專利名稱：使用下肢假體或矯形器來(lái)執(zhí)行起立順序的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)大體涉及下肢假體、矯形器和外骨骼裝置、其零部件及其控制方法。
背景技術(shù)：
在美國(guó)每年有超過(guò)100，000人由于截肢手術(shù)失去他們的腳。全世界有成千 上萬(wàn)人遭受到這種令人衰弱的損失。此外，在美國(guó)每年都有700，000個(gè)中風(fēng)幸存者，中風(fēng)經(jīng)常造成各種限制行走能力的下肢病患。直到最近，下肢假體和矯形器系統(tǒng)一直采用主要是被動(dòng)的或小功率的機(jī)構(gòu)，它們不能夠在每次邁步時(shí)輸出身體在即使是平地上實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性行走運(yùn)動(dòng)所需的非守恒正功，更不用說(shuō)在不平表面例如樓梯和臺(tái)階上了。對(duì)與對(duì)象步態(tài)周期相關(guān)的常規(guī)生物力學(xué)的理解有助于認(rèn)識(shí)下肢假體、矯形器和外骨骼裝置的要求。具體而言，矢狀面轉(zhuǎn)動(dòng)情況下人腳踝的功能將對(duì)于不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)描述如下。傳統(tǒng)被動(dòng)踝/足假體(“AFPs”)(例如Ossur Flex- Foot )的機(jī)械特性在裝置整個(gè)壽命期間基本保持不變。美國(guó)專利公開申請(qǐng)US2006/0249315( ‘315申請(qǐng))代表對(duì)傳統(tǒng)AFPs的重大進(jìn)步。該‘315申請(qǐng)(其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入本文)認(rèn)識(shí)到可以通過(guò)將行走周期分成五個(gè)階段和對(duì)五個(gè)階段中每個(gè)階段中裝置機(jī)械特性獨(dú)立進(jìn)行優(yōu)化來(lái)改進(jìn)性能。圖IA是對(duì)象在平地上步態(tài)周期的不同階段的示意圖。該步態(tài)周期通常被定義為始于一只腳的足跟觸地而止于同一只腳的下一次足跟觸地。該步態(tài)周期分成兩個(gè)階段站立階段(大約為步態(tài)周期的60% )和隨后的擺動(dòng)階段(大約為步態(tài)周期的40% )。擺動(dòng)階段代表腳離開地面的那部分步態(tài)周期。站立階段始于足跟接觸地板時(shí)足跟的觸地，止于同一只腳從地面抬起時(shí)的足尖離地。站立階段在同一只腳從地面抬起時(shí)的足尖離地時(shí)被劃分開。站立階段分成三個(gè)子階段受控跖屈(CP)，受控背屈(CD)，和動(dòng)力跖屈(PP)。CP始于102所示的足跟觸地，止于106所示的足平放。CP描述足跟和前腳開始接觸地面的過(guò)程。研究者發(fā)現(xiàn)，CP踝關(guān)節(jié)的行為與線性彈簧反應(yīng)一致，其中，相對(duì)于關(guān)節(jié)位置的平衡位置而言，關(guān)節(jié)扭矩與關(guān)節(jié)位移成比例。但是，彈簧行為是變化的；在站立的三個(gè)子階段和后期擺動(dòng)狀態(tài)中，關(guān)節(jié)剛度在步與步之間被身體連續(xù)調(diào)節(jié)。在CP階段之后，⑶階段繼續(xù)，直到踝關(guān)節(jié)達(dá)到最大背屈狀態(tài)并開始圖中110所示動(dòng)力跖屈PP為止。在CD階段腳踝扭矩與位置的關(guān)系被描述為非線性彈簧，其中，剛度隨腳踝位置增加而增加。在CD階段腳踝存儲(chǔ)彈性能量，用于在PP階段推動(dòng)身體向上和向前。PP階段在⑶階段之后開始，并止于圖中114所示的足尖離地時(shí)刻。在PP階段，踝關(guān)節(jié)依據(jù)向上和向前彈射身體的反射反應(yīng)施加扭矩。然后，彈射能量與CD階段存儲(chǔ)的彈簧能量共同釋放，從而在后期站立階段獲得高的跖屈動(dòng)力。這種彈射行為是必需的，因?yàn)樵赑P階段產(chǎn)生的功大于CP和CD階段用于中速到快速行走速度吸收的負(fù)功。在擺動(dòng)階段腳抬起離開地面，從所示114的足尖離地開始直到圖示118的下一次足跟觸地為止。由于上樓梯/下樓梯時(shí)腳踝的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模式不同于平地行走時(shí)的模式，因此對(duì)腳踝-腳生物力學(xué)的分別描述表示在圖IB和圖IC中。圖IB表示人腳踝上樓梯的生物力學(xué)特點(diǎn)。