CN104602649B - 用于控制矫形外科技术上的关节装置的方法和矫形外科技术上的关节装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于控制下肢的矫形外科技术上的关节装置的方法，所述关节装置具有一上部件(2)和一铰接式支承在所述上部件上的下部件(3)，在所述上部件(2)和所述下部件(3)之间布置有一能量转换装置(5)，通过所述能量转换装置在行走期间转换或存储来自所述下部件(3)和所述上部件(2)之间的相对运动的动能并又输入给所述关节，以便辅助所述相对运动，其中，动能在一运动周期之内转换和/或存储并且在同一运动周期之内以受控制的方式在时间上错开地作为动能又输送给所述关节装置(1)。

Description

用于控制矫形外科技术上的关节装置的方法和矫形外科技术 上的关节装置

技术领域

本发明涉及用于控制下肢的矫形外科技术上的关节装置的方法以及一种作为下列关节装置的矫形外科技术上的关节装置，所述关节装置具有一上部件和一铰接式支承在所述上部件上的下部件，在所述上部件和所述下部件之间布置有一阻尼器装置，通过所述阻尼器装置来造成摆动运动的伸开阻尼和/或屈曲阻尼，其中，在行走期间转换和存储来自所述下部件和所述上部件之间相对运动的动能并又输入给所述关节，以便辅助所述相对运动。

背景技术

下肢的矫形外科技术上的关节装置例如是矫形器或假肢。尤其在替代天然膝关节的假肢中有利并且设置的是：屈曲和伸开阻力的主动影响在运动周期流程中进行，以便使关节装置的行为适配运动行为或另外的影响因素。

此外获得以公知方式驱动的假肢或矫形器，其驱动马达用于实施对应的关节装置的屈曲或伸开。

WO 2007/025116 A2描述了一种具有经电子控制的假膝盖的假肢装置，其具有一再生式制动装置。在确定的状况下，在行走时存在的动能被转换成电能和存储。在另外的状况下设置：过程行为辅助地或完全地被控制。设置一电子控制系统，以便控制所述假肢装置的运行并分配产生的电能。过量的电能可以存储在蓄电池或电容器中并且在一适当的时间点被取出用于运动辅助。所述能量存储器装置在假肢或矫形器的情况下很大且重，以便具有足够的容量，因此可以进行有效的运动辅助。此外存在这样的可能性，即，通过上部件相对于下部件的主动移位，在对于使用者而言不再能够监控的状况下以相应强的驱动来带动使用者。

EP 439 028 B1描述了在设计成一多中心假膝关节的矫形外科技术上的辅助器件的两个部件之间的一摆动连接装置，其中，在外力作用的情况下长度可变地构造了一关节机构。关节机构的长度改变可以以弹簧弹性的方式构造，从而使得在外力减小或消失之后，关节机构直接又占据它的原始长度。

发明内容

本发明的任务因此是提供一种方法和装置，利用它们可以实现步态的改善，而不危害使用者并且使用者不必承担重的关节装置。

根据本发明，该任务通过具有独立权利要求特征的方法以及具有并列独立权利要求特征的矫形外科技术上的关节装置来解决。本发明的有利的设计方案和改进方案在分别从属的权利要求、说明书以及附图中列出。

用于控制下肢的矫形外科技术上的装置的根据本发明的方法，其中，所述关节装置具有一上部件和一铰接式支承在所述上部件上的下部件并且在所述上部件和所述下部件之间布置有一能量转换装置，通过所述能量转换装置在行走期间转换和/或存储来自所述下部件和所述上部件之间相对运动的动能并又输入给所述关节，以便辅助所述相对运动，该方法设置：在一个运动周期之内转换和/或存储动能并且在同一个运动周期之内在时间上错开地作为动能又输入给所述关节装置。在下肢的矫形外科技术上的关节装置的一个典型运动周期中，即在一典型的脚步周期中存在这样的阶段，在这些阶段中，过量的能量必须被转换，但是也存在这样的阶段，在这些阶段中，利用动能的辅助是有意义的。因此设置：用于制动所述关节装置部件所存储的或转换并存储的过量能量在同一个脚步周期中在适当的部位上又被输入，其中，在所述存储或者转换和存储与作为动能的重新输入之间存在时间上的错开，即返回引导不是直接衔接所述存储。基于在同一运动周期中的被转换或存储的能量的输入而不需要大的蓄电池或电容器，这是因为仅存在相对低的能量量。由此节省了重量并且关节装置可以容易地被保持。用于转换和/或存储动能的装置可以构造为阻尼器装置的部件并且造成摆动运动的伸开阻尼和/或屈曲阻尼的部分，如果转换或存储了能量的话。所述装置可以构造为液压阻尼器和/或气动阻尼器，同样可以设置作为发电机的设计方案。前述装置彼此的组合也是可行的。用于转换和/或存储动能的装置可以设置在传统的阻尼器装置旁边。其余的阻尼部件，一般气动或液压的阻尼器保留继续获得，但是附加地要么设置力存储器要么设置能够可转换地作为马达运行的发电机，以便在所述运动之内的适当部位上取得来自系统的动能或将动能输入给系统。基于液压或气动阻尼系统耗散了该能量的很大部分的实际情况，所述系统可以为了辅助所述运动而小且轻地保持。所述能量转换和返回引导的时间点通过一控制装置来确定。

