用於控制人造矯形外科或假肢關節的方法和設備的製作方法
2023-07-07 02:46:56
專利名稱：用於控制人造矯形外科或假肢關節的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於利用阻抗裝置控制下肢的人造矯形或假肢關節的方法，給所述阻抗裝置配置至少一個促動器，通過所述促動器根據傳感器數據改變屈曲阻抗和/或伸張阻抗，其中，在使用關節期間通過傳感器提供狀態信息，本發明還涉及一種用於實施 這種方法的設備。本發明提出，在站立期中，當求得小腿部的惰性角度朝垂線的方向減小並且同時前腳受載荷時提高或者不降低屈曲阻抗。所述設備和方法除了在假肢膝關節中使用之外特別是還能夠有意義地在髖假肢中採用。
背景技術：
在髖假肢的情況下在使用伸張輔助彈簧時存在的問題是，髖骨在卸載時屈曲，這在正常的行走過程中作為屈曲輔助是期望的，但是佩戴者在倒行時會被帶入不期望的狀況中。用於矯形器或假肢的人造關節、特別是膝關節具有上連接件和下連接件，它們通過關節裝置彼此連接。在膝關節的情況下在上連接件上設置用於大腿殘肢或大腿軌的接收部，而在下連接件上設置小腿筒或小腿軌。在最簡單的情況下，上連接件通過單軸鉸鏈與下連接件可樞轉地彼此連接。這種布置僅僅在特殊情況下足以確保期望的效果，例如在矯形器中採用的情況下確保支撐或者在假肢中採用的情況下確保自然的步態形成。為了在一個步進的不同階段期間或者在其他工作中儘可能自然地滿足或支持不同的要求，設置阻抗裝置，其提供屈曲阻抗或伸張阻抗。通過所述屈曲阻抗來調節下連接件相對於上連接件在屈曲方向上能夠以何種程度樞轉。因此，在膝關節的情況下，通過所述屈曲阻抗來調節小腿筒或小腿軌相對於大腿部或大腿軌在施加力的情況下以何種程度向後揮動。伸張阻抗對小腿筒或小腿軌的前進運動進行制動並且可構成伸張止擋。在其他關節類型的情況下例如髖關節或踝關節的情況下，這種實施方式根據運動學狀況也適用。通過可調節的阻抗裝置能夠使得相應的屈曲阻抗和/或伸張阻抗適配於假肢裝置或矯形器裝置的使用者或者進入到不同的行走或運動狀況，以便能夠在條件改變的情況下提供適配的阻抗。由DE 102008008284A1公開了一種矯形外科技術的膝關節，其具有上部件和可樞轉地布置在上部件上的下部件，給其配置多個傳感器，例如屈曲角度傳感器、加速度傳感器、斜率傳感器和/或力傳感器。伸張止擋根據求得的傳感器數據來調節。DE 102006021802A1描述了一種被動式假肢膝關節的控制，在伸展方向上具有可調節的阻尼以適配於假肢裝置，所述假肢裝置具有上側的連接器件和通往人造腳的連接元件。與樓梯行走進行適配，其中，檢測假肢腳的幾乎無力矩的抬起並且將屈曲阻尼在抬起階段中降低到一個對於在平面中行走合適的水平以下。屈曲阻尼可根據膝蓋角度的變化並且根據作用在小腿上的軸向力升高。DE 102007053389A1描述了一種用於控制具有至少一個自由度的下肢的矯形外科關節的方法，具有可調節的促動器以適配於矯形外科裝置，所述矯形外科裝置具有連接至肢體的上側連接器件和相對於所述連接器件遠中地鉸接布置的矯形外科關節，在不同於在平面上行走的行走狀態下。在此通過傳感器檢測該矯形外科裝置的多個參數，將檢測到的參數與判據(所述判據藉助於多個參數和/或參數變化曲線求得並且存放在計算單元中)相比較並且選出一個判據，所述判據根據求得的參數或參數變化曲線是合適的。基於所選出的判據調節屈曲阻抗、運動範圍、驅動力和/或其變化曲線以控制不同於在平面中行走的特殊功能。