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JP4320017B2 - Instrumented artificial leg - Google Patents

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JP4320017B2 JP2005510677A JP2005510677A JP4320017B2 JP 4320017 B2 JP4320017 B2 JP 4320017B2 JP 2005510677 A JP2005510677 A JP 2005510677A JP 2005510677 A JP2005510677 A JP 2005510677A JP 4320017 B2 JP4320017 B2 JP 4320017B2
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Description

本発明は器械化義足に関する。   The present invention relates to an instrumented prosthesis.

制御専門技術者にとって周知のように、複雑な機械システムの自動化は容易に可能なものとは言えない。そのようなシステムの中で、特に従来の動力義肢は制御上種々の問題があることでよく知られている。このような義肢は、切断患者からの相互作用なしで関節を人工的に可動させ、単に基本的な動きのみを可能にした基本的コントローラを備えている。しかし、このような基本的コントローラは、義肢が実際の用途に適した制御を必要とすることがあるという事実にも拘わらず、そのような作業環境の動的条件を考慮していない。このような基本的コントローラは、一般に、義肢の応答を予測するのに必要な予測制御方策に欠けると共に、義肢の動力学に対する制御パラメータの調整を可能にする適応調節に欠けている。ヒトの脚の運動性が自発的、反射的および無作為的事象が同時に含むような複雑なプロセスからなるので、従来の義肢は、最低の適当な機能を満たすための、人体と外部環境とに同時に相互作用する機能を有していない。   As is well known to control specialists, automation of complex mechanical systems is not easily possible. Among such systems, the conventional power prosthesis is well known for its various control problems. Such a prosthesis includes a basic controller that artificially moves the joint without interaction from the amputee and only allows basic movement. However, such a basic controller does not take into account the dynamic conditions of such a work environment, despite the fact that the prosthesis may require control suitable for the actual application. Such basic controllers generally lack the predictive control strategy necessary to predict prosthetic response, and lack adaptive adjustments that allow adjustment of control parameters to prosthetic dynamics. Because the human leg motility is a complex process involving simultaneous voluntary, reflexive and random events, conventional prosthetic limbs can be used in the human body and the external environment to meet the lowest appropriate function. Does not have the ability to interact simultaneously.

米国特許出願No.09/767,367(2001年1月22日出願)US patent application no. 09 / 767,367 (filed on January 22, 2001) 米国特許出願No.10/463,495(2003年6月17日出願)US patent application no. 10 / 463,495 (filed on June 17, 2003) 米国特許出願No.10/600,725(2003年6月20日出願)US patent application no. 10 / 600,725 (filed on June 20, 2003)

従って、本発明の1つの目的は、上述の欠点の幾つか又は全てを回避ないし緩和することである。   Accordingly, one object of the present invention is to avoid or mitigate some or all of the above-mentioned drawbacks.

本発明によれば、コントローラにより制御された義肢の作動と共に使用される器械化義足が提供される。すなわち、この器械化義足は、義肢に器械化義足を接続するためのコネクターと、このコネクターに接続された足首(足関節)構造と、この足首構造に接続された地面係合部材と、足に沿う重量分布の変化を検出するための少なくとも1つのセンサーと、このセンサーから前記コントローラへ信号を伝達するためのインターフェースとを具備してなることを特徴とする。   In accordance with the present invention, an instrumented prosthesis is provided for use with the operation of a prosthesis controlled by a controller. That is, the instrumented artificial leg includes a connector for connecting the instrumented artificial leg to the artificial limb, an ankle (ankle joint) structure connected to the connector, a ground engaging member connected to the ankle structure, and a foot. It is characterized by comprising at least one sensor for detecting a change in the weight distribution along, and an interface for transmitting a signal from this sensor to the controller.

以下、本発明の具体例を図面を参照して説明する。
添付図面はセンサー(22A、22B)を有する器械化義足(20)を示しており、これらセンサーは、可能な付加的センサー(24A、24B、26)と協働して、作動機構(16)を有する義肢(14)を制御するための制御システム(100)と共に使用される。なお、本発明は図示の実施例に限定されるべきものではなく、添付した特許請求の範囲から逸脱することなく種々の変更、改良が可能であることを理解されたい。
Specific examples of the present invention will be described below with reference to the drawings.
The accompanying drawings show an instrumented prosthesis (20) with sensors (22A, 22B), which cooperate with possible additional sensors (24A, 24B, 26) to activate the actuation mechanism (16). Used with a control system (100) for controlling a prosthetic limb (14). It should be understood that the present invention should not be limited to the illustrated embodiments, and that various modifications and improvements can be made without departing from the scope of the appended claims.

図1を参照すると、個体(10)は一対の脚(26)および(28)を有するが、その一方(26)は膝から上の部分で切断されている。義肢(14)がこの脚(26)に取着されている。この義肢(14)は、受動又は能動の作動機構(16)を備えている。器械化義足(20)は義肢(14)に取着され、又、センサー(22A、22B)を備えている。更に、付加的センサー(24A、24B)が健康な足に配置され、付加的センサー(26)が個体(10)及び/又は義肢(14)に配設されている。受動作動機構は一般に、機械的エネルギーを吸収するだけで義肢の機械的関節の動力学を変化させる電気機械的部材として定義することができる。他方、能動作動機構は一般に、機械的エネルギーを吸収、供給し、義肢の機械的関節の動力学を設定する電気機械的部材として定義することができる。   Referring to FIG. 1, an individual (10) has a pair of legs (26) and (28), one of which (26) is cut at a portion above the knee. A prosthetic limb (14) is attached to the leg (26). The prosthesis (14) includes a passive or active actuation mechanism (16). The instrumented prosthesis (20) is attached to the prosthesis (14) and includes sensors (22A, 22B). In addition, additional sensors (24A, 24B) are placed on the healthy feet, and additional sensors (26) are placed on the individual (10) and / or the prosthetic limb (14). A passive actuation mechanism can generally be defined as an electromechanical member that only changes mechanical dynamics of a prosthetic limb simply by absorbing mechanical energy. On the other hand, an active actuation mechanism can generally be defined as an electromechanical member that absorbs and supplies mechanical energy and sets the mechanical joint dynamics of the prosthesis.

