用於截肢者的促動假肢的製作方法

2023-08-12 20:57:21 2

專利名稱：用於截肢者的促動假肢的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於截肢者的促動假肢，具體地但並不專門的用於膝上截肢者的假腿。
背景技術：
多年來，已經設計出了很多種假肢來替代截肢者所失去的肢體。尤其，考慮到主肢損失對於截肢者的巨大衝擊，已經進行了很多努力來開發將要代替比如腿和手臂的主肢損失的假肢。所有這些假肢都具有儘可能地給這些截肢者帶來正常生活的艱難任務。這個任務對於腿部截肢者來說尤其困難，部分原因是人類運動的複雜性。普通的假腿直到現在也只是在最複雜的可用設備中使用被動機構。與真正的人腿相比，普通假腿的能力非常有限，因而這仍然沒有徹底地滿足一些需求。
根據截肢者，普通假腿的具體使用情況，比如重複性運動和持續負荷，通常帶來一些問題，比如代謝能量消耗的增加、承窩壓力的增大、運動速度的限制、運動中的差異、姿勢平衡的擾亂、骨盆-脊柱對齊的擾亂以及姿勢臨床復原程序的使用的增加。
另一個問題在於，在截肢者運動期間，用來移動假肢的能源主要來自於截肢者自身，因為普通的假腿不具有自推進能力。這具有顯著的短期和長期負面影響。節能假肢部件領域的最近發展部分地有助於提高截肢者和其假肢之間的能量傳遞。儘管如此，能量消耗的問題仍然沒有完全解決並且仍然是個主要困擾。
又一問題在於，截肢者運動期間殘肢所起的動力作用致使普通假腿難以長期使用。尤其，這可能會導致皮膚問題，比如毛囊炎、接觸性皮炎、水腫、囊腫、皮膚劃傷(skin shearing)、疤痕和潰瘍。儘管利用矽鞘膜(silicon sheath)、完全抽吸槽或粉末可以部分地減輕這些皮膚問題，但是最小化這些皮膚問題仍然是個困擾。
如同應用於假肢上的具體情況所規定的，類似的問題程度不同地適用於其它假肢。
因此本發明的目標是避免或減輕上述缺點。

發明內容
根據本發明的第一個方面，提供了一種用來代替被截肢的促動假肢，該假肢包括主關節元件；用來將承窩連接到主關節元件的承窩連接器組件；細長結構元件，其具有沿著縱向主軸線間隔開的相對端部；用來將末端部連接到結構元件一端的連接器組件；樞軸組件，其用來操作上將結構元件連接到主關節元件以允許主關節元件和結構元件之間繞著由樞軸組件所限定的第一軸線的相對轉動；位於與樞軸組件間隔開的位置處的線性致動器，其一端連接到結構元件並且相對端連接到主關節元件，從而致動器的延伸或回縮導致了主關節元件相對於結構元件繞著樞軸線的相應轉動。
優選地，假肢是假腿並且致動器是電動的。
根據本發明的另一方面，提供了改進的促動腿假肢，其包括膝蓋元件；連接到膝蓋元件的承窩；細長的貫脛元件；連接在貫脛元件下端下面的假足；以及線性致動器。第一樞軸組件允許將貫脛元件操作上連接到膝蓋元件。第一樞軸組件限定了垂直於貫脛元件的縱向主軸線的第一樞軸線。第二樞軸組件允許將致動器的上端操作上連接到膝蓋元件。第二樞軸組件限定了基本上平行於第一樞軸線的第二樞軸線。第二樞軸線還與第一樞軸線和縱向主軸線間隔開。第三樞軸組件允許將致動器的下端操作上連接到貫脛元件的下端。第三樞軸組件限定了基本上平行於第一樞軸線並與之間隔開的第三樞軸線。


現在將結合附圖僅以舉例的方式描述本發明的實施例，在附圖中圖1是具有前致動器結構的促動假肢的透視圖。
圖2是圖1所示假肢的局部分解透視圖。
圖3是圖1所示膝蓋元件和第一樞軸組件的分解透視圖。
圖4是圖1所示貫脛元件(trans-tibial member)和第三樞軸組件的分解透視圖。
圖5是圖1所示線性致動器和第二樞軸組件的局部分解圖。
圖6是示出具有前致動器結構的幾何模型的圖形。
圖7是圖4所示光學開關支架的分解視圖。
圖8是根據本發明另一可能實施例的具有後致動器結構的促動假肢的透視圖。
圖9是圖8所示假肢的局部分解透視圖。
圖10是圖8所示假肢的側視圖。
圖11是圖8所示膝蓋元件、第一樞軸組件和第二樞軸組件的分解透視圖。
圖12是圖8所示貫脛元件和第三樞軸組件的局部分解圖。
圖13是示出具有後致動器結構的幾何模型的圖形。
圖14是示出用於假肢致動器的控制系統的例子的框圖。
圖15是假肢又一實施例的分解透視圖。