矯形外科裝置在一部分在空間中的傾翻角度和/或矯形外科裝置的一部分的傾翻角度改變的變化曲線可用作參數。EP 1237513B1描述了一種假肢或矯形器，其具有控制裝置和與控制裝置耦合的傳感器，所述傳感器檢測相對於與關節連接的部件的確定的線的傾斜角度。基於傾斜角度數據使關節的運動特性改變，即，制動或釋放關節。此外，由現有技術公開了所謂的制動膝關節，其中，在軸向負載升高時以機械方式提高屈曲和伸展阻抗。在最簡單的情況下這通過以下方式實現，即，設置兩個制動面，所述制動面通過地面反作用力彼此壓緊。這種方案不能在用於具有被控阻抗裝置的現代假肢膝 關節的制動裝置上採用。
發明內容
本發明的任務在於，提供一種方法和一種設備，利用其能夠使膝蓋在倒行時自動地以增高的阻抗受載荷或者鎖死，而不必故意激活或去活該模式。根據本發明，該任務通過獨立權利要求所述的方法和並列權利要求所述的設備來解決。本發明的有利的構型和進一步方案在從屬權利要求中予以描述。根據本發明，提出了一種用於利用阻抗裝置控制下肢的人造矯形或假肢關節的方法，給所述阻抗裝置配置至少一個促動器，通過所述促動器根據傳感器數據改變屈曲阻抗和/或伸張阻抗，其中，在使用關節期間通過傳感器提供狀態信息，本發明提出，當求得小腿部的朝垂線的方向減小的惰性角度並且同時前腳受載荷時提高或者不降低站立期中的屈曲阻抗。通過將小腿部朝垂線方向減小的惰性角度的傳感器參量與前腳載荷的存在相耦合能夠可靠地檢測倒行並且不觸發邁步期，也就是不降低屈曲阻抗，以便如果在倒行時被照料的腿向後邁並且落在地上時避免膝關節不期望地屈曲。由此可使得被照料的腿在屈曲方向上在不彎曲的情況下承受載荷，從而使得用假肢或矯形器照料的患者在不必激活單獨的鎖止的情況下倒行。如果識別出倒行，則有利的是，提高或不降低屈曲阻抗，從而使得在任何情況下都禁止觸發邁步期。本發明的一個進一步方案提出，當關節部的惰性角速度低於閾值時提高或者不降低阻抗，或者換句話說，當惰性角速度超過預給定的閾值時在降低屈曲阻抗的情況下啟動邁步期。同樣也可以的是，通過確定關節部特別是小腿部的惰性角度和關節部特別是小腿部的惰性角速度求得假肢使用者或矯形器使用者正在倒行並且需要鎖止或強烈制動膝關節以抵抗屈曲。相應地，如果阻抗不足夠高的話提高阻抗，從而必要時也鎖死膝關節。此外可提出，當前腳載荷在小腿部的惰性角度減小的情況下降低時，則求得前腳載荷的變化曲線並且提高或者不降低阻抗。在前進運動時，當小腿部越過垂線向前擺動時在腳跟著地後前腳載荷才提高，而前腳載荷在倒行時在惰性角度減小的情況下降低，從而在存在這兩種狀況時——也就是惰性角度減小和前腳載荷降低時可推斷出倒行。然後相應地將阻抗提高到用於倒行的值上。此外可提出，當膝蓋角度小於15°時提高或者不降低阻抗。由此排除了在邁步期間並且在膝蓋在相應角度或角速度的情況下屈曲時鎖止膝關節並且使得其不再可屈曲。由此，只有當被照料的腿處於伸直或近似伸直狀態中時才進行倒行。同樣可提出，當膝蓋角速度非常小或者存在靜態時、也就是被照料的腿後移並且沒有啟動行走運動，儘管膝蓋角度大於15°也提高或不降低阻抗。在該靜止狀態中難於識別是進行前進運動還是倒退運動。另一特徵參量可以是膝蓋力矩，所述膝蓋力矩被檢測並且用作是否提高或不降低阻抗的基礎。當求得在屈曲方向上起作用的膝蓋力矩時，也就是當假肢腳著地並且檢測到膝蓋中的屈曲力矩時，則存在一種狀況，在該狀況中，假定是倒行，從而使得屈曲鎖止、也就是將阻抗提高到一個值上是有根據的，所述值不會容易地允許屈曲。