專利名稱：行動輔助設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及帶動力的輔助設(shè)備領(lǐng)域，尤其是涉及帶動力的輔助設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
美國目前約有262，000個脊髓損傷(SCI)的人，大概每年保持12000個新傷、平均
受傷年齡為40.2歲。其中，約44% (每年5300例)導致截癱。截癱產(chǎn)生的最主要障礙之一是喪失可動性，特別是在比較年輕的時候受傷。對截癱用戶的調(diào)查表明，可動性問題是最普遍的問題之一，可動性希望中主要是行走和站立的能力。除了行動不便，無法站立和行走帶來嚴重的生理作用，包括肌肉萎縮、骨礦物質(zhì)成分流失、皮膚頻繁破損的問題、尿路感染發(fā)病率增加、肌肉痙攣、淋巴管和血管循環(huán)受損、消化功能受損、呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)功能減弱。在努力恢復截癱的人的一定程度的腿可動性方面，已經(jīng)開發(fā)出了幾種下肢矯形器。形式最簡單的被動矯形器是長腿支具，其包括在腳踝處提供支撐的雙踝足矯形器(AFO)jAFO與將膝關(guān)節(jié)鎖在完全伸直的狀態(tài)的腿支具耦接。髖部通常是由骨盆前方的韌帶和肌肉組織的張力來穩(wěn)定。因為幾乎所有的行動能量都是由上半身提供的，這些(被動的)矯形器需要大量的上半身力量并且體力消耗程度高，而提供的行走速度非常慢。髖部導矯形器(HG0)，這是在長腿支具上的變型，包括硬性抵擋髖關(guān)節(jié)的內(nèi)收和外展的髖關(guān)節(jié)以及提高腳趾離地的重心的剛性鞋板，從而使每邁一步，前進的程度較大。長腿矯形器的另一種變型，交替式步態(tài)矯形器(RG0)，包括將一條腿的髖部屈曲與另一條腿的髖部伸展鏈接起來的運動約束，通常是通過一個推拉式纜線組件。像戴著其它被動矯形器那樣，用戶向前傾靠住穩(wěn)定性輔助設(shè)備，而去掉擺動腿的重量并利用重力提供站立腿的髖部伸展。由于髖關(guān)節(jié)的動作是通過交替式機構(gòu)交替耦接的，所述重力引起的髖部伸展還提供了對側(cè)髖部的屈曲(擺動腿)，使得步態(tài)的跨步長度增加。RGO的一種變型是包括在左右髖關(guān)節(jié)之間的基于液壓電路的可變耦接。具有這種變型的實驗表明，經(jīng)調(diào)制的液壓耦接的髖部運動得到改善。為了降低與被動矯形器相關(guān)的高程度用力，以前已經(jīng)研究過使用帶動力的矯形器，其包括啟動器和相關(guān)的電源來輔助位移。最近，通過結(jié)合三個電動馬達和RGO研發(fā)出一種帶動力的矯形器，兩個放在膝蓋關(guān)節(jié)處，使得在擺動過程中，膝蓋能夠屈伸，而另一個幫助髖部耦接，其實質(zhì)上輔助站立的髖部伸展和對側(cè)的擺動髖部屈曲兩者。相對于沒有帶動力的輔助的行走而言，所示的矯形器是來增加步態(tài)速度并減小補償動作。此外提出了控制方法，給戴有帶動力的下肢矯形器HAL的截癱的人提供輔助性操作(坐下到站立、站立到坐 下、行走)，帶動力的下肢矯形器HAL是一種帶有六個電動馬達(即，帶動力的矢狀平面髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié))的新興的商業(yè)設(shè)備。與帶動力的下肢矯形器HAL —樣，另外兩個新興的商業(yè)設(shè)備包括阿爾戈醫(yī)療技術(shù)公司(Argo MedicalTechnologies)的帶動力的矯形器ReWalk 和伯克利仿生公司(Berkeley Bionics)的帶動力的矯形器eLEGS 。這兩種設(shè)備都是特別為截癱的人研發(fā)的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例關(guān)注的是體現(xiàn)為帶動力的下肢矯形器或者外骨骼的行動輔助設(shè)備，與已經(jīng)提到的設(shè)備一樣，是用來通過在髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)兩處提供矢狀平面輔助轉(zhuǎn)矩來給截癱患者提供步態(tài)輔助。根據(jù)各種實施例的矯形器與現(xiàn)有的矯形器不同，因為事實上它既不包括穿在肩上的一部分，也不包括穿在鞋子下面的一部分。同樣，相對于報道的其它設(shè)備的質(zhì)量，根據(jù)各種實施例的矯形器具有顯著較輕的質(zhì)量。此外，根據(jù)各種實施例的矯形器包括新的控制架構(gòu)，使用戶能夠直觀地、自主地控制(即，沒有按鈕控制或者系統(tǒng)操作員的幫助)與腿部可動性相關(guān)的基本行動(即，坐、站立和行走)。提供控制架構(gòu)，使用戶能夠自主導航這些行動，而不用按鈕或開關(guān)或外部操作員的幫助。具體而言，所述根據(jù)各種實施例的控制架構(gòu)，在用戶的上身行動和矯形器的狀態(tài)的基礎(chǔ)上，使用戶能夠在坐著、站立和行走之間切換?？梢越o根據(jù)各種實施例的帶動力下肢假肢補充用戶肌肉的功能性電刺激(FES)(即，使用電刺激引起用戶肌肉的收縮)。在其余行動由輔助設(shè)備提供的情況下，可以控制FES來提供盡可能多的行動。


