旋轉(zhuǎn)使可延伸部分縮回到致動器的主殼體124內(nèi)。在其它實施例中，可延伸部分126、128中的至少一個包括多個伸縮件，從而在縮回時，在不縮進主殼體124內(nèi)的情況下，可延伸部分的多個伸縮件中的一個收縮到多個伸縮件中的另一個內(nèi)。同樣，為減小下肢元件102與足單元104之間的角度，下可延伸部分126和/或上可延伸部分128可以從主殼體124延伸出。
在本發(fā)明的、具有用于致動器116的前面構(gòu)造的實施例中，下可延伸部分126和/或上可延伸部分128的延伸使下肢元件102與足單元104之間的角度增加。同樣，下可延伸部分126和/或上可延伸部分128的收縮使下肢元件102與足單元104之間的角度降低。
圖4示出了圖1-3所示的假體100的后視圖。在本發(fā)明的其它實施例中，蓋子106繞假體100的后部延伸以容納致動器116的至少一部分從而部分致動器116不可見和/或沒有暴露到環(huán)境中。
圖5和6圖示了當(dāng)假體100調(diào)整以向上傾斜和向下傾斜時假體100的一個實施例。參照圖5，示出了調(diào)整到上傾時的假體100。在此實施例中，致動器116延伸從而減小下肢元件102與足單元104之間的角度θ(或背屈)。關(guān)于背屈，在一個實施例中，假體100運動的角范圍是從中性位置起的約0至10度。在擺動期間，其它實施例也可以便于過度增大的背屈。
圖6圖示了假體100調(diào)整到向下傾斜表面時的假體100。致動器116收縮從而增加下肢元件102與足單元104之間的角度θ(或足底屈)。關(guān)于足底屈，在一個實施例中，假體100動作的角范圍是從中性位置起的約0至20度。這樣的足底屈模擬了自然踝運動并向截肢者或使用者提供了更大的穩(wěn)定性。在一個實施例中，繞假體100的踝樞軸動作的總范圍，既包括足底屈也包括背屈，是大約30度或更多。
除了在向上傾斜表面和向下傾斜表面上運行，假體100的動作受控制的足有利地適應(yīng)不同的地形、在上下樓梯時運行，并且便于水平地面行走。另外，假體100可以提供角后跟高度自動可調(diào)整能力。在一個實施例中，當(dāng)足單元104基本平伸到地面上時，腳后跟從下肢元件102的踝部到地面的高度可以被測量。例如，諸如通過按下一個或多個按鈕，使用者可以調(diào)整到不同的腳后跟高度，從而假體100自動地調(diào)整其到適當(dāng)?shù)哪_后跟高度。在一個實施例中，假體100包括多個預(yù)定的腳后跟高度。然而在其它實施例中，不需要使用者輸入的情況下，假體100可以自動地調(diào)整腳后跟的高度。
圖5和6還圖示了連接部分108的一個實施例。連接部分108提供截肢者的自然肢體與假體100之間的對準(zhǔn)，且可以構(gòu)造為降低壓力峰值和剪切力。例如，連接部分108可以構(gòu)造為連接到另一個假體上、截肢者的殘肢上、或另外的元件上。在一個實施例中，連接部分108包括接插件(套接接頭)。接插件可以構(gòu)造為容納32mm的螺紋元件、陽棱錐聯(lián)接器或其它元件。在其它實施例中，連接元件108也可以包括構(gòu)造為容納陰棱錐適配器。
如圖5和6中所示，樞軸組件114定位成模仿正常人的踝軸。圖7還圖示了表示在假足單元204上的踝樞轉(zhuǎn)點與足的自然人的踝關(guān)節(jié)之間的相關(guān)性的圖解圖。特別地，假足單元204包括對應(yīng)于人足242的踝關(guān)節(jié)240的樞軸組件214。例如，在本發(fā)明的一個實施例中，樞軸組件114位于假體100的機械踝旋轉(zhuǎn)中心附近。
圖8圖示了描述在水平表面上的一個完整步幅(步測，或大步)期間假體100的實施例的踝動作的可能范圍的圖表。如圖所示，圖表的x軸表示在使用者的一個完整步幅期間(即0至100％)的不同的點。y軸表示假體100的踝角(θ)。在一個完整步幅期間，踝角(θ)從大約20度的足底屈(即中性位置角+20度)變化到大約10度的背屈(即中性位置角-20度)。
在上述實施例中，當(dāng)調(diào)整動作的角范圍時沒有設(shè)置阻尼。在本發(fā)明的另一實施例中，假體100構(gòu)造為設(shè)置阻尼或消極的、柔和的阻力以改變下肢元件102與足單元104之間的角度。用于控制這種阻尼的示例披露在美國專利No.6443993中，所述美國專利因此通過引用在此并入并被認(rèn)為是此說明書的一部分。
例如，當(dāng)使用者在站立位置時，致動器116可以提供增加的阻力或阻尼從而給使用者提供穩(wěn)定性。在本發(fā)明的一個實施例中，假體100的阻尼可以由液壓阻尼器提供。在本發(fā)明的其它實施例中，在本技術(shù)領(lǐng)域中已知的其他元件或裝置也可以用來位假體100提供阻尼(或減震)。另外，在本發(fā)明的一個實施例中，例如通過電子控制系統(tǒng)，阻尼器可以動態(tài)地控制，所述電子控制系統(tǒng)在下面將更詳細(xì)地討論。在其它的實施例中，阻尼器可以通過機械的和/或流體式的結(jié)構(gòu)控制。
也可以認(rèn)識到盡管上面的描述已經(jīng)通常指向假體系統(tǒng)和裝置，但是所述描述也可以應(yīng)用到具有矯正系統(tǒng)或裝置的本發(fā)明的實施例中。例如，在本發(fā)明的一個實施例中，矯正系統(tǒng)可以包括積極控制矯正的角度的至少一個致動器，所述矯正用于受傷或衰弱的踝。另外，在矯正系統(tǒng)的電子控制之外，矯正系統(tǒng)可以提供使用者的受傷的踝或腿的控制或自然運動。