受動作動機構の1例が電気的人工膝関節として前記特許文献1(その全体が参照としてここに組み込まれるものとする)に記載されている。能動作動機構の1例が大腿を切断した患者のための作動義足として前記特許文献2(その全体が参照としてここに組み込まれるものとする)に記載されている。   One example of a passive actuation mechanism is described in Patent Document 1 (which is incorporated herein by reference in its entirety) as an electric knee prosthesis. One example of an active actuation mechanism is described in the above-mentioned patent document 2 (incorporated herein by reference in its entirety) as an actuating prosthesis for a patient with a thigh cut.

義肢(14)は、図2に概略的に示すように、インターフェース(30)を介してコントローラ(40)に接続するセンサー(22A、22B、24A、24B、26)を備えた基本制御システム(100)により制御される。このコントローラ(40)は、図1に示すように、義肢(14)中の作動機構(16)へ信号を提供するものである。制御システム(100)の目的は作動機構(16)を制御するための必要な信号を提供することである。そのため、制御システム(100)は、センサー(22A、22B、24A、24B、26)を用いて切断患者(10)とインターフェースを介して接続され、切断患者(10)と義肢(14)の動きとの間の正しい調和を確保するようにしている。センサー(22A、22B、24A、24B、26)は、切断患者(10)の動きの動力学についての情報を実時間で捕捉し、その情報をインターフェース(30)を介してコントローラ(40)に提供するようになっている。このコントローラ(40)はついで、その情報を使用し、受動作動機構の場合は、関節に加えられる抵抗を判定し、能動作動機構の場合は、関節の軌跡および関節により加えられるべき必要とする角力又は角トルクを判定し、調和した動きを提供するようになっている。   The prosthesis (14) has a basic control system (100) with sensors (22A, 22B, 24A, 24B, 26) connected to the controller (40) via the interface (30), as schematically shown in FIG. ). This controller (40) provides a signal to the actuation mechanism (16) in the prosthesis (14) as shown in FIG. The purpose of the control system (100) is to provide the necessary signals to control the actuation mechanism (16). Therefore, the control system (100) is connected to the amputated patient (10) via the interface using the sensors (22A, 22B, 24A, 24B, 26), and the movement of the amputated patient (10) and the prosthetic limb (14) To ensure the correct harmony between. Sensors (22A, 22B, 24A, 24B, 26) capture information about the dynamics of movement of the amputee (10) in real time and provide that information to the controller (40) via the interface (30). It is supposed to be. This controller (40) then uses that information to determine the resistance applied to the joint in the case of a passive actuation mechanism, and in the case of an active actuation mechanism, the joint trajectory and the required angular force to be applied by the joint. Alternatively, the angular torque is determined and a harmonious movement is provided.

これらセンサー(22A、22B、24A、24B、26)は、筋電気センサー、神経センサー、運動センサー、動力学センサー、歪み計、足底圧力センサーなどが含まれる。筋電気センサーは骨格筋の内側又は外側筋電気活性を測定するのに使用される電極である。神経センサーは末梢神経の1又はそれ以上の活動電位の合計を測定するのに使用される電極である。運動センサーはつながっている関節の位置、可動速度又は下肢の加速度を測定するのに使用される。動力学センサーはつながっている関節での角力又は下肢の反力を測定するのに使用される。歪み計は足の下の特定の領域での歪み力を測定するのに使用される。足底圧力センサーは足の下の特定の領域の垂直方向足底圧力を測定するのに使用される。もちろん、ヒトの移動動作の動力学についての種々の情報を提供するその他のタイプのセンサーを使用してもよいことは当然である。適用に応じて、これらセンサー(22A、22B、24A、24B、26)は特定のタイプのセンサーに限定されるものではなく、多数のタイプのセンサーを種々組み合わせて使用してもよい。   These sensors (22A, 22B, 24A, 24B, 26) include myoelectric sensors, nerve sensors, motion sensors, dynamic sensors, strain gauges, plantar pressure sensors, and the like. A myoelectric sensor is an electrode used to measure the inner or outer myoelectric activity of skeletal muscle. A neural sensor is an electrode used to measure the sum of one or more action potentials of peripheral nerves. Motion sensors are used to measure the position of joints connected, speed of movement, or acceleration of the lower limbs. A dynamic sensor is used to measure angular force at the connected joint or reaction force of the lower limb. A strain gauge is used to measure the strain force in a specific area under the foot. The plantar pressure sensor is used to measure the vertical plantar pressure in a specific area under the foot. Of course, other types of sensors that provide various information about the dynamics of human movement motion may be used. Depending on the application, these sensors (22A, 22B, 24A, 24B, 26) are not limited to specific types of sensors, and many types of sensors may be used in various combinations.

図1に示すように、センサー(22A、22B)は、義足(20)に互いに離間して配置された局所的足底圧力センサーからなり、足の下の特定の領域の垂直方向足底圧力を測定するようになっている。同様に、足底圧力センサー(24A、24B)は健康な足側に配置され、特注の敷皮(好ましくは、2つのセンサー(24A、24B)を埋め込むように改良した標準の整形外科用敷皮)内に離間して設けられ、2つの局所的足底圧力を測定するようになっている。これらセンサー(22A、22B、24A、24B)は個体が移動したとき、足に沿う体重移動を測定するように操作可能となっていて、これらを運動センサーのような他のセンサー(26)と組み合わせ、下肢の体の部分の角速度を測定すると共に、運動センサーを介して膝関節に対する義肢(14)の角度を測定するようになっている。   As shown in FIG. 1, the sensors (22A, 22B) consist of local plantar pressure sensors that are spaced apart from each other on the prosthetic foot (20) to measure the vertical plantar pressure in a specific area under the foot. It comes to measure. Similarly, a plantar pressure sensor (24A, 24B) is placed on a healthy foot side and is a standard orthopedic skin that has been modified to embed a custom skin (preferably two sensors (24A, 24B)) ) Separated from each other and is adapted to measure two local plantar pressures. These sensors (22A, 22B, 24A, 24B) are operable to measure weight movement along the foot when the individual moves, and they are combined with other sensors (26) such as motion sensors. The angular velocity of the body part of the lower limb is measured, and the angle of the artificial limb (14) with respect to the knee joint is measured via a motion sensor.

