矫形脚件以及用于控制人造脚的方法

摘要

本发明涉及一种矫形脚件，具有一个小腿连接件、一个起踝关节(7)作用的旋转铰链(5)，人造脚件(10)借助该旋转铰链在背屈和跖屈方向上可转动地与连接件连接；具有一个影响围绕旋转铰链(5)的旋转运动的阻尼装置(17)；具有一个用于识别脚件动作状态的传感器装置以及一个与传感器装置连接的控制装置，该控制装置控制阻尼装置(17)。该任务的解决方案是，传感器装置具有一个测量连接件与脚件(10)之间角度的踝角度传感器、一个以铅垂线为参照的绝对角度传感器(20)和一个用于确定踝关节(7)上的转矩或者引起踝关节(7)上的转矩的力的力矩传感器(21)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种矫形脚件，具有一小腿连接件、一起踝关节作用的旋 转铰链，借助该旋转铰链，人造脚的脚件可在背屈方向和跖屈方向上可转 动地与该连接件连接；具有一影响绕该旋转铰链的旋转运动的阻尼装置； 具有一用于识别人造脚动作的动作状态的传感器装置并具有一与该传感器 装置连接的控制装置，该控制装置控制所述阻尼装置。本发明还涉及一种 用于控制这种矫形脚件的方法。

背景技术

已知，呈人造脚或脚矫形器形式的矫形脚件的控制应满足许多要求， 以便假肢佩戴者在行走过程中能够安全地使用人造脚并实现尽可能自然的 运动过程。例如希望，在行走过程中当脚跟着地时能够控制脚件落到支承 面上并且控制沿着前脚掌的滚动，假肢佩戴者的身体略微抬起。真脚在摆 动期间导致背屈，由此达到腿长缩短从而达到更容易的摆动。此外为了用 人造脚安全站稳还需要脚件与小腿连接件之间的角度有高度稳定性。但人 造脚的起踝关节作用的旋转铰链的对此有意义的闭锁应可调整，以使假肢 佩戴者能够以放松姿态站立在倾斜地面上或者站立具有较高后跟的鞋子 上。

例如通过US 2005/0197717A1已知，在行走周期过程中通过一个双螺 杆电机形式的执行器来控制踝角度。在此使用有助于通过确定的弹力实现 近似于自然步态的脚件。使用持续受驱动的电机形式的执行器需要给人造 关节供应大量电能。为此假肢佩戴者必须携带高性能的电池，该电池由于 必须高容量而体积大并且沉重。

此外已知，为了实施部分方面的控制，仅控制脚件相对于连接件的旋 转运动的阻尼。US 7,029,500B2为此设置了一种特殊的旋转铰链作为人造 脚的踝关节，其中利用一种磁流变液体来影响阻尼，其方式是，施加磁场 可使液体从低粘度变为高粘度，从而使阻尼从低阻尼变为高阻尼。这样达 到，将行走过程中自动出现的背屈或跖屈锁定并且保持一定时间。还可达 到，在坐时将该关节放松以调整跖屈，如真脚在坐时所进行的那样。

通过US 2002/0138153A1还知道，为了调整站立在倾斜地面上时的静 止角度或者针对与人造脚共同使用的鞋的不同后跟高度进行调整，使用一 个液压装置，在该液压装置中，液体在跖屈过程中从一个储液器流入另一 个储液器，而在背屈时向相反方向流动。在两个储液器之间的连接管路中 装入一个电磁线圈，它控制作为液压液使用的磁流变液体的粘度，从而可 以使阻尼从第一阻尼水平转换到第二阻尼水平。为了完成所提出的控制任 务，在此使用一个斜度传感器用于检测小腿件相对于铅垂线的倾斜并使用 一个触地传感器。触地传感器指示人造脚由于落在地面上而受到地面反作 用力。

