用于來自下肢矯形器的通信的人機(jī)接口的制作方法
【專利說明】用于來自下肢矯形器的通信的人機(jī)接口
[0001 ] 相關(guān)申請案的交叉參考
[0002]本申請案主張2013年11月12日提出申請的標(biāo)題為“用于步態(tài)輔助的矯形器(Orthoses for Gait Assistance)”的序列號為61/903,087的美國臨時(shí)申請案的權(quán)益。
【背景技術(shù)】
[0003]本發(fā)明涉及輔助具有受損肌肉功能或控制的患者進(jìn)行肌肉功能的康復(fù)及復(fù)原的矯形裝置。更特定來說，本發(fā)明涉及適合用于關(guān)于具有附器的受損神經(jīng)肌肉/肌肉功能的患者的治療用途的矯形裝置及這些矯形裝置的配置，包含但不限于包含加強(qiáng)附器的經(jīng)改進(jìn)功能以用于例如行走的活動的機(jī)動化支具系統(tǒng)及相關(guān)控制系統(tǒng)的矯形裝置。
[0004]數(shù)百萬個體患有行走能力的部分或全部喪失，從而導(dǎo)致受折磨個體的大大受損的可動性。此殘疾狀態(tài)可起因于外傷、中風(fēng)或?qū)е掠绊懠∪饪刂频奈蓙y的其它病況。不管起源，行走受損的開始及繼續(xù)可導(dǎo)致患病個體的額外消極身體及/或心理結(jié)果。為了改進(jìn)具有行走受損的患者的健康及生活質(zhì)量，可改進(jìn)或復(fù)原行走功能的裝置及方法的開發(fā)對于醫(yī)療及治療團(tuán)體具有重大效用。除行走受損之外，還存在干擾附器的肌肉控制從而導(dǎo)致受影響個體的功能喪失及其它不利狀況的一系列病況。改進(jìn)或復(fù)原這些額外功能的裝置及方法的開發(fā)也受到醫(yī)療及治療團(tuán)體的極大關(guān)注。
[0005]醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中正開發(fā)人類外骨骼裝置以使具有影響肌肉控制的紊亂的人的適當(dāng)肌肉功能復(fù)原及康復(fù)。這些外骨骼裝置可表示為可將力施加到穿戴者的附器的機(jī)動化支具的系統(tǒng)。在康復(fù)設(shè)定中，外骨骼由理療師及/或穿戴外骨骼的患者(其使用多個可能輸入中的一者來命令外骨骼控制系統(tǒng))控制。繼而，外骨骼控制系統(tǒng)致動機(jī)動化支具的位置，從而引起到外骨骼穿戴者的身體的力施加及通常外骨骼穿戴者的身體的移動。
[0006]外骨骼控制系統(tǒng)規(guī)定且控制外骨骼的關(guān)節(jié)的軌跡。這些軌跡可規(guī)定為基于位置的、基于力的或兩種方法的組合，例如在阻抗控制器中看到的那些?；谖恢玫目刂葡到y(tǒng)可直接通過規(guī)定位置的修改來修改外骨骼軌跡?；诹Φ目刂葡到y(tǒng)可通過規(guī)定力分布曲線的修改來修改外骨骼軌跡。外骨骼控制系統(tǒng)通過一系列外骨骼軌跡的使用來命令復(fù)雜外骨骼移動(例如行走)，其中越來越復(fù)雜的外骨骼移動需要一系列越來越復(fù)雜的外骨骼軌跡。這些系列的軌跡可為循環(huán)的，例如外骨骼關(guān)于每條腿采取一系列步伐，或其可為離散的，例如外骨骼從坐位起身為站位。
[0007]取決于患者的特定生理或康復(fù)階段，外骨骼在行走所需要的各種運(yùn)動中必須提供不同程度的輔助。對于一些患者(例如下身麻痹患者)，現(xiàn)代外骨骼的致動器必須提供行走所需要的所有力。然而，在其中患者具有某種功能的一些應(yīng)用中，僅僅在步態(tài)循環(huán)中在正確位置處沿正確方向提供推力可為足夠的。此種運(yùn)動輔助可比作推秋千上的小孩:所提供的推力不必為精確的，只要其既不小得使秋千的運(yùn)動衰減也不大得使秋千的運(yùn)動變得不穩(wěn)定。因此，外骨骼可能通過僅僅在步態(tài)循環(huán)的關(guān)鍵部分處提供某種輔助而促進(jìn)患者的行走。