另外，上述系統(tǒng)可以在小腿或膝蓋以下的系統(tǒng)以外的假體系統(tǒng)或矯正系統(tǒng)中實施。例如，在本發(fā)明的一個實施例中，假體系統(tǒng)或矯正系統(tǒng)可以使用在大腿或膝蓋以上的系統(tǒng)中，例如2004年5月7日申請的、名稱為“MAGNETORTHEOLOGICALLY ACTUATED PROSTHETIC KNEE”的美國臨時專利申請No.60/569512，以及2004年11月3日申請的、名稱為“MAGNETORTHEOLOGICALLY ACTUATED PROSTHETIC KNEE”的美國臨時專利申請No.60/624986中所披露的系統(tǒng)，所述專利申請中的每一個因此通過引用在此整體并入并被認(rèn)為是此說明書的一部分。例如，假體或矯正系統(tǒng)可以既包括假體或矯正踝，也/或包括假體或矯正膝蓋。
圖9圖示了用于踝動作受控制的足的控制系統(tǒng)300的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一個實施例的方框圖。在本發(fā)明的一個實施例中，在圖1-6中示出的下肢假體100可使用控制系統(tǒng)300。在本發(fā)明的其它實施例中，具有踝動作受控制的足或其它動作受控制的肢體的矯正系統(tǒng)或康復(fù)系統(tǒng)可使用控制系統(tǒng)300。在一個實施例中，控制系統(tǒng)300以分散處理(分布式處理)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，其中由假體或矯正系統(tǒng)執(zhí)行的例如傳感、數(shù)據(jù)處理和致動的不同的功能，由彼此通信的多個處理器執(zhí)行或控制。參照圖9，控制系統(tǒng)300包括傳感器模塊302、踝裝置304(諸如圖1中所描述的假體100)、中央處理器單元(“CPU”)305、存儲器306、控制驅(qū)動模塊310、致動器316和電源模塊318。
在一個實施例中，圖9中所示的控制系統(tǒng)300用CPU305處理接收自傳感模塊302的數(shù)據(jù)。CPU305與控制驅(qū)動模塊310通信以控制致動器316的運行從而通過踝裝置304模擬自然踝運動。而且，控制系統(tǒng)300可以預(yù)測踝裝置304怎樣可以需要被調(diào)整以便適合使用者的運動。通過接口模塊308，CPU305也可以接收來自使用者和/或其它裝置的命令。電源模塊318向控制系統(tǒng)300的其它元件提供電力。這些模塊中的每一個在下面將更詳細(xì)地描述。
在一個實施例中，傳感器模塊302用于測量與踝裝置304有關(guān)的在整個步態(tài)循環(huán)中的變量，例如踝裝置304的位置和/或運動。在這樣的實施例中，傳感器模塊302有利地位移踝裝置304上。例如，傳感器模塊302可以位于踝裝置304的、如圖2中描述的假體100的樞軸組件114的機械踝旋轉(zhuǎn)中心附近。在另一實施例中，傳感器模塊302可以位于使用者的自然肢體上，所述自然肢體連接到踝裝置304上或與踝裝置304相關(guān)聯(lián)。在這種實施例中，傳感器用于獲取與在使用者的踝裝置側(cè)上的自然肢體的運動有關(guān)的信息以調(diào)整踝裝置304。
在一個實施例中，傳感器模塊302有利地包括印刷電路板殼體、例如加速計的多個傳感器，所述加速計每一個測量踝裝置304在不同軸線上的加速度。例如傳感器模塊302可以包括三個加速計，所述三個加速計測量踝裝置304的在三個大體上彼此垂直的軸線上的加速度。適合用于傳感器模塊302的傳感器例如從Dynastream Innovations，Inc.(Alberta，Canada)可以獲得。
在其它實施例中，傳感器模塊302可以包括一種或更多種其它類型的傳感器，所述其它類型的傳感器與加速計結(jié)合或代替加速計。例如，傳感器模塊302可以包括構(gòu)造為測量例如身體部分和/或踝裝置304的角速度的回轉(zhuǎn)器。在其它實施例中，傳感器模塊302包括腳底壓力傳感器，所述腳底壓力傳感器構(gòu)造為測量例如特定足下區(qū)域的豎直足底壓力。在另一實施例中，傳感器模塊302可以包括構(gòu)造為可以從使用者的自然肢體獲取數(shù)據(jù)的、一個或多個下面的裝置運動傳感器、單軸回轉(zhuǎn)器、單軸或多軸加速計、負(fù)載傳感器、撓曲傳感器或肌電傳感器。美國專利No.5955667、美國專利No.6301964和美國專利No.6513381也說明了可以被本發(fā)明的實施例使用的傳感器的示例，所述這些美國專利通過引用在此整體并入并被認(rèn)為是此說明書的一部分。
而且，傳感器模塊302可以用來獲取例如與下面中的一個或多個相關(guān)的信息踝裝置304相對于地面的位置；踝裝置304的傾斜角度；重力相對于踝裝置304的位置的方向；與使用者的步幅有關(guān)的信息，例如當(dāng)踝裝置304接觸地面(例如“腳后跟著地”)，在中步幅中，或離開地面(例如“足尖離開”)時，假體100在邁步期峰值處的離地面的距離；邁步期峰值的定時等。
在其它實施例中，傳感器模塊302構(gòu)造為檢測步態(tài)模式和/或結(jié)果。例如，傳感器模塊302可以確定使用者是否在站立/停止位置、在水平地面上行走、在上和/或下樓梯或傾斜表面等。在其它實施例中，傳感器模塊302構(gòu)造為檢測或測量踝裝置304的腳后跟高度和/或確定靜態(tài)的脛骨角度以便檢測使用者何時處于坐姿。
如圖9中所示，在本發(fā)明的一個實施例中，傳感器模塊302還構(gòu)造為測量包括以下一項或多項環(huán)境的或地形的變量地面的特性、地面的角度、空氣溫度和風(fēng)阻。在一個實施例中，被測量的溫度可以用于校準(zhǔn)步態(tài)和/或其它傳感器的偏差。