发明内容

本发明的任务在于，提供一种开始所述类型的矫形脚件，它能够被这 样控制：使得能够比迄今通过仅被动控制对围绕踝关节的运动的阻尼更加 满足对矫形脚件性能的要求。

根据本发明，提出一种矫形脚件，具有一个小腿连接件；具有一个起 踝关节作用的旋转铰链，借助该旋转铰链，脚件在背屈方向和跖屈方向上 可转动地与所述连接件连接；具有一个影响围绕旋转铰链的旋转运动的阻 尼装置；具有一个用来识别矫形脚件动作状态的传感器装置并具有一个与 传感器装置连接的控制装置，该控制装置控制所述阻尼装置；其中，传感 器装置具有一个测量连接件与脚件之间角度的踝角度传感器、一个以铅垂 线为参照的绝对角度传感器和一个用于确定踝关节上的转矩或者引起踝关 节上的转矩的力的力矩传感器。

根据本发明，对于开头所述类型的矫形脚件，该任务这样解决：传感 器装置具有一个测量连接件和脚件之间角度的踝角度传感器、一个以铅垂 线为参照的绝对角度传感器和一个用于确定踝关节上的转矩或者引起踝关 节上的转矩的力的力矩传感器。

已经表明，仅使用三种类型传感器就能不仅在行走周期中而且在站立 期间以希望的方式通过对踝关节运动的阻尼的影响来实现对人造脚的控 制。如下所述，仅需少量传感器信号就足以清楚地得知脚的不同动作状态 并且这样调整脚：使得它能够模仿健康的真脚在行走周期中的运动并且在 站立期间仍能够获得稳定的站立感觉，即使在倾斜地面上或者具有不同的 后跟高度。此外表明，按照本发明设置的传感器的信号还足以可靠地控制 日常行走情况，如上、下楼梯和上、下坡以及倒走。

按照一种优选实施方式，阻尼装置具有在跖屈方向和背屈方向上分开 的并且可分开控制的阻尼器件。因此可以分开控制两个方向的运动。这使 得能够在不同旋转方向上并且例如与踝角度传感器的输出信号相关地不同 地处理阻尼。

在根据本发明的矫形脚件中，脚件完全地或者至少主要地刚性构成。 通过控制脚件相对于小腿连接件的旋转运动的阻尼实现脚件在站立时相中 的弹性运动。为此需要，阻尼装置能够调整到多个中间状态，最好能够连 续调整。通过控制装置中的相应程序来控制阻尼的调节，使得脚件相对于 小腿连接件的运动完全受控制地进行。因此不排除使用弹性件，它们避免 例如在脚跟着地时由弹性脚跟件引起的冲击式过渡。

一种变型方案在于，按照本发明的一个特别优选的实施方式，脚件由 一个通过踝关节与连接件连接的刚性的基件和一个与该基件铰链式连接的 前脚件构成。旋转铰链式铰接在基件前端部上的前脚件模仿真脚的脚趾在 趾关节中的运动，其中，由两个阀控制的阻尼缸一端铰接在小腿连接件上， 另一端在基件和前脚件之间的旋转铰链的附近铰接在前脚件上。在此，根 据前脚件的角度位置而定，阻尼缸对基件相对于小腿连接件的旋转运动的 阻尼作用或多或少被减速地传递。换句话说，对踝关节有效的基件杠杆长 度通过前脚件例如当在行走周期的站立时相中滚动时的弯折而改变。基件 杠杆长度的所确定的缩短由控制装置内的程序来考虑。

一方面在跖屈方向上、另一方面在背屈方向上对阻尼器件的分开控制 使得能够确定零点位置，控制从该零点位置起向两个方向的运动。该零点 位置可以手动地通过踝关节上的转换器来确定。该转换器可以是一个遥控 转换器，从而不必在脚上进行操作。

例如当矫形脚件的使用者将脚件与后跟高度改变了的其它鞋子配合使 用时，这种零点调整是有意义的。这样可以通过手动调整零点来无问题地 适配新的后跟高度。但也可以选择，控制装置根据传感器数据识别零点位 置并且阻尼器件可从该零点位置起被控制。

按照一种在实际中优选的实施方式，阻尼装置是一可流过液压液的液 压装置，在该液压装置中最好为了影响背屈方向上的流动而设置有一个背 屈阀并且为了影响跖屈方向上的流动而设置有一个跖屈阀。因此矫形脚件 在该优选实施方式中具有两个单向阀，液压液分别仅可在一个方向上流过 它们，以便能够实现可分开控制两个方向的运动。

