CN104684509B - 带动力的下肢矫形器及其操作方法 - Google Patents

Abstract

一种带动力的下肢矫形器（100；310），包括连接到人工足（108；301）的小腿连接件（105；305），连接到该小腿连接件（105；305）的膝关节机构（107；306），以及大腿连接件（103；307），根据来自各个矫形器上安装的传感器（122,124,126,127）的信号控制该带动力的下肢矫形器，以致该人工足（108；301）遵循由至少一个笛卡尔坐标限定的预定轨迹。

Description

带动力的下肢矫形器及其操作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年5月24日提交的名称为“POWERED LOWER EXTREMITY ORTHOTICAND METHOD OF OPERATION”的第13/480,160号美国专利申请的优先权，该第13/480,160号美国专利申请是2009年6月16日提交的名称为“SEMI-ACTUATED TRANSFEMORAL PROSTHETICKNEE”的第12/457,573号美国专利申请的部分继续申请，该第12/457,573号美国专利申请要求2008年6月16日提交的名称为“SEMI-ACTUATED TRANSFEMORAL PROSTHETIC KNEE”的第61/132,217号美国临时申请和2008年9月12日提交的名称为“SEMI-ACTUATEDTRANSFEMORAL PROSTHETIC KNEE”的第61/136,535号美国临时申请的优先权。

技术领域

本发明通常涉及人造足的轨迹控制。本发明详述了假肢的发展，同时转化某些发展到人体外骨骼领域中，该人体外骨骼为穿戴在仍然保留有肢体的用户身上的矫正装置。特别地，这些人体外骨骼由具有瘫痪的肢体的个体所使用，并因此需要具备很像在假肢情况下的关节活动恢复的能力。

背景技术

近年来，假肢领域取得了很大的进步。例如，现今不但各种各样的截肢者都能获得定制的合适假肢，而且假肢自身也可按使用目的进行定制。因此，为截肢者定做假肢，不仅包括大小尺寸的定制，还根据其他各种因素而有所不同，尤其出于截肢者将使用假肢设备进行的活动的类型。

涉及膝上假肢，需要建立对步态迈步期和步态站立期的控制。显然，步态迈步期控制需适应更广范围的活动，其潜在的活动种类甚至可因截肢者的年龄和活动层次的不同而不同。鉴于这一点，过去使用的是液体系统，因为液体具有能够实现相对恒定的运动的特性。然而，运动速度还可能需要具备变化，以及由此产生的对液体系统的适当控制。此外，人们认为假肢领域中的发展的某种特性可以有力地转化到其他矫形领域，特别是人体外骨骼。

发明内容

本发明涉及带动力的下肢矫形器，其工作类似于膝上假肢。根据本发明的一个方面，公开了一种半驱动式膝上假肢系统，该系统本质为被动系统，在行走周期中，该系统只在移位时需要能量。总的来说，所述假肢包括小腿连接件、膝关节机构和大腿连接件，其中，小腿连接件适于连接至人造足，膝关节机构在远离人造足的位置连接至所述小腿连接件，大腿连接件适于附着在截肢者的膝上残余下肢。所述膝关节机构使所述大腿连接件和小腿连接件相对于彼此进行弯曲和伸展运动。根据本发明，所述假肢可在驱动模式或非驱动模式下进行操作。在驱动模式下，能量传递至与膝关节机构相连的扭矩发生器，使该扭矩发生器在大腿连接件和小腿连接件之间运动。在非驱动模式下，控制回路以非动力方式操作，使所述膝关节机构在阻力调节状态下操作。

根据本发明的一个优选实施例，电动机与电池电源相连，该电动机用于驱动液压阀，该液压阀为包括扭矩发生器的整个液压动力装置的一部分，该扭矩发生器用于调节所述膝关节机构。信号处理器根据从多个设置在膝上假肢上的传感器接收到的信号，来控制液压动力单元的操作，以建立驱动和非驱动模式。尽管传感器的分布、数量和类型可以有所不同，例如，一个优选实施例采用了步态站立传感器，其能够识别人造足接触支撑件表面(例如地面)的特定部位，同时，当所述人造足离开支撑表面后，基于人造足相对于截肢者的躯干的估测位置，信号处理器选择理想的步态迈步状态。为额外的控制目的，还可以使用膝关节角度、大腿角度、压力和其他传感器。

采用这种设置，整个系统有利地比全驱动膝关节消耗更少的电能，这样，使用给定容量的电池，截肢者能行走更远。另外，本发明的膝上假肢通常小于全驱动的膝关节。进一步地，所述半驱动假肢膝关节减少了髋部扭矩和动力，该髋部扭矩和动力是截肢者必须通过在一个行走周期的有效部分中，有效地制造同步扭矩和动力从而物理施加的。并且，各传感器向信号处理器提供了输入，该输入有效地使截肢者的运动范围和类型最大化。

本发明的假肢膝关节还通过以下方式控制：在步态迈步期间，不管假肢关于地面的方向，允许脚，或更具体地，脚尖，跟踪穿过与地面相符的空间的轨迹，而不是简单地重复膝关节运动。这是通过测量用户的大腿的角度，并且使用测量值得到描述确定的轨迹所必需的当前膝关节角度来完成的。根据整个发明，除了使用假肢的用户，本技术还可以应用于其他矫形设备，特别是人体外骨骼。

