專利名稱：控制下肢矯形或假體關(guān)節(jié)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用阻力裝置控制下肢矯形或假體關(guān)節(jié)的方法，給所述阻力裝置配置至少一個執(zhí)行器，根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)通過所述執(zhí)行器改變屈曲阻力和/或者伸展阻力，在使用關(guān)節(jié)的過程中通過關(guān)節(jié)提供狀態(tài)信息。
背景技術(shù)：
用于矯形器或者假肢的膝關(guān)節(jié)具有通過關(guān)節(jié)裝置相互連接的上連接件和下連接件。通常將大腿殘端或者大腿夾板的支托布置在上連接件上，將脛骨柄或者小腿夾板布置在下連接件上。在最為簡單的情況下通過一個單軸關(guān)節(jié)將上連接件和下連接件相互連接使其可以擺動。這種裝置僅在特殊情況下保證所需的效果，要么使用矯形器保證予以輔助，或者用于假肢之中保證自然的步態(tài)。
為了盡可能自然表現(xiàn)或支持各種步態(tài)階段或者其它日?；顒悠陂g的不同要求，采用了可提供屈曲阻力和伸展阻力的阻力裝置。通過屈曲阻力調(diào)整脛骨柄或小腿夾板在受力時相對于股骨柄或大腿夾板向后擺動的輕松程度。伸展阻力可限制脛骨柄或小腿夾板向前運動，此外還形成伸展限位。例如現(xiàn)有技術(shù)DE102008008284A1公開了一種矯形膝關(guān)節(jié)，具有一個上部和一個可以擺動地布置在所述上部上的下部，將多個傳感器分配給所述膝關(guān)節(jié)，例如屈曲角傳感器、加速度傳感器、傾斜傳感器和/或者力傳感器。根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)測定伸展限位。DE102006021802A1描述了在屈曲方向利用可調(diào)阻尼控制被動假肢膝關(guān)節(jié)，從而調(diào)整具有上端連接構(gòu)件和義足連接件的假肢裝置，使之適應(yīng)爬樓動作，一旦檢測到低力矩抬起義足，就在抬起階段將屈曲阻尼降低到適合在平面中行走的水平以下?？梢愿鶕?jù)膝角變化并且根據(jù)作用于小腿的軸向力提高屈曲阻尼。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種控制人工膝關(guān)節(jié)的方法，利用該方法可根據(jù)情況調(diào)整屈曲阻力和伸展阻力。按照本發(fā)明所述采用具有本發(fā)明權(quán)利要求I所述特征的一種方法，即可解決這一目的。相關(guān)從屬權(quán)利要求所述均為本發(fā)明的有益實施方式和改進實施方式。按照本發(fā)明所述利用阻力裝置控制下肢的矯形或假肢關(guān)節(jié)的方法，給所述阻力裝置配置至少一個執(zhí)行器，通過所述執(zhí)行器根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)改變屈曲阻力和/或者伸展阻力，在膝關(guān)節(jié)的使用過程中通過傳感器提供狀態(tài)信息，按照本發(fā)明所述，至少一個裝置測定傳感器數(shù)據(jù)，所述裝置可用來檢測至少-兩個力矩，或者-一個力矩和一個力，或者-兩個力矩和一個力，或者-兩個力和一個力矩通過數(shù)學(xué)運算將至少兩個測定量的傳感器數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)，從而算出至少一個輔助變量，以該輔助變量為基礎(chǔ)控制屈曲阻力和/或者伸展阻力。例如可以將傳感器設(shè)計成膝力矩傳感器或踝力矩傳感器或者軸向負荷傳感器，這些傳感器可提供基本數(shù)據(jù)，可根據(jù)這些基本數(shù)據(jù)通過數(shù)學(xué)運算，例如加法、乘法、減法或除法，算出一個輔助變量。該輔助變量具有充分的說服力，從而可以據(jù)此算出阻力的調(diào)整量。該輔助變量能夠以快速方式提供一個特征參數(shù)，無需花費很多運算時間，可通過該特征參數(shù)算出當前待調(diào)整的阻力作為目標值，并且相應(yīng)控制執(zhí)行器，以便達到所需的阻力。采用剪切力矩、剪切力、力或者距離作為輔助變量，例如可以測定作用于無法直接通過傳感器接近的矯形器或假肢部位上的力和力矩作為輔助變量。傳感器僅可測定直接作用的力或力矩，而通過計算輔助變量則可以考慮一個用來判定阻力調(diào)整且不必直接檢測的變量。這樣就能有更多方法來判斷何時應(yīng)在關(guān)節(jié)或假肢的何種運動狀態(tài)下或者在哪一個位置中調(diào)整哪一個阻力。