本申請(qǐng)要求于2014年9月19日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)No.62/052,562的優(yōu)先權(quán)；于2015年1月26日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)No.62/107,729；于2015年6月10日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)No.62/173,887；于2015年6月22日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)No.62/183,149；和于2015年7月17日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)No.62/193,793，并且所有這些申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入本文。

關(guān)于聯(lián)邦贊助的研究或開(kāi)發(fā)的聲明

本公開(kāi)實(shí)施方案的至少一些方面是在來(lái)自國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃署(DARPA)以Grant W911NF-14-C0051的政府支持下進(jìn)行的。政府享有本發(fā)明的這些方面的權(quán)利。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開(kāi)的實(shí)施方案涉及運(yùn)動(dòng)輔助裝置，更具體地涉及為人類(lèi)運(yùn)動(dòng)(包括髖部運(yùn)動(dòng)和踝部運(yùn)動(dòng))提供輔助的軟外套系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

在過(guò)去十年中，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多下肢外骨骼以在各種條件下輔助人類(lèi)步態(tài)。一些裝置被設(shè)計(jì)成輔助受損的或健全的人，而其他裝置被設(shè)計(jì)成使得負(fù)荷運(yùn)輸更容易。通常，這些裝置由能夠?qū)Υ┐髡咛峁└咻o助扭矩的剛性外骨骼結(jié)構(gòu)組成。然而，剛性框架可能會(huì)限制穿戴者的自然運(yùn)動(dòng)，并且當(dāng)它們與穿戴者的生物關(guān)節(jié)不對(duì)準(zhǔn)時(shí)可能施加不期望的力。此外，剛性裝置可能特別是在遠(yuǎn)端區(qū)域上具有大的慣性，這可能阻礙穿戴者的運(yùn)動(dòng)并且從控制的角度提供挑戰(zhàn)。

已經(jīng)開(kāi)發(fā)了利用主要柔軟、柔性或半柔性部件(例如，織物)的外套來(lái)解決外骨骼的這些問(wèn)題特征中的一些問(wèn)題。許多這種外套的共形、不引人注目和順應(yīng)性質(zhì)減輕了與剛性外套相關(guān)的許多上述問(wèn)題，但是反過(guò)來(lái)又引起了新的問(wèn)題。軟外套通常不像剛性外骨骼那樣承載，因此在外套中產(chǎn)生的力最終傳遞到使用者的身體并由其承載。因此，舒適性和安全性考慮可能限制能夠被產(chǎn)生以輔助運(yùn)動(dòng)的力的量。此外，由于軟外套可能直接穿戴在使用者的皮膚上或穿在衣服上，所以舒適性可能是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考慮。然而，通常，針對(duì)舒適性的設(shè)計(jì)考慮通常與針對(duì)維持用于通過(guò)其傳遞負(fù)荷的有效系統(tǒng)剛度的設(shè)計(jì)考慮沖突。特別地，許多舒適的織物當(dāng)被置于張力下時(shí)易于拉伸。這種拉伸可以有效地從外套中排出能量，使得與使用更高模量的材料相比，需要提供更大的電機(jī)和消耗更大量的功率以產(chǎn)生與人體相同的輔助力。此外，拉伸可能導(dǎo)致外套的元件變得與其在身體上的預(yù)期位置不對(duì)準(zhǔn)和/或移位，可能導(dǎo)致不舒服，不自然的關(guān)節(jié)扭矩和增加的功率要求。軟外套的固有順應(yīng)性和非線性機(jī)械結(jié)構(gòu)還可能使得難以精確和可靠地將期望量的力傳遞到使用者身體的各個(gè)部分以輔助運(yùn)動(dòng)。因此，需要一種用于輔助運(yùn)動(dòng)的輕質(zhì)、舒適的外套，其被構(gòu)造成在身體上保持期望的位置和對(duì)準(zhǔn)，并且通過(guò)其提供有效的負(fù)荷路徑和傳遞特性。

除了致動(dòng)軟外套的機(jī)械挑戰(zhàn)之外，另一個(gè)挑戰(zhàn)在于在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)和肌肉活動(dòng)模式中給出相當(dāng)大的變化性來(lái)提供有效的幫助。用于控制運(yùn)動(dòng)輔助的現(xiàn)有方法使用歷史數(shù)據(jù)或預(yù)定常數(shù)來(lái)估計(jì)輔助的開(kāi)始，并且因此不能解決穿戴者的當(dāng)前步法的正常或不可預(yù)測(cè)的變化。特別地，許多控制系統(tǒng)利用來(lái)自先前步法的歷史或預(yù)定數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)在當(dāng)前步法期間將被輔助的運(yùn)動(dòng)的開(kāi)始。其他系統(tǒng)可以被構(gòu)造成在設(shè)置為與普通人的步態(tài)周期的某些部分相對(duì)應(yīng)的預(yù)定的、恒定的時(shí)間偏移上施加功率。這在使用者的步態(tài)變化的情況下可能是有問(wèn)題的，在現(xiàn)實(shí)生活中通常是這樣。因此，需要一種被構(gòu)造成實(shí)時(shí)地適應(yīng)使用者的運(yùn)動(dòng)并且因此以適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)和幅度提供輔助功率的控制系統(tǒng)。

另一個(gè)挑戰(zhàn)是，在由于性別、年齡、身高、體重和諸如行動(dòng)速度等空間-時(shí)間因素引起的穿戴者動(dòng)力學(xué)的相當(dāng)大變化性的情況下，提供有效的輔助?，F(xiàn)有的控制系統(tǒng)不能解決這些變化，而是提供未針對(duì)外套的特定穿戴者定制的一種尺寸適合所有的輔助幅度。因此，需要一種被構(gòu)造成適應(yīng)外套的特定穿戴者和/或正在進(jìn)行的活動(dòng)特性的輔助幅度的控制系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明公開(kāi)了使用外套系統(tǒng)為人類(lèi)運(yùn)動(dòng)提供輔助的系統(tǒng)和方法。在各種實(shí)施方案中，外套可以被致動(dòng)以向人體施加輔助力，以加強(qiáng)由下層肌肉組織產(chǎn)生的力?？梢允褂酶鞣N傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)在外套中產(chǎn)生的力以及使用者身體的運(yùn)動(dòng)，以便確定用于致動(dòng)外套的合適分布，從而在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)傳送期望水平的輔助。

在各種實(shí)施方案中考慮使用者動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的變化以及可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)的構(gòu)造、材料和適配，以便提供針對(duì)使用者和當(dāng)前活動(dòng)定制的輔助。在各種實(shí)施方案中，外套可以使用迭代方法致動(dòng)，該迭代方法將外套中產(chǎn)生的實(shí)際力或積分功率與期望的那些進(jìn)行比較，從而確保適當(dāng)?shù)闹聞?dòng)幅度，而不管外套系統(tǒng)的使用者之間的適配和身體特性的變化。在各種實(shí)施方案中，提供的輔助幅度可能受到諸如體重和空間-時(shí)間(如行動(dòng)速度)等影響身體的生物負(fù)荷的因素所影響。此外，在各種實(shí)施方案中，身體運(yùn)動(dòng)和步態(tài)事件的實(shí)時(shí)檢測(cè)可以用于在任何給時(shí)機(jī)針對(duì)使用者的實(shí)際運(yùn)動(dòng)定制輔助的時(shí)機(jī)，從而解決使用者的運(yùn)動(dòng)或步態(tài)的正常或不可預(yù)測(cè)的變化。

在各種實(shí)施方案中，運(yùn)動(dòng)輔助可以提供給使用者的髖關(guān)節(jié)以輔助運(yùn)動(dòng)。在各種實(shí)施方案中，這可以包括確定在使用者的當(dāng)前步態(tài)周期期間由外套系統(tǒng)產(chǎn)生的期望峰值力或積分功率，從而產(chǎn)生致動(dòng)分布，根據(jù)所述致動(dòng)分布可以致動(dòng)外套以產(chǎn)生所述期望峰值力或積分功率，監(jiān)測(cè)髖關(guān)節(jié)的角度的實(shí)時(shí)測(cè)量，以檢測(cè)髖關(guān)節(jié)何時(shí)達(dá)到最大屈曲角度，和響應(yīng)于檢測(cè)到髖關(guān)節(jié)的角度已經(jīng)達(dá)到最大屈曲角度，根據(jù)所述致動(dòng)分布來(lái)致動(dòng)可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)，以輔助使用者的髖關(guān)節(jié)的伸展運(yùn)動(dòng)。

在各種實(shí)施方案中，運(yùn)動(dòng)輔助可以提供給使用者的踝關(guān)節(jié)以輔助運(yùn)動(dòng)。在一個(gè)實(shí)施方案中，可以在踝關(guān)節(jié)的站姿背屈和站姿跖屈運(yùn)動(dòng)的一個(gè)或組合期間提供輔助?？梢酝ㄟ^(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器測(cè)量以檢測(cè)腳跟著地和踝部旋轉(zhuǎn)方向的隨后變化來(lái)確定適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)，踝部旋轉(zhuǎn)方向指示從站姿背屈運(yùn)動(dòng)到站姿跖屈運(yùn)動(dòng)的過(guò)渡。響應(yīng)于檢測(cè)到踝關(guān)節(jié)的測(cè)量旋轉(zhuǎn)速度的方向的第一變化，外套可以被致動(dòng)以輔助使用者的踝關(guān)節(jié)的跖屈運(yùn)動(dòng)。在一個(gè)實(shí)施方案中，外套系統(tǒng)可以被構(gòu)造成分別獨(dú)立地控制在背屈和跖屈運(yùn)動(dòng)期間傳遞到踝關(guān)節(jié)的負(fù)和正功率。

附圖說(shuō)明

下面將參照附圖進(jìn)一步解釋本公開(kāi)的實(shí)施方案。所示的附圖不一定按比例繪制，而是通常重點(diǎn)放在示出本公開(kāi)實(shí)施方案的原理。

圖1示出了軟外套的代表性實(shí)施方案；

圖2示出了軟外套的代表性實(shí)施方案；

圖3A示出了軟外套的代表性實(shí)施方案的前視圖；

圖3B示出了軟外套的代表性實(shí)施方案的后視圖；

圖3C示出了軟外套的代表性實(shí)施方案的側(cè)視圖；

圖4A示出了腰部錨固構(gòu)件的代表性實(shí)施方案的前視圖；

圖4B示出了腰部錨固構(gòu)件的代表性實(shí)施方案的后視圖；

圖4C示出了腰部錨固構(gòu)件的替代實(shí)施方案的前視圖；

圖4D示出了腰部錨固部的實(shí)施方案，其中連接元件接合腰部錨固構(gòu)件的前部；

圖4E示出了腰部錨固部的實(shí)施方案，其中連接元件接合腰部錨固構(gòu)件的側(cè)部；

圖5示出了大腿錨固部的代表性實(shí)施方案；

圖6A示出了小腿錨固部的代表性實(shí)施方案的前視圖；

圖6B示出了小腿錨固部的代表性實(shí)施方案的后視圖；

圖6C示出了小腿錨固部的實(shí)施方案；

圖6D示出了包括可以在特定方向上用織物顆粒定向的織物的小腿錨固部；

圖6E示出了用于將小腿錨固部與連接元件連接的代表性聯(lián)接元件的前視圖；

圖6F示出了用于將小腿錨固部與連接元件連接的代表性聯(lián)接元件的后視圖；

圖6G示出了具有Y形帶和通過(guò)環(huán)插入的兩個(gè)銷(xiāo)子的代表性聯(lián)接元件，

圖6H示出了用于聯(lián)接和致動(dòng)連接元件與小腿錨固部的代表性機(jī)構(gòu)；

圖7A示出了腳部錨固構(gòu)件的實(shí)施方案，其中錨固構(gòu)件包括靴子；

圖7B示出了代表性加強(qiáng)部件。

圖7C示出了安裝在靴子上的代表性加強(qiáng)部件；

圖7D示出了鞋類(lèi)加強(qiáng)部的實(shí)施方案；

圖8A示出了連接元件的代表性實(shí)施方案的立體圖；

圖8B示出了連接元件的代表性實(shí)施方案的立體圖；

圖8C示出了連接元件的代表性實(shí)施方案的立體圖；

圖9A示出了基層的實(shí)施方案的前視圖；

圖9B示出了基層的實(shí)施方案的后視圖；

圖9C示出了基層的實(shí)施方案的側(cè)視圖；

圖10示出了用于在軟外套中產(chǎn)生張力的代表性致動(dòng)系統(tǒng)；

圖11示出了位于遠(yuǎn)離軟外套的一部分的電機(jī)，線纜連接到電機(jī)上并在其間延伸；

圖12A示出了包括腰部錨固部和沿著大腿后部的大腿錨固部的軟外套的實(shí)施方案；

圖12B示出了包括腰部錨固部和沿著大腿前部的大腿錨固部的軟外套的實(shí)施方案；

圖12C示出了包括小腿錨固部和腳部錨固部的軟外套的實(shí)施方案；

圖12D示出了包括腰部錨固部、腳部錨固部和在其間延伸的連接元件的軟外套的實(shí)施方案；

圖12E示出了包括具有第一模塊和第二模塊的兩個(gè)模塊的軟外套的實(shí)施方案；

圖13示出了被構(gòu)造成將由致動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的力的一部分分配到使用者身體的各個(gè)部分的軟外套；

圖14A示出了位于線纜和腰部錨固部之間的界面處的力傳感器；

圖14B示出了位于連接元件和線纜之間的界面處的力傳感器；

圖15示出了控制系統(tǒng)的示例性實(shí)施方案；

圖16A示出了將經(jīng)由軟外套傳遞到使用者身體的代表性力分布；

圖16B示出了用于產(chǎn)生力分布的代表性致動(dòng)分布；

圖17A是將行動(dòng)速度與施加在髖部上的生理功率的峰值大小進(jìn)行比較的圖；

圖17B示出了與髖部輔助相關(guān)聯(lián)的乘數(shù)可以隨著步行速度基本線性地增加；

圖17C示出了通過(guò)圖17B的乘數(shù)調(diào)節(jié)的可以施加到髖關(guān)節(jié)的一些示例性調(diào)節(jié)峰值力；

圖18A是比較行動(dòng)速度與施加在踝關(guān)節(jié)上的生理功率的峰值大小的圖；

圖18B示出了與踝部輔助相關(guān)聯(lián)的乘數(shù)可以隨著步行速度基本線性地增加；

圖18C示出了通過(guò)圖18B的乘數(shù)調(diào)節(jié)的可以施加到踝關(guān)節(jié)的一些示例性調(diào)節(jié)峰值力；

圖19A示出了在矢狀面中的髖部運(yùn)動(dòng)范圍；

圖19B示出步行速度估計(jì)的驗(yàn)證；

圖20是髖部控制架構(gòu)的實(shí)施方案的示意圖。

圖21A示出了典型的步態(tài)周期；

圖21B示出了腿筋的步態(tài)周期；

圖21C示出臀大肌的步態(tài)周期；

圖22A示出了用于輔助髖部運(yùn)動(dòng)的力的示例性應(yīng)用；

圖22B示出了用于輔助大腿運(yùn)動(dòng)的力的示例性應(yīng)用；

圖23A示出了相應(yīng)的代表性髖部角度測(cè)量；

圖23B示出了用于輔助髖關(guān)節(jié)伸展運(yùn)動(dòng)的代表性力分布；

圖23C示出了用于輔助髖關(guān)節(jié)伸展運(yùn)動(dòng)的代表性致動(dòng)分布；

圖24是包括障礙物躲避檢測(cè)單元的髖部控制架構(gòu)的實(shí)施方案的示意圖；

圖25A是針對(duì)與障礙物躲避動(dòng)作相關(guān)聯(lián)的髖部運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的髖部角度數(shù)據(jù)的示意圖；

圖25B是在髖部周?chē)┘恿Φ木€纜的示意圖。

圖25C是軟外套中的相應(yīng)髖部輔助線纜的系統(tǒng)命令致動(dòng)的示意圖；

圖26是踝部控制系統(tǒng)的實(shí)施方案的示意圖。

圖27示出了在步態(tài)周期中在30-60％期間在踝部處與下層肌肉同時(shí)產(chǎn)生力矩的外套；

圖28A示出了踝關(guān)節(jié)的預(yù)張力和主動(dòng)力區(qū)域；

圖28B示出了踝關(guān)節(jié)的預(yù)張力和主動(dòng)力區(qū)域；

圖28C示出了踝關(guān)節(jié)的預(yù)張力和主動(dòng)力區(qū)域；

圖29A示出踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和所得到的功率之間的關(guān)系；

圖29B示出踝關(guān)節(jié)力矩和所得到的功率之間的關(guān)系；

圖29C是表示踝關(guān)節(jié)速度與所得到的功率之間的關(guān)系；

圖29D示出了命令的線纜位置和所得到的力之間的關(guān)系；和

圖29E示出了所產(chǎn)生的踝部輔助力和主動(dòng)力之間的關(guān)系。

雖然上述附圖闡述了本公開(kāi)的實(shí)施方案，但是如在討論中所指出的，還可以想到其他實(shí)施方案。本公開(kāi)通過(guò)表示而非限制的方式呈現(xiàn)了說(shuō)明性實(shí)施方案。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以設(shè)計(jì)落入本公開(kāi)實(shí)施方案的原理的范圍和精神內(nèi)的許多其他修改和實(shí)施方案。

具體實(shí)施方式

公開(kāi)了使用外套系統(tǒng)為人類(lèi)運(yùn)動(dòng)提供輔助的系統(tǒng)和方法。本公開(kāi)的實(shí)施方案通常提供外套系統(tǒng)100，用于以適于減少進(jìn)行自然運(yùn)動(dòng)所需的努力的方式經(jīng)由軟外套來(lái)輔助自然的驅(qū)動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)，從而增加人的耐力或使得以其他方式不可能的運(yùn)動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)。

外套系統(tǒng)100

外套系統(tǒng)100的實(shí)施方案可以提供一種新穎的軟外套設(shè)計(jì)，其構(gòu)造有有效的負(fù)荷路徑，用于將潛在的高輔助力引導(dǎo)和分配到外套使用者身體的各個(gè)部分，同時(shí)保持舒適性并最小化對(duì)使用者的自然運(yùn)動(dòng)的阻礙。外套系統(tǒng)100可以監(jiān)測(cè)使用者的自然運(yùn)動(dòng)以實(shí)時(shí)檢測(cè)待輔助的運(yùn)動(dòng)的開(kāi)始以及檢測(cè)或估計(jì)運(yùn)動(dòng)可能持續(xù)多久，以便提供適應(yīng)使用者活動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)變化的輔助。外套系統(tǒng)100可以進(jìn)一步適應(yīng)外套的性質(zhì)的變化、其如何適配使用者以及可靠地傳遞期望的輔助幅度的其他因素。更進(jìn)一步地，其中，外套系統(tǒng)100可以基于使用者的身體特征(例如，體形、體重)、空間-時(shí)間因素(例如，行動(dòng)速度)和使用者舒適性偏好來(lái)適應(yīng)將要提供給使用者的輔助水平。

圖1示出了外套系統(tǒng)100的代表性實(shí)施方案，其通常可以包括軟外套200、致動(dòng)系統(tǒng)300、傳感器400和控制系統(tǒng)500。軟外套200可以由使用者穿戴，致動(dòng)系統(tǒng)300可以移動(dòng)軟外套200的部件以在其中產(chǎn)生張力?？刂葡到y(tǒng)500可以利用來(lái)自傳感器400的測(cè)量來(lái)監(jiān)測(cè)使用者的運(yùn)動(dòng)以及在軟外套200中產(chǎn)生的力，以便控制提供給使用者的輔助的時(shí)機(jī)和幅度。

軟外套200

圖2示出了軟外套200的代表性實(shí)施方案。外套系統(tǒng)100的軟外套200通?？梢园ㄒ粋€(gè)或多個(gè)錨固構(gòu)件210。在各種實(shí)施方案中，錨固構(gòu)件210可以包括能夠?qū)④浲馓?00中產(chǎn)生的負(fù)荷傳遞到使用者的身體的任何可穿戴式部件。錨固構(gòu)件210的示例性實(shí)施方案可以包括但不限于腰部錨固部212、大腿錨固部214、小腿錨固部216和/或腳部錨固部218。在一個(gè)實(shí)施方案中，腰部錨固構(gòu)件212可以是被構(gòu)造成通過(guò)牢固地捆扎在使用者的髖部上面來(lái)提供負(fù)荷支撐的任何部件，例如腰帶。在各種實(shí)施方案中，大腿錨固構(gòu)件214和小腿錨固構(gòu)件216可以是被構(gòu)造成通過(guò)分別圍繞外套使用者的大腿和小腿牢固地捆扎來(lái)提供負(fù)荷支撐的任何部件，例如大腿包裹物或小腿包裹物。在一個(gè)實(shí)施方案中，腳部錨固構(gòu)件218可以是適合于使用者的腳穿戴或以其他方式與其聯(lián)接的任何鞋類(lèi)或其他部件，例如靴子，其被構(gòu)造成向外套使用者的腳提供負(fù)荷支撐。當(dāng)然，軟外套200可以包括任何數(shù)量的合適類(lèi)型的錨固構(gòu)件210及其組合，本公開(kāi)不旨在僅限于本文所述的那些示例性實(shí)施方案。

仍然參照?qǐng)D2，軟外套200還可以包括一個(gè)或多個(gè)連接元件220。在各種實(shí)施方案中，連接元件220可以包括一個(gè)或基本上連續(xù)系列的柔性細(xì)長(zhǎng)部件系列，其被布置成將軟外套200的部件彼此連接并且在其間限定張力可以沿著其傳遞的負(fù)荷路徑。在一個(gè)實(shí)施方案中，一個(gè)或多個(gè)連接元件220可以是基本上不可伸長(zhǎng)的，以便更有效地在軟外套200中傳遞張力。在一個(gè)實(shí)施方案中，軟外套200可以包括在腰部錨固部212和大腿錨固部214之間延伸并與其聯(lián)接的連接元件222，如圖所示。另外或可選擇地，在另一個(gè)實(shí)施方案中，軟外套200可以包括在腰部錨固部212和使用者腿部的下部之間延伸的連接元件224。在一個(gè)實(shí)施方案中，這樣的連接元件224可以直接或間接地與小腿錨固部216和/或腳部錨固部228聯(lián)接。當(dāng)然，軟外套200可以包括任何數(shù)量的合適類(lèi)型的連接元件220及其組合，本公開(kāi)不旨在僅限于本文所述的那些示例性實(shí)施方案。

圖3A、圖3B和圖3C示出了軟外套200的額外的視圖(即，分別為前視圖、后視圖和側(cè)視圖)，用于說(shuō)明軟外套200的進(jìn)一步特性。參照?qǐng)D3A，軟外套200可以包括兩個(gè)連接元件224a，224b。連接元件224a，224b的第一端可以與腰帶212的前部聯(lián)接，并且各連接元件224a，224b的中間部分可以沿著使用者大腿的前部向下延伸。然后，中間部分可以圍繞膝蓋的側(cè)向側(cè)分開(kāi)，以便沿著使用者的膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)中心延伸，如圖3C中最佳地示出的。參照?qǐng)D3B和圖3C，連接元件224a，224b可以繼續(xù)進(jìn)一步向下延伸并且纏繞在使用者小腿的背面，如圖所示。參照?qǐng)D3B，錨固構(gòu)件210可以設(shè)置有連接點(diǎn)240，一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)元件320可以連接到連接點(diǎn)240，如稍后更詳細(xì)描述的。

材料和構(gòu)造

軟外套系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)部件可以至少部分地由具有高彈性模量的材料制造。使用具有高彈性模量的材料可以最小化由于材料拉伸而沿著套裝的負(fù)荷路徑的傳輸損耗。最小化傳輸損耗和固定軟外套系統(tǒng)的不同組件可以降低功耗、電機(jī)尺寸和電池尺寸。此外，最小拉伸可以進(jìn)一步有助于將軟外套系統(tǒng)的部件(例如，錨固構(gòu)件210)固定在適當(dāng)位置，從而幫助保持軟外套200在穿戴者身體上的適當(dāng)對(duì)準(zhǔn)。

軟外套系統(tǒng)的實(shí)施方案還可以包括通過(guò)減輕由于剛性、高彈性模量材料與身體的相互作用引起的磨損風(fēng)險(xiǎn)而提供舒適性的材料。如下面進(jìn)一步更詳細(xì)描述的，外套也可以被構(gòu)造成更接近單一的衣服制品，而不是復(fù)雜的一系列部件，例如束帶和帶子，這可能會(huì)延長(zhǎng)軟外套系統(tǒng)的換入和離開(kāi)的時(shí)間變化。

在各種實(shí)施方案中，各種錨固構(gòu)件210可以由織造和加強(qiáng)材料制成?？椩旌图訌?qiáng)材料可以在不同方向上具有不同的應(yīng)變性質(zhì)，從而允許這種織物用于幫助限定和加強(qiáng)負(fù)荷路徑，代替潛在不舒服的帶狀加強(qiáng)?？椩旌图訌?qiáng)材料可以被構(gòu)造成在形狀和輪廓上是可調(diào)節(jié)和共形的，以便加強(qiáng)其在施加負(fù)荷時(shí)保持在適當(dāng)位置的能力。

