TWI641363B - 整形技術的關節裝置及其控制方法 - Google Patents

整形技術的關節裝置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本發明係有關於一種控制下肢的一整形技術的關節裝置(1)之方法，該關節裝置包括上部件(2)及鉸接式支承於該上部件上的下部件(3)，該二部件之間佈置有一轉換裝置(5)，其用於在該上部件(2)相對該下部件(3)進行偏移的過程中自該相對運動轉換機械功並儲存於至少一儲能器(54)中並時移地重新輸送給該關節裝置(1)，從而對該相對運動進行輔助，其中，所儲存之能量反向轉換且機械功之輸送在對該相對運動進行輔助的過程中可控實施。

Description

整形技術的關節裝置及其控制方法
本發明係有關於一種控制下肢的一整形技術的關節裝置之方法，該關節裝置包括上部件及鉸接式支承於該上部件上的下部件，二者之間佈置有一轉換裝置，其用於在該上部件相對該下部件進行偏移的過程中自該相對運動轉換機械功並儲存於至少一儲能器中並時移地重新輸送給該關節裝置，從而對該相對運動進行輔助。本發明亦有關於一種下肢的一整形技術的關節裝置，該關節裝置包括上部件及鉸接式支承於該上部件上的下部件，二者之間佈置有一轉換裝置，其用於在該上部件相對該下部件進行偏移的過程中自該相對運動轉換機械功並儲存於至少一儲能器中並時移地重新輸送給該關節裝置，從而對該相對運動進行輔助。此種整形技術的關節裝置特別適用於義肢，亦可應用於修復體上。
多數下肢義肢構建為：僅將動能轉換為熱量以影響義肢的特性，基本上不進行主動的能量輸入。義肢使用者在行走過程中例如透過具有髖部肌肉組織的殘端(Stump)對一義肢膝關節進行控制。步態分析實驗室中的實驗表明，此種行走方式所需能量與健康測試者行走相比更大。特別是在緩慢行走及逐級上樓梯時，義肢使用者所需能量遠大於健康測試者。
若在某個行走階段將能量輸入義肢或修復體，則可減少義肢 使用者或修復體使用者需要施加的自有能量，提高跳躍階段的離地距離，從而整體上提高運動的舒適度及愉悅度。
現有的所謂“主動式義肢膝關節”係由一驅動裝置模仿整個運動過程，其中該馬達設計為可對常見的行走模式進行再現。採用該方案後，馬達必須採用相對較強的設計方案且供能相應較為困難。採用足夠強的馬達時，控制裝置故障可能對使用者造成危害。馬達採用較弱之設計方案時，則無法涵蓋整個行走範圍。另一缺點在於，啟動某項運動後，即使情況有變或者使用者改變主意，他也必須繼續實施該項運動。在此情況下，使用者無法再對該運動施加影響，而是受到推動。
除純粹馬達驅動之義肢膝關節外，US 2010/0312363 A1揭露一種具有若干馬達及彈簧儲存器的義肢膝關節，其為降低驅動成本而將運動中的能量儲存於此等彈簧中，並於達到某個角位置後將其重新釋放。該案提供某種輔助效果，從而實現了在平地進行行走及上樓梯。
本發明之目的在於，提供一種控制整形技術的關節裝置之方法以及此種關節裝置，以便直觀地利用整形技術的關節裝置以達到提高安全度及延長使用壽命的效果。
本發明用以達成上述目的之解決方案為一種具有獨立項之特徵的方法或者一種具有並列請求項之特徵的裝置。本發明的較佳設計方案及改良方案參閱附屬項、發明內容及附圖。