小腿部的惰性角度可直接地通過設置在小腿部上的傳感器裝置來確定或者由其他連接件例如大腿部的惰性角度和同樣求得的關節角度來確定。因為大腿部和小腿部之間 的關節角度也可以用於其他的控制信號，因此通過傳感器的多重布置以及多重使用所述信號給出一個冗餘，從而使得即使在一個傳感器失效的情況下也仍然獲得假肢或矯形器的功能性。關節部的惰性角度的改變可直接通過陀螺儀或者由所述關節部的惰性角度信號的微分或者由一連接件的惰性角度信號和一關節角度求得。當求得小腿部的相對於垂線增大的惰性角度時，可在站立期將屈曲阻抗降低到對於邁步期合適的值上。小腿部的惰性角度的增大表明假肢使用者或矯形器使用者處於前進運動中，其中，假定小腿部的遠中端部作為支點。提出，只有當所述惰性角度超過閾值時才進行所述降低。此外，當小腿部相對於大腿部的運動不是屈曲時、也就是伸直或者保持恆定時(這意味著前進運動)降低阻抗。同樣，當存在伸張的膝蓋力矩時降低阻抗。此外可提出，求得地面反作用力矢量相對於關節部的距離並且當所述距離的閾值被超過時——也就是當所述地面反作用力矢量相對於關節部例如在確定的高度中相對於小腿部的縱軸線或者相對於膝關節的樞轉軸線超過最低距離時一一降低阻抗。當求得膝關節力矩從伸張轉變到屈曲時將阻抗降低到對於邁步期合適的值上。在此，在所述膝蓋力矩從伸張轉變到屈曲緊之後進行所述降低。此外可提出，在所述阻抗降低之後如果在確定的時間之內沒有達到用於關節部件的惰性角度、用於惰性角速度、用於地面反作用力、用於關節力矩、用於關節角度或用於力矢量相對於關節部件的距離的閾值時，將阻抗在降低之後又提高到站立期的值上。換句話說，如果在轉換到邁步期狀態之後在確定的時間內事實上沒有發現邁步期，則又將所述關節調節到站立期狀態中。這樣做的基礎是在腳尖離開地面之前已經觸發了邁步期以便允許即使啟動邁步期。但是如果邁步期沒有啟動，就像例如在環繞轉向運動時出現的情況那樣，則必須又轉換到可靠的站立期阻抗上。為此設置計時器，所述計時器檢驗是否在確定的時間之內存在用於上述參量之一的期望值。當檢測到關節角度增大時、也就是當實際上啟動了邁步期時保持降低阻抗，也就是保持激活邁步期。同樣也可以的是，在達到所述閾值並且接通邁步期之後只有當小於所述第一閾值的第二閾值被低於時才接通計時器。也就是可以規定，在所述阻抗降低並且緊接著所述降低達到了用於關節部件的惰性角度、惰性角速度、地面反作用力、關節力矩、關節角度或力矢量相對於關節部件的距離的閾值之後如果沒有在確定的時間之內達到用於惰性角度、惰性角速度、用於地面反作用力、用於關節力矩、用於關節角度或用於力矢量相對於關節部件的距離的另一閾值，則將阻抗在降低之後又提高到用於站立期的值上。為了基於傳感器數據控制人造關節，設置這樣的傳感器，所述傳感器恰恰是需要的，以便在檢測行走期過渡時確保安全標準。如果使用超過最低限度的傳感器例如以提高安全標準，則這傳感器的冗餘允許實現這樣的控制，所述控制不使用設置在關節中或上的全部傳感器並且仍然遵守安全性的最低標準。提出使用傳感器的冗餘來實現替代的控制，所述控制在傳感器失效的情況下仍然能夠利用尚工作的傳感器允許以邁步期進行行走並且提供安全性的最低標準。本發明還提出了一種用於執行上述方法的設備具有可調節的阻抗裝置，所述阻抗裝置布置在人造矯形關節或假肢關節的兩個鉸接地彼此支承的部件之間，存在控制裝置和傳感器，它們檢測所述設備的狀態信息，本發明提出，設置調節裝置，通過所述調節裝置能夠激活和/或去活與載荷有關的阻抗改變。根據前腳載荷的存在或缺乏使阻抗裝置激活或去活。由此可除了自動識別倒行和自動進行阻抗適配之外還可實現倒行模式的故意激活，同樣也可以的是，關斷該模式並且將其從膝蓋控制的標準程序中移除。
