專利名稱：適應(yīng)速度和適應(yīng)病人的假膝的制作方法
背景技術(shù)：
就最現(xiàn)代的假體工藝技術(shù)來說，假體安裝師調(diào)整膝部抵抗力來使人造腿與被截肢者協(xié)調(diào)一致，使得假膝自然地以慢、中、快的行走速度行動(dòng)。在使用期間，利用假體裝置內(nèi)的傳感器來檢測行走速度。然后一個(gè)微處理器根據(jù)由假體安裝師僅僅為該特定的病人預(yù)先編制程序的定做的數(shù)值或數(shù)據(jù)來調(diào)整膝部抵抗力。
不利的是，這樣一種為假膝編制程序的方法對假體安裝師和病人都是費(fèi)時(shí)間的，而且必須對每個(gè)病人重復(fù)進(jìn)行。此外，在病人離開假體安裝師的設(shè)施后，病人或病人環(huán)境的任何不可預(yù)見的變化都不能由假膝補(bǔ)償。這種假膝系統(tǒng)中的缺乏適應(yīng)性能夠破壞正常運(yùn)動(dòng)并使得該預(yù)先編制程序的膝部不舒服或甚至不安全。在這種情況下，病人必須返回假體安裝師的設(shè)施，以便為假膝重新編制程序。這再一次不希望有地導(dǎo)致額外浪費(fèi)時(shí)間和進(jìn)一步增加費(fèi)用。
發(fā)明概要因此，本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，通過為假膝提供一個(gè)自動(dòng)適應(yīng)速度和適應(yīng)病人的控制方案和系統(tǒng)來克服上述限制的一部分或全部。該控制方案和系統(tǒng)利用假體裝置內(nèi)測得的傳感信息來在各種各樣的運(yùn)動(dòng)行為下對一個(gè)特定的假膝安裝者自動(dòng)調(diào)整站立姿勢和擺動(dòng)相位的膝部抵抗力。有利的是，不需要由假體安裝師或病人在假膝內(nèi)對病人的特定信息預(yù)先編制程序。一旦病人離開假體安裝師的設(shè)施，該系統(tǒng)能夠適應(yīng)各種類型的干擾，因?yàn)樵撓到y(tǒng)是適應(yīng)病人和適應(yīng)速度的。
按照一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明提供一種自適應(yīng)地控制病人安裝的假膝的站立姿勢相位的阻尼。該方法包括在假膝中提供一個(gè)存儲器。該存儲器具有儲存于其中的在各種尺碼的被截肢者的臨床調(diào)研中建立的傳感數(shù)據(jù)和站立姿勢相位的阻尼之間的相互關(guān)系。當(dāng)病人站立、行走或跑步時(shí)利用假膝裝置內(nèi)的傳感器測量瞬時(shí)傳感信息。與那些相互關(guān)系一起地利用該瞬時(shí)傳感信息來自動(dòng)調(diào)整適合于病人的站立姿勢相位的阻尼，而不需要在假膝中對病人的特定信息預(yù)先編制程序。
按照另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明提供一種自適應(yīng)地控制當(dāng)病人以各種運(yùn)動(dòng)速度行進(jìn)時(shí)病人安裝的假膝的擺動(dòng)相位的阻尼轉(zhuǎn)矩的方法。通過一條假腿連接在假膝上的一只假腳的地面接觸時(shí)間指示病人的運(yùn)動(dòng)速度。該方法包括連續(xù)地測量當(dāng)病人以各種運(yùn)動(dòng)速度行進(jìn)時(shí)一個(gè)步態(tài)周期期間的接觸時(shí)間。該接觸時(shí)間儲存在假膝的一個(gè)存儲器內(nèi)的對應(yīng)于病人運(yùn)動(dòng)速度的時(shí)間槽內(nèi)。反復(fù)調(diào)整膝部屈曲的擺動(dòng)相位的阻尼，以獲得一個(gè)目標(biāo)峰值屈曲角度范圍，直到該屈曲阻尼收斂在每個(gè)時(shí)間槽內(nèi)。反復(fù)調(diào)整膝部伸展的擺動(dòng)相位的阻尼，以控制伸展的假腿抵抗假膝的一個(gè)人造膝蓋的沖擊力，直到該伸展阻尼收斂在每個(gè)時(shí)間槽內(nèi)。利用這些收斂的阻尼值來自動(dòng)控制所有運(yùn)動(dòng)速度下的擺動(dòng)相位的阻尼。
按照一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明提供一個(gè)用于控制在被截肢者的站立姿勢相位期間的膝部阻尼轉(zhuǎn)矩。該假膝通常包括一個(gè)可以控制的膝部驅(qū)動(dòng)器、多個(gè)傳感器和一個(gè)控制器。該膝部驅(qū)動(dòng)器提供一個(gè)響應(yīng)指令信號的可變的阻尼轉(zhuǎn)矩。這些傳感器測量當(dāng)被截肢者在一個(gè)支承面上行動(dòng)時(shí)施加在假膝上的力和動(dòng)量。該控制器有一個(gè)存儲器并適合于向膝部驅(qū)動(dòng)器傳送指令信號和從傳感器接受輸入信號。該存儲器具有儲存于其中的在先前的對各種尺碼的病人的臨床調(diào)研中建立的傳感數(shù)據(jù)和站立姿勢相位的阻尼之間的關(guān)系曲線。該控制器與這些關(guān)系曲線一起地利用從傳感器來的傳感數(shù)據(jù)來自適應(yīng)地和自動(dòng)地控制在站立姿勢相位期間由膝部驅(qū)動(dòng)器提供的阻尼轉(zhuǎn)矩，而不需要被截肢者尺碼的任何先有知識。
為了概述本發(fā)明，上面描述了本發(fā)明的某些方面、優(yōu)點(diǎn)和新穎特點(diǎn)。當(dāng)然，可以理解，沒有必要按照本發(fā)明的任何特定實(shí)施例就可以獲得所有這些優(yōu)點(diǎn)。因此，可以以一種獲得或最優(yōu)化本文說明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)或一組優(yōu)點(diǎn)而沒有必要獲得本文可能說明或提出的其它優(yōu)點(diǎn)的方式來實(shí)施或完成本發(fā)明。
所有這些實(shí)施例都預(yù)期處在本文公開的本發(fā)明的范圍內(nèi)。從下面參照附圖對優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述中該技術(shù)的專業(yè)人員可以容易地明白本發(fā)明的這些和其它實(shí)施例，本發(fā)明不受所公開的任何特定的優(yōu)選附圖簡述在這樣概述本發(fā)明的一般特性及其主要特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)后，從參照下列附圖的詳細(xì)描述中，該技術(shù)的專業(yè)人員將明白某些優(yōu)選實(shí)施例及其改進(jìn)，附圖中

圖1是例示在站立姿勢和擺動(dòng)相位期間的不同肢體位置的一個(gè)正常人的運(yùn)動(dòng)周期的示意圖；圖2是表示一個(gè)正常步態(tài)周期期間狀態(tài)過渡的膝部角度變化圖線的示意圖；圖3是生物膝部角度和機(jī)械功率相對于一個(gè)主體的一個(gè)完全行走周期的百分率的曲線圖；圖4是一個(gè)包括一電子控制假膝并具有本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)的下肢假體裝置的示意圖；圖5是具有本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)的一個(gè)適應(yīng)的假膝系統(tǒng)的簡化框圖；圖6是用于圖5的假膝系統(tǒng)的一種狀態(tài)機(jī)器控制器的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例并表示一個(gè)步態(tài)或行動(dòng)周期的狀態(tài)到狀態(tài)的過渡條件的圖解；圖7是一個(gè)以幾種穩(wěn)定狀態(tài)速度移動(dòng)的非被截肢者的腳接觸時(shí)間相對于前進(jìn)速度的圖線；圖8是例示本發(fā)明的假膝驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的總的整體構(gòu)型的簡化示意圖；圖9是一種具有本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)的磁流變驅(qū)動(dòng)的假膝制動(dòng)器的詳細(xì)分解透視圖；以及圖10是圖9的假膝的橫截面圖。
優(yōu)選實(shí)施例詳述為了讓一個(gè)經(jīng)股骨的(膝以上的)被截肢者在各種狀況下行走，一個(gè)假膝應(yīng)當(dāng)提供站立姿勢控制，以便當(dāng)肢體上施加重量時(shí)限制變彎。此外，一個(gè)假體應(yīng)當(dāng)提供擺動(dòng)相位控制，使得剛巧在腳跟以順暢而自然的方式觸地之前，膝部達(dá)到完全的伸展。
與一個(gè)生物膝不一樣，一個(gè)假膝應(yīng)當(dāng)完成站立姿勢控制和擺動(dòng)控制兩者而并不直接知道其使用人的意圖或者環(huán)境狀況。相反，一個(gè)假膝必須推斷被截肢者是否正在行走、跑步或坐下。它也應(yīng)當(dāng)確定何時(shí)在環(huán)境中發(fā)生微妙的或戲劇性的變化，例如當(dāng)使用人提起一個(gè)手提箱或走下一個(gè)斜坡時(shí)。還有，假體應(yīng)當(dāng)在所有運(yùn)動(dòng)速度下都能自然而安全地行動(dòng)，并且應(yīng)當(dāng)對所有被截肢者都完成得一樣好，與體重、身高或活動(dòng)水平無關(guān)，不需要病人的特定信息或由假體安裝師編制程序。
按照本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，一種假膝在基本上所有運(yùn)動(dòng)速度下和對于基本上所有病人都能精密而準(zhǔn)確地受到控制。本發(fā)明采用一種適應(yīng)方案，該方案自動(dòng)地調(diào)整站立姿勢和擺動(dòng)抵抗力或阻尼，而不需要從病人或假體安裝師來的預(yù)先編制程序的信息，制成既適應(yīng)速度又適應(yīng)病人的“靈巧”膝。正常的平地行走對正常人的行走/跑步的理解為帶有受控運(yùn)動(dòng)的有效的下肢假體的設(shè)計(jì)和研制提供基礎(chǔ)。正常人的行動(dòng)或步態(tài)可以描述為四肢和身軀的一系列有節(jié)奏的交替移動(dòng)，這種交替移動(dòng)形成身體重心的向前行進(jìn)。
如圖1中示意地描繪的，一個(gè)典型的正常的平地步態(tài)周期包括在一個(gè)下肢10的腳跟觸地和同一下肢10的下一次腳跟觸地之間產(chǎn)生的活動(dòng)。該下肢或腿10包括腳12和通過膝或膝關(guān)節(jié)18聯(lián)接或接合在大腿部分16上的脛或小腿部分14。在一個(gè)單獨(dú)的步態(tài)周期期間，每個(gè)下肢通過一個(gè)站立姿勢相位或伸展相位20和一個(gè)擺動(dòng)相位22而行進(jìn)。
站立姿勢相位20開始于腳跟觸地24，此時(shí)腳跟接觸地板或支承地面而站立姿勢的膝部開始稍許屈曲。這種屈曲便于對沖擊吸收震動(dòng)，而且在站立姿勢期間也將身體的重心保持在一個(gè)較恒定的垂直平面中。
在腳跟觸地24后不久，在腳平展相位26開始時(shí)，腳底接觸地面。在站立姿勢的膝部中達(dá)到最大屈曲后，關(guān)節(jié)重新開始伸展，直到在中間站立姿勢28處達(dá)到最大伸展，此時(shí)身體重量直接擺動(dòng)越過支持的下肢而繼續(xù)在腳的上面轉(zhuǎn)動(dòng)。
當(dāng)踝部以上的身體重量繼續(xù)向前轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，腳跟在腳跟離地30處抬起而離開地面。此后不久，身體通過小腿肚肌肉的有力活動(dòng)(產(chǎn)生動(dòng)力的腳底屈曲)而向前推進(jìn)。當(dāng)整個(gè)腳在腳趾離地32處從地面升起時(shí)，該產(chǎn)生動(dòng)力的腳底屈曲相位就結(jié)束了。
在后期的站立姿勢期間，支持的腿的膝部屈曲，準(zhǔn)備讓腳離開地面而擺動(dòng)。這在文獻(xiàn)中通常稱為“膝部突變”。此時(shí)，另一只腳觸地而身體進(jìn)入“雙支持方式”，也就是，兩條腿都支持身體重量。
在腳趾離地32處，因?yàn)轶y部屈曲而膝部在膝部突變下達(dá)到一定角度，腳離開地面而膝部繼續(xù)屈曲并進(jìn)入擺動(dòng)相位。在早期的擺動(dòng)期間，這只腳加速。在中間擺動(dòng)34處達(dá)到最大屈曲后，膝部開始伸展而腳減速。在膝部已達(dá)到完全伸展后，這只腳再一次在腳跟觸地24’處放置在地面上，并開始下一個(gè)行走周期。
通常，解剖學(xué)位置是直立位置，因此，屈曲是身體部分地離開伸展位置或站立姿勢位置或解剖學(xué)位置的運(yùn)動(dòng)。因而，膝部的彎曲(bending)是膝部屈曲(flexion)。伸展是一個(gè)肢體向著解剖學(xué)位置的運(yùn)動(dòng)，因此，膝部伸展是一個(gè)處在“變直”方向中的運(yùn)動(dòng)。
換句話說，如果將一個(gè)膝關(guān)節(jié)看作一個(gè)簡單的鉸鏈，那么存在兩種能夠發(fā)生的獨(dú)立活動(dòng)。在“屈曲”中，膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)而使上腿和下腿兩部分一起移動(dòng)得更接近。在“伸展”中，膝關(guān)節(jié)沿相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，腿的兩部分分離地移動(dòng)，而腿變直。
在普通平坦地面上的典型的正常前進(jìn)行走期間，最大屈曲角αF在約60°～80°之間變化。最大伸展角αE通常為大約或接近180°。因此，在平面行走中，正常人的膝部轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)約60°～80°的范圍，從后期站立姿勢中完全伸展的位置走到腳趾離開后不久的屈郵60°～80°。在其它狀況下，例如，在坐下位置中，最大屈曲角αF可以是約140°～150°。