本发明的其他目的、特征和优点将通过以下对优选实施例的详细描述更加清晰地体现，其中，同样的附图标记指示各个示图中相应的部件。

附图说明

下面参照附图的描述有助于更好地理解本发明的特征、各方面及优点，在所有附图中，相同的特性代表相同的部件。

图1为根据本发明的第一实施例构建的半驱动假肢膝关节的示意图；

图2为本发明的第一液压阀回路的示意图；

图3为图2的液压阀回路进一步包括第一止回阀的示意图；

图4为图3的液压阀回路进一步包括第二可控阀的示意图；

图5为图4的液压阀回路进一步包括第二止回阀的示意图；

图6为包括并联回路的可选的液压阀回路的示意图；

图7为包括驱动阀的可选的液压阀回路的示意图；

图8为图7的液压阀回路进一步包括第一止回阀的示意图；

图9为图8的液压阀回路进一步包括第二可控阀的示意图；

图10为图9的液压阀回路进一步包括第二止回阀的示意图；

图11为包括并联回路的可选的液压阀回路的示意图；

图12为包括三通阀的可选的液压阀回路的示意图；

图13为图12的液压阀回路的三通阀在使用中的示意图；

图14为图12的液压阀回路进一步包括一个第一止回阀的示意图；

图15为图14的液压阀回路的三通阀在使用中的示意图；

图16为包括流体贮存器的可选的液压阀回路的示意图；

图17为图12的液压阀回路进一步包括并联回路的示意图；

图18为包括第二三通阀的可选的液压阀回路的示意图；

图19为包括四通阀的可选的液压阀回路的示意图；

图20为图1的半驱动式假肢膝关节的侧视图；

图21为图20的半驱动式假肢膝关节的更详细的透视图；

图22为图21的半驱动式假肢膝关节的分解图；

图23为在伸展时的驱动模式中的具有液体流的图16的液压阀回路的局部透视图；

图24为在伸展时的非驱动模式中的具有液体流的图16的液压阀回路的局部透视图；

图25为图1的动力单元的分解图；

图26为图25的三通阀的分解图；

图27为位于第一位置的图26的三通阀的局部横截面侧视图；

图28为位于第二位置的图26的三通阀的局部横截面侧视图；

图29A为位于第一位置的图26的三通阀的局部横截面顶视图；

图29B为位于第二位置的图26的三通阀的局部横截面顶视图；

图29C为位于第三位置的图26的三通阀的局部横截面顶视图；

图29D为位于第四位置的图26的三通阀的局部横截面顶视图；

图30为本发明的液压动力回路的局部横截面视图；

图31为图20的半驱动膝关节的局部分解图；

图32A为本发明的步态站立传感器的局部横截面后透视图；

图32B为图32A的步态站立传感器的后透视图；

图32C为图32A的步态站立传感器的前透视图；

图33为本发明的半驱动式假肢膝关节的局部分解图；

图34为根据本发明的由信号处理器执行的状态图；

图35为电源与电动机控制器之间的连接的电路图。

图36为根据本发明的一个方面利用足端轨迹的外骨骼系统的示意图；

图37为与图36的系统相关联的流程图；

图38为根据本发明的另一实施例类似于图36的外骨骼系统的示意图；

图39为图38的外骨骼系统的示范性轨迹操作的示意图；

图40A和40B分别为根根据本发明的外骨骼系统的另一实施例的侧视图和后视图。

图41为用于本发明的外骨骼系统的简单的有限状态机的流程图；

图42为用在本发明中的修改的、更复杂的流程图版本。

具体实施方式

首先参考图1，根据本发明的第一实施例所构建的半驱动式假肢膝关节100通过接口111连接到膝上截肢者的残余下肢110。除其他部件外，半驱动式假肢膝关节100包括大腿连接件103和小腿连接件105，该大腿连接件103与连接到膝关节机构107，该小腿连接件105连接到人造足108。膝关节机构107用于使大腿连接件103和小腿连接件105沿弯曲方向101和伸展方向102相对于彼此进行弯曲和伸展活动。液压扭矩发生器104用于在大腿连接件103和小腿连接件105之间产生扭矩。

半驱动式假肢膝关节100还包括液压动力单元200，该液压动力单元200连接至液压扭矩发生器104。除其他部件外，液压动力单元200还包括液压阀回路204，该液压阀回路204液压连接至扭矩发生器104。液压动力单元200还包括液压泵201，该液压泵201机械连接至电动机202，并液压连接至液压阀回路204。

半驱动式假肢膝关节100还包括电源205，用于为电动机202和半驱动式假肢膝关节100的其他部件提供电能。电动机控制器128(有时称放大器)将电源205的输出转化为适用于电动机202的电压或电流。半驱动式假肢膝关节100还包括信号处理器130，除其他功能外，该信号处理器130还控制电动机202，并实现包括一组状态的控制器的功能。半驱动式假肢膝关节100另外包括产生步态站立信号234的步态站立传感器124。除其他信息外，步态站立信号234还包括用于识别人工足108与地面相接触的部位的信息。

在操作中，当在其驱动模式下时，半驱动式假肢膝关节100用于将电能从电源205传送到电动机202，驱动电动机202和液压泵201。在该驱动模式下，液压阀回路204用于将液压泵201液压连接至扭矩发生器104。液压泵201与扭矩发生器104之间的液压连接使得信号处理器130控制扭矩发生器104。这种向扭矩发生器104输入动力的能力能够在行走周期的各阶段控制膝关节机构107，或向膝关节机构107施加理想的扭矩。

当半驱动式假肢膝关节100在非驱动模式时，液压动力单元200设置为没有电能从电源205传输到电动机202。在该非驱动模式中，液压阀回路204调节扭矩发生器104中液流的阻力。截肢者对扭矩发生器104中的液体流动阻力的调节能力使其能够在行走周期的各阶段中控制膝关节机构107对力和扭矩的阻力，从而减少电能的使用，因为电动机202在该非驱动模式下未消耗任何电能。

液压扭矩发生器104的例子包括但不限于线性液压活塞式液压缸、旋转式液压执行器、齿条与小齿轮式旋转执行器以及旋转液压叶片式执行器等，其中，加压液流通过对移动表面的转动而产生动力或扭矩。

电源205的例子包括但不限于电池、镍金属氢化物(NiMH)电池、锂电池、碱性电池、可充电碱性电池、锂离子电池和聚合物锂离子电池等。

电动机202的例子包括但不限于电动机，其中电动机包括但不限于AC(交流)电动机、刷式DC(直流)电动机、无刷直流电动机、电子整流电动机(ECMs)、步进电动机以及其组合。

液压泵201的例子包括但不限于齿轮泵、摆线泵、旋转叶片式泵、螺杆泵、弯轴泵、轴向活塞泵、斜盘式泵、径向活塞泵和蠕动泵等。

步态站立传感器124的例子包括但不限于力传感器、应变式力传感器、压电式力传感器、力感电阻、偏转基定位传感器、编码器、电位计、处于液压流中的压力传感器以及其组合。

膝关节机构107的例子包括但不限于旋转支点、四杆机构、滑面接头、滚动元件接头以及其组合。

所述信号处理器130包括以下一个或多个部件的组合：模拟设备；模拟计算机模块；数字设备，包括但不限于小规模、中规模和大规模集成电路、专用集成电路、可编程门阵列、可编程逻辑阵列；机电继电器、固态开关、MOSFET开关和数字计算模块，其中，该数字计算模块包括但不限于微型计算机、微处理器、微控制器和可编程逻辑控制器。在运行中，所述信号处理器130从各传感器中收集信息，经计算后，对液压回路的各部件发出其应当执行任务的指令。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，半驱动式假肢膝关节100进一步包括膝关节角度传感器120，该膝关节角度传感器120输出膝关节角度信号155，表示大腿连接件103和小腿连接件105之间的角度。膝关节角度传感器120包括从以下一组设备中选出的一个元件或多个元件的组合：编码器、数字编码器、磁性编码器、光学编码器、电位计、LVDT和分解器。

在一些实施例中，如图1所示，半驱动式假肢膝关节100进一步包括大腿角度传感器122，该大腿角度传感器122输出大腿角度信号156，表示大腿连接件103的绝对角度。所述大腿角度传感器122包括从以下一组设备中选出的一个元件或多个元件的组合：加速度计、陀螺仪、测斜仪、编码器、电位计以及其组合。图22表示本发明的一个实施例，其中，所述大腿角度传感器122固定至大腿连接件103，且包含加速度计133和陀螺仪134。

在本发明的一些实施例中，半驱动式假肢膝关节100进一步包括表示扭矩发生器104中的扭矩或力的扭矩传感器或力传感器(详细如下所述)。在本发明的一些实施例中，力传感器安装在线性扭矩发生器104的活塞上。在本发明的一些实施例中，用于半驱动式假肢膝关节100的力传感器包括两个压力传感器126和127，其用于测量扭矩发生器104两侧的液流压力，如图16所示。两个压力传感器126和127测得的数据也表示扭矩发生器104上的力。

在一些实施例中，如图1所示，步态站立传感器124包括一个力-扭矩传感器，该力-扭矩传感器安装在小腿连接件105上，用于测量矢状面上的力和力矩。

在一些实施例中，如图2所示，液压阀回路204包括相互串联的第一可控阀206和泵阀203，该第一可控阀206能够将液流分为两个方向。液压泵201连接到串联的第一可控阀206和泵阀203的两个端口上。扭矩发生器104连接到第一可控阀206的两个端口。在一些情况下，当半驱动式假肢膝关节100工作在在其驱动模式下时，第一可控阀206关闭。这使得整个液压泵的输出流流入扭矩发生器104。这进一步使得信号处理器130通过控制电动机202来控制扭矩发生器104。在驱动模式下向扭矩发生器104输入能量，能够控制膝关节机构107的活动，或向膝关节机构107上施加理想的扭矩。

当半驱动式假肢膝关节100在工作其非驱动模式下时，泵阀203完全关闭或部分关闭。当泵阀203完全关闭时，将不会有液流通过液压泵201。通过使用信号处理器130，能够调整第一可控阀206的开口大小，以适当调节扭矩发生器104中的液体流动阻力。当泵阀203部分关闭时，可以只将扭矩发生器104中的液体流动阻力从零调节到泵阀203和液压泵201中的液体流动阻力合并的大小。调节扭矩发生器104中的液体流动阻力，能够在行走周期的各阶段中控制膝关节机构107对力和扭矩的阻力，同时使用的电能更少，因为电动机202在该非驱动模式下未消耗任何电能。

当半驱动式假肢膝关节100工作在功率再生模式下时，泵阀203不关闭，使得来自扭矩发生器104的液压流的至少一部分能够转动液压泵201，同时电动机控制器128向电动机202上施加非零电流，以阻挡液压泵201中的液压流。