圖4A、圖4B和圖4C示出了腰部錨固構(gòu)件212的代表性實(shí)施方案。腰部錨固部212可以環(huán)繞使用者的腰部并且被構(gòu)造成接合髂嵴以用于支撐。在一個(gè)實(shí)施方案中，腰部錨固部212可以經(jīng)由連接元件222連接或連接到軟外套200的其他部件，例如經(jīng)由連接元件222到大腿錨固部214，以確保身體運(yùn)動(dòng)時(shí)的最小遷移和漂移。套裝的圖案化輪廓提供了與軟外套200的相應(yīng)部件上的連接點(diǎn)適當(dāng)對(duì)準(zhǔn)的共形適配。

在各種實(shí)施方案中，腰部錨固部212可以使用各種織物材料制造。在各種實(shí)施方案中，腰部錨固部212可以包括層狀材料和復(fù)雜圖案的片塊。腰部錨固部212的后部，如圖4B所示，可以由層狀平紋織造材料的兩個(gè)或更個(gè)片塊組成，例如Typhoon，并且可以進(jìn)一步用強(qiáng)力材料加強(qiáng)，例如帆布。腰部錨固部212的前部片塊可以在成角度的側(cè)接縫處連接，并且腰帶的左右前部片塊可以重疊以環(huán)繞腰部并與維可牢尼龍搭扣(Velcro)連接。通過(guò)切割和整合毛絨、襯墊材料，可以減輕織造和層狀織物的面積，從而保持舒適性。例如，泡沫襯墊可以縫制在與穿戴者髂嵴對(duì)齊的切口下面。當(dāng)系統(tǒng)在步態(tài)周期期間提供不對(duì)稱(chēng)負(fù)荷時(shí)，該襯墊可以減輕壓力并提高舒適性。

參照?qǐng)D4D和圖4E，腰部錨固部212的材料可以布置成提供穿過(guò)腰部錨固部212的負(fù)荷路徑，并且加強(qiáng)負(fù)荷可以從軟外套200的其他部件引入腰部錨固部212的面積。在一個(gè)實(shí)施方案中，加強(qiáng)和/或其他材料可以定位在連接元件224在連接點(diǎn)250處接合腰部錨固構(gòu)件212的前部的位置以及連接元件222接合腰部錨固構(gòu)件212的側(cè)部的位置。材料可以布置成適合于引導(dǎo)負(fù)荷沿著預(yù)定的負(fù)荷路徑進(jìn)入或離開(kāi)腰部錨固部212，如這些圖中所示的箭頭所示出的。如圖所示，在一個(gè)實(shí)施方案中，材料可以布置成在腰部錨固部212的上部附近更垂直地引導(dǎo)這些負(fù)荷，以便在髖部上提供自然的上下負(fù)荷。材料還可以定向成使得當(dāng)應(yīng)變時(shí)，最穩(wěn)定的方向與通過(guò)套裝傳遞力的負(fù)荷路徑一致。每個(gè)片塊可以由在相反方向上定向的多層Typhoon和加強(qiáng)的帆布材料構(gòu)成，以支撐引入腰部錨固部212的負(fù)荷并且將不對(duì)稱(chēng)負(fù)荷分布在兩個(gè)髖部上。

圖5示出了大腿錨固部214的代表性實(shí)施方案。大腿錨固部214可以包括被構(gòu)造成包裹在使用者的大腿周?chē)亩嗥瑝K。這種材料帶可以重疊在其自身上并且可以使用單獨(dú)的Velcro搭扣、系帶、線軸和繩索系統(tǒng)或調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來(lái)固定。大腿錨固部214還可以具有波狀設(shè)計(jì)和多個(gè)可調(diào)節(jié)Velcro搭扣，這提供了具有最小滑動(dòng)可能性的舒適適配。離散的彈性段可以沿著接縫和/或搭扣和封閉件被包括，以在張緊和致動(dòng)時(shí)改善舒適性，以及允許與穿用者身體的更共形的界面。幾個(gè)單獨(dú)的搭扣允許大腿錨固部214環(huán)繞大腿并且用各個(gè)搭扣之間的不同量的張力緊固，以均勻地適應(yīng)大腿和四頭肌激活的分布。彈性的添加減輕了致動(dòng)期間以及隨著肌肉在運(yùn)動(dòng)期間彎曲和釋放的壓力。在各種實(shí)施方案中，大腿錨固構(gòu)件214可以使用各種額外的織物材料制造，包括如之前在腰部錨固部212的上下文中描述的Typhoon、泡沫和加強(qiáng)帆布。大腿錨固部214的代表性位置可以是在髕骨上方的大約12厘米延伸至少15厘米的距離，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到對(duì)于給定應(yīng)用的大腿錨固部214的多個(gè)合適位置。

返回參照?qǐng)D4E，大腿錨固構(gòu)件214可以被構(gòu)造成將力均勻地分布到大腿。大腿部件設(shè)計(jì)的共形輪廓在大腿上保持穩(wěn)固，同時(shí)保持舒適性，因?yàn)槿嵝约訌?qiáng)材料可以被圖案化以沿著經(jīng)由連接元件222在大腿錨固部214和腰帶212之間延伸的負(fù)荷路徑交界。可以進(jìn)一步布置織造和加強(qiáng)材料以加強(qiáng)負(fù)荷路徑，其中大腿錨固構(gòu)件214在后面連接到腰部錨固構(gòu)件212的后連接元件222，如箭頭所示。可以進(jìn)一步布置諸如加強(qiáng)帆布等材料以在大腿錨固構(gòu)件214的中心部分附近更垂直地引導(dǎo)這些負(fù)荷，從而在大腿上提供自然的上下負(fù)荷，如在該圖中所示的箭頭所示出的。

圖6A-6F示出了小腿錨固部216的代表性實(shí)施方案。首先參照?qǐng)D6A、圖6B和圖6C，小腿錨固部216可以包括被構(gòu)造成與使用者的腿的下部(例如小腿區(qū)域)牢固地聯(lián)接的套筒狀結(jié)構(gòu)。小腿錨固部216的代表性位置可以在中心髕骨下方大約7厘米延伸至少18厘米的距離，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到對(duì)于給定應(yīng)用的小腿錨固部216的多個(gè)合適位置。

小腿錨固部216可以被構(gòu)造成即使沒(méi)有從致動(dòng)系統(tǒng)300施加的外力的情況下也適度地壓縮小腿肌。小腿錨固部216可以沿著負(fù)荷路徑用材料加強(qiáng)，如之前在腰部錨固部212和大腿錨固部214的上下文中說(shuō)明的，并且可以重疊在其自身上。該套筒可以使用單獨(dú)的Velcro搭扣、系帶、線軸和繩索系統(tǒng)或可調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來(lái)固定。使用這些固定方法或這些固定方法的組合可以適應(yīng)個(gè)體小腿的獨(dú)特且變化的輪廓，同時(shí)在致動(dòng)期間在穿戴者身上保持穩(wěn)定。

小腿錨固部216可以額外使用泡沫襯墊，以放置在包含大部分小腿的系帶下。該系帶可以由不可伸展的系帶、可伸展的彈性系帶、線軸和繩索系統(tǒng)或調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。集成或可拆卸的襯墊可以減輕由系統(tǒng)從小腿背面啟動(dòng)時(shí)引起的壓力。小腿錨固部216可以由于其多件式圖案化輪廓設(shè)計(jì)、雙重緊固閉合以及彈性系帶容納而舒適地共形地適配。

參照?qǐng)D6D，小腿錨固構(gòu)件216可以被構(gòu)造成將力均勻地分配到使用者的小腿區(qū)域。例如，織物可以在特定方向上用織物顆粒定向，以在身體上提供相應(yīng)的、所需的力分布。通過(guò)作為力的在脛骨和小腿肌肉側(cè)面的織物“阻塞”產(chǎn)生的包裹作用向下施加在背面。加強(qiáng)材料的取向?qū)τ谙騼?nèi)力在小腿肌肉和腱的大部分上的均勻分布是關(guān)鍵的，因?yàn)槊劰堑捻敳恐饕邮芟騼?nèi)力。小腿錨固部216可以主要由織造織物組成，其被定向成使得最穩(wěn)定的方向與通過(guò)套裝傳遞力的負(fù)荷路徑一致。這可以利用在小腿背面上以“V”形圖案化的帆布材料進(jìn)一步加強(qiáng)，以將力向上引導(dǎo)到小腿肌肉和腱的側(cè)面。在加強(qiáng)的“V”形上產(chǎn)生重疊可以允許用于相應(yīng)的致動(dòng)元件220的集成連接點(diǎn)，如下所述。這種重疊連接可以用耐磨材料進(jìn)一步加強(qiáng)，因?yàn)檫B接的基部可以在操作中摩擦腳部錨固部18，例如靴子。

圖6E、圖6F、圖6G和圖6H示出了用于將小腿錨固部216與連接元件224連接的代表性聯(lián)接元件217。聯(lián)接元件217在本文中可以被稱(chēng)為“Y形帶”，但是應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，本公開(kāi)旨在包括適于這個(gè)目的任何機(jī)構(gòu)。Y形帶提供由施加到腳部錨固部18的拉伸負(fù)荷產(chǎn)生的一些反作用力，其經(jīng)由小腿錨固部216部分地傳遞到使用者的小腿，并且部分地傳遞到連接元件224。這種聯(lián)接可允許高輔助力通過(guò)連接元件224分配到兩個(gè)不同的錨固構(gòu)件210(例如小腿錨固部216和腰部錨固部212)。這種聯(lián)接還可以用于減小致動(dòng)元件320的位移，從而有助于最小化外套系統(tǒng)100內(nèi)的傳輸損失。最小化位移和傳輸損失可以最小化經(jīng)由致動(dòng)系統(tǒng)300產(chǎn)生期望力所需的電池電力的量。

Y形帶217是定制的部件，其與小腿錨固部216和連接元件224接合，以便在它們之間形成負(fù)荷路徑。Y形帶217可以由層狀織物和加強(qiáng)帆布構(gòu)成。條帶由五個(gè)獨(dú)立的連接點(diǎn)組成。這些連接點(diǎn)中的兩個(gè)將Y形帶217連接到小腿錨固部216。特別地，條帶的兩個(gè)重疊的“V”形腿可以使用Velcro連接，以穿過(guò)固定到小腿包裹物的力路徑的兩個(gè)單獨(dú)的2桿滑塊。因?yàn)槠湓试S兩個(gè)不同的部件維持由外套線纜產(chǎn)生的總力，所以Y形帶217允許減小在小腿包裹物和腰帶下的組織上的應(yīng)力，或者增加外套可以在不損害穿戴者舒適性的情況下傳遞的輔助力的最大量。第三連接點(diǎn)用于將Y形帶217連接到連接元件224a，b的端部。特別地，在條帶的兩個(gè)“V”形腿的相交處存在環(huán)形環(huán)，具有兩個(gè)環(huán)的繩索穿過(guò)該環(huán)形環(huán)。繩索的每個(gè)環(huán)狀端部可以與連接元件224a，b的下端聯(lián)接，在一個(gè)實(shí)施方案中，其可以位于使用者膝關(guān)節(jié)的相對(duì)側(cè)向側(cè)上。第四和第五連接點(diǎn)可以是位于Y形帶217的“V”形腿的會(huì)聚附近的環(huán)，并且用于將Y形帶217聯(lián)接到用于連接用于致動(dòng)軟外套200的致動(dòng)元件320的機(jī)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施方案中，該機(jī)構(gòu)可以經(jīng)由通過(guò)環(huán)插入的兩個(gè)銷(xiāo)與Y形帶217聯(lián)接，如圖6G所示。

參照?qǐng)D6H，應(yīng)當(dāng)注意，由于軟外套使用者的腿部和步行機(jī)械學(xué)中的不對(duì)稱(chēng)性，拉伸負(fù)荷可能不均勻地分布在外和內(nèi)連接元件224a，b之間。特別地，如果連接元件224的下部部分與Y形帶219在固定位置聯(lián)接，則連接元件224a中沿著軟外套使用者膝蓋的外側(cè)定向的負(fù)荷可以大于連接元件224b中沿著軟外套使用者膝蓋的內(nèi)側(cè)定向的負(fù)荷。這可能在膝關(guān)節(jié)上引起不舒服的側(cè)向扭矩。這樣，可以允許繩索在環(huán)形環(huán)內(nèi)的側(cè)向滑動(dòng)，從而允許連接元件224a，224b上下移動(dòng)，如圖6H中的箭頭所示。以這種方式，施加在連接元件224a，224b上的不對(duì)稱(chēng)側(cè)向負(fù)荷可以自動(dòng)平衡，從而產(chǎn)生自平衡系統(tǒng)。當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，任何數(shù)量的機(jī)構(gòu)可以適于平衡由連接元件224a，224b施加的不均勻的力，本公開(kāi)不旨在僅限于本文所述的示例性實(shí)施方案。

圖7A、圖7B和圖7C示出了腳部錨固構(gòu)件218的實(shí)施方案。如圖7A所示，在一個(gè)實(shí)施方案中，腳部錨固構(gòu)件可以包括諸如靴子等鞋類(lèi)。在這樣的實(shí)施方案中，腳部錨固構(gòu)件218可以包括外部腳跟聯(lián)接器219，用于作為靴跟后部上的錨固點(diǎn)。致動(dòng)系統(tǒng)300的致動(dòng)元件320可以在各種實(shí)施方案中連接到腳跟聯(lián)接器219，用于將張力傳遞到軟外套200，如稍后更詳細(xì)描述的。在另一個(gè)實(shí)施方案(未示出)中，腳部錨固部218可以包括代替標(biāo)準(zhǔn)鞋類(lèi)的內(nèi)底或者除其之外的鞋類(lèi)插入物，并且可以以類(lèi)似方式作為鞋跟后部上的錨定點(diǎn)。

通常，許多形式的鞋類(lèi)在負(fù)荷下是相當(dāng)可變形的。這樣，當(dāng)向上的拉力作用在鞋類(lèi)的鞋跟處的錨固點(diǎn)時(shí)，鞋底可向上彎曲并且鞋類(lèi)的一部分可能在使用者的腳上移動(dòng)，潛在地導(dǎo)致起泡和其他不適。變形還可以從被傳遞到或穿過(guò)軟外套200的力排出能量，由此需要由致動(dòng)系統(tǒng)300產(chǎn)生更大量的力以在軟外套200中實(shí)現(xiàn)期望的最終負(fù)荷。

為了減少響應(yīng)引入腳部錨固部218的負(fù)荷的變形，從而增加舒適性并改善性能，腳部錨固部218可以包括結(jié)構(gòu)加強(qiáng)部件。圖7B示出了示例性加強(qiáng)部件，圖7C示出了安裝在靴子上的圖7B的示例性加強(qiáng)部件，用于說(shuō)明目的。

加強(qiáng)部件(本文中也稱(chēng)為鞋類(lèi)加強(qiáng)部或靴子加強(qiáng)部)可以經(jīng)由螺紋插入件與腳部錨固部218的跟部接合?？梢栽谀_部的球附近使用粗螺釘以減小橫截面并提供額外的舒適性。在柔性環(huán)氧樹(shù)脂中涂覆的螺紋螺釘也可用于提供額外的剛度。在一個(gè)實(shí)施方案中，鞋類(lèi)加強(qiáng)部可以由輕質(zhì)、堅(jiān)固的材料構(gòu)成，包括但不限于碳纖維(CF)。盡管CF由于其相對(duì)高的剛度與重量比而被提及，但是其他材料也可以適用于鞋類(lèi)加強(qiáng)部，無(wú)論它們是金屬、聚合物還是復(fù)合材料。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到對(duì)于給定應(yīng)用的合適材料和構(gòu)造。

在一個(gè)實(shí)施方案中，鞋類(lèi)加強(qiáng)部可以被成形為圍繞靴子的鞋底的側(cè)面適配，在選擇區(qū)域中留有一些額外空間以改善舒適性，例如足弓。加強(qiáng)層可以用多個(gè)螺釘、螺母、螺栓和/或其他緊固件或者用粘合材料或者通過(guò)任何其他合適的方法固定到靴子。

鞋類(lèi)加強(qiáng)部通過(guò)增加鞋底的有效剛度來(lái)提高腳部錨固部218的剛度。因?yàn)镃F比鞋類(lèi)的鞋底硬得多，所以CF承受大部分負(fù)荷并且變形極小。這意味著腳部錨固部218至少在腳部的球和跟之間很少變形或沒(méi)有變形，類(lèi)似于剛性登山靴。以這種方式，鞋類(lèi)加強(qiáng)部通過(guò)增加腳部錨固部218的剛度而提高系統(tǒng)效率，這可能導(dǎo)致如果致動(dòng)(例如，稍后描述的較低的線纜行程)需要更小幅度以實(shí)現(xiàn)相同的力。例如，測(cè)試已經(jīng)表明，使用鞋類(lèi)加強(qiáng)部，在軟外套200中產(chǎn)生450N的力所需的行程量可以減少約560％。減小的行程意味著較低的速度，這導(dǎo)致較低的功耗，因?yàn)樾枰聞?dòng)器210(例如，電機(jī))移動(dòng)較少以實(shí)現(xiàn)期望的力。功耗由式(1)定義：

P(W)＝F(N)v(ms-1)(1)

其中功耗由P(W)表示，力由F(N)表示，速度由v表示。基于式(1)，當(dāng)力保持恒定并且速度降低時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以產(chǎn)生較小的功率。

圖7D示出了包括可以來(lái)自各種材料的部件的鞋類(lèi)加強(qiáng)部的另一個(gè)實(shí)施方案。如圖所示，圖7C的鞋類(lèi)加強(qiáng)部包括從腳跟延伸到腳的跗骨-跖骨關(guān)節(jié)的鋁桿以及圍繞腳跟延伸的碳纖維杯。在一個(gè)實(shí)施方案中，碳纖維杯部件可以具有約2mm～4.5mm的厚度。使用鋁和碳纖維材料的組合可以提高靴子加強(qiáng)部的耐久性并且提供增強(qiáng)的剛度和舒適性。

圖8A、圖8B和圖8C示出了連接元件220的代表性實(shí)施方案的各種視圖。在各種實(shí)施方案中，連接元件220可以使用包括加強(qiáng)帆布材料層的各種織物材料制造，其可以定向和組裝成使得它們的重疊可以產(chǎn)生連接點(diǎn)，或者集成為系統(tǒng)連接用環(huán)。在其最穩(wěn)定的方向上取向并且與力通過(guò)套裝傳遞的負(fù)荷路徑一致，消除了從織物到另一部件的剛度傳遞中斷的可能性。襯墊可以添加在集成連接環(huán)和穿戴者身體之間，使得不能感覺(jué)到在致動(dòng)期間的運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致線纜連接部件壓入穿戴者的身體。

連接元件220可以使用通過(guò)腰帶上的2桿滑動(dòng)連接點(diǎn)進(jìn)給的分層加強(qiáng)帆布制成尺寸穩(wěn)定的，而連接元件220的另一端包括允許Y形帶的繩索(“線纜引導(dǎo)件”)穿過(guò)的D形環(huán)，從而完成腰帶和小腿包裹物之間的負(fù)荷路徑。

圖9A、圖9B和圖9C示出了軟外套200的基層230(例如，貼腿)的實(shí)施方案。在各種實(shí)施方案中，基層230以及軟外套200的其他部件可以包括輕質(zhì)、可透氣和抗菌的材料。下面的表1提供了在各種實(shí)施方案中可以制造基層230的各種材料以及與這些材料相關(guān)的潛在優(yōu)點(diǎn)的一般說(shuō)明。

表1

如表1所示，Typhoon是織造材料的一個(gè)例子，層壓帆布是應(yīng)用于軟外套200的一個(gè)或多個(gè)部件的加強(qiáng)材料的例子。Typhoon可以是柔性的、相對(duì)透氣的、輕質(zhì)的，并且可以沿著所需方向用帆布進(jìn)一步加強(qiáng)?？椩旌图訌?qiáng)材料可以包括可調(diào)節(jié)的Velcro閉合搭扣、系帶或其他元件以提供定制適配。織造和加強(qiáng)材料還可以設(shè)置有用于與各種連接元件連接的集成連接點(diǎn)，并且可以用帆布層壓加強(qiáng)以增加尺寸穩(wěn)定性。

泡沫襯墊材料可以添加到外套的單個(gè)部件的重要區(qū)域中，其中摩擦和壓力可以在穿戴者身體的骨突出部上或者在連接的機(jī)械部件和穿戴者身體之間發(fā)生。

在軟外套系統(tǒng)的某些區(qū)域中，當(dāng)織物的透氣性受到關(guān)注時(shí)，貼腿織物可以包括網(wǎng)眼襯里。貼腿織物還可以在外套系統(tǒng)的其他部件可以接觸身體的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域處包括襯墊材料(例如，在錨固部件210中的一個(gè)或多個(gè)的位置處和/或沿著連接和致動(dòng)元件220和320可以分別沿著其延伸的身體的整個(gè)區(qū)域或部分區(qū)域)。

致動(dòng)系統(tǒng)300

圖10示出了用于在軟外套200中產(chǎn)生用于傳遞給使用者的張力的代表性致動(dòng)系統(tǒng)300。在各種實(shí)施方案中，致動(dòng)系統(tǒng)300可以包括一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器310和致動(dòng)元件320。

在一個(gè)實(shí)施方案中，致動(dòng)器310可以包括本領(lǐng)域中已知的任何合適的機(jī)構(gòu)，用于以通過(guò)所述位移在軟外套200中產(chǎn)生力的方式移動(dòng)致動(dòng)元件320，例如電機(jī)。為了便于解釋?zhuān)聞?dòng)器310在本文中可以被稱(chēng)為電機(jī)；然而，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，本公開(kāi)不旨在限于致動(dòng)器310的這種特定實(shí)施方案。

在一個(gè)實(shí)施方案中，致動(dòng)元件320可以包括諸如線纜、織物帶、厚邊帶、布線等元件。在各種實(shí)施方案中，致動(dòng)元件320的近端可以可能經(jīng)由如圖所示的滑輪330和齒輪箱340與電機(jī)310聯(lián)接，并且致動(dòng)元件320的遠(yuǎn)端可以與軟外套200的一個(gè)或多個(gè)部件聯(lián)接。為了便于說(shuō)明，致動(dòng)元件320在本文中可以被稱(chēng)為線纜或鮑登線(Bowden cable)；然而，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，本公開(kāi)不旨在限于致動(dòng)元件320的這種特定實(shí)施方案。

參照?qǐng)D11，在各種實(shí)施方案中，電機(jī)310可以位于遠(yuǎn)離軟外套200的連接線纜320的那部分，并且線纜320可在其間延伸。在一些這樣的實(shí)施方案中，電機(jī)310可以位于使用者的軀干或腰部上的某處，例如在背包或條紋包中，或者在腰部錨固部212上。在其他實(shí)施方案中，電機(jī)310可以代替地定位在靠近軟外套200的連接線纜320的那部分。局部地提供驅(qū)動(dòng)功率可以減少沿著線纜320的傳輸損耗，并且可能需要較小的驅(qū)動(dòng)電機(jī)310以產(chǎn)生期望的力。然而，局部地定位驅(qū)動(dòng)電機(jī)310可以增加輔助附肢的慣性，這可能需要電機(jī)310在尺寸上相對(duì)更大，以便提供相應(yīng)更大的力來(lái)輔助移動(dòng)。取決于軟外套系統(tǒng)100的各種應(yīng)用，致動(dòng)系統(tǒng)300的各種實(shí)施方案可以具有各種合適的驅(qū)動(dòng)電機(jī)310布置和尺寸。

參照?qǐng)D12A-12E，致動(dòng)系統(tǒng)300的線纜320可以被構(gòu)造成以適于在其中產(chǎn)生張力的方式與軟外套200的一個(gè)或多個(gè)部件聯(lián)接。在各種實(shí)施方案中，線纜320可以被構(gòu)造成連接到軟外套200的位于使用者腿部的上部的那部分。在一些實(shí)施方案中，線纜320的遠(yuǎn)端可以與大腿錨固部214聯(lián)接，并且線纜320的中間部分可以與腰帶212聯(lián)接。例如，線纜320可以與這些部件的后部聯(lián)接并沿著使用者大腿的后部延伸，如圖12A和圖12E所示。另外或可選擇地，線纜320可以與這些部件的前部聯(lián)接并且沿著使用者大腿的前部延伸，如圖12B所示)。

在各種其他實(shí)施方案中，線纜320可以被構(gòu)造成連接到軟外套200的位于使用者腿部的下部上的那部分。在一個(gè)實(shí)施方案中，線纜320的遠(yuǎn)端可以與腳部錨固部218聯(lián)接，并且線纜320的中間部分可以與連接元件224和/或小腿包裹物216聯(lián)接，如圖12C、圖12D和圖12E所示。例如，線纜320可以與腳部錨固部21的后部聯(lián)接并且沿著使用者小腿的后部延伸到Y(jié)形帶219，從而間接地與小腿包裹物216和連接元件224聯(lián)接。

