TWI388315B - The auxiliary device of the knee - Google Patents

Description

膝關節的動力輔助裝置

本發明是有關於一種動力輔助裝置，特別是指一種膝關節的動力輔助裝置。

由於人的膝關節會隨著年齡老化或是長期承受重力或運動而逐漸退化，將會造成膝關節疼痛、僵硬、活動度減少、下肢肌肉萎縮與走路速度較慢等，影響人們走路步態以及執行日常功能性活動能力，尤其是在上下樓梯及爬坡時更會加重膝關節的負荷(約為平地行走時之3~6倍)，使退化性膝關節炎患者疼痛感加劇，甚至無法執行此功能性活動，另外，退化性膝關節炎患者也會因為下肢肌力下降、協和控制機制變差、機械受器功能喪失或不正常，造成本體感覺及運動控制缺損，導致患者在上下階梯時，下肢無法抬到適當的高度，腳尖易接觸到前方目標物邊緣處，使得患者容易跌倒或受傷。因此現今有許多相關的個人化輔助裝置已被推出，以解決膝關節退化的問題。

參閱圖1，為習知的膝關節輔助裝置900，其中包含一可供臀部乘坐的承載座910、二連接於該承載座910的調整桿920、二分別對應連接該等調整桿920且供鞋子置放的腳底座930，及二分別對應設置於該等調整桿920的馬達940，習知膝關節輔助裝置900係透過臀部乘坐於承載座910上及馬達940控制調整桿920的轉動扭力，來減輕人在行走或爬坡時膝關節所承受的重量，以達到補償膝關節退化或保護膝關節的功效。但是，習知膝關節輔助裝置900的調整桿920係從臀部連接到腳底，且其運作需要馬達940來控制，如此將會造成過重(約10公斤)又佔空間的問題，且膝關節輔助裝置900也不能單腳使用，對於單腳膝關節退化或受傷的患者並不適用。

因此，本發明之目的，即在提供一種可以藉由人體爬階、爬坡、蹲站或行走的動作儲存能量，並於膝關節需高耗力(或高承載力)時釋放能量，以減緩膝關節所承受的壓力的膝關節動力輔助裝置。

於是，本發明動力輔助裝置，包含：一大腿固定件、一腳底固定件、一儲氣瓶、一控制閥、一氣壓缸、一控制單元、至少一腳底壓力感測器及一位置觸發感測器。控制閥耦接於儲氣瓶，且用以控制儲氣瓶的開關；氣壓缸連接於腳底固定件及大腿固定件；控制單元耦接於控制閥；腳底壓力感測器耦接於控制單元，並用以感測一腳底踩踏壓力；位置觸發感測器設置於氣壓缸且耦接於控制單元，當大腿固定件相對於腳底固定件靠近(即膝屈曲(flexion))，氣壓缸被壓縮而使氣壓缸與儲氣瓶整體的空間縮小且壓力上升，使得儲氣瓶儲存能量(即壓差能)，且當氣壓缸壓縮而觸發位置觸發感測器，控制單元控制控制閥將儲氣瓶關閉，當大腿固定件相對於腳底固定件遠離(即膝伸長(extension))，且於腳底壓力感測器所感測的腳底踩踏壓力總合超過一預設壓力時，控制單元控制控制閥將儲氣瓶開啟，使得氣壓缸與儲氣瓶整體的空間變大且壓力下降，儲氣瓶中的能量得到釋放，以形成使大腿固定件往上之推力，以減緩膝關節所承受的壓力。

較佳地，動力輔助裝置還包含一小腿固定件及一角度量測單元，小腿固定件係設置於大腿固定件與腳底固定件之間，角度量測單元係連接於大腿固定件及小腿固定件之間，其中小腿固定件係用以裝設於使用者的小腿上；角度量測單元用以量測大腿與小腿之間的角度並產生一角度訊號，使得控制單元根據角度訊號控制控制閥將儲氣瓶關閉。

較佳地，角度量測單元包括包括一蓋體、連接於該蓋體兩相反側的一上固定板組及一下固定板組，及一固定於蓋體中的角度量測器，上固定板組係設置於大腿固定件，下固定板組係設置於小腿固定件，且蓋體位於患者的一膝關節的旋轉中心，角度量測器係量測上固定板組及下固定板組之間的角度而產生該角度訊號。

