CN107205831B - 具有针对位置和变化率的机械响应系统的假关节 - Google Patents

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    • F16F9/00—Springs, vibration-dampers, shock-absorbers, or similarly-constructed movement-dampers using a fluid or the equivalent as damping medium
    • F16F9/32—Details
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Abstract

一种假关节和一种控制液压式假踝关节的背屈和跖屈的方法。所述方法包括：利用液压式假脚踝产生地面反作用力，其中，所述液压式假脚踝包括第一室和第二室，并且脚踝连接至假足；响应于所述地面反作用力而转动所述假足；响应于所述假足的转动而在前室与后室之间传输流体；提供一结构特征以堵塞或部分地堵塞室之间的流体传输；提供非电子机构以响应于所述关节的位置和/或所述关节的位置的变化率来控制流动，并且机构布置成使得在一个或多个特定的关节位置处的停留将堵塞流动路径。

Description

具有针对位置和变化率的机械响应系统的假关节
本申请要求2014年12月18日提交的、名称为“具有针对位置和变化率的机械响应系统的假关节”的美国临时专利申请No.62/094,009的权益，该文件的全部内容在此以参考方式并入本文。
背景技术
假体的领域已经被看到具有很多改进以通过改善移动性和返回功能来提高经受受伤或失去四肢的人员的生活质量。假体试图模仿它们所替代的肢部的运动。例如，健康功能的脚踝将在步态期间经历一系列跖屈和背屈运动而无需人来有意识地控制脚踝运动。参见图8。因此，各种改进已经被寻求以制造可以模仿健康脚踝的运动的假踝关节从而可以提高患者的舒适性和功能性。
假踝关节必须在患者行走时呈现充分的且受控的背屈和跖屈以实现最自然的步态可能性。在另一方面，当假体使用者站立时，必须实现充分的稳定性和支撑以允许稳定的姿态。因此，假体有必要以两个不同的状态、即一方面用于行走并且另一方面用于站立来操作。为了轻质地、不易于故障地、成本低地且节能地构建假体，假体应当能够在没有电子控制元件的情况下工作。在下述情况下也是有益的：假体的穿戴者不需要执行任何不自然的运动来使假体从一个状态切换到另一状态，比如来使假关节、尤其是假踝关节从“行走”状态切换至“站立”状态或反之。即使对应的运动或运动模式实现了分配给它们的目的，但是这些运动或运动模式在日常生活中看起来是不自然的并且假体的使用者由此可能被旁人以可能不愉快的方式认出是假体使用者。
发明内容
因此，本发明基于的问题是提供一种消除或克服上述缺点的假关节、尤其是假踝关节、以及用于它的控制的过程。
一种假踝关节的设计被公开，该设计可以在两个不同的状态下提供功能性。在第一状态下，关节适于提供动态的、阻抗受控的行走步态，并且在第二状态下，关节适于提供静态的、完全受支撑的站立状态。受液压调节的假关节能够实现这两种状态而无需通过微处理器来激活每个状态并无需为了在步态过程中动态地实施脚踝动作而牺牲站立的稳定性。
在行走步态过程中，健康的人类脚踝会通过一系列受控的背屈阶段和跖屈阶段而覆盖约30度的范围。参见图8。在站立过程中，支撑身体重量的地面反作用力(GRF)位于足中，并定向地传递向踝关节的前侧。这在踝关节上产生一个力矩，该力矩必须被抵消以获得稳定性。在健康的脚踝中，脚踝受到足底屈肌的支撑。在机械假体中，已经知晓借助机械支撑、比如通过刚性附接部来抵消该力矩。在允许相对于中立位置背屈的液压阻尼式脚踝中，该力矩没有得到支撑，从而导致脚踝对于站立这一非常普通的任务都具有不稳定且不满意的表现。
在此描述的假关节具有下述优点：关节在一个实施例中可以用作脚踝。关节具有被动的机械响应系统以模仿自然功能关节来控制行走状态和站立状态。假踝关节提供模仿自然脚踝在行走时的运动的背屈和跖屈并且提供站立时的支撑。
根据本发明的假关节包括：第一连接器、第二连接器和允许第一连接器和第二连接器相对于彼此转动的枢转装置；第一室和第二室，其中，所述室通过一个或多个流体流动路径连接；阻塞部，所述阻塞部构造成能限制室之间的流体流动，以及非电子机构，所述非电子机构用于响应于关节的位置和/或关节的位置的变化率来控制流动。优选地，所述机构布置成使得在一个或多个特定的关节位置处的停留将堵塞流动路径。优选地，所述机构既响应于关节的位置又响应于这种位置的变化率。