上樓梯的第一階段稱為受控背屈I (CDl)，它始于130所示背屈位置的足觸地，接著繼續(xù)背屈直到132所示足跟接觸臺(tái)階表面。在該階段，腳踝可以被建模成線性彈簧。第二階段是動(dòng)力跖屈I (PPl)，它始于足平放時(shí)刻(在132處腳踝達(dá)到最大背屈時(shí))，止于再次開始背屈的134處。人腳踝就象扭矩致動(dòng)器那樣工作，以提供額外能量來(lái)支撐身體的重量。第三階段是受控背屈2 (⑶2)，其中，腳踝背屈直到136所示足跟離地。對(duì)于⑶2階段，腳踝可以被建模成線性彈簧。第四階段也是最后階段是動(dòng)力跖屈2 (PP2)，它始于136所示的足跟離地，隨腳蹬離臺(tái)階而繼續(xù)，就像與CD2彈簧并聯(lián)的扭矩致動(dòng)器那樣工作以推動(dòng)身體向上和向前，在138所示足尖離開表面時(shí)結(jié)束，以開始擺動(dòng)階段，該擺動(dòng)階段在140結(jié)束。圖IC表示人腳踝-腳下樓梯的生物力學(xué)特點(diǎn)。下樓梯的站立階段被分成三個(gè)子階段受控背屈I (CDl)，受控背屈2 (CD2)，及動(dòng)力跖屈(PP)。CDl始于150所示的足觸地，止于152所示的足平放。在該階段，人腳踝被建模成可變阻尼器。在CD2，腳踝繼續(xù)向前背屈，直到它達(dá)到154所示的最大背屈姿態(tài)。這里，腳踝象線性彈簧一樣工作，在整個(gè)⑶2階段存儲(chǔ)能量。在始于154所示的PP階段，腳踝跖屈，直到156所示腳從臺(tái)階抬起。在該最后的PP階段，腳踝釋放CD2階段存儲(chǔ)的能量，推動(dòng)身體向上和向前。在156所示足尖離地之后，腳在整個(gè)擺動(dòng)階段受控地定位，直到158所示的下一次足觸地為止。對(duì)于圖IB中描述的上樓梯，人腳踝-腳可以運(yùn)用致動(dòng)器和可變剛性機(jī)構(gòu)的結(jié)合來(lái)有效建模。但是，對(duì)于圖IC中描述的下樓梯，還需要包括可變阻尼器以便為踝-腳復(fù)合體建模；人腳踝在下樓梯時(shí)吸收的能量大大超過(guò)上樓梯時(shí)釋放的能量。因此，對(duì)于上樓梯來(lái)說(shuō)合理的是將腳踝建模為可變阻尼器和彈簧的組合。傳統(tǒng)被動(dòng)假體、矯形器和外骨骼裝置不能夠適當(dāng)再現(xiàn)步態(tài)周期的生物力學(xué)特點(diǎn)。它們不是仿生的，因?yàn)樗鼈儾荒苤鲃?dòng)調(diào)節(jié)阻抗，不能提供反射扭矩反應(yīng)，無(wú)論是在平地上、上樓梯、下樓梯、上坡、下坡時(shí)，還是在變化的地形條件時(shí)。因此，需要改進(jìn)的下肢假體、矯形器和外骨骼裝置，它們的零部件，以及它們的控制方法。
發(fā)明內(nèi)容
這里描述的發(fā)明總體涉及下肢假體、矯形器和外骨骼裝置。本發(fā)明的各種實(shí)施例的典型使用場(chǎng)合包括例如代謝增強(qiáng)、對(duì)有永久肢體病患的對(duì)象的永久幫助，或者對(duì)有臨時(shí)肢體病患的佩戴者的康復(fù)。本發(fā)明的一方面涉及一種主動(dòng)式矯形器裝置或假體裝置，其包括大腿元件、小腿 元件和用于把大腿元件連接到小腿元件的膝關(guān)節(jié)。該裝置還包括具有電機(jī)輸出軸的旋轉(zhuǎn)電機(jī)、連接到電機(jī)輸出軸上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)組件和連接到電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳遞組件輸出端上的驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)組件，該驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)組件的輸出端連接到小腿元件上，用于給膝關(guān)節(jié)施加扭矩，從而使小腿元件相對(duì)于大腿元件轉(zhuǎn)動(dòng)。該裝置還包括至少一個(gè)傳感器，具有至少一個(gè)輸出，通過(guò)傳感器的輸出能夠確定當(dāng)裝置佩戴者處于坐下位置時(shí)膝關(guān)節(jié)相對(duì)于踝關(guān)節(jié)的位置；以及控制器，該控制器基于所述至少一個(gè)傳感器的至少一個(gè)輸出來(lái)確定膝關(guān)節(jié)何時(shí)移動(dòng)到踝關(guān)節(jié)前面的位置。響應(yīng)于上述的確定，控制器控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)，以便調(diào)節(jié)膝關(guān)節(jié)的阻抗、位置或者扭矩，以幫助人從坐下位置站起到站立位置。本發(fā)明的另一方面涉及一種控制具有至少一個(gè)致動(dòng)器的膝矯形器或假體的方法。該方法包括以下步驟檢測(cè)當(dāng)人處于坐下位置時(shí)人膝相對(duì)于人踝的位置；并且基于檢測(cè)步驟的結(jié)果來(lái)確定膝何時(shí)移動(dòng)到踝前面的位置，并產(chǎn)生表示膝移動(dòng)到踝前面位置的輸出。響應(yīng)于該輸出，致動(dòng)膝矯形器或假體的至少一個(gè)致動(dòng)器，以幫助人從坐下位置站起到站立位置。