本發明之控制下肢的一整形技術的關節裝置之方法，該關節裝置包括上部件及鉸接式支承於該上部件上的下部件，二者之間佈置有一 轉換裝置，其用於在該上部件相對該下部件進行偏移的過程中自該相對運動轉換機械功並儲存於至少一儲能器中並時移地重新輸送給該關節裝置，從而對該相對運動進行輔助，根據該方法，所儲存之能量反向轉換且機械功之輸送在對該相對運動進行輔助的過程中可控實施。自儲能器，如彈簧中釋放能量時，先前技術係將所儲存之能量猛烈地輸送給關節裝置，即由上部件及下部件與鉸接式支承件構成的系統，從而在極短的時間內輸入大能量。而本發明係將所儲存之能量可控地重新輸送給系統並轉換為機械功並對上部件相對下部件的移動進行輔助，以便在較長的期間內對該運動進行輔助，從而實現該義肢或修復體裝置的某種近似於自然運動過程的運動。先前技術中採用專用彈簧來根據變更後的行走模式、速度或不同的患者作出調整，此舉花費不菲且就日常用途而言是不切實際的。而本發明對針對系統的能量釋放進行控制，以便在相對較長的期間內饋入所需能量，從而按期望對步態產生影響。
可透過以下方式改變機械功之輸送：為該儲能器輸送外部能量或將其輸出。若該儲能器係指彈簧，則可透過將該彈簧再張緊來輸送能量，可透過例如因彈簧支座之移動而將該彈簧鬆弛來輸出或減小能量。若該儲能器構建為電儲能器，如電容器、電池或蓄電池，則可透過激活發電機或者自第二儲能器進行輸入來改變能量，透過連接用電設備或者將能量導引至第二電儲能器來減小能量。
根據本發明的一種改良方案，該儲能器分配有一致動器，其用於在該相對運動不足以實現一最低水平的情況下將該儲能器充填或施加至該最低水平。根據本發明，若該運動所實現之能量不足以為儲能器提供 用於下一步或該運動過程的足夠能量，其中該最小量取決於行走速度、行走情形及每個患者的個人情況，則在行走過程中且在為對該相對運動提供輔助而回輸能量前，例如透過將一彈簧張緊或者透過驅動一用於為該電儲能器供能的發電機來將該儲能器充填至一規定水平。
為精確地測定該運動輔助的時間點，根據本發明，該儲能器分配有一釋放裝置，其用於自該儲能器部分或全部地釋放該能量。該釋放裝置測定能量釋放的時間點，全部釋放時，能量釋放的持續時間及曲線並非透過該釋放裝置，而是透過該儲能器中發生的變化，即透過能量的輸出或輸送，而受到控制。部分釋放時係減小所釋放之能量，從而調節該運動輔助之初始水平。透過部分釋放例如可根據行走速度、患者或行走情形作出調整，透過在該儲能器上實施變更來對該輔助產生細微影響。
可根據某項標準或多項標準之組合來輸送該機械功，以便對該運動進行在時間及數量上儘可能精確的輔助，上述標準係指，該上部件相對該下部件之角位置、該上部件及/或該下部件在空間中的位置、該上部件及/或該下部件的角速度以及/或者該上部件與該下部件間的相對速度以及/或者負載情形以及/或者該上部件及/或該下部件的加速度。可用角度感測器或慣量感測器測定上部件與下部件之相對位置及其在空間中的位置，用加速度感測器或角度感測器與加速度感測器之組合來測定相對速度或在空間中的速度，可用力感測器測定負載情形。除測定能量釋放時間點外，利用該等感測器亦能測定相應之行走情形、行走速度以及該等組件之當前的相對位置或在空間中的位置，此外還能對用於對該運動提供輔助之能量輸入的量及曲線進行測定及控制。
根據本發明的一種改良方案，根據某項標準或多項標準之組合來自該儲能器輸出該能量或將該能量重新輸入該儲能器，以便對該運動進行可控控制，上述標準係指，該上部件相對該下部件之角位置、該上部件及/或該下部件在空間中的位置、該上部件及/或該下部件的角速度以及/或者該上部件與該下部件間的相對速度以及/或者負載情形以及/或者該上部件及/或該下部件的加速度。