下面藉助於附圖對本發明的實施例進行詳細說明。附圖表示圖I是倒行期間假肢的示意圖；圖2是屈曲狀態中的假肢示意圖。
具體實施例方式圖I中示出一個假肢，其具有大腿部I和鉸接地支承在該大腿部上的小腿部2。在所述小腿部2的遠中端部上設置一個假肢腳3。所述小腿部2通過假肢膝關節4與所述大腿部I鉸接地連接。大腿部I以大腿筒的形式構成，從而使得大腿殘肢可插入並且能固定在裡面。惰性角度α工是關節部件相對於垂線的絕對角度，由此作為惰性角度的時間導數得到惰性角速度《卩從站立的狀況起，在倒行時，需被照料的腿(在此是假肢)向後邁，也就是與假肢使用者的正常視向相反。由此得出小腿部2相對於重力方向(該重力方向通過重力矢量g表示)的惰性角度^^首先增大，直到假肢腳3落在地面上為止。在落地之後，假肢腳的旋轉點。如果患者倒行，則在腳落下之後惰性角度h減小，由此惰性角速度CO1為負。由此，通過所述惰性角速度Q1可區分前行和倒行。在前行時在相應的狀況下，即在前腳受載荷並且假肢向前傾翻並且惰性角速度O1為正的情況下，對於邁步階段應降低阻抗，而在倒行時在該狀況下，即在前腳受載荷並且假肢向前傾翻並且惰性角速度Q1為負的情況下，對於邁步階段不應降低阻抗。惰性角度α工如圖中所示例如由相對於小腿部2的縱向延伸的垂線得出。在此假定將小腿部2的遠中端部作為用於確定增大的惰性角度Ci1的旋轉點或支點。從而該惰性角度αI如圖所示由相對於小腿部2的縱向延伸的垂線得出。小腿部2的縱向延伸或縱軸線穿過假肢膝關節4的樞轉軸線並且優選也穿過踝關節的樞轉軸線或者中央地穿過假肢腳3與小腿部2之間的連接部位。小腿部2的惰性角度a J可直 接通過設置在小腿部2上的傳感器裝置確定，對此替代地，這可以通過大腿部I上的傳感器和膝蓋角度傳感器確定，所述傳感器檢測大腿部I與小腿部2之間的角度。
為了確定惰性角速度，求得惰性角度\在時間上的變化，從而得到角速度CO1，所述角速度可具有量值和方向。如果現在出現確定的惰性角度α I和確定的惰性角速度GJ1,則如果超過了惰性角速度Q1的確定的閾值的話就啟動一個邁步期。如果出現降低的惰性角度α χ並且此外還具有前腳負載的話，則可推斷出「前行」，從而不降低屈曲阻抗，而是保持或提高屈曲阻抗以便不導入邁步期屈曲。在圖I中以扁平地落在地面上的狀態示出所述假肢並且該假肢用於在本說明書中進行符號法則說明。在其他符號法則的情況下可得出相應其他的說明。膝蓋角度^^在此相應於大腿部I相對於小腿部2的角度，相應地由該膝蓋角度a K的時間導數得出膝蓋角速度ωκ。膝蓋力矩Mk圍繞假肢膝關節4的關節軸線起作用，該膝蓋力矩在伸張方向上假定為正。如果存在一個關節角速度，則認為關節在負載下屈曲。由此，阻抗降低將導致衝擊式的不安全狀況並且因此應被禁止。在膝蓋角度大的情況下也是這樣，大膝蓋角度表示假肢已經屈曲並且阻抗降低又會導致衝擊式的不安全狀況並且因此被禁止。此外可定義另外的惰性角度，所述惰性角度必須達到確定的閾值，由此決定是採 取倒行還是導入邁步期。在此可採用小腿部2、假肢腳3和大腿部I的惰性角度。
權利要求
1.一種用於利用阻抗裝置控制下肢的人造矯形或假肢關節的方法，給所述阻抗裝置配置至少一個促動器，通過所述促動器根據傳感器數據改變屈曲阻抗和/或伸張阻抗，其中，在使用關節期間通過傳感器提供狀態信息，其特徵在於，當求得小腿部的朝垂線的方向減小的惰性角度並且同時前腳受載荷時提高或者不降低站立期中的屈曲阻抗。
