專利名稱：經(jīng)股的假肢系統(tǒng)和用于操作該系統(tǒng)的方法
經(jīng)股的假肢系統(tǒng)和用于操作該系統(tǒng)的方法
相關(guān)申請
本申請要求2008年3月24日提交的申請?zhí)枮?1/039，055的美國臨時申請的權(quán) 益，是2006年2月15日提交的申請?zhí)枮?1/355，047的美國專利申請的部分繼續(xù)申請(代 理人案號0SSUR. 061A)，該申請分別要求2005年2月16日和2005年5月10日提交的申請 號為60/653，717和60/679，953的美國臨時申請的優(yōu)先權(quán)，并且是2005年2月11日提交的 申請?zhí)枮?1/056，344的美國專利申請的部分繼續(xù)申請(代理人案號0SSUR. 053A)，該申請 分別要求2004年2月12日和2004年7月15日提交的申請?zhí)枮?0/544，259和60/588，232 的美國臨時申請的優(yōu)先權(quán)。上述申請中的每一件都通過引用其全部內(nèi)容而并入本文并且應(yīng) 該被認(rèn)為是本說明書的一部分。技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明主要涉及假肢和矯形肢體，并且另外涉及用于配置、同步和優(yōu)化病人攜帶 的假肢和矯形裝置的自適應(yīng)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
全世界數(shù)以百萬計的個人依賴于假肢和/或矯形裝置以彌補(bǔ)殘疾例如截肢或衰 竭并幫助恢復(fù)受傷肢體。矯形裝置包括用于身體可移動部分的支撐、對齊、阻止、保護(hù)、矯正 畸形或功能改善的外用裝置。假肢裝置包括用作缺失的身體部分例如手臂或腿的人造替代 品的裝置。
隨著個人平均壽命的延長以及衰竭性疾病例如糖尿病的流行，殘疾人和截肢患者 的數(shù)量每年都在增長。因此，對于假肢和矯形裝置的需求也在增加。常規(guī)的矯形器經(jīng)常被 用于支撐關(guān)節(jié)例如個人的腳踝或膝蓋，并且矯形器的動作通常完全取決于使用者的能量消 耗。某些常規(guī)的假肢裝有人工移動關(guān)節(jié)而與截肢患者沒有任何交互的基本控制器并且只能 夠進(jìn)行基本動作。這樣的基本控制器沒有考慮工作環(huán)境的動態(tài)條件。這些常規(guī)的假肢和矯 形裝置的被動性通常會導(dǎo)致動作的不穩(wěn)定性、殘疾人或截肢患者身體上的高能量、步態(tài)的 偏差以及其他短期和長期的負(fù)面效果。對于腿部的矯形器和假肢來說更是如此。
例如連接至人肢體的假肢和矯形裝置也已從電子技術(shù)的進(jìn)步當(dāng)中獲益。電控的假 肢或矯形裝置，通?？梢员环Q作“機(jī)電式”裝置，例如假肢腳踝或膝蓋，能夠為裝有這種系統(tǒng) 的病人提供更加安全和更為自然的動作。但是，電子技術(shù)的進(jìn)步看起來已經(jīng)超越了控制系 統(tǒng)的進(jìn)步。因此，用于假肢系統(tǒng)的控制系統(tǒng)能夠從智能結(jié)構(gòu)中受益。
而且，用于假肢和矯形系統(tǒng)的電子控制系統(tǒng)的發(fā)展形成了對于同步由單個病人佩 戴的多個裝置例如假肢膝蓋和假肢腳踝的系統(tǒng)和方法的需求。彼此獨立地操作多個控制系 統(tǒng)可能就無法給病人提供穩(wěn)定、協(xié)調(diào)的動作。另外，多個假肢裝置的獨立結(jié)構(gòu)也可能是不方 便的。因此，希望能有在這樣的控制系統(tǒng)之間進(jìn)行配置、通信和同步的系統(tǒng)和方法。而且， 希望能有在這樣的控制系統(tǒng)中增加、替換或擴(kuò)充軟件部分的系統(tǒng)和方法。發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個實施方式包括獨立驅(qū)動并模仿健康肢體的自然動作并且特別 是模仿健康腳踝動作的假肢或矯形系統(tǒng)。本發(fā)明的另一個實施方式包括管理假肢或矯形系 統(tǒng)動作以幫助殘疾人或截肢患者移動的傳感器系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。
本發(fā)明的一個實施方式包括與肢體動作相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)。在一個實施方式中，該系 統(tǒng)包括足部單元；具有上端和下端的連接元件，其中下端被樞軸連接至足部單元的第一位 置；以及有效連接至足部單元和連接元件的致動器，其中致動器被設(shè)置用于主動調(diào)節(jié)連接 元件和足部單元之間的角度。例如，足部單元可以是假肢或矯形裝置。
本發(fā)明的另一個實施方式包括用于模仿腳踝自然動作的假肢系統(tǒng)。在一個實施方 式中，該假肢系統(tǒng)包括假肢足部；連接至假肢足部第一位置的樞軸組件，其中第一位置靠近 假肢足部的自然腳踝位置；沿脛骨方向延伸的下肢元件，下肢元件具有上端和下端，其中下 肢元件的下端被有效連接至樞軸組件；以及有效連接至假肢足部和下肢元件的致動器，其 中致動器被設(shè)置用于圍繞樞軸組件主動調(diào)節(jié)下肢元件和假肢足部之間的角度。
本發(fā)明的一個實施方式包括用于控制與肢體動作相關(guān)聯(lián)裝置的方法。在一個實施 方式中，該方法包括用至少一個傳感器監(jiān)測與肢體相連的可致動裝置的動作；生成指示所 述動作的數(shù)據(jù)；用處理模塊來處理數(shù)據(jù)以確定可致動裝置當(dāng)前的運(yùn)動狀態(tài)；并根據(jù)確定的 運(yùn)動狀態(tài)來調(diào)節(jié)可致動裝置，其中所述調(diào)節(jié)包括充分地模仿健康腳踝的動作。例如，可致動 裝置可以是假肢或矯形器。
本發(fā)明的另一個實施方式包括用于控制假肢腳踝裝置的方法。在一個實施方式 中，該方法包括用至少一個傳感器監(jiān)測可致動假肢腳踝裝置的動作，其中至少一個傳感器 生成指示假肢腳踝裝置動作的數(shù)據(jù)；用控制模塊來接收和處理數(shù)據(jù)以確定可致動假肢腳踝 裝置當(dāng)前的運(yùn)動狀態(tài)；根據(jù)確定的運(yùn)動狀態(tài)用控制模塊輸出至少一種控制信號；并至少根 據(jù)控制信號來調(diào)節(jié)可致動假肢腳踝裝置，其中所述調(diào)節(jié)包括充分地模仿健康腳踝的動作。
在一個實施方式中，提供的假肢或矯形系統(tǒng)具有腳踝動作受控的足部。該假肢或 矯形系統(tǒng)當(dāng)中包括下肢元件、致動器和足部單元。致動器被設(shè)置用于通過調(diào)節(jié)下肢元件和 足部單元之間的角度來模仿腳踝的動作。該假肢或矯形系統(tǒng)還包括幫助將下肢元件連接至 另一個假肢或矯形元件、連接至截肢患者的殘肢或者連接至另一部件的連接部分。該假肢 或矯形系統(tǒng)還可以包括可再充電電池以為系統(tǒng)的致動器或系統(tǒng)的其他部件供電。本發(fā)明的 實施方式包括了用于經(jīng)脛(transtibial)截肢患者和經(jīng)股(transfemoral)截肢患者的系 統(tǒng)。
在本發(fā)明的另一個實施方式中，假肢或矯形系統(tǒng)包括用于獲取假肢或矯形裝置的 位置和移動信息的傳感器系統(tǒng)。該信息可以被實時處理以預(yù)測假肢或矯形裝置的合理動作 并因此調(diào)節(jié)假肢或矯形裝置。
在本發(fā)明的一個實施方式中，提供的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有傳感器模塊、中央處理單元、存 儲器、外部接口、控制驅(qū)動模塊、致動器和腳踝裝置。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以通過外部接口從外部 來源例如使用者或電子裝置接收指令和/或數(shù)據(jù)。
在一個實施方式中，也可以提供控制系統(tǒng)來管理矯形器或假肢的動作。在一個實 施方式中，控制系統(tǒng)管理致動器例如螺桿電機(jī)的動作。這樣的動作控制可供使用者在上斜 面、下斜面或樓梯上完成動作。在一個實施方式中，控制系統(tǒng)可以被設(shè)置用于通過傳感器監(jiān)6測健康肢體的動作并利用測量值來控制假肢或矯形器的動作?？刂葡到y(tǒng)還可以管理矯形器 或假肢的致動器或其他部分的阻尼。
在一個實施方式中，提供了用于控制假肢或矯形裝置致動的方法。該方法包括在 可致動的假肢或矯形裝置上提供一個或多個傳感器。從傳感器接收的數(shù)據(jù)被處理并用于確 定假肢裝置當(dāng)前的運(yùn)動狀態(tài)。處理單元利用至少一部分從傳感器接收的數(shù)據(jù)，隨后預(yù)測假 肢或矯形裝置的動作。在一個實施方式中，提供假肢腳踝以模仿健康腳踝的動作。一個或 多個傳感器可以包括例如陀螺儀和/或加速計。在本發(fā)明的另一個實施方式中，除非是使 用者的運(yùn)動類型被處理單元確定為具有高于預(yù)定閾值的安全問題，否則不會對可致動假肢 或矯形裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)。
在另一個實施方式中，提供了用于識別矯形或假肢裝置動作的方法。該方法包括 在裝置移動時從安置在矯形或假肢裝置上的一個或多個傳感器接收數(shù)據(jù)。根據(jù)通過傳感器 接收的數(shù)據(jù)生成波形。通過將該波形與用于特定動作類型的已知波形相關(guān)聯(lián)來識別矯形或 假肢裝置的具體動作。例如，已知波形可以由使用者輸入或者從外部裝置或系統(tǒng)中下載。波 形可以被存儲在假肢或矯形裝置的存儲器內(nèi)。
在另一個實施方式中，提供了用于致動腳踝輔助裝置的方法。通過提供計算機(jī)控 制以提供裝置第一和第二部分之間的相對動作來致動該裝置。在一個實施方式中，該裝置 是矯形器。在另一個實施方式中，該裝置是假肢。在一個實施方式中，計算機(jī)控制預(yù)測裝置 的后續(xù)動作。在另一個實施方式中，計算機(jī)控制從接收關(guān)于環(huán)境變量和/或假肢或矯形裝 置動作或位置信息的至少一個傳感器模塊接收輸入。在另一個實施方式中，計算機(jī)控制從 接收關(guān)于健康肢體動作或位置信息的至少一個傳感器模塊接收輸入。
本發(fā)明的一個實施方式包括被設(shè)置用于連接至肢體的裝置。該裝置包括第一部分 和第二部分，第一和第二部分相對于彼此可移動以模仿自然的人體關(guān)節(jié)。該裝置還包括將 第一和第二部分連接在一起并且被設(shè)置用于調(diào)節(jié)第一和第二部分之間角度的致動器。致動 器包括有效連接至定子的轉(zhuǎn)子以及被設(shè)置用于旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的電機(jī)，其中致動器在步態(tài)循環(huán)的 所需階段期間被選擇性地鎖定。
本發(fā)明的另一個實施方式包括被設(shè)置用于連接至肢體的裝置。該裝置包括第一部 分和第二部分，第一和第二部分相對于彼此可移動以模仿自然的人體關(guān)節(jié)。該裝置還包括 將第一和第二部分連接在一起并且被設(shè)置用于調(diào)節(jié)第一和第二部分之間角度的致動器。致 動器包括有效連接至定子的轉(zhuǎn)子以及被設(shè)置用于旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的電機(jī)。該裝置還包括用于使對 轉(zhuǎn)子的摩擦最小化的裝置。
