半驱动式大腿假肢膝关节 相关申请的交叉引用 本申请要求申请日为 2008 年 6 月 16 日、 申请名称为 “半驱动式大腿假肢膝关节” 的美 国临时申请 61/132,217 和申请日为 2008 年 9 月 12 日、 申请名称为 “半驱动式大腿假肢膝 关节” 的美国临时申请 61/136,535 的权益。
技术领域 本发明主要涉及假肢领域， 更具体地， 涉及控制附在截肢者的膝上残余下肢的假 肢的动力和非动力操作。
背景技术 近年来， 假肢领域取得了很大的进步。 例如， 现今不但各种各样的截肢者都能获得 定制的合适假肢， 而且假肢自身也可按使用目的进行定制。因此， 为截肢者定做假肢， 不仅 包括大小尺寸的定制， 还根据其他各种因素而有所不同， 尤其出于截肢者将使用假肢设备 进行的活动的类型。
涉及膝上假肢， 需要建立对步态迈步期和步态站立期的控制。 显然， 步态迈步期控 制需适应更广范围的活动， 其潜在的活动种类甚至可因截肢者的年龄和活动层次的不同而 不同。鉴于这一点， 过去使用的是液体系统， 因为液体具有能够实现相对恒定的运动的特 性。然而， 运动速度还可能需要具备变化， 以及由此产生的对液体系统的适当控制。
发明内容 本发明涉及半驱动式膝上假肢系统， 该系统本质为被动系统， 在行走周期中， 该系 统只在移位时需要能量。总的来说， 所述假肢包括小腿连接件、 膝关节机构和大腿连接件， 其中， 小腿连接件适于连接至人造足， 膝关节机构在远离人造足的位置连接至所述小腿连 接件， 大腿连接件适于附着在截肢者的膝上残余下肢。所述膝关节机构使所述大腿连接件 和小腿连接件相对于彼此进行弯曲和伸展运动。根据本发明， 所述假肢可在驱动模式或非 驱动模式下进行操作。 在驱动模式下， 能量传递至与膝关节机构相连的扭矩发生器， 使该扭 矩发生器在大腿连接件和小腿连接件之间运动。在非驱动模式下， 控制回路以非动力方式 操作， 使所述膝关节机构在阻力调节状态下操作。
根据本发明的一个优选实施例， 电动机与电池电源相连， 该电动机用于驱动液压 阀， 该液压阀为包括扭矩发生器的整个液压动力装置的一部分， 该扭矩发生器用于调节所 述膝关节机构。信号处理器根据从多个设置在膝上假肢上的传感器接收到的信号， 来控制 液压动力单元的操作， 以建立驱动和非驱动模式。尽管传感器的分布、 数量和类型可以有 所不同， 例如， 一个优选实施例采用了步态站立传感器， 其能够识别人造足接触支撑件表面 （例如地面） 的特定部位， 同时， 当所述人造足离开支撑表面后， 基于人造足相对于截肢者的 躯干的估测位置， 信号处理器选择理想的步态迈步状态。 为附加的控制目的， 还可以使用用 于感应膝关节角度、 大腿角度和压力等其他传感器。 如此一来， 整个系统具有优势地比全驱
动膝关节消耗更少的电能， 这样， 使用给定容量的电池， 截肢者能行走更远。 另外， 本发明的 膝上假肢通常小于全驱动的膝关节。进一步地， 所述半驱动假肢膝关节减少了髋部扭矩和 力， 该髋部扭矩和力是截肢者必须通过在一个行走周期的有效部分中， 有效地制造同步扭 矩和动力从而物理施加的。 并且， 各传感器向信号处理器提供了输入， 该输入有效地使截肢 者的运动范围和类型最大化。
本发明的其他对象、 特征和优点将通过以下对有限实施例的详细描述更加清晰体 现， 其中， 同样的附图标记指的是各视图中相应的部件。 附图说明
结合附图阅读以下具体说明后， 将更清楚地理解本发明的特征、 各方面及优点， 在 所有附图中， 同一附图标记指代同一部件， 其中 ： 图 1 为根据本发明的第一实施例构建的半驱动假肢膝关节 ； 图 2 为本发明的第一液压阀回路的图解 ； 图 3 为图 2 的液压阀回路的图解， 其中进一步包括第一止回阀 ； 图 4 为图 3 的液压阀回路的图解， 其中进一步包括第二可控阀 ； 图 5 为图 4 的液压阀回路的图解， 其中进一步包括第二止回阀 ； 图 6 为包括并联回路的液压阀回路的替代例的图解 ； 图 7 为包括驱动阀的液压阀回路的替代例的图解 ； 图 8 为图 7 的液压阀回路的图解， 其中进一步包括第一止回阀 ； 图 9 为图 8 的液压阀回路的图解， 其中进一步包括第二可控阀 ； 图 10 为图 9 的液压阀回路的图解， 其中进一步包括第二止回阀 ； 图 11 为包括并联回路的液压阀回路的替代例的图解 ； 图 12 为包括三通阀的液压阀回路的替代例的图解 ； 图 13 示意了使用中的图 12 的液压阀回路的三通阀 ； 图 14 为图 12 的液压阀回路的图解， 其中进一步包括一个第一止回阀 ； 图 15 示意了使用中的图 14 的液压阀回路的三通阀 ； 图 16 为包括蓄能器的液压阀回路替代例的图解 ； 图 17 为图 12 的液压阀回路的图解， 其中进一步包括并联回路 ； 图 18 为包括第二三通阀的液压阀回路替代例的图解 ； 图 19 为包括四通阀的液压阀回路替代例的图解 ； 图 20 为图 1 的半驱动式假肢膝关节的侧视图 ； 图 21 为图 20 的半驱动式假肢膝关节的细节视图 ； 图 22 为图 21 的半驱动式假肢膝关节的分解图 ； 图 23 为在伸展时的驱动模式中的具有液体流的图 16 的液压阀回路的局部透视图 ； 图 24 为在伸展时的非驱动模式中的具有液体流的图 16 的液压阀回路的局部透视图 ； 图 25 为图 1 的动力单元的分解图 ； 图 26 为图 25 的三通阀的分解图 ； 图 27 为位于第一位置的图 26 的三通阀的局部横截面侧视图 ； 图 28 为位于第二位置的图 26 的三通阀的局部横截面侧视图 ；图 29A 为位于第一位置的图 26 的三通阀的局部横截面顶视图 ； 图 29B 为位于第二位置的图 26 的三通阀的局部横截面顶视图 ； 图 29C 为位于第三位置的图 26 的三通阀的局部横截面顶视图 ； 图 29D 为位于第四位置的图 26 的三通阀的局部横截面顶视图 ； 图 30 为本发明的液压动力回路的局部横截面视图 ； 图 31 为图 20 的半驱动膝关节的局部分解图 ； 图 32A 为本发明的步态站立传感器的局部横截面后透视图 ； 图 32B 为图 32A 的步态站立传感器的后透视图 ； 图 32C 为图 32A 的步态站立传感器的前透视图 ； 图 33 为本发明的半驱动式假肢膝关节的局部分解图 ； 图 34 为根据本发明的由信号处理器执行的状态图 ； 图 35 为电源与电动机控制器之间的连接的电路图。 具体实施方式
初始参见图 1， 根据本发明的第一实施例所构建的半驱动式假肢膝关节 100 通过 接口 111 连接到膝上截肢者的残余下肢 110。 除其他部件外， 半驱动式假肢膝关节 100 包括 大腿连接件 103 和小腿连接件 105， 该大腿连接件 103 与连接到膝关节机构 107， 该小腿连 接件 105 连接到人造足 108。膝关节机构 107 用于使大腿连接件 103 和小腿连接件 105 沿 弯曲方向 101 和伸展方向 102 相对于彼此进行弯曲和伸展活动。液压扭矩发生器 104 用于 在大腿连接件 103 和小腿连接件 105 之间产生扭矩。
