專利名稱：混合型地形自適應下肢系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本申請大體涉及下肢假體、矯形器和外骨骼裝置、其零部件及其控制方法。
背景技術：
在美國每年有超過100，000人由于截肢手術失去他們的腳。全世界有成千上萬人遭受到這種令人衰弱的損失。此外，在美國每年都有700，000個中風幸存者，中風經(jīng)常造成各種限制行走能力的下肢病患。直到最近，下肢假體和矯形器系統(tǒng)一直采用主要是被動的或小功率的機構(gòu)，它們不能夠在每次邁步時輸出身體在即使是平地上實現(xiàn)經(jīng)濟性行走運動所需的非守恒正功，更不用說在不平表面例如樓梯和臺階上了。對與對象步態(tài)周期相關的常規(guī)生物力學的理解有助于認識下肢假體、矯形器和外骨骼裝置的要求。具體而言，矢狀面轉(zhuǎn)動情況下人腳踝的功能將對于不同的運動狀態(tài)描述如下。傳統(tǒng)被動踝/足假體(“AFPs，，)(例如Ossur Flex-Foot )的機械特性在裝置整個壽命期間基本保持不變。美國專利公開申請US2006/0M9315( ‘315申請)代表對傳統(tǒng)AFPs的重大進步。該‘315申請(其全部內(nèi)容通過引用并入本文)認識到可以通過將行走周期分成五個階段和對五個階段中每個階段中裝置機械特性獨立進行優(yōu)化來改進性能。圖IA是對象在平地上步態(tài)周期的不同階段的示意圖。該步態(tài)周期通常被定義為始于一只腳的足跟觸地而止于同一只腳的下一次足跟觸地。該步態(tài)周期分成兩個階段站立階段(大約為步態(tài)周期的60% )和隨后的擺動階段(大約為步態(tài)周期的40% )。擺動階段代表腳離開地面的那部分步態(tài)周期。站立階段始于足跟接觸地板時足跟的觸地，止于同一只腳從地面抬起時的足尖離地。站立階段在同一只腳從地面抬起時的足尖離地時被劃分開。站立階段分成三個子階段受控跖屈(CP)，受控背屈(CD)，和動力跖屈(PP)。CP始于102所示的足跟觸地，止于106所示的足平放。CP描述足跟和前腳開始接觸地面的過程。研究者發(fā)現(xiàn)，CP踝關節(jié)的行為與線性彈簧反應一致，其中，相對于關節(jié)位置的平衡位置而言，關節(jié)扭矩與關節(jié)位移成比例。但是，彈簧行為是變化的；在站立的三個子階段和后期擺動狀態(tài)中，關節(jié)剛度在步與步之間被身體連續(xù)調(diào)節(jié)。在CP階段之后，⑶階段繼續(xù)，直到踝關節(jié)達到最大背屈狀態(tài)并開始圖中110所示動力跖屈PP為止。在CD階段腳踝扭矩與位置的關系被描述為非線性彈簧，其中，剛度隨腳踝位置增加而增加。在CD階段腳踝存儲彈性能量，用于在PP階段推動身體向上和向前。PP階段在⑶階段之后開始，并止于圖中114所示的足尖離地時刻。在PP階段，踝關節(jié)依據(jù)向上和向前彈射身體的反射反應施加扭矩。然后，彈射能量與CD階段存儲的彈簧能量共同釋放，從而在后期站立階段獲得高的跖屈動力。這種彈射行為是必需的，因為在PP 階段產(chǎn)生的功大于CP和CD階段用于中速到快速行走速度吸收的負功。在擺動階段腳抬起離開地面，從所示114的足尖離地開始直到圖示118的下一次足跟觸地為止。
由于上樓梯/下樓梯時腳踝的運動學和動力學模式不同于平地行走時的模式，因此對腳踝-腳生物力學的分別描述表示在圖IB和圖IC中。圖IB表示人腳踝上樓梯的生物力學特點。上樓梯的第一階段稱為受控背屈1 (CDl)，它始于130所示背屈位置的足觸地，接著繼續(xù)背屈直到132所示足跟接觸臺階表面。在該階段，腳踝可以被建模成線性彈簧。第二階段是動力跖屈I(PPl)，它始于足平放時刻(在132處腳踝達到最大背屈時)，止于再次開始背屈的134處。人腳踝就象扭矩致動器那樣工作，以提供額外能量來支撐身體的重量。第三階段是受控背屈2 (⑶幻，其中，腳踝背屈直到136所示足跟離地。對于⑶2階段，腳踝可以被建模成線性彈簧。第四階段也是最后階段是動力跖屈2 (PP2)，它始于136所示的足跟離地，隨腳蹬離臺階而繼續(xù)，就像與CD2彈簧并聯(lián)的扭矩致動器那樣工作以推動身體向上和向前，在138所示足尖離開表面時結(jié)束，以開始擺動階段，該擺動階段在140結(jié)束ο圖IC表示人腳踝-腳下樓梯的生物力學特點。下樓梯的站立階段被分成三個子階段受控背屈I(CDl)，受控背屈2 (CD》，及動力跖屈(PP)。CDl始于150所示的足觸地， 止于152所示的足平放。在該階段，人腳踝被建模成可變阻尼器。在CD2，腳踝繼續(xù)向前背屈，直到它達到1 所示的最大背屈姿態(tài)。這里，腳踝象線性彈簧一樣工作，在整個⑶2階段存儲能量。在始于1 所示的PP階段，腳踝跖屈，直到156所示腳從臺階抬起。在該最后的PP階段，腳踝釋放CD2階段存儲的能量，推動身體向上和向前。在156所示足尖離地之后，腳在整個擺動階段受控地定位，直到158所示的下一次足觸地為止。對于圖IB中描述的上樓梯，人腳踝-腳可以運用致動器和可變剛性機構(gòu)的結(jié)合來有效建模。但是，對于圖IC中描述的下樓梯，還需要包括可變阻尼器以便為踝-腳復合體建模；人腳踝在下樓梯時吸收的能量大大超過上樓梯時釋放的能量。