步態(tài)矯正裝置以及用于保護(hù)步態(tài)矯正裝置及用戶免受損傷的方法
【專利說明】步態(tài)矯正裝置以及用于保護(hù)步態(tài)矯正裝置及用戶免受損傷的方法
[0001]相關(guān)串請案的交叉參考
[0002]本申請案主張2013年3月13日提出申請的標(biāo)題為“保護(hù)步態(tài)矯正裝置及用戶免受損傷(Protecting Gait Orthotic Devices and Users from Damage)，，的第61/779，684號美國臨時專利申請案的權(quán)益。此申請案的全部內(nèi)容以引用方式并入本文中。
【背景技術(shù)】
[0003]本發(fā)明涉及步態(tài)矯正裝置，且更特定來說涉及保護(hù)裝置及其用戶在跌倒期間免受損傷的步態(tài)矯正裝置。
[0004]已開發(fā)了允許具有運動性失調(diào)的人行走且執(zhí)行輪椅難以完成的任務(wù)的動力及非動力步態(tài)矯正裝置。使用此裝置的主要風(fēng)險中的一者為:導(dǎo)致與地面或某一其它物體的撞擊借此導(dǎo)致對裝置或裝置的用戶的損傷的跌倒的可能性。另外，對裝置的損傷可產(chǎn)生未來不可預(yù)測的性能。考慮到上文，認(rèn)為此項技術(shù)中需要通過保護(hù)裝置及其用戶在跌倒期間免受損傷而消除或緩和這些問題的步態(tài)矯正裝置(尤其是動力外骨骼裝置)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對于一種步態(tài)矯正裝置，例如動力外骨骼，所述步態(tài)矯正裝置包含:關(guān)節(jié)；致動器，其經(jīng)配置以引起所述裝置在所述關(guān)節(jié)處的移動；緩沖機(jī)構(gòu)，其耦合到所述裝置且經(jīng)配置以在與表面或物體的撞擊期間吸收能量或擴(kuò)散力；及控制器。所述控制器經(jīng)配置以確定何時發(fā)生跌倒且指導(dǎo)所述致動器以進(jìn)行以下操作:定向所述裝置使得所述緩沖機(jī)構(gòu)在所述跌倒期間與所述表面或物體進(jìn)行接觸；及/或通過執(zhí)行正關(guān)節(jié)做功而減少所述裝置在所述跌倒期間的動能。
[0006]所述緩沖機(jī)構(gòu)可采取各種形式，包含安全氣袋、彈簧、保險桿、碾桿或支架。在一個優(yōu)選實施例中，所述緩沖機(jī)構(gòu)為安全氣袋，所述安全氣袋呈以可拆卸方式耦合到所述裝置的安全氣袋模塊的形式使得可移除及替換所述安全氣袋模塊。所述安全氣袋模塊在鄰近于所述用戶的頭部、骨盆、臀部或膝蓋的位置處耦合到所述裝置。所述安全氣袋模塊包含:壓縮空氣罐；罐穿孔機(jī)構(gòu)，其經(jīng)配置以將所述壓縮空氣罐穿孔；觸發(fā)機(jī)構(gòu)，其經(jīng)配置以致動所述罐穿孔機(jī)構(gòu)；折疊式柔性袋，其經(jīng)配置以從所述壓縮空氣罐接收空氣；及安裝組件，其經(jīng)配置以將所述安全氣袋模塊以可拆卸方式耦合到所述步態(tài)矯正裝置。在一個尤其優(yōu)選實施例中，所述裝置包含多個安全氣袋模塊且所述控制器進(jìn)一步經(jīng)配置以在跌倒期間選擇性地部署所述安全氣袋模塊中的一或多者，其中所述選擇基于所述裝置在所述跌倒期間的位置或所述裝置跌倒的所感測方向。
[0007]依據(jù)連同圖式一起進(jìn)行的對本發(fā)明的優(yōu)選實施例的以下詳細(xì)描述將更容易地明了本發(fā)明的額外目標(biāo)、特征及優(yōu)點，其中在數(shù)個視圖中相似元件符號是指共同部件。
【附圖說明】
[0008]圖1是根據(jù)本發(fā)明的步態(tài)矯正裝置的透視圖；
[0009]圖2是用于步態(tài)矯正裝置的安全氣袋模塊的透視橫截面圖；及
[0010]圖3A到3D是展示在跌倒期間的步態(tài)矯正裝置及安全氣袋模塊的圖解說明。
【具體實施方式】
[0011]本文中揭示本發(fā)明的詳細(xì)實施例。然而，應(yīng)理解，所揭示實施例僅僅示范可以各種及替代形式體現(xiàn)的本發(fā)明。各圖未必按比例，且可放大或最小化一些特征以展示特定組件的細(xì)節(jié)。因此，本文中所揭示的具體結(jié)構(gòu)及功能細(xì)節(jié)將不解釋為限制性，而是僅僅解釋為用于教示所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員以各種方式采用本發(fā)明的代表性基礎(chǔ)。
