本申請要求2014年12月18日提交的、名稱為“具有針對位置和變化率的機械響應(yīng)系統(tǒng)的假關(guān)節(jié)”的美國臨時專利申請no.62/094,009的權(quán)益，該文件的全部內(nèi)容在此以參考方式并入本文。

背景技術(shù)：

假體的領(lǐng)域已經(jīng)被看到具有很多改進以通過改善移動性和返回功能來提高經(jīng)受受傷或失去四肢的人員的生活質(zhì)量。假體試圖模仿它們所替代的肢部的運動。例如，健康功能的腳踝將在步態(tài)期間經(jīng)歷一系列跖屈和背屈運動而無需人來有意識地控制腳踝運動。參見圖8。因此，各種改進已經(jīng)被尋求以制造可以模仿健康腳踝的運動的假踝關(guān)節(jié)從而可以提高患者的舒適性和功能性。

假踝關(guān)節(jié)必須在患者行走時呈現(xiàn)充分的且受控的背屈和跖屈以實現(xiàn)最自然的步態(tài)可能性。在另一方面，當(dāng)假體使用者站立時，必須實現(xiàn)充分的穩(wěn)定性和支撐以允許穩(wěn)定的姿態(tài)。因此，假體有必要以兩個不同的狀態(tài)、即一方面用于行走并且另一方面用于站立來操作。為了輕質(zhì)地、不易于故障地、成本低地且節(jié)能地構(gòu)建假體，假體應(yīng)當(dāng)能夠在沒有電子控制元件的情況下工作。在下述情況下也是有益的：假體的穿戴者不需要執(zhí)行任何不自然的運動來使假體從一個狀態(tài)切換到另一狀態(tài)，比如來使假關(guān)節(jié)、尤其是假踝關(guān)節(jié)從“行走”狀態(tài)切換至“站立”狀態(tài)或反之。即使對應(yīng)的運動或運動模式實現(xiàn)了分配給它們的目的，但是這些運動或運動模式在日常生活中看起來是不自然的并且假體的使用者由此可能被旁人以可能不愉快的方式認(rèn)出是假體使用者。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明基于的問題是提供一種消除或克服上述缺點的假關(guān)節(jié)、尤其是假踝關(guān)節(jié)、以及用于它的控制的過程。

一種假踝關(guān)節(jié)的設(shè)計被公開，該設(shè)計可以在兩個不同的狀態(tài)下提供功能性。在第一狀態(tài)下，關(guān)節(jié)適于提供動態(tài)的、阻抗受控的行走步態(tài)，并且在第二狀態(tài)下，關(guān)節(jié)適于提供靜態(tài)的、完全受支撐的站立狀態(tài)。受液壓調(diào)節(jié)的假關(guān)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)這兩種狀態(tài)而無需通過微處理器來激活每個狀態(tài)并無需為了在步態(tài)過程中動態(tài)地實施腳踝動作而犧牲站立的穩(wěn)定性。

在行走步態(tài)過程中，健康的人類腳踝會通過一系列受控的背屈階段和跖屈階段而覆蓋約30度的范圍。參見圖8。在站立過程中，支撐身體重量的地面反作用力(grf)位于足中，并定向地傳遞向踝關(guān)節(jié)的前側(cè)。這在踝關(guān)節(jié)上產(chǎn)生一個力矩，該力矩必須被抵消以獲得穩(wěn)定性。在健康的腳踝中，腳踝受到足底屈肌的支撐。在機械假體中，已經(jīng)知曉借助機械支撐、比如通過剛性附接部來抵消該力矩。在允許相對于中立位置背屈的液壓阻尼式腳踝中，該力矩沒有得到支撐，從而導(dǎo)致腳踝對于站立這一非常普通的任務(wù)都具有不穩(wěn)定且不滿意的表現(xiàn)。

在此描述的假關(guān)節(jié)具有下述優(yōu)點：關(guān)節(jié)在一個實施例中可以用作腳踝。關(guān)節(jié)具有被動的機械響應(yīng)系統(tǒng)以模仿自然功能關(guān)節(jié)來控制行走狀態(tài)和站立狀態(tài)。假踝關(guān)節(jié)提供模仿自然腳踝在行走時的運動的背屈和跖屈并且提供站立時的支撐。

根據(jù)本發(fā)明的假關(guān)節(jié)包括：第一連接器、第二連接器和允許第一連接器和第二連接器相對于彼此轉(zhuǎn)動的樞轉(zhuǎn)裝置；第一室和第二室，其中，所述室通過一個或多個流體流動路徑連接；阻塞部，所述阻塞部構(gòu)造成能限制室之間的流體流動，以及非電子機構(gòu)，所述非電子機構(gòu)用于響應(yīng)于關(guān)節(jié)的位置和/或關(guān)節(jié)的位置的變化率來控制流動。優(yōu)選地，所述機構(gòu)布置成使得在一個或多個特定的關(guān)節(jié)位置處的停留將堵塞流動路徑。優(yōu)選地，所述機構(gòu)既響應(yīng)于關(guān)節(jié)的位置又響應(yīng)于這種位置的變化率。