为更清楚地理解液压阀回路204的实施例，对其弯曲和伸展定义如下。当扭矩发生器104的活塞在图2所示的箭头131的方向上移动时，发生假肢膝关节100的弯曲。当扭矩发生器104的活塞在图2所示的箭头132的方向上移动时，发生假肢膝关节100的伸展。

在一些实施例中，如图3所示，液压阀回路204除其他部件外，还包括与第一可控阀206串联安装的第一止回阀207。这种实施例的工作类似于2所示的实施例的工作，不同之处在于，所述第一液压可控阀206只在一个方向上调节扭矩发生器104中液流的阻力。对比图2的实施例，这种实施例将扭矩发生器104中的液体流动阻力的范围限制在弯曲方向，使其总是大于液压泵201产生的液体流动阻力。进一步地，如果第一可控阀206打开，扭矩发生器104将可以自由伸展，且仍然能够在扭矩发生器104的伸展方向上注入能量。与图2的实施例类似，当半驱动式假肢膝关节100工作在其驱动模式下时，第一可控阀206关闭。这样，信号处理器130通过控制电动机202来控制扭矩发生器104。在驱动模式下，向扭矩发生器104中输入能量，能够控制膝关节机构107的运动，或向膝关节机构107上施加理想的扭矩。

在一些实施例中，如图4所示，液压阀回路204除其他部件外，还包括第二可控阀208，该第二可控阀208与串联安装的第一可控阀206和第一止回阀207并联安装。通过使用信号处理器130，可以调节第一可控阀206和第二可控阀208的开口，以适当调节扭矩发生器104中的液体流动阻力。这种实施例的操作类似于3中的实施例的操作，其不同之处在于，这种实施例不将扭矩发生器104中的液体流动阻力的范围限制在弯曲方向上。当半驱动式假肢膝关节100工作在其驱动模式下时，第一可控阀206和第二可控阀208关闭。这使得信号处理器130通过控制电动机202来控制扭矩发生器104。在驱动模式下，向扭矩发生器104中输入能量，能够控制膝关节机构107的运动，或向膝关节机构107上施加理想的扭矩。

在一些实施例中，如图5所示，液压阀回路204包括第二止回阀209和第二可控阀208，二者彼此串联，且与串联安装的第一可控阀206和第一止回阀207并联安装。这种实施例的工作类似于4所示的实施例的工作，其不同之处在于，如果第二可控阀208打开，则扭矩发生器104可以自由弯曲，且仍然能够在扭矩发生器104的弯曲方向上注入能量。与图4的实施例类似，当图5的液压阀回路204在工作其驱动模式下时，第一可控阀206和第二可控阀208关闭，以便控制膝关节机构107的运动，或向膝关节机构107上施加理想的扭矩。

第一可控阀206和第二可控阀208都包括任何能电动或手动调节阀口大小的阀或多个阀的组合。第一可控阀206和第二可控阀208的例子包括但不限于流量控制阀、压力控制阀、驱动针型阀、电磁阀和双位阀。

图6显示了液压阀回路204的另一实施例。图6所示的该液压阀回路204的实施例与图3所示的实施例相似，其不同之处在于，图3中的第一止回阀207被并联回路217替代。并联回路217包括第一止回阀207和第一调节限制阀215，二者串联安装，且与串联安装的第二止回阀209和第二调整限制阀216并联安装。

在工作中，当半驱动式假肢膝关节100工作在其驱动模式下时，第一可控阀206关闭。这使得整个液压泵的输出流流入扭矩发生器104中。这进一步实现了信号处理器130通过控制电动机202来控制扭矩发生器104。在驱动模式下，向扭矩发生器104中输入能量，能够控制膝关节机构107的运动，或向膝关节机构107上施加理想的扭矩。当半驱动式假肢膝关节100工作在其非驱动模式下时，泵阀203关闭，从而没有液流通过液压泵201。通过使用信号处理器130，可以调整第一可控阀206的开口大小，以调节扭矩发生器104中的液体流动阻力。调节限制阀215在扭矩发生器104的伸展方向上对液流提供阻力。调节限制阀216在扭矩发生器104的弯曲方向上对液流提供阻力。调节扭矩发生器104中的液体流动阻力，能够控制膝关节机构107对力和扭矩的阻力，同时使用的电能更少，因为电动机202在该非驱动模式下未消耗任何电能。

在一些实施例中，如图7所示，液压阀回路204包括第一可控阀206和执行器阀214，该第一可控阀206能在两个方向上控制液压流，该执行器阀214相互串联。在本实施例中，扭矩发生器104连接到串联连接的第一可控阀206和执行器阀214的两个自由端口。液压泵201连接到第一可控阀206的两个端口。

在工作中，当半驱动式假肢膝关节100工作在其驱动状态下时，第一可控阀206关闭。这使得整个液压泵的输出流流入扭矩发生器104。这进一步使得信号处理器130通过控制电动机202来控制扭矩发生器104。在驱动模式下，向扭矩发生器104中输入能量，能够控制膝关节机构107的运动，或向膝关节机构107上施加理想的扭矩。当半驱动式假肢膝关节100工作在其非驱动模式下时，通过使用信号处理器130，可以调节执行器阀214的开口，以调节扭矩发生器104中的液体流动阻力。调节扭矩发生器104中的液体流动阻力，能够在行走周期的各阶段中控制膝关节机构107对力和扭矩的阻力，同时使用的电能更少，因为电动机202在该非驱动模式下未消耗任何电能。

当半驱动式假肢膝关节100工作在功率再生模式下时，执行器阀214不关闭，使得来自扭矩发生器104的液压流的至少一部分转动液压泵201，同时电动机控制器128向电动机202施加非零电流，以阻挡液压泵201中的液流。

在一些实施例中，如图8所示，液压阀回路204除其他部件外，还包括第一止回阀207，该第一止回阀207与第一可控阀206串联安装，使得液流只在一个方向上流动。对比图7的实施例可看出，这种实施例将扭矩发生器104中的液体流动阻力限制在弯曲方向上，且使其总是大于液压泵201产生的液体流动阻力。如果第一可控阀206打开，且仍能够在扭矩发生器104的伸展方向输入能量，这将进一步使扭矩发生器104自由伸展。当半驱动式假肢膝关节100工作在其驱动模式下时，第一可控阀206关闭。这样，能够控制膝关节机构107的运动，或向膝关节机构107上施加理想的扭矩。

在一些实施例中，如图9所示，液压阀回路204，除其他部件外，还包括第二可控阀208，其与串联安装的第一可控阀206和第一止回阀207并联安装。该实施例的工作类似于8所示的实施例的工作，不同之处在于该实施例不将扭矩发生器104中的液体流动阻力限制在弯曲方向，使其总是大于液压泵201产生的流体阻力。在操作中，当图9的液压阀回路204工作在其驱动模式下时，第一和第二可控阀206和208关闭。这使得整个液压泵的输出流流入扭矩发生器104中。这进一步使信号处理器130通过控制电动机202来控制扭矩发生器104。在驱动模式下，向扭矩发生器104中输入能量，能够控制膝关节机构107的运动，或向膝关节机构107上施加理想的扭矩。

在一些实施例中，如图10所示，液压阀回路204包括第二止回阀209和第二可控阀208，二者串联安装，且与串联安装的第一可控阀206和第一止回阀207并联安装。本实施例的工作类似于图9的实施例的工作，其不同之处在于，如果第二可控阀208打开，且仍能够在扭矩发生器104的伸展方向输入能量，则该操作允许扭矩发生器104进行自由弯曲。当半驱动式假肢膝关节100工作在其驱动模式下时，第一和第二可控阀206和208关闭。这得能够控制膝关节机构107的运动，或向膝关节机构107上施加理想的扭矩。

图11显示了液压阀回路204的另一实施例。图11的液压阀回路204的实施例与图8的实施例相似，不同之处在于，图8的止回阀207被并联回路217替代。并联回路217包括第一止回阀207和第一调节限制阀215，二者串联安装，且与串联安装的第二止回阀209和第二调节限制阀216并联安装。

