矯形技術(shù)關(guān)節(jié)裝置及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于控制下肢矯形技術(shù)關(guān)節(jié)裝置的方法，該關(guān)節(jié)裝置具有一個(gè)上部分和一個(gè)鉸接式安置在上部分上的下部分，在上部分和下部分之間布置了轉(zhuǎn)換裝置，通過(guò)所述轉(zhuǎn)換裝置在上部分相對(duì)于下部分?jǐn)[動(dòng)期間轉(zhuǎn)換來(lái)自該相對(duì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械功并將其存儲(chǔ)在至少一個(gè)蓄能器中并且在時(shí)間上錯(cuò)開地再輸入給關(guān)節(jié)裝置，以便支持所述相對(duì)運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明還涉及一種下肢矯形技術(shù)關(guān)節(jié)裝置，具有一個(gè)上部分和一個(gè)鉸接式安置在上部分上的下部分，在上部分和下部分之間布置了轉(zhuǎn)換裝置，通過(guò)所述轉(zhuǎn)換裝置在上部分相對(duì)于下部分?jǐn)[動(dòng)期間轉(zhuǎn)換來(lái)自該相對(duì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械功并將其存儲(chǔ)在至少一個(gè)蓄能器中并且在時(shí)間上錯(cuò)開地再輸入給關(guān)節(jié)裝置，以便支持所述相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這樣一種矯形技術(shù)關(guān)節(jié)裝置尤其有利于假肢，但也可以用在矯形器中。
【背景技術(shù)】
[0002]大多數(shù)下肢假肢是如此設(shè)計(jì)的:使得運(yùn)動(dòng)能只轉(zhuǎn)換成熱，以影響假肢行為，大多不發(fā)生能量的主動(dòng)輸入。假肢使用者在行走時(shí)例如通過(guò)其具有髖部肌肉系統(tǒng)的殘肢控制假肢膝關(guān)節(jié)。在此，行走實(shí)驗(yàn)室的研究表明，這種方式的行走比健康的被測(cè)試者需要更多的能量，特別是在緩慢行走和交替上臺(tái)階時(shí)，假肢使用者必須比健康的被測(cè)試者施加更大的能量。
[0003]如果在行走的確定階段給假肢或矯形器輸入能量，則假肢使用者或矯形器使用者必須少施加自己的能量，在擺動(dòng)階段期間的離地自由性可以提高而且運(yùn)動(dòng)總體來(lái)說(shuō)更安逸和舒適。
[0004]存在所謂的主動(dòng)假肢膝關(guān)節(jié)，在這種假肢膝關(guān)節(jié)中，驅(qū)動(dòng)裝置模仿整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，在此，電動(dòng)機(jī)這樣設(shè)計(jì)，使得能夠模擬通常的行走模式。其后果是，電動(dòng)機(jī)必須設(shè)計(jì)得較強(qiáng)而且能量供應(yīng)相應(yīng)困難。對(duì)于足夠強(qiáng)的電動(dòng)機(jī)，控制功能失靈對(duì)于使用者是一種危險(xiǎn)。如果電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)得較弱，則不再能滿足全部行走多樣性。另一個(gè)缺點(diǎn)在于，在一定運(yùn)動(dòng)開始之后，即使當(dāng)狀況改變或者使用者意愿改變，使用者也被強(qiáng)制進(jìn)行已開始的運(yùn)動(dòng)。使用者則不再對(duì)運(yùn)動(dòng)可能性有影響并且被動(dòng)運(yùn)動(dòng)。
