專利名稱：用于控制人造矯形外科或假肢關(guān)節(jié)的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于控制下肢的人造矯形或假肢關(guān)節(jié)的方法和設(shè)備，具有阻抗裝置，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(jù)傳感器數(shù)據(jù)改變屈曲和/或伸張阻抗，其中，在使用關(guān)節(jié)期間通過傳感器提供狀態(tài)信息。所述設(shè)備和方法特別是適合于控制矯形膝關(guān)節(jié)或假肢膝關(guān)節(jié)，但是本發(fā)明也能夠在髖關(guān)節(jié)或踝關(guān)節(jié)中采用。
背景技術(shù)：
用于矯形器或假肢的人造關(guān)節(jié)、特別是膝關(guān)節(jié)具有上連接件和下連接件，它們通過關(guān)節(jié)裝置彼此連接。在膝關(guān)節(jié)的情況下在上連接件上設(shè)置用于大腿殘肢或大腿軌的接收部，而在下連接件上設(shè)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(zhuǎn)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，例如在矯形器中采用的情況下確保支撐或者在假肢中采用的情況下確保自然的步態(tài)形成。為了在一個步進的不同階段期間或者在其他工作中盡可能自然地滿足或支持不同的要求，設(shè)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(diào)節(jié)下連接件相對于上連接件在屈曲方向上能夠以何種程度樞轉(zhuǎn)。因此，在膝關(guān)節(jié)的情況下，通過所述屈曲阻抗來調(diào)節(jié)小腿筒或小腿軌相對于大腿筒或大腿軌在施加力的情況下以何種程度向后揮動。伸張阻抗對小腿筒或小腿軌的前進運動進行制動并且可構(gòu)成伸張止擋。在其他關(guān)節(jié)類型的情況下例如髖關(guān)節(jié)或踝關(guān)節(jié)的情況下，這種實施方式根據(jù)運動學狀況也適用。通過可調(diào)節(jié)的阻抗裝置能夠使得相應(yīng)的屈曲阻抗和/或伸張阻抗適配于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 10 2008 008 284 Al公開了一種矯形外科技術(shù)的膝關(guān)節(jié)，其具有上部件和可樞轉(zhuǎn)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(jù)求得的傳感器數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié)。DE 10 2006 021 802 Al描述了一種被動式假肢膝關(guān)節(jié)的控制，在伸展方向上具有可調(diào)節(jié)的阻尼以適配于假肢裝置，所述假肢裝置具有上側(cè)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并且將屈曲阻尼在抬起階段中降低到一個對于在平面中行走合適的水平以下。屈曲阻尼可根據(jù)膝蓋角度的變化并且根據(jù)作用在小腿上的軸向力升高。DE 10 2007 053 389 Al描述了一種用于控制具有至少一個自由度的下肢的矯形外科關(guān)節(jié)的方法，具有可調(diào)節(jié)的促動器以適配于矯形外科裝置，所述矯形外科裝置具有連接至肢體的上側(cè)連接器件和相對于所述連接器件遠中地鉸接布置的矯形外科關(guān)節(jié)，在不同于在平面上行走的行走狀態(tài)下。在此通過傳感器檢測該矯形外科裝置的多個參數(shù)，將檢測到的參數(shù)與判據(jù)(所述判據(jù)借助于多個參數(shù)和/或參數(shù)變化曲線求得并且存放在計算單元中)相比較并且選出一個判據(jù)，所述判據(jù)根據(jù)求得的參數(shù)或參數(shù)變化曲線是合適的。基于所選出的判據(jù)調(diào)節(jié)屈曲阻抗、運動范圍、驅(qū)動力和/或其變化曲線以控制不同于在平面中、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(shù)。EP1237513 BI公開了具有控制裝置和與控制裝置耦合的傳感器的假肢或矯形器，所述傳感器檢測相對于與關(guān)節(jié)連接的部件的固定線的傾斜角度?；谒鰞A斜角度使關(guān)節(jié)的運動特性改變，也就是制動或釋放所述關(guān)節(jié)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，膝關(guān)節(jié)在站立時在行走期 間或在站立期間提供高阻抗，其中，關(guān)節(jié)不被完全鎖止。