CN101437470A - 根据放松位置或测量的表面角度致动修复踝的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于感测致动假体踝的系统和方法。在一个示例中，所述系统例如致动的假体踝关节检测使用者已经移动到放松位置，例如就坐、后靠、慢行或斜靠。作为响应，致动的假体踝关节主动调节踝的部件之间的角度到放松状态。所述系统可以进一步检测使用者已经移动以离开放松位置的时间，并且可以主动调节踝的部件之间的角度到离开状态。在另一实施例中，所述系统例如致动的假体踝关节检测表面角度并根据上倾/下倾的相应斜度主动调节踝的部件之间的角度到优选的角度。

Description

根据放松位置或测量的表面角度致动修复踝的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请是2005年2月11日提交的美国申请序列号No.11/056344和2005年2月11日提交的美国申请序列号No.11/057391的部分继续申请，所述美国申请序列号No.11/056344和美国申请序列号No.11/057391都要求2004年2月12日提交的美国临时申请60/544259和2004年7月15提交的美国临时申请60/588232的优先权，此四个申请都通过引用在此全文并入。

技术领域

本发明的优选实施例涉及运动控制肢体的传感系统和方法，尤其是踝运动控制的脚的传感系统和方法。

背景技术

全球范围内数以百万计的个人依靠修复和/或矫正设备，以弥补诸如截肢或虚弱的失能，并且有助于受损肢体的复原。矫正设备包括外部装置，用于支撑身体的活动部分、对准身体的活动部分、防止身体的活动部分的变形、保护身体的活动部分、校正身体的活动部分的变形或提高身体的活动部分的功能。修复设备包括用作失去身体部分的人工替代的装置，诸如臂或足。

随着人们平均年龄的增加，随着诸如糖尿病的虚弱疾病的流行，伤残人士和被截肢者的数量每年都在增加。因此，对修复和矫正设备的需求也在增加。传统矫正器经常用于支撑人的关节，诸如踝或膝，并且矫正器的运动通常仅基于使用者的能量支出。一些传统的假肢配置人工运动关节的基本控制器，没有来自被截肢者的任何交互作用，并且能够仅产生基本的运动。这种基本控制器不考虑工作环境的动态条件。这些传统修复和矫正设备的被动性质典型地导致运动不稳定、对伤残人士或被截肢者的身体部分的高能量消耗、步态偏差和其它短期和长期负面影响。这对于腿矫正和修复尤其如此。

发明内容

因此，本发明的一个实施例包括修复或矫正系统，或与肢体关联或可连接于肢体的其它设备，它可自身提供动力，并模仿健康肢体的自然运动，例如健康踝的运动。本发明的另一实施例包括管理修复或矫正系统的运动以有利于残障人士或被截肢者的运动的传感器系统和控制系统。

本发明的一个实施例包括：与肢体的运动关联的系统。在一个实施例中，该系统包括：足单元；具有上端和下端的连接部件，其中：该下端可旋转地连接于足单元上的第一位置；和致动器，操作地连接到足单元和连接部件，其中：该致动器被配置为主动调节连接部件与足单元之间的角度。例如，该足单元可以是修复或矫正设备。

本发明的另一实施例包括修复系统，用于模仿踝的自然运动。在一个实施例中，该修复系统包括：假足；旋转组件，连接于假足上的第一位置，其中：该第一位置接近假足的自然踝位置；沿胫骨方向延伸的下肢部件；下肢部件具有上端和下端，其中：下肢部件的下端操作地连接到旋转组件；和致动器，操作地连接到假足和下肢部件，其中：该致动器被配置为主动调节围绕旋转组件的假足与下肢部件之间的角度。

本发明的一个实施例包括用于控制与肢体的运动关联的设备的方法。在一个实施例中，该方法包括：利用至少一个传感器监控与肢体关联的可致动设备的运动；产生指示所述运动的数据；利用处理模块处理数据以确定可致动设备的移动的当前状态；并基于确定的移动状态，调节可致动设备，其中：所述调节包括基本上模仿健康踝的运动。例如，该可致动设备可以是假肢或矫正设备。

本发明的另一个实施例包括一种用于控制修复踝设备的方法。在一个实施例中，该方法包括利用至少一个传感器监控可致动踝设备的运动，其中：至少一个传感器产生代表修复踝设备的运动的数据；利用控制模块，接收和处理数据，以确定可致动修复踝设备的移动的当前状态；利用控制模块，基于确定的移动状态，输出至少一种控制信号；并至少基于该控制信号，调节可致动修复踝设备，其中：所述调节包括基本上模仿健康踝的运动。

在一个实施例中，提供了具有踝运动控制足的修复或矫正系统。该修复或矫正系统除了其它特征之外还包括：下肢部件；致动器；和足单元。该致动器被配置为通过调节下肢部件与足单元之间的角度模仿踝的运动。该修复或矫正系统还包括连接部，其促进下肢部件连接到另一修复或矫正部件，连接到被截肢者的残肢，或连接到其它部件。该修复或矫正系统还可包括充电电池，以为致动器或系统的其它部件提供电力。本发明的实施例包括用于横穿胫骨和横穿股骨截肢者的系统。

在本发明的另一实施例中，该修复或矫正系统包括传感器系统，用于捕获有关修复或矫正设备的位置和运动的信息。这种信息可实时处理以预测修复或矫正设备的合适运动，并相应地调节修复或矫正设备。

在本发明的一个实施例中，提供了一种系统结构，具有：传感器模块；中央处理单元；存储器；外部接口；控制驱动模块；致动器；和踝设备。该系统结构可通过外部接口接收来自诸如使用者或电子设备的外部来源的指令和/或数据。

在一个实施例中，也可以提供管理矫正体或假体的运动的控制系统。在一个实施例中，该控制系统管理诸如螺杆电机的致动器的运动。这种运动控制为使用者沿倾斜表面向上、沿斜面向下或在楼梯上的运动而提供。在一个实施例中，该控制系统可被构造以通过传感器监控健康肢体的运动，并使用该测量值以控制假肢或矫正体的运动。该控制系统也可管理假肢或矫正体的其它部分或致动器的阻尼。

在一个实施例中，提供了一种用于控制修复或矫正设备的致动的方法。该方法包括在可致动修复或矫正设备上提供一个或多个传感器。从传感器接收的数据被处理并用于确定修复设备的移动的当前状态。然后，使用从传感器接收的数据的至少一部分，处理单元预测修复或矫正设备的运动。在一个实施例中，提供了一种模仿健康踝的运动的修复踝。一个或多个传感器例如可包括陀螺仪和/或加速度计。在本发明的另一实施例中，不对可致动修复或矫正设备进行调节，除非利用处理单元确定使用者的移动类型具有超过预定阈值的安全系数。

在另一实施例中，提供了一种用于识别修复或矫正设备的运动的方法。该方法包括在设备运动的同时，从放置在修复或矫正设备上的一个或多个传感器接收数据。波形从传感器接收的数据产生。通过将该波形与已知特殊类型运动的波形相关联，识别修复或矫正设备的具体运动。例如，可由使用者输入或从外部设备或系统下载已知波形。该波形也可存储在修复或矫正设备上的存储器中。

在另一实施例中，提供了一种用于致动踝辅助设备的方法。该设备通过提供计算机控制而致动以提供设备的第一部分和第二部分之间的相对运动。在一个实施例中，该设备是矫正体。在另一个实施例中，该设备是假体。在一个实施例中，该计算机控制预测设备的将来运动。在另一实施例中，该计算机控制从接收有关环境变量和/或修复或矫正设备的运动或位置的信息的至少一个传感器模块接收输入。在另一实施例中，该计算机控制从接收有关健康肢体的运动或位置的信息的至少一个传感器模块接收输入。

本发明的一个实施例包括构造以连接于肢体的设备。该设备包括第一部分和第二部分，该第一部分和第二部分可相对于彼此移动，以模仿自然的人关节。该设备还包括致动器，致动器将第一部分和第二部分连接在一起并被构造以调节第一部分和第二部分之间的角度。该致动器包括：操作地连接到定子的转子；和配置为旋转转子的电机，其中：在步态或步行(gait)循环的期望阶段期间，该致动器被有选择地锁定。

本发明的另一个实施例包括构造以连接于肢体的设备。该设备包括第一部分和第二部分，该第一部分和第二部分可相对于彼此运动，以模仿自然的人关节。该设备还包括致动器，致动器将第一部分和第二部分连接在一起并被构造以调节第一部分和第二部分之间的角度。该致动器包括：操作地连接到定子的转子；和配置为旋转转子的电机。该设备还包括用于使抑制转子的摩擦力最小的装置。

本发明的另一个实施例包括构造以连接于肢体的设备。该设备包括第一部分和第二部分，该第一部分和第二部分可相对于彼此运动，以模仿自然的人关节。该设备还包括致动器，致动器将第一部分和第二部分连接在一起并被构造以调节第一部分和第二部分之间的角度。该致动器包括：操作地连接到定子的转子；和配置为旋转转子的电机，其中：该电机围绕转子设置。

本发明的另一个实施例包括构造以连接于肢体的修复设备。该设备包括假足和连接于假足的旋转组件，该旋转组件模仿自然人类踝关节。该设备还包括具有上端和下端的支撑部件，其中：支撑部件的下端操作地连接到旋转组件。该修复设备还包括操作地连接到假足和支撑部件的致动器，该致动器被配置为调节围绕旋转组件的假足与支撑部件之间的角度，其中：在假足的步行循环的期望阶段期间，该致动器被有选择地锁定。

在另一个实施例中，提供了一种致动器，包括：围绕致动器的主轴线延伸的细长部件。该致动器还包括：可旋转地连接到细长部件的转子；和操作地连接的转子的定子。至少一个磁铁被设置在转子和定子之间，磁铁被配置以在转子和定子之间施加磁力。该致动器还包括电机，电机配置以相对于细长部件旋转转子，其中：至少一个磁铁被配置以使转子和定子之间的摩擦力最小。

在本发明的另一实施例中，提供了一种致动器，包括围绕致动器的主轴线延伸的细长部件。该致动器还包括：可旋转地连接到细长部件的转子；和操作地连接到转子的定子。滚珠轴承被设置在转子和定子之间。该致动器还包括电机，电机配置以相对于细长部件旋转转子，其中：该滚珠轴承被配置以使转子和定子之间的摩擦力最小。

在本发明的另一实施例中，提供了一种致动器，包括围绕致动器的主轴线延伸的细长部件。转子被可旋转地连接到细长部件，并且定子操作地连接到转子。该致动器还包括电机，电机围绕转子设置并被构造以相对于细长部件旋转转子。

在另一实施例中，提供了一种致动器，包括围绕致动器的主轴线延伸的细长部件。该致动器还包括：可旋转地连接到细长部件的转子；围绕转子设置的保持器；和操作地连接到转子的定子。电机被构造以相对于细长部件旋转转子，其中：该转子和保持器有选择地接合以抑制转子的旋转。

在另一个实施例中，提供了一种操作连接于肢体的修复设备的方法。该方法包括提供构造以连接于肢体的修复设备，该设备模仿自然人关节，并具有第一部分和第二部分，该第一部分和第二部分可围绕关节相对于彼此运动。所述方法还包括：提供连接到第一部分和第二部分的致动器；调节第一部分和第二部分之间的角度；并在步态或步行循环(gait cycle)的期望阶段期间，有选择地锁定致动器。

在另一个实施例中，提供了一种操作连接于肢体的修复设备的方法。该方法包括提供构造以连接于肢体的修复设备，该设备模仿自然人关节，并具有第一部分和第二部分，该第一部分和第二部分可围绕关节相对于彼此运动。该方法还包括：提供连接到第一部分和第二部分的致动器；调节第一部分和第二部分之间的角度；和在步行循环的期望阶段期间，主动地使抑制致动器的转子的摩擦力最小。

在另一实施例中，公开了一种用于检测下肢修复设备的旋转运动的系统。该系统包括假足和具有上端和下端的连接部件。该系统还包括旋转组件，旋转组件将连接部件的下端可旋转地连接到假足，以允许假足围绕延伸穿过旋转组件的旋转轴线的旋转，其中：该旋转组件被构造以基本上模仿自然踝关节。该系统还包括传感器组件，其被连接到旋转组件并被构造以检测假足围绕旋转轴线的旋转，其中：传感器组件的至少一部分被构造以围绕旋转轴线旋转，并沿旋转轴线牢固地定位以基本上消除其它运动。

在另一实施例中，公开了一种用于检测与肢体相关的设备的旋转运动的系统。该系统包括足单元和具有上端和下端的连接部件。该系统还包括旋转组件，旋转组件将连接部件的下端可旋转地连接到足单元，以允许足单元围绕延伸穿过旋转组件的轴线的旋转。其中该旋转组件被构造以基本上模仿自然踝关节。该系统还包括传感器组件，其被连接到旋转组件，并被构造以检测足单元围绕该轴线的旋转并基本上忽略足单元相对于该轴线的轴向和径向运动。

在另一实施例中，公开了一种用于检测与下肢相关的设备的旋转运动的系统。该系统包括：用于接触地面的足装置；和用于将足装置连接于患者的装置。该系统还包括装置，用于将足装置可旋转地连接到用于将足装置连接于患者的装置的下端，以允许足装置围绕延伸穿过用于旋转连接的装置的轴线的旋转，其中：用于旋转连接的装置基本上模仿踝关节。该系统还包括检测用的装置，其被连接到用于旋转连接的装置，检测用的装置还被构造以检测足装置围绕轴线的旋转，并基本上忽略足装置相对于轴线的轴向和径向运动。

在另一实施例中，公开了一种模仿自然踝在放松位置的运动的假体系统。所述假体系统包括：假体踝关节，所述假体踝关节包括足单元和可移动地连接到所述足单元的上部件，用于模仿自然人踝关节；和构造成自动调整假体踝关节的状态的控制器，其中所述控制器构造成一旦接收指示使用者运动到放松位置的数据就自动调整假体踝关节到放松状态。

在另一实施例中，公开了一种用于模仿在放松位置时踝的自然运动的假体系统，所述假体系统包括：假足；连接到假足上的第一位置的枢转组件，其中第一位置靠近假足的自然踝位置；在胫骨方向上延伸的下肢部件，所述下肢部件具有上端和下端，其中下肢部件的下端可操作性地连接到枢转组件；和连接到假足和连接到下肢部件的致动器，其中所述致动器构造成围绕所述枢转组件调整下肢部件与假足之间的角度；构造成检测假体系统的使用者的位置的至少一个传感器；和构造成操作致动器的控制器；其中至少一个传感器构造成将指示使用者处于放松位置时的数据传送到控制器，通过使用者将假体系统定位在相对于地面的限定的角度范围内持续限定量的时间并且所述假体系统具有小于最大阈值的加速度来确定所述放松位置，并且其中所述控制器构造成操作致动器以便使得所述假足与所述下肢组件之间的角度围绕所述枢转组件增加，从而所述假足变得相对于下肢组件更加向足底弯曲。

