CN104244872A - 用于控制人造矫正-或者假膝关节的方法 - Google Patents

用于控制人造矫正-或者假膝关节的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于控制人造矫正-或者假膝关节(2)的方法，在所述人造矫正-或者假膝关节上设置小腿组件(4，5)，所述人造矫正-或者假膝关节配备具有至少一个执行器(31)的阻力装置(3)，通过所述执行器使弯曲阻力根据传感器数据被改变，所述传感器数据在利用该人造矫正-或者假膝关节期间通过传感器(7)求取，其中，仅仅通过至少一个惯性传感器(7)确定所述小腿组件(4，5)的绝对角度，将求取到的角度与至少一个阈值比较并且在达到所述阈值时改变所述弯曲阻力。

Description

用于控制人造矫正-或者假膝关节的方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制人造矫正-或者假膝关节的方法，在该人造矫正-或者假膝关节上设置小腿组件，并且所述人造矫正-或者假膝关节配备具有至少一个执行器的阻力装置，通过所述执行器使弯曲阻力根据传感器数据被改变，所述传感器数据在利用该矫正或假膝关节期间通过至少一个传感器求取。
背景技术
假肢-或者矫正膝关节替代或者支持正常膝关节的功能。为了实现人造膝关节的尽可能最优的功能性，在市场上有多种设计，这些设计影响膝关节在站立期和迈步期期间的行为。已知以下机电式膝关节：在所述机电式膝关节中通过多个不同传感器来检测运动情况并且基于传感器数据来控制一阻力装置，通过所述阻力装置使弯曲阻力或者伸展阻力变化。根本问题在于，难以以简单的规则来表达多种多样可能的运动情况。因此，为了控制执行器和制动器具有所谓的状态机，所述状态机是高度复杂并且描绘多种不同的动作。其不利的是长的研发时间和耗费的构件的应用。
文献EP 1 237 513 B1涉及一种替代四肢的存在或者功能的支持装置，该支持装置由至少两个通过人造关节相互连接的部分和一控制装置组成。支持装置包括传感器，该传感器检测到参照与关节连接的部分的重心线的倾斜角度并且耦合到所述控制装置上。所述控制装置如此设置，使得该控制装置基于由传感器传送的倾斜角度数据来影响所述关节。倾斜角度传感器在构造为假膝关节的情况下设置在管式腿上，为了补充数据情况可以在小腿上设置第二传感器。
文献DE 10 2008 027 639 A1涉及一种矫正关节，用于支持具有关节上部分和关节下部分的人体结构上的膝关节，所述关节上部分和关节下部分铰接式相互连接。设有一用于在任意的位置中自动地解锁和锁定所述矫正关节的闭锁元件，以及用于所述闭锁元件的操纵元件和用于检测针对解锁和锁定的重要信息的传感器机构。同样存在一用于分析处理所检测到的信息并且用于转送该信息至用于操纵元件的控制-和/或调节单元的分析处理单元。传感器机构具有以下组中的至少两个传感器：倾斜传感器、旋转角度传感器、加速度传感器或者用于检测信息的陀螺仪，所述信息描述了人的运动状态和/或静止状态。可以选择一个类型的两个传感器或者不同类型的各一个传感器。所有传感器从人体结构上的关节(尤其是膝关节)朝下地设置。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种用于控制人造矫正-或者假膝关节的方法，利用该方法可以通过简单和成本有利的方式和方法来实现假肢或者矫正器的安全和舒适的行走性能。
根据本发明，该任务通过具有独立权利要求所述特征的方法解决。本发明有利的构型和改进方案在从属权利要求、说明书以及附图中公开。
