專利名稱：控制假體或矯形器中的轉(zhuǎn)矩的制作方法
控制假體或矯形器中的轉(zhuǎn)矩相關(guān)專利申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)要求2010年4月5日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)61/320，991、2010年12月14日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)61/422，873以及2011年I月12日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)61/432，083的優(yōu)先權(quán)，上述臨時(shí)申請(qǐng)均以引用方式并入本文中。
背景技術(shù)：
美國(guó)公開專利申請(qǐng)2010/0174384 (“’384申請(qǐng)”)和2006/0249315 (它們均以引用方式并入本文中)描述了用于步行的步法循環(huán)可以分為五個(gè)階段受控跖屈、受控背屈(⑶)、動(dòng)力跖屈(PP)、先期擺動(dòng)和后期擺動(dòng)，如圖I所示。
’ 384申請(qǐng)還公開了多個(gè)較低極限假體和矯形系統(tǒng)的實(shí)施例，其中經(jīng)由串聯(lián)彈性元件(SEE)馬達(dá)轉(zhuǎn)矩和踝轉(zhuǎn)矩之間的非線性正反饋而在PP期間生成反射轉(zhuǎn)矩。更具體地，反射動(dòng)作包括類似于CD期間的非線性彈簧和PP期間的轉(zhuǎn)矩源的行為。這種反射動(dòng)作可以利用下面的公式通過驅(qū)動(dòng)馬達(dá)而實(shí)現(xiàn)馬達(dá)轉(zhuǎn)矩=pff X (標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)矩)n 公式I其中，pff為調(diào)節(jié)成用于高步行速度的動(dòng)力控制增益；標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)矩為被轉(zhuǎn)矩h標(biāo)準(zhǔn)化的踝轉(zhuǎn)矩rA (與使用者的重量極為相關(guān))；η為動(dòng)力指數(shù)，對(duì)于平地步行而言通常在3到5之間的范圍內(nèi)。注意到，pff的單位為Nm，并且pff的值控制快速步行期間轉(zhuǎn)矩反射的水平的量級(jí)。一旦確定了期望的馬達(dá)轉(zhuǎn)矩，就可以基于公式馬達(dá)電流=馬達(dá)轉(zhuǎn)矩/kt，來計(jì)算驅(qū)動(dòng)電流，其中kt為馬達(dá)轉(zhuǎn)矩常數(shù)。雖然利用公式I確實(shí)提供了良好的結(jié)果，但是通過下述控制方法提供的結(jié)果明顯更佳。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)方面涉及踝-足假體或矯形器設(shè)備。該設(shè)備包括脛構(gòu)件和足構(gòu)件，該足構(gòu)件相對(duì)于脛構(gòu)件操作地構(gòu)造，以便支持步行并且允許足構(gòu)件相對(duì)于脛構(gòu)件跖屈和背屈。馬達(dá)被構(gòu)造為使足構(gòu)件相對(duì)于脛構(gòu)件跖屈，串聯(lián)彈性元件連接在(a)馬達(dá)與脛構(gòu)件之間和/或連接在(b)馬達(dá)與足構(gòu)件之間。具有至少一個(gè)第一傳感器和至少一個(gè)第二傳感器，該至少一個(gè)第一傳感器具有能夠預(yù)測(cè)即將到來的步伐的步行速度的輸出，該至少一個(gè)第二傳感器具有能夠確定踝轉(zhuǎn)矩的輸出。該設(shè)備還包括控制器，該控制器被構(gòu)造為根據(jù)該至少一個(gè)第一傳感器的輸出和該至少一個(gè)第二傳感器的輸出控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩，使得用于慢步行速度的馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩低于用于快步行速度的馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩。本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及一種修改踝-足假體或矯形器設(shè)備的特性的方法。該方法包括以下步驟預(yù)測(cè)在即將到來的步伐期間的步行速度；以及在預(yù)測(cè)的步行速度慢的情況下，修改即將到來的步伐期間的設(shè)備的特性。與預(yù)測(cè)的步行速度快時(shí)執(zhí)行的非守恒凈功相比，特性的修改引起在即將到來的步伐期間執(zhí)行的非守恒凈功的降低。本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及一種設(shè)備，其包括近側(cè)構(gòu)件和遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件，該遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件相對(duì)于近側(cè)構(gòu)件通過接頭操作地連接，使得遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和近側(cè)構(gòu)件之間的角度能夠變化。馬達(dá)被構(gòu)造為改變遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和近側(cè)構(gòu)件之間的角度，串聯(lián)彈性元件連接在(a)馬達(dá)與近側(cè)構(gòu)件之間和/或(b)連接在馬達(dá)與遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件之間。具有至少一個(gè)第一傳感器和至少一個(gè)第二傳感器，該至少一個(gè)第一傳感器具有能夠預(yù)測(cè)即將到來的步伐的步行速度的輸出，該至少一個(gè)第二傳感器具有能夠確定接頭轉(zhuǎn)矩的輸出。該設(shè)備還包括控制器，該控制器被構(gòu)造為根據(jù)該至少一個(gè)第一傳感器的輸出和該至少一個(gè)第二傳感器的輸出控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩，使得用于慢步行速度的馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩低于用于快步行速度的馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩。本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及一種踝-足假體或矯形器設(shè)備，其包括脛構(gòu)件和足構(gòu)件，該足構(gòu)件相對(duì)于脛構(gòu)件操作地構(gòu)造，以便支持步行并且允許足構(gòu)件相對(duì)于脛構(gòu)件跖屈和背屈。馬達(dá)被構(gòu)造為使足構(gòu)件相對(duì)于脛構(gòu)件跖屈，串聯(lián)彈性元件連接在(a)馬達(dá)與脛構(gòu)件之間和/或連接在(b)馬達(dá)與足構(gòu)件之間。該設(shè)備還具有至少一個(gè)傳感器和控制器，該至少一個(gè)傳感器具有能夠確定串聯(lián)彈性元件的偏轉(zhuǎn)的輸出，該控制器被構(gòu)造為根據(jù)該輸出確定期望的轉(zhuǎn)矩，并且根據(jù)確定的期望轉(zhuǎn)矩控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩。本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及一種控制具有足構(gòu)件和脛構(gòu)件的踝-足假體或矯形器 的方法，該踝-足假體或矯形器具有馬達(dá)和串聯(lián)彈性元件，該馬達(dá)被構(gòu)造為時(shí)足構(gòu)件相對(duì)于脛構(gòu)件跖屈，串聯(lián)彈性元件與馬達(dá)串聯(lián)。該方法包括以下步驟感測(cè)馬達(dá)的位置；當(dāng)馬達(dá)處于在感測(cè)步驟中感測(cè)到的位置時(shí)，確定串聯(lián)彈性元件的偏轉(zhuǎn)；以及根據(jù)在感測(cè)步驟中感測(cè)到的馬達(dá)位置和在確定步驟中確定的偏轉(zhuǎn)控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩。本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及一種設(shè)備，其包括近側(cè)構(gòu)件；遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件，該遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件相對(duì)于近側(cè)構(gòu)件操作地構(gòu)造，使得遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和近側(cè)構(gòu)件之間的角度能夠變化；和馬達(dá)，該馬達(dá)被構(gòu)造為改變遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和近側(cè)構(gòu)件之間的角度。串聯(lián)彈性元件連接在(a)馬達(dá)與近側(cè)構(gòu)件之間和/或(b)連接在馬達(dá)與遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件之間，至少一個(gè)傳感器具有能夠確定串聯(lián)彈性元件的偏轉(zhuǎn)的輸出。該設(shè)備還包括控制器，該控制器被構(gòu)造為根據(jù)該輸出確定期望的轉(zhuǎn)矩，并且根據(jù)確定的期望轉(zhuǎn)矩控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩。


圖I為在平地上步行時(shí)使用者的步法循環(huán)的各階段的示意圖。圖2A示出了健康人的踝的非守恒凈功對(duì)步行速度的靜態(tài)范圍。圖2B示出了健康人的踝的峰值功率對(duì)步行速度的靜態(tài)范圍。圖2C示出了當(dāng)兩個(gè)不同的公式用來控制馬達(dá)時(shí)的非守恒凈功對(duì)步行速度。圖2D示出了當(dāng)兩個(gè)不同的公式用來控制馬達(dá)時(shí)的峰值功率對(duì)步行速度。圖3A示出了即將到來的步伐的步行速度與脛角速率之間的關(guān)系。圖3B示出了圖3A中所利用的脛角速率。圖4A示出了用于控制馬達(dá)的一個(gè)合適的增益函數(shù)。圖4B示出了另一個(gè)合適的增益函數(shù)。圖5A為依賴于轉(zhuǎn)矩感測(cè)的實(shí)施例的方框圖。圖5B示出了用于圖5A實(shí)施例的機(jī)械構(gòu)造。圖6A為依賴于偏轉(zhuǎn)以及轉(zhuǎn)矩對(duì)偏轉(zhuǎn)特性的實(shí)施例的方框圖。圖6B示出了用于圖6A實(shí)施例的機(jī)械構(gòu)造。圖6C示出了圖6B的構(gòu)造的截面圖。
圖7示出了用于測(cè)量轉(zhuǎn)矩對(duì)偏轉(zhuǎn)特性的測(cè)試固定裝置。圖8A可以確定彈簧剛度的曲線圖。圖SB為示出了轉(zhuǎn)矩分量隨時(shí)間而變化的曲線圖。圖9示出了串聯(lián)彈性元件的轉(zhuǎn)矩對(duì)偏轉(zhuǎn)特性。圖10為未受損的踝的站姿階段轉(zhuǎn)矩-角度響應(yīng)的Γ - Θ曲線。
具體實(shí)施例方式在健康人中，踝-足通常在身體需要以新陳代謝效率獲得正常步行的每個(gè)步幅上產(chǎn)生正的凈功和峰值功率。步法的站姿期間踝中的凈功和峰值功率與步行速度極為相關(guān)。圖2A和2B示出了這種關(guān)系。更具體地，圖2A示出了非守恒凈功對(duì)步行速度的靜態(tài)范圍(+1 Σ邊界)，其處于線11、12之間。圖2B示出了如線16、17的峰值功率對(duì)步行速度的估計(jì)的靜態(tài)范圍(+1 Σ邊界)。圖2B還示出了如線18的峰值功率對(duì)步行速度的平均值(研究中 測(cè)量的)，其處于線16和17之間。圖2C中用星號(hào)示出的數(shù)據(jù)點(diǎn)示出了當(dāng)上述公式I用來控制馬達(dá)電流時(shí)的非守恒凈功對(duì)步行速度。注意到，可以通過計(jì)算踝-轉(zhuǎn)矩對(duì)踝角度的一個(gè)循環(huán)上的環(huán)面積來確定非守恒凈功，例如，如圖10所示，在點(diǎn)I處開始，順序通過點(diǎn)2、3和4，且返回到點(diǎn)I?？梢钥吹?，對(duì)于未受損的踝而言，非守恒凈功高于由線11、12界定的靜態(tài)范圍，并且與該范圍的偏差在較慢步行速度下比在較快步行速度下大。相似地，圖2D中用星號(hào)示出的數(shù)據(jù)點(diǎn)示出了當(dāng)上述公式I用來控制馬達(dá)電流時(shí)的峰值功率對(duì)步行速度。可以看到，對(duì)于未受損的踝而言，峰值功率高于平均值線18。凈功也較高，并且被浪費(fèi)了，導(dǎo)致產(chǎn)生額外的熱且降低了電池壽命。為了在寬范圍的步行速度上更加接近地模仿普通步行的人的踝-足的生物力學(xué)，’384申請(qǐng)所公開的實(shí)施例可以修改為采用本文描述的動(dòng)力控制方法，以便遞送更加接近地匹配由圖2中的線11、12界定的靜態(tài)范圍和圖2B中的平均線18的每個(gè)步幅上的凈功和峰值功率。在這個(gè)方法中，對(duì)即將到來的步伐的步行速度進(jìn)行預(yù)測(cè)，并且預(yù)測(cè)的步行速度用來設(shè)定用于即將到來的步伐的踝控制參數(shù)(包括動(dòng)力控制增益的設(shè)定)。預(yù)測(cè)即將到來的步伐的步行速度的一種方式是根據(jù)圖3A所示的關(guān)系基于脛(俯仰)角速率《!￡來預(yù)測(cè)。這兩個(gè)速度高度線性相關(guān)，使得站姿階段中的峰值角速率用作即將到來的步伐的步行速度的優(yōu)良預(yù)測(cè)。步行速度和脛角速率之間的相關(guān)性在站姿和擺動(dòng)階段期間多次出現(xiàn)，但是優(yōu)選的是最小化步行速度估計(jì)與其將被應(yīng)用時(shí)之間的反應(yīng)時(shí)間。其一種實(shí)現(xiàn)方式是，恰好在反射開始之前，對(duì)剛好開始受控背屈(即在足平(foot-flat)處)時(shí)的脛角速率進(jìn)行取樣。這種減小的反應(yīng)時(shí)間確保了在某些情形下(例如當(dāng)使用者停止時(shí))不會(huì)應(yīng)用反射。另一方面，如果使用陳舊的步行速度預(yù)測(cè)，(例如通過在腳趾離地之前由脛角速率估計(jì)的步行速度)，那么該估計(jì)可能是無效的(例如在使用者決定突然停止的情形下)。脛角速率可以通過任何合適的裝置進(jìn)行測(cè)量，例如慣性測(cè)量單元(IMU)或角速率傳感器(ARS)。MU或ARS可以放置到假體或矯形器的與承窩剛性地連接的頂部部分上，從而能夠測(cè)量脛角速率，如圖3B所示。在可供選擇的實(shí)施例中，其可以安裝在足結(jié)構(gòu)上。合適的角速率傳感器的實(shí)例為Invensense IDG-300。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，MU可以由三個(gè)正交地對(duì)準(zhǔn)的角速率傳感器(例如AnalogDevices ADXRS610)和三個(gè)正交地對(duì)準(zhǔn)的加速計(jì)(例如 FreescaleMMA7360L)構(gòu)成。使用角速率感測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于，其剛好在調(diào)用反射控制之前提供角速率的瞬時(shí)測(cè)量。更具體地，站姿階段中的最大角速率可以被計(jì)算并且可以被用來調(diào)整步伐的受控背屈和動(dòng)力跖屈階段期間的反射轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。這種反射在很大程度上響應(yīng)于產(chǎn)生滿足普通步行的人的踝-足需要的凈功和峰值功率。經(jīng)由串聯(lián)彈性元件(SEE)馬達(dá)轉(zhuǎn)矩和踝轉(zhuǎn)矩之間的非線性的正反饋，通過利用以下的公式控制馬達(dá)，來生成反射轉(zhuǎn)矩馬達(dá)轉(zhuǎn)矩=Kv (ωχ) XpffX (標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)矩)η 公式2