在另一实施例中，公开了一种用于调整假体踝装置的方法。所述方法包括步骤：使用至少一个传感器监控假体踝装置的使用者的运动。。所述方法进一步包括步骤：产生指示运动的数据。所述方法进一步包括步骤：使用处理模块处理所述数据以便确定是否使用者在放松位置。所述方法进一步包括步骤：根据使用者是否在放松位置来调整所述假体踝装置，其中调整所述假体踝装置的步骤包括自动调整假体踝装置的可配置要素。

在另一实施例中，公开了一种用于调整包括可移动地连接在大约自然人踝关节的位置的假足和肢体部件的假体踝装置的方法。所述方法包括步骤：使用至少一个传感器监控所述假体踝装置相对于地面的角度和所述假体踝装置的加速度。所述方法进一步包括步骤：确定所述假体踝装置相对于地面的角度是否落在限定的角度范围内。所述方法进一步包括步骤：确定所述装置的加速度是否高于或低于阈值加速度。所述方法进一步包括步骤：一旦确定所述踝装置相对于地面的角度落在所限定的角度范围内和一旦确定所述装置的加速度高于或低于阈值加速度时，就调整所述假足与所述肢体部件之间的角度为向足底弯曲或向足背弯曲配置。

在另一实施例中，公开了一种操作由使用者穿戴的假体踝的方法。所述方法包括步骤：提供包括足单元和下肢部件的假体踝，所述足单元和下肢部件构造成大约在自然人踝的位置旋转。所述方法进一步包括步骤：当使用者与所述假体踝一起移动时检测表面的上倾或下倾。所述方法进一步包括步骤：根据所检测的上倾或下倾调整所述足单元与所述下肢部件之间的角度。

在另一实施例中，公开了一种操作由使用者穿戴的假体踝的方法。所述方法包括步骤：提供包括足单元和下肢部件的假体踝，所述足单元和下肢部件构造成大约在自然人踝的位置旋转。所述方法进一步包括步骤：当使用者与所述假体踝一起移动时测量地形变量。所述方法进一步包括：根据所测量的地形变量调整所述足单元与所述下肢部件之间的角度。

在另一实施例中，公开了一种操作由使用者穿戴的假体踝的方法。所述方法包括步骤：提供包括足单元和下肢部件的假体踝，所述足单元和下肢部件构造成在大约自然人踝的位置旋转。所述方法还包括步骤：当使用者与所述假体踝一起在表面移动时检测所述表面的表面角度。所述方法还包括步骤：计算在所述表面上移动时所述足单元与所述下肢部件之间所希望的角度，其中至少部分基于所测量的表面角度进行计算。所述方法还包括步骤：调整所述足单元与所述下肢部件之间的角度到所希望的角度。

为了概述本发明的目的，在这里已描述了本发明的一定的方面、优点和新颖特征。应该理解：根据本发明的任何特定实施例，不一定可以取得所有这些优点。因此，本发明可以采用实现或优化这里教导的一个优点或一组优点的方式被实施或实现，而不必实现在这里可能被教导的或建议的其它优点。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的具有踝运动控制足单元的下肢假体的透视图。

图2是图1的下肢假体的透视图，其中：盖被去除以显示假体的内部部件。

图3是图2的下肢假体的侧视图。

图4是图2的下肢假体的后视图。

图5是图1的下肢假体的侧视图，盖被显示为部分去除，其中：踝运动控制足被调节以适合上倾面或斜面。

图6是图5的下肢假体的侧视图，其中：踝运动控制足被调节以适合下倾面。

图7是表示假足单元的典型实施例的踝旋转点与人足的自然踝关节之间相互关系的示意图。

图8是显示在水平地面上一次完整迈步期间，矫正或修复系统的典型实施例的踝运动的范围的曲线。

图9是具有踝运动控制足的修复或矫正系统的控制系统结构的典型实施例的框图。

图10是说明根据本发明的一个实施例的可用于调节修复或矫正系统的踝角度的控制信号的表。

图11是显示修复或矫正系统的控制与对应的健全肢体的运动之间的关系的典型实施例的曲线。

图12A是下肢假体的另一实施例的透视图。

图12B是图12A的下肢假体的侧视图。

图12C是图12B的沿平面M-M的下肢假体的剖视图。

图13是可与图12A的下肢假体一起使用的致动器的一个实施例的透视图。

图14是图13的致动器的侧视图。

图15是图13的致动器的后视图。

图16是图13的致动器的俯视图。

图17是图13的致动器的剖视侧视图。

图18是图13的致动器的分解视图。

图19是显示图12A中所示的假体的运动的不同阶段的流程图。

图20是根据本发明的另一个实施例的具有踝运动控制足单元的下肢假体的分解视图。

图21是可与图20的下肢假体一起使用的传感器组件的分解视图。

图22是图示对于上倾/下倾的各个角度的优选的踝响应角度的图表。

具体实施方式

这里描述的本发明的一些优选实施例总体涉及修复和矫正系统，并且尤其涉及具有踝运动控制足的修复和矫正设备。虽然描述列出了多种特定实施例的细节，但是应该认识到：描述仅是说明性的，并不应解释为采用任何方式限制本发明。此外，本领域的技术人员可以想到的本发明的多种应用和对本发明的修改，也由这里描述的总构思包含。

以下将参照上述附图描述系统和方法的特征。在所有附图中，标号被重复使用以指示标号之间的对应关系。附图、相关描述和具体实施方式被提供以说明本发明的实施例，但不是限制本发明的范围。

如在这里使用的术语“修复”和“假体”是宽泛的术语，并采用其通常的意义使用，并且非限制性地指可用作用于身体部分的人工替代物或支撑的任何系统、设备或装置。

如在这里使用的术语“矫正”和“矫正体”、“矫正器”是宽泛的术语，并采用其通常的意义使用，并且非限制性地指可用于支撑身体的部分、对准身体的部分、防止身体的部分的变形、保护身体的部分、纠正身体的部分的变形、使身体的部分固定不动或改进身体的部分的任何系统、设备或装置，诸如关节和/或肢体。

如在这里使用的术语“踝设备”是宽泛的术语，并且采用通常的意义使用，并涉及任何修复设备、矫正设备或踝辅助设备。

如在这里使用的术语“横穿胫骨”是宽泛的术语，并采用其普通的意义使用，并且非限制性地涉及位于身体的膝关节(包括人造膝关节)处或膝关节(包括人造膝关节)之下的任何平面、方向、位置或横断面。

如在这里使用的术语“横穿股骨”是宽泛的术语，并采用其普通的意义使用，并且非限制性地涉及位于身体的膝关节(包括人造膝关节)处或膝关节(包括人造膝关节)之上的任何平面、方向、位置或横断面。

如在这里使用的术语“纵分”是宽泛的术语，并且采有其通常的意义使用，并涉及身体的任何描述、与身体有关的或位于身体中的位置或方向，或者在身体的正中平面(即该平面将身体纵向分成右半部和左半部)或任何平行于或大体平行于身体的正中平面的平面中的位置或方向或在身体的正中平面或任何平行于或大体平行于身体的正中平面的平面的附近的位置或方向。“纵分平面”也可指任何竖直的前到后的平面，该平面平行于或近似平行于正中平面地穿过身体，并将身体分成相等的或不等的右部分和左部分。

如在这里使用的术语“冠状”是宽泛的术语，并采用其普通的意义使用，并且涉及与穿过身体的纵轴的平面有关的、位于该平面中的或者在该平面中或在该平面附近的任何方向、位置或描述。“冠状平面”也可指任何平面，该任何平面竖直或近似竖直地穿过身体，并垂直或近似垂直于正中平面，并将身体分成前部分和后部分。

图1显示了具有带有连接部件的踝运动控制足的下肢假体100的一个实施例。该假体100包括连接部件，连接部件采用下肢部件102的形式，操作地连接到足单元104。如这里使用的，术语“连接部件”是宽泛的术语，并采用通常的意义使用，并且在假足实施例中，非限制性地涉及任何部件，该任何部件直接或间接连接于足单元104，并且例如通过旋转运动可相对于足单元104运动，并且用于将假体100连接于残肢或中间假体。如所示，在踝假体实施例中，该连接部件可采用下肢部件的形式。在其它实施例中，例如矫正实施例，诸如利用矫形器，该连接部件可用于连接于身体部分和支撑身体部分，也可运动地连接到诸如足单元的第二部件，也将连接于诸如足的身体部分和支撑诸如足的身体部分。在一个实施例中，该下肢部件102是大体细长部件，细长部件具有沿近似胫骨方向(即，大体沿自然胫骨的轴线延伸的方向)延伸的主纵向轴线。例如，图1将下肢部件102显示为大体竖直的方位。

在另一实施例中，下肢部件102可包括多个部件。例如，下肢部件102可包括两个细长部件，两个细长部件沿胫骨方向近似平行地延伸，并被连接在一起。在另一实施例中，下肢部件102包括具有双侧面的腔，双侧面的腔具有两个基本上对称的部分以形成部分封闭的外壳。在另一实施例中，下肢部件102可包括中空部件，诸如管状结构。在其它实施例中，下肢部件102可包括细长扁平部分或圆形部分。在其它实施例中，下肢部件102的结构不是细长的。例如，下肢部件102可包括大体圆形、圆柱形、半圆形、拱顶形、椭圆形或矩形的结构。可能的下肢部件的一个实例是在2003年12月18日申请并且题为＂PROSTHETIC FOOT WITH ROCKER MEMBER＂的美国专利申请第10/742,455号中描述的踝模块和结构，其整体通过参考并入这里，并将认为是这个说明书的一部分。

在一个实施例中，该下肢部件102大体由诸如铝的机械金属，或碳纤维材料形成。在本发明的其它实施例中，该下肢部件102可包括适合假体设备的其它材料。在一个实施例中，该下肢部件102有利地具有近似12和15厘米之间的高度。在本发明的其它实施例中，根据使用者的尺寸和/或假体100的期望用途，下肢部件102可具有小于12厘米的高度或大小15厘米的高度。例如，该下肢部件102可具有近似20厘米的高度。

在一个实施例中，该假体100被构造以便：当假体100处于静止位置时，该下肢部件102的主纵向轴线基本上垂直于足单元104的下部表面。在另一实施例中，当足单元104停留在地面上时，下肢部件102可基本上垂直于水平地面。这种配置有利地为使用者提供了增加的支撑和/或稳定性。

如图1中所示，该下肢部件102还包括盖106。该盖106容纳和/或保护下肢部件102的内部部件。在另一实施例中，该盖106可是圆形的，或可采用自然人腿的形式形成。

该下肢部件102还包括连接部108，以有利于下肢部件102的连接。例如，如图1所示，下肢部件102的连接部108将假体100连接到支架(pylon)110。在本发明的其它实施例中，该连接部108可被配置以将假体100连接到被截肢者的残肢或另一假体设备。图1还显示了控制线112，控制线112可用于提供电力到假体100和/或将控制信号传送到假体100。

该足单元104可包括多种类型的修复或矫正足。如图1所示，该足单元104加入了在2003年8月15日申请并且题为＂LOWPROFILE PROSTHETIC FOOT＂的申请人的共同未决的美国专利申请第10/642,125号中描述的设计，该申请通过参考整体并入这里，并将认为是这个说明书的一部分。例如，该足单元104可包括可从

获得的标准LP VARI-FLEX(R)单元。

在一个实施例中，该足单元104被配置以在足单元104上施加与重量或冲击水平成比例的响应。此外，该足单元104可包括振动吸收部，用于脚后跟的舒服加载和/或用于返回消耗的能量。该足单元104可包括具有增强的柔性的全长脚趾杆，以为假肢提供迈步长度，该假肢模仿健康肢体的迈步长度。此外，如图1所示，该足单元104可包括分裂脚趾结构，这有利于不平坦的地形上的运动。该足单元104还可包括诸如例如可从

获得的标准Flex-Foot盖的掩饰物或足盖。

图2显示了盖106被去除的假体100。如所示，在旋转组件114处，下肢部件102的下端被连接到足单元104。如所示，下肢部件102被连接到足单元104的踝板，踝板从足单元104的脚趾部大体向后和向上延伸。该旋转组件114允许足单元104相对于下肢部件102的角运动。例如，在一个实施例中，该旋转组件114有利地包括至少一个旋转销。在其它实施例中，该旋转组件114包括铰链、多轴结构、多中心配置、上述结构的组合或类似结构。优选地，该旋转组件114位于足单元104的一部分上，该一部分接近足单元104的自然踝位置。在本发明的其它实施例中，该旋转组件114可通过螺栓连接到足单元104或以其它方式可释放地连接到足单元104。

图2还显示了具有致动器116的假体100。在一个实施例中，该致动器116有利地提供给假体100所需能量，以执行同步于被截肢者的移动的角位移。例如，该致动器116可导致足单元104类似于自然的人类足部地运动。在一个实施例中，在第一连接点118处，该致动器116的下端被连接到足单元104。如所示，在足单元104的后部，该足连接点118有利地位于足单元104的上部表面上。在第二连接点120处，该致动器116的上端被连接到下肢部件102。

在一个实施例中，该致动器116的线性运动(或伸长和收缩)控制或者主动调节足单元104和下肢部件102之间的角度。图2显示了包括双螺杆电机的致动器116，其中：该电机相对于下肢部件102推或拉足单元104的后部。在其它实施例中，该致动器116包括能够主动调节多个部件之间的角度或提供多个部件之间的运动的其它机构。例如，该致动器116可包括单螺杆电机、活塞汽缸类型结构、伺服电机、步进电机、旋转电机、弹簧、流体致动器或相类似物。在其它实施例中，该致动器116可仅在一个方向上主动调节下肢部件102和足单元104之间的角度。在这种实施例中，使用者的重量也可用于控制由致动器116导致的角度和/或致动器116的运动。

图2显示了采用后置结构的致动器116，其中：该致动器116位于下肢部件102后面。在其它实施例中，该致动器116可采用前置结构，其中：该致动器116位于下肢部件102前面。在本发明的另一实施例中，该致动器116包括自动调节踝结构，并加入诸如在美国专利第5,957,981号中描述的设计的设计，美国专利第5,957,981号整体通过参考并入这里，并将被认为是这个说明书的一部分。该特殊配置或结构可被选择以非常接近地模仿自然人踝关节的运动和位置，并且以有利于假体100插入外部美容件。

此外，该致动器116有利地被配置为操作而不发出由使用者和/或其它人感觉到的大噪声，诸如间歇噪声。该致动器116也可被配置成如果假体100受到超过特定水平的诸如在纵分平面中的扭矩，该致动器116不操作或调节。例如，如果扭矩水平超过4牛顿米(Nm)，该致动器116可停止操作或可发出警告。