本發(fā)明的又一個實施方式包括被設(shè)置用于連接至肢體的裝置。該裝置包括第一部 分和第二部分，第一和第二部分相對于彼此可移動以模仿自然的人體關(guān)節(jié)。該裝置還包括 將第一和第二部分連接在一起并且被設(shè)置用于調(diào)節(jié)第一和第二部分之間角度的致動器。致 動器包括有效連接至定子的轉(zhuǎn)子以及被設(shè)置用于旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的電機(jī)，其中電機(jī)被圍繞轉(zhuǎn)子設(shè)置。
本發(fā)明的另一個實施方式包括被設(shè)置用于連接至肢體的假肢裝置。該裝置包括假 肢足部和連接至假肢足部的樞軸組件，樞軸組件模仿自然的人體腳踝關(guān)節(jié)。該裝置還包括 具有上端和下端的支撐元件，其中支撐元件下端被有效連接至樞軸組件。假肢裝置還包括 有效連接至假肢足部和支撐元件的致動器，致動器被設(shè)置用于圍繞樞軸組件調(diào)節(jié)支撐元件和假肢足部之間的角度，其中致動器在假肢足部步態(tài)循環(huán)的所需階段期間被選擇性鎖定。
在又一個實施方式中，提供的致動器包括圍繞致動器主軸延伸的狹長元件。致動 器還包括可旋轉(zhuǎn)地連接至狹長元件的轉(zhuǎn)子和有效連接至轉(zhuǎn)子的定子。至少一塊磁鐵被設(shè)置 在轉(zhuǎn)子和定子之間，磁鐵被設(shè)置用于在轉(zhuǎn)子和定子之間施加磁力。致動器還包括被設(shè)置用 于相對于狹長元件轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子的電機(jī)，其中至少一塊磁鐵被設(shè)置用于最小化轉(zhuǎn)子和定子之間 的摩擦。
在本發(fā)明的另一個實施方式中，提供的致動器包括圍繞致動器主軸延伸的狹長元 件。致動器還包括可旋轉(zhuǎn)地連接至狹長元件的轉(zhuǎn)子和有效連接至轉(zhuǎn)子的定子。滾珠軸承被 設(shè)置在轉(zhuǎn)子和定子之間。致動器還包括被設(shè)置用于相對于狹長元件轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子的電機(jī)，其中 滾珠軸承被設(shè)置用于最小化轉(zhuǎn)子和定子之間的摩擦。
在本發(fā)明的又一個實施方式中，提供的致動器包括圍繞致動器主軸延伸的狹長元 件。轉(zhuǎn)子被可旋轉(zhuǎn)地連接至狹長元件且定子被有效連接至轉(zhuǎn)子。致動器還包括圍繞轉(zhuǎn)子設(shè) 置并且被設(shè)置用于相對于狹長元件轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子的電機(jī)。
在另一個實施方式中，提供的致動器包括圍繞致動器主軸延伸的狹長元件。致動 器還包括可旋轉(zhuǎn)地連接至狹長元件的轉(zhuǎn)子、圍繞轉(zhuǎn)子設(shè)置的護(hù)圈以及有效連接至轉(zhuǎn)子的定 子。電機(jī)被設(shè)置用于相對于狹長元件轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子，其中轉(zhuǎn)子和護(hù)圈選擇性地嚙合以阻止轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)動。
在另一個實施方式中，提供了操作連接至肢體的假肢裝置的方法。該方法包括提 供被設(shè)置用于連接至肢體的假肢裝置，該裝置模仿自然的人體關(guān)節(jié)并具有第一部分和第二 部分，兩部分可以相對于彼此繞關(guān)節(jié)移動。該方法還包括提供連接至第一部分和第二部分 的致動器，調(diào)節(jié)第一部分和第二部分之間的角度并在步態(tài)循環(huán)的所需階段期間選擇性地鎖 定致動器。
在又一個實施方式中，提供了操作連接至肢體的假肢裝置的方法。該方法包括提 供被設(shè)置用于連接至肢體的假肢裝置，該裝置模仿自然的人體關(guān)節(jié)并具有第一部分和第二 部分，兩部分可以相對于彼此繞關(guān)節(jié)移動。該方法還包括提供連接至第一部分和第二部分 的致動器，調(diào)節(jié)第一部分和第二部分之間的角度并在步態(tài)循環(huán)的所需階段期間主動地使對 致動器轉(zhuǎn)子的摩擦最小化。
在另一個實施方式中，公開了用于測量下肢假肢裝置的轉(zhuǎn)動動作的系統(tǒng)。該系統(tǒng) 包括假肢足部以及具有上端和下端的連接元件。該系統(tǒng)還包括將連接元件下端可旋轉(zhuǎn)地連 接至假肢足部以允許假肢足部圍繞延伸穿過樞軸組件的旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的樞軸組件，其中樞軸 組件被設(shè)置用于充分地模仿自然的腳踝關(guān)節(jié)。該系統(tǒng)進(jìn)一步包括連接至樞軸組件并且被設(shè) 置用于檢測假肢足部圍繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的傳感器組件，其中至少一部分傳感器組件被設(shè)置用 于圍繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動并且被沿著旋轉(zhuǎn)軸固定設(shè)置以充分消除其他動作。
在另一個實施方式中，公開了用于測量與肢體相連裝置的轉(zhuǎn)動動作的系統(tǒng)。該系 統(tǒng)包括足部單元以及具有上端和下端的連接元件。該系統(tǒng)還包括將連接元件下端可旋轉(zhuǎn)地 連接至足部單元以允許足部單元圍繞延伸穿過樞軸組件的軸線轉(zhuǎn)動的樞軸組件，其中樞軸 組件被設(shè)置用于充分地模仿自然的腳踝關(guān)節(jié)。該系統(tǒng)進(jìn)一步包括連接至樞軸組件并且被設(shè) 置用于檢測足部單元圍繞軸線的轉(zhuǎn)動以及充分忽略足部單元相對于軸線的軸向和徑向移 動的傳感器組件。8
在另一個實施方式中，公開了用于測量與下肢相連裝置的轉(zhuǎn)動動作的系統(tǒng)。該系 統(tǒng)包括用于接觸地面的足部裝置以及用于將足部裝置連接至病人的裝置。該系統(tǒng)還包括用 于將足部裝置可轉(zhuǎn)動地連接至用于連接的裝置下端的裝置以允許足部裝置圍繞延伸穿過 可轉(zhuǎn)動連接裝置的軸線轉(zhuǎn)動的裝置，其中用于可轉(zhuǎn)動連接的裝置充分地模仿腳踝關(guān)節(jié)。該 系統(tǒng)進(jìn)一步包括連接到用于可轉(zhuǎn)動連接的裝置用于測量的裝置，用于測量的裝置進(jìn)一步被 設(shè)置用于檢測足部裝置圍繞軸線的轉(zhuǎn)動，并且被設(shè)置以大致忽略足部裝置相對于軸線的軸 向和徑向移動。
在另一個實施方式中，公開的假肢系統(tǒng)模仿處于放松位置的自然腳踝動作。該假 肢系統(tǒng)包括假肢腳踝關(guān)節(jié)，由足部單元和可移動地連接至足部單元以模擬自然人體腳踝關(guān) 節(jié)的上部元件構(gòu)成。該系統(tǒng)進(jìn)一步包括被設(shè)置用于自動調(diào)節(jié)假肢腳踝關(guān)節(jié)狀態(tài)的控制器， 其中控制器被設(shè)置用于在接收到指示使用者的移動至放松位置的數(shù)據(jù)之后將假肢腳踝關(guān) 節(jié)自動地調(diào)節(jié)至放松狀態(tài)。
在另一個實施方式中，公開了用于模仿處于放松位置的腳踝自然動作的假肢系 統(tǒng)。該假肢系統(tǒng)包括假肢足部。該假肢系統(tǒng)進(jìn)一步包括連接至假肢足部第一位置的樞軸組 件，其中第一位置靠近假肢足部的自然腳踝位置。該假肢系統(tǒng)進(jìn)一步包括沿脛骨方向延伸 的下肢元件，下肢元件具有上端和下端，其中下肢元件的下端被有效連接至樞軸組件。該假 肢系統(tǒng)進(jìn)一步包括連接至假肢足部和下肢元件的致動器，其中致動器被設(shè)置用于圍繞樞軸 組件調(diào)節(jié)下肢元件和假肢足部之間的角度。該假肢系統(tǒng)進(jìn)一步包括被設(shè)置用于檢測假肢系 統(tǒng)使用者位置的至少一個傳感器。該假肢系統(tǒng)進(jìn)一步包括被設(shè)置用于操作致動器的控制 器。關(guān)于上述的假肢系統(tǒng)，至少一個傳感器被設(shè)置用于將指示使用者何時處于放松位置的 數(shù)據(jù)傳輸至控制器，所述放松位置由使用者將假肢系統(tǒng)設(shè)置在相對于地面的確定角度范圍 內(nèi)達(dá)到確定的時間量并且假肢系統(tǒng)具有的加速度小于最大閾值來確定，并且其中控制器被 設(shè)置用于操作致動器以促使假肢足部和下肢組件之間的角度圍繞樞軸組件增加以使得假 肢足部相對于下肢組件變得更加腳底彎曲。
在另一個實施方式中，公開了用于調(diào)節(jié)假肢腳踝裝置的方法。該方法包括用至少 一個傳感器監(jiān)測假肢腳踝裝置使用者的動作。該方法進(jìn)一步包括生成指示動作的數(shù)據(jù)。該 方法進(jìn)一步包括用處理模塊處理數(shù)據(jù)以確定使用者是否處于放松位置。該方法進(jìn)一步包括 基于使用者是否處于放松位置來調(diào)節(jié)假肢腳踝裝置，其中調(diào)節(jié)假肢腳踝裝置包括自動調(diào)節(jié) 假肢腳踝裝置的可設(shè)置元件。
在另一個實施方式中，公開了用于調(diào)節(jié)假肢腳踝裝置的方法，假肢腳踝裝置包括 假肢足部和圍繞自然人體腳踝關(guān)節(jié)可移動地連接在某一位置的肢體元件。該方法包括用至 少一個傳感器測量假肢腳踝裝置相對于地面的角度以及裝置的加速度。該方法進(jìn)一步包括 確定假肢腳踝裝置相對于地面的角度是否落在確定的角度范圍內(nèi)。該方法進(jìn)一步包括確定 裝置的加速度是否高于或低于閾值加速度。該方法進(jìn)一步包括在確定了腳踝裝置相對于地 面的角度落在確定的角度范圍內(nèi)之后以及在確定了裝置的加速度高于或低于閾值加速度 之后將假肢足部和肢體元件之間的角度調(diào)節(jié)為腳底彎曲或腳背彎曲結(jié)構(gòu)。
在另一個實施方式中，公開了用于操作由使用者佩戴的假肢腳踝的方法。該方法 包括提供由足部單元和下肢元件構(gòu)成的假肢腳踝，足部單元和下肢元件被設(shè)置用于圍繞自 然人體腳踝的某一位置轉(zhuǎn)動。該方法進(jìn)一步包括在使用者用假肢腳踝移動時檢測表面的上傾斜或下傾斜。該方法進(jìn)一步包括根據(jù)檢測到的上傾斜或下傾斜調(diào)節(jié)足部單元和下肢元件 之間的角度。
在另一個實施方式中，公開了用于操作由使用者佩戴的假肢腳踝的方法。該方法 包括提供由足部單元和下肢元件構(gòu)成的假肢腳踝，足部單元和下肢元件被設(shè)置用于圍繞自 然人體腳踝的某一位置轉(zhuǎn)動。該方法進(jìn)一步包括測量使用者用假肢腳踝移動時所處的地形 變量。該方法進(jìn)一步包括根據(jù)測量的地形變量來調(diào)節(jié)足部單元和下肢元件之間的角度。
