CN113329720A - 用于控制矫形或假体装置的方法和矫形或假体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制矫形或假体装置(10)的方法和这种装置(10)，所述矫形或假体装置能够佩戴在使用者的身体上并且能够固定在使用者的身体上，所述矫形或假体装置具有：a.关节装置(20),所述关节装置具有近端部件(21)和远端部件(22)，所述近端部件和所述远端部件能绕着摆动轴(25)能摆动地支承在彼此上；b.至少一个能调节的执行器(30)，所述执行器布置在近端部件(21)和远端部件(22)之间，并且通过所述执行器能够调节关于近端部件(21)相对于远端部件(22)的摆动的运动特性；c.至少一个检测装置(60)，用于检测肌肉收缩；以及d.控制装置(50)，所述控制装置与检测装置(60)和执行器(30)耦合、处理检测装置(60)的(电)信号并且根据所述信号调节执行器(30)，其中，检测装置(60)设置用于检测肌肉协同收缩并且布置在使用者的肢体上并且与控制装置(50)耦合；至少一个肌肉协同收缩由检测装置(60)探测；并且所述运动特性通过执行器(30)根据探测到的肌肉协同收缩被改变。

Description

用于控制矫形或假体装置的方法和矫形或假体装置
技术领域
本发明涉及一种用于控制矫形或假体装置的方法，所述矫形或假体装置能够佩戴在使用者的身体上并且能够固定在所述使用者的身体上，所述矫形或假体装置具有：关节装置，所述关节装置具有近端部件和远端部件，所述近端部件和所述远端部件能绕着摆动轴摆动地支承在彼此上；至少一个能调节的执行器，所述执行器布置在近端部件和远端部件之间，并且通过所述执行器能够调节抵抗近端部件相对于远端部件的摆动的运动阻力；用于检测肌肉收缩的至少一个检测装置；以及控制装置，所述控制装置与检测装置和执行器耦合、处理检测装置的信号并且根据所述信号调节执行器。本发明同样涉及所述矫形或假体装置或者所述矫形器或假体。
背景技术
假体装置或矫形器具有的任务在于，引导或辅助存在的肢体的运动，或者支撑并且辅助肢体。外骨骼同样是矫形装置。用于下肢的矫形装置在不同的实施方式中是已知的，所谓的KAFO(knee ankle foot orthosis，膝踝足矫形器)不仅支撑脚而且支撑脚踝关节和膝关节。脚通常放置在脚踏板上，一个或多个小腿夹板平行于小腿延伸，并且假体膝关节大致设置在自然膝盖轴的区域中。用于将矫形器固定在大腿上的固定装置安置在一个或多个大腿夹板上。固定装置同样可以设置在小腿或脚踏板上，以便可以将矫形器固定在相应地要服务的腿上。关于假体膝关节，大腿夹板是近端部件并且小腿夹板是远端部件，关于假体踝关节，脚件是远端部件并且这个小腿夹板或这些小腿夹板是近端部件。阻尼器或驱动装置可以作为执行器布置在相应的部件之间，以便影响运动过程并且改变运动阻力。可以借助一个或多个马达式的或蓄能器驱动的驱动装置提供增大的运动阻力以阻尼所述运动或者通过减小阻尼或辅助提供减小的运动阻力。相应情况也适用于矫形装置、例如用于上肢的矫形器和外骨骼。
假体替代不存在的肢体并且可以具有人造关节。下肢的假体可以例如具有假体膝关节，所述假体膝关节通过作为小腿件的小腿管与作为脚件的假脚连接。假脚踝关节可以构造在假脚和小腿管之间。假体膝关节通常具有上部件和下部件，所述上部件和下部件通过单中心的或多中心的关节装置能摆动地支承在彼此上，从而上部件能够相对于下部件绕着摆动轴摆动。例如用于大腿筒或在大腿筒的构型中的至少一个固定装置布置在上部件上，以便可以将下肢的假体固定在使用者上。关于假体踝关节，小腿管是上部件，并且假脚是下部件。执行器可以分别布置在相应的上部件和下部件之间或者在近端部件和远端部件之间，以便关于屈曲和/或伸展改变相应的运动阻力。如同结合矫形器实施的那样，运动阻力可以通过执行器、例如通过被动的、能调节的阻尼器或驱动装置、例如电动机或蓄能器驱动的驱动装置被增大或减小。除了用于下肢的假体以外，用于上肢的相应的假体也是已知的。矫形器、假体或外骨骼的上述特征也可以存在于根据本发明的矫形或假体装置。
由DE 10 2008 008 284 A1公开了一种矫形外科技术的膝关节，其具有上部件和能摆动地布置在所述上部件上的下部件，给所述下部件配置多个传感器、例如弯曲角度传感器、加速度传感器、倾斜度传感器和/或力传感器。根据传感器数据确定并且相应地调节伸展止挡的位置。
由DE 10 2009 052 887 A1公开了一种用于控制矫形或假体关节的方法，所述矫形或假体关节具有阻力装置和传感器，其中，在使用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，传感器数据由测定的参量中的至少两个参量通过数学运算彼此关联并且由此计算辅助变量，所述辅助变量以对弯曲阻力和/或拉伸阻力的控制为基础。