本发明的一改进方案设置：动能在伸开运动期间被转换和/或存储。动能的重新输入可以在开始用于辅助回转阶段屈曲的回转阶段时进行。同样地可以在脚趾离开(英文“toe off”)之后，在用于维持屈曲速度的步骤中又输入所述动能。也设置：在达到例如能够通过运动反转或通过速度传感器获知的最大屈曲角度之后，为了辅助伸开运动而输入能量。也可以在最初的脚跟接触后的屈曲运动之后，即在站立阶段屈曲之后，为了辅助所述伸开运动重新输入动能。原则上可行的是：所述输入仅在脚步运动的一单个的阶段中进行，替换于此地可以在该脚步运动的多个或所有描述的阶段或时间点进行动能的输入。

此外可以设置：动能在所述屈曲运动期间转换和/或存储并且为了开始回转阶段用于辅助所述屈曲运动和/或为了脚趾离开之后维持弯曲速度又被输入。因此可以设置：所述动能在开始回转阶段之后被转换和/或存储并且在达到用于辅助所述弯曲运动的最大屈曲速度之后才又被输入。达到最大屈曲速度可以通过速度传感器或加速度传感器获知。

一般在达到最大伸开之前制动所述伸开运动，以便减少冲量，该冲量在未制动地碰撞到伸开止挡中的情况下存在。该动能可以被转换和/或存储并且为了开始和/或辅助所述关节装置的屈曲又被输入。在关节装置的回转阶段期间可以为了提高或维持所述伸开速度而输入动能，以便使得所述下部件的前置变得容易和受到辅助。

此外设置：动能在站立阶段期间，在脚跟负载下的站立阶段屈曲开始时、在达到伸开止挡之前和/或在前脚掌负载下的开始站立阶段屈曲之后被转换和/或存储。尤其地，动能可以在最初的脚跟冲击时被转换和/或存储并且为了开始和/或辅助所述屈曲运动在达到一伸开止挡之后又被输入。

在行走速度增加的情况下可以设置：较少的动能被输入给所述关节，以便所述系统不自己加强并且由此使所述矫形外科技术上的关节装置的使用者被置于总是可以较快地行走。

动能可以转换和中间存储成电能或转换和中间存储成势能，例如通过一力存储器的装载，例如弹簧的装载或液压或气动压力存储器的装载。

此外设置：被转换的能量在一个运动周期中完全又被输入给所述关节装置，从而使得不进行被转换的能量的超出该运动周期的存储。由此来确保：仅在所述一个运动周期期间存在和被转换的能量又可以作为动能输入给所述系统。这可以通过如下方式进行，即，在该运动周期的特性参量的被识别的返回之后，到那时候存储的能量被耗散或者能量量连续地通过最后的运动周期被监控。

此外可以设置：动能的存储和/或转换仅在一个运动周期期间的预先确定的阶段中执行，即所述能量转换装置不是持续地工作，以便使来自运动的动能的一部分转换、存储或又作为动能输入给关节装置。为此要么确定了确定的运动阶段，在这些确定的运动阶段中总是发生转换、存储或返回引导，例如通过机械或电的控制装置，要么确定了时间点和时间段，在这些时间点或时间段中发生转换、存储或返回引导，为此基于所述运动根据用于每个运动周期或用于一个运动周期的特性参量的分析来确定运动周期的预先确定的或计算出的数目。这例如可以通过电子控制装置来进行。

在根据本发明的方法的一改进方案中，在上部件相对于下部件的摆动期间将来自相对运动的机械做功转换并存储在至少一个能量存储器中并且在时间上错开地又输入给所述关节装置，以便辅助所述相对运动，该改进方案设置：被存储的能量被转换回来并且机械做功的输入为了辅助相对运动和在辅助相对运动期间以被监控的方式进行。在从一能量存储器、例如一弹簧中释放能量时，被存储的能量根据现有技术冲击式地输入给关节装置、即包括下部件和上部件和铰接式支承装置的系统，从而使得通过一非常短的时间段导入高的能量量。设置：被存储的能量以被监控的方式又输入给所述系统并且以机械做功和辅助上部件相对于下部件的移位的方式转换，以便在较长的时间段上辅助所述运动，从而使得可以进行假肢装置或矫形装置的近似自然运动过程的运动。对改变的过程图形、速度或不同患者的适配根据现有技术仅特别耗费地能够实施，其方式是使用特殊适配的弹簧，这对于每天使用是不实际的。根据本发明与之相反监控到所述系统中的能量给出，从而使得所需的能量量能够在比较长的时间段上被馈入，以便如预期的那样影响步态。

机械做功的输入可以通过如下方式来改变，即，外部能量输入给所述能量存储器或从该能量存储器取出。如果能量存储器涉及弹簧，那么能量输入可以通过如下方式进行，即，弹簧被后夹紧，能量量的取出或减小可以通过如下方式来进行，即，弹簧例如通过弹簧支座的移位被放松。如果所述能量存储器构造为电能存储器、例如电容器、电池或蓄电池，那么能量量的改变可以通过激活发电机或通过来自第二能量存储器的导入来进行，能量量的减小通过连接一消耗器或通过导引到用于电能的第二存储器中来进行。

本发明的一改进方案设置：给所述能量存储器配置一致动器，能量存储器通过该致动器被填充或带至到最小水平，如果相对运动对此不够的话。如果通过运动能支配的能量应当不够为下一脚步或所述运动过程以足够能量供给所述能量存储器，其中，最小量与患者的行走速度、行走状况和个别的现实情况相关，那么根据本发明设置：在行走期间和在能量为了辅助相对运动而返回引导之前将能量存储器填充到一确定的水平，例如通过夹紧弹簧或通过驱动发电机，该发电机使电能存储器充电。

