CN104856787A - 控制下肢矫形或假体关节的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于控制下肢的矫形关节或假肢关节(4)的方法，所述下肢具有阻力装置，给所述阻力装置配置至少一个执行器，通过所述执行器根据传感器数据改变屈曲阻力和/或者伸展阻力(R)，在关节(4)的使用过程中通过传感器提供状态信息，其中，由至少两个用于检测至少两个力矩的装置来测定传感器数据并且通过数学运算将所测定的参量中的至少两个传感器数据相互关联，从而算出至少一个辅助变量(a，b，c，d)，以该辅助变量为基础控制屈曲阻力和/或者伸展阻力(R)。本发明提出，根据两个力矩(M1，M2)之差与两个力矩检测装置相互间距离的商数，测定施加在下连接件(2)上的横向力(Ft)作为辅助变量。

Description

控制下肢矫形或假体关节的方法

本申请是申请号为201080051454.1，申请日为2012年5月11日，发明名称为“控制下肢矫形或假体关节的方法”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种控制下肢的矫形或假体关节的方法，所述下肢具有阻力装置，给所述阻力装置配置至少一个执行器，根据传感器数据通过所述执行器改变屈曲阻力和/或者伸展阻力，在使用关节的过程中通过关节提供状态信息。

背景技术

用于矫形器或者假肢的膝关节具有通过关节装置相互连接的上连接件和下连接件。通常将大腿残端或者大腿夹板的支托布置在上连接件上，将胫骨柄或者小腿夹板布置在下连接件上。在最为简单的情况下通过一个单轴关节将上连接件和下连接件相互连接使其可以摆动。这种装置仅在特殊情况下保证所需的效果，要么使用矫形器保证予以辅助，或者用于假肢之中保证自然的步态。

为了尽可能自然表现或支持各种步态阶段或者其它日常活动期间的不同要求，采用了可提供屈曲阻力和伸展阻力的阻力装置。通过屈曲阻力调整胫骨柄或小腿夹板在受力时相对于股骨柄或大腿夹板向后摆动的轻松程度。伸展阻力可限制胫骨柄或小腿夹板向前运动，此外还形成伸展限位。

例如现有技术DE 10 2008 008 284 A1公开了一种矫形膝关节，具有一个上部和一个可以摆动地布置在所述上部上的下部，将多个传感器分配给所述膝关节，例如屈曲角传感器、加速度传感器、倾斜传感器和/或者力传感器。根据传感器数据测定伸展限位。

DE 10 2006 021 802 A1描述了在屈曲方向利用可调阻尼控制被动假肢膝关节，从而调整具有上端连接构件和义足连接件的假肢装置，使之适应爬楼动作，一旦检测到低力矩抬起义足，就在抬起阶段将屈曲阻尼降低到适合在平面中行走的水平以下。可以根据膝角变化并且根据作用于小腿的轴向力提高屈曲阻尼。

发明内容

本发明的目的在于提供一种控制人工膝关节的方法，利用该方法可根据情况调整屈曲阻力和伸展阻力。按照本发明所述采用具有本发明权利要求1所述特征的一种方法，即可解决这一目的。相关从属权利要求所述均为本发明的有益实施方式和改进实施方式。

按照本发明所述控制具有阻力装置的下肢的矫形关节或假肢关节的方法，给所述阻力装置配置至少一个执行器，通过所述执行器根据传感器数据改变屈曲阻力和/或者伸展阻力，在膝关节的使用过程中通过传感器提供状态信息，按照本发明所述，至少一个装置测定传感器数据，所述装置可用来检测至少

-两个力矩，或者

-一个力矩和一个力，或者

-两个力矩和一个力，或者

-两个力和一个力矩

通过数学运算将至少两个测定量的传感器数据相互关联，从而算出至少一个辅助变量，以该辅助变量为基础控制屈曲阻力和/或者伸展阻力。例如可以将传感器设计成膝力矩传感器或踝力矩传感器或者轴向负荷传感器，这些传感器可提供基本数据，可根据这些基本数据通过数学运算，例如加法、乘法、减法或除法，算出一个辅助变量。该辅助变量具有充分的说服力，从而可以据此算出阻力的调整量。该辅助变量能够以快速方式提供一个特征参数，无需花费很多运算时间，可通过该特征参数算出当前待调整的阻力作为目标值，并且相应控制执行器，以便达到所需的阻力。采用剪切力矩、剪切力、力或者距离作为辅助变量，例如可以测定作用于无法直接通过传感器接近的矫形器或假肢部位上的力和力矩作为辅助变量。传感器仅可测定直接作用的力或力矩，而通过计算辅助变量则可以考虑一个用来判定阻力调整且不必直接检测的变量。这样就能有更多方法来判断何时应在关节或假肢的何种运动状态下或者在哪一个位置中调整哪一个阻力。原则上可以同时确定多个辅助变量并且可将其用于进行控制。

