专利名称：具有主缩肌-拮抗肌激励的动力人造膝的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于假体、外骨骼、矫正或机器人装置中的人造关节和肢体，特别地， 涉及动力人造膝关节。
背景技术：
大多数商品化的下肢假体和矫形器是被动的，并且不能提供主动机械能，以在步态周期中复制关节生物力学。动力膝系统设计的现存方法主要集中在利用单马达传动系统直接与关节耦接。然而，为了甚至在平地步行期间完全模拟生物膝关节的机械特性，这种直接驱动设计需要高电能消耗。缺乏能量节约的一个原因在于对腿的被动动力以及腱类结构的弹性能量存储和恢复利用不充分。用于膝上截肢者的膝假体可以被分为三个主要类型被动型、可变阻尼型和动力型。被动型膝假体不需要为它们的操作提供能量，并且通常比可变阻尼型假体对环境干扰的适应能力要差。可变阻尼型膝确实需要能量源，但仅能调整阻尼水平，而动力型膝假体能够起到非守恒的主动膝的作用。可变阻尼型膝在机械被动设计方面提供了很多优势，包括增强膝对于不同步行速度的稳定性和适应性。虽然可变阻尼型膝在纯被动膝结构方面提供了一些优势，但是，它们却不能产生主动机械能，并因此不能复制人类膝关节的主动工作阶段，例如站一坐动作、平地行走以及楼梯/斜坡上升行走。这并不奇怪，经股截肢者在使用可变阻尼型膝技术时会遇到临床问题，例如，不对称的步态型、缓慢的步速，以及相比于非截肢者而言需要更高的代谢能量。
发明内容
当前设计动力型假体、矫形器、外骨骼和机器人腿部系统的方法主要集中在利用单马达传动系统直接与关节耦接。这样的直接驱动设计需要高电能消耗，以完全模拟人腿的机械特性。这里提出的仿生膝利用被动动力学，并利用腱类结构的弹性能量存储和恢复， 以使所需电能最小化。膝能够在平地行走时以板载电源所提供的低电能消耗复制类似人膝力学。一方面，本发明提出一种膝假体，其包括由相互平行的两个串联弹性致动器构成的主缩肌(主动肌)一拮抗肌装置。假体膝的设计由包括两个串联弹性离合器机构和一个可变阻尼器的可变阻抗假体膝模型所诱发。人的步态数据被用于限制模型的关节进行生物学的运动。接着利用使一定时间内模型膝关节力矩和生物学上的膝数值之间的方差总和最小化的优化方案来获得模型参数。然后，优化后的数值被用于指定主缩肌一拮抗肌膝假体的机械设计和有限态控制设计。已经研究出两个优选实施例。由于其结构，根据本发明的膝能够被控制为在步态周期的站立阶段表现为主缩肌一拮抗肌、串联弹性离合器元件，在摆动阶段表现为可变阻尼器，从而形成平地行走时的耗能节约型人造膝装置。膝的实施例被完全机动化为感测串联弹性力，因此，对于需要耗能更多的任务，例如楼梯和斜坡上升步态以及从坐姿站起，膝关节力矩能够直接被控制。因此，膝的结构被设计为适应非守恒的、高机械能运动，同时仍然提供高度经济的平地步行模式。一方面，本发明公开的动力膝假体包括膝关节，其是可旋转的，并且能够与人造腿构件耦接；串联弹性弯曲致动器，其与腿构件平行地连接到膝关节，用于施加力以引起膝关节的旋转，从而导致腿构件的弯曲；串联弹性伸展致动器，其与腿构件平行地连接至膝关节，位于腿构件的与弯曲致动器相反的一侧，用于施加力以引起膝关节的旋转，从而导致腿构件的伸展；以及控制器，用于在不同的时间独立地为弯曲马达和伸展马达供能，以控制膝关节和耦接的腿构件的运动。弯曲致动器包括弯曲马达和弯曲弹性元件的串联组合，伸展致动器包括伸展马达和伸展弹性元件的串联组合。在一个优选实施例中，利用至少一个传感器为控制器提供反馈。优选地，传感器包括、但不限于能够感测或响应膝关节的角位移和加速度、膝关节的力矩、弯曲弹性元件的压缩、伸展弹性元件的压缩、弯曲马达的转动、伸展马达的转动和/或接触步行表面的传感器。在一个优选实施例中，弯曲致动器和伸展致动器是单向的，弯曲弹性元件和伸展弹性元件是串联弹簧。在另一优选实施例中，弯曲致动器是单向的，伸展致动器是双向的， 弯曲弹性元件是串联弹簧，伸展弹性元件是预压缩的串联弹簧组。在另一优选实施例中，特别适于可变速度行走，弯曲弹性元件是非线性软化弹簧，伸展弹性元件是非线性硬化弹簧。
