步態矯正裝置以及用于保護步態矯正裝置及用戶免受損傷的方法
【專利說明】步態矯正裝置以及用于保護步態矯正裝置及用戶免受損傷的方法
[0001]相關串請案的交叉參考
[0002]本申請案主張2013年3月13日提出申請的標題為“保護步態矯正裝置及用戶免受損傷(Protecting Gait Orthotic Devices and Users from Damage)，，的第61/779，684號美國臨時專利申請案的權益。此申請案的全部內容以引用方式并入本文中。
【背景技術】
[0003]本發明涉及步態矯正裝置，且更特定來說涉及保護裝置及其用戶在跌倒期間免受損傷的步態矯正裝置。
[0004]已開發了允許具有運動性失調的人行走且執行輪椅難以完成的任務的動力及非動力步態矯正裝置。使用此裝置的主要風險中的一者為:導致與地面或某一其它物體的撞擊借此導致對裝置或裝置的用戶的損傷的跌倒的可能性。另外，對裝置的損傷可產生未來不可預測的性能。考慮到上文，認為此項技術中需要通過保護裝置及其用戶在跌倒期間免受損傷而消除或緩和這些問題的步態矯正裝置(尤其是動力外骨骼裝置)。

【發明內容】

[0005]本發明針對于一種步態矯正裝置，例如動力外骨骼，所述步態矯正裝置包含:關節；致動器，其經配置以引起所述裝置在所述關節處的移動；緩沖機構，其耦合到所述裝置且經配置以在與表面或物體的撞擊期間吸收能量或擴散力；及控制器。所述控制器經配置以確定何時發生跌倒且指導所述致動器以進行以下操作:定向所述裝置使得所述緩沖機構在所述跌倒期間與所述表面或物體進行接觸；及/或通過執行正關節做功而減少所述裝置在所述跌倒期間的動能。
[0006]所述緩沖機構可采取各種形式，包含安全氣袋、彈簧、保險桿、碾桿或支架。在一個優選實施例中，所述緩沖機構為安全氣袋，所述安全氣袋呈以可拆卸方式耦合到所述裝置的安全氣袋模塊的形式使得可移除及替換所述安全氣袋模塊。所述安全氣袋模塊在鄰近于所述用戶的頭部、骨盆、臀部或膝蓋的位置處耦合到所述裝置。所述安全氣袋模塊包含:壓縮空氣罐；罐穿孔機構，其經配置以將所述壓縮空氣罐穿孔；觸發機構，其經配置以致動所述罐穿孔機構；折疊式柔性袋，其經配置以從所述壓縮空氣罐接收空氣；及安裝組件，其經配置以將所述安全氣袋模塊以可拆卸方式耦合到所述步態矯正裝置。在一個尤其優選實施例中，所述裝置包含多個安全氣袋模塊且所述控制器進一步經配置以在跌倒期間選擇性地部署所述安全氣袋模塊中的一或多者，其中所述選擇基于所述裝置在所述跌倒期間的位置或所述裝置跌倒的所感測方向。
[0007]依據連同圖式一起進行的對本發明的優選實施例的以下詳細描述將更容易地明了本發明的額外目標、特征及優點，其中在數個視圖中相似元件符號是指共同部件。
【附圖說明】
[0008]圖1是根據本發明的步態矯正裝置的透視圖；
[0009]圖2是用于步態矯正裝置的安全氣袋模塊的透視橫截面圖；及
[0010]圖3A到3D是展示在跌倒期間的步態矯正裝置及安全氣袋模塊的圖解說明。
【具體實施方式】
[0011]本文中揭示本發明的詳細實施例。然而，應理解，所揭示實施例僅僅示范可以各種及替代形式體現的本發明。各圖未必按比例，且可放大或最小化一些特征以展示特定組件的細節。因此，本文中所揭示的具體結構及功能細節將不解釋為限制性，而是僅僅解釋為用于教示所屬領域的技術人員以各種方式采用本發明的代表性基礎。