原則上可以同時確定多個輔助變量并且可將其用于進行控制。例如可以將傳感器布置在脛骨柄或小腿夾板上以及關(guān)節(jié)區(qū)域之中。輔助變量可以表達虛擬傳感器形式的物理量，此外因為可根據(jù)力矩、力和人工關(guān)節(jié)的幾何尺寸將其算出，因此可以測定某個力、力與基準點或基準高度之間的距離、某個基準高度中的剪切力矩或者剪切力作為輔助變量。可以測定某個力矢量與基準高度中某個軸線之間的距離、某個基 準高度中的剪切力矩或者剪切力作為輔助變量。例如將力矩除以軸向力，即可算出地面反作用力矢量的距離。例如可采用至少一個用于檢測力矩的裝置(例如力矩傳感器)來檢測膝力矩，從而可在例如膝高度、也就是在膝關(guān)節(jié)軸線高度測定地面反作用力矢量的距離作為輔助變量。也可以測定與某個縱軸線之間的距離，例如可以測定與某個縱軸線上某個基準點之間的距離，所述縱軸線連接用來檢測力矩的裝置。例如在膝關(guān)節(jié)也就是在小腿部分上可以使用某個力矢量與下連接件縱軸線之間的距離。可通過用來檢測兩個力矩和一個力的至少一個裝置的數(shù)據(jù)關(guān)系，測定某個基準位置中力矢量與關(guān)節(jié)連接件軸線之間的距離作為輔助變量。原則上也可以使用其它基準高度，方法是將用來檢測一個力矩的裝置安裝在基準高度的等高處，或者將不在基準高度上的兩個力矩加權(quán)相加，算出某個基準高度上的力矩?？梢酝ㄟ^基準高度中的某個分量測定剪切力矩或者剪切力作為輔助變量。在計算單元中、例如在微處理器中對利用虛擬傳感器也就是通過多個傳感器值的數(shù)學(xué)關(guān)系檢測的輔助變量進行計算。尤其可以將以下變量作為用來控制人工膝關(guān)節(jié)的輔助變量地面反作用力與膝關(guān)節(jié)軸線之間的距離，或者地面反作用力圍繞膝軸線的力矩，腳部高度的地面反作用力的距離，或者地面反作用力圍繞小腿軸線在腳部高度尤其在地面高度產(chǎn)生的力矩。另一種用來計算輔助變量的可能性在于，通過用來檢測一個力矩和一個軸向力傳感器的兩個裝置的數(shù)據(jù)關(guān)系，測定某個基準位置中力矢量與小腿軸線之間的距離。如果所討論的是力矩傳感器，那么這種表述也包括用來檢測一個力矩的裝置，這些裝置由多個組件構(gòu)成，并且不一定要將其布置在該力矩的作用位置上。也可以將踝力矩傳感器和膝力矩傳感器的值加權(quán)相加或相減，測定某個基準高度中的剪切力矩，然后該剪切力矩就是據(jù)以用來相應(yīng)地調(diào)整控制的輔助變量。此外還可以根據(jù)兩個力矩(例如膝力矩和踝力矩)之差與力矩傳感器的距離的商數(shù)，確定施加在某個下連接件(例如腳部)上的橫向力作為輔助變量。然后根據(jù)測定的輔助變量或者多個輔助變量，計算并且調(diào)整相應(yīng)的阻力值。在超過輔助變量的最大值之后，可以利用輔助變量連續(xù)降低阻力，以便能夠在斜坡或者樓梯上更加容易擺動關(guān)節(jié)。當達到或者超過輔助變量的預(yù)定值時，則可以將阻力裝置切換到擺動相，從而可以相對于站立相改變屈曲阻尼和伸展阻尼的基本設(shè)置。為此適宜使用剪切力矩或者腳部高度的地面反作用力矢量的距離?？刹捎脗鞲衅鱽頊y定矯形器或假肢的膝角、膝角速度、大腿夾板位置或者股骨柄位置、小腿位置或者脛骨柄位置、這些位置的變化和/或者加速度，并且也可以除了使用輔助變量之外也可以使用傳感器的數(shù)據(jù)來控制阻力或多個阻力。為了盡可能順利調(diào)整阻力使之適應(yīng)于狀態(tài)條件，不僅要實時檢測數(shù)據(jù)，而且也要計算輔助變量并且調(diào)整阻力。適宜利用輔助變量和/或者傳感器數(shù)據(jù)連續(xù)改變阻力，以便平緩調(diào)整控制變化，使得矯形器或者假肢使用者不會面對矯形器或假肢特性的突然變化。此外提出，還可以在發(fā)現(xiàn)卸荷時，也就是當作用于矯形器或假肢的地面反作用力 減小時，例如在抬腿時減小屈曲阻力，并且可在負荷逐漸增大時提高屈曲阻力。就這種潛在而且始終可執(zhí)行的站立功能而言，當自然運動形式出現(xiàn)時，阻力可能會導(dǎo)致關(guān)節(jié)鎖止。適宜連續(xù)提高和減小阻力，實現(xiàn)平緩的過渡，從而近似于自然的運動，并且使得假肢或矯形器佩戴者有一種可靠的感覺。當輔助變量變化時，例如可以根據(jù)假肢或矯形器的空間位置變化，取消或減小站立期間激活的鎖定或阻力增大作用。原則上可根據(jù)負荷從站立相過渡到擺動相，同樣也可以通過逐漸調(diào)整阻力的方式從調(diào)整站立相的阻力過渡到調(diào)整擺動相的阻力，并且如有需要，也就是當存在相應(yīng)的輔助變量數(shù)據(jù)時，通?？梢灾饾u重新返回到站立相。