圖16是類似於圖15的視圖，其以放大的比例示出了圖15所示假肢的結構部件。
圖17是類似於圖15的視圖，其以放大的比例示出了圖15所示假肢的運動部件。
圖18是圖15所示假肢的縱向側截面。
圖19是圖18中線XIX-XIX上的視圖。
圖20是圖18中線XX-XX上的視圖。
圖21是圖18中線XXI-XXI上的視圖。
具體實施例方式
附圖示出了用作膝上截肢者的假腿的促動假肢(10)的三個可選實施例。應當理解的是，本發明並不限於所示的實施，因為在不偏離所附權利要求範圍的前提下，可以作出各種變化和變型並且所述原理和概念可以應用於替代比如手臂之類的其它肢體的假肢。為了清楚起見和易於描述，利用了與用作腿相關的術語，但是應當理解的是，也可以使用在其它肢體中可應用作等同作用的術語。例如，關於「膝蓋」的描述可以同樣相對於「肘」進行描述，如果假肢是手臂的話。
如所示，假肢(10)具有三個可選結構，一個是前致動器結構，另一個是後致動器結構，還有一個是倒置致動器結構。前致動器結構是優選的。圖1至7示出了具有前致動器結構的假肢(10)，圖8至13示出了具有後致動器結構的假肢(10)。圖15至21示出了倒置致動器結構。
前致動器結構圖1和2示出了假肢(10)的基本部件，其包括稱之為膝蓋元件(12)的主關節、稱之為細長貫脛元件(14)的細長結構元件、以及作用在膝蓋元件(12)和貫脛元件(14)之間以使其間產生相對運動的線性致動器(16)。假肢(10)還包括承窩連接器組件(17)，其用來連接膝蓋元件(12)上的承窩(18)；以及連接器組件(19)，其用來連接到肢體的末端，比如位於貫脛元件(14)底端下面的假足(20)。
承窩(18)必須在假肢(10)和截肢者的殘肢之間實現足夠作用力的傳遞。承窩(18)的設計通常是定製的操作以實現任意的負荷傳遞、穩定性以及對於殘肢靈活性的有效控制。承窩(18)一般藉助於由適合的系統，比如由Otto Bock Inc.製造的「Thermolyn」型柔性抽吸襯墊，所形成的吸引力被保持在使用者殘肢上適合的位置。假肢(10)也能使用市場上可用的任何適合承窩。
用來連接承窩(18)的承窩連接器組件(17)可包括設在膝蓋元件(12)之上的底部承窩連接器(22)。底部承窩連接器(22)優選地藉助於比如螺釘或螺栓的緊固件可移除地連接。底部承窩連接器(22)的確切類型是可以變化的。一個例子是具有標準凸稜錐結構的連接器，比如由Otto Bock Inc.製造的4R54型凸稜錐。另一個例子是具有由Ossur Inc.製造的2054-2型凸稜錐的滑動連接器。承窩(18)然後將裝備上安裝在底部陽連接器(22)上的相應上連接器。也可以使用其它類型的連接器。
膝蓋元件(12)給承窩(18)和貫脛元件(14)之間的關節提供了至少一度的轉動自由度。膝蓋元件(12)的運動範圍優選地約為105度，其中零度是完全伸展而105度是最大膝蓋彎曲度。
圖3示出了膝蓋元件(12)的放大視圖。膝蓋元件(12)優選地為叉形，並具有兩個從上板(26)突出的凸緣(24)。上板(26)包括四個螺紋孔(28)，用於底部承窩連接器(22)的可移除緊固件。
膝蓋元件(12)藉助於第一樞軸組件(30)連接到貫脛元件(14)。第一樞軸組件(30)將貫脛元件(14)操作上連接到膝蓋元件(12)，從而使得這兩個部件之間可以相對轉動。應當說明的是，第一樞軸組件(30)也能是多中心的。這意味著膝蓋元件(12)和貫脛元件(14)之間的運動不僅僅是轉動而是可以遵循複雜得多的模式。這些部件的左右兩側還可以稍微不同，從而引起繞著垂直軸線的稍微扭轉運動。儘管如此，總體上的運動仍然基本上為繞著樞軸線轉動。
第一樞軸組件(30)限定了第一樞軸線(31)，其基本上垂直於在額面中沿著貫脛元件(14)的長度延伸的縱向主軸線(15)，如圖1所示。這個第一樞軸組件(30)包括由兩個軸承(34)支撐的軸(32)，每個軸承(34)安裝在膝蓋元件(12)的凸緣(24)中的相應殼體(36)中。軸承(34)的一個例子是由NSK Inc.製造的6300-ZZ型單槽軸承。當然，也可以使用其它類型的軸承(34)。一個10mm的有肩螺母(37)和一組外墊圈(35)將軸承(34)保持在軸(32)的螺紋端部上。如圖2、4和7所示的光學開關支架(38)在膝蓋元件(12)的兩個凸緣(24)之間安裝在軸(32)周圍。支架(38)在後面進行描述。