參照圖2，最好是，圖1的步態(tài)周期分成五個(gè)明顯的狀態(tài)或相位。圖2示意表示膝部角度θ，也就是隨著在一個(gè)下肢的腳跟觸地(HS)和同一下肢的下一次腳跟觸地(HS)之間產(chǎn)生的活動(dòng)期間的狀態(tài)或相位的過渡，膝部從完全伸展所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。X軸36代表行走周期的相繼的兩次腳跟觸地之間的時(shí)間。Y軸38代表膝部角度θ。
狀態(tài)1代表剛巧在腳跟觸地(HS)后的早期站立姿勢屈曲。狀態(tài)2代表在狀態(tài)1中達(dá)到最大的站立姿勢屈曲之后的早期或中間站立姿勢伸展。狀態(tài)3或膝部突變，通常出現(xiàn)在站立姿勢的終點(diǎn)，剛巧在膝部完全伸展之后開始，并當(dāng)腳已在腳趾離地(TO)處離開地面時(shí)結(jié)束。狀態(tài)4代表在行走或跑步周期的擺動(dòng)相位期間的一個(gè)膝部屈曲時(shí)期。狀態(tài)5代表在狀態(tài)4中達(dá)到最大擺動(dòng)屈曲之后行走或跑步周期的擺動(dòng)相位期間的一個(gè)膝部伸展時(shí)期。
如本文后面要討論的，這些基本的狀態(tài)或相位提示一種作為狀態(tài)機(jī)器的假膝控制器的架構(gòu)。因此，圖2是一個(gè)人行走通過一個(gè)正常步態(tài)周期和該周期內(nèi)每種狀態(tài)的位置的圖形。下面的表1總結(jié)了狀態(tài)1至5的每個(gè)狀態(tài)期間的活動(dòng)。
表1
圖3是一個(gè)典型的生物膝部角度和膝部功率相對于已規(guī)范化為步子周期的時(shí)間的曲線圖(改編自Grimes，1979)。X軸40代表規(guī)范化為步子周期的時(shí)間T，或行走周期的百分率。Y軸42代表膝部功率(以英尺·磅/秒表示的P)，而Y軸44代表膝部角度(以度表示的θ)。
在圖3中，對一個(gè)主題示出四個(gè)行走試驗(yàn)。0％和100％標(biāo)志同一條腿的兩次相繼的腳跟觸地，而零度角通常對應(yīng)于腳跟觸地的角度。同時(shí)，在圖3中，RHS代表右腳跟觸地，RFF代表右腳平展，LTO代表左腳趾離地，RHO代表右腳跟離地，LHS代表左腳跟觸地，LFF代表左腳平展，RTO代表右腳趾離地，而LHO代表左腳跟離地。
繼續(xù)參照圖3，角度曲線中的較小下沉46(全周期的約15％處)代表早期或中間站立姿勢期間膝部的屈曲和伸展，而較大的下沉48(全周期的約75％處)代表擺動(dòng)相位期間膝部的屈曲和伸展。在整個(gè)周期期間，膝部的機(jī)械功率主要是負(fù)的或耗散的。這證實(shí)了在膝假體中一個(gè)可變阻尼器或一個(gè)可變轉(zhuǎn)矩制動(dòng)器的使用或利用。這樣一種可變的阻尼器或膝部驅(qū)動(dòng)器還要在下面討論。系統(tǒng)構(gòu)型圖4是一種下肢假體裝置或假體100的示意圖，該裝置包括一個(gè)電子控制的活動(dòng)膝假體11。并具有本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例所述的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。如下面更詳細(xì)地描述的，最好是，該活動(dòng)膝假體包括安裝在支持框架141中的一個(gè)可變轉(zhuǎn)矩制動(dòng)系統(tǒng)或阻尼器130和裝置上控制單元或系統(tǒng)120。假膝系統(tǒng)110提供抵抗力，以便在被截肢者進(jìn)行的走動(dòng)和/或其它行動(dòng)期間基本上模擬天然膝關(guān)節(jié)的位置和運(yùn)動(dòng)。
人造膝系統(tǒng)110的一端聯(lián)接或機(jī)械連接在一個(gè)殘肢插筒102上，插筒102容納被截肢者的一個(gè)殘余肢體、殘肢或股骨部分104。假膝110的另一端聯(lián)接或機(jī)械連接在一個(gè)暫用假肢、脛部或小腿部分106上，后者轉(zhuǎn)過來聯(lián)接或機(jī)械連接在一只假腳或人造腳108上。
有利的是，該優(yōu)選實(shí)施例的假膝系統(tǒng)110既適應(yīng)速度，又適應(yīng)病人。例如，該膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)對基本上所有病人在基本上所有速度下都能自動(dòng)控制，而不管尺碼大小，不需要從病人或假肢安裝師得到的預(yù)先編制程序的信息或校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。
該假膝系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施例的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是，一旦病人離開假肢安裝師的設(shè)施，該系統(tǒng)能適應(yīng)各種類型的干擾，因?yàn)樵撓到y(tǒng)是適應(yīng)病人和適應(yīng)速度的。舉一個(gè)例子，當(dāng)病人提起一個(gè)手提箱時(shí)，該假膝自動(dòng)地響應(yīng)該種干擾。采用常規(guī)技術(shù)，病人必須返回假肢安裝師的設(shè)施去對其假膝重新編制程序。在這些優(yōu)選實(shí)施例中，試驗(yàn)時(shí)間并非通常的“冗長”和“令人疲勞”。
這些優(yōu)選實(shí)施例的假膝110有利地允許被截肢者在各種各樣的狀況下舒適而安全地活動(dòng)和/或適應(yīng)。例如，在行走、跑步、坐下或當(dāng)遇到環(huán)境或周圍條件中的微妙或戲劇性的變化(如當(dāng)使用人提起一個(gè)手提箱或走下一個(gè)斜坡時(shí))，都能如此。
人造膝110提供站立姿勢控制，以便當(dāng)重量加在假肢上時(shí)能限制變彎。此外，假膝110提供空氣中的擺動(dòng)控制，使得剛巧在腳跟觸地之前或觸地時(shí)膝部以一種順暢而自然的方式達(dá)到完全伸展。
最好是，本發(fā)明的人造膝系統(tǒng)110用于一個(gè)經(jīng)股骨的(膝上的，A/N)被截肢者。替代地或任選地，假肢110可以適合用于一個(gè)膝關(guān)節(jié)斷離(K/D)的被截肢者，其中截肢通過膝關(guān)節(jié)，如需要或希望的，適當(dāng)?shù)乜紤]獲得本文說明或提出的一個(gè)或多個(gè)益處和優(yōu)點(diǎn)的目的。膝部電子線路圖5用框圖格式例示本發(fā)明的假肢系統(tǒng)110的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。在圖5中，實(shí)連線代表信號/數(shù)據(jù)流程，而虛連線代表能量流程。
如上所述，最好是，自動(dòng)假膝系統(tǒng)110總的包括一個(gè)可變轉(zhuǎn)矩制動(dòng)系統(tǒng)或阻尼器130和一個(gè)裝置上的控制單元或系統(tǒng)120。反饋控制系統(tǒng)120包括一個(gè)接受感知和診斷的信息以控制膝部驅(qū)動(dòng)器130的操作的中央控制器132及其它有關(guān)設(shè)備(如下面討論的)。為清楚起見，按照一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的假膝系統(tǒng)110的各種部件，列于下述表2中。
表2
如上所述，膝部驅(qū)動(dòng)器130包括一個(gè)可變轉(zhuǎn)矩制動(dòng)器或阻尼器，用于根據(jù)從膝部控制器132來的指令信號來調(diào)整關(guān)節(jié)阻尼，以控制伸展和屈曲運(yùn)動(dòng)。優(yōu)選實(shí)施例的控制方案控制膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的方式在后面更詳細(xì)地討論。
膝部驅(qū)動(dòng)器或制動(dòng)器130可以包括許多常規(guī)制動(dòng)器中的任何一種。這不受限制地包括(i)干摩擦制動(dòng)器，其中一種材料的表面用可變的力摩擦另一表面；(ii)粘性轉(zhuǎn)矩制動(dòng)器，利用通過一個(gè)可變直徑的孔或流量限制板擠壓的液壓液體；以及(iii)磁流變(MR)制動(dòng)器或阻尼器，其中磁流變液體(包含懸浮在液體中的微小鐵顆粒)通過一個(gè)固定孔或流量限制板擠壓，該液體的粘性根據(jù)外加磁場而變化。任選地，膝部制動(dòng)器130包括一個(gè)該技術(shù)中已知的氣動(dòng)制動(dòng)器。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，如后面要更詳細(xì)地討論的，膝部制動(dòng)器130包括一個(gè)以剪切方式操作的可變轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)的磁流變(MR)制動(dòng)器。磁流變液體在多個(gè)轉(zhuǎn)子和定子之間受到剪切而產(chǎn)生一種可變而受控的阻尼效果，這種阻尼效果精密而準(zhǔn)確地調(diào)整膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，假膝系統(tǒng)110包括一個(gè)人造膝蓋或伸展止動(dòng)器，以限制膝部的最大伸展。該人造膝蓋或假膝蓋最好位于膝部驅(qū)動(dòng)器130下方，并用機(jī)械方式連接在膝部驅(qū)動(dòng)器130和/或框架141上。
膝部驅(qū)動(dòng)器電流放大器160包括一個(gè)電路，該電路從膝部驅(qū)動(dòng)器130中的電池170產(chǎn)生所需的或所希望的電流，以調(diào)整由膝部制動(dòng)器130所提供的阻尼轉(zhuǎn)矩。從微處理器132到膝部驅(qū)動(dòng)器電流放大器160的指令信號或指令確定向膝部驅(qū)動(dòng)器130供給的電流，從而確定產(chǎn)生的阻尼轉(zhuǎn)矩量。
包括存儲器150的裝置上的微處理器132對假膝系統(tǒng)110是局部的。微處理器132是假肢系統(tǒng)110的主要計(jì)算單元并接受從假膝系統(tǒng)110的各個(gè)部件來的輸入電信號，對它們進(jìn)行處理，并產(chǎn)生輸出電信號，以按需要監(jiān)視和控制假膝130和其它有關(guān)部件的驅(qū)動(dòng)。
微處理器132包括使輸入信號變?yōu)閿?shù)字的電路并產(chǎn)生輸出的模擬信號。該微處理器還包括計(jì)時(shí)組件和監(jiān)視器自動(dòng)重調(diào)電路。存儲器150包括內(nèi)部的或外部的易消失的和不易消失的存儲器。
微處理器132最好包括一個(gè)摩托羅拉68HC 12B32型16位串行微處理器。該處理器有8通道的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換能力、32K的閃存和768字節(jié)的EEP只讀存儲器。外部存儲器包括兩個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的32K×8字節(jié)靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器。串行閃存是一個(gè)Atmel AT 45D081型，并使用由微處理器提供的串行連通接口(SCI)。
串行通口152提供一個(gè)在膝部電子線路(通過微處理器132)和外部診斷的數(shù)據(jù)存入和編制程序設(shè)備之間的接口。根據(jù)需要或希望，連通口152可以有效地包括許多商售的連通口中的任何一種，如RS232型、RS485型、以太網(wǎng)等，適當(dāng)?shù)乜紤]獲得如本文說明或提出的一個(gè)或多個(gè)益處和優(yōu)點(diǎn)的目的。
微處理機(jī)132連同假膝系統(tǒng)110的其它有關(guān)傳感器、診斷安全和保護(hù)電路最好安裝在一個(gè)電路板上，以提供一個(gè)緊湊的裝置。該電路板最好直接安裝在框架141中并固定在框架141上，或者利用一個(gè)中間罩或外殼來保護(hù)電路板和安裝于其上的部件。
膝部角度傳感器134用來對膝部絕對角度編碼。最好是，膝部角度傳感器134測量一個(gè)單獨(dú)自由度的膝關(guān)節(jié)屈曲或伸展的度數(shù)。膝部角度放大器136包括一個(gè)電路，該電路調(diào)整從膝部角度傳感器134收到的信號，并為了膝部控制的目的而將其饋送到微處理器132，如下面要討論的。
膝部角度識別器138包括一個(gè)電路，該電路識別從膝部角度傳感器134收到的信號，以確定膝部的轉(zhuǎn)動(dòng)速度或角速度，為并了膝部控制的目的而將該信號饋送到微處理器132，如下面要討論的。該膝部角速度信號還確定膝部是否正在屈曲或伸展。
角度傳感器134最好安裝在框架141上(圖4)。或者是，按照需要或希望，角度傳感器134安裝在膝部驅(qū)動(dòng)器130的側(cè)面上，或直接在膝部驅(qū)動(dòng)器130的下面。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，角度傳感器134包括一個(gè)角度感知電位計(jì)。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，角度傳感器134包括一個(gè)光束編碼器。在又一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，角度傳感器134包括一個(gè)磁束編碼器。在其它優(yōu)選實(shí)施例中，按照需要或希望，可以有效地使用另外的膝部角度感知裝置，適當(dāng)考慮精確估算膝部角度和/或獲得如本文說明或提出的一個(gè)或多個(gè)益處和優(yōu)點(diǎn)的目的。
軸向力與動(dòng)量傳感器140包括一個(gè)產(chǎn)生正比于下腿的軸向力和動(dòng)量或轉(zhuǎn)矩的信號的發(fā)送器。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該發(fā)送器包括一個(gè)前應(yīng)變儀傳感器和一個(gè)后應(yīng)變儀傳感器。為了計(jì)算軸向力，將前后信號相加，而為了計(jì)算動(dòng)量，將兩個(gè)信號相減。軸向力與動(dòng)量放大器142調(diào)整從軸向力與動(dòng)量傳感器140收到的信號，并為了膝部控制的目的的而將該信號饋送到微處理器132，如下面要討論的。
