TWI523648B - Prosthetic sensory compensation system - Google Patents

Description

義肢感知補償系統

本發明是有關於一種補償系統，特別是指一種義肢感知補償系統。

為了改善因意外傷害、健康問題、天生殘缺等因素而導致下肢截肢的殘障人士於行動上的不便，現今有許多義肢機構陸陸續續地被使用。

病患下肢截肢後負責腿部伸屈動作之主肌肉群及膝關節以下構造均被切除，導致下肢肌力不足及本體感覺缺喪失，因此就膝上截肢的患者而言，其在步行的時候，須使用殘肢(即患側腳)髖關節甩動義肢機構使其膝關節彎曲，但易造成義肢膝關節晃動，無法精準控制膝關節的角度，導致運動控制不良，且病患行走時也會消耗較多能量，容易產生步態不穩而跌倒。

因此，本發明之目的，即在提供一種可以補償義肢感知以達協同控制的義肢感知補償系統。

於是，本發明義肢感知補償系統，係裝設於截肢患者下肢的一健側腳及一患側腳上，該義肢感知補償系統包含：一控制模組、一步態感測模組及一義肢機構。控制模組包括一步態資料儲存器及一耦接於步態資料儲存器的步態控制器；步態感測模組耦接於步態資料儲存器，用以感測健側腳及患側腳的站立期(Stand phase)與擺盪期(Swing phase)狀態，並將健側腳的膝關節與髖關節資訊儲存於步態資料儲存器；義肢機構裝設於患側腳，步態控制器利用患側腳髖關節的角度與步態資料儲存器中的健側腳的膝關節與髖關節進行比對，以求得患側腳膝關節的角度，進而驅動義肢機構，使得義肢機構可以模擬健側腳的膝關節的角度變化，利用步態感測模組補償截肢患者患側腳的感知能力，以達協同控制之目的。

較佳地，步態感測模組包括裝設於健側腳的一第一角度量測器及一第二角度量測器，且控制模組還包括一裝設於患側腳的第三角度量測器，第一角度量測器與第二角度量測器分別用以量測健側腳的一髖關節及一膝關節的彎曲角度，並將其量測結果儲存於步態資料儲存器；第三角度量測器用以量測患側腳的一髖關節的彎曲角度，其量測結果即時與步態資料儲存器中健側腳之髖關節與膝關節的角度進行比對求得步態協同之對應的膝關節角度，步態控制器係根據第一角度量測器、第二角度量測器及第三角度量測器的量測結果控制該義肢機構的膝關節彎曲角度。

較佳地，步態感測模組還包括連接於步態資料儲存器的至少一第一壓力感測元件及至少一第二壓力感測元件，第一壓力感測元件及第二壓力感測元件分別用以感測健側腳及患側腳的一腳底踩踏壓力，步態控制器還根據第一壓力感測元件及第二壓力感測元件的感測結果分析判斷其所處於站立期或擺盪期狀態。

較佳地，控制模組還包括一耦接於步態資料儲存器及步態控制器的計時器，用以根據第一壓力感測元件及第二壓力感測元件的感測結果計算出健側腳及患側腳從起腳到落地的時間。

本發明之功效在於，利用截肢患者健側腳的髖關節與膝關節及患側腳的髖關節之間的角度資訊，來補償患側腳的膝關節角度，使得患者在利用患側腳行走時的感知可以如同健側腳在行走時的感知，以達協同控制之目的。

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1，為本發明義肢感知補償系統100之較佳實施例，該義肢感知補償系統100是應用於單腳殘肢的患者使用，其中包含一裝設於患者的一健側腳(正常的腳)的步態感測模組1、一裝設於患者的一患側腳(被截肢的腳)的義肢機構2、一設置於一腰包4中的控制模組3。義肢感知補償系統100藉由步態感測模組1感測患者的健側腳在站立期(Stand phase)與擺盪期(Swing phase)的髖關節與膝關節的角度資訊，使得控制模組3可利用患者患側腳的髖關節角度與上述角度資料進行比對來控制義肢機構2的膝關節角度，以補償患者患側腳的感知能力，以達協同控制之目的。

配合參閱圖2及圖7，步態感測模組1包括一裝設於患者健側腳的一髖關節附近的第一角度量測器10、一裝設於患者健側腳的一膝關節附近的第二角度量測器20、至少一設置於患者健側腳腳底的第一壓力感測元件40，及至少一設置於患者患側腳腳底的第二壓力感測元件50。控制模組3包括一裝設於患者患側腳的一髖關節附近的第三角度量測器30、一步態資料儲存器31、一步態控制器32及一計時器33。

