CN105073069B - 用于实现释放双手的稳定性的步态矫正系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种步态矫正系统，其包含平衡辅助器(120)及步态矫正装置(100)。所述步态矫正装置(100)具有经配置以将所述平衡辅助器(120)牢固且可释放地耦合到所述步态矫正装置(100)的刚性附接机构(125、130)。当所述平衡辅助器(120)耦合到所述步态矫正装置(100)时，所述步态矫正装置(100)被支撑在站立位置中使得所述步态矫正装置(100)的用户能够自由地使用他/她的手。当所述平衡辅助器(120)没有耦合到所述步态矫正装置(100)时，所述用户能够使用所述平衡辅助器(120)进行走动。在某些实施例中，所述平衡辅助器(120)是前臂拐杖、助行器或手杖，而所述刚性附接机构(125、130)是具有偏心锁(510)的夹具。

Description

用于实现释放双手的稳定性的步态矫正系统及方法

对相关申请案的交叉参考

本申请案主张2013年3月13日申请的标题是“实现步态矫正装置中的释放双手的稳定性(Achieving Hands Free Stability in Gait Orthotic Devices)”的第61/779,633号美国临时专利申请案。本申请案的全部内容是以引用方式并入本文中。

背景技术

本发明涉及步态矫正装置，且更确切地说，涉及使得其用户能够自由使用其双手的步态矫正装置。

已研发出动力式及无动力式步态矫正装置，其允许具有移动性失调的人行走并执行难以由轮椅完成的任务。步态矫正装置的用户通常通过展开他/她的具有平衡辅助器(例如前臂拐杖(又称作洛氏拐(Lofstrand crutch))、助行器或手杖)的支撑底座来改善稳定性。在大部分情况中，即使长时间站立，用户仍用他/她的手及手臂紧握平衡辅助器。因此，当利用此类装置时，用户的手没有被解放。对于走动，此被视为可接受的，但是对于长时间的站着不动，如果用户的手被解放而用于其它目的，那么这将是有利的。应牢记上文，考虑所属领域需要一种通过允许用户在站立时自由地使用他/她的手来消除或缓和此类问题的步态矫正装置。

发明内容

一般来说，本发明描述如何展开用户的支撑底座及用户的步态矫正装置，且因此增加稳定性，同时还释放用户的双手用于其它目的。由于他/她的手被释放，用户能够例如以适当的地面摩擦力及肌肉摩擦力抬高并移动合理重量的物体。特定地说，本发明涉及一种包含平衡辅助器及步态矫正装置的步态矫正系统。步态矫正装置具有刚性附接机构，其经配置以将平衡辅助器牢固且可释放地耦合到步态矫正装置。当平衡辅助器耦合到步态矫正装置时，步态矫正装置被支撑在站立位置中使得步态矫正装置的用户能够自由地使用他/她的手。当平衡辅助器没有耦合到步态矫正装置时，用户能够使用平衡辅助器进行走动。优选地，平衡辅助器是前臂拐杖、助行器或手杖，而刚性附接机构是具有偏心锁的夹具。

在优选实施例中，刚性附接机构可在第一位置与第二位置之间移动。在第一位置中，刚性附接机构经配置以将平衡辅助器固定在第一定向上以从用户前面支撑步态矫正装置。在第二位置中，刚性附接机构经配置以将平衡辅助器固定在第二定向上以从用户后面支撑步态矫正装置。在进一步优选实施例中，步态矫正装置具有可在第一位置与第二位置之间移动的第二下部刚性附接机构。在第一位置中，下部刚性附接机构经配置以将平衡辅助器固定在第一定向上，而在第二位置中，下部刚性附接机构经配置以将平衡辅助器固定在第二定向上。在替代实施例中，采用两个下部刚性附接机构，其中一个对应于第一定向且另一个对应于第二定向。

在另一优选实施例中，步态矫正装置系统包含控制器，其经配置以当接收信号时从刚性附接机构释放平衡辅助器。此外，步态矫正系统优选地包含传感器，其经配置以检测平衡辅助器是否耦合到刚性附接机构且还检测平衡辅助器的定向。在某些配置中，传感器经配置以检测施加到平衡辅助器的力、施加到刚性附接机构的力及平衡辅助器的定向，且控制器经配置以基于此信息最大化步态矫正装置的稳定性。

