行動輔助設(shè)備的制造方法
【專利說明】
[000。 相關(guān)申請的香叉引用
[0002] 本申請要求于2012年6月15日提交的，名為"外骨骼控制方法"的美國臨時專利 申請第61/660, 286號的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，其全部內(nèi)容通過引用合并在此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明設(shè)及帶動力的輔助設(shè)備領(lǐng)域，更具體地，設(shè)及帶動力的輔助設(shè)備及方法。
【背景技術(shù)】
[0004] 在美國每年大約有800, 000人患中風(fēng)，其中大約660,000(83% )人幸存。在幸存 的人群中，研究表明大約60% (將近400, 000)在康復(fù)急性期具有較低的肢體運(yùn)動障礙。在 該些人群中，研究表明大約一半（即，200, 000)在中風(fēng)后六個月在沒有幫助的情況下不能 行走。不能獨(dú)立行走對個體的獨(dú)立性和社區(qū)居住能力有明顯的影響，因此對生活質(zhì)量有明 顯的影響。類似地，平衡受損及行走能力損害提高了摔倒的發(fā)生率，進(jìn)而導(dǎo)致骨折。
[0005] 為了改善中風(fēng)后具有運(yùn)動障礙的人群的運(yùn)動結(jié)果，已使用減重步行訓(xùn)練 (body-wei曲t-su卵orted trea血ill training, BWSTT)。在該種介入中，患者體重的一 部分通過頭上的懸掛點吊在電動活動平板（trea血ill)上面，同時一個或多個治療師對患 者身體的一些部分（最常見的是下肢）進(jìn)行操控W模仿行走，從而促進(jìn)它的康復(fù)。已經(jīng)進(jìn) 行了許多有關(guān)調(diào)查減重步行訓(xùn)練對中風(fēng)后康復(fù)的療效的研究。相對于傳統(tǒng)的物理治療介 入，該些關(guān)于減重步行訓(xùn)練的療效的研究沒有大體一致的意見，盡管一些研究表明減重步 行訓(xùn)練相對于傳統(tǒng)治療沒有提供明顯的好處。為了提供類似于減重步行訓(xùn)練、較少治療師 參與并可能較高連貫性的運(yùn)動訓(xùn)練，機(jī)器人版本的減重步行訓(xùn)練已開發(fā)出來，其保留了電 動活動平板及頭上的體重懸吊系統(tǒng)，但用機(jī)器人操控代替了腿部的手動操控。與手動輔助 (manually-assisted,MA)減重步行訓(xùn)練一樣，機(jī)器人輔助（robotic-assisted，RA)減重步 行訓(xùn)練系統(tǒng)也已成為當(dāng)前比較它們的療效與傳統(tǒng)治療療效的研究的對象。與手動輔助減重 步行訓(xùn)練的研究一樣，關(guān)于療效沒有大體一致的意見，盡管多項研究表明機(jī)器人輔助的減 重步行訓(xùn)練相對于傳統(tǒng)治療的好處并不明顯。
[0006] 減重步行訓(xùn)練介入沒有提供多少靜態(tài)或動態(tài)的平衡訓(xùn)練。在機(jī)器人輔助減重步行 訓(xùn)練的情況下，對平衡的需求幾乎從運(yùn)動活動中完全去除了，而在手動輔助減重步行訓(xùn)練 的情況下，基本上不存在對平衡的需求。在該兩種情況下，頭頂上的體重支撐起到大體穩(wěn)定 的作用，并且在機(jī)器人輔助減重步行訓(xùn)練的具體情況下，運(yùn)動學(xué)上限制了沿著減少的運(yùn)動 軸線組的軀干運(yùn)動。除了運(yùn)動學(xué)的限制之外，大體穩(wěn)定的力的存在顯著地妨礙了該種訓(xùn)練 過程中平衡的開發(fā)。
[0007] 減重步行訓(xùn)練不需要平衡的事實在步態(tài)再訓(xùn)練治療介入的早期階段實際上是重 大的優(yōu)點。康復(fù)社區(qū)中的大多數(shù)人贊同早期介入可提供重大的治療好處，并且許多人認(rèn)為 減重步行訓(xùn)練系統(tǒng)比否則可能的傳統(tǒng)治療能夠更早的進(jìn)行治療介入。盡管如此，隨著患者 的力量逐漸增強(qiáng)，減重步行訓(xùn)練介入中存在的人為穩(wěn)定妨礙了平衡的再訓(xùn)練，其必然設(shè)及 空間中的身體運(yùn)動，軀干和上下肢的自由運(yùn)動，w及每個腳的適當(dāng)放置w確保動態(tài)穩(wěn)定。根 據(jù)運(yùn)動物理學(xué)（即，動力學(xué)），用前庭神經(jīng)和本體感覺系統(tǒng)整合并協(xié)調(diào)該些運(yùn)動是習(xí)得反 應(yīng)，其對安全行走是必不可少的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本發(fā)明的實施方式設(shè)及控制方法，W及由此的設(shè)備，其通過去除由被動動力強(qiáng)加 的強(qiáng)有力的運(yùn)動負(fù)擔(dān)來輔助人。優(yōu)選地，控制方法不會試圖支持或提供任何運(yùn)動。