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CN107735057B - 无源储能人造膝部 - Google Patents

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CN107735057B
CN107735057B CN201680036980.8A CN201680036980A CN107735057B CN 107735057 B CN107735057 B CN 107735057B CN 201680036980 A CN201680036980 A CN 201680036980A CN 107735057 B CN107735057 B CN 107735057B
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passive
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University of California
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Abstract

一种无源人造膝部包括在膝关节处可旋转地接合的第一和第二连接件、可旋转地接合至第二连接件的无源压缩力发生器以及接合至第一连接件的释放机构。当第一和第二连接件的相对角度小于肘节角度时，释放机构锁定在第一操作模式，并且力发生器压缩，抵抗第二连接件相对于第一连接件的屈曲。当相对角度大于肘节角度时，力发生器解压缩并且促使所述第二连接件相对于所述第一连接件屈曲。当力发生器基本上伸展并且所述压缩力基本上较小时，释放机构移动到第二操作模式，其中力发生器既不抵抗也不促使所述第二连接件从所述第一连接件的伸展和屈曲。

Description

无源储能人造膝部
技术领域
本发明涉及人造下肢假肢和矫形系统的领域，更具体地涉及可用于各种矫形应用的无源储能人造膝部。
背景技术
传统的膝踝足矫形器(KAFO)用于增加患者在承重行走阶段的稳定性。传统的KAFO将膝部锁定为完全伸展，这样提供稳定性。这种锁定的姿势导致患者行走时具有步态偏差，这可能导致过度使用性损伤。姿态控制矫形器(SCO)允许使用者的膝部在步态周期的摆动阶段屈曲，并且在支撑阶段为了稳定性而防止膝部屈曲。通过允许膝部在摆动阶段屈曲，SCO允许更自然的步态，这可以减少步态补偿造成的继发性并发症并且允许使用者不太费力地行走。
总之，姿态控制矫形器是已知的。例如，Fillauer的美国专利申请公开第2003/0153854号教导了一种用于摆动阶段锁定(SPL)矫形器的重力致动的膝关节锁定系统。该摆动阶段锁定矫形器使用安装在大腿连接件上的简单的内摆机构(与使用者的大腿一致地移动的构件)。随着大腿的移动，内摆摆动运动相对于大腿连接件锁定和解锁小腿连接件(与使用者的小腿一致地移动的构件)。这允许膝关节针对步行周期的不同阶段进行锁定和解锁。
再例如，Ottobock的姿态控制矫形器(自由行走)和Becker的膝踝足矫形器(UTX)基于类似的原理工作。即，支撑阶段结束时足部的背屈拉动在膝关节处连接至锁定机构的可控线缆。该拉动作用释放锁定机构，以便能够摆动。在膝部完全伸展时，锁定机构为弹性负载并且锁定膝部。
在另一个例子中，Ottobock的矫形器(传感器行走)在膝关节处使用绕簧来锁定和解锁膝关节。这种矫形器包括两组传感器：一组在膝关节处用于测量膝部角度，另一组在踏板处用于测量足部与地板之间的力。该矫形器还包括替代侧膝关节的绕簧离合器，其用于提供制动能力来支撑组织膝关节；用于制动的微处理器控制的释放器；电子电路；以及装在腰包中的电池组。在支撑后期阶段，当重量已经被传递到对侧并且为单肢支撑做好准备时，踏板中的传感器释放绕簧离合器并允许膝部弯曲。膝部传感器感测趾离地后膝部的伸展并且向微处理器发送将绕簧离合器置于其锁定位置的信号。
美国专利第6,635,024号教导的霍顿姿态控制矫形器包括在推杆的帮助下锁定和解锁膝部的锁定机构。该推杆被置于足跟与膝部之间。推杆在足跟着地时锁定膝部，并且在支撑阶段结束时解锁膝部。该装置将膝部锁定为任何角度。
鉴于上述装置，仍需要提供可以简单并且经济地构造并且在行走期间辅助佩戴者的姿态控制矫形器。还需要不需要操作传感器或电源的矫形器装置。
发明内容
