经股的假肢系统和用于操作该系统的方法

专利名称：经股的假肢系统和用于操作该系统的方法
经股的假肢系统和用于操作该系统的方法
相关申请
本申请要求2008年3月24日提交的申请号为61/039，055的美国临时申请的权 益，是2006年2月15日提交的申请号为11/355，047的美国专利申请的部分继续申请(代 理人案号0SSUR. 061A)，该申请分别要求2005年2月16日和2005年5月10日提交的申请 号为60/653，717和60/679，953的美国临时申请的优先权，并且是2005年2月11日提交的 申请号为11/056，344的美国专利申请的部分继续申请(代理人案号0SSUR. 053A)，该申请 分别要求2004年2月12日和2004年7月15日提交的申请号为60/544，259和60/588，232 的美国临时申请的优先权。上述申请中的每一件都通过引用其全部内容而并入本文并且应 该被认为是本说明书的一部分。技术领域
本发明主要涉及假肢和矫形肢体，并且另外涉及用于配置、同步和优化病人携带 的假肢和矫形装置的自适应控制系统的系统和方法。
背景技术：
全世界数以百万计的个人依赖于假肢和/或矫形装置以弥补残疾例如截肢或衰 竭并帮助恢复受伤肢体。矫形装置包括用于身体可移动部分的支撑、对齐、阻止、保护、矫正 畸形或功能改善的外用装置。假肢装置包括用作缺失的身体部分例如手臂或腿的人造替代 品的装置。
随着个人平均寿命的延长以及衰竭性疾病例如糖尿病的流行，残疾人和截肢患者 的数量每年都在增长。因此，对于假肢和矫形装置的需求也在增加。常规的矫形器经常被 用于支撑关节例如个人的脚踝或膝盖，并且矫形器的动作通常完全取决于使用者的能量消 耗。某些常规的假肢装有人工移动关节而与截肢患者没有任何交互的基本控制器并且只能 够进行基本动作。这样的基本控制器没有考虑工作环境的动态条件。这些常规的假肢和矫 形装置的被动性通常会导致动作的不稳定性、残疾人或截肢患者身体上的高能量、步态的 偏差以及其他短期和长期的负面效果。对于腿部的矫形器和假肢来说更是如此。
例如连接至人肢体的假肢和矫形装置也已从电子技术的进步当中获益。电控的假 肢或矫形装置，通常可以被称作“机电式”装置，例如假肢脚踝或膝盖，能够为装有这种系统 的病人提供更加安全和更为自然的动作。但是，电子技术的进步看起来已经超越了控制系 统的进步。因此，用于假肢系统的控制系统能够从智能结构中受益。
而且，用于假肢和矫形系统的电子控制系统的发展形成了对于同步由单个病人佩 戴的多个装置例如假肢膝盖和假肢脚踝的系统和方法的需求。彼此独立地操作多个控制系 统可能就无法给病人提供稳定、协调的动作。另外，多个假肢装置的独立结构也可能是不方 便的。因此，希望能有在这样的控制系统之间进行配置、通信和同步的系统和方法。而且， 希望能有在这样的控制系统中增加、替换或扩充软件部分的系统和方法。发明内容
因此，本发明的一个实施方式包括独立驱动并模仿健康肢体的自然动作并且特别 是模仿健康脚踝动作的假肢或矫形系统。本发明的另一个实施方式包括管理假肢或矫形系 统动作以帮助残疾人或截肢患者移动的传感器系统和控制系统。
本发明的一个实施方式包括与肢体动作相关联的系统。在一个实施方式中，该系 统包括足部单元；具有上端和下端的连接元件，其中下端被枢轴连接至足部单元的第一位 置；以及有效连接至足部单元和连接元件的致动器，其中致动器被设置用于主动调节连接 元件和足部单元之间的角度。例如，足部单元可以是假肢或矫形装置。
本发明的另一个实施方式包括用于模仿脚踝自然动作的假肢系统。在一个实施方 式中，该假肢系统包括假肢足部；连接至假肢足部第一位置的枢轴组件，其中第一位置靠近 假肢足部的自然脚踝位置；沿胫骨方向延伸的下肢元件，下肢元件具有上端和下端，其中下 肢元件的下端被有效连接至枢轴组件；以及有效连接至假肢足部和下肢元件的致动器，其 中致动器被设置用于围绕枢轴组件主动调节下肢元件和假肢足部之间的角度。
本发明的一个实施方式包括用于控制与肢体动作相关联装置的方法。在一个实施 方式中，该方法包括用至少一个传感器监测与肢体相连的可致动装置的动作；生成指示所 述动作的数据；用处理模块来处理数据以确定可致动装置当前的运动状态；并根据确定的 运动状态来调节可致动装置，其中所述调节包括充分地模仿健康脚踝的动作。例如，可致动 装置可以是假肢或矫形器。
本发明的另一个实施方式包括用于控制假肢脚踝装置的方法。在一个实施方式 中，该方法包括用至少一个传感器监测可致动假肢脚踝装置的动作，其中至少一个传感器 生成指示假肢脚踝装置动作的数据；用控制模块来接收和处理数据以确定可致动假肢脚踝 装置当前的运动状态；根据确定的运动状态用控制模块输出至少一种控制信号；并至少根 据控制信号来调节可致动假肢脚踝装置，其中所述调节包括充分地模仿健康脚踝的动作。
在一个实施方式中，提供的假肢或矫形系统具有脚踝动作受控的足部。该假肢或 矫形系统当中包括下肢元件、致动器和足部单元。致动器被设置用于通过调节下肢元件和 足部单元之间的角度来模仿脚踝的动作。该假肢或矫形系统还包括帮助将下肢元件连接至 另一个假肢或矫形元件、连接至截肢患者的残肢或者连接至另一部件的连接部分。该假肢 或矫形系统还可以包括可再充电电池以为系统的致动器或系统的其他部件供电。本发明的 实施方式包括了用于经胫(transtibial)截肢患者和经股(transfemoral)截肢患者的系 统。
在本发明的另一个实施方式中，假肢或矫形系统包括用于获取假肢或矫形装置的 位置和移动信息的传感器系统。该信息可以被实时处理以预测假肢或矫形装置的合理动作 并因此调节假肢或矫形装置。
在本发明的一个实施方式中，提供的系统结构具有传感器模块、中央处理单元、存 储器、外部接口、控制驱动模块、致动器和脚踝装置。该系统结构可以通过外部接口从外部 来源例如使用者或电子装置接收指令和/或数据。
在一个实施方式中，也可以提供控制系统来管理矫形器或假肢的动作。在一个实 施方式中，控制系统管理致动器例如螺杆电机的动作。这样的动作控制可供使用者在上斜 面、下斜面或楼梯上完成动作。在一个实施方式中，控制系统可以被设置用于通过传感器监6测健康肢体的动作并利用测量值来控制假肢或矫形器的动作。控制系统还可以管理矫形器 或假肢的致动器或其他部分的阻尼。
在一个实施方式中，提供了用于控制假肢或矫形装置致动的方法。该方法包括在 可致动的假肢或矫形装置上提供一个或多个传感器。从传感器接收的数据被处理并用于确 定假肢装置当前的运动状态。处理单元利用至少一部分从传感器接收的数据，随后预测假 肢或矫形装置的动作。在一个实施方式中，提供假肢脚踝以模仿健康脚踝的动作。一个或 多个传感器可以包括例如陀螺仪和/或加速计。在本发明的另一个实施方式中，除非是使 用者的运动类型被处理单元确定为具有高于预定阈值的安全问题，否则不会对可致动假肢 或矫形装置进行调节。
在另一个实施方式中，提供了用于识别矫形或假肢装置动作的方法。该方法包括 在装置移动时从安置在矫形或假肢装置上的一个或多个传感器接收数据。根据通过传感器 接收的数据生成波形。通过将该波形与用于特定动作类型的已知波形相关联来识别矫形或 假肢装置的具体动作。例如，已知波形可以由使用者输入或者从外部装置或系统中下载。波 形可以被存储在假肢或矫形装置的存储器内。
在另一个实施方式中，提供了用于致动脚踝辅助装置的方法。通过提供计算机控 制以提供装置第一和第二部分之间的相对动作来致动该装置。在一个实施方式中，该装置 是矫形器。在另一个实施方式中，该装置是假肢。在一个实施方式中，计算机控制预测装置 的后续动作。在另一个实施方式中，计算机控制从接收关于环境变量和/或假肢或矫形装 置动作或位置信息的至少一个传感器模块接收输入。在另一个实施方式中，计算机控制从 接收关于健康肢体动作或位置信息的至少一个传感器模块接收输入。
本发明的一个实施方式包括被设置用于连接至肢体的装置。该装置包括第一部分 和第二部分，第一和第二部分相对于彼此可移动以模仿自然的人体关节。该装置还包括将 第一和第二部分连接在一起并且被设置用于调节第一和第二部分之间角度的致动器。致动 器包括有效连接至定子的转子以及被设置用于旋转转子的电机，其中致动器在步态循环的 所需阶段期间被选择性地锁定。
本发明的另一个实施方式包括被设置用于连接至肢体的装置。该装置包括第一部 分和第二部分，第一和第二部分相对于彼此可移动以模仿自然的人体关节。该装置还包括 将第一和第二部分连接在一起并且被设置用于调节第一和第二部分之间角度的致动器。致 动器包括有效连接至定子的转子以及被设置用于旋转转子的电机。该装置还包括用于使对 转子的摩擦最小化的装置。