圖IA是在平地上佩戴者步態(tài)周期不同階段的示意圖。
圖IB是上樓梯時(shí)佩戴者步態(tài)周期不同階段的示意圖。圖IC是下樓梯時(shí)佩戴者步態(tài)周期不同階段的示意圖。圖2A是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施例，一種確定假體、矯形器或外骨骼裝置的踝關(guān)節(jié)、足跟和足尖軌跡的方法的示意圖。圖2B是行走期間踝關(guān)節(jié)加速度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施例的一種確定足傾斜(足跟高度)的方法的示意圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施例，一種確定足跟和足尖相對(duì)于踝關(guān)節(jié)在足參考系內(nèi)的坐標(biāo)的方法的示意圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施例，一種用于估算足跟矢量的方法的示意圖。圖6A表示在不同行走環(huán)境中的慣性測(cè)量單元計(jì)算的踝關(guān)節(jié)樞軸軌跡。圖6B表示描述假體裝置踝關(guān)節(jié)騰空軌跡的二維幾何關(guān)系。圖6C表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施例，如何采用腳踝角度迎角作為軌跡特征來(lái)構(gòu)建樓梯-斜坡鑒別器，以便區(qū)別樓梯和斜坡行走環(huán)境。圖7A表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施例的一種在足觸地之前定位踝關(guān)節(jié)的方法。圖7B表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施例，如何采用圖7A的方法檢測(cè)樓梯的存在以及足懸于樓梯平臺(tái)之上。圖7C表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施例，一種在斜坡行走環(huán)境中踝關(guān)節(jié)的定位方法。圖7D表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施例，如何將圖7B的方法改造為使用優(yōu)化阻抗。圖8表示一種基于足平放時(shí)的地形角度確定慣性參考彈簧平衡的方法。圖9表示行走速度對(duì)于腳踝扭矩與腳踝角度之間關(guān)系的影響，表示推-拉制動(dòng)器控制如何施加到適當(dāng)選擇的并聯(lián)彈性元件上。圖IOA表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施例，一種控制下肢裝置的方法。圖IOB是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施例，一種用于實(shí)現(xiàn)下肢假體裝置的阻抗和扭矩控制的基于模型的控制器的示意圖。圖IOC是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施例，一種用于實(shí)現(xiàn)下肢假體裝置的扭矩控制的基于模型的控制器的示意圖。圖IOD是決定圖IOA中進(jìn)行的阻抗控制的機(jī)械阻抗關(guān)系示意圖。圖IOE是決定圖IOB中進(jìn)行的阻抗和反射控制的阻抗和反射關(guān)系的示意圖。圖IOF是如何采用參考零力矩樞軸的地面反作用力來(lái)確定穩(wěn)定假體裝置佩戴者倒立擺動(dòng)力學(xué)所需恢復(fù)扭矩的示意圖。圖IlA是腳踝假體的小腿足元件、踝關(guān)節(jié)和足元件的示意圖，示出地面反作用力和零力矩樞軸。
