帶動(dòng)力的下肢矯形器及其操作方法
【專利說(shuō)明】帶動(dòng)力的下肢矯形器及其操作方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
本申請(qǐng)要求2012年5月24日提交的名稱為“POWERED LOWER EXTREMITY ORTHOTIC ANDMETHOD OF OPERAT1N”的第13/480，160號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，該第13/480，160號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)是2009年6月16日提交的名稱為“SEM1-ACTUATED TRANSFEM0RAL PROSTHETICKNEE”的第12/457，573號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)的部分繼續(xù)申請(qǐng)，該第12/457，573號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)要求 2008 年 6 月 16 日提交的名稱為“SEM1-ACTUATED TRANSFEM0RAL PROSTHETIC KNEE”的第61/132,217號(hào)美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)和2008年9月12日提交的名稱為“SEM1-ACTUATEDTRANSFEM0RAL PROSTHETIC KNEE”的第61/136，535號(hào)美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明通常涉及人造足的軌跡控制。本發(fā)明詳述了假肢的發(fā)展，同時(shí)轉(zhuǎn)化某些發(fā)展到人體外骨骼領(lǐng)域中，該人體外骨骼為穿戴在仍然保留有肢體的用戶身上的矯正裝置。特別地，這些人體外骨骼由具有癱瘓的肢體的個(gè)體所使用，并因此需要具備很像在假肢情況下的關(guān)節(jié)活動(dòng)恢復(fù)的能力。
【背景技術(shù)】
[0003]近年來(lái)，假肢領(lǐng)域取得了很大的進(jìn)步。例如，現(xiàn)今不但各種各樣的截肢者都能獲得定制的合適假肢，而且假肢自身也可按使用目的進(jìn)行定制。因此，為截肢者定做假肢，不僅包括大小尺寸的定制，還根據(jù)其他各種因素而有所不同，尤其出于截肢者將使用假肢設(shè)備進(jìn)行的活動(dòng)的類型。
[0004]涉及膝上假肢，需要建立對(duì)步態(tài)邁步期和步態(tài)站立期的控制。顯然，步態(tài)邁步期控制需適應(yīng)更廣范圍的活動(dòng)，其潛在的活動(dòng)種類甚至可因截肢者的年齡和活動(dòng)層次的不同而不同。鑒于這一點(diǎn)，過(guò)去使用的是液體系統(tǒng)，因?yàn)橐后w具有能夠?qū)崿F(xiàn)相對(duì)恒定的運(yùn)動(dòng)的特性。然而，運(yùn)動(dòng)速度還可能需要具備變化，以及由此產(chǎn)生的對(duì)液體系統(tǒng)的適當(dāng)控制。此外，人們認(rèn)為假肢領(lǐng)域中的發(fā)展的某種特性可以有力地轉(zhuǎn)化到其他矯形領(lǐng)域，特別是人體外骨骼。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明涉及帶動(dòng)力的下肢矯形器，其工作類似于膝上假肢。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，公開(kāi)了一種半驅(qū)動(dòng)式膝上假肢系統(tǒng)，該系統(tǒng)本質(zhì)為被動(dòng)系統(tǒng)，在行走周期中，該系統(tǒng)只在移位時(shí)需要能量?？偟膩?lái)說(shuō)，所述假肢包括小腿連接件、膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)和大腿連接件，其中，小腿連接件適于連接至人造足，膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)在遠(yuǎn)離人造足的位置連接至所述小腿連接件，大腿連接件適于附著在截肢者的膝上殘余下肢。