为了能够精确地确定运动辅助的时间点，根据本发明设置：给能量存储器配属一释放装置，来自能量存储器的能量通过该释放装置部分地或弯曲地释放。释放装置确定了能量给出的时间点，能量给出的持续时间和走向在完全释放的情况下不是通过释放装置来控制，而是通过能量存储器中的改变，即通过能量的取出或输入来控制。在部分释放时减小给出的能量量，从而使得运动辅助的开始水平可以被调整。通过部分释放可以进行例如对行走速度、患者或行走状况的适配，通过能量存储器中的改变进行辅助的精细影响。

能量可以作为机械做功与下列的至少一个标准或下列多个标准的组合相关地进行输入：即，所述上部件相对于所述下部件的角度位置；所述上部件和/或所述下部件在空间中的位置；所述上部件的和/或所述下部件的角速度；上部件与下部件之间的相对速度；负载状况；和/或所述上部件的和/或所述下部件的加速度。由此而可行的是：进行运动的尽可能准确的时间上和数量上的辅助。上部件和下部件相对彼此和在空间中的位置可以通过角度传感器或惯性传感器来确定，相对彼此的或在空间之内的速度通过加速度传感器或由角度传感器与加速度传感器的组合来确定。通过这些传感器可以不仅确定能量释放的时间点，而且确定对应的部件相对彼此或在空间中的当前的位置、对应过程状况以及行走速度，由此可以实现：能量输入的量和走向为了辅助所述运动可以确定和控制。

本发明的一改进方案设置：能量与至少一个或多个上面列出的标准相关地输入给所述能量存储器或从所述能量存储器取出，以便执行所述运动的被监控的控制。

用于改变待转换的能量量和/或输入的能量量的转换装置介入时间点可以被调节，从而使得例如可以与患者的行走速度、行走状况或个别的参数相关地调整待存储的能量量是多大或者待给出的能量量必须是多大。在能量量预期很大的情况下设置：在转换时发生尽可能提前的介入，从而使得例如发电机非常早地且非常长地被驱动或者弹簧被非常宽地预夹紧，以便将行走时、例如站立阶段屈曲中的脚跟踩地时的机械做功最大地转换成弹簧的位能或蓄电池或电容器的电能。如果例如通过根据角度的释放的移位或止挡的移位来调节返回转换时的介入时间点，那么能量在该脚步的一稍后的时间点上导入，由此可以实现步态的改变。能量存储器可以被一致动器装载，如果所述转换装置没有基于上部件与下部件之间的相对运动激活，从而使得所述致动器不必相对所述相对运动工作。此外，能量存储器通过所述致动器到如下阶段中的装载的在时间上的分类，在该阶段中没有来自关节装置的机械做功被转换，具有这样的优点：在长的时间段上可以存储能量，这导致致动器可以相应小地设计尺寸，以便可以在大的时间段上提供预期的量。如果例如弹簧通过作为致动器的马达被夹紧，那么该马达可以设计得很小并且以一个传动比与弹簧耦合，从而使得可以在一比较大的时间段上夹紧所述弹簧。同样的情况适用于电能的转换和存储。

本发明的一改进方案设置：所述相对运动附加于能量存储器的影响通过一阻尼器装置来影响，从而使得不必仅仅通过能量存储器进行控制，这导致在影响步态时存在大的变型可能性。此外可以通过附加的阻尼器装置较容易地接收负载峰值。

下肢的矫形外科技术上的关节装置具有上部件和铰接式支承在其上的下部件和用于转换和/或存储动能的装置，该关节装置设置：存储器装置具有这样的转换率和/或存储率，该转换率和/或存储率与下部件相对于上部件的摆动速度成反比。由此保证了：虽然实际上待转换的动能增加却没有进行自加强，从而使得所述关节装置的系统保持稳定。

可以设置有一用于产生电能的发电机和一用于驱动所述下部件的马达，其中，在所述发电机前面连接一根据速度的离合器，所述离合器使所述发电机与一驱动装置连接。运动速度越高，通过所述离合器被传递的功率越低，从而使得能量产生相比于摆动速度的反转的比例通过所述离合器被实现。

在关节装置中可以布置有用于阻尼所述上部件与所述下部件之间的摆动运动的液压阻尼器单元，其中，所述液压阻尼器单元的液压流体用作致动器，该致动器用于所述离合器的分开。所述离合器可以构造为根据速度的滑动离合器。

作为用于动能的存储器装置可以设置飞轮或压力存储器。所述关节装置优选地构造为假肢或矫形器的髋关节、膝关节或脚关节。所述能量存储器也可以构造为弹簧或蓄电池，其中，蓄电池也可以理解为电容器或一能充电的电池。

矫形外科技术上的关节装置的一改进方案设置：给能量存储器配属一致动器，该致动器在辅助相对运动期间对能量存储器以被监控的方式输入能量或取出能量。通过能量从能量存储器中出来通过一致动器的被监控的输入或被监控的取出，半主动关节装置下、尤其是半主动假膝关节下的步态的特别简单和可靠的影响是可行的。所述转换装置可以构造为弹簧或发电机，以便在上部件与下部件之间的相对运动中出现的机械做功要么存储成弹簧中的位能要么存储成电存储器装置中、能充电的电池中或电容器中的电能，所述电存储器装置例如设计成蓄电池。