本发明的又一个实施方式包括被设置用于连接至肢体的装置。该装置包括第一部 分和第二部分，第一和第二部分相对于彼此可移动以模仿自然的人体关节。该装置还包括 将第一和第二部分连接在一起并且被设置用于调节第一和第二部分之间角度的致动器。致 动器包括有效连接至定子的转子以及被设置用于旋转转子的电机，其中电机被围绕转子设置。
本发明的另一个实施方式包括被设置用于连接至肢体的假肢装置。该装置包括假 肢足部和连接至假肢足部的枢轴组件，枢轴组件模仿自然的人体脚踝关节。该装置还包括 具有上端和下端的支撑元件，其中支撑元件下端被有效连接至枢轴组件。假肢装置还包括 有效连接至假肢足部和支撑元件的致动器，致动器被设置用于围绕枢轴组件调节支撑元件和假肢足部之间的角度，其中致动器在假肢足部步态循环的所需阶段期间被选择性锁定。
在又一个实施方式中，提供的致动器包括围绕致动器主轴延伸的狭长元件。致动 器还包括可旋转地连接至狭长元件的转子和有效连接至转子的定子。至少一块磁铁被设置 在转子和定子之间，磁铁被设置用于在转子和定子之间施加磁力。致动器还包括被设置用 于相对于狭长元件转动转子的电机，其中至少一块磁铁被设置用于最小化转子和定子之间 的摩擦。
在本发明的另一个实施方式中，提供的致动器包括围绕致动器主轴延伸的狭长元 件。致动器还包括可旋转地连接至狭长元件的转子和有效连接至转子的定子。滚珠轴承被 设置在转子和定子之间。致动器还包括被设置用于相对于狭长元件转动转子的电机，其中 滚珠轴承被设置用于最小化转子和定子之间的摩擦。
在本发明的又一个实施方式中，提供的致动器包括围绕致动器主轴延伸的狭长元 件。转子被可旋转地连接至狭长元件且定子被有效连接至转子。致动器还包括围绕转子设 置并且被设置用于相对于狭长元件转动转子的电机。
在另一个实施方式中，提供的致动器包括围绕致动器主轴延伸的狭长元件。致动 器还包括可旋转地连接至狭长元件的转子、围绕转子设置的护圈以及有效连接至转子的定 子。电机被设置用于相对于狭长元件转动转子，其中转子和护圈选择性地啮合以阻止转子 转动。
在另一个实施方式中，提供了操作连接至肢体的假肢装置的方法。该方法包括提 供被设置用于连接至肢体的假肢装置，该装置模仿自然的人体关节并具有第一部分和第二 部分，两部分可以相对于彼此绕关节移动。该方法还包括提供连接至第一部分和第二部分 的致动器，调节第一部分和第二部分之间的角度并在步态循环的所需阶段期间选择性地锁 定致动器。
在又一个实施方式中，提供了操作连接至肢体的假肢装置的方法。该方法包括提 供被设置用于连接至肢体的假肢装置，该装置模仿自然的人体关节并具有第一部分和第二 部分，两部分可以相对于彼此绕关节移动。该方法还包括提供连接至第一部分和第二部分 的致动器，调节第一部分和第二部分之间的角度并在步态循环的所需阶段期间主动地使对 致动器转子的摩擦最小化。
在另一个实施方式中，公开了用于测量下肢假肢装置的转动动作的系统。该系统 包括假肢足部以及具有上端和下端的连接元件。该系统还包括将连接元件下端可旋转地连 接至假肢足部以允许假肢足部围绕延伸穿过枢轴组件的旋转轴转动的枢轴组件，其中枢轴 组件被设置用于充分地模仿自然的脚踝关节。该系统进一步包括连接至枢轴组件并且被设 置用于检测假肢足部围绕旋转轴转动的传感器组件，其中至少一部分传感器组件被设置用 于围绕旋转轴转动并且被沿着旋转轴固定设置以充分消除其他动作。
在另一个实施方式中，公开了用于测量与肢体相连装置的转动动作的系统。该系 统包括足部单元以及具有上端和下端的连接元件。该系统还包括将连接元件下端可旋转地 连接至足部单元以允许足部单元围绕延伸穿过枢轴组件的轴线转动的枢轴组件，其中枢轴 组件被设置用于充分地模仿自然的脚踝关节。该系统进一步包括连接至枢轴组件并且被设 置用于检测足部单元围绕轴线的转动以及充分忽略足部单元相对于轴线的轴向和径向移 动的传感器组件。8
在另一个实施方式中，公开了用于测量与下肢相连装置的转动动作的系统。该系 统包括用于接触地面的足部装置以及用于将足部装置连接至病人的装置。该系统还包括用 于将足部装置可转动地连接至用于连接的装置下端的装置以允许足部装置围绕延伸穿过 可转动连接装置的轴线转动的装置，其中用于可转动连接的装置充分地模仿脚踝关节。该 系统进一步包括连接到用于可转动连接的装置用于测量的装置，用于测量的装置进一步被 设置用于检测足部装置围绕轴线的转动，并且被设置以大致忽略足部装置相对于轴线的轴 向和径向移动。
在另一个实施方式中，公开的假肢系统模仿处于放松位置的自然脚踝动作。该假 肢系统包括假肢脚踝关节，由足部单元和可移动地连接至足部单元以模拟自然人体脚踝关 节的上部元件构成。该系统进一步包括被设置用于自动调节假肢脚踝关节状态的控制器， 其中控制器被设置用于在接收到指示使用者的移动至放松位置的数据之后将假肢脚踝关 节自动地调节至放松状态。
在另一个实施方式中，公开了用于模仿处于放松位置的脚踝自然动作的假肢系 统。该假肢系统包括假肢足部。该假肢系统进一步包括连接至假肢足部第一位置的枢轴组 件，其中第一位置靠近假肢足部的自然脚踝位置。该假肢系统进一步包括沿胫骨方向延伸 的下肢元件，下肢元件具有上端和下端，其中下肢元件的下端被有效连接至枢轴组件。该假 肢系统进一步包括连接至假肢足部和下肢元件的致动器，其中致动器被设置用于围绕枢轴 组件调节下肢元件和假肢足部之间的角度。该假肢系统进一步包括被设置用于检测假肢系 统使用者位置的至少一个传感器。该假肢系统进一步包括被设置用于操作致动器的控制 器。关于上述的假肢系统，至少一个传感器被设置用于将指示使用者何时处于放松位置的 数据传输至控制器，所述放松位置由使用者将假肢系统设置在相对于地面的确定角度范围 内达到确定的时间量并且假肢系统具有的加速度小于最大阈值来确定，并且其中控制器被 设置用于操作致动器以促使假肢足部和下肢组件之间的角度围绕枢轴组件增加以使得假 肢足部相对于下肢组件变得更加脚底弯曲。
在另一个实施方式中，公开了用于调节假肢脚踝装置的方法。该方法包括用至少 一个传感器监测假肢脚踝装置使用者的动作。该方法进一步包括生成指示动作的数据。该 方法进一步包括用处理模块处理数据以确定使用者是否处于放松位置。该方法进一步包括 基于使用者是否处于放松位置来调节假肢脚踝装置，其中调节假肢脚踝装置包括自动调节 假肢脚踝装置的可设置元件。
在另一个实施方式中，公开了用于调节假肢脚踝装置的方法，假肢脚踝装置包括 假肢足部和围绕自然人体脚踝关节可移动地连接在某一位置的肢体元件。该方法包括用至 少一个传感器测量假肢脚踝装置相对于地面的角度以及装置的加速度。该方法进一步包括 确定假肢脚踝装置相对于地面的角度是否落在确定的角度范围内。该方法进一步包括确定 装置的加速度是否高于或低于阈值加速度。该方法进一步包括在确定了脚踝装置相对于地 面的角度落在确定的角度范围内之后以及在确定了装置的加速度高于或低于阈值加速度 之后将假肢足部和肢体元件之间的角度调节为脚底弯曲或脚背弯曲结构。
在另一个实施方式中，公开了用于操作由使用者佩戴的假肢脚踝的方法。该方法 包括提供由足部单元和下肢元件构成的假肢脚踝，足部单元和下肢元件被设置用于围绕自 然人体脚踝的某一位置转动。该方法进一步包括在使用者用假肢脚踝移动时检测表面的上倾斜或下倾斜。该方法进一步包括根据检测到的上倾斜或下倾斜调节足部单元和下肢元件 之间的角度。
在另一个实施方式中，公开了用于操作由使用者佩戴的假肢脚踝的方法。该方法 包括提供由足部单元和下肢元件构成的假肢脚踝，足部单元和下肢元件被设置用于围绕自 然人体脚踝的某一位置转动。该方法进一步包括测量使用者用假肢脚踝移动时所处的地形 变量。该方法进一步包括根据测量的地形变量来调节足部单元和下肢元件之间的角度。
在另一个实施方式中，公开了用于操作由使用者佩戴的假肢脚踝的方法。该方法 包括提供由足部单元和下肢元件构成的假肢脚踝，足部单元和下肢元件被设置用于围绕自 然人体脚踝的某一位置转动。该方法进一步包括测量使用者用假肢脚踝移动时所处表面的 表面角。该方法进一步包括计算用于在表面上移动的足部单元和下肢元件之间的所需角 度，其中计算至少部分地基于测得的表面角进行。该方法进一步包括将足部单元和下肢元 件之间的角度调节为所需角度。
一个实施方式是用于控制人的肢体动作的系统。该系统可以包括多个机电装置。 多个机电装置中的每一个都与多个机电装置中的至少另外一个相通信。至少一个机电装置 控制致动器。在一个这样的实施方式中，多个机电装置中的至少一个被设置用于根据通信 数据生成用于多个机电装置中的至少另外一个的控制状态。在一个实施方式中，通信数据 被用于同步机电装置。在一个实施方式中，每一个机电装置都包括人工关节。在一个实施 方式中，多个机电装置中的至少一个包括假肢膝盖并且机电装置中的至少一个包括假肢脚 躁。