结合图式从本发明的优选实施例的以下详述将容易明白本发明的额外目标、特征及优点，其中相同的参考数字是指若干视图中的共同部分。

附图说明

图1是第一定向上的步态矫正装置及平衡辅助器的透视图；

图2是第一定向上的步态矫正装置及平衡辅助器的另一透视图；

图3是第二定向上的步态矫正装置及平衡辅助器的透视图；

图4是第二定向上的步态矫正装置及平衡辅助器的另一透视图；

图5是搭配本发明使用的夹具机构的透视图；

图6是图5的处于封闭位置中的夹具机构的端视图；

图7是处于部分敞开位置中的夹具机构的端视图；

图8是夹具机构的分解透视图；及

图9示意性地说明结合本发明采用的控制系统。

具体实施方式

本文揭示了本发明的详细实施例。然而，应了解，所揭示实施例仅仅用来解释可以各种及替代形式体现的本发明。图式不一定按比例绘制且一些特征可被夸大或最小化以展示特定组件的细节。因此，本文揭示的具体结构及功能细节不应被解释为限制性，而仅仅是作为用于对所属领域技术人员进行教学以从各方面采用本发明的典型基础。

一般来说，以下实施例通过将平衡辅助器刚性地连接到步态矫正装置并同时固定平衡辅助器的地面接触端使其在矢状平面及正面中实际上尽可能远离装置的腿部来展开用户的支撑底座。展开支撑底座对倾覆(即，下降)提供更大阻力并增加稳定性。为了提供可靠系统稳定性，连接需要足够大的强度及硬度以提供静力平衡。如果连接处存在任何相对运动，那么所述运动不应足够大到侵蚀用户对装置的信心。

现在参考图1及2，展示根据本发明的步态矫正装置100。具体地说，装置100是呈外骨骼形式的动力式矫正装置。然而，本发明不限于此类装置。装置100包含控制系统或控制器105、躯干110、左腿115及在此图式中不可见的右腿。左前臂拐杖120是由上部夹具125及下部夹具130耦合到装置100。此时，应了解，右前臂拐杖(为了图式清楚起见没有展示)也是由夹具耦合到装置100。左腿115及右腿两者均致动膝盖及臀部。特定地说，左腿具有臀部致动器131及膝盖致动器132，且右腿具有在此类图式中不可见的对应的臀部及膝盖致动器。用户穿戴装置100，使得躯干110耦合到用户的躯干，左腿115耦合到用户的左腿且右腿耦合到用户的右腿。控制器105通过每一条腿的臀部及膝盖致动器(例如致动器131、132)基于接收自传感器(没有展示)的各种信号(如所属领域中已知)控制装置100的运动，使得用户能够行走。

图1及2展示牢固地耦合到前面支撑定向的优选配置中的装置100的拐杖120。上部夹具125耦合到拐杖120的上部轴件135且绕平行于髋关节140的轴居中。此位置是有利的，因为装置100可被支撑同时仍然允许为了最大稳定性而改变躯干110的角度。然而，在一些实施例中，希望将上部夹具125定位在髋关节140上使得当夹具125、130被锁定时，髋关节140被锁定且装置100紧握绕髋关节140的位置不会消耗动力。下部夹具130耦合到下部拐杖轴件145及大腿部分150。图3及4展示牢固地耦合到后面支撑定向的优选配置中的装置100的拐杖120。如上文，上部夹具125耦合到拐杖120的上部轴件135且绕平行于髋关节140的轴居中。下部夹具130耦合到下部拐杖轴件145及大腿部分150的不同部分。

为了允许装置100以前面及后面支撑定向两者运作，上部夹具125优选地以此方式耦合到装置100，耦合的方式是其可绕平行于髋关节140的轴在可由用户选择的两个规定角度定向(分别在图1及3中展示)之间旋转。类似地，夹具130提供在离散位置处使得每一定向上使用一个夹具。替代地，夹具130可经配置以在所述两个位置之间枢转使得两个定向上可使用单个夹具，这减小了装置100的质量。当调整下部夹具130的位置时，其优选地足够自由地旋转以实现容易调整，但是具有足够大阻力使得重力不会使其改变位置。理论上，可采用弹簧装载棘爪装置(没有展示)以对三个规定旋转定向上的旋转提供额外阻力，所述三个规定旋转定向产生调整时用户可感觉到的额外阻力。规定旋转定向处的额外阻力指示前面支撑定向、后面支撑定向的理想位置及当没有用于拐杖附接时用于装载的中心定向位置。然而，在其它实施例中，上部夹具125并未旋转且只提供单个非枢转下部夹具130使得装置100只在前面或后面支撑定向上运作。