当结合附图来考虑时，本发明的其他方面、优势和新颖性特征从下面的本发明详述中变得更加显而易见，其中图IA和IB以图解法描绘了平地行走中代表性的膝生物力学，图IA描绘的是具有未受损伤的膝关节的研究参与者在以自选速度平地行走时相对于步态周期百分数所绘制的膝角度、力矩和能量曲线，图IB是膝力矩相对于膝的角坐标的图表，示出了五个步态阶段；图2A是根据本发明的一个方面的可变阻抗假体膝模型的典型实施例；图2B描绘了从图2A的模型中得到的优化结果，是针对图IA-B中的生物学力矩数据描绘的；图3是根据本发明的一个方面、动力型主缩肌一拮抗肌膝的简化机械结构示意图；图4A-C分别是根据本发明的主动膝假体的典型实施例的机械结构设计的示意性侧视图、矢状面剖视图和后视图；图5是图4A-C的主动膝假体的典型实施例的主要组件的分解图；图6是图4A-C的主动膝假体的典型实施例的主要组件的另一分解图；图7A是根据本发明的一方面、用于在平地行走时复制图IA-B中所示的未受损伤的膝的行为的有限态控制器的示意图；图7B以图解法描绘了在截肢者平地行走时用于图7A中的控制器的膝有限态控制转变；图8A-E描绘了根据本发明的一方面、从动力假体以自选速度平地行走期间的初步的步态估计中获得的结果；图9A-C分别是根据本发明的主动膝假体的另一典型实施例的机械机构设计的示意性侧视图、矢状面剖视图和后视图；图10是图9A-C的主动膝假体的典型实施例的主要组件的分解图；图IlA是针对根据本发明的主动膝的串联弹性元件的力相对于位移的变化而进行的最优化非线性多项式拟合的结果绘图；图IlB描绘了根据本发明的一个方面、用于可变速度行走的可变阻抗型假体膝模型的典型实施例；以及图IlC-E以图解法描绘了在三个不同的步行速度下利用图IlB中的模型与生物学膝力矩数据相比较的假体膝模型输出力矩。
具体实施例方式根据本发明，可变阻尼型膝假体具有两个串联弹性致动器，它们在主缩肌一拮抗肌装置(配置)中平行地排列。假体膝模型包括可变阻尼器和横跨膝关节的两个串联弹性离合器单元。可变阻尼控制设计在稳态平地行走时产生类似人膝的机械结构。由于假体的可变阻尼特性，其在行走时所需的电能是适中的，其考虑到了耗能节约型动力膝。在一种应用中，根据本发明的可变阻抗膝假体有利地被用作非系缚型(非限制型)生物学机器人腿的一部分。正如此处所使用的，以下术语特别包括，但不限于如下面所定义的，“致动器”指的是一种类型的马达。“主缩肌”指的是被另一元件、拮抗肌抵制或对抗的收缩元件。“主缩肌一拮抗肌致动器”指的是一种机构，其包括(至少)两个彼此相反地运行的致动器当主缩肌致动器被激励时，将两个元件吸引在一起；当拮抗肌致动器被激励时， 迫使两个元件分离。“拮抗肌”指的是被另一元件、主缩肌抵制或对抗的扩张元件。“仿生”指的是模仿生理结构或机构、例如关节或肢体的性能和行为的人造结构或机构。“背屈，，指的是使踝关节弯曲以使脚的末端向上运动。“弹性”指的是在伸展或压缩变形后能够恢复原始形状。“伸展”指的是围绕肢体内关节的弯曲运动，能够使关节处肢体的骨骼之间的角度增加。