優選地，如圖3最佳地示出，一組吸能緩衝器(44)設在膝蓋元件(12)的背面以防止超出範圍的運動。這些緩衝器(44)例如可以是由Tescpak Inc.製造的GBA-1型緩衝器。當然，也可以使用其它類型的緩衝器(44)。它們安裝在位於膝蓋元件(12)的上板(26)的側面和正面上的相應託架(42)上。託架(42)也用來支撐後面將要描述的連接器(78)。
從圖4中能最佳地看出，貫脛元件(14)包括三個主要區段，也就是上段(14A)、中間段(14B)和下段(14C)。
貫脛元件(14)的上段(14A)優選地為叉形，並具有兩個從安裝基部(52)突出的凸緣(50)。安裝基部(52)剛性地連接到一對貫脛支柱(54)。背板(56)設在背面。這對支柱(54)和背板(56)是中間段(14B)的部件。它們都連接到本身由兩個部件(60，62)形成的下段(14C)。第一部件(60)是一個有點U形的部件，第二部件(62)附接到其下面。第二部件(62)是一個延伸部分，假足(20)設在其下面。用來連接假足(20)的足連接器組件(19)包括一組供螺釘插入其中的螺紋孔。也可以使用其它類型的連接器。
假足(20)例如可以是College Park Industries Inc.製造的標準的26cm Trustep假足或Ossur Inc.製造的Allurion ALX5260型假足。也可以使用其它類型的鉸接或非鉸接的假足(20)，如果所選擇的假足提供了至少與上述大致相同的動力響應的話。假肢(10)的設計是模塊化的並且因此其能被調節到任何形態。假足(20)可具有暴露的金屬或複合結構。其也可具有使其具有人類踝部和足部外觀的裝飾覆層。
該對支柱(54)和背板(56)提供了可供致動器(16)的大部分定位在其中的空間(58)。各種電子和電氣部件也附接在背板(56)的任一側上。這種緊湊的布置將總體尺寸保持在正常的人腿尺寸範圍內。
線性致動器(16)在圖5中示出。致動器(16)的上端(16A)由樞軸組件(80)連接到膝蓋元件(12)，下端(16B)連接到貫脛元件(14)的下段(14C)。致動器(16)的作用是給假肢(10)提供在矢狀面中執行與截肢者運動同步的角位移所必須的機械能。致動器(16)的線性運動被用來控制膝蓋元件(12)相對於貫脛元件(14)的角度。致動器(16)包括電動馬達(70)，其結合到將轉動運動轉化為線性運動的機構(72，74)。馬達(70)的一個例子是Poly-Scientific製造的BN2328EU型馬達。馬達(70)操縱螺杆(72)，該螺杆(72)嚙合到位於致動器(16)的底部處的固定從動件(74)。從動件(74)由從動件支架(76)所保持。從動件(74)和從動件支架(76)構成了致動器(16)的下端(16B)。在使用中，當馬達(70)轉動時，螺杆(72)被轉動進出從動件(74)。這就推動或拉動膝蓋元件(12)，從而引起了膝蓋元件(12)和貫脛元件(14)之間的相對轉動。
線性致動器(16)的選擇主要基於可得到的馬達技術的重量扭矩比以及速度。優選地其位於直接結合到膝蓋元件(12)的直接傳動系統之上，因為其對於人類運動中的扭矩要求而言佔用更少的空間。已經發現，理想地，致動器必須能供應約515N的持續力和約2250N的峰值力。
第二樞軸組件(80)將致動器(16)的上端(16A)操作上連接到膝蓋元件(12)。第二樞軸組件(80)限定了基本上平行於第一樞軸線(31)的第二樞軸線(81)。其還與由其第一樞軸線(31)和縱向主軸線(15)所限定的平面間隔開。這種結構的一個例子在圖6中示意性的示出。該圖表示了各個樞軸線。第一樞軸線(31)標識為「O」。第二樞軸線(81)標識為字母「C」。兩個軸線(C，O)間隔開距離「r」。這個距離形成了允許致動器(16)相對於膝蓋元件(12)移動貫脛元件(14)的槓桿臂。