其中，Κν(ωχ)為與最大角速率有關(guān)的動(dòng)力控制增益函數(shù)，圖4Α中示出了該函數(shù)的實(shí)例；ρ 為調(diào)節(jié)成用于高步行速度的動(dòng)力控制增益；標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)矩為被轉(zhuǎn)矩r^標(biāo)準(zhǔn)化的踝轉(zhuǎn)矩Γ\ (與使用者的重量極為相關(guān))；以及η為動(dòng)力指數(shù)，對(duì)于平地步行而言通常在3到5之間的范圍內(nèi)。這與上面的公式I類似，不同之處在于，公式的右側(cè)乘以增益函數(shù)Κν(ωχ)，該增益函數(shù)選擇成減小用于與較慢步行速度對(duì)應(yīng)的較低角速度的馬達(dá)轉(zhuǎn)矩。注意到，用于將期望的馬達(dá)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為用于馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)電流的伴隨公式對(duì)于本文所述的所有實(shí)施例而言保持相同(即，馬達(dá)電流=馬達(dá)轉(zhuǎn)矩/kt，其中kt為馬達(dá)轉(zhuǎn)矩常數(shù))。圖4A中示出了一個(gè)合適的增益函數(shù)Κν(ωχ)，其初始在角速率為零時(shí)為0，并且在與快速步行速度對(duì)應(yīng)的角速率ωΤΗ處線性增大到I。在閾值角速率ωΤΗ以上，增益函數(shù)Κν(ωχ)保持為I。用于閾值ωΤΗ的合適的設(shè)定為與快速步行速度對(duì)應(yīng)的角速率(例如，與I. 5到I. 75米每秒之間的步行速度對(duì)應(yīng)的角速率)。在一些實(shí)施例中，閾值點(diǎn)可以通過義肢進(jìn)行設(shè)定，優(yōu)選地限制到某個(gè)合理的范圍(例如，與I. 25到2米每秒之間的步行速度對(duì)應(yīng)的角速率)。在其它實(shí)施例中，用于在合理范圍內(nèi)調(diào)節(jié)ωΤΗ設(shè)定點(diǎn)的設(shè)置甚至可以是終端使用者能夠獲得的。公式2的右側(cè)乘以Κν(ωχ)的結(jié)果是，馬達(dá)將被較低的電流驅(qū)動(dòng)，以用于較慢的步行速度。這將在較慢的步行速度下引起較小的轉(zhuǎn)矩(與使用公式I相比)。當(dāng)該方法用來控制假體或矯形踝時(shí)，在步法的足平部分期間，轉(zhuǎn)矩初始將為零。踝轉(zhuǎn)矩1\在受控背屈階段結(jié)束時(shí)將開始增大。響應(yīng)于增大ΓΑ，控制器將基于公式2驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，這將在正反饋反射響應(yīng)中進(jìn)一步增大轉(zhuǎn)矩。正反饋持續(xù)到由于下腿部開始將足提升離開地面而使得腳趾離地之前。在這點(diǎn)處，正反饋消失，因此轉(zhuǎn)矩開始下降。正反饋在腳趾離地時(shí)結(jié)束，原因是在該點(diǎn)處，已經(jīng)沒有需要推靠的了，這使得轉(zhuǎn)矩快速下降。此外，控制反射應(yīng)用的狀態(tài)機(jī)也轉(zhuǎn)換到使用位置控制的擺動(dòng)階段。注意到，以引用方式并入本文中的’ 384申請(qǐng)中描述了狀態(tài)機(jī)的操作。在iWalk Powerfoot BiOM 假體踝/足上已經(jīng)實(shí)施和測(cè)試了公式2的基于速度的動(dòng)力控制方法。當(dāng)公式2用來控制馬達(dá)時(shí)，圖2C中通過圓形數(shù)據(jù)點(diǎn)示出了非守恒凈功對(duì)步行速度。圖2C中圓形數(shù)據(jù)點(diǎn)和星號(hào)數(shù)據(jù)點(diǎn)(以上討論的)之間的比較反映了當(dāng)使用公式2時(shí)非守恒凈功更靠近由線11、12界定的靜態(tài)范圍。相似地，圖2D中的圓形數(shù)據(jù)點(diǎn)示出了當(dāng)公式2用來控制馬達(dá)電流時(shí)的峰值功率對(duì)步行速度?？梢钥吹剑逯倒β试谑褂霉?時(shí)比在使用公式I時(shí)(在圖2D中由星號(hào)數(shù)據(jù)點(diǎn)表示)更加靠近平均值線18。這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得自于重量為2401B且脛長(zhǎng)度為53cm的患者。利用MU系統(tǒng)測(cè)量步行速度，并且該不行速度在從O. 8m/s到I. 5m/s的范圍內(nèi)。當(dāng)使用者隨機(jī)改變它們的步行速度時(shí)，該系統(tǒng)提供動(dòng)力的平滑過渡。在可供選擇的實(shí)施例中，可以采用具有其它形狀的增益函數(shù)來代替圖4A中所示的斜度。優(yōu)選地，所有這樣的函數(shù)初始在ωχ=0時(shí)都為0，終止于1，并且是單調(diào)增大的。用于增益函數(shù)的合適形狀的實(shí)例包括類似于(a)正弦曲線的第一象限；或6)余弦曲線的第三和第四象限(比例形成為且偏移為初始為O且終止于I)的形狀。也可以使用其它過渡形狀，包括平滑的形狀和具有急劇變化的形狀。例如，圖4B所示的曲線將操作成對(duì)于低步行速度保持低的動(dòng)力(這將適合于類似于教室的某些情況)，并且精金在速度超過閾值ωΤΗ2時(shí)增加動(dòng)力。任選地，增益函數(shù)還能夠操作成當(dāng)向后步行或奔跑時(shí)用于負(fù)速度，以控制反射響應(yīng)。為此，圖4Β中包括負(fù)速度。如果需要,用于負(fù)速度的最大增益可以小于I,以便在向后步行時(shí)提供較小的動(dòng)力推進(jìn)。在一些實(shí)施例中，增益函數(shù)還可以在側(cè)向步伐或側(cè)向跳躍時(shí)形成為速度的函數(shù)。在一些實(shí)施例中，可以提供用戶界面，以便對(duì)公式2中η的值提供義肢控制，該η的值優(yōu)選地限制在某些合理的范圍內(nèi)(例如在2到7之間)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在3到5之間的設(shè) 定點(diǎn)是優(yōu)選的。當(dāng)η高時(shí)(例如大約5)，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)矩為1\被標(biāo)準(zhǔn)化，所以電流將不會(huì)增大，直到ΓΑ接近Γ^。這延遲(在時(shí)間上)了正反饋的開始。反之，當(dāng)η較低時(shí)(例如大約3)，電流將在ΓΑ太接近Γ ^之前開始增大。