該用於改變待轉換之能量及/或待輸送之能量的轉換裝置之干預時間點可受到調節，以便例如根據行走速度、行走情形或患者的個人參數來調節所需儲存之能量大小或者所需釋放之能量大小。採用某種大小之期望能量時，儘可能早地在轉換過程中進行干預，以便很早且長時間地驅動發電機或者將彈簧預張緊較長距離，從而將行走過程中(例如在姿態屈曲時腳跟著地)所產生的機械功最大程度地轉換為彈簧之勢能或者一蓄電池或一電容器之電能。例如透過止動件之移動或者透過角度相關釋放器之移動來在反向轉換過程中調節干預時間點時，在該步驟的一較晚的時間點上輸入能量，以達到改變步態的效果。若該轉換裝置並未因該上部件與該下部件間的相對運動而激活，則可由一致動器為該儲能器供能，以免該致動器干擾該相對運動。此外，致動器為儲能器的供能係安排在不從關節裝置轉換機械功的階段，此舉之優點在於能在較長的期間內饋入能量，如此便能減小致動器的體積，從而在較長的期間內提供期望之量。例如在透過用作致動器之馬達將彈簧張緊的情況下，該馬達可採用較小的設計方案並透過一傳動裝置與該彈簧耦合，以便在相對較長的期間內將該彈簧張緊。此點同樣適用於轉換及儲存電能。
根據本發明的一種改良方案，除該儲能器之影響外亦透過一阻尼裝置來影響該相對運動，從而毋需僅透過該儲能器來實施控制，在此情況下，存在多種對步態產生影響的變體方案。利用增設之阻尼裝置還能簡單地承受負載尖峰。
下肢的整形技術的該關節裝置，該關節裝置包括上部件及鉸接式支承於該上部件上的下部件，二者之間佈置有一轉換裝置，其用於在該上部件相對該下部件進行偏移的過程中自該相對運動轉換機械功並存入至少一儲能器並時移地重新輸送給該關節裝置，從而對該相對運動進行輔助，根據本發明之該裝置，該儲能器分配有一致動器，其在對該相對運動進行輔助的過程中可控地將能量輸入或輸出該儲能器。藉由致動器來可控地輸入能量或者自該儲能器可控地輸出能量，如此便能在採用半主動式關節裝置，特別是半主動式義肢膝關節的情況下特別簡單且可靠地對步態產生影響。
該轉換裝置可構建為彈簧或轉換器，如發電機，以便將上部件與下部件間的相對運動過程中所產生之機械功儲存為彈簧中的勢能，或者儲存為某個電儲存裝置(如蓄電池、充電電池或電容器)中的電能，或者儲存為其他能量形式。
該儲能器可構建為彈簧、彈簧儲存器(如與流體致動器相結合的儲壓器)或者蓄電池，其中，蓄電池亦可理解為電容器或充電電池。
可在該上部件與該下部件之間設置一獨立阻尼裝置，以便在由該儲能器提供輔助的情況下對該相對運動進行更好的控制。將儲能器之影響與該獨立阻尼裝置加以重疊，便能更精確而可靠地對步態產生影響。
該獨立阻尼裝置採用可調節式構建方案，以便根據例如關於關節角、行走速度、上部件及/或下部件之角速度或絕對角的感測器資料來提供經調整的阻尼。可透過一致動器來調節該阻尼裝置，以便減輕或增強阻尼效果。
該轉換裝置可以可調節的方式與該上部件以及/或者與該下部件耦合，以便改變一干預位置或一調節路徑。如此便能按期望對能量大小及數量輸入時間點產生影響。
該轉換裝置、該儲能器或者該二組件可具有至少兩個彈簧之組合，該等彈簧在該關節裝置的不同角度範圍內有效。該等彈簧可具不同的彈簧勁度，以便視相應運動的需要進行力量輸送。舉例而言，若需要用該轉換裝置對膝關節的跳躍階段提供輔助或者啟動該跳躍階段，則應考慮以下情況：所需的輔助力矩並非呈線性。可透過線性彈簧來產生非線性之輔助力矩，其中用一阻尼器及/或一能動體對該線性彈簧之特性產生影響。為避免由此而必然產生之耗費，可將兩個或兩個以上彈簧相耦合或相連，其中，該等彈簧可具不同的彈簧彈性或彈簧勁度且在不同角度範圍內有效。例如，若在開始屈曲時需要較高的輔助力矩，則可用並行或串行設置之彈簧組合來簡單地實現此點。可藉由其中一彈簧的縱向移動來達到該角度相關性，該彈簧例如自一完全鬆弛狀態起在一長形孔中移動或者進行伸縮式移動，使其不會對該運動產生任何影響。例如具有不同勁度或彈簧長度的第二彈簧或另一彈簧在更長的期間內或在關節裝置之更大的偏移角範圍內進行作用。採用並行設置方案後，產生一能簡單地匹配於期望力矩曲線的非線性曲線。此種方案之優點在於，毋需採用阻尼器來調整力矩曲線， 故轉換為不可用之熱量的能量有所減小。而採用單獨一個彈簧時，其必須採用較強的設計方案，且在彎曲運動的某些階段中多餘的能量將被轉換掉。另一優點在於毋需進行阻尼器控制。
