可控被動(dòng)人工膝部的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及人工下體假肢及矯正系統(tǒng)：更具體地，涉及外骨骼膝部，其能夠用于多 種矯正應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的膝踝足矯形器（KAFO)用于增加患者在負(fù)重行走階段期間的穩(wěn)定性。傳統(tǒng) 的KAFO將膝部鎖定為完全伸展，這提供了穩(wěn)定性。這種鎖定的姿勢(shì)導(dǎo)致患者的步行能力具 有步態(tài)偏差，這會(huì)導(dǎo)致過度使用性損傷。姿態(tài)控制矯形器（SCO)允許膝部在步態(tài)周期的擺 動(dòng)期期間屈曲，并且在支撐期期間為了穩(wěn)定性而防止膝部屈曲。通過允許膝部在擺動(dòng)期期 間彎曲，SCO允許更加自然的步態(tài)，這可以減少來自步態(tài)補(bǔ)償?shù)亩诓l(fā)癥，并且允許患者 用較少的力氣行走。存在一些姿態(tài)控制矯形器（現(xiàn)有技術(shù)）。
[0003] Fillauer開發(fā)了一種重力致動(dòng)的膝部關(guān)節(jié)鎖定系統(tǒng)，以用于其擺動(dòng)期鎖定（SPL) 矯形器（美國專利20030153854)。擺動(dòng)期鎖定使用被安裝在大腿連接件（該構(gòu)件與使用者 的大腿一致地移動(dòng)）上的簡單的內(nèi)部擺機(jī)構(gòu)。隨著大腿連接件移動(dòng)，擺的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)相對(duì)于 大腿連接件鎖定和解鎖小腿連接件（該構(gòu)件與使用者的小腿一致地移動(dòng)）。這允許膝部關(guān) 節(jié)針對(duì)步行周期的適當(dāng)階段鎖定和解鎖。
[0004] 自由行走矯形器（由Ottobock所售）和UTX矯形器（由Becker所售）基于所述 原則工作。在支撐結(jié)束時(shí)，足部的背屈拉動(dòng)在膝部關(guān)節(jié)處被連接到鎖定機(jī)構(gòu)的可控線纜。該 拉動(dòng)動(dòng)作釋放鎖定機(jī)構(gòu)，以用于擺動(dòng)。當(dāng)膝部被完全伸展時(shí)，鎖定機(jī)構(gòu)彈性負(fù)載并且鎖定膝 部。
[0005] 感應(yīng)行走（由Ottobock制造）在膝部關(guān)節(jié)處使用繞簧，以用于鎖定和解鎖膝部。 此矯形器包括兩套傳感器，其一個(gè)在膝部處用以測(cè)量膝部角度且另一個(gè)在踏板處用以測(cè) 量足部和地板之間的力；替代外側(cè)膝部關(guān)節(jié)的繞簧離合器，其用以提供制動(dòng)能力來支撐解 剖學(xué)的膝部關(guān)節(jié)；微處理器控制的釋放器，其用于制動(dòng)；電子電路；以及裝在腰包中的電池 組。在支撐期的后期，當(dāng)重量已被轉(zhuǎn)移到對(duì)側(cè)并且為單體支撐做好準(zhǔn)備時(shí)，踏板中的傳感器 釋放繞簧離合器并且允許膝關(guān)節(jié)彎曲。膝部傳感器檢測(cè)足趾離地后膝關(guān)節(jié)的伸展并且發(fā)送 信號(hào)到微處理器，以將繞簧離合器置于它的鎖定位置。
[0006] Horton姿態(tài)控制矯形器（美國6635024和美國200220169402)包括在推動(dòng)桿的幫 助下鎖定和解鎖膝部的鎖定機(jī)構(gòu)。該推動(dòng)桿被置于足跟和膝部之間。推動(dòng)桿在足跟著地時(shí) 鎖定膝部并且在支撐期結(jié)束時(shí)解鎖膝部。該裝置將膝部鎖定為任意角度。
[0007] 發(fā)明公開