另一个实施方式是机电装置，用于控制人肢体与至少另一个机电装置的协同动 作。该机电装置包括被设置用于与至少另一个机电装置进行数据通信的通信接口，被设置 用于获得指示肢体的至少一个动作参数数值的传感器；被设置用于影响机电装置的至少一 个动作参数的致动器，以及被设置用于根据接收的通信数据和至少一个动作参数值来激活 致动器的处理器。在一个实施方式中，通信数据可以包括从传感器获得的参数值。在另一 个实施方式中，通信数据可以包括从其他机电装置接收到的状态机数据。而在另一个实施 方式中，通信数据可以包括从其他机电装置接收到的结构数据。
另一个实施方式是机电装置，用于控制人肢体与至少另一个机电装置的协同动 作。该机电装置包括被设置用于与至少另一个机电装置进行数据通信的通信接口，以及被 设置用于生成至少另一个机电装置的控制状态的处理器。该处理器进一步被设置用于通过 通信接口进行与控制状态有关的数据通信。机电装置进一步包括由处理器控制的致动器以 实现人的肢体动作。在另一个实施方式中，通信数据可以包括在由处理器执行时被设置用 于影响控制状态选择的软件。在一个实施方式中，通信数据包括由其他机电装置的至少一 个传感器获得的数据。在一个实施方式中，通信数据包括由其他机电装置的至少一个传感 器获得的结构数据。在一个实施方式中，处理器被进一步设置用于根据控制状态来确定至 少一个致动器控制指令，并且在其中通信数据包括至少一个致动器控制指令。
另一个实施方式是将第一机电装置与第二机电装置同步的方法。该方法包括从第 二机电装置到第一机电装置进行数据通信。该方法进一步包括响应于接收到的数据生成控 制状态。该方法进一步包括至少部分地根据控制状态来控制第二机电装置上的致动器。在 一个实施方式中，该方法进一步包括响应于控制状态生成指令以控制第二机电装置的致动器。在一个实施方式中，该方法进一步包括响应于通信数据生成指令以控制第一机电装置 的致动器。在一个实施方式中，接收到的数据包括从第二机电装置接收的传感器数据。在 另一个实施方式中，接收到的数据包括至少一部分指示控制状态的信息。而在另一个实施 方式中，接收到的数据包括计算机软件并且至少部分地通过运行计算机软件来实现控制状 态。
另一个实施方式是用于控制与肢体相连的装置动作的系统。该系统包括机电装 置。该系统进一步包括与人肢体相连的给机电装置提供动作参数数据的传感器。机电装置 利用动作参数数据进行同步。在一个实施方式中，传感器接收来自人体神经系统的信号。在 一个实施方式中，传感器接收来自与测量肢体相连的传感器的信号。在一个实施方式中，动 作参数数据被用于与另一个机电装置同步。在一个这样的实施方式中，另一个机电装置给 该机电装置提供动作参数数据。
一个实施方式是用于将计算装置与和肢体相连的装置同步的方法。该方法包括在 机电系统和计算装置之间进行数据通信，将数据存储在计算装置中，响应于数据而在机电 系统中生成控制状态，并至少部分地根据控制状态来控制第二机电系统中的致动器。
另一个实施方式是连接至人体的机电系统。该装置包括被设置用于提供指示人体 动作的数据的传感器。致动器被设置用于控制至少一部分人体的动作。处理器被设置用于 执行指令，指令被设置用于根据传感器数据来控制致动器。通信接口被设置用于和数据源 进行数据通信。处理器被进一步设置用于从数据源接收至少一部分指令。在一个实施方式 中，机电系统可以在两个或多个机电装置中包括分离的处理、测量、致动和通信。
在一个实施方式中，提供了能够模仿健康腿部步态(gait)的经股的假肢 (transfemoral prosthetic)装置。该经股的假肢装置具有足部单元以及具备上端和下端 的胫骨元件。胫骨元件的下端被可转动地连接至足部单元上的某一位置。第一致动器被 有效连接至足部单元和胫骨元件，并且被设置用于主动调节胫骨元件和足部单元之间的角 度。经股的假肢装置还具有具备上端和下端的股骨元件。股骨元件的下端被可转动地连接 至胫骨元件的上端。第二致动器被有效连接至胫骨元件和股骨元件，并且被设置用于主动 调节股骨元件和胫骨元件之间的角度。
在另一个实施方式中，提供了控制经股的假肢装置的方法。该方法包括用至少一 个传感器来监测经股的假肢装置的位置和动作中的至少一个，其中该装置包括足部单元， 可转动地连接至足部单元的胫骨元件，有效连接至足部单元和胫骨元件的第一致动器，可 转动地连接至胫骨元件的股骨元件，以及有效连接至胫骨元件和股骨元件的第二致动器。 第一致动器被设置用于调节足部单元和胫骨元件之间的角度，而第二致动器被设置用于调 节胫骨元件和股骨元件之间的膝盖角度。该方法还包括生成指示位置和动作中的至少一个 的数据并用处理模块处理数据以确定步态循环的阶段。另外，该方法包括在迈步阶段期间 致动第一致动器以用充分模仿健康脚踝动作的方式来相对于胫骨元件移动足部单元，并在 迈步阶段期间致动第二致动器以用充分模仿连接至健康脚踝关节的健康膝关节动作的方 式来相对于股骨元件移动胫骨元件。
在另一个实施方式中，提供了用于控制经股的假肢装置的方法。该方法包括在至 少一个步态循环内用至少一个传感器来监测与肢体相连的经股的装置的位置和动作中的 至少一个，其中该装置包括足部单元、可转动地连接至足部单元的胫骨元件、有效连接至足部单元和胫骨元件的第一致动器、可转动地连接至胫骨元件的股骨元件以及有效连接至胫 骨元件和股骨元件的第二致动器。第一致动器被设置用于调节足部单元和胫骨元件之间的 角度，而第二致动器被设置用于调节胫骨元件和股骨元件之间的膝盖角度。该方法进一步 包括在至少一个步态循环内生成指示位置和动作中的至少一个的数据并用处理模块处理 数据以确定数据是否对应于多种地形中的一种，其中确定多种地形的信息被储存在装置的 存储器内。该方法进一步包括确定对应于确定地形的脚踝角度调节值和膝盖角度调节值， 并根据对应于确定地形而确定的脚踝角度调节值和膝盖角度调节值来调节装置。调节包括 致动第一致动器以用充分模仿健康脚踝动作的方式来相对于足部单元移动胫骨元件。脚踝 角度调节值被应用于后续步态循环的迈步阶段，直到检测出从确定地形到不同地形的状态 转换为止。调节进一步包括致动第二致动器以用充分模仿连接至健康脚踝的健康膝盖动作 的方式来相对于胫骨元件移动股骨元件。
在又一个实施方式中，提供了使用动作受控的脚踝装置和经股的假肢装置来模仿 自然的经股的步态的方法。该方法包括选择与健康腿部长度基本相同的经股的装置并将动 作受控的脚踝装置连接至经股的假肢装置，其中动作受控的脚踝装置能够通过在迈步期间 提供脚趾间隙来模仿健康脚踝的动作。该方法进一步包括基本上无需调节正常的健康行走 所需的髋部动作即可用经股的假肢装置行走。
在又一个实施方式中，提供了使用动作受控的脚踝装置和经股的假肢装置来模仿 自然的经股的步态的方法。该方法包括选择与健康腿部长度基本相同的经股的装置，将动 作受控的脚踝装置连接至经股的假肢装置，其中动作受控的脚踝装置能够通过调节至不同 地形来模仿健康脚踝的动作，并且基本上无需调节正常的健康行走所需的髋部动作即可用 经股的假肢装置行走。
而在另一个实施方式中，提供了用于经股的使用者的假肢系统。该系统包括假肢 膝盖装置以及被设置用于在迈步期间抬高假肢膝盖装置的脚趾部分的假肢脚踝装置。该系 统可以进一步包括单个控制器以致动假肢膝盖装置和假肢脚踝装置。附加地和/或可选 地，假肢脚踝装置可以被进一步设置用于优化假肢膝盖装置的功能。
在另一个实施方式中，提供了优化假肢装置用于另一假肢装置的方法。该方法包 括提供第一假肢装置，提供可与第一假肢装置协同操作的第二假肢装置，并操作第二假肢 装置以优化第一假肢装置的操作。该方法进一步包括同步第一假肢装置和第二假肢装置的 动作。
在又一个实施方式中，提供了操作用于经股的使用者的假肢系统的方法。该方法 包括提供假肢膝盖，膝盖具有可以围绕膝关节用关节连接的腿上部和腿下部；给假肢膝盖 提供假肢脚踝，假肢脚踝具有可以围绕膝关节用关节连接的腿部和足部；操作假肢脚踝以 优化用于经股的使用者的假肢膝盖的操作。在某些实施方式中，与用于经胫的使用者相比， 通过更加快速地对地形条件进行调节，例如通过减少调节装置之前的监测步骤数量来优化 用于经股的使用者的假肢脚踝装置。在某些实施方式中，通过降低提供脚趾间隙时的最低 速度来优化用于经股的使用者的假肢脚踝装置。在某些实施方式中，通过激活、禁用或修改 放松模式来优化用于经股的使用者的假肢脚踝装置。在某些实施方式中，通过在用于经股 的使用者的学习模式下校正装置来优化用于经股的使用者的假肢脚踝装置。在某些实施方 式中，通过在比提供给经胫的使用者使用的更陡的斜度期间提供脚趾间隙来优化用于经股的使用者的假肢脚踝装置。在某些实施方式中，通过激活、禁用或修改楼梯模式来优化用于 经股的使用者的假肢脚踝装置。
