可控被动人工膝部制造技术

一种适于被接合到人体下肢的外骨骼(100)，其包括大腿连接件(102)、小腿连接件(104)以及允许大腿和小腿连接件(102、104)之间的屈曲和伸展的膝部关节(106)。被连接到膝部关节(106)的力矩产生器(156)包括绕簧(110)，其具有被接合到大腿连接件(102)的第一端部(112)，以及被接合到能够选择地定位绕簧(110)的第二端部(118)的电子致动器(116)的第二端部(118)。控制器(120)致使电子致动器(116)定位绕簧(110)，以基于通过传感器(164、166、168)产生的信号(212、214、216)来在大腿和小腿连接件(102、104)之间提供选择性的力矩。

Controlled passive artificial knee

An exoskeleton (100) suitable for being joined to the lower limbs of the human body comprises a thigh connector (102), a leg connector (104) and a knee joint (106) allowing flexion and extension between the thigh and the leg connectors (102, 104). The torque generator (156) connected to the knee joint (106) includes a coil spring (110), which has a first end (112) joined to the thigh connector (102) and a second end (118) of an electronic actuator (116) that selectively locates the second end (118) of the coil spring (110). The controller (120) causes the electronic actuator (116) to position the winding spring (110) to provide a selective moment between the thigh and leg connectors (102, 104) based on signals generated by sensors (164, 166, 168) (212, 214, 216).

【技术实现步骤摘要】
可控被动人工膝部本申请为申请号为：201380058337.1，申请日为2013年6月19日，专利技术名称为“可控被动人工膝部”的专利技术专利申请的分案申请。
本专利技术涉及人工下体假肢及矫正系统：更具体地，涉及外骨骼膝部，其能够用于多种矫正应用。
技术介绍
传统的膝踝足矫形器(KAFO)用于增加患者在负重行走阶段期间的稳定性。传统的KAFO将膝部锁定为完全伸展，这提供了稳定性。这种锁定的姿势导致患者的步行能力具有步态偏差，这会导致过度使用性损伤。姿态控制矫形器(SCO)允许膝部在步态周期的摆动期期间屈曲，并且在支撑期期间为了稳定性而防止膝部屈曲。通过允许膝部在摆动期期间弯曲，SCO允许更加自然的步态，这可以减少来自步态补偿的二期并发症，并且允许患者用较少的力气行走。存在一些姿态控制矫形器(现有技术)。Fillauer开发了一种重力致动的膝部关节锁定系统，以用于其摆动期锁定(SPL)矫形器(美国专利20030153854)。摆动期锁定使用被安装在大腿连接件(该构件与使用者的大腿一致地移动)上的简单的内部摆机构。随着大腿连接件移动，摆的摆动运动相对于大腿连接件锁定和解锁小腿连接件(该构件与使用者的小腿一致地移动)。这允许膝部关节针对步行周期的适当阶段锁定和解锁。自由行走矫形器(由Ottobock所售)和UTX矫形器(由Becker所售)基于所述原则工作。在支撑结束时，足部的背屈拉动在膝部关节处被连接到锁定机构的可控线缆。该拉动动作释放锁定机构，以用于摆动。当膝部被完全伸展时，锁定机构弹性负载并且锁定膝部。感应行走(由Ottobock制造)在膝部关节处使用绕簧，以用于锁定和解锁膝部。