[0008] 本發(fā)明涉及外骨骼系統(tǒng)，其至少包括具有可控阻力矩的外骨骼膝部。特別地，本發(fā) 明在此描述外骨骼膝部和它在多種外骨骼系統(tǒng)中的應(yīng)用，其中兩個(gè)表面之間的摩擦力被用 來阻礙在步行周期的不同階段中膝部的屈曲和伸展運(yùn)動(dòng)。通過控制兩個(gè)表面之間的摩擦 力，可以在某部分移動(dòng)周期期間提供用于外骨骼膝部的任意阻力矩。在外骨骼膝部處產(chǎn)生 阻礙力矩會(huì)減小佩帶者在他/她的膝部處需要提供的力矩。另外，外骨骼膝部會(huì)在大部分 支撐期期間去除佩戴者膝部的負(fù)荷。在此描述的外骨骼膝部不僅可以獨(dú)立地佩戴在佩戴者 的膝部上，也可與髖部、踝部或足部協(xié)作。這為多種醫(yī)療、民用和軍事應(yīng)用中的外骨骼膝部 的使用提供了很大的靈活性。
【附圖說明】
[0009] 圖1描述本發(fā)明的外骨骼的實(shí)施方式；
[0010] 圖2描述外骨骼的實(shí)施方式，其中為了清晰起見移除了梏具；
[0011] 圖3是圖2的外骨骼的爆炸圖；
[0012] 圖4是描述繞簧接合到大腿連接件的爆炸圖；
[0013] 圖5描述圖4的組裝的接合；
[0014] 圖6示出本發(fā)明的實(shí)施方式和它的控制器；
[0015] 圖7描述大腿連接件或使用者的大腿相對(duì)于垂直重力線的絕對(duì)角度；
[0016] 圖8描述使用者相對(duì)于垂直重力線的絕對(duì)大腿角度；
[0017] 圖9示出預(yù)定的最大和最小大腿角度；
[0018] 圖10示出阻力矩分布的實(shí)施方式；
[0019] 圖11示出阻力矩分布的實(shí)施方式；
[0020] 圖12示出與外骨骼控制有關(guān)的有限狀態(tài)機(jī)；
[0021] 圖13示出在下樓梯期間使用者相對(duì)于垂直重力線的大腿角度；
[0022] 圖14示出在下樓梯期間的阻力矩分布；
[0023] 圖15示出在上樓梯期間使用者相對(duì)于垂直重力線的絕對(duì)大腿角度；
[0024] 圖16示出進(jìn)一步包括第一踝足矯形器的本發(fā)明的實(shí)施方式；
[0025] 圖17示出進(jìn)一步包括第二踝足矯形器的本發(fā)明的實(shí)施方式；
[0026] 圖18示出進(jìn)一步包括第三踝足矯形器的本發(fā)明的實(shí)施方式；
[0027] 圖19示出進(jìn)一步包括第四踝足矯形器的本發(fā)明的實(shí)施方式；
[0028] 圖20示出進(jìn)一步包括外骨骼主體的本發(fā)明的實(shí)施方式；
[0029] 圖21示出其他外骨骼主體的實(shí)施方式；
[0030] 圖22示出進(jìn)一步包括含有圖16的踝足矯形器的外骨骼主體的本發(fā)明的實(shí)施方 式；
[0031] 圖23示出進(jìn)一步包括含有圖17的踝足矯形器的外骨骼主體的本發(fā)明的實(shí)施方 式；
[0032] 圖24示出進(jìn)一步包括含有圖18的踝足矯形器的外骨骼主體的本發(fā)明的實(shí)施方 式；
[0033] 圖25示出進(jìn)一步包括含有圖19的踝足矯形器的外骨骼主體的本發(fā)明的實(shí)施方 式；
[0034] 圖26示出本發(fā)明的實(shí)施方式，其中繞簧不受致動(dòng)器約束并且沿著方向135自由移 動(dòng)；
[0035] 圖27示出本發(fā)明的實(shí)施方式，其中繞簧不受致動(dòng)器約束并且沿著方向135自由移 動(dòng)；以及
[0036] 圖28示出與外骨骼控制有關(guān)的有限狀態(tài)機(jī)的其他實(shí)施方式。
[0037] 實(shí)施本發(fā)明的方式
[0038] 圖1示出外骨骼100的實(shí)施方式，其被接合到使用者101。外骨骼100包括大腿 連接件102、小腿連接件104以及膝部關(guān)節(jié)106,該膝部關(guān)節(jié)106被配置為允許大腿連接件 102和小腿連接件104之間沿著膝部軸線108的屈曲和伸展旋轉(zhuǎn)。伸展旋轉(zhuǎn)表示在小腿連 接件104和大腿連接件102遠(yuǎn)離彼此移動(dòng)時(shí)小腿連接件104和大腿連接件102的運(yùn)動(dòng)。箭 頭175示出小腿連接件104相對(duì)于大腿連接件102的伸展運(yùn)動(dòng)的方向。