在另一個實施方式中，公開了用于操作由使用者佩戴的假肢腳踝的方法。該方法 包括提供由足部單元和下肢元件構(gòu)成的假肢腳踝，足部單元和下肢元件被設(shè)置用于圍繞自 然人體腳踝的某一位置轉(zhuǎn)動。該方法進(jìn)一步包括測量使用者用假肢腳踝移動時所處表面的 表面角。該方法進(jìn)一步包括計算用于在表面上移動的足部單元和下肢元件之間的所需角 度，其中計算至少部分地基于測得的表面角進(jìn)行。該方法進(jìn)一步包括將足部單元和下肢元 件之間的角度調(diào)節(jié)為所需角度。
一個實施方式是用于控制人的肢體動作的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以包括多個機(jī)電裝置。 多個機(jī)電裝置中的每一個都與多個機(jī)電裝置中的至少另外一個相通信。至少一個機(jī)電裝置 控制致動器。在一個這樣的實施方式中，多個機(jī)電裝置中的至少一個被設(shè)置用于根據(jù)通信 數(shù)據(jù)生成用于多個機(jī)電裝置中的至少另外一個的控制狀態(tài)。在一個實施方式中，通信數(shù)據(jù) 被用于同步機(jī)電裝置。在一個實施方式中，每一個機(jī)電裝置都包括人工關(guān)節(jié)。在一個實施 方式中，多個機(jī)電裝置中的至少一個包括假肢膝蓋并且機(jī)電裝置中的至少一個包括假肢腳 躁。
另一個實施方式是機(jī)電裝置，用于控制人肢體與至少另一個機(jī)電裝置的協(xié)同動 作。該機(jī)電裝置包括被設(shè)置用于與至少另一個機(jī)電裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的通信接口，被設(shè)置 用于獲得指示肢體的至少一個動作參數(shù)數(shù)值的傳感器；被設(shè)置用于影響機(jī)電裝置的至少一 個動作參數(shù)的致動器，以及被設(shè)置用于根據(jù)接收的通信數(shù)據(jù)和至少一個動作參數(shù)值來激活 致動器的處理器。在一個實施方式中，通信數(shù)據(jù)可以包括從傳感器獲得的參數(shù)值。在另一 個實施方式中，通信數(shù)據(jù)可以包括從其他機(jī)電裝置接收到的狀態(tài)機(jī)數(shù)據(jù)。而在另一個實施 方式中，通信數(shù)據(jù)可以包括從其他機(jī)電裝置接收到的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。
另一個實施方式是機(jī)電裝置，用于控制人肢體與至少另一個機(jī)電裝置的協(xié)同動 作。該機(jī)電裝置包括被設(shè)置用于與至少另一個機(jī)電裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的通信接口，以及被 設(shè)置用于生成至少另一個機(jī)電裝置的控制狀態(tài)的處理器。該處理器進(jìn)一步被設(shè)置用于通過 通信接口進(jìn)行與控制狀態(tài)有關(guān)的數(shù)據(jù)通信。機(jī)電裝置進(jìn)一步包括由處理器控制的致動器以 實現(xiàn)人的肢體動作。在另一個實施方式中，通信數(shù)據(jù)可以包括在由處理器執(zhí)行時被設(shè)置用 于影響控制狀態(tài)選擇的軟件。在一個實施方式中，通信數(shù)據(jù)包括由其他機(jī)電裝置的至少一 個傳感器獲得的數(shù)據(jù)。在一個實施方式中，通信數(shù)據(jù)包括由其他機(jī)電裝置的至少一個傳感 器獲得的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。在一個實施方式中，處理器被進(jìn)一步設(shè)置用于根據(jù)控制狀態(tài)來確定至 少一個致動器控制指令，并且在其中通信數(shù)據(jù)包括至少一個致動器控制指令。
另一個實施方式是將第一機(jī)電裝置與第二機(jī)電裝置同步的方法。該方法包括從第 二機(jī)電裝置到第一機(jī)電裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。該方法進(jìn)一步包括響應(yīng)于接收到的數(shù)據(jù)生成控 制狀態(tài)。該方法進(jìn)一步包括至少部分地根據(jù)控制狀態(tài)來控制第二機(jī)電裝置上的致動器。在 一個實施方式中，該方法進(jìn)一步包括響應(yīng)于控制狀態(tài)生成指令以控制第二機(jī)電裝置的致動器。在一個實施方式中，該方法進(jìn)一步包括響應(yīng)于通信數(shù)據(jù)生成指令以控制第一機(jī)電裝置 的致動器。在一個實施方式中，接收到的數(shù)據(jù)包括從第二機(jī)電裝置接收的傳感器數(shù)據(jù)。在 另一個實施方式中，接收到的數(shù)據(jù)包括至少一部分指示控制狀態(tài)的信息。而在另一個實施 方式中，接收到的數(shù)據(jù)包括計算機(jī)軟件并且至少部分地通過運(yùn)行計算機(jī)軟件來實現(xiàn)控制狀 態(tài)。
另一個實施方式是用于控制與肢體相連的裝置動作的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括機(jī)電裝 置。該系統(tǒng)進(jìn)一步包括與人肢體相連的給機(jī)電裝置提供動作參數(shù)數(shù)據(jù)的傳感器。機(jī)電裝置 利用動作參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步。在一個實施方式中，傳感器接收來自人體神經(jīng)系統(tǒng)的信號。在 一個實施方式中，傳感器接收來自與測量肢體相連的傳感器的信號。在一個實施方式中，動 作參數(shù)數(shù)據(jù)被用于與另一個機(jī)電裝置同步。在一個這樣的實施方式中，另一個機(jī)電裝置給 該機(jī)電裝置提供動作參數(shù)數(shù)據(jù)。
一個實施方式是用于將計算裝置與和肢體相連的裝置同步的方法。該方法包括在 機(jī)電系統(tǒng)和計算裝置之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，將數(shù)據(jù)存儲在計算裝置中，響應(yīng)于數(shù)據(jù)而在機(jī)電 系統(tǒng)中生成控制狀態(tài)，并至少部分地根據(jù)控制狀態(tài)來控制第二機(jī)電系統(tǒng)中的致動器。
另一個實施方式是連接至人體的機(jī)電系統(tǒng)。該裝置包括被設(shè)置用于提供指示人體 動作的數(shù)據(jù)的傳感器。致動器被設(shè)置用于控制至少一部分人體的動作。處理器被設(shè)置用于 執(zhí)行指令，指令被設(shè)置用于根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)來控制致動器。通信接口被設(shè)置用于和數(shù)據(jù)源 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。處理器被進(jìn)一步設(shè)置用于從數(shù)據(jù)源接收至少一部分指令。在一個實施方式 中，機(jī)電系統(tǒng)可以在兩個或多個機(jī)電裝置中包括分離的處理、測量、致動和通信。
在一個實施方式中，提供了能夠模仿健康腿部步態(tài)(gait)的經(jīng)股的假肢 (transfemoral prosthetic)裝置。該經(jīng)股的假肢裝置具有足部單元以及具備上端和下端 的脛骨元件。脛骨元件的下端被可轉(zhuǎn)動地連接至足部單元上的某一位置。第一致動器被 有效連接至足部單元和脛骨元件，并且被設(shè)置用于主動調(diào)節(jié)脛骨元件和足部單元之間的角 度。經(jīng)股的假肢裝置還具有具備上端和下端的股骨元件。股骨元件的下端被可轉(zhuǎn)動地連接 至脛骨元件的上端。第二致動器被有效連接至脛骨元件和股骨元件，并且被設(shè)置用于主動 調(diào)節(jié)股骨元件和脛骨元件之間的角度。
在另一個實施方式中，提供了控制經(jīng)股的假肢裝置的方法。該方法包括用至少一 個傳感器來監(jiān)測經(jīng)股的假肢裝置的位置和動作中的至少一個，其中該裝置包括足部單元， 可轉(zhuǎn)動地連接至足部單元的脛骨元件，有效連接至足部單元和脛骨元件的第一致動器，可 轉(zhuǎn)動地連接至脛骨元件的股骨元件，以及有效連接至脛骨元件和股骨元件的第二致動器。 第一致動器被設(shè)置用于調(diào)節(jié)足部單元和脛骨元件之間的角度，而第二致動器被設(shè)置用于調(diào) 節(jié)脛骨元件和股骨元件之間的膝蓋角度。該方法還包括生成指示位置和動作中的至少一個 的數(shù)據(jù)并用處理模塊處理數(shù)據(jù)以確定步態(tài)循環(huán)的階段。另外，該方法包括在邁步階段期間 致動第一致動器以用充分模仿健康腳踝動作的方式來相對于脛骨元件移動足部單元，并在 邁步階段期間致動第二致動器以用充分模仿連接至健康腳踝關(guān)節(jié)的健康膝關(guān)節(jié)動作的方 式來相對于股骨元件移動脛骨元件。
在另一個實施方式中，提供了用于控制經(jīng)股的假肢裝置的方法。該方法包括在至 少一個步態(tài)循環(huán)內(nèi)用至少一個傳感器來監(jiān)測與肢體相連的經(jīng)股的裝置的位置和動作中的 至少一個，其中該裝置包括足部單元、可轉(zhuǎn)動地連接至足部單元的脛骨元件、有效連接至足部單元和脛骨元件的第一致動器、可轉(zhuǎn)動地連接至脛骨元件的股骨元件以及有效連接至脛 骨元件和股骨元件的第二致動器。第一致動器被設(shè)置用于調(diào)節(jié)足部單元和脛骨元件之間的 角度，而第二致動器被設(shè)置用于調(diào)節(jié)脛骨元件和股骨元件之間的膝蓋角度。該方法進(jìn)一步 包括在至少一個步態(tài)循環(huán)內(nèi)生成指示位置和動作中的至少一個的數(shù)據(jù)并用處理模塊處理 數(shù)據(jù)以確定數(shù)據(jù)是否對應(yīng)于多種地形中的一種，其中確定多種地形的信息被儲存在裝置的 存儲器內(nèi)。該方法進(jìn)一步包括確定對應(yīng)于確定地形的腳踝角度調(diào)節(jié)值和膝蓋角度調(diào)節(jié)值， 并根據(jù)對應(yīng)于確定地形而確定的腳踝角度調(diào)節(jié)值和膝蓋角度調(diào)節(jié)值來調(diào)節(jié)裝置。調(diào)節(jié)包括 致動第一致動器以用充分模仿健康腳踝動作的方式來相對于足部單元移動脛骨元件。腳踝 角度調(diào)節(jié)值被應(yīng)用于后續(xù)步態(tài)循環(huán)的邁步階段，直到檢測出從確定地形到不同地形的狀態(tài) 轉(zhuǎn)換為止。調(diào)節(jié)進(jìn)一步包括致動第二致動器以用充分模仿連接至健康腳踝的健康膝蓋動作 的方式來相對于脛骨元件移動股骨元件。
在又一個實施方式中，提供了使用動作受控的腳踝裝置和經(jīng)股的假肢裝置來模仿 自然的經(jīng)股的步態(tài)的方法。該方法包括選擇與健康腿部長度基本相同的經(jīng)股的裝置并將動 作受控的腳踝裝置連接至經(jīng)股的假肢裝置，其中動作受控的腳踝裝置能夠通過在邁步期間 提供腳趾間隙來模仿健康腳踝的動作。該方法進(jìn)一步包括基本上無需調(diào)節(jié)正常的健康行走 所需的髖部動作即可用經(jīng)股的假肢裝置行走。