“弯曲”指的是围绕肢体内关节的弯曲运动，能够使关节处肢体的骨骼之间的角度减小。“马达”指的是通过将供能转化为机械能来产生或赋予运动的激励元件，包括电的、气动的或液压的马达和致动器。“跖曲，，指的是使踝关节弯曲以使脚的末端向下运动。“弹簧”指的是弹性装置，例如金属线圈或叶片结构，其在被压缩或拉伸后能够恢复其原始形状。平地行走中的人膝生物力学。图IA和IB以图解法描绘了平地行走中代表性的人膝生物力学。在图IA中，描绘了一男性研究参与者(体重=81. 9kg)在以自选速度(1. 31m/ sec)平地行走时膝的角度、力矩和能量相对于步态周期百分数的曲线。画出的是在一标准差(虚线)附近的平均值(实线；N= 10步态试验)。在图IB中，相对于膝的角坐标画出的膝力矩表示了步态的五个相位。主要步态事件将五个相位分开，它们是脚跟着地0B) 105、 最大站立姿势弯曲(MSF) 110、最大站立姿势伸展(MSE) 115、脚趾离地(TO) 120和最大摆动弯曲(MWF) 125。如图IA和IB中所示，五个不同的阶段或步态相位已被用于描述在平地行走中的
6膝生物力学。这些步态相位描述如下(1)在脚跟着地0B) 105处开始，站立姿势的膝开始轻微弯曲( 15度)。该站立姿势弯曲相位130容许对碰撞的缓冲。在该相位，膝盖能够被模型化为一个弹簧(线性力矩相对于角度斜面；参看图1B)，其存储能量，为站立姿势伸展相位135做准备。(2)到达最大站立姿势弯曲(MSF) 110后，膝关节开始伸展(15%步态周期)，直到达到最大站立姿势伸展(MSE) 115(42%步态周期)。该膝伸展阶段被称为站立姿势伸展相位135。在站立姿势伸展135期间，膝起到一弹簧的作用(线性力矩相对于角度斜率；参看图1B)，其具有与站立姿势弯曲130类似的刚度。这里，刚度不是实际的关节刚度，而是准静态的刚度，定义为力矩相对于角度的曲线的斜率。(3)在后期站立姿势或预摆动140(从42%到62%步态周期)期间，支撑腿的膝盖开始其快速弯曲阶段，为摆动弯曲相位145做准备。在预摆动140期间，当膝盖开始弯曲准备脚趾离地120时，膝起到一弹簧的作用(线性力矩相对于角度斜率；参看图1B)，但具有相对于站立姿势弯曲130和伸展135时更低的刚度。(4)随着髋关节弯曲，腿离开地面，膝盖继续弯曲。在脚趾离地120时，步态的摆动弯曲相位145开始。在整个该阶段(从62%到73%步态周期)，由于膝的力矩阻止膝的转动速率(参看图1A)，膝的能量通常是负的。因此，在摆动弯曲145期间，膝盖能够被模型化为一可变阻尼器。(5)在摆动弯曲145期间到达最大弯曲角度( 60度)后，膝盖开始向前伸展。 在摆动伸展150期间(从73%到100%步态周期)，膝盖的能量通常是负的，以降低摆动中的腿的速度，为下一个站立姿势阶段做准备。因此，由于存在摆动弯曲145，处于摆动伸展 150期间的膝盖能够被模型化为一可变阻尼器。当膝盖达到完全伸展时，脚再一次地置于地面上，下一个步行周期开始。半被动假体膝模型及其优化。给定所描述的膝生物力学，对于可变阻抗膝假体的需求是清楚存在的，它能够使阻尼和刚度均发生变化，从而在稳态平地步行中产生类似人膝的生物力学。这种假体的一个例子是图2A中所示的典型的膝模型，包括两个对抗的单一关节的串联弹性离合器205、210(用于模仿站立姿势相位的膝力学)和一可变阻尼元件 215(用于模仿摆动相位力学)。在该模型中，串联弹簧220、225中的每一个都能通过激励其各自的离合器205、225被接合，或者通过打开该离合器而脱离接合。正如模型所限定的， 每个离合器在每个步态周期中仅能接合一次。此外，一旦离合器被接合，它仅在串联弹簧被释放出它所有的能量、并且施加在离合器上的力为零时被脱离接合。该串联弹性离合器模型参数可以改变，从而与膝关节的生物力学特性相匹配。模
