专利名称：组合的主动和被动式假腿系统及用这种系统执行运动的方法
技术领域：
本发明 一般涉及一种用于组合的主动和被动式假腿系统的方法以及组 合的主动和被动式假腿系统，该假腿系统替代人所丧失的下肢以通过该假腿系统执行步态循环(gait cycle)(迈步)。所述假腿系统具有至少一个 活动关节和驱动该活动关节的驱动单元。更具体地，本发明涉及用于膝关节以上或以下截肢的人的假腿系统。 因而本系统可包括铰接的踝关节或包括铰接的膝关节和铰接的踝关节两者。
背景技术：
上述类型的假腿系统可由具有不同截肢平面/水平的假腿佩戴者进行 调节和使用。人使用其整个身体执行运动。步态循环即两个步子被划分为支承阶段 和摆动阶段。支承阶段就是腿的足部与地面接触的过程，而在摆动阶段期 间足部在空中自由摆动。在行走时， 一条腿向前摆动，髋关节、膝关节和 踝关节弯曲，同时相对侧的手臂向前摆动。同一侧的手臂向后摆动并帮助 增加前向力和促进平衡。当腿的足部接触地面时，脚后跟接触地面，身体 的重量受到支承，并且向前的下降被制动。腿部支承身体并驱动它向前， 直到变成下一条腿将脚后跟放置在地面上。如果一个或多个关节和肌肉丧失，在此为下肢的情况，则会产生不平 衡并消耗更多的能量。丧失的关节越多，截肢平面越高，则执行步态循环 所需的能量越多。步态循环、在此为假腿系统的步态循环可定义为由假腿系统执行的从
将脚后跟》文在地面上到同 一条腿下 一次将脚后跟放在地面上的运动。根据本发明的假腿系统可用于使假肢佩戴者便于实现不同类型的步态 循环，例如变速行走、爬楼梯或下楼梯，或在斜面上行走。对于可从市面上购得的假腿，假腿佩戴者很难或甚至不可能用以执行 特定类型的步态循环。目前所出售的假腿系统是完全被动式的，即除了假肢佩戴者的动能之 外没有外部能量提供给假肢。被动式的假肢只能对运动进行锁止、阻抑和 减速。对于根据现有技术的好的被动式假腿系统，假肢佩戴者可处理大多 数的日常情况，如坐下、站立、平地行走以及下楼梯和下坡。然而，可由^f叚肢佩戴者提供给被动式假腿系统的能量在大多数情况下 不足以执行更多的消耗能量的步态循环，例如从坐姿站起、快速加速或爬 楼梯或陡坡。另 一个问题是要确保地面间隙以降低跌畔的风险。主动式假腿系统的制造和开发最近才开始，即假肢包括马达和电源/ 动力源。通过供电/供给动力，假腿系统可帮助假肢佩戴者执行特定的步态 循环，例如爬楼梯。根据现有技术的选择用来在主动式假腿系统中供电的技术已导致问题 的出现，例如在使假腿系统的活动关节运动时的高的运动惯性。在执行步 态循环时所有的部件都需要被驱动，并且假腿系统中的能量消耗很高。因此，需要对现有技术和当前市场上出售的许多假腿进行改进。发明内容本发明的目的是提供一种能以简单有效的方式消除上迷问题之一的假腿系统。本发明的另 一个目的是提供一种利用假腿系统更好地执行步态循环的 方法。从以下说明中可清楚看到的上述目的和其它目的通过根据权利要求所 述的装置和方法来实现。根据本发明的假腿系统包括至少一个可在被主动驱动或被动制动之间
切换的活动关节。此外，所述假腿系统包括用于控制活动关节中的主动单元和被动单元的控制系统。多个设置在假腿系统中的转换器(transducer) 和传感器向控制系统提供输入数据，而一电源/动力源向控制系统、马达和 转换器提供动力。
根据本发明的包括控制系统、电源和转换器的假腿系统可具有包括主 动单元和被动单元的踝关节和/或包括主动单元和被动单元的膝关节。
戴者。每个假腿系统可以但非必须包括一个共用的或两个分离的或连通/ 通信的控制系统。