在工作中，当半驱动式假肢膝关节100工作在其驱动模式下时，第一可控阀206关闭。这使得整个液压泵的输出流流入扭矩发生器104。这进一步使信号处理器130通过控制电动机202来控制扭矩发生器104。在驱动模式下，向扭矩发生器104中输入能量，能够控制膝关节机构107的运动，或向膝关节机构107上施加理想的扭矩。当半驱动式假肢膝关节100工作在其非驱动模式下时，可以调整执行器阀214的开口，以调整扭矩发生器104中的液体流动阻力。第一调节限制阀215在扭矩发生器104的伸展方向上向液流提供阻力。第二调节限制阀216在扭矩发生器104的弯曲方向上向液流提供阻力。调节扭矩发生器104中的液体流动阻力，能够在行走周期的各阶段中控制膝关节机构107对力和扭矩的阻力，同时使用的电能更少，因为电动机202在该非驱动模式下未消耗任何电能。

在一些实施例中，如图12所示，液压阀回路204包括能够控制液压流的三通阀210。在操作中，当半驱动式假肢膝关节100工作在其驱动模式下时，三通阀将端口211连接到端口213，并封闭端口212。这使得液压泵201和扭矩发生器104之间具有液流，使得液压泵的整个输出流流入扭矩发生器104中。这进一步使得信号处理器130通过控制电动机202来控制扭矩发生器104。在驱动模式下，向扭矩发生器104中输入能量，能够控制膝关节机构107的运动，或向膝关节机构107上施加理想的扭矩。当半驱动式假肢膝关节100工作在其非驱动模式下时，三通阀210将端口212连接到端口213。通过使用信号处理器130，可以调节端口213的开口，以调节扭矩发生器104中的液体流动阻力。调节扭矩发生器104中液体流动阻力，能够控制膝关节机构107对力和扭矩的阻力，同时使用的电能更少，因为电动机202在该非驱动模式下未消耗任何电能。当半驱动式假肢膝关节100工作在功率再生模式下时，三通阀210将端口211连接到端口213，使来自扭矩发生器104的至少一部分液流转动液压泵201，同时电动机控制器128对电动机202施加非零电流，以阻挡液压泵201中的液流。

图13显示了图12的实施例的实现。更具体地，图13显示了三通阀210，该三通阀210具备至少三个位置。当三通阀210处于其第一位置时，三通阀将端口211连接到端口213，并封闭端口212。这使得半驱动式假肢膝关节100工作在其驱动模式下。三通阀210在处于其第二位置时，该三通阀210将端口212连接到端口213，并封闭端口211。通过使用信号处理器130，可以调节端口212和端口213、或同时调节端口212和端口213的大小，从而适当调节扭矩发生器104中的液体流动阻力。当三通阀处于其第三位置时(如图13所示)，这些端口彼此都互不连接。

图14显示了图12的实施例的另一实现方式，其中，液压阀回路204进一步包括连接到端口212上的第一止回阀207。与图12的实施例对比可发现，该实施例将扭矩发生器104中液体流动阻力的范围限制在弯曲方向上，并且使其总是大于液压泵201产生的液体流动阻力。如果所有端口211、212和213都互相连接，且能够在扭矩发生器104的伸展方向上输入能量，则该操作进一步实现扭矩发生器104的自由伸展。当半驱动式假肢膝关节100工作在其驱动模式下时，三通阀210将端口211连接到端口213，并封闭端口212。这使液压泵201和扭矩发生器104之间具有液流，且使液压泵的全部输出流流入扭矩发生器104中。这进一步使得信号处理器130能够通过控制电动机202来控制膝关节机构107的运动，或者向膝关节机构107施加理想的扭矩。

图15显示了图14中的实施例的实现。图15显示了具有至少三个位置的三通阀210。当三通阀210处于其第一位置(驱动模式)时，三通阀210将端口211连接到端口213，并封闭端口212。当三通阀210处于其第二位置时，所有端口互相连接。通过使用信号处理器130，可以调节端口212、端口213或同时调节端口212、端口213的开口大小，以适当调节扭矩发生器104中的液体流动阻力。当三通阀210处于其第三位置时(图15所示)，这些端口彼此之间都不互相连接。

图16示意了与图15相似的实施例，其中增加了一些特征。在存在任何泄漏或热膨胀时，贮存器230确保系统中仍具有足够的油。两个止回阀228和229确保液压流不被推回到贮存器230。两个液压流体路径231和232确保任何从三通阀210和液压泵201的泄漏都回馈至贮存器230。压力传感器126和127测量扭矩发生器104的第一和第二室中的液压流的压力。过滤器233收集液体中的所有杂质。

图17显示了图12的另一实施例，其中液压阀回路204进一步包括并联回路217，该并联回路217连接至端口212。在操作中，当半驱动式假肢膝关节100工作在其驱动模式下时，三通阀210将端口211连接到端口213，并封闭端口212。这使得液压泵201和扭矩发生器104之间具有液流，且液压泵的全部输出流流入扭矩发生器104中。这进一步使信号处理器130通过控制电动机202来控制扭矩发生器104的运动。在驱动模式下，向扭矩发生器104中输入能量，能够控制膝关节机构107的运动，或向膝关节机构107上施加理想的扭矩。当半驱动式假肢膝关节100工作在其非驱动模式下时，三通阀210将端口212连接到端口213，并封闭端口211。通过使用信号处理器130，可以调整端口213或端口212的开口大小，以调节扭矩发生器104中的液体流动阻力。第一调节限制阀215在扭矩发生器104的伸展方向上对液流产生阻力。第二调节限制阀216在扭矩发生器104的弯曲方向上对液流产生阻力。调节扭矩发生器104中液体流动阻力，能够实现在行走周期的各阶段中控制膝关节机构107对力和扭矩的阻力，同时使用的电能更少，因为电动机202在该非驱动模式下未消耗任何电能。

图18显示了液压阀回路204的另一实施例。图18的实施例与图17的实施例相似，其不同之处在于，图18中的调节限制阀215和216被第二三通阀218取代。在操作中，当半驱动式假肢膝关节100工作在其驱动模式下时，三通阀210将端口211连接到端口213，并封闭端口212。这使得液压泵201和扭矩发生器104之间具有液流，且液压泵的全部输出流流入扭矩发生器104中。这进一步使信号处理器130通过控制电动机202来控制扭矩发生器104的运动。当半驱动式假肢膝关节100工作在其非驱动模式下时，第一三通阀210将端口212连接到端口213。当扭矩发生器104沿着伸展方向移动时，第二三通阀218调节端口219和端口221之间的液体流动阻力，当扭矩发生器104沿着弯曲方向移动时，第二三通阀218调节端口220和端口221之间的液体流动阻力。如果端口219和端口221互相连接，端口220关闭，且端口211、212和213互相连接，则该实施例中的扭矩发生器104可以自由伸展，且能够在扭矩发生器104的伸展方向输入能量。如果端口220和端口221互相连接并且端口219关闭，以及如果端口211、212和213互相连接，那么该实施例进一步实现扭矩发生器104的自由弯曲，且能够在扭矩发生器104的弯曲方向上输入能量。

图19显示了液压阀回路204的另一实施例。图19中的实施例与图18中的实施例相似，不同之处在于，两个三通阀210和218被一个四通阀223替代。在工作中，当半驱动式假肢膝关节100工作在其驱动模式下时，四通阀223将端口224连接到端口227，并封闭端口225和226。这使得液流在液压泵201和扭矩发生器104之间流动，从而使得所述液压泵的全部输出流流入扭矩发生器104中。这进一步使得信号处理器130通过控制电动机202来控制扭矩发生器104。在半驱动式假肢膝关节100的非驱动模式下，当扭矩发生器104在伸展方向上移动时，四通阀223调节端口225和端口227之间的液压流的阻力，当扭矩发生器104在弯曲方向上移动时，四通阀223调节端口226和端口227之间的液压流的阻力。如果端口224、225和227互相连接，端口220关闭，则该实施例允许扭矩发生器104的自由伸展，且能够在扭矩发生器104的伸展方向上输入能量。如果端口224、226和227互相连接，且端口225关闭，则该实施例进一步允许扭矩发生器104的自由弯曲，且能够在扭矩发生器104的伸展方向上输入能量。

