经股的假肢系统和用于操作该系统的方法 相关申请
本申请要求 2008 年 3 月 24 日提交的申请号为 61/039,055 的美国临时申请的权 益， 是 2006 年 2 月 15 日提交的申请号为 11/355,047 的美国专利申请的部分继续申请 ( 代 理人案号 ： OSSUR.061A)， 该申请分别要求 2005 年 2 月 16 日和 2005 年 5 月 10 日提交的申请 号为 60/653,717 和 60/679,953 的美国临时申请的优先权， 并且是 2005 年 2 月 11 日提交的 申请号为 11/056,344 的美国专利申请的部分继续申请 ( 代理人案号 ： OSSUR.053A)， 该申请 分别要求 2004 年 2 月 12 日和 2004 年 7 月 15 日提交的申请号为 60/544,259 和 60/588,232 的美国临时申请的优先权。 上述申请中的每一件都通过引用其全部内容而并入本文并且应 该被认为是本说明书的一部分。
技术领域 本发明主要涉及假肢和矫形肢体， 并且另外涉及用于配置、 同步和优化病人携带 的假肢和矫形装置的自适应控制系统的系统和方法。
背景技术 全世界数以百万计的个人依赖于假肢和 / 或矫形装置以弥补残疾例如截肢或衰 竭并帮助恢复受伤肢体。 矫形装置包括用于身体可移动部分的支撑、 对齐、 阻止、 保护、 矫正 畸形或功能改善的外用装置。 假肢装置包括用作缺失的身体部分例如手臂或腿的人造替代 品的装置。
随着个人平均寿命的延长以及衰竭性疾病例如糖尿病的流行， 残疾人和截肢患者 的数量每年都在增长。因此， 对于假肢和矫形装置的需求也在增加。常规的矫形器经常被 用于支撑关节例如个人的脚踝或膝盖， 并且矫形器的动作通常完全取决于使用者的能量消 耗。 某些常规的假肢装有人工移动关节而与截肢患者没有任何交互的基本控制器并且只能 够进行基本动作。这样的基本控制器没有考虑工作环境的动态条件。这些常规的假肢和矫 形装置的被动性通常会导致动作的不稳定性、 残疾人或截肢患者身体上的高能量、 步态的 偏差以及其他短期和长期的负面效果。对于腿部的矫形器和假肢来说更是如此。
例如连接至人肢体的假肢和矫形装置也已从电子技术的进步当中获益。 电控的假 肢或矫形装置， 通常可以被称作 “机电式” 装置， 例如假肢脚踝或膝盖， 能够为装有这种系统 的病人提供更加安全和更为自然的动作。但是， 电子技术的进步看起来已经超越了控制系 统的进步。因此， 用于假肢系统的控制系统能够从智能结构中受益。
而且， 用于假肢和矫形系统的电子控制系统的发展形成了对于同步由单个病人佩 戴的多个装置例如假肢膝盖和假肢脚踝的系统和方法的需求。 彼此独立地操作多个控制系 统可能就无法给病人提供稳定、 协调的动作。 另外， 多个假肢装置的独立结构也可能是不方 便的。因此， 希望能有在这样的控制系统之间进行配置、 通信和同步的系统和方法。而且， 希望能有在这样的控制系统中增加、 替换或扩充软件部分的系统和方法。
发明内容 因此， 本发明的一个实施方式包括独立驱动并模仿健康肢体的自然动作并且特别 是模仿健康脚踝动作的假肢或矫形系统。 本发明的另一个实施方式包括管理假肢或矫形系 统动作以帮助残疾人或截肢患者移动的传感器系统和控制系统。
本发明的一个实施方式包括与肢体动作相关联的系统。在一个实施方式中， 该系 统包括足部单元 ； 具有上端和下端的连接元件， 其中下端被枢轴连接至足部单元的第一位 置； 以及有效连接至足部单元和连接元件的致动器， 其中致动器被设置用于主动调节连接 元件和足部单元之间的角度。例如， 足部单元可以是假肢或矫形装置。
本发明的另一个实施方式包括用于模仿脚踝自然动作的假肢系统。 在一个实施方 式中， 该假肢系统包括假肢足部 ； 连接至假肢足部第一位置的枢轴组件， 其中第一位置靠近 假肢足部的自然脚踝位置 ； 沿胫骨方向延伸的下肢元件， 下肢元件具有上端和下端， 其中下 肢元件的下端被有效连接至枢轴组件 ； 以及有效连接至假肢足部和下肢元件的致动器， 其 中致动器被设置用于围绕枢轴组件主动调节下肢元件和假肢足部之间的角度。
本发明的一个实施方式包括用于控制与肢体动作相关联装置的方法。 在一个实施 方式中， 该方法包括用至少一个传感器监测与肢体相连的可致动装置的动作 ； 生成指示所 述动作的数据 ； 用处理模块来处理数据以确定可致动装置当前的运动状态 ； 并根据确定的 运动状态来调节可致动装置， 其中所述调节包括充分地模仿健康脚踝的动作。 例如， 可致动 装置可以是假肢或矫形器。
本发明的另一个实施方式包括用于控制假肢脚踝装置的方法。在一个实施方式 中， 该方法包括用至少一个传感器监测可致动假肢脚踝装置的动作， 其中至少一个传感器 生成指示假肢脚踝装置动作的数据 ； 用控制模块来接收和处理数据以确定可致动假肢脚踝 装置当前的运动状态 ； 根据确定的运动状态用控制模块输出至少一种控制信号 ； 并至少根 据控制信号来调节可致动假肢脚踝装置， 其中所述调节包括充分地模仿健康脚踝的动作。
在一个实施方式中， 提供的假肢或矫形系统具有脚踝动作受控的足部。该假肢或 矫形系统当中包括下肢元件、 致动器和足部单元。致动器被设置用于通过调节下肢元件和 足部单元之间的角度来模仿脚踝的动作。 该假肢或矫形系统还包括帮助将下肢元件连接至 另一个假肢或矫形元件、 连接至截肢患者的残肢或者连接至另一部件的连接部分。该假肢 或矫形系统还可以包括可再充电电池以为系统的致动器或系统的其他部件供电。 本发明的 实施方式包括了用于经胫 (transtibial) 截肢患者和经股 (transfemoral) 截肢患者的系 统。
在本发明的另一个实施方式中， 假肢或矫形系统包括用于获取假肢或矫形装置的 位置和移动信息的传感器系统。 该信息可以被实时处理以预测假肢或矫形装置的合理动作 并因此调节假肢或矫形装置。
在本发明的一个实施方式中， 提供的系统结构具有传感器模块、 中央处理单元、 存 储器、 外部接口、 控制驱动模块、 致动器和脚踝装置。该系统结构可以通过外部接口从外部 来源例如使用者或电子装置接收指令和 / 或数据。
在一个实施方式中， 也可以提供控制系统来管理矫形器或假肢的动作。在一个实 施方式中， 控制系统管理致动器例如螺杆电机的动作。这样的动作控制可供使用者在上斜 面、 下斜面或楼梯上完成动作。 在一个实施方式中， 控制系统可以被设置用于通过传感器监
测健康肢体的动作并利用测量值来控制假肢或矫形器的动作。 控制系统还可以管理矫形器 或假肢的致动器或其他部分的阻尼。
在一个实施方式中， 提供了用于控制假肢或矫形装置致动的方法。该方法包括在 可致动的假肢或矫形装置上提供一个或多个传感器。 从传感器接收的数据被处理并用于确 定假肢装置当前的运动状态。处理单元利用至少一部分从传感器接收的数据， 随后预测假 肢或矫形装置的动作。在一个实施方式中， 提供假肢脚踝以模仿健康脚踝的动作。一个或 多个传感器可以包括例如陀螺仪和 / 或加速计。在本发明的另一个实施方式中， 除非是使 用者的运动类型被处理单元确定为具有高于预定阈值的安全问题， 否则不会对可致动假肢 或矫形装置进行调节。
在另一个实施方式中， 提供了用于识别矫形或假肢装置动作的方法。该方法包括 在装置移动时从安置在矫形或假肢装置上的一个或多个传感器接收数据。 根据通过传感器 接收的数据生成波形。 通过将该波形与用于特定动作类型的已知波形相关联来识别矫形或 假肢装置的具体动作。 例如， 已知波形可以由使用者输入或者从外部装置或系统中下载。 波 形可以被存储在假肢或矫形装置的存储器内。
在另一个实施方式中， 提供了用于致动脚踝辅助装置的方法。通过提供计算机控 制以提供装置第一和第二部分之间的相对动作来致动该装置。在一个实施方式中， 该装置 是矫形器。在另一个实施方式中， 该装置是假肢。在一个实施方式中， 计算机控制预测装置 的后续动作。在另一个实施方式中， 计算机控制从接收关于环境变量和 / 或假肢或矫形装 置动作或位置信息的至少一个传感器模块接收输入。在另一个实施方式中， 计算机控制从 接收关于健康肢体动作或位置信息的至少一个传感器模块接收输入。 本发明的一个实施方式包括被设置用于连接至肢体的装置。 该装置包括第一部分 和第二部分， 第一和第二部分相对于彼此可移动以模仿自然的人体关节。该装置还包括将 第一和第二部分连接在一起并且被设置用于调节第一和第二部分之间角度的致动器。 致动 器包括有效连接至定子的转子以及被设置用于旋转转子的电机， 其中致动器在步态循环的 所需阶段期间被选择性地锁定。
本发明的另一个实施方式包括被设置用于连接至肢体的装置。 该装置包括第一部 分和第二部分， 第一和第二部分相对于彼此可移动以模仿自然的人体关节。该装置还包括 将第一和第二部分连接在一起并且被设置用于调节第一和第二部分之间角度的致动器。 致 动器包括有效连接至定子的转子以及被设置用于旋转转子的电机。 该装置还包括用于使对 转子的摩擦最小化的装置。
本发明的又一个实施方式包括被设置用于连接至肢体的装置。 该装置包括第一部 分和第二部分， 第一和第二部分相对于彼此可移动以模仿自然的人体关节。该装置还包括 将第一和第二部分连接在一起并且被设置用于调节第一和第二部分之间角度的致动器。 致 动器包括有效连接至定子的转子以及被设置用于旋转转子的电机， 其中电机被围绕转子设 置。
本发明的另一个实施方式包括被设置用于连接至肢体的假肢装置。 该装置包括假 肢足部和连接至假肢足部的枢轴组件， 枢轴组件模仿自然的人体脚踝关节。该装置还包括 具有上端和下端的支撑元件， 其中支撑元件下端被有效连接至枢轴组件。假肢装置还包括 有效连接至假肢足部和支撑元件的致动器， 致动器被设置用于围绕枢轴组件调节支撑元件
和假肢足部之间的角度， 其中致动器在假肢足部步态循环的所需阶段期间被选择性锁定。
在又一个实施方式中， 提供的致动器包括围绕致动器主轴延伸的狭长元件。致动 器还包括可旋转地连接至狭长元件的转子和有效连接至转子的定子。 至少一块磁铁被设置 在转子和定子之间， 磁铁被设置用于在转子和定子之间施加磁力。致动器还包括被设置用 于相对于狭长元件转动转子的电机， 其中至少一块磁铁被设置用于最小化转子和定子之间 的摩擦。
在本发明的另一个实施方式中， 提供的致动器包括围绕致动器主轴延伸的狭长元 件。致动器还包括可旋转地连接至狭长元件的转子和有效连接至转子的定子。滚珠轴承被 设置在转子和定子之间。致动器还包括被设置用于相对于狭长元件转动转子的电机， 其中 滚珠轴承被设置用于最小化转子和定子之间的摩擦。
在本发明的又一个实施方式中， 提供的致动器包括围绕致动器主轴延伸的狭长元 件。转子被可旋转地连接至狭长元件且定子被有效连接至转子。致动器还包括围绕转子设 置并且被设置用于相对于狭长元件转动转子的电机。
在另一个实施方式中， 提供的致动器包括围绕致动器主轴延伸的狭长元件。致动 器还包括可旋转地连接至狭长元件的转子、 围绕转子设置的护圈以及有效连接至转子的定 子。电机被设置用于相对于狭长元件转动转子， 其中转子和护圈选择性地啮合以阻止转子 转动。 在另一个实施方式中， 提供了操作连接至肢体的假肢装置的方法。该方法包括提 供被设置用于连接至肢体的假肢装置， 该装置模仿自然的人体关节并具有第一部分和第二 部分， 两部分可以相对于彼此绕关节移动。该方法还包括提供连接至第一部分和第二部分 的致动器， 调节第一部分和第二部分之间的角度并在步态循环的所需阶段期间选择性地锁 定致动器。
在又一个实施方式中， 提供了操作连接至肢体的假肢装置的方法。该方法包括提 供被设置用于连接至肢体的假肢装置， 该装置模仿自然的人体关节并具有第一部分和第二 部分， 两部分可以相对于彼此绕关节移动。该方法还包括提供连接至第一部分和第二部分 的致动器， 调节第一部分和第二部分之间的角度并在步态循环的所需阶段期间主动地使对 致动器转子的摩擦最小化。
在另一个实施方式中， 公开了用于测量下肢假肢装置的转动动作的系统。该系统 包括假肢足部以及具有上端和下端的连接元件。 该系统还包括将连接元件下端可旋转地连 接至假肢足部以允许假肢足部围绕延伸穿过枢轴组件的旋转轴转动的枢轴组件， 其中枢轴 组件被设置用于充分地模仿自然的脚踝关节。 该系统进一步包括连接至枢轴组件并且被设 置用于检测假肢足部围绕旋转轴转动的传感器组件， 其中至少一部分传感器组件被设置用 于围绕旋转轴转动并且被沿着旋转轴固定设置以充分消除其他动作。
在另一个实施方式中， 公开了用于测量与肢体相连装置的转动动作的系统。该系 统包括足部单元以及具有上端和下端的连接元件。 该系统还包括将连接元件下端可旋转地 连接至足部单元以允许足部单元围绕延伸穿过枢轴组件的轴线转动的枢轴组件， 其中枢轴 组件被设置用于充分地模仿自然的脚踝关节。 该系统进一步包括连接至枢轴组件并且被设 置用于检测足部单元围绕轴线的转动以及充分忽略足部单元相对于轴线的轴向和径向移 动的传感器组件。
在另一个实施方式中， 公开了用于测量与下肢相连装置的转动动作的系统。该系 统包括用于接触地面的足部装置以及用于将足部装置连接至病人的装置。 该系统还包括用 于将足部装置可转动地连接至用于连接的装置下端的装置以允许足部装置围绕延伸穿过 可转动连接装置的轴线转动的装置， 其中用于可转动连接的装置充分地模仿脚踝关节。该 系统进一步包括连接到用于可转动连接的装置用于测量的装置， 用于测量的装置进一步被 设置用于检测足部装置围绕轴线的转动， 并且被设置以大致忽略足部装置相对于轴线的轴 向和径向移动。
在另一个实施方式中， 公开的假肢系统模仿处于放松位置的自然脚踝动作。该假 肢系统包括假肢脚踝关节， 由足部单元和可移动地连接至足部单元以模拟自然人体脚踝关 节的上部元件构成。该系统进一步包括被设置用于自动调节假肢脚踝关节状态的控制器， 其中控制器被设置用于在接收到指示使用者的移动至放松位置的数据之后将假肢脚踝关 节自动地调节至放松状态。
在另一个实施方式中， 公开了用于模仿处于放松位置的脚踝自然动作的假肢系 统。该假肢系统包括假肢足部。该假肢系统进一步包括连接至假肢足部第一位置的枢轴组 件， 其中第一位置靠近假肢足部的自然脚踝位置。该假肢系统进一步包括沿胫骨方向延伸 的下肢元件， 下肢元件具有上端和下端， 其中下肢元件的下端被有效连接至枢轴组件。 该假 肢系统进一步包括连接至假肢足部和下肢元件的致动器， 其中致动器被设置用于围绕枢轴 组件调节下肢元件和假肢足部之间的角度。 该假肢系统进一步包括被设置用于检测假肢系 统使用者位置的至少一个传感器。该假肢系统进一步包括被设置用于操作致动器的控制 器。关于上述的假肢系统， 至少一个传感器被设置用于将指示使用者何时处于放松位置的 数据传输至控制器， 所述放松位置由使用者将假肢系统设置在相对于地面的确定角度范围 内达到确定的时间量并且假肢系统具有的加速度小于最大阈值来确定， 并且其中控制器被 设置用于操作致动器以促使假肢足部和下肢组件之间的角度围绕枢轴组件增加以使得假 肢足部相对于下肢组件变得更加脚底弯曲。
在另一个实施方式中， 公开了用于调节假肢脚踝装置的方法。该方法包括用至少 一个传感器监测假肢脚踝装置使用者的动作。该方法进一步包括生成指示动作的数据。该 方法进一步包括用处理模块处理数据以确定使用者是否处于放松位置。 该方法进一步包括 基于使用者是否处于放松位置来调节假肢脚踝装置， 其中调节假肢脚踝装置包括自动调节 假肢脚踝装置的可设置元件。
在另一个实施方式中， 公开了用于调节假肢脚踝装置的方法， 假肢脚踝装置包括 假肢足部和围绕自然人体脚踝关节可移动地连接在某一位置的肢体元件。 该方法包括用至 少一个传感器测量假肢脚踝装置相对于地面的角度以及装置的加速度。 该方法进一步包括 确定假肢脚踝装置相对于地面的角度是否落在确定的角度范围内。 该方法进一步包括确定 装置的加速度是否高于或低于阈值加速度。 该方法进一步包括在确定了脚踝装置相对于地 面的角度落在确定的角度范围内之后以及在确定了装置的加速度高于或低于阈值加速度 之后将假肢足部和肢体元件之间的角度调节为脚底弯曲或脚背弯曲结构。
在另一个实施方式中， 公开了用于操作由使用者佩戴的假肢脚踝的方法。该方法 包括提供由足部单元和下肢元件构成的假肢脚踝， 足部单元和下肢元件被设置用于围绕自 然人体脚踝的某一位置转动。 该方法进一步包括在使用者用假肢脚踝移动时检测表面的上倾斜或下倾斜。 该方法进一步包括根据检测到的上倾斜或下倾斜调节足部单元和下肢元件 之间的角度。
在另一个实施方式中， 公开了用于操作由使用者佩戴的假肢脚踝的方法。该方法 包括提供由足部单元和下肢元件构成的假肢脚踝， 足部单元和下肢元件被设置用于围绕自 然人体脚踝的某一位置转动。 该方法进一步包括测量使用者用假肢脚踝移动时所处的地形 变量。该方法进一步包括根据测量的地形变量来调节足部单元和下肢元件之间的角度。
在另一个实施方式中， 公开了用于操作由使用者佩戴的假肢脚踝的方法。该方法 包括提供由足部单元和下肢元件构成的假肢脚踝， 足部单元和下肢元件被设置用于围绕自 然人体脚踝的某一位置转动。 该方法进一步包括测量使用者用假肢脚踝移动时所处表面的 表面角。该方法进一步包括计算用于在表面上移动的足部单元和下肢元件之间的所需角 度， 其中计算至少部分地基于测得的表面角进行。该方法进一步包括将足部单元和下肢元 件之间的角度调节为所需角度。
一个实施方式是用于控制人的肢体动作的系统。该系统可以包括多个机电装置。 多个机电装置中的每一个都与多个机电装置中的至少另外一个相通信。 至少一个机电装置 控制致动器。在一个这样的实施方式中， 多个机电装置中的至少一个被设置用于根据通信 数据生成用于多个机电装置中的至少另外一个的控制状态。在一个实施方式中， 通信数据 被用于同步机电装置。在一个实施方式中， 每一个机电装置都包括人工关节。在一个实施 方式中， 多个机电装置中的至少一个包括假肢膝盖并且机电装置中的至少一个包括假肢脚 踝。 另一个实施方式是机电装置， 用于控制人肢体与至少另一个机电装置的协同动 作。该机电装置包括被设置用于与至少另一个机电装置进行数据通信的通信接口， 被设置 用于获得指示肢体的至少一个动作参数数值的传感器 ； 被设置用于影响机电装置的至少一 个动作参数的致动器， 以及被设置用于根据接收的通信数据和至少一个动作参数值来激活 致动器的处理器。在一个实施方式中， 通信数据可以包括从传感器获得的参数值。在另一 个实施方式中， 通信数据可以包括从其他机电装置接收到的状态机数据。而在另一个实施 方式中， 通信数据可以包括从其他机电装置接收到的结构数据。
另一个实施方式是机电装置， 用于控制人肢体与至少另一个机电装置的协同动 作。该机电装置包括被设置用于与至少另一个机电装置进行数据通信的通信接口， 以及被 设置用于生成至少另一个机电装置的控制状态的处理器。 该处理器进一步被设置用于通过 通信接口进行与控制状态有关的数据通信。 机电装置进一步包括由处理器控制的致动器以 实现人的肢体动作。在另一个实施方式中， 通信数据可以包括在由处理器执行时被设置用 于影响控制状态选择的软件。在一个实施方式中， 通信数据包括由其他机电装置的至少一 个传感器获得的数据。在一个实施方式中， 通信数据包括由其他机电装置的至少一个传感 器获得的结构数据。在一个实施方式中， 处理器被进一步设置用于根据控制状态来确定至 少一个致动器控制指令， 并且在其中通信数据包括至少一个致动器控制指令。
另一个实施方式是将第一机电装置与第二机电装置同步的方法。 该方法包括从第 二机电装置到第一机电装置进行数据通信。 该方法进一步包括响应于接收到的数据生成控 制状态。该方法进一步包括至少部分地根据控制状态来控制第二机电装置上的致动器。在 一个实施方式中， 该方法进一步包括响应于控制状态生成指令以控制第二机电装置的致动
器。在一个实施方式中， 该方法进一步包括响应于通信数据生成指令以控制第一机电装置 的致动器。在一个实施方式中， 接收到的数据包括从第二机电装置接收的传感器数据。在 另一个实施方式中， 接收到的数据包括至少一部分指示控制状态的信息。而在另一个实施 方式中， 接收到的数据包括计算机软件并且至少部分地通过运行计算机软件来实现控制状 态。
另一个实施方式是用于控制与肢体相连的装置动作的系统。该系统包括机电装 置。该系统进一步包括与人肢体相连的给机电装置提供动作参数数据的传感器。机电装置 利用动作参数数据进行同步。 在一个实施方式中， 传感器接收来自人体神经系统的信号。 在 一个实施方式中， 传感器接收来自与测量肢体相连的传感器的信号。 在一个实施方式中， 动 作参数数据被用于与另一个机电装置同步。在一个这样的实施方式中， 另一个机电装置给 该机电装置提供动作参数数据。
一个实施方式是用于将计算装置与和肢体相连的装置同步的方法。 该方法包括在 机电系统和计算装置之间进行数据通信， 将数据存储在计算装置中， 响应于数据而在机电 系统中生成控制状态， 并至少部分地根据控制状态来控制第二机电系统中的致动器。
另一个实施方式是连接至人体的机电系统。 该装置包括被设置用于提供指示人体 动作的数据的传感器。致动器被设置用于控制至少一部分人体的动作。处理器被设置用于 执行指令， 指令被设置用于根据传感器数据来控制致动器。通信接口被设置用于和数据源 进行数据通信。处理器被进一步设置用于从数据源接收至少一部分指令。在一个实施方式 中， 机电系统可以在两个或多个机电装置中包括分离的处理、 测量、 致动和通信。 在 一 个 实 施 方 式 中， 提 供 了 能 够 模 仿 健 康 腿 部 步 态 (gait) 的 经 股 的 假 肢 (transfemoral prosthetic) 装置。该经股的假肢装置具有足部单元以及具备上端和下端 的胫骨元件。胫骨元件的下端被可转动地连接至足部单元上的某一位置。第一致动器被 有效连接至足部单元和胫骨元件， 并且被设置用于主动调节胫骨元件和足部单元之间的角 度。经股的假肢装置还具有具备上端和下端的股骨元件。股骨元件的下端被可转动地连接 至胫骨元件的上端。第二致动器被有效连接至胫骨元件和股骨元件， 并且被设置用于主动 调节股骨元件和胫骨元件之间的角度。
在另一个实施方式中， 提供了控制经股的假肢装置的方法。该方法包括用至少一 个传感器来监测经股的假肢装置的位置和动作中的至少一个， 其中该装置包括足部单元， 可转动地连接至足部单元的胫骨元件， 有效连接至足部单元和胫骨元件的第一致动器， 可 转动地连接至胫骨元件的股骨元件， 以及有效连接至胫骨元件和股骨元件的第二致动器。 第一致动器被设置用于调节足部单元和胫骨元件之间的角度， 而第二致动器被设置用于调 节胫骨元件和股骨元件之间的膝盖角度。 该方法还包括生成指示位置和动作中的至少一个 的数据并用处理模块处理数据以确定步态循环的阶段。另外， 该方法包括在迈步阶段期间 致动第一致动器以用充分模仿健康脚踝动作的方式来相对于胫骨元件移动足部单元， 并在 迈步阶段期间致动第二致动器以用充分模仿连接至健康脚踝关节的健康膝关节动作的方 式来相对于股骨元件移动胫骨元件。