圖12A-12E還示出了致動(dòng)系統(tǒng)300在軟外套200的各種實(shí)施方案中如何產(chǎn)生張力。如所構(gòu)造的，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)310使線纜320位移(例如，縮短)可以引入將軟外套200的各部件朝向彼此拉動(dòng)的張力，如下面進(jìn)一步描述的。

圖12A示出了包括腰部錨固部212和大腿錨固部214的軟外套200的實(shí)施方案。致動(dòng)系統(tǒng)300的線纜320具有與大腿錨固部214聯(lián)接的遠(yuǎn)端和與腰部錨固部212聯(lián)接的中間部分，并且沿著使用者大腿的后部延伸。線纜320的位移產(chǎn)生將腰部錨固部212和大腿錨固部214朝向彼此拉動(dòng)的張力，如箭頭所示。從髖關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)中心偏離的該力可以在伸展方向上(如由相應(yīng)的箭頭所示)提供圍繞使用者的髖關(guān)節(jié)的扭矩，非常像腿筋和臀大肌的激活可以用于將股骨繞著腰關(guān)節(jié)向后拉。

圖12B示出包括相同部件的軟外套200的另一個(gè)實(shí)施方案；然而，線纜320代替地沿著使用者大腿的前部延伸。線纜320的位移產(chǎn)生將腰部錨固部212和大腿錨固部214朝向彼此拉動(dòng)的拉力，如箭頭所示。從髖關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)中心偏離的該力可以在屈曲方向上(如由相應(yīng)的箭頭所示)提供圍繞使用者的髖關(guān)節(jié)的扭矩，非常像四頭肌的激活可以用于將股骨繞著腰關(guān)節(jié)向前拉。

圖12C示出了包括小腿錨固部216和腳部錨固部218的軟外套200的實(shí)施方案。線纜320具有與腳部錨固部218連接的遠(yuǎn)端和與小腿錨固部216連接的中間部分，并且沿著使用者小腿的后部延伸。線纜320的位移產(chǎn)生將腳部錨固部218和小腿錨固部216朝向彼此拉動(dòng)的張力，如箭頭所示。從踝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)中心偏離的該力可以在跖屈方向(如相應(yīng)的箭頭所示)提供圍繞使用者的踝關(guān)節(jié)的扭矩，非常像小腿肌肉和跟腱的激活可以用于向下旋轉(zhuǎn)踝部。

圖12D示出了包括腰部錨固部212、腳部錨固部218以及以圖3A、圖3B和圖3C所示的方式(或以類(lèi)似方式)在其間延伸的連接元件224的軟外套200的實(shí)施方案。線纜320具有與腳部錨固部218連接的遠(yuǎn)端和與連接元件224連接的中間部分，并且沿著使用者小腿的后部延伸。線纜320的位移產(chǎn)生將腳部錨固部218和連接元件224朝向彼此拉動(dòng)的拉力，如箭頭所示。從踝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)中心偏離的該力可以在跖屈方向(如相應(yīng)的箭頭所示)提供圍繞使用者的踝關(guān)節(jié)的扭矩，非常像小腿肌肉和跟腱的激活可以用于向下旋轉(zhuǎn)踝部。此外，張力的一部分沿著使用者大腿的前部和朝向腰部錨固部212被引導(dǎo)到連接元件224。從髖關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)中心偏離的該力的一部分可以在屈曲方向提供圍繞使用者的髖部的扭矩，如由相應(yīng)的箭頭所示。

圖12E示出了包括兩個(gè)模塊的軟外套200的實(shí)施方案，包括圖12A所示的構(gòu)造的第一模塊以及包括圖12C所示的構(gòu)造的第二模塊。第一模塊的線纜320a的位移產(chǎn)生將腰部錨固部212和大腿錨固部214朝向彼此拉動(dòng)的張力，如相應(yīng)的直箭頭所示，從而在伸展方向上傳遞圍繞使用者的髖關(guān)節(jié)的合成扭矩，如相應(yīng)的彎曲箭頭所示。第二模塊的線纜320b的位移產(chǎn)生將腳部錨固部21和連接元件224朝向彼此拉動(dòng)的張力，如相應(yīng)的直箭頭所示，從而在跖屈方向上傳遞圍繞使用者的踝關(guān)節(jié)的合成扭矩，如相應(yīng)的彎曲箭頭所示。張力的一部分沿著使用者大腿的前部和朝向腰部錨固部212被引導(dǎo)到連接元件224，從而在屈曲方向上傳遞圍繞使用者的髖部的合成扭矩，如相應(yīng)的彎曲箭頭所示。在各種實(shí)施方案中，致動(dòng)系統(tǒng)300的電機(jī)310a，b可以在不同的時(shí)間被致動(dòng)，以對(duì)相應(yīng)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)提供輔助。

參照?qǐng)D13，軟外套200可以被構(gòu)造成將由致動(dòng)系統(tǒng)300產(chǎn)生的力的一部分分配到使用者身體的各個(gè)部分。將力的一部分分配到使用者身體的不同部分可以用于改善外套使用者的舒適水平，從而允許產(chǎn)生用于增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)輔助的增加量的力，特別是在踝部。例如，假設(shè)舒適度將使用者腰部可承受的力的量限制到約250N。如果負(fù)荷在兩個(gè)錨固部之間均勻分配，則除了腰部錨固部212之外僅包括一個(gè)錨固構(gòu)件210的軟外套200的實(shí)施方案可以限于約500N的總輔助力。當(dāng)然，軟外套200的材料、構(gòu)造和適配的變化可能導(dǎo)致不均勻分配，但是對(duì)于當(dāng)前例子，假設(shè)50％/50％分布。軟外套200的實(shí)施方案還包括小腿錨固部216。如果力在這三個(gè)錨固元件之間均勻分配，則結(jié)果是傳遞到身體對(duì)應(yīng)部分的總力按約33％/33％/33％分?jǐn)?。在?dāng)前例子中，對(duì)于使用者的腰部、小腿和腳跟中的每一個(gè)，這將是約167N。由于167N在腰部處低于250N的假設(shè)舒適閾值，因此在套裝中產(chǎn)生的總力可以增加相當(dāng)?shù)牧?即，總共約750N)。應(yīng)當(dāng)意識(shí)到；然而，軟套200的特定結(jié)構(gòu)以及其如何與身體接合可能影響分配。例如，如圖13所示，不是均勻分配，由致動(dòng)系統(tǒng)300產(chǎn)生的力的約30％-50％可分配到使用者的小腿，導(dǎo)致致動(dòng)器力的僅約50％-70％由使用者的腰部承受。甚至，這可以允許在踝部附近(例如，總共500N)傳遞附加力(例如，約150N-250N)到軟外套200，同時(shí)在使用者的腰部上保持相同的負(fù)荷(例如，250-350N)。額外的力可用于提供增強(qiáng)的踝部運(yùn)動(dòng)輔助。此外，在使用者身體的多個(gè)部分之間分配力減小了每個(gè)元件上的力，從而減小了皮膚和下層組織上的壓力，并提高了使用者的舒適性。軟外套系統(tǒng)200的其他實(shí)施方案可以具有施加到軟外套使用者小腿上的約300N～約450N的力。應(yīng)當(dāng)理解，這些是純粹的假設(shè)性例子，本文所述的具體的力大小和分布百分比僅用于說(shuō)明的目的。

在各種實(shí)施方案中，力分配可以部分地通過(guò)調(diào)節(jié)軟外套系統(tǒng)200的各種部件來(lái)控制。例如，將線纜220和連接元件224聯(lián)接到小腿錨固部216的Y形帶219可以收緊以提供更緊的接合，從而將總套裝力的較大部分卸載到使用者的小腿。類(lèi)似地，在另一個(gè)實(shí)施方案中，Y形帶219可以松開(kāi)以提供更松的接合，從而將總套裝力的的較小部分卸載到使用者的小腿。分?jǐn)傔B接元件224a，b之間的負(fù)荷還可以用于增加使用者的舒適性。

傳感器400

參照?qǐng)D14A和圖14B，外套系統(tǒng)100還可以包括一個(gè)或多個(gè)傳感器400。

在各種實(shí)施方案中，傳感器400中的一個(gè)或多個(gè)可以包括適于測(cè)量由軟外套200中的致動(dòng)系統(tǒng)300產(chǎn)生的張力的任何傳感器或傳感器組合(本文稱(chēng)為“力傳感器410”)。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，力傳感器410可以包括測(cè)力傳感器。為了方便說(shuō)明，力傳感器410在本文中可以稱(chēng)為測(cè)力傳感器；然而，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，本公開(kāi)不旨在限于力傳感器410的這種特定實(shí)施方案，并且可以代替地使用能夠具有類(lèi)似目的的任何其他合適的傳感器/傳感器結(jié)構(gòu)。力傳感器410可以定位在軟外套200上或其內(nèi)的任何位置，適于測(cè)量作用在軟外套200的相應(yīng)部分上的張力。在一個(gè)實(shí)施方案中，力傳感器410可以定位在軟外套200的部件之間或接近其間的接合處，以便測(cè)量由另一個(gè)部件施加在一個(gè)部件上的張力。例如，參照?qǐng)D14A，力傳感器410可以定位在線纜320和腰部錨固部212之間的界面處，以便測(cè)量線纜320施加在軟外套200的這些部件上的張力。作為另一個(gè)例子，參照?qǐng)D14B，力傳感器410可以定位在連接元件224和線纜320之間的界面處，以便測(cè)量由線纜320施加在軟外套200的這些部件上的張力。當(dāng)然，外套系統(tǒng)可以包括任何合適數(shù)量、類(lèi)型和布置的力傳感器410以測(cè)量對(duì)于任何給定應(yīng)用的軟外套200中的張力。

仍然參照?qǐng)D14A和圖14B，在各種實(shí)施方案中，傳感器400中的一個(gè)或多個(gè)可以包括適于測(cè)量身體關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)(例如關(guān)節(jié)定向(即，角度))的任何傳感器或傳感器組合，以及關(guān)節(jié)是否旋轉(zhuǎn)，在哪個(gè)方向上，多快(即，角度導(dǎo)數(shù)或角速度)，和/或它是否正在加速。這樣的傳感器在本文中被稱(chēng)為“運(yùn)動(dòng)傳感器420”。示例性傳感器可以包括慣性測(cè)量單元(IMU)、陀螺儀和加速度計(jì)等。運(yùn)動(dòng)傳感器420可以以用于進(jìn)行這樣的測(cè)量的任何合適的布置位于身體上或軟外套體200上/其內(nèi)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可以使用任何合適數(shù)量、類(lèi)型和布置的傳感器，只要它們能夠精確地測(cè)量關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。

圖14A是示出用于測(cè)量使用者大腿的運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)傳感器420的示例性布置的示意圖。在該實(shí)施方案中，IMU 420可以放置在使用者的大腿上，如圖所示。IMU 420可以被構(gòu)造成測(cè)量(或從IMU采取的其他測(cè)量計(jì)算)大腿角度和大腿速度中的一個(gè)或組合。在軀干的運(yùn)動(dòng)與大腿的運(yùn)動(dòng)相比可忽略的情況下，大腿角度和大腿速度可以分別用作髖部角度和髖部速度的近似值。當(dāng)然，在另一個(gè)實(shí)施方案中，IMU或等效傳感器可以定位在使用者的軀干上，從而用其提供軀干運(yùn)動(dòng)的測(cè)量，來(lái)關(guān)聯(lián)前述大腿運(yùn)動(dòng)的測(cè)量。所測(cè)量的軀干和大腿的角度和速度之間的相對(duì)差異可以用于在這種情況下分別確定髖關(guān)節(jié)的角度和速度。

圖14B是示出用于測(cè)量使用者踝部的運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)傳感器420的示例性布置的示意圖。在該實(shí)施方案中，可以使用兩個(gè)或更多個(gè)陀螺儀來(lái)確定踝關(guān)節(jié)的角度和速度。特別地，在一個(gè)實(shí)施方案中，第一陀螺儀420a可以定位在使用者的下脛骨上(例如，在由使用者穿戴的靴子的靴身上)，并且第二陀螺儀420b可以定位在使用者的腳上(例如，由使用者穿戴的靴子的下部鞋帶上)。由于陀螺儀420a，b分別測(cè)量腳和脛骨的角速度，所以踝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)速度可以通過(guò)減去包含在來(lái)自兩個(gè)陀螺儀420a，b的信號(hào)中的測(cè)量角速度來(lái)計(jì)算，類(lèi)似于軀干和大腿運(yùn)動(dòng)可以相關(guān)以確定髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的方式。當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可以使用任何合適數(shù)量、類(lèi)型和布置的運(yùn)動(dòng)傳感器420，只要它們能夠精確地測(cè)量和/或確定關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。

在各種實(shí)施方案中，一個(gè)或多個(gè)傳感器400還可以包括適于檢測(cè)步態(tài)相關(guān)事件的任何傳感器或傳感器組合，例如但不限于使用者的腳跟著地或使用者的腳趾離開(kāi)。這種傳感器在本文中被稱(chēng)為“步態(tài)事件傳感器430”。在一些實(shí)施方案中，一個(gè)或多個(gè)運(yùn)動(dòng)傳感器420可以被另外配置用于該作用；在其他實(shí)施方案中，步態(tài)事件傳感器430可以包括單獨(dú)的傳感器，如腳踏開(kāi)關(guān)、腳部壓力傳感器、電位計(jì)和磁力計(jì)等。使用來(lái)自一個(gè)或多個(gè)陀螺儀和/或IMU的測(cè)量來(lái)檢測(cè)腳跟著地的系統(tǒng)和方法在2014年5月30日提交的PCT/US2014/040340中進(jìn)一步詳細(xì)解釋?zhuān)搶?zhuān)利申請(qǐng)通過(guò)引用并入本文。步態(tài)事件傳感器430可以以用于進(jìn)行這種測(cè)量的任何合適的布置位于身體上或軟外套200上/其內(nèi)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可以使用任何合適數(shù)量、類(lèi)型和布置的傳感器，只要它們能夠精確地檢測(cè)特定的步態(tài)事件。

控制系統(tǒng)500

本公開(kāi)還涉及被構(gòu)造成管理和控制外套系統(tǒng)100的其他部件以向使用者提供運(yùn)動(dòng)輔助的控制系統(tǒng)500的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案。特別地，控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)身體的自然的、肌肉被驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)，并且進(jìn)而命令以下方式，其中致動(dòng)系統(tǒng)300在軟外套200中產(chǎn)生張力以傳遞輔助而增加由肌肉產(chǎn)力的力并移動(dòng)關(guān)節(jié)，從而降低進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的代謝成本。為此，控制系統(tǒng)500的實(shí)施方案可以被構(gòu)造成控制由軟外套200產(chǎn)生的輔助的幅度，以及提供輔助的時(shí)機(jī)和持續(xù)時(shí)間。

參照?qǐng)D15，控制系統(tǒng)500的示例性實(shí)施方案可以包括用于從傳感器400接收信息的一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)采集板、用于控制致動(dòng)系統(tǒng)300的一個(gè)或多個(gè)電機(jī)控制器以及被構(gòu)造成處理從數(shù)據(jù)采集板和電機(jī)控制器接收的信息以管理經(jīng)由軟外套200產(chǎn)生的輔助的一個(gè)或多個(gè)處理器。

控制系統(tǒng)500可以被構(gòu)造成以被構(gòu)造成向外套系統(tǒng)100的使用者的一個(gè)或多個(gè)身體關(guān)節(jié)傳遞功率以輔助這些關(guān)節(jié)的自然運(yùn)動(dòng)的方式命令軟外套200的致動(dòng)。特別地，控制系統(tǒng)500可以命令電機(jī)310將線纜320致動(dòng)到適于在軟外套200的相應(yīng)部件中產(chǎn)生力的位置。隨著外套使用者的身體關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，可以由軟外套200施加所產(chǎn)生的扭矩，從而在身體關(guān)節(jié)中產(chǎn)生額外的功率以輔助自然的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。換句話說(shuō)，軟外套200可以根據(jù)下式傳遞輔助功率：P_輔助＝τ_外套*ω_{關(guān)節(jié)}，其中P_輔助表示由軟外套200傳遞到身體關(guān)節(jié)的功率，τ_外套表示通過(guò)軟外套200的致動(dòng)在身體關(guān)節(jié)周?chē)a(chǎn)生的扭矩，ω_{關(guān)節(jié)}表示在被輔助的運(yùn)動(dòng)期間關(guān)節(jié)的角速度。

在一些實(shí)施方案中，控制系統(tǒng)500可以被構(gòu)造成致動(dòng)外套200以在使用者的一步或步法期間向關(guān)節(jié)傳遞期望量的功率。在一個(gè)實(shí)施方案中，這可以通過(guò)根據(jù)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的角速度改變?cè)谕馓?00中產(chǎn)生的力大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電機(jī)控制器直接控制系統(tǒng)施加到關(guān)節(jié)的力以在一步或步法期間取決于關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)速度產(chǎn)生期望量的功率時(shí)，這種方法在本文中可被稱(chēng)為“基于功率的力控制”，或者當(dāng)在控制致動(dòng)器的位置以在一步或步法期間取決于關(guān)節(jié)的角速度產(chǎn)生適于向關(guān)節(jié)傳遞期望功率的力的上下文中使用時(shí)，可被稱(chēng)為“基于功率的位置控制”。在其他實(shí)施方案中，控制系統(tǒng)500可以被構(gòu)造成致動(dòng)軟外套200以傳遞圍繞關(guān)節(jié)的期望扭矩而不是期望的功率分布。這可能導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)期間取決于關(guān)節(jié)的角速度而輸送的變化量的輔助功率。當(dāng)直接控制在軟外套200中產(chǎn)生的力時(shí)，這種方法在本文中可以被稱(chēng)為“力控制”，或者當(dāng)在控制致動(dòng)器的位置以產(chǎn)生期望的力或所得到的扭矩的上下文中使用時(shí)，可被稱(chēng)為“基于力的位置控制”。盡管本公開(kāi)可以在基于功率的力/位置控制或力/基于力的位置控制中的僅一個(gè)的上下文中描述軟外套200的各種致動(dòng)，但是并不旨在如此限制。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，只要合適，控制系統(tǒng)500可以利用這些方法中的任何方法。

當(dāng)在與關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)相同或相似的方向上施加扭矩時(shí)，可以產(chǎn)生正功率。相反，當(dāng)所產(chǎn)生的扭矩與關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)相反時(shí)，產(chǎn)生負(fù)功率。因?yàn)槿梭w可以使用能量產(chǎn)生正和負(fù)功率，所以外套產(chǎn)生的正和負(fù)功率都可以被認(rèn)為是輔助功率，這取決于具體應(yīng)用。例如，可能期望正功率輔助以增強(qiáng)與特定關(guān)節(jié)甚至整個(gè)身體的特定運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)的疲勞的強(qiáng)度和/或減少疲勞。如稍后在本公開(kāi)中更詳細(xì)描述的，在踝關(guān)節(jié)的站姿跖屈運(yùn)動(dòng)期間的正功率輔助可以有助于在諸如步行、前進(jìn)、跑步等運(yùn)動(dòng)期間向前推動(dòng)使用者的身體。類(lèi)似地，在髖部的伸展運(yùn)動(dòng)期間的正功率輔助可以具有類(lèi)似的目的。如本文所使用的，在各種實(shí)施方案中，正功率可以對(duì)應(yīng)于外套系統(tǒng)施加的有助于所述推進(jìn)的主動(dòng)力。作為額外的例子，在踝關(guān)節(jié)的站姿背屈運(yùn)動(dòng)期間由外套產(chǎn)生的負(fù)功率可以用于在推進(jìn)運(yùn)動(dòng)之前在腳跟著地之后輔助身體和身體關(guān)節(jié)的減速。例如，如稍后在本公開(kāi)中更詳細(xì)描述的，這導(dǎo)致系統(tǒng)同時(shí)與下層肌肉和腱一起在關(guān)節(jié)處產(chǎn)生力矩，對(duì)于給定的腿，從一個(gè)腳跟著地延伸到下一個(gè)。例如，在踝部跖屈輔助的情況下，通過(guò)在步態(tài)周期的正功率區(qū)域施加力，系統(tǒng)輔助小腿肌肉和腱將身體向上和向前推動(dòng)。然而，通過(guò)在負(fù)功率階段期間提供輔助，隨著身體的質(zhì)心向下并向前落在貼附的腳上，套裝通過(guò)拉伸來(lái)輔助小腿吸收力。在另一個(gè)實(shí)施方案中，例如髖部伸展，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)步態(tài)事件，從而當(dāng)髖部從屈曲到伸展改變方向(這是正功率產(chǎn)生開(kāi)始的地方)時(shí)以及當(dāng)下層肌肉在關(guān)節(jié)中開(kāi)始產(chǎn)生工作時(shí)輔助髖伸肌，以隨著質(zhì)心向下并向前落在貼附的腳上加速髖關(guān)節(jié)并且向前推動(dòng)身體。本文所述的控制方法實(shí)時(shí)檢測(cè)多個(gè)步態(tài)事件，以檢測(cè)何時(shí)下層肌肉和腱需要額外的輔助以向前推進(jìn)身體，這允許適應(yīng)不同個(gè)人步行和不同行動(dòng)活動(dòng)的方式。本文提出的方法還可以應(yīng)用于在行動(dòng)期間和在本公開(kāi)中未明確描述的其他活動(dòng)期間輔助不同方向上的關(guān)節(jié)或額外的關(guān)節(jié)。

控制系統(tǒng)500可以被構(gòu)造成經(jīng)由對(duì)致動(dòng)系統(tǒng)300的命令來(lái)管控輔助的產(chǎn)生。特別地，在各種實(shí)施方案中，控制系統(tǒng)500可以命令電機(jī)310將線纜320移動(dòng)到適于傳遞期望的力或功率的位置。在一個(gè)實(shí)施方案中，控制系統(tǒng)500可以命令線纜位置，使線纜320在被動(dòng)或主動(dòng)輔助的時(shí)間之前保持松弛，從而其在軟外套200中產(chǎn)生很小或沒(méi)有力。在另一個(gè)實(shí)施方案中，控制系統(tǒng)500可以被構(gòu)造成命令線纜位置，使軟外套200的部件響應(yīng)于特定運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生被動(dòng)力。該被動(dòng)力可以用于在主動(dòng)輔助的時(shí)間之前預(yù)拉伸線纜320和關(guān)節(jié)，以增強(qiáng)主動(dòng)輔助的效果。在又一個(gè)實(shí)施方案中，控制系統(tǒng)500可以命令電機(jī)310以適于通過(guò)將軟外套200的部件朝向彼此主動(dòng)地拉動(dòng)來(lái)產(chǎn)生主動(dòng)力的方式移動(dòng)線纜320。這樣的命令通常被定時(shí)，以便在待輔助的運(yùn)動(dòng)開(kāi)始和/或期間移動(dòng)線纜320，從而增加由相應(yīng)肌肉產(chǎn)生的自然力。一般來(lái)說(shuō)，進(jìn)一步的控制系統(tǒng)縮短和增加線纜320中的張力，在外套200內(nèi)產(chǎn)生的力的幅度越大，圍繞目標(biāo)身體關(guān)節(jié)的產(chǎn)生扭矩越大。因此，控制系統(tǒng)500可以被構(gòu)造成通過(guò)命令驅(qū)動(dòng)電機(jī)310來(lái)控制外套系統(tǒng)100產(chǎn)生的扭矩的大小，以將線纜320移動(dòng)到足以被動(dòng)或主動(dòng)地向身體關(guān)節(jié)傳遞期望的扭矩或功率的位置。

力和致動(dòng)分布，一般地

圖16A示出了將經(jīng)由軟外套200傳遞到使用者身體以輔助關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的代表性力分布。如本文所使用的，力分布是傳達(dá)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)輔助周期中的各個(gè)時(shí)間在軟外套200中產(chǎn)生多少力的方式。為此，力分布可以傳達(dá)所產(chǎn)生的力的大小、其被啟動(dòng)的時(shí)機(jī)以及施加力的持續(xù)時(shí)間。利用基于力的控制的實(shí)施方案可以直接靶向給定的力分布，而那些利用基于功率的控制的實(shí)施方案可以首先利用來(lái)自運(yùn)動(dòng)傳感器420的角速度測(cè)量以從期望的功率分布導(dǎo)出相應(yīng)的力分布。

圖16A的代表性力分布中的力的大小可以在輔助開(kāi)始時(shí)增加并且朝峰值大小急劇上升。然后力可以達(dá)到峰值并且隨后在接近輔助結(jié)束時(shí)以相似的速率下降。在一個(gè)實(shí)施方案中，可以產(chǎn)生力分布，使得當(dāng)涉及產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)肌肉群達(dá)到最大激活水平時(shí)，力最大，從而提供增強(qiáng)最大功率并減少代謝能量消耗的臨界加強(qiáng)。如在本公開(kāi)中稍后詳細(xì)描述的，圖16A所示的力分布可以在輔助踝關(guān)節(jié)的站姿背屈和跖屈運(yùn)動(dòng)時(shí)用于輔助小腿肌肉，以幫助在行動(dòng)期間推進(jìn)使用者向前。