从图1到图19中可见，液压动力单元200包括两条连接到扭矩发生器104的通路：一条通路通过液压泵201，另一条通路通过液压阀回路204。在驱动模式下，液压泵201液压连接至扭矩发生器104。在非驱动模式下，到扭矩发生器104的液流由至少一个阀进行调节。

图20为半驱动式假肢膝关节100的一个实施例的示意图。如前所述，半驱动式假肢膝关节100除其他部件外，还包括大腿连接件103、小腿连接件105和膝关节机构107，通过扭矩发生器104连接。膝关节机构107使得大腿连接件103相对于小腿连接件105在弯曲方向101和伸展方向102上移动。半驱动式假肢膝关节100通过接口111连接至膝上截肢者的残余下肢110。更具体地，接口111通过金字塔形接合器113或已知的类似接合器连接到大腿连接件103。脚踝塔架109通过步态站立传感器124将小腿连接件105连接到人工足108。膝关节角度传感器120测量大腿连接件103和小腿连接件105之间的角度121。大腿角度传感器122位于大腿连接件103上，用于测量大腿连接件103的绝对角度。图20显示了液压动力单元200的轮廓。

图21和22为图20所示的半驱动式假肢膝关节100的剖面透视图和分解图。在图21和22所示的实施例中，锥形接合器113连接到大腿连接件103。固定到大腿连接件103的大腿角度传感器122包括加速计133和陀螺仪134。轴118从大腿连接件103伸展开，并与大腿连接件103相对静止。膝关节角度传感器120为磁性编码器，固定在编码器壳体116内，且相对于小腿连接件105保持静止。磁性编码器120测量嵌入在轴118内的磁体119的角度。轴118固定在大腿连接件103，并转向滚针轴承135的内部。推力套管136在大腿连接件103和膝关节机构107之间提供轴向支撑。轴承盖115保护滚针轴承135，液压动力单元200除其他部件外，还包括电动机控制器128、液压泵201、液压歧管190、扭矩发生器104和压力传感器126和127。动力单元200枢转连接在位于滚针轴承135上的小腿连接件105上。扭矩发生器104通过滚针轴承139连接到大腿连接件103，以实现大腿连接件103、小腿连接件105和扭矩发生器104之间的接合。步态站立传感器124将小腿连接件105连接到脚踝塔架109。使用电池129向假肢膝关节100提供能量。

图23显示了图16中的液压阀回路的透视图。箭头141表示驱动模式下在箭头132所示的伸展方向上的液压流通路。三通阀210具有三个端口211、212和213(如图16所示)，且三个端口分别连接到液压泵201、止回阀207和扭矩发生器104。止回阀228和229防止流体流回贮存器230中。液压流通路231和232定义了从液压泵201和三通液压阀210到贮存器230的通路。图24为图16的液压阀回路的透视图，其中箭头142示意了非驱动模式下在伸展方向上的液压流的通路。

图25为液压动力单元200的分解图。液压泵201包括泵盖199和泵座198。驱动齿轮196通过耦合器195连接到电动机202。液压泵201的驱动齿轮197与驱动齿轮196相啮合。歧管190包括所有液压通路。贮存器230包括空气/液体分配器236和空气阀237。空气阀237用于压缩贮存器230中的空气。散热器192用于从电动机202上的热转移。压力传感器126和127测量扭矩发生器104的两个室中的液压。杆端106将扭矩发生器104连接到大腿连接件103。部件191和235分别为电动机安装板和贮存器壳体。

图26显示了三通阀210的细节。阀带电动机270连接到阀传送器271。编码器包括编码器壳体274、编码器磁盘272和编码器读取头273，用于测量阀位置。阀壳体260具有三个端口211、212和213。在该实施例中，阀壳体260上具有五个孔261。阀缸250连接到阀传送器271的输出轴。如图26和28所示，两个槽251位于在阀缸250内。当阀缸250被阀电动机270带动时，三通阀210呈现图16所示的至少三个位置中的其中一个位置。如图29A所示，当三通阀210处于其第一位置时，端口211和端口213彼此完全打开。当三通阀210处于其第二位置时(图29B所示)，端口211、端口212和端口213连接在一起。当三通阀210处于其第三位置时(图29C所示)，端口彼此不连接。从图26和图29D可见，槽251上具有一些凹痕252，以控制端口的开口。不言而喻，阀缸250可位于除图29A-D所示之外的其他位置。为获得理想的液体流动阻力，可以通过信号处理器对阀进行实时调节，以实现最佳性能。

图30为半驱动式假肢膝关节100的实施例，其中压力传感器126和127测量扭矩发生器104两端的液压。另外，图30为液压动力单元的一个实施例，其中省略了液压歧管190，以便清晰显示扭矩发生器104和压力传感器126和127之间的连接通路。

图31显示了图20所示的半驱动式假肢膝关节100的实施例中的步态站立传感器124的实现。步态站立传感器124将脚踝塔架109连接到小腿连接件105上。在该实施例中，步态站立传感器124上装有数个应变计161-172，以测量在步态站立期通过小腿连接件105传递的力和力矩。图32A-32C显示了应变计161-172在步态站立传感器124上的位置。如图32C所示，步态站立传感器124包括夹在脚踝塔架109上的管钳159。

应变计161、162、163和164电连接成惠斯登电桥，以测量抗剪腹板160上的竖向剪切应力，该垂直切力由作用在腹板之一上的力产生。应变计169、170、171和172电连接成惠斯登电桥，以测量第二抗剪腹板上的垂直切力。两个抗剪腹板160上的垂直切力之和抵消了可能影响垂直切力测量的正面力矩。应变计165、166、167和168电连接成惠斯登电桥，以测量由于步态站立传感器124右侧上的矢状面力矩负载而产生的剪切应变。应变计173、174、175和176电连接成惠斯登电桥，以测量剪切应变，该剪切应变由步态站立传感器124左侧上的矢状面力矩负载产生。步态站立传感器124的左侧和右侧上的力矩负载之和抵消了可能影响矢状力矩测量结果的旋转力矩。由于步态站立传感器124上的旋转力矩在常规操作中比矢状面力矩小，应变计165、166、167和168或应变计173、174、175和176电连接成惠斯登电桥的替代配置，以测量水平剪切应变力，该水平剪切应变力由作用在步态站立传感器124上的右侧或左侧上的水平力产生。

图33显示了去除盖151和152的半驱动式假肢膝关节100。

在一些实施例中，信号处理器130接受来自各传感器的信息，以执行膝关节上的各控制器。这些控制器在本文中称为“状态”。图34为由信号处理器130执行的状态的示意图。其中标注出了全部状态。箭头显示了信号处理器130将假肢膝关节从一种状态转移到另一种状态的条件。以下对各状态和转移到该状态的条件进行描述。

步态站立

在工作中，当步态站立传感器124指示人工足108已经接触地面，如图20所示，信号处理器130开始执行步态站立状态140。在本发明的一些实施例中，在步态站立状态140中，半驱动式假肢膝关节100工作在非驱动模式下。这意味着在步态站立状态140中，其中半驱动式假肢膝关节100工作在非驱动模式下，半驱动式假肢膝关节100中没有电能从电源205转移到电动机202，液压阀回路204调节扭矩发生器104中的液体流动阻力。调节扭矩发生器104中液体流动阻力，能够实现在步态站立状态140时控制膝关节机构107对力和扭矩的阻力，同时使用的电能更少，因为电动机202在该非驱动模式下未消耗任何电能。

在本发明的一些实施例中，当步态站立传感器124指示人工足108的脚后跟比人工足108的脚尖承载了更多负荷时，液压动力单元200对扭矩发生器104中的液体流施加更大阻力，该阻力大于当步态站立传感器124指示人工足108的脚尖比人工足108的脚后跟承载了更多的负荷时的阻力。