在另一个实施方式中， 提供了用于控制经股的假肢装置的方法。该方法包括在至 少一个步态循环内用至少一个传感器来监测与肢体相连的经股的装置的位置和动作中的 至少一个， 其中该装置包括足部单元、 可转动地连接至足部单元的胫骨元件、 有效连接至足
部单元和胫骨元件的第一致动器、 可转动地连接至胫骨元件的股骨元件以及有效连接至胫 骨元件和股骨元件的第二致动器。 第一致动器被设置用于调节足部单元和胫骨元件之间的 角度， 而第二致动器被设置用于调节胫骨元件和股骨元件之间的膝盖角度。该方法进一步 包括在至少一个步态循环内生成指示位置和动作中的至少一个的数据并用处理模块处理 数据以确定数据是否对应于多种地形中的一种， 其中确定多种地形的信息被储存在装置的 存储器内。该方法进一步包括确定对应于确定地形的脚踝角度调节值和膝盖角度调节值， 并根据对应于确定地形而确定的脚踝角度调节值和膝盖角度调节值来调节装置。 调节包括 致动第一致动器以用充分模仿健康脚踝动作的方式来相对于足部单元移动胫骨元件。 脚踝 角度调节值被应用于后续步态循环的迈步阶段， 直到检测出从确定地形到不同地形的状态 转换为止。 调节进一步包括致动第二致动器以用充分模仿连接至健康脚踝的健康膝盖动作 的方式来相对于胫骨元件移动股骨元件。
在又一个实施方式中， 提供了使用动作受控的脚踝装置和经股的假肢装置来模仿 自然的经股的步态的方法。 该方法包括选择与健康腿部长度基本相同的经股的装置并将动 作受控的脚踝装置连接至经股的假肢装置， 其中动作受控的脚踝装置能够通过在迈步期间 提供脚趾间隙来模仿健康脚踝的动作。 该方法进一步包括基本上无需调节正常的健康行走 所需的髋部动作即可用经股的假肢装置行走。 在又一个实施方式中， 提供了使用动作受控的脚踝装置和经股的假肢装置来模仿 自然的经股的步态的方法。该方法包括选择与健康腿部长度基本相同的经股的装置， 将动 作受控的脚踝装置连接至经股的假肢装置， 其中动作受控的脚踝装置能够通过调节至不同 地形来模仿健康脚踝的动作， 并且基本上无需调节正常的健康行走所需的髋部动作即可用 经股的假肢装置行走。
而在另一个实施方式中， 提供了用于经股的使用者的假肢系统。该系统包括假肢 膝盖装置以及被设置用于在迈步期间抬高假肢膝盖装置的脚趾部分的假肢脚踝装置。 该系 统可以进一步包括单个控制器以致动假肢膝盖装置和假肢脚踝装置。附加地和 / 或可选 地， 假肢脚踝装置可以被进一步设置用于优化假肢膝盖装置的功能。
在另一个实施方式中， 提供了优化假肢装置用于另一假肢装置的方法。该方法包 括提供第一假肢装置， 提供可与第一假肢装置协同操作的第二假肢装置， 并操作第二假肢 装置以优化第一假肢装置的操作。 该方法进一步包括同步第一假肢装置和第二假肢装置的 动作。
在又一个实施方式中， 提供了操作用于经股的使用者的假肢系统的方法。该方法 包括提供假肢膝盖， 膝盖具有可以围绕膝关节用关节连接的腿上部和腿下部 ； 给假肢膝盖 提供假肢脚踝， 假肢脚踝具有可以围绕膝关节用关节连接的腿部和足部 ； 操作假肢脚踝以 优化用于经股的使用者的假肢膝盖的操作。 在某些实施方式中， 与用于经胫的使用者相比， 通过更加快速地对地形条件进行调节， 例如通过减少调节装置之前的监测步骤数量来优化 用于经股的使用者的假肢脚踝装置。在某些实施方式中， 通过降低提供脚趾间隙时的最低 速度来优化用于经股的使用者的假肢脚踝装置。 在某些实施方式中， 通过激活、 禁用或修改 放松模式来优化用于经股的使用者的假肢脚踝装置。在某些实施方式中， 通过在用于经股 的使用者的学习模式下校正装置来优化用于经股的使用者的假肢脚踝装置。 在某些实施方 式中， 通过在比提供给经胫的使用者使用的更陡的斜度期间提供脚趾间隙来优化用于经股
的使用者的假肢脚踝装置。 在某些实施方式中， 通过激活、 禁用或修改楼梯模式来优化用于 经股的使用者的假肢脚踝装置。
而在另一个实施方式中， 提供了优化假肢装置用于各种生理状态的方法。该方法 包括提供其功能会影响某种生理状态的假肢装置， 并优化假肢装置用于该生理状态。
在一个实施方式中， 提供的与肢体相连的经股的假肢装置包括足部单元和可转动 地连接至足部单元的胫骨元件。 第一致动器被有效连接至足部单元和胫骨元件并且被设置 用于调节胫骨元件和足部单元之间的角度。股骨元件被可转动地连接至胫骨元件以确定 膝关节。第二致动器被有效连接至胫骨元件和股骨元件， 并且被设置用于主动调节胫骨元 件和股骨元件之间的角度。 至少一个传感器被设置在经股的装置上并且被设置用于在至少 一个步态循环内监测经股的装置的位置和动作中的至少一个， 以及在至少一个步态循环内 生成指示位置和动作中的至少一个的数据。经股的假肢装置还包括存储模块。处理模块被 设置用于确定数据何时会对应于多种确定地形中的一种。 确定多种地形的信息被存储在存 储模块内。 处理模块被进一步设置用于确定对应于确定地形的脚踝角度调节值和膝盖角度 调节值。根据确定的脚踝角度调节值和膝盖角度调节值来调节装置， 处理模块被进一步设 置用于致动第一致动器， 以用充分模仿健康脚踝动作的方式来相对于胫骨元件调节足部单 元， 并且致动第二致动器以用充分模仿健康膝盖动作的方式来相对于胫骨元件调节股骨元 件。脚踝角度调节值被应用于后续步态循环的迈步阶段， 直到检测出地形转换为止。
在另一个实施方式中， 提供了控制经股的假肢装置的方法。该方法包括用至少一 个传感器监测经股的假肢装置的位置和动作中的至少一个。该装置包括足部单元、 可转动 地连接至足部单元的胫骨元件以及被有效连接至足部单元和胫骨元件的第一致动器。 第一 致动器被设置用于主动调节足部单元和胫骨元件之间的角度。 股骨元件被可转动地连接至 胫骨元件。 第二致动器被有效连接至胫骨元件和股骨元件并且被设置用于调节胫骨元件和 股骨元件之间的角度。该方法进一步包括生成指示位置和动作中的至少一个的数据。随后 处理数据以确定步态循环的阶段。在步态循环阶段中的迈步阶段， 致动第一致动器以用充 分模仿健康脚踝动作的方式来相对于胫骨元件移动足部单元， 并且致动第二致动器以用充 分模仿连接至健康脚踝关节的健康膝关节动作的方式来相对于股骨元件移动胫骨元件。
在另一个实施方式中， 提供了能够模仿健康腿部的经股的假肢系统。该系统包括 足部单元以及具有上端和下端的胫骨元件。下端被可转动地连接至足部单元。第一致动器 被有效连接至足部单元和胫骨元件， 并且被设置用于主动调节胫骨元件和足部单元之间的 角度。股骨元件具有上端和下端。下端被可转动地连接至胫骨元件的上端。第二致动器被 有效连接至胫骨元件和股骨元件并且被设置用于主动调节股骨元件和胫骨元件之间的角 度。
在考虑了本公开之后， 并且特别是在阅读了 “具体实施方式” 部分之后， 应该即可 理解本发明的特征如何提供了以下优点， 包括提供的假肢或矫形控制系统为其使用者提供 了更加自然和舒适的移动并且使得能够更为方便和直观地配置、 增加、 更换或扩展控制系 统的软件。
为了进行总结， 在本文中介绍了一些应用、 优点和新颖性特征。 应该理解根据任一 特定实施方式并不是必须要实现全部的这些优点。因此， 可以用实现本文中所教导的一个 优点或一组优点而不必实现本文中所教导或建议的其他优点的方式来实施或实现本发明。附图说明
图 1 是根据本发明的一个实施方式具有脚踝动作受控足部单元的下肢假肢的透视图。 图 2 是图 1 中下肢假肢的透视图， 其中移除盖罩以示出假肢的内部构件。
图 3 是图 2 中的下肢假肢的侧视图。
图 4 是图 2 中的下肢假肢的后视图。
图 5 是图 1 中的下肢假肢的侧视图， 将示出的盖罩部分地移除， 其中脚踝动作受控 的足部被调节用于适应上倾斜。
图 6 是图 5 中的下肢假肢的侧视图， 其中脚踝动作受控的足部被调节用于适应下 倾斜。
图 7 是示出了假肢足部单元示范性实施方式上的脚踝转动点和人体足部的自然 脚踝关节之间相互关系的示意图。
图 8 是示出了假肢或矫形系统的示范性实施方式在水平面上完整的一步期间的 脚踝动作范围。
图 9 是具有脚踝动作受控足部的假肢或矫形系统的控制系统结构示范性实施方 式的方块图。
图 10 是根据本发明的一个实施方式示出了可用于调节假肢或矫形系统中脚踝角 度的控制信号的表格。
图 11 是示出了假肢或矫形系统的控制与对应的测量肢体动作之间关系的示范性 实施方式的示意图。
图 12A 是下肢假肢的另一个实施方式的透视图。
图 12B 是图 12A 中的下肢假肢的侧视图。
图 12C 是图 12B 中的下肢假肢沿平面 M-M 的截面图。
图 13 是可以被用于和图 12A 中的下肢假肢一起使用的致动器的一个实施方式的 透视图。
图 14 是图 13 中致动器的侧视图。
图 15 是图 13 中致动器的后视图。
图 16 是图 13 中致动器的顶视图。
图 17 是图 13 中致动器的截面侧视图。
图 18 是图 13 中致动器的分解图。
图 19 是示出了图 12A 中所示假肢的不同动作阶段的流程图。
图 20 是根据本发明的另一个实施方式具有脚踝动作受控的足部单元的下肢假肢 的分解图。
图 21 是可以和图 20 中的下肢假肢一起使用的传感器组件的分解图。
图 22 是示出了用于相应的上倾斜 / 下倾斜角度的优选脚踝相应角度的示意图。
图 23 是示出了包括多个机电装置的系统的一个实施方式的方块图。
图 24 是更加详细地示出了与图 23 中系统的一个实施方式内的其他装置通信的机 电装置的一个实施方式的方块图。
图 25 示出了用于和机电装置一起使用的仪表程序的一个实施方式的使用者界面。 图 26A 是图 1 中系统的包括假肢膝盖和假肢脚踝在内的示范性实施方式的示意性 方块图。
图 26B 是图 1 中系统的包括假肢膝盖和假肢足部在内的示范性实施方式的示意性 方块图。
图 26C 是图 1 中系统的包括假肢膝盖、 假肢足部和主装置在内的另一个示范性实 施方式的示意性方块图。
图 26D 是图 1 中系统的包括假肢膝盖和假肢足部在内的另一个示范性实施方式的 示意性方块图， 其中假肢足部包括一个或多个用于控制两装置的状态机。
图 27 是示出了包括与个人和网络计算装置通信的机电装置的系统的一个实施方 式的方块图。
图 28 是示出了具有网络计算装置的机电装置的结构同步和数据校正方法的一个 实施方式的流程图。
图 29 是示出了机电装置上软件的更换或扩展方法的一个实施方式的流程图。
图 30 是根据本发明的一个实施方式具有脚踝动作受控的足部单元和被致动的膝 盖单元的经股的假肢的透视图。具体实施方式
在此介绍的本发明的部分优选实施方式主要涉及假肢和矫形系统， 并且具体地， 涉及有效连接的假肢和矫形装置例如假肢脚踝和 / 或膝盖， 其改善了其他假肢和 / 或脚 踝装置的功能。尽管本说明书列举了不同实施方式的具体细节， 但是应该理解本说明书 只是示意性的而并不应以任何方式解释对本发明的限定。而且， 本领域技术人员能够想 到的本发明的各种应用及其变形也都由本文中介绍的一般性概念所涵盖。因此引用以下 的美国专利申请 ： 2004 年 2 月 12 日提交的申请号为 60/544,259 的美国申请 LOWER LIMB PROSTHESIS WITH ANKLE-MOTION CONTROLLED FOOT ； 2004 年 7 月 15 日提交的申请号为 60/588,232 的美国申请 PROSTHETIC OR ORTHOTIC SYSTEM WITH ANKLE-MOTION-CONTROLLED FOOT ； 2005 年 2 月 11 日提交的申请号为 11/056,344 的美国申请 SYSTEM AND METHOD FOR MOTION-CONTROLLED FOOT UNIT ； 2005 年 2 月 11 日提交的申请号为 11/057,391 的美国申请 SYSTEM AND METHOD FOR MOTION-CONTROLLED FOOT UNIT ； 2006 年 3 月 1 日提交的申请号为 11/367,049 的美国申请 SYSTEMS AND METHODS FOR ACTUATING A PROSTHETIC ANKLE BASED ON A RELAXED POSITION ； 2006 年 3 月 1 日提交的申请号为 11,367,048 的美国申请 SYSTEMS AND METHODS FOR ADJUSTING THE ANGLE OF A PROSTHETIC ANKLE BASED ON A MEASURED SURFACE ANGLE ； 2005 年 2 月 16 日提交的申请号为 60/653,717 的美国申请 SYSTEM AND METHOD OF SYNCHRONIZING AND COMMUNICATING WITH MECHATRONIC DEVICES ； 2006 年 2 月 15 日提交的申请号为 11/355,047 的美国申请 SYSTEM AND METHOD OF SYNCHRONIZING MECHATRONIC DEVICES ； 2005 年 5 月 10 日提交的申请号为 60/679,953 的美国申请 SYSTEM AND METHOD FOR DATA COMMMUNICATION WITH A MECHATRONIC DEVICE 以及 2006 年 2 月 15 日提交的申请号为 11/355,058 的美国申请 SYSTEM AND METHOD FOR DATA COMMUNICATIONWITH A MECHATRONIC DEVICE。
现在将参照以上概述的附图来介绍系统和方法的特征。在所有附图中， 附图标记 被重复使用以指示标引元件之间的对应性。附图、 相关描述和具体实施方式被提供用于解 释本发明的实施方式而不是为了限制本发明的保护范围。
如本文中所用的术语 “假体” 和 “假肢” 是广义术语并用作其普通含义， 而且非限 制性地表示可用作身体部分的人造替代品或支撑件的任意系统、 装置或装置。
如本文中所用的术语 “矫形” 和 “矫形器” 是广义术语并用作其普通含义， 而且非 限制性地表示可用于身体部分的支撑、 对齐、 阻止、 保护、 矫正畸形、 固定或功能改善的任意 系统、 装置或装置。
如本文中所用的术语 “脚踝装置” 是广义术语并用作其普通含义， 而且涉及任意的 假肢、 矫形或脚踝辅助装置。
如本文中所用的术语 “经胫的 (transtibial)” 是广义术语并用作其普通含义， 而 且非限制性地涉及位于身体膝关节包括人造膝关节处或者下方的任意平面、 方向、 位置或 截面。
如本文中所用的术语 “经股的 (transfemoral)” 是广义术语并用作其普通含义， 而 且非限制性地涉及位于身体膝关节包括人造膝关节处或者上方的任意平面、 方向、 位置或 截面。 如本文中所用的术语 “矢状 (sagittal)” 是广义术语并用作其普通含义， 而且涉及 关于、 位于或处于或接近于身体正中面 ( 也就是将身体纵向划分为左右两半的平面 ) 或者 与其平行或基本平行的平面的任意描述、 位置或方向。 “矢状面” 也可以表示平行或基本平 行于正中面穿过身体并且将身体分为相等或不相等的左右部分的任意垂直的前部到后部 的平面。
如本文中所用的术语 “冠状” 是广义术语并用作其普通含义， 而且涉及关于、 位于 或处于或接近于经过身体长轴的平面的任意描述、 位置或方向。 “冠状面” 也可以表示垂直 或基本垂直地穿过身体并且垂直或基本垂直于正中面并将身体分为前部和后部的任意平 面。
如本文中所用的术语 “机电” 是广义术语并用作其普通含义， 而且非限制性地表示 包括与肢体相连的电控装置的任意系统、 装置或装置， 包括了假肢或矫形装置。 这样的装置 可以包括一个或多个传感器、 致动器或处理器。
如本文中所用的术语 “仿生替代装置” 是广义术语并用作其普通含义， 而且非限制 性地表示包括有集成用于取代或增强解剖学结构或生理过程的电控装置的任意系统、 装置 或装置。 仿生替代装置还可以包括集成用于取代或增强解剖学结构或生理过程的电子或机 械式的智能结构或系统。例如， 仿生替代装置可以包括机电装置例如假肢或矫形器。
图 1 示出了具有脚踝动作受控足部单元和连接元件的下肢假肢 100 的一个实施方 式。假肢 100 包括连接元件， 形式为有效连接至足部单元 104 的下肢元件 102。如本文中所 用， 术语 “连接元件” 是广义术语并用作其普通含义， 并且在假肢足部实施方式中非限制性 地涉及直接或间接地连接至足部单元 104 并且可以相对其移动例如通过转动动作移动且 被用于将假肢 100 连接至残肢或中间假肢的任意元件。 如图所示， 连接元件在脚踝 - 假肢的 实施方式中可以采用下肢元件的形式。 在另一个实施方式中， 例如在矫形器实施方式中， 连
接元件可以被用于例如通过护膝连接至并且支撑身体部分， 护膝也被可移动地连接至第二 元件例如足部单元， 足部单元也会连接至并且支撑身体部分例如足部。 在一个实施方式中， 下肢元件 102 通常为具有基本上沿胫骨方向延伸的纵向主轴的狭长元件， 胫骨方向也就是 大致上沿自然胫骨的轴线延伸的方向。例如， 图 1 示出的下肢元件 102 基本上是垂直定向 的。
在另一个实施方式中， 下肢元件 102 可以包括多个部分。例如， 下肢元件 102 可以 包括沿胫骨方向基本上平行延伸并且被连接在一起的两个狭长部分。在另一个实施方式 中， 下肢元件 102 包括具有基本对称的两部分以形成部分封闭壳体的两侧腔室。在另一个 实施方式中， 下肢元件 102 可以包括例如管状结构的中空元件。在其他的实施方式中， 下肢 元件 102 可以包括狭长的扁平部分或圆形部分。而在其他的实施方式中， 下肢元件 102 的 结构不是狭长的。例如， 下肢元件 102 可以包括大致圆形、 圆柱形、 半圆形、 圆顶形、 椭圆或 矩形的结构。下肢元件的一个可行示例是 2003 年 12 月 18 日提交的、 申请号为 10/742,455 并且发明名称为 “PROSTHETIC FOOT WITH ROCKER MEMBER” 的美国专利申请中介绍的脚踝 模块和结构， 因此通过引用将其全部内容并入本文并且视为本说明书的一部分。
在一个实施方式中， 下肢元件 102 通常由机械金属例如铝或碳纤维材料构成。在 本发明的其他实施方式中， 下肢元件 102 可以由适合用于假肢装置的其他材料构成。在一 个实施方式中， 下肢元件 102 有利地具有大约在 12 到 15 厘米之间的高度。在本发明的其 他实施方式中， 下肢元件 102 可以具有小于 12 厘米的高度或者大于 15 厘米的高度， 这取决 于使用者的体型和 / 或假肢 100 的目标用途。例如， 下肢元件 102 可以具有大约为 20 厘米 的高度。
在一个实施方式中， 假肢 100 被设置为在假肢 100 处于平衡位置时使下肢元件 102 的纵向主轴基本上垂直于足部单元 104 的下表面。在另一个实施方式中， 下肢元件 102 可 以在足部单元 104 停留在地面上时基本上垂直于平地表面。这样的结构有利地为使用者提 供了更好的支撑和 / 或稳定性。
如图 1 中所示， 下肢元件 102 进一步包括盖罩 106。盖罩 106 封装和 / 或保护下肢 元件 102 的内部组件。在另一个实施方式中， 盖罩 106 可以是圆形或者可以被成形为自然 人腿的形状。
下肢元件 102 进一步包括有助于连接下肢元件 102 的连接部分 108。例如， 如图 1 中所示， 下肢元件 102 的连接部分 108 将假肢 100 连接至暂用假肢 110。在本发明的其他实 施方式中， 连接部分 108 可以被设置用于将假肢 100 连接至截肢患者的残肢或另一假肢装 置。图 1 还示出了可用于给假肢 100 供电和 / 或传输控制信号的控制线路 112。
足部单元 104 可以包括各种类型的假肢或矫形足部。如图 1 中所示， 足部单元 104 加入了 2003 年 8 月 15 日提交的、 申请号为 10/642,125 并且发明名称为 “LOW PROFILE PROSTHETIC FOOT” 的申请人共同未决的美国专利申请中介绍的设计， 因此通过引用将其全 部内容并入本文并且视为本说明书的一部分。例如， 足部单元 104 可以由可从 的标准 LP VARI-FLEX
购得单元构成。在一个实施方式中， 足部单元 104 被设置用于对足部单元 104 上的重量或冲击水 平产生成比例的响应。另外， 足部单元 104 可以包括阻尼部分以用于脚跟的舒适加载和 / 或用于返还消耗的能量。足部单元 104 可以包括具有增强了灵活性的全长度脚趾杆以提供模仿健康肢体步长的假肢步长。另外， 如图 1 中所示， 足部单元 104 可以包括分开的脚趾结 构， 其有助于在不平整的地形上移动。足部单元 104 还可以包括美化部分或足部盖罩例如 可从
购得的标准 Flex-Foot 盖罩。图 2 示出了将盖罩 106 移除后的假肢 100。如图所示， 下肢元件 102 的下端在枢轴 组件 114 处被连接至足部单元 104。如图所示， 下肢元件 102 被连接至足部单元 104 的脚踝 板， 脚踝板基本上从足部单元 104 的脚趾部分向后和向上延伸。枢轴组件 114 允许足部单 元 104 相对于下肢元件 102 的角运动。例如， 在一个实施方式中， 枢轴组件 114 有利地包括 至少一个枢轴销。在其他的实施方式中， 枢轴组件 114 包括铰链、 多轴结构、 多中心结构、 相 同或类似部件的组合。优选地， 枢轴组件 114 被设置在足部单元 104 的靠近足部单元 104 自然脚踝位置的部分上面。在本发明的其他实施方式中， 枢轴组件 114 可以被螺栓连接或 以其他方式可释放地连接至足部单元 104。
图 2 进一步示出了具有致动器 116 的假肢 100。在一个实施方式中， 致动器 116 有 利地为假肢 100 提供必要的能量来执行与截肢患者的运动相同步的角位移。例如， 致动器 116 可以使足部单元 104 的移动类似于自然的人体足部。 在一个实施方式中， 致动器 116 的 下端在第一连接点 118 处被连接至足部单元 104。 如图所示， 足部连接点 118 有利地在足部 单元 104 的后部位于其上表面。致动器 116 的上端在第二连接点 120 处被连接至下肢元件 102。 在一个实施方式中， 致动器 116 的线性移动 ( 或伸展和收缩 ) 控制或主动调节足 部单元 104 和下肢元件 102 之间的角度。图 2 示出的致动器 116 包括双螺杆电机， 其中电 机相对于下肢元件 102 推送或拉回足部案源 104 的后部。 在其他的实施方式中， 致动器 116 包括能够主动调节角度或者在多个元件之间提供移动的其他机构。例如， 致动器 116 可以 包括单螺杆电机、 活塞 - 气缸型结构、 伺服电机、 步进电机、 回转电机、 弹簧、 流体致动器等。 而在其他的实施方式中， 致动器 116 可以只沿一个方向主动调节下肢元件 102 和足部单元 104 之间的角度。 在这样的实施方式中， 使用者的体重也可以被使用在控制由和 / 或致动器 116 的动作产生的角度中。
