CN107874875B - 动力型踝足假肢 - Google Patents

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Abstract

本文描述了一种动力型踝足假肢。这种假肢采用了致动器和弹性组件，致动器提供净余的正功以向前推动佩戴的截肢者，弹性组件用于存储行走过程中的机械负功并在适当的状态释放辅助电机，从而提高假肢的能量效率。弹性组件与致动器并联安装，它是由凸轮和线性弹簧组成。通过凸轮轮廓的设计可以使弹性组件获得期望的弹簧力矩‑角度曲线，再现人体踝部的受控背屈刚度，而不是获得传统的弹簧冲程‑角度曲线。该装置提高了系统能量效率，并且降低了致动器的力矩和功率需求。此外，这种假肢还可以在被动模式下工作，通过并联弹簧的辅助作用，实现近似正常的步态。

Description

动力型踝足假肢
背景技术
本申请要求于2016年9月29日提交的第15/280,788号美国非临时申请的优先权的权益，该美国非临时申请的全部内容出于所有目的通过引用以其整体并入本文。
踝足假肢，又称胫骨假肢，用于帮助膝盖以下截肢的个体恢复行走功能。现有商用胫骨假肢一般可以分为两种主要类型：被动型胫骨假肢和动力型胫骨假肢。被动型胫骨假肢不包括致动器，因此在步态周期中无法如正常人体踝部那样提供净余的正功(netpositive work)。缺乏正功的输入将阻碍截肢者恢复更自然的行走步态。对于一些被动型假肢，可以使用弹簧-离合器机构来调节行走中的踝部角度或者降低佩戴者的行走功耗。然而，临床研究表明，由于被动型假肢无法提供净余的正功，将导致佩戴者在行走过程中面临各种问题，诸如，非对称性的步态以及行走功耗增加。
动力型假肢，动力型假肢采用致动器来提供净余的正功(net positive energy)，该正功用于推动佩戴者的身体中心向前移动。动力假肢可复现人体踝关节的动力学特征，使佩戴者获得更加自然的行走步态，此外还可显著减少截肢者的行走功耗。然而，目前在动力型假肢的设计与研究中仍然存在一定的挑战，主要包含两个方面：致动器和能量效率。虽然电机在假肢中被广泛地使用，但是难以在满足尺寸和重量要求的同时提供所需的最大力矩。例如，对于75kg的男性而言，踝足的重量约2kg。然而，在行走期间，最大力矩和功率将分别达到120Nm和320W。动力假肢的动力源通常使用商用电池(例如，锂聚合物电池)。该电池应提供日常行走所需的能量。然而，由于电池能量密度的限制，大多数商用电池很难在满足踝足假肢的尺寸和重量需求的情况下，提供假肢一天所需的能耗。
此外，佩戴者在长时间的行走状态下，电池无法为假肢供应充足的能量。此时，动力型假肢将以被动模式工作。在这种情况下，我们希望动力型假肢也可以再现人体脚踝的部分功能，以实现相对正常的步态。
发明内容
本发明提供了一种踝足假肢，该踝足假肢采用了用于存储和释放机械负功的弹性元件以及致动器。通过弹性元件的辅助作用，可以显著降低假肢的能耗，此外，还降低了致动器的力矩和功率要求，从而大大缩小了电机和电池尺寸。
该装置中致动器用于提供向前推动佩戴者的净余正功。弹性组件与致动器并联安装，弹性组件包含线性弹簧和凸轮。在本设计发明中，凸轮轮廓设计成生成期望的弹簧力矩-角度曲线，而不是传统的弹簧冲程-角度曲线。该期望的力矩-角度曲线为人体踝关节背屈阶段的力矩-角度特征。由于弹性组件可以再现人体脚踝的受控背屈阶段的力学特征，因此可降低电机在背屈阶段的控制难度。此外，通过并联弹性组件的使用，提高了系统能量效率，降低了致动器力矩和功率要求。另外，平行弹簧可以在背屈期间再现所需的力矩，储存背屈阶段的机械负功，然后在推出阶段释放用于推动佩戴者，使得该假肢在被动模式下依然能获得近似正常的步态。
本发明详细介绍了凸轮轮廓设计。凸轮轮廓被分解成多个分段，每个分段由三阶多项式进行拟合。在一些实施方式中，为了使实际的力矩-角度曲线接近期望的曲线，凸轮轮廓应当为凸曲线。
本发明中使用了有限状态机，该有限状态机用于检测假肢的状态。假肢中采用了多个传感器，用于获得假肢行走过程中的运动信息，传感器包括用于检测踝部角度的角度传感器和用于测量假肢轴向力的柔性力传感器。