[0012]本發明提供用于保護步態矯正裝置(特定來說動力外骨骼裝置)及裝置的用戶在發生跌倒時免于損傷及傷害的系統及方法。描述在一致地使用時提供最大益處的三個類別的保護方法，盡管也可獨立地使用所述保護方法以提供變化程度的保護。第一類別的保護方法在撞擊期間借助于緩沖吸收能量且擴散所施加力，此些方法稱為“緩沖方法”。第二類別的保護方法在跌倒期間在撞擊之前通過使裝置執行正關節做功而吸收能量，此些方法稱為“關節做功方法”。第三類別的保護方法依賴于混合響應，從而在跌倒期間使用關節做功來主動地定位系統以最大化緩沖方法的效力或最小化裝置及用戶遭受損傷，此些方法稱為“定位方法”。
[0013]一般來說，存在兩種類型的步態矯正裝置:動力及非動力的。一種類型的動力裝置及供與本發明一起使用的裝置類型為動力外骨骼。常見類型的非動力裝置為往復運動式步態矯正器。動力裝置在身體的每一側上具有至少一個關節，所述至少一個關節具有圍繞關節施加扭矩以便執行正及負關節做功的能力。相比之下，非動力裝置不具有在不具有來自用戶的身體的輸入的情況下執行正關節做功的能力。結果，盡管非動力裝置可最好采用緩沖保護方法，但動力裝置可采用如下文詳細地討論的所有三種類別的保護方法。
[0014]現在參考圖1，展示根據本發明構造的步態矯正裝置。具體來說，步態矯正裝置呈包含控制器105 (或控制系統)、軀干110、右腿115及左腿120的動力外骨骼100的形式。右腿115及左腿120具有經致動膝蓋及臀部。特定來說，右腿115具有臀部致動器125及膝蓋致動器130，而左腿120具有臀部致動器135及膝蓋致動器140。在使用中，外骨骼用戶將穿著外骨骼100，其中軀干110耦合到用戶的軀干，右腿115耦合到用戶的右腿且左腿120耦合到用戶的左腿。控制器105基于從傳感器(未展示)接收的各種信號而通過致動器125、130、135、140控制外骨骼100的運動(如此項技術中已知)，使得用戶能夠行走。
[0015]針對對例如外骨骼100的步態矯正裝置的使用，產生許多緩沖方法概念且系統地評估所述緩沖方法概念以確定最好地滿足以下資格的實施例:不阻礙正常性能；可重復且可預測；足夠迅速地部署以提供保護；穩定化且提供對頸部的保護；保護臀部；防止骨折；美觀；且觀察員使用起來是安全的。考慮緩沖機構的五個一般實施例:
[0016]1.被動保險杠。將緩沖保險杠放置于圍繞裝置的關鍵位置處。
[0017]2.被動弓形彈簧。圍繞裝置定位大的柔性箍環使得其在跌倒期間首先進行接觸且減少撞擊的量值。
[0018]3.主動膨脹保險杠。這些保險杠在跌倒期間展開且因此可大于被動保險杠以便吸收更多能量。
[0019]4.安全氣袋。氣體填充袋在跌倒期間經充氣且在撞擊時吸收能量。由于跌倒花費數百毫秒，因此可能從壓縮氣體罐(例如，壓縮0)2罐)而且從用于汽車安全氣袋中的爆炸反應填充所述袋。
[0020]5.支架。裝置沿跌倒的方向釋放支柱以防止裝置完全地碰撞地面，例如可伸縮、彈簧偏壓或流體調節式支柱。
[0021]基于對這些緩沖機構的評估，確定優選緩沖方法為使用安全氣袋，盡管每一實施例可連同本發明使用。