例如可以将传感器布置在胫骨柄或小腿夹板上以及关节区域之中。辅助变量可以表达虚拟传感器形式的物理量，此外因为可根据力矩、力和人工关节的几何尺寸将其算出，因此可以测定某个力、力与基准点或基准高度之间的距离、某个基准高度中的剪切力矩或者剪切力作为辅助变量。可以测定某个力矢量与基准高度中某个轴线之间的距离、某个基准高度中的剪切力矩或者剪切力作为辅助变量。例如将力矩除以轴向力，即可算出地面反作用力矢量的距离。例如可采用至少一个用于检测力矩的装置(例如力矩传感器)来检测膝力矩，从而可在例如膝高度、也就是在膝关节轴线高度测定地面反作用力矢量的距离作为辅助变量。也可以测定与某个纵轴线之间的距离，例如可以测定与某个纵轴线上某个基准点之间的距离，所述纵轴线连接用来检测力矩的装置。例如在膝关节也就是在小腿部分上可以使用某个力矢量与下连接件纵轴线之间的距离。可通过用来检测两个力矩和一个力的至少一个装置的数据关联，测定某个基准位置中力矢量与关节连接件轴线之间的距离作为辅助变量。

原则上也可以使用其它基准高度，方法是将用来检测一个力矩的装置安装在基准高度的等高处，或者将不在基准高度上的两个力矩加权相加，算出某个基准高度上的力矩。可以通过基准高度中的某个分量测定剪切力矩或者剪切力作为辅助变量。在计算单元中、例如在微处理器中对利用虚拟传感器也就是通过多个传感器值的数学关系检测的辅助变量进行计算。

尤其可以将以下变量作为用来控制人工膝关节的辅助变量：地面反作用力与膝关节轴线之间的距离，或者地面反作用力围绕膝轴线的力矩，脚部高度的地面反作用力的距离，或者地面反作用力围绕小腿轴线在脚部高度尤其在地面高度产生的力矩。

另一种用来计算辅助变量的可能性在于，通过用来检测一个力矩和一个轴向力传感器的两个装置的数据关联，测定某个基准位置中力矢量与小腿轴线之间的距离。如果所讨论的是力矩传感器，那么这种表述也包括用来检测一个力矩的装置，这些装置由多个组件构成，并且不一定要将其布置在该力矩的作用位置上。

也可以将踝力矩传感器和膝力矩传感器的值加权相加或相减，测定某个基准高度中的剪切力矩，然后该剪切力矩就是据以用来相应地调整控制的辅助变量。

此外还可以根据两个力矩(例如膝力矩和踝力矩)之差与力矩传感器的距离的商数，确定施加在某个下连接件(例如脚部)上的横向力作为辅助变量。然后根据测定的辅助变量或者多个辅助变量，计算并且调整相应的阻力值。在超过辅助变量的最大值之后，可以利用辅助变量连续降低阻力，以便能够在斜坡或者楼梯上更加容易摆动关节。

当达到或者超过辅助变量的预定值时，则可以将阻力装置切换到摆动相，从而可以相对于站立相改变屈曲阻尼和伸展阻尼的基本设置。为此适宜使用剪切力矩或者脚部高度的地面反作用力矢量的距离。

可采用传感器来测定矫形器或假肢的膝角、膝角速度、大腿夹板位置或者股骨柄位置、小腿位置或者胫骨柄位置、这些位置的变化和/或者加速度，并且也可以除了使用辅助变量之外也可以使用传感器的数据来控制阻力或多个阻力。

为了尽可能顺利调整阻力使之适应于状态条件，不仅要实时检测数据，而且也要计算辅助变量并且调整阻力。适宜利用辅助变量和/或者传感器数据连续改变阻力，以便平缓调整控制变化，使得矫形器或者假肢使用者不会面对矫形器或假肢特性的突然变化。

此外提出，还可以在发现卸荷时，也就是当作用于矫形器或假肢的地面反作用力减小时，例如在抬腿时减小屈曲阻力，并且可在负荷逐渐增大时提高屈曲阻力。就这种潜在而且始终可执行的站立功能而言，当自然运动形式出现时，阻力可能会导致关节锁止。适宜连续提高和减小阻力，实现平缓的过渡，从而近似于自然的运动，并且使得假肢或矫形器佩戴者有一种可靠的感觉。当辅助变量变化时，例如可以根据假肢或矫形器的空间位置变化，取消或减小站立期间激活的锁定或阻力增大作用。

原则上可根据负荷从站立相过渡到摆动相，同样也可以通过逐渐调整阻力的方式从调整站立相的阻力过渡到调整摆动相的阻力，并且如有需要，也就是当存在相应的辅助变量数据时，通常可以逐渐重新返回到站立相。这样特别有利于在斜坡上实现摆动相，方法是使用小腿中的横向力作为辅助变量。

按照本发明的另一观点，根据测定的温度改变阻力。这样就能防止阻力装置或者矫形关节或假肢关节的其它组件过度发热。发热可能会导致关节失灵，因为关节的零件将会丧失形状或者结构强度，或者因为电子系统将会在允许工作温度范围之外工作。这时适宜适当改变阻力，从而减小耗散能量。由于转化能量比较少，因此阻力装置或者人工关节的其它组件可以冷却下来，并且在规定的温度范围内工作。除此之外，还可以适当调整阻力装置，从而补偿因为温度变化而出现的变化。例如当液压液的粘度因为发热而减小时，可以适当调整阻力装置，以便继续提供熟悉的屈曲阻力和伸展阻力，使得假肢或矫形器佩戴者能够继续信赖他所熟悉的人工关节特性。