これらセンサー(22A、22B、24A、24B)はそれぞれ、薄型の荷重検出抵抗体(FSR)のポリマーセルからなるものでもよく、このポリマーセルは制御システム(100)のインターフェース(30)に直接接続されるか、若しくは例えばワイヤーレス・エミッターなどの中継システム(図示しない)を用いて間接的にインターフェース(30)に接続される。もちろん、この場合、他のタイプの通信連結技術、例えば光学手段を利用することもできる。前記FSRセルは、その表面に対し垂直に加えられた応力の増大に応答して電気抵抗が減少するものである。各セルは、その表面領域上の合計垂直方向足底圧力に比例した強度の経時変動電気信号を出力する。これら足底圧力センサー(22A、22B、24A、24B)のサイズおよび位置は、歩行の間の或る足下領域により提供される局所的足底圧力信号の安定性および濃度(強度)に従って規定される。例えば、かかとの部分およびつま先の部分は、足底圧力最大変化(PPMV)が安定して豊富な情報の信号を与えると考えられる足底の2つの領域であることが実験により見出されている。   Each of these sensors (22A, 22B, 24A, 24B) may consist of a thin load sensing resistor (FSR) polymer cell, which is directly connected to the interface (30) of the control system (100). Or indirectly connected to the interface (30) using a relay system (not shown) such as a wireless emitter. Of course, in this case, other types of communication connection techniques, such as optical means, can also be used. The FSR cell has an electrical resistance that decreases in response to an increase in stress applied perpendicular to its surface. Each cell outputs a time-varying electrical signal that is proportional to the total vertical plantar pressure on its surface area. The size and position of these plantar pressure sensors (22A, 22B, 24A, 24B) are defined according to the stability and concentration (intensity) of the local plantar pressure signal provided by a certain foot region during walking. . For example, the heel and toe portions have been experimentally found to be two regions of the sole where the plantar pressure maximum change (PPMV) is believed to provide a stable and informative signal. .

従って、コントローラ(40)は4つの局在する足底圧力センサー(22A、22B、24A、24B)からのデータ信号並びに運動センサーのような他のセンサー(26)のデータ信号から集められた情報を使用して、個体(10)の歩行を有限数の状態に分解し、この歩行に従って作動機構(16)を制御するための適当な制御信号を発生させる。もちろん、コントローラ(40)は上述のデータ信号を使用するものに限定されない。   Thus, the controller (40) collects information gathered from data signals from four localized plantar pressure sensors (22A, 22B, 24A, 24B) as well as data signals from other sensors (26) such as motion sensors. In use, the gait of the individual (10) is broken down into a finite number of states and appropriate control signals are generated to control the actuation mechanism (16) according to this gait. Of course, the controller (40) is not limited to the one using the data signal described above.

足底圧力センサーおよび運動センサーを含むセンサーを使用するコントローラ(40)および制御システム(100)の例は作動義足を制御するための制御システム、及び制御方法として前記特許文献3(その全体が参照としてここに組み込まれるものとする)に記載されている。   An example of a controller (40) and a control system (100) using sensors including a plantar pressure sensor and a motion sensor is disclosed in Patent Document 3 (the entirety of which is referred to as a reference) as a control system and a control method for controlling an operating artificial foot It shall be incorporated herein).

データの取得を繰返し、かつ、信頼できる様式でおこなうことを容易にするため、センサー(22A、22B)が義足(20)の構造に組み込まれる。器械化義足(20)の具体例が図3および4により詳細に示されている。この器械化義足(20)は、一端にコネクター(51)が設けられた長尺体を形成する足プレート(53)と、つま先プレート(55A)と、前記足プレート(53)から片持ちされたかかとプレート(55B)とを含む。このような構成は例えば、Ossur社による義足、Vari−Flex(登録商標)として提供されている。圧力センサー(22A、22B)は足プレート(53)およびかかとプレート(55B)の底面にそれぞれ長手方向に離間して配置されている。これらセンサー(22A、22B)は硬質プレート(52A、52B)および弾性パッド(54A、54B)により覆われている。これら圧力センサー(22A、22B)はそれぞれ、つま先区域およびかかと区域に相当する領域で器械化義足(20)上に加えられた荷重に応答するよう配置されている。   Sensors (22A, 22B) are incorporated into the structure of the prosthesis (20) to facilitate repeated data acquisition and in a reliable manner. An example of an instrumented prosthesis (20) is shown in more detail in FIGS. This mechanized artificial leg (20) was cantilevered from a foot plate (53) forming a long body having a connector (51) at one end, a toe plate (55A), and the foot plate (53). Heel plate (55B). Such a configuration is provided, for example, as a prosthetic leg, Vari-Flex (registered trademark) by Ossur. The pressure sensors (22A, 22B) are spaced apart in the longitudinal direction on the bottom surfaces of the foot plate (53) and the heel plate (55B), respectively. These sensors (22A, 22B) are covered with hard plates (52A, 52B) and elastic pads (54A, 54B). Each of these pressure sensors (22A, 22B) is arranged to respond to a load applied on the instrumented prosthesis (20) in an area corresponding to the toe and heel areas.

これらセンサー(22A、22B)を覆う硬質プレート(52A、52B)は、必須のものではないがセンサー(22A、22B)の全表面上の圧力分布を最適化するのを助け、同時に、せん断を抑制するものである。硬質プレート(52A、52B)はジュロメーター硬度85Aのポリウレタンから作製することができる。もちろん、他の材料を使用することも可能である。   Hard plates (52A, 52B) covering these sensors (22A, 22B) help optimize the pressure distribution over the entire surface of the sensors (22A, 22B), but are not essential, while at the same time suppressing shear To do. The hard plates (52A, 52B) can be made from polyurethane with a durometer hardness of 85A. Of course, other materials can be used.