在又一個實施方式中，提供了使用動作受控的腳踝裝置和經(jīng)股的假肢裝置來模仿 自然的經(jīng)股的步態(tài)的方法。該方法包括選擇與健康腿部長度基本相同的經(jīng)股的裝置，將動 作受控的腳踝裝置連接至經(jīng)股的假肢裝置，其中動作受控的腳踝裝置能夠通過調(diào)節(jié)至不同 地形來模仿健康腳踝的動作，并且基本上無需調(diào)節(jié)正常的健康行走所需的髖部動作即可用 經(jīng)股的假肢裝置行走。
而在另一個實施方式中，提供了用于經(jīng)股的使用者的假肢系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括假肢 膝蓋裝置以及被設(shè)置用于在邁步期間抬高假肢膝蓋裝置的腳趾部分的假肢腳踝裝置。該系 統(tǒng)可以進(jìn)一步包括單個控制器以致動假肢膝蓋裝置和假肢腳踝裝置。附加地和/或可選 地，假肢腳踝裝置可以被進(jìn)一步設(shè)置用于優(yōu)化假肢膝蓋裝置的功能。
在另一個實施方式中，提供了優(yōu)化假肢裝置用于另一假肢裝置的方法。該方法包 括提供第一假肢裝置，提供可與第一假肢裝置協(xié)同操作的第二假肢裝置，并操作第二假肢 裝置以優(yōu)化第一假肢裝置的操作。該方法進(jìn)一步包括同步第一假肢裝置和第二假肢裝置的 動作。
在又一個實施方式中，提供了操作用于經(jīng)股的使用者的假肢系統(tǒng)的方法。該方法 包括提供假肢膝蓋，膝蓋具有可以圍繞膝關(guān)節(jié)用關(guān)節(jié)連接的腿上部和腿下部；給假肢膝蓋 提供假肢腳踝，假肢腳踝具有可以圍繞膝關(guān)節(jié)用關(guān)節(jié)連接的腿部和足部；操作假肢腳踝以 優(yōu)化用于經(jīng)股的使用者的假肢膝蓋的操作。在某些實施方式中，與用于經(jīng)脛的使用者相比， 通過更加快速地對地形條件進(jìn)行調(diào)節(jié)，例如通過減少調(diào)節(jié)裝置之前的監(jiān)測步驟數(shù)量來優(yōu)化 用于經(jīng)股的使用者的假肢腳踝裝置。在某些實施方式中，通過降低提供腳趾間隙時的最低 速度來優(yōu)化用于經(jīng)股的使用者的假肢腳踝裝置。在某些實施方式中，通過激活、禁用或修改 放松模式來優(yōu)化用于經(jīng)股的使用者的假肢腳踝裝置。在某些實施方式中，通過在用于經(jīng)股 的使用者的學(xué)習(xí)模式下校正裝置來優(yōu)化用于經(jīng)股的使用者的假肢腳踝裝置。在某些實施方 式中，通過在比提供給經(jīng)脛的使用者使用的更陡的斜度期間提供腳趾間隙來優(yōu)化用于經(jīng)股的使用者的假肢腳踝裝置。在某些實施方式中，通過激活、禁用或修改樓梯模式來優(yōu)化用于 經(jīng)股的使用者的假肢腳踝裝置。
而在另一個實施方式中，提供了優(yōu)化假肢裝置用于各種生理狀態(tài)的方法。該方法 包括提供其功能會影響某種生理狀態(tài)的假肢裝置，并優(yōu)化假肢裝置用于該生理狀態(tài)。
在一個實施方式中，提供的與肢體相連的經(jīng)股的假肢裝置包括足部單元和可轉(zhuǎn)動 地連接至足部單元的脛骨元件。第一致動器被有效連接至足部單元和脛骨元件并且被設(shè)置 用于調(diào)節(jié)脛骨元件和足部單元之間的角度。股骨元件被可轉(zhuǎn)動地連接至脛骨元件以確定 膝關(guān)節(jié)。第二致動器被有效連接至脛骨元件和股骨元件，并且被設(shè)置用于主動調(diào)節(jié)脛骨元 件和股骨元件之間的角度。至少一個傳感器被設(shè)置在經(jīng)股的裝置上并且被設(shè)置用于在至少 一個步態(tài)循環(huán)內(nèi)監(jiān)測經(jīng)股的裝置的位置和動作中的至少一個，以及在至少一個步態(tài)循環(huán)內(nèi) 生成指示位置和動作中的至少一個的數(shù)據(jù)。經(jīng)股的假肢裝置還包括存儲模塊。處理模塊被 設(shè)置用于確定數(shù)據(jù)何時會對應(yīng)于多種確定地形中的一種。確定多種地形的信息被存儲在存 儲模塊內(nèi)。處理模塊被進(jìn)一步設(shè)置用于確定對應(yīng)于確定地形的腳踝角度調(diào)節(jié)值和膝蓋角度 調(diào)節(jié)值。根據(jù)確定的腳踝角度調(diào)節(jié)值和膝蓋角度調(diào)節(jié)值來調(diào)節(jié)裝置，處理模塊被進(jìn)一步設(shè) 置用于致動第一致動器，以用充分模仿健康腳踝動作的方式來相對于脛骨元件調(diào)節(jié)足部單 元，并且致動第二致動器以用充分模仿健康膝蓋動作的方式來相對于脛骨元件調(diào)節(jié)股骨元 件。腳踝角度調(diào)節(jié)值被應(yīng)用于后續(xù)步態(tài)循環(huán)的邁步階段，直到檢測出地形轉(zhuǎn)換為止。
在另一個實施方式中，提供了控制經(jīng)股的假肢裝置的方法。該方法包括用至少一 個傳感器監(jiān)測經(jīng)股的假肢裝置的位置和動作中的至少一個。該裝置包括足部單元、可轉(zhuǎn)動 地連接至足部單元的脛骨元件以及被有效連接至足部單元和脛骨元件的第一致動器。第一 致動器被設(shè)置用于主動調(diào)節(jié)足部單元和脛骨元件之間的角度。股骨元件被可轉(zhuǎn)動地連接至 脛骨元件。第二致動器被有效連接至脛骨元件和股骨元件并且被設(shè)置用于調(diào)節(jié)脛骨元件和 股骨元件之間的角度。該方法進(jìn)一步包括生成指示位置和動作中的至少一個的數(shù)據(jù)。隨后 處理數(shù)據(jù)以確定步態(tài)循環(huán)的階段。在步態(tài)循環(huán)階段中的邁步階段，致動第一致動器以用充 分模仿健康腳踝動作的方式來相對于脛骨元件移動足部單元，并且致動第二致動器以用充 分模仿連接至健康腳踝關(guān)節(jié)的健康膝關(guān)節(jié)動作的方式來相對于股骨元件移動脛骨元件。
在另一個實施方式中，提供了能夠模仿健康腿部的經(jīng)股的假肢系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括 足部單元以及具有上端和下端的脛骨元件。下端被可轉(zhuǎn)動地連接至足部單元。第一致動器 被有效連接至足部單元和脛骨元件，并且被設(shè)置用于主動調(diào)節(jié)脛骨元件和足部單元之間的 角度。股骨元件具有上端和下端。下端被可轉(zhuǎn)動地連接至脛骨元件的上端。第二致動器被 有效連接至脛骨元件和股骨元件并且被設(shè)置用于主動調(diào)節(jié)股骨元件和脛骨元件之間的角 度。
在考慮了本公開之后，并且特別是在閱讀了“具體實施方式
”部分之后，應(yīng)該即可 理解本發(fā)明的特征如何提供了以下優(yōu)點，包括提供的假肢或矯形控制系統(tǒng)為其使用者提供 了更加自然和舒適的移動并且使得能夠更為方便和直觀地配置、增加、更換或擴(kuò)展控制系 統(tǒng)的軟件。
為了進(jìn)行總結(jié)，在本文中介紹了一些應(yīng)用、優(yōu)點和新穎性特征。應(yīng)該理解根據(jù)任一 特定實施方式并不是必須要實現(xiàn)全部的這些優(yōu)點。因此，可以用實現(xiàn)本文中所教導(dǎo)的一個 優(yōu)點或一組優(yōu)點而不必實現(xiàn)本文中所教導(dǎo)或建議的其他優(yōu)點的方式來實施或?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式具有腳踝動作受控足部單元的下肢假肢的透 視圖。
圖2是圖1中下肢假肢的透視圖，其中移除蓋罩以示出假肢的內(nèi)部構(gòu)件。
圖3是圖2中的下肢假肢的側(cè)視圖。
圖4是圖2中的下肢假肢的后視圖。
圖5是圖1中的下肢假肢的側(cè)視圖，將示出的蓋罩部分地移除，其中腳踝動作受控 的足部被調(diào)節(jié)用于適應(yīng)上傾斜。
圖6是圖5中的下肢假肢的側(cè)視圖，其中腳踝動作受控的足部被調(diào)節(jié)用于適應(yīng)下 傾斜。
圖7是示出了假肢足部單元示范性實施方式上的腳踝轉(zhuǎn)動點和人體足部的自然 腳踝關(guān)節(jié)之間相互關(guān)系的示意圖。
圖8是示出了假肢或矯形系統(tǒng)的示范性實施方式在水平面上完整的一步期間的 腳踝動作范圍。
圖9是具有腳踝動作受控足部的假肢或矯形系統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示范性實施方 式的方塊圖。
圖10是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式示出了可用于調(diào)節(jié)假肢或矯形系統(tǒng)中腳踝角 度的控制信號的表格。
圖11是示出了假肢或矯形系統(tǒng)的控制與對應(yīng)的測量肢體動作之間關(guān)系的示范性 實施方式的示意圖。
圖12A是下肢假肢的另一個實施方式的透視圖。
圖12B是圖12A中的下肢假肢的側(cè)視圖。
圖12C是圖12B中的下肢假肢沿平面M-M的截面圖。
圖13是可以被用于和圖12A中的下肢假肢一起使用的致動器的一個實施方式的 透視圖。
圖14是圖13中致動器的側(cè)視圖。
圖15是圖13中致動器的后視圖。
圖16是圖13中致動器的頂視圖。
圖17是圖13中致動器的截面?zhèn)纫晥D。
圖18是圖13中致動器的分解圖。
圖19是示出了圖12A中所示假肢的不同動作階段的流程圖。
圖20是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式具有腳踝動作受控的足部單元的下肢假肢 的分解圖。
圖21是可以和圖20中的下肢假肢一起使用的傳感器組件的分解圖。
圖22是示出了用于相應(yīng)的上傾斜/下傾斜角度的優(yōu)選腳踝相應(yīng)角度的示意圖。
圖23是示出了包括多個機(jī)電裝置的系統(tǒng)的一個實施方式的方塊圖。
圖M是更加詳細(xì)地示出了與圖23中系統(tǒng)的一個實施方式內(nèi)的其他裝置通信的機(jī) 電裝置的一個實施方式的方塊圖。
圖25示出了用于和機(jī)電裝置一起使用的儀表程序的一個實施方式的使用者界
圖26A是圖1中系統(tǒng)的包括假肢膝蓋和假肢腳踝在內(nèi)的示范性實施方式的示意性 方塊圖。
圖26B是圖1中系統(tǒng)的包括假肢膝蓋和假肢足部在內(nèi)的示范性實施方式的示意性 方塊圖。
圖26C是圖1中系統(tǒng)的包括假肢膝蓋、假肢足部和主裝置在內(nèi)的另一個示范性實 施方式的示意性方塊圖。
圖26D是圖1中系統(tǒng)的包括假肢膝蓋和假肢足部在內(nèi)的另一個示范性實施方式的 示意性方塊圖，其中假肢足部包括一個或多個用于控制兩裝置的狀態(tài)機(jī)。
圖27是示出了包括與個人和網(wǎng)絡(luò)計算裝置通信的機(jī)電裝置的系統(tǒng)的一個實施方 式的方塊圖。
圖觀是示出了具有網(wǎng)絡(luò)計算裝置的機(jī)電裝置的結(jié)構(gòu)同步和數(shù)據(jù)校正方法的一個 實施方式的流程圖。