半驱动式假肢膝关节 100 还包括液压动力单元 200， 该液压动力单元 200 连接至液 压扭矩发生器 104。除其他部件外， 液压动力单元 200 还包括液压阀回路 204， 该液压阀回 路 204 液压连接至扭矩发生器 104。液压动力单元 200 还包括液压泵 201， 该液压泵 201 机 械连接至电动机 202， 并液压连接至液压阀回路 204。
半驱动式假肢膝关节 100 还包括电源 205， 用于为电动机 202 和半驱动式假肢膝关 节 100 的其他部件提供电能。电动机控制器 128（有时称放大器） 将电源 205 的输出转化 为适用于电动机 202 的电压或电流。 半驱动式假肢膝关节 100 还包括信号处理器 130， 除其 他功能外， 该信号处理器 130 还控制电动机 202， 并实现包括一组状态的控制器的功能。半 驱动式假肢膝关节 100 另外包括产生步态站立信号 234 的步态站立传感器 124。除其他信 息外， 步态站立信号 234 还包括用于识别人工足 108 与地面相接触的部位的信息。 在操作中， 当在其驱动模式下时， 半驱动式假肢膝关节 100 用于将电能从电源 205 传送 到电动机 202， 驱动电动机 202 和液压泵 201。在该驱动模式下， 液压阀回路 204 用于将液 压泵 201 液压连接至扭矩发生器 104。液压泵 201 与扭矩发生器 104 之间的液压连接使得 信号处理器 130 控制扭矩发生器 104。这种向扭矩发生器 104 输入动力的能力能够在行走 周期的各阶段控制膝关节机构 107， 或向膝关节机构 107 施加理想的扭矩。
当半驱动式假肢膝关节 100 在非驱动模式时， 液压动力单元 200 设置为， 没有电能 从电源 205 传输到电动机 202。在该非驱动模式中， 液压阀回路 204 调节扭矩发生器 104 中 液流的阻力。截肢者对扭矩发生器 104 中的液流阻力的调节能力使其能够在行走周期的各 阶段中控制膝关节机构 107 对力和扭矩的阻力， 从而减少电能的使用， 因为电动机 202 在该非驱动模式下未消耗任何电能。
液压扭矩发生器 104 的例子包括但不限于线性液压活塞式液压缸、 旋转式液压执 行器、 齿条与小齿轮式旋转执行器以及旋转液压叶片式执行器等， 其中， 加压液流通过对移 动表面的转动而产生力或扭矩。
电源 205 的例子包括但不限于电池、 镍金属氢化物 （NiMH） 电池、 锂电池、 碱性电 池、 可充电碱性电池、 锂离子电池和聚合物锂离子电池等。
电动机 202 的例子包括但不限于电动机， 其中电动机包括但不限于 AC（交流） 电 动机、 刷式 DC（直流） 电动机、 无刷直流电动机、 电子整流电动机 (ECMs)、 步进电动机以及其 组合。
液压泵 201 的例子包括但不限于齿轮泵、 摆线泵、 旋转叶片式泵、 螺杆泵、 弯轴泵、 轴向活塞泵、 斜盘式泵、 径向活塞泵和蠕动泵等。
步态站立传感器 124 的例子包括但不限于力传感器、 应变式力传感器、 压电式力 传感器、 力感电阻、 偏转基定位传感器、 编码器、 电位计、 处于液压流中的压力传感器以及其 组合。
膝关节机构 107 的例子包括但不限于旋转支点、 四杆机构、 滑面接头、 滚动元件接 头以及其组合。 所述信号处理器 130 包括从一组模拟设备中选出的一个元件或多个元件的组合 ； 模拟计算机模块 ； 数字设备， 包括但不限于小规模、 中规模和大规模集成电路、 专用集成电 路、 可编程门阵列、 可编程逻辑阵列 ； 机电继电器、 固态开关、 MOSFET 开关和数字计算模块， 包括但不限于微型计算机、 微处理器、 微控制器和可编程逻辑控制器。在操作中， 所述信号 处理器 130 从各传感器中收集信息， 经计算后， 对液压回路的各部件发出其应当执行任务 的指令。
在本发明的一些实施例中， 如图 1 所示， 半驱动式假肢膝关节 100 进一步包括膝关 节角度传感器 120， 该膝关节角度传感器 120 输出膝关节角度信号 155， 表示大腿连接件 103 和小腿连接件 105 之间的角度。膝关节角度传感器 120 包括从以下一组设备中选出的一个 元件或多个元件的组合 ： 编码器、 数字编码器、 磁性编码器、 光学编码器、 电位计、 LVDT 和分 解器。
在一些实施例中， 如图 1 所示， 半驱动式假肢膝关节 100 进一步包括大腿角度传感 器 122， 该大腿角度传感器 122 输出大腿角度信号 156， 表示大腿连接件 103 的绝对角度。 所 述大腿角度传感器 122 包括从以下一组设备中选出的一个元件或多个元件的组合 ： 加速度 计、 陀螺仪、 测斜仪、 编码器、 电位计以及其组合。图 22 表示本发明的一个实施例， 其中， 所 述大腿角度传感器 122 固定至大腿连接件 103， 且包含加速度计 133 和陀螺仪 134。
在本发明的一些实施例中， 半驱动式假肢膝关节 100 进一步包括扭矩传感器或力 传感器 （详细如下所述） ， 指示扭矩发生器 104 中的扭矩或力。在本发明的一些实施例中， 力 传感器安装在线性扭矩发生器 104 的活塞上。在本发明的一些实施例中， 用于半驱动式假 肢膝关节 100 的力传感器包括两个压力传感器 126 和 127， 其用于测量扭矩发生器 104 两侧 的液流压力， 如图 16 所示。两个压力传感器 126 和 127 测得的数据也表示扭矩发生器 104 上的力。
在一些实施例中， 如图 1 所示， 步态站立传感器 124 包括一个力 - 扭矩传感器， 该
力 - 扭矩传感器安装在小腿连接件 105 上， 用于测量矢状面上的力和力矩。
在一些实施例中， 如图 2 所示， 液压阀回路 204 包括相互串联的第一可控阀 206 和 泵阀 203， 该第一可控阀 206 能够将液流分为两个方向。 液压泵 201 连接到串联的第一可控 阀 206 和泵阀 203 的两个端口上。扭矩发生器 104 连接到第一可控阀 206 的两个端口。在 一些情况下， 当半驱动式假肢膝关节 100 在其驱动模式下操作时， 第一可控阀 206 关闭。这 使得整个液压泵的输出流流入扭矩发生器 104。这进一步使得信号处理器 130 通过控制电 动机 202 来控制扭矩发生器 104。 在驱动模式下向扭矩发生器 104 输入能量， 能够控制膝关 节机构 107 的活动， 或向膝关节机构 107 上施加理想的扭矩。
当半驱动式假肢膝关节 100 在其非驱动模式下操作时， 泵阀 203 或关闭， 或部分关 闭。当泵阀 203 完全关闭时， 将不会有液流通过液压泵 201。通过使用信号处理器 130， 能 够调整第一可控阀 206 的开口大小， 以适当调节扭矩发生器 104 中的液流阻力。 当泵阀 203 部分关闭时， 可以只将扭矩发生器 104 中的液流阻力从零调节至泵阀 203 和液压泵 201 中 的液流阻力之和。调节扭矩发生器 104 中的液流阻力， 能够在行走周期的各阶段中控制膝 关节机构 107 对力和扭矩的阻力， 同时使用的电能更少， 因为电动机 202 在该非驱动模式下 未消耗任何电能。