因此，對于上樓梯來說合理的是將腳踝建模為可變阻尼器和彈簧的組合。傳統(tǒng)被動假體、矯形器和外骨骼裝置不能夠適當再現(xiàn)步態(tài)周期的生物力學特點。 它們不是仿生的，因為它們不能主動調(diào)節(jié)阻抗，不能提供反射扭矩反應，無論是在平地上、 上樓梯、下樓梯、上坡、下坡時，還是在變化的地形條件時。因此，需要改進的下肢假體、矯形器和外骨骼裝置，它們的零部件，以及它們的控制方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明人已經(jīng)認識到，在日常每天的過程中，人的下肢除了日常行走例如上下樓梯、走斜坡以外，還用于完成和適應很多不同的活動。腳踝-腳需要最多的能量，必須具有最好的地形自適應行為，因為它們最直接接觸下方地形。本發(fā)明人還認識到，可以通過對于每一種活動以不同方式動態(tài)優(yōu)化裝置的機械性能和以不同方式動態(tài)控制該置，來動態(tài)改善 AFPs的性能。例如，當人行走在平坦地面上時，較好的是控制腳的角度以便在腳觸地時足跟低于足尖。但是，當人上樓梯時，較好的是控制腳的角度以便在腳接觸下一個臺階時足尖低于艮。本申請描述了各種AFI3S實施例，它們通過檢測正在穿越的地形和自動適應檢測到的地形來在每個這些不同情況下適當工作。在一些實施例中，對每種情況控制AFP的能力建立于五種基本能力(1)確定正在進行的活動；(2)基于正在進行的活動來動態(tài)地控制AFP的特性；( 基于正在進行的活動來動態(tài)地驅(qū)動AFP ； (4)確定地形表面特征的不規(guī)則性(例如地形有多粘，地形有多滑，地形是粗糙的還是光滑的，地形有無障礙例如巖石)并進行適當?shù)臓恳刂苼韺Υ俗鞒鲰憫?5)能夠響應動態(tài)控制和動態(tài)驅(qū)動的AFP機械設計。本發(fā)明人已經(jīng)確定，用于斷定正在進行的活動的一種示范方式是追蹤位于踝關節(jié)和膝關節(jié)之間的小腿(或脛)上的部位(通常位于踝關節(jié)的虛擬轉(zhuǎn)動中心)的軌跡。圖6A 表示對應于五種不同活動的脛軌跡，額外的斜坡軌跡是區(qū)分陡坡和緩坡的。該系統(tǒng)可以使用該信息通過將追蹤到的軌跡映射到一組活動上來斷定正在進行的活動。通過觀察小腿(脛)的軌跡，能夠區(qū)分平地形、上樓梯或下樓梯、或者上坡或下坡。 例如，當該系統(tǒng)識別了一種軌跡，就切換到一種適當?shù)哪Ｊ?，并動態(tài)地控制(驅(qū)動)之前為該模式建立的AFP。在一種軌跡并不恰好落入一種分類的情況下，AFP控制器將優(yōu)化響應， 以便在隨機控制意義上使目標函數(shù)最小化，或者基于該地形落入一種分類的可能性而應用模糊邏輯或隨機控制。一種追蹤脛軌跡的適當方式是在小腿元件(脛)頂部的前表面處安裝慣性測量單元(IMU)，并處理IMU輸出的信號。一種區(qū)分各種軌跡的適當方式是監(jiān)測踝關節(jié)速度迎角。 這些主題將在下面進行詳細描述。除了對每種不同活動以不同方式動態(tài)地優(yōu)化裝置機械特性和動態(tài)地控制該裝置以外，本發(fā)明人已經(jīng)認識到，通過基于各種參數(shù)來微調(diào)AFP的特性和控制該AFP，可以進一步改善該裝置的性能。例如，當人正慢走時(例如以小于0. 9米每秒的速率)，可以通過相對于正常行走所用的阻抗提高踝關節(jié)的阻抗來改善性能?；蛘?，當人正在快走時(例如以1.7米每秒的速率)，可以通過相對于正常行走所用的阻抗減少踝關節(jié)的阻抗來改善性能。此外，當控制器確定踝關節(jié)沒有如我們期望的那樣對穿越正常地形作出反應時， 控制器可以考慮(及修改控制器的輸出)地形中也許存在特征、紋理或不規(guī)則(例如地形是多么粘，地形是多么滑，地形是粗糙的還是光滑的，地形中是否有障礙例如巖石)。上述確定出五種可能性(即，斷定正在進行何種活動；斷定地形中是否存在特征、 紋理或不規(guī)則；動態(tài)地控制AFP的特性；動態(tài)地驅(qū)動AFP ；及AFP的機械設計)的每種都將在下面進行詳細描述。這里描述的發(fā)明總體涉及下肢假體、矯形器和外骨骼裝置。本發(fā)明的各種實施例的典型使用場合包括例如代謝增強、對有永久肢體病患的對象的永久幫助，或者對有臨時肢體病患的佩戴者的康復。一種示例下肢假體裝置(例如圖17A-17G的裝置1700)的使用場合的一個實例涉及假體代替佩戴者下肢的行走功能。一種示例下肢矯形器裝置(例如圖22A-22C的裝置 2200——矯形器)的使用場合的一個實例的特點是一種方法，用于確定裝置需要提供給佩戴該裝置的佩戴者的幫助水平。在一些實施例中，基于佩戴者對該裝置的阻抗和扭矩貢獻來減少由矯形器提供的幫助的水平。在一些實施例中，基于佩戴者和裝置的動力學、生物力學模型以及裝置工作期間佩戴者的測量，確定佩戴者的阻抗和扭矩貢獻。在一些實施例中， 佩戴者的測量包括測量該裝置至少一個關節(jié)的轉(zhuǎn)動和加速度中的至少一個。在一些實施例中，基于使用連接到裝置小腿元件的結(jié)構(gòu)元件(錐體)完成的傳感器測量，確定施加到裝置小腿元件上的軸向力和力矩。該錐體是儀表化結(jié)構(gòu)，它是假體的組成部分，并且連接到佩戴者的肢體插座。