此矫形器包括两套传感器，其一个在膝部处用以测量膝部角度且另一个在踏板处用以测量足部和地板之间的力；替代外侧膝部关节的绕簧离合器，其用以提供制动能力来支撑解剖学的膝部关节；微处理器控制的释放器，其用于制动；电子电路；以及装在腰包中的电池组。在支撑期的后期，当重量已被转移到对侧并且为单体支撑做好准备时，踏板中的传感器释放绕簧离合器并且允许膝关节弯曲。膝部传感器检测足趾离地后膝关节的伸展并且发送信号到微处理器，以将绕簧离合器置于它的锁定位置。Horton姿态控制矫形器(美国6635024和美国200220169402)包括在推动杆的帮助下锁定和解锁膝部的锁定机构。该推动杆被置于足跟和膝部之间。推动杆在足跟着地时锁定膝部并且在支撑期结束时解锁膝部。该装置将膝部锁定为任意角度。专利技术公开本专利技术涉及外骨骼系统，其至少包括具有可控阻力矩的外骨骼膝部。特别地，本专利技术在此描述外骨骼膝部和它在多种外骨骼系统中的应用，其中两个表面之间的摩擦力被用来阻碍在步行周期的不同阶段中膝部的屈曲和伸展运动。通过控制两个表面之间的摩擦力，可以在某部分移动周期期间提供用于外骨骼膝部的任意阻力矩。在外骨骼膝部处产生阻碍力矩会减小佩带者在他/她的膝部处需要提供的力矩。另外，外骨骼膝部会在大部分支撑期期间去除佩戴者膝部的负荷。在此描述的外骨骼膝部不仅可以独立地佩戴在佩戴者的膝部上，也可与髋部、踝部或足部协作。这为多种医疗、民用和军事应用中的外骨骼膝部的使用提供了很大的灵活性。附图说明图1描述本专利技术的外骨骼的实施方式；图2描述外骨骼的实施方式，其中为了清晰起见移除了梏具；图3是图2的外骨骼的爆炸图；图4是描述绕簧接合到大腿连接件的爆炸图；图5描述图4的组装的接合；图6示出本专利技术的实施方式和它的控制器；图7描述大腿连接件或使用者的大腿相对于垂直重力线的绝对角度；图8描述使用者相对于垂直重力线的绝对大腿角度；图9示出预定的最大和最小大腿角度；图10示出阻力矩分布的实施方式；图11示出阻力矩分布的实施方式；图12示出与外骨骼控制有关的有限状态机；图13示出在下楼梯期间使用者相对于垂直重力线的大腿角度；图14示出在下楼梯期间的阻力矩分布；图15示出在上楼梯期间使用者相对于垂直重力线的绝对大腿角度；图16示出进一步包括第一踝足矫形器的本专利技术的实施方式；图17示出进一步包括第二踝足矫形器的本专利技术的实施方式；图18示出进一步包括第三踝足矫形器的本专利技术的实施方式；图19示出进一步包括第四踝足矫形器的本专利技术的实施方式；图20示出进一步包括外骨骼主体的本专利技术的实施方式；图21示出其他外骨骼主体的实施方式；图22示出进一步包括含有图16的踝足矫形器的外骨骼主体的本专利技术的实施方式；图23示出进一步包括含有图17的踝足矫形器的外骨骼主体的本专利技术的实施方式；图24示出进一步包括含有图18的踝足矫形器的外骨骼主体的本专利技术的实施方式；图25示出进一步包括含有图19的踝足矫形器的外骨骼主体的本专利技术的实施方式；图26示出本专利技术的实施方式，其中绕簧不受致动器约束并且沿着方向135自由移动；图27示出本专利技术的实施方式，其中绕簧不受致动器约束并且沿着方向135自由移动；以及图28示出与外骨骼控制有关的有限状态机的其他实施方式。实施本专利技术的方式图1示出外骨骼100的实施方式，其被接合到使用者101。外骨骼100包括大腿连接件102、小腿连接件104以及膝部关节106，该膝部关节106被配置为允许大腿连接件102和小腿连接件104之间沿着膝部轴线108的屈曲和伸展旋转。伸展旋转表示在小腿连接件104和大腿连接件102远离彼此移动时小腿连接件104和大腿连接件102的运动。箭头175示出小腿连接件104相对于大腿连接件102的伸展运动的方向。屈曲旋转表示在小腿连接件104和大腿连接件102靠近彼此移动时小腿连接件104和大腿连接件102的运动。在本专利技术的一些实施方式中，外骨骼100进一步包括允许接合到使用者的大腿155的大腿连接器150。在本专利技术的一些实施方式中，外骨骼100进一步包括允许接合到使用者的小腿154的小腿连接器152。在本专利技术的一些实施方式中，大腿连接器150和小腿连接器152包括梏具。虽然在图1中梏具被用于示范小腿连接件104和大腿连接件102接合到使用者的大腿155和小腿154，但是本领域的普通技术人员会理解的是，可以采用导致小腿连接件104和大腿连接件102与使用者的小腿154和使用者的大腿155一致的移动的许多方法和装置，通过小腿和大腿梏具接合只是导致一致的运动的一种方法。图2示出外骨骼100的实施方式，其中为了清晰起见移除了梏具150和152。