所述膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)使所述大腿連接件和小腿連接件相對(duì)于彼此進(jìn)行彎曲和伸展運(yùn)動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明，所述假肢可在驅(qū)動(dòng)模式或非驅(qū)動(dòng)模式下進(jìn)行操作。在驅(qū)動(dòng)模式下，能量傳遞至與膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)相連的扭矩發(fā)生器，使該扭矩發(fā)生器在大腿連接件和小腿連接件之間運(yùn)動(dòng)。在非驅(qū)動(dòng)模式下，控制回路以非動(dòng)力方式操作，使所述膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)在阻力調(diào)節(jié)狀態(tài)下操作。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，電動(dòng)機(jī)與電池電源相連，該電動(dòng)機(jī)用于驅(qū)動(dòng)液壓閥，該液壓閥為包括扭矩發(fā)生器的整個(gè)液壓動(dòng)力裝置的一部分，該扭矩發(fā)生器用于調(diào)節(jié)所述膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)。信號(hào)處理器根據(jù)從多個(gè)設(shè)置在膝上假肢上的傳感器接收到的信號(hào)，來(lái)控制液壓動(dòng)力單元的操作，以建立驅(qū)動(dòng)和非驅(qū)動(dòng)模式。盡管傳感器的分布、數(shù)量和類型可以有所不同，例如，一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例采用了步態(tài)站立傳感器，其能夠識(shí)別人造足接觸支撐件表面(例如地面)的特定部位，同時(shí)，當(dāng)所述人造足離開(kāi)支撐表面后，基于人造足相對(duì)于截肢者的軀干的估測(cè)位置，信號(hào)處理器選擇理想的步態(tài)邁步狀態(tài)。為額外的控制目的，還可以使用膝關(guān)節(jié)角度、大腿角度、壓力和其他傳感器。
[0007]采用這種設(shè)置，整個(gè)系統(tǒng)有利地比全驅(qū)動(dòng)膝關(guān)節(jié)消耗更少的電能，這樣，使用給定容量的電池，截肢者能行走更遠(yuǎn)。另外，本發(fā)明的膝上假肢通常小于全驅(qū)動(dòng)的膝關(guān)節(jié)。進(jìn)一步地，所述半驅(qū)動(dòng)假肢膝關(guān)節(jié)減少了髖部扭矩和動(dòng)力，該髖部扭矩和動(dòng)力是截肢者必須通過(guò)在一個(gè)行走周期的有效部分中，有效地制造同步扭矩和動(dòng)力從而物理施加的。并且，各傳感器向信號(hào)處理器提供了輸入，該輸入有效地使截肢者的運(yùn)動(dòng)范圍和類型最大化。
[0008]本發(fā)明的假肢膝關(guān)節(jié)還通過(guò)以下方式控制:在步態(tài)邁步期間，不管假肢關(guān)于地面的方向，允許腳，或更具體地，腳尖，跟蹤穿過(guò)與地面相符的空間的軌跡，而不是簡(jiǎn)單地重復(fù)膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。這是通過(guò)測(cè)量用戶的大腿的角度，并且使用測(cè)量值得到描述確定的軌跡所必需的當(dāng)前膝關(guān)節(jié)角度來(lái)完成的。根據(jù)整個(gè)發(fā)明，除了使用假肢的用戶，本技術(shù)還可以應(yīng)用于其他矯形設(shè)備，特別是人體外骨骼。
[0009]本發(fā)明的其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將通過(guò)以下對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述更加清晰地體現(xiàn)，其中，同樣的附圖標(biāo)記指示各個(gè)示圖中相應(yīng)的部件。
【附圖說(shuō)明】
[0010]下面參照附圖的描述有助于更好地理解本發(fā)明的特征、各方面及優(yōu)點(diǎn)，在所有附圖中，相同的特性代表相同的部件。