圖11B-11D是踝假體各個(gè)零部件的示意圖，表示需要用于確定地面反作用力和零 力矩樞軸的這些零部件之間的力和力矩的關(guān)系。圖12A-12B表示作為動(dòng)力跖屈期間行走速度函數(shù)的腳踝假體在平地上的仿生(Γ- Θ )行為。圖12C-12D表示腳過(guò)渡對(duì)觸地長(zhǎng)度的影響。圖12E表示在受力跖屈期間觸地長(zhǎng)度衰減的速度依賴表如何使用歸一化觸地長(zhǎng)度作為獲得仿生行為的手段。圖12F表示在典型行走運(yùn)動(dòng)期間估算的零力矩樞軸矢量I分量如何變化。圖12G表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施例，一種將衰減系數(shù)并入裝置性能的方法。圖13A是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施例，用于足跟觸地情況的控制系統(tǒng)方案的示意圖。圖13B是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施例，用于足尖觸地情況的控制系統(tǒng)方案的示意圖。圖13C表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施例，一種給腳踝假體(例如圖17A的裝置1700)提供的位置控制方法。圖14A表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施例，一種采用逐步地形適應(yīng)的方法。圖14B表示踝關(guān)節(jié)假體應(yīng)用于三種不同行走環(huán)境的示例阻抗。圖15是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施例，一種下肢生物力學(xué)系統(tǒng)的示意圖。圖16表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施例，軀干姿態(tài)、大腿姿態(tài)以及軀干/身體質(zhì)心姿態(tài)的一種姿態(tài)重建方法。圖17A是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施例，一種下肢假體裝置的示意圖。圖17B是圖17A的一部分下肢裝置的示意圖，示出被動(dòng)并聯(lián)彈性元件。圖17C是圖17B的裝置的被動(dòng)并聯(lián)彈性元件示意圖。圖17D是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施例，用于圖17C所示被動(dòng)并聯(lián)彈性元件的自由體示意圖。圖17E是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施例，圖17A所示裝置的結(jié)構(gòu)元件(錐體)的透視圖。圖17F是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施例,用于測(cè)量施加到圖17A所示小腿元件上的軸向力和力矩的替代方法的剖視圖。圖17G表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施例，采用在印刷電路組件上的圓形陣列位移傳感器計(jì)算平面內(nèi)力矩矢量和軸向力的方法。
圖17H是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施例，用于圖17A-17G所示裝置的狀態(tài)和致動(dòng)器控制器的示意圖。圖171是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施例，一種下肢假體裝置的等效電路的示意圖。圖17J是包括在控制裝置時(shí)采用的傳感器測(cè)量的圖171的電路的示意圖。圖18A-18D是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施例，一種被動(dòng)串聯(lián)彈性元件的示意圖。圖19A表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施例，包括有串聯(lián)扁簧的下肢假體裝置。 圖19B-19C表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施例，一種采用替代串聯(lián)彈簧的假體裝置。圖20A表不根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)不例實(shí)施例,可用于各種下肢假體、矯形器和外骨骼裝置的線性致動(dòng)器的透視圖。圖20B表示圖20A所示的線性致動(dòng)器的剖視圖。圖21是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施例，可用于各種下肢假體、矯形器和外骨骼裝置的線性致動(dòng)器的透視圖。圖22A是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施例，一種下肢矯形器或外骨骼裝置(可佩戴的機(jī)器人式膝支架)的俯視圖。