图3是图2的外骨骼100的爆炸图，其中为了清晰起见移除了梏具。外骨骼100进一步包括绕簧110，其中绕簧110的第一端部112被接合到大腿连接件102。可以通过多种机械方法实现这种接合，然而，以下在图4和图5的帮助下描述这种接合的实施方式。通过盘体115和盖体122促进了绕簧110接合到大腿连接件102。图4示出盖体122、盘体115和绕簧110的其他视图。绕簧110的第一端部112被连接到盖体122。绕簧110被缠绕在盘体115周围。盘体115继而通过穿过孔113的四个紧固件(未显示)被固定到盖体122。定位螺钉142继而被用于保证绕簧110不会相对于盘体115旋转。盖体122通过穿过一组孔130和131(分别地显示在图3和4中)的紧固件(未显示)被接合到大腿连接件102。这种方法将绕簧110的第一端部112固定到大腿连接件102。此外，外骨骼100本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种被配置为接合到使用者的下肢的外骨骼，所述外骨骼包括：第一连接件，所述第一连接件包括第一连接器，以将所述第一连接件接合到使用者的大腿；第二连接件，所述第二连接件包括第二连接器，以将第二连接件接合到使用者的小腿；膝部关节，其被定位在所述第一连接件和第二连接件之间，并且被配置为允许所述第一连接件和第二连接件之间的屈曲和伸展；绕簧，其具有第一端部和第二端部，其中所述绕簧的第一端部被接合到所述第一连接件；柱体，其被接合到所述第二连接件，其中所述柱体的一部分位于所述绕簧内部，并且所述柱体的主轴线基本平行于所述绕簧的主轴线；至少一个电子致动器，其被接合到所述绕簧的第二端部；外骨骼主体，其能够配置为接合到所述使用者的上身，所述外骨骼主体包括：躯干连接件，其能够被接合到使用者的躯干；以及主体大腿连接件，其能够配置为可旋转地接合到所述躯干连接件；以及至少一个腿部传感器，其被定位在第一连接件和使用者的大腿的其中之一上，且产生用于控制器的腿部信号，其中所述腿部信号包括选自由表示所述第一连接件和所述第二连接件之间的角度的信号、表示所述第一连接件相对于所述第二连接件的速度的信号、表示所述第一连接件相对于垂直重力线的绝对角度的信号、表示所述第一连接件相对于垂直重力线的绝对速度的信号及其组合所组成的组中的信号，其中，所述控制器与所述电子致动器相通信；并且其中，所述控制器被设置为，使得在膝部屈曲的至少一个时间长度期间所述电子致动器选择性地定位所述绕簧的所述第二端部，以提供所述第一连接件和所述第二连接件之间的阻力矩。...

【技术特征摘要】
2012.09.07 US 61/697,9481.一种被配置为接合到使用者的下肢的外骨骼，所述外骨骼包括：第一连接件，所述第一连接件包括第一连接器，以将所述第一连接件接合到使用者的大腿；第二连接件，所述第二连接件包括第二连接器，以将第二连接件接合到使用者的小腿；膝部关节，其被定位在所述第一连接件和第二连接件之间，并且被配置为允许所述第一连接件和第二连接件之间的屈曲和伸展；绕簧，其具有第一端部和第二端部，其中所述绕簧的第一端部被接合到所述第一连接件；柱体，其被接合到所述第二连接件，其中所述柱体的一部分位于所述绕簧内部，并且所述柱体的主轴线基本平行于所述绕簧的主轴线；至少一个电子致动器，其被接合到所述绕簧的第二端部；外骨骼主体，其能够配置为接合到所述使用者的上身，所述外骨骼主体包括：躯干连接件，其能够被接合到使用者的躯干；以及主体大腿连接件，其能够配置为可旋转地接合到所述躯干连接件；以及至少一个腿部传感器，其被定位在第一连接件和使用者的大腿的其中之一上，且产生用于控制器的腿部信号，其中所述腿部信号包括选自由表示所述第一连接件和所述第二连接件之间的角度的信号、表示所述第一连接件相对于所述第二连接件的速度的信号、表示所述第一连接件相对于垂直重力线的绝对角度的信号、表示所述第一连接件相对于垂直重力线的绝对速度的信号及其组合所组成的组中的信号，其中，所述控制器与所述电子致动器相通信；并且其中，所述控制器被设置为，使得在膝部屈曲的至少一个时间长度期间所述电子致动器选择性地定位所述绕簧的所述第二端部，以提供所述第一连接件和所述第二连接件之间的阻力矩。2.根据权利要求1所述的外骨骼，其中，所述第一连接件能够配置为与使用者的大腿一致的移动，并且所述第二连接件能够配置为与所述使用者的小腿一致的移动。3.