本发明涉及一种无源储能人造膝部。特别地，本发明在这里描述一种人造膝部以及其在各种外骨骼系统中的应用，其中使用无源力发生器(例如，弹簧致动器)在早期支撑期间(支撑阶段的早期部分)阻碍膝部屈曲。支撑阶段的一部分期间的能量储存在无源力发生器中，然后在支撑后期(支撑阶段的后期部分)被释放，从而在摆动到离开地面(腿的摆动)期间提供充分的屈曲。该装置由在膝关节处彼此可旋转地接合的大腿连接件和小腿连接件组成。无源压缩力发生器(例如，气弹簧致动器)从其第一端部可旋转地接合至小腿连接件或大腿连接件。当小腿连接件在支撑期间(支撑阶段)朝向大腿连接件屈曲并且小腿连接件相对于大腿连接件的角度小于预定的肘节角度时，力发生器被压缩(能量被储存)并且抵抗小腿连接件相对于大腿连接件的屈曲。当小腿连接件朝向大腿连接件屈曲并且小腿连接件相对于大腿连接件的角度大于肘节角度时，压缩力发生器减压(能量被释放)，因此促使小腿连接件相对于大腿连接件屈曲。当在摆动阶段朝向屈曲结束而力发生器基本上伸展并且压缩力基本上较小时，力发生器既不抵抗也不促使小腿连接件从大腿连接件的伸展和屈曲。这就意味着小腿连接件在摆动期间可以自由地伸展。本文描述的人造膝部不仅可以独立地佩戴在佩戴者的膝部，而且还可以连同髋部、踝部或足部外骨骼一起佩戴。这为在各种医疗、民用和军事应用中使用外骨骼膝部提供了很大的灵活性。
附图说明
图1描绘了本发明的无源储能人造膝部的一种实施方式；
图2描绘了本发明的一种实施方式，其中，释放机构108处于其第一操作模式，使得力发生器106沿方向801在小腿连接件104上相对于大腿连接件102提供转矩；
图3描绘了小腿连接件104相对于大腿连接件102的膝部角度118，其中为了清楚起见去除了其他部分；
图4描绘了本发明的一种实施方式，其中，小腿连接件104相对于大腿连接件102的角度等于肘节角度112，使得力发生器106在小腿连接件104上相对于大腿连接件102不提供转矩；
图5示出了本发明的一种实施方式，其中，释放机构108处于其第一操作模式，使得力发生器106沿方向800在小腿连接件104上相对于大腿连接件102提供转矩；
图6示出了本发明的一种实施方式，其中，释放机构108处于其第一操作模式，使得力发生器106达到其自然长度并且力发生器的力较小或接近于0；
图7示出了本发明的一种实施方式，其中，释放机构108处于其第二操作模式，使得当小腿连接件104沿方向800相对于大腿连接件102旋转时，力发生器106在小腿连接件104上相对于大腿连接件102不提供任何转矩；
图8示出了本发明的一种实施方式，其中，释放机构108处于其第二操作模式，使得当小腿连接件104沿方向801相对于大腿连接件102旋转时，力发生器106在小腿连接件104上相对于大腿连接件102不提供任何转矩；
图9以小腿连接件104相对于大腿连接件102不同的角度示出了图8；
图10示出了本发明的一种实施方式，其中，释放机构108从其第二操作模式再次移动到其第一操作模式；
图11示出了一种实施方式中释放机构108处于其第一操作模式的实施方式，其中为了清楚起见去除了其他部分；
图12示出了一种实施方式中释放机构108处于其第二操作模式的实施方式，其中为了清楚起见去除了其他部分；
图13更详细示出了一种实施方式中处于其第一操作模式时的释放机构108；
图14更详细示出了一种实施方式中处于其第二操作模式时的释放机构108；
图15示出了本发明的另一种实施方式(第二实施方式)；
图16描绘了本发明的第二实施方式，其中，释放机构308处于其第一操作模式，使得力发生器106沿方向801在小腿连接件104上相对于大腿连接件102提供转矩；
图17描绘了膝部角度118，即，小腿连接件104相对于大腿连接件102的角度，其中为了清楚起见去除了第二实施方式中的其他部分；
图18示出了本发明的第二实施方式，其中，小腿连接件104相对于大腿连接件102的角度等于肘节角度112，使得力发生器106在小腿连接件104上相对于大腿连接件102不提供转矩。
图19示出了本发明的第二实施方式，其中，释放机构308处于其第一操作模式，使得力发生器106沿方向800在小腿连接件104上相对于大腿连接件102提供转矩；
图20示出了本发明的第二实施方式，其中，释放机构308处于其第一操作模式，使得力发生器106达到其自然长度并且力发生器106的力较小或接近于0；
图21示出了本发明的第二实施方式，其中，释放机构308处于其第二操作模式，使得当小腿连接件104沿方向800相对于大腿连接件102旋转时，力发生器106在小腿连接件104上相对于大腿连接件102不提供任何转矩；
图22示出了本发明的第二实施方式，其中，释放机构308处于其第二操作模式，使得当小腿连接件104沿方向801相对于大腿连接件102旋转时，力发生器106在小腿连接件104上相对于大腿连接件102不提供任何转矩；
图23以第二实施方式中小腿连接件104相对于大腿连接件102不同的角度示出了图22；
图24示出了本发明的第二实施方式，其中，释放机构308从其第二操作模式再次移动到其第一操作模式；
图25示出了处于其第一操作模式的释放机构308的第二实施方式，其中为了清楚起见去除了其它部分；
图26示出了处于其第二操作模式的释放机构308的第二实施方式，其中为了清楚起见去除了其它部分；
图27更详细示出了在第二实施方式中处于其第一操作模式时的释放机构308；
图28更详细示出了在第二实施方式中处于其第二操作模式时的释放机构308；
图29示出了凸轮槽168如何沿旋转点172在不同角度具有不同的半径；
图30示出了本发明在实践中的一种实施方式，其中，释放机构108处于其第一操作模式，使得膝部角度118小于肘节角度112；