本发明方法用于控制矫形脚件，该脚件具有：一个小腿连接件；一个 起踝关节作用的旋转铰链；该脚的脚件借助该旋转铰链在背屈方向和跖屈 方向上可转动地与连接件连接；一个影响围绕该旋转铰链的旋转运动的阻 尼装置；一个用于识别人造脚动作状态的传感器装置以及一个与传感器装 置连接的控制装置，该控制装置控制阻尼装置，根据本发明，该控制方法 的特征在于：测定一与旋转铰链上的踝关节力矩成比例的值、连接件与脚 件之间的踝角度以及脚件相对于铅垂线的绝对角度，根据这些测得的值， 借助阻尼装置控制该脚在行走站立时相中的滚动、脚件在行走摆动时相中 的位置以及脚件在直立期间的位置和可运动性。如果在跖屈之后在一预定 时间间隔内没有跟随背屈，则转换到站立姿态。

这时最好借助分开的阻尼器件分开地控制背屈方向的阻尼和跖屈方向 的阻尼。阻尼器件最好能够在行走期间优选连续地调整到多个中间位置。 该调整通过用于完全运动控制的控制装置的程序进行，该运动控制最好不 是由材料弹性引起。在此重要的是，阻尼器件的调整可以在考虑所测得的 踝角度或者绝对角度的情况下进行。

按照本发明的脚运动控制允许通过针对一个行走周期已测得的传感器 信号来影响该行走周期的参数。因此可以直接进行适配，使得一个行走周 期的参数不必如在迄今的主动控制中那样通过前一个行走周期的测得的参 数来控制。因此根据本发明例如能够容易地实现，在考虑脚件绝对角度(或 者说也考虑小腿连接件旋转角度传感器的信号)以及转矩传感器的测量信 号的情况下，在脚跟落在地面上时实施步长确定并根据所确定的步长来确 定刚好开始的行走周期的阻尼参数。例如可以根据所确定的步长来改变从 所确定的零点向背屈方向和跖屈方向的允许的踝关节旋转角。对踝关节旋 转运动的限制通过根据所测得的踝关节角度相应控制对应的阻尼器件来实 现。

根据本发明的测量信号组合允许通过由控制装置中的处理器适当分析 计算测量信号来区别行走和站立。即，当踝关节力矩从负值开始达到接近 零的值并且绝对角度达到并保持零时，判定为从行走到站立的过渡。在放 松地站立时，小腿或者身体重心线处于铅垂位置。从站立到行走的过渡由 此判定：踝关节力矩接近零、绝对角度超过不同于站立的阈值并且绝对值 随时间的变化超过阈值。这时，反映开始行走时腿的向前摆动的绝对角度 测量值已经可以用于间接确定步长，因为小腿向前摆动时出现的绝对角度 与步长成正比。

本发明方法还能够在行走周期期间适当地控制人造脚，这在下面还要 详细解释。

所描述的人造脚构造有脚件，该脚件也包括一由基件和一与基件铰接 式连接的前脚件，该构造允许在其它情况下不可能的区分鞋后跟高度和相 应倾斜的地面。

前脚件在地面倾斜的情况下保持在被复位弹簧张紧的伸开的位置中， 而具有高后跟的鞋导致前脚件相对于基件处于弯曲位置中。因此，反映前 脚件相对于基件的角度位置的附加角度传感器可以区别“倾斜地面”与“后 跟高度”。

如果没有设置这样的传感器，则仅需在穿上鞋时按后跟高度进行调整 的事实由此来考虑：在该时刻给控制装置传送一个信号，利用该信号来确 定由后跟高度引起的该当前站立状态的旋转铰链零点位置。因此为控制装 置设置一个转换信号，该转换信号最好可借助遥控装置由假肢佩戴者传送 给控制装置。

