專利名稱：用于控制人造矯形外科或假肢關節的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于控制下肢的人造矯形或假肢關節的方法和設備，具有阻抗裝置，給所述阻抗裝置配置至少一個促動器，通過所述促動器根據傳感器數據改變屈曲和/或伸張阻抗。這種方法和這種設備特別適合于控制下肢的關節即髖關節、膝關節或踝關節。但是原則上也可以將這種設備和這種方法用來運行其他假肢人造關節或矯形人造關節，例如肘關節或假肢手中的關節。
背景技術：
人造關節越來越多地配備有阻抗裝置，所述阻抗裝置在屈曲阻抗或伸展阻抗方面可改變。阻抗的可改變性具有的優點是，可在運動過程中將阻抗適配于不同的要求。為了例如在一個步子的不同階段期間盡可能以天然方式表現或支持不同的要求，設置可控制的阻抗裝置，所述阻抗裝置提供適配的可改變的屈曲阻抗和伸展阻抗。通過屈曲阻抗可調節 小腿筒或大腿軌相對于大腿筒或小腿軌在施加力的情況下以何種程度向后邁步。伸展阻抗制動小腿筒或小腿軌的前進運動并且特別是形成伸張止擋。由DE 10 2008 008 284 Al公開了一種矯形外科技術的膝關節，其具有上部件和可樞轉地布置在上部件上的下部件，給小腿部配置多個傳感器，例如屈曲角度傳感器、加速度傳感器、斜率傳感器和/或力傳感器。伸張止擋根據求得的傳感器數據來調節。DE 10 2006 021 802 Al描述了一種被動式假肢膝關節的控制，在伸展方向上具有可調節的阻尼以適配于假肢裝置，所述假肢裝置具有上側的連接器件和通往人造腳的連接元件。與樓梯行走進行適配，其中，檢測假肢腳的幾乎無力矩的抬起并且將屈曲阻尼在抬起階段中降低到一個對于在平面中行走合適的水平以下。屈曲阻尼可根據膝蓋角度的變化并且根據作用在小腿上的軸向力升高。DE 10 2007 053 389 Al描述了一種用于控制具有至少一個自由度的下肢的矯形外科關節的方法，具有可調節的促動器以適配于矯形外科裝置，所述矯形外科裝置具有連接至肢體的上側連接器件和相對于所述連接器件遠中地鉸接布置的矯形外科關節，其用于識別不同于在平面上行走的狀態下。在此通過傳感器檢測該矯形外科裝置的多個參數，將檢測到的參數與判據(所述判據借助于多個參數和/或參數變化曲線求得并且存放在計算單元中)相比較并且選出一個判據，所述判據根據求得的參數或參數變化曲線是合適的。基于所選出的判據調節屈曲阻抗、運動范圍、驅動力和/或其變化曲線以控制不同于在平面中行走的特殊功能。US RE 39，961E描述了一種用于假肢的計算機控制的液壓阻抗裝置，具有壓力傳感器。不僅在高壓側而且在低壓側通過彈簧加載的磁體和磁激勵的電子傳感器檢測壓力并且在閉合的調整回路中通過微處理器對其進行處理，以便自動地補償該設備中的變化和液壓液的粘度。所述補償基于壓力測量的結果。在人造膝關節假肢或矯形器方面已經發現，關節在站立期在行走期間或在站立期間提供高屈曲阻抗，其中，關節不被完全鎖止。在該情況下通過以下方式防止關節在站立時的緩慢屈曲，即，力矢量處于關節軸線前面并且由此將關節壓到伸張止擋中。力矢量是否處于關節軸線前面，通過假肢或矯形器的結構來確定。關節在上述狀況中不完全鎖止事實提供的優點是，關節的使用者還可以干預關節運動。如果使用者例如應在樓梯上行走并且失去平衡，則該使用者通過鎖止的關節會不受控制地跌倒，而使用者借助于殘肢力尚能夠以高屈曲阻抗使關節屈曲。由此避免跌倒的后果或者可完全防止跌倒。同樣，高屈曲阻抗簡化了關節在狹小空間內的靈活操作或者坐下。同樣，高屈曲阻抗的一個大使用性是可向下交替地在斜坡和樓梯上行走。在此，關節的阻抗承擔身體支撐功能并且從而使得對面側也就是健康腿卸載。健康側的卸載直接表達由阻抗裝置消散的能量，所述能量可導致阻抗裝置非常強烈地變熱。當所述阻抗裝置在邁步期中將腿的邁步制動到期望的值上時或者當佩戴者在站立期間在抵抗高阻抗的情況下使關節屈曲和伸張時，所述變熱也可在平面中行走時出現。原則上，阻抗裝置的變熱也可在其他關節例如踝關節或髖關節或者其他關節裝置(例如當那里出現高載荷時)中進行。溫度升高可導致阻抗性能改變并且必要時也可導致關節裝置的部件的損壞。