這樣特別有利于在斜坡上實現(xiàn)擺動相，方法是使用小腿中的橫向力作為輔助變量。按照本發(fā)明的另一觀點，根據(jù)測定的溫度改變阻力。這樣就能防止阻力裝置或者矯形或假肢關(guān)節(jié)的其它組件過度發(fā)熱。發(fā)熱可能會導(dǎo)致關(guān)節(jié)失靈，因為關(guān)節(jié)的零件將會喪失形狀或者結(jié)構(gòu)強度，或者因為電子系統(tǒng)將會在允許工作溫度范圍之外工作。這時適宜適當改變阻力，從而減小耗散能量。由于轉(zhuǎn)化能量比較少，因此阻力裝置或者人工關(guān)節(jié)的其它組件可以冷卻下來，并且在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)工作。除此之外，還可以適當調(diào)整阻力裝置，從而補償因為溫度變化而出現(xiàn)的變化。例如當液壓液的粘度因為發(fā)熱而減小時，可以適當調(diào)整阻力裝置，以便繼續(xù)提供熟悉的屈曲阻力和伸展阻力，使得假肢或矯形器佩戴者能夠繼續(xù)信賴他所熟悉的人工關(guān)節(jié)特性。在一種變型方案中提出，當溫度逐漸增大時提高站立相(例如行走過程中)的阻力。不僅可以提高伸展阻力，而且也可以提高屈曲阻力。提高阻力可迫使使用者以較慢速度行走，從而可以將較少的能量注入到關(guān)節(jié)之中。因此關(guān)節(jié)就能冷卻下來，從而可以在允許工作溫度范圍之內(nèi)工作。另一種變型方案提出，在行走期間當溫度逐漸增大時減小擺動相的屈曲阻力。當減小擺動相的屈曲阻力時，就會使得關(guān)節(jié)繼續(xù)向外擺動，假肢腳稍后向前足跟著地，因此就會重新迫使使用者以較慢速度行走，從而減少轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃康哪芰俊？梢栽谶_到或者超過溫度閾值時改變阻力?？梢栽谶_到或超過溫度閾值時驟然改變阻力，從而變換阻力值或多個阻力值。最好在達到溫度閾值之后隨溫度連續(xù)改變阻力。酒精將溫度閾值設(shè)置多高，取決于假肢或矯形器的相應(yīng)設(shè)計參數(shù)、所使用的材料以及所追求的阻力特性均勻性。此外不允許將站立相的阻力提高到產(chǎn)生安全危險的情況，例如在下樓梯時。溫度引起的阻力變化并非是阻力變化的唯一控制參數(shù)，而是可將這種溫度引起的阻力變化疊加到某個功能性阻力變化?？筛鶕?jù)情況通過多個參數(shù)控制人工關(guān)節(jié)，例如膝關(guān)節(jié)或踝關(guān)節(jié)，從而可根據(jù)溫度通過阻力變化補充功能性阻力變化，例如根據(jù)行走速度、行走情況或類似情況執(zhí)行的功能性阻力變化。此外，還可以在達到或超過溫度閾值時輸出警告信號，讓假肢或矯形器的使用者意識到關(guān)節(jié)或阻力裝置正處在危險的溫度范圍中?？梢暂敵鼍嫘盘栕鳛橛|覺、視覺或聽覺警告信號。同樣也可以組合運用各種不同的輸出方法。優(yōu)選測量阻力裝置的溫度，并且以此為基礎(chǔ)進行控制，如果其它裝置具有溫度臨界特性，也可以對其進行溫度測量。例如當某個電子控制裝置對溫度特別敏感時，建議除了監(jiān)測阻力裝置之外也要對其進行監(jiān)測，并且采用一個相應(yīng)的溫度傳感器。如果各個組件例如由于所使用的材料而對溫度敏感，建議在相應(yīng)部位上采用一個測量裝置，以便能夠獲得相應(yīng)的溫度信號?？梢栽O(shè)置一個調(diào)節(jié)裝置，通過所述調(diào)節(jié)裝置使得阻力變化的程度改變。例如可以根據(jù)測定的數(shù)據(jù)(例如矯形器或假肢使用者的重量)或者根據(jù)測定的軸向力識別必須出大幅度改變阻力。同樣可以采用一個可用來調(diào)整相應(yīng)阻力變化的手動調(diào)整裝置，從而能夠根據(jù)所設(shè)置的或者所測定的數(shù)據(jù)以較大或較小的幅度順勢改變阻力。用來執(zhí)行上述方法的裝置提出，將可調(diào)的阻力裝置布置在矯形或假肢關(guān)節(jié)的兩個相互鉸接在一起的組件之間，并且配有一個控制裝置以及檢測裝置中的狀態(tài)信息的傳感器。采用一個可用來激活和/或者取消阻力變化的調(diào)整裝置。例如這樣就能有選擇地根據(jù)溫度控制阻力變化，尤其可以有意識地激活或取消例如某個膝控制方法的模式、功能或者附加功能。本發(fā)明的一種改進實施方式提出，在擺動和/或者站立期間或者在站立期間根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)調(diào)整屈曲阻力和/或者伸展阻力。