配合參閱圖3，第一角度量測器10用以量測患者健側腳的髖關節的彎曲角度，並得到一第一髖關節角度α；第二角度量測器20用以量測患者健側腳的膝關節的彎曲角度，並得到一第一膝關節角度β；第三角度量測器30用以量測患者患側腳的髖關節的彎曲角度，並得到一第二髖關節角度α’。特別說明的是，本實施例之第一角度量測器10、第二角度量測器20及第三角度量測器30係利用束帶將三者分別固定於患者健側腳的髖關節與膝關節，以及患側腳的髖關節上，當然也可以利用綁帶、黏貼等固定方式，並不以本實施例為限。

此外，在本實施例中，第一角度量測器10、第二角度量測器20及第三角度量測器30的結構相同，參閱圖3及圖4，以第二角度量測器20來說明，其中包括一上固定板組21、一下固定板組22、一蓋體23及一角度量測元件24。上固定板組21係固定於患者的大腿，且其延伸方向與大腿的延伸方向平行；下固定板組22係固定於患者的小腿，且其延伸方向與小腿的延伸方向平行，且上固定板組21與下固定板組22分別利用連接件(螺絲)25連接於蓋體23的兩相反側；本實施例之角度量測元件24係為可變電阻(variable resistor)24，且固定於蓋體23中，當患者移動健側腳時，大腿與小腿之間的相互運動會使得上固定板組21及下固定板組22之間的角度改變，進而帶動可變電阻24旋轉而改變其電阻值，如此在通過一定的電流下，可變電阻24的跨電壓可對應大腿與小腿之間的角度，進而得知第一膝關節角度β。

參閱圖1、圖2及圖5，本實施例之第一壓力感測元件40係設置於患者健側腳的鞋墊中，第二壓力感測元件50則設置於義肢機構2底部，且第一壓力感測元件40及第二壓力感測元件50的數量皆為二，並分別位於患者健側腳及患側腳的腳跟與腳掌位置，用以感測健側腳及患側腳的腳底壓力，以得知患者的腳步動作，例如：若位於腳跟位置的第一壓力感測元件40無感測到任何腳底壓力，但位於腳掌位置的第一壓力感測元件40則有感測到腳底壓力，則表示患者的健側腳目前為顛腳動作；或是，若二個第一壓力感測元件40皆感測到腳底壓力且超過一預設值，則表示患者欲使用患側腳行走。

參閱圖1、圖2及圖6，本實施例之義肢機構2包括一固定座201、一支撐架202、一電動缸203及一腳座204，固定座201用以供患者患側腳的大腿固定；支撐架202連接於固定座201與腳座204之間；電動缸203裝設於支撐架202中，其受控制模組3控制而伸縮，以模擬健側腳之膝關節的行為；腳座204用以支撐整體義肢機構2，且本實施例之第二壓力感測元件50係設置於該腳座204底部。特別說明的是，本義肢機構2除了利用電動缸203的伸縮來模擬膝關節的行為外，也可以透過其他任何具有線性位移控制的致動器(actuator)來完成，並不以本實施例為限。

參閱圖1及圖7，在本實施例中，控制模組3係設置於腰包4中，可便於患者繫在其腰部上，當然也可以設置在患者的健側腳或患側腳上，或是整合於步態感測模組1或是裝設於義肢機構2上，並不以本實施例為限。步態資料儲存器31用以儲存第一角度量測器10及第二角度量測器20分別所量測出的第一髖關節角度α、第一膝關節角度β，以及二個第一壓力感測元件40與二個第二壓力感測元件50所感測出的腳底壓力(以上通稱步態資訊)，在本實施例中，第一角度量測器10、第二角度量測器20、該等第一壓力感測元件40及第二壓力感測元件50皆係以無線的方式將其產生的結果傳送至步態資料儲存器31中儲存。

步態控制器32耦接於步態資料儲存器31，用以利用第二髖關節角度α’與步態資料儲存器31中所儲存的第一髖關節角度α及第一膝關節角度β進行比對，以計算出義肢機構的彎曲角度，也就是患者患側腳的膝關節(義肢)角度，如圖2所示的第二膝關節角度β’，步態控制器32再根據該第二膝關節角度β’控制電動缸進行伸縮，使得患側腳之膝關節的彎曲角度可「對應」於健側腳之膝關節的彎曲角度，讓患者在利用義肢機構踩踏時，其感知能力如同使用健側腳踩踏一般，不會有明顯的落差感。特別說明的是，在此所指的「對應」係指患側腳之膝關節的彎曲角度等於或近似健側腳之膝關節的彎曲角度。