虽然提及夹具，但是应容易明白，可使用所属领域中已知的任何刚性附接机构。在一些实施例中，连接可为纯粹机械夹具或锁，而在其它实施例中，连接可由例如由控制器105操作的制动器、螺线管、马达或电磁铁的装置电控制。最简单的实施例是“C”型柔韧部件，其绕拐杖120的轴件展开，拐杖120的前臂套环155就是用这种方式运作的。

为了最大化安全及方便着想，优选的是，用户可控制自由状态的拐杖120进出夹具125、130，同时用户紧握拐杖120的手柄160，通常就是用这种方式来平衡的。因此，可希望用户能够释放夹具125、130并同时紧握手柄160。在一些实施例中，此是用由用户的手指中的一或多者或由拐杖120的扭转运动致动的机械释放触发器而实现。在其它实施例中，当连接致动时，用户可用信号通知控制器105释放拐杖120。信号可为语音命令、替代肌肉收缩或提供输入给装置100的任何其它方法。在一些实施例中，当拐杖120交叉达到规定自由度时，控制器105解放夹具125。图2展示前面支撑定向的夹具125、130的优选配置，而图4展示后面支撑定向的夹具125、130的优选配置。为了安全及信心着想，上部夹具125及下部夹具130不应在所期释放双手使用期间意外地释放。保证此所需功能的一种方式是给夹具125、130提供维持连接刚性的机构，例如偏心锁。然而，所属领域中已知存在可实现此功能性的许多解决方案。

现在参考图5到8，提供夹具125的更详细视图，但是应了解，夹具130可以类似方式建构。夹具125包含用于耦合到装置100的附接部分500及枢转部分505，其一起界定用于容纳拐杖120的部分(例如上部轴件135)的开口(没有标记)。偏心锁510经提供以将夹具125固定在锁定位置中(图5及6中所示)。此外，弹簧515、516的力趋向于使枢转部分505保持靠近锁定位置。当释放锁510时，枢转部分505可抵着弹簧515、516的作用移动到图7中所示的位置使得上部轴件135可从夹具125移除或插入到夹具125中。销800、801经提供以分别将枢转部分505及锁510枢转地耦合到附接部分500。此外，销805、806及销810、811经提供以分别将弹簧515、516耦合到枢转部分505及附接部分500。结果，当用户希望使用拐杖120时夹具125简单且牢固地固定拐杖120，同时还允许用户从夹具125快速且容易地释放拐杖120。

虽然上文的平衡辅助器参考呈拐杖形式，但是也可以采用其它平衡辅助器。实际上，助行器提供本发明的最简单实施例，因为不同于拐杖，其本质上是稳定的，且因此无需用户将其平衡。为了提供稳定性，助行器使用多种刚性连接中的任一者定向到装置100的前面、后面或任一侧。优选助行器定向取决于所需释放双手的活动。在优选实施例中，装置100允许与相同组件进行前面及后面刚性连接两者。然而，例如拐杖120的前臂拐杖是比助行器更通用的平衡辅助器，但是需要更多技巧来使用，因为其本质上并不稳定。此类拐杖允许多种定向及刚性连接到装置100，如上文讨论。在正面中，拐杖的端接触装置的腿部外侧的地面。在矢状平面中，拐杖端用刚性连接固持在系统腿部前面或后面的适当位置中。拐杖端的放置给用户提供了不同优点及缺点。如果拐杖正从装置腿部前面支撑装置100，那么装置100将从垂直前倾以最大化稳定性。如果拐杖正从装置腿部后面支撑装置100，那么装置100将从垂直后倾以最大化稳定性。在优选实施例中，用户选择是否从前面或后面支撑装置100，且借此最大化任一定向上的稳定性。