從現(xiàn)有技術(shù)可知，在到達了擺動相或者站立相的某個調(diào)整值之后保持該值，直至出現(xiàn)新的行走相；按照本發(fā)明所述，則是在站立和/或者擺動期間可變調(diào)整屈曲阻力和/或者伸展阻力。在站立或擺動期間，當狀態(tài)變化時、例如當力、加速度或者力矩增大時連續(xù)調(diào)整阻力。除了在到達賴以調(diào)整相應(yīng)阻力的開關(guān)閾值之后通過開關(guān)閾值調(diào)整屈曲阻力和伸展阻力，按照本發(fā)明所述，也可代之以例如根據(jù)特性曲線的分析結(jié)果以可變的適配方式調(diào)整阻力?？梢越㈦S膝杠桿力臂和膝角變化的屈曲阻力特性曲線，并且根據(jù)特性曲線控制阻力。為了根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)控制人工關(guān)節(jié)，可以布置一些恰好所需的傳感器，以保證檢測行走相過渡階段的安全標準。如果例如為了提高安全標準而使用超過最低限度的傳感器，那么傳感器的這種冗余就能實現(xiàn)如下控制所述控制并不利用所有布置于關(guān)節(jié)中或上的傳感器并且仍然可以遵守最低安全標準?？衫脗鞲衅鞯娜哂鄟韺崿F(xiàn)可替代的控制，所述控制在某些傳感器失效的情況下始終還能允許利用尚在工作的傳感器以擺動相實現(xiàn)行走，并且可提供最低安全標準。此外還可以測定地面反作用力矢量與某個關(guān)節(jié)部分之間的距離，然后可在超過距離閾值時、也就是當?shù)孛娣醋饔昧κ噶颗c某個關(guān)節(jié)部分之間的距離超過最小距離時減小阻、力，例如與一定高度中小腿部分縱軸線上的某個點之間的距離或者與膝關(guān)節(jié)擺動軸線之間的距離。此外如果還測定小腿部分相對于垂線逐漸增大的慣性角，則可以在站立相將屈曲阻力減小到適合于擺動相的值。小腿部分逐漸增大的慣性角表明假肢使用者正處在向前運動階段，假設(shè)小腿部分的遠端為支點?？梢詢H當慣性角的增量超過閾值時減小阻力，此外還可以在小腿部分的運動并非相對于大腿部分屈曲、也就是保持伸展或者向前運動的狀態(tài)時減小阻力，同樣也可當存在膝伸展力矩時減小阻力?？梢詢H當膝角小于5°時減小站立相的阻力，這樣就能在擺動期間以及膝屈曲時防止關(guān)節(jié)意外解鎖。如果已測定膝力矩從伸展變?yōu)榍?，那么也可在出現(xiàn)膝屈曲力矩時將阻力減小到適合于擺動相的某個值，可在膝力矩從伸展變?yōu)榍罅⒓礈p小。此外可提出，如果在減小阻力之后的某一規(guī)定時間之內(nèi)沒有達到某一關(guān)節(jié)部件的 慣性角、慣性角速度、地面反作用力、關(guān)節(jié)力矩、關(guān)節(jié)角度或者力矢量與關(guān)節(jié)部件之間的距離的閾值，則在減小阻力之后將阻力重新提高到站立相的值。換句話說，如果在變換到擺動相之后的某一設(shè)定時間之內(nèi)實際上沒有發(fā)現(xiàn)擺動相，則將關(guān)節(jié)重新調(diào)整到站立相。其根據(jù)在于腳尖離開地面之前就已觸發(fā)擺動相，以便能夠即時開始擺動相。但是如果之后并未開始擺動相，例如環(huán)轉(zhuǎn)運動時就是這個情況，則必須重新切換到站立相鎖定阻力。為此可采用一個定時器來檢查是否在規(guī)定時間之內(nèi)存在上述參量的預(yù)期值。如果檢測到關(guān)節(jié)角度增大，也就是實際上已開始擺動相，則阻力保持減小，也就是擺動相保持激活。同樣也可以在達到閾值并且激活擺動相之后，只有當超過小于第一閾值的第二閾值時才會啟動定時器。此外本發(fā)明提出，當測定朝向垂線方向減小的小腿部分慣性角以及前腳掌負荷時，提高或不減小站立相的屈曲阻力。由于耦合了朝向垂線減小的小腿部分慣性角的傳感器值并且存在前腳掌負荷，因此能夠可靠檢測到后退步態(tài)，并且不會觸發(fā)擺動相，也就是不會減小屈曲阻力，以便在后退過程中使假肢腿向后邁出并且著地時避免膝關(guān)節(jié)意外屈曲。這樣就能使得假肢腿在屈曲方向受力，不會發(fā)生屈曲，從而使得佩戴假肢或矯形器的患者不必激活單獨的鎖定裝置就能向后退步。本發(fā)明的一種改進實施方式提出，當某個關(guān)節(jié)部分的慣性角速度低于閾值時提高阻力或者至少不減小阻力，換句話說，當慣性角速度超過預(yù)定的閾值時降低屈曲阻力開始擺動相。同樣也可以通過確定某個關(guān)節(jié)部分尤其是小腿部分的慣性角和某一關(guān)節(jié)部分尤其是小腿部分的慣性角速度，測定假肢使用者或者矯形器使用者正在后退并且需要鎖定或者高度止動的膝關(guān)節(jié)防止屈曲。因此如果阻力不夠高，就會提高阻力。此外提出，還可以測定前腳掌負荷曲線，并且當前腳掌負荷在小腿部分的慣性角減小過程中減小時提高阻力或者不減小阻力。