圖5示出了，第二樞軸組件(80)包括插入在形成致動器(16)上端(16A)的機械連接器(84)中的軸承(82)。軸承(82)可以是滾針軸承，例如INA Inc.製造的NK14/16型滾針軸承。其由有肩螺釘(86)和鋁墊圈(88)保持在適合的位置。已經發現，理想地，軸承(82)必須承受高達約11500N(2600Ibf)的靜載荷並且允許1至3的典型不對準。滾針軸承(82)是優選的，因為與襯套或杆端相比，其幾乎沒有機械遊隙並且具有低的摩擦係數。當然，也可以使用其它類型的軸承。軸(90)將機械連接器(84)聯接到膝蓋元件(12)的凸緣(24)中的相應孔中。機械連接器(84)利用後面將要描述的載荷傳感器(82)緊固在馬達(70)之上。
致動器(16)的底端(16B)利用第三樞軸組件(100)操作上連接到貫脛元件(14)，如圖4和5所示。第三樞軸組件(100)限定了第三樞軸線(101)並且優選地還包括一個或多個滾針軸承(102)，每個滾針軸承(102)安裝於設在貫脛元件(14)的下段(14C)的第一部件(60)中的相應殼體(64)中。兩個標準的滾針軸承(102)可用於該目的，例如INA Inc.製造的NK14/16型滾針軸承。當然，其它類型的軸承也可以用於第二樞軸組件(80)和第三樞軸組件(100)中。一組螺杆(106)和墊圈(108)完成第三樞軸組件(100)。
假肢(10)的各個結構部件優選地由輕質材料製成，例如鋁或比如碳纖維、玻璃纖維之類的複合材料。特別適合的材料是熱處理6061T6鋁。各個部件優選地螺紋連接起來，儘管它們也可以焊接或以其它方式緊固起來。螺紋連接這些部件是優選的，因為這增加了可製造性能，便於部件的維修和更換，並且一般來說就整體而言還改進了假肢。
圖7示出了圖2和4中出現的專門機械支架(38)。這個專門機械支架(38)首先用來固定如後所述的光學開關。其次，專門機械支架(38)用來便於假肢(10)的相對固定段與其相對可動段之間的電纜部件(未示出)之間的轉變。附接到膝蓋元件(12)的託架(42)上的連接器(78)提供了所需的連接。類似的連接器(78)設在馬達(70)上。部件(254)上的兩件式線夾(39A，39B)允許將導線保持在支架(38)上。
控制系統圖1至7的假肢中示出的致動器(16)由圖14所示的控制系統(200)進行控制。該圖首先示出了一組人造本體感受器(210)，它們是用來實時地捕獲有關截肢者運動動力學的信號的傳感器。該組人造本體感受器(210)將探測的信號提供給控制器(220)。控制器(220)確定關節軌跡以及必須由致動器(16)所施加的所需力。然後將設定點(關節軌跡和所需力)經由本身連接到動力源(24)的動力驅動裝置(230)發送到致動器(16)。
動力源(240)例如可以是柔性電池組帶，比如Cine PowerInternational Ltd.製造的Lighting Powerbelt型。動力源(240)的其它例子是Worley Inc.製造的SLPB526495型電池和Cap-XX製造的超級電容器。動力驅動裝置(230)的例子是Copley Controls Corps Inc.製造的5121型和Advanced Motion Control製造的BE40A8型。應當說明的是，動力源(240)和動力驅動裝置(230)的設計並不限於上述設備而是可以由任何定製或商業產品來執行，只要所選設備符合與假肢(10)一起使用的所選致動器(16)的電氣性能。
優選地，假肢(10)還包括一組傳感器(250)以給控制器(220)提供反饋信息。這種反饋使得控制器(220)可以調節力和各種其它參數。能被監控的參數的例子是膝蓋元件(12)的相對角度和膝蓋元件(12)處由致動器(16)所施加的扭矩。也可以採取其它類型的測量措施。膝蓋元件(12)相對角度的測量例如可以藉助於市售的標準增量式光學解碼器(260)比如EM1-0-250型讀出頭和由US Digital Inc.製造的LIN-250-16-S2037型的標記有均勻間隔增量的Mylart條帶(262)。用作對假肢(10)的角運動進行限制的限位開關的其它傳感器是優選地安裝在專門機械支架(38)上的光學開關。圖1和2所示的電纜連接器(78)允許將外部設備聯接到假肢(10)的內部部件。
