CN107548299B - 用于控制阻尼改变的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制在矫形器的、外骨骼的或假肢的人造膝关节中的阻尼改变的方法，其中，所述人造膝关节具有围绕摆动轴线(4)可摆动地相互固定的上部分(1)和下部分(2)，其中，在所述上部分(1)和所述下部分(2)之间固定有阻力单元(6)，以便提供抵抗所述人造膝关节弯曲或伸展的阻力，所述阻力单元(6)配属有调整装置(7)，在配属于所述调整装置(7)的控制单元(8)的传感器信号激活所述调整装置(7)时，通过该调整装置改变阻力，其中，针对迈步阶段减小弯曲阻力，其中，在行走或直立期间检测作用到矫形器或假肢上的至少一个负荷特征参数(MA,FA)的变化过程，求取在站立阶段期间或直立期间所述负荷特征参数变化过程的最大值，并且在达到所述最大值之后在达到所述负荷特征参数(MA,FA)的低于所述最大值的阈值时将所述站立阶段期间的弯曲阻尼减小到迈步阶段阻尼水平。

Description

用于控制阻尼改变的方法
技术领域
本发明涉及一种用于在矫形器、外骨骼(Exoskelett)或假肢的人造膝关节中控制阻尼改变的方法，其中，人造膝关节具有围绕摆动轴线可摆动地相互固定的上部分和下部分，其中，在上部分和下部分之间固定有阻力单元，以便提供抵抗人造膝关节弯曲或伸展的阻力，并且该阻力单元配属有调整装置，在配属于该调整装置的控制单元的传感器信号激活该调整装置时通过该调整装置来改变阻力，其中，对于迈步阶段减小弯曲阻力。
背景技术
用于矫形器、外骨骼或假肢的膝关节具有带有上连接部分的上部分和带有下连接部分的下部分，所述上部分和下部分铰接地相互连接。在上连接部分上通常布置有用于大腿残肢或大腿轨的接收部，而在下连接部分上布置有小腿管或小腿轨。在最简单的情况下，上部分和下部分通过单轴铰链可摆动地相互连接。
为了能够在迈一步的不同阶段期间或在另外的运动或工作中尽可能自然地满足不同要求，经常设置有阻力装置，该阻力装置提供弯曲阻力和伸展阻力。通过弯曲阻力来调节在施加力时下部分与上部分相比向后摆动的难易程度。伸展阻力制动下部分向前运动并且此外构造了伸展止挡。
由DE 10 2008 008 284 A1已知一种具有上部分和可摆动地布置在该上部分上的下部分的、矫形外科技术的膝关节，该膝关节配属有多个传感器，例如弯曲角度传感器、加速度传感器、斜度传感器和/或力传感器。根据这些传感器数据求取伸展止挡的位置。
DE 10 2006 021 802 A1描述一种被动假肢膝关节的控制，该假肢膝关节具有沿弯曲方向可调整阻尼的、用于匹配带有上侧连接器件和到人造脚的连接元件的假肢装置。在此进行与上台阶的匹配，其中，探测假肢脚的低力矩的抬起，并且在抬起阶段中将弯曲阻尼降低到合适于在平地上行走的水平以下。弯曲阻尼可以根据膝盖角度的改变并且根据作用到小腿上的轴向力来提高。
此外，DE 10 2009 052 887 A1描述一种用于控制具有阻力装置和传感器的矫形器关节或假肢关节，其中，在使用该关节期间，通过传感器提供状态信息。传感器检测力矩或力，其中，通过数学运算使求出的参数中的至少两个的传感器数据相互关联，由此计算出辅助变量，弯曲阻力和/或伸展阻力的控制以该辅助变量为基础。
为了在触发迈步阶段时即在用于准备开始迈步阶段的最终站立阶段期间控制阻尼表现，在站立阶段期间在沿弯曲方向的负荷情况下还减小弯曲阻力，这在过早触发的情况下可能导致关节垮塌(kollabieren)。触发迈步阶段的时间点，即弯曲阻力由于相应弯曲阻尼减小而减小的时间点，通常基于正常的迈步时长来算出。在评估许多行走分析时采纳迈步时长的常见值，根据所采纳的该值在站立阶段开始即脚跟着地之后的一个确定时间点在标准方面开始触发迈步阶段。在行走速度显著地改变或与标准偏离时，这样的控制的是有问题的。在缓慢行走情况下，保持确定的标准值可能导致过早开始触发迈步阶段，即弯曲阻力还在站立阶段期间就被过强地减小。