根据本发明的一个方面，提供了 一种组合的主动和被动式假腿系统， 以替代人所丧失的下肢而通过该假腿系统执行步态循环。该假腿系统包括单元。此外，主动驱动单元可与活动关节断开驱动关系。通过断开主动驱 动单元，可在活动关节中实现低的运动惯性。于是由佩戴者的身体产生的 自然摆动运动中的前向力足以使所述关节运动。当所述关节与驱动断开时， 可根据需要制动该关节的运动。由被动制动单元执行的对活动关节的制动 在制动力方面可变，并且可从关节的完全不制动(自由摆动)变化到完全 制动(锁止)。关节的主动驱动和被动制动之间的交互作用为假肢佩戴者 提供了更好地执行步态循环的可能性。可沿两个方向运转的主动驱动单元 使得可沿两个方向执行关节的运动，此外，可断开主动驱动以执行关节的 自由运动，该自由运动可由,皮动制动单元控制。主动和^皮动运动是步态形 式的正常自然的部分，这意味着具有这些可能性的系统更易于模拟人体执 行运动的节能方式。
优选地，假腿系统的主动驱动单元在步态循环的一部分的过程中与活 动关节断开驱动关系。例如，主动驱动单元可在摆动和支承阶段过程中都 断开。
优选地，当主动驱动单元与关节断开时，被动制动单元对关节的运动 起作用。通过在主动驱动单元断开时使用被动制动单元，可模拟人体执行
运动的节能方式。优选地，根据本发明的假腿系统还包括适于控制活动关节的主动驱动 单元的控制系统。该控制系统可控制主动驱动单元的方向、力和速度。该 控制系统还可只在假腿系统需要额外的能量供给的时刻激活驱动。优选地，才艮据本发明的控制系统还适于控制活动关节的^ 皮动制动单元。 控制系统可用于将制动力从关节的完全不制动(自由摆动)调节到完全制 动(锁止)。如果控制系统控制主动驱动单元和被动制动单元两者，则可 实现许多优点，这是由于根据本发明的假腿系统可利用主动驱动单元和被 动制动单元两者的特性，还可利用在驱动和制动活动关节之间切换的可能 性。优选地，假腿系统包括活动的膝关节和活动的踝关节两者。缺少膝关腿系统。优选地，膝关节和踝关节各自都设有可断开的主动驱动单元和一被动 制动单元，以及共用的控制系统，从而以同步的方式控制膝关节和踝关节 的运动。在双截肢的情况下，可以但非必须使用两个分离的或连通的控制 系统。以这种方式构成的假腿系统可将主动和被动技术用于膝关节和踝关 节两者。不仅与完全被动式的假肢相比，而且与包括主动的膝关节或膝关 节和踝关节但不用共用的控制系统进行协调的主动式假肢相比，除了控制 系统协调膝关节和踝关节的运动以外，还可实现大量改进。优选地，根据本发明的假腿系统包括用于所述控制系统的输入数据的 转换器。输入数据可例如从按键、转换器、传感器(速度、位置、角度、 压力)、神经传感器等发送至系统。优选地，通过在步态循环过程中在相关的主动驱动单元和被动制动单 元之间切换来实现膝关节和踝关节的运动。根据本发明的具有活动的膝关节和踝关节的假腿系统，每一个关节中 的主动驱动单元的方向、力和速度以及被动制动单元的制动力可独立于另
一个关节地由当前的控制系统控制，从而确保该假腿系统的优化且协调的 运动。控制系统可使用来自整个假腿系统的信息，例如在要控制踝关节时使 用来自膝关节的信息，反之亦然。根据本发明的 一个方面，提供了 一种用组合的主动和被动式假腿系统 执行步态循环的方法，其中所述假腿系统替代人所缺失的下肢。所述假腿 系统包括至少一个活动关节和向该活动关节提供动力并驱动该活动关节的 主动驱动单元。此外，主动驱动单元可在步态循环的一部分的过程中与活 动关节断开驱动关系。通过断开主动驱动单元，例如，可在行走时的摆动 阶段使用自然的摆动运动。这样，无需调节驱动单元来完成与自由摆动等 同的运动。于是由于在假肢的整个使用过程期间不致动驱动单元，可使主 动驱动单元优化而用于驱动，并确保节能。优选地，所述方法包括，当主动驱动单元与关节断开时，使用根据本 发明的假腿系统的被动制动单元来制动关节的运动。