在其它實施例中，傳感器模塊302獲取關(guān)于例如健康腿的使用者的自然肢體的運動和/或位置的信息。在這種實施例中，優(yōu)選地，當(dāng)在向上傾斜表面上或向下傾斜表面上運行時，使用者的第一步可以用健康的腿邁出。這允許在調(diào)整踝裝置304之前取自健康腿的自然運動的測量。在本發(fā)明的一個實施例中，控制系統(tǒng)300檢測使用者的步態(tài)(步法)并在踝裝置304處于第一步邁步期時因此調(diào)整踝裝置304。在本發(fā)明的其它實施例中，可以存在延遲期，在所述延遲期內(nèi)，在能夠準(zhǔn)確地確定使用者的步態(tài)以及能夠適當(dāng)?shù)卣{(diào)整踝裝置304之前，控制系統(tǒng)300需要一個或兩個步幅。
在本發(fā)明的一個實施例中，傳感器模塊302具有默認(rèn)的100赫茲(Hz)的采樣率。在其它實施例中，采樣率可以高于或低于100Hz或者可以被使用者調(diào)整，或者通過軟件或參數(shù)設(shè)定自動調(diào)整。另外，傳感器模塊302可以提供數(shù)據(jù)類型之間的同步或包括時間戳記。為了允許踝裝置304的精細(xì)調(diào)整，傳感器也可以構(gòu)造為具有大約0.5度的角分辨率。
在一個實施例中，當(dāng)不需要傳感時，諸如當(dāng)使用者處于坐著的位置或向后靠的位置放松時，傳感器模塊302構(gòu)造為掉電到“睡眠”模式。在這種實施例中，當(dāng)傳感器模塊302運動時或當(dāng)使用者輸入時，傳感器模塊302可以從睡眠狀態(tài)被喚醒。在一個實施例中，當(dāng)在“激活”模式下時，傳感器模塊302消耗大約30毫安(mA)，當(dāng)在“睡眠”模式下時，消耗大約0.1mA。
圖9圖示了與CPU305通信的傳感器模塊302。在一個實施例中，傳感器模塊302有利地向CPU305和/或控制系統(tǒng)300的其它元件提供測量數(shù)據(jù)。在一個實施例中，傳感器模塊302聯(lián)接到諸如Bluetooth變送器的變送器上，所述變送器將測量值傳輸?shù)紺PU305。在其它實施例中，可以使用諸如紅外線、WiFi，或射頻(RF)技術(shù)的其它類型的變送器或無線技術(shù)。在其它實施例中，有線技術(shù)可以用來與CPU305通信。
在一個實施例中，傳感器模塊302向CPU305發(fā)送數(shù)據(jù)串，所述數(shù)據(jù)串包括多種類型的信息。例如，所述數(shù)據(jù)串可以包括160位且包括下面的信息[TS；AccX；AccY；AccZ；GyroX，GyroY，GyroZ，DegX，DegY，F(xiàn)S，M]；其中TS＝時間戳；AccX＝足沿X軸的線性加速度；AccY＝足沿Y軸的線性加速度；AccZ＝足沿Z軸的線性加速度；GyroX＝足沿X軸的角加速度；GyroY＝足沿Y軸的角加速度；GyroZ＝足沿Z軸的角加速度；DegX＝足在冠狀面內(nèi)的傾斜角；DegY＝足在矢狀面內(nèi)的傾斜角；FS＝踝裝置304內(nèi)的開關(guān)的邏輯狀態(tài)；以及M＝傳感器的方位。在本發(fā)明其它的實施例中，可以使用包括更多或更少信息的其它長度的數(shù)據(jù)串。
CPU305有利地處理接收自控制系統(tǒng)300的其它元件的數(shù)據(jù)。在本發(fā)明的一個實施例中，CPU305處理與使用者的步態(tài)有關(guān)的信息，例如接收自傳感器模塊302的信息；確定移動類型(即步態(tài)模式)；和/或向控制驅(qū)動模塊310發(fā)送命令。例如，由傳感器模塊302獲取的數(shù)據(jù)可以用于產(chǎn)生波形，所述波形描述與使用者的步態(tài)或移動相關(guān)的信息。波形的隨后變化可以被CPU305識別以預(yù)測使用者將來的移動、并相應(yīng)地調(diào)整踝裝置304。在本發(fā)明的一個實施例中，CPU305可以檢測從低至每分鐘20步到高至每分鐘125步的步態(tài)模式。在本發(fā)明的其它實施例中，CPU305可以檢測低于每分鐘20步或高于每分鐘125步的步態(tài)模式。
在本發(fā)明的一個實施例中，CPU305根據(jù)下表(表1)處理與狀態(tài)變換相關(guān)的數(shù)據(jù)。特別地，表1顯示了控制系統(tǒng)300用到的可能的狀態(tài)變換。表1的第一列列出了踝裝置304的可能的初始狀態(tài)，且第一行列出了踝裝置304的可能的第二狀態(tài)。表1的主體識別由CPU305在從第一狀態(tài)變換到第二狀態(tài)期間、在控制或活動地調(diào)整致動器316和踝裝置304中使用的數(shù)據(jù)的來源；其中“N”表示沒有額外的數(shù)據(jù)需要用于狀態(tài)變換；“L”表示CPU305在狀態(tài)變換期間使用變換邏輯以確定對踝裝置304的調(diào)整；以及“T”表示CPU從接口(例如接口模塊308，外部用戶界面，電子接口等)接收數(shù)據(jù)。本發(fā)明的實施例可以使用的變換邏輯可以由相關(guān)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員開發(fā)出來。使用在本發(fā)明的實施例的相似系統(tǒng)和方法中的變換邏輯的示例在2004年5月19日申請的、名稱為“用于假膝的控制系統(tǒng)和方法”的美國臨時專利申請No.60/572996中披露出來，且所述美國臨時專利因此通過引用在此整體并入并被認(rèn)為是此說明書的一部分。
表1