1‧‧‧關節裝置
2‧‧‧上部件
3‧‧‧下部件
5‧‧‧轉換裝置
10‧‧‧致動器，馬達
11‧‧‧傳動裝置，推桿
12‧‧‧懸臂
13‧‧‧軸向去耦裝置
14‧‧‧釋放裝置
16‧‧‧止動件
20‧‧‧股骨幹
21‧‧‧懸臂
25‧‧‧彈簧連接件
50‧‧‧阻尼裝置，阻尼器，阻尼單元
54‧‧‧儲能器
a‧‧‧彈簧
b‧‧‧彈簧
c‧‧‧力矩曲線
d‧‧‧力矩曲線
α‧‧‧角度
圖1為一關節裝置之示意圖，其弓弦用作儲能器；圖2為圖1之變體，具有一可移動之彈簧連接件；圖3為一變體，具有一佈置於下部件中的彈簧；圖4為圖3之變體，具有一佈置於其間的致動器；圖5為一變體，具有一絞線作為儲能器；圖6為不同行走速度下之驅動力矩曲線的示意圖；圖7為不同行走速度下採用一關節角的不同移動路徑之示意圖；圖8為採用一關節角時的一槓桿臂曲線之示意圖；圖9為採用一膝角時的一阻尼器的屈曲阻尼設置之示意圖；及圖10為採用並行設置之彈簧時的力矩曲線之示意圖。
下面結合若干實施例對本發明之實施例進行詳細說明。同一元件符號表示相同的組件。
圖1為形式為義肢膝關節之整形技術的關節裝置的示意圖，其包括上部件2，其上佈置有用於承載股骨頭的股骨幹20。遠離該上部件2鉸接式固設有下部件3，使得上部件2可相對下部件3進行偏移。在上部件2的後端構建有懸臂21，其一端設有實施為液壓式或氣動式阻尼器 的阻尼裝置50，另一端設有實施為彈性弓弦的儲能器54。該彈性弓弦透過傳動裝置11與實施為電動馬達的致動器10連接。該電動馬達佈置於固設在下部件3上的一小腿管中。該實施為彈性弓弦的儲能器54固設於傳動裝置11及懸臂12上，若馬達10被激活，則其透過傳動裝置11對懸臂12產生影響並可透過以下方式將彈性弓弦張緊或鬆弛：懸臂12朝遠端或近側移動或者朝該一或另一方向扭轉，以便將該彈性弓弦捲起或展開。故懸臂12形成儲能器54之可移動的支承點，採用該方案後，在下部件3之伸展過程中能夠啟動彈性弓弦之張緊過程。透過懸臂12能夠實現可移動之彈性的拉伸限位，此種拉伸限位係藉由致動器10來調節。透過下部件10之伸展運動而將該構建為彈簧的儲能器54張緊並吸收下部件3的一部分動能。此舉例如可在跳躍階段結束時進行或者在腳跟著地及姿態屈曲以後進行。姿態屈曲時彈簧被張緊，站立期間保持進一步張緊。
站立期結束時可將所儲存之能量重新釋放以便為啟動跳躍階段提供輔助，彈性弓弦收縮並將勢能轉換為機械功，從而為下部件3之屈曲提供輔助。需要在儲能器54中儲存更大能量時，懸臂12朝遠端移動或者沿捲起方向扭轉，從而使得致動器10將彈性弓弦預張緊，需要儲存更小能量時，懸臂12朝近側移動或者將該弓弦展開。本實施例中的儲能器54同時為用於將相對運動中的機械功轉換為勢能的轉換裝置5。
除該轉換裝置5及該儲能器54外亦設一實施為液壓阻尼器或氣動阻尼器的獨立阻尼器50，其採用可調節之構建方案，以便利用該阻尼裝置50來在行走過程中沿屈曲方向及延伸方向對阻尼效果產生影響。