這提前(在時(shí)間上)了正反饋的開始。當(dāng)該系統(tǒng)被構(gòu)造為對(duì)η提供義肢控制時(shí)，η可以被調(diào)節(jié)(例如根據(jù)來自終端使用者的言語(yǔ)反饋)，以最大化使用者的舒適性。在其它實(shí)施例中，用戶界面可以設(shè)置成對(duì)η (在合理范圍內(nèi))提供終端使用者控制。在可供選擇的實(shí)施例中，反射轉(zhuǎn)矩生成公式可以修改如下馬達(dá)轉(zhuǎn)矩=Κν(ωχ) XpffX (標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)矩)η (ωχ) 公式3公式3與公式2非常類似，不同的是，在公式3中，標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)矩的指數(shù)η乘以角速率函數(shù)。函數(shù)f (ωχ)優(yōu)選地選擇成使得所得到的指數(shù)在較高角速度下臂在較低角速度下大。這將操作成，相對(duì)于使用者較慢地步行時(shí)的正時(shí)，當(dāng)使用者較快速地步行時(shí)提前開始反射(在時(shí)間上)。注意到，在上述實(shí)施例中，該系統(tǒng)并沒有對(duì)即將到來的步伐進(jìn)行明確的步行速度預(yù)測(cè)。相反，該系統(tǒng)依賴于脛的角速率ωχ (如上所述，這與預(yù)測(cè)的步行速度相關(guān))。在這種情況下，脛的角速率ωχ用作步行速度的替代品。在可供選擇的實(shí)施例中，不依賴于脛的角速率ωχ，而是可以利用其它參數(shù)來預(yù)測(cè)步行速度。然后，根據(jù)這些可供選擇的傳感器，基于預(yù)測(cè)的步行速度相應(yīng)地調(diào)節(jié)踝動(dòng)力。例如，站姿階段中的膝蓋上方的腿部區(qū)段的角速率或者膝蓋線性運(yùn)動(dòng)速度可以用來預(yù)測(cè)即將到來的步伐的步行速度。利用IMU追蹤的踝或膝蓋的笛卡爾軌線也可以用來預(yù)測(cè)即將到來的步伐的步行速度。在其它實(shí)施例中，各公式可以實(shí)施為將估計(jì)的步行速度明確地計(jì)算為中間結(jié)果，然后基于該中間結(jié)果調(diào)節(jié)各個(gè)參數(shù)，以控制功率和非守恒凈功(例如在公式2中通過用Kv(速度彡代替!^…〕)。優(yōu)選地，該系統(tǒng)包括特定情形處理裝置，以便在其確定存在特定步行環(huán)境時(shí)改變功率水平。例如，即使步行速度慢，功率也可以增加，以用于上樓/上坡道步行?；蛘呒词共叫兴俣雀?，功率也可以減小，以用于下樓或下坡道步行。注意到，踝軌線或膝蓋軌線(例如利用IMU確定)可以用作辨別器，以確定是否存在特定步行環(huán)境，從而可以針對(duì)特定步行環(huán)境調(diào)節(jié)踝的特性(包括反射)。上述系統(tǒng)為使用者提供改進(jìn)的凈功和峰值功率，以便在整個(gè)步行速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)用于普通步行的正常生物力學(xué)。該系統(tǒng)還在低步行速度下使用減小的馬達(dá)電流，這是大多數(shù)人的日常中主要的步行情況。這可以幫助保持馬達(dá)的溫度低，節(jié)省能量，并且減小對(duì)電池再次充電的頻率和攜帶備用電池的需要。較低的電流還減小驅(qū)動(dòng)傳遞裝置(包括串聯(lián)彈簧)上的應(yīng)力和疲勞，并且能夠增加裝置中各個(gè)部件的設(shè)計(jì)壽命。上述實(shí)施例依賴于踝轉(zhuǎn)矩「4作為公式的輸出，其最終在受控背屈和動(dòng)力跖屈期間控制馬達(dá)電流。該踝轉(zhuǎn)矩ΓΑ可以通過多種方法確定。在’384申請(qǐng)中描述了一種這樣的方法，該方法利用例如布置在惠斯通電橋構(gòu)造中的應(yīng)變儀主動(dòng)地測(cè)量踝轉(zhuǎn)矩ΓΑ，以測(cè)量由踝假體的頂部處的承窩附接件施加的轉(zhuǎn)矩。圖5Α為用于這個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng)方框圖。假體或矯形踝/足包括脛構(gòu)件52和足構(gòu)件54，該脛構(gòu)件52和足構(gòu)件54例如通過接頭53操作地連接，以允許進(jìn)行跖屈和背屈。馬 達(dá)56固定到脛構(gòu)件52上，并且串聯(lián)彈性元件58坐落在脛構(gòu)件52和足構(gòu)件54之間，使得其將與馬達(dá)串聯(lián)，如美國(guó)專利5，650，704中所解釋的，該美國(guó)專利以引用方式并入本文中。沿著一個(gè)方向或另一個(gè)方向驅(qū)動(dòng)馬達(dá)將使足構(gòu)件54相對(duì)于脛構(gòu)件52跖屈或背屈。在可供選擇的實(shí)施例中(未示出)，馬達(dá)56和串聯(lián)彈性元件58可以交換，在這種情況下，馬達(dá)將安裝到足構(gòu)件54上。轉(zhuǎn)矩傳感器66測(cè)量踝轉(zhuǎn)矩ΓΑ，并且將代表該轉(zhuǎn)矩的輸出發(fā)送到控制器68。控制器68被編程，以通過實(shí)施公式2來控制馬達(dá)56。在可供選擇的實(shí)施例中，被構(gòu)造為實(shí)施公式2的模擬電路可以用來代替控制器68。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器60包含將來自控制器68的低電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)馬達(dá)56所需的高電平信號(hào)所需的驅(qū)動(dòng)電路。圖5Β示出了用于實(shí)施圖5Α的實(shí)施例中所示的結(jié)構(gòu)的實(shí)際機(jī)械構(gòu)造。在圖5Β中，轉(zhuǎn)矩傳感器1732 (其對(duì)應(yīng)于圖5Α中的附圖標(biāo)記66)定位在脛構(gòu)件1716 (其對(duì)應(yīng)于圖5Α中的附圖標(biāo)記52)的恰好頂部處。用于確定踝轉(zhuǎn)矩ΓΑ的另一個(gè)方法是將轉(zhuǎn)矩分解為其組成分量，并且單獨(dú)地分析這些分量中每一個(gè)的轉(zhuǎn)矩。例如，在圖6A-C所示的設(shè)計(jì)中，具有有助于總轉(zhuǎn)矩的兩個(gè)分量由串聯(lián)彈性元件施加的轉(zhuǎn)矩(rs)和由緩沖器施加的轉(zhuǎn)矩(ΓΒ)。緩沖器定位在踝的脛部分和足部分之間，并且在剛度高時(shí)還可以被看作是硬阻擋件。在可供選擇的實(shí)施例中，彈簧可以用來代替緩沖器。注意到，ΓΒ分量?jī)H僅在緩沖器接合期間(S卩，在背屈期間，當(dāng)脛構(gòu)件壓靠著固定到足構(gòu)件上的緩沖器時(shí)，或者在可供選擇的實(shí)施例中，當(dāng)足構(gòu)件接合固定到脛構(gòu)件上的緩沖器時(shí))起作用。如果每個(gè)起作用的分量都是已知的，那么可以通過將^和ΓΒ矢量加(SP，F(xiàn)a= Fs+Fb)來確定總踝轉(zhuǎn)矩。在圖6B所示的設(shè)計(jì)中，「3和Fb均可以被確定為位移的函數(shù)，該位移由在整個(gè)設(shè)計(jì)上分布的位置傳感器測(cè)量，該位置傳感器類似于檢測(cè)馬達(dá)位置的馬達(dá)編碼器和檢測(cè)踝樞轉(zhuǎn)角度的踝角度編碼器。我們以rs開始。在圖6C中，馬達(dá)IB-102驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠IB-106，并且安裝在馬達(dá)上的數(shù)字編碼器IB-104測(cè)量滾珠絲杠延伸P。如果足在無載荷下操作(例如，當(dāng)其懸在空中)，那么對(duì)于滾珠絲杠延伸P的每個(gè)給定的值，踝接頭IB-108將運(yùn)動(dòng)到角度β (ρ)。