当半驱动式假肢膝关节 100 在功率再生模式下操作时， 泵阀 203 不关闭， 使得来自 扭矩发生器 104 的液压流的至少一部分转动液压泵 201， 同时电动机控制器 128 向电动机 202 上施加非零电流， 以阻挡液压泵 201 中的液压流。
为更清楚地理解液压阀回路 204 的实施例， 对其弯曲和伸展定义如下。当扭矩发 生器 104 的活塞在图 2 所示的箭头 131 的方向上移动时， 假肢膝关节 100 发生弯曲在。当 扭矩发生器 104 的活塞在图 2 所示的箭头 132 的方向上移动时， 假肢膝关节 100 发生伸展。
在一些实施例中， 如图 3 所示， 液压阀回路 204 除其他部件外， 还包括与第一可控 阀 206 串联安装的第一止回阀 207。这种实施例的操作类似图 2 所示的实施例的操作， 不 同之处在于， 所述第一液压可控阀 206 只在一个方向上调节扭矩发生器 104 中液流的阻力。 对比图 2 的实施例， 这种实施例将扭矩发生器 104 中的液流阻力的范围限制在弯曲方向， 使 其总是大于液压泵 201 产生的液流阻力。进一步地， 如果第一可控阀 206 打开， 扭矩发生器 104 将可以自由伸展， 且仍然能够在扭矩发生器 104 的伸展方向上注入能量。 与图 2 的实施 例类似， 当半驱动式假肢膝关节 100 在其驱动模式下操作时， 第一可控阀 206 关闭。这样， 信号处理器 130 通过控制电动机 202 来控制扭矩发生器 104。在驱动模式下， 向扭矩发生 器 104 中输入能量， 能够控制膝关节机构 107 的运动， 或向膝关节机构 107 上施加理想的扭 矩。
在一些实施例中， 如图 4 所示， 液压阀回路 204 除其他部件外， 还包括第二可控阀 208， 该第二可控阀 208 与串联安装的第一可控阀 206 和第一止回阀 207 并联安装。通过使 用信号处理器 130， 可以调节第一可控阀 206 和第二可控阀 208 的开口， 以适当调节扭矩发 生器 104 中的液流阻力。这种实施例的操作类似图 3 中的实施例的操作， 其不同之处在于， 这种实施例不将扭矩发生器 104 中的液流阻力的范围限制在弯曲方向上。当半驱动式假肢 膝关节 100 在其驱动模式下操作时， 第一可控阀 206 和第二可控阀 208 关闭。这使得信号 处理器 130 通过控制电动机 202 来控制扭矩发生器 104。在驱动模式下， 向扭矩发生器 104 中输入能量， 能够控制膝关节机构 107 的运动， 或向膝关节机构 107 上施加理想的扭矩。在一些实施例中， 如图 5 所示， 液压阀回路 204 包括第二止回阀 209 和第二可控阀 208， 二者彼此串联， 且与串联安装的第一可控阀 206 和第一止回阀 207 并联安装。这种实 施例的操作类似图 4 所示的实施例的操作， 其不同之处在于， 如果第二可控阀 208 打开， 则 扭矩发生器 104 可以自由弯曲， 且仍然能够在扭矩发生器 104 的弯曲方向上注入能量。与 图 4 的实施例类似， 当图 5 的液压阀回路 204 在其驱动模式下操作时， 第一可控阀 206 和第 二可控阀 208 关闭， 以便控制膝关节机构 107 的运动， 或向膝关节机构 107 上施加理想的扭 矩。
第一可控阀 206 和第二可控阀 208 都包括任何能电动或手动调节阀口大小的阀或 阀的组合。第一可控阀 206 和第二可控阀 208 的例子包括但不限于流量控制阀、 压力控制 阀、 驱动针型阀、 电磁阀和双位阀。
图 6 示意了液压阀回路 204 的另一实施例。图 6 所示的该液压阀回路 204 的实施 例与图 3 所示的实施例相同， 其不同之处在于， 图 3 中的第一止回阀 207 被并联回路 217 替 代。并联回路 217 包括第一止回阀 207 和第一调节限制阀 215， 二者串联安装， 且与串联安 装的第二止回阀 209 和第二调整限制阀 216 并联安装。
在操作中， 当半驱动式假肢膝关节 100 在其驱动模式下操作时， 第一可控阀 206 关 闭。这使得整个液压泵的输出流流入扭矩发生器 104 中。这进一步实现了信号处理器 130 通过控制电动机 202 来控制扭矩发生器 104。在驱动模式下， 向扭矩发生器 104 中输入能 量， 能够控制膝关节机构 107 的运动， 或向膝关节机构 107 上施加理想的扭矩。当半驱动式 假肢膝关节 100 在其非驱动模式下操作时， 泵阀 203 关闭， 从而没有液流通过液压泵 201。 通过使用信号处理器 130， 可以调整第一可控阀 206 的开口大小， 以调节扭矩发生器 104 中 的液流阻力。调节限制阀 215 在扭矩发生器 104 的伸展方向上对液流提供阻力。调节限制 阀 216 在扭矩发生器 104 的弯曲方向上对液流提供阻力。调节扭矩发生器 104 中的液流阻 力， 能够控制膝关节机构 107 对力和扭矩的阻力， 同时使用的电能更少， 因为电动机 202 在 该非驱动模式下未消耗任何电能。
在一些实施例中， 如图 7 所示， 液压阀回路 204 包括第一可控阀 206 和执行器阀 214， 该第一可控阀 206 能在两个方向上控制液压流， 该执行器阀 214 相互串联。在本实施 例中， 扭矩 104 连接到该串联连接的第一可控阀 206 和执行器阀 214 的两个自由端口。 液 压泵 201 连接到第一可控阀 206 的两个端口。
在操作中， 当半驱动式假肢膝关节 100 在其驱动状态下操作时， 第一可控阀 206 关 闭。这使得整个液压泵的输出流流入扭矩发生器 104。这进一步使得信号处理器 130 通过 控制电动机 202 来控制扭矩发生器 104。在驱动模式下， 向扭矩发生器 104 中输入能量， 能 够控制膝关节机构 107 的运动， 或向膝关节机构 107 上施加理想的扭矩。当半驱动式假肢 膝关节 100 在其非驱动模式下操作时， 通过使用信号处理器 130， 可以调节执行器阀 214 的 开口， 以调节扭矩发生器 104 中的液流阻力。调节扭矩发生器 104 中的液流阻力， 能够在行 走周期的各阶段中控制膝关节机构 107 对力和扭矩的阻力， 同时使用的电能更少， 因为电 动机 202 在该非驱动模式下未消耗任何电能。
当半驱动式假肢膝关节 100 在功率再生模式下操作时， 执行器阀 214 不关闭， 使得 来自扭矩发生器 104 的液压流的至少一部分转动液压泵 201， 同时电动机控制器 128 向电动 机 202 施加非零电流， 以阻挡液压泵 201 中的液流。在一些实施例中， 如图 8 所示， 液压阀回路 204 除其他部件外， 还包括第一止回阀 207， 该第一止回阀 207 与第一可控阀 206 串联安装， 使得液流只在一个方向上流动。对比 图 7 的实施例可看出， 这种实施例将扭矩发生器 104 中的液流阻力限制在弯曲方向上， 且使 其总是大于液压泵 201 产生的液流阻力。如果第一可控阀 206 打开， 且仍能够在扭矩发生 器 104 的伸展方向输入能量， 这将进一步使扭矩发生器 104 自由伸展。当半驱动式假肢膝 关节 100 在其驱动模式下操作时， 第一可控阀 206 关闭。这样， 能够控制膝关节机构 107 的 运动， 或向膝关节机构 107 上施加理想的扭矩。