假關(guān)節(jié)或假體關(guān)節(jié)優(yōu)選地是假踝關(guān)節(jié)。這兩個連接器通過聯(lián)接件彼此樞轉(zhuǎn)地連接，所述聯(lián)接件可以具有幾乎任何已知的形式。這些部件例如可以是踝關(guān)節(jié)的功能部件，比如唯一部件或用于下腿部的附接元件，或者可以是附加的元件，假關(guān)節(jié)的更多的部件可以附接至所述附加的元件。它們彼此對準(zhǔn)以經(jīng)由一角度區(qū)域樞轉(zhuǎn)，所述角度區(qū)域至少覆蓋相應(yīng)的假關(guān)節(jié)、尤其是假踝關(guān)節(jié)所需的區(qū)域。

兩個室填充有流體并通過流體連接部在流動技術(shù)上彼此連接。當(dāng)關(guān)節(jié)的位置改變時，即當(dāng)?shù)谝贿B接器和第二連接器相對于彼此樞轉(zhuǎn)以使得圍出的角度改變時，將會使得來自兩個室之一的流體流入相應(yīng)的另一室。兩個連接器相對于彼此的具體的位置在后文中也被稱為關(guān)節(jié)定位或關(guān)節(jié)位置。

在關(guān)節(jié)的技術(shù)上尤為簡單的版本中，兩個室可以例如布置在實際聯(lián)接件的兩相反側(cè)上。采用這種方式，兩個室之一可以布置在該實際聯(lián)接件前方而兩個室中的另一個布置在該聯(lián)接件的后方。然而，這并不是強制性的。當(dāng)假關(guān)節(jié)是踝關(guān)節(jié)時，前方和后方分別指的是在向著前足的方向上和在向著腳后跟的方向上。這些位置被稱關(guān)節(jié)或樞軸之前和之后。

阻塞部可以形成為節(jié)流元件或關(guān)閉元件。它限制可以流動通過流體流動路徑的流體的量。在本文所描述的每個實施例中，阻塞部還可以是閥。

關(guān)閉被對關(guān)節(jié)的位置和/或關(guān)節(jié)的位置的變化速率做出反應(yīng)的非電子控制系統(tǒng)或非電子控制裝置所控制的。為了關(guān)閉流體連接部，關(guān)節(jié)必須在在預(yù)定的位置處或預(yù)定的位置范圍內(nèi)保持一預(yù)定的時間段。該位置優(yōu)選地對應(yīng)于具有關(guān)節(jié)的假體的穿戴者站立時關(guān)節(jié)所保持的位置。

在該位置處，如果關(guān)節(jié)在該位置處保持一預(yù)定的時間段，則控制機構(gòu)使阻塞部關(guān)閉流體連接部。這通常僅僅發(fā)生在患者利用關(guān)節(jié)站立的情況下。在行走時，關(guān)節(jié)也會移動經(jīng)過該位置，但是卻沒有在那里停留預(yù)定的持續(xù)時間，從而不會出現(xiàn)關(guān)閉。

在一個實施例中，關(guān)節(jié)包括兩個液壓致動器，這兩個液壓致動器分別在關(guān)節(jié)上于樞轉(zhuǎn)位置的兩側(cè)的各一側(cè)上相反地作用。液壓致動器之間的液壓流動通過一通道來進行。所述通道可以通過機械裝置、比如鏈接至閥的凸輪來打開或封堵。關(guān)節(jié)可旋轉(zhuǎn)地耦接至足部。關(guān)節(jié)對行走和足部轉(zhuǎn)動的響應(yīng)是調(diào)節(jié)對致動器之間的流動的阻抗，這是因為足部從腳后跟著地開始到支撐階段中期再到離地承受著地面反作用力。然而，所述阻抗在整個支撐階段中并不是相同的，而是隨著轉(zhuǎn)動位置和旋轉(zhuǎn)速度而變化。

阻尼的進程和對抗所出現(xiàn)的力的阻抗的進程可以通過連接至閥的凸輪的形狀在較寬范圍內(nèi)被自由地調(diào)節(jié)。

在一些實施例中，關(guān)節(jié)包括連接室的、具有可變阻塞部的雙向流動路徑、以及連接室的單向流動路徑，并且還包括：當(dāng)阻塞部基于外力反應(yīng)時在阻塞部上施加阻尼力，從而延遲對流體流動的限制。

在一些實施例中，關(guān)節(jié)包括連接室的、具有可變阻塞部的雙向流動路徑、以及連接室的單向流動路徑，所述關(guān)節(jié)還包括：驅(qū)動阻塞部以限制流動的力百分百來自地面反作用力。

然而，還可能的是，對于在此描述的實施例，驅(qū)動阻塞部以限制流動的力的至少一部分源于儲存在用于儲存能量的合適的裝置中的動能。該裝置可以是彈性或回彈性元件、比如彈性體和彈簧。

在一些實施例中，關(guān)節(jié)包括驅(qū)動從動件的凸輪；從動件的位置抵抗對抗性阻尼元件地驅(qū)動阻塞部、優(yōu)選閥的關(guān)閉以限制流體流動。

在一些實施例中，凸輪在旋轉(zhuǎn)的至少一部分的過程中產(chǎn)生一停留期，在該停留期期間，凸輪驅(qū)動阻塞部以在機構(gòu)動態(tài)停止時或之前完全關(guān)閉。優(yōu)選地阻塞部是閥。