為在啟動跳躍階段時實現可控輔助，透過致動器10、傳動 裝置11以及透過懸臂12之移動或扭轉來改變彈性弓弦之預張力，以便更好地控制能量釋放。實驗表明，僅將彈簧用作力量儲存器會產生過大且過快的施力，此點可能給患者帶來不適感。為對能量輸入的期間以及對能量及功效進行控制，可根據上部件2相對下部件3之角位置、上部件2及/或下部件3之相對或在空間中的角位置、角速度或者行走速度來在儲能器54上實施操縱，以便對功效加以限制以及對能量釋放的時間特性進行控制。將彈簧鬆弛後可減少輸入關節裝置1的能量，將彈簧再張緊後可在更長的期間及更大的屈曲角度範圍內對屈曲提供輔助，從而達到期望之和諧的步態。
圖2為本發明的一變體，其中被實施為彈簧的儲能器54並非進行鬆弛或張緊，而是大體沿縱向延伸度在遠端支承點上進行移動。上固設點係設置於一可移動之彈簧連接件25上，該彈簧連接件可藉由致動器10沿雙箭頭所示方向來回移動。視具體鉸接點及運動方向而將儲能器54張緊或鬆弛。圖1及圖2中皆將伸展運動中的能量儲存於儲能器54中。伸展運動完畢後，若待施加的預期能量不足以在啟動屈曲時達到期望輔助效果，則馬達10可隨後將儲能器54再張緊。較佳在關節裝置1處於完全伸展之狀態時實施再張緊，以便儘可能減少針對預張運動的操作。透過調節儲能器54之預張力或者調節近側支承位置，便能設置轉換裝置5開始工作的拉伸角度，以及設置需要存入儲能器54的能量。
圖3所示關節裝置1之變體中，實施為彈簧之轉換裝置5佈置於小腿管中。致動器10與轉換裝置5連接且可將其壓縮或捲繞，具體視該彈簧構建為壓力彈簧還是螺簧而定。轉換裝置5透過推桿11與固設在上部件2上的止動件16連接。將馬達10激活可改變轉換裝置5的起點，遂 能透過推桿11來設置轉換裝置5與止動件16的接觸時間。推桿11與止動件16接觸得愈早，調節路徑及轉換裝置5之壓縮幅度愈大，存入轉換裝置5的能量也就愈大。實施反向轉換時，相應地將更大能量自該彈簧經由推桿11傳遞至止動件16，從而增大屈伸輔助之效果。為對能量釋放產生影響而在運動輔助時將轉換裝置5張緊或鬆弛。
圖4所示變體與圖3中的大致相同，但視情況具有主軸驅動器及一空轉的致動器10沿某個方向佈置在轉換裝置5與推桿10之間，使得轉換裝置5之起點保持固定而該轉換裝置5可被馬達10預張緊。啟動屈曲輔助時，馬達10必須一同旋轉以便將能量釋放並透過推桿11及止動件16傳遞至關節裝置，從而達到對能量釋放進行極佳控制的目的。亦可停止該能量釋放，此舉在錯估形勢的情況下可能較為有利。
圖5中係將一絞線用作儲能器54及轉換裝置5，其中係透過將若干絲線絞合來達到縮短的目的。可透過增加或減少絞合來調節該絞線開始產生拉力的接觸點。馬達10與儲能器54之間設有一軸向去耦裝置13。
除上述將儲能器實施為彈簧之實施方式外，該儲能器亦可藉由傳動裝置及發電機而實施為電儲能器，如電池、蓄電池或電容器。對所儲存之電能進行反向轉換時，該發電機切換至馬達模式，以便為下部件3相對上部件2之相對移動提供驅動及輔助。可將一發電機分配給該電儲能器以便增大能量，亦可另設一用作緩衝器的儲能器，其用於容納多餘的電能或者提供額外所需的能量。
該用作儲能器54之彈簧可構建為拉伸彈簧、壓力彈簧、扭 轉彈簧或彈性體元件，其自某個由致動器10設置之拉伸角度起發生接觸，且自該時間點起既將機械功轉換為能量又將其重新回輸以便提供運動輔助。在此過程中，該彈簧沿伸展方向吸收運動中的能量，且同時用作制動裝置及拉伸限位件。啟動跳躍階段時，能量被重新釋放並幫助使用者啟動該跳躍階段。能量釋放時可藉由致動器10調節該彈簧發生接觸的時間點，以便在不同的行走速度下實現不同的可控輔助。若因此前之運動而儲存之能量不足以提供足夠的輔助，舉例而言，在行走速度特別緩慢或者上樓梯的情況下，機械功不足以將彈簧以足夠的程度張緊，則亦可藉由致動器10將該彈簧再張緊。如圖3所示，轉換裝置5可具有釋放裝置14，其用於進一步確保釋放所儲存之能量的該觸發時間點。