當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，控制系統(tǒng)500可以被構(gòu)造成以任何合適的方式命令軟外套200的致動(dòng)，以產(chǎn)生任何數(shù)量的合適的力分布，本公開(kāi)不旨在被限制到僅上述示例性實(shí)施方案。

圖16B示出了用于產(chǎn)生圖16A的力分布的代表性致動(dòng)分布。如本文所使用的，致動(dòng)分布是表示如何致動(dòng)致動(dòng)系統(tǒng)300以便產(chǎn)生具有適宜時(shí)機(jī)和持續(xù)時(shí)間的期望的力或功率分布的方式，以在發(fā)生時(shí)輔助關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。

如圖16B所示，致動(dòng)分布可以在整個(gè)輔助期間表示各線纜位置的序列。在該例子中，對(duì)于使用者的步態(tài)周期的一部分(在一個(gè)步態(tài)周期的約80％和連續(xù)步態(tài)周期的約40％之間延伸)，線纜320保持在第一位置(即，100mm)。在這段時(shí)間的大部分期間，命令的線纜位置產(chǎn)生很小或沒(méi)有力，如圖16A的力分布所示，并且線纜320可以是松弛的。然而，在步態(tài)周期的約20％～40％之間延伸的時(shí)間段期間，力增加而線纜位置保持在第一位置。這反映了隨著軟外套200在該時(shí)間期間限制關(guān)節(jié)的特定運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的被動(dòng)力。在步態(tài)周期的約40％～75％之間，線纜320被驅(qū)動(dòng)朝向第二位置(即，150mm)并返回到第一位置，產(chǎn)生由圖16A中的尖峰所示的主動(dòng)力。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，前述例子僅僅是為了說(shuō)明的目的而描述的，控制系統(tǒng)500可以被構(gòu)造成根據(jù)本公開(kāi)的教導(dǎo)產(chǎn)生任何數(shù)量的合適的致動(dòng)分布。

在各種實(shí)施方案中，控制系統(tǒng)500可以被構(gòu)造成利用來(lái)自傳感器400的反饋來(lái)確定適宜的線纜位置以及它們應(yīng)該保持的時(shí)機(jī)和持續(xù)時(shí)間，以便在軟外套200中產(chǎn)生期望的力或功率分布，如下面更詳細(xì)描述的。

致動(dòng)幅度

在各種實(shí)施方案中，控制系統(tǒng)可以被構(gòu)造成確定用于在軟外套系統(tǒng)中產(chǎn)生期望峰值力F_峰值的適當(dāng)線纜位置Pos_峰值。

在一個(gè)實(shí)施方案中，控制系統(tǒng)可以使用來(lái)自軟外套系統(tǒng)的先前測(cè)試的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)相應(yīng)的線纜位置Pos_峰值。例如，控制系統(tǒng)500可以包括將各種線纜位置與將在軟外套系統(tǒng)中產(chǎn)生的相關(guān)力相關(guān)聯(lián)的查找表、庫(kù)、方程或其他預(yù)定參考。盡管這種方法可以與被構(gòu)造成在每次穿上套裝時(shí)以相同的方式適配各種使用者的可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)一起工作，但是軟外套系統(tǒng)的部件可以以降低系統(tǒng)剛度的方式移位、拉伸或以其他方式行為，導(dǎo)致對(duì)于給定的電機(jī)位置軌跡而言實(shí)際傳遞到使用者身體的軟外套系統(tǒng)的峰值力的幅度減小。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，在各種實(shí)施方案中，控制系統(tǒng)500可以利用基于力的位置控制方法，其利用來(lái)自力傳感器410的反饋來(lái)迭代地改變線纜位置Pos_峰值，直到實(shí)現(xiàn)目標(biāo)峰值力F_峰值。在一個(gè)實(shí)施方案中，控制系統(tǒng)500可以通過(guò)將在先前步法期間將要傳遞的期望峰值力與在先前步法期間傳遞的實(shí)際峰值力的測(cè)力傳感器測(cè)量進(jìn)行比較而開(kāi)始。然后，控制系統(tǒng)500可以利用該信息來(lái)調(diào)節(jié)致動(dòng)分布的幅度(即，調(diào)節(jié)命令的線纜位置Pos_峰值)，以在在后步法中補(bǔ)償在先前步法期間傳遞的期望力和實(shí)際力之間的任何差異。如果先前步法的實(shí)際峰值力未能達(dá)到該步法的期望峰值力，則致動(dòng)幅度將增加，并且如果先前步法的實(shí)際峰值力超過(guò)該步法的期望峰值力，則致動(dòng)幅度將減小。控制系統(tǒng)可以根據(jù)式(2)確定相應(yīng)的線纜位置：

在另一個(gè)實(shí)施方案中，控制系統(tǒng)500可以代替地通過(guò)監(jiān)測(cè)來(lái)自測(cè)力傳感器410的實(shí)時(shí)力反饋并實(shí)時(shí)地以相應(yīng)方式調(diào)節(jié)線纜位置來(lái)實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)力。

類(lèi)似的基于力的位置控制算法自動(dòng)地將系統(tǒng)校準(zhǔn)到給定使用者。特別地，在操作開(kāi)始時(shí)，控制系統(tǒng)500可以將力增加到期望水平，由此確保獨(dú)立于使用者之間可能變化的因素的適當(dāng)輔助，例如身體形狀、身體構(gòu)成、套裝適配如何、個(gè)人舒適偏好等。在各種實(shí)施方案中，負(fù)荷反饋也可以由控制器使用以監(jiān)測(cè)施加到其他關(guān)節(jié)的力并且考慮可能需要校正的任何不對(duì)稱(chēng)性。

另外或可選擇地，在各種實(shí)施方案中，控制系統(tǒng)500可以利用基于功率的位置控制方法來(lái)確定在完整步態(tài)周期期間傳遞所需量的功率的適當(dāng)線纜位置。特別地，控制系統(tǒng)500可以首先確定在先前周期期間由套裝傳遞的實(shí)際積分功率。在一個(gè)實(shí)施方案中，這可以通過(guò)在整個(gè)先前周期中測(cè)量關(guān)節(jié)的角速度和在外套系統(tǒng)200中產(chǎn)生的力并根據(jù)式(3)積分乘積來(lái)完成：

應(yīng)當(dāng)注意，由外套200的致動(dòng)產(chǎn)生的扭矩的符號(hào)是已知的，這是由于僅在其中產(chǎn)生張力的事實(shí)。然后，控制系統(tǒng)500可以將該測(cè)量的積分功率與在先前周期期間要傳送的期望的積分功率進(jìn)行比較。該信息又可用于當(dāng)在先前步法期間傳遞的積分功率低于或超過(guò)在先前步法期間施加的期望功率量的情況下調(diào)節(jié)當(dāng)前步法的線纜位置。在一個(gè)實(shí)施方案中，這種調(diào)節(jié)可以根據(jù)式(4)進(jìn)行：

當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，對(duì)線纜位置的調(diào)節(jié)不需要遵循式(4)中所示的比例關(guān)系，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到用于迭代地調(diào)節(jié)線纜位置以傳送期望的積分功率的其他適當(dāng)?shù)年P(guān)系。

上面解釋的基于功率的位置控制方法可以與被構(gòu)造成僅控制正或負(fù)功率輔助中的一個(gè)的外套系統(tǒng)的實(shí)施方案一起使用。為了獨(dú)立地控制正和負(fù)功率輔助，控制系統(tǒng)500的實(shí)施方案可以利用另一種基于功率的位置控制方法，其中基于運(yùn)動(dòng)的正和負(fù)功率部分的單獨(dú)積分來(lái)確定線纜位置。

特別地，可以從測(cè)量的踝速度和由測(cè)力傳感器測(cè)量的力來(lái)計(jì)算由外套系統(tǒng)100傳遞的實(shí)際功率，分別在正和負(fù)功率間隔內(nèi)積分并且通過(guò)步法時(shí)間歸一化。這可以總結(jié)在式(5a)和式(5b)中：

在式(5a)和式(5b)中，應(yīng)當(dāng)注意，為了計(jì)算積分負(fù)功率，初始時(shí)間t_{步進(jìn)_開(kāi)始}對(duì)應(yīng)于腳跟著地的檢測(cè)，而終止時(shí)間t_{步進(jìn)_結(jié)束}對(duì)應(yīng)于ω_{關(guān)節(jié)}≥0的第一時(shí)間。在式(5b)中，應(yīng)當(dāng)注意，為了計(jì)算積分正功率，初始時(shí)間t_{積分_開(kāi)始}對(duì)應(yīng)于用于計(jì)算負(fù)功率的終止時(shí)間t_{積分_停止}，而終止時(shí)間t_{積分_停止}對(duì)應(yīng)于ω_{關(guān)節(jié)}<0的時(shí)間。

然后，控制系統(tǒng)500可以使用兩個(gè)功率積分值逐步地調(diào)節(jié)線纜的命令位置幅度水平。為了分別控制負(fù)功率和正功率，控制系統(tǒng)500可以被構(gòu)造成在運(yùn)動(dòng)的負(fù)功率間隔開(kāi)始時(shí)開(kāi)始拉動(dòng)線纜320。通過(guò)這樣做，用于下一步法的負(fù)功率可以通過(guò)調(diào)節(jié)預(yù)張力的水平來(lái)控制，而正功率可以通過(guò)控制主動(dòng)力的水平來(lái)改變。例如，如果在先前步法期間的負(fù)功率積分小于期望值，則控制器將增加線纜的保持位置以增加下一步法的預(yù)張力；另一方面，如果先前步法的實(shí)際正功率大于期望值，則控制器將減小線纜位置的振幅，以減少下一步法的主動(dòng)力。在一個(gè)實(shí)施方案中，這種調(diào)節(jié)可以根據(jù)式(6a)和式(6b)進(jìn)行：

基于力的位置和基于功率的位置控制方法可以進(jìn)一步提供一種有用的方式來(lái)補(bǔ)償外套中的不同適配(例如，由于使用者體形的變化)、在操作期間套裝的變化(例如，套裝部件在身體上漂移、步態(tài)改變)以及在致動(dòng)元件(例如，線纜)中改變摩擦和阻尼特性，這取決于它們?nèi)绾我苿?dòng)(例如，由于彎曲和拉伸而導(dǎo)致的損失)。

在又一個(gè)實(shí)施方案中，控制系統(tǒng)500可以進(jìn)行“基于功率的力控制”。該控制方法將類(lèi)似于前面段落中描述的方式起作用，但是將控制在預(yù)拉伸和步態(tài)的主動(dòng)階段期間的力水平，而不是線纜位置。

控制方法將在給定關(guān)節(jié)的行動(dòng)期間實(shí)時(shí)地跟蹤期望的功率分布。控制系統(tǒng)可以通過(guò)用目標(biāo)功率值除以作為針對(duì)低水平力控制的輸入目標(biāo)的關(guān)節(jié)速度來(lái)實(shí)時(shí)地計(jì)算步態(tài)周期中的當(dāng)前點(diǎn)的所需力。然后，低水平控制將通過(guò)使用來(lái)自測(cè)力傳感器或任何其他力感測(cè)系統(tǒng)或力估計(jì)方法的實(shí)時(shí)反饋來(lái)跟蹤系統(tǒng)傳遞到關(guān)節(jié)的力。

期望峰值力或期望積分功率

在各種實(shí)施方案中，輔助水平可以由使用者或由控制系統(tǒng)500調(diào)節(jié)，以針對(duì)穿戴者定制輔助水平，針對(duì)應(yīng)用或兩種因素的組合。使用者或控制器500將調(diào)控輔助水平的情況或情況組合的例子包括：基于身體質(zhì)量和身高來(lái)針對(duì)不同使用者定制輔助，一般來(lái)說(shuō)具有較高質(zhì)量和高度的對(duì)象將需要更高的輔助水平以得到同樣的好處。將要由使用者進(jìn)行的主要活動(dòng)或任務(wù)可以是確定將要由外套系統(tǒng)100傳遞的適宜力幅度的因素。例如，使用者或控制系統(tǒng)500可以決定調(diào)控輔助水平以節(jié)省電池或當(dāng)穿戴者最需要它時(shí)使用更多的電池。在另一個(gè)例子中，使用者或控制系統(tǒng)可以決定調(diào)控輔助水平以節(jié)省電池或當(dāng)穿戴者最需要它時(shí)使用更多的電池。不同的活動(dòng)，例如快速步行和上山或者攜帶更重的負(fù)荷，可能比其他較不費(fèi)力的活動(dòng)更多地受益于更高輔助。此外，當(dāng)?shù)谝淮问褂醚b置時(shí)，輔助水平可以被設(shè)定為較低的值，并隨著使用者的訓(xùn)練逐漸增加幅度。

在各種實(shí)施方案中，期望峰值力F_峰值可以是設(shè)置為控制系統(tǒng)中的基線的預(yù)定值。在一個(gè)實(shí)施方案中，可以預(yù)設(shè)基線峰值力。在一個(gè)實(shí)施方案中，使用者能夠預(yù)選或在使用時(shí)選擇基線峰值力。使用者的選擇過(guò)程可以被實(shí)現(xiàn)為使得使用者將對(duì)于給定活動(dòng)優(yōu)選或?qū)τ谑褂谜邅?lái)說(shuō)感覺(jué)舒適的基線峰值力直接輸入到控制系統(tǒng)中，或者經(jīng)由選擇操作模式(例如，低、中、高輔助)、輸入一個(gè)或多個(gè)參數(shù)(例如，外套使用者的的重量、預(yù)定義的個(gè)體設(shè)置)和/或其他間接選擇來(lái)間接地選擇基線峰值力。

在各種實(shí)施方案中，期望峰值力F_峰值可以受到作用在待輔助的關(guān)節(jié)上的生物力矩的影響。例如，隨著體重增加，作用于身體關(guān)節(jié)的生物力矩通常對(duì)于給定活動(dòng)而增加。因此，適應(yīng)施加到各種關(guān)節(jié)的輔助峰值力的量以考慮生物力矩中的這些變化可能是有益的。類(lèi)似地，使用者攜帶的負(fù)荷，包括軟外套本身的負(fù)荷，也可以影響生物力矩并可以被考慮。

參照?qǐng)D17A、圖17B和圖17C以及圖18A、圖18B和圖18C，控制系統(tǒng)500可以被構(gòu)造成適應(yīng)期望峰值力以考慮也影響作用在關(guān)節(jié)上的生物力矩的空間-時(shí)間因素，如行動(dòng)(例如，步行)速度。如圖17A和圖18A所示，隨著行動(dòng)速度增加，施加在髖部上的生理功率(特別地，與髖部伸展相關(guān)聯(lián)的生理功率)的峰值大小和圍繞踝部(特別地，在踝部跖屈時(shí))的生理功率的峰值大小通常增加。對(duì)于與諸如跑步、蹬踏等其他行動(dòng)活動(dòng)相關(guān)聯(lián)的空間-時(shí)間步態(tài)變量，這同樣是正確的。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，本公開(kāi)將步行速度稱(chēng)為示例性空間-時(shí)間步態(tài)變量；然而，應(yīng)當(dāng)理解，本文公開(kāi)的用于調(diào)節(jié)輔助的系統(tǒng)和方法可以基于其他這樣的空間-時(shí)間變量類(lèi)似地應(yīng)用。例如，本文公開(kāi)的系統(tǒng)和方法可以為步進(jìn)長(zhǎng)度、步法長(zhǎng)度、步行節(jié)奏(也稱(chēng)為步行頻率)和其他空間-時(shí)間變量提供自適應(yīng)輔助。

參照?qǐng)D17B和圖18B，在各種實(shí)施方案中，可以以乘數(shù)的形式應(yīng)用調(diào)節(jié)。在各種實(shí)施方案中，該因子可以被定制以將由軟外套傳遞的峰值輔助力或功率調(diào)節(jié)到與以該步行速度作用于使用者關(guān)節(jié)上的生理力矩和功率成比例的水平。如所構(gòu)造的，外套系統(tǒng)100可以用于根據(jù)期望的應(yīng)用基本上減少、抵消、甚至克服這些自然力的效果，從而減少使用者疲勞。如圖17B和圖18B所示，與髖部和踝部輔助相關(guān)聯(lián)的乘數(shù)可以隨著步行速度基本線性地增加，類(lèi)似于如圖17A和圖18A所示的具有步行速度的這些關(guān)節(jié)上的生理力矩增加的方式。

在一個(gè)實(shí)施方案中，調(diào)節(jié)因子可以應(yīng)用于由外套系統(tǒng)100傳遞到相應(yīng)關(guān)節(jié)的基線峰值力。圖17C和圖18C僅僅為了說(shuō)明的目的示出了一些示例性調(diào)節(jié)的峰值力，其可以分別施加到髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，如由圖17B和圖18B的乘數(shù)調(diào)節(jié)的。這些圖基于如下假設(shè)：控制系統(tǒng)被構(gòu)造成向髖部提供約200N的基線峰值力和向踝部提供約350N的基線峰值力，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，這些僅是示例性基線力，并且根據(jù)本公開(kāi)可以通過(guò)任何合適的空間-時(shí)間因素來(lái)調(diào)節(jié)任何合適的基線力。如在圖17B中可以看出的，例如，約0.5m/s的較慢步行速度導(dǎo)致約0.4的髖部乘數(shù)，如圖17C所示，其將在該步行速度下的200N的基線峰值力減小到約80N的調(diào)節(jié)峰值力。類(lèi)似地，如在圖18B中可以看出的，約0.5m/s的較慢步行速度導(dǎo)致約0.4的踝部乘數(shù)，如圖18C所示，其根據(jù)踝部力分布將在該步行速度下的約350N的基線踝部峰值力減小到約140N的踝部峰值力。另一方面，例如，如圖17B和圖18B所示，在約1.75m/s的較快步行速度下，髖部和踝部峰值力乘數(shù)可以為約1.4，如圖17C和圖18C所示，其將相應(yīng)的基線峰值力從約200N和約350N分別增加到約280N和約490N的調(diào)節(jié)峰值力。盡管圖17B和圖18B中提供的示例性乘數(shù)被描繪為隨行動(dòng)速度基本上線性地增加，但是應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，乘數(shù)不需要遵循線性關(guān)系，并且可以以任何合適的方式來(lái)定義。

參照?qǐng)D19A和圖19B，控制系統(tǒng)500可以被構(gòu)造成估計(jì)使用者的行動(dòng)速度(例如，步行速度、跑行速度等)，以用于相應(yīng)地調(diào)節(jié)如上所述的力或功率分布的幅度。參照?qǐng)D19A，在一個(gè)實(shí)施方案中，步行速度可以部分地通過(guò)使用從IMU確定的髖部角度測(cè)量來(lái)估計(jì)。特別地，這些測(cè)量可以用于定義使用者髖部在矢狀面中的運(yùn)動(dòng)范圍Θ，如圖19A所示。然后，根據(jù)下式(7)，使用者步進(jìn)的長(zhǎng)度l_步進(jìn)可以作為腿長(zhǎng)度l_腿和髖部運(yùn)動(dòng)范圍Θ在矢狀面中的函數(shù)來(lái)估計(jì)：

l_步進(jìn)＝2*l_腿*sinθ/2 (7)

在一個(gè)實(shí)施方案中，腿長(zhǎng)度l_腿可以是測(cè)量或估計(jì)的常數(shù)變量。例如，控制系統(tǒng)500可以基于典型使用者的平均腿長(zhǎng)度來(lái)采取代表值，或者可以被構(gòu)造成使得使用者可以在開(kāi)始系統(tǒng)之前輸入他/她的估計(jì)或測(cè)量的腿長(zhǎng)度。

仍然參照?qǐng)D19A，然后，可以根據(jù)下式(8)將步行速度V_步行估計(jì)為步進(jìn)長(zhǎng)度l_步進(jìn)和步進(jìn)時(shí)間t_步進(jìn)(即，步進(jìn)之間經(jīng)過(guò)的時(shí)間)的函數(shù)：

在一個(gè)實(shí)施方案中，步進(jìn)時(shí)間t_步進(jìn)可以被測(cè)量為腳跟著地或任何其他步態(tài)事件之間的時(shí)間段。參照?qǐng)D19A，步進(jìn)時(shí)間可以被測(cè)量為在兩個(gè)相繼的步態(tài)周期期間髖部達(dá)到最大屈曲角度之間的時(shí)間段。IMU、陀螺儀或任何其他合適的傳感器布置可以被構(gòu)造成檢測(cè)上述的腳跟著地或其他步態(tài)事件。然后，可以通過(guò)從最近檢測(cè)到的腳跟著地或其他步態(tài)事件的時(shí)間減去先前檢測(cè)到的腳跟著地或其他步態(tài)事件的時(shí)間來(lái)計(jì)算步進(jìn)時(shí)間t_步進(jìn)。當(dāng)然，步進(jìn)時(shí)間可以根據(jù)本領(lǐng)域已知的任何其他合適的方式來(lái)測(cè)量或估計(jì)。

參照?qǐng)D19B，進(jìn)行測(cè)試以驗(yàn)證該方法，從而估計(jì)使用者的步行速度。實(shí)線示出了速度估計(jì)方法的輸出，虛線示出了由使用者在其上步行的儀器化跑步機(jī)測(cè)量的步行速度。如圖19B所示，控制算法可以能夠處理多個(gè)混雜因素，例如軀干移動(dòng)和步進(jìn)長(zhǎng)度的變化。

當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，可以根據(jù)適合于給定應(yīng)用的任何數(shù)量的因素來(lái)確定將要在軟外套200中產(chǎn)生的用于向使用者的關(guān)節(jié)提供運(yùn)動(dòng)輔助的適宜力幅度，本公開(kāi)不應(yīng)限于上面列出的那些例子中的任何一個(gè)或組合。

輔助時(shí)機(jī)

為了定制對(duì)關(guān)節(jié)的當(dāng)前運(yùn)動(dòng)的輔助并且提供適應(yīng)于不同行動(dòng)活動(dòng)和不同使用者步行方式的自然輔助，控制系統(tǒng)500可以被構(gòu)造成利用來(lái)自各個(gè)運(yùn)動(dòng)傳感器420的輸入和/或如前所述定位在身體上或附近的步態(tài)事件傳感器430的輸入，以確定使用者如何移動(dòng)，進(jìn)而確定用于輔助的適當(dāng)時(shí)機(jī)。為此，控制系統(tǒng)500可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的測(cè)量并且估計(jì)下層肌肉和腱正在進(jìn)行工作的時(shí)間，以便在正確的時(shí)間開(kāi)始輔助。這樣的測(cè)量或其組合可以用作致動(dòng)開(kāi)始的觸發(fā)(“起始觸發(fā)”)。

起始觸發(fā)可以根據(jù)給定的應(yīng)用或行動(dòng)活動(dòng)而變化。在一個(gè)實(shí)施方案中，特定關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)事件的檢測(cè)可以用作起始觸發(fā)。特別地，可能的情況是，待輔助的運(yùn)動(dòng)通常在特定事件時(shí)(例如，當(dāng)關(guān)節(jié)角度達(dá)到最大值時(shí)或當(dāng)關(guān)節(jié)改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí))開(kāi)始，因此控制系統(tǒng)500可以被構(gòu)造成解釋這種檢測(cè)作為起始觸發(fā)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，已經(jīng)達(dá)到特定角速度的關(guān)節(jié)的檢測(cè)可以用作起始觸發(fā)。例如，在一些應(yīng)用中，可能希望僅當(dāng)關(guān)節(jié)在閾值速度以上或以下移動(dòng)時(shí)輔助關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，如由測(cè)量的角速度的大小所指示的。在其他應(yīng)用中，可能希望當(dāng)關(guān)節(jié)沿特定方向旋轉(zhuǎn)時(shí)提供輔助，如由測(cè)量的角速度的符號(hào)所指示的。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，可以以類(lèi)似的方式使用關(guān)節(jié)角度的測(cè)量(例如，通過(guò)計(jì)算角度導(dǎo)數(shù)等以產(chǎn)生類(lèi)似于速度和/或類(lèi)似于加速度的測(cè)量)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，關(guān)節(jié)角度和角速度的組合的檢測(cè)可以用作起始觸發(fā)。例如，在一些應(yīng)用中，可能希望通過(guò)伸展運(yùn)動(dòng)提供輔助部分，這里，起始觸發(fā)可以是表示待輔助的伸展運(yùn)動(dòng)的一部分開(kāi)始的特定角度和具有與伸展運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)的符號(hào)(即，+或-)的角速度(例如，與相反的符號(hào)相反，其可以指示相反的屈曲運(yùn)動(dòng))的組合的檢測(cè)。