パッド(54A、54B)は硬質プレート(52A、52B)およびセンサー(22A、22B)を包み込み、地面係合部材を形成し、器械化義足(20)と地面との間の接触を最適化している。これらパッド(54A、54B)はジュロメーター硬度40Aのポリウレタンから作製することができる。もちろん、他の材料を使用することも可能である。   Pads (54A, 54B) wrap around rigid plates (52A, 52B) and sensors (22A, 22B) to form a ground engaging member and optimize contact between the instrumented prosthesis (20) and the ground. . These pads (54A, 54B) can be made from polyurethane having a durometer hardness of 40A. Of course, other materials can be used.

操作において、義足(20)が地面を横断するとき、かかとプレート(55B)に印加された応力はセンサー(22B)により測定され、対応する信号がコントローラ(40)に伝達される。つま先プレート(55A)に印加された応力はセンサー(22A)により測定され、これら2つの領域間の相対荷重が測定される。義足(20)が地面を横断し続けると、つま先区域に加えられた力が増大し、かかとでの力が減少し、一対の信号が提供され、それにより脚の配置が判定され、適当な制御が作動機構(16)に提供される。   In operation, when the prosthetic leg (20) crosses the ground, the stress applied to the heel plate (55B) is measured by the sensor (22B) and a corresponding signal is transmitted to the controller (40). The stress applied to the toe plate (55A) is measured by the sensor (22A) and the relative load between these two regions is measured. As the prosthetic leg (20) continues to traverse the ground, the force applied to the toe area increases, the force at the heel decreases, and a pair of signals is provided to determine leg placement and appropriate control. Is provided to the actuation mechanism (16).

器械化義足(20)の他の実施例が図5および6に示されている。この器械化義足(20)は、コネクター(61)と、足プレート(63)と、つま先プレート(64A)と、かかとプレート(64B)とを含む。この構成は例えば、Ossur社による義足、Vari−Flex(登録商標)として提供されている。圧力センサー(22A、22B)が足プレート(63)と、硬質プレート(62A、62B)との間に配置されている。圧力センサー(22A、22B)は、器械化義足(20)上に印加された荷重に応答するように、つま先区域およびかかと区域に相当する領域にそれぞれ配置される。より具体的には、圧力センサー(22A)は一対の硬質プレート(62A)間に挟んで配置され、その結果、かかとプレート(64B)と、足プレート(63)との間に配置される。圧力センサー(22B)は一対の硬質プレート(62B)間に挟んで配置され、その結果、足プレート(63)と、コネクター(61)との間に配置される。   Another embodiment of an instrumented prosthesis (20) is shown in FIGS. The instrumented prosthesis (20) includes a connector (61), a foot plate (63), a toe plate (64A), and a heel plate (64B). This configuration is provided, for example, as a prosthetic leg from Ossur, Vari-Flex (registered trademark). Pressure sensors (22A, 22B) are disposed between the foot plate (63) and the hard plates (62A, 62B). The pressure sensors (22A, 22B) are respectively disposed in the toe area and the area corresponding to the heel area so as to respond to the load applied on the instrumented prosthesis (20). More specifically, the pressure sensor (22A) is disposed between the pair of hard plates (62A), and as a result, is disposed between the heel plate (64B) and the foot plate (63). The pressure sensor (22B) is disposed between the pair of hard plates (62B), and as a result, is disposed between the foot plate (63) and the connector (61).

前記実施例と同様に、センサー(22A、22B)を覆っている硬質プレート(62A、62B)は、必須のものではないがセンサー(22A、22B)の全表面上の圧力分布を最適化するのを助け、同時に、せん断を抑制するものである。硬質プレート(62A、62B)はジュロメーター硬度85Aのポリウレタンから作製することができる。もちろん、他の材料を使用することも可能である。   Similar to the previous embodiment, the rigid plates (62A, 62B) covering the sensors (22A, 22B) are not essential, but optimize the pressure distribution over the entire surface of the sensors (22A, 22B). And at the same time suppresses shearing. The hard plates (62A, 62B) can be made from polyurethane with a durometer hardness of 85A. Of course, other materials can be used.

器械化義足(20)の更に他の実施例が図7および8に示されている。この器械化義足(20)は、コネクター(71)と、頂部足プレート(75)と、気泡クッションコア(73)と、底部足プレート(74)とを含む。この構成は例えば、Ossur社による義足、LP Talux(登録商標)として提供されている。圧力センサー(22A、22B)は一対の硬質プレート(72A、72B)間に挟んで配置されている。圧力センサー(22A、22B)は、器械化義足(20)上に印加された荷重に応答するように、つま先区域およびかかと区域に相当する領域にそれぞれ配置される。より具体的には、圧力センサー(22A)は一対の硬質プレート(72A)間に挟んで配置され、その結果、底部足プレート(74)と、気泡クッションコア(73)との間の隙間(76A)に配置される。圧力センサー(22B)は一対の硬質プレート(72B)間に挟んで配置され、その結果、気泡クッションコア(73)内に位置する間隙(76B)に配置される。     Yet another embodiment of an instrumented prosthesis (20) is shown in FIGS. The instrumented prosthesis (20) includes a connector (71), a top foot plate (75), a foam cushion core (73), and a bottom foot plate (74). This configuration is provided, for example, as an artificial leg, LP Talux (registered trademark) by Ossur. The pressure sensors (22A, 22B) are disposed between a pair of hard plates (72A, 72B). The pressure sensors (22A, 22B) are respectively disposed in the toe area and the area corresponding to the heel area so as to respond to the load applied on the instrumented prosthesis (20). More specifically, the pressure sensor (22A) is disposed between the pair of hard plates (72A), and as a result, the gap (76A) between the bottom foot plate (74) and the bubble cushion core (73) is arranged. ). The pressure sensor (22B) is disposed between the pair of hard plates (72B), and as a result, is disposed in the gap (76B) located in the bubble cushion core (73).