假关节或假体关节优选地是假踝关节。这两个连接器通过联接件彼此枢转地连接，所述联接件可以具有几乎任何已知的形式。这些部件例如可以是踝关节的功能部件，比如唯一部件或用于下腿部的附接元件，或者可以是附加的元件，假关节的更多的部件可以附接至所述附加的元件。它们彼此对准以经由一角度区域枢转，所述角度区域至少覆盖相应的假关节、尤其是假踝关节所需的区域。
两个室填充有流体并通过流体连接部在流动技术上彼此连接。当关节的位置改变时，即当第一连接器和第二连接器相对于彼此枢转以使得围出的角度改变时，将会使得来自两个室之一的流体流入相应的另一室。两个连接器相对于彼此的具体的位置在后文中也被称为关节定位或关节位置。
在关节的技术上尤为简单的版本中，两个室可以例如布置在实际联接件的两相反侧上。采用这种方式，两个室之一可以布置在该实际联接件前方而两个室中的另一个布置在该联接件的后方。然而，这并不是强制性的。当假关节是踝关节时，前方和后方分别指的是在向着前足的方向上和在向着脚后跟的方向上。这些位置被称关节或枢轴之前和之后。
阻塞部可以形成为节流元件或关闭元件。它限制可以流动通过流体流动路径的流体的量。在本文所描述的每个实施例中，阻塞部还可以是阀。
关闭被对关节的位置和/或关节的位置的变化速率做出反应的非电子控制系统或非电子控制装置所控制的。为了关闭流体连接部，关节必须在在预定的位置处或预定的位置范围内保持一预定的时间段。该位置优选地对应于具有关节的假体的穿戴者站立时关节所保持的位置。
在该位置处，如果关节在该位置处保持一预定的时间段，则控制机构使阻塞部关闭流体连接部。这通常仅仅发生在患者利用关节站立的情况下。在行走时，关节也会移动经过该位置，但是却没有在那里停留预定的持续时间，从而不会出现关闭。
在一个实施例中，关节包括两个液压致动器，这两个液压致动器分别在关节上于枢转位置的两侧的各一侧上相反地作用。液压致动器之间的液压流动通过一通道来进行。所述通道可以通过机械装置、比如链接至阀的凸轮来打开或封堵。关节可旋转地耦接至足部。关节对行走和足部转动的响应是调节对致动器之间的流动的阻抗，这是因为足部从脚后跟着地开始到支撑阶段中期再到离地承受着地面反作用力。然而，所述阻抗在整个支撑阶段中并不是相同的，而是随着转动位置和旋转速度而变化。
阻尼的进程和对抗所出现的力的阻抗的进程可以通过连接至阀的凸轮的形状在较宽范围内被自由地调节。
在一些实施例中，关节包括连接室的、具有可变阻塞部的双向流动路径、以及连接室的单向流动路径，并且还包括：当阻塞部基于外力反应时在阻塞部上施加阻尼力，从而延迟对流体流动的限制。
在一些实施例中，关节包括连接室的、具有可变阻塞部的双向流动路径、以及连接室的单向流动路径，所述关节还包括：驱动阻塞部以限制流动的力百分百来自地面反作用力。
然而，还可能的是，对于在此描述的实施例，驱动阻塞部以限制流动的力的至少一部分源于储存在用于储存能量的合适的装置中的动能。该装置可以是弹性或回弹性元件、比如弹性体和弹簧。
在一些实施例中，关节包括驱动从动件的凸轮；从动件的位置抵抗对抗性阻尼元件地驱动阻塞部、优选阀的关闭以限制流体流动。
在一些实施例中，凸轮在旋转的至少一部分的过程中产生一停留期，在该停留期期间，凸轮驱动阻塞部以在机构动态停止时或之前完全关闭。优选地阻塞部是阀。
在一些实施例中，关节包括磁性元件；其中，磁性元件抵抗对抗性阻尼元件地驱动阀的关闭以限制流体流动。
在一些实施例中，预定的关节位置处的磁力使阀在关闭机构达到稳定状态时或之前完全关闭。
在一些实施例中，当在关节的特定角度处停留由阻尼元件所确定的时间段时，流体传输被限制。
在一些实施例中，当关节所支撑的身体的重心位于枢轴位置的前方并且所述机构已经封堵流动路径时，旋转速度为零。
在一些实施例中，阻塞部连接至阻尼元件，阻尼元件在阻塞部移动以限制室之间的流体流动时对抗阻塞部的运动。
在一些实施例中，关节还包括驱动从动件的凸轮；从动件的位置借助于顺从元件来驱动阻塞部的关闭。
在一些实施例中，凸轮形状提供简单谐波运动。
在一些实施例中，凸轮和阻塞机构构造成：在关节在特定的角度位置处停止或近似停止由机构动力学所限定的时间段时封堵前缸与后缸之间的通道。
在一些实施例中，关节包括磁性元件；其中，磁性元件抵抗对抗性阻尼元件地驱动阻塞部的关闭。
在一些实施例中，预定的关节位置处的磁力在所述机构达到稳定状态时或之前完全关闭阀。
在一些实施例中，关节包括连接第一室与第二室的双向流动路径。
在一些实施例中，关节包括连接第一室与第二室的单向流动路径。
优选地，关节具有至少部分地位于第一室内和/或第二室内的至少一个活塞，所述至少一个活塞通过第一连接器相对于第二连接器的运动而被移动，以使得来自一个室的流体移向另一室。下述情况是有利的：在关节向着一个方向运动期间、例如在背屈时，流体从第一室移入第二室，而在关节的反向运动中、即跖屈时，流体将从第二室移入第一室。