设定了用于控制人造矫正-或者假膝关节的方法，在该人造矫正-或者假膝关节上设置小腿组件，并且所述人造矫正-或者假膝关节配备具有至少一个执行器的阻力装置，通过所述执行器使弯曲阻力根据传感器数据改变，所述传感器数据在利用该矫正-或者假膝关节期间通过至少一个传感器来求取，仅仅通过至少一个惯性传感器来求取所述小腿组件的绝对角度，并且将求取到的角度与至少一个阈值相比较并且在达到(特别是超过)所述阈值时改变(特别是减小)弯曲阻力。由此可以省去用于控制算法的传感器数据，所述传感器数据检测不同的测量参量(例如扭矩、力和角度)，这些测量参量然后必须相对耗费地处理。对所述绝对角度的应用的限制是一种简单并同时令人惊讶的可靠的方式和方法，所述绝对角度通过一个或多个惯性传感器来测量，其中，求取所述小腿组件的绝对角度，如阻力变化的控制可以在人造矫正-或者假膝关节中在阻力-或者阻尼装置中实现。在此也设定了，确定多个阈值，所述阈值在被达到或者在被超过或者被低于时触发所述弯曲阻力的适配。由此可以实现阻尼曲线，该阻尼曲线适配于病人并且能够实现协调的步态。
本发明的一个改进方案设定，由惯性传感器的传感器数据计算出小腿组件的角速度，并且仅仅当角速度不等于零时(也就是小腿组件沿着伸张-或者屈曲方向运动时)才减小弯曲阻力。通过这种方式确保了，仅仅在行走期间根据小腿组件的绝对角度来执行阻力改变。绝对角度与用于探测迈步期进而用于确定何时弯曲阻力从站立期阻尼减小到迈步期阻尼的时刻的角速度的组合也在缓慢的行走速度的情况下证实为可靠的。通过绝对角度与角速度的组合也可以可靠地求取行走期间的运动的其它期，从而可以在一范围内改变弯曲阻力或者伸展阻力，使得产生协调的步态并且病人获得安全且有效的支持。
本发明的一个改进方案设定，仅仅通过一个或多个惯性传感器来求取绝对角度，所述一个或多个惯性传感器固定在小腿组件上或者在远端处固定的矫正-或者假肢组件上。在远端处设置的矫正-或者假肢组件特别是假脚或者是在矫正时用于正常脚的夹板或者支撑外壳。一个或多个传感器优选在中间和/或侧向地固定在相应的小腿组件上，以便求取所述小腿组件的绝对角度，也就是所述小腿组件相对于确定的参考参量(特别是垂直线)的位置。
所述绝对角度可以通过二维-或者三维磁场传感器、二维-或者三维加速度传感器和/或一维-、二维-或者三维陀螺仪来求取。在应用多个传感器的情况下，多个惯性传感器的传感器数据可以相互联合，以便可以基于多个不同传感器信号可靠地确定所述小腿组件的实际取向。在一个传感器的情况下的测量精度或者干扰于是可以通过该传感器或者其它传感器来补偿。
小腿组件的绝对角度的阈值可以调节到小腿组件在站立期的结束时具有的值，从而通过个别地调节可以考虑到病人的特别的身体特征。同样可以考虑优选的行走模式，其方式是：由主管的矫形技术人员将绝对角度的阈值个别地适配于病人的行走模式。将行走周期内这样的时刻理解为站立期的结束：在该时刻，刚好在脚尖与地面失去接触且抬起之前，脚尖在脚滚动时还正好接触地面。通常的是，然后膝关节进一步弯曲，从而膝关节中的屈曲增大了脚与地面的间距。
弯曲阻力可以在两个确定的值之间切换，从而在迈步期期间小的弯曲阻力和在静止期期间或者紧急情况模式中大的弯曲阻力是存在的。这样的紧急情况可以在跌倒或者绊倒时被激活。于是可以设有经提高的弯曲阻力，以便阻止膝盖中未制动的弯曲。执行器的设计有利地如此选择，使得在施加屈曲力矩的情况下不能通过执行器发生触发，以减小阻尼。这可以例如由此实现：执行器的功率被设定为小于这样的功率：该功率对于克服以屈曲力矩负载的假肢关节的对应压力是必要的。通过这种方式，基于功率技术式或者机械式设计来实现了执行器的操纵闭锁，从而不需要附加的控制器或者传感器。如果假肢使用者位于具有弯曲的、被负载的关节的位置中，那么可以由于执行器的选择的小的功率的原因而不进行相对于系统内压的调整，由此即使满足了用于改变屈曲阻尼的预定的其它参数也可以避免在潜在危险的情况下阻尼的开启和阻尼的自发降低。