图 2 示出了后置结构的致动器 116， 其中致动器 116 位于下肢元件 102 后方。在 其他的实施方式中， 致动器 116 可以被用于前置结构， 其中致动器 116 位于下肢元件 102 前 方。在本发明的另一个实施方式中， 致动器 116 包括自动调节的脚踝结构， 并且加入了例如 在美国专利 5957981 中介绍的设计， 因此通过引用将其全部内容并入本文并且视为本说明 书的一部分。 具体配置或结构可以被选择为最接近于模仿自然人体脚踝关节的动作和定位 并且有助于将假肢 100 插入到外部美化部分内。
而且， 致动器 116 有利地被设置为在工作时不会发出响亮的噪音例如会被使用者 和 / 或其他人察觉到的间歇式噪音。致动器 116 还可以被设置为如果假肢 100 例如在矢状 面内经受超出某一水平的转矩时则不进行工作或调节。例如， 如果转矩水平超出四牛顿米 (Nm)， 那么致动器 116 即可停止工作或者可以发出警报。
致动器 116 也可以如图 1 中所示基本上被封装在盖罩 106 内以使得致动器 116 的 各个部分不可见和 / 或不会暴露到外界环境中。在另一个实施方式中， 致动器可以被下肢 元件 102 至少部分地封装。
图 2 进一步示出了可用于控制致动器 116 和 / 或足部单元 104 的操作的控制电路
122。在一个实施方式中， 控制电路 122 包括至少一块印刷电路板 (PCB)。PCB 可以进一步 包括微处理器。软件也可以驻留在 PCB 上以执行信号处理和 / 或控制假肢 100 的动作。
在一个实施方式中， 假肢 100 包括给控制电路 122 和 / 或致动器 116 供电的电池 ( 未示出 )。在一个实施方式中， 电池包括可再充电的锂离子电池， 其优选地具有至少为 12 至 16 小时的供电周期。而在另一个实施方式中， 电池的供电周期可以少于 12 小时或者多 于 16 小时。在本发明的其他实施方式中， 电池包括锂聚合物电池、 燃料电池技术或可用于 给假肢 100 供电的其他类型电池或技术。而在其他的实施方式中， 电池被可移除地连接至 下肢元件 102 的后表面、 连接至假肢 100 的其他部分或者被设置为远离假肢 100。 在进一步 的实施方式中， 假肢 100 可以被连接至外部电源例如通过壁装适配器或车用适配器连接以 给电池再充电。
在一个实施方式中， 在足部单元 104 停留在平地表面上时、 在电池电力耗尽或进 入低电力阶段时， 假肢 100 被设置为锁定在中间位置， 例如下肢元件 102 被对齐为基本上相 对于平地地面垂直。这样的锁定为使用者提供了操作的安全性、 可靠性和 / 或稳定性。假 肢 100 也可以提供电池状态显示以提醒使用者关于电池的状态 ( 也就是电量 )。在另一个 实施方式中， 在假肢 100 的动作控制功能被使用者关闭或禁用时， 假肢 100 就基本上被锁定 到中间的位置。
如上所述， 美化材料或其他涂料可以被用于假肢 100 以赋予假肢 100 更加自然的 外观或形状。 另外， 美化材料、 涂料或其他的填充材料可以被用于防止污染物例如污垢或水 接触到假肢 100 的部件。
图 3 根据本发明的一个实施方式示出了假肢 100 的侧视图。如图 3 中所示， 致动 器 116 进一步包括主壳体 124、 下部可伸展部分 126 和上部可伸展部分 128。下部可伸展部 分 126 将致动器 116 的主壳体 124 在第一连接点 118 处连接至足部单元 104。上部可伸展 部分 128 将致动器 116 的主壳体 124 在第二连接点 120 处连接至下肢元件 102。在操作和 主动调节假肢 100 期间， 下部可伸展部分 126 和 / 或上部可伸展部分 128 移入和 / 或移出 致动器 116 的主壳体 124 以调节足部单元 104 和下肢元件 102 之间的角度。
例如， 要增大足部单元 104 和下肢元件 102 之间的角度， 致动器 116 促使下部可伸 展部分 126 和 / 或上部可伸展部分 128 接触或撤回主壳体 124。例如， 可伸展部分 126， 128 中的至少一个可以具有螺纹面以使得沿一个方向 ( 例如顺时针 ) 的旋转促使可伸展部分撤 回到致动器的主壳体 124 内。在其他的实施方式中， 可伸展部分 126， 128 中的至少一个包 括多个套装部件以使得在收缩时， 可伸展部分的多个部件之一缩回到多个部件中的另一个 内而无需收回到主壳体 124 内。类似地， 要减小足部单元 104 和下肢元件 102 之间的角度， 下部可伸展部分 126 和 / 或上部可伸展部分 128 可以从主壳体 124 伸出。
在本发明具有用于致动器 116 的前部结构的实施方式中， 下部可伸展部分 126 和 / 或上部可伸展部分 128 的伸展导致足部单元 104 和下肢元件 102 之间的角度增大。类似 地， 下部可伸展部分 126 和 / 或上部可伸展部分 128 的收缩导致足部单元 104 和下肢元件 102 之间的角度减小。
图 4 示出了图 1-3 中示出的假肢 100 的后视图。在本发明的其他实施方式中， 盖 罩 100 围绕假肢 100 的后部延伸以装入至少一部分致动器 116 从而使得致动器 116 的各个 部分不可见和 / 或不会暴露到外界环境中。图 5 和图 6 示出了假肢 100 在其调节为上倾斜和下倾斜时的一个实施方式。参照 图 5， 假肢 100 被示出为调节成上倾斜。在该实施方式中， 致动器 116 伸展以减小下肢元件 102 和足部单元 104 之间的角度 θ( 或 “脚背弯曲” )。关于脚背弯曲， 在一个实施方式中， 假肢 100 动作的角度范围是与中间位置相距大约从 0 度到 10 度。其他的实施方式也可以 有助于在迈步阶段期间放大脚背弯曲。
图 6 示出了调节为下倾斜时的假肢 100。致动器 116 伸展以增大下肢元件 102 和 足部单元 104 之间的角度 θ( 或 “脚底弯曲” )。 关于脚底弯曲， 在一个实施方式中， 假肢 100 动作的角度范围是与中间位置相距大约从 0 度到 20 度。这样的脚底弯曲模仿了自然的脚 踝动作并为截肢患者或使用者提供了更高的稳定性。在一个实施方式中， 围绕假肢 100 脚 踝转动轴的总移动范围， 包括脚底弯曲和脚背弯曲在内， 大约是 30 度或更高。
除了在上倾斜和下倾斜时工作， 假肢 100 动作受控的足部还可以有利地适应不同 的地形， 在行进上下楼梯时工作， 以及有助于平地行走。另外， 假肢 100 可以提供自动的脚 跟高度调节能力。在一个实施方式中， 在足部单元 104 基本上与地面平齐时， 从下肢元件 102 的脚踝部分到地面进行测量即可得到脚跟高度。例如， 使用者可以通过例如按压一个 或多个按钮来调节为各种不同的脚跟高度， 以使得假肢 100 将其自动地对准适当的脚跟高 度。在一个实施方式中， 假肢 100 包括多个预定的脚跟高度。而在其他的实施方式中， 假肢 100 可以自动地调节脚跟高度而无需使用者输入。
图 5 和图 6 进一步示出了连接部分 108 的一个实施方式。连接部分 108 在截肢患 者的自然肢体和假肢 100 之间提供对齐并且可以被设置为得以降低压力峰值和剪切力。例 如， 连接部分 108 可以被设置为连接至另一假肢、 连接至截肢患者的残肢或者连接至另一 部件。在一个实施方式中， 连接部分 108 包括接插件。接插件可以被设置用于接收 32mm 的 螺纹部件、 公圆锥型连接器或其他部件。在其他的实施方式中， 连接部分 108 也可以包括或 者被设置为接收母圆锥型适配器。
如图 5 和图 6 中所示， 枢轴组件 114 被设置用于模仿自然的人体脚踝轴。图 7 进 一步示出了表示假肢足部单元 204 上的脚踝转动点和足部的人体自然脚踝关节之间相互 关系的示意图。具体地， 假肢足部单元 204 包括与人足 242 的脚踝关节 240 相对应的枢轴 组件 214。例如， 在本发明的一个实施方式中， 枢轴组件 114 被设置为靠近假肢 100 转动时 的机械脚踝中心。
图 8 示出了表示假肢 100 的一个实施方式在水平面上完整的一步期间可能的脚踝 动作范围的示意图。如图所示， 图中的 x 轴表示在使用者完整的一步期间的各个位置 ( 也 就是 0 到 100％ )。y 轴表示在假肢处于中间位置时假肢 100 相对于中间位置的脚踝角度 (Δ)。在完整的一步期间， 脚踝角度 (Δ) 从大约 20 度的脚底弯曲 ( 也就是中间位置的角 度 +20 度 ) 变化为大约 10 度的脚背弯曲 ( 也就是中间位置的角度 -10 度 )。
在上述的实施方式中， 在调节动作的角度范围时没有提供阻尼。在本发明的另一 个实施方式中， 假肢 100 被设置用于给下肢元件 102 和足部单元 104 之间的角度改变提供 阻尼或被动的软性阻力。一种用于控制该阻尼的系统示例在美国专利 6443993 中公开， 因 此通过引用将其全部内容并入本文并且视为本说明书的一部分。
例如， 在使用者处于站立位置时， 致动器 116 可以提供增大的阻力或阻尼以为使 用者提供稳定性。 在本发明的一个实施方式中， 假肢 100 的阻尼可以由液压阻尼器提供。 在本发明的其他实施方式中， 现有技术中已知的其他部件或装置也可以被用于为假肢 100 提 供阻尼。另外， 在本发明的一个实施方式中， 阻尼器可以例如通过电控系统被动态控制， 以 下将更加详细地讨论电控系统。而在其他的实施方式中， 阻尼器可以通过机械和 / 或流体 型结构进行控制。
还应该意识到尽管上述说明主要涉及的是假肢系统和装置， 但是说明内容也可以 应用于本发明具有矫形系统或装置的实施方式。例如， 在本发明的一个实施方式中， 一种 矫形系统可以包括主动控制矫形器角度的至少一个致动器， 矫形器被用于受伤或脆弱的脚 踝。 另外， 除了矫形系统的电控以外， 矫形系统还可以提供使用者控制或者受伤脚踝或腿部 的自然动作。
另 外， 上述系统可以在不同于经胫的或膝盖以下系统的假肢或矫形系统中 实 施。 例 如， 在 本 发 明 的 一 个 实 施 方 式 中， 假肢或矫形系统可以被用于经股的或膝 盖 以 上 系 统 中， 正 如 2004 年 5 月 7 日 提 交 的、 申 请 号 为 60/569,512 并 且 发 明 名 称 为 “MAGNETORHEOLOGICALLY ACTUATED PROSTHETIC KNEE” 的美国临时申请、 以及 2004 年 11 月 3 日提交的、 申请号为 60/624,986 并且发明名称为 “MAGNETORHEOLOGICALLY ACTUATED PROSTHETIC KNEE” 的美国临时申请还有 2005 年 5 月 6 日提交的、 申请号为 11/123,870 并 且发明名称为 “MAGNETORHEOLOGICALLY ACTUATED PROSTHETIC KNEE” 的美国专利申请中所 公开的那样， 因此上述申请中的每一件都通过引用其全部内容而并入本文， 并且应该被认 为是本说明书的一部分。例如， 假肢或矫形系统可以包括假肢或矫形脚踝和 / 或脚趾或矫 形膝盖。
图 9 示出了用于脚踝动作受控足部的控制系统 300 的系统结构的一个实施方式的 方块图。在本发明的一个实施方式中， 控制系统 300 可以由图 1-6 中示出的下肢假肢 100 使用。在本发明的其他实施方式中， 控制系统 300 可以由矫形系统或具有脚踝动作受控足 部或其他动作受控肢体的康复系统使用。在一个实施方式中， 控制系统 300 以分布式处理 系统为基础， 其中由假肢或矫形系统执行的不同功能， 例如检测、 数据处理和致动， 由彼此 通信的多个处理器来执行或控制。参照图 9， 控制系统 300 包括传感器模块 302、 脚踝装置 304( 例如图 1 中示出的假肢 100)、 中央处理器 (“CPU” )305、 存储器 306、 接口模块 308、 控 制驱动模块 310、 致动器 316 和电源模块 318。
在一个实施方式中， 图 9 中示出的控制系统 300 用 CPU 305 处理接收自传感器模 块 302 的数据。CPU 305 与控制驱动模块 310 通信以控制致动器 316 的操作， 从而由脚踝装 置 304 模仿自然的脚踝动作。而且， 控制系统 300 可以预测为了适应使用者的动作可能需 要如何来调节脚踝装置 304。CPU305 还可以通过接口模块 308 接收来自使用者和 / 或其他 装置的指令。电源模块 318 为控制系统 300 的其他部件供电。以下将更加详细地介绍这些 部件当中的每一个。
在一个实施方式中， 传感器模块 302 被用于测量与脚踝装置 304 有关的变量， 例如 脚踝装置 304 在整个步态周期内的位置和 / 或动作。 在这样的实施方式中， 传感器模块 302 有利地被设置在脚踝装置 304 上。例如， 传感器模块 302 可以被设置为靠近脚踝装置 304 转动的机械脚踝中心， 例如图 2 中所示假肢 100 的枢轴组件 114。在另一个实施方式中， 传 感器模块 302 可以被设置在与脚踝装置相连或相联的使用者自然肢体上。在这样的实施方 式中， 传感器被用于获取与使用者脚踝装置一侧的自然肢体动作相关的信息以调节脚踝装置 304。 在一个实施方式中， 传感器模块 302 有利地包括印刷电路板壳体、 多个传感器例 如加速计， 每一个都测量脚踝装置 304 沿不同轴的加速度。例如， 传感器模块 302 可以包括 三个加速计以测量脚踝装置 304 沿三条基本上互相垂直的轴线的加速度。适合用于传感器 模块 302 的传感器类型例如可以从 Dynastream Innovations， Inc.(Alberta， Canada) 购 得。
在其他的实施方式中， 传感器模块 302 可以包括一个或多个其他类型的传感器与 加速计相结合或取代加速计。例如， 传感器模块 302 可以包括设置用于测量体节和 / 或脚 踝装置 304 角速度的陀螺仪。在其他的实施方式中， 传感器模块 302 包括设置用于测量例 如特定脚下区域的垂直脚底压力的脚底压力传感器。而在另一些实施方式中， 传感器模块 302 可以包括以下传感器中的一种或多种 ： 运动传感器、 单轴陀螺仪、 单轴或多轴加速计、 负荷传感器、 屈曲度传感器或肌电传感器， 它们可以被设置用于获取来自使用者自然肢体 的数据。 美国专利 5955667、 美国专利 6301964 和美国专利 6513381 也给出了可以用于本发 明实施方式中的传感器示例， 因此通过引用其全部内容将这些专利并入本文并且视为本说 明书的一部分。
而且， 传感器模块 302 可以被用于获取例如与以下的一个或多个方面有关的信 息： 脚踝装置 304 相对于地面的位置 ； 脚踝装置 304 的倾斜角 ； 相对于脚踝装置 304 位置 的重力检测 ； 与使用者的步幅有关的信息， 例如脚踝装置 304 何时接触地面 ( 例如 “脚跟触 地” )、 何时处于中间步幅或者何时离开地面 ( 例如 “脚趾离地” )、 从地面到假肢 100 的距离 何时处于迈步阶段的峰值 ( 也就是迈步阶段期间的特定高度 ) ； 迈步阶段的峰值时刻等。
而在其他的实施方式中， 传感器模块 302 被设置用于检测步态模式和 / 或事件。 例 如， 传感器模块 302 可以确定使用者是否是处于站立 / 停止位置、 在平地上行走、 在上下楼 梯或斜面等。在其他的实施方式中， 传感器模块 302 被设置用于检测或测量脚踝装置 304 的脚跟高度和 / 或确定静态腿骨角度， 目的是为了检测使用者何时处于坐姿。
如图 9 中所示， 在本发明的一个实施方式中， 传感器模块 302 被进一步设置用于测 量环境或地形变量， 包括以下的一种或多种 ： 地面特性、 地面角度、 空气温度和风阻力。 在一 个实施方式中， 测量温度可以被用于校正增益和 / 或偏置其他传感器。
在其他的实施方式中， 传感器模块 302 获取与使用者的自然肢体例如健康腿部的 动作和 / 或位置相关的信息。在这样的实施方式中， 在上斜面或下斜面上操作时， 优选的可 以是使用者用健康腿部迈出的第一步。这样可以允许在调节脚踝装置 304 之前根据健康腿 部的自然动作进行测量。在本发明的一个实施方式中， 控制系统 300 在脚踝装置 340 处于 第一步的迈步阶段时检测使用者的步态并相应地调节脚踝装置 304。在本发明的其他实施 方式中， 可以有潜伏期， 其中控制系统 300 需要一步或两步才能够准确地确定使用者的步 态并适当地调节脚踝装置 304。
在本发明的一个实施方式中， 传感器模块 302 具有 100 赫兹 (Hz) 的默认采样频 率。在其他的实施方式中， 采样频率可以高于或低于 100Hz 或者可以由使用者调节， 或者可 以通过软件或参数设定来自动调节。另外， 传感器模块 302 可以在测量的数据类型之间提 供同步或者包括时间标记。传感器还可以被设置为使其具有约 0.5 度的角度分辨率， 允许 微调脚踝装置 304。
在一个实施方式中， 传感器模块 302 被设置用于在不需要测量时， 例如在使用者 处于坐姿或躺姿放松时， 降低功耗进入 “休眠” 模式。在这样的实施方式中， 传感器模块 302 可以随着传感器模块 302 的移动或者随着来自使用者的输入而从睡眠状态唤醒。在一个实 施方式中， 传感器模块 302 在处于 “活动” 模式时消耗大约 30 毫安 (mA) 而在处于 “休眠” 模 式时消耗大约 0.1mA。
图 9 示出了与 CPU 305 通信的传感器模块 302。在一个实施方式中， 传感器模块 302 有利地给 CPU305 和 / 或控制系统 300 的其他部件提供测量数据。在一个实施方式中， 传感器模块 302 被连接至发送器例如蓝牙 发送器以将测量值传输至 CPU305。 在其他的实 施方式中， 可以使用其他类型的发送器或无线技术， 例如红外技术、 Wifi 技术或射频 (RF) 技术。在其他的实施方式中， 也可以使用有线技术与 CPU305 通信。
在一个实施方式中， 传感器模块 302 发送至 CPU 305 的数据串包括各种类型的信 息。例如， 数据串可以由 160 位构成并包括以下信息 ：
[TS ； AccX ； Ace Y ； AccZ ； GyroX， GyroY， GyroZ， DegX， DegY， FS， M] ；
其中 TS ＝时间标记 ； AccX ＝足部沿 X 轴的线性加速度 ； AccY ＝足部沿 Y 轴的线 性加速度 ； AccZ ＝足部沿 Z 轴的线性加速度 ； GyroX ＝足部沿 X 轴的角加速度 ； GyroY ＝足 部沿 Y 轴的角加速度 ； GyroZ ＝足部沿 Z 轴的角加速度 ； DegX ＝冠状面内的足部倾角 ； DegY ＝矢状面内的足部倾角 ； FS ＝脚踝装置 304 内开关的逻辑状态以及 M ＝传感器的定向。在 本发明的其他实施方式中， 也可以使用由更多或更少的信息构成的其他长度的数据串。
CPU 305 有利地处理接收自控制系统 300 其他部件的数据。在本发明的一个实施 方式中， CPU 305 处理与使用者步态有关的信息， 例如接收自传感器模块 302 的信息， 确定 运动类型 ( 也就是步态模式 )， 和 / 或发送指令至控制驱动模块 310。例如， 由传感器模块 302 获取的数据可以被用于生成波形以描绘与使用者的步态或动作有关的信息。随后通过 CPU 305 识别波形的变化以预测使用者的后续动作并相应地调节脚踝装置 304。在本发明 的一个实施方式中， CPU 305 可以检测从最慢 20 步每分钟到最快 125 步每分钟的步态模式。 在本发明的其他实施方式中， CPU 305 可以检测慢于 20 步每分钟或者快于 125 步每分钟的 步态模式。
在本发明的一个实施方式中， CPU 305 根据下表 ( 表 1) 来处理涉及状态转换的数 据。具体地， 表 1 示出了可以由控制系统 300 使用的可能的状态转换。表 1 的第一列列出 了脚踝装置 304 可能的初始状态， 而第一行列出了脚踝装置 304 可能的第二状态。表 1 的 主体列出了在从第一状态到第二状态转换期间控制或主动调节致动器 316 和脚踝装置 304 时由 CPU 305 使用的数据来源 ； 其中 “N” 表示不需要额外数据用于状态转换 ； “L” 表示 CPU 305 在状态转换期间利用转换逻辑来确定对脚踝装置 304 进行调节 ； 而 “I” 表示 CPU 从接口 ( 例如接口模块 308、 外部使用者接口、 电气接口等 ) 获取数据。本发明的实施方式可使用 的转换逻辑可以由相关领域的普通技术人员研究得出。 2004 年 5 月 19 日提交的、 申请号为 60/572,996 并且发明名称为 “CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR A PROSTHETIC KNEE” 的美 国临时申请以及 2005 年 3 月 9 日提交的、 申请号为 11/077,177 并且发明名称为 “CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR A PROSTHETIC KNEE” 的美国专利申请中公开了在类似于本发明实 施方式的系统和方法中使用的转换逻辑示例， 因此上述申请中的每一件都通过引用其全部 内容而并入本文并且应该被认为是本说明书的一部分。表1在一个实施方式中， 表 1 中的上述状态是脚踝装置 304 的预定状态。 例如， “OFF( 关 闭 )” 状态可以表示脚踝装置 304 和致动器 316 的功能处于关闭或暂停模式。 “HEEL_HEIGHT_ CAL( 脚跟高度 )” 状态涉及例如在脚踝装置 304 未移动时通过静态传感器的角度来测量 脚跟高度。 “SENSOR_CAL( 传感器 )” 状态涉及使用者在水平面上行走时的表面角度校正。 “NEUTRAL( 中间 )” 状态涉及脚踝装置 304 被锁定在基本固定的位置时。 “WALK( 行走 )” 状 态涉及使用者例如在水平面或斜面上行走时。 “STAIRS_UP( 上楼梯 )” 和 “STAIRS_DOWN( 下 楼梯 )” 状态分别涉及使用者行走上下楼梯时。 “RELAX( 放松 )” 状态涉及使用者处于放松 位置时。例如， 在一个实施方式中， “RELAX( 放松 )” 状态涉及使用者处于坐姿将具有脚踝装 置 304 的肢体与其他肢体交叠时。在这样的实施方式中， 控制系统 300 可以促使脚踝装置 304 移动到特定的脚底弯曲位置以模仿例如健康足部的自然位置和 / 或外观。 “PANTS( 裤 子 )” 状态涉及使用者穿着衬裤、 长裤、 短裤等时。在这样的状态下， 在一个实施方式中控制 系统 300 可以促使脚踝装置 304 移动到特定的脚底弯曲位置以有助于经过脚踝装置 304 穿 上衣服。