在一個實施例中，該錐體(結(jié)構(gòu)元件)的測量被控制器用于確定施加到小腿元件的軸向力和力矩。在一些實施例中，該裝置包括以下關節(jié)的至少一個連接該裝置足元件和該裝置小腿元件的踝關節(jié)，或用于連接該裝置大腿元件和該裝置小腿元件的膝關節(jié)，或用于連接該裝置軀干元件和該裝置大腿元件的髖關節(jié)?！矫?，本發(fā)明提供了一種低噪音線性致動器，包括旋轉(zhuǎn)電機，該旋轉(zhuǎn)電機包括電機輸出軸。該致動器還包括螺旋傳動組件，該螺旋傳動組件包括連接電機輸出軸的螺紋軸， 該螺紋軸包括螺母組件和容納聲阻尼材料的中空外部。螺旋傳動組件將電機輸出軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為螺母組件的線性運動。在一些實施例中，螺旋傳動組件是滾珠絲杠傳動組件，螺母組件是滾珠螺母組件， 其中，該滾珠螺母組件還包括多個滾珠軸承和多個滾珠滾道，滾珠滾道用于保持滾珠軸承和在滾珠軸承組件中循環(huán)滾珠軸承。在一些實施例中，該致動器包括帶輪，用于借助并聯(lián)在帶輪和滾珠絲杠傳動組件的螺紋軸之間的多個傳動帶，將電機輸出軸連接到螺紋軸上。在一些實施例中，線性致動器包括在運行期間確認傳動帶完整性的傳感器。該帶輪可被焊接到電機輸出軸上。在一些實施例中，致動器包括徑向推力軸承，用于將多個傳動帶連接到螺紋軸上， 從而承受由傳動帶張力和螺紋軸施加的載荷。在一些實施例中，滾珠絲杠傳動組件包括至少一個密封件，用于保護滾珠絲杠傳動組件免遭污染。在一些實施例中，線性致動器是下肢假體、矯形器或外骨骼的零部件。在一些實施例中，線性致動器包括傳動裝置，其采用將電機輸出軸連接到滾珠絲杠傳動組件螺紋軸的多個牽引輪。該螺旋傳動組件是絲杠傳動組件。本發(fā)明的另一方面提供了一種線性致動器，包括包括電機輸出軸的旋轉(zhuǎn)電機； 和連接電機輸出軸的電機驅(qū)動傳動組件，用于將電機輸出軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為電機驅(qū)動傳動組件輸出的線性運動。該線性致動器還包括具有雙向剛度的至少一個彈性元件，與電機驅(qū)動傳動組件串聯(lián)連接，從而以拉伸和壓縮方式儲存能量。在一些實施例中，線性致動器包括連接到該至少一個彈性元件上的應變傳感器， 用于測量該至少一個彈性元件中的應變。該至少一個彈性元件可以是串聯(lián)的或并聯(lián)的彈性元件，連接到電機驅(qū)動傳動組件的輸出端。在一些實施例中，線性致動器包括控制器，用于接收測量的應變信號，以進行對線性致動器推力的閉環(huán)控制。該至少一個彈性元件大體為扁簧，沿該彈簧的縱軸線分開，以便使彈簧施加在電機驅(qū)動傳動組件輸出端上的平面外力矩最小化。該至少一個彈性元件可以是連接到電機驅(qū)動傳動組件輸出端的串聯(lián)彈性應變元件，該線性致動器還可包括測量電機位置或電機驅(qū)動傳動組件輸出端位置的傳感器，以及至少一個測量串聯(lián)彈性元件輸出的傳感器，以及信號處理電子元件，用于估算線性致動器推力，以進行線性致動器推力閉環(huán)控制。本發(fā)明的另一方面提供了一種下肢假體、矯形器或外骨骼裝置，包括足元件、小腿元件、用于將足元件連接到小腿元件的踝關節(jié)。該裝置還包括第一致動器，用于將扭矩施加到踝關節(jié)，使足元件相對于小腿元件轉(zhuǎn)動。該裝置還包括至少一個被動彈性元件，其是非順應的止動件，與致動器并聯(lián)地連接在小腿元件和足元件之間，其中，該非順應止動件在背屈期間存儲很少能量或不存儲能量，并且在動力跖屈期間限制腳踝進一步轉(zhuǎn)動超出預定角
在一些實施例中，該裝置包括角度調(diào)整機構(gòu)，用于設定足元件相對于小腿元件的預定角度，在該角度時非順應止動件限制進一步的轉(zhuǎn)動。角度調(diào)整機構(gòu)可包括可螺旋調(diào)節(jié)的元件，用于設定該預定角度。該角度調(diào)整機構(gòu)可包括致動器，用于設定預定角度。在一些實施例中，該致動器基于下方地形特性調(diào)整預定角度。在一些實施例中，下方地形特性選自上坡、下坡、上樓梯、下樓梯、水平表面構(gòu)成的組。在一些實施例中，與該裝置相連的控制器在周期內(nèi)的基礎上確定下方地形特性。本發(fā)明的另一方面提供了一種下肢假體，包括足元件、小腿元件、用于將足元件連接到小腿元件的踝關節(jié)。該假體包括第一致動器，用于將扭矩施加到踝關節(jié)，使足元件相對于小腿元件轉(zhuǎn)動。該假體還包括結(jié)構(gòu)元件，其連接小腿元件，并包括用于連接佩戴者肢體插座元件的接口，其中，該結(jié)構(gòu)元件包括多個應變計，用于確定致動器施加到小腿元件上的扭矩和施加到小腿元件上的軸向力。在一些實施例中，假體包括慣性測量單元，用于確定小腿元件的慣性姿態(tài)。慣性測量單元可連接到小腿元件上。該慣性測量單元可連接到足元件。在一些實施例中，該假體包括控制器，用于根據(jù)小腿元件的慣性姿態(tài)、致動器施加到小腿元件上的扭矩、施加到小腿元件上的軸向力以及足元件和小腿元件之間的角度，計算下方表面施加在足元件上的地面反作用力和零力矩樞軸坐標。