最好使用一被液压液流过的液压装置作为阻尼装置，其中，针对两个 运动方向分开地设置和控制的阻尼器件通过液压单向阀(跖屈阀和背屈阀) 构成。

此外，根据本发明使用的传感器装置允许确定当时的零点，从而可以 在行走周期自身期间就已经进行新零点的适配。

附图说明

下面要借助于附图中所示实施例对本发明进行详细描述。附图表示：

图1根据本发明的脚假肢的第一实施例的示意性视图；

图2根据本发明的脚假肢的第二实施例的示意性视图；

图3根据本发明的脚假肢的第三实施例的示意性视图；

图4根据本发明的脚假肢的另一个结构详细的实施形式的俯视图；

图5根据图4的脚假肢的平行于矢状面的竖直剖面。

具体实施方式

在图1中所示的实施例中，固定件1构造有一个校准突出部2，该校准 突出部呈具有四个斜面的倒棱锥台的形式。固定件1构成一个向下敞开的 罐，双臂杠杆4的向上伸的接片3伸入到该罐中。双臂杠杆可以围绕转动 铰链5转动，该转动铰链的转动轴线6同时构成人造脚的踝关节的轴线。 转动铰链5设置有一个角度传感器7。双臂杠杆4具有一个刚性的向下伸的 突出部8。

在固定件1的向下敞开的罐中，通过接片3构成的中间空间通过相对 硬的弹性材料9填充，由此，固定件1的运动仅稍微受到阻尼地传递给双 臂杠杆4的接片3的运动。因此，突出部8跟随固定件1的运动，但是由 于弹性材料9而稍微受到阻尼。

另外，构成踝关节的转动铰链5承载一个主脚件10，该主脚件也是一 个双臂杠杆，该双臂杠杆以一个后杠杆臂11延伸到脚的脚后跟区域中，在 那里，倾斜地向后下方延伸的后杠杆臂11设置有一个被大致水平地弯圆的 端部12。

主脚件具有一个从踝关节5向前延伸的前杠杆臂13，该前杠杆臂几乎 直线形地从踝关节5向前稍微倾斜向下伸展地延伸，由此，主脚件10被构 造得朝踝关节5向上拱曲并且从踝关节5向后倾斜地下降到脚后跟区域中 以及向前倾斜地下降到前脚区域中，其中，向脚后跟区域中的倾斜下降比 向前脚区域中的倾斜下降陡。

主脚件10的前杠杆臂13在前脚区域的开始处终止并且在那里承载一 个转动铰链14，一个模拟脚趾区域的前脚件15通过该转动铰链可转动地铰 接在主脚件的前杠杆臂13上。转动铰链14具有一个转动轴线，该转动轴 线相对于踝关节5的转动轴线6平行地在水平方向上延伸。因为前脚件15 模仿真脚的脚趾区域，所以该前脚件被构造得向前呈三角形地以一个尖部 结束。在转动铰链14下方在前脚件15上存在另一个转动铰链16，一个液 压缸17的活塞18的活塞杆通过该转动铰链铰接在前脚件15上。液压缸17 通过一个转动铰链19可转动地铰接在双臂杠杆4的向下伸的突出部8的自 由端部上，由此，转动铰链19设置在踝关节5下方并且稍微向前(朝前脚 区域15的方向)相对于该踝关节错开地设置。

踝关节5包括角度传感器7，该角度传感器用于测量踝角度，即(与小 腿对准地取向的)接片3与主脚件10的前杠杆臂13之间的角度。

另外，主脚件10的前杠杆臂13承载一个倾斜度传感器20，该倾斜度 传感器测定相对于地心引力(相对于铅垂线)的倾斜度。这种确定相对于 重力加速度的绝对倾角的倾斜度传感器20作为具有或不具有陀螺仪的加速 度传感器装置已经公知。

双臂杠杆4包括一个与校准突出部2对准的、即与患者(人造)小腿 对准的踝力矩传感器21，该踝力矩传感器测量作用在该部位上的转矩。

前脚件15在其后端部上设置有一个支承突出部22，该支承突出部用于 保持一个可承受拉负荷和压负荷的弹簧23，该弹簧以其另一个端部支撑在 主脚件10的前杠杆臂13上。弹簧23使得前脚件15在背屈之后复位，其 中，复位速度通过液压缸17确定。

液压缸17可构造成被动式执行器，其方式是，由活塞18引起的液压 流通过(未示出的)阀控制，其中，阀本身不仅可被接通和断开，而且可 针对确定的流量来控制。但也可以是，液压缸17构造成主动执行器，它不 需要从外部作用力即可导致前脚件15的调节。