在一些实施例中， 如图 9 所示， 液压阀回路 204， 除其他部件外， 还包括第二可控阀 208， 其与串联安装的第一可控阀 206 和第一止回阀 207 并联安装。该实施例的操作类似图 8 所示的实施例的操作， 不同之处在于该实施例不将扭矩发生器 104 中的液流阻力限制在 弯曲方向， 使其总是大于液压泵 201 产生的流体阻力。在操作中， 当图 9 的液压阀回路 204 在其驱动模式下操作时， 第一和第二可控阀 206 和 208 关闭。这使得整个液压泵的输出流 流入扭矩发生器 104 中。这进一步使信号处理器 130 通过控制电动机 202 来控制扭矩发生 器 104。 在驱动模式下， 向扭矩发生器 104 中输入能量， 能够控制膝关节机构 107 的运动， 或 向膝关节机构 107 上施加理想的扭矩。
在一些实施例中， 如图 10 所示， 液压阀回路 204 包括第二止回阀 209 和第二可控 阀 208， 二者串联安装， 且与串联安装的第一可控阀 206 和第一止回阀 207 并联安装。本实 施例的操作类似图 9 的实施例的操作， 其不同之处在于， 如果第二可控阀 208 打开， 且仍能 够在扭矩发生器 104 的伸展方向输入能量， 则该操作允许扭矩发生器 104 进行自由弯曲。 当 半驱动式假肢膝关节 100 在其驱动模式下操作时， 第一和第二可控阀 206 和 208 关闭。这 使， 能够控制膝关节机构 107 的运动， 或向膝关节机构 107 上施加理想的扭矩 图 11 示意了液压阀回路 204 的另一实施例。图 11 的液压阀回路 204 的实施例与图 8 的实施例相同， 不同之处在于， 图 8 的止回阀 207 被并联回路 217 替代。并联回路 217 包括 第一止回阀 207 和第一调节限制阀 215， 二者串联安装， 且与串联安装的第二止回阀 209 和 第二调节限制阀 216 并联安装。
在操作中， 当半驱动式假肢膝关节 100 在其驱动模式下操作时， 第一可控阀 206 关 闭。这使得整个液压泵的输出流流入扭矩发生器 104。这进一步使信号处理器 130 通过控 制电动机 202 来控制扭矩发生器 104。在驱动模式下， 向扭矩发生器 104 中输入能量， 能够 控制膝关节机构 107 的运动， 或向膝关节机构 107 上施加理想的扭矩。当半驱动式假肢膝 关节 100 在其非驱动模式下操作时， 可以调整执行器阀 214 的开口， 以调整扭矩发生器 104 中的液流阻力。第一调节限制阀 215 在扭矩发生器 104 的伸展方向上向液流提供阻力。第 二调节限制阀 216 在扭矩发生器 104 的弯曲方向上向液流提供阻力。调节扭矩发生器 104 中的液流阻力， 能够在行走周期的各阶段中控制膝关节机构 107 对力和扭矩的阻力， 同时 使用的电能更少， 因为电动机 202 在该非驱动模式下未消耗任何电能。
在一些实施例中， 如图 12 所示， 液压阀回路 204 包括能够控制液压流的三通阀 210。在操作中， 当半驱动式假肢膝关节 100 在其驱动模式下操作时， 三通阀将端口 211 连 接到端口 213， 并封闭端口 212。这使得液压泵 201 和扭矩发生器 104 之间具有液流， 使得 液压泵的整个输出流流入扭矩发生器 104 中。这进一步使得信号处理器 130 通过控制电动 机 202 来控制扭矩发生器 104。在驱动模式下， 向扭矩发生器 104 中输入能量， 能够控制膝关节机构 107 的运动， 或向膝关节机构 107 上施加理想的扭矩。 当半驱动式假肢膝关节 100 在其非驱动模式下操作时， 三通阀 210 将端口 212 连接到端口 213。通过使用信号处理器 130， 可以调节端口 213 的开口， 以调节扭矩发生器 104 中的液流阻力。 调节扭矩发生器 104 中液流阻力， 能够控制膝关节机构 107 对力和扭矩的阻力， 同时使用的电能更少， 因为电动 机 202 在该非驱动模式下未消耗任何电能。当半驱动式假肢膝关节 100 在功率再生模式下 操作时， 三通阀 210 将端口 211 连接到端口 213， 使来自扭矩发生器 104 的至少一部分液流 转动液压泵 201， 同时电动机控制器 128 对电动机 202 施加非零电流， 以阻挡液压泵 201 中 的液流。
图 13 示意了图 12 的实施例的实现。更具体地， 图 13 示意了三通阀 210， 该三通阀 210 具备至少三个活塞。当三通阀 210 处于其第一位置时， 三通阀将端口 211 连接到端口 213， 并封闭端口 212。这使得半驱动式假肢膝关节 100 在其驱动模式下操作。三通阀 210 在处于其第二位置时， 该三通阀 210 将端口 212 连接到端口 213， 并封闭端口 211。通过使 用信号处理器 130， 可以调节端口 212 和端口 213、 或同时调节端口 212 和端口 213 的大小， 从而适当调节扭矩发生器 104 中的液流阻力。当三通阀处于其第三位置时 （如图 13 所示） ， 这些端口彼此都互不连接。 图 14 示意了图 12 的实施例的另一实现方式， 其中， 液压阀回路 204 进一步包括连 接到端口 212 上的第一止回阀 207。与图 12 的实施例对比可发现， 该实施例将扭矩发生器 104 中液流阻力的范围限制在弯曲方向上， 且使其总是大于液压泵 201 产生的液流阻力。 如 果所有端口 211、 212 和 213 都互相连接， 且能够在扭矩发生器 104 的伸展方向上输入能量， 则该操作进一步实现扭矩发生器 104 的自由伸展。当半驱动式假肢膝关节 100 在其驱动模 式下操作时， 三通阀 210 将端口 211 连接到端口 213， 并封闭端口 212。这使液压泵 201 和 扭矩发生器 104 之间具有液流， 且使液压泵的全部输出流流入扭矩发生器 104 中。这进一 步使得信号处理器 130 能够通过控制电动机 202 来控制膝关节机构 107 的运动， 或者向膝 关节机构 107 施加理想的扭矩。
图 15 示意了图 14 中的实施例的实现。图 15 示意了具有至少三个活塞的三通阀 210。当三通阀 210 处于其第一位置 （驱动模式） 时， 三通阀 210 将端口 211 连接到端口 213， 并封闭端口 212。当三通阀 210 处于其第二位置时， 所有端口互相连接。通过使用信号处理 器 130， 可以调节端口 212、 端口 213 或同时调节端口 212、 端口 213 的开口大小， 以适当调节 扭矩发生器 104 中的液流阻力。当三通阀 210 处于其第三位置时 （图 15 所示） ， 这些端口彼 此之间都不互相连接。