当断开主动驱动单元 并连接被动制动单元时，假肢可在相应关节的由佩戴者身体所产生的前向 力的作用下自由运动，或者所述关节的运动可被制动。优选地，所述方法包括通过根据本发明的假腿系统的控制系统来控制 活动关节的驱动单元和/或制动单元。通过使用控制系统，可在正确的时刻 或根据外部环境断开驱动和/或致动被动制动单元。假腿系统的制动是有利 地与系统的驱动进行协调以获得良好结果的特性。优选地，所述方法包括从假腿系统的转换器向控制系统提供输入数据。 输入数据例如可从按键、转换器、传感器(记录速度、位置、角度、压力)、 神经传感器等发送。所述方法优选地包括以同步的方式控制假腿系统的膝关节和踝关节的 运动。膝关节和踝关节各自都具有可断开的主动驱动单元和一被动制动单 元，以及共用的控制系统。在具有膝关节和踝关节两者的假腿中，由于两 个关节所共用的控制系统可协调膝关节和踝关节的运动，因此对于^f叚肢佩 戴者而言可获得更好的(运动)可能性。优选地，通过在步态循环过程中在相关的驱动单元和制动单元之间切 换来实现膝关节和踝关节的运动。优选地，所述方法包括独立地或以互相通信的方式控制适于双腿截肢 的假肢佩戴者的假腿系统的至少两个活动关节的运动。控制系统可使用来自整个假腿系统的信息，例如在要控制踝关节时使 用来自膝关节的信息，反之亦然。所述方法优选地包括在步态循环中分别驱动和制动膝关节和踝关节。
现在将参照附图对本发明作更详细的说明，在附图中图1是根据本发明的假腿系统的透视图，图2示出在平表面上的步态循环的支承阶段，图3示出在平表面上的步态循环的摆动阶段，图4示出爬楼梯时的步态循环的支承阶段，虛线表示被动/刚性足的相 应的步态循环，图5示出爬楼梯时的步态循环的摆动阶段，图6示出下楼梯时的步态循环的支承阶段和摆动阶段，图7示出爬坡时的步态循环的支承阶段，图8示出爬坡时的步态循环的摆动阶段，图9示出下坡时的步态循环的支承阶段，图IO是处于主动伸直位置的膝部的侧剖视图，图11是处于被动制动位置的膝部的侧剖视图，图12是根据本发明的处于主动位置的足部的側剖视图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的具有膝关节2和踝关节3两者的假腿系统1以 及用假腿系统执行步态循环的方法。假肢佩戴者可利用包腿套窝13将该假 肢附装到被截肢的腿上。此外，套窝13以适当的方式附装到活动膝关节2页上，并且该膝关节通过互连元件12等连接到踝关节3。义足14附装在踝 关节3上并可绕踝关节3转动。可包括在假腿系统中的附加部件有减震器、 角度可调接合件等。大多数腿被截肢的人丧失了他们在膝关节以下的腿部。本假腿系统和/发明也可用于只具有踝关节或只具有膝关节的假肢。所述假腿系统和/或方假肢系统的^f艮肢佩戴者使用。可使用一个共用的或两个分离的和/或连通的 控制装置。图2示出在平表面上的步态循环的支承阶段。当将脚后跟放在该表面 上时，图2.1， j叚肢佩戴者的身体重量作用在假腿系统上。然后膝关节允许 弯曲并且足部是足底弯曲的，图2.2,即足面(foot blade )移动离开小腿。 身体重量和肌肉力量帮助膝关节和踝关节伸直成居中站立，图2.3。在图 2.4中，足面^L压缩并且在图2.5中能量返回。当执行该运动时，从图2.1 至图2.5，假腿系统是完全被动的，踝关节和膝关节均被动地制动。所述关 节借助于身体重量和来自残余下肢的肌肉力量而转动。对于步态中的额外 动力，例如当较快地行走时，足部中的主动驱动单元可用于图2.6中的位 置以进行推离。图3示出步态循环中的摆动阶段。图3.1对应于图2.6并且当摆动阶段 开始时，图3.3，踝关节的主动部分执行背侧弯曲，即足面朝向小腿运动。 该背侧弯曲的发生为假肢佩戴者提供了地面间隙，即防止跌绊的足部和地 面之间的安全距离。被动式足部不进行从图3.2至图3.3的背侧弯曲，但足 面的该运动是需要某种驱动的。膝关节通过使用由佩戴者身体产生的前向 力而执行摆动运动，并且,皮动式制动控制该运动。当执行该运动时，从背 侧弯曲后的图3.3至图3.5,假腿系统是完全被动的，踝关节和膝关节均被 动地制动。为了向该步提供额外的力，例如当较快地行走时，膝关节中的 主动驱动单元可用在图3.4中的位置以伸直膝关节并更快地向前移动小腿。为了爬楼梯或爬坡，如图4、 5、 7和8所示，重要的是膝关节和踝关