[0012]本發(fā)明提供用于保護(hù)步態(tài)矯正裝置(特定來說動力外骨骼裝置)及裝置的用戶在發(fā)生跌倒時免于損傷及傷害的系統(tǒng)及方法。描述在一致地使用時提供最大益處的三個類別的保護(hù)方法，盡管也可獨立地使用所述保護(hù)方法以提供變化程度的保護(hù)。第一類別的保護(hù)方法在撞擊期間借助于緩沖吸收能量且擴(kuò)散所施加力，此些方法稱為“緩沖方法”。第二類別的保護(hù)方法在跌倒期間在撞擊之前通過使裝置執(zhí)行正關(guān)節(jié)做功而吸收能量，此些方法稱為“關(guān)節(jié)做功方法”。第三類別的保護(hù)方法依賴于混合響應(yīng)，從而在跌倒期間使用關(guān)節(jié)做功來主動地定位系統(tǒng)以最大化緩沖方法的效力或最小化裝置及用戶遭受損傷，此些方法稱為“定位方法”。
[0013]一般來說，存在兩種類型的步態(tài)矯正裝置:動力及非動力的。一種類型的動力裝置及供與本發(fā)明一起使用的裝置類型為動力外骨骼。常見類型的非動力裝置為往復(fù)運動式步態(tài)矯正器。動力裝置在身體的每一側(cè)上具有至少一個關(guān)節(jié)，所述至少一個關(guān)節(jié)具有圍繞關(guān)節(jié)施加扭矩以便執(zhí)行正及負(fù)關(guān)節(jié)做功的能力。相比之下，非動力裝置不具有在不具有來自用戶的身體的輸入的情況下執(zhí)行正關(guān)節(jié)做功的能力。結(jié)果，盡管非動力裝置可最好采用緩沖保護(hù)方法，但動力裝置可采用如下文詳細(xì)地討論的所有三種類別的保護(hù)方法。
[0014]現(xiàn)在參考圖1，展示根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的步態(tài)矯正裝置。具體來說，步態(tài)矯正裝置呈包含控制器105 (或控制系統(tǒng))、軀干110、右腿115及左腿120的動力外骨骼100的形式。右腿115及左腿120具有經(jīng)致動膝蓋及臀部。特定來說，右腿115具有臀部致動器125及膝蓋致動器130，而左腿120具有臀部致動器135及膝蓋致動器140。在使用中，外骨骼用戶將穿著外骨骼100，其中軀干110耦合到用戶的軀干，右腿115耦合到用戶的右腿且左腿120耦合到用戶的左腿。控制器105基于從傳感器(未展示)接收的各種信號而通過致動器125、130、135、140控制外骨骼100的運動(如此項技術(shù)中已知)，使得用戶能夠行走。
[0015]針對對例如外骨骼100的步態(tài)矯正裝置的使用，產(chǎn)生許多緩沖方法概念且系統(tǒng)地評估所述緩沖方法概念以確定最好地滿足以下資格的實施例:不阻礙正常性能；可重復(fù)且可預(yù)測；足夠迅速地部署以提供保護(hù)；穩(wěn)定化且提供對頸部的保護(hù)；保護(hù)臀部；防止骨折；美觀；且觀察員使用起來是安全的?？紤]緩沖機(jī)構(gòu)的五個一般實施例:
[0016]1.被動保險杠。將緩沖保險杠放置于圍繞裝置的關(guān)鍵位置處。
[0017]2.被動弓形彈簧。圍繞裝置定位大的柔性箍環(huán)使得其在跌倒期間首先進(jìn)行接觸且減少撞擊的量值。
[0018]3.主動膨脹保險杠。這些保險杠在跌倒期間展開且因此可大于被動保險杠以便吸收更多能量。
[0019]4.安全氣袋。氣體填充袋在跌倒期間經(jīng)充氣且在撞擊時吸收能量。由于跌倒花費數(shù)百毫秒，因此可能從壓縮氣體罐(例如，壓縮0)2罐)而且從用于汽車安全氣袋中的爆炸反應(yīng)填充所述袋。
[0020]5.支架。裝置沿跌倒的方向釋放支柱以防止裝置完全地碰撞地面，例如可伸縮、彈簧偏壓或流體調(diào)節(jié)式支柱。
[0021]基于對這些緩沖機(jī)構(gòu)的評估，確定優(yōu)選緩沖方法為使用安全氣袋，盡管每一實施例可連同本發(fā)明使用。