軸向力傳感器140測量從地面或其它支承面施加到假膝110上的力沿基本上順著或平行于脛部縱軸線180(圖4)或膝部縱軸線的方向的分力。該軸向力測量用來確定假腳108(圖4)是否在地面或其它支承面上或已離開。也就是，一個(gè)零軸向力指示腳108不在地面上(例如，在擺動(dòng)相位中)，而一個(gè)非零軸向力指示腳108在地面上(例如，在站立姿勢相位中)。
轉(zhuǎn)矩或動(dòng)量傳感器140測量施加到假膝110上的轉(zhuǎn)矩沿圖4中所示的一個(gè)中部橫向的方向182的分量。此外，動(dòng)量傳感器140測定施加的膝部動(dòng)量是不是一個(gè)屈曲或伸展動(dòng)量。通常，在腳跟觸地處一個(gè)屈曲動(dòng)量施加在假膝110上，傾向于使膝關(guān)節(jié)屈曲，而在整個(gè)后期站立姿勢期間一個(gè)伸展動(dòng)量施加在假膝110上，傾向于使膝關(guān)節(jié)伸展。
軸向力與動(dòng)量傳感器140最好安裝在框架141上(圖4)。在一個(gè)優(yōu)選傳感器中，軸向力與動(dòng)量傳感器140包括一個(gè)應(yīng)變儀測力傳感器。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，軸向力與動(dòng)量傳感器140包括一個(gè)偏轉(zhuǎn)編碼的震動(dòng)/彈簧機(jī)構(gòu)。在其它優(yōu)選實(shí)施例中，按照需要或希望，可以有效地使用另外的載荷和/或動(dòng)量感知器件，適當(dāng)考慮精確估算軸向載荷和/或外加動(dòng)量和/或獲得如本文說明或提出的一個(gè)或多個(gè)益處和優(yōu)點(diǎn)的目的。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，軸向力與動(dòng)量傳感器140包括多個(gè)應(yīng)變儀。最好使用四個(gè)應(yīng)變儀，兩個(gè)應(yīng)變儀安裝在框架141的前部184上，兩個(gè)應(yīng)變儀安裝在框架141的后部186上，以測量和識別腳108的腳跟上的載荷和腳108的腳趾上的載荷。換句話說，該應(yīng)變測量提供一種關(guān)于重心是否在相對于假腳108的前部的、中央的或后部的位置中的指示。
該應(yīng)變儀最好配置在一個(gè)惠斯登電橋構(gòu)型中，以產(chǎn)生一個(gè)隨彎曲動(dòng)量應(yīng)變而正比例變化的電信號。如熟練技術(shù)人員所理解的，這樣一種惠斯登電橋構(gòu)型是測定應(yīng)變儀的電阻變化的標(biāo)準(zhǔn)配置。
電池監(jiān)控電路144為了安全目的連續(xù)地或定期地監(jiān)控電池電壓、電流和溫度。從電池監(jiān)控電路144來的數(shù)據(jù)連續(xù)地或定期地提供給微處理器132，以便于將膝部操作限制在電池制造商規(guī)格的范圍內(nèi)。
濕氣檢測電路146為了安全目的連續(xù)地或定期地監(jiān)控濕氣水平，并感知由于冷凝、浸沒等原因而產(chǎn)生的在系統(tǒng)電路板和/或其它有關(guān)系統(tǒng)電路上的非正常濕氣。從濕氣檢測電路146來的數(shù)據(jù)連續(xù)地或定期地提供給微處理器132。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，濕氣檢測電路146包括叉指式的銅痕跡。在其它優(yōu)選實(shí)施例中，按照需要或希望，濕氣檢測電路可以有效地包括其它濕氣檢測裝置，適當(dāng)考慮可靠地檢測系統(tǒng)電子線路上的濕氣水平和/或獲得如本文說明或提出的一個(gè)或多個(gè)益處和優(yōu)點(diǎn)的目的。
電力使用監(jiān)控電路148為了安全目的連續(xù)地或定期地測量膝驅(qū)動(dòng)器130的電力消耗。從電力使用監(jiān)控電路148來的數(shù)據(jù)連續(xù)地或定期地提供給微處理器。此外，按照需要或希望，可以使用電力使用監(jiān)控電路148或其它獨(dú)立的電路，來測量假膝系統(tǒng)110的其它電子部件的電力消耗。
假膝系統(tǒng)110最好包括一個(gè)包含安全機(jī)構(gòu)154的安全系統(tǒng)。當(dāng)微處理器132檢測到系統(tǒng)誤差時(shí)，安全機(jī)構(gòu)154受到驅(qū)動(dòng)或啟動(dòng)而將系統(tǒng)110放置到一個(gè)不履行安全方式。如果在指示整個(gè)膝部驅(qū)動(dòng)器130的系統(tǒng)誤操作和/或其它利害問題的從膝部角度傳感器134、軸向力與動(dòng)量傳感器140、電池監(jiān)控電路144、濕氣監(jiān)測電路146和動(dòng)力使用監(jiān)控電路148來的任何信號的不正常行為被注意到，那么這樣一種系統(tǒng)誤差就會(huì)產(chǎn)生。
檢測一個(gè)系統(tǒng)誤差導(dǎo)致完全機(jī)構(gòu)或驅(qū)動(dòng)器154啟動(dòng)一個(gè)安全錯(cuò)誤方式，使得即使存在系統(tǒng)誤操作，假膝系統(tǒng)110對被截肢者也仍然是安全的。例如，在安全錯(cuò)誤方式中，膝部可以抵抗屈曲，但可以自由伸展，由此保證病人的安全。
安全機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器156包括一個(gè)電力放大器，后者根據(jù)從微處理器132來的指令信號或指令而啟動(dòng)或結(jié)束安全機(jī)構(gòu)154的安全錯(cuò)誤方式。安全監(jiān)視器電路158包括一個(gè)受從微處理器132來的信號定期地或連續(xù)地“注意”的電路，以避免監(jiān)視器電路158由于向安全機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器156發(fā)送信號而不必要地起動(dòng)安全錯(cuò)誤方式。換句話說，安全監(jiān)視器電路158將啟動(dòng)安全機(jī)構(gòu)154，除非微處理器以別的方式定期地或連續(xù)地這樣指令。
最好是，當(dāng)可能時(shí)，在啟動(dòng)安全錯(cuò)誤方式之前，啟動(dòng)音響警報(bào)發(fā)送器162和振動(dòng)發(fā)送器166中的任何一個(gè)或兩者來警告系統(tǒng)誤操作或異常運(yùn)行條件的使用人。音響警報(bào)電路164包括一個(gè)放大器，當(dāng)起動(dòng)時(shí)該放大器產(chǎn)生一個(gè)電子信號以便通過警報(bào)發(fā)送器162產(chǎn)生音響噪聲。音響警報(bào)電路164接受從微處理器132來的指令信號或指令。
音響警報(bào)發(fā)送器162最好安裝在框架141中或緊固在框架141上(圖4)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，音響警報(bào)發(fā)送器162包括一個(gè)壓電晶體揚(yáng)聲器。在其它優(yōu)選實(shí)施例中，按照需要或希望，可以有效地使用另外的產(chǎn)生音響的裝置，適當(dāng)考慮警告使用人和/或獲得如本文說明或提出的一個(gè)或多個(gè)益處和優(yōu)點(diǎn)的目的。
振動(dòng)發(fā)送器166包括一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器振動(dòng)假肢系統(tǒng)110，從而引起假肢系統(tǒng)安裝者的注意。振動(dòng)警報(bào)發(fā)生器168包括一個(gè)放大器，當(dāng)啟動(dòng)時(shí)該放大器產(chǎn)生一個(gè)電子信號而接通振動(dòng)發(fā)送器164。振動(dòng)警報(bào)發(fā)生器168接受從微處理器132來的指令信號或指令。
振動(dòng)發(fā)送器166最好安裝在系統(tǒng)電路板上?；蛘呤?，振動(dòng)發(fā)送器166安裝在框架141中或固定在框架141上(圖4)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，振動(dòng)發(fā)送器166包括一個(gè)搖擺電動(dòng)機(jī)。在其它優(yōu)選實(shí)施例中，按照需要或希望，可以有效地使用另外的產(chǎn)生振動(dòng)的裝置，適當(dāng)考慮警告使用人和/或獲得如本文說明或提出的一個(gè)或多個(gè)益處和優(yōu)點(diǎn)的目的。
裝置上的電池或電源17。向膝部驅(qū)動(dòng)器130、安全機(jī)構(gòu)154、音響警報(bào)發(fā)送器162和振動(dòng)發(fā)送器166提供電力。電路電力調(diào)整器178將原電池電力轉(zhuǎn)變?yōu)槭艿秸{(diào)整而用于微處理器132和其它傳感電路及單個(gè)系統(tǒng)子電路的電力。電路電源176向微處理器132和其它傳感電路及單個(gè)系統(tǒng)子電路提供該調(diào)整的電力。
這樣，通過電路電源176和電路電力調(diào)整器178，按照需要，電池170將電力分配給微處理器132和其它傳感電路及單個(gè)系統(tǒng)子電路，包括膝部角度放大器136、膝部角度識別器138、軸向力與動(dòng)量放大器142、電池監(jiān)控電路144、濕氣檢測電路146、電力使用監(jiān)控電路148、安全監(jiān)視電路158、安全機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器156、膝部驅(qū)動(dòng)器電流放大器160、音響警報(bào)電路164、振動(dòng)警報(bào)電路168和任何其它有關(guān)電路。
電池保護(hù)電路172保護(hù)電池170不遇到超出安全的運(yùn)行條件。如果希望，也可以提供一個(gè)電池充電狀態(tài)指示器。電池充電電路174將一個(gè)充電電源(通常為墻上的電插座)的電力轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合于電池170的電力水平?？刂品桨笭顟B(tài)機(jī)器生物步態(tài)的基本相位或狀態(tài)(如上面所討論的)提出作為狀態(tài)機(jī)器的假膝控制器的架構(gòu)。這樣，每個(gè)相位對應(yīng)于狀態(tài)1至5(例如見圖2和表1)。圖6是假膝系統(tǒng)110的狀態(tài)機(jī)器控制器190的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的圖解，并表示狀態(tài)到狀態(tài)的過渡條件。
如上面討論的，裝置上的膝部角度傳感器134測量膝部角度，而裝置上的軸向力與動(dòng)量傳感器140測量軸向力和膝部動(dòng)量。膝部角度數(shù)據(jù)、膝部轉(zhuǎn)動(dòng)速度數(shù)據(jù)、軸向力數(shù)據(jù)和膝部動(dòng)量數(shù)據(jù)被提供給微處理器或主控制器132，此確定系統(tǒng)狀態(tài)，并因此自動(dòng)地控制膝部制動(dòng)器或驅(qū)動(dòng)器130的驅(qū)動(dòng)，以調(diào)整膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)。
也如上面討論的，膝部角度信號確定膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，而膝部角速度信號確定膝部是否正在屈曲或伸展。軸向力的測量確定假腳是否在地面或其它支承面上或離開它們。膝部動(dòng)量的測量確定外加的膝部動(dòng)量是不是一個(gè)屈曲或伸展動(dòng)量。
以這些提供給微處理器132的傳感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，當(dāng)使用人移動(dòng)通過每個(gè)步態(tài)周期或其它運(yùn)動(dòng)行為時(shí)，狀態(tài)機(jī)器控制器190周期性地通過各個(gè)狀態(tài)1、2、3、4和5。常常，如圖6中所見，控制器190取決于動(dòng)量是否高于或低于一個(gè)伸展動(dòng)量閾或臨界值而改變狀態(tài)。有利的是，如下面要討論的，這些閾值動(dòng)量對于每個(gè)病人是通過這些優(yōu)選實(shí)施例的假膝系統(tǒng)而自動(dòng)地自己學(xué)會(huì)或自己教會(huì)的，不需要關(guān)于特定病人的預(yù)先編制程序的信息。
最好是，狀態(tài)機(jī)器190對膝部阻尼器130的行為的控制使病人能完成各種各樣的活動(dòng)。這些活動(dòng)包括在平地或斜坡上的正常的行走或跑步、坐下、上下臺階或其它狀況，例如，當(dāng)使用人提起一個(gè)手提箱時(shí)。再一次，在這些和其它狀況中，這些優(yōu)選實(shí)施例的假膝系統(tǒng)自動(dòng)提供精確的膝部阻尼控制而不需要關(guān)于特定病人的預(yù)先編制程序的信息。
現(xiàn)在根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例描述在狀態(tài)到狀態(tài)的過渡之間令人滿意的狀態(tài)機(jī)器控制器190的總操作和各種條件。根據(jù)輸入的傳感數(shù)據(jù)(如上所述)，以上這些向膝部制動(dòng)器130提供如何調(diào)整膝部阻尼的信息。下面描述每種狀態(tài)的控制動(dòng)作。
首先，對一個(gè)典型的步行或跑步周期描述狀態(tài)過渡和這些過渡的條件。如上所述，軸向力是從地面或其它支承面施加到假膝110上的力沿基本上順著或平行于脛部縱軸線180(圖4)或膝部縱軸線的方向的分力。施加的動(dòng)量是施加到假膝110上的轉(zhuǎn)矩沿圖4中所示的中部橫向182的分量。