而在另一个实施方式中，提供了优化假肢装置用于各种生理状态的方法。该方法 包括提供其功能会影响某种生理状态的假肢装置，并优化假肢装置用于该生理状态。
在一个实施方式中，提供的与肢体相连的经股的假肢装置包括足部单元和可转动 地连接至足部单元的胫骨元件。第一致动器被有效连接至足部单元和胫骨元件并且被设置 用于调节胫骨元件和足部单元之间的角度。股骨元件被可转动地连接至胫骨元件以确定 膝关节。第二致动器被有效连接至胫骨元件和股骨元件，并且被设置用于主动调节胫骨元 件和股骨元件之间的角度。至少一个传感器被设置在经股的装置上并且被设置用于在至少 一个步态循环内监测经股的装置的位置和动作中的至少一个，以及在至少一个步态循环内 生成指示位置和动作中的至少一个的数据。经股的假肢装置还包括存储模块。处理模块被 设置用于确定数据何时会对应于多种确定地形中的一种。确定多种地形的信息被存储在存 储模块内。处理模块被进一步设置用于确定对应于确定地形的脚踝角度调节值和膝盖角度 调节值。根据确定的脚踝角度调节值和膝盖角度调节值来调节装置，处理模块被进一步设 置用于致动第一致动器，以用充分模仿健康脚踝动作的方式来相对于胫骨元件调节足部单 元，并且致动第二致动器以用充分模仿健康膝盖动作的方式来相对于胫骨元件调节股骨元 件。脚踝角度调节值被应用于后续步态循环的迈步阶段，直到检测出地形转换为止。
在另一个实施方式中，提供了控制经股的假肢装置的方法。该方法包括用至少一 个传感器监测经股的假肢装置的位置和动作中的至少一个。该装置包括足部单元、可转动 地连接至足部单元的胫骨元件以及被有效连接至足部单元和胫骨元件的第一致动器。第一 致动器被设置用于主动调节足部单元和胫骨元件之间的角度。股骨元件被可转动地连接至 胫骨元件。第二致动器被有效连接至胫骨元件和股骨元件并且被设置用于调节胫骨元件和 股骨元件之间的角度。该方法进一步包括生成指示位置和动作中的至少一个的数据。随后 处理数据以确定步态循环的阶段。在步态循环阶段中的迈步阶段，致动第一致动器以用充 分模仿健康脚踝动作的方式来相对于胫骨元件移动足部单元，并且致动第二致动器以用充 分模仿连接至健康脚踝关节的健康膝关节动作的方式来相对于股骨元件移动胫骨元件。
在另一个实施方式中，提供了能够模仿健康腿部的经股的假肢系统。该系统包括 足部单元以及具有上端和下端的胫骨元件。下端被可转动地连接至足部单元。第一致动器 被有效连接至足部单元和胫骨元件，并且被设置用于主动调节胫骨元件和足部单元之间的 角度。股骨元件具有上端和下端。下端被可转动地连接至胫骨元件的上端。第二致动器被 有效连接至胫骨元件和股骨元件并且被设置用于主动调节股骨元件和胫骨元件之间的角 度。
在考虑了本公开之后，并且特别是在阅读了“具体实施方式
”部分之后，应该即可 理解本发明的特征如何提供了以下优点，包括提供的假肢或矫形控制系统为其使用者提供 了更加自然和舒适的移动并且使得能够更为方便和直观地配置、增加、更换或扩展控制系 统的软件。
为了进行总结，在本文中介绍了一些应用、优点和新颖性特征。应该理解根据任一 特定实施方式并不是必须要实现全部的这些优点。因此，可以用实现本文中所教导的一个 优点或一组优点而不必实现本文中所教导或建议的其他优点的方式来实施或实现本发明。


图1是根据本发明的一个实施方式具有脚踝动作受控足部单元的下肢假肢的透 视图。
图2是图1中下肢假肢的透视图，其中移除盖罩以示出假肢的内部构件。
图3是图2中的下肢假肢的侧视图。
图4是图2中的下肢假肢的后视图。
图5是图1中的下肢假肢的侧视图，将示出的盖罩部分地移除，其中脚踝动作受控 的足部被调节用于适应上倾斜。
图6是图5中的下肢假肢的侧视图，其中脚踝动作受控的足部被调节用于适应下 倾斜。
图7是示出了假肢足部单元示范性实施方式上的脚踝转动点和人体足部的自然 脚踝关节之间相互关系的示意图。
图8是示出了假肢或矫形系统的示范性实施方式在水平面上完整的一步期间的 脚踝动作范围。
图9是具有脚踝动作受控足部的假肢或矫形系统的控制系统结构示范性实施方 式的方块图。
图10是根据本发明的一个实施方式示出了可用于调节假肢或矫形系统中脚踝角 度的控制信号的表格。
图11是示出了假肢或矫形系统的控制与对应的测量肢体动作之间关系的示范性 实施方式的示意图。
图12A是下肢假肢的另一个实施方式的透视图。
图12B是图12A中的下肢假肢的侧视图。
图12C是图12B中的下肢假肢沿平面M-M的截面图。
图13是可以被用于和图12A中的下肢假肢一起使用的致动器的一个实施方式的 透视图。
图14是图13中致动器的侧视图。
图15是图13中致动器的后视图。
图16是图13中致动器的顶视图。
图17是图13中致动器的截面侧视图。
图18是图13中致动器的分解图。
图19是示出了图12A中所示假肢的不同动作阶段的流程图。
图20是根据本发明的另一个实施方式具有脚踝动作受控的足部单元的下肢假肢 的分解图。
图21是可以和图20中的下肢假肢一起使用的传感器组件的分解图。
图22是示出了用于相应的上倾斜/下倾斜角度的优选脚踝相应角度的示意图。
图23是示出了包括多个机电装置的系统的一个实施方式的方块图。
图M是更加详细地示出了与图23中系统的一个实施方式内的其他装置通信的机 电装置的一个实施方式的方块图。
图25示出了用于和机电装置一起使用的仪表程序的一个实施方式的使用者界
图26A是图1中系统的包括假肢膝盖和假肢脚踝在内的示范性实施方式的示意性 方块图。
图26B是图1中系统的包括假肢膝盖和假肢足部在内的示范性实施方式的示意性 方块图。
图26C是图1中系统的包括假肢膝盖、假肢足部和主装置在内的另一个示范性实 施方式的示意性方块图。
图26D是图1中系统的包括假肢膝盖和假肢足部在内的另一个示范性实施方式的 示意性方块图，其中假肢足部包括一个或多个用于控制两装置的状态机。
图27是示出了包括与个人和网络计算装置通信的机电装置的系统的一个实施方 式的方块图。
图观是示出了具有网络计算装置的机电装置的结构同步和数据校正方法的一个 实施方式的流程图。
图四是示出了机电装置上软件的更换或扩展方法的一个实施方式的流程图。
图30是根据本发明的一个实施方式具有脚踝动作受控的足部单元和被致动的膝 盖单元的经股的假肢的透视图。
具体实施方式
在此介绍的本发明的部分优选实施方式主要涉及假肢和矫形系统，并且具体地， 涉及有效连接的假肢和矫形装置例如假肢脚踝和/或膝盖，其改善了其他假肢和/或脚 踝装置的功能。尽管本说明书列举了不同实施方式的具体细节，但是应该理解本说明书 只是示意性的而并不应以任何方式解释对本发明的限定。而且，本领域技术人员能够想 到的本发明的各种应用及其变形也都由本文中介绍的一般性概念所涵盖。因此引用以下 的美国专利申请2004年2月12日提交的申请号为60/544，259的美国申请LOWER LIMB PROSTHESIS WITH ANKLE-MOTION CONTROLLED FOOT ;2004 年 7 月 15 日提交的申请号为 60/588，232 的美国申请 PROSTHETIC OR ORTHOTIC SYSTEM WITH ANKLE-MOT I ON-CONTROLLED FOOT ；2005年2月11日提交的申请号为11/056，344的美国申请SYSTEM AND METHOD FOR MOTION-CONTROLLED FOOT UNIT ；2005年2月11日提交的申请号为11/057，391的美国申请 SYSTEM AND METHOD FOR MOTION-CONTROLLED FOOT UNIT ；2006年 3 月 1 日提交的申请号为 11/367，049 的美国申请 SYSTEMS AND METHODS FOR ACTUATING A PROSTHETIC ANKLE BASED ON A RELAXED POSITION ;2006年3月1日提交的申请号为11，367，048的美国申请SYSTEMS AND METHODS FOR ADJUSTING THE ANGLE OF A PROSTHETIC ANKLE BASED ON A MEASURED SURFACE ANGLE ；2005年2月16日提交的申请号为60/653，717的美国申请SYSTEM AND METHOD OF SYNCHRONIZING AND COMMUNICATING WITH MECHATR0NIC DEVICES ;2006 年 2 月15日提交的申请号为11/355，047的美国申请SYSTEM AND METHOD OF SYNCHRONIZING MECHATR0NIC DEVICES ；2005年5月10日提交的申请号为60/679，953的美国申请SYSTEM AND METHOD FOR DATA COMMUNICATION WITH A MECHATR0NIC DEVICE 以及 2006 年 2 月 15 日提交的申请号为 11/355,058 的美国申请 SYSTEM AND METHOD FOR DATA COMMUNICATIONWITH A MECHATRONIC DEVICE。