光學開關(252)固定在第一樞軸線(31)上並用來設定膝蓋元件(12)的基準角位置。一旦已知這個基準位置，光學解碼器信息被用來計算膝蓋元件(12)在馬達轉動期間的角度、滾柱螺杆節距以及假肢幾何形狀。而且，光學開關(252)被用來通過在膝蓋元件(12)接近臨界位置時向控制器(220)發送信號來防止運動超出範圍。當然，根據與開關檢測相關聯的指令的性質，光學開關(252)也可用於其它目的。測量膝蓋元件(12)相對角度的另一可能方式是通過利用絕對光學解碼器例如US Digital Inc.製造的E2-512-250-I解碼器和光學開關的組合。這些開關的一個例子是SUNX製造的PM-L24型開關。
扭矩的測量來自於由負荷傳感器(92)所測量的由致動器(16)所施加的力。負荷傳感器的一個例子是Omegadyne製造的LC 202 1K型。馬達(70)上的連接器將內部傳感器聯接到電纜。應當說明的是，假肢(10)的傳感器(250)並不限於上述設備並且可以由其它適合的器具來執行。
前致動器結構的操作在操作中，膝蓋元件(12)連接到承窩(18)並且樞軸組件(30)允許貫脛元件和膝蓋之間繞著大致橫向水平軸的相對運動。膝蓋元件相對於貫脛元件(14)的轉動由致動器(16)的操作來控制。致動器(16)作用在膝蓋元件(12)上的樞軸組件(80)和貫脛元件(14)下端上的樞軸組件(100)之間以使得致動器(16)長度的變化將導致繞著樞軸(30)的相應轉動。
致動器(16)的長度由來自控制器(220)的控制信號進行調節，該控制器(220)將動力供應到馬達(70)以在一個方向或另一方向上轉動螺杆(72)。螺杆(72)的轉動使得從動件(74)沿著螺杆(72)運動並且這個運動通過由樞軸組件(100)提供的連接傳遞到貫脛元件(14)。這引起膝蓋元件(12)和貫脛元件(14)繞著樞軸(30)的相應轉動以提供所希望的運動。很明顯，轉動的速度和程度可以通過朝向馬達(70)的控制信號來調節並且嵌入在假肢中的傳感器將反饋提供給控制器(220)。
後致動器結構圖8至13示出了根據第二實施例的假肢(10)。這示出了具有後致動器結構的假肢(10)的一個例子。這個實施例非常類似於使用前致動器結構的那個。其示出為具有另一種致動器(16)和另一模式的假足(20)。代替上述的兩個，貫脛元件(14)的中間段(14B)使用了四個支柱(54)。其沒有背板。而且，沒有底部延伸設在貫脛元件(14)上。
貫脛元件(14)還具有將膝蓋元件(12)和假足(20)聯接起來的例如由1/2″貫脛支柱54構成的殼形結構。在所示實施例中，致動器(16)可以是標準的線性馬達(圖5)或裝備有定製的市售馬達(70)的連續彈性致動器(SEA)(圖8)，儘管假肢(10)被設計為使得其能接收大致相同尺寸的任何類型的線性制動(16)。SEA致動器(16)(圖8)具有滾珠螺杆傳送系統，其包括與已知性質的彈性設備(110)相結合的螺杆(72)。這種致動器(16)(圖8)允許了基於彈性部件變形的力控制制動。而且，這種設計允許了能量存儲、振動耐受度和相對穩定的力控制。SEA致動器(16)(圖8)由MIT Leg Laboratory的Gill Pratt開發並且在1997年授權為美國專利No.5,650,704。在一個實施例中，其設有Litton BN23-28馬達(70)和直徑為3/8″且節距為1/8″的滾珠螺杆(72)。SEA致動器(16)(圖8)由Yobotic Inc.出售。
在圖8所示布置中，扭矩例如可以通過標準的市售分壓計來測量，該分壓計測量致動器(16)的彈性設備的壓縮，比如由Novotechnik Inc.製造的PTN025型導電塑料電阻元件。膝蓋元件(12)和貫脛元件(14)之間的角度的測量也可以直接從致動器(16)的長度測量和假肢的已知幾何形狀計算出來。標準的市售增量式光學解碼器(260)，比如EMI-0-250型讀出頭，安裝在可動部件上並且具有均勻間隔增量的Mylar條帶(262)(US Digital Inc.製造的LIN-250-16-S2037型)緊固到固定部件。在馬達(70)轉動傳動螺杆(70)時，因而就實現了對致動器(16)長度的直接讀取。
圖13示出了後致動器結構的幾何模型。其基本上類似於圖6所示前致動器結構的幾何模型。