圖四是示出了機(jī)電裝置上軟件的更換或擴(kuò)展方法的一個實施方式的流程圖。
圖30是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式具有腳踝動作受控的足部單元和被致動的膝 蓋單元的經(jīng)股的假肢的透視圖。
具體實施方式
在此介紹的本發(fā)明的部分優(yōu)選實施方式主要涉及假肢和矯形系統(tǒng)，并且具體地， 涉及有效連接的假肢和矯形裝置例如假肢腳踝和/或膝蓋，其改善了其他假肢和/或腳 踝裝置的功能。盡管本說明書列舉了不同實施方式的具體細(xì)節(jié)，但是應(yīng)該理解本說明書 只是示意性的而并不應(yīng)以任何方式解釋對本發(fā)明的限定。而且，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠想 到的本發(fā)明的各種應(yīng)用及其變形也都由本文中介紹的一般性概念所涵蓋。因此引用以下 的美國專利申請2004年2月12日提交的申請?zhí)枮?0/544，259的美國申請LOWER LIMB PROSTHESIS WITH ANKLE-MOTION CONTROLLED FOOT ;2004 年 7 月 15 日提交的申請?zhí)枮?60/588，232 的美國申請 PROSTHETIC OR ORTHOTIC SYSTEM WITH ANKLE-MOT I ON-CONTROLLED FOOT ；2005年2月11日提交的申請?zhí)枮?1/056，344的美國申請SYSTEM AND METHOD FOR MOTION-CONTROLLED FOOT UNIT ；2005年2月11日提交的申請?zhí)枮?1/057，391的美國申請 SYSTEM AND METHOD FOR MOTION-CONTROLLED FOOT UNIT ；2006年 3 月 1 日提交的申請?zhí)枮?11/367，049 的美國申請 SYSTEMS AND METHODS FOR ACTUATING A PROSTHETIC ANKLE BASED ON A RELAXED POSITION ;2006年3月1日提交的申請?zhí)枮?1，367，048的美國申請SYSTEMS AND METHODS FOR ADJUSTING THE ANGLE OF A PROSTHETIC ANKLE BASED ON A MEASURED SURFACE ANGLE ；2005年2月16日提交的申請?zhí)枮?0/653，717的美國申請SYSTEM AND METHOD OF SYNCHRONIZING AND COMMUNICATING WITH MECHATR0NIC DEVICES ;2006 年 2 月15日提交的申請?zhí)枮?1/355，047的美國申請SYSTEM AND METHOD OF SYNCHRONIZING MECHATR0NIC DEVICES ；2005年5月10日提交的申請?zhí)枮?0/679，953的美國申請SYSTEM AND METHOD FOR DATA COMMUNICATION WITH A MECHATR0NIC DEVICE 以及 2006 年 2 月 15 日提交的申請?zhí)枮?11/355,058 的美國申請 SYSTEM AND METHOD FOR DATA COMMUNICATIONWITH A MECHATRONIC DEVICE。
現(xiàn)在將參照以上概述的附圖來介紹系統(tǒng)和方法的特征。在所有附圖中，附圖標(biāo)記 被重復(fù)使用以指示標(biāo)引元件之間的對應(yīng)性。附圖、相關(guān)描述和具體實施方式
被提供用于解 釋本發(fā)明的實施方式而不是為了限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
如本文中所用的術(shù)語“假體”和“假肢”是廣義術(shù)語并用作其普通含義，而且非限 制性地表示可用作身體部分的人造替代品或支撐件的任意系統(tǒng)、裝置或裝置。
如本文中所用的術(shù)語“矯形”和“矯形器”是廣義術(shù)語并用作其普通含義，而且非 限制性地表示可用于身體部分的支撐、對齊、阻止、保護(hù)、矯正畸形、固定或功能改善的任意 系統(tǒng)、裝置或裝置。
如本文中所用的術(shù)語“腳踝裝置”是廣義術(shù)語并用作其普通含義，而且涉及任意的 假肢、矯形或腳踝輔助裝置。
如本文中所用的術(shù)語“經(jīng)脛的(transtibial) ”是廣義術(shù)語并用作其普通含義，而 且非限制性地涉及位于身體膝關(guān)節(jié)包括人造膝關(guān)節(jié)處或者下方的任意平面、方向、位置或 截面。
如本文中所用的術(shù)語“經(jīng)股的(transfemoral) ”是廣義術(shù)語并用作其普通含義，而 且非限制性地涉及位于身體膝關(guān)節(jié)包括人造膝關(guān)節(jié)處或者上方的任意平面、方向、位置或 截面。
如本文中所用的術(shù)語“矢狀(sagittal) ”是廣義術(shù)語并用作其普通含義，而且涉及 關(guān)于、位于或處于或接近于身體正中面(也就是將身體縱向劃分為左右兩半的平面)或者 與其平行或基本平行的平面的任意描述、位置或方向。“矢狀面”也可以表示平行或基本平 行于正中面穿過身體并且將身體分為相等或不相等的左右部分的任意垂直的前部到后部 的平面。
如本文中所用的術(shù)語“冠狀”是廣義術(shù)語并用作其普通含義，而且涉及關(guān)于、位于 或處于或接近于經(jīng)過身體長軸的平面的任意描述、位置或方向?！肮跔蠲?，，也可以表示垂直 或基本垂直地穿過身體并且垂直或基本垂直于正中面并將身體分為前部和后部的任意平
如本文中所用的術(shù)語“機(jī)電”是廣義術(shù)語并用作其普通含義，而且非限制性地表示 包括與肢體相連的電控裝置的任意系統(tǒng)、裝置或裝置，包括了假肢或矯形裝置。這樣的裝置 可以包括一個或多個傳感器、致動器或處理器。
如本文中所用的術(shù)語“仿生替代裝置”是廣義術(shù)語并用作其普通含義，而且非限制 性地表示包括有集成用于取代或增強(qiáng)解剖學(xué)結(jié)構(gòu)或生理過程的電控裝置的任意系統(tǒng)、裝置 或裝置。仿生替代裝置還可以包括集成用于取代或增強(qiáng)解剖學(xué)結(jié)構(gòu)或生理過程的電子或機(jī) 械式的智能結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)。例如，仿生替代裝置可以包括機(jī)電裝置例如假肢或矯形器。
圖1示出了具有腳踝動作受控足部單元和連接元件的下肢假肢100的一個實施方 式。假肢100包括連接元件，形式為有效連接至足部單元104的下肢元件102。如本文中所 用，術(shù)語“連接元件”是廣義術(shù)語并用作其普通含義，并且在假肢足部實施方式中非限制性 地涉及直接或間接地連接至足部單元104并且可以相對其移動例如通過轉(zhuǎn)動動作移動且 被用于將假肢100連接至殘肢或中間假肢的任意元件。如圖所示，連接元件在腳踝-假肢的 實施方式中可以采用下肢元件的形式。在另一個實施方式中，例如在矯形器實施方式中，連接元件可以被用于例如通過護(hù)膝連接至并且支撐身體部分，護(hù)膝也被可移動地連接至第二 元件例如足部單元，足部單元也會連接至并且支撐身體部分例如足部。在一個實施方式中， 下肢元件102通常為具有基本上沿脛骨方向延伸的縱向主軸的狹長元件，脛骨方向也就是 大致上沿自然脛骨的軸線延伸的方向。例如，圖1示出的下肢元件102基本上是垂直定向 的。
在另一個實施方式中，下肢元件102可以包括多個部分。例如，下肢元件102可以 包括沿脛骨方向基本上平行延伸并且被連接在一起的兩個狹長部分。在另一個實施方式 中，下肢元件102包括具有基本對稱的兩部分以形成部分封閉殼體的兩側(cè)腔室。在另一個 實施方式中，下肢元件102可以包括例如管狀結(jié)構(gòu)的中空元件。在其他的實施方式中，下肢 元件102可以包括狹長的扁平部分或圓形部分。而在其他的實施方式中，下肢元件102的 結(jié)構(gòu)不是狹長的。例如，下肢元件102可以包括大致圓形、圓柱形、半圓形、圓頂形、橢圓或 矩形的結(jié)構(gòu)。下肢元件的一個可行示例是2003年12月18日提交的、申請?zhí)枮?0/742，455 并且發(fā)明名稱為“PROSTHETIC FOOT WITH ROCKER MEMBER”的美國專利申請中介紹的腳踝 模塊和結(jié)構(gòu)，因此通過引用將其全部內(nèi)容并入本文并且視為本說明書的一部分。
在一個實施方式中，下肢元件102通常由機(jī)械金屬例如鋁或碳纖維材料構(gòu)成。在 本發(fā)明的其他實施方式中，下肢元件102可以由適合用于假肢裝置的其他材料構(gòu)成。在一 個實施方式中，下肢元件102有利地具有大約在12到15厘米之間的高度。在本發(fā)明的其 他實施方式中，下肢元件102可以具有小于12厘米的高度或者大于15厘米的高度，這取決 于使用者的體型和/或假肢100的目標(biāo)用途。例如，下肢元件102可以具有大約為20厘米 的高度。
在一個實施方式中，假肢100被設(shè)置為在假肢100處于平衡位置時使下肢元件102 的縱向主軸基本上垂直于足部單元104的下表面。在另一個實施方式中，下肢元件102可 以在足部單元104停留在地面上時基本上垂直于平地表面。這樣的結(jié)構(gòu)有利地為使用者提 供了更好的支撐和/或穩(wěn)定性。
如圖1中所示，下肢元件102進(jìn)一步包括蓋罩106。蓋罩106封裝和/或保護(hù)下肢 元件102的內(nèi)部組件。在另一個實施方式中，蓋罩106可以是圓形或者可以被成形為自然 人腿的形狀。
下肢元件102進(jìn)一步包括有助于連接下肢元件102的連接部分108。例如，如圖1 中所示，下肢元件102的連接部分108將假肢100連接至?xí)河眉僦?10。在本發(fā)明的其他實 施方式中，連接部分108可以被設(shè)置用于將假肢100連接至截肢患者的殘肢或另一假肢裝 置。圖1還示出了可用于給假肢100供電和/或傳輸控制信號的控制線路112。
足部單元104可以包括各種類型的假肢或矯形足部。如圖1中所示，足部單元 104加入了 2003年8月15日提交的、申請?zhí)枮?0/642，125并且發(fā)明名稱為“LOW PROFILE PROSTHETIC FOOT”的申請人共同未決的美國專利申請中介紹的設(shè)計，因此通過引用將其全 部內(nèi)容并入本文并且視為本說明書的一部分。例如，足部單元104可以由可從0SSUT購得 的標(biāo)準(zhǔn)LP VARI-FLEX 單元構(gòu)成。
在一個實施方式中，足部單元104被設(shè)置用于對足部單元104上的重量或沖擊水 平產(chǎn)生成比例的響應(yīng)。另外，足部單元104可以包括阻尼部分以用于腳跟的舒適加載和/ 或用于返還消耗的能量。足部單元104可以包括具有增強(qiáng)了靈活性的全長度腳趾桿以提供模仿健康肢體步長的假肢步長。另外，如圖1中所示，足部單元104可以包括分開的腳趾結(jié) 構(gòu)，其有助于在不平整的地形上移動。足部單元104還可以包括美化部分或足部蓋罩例如 可從0SSUT購得的標(biāo)準(zhǔn)Flex-Foot蓋罩。