本發明之功效在於，可以藉由人體爬階、爬坡、蹲站或行走時的動作，帶動氣壓缸壓縮而使儲氣瓶儲存能量，並於膝關節需要高耗力(或高承載力)時釋放能量，以產生輔助動力來減緩膝關節所承受的壓力，且不需要額外的馬達控制，將可大幅地降低製作成本及減輕重量。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖2及圖3，為本發明膝關節的動力輔助裝置100之較佳實施例，該動力輔助裝置100主要係裝設於人體的下肢，用以減輕使用者在爬階、爬坡、蹲站或行走時膝關節所承受的壓力。在本實施例中，動力輔助裝置100包含一大腿固定件1、一小腿固定件2、一腳底固定件3、一儲氣瓶4、一控制閥40、一氣壓缸5、一角度量測單元6、一控制單元7(繪示於圖3)及一位置觸發感測器8。

大腿固定件1與小腿固定件2皆為一可調整周長的束帶(本實施例為兩條)，分別用以固定在使用者的大腿及小腿上；腳底固定件3包括一腳跟底座31及一固定於該腳跟底座31的連接件32，本實施例之腳跟底座31係由低溫熱塑性塑料製成，且整體形狀為一般鞋子的鞋跟部位的形狀，使得使用者的鞋子可以卡置於腳跟底座31中，當然腳跟底座31的整體形狀也可以為完整的鞋子形狀，以供整隻鞋子卡置於其中(如圖3所示)，不以本實施例為限。連接件32係固定於腳跟底座31的背面(即使用者鞋跟的後方)，用以連接氣壓缸5的其中一端，並使氣壓缸5位於使用者大腿及小腿的後方。

儲氣瓶4設置於大腿固定件1，並位於使用者大腿的外側，但不以此為限，可設置於小腿固定件2或是綁在使用者的腰部等任何位置上，其用以儲存或釋放氣壓缸5壓縮所產生的能量(即壓差能)。氣壓缸5的兩端分別連接於大腿固定件1及腳底固定件3的連接件32並且以一條軟性塑膠管10連接至儲氣瓶4，其可以對應於使用者的腳步動作進行壓縮或伸長，而儲存能量至儲氣瓶4中，其細部動作容後再述。控制閥40係為一電磁控制氣壓閥，但不以此為限，其設置於塑膠管10上，用以控制儲氣瓶4的開關。

參閱圖2及圖4，角度量測單元6連接於大腿固定件1及小腿固定件2之間，並且包括一上固定板組61、一下固定板組62、一蓋體63及一角度量測器64。上固定板組61具有一第一上固定板611及一第二上固定板612，第一上固定板611及第二上固定板612係利用固定件(螺絲)65固定於大腿固定件1(即位於患者的大腿)，且大腿固定件1係位於第一上固定板611及第二上固定板612之間；下固定板組62具有一第一下固定板621及一第二下固定板622，第一下固定板621及第二下固定板622係利用固定件65固定於小腿固定件2(即位於患者的小腿)，且小腿固定件2係位於第一下固定板621及第二下固定板622之間，蓋體63則位於使用者的膝關節的旋轉中心上，上固定板組61利用角度量測器64固定於蓋體63，而下固定板組62則係利用固定件65固定於蓋體63，且上固定板組61及下固定板組62分別位於蓋體63的兩相反側；角度量測器64固定於蓋體63中，用以量測上固定板組61及下固定板組62之間的角度而產生一角度訊號。

在本實施例中，角度量測器64係為一可變電阻(variable resistor)64，當使用者在行走或站立時，其大腿及小腿之間的運動會帶動可變電阻64旋轉而改變其電阻值，且在通過一定的電流下，可變電阻64的跨電壓大小將可對應大腿與小腿之間的角度。當然，量測角度的方式及電路有很多種，並不以本實施例為限。

參閱圖2及圖5，本實施例之控制單元7係裝設於一腰包中，以方便使用者攜帶，當然也可以直接設置於大腿固定件1、小腿固定件2及腳底固定件3其中之一者上，並不以此為限。控制單元7包括一接收電路70、一類比數位轉換器(ADC)71、一控制電路72及一數位輸入輸出電路(DIO)73。接收電路70耦接於角度量測單元6的角度量測器64，用以接收角度量測器64所產生的角度訊號(即可變電阻64的跨電壓)；類比數位轉換器71耦接於接收電路70，用以將該角度訊號轉換成類比的型式並將其轉換後的訊號傳送至控制電路72；控制電路72係為一微控制器(MCU)，且耦接於類比數位轉換器71，其根據轉換後的角度訊號判斷使用者的膝關節的彎曲程度，進而得知使用者目前的動作，例如：站立、抬腳等，並發出一可控制控制閥40的控制訊號，使控制閥40可根據該控制訊號開關儲氣瓶4，值得一提的是，本實施例之控制電路72係以無線傳輸的方式將控制訊號傳送至儲氣瓶4，但不以此為限，也可以利用有線的方式進行傳輸；數位輸入輸出電路73耦接於控制電路72，用以將該控制訊號轉換成可為一高準位或一低準位的電壓訊號，當然，數位輸入輸出電路73也可以用如數位類比轉換器(DAC)等可達到將控制訊號轉換成具有高低準位的電壓訊號之功能的電路替換，並不以本實施例為限。