倒置致動器在每個上述實施例中，致動器(16)已經布置有鄰近膝蓋元件(12)的馬達(70)和延伸到貫脛元件(14)的較低踝部的從動件(74)。這種布置簡化了動力和控制管線的路線並且通常允許了朝著踝部的錐形輪廓以與腿的自然輪廓相符合。然而，具有這些布置，馬達(70)與樞軸組件(80)一起運動過假肢的運動的範圍並且因此馬達的工作容積必須適應於膝蓋元件(12)的設計。類似地，馬達(70)鄰近膝蓋元件的定位導致了質量分布的變化並且因而在腿運動期間可能會導致假肢在使用中出現導致不自然感覺的動力學。為了解決這些問題，圖15至21示出了假肢(10)的又一實施例，其中同樣的部件將用同樣的附圖標記加上為了清楚起見的基本後綴(｀)來說明。
因此具體地參照圖15和18，假肢(10｀)具有形成為U形元件的的膝蓋元件(12｀)，並且具有從上板(26｀)延伸的凸緣(24｀)。凸緣(24｀)的下端接收相應的軸承(34｀)，所述軸承(34｀)構成了將膝蓋元件(12｀)連接到貫脛元件(14｀)的樞軸組件(30｀)的部件。承窩連接器組件(17｀)緊固到上板(26｀)，以連接到適合的承窩。
貫脛元件(14｀)具有由一對間隔開的腹板(300)所形成的上段(14A｀)，所述腹板(300)具有用來容納樞軸組件(30｀)的軸承(34｀)的孔徑(302)。腹板(300)緊固到中間段(14B｀)的上端處的肩部(未示出)。中間段(14B｀)形成為具有橫向間隔側壁(306)的開口通道元件(304)，所述側壁(306)由整體形成的前壁(308)互連。通道元件(304)由背壁(310)封閉，該背壁(310)可移除以允許通向通道元件(304)內部。中間段(14B｀)因而就提供了高扭轉和彎曲強度的輕質結構元件以符合置於其上的負荷。
通道元件(304)的上和下端(312，314)都被擴大以接收上段(14A｀)和下段(14B｀)並且從而限定出了縮腰的中間部(316)。在通道元件(304)的任一側上，縮腰部(316)中的側壁(306)具有支撐通常為電池組的能量存儲模塊(320)的大致平面狀側面。前壁(308)還形成有平面狀的小平面(314)以接收與致動器(16｀)的操作相聯繫的控制面板(319)以及調節朝向和來自能量存儲模塊(320)的功率通量。
背壁(310)還用作用於控制致動器(16｀)的又一控制面板(322)的安裝點。由前和後段(326，328)所形成的外殼(324)包圍中間部(316)並被支撐在放大的上和下端(312，314)上。外殼(324)包括安裝在縮腰中間部(316)上的部件並且被構造為與人腿的外觀相符合。
貫脛元件(14｀)的下段(14C｀)包括被接收在放大下端(314)內的安裝板(330)。板(330)被螺栓連接到通道元件(304)的下端(314)以及螺栓連接到用於控制致動器(16｀)的動力驅動裝置(322)，該動力驅動裝置(322)又被緊固到中間段(14B｀)。承窩(334)安裝在板(330)的下側以接收足連接器組件(20｀)的管狀元件(336)。管狀元件(336)延伸到形成於足(20｀)上的凸承窩並且其長度可以被調節來使假肢適合於具體個人。裙部(338)在管狀元件(336)周圍延伸用於裝飾的目的。
從圖15和17中能最佳的看出，致動器(16｀)包括具有螺杆(72｀)的馬達(70｀)。致動器(16｀)定位在中間段(14B｀)的內部以便被壁(308，310，312)所包圍，並且螺杆(72｀)在上端(314)之上並且在膝蓋元件(12)的凸緣(24｀)之間延伸。螺杆(72｀)與構成樞軸組件(80｀)的部件的從動件(74｀)相嚙合，該樞軸組件(80｀)在與樞軸組件(30｀)間隔開的位置處連接到膝蓋元件(12｀)。
馬達(70｀)類似地通過樞軸組件(100｀)在接收樞軸組件(100｀)的軸承的安裝點(340)(圖16)處連接到中間段(14B｀)的下端(314)。
倒置致動器的操作倒置致動器的操作基本上與前面安裝的致動器相同，馬達(70｀)的轉動導致了致動器(16｀)有效長度的變化以及膝蓋元件(12｀)相對於貫脛元件(14｀)的相應轉動。在這種轉動期間，要說明的是，馬達(70｀)繞著其樞軸組件(100｀)擺動但是不沿著假肢(10｀)的軸線平移。馬達在運動範圍時的工作容積因而就減小，以允許更好地利用可用空間。還應當說明的是，考慮到馬達不平移，假肢中的質量分布仍然基本上均勻以給假肢的操作提供更加自然的感覺。