在一些實施例中，關(guān)節(jié)包括磁性元件；其中，磁性元件抵抗對抗性阻尼元件地驅(qū)動閥的關(guān)閉以限制流體流動。

在一些實施例中，預(yù)定的關(guān)節(jié)位置處的磁力使閥在關(guān)閉機構(gòu)達到穩(wěn)定狀態(tài)時或之前完全關(guān)閉。

在一些實施例中，當(dāng)在關(guān)節(jié)的特定角度處停留由阻尼元件所確定的時間段時，流體傳輸被限制。

在一些實施例中，當(dāng)關(guān)節(jié)所支撐的身體的重心位于樞軸位置的前方并且所述機構(gòu)已經(jīng)封堵流動路徑時，旋轉(zhuǎn)速度為零。

在一些實施例中，阻塞部連接至阻尼元件，阻尼元件在阻塞部移動以限制室之間的流體流動時對抗阻塞部的運動。

在一些實施例中，關(guān)節(jié)還包括驅(qū)動從動件的凸輪；從動件的位置借助于順從元件來驅(qū)動阻塞部的關(guān)閉。

在一些實施例中，凸輪形狀提供簡單諧波運動。

在一些實施例中，凸輪和阻塞機構(gòu)構(gòu)造成：在關(guān)節(jié)在特定的角度位置處停止或近似停止由機構(gòu)動力學(xué)所限定的時間段時封堵前缸與后缸之間的通道。

在一些實施例中，關(guān)節(jié)包括磁性元件；其中，磁性元件抵抗對抗性阻尼元件地驅(qū)動阻塞部的關(guān)閉。

在一些實施例中，預(yù)定的關(guān)節(jié)位置處的磁力在所述機構(gòu)達到穩(wěn)定狀態(tài)時或之前完全關(guān)閉閥。

在一些實施例中，關(guān)節(jié)包括連接第一室與第二室的雙向流動路徑。

在一些實施例中，關(guān)節(jié)包括連接第一室與第二室的單向流動路徑。

優(yōu)選地，關(guān)節(jié)具有至少部分地位于第一室內(nèi)和/或第二室內(nèi)的至少一個活塞，所述至少一個活塞通過第一連接器相對于第二連接器的運動而被移動，以使得來自一個室的流體移向另一室。下述情況是有利的：在關(guān)節(jié)向著一個方向運動期間、例如在背屈時，流體從第一室移入第二室，而在關(guān)節(jié)的反向運動中、即跖屈時，流體將從第二室移入第一室。

關(guān)節(jié)有利地具有部分地位于第一室中且部分地位于第二室中的恰好一個活塞。該活塞可以例如形成為圓環(huán)段，并具有兩個端部，每個端部伸入兩個室中的一個。通過相對于兩個室移動活塞，將出現(xiàn)容積變化，其中，兩個室中的一個中的容積減小而相應(yīng)的另一室的容積增大。這使得室中的流體移動通過流體連接部。

已經(jīng)被證實有益的是，阻尼元件還可以是液壓或氣動阻尼元件或者填充有不同流體的阻尼元件，其中，關(guān)閉件能夠?qū)顾鲎枘嵩匾频疥P(guān)閉位置。由此，關(guān)閉件例如可以是針閥，所述針閥的針被推入流體連接部以關(guān)閉流體連接部并使閥從“行走”模式來到“站立”模式。為此，閥的具有針的一部分一定會被推入一容腔，該容腔具有通往阻尼室和阻尼活塞的流體連接部。優(yōu)選地，阻尼元件具有至少一個阻尼室和至少一個阻尼活塞，所述至少一個阻尼活塞在第一連接器相對于第二連接器的預(yù)定的位置范圍內(nèi)被致動以阻止流體連接部的關(guān)閉。

關(guān)閉件的一個區(qū)域或容腔與阻尼室之間的流體連接部可以用來設(shè)定由阻尼元件所施加的阻尼的強度。為此也可以設(shè)置節(jié)流閥或類似裝置。在一側(cè)關(guān)閉阻尼室的阻尼活塞可以具有致動元件，該致動元件可以與凸輪或附接至凸輪的元件相互作用。這在下述情況下尤為有利：在關(guān)節(jié)的極限位置處，即在第一連接器相對于第二連接器強樞轉(zhuǎn)時，有較大的力施加至關(guān)閉件，其中，該較大的力單獨就足以相對快速地關(guān)閉第一室與第二室之間的流體連接部。然而，由于這在該位置處是不被期待的，因此在阻尼活塞處可以具有用于這種情況的致動元件。然后，阻尼活塞被向著阻尼室地推動并由此阻尼活塞向著關(guān)閉件推動阻尼室中的流體通過另外的流體連接部，從而阻止兩個室之間的流體連接部關(guān)閉。

在一些實施例中，假體系統(tǒng)包括上述實施例中的任何一個實施例的假關(guān)節(jié)、和在連接器之一處連接至關(guān)節(jié)的假足，并且第二連接器連接至假體裝置。優(yōu)選地該裝置包括用于接收肢部的套筒。