在本发明的其他实施方式中， 脚踝装置 304 可以使用其他状态以取代或结合表 1 中列出的各种状态。例如， 可以确定对应于躺下、 骑车、 爬梯等的状态。而且， 在控制状态转 换时， CPU 305 和 / 或控制系统 300 可以用不同于表 1 中列出的来源处理或得出数据。
在其他的实施方式中， CPU 305 可以执行各种其他的功能。例如， CPU305 可以使用 接收自传感器模块 302 的信息来检测使用者被绊倒。CPU 305 可以用作控制系统 300 各个 部件之间通信的管理器。 例如， CPU 305 可以用作主控装置以用于控制系统 300 的多个部件 之间的通信总线。如图所示， 在一个实施方式中， CPU 305 与电源模块 318 通信。例如， CPU
305 可以为控制系统 300 的其他部件提供电力分配和 / 或转换并且还可以监测电池电力或 电池寿命。另外， CPU 305 可以工作以在使用者处于坐姿或站姿时临时性地暂停或结束给 控制系统 300 供电。这样的控制在减少使用的时段期间提供了能量转换。CPU 305 还可以 进行故障处理， 例如在部件之间的通信失灵时、 从传感器模块 302 接收到不可识别的信号 或波形时、 或者在来自控制驱动模块 310 或脚踝装置 304 的反馈导致故障或出现误用时。
而在本发明的另一个实施方式中， CPU 305 在分析来自传感器模块 302 的信息和 / 或向控制驱动模块 310 发送指令时使用或计算安全因子。例如， 安全因子可以包括一系列 数值， 其中较高的数值表示与使用者的确定动作类型相关联的较高程度的可靠性， 而较低 的数值则表示与使用者的动作类型相关联的较低程度的可靠性。 在本发明的一个实施方式 中， 除非使用者的动作类型被识别出具有高于预定阈值的安全因子， 否则就不对脚踝装置 304 进行调节。
在一个实施方式中， CPU 305 包含的模块包括用硬件或固件实现的逻辑， 或者包括 用编程语言例如 C++ 编写的软件指令集合。软件模块可以被编译和链接为可执行程序， 安 装在动态链接库内， 或者也可以用解释语言例如 BASIC 编写。应该理解软件模块可以由其 他模块或自身加以调用， 和 / 或可以响应于检测到的时间或中断而被激活。软件指令可以 嵌入到固件例如 EPROM 或 EEPROM 中。进一步还应该理解硬件模块可以包括连接的逻辑单 元例如门电路和触发器， 和 / 或可以包括可编程单元例如可编程门阵列或处理器。
图 9 进一步示出了 CPU 305 包括用于存储指令和 / 或数据的存储器 306。例如， 存 储器 306 可以存储以下一种或多种类型的数据或指令 ： 用于控制系统 300 其他部件的错误 日志 ； 关于步态模式的信息或曲线 ； 关于使用者过去活动的信息 ( 例如步数 ) ； 控制参数和 设定值 ； 关于软件编译或升级的信息 ； 用于假肢或矫形系统的基本动作的预编程算法 ； 与 传感器模块 302 或其他部件相关的校正值和参数 ； 从外部装置下载的指令 ； 相同或类似内 容的组合。
存储器 306 可以包括能够存储计算机指令和 / 或数据的任意缓冲器、 计算装置 或系统以供另一计算装置或计算机处理器存取。在一个实施方式中， 存储器 306 是作为 CPU 305 一部分的高速缓存。在本发明的其他实施方式中， 存储器 306 独立于 CPU 305。 在本发明的其他实施方式中， 存储器 306 包括随机存取存储器 (RAM) 或者可以包括其他 的集成和可存取的存储装置例如只读存储器 (ROM)、 可编程 ROM(PROM) 和电可擦除可编程 ROM(EEPROM)。在另一个实施方式中， 存储器 306 包括可移除的存储器例如记忆卡、 可移除 的驱动器等。
在一个实施方式中， 存储器 306 还可以被设置用于通过接口模块 308 接收来自使 用者或外部装置的使用者特定指令或动作特定指令。CPU 305 还可以接收对已存在指令的 更新。而且， CPU 305 可以与个人计算机、 个人数字助理 (PDA) 等通信以下载或接收操作指 令。动作特定指令可以包括例如与骑车、 驾驶、 上下梯子、 在雪地或沙地上行走时的调节等 有关的数据。
在一个实施方式中， 接口模块 308 包括使用者操作的接口以控制或管理假肢或矫 形系统的各个部分或功能。在一个实施方式中， 接口模块 308 是具有多个按钮和 / 或多个 发光二极管 (LED) 的可伸缩键区， 用于接收来自使用者的信息和 / 或将信息传递给使用者。 例如， LED 可以指示电池状态或者可以给使用者传达确认信号。接口模块 308 可以有利地被设置在脚踝装置 304 上。而且， 接口模块 308 可以包括 USB 连接器， 可用于与外部计算装 置例如个人计算机通信。
在进一步的实施方式中， 接口模块 308 包括打开 / 关闭的开关。在另一个实施方 式中， 接口模块 308 可以接收关于使用者控制的脚跟高度或者假肢或矫形系统的强迫放松 模式的输入。在其他的实施方式中， 使用者可以调节所需的假肢响应类型或者激活 / 禁用 脚踝装置 304 的特定功能。来自使用者的输入可以通过接口模块 308 例如通过操作按钮直 接输入， 或者也可以通过远程控制来接收使用者的输入。
接口模块 308 可以包括触摸屏、 按钮、 开关、 振动器、 报警器或其他的输入接收或 输出结构或装置， 以允许使用者发送指令或者从控制系统 300 接收信息。在本发明的另一 个实施方式中， 接口模块 308 包括附加结构例如插座用于例如在家里或者在车上给为控制 系统 300 供电的电池充电。在本发明的其他实施方式中， 接口模块 308 还可以与控制系统 300 当中除 CPU 305 以外的其他部件直接或间接通信。
控制驱动模块 310 被用于将接收自 CPU 305 的高电平方案或指令转化为要被发送 至致动器 316 的低电平控制信号。在一个实施方式中， 控制驱动模块 310 包括实现了与管 理致动器 316 相关的控制算法和任务的印刷电路板。另外， 控制驱动模块 310 可以被用于 实现将 CPU 305 的决策过程转化为致动器 316 的实际硬件定义的硬件抽象层。在本发明的 另一个实施方式中， 控制驱动模块 310 可以被用于给 CPU 305 提供与致动器 316 或脚踝装 置 304 的位置或动作有关的反馈。控制驱动模块 310 还可以被用于在通过 CPU 305 检测到 使用者在有一定角度的平面上行走之后将致动器 316 调节为新的 “中间” 设定。
在本发明的一个实施方式中， 控制驱动模块 310 位于脚踝装置 304 内。在其他的 实施方式中， 控制驱动模块 310 可以位于脚踝装置 304 外侧例如位于插座上或者远离脚踝 装置 304。
致动器 316 负责提供脚踝装置 304 的受控动作。在一个实施方式中， 致动器 316 的工作类似于参照图 1-6 介绍的致动器 116， 该致动器 116 控制假肢 100 的脚踝动作。在本 发明的其他实施方式中， 致动器 316 可以被设置用于控制矫形装置例如护膝或其他类型支 撑结构的动作。
脚踝装置 304 包括被用于模仿关节例如脚踝动作的任意结构化装置， 并且至少部 分地由致动器 316 控制。具体地， 脚踝装置 304 可以包括假肢装置或矫形装置。
电源模块 318 包括一个或多个可用于给控制系统 300 供电的电源和 / 或连接器。 在一个实施方式中， 电源模块 318 有利地是便携式的， 并且可以包括例如前述的可再充电 电池。如图 9 中所示， 电源模块 318 与控制驱动模块 310 和 CPU 305 相连。在其他的实施 方式中， 电源模块 318 与控制系统 300 其他的部件相连而不是与控制驱动模块 310 和 CPU 305 相连， 或者也可以同时与控制驱动模块 310 和 CPU 305 相连。 例如， 在一个实施方式中， 电源模块 318 直接与传感器模块 302 相连。而且， 电源模块 318 可以与接口模块 308 相连 以使得使用者能够直接控制供应给控制系统 300 的一个或多个部件的电力。
控制系统 300 的部件可以通过各种通信连接彼此通信。图 9 示出了两种类型的连 接： 示出为部件之间的实线的主通信连接和示出为虚线的副通信连接。 在一个实施方式中， 主通信连接根据某种确定好的协议工作。例如， 主通信连接可以延伸在控制系统 300 的物 理部件之间。另一方面， 副通信连接可以按与主通信连接不同的协议或电平工作。例如， 如果主通信连接和副通信连接之间存在冲突， 那么来自主通信连接的数据就将覆盖来自副通 信连接的数据。副通信连接在图 9 中被示出为控制系统 300 和环境之间的信道。在本发明 的其他实施方式中， 模块可以通过其他类型的通信连接或方法在彼此之间和 / 或与环境通 信。例如， 所有的通信连接均可以相同协议或者相同等级的电平工作。
还应该想到的是控制系统 300 的部件可以用不同的形式集成。例如， 部件可以被 分为若干子部件或者可以被分为驻留在不同位置并通过例如有线或无线网络彼此通信的 多个装置。例如， 在一个实施方式中， 模块可以通过 RS232 或串行外围接口 (SPI) 通道进行 通信。多个部件也可以被组合为单个部件。还应该想到的是本文中介绍的部件可以被集成 到更少数量的模块内。一个模块也可以被分为多个模块。
尽管已参照具体实施方式进行了公开， 但是控制系统 300 也可以包括比所述情况 更多或更少的部件。例如， 控制系统 300 可以进一步包括用于控制或微调致动器 316 位置 的致动器电位计。使用者也可以使用致动器电位计来调节脚踝装置 304 的脚跟高度。在一 个实施方式中， 致动器电位计与 CPU305 通信。在其他的实施方式中， 控制系统 300 可以包 括振动器、 直流插座、 保险丝、 相同或类似部件的组合。
类似或其他控制系统与其他相关结构和方法的示例在以下的专利申请中公开 ： 2003 年 6 月 17 日提交的、 申请号为 10/463,495、 发明名称为 “ACTUATED LEG PROSTHESIS FOR ABOVE-KNEE AMPUTEES5” 、 现在公开的公开号为 US2004/0111163 的美国专利申请 ； 2003 年 6 月 20 日提交的、 申请号为 10/600,725、 发明名称为 “CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING AN ACTUATED PROSTHESIS” 、 现在公开的公开号为 US2004/0049290 的美国 专利申请 ； 2003 年 7 月 25 日提交的、 申请号为 10/627,503、 发明名称为 “POSITIONING OF LOWER EXTREMITIES ARTIFICIAL PROPRIOCEPTORS” 、 现在公开的公开号为 US2004/0088057 的美国专利申请 ； 2003 年 11 月 25 日提交的、 申请号为 10/721,764、 发明名称为 “ACTUATED PROSTHESIS FOR AMPUTEES” 、 现在公开的公开号为 US2004/0181289 的美国专利申请 ； 以及 2003 年 11 月 18 日提交的、 申请号为 10/715,989、 发明名称为 “INSTRUMENTED PROSTHETIC FOOT” 、 现在公开的公开号为 US2005/0107889 的美国专利申请 ； 因此上述申请中的每一件 都通过引用其全部内容而并入本文， 并且应该被认为是本说明书的一部分。 另外， 可以在本 发明实施方式中使用的其他类型的控制系统在以下的专利申请中公开 ： 2004 年 3 月 10 日 提交的、 申请号为 60/551,717、 发明名称为 “CONTROL SYSTEM FOR PROSTHETIC KNEE” 的美 国临时申请 ； 2004 年 5 月 7 日提交的、 申请号为 60/569,511、 发明名称为 “CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR A PROSTHETIC KNEE” 的美国临时申请 ； 以及 2004 年 5 月 19 日提交的、 申 请号为 60/572,996、 发明名称为 “CONTROL SYSTEM AND METHOD FORA PROSTHETIC KNEE” 的 美国临时申请， 这些申请都通过引用其全部内容而并入本文， 并且应该被认为是本说明书 的一部分。
图 10 是根据本发明的一个实施方式示出了当使用者在不同状态之间或不同类型 的动作之间转换时可用于调节假肢或矫形系统中脚踝角度的可用控制信号的表格。具体 地， 402 列中列出的状态表示使用者的第一状态， 而 404 行中列出的状态表示使用者的第二 状态或者使用者要转换过去的状态。 表中的其余内容表示可以由假肢或矫形装置相对于脚 踝角度采取的可行动作。 “使用者设定值” 是可以在调节鞋跟高度期间设定的中间值或默认 值。列出的角度是改变假肢或矫形装置的脚踝角度的示例。例如， 在使用者从 “站姿” 状态转换为 “上楼梯” 状态时， 脚踝角度可以被调节为楼梯的角度例如 -10 度 ( 或 10 度的脚背 弯曲 )。在 “上倾斜” 和 “下倾斜” 列中给出的脚踝角度反映了取决于倾斜角的脚踝角度调 节值的阈值水平。
下表 ( 表 2) 示出了用于本发明一个实施方式的可能的脚踝动作。表 2 中的第一 列列出了可以被经常检测的不同类型的动作类型或步态模式。表 2 中的第二列列出了在每 一种列出的动作类型的迈步阶段期间假肢或矫形装置的脚踝角度调节值的示例。
表2
图 11 给出的示图示出了假肢或矫形腿的控制与从健康的测量腿获取的测量值之 间的相互作用和关系。具体地， 图 11 示出了假肢或矫形腿和健康腿在使用者完整的一步期 间的动作。例如， 在大约一步的最初 60％期间， 示图示出假肢或矫形腿是处于 “站姿” 位置 或者是站立在表面例如地面上。 在一个实施方式中， 在站姿阶段的开始部分期间， 假肢或矫 形腿的脚踝角度可以减小 ( 脚背弯曲 )。 趋向于结束站姿阶段时， 假肢或矫形腿的脚踝角度 可以随即增大 ( 脚底弯曲 ) 以有助于自然的脚步移动。在本发明的一个实施方式中， 站姿 阶段期间不主动调节假肢或矫形腿的脚踝角度。 在该相同阶段的最大到大约 40％的位置的 一部分期间， 健康腿可以处于迈步位置， 其中健康腿不与地面接触。在大约 40％到 60％的 位置之间， 双腿都与地面接触。
从大约 60％到 100％的位置 ( 脚步结束 )， 假肢或矫形腿处于迈步位置， 并且健康 腿与地面接触。图 11 中的示图示出了在迈步阶段期间调节假肢或矫形腿的脚踝角度。这
种角度调节可以基于健康腿迈步阶段期间健康腿的在先测量值进行。在一个实施方式中， 在假肢或矫形腿迈步阶段的开始部分期间， 假肢或矫形腿的脚踝角度可以减小。这就允许例如假肢或矫形腿的脚趾部分越过楼梯。进入假肢或矫形腿迈步阶段后面的部分时， 假肢 或矫形腿的脚踝角度可以在接触到地面之前增大。在其他的实施方式中， 角度调节基于由 传感器在假肢侧获得的读数进行。
应该理解图 11 是对本发明实施方式在某些条件下的功能说明。其他的实施方式 或情形可能需要更长或更短的站立或迈步阶段并需要对假肢腿脚踝部分的角度进行其他 的调节。
图 12A-12C 示出了被设置用于连接至人的肢体的下肢假肢 100′的另一个实施方 式。下肢假肢 100′除了以下介绍的内容以外均类似于图 2 中示出的下肢假肢 100。因此， 用于标识下肢假肢 100′中各个部件的附图标记与用于标识图 2 中下肢假肢 100 的对应部 件的附图标记相同， 只是在附图标记上添加了 “′” 。
下肢假肢 100′包括连接至第二部分 104′的第一部分 102′， 其中 102′， 104′ 部分相对于彼此可以移动以模仿自然的人体关节。在图示的实施方式中， 第一部分是下肢 元件 102′而第二部分是有效连接至下肢元件 102′以模仿自然人体脚踝关节的假肢足部 单元 104′。 足部单元 104′包括在足部单元 104′后端的脚跟部分 104a′以及在足部单元 104′前端的脚趾部分 104b′。在一个实施方式中， 脚跟部分 104a′和脚趾部分 104b′可 以是整体式的。在另一个实施方式中， 脚跟部分 104a′和脚趾部分 104b′可以通过例如螺 钉、 螺栓、 粘合剂等彼此紧固在一起的独立部件。 在图示的实施方式中， 假肢足部单元 104′ 是可以由可从 购得的 LP VARI-FLEX 假肢足部。但是， 足部单元 104′也可以具有 其他的结构或设计。 在另一个实施方式中 ( 未示出 )， 第一和第二部分可以分别是上部腿元 件和下部腿元件， 将其连接以模仿自然的人体膝关节。
如图 12A 中所示， 下肢假肢 100′也可以包括在足部单元 104′和下肢元件 102′ 之间延伸的框架 106′。如图 12A 和 12B 中所示， 下肢元件 102′的连接部分 108′有助于 将下肢元件 102′连接至另一个元件例如图 1-4 中示出的暂用假肢 110。在图示的实施方 式中， 连接部分 108′是角锥体。 另外， 下肢元件 102′或支撑元件通过枢轴组件 114′在其 下端连接至足部单元 104′， 枢轴组件 114′被连接至假肢足部单元 104′。在图示的实施 方式中， 枢轴组件 114′被连接在足部单元 104′的大约后 1/3 处。 但是， 枢轴组件 114′也 可以被连接在足部单元 104′的其他位置。优选地， 枢轴组件 114′模仿自然的人体脚踝关 节。另外， 盖罩 106b′被围绕下肢假肢 100′的致动器 500 设置以充分地保护致动器 500 并阻止异物侵入。 在某些实施方式中， 下肢假肢 100′也可以包括控制线路例如图 1-4 中示 出的控制线路 112 以为假肢 100′供电和 / 或传输控制信号。
继续参照图 12A-12C， 致动器 500 为假肢 100′提供必要的能量以执行与截肢患者 的动作同步的角位移。致动器 500 将假肢 100′的第一部分 102′和第二部分 104′连接 在一起， 这在图示的实施方式中对应于下肢元件 102′和假肢足部单元 104′。正如以下进 一步介绍的那样， 致动器被设置用于调节下肢元件 102′和足部单元 104′之间的角度。致 动器 500 分别在第一连接点 118′和第二连接点 120′连接至足部单元 104′和下肢元件 102′。在一个实施方式中， 假肢可以包括控制电路例如图 2 和 3 中示出的控制电路 122 来 控制致动器 500 的操作。
图 13-18 示出了可以与上述的下肢假肢 100′一起使用的致动器 500 的一个实施 方式。致动器 500 优选地包括具有连接端 512 和底端 514 的定子或顶部单元 510。在图示的实施方式中， 连接端 512 是 C 形钳 ( 参见图 15)， 具有沿第一轴 X1 对齐的第一开口 512a 和第二开口 512b， 第一轴 X1 通常垂直于致动器 500 的纵向轴 Y 延伸。但是， 连接端 512 也 可以具有其他合适的结构。开口 512a， 512b 优选地被成形用于容纳紧固件例如螺钉、 螺栓 或销 ( 未示出 ) 从中穿过以允许在第二连接点 120′处将顶部单元 510 紧固至例如下肢元 件 102′的上端。
顶部单元 510 的底端 514 优选地具有圆形壁 514a 和底面 516。在图示的实施方式 中， 如图 17 中所示， 底面 516 从圆形壁 514a 向着底面 516 的中心弯曲。底面 516 优选地包 括通常位于底面 516 中心处的凹口部分 518。顶部单元 510 的底面 516 上的凹口部分 518 优选地被成形用于在其中容纳滚珠轴承 52， 正如以下进一步介绍的那样。
如图 17 中所示， 圆形壁 514a 包括从壁 514a 向外伸出的凸起 520。在一个实施方 式中， 凸起 520 基本上沿壁 514a 的整个圆周延伸。在另一个实施方式中， 凸起 520 可以是 围绕壁 514a 的圆周以离散位置设置的多个凸起。
致动器 500 还包括第一狭长元件或转子 530， 具有从顶端 530a 延伸至底端 530b 沿 着长度 532 延伸的主体， 并且具有直径 534。在一个实施方式中， 长度 532 在大约 25mm 到大 约 70mm 之间。在一个实施方式中， 直径 534 在大约 12mm 到大约 40mm 之间。更优选地， 直 径 534 是大约 17mm。转子 530 在其顶端 530a 具有圆形凸缘 536， 凸缘 536 具有比主体直径 534 更大的直径。顶端 530a 具有通常从圆形凸缘朝向表面 537 的中心 537a 向上弯曲的外 表面 537。表面 537 界定出通常位于其中心 537a 的凹口部分 538。凹口部分 538 优选地被 成形为在其中容纳滚珠轴承 522， 以使滚珠轴承 522 将顶部单元 510 连接至转子 530。在一 个优选实施方式中， 顶部单元 510 和转子 530 完全通过滚珠轴承 522 彼此连接。在图示的 实施方式中， 滚珠轴承 522 是单滚珠轴承。但是， 其他合适的轴承也均可使用。在一个实施 方式中 ( 未示出 )， 止推轴承被设置在顶部单元 510 和转子 530 之间。如图 17 中所示， 转子 530 优选地是界定出中空的中间部分 539 的狭长螺母， 其界定出具有螺纹 540 的壁部 539a， 螺纹 540 至少沿壁部 539a 的一部分长度设置。
如上所述， 滚珠轴承 522 优选地将顶部单元 510 连接至第一狭长元件 530。优选 地， 转子 530 表面 537 的弯曲和顶部单元 510 底面 516 的弯曲界定出其间的间隙 541。间隙 541 优选地围绕表面 537 的中心 537a 圆周延伸。在优选的实施方式中， 至少一块磁铁 542 被设置在间隙 541 内并通过例如粘合剂连接至表面 537。在图 18 示出的实施方式中， 围绕 表面 537 的中心 537a 设有多块磁铁 542。在另一个实施方式中， 环形磁铁 ( 未示出 ) 可以 被设置在表面 537 上， 其中磁铁的环面与中心 537a 对齐。磁铁 542 优选地被设置用于在顶 部单元 510 和转子 530 上施加磁力， 以使得该作用力将顶部单元 510 和转子 530 向彼此牵 引。