在一种变型方案中提出，当温度逐渐增大时提高站立相(例如行走过程中)的阻力。不仅可以提高伸展阻力，而且也可以提高屈曲阻力。提高阻力可迫使使用者以较慢速度行走，从而可以将较少的能量注入到关节之中。因此关节就能冷却下来，从而可以在允许工作温度范围之内工作。

另一种变型方案提出，在行走期间当温度逐渐增大时减小摆动相的屈曲阻力。当减小摆动相的屈曲阻力时，就会使得关节继续向外摆动，假肢脚稍后向前足跟着地，因此就会重新迫使使用者以较慢速度行走，从而减少转变为热量的能量。

可以在达到或者超过温度阈值时改变阻力。可以在达到或超过温度阈值时骤然改变阻力，从而变换阻力值或多个阻力值。最好在达到温度阈值之后随温度连续改变阻力。酒精将温度阈值设置多高，取决于假肢或矫形器的相应设计参数、所使用的材料以及所追求的阻力特性均匀性。此外不允许将站立相的阻力提高到产生安全危险的情况，例如在下楼梯时。

温度引起的阻力变化并非是阻力变化的唯一控制参数，而是可将这种温度引起的阻力变化叠加到某个功能性阻力变化。可根据情况通过多个参数控制人工关节，例如膝关节或踝关节，从而可根据温度通过阻力变化补充功能性阻力变化，例如根据行走速度、行走情况或类似情况执行的功能性阻力变化。

此外，还可以在达到或超过温度阈值时输出警告信号，让假肢或矫形器的使用者意识到关节或阻力装置正处在危险的温度范围中。可以输出警告信号作为触觉、视觉或听觉警告信号。同样也可以组合运用各种不同的输出方法。

优选测量阻力装置的温度，并且以此为基础进行控制，如果其它装置具有温度临界特性，也可以对其进行温度测量。例如当某个电子控制装置对温度特别敏感时，建议除了监测阻力装置之外也要对其进行监测，并且采用一个相应的温度传感器。如果各个组件例如由于所使用的材料而对温度敏感，建议在相应部位上采用一个测量装置，以便能够获得相应的温度信号。

可以设置一个调节装置，通过所述调节装置使得阻力变化的程度改变。例如可以根据测定的数据(例如矫形器或假肢使用者的重量)或者根据测定的轴向力识别必须出大幅度改变阻力。同样可以采用一个可用来调整相应阻力变化的手动调整装置，从而能够根据所设置的或者所测定的数据以较大或较小的幅度顺势改变阻力。

用来执行上述方法的装置提出，将可调的阻力装置布置在矫形关节或假肢关节的两个相互铰接在一起的组件之间，并且配有一个控制装置以及检测装置中的状态信息的传感器。采用一个可用来激活和/或者取消阻力变化的调整装置。例如这样就能有选择地根据温度控制阻力变化，尤其可以有意识地激活或取消例如某个膝控制方法的模式、功能或者附加功能。

本发明的一种改进实施方式提出，在摆动和/或者站立期间或者在站立期间根据传感器数据调整屈曲阻力和/或者伸展阻力。从现有技术可知，在到达了摆动相或者站立相的某个调整值之后保持该值，直至出现新的行走相；按照本发明所述，则是在站立和/或者摆动期间可变调整屈曲阻力和/或者伸展阻力。在站立或摆动期间，当状态变化时、例如当力、加速度或者力矩增大时连续调整阻力。除了在到达赖以调整相应阻力的开关阈值之后通过开关阈值调整屈曲阻力和伸展阻力，按照本发明所述，也可代之以例如根据特性曲线的分析结果以可变的适配方式调整阻力。可以建立随膝杠杆力臂和膝角变化的屈曲阻力特性曲线，并且根据特性曲线控制阻力。

为了根据传感器数据控制人工关节，可以布置一些恰好所需的传感器，以保证检测行走相过渡阶段的安全标准。如果例如为了提高安全标准而使用超过最低限度的传感器，那么传感器的这种冗余就能实现如下控制：所述控制并不利用所有布置于关节中或上的传感器并且仍然可以遵守最低安全标准。可利用传感器的冗余来实现可替代的控制，所述控制在某些传感器失效的情况下始终还能允许利用尚在工作的传感器以摆动相实现行走，并且可提供最低安全标准。

此外还可以测定地面反作用力矢量与某个关节部分之间的距离，然后可在超过距离阈值时、也就是当地面反作用力矢量与某个关节部分之间的距离超过最小距离时减小阻力，例如与一定高度中小腿部分纵轴线上的某个点之间的距离或者与膝关节摆动轴线之间的距离。

此外如果还测定小腿部分相对于垂线逐渐增大的惯性角，则可以在站立相将屈曲阻力减小到适合于摆动相的值。小腿部分逐渐增大的惯性角表明假肢使用者正处在向前运动阶段，假设小腿部分的远端为支点。可以仅当惯性角的增量超过阈值时减小阻力，此外还可以在小腿部分的运动并非相对于大腿部分屈曲、也就是保持伸展或者向前运动的状态时减小阻力，同样也可当存在膝伸展力矩时减小阻力。