圖22B是圖22A所示裝置的側(cè)視圖。圖22C是圖22A和22B所不裝直的膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)組件內(nèi)部不意圖。圖23A是在斜坡上人平衡問(wèn)題的示意圖。圖23B是基于佩戴者的可變膝彎曲的平衡問(wèn)題的幾種可接受解的示意圖。圖23C表示人體以及如何采用內(nèi)在檢測(cè)來(lái)平衡平地上佩戴者的示意圖。圖24A-24C表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施例，在佩戴者從椅子上站起時(shí)平衡佩戴者的方法的示意圖。圖25A表示過(guò)渡功的定義。圖25B表示髖沖擊力的定義。圖26示出了在行走過(guò)程中正常人步態(tài)的生物力學(xué)特征。圖27示出了股四頭肌無(wú)力影響平地行走的生物力學(xué)機(jī)理。圖28示出了如何使用膝裝置來(lái)恢復(fù)正常行走。圖29A-D示出了健康人的起立順序。圖30A-D示出了不健全病人執(zhí)行相同起立順序時(shí)的問(wèn)題。圖31A-D示出了如何使用膝裝置來(lái)輔助不健全病人的起立順序。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，在日常每天的過(guò)程中，人的下肢除了日常行走以外，還用于完成和適應(yīng)很多不同的活動(dòng)，例如上下樓梯、走斜坡。腳踝-腳構(gòu)件需要最多的能量，必須具有最好的地形自適應(yīng)行為，因?yàn)樗鼈冏钪苯咏佑|下方地形。本發(fā)明人還認(rèn)識(shí)到，可以通過(guò)對(duì)于每一種活動(dòng)以不同方式動(dòng)態(tài)優(yōu)化裝置的機(jī)械性能和以不同方式動(dòng)態(tài)控制該置，來(lái)動(dòng)態(tài)改善AFPs的性能。例如，當(dāng)人行走在平坦地面上時(shí)，較好的是控制腳的角度以便在腳觸地時(shí)足跟低于足尖。但是，當(dāng)人上樓梯時(shí)，較好的是控制腳的角度以便在腳接觸下一個(gè)臺(tái)階時(shí)足尖低于足跟。本申請(qǐng)描述了各種AFPs實(shí)施例，它們通過(guò)檢測(cè)正在穿越的地形和自動(dòng)適應(yīng)檢測(cè)到的地形來(lái)在每個(gè)這些不同情況下適當(dāng)工作。在一些實(shí)施例中，對(duì)每種情況控制AFP的能力建立于五種基本能力(1)確定正在進(jìn)行的活動(dòng)；(2)基于正在進(jìn)行的活動(dòng)來(lái)動(dòng)態(tài)地控制AFP的特性；(3)基于正在進(jìn)行的活動(dòng)來(lái)動(dòng)態(tài)地驅(qū)動(dòng)AFP ； (4)確定地形表面特征的不規(guī)則性(例如地形有多粘，地形有多滑，地形是粗糙的還是光滑的，地形有無(wú)障礙例如巖石)并進(jìn)行適當(dāng)?shù)臓恳刂苼?lái)對(duì)此作出響應(yīng)，及(5)能夠響應(yīng)動(dòng)態(tài)控制和動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)的AFP機(jī)械設(shè)計(jì)。本發(fā)明人已經(jīng)確定，用于斷定正在進(jìn)行的活動(dòng)的一種示范方式是追蹤位于踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)之間的小腿(或脛)上的部位(通常位于踝關(guān)節(jié)的虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)中心)的軌跡。圖6A 表示對(duì)應(yīng)于五種不同活動(dòng)的脛軌跡，額外的斜坡軌跡是區(qū)分陡坡和緩坡的。該系統(tǒng)可以使用該信息通過(guò)將追蹤到的軌跡映射到一組活動(dòng)上來(lái)斷定正在進(jìn)行的活動(dòng)。通過(guò)觀察小腿(脛)的軌跡，能夠區(qū)分平地形、上樓梯或下樓梯、或者上坡或下坡。例如，當(dāng)該系統(tǒng)識(shí)別了一種軌跡，就切換到一種適當(dāng)?shù)哪Ｊ剑?dòng)態(tài)地控制(驅(qū)動(dòng))之前為該模式建立的AFP。在一種軌跡并不恰好落入一種分類的情況下，AFP控制器將優(yōu)化響應(yīng)，以便在隨機(jī)控制意義上使目標(biāo)函數(shù)最小化，或者基于該地形落入一種分類的可能性而應(yīng)用模糊邏輯或隨機(jī)控制。一種追蹤脛軌跡的適當(dāng)方式是在小腿元件(脛)頂部的前表面處安裝慣性測(cè)量單元(MU)，并處理MU輸出的信號(hào)。