该致动器116也可基本上被包围在图1中所示的盖106内，以便致动器116的部分不可视和/或不暴露于环境。在另一实施例中，该致动器可至少部分地由下肢部件102包围。

图2还显示了可用于控制致动器116和/或足单元104的操作的控制电路122。在一个实施例中，该控制电路122包括至少一个印刷电路板(PCB)。PCB还可包括微处理器。软件也可驻留在PCB上，以执行信号处理和/或控制假体100的运动。

在一个实施例中，该假体100包括为控制电路122和/或致动器116供电的电池(未显示)。在一个实施例中，该电池包括可充电锂离子电池，电池优选地具有至少12到16小时的供电周期。在其它实施例中，电池的供电周期可小于12小时，或可大于16小时。在本发明的其它实施例中，电池包括可用于为假体100提供电力的锂聚合物电池、燃料电池技术或其它类型的电池或技术。在其它实施例中，该电池可拆卸地连接于下肢部件102的后表面，连接于假体100的其它部分，或位于远离假体100的位置。在其它实施例中，该假体100可被连接到外部电源，诸如通过壁式适配器或汽车适配器，以为电池充电。

在一个实施例中，该假体100被构造为：当电池耗尽电力或进入低电力阶段时，当足单元104正停留在水平地面上时，该假体100锁定在中性位置，诸如下肢部件102相对于水平地面大体竖直地对准。这种锁定为使用者提供了操作安全、可靠性和/或稳定性。该假体100还可提供电池状态显示器，显示器向使用者发出关于电池状态(即充电)的警告。在其它实施例中，当使用者关闭或禁用假体100的动作控制功能时，该假体100锁定在基本上中性的位置。

如上讨论，美容材料或其它衣服可与假体100一起使用，以给假体100更自然的外观或形状。此外，美容、衣服或其它填充材料可用于防止污染物接触假体100的部件，诸如污物或水。

图3显示了根据本发明的一个实施例的假体100的侧视图。如在图3中所示，该致动器116还包括主外壳124、下部可伸出部分126和上部可伸出部分128。在第一连接点118处，该下部可伸出部分126将致动器116的主外壳124连接到足单元104。在第二连接点120，该上部可伸出部分128将致动器116的主外壳124连接到下肢部件102。在假体100的操作和主动调节期间，下部可伸出部分126和/或上部可伸出部分128移入和/或移出致动器116的主外壳124，以调节足单元104与下肢部件102之间的角度。

例如，为增加足单元104与下肢部件102之间的角度，该致动器116导致下部可伸出部分126和/或上部可伸出部分128收缩或缩回入主外壳124。例如，可伸出部分126，128中的至少一个可具有螺纹表面，以便沿一个方向(例如，顺时针)的旋转导致可伸出部分缩入致动器的主外壳124。在其它实施例中，可伸出部分126，128中的至少一个包括多个套管件，以便在收缩时，可伸出部分的多个件中的一个收缩入多个件中的另一个，而不缩入主外壳124。类似地，为减小足单元104与下肢部件102之间的角度，下部可伸出部分126和/或上部可伸出部分128可从主外壳124伸出。

在具有用于致动器116的前部配置的本发明的实施例中，下部可伸出部分126和/或上部可伸出部分128的伸出导致足单元104与下肢部件102之间的角度的增加。类似地，下部可伸出部分126和/或上部可伸出部分128的收缩导致足单元104与下肢部件102之间的角度的减小。

图4显示了图1-3中所示的假体100的后视图。在本发明的其它实施例中，该盖106围绕假体100的后部延伸以容纳致动器116的至少一部分，以便致动器116的部分不可见和/或未暴露于环境。

图5和6显示了调节为上倾和下倾时的假体100的一个实施例。参照图5，该假体100显示为调节为上倾。在这个实施例中，该致动器116延伸以减小下肢部件102和足单元104之间的角度Θ(或向足背弯曲)。关于向足背弯曲，在一个实施例中，假体100的运动的角度范围是从中性位置约0到10度。其它实施例也可有利于在摆动阶段期间扩大向足背弯曲。

图6显示了当调节为下倾时的假足100。该致动器116延伸以增加下肢部件102和足单元104之间的角度Θ(或“向足底弯曲”)。关于向足底弯曲，在一个实施例中，该假体100的运动的角度范围是从中性位置约0到20度。这种向足底弯曲模仿自然踝运动，并提供给被截肢者或使用者更大的稳定性。在一个实施例中，围绕假体100的踝旋转轴线的运动的总范围(包括向足底弯曲和向足背弯曲)是近似30度或更多。

除了关于上倾和下倾的操作，假体100的运动控制足有利地适应不同的地形，在上下楼梯时操作，并有利于水平地面走动。此外，该假体100可提供可自动调节脚后跟高度的性能。在一个实施例中，当足单元104相对于地面大体水平时，可测量从下肢部件102的踝部到地面表面的脚后跟高度。例如，使用者可调节到多种脚后跟高度，诸如通过按压一个或多个按钮，以便假体100自身自动对准到适合的脚后跟高度。在一个实施例中，该假体100包括多个预先确定的脚后跟高度。在其它实施例中，假体100可自动调节脚后跟高度，无需使用者进行输入。

图5和6进一步显示了连接部108的一个实施例。该连接部108提供被截肢者的自然肢体与假体100之间的对准，并且可被配置为减小压力峰值和剪切力。例如，该连接部108可被配置为连接于另一假体，被截肢者的残肢，或另一部件。在一个实施例中，该连接部108包括插座式连接器。该插座式连接器可被配置为容纳32mm螺纹部件、公棱锥体类型连接器或其它部件。在其它实施例中，该连接部108还可包括母棱锥体适配器或配置为容纳母棱锥体适配器。

如图5和6所示，该旋转组件114被定位为模仿普通人的踝轴线。图7还显示了示意图，显示了在假足单元204上的踝旋转点与自然人足的踝关节之间的相互关系。特别是该假足单元204包括旋转组件214，旋转组件214对应于人足242的踝关节240。例如，在本发明的一个实施例中，该旋转组件114接近假体100的机械踝旋转中心定位。

图8显示描述在水平地面一次完整的迈步期间，假体100的实施例的踝运动的可能范围的曲线。如所示，曲线的x轴表示在使用者的一个完整迈步期间(即0％到100％)的多个点。该y轴表示相对于假足在中性位置时的踝角度，假足100的踝角度(Δ)。在一次完全的迈步期间，踝角度(Δ)从近似20度向足底弯曲(即中性位置角度+10度)变化到近似10度向足背弯曲(即中性位置角度—20度)。

在如上所述的实施例中，当调节运动的角度范围时，未提供阻尼。在本发明的另一实施例中，该假体100被配置为对下肢部件102和足单元104之间的角度变化提供阻尼或被动软阻力。用于控制这种阻尼的系统的实例在美国专利第6,443,993号中进行了公开，专利第6,443,993号通过参考并入这里，并将被认为是这个说明书的部分。

例如，当使用者在站立位置时，该致动器116可提供增加的阻力或阻尼，以为使用者提供稳定性。在本发明的一个实施例中，假体100的阻尼可由液压阻尼器提供。在本发明的其它实施例中，本领域中已知的其它部件或设备可用于为假足100提供阻尼。此外，在本发明的一个实施例中，阻尼器可以动态控制，诸如通过电子控制系统，这将在下面更详细地讨论。在其它实施例中，该阻尼器可通过机械和/或流体类型结构控制。

还应该认识到：虽然上述描述大体针对修复系统和设备，但是该描述也可应用于具有矫正系统或设备的本发明的实施例。例如，在本发明的一个实施例中，矫正系统可包括至少一个致动器，致动器主动控制与受伤或衰弱的踝一起使用的矫正器的角度。此外，除了矫正系统的电子控制外，矫正系统还可提供使用者的受伤踝或腿的控制或自然运动。

此外，上述系统可在横穿胫骨的系统或膝下系统以外的修复或矫正系统中实施。例如，在本发明的一个实施例中，该修复或矫正系统可用于横穿股骨的系统或膝上系统中，诸如公开在下面的文件中的系统：2004年5月7日申请的美国临时申请第60/569,512号，题为＂MAGNETORHEOLOGICALLY ACTUATED PROSTHETICKNEE＂；2004年11月3日申请的美国临时申请第60/624,986号，题为＂MAGNETORHEOLOGICALLY ACTUATED PROSTHETIC KNEE＂；和2005年5月6日申请的美国专利申请第11/123,870号，题为＂MAGNETORHEOLOGICALLY ACTUATED PROSTHETIC KNEE＂，每个都通过参考整体并入这里，并被认为是本说明书的一部分。例如，该修复或矫正系统可包括修复或矫正踝和/或修复或矫正膝。

图9显示了用于踝运动控制足的控制系统300的系统结构的一个实施例的框图。在本发明的一个实施例中，该控制系统300可由图1-6中所示的下肢假体100使用。在本发明的其它实施例中，控制系统300可由具有踝运动控制足或其它运动控制肢体的矫正系统或复原系统使用。在一个实施例中，该控制系统300基于分布式处理系统，其中：利用彼此通信的多个处理器执行或控制由修复或矫正系统执行的不同功能，诸如检测、数据处理和致动。参照图9，该控制系统300包括：传感器模块302；踝设备304(诸如例如在图1所示的假体100)；中央处理单元(＂CPU＂)305；存储器306；接口模块308；控制驱动模块310；致动器316；和电源模块318。

在一个实施例中，图9中所示的控制系统300利用CPU 305，处理从检测模块302接收的数据。该CPU 305与控制驱动模块310连通，以控制致动器316的操作，以通过踝设备304模仿自然踝运动。此外，该控制系统300可预测踝设备304可能需要调节以适合使用者的运动方式。通过接口模块308，CPU 305也可接收来自使用者和/或其它设备的命令。该电源模块318为控制系统300的其它部件提供电力。下面，更详细地描述这些部件中的每个。

在一个实施例中，该传感器模块302用于测量关于踝设备304的变量，诸如整个步行循环期间踝设备304的位置和/或运动。在这种实施例中，该传感器模块320有利地位于踝设备304上。例如，该传感器模块302可接近诸如图2中所示的假体100的旋转组件114的踝设备304的机械踝旋转中心定位。在另一实施例中，该传感器模块302可位于连接于踝设备304或与踝设备304关联的使用者的自然肢体上。在这种实施例中，该传感器用于捕获关于使用者的踝设备侧的自然肢体运动的信息，以调节踝设备304。

在一个实施例中，该传感器模块302有利地包括：印刷电路板，印刷电路板容纳有：诸如加速度计的多个传感器，每个传感器测量踝设备304沿不同轴线的加速度。例如，该传感器模块302可包括三个加速度计，三个加速度计测量踝设备304沿三个基本上彼此垂直的轴线的加速度。适用于传感器模块302的类型的传感器可例如从Dynastream Innovations.Inc.(Alberta，加拿大)获得。

在其它实施例中，该传感器模块302可包括一个或多个其它类型的传感器，其它类型的传感器与加速度计组合或代替加速度计。例如，该传感器模块302可包括陀螺仪，陀螺仪配置为测量体节和/或踝设备304的角速度。在其它实施例中，该传感器模块302包括足底压力传感器，足底压力传感器配置为测量例如具体足下区域的垂直足底压力。在其它实施例中，该传感器模块302可包括如下的一个或多个：运动学传感器；单轴陀螺仪；单轴或多轴加速度计；负载传感器；弯曲传感器；或肌电传感器，它们可被配置为从使用者的自然肢体捕获数据。美国专利第5,955,667号、美国专利第6,301,964号和美国专利第6,513,381号也描述了传感器的实例，该传感器可与本发明的实施例一起使用，这些专利通过参考整体并入这里，并被认为是这个说明书的一部分。

此外，该传感器模块302可用于捕获例如关于一个或多个如下数据的信息：踝设备304相对于地面的位置；该踝设备304的倾斜角度；相对于踝设备304的位置的重力方向；关于使用者的迈步的信息，诸如踝设备304接触地面(例如“脚后跟受力”)、在中间迈步中或离开地面(例如，“脚趾离开”)的时间、在摆动阶段的峰值处假体100自地面的距离(即在摆动阶段的最大高度)；摆动阶段的峰值的定时；和类似数据。

在其它实施例中，该传感器模块302可被配置为检测步法模式和/或事件。例如，该传感器模块302可确定使用者是否在站立/停止位置、在水平地面上行走、上和/或下楼梯或倾斜表面等。在其它实施例中，该传感器模块302被配置为检测或测量踝设备304的脚后跟高度和/或确定静态胫角度，以检测使用者在就座位置中的时间。

如图9所示，在本发明的一个实施例中，传感器模块302还被配置为测量环境或地形变量，包括下面的环境或地形变量中的一个或多个：地表面的特征；地表面的角度；空气温度；和风阻。在一个实施例中，测量温度可用于校准其它传感器的增益和/或偏差。

在其它实施例中，该传感器模块302捕获有关使用者的自然肢体的运动和/或位置的信息，诸如健康的腿。在这种实施例中，下面的方式可以是优选的，当在上倾面或下倾面上操作时，使用者的第一步利用健康腿进行。这将允许在调节踝设备304前从健康腿的自然运动取得测量值。在本发明的一个实施例中，在踝设备304在第一步的摆动阶段时，该控制系统300检测使用者的步法，并相应地调节踝设备304。在本发明的其它实施例中，可存在一段等待时间，在所述一段等待时间在能够准确地确定使用者的步法并适当地调节踝设备304前，控制系统300需要一个或两个迈步。

在本发明的一个实施例中，该传感器模块302具有100赫兹(Hz)的缺省采样率。在其它实施例中，采样率可高于或低于100Hz，或可由使用者调节，或可由软件或参数设置自动调节。此外，该传感器模块302可提供正被检测的数据类型之间的同步，或包括时间戳记。该传感器还可被配置为具有近似0.5度的角度分辨率，允许踝设备304的精细调节。

在一个实施例中，该传感器模块302被配置为：当不需要检测时，诸如例如当使用者在坐着的位置或斜倚位置正在放松时，该传感器模块302降低能耗进入“睡眼”模式。在这种实施例中，在传感器模块302运动时或由使用者进行输入时，该传感器模块302可从睡眠状态唤醒。在一个实施例中，在“运行”模式中，该传感器模块302消耗近似30毫安(mA)，并且当在“睡眠”模式中时，消耗约0.1mA。

图9显示了与CPU 305通信的传感器模块302。在一个实施例中，该传感器模块302有利地将测量数据提供给CPU305和/或控制系统300的其它部件。在一个实施例中，该传感器模块302被连接到发射机，诸如例如蓝牙

发射机，该发射机将测量值发送到CPU 305。在其它实施例中，可以使用其它类型的发射机或无线技术，诸如红外技术、WiFi(R)技术，或射频(RF)技术。在其它实施例中，有线技术可用于与CPU 305通信。