节协作/配合。在爬的过程中需要更多的能量，这意味着踝关节和膝关节两 者的协同的主动驱动可有利地帮助执行该运动。当下楼梯或下坡时，如图6和9所示，膝关节和踝关节两者的被动制 动相互协作。图4至6示出爬楼梯的过程。图4示出爬楼梯时的支承阶段。在图4.1 中，足部位于台阶上并实现平衡。然后根据本发明的假腿系统和/或方法的 使用向上推动々支肢佩戴者，图4.2，而成居中站立，图4.3。控制系统使得 膝关节和踝关节可协作。膝关节中的主动驱动单元努力伸直膝关节，同时 踝关节中的主动驱动单元将足的前部朝地面下压，图4.2。这样，踝关节有 助于伸直膝关节，从而降低了能量消耗。图4与主动式膝关节相结合地用虚线示出被动式足部的结果。被动式 足部具有更高的膝关节位置且步态比其所需的更高，并且使用者使其自身 在台阶上上升更加困难且需要更多的能量。被动式足部在台阶上的接触点 相比于可执行背侧弯曲的足部而言前移，这也导致身体的中心必须前移。 实线示出使用根据本发明的假腿如何执行爬楼梯的动作。图5示出爬楼梯时的摆动阶段。同样在该情况下，使用膝关节和踝关 节中的主动驱动单元。为了防止假肢佩戴者在爬楼梯时在摆动阶段内其足 部碰到台阶并被畔倒，重要的是膝关节和踝关节产生到楼梯的安全距离。曲的驱动来实现，图5.1。然后根据本发明的假腿系统产生与楼梯之间的安 全距离，并且还产生用于定位下一步态的良好的起始位置。图5用虚线示 出完全被动式系统的结果。膝关节不使足部弯曲离开，并且足部撞到楼梯上。图6示出下楼梯。此处膝关节和踝关节两者主要都是被动的。图6.1 至图6.3的运动通过膝关节和踝关节中的^L动制动单元制动身体的下降。 虚线示出无法执行背侧弯曲的被动式足部的结果。主动驱动单元能可选地 用于在摆动阶段帮助伸直膝关节和踝关节。图7至9示出在非常陡的表面上行走。于是根据本发明的假腿系统以 与爬楼梯时相同的方式起作用。膝关节和踝关节的角度是爬楼梯区别于在 非常陡的表面上行走的唯一不同之处。当在稍微倾斜的表面上行走时，该 行走更加类似于在平地上行走。图4、 5、 7和8示出需要利用更多能量的普通情况。通过使假腿系统 1与假肢佩戴者的身体和现存的下肢协作，可模拟人体的节能方式来执行 运动。为了使能量消耗最小，下肢内的所有关节都允许进行协作，并且假 肢佩戴者的残肢可与假腿系统中的至少一个活动关节协作。假腿系统应当通过根据本发明的假腿系统1和/或方法，膝关节或踝关节的可分离的 主动驱动单元4、 4'使得所述系统和方法可使用主动和被动式操作的组合。 控制系统15可选择执行运动的最佳方法。膝关节2可以是主动式的，同时 踝关节是被动式的，反之亦然。例如，膝关节2在摆动阶段中可仅使用被 动制动单元2执行摆动运动，同时踝关节3使用其主动驱动单元实现足部 的背侧弯曲以产生额外的地面间隙。图10和11是例如可包括在假腿系统1中的膝关节的侧剖视图。套窝 13连接到活动的膝关节2，膝关节2又通过连杆臂10连接到液压活塞9。 图11示出当膝关节成角度时活塞9是如何移动的。图IO示出处于主动状 态的、具有驱动单元4、制动单元5和控制系统15的根据本发明的膝关节 2。在该实施例中，制动单元5涉及向关节的运动提供制动/阻抑的液压油 的节流。