一種區(qū)分各種軌跡的適當(dāng)方式是監(jiān)測(cè)踝關(guān)節(jié)迎角速度。這些主題將在下面進(jìn)行詳細(xì)描述。除了對(duì)每種不同活動(dòng)以不同方式動(dòng)態(tài)地優(yōu)化裝置機(jī)械特性和動(dòng)態(tài)地控制該裝置以外，本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，通過(guò)基于各種參數(shù)來(lái)微調(diào)AFP的特性和控制該AFP，可以進(jìn)一步改善該裝置的性能。例如，當(dāng)人正慢走時(shí)(例如以小于O. 9米每秒的速率)，可以通過(guò)相對(duì)于正常行走所用的阻抗提高踝關(guān)節(jié)的阻抗來(lái)改善性能。或者，當(dāng)人正在快走時(shí)(例如以I. 7米每秒的速率)，可以通過(guò)相對(duì)于正常行走所用的阻抗減少踝關(guān)節(jié)的阻抗來(lái)改善性能。此外，當(dāng)控制器確定踝關(guān)節(jié)沒有如我們期望的那樣對(duì)穿越正常地形作出反應(yīng)時(shí)，控制器可以考慮(及修改控制器的輸出)地形中也許存在特征、紋理或不規(guī)則(例如地形是多么粘，地形是多么滑，地形是粗糙的還是光滑的，地形中是否有障礙例如巖石)。上述確定出五種可能性(即，斷定正在進(jìn)行何種活動(dòng)；斷定地形中是否存在特征、紋理或不規(guī)則；動(dòng)態(tài)地控制AFP的特性；動(dòng)態(tài)地驅(qū)動(dòng)AFP ;及AFP的機(jī)械設(shè)計(jì))的每種都將在下面進(jìn)行詳細(xì)描述。確定正在進(jìn)行的活動(dòng)慣性姿態(tài)和軌跡的估算圖2是一種方法的示意圖，該方法用于基于連接到踝關(guān)節(jié)200的小腿元件220的慣性姿態(tài)以及小腿元件220和足元件208之間的角度來(lái)確定假體、矯形器或外骨骼裝置(例如圖17A所示裝置1700)的踝關(guān)節(jié)200、足跟212和足尖216軌跡。姿態(tài)是坐標(biāo)系的位置和取向。該裝置1700包括連接到小腿元件220的慣性測(cè)量單元204。慣性測(cè)量單元204包括用于測(cè)量角速率的三軸速率陀螺儀和用于測(cè)量加速度的三軸加速度計(jì)。將慣性測(cè)量單元放置在小腿元件220上，以便對(duì)小腿元件220的所有三個(gè)軸的角速率和加速度進(jìn)行測(cè)量。慣性測(cè)量單元204對(duì)小腿元件220姿態(tài)、慣性(參考世界坐標(biāo)系)取向、踝關(guān)節(jié)200(踝-足轉(zhuǎn)動(dòng)中心)位置提供六個(gè)自由度的估算。在一些實(shí)施例中，利用小腿元件220的姿態(tài)計(jì)算膝關(guān)節(jié)的瞬時(shí)位置。通過(guò)踝關(guān)節(jié)200角度(Θ)的信息，可以計(jì)算出足208底部的瞬時(shí)姿態(tài)，包括足跟212和足尖216的位置。當(dāng)足元件208是平的時(shí)，又可以使用該信息來(lái)測(cè)量在踝關(guān)節(jié)/足元件的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所限定平面內(nèi)的地形角度。在小腿元件220上安裝慣性測(cè)量單元204比安裝在其它可能的位置具有優(yōu)勢(shì)。與安裝在足元件208上不同，安裝在小腿元件220上防止了物理?yè)p傷并防止了與水接觸。此外，這樣就不再需要安裝在足元件208上時(shí)所需的拴系纜索——從而保證機(jī)械和電的整體性。最后，該小腿元件220位于混合系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)鏈系中心(參見圖15)，便于用最少量的額外傳感器計(jì)算大腿和軀干的姿態(tài)。
該慣性測(cè)量單元204用于計(jì)算下肢假體裝置在參考地面的世界坐標(biāo)系中的取向SwO、位置尸和速度。SwO可以用四元數(shù)表示或由參照世界坐標(biāo)系限定踝關(guān)節(jié)X，y和Z軸取向的單位矢量的3X3矩陣表示。踝關(guān)節(jié)200坐標(biāo)系被限定為位于踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的中心，其取向依賴于小腿元件220。根據(jù)該中心點(diǎn)，可以計(jì)算位置、速度和加速度。對(duì)于關(guān)注點(diǎn)來(lái)說(shuō)，例如對(duì)于足(例如足跟212或足尖216)，采用下面的關(guān)系式用足元件-踝關(guān)節(jié)取向變換f 0(0來(lái)得出位置。關(guān)注點(diǎn)尸=踝尸+踝足r關(guān)注點(diǎn))方f王I其中