关节有利地具有部分地位于第一室中且部分地位于第二室中的恰好一个活塞。该活塞可以例如形成为圆环段，并具有两个端部，每个端部伸入两个室中的一个。通过相对于两个室移动活塞，将出现容积变化，其中，两个室中的一个中的容积减小而相应的另一室的容积增大。这使得室中的流体移动通过流体连接部。
已经被证实有益的是，阻尼元件还可以是液压或气动阻尼元件或者填充有不同流体的阻尼元件，其中，关闭件能够对抗所述阻尼元件地移到关闭位置。由此，关闭件例如可以是针阀，所述针阀的针被推入流体连接部以关闭流体连接部并使阀从“行走”模式来到“站立”模式。为此，阀的具有针的一部分一定会被推入一容腔，该容腔具有通往阻尼室和阻尼活塞的流体连接部。优选地，阻尼元件具有至少一个阻尼室和至少一个阻尼活塞，所述至少一个阻尼活塞在第一连接器相对于第二连接器的预定的位置范围内被致动以阻止流体连接部的关闭。
关闭件的一个区域或容腔与阻尼室之间的流体连接部可以用来设定由阻尼元件所施加的阻尼的强度。为此也可以设置节流阀或类似装置。在一侧关闭阻尼室的阻尼活塞可以具有致动元件，该致动元件可以与凸轮或附接至凸轮的元件相互作用。这在下述情况下尤为有利：在关节的极限位置处，即在第一连接器相对于第二连接器强枢转时，有较大的力施加至关闭件，其中，该较大的力单独就足以相对快速地关闭第一室与第二室之间的流体连接部。然而，由于这在该位置处是不被期待的，因此在阻尼活塞处可以具有用于这种情况的致动元件。然后，阻尼活塞被向着阻尼室地推动并由此阻尼活塞向着关闭件推动阻尼室中的流体通过另外的流体连接部，从而阻止两个室之间的流体连接部关闭。
在一些实施例中，假体系统包括上述实施例中的任何一个实施例的假关节、和在连接器之一处连接至关节的假足，并且第二连接器连接至假体装置。优选地该装置包括用于接收肢部的套筒。
在一些实施例中，控制假关节的转动的方法包括施加引起关节转动的外力，其中，关节包括第一室和第二室；响应于关节的转动地在第一室与第二室之间传输流体；提供一结构特征以封堵或部分地封堵室之间的流体；提供非电子机构以响应于关节的位置和/或关节的位置的变化率地控制流动。优选地，所述机构布置成在一个或多个特定的关节位置处的停留将封堵流动路径。
在一些实施例中，控制液压式假踝关节的背屈和跖屈的方法包括：利用液压式假脚踝来产生地面反作用力，其中，假液压脚踝包括第一室和第二室，并且脚踝连接至假足；响应于地面反作用力地转动假足；响应于足部的转动地在第一室与第二室之间传输流体；提供一结构特征以封堵或部分地封堵室之间的流体传输；提供非电子机构以响应于关节的位置和/或关节的位置的变化率地控制流动。优选地，所述机构布置成在一个或多个特定的关节位置处的停留将封堵流动路径。
优选地，流体流动路径可以通过在第一连接器或第二连接器上沿预定方向地施加力矩而被再次打开。采用这种方式，可以尤为容易地实现：使关节从“站立”这一操作模式或状态返回到“行走”这一操作模式或状态。
优选地，力借助力矩施加在流体上，由此流体从一个室通过单向连接部移向相应的另一室，从而释放由关闭所施加的锁合。
在一优选的实施例中，第一室和第二室位于关节或枢轴的前方和后方。在本文中，这当然意味着只有一个室定位在关节的前方，而另一室定位在关节的后方。
关节的实施例依赖于用于响应于关节的位置和关节的位置的变化率两者来控制流动的非电子机构的使用，其中，所述机构布置成在一个或多个特定的关节位置处的停留将封堵流体流动。所述机构可以完全通过地面反作用力、比如行走时、站立时、或坐下时的地面反作用力或者来自变化位置的地面反作用力来操作。可以借助非电构件来控制流体流动的机构可以由于省去了电源而减小整体尺寸。
附图说明
本发明的上述方面和许多随之而来的优点通过参考下述详细说明并结合附图被更好地理解，其中：
图1是代表用于本文所描述的关节的应用的一个实施例的示意图；
图2是一假体的示意图，该假体代表用于本文所描述的关节的应用的一个实施例；
图3是根据一个实施例的关节的示意图；
图4是一时间响应图表，该图表示对于关节的一个实施例在站立期间关闭百分比随时间的变化；
图5是一时间响应图表，该图表示对于关节的一个实施例在行走期间关闭百分比随时间的变化；
图6是根据一个实施例的关节的示意图，该关节在站立期间具有地面反作用力；
图7是用于根据一个实施例的关节的状态空间图的图示；
图8是健康关节的跖屈和背屈的图示；
图9是根据一个实施例的关节在步态周期的不同阶段的示意图；
图10是根据一个实施例的关节的多个部分的示意图；
图11是根据一个实施例的关节的多个部分的示意图；
图12是根据一个实施例的关节的多个部分的示意图；
图13是根据一个实施例的关节的多个部分的示意图；
图14是根据一个实施例的关节的示意图；
图15是根据一个实施例的非电机构的示意图；并且