图2中所示实施形式基本上相应于根据图1的实施形式。一个区别在 于：固定件1′与校准突出部2构造成一体，由此不再存在通过弹性材料9 所形成的弹性。取而代之，双臂杠杆4′的向下伸的突出部8′构造有一个材料 变薄部，由此，该突出部的承载转动铰链19的自由端部被设置得相对于双 臂杠杆4′的其余材料弹性地弹动。

不言而喻，根据第二实施形式的人造脚也如第一实施形式那样具有一 个装饰性外罩24。但这种装饰性外罩24对于第二实施形式和第三实施形式 没有重复示出。

在根据图3中所示第三实施形式的人造脚中，双臂杠杆4″也与校准突 出部2构造成一体。双臂杠杆4″的向下伸的突出部8如在第一实施形式中 那样也是刚性的。取而代之，液压缸17通过一个螺线弹簧25弹性地与双 臂杠杆4″的向下伸的突出部8相连接。由此，与液压缸17的作用串联地实 现弹性，该弹性在图1中所示实施形式中通过弹性材料9实现，在图2中 所示实施形式中通过弹动的突出部8′实现。第三实施形式的所有其余部分 都相应于第一实施形式的所有其余部分。

图4和图5中所示实施例允许看到带有棱锥体状的校准突出部2的固 定件1。在固定件1中存在弹性材料9，该弹性材料减震地与双臂杠杆4的 向上伸的接片3共同作用。在该实施形式中，双臂杠杆4的向下伸的突出 部8在行走方向上在踝关节5后面延伸并且在那里通过转动铰链19铰接在 液压缸17上。活塞18在液压缸17中可纵向移动地运动，该活塞穿过一个 位于液压缸17中的轴承26伸出来并且与前脚件15的另外的转动铰链16 相连接。另外，踝关节5支承着主脚件10，该主脚件在此构造成刚性壳体 的形式并且具有一个向后指向的弹性杠杆11作为脚后跟杠杆。脚件10与 脚后跟杠杆11由此可以共同围绕踝关节5相对于固定件1并且相对于双臂 杠杆4摆动。固定件1与脚件10之间的摆动运动通过双臂杠杆4和液压缸 17控制和阻尼。活塞18的活塞杆18′在前脚件15上的铰接在此仅仅引起对 构成脚趾板的前脚件15的附加控制，但该铰接仅稍微改变对主脚件10的 控制，因为所述另外的转动铰链16设置在前脚件15与主脚件10之间的转 动铰链14的紧附近。液压缸17设置有两个控制阀27、28，这些控制阀设 置在液压缸17的上侧。控制阀27、28与液压缸17的处于活塞18两侧的 腔29、30相连接，其中，一些(未示出的)止回阀负责：通过第一控制阀 27仅可进行液压液体从后腔29到前腔30的流动，由此可实现活塞18到液 压缸17中的插入运动，这相应于主脚件10相对于固定件1的跖屈。另一 个控制阀28通过一些止回阀仅可实现从前腔30到后腔29中的液压流，由 此可实现活塞18从液压缸17抽出，即转动铰链19、16之间的距离变长。 这相应于固定件1与主脚件10之间的背屈。同时，通过转动铰链16相对 于转动铰链14向前的移动使得前脚件15抬起。

人造脚的功能对于所示实施形式相同。通过用于测量踝角度、踝力矩 以及绝对倾角的传感器装置可以测定和区别人造脚的重要的功能状态，其 中，一方面分析处理用于测定(固定件1、1′、1″与主脚件10之间的)踝角 度的踝角度传感器的信号，另一方面分析处理对应的踝角速度。

因此，通过确定踝力矩过零点时的踝角速度，例如可识别用人造脚是 在行走还是在站立。如果踝力矩过零点时的踝角速度低于一个阈值，则这 被识别为“站立”并且液压缸17形式的执行器借助于阀被调节到一个高的 阻力，通过该高的阻力可形成背屈止挡。

向下倾斜的倾斜度或者后跟高度的识别通过主脚件10的中脚区域中的 倾斜度传感器20在踝力矩过零点时确定。

如果探测出在平面上行走，则负责脚跖屈的阀保持在半开启位置中， 而确定背屈的阀随着踝角度的增大而闭合，以便形成背屈止挡。

如果探测出上坡行走，则在此允许前脚件15背屈幅度增大。

如果在行走时在摆动时相之后并且在站立时相开始时尤其是通过负的 踝力矩探测出脚后跟着地，则这样控制用于跖屈的阀，使得该阀随着跖屈 方向上的踝角度增大而闭合并且由此形成用于跖屈的止挡。