將能量模塊和控制面板集成在中間段上還提供了自包含單元並且簡化了控制和動力傳遞的路線。
例子——針對最佳角度的計算可以假設以下技術規範●幾何體積相應於體重70kg且身高170cm的人的自然脛部的人形體積；●最大距離r設定在0.055m，也就是r＜0.055m；●最小和最大長度LT分別設定為0.3m和0.4m，也就是0.3m＜LT＜0.4m；和●最小和最大距離dT分別設定為-0.015m和+0.015m，也就是-0.015m＜dT＜+0.015m。
幾何模型可以用以下公式定義β＝π-θfix-α-θK公式1LA=LT2+dT2]]>公式2α＝arctan(dT/LT) 公式3L2=LA2+r2-2LArcos]]>公式4br=rLAsin/LA2+r2-2LArcos]]>公式5其中θK膝蓋角度，∠DOAr 膝蓋元件(12)的轉動中心「O」和致動器(16)在膝蓋元件(12)上的附接點之間的距離θfixr和斷肢中心軸向之間的角度，∠EOALA膝蓋元件(12)的轉動中心和致動器(16)在貫脛元件(14)上的附接點之間的長度OBLT膝蓋元件(12)的轉動中心和貫脛元件(14)的附接點之間的長度OAdT貫脛元件(14)的轉動中心和致動器(16)在貫脛元件(14)的附接點之間的長度AB
α 形成於LT，LA之間的角度，∠AOBL致動器(16)的長度，BCβ 形成於LT，r之間的角度，∠BOCbr致動器(16)相對於第一樞軸線(31)的槓桿臂優選地，假設槓桿臂br在膝蓋角度θK為35度時最大。機械設計的幾何計算基於距離r、長度LT、距離dT和角度θfix。因此，這些參數根據截肢者的擬人測量和所選致動器(16)來限定。
對於角度θfix，在公式5處於最大值時，發現對於最大槓桿臂br的最佳值，也就是br/θfix＝0 公式6其中θfix＝π -α-θK-β對於圖6和13所示結構，這個條件在下式成立時達到β＝±3π/2 公式7從公式1，距離r和承窩的中心軸線之間的最佳角度(表示為θfix|optimal)限定為fix|optunal=+/2-/2-k-]]>公式8其中+π/2和-π/2分別相應於前和後致動器結構。
其結構是最佳角度θfix優選地設定在125±3度。
可以理解到，替代的尺寸和參數將應用於其它肢體，比如臂，但是一旦理解了其基本概念，可以容易地將上述基本部件適應於這種環境。
權利要求
1.一種用來代替被截肢體的促動假肢，該假肢包括主關節元件；用來將承窩連接到所述主關節元件的承窩連接器組件；細長結構元件，其具有沿著縱向主軸線間隔開的相對端部；用來將末端部連接到所述結構元件一端的連接器組件；樞軸組件，其用來將結構元件操作上連接到主關節元件以允許所述主關節元件和所述結構元件之間繞著由所述樞軸組件所限定的第一軸線的相對轉動；位於與所述樞軸組件間隔開的位置處的線性致動器，其一端連接到所述結構元件並且相對端連接到所述主關節元件，從而所述致動器的延伸或回縮就導致了所述主關節元件相對於所述結構元件繞著所述樞軸線的相應轉動。
2.根據權利要求1的假肢，其中所述致動器由相應樞軸連接連接到所述主關節元件和所述結構元件，所述樞軸連接的樞軸線基本上平行於所述第一軸線並與之間隔開。
3.根據權利要求1的假肢，其中所述致動器定位在所述結構元件內。
4.根據權利要求3的假肢，其中所述結構元件包括至少兩個間隔開的支柱，所述支柱大致限定了定位所述致動器的大部分的空間。
5.根據權利要求3的假肢，其中所述結構元件包括中空殼體並且所述致動器定位在所述殼體內。
6.根據權利要求5的假肢，其中所述殼體由開口通道元件和可分離的封閉件所構成。
7.根據權利要求5的假肢，其中能量存儲模塊被支撐於所述殼體上。
8.根據權利要求5的假肢，其中電路板被支撐於所述殼體上。
9.根據權利要求1的假肢，其中所述假肢是由膝上截肢者所使用的假腿並且還包括附接到所述結構元件遠端的假足，所述假足限定了所述假肢的前面和後面。
10.根據權利要求9的假肢，其中所述致動器的一端在所述第一樞軸線的前面連接到所述主關節元件。
11.根據權利要求3的假肢，其中所述結構元件包括在所述結構元件的相對端部之間延伸的背板。