發明內容
因此本發明的任務在于，提供一種方法和一種設備，利用其能夠降低或防止所述問題。根據本發明，該任務通過具有獨立權利要求特征的方法和具有并列權利要求特征的設備來解決。本發明的有利的構型和進一步方案在從屬權利要求中予以描述。根據本發明，提出了一種用于利用阻抗裝置控制人造矯形或假肢關節的方法，給所述阻抗裝置配置至少一個促動器，通過所述促動器根據傳感器數據改變屈曲阻抗和/或伸張阻抗，本發明提出，所述阻抗根據至少一個測量到的溫度或測量到的溫度信號改變。由此可以保護阻抗裝置或者所述人造較小或假肢關節的其他部件免于太強地變熱。關節失效的情況下可導致變熱，因為關節的部件喪失形狀或結構強度或者因為電子裝置在允許的運行參數之外運行。所述阻抗在此優選這樣地改變，使得降低散失的能量。由于待轉換的能量較低，由此可使得阻抗裝置或人造關節的其他部件冷卻并且在一個對其設置的溫度范圍內工作。此外可提出，使阻抗裝置這樣地匹配，使得那些由于溫度改變出現的溫度得到補償。例如，如果液壓液的密度由于變熱而降低，則可相應地調節阻抗裝置，以便仍然提供慣常的屈曲阻抗和伸展阻抗，從而使得假肢或矯形器使用者仍然可信任人造膝關節的對于該使用者熟知的特性。如果將所述人造關節構造為下肢關節，則在一個變型方案中提出，對于站立期、例如在行走期間在溫度升高的情況下提高阻抗。在此可不僅提高伸展阻抗而且可提高屈曲阻抗。通過提高阻抗，強迫使用者緩慢行走并且由此可將更少的能量輸入到關節中。由此可使關節冷卻，從而可使得其在允許的運行參數之內運行。在下肢上使用人造關節時的另一變型方案提出，在行走時對于邁步期在溫度升高的情況下降低屈曲阻抗。如果在邁步期內或者對于邁步期降低屈曲阻抗，則這導致關節進一步大幅揮動。由此，假肢腳此后向前腳跟著地，由此又迫使使用者緩慢行走，這導致更少的能量轉換為熱。所述阻抗可在達到或超過溫度閾值時改變。所述阻抗在此可在達到或超過溫度閾值時跳躍式地改變，從而進行這個阻抗值或這些阻抗值的轉換。有利地提出，在達到溫度閾值之后，阻抗隨著溫度連續地改變。溫度閾值設定多高，這取決于相應的設計參數、所使用的材料和假肢或矯形器的阻抗特性所力求達到的均勻性。站立期內的阻抗特別是不允許這樣程度地增高，使得由此例如在下樓梯時產生不安全的狀況。由溫度引起的阻抗改變并不是阻抗改變的唯一控制參數，相反提出，將這種由溫度引起的阻抗改變與功能性的阻抗改變疊加。人造關節、例如膝關節或踝關節通過多個參數與環境相關地被控制，從而所謂的功能性阻抗改變可通過由于溫度導致的阻抗改變補充，所述功能性阻抗改變例如基于行走速度、行走狀況或類似情況進行。此外可提出，在達到或超過溫度閾值時輸出報警信號，以便讓假肢或矯形器的使用者意識到關節或阻抗裝置處于臨界的溫度范圍內。所述報警信號可作為觸覺、視覺或聲學的報警信號輸出。同樣也可以設置不同輸出可能性的組合。優選測量所述阻抗裝置的溫度并且將其用作控制基礎，對此替代地也可使其他裝置經歷溫度測量，如果這些裝置具有溫度臨界特性的話。如果例如控制電子裝置對于溫度 置相應的溫度傳感器。如果單個的部件例如由于所使用的材料而對于溫度敏感，則建議，在相應的部位上設置測量裝置以便能夠獲得相應的溫度信號。可設置調節裝置，通過所述調節裝置使阻抗改變的程度改變。例如可基于求得的數據例如假肢或矯形器使用者的重量或落地時求得的軸向力識別必須進行超比例地高的阻抗改變。同樣也存在的可能性是，設置手動的調節裝置，通過所述手動的調節裝置進行相應的阻抗改變，從而可根據設定的或求得的數據按情況發展趨勢進行較大或較小的阻抗改變。根據本發明，還提出了一種用于執行上述方法的設備，本發明提出，存在可調節的阻抗裝置以及控制裝置和傳感器，所述阻抗裝置布置在人造矯形關節或假肢關節的兩個鉸接地彼此支承的部件之間，所述傳感器檢測所述設備中的狀態信息。設置至少一個溫度傳感器和調節裝置，其中，通過所述調節裝置能夠激活和/或去活與溫度有關的阻抗改變。由此能夠可選地進行溫度控制的阻抗改變并且有意地激活或去活例如膝蓋控制方法的該特別的功能或附加功能。