圖1圖示的是使用根據(jù)各種實施例的矯形器的用戶；圖2示出了圖1中所示的矯形器的主視
圖3示出了圖1中所示的矯形器的側(cè)視圖；圖4示出了圖1中所示的矯形器的軸測圖；圖5A示出了圖1中所示的矯形器的一部分的局部剖視圖；圖5B示出了圖5A的截面B的詳細分解視圖；圖6是根據(jù)各種實施例的矯形器的示例性分布式嵌入系統(tǒng)的功能圖；圖7示出了根據(jù)本發(fā)明各種實施例的狀態(tài)機；圖8A是在轉(zhuǎn)換到行走狀態(tài)的過程中關(guān)節(jié)角度是跨步百分比的函數(shù)的X-Y圖；圖SB是在行走狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的過程中關(guān)節(jié)角度是跨步百分比的函數(shù)的X-Y圖；圖SC是在轉(zhuǎn)換到站立狀態(tài)的過程中關(guān)節(jié)角度是跨步百分比的函數(shù)的X-Y圖；圖9是示出在行走的過程中的壓力中心的示意圖；圖1OA是示出在從坐著轉(zhuǎn)換到站立的過程中壓力中心的示意圖；圖1OB是示出在從站立轉(zhuǎn)換到坐著的過程中壓力中心的示意圖；圖11是示出根據(jù)各種實施例的功能性電刺激的示例性布置的示意圖；圖12和圖13示出了從23個右步和23個左步測量到的每個關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)，它們是時間的函數(shù)，疊加在同一幅圖上；圖14示出了圖13的數(shù)據(jù)的為跨步的函數(shù)的用電；圖15示出了測試患者的為時間的函數(shù)的關(guān)節(jié)角度(左右髖部、左右膝部)和狀態(tài)；
圖16A示出了為時間的函數(shù)的(步幅稍微不同的)幾個步子的系統(tǒng)狀態(tài)；圖16B示出了與圖16A的步子相同的步子的估計CoP (Xe)(實線)和CoP切換閾值(xe)(虛線)；圖16C示出了與圖16A和16B中的步驟相同的步驟的步幅(Xh)的估計值；圖17A、17B和17C分別給出了和第一、第二、第三TUG測試每一個相對應(yīng)的有限狀態(tài)序列；圖18以圖形方式示出了使用各種行走方法的患者的TUG心率和TMWT心率的結(jié)果;圖19以圖形方式示出了使用各種行走方法的患者的TUG心率％變化、TMWT心率％變化和博格感覺盡力度。
具體實施例方式本發(fā)明是參考附圖來描述的，其中，貫穿附圖，同樣的參考標號指的是類似的或者等同的要素。這些圖并非是按比例繪出，它們僅用來說明本發(fā)明。下文參考用于說明的示例應(yīng)用描述本發(fā)明的幾個方面。應(yīng)當理解的是，許多具體細節(jié)、關(guān)系和方法列舉出來是提供本發(fā)明的全面理解。但是，相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員會容易理解，本發(fā)明可以在沒有一個或多個具體細節(jié)或者其它方法的情況下實踐。在其它示例中，眾所周知的結(jié)構(gòu)或者操作沒有詳細示出，避免使本發(fā)明模糊。本發(fā)明不受所圖示的行為或者事件的順序的限制，因為一些行為可以與其它行為或者事件發(fā)生的順序不同和/或與之同時發(fā)生。此外，并非所有圖示的行為或者事件都要求實施根據(jù)本發(fā)明的方法。1.帶動力的矯形器構(gòu)造雖然有時是根據(jù)給 截癱用戶提供可動性輔助的矯形器來討論各種實施例，但是各種實施例并不局限于這個方面。所述各種實施例同樣適用于其它應(yīng)用。例如，這些應(yīng)用可以包括其它非截癱病情用戶的可動性輔助、中風致傷的用戶的復健和可動性輔助和具有使腿部可動性受損的神經(jīng)肌肉殘疾的用戶(舉例而言，包括人和非人類用戶)的可動性輔助。因此，可以暫時或者永遠將各種實施例應(yīng)用于任何需要可動性輔助和增強的應(yīng)用中。此外，雖然將根據(jù)下面描述的示例矯形器來籠統(tǒng)地描述各種實施例，但是，各種實施例并不局限于這個特殊的構(gòu)造。各種實施例可以體現(xiàn)為任意類型的外骨骼系統(tǒng)(比如下面描述的矯形器)或與之一起使用。本文所用的術(shù)語“外骨骼系統(tǒng)”是指任意類型的能夠穿戴或者附在用戶身上的設(shè)備，其中所述設(shè)備是構(gòu)造來給用戶的一個或多個部分的運動提供能量。在圖1-4示出了根據(jù)各種實施例的示例的帶動力的下肢矯形器100。具體而言，圖1-4所示的矯形器100包括四個電動機，它們在每個髖關(guān)節(jié)102RU02L和膝關(guān)節(jié)104RU04L施加矢狀平面轉(zhuǎn)矩。矯形器100可以與如拐杖、助行器之類的穩(wěn)定性輔助設(shè)備103 —起使用。如從圖中可見，該矯形器包含五段，它們是:兩個小腿段106R和106L、兩個大腿段108R和108L和一個髖部段110。每個大腿段108R和108L分別包括大腿段殼體109R和109L，并分別包括從每個膝關(guān)節(jié)104R和104L延伸并且被構(gòu)造為根據(jù)膝關(guān)節(jié)104R和104L的操作來移動的連桿或連接器112R和112L，在膝關(guān)節(jié)104R和104L處提供矢狀平面轉(zhuǎn)矩。連接器112R和112L進一步用來將每個大腿段108R和108L用機械的方式耦接到各個小腿段106R和106L。