图16是根据一个实施例的非电机构的示意图。
图17是根据本发明的一实施例的关节的示意图，
图18至21示出非电机构在“行走”期间的不同阶段的示意图；并且
图22至24示出来自图18至21的、在“站立”期间的不同阶段的非电机构。
具体实施方式
参见图1，戴有具有踝关节100的膝下假体114的人员的示意图被示出。在图2中，膝下假体114包括用于接收截肢的套筒102和用于将套筒的基底连接至连接器106的柄部(shank)(或架子(pylon))104。连接器106可以是“倒金字塔式”连接器。连接器106接收在接收器108中。接收器108可以具有将连接器106锁定在其位置处的定位螺钉。接收器108继而连接至所述关节100，继而所述关节100通过铰链110连接至假足112。套筒102、柄部104、连接器106和足部112都可以是公知的构件。关节100示出为用作脚踝，然而，该关节还可以具有其它的应用，比如用作膝盖或髋关节。
参见图3，适于用作图1和2所示出的踝关节100的假关节100被示出。图3的关节被高度简化以示出假关节的一个实施例的主要构件。关节100包括外液压箱116。所述箱设置有内部第一室128、内部第二室130、位于第一室128内的第一活塞120、以及位于第二室130内的第二活塞122。室128和130填充有液压流体。第一室与第二室之间设置有通道132。第一活塞120和第二活塞122中的每个包括分别靠置在相应的凸轮118、148上的凸轮从动件124和126。假关节100通过枢轴134可旋转地连接至足部112。足部可以绕着枢轴134相对于关节100执行背屈和跖屈。足部例如通过参与行走步态运动而被驱动以进行旋转。当然，第一活塞120和第二活塞122也可以是仅仅一个活塞的两端，其中，该仅仅一个活塞的形状设置为环的一部分。还能够使用仅仅一个凸轮。
在一个实施例中，凸轮组件被提供以调节或停止室之间的流动。凸轮组件可以在行走时提供受控的背屈和跖屈并且还可以在站立时提供稳定性而没有使用电子器件。其它实施例可以利用磁装置来调节和停止所述流动。
凸轮组件可包括凸轮136、与凸轮表面接触的从动件138、和连接于从动件与杠杆臂142之间的初级弹簧140。杠杆臂连接至阻尼装置144和对抗阻尼装置的次级弹簧146。杠杆臂还连接至阻塞部150。阻塞部150构造成可变地阻塞室128与130之间的通道132。该通道132是两个室128、130之间的流体流动路径。由此，随着堵塞程度的增加，对室之间的流体流动的阻抗也随之增加直至阻塞部150完全阻塞通道132并且室128与130之间的流体传输被停止，从而将脚踝锁定在其位置处。对流体流动的限制的量可以取决于凸轮136的形状和构造。在一个实施例中，跖屈或背屈角度越大或变得越大，则阻抗越小。(例如足部与柄部之间的)角度向零靠近时或越接近零时(对应于支撑阶段中期或当身体的重心与关节的旋转中心对齐时)，阻抗越大。阻塞受到阻抑，以使得与增加阻抗的较慢的步态相比，较快的步态对流动产生的阻抗更小。阻尼反应可以基于关节的使用者而被调整成更慢或更快。凸轮138可以相对于凸轮的突起部分是对称的或非对称的。凸轮侧部可以是直线性的或非直线性的并可以限定出渐开线形状。凸轮138的突起部分是凸轮的相对于旋转点的顶点或最大点。叶长定义为旋转点与突起部分之间的长度。凸轮138的大小和定位以及形状可以被改变以适应于关节的具体使用者从而与使用者的行走特征相吻合。为了实现站立状态，凸轮138被调整，以使得：当脚踝的角度为零或接近零(对应于处于支撑阶段中期或大约支撑阶段中期)且旋转速度为零或接近零(对应于站立不动)时，凸轮138可以向上对齐以在阻塞部150上施加最大抬升并且所关联的阻抑相应将完全限制室128、130之间的流动，从而将关节支撑在站立位置处。恢复行走步态将使凸轮138移离最大抬升并使得阻塞部150能再次允许室之间的流动。图4示出人站立不动时、即旋转角度为预选取的零或接近预选取的零且旋转速度为零或接近零时所发生的稳定状态下的关节的响应的一个实施例的图示。如图所示，完全关闭位置在约0.5秒或更短的时间后出现。然而，容易想到的是，关节的响应可以根据关节的预期使用者来改变。
足部借助外力、比如地面反作用力的施加而相对于关节旋转。行走步态包括支撑阶段和摆动阶段。支撑阶段(即足部的任何部分均与地面接触的时候)是以脚跟的端部首先着地时的脚跟着地开始的。这在一开始引起轻微的跖屈运动，这如图8中作为负向旋转所示出的。随着支撑阶段的继续，背屈出现，角度大约在支撑阶段中期变为零，然而，零角度是相对的并且可能在人与人之间发生变化。背屈在支撑阶段中期之后继续变化至最大，并跟随有跖屈以准备脚趾离地。跖屈在脚趾离地时达到最大。然后，背屈发生以在摆动阶段期间抬高脚趾从而避免脚趾踢碰地面，并且背屈可以以接近零的角度结束从而准备进行下一周期。关于关节的受控的跖屈阶段和背屈阶段参见图9。图5绘出室之间的打开百分比相对于时间的变化。如能理解的，目的在于使得阀在整个行走步态中从来没有完全100％关闭并且保持打开。