电池ll经由一马达(未示出)驱动驱动单元4的液压泵6，并驱 动用于操作制动单元5的阀8的马达(未示出)。电池ll还驱动假腿系统 1的控制系统15以及转换器和传感器(未示出)。控制系统15又控制驱 动单元4和制动单元5并接收来自转换器和传感器的输入数据；此外控制 系统15协调膝关节2和踝关节3的运动。为了致动驱动单元4，根据图10，起动液压泵6，在泵6的一侧上的 压力增大，并且通过邻近弹簧17敞开的管道之一，阀锥7被压向一侧且驱 动单元的管道系统将与活塞9所工作的缸体16连通，从而泵6沿一个或另 一个方向致动活塞9。当主动驱动单元4被致动时，；陂动制动单元5中的 阀8应完全关闭以便使用液压泵6的最大效率。主动驱动单元可沿两个方 向驱动膝关节2，即朝向伸直膝关节的方向和弯曲膝关节的方向。在图10 中，主动驱动单元用于伸直膝关节2。当活塞9在缸体16中移动时，其作 用于连杆臂IO，连杆臂10又作用于膝关节2以执行运动。除上面所述的 以外，可替换的驱动类型和马达也可用于该假腿系统。根据图11,通过关闭液压泵6，驱动单元4被断开。压力降低并且弹 簧17将阀锥7压回到其非工作位置，即阀锥7关闭通向驱动单元4的管道。 当驱动单元4断开时，制动单元5被致动。膝关节2的运动通过连杆臂10 致动活塞9，缸体16中的液压油净皮压过制动单元5的阀8，并且制动/阻抑 的程度可通过改变阀8的开度来调节。所述制动在制动力方面可变并且可 从膝关节2的完全不制动(自由摆动)变化到完全制动(锁止)。根据图12的具有踝关节3的足部14示出为处于其主动状态并且与根 据图lO和ll的膝关节类似地起作用。为了致动驱动单元，起动液压泵6'， 在泵6，的一侧上的压力增大，并且通过邻近弹簧17，敞开的管道之一，阀 锥7，被压向一侧且驱动单元的管道系统将与活塞9，所工作的缸体16，连通。 这样，泵6，沿一个或另一个方向致动活塞9，。当主动驱动单元4^皮致动时， 被动制动单元5，中的阀8，应完全关闭以使Z使用液压泵6，的最大效率。活塞 9，致动连杆臂10，，连杆臂IO，又致动踝关节3以执行足部14相对于互连元 件12的运动。驱动单元4，通过关闭泵6，而被断开。压力降低并且弹簧17， 将阀锥7，压回到其非工作位置，即阀锥7，关闭通向驱动单元4，的管道。然 后图12中的制动单元5，被致动；在正常工作条件下，液压泵6，随后被关 闭。处于i^动状态的踝关节3的运动通过连杆臂10，致动活塞9'，缸体16， 中的液压油净皮压过制动单元5，的阀8，，并且制动力可通过改变阀8，的开度 来调节。所述制动在制动力方面可变并且可从踝关节3的完全不制动(自 由摆动)变化到完全制动(锁止)。如果假腿系统1仅包括根据本发明的义足3，例如截肢平面在膝关节 以下，则义足仍需要电池11，和控制单元15，，那么它们例如可围绕互连元
件布置或设置在包腿套窝上。不用说，本发明不应当被认为限制于在上文中所述和在附图中所示的 实施例以及所述的变型和替换形式，而是在所附权利要求的范围内能以各 种方式进行其它修改。
权利要求
1.一种假腿系统(1)，用于替代人所丧失的下肢以通过该假腿系统(1)执行步态循环，所述假腿系统(1)包括至少一个活动关节(2，3)和驱动所述活动关节的驱动单元(4，4’)，其特征在于，所述驱动单元(4，4’)可与所述活动关节(2，3)断开驱动关系。
2. 如权利要求1所述的假腿系统(1)，其特征在于，所述驱动单 元(4, 4，)在所述步态循环的一部分的过程中断开与所述活动关节(2， 3) 的驱动关系。
3. 如权利要求1或2所述的假腿系统(1),其特征在于，当所述 驱动单元(4， 4，)与所述关节断开时，制动单元(5, 5，)对所述关节(2, 3)的运动起作用。
4. 如权利要求3所述的假腿系统(1)，其特征在于，该假腿系统 还包括适于控制所述活动关节(2， 3 )的驱动单元(4， 4，)的控制系统(15 )。