如图 17 和 18 中能够清楚看出的那样， 致动器 500 还包括具有高度 551 的护圈 550 和界定出内径 554 的壁部 552。护圈 550 包括具有内部 556a 和外部 556b 的凸缘 556， 内部 556a 从壁部 522 径向向内延伸， 外部 556b 从壁部 552 径向向外延伸， 其中内部 556a 和外部 556b 优选地被设置在壁部 552 的底端。尽管图示的实施方式将凸缘 556 示出为连续地围 绕护圈 550 的外周， 但是本领域技术人员可以意识到凸缘 556 也可以改为围绕护圈 556 的 圆周设置在离散位置处的多个凸缘元件。护圈 550 的内径 554 被成形用于在其中容纳转子 530 和顶部单元 510。在图示的实施方式中， 护圈 550 的内径 554 优选地至少是略微大于转子 530 的凸 缘 536 的直径， 以使得转子 530 的凸缘 536 不会与护圈 550 的壁部 552 相接合。类似地， 护 圈 550 的内径 554 优选地至少是略微大于顶部单元 510 的至少一部分圆形壁 514a 的直径。 顶部单元 510 的圆形壁 514a 上的凸起 520 优选地接合护圈 550 的一部分壁部 552， 以使得 顶部单元 510 和护圈 550 被彼此连接在一起。
优选地， 转子 530 如下文中进一步介绍的那样围绕纵向轴 Y 旋转并沿其平移。在 一个实施方式中， 转子 530 仍然通过滚珠轴承 522 连接至顶部单元 510， 但是通过内部凸缘 556a 选择性地移动与护圈 550 形成接触和脱离接触， 正如下文中进一步介绍的那样。在 另一个实施方式中， 转子 530 在通过滚珠轴承 522 与顶部单元 510 相接触和通过内部凸缘 556a 与护圈 550 相接触之间移动。
如图 17 和 18 中清楚示出的那样， 第一磁铁 560a 和第二磁铁 560b 被设置在一部 分转子 530 周围。第一磁铁 560a 和第二磁铁 560b 优选地具有高度 562， 562b 以及比转子 530 的直径 534 更大的内径 564a， 564b， 以使得磁铁 560a， 560b 可围绕转子 530 安装。在一 个实施方式中， 第一磁铁 560a 和第二磁铁 560b 的内径 564a， 564b 在大约 12mm 到大约 40mm 之间， 并且更优选地是大约 17mm。 在一个实施方式中， 磁铁 560a， 560b 是具有 24 极的磁环。 另外， 如图 17-18 中所示， 垫圈 568 被设置在第一磁铁 560a 和第二磁铁 560b 之间。 优选地， 垫圈 568 也具有比转子 530 的直径 534 更大的直径， 以使得垫圈 568 可以围绕转子 530 安 装。 尽管图示的实施方式中示出了两块磁铁 560a， 560b 和一个垫圈 568， 但是本领域技术人 员应该意识到可以使用任意数量的磁铁和垫圈。
致动器 500 还包括具有圆柱形主体 571 的套管 570， 具有长度 572 和直径 574 以使 得套环 570 可以围绕转子 530 安装。在一个实施方式中， 长度 572 在大约 10mm 到大约 70mm 之间， 并且更优选地是大约 20mm。直径 574 优选地在大约 12mm 到大约 40mm 之间， 并且更优 选地是大约 17mm。优选地， 如图 17 中所示， 套管 570 具有比第一狭长元件 530 的直径 534 更大的内径， 并且具有比第一磁铁 560a 和第二磁铁 560b 以及垫圈 568 的内径更小的外径。 因此， 第一磁铁 560a 和第二磁铁 560b 以及垫圈 568 可以围绕套管 570 安装， 套管 570 也相 应地可以围绕转子 530 安装。在优选的实施方式中， 转子 530、 套管 570、 磁铁 560a， 560b 基 本上彼此靠近设置。
如图 17 和 18 中清楚示出的那样， 套管 570 还具有绕套管 570 圆周延伸的唇缘 576。 在优选的实施方式中， 唇缘 576 连续地围绕套管 570 延伸， 离开套管 570 表面的径向距离基 本上等于第一磁铁 560a 和第二磁铁 560b 中至少一个的厚度。唇缘 576 优选地被设置为远 离套管 570 的顶端一定距离以支撑套管 570 周围的第一磁铁 560a 和第二磁铁 560b 以及垫 圈 568， 从而使得第一磁铁 560a 和第二磁铁 560b 以及垫圈 568 不会延伸超过套管 570 的顶 端。
致动器 500 还包括电机 580。在图示的实施方式中， 电机 580 具有高度 582 以及 内径为 584 的内表面 586， 以使得电极 580 能够围绕转子 530 设置。在一个实施方式中， 电 机具有的长度在大约 10mm 到大约 60mm 之间， 并且更优选地是大约 25mm。电机 580 的内径 584 优选地在大约 15mm 到大约 50mm 之间。在优选的实施方式中， 电机 580 的直径 584 是大 约 22mm。如图 17 中所示， 电机 580 围绕转子 530 延伸以使得套管 570、 第一磁铁 560a 和第 二磁铁 560b 以及垫圈 568 被设置在转子 530 和电机 580 的内径 584 之间。电机 580 优选地包括被设置用于通过磁铁 560a， 560b 来转动转子 530 的绕组。在图示的实施方式中， 电 机 580 是步进电机。但是， 其他合适的电机类型也均可使用。例如， 电机 580 可以是直流电 机、 压电电机、 直流无刷电机和伺服电机。
如图 18 中清楚示出的那样， 致动器还包括 O 形环 590 以及位于电机 580 和具有凸 出部分 612 的盖罩部分 610 之间的滚珠轴承 600。盖罩 610 优选地在致动器 50 完全组装好 之后将电机 580 容纳在其中。波纹管 620 优选地被靠近盖罩 610 的底端设置。波纹管 620 有利地阻止异物例如灰尘和水进入与电机 580 和致动器 500 的第二狭长元件 630 相接触。
第二狭长元件 630 沿长度 623 延伸并具有直径 634。 在图示的实施方式中， 第二狭 长元件 630 是沿一部分长度 632 具有螺纹的螺栓。在图示的实施方式中， 螺栓 630 在其底 端具有连接部分 638， 并由从中穿过沿 X2 轴延伸的开口 638a， X2 轴通常正交于致动器 500 的纵向轴 Y。开口 638a 优选地被成形用于在其中容纳紧固件例如螺钉、 螺栓或销。因此， 连 接部分 638 可以在第一连接点 118′处被紧固至例如假肢足部单元 104′。
在一个优选实施方式中， 螺栓 630 的螺纹 636 适用于螺接啮合螺母 530 上的螺纹 540。优选地， 螺栓 630 和螺母 530 上的螺纹 636， 540 分别被设计为处于自锁定连接的边界 上。在一个优选实施方式中， 螺栓 630 和螺母 530 上的螺纹 636， 540 分别是梯形螺纹。例 如， 螺纹 636， 540 可以是居中的 ACME 螺纹， 具有的工作直径是大约 14mm， 螺距是大约 2mm， 还有大约两个导程。 但是， 也可以使用任意合适的螺纹类型。 在一个实施方式中， 螺纹 636， 540 由铝青铜和不锈钢支撑。但是， 也可以使用其他合适的金属和合金。在一个优选实施 方式中， 螺母 530 中的螺纹 530 是切纹， 而螺栓 630 内的螺纹 636 是底纹并涂有涂层例如永 久性油涂层。有利地， 螺母 530 内的螺纹长度被设置为在致动器 500 工作期间提供特定水 平的摩擦， 同时给致动器 500 输送增大的支撑和强度。但是， 本领域技术人员应该意识到螺 母 530 和螺栓 630 的螺纹 540， 636 也可以具有其他结构并且可以用其他材料制成以提供所 需的性能特征。 例如， 螺纹的材料和涂层以及螺距、 工作直径和导程数量都可以改变以在螺 纹 540， 636 之间提供不同的接合摩擦。在一个实施方式中， 螺纹 540， 636 的螺距和结构可 以被选择为使得 ( 例如沿纵向轴 Y) 加至螺栓 630 和 / 或螺母 530 组件的负荷不能引发致 动器 500 的自发移动。也就是说， 螺纹 540， 636 的螺距和结构在其间产生的摩擦力足够大 以限制螺母 530 和螺栓 630 的相对旋转。在另一个实施方式中， 螺纹 540， 636 的螺距和结 构可以被选择为使得沿纵向轴 Y 加至螺栓 630 和 / 或螺母 530 组件的负荷可以引发致动器 500 的自发移动。
如图 17 中所示， 螺栓 630 优选地具有沿一部分长度 632 延伸的中空部分 640。有 利地， 中空部分 640 减轻了螺栓 630 的重量， 由此也减轻了致动器 500 的总体重量。如图 18 中所示， 接纳环 650 被围绕螺栓 630 设置， 其中环 650 与波纹管 620 的底端相连。
有利地， 致动器 500 具有紧凑的装配。如上所述， 电机 580 被围绕转子 530 设置， 转子 530 则围绕狭长元件或螺栓 630 设置。因此， 致动器 500 占据的空间更小并且能够具 有比其他设计更轻的重量。在一个优选实施方式中， 致动器 500 在收缩结构中具有的高度 在大约 40mm 到大约 70mm 之间， 而在完全伸展结构中具有的高度在大约 65mm 到大约 130mm 之间。另外， 螺栓 630 的中空部分 640 有利地减轻了致动器 500 的重量。
在操作中， 致动器 500 有利地减小定子或顶部单元 510 和转子或螺母 530 之间的 摩擦。位于顶部单元 510 和螺母 530 之间的滚珠轴承 522 限制在顶部单元 510 和螺母 530之间产生的摩擦力， 由此允许螺母 530 基本上相对于顶部单元 510 自由旋转。另外， 磁铁 542 如上所述将螺母 530 向顶部单元 510 吸引。这样的磁力提升螺母 530 脱离与护圈 550 的内凸缘 556a 的接合， 由此限制在护圈 550 和螺母 530 之间产生的摩擦力， 正如以下进一 步介绍的那样。在优选实施方式中， 磁力足够强以在步态循环的一个所需阶段内提升转子 530 脱离与护圈内凸缘 556a 的接合。在另一个实施方式中， 磁铁 542 的磁力足够强以在步 态循环的多于一个所需阶段内提升转子 530 脱离与护圈内凸缘 556a 的接合。
致动器 500 还可以有利地在步态循环的所需阶段期间被选择性地锁定。如图 17 中所示， 转子或螺母 530 的凸缘 536 可以接合护圈 550 的内凸缘 556a， 在转子 530 和护圈 550 之间产生摩擦以限制转子 530 的旋转。由此， 生成的摩擦力就是有效地锁定致动器 500 的锁定力。在一个优选实施方式中， 凸缘 536， 556a 在致动器 500 张紧时相接合。另外， 如 上所述， 螺栓 630 和螺母 530 的螺纹 636， 540 的相互作用也可以产生摩擦力以限制螺栓 630 和螺母 530 相对于彼此旋转。因此， 螺纹 636， 540 的相互作用也可以产生有助于锁定致动 器 500 的锁定力。
现在介绍使用者操作下肢假肢 100 ′期间致动器 500 的操作。图 19 示出了图 12A-12C 中所示下肢假肢 100′的步态循环 670 中的不同阶段的流程图。在步态循环 670 的第一阶段 672， 在足部单元 104′的脚跟撞地期间， 致动器 500 首先处于压缩状态， 其中转 子 530 的凸缘 536 相对于护圈 50 上的内凸缘 556a 移动。 第一阶段的压缩状态源于下肢元件 102 ′和假肢足部单元 104 ′之间的操作关 系。 在脚跟撞地期间， 负荷 ( 例如由于使用者的体重或运动作用力 ) 被加到足部单元 104′ 的脚跟部分 104a′上， 促使脚趾部分 104b′通过围绕枢轴组件 114′的主枢转轴旋转而移 动离开下肢元件 102′， 这就相应地通过第一连接点 118′将压缩作用力加在第二狭长元 件 630 上。压缩作用力被从第二狭长元件 630 传输到转子 530 上， 以使得转子 530 的凸缘 536 移动远离护圈 550 的内凸缘 556a。
在一个优选实施方式中， 致动器 500 在第一阶段 672 期间不被致动。 但是。 为了在 第一阶段 672 期间限制转子 530 由于所加负荷而相对于第二狭长元件 630 旋转， 转子 530 和 第二狭长元件 630 之间的螺纹 540， 636 的螺距有利地在螺纹 540， 636 之间产生接合摩擦。
下肢假肢 100′在足部单元 104′处于站姿阶段时转换为第二阶段 674。 在所述转 换期间， 致动器 500 从压缩状态转变为拉伸状态， 以使得如上所述在转子 530 的凸缘 536 和 护圈 550 的内凸缘 556a 之间产生摩擦力。
站姿阶段的拉伸状态是在假肢 100′转换为第二阶段 674 时通过下肢元件 102′ 相对于假肢足部元件 104′的移动而产生的。在假肢 100′移动经过第二阶段 674 时， 使用 者的动作 ( 例如由于向前移动 ) 在下肢元件 102′上施加负荷， 迫使下肢元件 102′朝向假 肢足部单元 104′的脚趾部分 104b′， 由此在脚趾部分 104b 上增加负荷。所述负荷导致脚 部单元 104′的后部向下移动离开下肢元件 102′， 这就相应地通过第一连接点 118′在第 二狭长元件 630 上施加拉力。拉力被从第二狭长元件 630 传输到转子 530 上， 以使得转子 530 的凸缘 536 朝向护圈 550 的内凸缘 556a 移动并与其形成接合。如上所述， 转子 530 的 凸缘 536 和护圈 550 的内凸缘 556a 之间的所述接合产生摩擦力以限制转子 530 的旋转。 在 一个优选实施方式中， 摩擦力足够高以用作制动力来阻止转子 530 旋转。而且， 在一个优选 实施方式中， 致动器 500 在第二阶段 674 期间不被致动。
在第三阶段 676， 足部单元 104′从站姿阶段转换为脚趾离地阶段。在脚趾离地 时， 脚趾部分 104b′继续像第二阶段中一样处于负荷下。 因此， 致动器仍然基本上保持在拉 伸状态下， 以使转子 530 如上所述被禁止旋转。 在一个实施方式中， 脚趾部分 104b′上的负 荷在步态循环的第三阶段要大于第二阶段。在一个优选实施方式中， 致动器 500 在第三阶 段 676 期间不被致动。
在第四阶段 678， 假肢足部单元 104′处于脚趾离地和脚跟撞地之间的迈步阶段， 其中足部 104′不与支撑面相接触。 在第四阶段 678， 致动器 500 处于压缩位置。 如上所述， 在处于压缩时， 转子 530 上的凸缘 536 与护圈 550 的内凸缘 556a 脱离， 由此允许转子 530 基本上相对于护圈 550 自由地旋转。
迈步阶段期间的压缩状态源于下肢元件 102′和假肢足部单元 104′之间的操作 关系。 在迈步阶段期间， 负荷由于足部单元 104′的结构 ( 例如由于足部单元 104′的体重 ) 被加到假肢足部单元 104′， 其将脚趾部分 104b′向下拉动离开下肢元件 102′。 脚趾部分 104b 上的向下的作用力相应地通过第一连接点 118′将压缩作用力加在第二狭长元件 630 上。压缩作用力被从第二狭长元件 630 传输到转子 530 上， 以使得转子 530 的凸缘 536 移 动远离护圈 550 的内凸缘 556a。转子 530 由此就能够基本上相对于护圈 550 自由地旋转。 在一个实施方式中， 转子 530 的凸缘 536 离开护圈 550 的内凸缘 556a 的动作通过磁铁 542 进行， 其将转子 530 向顶部单元或转子 510 吸引并离开护圈 550， 由此禁止在迈步阶段期间 产生摩擦。
在一个优选实施方式中， 致动器 500 在迈步阶段期间被致动以调节下肢元件 102′和假肢足部单元 104′之间的角度。有利地， 位于定子 510 和转子 530 之间的滚珠轴 承 522 也可以限制在转子 530 和护圈 550 之间产生摩擦。因此， 致动器在轻负荷下被致动， 这有利地减少了致动器 500 上的磨损和损耗， 提供了更长的工作寿命。
如上所述， 在一个实施方式中， 致动器 500 在处于拉伸状态时禁止转子 530 相对于 第二狭长元件 630 旋转。 但是， 本领域技术人员应该意识到在另一个实施方式中致动器 500 也可以被操作用于在处于压缩时禁止转子 530 相对于第二狭长元件 630 旋转。而且， 在另 一个实施方式中， 致动器 500 也可以被设置为使得在处于拉伸状态时允许转子 530 相对于 第二狭长元件 630 旋转。例如， 在一个实施方式中， 磁铁 542 可以在致动器 500 处于拉伸状 态时产生足以吸引转子 530 离开护圈 550 内凸缘 556a 的磁力。另外， 如上所述， 致动器 500 在步态循环的迈步阶段 678 期间被致动。但是， 本领域技术人员应该意识到， 致动器 500 也 可以在步态循环的多于一个阶段期间被致动。
尽管致动器 500 的操作如上所述是相对于下肢假肢 100′进行的， 但是本领域技 术人员应该意识到， 致动器 500 也可以与矫形装置一起使用以调节矫形装置的第一部分和 第二部分之间的角度。另外， 致动器 500 如以上的实施方式中所述能够有利地被用于在所 需的动作阶段期间选择性地锁定矫形装置， 以及在致动器 500 的致动期间减小转子 530 和 护圈 550 之间的摩擦以有助于矫形装置的操作。
在本发明的某些实施方式中， 下肢假肢或矫形器包括与其连接并且基本上与负面 的外界影响或负荷隔离的至少一个测量装置。 例如， 在某些实施方式中， 测量装置能够测量 假肢足部沿单个方向的角运动同时忽略或滤除假肢足部沿其他方向的动作和 / 或负荷。
例如， 图 20 示出了具有脚踝动作受控的足部单元的下肢假肢 700 的分解图。为了易于参考和说明， 某些部件例如某些螺钉、 垫圈、 轴承插头等均未示出并参照图示的假肢 700 进行说明。 但是本领域技术人员根据图 20 和本文中公开的内容应该意识到其部件或其 等价形式均可以用于和图示的假肢 700 中示出的部件一起使用。
在某些实施方式中， 假肢 700 包括至少一个传感器组件， 其有利地检测足部单元 围绕单根轴线的旋转并且基本上忽略足部单元相对于轴线的轴向和径向移动。例如， 这样 的传感器组件可以被连接至并位于假肢 700 的旋转轴附近。
参照图 20， 示出的下肢假肢 700 包括可通过螺栓 703 连接至脚跟元件 704 的足部 元件 702。 如图所示， 足部元件 702 和脚跟元件 704 可以包括足部单元， 例如可从 购得 的 LP VARI-FLEX 假肢足部。而在其他的实施方式中， 足部元件 702 和 / 或脚跟元件 704 可以采用其他的结构， 或者下肢假肢 700 没有脚跟元件 704 也可以工作。
如图所示， 足部元件 702 被设置用于围绕延伸穿过底座部分 710 的主枢轴销 708 旋转连接至主框架 706 或连接元件。在某些实施方式中， 主枢轴销 708 和底座部分 710 构 成了被设置用于充分模仿健康人体脚踝自然动作的枢轴组件。例如， 主枢轴销 708 可以允 许足部元件 702 的脚背弯曲和脚底弯曲， 正如先前参照图 1-6 中的假肢 100 详细介绍的那 样。
假肢 700 进一步包括通过底座部分 710 有效连接至足部元件 702 的致动器 712。 具体地， 致动器 712 连接至下销 714， 下销 714 允许致动器 712 的底部相对于固定至足部元 件 702 后顶部的底座部分 710 旋转。在某些实施方式中， 致动器 712 有利地能够调节主框 架 706 和足部元件 702 之间的至少一种角度， 以使得足部元件 702 围绕枢轴组件的主枢轴 销 708 旋转。在某些实施方式中， 致动器 712 包括本文中公开的各种类型致动器中的任意 一种并且能够根据接收来自电子控制系统的一个或多个信号来主动调节主框架 706 和足 部元件 702 之间的角度。
如图 20 所示， 下肢假肢 700 可选地进一步包括用于接收使用者输入的键区 716 以 及部分覆盖致动器 712 的后盖罩 718。假肢 700 还可以包括其他装置和 / 或连接件以有助 于将假肢 700 连接至肢体例如截肢患者的残肢。
示出的下肢假肢 700 进一步包括被设置用于连接至并通过枢轴组件的底座部分 710 伸出的传感器组件 720。在某些实施方式中， 传感器组件 720 被设置用于测量至少一部 分假肢 700 沿至少一个方向的动作。在某些优选实施方式中， 传感器组件 720 被设置和定 位成测量一部分假肢 700 沿单个方向的动作。 例如， 如图 20 中所示， 至少一部分传感器组件 720 被设置在主枢轴销 708 内并沿 基本上垂直于主框架 706 的纵向轴或垂直轴的某条轴线 ( 例如枢转轴 ) 延伸。示出的传感 器组件 720 能够检测或测量足部元件 702 围绕主枢轴销 708 的转动。而且， 在某些实施方 式中， 传感器组件 720 被固定至假肢 700 的枢轴组件以使得传感器测量值不会受到与为围 绕主枢轴销 708 旋转的方向不同的方向上的负荷或作用力的影响。例如， 在某些实施方式 中， 相对于主枢轴销 708 的轴线的轴向或径向移动不会影响到传感器组件 720 的测量值。
图 21 是示出了图 20 中传感器组件 720 的部件的更多细节的分解图。如图所示， 传感器组件 720 包括通过扩展部分 726 连接至狭长的波纹管部分 724 的位移测量传感器 722。在某些实施方式中， 足部元件 702 相对于主框架 706 的相对旋转就通过位移测量传感 器 722 来测量。
这种旋转的测量可以由传感器组件 702 以多种方式进行。在某些实施方式中， 主 708 枢轴销被刚性连接至底座部分 710， 并且狭长的波纹管部分 724 被至少部分地设置在主 枢轴销 708 内。在这样的实施方式中， 足部元件 702( 和相连的底座部分 710) 相对于主框 架 706 的相对移动导致狭长波纹管部分 724( 和相连的扩展部分 726) 相对于位移测量传感 器 722 的相对旋转。例如， 足部元件 702 的旋转可以造成狭长波纹管部分 724 相对于位移 测量传感器 722 的旋转， 位移测量传感器 722 可以相对于主框架 706 被固定。在其他的实 施方式中， 足部元件 702 的旋转可以造成位移测量传感器 722 相对于狭长波纹管部分 724 的旋转， 狭长波纹管部分 724 可以相对于主框架 706 被固定。