在一些應(yīng)用中，可能希望僅當(dāng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)與身體的其他部分的特定運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)組合一致時(shí)和/或與身體的運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)的另一事件一致時(shí)向關(guān)節(jié)提供輔助。例如，在各種實(shí)施方案中，控制系統(tǒng)500可以被構(gòu)造成在腳與地面接觸時(shí)增加腿關(guān)節(jié)輔助。以這種方式，可以針對(duì)用于向前推進(jìn)使用者的那些運(yùn)動(dòng)定制輔助，從而提高效率。在這種情況下，除了檢測(cè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的相關(guān)聯(lián)的指示之外，起始觸發(fā)可以包括腳與地面接觸的一些指示的檢測(cè)。在一個(gè)實(shí)施方案中，一種這樣的檢測(cè)可以是腳跟著地的檢測(cè)?？刂葡到y(tǒng)500可以被構(gòu)造成從來(lái)自一個(gè)或多個(gè)傳感器430收集的測(cè)量檢測(cè)事件，如稍后在針對(duì)踝部輔助的控制系統(tǒng)的實(shí)施方案的上下文中更詳細(xì)描述的。當(dāng)然，如果基于其他關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)來(lái)提供輔助，則控制系統(tǒng)可以被構(gòu)造成監(jiān)測(cè)那些其他關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而檢測(cè)啟動(dòng)所討論關(guān)節(jié)的輔助所需的一個(gè)或多個(gè)觸發(fā)。

輔助持續(xù)時(shí)間

控制系統(tǒng)500可以進(jìn)一步利用關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)測(cè)量來(lái)確定何時(shí)停止向關(guān)節(jié)提供主動(dòng)輔助。

在各種實(shí)施方案中，控制系統(tǒng)可以被構(gòu)造成當(dāng)關(guān)節(jié)達(dá)到預(yù)定角度或旋轉(zhuǎn)速度時(shí)終止輔助。為此，在一個(gè)實(shí)施方案中，控制系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)角度測(cè)量并在達(dá)到期望角度時(shí)終止致動(dòng)。類(lèi)似的過(guò)程可以用于在以用于終止輔助的不同觸發(fā)為特征的一些實(shí)施方案中估計(jì)輔助持續(xù)時(shí)間，如當(dāng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)停止或改變方向時(shí)可能希望終止輔助時(shí)。在一個(gè)實(shí)施方案中，控制系統(tǒng)可以以類(lèi)似的方式通過(guò)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)速度測(cè)量并在測(cè)量的角速度達(dá)到零時(shí)終止致動(dòng)來(lái)間接地確定輔助持續(xù)時(shí)間。

在各種實(shí)施方案中，控制系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)角度、速度和/或其他運(yùn)動(dòng)相關(guān)測(cè)量的實(shí)時(shí)測(cè)量，以檢測(cè)步態(tài)相關(guān)事件和決定輔助分布以及何時(shí)啟動(dòng)、維持或終止運(yùn)動(dòng)輔助。控制系統(tǒng)可以使用該信息來(lái)估計(jì)下層肌肉和腱何時(shí)在關(guān)節(jié)處產(chǎn)生扭矩并且在正確的時(shí)間啟動(dòng)輔助。

然后，控制器可以將電機(jī)驅(qū)動(dòng)到適于產(chǎn)生相應(yīng)力大小的第一致動(dòng)位置?？刂葡到y(tǒng)可以繼續(xù)監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)測(cè)量，并且基于當(dāng)生物肌肉和腱在系統(tǒng)線纜可以提供致動(dòng)的方向上停止向關(guān)節(jié)提供力時(shí)測(cè)量的旋轉(zhuǎn)速度或角度導(dǎo)數(shù)來(lái)估計(jì)，使得系統(tǒng)將變得透明(終止致動(dòng))并且不阻礙在相反方向上作用的肌肉。

可選擇地，控制系統(tǒng)500可以通過(guò)監(jiān)測(cè)外套200產(chǎn)生的輔助力而檢測(cè)力的預(yù)定值或預(yù)定百分比的變化來(lái)確定何時(shí)終止輔助。在各種實(shí)施方案中，這種變化可以指示關(guān)節(jié)已經(jīng)進(jìn)展通過(guò)待輔助的運(yùn)動(dòng)。例如，在線纜在主動(dòng)力產(chǎn)生期間保持在恒定位置的實(shí)施方案中，隨著關(guān)節(jié)繼續(xù)移動(dòng)，力建立和/或下降?？刂葡到y(tǒng)500可以被構(gòu)造成一旦力已經(jīng)達(dá)到預(yù)定閾值就檢測(cè)力的變化并終止致動(dòng)，以便不干擾隨后的運(yùn)動(dòng)。在踝部運(yùn)動(dòng)的站姿背屈階段期間可能是這種情況(即，檢測(cè)在站姿背屈期間施加的預(yù)張力的增加和以適當(dāng)?shù)姆绞揭苿?dòng)線纜以輔助后續(xù)的站姿跖屈運(yùn)動(dòng))，如稍后更詳細(xì)描述的；完全相同的效果可應(yīng)用于髖部伸展輔助(即，當(dāng)腿接近垂直時(shí)檢測(cè)力的下降)并且可應(yīng)用于其他關(guān)節(jié)。

這樣，控制系統(tǒng)可以從期望的力分布識(shí)別要在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)中的每個(gè)點(diǎn)處產(chǎn)生的相應(yīng)的力大小，并且將線纜移動(dòng)到相應(yīng)的位置或命令期望的力。這樣的控制系統(tǒng)將實(shí)時(shí)地控制何時(shí)致動(dòng)開(kāi)始和結(jié)束，因此適應(yīng)不同個(gè)人步行或不同活動(dòng)的方式，使得當(dāng)其將有益于穿戴者時(shí)提供輔助，并且終止輔助，使得系統(tǒng)不會(huì)在任何其他情況下產(chǎn)生任何力。

如下面進(jìn)一步更詳細(xì)描述的，控制系統(tǒng)500可以代替地被構(gòu)造成估計(jì)或以其他方式預(yù)測(cè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的持續(xù)時(shí)間。然后，待輔助的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的估計(jì)持續(xù)時(shí)間(“關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間”)可以進(jìn)而被用于確定外套系統(tǒng)500可被致動(dòng)以輔助關(guān)節(jié)的適宜持續(xù)時(shí)間(“輔助持續(xù)時(shí)間”)。這種方法可以允許控制系統(tǒng)500在開(kāi)始致動(dòng)之前產(chǎn)生合適的致動(dòng)分布，根據(jù)該致動(dòng)分布可以致動(dòng)軟外套，而不需要監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)測(cè)量以檢測(cè)指示運(yùn)動(dòng)結(jié)束的終止觸發(fā)。

在其他這樣的實(shí)施方案中，控制系統(tǒng)500可以被構(gòu)造成利用來(lái)自先前運(yùn)動(dòng)周期的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)測(cè)量來(lái)估計(jì)當(dāng)前運(yùn)動(dòng)周期中即將到來(lái)的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)的持續(xù)時(shí)間。這種方法對(duì)于輔助重復(fù)運(yùn)動(dòng)特別有用，例如當(dāng)使用者步行、跑步等時(shí)腿關(guān)節(jié)的行動(dòng)運(yùn)動(dòng)。在各種實(shí)施方案中，這樣的近似可以在給定活動(dòng)的循環(huán)性質(zhì)的情況下密切地預(yù)測(cè)當(dāng)前運(yùn)動(dòng)的持續(xù)時(shí)間，并且導(dǎo)致致動(dòng)分布(后述的)適合緊密地匹配期望的輔助。

作為說(shuō)明性例子，考慮步行輔助應(yīng)用，其中控制系統(tǒng)500被構(gòu)造成致動(dòng)外套200以有助于在正前擺動(dòng)階段之后將腿從屈曲位置拉回，典型地跨越約30％的平均步態(tài)周期的運(yùn)動(dòng)。在一個(gè)實(shí)施方案中，控制系統(tǒng)500可以首先從關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)或在先前周期期間進(jìn)行的其他測(cè)量計(jì)算該先前步態(tài)周期(本文中也稱(chēng)為步法時(shí)間)的持續(xù)時(shí)間，然后估計(jì)當(dāng)前周期期間即將到來(lái)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間，作為先前步法時(shí)間的30％的步法時(shí)間。在另一個(gè)實(shí)施方案中，控制系統(tǒng)500可以以類(lèi)似的方式估計(jì)即將到來(lái)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間；然而，代替假設(shè)運(yùn)動(dòng)跨越約30％的平均步態(tài)周期，控制系統(tǒng)500可以代替地確定在多個(gè)先前步態(tài)周期期間運(yùn)動(dòng)跨越的實(shí)際百分比，以提供控制器稍后可以通過(guò)使用來(lái)自集成傳感器的實(shí)時(shí)測(cè)量來(lái)校正的第一近似。特別地，控制系統(tǒng)500可以被構(gòu)造成利用在先前步態(tài)周期期間進(jìn)行的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)測(cè)量來(lái)識(shí)別關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)何時(shí)開(kāi)始和結(jié)束，然后將它們與那些周期的各自的步法時(shí)間相關(guān)聯(lián)，以確定每個(gè)先前周期的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間百分比。在一個(gè)實(shí)施方案中，這些百分比可以被平均以提供用于估計(jì)在當(dāng)前步態(tài)周期期間待輔助的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的持續(xù)時(shí)間的更定制的基礎(chǔ)。

在各種實(shí)施方案中，可以利用一個(gè)或多個(gè)傳感器400以任何合適的方式確定步法時(shí)間。在一個(gè)實(shí)施方案中，步法時(shí)間可以計(jì)算為在每個(gè)周期發(fā)生的特征事件的連續(xù)檢測(cè)之間經(jīng)過(guò)的時(shí)間。例如，控制系統(tǒng)500可以測(cè)量針對(duì)給定腿的連續(xù)腳跟著地之間經(jīng)過(guò)的時(shí)間并且將其定義為步法時(shí)間。作為另一個(gè)例子，控制系統(tǒng)500可以測(cè)量最大髖部屈曲或伸展的連續(xù)檢測(cè)之間經(jīng)過(guò)的時(shí)間并且將其定義為步法時(shí)間。在本公開(kāi)中稍后更詳細(xì)地提供用于檢測(cè)腳跟著地和最大屈曲/伸展角度的方法，以及用于確定在連續(xù)的這種檢測(cè)之間經(jīng)過(guò)的時(shí)間間隔的方法。

應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，對(duì)于給定應(yīng)用可以以任何數(shù)量的適當(dāng)方式從這種傳感器測(cè)量來(lái)確定輔助持續(xù)時(shí)間，本公開(kāi)不旨在僅限于上面闡述的那些說(shuō)明性實(shí)施方案。

產(chǎn)生致動(dòng)分布

如前所述，控制系統(tǒng)500可以被構(gòu)造成確定將由外套系統(tǒng)100產(chǎn)生的期望峰值力，以及識(shí)別何時(shí)待輔助的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)開(kāi)始并估計(jì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的持續(xù)時(shí)間。在各種實(shí)施方案中，控制系統(tǒng)500可以利用該信息來(lái)產(chǎn)生致動(dòng)分布，根據(jù)該致動(dòng)分布，外套系統(tǒng)100可以被致動(dòng)以向關(guān)節(jié)傳遞期望的運(yùn)動(dòng)輔助。

在各種實(shí)施方案中，控制系統(tǒng)500可以被構(gòu)造成在運(yùn)動(dòng)開(kāi)始之前產(chǎn)生致動(dòng)分布。在一個(gè)這樣的實(shí)施方案中，控制系統(tǒng)500可以單獨(dú)地基于在先前周期期間的類(lèi)似運(yùn)動(dòng)的持續(xù)時(shí)間來(lái)估計(jì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間(從而輔助持續(xù)時(shí)間)。一方面，這種方法可能不考慮關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)何時(shí)開(kāi)始/在其各自周期內(nèi)將要開(kāi)始的任何變化(也就是說(shuō)，如果當(dāng)前周期關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)在當(dāng)前周期中開(kāi)始比在先前周期關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)在先前周期中開(kāi)始更后，則估計(jì)的持續(xù)時(shí)間可能比當(dāng)前周期關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的實(shí)際持續(xù)時(shí)間稍微更長(zhǎng)，反之亦然)。然而，另一方面，這種方法可能不如其他方式復(fù)雜，并且潛在地為控制系統(tǒng)500提供一些時(shí)間來(lái)準(zhǔn)備即將到來(lái)的致動(dòng)。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，在另一個(gè)實(shí)施方案中，控制系統(tǒng)500可以進(jìn)一步適于通過(guò)在檢測(cè)到起始觸發(fā)的時(shí)間或稍微之后修改在致動(dòng)分布中反映的持續(xù)時(shí)間來(lái)考慮上述潛在變化。

在各種其他實(shí)施方案中，控制系統(tǒng)500可以被構(gòu)造成基于考慮運(yùn)動(dòng)的實(shí)際開(kāi)始時(shí)間的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間的估計(jì)，在檢測(cè)到起始觸發(fā)時(shí)或稍微之后產(chǎn)生致動(dòng)分布。在一個(gè)這樣的實(shí)施方案中，控制系統(tǒng)500可以利用前述方法之一或任何其他合適的方法來(lái)估計(jì)此時(shí)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間(從而輔助持續(xù)時(shí)間)。

用于輔助循環(huán)性髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的示例性控制系統(tǒng)

圖20是髖部控制架構(gòu)的實(shí)施方案的示意圖，其在保持充分的力性能的同時(shí)向髖部啟動(dòng)輔助扭矩。髖部控制系統(tǒng)600可以被構(gòu)造成向髖關(guān)節(jié)提供輔助，以輔助在諸如步行、跑步和跳躍等行動(dòng)活動(dòng)期間的循環(huán)性伸展運(yùn)動(dòng)。為此，髖部控制系統(tǒng)600的各種實(shí)施方案可以結(jié)合圖12A的外套或圖12E的外套200的第一模塊使用，以及適于傳遞扭矩以輔助使用者髖部的伸展運(yùn)動(dòng)的任何其他構(gòu)造。髖部控制結(jié)構(gòu)可以包括軟外套200的至少一部分、用于測(cè)量髖部屈曲和旋轉(zhuǎn)速度的一個(gè)或多個(gè)慣性測(cè)量單元(IMU)或其他合適的傳感器420布置、一個(gè)或多個(gè)測(cè)力傳感器430和控制系統(tǒng)600。在軟外套200的腰部錨固部212和大腿錨固部214之間拉動(dòng)線纜320可以產(chǎn)生在髖關(guān)節(jié)周?chē)a(chǎn)生扭矩的輔助力。

在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案中，IMU可以連接到使用者的大腿(或用于進(jìn)行規(guī)定的測(cè)量的任何其他合適的位置)并且被構(gòu)造成測(cè)量人類(lèi)運(yùn)動(dòng)，特別是大腿角度，以及估計(jì)髖部屈曲角度。盡管圖20僅示出了IMU的使用，但是髖部控制系統(tǒng)600的實(shí)施方案可以使用其他類(lèi)型的動(dòng)力學(xué)和/或運(yùn)動(dòng)學(xué)傳感器，例如電位計(jì)和加速度計(jì)，和/或包括附加的傳感器。測(cè)力傳感器可以是力傳感器410，例如換能器，其被構(gòu)造成測(cè)量在外套200中產(chǎn)生的張力。髖部控制系統(tǒng)600的實(shí)施方案可以使用其他類(lèi)型的力傳感器410，作為測(cè)力傳感器的替代或補(bǔ)充。

髖部控制系統(tǒng)600的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是獨(dú)立于手邊的生物力學(xué)任務(wù)施加有益的運(yùn)動(dòng)輔助的能力。許多活動(dòng)，例如步行、跑步、跳躍和爬樓梯，共享類(lèi)似的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)序列，并且與這些運(yùn)動(dòng)相關(guān)的肌肉群在類(lèi)似的時(shí)期可能是活動(dòng)的。因此，許多這樣的運(yùn)動(dòng)共享類(lèi)似的起始觸發(fā)，而不管正在進(jìn)行的行動(dòng)活動(dòng)。

生物髖部伸展扭矩的起始點(diǎn)可以在不同受試者和活動(dòng)之間廣泛變化。這種大的變化性引入了確定所施加的輔助的開(kāi)始與髖部正功率的開(kāi)始時(shí)機(jī)同時(shí)而不是基于腳跟著地時(shí)間來(lái)估計(jì)的需要。從生物力學(xué)的角度來(lái)看，在行動(dòng)期間，髖伸肌在髖部達(dá)到其最大屈曲角度之前開(kāi)始稍微激活。經(jīng)過(guò)仔細(xì)檢查人類(lèi)受試者數(shù)據(jù)的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)大致與髖部正功率的起點(diǎn)同步地髖關(guān)節(jié)力矩達(dá)到其最大屈曲。根據(jù)這個(gè)理由，決定使用最大髖部屈曲作為合適的步態(tài)事件，以確定髖部伸展輔助的開(kāi)始時(shí)機(jī)。

在各種實(shí)施方案中，當(dāng)與運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)的肌肉最活躍時(shí)可以提供輔助。例如，髖伸肌(例如腿筋和臀大肌)通常在大多數(shù)行動(dòng)活動(dòng)中被激活以輔助伸展運(yùn)動(dòng)。特別地，這些肌肉可以在先前屈曲運(yùn)動(dòng)之后最活躍，以通過(guò)在其向前延伸的腿上拉動(dòng)使用者的髖部來(lái)輔助步態(tài)。如圖21A所示，在典型的步態(tài)周期中，最大髖部屈曲發(fā)生在步態(tài)周期的約85％處(例如，步態(tài)周期的終端擺動(dòng))。圖21B和圖21C中的肌電圖(EMG)腿筋和EMG臀大肌圖示出了腿筋和臀大肌在達(dá)到最大髖部屈曲(例如，對(duì)于負(fù)荷步行，步態(tài)周期的約91％)之后的活躍，并且在步態(tài)周期的約30％時(shí)變?yōu)椴换钴S。

因此，可能有益的是，在檢測(cè)到髖關(guān)節(jié)已經(jīng)達(dá)到最大屈曲角度時(shí)向髖伸肌提供輔助，并且繼續(xù)輔助直到大約在使用者的步態(tài)中當(dāng)髖關(guān)節(jié)已經(jīng)恢復(fù)到基本垂直的角度(即，腿垂直于地面)的時(shí)間。圖22A示出了在使用者步態(tài)期間輔助該運(yùn)動(dòng)的力的示例性應(yīng)用，圖22B示出了使用者的相應(yīng)大腿角度(可相對(duì)于髖部角度，如前所述)，以驗(yàn)證關(guān)于腿的生物力學(xué)的時(shí)機(jī)。

為此，在各種實(shí)施方案中，髖部控制系統(tǒng)600可以被構(gòu)造成監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)測(cè)量，以檢測(cè)前述髖部伸展運(yùn)動(dòng)的開(kāi)始，即，當(dāng)髖關(guān)節(jié)達(dá)到最大屈曲角度時(shí)。髖部控制系統(tǒng)600可以被構(gòu)造成利用前述的任何示例性方法或任何其他合適的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，髖部控制系統(tǒng)600可以監(jiān)測(cè)髖部角速度的實(shí)時(shí)測(cè)量，以檢測(cè)與髖部屈曲運(yùn)動(dòng)的結(jié)束和隨后的髖部伸展運(yùn)動(dòng)的開(kāi)始相關(guān)聯(lián)的符號(hào)變化。在另一個(gè)實(shí)施方案中，髖部控制系統(tǒng)600可以以類(lèi)似的方式監(jiān)測(cè)髖部角度的實(shí)時(shí)測(cè)量，以檢測(cè)髖部角度何時(shí)停止與屈曲運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)的幅度增加，并且在隨后的伸展運(yùn)動(dòng)開(kāi)始時(shí)開(kāi)始減小幅度。如前所述，這可以是步態(tài)周期的約85％。

髖部控制系統(tǒng)600可以進(jìn)一步被構(gòu)造成估計(jì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的持續(xù)時(shí)間，從而估計(jì)應(yīng)當(dāng)提供輔助的持續(xù)時(shí)間。髖部控制系統(tǒng)600可以被構(gòu)造成利用前述的任何示例性方法或任何其他合適的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。為此，在一個(gè)實(shí)施方案中，髖部控制系統(tǒng)600可以被構(gòu)造成估計(jì)使用者的當(dāng)前步法時(shí)間，以估計(jì)髖關(guān)節(jié)達(dá)到待輔助的運(yùn)動(dòng)的結(jié)束需要多長(zhǎng)時(shí)間，如前所述。如前所述，待輔助的髖部伸展運(yùn)動(dòng)的結(jié)束(即,，當(dāng)髖部角度基本上垂直于地面時(shí))可以是地面上負(fù)荷步行的步態(tài)周期的約30％。在各種實(shí)施方案中，可以利用來(lái)自先前周期的步法時(shí)間來(lái)估計(jì)步法時(shí)間。在一個(gè)這樣的實(shí)施方案中，髖部控制系統(tǒng)600可以被構(gòu)造成將步法時(shí)間確定為在估計(jì)的最大髖部屈曲角度的連續(xù)檢測(cè)之間經(jīng)過(guò)的時(shí)間。

在各種實(shí)施方案中，髖部控制系統(tǒng)600可以被構(gòu)造成利用前述的任何示例性方法或任何其他合適的方法來(lái)確定期望峰值力和用于產(chǎn)生期望峰值力的相關(guān)線纜位置。例如，髖部控制系統(tǒng)600可以被編程以在外套中傳遞約300N的基線峰值力而輔助髖部運(yùn)動(dòng)。當(dāng)然，該基線力可以被調(diào)節(jié)以考慮任何數(shù)量的因素，例如先前在圖17A、圖17B和圖17C的上下文中所述的空間-時(shí)間因素(例如，行動(dòng)速度)或者使用者體重/負(fù)荷等。然后，髖部控制系統(tǒng)600可以利用前述的基于力的位置控制算法或任何其他合適的方法來(lái)確定用于傳遞期望峰值力的適當(dāng)線纜位置。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，髖部控制系統(tǒng)600可以首先確定在先前周期期間在套裝中產(chǎn)生的實(shí)際峰值功率，然后根據(jù)式(2)，通過(guò)將先前周期線纜位置乘以當(dāng)前期望峰值力與來(lái)自先前周期的測(cè)量峰值力的比值來(lái)確定當(dāng)前周期的線纜位置。

另外或可選擇地，在各種實(shí)施方案中，髖部控制系統(tǒng)600然后可以利用基于功率的位置控制算法來(lái)確定用于將期望的積分功率傳遞到髖關(guān)節(jié)的適當(dāng)線纜位置，如前所述。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，髖部控制系統(tǒng)600可以首先確定在先前周期期間由外套系統(tǒng)100傳遞到髖關(guān)節(jié)的實(shí)際積分功率，作為在先前周期期間所提供的輔助中所產(chǎn)生的力和髖關(guān)節(jié)的角速度的函數(shù)。然后，根據(jù)式(4)，髖部控制系統(tǒng)600可以通過(guò)將先前周期線纜位置乘以當(dāng)前期望的積分功率與在先前周期期間測(cè)量的積分功率的比值來(lái)確定當(dāng)前周期的線纜位置。

圖23B示出了用于輔助髖關(guān)節(jié)伸展運(yùn)動(dòng)的代表性力。圖23C示出了用于輔助髖關(guān)節(jié)伸展運(yùn)動(dòng)的致動(dòng)分布。圖23A示出了由IMU測(cè)量的相應(yīng)的代表性髖部角度測(cè)量。

這些分布可以由針對(duì)如圖20所述的髖部控制架構(gòu)的軟外套產(chǎn)生。髖部控制架構(gòu)單元中的軌跡產(chǎn)生可以適于產(chǎn)生致動(dòng)器軌跡，該致動(dòng)器軌跡在整個(gè)輔助期間通過(guò)拉動(dòng)線纜320產(chǎn)生期望的力。致動(dòng)的開(kāi)始時(shí)間(例如，梯形分布的上升邊緣)被設(shè)置為來(lái)自IMU的估計(jì)最大髖部屈曲角度，如前所述。在一個(gè)實(shí)施方案中，可以修改梯形分布的幅度以考慮在先前步法期間經(jīng)歷的命令幅度和實(shí)際幅度的任何差異，如先前針對(duì)基于力的位置控制所述的。特別地，髖部控制系統(tǒng)600可以監(jiān)測(cè)最后步法的最大輔助峰值力(或積分峰值功率)，并且相應(yīng)地調(diào)節(jié)當(dāng)前步法的梯形分布的幅度。如果最后步法的輔助峰值力(或積分峰值功率)沒(méi)有達(dá)到期望峰值力范圍(或積分峰值功率范圍)，則幅度增加，并且如果它超過(guò)峰值力范圍(或積分峰值功率范圍，則幅度減小。致動(dòng)的釋放時(shí)間(例如，梯形分布的下降邊緣)約為步態(tài)周期的40％，其是使用從IMU檢測(cè)的最后步法時(shí)間由步法時(shí)間單元計(jì)算的。梯形分布可以針對(duì)一個(gè)或多個(gè)步法自動(dòng)調(diào)節(jié)以適應(yīng)環(huán)境變化并保持期望的力性能。