在膝關(guān)節(jié)完全伸直的情況下通過以下方式防止該關(guān)節(jié)的屈曲，即，力矢量處于關(guān)節(jié)軸線前面并且由此將膝關(guān)節(jié)壓到伸張止擋中。關(guān)節(jié)在站立狀況下不鎖止的優(yōu)點是，關(guān)節(jié)的使用者還可以干預(yù)關(guān)節(jié)運動。如果使用者例如應(yīng)站立在樓梯上并且失去平衡，則該使用者通過鎖止的關(guān)節(jié)會不受控制地跌倒，而使用者借助于殘肢力尚能夠以高屈曲阻抗使關(guān)節(jié)屈曲，從而避免跌倒的后果或者可本身防止跌倒。同樣，所述阻抗簡化了關(guān)節(jié)在狹小空間內(nèi)的靈活操作或者坐下。通過以下方式支持坐下，即，所述阻抗提供抵抗太快速地下沉的支持。在其他情況下，抵抗太快速下沉的阻抗必須通過不裝假肢的一側(cè)、也就是健康的腿施加。如果假肢或矯形器使用者處于坐姿中，則可出現(xiàn)這樣一種情況，即，屈曲阻抗和/或伸展阻抗被這樣高地調(diào)節(jié)，使得不能實現(xiàn)舒適的坐姿。在坐下期間常常需要并且舒適的是，存在關(guān)節(jié)的可自由活動性以便能夠毫無問題地實施在坐下時執(zhí)行的小運動范圍。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的任務(wù)在于，提供一種方法和一種設(shè)備，利用其能夠識別坐下狀態(tài)并且與使關(guān)節(jié)的阻抗與坐姿相適配。根據(jù)本發(fā)明，該任務(wù)通過具有獨立權(quán)利要求特征的方法和具有并列權(quán)利要求特征的設(shè)備來解決。本發(fā)明的有利的構(gòu)型和進一步方案在從屬權(quán)利要求中予以描述。本發(fā)明的方法提出，為了控制下肢的人造矯形或假肢關(guān)節(jié)，存在一個阻抗裝置，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(jù)傳感器數(shù)據(jù)改變屈曲阻抗和/或伸張阻抗。在此在使用關(guān)節(jié)期間通過傳感器提供狀態(tài)信息。測量大腿部的惰性角度并且當大腿部相對于垂線至少45°、特別是至少70°和/或膝蓋角度大于45°、是大于80°時降低阻抗。在此將地心引力方向視為垂線方向，而膝蓋角度是存在于膝關(guān)節(jié)的上連接件與下連接件之間的角度，從伸直的狀態(tài)中起算，在伸直狀態(tài)中膝蓋角度為0°。下連接件相對于上連接件屈曲程度越大，則所述膝蓋角度就越大。如果識別到坐姿，則當阻抗優(yōu)選不僅在伸展方向上而且在屈曲方向上降低時，假肢或矯形器更容易操控，必要時阻抗裝置可這樣改變，使得附加的阻抗變?yōu)榱?。可通過測量大腿部的惰性角度(也就是大腿部相對于垂線的絕對角度)識別到坐下。如果大腿部的惰性角度基本上水平，也就是相對于垂線至少70°，則可認為存在坐下狀況或者處于要坐下的狀況前不久。此外，替代或補充地可將膝蓋角度用來評判坐姿。如要膝蓋角度大于80°，則可認為進入坐姿。所述膝蓋角度也可以本身用作用于控制的決定性參量，同樣，大腿部的惰性角度本身也可足以求得坐姿。本發(fā)明的一個變型方案提出，在達到或低于地面反作用力的閾值之后降低阻抗。為此規(guī)定，測量作用在假肢或矯形器上的地面反作用力。如果該地面反作用力達到或低于確定的閾值，因為由于坐姿，僅僅通常的重量的很少部分作用在所述部件例如小腿部、關(guān)節(jié)或假肢腳之一上，因此可使阻抗降低。也可以規(guī)定，在達到大腿部的惰性角度例如至少45°和/或膝蓋角度的閾值之后使阻抗隨著所述角度的增高而連續(xù)降低。這用作坐下輔助，從而使得假肢或矯形器使用者首先通過高屈曲阻抗不必通過未裝假肢的腿接收全部重量。如果例如大腿部相對于垂線處于45°的角度位置中，則連續(xù)地降低屈曲阻抗，從而可以更容易地坐下。所述大腿部的惰性角度可直接地例如通過大腿部上的相應(yīng)傳感器裝置測量或者由小腿部的惰性角度以及一存在于小腿部與大腿部之間的關(guān)節(jié)角度計算出。本發(fā)明的一個進一步方案規(guī)定，只有當大腿部在預(yù)給定的時間間隔內(nèi)處于傾斜位置中時、也就是從一個相對于垂線約45°、特別是70°的角度起才降低阻抗。由此防止在短時達到大腿部的近似水平的位置時進行所述屈曲阻抗和/或伸張阻抗的沖擊式或連續(xù)式降低。由此存在一個時間元件，所述時間元件只有在確定的時間過去之后才允許阻抗降低。所述阻抗根據(jù)大腿部的幾乎水平的位置的持續(xù)時間受時間控制地改變，這提供了附加的安全性。相應(yīng)的受時間控制的改變也可以基于膝關(guān)節(jié)進行，從而使得只有當膝蓋角度在 確定的時間間隔之后仍具有確定的最小值時才進行阻抗降低。