可以仅当膝角小于5°时减小站立相的阻力，这样就能在摆动期间以及膝屈曲时防止关节意外解锁。

如果已测定膝力矩从伸展变为屈曲，那么也可在出现膝屈曲力矩时将阻力减小到适合于摆动相的某个值，可在膝力矩从伸展变为屈曲之后立即减小。

此外可提出，如果在减小阻力之后的某一规定时间之内没有达到某一关节部件的惯性角、惯性角速度、地面反作用力、关节力矩、关节角度或者力矢量与关节部件之间的距离的阈值，则在减小阻力之后将阻力重新提高到站立相的值。换句话说，如果在变换到摆动相之后的某一设定时间之内实际上没有发现摆动相，则将关节重新调整到站立相。其根据在于脚尖离开地面之前就已触发摆动相，以便能够即时开始摆动相。但是如果之后并未开始摆动相，例如环转运动时就是这个情况，则必须重新切换到站立相锁定阻力。为此可采用一个定时器来检查是否在规定时间之内存在上述参量的预期值。如果检测到关节角度增大，也就是实际上已开始摆动相，则阻力保持减小，也就是摆动相保持激活。同样也可以在达到阈值并且激活摆动相之后，只有当超过小于第一阈值的第二阈值时才会启动定时器。

此外本发明提出，当测定朝向垂线方向减小的小腿部分惯性角以及前脚掌负荷时，提高或不减小站立相的屈曲阻力。由于耦合了朝向垂线减小的小腿部分惯性角的传感器值并且存在前脚掌负荷，因此能够可靠检测到后退步态，并且不会触发摆动相，也就是不会减小屈曲阻力，以便在后退过程中使假肢腿向后迈出并且着地时避免膝关节意外屈曲。这样就能使得假肢腿在屈曲方向受力，不会发生屈曲，从而使得佩戴假肢或矫形器的患者不必激活单独的锁定装置就能向后退步。

本发明的一种改进实施方式提出，当某个关节部分的惯性角速度低于阈值时提高阻力或者至少不减小阻力，换句话说，当惯性角速度超过预定的阈值时降低屈曲阻力开始摆动相。同样也可以通过确定某个关节部分尤其是小腿部分的惯性角和某一关节部分尤其是小腿部分的惯性角速度，测定假肢使用者或者矫形器使用者正在后退并且需要锁定或者高度止动的膝关节防止屈曲。因此如果阻力不够高，就会提高阻力。

此外提出，还可以测定前脚掌负荷曲线，并且当前脚掌负荷在小腿部分的惯性角减小过程中减小时提高阻力或者不减小阻力。在足跟着地之后向前运动的过程中，只有当越过垂线向前摆动小腿部分时，前脚掌负荷才会增大；而当减小惯性角向后行走时，前脚掌负荷则会减小，从而当存在这两种状态时，也就是当惯性角减小和前脚掌负荷减小时，就能推断出正在后退。然后据此将阻力提高到适合于后退的值。

另一个特征参数是膝力矩，可以测定膝力矩并且将其作为是否提高或者减小阻力的依据。当测定某一作用于屈曲方向的膝力矩时，也就是当使得假肢脚着地并且检测出膝关节中存在屈曲力矩时，则存在将要开始后退的情况，然后就需要禁止屈曲，也就是将阻力提高到不会出现屈曲的值。

此外可提出，还可以确定脚上的力作用点，并且当力作用点朝向足跟方向移动时提高阻力或者不减小阻力。

可以直接通过布置在小腿部分上的传感器装置或者根据另一个连接件(例如大腿部分)的惯性角以及同样已测定的关节角来确定小腿部分的惯性角。由于也可以将大腿部分与小腿部分之间的关节角用于其它控制信号，因此采用多元布置传感器并且多重利用信号的方式就能实现冗余，从而即使当某个传感器有故障时，假肢或矫形器的功能可继续保持。可以直接通过陀螺仪或者根据关节部分的惯性角信号差异，或者根据某个连接件的惯性角信号以及关节角来测定某个关节部分的惯性角变化。

附图说明

以下将详细描述本发明的实施例。

相关附图如下：

附图1  假肢的示意图；

附图2  计算距离的示意图；

附图3  计算剪切力矩的示意图；

附图4  根据多个传感器值计算距离的示意图；

附图5  计算横向力的示意图；

附图6  膝角和辅助变量值随时间变化的曲线图；

附图7  站立相的阻力增大时的特性参数的特性；

附图8  摆动相的阻力增大时的特性参数的特性；

附图9  在平面中行走时的膝角变化曲线和阻力曲线；

附图10 在斜面上行走时的膝角变化曲线和阻力曲线；

附图11 惯性角的符号规定以及后退过程中的假肢示意图；

附图12 膝角和膝力矩的符号规定；

附图13 阻力随膝角和膝杠杆力臂变化的特性曲线；

附图14 在斜面上行走时的特性参数；以及

附图15 不同最大横向力下的阻力特性。

附图说明

附图1所示为假腿的示意图，具有一个用来容纳大腿残端的股骨柄1。股骨柄1也称作上连接件。将一个具有阻力装置的胫骨柄形式的下连接件2布置在上连接件1上。将假肢脚3布置在下连接件2上。通过关节4将下连接件2以可摆动的方式固定在上连接件1上。将用来测定膝力矩的力矩传感器布置在关节4之中。在下连接件2中采用一个连接到假肢脚3的连接件5，将一个用来测定轴向力以及踝力矩的装置安装在假肢脚之中。也可以有角传感器和/或者加速度传感器。可以的是，并非所有的传感器都存在于假腿中或者可以存在附加的传感器。