狀態(tài)1(站立姿勢屈曲)在條件C12下過渡到狀態(tài)2(站立姿態(tài)伸展)。當(dāng)膝部首先獲得一個(gè)小的伸展速度時(shí)，條件C12得到滿足。在這一階段，假腳在地面或其它支承面上。
狀態(tài)2(站立姿勢伸展)在條件C23下過渡到狀態(tài)3(膝部突變)。當(dāng)伸展動(dòng)量低于一個(gè)閾值或臨界水平或臨界值時(shí)，當(dāng)膝部處在或接近于完全伸展時(shí)，以及當(dāng)膝部已經(jīng)靜止一定時(shí)間時(shí)，條件C23得到滿足。
狀態(tài)3(膝部突變)在條件C34下過渡到狀態(tài)4(擺動(dòng)屈曲)。當(dāng)軸向力下降到低于一個(gè)閾值或臨界水平或臨界值時(shí)，條件C34得到滿足。也就是，在這一階段，假腳離開或接近離開地面或其它支承面。
狀態(tài)4(擺動(dòng)屈曲)在條件C45下過渡到狀態(tài)5(擺動(dòng)伸展)。當(dāng)膝部首先開始伸展時(shí)，條件C45得到滿足。在這一階段，假腳仍然離開地面或其它支承面。
狀態(tài)5(擺動(dòng)伸展)在條件C51下過渡回到狀態(tài)1(站立姿勢屈曲)。當(dāng)軸向力上升到大于一個(gè)閾值或臨界水平或臨界值時(shí)，條件C51得到滿足。這完成一個(gè)步行或跑步的步態(tài)周期。
如上所述，狀態(tài)到狀態(tài)的過渡可以遵循其它模式而不是狀態(tài)1到狀態(tài)2到狀態(tài)3到狀態(tài)4到期狀態(tài)5的方案，取決于被截肢者的特定活動(dòng)和/或環(huán)境或地勢條件。有利的是，有限的狀態(tài)機(jī)器控制器190自動(dòng)地適應(yīng)或容納其中可能出現(xiàn)交替的狀態(tài)過渡的各種狀況，以便給被截肢者提供選擇機(jī)會(huì)來獲得在不同的外部條件下的各種各樣基本上近似于生活的或自然的行動(dòng)。
狀態(tài)1(站立姿勢屈曲)在條件13下過渡到狀態(tài)3(膝部突變)。當(dāng)伸展動(dòng)量低于一個(gè)閾值或臨界水平或臨界值時(shí)，當(dāng)膝部處在或接近于完全伸展時(shí)，以及當(dāng)膝部已經(jīng)靜止一定時(shí)間時(shí)，條件13得到滿足。當(dāng)被截肢者在站立姿勢期間不能通過正常的屈曲一伸展周期時(shí)，這種從狀態(tài)1到狀態(tài)3的狀態(tài)過渡就可能發(fā)生。
狀態(tài)1(站立姿勢屈曲)在條件C14下過渡到狀態(tài)4(擺動(dòng)屈曲)。當(dāng)軸向力下降到小于一個(gè)小的但非零的閾值或臨界水平或臨界值時(shí)，條件14得到滿足。當(dāng)被截肢者站立在膝部上但交替地前后移動(dòng)而對假體加重量和不加重量時(shí)，這種從狀態(tài)1到狀態(tài)4的狀態(tài)過渡就可能發(fā)生。
狀態(tài)2(站立姿勢伸展)在條件C21下過渡到狀態(tài)1(站立姿勢屈曲)。當(dāng)膝部獲得一個(gè)小的但非零的屈曲速度時(shí)，條件C21得到滿足。如果被截肢者在站立姿勢的伸展時(shí)間期間開始屈曲的話，那么這種從狀態(tài)2到狀態(tài)1的狀態(tài)過渡就可能發(fā)生。
狀態(tài)2(站立姿勢伸展)在狀態(tài)C24下過渡到狀態(tài)4(擺動(dòng)屈曲)。當(dāng)軸向力下降到低于一個(gè)閾值或臨界水平或臨界值時(shí)，條件C24得到滿足。如果被截肢者在站立姿勢的伸展時(shí)間期間舉起他的腳，那么這種從狀態(tài)2到狀態(tài)4的狀態(tài)過渡就可能發(fā)生。
狀態(tài)3(膝部突變)在條件31下過渡到狀態(tài)1(站立姿勢屈曲)。當(dāng)膝部已經(jīng)處在狀態(tài)3一定時(shí)間時(shí)，或者如果伸展動(dòng)量大于一個(gè)閾值或臨界水平而當(dāng)膝部處在完全伸展或接近于完全伸展時(shí)，條件C31得到滿足。如果被截肢者從一個(gè)站立位置向后仰到其腳跟上時(shí)，這種從狀態(tài)3到狀態(tài)1的狀態(tài)過渡就會(huì)發(fā)生。
狀態(tài)4(擺動(dòng)屈曲)在條件C41下過渡到狀態(tài)1(站立姿勢屈曲)。當(dāng)軸向力上升到大于一個(gè)小的但非零的閾值或臨界值時(shí)，條件C41得到滿足。如果被截肢者站立在膝部上但交替地前后移動(dòng)而對其假體加重量和不加重量，那么這種從狀態(tài)4到狀態(tài)1的狀態(tài)過渡就可能發(fā)生。
如上所述，根據(jù)輸入的傳感數(shù)據(jù)，當(dāng)使用人通過每個(gè)步態(tài)周期或活動(dòng)而移動(dòng)時(shí)，控制器190循環(huán)通過各狀態(tài)。狀態(tài)機(jī)器軟件安置在微處理器132或存儲器150內(nèi)。其次，描述每個(gè)狀態(tài)的各種控制動(dòng)作或方案。狀態(tài)1、2、3的控制方案稱為“站立姿勢相位控制”，而狀態(tài)4、5的控制方案稱為“擺動(dòng)相位控制”。
站立姿勢相位控制按照一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明提供一個(gè)方案來自適應(yīng)地控制病人安裝的假膝的站立姿勢相位的阻尼。儲存在假肢的存儲器中的是有關(guān)傳感數(shù)據(jù)和站立姿勢相位阻尼的相互關(guān)系。在各種尺碼的被截肢者的臨床調(diào)研中建立的這些關(guān)系描述了當(dāng)假腳接觸地面時(shí)的膝部行為的特征。傳感信息與這些相互關(guān)系結(jié)合使用，來確定在站立、行走和跑步中應(yīng)當(dāng)如何調(diào)整站立姿勢相位的阻尼。
按照一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明提供一個(gè)適應(yīng)的假膝來控制被截肢者在站立姿勢相位期間的膝部阻尼轉(zhuǎn)矩。該假膝通常包括一個(gè)可以控制的膝部制動(dòng)器、多個(gè)傳感器和一個(gè)控制器。膝部制動(dòng)器根據(jù)指令信號提供一個(gè)可變的阻尼轉(zhuǎn)矩。當(dāng)被截肢者在支承面上行動(dòng)時(shí)，傳感器測量膝部角度、軸向力和施加的動(dòng)量。該控制器有一個(gè)存儲器并適合于向膝部制動(dòng)器傳送指令信號和接受從傳感器來的輸入信號。該存儲器具有儲存于其中的各種尺碼的病人的早先臨床調(diào)研中建立的傳感數(shù)據(jù)和站立姿勢相位的阻尼之間的關(guān)系曲線。此外，在存儲器中儲存了生物力學(xué)信息，以指引阻尼分布輪廓的調(diào)整。該控制器與臨床信息和生物力學(xué)信息兩者結(jié)合地利用從傳感器來的傳感數(shù)據(jù)來在站立姿勢相位期間自適應(yīng)地和自動(dòng)地控制由膝部制動(dòng)器提供的阻尼轉(zhuǎn)矩，而不需要預(yù)先知道病人尺碼。
狀態(tài)1(站立姿勢屈曲)和狀態(tài)2(站立姿勢伸展)在正常步態(tài)中，在整個(gè)早期到中間的站立姿勢期間膝部先屈曲后伸展(見圖2和3)。在狀態(tài)1(站立姿勢屈曲)中，一個(gè)假膝最好應(yīng)當(dāng)施加一個(gè)抵抗轉(zhuǎn)矩或阻尼，來防止膝部在使用人重量下變彎。在站立姿勢的伸展時(shí)間或狀態(tài)2期間，一個(gè)假膝也最好應(yīng)當(dāng)施加一個(gè)抵抗轉(zhuǎn)矩或阻尼，來減慢或阻尼膝部伸展，使得該膝部不會(huì)過度伸展，由此防止一個(gè)膝部的轉(zhuǎn)動(dòng)部分(如膝部制動(dòng)器)撞擊假膝蓋(伸展止動(dòng)器)或外膝罩。
一個(gè)假膝應(yīng)當(dāng)阻尼屈曲和伸展以便近似地模擬生活狀態(tài)的或天然的響應(yīng)的程度，大部分取決于身體重量。也就是，在狀態(tài)1和狀態(tài)2中，對體重較大的使用人優(yōu)先采用較大的阻尼值，以便更忠實(shí)地模擬一種全面的生活狀態(tài)的或天然的感覺。(注意通常一個(gè)高個(gè)人使用人確實(shí)需要更大的膝部抵抗力，但高個(gè)子人通常傾向于較快地轉(zhuǎn)動(dòng)膝部，由此增大系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)——電流正比于膝部轉(zhuǎn)動(dòng)速度，其中比例常數(shù)是膝部阻尼。)按照一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，對于從小身材/輕體重到大身材/重體重范圍的不同尺碼的被截肢者進(jìn)行了臨床研究，以普遍地掌握整個(gè)尺碼范圍。這些使用人采用假肢和其它傳感設(shè)備。最好是，使用人同軸向力與動(dòng)量傳感器140和膝部角度傳感器134一起利用假肢制動(dòng)器130。
在這些臨床調(diào)研中，由膝部驅(qū)動(dòng)器130提供的屈曲和伸展阻尼值對于不同尺碼的被截肢者是最佳的，同時(shí)根據(jù)需要在其它有關(guān)數(shù)據(jù)中監(jiān)控軸向力、膝部動(dòng)量、膝部角度和膝部角速度數(shù)據(jù)。然后利用這些數(shù)據(jù)來建立站立姿勢期間站立姿勢相位的抵抗力和測得的和/或計(jì)算的傳感信息之間的關(guān)系曲線或相互關(guān)系。
最好是，對各種各樣的病人活動(dòng)和/或外部條件及地勢收集臨床研究數(shù)據(jù)。這些包括在平地或斜坡上的正常行走或跑步、坐下、上下臺階或其它狀態(tài)，如當(dāng)使用人提起一個(gè)手提箱時(shí)。
對于不同尺碼的病人的最佳的站立姿勢相位的膝部抵抗力或阻尼和傳感數(shù)據(jù)的關(guān)系曲線或相互關(guān)系在控制器或微處理器132或系統(tǒng)存儲器150中儲存或編制程序。這些被用于優(yōu)選實(shí)施例的假膝系統(tǒng)110中，以自動(dòng)地控制膝部制動(dòng)器130的驅(qū)動(dòng)。
當(dāng)一個(gè)被截肢者利用如通過本發(fā)明優(yōu)選的控制方案控制的假膝系統(tǒng)110首先行走時(shí)，最好是，微處理器或控制器132最初將狀態(tài)1的對膝部轉(zhuǎn)動(dòng)的阻尼或抵抗力調(diào)置到一個(gè)大的值。對于一個(gè)其中轉(zhuǎn)矩正比于膝部轉(zhuǎn)動(dòng)速度的線性阻尼器，一個(gè)充分的比例常數(shù)或阻尼器是20Nm*秒/弧度。這保證假肢110是安全的，不會(huì)變彎到非常大的屈曲角度。最好是，最大屈曲角不超過15度。
與初始狀態(tài)1的阻尼不同，最好是，微處理器或控制器132最初將狀態(tài)2的對膝部轉(zhuǎn)動(dòng)的阻尼或抵抗力調(diào)置到一個(gè)較小的值。對于一個(gè)其中轉(zhuǎn)矩正比于膝部轉(zhuǎn)動(dòng)速度的線性阻尼器，一個(gè)充分的比例常數(shù)或阻尼值是10Nm*秒/弧度。這允許被截肢者即使膝部偶然變成屈曲也能伸展該膝部。
當(dāng)被截肢者開始行動(dòng)并走幾步時(shí)，軸向力與動(dòng)量傳感器140和角度傳感器134向微處理器或控制器132連續(xù)地或定期地提供軸向力、外加動(dòng)量、膝部角度和膝部角速度數(shù)據(jù)或信號。這些傳感數(shù)據(jù)，特別是施加到假膝系統(tǒng)110上的峰值力和峰值轉(zhuǎn)矩和/或軸向力和轉(zhuǎn)矩的分布輪廓，被控制器132用來將屈曲和伸展阻尼調(diào)整到被確定能給出在早先的臨床調(diào)研期間的合理的或最佳的或通常的生活狀態(tài)站立姿勢行為的值或分布輪廓。
如上面討論的，在對范圍廣泛的具有各種尺碼的病人的這些臨床調(diào)研期間得到的關(guān)系曲線或相互關(guān)系已經(jīng)在控制器132中編制程序或儲存。當(dāng)病人繼續(xù)使用假膝系統(tǒng)110時(shí)，按照需要，可以由系統(tǒng)110做出進(jìn)一步的自動(dòng)精細(xì)改進(jìn)和精細(xì)調(diào)整。
這些優(yōu)選實(shí)施例的假體是一種用臨床的(修復(fù)術(shù)的)和生物力學(xué)的知識引導(dǎo)的自己教會(huì)和/或自己學(xué)會(huì)的系統(tǒng)。例如，(儲存在系統(tǒng)存儲器中的)生物力學(xué)知識包括與典型的人的行走/跑步的力學(xué)有關(guān)的信息，如上面參照圖1討論的。
而且，這些臨床的關(guān)系曲線或相互關(guān)系也允許假膝系統(tǒng)110能夠?qū)Ω叽a無關(guān)的特定時(shí)被截肢者確定合適的“閾值動(dòng)量”。如上面討論的，這些閾值動(dòng)量被狀態(tài)機(jī)器190(圖6)用來根據(jù)該閾值動(dòng)量是否高于或低于對病人特定的一定值而改變狀態(tài)。
有利的是，在這些優(yōu)選實(shí)施例中，不需要由假體安裝師或病人將病人特定的信息在假膝中預(yù)先編制程序。利用假膝本身測到的傳感信息，站立姿勢抵抗力自動(dòng)地適應(yīng)被截肢者的需要，由此提供一個(gè)自動(dòng)操縱的適應(yīng)病人的系統(tǒng)。
狀態(tài)3(膝部突變)在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，狀態(tài)3(膝部突變)的膝部阻尼或抵抗力保持基本上恒定并減到最小，因此被截肢者可以容易地屈曲膝部。最好是，這個(gè)膝部阻尼轉(zhuǎn)矩的最小值大約為0.4N-m，并很大程度上由所用的特定的膝部制動(dòng)器確定?；蛘呤?，根據(jù)需要或希望，可以有效地采用其它最小的阻尼轉(zhuǎn)矩值和/或可變轉(zhuǎn)矩，適當(dāng)考慮獲得如本文說明或提出的一個(gè)或多個(gè)益處和優(yōu)點(diǎn)的目的。
在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，如上面對狀態(tài)1和2所述地測定狀態(tài)3的膝部阻尼或轉(zhuǎn)矩。也就是，測到的傳感數(shù)據(jù)，特別是施加到假膝系統(tǒng)110上的峰值力和峰值轉(zhuǎn)矩和/或軸向力和轉(zhuǎn)矩分布輪廓，被控制器132用來將膝部抵抗力或阻尼調(diào)整到被確定能給出在早先的臨床調(diào)研期間的合理的或最佳的或通常生活狀態(tài)的站立姿勢行為的值或分布輪廓。