本發(fā)明的一個進一步方案規(guī)定，所述阻抗、特別是屈曲阻抗在降低之后根據(jù)關(guān)節(jié)角度改變和/或惰性角度改變而升高，以便提供起立輔助。如果假肢或矯形器的使用者起立，則存在的危險是，不容易達到站立位置。為了在無阻抗裝置的情況下防止落回到坐下位置中，檢測關(guān)節(jié)角度和/或惰性角度是否改變，特別是朝關(guān)節(jié)伸直和大腿部向垂線接近的方向。如果是這種情況，則使阻抗、特別是屈曲阻抗升高。當求得關(guān)節(jié)角度改變時，也就是當該設(shè)備沒有處于靜態(tài)的或近似靜態(tài)的狀態(tài)中時可禁止阻抗的降低。通過這種方式可實現(xiàn)起立輔助或坐下輔助。如果檢測到坐下并且阻抗已經(jīng)降低，則可控制到節(jié)能模式中，在該節(jié)能模式中例如使同步變緩慢或者不詢問單個的傳感器值，直到基于另外的傳感器值得出離開了坐姿為止。同樣也可以將不使用的消耗器轉(zhuǎn)換到待機狀態(tài)中，從而總體上降低能耗。為了提供增高的安全性可存在多個控制算法，它們基于用于檢測角度和力的不同裝置的測量值工作，從而在一個用于檢測角度和力的裝置失效時可使用其余的測量值來控制伸張阻抗和/或屈曲阻抗的改變。由此可建立冗余。所述算法可利用測量值工作，所述測量值來自于用于檢測角度和力的裝置的不同組，其中，在所述組中可存在單個的交叉，從而在一個用于檢測角度和力的裝置失效時可通過其他算法使用其余的測量值來控制伸張阻抗和/或屈曲阻抗的改變。通過控制可能性的冗余得到提高的防止假肢或矯形器失效的安全性。本發(fā)明的用于實施前述方法的設(shè)備規(guī)定，存在一個可調(diào)節(jié)的阻抗裝置，所述阻抗裝置布置在下肢的人造矯形關(guān)節(jié)或假肢關(guān)節(jié)的兩個鉸接地彼此支承的部件之間，其中，具有控制裝置和傳感器，它們檢測一個部件的惰性角度和/或所述設(shè)備的關(guān)節(jié)角度。設(shè)置一調(diào)節(jié)裝置，通過所述調(diào)節(jié)裝置能夠激活和/或去活與位置相關(guān)的阻抗改變，以便能夠主動地接通或關(guān)斷特別功能(坐下)和阻抗的在識別出坐下之后進行的降低。


下面借助于附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細說明。
圖I示意性示出處于坐下位置中的假肢。
具體實施例方式唯一的附圖示意性示出處于坐下位置中的假肢。該假肢具有大腿部I和小腿部2，它們通過假肢膝關(guān)節(jié)4可樞轉(zhuǎn)地彼此連接。同樣在小腿部2中設(shè)置阻抗裝置以及促動器，所述促動器基于通過控制單元分析處理的傳感器數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)大腿部I相對于小腿部2的抵抗伸展或屈曲運動的伸展或屈曲阻抗。如果假肢使用者處于坐下位置中，則當阻抗裝置的伸展阻抗或屈曲阻抗小時該使用者感覺到舒服，從而可以不受妨礙地執(zhí)行在坐下期間實施的運動，所述運動通常具有小的運動范圍。 為了能夠自動地執(zhí)行阻抗降低，規(guī)定，檢測坐下狀態(tài)。為此規(guī)定，測量惰性角度ατ和/或膝蓋角度ακ。大腿部I的惰性角度^^相對于垂線測量，其假設(shè)在重力方向上作用。在附圖中這通過重力向量g表示。假設(shè)大腿部I的縱軸線作為惰性角度^^的參考量，所述縱軸線穿過假肢膝關(guān)節(jié)4的樞轉(zhuǎn)軸線。在此，所述縱軸線大致相應(yīng)于天然大腿骨的取向并且基本上在大腿部I的中間延伸，所述大腿部通常構(gòu)造為大腿筒。膝蓋角度ciK處于小腿部2的縱向延伸與大腿部I的縱向延伸之間。在此，小腿部2的縱向延伸也穿過假肢膝關(guān)節(jié)4的關(guān)節(jié)軸線。所述膝蓋角度a K可由大腿部I的惰性角度^和小腿部2的惰性角度Cii計算出，其中，按照該附圖，由小腿部2的膝蓋角度CIk與惰性角度a i之間的差得出大腿部I的惰性角度α τ。此外,可確定地面反作用力GRF或軸向力AX(其表現(xiàn)為地面反作用力在小腿部2的方向上的分量)，以便基于存在的力決定假肢使用者是否處于坐姿中。規(guī)定，當大腿部I具有至少一個至少45°、特別是70°的惰性角度^和/或膝蓋角度ακ大于45°、特別是大于80°時進行阻抗降低。通常，在出現(xiàn)一個或多個這種角度參量時可認為假肢使用者處于坐姿中。可通過測量地面反作用力GRF來補充該判據(jù)。通常，當假肢使用者坐下時所述地面反作用力GRF顯著降低，也就是說，當所述地面反作用力GRF低于一個閾值時，則這是評判是否達到坐姿的另一因素。在達到確定的閾值之后阻抗的沖擊式降低常常被感覺到不舒服。因此規(guī)定，在達到大腿部I的惰性角度Ct1^P/或膝蓋角度α κ的閾值之后使阻抗隨著惰性角度Ct τ和/或膝蓋角度ακ的增高連續(xù)地降低。由此支持坐下動作并且簡化了從站立到坐下的過渡。所述大腿部I的惰性角度^^可直接通過相應(yīng)的傳感器求得，替代地規(guī)定，所述大腿部的惰性角度α τ由小腿部2的惰性角度a i和膝蓋角度α κ求得。如果大腿部I在確定的時間間隔內(nèi)處于傾斜姿態(tài)中、即處于基本上水平的狀態(tài)中從而所述惰性角度^處于例如70°和110°之間，則可在經(jīng)過預(yù)給定的時間之后同樣進行阻抗裝置的阻抗的降低，因為這可以假定假肢使用者坐下了或者在可預(yù)見的時間內(nèi)不會