下面借助于附圖對本發明的實施例進行詳細說明。圖I在站立期中阻抗增加時的特征參量的特性；圖2在邁步期中阻抗降低時的特征參量的特性；圖3在平面中行走時的膝蓋角度變化和阻抗曲線；以及圖4在斜面中行走時的膝蓋角度變化和阻抗曲線。
具體實施例方式在圖I中示范性地在圖表中示出在假肢膝關節的情況下在站姿中的特征參量膝蓋力矩M、功率P和速度V與阻抗R的關系。在此，在假肢膝關節中設置阻抗裝置和促動器，通過所述促動器可改變抵抗屈曲和/或伸張的阻抗。除了假肢之外還可以使用相應地配備的矯形器，同樣，另外的關節裝置也可以作為應用領域，例如髖關節或腳關節。在阻抗裝置中通常將機械能轉換為熱能，以便制動小腿部相對于大腿部的運動，對于其他關節也是這樣。在此阻抗裝置的溫度取決于在站立期間施加的功率P的大小。所述功率P取決于有效的膝蓋力矩M和速度V，膝關節以所述速度屈曲。所述速度又取決于阻抗R，所述阻抗通過未示出的阻抗裝置抵抗站立期內的相應運動。特別是在斜坡上或樓梯上向下行走時，在斜坡或樓梯的情況下阻抗裝置典型地最強地變熱，如果在站立期中在腳跟著地之后提高屈曲阻抗并且在進一步的過程中在開始伸展運動的情況下提高伸展阻抗，則關節部件彼此間的運動速度并且從而阻抗裝置的運動速度降低。通過超比例強地降低速度V使得功率P在站立期間盡管力矩M增大也降低，從而使得待轉換的能量根據降低的功率P而減少。相應地，在冷卻保持不變的情況下，阻抗裝置或溫度被監控的部件的溫度降低。在圖2中示出所描述的特征參量與阻抗R在邁步期中的關系。在阻抗R在邁步期中降低的情況下，速度V、膝蓋力矩M并且從而施加的功率P降低，從而使得待轉換的能量減少。相應地，阻抗裝置的溫度在邁步期阻抗降低的情況下也降低。圖3在上部的圖表中示出膝蓋角度KA在時間t上的變化，以所謂的“足跟著地(heel strike)”即腳跟著地開始，所述腳跟著地通常在膝關節伸直的情況下實施。在腳落地期間進行膝關節的輕微屈曲，即所謂的站立期屈曲，以便緩和腳的落地以及腳跟著地。在腳完全落地之后，膝蓋完全伸直，直到達到所謂的“膝休息(knee break) ”為止，這時膝關節屈曲以便使膝關節向前運動并且在前腳上滾動。從所述“膝休息”起，膝蓋角度KA提高到邁步期的最大膝蓋角度，以便然后在屈曲的腿和假肢腳前置之后又過渡到伸張狀態中，并且然后又以腳跟落在地上。該膝蓋角度變化對于在平面中行走是典型。在下部的圖表中示出阻抗R與時間t的關系，與相應的膝蓋角度相對應。是存在伸張阻抗還是存在屈曲阻抗，這取決于膝蓋角度變化曲線，在膝蓋角度增大的情況下，起作用的是屈曲阻抗，在膝蓋角度減小的情況下，起作用的是伸展阻抗。在“腳跟著地”之后存在相應高的屈曲阻抗；在倒轉過來運動之后存在高的伸展阻抗。在“膝休息”的情況下降低阻抗以便簡化膝蓋的屈曲和前置。由此簡化行走。在阻抗在“膝休息”的情況下降低時，將阻抗在邁步期的一部分上保持在低水平上，以便簡化假肢腳的向后邁步。為了使得邁步運動不過大，在達到膝蓋角度最大值之前提高屈曲阻抗并且在達到膝蓋角度最大值和運動倒轉之后將伸展阻抗降低到邁步期屈曲的低水平上。伸展阻抗的阻抗降低也在邁步期中在伸展運動期間保持，直到“腳跟著地”前不久。在達到完全伸直前不久重新提高阻抗，以便避免猛烈撞擊在伸張止擋中。為了在假肢腳落地時獲得足夠的安全性以防止不受控制地彎曲，也將屈曲阻抗提高到高水平上。