再度、前述の実施例と同様に、センサー(22A、22B)を覆っている硬質プレート(72A、72B)は、必須のものではないがセンサー(22A、22B)の全表面上の圧力分布を最適化するのを助け、同時に、せん断を抑制するものである。硬質プレート(72A、72B)はジュロメーター硬度85Aのポリウレタンから作製することができる。もちろん、他の材料を使用することも可能である。   Again, as in the previous embodiment, the rigid plates (72A, 72B) covering the sensors (22A, 22B) are not essential but optimize the pressure distribution over the entire surface of the sensors (22A, 22B). It helps to reduce shearing at the same time. The hard plates (72A, 72B) can be made from polyurethane with a durometer hardness of 85A. Of course, other materials can be used.

前述の実施例において、つま先区域およびかかと区域での力(又は圧力)(すなわち、Ftoe(つま先)およびFheel(かかと))は、これらの区域に圧力センサー(22A、22B)を直接配置することにより得た。より具体的には、図9を参照すると、Ftoe(つま先)およびFheel(かかと)は以下のようにして得られた。 In the foregoing embodiment, the force (or pressure) at the toe and heel areas (ie, F - toe and F - heel) directly attach the pressure sensors (22A, 22B) to these areas. Obtained by placing. More specifically, referring to FIG. 9, F - toe (toe) and F - heel (heel) were obtained as follows.

toe=Ftoemeas(測定値) 式1
heel=Fheelmeas(測定値) 式2
F - toe = F - toe - meas (measured value) Equation 1
F - heel = F - heel - meas (measured value) Equation 2

器械化義足(20)の他の可能な実施例として、センサー(22A、22B)をつま先区域およびかかと区域に直接配置するものに限定されない。同等の情報を、足首での相当トルクおよび器械化義足(20)のコネクターでの軸方向力を測定することにより得ることができる。Ftoe(つま先)およびFheel(かかと)は、以下の等式を用い、かかとで測定したトルク(Manklemeas)およびコネクターで測定された力(Fconnmeas)に置換えて定義することができる。 Other possible embodiments of the instrumented prosthesis (20) are not limited to placing the sensors (22A, 22B) directly in the toe and heel areas. Equivalent information can be obtained by measuring the equivalent torque at the ankle and the axial force at the connector of the instrumented prosthesis (20). Replace F - toe (toe) and F - heel (heel) with the torque measured at the heel (M - ankle - meas) and the force measured at the connector (F - conn - meas) using the following equation: Can be defined.

toe={Manklemeas+(Fconnmeas・Iheel)}/(Iheel+Itoe)
式3
heel={−Manklemeas+(Fconnmeas・Itoe)}/(Iheel+Itoe)
式4
ここで、Iheelはコネクターの中心と、かかと区域の中心との間の距離であり;Itoeはコネクターの中心と、つま先区域の中心との間の距離である。
F toe = {M ankle meas + (F conn meas · I heel)} / (I heel + I toe)
Formula 3
F heel = {− M ankle meas + (F conn meas · I toe)} / (I heel + I toe)
Formula 4
Where I - heel is the distance between the center of the connector and the center of the heel area; I - toe is the distance between the center of the connector and the center of the toe area.

センサー(22A、22B)の位置についての前述の説明につづいて、器械化義足(20)の更に他の実施例が図10および11に示されている。この器械化義足(20)は、コネクター(81)と、足プレート(83)と、つま先プレート(84A)と、かかとプレート(84B)とを含む。この構成は例えば、Ossur社による義足、Vari−Flex(登録商標)として提供されている。この器械化義足(20)には更にロードセル(荷重検出器)(22A、22B)が含まれる。これらロードセル(22A、22B)はコネクター(81)の下に配置されている。すなわち、ロードセル(22A)は足のつま先区域に向けて若干偏倚され、ロードセル(22B)はかかと区域に向けて若干偏倚されている。圧力センサー(22A、22B)がつま先区域およびかかと区域に直接配置されていないから、等式3および4を例えばコントローラ(40)により使用することができ、足首での相当トルクおよびコネクター(81)での軸方向力を以下のように規定することにより計算することができる。   Following the previous description of the position of the sensors (22A, 22B), yet another embodiment of the instrumented prosthesis (20) is shown in FIGS. The instrumented prosthetic foot (20) includes a connector (81), a foot plate (83), a toe plate (84A), and a heel plate (84B). This configuration is provided, for example, as a prosthetic leg from Ossur, Vari-Flex (registered trademark). The instrumented prosthesis (20) further includes load cells (load detectors) (22A, 22B). These load cells (22A, 22B) are arranged under the connector (81). That is, the load cell (22A) is slightly biased toward the toe area and the load cell (22B) is slightly biased toward the heel area. Since the pressure sensors (22A, 22B) are not located directly in the toe and heel areas, equations 3 and 4 can be used, for example, by the controller (40), with an equivalent torque at the ankle and a connector (81) Can be calculated by defining the axial force of

connmeas=F22B+F22A 等式5
anklemeas=F22B・I22B−F22A・I22A 等式6
ここで、
22Bはセンサー22Bで測定された力;
22Aはセンサー22Aで測定された力;
I22Bはコネクター(81)と、センサー22Bの中心との間の距離;
I22Aはコネクター(81)と、センサー22Aの中心との間の距離である。
F conn meas = F 22B + F 22A Equation 5
M ankle meas = F 22B · I 22B−F 22A · I 22A Equation 6
here,
F - 22B is the force measured by sensor 22B;
F - 22A is the force measured by sensor 22A;
I - 22B is the distance between the connector (81) and the center of the sensor 22B;
I - 22A is the distance between the connector (81) and the center of the sensor 22A.