下面给出以下附图和描述来进一步说明本发明的各方面。应意识到，本发明不限于以下描述的实施方式，并且涵盖如本领域技术人员将理解的各种替代实施方式和变型。
附图说明
图1是根据本发明实施方式的动力型踝足假肢的主视立体图。
图2是根据本发明实施方式的动力型踝足假肢的分解图。
图3是根据本发明实施方式的动力型踝足假肢的主视剖视图。
图4是根据本发明实施方式的动力型踝足假肢的侧视剖视图。
图5是根据本发明实施方式的动力型踝足假肢的侧视图。
图6是根据本发明实施方式的人体踝关节单位力矩-角度曲线。
图7A和图7B是根据本发明实施方式致动器的驱动电路在初始受控背屈中的工作原理。
图8是根据本发明实施方式的在动力型踝足假肢中使用的凸轮的几何模型。
图9是根据本发明实施方式的凸轮轮廓的设计。
图10A和图10B分别示出根据本发明实施方式的凸轮理论曲线和弹簧力矩-角度曲线。
图11示出根据本发明实施方式控制器的框图。
图12示出根据本发明实施方式的有限状态机。
具体实施方式
本发明实施方式涉及采用弹性组件和致动器的动力型踝足假肢。参照附图对本发明进行详细描述；相同的附图标记用于指代相同的元件。
图1至图4为本发明提出的踝足假肢的具体实施方式。弹性足16用于降低足跟着地期间的冲击力。弹性足16可以实施为碳纤维足，或者具有足够强度和弹性的任何合适的材料。如本文所描述的，弹性足是指可以利用各类特征或机构(例如，弹性体、弹簧机构、弹性叶片、活塞等)的任何类型的减震足。踝足假肢包括用于附接弹性足16的足安装部20。足安装部20可以包括具有螺纹孔的平坦表面。紧固螺栓21通过螺纹连接将减震足16与足安装部20连接。应意识到，在各实施方式中，足安装部20可配置成其他尺寸和形状(例如，波形区域、圆柱体)，并且包括用于将弹性足16牢固地紧固到假肢的任何合适装置(例如，夹子、插槽、卡扣、紧配合件、紧固件等)。适配器12用于连接截肢者的下肢残端的接收腔。
如图1至图4所示，角度传感器5安装在踝关节39上，用于检测假肢踝部角度。角度传感器5可实施为电位计或霍尔角度传感器，或者任何合适的角度传感器。力传感器30安装在适配器12和支架11之间，用于测量假肢轴向力。力传感器30可实施为力感测电阻器(FSR)或者任何合适的力传感器。电源33用于为假肢提供动力。电源33可实施为锂聚合物电池或者任何合适的电池或电源。用于保护电子线路的罩32安装在支架11上。
本发明中，假肢的驱动机构包括两部分：电机驱动单元9和平行弹簧机构8。如图2的分解图中所示，电机驱动单元9包括直流(DC)电机4、同步轮皮带传动装置(同步带轮35、36、同步带37)和滚珠丝杠螺母传动装置(滚珠丝杠2、螺母1)。驱动机构通过滑块-曲柄联动装置将净余的正功传递至踝足假肢。
平行弹簧机构包括两个线性弹簧6、凸轮13、滑块7和两根光轴15。滑块7和线性弹簧6安装在光轴15上。滚子14用于减小凸轮13和滑块7之间的摩擦力。当上部主体如图5所示顺时针旋转时(在背屈阶段)，凸轮13推动滑块7压缩线性弹簧6。其结果是，在假肢踝部39上生成弹簧力矩。该装置中，通过凸轮轮廓的设计，将获得期望的弹簧力矩-角度曲线。
动力型踝足假肢模型
踝足假肢的瞬时输出力矩等于电机输出力矩和弹簧力矩的总和。
τ＝τm+τp (1)
其中
Figure BDF0000012947130000041
Figure BDF0000012947130000042
Figure BDF0000012947130000043
其中，ub是电池电压。Ku(0≤Ku≤1)是与电机控制信号相关的系数。im是电机电流。Ke、Kt和Rm分别是电机转速常数、力矩常数和电阻。Me(Me＝ImR2)是指电机等效转动惯量。be(be＝bmR)是等效摩擦系数。Im，bm分别是指电机转动惯量和电机摩擦系数。R是传动比。θ是踝部角度。f(θ)与弹簧刚度和凸轮轮廓相关。如假肢模型公式(1)-(4)中所示，假肢的瞬时最大输出力矩不仅由电机控制信号Ku确定，还由角速度
Figure BDF0000012947130000051
和角加速度/>
Figure BDF0000012947130000052