如上述段落所提及的，踝关节需要响应于行走步态和站立稳定状态。稳定状态发生在身体站立不动时，如图6所示。地面反作用力趋于使脚踝背屈。然而，在获得站立位置后，凸轮138在阻塞部15上施加接近最大或最大的抬升。也就是说，如果旋转角度为零或接近零且旋转速度也接近零，那么阻塞部150将关闭通路，由此将脚踝锁定在该位置处。图7示出脚踝的稳定状态或闭阀状态。水平轴是旋转角度，其中，负数是跖屈并且正数是背屈，并且竖轴是旋转的变化率。图7的椭圆代表阀关闭的条件。当以中立(neutral)位置站立(在此θ接近零)并且关节的速度也接近零时，阀将关闭以提供地面反作用力所引起的力矩的完全支撑。当在行走过程中经过中立位置时，关节的旋转速度足够大以能够避免关闭阀。也就是说，在行走时，旋转速度由于阻尼装置的延时而从来没有小至能允许阀完全关闭。
参见图10，关节100的一个实施例被示出。关节100包括液压箱308、阀304、接收器302和凸轮组件306。关节包括用于接收枢转轴的孔口。
图11和12更清楚地示出关节100的主要部件和它们在关节100上的布置。阀304可以是美国申请No.14/213293(2014年3月14日提交)所披露的阀。具有活塞和通道的液压箱308可以类似于美国专利申请公开文本No.2013/0173022所披露的具有活塞和通道的踝关节体104，其改型在此予以说明。这两个申请均以参考方式明确并入本文。
对美国专利申请公开文本No.2013/0173022所描述的液压系统的改型包括去除激活液压系统和变型例的电子装置以允许布置本文所描述的凸轮组件306。本文所描述的关节可以具有例如电子传感器、比如加速计和角度传感器。
参见图13，凸轮组件被示出。凸轮310连接至例如绕着旋转轴线330枢转的枢转轴。凸轮具有用于连接至枢转轴的夹持部334。凸轮包括凸轮表面312，所述凸轮表面312大致位于垂直于旋转线的平面上。凸轮表面具有伸到最大抬升的突起336。凸轮组件具有凸轮从动件，凸轮从动件包括滚动球314、弹簧317、衬套316和柱塞318。球314保持在衬套316中。球314与弹簧317接触，弹簧317继而与柱塞318的一个端部接触。柱塞的相反的一端具有销332，销332在此通常称之为“阻塞部”。销332配合在图12所示的阀304上的孔口338中。销在阀的孔口338内的深度将不仅确定流动方向，而且还确定对流动的阻抗。随着球314在凸轮表面上移动，销332的深度可以基于弹簧315的特征而被影响。柱塞318向着阀的向前运动还受到弹簧322的反作用，并且阻尼装置324阻抑柱塞的向前运动。柱塞在部位340处连接至杠杆臂320，如图11或12所示。杠杆臂的相反的一端连接至阻尼装置。阻尼装置然后通过销328连接至液压箱308上的孔342。
参见图11和12，阻尼组件306于腔360内装配在液压箱308内。柱塞318被围在罩344内。销332突出穿过板346，以使得销与阀304的开孔338对准。液压箱308具有通口348和350，每个通口分别连通至室356和358。通口348和350是双向的以允许液压流体流入和流出室和阀304。
在图11中，凸轮从动件的球314配合在球接收部354的孔352中。球314从球接收部354伸出以在凸轮表面上行进。接收部314在其内收容有弹簧317，并且弹簧317靠置在柱塞318的一端上。
通过所描述的机构，球314的直接运动借助弹簧317与阀的打开/关闭解耦。弹簧317是解耦动作的部件。由于阻尼元件对第一弹簧317的抵抗，系统没有即时相应。这实现了：在行走过程中即使凸轮从动件经过一高的位置，阀也保持打开。
然而，当停留在该高停留位置时，阻尼元件将(随时间)屈服于第一弹簧317并且阀关闭从而关断液压流体传输。所需的时间量能够通过阻尼元件的速率系数(ratecoefficient)来调节。
图14是图3所示的液压式假关节的第二实施例，然而，图14的关节包括具有单向阀404的、将第一液压室430连接至第二液压室428的液压流体路径402。