图31示出了本发明在实践中的一种实施方式，其中，释放机构108处于其第一操作模式，使得膝部角度118大于肘节角度112；
图32示出了人200佩戴的本发明的实施方式；
图33示出了在实践中的第二实施方式；
图34示出了在实践中第二实施方式的分解视图；
图35示出了还包括另一个外骨骼膝部设计的本发明；
图36示出了还包括另一个外骨骼膝部设计的本发明的分解视图；
图37示出了人200佩戴的本发明的第二实施方式；
图38示出了还包括踝足矫形器402的本发明的实施方式；
图39示出了还包括外骨骼躯干400的本发明的实施方式；
图40示出了还包括外骨骼躯干的本发明的实施方式，该外骨骼躯干包括踝足矫形器402；
图41示出了人关节角度的生物拟态定义；
图42示出了步态周期中的步态阶段。
具体实施方式
图1示出了无源储能人造膝部100的实施方式，该人造膝部100被构造为接合至人200的下肢。图1示出了无源储能人造膝部100，而没有示出人200(后面在图37至图40中描绘)。无源储能人造膝部100尤其包括大腿连接件102、小腿连接件104、压缩力发生器106以及释放机构108。小腿连接件104沿膝关节114可旋转地接合至大腿连接件102。
在本发明的一些实施方式中，如图32所示，大腿连接件102被构造为与使用者的大腿202一致地移动。在本发明的一些实施方式中，小腿连接件104被构造为与使用者的小腿204一致地移动。在本发明的一些实施方式中，外骨骼100还包括允许接合至使用者的大腿202的大腿连接器206以及允许接合至使用者的小腿204的小腿连接器208。在本发明的一些实施方式中，大腿连接器206和小腿连接器208包括梏具。尽管在图32中使用梏具来表明小腿连接件104和大腿连接件102与使用者的大腿202和小腿204的接合，但是本领域普通技术人员应理解，可以使用能够使小腿连接件104和大腿连接件102与使用者的小腿204和使用者的大腿202一致地移动的许多方法和装置。通过小腿梏具和大腿梏具的接合不是预期供本发明使用的导致一致移动的唯一方法。
在图1的实施方式中，无源压缩力发生器106为支柱致动器的形式，其包括中空壳体或柱体105、从该中空壳体或柱体105延伸的杆107以及用于提供压缩力的内部装置，例如弹簧或压缩空气(未示出)。无源压缩力发生器106从柱体105上的第一附接点或端部250可旋转地接合至大腿连接件102。力发生器106能够在其第一附接端部250和其第二附接点或端部251(下文称端部250、251)之间产生压缩力。本领域普通技术人员应理解，力发生器106的端部250、251可以相对于彼此移动，并且力发生器106包括用于抵抗端部250、251朝向彼此的移动的装置，例如弹簧。因此，力发生器106的两个端部250和251被推向彼此时，这两个端部(250、251)抵抗朝向彼此的移动(提供阻力)。试图保持第一端部250与第二端部251彼此远离的阻力被称为压缩力。本领域普通技术人员应理解，不同类型的无源压缩力发生器可供本发明使用。在本发明的一些实施方式中，无源压缩力发生器106为图1所示的气弹簧。在本发明的一些实施方式中，无源压缩力发生器106为空气弹簧。在本发明的一些实施方式中，无源压缩力发生器106为压缩螺旋弹簧。所有无源压缩力发生器的实施方式之间的共同特征在于，力发生器106的两个端部250和251在被推向彼此时，这两个端部(250、251)抵抗它们朝向彼此的移动。
在图1的实施方式中，释放机构108接合至小腿连接件104。释放机构108至少具有两种操作模式。在其第一操作模式中，释放机构108将力发生器106的第二端部251可旋转地接合至小腿连接件104。这意味着释放机构108允许压缩力施加到小腿连接件104上。在其第二操作模式中，释放机构108不将力发生器106的第二端部251接合至小腿连接件104。这意味着释放机构108在该第二操作模式中不允许力发生器106的压缩力施加到小腿连接件104上。下面将更详细地讨论图1的实施方式在第一操作模式与第二操作模式之间转换的方式。
如图3和图17所示，膝部角度118表示小腿连接件104相对于大腿连接件102的角度，示出了小腿连接件104沿箭头800朝向大腿连接件102屈曲的程度。即，膝部角度118表示延伸穿过大腿连接件102的长度及膝关节114的枢转点的假想纵向线与延伸穿过小腿连接件104及膝关节114的枢转点的假想纵向线之间的角度。
操作中，当小腿连接件104朝向大腿连接件102屈曲(即，沿着图2所示的箭头800移动)并且小腿连接件104相对于大腿连接件102的角度(膝部角度118)小于预定的肘节角度112时，释放机构108处于其第一操作模式。这就意味着，如图2所示，力发生器106被压缩，并且抵抗小腿连接件104相对于大腿连接件102的屈曲。当小腿连接件104屈曲且沿方向800朝向大腿连接件102移动时，力发生器106被压缩变短。力发生器106将释放机构108锁定在其第一操作模式，并且抵抗小腿连接件104相对于大腿连接件102的屈曲。当小腿连接件104沿方向800朝向大腿连接件102屈曲时，压缩力穿过膝关节114，并且在肘节点处不产生任何阻转矩。这在图4中示出。该肘节点处大腿连接件102与小腿连接件104之间的角度(膝部角度118)为肘节角度112。如图5所示，当小腿连接件104继续朝向大腿连接件102屈曲并且小腿连接件104相对于大腿连接件102的角度(膝部角度118)继续增大到大于肘节角度112时，释放机构108仍处于其第一操作模式，但是压缩力产生促使小腿连接件104相对于大腿连接件102屈曲的转矩。