器械化義足(20)の先の実施例においては、つま先区域およびかかと区域の力(圧力)、すなわち、それぞれFtoeおよびFheelは、圧力センサー(22A、22B)をこれらの区域に直接配置することにより、又はこれら圧力センサー又はロードセル(22A、22B)を他の区域に配置し、足首での相当トルクおよびコネクターでの軸方向力を計算し等価の情報を得ることにより得たものである。足首での相当トルクおよびコネクターでの軸方向力を得るのに他のタイプのセンサーを使用することもできる。そのような例が器械化義足(20)についての更なる実施例、つまり図12および13に示されている。この器械化義足(20)は枢動足首(93)に装着されたコネクター(91)を含むものである。バンパー(92A、92B)が枢動足首(93)と、足プレート(94)上に配置されたロッカープレート(95)との間に配置されている。枢動足首(93)は枢軸ピン(96)によりロッカープレート(95)に接続されている。この構成は例えば、Ossur社による義足、Elation(登録商標)として提供されている。ロードセル(22A)および光学エンコーダー(22B)が義足(20)内に組み込まれていて、義足(20)に沿う力の分布の測定を可能にしている。ロードセル(22A)はコネクター(91)と枢動足首(93)との間に配置されている。光学エンコーダー(22B)は読み取り装置(221)と、ディスク(223)とを具備している。読み取り装置(221)は枢動足首(93)に配設され、ディスク(223)はロッカープレート(95)に配設され、枢軸ピン(96)を囲んでいる。再度、等式3および4を例えばコントローラ(40)により使用して、つま先およびかかと区域での相当圧力を、足首での相当トルクおよびコネクター(81)での軸方向力を以下のように規定することにより計算することができる。 In the previous embodiment of the instrumented prosthesis (20), the force (pressure) in the toe and heel areas, ie, F - toe and F - heel, respectively, place the pressure sensors (22A, 22B) directly into these areas. Obtained by placing or calculating these equivalent pressure sensors or load cells (22A, 22B) in other areas and calculating the equivalent torque at the ankle and the axial force at the connector to obtain equivalent information. is there. Other types of sensors can also be used to obtain the equivalent torque at the ankle and the axial force at the connector. Such an example is shown in a further embodiment for an instrumented prosthesis (20), ie FIGS. The instrumented prosthesis (20) includes a connector (91) attached to a pivoting ankle (93). Bumpers (92A, 92B) are disposed between the pivoting ankle (93) and the rocker plate (95) disposed on the foot plate (94). The pivot ankle (93) is connected to the rocker plate (95) by a pivot pin (96). This configuration is provided, for example, as an artificial leg, Elation (registered trademark) by Ossur. A load cell (22A) and an optical encoder (22B) are incorporated into the prosthetic foot (20) to allow measurement of the force distribution along the prosthetic foot (20). The load cell (22A) is disposed between the connector (91) and the pivoting ankle (93). The optical encoder (22B) includes a reading device (221) and a disk (223). The reader (221) is disposed on the pivot ankle (93) and the disc (223) is disposed on the rocker plate (95) and surrounds the pivot pin (96). Again, equations 3 and 4 are used, for example, by controller (40) to define the equivalent pressure at the toe and heel area, the equivalent torque at the ankle and the axial force at connector (81) as follows: Can be calculated.

connmeas=F22A 等式7
anklemeas=Ranklemeas・Rconst 等式8
ここで、
22Aはセンサー22Aで測定された力;
ankle(足首)measは、光学エンコーダー(22B)により測定されたときの枢軸ピン(96)を中心とする枢動足首(93)の回転測定値である;
constは、圧縮に対するバンパー(92A、92B)の抵抗と関連する定数であり、この定数は使用材料に応じて変動する。
F - conn - meas = F - 22A Equation 7
M ankle meas = R ankle meas · R const Eq. 8
here,
F - 22A is the force measured by sensor 22A;
R - ankle (ankle) - meas is the rotation measure of pivoting ankle (93) about the pivot pin (96), as measured by an optical encoder (22B);
R - const is a constant related to the resistance of the bumper (92A, 92B) to compression, and this constant varies depending on the material used.

器械化義足(20)の更に他の実施例が図14および15に示されている。この器械化義足(20)は、枢動足首(103)上に装着されたコネクター(101)を含む。バンパー(102A、102B)は、枢動足首(103)と、足プレート(104)上に設けられたロッカープレート(105)との間に配置されている。枢動足首(103)は枢軸ピン(106)によりロッカープレート(105)に接続されている。この構成は例えば、Ossur社による義足、Elation(登録商標)として提供されている。圧力センサー(22A、22B)およびロードセル(22C)は義足(20)内に組み込まれていて、義足(20)に沿う力の分布の測定を可能にしている。圧力センサー(22A)はロッカープレート(85)と、バンパー(82A)との間に配置され、圧力センサー(22B)はロッカープレート(85)と、バンパー(82B)との間に配置されている。ロードセル(22C)はコネクター(91)と、枢動足首(93)との間に配置されている。   Yet another embodiment of an instrumented prosthesis (20) is shown in FIGS. The instrumented prosthesis (20) includes a connector (101) mounted on a pivoting ankle (103). The bumpers (102A, 102B) are disposed between the pivoting ankle (103) and the rocker plate (105) provided on the foot plate (104). The pivoting ankle (103) is connected to the rocker plate (105) by a pivot pin (106). This configuration is provided, for example, as an artificial leg, Elation (registered trademark) by Ossur. The pressure sensors (22A, 22B) and the load cell (22C) are incorporated in the prosthetic foot (20) and allow measurement of the force distribution along the prosthetic foot (20). The pressure sensor (22A) is disposed between the rocker plate (85) and the bumper (82A), and the pressure sensor (22B) is disposed between the rocker plate (85) and the bumper (82B). The load cell (22C) is disposed between the connector (91) and the pivoting ankle (93).