现在将参照以上概述的附图来介绍系统和方法的特征。在所有附图中，附图标记 被重复使用以指示标引元件之间的对应性。附图、相关描述和具体实施方式
被提供用于解 释本发明的实施方式而不是为了限制本发明的保护范围。
如本文中所用的术语“假体”和“假肢”是广义术语并用作其普通含义，而且非限 制性地表示可用作身体部分的人造替代品或支撑件的任意系统、装置或装置。
如本文中所用的术语“矫形”和“矫形器”是广义术语并用作其普通含义，而且非 限制性地表示可用于身体部分的支撑、对齐、阻止、保护、矫正畸形、固定或功能改善的任意 系统、装置或装置。
如本文中所用的术语“脚踝装置”是广义术语并用作其普通含义，而且涉及任意的 假肢、矫形或脚踝辅助装置。
如本文中所用的术语“经胫的(transtibial) ”是广义术语并用作其普通含义，而 且非限制性地涉及位于身体膝关节包括人造膝关节处或者下方的任意平面、方向、位置或 截面。
如本文中所用的术语“经股的(transfemoral) ”是广义术语并用作其普通含义，而 且非限制性地涉及位于身体膝关节包括人造膝关节处或者上方的任意平面、方向、位置或 截面。
如本文中所用的术语“矢状(sagittal) ”是广义术语并用作其普通含义，而且涉及 关于、位于或处于或接近于身体正中面(也就是将身体纵向划分为左右两半的平面)或者 与其平行或基本平行的平面的任意描述、位置或方向。“矢状面”也可以表示平行或基本平 行于正中面穿过身体并且将身体分为相等或不相等的左右部分的任意垂直的前部到后部 的平面。
如本文中所用的术语“冠状”是广义术语并用作其普通含义，而且涉及关于、位于 或处于或接近于经过身体长轴的平面的任意描述、位置或方向。“冠状面，，也可以表示垂直 或基本垂直地穿过身体并且垂直或基本垂直于正中面并将身体分为前部和后部的任意平
如本文中所用的术语“机电”是广义术语并用作其普通含义，而且非限制性地表示 包括与肢体相连的电控装置的任意系统、装置或装置，包括了假肢或矫形装置。这样的装置 可以包括一个或多个传感器、致动器或处理器。
如本文中所用的术语“仿生替代装置”是广义术语并用作其普通含义，而且非限制 性地表示包括有集成用于取代或增强解剖学结构或生理过程的电控装置的任意系统、装置 或装置。仿生替代装置还可以包括集成用于取代或增强解剖学结构或生理过程的电子或机 械式的智能结构或系统。例如，仿生替代装置可以包括机电装置例如假肢或矫形器。
图1示出了具有脚踝动作受控足部单元和连接元件的下肢假肢100的一个实施方 式。假肢100包括连接元件，形式为有效连接至足部单元104的下肢元件102。如本文中所 用，术语“连接元件”是广义术语并用作其普通含义，并且在假肢足部实施方式中非限制性 地涉及直接或间接地连接至足部单元104并且可以相对其移动例如通过转动动作移动且 被用于将假肢100连接至残肢或中间假肢的任意元件。如图所示，连接元件在脚踝-假肢的 实施方式中可以采用下肢元件的形式。在另一个实施方式中，例如在矫形器实施方式中，连接元件可以被用于例如通过护膝连接至并且支撑身体部分，护膝也被可移动地连接至第二 元件例如足部单元，足部单元也会连接至并且支撑身体部分例如足部。在一个实施方式中， 下肢元件102通常为具有基本上沿胫骨方向延伸的纵向主轴的狭长元件，胫骨方向也就是 大致上沿自然胫骨的轴线延伸的方向。例如，图1示出的下肢元件102基本上是垂直定向 的。
在另一个实施方式中，下肢元件102可以包括多个部分。例如，下肢元件102可以 包括沿胫骨方向基本上平行延伸并且被连接在一起的两个狭长部分。在另一个实施方式 中，下肢元件102包括具有基本对称的两部分以形成部分封闭壳体的两侧腔室。在另一个 实施方式中，下肢元件102可以包括例如管状结构的中空元件。在其他的实施方式中，下肢 元件102可以包括狭长的扁平部分或圆形部分。而在其他的实施方式中，下肢元件102的 结构不是狭长的。例如，下肢元件102可以包括大致圆形、圆柱形、半圆形、圆顶形、椭圆或 矩形的结构。下肢元件的一个可行示例是2003年12月18日提交的、申请号为10/742，455 并且发明名称为“PROSTHETIC FOOT WITH ROCKER MEMBER”的美国专利申请中介绍的脚踝 模块和结构，因此通过引用将其全部内容并入本文并且视为本说明书的一部分。
在一个实施方式中，下肢元件102通常由机械金属例如铝或碳纤维材料构成。在 本发明的其他实施方式中，下肢元件102可以由适合用于假肢装置的其他材料构成。在一 个实施方式中，下肢元件102有利地具有大约在12到15厘米之间的高度。在本发明的其 他实施方式中，下肢元件102可以具有小于12厘米的高度或者大于15厘米的高度，这取决 于使用者的体型和/或假肢100的目标用途。例如，下肢元件102可以具有大约为20厘米 的高度。
在一个实施方式中，假肢100被设置为在假肢100处于平衡位置时使下肢元件102 的纵向主轴基本上垂直于足部单元104的下表面。在另一个实施方式中，下肢元件102可 以在足部单元104停留在地面上时基本上垂直于平地表面。这样的结构有利地为使用者提 供了更好的支撑和/或稳定性。
如图1中所示，下肢元件102进一步包括盖罩106。盖罩106封装和/或保护下肢 元件102的内部组件。在另一个实施方式中，盖罩106可以是圆形或者可以被成形为自然 人腿的形状。
下肢元件102进一步包括有助于连接下肢元件102的连接部分108。例如，如图1 中所示，下肢元件102的连接部分108将假肢100连接至暂用假肢110。在本发明的其他实 施方式中，连接部分108可以被设置用于将假肢100连接至截肢患者的残肢或另一假肢装 置。图1还示出了可用于给假肢100供电和/或传输控制信号的控制线路112。
足部单元104可以包括各种类型的假肢或矫形足部。如图1中所示，足部单元 104加入了 2003年8月15日提交的、申请号为10/642，125并且发明名称为“LOW PROFILE PROSTHETIC FOOT”的申请人共同未决的美国专利申请中介绍的设计，因此通过引用将其全 部内容并入本文并且视为本说明书的一部分。例如，足部单元104可以由可从0SSUT购得 的标准LP VARI-FLEX 单元构成。
在一个实施方式中，足部单元104被设置用于对足部单元104上的重量或冲击水 平产生成比例的响应。另外，足部单元104可以包括阻尼部分以用于脚跟的舒适加载和/ 或用于返还消耗的能量。足部单元104可以包括具有增强了灵活性的全长度脚趾杆以提供模仿健康肢体步长的假肢步长。另外，如图1中所示，足部单元104可以包括分开的脚趾结 构，其有助于在不平整的地形上移动。足部单元104还可以包括美化部分或足部盖罩例如 可从0SSUT购得的标准Flex-Foot盖罩。
图2示出了将盖罩106移除后的假肢100。如图所示，下肢元件102的下端在枢轴 组件114处被连接至足部单元104。如图所示，下肢元件102被连接至足部单元104的脚踝 板，脚踝板基本上从足部单元104的脚趾部分向后和向上延伸。枢轴组件114允许足部单 元104相对于下肢元件102的角运动。例如，在一个实施方式中，枢轴组件114有利地包括 至少一个枢轴销。在其他的实施方式中，枢轴组件114包括铰链、多轴结构、多中心结构、相 同或类似部件的组合。优选地，枢轴组件114被设置在足部单元104的靠近足部单元104 自然脚踝位置的部分上面。在本发明的其他实施方式中，枢轴组件114可以被螺栓连接或 以其他方式可释放地连接至足部单元104。
图2进一步示出了具有致动器116的假肢100。在一个实施方式中，致动器116有 利地为假肢100提供必要的能量来执行与截肢患者的运动相同步的角位移。例如，致动器 116可以使足部单元104的移动类似于自然的人体足部。在一个实施方式中，致动器116的 下端在第一连接点118处被连接至足部单元104。如图所示，足部连接点118有利地在足部 单元104的后部位于其上表面。致动器116的上端在第二连接点120处被连接至下肢元件 102。