型参数是与伸展和弯曲弹簧刚度相对应的两个弹簧常数(kE，kF)，以及相应的膝伸展和弯
曲角度θ F)，在该角度，伸展和弯曲弹簧在站立姿势时被接合。按照惯例，伸肌弹簧
倾向于在接合时使膝关节伸展，而屈肌弹簧倾向于使膝盖弯曲。利用使一定时间内模型膝
关节力矩和膝的生物学数据之间的方差总和最小化的最优化方案，使膝模型适合于生物力
学数据。更特别地，用于最优化的价值函数为
100 _/EcosXmw=YZbi。二 f⑴
1=1 T bio其中，τ、。和τ 分别是在步态周期的百分之i时从生物学力矩数据和膝模型得到的施加在膝关节附近的角力矩，Tmaxbi。是步态周期内关节处的最大生物学力矩。价值函数(1)在伸肌弹簧总是在脚跟着地(θ E = 0)时接合的约束条件下被最小化。该约束条件被用于在脚跟着地时限制膝的屈服，以进行截肢者的安全测量。为价值函数(1)确定期望的总体最小值，首先利用遗传算法找到包含总体最小值的区域，接下来利用非约束梯度优化器来确定该总体最小值的实际数值。通过改变串联弹性离合器元件的参数来使价值函数(1)最优化之后，模型的可变阻尼器被使用，以达到在串联弹性组件不能吸收足够的负的机械能的区域内，假体膝模型和生物学力矩数值之间的完全一致。利用来自一位体重81. ^cg、身高1. 87m、以1. 31m/s的速度行走的健康受试者的十次行走试验的动力学的和运动学的数据进行逆动力学计算，获得生物学膝力矩数值。图2B示出了来自图2A的模型的最优化结果，其相对于来自图IA-B的生物学力矩数据画出。如图2B所示，上侧图M5，膝模型的优化后净力矩输出250与未受损伤的人膝关节的力矩曲线相比较，示出了均值255和一个标准差10步态试验)。从图 IA-B中采集的生物学数据来自以自选速度(行走速度=1. 31m/sec)行走的具有未受损伤的肢体的研究参与者(重量=81. 9kg)。下侧图270中示出的是来自串联弹性离合器元件的伸展弹簧275和弯曲弹簧观0、以及来自可变阻尼器285的力矩贡献。优化器提供的伸展弹簧刚度等于kE = 160N. m/rad，弯曲弹簧刚度等于137N. m/rad，弯曲弹簧的膝接合角度等于0. 27弧度(15. 46度)。模型的力矩输出与实验数据完全一致。在最优化过程的约束下，伸展弹簧在脚跟着地时接合，在站立姿势膝弯曲的开始存储能量。当膝盖开始伸展时，弯曲弹簧接合，随着伸展弹簧释放其能量，弯曲弹簧存储能量。在摆动相位期间，模型的可变阻尼器与负能量区域内的生物学力矩数据完全匹配。在摆动相位的中期和末期，生物学数据中的能量是正的， 阻尼器在这些步态区域输出零力矩。根据本发明的一个方面，主缩肌一拮抗肌膝的简化机械示意图在图3中示出。如图3中所示，主缩肌一拮抗肌主动膝假体300包括两个单向的串联弹性致动器串联弹性伸展致动器305和串联弹性弯曲致动器310。膝假体300的每个单向致动器305、310包括通过传动装置335、340连接的马达315、320和串联弹簧325、330。伸展和弯曲马达315、320 能够被独立地用于控制每个串联弹簧325、330被接合时膝盖的角度。位于大腿350和小腿355之间的膝关节345与一线性托架耦接，其可通过一缆绳驱动传动装置自由地沿装置的长度方向运动。