在一個實施例中，在表1中的上面描述的狀態(tài)是踝裝置304的預(yù)先規(guī)定的狀態(tài)。例如，“關(guān)閉”狀態(tài)可以表示踝裝置304和致動器316的功能在關(guān)閉或停止模式。“腳后跟高度校準(zhǔn)”狀態(tài)與諸如當(dāng)踝裝置304沒有動作時從靜態(tài)傳感器角度測量腳后跟高度有關(guān)?！皞鞲衅餍?zhǔn)”狀態(tài)與當(dāng)使用者走在水平表面上時的表面角校準(zhǔn)有關(guān)?！爸行浴睜顟B(tài)與當(dāng)踝裝置304被鎖定在大體上固定位置時有關(guān)?！靶凶摺睜顟B(tài)與當(dāng)使用者在例如水平表面上或傾斜表面上行走時有關(guān)?！吧蠘翘荨焙汀跋聵翘荨睜顟B(tài)與當(dāng)使用者分別上樓梯和下樓梯時有關(guān)。“放松”狀態(tài)與當(dāng)使用者在放松位置時有關(guān)。例如，在一個實施例中，“放松”狀態(tài)與當(dāng)使用者坐著且具有踝裝置304的肢體交叉放在另外的肢體上時有關(guān)。在這種實施例中，控制系統(tǒng)300可以使踝裝置304移動到最大足底屈位置以模擬例如健康足的自然位置和/或外觀?！把澴印睜顟B(tài)與當(dāng)使用者穿上襯褲、長褲、短褲等時有關(guān)。在這種狀態(tài)中，在一個實施例中，控制系統(tǒng)300可以使踝裝置304移動到最大足底屈位置以萬便通過踝裝置304穿上衣服。
在本發(fā)明的其它實施例中，踝裝置304可使用其它狀態(tài)以代替表1中確定的狀態(tài)，或者與表1中確定的狀態(tài)組合。例如，可以限定對應(yīng)于躺下、騎腳踏車、登梯子等的狀態(tài)。而且，在控制狀態(tài)變換中，CPU305和/或控制系統(tǒng)300可以處理數(shù)據(jù)或獲得數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)來自表1中所列的來源以外的來源。
在其它實施例中，CPU305可以執(zhí)行多種其它功能。例如，CPU305可以使用接收自傳感器模塊302的信息以檢測使用者的絆倒。CPU305可以用作控制系統(tǒng)300的元件之間的通信的管理者。例如，CPU305可以作為用于控制系統(tǒng)300的多個元件之間的通信總線的主要裝置。如圖所示，在一個實施例中，CPU305與電源模塊318通信。例如，CPU305可以向控制系統(tǒng)300的其它元件提供配電和/或能量變換，且也可以監(jiān)視電池能量或電池壽命。另外，當(dāng)使用者處于坐姿或站姿時，CPU305可以作用為臨時停止或降低到控制系統(tǒng)300的電能。這種控制在減少使用的時間段期間，提供能量節(jié)約。例如當(dāng)元件之間的通信失敗時，從傳感器模塊302接收未被承認(rèn)的信號或波形時，或者當(dāng)從控制驅(qū)動模塊310或踝裝置304的反饋引起差錯或出現(xiàn)錯誤時，CPU305也進行錯誤處理。
在本發(fā)明的其它實施例中，當(dāng)分析來自傳感器模塊302的信息和/或?qū)⒚畎l(fā)送到控制驅(qū)動模塊310時，CPU305使用或計算安全系數(shù)。例如，安全系數(shù)可以包括一個范圍內(nèi)的值，其中較高的值表示與使用者的確定的移動類型相關(guān)聯(lián)的較高確定性，而較低的值表示與使用者的確定的移動類型相關(guān)聯(lián)的較低確定性。在本發(fā)明的一個實施例中，除非使用者的移動類型以高于預(yù)定閾值的安全系數(shù)被識別，則不對踝裝置304作出調(diào)整。
在一個實施例中，CPU305包括下述模塊，所述模塊包括包含在硬件或固件內(nèi)的邏輯，或者包括以諸如C++的編程語言編寫的軟件指令的集合。軟件模塊可以編譯和連接成安裝在動態(tài)連接程序庫內(nèi)的可執(zhí)行的程序，或可以例如BASIC的編譯語言編寫。將可理解軟件模塊可以從其它模塊或從它們自身被調(diào)用，和/或可以響應(yīng)于檢測到的結(jié)果(事件)或中斷被調(diào)用。軟件指令可以植入例如EPROM或EEPROM的固件內(nèi)。將可進一步理解硬件模塊可以由例如門和觸發(fā)器的被連接的邏輯單元構(gòu)成，和/或可以由例如可編程門陣列或可編程處理器的可編程單元構(gòu)成。
圖9還示出了包括用于存儲指令和/或數(shù)據(jù)的存儲器306的CPU305。例如，存儲器306可以存儲下面類型的數(shù)據(jù)或指令中的一個或更多個用于控制系統(tǒng)300的其它元件的出錯記錄；有關(guān)步態(tài)模式或曲線的信息；有關(guān)使用者的過去行動的信息(例如步數(shù))；控制參數(shù)和設(shè)定點；有關(guān)軟件排出故障或升級的信息；用于假體或矯正系統(tǒng)的基本運動的預(yù)編程算法；與傳感器模塊302或其它元件相關(guān)的校準(zhǔn)值和參數(shù)；從外部裝置下載的指令；上述數(shù)據(jù)或指令的組合等。
存儲器306可以包括任何緩沖器、計算裝置、或能夠存儲計算機指令和/或用于由另一計算裝置或計算機處理器存取的數(shù)據(jù)。在一個實施例中，存儲器306為是CPU305的一部分的高速緩沖存儲器。在本發(fā)明的其它實施例中，存儲器306與CPU305是分離的。在本發(fā)明的其它實施例中，存儲器306包括隨機存取存儲器(RAM)或可以包括其它諸如只讀存儲器(ROM)、可編程ROM(PROM)和電可擦除ROM(EEPROM)的集成可存取存儲裝置。在另一實施例中，存儲器306包括諸如存儲卡、可去除驅(qū)動器等的可去除(移動)存儲器。
在一個實施例中，CPU305也可以構(gòu)造為通過接口模塊308從使用者或從外部裝置接收用戶或活動特定指示。CPU305也可以與個人計算機、個人數(shù)字助手等通信從而下載或接收操作指令。特定活動指令可以包括例如與騎腳踏車、駕駛、上梯子或下梯子、在雪中或沙子中行走的調(diào)整等有關(guān)的數(shù)據(jù)。