5. 如权利要求4所述的假腿系统(1)，其特征在于，所述控制系 统(15)还适于控制所述活动关节(2, 3)的制动单元(5， 5，)。
6. 如前述权利要求中任一项所述的假腿系统(1)，其特征在于， 该假腿系统包括活动的膝关节(2)和活动的踝关节(3)两者。
7. 如权利要求6所述的假腿系统(1),其特征在于，所述膝关节 (2)和踝关节(3)各自都设有可断开的驱动单元(4， 4，)和一制动单元 (5， 5，)，以及共用的控制系统(15)，以便以同步的方式控制所述膝关节(2)和踝关节(3)的运动。
8. 如权利要求4、 5和7中任一项所述的假腿系统(1)，其特征在 于，该假腿系统包括用于所述控制系统(15)的输入数据的转换器。
9. 如权利要求7或8所述的假腿系统(1)，其特征在于，所述膝 关节(2 )和踝关节(3 )通过在步态循环过程中在相关的驱动单元(4， 4，) 和制动单元(5， 5，)之间切换而实现运动。
10. —种通过假腿系统(l)执行步态循环的方法，所述假腿系统(l)替代人所丧失的下肢，并且该假腿系统包括至少一个活动关节(2, 3)和 驱动单元(4, 4，)，所述方法包括-通过所述驱动单元驱动所迷活动关节，所述方法的特征在于，-在所述步态循环的一部分的过程中断开所述驱动单元(4, 4，)与所 述活动关节的驱动关系。
11. 如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述假腿系统(l)的 所述至少一个活动关节包括制动单元(5, 5，)，用于-在所述驱动单元(4， 4，)与所述关节断开时制动所述关节(2， 3) 的运动。
12. 如权利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述假腿系统(1) 还包括控制系统(15),用于-控制所述活动关节(2， 3)的驱动单元(4， 4，)。
13. 如斥又利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述控制系统(15 ) 还适于-控制所述活动关节(2, 3)的制动单元(5， 5，)。
14. 如4又利要求12或13所述的方法，其特征在于，该方法包括-从所迷假腿系统(1)的转换器向所述控制系统(15)提供输入数 据。
15. 如权利要求11-14中任一项所述的方法，其特征在于，所述假腿 系统(1)设有活动的膝关节(2)和活动的踝关节(3)两者。
16. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述膝关节(2)和踝 关节(3)各自都设有可断开的驱动单元(4, 4，)和一制动单元(5， 5，)， 以及共用的控制系统(15)，用于-以同步的方式控制所述膝关节(2)和踝关节(3)的运动。
17. 如权利要求16所述的方法，其特征在于，该方法包括-在步态循环过程中分别驱动和制动所述膝关节(2 )和踝关节(3 )。
全文摘要
本发明涉及一种组合的主动和被动式假腿系统，以及用这种假腿系统(1)执行步态循环的方法，所述假腿系统(1)用于替代人所丧失的下肢以通过该假腿系统(1)和/或方法执行步态循环。所述假腿系统(1)具有至少一个活动关节(2，3)、驱动该活动关节的可断开的主动驱动单元(4，4’)以及在驱动单元(4，4’)断开时制动活动关节(2，3)的被动制动单元。
文档编号A61F2/68GK101163457SQ200680013232
公开日2008年4月16日 申请日期2006年4月18日 优先权日2005年4月19日
发明者利萨·格拉姆奈斯 申请人:利萨·格拉姆奈斯