12.根據權利要求9的假肢，其中所述致動器的一端在所述第一軸線的後面連接到所述主關節元件。
13.根據權利要求12的假肢，其中所述結構元件具有中間段，該中間段包括至少兩個間隔開的支柱，所述支柱大致限定了定位所述致動器的大部分的空間。
14.根據權利要求9的假肢，還包括附接到所述主關節元件的承窩。
15.根據權利要求1的假肢，還包括用於控制致動器的控制器。
16.根據權利要求15的假肢，其中所述控制器響應於來自本體感受器的輸入信號而將控制信號輸出到所述致動器。
17.根據權利要求16的假肢，其中所述控制器具有連接到動力驅動裝置的輸出，所述動力驅動裝置響應於所述控制信號將電能從動力源供應到所述致動器。
18.根據權利要求16的假肢，其中所述輸入信號還包括來自安裝在所述致動器上的傳感器的信號。
19.根據權利要求1的假肢，其中所述致動器包括迴轉馬達和傳動元件，該傳動元件由所述馬達操作以將所述馬達的轉動運動轉換為線性位移。
20.根據權利要求19的假肢，其中所述傳動元件是可由所述馬達轉動的螺杆以及在所述螺杆由所述馬達轉動時可沿著所述螺杆位移的從動件。
21.根據權利要求20的假肢，其中所述馬達定位為鄰近所述主關節元件並且所述從動件連接到所述結構元件。
22.根據權利要求20的假肢，其中所述馬達定位為鄰近所述結構元件並且所述從動件連接到所述主關節元件。
23.根據權利要求1的假肢，其中負荷傳感器插入在所述致動器和所述元件之間以提供施加於所述假肢上的負荷的顯示。
24.根據權利要求1的假肢，包括提供所述主關節元件和所述結構元件之間相對運動的顯示的傳感器。
25.根據權利要求24的假肢，其中所述傳感器是光學傳感器。
26.一種用於膝上截肢者的促動腿假肢，該假肢包括膝蓋元件；連接到所述膝蓋元件的承窩；具有上端和下端的細長貫脛元件，所述貫脛元件限定了縱向主軸線；連接在所述貫脛元件下端下面的假足，所述假足限定了假肢的前面和後面；具有上端和下端的線性致動器；將所述貫脛元件操作上連接到膝蓋元件的第一樞軸組件，所述第一樞軸組件限定了垂直於所述縱向主軸線的第一樞軸線；將所述致動器的所述上端操作上連接到所述膝蓋元件的第二樞軸組件，所述第二樞軸組件限定了基本上平行於所述第一樞軸線的第二樞軸線，所述第二樞軸線與所述第一樞軸線和所述縱向主軸線間隔開；和將所述致動器的所述下端操作上連接到所述貫脛元件的所述下端的第三樞軸組件，所述第三樞軸組件限定了基本上平行於所述第一樞軸線並與之間隔開的第三樞軸線。
27.根據權利要求26的假肢，其中所述貫脛元件具有中間段，該中間段包括至少兩個間隔開的支柱，所述支柱大致限定了定位所述致動器的大部分的空間。
28.根據權利要求26的假肢，其中所述致動器的所述上端連接到所述假肢的所述前面。
29.根據權利要求28的假肢，其中所述貫脛元件包括在所述貫脛元件的所述上端和所述下端之間延伸的背板。
30.根據權利要求26的假肢，其中所述致動器的所述上端連接到所述假肢的所述後面。
31.根據權利要求30的假肢，其中所述貫脛元件具有中間段，該中間段包括至少兩個間隔開的支柱，所述支柱大致限定了定位所述致動器的大部分的空間。
32.根據權利要求26的假肢，還包括控制所述致動器的控制器，所述控制器響應於來自本體感受器的輸入信號而輸出控制信號。
33.根據權利要求32的假肢，其中所述控制器具有連接到動力驅動裝置的輸出，所述動力驅動裝置響應於所述控制信號將電能從動力源供應到所述致動器。
34.根據權利要求32的假肢，其中所述輸入信號還包括來自安裝在所述假肢上和定位在所述假肢外側的傳感器的信號。
全文摘要
促動腿假肢包括膝蓋元件；設在膝蓋元件之上的承窩連接器；具有下端的細長貫脛元件，假足連接在所述下端的下面；以及線性致動器。第一樞軸組件允許將貫脛元件操作上連接到膝蓋元件。第二樞軸組件允許將致動器的上端操作上連接到膝蓋元件。第三樞軸組件允許將致動器的下端操作上連接到貫脛元件的下端。這種假肢能提供為前致動器結構或後致動器結構。
文檔編號A61F2/60GK1901858SQ200480039143
公開日2007年1月24日 申請日期2004年11月25日 優先權日2003年11月25日
發明者斯特凡·貝達爾, 皮埃爾-奧利維爾·羅伊 申請人:維克多姆人體機械公司