在下连接件2中除了有提供屈伸阻力的阻力装置之外，还有一个可用来根据接收到的传感器数据和传感器数据分析结果改变相应阻力的控制装置。为此可使用传感器数据来生成至少一个辅助变量，可通过两个或更多传感器数据的数学关系获得该变量。这样就能将多个力传感器或力矩传感器相互关联，以便算出并非直接处在传感器区域中的力、距离和/或者力矩。例如可以算出特定参考平面中的剪切力、剪切力矩或者距离，以便能够据此判断当前应当执行哪些功能才能实现尽可能自然的步态。自然运动过程中出现的控制过程称作功能，而模式则是可通过一种随意操作进行调整的开关状态，例如通过操作一个单独的开关或者有意识的、必要时有意的非自然运动序列。

附图2所示为如何计算地面反作用力矢量GRF与力矩传感器之间的距离a作为辅助变量的示意图。辅助变量a在本情况下同样就是附图13中所示并且与特性曲线控制(当然这里使用了相反的符号)相关的膝杠杆力臂。膝力矩M与轴向力F_AX的商数即为距离a。膝力矩M与轴向力F_AX之比越大，则在膝轴线形成的基准高度中地面反作用力GRF的距离a越大。可以根据辅助变量a改变伸展阻力和/或者屈曲阻力，因为可以根据该辅助变量a算出假肢是否处在站立相或者摆动相的哪一个阶段，从而可据此调整预先设定的屈曲阻力和/或者伸展阻力。可以通过辅助变量a的变化确定当前的运动变化，从而可以在运动范围之内，也就是在站立或摆动期间调整伸展阻力和/或者屈曲阻力。适宜根据辅助变量或多个辅助变量的变化连续改变阻力。

在附图3中将辅助变量d确定为地面高度x中的剪切力矩Mx。在所示的示例中以脚部高度进行计算，从而可以假设参量x的值为0。根据以下公式算出在下连接件2的高度上确定的剪切力矩Mx

$d=\mathrm{Mx}=M1+\frac{M2-M1}{l2-l1}*(x-l1)$

式中M₁是连接件5中的力矩，通常是踝力矩；力矩M₂表示膝力矩；长度l₁表示踝力矩传感器与地面之间的距离；长度l₂表示膝力矩传感器与地面之间的距离；长度x表示高于地面的基准高度，应在该基准高度中计算剪切力矩Mx。这里可单纯根据两个力矩传感器的测量结果和上述数学关系计算辅助变量d。可以根据剪切力矩Mx推断下连接件2之内的负荷，从而可以据此算出下连接件2或者连接件5之内的负荷。可以根据剪切力矩的大小和方向识别出需要适配调整屈曲阻力和/或者伸展阻力的各种负荷情况。然后可以根据作为辅助变量d保存在控制器中的当前有效的剪切力矩Mx，实时在阻力装置中执行所需的调整，以便调整相应的阻力。

附图4所示为如何计算地面反作用力GRF与某一轴线之间的距离形式的另一个辅助变量b，这种情况下就是用来检测力矩的两个装置的连线在基准高度中与轴向力矢量F_AX之间的距离。可根据以下公式计算辅助变量b

$b=\frac{M1+\frac{M2-M1}{l2-l1}*(x-l1)}{\mathrm{FAX}}$

式中M₁是连接件5中的有效力矩，例如距离地面的高度l₁中的踝力矩，例如M₂是与地面之间距离为l₂的膝轴线4高度中的膝力矩。参量x是地面的基准高度，力F_AX是连接件5或者下连接件2之内的有效轴向力。如前所述，通过辅助变量b的变化不仅可在摆动期间、而且也可在站立期间连续调整相应的阻力，使其适应于现有的变化。这样就能激活可自动识别出的各种功能，例如可用来防止膝关节意外屈曲的站立功能。特殊情况下可在x＝0高度将该辅助变量用来触发摆动相。

不仅可以将超过辅助变量的阈值b_(x＝0)而且也可以将趋势作为判断触发的条件。在后退过程中辅助变量反向变化，也就是力作用点从脚趾转移到足跟，这种情况下不应减小阻力。

附图5所示为如何算出横向力或切向力F_T作为第四辅助变量c并且将其用于膝控制方法的示意图。可根据膝力矩M₂和踝力矩M₁之差与膝力矩传感器和踝力矩传感器之间的距离l₃的商数，得出切向力F_T以及辅助变量c。

$c=\mathrm{Ft}=\frac{M2-M1}{l3}$

如果在具有下降辅助变量的斜面上行走，例如就可以通过辅助变量c连续降低最终站立相中的屈曲阻力，以使得关节更加容易摆动。

附图6所示为如何利用辅助变量来确定摆动相触发条件的示意图。上图所示为随时间t变化的膝角K_A，从足跟着地HS和站立期间基本上保持不变的膝角开始，直至在时刻T₀快要抬起前足之前屈膝。然后膝角K_A在摆动期间增大，直至膝角在脚部向前迈出到达伸展限位之后重新为0并且足跟重新着地。