計時器33耦接於步態資料儲存器31及步態控制器32，用以計算健側腳或患側腳從起腳到落地的時間，即患者跨一步的時間，並將所計算的時間儲存於步態資料儲存器31中。然而，計時器33係根據第一壓力感測元件40及第二壓力感測元件50所感測的腳底壓力，判斷患者腳起腳及落地的時間點，即開始計時及結束計時的時間點，其詳細的動作如下段說明。

在本實施例中，步態資料儲存器31會儲存最近一次健側腳行走一步的步態資訊，以供下一步患側腳行走時的控制依據。當患者準備踏出健側腳時，即表示健側腳準備進入擺盪期，此時位於健側腳腳跟的第一壓力感測元件40會先感測不到腳底壓力，此時步態控制器32則可得知患者準備使用健側腳行走，而當二個第一壓力感測元件40都感測不到腳底壓力時，即健側腳已離地(即健側腳進入擺盪期)，步態控制器32會控制計時器33開始計時，且在患者健側腳為擺盪期的期間，第一角度量測器10及第二角度量測器20會持續量測出各個時間點的第一髖關節角度α及第一膝關節角度β，並配合各個時間點依序儲存於步態資料儲存器31；當二個第一壓力感測元件40又再度感測到健側腳的腳底壓力時，則表示健側腳已落地(即健側腳進入站立期)，步態控制器32會控制計時器33停止計時，如此健側腳行走一步的所有髖關節及膝關節的角度(步態資訊)即可建構完成。

當患者改換成用患側腳行走時，若二個第二壓力感測元件50都感測不到腳底壓力，則表示患者的患側腳已離地(即患側腳進入擺盪期)，則步態控制器32會控制計時器33開始計時。且在患者使用患側腳跨步的同時，第三角度量測器30會量測出患者髖關節的彎曲角度，即第二髖關節角度α’，此時步態控制器32會利用當時第二髖關節角度α’即時比對儲存於步態資料儲存器31中上一步健側腳的髖關節(第一髖關節角度α)與膝關節(第一膝關節角度β)的角度資訊，並且配合計時器33當時的時間點計算出對應的患側腳膝關節角度(第二膝關節角度β’)，並根據第二膝關節角度β’控制義肢機構2的電動缸203進行伸縮，使得義肢機構2可以模擬患者健側腳膝關節的動作，讓患者在利用患側腳行走時，其感知能力可以如同使用健側腳一般，不因為裝上義肢而感到有落差感，以達協同控制的目的。

特別說明的是，步態資料儲存器31中會預先儲存一組第一髖關節角度α及第一膝關節角度β的資訊，若當患者一開始利用患側腳行走時(即患側腳先跨出)，即表示沒有前一步健側腳的步態資訊，則步態控制器32會根據該預先儲存的第一髖關節角度α及第一膝關節角度β來計算第二膝關節角度β’，以避免發生剛開始沒有健側腳的步態資訊而導致義肢機構2不動作的問題。然而，若患者持續地向前行走，則步態資料儲存器31會同步更新及儲存每一次健側腳為擺盪期間的步態資訊，以供患側腳進行即時比對並控制義肢機構2之用。此外，步態感測模組1所量測的健側腳步態資訊除了量測髖關節與膝關節的角度外，還可以量測大腿與小腿之間的相對位置等相關參數，並不以本實施例為限。

綜上所述，本發明義肢感知補償系統100，藉由步態資料儲存器31儲存健側腳的步態資訊(即健側腳髖關節與膝關節的角度資訊)，使得步態控制器32可以利用患側腳的髖關節與步態資料儲存器31中的步態資訊進行比對，並透過比對結果控制義肢機構2的電動缸203進行伸縮，使得患者患側腳的膝關節角度可與其健側腳膝關節角度相同，以補償患者患側腳的感知能力，以達協同控制之功效。