向前迈步

在本发明的一些实施例中，当半驱动式假肢膝关节100工作在步态站立状态140时，且信号处理器130得知人工足108已从大致位于截肢者躯体后的地面上分离后，信号处理器130开始执行向前迈步状态149。在本发明的一些实施例中，在向前迈步状态149中，半驱动式假肢膝关节100工作在驱动模式下。这意味着，在半驱动式假肢膝关节100工作在驱动模式下的向前迈步状态149中，半驱动式假肢膝关节100用于将电能从电源205转移到电动机202，以驱动电动机202和液压泵201。在该驱动模式下，液压阀回路204使液压泵201液压连接至扭矩发生器104，使得整个液压泵的输出流流入扭矩发生器104。液压泵201和扭矩发生器104之间的这种液压连接使得信号处理器130通过控制电动机202直接控制扭矩发生器104。在一部分或整个向前迈步状态149中，向扭矩发生器104中输入能量，能够控制膝关节机构107的运动，或向膝关节机构107上施加理想的扭矩。

在本发明的一些实施例中，在向前迈步状态149中，信号处理器130控制大腿连接件103和小腿连接件105之间的角度，使得人工足108遵循一定的轨迹。在本发明的一些实施例中，在假肢膝关节100工作在驱动模式下的向前迈步状态中，信号处理器130控制大腿连接件103和小腿连接件105之间的角度，该角度为关于大腿角度信号156的函数(如图1所示)，这样，人工足108遵循一定的轨迹。这使得截肢者在步态迈步时将人工足108向前和向后移动(即，改变方向)，从而使人工足108在一定轨迹上。在一些实施例中，人工足108的轨迹为大致平行于地面的直线。应当理解为，可以使用小腿角度传感器，结合膝关节角度传感器120，以测得大腿角度信号156。在本发明的更具体的实施例中，在假肢膝关节100工作在驱动模式下的向前迈步状态149中，信号处理器130控制大腿连接件103和小腿连接件105之间的角度，该角度首先为大腿角度信号156的函数，接着为时间的函数。例如，在一些实施例中，在将人工足108在一定轨迹上调节至一点，使得人工足108位于截肢者身体的前面时，信号处理器130在适于当前步行速度的时间内伸展膝关节。在本发明的一些实施例中，在向前迈步状态149中，其中，假肢膝关节100在驱动模式下操作，信号处理器130控制大腿连接件103和小腿连接件105之间的角度，使得小腿连接件105的绝对角度遵循一定轨迹。

反向迈步

在本发明的一些实施例中，当半驱动式假肢膝关节100工作在步态站立状态140下时，且信号处理器得知人工足108已从截肢者躯体前面的地面上分离信号后，处理器130开始执行反向迈步状态。在本发明的一些实施例中，在反向迈步状态150中，半驱动式假肢膝关节100工作在驱动模式下。

这意味着，在反向迈步状态下，向扭矩发生器104中输入能量，能够控制膝关节机构107的运动，或向膝关节机构107上施加理想的扭矩，这一过程发生在反向迈步状态的150的一部分中或整个状态中。

在本发明的一些实施例中，在反向迈步状态150中，信号处理器130控制大腿连接件103和小腿连接件105之间的角度，使得人工足108遵循一定轨迹。在本发明的另一些实施例中，在假肢膝关节100工作在驱动模式下的反向迈步状态150中，信号处理器130控制大腿连接件103和小腿连接件105之间的角度，该角度为大腿角度信号156的函数，这样使得人工足108遵循一定轨迹。这使得截肢者反向迈步150时将人工足108向前和向后移动(即，改变方向)，并使人工足108位于一定轨迹上。在一些实施例中，人工足108的轨迹为大致平行于地面的直线。另外应当理解，可以使用小腿角度传感器，结合膝关节角度传感器120，以测得大腿角度信号156。在本发明的更具体的实施例中，在假肢膝关节100工作在驱动模式下的反向迈步状态150中，信号处理器130控制大腿连接件103和小腿连接件105之间的角度，该角度首先为大腿角度信号156的函数，接着为时间的函数。例如，在一些实施例中，在将人工足108在一个轨迹上调节至一点，使得人工足108位于截肢者身体的前面时，信号处理器130在适于当前步行速度的时间内伸展膝关节。在本发明的一些实施例中，在假肢膝关节100工作在驱动模式下的反向迈步状态150中，信号处理器130控制大腿连接件103和小腿连接件105之间的角度，使得小腿连接件105的绝对角度遵循一定轨迹。

上升迈步

在本发明的一些实施例中，当半驱动式假肢膝关节100工作在步态站立状态140下，并且信号处理器得知人工足108已从截肢者躯体前面的地面上分离后，信号处理器130开始执行反向迈步状态。在本发明的一些实施例中，在上升迈步状态143中，半驱动式假肢膝关节100工作在驱动模式下。这意味着，在上升迈步状态143中，其中半驱动式假肢膝关节100工作在驱动模式下，假肢膝关节100用于将电能从电源205转移到电动机202，以驱动电动机202和液压泵201。

在本发明的一些实施例中，在上升迈步状态143中，信号处理器130控制大腿连接件103和小腿连接件105之间的角度，使得人工足108遵循一定轨迹。在本发明的另一些实施例中，在上升迈步状态中，信号处理器130控制大腿连接件103和小腿连接件105之间的角度，该角度为大腿角度信号156的函数，这使得人工足108遵循一定轨迹。这使得截肢者在上升迈步时上下移动人工足108(即，改变方向)，并使人工足108保持在一定轨迹上。在一些实施例中，人工足108的轨迹为向上移动、再前行的通路，以便将人工足放置在楼梯上。另外应当理解，可以使用小腿角度传感器，结合膝关节角度传感器120，以测得大腿角度信号156。在本发明的另一些实施例中，在假肢膝关节100工作在驱动模式下的上升迈步状态143中，信号处理器130控制大腿连接件103和小腿连接件105之间的角度，使得小腿连接件105的绝对角度遵循一定轨迹或保持恒定值。

上升站立

在本发明的一些实施例中，当步态站立传感器124指示人工足108已经接触地面，并且膝关节角度近似弯曲时，信号处理器130开始执行上升站立状态144。在该上升站立状态144的一部分中，半驱动式假肢膝关节100工作在驱动模式下。

在本发明的一些实施例中，在上升站立状态144中，信号处理器130控制大腿连接件103和小腿连接件105之间的角度，使得膝关节角度遵循一定轨迹。在本发明的另一些实施例中，在上升站立状态144中，信号处理器130控制扭矩发生器104产生的扭矩。在本发明的另一些实施例中，在上升站立状态144中，信号处理器130控制输入至电动机202中的电流。在本发明的另一些实施例中，在上升站立状态144中，信号处理器130控制电动机202的速度。

在本发明的一些实施例中，当半驱动式假肢膝关节100工作在上升站立状态144下，并且信号处理器130得知所述人工足108刚从地面上分离(无论人工足的位置如何)，信号处理器开始执行上升迈步状态143。当半驱动式假肢膝关节100工作在上升站立状态144下，并且膝关节角度信号155指示半驱动式假肢膝关节100未弯曲时，信号处理器130还是执行站立状态140。

下降站立

在本发明的一些实施例中，当半驱动式假肢膝关节100工作在站立状态140下，并且扭矩发生器140中的扭矩大于特定值时，信号处理器130开始执行下降站立状态145。在下降站立状态140中，使用者倾向于弯曲半驱动式假肢膝关节100，这样增大了扭矩发生器104的扭矩。在一个实施例中，使用压力传感器126和127来测量扭矩发生器104中的力，并由此反映出扭矩发生器104的相关扭矩。在本发明的一些实施例中，当半驱动式假肢膝关节100处于站立状态140，且压力传感器126和127指示了扭矩发生器的第一和第二室中的巨大压力差时，信号处理器130开始执行下降站立状态145。在本发明的一些实施例中，在下降站立状态145中，半驱动式假肢膝关节100工作在非驱动模式下。

这意味着，在半驱动式假肢膝关节100工作在非驱动模式下的下降站立状态145的这部分中，半驱动式假肢膝关节100配置为从电源205到电动机202没有电能的转移，并且液压阀回路204调节扭矩发生器104中的液体流动阻力。在下降站立状态145中，调节扭矩发生器104中的液体流动阻力，能够控制膝关节机构107对力和扭矩的阻力，同时减少电能的使用，因为电动机202在该非驱动模式下未消耗任何电能。