换言之，当小腿连接件104沿箭头800移动时，只要膝部角度118小于肘节角度112，力发生器106的压缩力产生抵抗小腿连接件104相对于大腿连接件102屈曲的转矩。在肘节角度112处，力发生器106切换其产生的转矩的方向。一旦小腿连接件104超过肘节点，力发生器106就开始产生促使小腿连接件104屈曲的转矩。力发生器106最终达到其最大自然长度，在这种情况下压缩力为0(图6)。在这里，术语“最大自然长度”应理解为是指，力发生器106的压缩装置(例如，柱体105内的弹簧或空气)没有被压缩或伸展并且来自压缩装置的力为0时力发生器106的初始长度(例如，杆107和柱体105的长度)。此时，当力发生器106不产生任何力时，释放机构108移动到其第二操作模式(图7)。这意味着，释放机构108不将力发生器106的第二端部251接合至小腿连接件104，并且力发生器106既不抵抗也不促使小腿连接件104从大腿连接件102的伸展和屈曲。
当小腿连接件104从大腿连接件102伸展(即，如图8中那样沿箭头801移动)时，释放机构108保持处于其第二操作模式，并且力发生器106不与小腿连接件104接合。在这种模式中，力发生器106既不抵抗也不促使小腿连接件104从大腿连接件102的伸展。这就意味着，如图8和图9所示，小腿连接件104沿箭头801相对于大腿连接件102自由地伸展。当小腿连接件104充分伸展(例如，5度)时，释放机构108能够移动回到图10所示的其第一操作模式。这允许力发生器106的第二端部接合至小腿连接件104。当小腿连接件104开始再次朝向大腿连接件102屈曲时，力发生器106的压缩力将释放机构108锁定在其第一操作模式。
图11和12示出了图1的释放机构108的实施方式的详细示意图。释放机构108包括钩150，钩150可旋转地接合至小腿连接件104并且沿旋转点174旋转。释放机构108还包括小腿连接件104中的约束路径117，其允许力发生器106的第二端部251运动。在一些实施方式中，约束路径117可以为形成在小腿连接件104中的槽的形式，第二端部251的一部分以能够在槽内滑动的方式保持在该槽内。在一些实施方式中，约束路径117可以为安装在小腿连接件104上的轨道的形式，并且第二端部251的一部分可以通过使其能够沿轨道的长度滑动的方式连接至轨道。本领域普通技术人员应理解，可使用各种构造的约束路径来限制力发生器106的第二端部251相对于小腿连接件104的运动，使得释放机构108处于其第一操作模式时，释放机构108能够接合至力发生器106。换言之，力发生器106的第二端部251被构造为沿小腿连接件104中或其上的约束路径117移动。钩150位于使得其能够阻碍力发生器106的第二端部251在约束路径117中或在其上的运动(例如，第二端部251在约束路径117内的向下运动受到钩150的阻碍)。如图13所示，触发器弹簧154从其第一端部254接合至钩150，并且在实施方式中从其第二端部255接合至力发生器106。本领域普通技术人员应理解，触发器弹簧154的第二端部255也可以连接至其他地方(例如，大腿连接件102上)，只要小腿连接件104朝向大腿连接件102屈曲时，触发器弹簧154伸展。如图13所示，回位弹簧152从其第一端部256接合至钩150，并且在实施方式中从其第二端部257接合至小腿连接件104。本领域普通技术人员应理解，回位弹簧152的第二端部257也可以连接至其他地方(例如，小腿连接件104上)，只要回位弹簧152总是将钩150推向约束路径(即，方向271)。
在操作中，当释放机构108处于其第一操作模式时(如图13所示)，钩150通过力发生器106的力保持静止。当小腿连接件104朝向大腿连接件102屈曲时，触发器弹簧154通过其第二端部255被拉动，从而对钩150施加拉力。在小腿连接件104朝向大腿连接件102屈曲时，触发器弹簧154伸长，然而钩150通过力发生器106的力在其位置保持静止。如图13所示，钩150占据约束路径117；阻碍力发生器106的第二端部251在约束路径117中移动，并且力发生器106的力将释放机构108锁定在其第一操作模式。
当力发生器106基本上伸展到其自然长度并且力发生器106的压缩力基本上较小或为0时(图14)，释放机构108移动到其第二操作模式。在本发明的上下文中，“基本上较小”是指来自力发生器106的力对释放机构108的转矩(抵接力发生器106的附接端部251的摩擦力)加上来自回位弹簧152的转矩小于来自触发器弹簧154的转矩，使得触发器弹簧能够拉动/推动释放机构108，使其移动到其第二操作模式。当释放机构108处于其第二操作模式时，钩150通过触发器弹簧154的力而移动。钩150不阻碍力发生器106的第二端部251在约束路径117内的运动。这就意味着，当释放机构108处于第二操作模式时，力发生器106既不抵抗也不促使小腿连接件104从大腿连接件102的伸展和屈曲。换言之，当触发器弹簧154提供给钩150的力克服了力发生器106提供给钩150的力(摩擦力)加上回位弹簧152提供给钩150的力时，则触发器弹簧154将钩150拉出约束路径117。