该托架能够通过伸展和弯曲弹簧325、330在每一侧啮合，它们中的每一个由电动马达驱动的滚珠丝杠定位。在一个优选实施例中，两个单向串联弹性致动器305、 310的特征在于，其传动装置335、340包括耦接至滚珠丝杠(Nook industries, 10X3mm)的 2 1皮带传动。图2A中典型膝模型的原理已经在两个典型的优选实体的实施例中体现。在图 4A-C所示的一个优选实施例中，主缩肌一拮抗肌主动膝假体包括两个单向串联弹性致动器。图5和6是图4A-C中主动膝假体的典型实施例的主要组件的分解图。如图4A_C、5和6所示，单向致动器是伸展致动器402和弯曲致动器404。膝假体的伸展致动器402包括通过传动装置连接的伸展马达406和串联弹簧408。伸展致动器邻近膝关节410。伸展传动装置包括耦接至精密滚珠丝杠416驱动器的同步(正时)滑轮412 和皮带414驱动系统。假体膝的弯曲致动器404包括通过传动装置连接的弯曲马达418和串联弹簧420。伸展传动装置包括耦接至精密滚珠丝杠似6驱动器的同步滑轮422和皮带 424驱动系统。伸展致动器402和弯曲致动器404能够被独立地用于控制每个串联弹簧 408,420被接合时的膝关节410的角度。串联弹性伸展致动器402的机动元件(伸展电动马达406)可以是有刷直流马达 (例如Maxon的RE40马达)或者无刷直流马达(例如Maxon的EC-powermax 30)。伸展马达直接驱动同步滑轮-皮带驱动器机构412、414。该机构具有1 2的传动比。同步滑轮-皮带驱动器机构412、414激励滚珠丝杠416 (例如Nook industries, 10 X 3mm)的转动。 当伸展致动器402的滚珠丝杠416转动时，耦合的滚珠螺帽外壳4 发生线性移位。滚珠螺帽外壳4 被直接地连接到伸展串联弹簧箱体430。伸展串联弹簧箱体430牢固地将伸展弹簧408容纳在其中。因此，当耦合的滚珠螺帽外壳4 线性移位时，伸展串联弹簧箱体能够产生线性移位。由于包含在滚珠螺帽外壳内的线性压力，滚珠螺帽外壳沿两条线性精密钢导轨432以最小的摩擦力运动。两条精密导轨432的每一条都连接到相应的主膝盖框架434的内侧壁。串联弹性弯曲致动器404机动元件(弯曲电动马达418)可以是有刷直流马达(例如Maxon的RE40、RE30马达)或者无刷直流马达(例如Maxon的EC-powermax 30或22)。 伸展马达直接驱动同步滑轮-皮带驱动器机构422、424。该机构具有1 2的传动比。滑轮-皮带驱动器机构422、似4激励滚珠丝杠426(例如Nook industries, 10 X 3mm)的转动。 当弯曲致动器404的滚珠丝杠似6转动时，耦合的滚珠螺帽外壳436发生线性移位。滚珠螺帽外壳436被直接地连接到弯曲串联弹簧箱体438。弯曲串联弹簧箱体438牢固地将弯曲弹簧420容纳在其中。因此，当耦合的滚珠螺帽外壳436线性移位时，弯曲串联弹簧箱体能够产生线性移位。由于包含在滚珠螺帽外壳内的线性压力，滚珠螺帽支撑件436沿两条线性精密钢导轨432以最小的摩擦力运动。两条精密导轨432中的每一条都连接到相应的主膝盖框架434的内侧壁。膝关节410的转动与连接到缆绳驱动器传送装置的线性托架442的线性移位相耦合。缆绳驱动传送装置由两条钢缆440构成。每条钢缆440的两端连接到膝关节U形钩支撑件444。每条缆绳绕其相应的位于膝盖每一侧的关节滑轮446缠绕。每个侧面的关节滑轮446具有连接到下侧适配器448的轴。线性托架442被支撑并引导在两条精密钢导轨 432上。