此外，每個大腿段108R和108L還分別包括從每個髖部關(guān)節(jié)102R和102L延伸并根據(jù)髖關(guān)節(jié)102R和102L的操作來運動的連桿或者連接器114R和114L，以在膝關(guān)節(jié)104R和104L處提供矢狀平面轉(zhuǎn)矩。連接器114R和114L進一步用來將每個大腿段108R和108L機械耦接到髖部段110。如圖1所示，矯形器100可以由用戶穿著。要將矯形器附在用戶身上的話，矯形器100可以包括固定點101，用于通過皮帶、繩圈、橡皮膏之類將矯形器附在用戶身上。進而，為了使用戶舒服，矯形器100可以包括沿著任何可能會與用戶接觸的表面設(shè)置的襯墊(圖中未示)。在一些實施例中，矯形器100的各個組成部分可以為用戶定制的尺寸。然而，在其它實施例中，該組件可被構(gòu)造為適應(yīng)各種不同的用戶。例如，在一些實施例中，可以在小腿段106R和106L和大腿段108R和108L之間布置一個或多個延伸元件，以適應(yīng)長腿的用戶。在其它構(gòu)造中，兩個小腿段106R和106L、兩個大腿段108R和108L和一個髖部段110的長度是可以調(diào)節(jié)的。也就是說，大腿段殼體109R、109L、小腿段106RU06L的小腿段殼體107R和107L以及髖部段110的髖部段殼體113可以用來讓用戶或者康復專家在現(xiàn)場調(diào)節(jié)這些部件的長度。例如，這些部件可以由可以被用螺絲、夾子或者其它任意類型的緊固件保持在一個或多個位置的可滑動或者可移動部分構(gòu)成。鑒于前述情況，兩個小腿段106R和106L、兩個大腿段108R和108L和一個髖部段110可以形成一個模塊化系統(tǒng)，允許有選擇地替換矯形器100的一個或多個部件，以及允許在不需要定制部件的情況下為用戶造出矯形器。這樣的模塊化還極大地方便了穿脫所述設(shè)備的過程。在矯形器100中，設(shè)置在每個大腿段殼體109R、109L內(nèi)包括用于操作對應(yīng)的一個膝關(guān)節(jié)104RU04L和髖關(guān)節(jié)102RU02L的基本上所有的部件。特別地，每個的大腿段殼體109RU09L包括兩個電動機，用于驅(qū)動髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)。然而，各實施例并不限于在這方面，一些部件可以位于髖部段110和/或小腿段106R、106L。例如，矯形器的電池111可以位于髖部段殼體113內(nèi)，連接器114R和114L可以還提供將電池111連接到大腿段108R和108L其中之一內(nèi)的任何部件的裝置。例如，連接器114R和114L可以包括電線、接觸件或者用于將電池111電連接到大腿段108R和108L中的電動部件上的任何其它類型的電氣元件。在各種不同的實施例中，電池111不局限于放置在髖部段殼體113內(nèi)。相反，電池可以是位于任意一段矯形器100內(nèi)的一個或多個電池。在各種實施例中，為了保持矯形器的低重量和各個部件減小的外形，使用一個基本上為平面的驅(qū)動系統(tǒng)來驅(qū)動髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)。例如，每個電動機可以每個使用基本上與矢狀運動的平面平行的鏈輪和鏈條的布置、通過減速傳動機構(gòu)來驅(qū)動相關(guān)的關(guān)節(jié)。這樣一種電動機布置的示例構(gòu)造在圖5A中圖示。使用圖5A中的構(gòu)造，有可能實現(xiàn)外形輪廓較小的矯形器，在髖部和大腿段的增加尺寸小于5cm。例如，在一個實施例中，可以構(gòu)造在正面平面上的矯形器的外形，以在髖部和膝關(guān)節(jié)增加3.2cm，在大腿中部增加4.8cm，使得用戶能夠坐在現(xiàn)有的扶手椅或者輪椅中。類似地，髖部段從用戶的下背部向后突出大約3.2cm，使它不會顯著與座椅靠背干擾。矯形器不在中腹部上延伸，不需要在肩膀上戴什 么東西，也不需要在下背上有什么，這使得假如坐在凳子上或者桌子邊上時，設(shè)備不那么明顯。通過將分布式嵌入式系統(tǒng)集成在矯形器結(jié)構(gòu)內(nèi)，極大地促進了矯形器的緊湊設(shè)計。在各種實施例中，不是構(gòu)造矯形器100來承重的。也就是說，如圖1所示，矯形器100不會包括腳或其它承重結(jié)構(gòu)。相反，如圖1所示，構(gòu)造矯形器100，使得小腿段106R和106L和對應(yīng)的一個大腿段108R和108L的組合長度小于用戶的腿長。這產(chǎn)生一個對用戶有潛在的健康益處的矯形器。特別是，站立和行走的能力可以扭轉(zhuǎn)或減弱通常與不能動相關(guān)的生理障礙的程度，包括肌肉萎縮、骨礦物質(zhì)成分流失、皮膚頻繁破損的問題、尿路感染發(fā)病率增加、肌肉痙攣、淋巴管和血管循環(huán)受損、消化工作受損、呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)功能減弱。雖然將根據(jù)膝關(guān)節(jié)104R的操作來描述圖5A，但這是為了便于說明。也就是說，可以構(gòu)造其它關(guān)節(jié)來用基本上類似的方式操作。