如图13所示，当小腿连接件104开始朝向大腿连接件102屈曲时，触发器弹簧154的第一端部254拉动钩150。钩150阻碍力发生器106的第二端部251。当力发生器106将钩150保持在其位置时，释放机构108移动到其第一操作模式。当小腿连接件104朝向大腿连接件102屈曲时，触发器弹簧154伸长更多。图14示出了力发生器106的力为0或基本上较小并且钩150通过触发器弹簧154旋转的情况。触发器弹簧154使钩150沿方向270旋转，并且使释放机构108切换到其第二操作模式。
图15示出了无源储能人造膝部300的第二实施方式，而没有示出人200。无源储能人造膝部300除了其他部件之外还包括大腿连接件102、小腿连接件104、压缩力发生器106和释放机构308。小腿连接件104沿膝关节114可旋转地接合至大腿连接件102。
在图15的实施方式中，无源压缩力发生器106从其第一附接端部250可旋转地接合至小腿连接件104。力发生器106能够在其第一附接端部250与其第二附接端部251(下文称端部250、251)之间产生压缩力。力发生器106的两个端部250和251被推向彼此时，这两个端部250、251抵抗朝向彼此的移动。试图保持第一端部250和第二端部251彼此远离的阻力被称为压缩力。在本发明的一些实施方式中，第二实施方式的无源压缩力发生器为图15所示的气弹簧。在本发明的一些实施方式中，第二实施方式的无源压缩力发生器为空气弹簧。在本发明的一些实施方式中，第二实施方式的无源压缩力发生器为压缩螺旋弹簧。所有无源压缩力发生器的实施方式之间的共同特征在于，力发生器106的两个端部抵抗端部250和251朝向彼此的移动，例如当两个端部250和251被推向彼此时。
在图15的实施方式中，释放机构308接合至大腿连接件102。释放机构308具有至少两种操作模式。在其第一操作模式中，释放机构308将力发生器106的第二端部251可旋转地接合至大腿连接件102。这就意味着释放机构308允许压缩力施加到大腿连接件102上。在其第二操作模式中，释放机构308不将力发生器106的第二端部251接合至大腿连接件102。这就意味着释放机构308在该第二操作模式中不允许力发生器106的压缩力施加到大腿连接件102上。下面描述释放机构308。
在操作中，当小腿连接件104朝向大腿连接件102屈曲(即，如图16所示，沿箭头800移动)并且小腿连接件104相对于大腿连接件102的角度小于预定肘节角度112时，释放机构308处于其第一操作模式。这就意味着，如图16所示，力发生器106被压缩，并且抵抗小腿连接件104相对于大腿连接件102的屈曲。当小腿连接件104屈曲并且沿方向800朝向大腿连接件102移动时，力发生器106被压缩变短。力发生器106将释放机构308锁定在其第一操作模式并且抵抗小腿连接件104相对于大腿连接件102的屈曲。当小腿连接件104朝向大腿连接件102屈曲时，压缩力穿过膝关节114并且在肘节点处不产生任何阻转矩。这在图18中示出。该肘节点处大腿连接件102与小腿连接件104之间的角度被称为肘节角度112。如图19所示，当小腿连接件104继续朝向大腿连接件102屈曲并且小腿连接件104相对于大腿连接件102的角度继续增大到大于肘节角度112时，释放机构108仍处于其第一操作模式，但是压缩力产生促使小腿连接件104相对于大腿连接件102的屈曲的转矩。
换言之，当小腿连接件104沿箭头800移动时，只要小腿连接件104与大腿连接件102之间的角度小于肘节角度112，力发生器106的压缩力产生抵抗小腿连接件104相对于大腿连接件102屈曲的力矩。在肘节角度112处，力发生器106切换其产生的转矩的方向。一旦小腿连接件104超过肘节点，力发生器106就开始产生促使小腿连接件104屈曲的转矩。力发生器106最终达到其最大自然长度，在这种情况下压缩力为0(图20)。此时，力发生器106不产生任何力，释放机构308移动到其第二操作模式(图21)。这就意味着，释放机构308不将力发生器106的第二端部251接合至大腿连接件102，并且力发生器106既不抵抗也不促使小腿连接件104从大腿连接件102的伸展和屈曲。
当小腿连接件104从大腿连接件102伸展(即，如图22中那样沿箭头801移动)时，释放机构308保持处于其第二操作模式，并且力发生器106不与大腿连接件102接合。在这种模式中，力发生器106既不抵抗也不促使小腿连接件104从大腿连接件102的伸展。这就意味着，如图22和图23所示，小腿连接件104沿箭头801相对于大腿连接件102自由地伸展。当小腿连接件104达到图24所示的其最大伸展位置时，释放机构308移动到其第一操作模式并且将力发生器106的端部接合至大腿连接件102。当小腿连接件104开始朝向大腿连接件102屈曲时，力发生器106的压缩力将释放机构308锁定在其第一操作模式。