图 16 示意了与图 15 相同的实施例， 其中增加了一些特征。蓄能器 230 确保在存 在任何泄漏或热膨胀时， 系统中仍具有足够的油。两个止回阀 228 和 229 确保液压流不被 推回到蓄能器 230。两个液压流体路径 231 和 232 确保任何从三通阀 210 和液压泵 201 的 泄漏都回馈至蓄能器 230。压力传感器 126 和 127 测量扭矩发生器 104 的第一和第二室中 的液压流的压力。过滤器 233 收集液体中的所有杂质。
图 17 示意了图 12 的另一实施例， 其中液压阀回路 204 进一步包括并联回路 217， 该并联回路 217 连接至端口 212。 在操作中， 当半驱动式假肢膝关节 100 在其驱动模式下操 作时， 三通阀 210 将端口 211 连接到端口 213， 并封闭端口 212。这使得液压泵 201 和扭矩 发生器 104 之间具有液流， 且液压泵的全部输出流流入扭矩发生器 104 中。这进一步使信
号处理器 130 通过控制电动机 202 来控制扭矩发生器 104 的运动。在驱动模式下， 向扭矩 发生器 104 中输入能量， 能够控制膝关节机构 107 的运动， 或向膝关节机构 107 上施加理想 的扭矩。当半驱动式假肢膝关节 100 在其非驱动模式下操作时， 三通阀 210 将端口 212 连 接到端口 213， 并封闭端口 211。通过使用信号处理器 130， 可以调整端口 213 或端口 212 的 开口大小， 以调节扭矩发生器 104 中的液流阻力。第一调节限制阀 215 在扭矩发生器 104 的伸展方向上对液流产生阻力。第二调节限制阀 216 在扭矩发生器 104 的弯曲方向上对液 流产生阻力。调节扭矩发生器 104 中液流阻力， 能够实现在行走周期的各阶段中控制膝关 节机构 107 对力和扭矩的阻力， 同时使用的电能更少， 因为电动机 202 在该非驱动模式下未 消耗任何电能。
图 18 示意了液压阀回路 204 的另一实施例。 图 18 的实施例与图 17 的实施例相同， 其不同之处在于， 图 18 中的调节限制阀 215 和 216 被第二三通阀 218 取代。在操作中， 当 半驱动式假肢膝关节 100 在其驱动模式下操作时， 三通阀 210 将端口 211 连接到端口 213， 并封闭端口 212。 这使得液压泵 201 和扭矩发生器 104 之间具有液流， 且液压泵的全部输出 流流入扭矩发生器 104 中。这进一步使信号处理器 130 通过控制电动机 202 来控制扭矩发 生器 104 的运动。当半驱动式假肢膝关节 100 在其非驱动模式下操作时， 第一三通阀 210 将端口 212 连接到端口 213。当扭矩发生器 104 沿着伸展方向移动时， 第二三通阀 218 调 节端口 219 和端口 221 之间的液流阻力， 当扭矩发生器 104 沿着弯曲方向移动时， 第二三通 阀 218 调节端口 220 和端口 221 之间的液流阻力。如果端口 219 和端口 221 互相连接， 端 口 220 关闭， 且端口 211、 212 和 213 互相连接， 则该实施例中的扭矩发生器 104 可以自由伸 展， 且能够在扭矩发生器 104 的伸展方向输入能量。如果端口 220 和端口 221 互相连接， 且 端口 219 关闭， 且端口 211、 212 和 213 互相连接， 则该实施例进一步实现扭矩发生器 104 的 自由弯曲， 且能够在扭矩发生器 104 的弯曲方向上输入能量。
图 19 示意了液压阀回路 204 的另一实施例。图 19 中的实施例与图 18 中的实施 例相同， 不同之处在于， 两个三通阀 210 和 218 被一个四通阀 223 替代。在操作中， 当半驱 动式假肢膝关节 100 在其驱动模式下操作时， 四通阀 223 将端口 224 连接到端口 227， 并封 闭端口 225 和 226。这使得液流在液压泵 201 和扭矩发生器 104 之间流动， 从而使得所述 液压泵的全部输出流流入扭矩发生器 104 中。这进一步使得信号处理器 130 通过控制电动 机 202 来控制扭矩发生器 104。 在半驱动式假肢膝关节 100 的非驱动模式下， 当扭矩发生器 104 在伸展方向上移动时， 四通阀 223 调节端口 225 和端口 227 之间的液压流的阻力， 当扭 矩发生器 104 在弯曲方向上移动时， 四通阀 223 调节端口 226 和端口 227 之间的液压流的 阻力。如果端口 224、 225 和 227 互相连接， 端口 220 关闭， 则该实施例允许扭矩发生器 104 的自由伸展， 且能够在扭矩发生器 104 的伸展方向上输入能量。如果端口 224、 226 和 227 互相连接， 且端口 225 关闭， 则该实施例进一步允许扭矩发生器 104 的自由弯曲， 且能够在 扭矩发生器 104 的伸展方向上输入能量。
从图 1 到图 19 中可见， 液压动力单元 200 包括两条连接到扭矩发生器 104 的通路 ： 一条通路通过液压泵 201， 另一条通路通过液压阀回路 204。在驱动模式下， 液压泵 201 液 压连接至扭矩发生器 104。 在非驱动模式下， 到扭矩发生器 104 的液流由至少一个阀进行调 节。
图 20 为半驱动式假肢膝关节 100 的一个实施例的图解。如前所述， 半驱动式假肢膝关节 100 除其他部件外， 还包括大腿连接件 103、 小腿连接件 105 和膝关节机构 107， 通过 扭矩发生器 104 连接。膝关节机构 107 使得大腿连接件 103 相对于小腿连接件 105 在弯曲 方向 101 和伸展方向 102 上移动。半驱动式假肢膝关节 100 通过接口 111 连接至膝上截肢 者的残余下肢 110。更具体地， 接口 111 通过金字塔形接合器 113 或已知的类似接合器连 接到大腿连接件 103。脚踝塔架 109 通过步态站立传感器 124 将小腿连接件 105 连接到人 工足 108。膝关节角度传感器 120 测量大腿连接件 103 和小腿连接件 105 之间的角度 121。 大腿角度传感器 122 位于大腿连接件 103 上， 用于测量大腿连接件 103 的绝对角度。图 20 示意了液压动力单元 200 的轮廓。
图 21 和 22 为图 20 所示的半驱动式假肢膝关节 100 的剖面透视图和分解图。在 图 21 和 22 所示的实施例中， 锥形接合器 113 连接到大腿连接件 103。固定到大腿连接件 103 的大腿角度传感器 122 包括加速计 133 和陀螺仪 134。轴 118 从大腿连接件 103 伸展 开， 并与大腿连接件 103 相对静止。膝关节角度传感器 120 为磁性编码器， 固定在编码器壳 体 116 内， 且相对于小腿连接件 105 保持静止。磁性编码器 120 测量嵌入在轴 118 内的磁 体 119 的角度。轴 118 固定在大腿连接件 103， 并转向滚针轴承 135 的内部。推力套管 136 在大腿连接件 103 和膝关节机构 107 之间提供轴向支撑。轴承盖 115 保护滚针轴承 135， 液 压动力单元 200 除其他部件外， 还包括电动机控制器 128、 液压泵 201、 液压歧管 190、 扭矩发 生器 104 和压力传感器 126 和 127。动力单元 200 枢转连接在位于滚针轴承 135 上的小腿 连接件 105 上。扭矩发生器 104 通过滚针轴承 139 连接到大腿连接件 103， 以实现大腿连接 件 103、 小腿连接件 105 和扭矩发生器 104 之间的接合。步态站立传感器 124 将小腿连接件 105 连接到脚踝塔架 109。使用电池 129 向假肢膝关节 100 提供能量。