本发明的一个改进方案设定，如果角速度达到零点并且求取到小腿组件的运动方向的换向，那么改变(特别是提高)弯曲阻力。如果在迈步期屈曲结束时提高弯曲阻力，那么由此提供了提高的安全性以防在碰撞到障碍物时不期望的弯曲。如果病人绊倒，那么弯曲阻力的提高能够实现了：病人可以通过以矫正器或者假肢供给的腿支撑，而膝关节无需弯曲。如果在迈步期结束时求取到运动方向的换向，那么可以减小弯曲阻力，以便允许最初的站立期屈曲。在迈步期结束时运动方向的换向可以由此求取：角速度达到零点并且绝对角度减小。
由惯性传感器数据也可以求取小腿组件的角加速度，其中设定，在超过阈值时提高或者不减小弯曲阻力。这用于识别特别情况(例如在绊倒的情况下)。角加速度优选在朝前行走时求取，从而可以检测并且可以考虑最经常的行走情况。通过角加速度超过临界值可以显示出：协调的行走运动被中断，从而其它阻尼值作为迈步期阻尼的值显得有意义。通常的是，于是可以提高屈曲阻尼或者保持为高的值。
附图说明
以下依据附图进一步阐明本发明的实施例。附图示出：
图1：假肢装置的示意图；
图2：控制的流程图；以及
图3：小腿角度曲线图。
具体实施方式
在图1中在示意图中设有假肢腿，其具有假肢杆1，用于接收大腿残肢并且用于将假肢腿固定在病人上。在假肢杆1的远端处设置假膝关节2，其配备有例如以液压阻尼器或者缠绕弹簧制动器形式的阻力装置3。在假膝关节2的远端处设有小腿管4和假脚5，作为其它远端组件。由假肢杆1、假膝关节2、小腿管4以及假脚5组成的功能元件通过装饰部6包裹，以便给出尽可能自然的整体印象。
在小腿组件(该小腿组件由假膝关节2的远端部分、小腿管4和假脚5组成)在所示实施例中设有作为角度传感器的惯性传感器7。惯性传感器7可以构造为磁场传感器、加速度传感器或者陀螺仪。也可能的是，多个惯性传感器7设置在小腿组件上，例如除了安装在假膝关节2的远端部分上之外也安装在小腿管4上或者假脚5上。加速度传感器和磁场传感器可以构造为二维或三维传感器，为了陀螺仪数据的求取可以使陀螺仪构造为一维或者二维或者三维的陀螺仪。相同类型的多个惯性传感器可以设置在小腿组件上，不同类型的惯性传感器7(例如加速度传感器和陀螺仪)同样可以固定在小腿组件上。
构造为角度传感器的惯性传感器7求取所述小腿组件相对于重心线8的角度值，该重心线穿过重力的中心9延伸。重力的中心9相应于病人的身体重心，并且角度α在站立期结束时在假膝关节2的伸展的姿态中在重心线8与小腿组件穿过身体重心9的纵向延伸方向之间被求取。图1中的小腿组件的取向通过沿着小腿管4穿过假膝关节2的摆动轴线的纵向延伸方向的连接直线10定义。在示出的位置中，假膝关节2在站立期结束时处于伸张位态中。小腿组件相对于重心线8的在此存在的角度α作为阈值被存储。在该值的情况下存在假膝关节2的以及髋关节的伸张进而存在腿的步伐回移，并且使得使用者安全地开始迈步期。如果假脚5朝前的滚动过程同时是可探测的(这在角速度α'>0并且角度增加方面表现出来)，则同样存在朝前的步伐。基于这些数据使假膝关节2的阻力装置3的执行器31如此被激活，使得已存在的站立期阻尼被降低并且如此长时间地保持很低，直至角速度α'在中间的迈步期中具有零点。依据经验值可以使小腿组件对于在正常步伐的迈步期结束时的位置的角度范围被保存。如果没有实施完整的步伐(也就是没有达到所述角度范围或者确定了角速度α'的不协调的变化)，那么通过执行器31如此影响所述阻力装置3，使得存在提高的弯曲阻力。如果继续未中断的步伐，那么可以重新实施屈曲阻力的下降，以便结束该步伐。