在一個實施例中，接口模塊308包括使用者訪問的接口從而控制或管理假體或矯正系統(tǒng)的部分或功能。在一個實施例中，接口模塊308是具有多個按鈕和/或多個發(fā)光二極管(LEDs)的柔性小鍵盤，所述小鍵盤可用來從使用者接收信息和/或?qū)⑿畔魉偷绞褂谜?。例如，LEDs可以表示電池的狀態(tài)或可以將確認(rèn)信號傳送到使用者。接口模塊308可以包括USB連接器，所述USB連接器可用于通信到例如個人計算機的外部計算裝置。
在另一實施例中，接口模塊308包括開/關(guān)開關(guān)。在另一實施例中，接口模塊308可以接收輸入，所述輸入與用戶控制的腳后跟高度或假體或矯正系統(tǒng)的強迫放松模式有關(guān)。在其它實施例中，使用者可以調(diào)整假體預(yù)期的反應(yīng)類型或啟動/禁止踝裝置304的特定功能。來自使用者的輸入可以通過接口模塊308例如通過啟動按鈕直接輸入，或使用者輸入可以通過遙控器接收。
接口模塊308可以包括觸摸屏、按鈕、開關(guān)、振動器、警報器、或其它輸入接收或輸出結(jié)構(gòu)或裝置，所述結(jié)構(gòu)或裝置允許使用者將指令送到控制系統(tǒng)300或從控制系統(tǒng)300接收信息。在本發(fā)明另一實施例中，接口模塊308包括例如插頭的附加結(jié)構(gòu)，所述附加結(jié)構(gòu)用于例如在家里或在汽車上給向控制系統(tǒng)300供電的電池充電。在本發(fā)明的其它實施例中，接口模塊308也可以與控制系統(tǒng)300的除了CPU305之外的元件直接或間接通信。
控制驅(qū)動模塊310用于將從CPU305接收的、高電平計劃或指令轉(zhuǎn)化為將被送到致動器316的低電平控制信號。在一個實施例中，控制驅(qū)動模塊310包括印刷電路板，所述印刷電路板執(zhí)行涉及致動器316的管理的算法和任務(wù)。另外，控制驅(qū)動模塊310可以用來執(zhí)行硬件提取層(hardwareabstraction layer)，所述硬件提取層將CPU305的判定過程轉(zhuǎn)換成致動器316的硬件定義(hardware definition)。在本發(fā)明的另一實施例中，控制驅(qū)動模塊310可以用來向CPU305提供關(guān)于致動器316或踝裝置304的位置或運動的反饋。當(dāng)CPU305檢測到使用者行走在傾斜表面上時，控制驅(qū)動模塊310也可以用來調(diào)整致動器316到新的“中性(或中間)”設(shè)定值。
在本發(fā)明的一個實施例中，控制驅(qū)動模塊310位于踝裝置304內(nèi)。在其它實施例中，控制驅(qū)動模塊310可以位于踝裝置304的外面，例如在穴孔上，或者遠離踝裝置304。
致動器316提供踝裝置304的受控制運動。在一個實施例中，致動器316與參照圖1-6描述的致動器116相似地發(fā)揮作用，參照圖1-6描述的致動器116控制假體100的踝運動。在本發(fā)明的其它實施例中，致動器316可以構(gòu)造為控制矯正裝置的動作，例如支架或其它類型的支撐結(jié)構(gòu)。
踝裝置304包括用來模擬關(guān)節(jié)例如踝的動作的、且至少部分地由致動器316控制的任何結(jié)構(gòu)裝置。特別地，踝裝置304可以包括假體裝置或矯正裝置。
電源模塊318包括一個或多個可向控制系統(tǒng)300供給電力的電源和/或連接器。在一個實施例中，電源模塊318有利地是便攜式的，且可以包括例如如前所述的充電電池。如圖9中所圖示的，電源模塊318與控制驅(qū)動模塊310與CPU305通信。在其它實施例中，電源模塊318與代替驅(qū)動模塊310與CPU305的其它控制系統(tǒng)300元件通信，或者電源模塊318與控制驅(qū)動模塊310與CPU305與其它控制系統(tǒng)300元件的組合通信。例如，在一個實施例中，電源模塊318直接與傳感器模塊302通信。而且，電源模塊318可以與接口模塊308通信從而使用者能夠直接控制供給到控制系統(tǒng)300的一個或更多個元件上的電力。
控制系統(tǒng)300的元件可以通過不同的通信線路彼此通信。圖9描述了兩種類型的線路在元件之間描繪為實線的第一通信線路，和描繪為虛線的第二通信線路。在一個實施例中，第一通信線路根據(jù)建立的協(xié)議運行。例如，第一通信線路可以在控制系統(tǒng)300的物理元件之間敷設(shè)。另一方面，第二通信線路可以以與第一通信線路不同的協(xié)議或等級運行。例如，如果沖突存在于第一通信線路與第二通信線路之間，來自第一通信線路的數(shù)據(jù)將超越來自第二通信線路的數(shù)據(jù)(即來自第一通信線路的數(shù)據(jù)將占先)。第二通信線路在圖9中顯示為控制系統(tǒng)300與外界的信道。在本發(fā)明的其它實施例中，通過其它類型的通信線路或方法，所述模塊可以彼此通信和/或與外界通信。例如，所有的通信線路可以相同的協(xié)議或在同樣的級別等級運行。
也可以設(shè)想控制系統(tǒng)300的元件可以集成為不同的形式。例如，所述元件能夠被分成幾個子元件或者能夠被分成更多的裝置，所述裝置處于不同的位置且例如通過有線網(wǎng)或無線網(wǎng)彼此通信。例如，在一個實施例中，所述模塊可以通過RS232或.串行外圍接口(SPI)通道通信。多個元件也可以組合成單個元件。也可以設(shè)想在此描述的元件可以集成為更少數(shù)量的模塊。一個模塊也可以分成多個模塊。