在一个实施例中，该传感器模块302将数据串发送到CPU 305，数据串包括多种类型的信息。例如，数据串可包括160比特，并包括如下信息：[TS；AccX；AccY；AccZ；GyroX，GyroY，GyroZ，DegX，DegY，FS，M]；

其中：TS＝时间戳；AccX＝沿X轴的足的线性加速度；AccY＝沿Y轴的足的线性加速度；AccZ＝沿Z轴的足的线性加速度；GyroX＝沿X轴的足的角加速度；GyroY＝沿Y轴的足的角加速度；GyroZ＝沿Z轴的足的角加速度；DegX＝在冠状平面中的足的倾角；DegY＝在纵分平面中的足的倾角；FS＝在踝设备304中的开关的逻辑状态；和M＝传感器的方位。在本发明的其它实施例中，可以使用包括或多或少信息的其它长度数据串。

该CPU 305有利地处理从控制系统300的其它部件接收的数据。在本发明的一个实施例中，该CPU 305处理关于使用者的步法的信息(诸如从传感器模块302接收的信息)；确定移动类型(即步法模式)；和/或向控制驱动模块310发送命令。例如，由传感器模块302捕获的数据可用于产生描绘关于使用者的步法或运动的信息的波形。CPU 305可识别波形的后续变化，以预测使用者的未来运动，并相应地调节踝设备304。在本发明的一个实施例中，该CPU 305可检测从低到每分钟20步到高达每分钟125步的步法模式。在本发明的其它实施例中，CPU 305可检测步法模式，步法模式低于每分钟20步，或高于每分钟125步。

在本发明的一个实施例中，根据下表(表1)，CPU 305处理关于状态转换的数据。特别是表1显示了可与控制系统300一起使用的可能状态转换。表1的第一列列出了踝设备304的可能最初状态，并且第一行列出了踝设备304的可能的第二状态。表1的主体确定了在从第一状态到第二状态的转换期间，CPU 305在控制或主动调节致动器316和踝设备304中，使用的数据源；其中：＂N＂表示状态转换不需要另外的数据；＂L＂表示CPU 305使用转换逻辑以确定在状态转换期间对踝设备304的调节；和＂I＂表示CPU从接口(例如接口模块308，外部用户接口，电子接口或类似物)接收数据。相关领域中的普通技术人员可开发可与本发明的实施例一起使用的转换逻辑。用于与本发明的实施例类似的系统和方法中的转换逻辑的实例在下面的文件中进行了公开：2004年5月19日申请的美国临时申请第60/572,996号，题为＂CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR A PROSTHETIC KNEE＂；和2005年3月9日申请的美国申请第11/077,177号，题为＂CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR A PROSTHETIC KNEE＂；每个申请都通过参考整体并入这里，并被认为是本说明书的一部分。

表1

在一个实施例中，表1中的上述状态是踝设备304的预先确定的状态。例如，“OFF”状态可表示踝设备304和致动器316的功能处于关闭或暂停模式。＂HEEL_HEIGHT_CAL＂状态涉及从静态传感器角度测量脚后跟高度，诸如例如当踝设备304未运动时。＂SENSOR_CAL＂状态涉及当使用者在水平面上行走时的表面角度校准。＂NEUTRAL＂状态涉及当踝设备304锁定在基本上固定位置时。该＂WALK＂状态涉及当使用者正在诸如水平面或斜面上行走时。＂STAIRS_UP＂和＂STAIRS_DOWN＂状态涉及使用者分别上楼梯和下楼梯行走时。＂RELAX＂状态涉及使用者处于放松位置时。例如，在一个实施例中，＂RELAX＂状态涉及当使用者在就坐位置，而具有踝设备304的肢体交叉在另一肢体上时。在这种实施例中，控制系统300可使踝设备304运动到最大向足底弯曲位置，以例如模仿健康足的自然位置和/或外观。该＂PANTS＂状态涉及当使用者正穿裤子、长裤、短裤或相类似物时。在这种状态中，在一个实施例中，控制系统300可使踝设备304运动到最大向足底弯曲位置，以有利于将衣物穿在踝设备304上方。

在本发明的其它实施例中，代替表1中列出的状态或与表1中列出的状态组合，踝设备304可以使用其它状态。例如，可确定对应于躺下、骑车、爬梯子等的状态。此外，在控制状态转变中，CUP 305和/或控制系统300可处理自不同于表1中列出的那些来源的来源的数据或取得自不同于表1中列出的那些来源的来源的数据。

在其它实施例中，CPU 305可执行多种其它功能。例如，CPU305可使用从传感器模块302接收的信息，以检测使用者绊倒。该CPU 305可用作控制系统300的部件之间的通信的管理器。例如，该CPU 305可用作控制系统300的多个部件之间的通信总线用的主设备。如所示，在一个实施例中，CPU 305与电源模块318连通。例如，CPU 305可为控制系统300的其它部件提供电力分配和/或转换，并且还可监控电池电力或电池寿命。此外，该CPU 305可起作用以当使用者在就坐或站立位置中时，暂时中止或减小对控制系统300的供电。这种控制用于在减小使用期间节约能源。该CPU 305也可处理出错处理，诸如当在部件之间的通信出现故障时，当从传感器模块302接收到未识别信号或波形时，或当自控制驱动模块310或踝设备304的反馈导致错误或出现故障时。

在本发明的其它实施例中，当分析来自传感器模块302的信息和/或将命令发送给控制驱动模块310时，CPU 305使用或计算安全系数。例如，安全系数可包括一定范围的值，其中：更高值表示关于使用者的确定移动类型的更高确定性程度；和更低安全系数表示关于使用者的移动类型的更低确定性程度。在本发明的一个实施例中，可不对踝设备304进行调节，除非识别使用者的移动类型并且安全系数超过预定阈值。

在一个实施例中，CPU 305包括模块，该模块包含嵌入硬件或固件的逻辑，或包含采用诸如例如C++编程语言编写的软件指令的集合。软件模块可经编译并链接到安装在动态链接库中的可执行程序，或可采用诸如BASIC的解释语言编写。应该认识到：软件模块可从其它模块或从它们本身调用，和/或可响应检测的事件或中断被调用。软件指令可嵌入固件，诸如EPROM或EEPROM。还应该认识到：硬件模块可包含诸如门电路和触发电路的连接逻辑单元，和/或可包括诸如可编程门阵列或处理器的可编程单元。

图9还显示CPU 305包括用于存储指令和/或数据的存储器306。例如，该存储器306可存储如下类型的数据或指令中的一个或多个：用于控制系统300的其它部件的错误日志；关于步行模式或曲线的信息；关于使用者的过去活动的信息(例如，步数)；控制参数和设定点；关于软件调试或升级的信息；修复或矫正系统的基本运动用的预编程算法；关于传感器模块302或其它部件的校准值和参数；从外部设备下载的指令；上述数据或指令的组合等。

该存储器306可包括任何缓冲器、计算设备或能够存储计算机指令和/或由另一计算设备或计算机处理器访问的数据的系统。在一个实施例中，该存储器306是作为CPU 305的一部分的高速缓冲存储器。在本发明的其它实施例中，该存储器306是与CPU 305分开的。在本发明的其它实施例中，存储器306包括随机存取存储器(RAM)或可包括其它集成和可存取的存储器设备，诸如例如只读存储器(ROM)，可编程ROM(PROM)，和电可擦可编程ROM(EEPROM)。在另一实施例中，该存储器306包括可拆卸式存储器，诸如存储卡、可拆卸式驱动器或相类似物。

在一个实施例中，CPU 305还可被配置为经接口模块308，接收自使用者或从外部设备的用户特定的或特定活动的指令。该CPU 305还可接收对已存在的指令的更新。此外，该CPU 305可与个人计算机、个人数字助理或类似物通信，以下载或接收操作指令。特定活动的指令可例如包括关于骑车、驾驶、上梯子或下梯子的数据，来自雪或沙子中行走的调节等。

在一个实施例中，该接口模块308包括接口，使用者访问该接口，以控制或管理修复或矫正系统的部分或功能。在一个实施例中，该接口模块308是柔韧键盘，该键盘具有多个按钮和/或多个发光二极管(LED)，可用于接收自使用者的信息和/或将信息传送给使用者。例如，该LED可指示电池的状态，或可将确认信号传送给使用者。该接口模块308可有利地位于踝设备304上。此外，该接口模块308可包括USB连接器，可用于与诸如个人计算机的外部计算设备通信。

在另一实施例中，该接口模块308包括通/断开关。在另一实施例中，该接口模块308可接收有关使用者控制的脚后跟高度或修复或矫正系统的强行放松模式的输入。在其它实施例中，使用者可调节假体的期望响应的类型，或启用/禁用踝设备304的特定功能。来自使用者的输入可直接经由接口模块308输入，诸如通过致动按钮，或者使用者输入可经由遥控器接收。

该接口模块308可包括触摸屏、按钮、开关、振动器、警告器或其它输入接收或输出结构或设备，以允许使用者将指令发送给控制系统300或从控制系统300接收信息。在本发明的另一实施例中，该接口组件308包括诸如插头的附加结构，用于诸如在家或在车辆中，对为控制系统300供电的电池充电。在本发明的其它实施例中，该接口模块308也可与CPU 305以外的控制系统300的部件直接或间接通信。

该控制驱动模块310用于将从CPU 305接收的高级计划或指令翻译成低级控制信号，以发送到致动器316。在一个实施例中，该控制驱动模块310包括印制电路板，印制电路板实现关于致动器316的管理的控制算法和任务。另外，该控制驱动模块310可用于实现硬件抽象层(hardware abstraction layer)，硬件抽象层将CPU 305的决策过程(decision process)翻译为致动器316的实际硬件定义。在本发明的另一实施例中，该控制驱动模块310可用于将关于致动器316或踝设备304的位置或运动的反馈提供给CPU 305。该控制驱动模块310也可用于通过CPU 305在检测到使用者在倾斜表面上走动时，调节致动器316到新的“中性”设置。

在本发明的一个实施例中，该控制驱动模块310位于踝设备304内。在其它实施例中，该控制驱动模块310可位于踝设备304的外部，诸如在插座上，或远离踝设备304。

该致动器316用于踝设备304的受控运动。在一个实施例中，该致动器316功能类似于关于图1-6描述的致动器116的功能，致动器116控制假体100的踝运动。在本发明的其它实施例中，该致动器316可被配置为控制矫正设备的运动，诸如矫形器或其它类型的支撑结构。

该踝设备304包括用于模仿诸如踝的关节运动和至少部分地由致动器316控制的任何结构装置。特别是该踝设备304可包括修复设备或矫正设备。

该电源组件318包括可用于为控制系统300供电的一个或多个电源和/或连接器。在一个实施例中，该电源模块318有利地是便携的，并且可例如包括如前描述的可充电电池。如图9所示，电源模块318与控制驱动模块310和CPU 305通信。在其它实施例中，代替控制驱动模块310和CPU 305或与控制驱动模块310和CPU 305组合，该电源模块318与其它控制系统300部件通信。例如，在一个实施例中，电源模块318直接与传感器模块302通信。此外，该电源模块318可与接口模块308通信，以便使用者能够直接控制供应到控制系统300的一个或多个部件的电力。

该控制系统300的部件可通过多个通信链路或线路(link)彼此通信。图9显示了两类链路或线路：主通信链路或线路，其显示为部件之间的实线；和副通信链路或线路，其显示为虚线。在一个实施例中，主通信链路或线路根据设立的协议操作。例如，主通信链路或线路可在控制系统300的物理部件之间延伸。另一方面，副通信链路或线路可采用与主通信链路或线路不同的协议或级(level)操作。例如，如果在主通信链路或线路和副通信链路或线路之间存在冲突，来自主通信链路或线路的数据将取代来自副通信链路或线路的数据。该副通信链路或线路在图9中显示为控制系统300和环境之间的通信通道。在本发明的其它实施例中，通过其它类型的通信链路或线路或方法，该模块可彼此和/或与环境通信。例如，所有通信链路或线路可利用相同的协议或在相同级的层次操作。

也可以预期：控制系统300的部件可采用不同形式集成。例如，这些部件能够被分成几个子部件，或能够分成位于不同位置并且彼此诸如通过有线或无线网络通信的多个设备。例如，在一个实施例中，模块可通过RS232或串行外设接口(SPI)信道通信。多个部件也可组合成单个部件。也可预期到：这里描述的部件可集成入更少量的模块中。一个模块也可分成多个模块。

虽然参照特定实施例进行了公开，但是该控制系统300可包括比上述系统更多或更少的部件。例如，该控制系统300还可包括致动器电位计，致动器电位计用于控制或细调节致动器316的位置。使用者也可使用致动器电位计，以调节踝设备304的脚后跟高度。在一个实施例中，该致动器电位计与CPU 305通信。在其它实施例中，该控制系统300还包括振动器、DC插孔、保险丝、及其组合等。

类似或其它控制系统和其它相关结构和方法的实例在下面文件中进行了公开：2003年6月17日申请的美国专利申请第10/463,495号，题为＂ACTUATED LEG PROSTHESIS FOR ABOVE-KNEEAMPUTEES＂，现在公布为美国专利公开第2004/0111163号；2003年6月20日申请的美国专利申请第10/600,725号，题为＂CONTROLSYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING AN ACTUATEDPROSTHESIS＂，现在公布为美国专利公开第2004/0049290号；2003年7月25日申请的美国专利申请第10/627,503号，题为＂POSITIONINGOF LOWER EXTREMITIES ARTIFICIAL PROPRIOCEPTORS＂，现在公布为美国专利公开第2004/0088057号；2003年11月25日申请的美国专利申请第10/721,764号，题为＂ACTUATED PROSTHESIS FORAMPUTEES＂，现在公布为美国专利公开第2004/0181289号；和2003年11月18日申请的美国专利申请第10/715,989号，题为＂INSTRUMENTED PROSTHETIC FOOT＂，现在公布为美国专利公开第2005/0107889号，每个文件通过参考整体并入这里，并被认为是本说明书的一部分。此外，在本发明的实施例中可以使用的其它类型的控制系统在如下文件中进行了公开：2004年3月10日申请的题为＂CONTROL SYSTEM FOR PROSTHETIC KNEE＂的美国临时申请第60/551,717号；2004年5月7日申请的题为＂CONTROL SYSTEMAND METHOD FOR A PROSTHETIC KNEE＂的美国临时申请第60/569,511号；和2004年5月19日申请的题为＂CONTROL SYSTEMAND METHOD FOR A PROSTHETIC KNEE＂的美国临时申请第60/572,996号，上述文件通过参考整体并入这里，被认为是本说明书的一部分。