发明内容
本发明的任务是，提供一种方法，借助该方法在抵抗不希望的弯曲的安全性提高的情况下也可以在不同的行走状况或行走速度以及受弯曲负荷的情况下实现迈步阶段触发的灵活匹配。
根据本发明，该任务通过具本发明特征的方法来解决。本发明的有利构型和扩展方案在本发明申请文件、说明书以及附图中公开。
提出一种用于控制人造膝关节、尤其用于控制矫形器的、外骨骼的或假肢的人造膝关节的阻尼改变的方法，该人造膝关节具有围绕摆动轴线可摆动地相互受支承的上部分和下部分，其中，在上部分和下部分之间布置有阻力单元，以便提供抵抗人造膝关节的弯曲或伸展的阻力，并且该阻力单元配属有调整装置，在配属于该调整装置的控制单元的传感器信号激活该调整装置时，通过该调整装置改变阻力，其中，针对迈步阶段减小弯曲阻力，在此设置，在行走或直立期间、尤其在每一步中，检测作用到矫形器或假肢上的至少一个负荷特征参数的变化过程，求取在站立阶段期间或直立期间负荷特征参数变化过程的最大值并且在达到该最大值之后在达到负荷特征参数的低于该最大值的阈值时将站立阶段期间的弯曲阻尼减小到迈步阶段阻尼水平。通过开始触发迈步阶段，与之关联的弯曲阻力减小可以根据负荷特征参数的最大值的求取实现，可以确定触发迈步阶段的时间点，从而根据负荷特征参数的变化过程可变地确定减小弯曲阻尼的时间点。在达到负荷特征参数的最大值并且确定了该负荷特征参数再次减小之后，才减小弯曲阻尼。减小负荷特征参数的确定可以通过传感器并且通过评估关于该负荷的传感器信号来进行。通过在达到负荷特征参数最大值之后才减小弯曲阻尼保证了，在达到可能导致人造假肢弯曲的最大负荷值之前不会发生不希望的弯曲阻尼减小。因此，适配地触发迈步阶段，不再必需假定或估算运动时长例如迈步时长。在此能够对不同的运动过程可变地作出反应。借助本发明的方法，缩短的迈步时长与延长的迈步时长一样被平衡。通过在直立期间检测负荷特征参数，能够从第一步起已经提供迈步阶段触发，负荷最大值也在直立期间求取。本发明设置成用于既控制假肢又控制矫形器和外骨骼。如果接下来谈论矫形器，那么这些解释同样适用于呈外骨骼形状的矫形器的特殊形式。
尤其踝部力矩和/或作用到下部分上的轴向力优选作为负荷特征参数。在站立阶段期间得到踝部力矩变化过程以及轴向力变化过程在时间上的钟形轮廓或双凸起。沿下部分的纵向延伸部(在假肢的情况下沿小腿管的纵向延伸部、在矫形器的情况下沿小腿轨的纵向延伸部)作用的那个力被视为轴向力。如果达到最大踝部力矩或最大轴向力，那么进一步监控踝部力矩或轴向力的变化过程，在整个步伐上并且针对每一步继续接收传感器数据。传感器检测或求取在整个步伐时长上即从一次脚跟着地到下一次脚跟着地并且在整个行走期间的各个负荷特征参数。如果达到了逐渐减小的负荷特征参数的确定边界值，例如最大负荷的95％和50％之间的值，那么减小弯曲阻尼并且开始触发迈步阶段。之后，通过激活调整装置减小阻力。通过在到达最大负荷特征参数之后触发迈步阶段，更长时间地保护了人造膝关节。通过比较在时间上相继被检测到的两个或多个传感器值，求取逐渐减小的负荷特征参数变化过程。
用于触发迈步阶段阻尼的阈值在时间上可变并且与负荷特征参数的变化过程有关。如果负荷特征参数在达到最大值之后仅缓慢地减小，那么较迟地、即在脚跟着地之后走过较长时间段之后进行自由切换(Freischaltung)，如果负荷特征参数的曲线陡然下降，那么在时间上较早地触发迈步阶段。
作为这样的阈值同样能够可变地被确定。该阈值例如与行走速度或行走状况有关。在平地上行走的情况下，该阈值例如可以是最大负荷或负荷特征参数最大值的90％，在斜坡上行走的情况下，可以较迟地例如在达到最大负荷的70％或者说负荷特征参数最大值的70％时触发迈步阶段，在非常缓慢地行走的情况下，触发阈值可以是负荷特征参数最大值的50％。