在一些實施例中，控制假關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動的方法包括施加引起關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的外力，其中，關(guān)節(jié)包括第一室和第二室；響應(yīng)于關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動地在第一室與第二室之間傳輸流體；提供一結(jié)構(gòu)特征以封堵或部分地封堵室之間的流體；提供非電子機構(gòu)以響應(yīng)于關(guān)節(jié)的位置和/或關(guān)節(jié)的位置的變化率地控制流動。優(yōu)選地，所述機構(gòu)布置成在一個或多個特定的關(guān)節(jié)位置處的停留將封堵流動路徑。

在一些實施例中，控制液壓式假踝關(guān)節(jié)的背屈和跖屈的方法包括：利用液壓式假腳踝來產(chǎn)生地面反作用力，其中，假液壓腳踝包括第一室和第二室，并且腳踝連接至假足；響應(yīng)于地面反作用力地轉(zhuǎn)動假足；響應(yīng)于足部的轉(zhuǎn)動地在第一室與第二室之間傳輸流體；提供一結(jié)構(gòu)特征以封堵或部分地封堵室之間的流體傳輸；提供非電子機構(gòu)以響應(yīng)于關(guān)節(jié)的位置和/或關(guān)節(jié)的位置的變化率地控制流動。優(yōu)選地，所述機構(gòu)布置成在一個或多個特定的關(guān)節(jié)位置處的停留將封堵流動路徑。

優(yōu)選地，流體流動路徑可以通過在第一連接器或第二連接器上沿預(yù)定方向地施加力矩而被再次打開。采用這種方式，可以尤為容易地實現(xiàn)：使關(guān)節(jié)從“站立”這一操作模式或狀態(tài)返回到“行走”這一操作模式或狀態(tài)。

優(yōu)選地，力借助力矩施加在流體上，由此流體從一個室通過單向連接部移向相應(yīng)的另一室，從而釋放由關(guān)閉所施加的鎖合。

在一優(yōu)選的實施例中，第一室和第二室位于關(guān)節(jié)或樞軸的前方和后方。在本文中，這當(dāng)然意味著只有一個室定位在關(guān)節(jié)的前方，而另一室定位在關(guān)節(jié)的后方。

關(guān)節(jié)的實施例依賴于用于響應(yīng)于關(guān)節(jié)的位置和關(guān)節(jié)的位置的變化率兩者來控制流動的非電子機構(gòu)的使用，其中，所述機構(gòu)布置成在一個或多個特定的關(guān)節(jié)位置處的停留將封堵流體流動。所述機構(gòu)可以完全通過地面反作用力、比如行走時、站立時、或坐下時的地面反作用力或者來自變化位置的地面反作用力來操作。可以借助非電構(gòu)件來控制流體流動的機構(gòu)可以由于省去了電源而減小整體尺寸。

附圖說明

本發(fā)明的上述方面和許多隨之而來的優(yōu)點通過參考下述詳細說明并結(jié)合附圖被更好地理解，其中：

圖1是代表用于本文所描述的關(guān)節(jié)的應(yīng)用的一個實施例的示意圖；

圖2是一假體的示意圖，該假體代表用于本文所描述的關(guān)節(jié)的應(yīng)用的一個實施例；

圖3是根據(jù)一個實施例的關(guān)節(jié)的示意圖；

圖4是一時間響應(yīng)圖表，該圖表示對于關(guān)節(jié)的一個實施例在站立期間關(guān)閉百分比隨時間的變化；

圖5是一時間響應(yīng)圖表，該圖表示對于關(guān)節(jié)的一個實施例在行走期間關(guān)閉百分比隨時間的變化；

圖6是根據(jù)一個實施例的關(guān)節(jié)的示意圖，該關(guān)節(jié)在站立期間具有地面反作用力；

圖7是用于根據(jù)一個實施例的關(guān)節(jié)的狀態(tài)空間圖的圖示；

圖8是健康關(guān)節(jié)的跖屈和背屈的圖示；

圖9是根據(jù)一個實施例的關(guān)節(jié)在步態(tài)周期的不同階段的示意圖；

圖10是根據(jù)一個實施例的關(guān)節(jié)的多個部分的示意圖；

圖11是根據(jù)一個實施例的關(guān)節(jié)的多個部分的示意圖；

圖12是根據(jù)一個實施例的關(guān)節(jié)的多個部分的示意圖；

圖13是根據(jù)一個實施例的關(guān)節(jié)的多個部分的示意圖；

圖14是根據(jù)一個實施例的關(guān)節(jié)的示意圖；

圖15是根據(jù)一個實施例的非電機構(gòu)的示意圖；并且

圖16是根據(jù)一個實施例的非電機構(gòu)的示意圖。

圖17是根據(jù)本發(fā)明的一實施例的關(guān)節(jié)的示意圖，

圖18至21示出非電機構(gòu)在“行走”期間的不同階段的示意圖；并且

圖22至24示出來自圖18至21的、在“站立”期間的不同階段的非電機構(gòu)。

具體實施方式

參見圖1，戴有具有踝關(guān)節(jié)100的膝下假體114的人員的示意圖被示出。在圖2中，膝下假體114包括用于接收截肢的套筒102和用于將套筒的基底連接至連接器106的柄部(shank)(或架子(pylon))104。連接器106可以是“倒金字塔式”連接器。連接器106接收在接收器108中。接收器108可以具有將連接器106鎖定在其位置處的定位螺釘。接收器108繼而連接至所述關(guān)節(jié)100，繼而所述關(guān)節(jié)100通過鉸鏈110連接至假足112。套筒102、柄部104、連接器106和足部112都可以是公知的構(gòu)件。關(guān)節(jié)100示出為用作腳踝，然而，該關(guān)節(jié)還可以具有其它的應(yīng)用，比如用作膝蓋或髖關(guān)節(jié)。