盡管參照特定實施例被披露，控制系統(tǒng)300也可以包括比前述更多或更少的元件。例如，控制系統(tǒng)300可以還包括可以用來控制或調(diào)整致動器316的位置的致動器電位計。使用者也可以使用致動器電位計調(diào)整踝裝置304的腳后跟高度。在一個實施例中，致動器電位計與CPU305通信。在其它實施例中，控制系統(tǒng)300可以包括振動器、DC插座、保險絲、以及它們的組合等。
在以下的美國專利申請中披露了相似的示例或其它控制系統(tǒng)和其它有關(guān)的結(jié)構(gòu)和方法在2003年6月17日申請的、名稱為“ACTUATED LEGPROSTHESIS FOR ABOVE-KNEE AMPUTEES(用于膝蓋以上截肢者的驅(qū)動的假腿)”、現(xiàn)在以公開號No.2004/0111163公布的美國專利申請No.10/463495；在2003年6月20日申請的、名稱為“CONTROL SYSTEM AND METHOD FORCONTROLLING AN ACTUATED PROSTHESIS(用于控制驅(qū)動的假體的控制系統(tǒng)和方法)”、現(xiàn)在以公開號No.2004/0049290公布的美國專利申請No.為10/600725；在2003年7月25日申請的、名稱為“POSITIONING OF LOWEREXTREMITIES(下肢人工本體感受器的定位)”的、現(xiàn)在以公開號No.2004/0088057公布的美國專利申請No.10/627503；在2003年11月25日申請的、名稱為“用于截肢者的驅(qū)動假體”的、現(xiàn)在以公開號No.2004/0181289公布的美國專利申請No.10/721764，上述每一個美國專利申請通過引用在此整體并入并被認(rèn)為是此說明書的一部分。例外，可以使用在本發(fā)明的實施例中的其它類型的控制系統(tǒng)被披露在2004年3月10日申請的、名稱為“CONTROL SYSTEM FOR PROSTHETIC KNEE(用于假膝的控制系統(tǒng))”的美國臨時專利申請No.60/551717；在2004年5月7日申請的、名稱為“CONTROL SYSTEM FOR PROSTHETIC KNEE(用于假膝的控制系統(tǒng)和方法)”的美國臨時專利申請No.60/569511；以及在2004年5月19日申請的、名稱為“CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR PROSTHETIC KNEE(用于假膝的控制系統(tǒng)和方法)”的美國臨時專利申請No.60/572996，所述美國臨時專利申請通過引用在此整體并入并被認(rèn)為是此說明書的部分。
圖10是描述可能的控制信號的表，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，當(dāng)使用者在不同的狀態(tài)、或移動類型之間變換時，所述控制信號可以涉及調(diào)整假體或矯正裝置的踝角度。特別地，列在402列中的狀態(tài)確定了使用者的第一狀態(tài)，而列在404排中的狀態(tài)確認(rèn)了使用者的第二狀態(tài)或使用者正在變換到的狀態(tài)。表中剩下部分確認(rèn)了假體或矯正裝置相對于踝角度可以采取的可能的行動。“使用者設(shè)定點”是在鞋根高度調(diào)整期間可以設(shè)定的中性或默認(rèn)值。詳細(xì)說明的角度是改變假體或矯正裝置的踝角度的示例。例如，當(dāng)使用者從“站立姿態(tài)”的狀態(tài)變換成“上樓梯”狀態(tài)時，踝角度可以調(diào)整到樓梯的角度，諸如-10度(或10度背屈)。在“上傾”和“下傾”欄中給定的踝角度反映了根據(jù)斜面的角度調(diào)整踝角度的閾級。
下表(表2)說明了用于本發(fā)明的一個實施例的可能的踝動作策略。表2的第一欄列出了可以經(jīng)常被檢測的不同類型的移動類型或步態(tài)模式。表2的第二欄確定了在確定的移動類型中的每一個的邁步期期間，假體或矯正裝置的踝角度調(diào)整的示例。
表2

圖11描述了說明假腿或矯正腿的控制與從健康完好的腿取得的測量值之間的相互作用和關(guān)系。特別地，圖11描述了在使用者的一個完整步幅期間假腿或矯正腿和健康腿的運動。例如，在步幅的大約第一60％期間，圖表顯示假腿或矯正腿為“站姿”位置或例如站在地面的表面上。在一個實施例中，在站姿階段開始部分期間，假腿或矯正腿的踝角度可以減小(背屈)。朝著站姿階段的末尾，假腿或矯正腿的踝角度然后可以增加(足底屈)以便于自然的大步行走運動。在本發(fā)明的其它實施例中，假腿或矯正腿的踝角度在站姿期間沒有活動地調(diào)整。在此同樣時期的一部分期間，直到大約40％的點，健康腿可以在邁步(或擺動)位置，其中健康腿沒有與地面接觸。在大約40％點與60％點之間，兩條腿都與地面接觸。
從大約60％點至100％點(步幅的結(jié)束)，假腿或矯正腿在邁步位置，且健康腿與地面接觸。圖11中的圖表顯示在此邁步(或擺動)期間假腿或矯正腿的踝角度被調(diào)整。此角調(diào)整可以基于在健康腿的邁步階段期間的健康腿的預(yù)先測量值。在一個實施例中，假腿或矯正腿的邁步階段的開始部分期間，假腿或矯正腿的踝角度可以減小。這允許例如假腿或矯正腿的足尖部分越過樓梯。朝著假腿或矯正腿的邁步階段的后部，假腿或矯正腿的踝角度然后可以在接觸地面之前增加。在其它實施例中，角調(diào)整基于在假體側(cè)的傳感器采得的讀數(shù)。
將會理解圖11說明了在特定條件下本發(fā)明的一個實施例的功能。其它實施例或情形可以要求更長或更短的站姿或邁步階段，并要求對假腿的踝部分的角度的其它調(diào)整。