图15是一种非电子机构500的示意图，该非电子机构500用于响应于假关节的位置和关节的位置的变化率来控制流动，并且该机构布置成使得在一个或多个特定的关节位置处的停留能封堵流体流动。一种特定的机构已经在上文中结合图10-13予以说明。然而，所述机构并不由此受到限制。图15是利用与凸轮从动件504接触的凸轮表面502的非电子机构的一种代表。凸轮表面可以部分地决定于具体使用者的步态特征。凸轮从动件504与第一弹簧506接触，第一弹簧506继而与阻尼元件508和第二弹簧510接触。所述机构操作阀512以控制假关节、比如图3或图14所示的关节的第一室与第二室之间的液压流动。如所理解的，构造成使得凸轮从动件504通常处于凸轮表面502的高停留位置514与带有关节的人员的站立同时发生。如果在高停留位置停留足够的时间，那么阻尼元件508将屈服于第一弹簧506并且阀512将关闭从而关断液压流体传输。对此所需要的时间量可通过阻尼元件508的速率系数来调节。
图16是一种非电子机构600的示意图，该非电子机构600用于响应于关节的位置和关节的位置的变化速率来控制所述流动，并且所述机构布置成使得在一个或多个特定的关节位置处的停留能封堵流体流动。上文已经结合图10-13说明了一种具体的机构。然而，所述机构并不由此受到限制。图16是利用在第二磁体604附近移动的第一磁体602的非电子机构的一种代表。第一磁体602沿着由箭头所表示的方向向后、向前移动。第二磁体604与第一磁体的运动垂直地移动。如所理解的，当第一磁体的北极(或南极)以最接近第二磁体的北极(或南极)的方式对齐时，产生最大的排斥力。在其它构造中，也可以利用吸引力。第二磁体604与阻尼元件608和弹簧610接触。所述机构操作阀612以控制假关节、比如图3或图14所示的关节的第一室与第二室之间的液压流动。如所理解的，磁体通常处于最大排斥力(或吸引力)与带有关节的人员的站立同时发生。假如在最大排斥力(或吸引力)处停留了充分的时间，那么阻尼元件608将屈服于弹簧610并且阀612将关闭以关断液压流体传输。对此所需的时间量能够通过阻尼元件608的速率系数来调节。
尽管本发明的一优选的实施例已经被图示并被说明，但是将被理解的是，可以做出各种改变而不会脱离本发明的精神和范围。
图17示出具有根据本发明的一实施例的踝关节的假足。第一连接器702和第二连接器704通过联接件706彼此枢转地连接。仅仅示意性示出的假足708还布置在第二连接器704上。所述假足708具有脚后跟区710和被称为前足或前足区的脚趾区712。
在第二连接器704中具有第一室714和第二室716。在这些部件中具有第一活塞718和具有第二凸轮柱塞724的第二活塞722，在第一活塞718中具有第一凸轮柱塞720。凸轮柱塞还被称为从动件。
两个室714、716通过流体连接部726彼此连接。
流体连接部726可以借助于关闭件728来封堵。关闭件728具有布置在承载元件732上的销730。
承载元件732布置在空腔734中，在空腔734中于图17中的下部具有第三凸轮柱塞736。第三凸轮柱塞736抵靠在下凸轮738上，下凸轮738是第一连接器702的一部分。如果第一连接器702现在相对于第二连接器704枢转以使得下凸轮738向上移动，则第三凸轮柱塞736向上移动，这会压缩弹簧740并在承载元件732上施加向上的力。在承载元件732上方具有另一弹簧742和阻尼元件744，阻尼元件744确保承载元件732和对齐在承载元件732上的销730以一延时向上移动。步态周期的各阶段以及站立阶段将在另外的图中予以更详细地说明。
在第一室714与第二室716之间具有单向连接部746，止回阀748布置在单向连接部746内。
图18至24示出图17所述的装置在不同状态下的放大区段。每幅图示出处于不同位置的下凸轮738以及第三凸轮柱塞736。图18还用于不同的结构元件的准确指定。下凸轮738执行绕着联接件706的枢转并抵靠至第三凸轮柱塞736。在下凸轮738与承载元件732之间于空腔734中具有弹簧740。该空腔的上部与容置有弹簧740的下部通过密封环750隔开。该上部填充有可以流动通过流体连接部752并进入阻尼室754的流体，阻尼室754通过阻尼活塞756向下关闭。在阻尼活塞756的端部处布置有另外的弹簧758和推杆760。
阻尼室754和空腔734的上部的容积可以通过容积调节螺钉762来设定。连接部752与阻尼室754之间的流率764可以通过节流螺钉766来设定。可以想到的是，与图17不同的是，阻尼元件744已经被去除，这是因为它现在由阻尼室754和带有弹簧758的阻尼活塞756形成。销730可以进一步向上移动以关闭流体连接部726。
图19至21示出步态周期的不同阶段的状况。图19示出刚放下足部处于约10°跖屈时的状况。销730还没有关闭流体连接部726，以使得来自第一室714的流体可以流入第二室716，反之亦然。
图20示出中间站立阶段。可以理解的是，下凸轮738已经相对于第二连接器704枢转。由此，向上的力已经被施加至第三凸轮柱塞736，第三凸轮柱塞736基于该力已经从虚线所示的位置移动至新的位置。由此，弹簧740被压缩并对抗弹簧742向上推动承载元件732。同时，流体引导通过流体连接部752经过节流螺钉766并进入阻尼室754，该流体向下推动阻尼活塞756。由此形成的阻抑使得第三凸轮柱塞736的运动与其上带有销730的承载元件732的运动之间具有延时。