在足跟著地之后向前運動的過程中，只有當越過垂線向前擺動小腿部分時，前腳掌負荷才會增大；而當減小慣性角向后行走時，前腳掌負荷則會減小，從而當存在這兩種狀態(tài)時，也就是當慣性角減小和前腳掌負荷減小時，就能推斷出正在后退。然后據(jù)此將阻力提高到適合于后退的值。另一個特征參數(shù)是膝力矩，可以測定膝力矩并且將其作為是否提高或者減小阻力的依據(jù)。當測定某一作用于屈曲方向的膝力矩時，也就是當使得假肢腳著地并且檢測出膝關(guān)節(jié)中存在屈曲力矩時，則存在將要開始后退的情況，然后就需要禁止屈曲，也就是將阻力提高到不會出現(xiàn)屈曲的值。此外可提出，還可以確定腳上的力作用點，并且當力作用點朝向足跟方向移動時提高阻力或者不減小阻力?？梢灾苯油ㄟ^布置在小腿部分上的傳感器裝置或者根據(jù)另一個連接件(例如大腿部分)的慣性角以及同樣已測定的關(guān)節(jié)角來確定小腿部分的慣性角。由于也可以將大腿部分與小腿部分之間的關(guān)節(jié)角用于其它控制信號，因此采用多元布置傳感器并且多重利用信號的方式就能實現(xiàn)冗余，從而即使當某個傳感器有故障時，假肢或矯形器的功能可繼續(xù)保持?？梢灾苯油ㄟ^陀螺儀或者根據(jù)關(guān)節(jié)部分的慣性角信號差異，或者根據(jù)某個連接件的慣性角信號以及關(guān)節(jié)角來測定某個關(guān)節(jié)部分的慣性角變化。


以下將詳細描述本發(fā)明的實施例。相關(guān)附圖如下附圖I假肢的示意圖；附圖2計算距離的示意圖；附圖3計算剪切力矩的示意圖；附圖4根據(jù)多個傳感器值計算距離的示意圖；附圖5計算橫向力的示意圖；附圖6膝角和輔助變量值隨時間變化的曲線圖；附圖7站立相的阻力增大時的特性參數(shù)的特性；附圖8擺動相的阻力增大時的特性參數(shù)的特性；附圖9在平面中行走時的膝角變化曲線和阻力曲線；附圖10在斜面上行走時的膝角變化曲線和阻力曲線；附圖11慣性角的符號規(guī)定以及后退過程中的假肢示意圖；附圖12膝角和膝力矩的符號規(guī)定；附圖13阻力隨膝角和膝杠桿力臂變化的特性曲線；附圖14在斜面上行走時的特性參數(shù)；以及附圖15不同最大橫向力下的阻力特性。

附圖I所示為假腿的示意圖，具有一個用來容納大腿殘端的股骨柄I。股骨柄I也稱作上連接件。將一個具有阻力裝置的脛骨柄形式的下連接件2布置在上連接件I上。將假肢腳3布置在下連接件2上。通過關(guān)節(jié)4將下連接件2以可擺動的方式固定在上連接件I上。將用來測定膝力矩的力矩傳感器布置在關(guān)節(jié)4之中。在下連接件2中采用一個連接到假肢腳3的連接件5，將一個用來測定軸向力以及踝力矩的裝置安裝在假肢腳之中。也可以有角傳感器和/或者加速度傳感器。可以的是，并非所有的傳感器都存在于假腿中或者可以存在附加的傳感器。在下連接件2中除了有提供屈伸阻力的阻力裝置之外，還有一個可用來根據(jù)接收到的傳感器數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)分析結(jié)果改變相應(yīng)阻力的控制裝置。為此可使用傳感器數(shù)據(jù)來生成至少一個輔助變量，可通過兩個或更多傳感器數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)關(guān)系獲得該變量。這樣就能將多個力傳感器或力矩傳感器相互關(guān)聯(lián)，以便算出并非直接處在傳感器區(qū)域中的力、距離和/或者力矩。例如可以算出特定參考平面中的剪切力、剪切力矩或者距離，以便能夠據(jù)此判斷當前應(yīng)當執(zhí)行哪些功能才能實現(xiàn)盡可能自然的步態(tài)。自然運動過程中出現(xiàn)的控制過程稱作功能，而模式則是可通過一種隨意操作進行調(diào)整的開關(guān)狀態(tài)，例如通過操作一個單獨的開關(guān)或者有意識的、必要時有意的非自然運動序列。附圖2所示為如何計算地面反作用力矢量GRF與力矩傳感器之間的距離a作為輔助變量的示意圖。輔助變量a在本情況下同樣就是附圖13中所示并且與特性曲線控制(當然這里使用了相反的符號)相關(guān)的膝杠桿力臂。膝力矩M與軸向力Fax的商數(shù)即為距離a。膝力矩M與軸向力Fax之比越大，則在膝軸線形成的基準高度中地面反作用力GRF的距離a越大?？梢愿鶕?jù)輔助變量a改變伸展阻力和/或者屈曲阻力，因為可以根據(jù)該輔助變量a算出假肢是否處在站立相或者擺動相的哪一個階段，從而可據(jù)此調(diào)整預(yù)先設(shè)定的屈曲阻力和/或者伸展阻力?？梢酝ㄟ^輔助變量a的變化確定當前的運動變化，從而可以在運動范圍之內(nèi)，也就是在站立或擺動期間調(diào)整伸展阻力和/或者屈曲阻力。適宜根據(jù)輔助變量或 多個輔助變量的變化連續(xù)改變阻力。在附圖3中將輔助變量d確定為地面高度X中的剪切力矩Mx。在所示的示例中以腳部高度進行計算，從而可以假設(shè)參量X的值為O。根據(jù)以下公式算出在下連接件2的高度上確定的剪切力矩Mxd = Mx = Ml + ^-*{x-l\)