為確保觸發該釋放，關節裝置1可包含一防護裝置，其由阻尼器50中的液壓系統或者由馬達10之控制裝置構成，該防護裝置確保所施加的彈簧能量能及時地重新降低。
由於伸展過程中的動能至少部分地被儲存，該馬達輔助可以非常節約的方式工作。用於致動器10的電池可採用小而輕的方案，致動器10本身亦是如此，因為在站立期間實施再張緊時，致動器10有足夠的時間將彈簧張緊，且毋需以啟動跳躍階段時進行能量釋放的速度輸入能量。馬達10視情況結合該獨立阻尼器20對自該彈簧的能量釋放進行控制。逐級上樓梯及越過障礙物時，藉由儲能器所實現之屈曲輔助有助於達到必要的彎曲角，且毋需髖部動作。
圖6為不同行走速度下採用關節角α時之驅動力矩的示範性示意圖。該視圖係針對三個不同的行走速度而繪製，其中，相應行走速 度在圖中用不同符號表示，低行走速度用三角形表示，中等行走速度用圓形表示，高行走速度用X表示。該驅動力矩係單位為Nm的有效驅動力矩，即儲能器54所儲存且重新輸送的能量減去阻尼或摩擦等損失。如圖所示，初始階段係以極高的驅動力矩工作以便在開始時提供屈曲輔助。關節角α在此係指以最大伸展位置為出發點所測得的膝角，關節角α增大時，待施加之驅動力矩先是急劇下降，在一較小的角度範圍內保持恆定，短時間內有所上升，再繼續下降並在達到最大屈曲時降至零。如圖所示，行走速度較低(表示為三角形)時的屈曲輔助大於行走速度較高的情況。圖6所示驅動力矩曲線是無法藉由不採用再張緊或鬆弛來施加馬達影響的彈簧而產生的，因為在驅動力矩急劇下降後，本發明係在另一期間內對該力矩進行保持直至達到最大角度。
圖7所示圖表中繪製了採用關節角α時之馬達10的拉伸路徑。圖中繪出不同的行走速度，其同樣用三角形、圓形及X表示，最低的行走速度係用三角形表示。圖中針對的是馬達10在採用圖1、3及5之實施方式時的平移運動。圖7中的移動路徑係受到調整以實現圖6所示驅動力矩曲線。該曲線因每個所選彈簧而有所不同且可視相應彈簧之特性而產生較長或較短的移動路徑。其目的在於實現最短移動及最小的彈簧張力。如圖所示，當啟動彎曲時，馬達使得彈簧滑回以儘可能快地減小作用力，從而使得可控屈曲的感覺保持不變。角度增大時，彈簧被重新張緊，以便保持或重新增大該作用力。此處亦可看出，行走速度時需要增強輔助。為實現屈曲輔助而實施之彈簧釋放及能量釋放係與馬達驅動同時進行，以便在該屈曲輔助的整個過程中進行控制。
圖8為圖2所示實施方式之槓桿臂在不同行走速度下採用關節角α時之變化圖。此處亦在彈簧釋放的同時將馬達10激活，以便對槓桿臂進行調節。槓桿臂先是迅速縮短以達到減小作用力的效果，該槓桿臂隨後重新增大，以便在較大的角度範圍α內施力及對屈曲運動提供輔助。
圖9為阻尼裝置50在不同行走速度下採用關節角α時之屈曲阻尼設置。與此前之附圖不同，此處之低行走速度用方塊表示，中等行走速度用三角形表示，高行走速度用菱形表示。阻尼裝置50首先採用中等屈曲阻尼設置，其隨關節角α之增大而降低。在行走速度較高的情況下，可在跳躍階段結束時增強屈曲阻尼，以免下部件3過度屈曲。透過改變阻尼單元50中的屈曲阻尼設置便能結合馬達控制裝置對能量輸入進行有效、可靠及簡單的控制，以達到運動輔助的效果。
除用於提供屈曲輔助之該實施方式外，該裝置原則上亦可用來提供伸展輔助，在屈曲輔助方面的實施方案相應地亦適用於伸展輔助，其中亦可將一屈曲與伸展輔助共同地佈置於一關節裝置中。