确定。
弹簧力矩-角度曲线的设计
本发明中采用了平行弹簧机构，该机构用于存储和释放假肢行走过程中的负机械能，从而提高系统能量效率。此外，通过平行弹簧机构的辅助作用，可大大降低电机的力矩和功率要求。
本发明中的假肢可根据假肢行走过程中所处的状态提供相应力矩，以获得更加自然的步态。本假肢在受控的背屈阶段(CD)将提供所需的阻抗力矩，而在推动阶段(PP)期间提供所需的推动力矩。如图6所示，为了确保假肢在摆动阶段能自由转动，平行弹簧的耦合角度设置为零度，即只有当踝部角度大于零时，平行弹簧才会提供弹性力矩。此外，如图6所示，在初期的CD阶段，弹簧力矩小于所需的力矩。此时，可使用直流电机4提供额外的阻抗力矩。该状态下的直流电机4的驱动电路的工作原理如图7A所示，PWM信号将用来控制M4以调节电机阻抗力矩。在该过程中，少部分负机械负功将被转换成电能并存储在电池33中，剩余能量将在转换过程中消耗掉。为了提高转换效率，可以在驱动电路中加入DC-DC转换器。DC-DC转换器将提高电机的感应电压，从而有效的为电池充电，如图7B所示。
本发明中，平行弹簧力矩-角度曲线的设计将包含四中情况，如图6所示。对于情况①，弹簧力矩介于CD和PP中的所需力矩之间。在CD阶段，所需假肢力矩小于弹簧力矩，电机将通电工作用以辅助佩戴者压缩平行弹簧。而在PP阶段中，电机也将通电工作提供额外的力矩来向前推动截肢者。
对于情况②，弹簧力矩等于CD阶段中的所需力矩。在这种情况下，CD阶段中，电机将断电且不需要控制。在PP阶段中，电机以与情况①中基本相同的方式工作。由于在CD状态中的机械负功能全部存储于平行弹簧并在PP阶段释放利用，因此情况②中的总能耗与情况①中的总能耗基本上相等。
对于情况③，弹簧力矩小于CD状态中的所需力矩，所以部分机械负功没能存储在弹簧中。此外，由于在CD阶段后期踝关节角速度较小，机械负功将无法转换为电能只能被电机消耗。在这种情况下，假肢的能量效率降低。在PP阶段中，电机以与情况①和情况②中的基本相同的方式工作。
对于情况④，弹簧力矩大于PP阶段中的所需力矩。在后期CD中，电机以与情况①中的基本相同的方式工作。而在PP中，所需力矩小于弹簧力矩，此时电机将提供部分阻抗力矩。PP过程中，多于的机械能将被转化为电能，但部分能量将会在转换期间消耗掉。其结果是，假肢的能量效率降低。
总而言之，情况①和情况②的能量效率基本相同，且高于情况③和情况④。但在情况②中，在CD阶段后期，电机断电不需要控制，这样将简化假肢的控制。另外，当电池能量耗尽时，在情况②中，佩戴者假肢可以具有更正常的步态。基于以上结论，本发明中的弹簧力矩-角度曲线将与图6中的情况②一致。
应意识到，在上述任何实施方式中可以实现变型，例如，在一种情况下描述的某些方面可以依照期望修改或替换成在另一种情况下描述的某些方面。
凸轮轮廓设计
在本发明中，凸轮轮廓设计成生成期望的弹簧力矩-角度曲线，而不是弹簧冲程-角度曲线。凸轮的几何模型如图8所示，凸轮轮廓f(xA，yA)可推导如下：
Figure BDF0000012947130000061
Figure BDF0000012947130000062
其中，f(xB，yB)是理论曲线(pitch curve)。如图8所示，r是滚子14的半径。
以下给出弹簧力矩：
τp＝Fτ(l0-s)+Fne (7)
其中
Figure BDF0000012947130000071
Figure BDF0000012947130000072
Figure BDF0000012947130000073
其中，k是线性弹簧6的刚度。s是线性弹簧6的压缩量。e是滚子从凸轮旋转中心(踝关节)的偏移。μ是滑块7和光轴15之间的摩擦系数。β和θ在图8中示出。
Figure BDF0000012947130000074
是曲线斜率。
在设计过程中，弹簧力矩-角度曲线可以被分解为n段。在本实施方式中，将n设置为4，并且将相应的段点设置为[(0，0)，(θ1，τp1)，(θ2，τp2)，(θ3，τp3)，(θ4，τp4)]。凸轮轮廓也分为4个分段。凸轮轮廓中的每个分段将以图9所示的三阶多项式进行拟合，这可以确保段点上的凸轮轮廓斜率的连续性。此外，本发明中的凸轮曲线可以被分解成更多或更少的分段并且应用相似的概念。