擺動(dòng)相位控制按照一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明提供一個(gè)方案來當(dāng)病人以各種運(yùn)動(dòng)速度行進(jìn)時(shí)能自適應(yīng)地控制病人安裝的假膝的擺動(dòng)相位的阻尼轉(zhuǎn)矩。從腳跟觸地到腳趾離地所測到的假腳的地面接觸時(shí)間已經(jīng)被表示與前進(jìn)運(yùn)動(dòng)速度密切相關(guān)。該方案包括連續(xù)測量腳的觸地時(shí)間作為病人前進(jìn)速度的一種估算的步驟，并自適應(yīng)地調(diào)整擺動(dòng)相位的阻尼分布輪廓，直到膝部舒適并自然地活動(dòng)。反復(fù)調(diào)整膝部屈曲的擺動(dòng)相位阻尼分布輪廓，以獲得一個(gè)峰值屈曲角度的確切范圍。不同的是，對于膝部伸展，調(diào)整膝部阻尼來控制伸展的腿對抗人造膝蓋的沖擊力。利用收斂的阻尼值來自動(dòng)控制所有運(yùn)動(dòng)速度下的擺動(dòng)相位的阻尼。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，在站立姿勢相位期間，控制器132根據(jù)輸入的傳感數(shù)據(jù)計(jì)算一個(gè)與被截肢人的運(yùn)動(dòng)速度一起變化的參數(shù)。最好是，該參數(shù)隨運(yùn)動(dòng)速度而單調(diào)地變化。如下面要討論的，這個(gè)參數(shù)被控制器132用來對基本上所有病人在基本上所有速度下自動(dòng)控制擺動(dòng)相位膝部抵抗力。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該速度控制參數(shù)是假腳保持與地面接觸的時(shí)間量，或腳觸地時(shí)間。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該速度控制參數(shù)是在基本上最大伸展或完全伸展和當(dāng)假腿從狀態(tài)3屈曲到狀態(tài)4時(shí)的約30度屈曲之間出現(xiàn)的最大屈曲速度。在其它優(yōu)選實(shí)施例中，按照需要或希望，可以使用其它合適的速度控制參數(shù)，適當(dāng)考慮在各種速度下自適應(yīng)地控制膝部抵抗力和/或獲得如本文所說明或提出的一個(gè)或多個(gè)益處和優(yōu)點(diǎn)的目的。
該腳觸地時(shí)間最好是在一個(gè)特定的時(shí)間間隔期間測量或計(jì)算的。最好是，該腳觸地時(shí)間是在一個(gè)站立姿勢相位期間測量的?；蛘呤?，該腳觸地時(shí)間可以對一個(gè)或多個(gè)步態(tài)周期進(jìn)行測量或計(jì)算。該腳觸地時(shí)間最好根據(jù)從軸向力傳感器140來的信號進(jìn)行計(jì)算。一個(gè)非零的軸向力的測量值指示該假腳與地面或其它支承面接觸。
參照圖7，通常，當(dāng)行走速度增大時(shí)，腳觸地時(shí)間減少。在圖7中，一個(gè)主體的腳觸地時(shí)間相對于向前行走和跑步速度作圖，表明時(shí)間隨速度的增長而減少。X軸192代表用cm/sec表示的前進(jìn)速度，Y軸194代表在一個(gè)站立姿勢相位期間用秒表示的腳觸地時(shí)間。
在圖7中，三角形表示一個(gè)非被截肢者在幾種明顯不同的穩(wěn)定狀態(tài)速度下從0.85米/秒的慢走到1.74米/秒的中速跑步的運(yùn)動(dòng)的觸地時(shí)間。如圖7中所見，觸地時(shí)間通常隨速度的增大而減少。對這些數(shù)據(jù)擬合一條最小平方回歸線，具有約0.3 2秒2/米的斜率。對被截肢者和非被截肢者兩類人觀察到相似的回歸線。數(shù)據(jù)是利用一臺以從瑞典Partille市的Selective(選擇)電子公司來的Selspot II型照相機(jī)為基礎(chǔ)的四照相機(jī)兩側(cè)面運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)獲得系統(tǒng)收集的(以美國馬薩諸塞州波士頓市的馬薩諸塞普通醫(yī)院步態(tài)實(shí)驗(yàn)室來的本發(fā)表數(shù)據(jù))。
按照一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，控制器132通過一個(gè)反復(fù)的過程測定擺動(dòng)相位的膝部抵抗力或阻尼是如何隨腳觸地時(shí)間或運(yùn)動(dòng)速度而調(diào)整的。全部生物學(xué)范圍的腳觸地時(shí)間儲存在膝部的處理器132的存儲器150中。通常，一個(gè)矮個(gè)子與一個(gè)高個(gè)子比，平均具有較少的腳觸地時(shí)間。存儲器150中儲存的全部生物學(xué)范圍最好包括這兩種極端情況。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，存儲器150儲存從零到約2秒的腳觸地時(shí)間，2秒鐘通常多到足以涵蓋腳觸地時(shí)間的全部生物學(xué)范圍。在其它優(yōu)選實(shí)施例中，按照需要或希望，存儲器可以有效地儲存一個(gè)較小的或較大的腳觸地時(shí)間的范圍，適當(dāng)考慮涵蓋腳觸地時(shí)間的整個(gè)生物學(xué)范圍和/或獲得如本文說明或提出的一個(gè)或多個(gè)益處和優(yōu)點(diǎn)的目的。
最好是，腳觸地時(shí)間范圍在微處理器存儲器150內(nèi)分隔成幾個(gè)時(shí)間槽或時(shí)間間隔。當(dāng)一個(gè)被截肢者從慢走行動(dòng)到快走時(shí)，對不同的時(shí)間槽或運(yùn)動(dòng)速度范圍進(jìn)行采樣。因?yàn)檎麄€(gè)生物學(xué)范圍是分隔的，所以每個(gè)被截肢者不管其身高、體重或尺碼，當(dāng)從慢走行動(dòng)到快走或跑步時(shí)，都對多個(gè)時(shí)間槽進(jìn)行采樣。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該分隔大小為約100毫秒(msecs)，因此對一個(gè)2秒的腳觸地時(shí)間范圍或區(qū)間給出總共20個(gè)時(shí)間槽。任何一個(gè)被截肢者在從慢走行動(dòng)到快走的運(yùn)動(dòng)步伐時(shí)通常對20個(gè)時(shí)間槽的一部分而不是全部進(jìn)行采樣。在其它優(yōu)選實(shí)施例中，按照需要或希望，間隔大小可以有效地另外選取，適當(dāng)考慮獲得如本文說明或提出的一個(gè)或多個(gè)益處和優(yōu)點(diǎn)的目的。
一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的控制方案最好在每個(gè)時(shí)間槽內(nèi)調(diào)整膝部阻尼的分布輪廓。在狀態(tài)4中，在每個(gè)時(shí)間槽內(nèi)調(diào)整阻尼值來控制峰峰值屈曲角度，而在狀態(tài)5中，控制伸展的腿抵抗人造膝蓋的沖擊力。根據(jù)提供給控制器132的傳感數(shù)據(jù)(如上面討論的)，控制器132向膝部制動(dòng)器或阻尼器130發(fā)送適當(dāng)?shù)闹噶钚盘柣蛑噶睢?br> 狀態(tài)4(擺動(dòng)屈曲)當(dāng)一個(gè)被截肢者利用如本發(fā)明的優(yōu)選控制方案所控制的假膝系統(tǒng)110來首先步行或走第一步時(shí)，最好微處理器或控制器132最初將狀態(tài)4的對膝部轉(zhuǎn)動(dòng)的阻尼或抵抗力調(diào)置或調(diào)整到其每個(gè)時(shí)間槽內(nèi)的最低值。因此，當(dāng)被截肢者走第一步時(shí)，狀態(tài)4的膝部阻尼轉(zhuǎn)矩減到最小，而膝部在整個(gè)早期擺動(dòng)相位期間自由地?cái)[動(dòng)。
最好是，膝部阻尼轉(zhuǎn)矩的這個(gè)最小值為約0.4N-m，而且大部分由所用的特定的膝部制動(dòng)器確定?；蛘呤?，按照需要或希望，可以有效地使用其它最小的阻尼轉(zhuǎn)矩值和/或可變轉(zhuǎn)矩，適當(dāng)考慮獲得如本文說明或提出的一個(gè)或多個(gè)益處和優(yōu)點(diǎn)的目的。
對于第一步之后的隨后幾步或幾個(gè)步態(tài)周期，無論何時(shí)當(dāng)膝部屈曲到一個(gè)大于一固定的或預(yù)定的目標(biāo)角度時(shí)，控制器132最好通過向膝部制動(dòng)器130發(fā)送適當(dāng)?shù)闹噶钚盘柣蛑噶疃龃笾苿?dòng)器阻尼。對于步行的非被截肢者，在早期擺動(dòng)期間的峰值屈曲角度通常不超過約80度(見圖3)。
因此，按照一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，為了獲得一個(gè)基本上自然的或生物學(xué)的步態(tài)周期，設(shè)置目標(biāo)角度等于約80度，以控制假膝系統(tǒng)110的狀態(tài)4的峰值屈曲角度。在其它優(yōu)選實(shí)施例中和/或其它活動(dòng)水平或外部條件下，按照需要或希望，可以另外選擇狀態(tài)4的目標(biāo)角度，適當(dāng)考慮提供一個(gè)基本上生活狀態(tài)的響應(yīng)和/或獲得如本文說明或提出的一個(gè)或多個(gè)益處和優(yōu)點(diǎn)的目的。
微處理器132最好使阻尼增大一個(gè)量，該增大的量正比于由角度傳感器134測得的實(shí)際屈曲角度和目標(biāo)角度之間的誤差或差值。增大的阻尼降低未來步態(tài)周期的峰值屈曲角度，但最好僅僅在被截肢者已經(jīng)采樣的那些時(shí)間槽或運(yùn)動(dòng)速度區(qū)間內(nèi)。
在狀態(tài)4中，當(dāng)峰值屈曲角度下降到小于目標(biāo)角度時(shí)，微處理器132通過向膝部制動(dòng)器130發(fā)送適當(dāng)?shù)闹噶钚盘柣蛑噶疃鴾p小阻尼轉(zhuǎn)矩。這保證阻尼水平不會(huì)高到?jīng)]有必要。
最好是，對于N個(gè)接連的運(yùn)動(dòng)步子、周期或大步，當(dāng)峰值屈曲角度下降到低于目標(biāo)角度時(shí)，阻尼轉(zhuǎn)矩減小。N的一個(gè)優(yōu)選值是約20個(gè)運(yùn)動(dòng)周期或步態(tài)周期，雖然也可以有利地使用其它值。制動(dòng)器阻尼最好減小一個(gè)量，該減小的量正比于由角度傳感器134測得的實(shí)際屈曲角度和目標(biāo)角度之間的誤差或差值。在任何特定的時(shí)間槽或時(shí)間倉內(nèi)，減小的阻尼增大未來的步態(tài)周期的峰值屈曲角度。
通常，在較快的行走速度下，需要一個(gè)較大的阻尼水平來使?fàn)顟B(tài)4中的峰值屈曲角度保持小于目標(biāo)角度閾值。因此，為了增大狀態(tài)4的適應(yīng)速度，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，控制方案這樣設(shè)計(jì)，使得較快的行走速度或時(shí)間槽下的阻尼水平至少像較慢的行走速度或時(shí)間槽下的阻尼水平一樣高。
而且，最好是，在一個(gè)步態(tài)或運(yùn)動(dòng)周期的范圍內(nèi)的每個(gè)時(shí)間槽中施加的阻尼水平是恒定的，雖然它們可以是可變的或隨角度而變。此外，在一個(gè)或多個(gè)時(shí)間槽中的狀態(tài)4的阻尼水平的調(diào)整可以涉及改變一個(gè)固定的或預(yù)定的膝部角度范圍內(nèi)的阻尼或改變施加阻尼的角度范圍或兩者結(jié)合。
當(dāng)被截肢者繼續(xù)使用假膝系統(tǒng)110并對各種范圍的行走、跑步或其它運(yùn)動(dòng)速度采樣時(shí)，狀態(tài)4的膝部阻尼逐漸收斂在每個(gè)時(shí)間槽內(nèi)，直到峰值膝部屈曲對于基本上所有行走、跑步或其它運(yùn)動(dòng)速度都始終下降到或接近于目標(biāo)角度。每個(gè)時(shí)間槽或運(yùn)動(dòng)速度的最佳阻尼轉(zhuǎn)矩值或分布輪廓儲存在微處理器存儲器150中。因此，一旦該反復(fù)適應(yīng)的控制方案已經(jīng)實(shí)施，被截肢者就能從慢走很快加速到快走，而始終在狀態(tài)4內(nèi)對不同的時(shí)間槽采樣，并因而對不同的阻尼水平采樣。
狀態(tài)5(擺動(dòng)伸展)當(dāng)擺動(dòng)的假體觸到人造膝蓋時(shí)，使用一種類似的方案或策略來控制沖擊力。如上所述，該人造膝蓋用作一個(gè)伸展止動(dòng)器。
當(dāng)一個(gè)被截肢者利用如本發(fā)明的優(yōu)選控制方案所控制的假膝系統(tǒng)110來首先步行或走第一步時(shí)，最好微處理器或控制器132最初將狀態(tài)5的阻尼調(diào)置或調(diào)整到其每個(gè)時(shí)間槽內(nèi)的最低值。因此，當(dāng)被截肢者走第一步時(shí)，狀態(tài)5的膝部阻尼轉(zhuǎn)矩減到最小，而該膝部從狀態(tài)4中的峰值屈曲角度伸展到狀態(tài)5中的最大伸展角度(約180度)。與人造膝蓋的接觸防止進(jìn)一步伸展。
最好是，膝部阻尼轉(zhuǎn)矩的這個(gè)最小值為約0.4N-m，而且大部分由所用的特定的膝部制動(dòng)器確定?；蛘呤牵凑招枰蛳Ｍ?，可以有效地使用其它最小的阻尼轉(zhuǎn)矩值和/或可變轉(zhuǎn)矩，適當(dāng)考慮獲得如本文說明或提出的一個(gè)或多個(gè)益處和優(yōu)點(diǎn)的目的。