圖2示出了將蓋罩106移除后的假肢100。如圖所示，下肢元件102的下端在樞軸 組件114處被連接至足部單元104。如圖所示，下肢元件102被連接至足部單元104的腳踝 板，腳踝板基本上從足部單元104的腳趾部分向后和向上延伸。樞軸組件114允許足部單 元104相對于下肢元件102的角運(yùn)動。例如，在一個實施方式中，樞軸組件114有利地包括 至少一個樞軸銷。在其他的實施方式中，樞軸組件114包括鉸鏈、多軸結(jié)構(gòu)、多中心結(jié)構(gòu)、相 同或類似部件的組合。優(yōu)選地，樞軸組件114被設(shè)置在足部單元104的靠近足部單元104 自然腳踝位置的部分上面。在本發(fā)明的其他實施方式中，樞軸組件114可以被螺栓連接或 以其他方式可釋放地連接至足部單元104。
圖2進(jìn)一步示出了具有致動器116的假肢100。在一個實施方式中，致動器116有 利地為假肢100提供必要的能量來執(zhí)行與截肢患者的運(yùn)動相同步的角位移。例如，致動器 116可以使足部單元104的移動類似于自然的人體足部。在一個實施方式中，致動器116的 下端在第一連接點118處被連接至足部單元104。如圖所示，足部連接點118有利地在足部 單元104的后部位于其上表面。致動器116的上端在第二連接點120處被連接至下肢元件 102。
在一個實施方式中，致動器116的線性移動(或伸展和收縮)控制或主動調(diào)節(jié)足 部單元104和下肢元件102之間的角度。圖2示出的致動器116包括雙螺桿電機(jī)，其中電 機(jī)相對于下肢元件102推送或拉回足部案源104的后部。在其他的實施方式中，致動器116 包括能夠主動調(diào)節(jié)角度或者在多個元件之間提供移動的其他機(jī)構(gòu)。例如，致動器116可以 包括單螺桿電機(jī)、活塞-氣缸型結(jié)構(gòu)、伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、回轉(zhuǎn)電機(jī)、彈簧、流體致動器等。 而在其他的實施方式中，致動器116可以只沿一個方向主動調(diào)節(jié)下肢元件102和足部單元 104之間的角度。在這樣的實施方式中，使用者的體重也可以被使用在控制由和/或致動器 116的動作產(chǎn)生的角度中。
圖2示出了后置結(jié)構(gòu)的致動器116，其中致動器116位于下肢元件102后方。在 其他的實施方式中，致動器116可以被用于前置結(jié)構(gòu)，其中致動器116位于下肢元件102前 方。在本發(fā)明的另一個實施方式中，致動器116包括自動調(diào)節(jié)的腳踝結(jié)構(gòu)，并且加入了例如 在美國專利5957981中介紹的設(shè)計，因此通過引用將其全部內(nèi)容并入本文并且視為本說明 書的一部分。具體配置或結(jié)構(gòu)可以被選擇為最接近于模仿自然人體腳踝關(guān)節(jié)的動作和定位 并且有助于將假肢100插入到外部美化部分內(nèi)。
而且，致動器116有利地被設(shè)置為在工作時不會發(fā)出響亮的噪音例如會被使用者 和/或其他人察覺到的間歇式噪音。致動器116還可以被設(shè)置為如果假肢100例如在矢狀 面內(nèi)經(jīng)受超出某一水平的轉(zhuǎn)矩時則不進(jìn)行工作或調(diào)節(jié)。例如，如果轉(zhuǎn)矩水平超出四牛頓米 (Nm)，那么致動器116即可停止工作或者可以發(fā)出警報。
致動器116也可以如圖1中所示基本上被封裝在蓋罩106內(nèi)以使得致動器116的 各個部分不可見和/或不會暴露到外界環(huán)境中。在另一個實施方式中，致動器可以被下肢 元件102至少部分地封裝。
圖2進(jìn)一步示出了可用于控制致動器116和/或足部單元104的操作的控制電路122。在一個實施方式中，控制電路122包括至少一塊印刷電路板(PCB)。PCB可以進(jìn)一步 包括微處理器。軟件也可以駐留在PCB上以執(zhí)行信號處理和/或控制假肢100的動作。
在一個實施方式中，假肢100包括給控制電路122和/或致動器116供電的電池 (未示出)。在一個實施方式中，電池包括可再充電的鋰離子電池，其優(yōu)選地具有至少為12 至16小時的供電周期。而在另一個實施方式中，電池的供電周期可以少于12小時或者多 于16小時。在本發(fā)明的其他實施方式中，電池包括鋰聚合物電池、燃料電池技術(shù)或可用于 給假肢100供電的其他類型電池或技術(shù)。而在其他的實施方式中，電池被可移除地連接至 下肢元件102的后表面、連接至假肢100的其他部分或者被設(shè)置為遠(yuǎn)離假肢100。在進(jìn)一步 的實施方式中，假肢100可以被連接至外部電源例如通過壁裝適配器或車用適配器連接以 給電池再充電。
在一個實施方式中，在足部單元104停留在平地表面上時、在電池電力耗盡或進(jìn) 入低電力階段時，假肢100被設(shè)置為鎖定在中間位置，例如下肢元件102被對齊為基本上相 對于平地地面垂直。這樣的鎖定為使用者提供了操作的安全性、可靠性和/或穩(wěn)定性。假 肢100也可以提供電池狀態(tài)顯示以提醒使用者關(guān)于電池的狀態(tài)(也就是電量)。在另一個 實施方式中，在假肢100的動作控制功能被使用者關(guān)閉或禁用時，假肢100就基本上被鎖定 到中間的位置。
如上所述，美化材料或其他涂料可以被用于假肢100以賦予假肢100更加自然的 外觀或形狀。另外，美化材料、涂料或其他的填充材料可以被用于防止污染物例如污垢或水 接觸到假肢100的部件。
圖3根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式示出了假肢100的側(cè)視圖。如圖3中所示，致動 器116進(jìn)一步包括主殼體124、下部可伸展部分1 和上部可伸展部分128。下部可伸展部 分1 將致動器116的主殼體IM在第一連接點118處連接至足部單元104。上部可伸展 部分1 將致動器116的主殼體IM在第二連接點120處連接至下肢元件102。在操作和 主動調(diào)節(jié)假肢100期間，下部可伸展部分1 和/或上部可伸展部分1 移入和/或移出 致動器116的主殼體124以調(diào)節(jié)足部單元104和下肢元件102之間的角度。
例如，要增大足部單元104和下肢元件102之間的角度，致動器116促使下部可伸 展部分1 和/或上部可伸展部分1 接觸或撤回主殼體124。例如，可伸展部分126，128 中的至少一個可以具有螺紋面以使得沿一個方向(例如順時針)的旋轉(zhuǎn)促使可伸展部分撤 回到致動器的主殼體124內(nèi)。在其他的實施方式中，可伸展部分126，128中的至少一個包 括多個套裝部件以使得在收縮時，可伸展部分的多個部件之一縮回到多個部件中的另一個 內(nèi)而無需收回到主殼體124內(nèi)。類似地，要減小足部單元104和下肢元件102之間的角度， 下部可伸展部分126和/或上部可伸展部分1 可以從主殼體IM伸出。
在本發(fā)明具有用于致動器116的前部結(jié)構(gòu)的實施方式中，下部可伸展部分1 和 /或上部可伸展部分128的伸展導(dǎo)致足部單元104和下肢元件102之間的角度增大。類似 地，下部可伸展部分1 和/或上部可伸展部分128的收縮導(dǎo)致足部單元104和下肢元件 102之間的角度減小。
圖4示出了圖1-3中示出的假肢100的后視圖。在本發(fā)明的其他實施方式中，蓋 罩100圍繞假肢100的后部延伸以裝入至少一部分致動器116從而使得致動器116的各個 部分不可見和/或不會暴露到外界環(huán)境中。
圖5和圖6示出了假肢100在其調(diào)節(jié)為上傾斜和下傾斜時的一個實施方式。參照 圖5，假肢100被示出為調(diào)節(jié)成上傾斜。在該實施方式中，致動器116伸展以減小下肢元件 102和足部單元104之間的角度θ (或“腳背彎曲”)。關(guān)于腳背彎曲，在一個實施方式中， 假肢100動作的角度范圍是與中間位置相距大約從0度到10度。其他的實施方式也可以 有助于在邁步階段期間放大腳背彎曲。
圖6示出了調(diào)節(jié)為下傾斜時的假肢100。致動器116伸展以增大下肢元件102和 足部單元104之間的角度θ (或“腳底彎曲”)。關(guān)于腳底彎曲，在一個實施方式中，假肢100 動作的角度范圍是與中間位置相距大約從0度到20度。這樣的腳底彎曲模仿了自然的腳 踝動作并為截肢患者或使用者提供了更高的穩(wěn)定性。在一個實施方式中，圍繞假肢100腳 踝轉(zhuǎn)動軸的總移動范圍，包括腳底彎曲和腳背彎曲在內(nèi)，大約是30度或更高。
除了在上傾斜和下傾斜時工作，假肢100動作受控的足部還可以有利地適應(yīng)不同 的地形，在行進(jìn)上下樓梯時工作，以及有助于平地行走。另外，假肢100可以提供自動的腳 跟高度調(diào)節(jié)能力。在一個實施方式中，在足部單元104基本上與地面平齊時，從下肢元件 102的腳踝部分到地面進(jìn)行測量即可得到腳跟高度。例如，使用者可以通過例如按壓一個 或多個按鈕來調(diào)節(jié)為各種不同的腳跟高度，以使得假肢100將其自動地對準(zhǔn)適當(dāng)?shù)哪_跟高 度。在一個實施方式中，假肢100包括多個預(yù)定的腳跟高度。而在其他的實施方式中，假肢 100可以自動地調(diào)節(jié)腳跟高度而無需使用者輸入。
圖5和圖6進(jìn)一步示出了連接部分108的一個實施方式。連接部分108在截肢患 者的自然肢體和假肢100之間提供對齊并且可以被設(shè)置為得以降低壓力峰值和剪切力。例 如，連接部分108可以被設(shè)置為連接至另一假肢、連接至截肢患者的殘肢或者連接至另一 部件。在一個實施方式中，連接部分108包括接插件。接插件可以被設(shè)置用于接收32mm的 螺紋部件、公圓錐型連接器或其他部件。在其他的實施方式中，連接部分108也可以包括或 者被設(shè)置為接收母圓錐型適配器。
如圖5和圖6中所示，樞軸組件114被設(shè)置用于模仿自然的人體腳踝軸。圖7進(jìn) 一步示出了表示假肢足部單元204上的腳踝轉(zhuǎn)動點和足部的人體自然腳踝關(guān)節(jié)之間相互 關(guān)系的示意圖。具體地，假肢足部單元204包括與人足242的腳踝關(guān)節(jié)240相對應(yīng)的樞軸 組件214。例如，在本發(fā)明的一個實施方式中，樞軸組件114被設(shè)置為靠近假肢100轉(zhuǎn)動時 的機(jī)械腳踝中心。
圖8示出了表示假肢100的一個實施方式在水平面上完整的一步期間可能的腳踝 動作范圍的示意圖。如圖所示，圖中的X軸表示在使用者完整的一步期間的各個位置(也 就是0到100% )。y軸表示在假肢處于中間位置時假肢100相對于中間位置的腳踝角度 (Δ)。在完整的一步期間，腳踝角度(Δ)從大約20度的腳底彎曲(也就是中間位置的角 度+20度)變化為大約10度的腳背彎曲(也就是中間位置的角度-10度)。
在上述的實施方式中，在調(diào)節(jié)動作的角度范圍時沒有提供阻尼。在本發(fā)明的另一 個實施方式中，假肢100被設(shè)置用于給下肢元件102和足部單元104之間的角度改變提供 阻尼或被動的軟性阻力。一種用于控制該阻尼的系統(tǒng)示例在美國專利6443993中公開，因 此通過引用將其全部內(nèi)容并入本文并且視為本說明書的一部分。