控制系統(tǒng)600還可以通過(guò)考慮步法時(shí)間、測(cè)量的力和期望的力而使用“generateProfile”模塊來(lái)產(chǎn)生致動(dòng)分布。致動(dòng)器/控制器單元可以在預(yù)定頻率(例如，100Hz)接收測(cè)量的力并將其存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器(例如，緩沖器)中。使用來(lái)自一個(gè)或多個(gè)先前步態(tài)周期的測(cè)量力，致動(dòng)器/控制器單元可以基于先前步法時(shí)間的持續(xù)時(shí)間、期望力和先前測(cè)量的力來(lái)產(chǎn)生位置分布。測(cè)量的力可以基于計(jì)算最后步法的最大輔助峰值力。

致動(dòng)器/控制器單元可以實(shí)施“generateProfile”模塊，以使用測(cè)量的力來(lái)校正輔助力的位置振幅(例如，髖部位置振幅＝髖部位置振幅*期望力/測(cè)量力)。在一個(gè)實(shí)施方案中，“generateProfile”模塊可以產(chǎn)生作為具有步法時(shí)間的指定振幅和持續(xù)時(shí)間的梯形位置分布的位置分布。梯形位置分布的下降邊緣或致動(dòng)的釋放可以在步態(tài)周期的約40％處發(fā)生。作為簡(jiǎn)單分布的例子，“generateTrapezoid”模塊可以產(chǎn)生作為具有在約85％的步態(tài)周期具有斜率“s1”的上升邊緣和在約40％的步態(tài)周期具有斜率“s2”的下降邊緣的位置分布的梯形。可以通過(guò)設(shè)置“percentageOff”變量來(lái)調(diào)節(jié)梯形位置分布的下降邊緣。

表2

圖23C的致動(dòng)圖示出了致動(dòng)器在步態(tài)周期的約91％處激活或在達(dá)到最大髖部屈曲之后激活以施加期望的輔助力。注意，如前所述，由于致動(dòng)啟動(dòng)基于最大髖部屈曲角度的實(shí)時(shí)檢測(cè)，因此該百分比不是固定的，而是針對(duì)每個(gè)個(gè)體或每個(gè)活動(dòng)定制，與依賴于作為步態(tài)周期的函數(shù)的固定致動(dòng)分布的現(xiàn)有技術(shù)方法相比，這是顯著的改進(jìn)。致動(dòng)器繼續(xù)施加期望的輔助力，直到致動(dòng)的釋放時(shí)間，在圖23C中約為步態(tài)周期的30％。請(qǐng)記住，髖部控制系統(tǒng)600可以從諸如IMU等傳感器實(shí)時(shí)地接收大腿角度和大腿旋轉(zhuǎn)速度，并且基于大腿角度和大腿旋轉(zhuǎn)速度精確地應(yīng)用一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)分布。

應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，通過(guò)以這種方式確定致動(dòng)時(shí)機(jī)和持續(xù)時(shí)間，控制系統(tǒng)600可以用于避免以可能不利地影響髖關(guān)節(jié)的自然運(yùn)動(dòng)的方式致動(dòng)軟外套系統(tǒng)。換句話說(shuō)，髖部控制系統(tǒng)600的實(shí)施方案可以用于確保僅當(dāng)關(guān)節(jié)實(shí)際上經(jīng)歷期望輔助的運(yùn)動(dòng)時(shí)才提供輔助。這是對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的顯著改進(jìn)。例如，如果使用者在達(dá)到待輔助的運(yùn)動(dòng)之前突然停止，則將不會(huì)檢測(cè)到起始觸發(fā)，并且將不會(huì)發(fā)生致動(dòng)。以這種方式，例如，在突然停止之后靜止時(shí)，使用者不會(huì)遭受不必要的套裝致動(dòng)。因?yàn)閷?duì)于軟外套，當(dāng)系統(tǒng)不活動(dòng)或處于松弛模式時(shí)，即，當(dāng)控制系統(tǒng)推出線纜以確保沒(méi)有拉伸線纜時(shí)，系統(tǒng)慣性和對(duì)關(guān)節(jié)的干擾是可忽略的，使用者將不會(huì)感覺(jué)到任何可感知的力，除非系統(tǒng)啟動(dòng)致動(dòng)。由于對(duì)生物腿的顯著增加的慣性，諸如剛性系統(tǒng)等其他現(xiàn)有技術(shù)的外骨骼需要控制系統(tǒng)來(lái)通過(guò)使用諸如力控制等方法來(lái)跟蹤關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)而不產(chǎn)生力，而不是當(dāng)關(guān)節(jié)不需要力時(shí)保持不活動(dòng)而不限制正常運(yùn)動(dòng)。作為另一個(gè)例子，如果使用者突然減速，則任何不利的致動(dòng)可以僅限于所提供的輔助的持續(xù)時(shí)間，即，估計(jì)的輔助持續(xù)時(shí)間可能比實(shí)際關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間稍長(zhǎng)，導(dǎo)致為該周期提供比實(shí)際需要更長(zhǎng)的輔助。當(dāng)然，髖部控制系統(tǒng)600可以理解步法時(shí)間的顯著變化已經(jīng)發(fā)生，并且調(diào)節(jié)在后周期的持續(xù)時(shí)間，從而限制對(duì)當(dāng)前周期的任何不利影響。

此外，在各種實(shí)施方案中，髖部控制系統(tǒng)600可以被構(gòu)造成實(shí)時(shí)地檢測(cè)可以改變應(yīng)當(dāng)提供輔助的時(shí)機(jī)的事件。當(dāng)使用者在其路徑中避開(kāi)障礙物時(shí)，例如通過(guò)越過(guò)巖石或木塊，可能出現(xiàn)一種這樣的情況。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，使用者可以比正常行動(dòng)期間顯著更大地屈曲其髖部，以便清除障礙物并越過(guò)障礙物。

圖24是包括障礙物躲避檢測(cè)單元的髖部控制架構(gòu)的實(shí)施方案的示意圖。如前所述，輔助扭矩可以作為用于將大腿從屈曲(即，抬起)狀態(tài)朝著伸展(即，豎直)狀態(tài)拉伸的回復(fù)力而提供給髖部。在一個(gè)實(shí)施方案中，可以從由髖部控制器和/或IMU檢測(cè)到的最大髖部屈曲的時(shí)刻開(kāi)始施加對(duì)髖部的輔助扭矩。然而，應(yīng)當(dāng)注意，在真實(shí)世界的使用中，使用者可能需要偏離正常步行模式以在他/她的路徑中避開(kāi)障礙物，例如巖石或木塊。在越過(guò)或以其他方式移動(dòng)以避開(kāi)這種障礙物時(shí)，使用者的髖部可能過(guò)度屈曲，即，超出在步行時(shí)通常與使用者的正常運(yùn)動(dòng)范圍(ROM)相關(guān)聯(lián)的最大屈曲角度的屈曲。在這種情況下，如果髖部控制器在正常時(shí)間(即，當(dāng)檢測(cè)到典型的最大屈曲角度時(shí))啟動(dòng)髖部輔助，則軟外套可能在不合適的時(shí)間提供這種回復(fù)力，即，當(dāng)使用者過(guò)度屈曲而越過(guò)障礙物時(shí)。這可能阻礙使用者的運(yùn)動(dòng)，而不是輔助使用者的期望運(yùn)動(dòng)。

這樣，髖部控制架構(gòu)可以被構(gòu)造成經(jīng)由來(lái)自IMU的測(cè)量來(lái)檢測(cè)這種障礙物躲避運(yùn)動(dòng)，并且作為響應(yīng)，延遲何時(shí)提供髖部輔助，以避免這種阻礙。具體地，參照?qǐng)D25A、圖25B和圖25C，在各種實(shí)施方案中，可以經(jīng)由實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)由IMU收集的髖部角度數(shù)據(jù)與在多個(gè)過(guò)去步進(jìn)中測(cè)量的歷史髖部角度數(shù)據(jù)來(lái)完成障礙物躲避檢測(cè)。特別地，在正常步行期間，髖部在矢狀面中具有正常的ROM，其跨越約65度的典型最大屈曲角度和約140度的最大伸展角度，如由25A中圍繞髖部角度曲線的水平邊界線所示。該系統(tǒng)可以被構(gòu)造成作為穿戴者髖部運(yùn)動(dòng)的正常參考，計(jì)算在一系列先前步進(jìn)中(例如，在先前五個(gè)步進(jìn)中)的該ROM的運(yùn)動(dòng)平均值。

然后，對(duì)于與障礙物躲避動(dòng)作相關(guān)聯(lián)的運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)髖部角度數(shù)據(jù)。具體地，當(dāng)穿戴者向上拉動(dòng)其膝蓋(即，使其髖部過(guò)度屈曲)以使其前腿在障礙物上擺動(dòng)時(shí)，測(cè)量的髖部角度可能顯著超過(guò)與使用者的正常ROM相關(guān)聯(lián)的最大屈曲角度。這種過(guò)度屈曲的時(shí)期在圖25A中被描繪在約1.5秒(s)和約1.75s之間。這里，髖部角度已經(jīng)超過(guò)正常ROM的屈曲邊界接近35度，清楚地表明使用者正在參與將由那時(shí)施加回復(fù)力而阻礙的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)然，可以定義用于檢測(cè)障礙物躲避運(yùn)動(dòng)和延遲輔助力施加的任何合適的閾值。在一個(gè)實(shí)施方案中，這樣的閾值可以被設(shè)定為實(shí)時(shí)髖部角度測(cè)量必須超過(guò)正常ROM的最大屈曲邊界的預(yù)定百分比。例如，僅當(dāng)髖部角度超過(guò)正常屈曲邊界25％時(shí)，才可能觸發(fā)障礙物躲避調(diào)節(jié)。在一個(gè)實(shí)施方案中，這樣的閾值可以基于在過(guò)去幾個(gè)步態(tài)周期中的最大髖部角度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差。例如，當(dāng)實(shí)時(shí)髖部角度測(cè)量超過(guò)該標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)預(yù)定因子時(shí)，例如兩倍或更多倍，可以觸發(fā)障礙物躲避算法。在一個(gè)實(shí)施方案中，閾值可以是典型的使用者步態(tài)中已知的自然變量的因子。例如，在生物力學(xué)領(lǐng)域中已知的是，在正常步行條件下，使用者的ROM可以變化約3％-約4％。

因此，當(dāng)實(shí)時(shí)髖部角度測(cè)量超過(guò)該變化達(dá)預(yù)定因子(例如兩倍或更多倍)時(shí)，可以觸發(fā)障礙物躲避算法。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可能有利的是，將任何這樣的閾值定義為足夠高以避免錯(cuò)誤觸發(fā)，但是足夠低以確保在其可能顯著地負(fù)面影響性能和穿戴者的舒適性時(shí)不施加回復(fù)力。如前所述，如果通過(guò)使用諸如力控制等方法檢測(cè)到障礙物而不是當(dāng)關(guān)節(jié)不需要力時(shí)保持不活動(dòng)，則諸如剛性系統(tǒng)等其他現(xiàn)有技術(shù)的外骨骼將需要控制系統(tǒng)來(lái)跟蹤關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)而不產(chǎn)生力。

在檢測(cè)到障礙物躲避運(yùn)動(dòng)之后，髖部輔助可以延遲任何合適的持續(xù)時(shí)間。在一個(gè)實(shí)施方案中，系統(tǒng)600可以被構(gòu)造成延遲輔助，直到髖部在正常ROM的界限內(nèi)返回，如圖25B和圖25C所示。特別地，參照?qǐng)D25A，注意在該圖中，髖部角度在約1.5s處超過(guò)正常ROM屈曲邊界。然后，髖部角度在約1.6s處達(dá)到峰值(即，最大過(guò)度屈曲)，并在約1.75s處返回到正常ROM的界限內(nèi)。正是在這個(gè)時(shí)候，當(dāng)髖部角度返回到正常ROM的界限內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)命令在軟外套中的相應(yīng)髖部輔助線纜(例如，連接腰帶和大腿包裹物的線纜)的致動(dòng)，如圖25C所示。這又導(dǎo)致線纜在髖部周?chē)┘恿?，如圖25B所示。在一個(gè)實(shí)施方案中，系統(tǒng)可以被構(gòu)造成延遲輔助，直到相應(yīng)的腿在被穿越的障礙物的遠(yuǎn)側(cè)上向下觸地。這可以經(jīng)由在過(guò)度屈曲后檢測(cè)相應(yīng)腿的腳跟著地來(lái)確定。這種方法一方面可以提供回復(fù)力不在不適宜時(shí)間施加的進(jìn)一步保證，但是另一方面，當(dāng)可能需要時(shí)，可以延遲超過(guò)臨界時(shí)間的輔助，即，隨著穿戴者使用那條腿將其身體越過(guò)障礙物。當(dāng)然，本公開(kāi)不旨在限制于在檢測(cè)到障礙物躲避運(yùn)動(dòng)時(shí)可以延遲髖部輔助的任何特定持續(xù)時(shí)間。

下表3是髖部控制算法，其在最大大腿屈曲時(shí)觸發(fā)致動(dòng)，并且在垂直大腿位置處停止致動(dòng)。低水平控制是位置控制梯形分布。基于在先前步進(jìn)中測(cè)量的峰值力，每次步進(jìn)調(diào)節(jié)輔助可以作為峰值位置的幅度。在大腿過(guò)度屈曲的情況下，致動(dòng)開(kāi)始的時(shí)機(jī)被延遲。輔助力的大小也基于受試者的步行速度、重量來(lái)適配。

表3

盡管前面的描述是在經(jīng)由與激活臀大肌和腿筋相關(guān)聯(lián)的力來(lái)提供輔助髖部扭矩的上下文中討論的，但是應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，可以提供類(lèi)似的控制系統(tǒng)，用于經(jīng)由以類(lèi)似方式激活其他腿部肌肉，例如四頭肌。

在各種實(shí)施方案中，控制系統(tǒng)可以被構(gòu)造成利用髖部角度和旋轉(zhuǎn)速度測(cè)量以在四頭肌激活期間(即，在相反方向上，可能通過(guò)致動(dòng)沿著大腿前面而不是后面引導(dǎo)的鮑登線，如在圖12B的上下文中所描述的)來(lái)提供輔助扭矩)。

用于輔助循環(huán)性踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的示例性控制系統(tǒng)

圖26是踝部控制系統(tǒng)700的實(shí)施方案的示意圖，其在移動(dòng)期間輔助踝關(guān)節(jié)，同時(shí)保持充分性能。踝部控制系統(tǒng)700可以被構(gòu)造成向使用者的踝部提供輔助扭矩，以輔助在諸如步行、跑步和跳躍等行動(dòng)活動(dòng)期間的循環(huán)性踝部跖屈運(yùn)動(dòng)。為此，踝部控制系統(tǒng)700的各種實(shí)施方案可以結(jié)合圖12C、圖12D和圖12E的外套系統(tǒng)使用，以及適于輔助使用者踝部的跖屈運(yùn)動(dòng)的任何其他構(gòu)造。

參照?qǐng)D27，在步態(tài)周期中的30-60％期間，外套在踝部與下層肌肉處同時(shí)產(chǎn)生力矩，其對(duì)于給定的腿從一個(gè)腳跟著地延伸到下一個(gè)腳跟著地。在步態(tài)的這個(gè)階段，小腿肌肉和腱將身體向上和向前推動(dòng)。最初，隨著身體的質(zhì)心向下和向前落在貼附的腳上，小腿通過(guò)拉伸吸收功率。在步態(tài)周期中的約50％之后，隨著腱和韌帶彈性回彈，吸收的功率返回到身體。小腿和髖部的肌肉主動(dòng)收縮，以用額外的能量補(bǔ)充這種返回的功率。

控制方法可以以類(lèi)似的方式表現(xiàn)，并且可以允許不同的策略以通過(guò)實(shí)時(shí)地檢測(cè)步態(tài)事件以估計(jì)何時(shí)從功率吸收轉(zhuǎn)換到產(chǎn)生的這種方式來(lái)吸收和傳遞功率：通過(guò)將致動(dòng)器保持在初始固定長(zhǎng)度(預(yù)張力)，外套自身伸展，并且套裝下面的組織隨著身體向前傾斜而壓縮。這在套裝中引起張力并吸收來(lái)自身體的功率。在生物功率吸收的時(shí)期之后，套裝彈性回縮，從而將能量返回到身體。這通過(guò)致動(dòng)器來(lái)補(bǔ)充，在步態(tài)周期中的開(kāi)始點(diǎn)提供主動(dòng)力，其中生物踝關(guān)節(jié)從功率吸收階段變化到功率產(chǎn)生，以向上和向前推進(jìn)身體。

踝部控制系統(tǒng)700至少部分地基于在同一步進(jìn)內(nèi)檢測(cè)腳跟著地和速度相關(guān)事件來(lái)產(chǎn)生輔助。因此，踝部控制系統(tǒng)700可以包括一個(gè)或多個(gè)傳感器，其被構(gòu)造成測(cè)量踝部的角速度(“旋轉(zhuǎn)傳感器”)，如先前在圖14B的上下文中所解釋的。在各種實(shí)施方案中，傳感器可以包括定位和構(gòu)造在外套上的兩個(gè)或更多個(gè)陀螺儀，以便實(shí)時(shí)地檢測(cè)腳跟著地和測(cè)量踝部速度。

為此，在各種實(shí)施方案中，踝部控制系統(tǒng)700可以被構(gòu)造成監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)測(cè)量，以檢測(cè)站姿跖屈運(yùn)動(dòng)的開(kāi)始，即，當(dāng)踝部在腳跟著地之后首先從站姿背屈運(yùn)動(dòng)改變到站姿跖屈運(yùn)動(dòng)。踝部控制系統(tǒng)700可以被構(gòu)造成利用前述的任何示例性方法或任何其他合適的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，踝部控制系統(tǒng)700可以首先監(jiān)測(cè)來(lái)自陀螺儀(或IMU或其他合適的傳感器)的實(shí)時(shí)測(cè)量，以檢測(cè)腳跟著地，從而確保腳部在地面上并經(jīng)歷“站姿”運(yùn)動(dòng)。踝部控制系統(tǒng)700可以繼續(xù)監(jiān)測(cè)踝部角速度的實(shí)時(shí)測(cè)量，以檢測(cè)測(cè)量的踝部角速度中的零交點(diǎn)，從而指示踝關(guān)節(jié)已經(jīng)停止站姿背屈運(yùn)動(dòng)并開(kāi)始站姿跖屈運(yùn)動(dòng)。

踝部控制系統(tǒng)700可以進(jìn)一步被構(gòu)造成估計(jì)踝部站姿跖屈運(yùn)動(dòng)的持續(xù)時(shí)間，并且因此估計(jì)應(yīng)當(dāng)提供輔助的持續(xù)時(shí)間。踝部控制系統(tǒng)700可以被構(gòu)造成利用前述的任何示例性方法或任何其他合適的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。為此，在一個(gè)實(shí)施方案中，踝部控制系統(tǒng)700可以被構(gòu)造成估計(jì)使用者的當(dāng)前步法時(shí)間，以估計(jì)踝關(guān)節(jié)到達(dá)運(yùn)動(dòng)站姿跖屈運(yùn)動(dòng)的結(jié)束所需的時(shí)間。以類(lèi)似于髖部控制系統(tǒng)600可以使用髖部角度緩沖器來(lái)確定步法時(shí)間的方式，踝部控制系統(tǒng)700可以使用站姿踝部速度緩沖器來(lái)確定步法時(shí)間。特別地，因?yàn)轷撞拷撬俣葴y(cè)量在已知頻率(例如，100Hz)下被采樣，所以在連續(xù)的腳跟著地檢測(cè)之間進(jìn)行的站姿踝部角速度測(cè)量的數(shù)量與在所述時(shí)段期間經(jīng)過(guò)的時(shí)間直接相關(guān)。也就是說(shuō)，可以通過(guò)用取得的站姿踝部角速度測(cè)量的數(shù)量除以采樣頻率來(lái)計(jì)算步法時(shí)間。在腳跟著地的每次檢測(cè)時(shí)，可以計(jì)算步法時(shí)間，并且從存儲(chǔ)器中刷新存儲(chǔ)的站姿踝部角速度數(shù)據(jù)，使得可以在隨后的周期中重復(fù)該過(guò)程。然后，可以使用步法時(shí)間(先前周期的步法時(shí)間或者多個(gè)先前周期的步法時(shí)間的平均值)來(lái)估計(jì)前述的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間。

在各種實(shí)施方案中，踝部控制系統(tǒng)700可以被構(gòu)造成利用前述的任何示例性方法或任何其他合適的方法來(lái)確定期望的峰值力以及用于產(chǎn)生期望峰值力的相關(guān)聯(lián)的線纜位置。例如，踝部控制系統(tǒng)700可以被編程為在外套中傳遞約300N的基線峰值力以輔助站姿踝部跖屈運(yùn)動(dòng)。當(dāng)然，該基線力可以被調(diào)節(jié)以考慮任何數(shù)量的因素，例如先前在圖18A、圖18B和圖18C的上下文中所述的空間-時(shí)間因素(例如，行動(dòng)速度)，或者使用者的重量/負(fù)荷等等，如前所述。然后，踝部控制系統(tǒng)700可以利用前述的基于力的位置算法或任何其他合適的方法來(lái)確定用于傳遞期望峰值力的適當(dāng)線纜位置。

另外或可選擇地，在各種實(shí)施方案中，踝部控制系統(tǒng)700可以利用基于功率的位置控制算法來(lái)確定用于將期望的積分功率傳遞到髖關(guān)節(jié)的適當(dāng)線纜位置，如前所述?？梢哉{(diào)節(jié)期望功率以考慮任何數(shù)量的因素，例如先前在圖18A、圖18B和圖18C的上下文中所述的空間-時(shí)間因素(例如，行動(dòng)速度)，或者使用者的重量/負(fù)荷等等，如前所述。

在一個(gè)實(shí)施方案中，然后，踝部控制系統(tǒng)700可以確定在先前周期期間由外套系統(tǒng)100傳遞到踝關(guān)節(jié)的實(shí)際積分功率，作為在先前周期期間所提供的輔助中產(chǎn)生的力和踝關(guān)節(jié)的角速度的函數(shù)。存在兩個(gè)不同的間隔，其中在站姿階段期間生物踝部功率是負(fù)的(步態(tài)周期的30％～50％)和正的(步態(tài)周期的50％～70％)。積分正功率和積分負(fù)功率可以根據(jù)式(5a)和式(5b)計(jì)算，并且相應(yīng)的有效和預(yù)拉伸線纜位置可以分別根據(jù)式(6a)和式(6b)計(jì)算。

應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，通過(guò)以這種方式確定致動(dòng)時(shí)機(jī)和持續(xù)時(shí)間，控制系統(tǒng)700可以用于避免以可能不利地影響踝關(guān)節(jié)的自然運(yùn)動(dòng)的方式致動(dòng)軟外套系統(tǒng)100。換句話說(shuō)，踝部控制系統(tǒng)700的實(shí)施方案可以用于確保僅當(dāng)關(guān)節(jié)實(shí)際上經(jīng)歷期望輔助的運(yùn)動(dòng)時(shí)才提供輔助。這是對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的顯著改進(jìn)。例如，如果使用者在站姿背屈運(yùn)動(dòng)期間突然停止，則將檢測(cè)腳跟著地以及可能隨后的零踝部速度；然而如果踝部不繼續(xù)進(jìn)行站姿跖屈運(yùn)動(dòng)，則可能不發(fā)生零交點(diǎn)。在這種情況下，不會(huì)發(fā)生完全起始觸發(fā)，并且將不會(huì)啟動(dòng)致動(dòng)。類(lèi)似地，如果使用者在跖屈運(yùn)動(dòng)期間突然停止，則將檢測(cè)起始觸發(fā)并且可以開(kāi)始致動(dòng)；然而，它將在停止期間站姿跖屈運(yùn)動(dòng)停止時(shí)立即停止。以這種方式，例如，在突然停止之后靜止時(shí)，使用者不會(huì)遭受不必要的套裝致動(dòng)。作為另一個(gè)例子，如果使用者突然減速，則任何不利的致動(dòng)可以僅限于所提供的輔助的持續(xù)時(shí)間，即，估計(jì)的輔助持續(xù)時(shí)間可能比實(shí)際的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間稍長(zhǎng)，導(dǎo)致為該周期提供比實(shí)際需要更長(zhǎng)的輔助。當(dāng)然，踝部控制系統(tǒng)700可以理解步法時(shí)間的顯著變化已經(jīng)發(fā)生，并且調(diào)節(jié)在后周期的持續(xù)時(shí)間，從而限制對(duì)當(dāng)前周期的任何不利影響。

在各種實(shí)施方案中，踝部控制系統(tǒng)700可以進(jìn)一步被構(gòu)造成除了上述正功率輔助之外還向踝部提供負(fù)功率輔助。在生物力學(xué)上，在步態(tài)周期期間，踝關(guān)節(jié)有明顯的負(fù)功率間隔和正功率間隔。圖28A、圖28B和圖28C示出了預(yù)張力和作用力區(qū)域。