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‧‧‧義肢感知補償系統

1‧‧‧步態感測模組

10‧‧‧第一角度量測器

20‧‧‧第二角度量測器

21‧‧‧上固定板組

22‧‧‧下固定板組

23‧‧‧蓋體

24‧‧‧角度量測元件

30‧‧‧第三角度量測器

40‧‧‧第一壓力感測元件

50‧‧‧第二壓力感測元件

2‧‧‧義肢機構

201‧‧‧固定座

202‧‧‧支撐架

203‧‧‧電動缸

204‧‧‧腳座

3‧‧‧控制模組

31‧‧‧步態資料儲存器

32‧‧‧步態控制器

33‧‧‧計時器

4‧‧‧腰包

圖1是說明本發明義肢感知補償系統之較佳實施例，其中患者的健側腳在前，患側腳在後；

圖2是說明本發明義肢感知補償系統之較佳實施例，其中患者的患側腳在前，健側腳在後；

圖3是說明第一角度量測器及第二角度量測器設置於健側腳的髖關節及膝關節的示意圖；

圖4是說明本實施例之第二角度量測器的細部構件；

圖5是說明二個第一壓力感測元件位於鞋墊中的位置及二個第二壓力感測元件位於義肢機構底部的位置；

圖6是說明本實施例之義肢機構的細部構件；及

圖7是說明感測模組、義肢機構及控制模組中各個電路之間的連接關係。

100．．．義肢感知補償系統

1．．．步態感測模組

10．．．第一角度量測器

20．．．第二角度量測器

40．．．第一壓力感測元件

50．．．第二壓力感測元件

2．．．義肢機構

3．．．控制模組

4．．．腰包

Claims (5)

1. 一種義肢感知補償系統，係裝設於人體下肢的一健側腳及一患側腳上，該義肢感知補償系統包含：一控制模組，包括一步態資料儲存器及一耦接於該步態資料儲存器的步態控制器；一步態感測模組，耦接於該步態資料儲存器，用以感測該健側腳的步態並將其相關步態資訊儲存於該步態資料儲存器；一義肢機構，裝設於該患側腳，該步態控制器根據該步態資料儲存器中相關的步態資訊控制該義肢機構的步態；其中，該步態感測模組包括一裝設於該健側腳的一髖關節附近的第一角度量測器、一裝設於該健側腳的一膝關節附近的第二角度量測器、至少一設置於該健側腳腳底的第一壓力感測元件，及至少一設置於該患側腳腳底的第二壓力感測元件，且該控制模組還包括一裝設於該患側腳的一髖關節附近的第三角度量測器，該第一角度量測器與該第二角度量測器分別用以量測該健側腳的一髖關節及一膝關節的彎曲角度，並將其量測結果儲存於該步態資料儲存器；該第三角度量測器用以量測該患側腳的一髖關節的彎曲角度，該步態控制器係利用該第三角度量測器的量測結果與該第一角度量測器及該第二角度量測器的量測結果進行比對，並根據該比對結果控制該義肢機構的步態，使該患側腳的一膝關節角度與該 健側腳的膝關節角度相同；該第一壓力感測元件及該第二壓力感測元件分別用以感測該健側腳及該患側腳的腳底踩踏壓力，該步態控制器還根據該第一壓力感測元件及該第二壓力感測元件的感測結果控制該義肢機構的步態。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之義肢感知補償系統，其中，該控制模組還包括一耦接於該步態資料儲存器及該步態控制器的計時器，用以根據該第一壓力感測元件及該第二壓力感測元件的感測結果計算出該健側腳及該患側腳從起腳到落地的時間。
3. 依據申請專利範圍第2項所述之義肢感知補償系統，其中，該第一角度量測器、該第二角度量測器及該第三角度量測器分別包括一蓋體、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元件，各該角度量測元件係量測各該上固定板組及各該下固定板組之間的角度而分別產生該健側腳的髖關節、膝關節及該患側腳的髖關節的彎曲角度。
4. 依據申請專利範圍第3項所述之義肢感知補償系統，其中，該義肢機構包括一固定座、一連接於該固定座的電動缸，及一連接於該電動缸的腳座，該固定座固定於該患側腳，且該第二壓力感測元件係設置於該腳座，該步態控制器係利用該第三角度量測器的量測結果與該步態資料儲存器中該第一角度量測器及該第二角度量測器的量測結果進行比對，並根據該比對結果控制該電動缸的 伸縮，使得該患側腳的膝關節角度與該健側腳的膝關節角度相同。
5. 依據申請專利範圍第4項所述之義肢感知補償系統，其中，該角度量測元件係為一可變電阻。