在一些實施例中，控制器連接到致動器，并構(gòu)造成控制致動器，用來在假體的整個行走周期中，基于小腿元件的慣性姿態(tài)軌跡、足元件和小腿元件之間的角度以及地面反作用力和零力矩樞軸坐標，調(diào)節(jié)假體的阻抗、位置或扭矩中的至少一個。 在一些實施例中，控制器連接到致動器，并構(gòu)造成控制致動器，用來在佩戴者從坐下位置站立起來時或者從站立位置坐下時，基于小腿元件的慣性姿態(tài)、足元件和小腿元件之間的角度以及地面反作用力和零力矩樞軸坐標，調(diào)節(jié)假體的阻抗。本發(fā)明的另一方面提供了一種下肢假體，包括足元件、小腿元件、用于將足元件連接到小腿元件的踝關節(jié)。該假體包括第一致動器，用于將扭矩施加到踝關節(jié)，使足元件相對于小腿元件轉(zhuǎn)動。該假體還包括結(jié)構(gòu)元件，其連接到小腿元件，并包括連接到佩戴者肢體插座元件的接口。該假體還包括位移檢測裝置，用于檢測結(jié)構(gòu)元件的偏轉(zhuǎn)，以確定施加到小腿元件上的軸向力和致動器施加到小腿元件上的扭矩。在一些實施例中，位移檢測裝置包括多個傳感器，位移檢測裝置測量每個傳感器和結(jié)構(gòu)元件表面之間的距離。傳感器選自接觸式位移傳感器、非接觸式位移傳感器、感應線圈、光學傳感器、力敏電阻、壓電傳感器或應變傳感器構(gòu)成的組。在一些實施例中，該多個傳感器包括多個在線路板上的感應線圈。在一些實施例中，感應線圈相對于結(jié)構(gòu)元件表面的電感變化用于確定結(jié)構(gòu)元件的位移。在一些實施例中，假體包括慣性測量單元，用于確定小腿元件的慣性姿態(tài)。在一些實施例中，慣性測量單元連接到小腿元件上。在一些實施例中，慣性測量單元連接到足元件。在一些實施例中，假體包括控制器，用于根據(jù)小腿元件的慣性姿態(tài)軌跡、致動器施加到小腿元件上的扭矩、施加到小腿元件上的軸向力以及足元件和小腿元件之間的角度， 計算下方表面施加在足元件上的地面反作用力和零力矩樞軸坐標。在一些實施例中，控制器連接到致動器，并構(gòu)造成控制致動器，用來在假體的整個行走周期中，基于小腿元件的慣性姿態(tài)軌跡、足元件和小腿元件之間的角度以及地面反作用力和零力矩樞軸坐標，調(diào)節(jié)假體的阻抗。在一些實施例中，控制器連接到致動器，并構(gòu)造成控制致動器，用來在佩戴者從坐下位置站立起來時或者從站立位置坐下時，基于小腿元件的慣性姿態(tài)軌跡、足元件和小腿元件之間的角度以及地面反作用力，調(diào)節(jié)假體的阻抗。本發(fā)明的另一方面，提供了一種主動式膝矯形器，包括可附連到佩戴者大腿的大腿元件、可附連到佩戴者小腿的小腿元件和用于將大腿元件連接到小腿元件的膝關節(jié)。該矯形器還包括旋轉(zhuǎn)電機，旋轉(zhuǎn)電機包括電機輸出軸。該矯形器還包括電機驅(qū)動傳動組件，其連接到電機輸出軸上，將電機輸出軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為電機驅(qū)動傳動組件輸出端的線性運動。該矯形器還包括驅(qū)動傳動組件，其連接到電機驅(qū)動傳遞組件的輸出端上，驅(qū)動傳動組件的輸出端連接到小腿元件上，用于給膝關節(jié)施加扭矩，從而使小腿元件相對于大腿元件轉(zhuǎn)動。該矯形器還包括電機角度傳感器，用于確定電機位置。該矯形器還包括控制器，用于控制旋轉(zhuǎn)電機，從而在矯形器的整個行走周期內(nèi)，基于電機位置調(diào)節(jié)矯形器的阻抗、位置或者扭矩。在一些實施例中，該矯形器包括角度傳感器，用于確定驅(qū)動傳動組件的轉(zhuǎn)鼓相對于電機驅(qū)動傳動組件輸出端的位置，其中，控制器控制旋轉(zhuǎn)電機，以基于該位置調(diào)節(jié)阻抗、 位置或扭矩。在一些實施例中，矯形器包括位移傳感器，用于測量電機驅(qū)動傳動組件內(nèi)串聯(lián)彈簧的位移，用于確定在串聯(lián)彈簧上的作用力，其中，控制器控制旋轉(zhuǎn)電機，以基于彈簧上的作用力調(diào)節(jié)阻抗、位置或扭矩。在一些實施例中，矯形器包括慣性測量單元，其連接到大腿元件或小腿元件上，用于確定小腿元件的慣性姿態(tài)軌跡，其中，控制器控制旋轉(zhuǎn)電機，以基于該慣性姿態(tài)調(diào)節(jié)阻抗、位置或扭矩。在一些實施例中，矯形器包括傳感器，用于確定驅(qū)動傳動組件施加在小腿元件和大腿元件中至少一個上的作用力，其中，控制器控制旋轉(zhuǎn)電機，以基于施加在小腿元件上的扭矩調(diào)節(jié)阻抗、位置或扭矩。在一些實施例中，矯形器包括角度傳感器，用于確定大腿元件和小腿元件之間的角度，其中，控制器控制旋轉(zhuǎn)電機，以基于大腿元件和小腿元件之間的角度調(diào)節(jié)阻抗、位置或扭矩。在一些實施例中，矯形器包括的驅(qū)動傳動選自傳動帶傳動、傳輸帶傳動和纜驅(qū)動傳動構(gòu)成的組。在一些實施例中，矯形器包括連接到大腿元件的箍套，用于將矯形器附連到佩戴者的大腿。在一些實施例中，矯形器包括連接到小腿元件的箍套，用于將該矯形器附連到佩戴者的小腿。在一些實施例中，矯形器增強佩戴者的下肢功能。在一些實施例中，矯形器治療佩戴者的下肢病患。