在某些实施方式中， 位移测量传感器 722 包括电位计， 例如线性或对数电位计。在 这样的实施方式中， 狭长波纹管部分 724 的旋转造成扩展部分 726 以及电位计的可旋转输 入端 727 的对应旋转。而在其他的实施方式中， 可以使用其他类型的位移测量传感器， 例如 旋转位置传感器、 光学或机械编码器、 相同或类似装置的组合来测量假肢 700 中部件的移 动和 / 或旋转。
如图 21 中所示， 狭长波纹管部分 724 进一步包括围绕波纹管部分 724 外表面的多 条凸纹 728。 在某些实施方式中， 凸纹 728 有利地消除或者明显减小了轴向 ( 例如沿波纹管 部分 724 的轴线 ) 和 / 或径向 ( 例如垂直于波纹管部分 724 轴线的方向 ) 动作和 / 或负荷 对位移测量传感器 722 测量值的影响。例如， 至少部分凸纹 728 可以位于容纳至少一部分 狭长波纹管部分 724 的部件内。在某些优选实施方式中， 这样的部件可以包括图 20 中示出 的主枢轴销 708。 在这样的实施方式中， 凸纹 728 可以有利地阻止狭长波纹管部分 724 用于 围绕狭长波纹管部分 724 和主枢轴销 708 的轴线进行旋转的动作。
而在其他的实施方式中， 狭长波纹管部分 724 可以包括多个凹槽或其他的阻止狭 长波纹管部分 724 沿单个方向移动的表面特征。而在其他的实施方式中， 传感器组件 720 没有扩展部分 728 或凸纹 728 也可以发挥作用。例如， 传感器组件 720 可以包括柔性压缩 膜片以将位移测量传感器 722 连接至主枢轴销 708 并吸收不需要的移动 ( 例如轴向和 / 或 径向移动 )。
尽管已经参照具体实施方式介绍了传感器组件 720， 但是用于传感器组件 702 的 其他结构也都可以和假肢 700 一起使用。 例如， 主枢轴销 708 可以被刚性连接至主框架 706。 在这样的实施方式中， 位移传感器 722 或狭长波纹管部分 724 也可以被固定至主框架 706 以使得足部元件 702 相对于主框架 706 的相对移动可以通过位移测量传感器 722 进行检 测。
而在本发明其他的实施方式中， 假肢 700 可以包括其他类型的可以用于检测假肢 700 的至少一个部件移动的传感器组件。例如， 假肢 700 可以包括球窝关节组件， 通过围绕 球窝关节的几何形状约束来限制其沿着至少一个方向的移动， 这种约束可以包括例如与球 窝关节的一个或多个表面相接合的一个或多个销或平面。而在其他的实施方式中， 传感器 组件 720 可以包括对于扭转力为刚性但是却允许纵向压缩和 / 或径向移动的挠性材料。
而且， 应该理解传感器组件和 / 或假肢 700 可以有利地与多种动作受控的假肢 和 / 或矫形装置一起使用， 其示例在本文中以及在 2005 年 2 月 11 日提交的、 申请号为 11/056,344、 并且发明名称为 “SYSTEM AND METHOD FOR MOTION-CONTROLLED FOOT UNIT” 的美国专利申请中进行了更加详细的介绍， 因此通过引用其全文将该申请并入本文并且应该被认为是本说明书的一部分。
如上参照表 1 和图 9 所述， 在本发明的某些实施方式中， 有一些脚踝装置 304 的确 定状态。这些状态中的一种是 “放松” 状态。在一个实施方式中， 当传感器模块 302 检测到 使用者已经移动到放松位置时， 控制装置 300 即可触发 “放松” 状态。
在本发明的一个实施方式中， 传感器模块 302 检测使用者何时移动到放松位置例 如坐下、 两腿交叉、 倚靠、 躺下、 爬行、 倾斜等。 传感器模块 302 可以通过测量垂直加速度 ( 由 此即可确定例如整个脚踝装置 304 特别是足部单元 104( 参照图 1) 相对于地面是否处于倾 斜位置， 例如在坐姿或躺下的姿势时用脚跟支撑而腿是伸展开的 )、 水平 / 侧向加速度和时 间的组合来检测这些放松位置。例如， 传感器模块 302 可以包括能够测量 y 轴加速度的加 速计。在一个实施方式中， 测量的垂直加速度对应于重力。加速计可以被设置在脚踝装置 304 上。在一个实施方式中， 加速计可以被设置在下肢元件 102( 参照图 1) 上， 不过加速计 也可以被设置在脚踝装置 304 上的任意位置。当被设置在下肢元件 102 上时， 加速计可以 被用于测量下肢元件 102 相对于垂直方向的角度， 随后其可以被用于确定整个脚踝装置相 对于地面的角度。随着脚踝装置 304 从直立的垂直位置开始旋转， 对应的重力相对于旋转 读数就会改变。例如， 在脚踝装置 304 处于直立的垂直位置时， 加速计可以测量到标准重力 2 9.8m/s 。随着脚踝装置 304 从垂直位置开始旋转， 加速计可以测量到地球的万有引力相对 于脚踝装置 304 对地面而改变的角度的分量。由此， 被设置用于测量垂直平面内加速度的 传感器模块 302 就可以被用于确定脚踝装置 304 相对于地面的固定角度。例如， 传感器模 块 302 可以指示脚踝装置 304 相对于地面以 90 度的角度倾斜。这可以表明例如使用者已 经完全背部向下地平躺下来。可选地， 传感器模块 302 可以指示脚踝装置 304 相对于地面 为 45 度， 这表明使用者或许是坐下了， 并且腿部以相对于地面成 45 度角的方式伸展开来。
除了垂直加速度以外， 传感器模块 302 还可以包括被设置用于测量水平面或侧面 内加速度的加速计。该加速计可以在使用者沿水平方向移动时测量脚踝装置 304 的地面加 速度。 而且， 控制装置 300 还可以包括计时器 ( 未示出 )， 其可以被用于测量传感器模块 302 检测加速度状态的时间总和。
为了检测某些放松位置， 控制装置 300 可以被设置用于通过传感器模块 302 在一 定时间段内监测加速度的测量值。在一个实施方式中， 确定脚踝装置 304 相对于地面的角 度范围以指示使用者移动到放松位置。要进入 “放松” 状态， 控制装置 300 应该确定由传感 器模块 302 检测的脚踝装置 304 和地面之间的角度处于确定范围内。附加地或可选地， 也 可以定义脚踝装置 304 的侧向 / 水平加速度范围。要进入 “放松” 状态， 控制装置 300 应该 确定由传感器模块 302 检测的脚踝装置 304 的侧向 / 水平加速度未处于确定范围内。附加 地或可选地， 可以确定上述条件得到满足期间的时间范围。换句话说， 要进入 “放松” 状态， 控制装置 300 应该确定脚踝装置 304 在确定的时间段内相对于地面的角度处于确定范围内 和 / 或在表明使用者移动至放松位置的确定范围内加速。由此， 触发执行 “放松” 状态的算 法可以定义以下变量 ： 起始加速度增量 ( 例如触发 “放松” 状态的脚踝装置 304 的可能加速 度的上限 )、 起始角度 ( 例如触发 “放松” 状态的脚踝装置 304 相对于地面的角度下限 ) 和 起始时间 ( 可以满足触发 “放松” 状态的其他变量组合的时间总和 )。
在一个实施方式中， 例如在使用者坐下、 倚靠或爬行时使用的起始加速度增量可 2 以是大约 1m/s ， 表明来自于使用者人工动作的阈值应该小于约 1m/s2。 可选地， 加速度增量可以在大约 0.1m/s2 到 50m/s2 之间。足部元件相对于地面的起始角度可以在大约 30 度到 大约 -90 度之间， 例如表示使用者面朝下躺倒。可选地， 角度范围可以在大约 -90 度到 +90 度之间， 后者表示例如使用者背部朝下躺倒。起始时间例如可以是大约 1 秒或更多。在这 些变量中的每一个都满足时， 脚踝装置即可如下所述移动至放松状态。
在其他的实施方式中， 控制装置 300 可以检测指示使用者移动脱离放松位置的条 件并且可以启动 “脱离” 状态。使用者移动脱离放松位置的确定可以类似于确定使用者移 动进入放松位置。由此， 触发执行 “脱离” 状态的算法可以定义以下变量 ： 结束加速度增量 ( 例如触发 “脱离” 状态的脚踝装置 304 的可能加速度的下限 ) 和结束角度 ( 例如触发 “脱 离” 状态的脚踝装置 304 相对于地面的角度下限 )。在某些实施方式中， 无论是否首先启动 “放松” 状态均可启动 “脱离” 状态。由此， 即使从未检测到放松位置和 / 或从未启动 “放松” 状态， “脱离” 状态也都可以将装置调节为用于脱离放松位置的优选结构。例如， 控制装置 300 无需促使装置调节至特定的 “放松” 状态就可以检测到使用者处于坐姿。但是， 即使没 有启动 “放松” 状态也可以将装置调节至 “脱离” 状态可能是有利的。例如， “脱离” 状态可 以促使装置被调节至特定结构， 该结构在使用者从坐姿站起时是有利的， 例如使得装置脚 背弯曲以帮助将使用者的移动中心切换至他 / 她的脚以有助于站立。无论该装置是否启动 过对应的 “放松” 状态， 该 “脱离” 状态都会是有利的。 在一个实施方式中， 要执行 “脱离” 状态， 结束加速度增量可以是大约 25m/s2， 允许 2 使用者通过以高于大约 25m/s 的加速度移动脚踝装置例如通过将脚踝装置在地面上撞击 而脱离 “放松” 状态。可选地， 结束加速度增量可以在大约 0.1m/s2 到 50m/s2 之间。 “脱离” 状态也可以由脚踝装置相对于地面的在大约 -80 度到大约 10 度之间的结束角度确定。可 选地， 角度范围可以在大约 -90 度到 90 度之间。
在一个实施方式中， “放松” 状态表明应该将脚踝装置 304 调节至足部单元 104 和 下肢元件 102 之间的特定角度。例如， 在控制装置 300 启动 “放松” 状态时， 控制驱动模块 310 可以促使致动器 316 将脚踝装置 304 调节至例如至少 10 度更优选地是大约 15 度的脚 底弯曲位置。( 参照图 1， 大约 15 度的脚底弯曲位置是指在调节下肢假肢 100 时使得足部 单元 104 和下肢元件 102 之间的角度比中间位置时足部单元 104 和下肢单元 102 之间的角 度要多出大约 15 度。在中间位置是 0 度的脚底弯曲和脚背弯曲。通常， “中间位置” 是此时 下肢元件 102 相对于水平面例如地面垂直。该中间位置可以根据足部单元 104 的脚跟高度 转换为任意范围的实际脚踝角度 )。脚踝装置 304 的脚底弯曲可以模仿人体足部的自然脚 在控制装置启动 “脱离” 状态时， 底弯曲， 可以是功能性有利的， 可以外表美观等。类似地， 控制驱动模块 310 可以促使致动器 316 将脚踝装置 304 调节至例如至少 5 度的脚背弯曲位 置。在一个实施方式中， 该角度范围可以在大约 1 度到 15 度的脚背弯曲之间， 并且如上所 述， 无论是在脚踝从 “放松” 状态脱离时、 处于 0 度的脚底弯曲和脚背弯曲的中间位置时或 者是任意其他所需结构时都可以使用。( 再次参照图 1， 大约 10 度的脚背弯曲位置是指在 调节下肢假肢 100 时使得足部单元 104 和下肢元件 102 之间的角度比中间位置时足部单元 104 和下肢单元 102 之间的角度要小 10 度。)
在其他的实施方式中， “放松” 状态可以表明某种功率模式例如低功率模式， 控制 装置 300 应该自动调节至这种模式。例如， 控制装置 300 可以命令电源模块 318 进入低功 率模式例如休眠模式， 此时控制装置 300 确定启动 “放松” 状态。类似地， “脱离” 状态可以
表明另一种功率模式例如正常功率模式， 控制装置 300 应该自动调节至这种模式。而在其 他的实施方式中， “放松” 状态和 “脱离” 状态可以表明某种脚跟高度， 控制装置应该自动调 节至该高度。而在其他的实施方式中， 在用于启动这些状态的条件已经满足达到一定的时 间段之后再启动 “放松” 状态或者 “脱离” 状态可能是有利的。
除了定义某些状态以外， 本发明的一些实施方式还可以确定对于具体地形变量的 某些有利的调节。例如， 在某些实施方式中， 在使用者上坡或者下坡时可以进行有利的调 节。 因此， 本发明的实施方式可以定义有利的调节用于响应上倾斜和下倾斜的改变， 例如调 节脚踝装置相对于地面的角度。图 5 和 6 分别示出了本发明的实施方式接触上斜坡和下斜 坡。在图 5 中， 角度 α 表示上倾斜的相对斜角。类似地， 在图 6 中， 角度 α 表示下倾斜的 相对斜角。在图 5 和图 6 中， 角度 θ 表示下肢元件 102 和具有脚踝动作受控足部的下肢假 肢 100 的足部单元 104 之间的角度。在下肢假肢 100 处于其中间的未调节状态时， 角度 θ 可以被选择作为中间角度或者下肢假肢 100 在平地上的角度。随着使用者在上斜坡或下斜 坡上行动， 下肢假肢 100 调节自身以通过用于上倾斜的减小和用于下倾斜的增大下肢元件 102 和足部单元 104 之间的角度 θ 来接合地面。在图 5 和图 6 中， 下肢假肢 100 已经被调 节为使得下肢元件 102 和足部单元 104 之间的角度 θ 根据作为相对斜度测量值的角度 α 来增大或减小所需的量。因此， 在图 5 中， 例如角度 θ 表示在下肢假肢处于平地时测量的 中间角减去由角度 α 表示的上倾斜角。类似地， 图 6 中的角度 θ 表示中间角减去下倾斜 角。对于某些斜坡， 可能希望不调节下肢假肢 100 来反映上倾斜 / 下倾斜的完整角度， 或者 甚至可能希望调节下肢假肢 100 以反映更多信息。
因此， 在某些实施方式中， 调节足部单元 104 相对于下肢元件 102 的角度以适应相 对上倾斜和 / 或下倾斜的地形是有利的。例如， 在调节至上倾斜时角度可以减小大约 0 到 30 度， 或者在调节至下倾斜时角度可以增加大约 0 到 30 度。 在使用者处于平地而下肢元件 102 相对于水平地面垂直时， 下肢元件 102 和足部单元 104 之间的角度被称为中间角度， 或 者装置的角度处于中间位置。 如以下更详细介绍的那样， 在装置检测到使用者在上斜面和 / 或下斜面上行动时， 随后装置即可在使用者的步态期间根据以检测到的上倾斜和 / 或下倾 斜的角度为基础的响应角来调节改变足部单元 104 对于下肢元件 102 的相对位置。在某种 意义上， 装置确定了相对于上倾斜和 / 或下倾斜的经过调节的中间角度。换句话说， 在下肢 元件 102 处于垂直位置而足部单元 104 直接地接合上倾斜和 / 或下倾斜表面时， 下肢元件 102 和足部单元 104 之间的角度就可以被定义为相对于上倾斜和 / 或下倾斜角度的经过调 节的中间角度用于该装置。
随后对下肢元件 102 和足部单元 104 之间的脚踝角度的调节就可以相对于该经过 调节的中间角度进行。 在某些实施方式中， 该调节只能在迈步阶段期间进行， 以使得在站姿 期间， 下肢元件 102 和足部单元 104 之间的脚踝角度基本上稳定在经过调节的中间角度。 可选地， 相对于经过调节的中间角度进行调节可以在迈步和站姿阶段期间进行。在使用者 离开站姿阶段并且装置在空气中移动而并不接触地面时， 装置可以如上所述相对于经过调 节的中间角度进行调节 ( 例如像图 8 和 11 中所述 )。在其他的实施方式中， 调节也可以在 站姿阶段期间进行， 此时足部单元 104 至少部分地接触地面。在某些实施方式中， 例如在上 斜坡上， 足部单元 104 可以被相对于下肢元件 102 调节以在脚跟触地时和中间阶段脚背弯 曲并随后在脚趾离地时可以被调节至脚底弯曲的角度已提供自然的抬脚。 在其他实施方式中， 例如在下斜坡上， 足部单元 104 可以被相对于下肢元件 102 调节以在脚跟触地阶段脚底 弯曲， 而在随后的站姿阶段和脚趾离地期间可以可以被调节至脚背弯曲以有助于翻转。应 该理解站姿阶段进行的这些调节也可以被用于在平地上行走时。 进一步应该理解上述用于 上倾斜表面的调节也可以用于下倾斜表面， 反之亦然。
在某些实施方式中， 传感器模块 302( 参照图 9) 可以被设置用于确定使用者是在 上坡行走还是在下坡行走。这可以通过追踪脚踝装置 304 在垂直面内路径的动态分析来实 现。在一个实施方式中， 具有双轴的两个加速度传感器在站立阶段期间测量脚踝装置对地 面 ( 重力 ) 的相对位置。在一个实施方式中， 这些传感器位于下肢元件 102 上 ( 参照图 1)。 在其他实施方式中， 传感器可以被设置在鞋底内、 袜套内、 护膝上等。通过测量从脚跟触地 到脚趾离地的步态以及如何在迈步中抬脚， 即可测量出上倾斜和下倾斜的相对角度。这是 因为在上斜坡或下斜坡以及平地上行走时， 使用者的步态会表现出不同的特征。 例如， 在上 坡期间脚趾动作会比脚跟触地更多。 另外， 在上斜坡上行走时， 使用者会比在平地上行走时 抬脚更多并且会缩短迈步的幅度。其他特征可以观测用于在下斜坡上行走时的步态模式。 基于对步态模式中不同之处的理解， 加速度的测量值即可被用于确定表面角度。能够确定 表面角度的传感器可以从 Dynastream Innovations， Inc.(Alberta， Canada) 购得。在某些 实施方式中， 表面角度可以通过取多次测量值例如五次测量值的平均值进行滤波。
在某些实施方式中， 表面角度 ( 或斜面角度 ) 可以被应用于得到脚踝响应角度的 公式中。脚踝响应角度是一种特定角度， 下肢假肢 100( 参照图 1) 应该通过该角度进行调 节以用于特定的表面角度， 由此将下肢假肢 100 设置为经过调节的中间角度。脚踝响应角 度可以相对于水平地面进行测量。作为示例， 如果响应角为 10 度， 那么下肢假肢 100 就应 该被调节为使得足部元件 104 的脚趾末端向下肢元件 102 转动 10 度， 在足部元件 104 和地 面之间形成 10 度的角度， 假定下肢元件 102 相对于地面保持固定。如果下肢假肢 100 响应 于检测到的 10 度上倾斜角而被调节 10 度， 那么下肢假肢 100 的足部单元 104 例如如图 5 中所示将完全地接触地面。另一方面， 如果响应角为 -10 度， 那么下肢假肢 100 就应该被调 节为使得足部元件 104 的脚趾末端远离下肢元件 102 转动 10 度， 在足部元件和地面之间形 成 -10 度的角度， 假定下肢元件 102 相对于地面保持固定。如果下肢假肢 100 响应于检测 到的 10 度下倾斜角而被调节 -10 度， 那么下肢假肢 100 的足部单元 104 例如如图 6 中所示 将完全地接触地面。
在一个实施方式中， 表面角度和用于上斜坡的响应角之间的比例是 1 ∶ 1。 在另一 个实施方式中， 表面角度和用于上斜坡的响应角之间的比例是非线性的， 并且在一个实施 2 方式中由公式 y ＝ -0.017x +0.1501x 给出， 其中 y 是脚踝响应角而 x 是检测到的 ( 并且可 能是滤波后的 ) 表面角。其他实施方式可以得到用于下斜坡的响应角， 在测得的表面角的 大约 10％到 100％之间， 更优选地是在大约 10％到 50％之间。图 22 示出了 x-y 曲线， 表示 以上定义的分别用于上倾斜 / 下倾斜的表面角和脚踝响应角之间的比例。因此， 如果检测 到 5 度的上倾斜表面角度， 那么对应的响应角也是 5 度， 就表示用于上倾斜面的 1 ∶ 1 的比 例。但是， 对于下倾斜面， 脚踝响应角对应于以上列出的公式。因此， 如果检测到 -10 度的 下倾斜表面角度， 那么对应的响应角大约为 -2.5 度。根据示出的实施方式， 用于下倾斜面 的响应角是下倾斜角的分量。该结果可以直观地理解。在使用者下坡行走时， 由重力牵引 造成的动量使使用者得以采用滚过的步态模式， 导致不太需要足部单元 104 自动向下转动以接触地面。但是在上坡行走时， 就需要足部单元 104 自动接触地面而不能迫使使用者用 未弯曲的下肢假肢 100 滚动。
假肢或矫形装置的使用者可能经常需要多于一套装置。例如， 股骨的截肢患者可 能需要机电膝盖和机电脚踝或足部的组合。通常， 在这些装置协作时可以实现更为自然的 动作。在这些装置中的两个或多个是电控装置时， 通过电路接口和装置之间的协作能够实 现更好的协作例如更为自然的动作。
图 23 是示出了包括多个机电装置的系统 1100 的一个实施方式的方块图。在一个 实施方式中， 具体的机电装置包括一个或多个传感器、 控制器以及一个或多个致动器。但 是， 可以意识到在其他的实施方式中， 特定的机电装置可以例如只包括传感器、 传感器和控 制器、 一个或多个致动器、 致动器和控制器或者只有控制器。在一个实施方式中， 系统可以 包括主装置 1112。在一个实施方式中， 主装置 1112 检测整个系统 1100 的控制情况。在一 个实施方式中， 主装置 1112 是具有控制系统的主装置， 控制系统装有状态机。主装置 1112 可以完全或部分地控制副装置 1114。 关于状态改变的信息或者直接致动的指令可以被发送 至系统 1100 的各个部件例如副装置 1114。 系统 1100 中每一种装置的实施方式都可以包括 假肢膝盖、 假肢脚踝或者其他电控的假肢或矫形装置。 例如， 矫形装置譬如护膝可以包括用 于测量膝盖动作的传感器。
在一个实施方式中， 副装置 1114 可以只包含控制副装置 1114 所需的一部分软件 或硬件。副装置 1114 因此可以完全或部分地取决于从主装置 1112 接收到的状态信息和指 令。在一个实施方式中， 副装置 1114 可以从主装置 1112 或另一副装置 1114 接收传感器数 据。副装置 1114 还可以将传感器数据发送至其他装置 1112， 1114， 1116 或 1118。在一个这 样的实施方式中， 副装置 1114 包括一个或多个传感器但是并不包括致动器。
系统 1100 可以包括观测装置 1116， 其被设置用于监测或控制系统 1100 内的一个 或多个其他装置。 在一个实施方式中， 观测装置包括手表或安装在手臂上的装置， 其提供与 系统 1100 内的装置操作有关的状态或其他信息。在一个实施方式中， 状态信息可以实时更 新。在另一个实施方式中， 观测装置 1116 可以带有设置用于影响系统 1100 操作的控制功 能。在一个这样的实施方式中， 观测装置 1116 只包括被设置用于接收传感器数据和 / 或发 送控制数据至系统 1100 内其他机电装置的控制器。例如， 在一个实施方式中， 主装置 1112 可以是假肢膝盖而观测装置 1116 可以被用于激活或者被用于提供关于不同使用模式例如 行走、 骑车等的提示。
系统 1100 还可以包括配置装置 1118， 适合用于控制系统内的一个或多个其他装 置。在一个实施方式中， 配置装置 1118 直接与主装置 1112 通信。主装置 1112 协调配置数 据与其他装置例如副装置 1114 或观测装置 1116 之间的通信。在其他的实施方式中， 配置 装置 1118 可以与全部的装置 1112， 1114， 1116 或其任何子集直接通信。