该阈值可以根据行走速度来改变。在以快速去负荷方式快速行走时，该阈值移动到负荷特征参数最大值的附近，在缓慢行走的情况下该阈值远离该最大值。除了轴向力或踝部力矩作为负荷特征参数以外，滚动速度
Figure GDA0001993543100000041
也可以附加于踝部力矩或轴向力地作为用于改变该阈值的准则被考虑。下部分即小腿轨或小腿管从与行走方向相反的状态移动到沿行走方向的合适状态中越快，通过减小弯曲阻力触发迈步阶段则越早。进一步地，该阈值可以与去负荷速度或特征参数降低的速度有关。力下降或力矩下降的速度越大，即负荷特征参数减小越快，触发迈步阶段则越早。
本发明的一个扩展方案设置，该阈值与假肢部件或矫形器部件的角度位置有关。该阈值例如可以根据达到确定的滚动角度来改变。如果求出下部分相对于垂线的确定位置，那么可以推断出运动循环结束。此外，可以通过达到一些角度推断出对应的行走状况。如果在迈一步情况下在着地时未实现完全的膝部伸展，那么例如可以认为，病人正在上坡或交替地上台阶，使得设定一个与用于在平地上行走的阈值不同的确定阈值。同样的情况适用于识别下部分或者也包括上部分的向前倾斜作为上部分和/或下部分相对于重力方向的倾斜方向或绝对角度。
本发明的一个扩展方案设置，根据负荷特征参数的变化过程减小弯曲阻尼。如果负荷特征参数非常快地减小，那么弯曲阻尼在站立阶段期间也更快地减小到迈步阶段阻尼水平，如果宁愿负荷特征参数缓慢地减小，那么可以推断出缓慢的行走速度，这要求弯曲阻尼的缓慢减小。
弯曲阻尼在减小之前的初始值可以被设定为在直立期间或在站立阶段中锁止弯曲的一个值或者说标准值。因此，用于以在站立阶段中减小弯曲阻尼来触发迈步阶段的初始点是进行锁止的弯曲阻力，使得已经可以从第一步起通过在最终站立阶段的区域中减小弯曲阻尼来开始迈步阶段。即弯曲阻尼的初始值设置了在站立阶段中或在直立时的锁止。
根据负荷特征参数连续地减小阻尼，因此，在弯曲阻尼的减小和负荷特征参数的变化过程、尤其负荷特征参数的减小方面存在直接关联。
负荷特征参数的最大值原则上高于所确定的阈值，因为否则不可能走过负荷特征参数的曲线并且不可能在达到最大值之后激活迈步阶段触发。即，必须完全达到的、用于负荷特征参数的各个值的阈值被确定，从而激活用于控制阻尼改变至迈步阶段触发的方法。
用于触发迈步阶段阻尼的阈值能够可变地被确定并且与负荷特征参数或最大值的大小有关。如果在达到初始阈值之后仅达到小的最大值，那么可以改变该触发阈值，例如增大该触发阈值，使得借助较快地减小弯曲阻尼较早地开始迈步阶段。
为了提供用于病人的附加安全性，在负荷特征参数的值重新增大时，弯曲阻尼可以在减小之后被重新提高。如果负荷特征参数在达到最大值之后的变化过程走过单调表现(Monotonieverhalten)变化并且重新上升，那么可以重新提高弯曲阻尼，因为可以认为，负荷特征参数的常见变化过程被干扰，因此存在与常见行走样式偏离的行走表现并且由此必须提供提高的安全性以抵抗人造关节的不希望的弯曲。这样的措施用于，例如在跌跤时人造关节可以重新承受负荷，而不会垮塌。
阻力单元例如可以构型为促动器，例如液压的、气动的、磁流变的、磁的、电的、机械或电磁的阻力单元。在液压或气动阻力单元情况下，溢流通道被关闭，使得这些溢流通道不再能够使介质从伸展腔流动到弯曲腔中。以该方式，必要时也可以完全中断伸展腔和弯曲腔之间的介质流。在机械阻力装置情况下，例如如此提高摩擦，使得不可能发生进一步的弯曲。相同情况适用于电促动的阻力单元。
也可以使用促动器，这些促动器既将能量主动地带入系统中相反地又从该系统中取走能量并且以该方式起阻力单元的作用。促动器例如可以构造为电动机、液压泵或气动泵或压电元件。
附图说明
接下来参照附图详细阐述本发明的实施例。在此示出：
图1假肢的示意图；以及
图2负荷特征参数变化过程。
具体实施方式