/2-/1式中M1是連接件5中的力矩，通常是踝力矩；力矩M2表示膝力矩；長度I1表示踝力矩傳感器與地面之間的距離；長度I2表示膝力矩傳地面之間的距離；長度X表示高于地面的基準高度，應(yīng)在該基準高度中計算剪切力矩Mx。這里可單純根據(jù)兩個力矩傳感器的測量結(jié)果和上述數(shù)學(xué)關(guān)系計算輔助變量d?？梢愿鶕?jù)剪切力矩Mx推斷下連接件2之內(nèi)的負荷，從而可以據(jù)此算出下連接件2或者連接件5之內(nèi)的負荷?？梢愿鶕?jù)剪切力矩的大小和方向識別出需要適配調(diào)整屈曲阻力和/或者伸展阻力的各種負荷情況。然后可以根據(jù)作為輔助變量d保存在控制器中的當前有效的剪切力矩Mx，實時在阻力裝置中執(zhí)行所需的調(diào)整，以便調(diào)整相應(yīng)的阻力。附圖4所示為如何計算地面反作用力GRF與某一軸線之間的距離形式的另一個輔助變量b，這種情況下就是用來檢測力矩的兩個裝置的連線在基準高度中與軸向力矢量Fax之間的距離。可根據(jù)以下公式計算輔助變量b
1,1 A/2 — Ml . ”、
「一I Ml +-* (X-Il), _/2-/1
_FAX式中M1是連接件5中的有效力矩，例如距離地面的高度I1中的踝力矩，例如M2是與地面之間距離為I2的膝軸線4高度中的膝力矩。參量X是地面的基準高度，力Fax是連接件5或者下連接件2之內(nèi)的有效軸向力。如前所述,通過輔助變量b的變化不僅可在擺動期間、而且也可在站立期間連續(xù)調(diào)整相應(yīng)的阻力，使其適應(yīng)于現(xiàn)有的變化。這樣就能激活可自動識別出的各種功能，例如可用來防止膝關(guān)節(jié)意外屈曲的站立功能。特殊情況下可在x=0高度將該輔助變量用來觸發(fā)擺動相。不僅可以將超過輔助變量的閾值b(x = (l)而且也可以將趨勢作為判斷觸發(fā)的條件。在后退過程中輔助變量反向變化，也就是力作用點從腳趾轉(zhuǎn)移到足跟，這種情況下不應(yīng)減小阻力。附圖5所示為如何算出橫向力或切向力Ft作為第四輔助變量c并且將其用于膝控制方法的示意圖?？筛鶕?jù)膝力矩M2和踝力矩M1之差與膝力矩傳感器和踝力矩傳感器之間的距離I3的商數(shù)，得出切向力Ft以及輔助變量C。
權(quán)利要求
1.利用阻力裝置控制下肢的矯形或假肢關(guān)節(jié)的方法，給所述阻力裝置配置至少一個執(zhí)行器，通過所述執(zhí)行器根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)改變屈曲阻力和/或者伸展阻力，在關(guān)節(jié)的使用過程中通過傳感器提供狀態(tài)信息，其特征在于，由至少一個裝置測定傳感器數(shù)據(jù)，所述裝置可用來檢測至少 -兩個力矩，或者 -一個力矩和一個力，或者 -兩個力矩和一個力，或者 -兩個力和一個力矩 通過數(shù)學(xué)運算將所測定的參量中的至少兩個傳感器數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)，從而算出一個輔助變量，以該輔助變量為基礎(chǔ)控制屈曲阻力和/或者伸展阻力。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，將傳感器數(shù)據(jù)相加、相乘、相減和/或者相除。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于，測定力矢量與基準高度中的軸線之間的距離、基準高度中的剪切力矩或者剪切力作為輔助變量。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，將力矩除以力算出地面反作用力的力矢量與力矩檢測裝置之間的距離作為輔助變量。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，將關(guān)節(jié)力矩除以軸向力算出力矢量與關(guān)節(jié)軸線之間的距離。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，使用踝力矩傳感器和/或者膝力矩傳感器作為力矩檢測裝置。