β (ρ)函數(shù)可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)這樣進(jìn)行確定，即通過將該裝置提升到空中以使其處于無載荷狀態(tài)，然后驅(qū)動(dòng)馬達(dá)通過其整個(gè)操作范圍，并且測(cè)量在P的每個(gè)值處所得到的踝接頭IB-108的角度?；蛘撸梢曰谝阎难b置幾何結(jié)構(gòu)計(jì)算β (P)。β (P)函數(shù)以任何合適的格式(例如作為公式或查找表)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，該存儲(chǔ)器可由控制器78 (如圖6Α所示)讀取。在正常操作期間，裝置將被加載，并且踝接頭1Β-108的實(shí)際角度Θ可以被確定(例如通過安裝在踝接頭上的未示出的高分辨率編碼器)。此外，可以根據(jù)數(shù)字編碼器ΙΒ-104的輸出確定實(shí)際滾珠絲杠延伸P。控制器輸入來自馬達(dá)編碼器的P，并且從存儲(chǔ)器中重新得到無載荷角度位置β (P)。然后，其輸入來自踝接頭角度編碼器的實(shí)際角度θ，并且從Θ減去β (ρ)(即控制器計(jì)算θ-β (ρ))。該差值為SEE 1B-110的角度偏轉(zhuǎn)。在一些實(shí)施例中，可以使用“單轉(zhuǎn)”馬達(dá)控制器。在功率開的情況下，其在一個(gè)馬達(dá)回轉(zhuǎn)內(nèi)的絕對(duì)位置與絕對(duì)接頭位置可以一起用來確定滾珠絲杠沿跖屈方向相對(duì)于行程末端的絕對(duì)位移。在已經(jīng)確定了偏轉(zhuǎn)之后，可以找到轉(zhuǎn)矩rs，原因是轉(zhuǎn)矩是偏轉(zhuǎn)的函數(shù)。在簡(jiǎn)單的模型中，轉(zhuǎn)矩對(duì)偏轉(zhuǎn)特性可以模擬為線性函數(shù)(虎克定律)，從而rs=ksx偏轉(zhuǎn)，其中ks為用于SEE的彈簧剛度。圖9示出了用于串聯(lián)彈性元件1B-110 (如圖6B所示)的轉(zhuǎn)矩對(duì)偏轉(zhuǎn) 特性。從這些特性中，測(cè)量的偏轉(zhuǎn)可以用來確定rs。注意到，依賴于包含彈簧常數(shù)匕的公式僅僅只是由偏轉(zhuǎn)確定轉(zhuǎn)矩的許多可能的方式中的一種方式，還可以使用用于確定轉(zhuǎn)矩對(duì)偏轉(zhuǎn)特性的可供選擇的模型和方法(例如查找表、多項(xiàng)式曲線擬合或非線性估計(jì))。我們接下來轉(zhuǎn)到ΓΒ分量。在背屈期間，脛構(gòu)件1Β-111推向足構(gòu)件1Β-114，并且坐落在這兩個(gè)構(gòu)件之間(并且可以固定到任一個(gè)構(gòu)件上)的緩沖器1Β-112被壓縮。在前述生成設(shè)計(jì)(其緩沖器1Β-112使用較軟的塑料)的測(cè)試期間，發(fā)明人認(rèn)識(shí)到，在接合期間在緩沖器中能夠觀察到在對(duì)于2501b的被截肢者而言每85Nm峰值基準(zhǔn)載荷偏轉(zhuǎn)O. 25。的范圍內(nèi)的柔量。當(dāng)使用較硬的塑料(例如EPDM，其具有95A硬度計(jì)硬度)時(shí)，存在較小的偏轉(zhuǎn)(例如對(duì)于2501b的被截肢者而言每85Nm峰值基準(zhǔn)載荷偏轉(zhuǎn)O. 1° )，并且這種柔量的力-偏轉(zhuǎn)特征變得更加穩(wěn)定且更加容易模擬。注意到，容納踝機(jī)構(gòu)的金屬外殼也將可測(cè)量地彎曲，并且因此與緩沖器接觸的構(gòu)件和足結(jié)構(gòu)也能夠可測(cè)量地彎曲。當(dāng)對(duì)于特定設(shè)計(jì)或設(shè)計(jì)樣品(例如，利用測(cè)試固定裝置)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)測(cè)量彎曲位移時(shí)，所有的這些彎曲將會(huì)自動(dòng)地得到解釋。對(duì)于給定設(shè)計(jì)或特定設(shè)計(jì)示例可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定在緩沖器壓縮時(shí)ΓΒ的變化。一種方式是將樣品踝/足250螺栓連接到測(cè)試固定裝置200中，類似于如圖7所示的情況。測(cè)試固定裝置200優(yōu)選地使用六自由度力-轉(zhuǎn)矩傳感器210 (例如由JR3公司制造的)，該傳感器同時(shí)測(cè)量沿著和繞著三個(gè)正交軸線的力和轉(zhuǎn)矩，其中向后驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠致動(dòng)器220安裝在踝/足250的足部分252和JR3210之間。在該測(cè)試固定裝置200中，踝/足250被驅(qū)動(dòng)，直到足部分252初始與踝/足250的脛部分254上的緩沖器接觸(如圖6Β所示)。初始接觸的角度限定為ΘΙ。然后，利用向后驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠致動(dòng)器220，足部分252被進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)到角度Θ。。踝/足假體上的踝編碼器1Β-108 (如圖6C所示)可以測(cè)量角度Θ。。隨著Θ c增大，緩沖器的壓縮增大，并且對(duì)于每個(gè)可能的角度Θ。存儲(chǔ)由JR3210確定的力。由JR3210測(cè)量的Z (豎向)和Y (水平)力利用矢量數(shù)學(xué)相加，以確定沿著向后驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠軸線的力。然后，通過在從SEE減去任何轉(zhuǎn)矩組成之后，將軸向力乘以垂直的力矩臂來計(jì)算踝轉(zhuǎn)矩。對(duì)于每個(gè)可能的角度會(huì)制多個(gè)循環(huán)(例如10個(gè)循環(huán))的踝轉(zhuǎn)矩對(duì)踝角度曲線，并且計(jì)算至少方形最佳擬合線，假設(shè)線性關(guān)系Fb=KsX (θε-θ工)，其中Ks為緩沖器1Β-112的旋轉(zhuǎn)彈簧剛度。所得到的最佳擬合線的斜度是用Nm/rad表示的緩沖器的彈簧剛度Ks，如圖8A所示。在可供選擇的實(shí)施例中，不采用線性關(guān)系模擬緩沖器，也可以使用可供選擇的模擬和方法，以用于確定設(shè)計(jì)中的轉(zhuǎn)矩對(duì)偏轉(zhuǎn)特性(例如查找表、多項(xiàng)式曲線擬合或非線性的估計(jì))。注意到，當(dāng)增大轉(zhuǎn)矩時(shí)(即當(dāng)足部分正被驅(qū)動(dòng)到緩沖器且正壓縮緩沖器時(shí))，踝轉(zhuǎn)矩對(duì)踝角度偏轉(zhuǎn)的關(guān)系是非常線性化的。然而，當(dāng)返回到零時(shí)(降低轉(zhuǎn)矩)，曲線是不同的。這種差異是由于緩沖器的能量吸收特性的影響。優(yōu)選的是，利用增大轉(zhuǎn)矩部分的最小方形最佳擬合線的斜度來確定緩沖器的彈簧剛度Kg。圖SB示出了轉(zhuǎn)矩的分量ΓΒ，該分量在緩沖器漸增地被壓縮半秒鐘(直到轉(zhuǎn)矩達(dá)到-90)然后釋放的情況下隨時(shí)間推移利用該方法確定。Γ B轉(zhuǎn)矩的量化性質(zhì)為編碼器分辨率的函數(shù)。這種量化可以利用較高分辨率的編碼器而最小化。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，使用Renishaw公司(P / N RMB13BC1)制造的13位的編碼器(8196計(jì)數(shù)/360度)。Renishaw編碼器采用定制的霍爾效應(yīng)1C，其測(cè)量從安裝在足結(jié)構(gòu)上的單極圓柱形磁體出現(xiàn)的相對(duì)于固定到嵌于踝外殼中的印刷電路組件上的IC的定向的場(chǎng)角度。