此外由现有技术已知的是，通过电极、例如通过表面电极或通过植入的电极检测使用者的肌肉收缩，以便基于检测到的肌肉收缩产生控制指令，例如以激活或关闭驱动装置。所述基于肌电信号的控制特别是使用在上肢的假体中，以便控制假手的复杂的运动。
下肢的矫形或假体装置主要通过身体或者矫形或假体装置的运动和负荷被影响，产生的加速度或力或状态由传感器检测，并且基于传感器信号调节确定的阻尼特性。有意的影响仅仅能通过改变运动或系统负荷实现。在被驱动的主动式矫形或假体装置的情况中已知的是，通过肌肉活动与驱动装置的按比例的配置实现部件相对彼此移动、例如张开或闭合手，或者通过模式识别控制确定的程序。检测收缩信号，以便在不同的运行模式之间来回切换。
发明内容
本发明的任务在于，为使用者提供一种矫形或假体装置以及一种用于控制所述矫形或假体装置的方法，所述矫形或假体装置和所述方法为使用者提供提高的安全性，在同时简单的实施方案中具有尽可能小的成本花费。
根据本发明，该任务通过具有独立权利要求的特征的方法和矫形或假体装置来解决，本发明的有利的构型和进一步方案在从属权利要求、说明书以及附图中被公开。
所述方法用于控制矫形或假体装置，所述矫形或假体装置能够佩戴在使用者的身体上并且能够固定在所述使用者的身体上，所述矫形或假体装置具有：关节装置，所述关节装置具有近端部件和远端部件，所述近端部件和所述远端部件能绕着摆动轴摆动地支承在彼此上；至少一个能调节的执行器，所述执行器在布置近端部件和远端部件之间，并且通过所述执行器能够调节抵抗近端部件相对于远端部件的摆动的运动阻力；至少一个检测装置，用于检测肌肉收缩；以及控制装置，所述控制装置与检测装置和执行器耦合、处理检测装置的信号并且根据所述信号调节执行器，在此设置，检测装置设置用于检测肌肉协同收缩并且布置在使用者的肢体上并且与控制装置耦合；至少一个肌肉协同收缩由检测装置探测；并且执行器的运动阻力根据探测到的肌肉协同收缩被改变。肌肉协同收缩是用于使关节稳定的、主动肌和对抗肌的张紧或者两个相反作用的肌肉或肌肉群的同时的张紧。例如，当肱二头肌和三头肌同时张紧，而小臂不相对于上臂运动然而或者根据收缩水平与在对抗肌不张紧的情况下相比小臂相对于上臂运动更慢地运动时，则存在肌肉协同收缩。相应情况适用于使小腿伸展和弯曲的肌肉组织。如果彼此相反作用的肌肉或肌肉群同时张紧，则涉及肌肉协同收缩。肌肉协同收缩用于使关节或肢体稳定，以便在实施运动时进行最大程度的控制或者停止运动。肌肉协同收缩有意地或无意地进行。无意的协同收缩例如作为在突然的障碍例如出现的平滑路面、打滑的地面、惊吓情况例如爆炸、事故或者类似情况中的反射而出现，然而或者也为了对可能的危险情况、例如沿着悬崖走或者走过桥的准备而出现。通过肌肉协同收缩增大肌肉系统中的基本应力。如果通过检测装置检测或探测相应的肌肉协同收缩，亦即例如肱二头肌和肱三头肌或者例如股二头肌和股四头肌的同时的张紧由检测装置检测，则由检测装置将相应的信号传输到控制装置，然后所述控制装置根据探测到的肌肉协同收缩改变执行器的运动阻力。运动阻力的改变可以例如通过调节在液压阻尼器或气动阻尼器中的阀实现。同样例如通过电驱动装置可以解除或激活制动或者增大或减小另外的阻力，所述电驱动装置被接通或关闭或抵抗近端部件相对于远端部件的移动。优选地，使执行器的基本设定保持不变，也就是说，关于确定的运动或确定的负荷保持一次设定的阻力曲线或阻力变化曲线，亦即使基本的阻力特性关于运动保持不变。在选择的肌肉中，特别是在当肢体还存在时负责用于实施相应的运动的肌肉中，肌肉活动通过检测装置检测。如果探测到有意的或无意的肌肉协同收缩，则推断出需要改变运动阻力的特殊情况。与在上肢的假体控制的情况中不同地，肌肉协同收缩不为了切换到并且进入新的运行模式中、例如从手张开的运行模式切换到手闭合的运行模式而被调节，确切地说，相同的运动还被允许，然而阻力如此程度地增大到另外的阻力水平，以使得在通常的负荷情况中使关节不再能继续运动。这由此涉及基于检测到的协同收缩而改变原控制行为。
在本发明的一个实施方式中，检测这个肌肉协同收缩或这些肌肉协同收缩的持续时间和/或强度，并且根据这个肌肉协同收缩或这些肌肉协同收缩的持续时间和/或强度改变运动阻力。例如在更长时间持续的肌肉协同收缩中运动阻力在更长的时间段内被改变。同样可以在高的肌肉协同收缩强度的情况中与较小的肌肉协同收缩强度相比实施增大改变幅度，以便匹配地改变运动阻力。运动阻力可以例如在探测到肌肉协同收缩时被增大，这相应于在健康的肢体中的肌肉协同收缩的效应。如果例如矫形或假体装置的使用者注意到地面特性的改变、例如平坦的地板上的湿的位置，则由于肌肉协同收缩而增大例如在假体膝关节或假体膝关节中的运动阻力，由此使用者获得增大的安全感，因为关节装置可以更好地由其余的肌肉组织控制并且定位。在假体中所述控制则通过大腿残端进行。在主动式矫形或假体装置、即具有马达式的或另外的驱动装置的装置中，可以减小辅助运动的力、增大驱动装置中的阻力或者反向地激活驱动装置，以便阻止或阻碍远端部件和近端部件相对彼此摆动。