Figure BDF0000012947130000075
根据式(7)-(9)，弹簧力矩由弹簧刚度k、摩擦系数μ、弹簧压缩量度s、以及β确定。在实践中，k和μ是预设的。μ由加工精度确定，k可以通过选择不同的弹簧来改变。因此，弹簧力矩可以表示为函数τs＝f(s，β)。对于凸轮理论曲线的每个段点，首先预先设定弹簧变形度s。然后，可以在段点处如下推导对应的β：
Figure BDF0000012947130000076
其中，A在式(13)中定义。
Figure BDF0000012947130000077
在式(13)中，为了简化计算，将
Figure BDF0000012947130000078
设置成与sgn(s1-s0)相同。式(11)中的参数可通过如下计算获得。
CC＝[ai，bi，ci，di]T (14)
CC＝AA-1*BB (15)
其中，AA和BB定义如下：
Figure BDF0000012947130000079
Figure BDF0000012947130000081
其中
xB(i)＝(l0-si)cosθ(i)+esinθ(i) (18)
yB(i)＝(l0-si)sinθ(i)-ecosθ(i) (19)
凸轮的理论轮廓线通常存在三种类型：凸形、凹形和凸形+凹形，如图9所示。对于第一和第二种类型，理论曲线的斜率在一个分段中具有相对较小的变化。而对于最后一种类型，斜率将有较大的变化。根据式(7)-(10)可知，弹簧力矩与理论曲线斜率相关。所以当凸轮轮廓为凸形+凹形时，弹簧的实际力矩将与期望力矩有较大误差，如图10A和图10B所示。
在本发明中，凸轮轮廓被设计为凸曲线，并且使用以下条件来提高成为凸曲线的可能性。
β(i-1)＜γ(i)＜β(i) (20)
应注意，即使在式(20)满足的情况下，凸轮轮廓也可能为凹形+凸形。
凸轮轮廓设计过程中，为了避免出现过切现象，f(xB，yB)的曲率半径
Figure BDF0000012947130000082
应满足以下条件：/>
Figure BDF0000012947130000083
如果f(xB，yB)是凹形 (21)
此外，为防止滑块7与光轴15之间发生自锁现象，(β-θ)应该小于摩擦角
Figure BDF0000012947130000084
Figure BDF0000012947130000085
如图10B所示，CD阶段中的弹簧力矩小于推出阶段PP中的弹簧力矩，原因是由滑块7和光轴15之间的摩擦力引起的。该过程中，部分机械能将被摩擦力消耗，通过减小(β-θ)或摩擦系数μ，可以减小消耗的机械能。
应意识到，为了提供期望的性能，某些实施方式可以仅包括本文描述的方面中的一些或这些方面的修改。例如，在需要假肢进行受限或专门的移动的运动中，一些截肢者可能具有局限性。
控制器设计
如图11所示，此图为踝足假肢的控制器示意图。控制器配为假肢提供参考力矩而不是参考轨迹。在本发明中，假肢的运动是由佩戴的截肢者和假肢的相互作用决定。此种情况下，佩戴者将获得更加顺畅、自然的行走步态。如图12所示，控制器中采用了有限状态机，该状态机用于检测假肢行走过程中的步态。
在图11所示的控制器中，电机输出力矩不是由力矩传感器或力传感器直接检测，而是由式(2)中的电机模型和电机电流im推导获得。虽然推导的力矩和实际力矩之间存在一定的误差，但这在实践中是可以接受的。在图11所示的控制器中，电流控制器将用来调节电机电流，该电流控制器可实施为PD控制器。应意识到，在各种其他实施方式中，电机输出力矩中可以由一个或多个传感器检测。
在图12所示的有限状态机中，假肢行走的一个步态周期将分为四个状态。状态4摆动状态(SW)包括两个子阶段SW1和SW2。在子阶段SW2，假肢恢复平衡位置准备进入下一个步态周期。有限状态机的输入信号包括力信号和角度信号。力信号用于将支撑阶段(状态1至3)与摆动阶段(状态4)区分开。本发明中，角速度
Figure BDF0000012947130000091
被角度阈值(Δθ阈值)替代用于判断假肢角度的变化趋势。