利用在專門的DSP中執(zhí)行的FIR低通濾波器進(jìn)行的角度測(cè)量的過濾，已經(jīng)示出為將有效分辨率延展到15-16位。 一旦已經(jīng)模擬了緩沖器/踝外殼的轉(zhuǎn)矩對(duì)偏轉(zhuǎn)特性(例如如上所述)，就可以通過測(cè)量θ c且將結(jié)果插入到公式rB=KsX (Qc-Q1)中或模擬rB作為θ。的函數(shù)的可供選擇的模型中，確定假體操作期間任何給定瞬時(shí)的rB組成。從而，從測(cè)量的角度偏轉(zhuǎn)Θ。中，可以確定第二轉(zhuǎn)矩分量rB。在可供選擇的實(shí)施例中，可以采用其它踝角度編碼裝置來確定緩沖器已經(jīng)被壓縮到何種程度，包括光學(xué)的、磁電機(jī)-限制和感應(yīng)傳感器。在這點(diǎn)上，1%和ΓΒ分量均是已知的。現(xiàn)在，rs可以與ΓΒ相加，以獲得ΓΑ，并且所得到的^用作公式2的輸入，以控制馬達(dá)。圖64為用于通過單獨(dú)地確定1^和ΓΒ，然后將這些分量相加以獲得ΓΑ，來實(shí)施該方法的系統(tǒng)方框圖。兀件52-60與圖5Α中標(biāo)有對(duì)應(yīng)附圖標(biāo)記的兀件相同。角位置傳感器76測(cè)量馬達(dá)位移ρ和踝接頭位移Θ，并且將代表這些位移的輸出發(fā)送到控制器78?？刂破?8被編程，以將這些位移轉(zhuǎn)換為如上所述的轉(zhuǎn)矩rs。此外，控制器78被編程，以將踝接頭位移Θ轉(zhuǎn)換為如上所述的轉(zhuǎn)矩ΓΒ。然后，控制器78將^與^矢量相加，以確定ΓΑ。然后，控制器78通過實(shí)施公式2控制馬達(dá)56 (借助于動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器60，如圖5Α的實(shí)施例所示)。如上所述，公式2中的η可以被調(diào)節(jié)，以使得該裝置對(duì)于使用者而言更加舒適。其它參數(shù)也可以類似地調(diào)節(jié)，例如Pff和閾值角速率ωΤΗ，其影響公式2中的Κν(ωχ)函數(shù)?，F(xiàn)在參考圖10，其是響應(yīng)于未受損的站姿階段的身體-質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)矩-角度踝的Γ-Θ曲線，可以發(fā)現(xiàn)，能夠調(diào)節(jié)假體或矯形器中額外的參數(shù)，以盡量更好地模擬未受損的踝，從而提高舒適度和性能。實(shí)例包括在踝-足從受控跖屈(Ku的斜度)通過受控背屈(K2_3的斜度)過渡到動(dòng)力跖屈(κ3_4的斜度)時(shí)調(diào)節(jié)阻抗。這三個(gè)阻抗的初始值以及腳趾離地時(shí)Θ的初始值(θ可以得自于未受損的踝的平均Γ-Θ響應(yīng)，然后這些初始值可以被調(diào)節(jié)，以適合于活動(dòng)水平、分肢長(zhǎng)度、身體-質(zhì)量分布和各個(gè)使用者的喜好。在上述實(shí)施例中，單個(gè)馬達(dá)用來實(shí)施跖屈和背屈兩者。但是在可供選擇的實(shí)施例中，該馬達(dá)可以由用于實(shí)施跖屈的一個(gè)馬達(dá)和用于實(shí)施背屈的另一個(gè)部件代替。在其它可供選擇的實(shí)施例中，多個(gè)馬達(dá)可以并行布置，以執(zhí)行跖屈和背屈兩者。在其它實(shí)施例中，上述電動(dòng)馬達(dá)可以替換為其它類型的馬達(dá)(例如液壓馬達(dá))，在這種情況下，控制器和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器必須進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。注意到，當(dāng)上述概念以假體的語(yǔ)境解釋時(shí)，它們也可以應(yīng)用于矯形器語(yǔ)境。此外，雖然上述實(shí)施例全部涉及踝，但是上述概念可以應(yīng)用于其它假體和矯形器應(yīng)用，例如臀、軀干和臂，在這種情況下，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，這將是本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解的。例如，在膝蓋的語(yǔ)境中，在剛好腳趾離地期間發(fā)生反射的情況下，步行速度預(yù)測(cè)將利用正好腳趾離地之前的“最新”脛速度測(cè)量。在其它的語(yǔ)境中，脛構(gòu)件可以概括為近側(cè)構(gòu)件，足構(gòu)件可以概括為遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件，并且背屈/跖屈可以概括為改變遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和近側(cè)構(gòu)件之間的角度。上述概念還可以應(yīng)用于人形機(jī)器人的語(yǔ)境。雖然已經(jīng)參考某些實(shí)施例公開了本發(fā)明，但是在不脫離所附的權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對(duì)所述實(shí)施例進(jìn)行各種修改、替換和改變。因此，本發(fā) 明并不限于所述的實(shí)施例，而是完全覆蓋以下的權(quán)利要求的語(yǔ)言及其等效形式所限定的范圍。
權(quán)利要求
1.一種踝-足假體或矯形器設(shè)備，其包括 胚構(gòu)件； 足構(gòu)件，該足構(gòu)件相對(duì)于脛構(gòu)件操作地構(gòu)造，以便支持步行并且允許足構(gòu)件相對(duì)于脛構(gòu)件跖屈和背屈； 馬達(dá)，該馬達(dá)被構(gòu)造為使足構(gòu)件相對(duì)于脛構(gòu)件跖屈； 串聯(lián)彈性元件，該串聯(lián)彈性元件連接在(a)馬達(dá)與脛構(gòu)件之間和/或連接在(b)馬達(dá)與足構(gòu)件之間； 至少一個(gè)第一傳感器，該至少一個(gè)第一傳感器具有能夠預(yù)測(cè)即將到來的步伐的步行速度的輸出； 至少一個(gè)第二傳感器，該至少一個(gè)第二傳感器具有能夠確定踝轉(zhuǎn)矩的輸出；以及 控制器，該控制器被構(gòu)造為根據(jù)該至少一個(gè)第一傳感器的輸出和該至少一個(gè)第二傳感器的輸出控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩，使得用于慢步行速度的馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩低于用于快步行速度的馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中馬達(dá)還被構(gòu)造為使足構(gòu)件相對(duì)于脛構(gòu)件背屈。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中該至少一個(gè)第一傳感器包括角速率傳感器和IMU中的至少一個(gè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中控制器根據(jù)正好在發(fā)生反射之前的該至少一個(gè)第一傳感器的輸出控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中控制器被構(gòu)造為(i)根據(jù)該至少一個(gè)第一傳感器的輸出確定隨步行速度變化的控制增益，其中慢步行速度下的控制增益小于快步行速度下的增益；(ii)根據(jù)該控制增益和確定的踝轉(zhuǎn)矩確定期望的馬達(dá)轉(zhuǎn)矩；以及(iii)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)以獲得該期望的馬達(dá)轉(zhuǎn)矩。