[0022]出于此討論的目的，術(shù)語“安全氣袋”是指可封裝于小體積中且選擇性地填充有較大氣體體積(其以壓縮狀態(tài)存儲于經(jīng)密封容器中)的柔性容器(S卩，袋)。當(dāng)安全氣袋需要執(zhí)行為墊子時，允許壓縮氣體從經(jīng)密封容器移動到袋。此氣體轉(zhuǎn)移增加袋內(nèi)側(cè)的壓力且致使其膨脹到較大體積。充氣袋可定向于裝置與撞擊表面之間以吸收能量且擴(kuò)散所施加力。安全氣袋的緩沖效應(yīng)為安全氣袋的三種性質(zhì)的結(jié)果:氣體為可通過壓縮吸收能量的相對軟的彈簧；膨脹袋形成與撞擊表面接觸的相對大的面積，此減小對裝置的力；及在撞擊期間從充氣袋的氣體流出可充當(dāng)保險杠以防止彈回。
[0023]在特定實施例中，安全氣袋提供于外骨骼100的所有側(cè)上。此良好地保護(hù)外骨骼100，此乃因可沿任一方向發(fā)生跌倒。在優(yōu)選實施例中，小模塊化安全氣袋位于例如頭部、骨盆、臀部及膝蓋的可能撞擊點處。通過使用機(jī)載傳感器，控制器105可檢測外骨骼100在其跌倒時的位置及方向且在撞擊之前選擇性地部署理想安全氣袋。此策略最小化保護(hù)裝置及用戶所需要的壓縮空氣量，促進(jìn)在不妨礙裝置的主要功能的情況下將安全氣袋安裝于裝置上，且最小化替換泄氣安全氣袋中涉及的成本及努力。
[0024]優(yōu)選地，每一安全氣袋為可在部署之后經(jīng)移除且由用戶用工廠重新封裝的單元替換的模塊。具體參考圖2，展示供與例如外骨骼100的步態(tài)矯正裝置一起使用的安全氣袋模塊200。安全氣袋模塊200主要包含:壓縮空氣罐205 ;安裝且固定罐的組件(未展示);罐穿孔機(jī)構(gòu)210 ;折疊式柔性袋215，其暴露到允許空氣在經(jīng)穿孔罐205與袋215之間移動的組件220 ;觸發(fā)機(jī)構(gòu)225，其致使穿孔機(jī)構(gòu)210操作；安裝組件230、231，其用以允許到外骨骼100的剛性且準(zhǔn)確連接；外殼235，其用以封圍且保護(hù)各種組件；翻板或蓋(未展示)，其允許安全氣袋膨脹到模塊外側(cè)且定位于裝置與撞擊表面之間；及組件240，其覆蓋觸發(fā)機(jī)構(gòu)225以防止不期望的部署。穿孔機(jī)構(gòu)的進(jìn)入罐205的一部分245是尖銳的以最小化接達(dá)罐205內(nèi)側(cè)的壓縮空氣所需要的時間及力。另外，穿孔機(jī)構(gòu)210為圓柱形的且具有居中定位的通道250，此允許空氣從罐205移動到經(jīng)封裝袋215。穿孔機(jī)構(gòu)210的尖銳部分245存儲于一位置中使得當(dāng)其由觸發(fā)機(jī)構(gòu)225解鎖時壓縮線圈彈簧255中的勢能轉(zhuǎn)化為朝向罐密封件引導(dǎo)的大動能。觸發(fā)機(jī)構(gòu)225通過優(yōu)選地由另一彈簧(未展示)偏壓于鎖定位置中的樞轉(zhuǎn)杠桿260將穿孔機(jī)構(gòu)210固持于適當(dāng)位置處。
[0025]當(dāng)安全氣袋模塊200不裝設(shè)于外骨骼100中時，不可能意外地且難以有意地部署安全氣袋模塊200。當(dāng)裝設(shè)于外骨骼100上時，組件240覆蓋觸發(fā)機(jī)構(gòu)225，惟在開口(圖2中展示但未單獨標(biāo)記)處除外，且外骨骼100上的傳感器檢測:安全氣袋模塊200的安裝組件230、231是否存在且適當(dāng)?shù)囟ㄎ唬粚⒛K200連接到外骨骼100的銷是否存在；及是否鎖定觸發(fā)機(jī)構(gòu)225。例如螺線管的觸發(fā)致動器(未展示)安裝于外骨骼100上，使得當(dāng)提供正確電壓或電流時其壓倒將其固持于縮回狀態(tài)中的彈簧且釋放觸發(fā)機(jī)構(gòu)225。額外傳感器確保觸發(fā)致動器在允許外骨骼100操作之前處于縮回狀態(tài)中。
[0026]在一個實施例中，可還通過采用與安全氣袋緩沖方法一致地工作的定位方法而減少用于提供所要保護(hù)水平的安全氣袋模塊200的數(shù)目。此策略涉及在跌倒期間起始且協(xié)調(diào)裝置關(guān)節(jié)做功(即，在關(guān)節(jié)處的樞轉(zhuǎn)移動)以增加外骨骼100在撞擊時的位置使用所裝設(shè)安全氣袋模塊200允許最優(yōu)緩沖的可能性。控制策略使用外骨骼100的位置及方向以及安全氣袋模塊200的已知位置及存在來確定且將外骨骼100引導(dǎo)到理想撞擊定向中。舉例來說，在從站立向后跌倒中，用戶的頭部有撞擊地面的風(fēng)險，但不是在頭部附近提供安全氣袋模塊