独立的阻尼器装置可以布置在上部件和下部件之间，以便能够在通过能量存储器的辅助时更好地监控所述相对运动。通过能量存储器的影响与所述独立的阻尼器装置的叠加可以进行步态的较精确的并且安全的影响。所述阻尼器装置可以构造得能调节，以便与例如就关节角度、过程速度、角速度或上部件和/或上部件的绝对角度方面的传感器数据相关地提供适配的阻尼。所述阻尼器装置可以通过一致动器来调节，以便实现阻尼的减小或变大。

所述转换装置可以能调节地与所述上部件和/或所述下部件耦合，以便使介入位置或调节行程移位。由此而可行的是：像预期的那样不仅影响能量量而且影响能量输入的时间点。

利用所描述的方法和所描述的装置而可行的是：所需的能量仅在所述运动过程期间的适当的部位上和以最小的量被输入。所述矫形外科技术上的装置的使用者此外例如通过留下的残肢置入运动能量的最大部分。但是，能量输入在两个点上是必须或至少有利的，在这两个点上，所述关节装置的使用者不可以通过它的肌肉置入所需的能量，例如因为当由于惯性需要非常高的加速度时肌力不够。因此，例如在摆过地面时的回转阶段中的辅助是有意义的，因此阻止了下部件在行走时在地面上滑动。通过有目的的能量输入可以提高所述膝盖角度，从而使得更多地实现了离地间隙。在交替上楼梯时，附加的伸开力矩可以使使用者更能由自己的力克服剩余台阶。

基于总是仅最小所需的能量作为动能被馈入到所述系统中的实际情况，使用者任何时候都保留通过所述矫形外科技术上的装置的控制。对应馈入的能量会不够用于将使用者带到极限位态中。此外避免了肌损的产生，这是因为使用者今后仍然必须自己施加运动能量，仅仅精细控制通过所述方法或所述装置进行。

附图说明

下面，本发明的实施例根据附图详细阐释。其中：

图1-示出了在一个过程周期期间的膝盖角度走向；

图2-示出了在一个过程周期上的膝盖角速度的走向；

图3-示出了在该过程周期期间的膝关节的可能的能量接收和给出的阶段；

图4-示出了关节装置的示意图，其具有一用于屈曲辅助的能量存储器装置；

图5-示出了关节装置，其具有一用于伸开辅助的装置；

图6-示出了关节装置，其具有一弹簧，该弹簧支承在一曲线轨道中；

图7-示出了关节装置，其具有作为能量存储器的回转质量；

图8-示出了具有一伸开控制装置的关节装置的一变型方案；

图9-示出了具有两个弹簧的关节装置；

图10-示出了关节装置，其具有作为能量存储器的弹性弓弦；

图11-示出了图1的具有能移动的弹簧连接装置的变型方案；

图12-示出了具有布置在下部件中的弹簧的变型方案；

图13-示出了图3的具有中间连接的致动器的变型方案；

图14-示出了具有作为能量存储器的螺旋线的变型方案；

图15-示出了在不同的行走速度下的驱动力矩走向的视图；

图16-示出了在不同的行走速度下的关于关节角度的不同移位行程的视图；

图17-示出了关于关节角度的杠杆臂走向的视图；

图18示出了关于膝盖角度的阻尼器屈曲阻尼调整的视图。

具体实施方式

在图1中示出了关于时间的膝盖角度α的走向的示意图。该视图包括一过程周期，即，从脚跟的着地开始直到同一腿的脚跟的重新着地。在具有伸展的膝关节的最初的脚跟踩地之后，即在膝盖角度α是180°时，膝关节在站立阶段中首先轻微弯曲，这被称作站立阶段屈曲。一旦脚完全在地面上着地，那么膝关节伸展，从而使得出现180°的膝盖角度α。在站立阶段结束附近的弯曲运动的走向中，膝盖角度α减小。垂直的点线表示站立阶段的结束进而表示脚尖离开地面的时间点。该时间点被称作“脚趾离开”。在衔接的回转阶段中，下部件进一步向后摆动并且相对于上部件摆动直至120°的最小膝盖角度α。接下来进行运动反转，小腿带着假脚被向前带并直至摆动到伸展止挡中，该伸展止挡处在180°的膝盖角度α。在该伸展的状态下一般进行脚跟踩地。

在图2中叠加膝盖角度α与膝盖角速度v的示意图。膝盖角度走向在此相应于图1中描述的膝盖角度走向。在开始的站立阶段屈曲期间，膝盖角速度v短时地增加。在伸展阶段期间，即在180°的膝盖角度α下，膝盖角度不改变，膝盖角速度v同样恒定保持在0°每秒。膝关节在站立阶段结束时的弯曲导致膝盖角速度v直至“脚趾离开”时的最大值的提高。下部件的进一步返回回转运动随着减缓的速度发生，直至膝盖角度α最小时开始运动反转并且下部件实施伸开运动。与之相应地，所述膝盖角速度在零线之下延伸直至这样的时间点，在该时间点中开始伸开阻尼，以便使下部件不是无制动地摆动到伸开止挡中。与之相应地，膝盖角速度v减少，直到下部件达到伸展止挡并且膝盖角度α又是180°。所述膝盖角速度v于是是0。