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中控制器被構(gòu)造為(i)根據(jù)該至少一個(gè)第一傳感器的輸出確定脛的角速率ωχ ;(ii)確定為該角速率的函數(shù)的控制增益Κν(ωχ)，其中低角速度下的控制增益小于低角速度下的控制增益；(iii)根據(jù)公式馬達(dá)轉(zhuǎn)矩=Kv(ωχ) XpffX (標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)矩)η，確定期望的馬達(dá)轉(zhuǎn)矩，其中pff為常數(shù)且η在2到7的范圍內(nèi)；以及(iv)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)以獲得該期望的馬達(dá)轉(zhuǎn)矩。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備,其中當(dāng)ωχ=0時(shí)，Κν(ωχ)=0,當(dāng)(^超過閾值ωΤΗ時(shí)，Κν(ωχ)=1，并且在ωχ=0和ωΤΗ之間，Κν(ωχ)為單調(diào)遞增函數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中馬達(dá)還被構(gòu)造為使足構(gòu)件相對(duì)于脛構(gòu)件背屈。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中該至少一個(gè)第二傳感器直接測(cè)量踝轉(zhuǎn)矩。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中該至少一個(gè)第二傳感器具有能夠確定串聯(lián)彈性元件的偏轉(zhuǎn)的至少一個(gè)輸出，并且控制器根據(jù)該至少一個(gè)輸出計(jì)算轉(zhuǎn)矩。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中該至少一個(gè)第二傳感器包括感測(cè)馬達(dá)的位置的傳感器和感測(cè)足構(gòu)件相對(duì)于脛構(gòu)件的角度的傳感器，并且控制器根據(jù)感測(cè)到的馬達(dá)的位置和感測(cè)到的角度計(jì)算轉(zhuǎn)矩。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中該至少一個(gè)第二傳感器包括感測(cè)馬達(dá)的位置的傳感器和感測(cè)足構(gòu)件相對(duì)于脛構(gòu)件的角度的傳感器，并且控制器根據(jù)感測(cè)到的馬達(dá)的位置、感測(cè)到的角度和串聯(lián)彈性元件的轉(zhuǎn)矩對(duì)偏轉(zhuǎn)特性確定轉(zhuǎn)矩分量Γ s。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其還包括緩沖器，當(dāng)足構(gòu)件相對(duì)于脛構(gòu)件充分背屈時(shí)，該緩沖器被壓縮， 其中控制器根據(jù)感測(cè)到的角度和緩沖器的轉(zhuǎn)矩對(duì)偏轉(zhuǎn)特性確定轉(zhuǎn)矩分量ΓΒ，并且 其中控制器根據(jù)^和ΓΒ確定總轉(zhuǎn)矩。
14.一種修改踝-足假體或矯形器設(shè)備的特性的方法，該方法包括以下步驟 預(yù)測(cè)在即將到來的步伐期間的步行速度；以及 在預(yù)測(cè)的步行速度慢的情況下，修改即將到來的步伐期間的設(shè)備的特性，其中與預(yù)測(cè)的步行速度快時(shí)執(zhí)行的非守恒凈功相比，特性的修改引起在即將到來的步伐期間執(zhí)行的非守恒凈功的降低。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中修改特性的步驟包括在預(yù)測(cè)的步行速度慢的情況下減小動(dòng)力控制增益。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中預(yù)測(cè)步驟包括根據(jù)在正好即將到來的步伐之前的受控背屈階段期間的脛角速率測(cè)量，預(yù)測(cè)在即將到來的步伐期間的步行速度。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中在足平處進(jìn)行脛角速率的測(cè)量。
18.—種設(shè)備,其包括 近側(cè)構(gòu)件； 遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件，該遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件相對(duì)于近側(cè)構(gòu)件通過接頭操作地連接，使得遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和近側(cè)構(gòu)件之間的角度能夠變化； 馬達(dá)，該馬達(dá)被構(gòu)造為改變遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和近側(cè)構(gòu)件之間的角度； 串聯(lián)彈性元件，該串聯(lián)彈性元件連接在(a)馬達(dá)與近側(cè)構(gòu)件之間和/或(b)連接在馬達(dá)與遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件之間； 至少一個(gè)第一傳感器，該至少一個(gè)第一傳感器具有能夠預(yù)測(cè)即將到來的步伐的步行速度的輸出； 至少一個(gè)第二傳感器，該至少一個(gè)第二傳感器具有能夠確定接頭轉(zhuǎn)矩的輸出；以及控制器，該控制器被構(gòu)造為根據(jù)該至少一個(gè)第一傳感器的輸出和該至少一個(gè)第二傳感器的輸出控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩，使得用于慢步行速度的馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩低于用于快步行速度的馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其中該至少一個(gè)第一傳感器包括角速率傳感器和IMU中的至少一個(gè)。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其中控制器根據(jù)正好在發(fā)生反射之前的該至少一個(gè)第一傳感器的輸出控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其中控制器被構(gòu)造為(i)根據(jù)該至少一個(gè)第一傳感器的輸出確定隨步行速度變化的控制增益，其中慢步行速度下的控制增益小于快步行速度下的增益；(ii)根據(jù)該控制增益和確定的接頭轉(zhuǎn)矩確定期望的馬達(dá)轉(zhuǎn)矩；以及(iii)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)以獲得該期望的馬達(dá)轉(zhuǎn)矩。
22.—種踝-足假體或矯形器設(shè)備，其包括 胚構(gòu)件； 足構(gòu)件，該足構(gòu)件相對(duì)于脛構(gòu)件操作地構(gòu)造，以便支持步行并且允許足構(gòu)件相對(duì)于脛構(gòu)件跖屈和背屈；馬達(dá)，該馬達(dá)被構(gòu)造為使足構(gòu)件相對(duì)于脛構(gòu)件跖屈； 串聯(lián)彈性元件，該串聯(lián)彈性元件連接在(a)馬達(dá)與脛構(gòu)件之間和/或連接在(b)馬達(dá)與足構(gòu)件之間； 至少一個(gè)傳感器，該至少一個(gè)傳感器具有能夠確定串聯(lián)彈性元件的偏轉(zhuǎn)的輸出；以及 控制器，該控制器被構(gòu)造為根據(jù)該輸出確定期望的轉(zhuǎn)矩，并且根據(jù)確定的期望轉(zhuǎn)矩控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的設(shè)備，其中馬達(dá)還被構(gòu)造為使足構(gòu)件相對(duì)于脛構(gòu)件背屈。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的設(shè)備，其中該至少一個(gè)傳感器包括感測(cè)馬達(dá)的位置的傳感器和感測(cè)足構(gòu)件相對(duì)于脛構(gòu)件的角度的傳感器，并且控制器根據(jù)馬達(dá)的位置、感測(cè)到的角度Θ和串聯(lián)彈性元件的轉(zhuǎn)矩對(duì)偏轉(zhuǎn)特性確定轉(zhuǎn)矩分量rs。