图27示出了释放机构308的实施方式的详细示意图。图27的释放机构308包括保持块160，其可旋转地接合至大腿连接件102并且沿着旋转点172旋转。释放机构308还包括在保持块160内通过保持块160的主体的一部分限定的约束路径116，从而允许力发生器106的第二端部251在保持块160内运动。换言之，力发生器106的第二端部251可以沿保持块160中的约束路径116移动。释放机构308还包括移动块162，该移动块在保持块160内通过保持块160的主体的一部分限定的释放槽170中移动。释放槽170位于使得移动块162能够阻碍力发生器106的第二端部251在约束路径116内的运动。触发器弹簧164从其第一端部252接合至移动块162，并且从其第二端部253接合至导引件166。释放机构308还包括接合至触发器弹簧164的第二端部253的导引件166。导引件166在大腿连接件102上的凸轮槽168中移动。触发器弹簧164将导引件166和移动块162连接在一起。如图29所示，凸轮槽168沿旋转点172在不同的角度具有不同的半径。在操作中，当释放机构308处于其第一操作模式(图25和图27所示)时，移动块162通过力发生器106的力在释放槽170中保持静止。当小腿连接件104朝向大腿连接件102屈曲时，触发器弹簧164被其第二端部253拉动，从而对移动块162施加拉力。在小腿连接件104朝向大腿连接件102屈曲时，触发器弹簧164伸长，然而移动块162通过力发生器106的力在其位置保持静止。如图27所示，移动块162占据约束路径116；阻碍力发生器106的第二端部251在约束路径116中移动，并且力发生器106的力将释放机构308锁定在其第一操作模式。
当力发生器106基本上伸展到其自然长度并且力发生器106的压缩力基本上较小或为0时(例如，当膝部角度118为55度)(图26和图28)，释放机构308移动到其第二操作模式。在本发明的上下文中，“基本上较小”是指来自力发生器106的力对释放机构308的转矩(抵接力发生器106的移动块162的附接端部251的摩擦力)小于来自触发器弹簧164的转矩，使得触发器弹簧164能够拉动释放机构308，使其移动到其第二操作模式。当释放机构308处于其第二操作模式时，移动块162和触发器弹簧164因小腿连接件104相对于大腿连接件102的运动而移动。移动块162不阻碍力发生器106的第二端部251的运动。这就意味着当释放机构308处于第二操作模式时，力发生器106既不抵抗也不促使小腿连接件104从大腿连接件102的伸展和屈曲。
如图27所示，当小腿连接件104开始朝向大腿连接件102屈曲时，朝方向260推动导引件166和移动块162。移动块162阻碍力发生器106的第二端部251。当力发生器106将移动块162保持在其位置时，释放机构308移动到其第一操作模式。当小腿连接件104朝向大腿连接件102屈曲时，导引件166更靠近旋转点172并且使触发器弹簧164伸长。
图28示出了力发生器106对移动块162的力(摩擦力)为0或基本上较小且移动块162被释放的情形。触发器弹簧164朝向方向261拉动移动块162，并且使释放机构308切换到其第二操作模式。换言之，当触发器弹簧164提供给移动块162的力克服了力发生器106提供给移动块162的力时，则触发器弹簧164将移动块162拉出约束路径116。图33示出了实践中的一种实施方式。
图30示出了本发明在实践中的一种实施方式，其中释放机构108处于其第一操作模式中，使得膝部角度118小于肘节角度112，并且力发生器106产生抵抗小腿连接件104相对于大腿连接件102屈曲的转矩。图31示出了本发明在实践中的一种实施方式，其中释放机构108处于其第一操作模式中，使得膝部角度118大于肘节角度112，并且力发生器106产生促使小腿连接件104相对于大腿连接件102屈曲的转矩。
图33示出了无源储能人造膝部300在实践中的一种实施方式。图34示出了无源储能人造膝部300在实践中的一种实施方式的分解视图。图35示出了还包括另一种外骨骼膝部设计的无源储能人造膝部300的一种实施方式。图36示出了还包括另一种外骨骼膝部设计的无源储能人造膝部300的一种实施方式的分解视图。图37示出了人200佩戴的无源储能人造膝部300的一种实施方式。
图38描绘了本发明的一种实施方式，其中无源储能人造膝部300还包括踝足矫形器402。在本发明的一些实施方式中，例如图38所示的实施方式，踝足矫形器402能够接合至人的足部。在本发明的一些实施方式中，踝足矫形器402可连接至小腿连接件104。在本发明的一些实施方式中，无源储能人造膝部300还包括佩戴在佩戴者的鞋外部的踝足矫形器。在本发明的一些实施方式中，无源储能人造膝部300还包括类似鞋垫那样佩戴在佩戴者的鞋内的踝足矫形器(为了清楚起见，没有示出佩戴者的鞋)。本领域普通技术人员可以得到许多形式的内部和外部踝足矫形器。
