矫形技术关节装置及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于控制下肢矫形技术关节装置的方法，该关节装置具有一个上部分和一个铰接式安置在上部分上的下部分，在上部分和下部分之间布置了转换装置，通过所述转换装置在上部分相对于下部分摆动期间转换来自该相对运动的机械功并将其存储在至少一个蓄能器中并且在时间上错开地再输入给关节装置，以便支持所述相对运动。本发明还涉及一种下肢矫形技术关节装置，具有一个上部分和一个铰接式安置在上部分上的下部分，在上部分和下部分之间布置了转换装置，通过所述转换装置在上部分相对于下部分摆动期间转换来自该相对运动的机械功并将其存储在至少一个蓄能器中并且在时间上错开地再输入给关节装置，以便支持所述相对运动。这样一种矫形技术关节装置尤其有利于假肢，但也可以用在矫形器中。
【背景技术】
[0002]大多数下肢假肢是如此设计的:使得运动能只转换成热，以影响假肢行为，大多不发生能量的主动输入。假肢使用者在行走时例如通过其具有髋部肌肉系统的残肢控制假肢膝关节。在此，行走实验室的研究表明，这种方式的行走比健康的被测试者需要更多的能量，特别是在缓慢行走和交替上台阶时，假肢使用者必须比健康的被测试者施加更大的能量。
[0003]如果在行走的确定阶段给假肢或矫形器输入能量，则假肢使用者或矫形器使用者必须少施加自己的能量，在摆动阶段期间的离地自由性可以提高而且运动总体来说更安逸和舒适。
[0004]存在所谓的主动假肢膝关节，在这种假肢膝关节中，驱动装置模仿整个运动过程，在此，电动机这样设计，使得能够模拟通常的行走模式。其后果是，电动机必须设计得较强而且能量供应相应困难。对于足够强的电动机，控制功能失灵对于使用者是一种危险。如果电动机设计得较弱，则不再能满足全部行走多样性。另一个缺点在于，在一定运动开始之后，即使当状况改变或者使用者意愿改变，使用者也被强制进行已开始的运动。使用者则不再对运动可能性有影响并且被动运动。
[0005]除了电动机驱动的假肢膝关节外，从US2010/0312363 Al中已知一种装有电动机和弹簧蓄能器的假肢膝关节，其中为了减低驱动装置费用，来自运动的能量被存储在弹簧内并且在达到一定角度位置后再被释放。该支持可以这样确定尺度，使得能够在平地行走或者也可上台阶。
【发明内容】
[0006]本发明的任务是，提供一种用于控制矫形技术关节装置的方法和一种这样的关节装置，通过它们能够凭直觉使用矫形技术关节装置，提供高度安全性并且能实现长的使用寿命O
[0007]按照本发明，该任务通过具有独立权利要求所述特征的一种方法或者具有并列权利要求所述特征的一种装置解决。在从属权利要求、说明书和附图中公开了本发明的有利设计方案和改进方案。
[0008]根据本发明的方法用于控制下肢的矫形技术关节装置，该关节装置具有一个上部分和一个铰接式安置在上部分上的下部分，在上部分和下部分之间布置了转换装置，通过该转换装置在上部分相对于下部分转动期间转换来自该相对运动的机械功并将其存储在至少一个蓄能器中并且在时间上错开地在输入给该关节装置，以便支持该相对运动，该方法规定，将存储的能量逆变转换并且用于支持相对运动和在支持相对运动期间的机械功输入受控地进行。在从蓄能器、例如弹簧释放能量时，按照现有技术，存储的能量冲击式地输入给关节装置，也就是由上部分和下部分以及铰节式支承结构组成的系统，使得在很短时间段上导入高的能量。按照本发明规定，存储的能量受控地再输入给该系统并且转换成机械功和支持上部分相对于下部分的移位，以便在较长时间段上支持该运动，使得能够进行假肢装置或者矫形装置的接近于自然运动过程的运动。按照现有技术，与改变了的行走模式、速度或者不同病人的适配只能特别费事地实施，其方式是使用专门适配的弹簧，这对日常使用来说是不实际的。相反，按照本发明，向系统中的释放输出受到控制，使得可以在较长时间段上馈入所需的能量，以便如愿地影响行走姿势。