2.根據權利要求I的方法，其特徵在於，當關節部的惰性角速度低於閾值時提高或者不降低阻抗。
3.根據權利要求I或2的方法，其特徵在於，當前腳載荷在小腿部的惰性角度減小的情況下提高時，求得前腳載荷的變化曲線並且提高或者不降低阻抗。
4.根據上述權利要求之一的方法，其特徵在於，當膝蓋角度小於15°時提高或者不降低阻抗。
5.根據上述權利要求之一的方法，其特徵在於，檢測膝蓋力矩並且當求得在屈曲方向上起作用的膝蓋力矩時提高或者不降低阻抗。
6.根據上述權利要求之一的方法，其特徵在於，要麼直接地要麼由其他連接件的惰性角度和一關節角度求得所述小腿部的惰性角度。
7.根據上述權利要求之一的方法，其特徵在於，直接通過陀螺儀或者由一關節部的惰性角度信號的微分或者由一連接件的惰性角度信號和一關節角度求得所述關節部的惰性角度的改變。
8.根據上述權利要求之一的方法，其特徵在於，當求得小腿部的相對於垂線增大的惰性角度時降低站立期中的阻抗。
9.根據上述權利要求之一的方法，其特徵在於，當小腿部相對於大腿部的運動不是屈曲時降低阻抗。
10.根據上述權利要求之一的方法，其特徵在於，當存在伸張的膝蓋力矩時降低阻抗。
11.根據上述權利要求之一的方法，其特徵在於，求得地面反作用力矢量相對於關節部的距離並且當所述距離的閾值被超過時降低阻抗。
12.根據上述權利要求之一的方法，其特徵在於，在所述阻抗降低之後如果在確定的時間之內沒有達到用於關節部件的惰性角度、用於惰性角速度、用於地面反作用力、用於關節力矩、用於關節角度或用於力矢量相對於關節部件的距離的閾值，則將阻抗在降低之後又提高到用於站立期的值上。
13.根據上述權利要求之一的方法，其特徵在於，在所述阻抗降低並且緊接著所述降低達到了用於關節部件的惰性角度、惰性角速度、地面反作用力、關節力矩、關節角度或力矢量相對於關節部件的距離的閾值之後如果沒有在確定的時間之內達到用於惰性角度、惰性角速度、用於地面反作用力、用於關節力矩、用於關節角度或用於力矢量相對於關節部件的距離的另一閾值，則將阻抗在降低之後又提高到用於站立期的值上。
14.根據權利要求12或13的方法，其特徵在於，當檢測到關節角度增大時保持降低阻抗。
15.根據上述權利要求之一的方法，其特徵在於，在用於檢測力矩、力和/或關節角度的裝置失效的情況下使用替代的控制算法基於剩下的裝置來改變伸張和/或屈曲阻抗。
16.一種用於執行根據上述權利要求之一所述方法的設備，具有可調節的阻抗裝置，所述阻抗裝置布置在人造矯形關節或假肢關節的兩個鉸接地彼此支承的部件之間，存在控制裝置和傳感器，所述傳感器用於檢測所述設備的狀態信息，其特徵在於，設置調節裝置，通過所述調節裝置能夠 激活和/或去活與載荷有關的阻抗改變。
全文摘要
本發明涉及一種用於利用阻抗裝置控制下肢的人造矯形或假肢關節的方法，給所述阻抗裝置配置至少一個促動器，通過所述促動器根據傳感器數據改變屈曲阻抗和/或伸張阻抗，其中，在使用關節期間通過傳感器提供狀態信息，本發明還涉及一種用於實施這種方法的設備。本發明提出，在站立期中，當求得小腿部的惰性角度朝垂線的方向減小並且同時前腳受載荷時提高或者不降低屈曲阻抗。
文檔編號A61F2/68GK102647963SQ201080051490
公開日2012年8月22日 申請日期2010年11月12日 優先權日2009年11月13日
發明者C·波普, M·賽伊, P·肯帕斯, R·帕弗利克 申請人:奧託·博克保健產品有限公司