提供一种混合型地形自适应下肢装置，以及通过探测正穿越的地形和适应探测到的地形而在各种不同情况下实施的方法。在一些实施例中，对于每种情况控制该装置的能力建立在五个基本能力之上：（１）确定正在进行的活动；（２）基于正在进行的活动，动态控制该装置的特性；（３）基于正在进行的活动，动态地驱动该装置；（４）确定地形表面特征不规则性（例如地形有多粘，地形有多滑，是粗糙地形还是光滑地形，地形有无障碍，例如岩石）；及（５）可以响应动态控制和动态驱动的装置机械设计。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本申请大体涉及下肢假体、矫形器和外骨骼装置、其零部件及其控制方法。
技术介绍
在美国每年有超过100，000人由于截肢手术失去他们的脚。全世界有成千上万人遭受到这种令人衰弱的损失。此外，在美国每年都有700，000个中风幸存者，中风经常造成各种限制行走能力的下肢病患。直到最近，下肢假体和矫形器系统一直采用主要是被动的或小功率的机构，它们不能够在每次迈步时输出身体在即使是平地上实现经济性行走运动所需的非守恒正功，更不用说在不平表面例如楼梯和台阶上了。对与对象步态周期相关的常规生物力学的理解有助于认识下肢假体、矫形器和外骨骼装置的要求。具体而言，矢状面转动情况下人脚踝的功能将对于不同的运动状态描述如下。传统被动踝/足假体(“AFPs，，)(例如Ossur Flex-Foot )的机械特性在装置整个寿命期间基本保持不变。美国专利公开申请US2006/0M9315( ‘315申请)代表对传统AFPs的重大进步。该‘315申请(其全部内容通过引用并入本文)认识到可以通过将行走周期分成五个阶段和对五个阶段中每个阶段中装置机械特性独立进行优化来改进性能。图IA是对象在平地上步态周期的不同阶段的示意图。该步态周期通常被定义为始于一只脚的足跟触地而止于同一只脚的下一次足跟触地。该步态周期分成两个阶段站立阶段(大约为步态周期的60% )和随后的摆动阶段(大约为步态周期的40% )。摆动阶段代表脚离开地面的那部分步态周期。站立阶段始于足跟接触地板时足跟的触地，止于同一只脚从地面抬起时的足尖离地。站立阶段在同一只脚从地面抬起时的足尖离地时被划分开。站立阶段分成三个子阶段受控跖屈(CP)，受控背屈(CD)，和动力跖屈(PP)。CP始于102所示的足跟触地，止于106所示的足平放。CP描述足跟和前脚开始接触地面的过程。研究者发现，CP踝关节的行为与线性弹簧反应一致，其中，相对于关节位置的平衡位置而言，关节扭矩与关节位移成比例。但是，弹簧行为是变化的；在站立的三个子阶段和后期摆动状态中，关节刚度在步与步之间被身体连续调节。在CP阶段之后，⑶阶段继续，直到踝关节达到最大背屈状态并开始图中110所示动力跖屈PP为止。在CD阶段脚踝扭矩与位置的关系被描述为非线性弹簧，其中，刚度随脚踝位置增加而增加。在CD阶段脚踝存储弹性能量，用于在PP阶段推动身体向上和向前。PP阶段在⑶阶段之后开始，并止于图中114所示的足尖离地时刻。在PP阶段，踝关节依据向上和向前弹射身体的反射反应施加扭矩。然后，弹射能量与CD阶段存储的弹簧能量共同释放，从而在后期站立阶段获得高的跖屈动力。这种弹射行为是必需的，因为在PP 阶段产生的功大于CP和CD阶段用于中速到快速行走速度吸收的负功。在摆动阶段脚抬起离开地面，从所示114的足尖离地开始直到图示118的下一次足跟触地为止。由于上楼梯/下楼梯时脚踝的运动学和动力学模式不同于平地行走时的模式，因此对脚踝-脚生物力学的分别描述表示在图IB和图IC中。图IB表示人脚踝上楼梯的生物力学特点。上楼梯的第一阶段称为受控背屈1 (CDl)，它始于130所示背屈位置的足触地，接着继续背屈直到132所示足跟接触台阶表面。在该阶段，脚踝可以被建模成线性弹簧。第二阶段是动力跖屈I(PPl)，它始于足平放时刻(在132处脚踝达到最大背屈时)，止于再次开始背屈的134处。人脚踝就象扭矩致动器那样工作，以提供额外能量来支撑身体的重量。第三阶段是受控背屈2 (⑶幻，其中，脚踝背屈直到136所示足跟离地。对于⑶2阶段，脚踝可以被建模成线性弹簧。第四阶段也是最后阶段是动力跖屈2 (PP2)，它始于136所示的足跟离地，随脚蹬离台阶而继续，就像与CD2弹簧并联的扭矩致动器那样工作以推动身体向上和向前，在138所示足尖离开表面时结束，以开始摆动阶段，该摆动阶段在140结束ο图IC表示人脚踝-脚下楼梯的生物力学特点。