[0011]圖1為根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例構(gòu)建的半驅(qū)動(dòng)假肢膝關(guān)節(jié)的示意圖；
圖2為本發(fā)明的第一液壓閥回路的示意圖；
圖3為圖2的液壓閥回路進(jìn)一步包括第一止回閥的示意圖；
圖4為圖3的液壓閥回路進(jìn)一步包括第二可控閥的示意圖；
圖5為圖4的液壓閥回路進(jìn)一步包括第二止回閥的示意圖；
圖6為包括并聯(lián)回路的可選的液壓閥回路的示意圖；
圖7為包括驅(qū)動(dòng)閥的可選的液壓閥回路的示意圖；
圖8為圖7的液壓閥回路進(jìn)一步包括第一止回閥的示意圖；
圖9為圖8的液壓閥回路進(jìn)一步包括第二可控閥的示意圖；
圖10為圖9的液壓閥回路進(jìn)一步包括第二止回閥的示意圖；
圖11為包括并聯(lián)回路的可選的液壓閥回路的示意圖；
圖12為包括三通閥的可選的液壓閥回路的示意圖；
圖13為圖12的液壓閥回路的三通閥在使用中的示意圖；
圖14為圖12的液壓閥回路進(jìn)一步包括一個(gè)第一止回閥的示意圖； 圖15為圖14的液壓閥回路的三通閥在使用中的示意圖；
圖16為包括流體貯存器的可選的液壓閥回路的示意圖；
圖17為圖12的液壓閥回路進(jìn)一步包括并聯(lián)回路的示意圖；
圖18為包括第二三通閥的可選的液壓閥回路的示意圖；
圖19為包括四通閥的可選的液壓閥回路的示意圖；
圖20為圖1的半驅(qū)動(dòng)式假肢膝關(guān)節(jié)的側(cè)視圖；
圖21為圖20的半驅(qū)動(dòng)式假肢膝關(guān)節(jié)的更詳細(xì)的透視圖；
圖22為圖21的半驅(qū)動(dòng)式假肢膝關(guān)節(jié)的分解圖；
圖23為在伸展時(shí)的驅(qū)動(dòng)模式中的具有液體流的圖16的液壓閥回路的局部透視圖；
圖24為在伸展時(shí)的非驅(qū)動(dòng)模式中的具有液體流的圖16的液壓閥回路的局部透視圖； 圖25為圖1的動(dòng)力單元的分解圖；
圖26為圖25的三通閥的分解圖；
圖27為位于第一位置的圖26的三通閥的局部橫截面?zhèn)纫晥D；
圖28為位于第二位置的圖26的三通閥的局部橫截面?zhèn)纫晥D；
圖29A為位于第一位置的圖26的三通閥的局部橫截面頂視圖；
圖29B為位于第二位置的圖26的三通閥的局部橫截面頂視圖；
圖29C為位于第三位置的圖26的三通閥的局部橫截面頂視圖；
圖29D為位于第四位置的圖26的三通閥的局部橫截面頂視圖；
圖30為本發(fā)明的液壓動(dòng)力回路的局部橫截面視圖；
圖31為圖20的半驅(qū)動(dòng)膝關(guān)節(jié)的局部分解圖；
圖32A為本發(fā)明的步態(tài)站立傳感器的局部橫截面后透視圖；
圖32B為圖32A的步態(tài)站立傳感器的后透視圖；
圖32C為圖32A的步態(tài)站立傳感器的前透視圖；
圖33為本發(fā)明的半驅(qū)動(dòng)式假肢膝關(guān)節(jié)的局部分解圖；
圖34為根據(jù)本發(fā)明的由信號(hào)處理器執(zhí)行的狀態(tài)圖；
圖35為電源與電動(dòng)機(jī)控制器之間的連接的電路圖。
[0012]圖36為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面利用足端軌跡的外骨骼系統(tǒng)的示意圖；
圖37為與圖36的系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的流程圖；
圖38為根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例類似于圖36的外骨骼系統(tǒng)的示意圖；
圖39為圖38的外骨骼系統(tǒng)的示范性軌跡操作的示意圖；
圖40A和40B分別為根根據(jù)本發(fā)明的外骨骼系統(tǒng)的另一實(shí)施例的側(cè)視圖和后視圖。
[0013]圖41為用于本發(fā)明的外骨骼系統(tǒng)的簡(jiǎn)單的有限狀態(tài)機(jī)的流程圖；
圖42為用在本發(fā)明中的修改的、更復(fù)雜的流程圖版本。
【具體實(shí)施方式】