在一个实施方式中，致动器116的线性移动(或伸展和收缩)控制或主动调节足 部单元104和下肢元件102之间的角度。图2示出的致动器116包括双螺杆电机，其中电 机相对于下肢元件102推送或拉回足部案源104的后部。在其他的实施方式中，致动器116 包括能够主动调节角度或者在多个元件之间提供移动的其他机构。例如，致动器116可以 包括单螺杆电机、活塞-气缸型结构、伺服电机、步进电机、回转电机、弹簧、流体致动器等。 而在其他的实施方式中，致动器116可以只沿一个方向主动调节下肢元件102和足部单元 104之间的角度。在这样的实施方式中，使用者的体重也可以被使用在控制由和/或致动器 116的动作产生的角度中。
图2示出了后置结构的致动器116，其中致动器116位于下肢元件102后方。在 其他的实施方式中，致动器116可以被用于前置结构，其中致动器116位于下肢元件102前 方。在本发明的另一个实施方式中，致动器116包括自动调节的脚踝结构，并且加入了例如 在美国专利5957981中介绍的设计，因此通过引用将其全部内容并入本文并且视为本说明 书的一部分。具体配置或结构可以被选择为最接近于模仿自然人体脚踝关节的动作和定位 并且有助于将假肢100插入到外部美化部分内。
而且，致动器116有利地被设置为在工作时不会发出响亮的噪音例如会被使用者 和/或其他人察觉到的间歇式噪音。致动器116还可以被设置为如果假肢100例如在矢状 面内经受超出某一水平的转矩时则不进行工作或调节。例如，如果转矩水平超出四牛顿米 (Nm)，那么致动器116即可停止工作或者可以发出警报。
致动器116也可以如图1中所示基本上被封装在盖罩106内以使得致动器116的 各个部分不可见和/或不会暴露到外界环境中。在另一个实施方式中，致动器可以被下肢 元件102至少部分地封装。
图2进一步示出了可用于控制致动器116和/或足部单元104的操作的控制电路122。在一个实施方式中，控制电路122包括至少一块印刷电路板(PCB)。PCB可以进一步 包括微处理器。软件也可以驻留在PCB上以执行信号处理和/或控制假肢100的动作。
在一个实施方式中，假肢100包括给控制电路122和/或致动器116供电的电池 (未示出)。在一个实施方式中，电池包括可再充电的锂离子电池，其优选地具有至少为12 至16小时的供电周期。而在另一个实施方式中，电池的供电周期可以少于12小时或者多 于16小时。在本发明的其他实施方式中，电池包括锂聚合物电池、燃料电池技术或可用于 给假肢100供电的其他类型电池或技术。而在其他的实施方式中，电池被可移除地连接至 下肢元件102的后表面、连接至假肢100的其他部分或者被设置为远离假肢100。在进一步 的实施方式中，假肢100可以被连接至外部电源例如通过壁装适配器或车用适配器连接以 给电池再充电。
在一个实施方式中，在足部单元104停留在平地表面上时、在电池电力耗尽或进 入低电力阶段时，假肢100被设置为锁定在中间位置，例如下肢元件102被对齐为基本上相 对于平地地面垂直。这样的锁定为使用者提供了操作的安全性、可靠性和/或稳定性。假 肢100也可以提供电池状态显示以提醒使用者关于电池的状态(也就是电量)。在另一个 实施方式中，在假肢100的动作控制功能被使用者关闭或禁用时，假肢100就基本上被锁定 到中间的位置。
如上所述，美化材料或其他涂料可以被用于假肢100以赋予假肢100更加自然的 外观或形状。另外，美化材料、涂料或其他的填充材料可以被用于防止污染物例如污垢或水 接触到假肢100的部件。
图3根据本发明的一个实施方式示出了假肢100的侧视图。如图3中所示，致动 器116进一步包括主壳体124、下部可伸展部分1 和上部可伸展部分128。下部可伸展部 分1 将致动器116的主壳体IM在第一连接点118处连接至足部单元104。上部可伸展 部分1 将致动器116的主壳体IM在第二连接点120处连接至下肢元件102。在操作和 主动调节假肢100期间，下部可伸展部分1 和/或上部可伸展部分1 移入和/或移出 致动器116的主壳体124以调节足部单元104和下肢元件102之间的角度。
例如，要增大足部单元104和下肢元件102之间的角度，致动器116促使下部可伸 展部分1 和/或上部可伸展部分1 接触或撤回主壳体124。例如，可伸展部分126，128 中的至少一个可以具有螺纹面以使得沿一个方向(例如顺时针)的旋转促使可伸展部分撤 回到致动器的主壳体124内。在其他的实施方式中，可伸展部分126，128中的至少一个包 括多个套装部件以使得在收缩时，可伸展部分的多个部件之一缩回到多个部件中的另一个 内而无需收回到主壳体124内。类似地，要减小足部单元104和下肢元件102之间的角度， 下部可伸展部分126和/或上部可伸展部分1 可以从主壳体IM伸出。
在本发明具有用于致动器116的前部结构的实施方式中，下部可伸展部分1 和 /或上部可伸展部分128的伸展导致足部单元104和下肢元件102之间的角度增大。类似 地，下部可伸展部分1 和/或上部可伸展部分128的收缩导致足部单元104和下肢元件 102之间的角度减小。
图4示出了图1-3中示出的假肢100的后视图。在本发明的其他实施方式中，盖 罩100围绕假肢100的后部延伸以装入至少一部分致动器116从而使得致动器116的各个 部分不可见和/或不会暴露到外界环境中。
图5和图6示出了假肢100在其调节为上倾斜和下倾斜时的一个实施方式。参照 图5，假肢100被示出为调节成上倾斜。在该实施方式中，致动器116伸展以减小下肢元件 102和足部单元104之间的角度θ (或“脚背弯曲”)。关于脚背弯曲，在一个实施方式中， 假肢100动作的角度范围是与中间位置相距大约从0度到10度。其他的实施方式也可以 有助于在迈步阶段期间放大脚背弯曲。
图6示出了调节为下倾斜时的假肢100。致动器116伸展以增大下肢元件102和 足部单元104之间的角度θ (或“脚底弯曲”)。关于脚底弯曲，在一个实施方式中，假肢100 动作的角度范围是与中间位置相距大约从0度到20度。这样的脚底弯曲模仿了自然的脚 踝动作并为截肢患者或使用者提供了更高的稳定性。在一个实施方式中，围绕假肢100脚 踝转动轴的总移动范围，包括脚底弯曲和脚背弯曲在内，大约是30度或更高。
除了在上倾斜和下倾斜时工作，假肢100动作受控的足部还可以有利地适应不同 的地形，在行进上下楼梯时工作，以及有助于平地行走。另外，假肢100可以提供自动的脚 跟高度调节能力。在一个实施方式中，在足部单元104基本上与地面平齐时，从下肢元件 102的脚踝部分到地面进行测量即可得到脚跟高度。例如，使用者可以通过例如按压一个 或多个按钮来调节为各种不同的脚跟高度，以使得假肢100将其自动地对准适当的脚跟高 度。在一个实施方式中，假肢100包括多个预定的脚跟高度。而在其他的实施方式中，假肢 100可以自动地调节脚跟高度而无需使用者输入。
图5和图6进一步示出了连接部分108的一个实施方式。连接部分108在截肢患 者的自然肢体和假肢100之间提供对齐并且可以被设置为得以降低压力峰值和剪切力。例 如，连接部分108可以被设置为连接至另一假肢、连接至截肢患者的残肢或者连接至另一 部件。在一个实施方式中，连接部分108包括接插件。接插件可以被设置用于接收32mm的 螺纹部件、公圆锥型连接器或其他部件。在其他的实施方式中，连接部分108也可以包括或 者被设置为接收母圆锥型适配器。
如图5和图6中所示，枢轴组件114被设置用于模仿自然的人体脚踝轴。图7进 一步示出了表示假肢足部单元204上的脚踝转动点和足部的人体自然脚踝关节之间相互 关系的示意图。具体地，假肢足部单元204包括与人足242的脚踝关节240相对应的枢轴 组件214。例如，在本发明的一个实施方式中，枢轴组件114被设置为靠近假肢100转动时 的机械脚踝中心。
图8示出了表示假肢100的一个实施方式在水平面上完整的一步期间可能的脚踝 动作范围的示意图。如图所示，图中的X轴表示在使用者完整的一步期间的各个位置(也 就是0到100% )。y轴表示在假肢处于中间位置时假肢100相对于中间位置的脚踝角度 (Δ)。在完整的一步期间，脚踝角度(Δ)从大约20度的脚底弯曲(也就是中间位置的角 度+20度)变化为大约10度的脚背弯曲(也就是中间位置的角度-10度)。
在上述的实施方式中，在调节动作的角度范围时没有提供阻尼。在本发明的另一 个实施方式中，假肢100被设置用于给下肢元件102和足部单元104之间的角度改变提供 阻尼或被动的软性阻力。一种用于控制该阻尼的系统示例在美国专利6443993中公开，因 此通过引用将其全部内容并入本文并且视为本说明书的一部分。