图10是说明根据本发明的一个实施例的当使用者在不同移动状态或类型之间转换时，可能涉及修复或矫正设备的踝角度的调整的可能控制信号的表。具体而言，栏402中列出的状态标识了使用者的第一状态，并且行404中列出的状态标识了使用者的第二状态，或使用者转换到的状态。该表的剩余部分标识修复或矫正设备相对于踝角度可能采取的可能动作。＂使用者设定点＂是在鞋后跟高度调节期间可以设置的中性值或缺省值。指定的角度是对修复或矫正设备的踝角度的改变的实例。例如，当使用者从“站立”状态转换到“上楼梯”状态时，踝角度可被调节到楼梯的角度，诸如例如-10度(或10度向足背弯曲)。在“上倾”和“下倾”栏中给出的踝角度反应了根据倾角踝角度调节的阈值水平。

下表(表2)显示了本发明的一个实施例的可能踝运动策略。表2的第一列列出了可能频繁检测到的不同类型的移动类型或步行模式。表2的第二列列出了在每种列出的移动类型的摆动阶段期间，修复或矫正设备的踝角度调节的实例。

表2

 

移动类型/步行模式	在踝设备的摆动阶段的踝运动
		水平地面行走	在摆动期间(或迈步期间)的脚趾(离地)间隙
上楼梯	向足背弯曲的踝调节(例如7.5°)
		下楼梯	向足背弯曲的踝调节(例如5°)
上倾(向上)	向足背弯曲的踝调节a)两个上倾角度阈值级(x°，y°)b)逐步(2步)角度调节(z°，w°)实例：如果上倾角度>x°，踝将调节为-z°，如果上倾角度>y°，踝将调节为-w°，其中：x＝2.5°，并且y＝5°。
		下倾	向足底弯曲的踝调节a)两个下倾角度阈值级(x°，y°)b)逐步(2步)角度调节(z°，w°)实例：如果下倾角度>x°，踝将调节为z°，如果下倾角度>y°，踝将调节为w°，其中：x＝2.5°，并且y＝5°。
就座/放松	设置脚后跟高度
		调节脚后跟高度	最高20°的向足底弯曲的无级脚后跟高度调节

图11是显示说明修复或矫正腿的控制与从健康并健全的腿取得的测量值之间的相互作用和关系的曲线。具体而言，图11显示了在使用者的一个完整迈步期间，修复或矫正腿与健康腿的运动。例如，在迈步的首先的近似60％期间，该曲线显示了在“站立”位置或站在诸如地面的表面上时的修复或矫正腿。在一个实施例中，在站立阶段的开始部分期间，修复或矫正腿的踝角度可减小(向足背弯曲)。向站立阶段末尾，修复或矫正腿的踝角度然后可增加(向足底弯曲)以有利于自然迈步运动。在本发明的其它实施例中，在站立阶段期间，修复或矫正腿的踝角度未主动调节。在该同一时间段的一部分期间，最多到近似点40％，健康腿可在摆动位置中，其中：该健康腿不与地面接触。在近似40％和60％的点之间，两腿接触地面。

从近似点60％到100％(迈步结束)，该修复或矫正腿处于摆动位置中，并且健康腿与地面接触。图11中的曲线显示在摆动阶段期间，修复或矫正腿的踝角度被调节。该角度调节可基于在健康腿的摆动阶段期间，健康腿的先前测量值。在一个实施例中，在修复或矫正腿的摆动阶段的开始部分期间，该修复或矫正腿的踝角度可减小。这例如允许修复或矫正腿的脚趾部不接触楼梯。向修复或矫正腿的摆动阶段的后面部分，在接触地面前，修复或矫正腿的踝角度然后可增加。在其它实施例中，角度调节基于在假体侧的传感器取得的读数。

应该理解：图11示例性地说明了在特定条件下，本发明的一个实施例的功能。其它实施例或环境可需要更长或更短站立或摆动阶段，并需要对假腿的踝部的角度的其它调节。

图12A-12C显示了配置为连接于人类肢体的下肢假体100′的另一实施例。除下面指出的部分，下肢假体100′类似于图2中所示的下肢假体100。因此，除了“′”被加到标号，用于指出下肢假体100′的多种部件的标号与用于标识图2中的下肢假体100的对应部件所使用的标号相同。

该下肢假体100′包括连接到第二部分104′的第一部分102′，其中：该第一部分和第二部分102′，104′可相对于彼此运动，以模仿自然的人关节。在所示实施例中，第一部分是下肢部件102′；并且第二部分是假足单元104′，该假足单元104′操作地连接到下肢部件102′，以模仿自然人类踝关节。该足单元104′包括：在足单元104′的后端处的脚后跟部104a′；和在足单元104′的前端处的趾部104b′。在一个实施例中，脚后跟部和脚趾部104a′，104b′能够是整体的。在另一实施例中，该脚后跟部和脚趾部104a′，104b′能够是例如经由螺栓、螺钉、粘合剂和相类似物紧固到彼此的单独部件。在所示实施例中，该假足单元104′是可从

商业获得的LP VARI-FLEX(R)假足。然而，该足单元104′能够具有其它配置或设计。在另一实施例(未显示)中，第一部分和第二部分能够分别是上腿部件和下腿部件，上腿部件和下腿部件连接以模仿自然人体膝关节。

如图12A所示，下肢假体100′还可包括在足单元104′和下肢部件102′之间延伸的框架106′。如图12A和12B所示，下肢部件102′的连接部108′有利于将下肢部件102′连接到诸如例如图1-4中所示支架110的另一部件。在所示实施例中，该连接部108′是棱椎。另外，经由连接于假足单元104′的旋转组件114′，该下肢部件102′或支持部件下端连接到足单元104′。在所示实施例中，该旋转组件114′在足单元104′的大约后1/3处连接。然而，该旋转组件114′能够在足单元104′上的其它位置处连接。优选地，该旋转组件114′模仿自然人类踝关节。另外，盖106b′被设置在下肢假体100′的致动器500周围，以基本上保护致动器500并防止异物侵入。在一些实施例中，该下肢假体100′还可包括控制线，诸如图1-4中所示的控制线112，以为假体100′提供电力和/或传送控制信号到假体100′。

继续参照图12A-12C，该致动器500为假体100′提供所需能量，以与被截肢者的移动同步地执行角位移。该致动器500将假体100′的第一部分和第二部分102′，104′连接在一起，第一部分和第二部分102′，104′在所示实施例中，对应于下肢部件102′和假足单元104′。如下面进一步讨论，该致动器被配置为调节下肢部件102′和足单元104′之间的角度。在第一和第二连接点118′，120′，该致动器500分别连接到足单元104′和下肢部件102′。在一个实施例中，该假体可包括控制电路，以控制致动器500的操作，诸如例如图2和3中所示的控制电路122。

图13-18显示了可与上述下肢假体100′一起使用的致动器500的一个实施例。该致动器500优选地包括定子或顶部单元510，定子或顶部单元510具有连接端512和底端514。在所示实施例中，该连接端512是C形夹具(参见图15)，夹具具有沿大体垂直于致动器500的纵向轴Y延伸的第一轴X1对准的第一开口512a和第二开口512b。然而，该连接端512′能够具有其它适合的配置。该开口512a，512b优选地确定尺寸以容纳穿过其中的紧固件，诸如螺栓、螺钉或销(未显示)，以允许顶部单元510例如在第二连接点120′处紧固到下肢部件102′的上端。

该顶部单元510的底端514优选地具有圆周壁514a和底部表面516。在所示实施例中，如图17所示，该底部表面516从圆周壁514a向底部表面516的中心弯曲。该底部表面516优选地包括大体位于底部表面516的中心处的凹陷部518。如将在下面进一步描述，在顶部单元510的底部表面516上的凹陷部518优选地确定尺寸以在其中容纳滚珠或滚珠轴承522。

如图17所示，圆周壁514a包括从壁514a向外延伸的突起520。在一个实施例中，该突起520基本上沿壁514a的整个圆周延伸。在另一实施例中，该突起520能够是围绕壁514a的圆周位于离散位置的多个突起。

该致动器500还包括第一细长部件或转子(rotor)530，细长部件或转子530具有沿长度532从顶端530a到底端530b延伸并具有直径534的主体。在一个实施例中，长度532在约25mm和约70mm之间。在一个实施例中，该直径534在约12mm和约40mm之间。更优选地，该直径534约17mm。该转子530在顶端530a处具有圆周凸缘536；该凸缘536的直径大于主体的直径534。该顶端530a具有外部表面537，外部表面537大体从圆周凸缘向表面537的中心537a向上弯曲。该表面537确定了大体设置在其中心537a处的凹陷部538。该凹陷部538优选地确定轮廓以在其中容纳滚珠或滚珠轴承522，以便该滚珠或滚珠轴承522将顶部单元510连接到转子530。在一个优选实施例中，该顶部单元510和转子530只经滚珠或滚珠轴承522彼此连接。在所示实施例中，该滚珠或滚珠轴承522是单个滚珠或滚珠轴承。然而，能够使用其它适合的轴承。在一个实施例(未示出)中，推力轴承被设置在顶部单元510和转子530之间。如图17所示，该转子530优选地是确定中空中心部539的细长螺母，该细长螺母确定了壁539a，沿壁539a的至少一部分长度设置有螺纹540。

如上讨论，该滚珠或滚珠轴承522优选地将顶部单元510连接到第一细长部件530。优选地，转子530的表面537的弯曲部分和顶部单元510的底部表面516的弯曲部分之间确定了间隙541。该间隙541优选地围绕表面537的中心537a以圆周方式延伸。在一个优选实施例中，至少一块磁铁542被设置在间隙541中，并例如通过粘合剂连接于表面537。在图18中所示的实施例中，多块磁铁542被围绕表面537的中心537a设置。在另一实施例中，环形磁铁(未显示)能够被设置在表面537上，磁铁的环状部分与中心537a对准。该磁铁542优选地配置为对顶部单元510和转子530施加磁力，以便力将顶部单元510和转子530拉向彼此。

如图17和18中最好地看出，该致动器500还包括具有高度551的保持器550和确定内径554的壁552。该保持器550包括凸缘556，凸缘556具有从壁552径向内延伸的内部556a和从壁522径向外延伸的外部556b，其中：该内部和外部556a，556b优选地设置在壁552的底端处。虽然所示实施例显示了凸缘556围绕保持器550的圆周是连续的，但是本领域的普通技术人员将认识到该凸缘556能够代替上述方式是围绕保持器556的圆周在离散位置处设置的多个凸缘部件。该保持器550的内径554被确定尺寸以在其中容纳转子530和顶部单元510。

在所示实施例中，保持器550的内径554优选地至少略大于转子530的凸缘536的直径，以便转子530的凸缘536不接合保持器550的壁552。类似地，该保持器550的内径554优选地至少略大于顶部单元510圆周壁514a的至少一部分的直径。在顶部单元510的圆周壁514a上的突起520优选地接合保持器550的壁552的一部分，以便该顶部单元510和保持器550彼此连接。

优选地，转子530围绕纵向轴Y旋转并沿纵向轴Y平移，如在下面进一步描述。在一个实施例中，该转子530经滚珠或滚珠轴承522保持连接到顶部单元510，但选择性地经内部凸缘556a与保持器550接触和不与保持器550接触地移动，如在下面进一步描述。在另一实施例中，该转子530在经滚珠或滚珠轴承522接触顶部单元510，和经内部凸缘556a与保持器550接触之间运动。

如在图17和18中最好地显示，第一磁铁560a和第二磁铁560b围绕转子530的一部分设置。第一和第二磁铁560a，560b优选地具有高度562a，562b和大于转子530的直径534的内径564a，564b，以便该磁铁560a，560b围绕转子530安装。在一个实施例中，第一和第二磁铁560a，560b的内径564a，564b在约12mm和约40mm之间，并且更优选地约17mm。在一个实施例中，该磁铁560a，560b是具有24磁极的磁化环。另外，如图17-18中所示，隔圈568被设置在第一和第二磁铁560a，560b之间。优选地，隔圈568的直径也大于转子530的直径534，以便该隔圈568围绕转子530安装。虽然所示实施例显示了两块磁铁560a，560b和一个隔圈568，本领域的普通技术人员将认识到能够使用任何数目的磁铁和隔圈。

该致动器500还包括具有圆筒形主体571的套管570，圆筒形主体571具有长度572和直径574，以便该套管570围绕转子530安装。在一个实施例中，长度572在约10mm和约70mm之间，并且更优选地约20mm。该直径574优选地在约12mm和约40mm之间，并且更优选地约17mm。优选地，如图17所示，该套管570具有大于第一细长部件530的直径534的内径；并且具有小于第一和第二磁铁560a，560b和隔圈568的内径的外径。相应地，第一和第二磁铁560a，560b和隔圈568围绕套管570安装，套管570又围绕转子530安装。在优选实施例中，转子530、套管570、磁铁560a，560b基本上彼此相邻地设置。

如图17和18最好地显示，该套管570也具有围绕套管570以圆周方式延伸的唇576。在优选实施例中，该唇576向着离开套管570的表面的方向以某一径向距离围绕套管570连续延伸，该距离基本上等于第一和第二磁铁560a，560b中的至少一个的厚度。该唇576优选地从套管570的顶端离开某一距离定位，以支撑围绕套管570的第一和第二磁铁560a，560b和隔圈568，以便第一和第二磁铁560a，560b和隔圈568不伸过套管570的顶端。

该致动器500还包括电机580。在所示实施例中，该电机580具有高度582和具有内径584的内表面586，以便该电机580能够围绕转子530设置。在一个实施例中，电机具有约10mm和约60mm之间的长度，并且更优选地具有约25mm的长度。该电机580的内径584优选地在约15mm和约50mm之间。在优选实施例中，该电机580的直径584约22mm。如图17所示，该电机580围绕转子530延伸，以便该套管570、第一和第二磁铁560a，560b和隔圈568被设置在转子530与电机580的内径584之间。该电机580优选地包括配置为经由磁铁560a，560b旋转转子530的绕组。在所示实施例中，该电机580是步进电机。然而，能够使用其它适合的电机类型。例如，电机580能够是DC电机、压电电机、DC无刷电机和伺服电机。

如图18中最好地显示，该致动器还包括设置在电机580和盖部610之间的O形圈590和滚柱轴承600，该盖部610具有突起部612。当致动器500被完全装配时，该盖610优选地在其中容纳电机580。波纹管620优选地设置在盖610的底端附近。该波纹管620有利地防止诸如灰尘和水的异物进入，接触电机580和致动器500的第二细长部件630。

该第二细长部件630沿长度632延伸，并具有直径634。在所示实施例中，第二细长部件630是沿长度632一部分具有螺纹636的螺杆。在所示实施例中，该螺杆630在其底端处具有连接部638，连接部638具有开口638a，开口638a沿大体垂直于致动器500的纵向轴Y的轴X2延伸穿过连接部638。该开口638a优选地确定尺寸以容纳穿过其中的紧固件，诸如螺栓、螺钉或销。相应地，该连接部638例如能够在第一连接点118′处，紧固到假足单元104′。