在本发明的一些实施方式中，无源储能人造膝部300还包括为具有固定(但有时是可调节的)铰链的标准短腿踝足矫形器(AFO)的踝足矫形器。这种类型的AFO相对较轻，并且容易装配到鞋中。这种AFO将足部相对于小腿连接件104保持在任何需要的角度。此外，这种AFO不允许跖屈或背屈，因此其不像其他一些梏具那样提供非常自然的步态。在本发明的一些实施方式中，无源储能人造膝部300还包括为标准的硬踝足矫形器的踝足矫形器。这种类型的踝足矫形器阻止跖曲并且也阻止或限制背屈。在本发明的一些实施方式中，无源储能人造膝部300还包括为跖屈阻止式AFO的踝足矫形器。这种AFO通过不让足部连接件指向下方来阻止跖屈。这种类型的AFO具有允许足部正常背屈的铰链。
应懂得，虽然示出了不同踝足矫形器的特定示例，但是还存在可供本发明使用的其他类型的踝足矫形器。例如，在本发明的一些实施方式中，踝足矫形器为背屈辅助型AFO(未示出)。这种类型的AFO具有在足部脱离地面时表现为升高足部连接件(使踝部背屈)的弹簧样铰链。背屈辅助型AFO提供了更自然步态模式的优点。在本发明的一些实施方式中，踝足矫形器为标准的后片弹性踝足矫形器(未示出)。在本发明的一些实施方式中，踝足矫形器为能量返回型踝足矫形器(未示出)。这种类型的AFO利用嵌入AFO的材料中的自然屈曲来提供背屈辅助。这些装置常常由碳石墨材料制成。总之，本发明的踝足矫形器包括能够执行指定功能的任何装置或内部或外部踝足矫形器的组合。内部或外部踝足矫形器的示例包括但不限于柔性AFO、刚性AFO、具有落叶松屈曲(tamarack flexure)的AFO、具有反距骨的AFO(AFO with anti-talus)、AFO反距骨(前壳体或壳体在前面)、具有自由运动的踝关节的AFO、具有可调节的刚性踝关节的AFO、具有弹簧承载踝关节的AFO、具有可调节的弹簧承载踝关节的AFO及其组合。
图39示出了本发明的一种实施方式，其中无源储能人造膝部300还包括外骨骼躯干400。外骨骼躯干400可构造为接合至人体上身。在本发明的一些实施方式中，外骨骼躯干400类似背包那样接合至人体(没有示出)。在本发明的一些实施方式中，外骨骼躯干400类似腰带那样接合至人体，例如，如图39所示。外骨骼躯干400包括能够接合至人体上身和躯体的躯体连接件404。外骨骼躯干400还包括可构造为将大腿连接件102可旋转地接合至躯干接合件404的躯干大腿连接件406。在本发明的一些实施方式中，躯干大腿连接件406接合至大腿连接件102。在本发明的一些实施方式中，躯干大腿连接件406不接合至大腿连接件102。在没有示出的替代实施方式中，躯干大腿连接件406接合至使用者的大腿202。在本发明的一些实施方式中，外骨骼躯干400还包括能够在躯体连接件404与躯干大腿连接件406之间提供转矩的致动器408。图39中示出了用于致动器的控制器盒410和电池412。
图40描绘了本发明的实施方式(无源储能人造膝部300)，其包括外骨骼躯干400和踝足矫形器(例如，402)。在所示的实施方式中，本发明的踝足矫形器402能够接合至使用者的足部414，并且可连接至小腿连接件104。可替代地，踝足矫形器被佩戴在佩戴者的鞋外面。在本发明的一些实施方式中，踝足矫形器402类似鞋垫那样佩戴在佩戴者的鞋内。本领域普通技术人员可以得到许多形式的内部和外部踝足矫形器。在本发明的一些实施方式中，无源储能人造膝部300还包括为具有固定(但有时是可调节的)铰链的标准短腿踝足矫形器(AFO)的踝足矫形器。这种类型的AFO相对较轻，并且容易装配到鞋中。这种AFO将足部相对于小腿连接件104保持在任何需要的角度。此外，这种AFO不允许跖屈或背屈，因此其不像其他一些梏具那样提供非常自然的步态。在本发明的一些实施方式中，无源储能人造膝部300还包括为标准的硬踝足矫形器的踝足矫形器。这种类型的踝足矫形器阻止跖曲并且也阻止或限制背屈。在本发明的一些实施方式中，无源储能人造膝部300还包括为跖屈阻止式AFO的踝足矫形器。这种AFO通过不让足部连接件指向下方来阻止跖屈。这种类型的AFO具有允许足部正常背屈的铰链。外骨骼躯干400可构造为接合至人体上身。在本发明的一些实施方式中，外骨骼躯干400类似背包那样使用肩带接合至人体。在图40所示的本发明的一些实施方式中，外骨骼躯干400类似腰带那样接合至人体。
图41示出了髋部屈曲、髋部伸展、膝部屈曲、膝部伸展、髋部角度和膝部角度的生物拟态定义。图42示出了步态周期中的步态阶段。支撑阶段900从足部着地到相反足部着地；支撑-屈曲902是从相反足部着地到趾离地；摆动-屈曲904是从趾离地到最大膝部屈曲；摆动伸展906是从最大膝部屈曲到足部着地。力发生器108产生抵抗小腿连接件104相对于大腿连接件102屈曲的转矩的构造被设计成处于支撑阶段900以及支撑-屈曲阶段902的一些部分。力发生器108产生促使小腿连接件104相对于大腿连接件102屈曲的转矩的构造被设计成处于支撑-屈曲阶段902的一些部分以及摆动-屈曲阶段904的一些部分。释放机构108处于其第二操作模式的构造被设计成处于摆动-屈曲阶段904的一些部分以及摆动-伸展阶段906。