例如，在使用者處于站立位置時，致動器116可以提供增大的阻力或阻尼以為使 用者提供穩(wěn)定性。在本發(fā)明的一個實施方式中，假肢100的阻尼可以由液壓阻尼器提供。在本發(fā)明的其他實施方式中，現(xiàn)有技術(shù)中已知的其他部件或裝置也可以被用于為假肢100提 供阻尼。另外，在本發(fā)明的一個實施方式中，阻尼器可以例如通過電控系統(tǒng)被動態(tài)控制，以 下將更加詳細(xì)地討論電控系統(tǒng)。而在其他的實施方式中，阻尼器可以通過機(jī)械和/或流體 型結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制。
還應(yīng)該意識到盡管上述說明主要涉及的是假肢系統(tǒng)和裝置，但是說明內(nèi)容也可以 應(yīng)用于本發(fā)明具有矯形系統(tǒng)或裝置的實施方式。例如，在本發(fā)明的一個實施方式中，一種 矯形系統(tǒng)可以包括主動控制矯形器角度的至少一個致動器，矯形器被用于受傷或脆弱的腳 踝。另外，除了矯形系統(tǒng)的電控以外，矯形系統(tǒng)還可以提供使用者控制或者受傷腳踝或腿部 的自然動作。
另外，上述系統(tǒng)可以在不同于經(jīng)脛的或膝蓋以下系統(tǒng)的假肢或矯形系統(tǒng)中 實施。例如，在本發(fā)明的一個實施方式中，假肢或矯形系統(tǒng)可以被用于經(jīng)股的或膝 蓋以上系統(tǒng)中，正如2004年5月7日提交的、申請?zhí)枮?0/569，512并且發(fā)明名稱為 “MAGNET0RHE0L0GICALLY ACTUATED PROSTHETIC KNEE” 的美國臨時申請、以及 2004 年 11 月3日提交的、申請?zhí)枮?0/6 , 986并且發(fā)明名稱為"MAGNETORHEOLOGICALLY ACTUATED PROSTHETIC KNEE”的美國臨時申請還有2005年5月6日提交的、申請?zhí)枮?1/123，870并 且發(fā)明名稱為“MAGNETORHEOLOGICALLY ACTUATED PROSTHETIC KNEE”的美國專利申請中所 公開的那樣，因此上述申請中的每一件都通過引用其全部內(nèi)容而并入本文，并且應(yīng)該被認(rèn) 為是本說明書的一部分。例如，假肢或矯形系統(tǒng)可以包括假肢或矯形腳踝和/或腳趾或矯 形膝蓋。
圖9示出了用于腳踝動作受控足部的控制系統(tǒng)300的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一個實施方式的 方塊圖。在本發(fā)明的一個實施方式中，控制系統(tǒng)300可以由圖1-6中示出的下肢假肢100 使用。在本發(fā)明的其他實施方式中，控制系統(tǒng)300可以由矯形系統(tǒng)或具有腳踝動作受控足 部或其他動作受控肢體的康復(fù)系統(tǒng)使用。在一個實施方式中，控制系統(tǒng)300以分布式處理 系統(tǒng)為基礎(chǔ)，其中由假肢或矯形系統(tǒng)執(zhí)行的不同功能，例如檢測、數(shù)據(jù)處理和致動，由彼此 通信的多個處理器來執(zhí)行或控制。參照圖9，控制系統(tǒng)300包括傳感器模塊302、腳踝裝置 304(例如圖1中示出的假肢100)、中央處理器(“CPU”) 305、存儲器306、接口模塊308、控 制驅(qū)動模塊310、致動器316和電源模塊318。
在一個實施方式中，圖9中示出的控制系統(tǒng)300用CPU 305處理接收自傳感器模 塊302的數(shù)據(jù)。CPU 305與控制驅(qū)動模塊310通信以控制致動器316的操作，從而由腳踝裝 置304模仿自然的腳踝動作。而且，控制系統(tǒng)300可以預(yù)測為了適應(yīng)使用者的動作可能需 要如何來調(diào)節(jié)腳踝裝置304。CPU305還可以通過接口模塊308接收來自使用者和/或其他 裝置的指令。電源模塊318為控制系統(tǒng)300的其他部件供電。以下將更加詳細(xì)地介紹這些 部件當(dāng)中的每一個。
在一個實施方式中，傳感器模塊302被用于測量與腳踝裝置304有關(guān)的變量，例如 腳踝裝置304在整個步態(tài)周期內(nèi)的位置和/或動作。在這樣的實施方式中，傳感器模塊302 有利地被設(shè)置在腳踝裝置304上。例如，傳感器模塊302可以被設(shè)置為靠近腳踝裝置304 轉(zhuǎn)動的機(jī)械腳踝中心，例如圖2中所示假肢100的樞軸組件114。在另一個實施方式中，傳 感器模塊302可以被設(shè)置在與腳踝裝置相連或相聯(lián)的使用者自然肢體上。在這樣的實施方 式中，傳感器被用于獲取與使用者腳踝裝置一側(cè)的自然肢體動作相關(guān)的信息以調(diào)節(jié)腳踝裝置 304。
在一個實施方式中，傳感器模塊302有利地包括印刷電路板殼體、多個傳感器例 如加速計，每一個都測量腳踝裝置304沿不同軸的加速度。例如，傳感器模塊302可以包括 三個加速計以測量腳踝裝置304沿三條基本上互相垂直的軸線的加速度。適合用于傳感器 模塊 302 的傳感器類型例如可以從 Dynastream Innovations, Inc. (Alberta, Canada)購得。
在其他的實施方式中，傳感器模塊302可以包括一個或多個其他類型的傳感器與 加速計相結(jié)合或取代加速計。例如，傳感器模塊302可以包括設(shè)置用于測量體節(jié)和/或腳 踝裝置304角速度的陀螺儀。在其他的實施方式中，傳感器模塊302包括設(shè)置用于測量例 如特定腳下區(qū)域的垂直腳底壓力的腳底壓力傳感器。而在另一些實施方式中，傳感器模塊 302可以包括以下傳感器中的一種或多種運(yùn)動傳感器、單軸陀螺儀、單軸或多軸加速計、 負(fù)荷傳感器、屈曲度傳感器或肌電傳感器，它們可以被設(shè)置用于獲取來自使用者自然肢體 的數(shù)據(jù)。美國專利5955667、美國專利6301964和美國專利6513381也給出了可以用于本發(fā) 明實施方式中的傳感器示例，因此通過引用其全部內(nèi)容將這些專利并入本文并且視為本說 明書的一部分。
而且，傳感器模塊302可以被用于獲取例如與以下的一個或多個方面有關(guān)的信 息腳踝裝置304相對于地面的位置；腳踝裝置304的傾斜角；相對于腳踝裝置304位置 的重力檢測；與使用者的步幅有關(guān)的信息，例如腳踝裝置304何時接觸地面(例如“腳跟觸 地”)、何時處于中間步幅或者何時離開地面(例如“腳趾離地”)、從地面到假肢100的距離 何時處于邁步階段的峰值(也就是邁步階段期間的特定高度)；邁步階段的峰值時刻等。
而在其他的實施方式中，傳感器模塊302被設(shè)置用于檢測步態(tài)模式和/或事件。例 如，傳感器模塊302可以確定使用者是否是處于站立/停止位置、在平地上行走、在上下樓 梯或斜面等。在其他的實施方式中，傳感器模塊302被設(shè)置用于檢測或測量腳踝裝置304 的腳跟高度和/或確定靜態(tài)腿骨角度，目的是為了檢測使用者何時處于坐姿。
如圖9中所示，在本發(fā)明的一個實施方式中，傳感器模塊302被進(jìn)一步設(shè)置用于測 量環(huán)境或地形變量，包括以下的一種或多種地面特性、地面角度、空氣溫度和風(fēng)阻力。在一 個實施方式中，測量溫度可以被用于校正增益和/或偏置其他傳感器。
在其他的實施方式中，傳感器模塊302獲取與使用者的自然肢體例如健康腿部的 動作和/或位置相關(guān)的信息。在這樣的實施方式中，在上斜面或下斜面上操作時，優(yōu)選的可 以是使用者用健康腿部邁出的第一步。這樣可以允許在調(diào)節(jié)腳踝裝置304之前根據(jù)健康腿 部的自然動作進(jìn)行測量。在本發(fā)明的一個實施方式中，控制系統(tǒng)300在腳踝裝置340處于 第一步的邁步階段時檢測使用者的步態(tài)并相應(yīng)地調(diào)節(jié)腳踝裝置304。在本發(fā)明的其他實施 方式中，可以有潛伏期，其中控制系統(tǒng)300需要一步或兩步才能夠準(zhǔn)確地確定使用者的步 態(tài)并適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)腳踝裝置304。
在本發(fā)明的一個實施方式中，傳感器模塊302具有100赫茲(Hz)的默認(rèn)采樣頻 率。在其他的實施方式中，采樣頻率可以高于或低于IOOHz或者可以由使用者調(diào)節(jié)，或者可 以通過軟件或參數(shù)設(shè)定來自動調(diào)節(jié)。另外，傳感器模塊302可以在測量的數(shù)據(jù)類型之間提 供同步或者包括時間標(biāo)記。傳感器還可以被設(shè)置為使其具有約0. 5度的角度分辨率，允許 微調(diào)腳踝裝置304。
在一個實施方式中，傳感器模塊302被設(shè)置用于在不需要測量時，例如在使用者 處于坐姿或躺姿放松時，降低功耗進(jìn)入“休眠”模式。在這樣的實施方式中，傳感器模塊302 可以隨著傳感器模塊302的移動或者隨著來自使用者的輸入而從睡眠狀態(tài)喚醒。在一個實 施方式中，傳感器模塊302在處于“活動”模式時消耗大約30毫安(mA)而在處于“休眠”模 式時消耗大約0. 1mA。
圖9示出了與CPU 305通信的傳感器模塊302。在一個實施方式中，傳感器模塊 302有利地給CPU305和/或控制系統(tǒng)300的其他部件提供測量數(shù)據(jù)。在一個實施方式中， 傳感器模塊302被連接至發(fā)送器例如藍(lán)牙 發(fā)送器以將測量值傳輸至CPU305。在其他的實 施方式中，可以使用其他類型的發(fā)送器或無線技術(shù)，例如紅外技術(shù)、Wifi 技術(shù)或射頻(RF) 技術(shù)。在其他的實施方式中，也可以使用有線技術(shù)與CPU305通信。
在一個實施方式中，傳感器模塊302發(fā)送至CPU 305的數(shù)據(jù)串包括各種類型的信 息。例如，數(shù)據(jù)串可以由160位構(gòu)成并包括以下信息
[TS ；AccX ；Ace Y ；AccZ ；GyroX, GyroY, GyroZ, DegX, DegY, FS, M]；
其中TS =時間標(biāo)記；AccX =足部沿X軸的線性加速度；AccY =足部沿Y軸的線 性加速度；AccZ =足部沿Z軸的線性加速度；GyroX =足部沿X軸的角加速度；GyroY =足 部沿Y軸的角加速度；GyroZ =足部沿Z軸的角加速度；DegX =冠狀面內(nèi)的足部傾角；DegY =矢狀面內(nèi)的足部傾角；FS=腳踝裝置304內(nèi)開關(guān)的邏輯狀態(tài)以及M=傳感器的定向。在 本發(fā)明的其他實施方式中，也可以使用由更多或更少的信息構(gòu)成的其他長度的數(shù)據(jù)串。
CPU 305有利地處理接收自控制系統(tǒng)300其他部件的數(shù)據(jù)。在本發(fā)明的一個實施 方式中，CPU 305處理與使用者步態(tài)有關(guān)的信息，例如接收自傳感器模塊302的信息，確定 運(yùn)動類型(也就是步態(tài)模式)，和/或發(fā)送指令至控制驅(qū)動模塊310。例如，由傳感器模塊 302獲取的數(shù)據(jù)可以被用于生成波形以描繪與使用者的步態(tài)或動作有關(guān)的信息。隨后通過 CPU 305識別波形的變化以預(yù)測使用者的后續(xù)動作并相應(yīng)地調(diào)節(jié)腳踝裝置304。在本發(fā)明 的一個實施方式中，CPU 305可以檢測從最慢20步每分鐘到最快125步每分鐘的步態(tài)模式。 在本發(fā)明的其他實施方式中，CPU 305可以檢測慢于20步每分鐘或者快于125步每分鐘的 步態(tài)模式。