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，通過至少一個用來檢測兩個力矩和一個力的裝置的數(shù)據(jù)關(guān)系，測定基準位置中力矢量與關(guān)節(jié)連接件軸線之間的距離作為輔助變量。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，將用來檢測兩個力矩的裝置、尤其是踝力矩傳感器和膝力矩傳感器的值加權(quán)相加或相減，測定基準高度中的剪切力矩作為輔助變量。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，根據(jù)兩個力矩之差與兩個力矩檢測裝置相互間距離的商數(shù)，測定施加在下連接件上的橫向力作為輔助變量。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，當達到或超過輔助變量的預(yù)定值時將阻力裝置切換到擺動相。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，當輔助變量的值減小時降低屈曲阻力。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，將用來測定矯形器或假肢的膝角、膝角速度、大腿位置、小腿位置、這些位置的變化和/或者加速度的傳感器布置在矯形器或假肢上，并且將其數(shù)據(jù)用來控制阻力。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，實時地進行數(shù)據(jù)檢測、計算以及改變阻力。
14.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，連續(xù)地改變阻力。
15.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，當確定輔助變量增大時提高阻力直至將關(guān)節(jié)鎖止。
16.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，當確定作用于矯形器或假肢的地面反作用力減小時減小阻力，并且當?shù)孛娣醋饔昧υ龃髸r提高阻力直至將關(guān)節(jié)鎖止。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，當輔助變量變化時取消關(guān)節(jié)的鎖止。
18.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，在提高阻力之后根據(jù)所檢測的矯形器或假肢的空間位置變化或者通過所檢測的力矢量與矯形器或假肢之間的位置變化減小阻力。
19.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，采用一個溫度傳感器，并且根據(jù)至少一個測定的溫度信號改變阻力。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，在站立相期間當溫度增大時提高阻力。
21.根據(jù)權(quán)利要求19或20所述的方法，其特征在于，在擺動相期間當溫度增大時減小屈曲阻力。
22.根據(jù)權(quán)利要求19至21中任一項所述的方法，其特征在于，當達到或超過溫度閾值時改變阻力。
23.根據(jù)權(quán)利要求19至22中任一項所述的方法，其特征在于，隨溫度變化連續(xù)地改變阻力。
24.根據(jù)權(quán)利要求19至23中任一項所述的方法，其特征在于，將溫度引起的阻力變化與功能性的阻力變化疊加。
25.根據(jù)權(quán)利要求19至24中任一項所述的方法，其特征在于，當達到或超過溫度閾值時輸出警告信號。
26.根據(jù)權(quán)利要求19至25中任一項所述的方法，其特征在于，測量阻力裝置的溫度，并且將其作為控制依據(jù)。
27.根據(jù)權(quán)利要求19至26中任一項所述的方法，其特征在于，設(shè)置一個調(diào)節(jié)裝置，通過所述調(diào)節(jié)裝置使得阻力變化的程度改變。
28.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，建立一個由屈曲阻力、膝杠桿和膝角構(gòu)成的特性曲線，并且根據(jù)該特性曲線控制阻力。
29.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，如果用來檢測力矩、力和/或者關(guān)節(jié)角的裝置失效，則使用基于用來改變伸展阻力和/或者屈曲阻力的其余裝置的替代控制算法。