在肌肉协同收缩强度和/或肌肉协同收缩持续时间增加时可以越来越大地增大运动阻力，从而通过检测肌肉协同收缩强度和/或肌肉协同收缩持续时间的时间变化曲线可以进行按比例地改变运动阻力。如果强度在收缩时间段内被增大，则所述改变被增大。同样可能的是，与协同收缩的强度无关地运动阻力在存在协同收缩时如同所述收缩持续那样长的时间被增大，也就是说，在更长的协同收缩持续时间的情况中与在短的协同收缩持续时间的情况中相比实施更大的改变。替换地或补充地可以在协同收缩结束时和/或在探测到另外的协同收缩时和/或通过主动式触发器和/或语音指令减小阻力。所有改变方法可以单独地或者也共同地或者以任意的组合被使用。
本发明的一个进一步方案设置，阻力首先非常快地被增大，也就是说，进行阻力的陡斜的增大，其中，阻力的减小慢地进行、至少比所述增大慢地进行，也就是说，阻力的减小更小陡斜地实施。
运动阻力的改变可以被加入预先设定的控制程序。现代的矫形器或假体通常具有执行器，所述执行器由传感器控制地提供不同的运动阻力，从而例如在行走周期中在相应的行走阶段中调节不同的屈曲阻力和伸展阻力。通过位置传感器、力传感器、力矩传感器、角度传感器和加速度传感器以及其他传感器能够检测假体、矫形器或外骨骼的当前状态并且提供与状态或运动特性相匹配的阻力特性。所述控制程序可以也在探测到肌肉协同收缩时原则上被保持，也就是说，已存在的阻尼方案或驱动方案可以基于相应的传感器原则上保持不变。仅仅阻力水平或不同的阻力的持续时间对于肌肉协同收缩的持续时间被影响。阻力关于时间的变化曲线在通常的控制程序中可以在幅度方面和/或关于时间大小通过由于探测到的肌肉协同收缩而改变运动阻力来改变。由此总体上提高相应的关节装置的稳定性并且由此也矫形或假体装置的稳定性。在肌肉协同收缩取消时则又激活预先设定的标准程序。
原则上也可能的是，运动阻力的改变也在下述执行器中被使用，所述执行器不具有另外由传感器控制的控制方法，而是例如对相应的使用者固定设定地具有确定的阻尼特性或运动阻力特性。
运动阻力的改变可以影响运动阻力的大小、即运动阻力的幅度和/或运动阻力的持续时间、即关于运动周期的时间变化曲线。
在一个实施例中，肌肉收缩并且由此肌肉协同收缩也由检测装置作为肌电信号、压力信号、感应产生的信号和/或光电产生的信号被检测并且传输给控制装置。控制装置设计为数据处理装置并且具有处理电信号的处理器或计算机。所述信号由传感器或探测器产生，所述传感器或探测器充分利用不同的物理效应、化学效应或生物效应。检测装置可以例如具有用于检测肌电信号的表面电极。肌电信号在肌肉收缩时产生。表面电极的优点是容易的可操作性、可逆的安置、与相应的使用者的可匹配性以及非侵入式的特性。然而表面电极可能滑脱并且通常必须准确地布置，以便提供足够的信号质量。此外可能的是，通过在肌肉中的植入物接入电势并且所述电势通过接口或无线地传输给接收器，所述然后将信号以电形式传输给控制装置。同样可能的是，压力传感器安置到相应的肌肉上或中。由于肌肉收缩使肌肉的形状改变，这又导致例如绑带、搭扣带或用于残端的接收筒、例如大腿筒上的压力改变。传感器可以同样从外部安置在肌肉或肢体上，例如通过带或通过弹性带设有预应力，以便探测相应的压力改变。透光性方面的改变也可以用于探测肌肉收缩。存在下述可能性，即线圈安置在筒中并且将植入的电极微侵入地植入肌肉组织中。植入的电极通过在筒中的这个线圈或这些线圈感应地被供应能量，并且相应检测到的数据无线地或有线地通过这个线圈或这些线圈传输到评估单元，然后所述评估单元将所述数据传输给控制装置。原则上，肌肉激活通过电极、传感器或探测器测定。在计算单元中由电信号确定协同收缩以及所述协同收缩的强度和持续时间并且基于所述信息调整控制算法。
本发明的一个变体设置，由检测装置、例如表面电极组件、植入物、压力传感器装置、光学传感器装置和/或感应工作的传感器装置探测到的原始信号在预处理单元中被处理并且首先将处理的信号传输到控制装置。相应的传感器或探测器的原始信号的预处理例如在微控制器中或者在单独的计算单元中进行，所述计算单元位于检测装置和探测器附近或者与检测装置和探测器结构相关地布置。预处理单元可以例如布置在所述部件中的一个部件、例如近端部件上并且无线地或通过有线连接与控制装置耦合。在一个实施方式中，预处理单元仅仅还将与控制方法相关的信息、例如协同收缩强度和协同收缩持续时间或仅仅存在协同收缩的信号传输给控制装置，以便实际的控制单元不必在处理原始信号的情况中而承受载荷，所述实际的控制单元必要时也还实施另外的控制任务。由此容易处理的、预处理的信号被提供给控制装置，所述信号可以容易地集成到已存在的控制算法中。检测装置和预处理单元可以设计为模块并且用作用于已存在的控制装置的附加构件。所述模块可以具有自己的蓄能器。除了通过模块化结构实现的高的灵活性以外，还实现不消极地影响已存在的控制装置的蓄电池工作时间在附加的功能性下。