この実施例において、等式6を用いて、足首での相当トルクが計算され、コネクター(101)での軸方向力が以下の等式を用いて計算される。   In this example, Equation 6 is used to calculate the equivalent torque at the ankle and the axial force at the connector (101) is calculated using the following equation:

connmeas=F22C 等式9 F - conn - meas = F - 22C Equation 9

ロードセル(22C)はコネクター(101)での軸方向力を計算するのに必要とされる。なぜならば、足首でトルクがゼロの場合、すなわち、義肢の装着者が静止しているとき、軸方向力が枢軸ピン(96)上に全体的に働いているからである。   The load cell (22C) is required to calculate the axial force at the connector (101). This is because when the torque is zero at the ankle, i.e. when the prosthetic wearer is stationary, the axial force is exerted entirely on the pivot pin (96).

前述の実施例の全てにおいて、センサー(22A、22B)は制御システム(100)のインターフェース(30)に直接接続してもよいし、あるいは、例えばワイヤーレス・エミッターなどの中継システム(図示しない)を用いて間接的にインターフェース(30)に接続してもよい。もちろん、この場合、他のタイプの通信連結技術、例えば光学手段を利用することもできる。   In all of the previous embodiments, the sensors (22A, 22B) may be directly connected to the interface (30) of the control system (100) or a relay system (not shown) such as a wireless emitter, for example. And may be indirectly connected to the interface (30). Of course, in this case, other types of communication connection techniques, such as optical means, can also be used.

選択された義足が前述のものとほぼ同様の動力学的応答を提供するものである限り、他のタイプの無関節義足又は関節付き義足も同様に使用することができる。しかしながら、関節付き義足は最良の性能を提供することができる。器械化義足(20)は更に、露出金属又は複合材料構造を有するもの、あるいは、ヒトの足首および足の様相を与える化粧カバーを有するものでもよい。   Other types of articulated or articulated prostheses can be used as well as long as the selected prosthesis provides a dynamic response similar to that described above. However, articulated prostheses can provide the best performance. The instrumented prosthesis (20) may further have an exposed metal or composite structure, or may have a cosmetic cover that provides the appearance of a human ankle and foot.

本発明は、図1に示すような機械的構造あるいは図2に示す制御システム(100)と共に使用するものに限定されないことを留意すべきである。すなわち、本発明は複数の関節を有する義肢と共に使用することができる。例えば、膝関節に加えて、足首関節、中足趾節関節又は股関節を有する人工補装具と共に使用することができる。更に、従来のソケットの代わりに、骨合体(骨合体)装置も使用することができ、それにより義肢の機械的部材と、切断骨格との間の直接接合を確実にすることができる。他の種類の義肢も同様に使用することができる。   It should be noted that the present invention is not limited to use with a mechanical structure as shown in FIG. 1 or a control system (100) as shown in FIG. That is, the present invention can be used with a prosthesis having a plurality of joints. For example, in addition to the knee joint, it can be used with a prosthesis having an ankle joint, a metatarsal joint, or a hip joint. Furthermore, instead of a conventional socket, a bone coalescing device can also be used, thereby ensuring a direct joint between the mechanical member of the prosthesis and the cutting skeleton. Other types of prostheses can be used as well.

義肢を有する個人の下半身を示す斜視図であって、一方の脚には器械化義足が装着され、他方の脚は健全なものとなっている。It is a perspective view which shows the lower body of the individual who has a prosthesis, Comprising: An instrumentation artificial leg is mounted | worn with one leg, and the other leg is healthy. 作動機構を有する義肢のための制御システムを示すブロック図。The block diagram which shows the control system for artificial limbs which has an action mechanism. 器械化義足の前方若干上から見た斜視図。The perspective view seen from the front slightly above the instrumentation artificial leg. 図3の器械化義足の分解斜視図。The disassembled perspective view of the instrumentation artificial leg of FIG. 図3の器械化義足の他の実施例の斜視図であって、その前方若干上から見た図。It is the perspective view of other Examples of the instrumentation artificial leg of FIG. 3, Comprising: The figure seen from the front slightly upper direction. 図5の器械化義足の分解斜視図。The disassembled perspective view of the instrumentation artificial leg of FIG. 図3の器械化義足の更に他の実施例の斜視図であって、その前方若干上から見た図。It is the perspective view of other Example of the instrumentation artificial leg of FIG. 3, Comprising: The figure seen from the front slightly above. 図7の器械化義足の分解斜視図。The disassembled perspective view of the instrumentation artificial leg of FIG. 足に加えられた力を模式的に示す図。The figure which shows typically the force added to the leg | foot. 図3の器械化義足の更に他の実施例の斜視図であって、その前方若干上から見た図。It is the perspective view of other Example of the instrumentation artificial leg of FIG. 3, Comprising: The figure seen from the front slightly above. 図10の器械化義足の分解斜視図。The disassembled perspective view of the instrumentation artificial leg of FIG. 図3の器械化義足の更に他の実施例の斜視図であって、その前方若干上から見た図。It is the perspective view of other Example of the instrumentation artificial leg of FIG. 3, Comprising: The figure seen from the front slightly above. 図12の器械化義足の分解斜視図。The disassembled perspective view of the instrumentation artificial leg of FIG. 図3の器械化義足の更に他の実施例の斜視図であって、その前方若干上から見た図。It is the perspective view of other Example of the instrumentation artificial leg of FIG. 3, Comprising: The figure seen from the front slightly above. 図14の器械化義足の分解斜視図。The disassembled perspective view of the instrumentation artificial leg of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10 個体
14 義肢
16 作動機構
20 器械化義足
22A、22B センサー
24A、24B、26 センサー
26、28 脚
30 インターフェース
40 コントローラ
51、61、71、91 コネクター
53、63、94 足プレート
55A、64A つま先プレート
55B、64B かかとプレート
72A、72B 硬質プレート
73 気泡クッションコア
74 底部足プレート
92A、92B バンパー
93 枢動足首
95 ロッカープレート
96 枢軸ピン
100 制御システム
221 読み取り装置
223 ディスク
10 Individuals 14 Prosthetic leg 16 Actuation mechanism 20 Instrumentation artificial leg 22A, 22B Sensor 24A, 24B, 26 Sensor 26, 28 Leg 30 Interface 40 Controller 51, 61, 71, 91 Connector 53, 63, 94 Foot plate 55A, 64A Toe plate 55B , 64B Heel plate 72A, 72B Hard plate 73 Bubble cushion core 74 Bottom foot plate 92A, 92B Bumper 93 Pivot ankle 95 Rocker plate 96 Pivot pin 100 Control system 221 Reader 223 Disc