盡管本發(fā)明的某些實施例已經(jīng)被描述，但是這些實施例僅通過示例呈現(xiàn)，且這些實施例不用于限制本發(fā)明的保護范圍。實際上，在此描述的新穎的方法和系統(tǒng)可以其它多種形式體現(xiàn)。例如，前述可以應(yīng)用于除了踝以外的關(guān)節(jié)的動作控制，例如膝蓋或肩膀。而且，在不偏離本發(fā)明的精神的情況下，可以對在此描述的方法和系統(tǒng)的形式做出多種省略、替換、改變。所附的權(quán)利要求和其等同物用于覆蓋落入本發(fā)明的保護范圍和精神之內(nèi)的這種形式或修改。
權(quán)利要求
1.一種與肢體的運動相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括足單元；連接元件，所述連接元件具有上端和下端，其中所述下端可樞轉(zhuǎn)地連接到在足單元上的第一位置；致動器，所述致動器可操作地聯(lián)接到足單元上和連接元件上，其中所述致動器構(gòu)造為活動地調(diào)整連接元件與足單元之間的角度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述致動器包括線性致動器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述線性致動器包括螺桿電動機。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述致動器包括回轉(zhuǎn)致動器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括至少一個傳感器，所述傳感器構(gòu)造為監(jiān)視所述系統(tǒng)的運動。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述至少一個傳感器包括加速計。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述至少一個傳感器包括回轉(zhuǎn)器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括電源，所述電源構(gòu)造為為所述致動器的運動提供電力。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括連接部分，其中所述連接部分構(gòu)造為便于將所述連接元件聯(lián)接到截肢者的殘肢上。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括連接部分，其中所述連接部分構(gòu)造為便于將所述連接元件聯(lián)接到暫用假肢上。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述足單元包括矯正器。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述足單元包括假體。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述足單元上的第一位置定位在足單元的自然踝位置。
14.一種假體系統(tǒng)，所述假體系統(tǒng)用于模擬踝的自然運動，所述假體系統(tǒng)包括假足；樞軸組件，所述樞軸組件連接到假足上的第一位置，其中所述第一位置在假足的自然踝位置附近；在脛骨方向上延伸的下肢元件，所述下肢元件具有上端和下端，其中下肢元件的下端可操作地聯(lián)接到樞軸組件上；致動器，所述致動器可操作地聯(lián)接到假足上和下肢元件上，其中所述致動器構(gòu)造為繞樞軸組件活動地調(diào)整下肢元件與假足之間的角度。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的假體系統(tǒng)，其中所述致動器包括線性致動器。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的假體系統(tǒng)，其中所述致動器相對于所述細(xì)長肢體元件位于后面的位置。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的假體系統(tǒng)，其中所述致動器相對于所述下肢元件位于前面的位置。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的假體系統(tǒng)，還包括至少一個傳感器，所述傳感器構(gòu)造為測量所述假體系統(tǒng)的動態(tài)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的假體系統(tǒng)，其中所述至少一個傳感器包括加速計。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的假體系統(tǒng)，還包括充電電池，所述充電電池構(gòu)造為向所述致動器供給電力。
21.根據(jù)權(quán)利要求14所述的假體系統(tǒng)，其中所述致動器構(gòu)造為將所述下肢元件與所述假足之間的角度調(diào)整到大于在中性位置的角度至少10度。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的假體系統(tǒng)，其中所述致動器構(gòu)造為將所述下肢元件與所述假足之間的角度調(diào)整到小于在中性位置的角度至少20度。
23.根據(jù)權(quán)利要求14所述的假體系統(tǒng)，其中所述致動器包括第一端和第二端，其中所述致動器的第一端聯(lián)接到所述假足上的第二位置，且其中所述致動器的第二端聯(lián)接到所述下肢元件。