在一些實施例中，控制器構(gòu)造成在佩戴者下肢病患康復期間改變矯形器提供給佩戴者的幫助。本發(fā)明的另一方面，提供了一種主動式膝蓋矯形器，包括可附連到佩戴者大腿的大腿元件、可附連到佩戴者小腿的小腿元件、用于將大腿元件連接到小腿元件的膝關節(jié)。該矯形器還包括旋轉(zhuǎn)電機，旋轉(zhuǎn)電機包括電機輸出軸。該矯形器還包括連接到電機輸出軸上的螺旋傳動組件，用于將電機輸出軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為螺旋傳動組件輸出的線性運動。該矯形器還包括連接到螺旋傳動組件輸出端的傳動帶、傳輸帶或纜驅(qū)動傳動組件，以將螺旋傳動組件輸出的線性運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動，以便給膝關節(jié)施加扭矩，使小腿元件相對于大腿元件轉(zhuǎn)動。該矯形器還包括電機角度傳感器，用于確定電機位置。該矯形器還包括控制器，用于控制旋轉(zhuǎn)電機，從而在矯形器的整個行走周期內(nèi)，基于電機位置調(diào)節(jié)矯形器的阻抗、位置或者扭矩。在一些實施例中，矯形器包括位移傳感器，用于檢測傳動帶、傳輸帶或纜驅(qū)動傳動組件內(nèi)串聯(lián)彈簧的位移，用于確定在串聯(lián)彈簧上的作用力，其中，控制器控制旋轉(zhuǎn)電機，以基于彈簧上的作用力調(diào)節(jié)阻抗、位置或扭矩。在一些實施例中，矯形器包括慣性測量單元， 其連接到大腿元件或小腿元件上，用于在步態(tài)周期內(nèi)確定小腿元件的慣性姿態(tài)軌跡，并且其中，控制器控制旋轉(zhuǎn)電機，以基于該步態(tài)周期中的慣性姿態(tài)軌跡調(diào)節(jié)阻抗、位置或扭矩。在一些實施例中，矯形器包括扭矩傳感器，用于確定傳動帶、傳輸帶或纜驅(qū)動傳動組件施加在小腿元件上的扭矩，其中，控制器控制旋轉(zhuǎn)電機，以在步態(tài)周期內(nèi)基于施加在小腿元件上的作用力調(diào)節(jié)阻抗、位置或扭矩。在一些實施例中，矯形器包括角度傳感器，用于確定大腿元件和小腿元件之間的角度，其中，控制器控制旋轉(zhuǎn)電機，以基于該步態(tài)周期中大腿元件和小腿元件之間的角度調(diào)節(jié)阻抗、位置或扭矩。在一些實施例中，傳動帶、傳輸帶或纜驅(qū)動傳動組件包括至少兩個驅(qū)動傳動組件，其中，所述至少兩個驅(qū)動傳動組件中的第一驅(qū)動傳動組件構(gòu)造成將螺旋傳動組件輸出的第一方向的線性運動轉(zhuǎn)換為第一旋轉(zhuǎn)運動，從而給膝關節(jié)施加扭矩，使小腿元件相對于大腿元件轉(zhuǎn)動，并且其中，所述至少兩個驅(qū)動傳動組件中的第二驅(qū)動傳動組件構(gòu)造成將螺旋傳動組件的反向線性運動轉(zhuǎn)換為反向旋轉(zhuǎn)運動， 從而給膝關節(jié)施加扭矩，使小腿元件相對于大腿元件轉(zhuǎn)動。本發(fā)明的另一方面提供了一種方法，用于確定下方表面施加給佩戴者佩戴的下肢假體裝置足元件的地面反作用力和零力矩樞軸。該裝置包括足元件、小腿元件、用于將足元件連接到小腿元件的踝關節(jié)、將扭矩施加到踝關節(jié)上使足元件相對于小腿元件轉(zhuǎn)動的第一致動器。該方法包括基于小腿元件的慣性姿態(tài)、致動器施加到小腿元件上的扭矩、施加到小腿元件上的軸向力以及足元件和小腿元件之間的角度，計算地面反作用力。在一些實施例中，該方法包括控制致動器，以基于小腿元件的慣性姿態(tài)、足元件和小腿元件之間的角度、地面反作用力和零力矩樞軸，在該裝置的整個行走周期內(nèi)調(diào)節(jié)裝置的阻抗。在一些實施例中，該方法包括控制致動器，以在佩戴者從坐下位置站起時或從站立位置坐下時，基于小腿元件的慣性姿態(tài)、足元件和小腿元件之間的角度、地面反作用力和零力矩樞軸，調(diào)節(jié)裝置的阻抗。在一些實施例中，小腿元件的慣性姿態(tài)是基于連接到小腿元件的慣性測量單元的輸出來確定。本發(fā)明的另一方面提供了一種方法，用于使下肢假體或矯形器上加速度計和速率陀螺儀誤差的影響最小化，該下肢假體或矯形器包括足元件、小腿元件、用于將足元件連接到小腿元件的踝關節(jié)。該方法包括當踝關節(jié)在假體或矯形器的行走周期中基本靜止時，確定對連接到小腿元件上的加速度計輸出的加速度計信號的至少一個速度誤差貢獻。該方法還包括當踝關節(jié)在假體或矯形器的行走周期中基本靜止時，確定對連接到小腿元件上的慣性測量單元輸出的慣性姿態(tài)失準信號的至少一個速度誤差貢獻。在一些實施例中，慣性測量單元輸出的慣性姿態(tài)失準信號是速率陀螺儀輸出的速率陀螺儀信號。在一些實施例中，該方法包括用加速度計和速率陀螺儀輸出的信號計算小腿元件的姿態(tài)。在一些實施例中，該方法包括用速度誤差貢獻校正計算的小腿元件的姿態(tài)。 在一些實施例中，該方法包括在該行走周期的一部分受控背屈狀態(tài)期間確定速度誤差貢獻。在一些實施例中，該方法包括當踝關節(jié)在假體或矯形器的行走周期中基本靜止