圖5A是膝關(guān)節(jié)104R周圍的矯形器100的剖視圖，其圖示了根據(jù)各種實施例的矯形器中驅(qū)動膝關(guān)節(jié)102R的電動機502 —個示例構(gòu)造。如圖5A所示，可以通過在大腿段殼體109R的一端放置與矢狀平面平行的關(guān)節(jié)鏈輪504并構(gòu)造關(guān)節(jié)鏈輪504以平行于矢狀平面轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)膝關(guān)節(jié)102R。為了給膝關(guān)節(jié)102R提供矢狀平面轉(zhuǎn)矩，連接器112R可以從關(guān)節(jié)鏈輪504延伸，并通過機械的方式連接，使得關(guān)節(jié)鏈輪504的轉(zhuǎn)動在小腿段106上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。如圖5A所示，可以給連接器112R提供一個槽或者容放元件506，以鏈接大腿段108R和小腿段106R?？梢詷?gòu)造容放元件506和連接器112R，使得連接器可以是可拆卸地連接大腿段108R和小腿段106R。在各種實施例中，可以用夾子、螺絲或者其它任何類型的緊固件的布置來提供一個永久的或可拆卸的連接。在一些實施例中，可以提供快速連接或者“掀鈕(snap-1n)”設(shè)備來提供連接。也就是說，這些快速連接設(shè)備允許不需要工具就進行連接。這些類型的快速連接設(shè)備不僅能夠用于機械耦接，而且還能用于電耦接。在一些實施例中，可以用單個的快速連接設(shè)備來提供電耦接和機械耦接兩種耦接。但是，各種實 施例并不局限于這個方面，可以為電耦接和機械耦接提供單獨的快速連接設(shè)備。值得注意的是，當在每個關(guān)節(jié)有快速斷開設(shè)備的情況下，可以容易地將矯形器分成三個模塊化部件-右腿、左腿和髖部段-便于穿脫，也增加了便攜性。圖5B示出了示例的快速連接構(gòu)造的詳細視圖。圖5B是圖A的截面“B”的詳細視圖。如圖5B所示，連接器112R是從大腿段108R延伸的一個構(gòu)件。將連接器112R構(gòu)造成滑入容放元件506中。然后，可以通過小腿段106R上的鎖閂526和連接器112R上的鎖扣528的組合將連接器112R用機械的方式鎖在適當?shù)奈恢?。如上所述，可以?gòu)造連接器112R、112L、114R和114L來提供機械和電氣連接?；乜磮D5B，在大腿段108R和小腿段106R之間需要電連接的情況下，可以將電線經(jīng)過連接器112R的內(nèi)部引到電觸頭530上。在容放元件506的內(nèi)部還可以提供一組對應(yīng)的電觸頭(未示)。相應(yīng)地，當連接器112R鎖在容放元件506內(nèi)時，電觸頭530與容放元件506內(nèi)的電觸頭接觸放置?？梢詾檫B桿112LU14R和114L提供類似的構(gòu)造。不過要注意的是，各種實施例不限于圖5B的單獨的鎖扣和鎖閂組合。相反，可以沒有限制地使用任何其它類型的緊固或鎖定機構(gòu)。再參考圖5A，膝關(guān)節(jié)104R是通過電動機502的操作來執(zhí)行的，如上文討論那樣。電動機502可以是使用二級鏈條驅(qū)動傳動來驅(qū)動膝關(guān)節(jié)104R (即，關(guān)節(jié)鏈輪504)的電動馬達。例如，如圖5A所示，第一級由電動機502直接或者經(jīng)由第一鏈條512驅(qū)動第一驅(qū)動鏈輪514來構(gòu)成。第一驅(qū)動鏈輪514是用機械的方式耦接在第二驅(qū)動鏈輪516上，使得他們在電動機502施加到第一驅(qū)動鏈輪514的動力的基礎(chǔ)上,繞著同一個軸一起轉(zhuǎn)動。可以設(shè)置第二驅(qū)動鏈輪516使得它是放置在和鏈輪504相同的平面內(nèi)。因此，然后可以用第二鏈條518，使用第二驅(qū)動鏈輪516來驅(qū)動關(guān)節(jié)鏈輪504并啟動膝關(guān)節(jié)104R?？梢栽陉P(guān)節(jié)、動力限制和空間限制所需的轉(zhuǎn)矩的量的基礎(chǔ)上，選擇上面描述的各種部件的齒輪比。每級鏈驅(qū)動傳動可以包括張力器，它們可以消除鏈條上的松弛，并減輕沖擊負荷。這樣的張力器可以是可調(diào)節(jié)的或者是彈簧加載的。例如，如圖5A所示，所示的彈簧加載的張力器508和510是第二鏈條518的。類似地，張力器509和511還可以被提供給第一鏈條512 (如果有的話)。另外，可以給電動機502提供制動器。例如，如圖5所示，提供電磁制動器520，它在一個狀態(tài)下與制動墊522嚙合抵著電動機502的轉(zhuǎn)子524，在另一個狀態(tài)下與制動墊522分開。然而，各種實施例并不局限于這個特定的制動器布置，可以沒有限制地使用任何其它的方法來提供電動機502的制動。上文根據(jù)鏈輪和鏈條的布置討論了圖5A中圖示的構(gòu)造。然而，各種實施例并不限于這個方面。也就是說，可以使用任何其它帶或不帶鏈條并提供減小的外形的齒輪布置。進而，各種實施例并不局限于齒輪和/或鏈條的布置。例如，在一些構(gòu)造中，可以用皮帶和滑輪布置來代替鏈條和鏈輪布置。再者，還可以使用摩擦驅(qū)動布置。同樣，也可以使用上面討論的布置的任意組合。另外，不同的關(guān)節(jié)可以使用不同的排列。