圖10為兩個並行設置之彈簧a、b的力矩曲線，圖中繪製了關節角為角度α時之單位為Nm的輔助力矩。該實施例係指修復體或義肢膝關節之啟動跳躍階段時之輔助力矩的力矩曲線。啟動跳躍階段時所需的輔助力矩並非呈線性，係用元件符號d所示虛線表示。原則上可透過線性彈簧來產生此種彈簧特性曲線或此種力矩，其中該彈簧與一阻尼器或能動體耦合，以便對該線性彈簧之特性產生影響。作為能動體或阻尼器之替代方案，圖10係設置兩個具有不同彈簧勁度的彈簧，其在不同的角度範圍內有效。第一彈簧a在不同的角度α時具有大致線性的力矩曲線。該彈簧勁 度小於第二彈簧b的彈簧勁度，該第二彈簧的彈簧勁度較大，但僅在最大α=15°的角度範圍內有效。將該二彈簧a、b結合後產生了力矩曲線c，其非常接近期望之力矩曲線d。根據彈簧b之力矩曲線，該彈簧僅在最大15°的彎曲角時有效，大於該彎曲角時，所儲存之能量被轉換且不再有助於膝蓋進一步彎曲。例如可透過以下方式實現此點：彈簧b實施為拉伸彈簧且可在一縱向導引件中移動，右上角的視圖示出此種情況，圖中繪示了具有兩個並行彈簧a、b的關節。第一彈簧a在一較長的偏移路徑或偏移角α範圍內有效，而同樣構建為拉伸彈簧之彈簧b採用某種構建方案及長度，使得該彈簧b在達到預設角度後不再有助於關節之進一步屈曲。第一彈簧a的勁度小於第二彈簧b且在較長的期間或角度範圍內進行作用，使得將該二彈簧結合後產生力矩曲線c，其非常接近期望之力矩曲線d。該期望曲線d可自實驗測得，特別是就義肢膝關節或修復體膝關節而言，該力矩曲線可針對不同的行走速度而發生變化，如此便能在一假定之平均行走速度下為所有速度找到良好的折衷。
該佈置方案之優點在於，儲存於彈簧a、b中的所有能量皆能應用於關節屈曲，毋需將外部能量應用於能動體或者經由阻尼器耗費儲存於彈簧a、b中的能量。採用單獨一個彈簧時，其必須採用較強的設計方案，且多餘的能量在某個角度範圍內透過一阻尼器而被轉換。

Claims (16)

  1. 一種用於控制下肢的半主動式整形技術的關節裝置(1)之方法，該方法包括：提供包括上部件(2)及鉸接地支承於該上部件(2)之上的下部件(3)之該半主動式整形技術的關節裝置(1)，介於該上部件(2)與該下部件(3)之間佈置有一轉換裝置(5)，該轉換裝置(5)包含至少一儲能器(54)；在該上部件(2)相對該下部件(3)擺動的期間，藉由該轉換裝置(5)以轉換來自相對運動的機械功並將其儲存於該至少一儲能器(54)之中；且在時間上錯開地(time-offset)將來自該至少一儲能器(54)的能量再輸送給該關節裝置(1)，以便輔助該相對運動；其特徵在於，當輔助該相對運動時，將所儲存的機械功以可控制的形式反向轉換，且一致動器(10)係可操作以將能量輸送至該至少一儲能器(54)或將能量自該至少一儲能器(54)取出，從而控制從該至少一儲能器(54)所獲得的能量量值以輔助該相對運動。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其特徵在於，該致動器(10)係可操作地連接至該至少一儲能器(54)，且當所儲存的機械功不足輔助該相對運動時，可經由該致動器(10)將該至少一儲能器(54)充填至最低水平。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項之方法，其特徵在於，該至少一儲能器(54)分配有一釋放裝置(14)，該釋放裝置(14)係可操作以自該至少一儲能器(54)釋放能量。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項之方法，其特徵在於，根據下列標準中之至少一者或下列標準中之多者的組合來輸送機械功：該上部件(2)相對該下部件(3)之角位置；該上部件(2)及/或該下部件(3)在空間中的位置；該上部件(2)及/或該下部件(3)的角速度；該上部件(2)與該下部件(3)之間的相對速度；負載狀況；該上部件(2)及/或該下部件(3)的加速度。