为了快速地达到大的膝盖弯曲的区域中，可行并且必须的是：在过程周期的确定区段中提高膝盖角速度，例如以便因此使得腿的通过摆动变得容易。在此，最大膝盖弯曲可以保持相同或当存在伸开辅助时变大，因此小腿被快速地足够向前带。在图3中重新示出了关于过程周期期间的时间的膝盖角度α。其中标注了这些区域，在这些区域中，来自下部件和上部件之间的相对运动的运动能量可以转换或存储，这些区域设有附图标记o。此外标注了具有附图标记i的区域，在这些区域中可以有利的是：存储的能量重新输送给系统，以便辅助伸开或屈曲。在开始的站立阶段弯曲期间可以接收运动能量，以便例如在直接跟随其的伸开阶段中又输送所述运动能量。同样可行的是，中间存储在弯曲阶段中的或还有在伸展阶段结束时被接收的能量并在另一能量接收阶段期间才重新输送，从而使得下部件例如较快地屈曲或伸开，以便实现分别预期的效果。未被转换或存储的能量的以受控方式在时间上错开的输送在同一运动周期之内在预先确定的阶段i期间进行，其中，优选地使用制动阶段，以便转换和/或存储能量，和使用加速阶段，以便又以受控方式在时间上错开地输送该能量。该控制优选地电子式进行，但是原则上也可以的是机械式控制。

尤其地，作为输送阶段i设置最初的脚跟接触之后的伸开运动、用于开始回转阶段的弯曲辅助、“脚趾离开”之后的屈曲速度的维持以及实现最大屈曲角度之后的屈曲运动辅助。

在图4中在示意图中示出了矫形外科技术上的关节装置1的例子。所述矫形外科技术上的关节装置1具有一上部件2和一下部件3。所述下部件3以能绕一摆动轴线4转动的方式支承在上部件2上。所述屈曲沿箭头方向进行，能量转换装置5布置在伸开侧上。所述能量转换装置5具有一液压缸51，活塞杆53上的活塞52布置在所述液压缸中。通过活塞52液压地使两个腔55、56彼此分开。在下腔55中布置有压力弹簧。两个腔55、56通过一液压线路57彼此耦合。在液压线路57中布置有一能控制的阀58，通过该阀可以控制从上腔56到下腔55中的通流率。在活塞杆53的上端部上布置有锯齿形倒角的形状锁合元件531，所述形状锁合元件与以能摆动方式受支承的齿杆59处于配合中，该齿杆同样具有锯齿形齿部，该锯齿形齿部与所述形状锁合元件531的齿部对应地构造。在下部件3相对于上部件屈曲运动时推入所述活塞52。为了开始屈曲辅助，阀58这样宽地打开，使得阀58允许比所述关节装置更快的活塞运动。为了夹紧所述弹簧54而向下按压所述活塞杆53。这在下部件53相对于上部件的伸开运动期间发生。如果下部件3相对于上部件2屈曲，齿杆53的齿基于其定向在形状锁合元件531的斜面上沿着滑动，在下部件3伸开时压缩所述弹簧54，这是因为齿杆59的滑动由于基本上水平的接触面是不可能的。为了在开始所述回转阶段时，即在下部件3相对强地弯曲时的屈曲辅助，形状锁合元件531相对远地在下嵌接在所述齿杆59上并沿箭头方向辅助所述下部件3的运动。为了屈曲辅助，所述阀58以机械或电的方式与获知的关节角度位置相关地控制或与关节角度速度相关地以机械或电的方式控制。如果所述阀58打开，那么弹簧54可以放松，这是因为液压流体可以从所述上活塞腔56穿过液压线路57流动到下腔55中。

在图5中示出了一关节装置，其中，作用方向与根据图4的实施方式相比反转。弹簧54围绕活塞杆53布置，所述形状锁合元件531同样像齿杆59中布置的齿那样朝相反方向定向，从而使得存在伸开辅助。活塞52在屈曲时被拉出并且对于伸开辅助式起作用，如果所述阀58允许辅助所述弹簧54的活塞运动。这尤其可以在屈曲运动到伸开运动中的反转中进行。为了控制伸开运动的辅助，齿杆59或棘齿可以机械式脱耦或所述阀58可以阻尼式介入。

在图6中示出了本发明的另一变型方案，其中，在关节屈曲时通过曲线轨道7压缩一弹簧6，以便在进一步弯曲时又给出能量。由此可以在屈曲运动期间，例如在脚跟冲击期间存储动能并且为了开始用于辅助屈曲运动的回转阶段和/或为了“脚趾离开”之后维持弯曲速度又输送给关节装置1。在屈曲运动的情况下，弹簧6基于曲线轨道7中的引导保持不发生作用。

关节装置1的另一变型方案在图7中示出。在此设置回转质量8作为用于动能转换和存储的装置，该回转质量在所述下部件3相对于上部件2屈曲时加速。在屈曲速度减缓时，回转质量8又放出旋转能量，从而使得在达到最大屈曲速度之后，即在“脚趾离开”之后或伸开阶段中的通过摆动之后，为了辅助对应的运动而将能量输送给关节装置1。

在图8中类似于图4中描述那样构建了用于转换和存储动能的装置5，但是缺少了活塞杆53的上端部上的形状锁合元件531以及齿杆59。利用这样的装置可以驱动一伸开控制装置，尤其是调整所述伸开止挡。如果所述关节装置被完全伸展，那么活塞52被最大地运动到下腔55中。所述压力弹簧54最大地夹紧。这样存储的能量能够在打开阀58时被释放用于屈曲辅助，从而使得为了站立阶段结束时的屈曲开始进行了辅助。活塞杆53在此移出的越远，膝盖角度α就越大，其中，所述伸开控制装置起作用，这是因为活塞杆53的上端部或配属给该活塞杆的构件提早与上部件2中的止挡面接触。