图 23 示意了图 16 中的液压阀回路的透视图。箭头 141 表示驱动模式下在箭头 132 所示的伸展方向上的液压流通路。三通阀 210 具有三个端口 211、 212 和 213（如图 16 所示） ， 且三个端口分别连接到液压泵 201、 止回阀 207 和扭矩发生器 104 。止回阀 228 和 229 防止液流流回蓄能器 230 中。液压流通路 231 和 232 定义了从液压泵 201 和三通液压 阀 210 到蓄能器 230 的通路。图 24 为图 16 的液压阀回路的透视图， 其中箭头 142 示意了 非驱动模式下在伸展方向上的液压流的通路。
图 25 为液压动力单元 200 的分解图。液压泵 201 包括泵盖 199 和泵座 198。驱动 齿轮 196 通过耦合器 195 连接到电动机 202。液压泵 201 的驱动齿轮 197 与驱动齿轮 196 相啮合。歧管 190 包括所有液压通路。蓄能器 230 包括空气 / 液体分配器 236 和空气阀 237。空气阀 237 用于压缩蓄能器 230 中的空气。散热器 192 用于从电动机 202 上的热转 移。压力传感器 126 和 127 测量扭矩发生器 104 的两个室中的液压。杆端 106 将扭矩发生 器 104 连接到大腿连接件 103。部件 191 和 235 分别为电动机安装板和蓄能器壳体。
图 26 示意了三通阀 210 的细节。阀带电动机 270 连接到阀传送器 271。编码器包 括编码器壳体 274、 编码器磁盘 272 和编码器读取头 273， 用于测量阀位置。阀壳体 260 具 有三个端口 211、 212 和 213。在该实施例中， 阀壳体 260 上具有五个孔 261。阀缸 250 连接 到阀传送器 271 的输出轴。如图 26 和 28 所示， 两个槽 251 位于在阀缸 250 内。当阀缸 250 被阀电动机 270 带动时， 三通阀 210 呈现图 16 所示的至少三个位置中的其中一个位置。如 图 29A 所示， 当三通阀 210 处于其第一位置时， 端口 211 和端口 213 彼此完全打开。当三通 阀 210 处于其第二位置时 （图 29B 所示） ， 端口 211、 端口 212 和端口 213 连接在一起。当三通阀 210 处于其第三位置时 （图 29C 所示） ， 端口彼此不连接。从图 26 和图 29D 可见， 槽 251 上具有一些凹痕 252， 以控制端口的开口。不言而喻， 阀缸 250 可位于除图 29A-D 所示之外 的其他位置。 为获得理想的液流阻力， 可以通过信号处理器对阀进行实时调节， 以实现最佳 性能。
图 30 为半驱动式假肢膝关节 100 的实施例， 其中压力传感器 126 和 127 测量扭矩 发生器 104 两端的液压。另外， 图 30 为液压动力单元的一个实施例， 其中省略了液压歧管 190， 以清晰示意扭矩发生器 104 和压力传感器 126 和 127 之间的连接通路。
图 31 示意了图 20 所示的半驱动式假肢膝关节 100 的实施例的步态站立传感器 124。步态站立传感器 124 将脚踝塔架 109 连接到小腿连接件 105 上。在该实施例中， 步态 站立传感器 124 上装有数个应变计 161-172， 以测量在步态站立期通过小腿连接件 105 传 递的力和力矩。图 32A-32C 示意了应变计 161-172 在步态站立传感器 124 上的位置。如图 32C 所示， 步态站立传感器 124 包括夹在脚踝塔架 109 上的管钳 159。应变计 161、 162、 163 和 164 电连接成惠斯登电桥， 以测量抗剪腹板 160 上的竖向剪切应力， 该垂直切力由作用在 腹板之一上的力产生。应变计 169、 170、 171 和 172 电连接成惠斯登电桥， 以测量第二抗剪 腹板上的垂直切力。两个抗剪腹板 160 上的垂直切力之和抵消了可能影响垂直切力测量的 正面力矩。应变计 165、 166、 167 和 168 电连接成惠斯登电桥， 以测量由于步态站立传感器 124 右侧上的矢状面力矩负载而产生的剪切应变。应变计 173、 174、 175 和 176 电连接成惠 斯登电桥， 以测量剪切应变， 该剪切应变由步态站立传感器 124 左侧上的矢状面力矩负载 产生。步态站立传感器 124 的左侧和右侧上的力矩负载之和抵消了可能影响矢状力矩测量 结果的旋转力矩。由于步态站立传感器 124 上的旋转力矩在常规操作中比矢状面力矩小， 应变计 165、 166、 167 和 168 或应变计 173、 174、 175 和 176 电连接成惠斯登电桥的替代配置， 以测量水平剪切应变力， 该水平剪切应变力由作用在步态站立传感器 124 上的右侧或左侧 上的水平力产生。
图 33 示意了半驱动式假肢膝关节 100， 其中去掉了盖 151 和 162。
在一些实施例中， 信号处理器 130 接受来自各传感器的信息， 以执行膝关节上的 各控制器。这些控制器在本文中称为 “状态” 。图 34 为由信号处理器 130 执行的状态图解。 其中标注出了全部状态。箭头示意了在信号处理器 130 将假肢膝关节从一种状态移到另一 种状态的条件。以下描述了移向该状态的各种状态和条件。
步态站立 在操作中， 当步态站立传感器 124 示意人工足 108 已经接触地面， 如图 20 所示时， 信 号处理器 130 开始执行步态站立状态 140。在本发明的一些实施例中， 在步态站立状态 140 中， 半驱动式假肢膝关节 100 在非驱动模式下操作。这意味着在步态站立状态 140 中， 其中 半驱动式假肢膝关节 100 在非驱动模式下操作， 半驱动式假肢膝关节 100 中没有电能从电 源 205 转移到电动机 202， 液压阀回路 204 调节扭矩发生器 104 中的液流阻力。调节扭矩发 生器 104 中液流阻力， 能够实现在步态站立状态 140 时控制膝关节机构 107 对力和扭矩的 阻力， 同时使用的电能更少， 因为电动机 202 在该非驱动模式下未消耗任何电能。
在本发明的一些实施例中， 当步态站立传感器 124 示意人工足 108 的脚后跟正比 人工足 108 的脚趾承载了更多负荷时， 液压动力单元 200 对扭矩发生器 104 中的液流施加 更大阻力， 该阻力大于步态站立传感器 124 示意的、 人工足 108 的脚趾所承载的比人工足108 的脚后跟更多的负载。