[0022]出于此討論的目的，術語“安全氣袋”是指可封裝于小體積中且選擇性地填充有較大氣體體積(其以壓縮狀態存儲于經密封容器中)的柔性容器(S卩，袋)。當安全氣袋需要執行為墊子時，允許壓縮氣體從經密封容器移動到袋。此氣體轉移增加袋內側的壓力且致使其膨脹到較大體積。充氣袋可定向于裝置與撞擊表面之間以吸收能量且擴散所施加力。安全氣袋的緩沖效應為安全氣袋的三種性質的結果:氣體為可通過壓縮吸收能量的相對軟的彈簧；膨脹袋形成與撞擊表面接觸的相對大的面積，此減小對裝置的力；及在撞擊期間從充氣袋的氣體流出可充當保險杠以防止彈回。
[0023]在特定實施例中，安全氣袋提供于外骨骼100的所有側上。此良好地保護外骨骼100，此乃因可沿任一方向發生跌倒。在優選實施例中，小模塊化安全氣袋位于例如頭部、骨盆、臀部及膝蓋的可能撞擊點處。通過使用機載傳感器，控制器105可檢測外骨骼100在其跌倒時的位置及方向且在撞擊之前選擇性地部署理想安全氣袋。此策略最小化保護裝置及用戶所需要的壓縮空氣量，促進在不妨礙裝置的主要功能的情況下將安全氣袋安裝于裝置上，且最小化替換泄氣安全氣袋中涉及的成本及努力。
[0024]優選地，每一安全氣袋為可在部署之后經移除且由用戶用工廠重新封裝的單元替換的模塊。具體參考圖2，展示供與例如外骨骼100的步態矯正裝置一起使用的安全氣袋模塊200。安全氣袋模塊200主要包含:壓縮空氣罐205 ;安裝且固定罐的組件(未展示);罐穿孔機構210 ;折疊式柔性袋215，其暴露到允許空氣在經穿孔罐205與袋215之間移動的組件220 ;觸發機構225，其致使穿孔機構210操作；安裝組件230、231，其用以允許到外骨骼100的剛性且準確連接；外殼235，其用以封圍且保護各種組件；翻板或蓋(未展示)，其允許安全氣袋膨脹到模塊外側且定位于裝置與撞擊表面之間；及組件240，其覆蓋觸發機構225以防止不期望的部署。穿孔機構的進入罐205的一部分245是尖銳的以最小化接達罐205內側的壓縮空氣所需要的時間及力。另外，穿孔機構210為圓柱形的且具有居中定位的通道250，此允許空氣從罐205移動到經封裝袋215。穿孔機構210的尖銳部分245存儲于一位置中使得當其由觸發機構225解鎖時壓縮線圈彈簧255中的勢能轉化為朝向罐密封件引導的大動能。觸發機構225通過優選地由另一彈簧(未展示)偏壓于鎖定位置中的樞轉杠桿260將穿孔機構210固持于適當位置處。
[0025]當安全氣袋模塊200不裝設于外骨骼100中時，不可能意外地且難以有意地部署安全氣袋模塊200。當裝設于外骨骼100上時，組件240覆蓋觸發機構225，惟在開口(圖2中展示但未單獨標記)處除外，且外骨骼100上的傳感器檢測:安全氣袋模塊200的安裝組件230、231是否存在且適當地定位；將模塊200連接到外骨骼100的銷是否存在；及是否鎖定觸發機構225。例如螺線管的觸發致動器(未展示)安裝于外骨骼100上，使得當提供正確電壓或電流時其壓倒將其固持于縮回狀態中的彈簧且釋放觸發機構225。額外傳感器確保觸發致動器在允許外骨骼100操作之前處于縮回狀態中。
[0026]在一個實施例中，可還通過采用與安全氣袋緩沖方法一致地工作的定位方法而減少用于提供所要保護水平的安全氣袋模塊200的數目。此策略涉及在跌倒期間起始且協調裝置關節做功(即，在關節處的樞轉移動)以增加外骨骼100在撞擊時的位置使用所裝設安全氣袋模塊200允許最優緩沖的可能性。控制策略使用外骨骼100的位置及方向以及安全氣袋模塊200的已知位置及存在來確定且將外骨骼100引導到理想撞擊定向中。舉例來說，在從站立向后跌倒中，用戶的頭部有撞擊地面的風險，但不是在頭部附近提供安全氣袋模塊