用于控制人造矯形器或假肢膝關(guān)節(jié)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種用于控制人造矯形器或假肢膝關(guān)節(jié)的方法，小腿組件被布置在所 述人造矯形器或假肢膝關(guān)節(jié)上并且阻力裝置被配屬于所述人造矯形器或假肢膝關(guān)節(jié)，在所 述阻力裝置中，屈曲阻力根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)被改變，所述傳感器數(shù)據(jù)在所述矯形器或假肢膝 關(guān)節(jié)的使用過程中通過至少一個(gè)傳感器被求取。
【背景技術(shù)】
[0002] 假肢或矯形器膝關(guān)節(jié)代替或者支持天然膝關(guān)節(jié)的功能。為了達(dá)到所述人造膝關(guān)節(jié) 盡可能最佳的功能性，市場(chǎng)上存在眾多結(jié)構(gòu)，運(yùn)些結(jié)構(gòu)影響膝關(guān)節(jié)在站立階段和邁步階段 過程中的表現(xiàn)。已知機(jī)電膝關(guān)節(jié)，在運(yùn)些機(jī)電膝關(guān)節(jié)中，運(yùn)動(dòng)情況通過多個(gè)不同傳感器來檢 測(cè)并且阻力裝置基于傳感器數(shù)據(jù)被控制，屈曲阻力或伸展阻力通過所述阻力裝置變化。根 本問題在于，可能的運(yùn)動(dòng)情況的龐大數(shù)量很難歸納成簡(jiǎn)單的規(guī)則。因此，采用所謂的狀態(tài)機(jī) 器控制致動(dòng)器和制動(dòng)器，所述狀態(tài)機(jī)器極為復(fù)雜并構(gòu)成很多不同的活動(dòng)。運(yùn)里的缺點(diǎn)在于 長(zhǎng)的研發(fā)時(shí)間和昂貴構(gòu)件的使用。
[0003] 文獻(xiàn)EP 1 237 513 Bl設(shè)及一種代替肢體的存在或功能的由至少兩個(gè)通過人造關(guān) 節(jié)彼此連接的部件和控制裝置組成的支持裝置。所述支持裝置包括傳感器，所述傳感器檢 測(cè)參照與所述關(guān)節(jié)連接的部件的重力線的傾斜角度并且與所述控制裝置禪合。所述控制裝 置運(yùn)樣地布置，從而使得它基于由所述傳感器傳送的傾斜角度數(shù)據(jù)影響所述關(guān)節(jié)。在一種 設(shè)計(jì)方案中，所述傾斜角度傳感器作為假肢膝關(guān)節(jié)被布置在管腿上，為了補(bǔ)充數(shù)據(jù)情況，可 在小腿上布置第二傳感器。
[0004] 文獻(xiàn)DE 10 2008 027 639 Al設(shè)及一種用于支持組織膝關(guān)節(jié)的矯形器關(guān)節(jié)，具有 關(guān)節(jié)上部和關(guān)節(jié)下部，所述關(guān)節(jié)上部和所述關(guān)節(jié)下部可彎曲地彼此連接。設(shè)置用于所述矯 形器關(guān)節(jié)在任意位置自動(dòng)解鎖和鎖定的封閉元件，同樣設(shè)置用于所述封閉元件的操縱元件 和用于檢測(cè)所述解鎖和鎖定用的相關(guān)信息的傳感器器件。同樣設(shè)有用于分析處理已檢測(cè)的 信息和用于將運(yùn)些信息傳送至用于所述操縱元件的控制和/或調(diào)節(jié)單元的分析處理單元。 所述傳感器器件具有來自傾斜傳感器、轉(zhuǎn)動(dòng)角傳感器、加速度傳感器或巧螺儀組的至少兩 個(gè)傳感器用于感應(yīng)信息，所述至少兩個(gè)傳感器描述人的運(yùn)動(dòng)和/或靜止?fàn)顟B(tài)?？蒞選擇同類 的兩個(gè)傳感器或者不同類型的各一個(gè)傳感器。運(yùn)些傳感器被布置在組織關(guān)節(jié)、尤其是膝關(guān) 節(jié)下游。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的任務(wù)在于，提供一種用于控制人造矯形器或假肢膝關(guān)節(jié)的方法，借助該 方法能夠使用少的控制成本達(dá)到可靠的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明，該任務(wù)通過具有獨(dú)立權(quán)利要求特征的方法得W解決。本發(fā)明有利的 設(shè)計(jì)方案和改進(jìn)方案在從屬權(quán)利要求、說明書W及附圖中公開。