下楼梯的站立阶段被分成三个子阶段受控背屈I(CDl)，受控背屈2 (CD》，及动力跖屈(PP)。CDl始于150所示的足触地， 止于152所示的足平放。在该阶段，人脚踝被建模成可变阻尼器。在CD2，脚踝继续向前背屈，直到它达到1 所示的最大背屈姿态。这里，脚踝象线性弹簧一样工作，在整个⑶2阶段存储能量。在始于1 所示的PP阶段，脚踝跖屈，直到156所示脚从台阶抬起。在该最后的PP阶段，脚踝释放CD2阶段存储的能量，推动身体向上和向前。在156所示足尖离地之后，脚在整个摆动阶段受控地定位，直到158所示的下一次足触地为止。对于图IB中描述的上楼梯，人脚踝-脚可以运用致动器和可变刚性机构的结合来有效建模。但是，对于图IC中描述的下楼梯，还需要包括可变阻尼器以便为踝-脚复合体建模；人脚踝在下楼梯时吸收的能量大大超过上楼梯时释放的能量。因此，对于上楼梯来说合理的是将脚踝建模为可变阻尼器和弹簧的组合。传统被动假体、矫形器和外骨骼装置不能够适当再现步态周期的生物力学特点。 它们不是仿生的，因为它们不能主动调节阻抗，不能提供反射扭矩反应，无论是在平地上、 上楼梯、下楼梯、上坡、下坡时，还是在变化的地形条件时。因此，需要改进的下肢假体、矫形器和外骨骼装置，它们的零部件，以及它们的控制方法。
技术实现思路
本专利技术人已经认识到，在日常每天的过程中，人的下肢除了日常行走例如上下楼梯、走斜坡以外，还用于完成和适应很多不同的活动。脚踝-脚需要最多的能量，必须具有最好的地形自适应行为，因为它们最直接接触下方地形。本专利技术人还认识到，可以通过对于每一种活动以不同方式动态优化装置的机械性能和以不同方式动态控制该置，来动态改善 AFPs的性能。例如，当人行走在平坦地面上时，较好的是控制脚的角度以便在脚触地时足跟低于足尖。但是，当人上楼梯时，较好的是控制脚的角度以便在脚接触下一个台阶时足尖低于艮。本申请描述了各种AFI3S实施例，它们通过检测正在穿越的地形和自动适应检测到的地形来在每个这些不同情况下适当工作。在一些实施例中，对每种情况控制AFP的能力建立于五种基本能力(1)确定正在进行的活动；(2)基于正在进行的活动来动态地控制AFP的特性；( 基于正在进行的活动来动态地驱动AFP ； (4)确定地形表面特征的不规则性(例如地形有多粘，地形有多滑，地形是粗糙的还是光滑的，地形有无障碍例如岩石)并进行适当的牵引力控制来对此作出响应，及(5)能够响应动态控制和动态驱动的AFP机械设计。本专利技术人已经确定，用于断定正在进行的活动的一种示范方式是追踪位于踝关节和膝关节之间的小腿(或胫)上的部位(通常位于踝关节的虚拟转动中心)的轨迹。图6A 表示对应于五种不同活动的胫轨迹，额外的斜坡轨迹是区分陡坡和缓坡的。该系统可以使用该信息通过将追踪到的轨迹映射到一组活动上来断定正在进行的活动。通过观察小腿(胫)的轨迹，能够区分平地形、上楼梯或下楼梯、或者上坡或下坡。 例如，当该系统识别了一种轨迹，就切换到一种适当的模式，并动态地控制(驱动)之前为该模式建立的AFP。在一种轨迹并不恰好落入一种分类的情况下，AFP控制器将优化响应， 以便在随机控制意义上使目标函数最小化，或者基于该地形落入一种分类的可能性而应用模糊逻辑或随机控制。一种追踪胫轨迹的适当方式是在小腿元件(胫)顶部的前表面处安装惯性本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种低噪音线性致动器，包括：旋转电机，该旋转电机包括电机输出轴，以及螺旋传动组件，包括：连接到电机输出轴的螺纹轴，该螺纹轴包括中空的外部，该中空的外部容纳有声阻尼材料；螺母组件，其中：螺旋传动组件将电机输出轴的旋转运动转换为螺母组件的线性运动。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：H·M·赫尔，
申请(专利权)人：IWALK股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US
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