在图2中作为图解示出了控制的工作原理。在控制开始之后，在第一步骤20中求取相应的传感器值。通过惯性传感器7可以测量多个传感器值71、72、73。除了确定所述小腿组件的三个传感器值71、72、73的可能性之外，例如通过三个不同的惯性角度传感器7(如磁场传感器、加速度传感器和陀螺仪)也存在这样的可能性：通过多个同类型的惯性传感器7确定多个传感器值。原则上也可能的是，仅以一个惯性传感器7检测所述传感器值。
由惯性传感器7检测到的数据在另一工作步骤21中联合，以便补偿不精确性并且以便具有用于计算绝对角度的尽可能完整的数据情况。如果仅设有一个惯性传感器7，那么数据不必联合。
在随后的分析处理步骤22中，由传感器数据71、72、73计算出小腿组件相对于重心线8的角度α。同样可能的是，与之并行地在另一工作步骤23中计算出小腿组件的角速度α'。
通过例如卡尔曼滤波器所计算出相对于重心线8的角度α然后在另一步骤24中与阈值X比较，该阈值被事先确定。一旦绝对角度α大于预调节的阈值X，那么可以在一种不考虑所述角速度α'的控制情况下在另一步骤26中如此激活所述执行器31，使得阻尼装置3采取经减小的阻力以便引入迈步期。如果达不到所述阈值，那么执行器31在可选步骤27中不被相应地操纵并且阻力装置3的阻力保持不变。
如果连同角度α也在步骤23中计算出角速度α'并且角速度α'大于零，那么行走运动在步骤28中被探测。在汇合步骤25中，角度α和角速度α'相互耦合，如果存在所述两个阈值或者所述两个阈值被超过，那么根据步骤26激活所述执行器，如果用于角度α或者角速度α'的所述两个阈值中之一不存在，那么根据步骤27不激活所述执行器31。
在图3中示出了小腿角度α关于时间的曲线图。在曲线图的上部示出了在步伐周期期间的各个位置。所述步伐以脚跟(所谓的脚后跟)着地开始，由此首先轻微增大所述小腿角度α。在继续步伐的过程中假脚完全着地并且小腿或小腿组件在大约0.4秒后实现垂直，从而小腿角度α为0°。通过继续向前运动使小腿或小腿组件进一步倾斜，从而小腿α在数值方面增大。在大约0.8秒时实现站立期的结束，假脚尖离开地面，从而进入迈步期屈曲。在迈步期结束时，在正常行走的情况下在小腿角度45°时达到换向点。这是在大约1.3秒时的情况。随后实现了运动换向，小腿角度α在数值方面减小并且接近垂线，直至所述小腿角度在大约1.7秒时又达到垂线并且然后通过脚朝前伸展来进一步相对于垂线倾斜，然而这次进入到正的角度范围内。通过小腿角度α的变化曲线可以确定多个针对该小腿角度α的阈值。如果达到或者超过或低于这些阈值(根据人们从哪个方向看待所述阈值)，可以执行弯曲阻力的改变，特别是可以在达到最大弯曲角度之后增大弯曲阻力，以便提供保护免于在绊倒时膝关节的不期望且未制动的弯曲。通过小腿相对于垂线的调节可以实现阻力装置的阻尼的简单且有效地控制。
已经证实的是，上述简单算法可以良好地用于在站立期阻尼与迈步期阻尼之间来回切换。特别可靠的是这样的控制：角度值α大于事前存储的阈值(该阈值通过操纵所述假肢装置上的控制钮来调节)，而病人处于回移并且角速度α'大于零。如果存在所述两个条件，那么阻力装置3可以例如通过切换液压阀或者松开制动装置的闭锁由高的站立期阻尼转换成较小的迈步期屈曲阻尼。
仅应用惯性传感器降低了成本，因为基于应变片的力矩传感器对于可选的方法是非常昂贵的。除此之外，惯性角度传感器是无磨损的。
除了将角度信号一次求导以确定角速度之外，将角度信号二次求导的应用也是可能的，以便求取角加速度。加速度信号可以用于跌倒探测，角加速度超过确定的临界值可以显示出：协调的行走运动被中断并且其它阻尼值(通常是屈曲阻力的提高)可能更有意义。
此外，也可以通过观察角度变化曲线来推断出行走速度，除此之外可以在迈步期不仅在两个值之间二进制地来回切换阻力特性进而阻尼特性，而且所述切换可以以在时间上非常小的间隔对于离散角度值或者对于每个角度值或每个角度值的扫描进行调节。例如可以逐步地调节液压阀或者适配地调节同样可以用作阻力装置的制动装置，以便产生协调的步态。