[0007] 所述用于控制人造矯形器或假肢膝關(guān)節(jié)的方法，小腿組件被布置在所述人造矯形 器或假肢膝關(guān)節(jié)上并且阻力裝置被配屬于所述人造矯形器或假肢膝關(guān)節(jié)，在所述阻力裝置 中，屈曲阻力根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)被改變，所述傳感器數(shù)據(jù)在所述矯形器或假肢膝關(guān)節(jié)的使用 過程中通過至少一個(gè)傳感器被求取，設(shè)置的是，所述小腿組件的線性加速度被求取到，并 且，在超過所述小腿組件線性加速度的臨界值時(shí)，所述屈曲阻力被改變(尤其是被減少）。借 助所介紹的方法，可W僅通過簡(jiǎn)單的傳感器實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)(所述膝關(guān)節(jié)被理解成不僅矯形器 膝關(guān)節(jié)而且假肢膝關(guān)節(jié)）的控制，而無須進(jìn)行昂貴和易受影響的力測(cè)量。通過運(yùn)種方式，尤 其是DMS應(yīng)用程式的使用變得多余。
[0008] 本發(fā)明的一改進(jìn)方案設(shè)置，假肢或矯形器的伸展的步態(tài)位置借助假肢或矯形器膝 關(guān)節(jié)被求取，并且，當(dāng)存在所述伸展的步態(tài)位置時(shí)，所述屈曲阻力被減少。當(dāng)所述膝角度為 0°或者所述膝關(guān)節(jié)稍屈曲時(shí)（即具有在±5°范圍內(nèi)的屈曲角度時(shí)），存在所述伸展的步態(tài)位 置。如果存在所述伸展的步態(tài)位置，可認(rèn)為，所述膝關(guān)節(jié)的使用者處于站立末期（起步階 段），從而能夠進(jìn)行阻力減少。
[0009] 為了探測(cè)到站立末期，還能夠求取所述小腿組件的絕對(duì)角度，并且，在超過針對(duì)所 述小腿組件的絕對(duì)角度預(yù)先求取到的臨界值時(shí)，減少所述屈曲阻力。通過所述小腿組件相 對(duì)于豎直線的傾斜角度，可推導(dǎo)出有關(guān)步態(tài)中各階段的說服力十足的論斷，從而使得所述 絕對(duì)角度是改變(尤其是減少)所述屈曲阻力用的良好指示。
[0010] 所述小腿組件的絕對(duì)角度能夠由大腿組件的絕對(duì)角度和已知的（譬如測(cè)得的）膝 角度求取到，或者直接借助慣性角度傳感器被測(cè)量，所述慣性角度傳感器被固定在所述小 腿組件上。
[0011] 此外可設(shè)置，所述膝角度還通過膝角度傳感器被求取，并且，當(dāng)超過膝角度臨界值 時(shí)，屈曲阻力被減少，因?yàn)樗鱿ソ嵌仍试S有關(guān)腿或假肢的伸展?fàn)顟B(tài)進(jìn)而有關(guān)步態(tài)周期內(nèi) 相應(yīng)階段的結(jié)論。所述膝角度也能夠由大腿和小腿的慣性角度被求取。
[0012] 如果存在多個(gè)特征參量(譬如，超過小腿組件絕對(duì)角度的臨界值、低于膝角度臨界 值、和低于小腿組件加速度的臨界值），則能夠W較高可靠性地認(rèn)為，所述屈曲阻力應(yīng)被改 變(尤其是被減少），W實(shí)現(xiàn)邁步階段激活。借助所介紹的方法，可W僅通過簡(jiǎn)單的傳感器實(shí) 現(xiàn)膝關(guān)節(jié)的可靠控制。