圖29A、圖29B和圖29C示出了關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)、命令的線纜位置和所得到的力/功率之間的關(guān)系。在各種實(shí)施方案中，踝部控制系統(tǒng)700可以被構(gòu)造成將線纜保持在預(yù)拉伸位置，使得踝關(guān)節(jié)的站姿背屈運(yùn)動(dòng)使軟外套在相反方向上施加扭矩，從而在站姿背屈運(yùn)動(dòng)期間在踝關(guān)節(jié)中產(chǎn)生負(fù)功率。該負(fù)功率可以用于預(yù)拉伸踝關(guān)節(jié)以及線纜，以增強(qiáng)在隨后的推進(jìn)姿態(tài)跖屈階段期間提供的輔助的有效性。如圖29A所示，在零交點(diǎn)之前傳遞的力將有助于踝關(guān)節(jié)的負(fù)功率；并且在零交點(diǎn)之后施加的力將有助于踝部正功率。如圖29D和圖29E所示，踝部控制系統(tǒng)700施加預(yù)張力，其指的是在零交點(diǎn)之前在踝部控制系統(tǒng)700保持電機(jī)位置的同時(shí)由步態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)被動(dòng)產(chǎn)生的力，并且產(chǎn)生主動(dòng)力，其指的是通過(guò)在零交點(diǎn)之后拉動(dòng)電機(jī)主動(dòng)產(chǎn)生的力。通過(guò)獨(dú)立地控制預(yù)張力和主動(dòng)力的峰值，踝部控制系統(tǒng)可以獨(dú)立地控制施加到踝部的正和負(fù)功率。

步態(tài)周期開(kāi)始于腳跟撞擊地面。腳跟著地接觸可以通過(guò)腳踏開(kāi)關(guān)和/或使用踝部控制系統(tǒng)的腳和/或脛骨陀螺儀來(lái)檢測(cè)。當(dāng)在關(guān)閉階段期間腳樞轉(zhuǎn)并且腳跟抬離地面時(shí)，腳和脛骨的兩個(gè)陀螺儀被用于實(shí)時(shí)地測(cè)量踝關(guān)節(jié)速度。如圖29A和圖29E所示，在踝部套裝力圖中的階段1處，相對(duì)較慢的被動(dòng)力增加以提供負(fù)功率阻力。在零交點(diǎn)之后，并且在階段2處，相對(duì)較快的力上升提供正功率輔助，如圖29A和圖29E所示。隨后，在擺動(dòng)階段期間不提供力。在一個(gè)實(shí)施方案中，踝部控制系統(tǒng)可以在腳跟著地之后的第二后續(xù)的零交點(diǎn)監(jiān)測(cè)踝部速度，作為何時(shí)停止正功率輔助的指示。第二零交點(diǎn)對(duì)應(yīng)于在推動(dòng)之后的擺動(dòng)階段期間踝部返回到正常位置。

使用踝部控制系統(tǒng)700的好處之一是，傳遞輔助基于實(shí)時(shí)測(cè)量，而不是使用關(guān)于先前步進(jìn)的信息或基于步態(tài)％定義輔助分布。踝部控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)地適應(yīng)速度和不同生物力學(xué)活動(dòng)的變化，而不必依賴于過(guò)去的信息。此外，控制還在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間施加力，而不是過(guò)期地施加力。

盡管當(dāng)然可以想到的是，可以響應(yīng)于檢測(cè)到障礙物躲避運(yùn)動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)踝部輔助的時(shí)機(jī)和幅度，但是應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，在各種實(shí)施方案中，這樣的調(diào)節(jié)可能不是必要的以避免不適當(dāng)?shù)厥┘踊貜?fù)力。如前所述，根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施方案的踝部輔助可以通過(guò)檢測(cè)腳跟著地來(lái)觸發(fā)，并且繼續(xù)通過(guò)隨后的跖屈屈曲旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這通常不會(huì)在障礙物躲避運(yùn)動(dòng)期間發(fā)生，直到相應(yīng)的腿已經(jīng)在障礙物上擺動(dòng)并且已經(jīng)在遠(yuǎn)側(cè)上的地面上觸地。因此，如所配置的踝部控制系統(tǒng)將不施加輔助力，直到障礙物已經(jīng)被相應(yīng)的腿清除并且再次需要輔助力以向前推動(dòng)使用者。

下表4示出了控制器單元可以如何以預(yù)定頻率(例如，100Hz，或適合于以足夠保真度監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)以提供定制輔助的任何頻率)來(lái)接收踝部角速度數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器(例如，緩沖器)中。控制器單元可以使用所示的“isHeelStrike”模塊從該數(shù)據(jù)檢測(cè)腳跟著地，并且可以使用所示的“detectZeroCrossing”模塊來(lái)檢測(cè)第一零交點(diǎn)。如果當(dāng)前的踝部角速度大于零(即，具有與跖屈運(yùn)動(dòng)相關(guān)的符號(hào))并且先前角速度小于閾值(即，具有與背屈運(yùn)動(dòng)相關(guān)的符號(hào))，則“detectZeroCrossing”模塊返回真邏輯值；否則，模塊返回假邏輯值。在一個(gè)實(shí)施方案中，相應(yīng)的真邏輯值可以被解釋為指示站姿跖屈輔助應(yīng)該開(kāi)始的起始觸發(fā)。

仍然參照表4，踝部控制系統(tǒng)700可以確定在表4中被稱(chēng)為ANKLE_OFFSET的適當(dāng)線纜位置，在該位置處線纜可以被定位成在背屈運(yùn)動(dòng)期間在踝部上產(chǎn)生期望的預(yù)張力(或期望的積分負(fù)功率或“INP“)。如圖所示，基于功率的位置算法可以用于通過(guò)期望的INP與當(dāng)前INP的比值來(lái)調(diào)節(jié)該預(yù)拉伸的線纜位置，以便在背屈運(yùn)動(dòng)期間向踝部傳遞期望的積分負(fù)功率。同樣，踝關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)700可以確定在表4中被稱(chēng)為positionAnkleAmplitude的適當(dāng)線纜位置，在該位置處線纜可以被定位成在站姿跖屈運(yùn)動(dòng)期間在踝部上產(chǎn)生期望的力(或期望的積分正功率，或“IPP”)。如圖所示，基于功率的位置算法可以用于通過(guò)期望的IPP與測(cè)量的IPP的比值來(lái)調(diào)節(jié)用于輔助站姿跖屈的線纜位置，以便在站姿跖屈運(yùn)動(dòng)期間向踝部傳遞期望的積分正功率。

表4

請(qǐng)記住，如前所述，諸如四頭肌等髖屈肌在踝部站姿跖屈推壓運(yùn)動(dòng)期間也可能是最活躍的。因此，踝部控制系統(tǒng)700可以被修改以用于控制外套的各種實(shí)施方案，以提供髖部屈曲輔助，從而輔助向前推進(jìn)使用者。踝部控制系統(tǒng)700還可以用于結(jié)合被構(gòu)造成在踝部和髖部之間傳遞致動(dòng)負(fù)荷的外套的實(shí)施方案來(lái)同時(shí)控制對(duì)相應(yīng)髖關(guān)節(jié)提供屈曲輔助，如圖12D和圖12E所示的。

在各種實(shí)施方案中，可以為使用者的每個(gè)腿使用單獨(dú)的控制器。也就是說(shuō)，控制器L可以主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)和向左腿的一個(gè)或多個(gè)關(guān)節(jié)提供輔助運(yùn)動(dòng)，并且單獨(dú)的控制器R可以主要負(fù)責(zé)右腿的關(guān)節(jié)。這些控制器可以完全彼此獨(dú)立地起作用，或者可以以任何合適的程度彼此通訊。在一個(gè)實(shí)施方案中，控制器L和R可以傳遞來(lái)自其相應(yīng)測(cè)力傳感器的負(fù)荷信息，例如，使得系統(tǒng)可以比較兩個(gè)負(fù)荷信息并且如果需要的話調(diào)節(jié)施加到每個(gè)腿上的輔助力以彼此平衡。在一個(gè)實(shí)施方案中，可以交換基本上更多的信息；特別地，如果腿(或其關(guān)節(jié))的功能不對(duì)稱(chēng)，這可能影響待提供給相對(duì)腿的輔助。當(dāng)然，單個(gè)控制器也可以處理所有控制。

髖部和踝部控制系統(tǒng)和方法的示例性實(shí)施方案

在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，提供了一種輔助髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的方法，包括：確定在使用者的當(dāng)前步態(tài)周期期間將由可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)產(chǎn)生的期望峰值力；產(chǎn)生致動(dòng)分布，根據(jù)所述致動(dòng)分布來(lái)致動(dòng)所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)，以產(chǎn)生所述期望峰值力或積分功率；監(jiān)測(cè)髖關(guān)節(jié)的角度的實(shí)時(shí)測(cè)量，以檢測(cè)髖關(guān)節(jié)何時(shí)達(dá)到最大屈曲角度；和響應(yīng)于檢測(cè)到髖關(guān)節(jié)的角度已經(jīng)達(dá)到最大屈曲角度，根據(jù)所述致動(dòng)分布來(lái)致動(dòng)所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)，以輔助使用者的髖關(guān)節(jié)的伸展運(yùn)動(dòng)。在一些實(shí)施方案中，所述期望峰值力是預(yù)定基線力。在一些實(shí)施方案中，所述致動(dòng)分布限定所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)的致動(dòng)器的位置，所述致動(dòng)器被構(gòu)造成在使用者的當(dāng)前步態(tài)周期中的給定點(diǎn)處在所述致動(dòng)器可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)中產(chǎn)生相應(yīng)的力。在一些實(shí)施方案中，所述致動(dòng)分布基本上是梯形形狀，從而提供具有由所述期望峰值力限定的峰值的基本上三角形的力分布。在一些實(shí)施方案中，所述致動(dòng)輔助身體關(guān)節(jié)的伸展運(yùn)動(dòng)。在一些實(shí)施方案中，所述致動(dòng)分布基本上是梯形形狀，從而提供具有由所述期望峰值力限定的峰值的基本上三角形的力分布。

在一些實(shí)施方案中，確定期望峰值力還包括：至少部分地基于髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍和使用者的相應(yīng)腿的長(zhǎng)度的測(cè)量來(lái)估計(jì)使用者正在移動(dòng)的速度以及通過(guò)與使用者正在移動(dòng)的估計(jì)速度相關(guān)聯(lián)的預(yù)定校正因子來(lái)調(diào)節(jié)預(yù)定力。在一些實(shí)施方案中，估計(jì)使用者正在移動(dòng)的速度還包括：從髖關(guān)節(jié)的角度或旋轉(zhuǎn)速度中的至少一個(gè)的測(cè)量確定使用者的髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍，基于使用者的運(yùn)動(dòng)范圍和腿長(zhǎng)度來(lái)估計(jì)使用者的步進(jìn)長(zhǎng)度，監(jiān)測(cè)髖關(guān)節(jié)的角度的測(cè)量以確定使用者的步進(jìn)時(shí)間，以及通過(guò)將步進(jìn)長(zhǎng)度除以步進(jìn)時(shí)間來(lái)計(jì)算使用者正在移動(dòng)的估計(jì)速度。在一些實(shí)施方案中，所述預(yù)定校正因子與以各種速度作用在髖關(guān)節(jié)上的不同生理力矩相關(guān)聯(lián)。

在一些實(shí)施方案中，產(chǎn)生致動(dòng)分布還包括：測(cè)量由使用者的至少一個(gè)先前步態(tài)周期期間由所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)產(chǎn)生的峰值力，將在所述至少一個(gè)先前步態(tài)周期期間產(chǎn)生的測(cè)量峰值力與在所述至少一個(gè)先前步態(tài)周期期間將要產(chǎn)生的期望峰值力進(jìn)行比較，以及調(diào)節(jié)所述致動(dòng)分布的振幅以考慮在所述至少一個(gè)先前步態(tài)周期期間產(chǎn)生的測(cè)量峰值力和期望峰值力之間的差異。在一些實(shí)施方案中，所述致動(dòng)器的位置從第一位置增加到第二位置，第二位置被構(gòu)造成在所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)中產(chǎn)生所述期望峰值力。在一些實(shí)施方案中，在至少部分地基于關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)測(cè)量的觸發(fā)事件的檢測(cè)時(shí)發(fā)生致動(dòng)器位置的增加。在一些實(shí)施方案中，對(duì)于所述致動(dòng)分布的大部分保持第二位置。在一些實(shí)施方案中，所述致動(dòng)器的位置隨后從第二位置減小。

在一些實(shí)施方案中，所述方法還包括在身體關(guān)節(jié)的測(cè)量角度達(dá)到預(yù)定角度時(shí)，終止所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)的致動(dòng)，其中所述預(yù)定角度是對(duì)應(yīng)于當(dāng)使用者的腿部在當(dāng)前步態(tài)周期期間基本上垂直于地面定向時(shí)的關(guān)節(jié)角度。在一些實(shí)施方案中，所述方法還包括基于先前步態(tài)周期的步法時(shí)間估計(jì)在致動(dòng)的開(kāi)始和步態(tài)周期的預(yù)定百分比之間經(jīng)過(guò)的時(shí)間段，以及在所述時(shí)間段的結(jié)束時(shí)終止致動(dòng)，其中所述預(yù)定百分比是所述步法時(shí)間的約40％。

在一些實(shí)施方案中，所述方法還包括：在多個(gè)先前步態(tài)周期中確定髖關(guān)節(jié)的平均最大屈曲角度，檢測(cè)在當(dāng)前步態(tài)周期期間髖關(guān)節(jié)的角度已經(jīng)超過(guò)所述多個(gè)先前步態(tài)周期中的平均最大屈曲角度達(dá)預(yù)定閾值，以及延遲致動(dòng)的開(kāi)始，直到在當(dāng)前步態(tài)周期期間髖關(guān)節(jié)的角度返回到在先前步態(tài)周期中的平均最大屈曲角度以下。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，提供了一種用于對(duì)使用者的髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)輔助的可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)，包括：至少一個(gè)傳感器，其適于監(jiān)測(cè)髖關(guān)節(jié)的角度的實(shí)時(shí)測(cè)量，以檢測(cè)髖關(guān)節(jié)何時(shí)達(dá)到最大屈曲角度；和至少一個(gè)處理器，其適于獲得存儲(chǔ)在非暫時(shí)性介質(zhì)上的計(jì)算機(jī)可執(zhí)行命令，所述計(jì)算機(jī)可執(zhí)行命令在由所述至少一個(gè)處理器執(zhí)行時(shí)使所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)：確定在使用者的當(dāng)前步態(tài)周期期間將由所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)產(chǎn)生的期望峰值力；產(chǎn)生致動(dòng)分布，根據(jù)所述致動(dòng)分布來(lái)致動(dòng)所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)，以產(chǎn)生所述期望峰值力；檢測(cè)髖關(guān)節(jié)的角度何時(shí)達(dá)到最大屈曲角度；和響應(yīng)于檢測(cè)到髖關(guān)節(jié)已經(jīng)達(dá)到最大屈曲角度，根據(jù)所述致動(dòng)分布來(lái)致動(dòng)所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)，以輔助使用者的髖關(guān)節(jié)的伸展運(yùn)動(dòng)。在一些實(shí)施方案中，所述期望峰值力是預(yù)定基線力。在一些實(shí)施方案中，所述致動(dòng)輔助身體關(guān)節(jié)的伸展運(yùn)動(dòng)。在一些實(shí)施方案中，所述計(jì)算機(jī)可執(zhí)行命令在由所述至少一個(gè)處理器執(zhí)行時(shí)使所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)在多個(gè)先前步態(tài)周期中確定髖關(guān)節(jié)的平均最大屈曲角度，檢測(cè)在當(dāng)前步態(tài)周期期間髖關(guān)節(jié)的角度已經(jīng)超過(guò)所述多個(gè)先前步態(tài)周期中的平均最大屈曲角度達(dá)預(yù)定閾值，以及延遲致動(dòng)的開(kāi)始，直到在當(dāng)前步態(tài)周期期間髖關(guān)節(jié)的角度返回到在先前步態(tài)周期中的平均最大屈曲角度以下。

在一些實(shí)施方案中，所述計(jì)算機(jī)可執(zhí)行命令在由所述至少一個(gè)處理器執(zhí)行時(shí)使所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)通過(guò)進(jìn)行至少以下操作來(lái)確定期望峰值力：至少部分地基于髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍和使用者的相應(yīng)腿的長(zhǎng)度的測(cè)量來(lái)估計(jì)使用者正在移動(dòng)的速度，以及通過(guò)與使用者正在移動(dòng)的估計(jì)速度相關(guān)聯(lián)的預(yù)定校正因子來(lái)調(diào)節(jié)預(yù)定力。在一些實(shí)施方案中，所述計(jì)算機(jī)可執(zhí)行命令在由所述至少一個(gè)處理器執(zhí)行時(shí)使所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)通過(guò)進(jìn)行至少以下操作來(lái)估計(jì)使用者的速度：從髖關(guān)節(jié)的角度或旋轉(zhuǎn)速度中的至少一個(gè)的測(cè)量來(lái)確定使用者的髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍，基于使用者的運(yùn)動(dòng)范圍和腿長(zhǎng)度來(lái)估計(jì)使用者的步進(jìn)長(zhǎng)度，監(jiān)測(cè)髖關(guān)節(jié)的角度的測(cè)量以確定使用者的步進(jìn)時(shí)間，以及通過(guò)將步進(jìn)長(zhǎng)度除以步進(jìn)時(shí)間來(lái)計(jì)算使用者正在移動(dòng)的估計(jì)速度。在一些實(shí)施方案中，所述預(yù)定校正因子與以各種速度作用在髖關(guān)節(jié)上的不同生理力矩相關(guān)聯(lián)。

在一些實(shí)施方案中，所述計(jì)算機(jī)可執(zhí)行命令在由所述至少一個(gè)處理器執(zhí)行時(shí)使所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)通過(guò)進(jìn)行至少以下操作來(lái)產(chǎn)生致動(dòng)分布：使用至少一個(gè)第二傳感器測(cè)量在使用者的至少一個(gè)先前步態(tài)周期期間由所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)產(chǎn)生的峰值力，將在所述至少一個(gè)先前步態(tài)周期期間產(chǎn)生的測(cè)量峰值力與在所述至少一個(gè)先前步態(tài)周期期間將要產(chǎn)生的期望峰值力進(jìn)行比較，以及調(diào)節(jié)所述致動(dòng)分布的振幅以考慮在所述至少一個(gè)先前步態(tài)周期期間產(chǎn)生的測(cè)量峰值力和期望峰值力之間的差異。在一些實(shí)施方案中，所述致動(dòng)器的位置從第一位置增加到第二位置，并且其中所述致動(dòng)器的第二位置在所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)中產(chǎn)生所述期望峰值力。在一些實(shí)施方案中，在至少部分地基于關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)測(cè)量的觸發(fā)事件的檢測(cè)時(shí)發(fā)生致動(dòng)器位置的增加。在一些實(shí)施方案中，對(duì)于所述致動(dòng)分布的大部分保持第二位置。在一些實(shí)施方案中，所述致動(dòng)器的位置隨后從第二位置減小。

在一些實(shí)施方案中，所述計(jì)算機(jī)可執(zhí)行命令在由所述至少一個(gè)處理器執(zhí)行時(shí)使所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)在身體關(guān)節(jié)的測(cè)量角度達(dá)到預(yù)定角度時(shí)，終止所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)的致動(dòng)。在一些實(shí)施方案中，所述預(yù)定角度是對(duì)應(yīng)于當(dāng)使用者的腿部在當(dāng)前步態(tài)周期期間基本上垂直于地面定向時(shí)的關(guān)節(jié)角度。

在一些實(shí)施方案中，所述計(jì)算機(jī)可執(zhí)行命令在由所述至少一個(gè)處理器執(zhí)行時(shí)使所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)：基于先前步態(tài)周期的步法時(shí)間估計(jì)在致動(dòng)的開(kāi)始和步態(tài)周期的預(yù)定百分比之間經(jīng)過(guò)的時(shí)間段，并且在所述時(shí)間段的結(jié)束時(shí)終止致動(dòng)。在一些實(shí)施方案中，所述預(yù)定百分比是所述步法時(shí)間的約40％。

在一些實(shí)施方案中，所述系統(tǒng)還包括致動(dòng)器，其被構(gòu)造成在使用者的當(dāng)前步態(tài)周期中的給定點(diǎn)處在所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)中產(chǎn)生相應(yīng)的力，其中所述致動(dòng)分布限定所述致動(dòng)器的位置。在一些實(shí)施方案中，所述致動(dòng)分布基本上是梯形形狀，從而提供具有由所述期望峰值力限定的峰值的基本上三角形的力分布。

在一些實(shí)施方案中，公開(kāi)了一種輔助踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的方法，包括：確定在使用者的當(dāng)前步態(tài)周期期間將由可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)產(chǎn)生的期望峰值力；產(chǎn)生致動(dòng)分布，根據(jù)所述致動(dòng)分布可致動(dòng)所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)以將期望峰值力傳遞到使用者的身體；檢測(cè)使用者的腳跟著地；監(jiān)測(cè)使用者踝部的旋轉(zhuǎn)速度的實(shí)時(shí)測(cè)量，以檢測(cè)在腳跟著地的檢測(cè)之后踝關(guān)節(jié)的測(cè)量旋轉(zhuǎn)速度的方向的第一變化；和響應(yīng)于檢測(cè)到踝關(guān)節(jié)的測(cè)量旋轉(zhuǎn)速度的方向的第一變化，根據(jù)所述致動(dòng)分布來(lái)致動(dòng)所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)，以輔助使用者的踝關(guān)節(jié)的跖屈運(yùn)動(dòng)。在一些實(shí)施方案中，所述期望峰值力是預(yù)定基線力。在一些實(shí)施方案中，所述致動(dòng)分布限定所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)的致動(dòng)器的位置，所述致動(dòng)器被構(gòu)造成在使用者的當(dāng)前步態(tài)周期中的給定點(diǎn)處在所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)中產(chǎn)生相應(yīng)的力。在一些實(shí)施方案中，通過(guò)所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)的致動(dòng)在踝關(guān)節(jié)周?chē)a(chǎn)生的所得到的扭矩與踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)協(xié)同起作用，從而向踝關(guān)節(jié)施加正功率，以輔助踝關(guān)節(jié)的跖屈運(yùn)動(dòng)。在一些實(shí)施方案中，所得到的扭矩有助于向前推進(jìn)使用者。

在一些實(shí)施方案中，確定期望峰值力還包括：至少部分地基于髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍和使用者的相應(yīng)腿的長(zhǎng)度的測(cè)量來(lái)估計(jì)使用者正在移動(dòng)的速度，以及通過(guò)與使用者正在移動(dòng)的估計(jì)速度相關(guān)聯(lián)的預(yù)定校正因子來(lái)調(diào)節(jié)預(yù)定力。在一些實(shí)施方案中，所述預(yù)定校正因子與以各種速度作用在踝關(guān)節(jié)上的變化的生理力矩相關(guān)聯(lián)。在一些實(shí)施方案中，估計(jì)使用者正在移動(dòng)的速度還包括：從髖關(guān)節(jié)的角度或旋轉(zhuǎn)速度中的至少一個(gè)的測(cè)量確定使用者的髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍，基于使用者的運(yùn)動(dòng)范圍和腿長(zhǎng)度來(lái)估計(jì)使用者的步進(jìn)長(zhǎng)度，監(jiān)測(cè)髖關(guān)節(jié)的角度的測(cè)量以確定使用者的步進(jìn)時(shí)間，以及通過(guò)將步進(jìn)長(zhǎng)度除以步進(jìn)時(shí)間來(lái)計(jì)算使用者正在移動(dòng)的估計(jì)速度。

在一些實(shí)施方案中，產(chǎn)生致動(dòng)分布還包括：測(cè)量由使用者的至少一個(gè)先前步態(tài)周期期間由所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)產(chǎn)生的峰值力，將在所述至少一個(gè)先前步態(tài)周期期間產(chǎn)生的測(cè)量峰值力與在所述至少一個(gè)先前步態(tài)周期期間將要產(chǎn)生的期望峰值力進(jìn)行比較，以及調(diào)節(jié)所述致動(dòng)分布的振幅以考慮在所述至少一個(gè)先前步態(tài)周期期間產(chǎn)生的測(cè)量峰值力和期望峰值力之間的差異。在一些實(shí)施方案中，所述致動(dòng)器的第一位置被構(gòu)造成使得所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)在腳跟著地與踝關(guān)節(jié)的測(cè)量旋轉(zhuǎn)速度的方向的第一變化之間發(fā)生的踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的至少一部分期間在踝關(guān)節(jié)上施加成比例增加的力。在一些實(shí)施方案中，所施加的力產(chǎn)生與踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)相反的扭矩，從而在相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)期間向踝關(guān)節(jié)施加負(fù)功率。在一些實(shí)施方案中，所得到的扭矩用于在相應(yīng)的站姿背屈運(yùn)動(dòng)期間預(yù)拉伸踝關(guān)節(jié)。