參閱圖2及圖5，本實施例之位置觸發感測器8係為一極限開關8，其設置於氣壓缸5且鄰近腳底固定件3的位置，用以被觸發而產生一觸發訊號，控制單元7的接收電路70會接收該觸發訊號，並將該觸發訊號傳送至控制電路72，使得控制電路72會根據觸發訊號而控制控制閥40將儲氣瓶4關閉。

參閱圖5及圖6，在本實施例中，動力輔助裝置100還包含至少一腳底壓力感測器9(本實施例以四個來說明)，且設置於使用者的鞋墊裡，並分別位於腳尖、腳掌及腳跟等不同位置，用以感測腳底各個部位的踩踏壓力並分別產生一壓力訊號，且將該等壓力訊號以無線(或有線)的方式傳送至控制單元7的控制電路72，使得控制電路72可根據該等壓力訊號判斷使用者目前的動作，例如：若位於腳跟位置的腳底壓力感測器9無感測到任何腳底壓力，但其餘三個腳底壓力感測器9則有感測到腳底壓力，則表示使用者目前為顛腳動作，如此控制電路72將可更精確地掌握使用者抬腳或著地的時間點，以控制控制閥40開啟或關閉儲氣瓶4的時間點。特別說明的是，位於腳跟的腳底壓力感測器9也可以設置於腳底固定座3的腳跟底座31上，如此同樣能達到感測腳底踩踏壓力的目的。

參閱圖3、圖5及圖7，當使用者爬坡或是上樓梯而將其右腳進行抬腳動作時(如圖7所示)，由於膝關節的彎曲會使大腿固定件1相對於腳底固定件3靠近(即膝屈曲(flexion))，此時氣壓缸5會被壓縮，造成氣壓缸5及儲氣瓶4整體的空間縮小而壓力上升，使得儲氣瓶4儲存一能量(即壓差能)，且當氣壓缸5持續被壓縮而觸發極限開關8時，極限開關8會產生觸發訊號而使控制電路72控制控制閥40將儲氣瓶4關閉，以停止儲氣瓶4儲存能量。此外，且在氣壓缸5被壓縮的過程中，角度量測器64也會根據使用者的膝關節彎曲程度，產生一表示大腿與小腿的夾角的角度訊號，並以無線(或有線)的傳輸方式將角度訊號傳送至控制電路72，且控制電路72判斷該角度大於一預設角度時，同樣也控制控制閥40將儲氣瓶4關閉，也就是說只要極限開關8被觸發或是使用者的膝關節彎曲角度過大時，儲氣瓶4皆會關閉，以更精確地掌握儲存能量的時間。

而當使用者的右腳落地(膝關節仍為彎曲)而準備將左腳抬起時，使用者的膝關節所承受的壓力將會超過身體的重量，因此使用者右腳腳底的壓力將會上升，且當控制電路72判斷腳底壓力感測器9所感測的腳底踩踏壓力總合皆超過一預設壓力時，控制電路72會控制控制閥40將儲氣瓶4開啟，使得儲氣瓶4中能量得到釋放，以形成一股可使大腿固定件1往上之推力，如此在使用者將右腳往前踏而使大腿固定件1相對於腳底固定件3遠離(即膝伸長(extension))，且如圖3所示)時，儲氣瓶4所產生的推力可以減輕膝關節承重的負擔，且在右腳打直的過程中，氣壓缸5會被拉伸而回復為原本的位置，並於下一次抬腳時再被壓縮而重新儲存能量於儲氣瓶4中。

綜上所述，本發明膝關節的動力輔助裝置100，藉由使用者行走或站立時大腿與小腿之間的運動，使得儲氣瓶4在膝關節彎曲時儲存能量，並且在該腳需要使力時將能量釋放，如此將可減輕膝關節承重的負擔，且透過氣壓缸5、控制閥40、位置觸發感測器8、腳底壓力感測器9與儲氣瓶4的配合，將不需要額外的馬達控制，可大幅地降低製作成本及動力輔助裝置的重量，此外，動力輔助裝置100可以僅裝設於單腳(如本實施例)，或是在雙腳上分別裝設一個動力輔助裝置100，並共用一個儲氣瓶4，且利用個別的控制閥40控制其儲能或釋能的時機，如此在使用上將更為方便，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