不仅主动肌和对抗肌的张紧，而且实现不同的或单独的功能的多个肌肉群的同时的张紧视为协同收缩。如果例如所述肌肉中的一个肌肉不再存在对抗肌/主动肌对，则可以确定另外的肌肉或另外的肌肉群作为剩余的肌肉的对抗肌被激活。如果例如存在腿四头肌或股四头肌，然而不存在腿二头肌或股二头肌，则原来的协同收缩是不可能的，从而替代该协同收缩可以引入外展肌和/或腹部肌肉的收缩，以便获得用于控制的协同收缩信号。
矫形或假体装置能够佩戴使用者的身体并且能够固定在所述使用者的身体上，所述矫形或假体装置具有：关节装置，所述关节装置具有近端部件和远端部件，所述近端部件和所述远端部件能绕着摆动轴摆动地支承在彼此中；至少一个能调节的执行器，所述执行器布置在近端部件和远端部件之间，并且通过所述执行器能够调节抵抗近端部件相对于远端的部件摆动的运动阻力；用于检测肌肉收缩的至少一个检测装置；以及控制装置，所述控制装置与检测装置和执行器耦合、处理检测装置的信号并且根据所述信号调节执行器，所述矫形或假体装置设置为，检测装置用于检测肌肉协同收缩，并且控制装置设置用于实施如前所述的方法。通过所述矫形或假体装置、例如矫形器、外骨骼或假体能实现，有意地或无意地与情况相匹配地改变能调节的执行器的阻力水平并且实现加入已存在的控制程序，以便为使用者以简单的方式和方法并且直观地实现对增大的安全需求的匹配。关节变得更不易活动，因为近端部件和远端部件的相对摆动变得困难或被阻止，从而使用者通过所述装置获得更好的控制。
检测装置可以设计为表面电极组件、植入物、压力传感器装置、光学传感器装置和/或非主动工作的传感器装置。检测装置的布置在此设计为，可以检测肌肉协同收缩。为此，相应的传感器或探测器布置在相应的肌肉处或者例如通过相应地准备的植入物与所述相应的肌肉耦合，从而可以检测肌肉收缩，确定协同收缩并且在执行器中实施相应的改变。
在一个实施方式中，检测装置可以集成在近端部件和/或远端部件中。在假体的情况中，近端部件例如是用于残端部分的接收筒。传感器可以固定地安装在接收筒中和/或布置在假体衬套中。同样用于定位电极或另外的传感器的凹槽或穿孔可以构造在所述筒或用于身体部分的另外的接收装置中，从而不同的传感器或传感器可以能更换地并且与相应的使用者相匹配地固定在近端部件上。表面电极可以叠压或持久地固定在所述筒的内侧上。必要时具有自己的供能装置的单独的控制装置或预处理单元可以同样集成在所述筒或近端部件中或者固定在所述筒或近端部件上，以便处理、评估关于相应的肌肉收缩的传感器数据并且将经处理的数据传输给控制装置，然后所述控制装置相应地将用于改变运动阻力的控制信号提供给执行器。
在本发明的一个实施方式中，用于检测力、角度、位置、加速度和/或力矩的至少一个传感器布置在矫形或假体装置上并且与控制装置耦合。相应的传感器可以设计为应变计、角度传感器、惯性角度传感器、加速度传感器或力矩传感器。当传感器可以检测多个参量或变量时，则所述参量或变量可以由仅仅一个唯一的传感器检测，在其他情况下为了检测不同的参量或变量而需要多个传感器。通过这个传感器或通过这些传感器和由此检测到的传感器值能够产生信号，以便通过控制装置使执行器与相应的运动状态、运动情况、负荷状态和/或使用者相匹配。
检测装置可以与预处理单元耦合，以便可以识别肌肉协同收缩数据并且将经处理的数据传输给控制装置，所述控制装置由此可以更快地并且更高效地工作。
检测装置和预处理单元可以设计为共同的模块并且能够固定在矫形或假体装置上或者在使用者处，以便与控制装置耦合。由此可能的是，已存在的矫形或假体装置、例如假体、外骨骼和假体配备并且加装检测装置和预处理单元。
附图说明
下面根据附图详细地说明本发明的实施例。附图中：
图1示出呈假体膝关节形式的假体装置的示意图；
图2示出根据图1的假体装置的一个变体；
图3示出具有预处理单元的一个变体的示意图；
图4示出在平面上行走时的阻力改变的示意图；
图5示出在走下坡路时的阻力改变的示意图；
图6示出无意的协同收缩的情况的视图；以及
图7示出阻力变化曲线的示意图。
具体实施方式