在各種實施例中，可以為每個關(guān)節(jié)102R、102L、104R、104L構(gòu)造一個電動機，提供最低量的連續(xù)轉(zhuǎn)矩和并在較短的時間段內(nèi)提供較高量的轉(zhuǎn)矩。例如，在一個構(gòu)造中，提供至少IONm的連續(xù)轉(zhuǎn)矩和在較短的(即，2秒)時間段內(nèi)至少有25Nm的轉(zhuǎn)矩。在另一個示例中，提供達到12Nm的連續(xù)轉(zhuǎn)矩和在較短的(即，2秒)時間段內(nèi)有40Nm的轉(zhuǎn)矩。作為一種保護措施，兩個膝關(guān)節(jié)104R和104 L都可以包括正常地鎖定的制動器，如上文討論那樣，目的是為了排除電源故障情況下膝蓋屈曲。值得注意的是，根據(jù)各種實施例的矯形器不包含足部或踝部部件。然而，可以構(gòu)造根據(jù)各種實施例的矯形器以與標準的踝足矯形器(AFO) 115結(jié)合使用，以給腳踝提供穩(wěn)定性并且/或者排除在步態(tài)的擺動階段腳下垂。在矯形器100中，分別使用嵌入在一個大腿段108R和108L中的一對嵌入式控制系統(tǒng)116R和116L來提供各種關(guān)節(jié)的控制。嵌入式控制系統(tǒng)116R和116L可以用來限定一個分布式嵌入系統(tǒng)(DES)來提供大腿段108R和108L之間的協(xié)同操作。嵌入式控制系統(tǒng)116R和116L是在圖3和4中示出，用虛線表示它們是被這些圖中的其它特征隱藏了。圖6給出了使用嵌入式控制系統(tǒng)116R和116L形成的示例DES600的功能圖。DES600由電池111供電，比如29.6V、3.9A hr的鋰聚合物電池111。DES600可以包括電力管理模塊602、計算或者數(shù)據(jù)處理模塊604、電信號調(diào)節(jié)和傳感器接口模塊606、電力電子器件608和通信電子器件610，與DES600內(nèi)的以及在DES600和主機之間的部件形成接口。為了形成DES600，嵌入式控制系統(tǒng)116R和116L可以是經(jīng)由髖部段110中的有線通信鏈路或者嵌入式控制系統(tǒng)116R和116L之間的無線通信鏈路可通信地耦接。它們可以包括任何一種類型的無線通信鏈路。例如，這些可以包括根據(jù)IEEE802.XX標準、藍牙 及其派生物中的任何一種的無線通信鏈路。但是，各種實施例不局限于這方面，可以使用任何其它類型的無線通信鏈路。
電力管理模塊602提供，可以從電池111提供信號調(diào)節(jié)和調(diào)整。另外，電力管理模塊，例如，電力管理模塊602被構(gòu)造成提供用于信號調(diào)節(jié)和計算并且是從中間的±12.5和+5V的切換調(diào)節(jié)器獲得的線性調(diào)節(jié)的±12和+3.3V，進行有效的轉(zhuǎn)換。在一些實施例中，矯形器100可以包括可視顯示器，由電力管理模塊602控制，指示電池的狀態(tài)。可視顯示器可以是字母數(shù)字或者符號(例如，一個或多個燈來表示電池狀態(tài))。計算模塊604由每個嵌入式控制系統(tǒng)116R和116L中的微控制器單元構(gòu)成。例如，如圖6所示，微控制器單元可以是80MHz PIC32控制器，每個有512kB閃存和32kB RAM，并且每個大約消耗400mW的功率。可以對這些微控制器進行編程。例如，所述編程可以使用MPLAB IDE和MP32C編譯器(都是微芯科技公司(Microchip Technology, Inc.)的產(chǎn)品)用C編程語言來編程。然而，各種實施例不局限于這個方面，可以使用任何其它類型的編程方法。在操作中，計算模塊604 (即，兩個微控制器)使用電力電子器件608中的伺服驅(qū)動器或者伺服放大器(比如，四象限切換伺服放大器或者脈沖寬度調(diào)制(PWM)的功率晶體管驅(qū)動器)驅(qū)動和每個關(guān)節(jié)102R、102L、104R和104L相關(guān)的電動機。計算模塊604還通過電力電子器件608中的脈沖寬度調(diào)制(PWM)功率晶體管驅(qū)動膝部制動器。像下文進一步討論的那樣，在各種實施例中構(gòu)造計算模塊604，至少部分基于和矯形器100的狀態(tài)相關(guān)的傳感器數(shù)據(jù)來驅(qū)動與每一個關(guān)節(jié)102R、102L、104R和104L相關(guān)的電動機。相應(yīng)地，傳感器接口模塊606可以配置成提供以及/或者可以提供與矯形器100中放置的傳感器進行通信。在一些實施例中，所有的傳感器都可以被放置在其中一個大腿段108R和108L內(nèi)。例如，這些傳感器可以嵌入在每個嵌入式控制系統(tǒng)116R和116L中。在矯形器100的一個構(gòu)造中，物理感應(yīng)由每個髖關(guān)節(jié)104RU04L和每個膝關(guān)節(jié)102R、102L中以及放置在每個大腿段108R和108L別處的3-軸加速度傳感器和單軸陀螺儀的基于霍爾效應(yīng)的角度和角速度感應(yīng)構(gòu)成。雖然上面的說明中描述了一種每個嵌入式控制系統(tǒng)116R和116L的部件的對稱布置，但是各種實施例并不局限 于這方面。在其它實施例中，上面描述的一個或多個模塊可以位于其中一個嵌入式控制系統(tǒng)116R和116L內(nèi)。在一些實施例中，可以將矯形器100構(gòu)造成與嵌入在穩(wěn)定性輔助設(shè)備103中的傳感器協(xié)同工作。