參見圖3，適于用作圖1和2所示出的踝關(guān)節(jié)100的假關(guān)節(jié)100被示出。圖3的關(guān)節(jié)被高度簡化以示出假關(guān)節(jié)的一個實施例的主要構(gòu)件。關(guān)節(jié)100包括外液壓箱116。所述箱設(shè)置有內(nèi)部第一室128、內(nèi)部第二室130、位于第一室128內(nèi)的第一活塞120、以及位于第二室130內(nèi)的第二活塞122。室128和130填充有液壓流體。第一室與第二室之間設(shè)置有通道132。第一活塞120和第二活塞122中的每個包括分別靠置在相應(yīng)的凸輪118、148上的凸輪從動件124和126。假關(guān)節(jié)100通過樞軸134可旋轉(zhuǎn)地連接至足部112。足部可以繞著樞軸134相對于關(guān)節(jié)100執(zhí)行背屈和跖屈。足部例如通過參與行走步態(tài)運動而被驅(qū)動以進行旋轉(zhuǎn)。當(dāng)然，第一活塞120和第二活塞122也可以是僅僅一個活塞的兩端，其中，該僅僅一個活塞的形狀設(shè)置為環(huán)的一部分。還能夠使用僅僅一個凸輪。

在一個實施例中，凸輪組件被提供以調(diào)節(jié)或停止室之間的流動。凸輪組件可以在行走時提供受控的背屈和跖屈并且還可以在站立時提供穩(wěn)定性而沒有使用電子器件。其它實施例可以利用磁裝置來調(diào)節(jié)和停止所述流動。

凸輪組件可包括凸輪136、與凸輪表面接觸的從動件138、和連接于從動件與杠桿臂142之間的初級彈簧140。杠桿臂連接至阻尼裝置144和對抗阻尼裝置的次級彈簧146。杠桿臂還連接至阻塞部150。阻塞部150構(gòu)造成可變地阻塞室128與130之間的通道132。該通道132是兩個室128、130之間的流體流動路徑。由此，隨著堵塞程度的增加，對室之間的流體流動的阻抗也隨之增加直至阻塞部150完全阻塞通道132并且室128與130之間的流體傳輸被停止，從而將腳踝鎖定在其位置處。對流體流動的限制的量可以取決于凸輪136的形狀和構(gòu)造。在一個實施例中，跖屈或背屈角度越大或變得越大，則阻抗越小。(例如足部與柄部之間的)角度向零靠近時或越接近零時(對應(yīng)于支撐階段中期或當(dāng)身體的重心與關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)中心對齊時)，阻抗越大。阻塞受到阻抑，以使得與增加阻抗的較慢的步態(tài)相比，較快的步態(tài)對流動產(chǎn)生的阻抗更小。阻尼反應(yīng)可以基于關(guān)節(jié)的使用者而被調(diào)整成更慢或更快。凸輪138可以相對于凸輪的突起部分是對稱的或非對稱的。凸輪側(cè)部可以是直線性的或非直線性的并可以限定出漸開線形狀。凸輪138的突起部分是凸輪的相對于旋轉(zhuǎn)點的頂點或最大點。葉長定義為旋轉(zhuǎn)點與突起部分之間的長度。凸輪138的大小和定位以及形狀可以被改變以適應(yīng)于關(guān)節(jié)的具體使用者從而與使用者的行走特征相吻合。為了實現(xiàn)站立狀態(tài)，凸輪138被調(diào)整，以使得：當(dāng)腳踝的角度為零或接近零(對應(yīng)于處于支撐階段中期或大約支撐階段中期)且旋轉(zhuǎn)速度為零或接近零(對應(yīng)于站立不動)時，凸輪138可以向上對齊以在阻塞部150上施加最大抬升并且所關(guān)聯(lián)的阻抑相應(yīng)將完全限制室128、130之間的流動，從而將關(guān)節(jié)支撐在站立位置處?；謴?fù)行走步態(tài)將使凸輪138移離最大抬升并使得阻塞部150能再次允許室之間的流動。圖4示出人站立不動時、即旋轉(zhuǎn)角度為預(yù)選取的零或接近預(yù)選取的零且旋轉(zhuǎn)速度為零或接近零時所發(fā)生的穩(wěn)定狀態(tài)下的關(guān)節(jié)的響應(yīng)的一個實施例的圖示。如圖所示，完全關(guān)閉位置在約0.5秒或更短的時間后出現(xiàn)。然而，容易想到的是，關(guān)節(jié)的響應(yīng)可以根據(jù)關(guān)節(jié)的預(yù)期使用者來改變。