24.一種用于控制與肢體的運動相關(guān)聯(lián)的裝置的方法，所述方法包括使用至少一個傳感器監(jiān)視與肢體相關(guān)聯(lián)的可致動裝置的運動；產(chǎn)生指示所述運動的數(shù)據(jù)；使用處理模塊處理數(shù)據(jù)以確定可致動裝置的移動的當(dāng)前狀態(tài)；以及基于確定的移動狀態(tài)調(diào)整可致動裝置，其中所述調(diào)整包括大體上模擬健康踝的運動。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述可致動裝置包括矯正裝置。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述可致動裝置包括假體裝置。
27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，還包括確定安全系數(shù)，其中只有當(dāng)所述安全系數(shù)超出預(yù)先確定的閾值，調(diào)整所述可致動裝置在發(fā)生。
28.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，還包括當(dāng)電池電力水平下降到預(yù)先確定的閾值以下時，將所述可致動裝置大體上鎖定在固定位置。
29.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述至少一個傳感器位于所述可致動裝置上。
30.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中調(diào)整所述可致動裝置包括延伸和縮回致動器。
31.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，還包括調(diào)整所述可致動裝置的腳后跟高度。
32.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述至少一個傳感器位于肢體上。
33.一種用于控制假體踝裝置的方法，所述方法包括使用至少一個傳感器監(jiān)視可致動假體踝裝置的運動，其中所述至少一個傳感器產(chǎn)生指示假體踝裝置運動的數(shù)據(jù)；使用控制模塊接收和處理所述數(shù)據(jù)以確定可致動假體踝裝置的移動的當(dāng)前狀態(tài)；使用控制模塊基于確定的移動狀態(tài)輸出至少一個控制信號；以及至少基于所述控制信號調(diào)整可致動假體踝裝置，其中所述調(diào)整包括大體上模擬健康踝的運動。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，還包括接收和處理指示至少一個地形變量的數(shù)據(jù)。
35.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中大體上模擬健康踝的運動包括將可致動假體踝裝置從大約10度的背屈移動到大約20度的足底屈。
36.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中所述至少一個傳感器定位在所述假體踝裝置上。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的方法，其中所述至少一個傳感器包括至少一個加速計。
38.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中監(jiān)視可致動假體踝裝置的運動包括監(jiān)視可致動假體踝裝置在三個不同軸線上的運動。
39.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，還包括提供阻尼以抵消可致動假體踝裝置的不期望的運動。
40.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，還包括當(dāng)與可致動假體踝裝置相關(guān)聯(lián)的電源降到特定電力閾值水平以下時，將可致動假體踝裝置鎖定在固定角度。
41.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，還包括從使用者接收指示腳后跟高度調(diào)整的第二信號。
42.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中調(diào)整可致動假體踝裝置包括使可致動假體踝裝置繞樞轉(zhuǎn)點旋轉(zhuǎn)。
43.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中所述至少一個地形變量包括指示地面的坡度的數(shù)據(jù)。
全文摘要
與肢體的運動相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)和方法。在一個示例中，所述系統(tǒng)，例如假體或矯正系統(tǒng)，包括活動地控制或調(diào)整足單元與下肢元件之間的角度的致動器?；趶膫鞲衅髂K獲得的數(shù)據(jù)，處理模塊可以控制致動器的運動。例如，傳感器模塊數(shù)據(jù)可以包括與使用者的步態(tài)有關(guān)的信息、并可以用來將足單元調(diào)整到大體上模擬自然健康的足的運動。所述系統(tǒng)還可以適應(yīng)例如水平地面行走、上/下樓、上/下傾斜表面以及多種其它的使用者的運動。另外，通過外部接口，處理模塊可以接收使用者的輸入信息或顯示輸出信號。例如，處理模塊可以接收來自使用者的腳后跟高度輸入信息。
文檔編號A61F2/50GK1929797SQ200580008119
公開日2007年3月14日 申請日期2005年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月12日
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