相反地， 控制方法優(yōu)選地配置成積極地補(bǔ)償被動作用，為了移動使用者必須克服該種被動作用。具 體地，該些被動作用包括但不限于，移動身體或載荷W突破重力所需要的力，W及使使用者 身體的一些部分加速或減速所需要的慣性力或承載的載荷。其他被動作用可包括（例如， 由于李縮）使用者關(guān)節(jié)的阻巧和/或僵硬。被動作用定義如下；對于起始于任意形態(tài)，經(jīng)歷 任意形態(tài)，并返回至初始形態(tài)的系統(tǒng)來說，被動作用不會對系統(tǒng)做任何正凈功。例如，對于 起始于空間中的給定點，穿過重力場，然后返回至初始的初始點的質(zhì)點來說，重力場會對質(zhì) 點做零凈功，因此重力作用被該系統(tǒng)認(rèn)作是被動作用。由于在該種情況下對系統(tǒng)所做的凈 功為零，力場被認(rèn)為是守恒場。如果物體穿過阻巧場并返回起始點，阻巧會對系統(tǒng)做負(fù)功， 于是阻巧也會被認(rèn)為是被動作用（在該種情況下，由于對系統(tǒng)所做的凈功為負(fù)，該個力場 被認(rèn)為是完全被動的）。在系統(tǒng)返回至初始形態(tài)并且對系統(tǒng)做了正凈功的情況下，該作用會 被認(rèn)為是主動的（或非被動的）。
[0009] 在優(yōu)選實施方式中，控制方法僅僅嘗試去除被動的運(yùn)動障礙，而不是補(bǔ)給運(yùn)動意 圖。對于該種控制方法而言，外骨骼優(yōu)選地僅對運(yùn)動做出響應(yīng)，但不產(chǎn)生運(yùn)動。該樣，本文 描述的控制方法使得外骨骼能夠?qū)\(yùn)動貢獻(xiàn)出動力，而永遠(yuǎn)不會產(chǎn)生運(yùn)動。就該一點而言， 提出的方法的實質(zhì)好處在于優(yōu)選實施方式中的外骨骼能夠避免不顧使用者的運(yùn)動意圖。
[0010] 控制方法可用來可變地或可選擇地去除被動負(fù)擔(dān)。例如，對具有運(yùn)動障礙但仍具 有部分力量的使用者來說，該方法可用來去除被動作用的一部分（例如，可去除一半的重 力載荷，而不是全部的載荷）。被動補(bǔ)償量可基于測量信息（諸如步態(tài)模式）而適應(yīng)于使用 者。
[0011] 在守恒力場的情況下（諸如由重力強(qiáng)加的），使場的梯度上升需要對系統(tǒng)的一部 分做功（即，產(chǎn)生動力），而使場的梯度下降把該個功返還給系統(tǒng)。在外骨骼的情況下，控制 方法在運(yùn)動產(chǎn)生動力的部分中可有選擇地補(bǔ)償（即，僅在使場的梯度上升時補(bǔ)償），而不是 始終補(bǔ)償守恒力場。如此，外骨骼去除了使用者產(chǎn)生動力的負(fù)擔(dān)，但允許使用者得益于由守 恒場輔助的該部分運(yùn)動。由于身體通常包含多個部分，并且不同部分的能量梯度的方向可 改變，控制方法優(yōu)選的實施方式是確定關(guān)節(jié)級能量梯度，使用關(guān)節(jié)控制轉(zhuǎn)矩與關(guān)節(jié)角速度 的乘積的符號和可能幅度來確定梯度是正還是負(fù)。在關(guān)節(jié)級能量梯度為正的情況下（即， 關(guān)節(jié)對抗重力做功），系統(tǒng)可對關(guān)節(jié)提供一些程度的重力補(bǔ)償。在關(guān)節(jié)級能量梯度為負(fù)的情 況下（即，關(guān)節(jié)隨著重力做功），系統(tǒng)不需要提供重力補(bǔ)償。在一些實施方式中，當(dāng)隨著能量 梯度（即，隨著重力）移動時，外骨骼可提供規(guī)定量的關(guān)節(jié)級阻巧。
[0012] 在第一實施方式中，提供了一種控制外骨骼的方法，該外骨骼包括與使用者下肢 關(guān)聯(lián)的至少一個帶動力的關(guān)節(jié)。該方法包括關(guān)于重力向量估算與外骨骼關(guān)聯(lián)的使用者的身 體形態(tài)并基于形態(tài)計算至少一個帶動力的關(guān)節(jié)的第一控制轉(zhuǎn)矩，其至少部分地補(bǔ)償使用者 的重力動力。該方法還包括計算至少一個帶動力的關(guān)節(jié)的重力能量梯度，至少基于重力能 量梯度衰減第一控制轉(zhuǎn)矩W產(chǎn)生第二控制轉(zhuǎn)矩，W及施加最終控制轉(zhuǎn)矩到至少一個帶動力 的關(guān)節(jié)上，所述最終控制轉(zhuǎn)矩至少部分地基于第二控制轉(zhuǎn)矩。
[0013] 該方法還可包括計算至少一個帶動力的關(guān)節(jié)的第=控制轉(zhuǎn)矩，其大致補(bǔ)償了外骨 骼的重力動力，于是該里最終控制轉(zhuǎn)矩是第二控制轉(zhuǎn)矩和第S控制轉(zhuǎn)矩的總和。
[0014] 在該方法中，計算至少一個關(guān)節(jié)的重力能量梯度可包括確定至少一個帶動力的關(guān) 節(jié)的第一控制轉(zhuǎn)矩與測量到的關(guān)節(jié)角速度的乘積。
[0015] 在該方法中，估算形態(tài)可包括