在一些实施例中，半驱动式假肢膝关节100包括功率再生模式，该模式用于下降站立状态145。在该模式下，泵阀203未关闭，使得来自扭矩发生器104的至少一部分液压流能够转动液压泵201，并且电动机控制器使得电动机202产生电能。该步骤也可以通过非液压的其他许多方式来完成。

下降迈步

在本发明的一些实施例中，当信号处理器130得知在下降站立状态145中，人工足108刚从地面上分离并且置于截肢者躯体后面时，信号处理器130开始执行下降迈步状态146。在本发明的一些实施例中，在下降迈步状态145的一部分时，半驱动式假肢膝关节100工作在驱动模式下。

在本发明的一些实施例中，在下降迈步状态145中，信号处理器130控制控制大腿连接件103和小腿连接件105之间的角度，使得人工足108遵循一定轨迹。在本发明的另一些实施例中，在上升迈步状态中，信号处理器130控制大腿连接件103和小腿连接件105之间的角度，该角度首先为大腿角度信号156的函数，其次为时间的函数。例如在一些实施例中，以一定轨迹调节人工足108至一点，估测人工足108在该点上能够通过标准楼梯，则信号处理器130在适于步行下楼的时间内伸展所述膝关节。在本发明的一些实施例中，在下降迈步状态146中，其中假肢膝关节100工作在驱动模式下，信号处理器130控制小腿连接件105的绝对角度值，以遵循任意轨迹。

坐下

在本发明的一些实施例中，当信号处理器130得知在下降站立状态145中，人工足108刚与截肢者躯干前的地面分离时，信号处理器130执行坐下状态147。在本发明的一些实施例中，在坐下状态147的一部分时，半驱动式假肢膝关节100工作在非驱动模式下。这意味着，在半驱动式假肢膝关节100工作在非驱动模式下的坐下状态147中，半驱动式假肢膝关节100配置为从电源205到电动机202没有电能的转移，并且液压阀回路204调节扭矩发生器104中的液体流动阻力，使假肢膝关节100在阻力很小或无阻力状态下弯曲。调节扭矩发生器104中的液体流动阻力的能力能够在站立状态140中控制膝关节机构107对力和扭矩的阻力，同时减少电能的使用，因为电动机202在该非驱动模式下未消耗任何电能。

起身(从椅子上起身)

在本发明的一些实施例中，在坐下状态147中，当步态站立传感器124指示人工足108刚接触截肢者身下的地面时，信号处理器130开始执行起身状态148。在起身状态148的一部分时，半驱动式假肢膝关节100工作在驱动模式下。在本发明的一些实施例中，在起身状态148中，信号处理区130控制大腿连接件103和小腿连接件105之间的角度，使得膝关节角度遵循一定轨迹。在本发明的一些实施例中，在起身状态148中，信号处理器130控制扭矩发生器104产生的扭矩。在本发明的另一些实施例中，在起身状态148中，信号处理器130控制电动机202中的电流。在本发明的另一些实施例中，在起身状态148中，信号处理器130控制电动机202的速度。

图35为显示了电源205与电动机控制器128之间的电连接的电流示意图，其中包括过流保护电路184。在功率再生模式下，液压流通过液压泵201，使得电动机202转向并产生电流。信号处理器130向电动机控制128发出输出理想电流的命令，该命令中增加了总线183的电压，使能量从电动机202流向电源205，从而实现功率再生。如果总线电压足够高，则使用分压器182，将比较器179的开关178打开，该开关178使电流转向，离开电源205，因而在功率电阻177中损失了一部分能量。参考电压180为比较器179设置了断路点，并且反馈电阻器181提供了迟滞。

上面所述的与假体有关的脚的轨迹可以应用到下肢人体外骨骼。在下肢外骨骼中，如上所述的假肢膝关节根据大腿角度信号控制膝关节角度，运动控制器可以使用相同的技术协调多个驱动关节的运动。因此，为了确定所需的关节轨迹，运动控制器将需要限定多个约束。本技术的目的在于使用关节的协调运动来控制脚301关于相对于地面313的运动。出于解释的目的，描述将集中在带有受控制的髋关节308和膝关节306的单个腿309的设备的实施例上。这绝不意味着将本发明的适用性仅仅限制在带有两个受控制的关节下肢外骨骼上。例如，带有可驱动的髋关节、膝关节和踝关节的其他下肢外骨骼，或者两条腿中的一个上带有可驱动的髋关节和膝关节的下肢外骨骼。

本发明的一个实施例协同摆动腿310的髋关节308和膝关节306来满足两个约束条件，其中，那些约束条件中至少一个为脚301的位置的笛卡尔条件。这些相对于地，加在脚上的笛卡尔条件被称为笛卡尔约束。当控制脚的位置时，具体的实施例可以配置为关注脚的任意部分，例如，但不限于脚尖、脚后跟、脚301的前脚掌或踝关节。选择用来控制脚的位置的脚301上的点将被统称为“地面接触点”，以便包含可能的实施例。这是很重要的，因为在移动双足机器人中，摆动腿310的轨迹通常是以预定的髋和膝关节角度轨迹约束的形式离线规划的，并且没有考虑脚301相对于地面313的位置。

预先确定关节角度轨迹的技术在以前的自主双足机器人中已经工作得很好，因为该设备可以完全控制机器人整个位姿的各个方面。在外骨骼设备中，用户保持重要的能力以便对设备的位姿造成影响，因此必须使用相对用户创造的位姿不变的轨迹。发明人已经发现了预定的关节轨迹很难在下肢外骨骼中使用，因为用户可以通过将该设备向前或向后倾斜，改变该设备关于地面的位姿。这意味着，如果用户向前倾斜该设备309，在迈步中期，预定的髋和膝盖角度轨迹可能导致脚301撞击到地面313，并且，如果用户向后倾斜该设备309，这可能导致脚部停止在半空中。因此，控制脚301关于地面313的位置的系统更容易使用，尤其是对于新手来说。因此，提出的技术允许笛卡尔约束和关节角度约束的混合是有用的，该混合可以被预先定义而不受设备的位姿的影响。

在一个这样的实施例中，本发明可以配置为保持所需的脚尖关于地面的高度轨迹以及所需的膝关节角度轨迹，如图36可以看到的。为此，本发明计算当前位姿估计，当前位姿估计估计外骨骼连杆305和307关于地面313的位置。接着，运动控制器使用传感器提供给该系统的主动反馈和位姿估计来计算满足约束所需的特定的髋316和膝312角度，并将髋关节308和膝关节306移动到那些位置。图36显示了预定的笛卡尔约束325和所需的脚尖高度311，并且图37的流程图显示了第二预定约束326。在这种情况下，第二预定约束326定义了所需的膝关节角度312。接着，使用本领域技术人员已知的多种技术可以解决摆动腿310剩下的髋关节角度316，以满足这两个约束。图37显示了用于进行计算的测量值的顺序。

本发明还有许多类似的但包含不同的约束的实施例。通常会希望预定约束不是恒定不变的，反而关于时间其他脚步参数在整个脚步过程中是可变的。随着整个脚步变化的一组约束被称为轨迹。该方法同样地应用到垂直的314或水平的315笛卡尔约束和摆动腿310上的膝312或髋关节316角度的组合的其他实施例中。笛卡尔约束被定义为是描述在脚301的位置上的笛卡尔条件的约束。

为了应用这一技术，笛卡尔约束必须具有笛卡尔坐标参考。该参考建立用于向约束提供物理情境的笛卡尔约束的原点。在图36中，笛卡尔坐标参考317被定义为站立脚319上的点，指示所有笛卡尔约束都是参考站立脚的位置。该方法的另一实施例可以定义关于外部或全局笛卡尔系统322的笛卡尔约束。这样的实施例定义笛卡尔坐标参考为在设备309的周围环境中的固定点，如图38所示，其中，可以使用该设备309所工作的房间内的固定的定位系统定义坐标311和323。存在有许多其他的实施例，这些实施例使用广泛的笛卡尔坐标参考，例如，但不限于，采用连接到脚301或外骨骼的其他部分的非接触距离传感器地直接测量的潜在地313，在要么在地面313上要么离开地面313的支撑腿318上的点，或者在躯干320上的点。