'I OOf θ(χ) = OCOS(X)-sin(/)方程 2
Osin (X)Cos(X)其中，Y是慣性小腿元件角度，及
'I OO^θ{θ) = O cos⑷-sin⑷方程 3
Osin(沒)cos⑷其中，Θ是踝關(guān)節(jié)角度。在該實(shí)施例中，包括三軸加速度計(jì)和三軸速率陀螺儀的慣性測(cè)量單元204位于小腿元件220頂部的前表面(例如，如圖17A所示)。必須消除由于對(duì)加速度計(jì)信號(hào)和速率陀螺儀信號(hào)進(jìn)行數(shù)值積分而引入的對(duì)世界坐標(biāo)系取向、速度和位置估算的標(biāo)度、漂移和交叉率禹合影響。零速修正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通常通過(guò)在延長(zhǎng)時(shí)段(通常為數(shù)秒至數(shù)分鐘)平均來(lái)定期采用零速修正(ZVUP)。慣性測(cè)量單元的位置在下肢假體裝置中幾乎從不靜止。但是，足底是唯一的靜止位置，并且只在步態(tài)周期的受控背屈狀態(tài)下才是。下面將進(jìn)一步描述用于本發(fā)明各種實(shí)施例的一種不受上述限制影響的示例性零速修正方法。為了解決該問(wèn)題，對(duì)踝關(guān)節(jié)的取向、速度和位置進(jìn)行積分。在對(duì)慣性測(cè)量單元的加速度1"a進(jìn)行數(shù)字化處理之后，通過(guò)下面的剛體動(dòng)力學(xué)方程推導(dǎo)出踝關(guān)節(jié)加速度(imV Η)。
[
權(quán)利要求
1.一種主動(dòng)式矯形器或假體裝置，包括 大腿元件； 小腿元件； 膝關(guān)節(jié)，用于將大腿元件連接到小腿元件； 包括電機(jī)輸出軸的旋轉(zhuǎn)電機(jī)； 電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)組件，其連接到電機(jī)輸出軸上； 驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)組件，其連接到電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)組件的輸出端上，驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)組件的輸出端連接到小腿元件上，用于給膝關(guān)節(jié)施加扭矩，以使小腿元件相對(duì)于大腿元件轉(zhuǎn)動(dòng)； 具有至少一個(gè)輸出的至少一個(gè)傳感器，通過(guò)傳感器的輸出能夠確定當(dāng)裝置佩戴者處于坐下位置時(shí)膝關(guān)節(jié)相對(duì)于踝關(guān)節(jié)的位置；以及 控制器，該控制器基于所述至少一個(gè)傳感器的至少一個(gè)輸出來(lái)確定膝關(guān)節(jié)何時(shí)移動(dòng)到踝關(guān)節(jié)前面的位置，并且響應(yīng)于所述的確定，控制器控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)，以便調(diào)節(jié)膝關(guān)節(jié)的阻抗、位置或者扭矩，以幫助人從坐下位置站起到站立位置。
2.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中，所述至少一個(gè)傳感器包括慣性傳感器，用于測(cè)量與大腿坐標(biāo)系有關(guān)的重力矢量。
3.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中，所述至少一個(gè)傳感器檢測(cè)小腿相對(duì)于大腿的旋轉(zhuǎn)角。
4.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中，控制器被編程為在確定了佩戴者處于坐下位置時(shí)作為響應(yīng)而保持低的關(guān)節(jié)阻抗。
5.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中，控制器被編程為通過(guò)嘗試性地開始起立程序來(lái)核實(shí)佩戴者想要站起的意圖。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中，控制器被編程為如果收到正反饋則繼續(xù)起立程序并且如果沒收到正反饋則中止起立程序。