膝角曲线图下面所示为x＝0基准高度中地面反作用力矢量与附图4所示小腿轴线之间距离b的值随时间t变化的曲线图。一旦辅助变量b达到了阈值THRES，这对于控制器而言就是要适当调整阻力使其适合于摆动相的触发信号，例如可在前足快要离开地面之前减小屈曲阻力从而容易屈曲。可以连续而不是骤然减小阻力。同样也可以在辅助变量b重新变化而且并未如预期变化时适当调整阻力，例如提高阻力或者甚至锁止膝关节。

除了可通过一个辅助变量控制功能之外，还可以使用多个辅助变量来控制人工关节，以便更加精确地适应自然运动。除此之外，还可以将无法直接归因于辅助变量的其它元件或参数用来控制假肢或矫形器。

附图7所示为假肢膝关节的膝力矩M、功率P和速度v这些特性参数随站立相中的阻力R_STANCE变化的曲线图。将一个阻力装置和一个可以用来改变屈曲阻力和/或者伸展阻力的执行器布置在假肢膝关节之中。除了假肢之外，也可以使用适当装备的矫形器，同样也可以使用其它关节装置，例如髋关节或者踝关节。通常在阻力装置中将机械能转变为热能，以便抑制小腿部分相对于大腿部分的运动。其它关节也是如此。

阻力装置的温度取决于站立期间所施加的功率P有多大，功率P取决于用来使膝关节屈曲的有效膝力矩M和速度v，该速度又取决于图中未绘出的阻力装置对站立相中的相应运动施加的阻力R_STANCE。如果在足跟着地之后的站立相中提高屈曲阻力，并且在随后开始的伸展运动过程中提高伸展阻力，关节部件相互间的运动速度以及阻力装置的运动速度就会减小。由于速度v的减小幅度大于略有升高的力矩M，因此站立期间的功率P就会减小，使得将要转变的能量随着功率P的减小而减少。因此在冷却能力保持不变的情况下，阻力装置或者其温度受到连续监测的部件的温度就会减小。

附图8所示为所述特性参数与摆动相中的阻力R_SWING之间的关系。当阻力R在摆动期间减小时，速度v、膝力矩M以及所施加的功率P就会减小，从而使得将要转变的能力减少。因此当摆动相阻力减小时，阻力装置的温度就会变小。除了通过上述辅助变量进行控制之外，还可以辅之以通过温度控制摆动相，或者分开进行控制。

附图9中的上图所示为膝脚K_A随时间t变化的曲线图，从所谓的"heelstrike"、即脚跟着地开始(通常在膝关节伸展后足跟着地)。在脚部着地过程中使得膝关节略微屈曲，即站立相屈曲，以便减缓脚部着地和足跟着地。在脚部完全着地之后，膝关节完全伸展，直至所谓的”knee break”膝盖休息，这时将使得膝关节屈曲，以使得膝关节向前运动且越过前脚掌。从所述“knee break”膝盖休息开始，膝角K_A增大到摆动相中的最大膝角，以便在向前迈出屈曲的腿和假肢脚之后重新过渡到伸展位置，然后重新以足跟着地。这是在平面中行走的典型膝角变化过程。

在下面的图表中示出随时间变化的阻力R，对应于相应的膝角。从该图中可以看出在摆动相和站立相改变阻力有何影响，例如由于温度引起阻力变化而改变阻力。是否存在伸展或屈曲阻力取决于膝角变化过程，当膝角K_A增大时屈曲阻力起作用，当膝角减小时伸展阻力起作用。在"heel strike"足跟着地之后存在比较高的屈曲阻力，在运动反向之后存在较高的伸展阻力。当“knee break”膝盖休息时减小阻力，以使得膝关节容易屈曲和前迈，这样有利于轻松行走。在“knee break”膝盖休息时降低阻力之后，在一部分摆动期间之内将阻力保持在较低的水平，以使得假肢脚容易向后摆动。为了让摆动运动幅度不至于太大，在达到膝角最大值之前提高屈曲阻力，并且在达到膝角最大值和反向运动之后将伸展阻力减小到摆动相屈曲的较低水平。也可以在摆动相伸展运动期间保持减小伸展阻力，直至将要足跟着地"heel strike"。在将要达到完全伸展之前重新提高阻力，以避免生硬进入伸展限位。为了在假肢脚着地时充分防止失控屈曲，弯曲阻力也保持在较高的水平。

如果现在提高屈曲阻力，图中以虚线表示，则膝角速度就会减慢，假肢使用者的行走速度就会减慢。在"heel strike"足跟着地之后，仅在站立相屈曲过程中以比较小的幅度屈曲，并且缓慢伸展，从而耗散比较少的能量。在达到膝角最大值之前提高屈曲阻力，幅度不如标准阻尼方式明显，通过指向下方的箭头表示。小腿和假肢脚因此可以继续向外摆动，从而在"heel strikes"之间存在较大的一段时间。在摆动相屈曲过程中减小屈曲阻力也会导致行走速度减小。