在图1中以示意图示出具有上部分1的腿部假肢，在该上部分上固定有用于接收大腿残肢的大腿筒10。在上部分1上可摆动地布置有呈小腿部分的形状的下部分2。在上部分1上，下部分2围绕摆动轴线4可摆动地受支承。下部分2具有小腿管5，在该小腿管的远端端部上固定有假肢脚3，在该假肢脚中可以装入用于求取作用到小腿管5上的有效轴向力以及求取踝部力矩MA的装置，该踝部力矩围绕假肢脚3在小腿管5上的固定部位起作用。
在下部分2中或上布置有例如可以构造为阻尼器或促动器的阻力装置6，该阻力装置支撑在上部分1和下部分2之间，以便提供可调节的伸展阻力和弯曲阻力。阻力装置6配属有调整装置7，例如马达、磁体或其它促动器，通过该促动器可以改变阻力装置6内的对应阻力。如果阻力装置6构造为液压阻尼器或气动阻尼器，那么可以通过调整装置7增大或减小溢流通道的对应流动横截面或以其它方式改变流动阻力。这也可以通过打开或关闭阀门或通过改变粘度或磁流变特性来实现。如果阻力装置构造为发电机运行中的电动机，那么可以通过改变电阻来调节抵抗弯曲或伸展的各个阻力的增大或减小。
为了可以激活或停用调整装置7，下部分2配属有尤其安装在小腿包覆件中的控制装置8，通过该控制装置将相应的激活信号或停用信号发送给调整装置7。调整装置7基于传感器数据来激活或者停用，传感器数据由一个或多个布置在人造膝关节上的传感器9来提供。这些传感器可以是角度传感器、加速度传感器和/或力传感器。传感器9例如通过线缆或通过无线发送装置与控制装置8连接。
通过传感器9监控从脚跟着地(英文：Heel Strike)直至重新的下一次脚跟着地HS的整个步伐周期，因此也可以监控具有迈步阶段伸展和迈步阶段弯曲的整个迈步阶段。
图2示出两个负荷特征参数即踝部力矩MA和轴向力FA的变化过程。轴向力FA沿着下部分的纵向延伸方向作用到下部分2上，踝部力矩MA作用在假肢脚3或矫形器的脚部件的区域中。在时间T上示出负荷特征参数的变化过程。在此得到负荷特征参数MA和FA的基本呈钟形的变化过程。由现有技术已知，在达到踝部力矩MA或轴向力FA的最大值之前减小站立阶段阻尼，以便可以触发迈步阶段。为此的触发值为在达到最大值MAmax或FAmax之前的负荷特征参数的70％至90％。根据现有技术，触发阈值在时间上被确定并且位于时间点tmax之前，在该时间点存在或认为是负荷特征参数的最大值。
根据本发明现在设置，在达到最大值MAmax、FAmax之后才减小弯曲阻尼。为此，以高的探测速率在行走期间的整个迈步循环上通过传感器9检测负荷特征参数。同样可以检测角度大小、角速度或位置参数例如绝对角度，并且评估这些特征参数的变化过程。在达到负荷特征参数的最大值之后，在达到最终站立阶段之前并且在脚趾松弛之前，减小弯曲阻尼，以便能够实现人造膝关节的弯曲并且可以提供与自然行走近似的运动样式。因此，用于自由切换即减小弯曲阻尼的准则首先是达到负荷特征参数的最大值，例如达到最大踝部力矩MAmax和/或最大轴向力FAmax。接下来，监控或进一步求取负荷特征参数的进一步变化过程并且检验：是否达到了在时间上与时间点tmax无关的、之前确定的然而可变的阈值。该阈值不是在时间上被确定，而是仅与负荷特征参数的变化过程有关。最大值的定量确定同样与估算迈步时长或负荷时长一样几乎不必要。一旦达到确定的或基于另外的传感器值所确定的阈值，那么通过减小弯曲阻尼可以触发迈步阶段。对于在平地上行走，常见值是最大负荷或者说最大力矩的90％，然而该值与行走速度、地面性质以及行走辅助的使用有关。该阈值可以在负荷特征参数最大值的95％和50％之间变化。因此，该阈值不必具有固定地设定的大小，该调节参数可以变化。通过在达到负荷特征参数的最大值之后触发迈步阶段，对于较长时间段即△tv，较长时间地保护人造膝关节。由此，关节垮塌的危险通过提前触发迈步阶段，例如在滞后的步伐中，至少被减小。