足部借助外力、比如地面反作用力的施加而相對于關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)。行走步態(tài)包括支撐階段和擺動階段。支撐階段(即足部的任何部分均與地面接觸的時候)是以腳跟的端部首先著地時的腳跟著地開始的。這在一開始引起輕微的跖屈運動，這如圖8中作為負(fù)向旋轉(zhuǎn)所示出的。隨著支撐階段的繼續(xù)，背屈出現(xiàn)，角度大約在支撐階段中期變?yōu)榱?，然而，零角度是相對的并且可能在人與人之間發(fā)生變化。背屈在支撐階段中期之后繼續(xù)變化至最大，并跟隨有跖屈以準(zhǔn)備腳趾離地。跖屈在腳趾離地時達到最大。然后，背屈發(fā)生以在擺動階段期間抬高腳趾從而避免腳趾踢碰地面，并且背屈可以以接近零的角度結(jié)束從而準(zhǔn)備進行下一周期。關(guān)于關(guān)節(jié)的受控的跖屈階段和背屈階段參見圖9。圖5繪出室之間的打開百分比相對于時間的變化。如能理解的，目的在于使得閥在整個行走步態(tài)中從來沒有完全100％關(guān)閉并且保持打開。

如上述段落所提及的，踝關(guān)節(jié)需要響應(yīng)于行走步態(tài)和站立穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)生在身體站立不動時，如圖6所示。地面反作用力趨于使腳踝背屈。然而，在獲得站立位置后，凸輪138在阻塞部15上施加接近最大或最大的抬升。也就是說，如果旋轉(zhuǎn)角度為零或接近零且旋轉(zhuǎn)速度也接近零，那么阻塞部150將關(guān)閉通路，由此將腳踝鎖定在該位置處。圖7示出腳踝的穩(wěn)定狀態(tài)或閉閥狀態(tài)。水平軸是旋轉(zhuǎn)角度，其中，負(fù)數(shù)是跖屈并且正數(shù)是背屈，并且豎軸是旋轉(zhuǎn)的變化率。圖7的橢圓代表閥關(guān)閉的條件。當(dāng)以中立(neutral)位置站立(在此θ接近零)并且關(guān)節(jié)的速度也接近零時，閥將關(guān)閉以提供地面反作用力所引起的力矩的完全支撐。當(dāng)在行走過程中經(jīng)過中立位置時，關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)速度足夠大以能夠避免關(guān)閉閥。也就是說，在行走時，旋轉(zhuǎn)速度由于阻尼裝置的延時而從來沒有小至能允許閥完全關(guān)閉。

參見圖10，關(guān)節(jié)100的一個實施例被示出。關(guān)節(jié)100包括液壓箱308、閥304、接收器302和凸輪組件306。關(guān)節(jié)包括用于接收樞轉(zhuǎn)軸的孔口。

圖11和12更清楚地示出關(guān)節(jié)100的主要部件和它們在關(guān)節(jié)100上的布置。閥304可以是美國申請no.14/213293(2014年3月14日提交)所披露的閥。具有活塞和通道的液壓箱308可以類似于美國專利申請公開文本no.2013/0173022所披露的具有活塞和通道的踝關(guān)節(jié)體104，其改型在此予以說明。這兩個申請均以參考方式明確并入本文。

對美國專利申請公開文本no.2013/0173022所描述的液壓系統(tǒng)的改型包括去除激活液壓系統(tǒng)和變型例的電子裝置以允許布置本文所描述的凸輪組件306。本文所描述的關(guān)節(jié)可以具有例如電子傳感器、比如加速計和角度傳感器。

參見圖13，凸輪組件被示出。凸輪310連接至例如繞著旋轉(zhuǎn)軸線330樞轉(zhuǎn)的樞轉(zhuǎn)軸。凸輪具有用于連接至樞轉(zhuǎn)軸的夾持部334。凸輪包括凸輪表面312，所述凸輪表面312大致位于垂直于旋轉(zhuǎn)線的平面上。凸輪表面具有伸到最大抬升的突起336。凸輪組件具有凸輪從動件，凸輪從動件包括滾動球314、彈簧317、襯套316和柱塞318。球314保持在襯套316中。球314與彈簧317接觸，彈簧317繼而與柱塞318的一個端部接觸。柱塞的相反的一端具有銷332，銷332在此通常稱之為“阻塞部”。銷332配合在圖12所示的閥304上的孔口338中。銷在閥的孔口338內(nèi)的深度將不僅確定流動方向，而且還確定對流動的阻抗。隨著球314在凸輪表面上移動，銷332的深度可以基于彈簧315的特征而被影響。柱塞318向著閥的向前運動還受到彈簧322的反作用，并且阻尼裝置324阻抑柱塞的向前運動。柱塞在部位340處連接至杠桿臂320，如圖11或12所示。杠桿臂的相反的一端連接至阻尼裝置。阻尼裝置然后通過銷328連接至液壓箱308上的孔342。

參見圖11和12，阻尼組件306于腔360內(nèi)裝配在液壓箱308內(nèi)。柱塞318被圍在罩344內(nèi)。銷332突出穿過板346，以使得銷與閥304的開孔338對準(zhǔn)。液壓箱308具有通口348和350，每個通口分別連通至室356和358。通口348和350是雙向的以允許液壓流體流入和流出室和閥304。

在圖11中，凸輪從動件的球314配合在球接收部354的孔352中。球314從球接收部354伸出以在凸輪表面上行進。接收部314在其內(nèi)收容有彈簧317，并且彈簧317靠置在柱塞318的一端上。