在图9中示出了本发明的另一变型方案。能量转换装置5附加于根据图4的设计方案设置第二齿杆593和第二形状锁合元件533。第二齿杆593能摆动地布置在下部件3上，所述第二形状锁合元件533作用到下活塞腔55中的弹簧54上。具有活塞杆53的活塞52在伸开时通过齿杆59被推入。所述弹簧54存储作为位能的动能。根据有意的辅助的不同，要么活塞杆侧的弹簧541要么远离活塞杆的弹簧54被压缩。

所述能量转换装置5可以配置有一根据速度的离合器，该离合器在膝盖角速度v提高时提供力传递元件之间的减小的摩擦，从而使得转换或存储率反比于下部件3相对于上部件2的摆动速度。

图10示出了在具有上部件2的假肢膝关节构型中的矫形外科技术上的关节装置，在该上部件上布置用于接收大腿残端的大腿筒20。相对于上部件2远离身体地以铰接方式固定一下部件3，从而使得所述上部件2能够相对于下部件3摆动。在上部件2上，在背部上构造一悬架21，在所述悬架上一方面布置有设计为液压或气动阻尼器的阻尼器装置50并且另一方面布置有设计为弹性弓弦的能量存储器54。该弹性弓弦通过一转换传动装置11与设计为电动马达的致动器10连接。电动马达布置在小腿管中，该小腿管固定在所述下部件3上。设计成弹性弓弦的能量存储器5固定在转换传动装置11和悬架12上，如果马达10激活，那么该马达通过转换传动装置11作用到悬架12上并且可以要么夹紧要么放松所述弹性弓弦54，其方式是，所述悬架12沿远离身体或靠近身体方向移位或朝一个方向或另外的方向转动，以便卷起或放卷所述弹性弓弦。由此，所述悬架12形成所述能量存储器5的能移位的支承点，由此可行的是：在下部件3的伸开运动中调整所述弹性弓弦54的夹紧过程的开始。通过所述悬架12可以实现能移位的、弹性的伸展止挡，其通过所述致动器10来调整。通过所述下部件10的伸开运动来夹紧构造为弹簧的能量存储器54并接收所述下部件3的运动能量的一部分。这例如可以在回转阶段结束时或在脚跟冲击和站立阶段屈曲之后进行。在站立阶段伸开的范畴中，弹簧54被夹紧并且在站立阶段期间被继续保持夹紧。

在末端站立阶段中可以为了辅助所述回转阶段开始而又给出存储的能量，弹性弓弦54拉紧并且将位能转换成机械做功，以便辅助所述下部件3的屈曲。如果应当在能量存储器54中存储更多的能量，那么致动器10预夹紧所述弹性弓弦54，其方式是，所述悬架12远离身体地移位或沿卷起方向转动，如果应当存储较少的能量，那么悬架12靠近身体地移位或将所述弓弦放卷。在所示的实施例中，所述能量存储装置54同时是转换装置5，在该转换装置中，来自相对运动的机械做功被转换成势能。

附加于转换装置5或能量存储器54设置有设计成液压或气动阻尼器的独立的阻尼器50，该阻尼器构造得能调节，从而使得通过所述阻尼装置50可以沿屈曲方向和伸开方向影响行走期间的阻尼。

为了回转阶段开始时的受监控的辅助而设置：通过所述致动器10、转换器11和所述悬架12的移位或转动进行所述弹性弓弦54的预夹紧的改变，以便能够更好地监控能量给出。已证实的是：弹簧单独作为力存储器造成太大和太快的力导入，这可以被患者感受为不舒服。为了不仅能量导入的时间段而且能量量和功率可以监控，可以与上部件2与下部件3的角度位置、上部件2和/或下部件3相对彼此或在空间中的角度位置、角速度或过程速度相关地进行能量存储器54上的操作，以便限界功率和此外控制能量给出的时间流程。通过弹簧54的放松而可行的是：较少的能量置入到所述关节装置1中，通过所述弹簧54的后夹紧而可行的是：屈曲的辅助在较长的时间段上和在较大的屈曲角度上被维持，以便实现预期的、调和的步态。

本发明的一变型方案在图11中示出，其中，替代弹簧54基本上沿它的纵长延伸的放松或夹紧进行在远离身体的支承点上的移位。上固定点在一能移动的弹簧连接装置25中引导，该弹簧连接装置能够通过致动器10沿双箭头方向来回移动。根据铰接点和运动方向的不同，所述弹性弓弦54被夹紧或放松。不仅在图10中，而且在图11中，来自伸开运动的能量被存储在所述弹性弓弦54中。在伸开运动结束之后可行的是：马达10可以接下来后夹紧所述弓弦54，如果期望的待施加的能量不够造成屈曲开始时的预期辅助。所述后夹紧有利地当关节装置1处在完全被伸开的状态中时才进行，以便尽可能少地必须相对预夹紧运动进行处理。通过要么调节弹性弓弦54的预夹紧要么调节靠近身体的支承位置而可行的是：调整出这样的伸展角度，从该伸展角度开始将所述转换装置5激活，由此也可以设定多少能量应当存储在能量存储器5中。