[0014]首先參考圖1，根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例所構(gòu)建的半驅(qū)動(dòng)式假肢膝關(guān)節(jié)100通過(guò)接口 111連接到膝上截肢者的殘余下肢110。除其他部件外，半驅(qū)動(dòng)式假肢膝關(guān)節(jié)100包括大腿連接件103和小腿連接件105，該大腿連接件103與連接到膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)107，該小腿連接件105連接到人造足108。膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)107用于使大腿連接件103和小腿連接件105沿彎曲方向101和伸展方向102相對(duì)于彼此進(jìn)行彎曲和伸展活動(dòng)。液壓扭矩發(fā)生器104用于在大腿連接件103和小腿連接件105之間產(chǎn)生扭矩。
[0015]半驅(qū)動(dòng)式假肢膝關(guān)節(jié)100還包括液壓動(dòng)力單元200，該液壓動(dòng)力單元200連接至液壓扭矩發(fā)生器104。除其他部件外，液壓動(dòng)力單元200還包括液壓閥回路204，該液壓閥回路204液壓連接至扭矩發(fā)生器104。液壓動(dòng)力單元200還包括液壓泵201，該液壓泵201機(jī)械連接至電動(dòng)機(jī)202，并液壓連接至液壓閥回路204。
[0016]半驅(qū)動(dòng)式假肢膝關(guān)節(jié)100還包括電源205，用于為電動(dòng)機(jī)202和半驅(qū)動(dòng)式假肢膝關(guān)節(jié)100的其他部件提供電能。電動(dòng)機(jī)控制器128 (有時(shí)稱放大器)將電源205的輸出轉(zhuǎn)化為適用于電動(dòng)機(jī)202的電壓或電流。半驅(qū)動(dòng)式假肢膝關(guān)節(jié)100還包括信號(hào)處理器130，除其他功能外，該信號(hào)處理器130還控制電動(dòng)機(jī)202，并實(shí)現(xiàn)包括一組狀態(tài)的控制器的功能。半驅(qū)動(dòng)式假肢膝關(guān)節(jié)100另外包括產(chǎn)生步態(tài)站立信號(hào)234的步態(tài)站立傳感器124。除其他信息外，步態(tài)站立信號(hào)234還包括用于識(shí)別人工足108與地面相接觸的部位的信息。
[0017]在操作中，當(dāng)在其驅(qū)動(dòng)模式下時(shí)，半驅(qū)動(dòng)式假肢膝關(guān)節(jié)100用于將電能從電源205傳送到電動(dòng)機(jī)202，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)202和液壓泵201。在該驅(qū)動(dòng)模式下，液壓閥回路204用于將液壓泵201液壓連接至扭矩發(fā)生器104。液壓泵201與扭矩發(fā)生器104之間的液壓連接使得信號(hào)處理器130控制扭矩發(fā)生器104。這種向扭矩發(fā)生器104輸入動(dòng)力的能力能夠在行走周期的各階段控制膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)107，或向膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)107施加理想的扭矩。
[0018]當(dāng)半驅(qū)動(dòng)式假肢膝關(guān)節(jié)100在非驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，液壓動(dòng)力單元200設(shè)置為沒(méi)有電能從電源205傳輸?shù)诫妱?dòng)機(jī)202。在該非驅(qū)動(dòng)模式中，液壓閥回路204調(diào)節(jié)扭矩發(fā)生器104中液流的阻力。截肢者對(duì)扭矩發(fā)生器104中的液體流動(dòng)阻力的調(diào)節(jié)能力使其能夠在行走周期的各階段中控制膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)107對(duì)力和扭矩的阻力，從而減少電能的使用，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)202在該非驅(qū)動(dòng)模式下未消耗任何電能。
[0019]液壓扭矩發(fā)生器104的例子包括但不限于線性液壓活塞式液壓缸、旋轉(zhuǎn)式液壓執(zhí)行器、齒條與小齒輪式旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器以及旋轉(zhuǎn)