系统 1110 中的每一个装置 1112， 1114， 1116 和 1118 都可以利用仿生数据总线 (BDB)1120 进行通信。BDB 1120 可以由任意的数据通信物理层构成， 包括现有技术中已 知的那些。例如， BDB1120 可以包括以下通信层中的一种或多种 ： 远程调制解调器、 以太 网 (IEEE 802.3)、 令牌环 (IEEE 802.5)、 光纤分配数据链接接口 (FDDI)、 异步传输模式 (ATM)、 无线以太网 (IEEE 802.11)、 蓝牙 (IEEE 802.15.1) 或包括 IRDA 的红外接口。 BDB 总 线也可以包括外围接口总线， 包括有通用串行总线 (USB)、 IEEE 1394、 外围组件互连 (PCI)或其他的外围总线例如现有技术中已知的那些。 另外， BDB 1120 可以包括网络例如内联网、 局域网 (LAN)、 广域网 (WAN) 或因特网。BDB1120 可以包括附加协议例如因特网协议 (IP) 或传输控制协议 (TCP)。
应该意识到尽管在一个实施方式中机电装置可以作为装置 1112， 1114， 1116 和 1118 当中的一个来工作， 但是在系统 1100 的其他实施方式中， 特定的机电装置可以被设置 用于以不同模式工作或者作为装置 1112， 1114， 1116 和 1118 中的一个或多个来发挥作用。 在一个实施方式中， 特定的机电装置可以被设置用于根据与系统 1100 内其他装置的数据 交换而自动地用作特定类型的装置。例如， 系统 1100 的一个实施方式可以包括假体膝盖、 假体脚踝和与手腕相连的监视器。 假肢膝盖的实施方式可以包括在 2001 年 3 月 19 日提交、 2003 年 8 月 26 日授权的美国专利 6610101 ； 2005 年 5 月 6 日提交的申请号为 11/123,870 的美国专利申请 ； 以及 2005 年 3 月 9 日提交的公开号为 2005-0283257 的美国专利公开中 介绍的那些 ； 这些申请中的每一篇都通过引用其全部内容并入。假肢脚踝的实施方式可以 包括 2005 年 2 月 11 日提交的公开号为 2005-0197717 的美国专利公开中介绍的那些， 并且 通过引用其全部内容将其并入。
在 BDB 1120 上交换了识别数据之后， 膝盖可以设置自身以作为主装置 1112 工作， 脚踝可以设置自身以作为副装置 1114 工作， 并且监视器可以设置自身作为观测装置 1116 工作。在只包括脚踝和手腕监视器的系统 1100 的另一个实施方式中， 脚踝可以设置自身作 为主装置 1112 而监视器则作为观测装置 1116。
在一个实施方式中， 装置可以包括配置数据库。数据库可以含有涉及系统 1100 结 构和装置任务的数据。例如， 脚踝装置可以包括数据以指示脚踝应该在系统 1100 包括膝盖 假肢时设置自身作为副装置 1114， 但是应该在其他配置中设置自身作为主装置 1112。
进一步应该意识到的是在某些实施方式中， 系统 1100 可以包括副装置 1114、 观测 装置 1116 和配置装置 1118 中的一种或多种。而且， 在某些实施方式中， 可以设置多个主装 置以使得每一个装置都控制假肢组， 例如一个主装置 1112 用于一组基于手臂的机电装置 而第二主装置 1112 用于一组基于腿的机电装置。在这样的实施方式中， 观测装置 1116 可 以显示与部分主装置 1112 和副装置 1114 有关的信息。在另一个实施方式中， 每一个观测 装置 1116 都可以显示仅与单个主装置 1112 或副装置 1114 有关的信息。
主装置 1112 可以在 BDB 1110 上通信以分享数据或以其他方式协调系统 1100 的 操作。在一个这样的实施方式中， 例如手臂和腿部机电装置中的每一个都可以作为相对于 一组装置的主装置 1112 工作。例如， 膝盖可以作为相对于脚踝假肢的主装置 1112 工作而 肩部机电装置则可以用作相对于肘部副装置 1114 的主装置 1112。 继续该示范性实施方式， 相对于膝盖主装置 1112， 脚踝可以作为副装置 1114 工作。
应该意识到如本文中所述的装置 1112， 1114， 1116， 1118 是指机电装置的一种工 作模式的任务或功能描述。 在某些实施方式中， 机电装置可以是混合装置， 例如一个装置在 另一个主装置 1112 的影响或引导下用作副装置 1112， 但是也仍然含有不同的状态机。而 且， 其他的实施方式也可以包括作为本文中介绍的任意装置的组合而工作的机电装置。
图 24 是更加详细地示出了机电装置 1202 的一个实施方式的方块图， 机电装置 1202 与附加装置 1204 和 1026 在系统 1100 的一个实施方式中通过 BDB 1120 通信。装置 1202 可以包括设置用于执行软件以控制装置运行的处理器和存储器。在一个实施方式中， 软件包括状态机模块 1210、 硬件抽象模块 1212、 动态学习模 块 1214、 配置模块 1216 和 BDB 模块 1218。应该意识到模块 1210， 1212， 1214， 1216 和 1218 中的每一个都可以包括不同的子程序、 进程、 定义声明和宏。 每一个模块都可以被独立编译 和链接为单个可执行程序。 每一个模块的说明都被用于方便描述系统的一个实施方式的功 能。 因此， 由每一个模块执行的过程可以被重新分配至其他模块当中的一个， 在单个模块中 组合在一起或者做成例如可以从共享的动态链接库中获得。在某些实施方式中， 模块可以 被同时执行或者作为不同的线程或过程并行。 可以使用任意适合的计算机语言或环境来生 成模块， 包括通用语言例如 C、 C++、 Java 或 FORTRAN。
模块 1210， 1212， 1214， 1216 和 1218 中的每一个都可以通过任意合适的方法例如 现有技术中已知的方法进行通信。在一个实施方式中， 模块可以利用共享的数据结构例如 2005 年 3 月 9 日提交的公开号为 2005-0283257 的美国专利公开中介绍的数据结构进行通 信， 该文献先前已被并入本文。 在一个实施方式中， 共享的数据结构可以包括可用于通过仿 生数据总线模块 1218 存取到系统 1100 内的其他装置 1204 和 1206 的部分。在这样的实施 方式中， 共享结构中的数据部分可以在 BDB 1120 上进行通信。
在一个实施方式中， 观测装置 1116 可以是个人计算机或服务器计算机系统， 被设 置用于执行系统 1100 内其他装置的诊断程序。在一个实施方式中， 观测装置 1116 可以被 设置用于通过仿生数据总线模块 1218 来接收并更新例如上述的共享数据结构中的内容。 状态机模块 1210 通常包括高电平的应用或装置专用指令。状态机模块 1210 通常 被描述为具有装置的智能。机电装置特定实施方式中的状态机模块 1210 可以在系统 1100 的不同实施方式中被设置用于作为主装置 1112、 副装置 1114、 观测装置 1116 或配置装置 1118 工作。状态机模块 1210 的实施方式可以通过使用硬件抽象模块 1212 以与特定机电 装置上的专用硬件相接而被设置为无需修改即可载入到不同的机电装置例如不同的膝盖 硬件内。前文中并入的 2001 年 3 月 29 日提交、 2003 年 8 月 26 日授权的美国专利 6610101 中介绍了状态机模块 1210 的一个示范性实施方式。
在一个实施方式中， 状态机模块 1210 的各个部分可以被替换或扩展以提供定制 的例如基于动作的机电系统 1100 的控制。例如， 用于特定动作例如骑车或慢跑的软件可以 被安装到状态机模块 1210 内以改善或定制机电装置例如假肢膝盖用于特定动作的功能。 在一个实施方式中， 定制的控制软件可通过下载安装。 在一个实施方式中， 下载的数据可以 从配置装置 1118 接收。在另一个实施方式中， 主装置 1112 可以包括网络接口， 可以通过该 接口从任意其他的网络计算装置接收定制的控制软件。 网络接口可以包括无线网络例如移 动电话网络或者任意其他合适的计算机网络， 例如以上结合 BDB 1120 介绍的那些内容。
硬件抽象模块 1212 通常包括低电平的硬件专用代码， 为其他软件模块所带的硬 件提供标准化接口。硬件抽象模块 1212 可以抽象硬件例如传感器和致动器。硬件抽象模 块 1212 由此允许其他的软件例如状态机模块 1210 得以与不同的传感器共用， 只要每一个 传感器都提供硬件抽象模块 1212 能够以标准化形式表示的数据即可。例如， 特定的传感器 可以通过设定硬件寄存器的数值来提供数据。 另一个用于产生等价数据的传感器可以在更 新数据时通过终端给处理器信号。硬件抽象模块 1212 能够被设置用于读取任一传感器并 利用统一的接口来提供数据以使得如果特定的传感器改变， 其他的软件层不必进行修改。 这对于具有多种机电装置 1202， 1204， 1206 的系统 100 可能是特别需要的。例如， 脚踝机电
装置 1202 可以被设置用于从不同类型和模式的假肢膝盖 1204 接收传感器数值例如膝盖角 度。继续该示例， 脚踝装置 1202 的硬件抽象模块 1212 在一个实施方式中可以提供膝盖角 度， 无论传感器是否被设置为通过处理器查询以接收更新或者无论传感器信号是否通过例 如中断通道给处理器发送信号， 膝盖角度都会每 5 毫秒更新一次。硬件抽象模块 1212 还可 以被设置用于与传感器分辨率无关地提供向上采样或向下采样为稳定精确值的膝盖角度。 例如， 膝盖角度值可以用具有 8 位、 16 位或更高分辨率的数值表示。而且， 无论数据是来自 相同的机电装置 1202 还是其他的机电装置 1204， 1206， 数据接口都可以是相同的。
应该意识到的是某些实施方式包括的机电装置中硬件抽象模块 1212 被设置用于 与病人的神经或肌肉系统相连。例如， 致动器可以包括肌肉。在一个实施方式中， 传感器包 括病人身体中的神经。
动态学习模块 1214 可以包括更新运行参数例如由状态机模块 1212 使用的运行参 数的动态学习矩阵。在一个实施方式中， 学习模块 1214 可以将运行参数调节至当前的运动 节奏、 具体动作、 地形等。学习模块 1214 的一个示范性实施方式在 2001 年 3 月 29 日提交、 并且在 2003 年 8 月 26 日授权的先前已并入的美国专利 6610101 中进行了介绍。
配置模块 1216 可以被设置用于存储并保留控制参数。参数可以通过学习模块 1214 或者通过配置装置 1118 被依次地自动调节。在一个实施方式中， 由配置模块 1216 保 留的数据基本上是静态数据。配置模块 1216 可以被设置用于将 BDB 1120 连通至配置装置 1118 以发送和接收参数数据。配置模块 1216 可以在 BDB 1120 上提供到配置装置 1118 的 标准接口。在一个实施方式中， 例如副装置 1114 的配置模块 1216 被设置用于通过其他装 置例如主装置 1112 接收参数。因此， 系统 1100 的部件可以通过配置装置 1118 与主装置 1112 通信而被设置在一起， 主装置 1112 进一步将参数传输给其他装置例如系统 1100 中的 装置 1204 和 1206。
在一个实施方式中， 抽象模块 1212 控制机电系统 1100 内的一个或多个致动器。 在一个实施方式中， 这包括通过致动器例如在假肢膝盖内施加阻尼。 在一个实施方式中， 至 少一部分抽象模块 1212 以不同于状态机或学习模块 1210 和 1214 运行速率的频率来运行。 例如， 在一个实施方式中， 低电平抽象模块 1212 以 1 毫秒 (ms) 的周期运行， 而高电平编码 的状态机则以 5ms 的周期运行。
仿生数据总线 (BDB) 模块 1218 被设置用于通过 BDB 1120 在系统 1100 内的装置 之间提供数据通信。BDB 模块 1218 的一个实施方式包括抽象或标准化到其他模块 1210， 1212， 1214 和 1216 的接口的软件接口用于在 BDB1120 上进行通信， 与 BDB 1120 的具体实施 方式无关， 例如与 BDB 是包括网络还是外围总线例如 USB 无关。
BDB 模块 1218 可以给 BDB 1120 提供分层接口。在一个实施方式中， 各层可以对 应于由 BDB 1120 提供的一条或多条物理通道。在其他的实施方式中， 各层可以对应于 BDB 1120 上的逻辑通道。在一个实施方式中， 由 BDB 模块 1218 提供的通道包括状态通道 1230、 参数通道 1232、 传感器通道 1234 以及致动通道 1236。
状态通道 1230 可以被设置用于在机电装置之间进行高频、 少量的状态机数据通 信。在一个实施方式中， 该数据可以包括与假肢膝盖的步态循环相关的数据。该数据可以 包括状态数据或状态改变的数据。 例如， 在假肢膝盖中， 状态改变可以表明步态循环中的改 变。参数通道 1232 可以被设置用于在装置之间例如在配置装置 1118 和主装置 1112 之间以中间频率和数量来进行数据通信以交换参数设定。参数通道 1232 的数据可以包括 配置参数例如 2005 年 3 月 9 日提交的、 公开号为 2005-0283254、 先前已并入本文的美国专 利公开中介绍的配置参数。
传感器通道 1234 可以被设置用于进行高频、 少量传感器数据的通信。来自系统 1100 内某一装置的传感器数据可以由此用于供其他装置共享使用。 这就允许将传感器设置 为并不是物理地位于或靠近特定机电装置而是可以物理地位于或者靠近系统 1100 内的另 一装置。而且， 某些传感器可以由此被共享以降低系统 1100 的总体成本。传感器可以包括 力传感器、 电池电压传感器或任意其他的可以加入或连接至任意机电装置的传感器。
另一条通道可以包括致动通道 1236。 致动通道 1236 进行少量、 高频的包括致动器 控制信号的数据通信。在一个实施方式中， 主装置 1112 可以在致动通道 1236 上发送致动 器控制信号来控制副装置 1114 上的致动器。数据可以包括例如位置、 作用力、 方向和速度 等数据。
除了与其他机电装置通信以外， 其他的电子装置例如远程服务器计算机 ( 未示 出 ) 也可以通过 BDB 1120 与机电装置通信。在一个实施方式中， 远程服务器可以实现维护 动作例如诊断机电装置内的故障。装置 1202 可以传输传感器数据、 状态改变数据或者在装 置 1202 或通过 BDB 1120 连接至装置 1202 的装置 1204， 1206 上生成的其他数据。
在一个实施方式中， 使用共同的命名规定来识别通道内传输的数据。在一个实施 方式中， 数据格式为使用例如可扩展标记语言 (XML) 这样的命名规定的结构化数据。在一 个实施方式中， 命名规定则基于使用的类似于解剖学等价形式的术语。 例如， 在一个实施方 式中， 命名规定包括来自人体肌肉系统用于致动器信号的术语以及来自人体神经系统用于 传感器信号的术语。
除了与其他机电装置通信以外， 其他的电子装置例如远程服务器计算机 ( 未示 出 ) 也可以通过 BDB 1120 与机电装置通信。在一个实施方式中， 远程服务器可以实现维护 动作例如诊断机电装置内的故障。装置 1202 可以传输传感器数据、 状态改变数据或者在装 置 1202 或通过 BDB 1120 连接至装置 1202 的装置 1204， 1206 上生成的其他数据。
在一个实施方式中， 远程计算机包括用于维护和扩展机电装置 1202 的仪表软件。 图 25 示出了用于和假肢膝盖一起使用的仪表程序的一个实施方式的使用者接口。左栏显 示的是存储器位置的名称、 寄存器或者可以在机电装置 1202 上监测的其他数据。在示出的 实施方式中， 选择监测项目的名称即可显示其数值。 在一个实施方式中， 显示数值是连续的 并且在从装置 1202 接收到新数据时进行自动更新。在一个实施方式中， 检测项目的数值可 以被记录到文件内以供后续分析。 该分析可以包括数据的图形化绘制。 在一个实施方式中， 仪表程序也可以发送指令至装置 1202 例如用于清除数据、 复位装置 1202 和更新装置 1202 上的软件或固件。 在一个实施方式中， 这些项目的数值可以由仪表程序的使用者进行修改。 在一个实施方式中， 仪表程序可以被设置用于将更新项目的数值限制在预订范围以内。
图 26A 是系统 1100 的包括假肢膝盖 1402 和假肢脚踝 1404 在内的示范性实施方 式的示意性方块图。( 也可参见例如图 30。) 在系统 1100 包括电控脚踝 1404 和电控膝盖 1402 时， 存在如果两个 “智能” 部件无法共享信息或者无法以同步方式进行其他工作的不稳 定的风险。膝盖 1402 可以包括 3 个主要传感器， 角度传感器、 后部作用力传感器 (PF) 和前部作用力传感器 (AF)。 根据 PF 和 AF 传感器的信号， 膝盖 1402 能够计算出暂用假肢 (pylon) 内的动作。膝盖 1402 能够将动作表示为脚趾如何加载和脚跟如何加载的信息。根据对来 自 PF 和 AF 传感器的数值的计算， 膝盖 1402 也能够识别足部是否放置在地面上或者具有多 大的作用力。在一个实施方式中， 作用力信号和角度信号一起通过状态机模块内的算法进 行评估以便每 5ms 确定一次处于高电平循环周期内的膝盖 1420 的状态。如果信号不正确 或者被误读， 膝盖 1402 就不能正确地改变状态或功能。
由于来自作用力传感器的数值 ( 膝盖框架内的弯矩 ) 被转化为脚趾和脚跟的负荷 值， 因此应该确定足部的对齐并且特别是脚踝 1404 的角度。在设定期间， 某些范围和阈值 可以被设定用于膝盖 1402。 如果在初始设定之后对齐状态有明显改变， 膝盖 1402 就可能会 误读来自作用力传感器的信息。电动调节的脚踝 1404 的功能通常就会导致这样的对齐状 态的改变。
如果脚踝 1404 能够以足够高的频率来给膝盖发送关于角度数值的信息， 膝盖就 能够补偿来自传感器的作用力信号中的 “错误” 并且整个系统 1100 就能够以比非同步系统 更加稳定的方式运行。
电动脚踝 1404 也可以被设计为同样适合膝盖以下截肢的患者。在这样的使用模 式下， 脚踝 1404 不需要来自于 “联盟” 部件的额外信息。但是膝盖 1402 可以传输的额外信 息能够简化用于供膝盖以上截肢患者使用的脚踝设计。
另外， 由脚踝 1404 使用来自膝盖 1402 的数据能够给系统 1100 提供额外的功能。 例如， 脚踝 1402 的角度数值可以通过 BDB 1120 的传感器通道 1232 变为可供膝盖 1404 访 问。而且如果脚踝偏移了一定度数 ( 例如要和高跟鞋一起使用 )， 膝盖 1402 可以使用该信 息以进一步补偿作用力传感器的测量值。偏移数值可以在参数通道 1232 上进行通信。
在一个实施方式中， 脚踝可以包括假肢或矫形足部， 类似于 2006 年 2 月 2 日提交、 申请号为 11/346,600 并且发明名称为 “SENSING SYSTEMS AND METHODS FOR MONITORING GAIT DYNAMICS” 的美国专利申请中公开的实施方式， 并且通过引用其全文而并入， 其被设 置用于在 BDB1120 上生成和提供脚趾负荷和脚跟负荷的测量值。在另一个实施方式中， 脚 踝可以包括假肢或矫形足部， 类似于 2003 年 12 月 18 日提交、 申请号为 10/742,455 并且发 明名称为 “Prosthetic foot with rocker member” 的美国专利申请中公开的实施方式， 并 且通过引用其全文而并入， 其被设置用于在 BDB 1120 上生成和提供脚趾负荷和脚跟负荷 的测量值。
图 26B 是图 23 中系统的包括假肢膝盖 1402 和假肢足部 1406 在内的示范性实施 方式的示意性方块图。在一个实施方式中， 膝盖 1402 和脚踝 1404 均包括数据通信和网络 接口例如彼此通信的 RS-232 端口以确定 BDB1120。在另一个实施方式中， BDB 1120 可以通 过装置 1402 和 1406 上的 RS-485 端口实现。在一个实施方式中， 假肢足部 1406 包括允许 足部调节至不同级别斜度的关节。因此， 来自足部 1406 的响应会不同于具有固定脚踝的足 部。 在一个实施方式中， 基于转化为弯矩的作用力测量值来控制膝盖 1402。 根据弯矩数值， 膝盖 1402 管理状态的改变并基于膝盖 1402 是处于平地上、 不同级别的斜坡上还是处于楼 梯上来调节膝盖的阻力。
在一个实施方式中， 膝盖 1402 可以根据作用力和力矩的改变检测到使用者在倾 斜表面上行走。 由于关节连接的足部 1406 的弯曲， 足部 1406 可以调节至某一斜度以使膝盖1402 不接收与在斜坡上行走相吻合的作用力测量值。因此， 在使用者实际上正在上坡或下 坡时， 膝盖 1402 可以像使用者在平地上行走一样发挥作用。在一个实施方式中， 足部 1406 可以在角度改变时将其关节角度传输至膝盖 1402。 在其他的实施方式中， 足部 1406 可以用 预定速率或者在角度改变了阈值数量时将角度传输至膝盖。在一个实施方式中， 膝盖 1402 可以按间隔或响应于特定事件例如状态改变来从足部 1406 请求数据。膝盖 1402 可以随后 使用角度数值来校正力矩计算 ( 例如通过将比例计算作为角度函数 )。 在一个实施方式中， 从足部 1406 传输至膝盖 1402 的数据可以包括状态机数据。状态机数据可以由膝盖 1402 的控制系统使用以协调足部 1406 的动作并且根据来自足部 1406 的附加信息更好地识别正 确的控制响应， 例如在足部 1406 的关节弯曲时校正作用力传感器的读数。
在某些实施方式中， 关节连接的足部 1406 可以在使用者已经完成例如三步之后 被触发调节其角度。在其他的实施方式中， 关节连接的足部 1406 可以在多于三步之后被触 发调节其角度。另外， 脚踝可以在使用者已经完成三步并且已经达到特定速度例如至少约 0.55 米 / 秒之后被触发执行脚趾提升功能。典型的胫骨装置需要更多的步数， 目的是为了 稳定装置使用者由于在胫骨使用者之间更大的动作范围导致的步态模式。作为对比， 具有 假肢膝盖 1402 和关节连接足部 1406 的股骨使用者可以具有较窄的动作范围。因此， 三步 即可给装置提供足够的信息来引发脚趾提升以及相关的预定步态模式。 这种更加快速的处 理对于假肢使用者是有利的， 因为它提升了装置对于环境改变的适应能力。尽管在某些实 施方式中股骨装置可以在三步之后启动脚趾提升， 但是在其他实施方式中这种触发也可以 在两步到五步之后启动和 / 或在使用者已经达到在 0.40m/s 到 0.60m/s 之间的特定速度时 启动。