图1以示意图示出呈具有大腿筒11的假体膝关节形式的假体装置10，所述大腿筒固定在患者上。大腿筒11可以例如通过抽吸技术、夹紧、骨融合固定或者以其他方式和方法通过不同的机构固定在大腿残端上。呈假体膝关节形式的关节装置20布置在大腿筒11的远端端部上，所述假体膝关节具有近端部件21，所述近端部件具有用于固定在大腿筒11上的连接件。呈小腿部件形式的远端部件22能绕着摆动轴25摆动地支承在近端部件21上。摆动轴25在所示的实施例中构造为膝关节轴，在另外的应用中，例如在假脚踝关节或者在上肢上的假体或矫形装置中相应地设置另外的关节轴。替代假体装置10也可以设置矫形装置，在所述矫形装置中不是替代肢体而是实现辅助具有还存在的自然关节的肢体。在搭接膝盖的矫形器中，例如通过带扣、带或套将大腿夹板固定在大腿上并且将小腿夹板固定在小腿上。大腿夹板和小腿夹板通过假体膝关节能绕着轴摆动地彼此耦合。在踝矫形器中，近端部件是小腿夹板并且远端部件是脚件，所述脚件在自然踝关节轴的区域中通过关节能摆动地布置在所述自然踝关节轴上。矫形装置也理解为外骨骼。
执行器30布置在近端部件21和远端部件22之间，在所示的实施例中，执行器30主要布置在远端部件22上并且集成在壳体中。执行器30可以设计为阻力装置、例如液压阻尼器，气动阻尼器或磁力阻尼器。同样可能的是，执行器设计为马达式的驱动装置、例如电动机式的驱动装置、液压驱动装置或气动驱动装置。在作为驱动装置的执行器30的设计方案中，该执行器也可以被切换为阻力装置，例如其方式是，电动机在发电机运行中被驱动。支架布置在近端部件21上，所述支架通过连杆或推杆与阻力装置或驱动装置、即实际的执行器30耦合，其中，执行器30在连杆或推杆的另一个端部处与远端部件22连接。
近端部件21实施相对于远端部件22摆动运动，在所示的位置中，关节装置20处于最大伸展、即伸直的位置中。从该位置出发进行屈曲运动，在所述屈曲运动中近端部件21的后侧朝向远端部件22的后侧的方向摆动，从而在后侧这两个部件21，22之间的角度在屈曲时减小并且在伸展时、即在伸直运动时增大。当屈曲角度增大时，则膝关节角度减小。为了可以在行走时实施与相应存在的行走情况相匹配的不仅在屈曲方向上而且在伸展方向上的摆动运动，执行器30设计为可调节的，以便影响在屈曲和/或伸展时的运动特性。通过增大屈曲阻力可以例如调节最大屈曲角度或最小膝关节角度，同样可以在伸展运动时临近达到最大伸展位态时提供阻力增大，以便避免硬挡靠到伸展位置中。同样可能的是，执行器30设计为辅助运动的、即作为驱动装置，以便引发或辅助屈曲运动和/或伸展运动。
为了调节执行器30并且影响所提供的阻力或所提供的辅助，执行器30与控制装置50耦合，所述控制装置在图1所示的实施例中集成在假体筒11的远端端部区域中。数据处理装置、接头、接触面、接口和/或蓄能器布置在控制装置中，以便处理检测装置60的输入的传感器数据或数据。在图1所示的实施例中，检测装置60设计为表面电极组件，所述表面电极组件通过带12固定在大腿筒11和大腿上。表面电极60检测在大腿肌肉组织收缩时的肌电信号并且将所述肌电信号通过线缆或者也无线地传送到控制装置50。附加地，至少一个传感器40布置在远端的假体部件22上，以便检测关于存在的负荷、力、力矩、角度位置、加速度和/或空间定位的另外的数据并且将所述另外的数据传输给控制装置。然而传感器40不需要实施所述方法，而作为补充是有利的。
具有多个布置在残端的周边上的表面电极的检测装置60实现检测关于肌电信号的肌肉收缩。替代在带12上的布置也可以将表面电极集成在假体筒11中。检测装置60和在其上的表面电极布置并且构造为，可以关于不同的肌肉群的活动检测不同的肌肉群。由此可能的是，检测负责反向运动或参与所述反向运动的肌肉、例如用于伸展的四头肌和用于屈曲的腿二头肌并且检测肌肉协同收缩、即肌肉群的同时的张紧。肌肉协同收缩不仅在对抗肌作用的肌肉或肌肉群中发生。当彼此无关的肌肉群、例如腹部肌肉组织与臀部屈肌或腿二头肌一起张紧时，协同收缩也可以产生并且被检测。
在图2中示出假体装置的一个变体，其中，除了用于检测状态信息、例如力、力矩、在空间中的角度位置或加速度的传感器40以外还将一个另外的传感器装置40布置在大腿筒11上。该传感器装置40也与控制装置50耦合，所述控制装置在所示的实施例中集成在大腿筒11中。控制装置50具有集成的蓄能单元、例如蓄电池或电池。检测装置60在所示的实施例中设计为多个、即至少两个可植入的电极，所述电极植入大腿的肌肉组织的不同部位上。由所述植入的电极60通过检测电势然而或者通过检测压力、温度、流速、部件的光学特性的影响或诸如此类来检测肌肉活动。通过植入物检测到的数据可以通过线圈组件61接收并且传输到控制装置50，所述线圈组件布置在大腿筒11上或者集成在所述大腿筒中。同样可能的是，检测装置60设计为植入元件和一个线圈61或多个线圈61的组合，以便通过在肌肉收缩时产生的感应效应检测肌肉收缩和特别是肌肉协同收缩。
在假体筒11的远端端部上布置至关节装置20的接口51，通过所述接口能够将关于肌肉协同收缩的传感器数据和必要时来自在大腿筒11上的传感器40的传感器数据传输到执行器30。通过接口51也将在远端假体部件22上的传感器40的传感器数据传输给控制装置50。然后根据肌肉协同收缩的存在例如通过对阀、节流横截面调节、通过激活用于影响磁流变液的电磁体、通过制动马达和/或通过激活驱动装置来控制和影响执行器30。