每条轨道沿主膝盖框架434的内侧壁延伸。精密轨道与线性托架442之间的低摩擦力通过包含在线性托架442内部的线性压力来获得。钢缆440允许将来自线性托架442 的线性移位与膝关节410的旋转运动相耦合。线性托架442能够由伸展弹簧408和弯曲弹簧420通过它们的线性运动被独立地接合。两个弹簧由它们相应的串联弹性致动器的驱动作用被独立定位。串联弹性致动器 402、404中的每一个都能够为平地行走和更耗能的任务、例如楼梯上坡提供足够的能量。所有的致动器机构完全由铝结构支撑，其对应膝盖主框架434，它具有类似下肢解剖壳层的设计。膝盖主框架具有下侧适配器448，其允许常规的和高级的机器人足-踝假体与它连接。膝关节U形钩支撑件444与膝盖主框架的耦合产生相对于膝关节410的自由旋转角度。膝关节U形钩支撑件444允许标准假体角锥形适配器450架设其上，以使膝假体能够连接到普通的经股插口，并能够由截肢者穿戴。基于这些功能性的需要，图4A_C、5和6的实施例中的膝盖尺寸、角度范围和最大力矩数值的设计参数在表1中列出。表权利要求
1.一种动力人造膝，其组合地包括膝关节，该膝关节是可旋转的，并且能够与人造腿构件耦接；串联弹性弯曲致动器，其与腿构件平行地连接至膝关节，用于施加力以引起膝关节的旋转，从而导致腿构件的弯曲，该弯曲致动器包括弯曲马达和弯曲弹性元件的串联组合；串联弹性伸展致动器，其与腿构件平行地连接至膝关节，位于腿构件的与弯曲致动器相反的一侧，用于施加力以引起膝关节的旋转，从而导致腿构件的伸展，该伸展致动器包括伸展马达和伸展弹性元件的串联组合；以及控制器，用于在不同的时间独立地为弯曲马达和伸展马达供能，以控制膝关节和耦接的腿构件的位置、阻抗和非守恒力矩。
2.如权利要求1所述的假体，其特征在于，进一步包括至少一个传感器，其配置为向控制器提供反馈。
3.如权利要求2所述的假体，其特征在于，所述传感器响应膝关节的角位移、弯曲弹性元件的压缩、伸展弹性元件的压缩、弯曲马达的旋转或伸展马达的旋转。
4.如权利要求1所述的假体，其特征在于，弯曲致动器和伸展致动器是单向的。
5.如权利要求4所述的假体，其特征在于，弯曲弹性元件和伸展弹性元件是串联弹簧。
6.如权利要求1所述的假体，其特征在于，弯曲致动器是单向的，伸展致动器是双向的。
7.如权利要求6所述的假体，其特征在于，弯曲弹性元件是串联弹簧，伸展弹性元件是预压缩的串联弹簧组。
8.如权利要求1所述的假体，其特征在于，弯曲弹性元件是非线性软化弹簧，伸展弹性元件是非线性硬化弹簧。
9.如权利要求1所述的假体，其特征在于，弯曲致动器包括不可反驱动的传动装置。
全文摘要
一种膝假体，其包括由相互平行的两个串联弹性致动器所组成的主缩肌—拮抗肌装置，包含膝关节、与腿构件平行地连接到关节的弯曲和伸展致动器以及控制器，该控制器用于独立地为致动器供能，以控制膝关节和腿的运动。弯曲致动器包括弯曲马达和弯曲弹性元件的串联组合，伸展致动器包括伸展马达和伸展弹性元件的串联组合。传感器为控制器提供反馈。弯曲致动器和伸展致动器可以是单向的，且弯曲和伸展弹性元件是串联弹簧。伸展致动器或者可以是双向的，且伸展弹性元件是预压缩的串联弹簧组。可选择地，弯曲弹性元件可以是非线性软化弹簧，伸展弹性元件可以是非线性硬化弹簧。
文档编号A61F2/62GK102481194SQ201080015207
公开日2012年5月30日 申请日期2010年2月1日 优先权日2009年1月30日
发明者E·C·马丁内斯-比利亚尔潘多, H·M·赫尔, J·A·韦伯 申请人:麻省理工学院