应意识到，本发明不限于任何前述实施方式的细节。本发明扩展至本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中所公开的特征中的任一新颖特征或者任何新颖的组合，或者扩展至如此公开的任何方法或过程的步骤中的任一新颖步骤或者任何新颖的组合。本领域技术人员根据本文的公开内容进行的变型和修改应处于本发明的范围内。

Claims (15)

1.一种动力型踝足假肢，其特征在于，所述假肢能复现人体踝关节行走时所需力矩，从而帮助佩戴所述假肢的截肢者恢复更自然步态，所述假肢包括：
电机驱动单元，包括电机、同步轮皮带传动装置和滚珠丝杆螺母传动装置，所述电机在所述截肢者的行走过程中的背屈阶段向所述截肢者提供推动力矩且在推动阶段向所述截肢者提供推动力矩且弹簧力矩介于背屈阶段和推动阶段中的所需力矩之间、或者所述电机在所述截肢者的行走过程中的背屈阶段断电且在推动阶段向所述截肢者提供推动力矩且弹簧力矩等于背屈阶段中的所需力矩、或者所述电机在所述截肢者的行走过程中的背屈阶段提供阻抗力矩且在推动阶段向所述截肢者提供推动力矩且弹簧力矩小于背屈阶段中的所需力矩、或者所述电机在所述截肢者的行走过程中的背屈阶段提供推动力矩且在推动阶段向所述截肢者提供阻抗力矩且弹簧力矩大于推动阶段中的所需力矩；
平行弹簧机构，包括凸轮，所述平行弹簧机构配置为在所述背屈阶段提供预期的弹性力矩，以及
其中，所述假肢配置为使得在所述背屈状态下，所述平行弹簧机构的所述凸轮设计成与所述电机一起提供所需的踝关节力矩角度曲线。
2.如权利要求1所述的假肢，所述平行弹簧机构还包括：线性弹簧、滑块和光轴，其中，所述凸轮安装在支架上，当所述支架转动时，所述凸轮推动所述滑块压缩所述线性弹簧来提供预期的所述弹性力矩，从而生成所需的踝关节力矩角度曲线。
3.如权利要求2所述的假肢，其特征在于，当所述踝关节的角度大于0°时，所述凸轮压缩所述线性弹簧，从而生成所需弹性力矩，其中0°定义为所述支架与足安装部垂直的情况。
4.如权利要求2所述的假肢，其中，所述凸轮的实际轮廓线和对应的理论轮廓线设计为确保所述平行弹簧机构在所述背屈阶段能生成所需的踝关节力矩角度曲线。
5.如权利要求4所述的假肢，其中，所述凸轮的实际轮廓线分解成多个分段来进行设计。
6.如权利要求5所述的假肢，其中，所述凸轮的对应的理论轮廓线的每个分段由三阶多项式进行拟合。
7.如权利要求5所述的假肢，其中，所述凸轮的对应的理论轮廓线的每个分段是凸曲线。
8.如权利要求1所述的假肢，进一步包括：DC-DC转换器，所述DC-DC转换器配置为用于提高所述电机的感应电压进而提高转换效率，从而有效的为电池充电。
9.如权利要求1所述的假肢，其中，所述假肢配置为能在动力模式和被动模式下工作。
10.如权利要求2所述的假肢，其中，所述线性弹簧配置为只有当所述踝关节角度大于0°时才会被压缩，以确保所述假肢在摆动阶段能自由转动，其中0°定义为支架与足安装部垂直的情况。
11.如权利要求1所述的假肢，进一步包括：
传感器，用于检测所述假肢在所述行走过程中的步态，并为控制器生成实时输入；以及
所述控制器，配置为至少基于所述传感器的输入信号为所述假肢的控制提供实时参考信号，
其中，所述假肢配置为：
在初始的所述背屈阶段，所述弹簧力矩小于所需力矩，此时所述电机提供额外的阻抗力矩；
在后期的所述背屈阶段，所述弹簧力矩等于所需力矩，此时所述电机断电不需要控制；以及
当进入推动阶段时，所述电机通电工作提供额外的力矩向前推动截肢者。
12.如权利要求11所述的假肢，其中，所述传感器包括：
踝关节角度传感器，配置为用于测量假肢踝部的角度；以及
力传感器，配置为用于测量所述假肢的轴向力。
13.如权利要求2所述的假肢，所述凸轮配置为由多段理论轮廓线组成。
14.如权利要求2所述的假肢，所述凸轮配置为包括凸形、凹形或凸-凹形。
15.如权利要求1所述的假肢，所述踝关节力矩角度曲线的力矩区间在0Nm/Kg到2Nm/Kg之间。
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