[0008]在對其下肢具有受限制使用的人中，復(fù)原膝蓋的功能對于站立或行走功能的復(fù)原是關(guān)鍵的，因?yàn)橥仍诓痪哂邪l(fā)揮機(jī)能膝蓋的情況下無法承受重量。此在假肢領(lǐng)域內(nèi)是清晰的，其中最大努力及設(shè)計(jì)復(fù)雜度致力于膝蓋假肢的設(shè)計(jì)。在歷史上，膝蓋假肢首先并入有微處理器且稍后還并入有動力致動器。在矯形器領(lǐng)域中，常規(guī)機(jī)械裝置包含在膝蓋打直時(shí)鎖定且在稍后站立中解鎖使得人可在擺動期間彎曲其膝蓋的支具；這些裝置已可用達(dá)數(shù)十年，但最近進(jìn)展已使其更小且更可靠。較新矯形器(如假肢)已開始包含對于可變狀況允許較大穩(wěn)健性的微處理器。舉例來說，在傳統(tǒng)純機(jī)械矯形器中，通過在末期擺動中達(dá)到完全膝蓋伸展而觸發(fā)鎖定膝蓋以用于站立。然而，通過使用其它標(biāo)志器(例如使用加速度計(jì)尋找與支撐表面的撞擊)而使膝蓋在末期擺動中鎖定可為合意的，即使膝蓋伸展并非完全的。機(jī)械地設(shè)計(jì)此些行為是極其困難的，但用微處理器實(shí)施此些行為可為平凡的。存在此項(xiàng)技術(shù)已知的此些裝置的許多實(shí)例，此些裝置中的一些裝置可用于出售。
[0009]現(xiàn)有膝蓋矯形器裝置具有許多缺點(diǎn)。首先，站立控制膝蓋支具無法提供主動輔助以幫助人從坐著變?yōu)檎玖?。一些裝置具有給人的步態(tài)提供動力的能力。就是說，除具有可將膝蓋鎖定在固定位置處的微處理器之外，裝置還具有足夠大以將機(jī)械動力轉(zhuǎn)變成人的步態(tài)的致動器。所需要的額外復(fù)雜度是非平凡的:為實(shí)際的僅有致動系統(tǒng)是使用大(通常為大約1:100)傳動比的電動馬達(dá)，所述電動馬達(dá)將馬達(dá)的高速低扭矩運(yùn)動轉(zhuǎn)換成人類運(yùn)動所需的高扭矩低速運(yùn)動。在一些裝置中，此傳動裝置是滾珠螺桿裝置;在其它裝置中是諧波驅(qū)動器;且在其它裝置中是液壓栗及汽缸。在所有情形中，存在除致動以外的常見困難，所述困難在于裝置必須耦合到人。表面上，此可不表現(xiàn)為限制性因素，因?yàn)橐言O(shè)計(jì)如此多的無動力站立控制膝蓋支具，但實(shí)際上存在重要差異。站立控制的膝蓋支具僅經(jīng)設(shè)計(jì)以在膝蓋幾乎打直時(shí)支撐身體重量;在此情況中，由裝置抵抗的扭矩是小的。動力膝蓋支具可甚至在膝蓋角度很大時(shí)提供扭矩，且經(jīng)設(shè)計(jì)以產(chǎn)生通常類似于由人體產(chǎn)生的那些扭矩的極大扭矩。在這些情形中，嘗試耦合到人并非平凡問題，因?yàn)楸仨毻ㄟ^在大腿及小腿兩者處的人-裝置連接分解由裝置在膝蓋處產(chǎn)生的大扭矩。此連接通常是軟的，以便不傷害人，且因此施加高扭矩導(dǎo)致不合意人-裝置運(yùn)動。出于這種考慮，存在提供如下裝置的未滿足需求:動力膝蓋支具可通過所述裝置對耦合到膝蓋支具的人的膝蓋施加足夠大的力以便影響耦合到膝蓋支具的人行走，然而同時(shí)減小人與膝蓋支具裝置之間的相對運(yùn)動。此裝置還必須在不對耦合到所述裝置的患者產(chǎn)生過度不適或?qū)擂蔚那闆r下如此操作。