[0005]除了電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的假肢膝關(guān)節(jié)外，從US2010/0312363 Al中已知一種裝有電動(dòng)機(jī)和彈簧蓄能器的假肢膝關(guān)節(jié)，其中為了減低驅(qū)動(dòng)裝置費(fèi)用，來(lái)自運(yùn)動(dòng)的能量被存儲(chǔ)在彈簧內(nèi)并且在達(dá)到一定角度位置后再被釋放。該支持可以這樣確定尺度，使得能夠在平地行走或者也可上臺(tái)階。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的任務(wù)是，提供一種用于控制矯形技術(shù)關(guān)節(jié)裝置的方法和一種這樣的關(guān)節(jié)裝置，通過(guò)它們能夠憑直覺(jué)使用矯形技術(shù)關(guān)節(jié)裝置，提供高度安全性并且能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)的使用壽命O
[0007]按照本發(fā)明，該任務(wù)通過(guò)具有獨(dú)立權(quán)利要求所述特征的一種方法或者具有并列權(quán)利要求所述特征的一種裝置解決。在從屬權(quán)利要求、說(shuō)明書和附圖中公開了本發(fā)明的有利設(shè)計(jì)方案和改進(jìn)方案。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的方法用于控制下肢的矯形技術(shù)關(guān)節(jié)裝置，該關(guān)節(jié)裝置具有一個(gè)上部分和一個(gè)鉸接式安置在上部分上的下部分，在上部分和下部分之間布置了轉(zhuǎn)換裝置，通過(guò)該轉(zhuǎn)換裝置在上部分相對(duì)于下部分轉(zhuǎn)動(dòng)期間轉(zhuǎn)換來(lái)自該相對(duì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械功并將其存儲(chǔ)在至少一個(gè)蓄能器中并且在時(shí)間上錯(cuò)開地在輸入給該關(guān)節(jié)裝置，以便支持該相對(duì)運(yùn)動(dòng)，該方法規(guī)定，將存儲(chǔ)的能量逆變轉(zhuǎn)換并且用于支持相對(duì)運(yùn)動(dòng)和在支持相對(duì)運(yùn)動(dòng)期間的機(jī)械功輸入受控地進(jìn)行。在從蓄能器、例如彈簧釋放能量時(shí)，按照現(xiàn)有技術(shù)，存儲(chǔ)的能量沖擊式地輸入給關(guān)節(jié)裝置，也就是由上部分和下部分以及鉸節(jié)式支承結(jié)構(gòu)組成的系統(tǒng)，使得在很短時(shí)間段上導(dǎo)入高的能量。按照本發(fā)明規(guī)定，存儲(chǔ)的能量受控地再輸入給該系統(tǒng)并且轉(zhuǎn)換成機(jī)械功和支持上部分相對(duì)于下部分的移位，以便在較長(zhǎng)時(shí)間段上支持該運(yùn)動(dòng)，使得能夠進(jìn)行假肢裝置或者矯形裝置的接近于自然運(yùn)動(dòng)過(guò)程的運(yùn)動(dòng)。按照現(xiàn)有技術(shù)，與改變了的行走模式、速度或者不同病人的適配只能特別費(fèi)事地實(shí)施，其方式是使用專門適配的彈簧，這對(duì)日常使用來(lái)說(shuō)是不實(shí)際的。相反，按照本發(fā)明，向系統(tǒng)中的釋放輸出受到控制，使得可以在較長(zhǎng)時(shí)間段上饋入所需的能量，以便如愿地影響行走姿勢(shì)。
[0009]通過(guò)對(duì)蓄能器輸入或取出外部能量可以改變機(jī)械功的輸入。如果蓄能器涉及到彈簧，則可以通過(guò)再?gòu)埦o彈簧來(lái)進(jìn)行輸入的能量，能量的取出或減少可以通過(guò)使彈簧松弛、例如通過(guò)使彈簧支座移位來(lái)進(jìn)行。如果蓄能器構(gòu)造成電蓄能器，例如電容器、電池或蓄電池，則可以通過(guò)激活發(fā)電機(jī)或者從第二個(gè)蓄能器導(dǎo)入來(lái)進(jìn)行能量改變，能量的減少通過(guò)連接一個(gè)用電器或轉(zhuǎn)入用于電能的第二蓄能器來(lái)進(jìn)行。