7.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中，控制器控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)，以便通過(guò)根據(jù)估計(jì)的髖關(guān)節(jié)向上和向前的速度而逐漸增大扭矩來(lái)幫助人從坐下位置升起到站立位置。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其中，控制器控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)，以便隨著病人接近站立狀態(tài)，施加恢復(fù)扭矩來(lái)幫助佩戴者在站立狀態(tài)時(shí)達(dá)到平衡。
9.如權(quán)利要求I所述的裝置，還包括至少一個(gè)壓力傳感器，用于測(cè)量施加到佩戴者腳上的力。
10.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中，控制器控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)，以便通過(guò)根據(jù)從膝肌肉和髖肌肉這二者至少之一測(cè)量到的肌電信號(hào)而增大膝扭矩來(lái)幫助人從坐下位置升起到站立位置。
11.一種控制具有至少一個(gè)致動(dòng)器的膝矯形器或假體的方法，該膝矯形器或假體由人佩戴，該方法包括步驟 檢測(cè)當(dāng)人處于坐下位置時(shí)人膝相對(duì)于人踝的位置； 基于檢測(cè)步驟的結(jié)果來(lái)確定膝何時(shí)移動(dòng)到踝前面的位置，并產(chǎn)生表示膝移動(dòng)到踝前面位置的輸出；以及 響應(yīng)于該輸出，致動(dòng)膝矯形器或假體的所述至少一個(gè)致動(dòng)器，以幫助人從坐下位置站起到站立位置。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括測(cè)量與大腿坐標(biāo)系有關(guān)的重力矢量的步驟。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括檢測(cè)人小腿相對(duì)于人大腿的旋轉(zhuǎn)角的步驟。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括在確定了人處于坐下位置時(shí)作為響應(yīng)而保持低的關(guān)節(jié)阻抗的步驟。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括通過(guò)嘗試性地開始起立程序來(lái)核實(shí)人想要站起的意圖的步驟。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括步驟 如果收到正反饋則進(jìn)行確定；并且 如果在確定步驟中確定收到正反饋則繼續(xù)起立程序；并且 如果在確定步驟中確定沒收到正反饋則中止起立程序。
17.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括根據(jù)估計(jì)的髖關(guān)節(jié)向上和向前的速度而逐漸增大扭矩的步驟。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，還包括施加恢復(fù)扭矩以幫助人在站立狀態(tài)時(shí)達(dá)到平衡的步驟。
19.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括測(cè)量施加到人腳上的力的步驟。
20.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括根據(jù)從膝肌肉和髖肌肉這二者至少之一測(cè)量到的肌電信號(hào)而增大膝扭矩的步驟。
全文摘要
膝矯形器或假體能夠用來(lái)在人處于坐下位置時(shí)基于人膝相對(duì)于人踝的位置當(dāng)合適的時(shí)候自動(dòng)開始起立程序。當(dāng)膝移動(dòng)到踝前面的位置時(shí)，膝矯形器或假體的至少一個(gè)致動(dòng)器被致動(dòng)，以幫助人從坐下位置升起到站立位置。
文檔編號(hào)A61F2/72GK102639085SQ201080048597
公開日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2010年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月31日
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