Claims (18)

コントローラにより制御された義肢の作動と共に使用される器械化義足であって、
頂部と、底部とを有する長尺体と;
義肢に器械化義足を接続するためのコネクターであって、前記長尺体の頂部に取着されたものと;
前記長尺体の底部に取着された地面係合部材と;
足に沿う重量分布の変化を検出するための少なくとも1つのセンサーと;
このセンサーから前記コントローラへ信号を伝達するためのインターフェースと;
を具備してなる器械化義足。
An instrumented prosthesis used with the operation of a prosthesis controlled by a controller,
An elongated body having a top and a bottom;
A connector for connecting an instrumented prosthesis to a prosthesis, attached to the top of the elongate body;
A ground engaging member attached to the bottom of the elongate body;
At least one sensor for detecting a change in weight distribution along the foot;
An interface for transmitting signals from the sensor to the controller;
Instrumented artificial leg.
前記地面係合部材が、一対の基本的足下領域を含み、第1の領域がヒトの足のかかと区域に相当し、第2の領域がヒトの足のつま先区域に相当するものである請求項1記載の器械化義足。  The ground engaging member includes a pair of basic foot regions, wherein the first region corresponds to a heel region of a human foot and the second region corresponds to a toe region of a human foot. The instrumental prosthesis according to 1. 少なくとも2つのセンサーが設けられており、その1つが前記地面係合部材の基本的足下領域の夫々と関連している請求項2記載の器械化義足。  3. The instrumented prosthesis of claim 2, wherein at least two sensors are provided, one of which is associated with each of the basic foot regions of the ground engaging member. 前記センサーが、前記地面係合部材の対応する基本的足下領域に印加された歪みを測定するための歪みセンサーを含む請求項3記載の器械化義足。  The instrumented prosthetic foot of claim 3, wherein the sensor includes a strain sensor for measuring strain applied to a corresponding basic foot region of the ground engaging member. 前記センサーが、前記地面係合部材の対応する基本的足下領域に印加された圧力を測定するための歪みセンサーを含む請求項3記載の器械化義足。  The instrumented prosthetic foot of claim 3, wherein the sensor includes a strain sensor for measuring pressure applied to a corresponding basic foot region of the ground engaging member. 前記センサーが、前記地面係合部材の対応する基本的足下領域に印加された荷重を測定するためのロードセルを含む請求項3記載の器械化義足。  The instrumented prosthetic foot of claim 3, wherein the sensor includes a load cell for measuring a load applied to a corresponding basic foot region of the ground engaging member. 前記センサーが、前記地面係合部材の下に配置されている請求項3記載の器械化義足。  The instrumented prosthetic foot according to claim 3, wherein the sensor is disposed below the ground engaging member. 前記センサーが、前記地面係合部材と、前記長尺体との間に配置されている請求項3記載の器械化義足。  The instrumented artificial leg according to claim 3, wherein the sensor is disposed between the ground engaging member and the elongated body. 前記センサーが、前記長尺体と前記コネクターとの間に配置されている請求項3記載の器械化義足。  The instrumented prosthetic foot according to claim 3, wherein the sensor is disposed between the elongated body and the connector. 前記圧力センサーが荷重検出抵抗体である請求項5記載の器械化義足。  The instrumented artificial leg according to claim 5, wherein the pressure sensor is a load detection resistor. 前記センサーの少なくとも1側に配置された硬質プレートを更に具備してなる請求項5記載の器械化義足。  6. The instrumented prosthetic foot according to claim 5, further comprising a rigid plate disposed on at least one side of the sensor. 前記硬質プレートおよび前記センサーを覆う弾性パッドを更に具備してなる請求項11記載の器械化義足。  The instrumented prosthesis according to claim 11, further comprising an elastic pad that covers the hard plate and the sensor. 前記長尺体を前記コネクターに枢着させた足首構造を更に具備してなる請求項1記載の器械化義足。  The instrumented artificial leg according to claim 1, further comprising an ankle structure in which the elongated body is pivotally attached to the connector. 少なくとも2つのセンサーが設けられていて、これらセンサーが前記コネクターと前記足首構造との間に配置された2つのロードセルを含むものである請求項13記載の器械化義足。  14. An instrumented prosthetic foot according to claim 13, wherein at least two sensors are provided, the sensors including two load cells disposed between the connector and the ankle structure. 少なくとも2つのセンサーが設けられていて、これらセンサーが光学エンコーダーとロードセルとを含み、該光学エンコーダーが前記足首構造上にその枢軸を中心として配置され、前記長尺体およびロードセルが該足首構造と前記コネクターとの間に配置されている請求項13記載の器械化義足。  At least two sensors are provided, the sensors including an optical encoder and a load cell, the optical encoder being disposed about the pivot on the ankle structure, and the elongated body and the load cell being connected to the ankle structure and the load cell. 14. An instrumented prosthesis as claimed in claim 13 disposed between the connector. 前記センサーからの信号を前記コネクターに伝達するためのインターフェースがワイヤー接続である請求項1記載の器械化義足。  The instrumented prosthetic foot according to claim 1, wherein an interface for transmitting a signal from the sensor to the connector is a wire connection. 前記センサーからの信号を前記コネクターに伝達するためのインターフェースが無線接続である請求項1記載の器械化義足。  The instrumented prosthetic foot according to claim 1, wherein an interface for transmitting a signal from the sensor to the connector is a wireless connection. 器械化義足を前記義肢に着脱自在に接続するための手段を更に有する請求項1記載の器械化義足。  The instrumented prosthesis of claim 1, further comprising means for removably connecting an instrumented prosthesis to the prosthesis.
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