例如装置100的动力式外骨骼是可提供前面或后面支撑定向(例如，拐杖定向)上的最大稳定性的步态矫正装置的一种形式。为了完成此，装置控制器105被告知存在拐杖及其支撑方向(即，前面或后面定向)，且接着因此调整躯干、大腿及小腿位置。在一些实施例中，如图9中示意性地说明，拐杖连接处或附近存在电子或机械传感器或开关900、901，其向控制器105指示以下项中的一或多者：拐杖存在于连接中；连接被设置成具有刚性；及拐杖相对于连接的位置及定向。在此类实施例中，控制器105可自动地重新定位装置100以充分利用额外的地面支撑及所展开的支撑底座。在一些实施例中，拐杖本身含有存在、位置及定向检测传感器。因而，控制器105可在重新定位装置100之前采用安全检查以保证拐杖将提供刚性支撑。

此外，传感器900、901可在拐杖或装置100上使用以检测施加到拐杖或连接的力并将此信息报告给控制器105。此类实施例允许控制器105进一步调整装置100以最大化稳定性。在最复杂的实施例中，控制器105可测量装置100在空间中的定向及装置100在地面上的负载分布，且控制器105甚至可估计总压力中心及系统质心。拐杖位置及力感测还允许控制器随着用户太高并移动物体而调整装置100。此外，如果用户超过其支撑底座的限制，那么可触发安全警报。当然，应容易明白，当拐杖被连接时，用户也可简单地通过用户接口(没有展示)告知控制器105。在一些实施例中，希望控制器105已知拐杖存在，因为拐杖交叉达到动力式自由度，且装置100不应移动通过此自由度，因为这样做可损坏夹具125、130或导致不稳定。

当用户给拐杖支撑装置100装载倾覆力矩时，产生远离多个顺应源的垂面的某个倾角。倾角的改变量与装置100与拐杖120之间的连接的刚性负相关。因此优选的是，此类连接并未附接到顺应组件，例如经填料拐杖手柄160。虽然连接到拐杖手柄160可能原本会提供良好的解决方案，但是优选实施例附接到拐杖的刚性金属方面。此外，本发明的主要目标是使得用户能够使用他/她的手以用于除了平衡以外的其它目的。为了实现此目标，当平衡辅助器连接到装置100时尽可能少地妨碍手及手臂的自由运动也是重要的。对于前臂拐杖，拐杖在手臂160上的部分可妨碍手臂在原本将提供稳定性的许多定向上的自由运动。评价数种可能定向以确定前面及后面装置支撑的优选定向。

基于上文，应容易明白，本发明提供一种允许用户站立时自由地使用他/她的手的步态矫正装置。虽然已参考优选实施例加以描述，但是应容易了解，在不脱离本发明的精神的情况下可对本发明作出各种改变或修改。例如，本发明可在广泛范围的动力式及无动力式步态矫正装置中使用。一般来说，本发明只旨在受限于以下权利要求书的范围。

Claims (19)

1.一种步态矫正系统，其包括：

平衡辅助器；及

步态矫正装置，其包含：

刚性附接机构，其经配置以将所述平衡辅助器牢固且可释放地耦合到所述步态矫正装置，借此当所述平衡辅助器耦合到所述步态矫正装置时，所述步态矫正装置的用户能够自由地使用他/她的手，且当所述平衡辅助器没有耦合到所述步态矫正装置时，所述用户能够使用所述平衡辅助器进行走动。

2.根据权利要求1所述的步态矫正系统，其中：所述刚性附接机构可在第一位置与第二位置之间移动，那么：

当所述刚性附接机构是在所述第一位置中时，所述刚性附接机构经配置以将所述平衡辅助器固定在第一定向上以从第一方向支撑所述步态矫正装置；及

当所述刚性附接机构是在所述第二位置中时，所述刚性附接机构经配置以将所述平衡辅助器固定在第二定向上以从第二方向支撑所述步态矫正装置。

3.根据权利要求2所述的步态矫正系统，其中：

当所述刚性附接机构是在所述第一位置中时，所述平衡辅助器从所述用户前面支撑所述步态矫正装置；及

当所述刚性附接机构是在所述第二位置中时，所述平衡辅助器从所述用户后面支撑所述步态矫正装置。

4.根据权利要求2所述的步态矫正系统，其中所述刚性附接机构构成上部刚性附接机构，且所述步态矫正装置进一步包含可在第一位置与第二位置之间移动的下部刚性附接机构；

当所述下部刚性附接机构是在所述第一位置中时，所述下部刚性附接机构经配置以将所述平衡辅助器固定在所述第一定向上；及

当所述下部刚性附接机构是在所述第二位置中时，所述下部刚性附接机构经配置以将所述平衡辅助器固定在所述第二定向上。

5.根据权利要求2所述的步态矫正系统，其中所述刚性附接机构构成上部刚性附接机构，且所述步态矫正装置进一步包含第一下部刚性附接机构及第二下部刚性附接机构，且进一步其中：