例如，在使用者处于站立位置时，致动器116可以提供增大的阻力或阻尼以为使 用者提供稳定性。在本发明的一个实施方式中，假肢100的阻尼可以由液压阻尼器提供。在本发明的其他实施方式中，现有技术中已知的其他部件或装置也可以被用于为假肢100提 供阻尼。另外，在本发明的一个实施方式中，阻尼器可以例如通过电控系统被动态控制，以 下将更加详细地讨论电控系统。而在其他的实施方式中，阻尼器可以通过机械和/或流体 型结构进行控制。
还应该意识到尽管上述说明主要涉及的是假肢系统和装置，但是说明内容也可以 应用于本发明具有矫形系统或装置的实施方式。例如，在本发明的一个实施方式中，一种 矫形系统可以包括主动控制矫形器角度的至少一个致动器，矫形器被用于受伤或脆弱的脚 踝。另外，除了矫形系统的电控以外，矫形系统还可以提供使用者控制或者受伤脚踝或腿部 的自然动作。
另外，上述系统可以在不同于经胫的或膝盖以下系统的假肢或矫形系统中 实施。例如，在本发明的一个实施方式中，假肢或矫形系统可以被用于经股的或膝 盖以上系统中，正如2004年5月7日提交的、申请号为60/569，512并且发明名称为 “MAGNET0RHE0L0GICALLY ACTUATED PROSTHETIC KNEE” 的美国临时申请、以及 2004 年 11 月3日提交的、申请号为60/6 , 986并且发明名称为"MAGNETORHEOLOGICALLY ACTUATED PROSTHETIC KNEE”的美国临时申请还有2005年5月6日提交的、申请号为11/123，870并 且发明名称为“MAGNETORHEOLOGICALLY ACTUATED PROSTHETIC KNEE”的美国专利申请中所 公开的那样，因此上述申请中的每一件都通过引用其全部内容而并入本文，并且应该被认 为是本说明书的一部分。例如，假肢或矫形系统可以包括假肢或矫形脚踝和/或脚趾或矫 形膝盖。
图9示出了用于脚踝动作受控足部的控制系统300的系统结构的一个实施方式的 方块图。在本发明的一个实施方式中，控制系统300可以由图1-6中示出的下肢假肢100 使用。在本发明的其他实施方式中，控制系统300可以由矫形系统或具有脚踝动作受控足 部或其他动作受控肢体的康复系统使用。在一个实施方式中，控制系统300以分布式处理 系统为基础，其中由假肢或矫形系统执行的不同功能，例如检测、数据处理和致动，由彼此 通信的多个处理器来执行或控制。参照图9，控制系统300包括传感器模块302、脚踝装置 304(例如图1中示出的假肢100)、中央处理器(“CPU”) 305、存储器306、接口模块308、控 制驱动模块310、致动器316和电源模块318。
在一个实施方式中，图9中示出的控制系统300用CPU 305处理接收自传感器模 块302的数据。CPU 305与控制驱动模块310通信以控制致动器316的操作，从而由脚踝装 置304模仿自然的脚踝动作。而且，控制系统300可以预测为了适应使用者的动作可能需 要如何来调节脚踝装置304。CPU305还可以通过接口模块308接收来自使用者和/或其他 装置的指令。电源模块318为控制系统300的其他部件供电。以下将更加详细地介绍这些 部件当中的每一个。
在一个实施方式中，传感器模块302被用于测量与脚踝装置304有关的变量，例如 脚踝装置304在整个步态周期内的位置和/或动作。在这样的实施方式中，传感器模块302 有利地被设置在脚踝装置304上。例如，传感器模块302可以被设置为靠近脚踝装置304 转动的机械脚踝中心，例如图2中所示假肢100的枢轴组件114。在另一个实施方式中，传 感器模块302可以被设置在与脚踝装置相连或相联的使用者自然肢体上。在这样的实施方 式中，传感器被用于获取与使用者脚踝装置一侧的自然肢体动作相关的信息以调节脚踝装置 304。
在一个实施方式中，传感器模块302有利地包括印刷电路板壳体、多个传感器例 如加速计，每一个都测量脚踝装置304沿不同轴的加速度。例如，传感器模块302可以包括 三个加速计以测量脚踝装置304沿三条基本上互相垂直的轴线的加速度。适合用于传感器 模块 302 的传感器类型例如可以从 Dynastream Innovations, Inc. (Alberta, Canada)购得。
在其他的实施方式中，传感器模块302可以包括一个或多个其他类型的传感器与 加速计相结合或取代加速计。例如，传感器模块302可以包括设置用于测量体节和/或脚 踝装置304角速度的陀螺仪。在其他的实施方式中，传感器模块302包括设置用于测量例 如特定脚下区域的垂直脚底压力的脚底压力传感器。而在另一些实施方式中，传感器模块 302可以包括以下传感器中的一种或多种运动传感器、单轴陀螺仪、单轴或多轴加速计、 负荷传感器、屈曲度传感器或肌电传感器，它们可以被设置用于获取来自使用者自然肢体 的数据。美国专利5955667、美国专利6301964和美国专利6513381也给出了可以用于本发 明实施方式中的传感器示例，因此通过引用其全部内容将这些专利并入本文并且视为本说 明书的一部分。
而且，传感器模块302可以被用于获取例如与以下的一个或多个方面有关的信 息脚踝装置304相对于地面的位置；脚踝装置304的倾斜角；相对于脚踝装置304位置 的重力检测；与使用者的步幅有关的信息，例如脚踝装置304何时接触地面(例如“脚跟触 地”)、何时处于中间步幅或者何时离开地面(例如“脚趾离地”)、从地面到假肢100的距离 何时处于迈步阶段的峰值(也就是迈步阶段期间的特定高度)；迈步阶段的峰值时刻等。
而在其他的实施方式中，传感器模块302被设置用于检测步态模式和/或事件。例 如，传感器模块302可以确定使用者是否是处于站立/停止位置、在平地上行走、在上下楼 梯或斜面等。在其他的实施方式中，传感器模块302被设置用于检测或测量脚踝装置304 的脚跟高度和/或确定静态腿骨角度，目的是为了检测使用者何时处于坐姿。
如图9中所示，在本发明的一个实施方式中，传感器模块302被进一步设置用于测 量环境或地形变量，包括以下的一种或多种地面特性、地面角度、空气温度和风阻力。在一 个实施方式中，测量温度可以被用于校正增益和/或偏置其他传感器。
在其他的实施方式中，传感器模块302获取与使用者的自然肢体例如健康腿部的 动作和/或位置相关的信息。在这样的实施方式中，在上斜面或下斜面上操作时，优选的可 以是使用者用健康腿部迈出的第一步。这样可以允许在调节脚踝装置304之前根据健康腿 部的自然动作进行测量。在本发明的一个实施方式中，控制系统300在脚踝装置340处于 第一步的迈步阶段时检测使用者的步态并相应地调节脚踝装置304。在本发明的其他实施 方式中，可以有潜伏期，其中控制系统300需要一步或两步才能够准确地确定使用者的步 态并适当地调节脚踝装置304。
在本发明的一个实施方式中，传感器模块302具有100赫兹(Hz)的默认采样频 率。在其他的实施方式中，采样频率可以高于或低于IOOHz或者可以由使用者调节，或者可 以通过软件或参数设定来自动调节。另外，传感器模块302可以在测量的数据类型之间提 供同步或者包括时间标记。传感器还可以被设置为使其具有约0. 5度的角度分辨率，允许 微调脚踝装置304。
在一个实施方式中，传感器模块302被设置用于在不需要测量时，例如在使用者 处于坐姿或躺姿放松时，降低功耗进入“休眠”模式。在这样的实施方式中，传感器模块302 可以随着传感器模块302的移动或者随着来自使用者的输入而从睡眠状态唤醒。在一个实 施方式中，传感器模块302在处于“活动”模式时消耗大约30毫安(mA)而在处于“休眠”模 式时消耗大约0. 1mA。
图9示出了与CPU 305通信的传感器模块302。在一个实施方式中，传感器模块 302有利地给CPU305和/或控制系统300的其他部件提供测量数据。在一个实施方式中， 传感器模块302被连接至发送器例如蓝牙 发送器以将测量值传输至CPU305。在其他的实 施方式中，可以使用其他类型的发送器或无线技术，例如红外技术、Wifi 技术或射频(RF) 技术。在其他的实施方式中，也可以使用有线技术与CPU305通信。
在一个实施方式中，传感器模块302发送至CPU 305的数据串包括各种类型的信 息。例如，数据串可以由160位构成并包括以下信息
[TS ；AccX ；Ace Y ；AccZ ；GyroX, GyroY, GyroZ, DegX, DegY, FS, M]；
其中TS =时间标记；AccX =足部沿X轴的线性加速度；AccY =足部沿Y轴的线 性加速度；AccZ =足部沿Z轴的线性加速度；GyroX =足部沿X轴的角加速度；GyroY =足 部沿Y轴的角加速度；GyroZ =足部沿Z轴的角加速度；DegX =冠状面内的足部倾角；DegY =矢状面内的足部倾角；FS=脚踝装置304内开关的逻辑状态以及M=传感器的定向。在 本发明的其他实施方式中，也可以使用由更多或更少的信息构成的其他长度的数据串。