图21示出背屈时的状况。下凸轮738已经被进一步枢转，以使得第三凸轮柱塞736继续承受向上的力，从而使第三凸轮柱塞736向上移动并进一步压缩弹簧740。在这一强偏转中，推杆760也施加至下凸轮738并通过下凸轮738的运动被向上推动。由此，阻尼活塞756也被向上推动，并由此使阻尼室754中的流体移动经过背压阀768并通过流体连接部752。由此，压力从上方被施加在承载元件732上，由此承载元件732对抗弹簧740的压力向下移动并由此使销730也向下移动。因此，销730无法在一个步骤中关闭流体连接部726。
这在站立的时候是困难的。图22对应于图19并示出处于约10°跖屈时的状况。销730没有关闭流体连接部726。下凸轮738与第三凸轮柱塞736接触。
图23对应于图20并示出下凸轮738的枢转是如何向上移动第三凸轮柱塞736并由此借助弹簧740在承载元件732周围将流体推入阻尼室754的。同时，销730被向上推动，但是没有关闭流体连接部726。
由于假体的穿戴者保持该状态，因此弹簧740可以进一步放松。这在图24中示出。下凸轮738还没有相对于第二连接器704并由此也没有相对于第三凸轮柱塞736运动。然而，通过释放弹簧740，可以使承载元件732向上移动并推动更多的流体通过流体连接部752进入阻尼室754。推杆760还没有与下凸轮738接触。
销730在该状况下移动以关闭流体连接部726，从而如图17所示，没有更多的流体可以从第二室716流入第一室714。足部在背屈方向上的进一步移动由此是不可能的。
为了释放该锁合和关闭并为了使踝关节从模式“站立”来到模式“行走”，假体的穿戴者在图示的实施例中必须在第一连接器702上施加顺时针方向的扭矩或在第二连接器704上施加逆时针方向的扭矩。这会使凸轮770向下移动并借助第一凸轮柱塞720向下推动第一活塞718，从而减小第一室714的容积。流体通过背压阀748进入第二室716而无需经过流体连接部726。第一连接器702相对于第二连接器704的枢转(对应于图18中下凸轮738向下枢转)允许弹簧740和742释放，这使得承载元件732和销730向下移动，从而再次释放流体连接部726。

Claims (28)

1.一种假体踝关节，所述假体踝关节包括：第一连接器、第二连接器和枢轴装置，所述枢轴装置允许所述第一连接器和所述第二连接器相对于彼此转动；第一室和第二室，其中，所述第一室和所述第二室通过一个或多个流体流动路径连接，以响应于所述假体踝关节的转动而在所述第一室与所述第二室之间传输流体；阻塞部，所述阻塞部构造成能限制第一室与第二室之间的流体的流动；以及非电子机构，所述非电子机构用于响应于所述假体踝关节的位置和/或所述假体踝关节的位置的变化率来控制所述流动，其中第一连接器和第二连接器相对于彼此的位置是假体踝关节的位置，其中所述阻塞部连接至阻尼元件，所述阻尼元件在所述阻塞部移动以限制第一室与第二室之间的流体流动时对抗所述阻塞部的运动。
2.根据权利要求1所述的假体踝关节，其特征在于，所述非电子机构布置成使得在一个或多个特定的踝关节的位置处的停留将堵塞所述流动路径。
3.根据权利要求1所述的假体踝关节，其特征在于，所述踝关节还包括驱动从动件的凸轮；所述从动件的位置借助于顺从元件来驱动所述阻塞部关闭。
4.根据权利要求3所述的假体踝关节，其特征在于，所述凸轮的形状提供简单谐和运动。
5.根据权利要求3所述的假体踝关节，其特征在于，所述凸轮和阻塞部所形成的机构构造成能在所述踝关节于特定的角度位置处停止或接近停止由机构动力学所限定的时间段时堵塞第一室与第二室之间的通道。
6.根据权利要求1所述的假体踝关节，其特征在于，所述第一室和所述第二室位于枢轴之前和之后。
7.根据权利要求1所述的假体踝关节，其特征在于，所述踝关节包括磁性元件；其中，所述磁性元件抵抗对抗性阻尼元件地驱动所述阻塞部的关闭。
8.根据权利要求7所述的假体踝关节，其特征在于，在预定踝关节的位置处的磁力在机构达到稳定状态时或之前完全关闭所述阻塞部。
9.根据权利要求1所述的假体踝关节，其特征在于，至少一个流体流动路径包括连接所述第一室与所述第二室的双向流动路径。
10.根据权利要求1所述的假体踝关节，其特征在于，至少一个流体流动路径包括连接所述第一室与所述第二室的单向流动路径。
11.根据权利要求1所述的假体踝关节，其特征在于，所述踝关节包括至少一个活塞，所述至少一个活塞至少部分地位于所述第一室内和/或所述第二室内，其中，所述至少一个活塞布置成能够通过使所述第一连接器相对于所述第二连接器移动而被移动成使得流体从第一室和第二室中的一个室移入另一个室。