對于第一步之后的隨后幾步或幾個(gè)步態(tài)周期，在每個(gè)時(shí)間倉或時(shí)間槽內(nèi)，控制器132計(jì)算該擺動(dòng)的腿抵抗該人造膝蓋的平均沖擊力，使阻尼減到最小。從M個(gè)時(shí)間槽或時(shí)間倉的最小沖擊力到最大沖擊力，如果兩個(gè)接連的時(shí)間倉并不直接相鄰，那么進(jìn)行一個(gè)線性外推來估算中間時(shí)間倉的平均沖擊力。例如，如果平均值是對時(shí)間倉“10”和“12”計(jì)算的而并未對時(shí)間倉“11”計(jì)算，那么計(jì)算從對應(yīng)于時(shí)間倉“10”的沖擊力到對應(yīng)于時(shí)間倉“12”的沖擊力的一個(gè)線性外推。然后利用該線性函數(shù)來估算時(shí)間倉“11”的沖擊力。該M個(gè)時(shí)間倉區(qū)域最好包括約3個(gè)到5個(gè)時(shí)間倉或時(shí)間槽，雖然根據(jù)需要或希望也可有效地使用更少或更多的時(shí)間倉。
在計(jì)算M個(gè)平均沖擊力并從最小值的時(shí)間倉到最大值的時(shí)間倉作出線性外推后，利用一個(gè)使沖擊力與最佳伸展阻尼有關(guān)的臨床確定的關(guān)系曲線來選擇膝部阻尼值。因此，被截肢者感覺使伸展的腿減速的阻尼傾向，但僅僅對相應(yīng)于M個(gè)時(shí)間倉區(qū)域的行走速度。對于大于最大值和小于最小值的時(shí)間倉，使用錯(cuò)誤的最小阻尼，直到收集到補(bǔ)充數(shù)據(jù)和計(jì)算出平均沖擊力。對于多于和少于最初的M個(gè)時(shí)間倉區(qū)域的時(shí)間倉，進(jìn)行線性外推，以便對中間時(shí)間倉估算平均沖擊力。例如，如果最初的M個(gè)時(shí)間倉的最大值等于“14”，而一個(gè)平均沖擊力是對時(shí)間倉“17”算出的，那么就利用一個(gè)從對應(yīng)于時(shí)間倉“14”的平均沖擊力到對應(yīng)于時(shí)間倉“17”的平均沖擊力的線性函數(shù)來對時(shí)間倉“15”和“16”估算沖擊力。一旦對大于和小于最初的M個(gè)時(shí)間倉的區(qū)域計(jì)算出平均沖擊力，就利用一個(gè)臨床測定的使沖擊力與最佳伸展阻尼有關(guān)的關(guān)系曲線來選擇膝部阻尼值。
該臨床測定的使沖擊力與最佳伸展阻尼有關(guān)的關(guān)系曲線最好是通過一個(gè)利用以不同的行走、跑步和/或其它運(yùn)動(dòng)速度行動(dòng)的病人的臨床調(diào)研來推算或測定而得到的。最好是，該臨床測定的使沖擊力與最佳伸展阻尼有關(guān)的關(guān)系曲線是通過一個(gè)利用尺碼(體重)不同的病人的臨床調(diào)研來推算或測定的。該臨床測定的關(guān)系曲線最好儲存于系統(tǒng)的存儲器150中。
對于每個(gè)時(shí)間槽或時(shí)間倉，一旦已經(jīng)選定一個(gè)最佳的伸展阻尼值，微處理器132就再一次計(jì)算出一個(gè)平均沖擊力，而該新的平均沖擊力于是就用作一個(gè)目標(biāo)。如果出現(xiàn)一個(gè)顯著改變一個(gè)特定時(shí)間倉內(nèi)的沖擊力大小的系統(tǒng)干擾，那么就調(diào)整伸展阻尼，直到?jīng)_擊力再一次等于或接近于目標(biāo)沖擊力。例如，在一個(gè)特定的時(shí)間倉內(nèi)，如果在阻尼啟動(dòng)后的平均沖擊力為100牛頓，而一個(gè)干擾導(dǎo)致擺動(dòng)的腿以150牛頓的力沖擊人造膝蓋，那么伸展阻尼對該時(shí)間倉增大，直到?jīng)_擊力再一次等于或接近于最初的100牛頓。利用該適應(yīng)的常規(guī)程序，被截肢者可以從一只輕的鞋改變到一只重的鞋而仍然舒服地行走，不用回到其假體安裝師處請求重新編制程序。
擺動(dòng)的腿抵抗人造膝蓋的平均沖擊力最好通過控制器132利用由假體本身的傳感器提供的信號或數(shù)據(jù)來算出。如上所述，沖擊力傳感器最好包括傳感器140并包括一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變儀，應(yīng)變儀安裝在或用機(jī)械方式連接于框架141上。根據(jù)該計(jì)算的或測定的沖擊力，控制器132向膝部制動(dòng)器130提供適當(dāng)?shù)闹噶钚盘柣蛑噶睿钥刂葡ゲ孔枘帷?br> 在本發(fā)明的控制方案的優(yōu)選實(shí)施例中，處在每個(gè)時(shí)間槽或運(yùn)動(dòng)速度中的狀態(tài)5的阻尼，可以用幾種方法調(diào)整。例如，在一個(gè)或多個(gè)時(shí)間槽中的狀態(tài)5的阻尼水平的調(diào)整可以涉及改變一個(gè)固定的或預(yù)定的膝部角度范圍內(nèi)的阻尼或改變施加阻尼的角度范圍或兩者結(jié)合。此外，施加在一個(gè)步態(tài)或運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)時(shí)間槽中的狀態(tài)5的阻尼水平可以是恒定的、可變的和/或隨角度而變。
按照一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，該控制方案對一個(gè)固定的或預(yù)定的角度范圍或在該范圍內(nèi)調(diào)整狀態(tài)5中的膝部阻尼。例如，在一個(gè)特定的伸展角度范圍如約130°～約180°的范圍內(nèi)升降膝部阻尼轉(zhuǎn)矩，以便在該特定的時(shí)間槽內(nèi)升降阻尼。
按照另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，該控制方案使?fàn)顟B(tài)5的膝部阻尼水平基本上保持恒定而相反地調(diào)整施加膝部阻尼的角度范圍。例如，該膝部阻尼是恒定的和最大的，而該阻尼被施加在一個(gè)約170°～約180°的伸展角度范圍上。為了增大狀態(tài)5的阻尼，啟動(dòng)膝部阻尼的開始伸展角度可以從約170°改變到約160°，以便對該特定的時(shí)間槽或運(yùn)動(dòng)速度增大狀態(tài)5的阻尼。
通常，在較快的行走速度下，需要一個(gè)較大的阻尼水平來在一個(gè)可以接受的范圍內(nèi)保持抵抗人造膝蓋的沖擊力。因此，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，為了提高狀態(tài)5的適應(yīng)速度，該控制方案設(shè)計(jì)成在較快的行走速度下或時(shí)間槽內(nèi)的阻尼水平至少像在較慢的行走速度下或時(shí)間槽內(nèi)的阻尼水平一樣高。
當(dāng)被截肢者繼續(xù)使用假膝系統(tǒng)110并對各種范圍的行走、跑步速度采樣時(shí)，狀態(tài)5的膝部阻尼逐漸收斂在每個(gè)時(shí)間槽內(nèi)，直到擺動(dòng)的腿抵抗人造膝蓋的沖擊力保持在一個(gè)對基本上所有行走、跑步或其它運(yùn)動(dòng)速度都可以接受的水平上。每個(gè)時(shí)間槽或運(yùn)動(dòng)速度的最佳阻尼轉(zhuǎn)矩值或分布輪廓儲存在微處理器存儲器150中。因此，一旦該反復(fù)適應(yīng)的控制方案已經(jīng)實(shí)施，被截肢者就能從慢走很快加速到快走，而始終在狀態(tài)5內(nèi)對不同的時(shí)間槽采樣，并因而對不同的阻尼水平采樣。
當(dāng)病人進(jìn)一步繼續(xù)使用假膝系統(tǒng)110時(shí)，按照需要，系統(tǒng)110可以進(jìn)行進(jìn)一步的自動(dòng)的精細(xì)改進(jìn)和精細(xì)調(diào)整。這些優(yōu)選實(shí)施例的假體是一種用臨床的(修復(fù)術(shù)的)和生物力學(xué)的知識引導(dǎo)的自己教會(huì)和/或自己學(xué)會(huì)的系統(tǒng)。例如，(儲存在系統(tǒng)存儲器中的)生物力學(xué)知識包括與典型的人的行走/跑步的力學(xué)有關(guān)的信息，如上面參照圖1討論的。
有利的是，這些優(yōu)選實(shí)施例的假膝系統(tǒng)和控制方案不需要病人特定的信息，因此不需要由假體安裝師或被截肢者預(yù)先編制程序來適應(yīng)不同的運(yùn)動(dòng)速度和不同的病人。一旦病人離開假體安裝師的設(shè)施，該系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同類型的干擾，因?yàn)樵撓到y(tǒng)是適應(yīng)病人和適應(yīng)速度的。理想的是，這也節(jié)約時(shí)間和費(fèi)用，并基本上消除或減輕在用其它方式長時(shí)間調(diào)整或試驗(yàn)期間對病人產(chǎn)生的不方便、不舒服和疲勞。
這些優(yōu)選實(shí)施例的控制方案和假體允許病人進(jìn)行各種各樣的活動(dòng)。這些活動(dòng)包括在平地或斜坡上的正常行走或跑步、坐下、上下臺階或其它狀況，例如當(dāng)使用人提起一個(gè)手提箱時(shí)。磁流變的膝部制動(dòng)器按照本發(fā)明的一種磁流變膝部制動(dòng)器或驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)選實(shí)施器描述于2001年1月22日提出申請的題為“電子控制的假膝”的待審查決定的美國申請書NO.09/767367中，其整個(gè)公開內(nèi)容參考合并于此。為了公開內(nèi)容的清楚簡短，下面僅簡要描述該磁流變膝部制動(dòng)器或驅(qū)動(dòng)器。
圖8是按照本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的一種轉(zhuǎn)動(dòng)的假膝制動(dòng)器或磁流變(MR)制動(dòng)系統(tǒng)210的簡化示意圖。膝部驅(qū)動(dòng)器210包括一個(gè)基本上處于中心的芯212，芯212基本上被一個(gè)電磁鐵或磁線圈214環(huán)繞或包圍并與一對側(cè)板或側(cè)盤216、218機(jī)械耦合。依靠使一個(gè)可變的受控電流通過電磁鐵214，產(chǎn)生一個(gè)可變的磁場。最好是，芯212和側(cè)板216、218用鐵質(zhì)的可磁化的或磁性的材料之類制成。更優(yōu)選的是，芯212和側(cè)板216、218用一種高磁通飽和密度和高磁導(dǎo)率的磁性軟材料制成。
假膝制動(dòng)器或驅(qū)動(dòng)器210還包括多個(gè)內(nèi)葉片或內(nèi)板220，它們與一個(gè)內(nèi)齒槽輪222機(jī)械耦合。內(nèi)齒槽輪222通常環(huán)繞或包圍電磁鐵214并聯(lián)接或機(jī)械連接在側(cè)板216、218上。葉片220最好圍繞制動(dòng)器的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線224同心配置。內(nèi)齒槽輪222最好可以圍繞膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線224轉(zhuǎn)動(dòng)，因此葉片或轉(zhuǎn)子220和芯側(cè)板216、218也如此。內(nèi)齒槽輪222的轉(zhuǎn)動(dòng)對應(yīng)于腿的下部(膝部以下部分)的轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)。
假膝制動(dòng)器或驅(qū)動(dòng)器210也包括多個(gè)外葉片或外板230，它們與外齒槽輪232機(jī)械耦合。外齒槽輪232基本上環(huán)繞或包圍內(nèi)齒槽輪222。葉片230最好圍繞制動(dòng)器轉(zhuǎn)動(dòng)軸線224同心地配置。外齒槽輪232最好可以圍繞膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線224轉(zhuǎn)動(dòng)，因此葉片或定子230也如此。外齒槽輪232的轉(zhuǎn)動(dòng)對應(yīng)于腿的上部(膝部以上部分)的轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)。最好是，外齒槽輪或外殼232包括便于將假膝關(guān)節(jié)210連接到一個(gè)合適的殘肢窩之類上的機(jī)構(gòu)。外齒槽輪232以及因此而定子230最好基本上不轉(zhuǎn)動(dòng)地聯(lián)接在該殘肢窩或殘肢上，或相對于殘肢窩或殘肢不可轉(zhuǎn)動(dòng)。
多個(gè)轉(zhuǎn)子220和定子230以交替形式間置，而相鄰的葉片220和230之間的空隙包括一種磁流變(MR)液體234，后者由此停留在內(nèi)齒槽輪222和外齒槽輪232之間形成的空腔或通道中。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，相鄰的轉(zhuǎn)子220和定子230之間的空隙或微空隙中的磁流變液體234為相鄰的轉(zhuǎn)子220和定子230之間的潤滑薄層形式。在側(cè)板216、218和相鄰的定子230之間存在的磁流變液體的剪切作用也有助于膝部阻尼。
在膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)期間，轉(zhuǎn)子220和定子230之間的多個(gè)空隙中的磁流變液體受到剪切而產(chǎn)生控制肢體轉(zhuǎn)動(dòng)的阻尼轉(zhuǎn)矩。葉片或盤220和230最好用一種鐵質(zhì)的可以磁化的或磁性的材料之類做成。更優(yōu)選的是，葉片或盤220和230用一種磁導(dǎo)率和磁軟性盡可能高而機(jī)械上實(shí)用的材料做成。
膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器210還包括一對滾珠軸承226、228，它們聯(lián)接或連接在相應(yīng)的側(cè)板216、218上。滾珠軸承226、228還聯(lián)接或連接在相應(yīng)的側(cè)壁或安裝叉架236、238上。這樣，在內(nèi)齒槽輪222和安裝叉架236、238之間產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)接。與外齒槽輪232結(jié)合的安裝叉架236、238形成膝部驅(qū)動(dòng)器210的一個(gè)主外殼。最好是，該側(cè)壁或安裝叉架236、238包括便于將假膝驅(qū)動(dòng)器210連接到一個(gè)合適的暫用假肢、小腿部分之類上的機(jī)構(gòu)。