额外的实施例也可以使用没有严格定义在水平轴315或垂直轴314中而是定义为它们二者固定的一些组合的笛卡尔约束。一个例子如图39所示，其中，控制水平维度330和垂直维度331，以致它们之间存在固定比率，其将导致脚尖保持在虚线路径332上。将该路径约束与膝关节角度312轨迹组合将提供两种约束，从而能够计算余下的同时满足两个约束的摆动腿关节角度。当然，这只是几乎有无限多个可以定义的关系中的一个例子。

本发明还可以扩展到使用多于两个约束或少于两个约束，并且只要那些约束中的一个为笛卡尔约束的实施例中。例如，相同的方法扩展到只具有一个计算机控制的关节，如膝关节306，的系统中，该计算机控制的关节试图满足维持地面接触点的离地高度311的单一约束。在这样的场景中，该系统必须具有至少与打算满足的所需约束的数量一样多的可控制的自由度。因此，只具有一个可控制的膝关节306的系统不可能同时满足所需的地面接触X323和Y311的约束，因为该系统的几何结构没有提供可以解决保障满足系统上的两个约束的设置。类似的，该方法可以应用到具有对于两个约束的系统中，只要该系统存在比所需约束的数量更多的可控制的自由度。这样的一个实施例为，在矢状平面中具有可控制的髋关节308和膝关节306并且在正面图具有可控制的髋关节333的系统，其力求满足三个约束。这个系统的一组约束的例子可以是地面接触Y坐标、髋关节角度316，以及地面接触点334的正平面偏移，如图40A和40B所示。这些约束是一组有效的约束，因为它们为完全限定了该系统的所需几何结构的三个独立的约束。

本发明的另一组实施例调整髋308和膝306的运动以便实现所需的脚运动，其中，约束的改变贯穿整个脚步。一个在约束间移动并确定迈步状态的阶段的方法为使用有限的状态机。这些实施例允许系统根据在脚步过程中脚是如何前进的完成不同步骤。这些方法可以使用全部在前面的本发明的实施例中提出的相同约束。在典型的应用中，当这些约束使用在状态机实施例中，这些约束为约束轨迹的形式，采用关于通过脚步的时间定义。

在一个实施例中，该系统根据迈步的状态的不同约束，使用单一有限状态机来定义迈步的状态，如图41所示。在第一状态340，摆动腿310正打算弯曲并准备摆动。这可以用相对于支撑腿318上的点的脚尖X坐标323和摆动膝关节角度312轨迹的约束来定义。到下一个状态343的转移可以用多种方式定义，但是在这个例子中，转移发生在预定的膝关节角度312阈值。在第二状态341，摆动腿310通过最小的空隙阶段向脚301前进。这种运动可以使用相对于支撑腿318的脚尖X坐标323和脚尖Y坐标(在x、y空间中的简单路径)的约束定义。在完成最小的空隙阶段后，该状态根据相对于支撑腿318上的点一组脚尖X坐标323，转到下一个状态344。在第三状态345，使用相对于支撑腿上的点的脚后跟X坐标和膝关节角度312轨迹的约束，摆动腿310为脚跟着地做准备。上述过程可以扩展到本发明更复杂的实施例中，这些实施例结合了更多的状态，以便在任意一个时间更好地孤立脚301所需的行为，如图42所示。

以上结合优选实施例对本发明进行了描述，应当理解为，能够在不脱离本发明的精神的范围内，对本发明作出各种改进和修正。通常，本发明的保护范围应当仅受权利要求所述范围的限制。

Claims (17)

1.一种控制带动力的下肢矫形器的方法，所述下肢矫形器具有第一腿和第二腿，该第一腿和第二腿中的每一条腿带有至少两个执行器，所述至少两个执行器被配置为由信号处理器控制并连接到人的相应下肢，所述方法包括：

当所述第一腿没有接触地面时，控制位于所述矫形器的所述第一腿上的参考点的轨迹，使其遵循由至少一个笛卡尔坐标限定的预定轨迹；

根据与地面接触的所述矫形器的第二腿的方位，估计所述参考点的位置；以及在单一的步态周期内切换用于限定所述轨迹的坐标。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在水平轴中测量所述笛卡尔坐标。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在垂直轴中测量所述笛卡尔坐标。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在不完全水平或垂直的轴中测量所述笛卡尔坐标。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过垂直笛卡尔坐标和膝关节角度坐标限定所述轨迹。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过垂直笛卡尔坐标和髋关节角度坐标限定所述轨迹。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过水平笛卡尔坐标和膝关节角度坐标限定所述轨迹。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过水平笛卡尔坐标和髋关节角度坐标限定所述轨迹。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：测量所述参考点相对于一躯干连接件的轨迹，所述躯干连接件被配置为将所述矫形器连接至人的躯干部位。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，相对于绝对参考系测量所述参考点的所述轨迹。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，相对于所述地面测量所述参考点的所述轨迹。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，从带有非接触式传感器的所述地面直接测量所述参考点的高度。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括保持一状态机以便在所述坐标中切换。

14.一种带动力的下肢矫形器，配置为连接到人的第一和第二下肢，该下肢矫形器包括用于各第一下肢和第二下肢的相应的第一腿和第二腿，该相应的第一腿和第二腿各自包括：

小腿连接件，该小腿连接件配置为连接到人；

大腿连接件，该大腿连接件配置为连接到人；

躯干连接件，该躯干连接件配置为连接到人；

膝关节机构，该膝关节机构连接所述大腿连接件和所述小腿连接件，并使所述大腿连接件和所述小腿连接件能够相对于彼此进行弯曲和伸展运动；

膝关节扭矩发生器，该膝关节扭矩发生器配置为在所述小腿连接件和所述大腿连接件之间生成扭矩；

膝关节角度传感器，该膝关节角度传感器产生表示所述小腿连接件和大腿连接件之间的角度的膝关节角度信号；

髋关节机构，该髋关节机构连接所述大腿连接件和所述躯干连接件，并使所述大腿连接件和所述躯干连接件能够相对于彼此进行弯曲和伸展运动；

髋关节扭矩发生器，该髋关节扭矩发生器配置为在所述大腿连接件和所述躯干连接件之间生成扭矩；

髋关节角度传感器，该髋关节角度传感器产生表示所述大腿连接件和躯干连接件之间的角度的髋关节角度信号；

电源，该电源配置为提供电能；以及

信号处理器，该信号处理器连接到用于每个所述第一腿和第二腿的所述电源、所述膝关节扭矩发生器、髋关节扭矩发生器、所述膝关节角度传感器和所述髋关节角度传感器，其中，对于每个所述第一腿和第二腿，所述信号处理器接收来自所述膝关节角度传感器和所述髋关节角度传感器的信号，并且分别通过所述膝关节扭矩发生器和髋关节扭矩发生器控制所述小腿连接件和所述大腿连接件之间的角度以及所述大腿连接件和所述躯干连接件之间的角度，以使不接触地面的所述第一腿上的参考点遵循由至少一个笛卡尔坐标限定的预定轨迹，其中，根据接触地面的所述第二腿的方位来确定所述参考点的位置，在单一的步态周期内切换用于限定所述轨迹的坐标。

15.根据权利要求14所述的下肢矫形器，其特征在于，所述笛卡尔坐标为所述参考点相对地面的高度。

16.根据权利要求14所述的下肢矫形器，其特征在于，对于每个所述第一腿和第二腿，所述下肢矫形器还包括：

人工足，该人工足具有足尖和足跟，其中该人工足连接至相应的小腿连接件；其中，所述信号处理器确定所述第一腿处在迈步状态中，并且分别通过所述膝关节扭矩发生器和髋关节扭矩发生器控制所述小腿连接件和所述大腿连接件之间的角度以及所述大腿连接件和所述躯干连接件之间的角度，以使所述第一腿的所述人工足遵循所述预定轨迹。

17.根据权利要求16所述的下肢矫形器，其特征在于，所述预定轨迹基本平行于所述地面。