12.根据权利要求11所述的假体踝关节，其特征在于，所述踝关节包括部分地位于所述第一室内且部分地位于所述第二室内的恰好一个活塞。
13.根据权利要求1所述的假体踝关节，其特征在于，所述阻尼元件是液压或气动阻尼元件。
14.根据权利要求13所述的假体踝关节，其特征在于，所述阻尼元件包括至少一个阻尼室和至少一个阻尼活塞，所述至少一个阻尼活塞在所述第一连接器相对于所述第二连接器的预定位置范围内被致动以阻止所述流体流动路径关闭。
15.一种包括根据权利要求1所述的假体踝关节的假体系统，所述假体系统包括：假足，所述假足在第一连接器处连接至所述踝关节，并且第二连接器连接至假体装置。
16.一种控制根据权利要求1-14中的任一项所述的假体踝关节的转动的方法，所述方法包括：施加引起假体踝关节转动的外力，其中，所述假体踝关节包括第一室和第二室；响应于所述假体踝关节的转动而在所述第一室与所述第二室之间传输流体；提供一结构特征以完全堵塞或部分地堵塞第一室与第二室之间的流体传输；提供非电子机构以响应于所述假体踝关节的位置和/或所述假体踝关节的位置的变化率来控制流动。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述非电子机构布置成使得在一个或多个特定的踝关节位置处的停留将堵塞流动路径。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述第一室与所述第二室位于踝关节的前部和后部。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述踝关节包括连接第一室和第一室的、具有可变的阻塞部的双向流动路径和连接第一室和第一室的单向流动路径，所述方法还包括：在所述阻塞部基于所述外力而动作时在所述阻塞部上施加阻尼力，以延迟对流体流动的限制。
20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述踝关节包括具有可变的阻塞部的、连接第一室和第二室的双向流动路径和连接第一室和第二室的单向流动路径，所述方法还包括：驱动所述阻塞部以限制流动的力100%地来自地面反作用力和/或来自储存的动能。
21.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述踝关节还包括凸轮，所述凸轮在转动的至少一个部分的过程中产生一停留期，其中，在所述停留期期间所述凸轮驱动用于堵塞的所述结构特征以在机构动态停止时或之前完全关闭。
22.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述踝关节包括磁性元件；其中，所述磁性元件抵抗对抗性阻尼元件地驱动阀关闭以限制流体流动。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，预定的踝关节位置处的磁力在堵塞到达稳定状态时或之前完全关闭所述阀。
24.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，当以所述踝关节的特定角度站立由阻尼元件所限定的时间段时，流体传输被限制。
25.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，当由所述踝关节所支撑的身体的重心位于枢轴位置之前并且机构已经堵塞流动路径时，旋转速度为零。
26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述踝关节包括能相对于彼此转动的第一连接器和第二连接器，并且，流体流动路径能够通过在所述第一连接器或所述第二连接器上以预定的方向施加扭矩时而被再次打开。
27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，力借助于所述扭矩而被施加在流体上，以使得所述流体从第一室和第一室中的一个室通过单向连接部移入相应的另一个室。
28.一种控制形成为根据权利要求1-14中的任一项所述的假体踝关节的液压式假体踝关节的背屈和跖屈的方法，所述方法包括：利用液压式假脚踝产生地面反作用力，其中，所述液压式假脚踝包括第一室和第二室，并且脚踝连接至假足；响应于所述地面反作用力而转动所述假足；响应于所述假足的转动而在所述第一室与所述第二室之间传输流体；提供一结构特征以完全堵塞或部分地堵塞第一室与第二室之间的流体传输；提供非电子机构以响应于所述踝关节的位置和/或所述踝关节的位置的变化率来控制流动。
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