图3示出本发明的具有相应于图1和2之一的基本结构的一个另外的变体。大腿筒11从近端部件21拆卸，大腿筒11与关节装置20的机械连接可以通过所示的金字塔适配器实现。在根据图3的实施例中，检测装置60又设计为可植入的具有线圈61的电极组件。替换地或补充地可能的是，如图1中所示地，表面电极在预确定的部位上布置在假体筒11内部的凹槽中并且通过带12固定或者固定在假体筒11内侧。通过可设计为弹性带的带12将电极保持在位置上并且以足够的压力压到皮肤表面上。大腿筒11自身与假体关节20导电地连接，以便将检测装置60的数据传输到关节装置20和特别是执行器30。
如图2中所示地，植入的电极60可以通过在大腿筒11上或中的线圈61感应地被供应能量并且这样布置，以使得所述电极在使用期间位于线圈61的场内。数据传输同样通过线圈61实现。根据图3的实施方式，检测装置60首先与预处理单元70连接，电极60的原始数据被传输给所述预处理单元。替代通过植入的电极60，这也可以通过根据图1的表面电极实现。原始数据在预处理单元70中、例如在数据处理装置中或在微型计算机中被处理，所述微型计算机布置在具有自己的供能装置的预处理单元70中。所述数据在微控制器中被处理，以便继续传输仅仅相关的或有效力的信息，所述微控制器可以直接布置在大腿筒11上，例如可以集成在大腿筒11的远端连接件中。由预处理单元70将经处理的数据传输给假体膝关节20，例如通过借助大腿筒11与近端假体部件21电耦合的数据连接实现。检测装置60的经处理的和预处理的原始数据被传输给控制装置50，然后通过所述控制装置控制执行器30的阻抗或阻力或驱动装置。传感器40的来自大腿和/或下部件的传感器数据也可以被传输给控制装置50。
预处理单元70可以与检测装置60共同设计为一个模块，该模块可以布置在已存在的假体筒11中。在可植入的电极60中，电极60例如与线圈61和预处理单元70相匹配并且模块化地构造。
检测装置60，61和/或预处理单元70可以设计为能关闭的，从而假体装置20也可以在无控制装置50的情况下基于检测到的肌肉协同收缩而正常工作。优选地，检测装置和/或预处理单元70设计为能即插即用的，从而不再需要各个部件之间的耗费的协调方法。
控制的基本原理在所有实施例中是类似的，肌肉激活通过检测装置60、例如表面电极或植入的电极来测量和检测。在预处理单元70中或者在控制装置50中的计算单元中确定是否存在肌肉协同收缩。相应的肌肉收缩的强度和持续时间被确定。基于测量到的肌肉收缩，其中，在控制装置50中可以存储哪个同时的肌肉收缩视为肌肉协同收缩，通过控制算法固定，是否并且如何激活或停用执行器30，即是否应该进行阻力改变或者运动辅助。对收缩信号的配置在设置控制和与使用者的匹配的情况下实现。根据相应的检测装置60的位置可以确定，哪个肌肉或哪个肌肉群引起相应的收缩信号。
如果预处理单元70配置给控制装置50或执行器30或者连接在所述控制装置或执行器上游，则经处理的数据、例如协同收缩强度和肌肉收缩的持续时间被传输给关节装置20，从而给关节装置20提供容易处理的信号，该信号可以容易地集成到控制过程中。由此减小控制花费并且延长假体装置或矫形装置的使用寿命，因为信号处理不导致消极地影响关节装置20在使用和必要时加装检测装置60时的使用寿命。特别是当预处理单元70能够被加装并且具有自己的供能装置时，则不消极地影响假体关节20的使用寿命。必要时可以通过简单地更换具有自己的供能装置的预处理单元70延长矫形或假体装置10的总使用寿命。
在图4中示出根据检测到的肌肉协同收缩信号的、运动阻力R和屈曲角度α关于时间的变化曲线的示意图。示出一个步周期，其以脚跟着地或Heel Strike开始并且以摆动阶段结束临近脚后跟着地时而结束。首先屈曲角度增大，也就是说，膝关节角度减小。在脚后跟着地之后进行所谓的站立阶段屈曲，以便在脚后跟着地之后避免将力传导通过伸展的腿、例如伸展的假体或矫形器。由此阻尼着地运动并且实现人造膝关节的容易的弯曲。在脚或假脚完全着地之后在所谓的roll-over直至站立阶段结束期间进行最大伸展，在所述站立阶段中已经开始屈曲运动，当膝关节最大屈曲时，则达到屈曲运动在摆动阶段中的最大程度。然后进行运动逆转并且进行膝关节的伸展。这以虚线示出。用于在平面中行走抵抗屈曲的阻力R在脚后跟着地之后增大到高的水平，以便防止膝关节无意地弯曲。也在达到roll-over和开始进行的站立阶段伸展之后使阻力R保持在增大的水平上，以便接着在开始进行的前脚负荷中减小到低的水平，以便实现屈曲以开始摆动阶段。在行走的继续的过程中在摆动阶段中屈曲阻力R增高，以便不过大地实施屈曲，由此在摆动阶段结束时可以实现膝关节的伸展。临近达到运动逆转时，屈曲阻力R不继续被增大并且在达到最大屈曲角度之后减小到在站立阶段屈曲中用于阻尼所述运动所需的水平。在摆动阶段的结束时增高的屈曲阻尼水平有助于使用者的安全性，以便在绊倒时不能进行膝关节无意的弯曲。