向前迈步 在本发明的一些实施例中， 当半驱动式假肢膝关节 100 在步态站立状态 140 操作时， 且 信号处理器 130 得知人工足 108 已从大致位于截肢者躯体后的地面上分离后， 信号处理器 130 开始执行向前迈步状态 149。在本发明的一些实施例中， 在向前迈步状态 149 中， 半驱 动式假肢膝关节 100 在驱动模式下操作。这意味着， 在向前迈步状态 149 中， 其中半驱动式 假肢膝关节 100 在驱动模式下操作， 半驱动式假肢膝关节 100 用于将电能从电源 205 转移 到电动机 202， 以驱动电动机 202 和液压泵 201。 在该驱动模式下， 液压阀回路 204 使液压 泵 201 液压连接至扭矩发生器 104， 使得整个液压泵的输出流流入扭矩发生器 104。液压泵 201 和扭矩发生器 104 之间的这种液压连接使得信号处理器 130 通过控制电动机 202 直接 控制扭矩发生器 104。在一部分或整个向前迈步状态 149 中， 向扭矩发生器 104 中输入能 量， 能够控制膝关节机构 107 的运动， 或向膝关节机构 107 上施加理想的扭矩。
在本发明的一些实施例中， 在向前迈步状态 149 中， 信号处理器 130 控制大腿连接 件 103 和小腿连接件 105 之间的角度， 使得人工足 108 遵循一定的轨迹。 在本发明的一些实 施例中， 在向前迈步状态中， 其中假肢膝关节 100 在驱动模式下进行操作， 信号处理器 130 控制大腿连接件 103 和小腿连接件 105 之间的角度， 该角度为关于大腿角度信号 156 的函 数 （如图 1 所示） ， 这样， 人工足 108 遵循一定的轨迹。这使得截肢者在步态迈步时将人工足 108 向前和向后移动 （即， 改变方向） ， 从而使人工足 108 在一定轨迹上。在一些实施例中， 人工足 108 的轨迹为大致平行于地面的直线。应当理解为， 可以使用小腿角度传感器， 结合 膝关节角度传感器 120， 以测得大腿角度信号 156。在本发明的更具体的实施例中， 在向前 迈步状态 149 中， 其中假肢膝关节 100 在驱动模式下操作， 信号处理器 130 控制大腿连接件 103 和小腿连接件 105 之间的角度， 该角度首先为大腿角度信号 156 的函数， 接着为时间的 函数。 例如， 在一些实施例中， 在将人工足 108 在一定轨迹上调节至一点， 使得人工足 108 位 于截肢者身体的前面时， 信号处理器 130 在适于当前步行速度的时间内伸展膝关节。在本 发明的一些实施例中， 在向前迈步状态 149 中， 其中， 假肢膝关节 100 在驱动模式下操作， 信 号处理器 130 控制大腿连接件 103 和小腿连接件 105 之间的角度， 使得小腿连接件 105 的 绝对角度遵循一定轨迹。
反向迈步 在本发明的一些实施例中， 当半驱动式假肢膝关节 100 在步态站立状态 140 下进行操 作时， 且信号处理器得知人工足 108 已从截肢者躯体前面的地面上分离信号后， 处理器 130 开始执行反向迈步状态。在本发明的一些实施例中， 在反向迈步状态 150 中， 半驱动式假肢 膝关节 100 在驱动模式下操作。
这意味着， 在反向迈步状态下， 向扭矩发生器 104 中输入能量， 能够控制膝关节机 构 107 的运动， 或向膝关节机构 107 上施加理想的扭矩， 这一过程发生在反向迈步状态的 150 的一部分中或整个状态中。
在本发明的一些实施例中， 在反向迈步状态 150 中， 信号处理器 130 控制大腿连接 件 103 和小腿连接件 105 之间的角度， 使得人工足 108 遵循一定轨迹。在本发明的另一些 实施例中， 在反向迈步状态 150 中， 其中假肢膝关节 100 在驱动模式下操作， 信号处理器 130 控制大腿连接件 103 和小腿连接件 105 之间的角度， 该角度为大腿角度信号 156 的函数， 这样使得人工足 108 遵循一定轨迹。这使得截肢者反向迈步 150 时将人工足 108 向前和向后 移动 （即， 改变方向） ， 并使人工足 108 位于一定轨迹上。 在一些实施例中， 人工足 108 的轨迹 为大致平行于地面的直线。 另外应当理解， 可以使用小腿角度传感器， 结合膝关节角度传感 器 120， 以测得大腿角度信号 156。在本发明的更具体的实施例中， 在反向迈步状态 150 中， 其中假肢膝关节 100 在驱动模式下操作， 信号处理器 130 控制大腿连接件 103 和小腿连接 件 105 之间的角度， 该角度首先为大腿角度信号 156 的函数， 接着为时间的函数。例如， 在 一些实施例中， 在将人工足 108 在一个轨迹上调节至一点， 使得人工足 108 位于截肢者身体 的前面时， 信号处理器 130 在适于当前步行速度的时间内伸展膝关节。在本发明的一些实 施例中， 在反向迈步状态 150 中， 其中， 假肢膝关节 100 在驱动模式下操作， 信号处理器 130 控制大腿连接件 103 和小腿连接件 105 之间的角度， 使得小腿连接件 105 的绝对角度遵循 一定轨迹。
上升迈步 在本发明的一些实施例中， 当半驱动式假肢膝关节 100 在步态站立状态 140 下进行操 作时， 且信号处理器得知人工足 108 已从截肢者躯体前面的地面上分离后， 信号处理器 130 开始执行反向迈步状态。在本发明的一些实施例中， 在上升迈步状态 143 中， 半驱动式假肢 膝关节 100 在驱动模式下操作。这意味着， 在上升迈步状态 143 中， 其中半驱动式假肢膝关 节 100 在驱动模式下操作， 假肢膝关节 100 用于将电能从电源 205 转移到电动机 202， 以驱 动电动机 202 和液压泵 201。
在本发明的一些实施例中， 在上升迈步状态 143 中， 信号处理器 130 控制大腿连接 件 103 和小腿连接件 105 之间的角度， 使得人工足 108 遵循一定轨迹。在本发明的另一些 实施例中， 在上升迈步状态中， 信号处理器 130 控制大腿连接件 103 和小腿连接件 105 之间 的角度， 该角度为大腿角度信号 156 的函数， 这使得人工足 108 遵循一定轨迹。这使得截肢 者在上升迈步时上下移动人工足 108（即， 改变方向） ， 并使人工足 108 保持在一定轨迹上。 在一些实施例中， 人工足 108 的轨迹为向上移动、 再前行的通路， 以便将人工足放置在楼梯 上。 另外应当理解， 可以使用小腿角度传感器， 结合膝关节角度传感器 120， 以测得大腿角度 信号 156。在本发明的另一些实施例中， 在上升迈步状态 143 中， 其中假肢膝关节 100 在驱 动模式下操作， 信号处理器 130 控制大腿连接件 103 和小腿连接件 105 之间的角度， 使得小 腿连接件 105 的绝对角度遵循一定轨迹或保持恒定值。