25.根據(jù)權(quán)利要求22所述的設(shè)備，其中轉(zhuǎn)矩分量「8是通過基準(zhǔn)角度β減去感測(cè)到的角度Θ而確定，其中基準(zhǔn)角度β根據(jù)馬達(dá)的位置確定。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的設(shè)備，其還包括緩沖器，當(dāng)足構(gòu)件相對(duì)于脛構(gòu)件充分背屈時(shí)，該緩沖器被壓縮， 其中控制器根據(jù)感測(cè)到的角度和緩沖器的轉(zhuǎn)矩對(duì)偏轉(zhuǎn)特性確定轉(zhuǎn)矩分量ΓΒ，并且 其中控制器根據(jù)^和ΓΒ確定期望的轉(zhuǎn)矩。
27.—種控制具有足構(gòu)件和脛構(gòu)件的踝-足假體或矯形器的方法，該踝-足假體或矯形器具有馬達(dá)和串聯(lián)彈性元件，該馬達(dá)被構(gòu)造為時(shí)足構(gòu)件相對(duì)于脛構(gòu)件跖屈，串聯(lián)彈性元件與馬達(dá)串聯(lián)，該方法包括以下步驟 感測(cè)馬達(dá)的位置； 當(dāng)馬達(dá)處于在感測(cè)步驟中感測(cè)到的位置時(shí)，確定串聯(lián)彈性元件的偏轉(zhuǎn)；以及 根據(jù)在感測(cè)步驟中感測(cè)到的馬達(dá)位置和在確定步驟中確定的偏轉(zhuǎn)控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中該確定步驟包括感測(cè)足構(gòu)件相對(duì)于脛構(gòu)件的實(shí)際角度，并且其中該控制步驟包括根據(jù)(a)實(shí)際角度和與在感測(cè)步驟中感測(cè)到的馬達(dá)位置對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)角度之間的差以及(b)串聯(lián)彈性元件的轉(zhuǎn)矩對(duì)偏轉(zhuǎn)特性，確定轉(zhuǎn)矩分量rs。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中該控制步驟還包括根據(jù)該實(shí)際角度和在足構(gòu)件壓靠著脛構(gòu)件時(shí)被壓縮的緩沖器的轉(zhuǎn)矩對(duì)偏轉(zhuǎn)特性確定轉(zhuǎn)矩分量ΓΒ ;以及將轉(zhuǎn)矩分量r s與轉(zhuǎn)矩分量r B相加。
30.一種設(shè)備,其包括 近側(cè)構(gòu)件； 遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件，該遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件相對(duì)于近側(cè)構(gòu)件操作地構(gòu)造，使得遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和近側(cè)構(gòu)件之間的角度能夠變化； 馬達(dá)，該馬達(dá)被構(gòu)造為改變遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件和近側(cè)構(gòu)件之間的角度； 串聯(lián)彈性元件，該串聯(lián)彈性元件連接在(a)馬達(dá)與近側(cè)構(gòu)件之間和/或(b)連接在馬達(dá)與遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件之間； 至少一個(gè)傳感器，該至少一個(gè)傳感器具有能夠確定串聯(lián)彈性元件的偏轉(zhuǎn)的輸出；以及 控制器，該控制器被構(gòu)造為根據(jù)該輸出確定期望的轉(zhuǎn)矩，并且根據(jù)確定的期望轉(zhuǎn)矩控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的設(shè)備，其中該至少一個(gè)傳感器包括感測(cè)馬達(dá)的位置的傳感器和感測(cè)遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件與近側(cè)構(gòu)件之間的角度的傳感器，并且控制器根據(jù)馬達(dá)的位置、感測(cè)到的角度Θ和串聯(lián)彈性元件的轉(zhuǎn)矩對(duì)偏轉(zhuǎn)特性確定轉(zhuǎn)矩分量rs。
32.根據(jù)權(quán)利要求30所述的設(shè)備，其中轉(zhuǎn)矩分量「8是通過基準(zhǔn)角度β減去感測(cè)到的角度Θ而確定，其中基準(zhǔn)角度β根據(jù)馬達(dá)的位置確定。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的設(shè)備，其還包括緩沖器，當(dāng)遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件與近側(cè)構(gòu)件之間的角度超過閾值角度時(shí)，該緩沖器被壓縮， 其中控制器根據(jù)感測(cè)到的角度和緩沖器的轉(zhuǎn)矩對(duì)偏轉(zhuǎn)特性確定轉(zhuǎn)矩分量ΓΒ，并且 其中控制器根據(jù)^和ΓΒ確定期望的轉(zhuǎn)矩。
全文摘要
在假體或矯形踝／足的一些實(shí)施例中，對(duì)即將到來的步伐期間的步行速度進(jìn)行預(yù)測(cè)。于是，當(dāng)預(yù)測(cè)的步行速度慢時(shí)，修改設(shè)備的特性，使得在該步伐中執(zhí)行較少的凈功(與預(yù)測(cè)的步行速度快相比)。這可以利用能夠預(yù)測(cè)步行速度的一個(gè)傳感器和能夠確定踝轉(zhuǎn)矩的第二傳感器(66)而實(shí)現(xiàn)?？刂破?68)接收來自這些傳感器的輸入，并且控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩，使得用于慢步行速度的轉(zhuǎn)矩低于用于快步行速度的轉(zhuǎn)矩。這減少了步法循環(huán)中致動(dòng)器所做的功和在步法循環(huán)期間遞送的峰值致動(dòng)器功率。在一些實(shí)施例中，串聯(lián)彈性元件(58)與能夠驅(qū)動(dòng)踝的馬達(dá)(56)串聯(lián)，并且至少一個(gè)傳感器設(shè)有能夠確定串聯(lián)彈性元件的偏轉(zhuǎn)的輸出?？刂破鞲鶕?jù)該輸出確定期望的轉(zhuǎn)矩，并且根據(jù)確定的期望轉(zhuǎn)矩控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩。
文檔編號(hào)A61F2/60GK102892388SQ201180023930
公開日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2011年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月5日
發(fā)明者H·M·赫爾, R·J·卡斯勒, 韓智修, C·巴爾恩哈特, G·格宗, D·加爾洛 申請(qǐng)人:Iwalk股份有限公司