在一个优选实施例中，该螺杆630的螺纹636适合以螺纹方式接合螺母530上的螺纹540。优选地，在螺杆630和螺母530上的螺纹636，540分别被设计以在自锁定连接的边界上。在一个优选实施例中，该螺母530和螺杆630的螺纹636，540分别是梯形螺纹。例如，该螺纹636，540能够是ACME中心螺纹(centralized thread)，该螺纹具有约14mm的工作直径、约2mm的螺距和约两个导程(lead)。然而，可以使用任何适合的螺纹类型。在一个实施例中，该螺纹636，540由铝青铜和不锈钢制成。然而，可以使用其它适合的金属和合金。在一个优选实施例中，螺母530中的螺纹540被切削形成，同时螺杆630中的螺纹636被研磨并覆盖涂层，诸如永久油层。有利的方式是，螺母530中的螺纹长度被配置为在致动器500的操作期间提供最小的摩擦力，同时将最优支撑和强度提供给致动器500。然而，本领域的一个普通技术人员将认识到：螺母530和螺杆630的螺纹540，636可具有其它配置，并由其它材料制成以提供期望的性能特征。例如，螺纹的材料和涂层，以及螺距、工作直径和导程的数目能够改变，以提供螺纹636，540之间的不同界面摩擦。在一个实施例中，螺纹636，530的螺距和结构能够被选择以便(例如，沿纵向轴Y)施加于螺杆630和/或螺母530组件的负载将不会引发致动器500的自产生的运动。更确切地说，螺纹636，530的螺距和结构在螺纹636，530间产生摩擦力，该摩擦力足够大以防止螺母530与螺杆630的相对转动。在另一个实施例中，螺纹636，530的螺距和结构能够被选择以便沿纵向轴Y施加于螺杆630和/或螺母530的负载将引发致动器500的自产生的运动。

如图17中所示，该螺杆630优选地具有中空部640，中空部640沿长度632的一部分延伸。该中空部640有利地减小了螺杆630的重量，从而作为整体减小了致动器500的重量。如图18中所示，接受(adoption)环650被设置在螺杆630周围，其中：该环650与波纹管620的底端连接。

该致动器500有利地具有紧凑组件。如上讨论，该电机580被设置在转子530周围，转子设置在细长部件或螺杆630周围。相应地，该致动器500占用更少的空间，并且能够具有比其它设计更低的高度。在一个优选实施例中，在缩回配置中，该致动器500具有约40mm到约70mm之间的高度，并且在完全伸开的配置中，该致动器500具有约65mm到约130mm的高度。另外，该螺杆630的中空部640有利地减小了致动器500的重量。

在操作中，该致动器500有利地使定子或顶部单元510与转子或螺母530之间的摩擦力最小。在顶部单元510和螺母530之间设置的滚珠或滚珠轴承522抑制了在顶部单元510与螺母530之间产生摩擦力，从而允许螺母530相对于顶部单元510大体自由旋转。另外，如上所述，该磁铁542将螺母530拉向顶部单元510。这种磁力抬高螺母530，使其脱离与保持器550的内凸缘556a的接合，从而如下面进一步讨论的，抑制在保持器550与螺母530之间产生摩擦力。在优选实施例中，该磁力足够强以在步行循环的一个期望阶段，提升转子530，使其脱落与保持器的内凸缘556a的接合。在另一实施例中，该磁铁542的磁力足够强以在步行循环的一个以上的期望阶段，提升转子530，使其脱离与保持器550的内凸缘556a的接合。

在步行循环的期望阶段期间，该致动器500还能够有利地选择性地锁定。如图17所示，转子或螺母530的凸缘536能够接合保持器550的内部凸缘556a，在转子530与保持器550之间产生摩擦力，以便抑制转子530的转动。因此，产生的摩擦力实际上是锁定致动器500的锁定力。在一个优选的实施例中，当致动器500处于拉伸状态时，该凸缘536，556a接合。另外，如上讨论，螺杆630与螺母530的螺纹636，540的相互作用还能够产生摩擦力，以抑制螺杆630和螺母530相对于彼此的旋转。因此，该螺纹636，540的相互作用也产生锁定力，锁定力有助于致动器500的锁定。

现在将描述使用者操作下肢假体100′期间，致动器500的操作。图19是显示图12A-12C中所示的下肢假体100′的步行循环670的不同阶段的流程图。在步行循环670的第一阶段672中，在足单元104′的脚后跟受力期间，该致动器500最初在压缩的状态中，其中：转子530上的凸缘536相对于保持器550上的内部凸缘556a位移。

在第一阶段的压缩状态由下肢部件102′和假足单元104′之间的操作关系引起。在脚后跟碰撞期间，负载被施加于足单元104′的脚后跟部104a′上(例如，由于使用者的重量或移动力)。所述负载将对足单元104′的脚后跟部104a′施加向上的力，导致脚趾部104b′通过围绕旋转组件114′的主旋转轴线旋转，朝向远离下肢部件102′的方向运动，这又经第一连接点118′将压缩力施加于第二细长部件630上。该压缩力从第二细长部件630传送到转子530上，以便该转子530上的凸缘536从保持器550的内部凸缘556a移开。

在一个优选的实施例中，该致动器500在第一阶段672期间未启动。然而，为抑制由于施加的负载在第一阶段672期间转子530相对于第二细长部件630的旋转，转子530与第二细长部件630之间的螺纹540，636的螺距有利地在螺纹540，636之间产生界面摩擦力。

该下肢假体100′转变到第二阶段674，在第二阶段674足单元104′处于站立阶段。在所述转变期间，该致动器500从压缩状态转变为拉伸状态，以便如上讨论，在转子530的凸缘536与保持器550的内部凸缘556a之间产生摩擦力。

当假体100′转变到第二阶段674时，通过下肢部件102′相对于假足部件104′的运动，产生站立阶段中的拉伸状态。当假体100′在整个第二阶段674运动时，(例如由于向前运动)使用者的移动将负载施加于下肢部件102′，将下肢部件102′推向假足单元104′的脚趾部104b′，从而将负载施加在脚趾部104b′上。所述负载导致足单元104′的后部向下，朝向远离下肢部件102′的方向运动，这又经第一连接点118’，将张力施加于第二细长部件630上。该张力从第二细长部件630传送到转子530上，以便转子530的凸缘536向保持器550的内部凸缘556a运动，并与保持器550的内部凸缘556a接合。如上讨论，在转子530的凸缘536与保持器550的内部凸缘556a之间的所述接合产生摩擦力，以抑制转子530的旋转。在一个优选实施例中，摩擦力足够高以用作致动器，以防止转子530的旋转。此外，在一个优选的实施例中，该致动器500在第二阶段674期间未启动。

在第三阶段676中，该足单元104′从站立阶段转换为脚趾离开阶段。如在第二阶段一样，在脚趾离开中，脚趾部104b′继续在负载作用下。相应地，该致动器基本上保持在拉伸状态中，以便如上讨论，抑制转子530旋转。在一个实施例中，脚趾部104b′上的负载在第三阶段中比在步行循环的第二阶段更大。在一个优选的实施例中，该致动器500在第三阶段676期间未启动。

在第四阶段678中，该假足单元104′处于脚趾离开和脚后跟碰撞之间的摆动阶段，其中：该足单元104′不与支撑表面接触。在第四阶段678，该致动器500处于压缩位置中。如上讨论，在压缩中时，转子530上的凸缘536从保持器550的内部凸缘556a分离，从而允许转子530相对于保持器550大体自由地旋转。

在摆动阶段期间的压缩状态由下肢部件102′和假足单元104′之间的操作关系引起。在摆动阶段期间，由于足单元104′的配置(例如，足单元104′的重量)，负载被施加于假足单元104′，这将脚趾104b′向下朝向远离下肢部件102′的方向拉。经第一连接点118′，该脚趾部104b′上的向下的力又将压缩力施加于第二细长部件630上。该压缩力从第二细长部件630传送到转子530上，以便转子530的凸缘536朝向远离保持器550的内部凸缘556a的方向运动。从而，该转子530能够相对于保持器550大体自由地旋转。在一个实施例中，利用磁铁542，有利于转子530的凸缘536朝向远离保持器550的内部凸缘556a的方向的运动，磁铁542将转子530朝向远离保持器550的方向拉向顶部单元或定子510，从而抑制在摆动阶段产生摩擦力。

在一个优选实施例中，该致动器500在摆动阶段被启动以调节下肢部件102′和假足单元104′之间的角度。在定子510和转子530之间设置的滚珠或滚珠轴承522也有利地抑制了在转子530与保持器550之间产生摩擦力。因此，该致动器500尽管在高负载下也能够启动，这有利地减小了对致动器500的磨损，提供延长的工作寿命。

如上讨论，在一个实施例中，当在拉伸状态时，致动器500抑制转子530相对于第二细长部件630的旋转。然而，本领域的普通技术人员将认识到：在另一个实施例中，当在压缩状态时，致动器500能够操作以抑制转子530相对于第二细长部件630的旋转。此外，在另一个实施例中，当在拉伸位置中时，该致动器500也能够布置为允许转子530相对于第二细长部件630的旋转。例如，在一个实施例中，在致动器500处于拉伸状态中时，该磁铁542能够产生磁力，磁力足以从保持器550的内部凸缘556a拉开转子530。另外，如上讨论，该致动器500在步行循环的摆动阶段678期间被启动。然而，本领域的普通技术人员将认识到：在步行循环的一个以上的阶段期间，该致动器500能够被启动。

虽然在上面关于下肢假体100′讨论了致动器500的操作，但是本领域的普通技术人员将认识到该致动器500也能够与矫正设备一起使用，以调节矫正设备的第一部分与第二部分的角度。另外，在移动的期望阶段期间，在上述实施例中描述的致动器500能够有利地被用于选择性地锁定矫正设备，以及在致动器500的启动期间，使转子530与保持器550之间的摩擦力最小，以有利于矫正设备的操作。

在本发明的一些实施例中，下肢假体或矫正体包括连接到其上的至少一个检测设备，并且至少一个检测设备基本上与负面外部影响或负载隔离。例如，在一些实施例中，该检测设备能够测量假足在单个方向上的角运动，而忽略或滤去假足在其它方向上的运动和/或负载。

例如，图20显示了具有踝运动控制足单元的下肢假体700的分解视图。为了简化参照与描述，未参照所示假体700描述和显示诸如一些螺栓、垫圈、轴承塞(bearing plug)等的一些部件。然而，从图20和这里的公开内容，普通技术人员将认识到：该部件或其等同物可与所示假体700的所示部件一起使用。

在一些实施例中，该假体700包括至少一个传感器组件，传感器组件有利地检测足单元围绕单个轴线的旋转，并且基本上忽略了足单元相对于该轴线的轴向和径向运动。例如，这种传感器组件可连接到假体700的旋转轴线和/或位于假体700的旋转轴线附近。

参照图20，所示下肢假体700包括足部件702，足部件702可由螺钉703连接到脚后跟部件704。如所示，该足部件702和脚后跟部件704可包括足单元，诸如可从

商业获得的LP VARI-FLEX(R)假足。在其它实施例中，该足部件702和/或脚后跟部件704可采用其它结构，或下肢假体700可无脚后跟部件704地操作。

如所示，该足部件702被构造为可绕主旋转销708旋转地连接于主框架706，或连接部件，主旋转销708穿过基部710延伸。在一些实施例中，该主旋转销708和基部710形成被构造为基本上模仿健康人的踝的自然运动的旋转组件。例如，该主旋转销708可允许足部件702的向足背弯曲和向足底弯曲，如参照图1-6的假体100在前面更详细地描述。

该假体700还包括致动器712，致动器712经基部710操作地连接到足部件702。具体而言，该致动器712连接到下部销714，下部销714允许致动器712的底部相对于紧固到足部件702的顶、后部的基部710旋转。在一些实施例中，该致动器712能够有利地调节主框架706和足单元702之间的至少一个角度，以便该足部件702围绕旋转组件的主旋转销708旋转。在一些实施例中，该致动器712包括在这里公开的多种类型的致动器中的任何一个，并能够基于从电子控制系统接收的一种或多种信号，主动调节主框架706与足部件702之间的角度。

如图20所示，该下肢假体700还可选地包括接收用户输入的键盘716，和部分覆盖致动器712的后盖718。该假体700也可包括其它设备和/或连接装置，以有利于假体700连接到被截肢者的肢体，诸如残肢。

所示下肢假体700还包括传感器组件720，传感器组件720被配置为连接到旋转组件的基部710并穿过旋转组件的基部710延伸。在一些实施例中，该传感器组件720被构造为测量假体700的至少一部分在至少一个方向上的运动。在一些优选的实施例中，该传感器组件720被构造和定位为测量假体700的一部分在单个方向上的运动。

例如，如图20所示，传感器组件720的至少一部分位于主旋转销708内，并且沿基本上垂直于主框架706的纵向或竖直轴线的轴线(例如，旋转轴线)延伸。所示传感器组件720能够检测或测量足部件702围绕主旋转销708的轴线的旋转。此外，在一些实施例中，该传感器组件720被紧固到假体700的旋转组件，以便该传感器测量值不受沿围绕主旋转销708旋转以外的方向的负载或力影响。例如，在一些实施例中，相对于主旋转销708的轴线的轴向或径向运动不影响传感器组件720的测量值。

图21显示了分解视图，显示了图20的传感器组件720的部件的进一步的细节。如所示，该传感器组件720包括位移测量传感器722，移测量传感器722经延伸器部分726连接到细长波纹管部724。在一些实施例中，足部件702相对于主框架706的相对旋转由位移测量传感器722测量。

这种旋转的测量可由传感器组件720采用多种方式执行。在一些实施例中，该主旋转销708刚性地连接于基部710，并且细长波纹管部724至少部分地位于主旋转销708内。在这种实施例中，该足部件702(和连接的基部710)相对于主框架706的相对运动导致细长波纹管部724(和连接的延长器部分726)相对于位移测量传感器722的相对旋转。例如，足部件702的旋转可导致细长波纹管部724相对于位移测量传感器722的旋转，位移测量传感器722可相对于主框架706固定。在其它实施例中，足部件702的旋转可导致位移测量传感器722相对于细长波纹管部722旋转，细长波纹管部可相对于主框架706固定。

在一些实施例中，该位移测量传感器722包括电位计，诸如例如线性或对数电位计。在这种实施例中，该细长波纹管部724的旋转导致延长器部分726和电位计的旋转输入部分727的对应旋转。在其它实施例中，可以使用其它类型的位移测量传感器，诸如例如旋转位置换能器、光学或机械编码器、上述传感器的组合等，以测量假体700的部件的运动和/或旋转。