屈曲旋轉(zhuǎn)表示在小 腿連接件104和大腿連接件102靠近彼此移動(dòng)時(shí)小腿連接件104和大腿連接件102的運(yùn)動(dòng)。 在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，外骨骼100進(jìn)一步包括允許接合到使用者的大腿155的大腿 連接器150。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，外骨骼100進(jìn)一步包括允許接合到使用者的小 腿154的小腿連接器152。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，大腿連接器150和小腿連接器152 包括梏具。雖然在圖1中梏具被用于示范小腿連接件104和大腿連接件102接合到使用者 的大腿155和小腿154,但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會(huì)理解的是，可以采用導(dǎo)致小腿連接件 104和大腿連接件102與使用者的小腿154和使用者的大腿155 -致的移動(dòng)的許多方法和 裝置，通過小腿和大腿梏具接合只是導(dǎo)致一致的運(yùn)動(dòng)的一種方法。
[0039] 圖2示出外骨骼100的實(shí)施方式，其中為了清晰起見移除了梏具150和152。圖3 是圖2的外骨骼100的爆炸圖，其中為了清晰起見移除了梏具。外骨骼100進(jìn)一步包括繞 簧110,其中繞簧110的第一端部112被接合到大腿連接件102?？梢酝ㄟ^多種機(jī)械方法實(shí) 現(xiàn)這種接合，然而，以下在圖4和圖5的幫助下描述這種接合的實(shí)施方式。通過盤體115和 蓋體122促進(jìn)了繞簧110接合到大腿連接件102。圖4示出蓋體122、盤體115和繞簧110 的其他視圖。繞簧110的第一端部112被連接到蓋體122。繞簧110被纏繞在盤體115周 圍。盤體115繼而通過穿過孔113的四個(gè)緊固件（未顯示）被固定到蓋體122。定位螺釘 142繼而被用于保證繞簧110不會(huì)相對(duì)于盤體115旋轉(zhuǎn)。蓋體122通過穿過一組孔130和 131 (分別地顯示在圖3和4中）的緊固件（未顯示）被接合到大腿連接件102。這種方法 將繞簧110的第一端部112固定到大腿連接件102。此外，外骨骼100包括被接合到小腿連 接件104的柱體114。柱體114大致位于繞簧110內(nèi)部，它的主軸線大致平行于繞簧110的 主軸線。外骨骼100進(jìn)一步包括至少一個(gè)電子致動(dòng)器116,其能夠定位繞簧110的第二端部 118。當(dāng)被組裝時(shí)，第二端部118延伸穿過致動(dòng)器166的桿133中的孔132,并且被保持在其 中。雖然在此實(shí)施方式中致動(dòng)器116允許桿133沿著箭頭135和136直線運(yùn)動(dòng)，但是應(yīng)該 理解的是，可以使用多種致動(dòng)器來控制繞簧110的第二端部118的位置。外骨骼100進(jìn)一 步包括能夠控制電子致動(dòng)器116的控制器120。在操作中，控制器120致使電子致動(dòng)器116 定位繞簧110的第二端部118,以在柱體114的圓柱形表面126和繞簧110的內(nèi)表面134之 間提供任意壓力。該壓力造成柱體114和繞簧110之間的阻力矩。因此，可以通過控制繞 簧110的第二端部118來控制大腿連接件102和小腿連接件104之間的阻力矩。隨著第二 端部118在致動(dòng)器116的幫助下沿著箭頭136移動(dòng)，大腿連接件102和小腿連接件104之 間的阻力矩增加。隨著第二端部118在致動(dòng)器116的幫助下沿著箭頭135移動(dòng)，大腿連接 件102和小腿連按件104之間的阻力矩減小。
[0040] 圖1至圖5示出外骨骼100的實(shí)施方式，其中通過使用兩個(gè)摩擦表面之間的摩擦 力來產(chǎn)生可控阻力矩。如圖3中最佳所