25時，確定對連接到假體或矯形器大腿元件上的加速度計和速率陀螺儀輸出的加速度計信號和速率陀螺儀信號的速度誤差貢獻。在一些實施例中，該方法包括當足元件上的計算位置基本靜止時，確定對連接到假體或矯形器大腿元件上的加速度計和速率陀螺儀輸出的加速度計信號和速率陀螺儀信號的速度誤差貢獻。在一些實施例中，該方法包括測量小腿元件相對于大腿元件的角度。在一些實施例中，該方法包括當踝關節(jié)在假體或矯形器的行走周期中基本靜止時，確定對連接到佩戴者軀干上的加速度計和速率陀螺儀輸出的加速度計信號和速率陀螺儀信號的速度誤差貢獻。在一些實施例中，該方法包括檢測大腿元件相對于佩戴者軀干的角度。本發(fā)明的另一方面提供了一種方法，用于控制佩戴下肢假體、矯形器或外骨骼裝置佩戴者的平衡，該下肢假體、矯形器或外骨骼裝置包括足元件、小腿元件和用于連接足元件與小腿元件的踝關節(jié)。該方法包括基于小腿元件的慣性姿態(tài)、小腿元件和足元件之間的角度以及下方表面施加到足元件上的地面反作用力和零力矩樞軸，調(diào)節(jié)該裝置的踝關節(jié)阻抗、位置或扭矩中的至少一個。在一些實施例中，連接到小腿元件和足元件的致動器調(diào)節(jié)踝關節(jié)阻抗、位置或扭矩中的至少一個，以控制佩戴者的平衡。在一些實施例中，控制器基于小腿元件的慣性姿態(tài)、致動器施加到小腿元件的扭矩、施加到小腿元件的軸向力以及足元件和小腿元件之間的角度，計算地面反作用力和零力矩樞軸，該控制器連接到致動器上，以控制致動器來調(diào)節(jié)踝關節(jié)阻抗、位置或扭矩中的至少一個，從而控制佩戴者的平衡。在一些實施例中，控制器基于連接到小腿的慣性測量單元輸出的信號，計算小腿的慣性姿態(tài)。在一些實施例中，連接到致動器的控制器控制致動器以調(diào)節(jié)踝關節(jié)阻抗、位置或扭矩中的至少一個，從而控制佩戴者的平衡。在一些實施例中，控制器接收來自一個或多個傳感器的信號，以計算小腿元件的慣性姿態(tài)、小腿元件和足元件之間的角度以及下方表面施加到足元件上的地面反作用力。在一些實施例中，該方法包括在佩戴者從坐下位置到站立位置轉(zhuǎn)變時，基于地面反作用力的增加控制佩戴者的平衡。在一些實施例中，該方法包括基于地面反作用力的增加，用連接到小腿的致動器驅(qū)動小腿元件向前。本發(fā)明的另一方面提供了一種方法，用于確定假體、矯形器或外骨骼裝置的足元件和下方表面之間的牽引力變化，該裝置包括足元件、小腿元件、用于連接足元件和小腿元件的踝關節(jié)以及給踝關節(jié)施加扭矩使足元件相對于小腿元件轉(zhuǎn)動的第一致動器。該方法包括基于小腿元件的慣性姿態(tài)、致動器施加到小腿元件上的扭矩、施加到小腿元件上的軸向力以及足元件和小腿元件之間的角度，計算下方表面施加到足元件上的地面反作用力和零力矩樞軸。該方法還包括基于小腿元件的慣性姿態(tài)、致動器施加到小腿元件上的扭矩、施加到小腿元件上的軸向力以及足元件和小腿元件之間的角度，計算足元件零力矩樞軸的速度。在一些實施例中，在佩戴者足平放和足尖離地狀態(tài)之間的一部分步態(tài)周期內(nèi)，如果足元件零力矩樞軸速度下降，則確定足元件是在打滑或是在下沉。在一些實施例中，該方法包括作為確定足元件在打滑或在下沉的響應，減小施加到小腿元件上的扭矩。在一些實施例中，該方法包括用衰減系數(shù)減小施加到小腿元件的扭矩。衰減系數(shù)可以是預定的衰減系數(shù)。可基于零力矩樞軸速度確定衰減系數(shù)。在一些實施例中，該方法包括作為零力矩樞軸速度低于預定閾值的響應，減小施加到小腿元件上的扭矩。另一方面，本發(fā)明提供了一種具備內(nèi)在安全特征的線性致動器。該致動器包括旋轉(zhuǎn)電機，該旋轉(zhuǎn)電機包括電機輸出軸；其中，帶輪連接到該電機輸出軸上。該致動器還包括滾珠絲杠傳動組件，滾珠絲杠傳動組件包括螺紋軸，其借助并聯(lián)在帶輪和滾珠絲杠傳動組件螺紋軸之間的多個傳動帶而連接到該電機輸出軸上。滾珠絲杠傳動組件將電機輸出軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為滾珠絲杠傳動組件一部分的線性運動。在一些實施例中，該線性致動器包括角編碼器，用于確定旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)子和定子之間的角度對準。在一些實施例中，該線性致動器包括控制器，該控制器構(gòu)造成作為傳動帶斷裂傳感器探測到所述多個傳動帶中一條或多條失效的響應，使旋轉(zhuǎn)電機的三條導線對地短路。在一些實施例中，使三條導線短路導致旋轉(zhuǎn)電機如粘滯制動器一樣工作。在一些實施例中，通過給電機繞組中的一個繞組提供固定電流和測量該繞組內(nèi)的相應電壓來確定繞組電阻，從而確定電機溫度。在一些實施例中，通過給電機繞組中的一個繞組提供固定電壓和測量該繞組內(nèi)的相應電流來確定繞組電阻，從而確定電機溫度。在一些實施例中，該線性致動器包括電機溫度傳感器，用于檢測電機的溫度。在一些實施例中，該線性致動器包括連接到電機的控制器，用于基于電機溫度控制致動器輸出的扭矩。另一方面，本發(fā)明提供了一種方法，用于在整個步態(tài)周期中，基于佩戴者佩戴的下肢假體、矯形器或外骨骼裝置一部分在下方地形上的慣性參考周期內(nèi)軌跡，控制裝置的關節(jié)位置、阻抗或扭矩中的至少一個。