在本發(fā)明的一個實施方式中，CPU 305根據(jù)下表(表1)來處理涉及狀態(tài)轉(zhuǎn)換的數(shù) 據(jù)。具體地，表1示出了可以由控制系統(tǒng)300使用的可能的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。表1的第一列列出 了腳踝裝置304可能的初始狀態(tài)，而第一行列出了腳踝裝置304可能的第二狀態(tài)。表1的 主體列出了在從第一狀態(tài)到第二狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間控制或主動調(diào)節(jié)致動器316和腳踝裝置304 時由CPU 305使用的數(shù)據(jù)來源；其中“N”表示不需要額外數(shù)據(jù)用于狀態(tài)轉(zhuǎn)換；“L”表示CPU 305在狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間利用轉(zhuǎn)換邏輯來確定對腳踝裝置304進(jìn)行調(diào)節(jié)；而“ I ”表示CPU從接口 (例如接口模塊308、外部使用者接口、電氣接口等)獲取數(shù)據(jù)。本發(fā)明的實施方式可使用 的轉(zhuǎn)換邏輯可以由相關(guān)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員研究得出。2004年5月19日提交的、申請?zhí)枮?60/572，996 并且發(fā)明名稱為“CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR A PROSTHETIC KNEE”的美 國臨時申請以及2005年3月9日提交的、申請?zhí)枮?1/077,177并且發(fā)明名稱為“CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR A PROSTHETIC KNEE”的美國專利申請中公開了在類似于本發(fā)明實 施方式的系統(tǒng)和方法中使用的轉(zhuǎn)換邏輯示例，因此上述申請中的每一件都通過引用其全部 內(nèi)容而并入本文并且應(yīng)該被認(rèn)為是本說明書的一部分。23
表 權(quán)利要求
1.一種與肢體相連的經(jīng)股的假肢裝置，包括 足部單元；可轉(zhuǎn)動地連接至足部單元的脛骨元件；有效連接至足部單元和脛骨元件的第一致動器，第一致動器被設(shè)置用于主動調(diào)節(jié)足部 單元和脛骨元件之間的腳踝角度；可轉(zhuǎn)動地連接至脛骨元件以確定膝關(guān)節(jié)的股骨元件；有效連接至脛骨元件和股骨元件的第二致動器，第二致動器被設(shè)置用于主動調(diào)節(jié)脛骨 元件和股骨元件之間的膝蓋角度；位于經(jīng)股的假肢裝置上的至少一個傳感器，被設(shè)置用于在至少一個步態(tài)循環(huán)內(nèi)監(jiān)測經(jīng) 股的假肢裝置的位置和動作中的至少一個以及在至少一個步態(tài)循環(huán)內(nèi)生成指示位置和動 作中的至少一個的數(shù)據(jù)； 存儲模塊；以及處理模塊，被設(shè)置用于確定數(shù)據(jù)何時會對應(yīng)于多種確定地形中的至少一種，其中確定 所述多種地形的信息被存儲在存儲模塊內(nèi)，處理模塊被進(jìn)一步設(shè)置用于確定對應(yīng)于至少一 種被確定地形的腳踝角度調(diào)節(jié)值和膝蓋角度調(diào)節(jié)值，并且其中處理模塊被進(jìn)一步設(shè)置用于 根據(jù)確定的腳踝角度調(diào)節(jié)值和膝蓋角度調(diào)節(jié)值來致動第一致動器以用充分模仿健康腳踝動作的方式相對于脛骨元件調(diào)節(jié)足部單元，所 述腳踝角度調(diào)節(jié)值被應(yīng)用于后續(xù)步態(tài)循環(huán)的邁步階段，直到檢測出地形轉(zhuǎn)換為止，以及 致動第二致動器以用充分模仿健康膝蓋動作的方式相對于脛骨元件調(diào)節(jié)股骨元件。
2.如權(quán)利要求1所述的經(jīng)股的假肢裝置，其中第二致動器將脛骨元件和股骨元件之間 的膝蓋角度主動調(diào)節(jié)為與平地上行走的健康膝蓋相符。
3.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的經(jīng)股的假肢裝置，其中至少一個傳感器監(jiān)測膝關(guān) 節(jié)上的負(fù)荷，其中膝蓋保持與平地上行走的健康膝蓋相符的負(fù)荷。
4.如權(quán)利要求1至3中的任意一項所述的經(jīng)股的假肢裝置，其中第一致動器主動調(diào)節(jié) 足部單元和脛骨元件之間的腳踝角度以適應(yīng)上傾斜或下傾斜表面。
5.一種控制經(jīng)股的假肢裝置的方法，包括用至少一個傳感器監(jiān)測經(jīng)股的假肢裝置的位置和動作中的至少一個，其中該裝置包括足部單元；可轉(zhuǎn)動地連接至足部單元的脛骨元件；有效連接至足部單元和脛骨元件的第一致動器，其中第一致動器被設(shè)置用于主動調(diào)節(jié) 足部單元和脛骨元件之間的腳踝角度；可轉(zhuǎn)動地連接至脛骨元件的股骨元件；以及有效連接至脛骨元件和股骨元件的第二致動器，其中第二致動器被設(shè)置用于調(diào)節(jié)脛骨 元件和股骨元件之間的膝蓋角度；生成指示位置和動作中的至少一個的數(shù)據(jù)； 處理數(shù)據(jù)以確定步態(tài)循環(huán)的階段；在步態(tài)循環(huán)階段的邁步階段期間，致動第一致動器以用充分模仿健康腳踝動作的方式 來相對于脛骨元件移動足部單元；并且在步態(tài)循環(huán)階段的邁步階段期間，致動第二致動器以用充分模仿連接至健康腳踝關(guān)節(jié) 的健康膝關(guān)節(jié)動作的方式來相對于股骨元件移動脛骨元件。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述處理包括在經(jīng)股的假肢裝置使用者的大約三步 之后確定步態(tài)循環(huán)階段的步驟。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述致動第一致動器包括在所述大約三步之后調(diào)節(jié) 足部單元和脛骨元件之間的腳踝角度的步驟。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述致動第一致動器進(jìn)一步包括在所述大約三步中 的每一步都具有至少在0. 40米/秒和0. 60米/秒之間的步速時調(diào)節(jié)足部單元和脛骨元件 之間的腳踝角度的步驟。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述致動第一致動器進(jìn)一步包括在所述大約三步中 的每一步都具有至少約0. 55米/秒的步速時調(diào)節(jié)足部單元和脛骨元件之間的腳踝角度的 步驟。
10.如權(quán)利要求5至9中的任意一項所述的方法，進(jìn)一步包括在經(jīng)股的假肢裝置使用者 的大約三步之后執(zhí)行腳趾抬高功能的步驟。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，進(jìn)一步包括在所述大約三步中的每一步都具有至少在 0. 40米/秒和0. 60米/秒之間的步速時執(zhí)行腳趾抬高功能的步驟。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，進(jìn)一步包括在所述大約三步中的每一步都具有至少約 0. 55米/秒的步速時執(zhí)行腳趾抬高功能的步驟。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，進(jìn)一步包括在足部單元從平地下降至大約-8度到大 約-12度的傾斜度時執(zhí)行腳趾抬高功能的步驟。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，進(jìn)一步包括在足部單元從平地下降至大約-10度的傾 斜度時執(zhí)行腳趾抬高功能的步驟。
15.一種能夠模仿健康腿部步態(tài)的經(jīng)股的假肢系統(tǒng)，包括足部單元；具有上端和下端的脛骨元件，其中下端被可轉(zhuǎn)動地連接至足部單元；有效連接至足部單元和脛骨元件的第一致動器，其中第一致動器被設(shè)置用于主動調(diào)節(jié) 脛骨元件和足部單元之間的角度；具有上端和下端的股骨元件，其中下端被可轉(zhuǎn)動地連接至脛骨元件的上端；以及有效連接至脛骨元件和股骨元件的第二致動器，其中第二致動器被設(shè)置用于主動調(diào)節(jié) 股骨元件和脛骨元件之間的角度。
16.如權(quán)利要求15所述的經(jīng)股的假肢系統(tǒng)，進(jìn)一步包括能夠校正與經(jīng)股的假肢系統(tǒng)使 用者的步態(tài)相對應(yīng)的數(shù)據(jù)的處理模塊。
17.如權(quán)利要求16所述的經(jīng)股的假肢系統(tǒng)，其中處理模塊處理來自至少一個傳感器的 數(shù)據(jù)以動態(tài)地確定步態(tài)循環(huán)的階段。
18.如權(quán)利要求15至17中的任意一項所述的經(jīng)股的假肢系統(tǒng)，其中第一致動器被設(shè)置 用于調(diào)節(jié)脛骨元件和足部單元之間的腳踝角度，并且第二致動器被設(shè)置用于調(diào)節(jié)脛骨元件 和股骨元件之間的角度以降低生理元件上的負(fù)荷。
19.如權(quán)利要求15至18中的任意一項所述的經(jīng)股的假肢系統(tǒng)，其中第一致動器在經(jīng)股 的假肢系統(tǒng)使用者的大約三步之后才在腳趾抬高時主動調(diào)節(jié)脛骨元件和足部單元之間的角度。
20.如權(quán)利要求15至19中的任意一項所述的經(jīng)股的假肢系統(tǒng)，其中第二致動器將股骨 元件和脛骨元件之間的角度主動調(diào)節(jié)為與平地上行走的健康膝蓋相符。
全文摘要
本發(fā)明的某些實施方式涉及增強(qiáng)經(jīng)股的假肢裝置(3000)的功能性。在一個實施方式中，經(jīng)股的假肢裝置(3000)被設(shè)置為使得假肢膝蓋(3200)保持與平地上行走的健康膝蓋相符的負(fù)荷，同時假肢腳踝(3100)調(diào)節(jié)用于上行或下行。在某些實施方式中，調(diào)節(jié)例如腳趾抬高功能是在經(jīng)股的假肢裝置使用者的大約三步之后和/或在每一步都具有至少約0.55米/秒的步速時自動進(jìn)行的。
文檔編號A61F2/68GK102036626SQ200980118523
公開日2011年4月27日 申請日期2009年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月24日
發(fā)明者阿因比約恩·維果·克勞森 申請人:奧瑟Hf公司