如果如同在图4的下部视图中示出的那样探测到肌肉协同收缩，这可以在两个方向上的高的幅度处看到，则屈曲阻力R改变、在所示的实施例中增大，这由虚线示出。当感觉到或看到障碍物或者识别到平坦的表面时，则会例如无意地进行协同收缩。则在脚或假脚着地时已经提供增大的抵抗膝关节弯曲的阻力，由此最大可达到的屈曲角度α减小，这同样由虚线示出。在所示的实施例中通过在站立阶段屈曲的阶段中更强地并且更早地增大屈曲阻尼来进行运动影响。由此运动程度、即最大屈曲角度α被减小，并且膝关节变得更坚固并且更加不易活动。在摆动阶段期间协同收缩时阻力R可以同样更早地并且更强地被增大，从而屈曲角度不那么快地被增大并且最大摆动阶段屈曲也被减小。膝关节不那么强地摆动并且由此更加早地并且更快地进入到完全的伸展中。由此为使用者提供提高的安全性。
在图5中示出控制方法的用于下坡行走的一个变体。在此也以实线示出屈曲阻尼R的标准变化曲线，同样以实线示出在无关于协同收缩的控制的情况下的膝关节角度变化曲线α。在标准方法中，屈曲阻尼R随着在站立阶段中弯曲直至阻止屈曲而被增大。然后出现所谓的平稳阶段，从所述平稳阶段出发在中间的站立阶段中屈曲阻尼R被减小到高的水平，以允许继续弯曲，然而伴随着屈曲角度更平缓的增大，以便在脚后跟离地并且假体被卸载之后允许剩余摆动阶段并且准备下一次脚后跟着地。如果测定出如图5的下部视图中所示的肌肉协同收缩，则所述阻力可以相应地更早地被增大或者更长时间地被保持在更高水平上，从而膝关节更晚地或更慢地弯曲并且总体上被提供抵抗屈曲的更高的阻尼水平。
除了通过改变阻尼来控制运动特性的上述实施方案以外可能的是，通过另外的执行器或阻力装置影响运动特性。系统的特性、抵抗运动的力视为运动影响。这可以通过机械元件、例如具有确定的刚度和零点的弹簧元件、与速度成比例地作用的阻尼元件、摩擦元件和/或质量实现。运动影响同样可以通过马达、液压阻尼器或气动阻尼器、弹簧元件、压电元件、液压驱动装置或气动驱动装置或者所述元件或部件的组合实现。主动驱动装置实现最大影响可能性，例如电动机可以模拟弹性特性并且影响关节或者假体或矫形装置的被感知的惯性并且产生与速度相关的力。
在图6中示出有意的或无意的协同收缩的情况实例，其例如在出现障碍物时、在识别出由于动物、人或机器导致的危险时、在光滑的表面上、在突然产生危险情况时或者在不安全的或危险的环境条件的区域中发生。条件反射的肌肉协同收缩或者也有意识的肌肉协同收缩实现通过肌肉激活来影响控制方法，其中，控制方法的基本方式优选地被保持，仅仅改变或影响在强度和持续时间方面的特性。尤其通过肌肉协同收缩影响运动特性具有的优点是，所述肌肉协同收缩可以不仅有意地而且无意地进行，由此人在感知周围环境时的条件反射有利地可以被充分利用以控制矫形或假体装置。
在图7中以示意图表示阻力R关于时间的变化曲线。如果例如确定表明需要增大阻力以抵抗弯曲的协同收缩，则从基本阻力起非常快地增大所述阻力R。在达到阻力的最大值之后、例如在协同收缩减弱之后或者在探测到控制引起又减小阻力的情况时，首先进行阻力R的缓慢减小，从而实现阻力关于时间和缓地减小。由此防止快的阻力减小导致失去平衡并且导致对于使用者不安全的情况。

Claims (19)

1.一种用于控制矫形或假体装置(10)的方法，所述矫形或假体装置能够佩戴在使用者的身体上并且能够固定在所述使用者的身体上，所述矫形或假体装置具有：
a.关节装置(20)，所述关节装置具有近端部件(21)和远端部件(22)，所述近端部件和所述远端部件能绕着摆动轴(25)摆动地支承在彼此上；
b.至少一个能调节的执行器(30)，所述执行器布置在所述近端部件(21)和所述远端部件(22)之间，并且通过所述执行器能够调节关于所述近端部件(21)相对于所述远端部件(22)的摆动的运动特性；
c.至少一个检测装置(60)，用于检测肌肉收缩；以及
d.控制装置(50)，所述控制装置与所述检测装置(60)和所述执行器(30)耦合、处理所述检测装置(60)的(电)信号并且根据所述信号调节所述执行器(30)，
其特征在于，