在摆动相伸展结束时，也就是快要着地和"heel strike"足跟着地之前，与标准水平相比减小伸展阻力。也就是减小伸展阻力使得小腿部分以更快速度进入伸展状态。为了避免生硬进入伸展状态，假肢使用者将以较慢速度行走，使得功率P以及耗散能量减少。在"heel strike"足跟着地与“knee break”膝盖休息之间的站立期间，不仅可提高弯曲阻力，而且也可提高伸展阻力，以便放慢屈伸运动，从而减小行走速度。

附图10中的上图所示为斜坡行走过程中的膝角变化曲线，这里是在陡坡上行走。在"heel strike"足跟着地之后，膝角K_A连续增大直至达到膝角最大值，没有发生“knee break”膝盖休息。其原因在于斜坡行走过程中膝关节不会进入完全伸展状态。在达到膝角最大值之后，使得膝关节和小腿快速向前迈出，直至完全伸展，随之再次"heel strike"足跟着地。屈曲阻力在一段较宽的曲线范围内保持在稳定不变的较高水平，直至然后将其降低，以使得膝关节继续屈曲并且抬起假肢脚摆动。在达到阻力最大值之后进行摆动直至达到膝角最大值。接着将伸展阻力保持在很低的水平，直至快要着地之前将其重新提高。

如果现在阻力装置中的温度升高，则提高站立相的阻力，以保证缓慢的行走速度以及缓慢屈曲。达到摆动相的最大屈曲角之后，在向前摆动假肢脚时与正常功能相比减小伸展阻力，这同样也会使得耗散能量减少。

除了常见的患者向前运动的运动情况之外，在日常的运动特征中还存在应利用匹配控制作出反应的许多其它情况。

附图11所示为通常在向前行走时触发摆动相的一种情况中的假肢。患者在该情况下尚且立在前脚掌上并且想要使得髋关节屈曲，从而使得膝关节屈曲。但是患者在后退时也会进入相同的情况。从站立的情况开始，在后退时向后迈出假肢腿，也就是与假肢使用者的正常观察方向相反。这样就会使得小腿部分2的惯性角α_I首先朝向以重力矢量g表示的重力方向增大，直至假肢脚3着地。将髋关节作为运动的旋转点或支点并且用于确定增大的惯性角α_I。小腿部分2的纵向延伸线或者纵轴线穿过假肢膝关节4的摆动轴线，并且适宜同样也穿过踝关节的摆动轴线，但也可居中穿过假肢脚3与小腿部分2之间的连接点。可以直接通过布置在小腿部分2上的传感装置测定小腿部分2的惯性角α_I，也可代之以通过大腿部分1上的传感装置和膝角传感器测定该惯性角，膝角传感器可检测大腿部分1与小腿部分2之间的角度。

可以直接使用陀螺仪来测定惯性角速度，或者测定惯性角α_I随时间变化的量和方向。现在当存在一定的惯性角α_I和一定的惯性角速度ω_I时，如果超过惯性角速度ω_I的一定的阈值，就会开始摆动相。如果存在逐渐减小的惯性角α_I并且除此之外还存在前脚掌负荷，则可以推断出正在后退，从而并不减小而是保持或者提高屈曲阻力，以便不会开始摆动相屈曲。

附图12中所示的假肢处在平放于地面上的状态。该图尤其可用来确定膝力矩和膝角以及所使用的符号规定。膝角α_K相当于大腿部分1与小腿部分2之间的角度。膝力矩M_K围绕假肢膝关节4的管家轴线起作用。可以通过其它条件补充摆动相的触发条件，例如膝力矩M_K必须伸展，也就是必须为正值或者为零，膝角α_K近似于零，也就是膝关节已伸展并且/或者膝角速度为零或者伸展。

使用特性曲线是一种比较讲究的方式，可以考虑各种参数和参数关系。特性曲线不同于纯粹通过阈值控制的开关，可以调整可变并且针对变化过程或者组合特性曲线参量而适配的阻力。也可以使用以上所述的辅助变量。

附图13所示为用来控制平面行走步态的特性曲线，该特性曲线可用于测定待调整的阻力R。在阻力R、膝角K_A以及膝杠杆力臂K_L之间展开特性曲线。膝杠杆力臂K_L是地面反作用合力与膝轴线之间的法向距离，如附图2所示，将有效膝力矩除以有效轴向力即可算出。这里将膝杠杆力臂作为辅助变量a，但是有相反的符号。将不会使得关节(膝关节)屈曲或者仅可使其非常缓慢屈曲并且不会破坏某个部件的值作为阻力R的最大值。如果膝杠杆力臂K_L＝-a在开始增大之后趋向于零并且小腿已明显向后倾斜，表现出在平面中行走的典型特征，则从基本屈曲阻力开始提高屈曲阻力R直至达到最大的站立相屈曲角，例如15°或略低，同时膝角逐渐增大直至达到锁止阻力R_BLOCK。在附图13中将这样的曲线表示为正常的站立相屈曲曲线R_SF。阻力装置可在平面中行走时的站立相屈曲过程中限制屈曲。但是当膝杠杆力臂K_L增大时，则以较少的幅度提高屈曲阻力。该特性相当于例如在斜坡上向下走或者减速步态，图中以R_RAMP表示。通过该特性曲线可以在平面行走与斜坡行走之间连续过渡。在没有使用阈值、而是使用连续的特性曲线之后，也可以在站立相的前进阶段在平面行走与斜坡行走之间过渡。