CPU 305有利地处理接收自控制系统300其他部件的数据。在本发明的一个实施 方式中，CPU 305处理与使用者步态有关的信息，例如接收自传感器模块302的信息，确定 运动类型(也就是步态模式)，和/或发送指令至控制驱动模块310。例如，由传感器模块 302获取的数据可以被用于生成波形以描绘与使用者的步态或动作有关的信息。随后通过 CPU 305识别波形的变化以预测使用者的后续动作并相应地调节脚踝装置304。在本发明 的一个实施方式中，CPU 305可以检测从最慢20步每分钟到最快125步每分钟的步态模式。 在本发明的其他实施方式中，CPU 305可以检测慢于20步每分钟或者快于125步每分钟的 步态模式。
在本发明的一个实施方式中，CPU 305根据下表(表1)来处理涉及状态转换的数 据。具体地，表1示出了可以由控制系统300使用的可能的状态转换。表1的第一列列出 了脚踝装置304可能的初始状态，而第一行列出了脚踝装置304可能的第二状态。表1的 主体列出了在从第一状态到第二状态转换期间控制或主动调节致动器316和脚踝装置304 时由CPU 305使用的数据来源；其中“N”表示不需要额外数据用于状态转换；“L”表示CPU 305在状态转换期间利用转换逻辑来确定对脚踝装置304进行调节；而“ I ”表示CPU从接口 (例如接口模块308、外部使用者接口、电气接口等)获取数据。本发明的实施方式可使用 的转换逻辑可以由相关领域的普通技术人员研究得出。2004年5月19日提交的、申请号为 60/572，996 并且发明名称为“CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR A PROSTHETIC KNEE”的美 国临时申请以及2005年3月9日提交的、申请号为11/077,177并且发明名称为“CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR A PROSTHETIC KNEE”的美国专利申请中公开了在类似于本发明实 施方式的系统和方法中使用的转换逻辑示例，因此上述申请中的每一件都通过引用其全部 内容而并入本文并且应该被认为是本说明书的一部分。23
表 权利要求
1.一种与肢体相连的经股的假肢装置，包括 足部单元；可转动地连接至足部单元的胫骨元件；有效连接至足部单元和胫骨元件的第一致动器，第一致动器被设置用于主动调节足部 单元和胫骨元件之间的脚踝角度；可转动地连接至胫骨元件以确定膝关节的股骨元件；有效连接至胫骨元件和股骨元件的第二致动器，第二致动器被设置用于主动调节胫骨 元件和股骨元件之间的膝盖角度；位于经股的假肢装置上的至少一个传感器，被设置用于在至少一个步态循环内监测经 股的假肢装置的位置和动作中的至少一个以及在至少一个步态循环内生成指示位置和动 作中的至少一个的数据； 存储模块；以及处理模块，被设置用于确定数据何时会对应于多种确定地形中的至少一种，其中确定 所述多种地形的信息被存储在存储模块内，处理模块被进一步设置用于确定对应于至少一 种被确定地形的脚踝角度调节值和膝盖角度调节值，并且其中处理模块被进一步设置用于 根据确定的脚踝角度调节值和膝盖角度调节值来致动第一致动器以用充分模仿健康脚踝动作的方式相对于胫骨元件调节足部单元，所 述脚踝角度调节值被应用于后续步态循环的迈步阶段，直到检测出地形转换为止，以及 致动第二致动器以用充分模仿健康膝盖动作的方式相对于胫骨元件调节股骨元件。
2.如权利要求1所述的经股的假肢装置，其中第二致动器将胫骨元件和股骨元件之间 的膝盖角度主动调节为与平地上行走的健康膝盖相符。
3.如权利要求1或权利要求2所述的经股的假肢装置，其中至少一个传感器监测膝关 节上的负荷，其中膝盖保持与平地上行走的健康膝盖相符的负荷。
4.如权利要求1至3中的任意一项所述的经股的假肢装置，其中第一致动器主动调节 足部单元和胫骨元件之间的脚踝角度以适应上倾斜或下倾斜表面。
5.一种控制经股的假肢装置的方法，包括用至少一个传感器监测经股的假肢装置的位置和动作中的至少一个，其中该装置包括足部单元；可转动地连接至足部单元的胫骨元件；有效连接至足部单元和胫骨元件的第一致动器，其中第一致动器被设置用于主动调节 足部单元和胫骨元件之间的脚踝角度；可转动地连接至胫骨元件的股骨元件；以及有效连接至胫骨元件和股骨元件的第二致动器，其中第二致动器被设置用于调节胫骨 元件和股骨元件之间的膝盖角度；生成指示位置和动作中的至少一个的数据； 处理数据以确定步态循环的阶段；在步态循环阶段的迈步阶段期间，致动第一致动器以用充分模仿健康脚踝动作的方式 来相对于胫骨元件移动足部单元；并且在步态循环阶段的迈步阶段期间，致动第二致动器以用充分模仿连接至健康脚踝关节 的健康膝关节动作的方式来相对于股骨元件移动胫骨元件。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述处理包括在经股的假肢装置使用者的大约三步 之后确定步态循环阶段的步骤。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述致动第一致动器包括在所述大约三步之后调节 足部单元和胫骨元件之间的脚踝角度的步骤。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述致动第一致动器进一步包括在所述大约三步中 的每一步都具有至少在0. 40米/秒和0. 60米/秒之间的步速时调节足部单元和胫骨元件 之间的脚踝角度的步骤。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述致动第一致动器进一步包括在所述大约三步中 的每一步都具有至少约0. 55米/秒的步速时调节足部单元和胫骨元件之间的脚踝角度的 步骤。
10.如权利要求5至9中的任意一项所述的方法，进一步包括在经股的假肢装置使用者 的大约三步之后执行脚趾抬高功能的步骤。
11.如权利要求10所述的方法，进一步包括在所述大约三步中的每一步都具有至少在 0. 40米/秒和0. 60米/秒之间的步速时执行脚趾抬高功能的步骤。
12.如权利要求11所述的方法，进一步包括在所述大约三步中的每一步都具有至少约 0. 55米/秒的步速时执行脚趾抬高功能的步骤。
13.如权利要求11所述的方法，进一步包括在足部单元从平地下降至大约-8度到大 约-12度的倾斜度时执行脚趾抬高功能的步骤。
14.如权利要求13所述的方法，进一步包括在足部单元从平地下降至大约-10度的倾 斜度时执行脚趾抬高功能的步骤。
15.一种能够模仿健康腿部步态的经股的假肢系统，包括足部单元；具有上端和下端的胫骨元件，其中下端被可转动地连接至足部单元；有效连接至足部单元和胫骨元件的第一致动器，其中第一致动器被设置用于主动调节 胫骨元件和足部单元之间的角度；具有上端和下端的股骨元件，其中下端被可转动地连接至胫骨元件的上端；以及有效连接至胫骨元件和股骨元件的第二致动器，其中第二致动器被设置用于主动调节 股骨元件和胫骨元件之间的角度。
16.如权利要求15所述的经股的假肢系统，进一步包括能够校正与经股的假肢系统使 用者的步态相对应的数据的处理模块。
17.如权利要求16所述的经股的假肢系统，其中处理模块处理来自至少一个传感器的 数据以动态地确定步态循环的阶段。
18.如权利要求15至17中的任意一项所述的经股的假肢系统，其中第一致动器被设置 用于调节胫骨元件和足部单元之间的脚踝角度，并且第二致动器被设置用于调节胫骨元件 和股骨元件之间的角度以降低生理元件上的负荷。
19.如权利要求15至18中的任意一项所述的经股的假肢系统，其中第一致动器在经股 的假肢系统使用者的大约三步之后才在脚趾抬高时主动调节胫骨元件和足部单元之间的角度。
20.如权利要求15至19中的任意一项所述的经股的假肢系统，其中第二致动器将股骨 元件和胫骨元件之间的角度主动调节为与平地上行走的健康膝盖相符。
全文摘要
本发明的某些实施方式涉及增强经股的假肢装置(3000)的功能性。在一个实施方式中，经股的假肢装置(3000)被设置为使得假肢膝盖(3200)保持与平地上行走的健康膝盖相符的负荷，同时假肢脚踝(3100)调节用于上行或下行。在某些实施方式中，调节例如脚趾抬高功能是在经股的假肢装置使用者的大约三步之后和/或在每一步都具有至少约0.55米/秒的步速时自动进行的。
文档编号A61F2/68GK102036626SQ200980118523
公开日2011年4月27日 申请日期2009年3月23日 优先权日2008年3月24日
发明者阿因比约恩·维果·克劳森 申请人:奥瑟Hf公司