[0010]本發(fā)明的一個(gè)改進(jìn)方案規(guī)定，給蓄能器配置一個(gè)致動(dòng)器，通過(guò)該致動(dòng)器將蓄能器充注到或者帶到最低水平，如果相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)此來(lái)說(shuō)不足夠。如果通過(guò)運(yùn)動(dòng)提供的能量不足以為蓄能器供給足夠的能量用于下一步或者用于運(yùn)動(dòng)進(jìn)程，其中，最低量取決于行走速度、行走狀況和病人的個(gè)人現(xiàn)實(shí)情況，則按照本發(fā)明規(guī)定，在行走期間和在將能量反饋用于支持相對(duì)運(yùn)動(dòng)之前，將蓄能器添充注到設(shè)定的水平，例如通過(guò)張緊彈簧或者通過(guò)驅(qū)動(dòng)給電動(dòng)蓄能器充電的發(fā)電機(jī)。
[0011]為了可以精確確定支持運(yùn)動(dòng)的時(shí)間點(diǎn)，按照本發(fā)明規(guī)定，給蓄能器配置一個(gè)釋放裝置，通過(guò)該釋放裝置將能量從蓄能器部分或者全部釋放。釋放裝置確定能量輸出的時(shí)間點(diǎn)，能量輸出的持續(xù)時(shí)間和過(guò)程在全部釋放的情況下不由釋放裝置控制，而是通過(guò)蓄能器中的變化、也就是說(shuō)通過(guò)取出或者輸入能量來(lái)控制。在部分釋放時(shí)，式輸出的能量降低，使得可以調(diào)節(jié)支持運(yùn)動(dòng)的初始水平。通過(guò)部分釋放可以進(jìn)行例如對(duì)行走速度、病人或行走狀況的適配，通過(guò)蓄能器上的變化來(lái)進(jìn)行對(duì)支持的精細(xì)影響。
[0012]機(jī)械功可以根據(jù)一個(gè)判據(jù)或者多個(gè)判據(jù)的組合輸入，即根據(jù)上部分相對(duì)于下部分的角度位置、上部分和/或下部分的空間位置、上部分和/或下部分的角速度和/或上部分和下部分之間的相對(duì)速度和/或負(fù)荷狀況和/或上部分和/或下部分的加速度，使得能夠?qū)\(yùn)動(dòng)進(jìn)行在時(shí)間上和量上盡可能精確的支持。上部分和下部分相對(duì)彼此的和在空間中的位置可以由角度傳感器或者慣性傳感器確定，相對(duì)彼此的或在空間中的速度或者加速度由加速度傳感器或者由角度傳感器和加速度傳感器的組合來(lái)確定，負(fù)荷狀況可以通過(guò)力傳感器測(cè)定。通過(guò)這些傳感器不僅可以確定能量釋放的時(shí)間點(diǎn)，而且也可以確定對(duì)應(yīng)的行走狀況、行走速度以及對(duì)應(yīng)部件相對(duì)彼此或者在空間中的當(dāng)前位置，通過(guò)此可以確定和控制用于支持運(yùn)動(dòng)的能量輸入的量和進(jìn)程。
[0013]本發(fā)明的一個(gè)改進(jìn)方案規(guī)定，根據(jù)一個(gè)判據(jù)或者多個(gè)判據(jù)的組合，即上部分相對(duì)于下部分的角度位置、上部分和/或下部分在空間中的位置、上部分和/或下部分的角速度和/或上部分和下部分之間的相對(duì)速度和/或負(fù)荷狀況和/或上部分和/或下部分的加速度，從蓄能器取出能量或者再輸入給蓄能器，以便能受控地控制運(yùn)動(dòng)。
[0014]轉(zhuǎn)換裝置的用于改變要轉(zhuǎn)換的能量量值和/或已輸入的能量量值的采取干預(yù)的時(shí)間點(diǎn)可以調(diào)整，使得例如可根據(jù)行走速度、病人的行走狀況或個(gè)人參數(shù)來(lái)調(diào)整，要存儲(chǔ)的能量是多大或者要輸出的能量必須多大。在希望大的能量時(shí)規(guī)定，在轉(zhuǎn)換時(shí)發(fā)生盡可能早的干預(yù)，使得例如發(fā)電機(jī)很早并且很長(zhǎng)時(shí)間地被驅(qū)動(dòng)或者彈簧被很大程度地預(yù)緊，以便將在行走時(shí)、例如腳跟踩地時(shí)站立階段屈肌收縮中的機(jī)械功最大程度地轉(zhuǎn)換成彈簧的勢(shì)能或者蓄電池或電容器的電能。如果調(diào)節(jié)在逆變轉(zhuǎn)換時(shí)的干預(yù)時(shí)間點(diǎn)，例如通過(guò)使止擋移位或者根據(jù)角度釋放，則在步子的一個(gè)較晚時(shí)間點(diǎn)導(dǎo)入能量，由此能夠達(dá)到改變行走姿勢(shì)。當(dāng)轉(zhuǎn)換裝置沒(méi)有由于上部分和下部分之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而激活時(shí)，蓄能器可以由