[0010]單獨(dú)具有動力膝蓋支具的矯形裝置可既不輔助腿的擺動，也不在站立期間輔助身體的推進(jìn)。生物力學(xué)上，髖部在兩個功能方面發(fā)揮作用:在站立期間幫助推進(jìn)人;及在擺動期間將腿拋向前。雖然已提議用來在行走期間輔助人的髖部運(yùn)動的裝置，但這些裝置是麻煩的，因?yàn)槠湫枰獙θ说母邉恿χ聞蛹?或緊密擬人化耦合。人類髖部是三個自由度關(guān)節(jié)，從而允許在所有三個旋轉(zhuǎn)軸上的運(yùn)動;且當(dāng)僅在失狀平面中需要用于行走的高動力時(shí)，通常必須在其它軸上提供無動力自由度以便允許正常行走。一些裝置用復(fù)雜機(jī)制來粗略估計(jì)這些自由度，且其它裝置僅僅鎖定這些自由度，從而約束人。因此，還存在提供如下矯形髖部裝置的未滿足需求:所述裝置允許輔助在擺動中的腿移動且在站立中的身體的推進(jìn)，但不限制圍繞髖部的自由度或不需要極度復(fù)雜、龐大、沉重機(jī)構(gòu)。
[0011]對于患有下肢衰弱(通常為但不總是中風(fēng)后)的一些人，阻止腳下垂是重要的，因?yàn)榉駝t人可在地面上拖拉其腳趾、姅?shù)辜暗?。因此，進(jìn)一步存在提供如下裝置的未滿足需求:所述裝置能夠在擺動期間可靠地抬起人的腳趾。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種下肢矯形裝置，所述下肢矯形裝置允許動力膝蓋支具對耦合到所述動力膝蓋支具的人施加足夠力以便在站立及行走兩者中提供輔助給所述人，其中此膝蓋支具能夠產(chǎn)生類似于由人體在行走期間產(chǎn)生的那些扭矩的極大扭矩，但這些扭矩不導(dǎo)致不合意人-裝置運(yùn)動。本發(fā)明的又一目標(biāo)是此動力膝蓋支具裝置在不對耦合到所述裝置的患者產(chǎn)生過度不適或?qū)擂蔚那闆r下起作用。
[0013]本發(fā)明的額外目標(biāo)是使下肢矯形裝置允許矯形髖部裝置提供如下輔助給所耦合患者:在擺動中的腿移動及在站立中的身體的推進(jìn)，但不限制圍繞髖部的自由度或不需要極度復(fù)雜且通常龐大或沉重機(jī)構(gòu)。
[0014]本發(fā)明的又一目標(biāo)是使下肢矯形裝置能夠在擺動期間可靠地抬起穿戴矯形器或外骨骼的人的腳趾，以便阻止所述人姅?shù)够虻埂?br>[0015]本發(fā)明的主要方面包括一種不僅僅在其小腿及大腿處耦合到人的動力膝蓋矯形器裝置，其中此裝置包含從致動模塊沿大腿的長度向上延續(xù)到髖部且沿小腿向下延續(xù)到腳踝的輕量翼樑，或其它剛性連桿機(jī)構(gòu)，其中此裝置具有分別與人的髖部及腳踝樞軸對準(zhǔn)的小的無動力樞軸，其中這些連接樞軸分別耦合到人的髖部及腳踝。當(dāng)人的髖部及腳踝處的耦合件距膝蓋非常遠(yuǎn)時(shí)，在那里受到反作用的力比在使矯形器力在小腿及大腿處受到反作用時(shí)小得多，且因此人與裝置之間的運(yùn)動小得多，從而允許給膝蓋的運(yùn)動提供動力的致動器提供更多力。
[0016]本發(fā)明的第二方面提供一種如下系統(tǒng):所述系統(tǒng)通過直接定位在大腿之間的致動裝置給外骨骼的髖部提供動力，因此避免骨盆連桿的復(fù)雜度及提供大腿旋轉(zhuǎn)及外展的需要。根據(jù)此方面，人的大腿通過致動器耦合使得設(shè)計(jì)不需要圍繞人的骨盆耦合。此實(shí)施例的變體借助不同封裝允許較高扭矩，其中從髖部上與人的髖部樞軸一致的位置進(jìn)行髖部之間的連接。
[0017]本發(fā)明的第三方面提供一種輔助穿戴外骨骼裝置的人的髖部移動的無源機(jī)構(gòu)。在最簡單實(shí)施例中，提供當(dāng)髖部非常彎曲時(shí)在末期站立期間嚙合且因此在擺動早期期間提供輔助的彈簧元件。
[0018]本發(fā)明的第四方面使穿戴外骨骼的人的髖部以使得動力從一個髖部轉(zhuǎn)移到另一髖部的方式耦合。根據(jù)本發(fā)明的此方面，髖部通過運(yùn)動逆轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(例如差動器