上升站立 在本发明的一些实施例中， 当步态站立传感器 124 指示人工足 108 已经接触地面， 且膝 关节角度近似弯曲时， 信号处理器开始执行上升站立状态 144。 在该上升站立状态 144 的一 部分中， 半驱动式假肢膝关节 100 在驱动模式下操作。
在本发明的一些实施例中， 在上升站立状态 144 中， 信号处理器 130 控制大腿连接 件 103 和小腿连接件 105 之间的角度， 使得膝关节角度遵循一定轨迹。在本发明的另一些 实施例中， 在上升站立状态 144 中， 信号处理器 130 控制扭矩发生器 104 产生的扭矩。在本 发明的另一些实施例中， 在上升站立状态 144 中， 信号处理器 130 控制输入至电动机 202 中 的电流。在本发明的另一些实施例中， 在上升站立状态 144 中， 信号处理器 130 控制电动机 202 的速度。
在本发明的一些实施例中， 当半驱动式假肢膝关节 100 在上升站立状态 144 下进行操作时， 且信号处理器 130 得知所述人工足 108 刚从地面上分离 （无论人工足的位置如 何） ， 信号处理器开始执行上升迈步状态 143。当半驱动式假肢膝关节 100 在上升站立状态 144 下进行操作， 且膝关节角度信号 155 指示半驱动式假肢膝关节 100 未弯曲时， 信号处理 器 130 还是执行站立状态 140。
下降站立 在本发明的一些实施例中， 当半驱动式假肢膝关节 100 在站立状态 140 下进行操作时， 且扭矩发生器 140 中的扭矩大于特定值时， 信号处理器 130 开始执行下降站立状态 145。 在 下降站立状态 140 中， 使用者倾向于弯曲半驱动式假肢膝关节 100， 这样增大了扭矩发生器 104 的扭矩。在一个实施例中， 使用压力传感器 126 和 127 来测量扭矩发生器 104 中的力， 并由此反映出扭矩发生器 104 的相关扭矩。在本发明的一些实施例中， 当半驱动式假肢膝 关节 100 处于站立状态 140， 且压力传感器 126 和 127 指示了扭矩发生器的第一和第二室中 的巨大压力差时， 信号处理器 130 开始执行下降站立状态 145。在本发明的一些实施例中， 在下降站立状态 145 中， 半驱动式假肢膝关节 100 在非驱动模式下操作。
这意味着， 在下降站立状态 145 的该部分中， 其中半驱动式假肢膝关节 100 在非驱 动模式下操作， 半驱动式假肢膝关节 100 中从电源 205 到电动机 202 没有电能的转移， 且液 压阀回路 204 调节扭矩发生器 104 中的液流阻力。在下降站立状态 145 中， 调节扭矩发生 器 104 中的液流阻力， 能够控制膝关节机构 107 对力和扭矩的阻力， 同时减少电能的使用， 因为电动机 202 在该非驱动模式下未消耗任何电能。 在一些实施例中， 半驱动式假肢膝关节 100 包括功率再生模式， 该模式用于下降 站立状态 145。在该模式下， 泵阀 203 未关闭， 使得至少一部分液压流从扭矩发生器 104 转 向液压泵 201 中， 且电动机控制器使得电动机 202 产生电能。该步骤也可以通过非液压的 其他许多方式来完成。
下降迈步 在本发明的一些实施例中， 当信号处理器 130 得知在下降站立状态 145 中， 人工足 108 刚从地面上分离， 且置于截肢者躯体后面时， 信号处理器 130 开始执行下降迈步状态 146。 在本发明的一些实施例中， 在下降迈步状态 145 的一部分时， 半驱动式假肢膝关节 100 在驱 动模式下操作。
在本发明的一些实施例中， 在下降迈步状态 145 中， 信号处理器 130 控制控制大腿 连接件 103 和小腿连接件 105 之间的角度， 使得人工足 108 遵循一定轨迹。在本发明的另 一些实施例中， 在上升迈步状态中， 信号处理器 130 控制大腿连接件 103 和小腿连接件 105 之间的角度， 该角度首先为大腿角度信号 156 的函数， 其次为时间的函数。例如在一些实施 例中， 以一定轨迹调节人工足 108 至一点， 估测人工足 108 在该点上能够通过标准楼梯， 则 在 信号处理器 130 在适于步行下楼的时间内伸展所述膝关节。在本发明的一些实施例中， 下降迈步状态 146 中， 其中假肢膝关节 100 在驱动模式下操作， 信号处理器 130 控制小腿连 接件 105 的绝对角度值， 以遵循任意轨迹。
坐下 在本发明的一些实施例中， 当信号处理器 130 得知在下降站立状态 145 中， 人工足 108 刚与截肢者躯干前的地面分离时， 信号处理器 130 执行坐下状态 147。 在本发明的一些实施 例中， 在坐下状态 147 的一部分时， 半驱动式假肢膝关节 100 在非驱动模式下操作。这意味
着， 在坐下状态 147 中， 其中半驱动式假肢膝关节 100 在非驱动模式下操作 , 半驱动式假肢 膝关节 100 中从电源 205 到电动机 202 没有电能的转移， 且液压阀回路 204 调节扭矩发生 器 104 中的液流阻力， 使假肢膝关节 100 在阻力很小或无阻力状态下弯曲。 ， 调节扭矩发生 器 104 中的液流阻力能使人在站立状态 140 的一部分中控制膝关节机构 107 对力和扭矩的 阻力， 同时减少电能的使用， 由于电动机 202 在该非驱动模式下未消耗任何电能。
起身 （从椅子上起身） 在本发明的一些实施例中， 当步态站立传感器 124 指示为， 在坐下状态 147 中， 人工足 108 刚接触截肢者身下的地面时， 信号处理器 130 开始执行起身状态 148。在起身状态 148 的一部分时， 半驱动式假肢膝关节 100 在驱动模式下操作。在本发明的一些实施例中， 在起 身状态 148 中， 信号处理区 130 控制大腿连接件 103 和小腿连接件 105 之间的角度， 使得膝 关节角度遵循一定轨迹。在本发明的一些实施例中， 在起身状态 148 中， 信号处理器 130 控 制扭矩发生器 104 产生的扭矩。在本发明的另一些实施例中， 在起身状态 148 中， 信号处理 器 130 控制电动机 202 中的电流。在本发明的另一些实施例中， 在起身状态 148 中， 信号处 理器 130 控制电动机 202 的速度。
图 35 为电路图， 示意了电源 205 与电动机控制器 128 之间的电连接， 其中包括过 流保护电路 184。在功率再生模式下， 液压流通过液压泵 201， 使得电动机 202 转向并产生 电流。信号处理器 130 向电动机控制 128 发出输出理想电流的命令， 该命令中增加了总线 183 的电压， 使能量从电动机 202 流向电源 205， 从而实现功率再生。如果总线电压足够高， 则使用分压器 182， 将比较器 179 的开关 178 打开， 该开关 178 使电流转向， 离开电源 205， 因而在功率电阻 177 中损失了一部分能量。电压参照器 180 为比较器 179 设置了断路点， 且反馈电阻器 181 提供了迟滞。
以上结合优选实施例对本发明进行了描述， 应当理解为， 能够在不脱离本发明的 精神的范围内， 对本发明作出各种改进和修正， 且本发明的保护范围不应当仅限于权利要 求所述范围。