30.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，測定地面反作用力矢量與關(guān)節(jié)部分之間的距離，并且當超過該距離的閾值時減小阻力。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，當膝角小于5°時減小站立相中的阻力。
32.根據(jù)權(quán)利要求30或31所述的方法，其特征在于，當測定小腿部分的慣性角相對于垂線增大時減小站立相中的阻力。
33.根據(jù)權(quán)利要求30至32中任一項所述的方法，其特征在于，當小腿部分相對于大腿部分的運動并非屈曲時減小阻力。
34.根據(jù)權(quán)利要求30至33中任一項所述的方法，其特征在于，當存在膝伸展力矩時減小阻力。
35.根據(jù)權(quán)利要求30至34中任一項所述的方法，其特征在于，如果在減小阻力之后的規(guī)定時間之內(nèi)沒有達到關(guān)節(jié)部件的慣性角、慣性角速度、地面反作用力、關(guān)節(jié)力矩、關(guān)節(jié)角度或者力矢量與關(guān)節(jié)部件之間的距離的閾值，則在減小阻力之后將阻力重新提高到用于站立相的值。
36.根據(jù)權(quán)利要求30至35中任一項所述的方法，其特征在于，在減小阻力并且隨后達到關(guān)節(jié)部件的慣性角、慣性角速度、地面反作用力、關(guān)節(jié)力矩、關(guān)節(jié)角度或者力矢量與關(guān)節(jié)部件之間距離的閾值之后 ，如果沒有在規(guī)定時間之內(nèi)達到慣性角、慣性角速度、地面反作用力、關(guān)節(jié)力矩、關(guān)節(jié)角或者力矢量與關(guān)節(jié)部件之間距離的另一個閾值，則在減小阻力之后將阻力重新提高到站立相的值。
37.根據(jù)權(quán)利要求35或36所述的方法，其特征在于，如果檢測到關(guān)節(jié)角增大，則阻力保持減小。
38.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，測定腳部上的力作用點，并且當力作用點朝向足跟方向運動時提高或者不減小阻力。
39.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，如果測定小腿部分的慣性角朝向垂線方向減小并且同時檢測到前腳掌受力，則提高或者不減小站立相中的屈曲阻力。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其特征在于，如果關(guān)節(jié)部分的慣性角速度低于閾值，則提高或者不減小阻力。
41.根據(jù)權(quán)利要求39或40所述的方法，其特征在于，測定前腳掌負荷的變化，如果前腳掌負荷在小腿部分的慣性角減小時降低，則提高或者不減小阻力。
42.根據(jù)權(quán)利要求39至41中任一項所述的方法，其特征在于，檢測膝力矩，并且當測定作用于屈曲方向的膝力矩時提高或者不減小阻力。
43.根據(jù)權(quán)利要求39至42中任一項所述的方法，其特征在于，要么直接地要么根據(jù)另一個連接件的慣性角和關(guān)節(jié)角測定小腿部分的慣性角。
44.根據(jù)權(quán)利要求39至43中任一項所述的方法，其特征在于，直接通過陀螺儀或者根據(jù)關(guān)節(jié)部分的慣性角信號差異，或者根據(jù)連接件的慣性角信號以及關(guān)節(jié)角來測定所述關(guān)節(jié)部分的慣性角變化。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用阻力裝置控制下肢矯形或假體關(guān)節(jié)的方法，給所述阻力裝置配置至少一個執(zhí)行器，根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)通過執(zhí)行器改變屈曲阻力和/或者伸展阻力，在關(guān)節(jié)的使用過程中通過傳感器提供狀態(tài)信息。由至少一個用于檢測至少兩個力矩或者一個力矩和一個力的裝置測定傳感器數(shù)據(jù)，通過數(shù)學(xué)運算將至少兩個測定量相互關(guān)聯(lián)，從而算出至少一個輔助變量，以該輔助變量為基礎(chǔ)控制屈曲阻力和/或者伸展阻力。
文檔編號A61F2/66GK102740803SQ201080051454
公開日2012年10月17日 申請日期2010年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月13日
發(fā)明者H·博伊特, M·賽伊, P·肯帕斯, S·卡騰伯恩 申請人:奧托·博克保健產(chǎn)品有限公司