如图21所示，该细长波纹管部724还包括围绕波纹管部724的外表面的多个脊728。在一些实施例中，该脊728有利地消除或基本上减小轴向(例如，沿波纹管部724的轴线)和/或径向(例如，垂直于波纹管部724的轴线的方向)的运动和/或负载对位移测量传感器722的测量值的影响。例如，至少一些脊728可位于容纳细长波纹管部724的至少一部分的部件内。在一些优选实施例中，这种部件可包括图20中显示的主旋转销708。在这种实施例中，该脊728可有利地将细长波纹管部724的运动隔离为围绕细长波纹管部724的轴线和主旋转销708的旋转。

在其它实施例中，该细长波纹管部724可包括多个槽或其它表面特征，多个槽或其它表面特征将细长波纹管部724的运动隔离为单个方向的运动。在其它实施例中，该传感器组件720可无延长器部分726或脊728地起作用。例如，该传感器组件720可包括柔韧压缩隔膜，柔韧压缩隔膜将位移测量传感器722连接到主旋转销708，并吸收不期望的运动(例如，轴向和/或径向运动)。

虽然已参照特定实施例描述了传感器组件720，但是传感器组件702用的其它配置可与假体700一起使用。例如，该主旋转销708可刚性连接于主框架706。在这种实施例中，位移传感器722或者细长波纹管部724也可固定于主框架706以便足部件702相对于主框架706的相对旋转由位移测量传感器722检测。

在本发明的其它实施例中，该假体700可包括其它类型的传感器组件，传感器组件可用于检测假体700的至少一个部件的运动。例如，该假体700可包括球窝关节组件，球窝关节组件利用围绕球窝关节的几何约束，使球窝关节组件的运动在至少一个方向上被约束，约束可例如包括接合球窝关节的一个或多个表面的一个或多个销或平坦表面。在其它实施例中，该传感器组件720可包括柔韧材料，该柔韧材料对扭转力刚性高，但允许纵向压缩和/或径向运动。

此外，可以理解：该传感器组件和/或假体700可有利地与多种运动控制修复和/或矫正设备一起使用，多种运动控制修复和/或矫正设备的实例在这里和在2005年2月11日申请的并且题为＂SYSTEMAND METHOD FOR MOTION-CONTROLLED FOOT UNIT＂的美国专利申请第11/056,344中更详细地进行了描述，该美国专利申请通过参考整体并入这里，并且被认为是本说明书的一部分。

如上所述，参照表1和图9，在本发明的一些实施例中，存在踝装置304的某些限定状态。这些状态中的其中之一是“放松(RELAX)”状态。在一个实施例中，当传感器模块302检测出用户已经移动到放松位置时，控制装置300可以执行“放松”状态。

在本发明的一个实施例中，当使用者已经移动到放松位置时，传感器模块302检测例如坐、交叉腿、斜倚、躺下、慢行(crawling)、倚靠等。通过测量垂直加速度(从垂直加速度可以确定，例如，是否整个踝装置304、特别是足单元104(参照图1)在相对于地面的倾斜位置，例如整个踝装置304、特别是足单元104在坐位置和躺下位置腿伸出时脚后跟着地)、水平/横向加速度和时间，传感器模块302可以检测这些放松位置。例如，传感器模块302可以包括能够测量在y轴上的加速度的加速度计。在一个实施例中，测量的垂直加速度与重力相关。可以将加速度计放置在踝装置304上。尽管可以将加速度计放置在踝装置304的任何地方上，在一个实施例中，可以将加速度计放置在下肢部件102上(参照图1)。当将加速度计放置在下肢部件102上时，加速度计可以用于测量下肢部件102相对于垂线的角度，然后用此角度确定整个踝装置相对于地面的角度。当踝装置304从竖直、垂直的位置旋转时，对应的重力相对于旋转程度改变。例如，当踝装置304在竖直、垂直位置时，加速度计可以测量标准重力(加速度)9.8m/s²。当踝装置304从垂直位置旋转时，加速度计可以测量与踝装置304相对于地面的变化角度相关的地球重力分量。由此，构造用于测量垂直平面上的加速度的传感器模块302可以用于确定踝装置304相对于地面的静止角度。例如，传感器模块302可以指示踝装置304以相对于地面90°的角度倾斜。此可以表示，例如，用户完全平躺下来。可选地，传感器模块302可以指示踝装置304以相对于地面45°的角度倾斜，这也许表示用户坐下并且腿以一种方式伸出从而相对于地面形成45°的角度。

除了垂直加速度以外，传感器模块302也可以包括构造用于测量在水平或横向平面上的加速度的加速度计。此加速度计可以测量当用户在水平方向移动时的踝装置304的地面加速度。另外，控制装置300也可包括计时器(没有示出)，计时器可用于测量传感器模块检测加速度的某些情况时的时间量。

为了检测某些放松位置，控制装置300可以构造成在整个期间监测传感器模块302对于加速度的测量。在一个实施例中，限定踝装置304相对于地面的角范围表示用户移动到放松位置。为了达到“放松”状态，控制装置300可以确定踝装置304与地面之间的角度，如传感器模块302所检测的，在所限定的范围内。附加地或可选地，可以限定踝装置304的横向/水平加速度。为了达到“放松”状态，控制装置300可以确定如传感器模块302所检测的踝装置304的横向/水平加速度落在限定的范围内。附加地或可选地，可以限定满足上述条件的期间的时间范围。换言之，为了达到“放松”状态，控制装置300可以确定踝装置在特别的时期内相对于地面的角度在限定的范围内和/或在指示踝装置在表示使用者移动到放松位置的限定范围内加速。由此，使得执行“放松”状态的算法可以限定变量：开始最大加速度Δ(delta)(踝装置304触发(trigger)“放松”状态的可能的加速度的上限)，开始最小角度(触发“放松”状态的踝装置304相对于地面的角度的下限)，开始最大角度(触发“放松”状态的踝装置304相对于地面的角度的上限)，以及开始时间(其它变量的组合可以满足以触发“放松”状态的时间量)。

在一个实施例中，作为示例，当使用者坐下、斜倚或慢性时，开始最大加速度Δ可以为大约1m/s²，这表示人造制品(artifact)从使用者移动的阈值应该至少小于大约1m/s²。可选地，最大加速度Δ可以在0.1m/s²至50m/s²之间。脚部件相对于地面的最小开始角度可以为大约30度，且最大开始角度可以为-90度，例如，代表使用者肚子朝下平躺下来。可选地，角度范围可以在大约-90度至+90度之间，例如，+90度代表使用者背部朝下平躺下来。开始时间可以例如是1秒或更多。当这些变量中的每一个都满足时，踝装置将如下所述地移动到放松状态。

在其它实施例中，控制装置300可以探测表示使用者移动出放松位置的条件并且可以开始“离开(exit)”状态。使用者移动出放松位置的确定可以与使用者移动到放松位置的确定类似。由此，触发执行“离开”状态的算法可以限定变量：结束最小加速度Δ(踝装置304触发(trigger)“离开”状态的可能的加速度的下限)，结束最小角度(触发“离开”状态的踝装置304相对于地面的角度的下限)，以及结束最大角度(触发“离开”状态的踝装置304相对于地面的角度的上限)。在一些实施例中，“离开”状态可以开始而不管“放松”状态是否首先开始。由此，“离开”状态可以调节调节装置到用于离开放松位置的优选的构造，即使放松位置从未被检测到和/或“放松”状态从未被开始。例如，控制装置300可以检测使用者处于就坐位置而不使得装置调节到特定的“放松”状态。然而，有利的是，即使没有开始“放松”状态也可以调节装置到“离开”状态。例如，“离开”状态可以使得装置被调节到当使用者从就坐位置站立起来时有利的特定构造，例如使得装置向足背弯曲以便帮助使用者的动量中心在他/她的脚上以便于站立。该“离开”状态可以是有利的，而不论装置是否已经开始了对应的“放松”状态状态。

在一个实施例中，为了执行“离开”状态，结束最小加速度Δ可以为大约25m/s²，这允许使用者通过以大于25m/s²的速度移动踝装置，例如通过将踝装置踢到地面上，而离开“放松”状态。可选地，结束最小加速度Δ可以在0.1m/s²至50m/s²之间。“离开”状态也可以通过踝装置相对于地面的角度限定，该角度在大约-80度的结束最小角度与10度的结束最大角度之间。可选地，角度范围可以在-90度与90度之间。

在一个实施例中，“放松”状态规定了踝装置304应该被调节到的足单元104与下肢部件102之间的特定角度。例如，当控制装置300开始“放松”状态时，控制驱动模块310可以使得致动器316调节踝装置304，例如到至少10度(更优选的大约15度)的向足底弯曲位置。(参照图1，大约15度的向足底弯曲位置为当下肢假体100被调节时在足单元104与下肢部件102之间的角度为大约15度而大于在中性位置时足单元104与下肢部件102之间的角度。在中心位置，存在0度向足底弯曲和0度向足背弯曲。通常，“中性位置”为下肢部件102相对于水平面例如地面垂直时的位置。此中性位置将根据足单元104的脚后跟高度转到任何实际踝角度。)踝装置304的向足底弯曲可以模仿人足的自然向足底弯曲，可以在功能上有利，可以在美学上吸引人，等等。相似地，当控制装置开始“离开”状态时，控制驱动模块310可以使得致动器316调节踝装置304例如到至少5度的向足背弯曲位置。在一个实施例中，向足背弯曲的角度范围可以在1度与15度之间，并且如上所述，该角度范围可以在当踝从“放松”状态、在向足底弯曲和向足背弯曲的角度都为0度的中性位置，或其它任何希望的构造离开时使用。(再次参照图1，10度的向足背弯曲位置为当调节下肢假体100时在足单元104与下肢部件102之间的角度为10度而小于在中性位置时足单元104与下肢部件102之间的角度。)

在其它实施例中，“放松”状态可以规定一定的电源模式，例如低电源模式，控制300应该自动调节到该低电源模式。例如，当控制装置300确定开始“放松”状态时，控制装置300可以指示电源模块318进入低电模式，例如睡眠模式。相似地，“放松”状态可以规定另外的电源模式，例如正常电源模式，控制装置300应该自动调节到该正常电源模式。在另外的实施例中，“放松”状态和“离开”状态可以规定一定的脚后跟高度，控制装置应该自动调整到该脚后跟高度。在还有的其它实施例中，有利的是在用于开始“放松”状态或“离开”状态的条件已经被检测到之后，可以不开始“放松”状态或“离开”状态一段时间。

除了限定某些状态之外，本发明的一些实施例限定了对于地形变量的一些最优调整。例如，在一些实施例中，当使用者登斜坡或从斜坡下来时做出最优的调整。由此，本发明的实施例可以限定最优调整，该最优调整用于对应于上倾和下倾的变化，例如调节踝装置相对于地面的角度。图5和图6分别显示了本发明接合上倾斜面和下倾斜面的实施例。在图5中，角度阿尔法(α)表示表示上倾斜面的斜度(或倾角)。相似地，在图6中，角度阿尔法(α)表示下倾斜面的斜度(或倾角)。在图5和图6中，角度θ表示在具有踝运动控制足的下肢假体100的下肢部件102与足单元104之间的角度。当下肢假体100在其中性、未被调节的状态时，角度θ可以被描述为中性角度，或下肢假体100在水平地面上的角度。当使用者在上倾或下倾的斜面上操作时，下肢假体100调节其自身以在上倾时通过减小下肢部件102与足单元104之间的角度θ而接合地面，而在下倾时通过扩大下肢部件102与足单元104之间的角度θ而接合地面。在图5和图6中，下肢假体100已经被调整为下肢部件102与足单元104之间的角度θ基于作为相对斜面的测量值的角度阿尔法(α)而增加或减小希望的量。由此，在图5中，例如，角度θ反映当下肢假体在水平地面上时被测量的中性角度减去由角度阿尔法(α)反映的倾斜角度。相似地，图6中的角度θ反映中性角度加上倾斜角度。对于一些斜面，可以希望不调节下肢假体100来反映上倾/下倾的整个角度，或甚至可以希望调节下肢假体100以反映更多。

由此，在一些实施例中，有利的是调节足单元104到下肢部件102的角度以解决地形的相对上倾和/或下倾。例如，当对于上倾进行调节时，角度可以减少大约0度到30度，或当对于下倾进行调节时，角度可以增加大约0度到30度。当使用者处于水平地面上、且下肢部件102相对于水平地表面垂直时，下肢部件102与足单元104之间的角度被称为中性角度，或处于中性位置的装置的角度。如下面将更详细描述的，当装置检测到使用者在上倾斜面和/或下倾斜面上操纵时，在根据基于检测到的上倾和/或下倾的角度的响应角度的使用者的步态期间，装置可以调节足单元104对于下肢部件102的相对位置改变。在某种意义上，装置限定了相对于上倾和/或下倾的调节的中性角度。换言之，当下肢部件102处于垂直位置而足单元104平坦地接合上倾表面和/或下倾表面时，下肢部件102与足单元104之间的角度可以被限定为装置相对于上倾和/或下倾角度的调节的中性角度。

可以相对于此调节的中性角度随后做出对在下肢部件102与足单元104之间的踝角度的调节。在一些实施例中，该调节可以仅仅在迈步期间出现，使得在站立期间，下肢部件102与足单元104之间的角度大体上恒定地保持在该调节的中性角度。可选地，相对于调节的中性角度的调节可以在迈步期间以及在站立期间出现。当使用者离开站立阶段且装置移动通过空气而没有接触到地面时，装置可以被如上所述地相对于调节的中性角度调节(例如在图8和11中示出)。在其它实施例中，当足单元104至少部分地接合地面时，在站立期间也可以调节。在一些实施例中，例如在上倾斜面上，足单元104可以相对于下肢部件102调节以在脚后跟受力和站立中期向足背弯曲，然后在脚趾离地时可以被调节到向足底弯曲角度以提供自然的离地。在其它实施例中，例如在下倾斜面上，足单元104可以被相对于下肢部件102调整而在脚后跟受力阶段向足底弯曲，而后在站立后期(late stance)和脚趾离地期间可以被调整到向足背弯曲角度以帮助越过。将要理解的是，在站立期间做出的这些调节当在水平地面上行走时也可以使用。将要进一步理解的是，上述对于上倾表面的调节可以用于下倾表面的调节，反之亦然。