在一些實施例中，該裝置包括足元件、小腿元件以及用于連接足元件和小腿元件的踝關節(jié)。在一些實施例中，該裝置包括小腿元件、大腿元件以及用于連接小腿元件和大腿元件的膝關節(jié)。在一些實施例中，該裝置包括大腿元件、軀干元件以及用于連接大腿元件和軀干元件的髖關節(jié)元件。在一些實施例中，該裝置包括大腿元件和用于連接小腿元件和大腿元件的膝關節(jié)。在一些實施例中，該裝置包括軀干元件，以及用于連接大腿元件和軀干元件的髖關節(jié)。在一些實施例中，該裝置包括軀干元件，以及用于連接大腿元件和軀干元件的髖關節(jié)。在一些實施例中，該軌跡是對小腿元件確定的。在一些實施例中，該軌跡是基于小腿元件的慣性姿態(tài)和足元件與小腿元件之間的角度確定的。在一些實施例中，相對于下方地形，將足元件的彈簧平衡位置調(diào)整到足平放位置，從而與相對于世界坐標系處于豎直位置的小腿元件一致。在一些實施例中，在當足元件接觸下方地形和當足元件相對于下方地形處于足平放位置之間的一段時間內(nèi)，基于施加在小腿元件上的彈射力，調(diào)整裝置的阻抗以便使成本函數(shù)最小化。在一些實施例中，在當足元件接觸下方地形和當足元件相對于下方地形處于足平放位置之間的一段時間內(nèi)，基于施加在小腿元件上的彈射力，調(diào)整裝置的阻抗以便使成本函數(shù)最小化。在一些實施例中，調(diào)整該裝置的阻抗，使足元件的足拍擊最小化。在一些實施例中，相對于下方地形，基于小腿元件的軌跡，將足元件的位置調(diào)整到足尖朝下位置。在一些實施例中，小腿元件的軌跡代表下方地形包括一個或多個樓梯時的軌跡。在一些實施例中， 在步態(tài)周期內(nèi)，通過與裝置的至少一個傳感器和至少一個致動器連通的處理器來連續(xù)修正關節(jié)位置、阻抗或扭矩中的至少一個。在一些實施例中，基于行走速度、地形環(huán)境或地形表面特征中的至少一個，在步態(tài)周期的后期站立階段控制該裝置關節(jié)上的阻抗和扭矩。在一些實施例中，控制阻抗和扭矩以便獲得所需量的功。在一些實施例中，在步態(tài)周期的受控跖屈階段調(diào)整該裝置的阻抗，從而減少前腳與下方地形的碰撞。在一些實施例中，基于裝置一部分的速度，控制該裝置的關節(jié)位置、阻抗或扭矩中的至少一個。在一些實施例中，該裝置是小腿裝置，所述一部分是處于小腿裝置的膝關節(jié)和踝關節(jié)之間的部位。在一些實施例中，在整個步態(tài)周期內(nèi)，控制關節(jié)位置、阻抗或扭矩中的至少兩個。在一些實施例中，該裝置包括在整個步態(tài)周期內(nèi)控制關節(jié)位置、阻抗和扭矩。另一方面，本發(fā)明提供了一種方法，用于在整個步態(tài)周期內(nèi)，減少佩戴者佩戴的下肢假體、矯形器或外骨骼裝置的髖沖擊力和髖沖擊力速率。該方法包括基于與下方地形接觸的腳傳遞產(chǎn)生的髖沖擊力和沖擊力速率來產(chǎn)生成本函數(shù)。該方法還包括基于使佩戴者成本函數(shù)最小化以便減小在下方地形上的步態(tài)周期內(nèi)產(chǎn)生的髖沖擊力，控制下肢假體、矯形器或外骨骼裝置中至少一個關節(jié)的位置、阻抗或扭矩中的至少一個。在一些實施例中，該裝置包括第一足元件、第一小腿元件和用于連接第一足元件和第一小腿元件的第一踝關節(jié)，該方法還包括在該裝置的第一足元件的足觸地狀態(tài)和足平放狀態(tài)之間的時間段內(nèi)，調(diào)整第一踝關節(jié)的阻抗以及第一足元件與第一小腿元件之間的角度。在一些實施例中，基于在該裝置第一足元件處于足觸地狀態(tài)和足平放狀態(tài)之間時對要施加到第一踝關節(jié)上的力估算，調(diào)整第一踝關節(jié)的阻抗以及第一足元件與第一小腿元件之間的角度以使成本函數(shù)最小化。在一些實施例中，足觸地狀態(tài)包括足元件足跟首次接觸下方地形。在一些實施例中，足觸地狀態(tài)包括足元件足尖首次接觸下方地形。在一些實施例中，下方地形包括上樓梯或下樓梯中的至少一個，該方法還包括基于在該裝置第一足元件處于足觸地狀態(tài)和足平放狀態(tài)之間時要施加到第一踝關節(jié)上的力估算來使成本函數(shù)最小化的同時，約束第一足元件以便使足尖首先接觸下方地形。在一些實施例中，該裝置包括第二腿元件、第二足元件以及用于連接第二腿元件和第二足元件的第二踝關節(jié)，該方法還包括在第一足元件沖擊下方地形之時或之前給第二踝關節(jié)施加扭矩。在一些實施例中，該方法包括控制關節(jié)位置、阻抗或扭矩中的至少兩個。 在一些實施例中，該方法包括控制關節(jié)位置、阻抗和扭矩。另一方面，本發(fā)明提供了一種方法，用于在整個步態(tài)周期內(nèi)使佩戴者佩戴的下肢假體、矯形器或外骨骼裝置完成的功最小化。該方法包括生成成本函數(shù)，用于在雙側(cè)支撐期間估算裝置和對象結(jié)合體在結(jié)合體質(zhì)心完成的步內(nèi)過渡功。該方法還包括基于使佩戴者的成本函數(shù)最小化以便減小佩戴者和裝置在步態(tài)周期內(nèi)完成的功，控制下肢假體、矯形器或外骨骼裝置的至少一個關節(jié)的位置、阻抗或扭矩中的至少一個。