如果現在提高屈曲阻抗(這通過虛線表示)，則膝蓋角速度變慢并且由此假肢使用者的行走也變慢。在“腳跟著地”之后在站立期屈曲期間跟隨著僅僅一個相對小的屈曲和緩慢的伸張，這使得浪費的能量少。在達到膝蓋角度最大值之前屈曲阻抗的升高以比在標準阻尼的情況下不顯著的方式進行，這通過向下指向的箭頭表示。由此，小腿并且從而假肢腳進一步大幅揮動，從而在“腳跟著地”之間存在較大的時間間隔。屈曲阻抗在邁步期屈曲期間的降低也導致行走速度的降低。 在邁步期伸展結束時、也就是在落地和“腳跟著地”前不久，伸展阻抗與標準水平相比降低。也就是規定，伸張阻抗降低，從而使得小腿部更快速地進入到伸直狀態中，使得功率P并且從而使得散失的能量減少。在站立期間在“腳跟著地”和“膝休息”期間可不僅提高屈曲阻抗而且可提高伸展阻抗，以便降低站立期間的屈曲并且從而降低浪費的能量。在圖4中在上半部分示出在斜坡上行走時的膝蓋角度變化曲線，在此在傾斜的斜坡上行走。在“腳跟著地”之后將膝蓋角度KA連續增大到膝蓋角度最大值。該角度變化在交替下斜坡時出現。膝蓋承擔佩戴者的重量，緩慢地下降并且由此使得對面側卸載。在達到膝蓋角度最大值之后進行膝蓋和小腿的快速前置，直到完全伸直為止，這引起重新的“腳跟著地”。屈曲阻抗在此在進一步的過程中保持在恒定的高水平上，直到該屈曲阻抗然后降低以便允許膝蓋屈曲并且從而允許假肢腳抬起并且允許向回邁步為止。所述往回邁步在達到阻抗的最小值之后進行一直到達到阻抗的最大值為止。接著將伸展阻抗保持在低的阻抗水平上，直到該伸展阻抗在落地前不久重新提高為止。如果現在在阻抗裝置中出現升高的溫度，則提高站立期中的阻抗以便確保緩慢的 行走速度和緩慢的屈曲。在達到邁步階段并且假肢腳前置之后也降低伸展阻抗，這同樣導致散逸能量的降低。
權利要求
1.一種用于利用阻抗裝置控制人造矯形或假肢關節的方法，給所述阻抗裝置配置至少一個促動器，通過所述促動器根據傳感器數據改變屈曲阻抗和/或伸張阻抗，其特征在于，所述阻抗根據至少一個測量到的溫度信號改變。
2.根據權利要求I的方法，其特征在于，所述人造關節構造為下肢的關節并且在站立期間在溫度升高的情況下提高阻抗。
3.根據權利要求I或2的方法，其特征在于，所述人造關節構造為下肢的關節并且在邁步期間在溫度升高的情況下降低屈曲阻抗。
4.根據上述權利要求之一的方法，其特征在于，在達到或超過溫度閾值時，所述阻抗改變。
5.根據上述權利要求之一的方法，其特征在于，所述阻抗隨著溫度的改變而連續改變。
6.根據上述權利要求之一的方法，其特征在于，將由溫度引起的阻抗改變與功能性的阻抗改變疊加。
7.根據上述權利要求之一的方法，其特征在于，在達到或超過溫度閾值時輸出報警信號。
8.根據上述權利要求之一的方法，其特征在于，測量所述阻抗裝置的溫度并且將其用作控制基礎。
9.根據上述權利要求之一的方法，其特征在于，設置調節裝置，通過所述調節裝置使阻抗改變的程度改變。
10.一種用于執行根據上述權利要求之一所述方法的設備，具有可調節的阻抗裝置，所述阻抗裝置布置在人造矯形關節或假肢關節的兩個鉸接地彼此支承的部件之間，存在控制裝置和傳感器，所述傳感器檢測所述設備的狀態信息，其特征在于，設置至少一個溫度傳感器和調節裝置，通過所述調節裝置能夠激活和/或去活與溫度有關的阻抗改變。
全文摘要
本發明涉及一種用于利用阻抗裝置控制人造矯形或假肢關節的方法，給所述阻抗裝置配置至少一個促動器，通過所述促動器根據傳感器數據改變屈曲阻抗和/或伸張阻抗。本發明提出，所述阻抗根據至少一個測量到的溫度信號改變。
文檔編號A61F5/01GK102711672SQ201080051505
公開日2012年10月3日 申請日期2010年11月12日 優先權日2009年11月13日
發明者C·波普, M·賽伊, P·肯帕斯 申請人:奧托·博克保健產品有限公司