如果在站立时相结束时探测出脚趾离地(在踝角度增大时踝力矩下 降)，则用于背屈的阀在一段死区时间之后完全开启，以便在摆动时相中 通过一个弹性元件触发前脚件的抬起(脚趾抬起)。

从这些例子可以看出：在站立时和在行走时对人造脚的重要控制也可 以根据地面倾斜度或者后跟高度来正确地进行，其中，通过液压缸控制运 动阻力就足够了。但替换地也可以设置伺服元件意义上的主动执行器。

在一个用于识别脚假肢运动状态以及由此产生的控制的实施例中实现 下列功能：

辨别站立-行走

站立与行走之间的辨别通过下列判据进行：

1.识别摆动时相

通过踝力矩近似为零来识别摆动时相，因为脚在摆动时相中不承受负 荷。

脚件10的绝对角度超过一个针对站立可个别确定的阈值。另外，绝对 角速度超过一个确定的阈值。

2.在向前摆动状态中识别脚后跟着地

探测到负的踝力矩(跖屈地)。与针对站立个别确定的阈值相比较， 绝对角度信号相应于向前摆动的脚。

可选择，可通过踝角速度来表明脚后跟着地时的跖屈。

3.返回到站立

在探测出脚后跟着地之后，脚件10的绝对角度保持在针对站立个别确 定的阈值内。作为替换方案或补充，可以将运动方向在中间站立时相中从 背屈向跖屈的主动换向识别为站立的判据。

当探测出站立时，这样调节控制阀27、28，使得针对站立产生向腹侧 和背侧的窄的角度(零点位置)的止挡。对于行走周期，使向背侧的止挡 移动并且根据步长调节用于跖屈和背屈的阻尼特性。

辨别平面-斜坡

在行走周期中的中间站立时相开始时、即整个脚落到地面之后所测量 的绝对角度大于或小于针对在平面上行走所确定的绝对角度值范围。

按照所确定的斜坡倾斜度改变背屈止挡，并且根据绝对角度和预测步 长对跖屈时的阻尼特性和背屈时的阻尼特性进行调节。

识别后退行走

后退行走识别包括向后摆动时相的识别以及在返回状态中前脚着地的 识别。

1.识别向后摆动时相

在所测量的踝力矩近似为零时，绝对角度信号相应于相对于站立返回 的脚(倒退)并且绝对角速度超过一个确定的阈值。

2.识别返回状态中的前脚着地

测量到较大的正的踝力矩。

根据所测量的值使向背侧的止挡移位并且根据前脚着地时的绝对角度 对跖屈时的阻尼特性和背屈时的阻尼特性进行调节。

适配于不同的后跟高度

优选通过在一个手动触发的触发信号期间读出绝对角度信号来确定后 跟高度。与绝对角度成比例地调节用于控制阀27、28的零点。

作为对此的替换方案，也可以通过测量前脚件15相对于主脚件10的 角度来在具有铰接式连接的前脚件15的人造脚中由斜坡倾斜度确定后跟高 度。这是本发明范围内的一个附加选项。

站立在倾斜的地面上

当踝力矩经历一个过零点时，测量在运动方向从跖屈向背屈换向时的 绝对角度。据此，根据地面倾斜度通过控制阀27、28使用于控制液压缸17 的背屈止挡移位。

识别楼梯行走

如果绝对角度传感器20由两个用于彼此垂直的加速度分量的加速度传 感器组成并且加速度分量可以单独地输出，则可以确定主脚件10竖直地走 过的行程和水平地走过的行程。行程距离通过关于相应的加速度分量的二 次积分来确定。在这些情况下可以进行上楼梯和下楼梯的辨别并且据此调 节用于跖屈时的阻尼特性的止挡和用于背屈时的阻尼特性的止挡。

以类似方式可以利用加速度来调节不同行走速度下的行走，其方式是 相应地改变向背侧的止挡以及跖屈时的阻尼特性和背屈时的阻尼特性。