最好是，中心芯212和電磁鐵214也與內(nèi)齒槽輪222、轉(zhuǎn)子220、芯側(cè)板216、218和安裝叉架236、238的轉(zhuǎn)動(dòng)一起轉(zhuǎn)動(dòng)。定子230與外齒槽輪232的轉(zhuǎn)動(dòng)一起轉(zhuǎn)動(dòng)。
轉(zhuǎn)子220相對于內(nèi)齒槽輪222轉(zhuǎn)動(dòng)地固定，而定子230相對于外齒槽輪232轉(zhuǎn)動(dòng)地固定。在運(yùn)動(dòng)或膝部轉(zhuǎn)動(dòng)的各個(gè)階段期間和圍繞膝部的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線224，轉(zhuǎn)子220可以轉(zhuǎn)動(dòng)而定子230基本上轉(zhuǎn)動(dòng)地靜止，或者定子230可以轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)子220基本上轉(zhuǎn)動(dòng)地靜止，或者轉(zhuǎn)子220和定子230兩者都可以轉(zhuǎn)動(dòng)或基本上轉(zhuǎn)動(dòng)地靜止。術(shù)語“轉(zhuǎn)子”和“定子”用于區(qū)分內(nèi)葉片220和外葉片230，雖然轉(zhuǎn)子220和定子230兩者都可以轉(zhuǎn)動(dòng)，并說明在轉(zhuǎn)子220和定子230之間產(chǎn)生相對的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)(在相鄰的轉(zhuǎn)子220和定子230之間的空隙中有磁流變液體受到剪切)。如果需要，葉片220可以稱為“內(nèi)轉(zhuǎn)子”，而葉片230可以稱為“外轉(zhuǎn)子”。
磁鐵214的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生磁場，在膝部驅(qū)動(dòng)器210內(nèi)產(chǎn)生或形成回路或路徑240。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，磁場240通過中心芯212、沿徑向向外通過側(cè)板218、沿橫向通過間置的轉(zhuǎn)子組220和定子組230及磁流變液體234，并沿徑向向內(nèi)通過側(cè)板216。磁場240的通過芯212和側(cè)板216、218的部分通常界定磁返回路徑，而通過轉(zhuǎn)子220、定子230和磁流變液體234的磁路通常界定活性的或起作用的磁場。
磁流變(MR)液體234遇到一個(gè)流變學(xué)或粘度變化，該變化取決于外加磁場的大小。轉(zhuǎn)過來，這種液體粘度的變化決定產(chǎn)生的剪切力/應(yīng)力、轉(zhuǎn)矩或扭轉(zhuǎn)阻力的大小，并因而決定假膝制動(dòng)器210提供的阻尼水平。這樣，通過控制該磁場的大小，人造肢體的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)受到控制，例如，在擺動(dòng)和站立姿勢相位期間控制屈曲和伸展，以便被截肢者更自然更安全地行走。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子220和/或定子230可以沿橫向方向242移動(dòng)，并因此在磁場的影響下可以以一個(gè)由磁場強(qiáng)度決定的可變力來摩擦相鄰的轉(zhuǎn)子220和/或定子230，從而形成一個(gè)“混合的”磁流變和摩擦阻尼制動(dòng)器。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子220和定子230相對于齒槽輪222和232沿橫向固定在位置中，因此制動(dòng)效果基本上純粹是磁流變的或粘性的?；蛘呤?，按照需要或希望，一些轉(zhuǎn)子220和/或定子230可以沿橫向固定，而其它轉(zhuǎn)子和/或定子可以沿橫向移動(dòng)，適當(dāng)考慮提供一個(gè)基本上感覺自然的和/或安全的假體裝置和/或獲得如本文說明或提出的一個(gè)或多個(gè)益處和優(yōu)點(diǎn)的目的。在一個(gè)實(shí)施例中，側(cè)板216、218可以沿橫向移動(dòng)并由于與相鄰定子230的摩擦接觸而有助于摩擦阻尼。
有利的是，通過以剪切方式操作，在本發(fā)明的磁流變驅(qū)動(dòng)的假膝中不存在或只有可以忽略不計(jì)的壓力積累。這基本上消除了或減少了液體泄漏和假膝失效的可能性，并因此理想地增加了裝置的安全性。
同樣有利的是，由本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例提供的多個(gè)剪切表面或磁通界面，其行為像一個(gè)轉(zhuǎn)矩放大器，并允許粘性轉(zhuǎn)矩水平能夠逐級地上升到一個(gè)所要的最大值，而不必使用一個(gè)附加的傳動(dòng)裝置或其它輔助部件。例如，如果1個(gè)磁通界面能夠提供一個(gè)約1N-m的最大粘性轉(zhuǎn)矩，那么40個(gè)磁通界面將能夠提供一個(gè)約40N-m的粘性阻尼轉(zhuǎn)矩。相反，如果利用一個(gè)40∶1的步進(jìn)傳動(dòng)裝置來增大粘性轉(zhuǎn)矩，那么不利的是，不僅系統(tǒng)反射的慣性放大約1600倍，而且系統(tǒng)的重量、體積和復(fù)雜性也不希望有地增大了。
優(yōu)選實(shí)施例的假膝驅(qū)動(dòng)器的多個(gè)剪切表面或界面也有利地能夠得到一個(gè)寬的動(dòng)力轉(zhuǎn)矩范圍，后者允許病人的行走又安全和/或更自然。理想的是，優(yōu)選實(shí)施例的磁流變驅(qū)動(dòng)的假膝提供一個(gè)快速而精確的響應(yīng)。再一次，這允許病人以安全和/或更自然的方式行動(dòng)。
圖9和10表示一個(gè)具有按照本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)的磁流變轉(zhuǎn)動(dòng)假膝驅(qū)動(dòng)器、制動(dòng)器或阻尼器210。假膝驅(qū)動(dòng)器210產(chǎn)生最好是基本上沿膝部轉(zhuǎn)動(dòng)軸線224或圍繞軸線224的可控耗散力。圖9和10的膝部驅(qū)動(dòng)器實(shí)施例在操作和結(jié)構(gòu)上大體上近似于圖8的膝部驅(qū)動(dòng)器實(shí)施例，因此，為了公開內(nèi)容清楚和簡短起見，下面僅簡明描述圖9和10的實(shí)施例。
電子控制的膝部驅(qū)動(dòng)器210總體上包括一個(gè)與一對可以轉(zhuǎn)動(dòng)的側(cè)板216、218機(jī)械耦合的基本上位于中心的芯212、一個(gè)電磁鐵214、多個(gè)與一可以轉(zhuǎn)動(dòng)的內(nèi)齒槽輪222機(jī)械耦合的葉片或轉(zhuǎn)子220、多個(gè)與一可以轉(zhuǎn)動(dòng)的外齒槽輪232機(jī)械耦合的葉片或定子230、一對用于將轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)傳遞給一對外側(cè)壁或叉架236、238的滾珠軸承226、228。轉(zhuǎn)動(dòng)基本上圍繞膝部的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線224。
多個(gè)轉(zhuǎn)子220和定子230最好以交替方式間置，而相鄰葉片220和230之間的空隙或微空隙包括一種磁流變(MR)液體的潤滑薄層，磁流變液體因此停留在內(nèi)齒槽輪222和外齒槽輪232之間形成的空腔或通道內(nèi)。該優(yōu)選實(shí)施例提供一個(gè)可控而可靠的人造膝關(guān)節(jié)，通過剪切相鄰的轉(zhuǎn)子220和定子230之間的多個(gè)空隙或磁通界面中的磁流變液體，該人造膝關(guān)節(jié)有利地具有一個(gè)寬的動(dòng)力轉(zhuǎn)矩范圍。
最好是，利用端部有螺紋的桿248和螺母250來緊固假膝210的選定的部件，由此允許一個(gè)使用緊固件最少的直截了當(dāng)?shù)难b配和拆卸程序。作為替代的辦法或者補(bǔ)充地，按照需要或希望可以有利地使用各種其它類型的緊固件，如螺桿、銷、鎖、夾子等，適當(dāng)考慮提供緊固連接和/或獲得本文說明或提出的一個(gè)或多個(gè)益處和優(yōu)點(diǎn)的目的。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，假膝制動(dòng)器210還包括一個(gè)屈曲止動(dòng)系統(tǒng)或裝置。通過形體上限制外側(cè)叉架236、238和外齒槽輪232之間的轉(zhuǎn)動(dòng)，以及因此而限制膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，該屈曲止動(dòng)系統(tǒng)能控制最大可以允許的屈曲角度。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，假膝制動(dòng)器210還包括一個(gè)伸展止動(dòng)系統(tǒng)或裝置。通過形體上限制外側(cè)叉架236、238和外齒槽輪232之間的轉(zhuǎn)動(dòng)，以及因此而限制膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，該伸展止動(dòng)系統(tǒng)能控制最大可以允許的伸展角度。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，假膝制動(dòng)器210還包括一個(gè)伸展止動(dòng)系統(tǒng)或裝置。通過形體上限制外側(cè)叉架236、238和外齒槽輪232之間的轉(zhuǎn)動(dòng)，以及因此而限制膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，該伸展止動(dòng)系統(tǒng)能控制最大可以允許的伸展角度。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，假膝制動(dòng)器210還包括一個(gè)伸展輔助裝置，來通過推動(dòng)或偏壓該腿而伸直該腿，從而通過施加一個(gè)受控的轉(zhuǎn)矩或力來伸展該腿。各種裝置中的任何一種，如一種彈簧加載的伸展輔助裝置(如該技術(shù)中已知的)，都可以與本發(fā)明結(jié)合使用。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，假膝制動(dòng)器210包括以交替方式間置的40個(gè)轉(zhuǎn)子220和41個(gè)定子230。這形成磁流變(MR)液體停留于其中的40個(gè)磁通界面或液體空隙。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子220的數(shù)目為約10至100個(gè)，定子230的數(shù)目為11至101個(gè)，使得到達(dá)轉(zhuǎn)子界面上的在磁場存在下產(chǎn)生制動(dòng)作用的磁流變液體的數(shù)目是轉(zhuǎn)子數(shù)目的兩倍。在又一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子220的數(shù)目是1至100個(gè)。在又一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，定子230的數(shù)目是1至100個(gè)。在其它優(yōu)選實(shí)施例中，按照需要或希望，轉(zhuǎn)子220、定子230和/或磁通界面的數(shù)目可以有效地另外選定，適當(dāng)考慮提供一個(gè)寬的動(dòng)力轉(zhuǎn)矩范圍和/或獲得如本文說明或提出的一個(gè)或多個(gè)益處和優(yōu)點(diǎn)的目的。
有利的是，誘生的屈服應(yīng)力或粘性轉(zhuǎn)矩正比于一對轉(zhuǎn)子一定子之間的重疊面積乘上轉(zhuǎn)子數(shù)目的兩倍(到達(dá)轉(zhuǎn)子界面上的在磁場存在下產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的磁流變液體的數(shù)目)。這理想地允許通過選擇或預(yù)先確定轉(zhuǎn)子220和/或定子230的數(shù)目和/或相鄰的轉(zhuǎn)子220和/或定子230之間的重疊或配合的表面面積來增大或減小粘性轉(zhuǎn)矩或屈服應(yīng)力。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，這允許對磁流變驅(qū)動(dòng)的假膝制動(dòng)器210的總尺寸也就是徑向尺寸和橫向尺寸進(jìn)行控制。例如，總的膝部構(gòu)型可以做成徑向較長而橫向較細(xì)，同時(shí)通過適當(dāng)?shù)剡x擇磁通界面的數(shù)目和剪切表面的重疊面積而提供同樣的粘性轉(zhuǎn)矩范圍。
最好盡可能減小相鄰的轉(zhuǎn)子220和定子230之間的磁流變液體空隙，因?yàn)轱柡驼麄€(gè)磁流變液體空隙所需要的能量是空隙尺寸的一個(gè)強(qiáng)函數(shù)。因此，有利的是，較小的空隙尺寸使磁流變驅(qū)動(dòng)的制動(dòng)器210更有效，并減小能量消耗。
最好是，磁流變液體空隙尺寸也選擇成使得在沒有外加磁場時(shí)僅存在從相鄰的轉(zhuǎn)子和定子表面之間的磁流變液體的剪切來的粘性阻尼力或轉(zhuǎn)矩分量。也就是，在零磁場條件下在轉(zhuǎn)子220和定子230之間沒有摩擦轉(zhuǎn)矩分量。