附图14所示为斜面行走过程中(本示例为下坡行走)随时间t变化的特性参数膝角K_A、切向力F_T以及屈曲阻力R。在"heel strike"足跟着地之后，膝角K_A连续增大直至脚部抬离地面的时刻T₀。然后膝角K_A再次增大，以便在摆动相中使得小腿部分更加靠紧大腿部分，从而能够使得脚部向前迈出。在达到最大膝角K_A之后，使得小腿部分向前迈动，膝角K_A减小到零，使得腿部重新处在伸展状态，在该状态下将足跟着地，从而可以开始新的步态周期。

切向力F_T或者横向力在"heel strike"足跟着地之后为负值，在脚部完全着地之后过零点，然后在脚部快要抬离地面之前升高到最大值。在时刻T₀抬起脚部之后，横向力F_T为零，直至再次"heel strike"足跟着地。

屈曲阻力R的变化曲线在达到横向力F_T的最大值之前几乎不变而且很高，以便抵消下坡行走过程中作用于屈曲方向的力，从而减轻患者的负担，并且不必通过保持侧来抵消运动的人工关节的动量。在达到脚部抬起之前的横向力最大值之后，利用切向力连续减小屈曲阻力R，以使得膝关节容易屈曲。在时刻T₀抬起前脚掌之后，屈曲阻力R具有其最小值，使得小腿很容易重新向后摆动。当向前迈动小腿时，则伸展阻力起作用，为了完整起见，将其一并记入该图之中。当膝角减小时，阻力R成为伸展阻力，在快要重新"heel strike"足跟着地之前将其提高到最大值，以便提供伸展阻尼，从而不会在无阻尼的情况下使得膝关节进入伸展限位。将屈曲阻力提高到较高的值，从而能够在"heel strike"足跟着地之后立即提供所需的有效屈曲阻力。

附图15所示为待调整的阻力R与不同横向力最大值之间的关系。阻力减小在此归一化至横向力最大值。这样可将阻力从较高的值降低到较低的值，而横向力则从最大值减小到零。减小量与横向力最大值的幅度无关，可从站立相阻力变为最小阻力，而横向力则从最大值变为零。如果横向力重新增大，重新提高阻力，这就是说，假肢使用者可以重新对关节施加比较大的负荷，则应停止运动。这里也可以在略微摆动与重新加负荷之间连续过渡，无需使用离散开关判据。

Claims (12)

1.一种用于控制下肢的矫形关节或假肢关节(4)的方法，所述下肢具有阻力装置，给所述阻力装置配置至少一个执行器，通过所述执行器根据传感器数据改变屈曲阻力和/或者伸展阻力(R)，在关节(4)的使用过程中通过传感器提供状态信息，其中，由至少两个用于检测至少两个力矩的装置来测定传感器数据并且通过数学运算将所测定的参量中的至少两个参量的传感器数据相互关联，从而算出辅助变量(a，b，c，d)，以该辅助变量为基础控制屈曲阻力和/或者伸展阻力(R)，其特征在于，根据两个力矩(M1，M2)之差与两个力矩检测装置相互间距离的商，测定施加在下连接件(2)上的横向力(Ft)作为辅助变量(c)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当达到或超过辅助变量(c)的预定值时将阻力装置切换到摆动相状态。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当确定所述横向力(Ft)减小时减小阻力(R)，并且当所述横向力(Ft)增大时提高阻力(R)。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当辅助变量(c)变化时取消关节(4)的锁止。

5.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在提高阻力之后根据所检测的矫形器或假肢的空间位置变化或者通过所检测的力矢量与矫形器或假肢之间的位置变化减小阻力(R)。

6.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，设置温度传感器，并且根据至少一个测定的温度信号改变阻力(R)，其中，测量阻力装置的温度，并且将其作为控制依据。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在站立相期间当温度增大时提高阻力(R)，或者在摆动相期间当温度增大时减小屈曲阻力(R)。

8.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，如果用来检测力矩(M1，M2)、力(Ft，FAX)和/或者关节角(K_A)的装置失效，则使用基于用来改变伸展阻力和/或者屈曲阻力(R)的其余装置的替代控制算法。

9.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，测定地面反作用力矢量(GRF)与关节部分之间的距离(a，b)，并且当超过该距离(a，b)的阈值时减小阻力(R)。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，如果在减小阻力(R)之后的规定时间之内没有达到关节部件的惯性角(α1)、惯性角速度(ω1)、地面反作用力(GRF)、关节力矩(M)、关节角度(K_A)或者力矢量(GRF，GAX)与关节部件之间的距离(a，b)的阈值，则在减小阻力之后将阻力(R)重新提高到用于站立相的值。

11.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，测定脚部(3)上的力作用点，并且当力作用点朝向足跟方向运动时提高或者不减小阻力(R)。

12.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，如果测定小腿部分(2)的惯性角(α1)朝向垂线方向减小并且同时检测到前脚掌受力，则提高或者不减小站立相中的屈曲阻力(R)。