DES可以被構(gòu)造成與這樣的傳感器經(jīng)由有線或者無線通信鏈路通信，如上文討論的那樣。2.電動矯形器控制架構(gòu)2.1關(guān)節(jié)水平控制器根據(jù)各種實施例的矯形器的整體控制結(jié)構(gòu)由變阻關(guān)節(jié)水平控制器構(gòu)成，變阻關(guān)節(jié)水平控制器的行為由事件驅(qū)動型有限狀態(tài)控制器來監(jiān)督。關(guān)節(jié)水平控制器由每個(髖部和膝部)關(guān)節(jié)周圍的可變增益比例-導數(shù)(PD)反饋控制器構(gòu)成，其中在一個給定的時間，除了所述反饋控制器的比例和微分增益之外，輸入到每個控制器的控制輸入由關(guān)節(jié)角度基準構(gòu)成。注意，為了確保反饋控制器的穩(wěn)定，微分增益只限制在正值。在有這種控制結(jié)構(gòu)的情況下，結(jié)合矯形器關(guān)節(jié)的開環(huán)低輸出阻抗，通過模擬每個關(guān)節(jié)處的物理彈簧阻尼力偶，所述關(guān)節(jié)可以用高阻抗軌跡跟蹤模式或者用(相對的)低阻抗模式來控制。前者用在希望實施預(yù)定的軌跡(例如，在步態(tài)的擺動階段過程中)之處使用，而后者是在優(yōu)選的是不實施預(yù)定的關(guān)節(jié)軌跡、而是提供方便于朝向給定的關(guān)節(jié)平衡點的輔助轉(zhuǎn)矩的情況下(如，從坐著轉(zhuǎn)換到站立)使用，或者在關(guān)節(jié)處施加耗散行為(如，從站轉(zhuǎn)換到坐)。2.2有限狀態(tài)控制結(jié)構(gòu)接下來的部分描述控制結(jié)構(gòu)的一個示例實施例，其使得站立、行走和坐的自主控制成為可能。然而，這個特殊的控制結(jié)構(gòu)僅用來使各種實施例的說明變得容易。在各種實施例中，所述控制結(jié)構(gòu)可以包括以類似的方式實現(xiàn)的額外的活動模式。這些可以包括上坡和下坡行走、上樓梯和下樓梯、上人行道邊和下人行道邊，僅舉幾例。值得一提的是，上人行道邊和下人行道邊還可以是上樓梯和下樓梯功能的子集。關(guān)節(jié)水平控制器從監(jiān)督有限狀態(tài)機(FSM) 700接收軌跡命令以及I3D增益，狀態(tài)機(用于坐著、站立和行走)由12個狀態(tài)構(gòu)成，如圖7所示。FSM700由兩種類型的狀態(tài)構(gòu)成:靜止狀態(tài)和轉(zhuǎn)換狀態(tài)。靜止狀態(tài)由坐著(SI)、站立(S2)、右腿向前(RLF)雙支撐(S3)和左腿向前(LLF)雙支撐(S4)構(gòu)成。在四個靜止狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的剩下8個狀態(tài)，包括坐下到站立(S5)、站立到坐下(S6)、從站立到走右半步(S7)、從站立到走左半步(SI I)、從走到站左半步(S10)、從走到站右半步(S12)、右步(S9)和左步(S8)。FSM700的每個狀態(tài)完全由一組軌跡和一組關(guān)節(jié)反饋增益來限定。在一般情況下，后者或高或低。應(yīng)用在八個轉(zhuǎn)換狀態(tài)中的六個轉(zhuǎn)換狀態(tài)下的軌跡組在圖8A-8C中示出。圖8A是在轉(zhuǎn)換到行走狀態(tài)的過程中(圖7中的S7、S11)，關(guān)節(jié)角度是步伐的百分比的函數(shù)的X-Y圖。曲線802是分別用曲線和實線表示的髖部和膝蓋的擺動的曲線。曲線804是分別用虛線和實線表示的髖部和膝蓋站姿的曲線。圖8B是在行走狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的過程中(圖7中的S8、S9)，關(guān)節(jié)角度是步伐的百分比的函數(shù)的X-Y圖。曲線806是分別用虛線和實線表示的髖部和膝蓋的擺動的曲線。曲線808是分別由虛線和實線表示的髖部和膝蓋站立的曲線。圖8C是在轉(zhuǎn)換到站立狀態(tài)的過程中(圖7中的S10、S12)關(guān)節(jié)角度是步伐的百分比的函數(shù)的X-Y圖。曲線810是分別由虛線和實線表示的髖部和膝蓋的擺動的曲線。曲線812是分別由虛線和實線表示的髖 部和膝蓋站立的曲線。對于圖8A-8C所示的所有軌跡，關(guān)節(jié)反饋增益是設(shè)置成高的。圖8A-8C所示的各種關(guān)節(jié)的軌跡的最終角度限定了與RLF雙支撐(S3)、LLF雙支撐(S4)和站立(S2)的靜止狀態(tài)相對應(yīng)的恒定的關(guān)節(jié)角度。剩下三個狀態(tài)，它們是坐著的靜止狀態(tài)(SI)和從坐著到站立
(S5)和從站立到坐下(S6)的兩個轉(zhuǎn)換狀態(tài)。坐著的靜止狀態(tài)(SI)由零增益限定，因此關(guān)節(jié)角度并不重要。從站立到坐下的轉(zhuǎn)換(S6)由零比例增益和高導數(shù)增益(即，沒有剛度的阻尼)。因此，對于這個狀態(tài)，關(guān)節(jié)角度也是無足輕重的，假設(shè)它們是恒定的。最后，從坐著到站立(S5)的狀態(tài)是由站立(S2)關(guān)節(jié)角度來限定，并利用從零上跳到與高阻抗狀態(tài)對應(yīng)的值的一組增益。表I和圖8A-8C總結(jié)了軌跡和反饋增益的屬性，它們一起完全定義圖7中所示的FSM的所有狀態(tài)中的行為。表1.每個狀態(tài)內(nèi)的關(guān)節(jié)控制器特征