[0009]通过对蓄能器输入或取出外部能量可以改变机械功的输入。如果蓄能器涉及到弹簧，则可以通过再张紧弹簧来进行输入的能量，能量的取出或减少可以通过使弹簧松弛、例如通过使弹簧支座移位来进行。如果蓄能器构造成电蓄能器，例如电容器、电池或蓄电池，则可以通过激活发电机或者从第二个蓄能器导入来进行能量改变，能量的减少通过连接一个用电器或转入用于电能的第二蓄能器来进行。
[0010]本发明的一个改进方案规定，给蓄能器配置一个致动器，通过该致动器将蓄能器充注到或者带到最低水平，如果相对运动对此来说不足够。如果通过运动提供的能量不足以为蓄能器供给足够的能量用于下一步或者用于运动进程，其中，最低量取决于行走速度、行走状况和病人的个人现实情况，则按照本发明规定，在行走期间和在将能量反馈用于支持相对运动之前，将蓄能器添充注到设定的水平，例如通过张紧弹簧或者通过驱动给电动蓄能器充电的发电机。
[0011]为了可以精确确定支持运动的时间点，按照本发明规定，给蓄能器配置一个释放装置，通过该释放装置将能量从蓄能器部分或者全部释放。释放装置确定能量输出的时间点，能量输出的持续时间和过程在全部释放的情况下不由释放装置控制，而是通过蓄能器中的变化、也就是说通过取出或者输入能量来控制。在部分释放时，式输出的能量降低，使得可以调节支持运动的初始水平。通过部分释放可以进行例如对行走速度、病人或行走状况的适配，通过蓄能器上的变化来进行对支持的精细影响。
[0012]机械功可以根据一个判据或者多个判据的组合输入，即根据上部分相对于下部分的角度位置、上部分和/或下部分的空间位置、上部分和/或下部分的角速度和/或上部分和下部分之间的相对速度和/或负荷状况和/或上部分和/或下部分的加速度，使得能够对运动进行在时间上和量上尽可能精确的支持。上部分和下部分相对彼此的和在空间中的位置可以由角度传感器或者惯性传感器确定，相对彼此的或在空间中的速度或者加速度由加速度传感器或者由角度传感器和加速度传感器的组合来确定，负荷状况可以通过力传感器测定。通过这些传感器不仅可以确定能量释放的时间点，而且也可以确定对应的行走状况、行走速度以及对应部件相对彼此或者在空间中的当前位置，通过此可以确定和控制用于支持运动的能量输入的量和进程。
[0013]本发明的一个改进方案规定，根据一个判据或者多个判据的组合，即上部分相对于下部分的角度位置、上部分和/或下部分在空间中的位置、上部分和/或下部分的角速度和/或上部分和下部分之间的相对速度和/或负荷状况和/或上部分和/或下部分的加速度，从蓄能器取出能量或者再输入给蓄能器，以便能受控地控制运动。
[0014]转换装置的用于改变要转换的能量量值和/或已输入的能量量值的采取干预的时间点可以调整，使得例如可根据行走速度、病人的行走状况或个人参数来调整，要存储的能量是多大或者要输出的能量必须多大。在希望大的能量时规定，在转换时发生尽可能早的干预，使得例如发电机很早并且很长时间地被驱动或者弹簧被很大程度地预紧，以便将在行走时、例如脚跟踩地时站立阶段屈肌收缩中的机械功最大程度地转换成弹簧的势能或者蓄电池或电容器的电能。如果调节在逆变转换时的干预时间点，例如通过使止挡移位或者根据角度释放，则在步子的一个较晚时间点导入能量，由此能够达到改变行走姿势。当转换装置没有由于上部分和下部分之间的相对运动而激活时，蓄能器可以由