Claims (10)

1.一种无源储能人造膝部，其包括：
第一连接件；
第二连接件，其在膝关节处可旋转地接合至所述第一连接件，
其中，第一连接件为大腿连接件或小腿连接件中的一个，并且其中，第二连接件为大腿连接件或小腿连接件中的另一个；其特征在于，所述无源储能人造膝部还包括：
无源压缩力发生器，其包括第一端部和第二端部，
所述无源压缩力发生器从第一端部可旋转地接合至所述第二连接件；释放机构，其接合至所述第一连接件，
其中所述释放机构包括第一操作模式和第二操作模式，
其中，所述释放机构被构造为，在第一操作模式中，将所述无源压缩力发生器的第二端部接合至所述第一连接件，并且所述释放机构被构造为，在第二操作模式中，不将所述无源压缩力发生器的所述第二端部接合至所述第一连接件，并且
其中，所述释放机构被构造为，当所述膝关节的角度小于肘节角度时，移动到第一操作模式，从而使得所述无源压缩力发生器抵抗所述第一连接件的相对于所述第二连接件的屈曲；并且
其中，所述无源压缩力发生器被构造为，当所述膝关节的角度大于所述肘节角度，且同时所述释放机构保持在第一操作模式时，促使所述第一连接件的相对于所述第二连接件的屈曲；并且
其中，所述释放机构被构造为，当所述无源压缩力发生器基本上伸展并且所述无源压缩力发生器的压缩力基本上较小时，所述释放机构移动到第二操作模式。
2.根据权利要求1所述的无源储能人造膝部，其中，所述第一连接件为大腿连接件，并被构造为与使用者的大腿一致地移动，并且其中所述第二连接件为小腿连接件，并被构造为与使用者的小腿一致地移动。
3.根据权利要求1所述的无源储能人造膝部，其中，所述第一连接件为小腿连接件，并被构造为与使用者的小腿一致地移动，并且其中所述第二连接件为大腿连接件，并被构造为与使用者的大腿一致地移动。
4.根据权利要求1所述的无源储能人造膝部，其中，所述第一连接件包括被构造为将所述第一连接件接合至使用者的小腿的第一连接器，并且所述第二连接件包括被构造为将所述第二连接件接合至使用者的大腿的第二连接器。
5.根据权利要求1所述的无源储能人造膝部，其中，所述第一连接件包括被构造为将所述第一连接件接合至使用者的大腿的第一连接器，并且其中所述第二连接件包括被构造为将所述第二连接件接合至使用者的小腿的第二连接器。
6.根据权利要求1所述的无源储能人造膝部，其中，所述释放机构包括：
保持块，其可旋转地接合至所述第一连接件；
位于所述保持块中的约束路径，其允许所述无源压缩力发生器的所述第二端部沿着保持块中的约束路径运动；
移动块，其能够阻碍所述无源压缩力发生器的所述第二端部在所述保持块中的运动；以及
触发器弹簧，其包括第一端部和第二端部，所述触发器弹簧从触发器弹簧的第一端部接合至所述移动块并且从触发器弹簧的第二端部接合至所述第一连接件，其中
当所述释放机构处于第一操作模式时，通过所述无源压缩力发生器的力使所述移动块在槽中保持静止，同时所述触发器弹簧通过第二端部被拉动，从而在所述移动块上施加拉力；
当所述释放机构处于第二操作模式时，由于所述第二连接件相对于所述第一连接件的运动，所述移动块和所述触发器弹簧移动，并且所述移动块不阻碍所述无源压缩力发生器的第二端部的运动，
其中，第一连接件为大腿连接件，第二连接件为小腿连接件。
7.根据权利要求6所述的无源储能人造膝部，进一步包括在所述第一连接件中的凸轮槽，
其中，所述触发器弹簧的所述第二端部接合至在凸轮槽中移动的导引件；并且其中，
当释放机构处于第一操作模式并且第二连接件屈曲时，所述导引件沿着所述凸轮槽移动，从而增大拉力；并且
当所述释放机构处于第二操作模式并且所述第二连接件相对于所述第一连接件伸展时，所述导引件沿着所述凸轮槽移动，从而推动所述移动块。
8.根据权利要求1所述的无源储能人造膝部，其中，所述释放机构包括：
钩，其可旋转地接合至所述第一连接件；
位于所述第一连接件中的约束路径，所述约束路径被构造为允许所述无源压缩力发生器的所述第二端部沿着所述约束路径运动；
触发器弹簧，其包括第一端部和第二端部，所述触发器弹簧从触发器弹簧的第一端部接合至所述钩，并且所述触发器弹簧从触发器弹簧的第二端部接合至所述第二连接件；以及
回位弹簧，其包括第一端部和第二端部，所述回位弹簧从回位弹簧的第一端部接合至所述钩，并且所述回位弹簧从回位弹簧的第二端部接合至所述第一连接件，并且
其中，所述触发器弹簧被构造为，促使所述释放机构从所述第一操作模式到所述第二操作模式的转变；并且
其中，所述回位弹簧被构造为，促使所述释放机构从所述第二操作模式到所述第一操作模式的转变，
其中，第一连接件为小腿连接件，第二连接件为大腿连接件。
9.根据权利要求1所述的无源储能人造膝部，其还包括能够接合至使用者的足部的踝足矫形器。
10.根据权利要求9所述的无源储能人造膝部，其中，所述踝足矫形器能够连接至所述第一连接件或所述第二连接件。
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