[0013] 大多數(shù)微處理器控制的假肢和矯形器系統(tǒng)采用借助應(yīng)變儀的力和力矩測(cè)量用W 控制，其中，從站立階段中高屈曲阻力進(jìn)入邁步階段中低屈曲阻力的切換(并且反之亦然） 是膝關(guān)節(jié)安全的決定性方面。運(yùn)種切換也被稱為邁步階段激活（Schwungphasen-化eischal化ng)。除了算出腳踩高度中的彎曲力矩或者算出膝力矩，為了激活邁步階段，必 須超過由應(yīng)變儀算出的值的闊值。此外，通常只有從一定的向前傾斜開始才實(shí)現(xiàn)邁步階段 激活，從而使得W小步伐的行走變得困難。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的方法設(shè)置，僅使用膝角度傳感器和慣性傳感器用于膝關(guān)節(jié)的控制， 從所述膝角度傳感器和慣性傳感器的數(shù)據(jù)能夠算出必要的參量或輔助參量。通過所述慣性 傳感器求取到所述小腿組件的絕對(duì)角度，即所述小腿組件縱向延伸相對(duì)于豎直線的傾斜。 所述絕對(duì)角度必須超過最小參量，W探測(cè)所述小腿組件的向前傾斜，即在向前行走方向上 的傾斜。只有從向前傾斜的一定角度開始才能認(rèn)為，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行向前方向上的步伐。通過膝角 度傳感器求取到膝角度。如果低于膝角度的臨界值，則運(yùn)是一個(gè)信號(hào)，表示用戶處于站立末 期（terminale Stan化base)，從而展現(xiàn)所述邁步階段的激活進(jìn)而所述屈曲阻力的減少。此 夕h所述小腿組件的加速度被求取。如果低于加速度臨界值，則可認(rèn)為，足組件(譬如足板或 假肢足）仍處于地面上，從而確保病人處于步態(tài)的站立末期和從而能夠進(jìn)行屈曲阻力的減 少。
[0015] 本發(fā)明的一改進(jìn)方案設(shè)置，膝角速度被求取，并且，只有當(dāng)超過膝角速度臨界值 時(shí)，所述屈曲阻力才被減少。應(yīng)存在最小膝角速度，因?yàn)榉駝t可能存在如下站立情況:在所 述站立情況中，可能所述屈曲阻力的減少是不被期望的。通過小的或相對(duì)小的膝角速度附 加地確保病人處于向前運(yùn)動(dòng)時(shí)站立末期。
[0016] 能夠計(jì)算出或者通過傳感器(譬如由巧螺儀的傳感器數(shù)據(jù))檢測(cè)出所述小腿組件 的角速度。將所述角速度的計(jì)算出或檢測(cè)出的值與臨界值進(jìn)行比較，并且，只有當(dāng)所述角速 度低于臨界值時(shí)，所述屈曲阻力才被減少。
[0017] 有利地確定或者測(cè)得所述小腿組件在足底水平上的線性加速度并且將其用作控 制基礎(chǔ)，足底水平上的加速度由W下參量得出：加速度傳感器位置上(譬如在膝關(guān)節(jié)軸線W 下）的線性加速度，所述小腿組件的角度加速度(作為巧螺儀信號(hào)的一階導(dǎo)數(shù)），W及加速度 傳感器相對(duì)于足上(譬如前足上)參考位置的位置矢量。通過足底水平的線性加速度得出有 關(guān)足(或者說足部分)與地面之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)接觸條件、或者有關(guān)運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)的論斷，并且能夠 求取到病人處于步態(tài)的哪個(gè)階段。如果沒有或者僅有很小的線性加速度，則足仍處于站立 階段，所述足也被理解為假肢足或矯形器的足部，如果此外不再發(fā)生任何豎直加速度，則結(jié) 束安放階段，從而能夠通過線性加速度得出有關(guān)腿的定向和定位的論斷。由加速度也能夠 求取到相應(yīng)的速度，所述相應(yīng)的速度同樣能夠W相應(yīng)的方式和方法用于控制。
[0018]本發(fā)明的一改進(jìn)方案設(shè)置，當(dāng)所述小腿組件存在過伸(Hyperextension)時(shí)，所述 屈曲阻力被減少，即，過伸是那些被用作用于改變屈曲阻力的控制方法的基礎(chǔ)參