在一些实施例中，传感器模块302(参照图9)可以构造成确定使用者是走上斜面还是走下斜面。这可以通过跟踪踝装置304在垂直面上的路径的动态分析而完成。在一个实施例中，具有两个轴线的两个加速度传感器测量踝装置在站立期间到地面(重力)的相对位置。在一个实施例中，这些传感器位于下肢部件102上(参照图1)。在其它实施例中，传感器可以位于鞋的鞋底之内、鞋套之内、支具上，等等。通过测量从脚后跟受力到脚趾离地的步态以及足在迈步期间如何被提升，可以测量相对上倾和下倾角度。这是因为使用者的步态当在上倾斜面上行走、在下倾斜面上行走以及在水平地面上行走时显示出不同的特性。例如，在上倾斜面期间存在比脚后跟受力更多的脚趾功能。另外，当在上倾斜面上行走时，使用者比在水平地面上行走时提升足更多，且步态的迈步缩短。在下倾的斜面上行走时，可以观察到步态模式的其它特性。基于对步态模式的不同的认知，加速度的测量可以用于确定表面角度。能够确定表面角度的传感器可以从Dynastream Innovations.Inc.(Alberta，加拿大)获得。

在一些实施例中，表面角度(或筛选的表面角度)可以应用到产生踝响应角度的等式。此踝响应角度是下肢假体100(参照图1)对于具体的表面角度应该被调整的最优角度，从而下肢假体100被构造到调整的中性角度。踝响应角度可以相对于水平面地面测量。通过示例，如果响应角度为10度，那么下肢假体100应该被调整为足部件104的脚趾端朝向下肢部件102旋转10度，在足部件104与地面之间形成10度角度，假定下肢部件102相对于水平地面固定。如果响应于10度上倾的检测下肢假体100被调整10度，例如，下肢假体100的足单元104将如图5中所示完全接合地面。如果另一方面，响应角度为-10度，那么下肢假体100应该被调整为足部件104的脚趾端远离下肢部件102旋转10度，在足部件与地面之间形成-10度的角度，假定下肢部件102相对于水平地面固定。如果下肢假体100响应于10度下倾的检测被调整-10度，那么例如，下肢假体100的足单元104将如图6中所示完全接合地面。

在一个实施例中，对于上倾斜面的表面角度与响应角度之间的最优比为1：1。在另一实施例中，对于下倾斜面的表面角度与响应角度之间的最优比为非线性的，且在一个实施例中，其由等式y＝-0.017x²+0.1501x给出，其中y为踝响应角度，而x为检测的(或可能筛选的)表面角度。其它实施例可以导致用于下倾斜面的响应角度在测量的表面角度的大约10％与100％之间，更优选地，在大约10％和50％之间。图22分别图示了描绘表面角度与踝响应角度之间的上述限定比的x-y曲线图。由此，如果检测到上倾的表面角度为5度，那么对应的响应角度也为5度，即对于上倾表面代表1：1的比。然而，对于下倾表面，踝响应角度对应于上述等式。由此，如果检测到下倾的表面角度为-10度，那么对应的响应角度为大约-2.5度。根据图示的实施例，对于下倾表面的最优响应角度为下倾表面的角度的一部分。该结果在直观上明了。当使用者沿下倾斜面向下行走时，由重力的拉力产生的动量使得使用者跨过步态模式，这导致较少需要足单元104自动向下旋转以接合地面。而在沿上倾斜面向上行走时，理想的是，足单元104自动接合地面而没有使得使用者翻转没有弯曲的下肢假体100。

虽然已描述了本发明的一些实施例，但是这些实施例已仅利用实例呈现，并且不期望限制本发明的范围。实际上，这里描述的新颖方法和系统可采用多种其它形式实施。例如，前述实施例可应用于踝以外的关节的运动控制，诸如膝或肩。此外，在不背离本发明的精神的情况下，可以进行多种省略、代替和在这里描述的方法和系统的形式的变化。该所附权利要求及其等同物期望覆盖落入本发明的范围和精神内的这种形式或修改。

Claims (54)

1、一种模仿自然踝在放松位置的运动的假体系统，所述假体系统包括：

假体踝关节，所述假体踝关节包括足单元和可移动地连接到所述足单元的上部件，用于模仿自然人踝关节；和

构造成自动调整所述假体踝关节的状态的控制器，其中所述控制器构造成一旦接收到指示使用者运动到放松位置的数据就自动调整所述假体踝关节到放松状态。

2、根据权利要求1中所述的假体系统，进一步包括传感器系统，其中所述传感器系统构造成检测使用者移动到放松位置，随后所述传感器系统向所述控制器发出调整所述假体踝关节到放松状态的信号。

3、根据权利要求2中所述的假体系统，其中所述传感器系统包括加速度计，所述加速度计构造成测量传感器上的重力，随后所测量的力指示所述假体踝关节相对于地面的角度，并且其中存在指示使用者运动到放松位置的角度范围。

4、根据权利要求2至3中任何一项所述的假体系统，其中所述传感器系统包括加速度计，所述加速度计构造成测量传感器的横向加速度，随后存在指示使用者运动到放松位置的加速度测量值的范围。

5、根据权利要求2至4中任何一项所述的假体系统，其中所述传感器系统包括计时器，所述计时器构造成测量时间，在所述时间期间，所述传感器系统测量指示使用者运动到放松位置的参数，并且其中存在指示使用者运动到放松位置的时间范围。

6、根据上述权利要求中的任何一项所述的假体系统，其中所述假体踝关节是致动的假体踝关节。

7、根据上述权利要求中的任何一项所述的假体系统，其中所述放松状态包括低电模式。

8、根据上述权利要求中的任何一项所述的假体系统，其中所述放松状态包括在所述足单元与所述上部件之间所希望的角度。

9、根据上述权利要求中的任何一项所述的假体系统，其中所述控制器进一步构造成一旦接收到指示使用者运动到离开位置的数据就自动将所述假体踝关节调整到离开状态。

10、一种用于模仿在放松位置时踝的自然运动的假体系统，所述假体系统包括：

假足；

连接到所述假足上的第一位置的枢转组件，其中所述第一位置靠近所述假足的自然踝位置；

在胫骨方向上延伸的下肢部件，所述下肢部件具有上端和下端，其中所述下肢部件的所述下端可操作性地连接到所述枢转组件；和

连接到所述假足和连接到所述下肢部件的致动器，其中所述致动器构造成围绕所述枢转组件调整所述下肢部件与所述假足之间的角度；

构造成检测所述假体系统的使用者的位置的至少一个传感器；和

构造成操作所述致动器的控制器；

其中所述至少一个传感器构造成将指示使用者处于放松位置时的数据传送到所述控制器，通过使用者将所述假体系统定位在相对于地面的限定的角度范围内持续限定量的时间、并且所述假体系统具有小于最大阈值的加速度来确定所述放松位置，并且其中所述控制器构造成操作所述致动器以便使得所述假足与所述下肢组件之间的角度围绕所述枢转组件增加，从而所述假足变得相对于所述下肢组件更加向足底弯曲。

11、根据权利要求10中所述的假体系统，其中所述至少一个传感器包括加速度计。

12、根据权利要求10至11中任何一项所述的假体系统，其中所述致动器构造成一旦所述控制器接收到指示使用者在所述放松位置时的数据就调整所述下肢部件与所述假足之间的角度到比在中性位置的角度至少大10度。

13、根据权利要求10至12中任何一项所述的假体系统，其中所述致动器构造成在从接收到指示使用者运动到所述放松位置的数据起延迟大约一秒或更长时间之后调整所述角度。

14、根据权利要求10至13中任何一项所述的假体系统，其中所述限定的角度范围在大约30度与-90度之间。

15、根据权利要求10至14中任何一项所述的假体系统，其中所述加速度的最大阈值大约为1m/s²。

16、一种用于调整假体踝装置的方法，所述方法包括步骤：

使用至少一个传感器监控假体踝装置的使用者的运动；

产生指示运动的数据；

使用处理模块处理所述数据以便确定是否使用者在放松位置；和

根据使用者是否在放松位置来调整所述假体踝装置，其中所述调整所述假体踝装置的步骤包括自动调整所述假体踝装置的可配置要素。

17、根据权利要求16中所述的方法，其中所述至少一个传感器位于所述假体踝装置上。

18、根据权利要求16至17中任何一项所述的方法，其中所述使用至少一个传感器监控假体踝装置的使用者的运动的步骤包括监控所述假体踝装置相对于地面的角度。

19、根据权利要求18中所述的方法，其中当所述假体装置相对于地面的所述角度在大约30度与-90度之间时调整所述假体踝装置。

20、根据权利要求16至19中任何一项所述的方法，其中所述使用至少一个传感器监控假体踝装置的使用者的运动的步骤包括监控所述假体踝装置的加速度。

21、根据权利要求20中所述的方法，其中当所述加速度小于大约1m/s²时调整所述假体踝装置。

22、根据权利要求16至21中任何一项所述的方法，其中所述使用至少一个传感器监控假体踝装置的使用者的运动的步骤包括监控所述假体踝装置的使用者展现指示使用者的放松位置的运动特性的时间长度。

23、根据权利要求22中所述的方法，其中当所述时间长度超过大约1秒时调整所述假体踝装置。

24、根据权利要求16至23中任何一项所述的方法，其中所述假体踝装置包括可移动地连接在大约自然人的踝关节的位置处的假足和下肢部件，并且其中所述可配置要素是在所述假足与所述下肢部件之间的角度。

25、根据权利要求24中所述的方法，其中所述自动调整所述假体踝装置的可配置要素的步骤包括将所述假体踝装置从中性位置移动到大约15度向足底弯曲。

26、根据权利要求16至25中任何一项所述的方法，其中所述可配置要素是操作功率大小。

27、根据权利要求16至26中任何一项所述的方法，其中所述放松位置为就坐位置。

28、根据权利要求16至27中任何一项所述的方法，进一步包括步骤：

根据用户是否在离开位置来调整所述假体踝装置，其中所述调整所述假体踝装置的步骤包括自动调整所述假体踝装置的可配置要素。

29、一种用于调整包括可移动地连接在大约自然人踝关节的位置处的假足和肢体部件的假体踝装置的方法，所述方法包括步骤：

使用至少一个传感器监控所述假体踝装置相对于地面的角度和所述假体踝装置的加速度；

确定所述假体踝装置相对于地面的所述角度是否落在限定的角度范围内；

确定所述装置的加速度是否高于或低于阈值加速度；和

一旦确定所述踝装置相对于地面的所述角度落在所述限定的角度范围内和一旦确定所述装置的加速度高于或低于所述阈值加速度时，调整所述假足与所述肢体部件之间的角度为向足底弯曲或向足背弯曲的配置。

30、根据权利要求29中所述的方法，其中所述假体踝装置相对于地面的所述角度落在限定的角度范围内持续限定的时间段。

31、根据权利要求29至30中任何一项所述的方法，其中所述装置的加速度高于或低于阈值加速度持续限定的时间段。

32、根据权利要求29至31中任何一项所述的方法，其中从中性位置调整所述假足与所述肢体部件之间的角度到至少10度向足底弯曲。

33、根据权利要求29至32中任何一项所述的方法，其中从中性位置调整所述假足与所述肢体部件之间的角度到大约1至15度向足背弯曲。

34、根据权利要求29至33中任何一项所述的方法，其中所述限定的角度范围在大约30度与-90度之间。

35、根据权利要求29至34中任何一项所述的方法，包括步骤：

确定所述装置的加速度是否低于大约为1m/s²的阈值加速度。

36、一种操作由使用者穿戴的假体踝的方法，包括步骤：

提供包括足单元和下肢部件的假体踝，所述足单元和下肢部件构造成大约在自然人踝的位置处旋转；

当使用者与所述假体踝一起移动时检测表面的上倾或下倾；和

根据所检测的上倾或下倾调整所述足单元与所述下肢部件之间的角度。

37、根据权利要求36中所述的方法，其中使用致动器调整所述足单元与所述下肢部件之间的角度

38、根据权利要求36至37中任何一项所述的方法，其中，当调整至上倾时，所述足单元与所述下肢部件之间的角度下降大约0至30度。

39、根据权利要求36至38中任何一项所述的方法，其中，当调整至下倾时，所述足单元与所述下肢部件之间的角度上升大约0至30度。

40、根据权利要求36至39中任何一项所述的方法，其中所述检测上倾或下倾的步骤包括测量上倾或下倾的角度。

41、根据权利要求36至40中任何一项所述的方法，其中使用设置在所述假体踝上的传感器检测表面的上倾或下倾。

42、一种操作由使用者穿戴的假体踝的方法，包括步骤：

提供包括足单元和下肢部件的假体踝，所述足单元和下肢部件构造成大约在自然人踝的位置处旋转；

当使用者与所述假体踝一起移动时测量地形变量；和

根据所测量的地形变量调整所述足单元与所述下肢部件之间的角度。

43、根据权利要求42中所述的方法，其中所述测量地形变量的步骤包括测量行走面的上倾或下倾。

44、根据权利要求42至43中任何一项所述的方法，其中所述测量地形变量的步骤包括检测使用者是否在上楼梯或下楼梯。

45、根据权利要求42至44中任何一项所述的方法，其中使用致动器调整所述足单元与所述下肢部件之间的角度。

46、根据权利要求42至45中任何一项所述的方法，其中使用设置在所述假体踝上的传感器测量所述地形变量。

47、一种操作由使用者穿戴的假体踝的方法，包括步骤：

提供包括足单元和下肢部件的假体踝，所述足单元和下肢部件构造成在大约自然人踝的位置处旋转；

当使用者与所述假体踝一起在表面移动时检测所述表面的表面角度；

计算在所述表面上移动时所述足单元与所述下肢部件之间所希望的角度，其中至少部分基于所测量的表面角度进行计算；和

调整所述足单元与所述下肢部件之间的角度到所希望的角度。

48、根据权利要求47中所述的方法，其中所测量的表面角度对于上倾表面为正而对于下倾表面为负。

49、根据权利要求47至48中任何一项所述的方法，其中对于为正值或负值的所述表面角度中的至少一个，所希望的角度为一定比例的所测量的表面角度。

50、根据权利要求49中所述的方法，其中当所测量的表面角度对于上倾表面为正时，所希望的角度为一定比例的所测量的表面角度。

51、根据权利要求47至50中任何一项所述的方法，其中当所测量的表面角度对于上倾表面为正时，所希望的角度从在中性位置的假体踝的角度减小而向足背弯曲，当所测量的表面角度对于下倾表面为负时，所希望的角度从在中性位置的假体踝的角度增加而向足底弯曲。

52、根据权利要求51中所述的方法，其中所希望的角度相对于测量的上倾表面的表面角度降低而向足背弯曲的量大于所希望的角度相对于所测量的下倾表面的表面角度增加而向足底弯曲的量。

53、根据权利要求52中所述的方法，其中所希望的角度减小而向足背弯曲的量大约为所测量的上倾表面的表面角度的100％，而所希望的角度减小而向足底弯曲的量大约在所测量的下倾表面的表面角度的10％至100％之间。

54、根据权利要求53中所述的方法，其中随着所测量的下倾表面的表面角度的增加，所希望的角度向足背弯曲的减小量非线性地增加。

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