根据权利要求1所述的外骨骼，其中，所述阻力矩通过所述柱体的表面和所述绕簧的表面之间的摩擦接触而产生。4.根据权利要求1所述的外骨骼，其中，所述柱体的外径稍大于所述绕簧的内径，以致当所述绕簧的所述第二端部不被接合到所述电子致动器时，所述绕簧的内表面的至少一部分将与所述柱体的外表面接触。5.根据权利要求4所述的外骨骼，其中，在膝部伸展期间所述绕簧的所述第二端部不受所述电子致动器约束并且自由移动。6.根据权利要求5所述的外骨骼，其中，所述膝部关节总是自由伸展。7.根据权利要求1所述的外骨骼，其中，所述电子致动器被接合到所述第一连接件。8.根据权利要求1所述的外骨骼，其中，所述腿部传感器包括选自由电位计、磁编码器、光编码器、线性可变差动变压器、电容位移传感器、涡电流接近传感器、可变电感接近传感器、摇臂开关、滑动开关、加速计、惯性测量单元、陀螺仪、磁力计及其组合所组成的组中的元件。9.根据权利要求2所述的外骨骼，其进一步包括能够被接合到所述使用者的足部的踝足矫形器。10.根据权利要求9所述的外骨骼，其中，所述踝足矫形器能够连接到所述第二连接件。11.根据权利要求9所述的外骨骼，其中，所述踝足矫形器包括内部或外部踝足矫形器。12.根据权利要求9所述的外骨骼，其中，所述踝足矫形器包括选自由刚性AFO、障碍AFO、铰链AFO、非铰链AFO、跖屈止动AFO、标准后片弹性AFO、能量返回AFO、柔性AFO、具有落叶松屈曲的AFO、具有抗距骨的AFO、AFO抗距骨、具有自由运动踝部关节的AFO、具有可调的刚性踝部关节的AFO、具有弹簧承载踝部关节的AFO以及具有可调的弹簧承载踝部关节的AFO所组成的组的内部踝足矫形器或外部踝足矫形器的组合。13.根据权利要求1所述的外骨骼，其中，所述主体大腿连接件被接合到所述第一连接件。14.根据权利要求1所述的外骨骼，其进一步包括能够在所述躯干连接件和所述主体大腿连接件之间提供力矩的致动器。15.根据权利要求1所述的外骨骼，其进一步包括能够被接合到使用者的足部的踝足矫形器。16.根据权利要求15所述的外骨骼，其中，所述踝足矫形器被接合到所述第二连接件。17.根据权利要求15所述的外骨骼，其进一步包括能够在所述躯干连接件和所述主体大腿连接件之间提供力矩的致动器。18.根据权利要求15所述的外骨骼，其中，所述踝足矫形器包括内部或外部踝足矫形器。19.根据权利要求15所述的外骨骼，其中，所述踝足矫形器包括选自由刚性AFO、障碍AFO、铰链AFO、非铰链AFO、跖屈止动AFO、标准后片弹性AFO、能量返回AFO、柔性AFO、具有落叶松屈曲的AFO、具有抗距骨的AFO、AFO抗距骨、具有自由运动踝部关节的AFO、具有可调的刚性踝部关节的AFO、具有弹簧承载踝部关节的AFO以及具有可调的弹簧承载踝部关节的AFO所组成的组的内部踝足矫形器或外部踝足矫形器的组合。20.一种被配置为接合到使用者的下肢的外骨骼，所述外骨骼包括：大腿连接件，其被配置为与使用者的大腿一致的移动；小腿连接件，其被配置为与使用者的小腿一致的移动；膝部关节，其被定位在所述大腿连接件和小腿连接件之间，并且被配置为允许所述小腿连接件和所述大腿连接件之间的屈曲和伸展；力矩产生器，其被配置为在所述大腿连接件和所述小腿连接件之间、沿着屈曲方向产生可控的阻力矩；至少一个腿部传感器，其被定位在大腿连接件和使用者的大腿的其中之一上，至少一个腿部传感器能够产生用于控制器的腿部信号，所述腿部信号表示所述大腿连接件相对于线的绝对角度，该线选自由垂直重力线和基本平行于使用者躯干的线所组成的组；外骨骼主体，其能够配置为接合到所述使用者的上身，所述外骨骼主体包括：躯干连接件，其能够被接合到使用者的躯干；以及主体大腿连接件，其能够配置为可旋转地接合到所述躯干连接件；以及控制器，其与所述力矩产生器通信，其中所述控制器被配置为将所述外骨骼移动到阻力状态，其中在所述阻力状态下，所述力矩产生器响应所述大腿连接件和所述小腿连接件之间的屈曲而提供阻力矩。21.根据权利要求20所述的外骨骼，其中，所述力矩产生器被配置为通过使用第一摩擦表面和第二摩擦表面之间的摩擦力在所述大腿连接件和所述小腿连接件之间产生可控的阻力矩。22.根据权利要求21所述的外骨骼，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡马云·卡泽欧尼，韦恩·通，铉东进，斯蒂芬·麦金利，郑允静，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国,US