通過所描述的機構(gòu)，球314的直接運動借助彈簧317與閥的打開/關(guān)閉解耦。彈簧317是解耦動作的部件。由于阻尼元件對第一彈簧317的抵抗，系統(tǒng)沒有即時相應(yīng)。這實現(xiàn)了：在行走過程中即使凸輪從動件經(jīng)過一高的位置，閥也保持打開。

然而，當(dāng)停留在該高停留位置時，阻尼元件將(隨時間)屈服于第一彈簧317并且閥關(guān)閉從而關(guān)斷液壓流體傳輸。所需的時間量能夠通過阻尼元件的速率系數(shù)(ratecoefficient)來調(diào)節(jié)。

圖14是圖3所示的液壓式假關(guān)節(jié)的第二實施例，然而，圖14的關(guān)節(jié)包括具有單向閥404的、將第一液壓室430連接至第二液壓室428的液壓流體路徑402。

圖15是一種非電子機構(gòu)500的示意圖，該非電子機構(gòu)500用于響應(yīng)于假關(guān)節(jié)的位置和關(guān)節(jié)的位置的變化率來控制流動，并且該機構(gòu)布置成使得在一個或多個特定的關(guān)節(jié)位置處的停留能封堵流體流動。一種特定的機構(gòu)已經(jīng)在上文中結(jié)合圖10-13予以說明。然而，所述機構(gòu)并不由此受到限制。圖15是利用與凸輪從動件504接觸的凸輪表面502的非電子機構(gòu)的一種代表。凸輪表面可以部分地決定于具體使用者的步態(tài)特征。凸輪從動件504與第一彈簧506接觸，第一彈簧506繼而與阻尼元件508和第二彈簧510接觸。所述機構(gòu)操作閥512以控制假關(guān)節(jié)、比如圖3或圖14所示的關(guān)節(jié)的第一室與第二室之間的液壓流動。如所理解的，構(gòu)造成使得凸輪從動件504通常處于凸輪表面502的高停留位置514與帶有關(guān)節(jié)的人員的站立同時發(fā)生。如果在高停留位置停留足夠的時間，那么阻尼元件508將屈服于第一彈簧506并且閥512將關(guān)閉從而關(guān)斷液壓流體傳輸。對此所需要的時間量可通過阻尼元件508的速率系數(shù)來調(diào)節(jié)。

圖16是一種非電子機構(gòu)600的示意圖，該非電子機構(gòu)600用于響應(yīng)于關(guān)節(jié)的位置和關(guān)節(jié)的位置的變化速率來控制所述流動，并且所述機構(gòu)布置成使得在一個或多個特定的關(guān)節(jié)位置處的停留能封堵流體流動。上文已經(jīng)結(jié)合圖10-13說明了一種具體的機構(gòu)。然而，所述機構(gòu)并不由此受到限制。圖16是利用在第二磁體604附近移動的第一磁體602的非電子機構(gòu)的一種代表。第一磁體602沿著由箭頭所表示的方向向后、向前移動。第二磁體604與第一磁體的運動垂直地移動。如所理解的，當(dāng)?shù)谝淮朋w的北極(或南極)以最接近第二磁體的北極(或南極)的方式對齊時，產(chǎn)生最大的排斥力。在其它構(gòu)造中，也可以利用吸引力。第二磁體604與阻尼元件608和彈簧610接觸。所述機構(gòu)操作閥612以控制假關(guān)節(jié)、比如圖3或圖14所示的關(guān)節(jié)的第一室與第二室之間的液壓流動。如所理解的，磁體通常處于最大排斥力(或吸引力)與帶有關(guān)節(jié)的人員的站立同時發(fā)生。假如在最大排斥力(或吸引力)處停留了充分的時間，那么阻尼元件608將屈服于彈簧610并且閥612將關(guān)閉以關(guān)斷液壓流體傳輸。對此所需的時間量能夠通過阻尼元件608的速率系數(shù)來調(diào)節(jié)。

盡管本發(fā)明的一優(yōu)選的實施例已經(jīng)被圖示并被說明，但是將被理解的是，可以做出各種改變而不會脫離本發(fā)明的精神和范圍。

圖17示出具有根據(jù)本發(fā)明的一實施例的踝關(guān)節(jié)的假足。第一連接器702和第二連接器704通過聯(lián)接件706彼此樞轉(zhuǎn)地連接。僅僅示意性示出的假足708還布置在第二連接器704上。所述假足708具有腳后跟區(qū)710和被稱為前足或前足區(qū)的腳趾區(qū)712。

在第二連接器704中具有第一室714和第二室716。在這些部件中具有第一活塞718和具有第二凸輪柱塞724的第二活塞722，在第一活塞718中具有第一凸輪柱塞720。凸輪柱塞還被稱為從動件。

兩個室714、716通過流體連接部726彼此連接。

流體連接部726可以借助于關(guān)閉件728來封堵。關(guān)閉件728具有布置在承載元件732上的銷730。

承載元件732布置在空腔734中，在空腔734中于圖17中的下部具有第三凸輪柱塞736。第三凸輪柱塞736抵靠在下凸輪738上，下凸輪738是第一連接器702的一部分。如果第一連接器702現(xiàn)在相對于第二連接器704樞轉(zhuǎn)以使得下凸輪738向上移動，則第三凸輪柱塞736向上移動，這會壓縮彈簧740并在承載元件732上施加向上的力。在承載元件732上方具有另一彈簧742和阻尼元件744，阻尼元件744確保承載元件732和對齊在承載元件732上的銷730以一延時向上移動。步態(tài)周期的各階段以及站立階段將在另外的圖中予以更詳細地說明。