權(quán)利要求
1.一種裝置，包括: 外骨骼系統(tǒng)，其包括多個傳感器、髖部段和至少一個下肢，所述傳感器用于產(chǎn)生表示至少所述外骨骼系統(tǒng)的當前動作和當前布置的信號，所述至少一個下肢包括用于耦接到用戶腿部的側(cè)表面的大腿段和小腿段，所述大腿段包括: 殼體， 第一帶動力的關(guān)節(jié)，設(shè)置在所述殼體內(nèi)并且被構(gòu)造用于將所述大腿段耦接到所述髖部段， 第二帶動力的關(guān)節(jié)，設(shè)置在所述殼體內(nèi)并且被構(gòu)造用于將所述大腿段耦接到所述小腿段， 控制器，設(shè)置在所述殼體中并且耦接到所述多個傳感器、所述第一帶動力的關(guān)節(jié)和所述第二帶動力的關(guān)節(jié)，所述控制器是構(gòu)造來基于所述信號確定所述外骨骼系統(tǒng)的當前狀態(tài)和所述用戶的當前意圖，并基于所述當前狀態(tài)和所述當前意圖給所述第一帶動力的關(guān)節(jié)和所述第二帶動力的關(guān)節(jié)生成控制信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述多個傳感器是設(shè)置在所述殼體中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述至少一個下肢是一個下肢。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述第一帶動力的關(guān)節(jié)或者所述第二帶動力的關(guān)節(jié)中至少有一個包括電動機、至少一個鏈輪和至少一個用于將轉(zhuǎn)矩從所述電動機傳輸?shù)剿鲦溳喌逆湕l。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的裝置，其中進一步包括用于所述至少一個鏈條的鏈條張緊系統(tǒng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述第一帶動力的關(guān)節(jié)或者所述第二帶動力的關(guān)節(jié)中至少有一個包括電動機、至少一個滑輪和至少一個用于將轉(zhuǎn)矩從所述電動機傳輸?shù)剿龌喌膫魉蛶А?br> 7.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其中每一個所述第一和第二帶動力的關(guān)節(jié)部還包括傳送帶張緊系統(tǒng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述第一帶動力的關(guān)節(jié)或者所述第二帶動力的關(guān)節(jié)中至少有一個包括至少一個制動器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，其中至少一個制動器是構(gòu)造來在沒有電力的情況下鎖住。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述設(shè)備的至少一個下肢是非承重的。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述外骨骼系統(tǒng)進一步包括功能性電刺激系統(tǒng)，用于響應(yīng)于來自于所述控制器的所述控制信號，為所述用戶的肌肉產(chǎn)生功能性電刺激信號。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的裝置，其中所述功能性電刺激系統(tǒng)包括設(shè)置在所述殼體上的至少一個功能性電刺激源位置、設(shè)置在所述用戶的大腿上的至少一個功能性電刺激接收位置、設(shè)置在所述大腿上并且電耦接在所述至少一個功能性電刺激接收位置上的至少一個電極，其中所述至少一個功能性電刺激接收位置是構(gòu)造來從所述至少一個功能性電刺激源位置接收所述功能性電刺激信號。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的裝置，其中所述至少一個功能性電刺激源位置的空間布置和所述至少一個功能性電刺激接收位置大致重合。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的裝置，其中所述至少一個功能性電刺激源位置被構(gòu)造用于無線發(fā)送所述功能性電刺激信號。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的裝置，其中所述功能性電刺激系統(tǒng)進一步包括至少一個由所述用戶穿著的覆蓋物，其中至少一個功能性電刺激接收位置和至少一個電極是設(shè)置在所述覆蓋物上。