所述检测装置(60)设置用于检测肌肉协同收缩并且布置在所述使用者的肢体上并且与所述控制装置(50)耦合；至少一个肌肉协同收缩由所述检测装置(60)探测；并且所述运动特性通过所述执行器(30)根据探测到的肌肉协同收缩被改变。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，检测所述肌肉协同收缩的持续时间和/或强度，并且根据所述肌肉协同收缩的持续时间和/或强度改变所述运动特性。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述执行器(30)提供抵抗摆动的运动阻力并且在探测到肌肉协同收缩时增大所述运动阻力。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在协同收缩强度和/或协同收缩持续时间增加时越来越大地增大所述运动阻力，和/或在协同收缩强度和/或协同收缩持续时间减少时和/或在协同收缩结束时和/或在探测到另外的协同收缩时和/或通过主动式触发器和/或语音指令减小所述运动阻力。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述运动阻力的增大比所述运动阻力的减小更快。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述运动特性的改变被加入预先设定的控制程序。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述改变影响运动影响的大小和/或运动影响的持续时间。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述肌肉收缩由所述检测装置(60)作为肌电信号、压力信号、感应产生的信号和/或光电产生的信号传输给所述控制装置(50)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，至少一个传感器(40)检测所述矫形或假体装置(10)上的力、角度、位置、加速度和/或力矩，将传感器信号传输到所述控制装置(50)并且基于所述传感器信号改变所述运动特性。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，由所述检测装置(60)探测到的原始信号在预处理单元(70)中被处理并且以经处理的形式传输到所述控制装置(50)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，检测到的肌肉协同收缩在可信度方面被检验，并且所述运动特性的改变在不存在可信度的情况下被拒绝或者退回。
12.一种矫形或假体装置(10)，所述矫形或假体装置能够佩戴在使用者的身体上并且能够固定在使所述使用者的身体上，所述矫形或假体装置具有：
a.关节装置(20)，所述关节装置具有近端部件(21)和远端部件(22)，所述近端部件和所述远端部件能绕着摆动轴(25)摆动地支承在彼此上；
b.至少一个能调节的执行器(30)，所述执行器布置在所述近端部件(21)和所述远端部件(22)之间，并且通过所述执行器能够调节关于所述近端部件(21)相对于所述远端部件(22)的摆动的运动特性；
c.至少一个检测装置(60)，用于检测肌肉收缩；以及
d.控制装置(50)，所述控制装置与所述检测装置(60)和所述执行器(30)耦合、处理所述检测装置(60)的信号并且根据所述信号调节所述执行器(30)，
其特征在于，
所述检测装置(60)设置用于检测肌肉协同收缩，并且所述控制装置(50)设置用于实施根据前述权利要求中任一项所述的方法。
13.根据权利要求12所述的矫形或假体装置，其特征在于，所述检测装置(60)设计为表面电极组件、植入物、压力传感器装置、光学传感器装置和/或感应工作的传感器装置。
14.根据权利要求12或13所述的矫形或假体装置，其特征在于，所述检测装置(60)集成在所述近端部件(21)和/或远端部件(22)中。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的矫形或假体装置，其特征在于，用于检测力、角度、位置、加速度和/或力矩的至少一个传感器(40)布置在所述矫形或假体装置(10)上并且与所述控制装置(50)耦合。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的矫形或假体装置，其特征在于，所述检测装置(60)与所述预处理单元(70)耦合。
17.根据权利要求16所述的矫形或假体装置，其特征在于，所述检测装置(60)和所述预处理单元(70)设计为共同的模块。
18.根据权利要求16或17所述的矫形或假体装置，其特征在于，所述检测装置(60)和/或所述预处理单元(70)设计为能关闭的和/或能即插即用的。
19.根据权利要求12至18中任一项所述的矫形或假体装置，其特征在于，所述执行器(30)设计为阻力装置或驱动装置。
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