在第一室714與第二室716之間具有單向連接部746，止回閥748布置在單向連接部746內(nèi)。

圖18至24示出圖17所述的裝置在不同狀態(tài)下的放大區(qū)段。每幅圖示出處于不同位置的下凸輪738以及第三凸輪柱塞736。圖18還用于不同的結(jié)構(gòu)元件的準(zhǔn)確指定。下凸輪738執(zhí)行繞著聯(lián)接件706的樞轉(zhuǎn)并抵靠至第三凸輪柱塞736。在下凸輪738與承載元件732之間于空腔734中具有彈簧740。該空腔的上部與容置有彈簧740的下部通過密封環(huán)750隔開。該上部填充有可以流動通過流體連接部752并進入阻尼室754的流體，阻尼室754通過阻尼活塞756向下關(guān)閉。在阻尼活塞756的端部處布置有另外的彈簧758和推桿760。

阻尼室754和空腔734的上部的容積可以通過容積調(diào)節(jié)螺釘762來設(shè)定。連接部752與阻尼室754之間的流率764可以通過節(jié)流螺釘766來設(shè)定。可以想到的是，與圖17不同的是，阻尼元件744已經(jīng)被去除，這是因為它現(xiàn)在由阻尼室754和帶有彈簧758的阻尼活塞756形成。銷730可以進一步向上移動以關(guān)閉流體連接部726。

圖19至21示出步態(tài)周期的不同階段的狀況。圖19示出剛放下足部處于約10°跖屈時的狀況。銷730還沒有關(guān)閉流體連接部726，以使得來自第一室714的流體可以流入第二室716，反之亦然。

圖20示出中間站立階段?？梢岳斫獾氖?，下凸輪738已經(jīng)相對于第二連接器704樞轉(zhuǎn)。由此，向上的力已經(jīng)被施加至第三凸輪柱塞736，第三凸輪柱塞736基于該力已經(jīng)從虛線所示的位置移動至新的位置。由此，彈簧740被壓縮并對抗彈簧742向上推動承載元件732。同時，流體引導(dǎo)通過流體連接部752經(jīng)過節(jié)流螺釘766并進入阻尼室754，該流體向下推動阻尼活塞756。由此形成的阻抑使得第三凸輪柱塞736的運動與其上帶有銷730的承載元件732的運動之間具有延時。

圖21示出背屈時的狀況。下凸輪738已經(jīng)被進一步樞轉(zhuǎn)，以使得第三凸輪柱塞736繼續(xù)承受向上的力，從而使第三凸輪柱塞736向上移動并進一步壓縮彈簧740。在這一強偏轉(zhuǎn)中，推桿760也施加至下凸輪738并通過下凸輪738的運動被向上推動。由此，阻尼活塞756也被向上推動，并由此使阻尼室754中的流體移動經(jīng)過背壓閥768并通過流體連接部752。由此，壓力從上方被施加在承載元件732上，由此承載元件732對抗彈簧740的壓力向下移動并由此使銷730也向下移動。因此，銷730無法在一個步驟中關(guān)閉流體連接部726。

這在站立的時候是困難的。圖22對應(yīng)于圖19并示出處于約10°跖屈時的狀況。銷730沒有關(guān)閉流體連接部726。下凸輪738與第三凸輪柱塞736接觸。

圖23對應(yīng)于圖20并示出下凸輪738的樞轉(zhuǎn)是如何向上移動第三凸輪柱塞736并由此借助彈簧740在承載元件732周圍將流體推入阻尼室754的。同時，銷730被向上推動，但是沒有關(guān)閉流體連接部726。

由于假體的穿戴者保持該狀態(tài)，因此彈簧740可以進一步放松。這在圖24中示出。下凸輪738還沒有相對于第二連接器704并由此也沒有相對于第三凸輪柱塞736運動。然而，通過釋放彈簧740，可以使承載元件732向上移動并推動更多的流體通過流體連接部752進入阻尼室754。推桿760還沒有與下凸輪738接觸。

銷730在該狀況下移動以關(guān)閉流體連接部726，從而如圖17所示，沒有更多的流體可以從第二室716流入第一室714。足部在背屈方向上的進一步移動由此是不可能的。

為了釋放該鎖合和關(guān)閉并為了使踝關(guān)節(jié)從模式“站立”來到模式“行走”，假體的穿戴者在圖示的實施例中必須在第一連接器702上施加順時針方向的扭矩或在第二連接器704上施加逆時針方向的扭矩。這會使凸輪770向下移動并借助第一凸輪柱塞720向下推動第一活塞718，從而減小第一室714的容積。流體通過背壓閥748進入第二室716而無需經(jīng)過流體連接部726。第一連接器702相對于第二連接器704的樞轉(zhuǎn)(對應(yīng)于圖18中下凸輪738向下樞轉(zhuǎn))允許彈簧740和742釋放，這使得承載元件732和銷730向下移動，從而再次釋放流體連接部726。