为了确定该阈值，可以考虑在行走期间的去负荷速度或滚动速度。同样可以使用滚动角度、能通过评估下部分相对于垂线的角度改变求出的行走方向、角度的性质即是存在向前倾斜还是向后倾斜，以及在空间中的绝对角度，用于改变阈值，并且可以在行走期间重新确定对应的阈值。由此可以实现可靠的并且匹配于对应的行走表现的迈步阶段触发。
与在缓慢去负荷(这尤其在缓慢行走的情况下提供安全性的提高以抵抗不希望的弯曲)时相比，在快速去负荷时更早地触发迈步阶段。涉及假肢的所有解释相应地适用于矫形器。替代小腿管地使用小腿轨。在病人上的固定不通过筒而是通过在现有腿部上的带或托或类似件来进行。

Claims (13)

1.用于控制在矫形器的、外骨骼的或假肢的人造膝关节中的阻尼改变的方法，其中，所述人造膝关节具有围绕摆动轴线(4)能摆动地相互固定的上部分(1)和下部分(2)，其中，在所述上部分(1)和所述下部分(2)之间固定有阻力单元(6)，以便提供抵抗所述人造膝关节弯曲或伸展的阻力，所述阻力单元(6)配属有调整装置(7)，在配属于所述调整装置(7)的控制单元(8)的传感器信号激活所述调整装置(7)时，通过该调整装置改变阻力，其中，针对迈步阶段减小弯曲阻力，其特征在于，在行走或站立阶段期间检测作用到矫形器、外骨骼或假肢上的至少一个负荷特征参数(MA,FA)的变化过程，求取在站立阶段期间所述负荷特征参数变化过程的最大值，并且在达到所述最大值之后在达到所述负荷特征参数(MA,FA)的低于所述最大值的阈值时将所述站立阶段期间的弯曲阻尼减小到迈步阶段阻尼水平。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用踝部力矩(MA)和/或作用到所述下部分(2)上的轴向力(FA)作为所述负荷特征参数。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，用于触发所述迈步阶段阻尼的阈值在时间上是可变的。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，用于触发所述迈步阶段阻尼的阈值根据滚动速度和/或行走状况来确定。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，用于触发所述迈步阶段阻尼的阈值根据去负荷速度来确定。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，用于触发所述迈步阶段阻尼的阈值根据假肢部件或矫形器部件的角度位置来确定。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，用于触发所述迈步阶段阻尼的阈值水平从所述负荷特征参数(MA,FA)的所述最大值的95％和50％之间的范围中选出。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述弯曲阻尼的减小根据所述负荷特征参数的变化过程来进行。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述弯曲阻尼在减小之前的初始值被设定为在在所述站立阶段中锁止弯曲的一个值。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述负荷特征参数(MA,FA)的值重新增大时，所述弯曲阻尼在减小之后被重新提高。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述站立阶段期间包括直立期间。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述站立阶段包括直立期间。
13.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述行走状况包括行走速度。
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