所述第一下部刚性附接机构经配置以将所述平衡辅助器固定在所述第一定向上；且

所述第二下部刚性附接机构经配置以将所述平衡辅助器固定在所述第二定向上。

6.根据权利要求1所述的步态矫正系统，其中所述步态矫正装置进一步包含控制器，所述控制器经配置以当接收信号时从所述刚性附接机构释放所述平衡辅助器。

7.根据权利要求1所述的步态矫正系统，其中所述步态矫正装置进一步包含传感器，所述传感器经配置以检测：

所述平衡辅助器是否耦合到所述刚性附接机构；或

所述平衡辅助器的定向。

8.根据权利要求1所述的步态矫正系统，其中所述步态矫正装置进一步包含：

传感器，其经配置以检测：

施加到所述平衡辅助器或所述刚性附接机构的力；或

所述平衡辅助器的定向；及

控制器，其经配置以基于以下项最大化所述步态矫正装置的稳定性：

施加到所述平衡辅助器或所述刚性附接机构的所述力；或

所述平衡辅助器的所述定向。

9.根据权利要求1所述的步态矫正系统，其中所述平衡辅助器是前臂拐杖、助行器或手杖。

10.根据权利要求1所述的步态矫正系统，其中所述刚性附接机构是具有偏心锁的夹具。

11.一种用于对步态矫正装置的用户实现释放双手的稳定性的方法，其包括：

使用刚性附接机构将平衡辅助器牢固且可释放地耦合到所述步态矫正装置；

当所述平衡辅助器耦合到所述步态矫正装置时，用所述平衡辅助器将所述步态矫正装置支撑在站立位置中；及

当所述平衡辅助器没有耦合到所述步态矫正装置时，允许所述步态矫正装置的用户使用所述平衡辅助器进行走动。

12.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括：

将所述刚性附接机构移动到第一位置以将所述平衡辅助器固定在第一定向上且从第一方向支撑所述步态矫正装置；及

将所述刚性附接机构移动到第二位置以将所述平衡辅助器固定在第二定向上且从第二方向支撑所述步态矫正装置。

13.根据权利要求12所述的方法，其中从所述第一方向支撑所述步态矫正装置包含从所述用户前面支撑所述步态矫正装置，且从所述第二方向支撑所述步态矫正装置包含从所述用户后面支撑所述步态矫正装置。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述刚性附接机构构成上部刚性附接机构，且所述步态矫正装置进一步包含下部刚性附接机构，所述方法进一步包括：

将所述下部刚性附接机构移动到第一位置以将所述平衡辅助器固定在所述第一定向上；及

将所述下部刚性附接机构移动到第二位置以将所述平衡辅助器固定在所述第二定向上。

15.根据权利要求12所述的方法，其中所述刚性附接机构构成上部刚性附接机构，且所述步态矫正装置进一步包含第一下部刚性附接机构及第二下部刚性附接机构，所述方法进一步包括：

使用所述第一下部刚性附接机构将所述平衡辅助器固定在所述第一定向上；及

使用所述第二下部刚性附接机构将所述平衡辅助器固定在所述第二定向上。

16.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括：

将信号发送到控制器以从所述刚性附接机构释放所述平衡辅助器。

17.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括：

用传感器检测：

所述平衡辅助器是否耦合到所述刚性附接机构；或

所述平衡辅助器的定向。

18.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括：

用传感器检测：

施加到所述平衡辅助器或所述刚性附接机构的力；或

所述平衡辅助器的定向；及

用控制器基于以下项最大化稳定性：

施加到所述平衡辅助器或所述刚性附接机构的所述力；或

所述平衡辅助器的所述定向。

19.根据权利要求11所述的方法，其中使用所述刚性附接机构将所述平衡辅助器牢固且可释放地耦合到所述步态矫正装置包含使用具有偏心锁的夹具将前臂拐杖、助行器或手杖牢固且可释放地耦合到所述步态矫正装置。