因此，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，通過盡可能減小磁流變液體的空隙尺寸而減少了飽和磁流變液體所需的能量，并增大了假膝的動(dòng)力范圍。在該實(shí)施例中，空隙不是減小得那么多，以致于在零磁場條件下一個(gè)正常的力作用在相鄰的轉(zhuǎn)子和定子表面之間會(huì)產(chǎn)生摩擦。在轉(zhuǎn)子和定子之間不存在摩擦使膝關(guān)節(jié)能自由擺動(dòng)，由此提供更寬的動(dòng)力范圍。值得注意的是，零磁場下的粘性阻尼不會(huì)隨磁場空隙的減小而劇烈增大，因?yàn)榇帕髯円后w存在一個(gè)稱為剪切速率稀釋的特性，在該特性下液體粘度隨剪切速率的增大而減小。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，在相鄰的轉(zhuǎn)子220和定子230之間的磁流變空隙尺寸或?qū)挾葹榧s40微米(μm)或更少。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，在相鄰的轉(zhuǎn)子220和定子230之間的磁流變液體空隙尺寸或?qū)挾忍幵诩s10μm至約100μm的范圍中。在其它優(yōu)選實(shí)施例中，按照需要或希望，該磁流變液體空隙尺寸可以有效地采用其它尺寸和/或構(gòu)型，適當(dāng)考慮提供一個(gè)具有寬的動(dòng)力轉(zhuǎn)矩范圍的能量高效的假膝驅(qū)動(dòng)器210和/或獲得本文說明或提出的一個(gè)或多個(gè)益處和優(yōu)點(diǎn)的目的。
這些優(yōu)選實(shí)施例的電子控制的磁流變驅(qū)動(dòng)的假膝制動(dòng)器提供膝部運(yùn)動(dòng)的高速瞬時(shí)響應(yīng)的控制，但對被截肢者是耐用而負(fù)擔(dān)得起的。這些優(yōu)選實(shí)施例對被截肢者有利地提供改進(jìn)的穩(wěn)定性、步態(tài)平衡性和能量效率或模擬和/或近似地再創(chuàng)造天然膝關(guān)節(jié)的動(dòng)力特性。
在操作期間，按照需要，通過一個(gè)選定的或預(yù)定的電信號、電壓或電流驅(qū)動(dòng)一個(gè)電磁鐵或磁線圈214，來產(chǎn)生一個(gè)基本上垂直地通過多個(gè)轉(zhuǎn)子和定子表面并通過相鄰的轉(zhuǎn)子220和定子230之間的磁流變液體或薄層的有效的可變磁場，以產(chǎn)生一個(gè)可變的阻尼轉(zhuǎn)矩(或轉(zhuǎn)動(dòng)抵抗力)，該阻尼轉(zhuǎn)矩精密而準(zhǔn)確地控制假膝210的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。如上所述，按照一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，該轉(zhuǎn)矩包括一個(gè)摩擦阻尼分量。
理想的是，這些優(yōu)選實(shí)施例的磁流變驅(qū)動(dòng)的假膝210提供一個(gè)快速而精確的響應(yīng)。磁流變微粒形式的物料在幾毫秒內(nèi)響應(yīng)外加磁場，因此便于實(shí)時(shí)控制液體流變和膝部活動(dòng)。這有利于讓病人能夠以一種安全和/或更自然的方式活動(dòng)。
有利的是，該粘性阻尼轉(zhuǎn)矩是通過磁流變液體的剪切作用而產(chǎn)生的。因此，在本發(fā)明的磁流變驅(qū)動(dòng)的假膝210內(nèi)不存在或只有可以忽略不計(jì)的壓力積累或變化。這基本上消除了或減少了液體泄漏和假膝失效的可能性，并因此理想地增加了安全性。而且，不需要使用費(fèi)用高的和/或相對復(fù)雜的部件如壓力軸承之類來提供可靠的密封。
另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，在相鄰的轉(zhuǎn)子220和定子230之間的多個(gè)剪切表面或磁通界面的行為像一個(gè)轉(zhuǎn)矩放大器，并允許粘性轉(zhuǎn)矩水平(和/或擦摩擦轉(zhuǎn)矩)能夠逐級地上升到一個(gè)所要的最大值，而不必使用一個(gè)附加的傳動(dòng)裝置或其它輔助部件。而且，選擇相鄰的轉(zhuǎn)子220和定子230之間的重疊表面面積的靈活性也能夠增大或減小可以獲得的最大粘性轉(zhuǎn)矩(和/或摩擦力)。因此，可以按照需要或希望理想地提供一個(gè)寬的動(dòng)力轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)矩抵抗力范圍，這增加了本發(fā)明的多用性而基本上不增加系統(tǒng)的體積、重量和復(fù)雜性。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，這些優(yōu)選實(shí)施例的假肢驅(qū)動(dòng)器提供一個(gè)約40牛頓-米(N-m)的最大動(dòng)力轉(zhuǎn)矩。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，這些優(yōu)選實(shí)施例的假肢驅(qū)動(dòng)器提供一個(gè)約0.5N-m至約40N-m范圍內(nèi)的動(dòng)力轉(zhuǎn)矩。在又一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，這些優(yōu)選實(shí)施例的假肢驅(qū)動(dòng)器提供一個(gè)約1N-m至約50N-m范圍內(nèi)的動(dòng)力轉(zhuǎn)矩。在其它優(yōu)選實(shí)施例中，按照需要或希望，該假膝驅(qū)動(dòng)器可以有效地提供其它動(dòng)力轉(zhuǎn)矩范圍，適當(dāng)?shù)乜紤]獲得如本文說明或提出的一個(gè)或多個(gè)益處和優(yōu)點(diǎn)的目的。
同樣有利的是，相鄰的轉(zhuǎn)子220和定子230之間的磁流變液體空隙的最佳變薄程度提供一個(gè)較大的最大轉(zhuǎn)矩、一個(gè)較寬的動(dòng)力轉(zhuǎn)矩范圍，并只需要較少的能量消耗，最好為10瓦或更少。這增加了這些優(yōu)選實(shí)施例的磁流變驅(qū)動(dòng)的假體制動(dòng)器210的效率和實(shí)用性，并且也節(jié)約了費(fèi)用，因?yàn)榭梢允褂猛邤?shù)較小的和/或較不復(fù)雜的電源。
雖然本發(fā)明的部件和技術(shù)的描述帶有一定程度的特殊性，但我們明確表示，在上面描述的各種特定設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和方法中可以進(jìn)行許多變化而并不偏離本公開內(nèi)容的精神和范圍。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于本文為了示范而提出的這些實(shí)施例，而僅由對所附權(quán)利要求書的完整理解。所限定的，該權(quán)利要求書包含其每個(gè)部件的等同物的整個(gè)范圍。
權(quán)利要求
1.一種自適應(yīng)地控制病人安裝的假膝的站立姿勢相位的阻尼的方法，包括以下步驟在所述假膝中提供一個(gè)存儲器，所述存儲器具有儲存于其中的在各種尺碼的被截肢者的臨床調(diào)研中建立的傳感數(shù)據(jù)和站立姿勢相位的阻尼之間的相互關(guān)系；利用所述假膝裝置內(nèi)的傳感器測量當(dāng)所述病人站立、行走或跑步時(shí)的瞬時(shí)傳感信息；以及結(jié)合所述相互關(guān)系利用該瞬時(shí)傳感信息來自動(dòng)地調(diào)整適合于所述病人的站立姿勢相位的阻尼，而不需要在所述假膝中對病人的特定信息預(yù)先編制程序。
2.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述相互關(guān)系描述在站立姿勢相位期間膝部行為的特征。
3.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述存儲器還有儲存于其中的生物力學(xué)信息。
4.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述測量瞬時(shí)傳感信息的步驟包括測量軸向力的步驟。
5.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述測量瞬時(shí)傳感信息的步驟包括測量動(dòng)量的步驟。
6.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述測量瞬時(shí)傳感信息的步驟包括測量膝部角度的步驟。
7.一種當(dāng)病人以各種運(yùn)動(dòng)速度行進(jìn)時(shí)自適應(yīng)地控制該病人安裝的假膝的擺動(dòng)相位的阻尼轉(zhuǎn)矩的方法，通過一條假腿連接到所述假膝上的一只假腳的地面接觸時(shí)間指示所述病人的運(yùn)動(dòng)速度，所述方法包括下列步驟當(dāng)所述病人以各種運(yùn)動(dòng)速度行走時(shí)在一個(gè)步態(tài)周期期間內(nèi)連續(xù)測量該接觸地面時(shí)間；將該接觸地面時(shí)間儲存在所述假膝的一個(gè)存儲器內(nèi)的對應(yīng)于所述病人的運(yùn)動(dòng)速度的時(shí)間槽中；反復(fù)調(diào)整用于膝部屈曲的擺動(dòng)相位阻尼，以便獲得一個(gè)目標(biāo)峰值屈曲角度范圍，直到該阻尼收斂在每個(gè)時(shí)間槽中；反復(fù)調(diào)整用于膝部伸展的擺動(dòng)相位阻尼，以控制該伸展的假腿抵抗所述假膝的人造膝蓋的沖擊力，直到流伸展阻尼收斂在每個(gè)時(shí)間槽中；以及利用這些收斂的阻尼值來自動(dòng)控制在所有運(yùn)動(dòng)速度下的擺動(dòng)相位阻尼；
8.權(quán)利要求7的方法，其特征在于，還包括測量膝部角部的步驟。
9.權(quán)利要求7的方法，其特征在于，還包括利用傳感器測量所述沖擊力的步驟。
10.權(quán)利要求7的方法，其特征在于，所述存儲器具有儲存于其中的一個(gè)臨床測定的使所述沖擊力與最佳伸展阻尼有關(guān)的關(guān)系曲線。
11.權(quán)利要求7的方法，其特征在于，還包括在一個(gè)預(yù)先確定的膝部角度范圍內(nèi)調(diào)整膝部伸展阻尼的步驟。
12.權(quán)利要求7的方法，其特征在于，還包括在施加膝部伸展阻尼的膝部角度范圍內(nèi)調(diào)整其角度范圍的步驟。
13.一種在被截肢者的站立姿勢相位期間用于控制膝部阻尼轉(zhuǎn)矩的自適應(yīng)的假膝，包括一個(gè)用于根據(jù)指令信號提供一個(gè)可變的阻尼轉(zhuǎn)矩的可控的膝部驅(qū)動(dòng)器；用于測量當(dāng)所述被截肢者在一個(gè)支承面上行走時(shí)施加在所述假膝上的力和動(dòng)量的傳感器；一個(gè)有一存儲器并適于向所述膝部驅(qū)動(dòng)器傳遞指令信號并接受從所述傳感器來的輸入信號的控制器，所述存儲器具有儲存于其中的在先前的對各種尺碼的病人的臨床調(diào)研中建立的傳感數(shù)據(jù)和站立姿勢相位阻尼之間的關(guān)系曲線；由此，所述控制器結(jié)合所述關(guān)系曲線而使用從所述傳感器來的傳感數(shù)據(jù)，以自適應(yīng)地和自動(dòng)地控制在站立姿勢相位期間由所述膝部驅(qū)動(dòng)器提供的阻尼轉(zhuǎn)矩，而與被截肢者尺碼的任何現(xiàn)有知料無關(guān)。
14.權(quán)利要求13的假膝，其特征在于，所述膝部驅(qū)動(dòng)器包括一個(gè)磁流變制動(dòng)器。
15.權(quán)利要求13的假膝，其特征在于，所述膝部驅(qū)動(dòng)器包括一個(gè)粘性轉(zhuǎn)矩制動(dòng)器。
16.權(quán)利要求13的假膝，其特征在于，所述膝部驅(qū)動(dòng)器包括一個(gè)氣動(dòng)制動(dòng)器。
17.權(quán)利要求13的假膝，其特征在于，所述膝部驅(qū)動(dòng)器包括一個(gè)干摩擦制動(dòng)器。
18.權(quán)利要求13的假膝，其特征在于，所述傳感器包括多個(gè)應(yīng)變儀。
19.權(quán)利要求13的假膝，其特征在于，還包括一個(gè)測量膝部角度的角度傳感電位計(jì)。
20.權(quán)利要求13的假膝，其特征在于，所述存儲器還有儲存于其中的生物力學(xué)信息，以控制阻尼的調(diào)整。
21.權(quán)利要求13的假膝，其特征在于，還包括一個(gè)安全系統(tǒng)，用于當(dāng)所述控制器檢測到一個(gè)系統(tǒng)誤差時(shí)使該假膝處在不履行安全方式中。
22.權(quán)利要求21的假膝，其特征在于，還包括一個(gè)音響警報(bào)發(fā)送器，用來在該不履行安全方式啟動(dòng)之前警告該被截肢者。
23.權(quán)利要求21的假膝，其特征在于，還包括一個(gè)振動(dòng)發(fā)送器，用來在該不履行安全方式啟動(dòng)之前警告該被截肢者。
24.權(quán)利要求13的假膝，其特征在于，還包括一個(gè)安置所述膝部驅(qū)動(dòng)器和所述控制器的框架。
25.一種假體裝置，包括如權(quán)利要求24中所述的假膝；一個(gè)與所述假膝機(jī)械耦合并適于接納被截肢者的殘肢的殘肢窩；一個(gè)與所述假膝機(jī)械耦合的假小腿部分；以及一只與所述假小腿部分機(jī)械耦合的假腳。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于一個(gè)假膝(110)的自動(dòng)適應(yīng)速度和適應(yīng)病人的控制方案和系統(tǒng)。該控制方案和系統(tǒng)利用假膝(110)裝置內(nèi)測到的傳感信息來對一個(gè)在各種各樣運(yùn)動(dòng)行為下的特定的假膝安裝者自動(dòng)地調(diào)整站立姿勢和擺動(dòng)相位的膝部抵抗力。有利的是，不需要由假體安裝師或病人將病人特定信息在假膝(110)中預(yù)先編制程序。一旦病人離開假體安裝師的設(shè)施，該系統(tǒng)(110)能夠自適應(yīng)各種類型的干擾，因?yàn)樵撓到y(tǒng)是自適應(yīng)病人和自適應(yīng)速度的。
文檔編號A61F2/68GK1431888SQ01810401
公開日2003年7月23日 申請日期2001年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月29日
發(fā)明者H·M·赫爾, A·維爾肯菲爾德, O·布勒克 申請人:麻省理工學(xué)院