重新起立。如果大腿部I的關(guān)節(jié)角度α κ或惰性角度α τ改變，則所述阻抗又增高、優(yōu)選連續(xù)增高，從而存在防返回保護，以便簡化患者的起立。此外可規(guī)定，即使存在所述角度姿態(tài)，則只要患者的腿活動，也就是當檢測到例如膝蓋角度α κ的關(guān)節(jié)角度改變時不發(fā)生阻抗的降低。
權(quán)利要求
1.一種用于利用阻抗裝置控制下肢的人造矯形或假肢關(guān)節(jié)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(jù)傳感器數(shù)據(jù)改變屈曲阻抗和/或伸張阻抗，其中，在使用關(guān)節(jié)期間通過傳感器提供狀態(tài)信息，其特征在于，測量大腿部的惰性角度并且當大腿部相對于垂線至少45°和/或膝蓋角度大于45°時降低阻抗。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其特征在于，在達到或低于地面反作用力的閾值之后降低阻抗。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2的方法，其特征在于，在達到大腿部的惰性角度和/或膝蓋角度的閾值之后使阻抗隨著所述惰性角度和/或膝蓋角度的增高而連續(xù)降低。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，直接地或者由小腿部的惰性角度以及一關(guān)節(jié)角度求得所述大腿部的惰性角度。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，當大腿部在預(yù)給定的時間間隔內(nèi)處于傾斜位置中時降低阻抗。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，所述阻抗在降低之后根據(jù)測量到的關(guān)節(jié)角度和/或所述大腿部的惰性角度而升高。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，在求得關(guān)節(jié)角度改變時禁止阻抗的降低。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，在阻抗降低之后接通節(jié)能模式。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，存在多個控制算法，所述控制算法基于用于檢測角度和力的不同裝置的測量值工作，從而在一個用于檢測角度和力的裝置失效時使用其余的測量值來控制伸張阻抗和/或屈曲阻抗的改變。
10.一種用于執(zhí)行根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述方法的設(shè)備，具有可調(diào)節(jié)的阻抗裝置，所述阻抗裝置布置在下肢的人造矯形關(guān)節(jié)或假肢關(guān)節(jié)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，它們檢測一個部件的惰性角度和/或所述設(shè)備的關(guān)節(jié)角度，其特征在于，設(shè)置調(diào)節(jié)裝置，通過所述調(diào)節(jié)裝置能夠激活和/或去活與位置相關(guān)的阻抗改變。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于控制下肢的人造矯形或假肢關(guān)節(jié)的方法和設(shè)備，具有阻抗裝置，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(jù)傳感器數(shù)據(jù)改變屈曲和/或伸張阻抗，其中，在使用關(guān)節(jié)期間通過傳感器提供狀態(tài)信息。本發(fā)明提出，測量大腿部的惰性角度并且當大腿部相對于垂線至少45°和/或膝蓋角度大于45°時降低阻抗。
文檔編號A61F2/64GK102724936SQ201080051261
公開日2012年10月10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M·賽伊, P·肯帕斯, S·扎利伶 申請人:奧托·博克保健產(chǎn)品有限公司