此外可以由角度变化曲线如下调节所述阻力装置，使得在以伸展的关节进行脚跟着地时通过降低屈曲阻力能够实现站立期屈曲。在着地之后也可以设定阻尼的累进的变化，从而在脚跟着地之后的站立期屈曲降低之后实现大幅上升的阻尼，所述阻尼能够实现在脚跟着地之后的弯膝直至确定的角度值，除此之外通过调节所述阻力装置来中断所述角度的继续增大。
人造膝关节可以不仅作为假肢(如在实施例中示出那样)而且用作矫正器。阻力装置可以设计为简单的闭锁件、复杂的液压装置或缠绕弹簧制动件。通过考虑所述角速度α也可以使用驱动装置，以便附加地允许弯曲或者伸展。为了在负荷下(也就是在施加屈曲力矩的情况下)防止不期望的弯曲或者阻尼降低，执行器可以在功率方面如此设计，使得在出现屈曲力矩时待施加的切换功率处于执行器的输出功率之上，从而能够不进行阻尼的降低和与之相伴的突然弯曲。

Claims (9)

1.一种用于控制人造矫正-或者假膝关节(2)的方法，在所述人造矫正-或者假膝关节上设置小腿组件(4，5)，并且给所述人造矫正-或者假膝关节配备具有至少一个执行器(31)的阻力装置(3)，通过所述执行器使弯曲阻力根据传感器数据改变，所述传感器数据在使用所述矫正-或者假膝关节期间通过传感器(7)求取，其特征在于，仅仅通过至少一个惯性传感器(7)求取所述小腿组件(4，5)的绝对角度，将求取到的角度与至少一个阈值相比较并且在达到所述阈值时改变所述弯曲阻力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述小腿组件(4，5)的角速度由所述至少一个惯性传感器(7)的传感器数据来计算出，并且仅仅当所述角速度不等于零时才减小所述弯曲阻力。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，仅仅通过一个或多个惯性传感器(7)求取绝对角度，所述一个或多个惯性传感器固定在所述小腿组件(4，5)上或者固定在一矫正-或者假肢组件上，所述矫正-或者假肢组件在远端处固定在所述小腿组件上。
4.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述绝对角度通过二维-或者三维磁场传感器、二维-或者三维加速度传感器和/或一维-、二维-或者三维陀螺仪求取。
5.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将多个惯性传感器(7)的传感器数据相互联合。
6.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将所述小腿组件(4，5)的绝对角度的阈值调节到所述小腿组件(4，5)在站立期结束时具有的值。
7.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述弯曲阻力在两个确定的值之间切换。
8.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，如果所述角速度已经达到零点并且求取到所述小腿组件(4，5)的运动方向的换向，那么改变所述弯曲阻力。
9.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，求取所述小腿组件(4，5)的角加速度并且在超过阈值时提高或者不降低所述弯曲阻力。
CN201380020329.8A 2012-02-22 2013-02-22 用于控制人造矫正或者假膝关节的方法 Active CN104244872B (zh)

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