16.根據(jù)權(quán)利要求13的裝置，其中所述至少一個功能性電刺激源位置是構(gòu)造來和所述至少一個電極區(qū)域進行物理和電接觸，用于傳輸所述功能性電刺激信號。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其還包括至少一個用于將所述髖部段用機械的方式和電方式耦接到所述第一帶動力的關(guān)節(jié)的第一連桿和至少一個用于將所述小腿段用機械的方式耦接到所述第二帶動力的關(guān)節(jié)的第二連桿。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的設(shè)備，其中所述至少一個第一連桿或所述至少一個第二連桿中至少有一個包括快速連接設(shè)備。
19.一種控制包括外骨骼系統(tǒng)的設(shè)備的方法，所述外骨骼系統(tǒng)具有多個傳感器、髖部段和至少一個下肢，所述傳感器用于產(chǎn)生表示至少所述外骨骼系統(tǒng)的當前動作和當前布置的信號，所述至少一個下肢包括用于耦接到用戶腿部的側(cè)表面的大腿段和小腿段，用于提供所述大腿段相對于所述髖部段的動作的第一帶動力的關(guān)節(jié)和用于提供所述小腿段相對于所述大腿段的動作的第 二帶動力的關(guān)節(jié)，所述多個傳感器設(shè)置在所述至少一個髖部段或者所述至少一個下肢上， 所述方法包括: 從所述多個傳感器接收所述信號； 基于所述信號確定所述外骨骼系統(tǒng)的當前狀態(tài)； 至少基于所述外骨骼的當前狀態(tài)推斷所述用戶的當前意圖； 至少基于所述當前狀態(tài)和所述當前意圖確定所述外骨骼的下一個狀態(tài)；和 產(chǎn)生控制信號使所述外骨骼轉(zhuǎn)換到所述下一個狀態(tài)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中所述確定當前狀態(tài)的步驟進一步包括:基于所述接收到的信號估計所述身體的壓力中心，其中所述確定所述下一個狀態(tài)的步驟還包括基于所述壓力中心選擇所述下一個狀態(tài)。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，進一步包括使所述外骨骼的至少一部分以預(yù)定的模式震動，以給所述用戶提供與所述控制狀態(tài)有關(guān)的反饋。
22.根據(jù)權(quán)利要求19的方法,進一步包括生成至少一個觸覺標記、視覺標記或聲音標記以給所述用戶提供與所述控制狀態(tài)有關(guān)的反饋。
23.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中所述確定所述下一個狀態(tài)的步驟進一步包括選擇多個活動模式中的其中一個和在所述其中一個活動模式下的狀態(tài)。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其中所述多個活動模式包括坐著、從坐著轉(zhuǎn)換到站立、站立、從站立轉(zhuǎn)換到坐下或者行走。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其中所述多個活動模式進一步包括上斜坡、下斜坡、上樓梯和下樓梯。
26.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其中所述多個活動模式進一步包括上路沿和下路沿。
27.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，進一步包括為所述用戶的至少一個下肢產(chǎn)生功能性電刺激信號，并且其中所述為所述推動系統(tǒng)產(chǎn)生控制信號的步驟包括基于所述功能性電刺激信號為所述推動系統(tǒng)配置所述控制信號。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中所述配置所述控制信號的步驟進一步包括: 確定轉(zhuǎn)換到所述下一個狀態(tài)所需的第一轉(zhuǎn)矩量， 監(jiān)控響應(yīng)所述功能性電刺激信號而產(chǎn)生的第二轉(zhuǎn)矩量，以及 配置所述控制信號，使所述推動系統(tǒng)產(chǎn)生等于所述第一和第二轉(zhuǎn)矩量之差的第三轉(zhuǎn)矩量。
29.一種計算機可讀介質(zhì)，其具有存儲于其上的計算機可讀代碼，用于使計算機執(zhí)行權(quán)利要求19-28中任意 一項權(quán)利要求中的方法。
全文摘要
一種包括外骨骼系統(tǒng)的裝置，具有多個傳感器、髖部段和至少一個下肢，所述傳感器用于產(chǎn)生表示至少所述外骨骼系統(tǒng)的當前動作和當前布置的信號。所述下肢包括用于耦接到用戶腿部的側(cè)表面的大腿段和小腿段。所述大腿段包括將所述大腿段耦接到所述髖部段的第一帶動力的關(guān)節(jié)、將所述大腿段耦接到所述小腿段的第二帶動力的關(guān)節(jié)以及耦接到所述傳感器、所述第一帶動力的關(guān)節(jié)和所述第二帶動力的關(guān)節(jié)的控制器。所述控制器是構(gòu)造來基于所述信號確定所述外骨骼系統(tǒng)的當前狀態(tài)和所述用戶的當前意圖，并基于所述當前狀態(tài)和所述當前意圖給所述第一和第二帶動力的關(guān)節(jié)生成控制信號。
文檔編號A61H3/00GK103200909SQ201180046566
公開日2013年7月10日 申請日期2011年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月27日
發(fā)明者萊恩·J·法里斯, 雨果·A·昆特羅, 邁克爾·戈德法布 申請人:范德比爾特大學