在图12中示出了关节装置1的一变型方案，其中，设计为弹簧54的转换装置5布置在小腿管中。致动器10与弹簧5连接并且可以根据弹簧设计为压力弹簧或螺旋弹簧的不同要么压缩该弹簧要么卷起该弹簧。弹簧5通过压杆11与止挡16耦合，该止挡固定在上部件2上。通过激活所述马达10可以改变所述弹簧5的脚点，由此通过所述压杆11可以设定什么时候弹簧5与止挡16接触。压杆11越早与止挡16接触，弹簧5的调节行程和压缩就越大，从而使得相应地在弹簧5中更多地存储能量。相应地，在反向转换时，能量更多地从弹簧通过压杆11传递到止挡16上，从而使得能够实现变大的屈曲辅助。为了影响能量给出，弹簧5在运动辅助时要么夹紧要么放松。

图13中示出了一变型方案，其基本上相应于图12，但是必要时具有主轴驱动装置和朝一方向的无载运转的致动器10布置在弹簧5和压杆10之间，从而使得弹簧5的脚点保持固定，但是弹簧5可以利用马达10预夹紧。如果开始屈曲辅助，那么马达10必须携动转动，以便释放能量并通过压杆11和止挡16传递到关节装置上，由此可以通过能量释放实现特别良好的监控。同样可行的是：停止能量释放，这可以是有意义的，如果状况被错误地估计。

在图14中示出了作为能量存储器54的螺旋线和转换装置5，其中，通过线的扭转来实现缩短。通过增加或减少所述扭转来调整接触点，从该接触点开始，螺旋线构建拉力。在马达10和螺旋线54之间设置一轴向耦合器13。

除了能量存储器作为弹簧的所示实施方式之外，该能量存储器也可能地可以通过一转换传动装置和一发电机构造为设计成电池、蓄电池或电容器的电能存储器。为了反向转换存储的电能，将发电机作为马达连接，从而使得可以进行下部件3相对于上部件2的相对移位的辅助和驱动。为了提高能量量可以将一发电机配置给所述电能存储器，同样可行的是：设置另一能量存储器，该另一能量存储器用作缓冲器，过量的电能存储到该缓冲器中或从该缓冲器中提供附加所需的能量。

作为能量存储器54的弹簧可以构造为拉簧、压力弹簧、扭转弹簧或弹性体元件，这些弹簧从被致动器10调整出的一确定的伸展角度开始出现接触并且不仅使机械做功从该时间点开始转换成能量而且又化为运动辅助。所述弹簧在此从沿伸开方向的运动中接收能量，并且同时用作制动装置和伸开止挡。在回转阶段开始时，能量又被给出并且辅助导入所述回转阶段的使用者。通过所述致动器10可以在能量给出时调节弹簧接触时间点，从而使得在不同的行走速度下的不同的、受监控的辅助是可行的。同样可行的是：通过马达10来后夹紧对应的弹簧，如果通过先前的运动存储的能量不足够提供足够的辅助的话，例如可能在行走特别慢的情况下或在下楼梯时，机械做功不足以足够地夹紧弹簧。弹簧5可以就像图12中示出的那样配置有一释放装置14，通过该释放装置能够为了释放存储的能量而附加地保险触发时间点。

为了保险所述释放的触发，所述关节装置1可以包含一保险装置，该保险装置通过阻尼器50中的液压装置或通过马达10的控制装置来构造，它们确保及时地又减小被施加的弹簧能。

基于在伸开时至少部分地存储运动能量的实际情况，马达式辅助可以非常节省地工作。用于致动器10的电池可以同样像致动器10本身那样小地和轻地出现，因为致动器10在后夹紧时在站立阶段中具有足够的时间去夹紧所述弹簧并且能量的馈入不必像用于回转阶段导入的给出所需那样快速地进行。所述马达10必要时与独立的阻尼器20结合地控制来自所述弹簧的能量释放。通过能量存储器的屈曲辅助在实现交替上楼梯时所需的弯曲角度时以及在越过障碍物时起到帮助并且节省髋工作。

在图15中例如示出了在关于关节角度α的不同行走速度下的驱动力矩。表述针对三个不同的行走速度进行，其中，对应的行走速度通过不同的符号在该曲线图中示出，最低的行走速度以三角形表示，中间的行走速度通过圆形表示并且最高行走速度通过X表示。驱动力矩是有效驱动力矩，单位为Nm，即通过存储器装置5存储的并且又输送的能量扣除就像阻尼或摩擦那样的损失。可以识别出：开始地以非常高的驱动力矩来工作，以便能够在开始时提供屈曲辅助。当前的膝盖角度的关节角度α从最大伸开位置来地测量，在该关节角度增大的情况下，待施加的驱动力矩首先陡地下降，在一小的角度范围上保持恒定，很短地又提高并然后直至最大屈曲地下降到零。可以识别出：屈曲辅助在通过三角形表示的行走速度小的情况下大于在行走速度高的情况下。如在图15中示出那样的驱动力矩走向利用一个弹簧，在没有通过后夹紧或放松的马达式影响的情况下不能产生，这是因为根据本发明在驱动力矩的强返回过程之后，在较宽的时间段上力矩被维持直到达到最大角度。

图16示出了一曲线图，其中，马达10的牵拉行程关于关节角度α来加注。列出了不同的行走速度，它们又通过三角形、圆形和X来表示，最小行走速度通过三角形来代表。该视图涉及图10、12和14的实施方式下的马达10的平移运动。根据图16的移位行程这样协调，使得根据图15的驱动力矩曲线可以被实现。对应的走向对于每个被选择的弹簧是不同的并且可以根据弹簧特性的不同导致较大或较小的移位行程。目的是实现弹簧的尽可能小的移位进而夹紧。在弯曲导入开始时可以识别出：马达可以使弹簧返回滑动，以便实现尽可能快速的力减小，因此被监控的屈曲的感觉保持继续维持。在角度较大时又夹紧所述弹簧，以便维持或又提高所述力。在这里也重要的是：在行走速度缓慢时需要扩大的辅助。弹簧的释放进而用于屈曲辅助的能量的释放和马达的驱动同时进行，从而使得在屈曲辅助的整个走向上可以监控。