  5. 如申請專利範圍第1項或第2項之方法，其特徵在於，根據下列標準中之至少一者或下列標準中之多者的組合來輸送或取出能量：該上部件(2)相對該下部件(3)之角位置；該上部件(2)及/或該下部件(3)在空間中的位置；該上部件(2)及/或該下部件(3)的角速度；該上部件(2)與該下部件(3)之間的相對速度；負載狀況；該上部件(2)及/或該下部件(3)的加速度。
  6. 如申請專利範圍第1項或第2項之方法，其特徵在於，調節該轉換裝置(5)的干預時間點以改變待轉換之能量量值及/或待輸送之能量量值。
  7. 如申請專利範圍第2項之方法，其特徵在於，當該轉換裝置(5)並未因該上部件(2)與該下部件(3)之間的該相對運動而激活時，則由該致動器(10)為該至少一儲能器(54)供能。
  8. 如申請專利範圍第1項或第2項之方法，其特徵在於，透過一阻尼裝置(50)來影響該相對運動。
  9. 一種下肢的半主動式整形技術的關節裝置(1)，該關節裝置(1)包括：上部件(2)；下部件(3)，其係鉸接地支承於該上部件(2)之上；轉換裝置(5)，其係經佈置以介於該上部件(2)與該下部件(3)之間，且在該上部件(2)相對該下部件(3)擺動的期間，該轉換裝置(5)係可操作以轉換來自該上部件(2)與該下部件(3)之間的相對運動的機械功並將該機械功儲存於至少一儲能器(54)之中，且在時間上錯開地將該機械功再輸送給該關節裝置(1)，以便輔助該相對運動；其特徵在於，一致動器(10)係可操作地連接至該至少一儲能器(54)，且該致動器(10)係可操作以將能量輸送至該至少一儲能器(54)或將能量自該至少一儲能器(54)取出，從而控制從該至少一儲能器(54)所獲得的能量量值以輔助該相對運動。
  10. 如申請專利範圍第9項之半主動式整形技術的關節裝置(1)，其特徵在於，該轉換裝置(5)構建為彈簧、彈簧儲存器或轉換器。
  11. 如申請專利範圍第9項或10項之半主動式整形技術的關節裝置(1)，其特徵在於，該至少一儲能器(54)構建為彈簧或蓄電池。
  12. 如申請專利範圍第9-項或第10項之半主動式整形技術的關節裝置(1)，其特徵在於，在該上部件(2)與該下部件(3)之間設置一獨立的阻尼裝置(50)。
  13. 如申請專利範圍第12項之半主動式整形技術的關節裝置(1)，其特徵在於，該阻尼裝置(50)係可調節的。
  14. 如申請專利範圍第9項或第10項之半主動式整形技術的關節裝置(1)，其特徵在於，該轉換裝置(5)以可調節的方式與該上部件(2)及/或該下部件(3)耦合，以便改變一干預位置或一調節路徑。
  15. 如申請專利範圍第9項或第10項之半主動式整形技術的關節裝置(1)，其特徵在於，該轉換裝置(5)及/或該至少一儲能器(54)具有由至少兩個彈簧構成之組合，該等彈簧在該關節裝置(1)的不同角度範圍內起作用。
  16. 如申請專利範圍第15項之半主動式整形技術的關節裝置(1)，其特徵在於，該等彈簧具有不同的彈簧剛性。
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