如上所述， 在某些实施方式中， 脚踝 1402 保留与在平地上行走相一致的作用力测 量值。足部单元 1406 为了补偿斜度而调节其角度。在某些实施方式中， 连接至膝盖单元 1402 的足部单元 1406 可以具有比连接至生理膝盖的足部单元 1406 更大的动作范围， 因为 假肢膝盖 1402 的动作由于膝盖 1402 具有比生理膝盖更少的自由度而更加可预测。例如， 连接至假肢膝盖 1402 的足部单元 1406 可能可以执行从平地下降到大约 -10 度的梯度的脚 趾提升， 而连接至生理膝盖的足部单元 1406 可能只能够执行从平地下降到大约 -6.5 度的 梯度的脚趾提升。
可以在足部 1406 和膝盖 1402 之间利用任意合适的协议例如以上参照图 23 中的 BDB 介绍的协议来进行数据通信。例如， 在一个实施方式中， 传感器和控制数据可以作为字 符串在 RS-232 连接上进行通信。在一个实施方式中， 在膝盖 1402 的每一个程序循环内， 膝 盖都会读取串行端口， 分析字符串并得出角度数值。随后角度数值被转化为用于斜度检测 程序的校正值。
在另一个实施方式中， 数据可以在 RS-232 层上通过合适的链接层协议例如高电 平链接控制 (HDLC) 协议进行通信。在其他的实施方式中， 可以使用适当的更高电平的协 议。在一个实施方式中， 两个 RS-232 端口可以通过简单的线路接口相连接。
在一个实施方式中， 膝盖 1402 可以作为主装置 1112 工作， 其接收来自足部 1406 的传感器数据并使用该数据生成送回到足部 1406 的控制信号。在这样的实施方式中， 来自 足部 1406 的附加传感器数据可以被用于提供更为可靠并且使膝盖 1402 能够更好的预测或 以其他方式管理状态改变的控制。而且， 膝盖的附加传感器数据可以被用于扩展或改善足部 1406 的控制。例如， 膝盖 1402 的负荷传感器可能能够检测快速的脚趾离地信号， 其能够 表明开始步入楼梯。足部 1406 的控制系统可以被设置用于利用该数据来预判并更好地检 测状态改变例如楼梯的上倾斜或下倾斜。在另一个实施方式中， 足部 1406 的负荷传感器可 能能够检测上倾斜或下倾斜的改变并告知主装置 1112 进行相应调节。
在一个实施方式中， 足部 1406 和膝盖 1402 也可以被设置为共用电源。在这样的 实施方式中， 主装置 1112 例如膝盖可以协调用于两装置的电源管理。在一个实施方式中， 足部 1406 和膝盖 1402 可以被特别设计为一起工作。但是， 在其他的实施方式中， 包括兼容 的机械和通信接口的任意足部 1406 和膝盖 1402 都可以构成系统 1100。
图 26C 是图 23 中系统的包括假肢膝盖 1402、 假肢足部 1406 和作为主装置 1112 工 作的主装置 1408 在内的另一个示范性实施方式的示意性方块图。主装置 1408 可以包括被 设置用于从足部 1406 和膝盖 1402 中的每一个接收传感器数据并基于该传感器数据给足部 1406 和膝盖 1402 提供控制信号的任意电子设备。
图 26D 是图 23 中系统的包括假肢膝盖 1402 和假肢足部 1406 在内的另一个示范 性实施方式的示意性方块图， 其中假肢足部 1406 作为主装置 1112 工作。在这样的实施方 式中， 足部 1406 的控制器可以包括一个或多个用于控制两装置的状态机。
图 27 是示出了用于和一对机电装置 1202 和 1204 通信的系统 1500 的一个实施方 式的方块图。在示出的实施方式中， 系统 1500 包括与机电装置 1202 和 1204 通过数据通信 网络 1350 通信的单个网络计算装置 1340。 其他实施方式可以只包括单个机电装置 1202 或 多于两个机电装置。在一个实施方式中， 系统 1500 包括另外的网络计算装置 1341， 其也通 过网络 1352 与网络计算装置 1340 通信。在一个实施方式中， 机电装置 1202 和 1204 被设 置用于和网络计算装置 1340 通信以发送和接收设置和校准数据。在一个实施方式中， 机电 装置 1202 和 1204 被设置用于和网络计算装置 1340 通信以接收可执行指令用于扩展或代 替一个或多个状态计算模块 1210、 硬件抽象模块 1212、 动态学习模块 1214、 配置模块 1216、 BDB 模块 1218 或机电装置 1202 任意其他合适的软件模块的一部分或全部。
在一个实施方式中， 网络计算装置 1340 包括与处理器 1344 和存储器 1346 通信的 网络接口 1342。 网络计算装置 1340 可以包括服务器计算机、 个人计算机或移动计算机例如 笔记本电脑。在一个实施方式中， 网络计算装置 1340 包括个人数字助理。在另一个实施方 式中， 网络计算装置 1340 包括移动电话。
网络接口 1342 通过网络 1350 和 1352 为包括机电装置 1202 和 1204 在内的一个或 多个计算装置提供联网能力。在一个实施方式中， 用于网络 1350 和 1352 的网络接口 1344 包括例如以下方式的一种或多种 ： 远程调制解调器、 以太网 (IEEE 802.3)、 令牌环 (IEEE 802.5)、 光纤分配数据链接接口 (FDDI)、 异步传输模式 (ATM)、 无线以太网 (IEEE 802.11)、 蓝牙 (IEEE 802.15.1) 或包括 IRDA 的红外接口。网络 1350 也可以包括网络例如因特网、 局域网 (LAN) 或广域网 (WAN)。如本文中所用， 网络 1350 和 1352 可以包括网络变种例如公 共因特网、 因特网内的专用网络， 因特网内的安全网络、 专用网络、 公共网络、 增值网络、 内 部网络等。在一个实施方式中， 网络 1350 包括网络 1352。
处理器 1344 可以是任意适合的通用单芯片或多芯片微处理器例如 ARM， Pentium ， Pentium II ， Pentium III ， Pentium IV ， Pentium Pro， 8051， MEPS ， Power PC ， ALPHA ， 或任意其他合适的处理器。另外， 处理器 1314 可以包括任意合适的专用微处理器例如数字信号处理器或可编程门阵列。
存储器 1346 可以包括易失性部件例如 DRAM 或 SRAM。存储器 1346 也可以包括非 易失性部件例如基于存储器或光盘的存储。在一个实施方式中， 网络计算装置 1340 包括服 务器和包含基于光盘存储的存储器 1346。在一个实施方式中， 基于光盘的存储包括文件服 务器。
在一个实施方式中， 机电装置 1202 包括用于可移除地连接存储器的存储卡接口 1366。存储卡接口 1366 可以包括与可移除的存储卡的接口， 其包括半导体存储 ( 芯片 )， 例如随机存取存储器 (RAM) 或各种形式的只读存储器 (ROM)， 其被可移除地连接至处理器 1344。可移除式连接的存储器可以包括任意标准或专用装置上的存储器例如记忆卡、 安全 数字记忆卡、 记忆棒或任意其他合适的可移除式存储装置。 在一个实施方式中， 存储卡接口 1400 被设置用于连接处理器固态稳定存储器例如闪存 (FLASH) 存储器或磁阻 RAM(MRAM)。 在一个实施方式中， 存储器 1104 包括磁盘驱动器例如磁体、 光学或磁光驱动器。
在一个实施方式中， 机电装置 1202 和 1204 中的每一个都包括连接至存储器 1362 和网络接口 1364 的处理器 1360。处理器 1360 可以是包括以上参照处理器 1344 所介绍的 处理器在内的任意合适的处理器。存储器 1362 可以是包括以上参照存储器 1346 所介绍的 存储器在内的任意合适的存储器。网络接口 1364 将处理器 1360 设置为与网络 1350 通信。 网络接口 1364 可以包括任意合适的网络接口， 包括以上参照网络接口 1342 所介绍的那些 网络接口在内。
图 28 是示出了具有图 27 中的网络计算装置 1340 的机电装置的结构同步和数据 校正方法 1600 的一个实施方式的流程图。配置数据可以包括由假肢输入的数据、 基于预定 参数例如机电装置使用者高度而确定的数据、 基于机电装置 1202 使用者的体验或偏好选 择的数据、 或者由假肢装置的设计者或生产商选择以影响假肢装置 1202 的控制系统的数 据。校正数据可以包括由机电装置的控制系统在机电装置 1202 运行期间确定的数据。这 些数据还可以被统称为控制数据。方法 1600 在方块 1610 处开始， 其中机电装置 1202 建立 起与网络计算装置 1340 的通信。这些数据的输入或检查可以通过屏幕显示例如图 25 中所 示的方式来进行。
然后在方块 1620 处， 机电装置 1202 与图 27 中的网络计算装置 1340 同步一个或 多个设定。在一个实施方式中， 机电装置 1202 接收与特定机电装置 1202 的使用者相关的 配置或校准信息。在另一个实施方式中， 机电装置 1202 发送配置或校准数据给网络计算装 置 1340。 在一个实施方式中， 同步的配置和校准数据包括前述在 BDB 1120 上发送的任意数 据。另外， 同步数据可以包括由机电装置 1120 使用的任意其他的配置或校准数据。
在一个实施方式中， 同步数据包括确定机电装置 1202 上的数据和与网络计算装 置 1340 上的特定机电装置 1202 相关联的数据之间的差异， 并在装置之间发送这些数据。 在 一个实施方式中， 网络计算装置 1340 将与机电装置 1202 相关联的数据存储在与识别特定 机电装置有关的数据例如序列号的数据库中。在一个实施方式中， 当特定的机电装置 1202 被再次同步时， 网络计算装置 1340 基于数据库中的数据来确定数据差异。在一个实施方式 中， 在确定控制数据不同之后， 机电装置 1202 将控制数据发送至网络计算装置 1340 以覆盖 与机电装置 1202 有关的控制数据。在另一个实施方式中， 网络计算装置 1340 给机电装置 1202 发送控制数据以覆盖机电装置上的这些数据。在一个实施方式中， 某些数据被双向发送用于覆盖。控制数据是发往还是发自机电装置 1202 可以基于一种或多种方法。例如， 在 一个实施方式中， 与数据相关联的时间标记被保存在机电装置 1202 和网络计算装置 1340 上。在其他的实施方式中， 关于控制数据中特定项目的预定规则确定了如何同步数据。在 一个实施方式中， 装置使用者的选择或者矫形器的选择确定了其中要同步的控制数据中的 特定数据项。在一个实施方式中， 新的机电装置 1202 从与网络计算装置 1340 相连的存储 原始数据的数据库中接收原始控制数据或者覆盖存在于机电装置 1202 上的任何数据。
在一个实施方式中， 网络计算装置 1340 用作电路以发送并接收配置和校准数据 到存储数据的另一个网络计算装置 1341。 在一个实施方式中， 网络计算装置 1340 是与机电 装置 1202 通过短程网络通信并将数据传输至网络计算装置 1341 的 PDA 或移动电话。在一 个这样的实施方式中， 网络计算装置 1341 包括服务器计算机。因此， 机电装置 1202 可以与 网络计算装置 1340 和 1341 之一或两者同步配置和校准数据。
然后在方块 1630 处， 机电装置 1202 存储所有接收到的数据。而且或可选地， 网 络计算装置 1340 和 1341 存储所有接收到的数据。在一个实施方式中， 装置 1202， 1340 或 1341 中的一个或多个也存储涉及同步的数据例如时间标记或识别装置的数据或同步中调 用的数据。在一个实施方式中， 网络计算装置 1340 或 1341 在与机电装置相连的数据库中 存储数据。返回至图 28， 方法 1600 前进至结束状态。
图 29 是示出了机电装置上软件的更换、 扩展或删除方法 1700 的一个实施方式的 流程图。方法 1700 在方块 1710 处开始， 其中机电装置 1202 与含有设置用于在机电装置 1202 上执行的软件的来源装置建立通信。在一个实施方式中， 来源装置包括网络计算装置 1340。 在这样的实施方式中， 机电装置 1202 与网络计算装置 1340 通过网络 1350 建立通信。 在另一个实施方式中， 来源装置还包括网络计算装置 1341。 在这样的实施方式中， 机电装置 通过网络 1350 和 1351 借助网络计算装置 1340 与网络计算装置 1341 建立通信。在一个实 施方式中， 来源装置包括另一个机电装置。 在另一个实施方式中， 来源装置包括与存储卡接 口 1366 相连的存储卡。软件例如可以是低电平的固件和 / 或高电平的软件。
移动至方块 1720， 机电装置 1202 或装置 1202 的使用者选择要在装置上安装的软 件。 在一个实施方式中， 使用者从适用于各种动作例如徒步、 骑车或慢跑的软件列表中进行 选择。在一个实施方式中， 列表被显示在与网络计算装置 1340 相连的用户接口上。在一个 实施方式中， 用户接口包括网页浏览器。 在一个这样的实施方式中， 用户接口从网络计算装 置 1341 接收列表。
前进至方块 1730， 机电装置 1202 从来源装置接收软件。在一个实施方式中， 接收 软件包括在网络 1350 上传输软件。在另一个实施方式中， 接收软件包括将存储卡安装到存 储卡接口 1366 内。
接下来在方块 1740 处， 机电装置 1202 安装软件以用于执行。 安装软件可以包括将 软件存储到存储器 1362 的一部分中， 更新存储器 1362 中的指针或跳转表以替换或扩展先 前安装的软件， 或者存储软件安装的记录。 在一个实施方式中， 该记录包括用于删除新安装 软件的充足数据。 在一个实施方式中， 机电装置 1202 将接收到的软件保存在其存储器 1362 中。在另一个实施方式中， 机电装置 1202 直接从存储卡上运行新软件。
移动至方块 1750， 机电装置运行新软件。新软件可以替换一个或多个状态机模块 1210、 硬件抽象模块 1212、 动态学习模块 1214、 配置模块 1216、 BDB 模块 1218 或机电装置1202 的任意其他合适的软件模块中的全部或者一部分。新软件可以包括用于修复漏洞、 提 高性能或者提供附加功能的软件。在一个实施方式中， 新软件可以包括用于控制机电装置 1202 以执行一个或多个特定动作例如徒步、 骑车、 游泳、 慢跑、 投掷、 跳跃或者用于在特定类 型的地形上移动的指令。
通常， 假肢和矫形装置被设计为工作时无需考虑其他假肢和 / 或矫形装置的工作 情况。但是， 假肢和 / 或矫形部件会影响到其他假肢和 / 或矫形部件的功能。例如， 假肢足 部或踝关节会影响假肢膝盖的功能。而且， 假肢部件通常被设计用于复制所代替肢体的功 能， 而矫形部件通常被设计用于增强被辅助肢体的功能。 例如， 假肢足部用于代替缺少或截 去的足部功能。
不同的假肢和矫形装置在不同情况和环境下的运行也不同。 某些假肢和矫形装置 包括例如传感器、 控制系统和 / 或致动器。这些装置可以具有与其他假肢和矫形装置不同 的功能。例如， 某些假肢装置可能可以检测梯度以适应被施加的可变加速度等。
某些假肢和 / 或矫形装置可以用增强其中一个或多个装置功能性的方式来组合 到一起。例如， 假肢膝盖可以具有特定的基于平地行走的工作角度。但是绝大部分假肢膝 盖使用者都会遇到各种不同梯度的地形， 例如上斜坡和下斜坡。如果假肢膝盖与地形适应 的脚踝相组合， 那么假肢膝盖就能够以更加舒适的工作角度工作例如用于平地行走， 原因 在于脚踝装置已经适应了例如上斜坡或下斜坡， 这就可以避免要调节假肢膝盖用于倾斜梯 度的问题。
作为另一个示例， 假肢膝盖可能无法像健康膝盖那样用脚趾提升来适应离地高 度。 为了进行补偿， 假肢膝盖使用者可以用不同于健康膝盖的方式来移动他们的假肢腿部。 而且， 假肢膝盖装置也可以被编程为与健康膝盖的移动不同， 目的是为了补偿脚趾提升的 缺少。但是， 用不同的方式移动对于假肢膝盖使用者来说可能并不舒适。如果假肢膝盖与 能够在迈步期间提升脚趾的脚踝假肢相组合， 那么就可以用类似于健康膝盖的方式来移动 假肢膝盖。
因此， 假肢和矫形装置不仅可以代替缺少或截去的身体部分， 而且还可以改进另 一假肢和 / 或矫形部件的功能。另外， 假肢和矫形装置还可以改进自然生理条件的功能性， 例如虚弱的膝盖或虚弱的髋部。
在某些实施方式中， 假肢装置具有代替缺少的身体部分的主要功能并且还具有改 进一个或多个假肢组件功能的辅助功能。 与仅仅是影响另一假肢或矫形装置或生理条件的 功能不同， 实施方式改进了这些功能。在某些实施方式中代替缺少或截去的身体部分功能 的测量和致动系统还可以提供改进一种或多种其他的假肢和 / 或矫形装置以及一种或多 种其他的生理条件的功能。 例如， 在某些实施方式中， 假肢装置可以对另一装置或身体部分 如何在平地上行走、 上下楼梯、 穿高跟鞋、 上坡和下坡以及用各种步长行走、 在变化的地形 上行走进行改进， 并且具有改进的使用者舒适度和稳定性。
在某些实施方式中， 除了同步和 / 或协同多个假肢和 / 或矫形装置以外， 还可以实 现改进另一假肢装置的功能。在其他的实施方式中， 无需同步和 / 或协同多个假肢和 / 或 矫形装置即可改进另一假肢装置的功能。 本发明的目的不仅是使两个或多个连接的假肢装 置合作以使得它们可以执行其必要的任务， 而且还要提供测量和致动系统以改进其他有效 连接的假肢装置的功能并且提供最为自然的动作。可以在连接至另一假肢装置时功能得到改进的假肢装置的一个示例是可以与假 肢膝盖一起使用的假肢脚踝。可以在这种结构中使用的假肢膝盖的一个示例是美国专利 5314498 中介绍的全膝盖， 通过引用其全文并入本文。 图 30 示出了股骨装置 3000 的一个实 施方式， 具有可主动调节的假肢脚踝 3100 和可主动调节的假肢膝盖 3200。 在某些实施方式 中， 如本说明书中所述， 示出的脚踝 3100 调节至上倾斜或下倾斜角度以使得被致动的膝盖 3200 能够工作得更加接近于平地行走。
在某些实施方式中， 假肢脚踝装置在响应于特定地形调节装置 ( 例如在足部触地 时调节足部相对于中间位置的角度 ) 以前利用多个步骤来检测装置的动作和 / 或位置。尽 管在某些实施方式中记录的步骤数量是固定的， 但是在其他的实施方式中该数量也可以动 态确定。在某些实施方式中， 经股假肢脚踝装置可以通过与用于经胫使用者 ( 具有健康膝 盖但是使用假肢脚踝的人 ) 相比更加快速地适应改变的地形条件而有利于经股使用者 ( 使 用假肢膝盖的人 )。 例如， 经股装置可以在自动使用特定地形之前 ( 例如通过执行脚趾提高 功能 ) 检测大约三步， 而经胫装置在做同样的事情之前可能需要检测大约五步。在某些实 施方式中， 这种不同是由于经股使用者的动作更加容易预测 ( 例如在确定范围内 ) 并且具 有比经胫使用者的动作更少的自由度。 这样的校正可以容许经股使用者对地形的改变比经 胫使用者更加灵敏。
在某些实施方式中， 假肢脚踝装置具有特定运动速度， 装置以此速度设置用于脚 趾提高或者脚趾间隙。在某些实施方式中， 经股假肢脚踝装置可以通过调整该特定速度而 改进， 装置以此速度在例如步态的迈步期间被设置用于脚趾提高。经股使用者可以具有更 缓慢的步态速度和更有限的运动。 为提供脚趾提高而减少的阈值可以为经股使用者提供更 舒服和自然的行走经验。 例如， 在某些实施方式中， 结合的致动的假肢膝盖和脚踝运动受控 足部单元的脚趾提高在假肢系统的三步以后在达到约每秒 0.55 米以后的特定速度以后启 动。其它实施方式中， 经股装置的脚趾提高在约 0.40m/s 和约 0.60m/s 之间启动
在某些实施方式中， 假肢脚踝装置可以允许转换为放松模式。 在某些实施方式中， 股骨装置可以通过不允许放松模式而有利于经股使用者， 原因在于例如对于经股使用者 ( 由于例如不充分的膝盖控制 ) 难于通过例如延伸足部来定位假肢装置以进入放松模式。 在其他的实施方式中， 经股装置可以通过修改放松模式加以改进以允许使用者通过将假肢 装置物理地放置在放松位置而进入放松模式。例如， 使用者可以将假肢膝盖抬高到坐姿位 置， 其特征在于弯曲膝关节使脚踝接近处于膝关节的正下方， 这就可以触发放松模式。这 可以是经股使用者的一个选择， 通常使用者在没有物理的移动腿时都不会将腿放在放松位 置。
在某些实施方式中， 假肢脚踝装置可以提供学习模式用于将装置校准至使用者的 具体步态。 在某些实施方式中， 学习模式可以有利于经股使用者， 例如通过利用学习模式作 为示例从开始到校准以适用于经股假肢装置使用者的步态。
在某些实施方式中， 假肢脚踝装置可以提供倾斜角， 在此不再提供脚趾间隙。在 某些实施方式中， 经股假肢脚踝装置可以通过增大提供脚趾间隙的角度来有利于经股使用 者。 经股使用者可以更多地依赖于脚趾间隙功能使其与那些自然膝盖经常提供比假肢膝盖 更大自由度的经胫使用者相比更加稳定。在以某些角度下坡期间， 经胫使用者可能无法从 脚趾间隙获利， 因为它们离开了边缘。 因此， 经股假肢脚踝装置可以通过以一定的倾斜角提供脚趾间隙而有利于股骨使用者， 对此胫骨使用者则倾向于将脚踝锁定。 例如， 使用了本文 中所述脚踝动作受控的假肢足部的经胫使用者在某些实施方式中可能会将脚趾仰角下降 至大约 -4 到 -8 度的梯度， 更优选地是下降至与平地成大约 -6.5 度。 作为对比， 股骨使用者 可以将脚趾仰角下降至大约 -8 到 -12 度的梯度， 更优选地是下降至与平地成大约 -10 度。
在某些实施方式中， 假肢脚踝装置能够对上楼梯和 / 或下楼梯进行调节。在某些 实施方式中， 经股假肢脚踝装置可以通过禁用楼梯模式而有利于股骨使用者。经股使用者 可能无法从提供给经胫使用者的对楼梯进行的调节中获利， 但是可以通过禁用楼梯模式而 获得更加舒适和自然的步态。
应该理解根据实施方式， 本文中介绍方法的某些动作或事件可以按不同顺序执 行， 可以增加、 合并或者全部省略 ( 例如， 并不是所有介绍的动作或事件都是用于实践方法 所必须的 )。而且， 在某些实施方式中， 动作或事件可以同时执行， 例如通过多线程处理、 中 断处理或多处理器来同时执行而不是顺序执行。
尽管已经介绍了本发明的某些实施方式， 但是这些实施方式仅仅是作为示例给 出， 而不是为了限制本发明的保护范围。 实际上， 本文中介绍的新颖的方法和系统可以用各 种其他的形式实现。例如， 上述内容可以应用于除了脚踝以外的关节例如膝关节或肩关节 的动作控制。 而且， 对本文中介绍的方法和系统的形式可以进行各种省略、 替代和改变而不 会背离本发明的精神。 所附权利要求及其等价形式应被理解为涵盖了落入本发明保护范围 和精神以内的这些形式和变形。