在一些實(shí)施方案中，所述致動(dòng)器的位置從第一位置增加到第二位置，第二位置被構(gòu)造成在所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)中產(chǎn)生所述期望峰值力。在一些實(shí)施方案中，在至少部分地基于關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)測(cè)量的觸發(fā)事件的檢測(cè)時(shí)發(fā)生致動(dòng)器位置的增加。在一些實(shí)施方案中，對(duì)于所述致動(dòng)分布的大部分保持第二位置。在一些實(shí)施方案中，第二位置在所述致動(dòng)分布中保持與在當(dāng)前步態(tài)周期期間待輔助的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的估計(jì)持續(xù)時(shí)間相對(duì)應(yīng)的持續(xù)時(shí)間。在一些實(shí)施方案中，所述致動(dòng)器的位置隨后從第二位置減小。在一些實(shí)施方案中，在當(dāng)前步態(tài)周期期間待輔助的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的估計(jì)持續(xù)時(shí)間至少部分地基于在先前步態(tài)周期期間關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)速度的測(cè)量。

在一些實(shí)施方案中，所述方法還包括在踝關(guān)節(jié)的測(cè)量旋轉(zhuǎn)速度隨后達(dá)到預(yù)定速度時(shí)，終止所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)的致動(dòng)。在一些實(shí)施方案中，所述預(yù)定速度約為零。

在一些實(shí)施方案中，所述方法還包括基于先前步態(tài)周期的步法時(shí)間估計(jì)在致動(dòng)的開(kāi)始和步態(tài)周期的預(yù)定百分比之間經(jīng)過(guò)的時(shí)間段，以及在所述時(shí)間段的結(jié)束時(shí)終止致動(dòng)。

在一些實(shí)施方案中，確定期望峰值力還包括：測(cè)量在使用者的至少一個(gè)先前步態(tài)周期期間由所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)產(chǎn)生的力，監(jiān)測(cè)使用者踝部的旋轉(zhuǎn)速度的實(shí)時(shí)測(cè)量，以檢測(cè)在踝關(guān)節(jié)的測(cè)量旋轉(zhuǎn)速度的方向的第一變化之后踝關(guān)節(jié)的測(cè)量旋轉(zhuǎn)速度的方向的第二變化，在從檢測(cè)到的踝關(guān)節(jié)的測(cè)量旋轉(zhuǎn)速度的方向的第一變化到檢測(cè)到的踝關(guān)節(jié)的測(cè)量旋轉(zhuǎn)速度的方向的第二變化之間的時(shí)間段期間，計(jì)算由所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)產(chǎn)生的積分正功率，其中所述積分正功率通過(guò)將測(cè)量的力與相應(yīng)的踝關(guān)節(jié)的測(cè)量旋轉(zhuǎn)速度相乘來(lái)確定，將在所述至少一個(gè)在先步態(tài)周期期間的測(cè)量積分正功率與在所述至少一個(gè)先前步態(tài)周期期間將要產(chǎn)生的期望積分正功率進(jìn)行比較，以及調(diào)節(jié)所述致動(dòng)分布的預(yù)定振幅以考慮在所述至少一個(gè)先前步態(tài)周期期間產(chǎn)生的測(cè)量積分正功率和期望積分正功率之間的差異。

在一些實(shí)施方案中，確定期望峰值力還包括：測(cè)量在使用者的至少一個(gè)先前步態(tài)周期期間由所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)產(chǎn)生的預(yù)張力，在從檢測(cè)到腳跟著地到檢測(cè)到的踝關(guān)節(jié)的測(cè)量旋轉(zhuǎn)速度的方向的第一變化之間的時(shí)間段期間，通過(guò)將測(cè)量的預(yù)張力與踝關(guān)節(jié)的測(cè)量的旋轉(zhuǎn)速度相乘，計(jì)算由所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)產(chǎn)生的積分負(fù)功率，將在所述至少一個(gè)先前步態(tài)周期期間的測(cè)量積分負(fù)功率與在所述至少一個(gè)先前步態(tài)周期期間將要產(chǎn)生的期望積分負(fù)功率進(jìn)行比較，以及調(diào)節(jié)所述致動(dòng)分布的預(yù)定振幅以考慮在所述至少一個(gè)先前步態(tài)周期期間產(chǎn)生的測(cè)量積分負(fù)功率和期望積分負(fù)功率之間的差異。

在本公開(kāi)的一些實(shí)施方案中，提供了一種用于對(duì)使用者的踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)輔助的可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)，包括：至少一個(gè)傳感器，其適于監(jiān)測(cè)使用者踝部的旋轉(zhuǎn)速度的實(shí)時(shí)測(cè)量，以檢測(cè)在腳跟著地的檢測(cè)之后踝關(guān)節(jié)的測(cè)量旋轉(zhuǎn)速度的方向的第一變化；和至少一個(gè)處理器，其適于獲得存儲(chǔ)在非暫時(shí)性介質(zhì)上的計(jì)算機(jī)可執(zhí)行命令，所述計(jì)算機(jī)可執(zhí)行命令在由所述至少一個(gè)處理器執(zhí)行時(shí)使所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)：確定在使用者的當(dāng)前步態(tài)周期期間將由所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)產(chǎn)生的期望峰值力；產(chǎn)生致動(dòng)分布，根據(jù)所述致動(dòng)分布可致動(dòng)所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)以將期望峰值力傳遞到使用者的身體；檢測(cè)使用者的腳跟著地；檢測(cè)踝關(guān)節(jié)的測(cè)量旋轉(zhuǎn)速度的方向的第一變化；和響應(yīng)于檢測(cè)到踝關(guān)節(jié)的測(cè)量旋轉(zhuǎn)速度的方向的第一變化，根據(jù)所述致動(dòng)分布來(lái)致動(dòng)所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)，以輔助使用者的踝關(guān)節(jié)的跖屈運(yùn)動(dòng)。

在一些實(shí)施方案中，所述期望峰值力是預(yù)定基線力。

在一些實(shí)施方案中，所述計(jì)算機(jī)可執(zhí)行命令在由所述至少一個(gè)處理器執(zhí)行時(shí)使所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)通過(guò)進(jìn)行至少以下操作來(lái)確定期望峰值力：至少部分地基于髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍和使用者的相應(yīng)腿的長(zhǎng)度的測(cè)量來(lái)估計(jì)使用者正在移動(dòng)的速度；和通過(guò)與使用者正在移動(dòng)的估計(jì)速度相關(guān)聯(lián)的預(yù)定校正因子來(lái)調(diào)節(jié)預(yù)定力。

在一些實(shí)施方案中，所述計(jì)算機(jī)可執(zhí)行命令在由所述至少一個(gè)處理器執(zhí)行時(shí)使所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)通過(guò)進(jìn)行至少以下操作來(lái)估計(jì)使用者的速度：從髖關(guān)節(jié)的角度或旋轉(zhuǎn)速度中的至少一個(gè)的測(cè)量來(lái)確定使用者的髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍；基于使用者的運(yùn)動(dòng)范圍和腿長(zhǎng)度來(lái)估計(jì)使用者的步進(jìn)長(zhǎng)度；監(jiān)測(cè)髖關(guān)節(jié)的角度的測(cè)量以確定使用者的步進(jìn)時(shí)間；和通過(guò)將步進(jìn)長(zhǎng)度除以步進(jìn)時(shí)間來(lái)計(jì)算使用者正在移動(dòng)的估計(jì)速度。

在一些實(shí)施方案中，所述預(yù)定校正因子與以各種速度作用在踝關(guān)節(jié)上的變化的生理力矩相關(guān)聯(lián)。

在一些實(shí)施方案中，所述系統(tǒng)還包括致動(dòng)器，其被構(gòu)造成在使用者的當(dāng)前步態(tài)周期中的給定點(diǎn)處在所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)中產(chǎn)生相應(yīng)的力，其中所述致動(dòng)分布限定所述致動(dòng)器的位置。

在一些實(shí)施方案中，所述計(jì)算機(jī)可執(zhí)行命令在由所述至少一個(gè)處理器執(zhí)行時(shí)使所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)通過(guò)進(jìn)行至少以下操作來(lái)產(chǎn)生致動(dòng)分布：測(cè)量在使用者的至少一個(gè)先前步態(tài)周期期間由所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)產(chǎn)生的峰值力；將在所述至少一個(gè)先前步態(tài)周期期間產(chǎn)生的測(cè)量峰值力與在所述至少一個(gè)先前步態(tài)周期期間將要產(chǎn)生的期望峰值力進(jìn)行比較；和調(diào)節(jié)所述致動(dòng)分布的振幅以考慮在所述至少一個(gè)先前步態(tài)周期期間產(chǎn)生的測(cè)量峰值力和期望峰值力之間的差異。

在一些實(shí)施方案中，所述致動(dòng)器的位置從第一位置到第二位置增加，第二位置被構(gòu)造成在所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)中產(chǎn)生所述期望峰值力。

在一些實(shí)施方案中，在至少部分地基于關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)測(cè)量的觸發(fā)事件的檢測(cè)時(shí)發(fā)生致動(dòng)器位置的增加。

在一些實(shí)施方案中，對(duì)于所述致動(dòng)分布的大部分保持第二位置。在一些實(shí)施方案中，第二位置在所述致動(dòng)分布中保持與當(dāng)前步態(tài)周期期間待輔助的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的估計(jì)持續(xù)時(shí)間相對(duì)應(yīng)的持續(xù)時(shí)間。

在一些實(shí)施方案中，在當(dāng)前步態(tài)周期期間待輔助的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的估計(jì)持續(xù)時(shí)間至少部分地基于在先前步態(tài)周期期間關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)速度的測(cè)量。

在一些實(shí)施方案中，所述致動(dòng)器的位置隨后從第二位置減小。

在一些實(shí)施方案中，所述致動(dòng)分布基本上是梯形形狀，從而提供具有由所述期望峰值力限定的峰值的基本上三角形的力分布。

在一些實(shí)施方案中，所述計(jì)算機(jī)可執(zhí)行命令在由所述至少一個(gè)處理器執(zhí)行時(shí)使所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)在踝關(guān)節(jié)的測(cè)量旋轉(zhuǎn)速度隨后達(dá)到預(yù)定速度時(shí)終止可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)的致動(dòng)。在一些實(shí)施方案中，所述預(yù)定速度約為零。

在一些實(shí)施方案中，所述計(jì)算機(jī)可執(zhí)行命令在由所述至少一個(gè)處理器執(zhí)行時(shí)使所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)：基于先前步態(tài)周期的步法時(shí)間估計(jì)在致動(dòng)的開(kāi)始和步態(tài)周期的預(yù)定百分比之間經(jīng)過(guò)的時(shí)間段；和在所述時(shí)間段的結(jié)束時(shí)終止致動(dòng)。

在一些實(shí)施方案中，通過(guò)所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)的致動(dòng)在踝關(guān)節(jié)周?chē)a(chǎn)生的所得到的扭矩與踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)協(xié)同起作用，從而向踝關(guān)節(jié)施加正功率，以輔助踝關(guān)節(jié)的跖屈運(yùn)動(dòng)。在一些實(shí)施方案中，所得到的扭矩有助于向前推進(jìn)使用者。

在一些實(shí)施方案中，所述致動(dòng)器的第一位置被構(gòu)造成使得所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)在腳跟著地與踝關(guān)節(jié)的測(cè)量旋轉(zhuǎn)速度的方向的第一變化之間發(fā)生的踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的至少一部分期間在踝關(guān)節(jié)上施加成比例增加的力。在一些實(shí)施方案中，所施加的力產(chǎn)生與踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)相反的扭矩，從而在相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)期間向踝關(guān)節(jié)施加負(fù)功率。在一些實(shí)施方案中，所得到的扭矩用于在相應(yīng)的站姿背屈運(yùn)動(dòng)期間預(yù)拉伸踝關(guān)節(jié)。

在一些實(shí)施方案中，所述計(jì)算機(jī)可執(zhí)行命令在由所述至少一個(gè)處理器執(zhí)行時(shí)使所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)通過(guò)進(jìn)行至少以下操作來(lái)產(chǎn)生致動(dòng)分布：測(cè)量在使用者的至少一個(gè)先前步態(tài)周期期間由所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)產(chǎn)生的力；

在從檢測(cè)到的踝關(guān)節(jié)的測(cè)量旋轉(zhuǎn)速度的方向的第一變化到檢測(cè)到的踝關(guān)節(jié)的測(cè)量旋轉(zhuǎn)速度的方向的第二變化之間的時(shí)間段期間，通過(guò)將測(cè)量的力與踝關(guān)節(jié)的測(cè)量旋轉(zhuǎn)速度相乘，計(jì)算由所述可穿戴式機(jī)器人系統(tǒng)產(chǎn)生的積分正功率；將在所述至少一個(gè)先前步態(tài)周期期間的測(cè)量積分正功率與在所述至少一個(gè)先前步態(tài)周期期間將要產(chǎn)生的期望積分正功率進(jìn)行比較；和調(diào)節(jié)所述致動(dòng)分布的預(yù)定振幅以考慮在所述至少一個(gè)先前步態(tài)周期期間產(chǎn)生的測(cè)量積分正功率和期望積分正功率之間的差異。

系統(tǒng)硬件和架構(gòu)

外套系統(tǒng)100和控制系統(tǒng)500、600和700的實(shí)施方案可以使用合適的硬件和架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。參照?qǐng)D15，外套系統(tǒng)100可以包括控制器單元，其可以對(duì)應(yīng)于或可以是驅(qū)動(dòng)模塊、致動(dòng)器/控制單元、控制系統(tǒng)500，600，700的一個(gè)實(shí)施方案或其組合和/或用于外套的任何其他控制裝置的一部分?？刂破鲉卧ㄌ幚砥?，其也可以被稱(chēng)為中央處理器單元(CPU)，如Diamond Systems Aurora單板計(jì)算機(jī)。處理器可以(例如，經(jīng)由系統(tǒng)總線)通訊和/或向控制器單元內(nèi)的其他部件(例如輸入接口、輸出接口和/或存儲(chǔ)器)提供命令。在一個(gè)實(shí)施方案中，處理器可以包括用作數(shù)據(jù)的緩沖器和/或儲(chǔ)存器的一個(gè)或多個(gè)多核處理器和/或存儲(chǔ)器(例如，高速緩沖存儲(chǔ)器)。換句話說(shuō)，處理器可以是諸如專(zhuān)用集成電路(ASIC)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)和/或數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)之類(lèi)的一個(gè)或多個(gè)其他處理部件的一部分。盡管圖26示出了處理器可以是單個(gè)處理器，但是處理器不限于此，而是可以表示多個(gè)處理器。處理器可以被構(gòu)造成實(shí)施本文所述的任何方法。

存儲(chǔ)器可以可操作地聯(lián)接到處理器。存儲(chǔ)器可以是被構(gòu)造成存儲(chǔ)各種類(lèi)型的感測(cè)數(shù)據(jù)和/或基于力的位置控制算法的非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。例如，存儲(chǔ)器可以包括包含輔助存儲(chǔ)器、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)和/或其他類(lèi)型的存儲(chǔ)器的一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)裝置。輔助存儲(chǔ)器通常由一個(gè)或多個(gè)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、光驅(qū)動(dòng)器、固態(tài)驅(qū)動(dòng)器(SSD)和/或磁帶驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成，并且用于數(shù)據(jù)的非易失性存儲(chǔ)。在某些情況下，如果所分配的RAM不足夠大以容納所有的工作數(shù)據(jù)，則輔助存儲(chǔ)器可以用于存儲(chǔ)溢出數(shù)據(jù)。輔助存儲(chǔ)器還可以用于存儲(chǔ)當(dāng)選擇這樣的程序用于執(zhí)行時(shí)加載到RAM中的程序。ROM用于存儲(chǔ)在程序執(zhí)行期間讀取的命令以及可能的數(shù)據(jù)。ROM是非易失性存儲(chǔ)裝置，其相對(duì)于輔助存儲(chǔ)器的較大存儲(chǔ)容量通常具有小的存儲(chǔ)容量。RAM用于存儲(chǔ)易失性數(shù)據(jù)并且可能存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)可執(zhí)行命令，例如基于力的位置控制算法。

存儲(chǔ)器可以用于容納用于實(shí)施本文所述的各種實(shí)施方案的命令。在一個(gè)實(shí)施方案中，存儲(chǔ)器可以包括可以由處理器訪問(wèn)和實(shí)施的致動(dòng)器控制模塊?？蛇x擇地，致動(dòng)器控制模塊可以在嵌入處理器中的存儲(chǔ)器(例如，高速緩沖存儲(chǔ)器)內(nèi)存儲(chǔ)和訪問(wèn)。具體地，致動(dòng)器控制模塊可以通過(guò)控制線纜的長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)和控制在軟外套中產(chǎn)生的力和/或調(diào)節(jié)和控制傳遞到踝部和/或其他類(lèi)型的關(guān)節(jié)的功率。在一個(gè)實(shí)施方案中，存儲(chǔ)器與計(jì)算機(jī)總線連接，以便在結(jié)合有本文所述功能的軟件程序(例如，包括程序代碼的軟件模塊)和/或計(jì)算機(jī)可執(zhí)行處理步驟的執(zhí)行期間將存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的信息通訊和/或傳送到處理器，例如，致動(dòng)器控制模塊。處理器首先從儲(chǔ)存器(例如存儲(chǔ)器)、存儲(chǔ)介質(zhì)、可移除介質(zhì)驅(qū)動(dòng)器和/或其他存儲(chǔ)裝置加載計(jì)算機(jī)可執(zhí)行處理步驟。然后，處理器可以執(zhí)行存儲(chǔ)的處理步驟，以便執(zhí)行所加載的計(jì)算機(jī)可執(zhí)行處理步驟。存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)(例如由存儲(chǔ)裝置存儲(chǔ)的數(shù)據(jù))可以在計(jì)算機(jī)可執(zhí)行處理步驟的執(zhí)行期間由處理器訪問(wèn)，以指示控制器單元內(nèi)和/或控制器單元外部的一個(gè)或多個(gè)部件，如與外套相關(guān)聯(lián)的電機(jī)和機(jī)械部件。

將可執(zhí)行命令編程和/或加載到存儲(chǔ)器和處理器以將外套系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成控制和驅(qū)動(dòng)外套件中的一個(gè)或多個(gè)電機(jī)的非通用特定機(jī)器或裝置是本領(lǐng)域中公知的。通過(guò)將可執(zhí)行軟件加載到計(jì)算機(jī)和/或處理器中來(lái)實(shí)施命令、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和其他功能可以通過(guò)公知的設(shè)計(jì)規(guī)則轉(zhuǎn)換成硬件實(shí)施和/或?qū)⑼ㄓ锰幚砥鬓D(zhuǎn)換為針對(duì)具體應(yīng)用編程的處理器。例如，在軟件與硬件中實(shí)施構(gòu)思之間的決定可以取決于許多設(shè)計(jì)選擇，包括設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和將要產(chǎn)生的單元的數(shù)量以及從軟件域轉(zhuǎn)換到硬件域所涉及的問(wèn)題。通常，可以以軟件形式開(kāi)發(fā)和測(cè)試設(shè)計(jì)，隨后通過(guò)公知的設(shè)計(jì)規(guī)則將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為ASIC或硬件連接軟件命令的專(zhuān)用硬件中的等效硬件實(shí)施。以與由新的ASIC控制的機(jī)器相同的方式是特定的機(jī)器或設(shè)備，同樣地，已經(jīng)被編程和/或加載有可執(zhí)行命令的計(jì)算機(jī)可以被視為非通用的特定機(jī)器或設(shè)備。

處理器可以可操作地聯(lián)接到被構(gòu)造成接收感測(cè)數(shù)據(jù)的輸入接口。輸入接口可以被構(gòu)造成經(jīng)由電、光和/或無(wú)線連接來(lái)獲得生物力學(xué)數(shù)據(jù)，例如大腿角度、大腿旋轉(zhuǎn)速度、踝部旋轉(zhuǎn)速度和腳跟著地。輸出接口可以是能夠通訊用于驅(qū)動(dòng)各種機(jī)電和/或機(jī)械裝置的命令的接口，例如外部用的電機(jī)。

本發(fā)明公開(kāi)了至少一個(gè)實(shí)施方案，并且由本領(lǐng)域技術(shù)人員做出的實(shí)施方案和/或特征的變化、組合和/或改進(jìn)都在本公開(kāi)的范圍內(nèi)。由實(shí)施方案的特征的組合、集成和/或省略產(chǎn)生的替代實(shí)施方案也在本公開(kāi)的范圍內(nèi)。在明確陳述數(shù)值范圍或限制的情況下，這樣的表達(dá)范圍或限制可以被理解為包括落在明確陳述的范圍或限制內(nèi)的相似量值的迭代范圍或限制(例如，約1～約10包括2、3、4等；大于0.10包括0.11、0.12、0.13等)。除非另有說(shuō)明，否則術(shù)語(yǔ)“約”和“基本上”的使用意指隨后數(shù)字的±10％。

相對(duì)于權(quán)利要求的任何要素使用術(shù)語(yǔ)“任選地”意指該要素是必需的，或者該要素不是必需的，兩種選擇都在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。諸如包括、包含和具有等較寬術(shù)語(yǔ)的使用可以被理解為對(duì)諸如由...組成、基本上由...組成和基本上由...構(gòu)成的較窄術(shù)語(yǔ)提供支持。因此，保護(hù)范圍不受上述說(shuō)明的限制，而是由所附權(quán)利要求限定，該范圍包括權(quán)利要求的主題的所有等同物。每個(gè)權(quán)利要求作為進(jìn)一步的公開(kāi)內(nèi)容并入說(shuō)明書(shū)中，并且權(quán)利要求是本公開(kāi)的實(shí)施方案。

盡管在本公開(kāi)中提供了若干實(shí)施方案，但是應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本公開(kāi)的精神或范圍的情況下，所公開(kāi)的系統(tǒng)和方法可以以許多其他具體形式實(shí)施。本發(fā)明的例子被認(rèn)為是說(shuō)明性的而不是限制性的，并且本發(fā)明不限于本文給出的細(xì)節(jié)。例如，各種元件或組件可以組合或集成在另一個(gè)系統(tǒng)中，或者某些特征可以省略或不實(shí)施。

此外，在各個(gè)實(shí)施方案中離散或分離地描述和說(shuō)明的技術(shù)、系統(tǒng)、子系統(tǒng)和方法可以與其他系統(tǒng)、模塊、技術(shù)或方法組合或集成而不脫離本公開(kāi)的范圍。所示出或討論的聯(lián)接或直接聯(lián)接或彼此通訊的其他項(xiàng)目可以間接聯(lián)接或通過(guò)一些接口、裝置或中間部件通訊，不論是以電的、機(jī)械的或以其他方式進(jìn)行。改變、替換和變更的其他例子可由本領(lǐng)域技術(shù)人員確定，并且可以在不脫離本文公開(kāi)的精神和范圍的前提下作出。

當(dāng)然，上述控制系統(tǒng)可以獨(dú)立地或彼此協(xié)同地使用，以使用上述軟外套的任何合適的實(shí)施方案將輔助扭矩的組合傳遞到使用者的髖部和/或踝部。

在各種實(shí)施方案中，可以為使用者的每個(gè)腿使用單獨(dú)的控制器。也就是說(shuō)，控制器L可以主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)和向左腿的一個(gè)或多個(gè)關(guān)節(jié)提供輔助運(yùn)動(dòng)，并且單獨(dú)的控制器R可以主要負(fù)責(zé)右腿的關(guān)節(jié)。這些控制器可以完全彼此獨(dú)立地起作用，或者可以以任何合適的程度彼此通訊。在一個(gè)實(shí)施方案中，控制器L和R可以傳遞來(lái)自其相應(yīng)測(cè)力傳感器的負(fù)荷信息，例如，使得系統(tǒng)可以比較兩個(gè)負(fù)荷信息并且如果需要的話調(diào)節(jié)施加到每個(gè)腿的輔助力以平衡彼此。在一個(gè)實(shí)施方案中，基本上可以交換更多的信息；特別地，如果腿(或其關(guān)節(jié))的功能不對(duì)稱(chēng)，這可能影響將要提供給相對(duì)腿的輔助。當(dāng)然，單個(gè)控制器也可以處理所有控制。

本文引用的所有專(zhuān)利、專(zhuān)利申請(qǐng)和公開(kāi)的參考文獻(xiàn)通過(guò)引用整體并入本文。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是，本公開(kāi)的上述實(shí)施方案僅僅是實(shí)施的可能例子，僅僅為了清楚地理解本公開(kāi)的原理而闡述。在不實(shí)質(zhì)上偏離本公開(kāi)精神和原理的情況下，可以對(duì)上述實(shí)施方案進(jìn)行許多變化和修改。應(yīng)當(dāng)理解，上述公開(kāi)的和其他特征和功能中的幾個(gè)或其替代可以期望地組合到許多其他不同的系統(tǒng)或應(yīng)用中。所有這些修改和變化旨在被包括在本公開(kāi)的范圍內(nèi)，落入所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。