图17示出了针对不同的行走速度的根据图11的实施方式的杠杆臂关于关节角度α的改变。在这里也同时以弹簧释放来激活所述马达10，以便调整所述杠杆臂。首先，杠杆臂被快速减小，以便造成力减少，接下来又扩大杠杆臂，以便在较大的角度范围α上施加力并辅助所述屈曲运动。

在图18中在不同的行走速度的情况下示出了阻尼器装置50关于关节角度α的屈曲阻尼调整。与前面的图不同，最低的行走速度通过方块来表示，中间的行走速度通过三角形表示并且最高行走速度通过菱形表示。首先设置阻尼器单元50的中间的屈曲阻尼调整，其随着增加的关节角度α下降。在行走速度高的情况下可以在回转阶段结束时进行屈曲阻尼的提高，以便避免下部件3的过量弯曲。通过阻尼器单元50中的屈曲阻尼调整的改变而可行的是：结合马达控制来执行用于运动辅助的能量置入的有效和安全以及简单的控制。

除了作为屈曲辅助的所示实施方式可以原则上也为所述伸开辅助使用该装置，用于屈曲辅助的实施方案相应地也适用于伸开辅助，其中，也可以并被设置的是：屈曲辅助和伸开辅助共同地布置在一个关节装置中。

Claims (21)

1.用于控制下肢的矫形外科技术上的关节装置的方法，所述关节装置具有一上部件(2)和一铰接式支承在所述上部件上的下部件(3)，在所述上部件(2)和所述下部件(3)之间布置有一能量转换装置(5)，通过所述能量转换装置在行走期间转换或存储来自所述下部件(3)和所述上部件(2)之间相对运动的动能并又输送给所述关节，以便辅助所述相对运动，其中，动能在一运动周期之内转换和/或存储并且在同一运动周期之内以受控制的方式在时间上错开地作为动能又输送给所述关节装置(1)，其特征在于，所述动能的存储和/或转换在一个运动周期期间仅在预先确定的阶段中执行。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，动能在一伸开运动期间被转换和/或存储并且在用于辅助屈曲的回转阶段开始时、在用于维持屈曲速度的脚趾离开之后、在达到用于辅助所述伸开运动的最大屈曲角度之后和/或在用于辅助所述伸开运动的最初的脚跟接触后的屈曲运动之后又被输入。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，动能在关节装置的屈曲运动期间转换和/或存储并且为了开始用于辅助所述屈曲运动的回转阶段和/或为了在脚趾离开之后维持弯曲速度又被输入。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述动能在所述回转阶段开始之后被转换和/或存储并且在达到用于辅助弯曲运动的最大屈曲速度之后又被输入。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，动能在达到伸展止挡之前被转换和/或存储并且为了开始和/或辅助所述关节装置的屈曲又被输入。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述关节装置的回转阶段期间，输入动能用于提高或维持伸开速度。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，动能在站立阶段期间，在脚跟负载下的站立阶段屈曲开始时、在达到伸开止挡之前和/或在开始前脚掌负载下的所述站立阶段屈曲之后被转换和/或存储。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，动能在站立阶段期间，在脚跟负载下的站立阶段屈曲开始时、在达到伸开止挡之前和/或在开始前脚掌负载下的所述站立阶段屈曲之后被转换和/或存储。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，动能在最初的脚跟冲击时被转换和/或存储并且为了开始和/或辅助所述屈曲运动在达到一伸开止挡之后又被输入。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在行走速度增加的情况下，较少的动能被输入给所述关节。

11.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，被转换的能量在一个运功周期内完全又输入给所述关节装置。

12.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述动能被转换成电能和/或势能。

13.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，用于辅助所述相对运动的被存储的能量的输入以被监控的方式进行。

14.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，被存储的能量的输入通过如下方式来改变，即，外部能量输入给一能量存储器(54)或从该能量存储器取出。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，给所述能量存储器(54)配属一致动器(10)，当下部件(3)和所述上部件(2)之间的所述相对运动不足以提供能量的一最小水平时，通过该致动器使所述能量存储器(54)被填充到一最小水平。

16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，给所述能量存储器(54)配属一释放装置(14)，能量通过所述释放装置被释放出所述能量存储器(54)。

17.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，能量与下列至少一个标准或下列多个标准的组合相关地进行输入或取出：

-所述上部件(2)相对于所述下部件(3)的角度位置，

-所述上部件(2)和/或所述下部件(3)在空间中的位置，

-所述上部件(2)的和/或所述下部件(3)的角速度，

-上部件(2)与下部件(3)之间的相对速度，

-负载状况，

-所述上部件(2)的和/或所述下部件(3)的加速度。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，能量从一能量存储器(54)中取出或输入给能量存储器。

19.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了改变待转换的能量量和/或被输入的能量量而调整所述转换装置(5)的介入时间点。

20.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，当所述转换装置(5)没有基于所述上部件(2)与所述下部件(3)之间的相对运动激活时，所述能量存储器(54)被一致动器(10)装载。

21.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述相对运动通过一阻尼器装置(50)来影响。