100‧‧‧動力輔助裝置

1‧‧‧大腿固定件

2‧‧‧小腿固定件

3‧‧‧腳底固定件

31‧‧‧腳跟底座

32‧‧‧連接件

4‧‧‧儲氣瓶

40‧‧‧控制閥

5‧‧‧氣壓缸

6‧‧‧角度量測單元

61‧‧‧上固定板組

611‧‧‧第一上固定板

612‧‧‧第二上固定板

62‧‧‧下固定板組

621‧‧‧第一下固定板

622‧‧‧第二下固定板

63‧‧‧蓋體

64‧‧‧角度量測器(可變電阻)

65‧‧‧固定件

7‧‧‧控制單元

70‧‧‧接收電路

71‧‧‧類比數位轉換器

72‧‧‧控制電路

73‧‧‧數位輸入輸出電路

8‧‧‧位置觸發感測器(極限開關)

9‧‧‧腳底壓力感測器

10‧‧‧塑膠管

圖1是說明習知膝關節輔助裝置的結構；

圖2是說明本發明膝關節的動力輔助裝置的較佳實施例；

圖3是說明本實施例之動力輔助裝置裝設於使用者的大腿、小腿及腳底的示意圖，其中使用者的右腳為站立動作；

圖4是說明角度量測單元的內部構件；

圖5是說明控制單元的內部電路方塊；

圖6是說明四個腳底壓力感測器位於鞋墊中的分佈布位置；及

圖7是說明使用者為抬腳動作時，動力輔助裝置中各電路元件所對應的運作情形。

100．．．動力輔助裝置

1．．．大腿固定件

2．．．小腿固定件

3．．．腳底固定件

31．．．腳跟底座

32．．．連接件

4．．．儲氣瓶

40．．．控制閥

5．．．氣壓缸

6．．．角度量測單元

61．．．上固定板組

62．．．下固定板組

63．．．蓋體

8．．．位置觸發感測器

10．．．塑膠管

Claims (7)

1. 一種膝關節的動力輔助裝置，包含：一大腿固定件；一腳底固定件；一儲氣瓶；一控制閥，耦接於該儲氣瓶，用以控制該儲氣瓶的開關；一氣壓缸，其兩端分別連接於該腳底固定件及該大腿固定件；一控制單元，耦接於該控制閥；至少一腳底壓力感測器，耦接於該控制單元，用以感測一腳底踩踏壓力；及一位置觸發感測器，設置於該氣壓缸且鄰近該腳底固定件的位置，該位置觸發感測器耦接於該控制單元，於該大腿固定件相對於該腳底固定件靠近，該氣壓缸被壓縮而使該儲氣瓶儲存能量，且當該氣壓缸壓縮而觸發該位置觸發感測器，該控制單元控制該控制閥將該儲氣瓶關閉；該大腿固定件相對於該腳底固定件遠離，且於該腳底壓力感測器所感測的腳底踩踏壓力總合超過一預設壓力，該控制單元控制該控制閥將該儲氣瓶開啟，使得該儲氣瓶中的能量釋放，以形成使該大腿固定件往上之推力。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之膝關節的動力輔助裝置，還包含一介於與該大腿固定件與該腳底固定件之間 的小腿固定件，及一連接於該大腿固定件及該小腿固定件之間且位於膝蓋附近的角度量測單元，該角度量測單元用以量測該大腿與該小腿之間的角度並產生一用以判斷該膝關節的彎曲程度的角度訊號，該控制單元判斷該角度訊號大於一預設角度而控制該控制閥將該儲氣瓶關閉。
3. 依據申請專利範圍第2項所述之膝關節的動力輔助裝置，其中，該角度量測單元包括包括一蓋體、連接於該蓋體兩相反側的一上固定板組及一下固定板組，及一固定於該蓋體中的角度量測器，該上固定板組設置於該大腿固定件，該下固定板組設置於該小腿固定件，且該蓋體位於一膝關節的旋轉中心，該角度量測器係量測該上固定板組及該下固定板組之間的角度而產生該角度訊號。
4. 依據申請專利範圍第3項所述之膝關節的動力輔助裝置，其中，該腳底固定件包括一腳跟底座及一固定於該腳跟底座的連接件，該連接件位於該腳跟底座後方，用以連接該氣壓缸，並使該氣壓缸位於該大腿及該小腿後方。
5. 依據申請專利範圍第4項所述之膝關節的動力輔助裝置，其中，該位置觸發感測器係為一極限開關。
6. 依據申請專利範圍第5項所述之膝關節的動力輔助裝置，其中，該角度量測器係為一可變電阻。
7. 依據申請專利範圍第6項所述之膝關節的動力輔助裝 置，其中，該控制閥係為一電磁閥及一氣壓閥其中之一。