在一些實施例中，該裝置包括第一足元件、第一小腿元件以及用于連接第一足元件和第一小腿元件的第一踝關節(jié)，該方法還包括在該裝置的第一足元件處于足觸地狀態(tài)和足平放狀態(tài)之間的時間段內(nèi)調(diào)整第一踝關節(jié)的阻抗以及第一足元件與第一小腿元件之間的角度。在一些實施例中，基于在該裝置的第一足元件處于足觸地狀態(tài)和足平放狀態(tài)之間時要施加到第一踝關節(jié)上的力的估算，調(diào)整第一踝關節(jié)的阻抗以及第一足元件與第一小腿元件之間的角度，以使成本函數(shù)最小化。足觸地狀態(tài)可包括足元件足跟首先接觸下方地形。 足觸地狀態(tài)可包括足元件的足尖首先接觸下方地形。在一些實施例中，佩戴者下方的地形包括上樓梯或下樓梯中的至少一個，該方法還包括在基于該裝置的第一足元件處于足觸地狀態(tài)和足平放狀態(tài)之間時要施加到第一踝關節(jié)上的力的估算使成本函數(shù)最小化的同時，約束第一足元件以便使足尖首先接觸下方地形。在一些實施例中，該裝置包括第二腿元件、第二足元件以及用于連接第二腿元件和第二足元件的第二踝關節(jié)，該方法還包括在第一足元件沖擊下方地形之時或之前給第二踝關節(jié)施加扭矩。在一些實施例中，該方法包括在整個步態(tài)周期內(nèi)控制關節(jié)位置、阻抗或扭矩中的至少兩個。在一些實施例中，該方法包括在整個步態(tài)周期內(nèi)控制關節(jié)位置、阻抗和扭矩。另一方面，本發(fā)明提供了一種方法，用于在周期內(nèi)行走期間控制佩戴者佩戴的下肢假體、矯形器或外骨骼裝置的關節(jié)阻抗、位置或扭矩中的至少一個。該方法還包括在整個行走周期內(nèi)，在坐標系中確定該裝置的踝關節(jié)和膝關節(jié)之間部位的軌跡。該方法還包括基于該軌跡調(diào)整該裝置的足元件的關節(jié)連接。在一些實施例中，踝關節(jié)將足元件連接到該裝置小腿元件的第一端，該膝關節(jié)連接到小腿元件的相對端。在一些實施例中，該裝置包括所述部位是踝關節(jié)。在一些實施例中，該方法包括當預定條件表示下方地形中出現(xiàn)平地、上坡或下坡時，將足元件的關節(jié)連接調(diào)整到足跟朝下位置。在一些實施例中，該方法包括當預定條件表示下方地形中出現(xiàn)上樓梯或下樓梯時，將足元件的關節(jié)連接調(diào)整到足尖朝下位置。在一些實施例中，當預定條件表示出現(xiàn)上樓梯時，相對于該裝置的小腿元件將足元件調(diào)整到背屈位置。在一些實施例中，當預定條件表示出現(xiàn)下樓梯時，相對于該裝置的小腿元件將足元件調(diào)整到跖屈位置。在一些實施例中，該方法包括當預定條件表示下方地形中出現(xiàn)平地、上坡或下坡時，將足元件的關節(jié)連接調(diào)整到足跟朝下位置；以及當預定條件表示下方地形中出現(xiàn)上樓梯或下樓梯時，將足元件的關節(jié)連接調(diào)整到足尖朝下位置。在一些實施例中，基于該裝置的小腿元件的慣性姿態(tài)以及足元件與小腿元件之間的角度來確定該軌跡。在一些實施例中， 該方法包括當該軌跡滿足預定條件時，將該裝置的足元件的關節(jié)連接調(diào)整到預定朝向。另一方面，本發(fā)明提供了一種主動式下肢假體、矯形器或外骨骼裝置。該裝置包括足元件、小腿元件、用于連接足元件和小腿元件的踝關節(jié)。該裝置還包括第一致動器，用于將扭矩施加到踝關節(jié)上，使足元件相對于小腿元件轉(zhuǎn)動；該裝置還包括慣性測量單元，用于確定小腿元件的慣性姿態(tài)。該裝置還包括扭矩傳感器，用于確定致動器施加到小腿元件上的扭矩。該裝置還包括力傳感器，用于確定施加到小腿元件上的軸向力。該裝置還包括角度傳感器，用于確定足元件和小腿元件之間的角度。該裝置還包括控制器，用于在該裝置的整個行走周期內(nèi)，基于慣性姿態(tài)、扭矩、軸向力和角度，控制致動器以調(diào)節(jié)該裝置的關節(jié)阻抗、 位置或扭矩中的至少一個。在一些實施例中，該裝置包括一個或多個連接在小腿元件和足元件之間的被動彈性元件，用于在足元件圍繞踝關節(jié)朝小腿元件轉(zhuǎn)動時存儲能量，及用于釋放能量以提供附加扭矩來轉(zhuǎn)動足元件離開小腿元件。在一些實施例中，一個或多個彈性元件以與致動器并聯(lián)的方式連接到該裝置上。在一些實施例中，一個或多個被動彈性元件是單向彈簧，并且在足元件相對于小腿元件跖屈時不被接合。在一些實施例中，致動器包括串聯(lián)的彈性致動器。在一些實施例中，該串聯(lián)的彈性致動器包括無刷電機，該無刷電機驅(qū)動滾珠絲杠；與滾珠絲杠的輸出端串聯(lián)的碳纖維彈簧；以及連接到該彈簧的應變傳感器。在一些實施例中，該慣性測量單元包括三軸速率陀螺儀和三軸加速度計。在一些實施例中，該裝置包括連接到小腿元件的結(jié)構(gòu)元件，該結(jié)構(gòu)元件還包括連接到佩戴者肢體插座元件的接口，其中，該結(jié)構(gòu)元件包括多個應變計，用于確定致動器施加到小腿元件上的扭矩和施加到小腿元件上的軸向力。在一些實施例中，在行走周期的受控跖屈階段，致動器調(diào)整該裝置的剛度，使前腳與下方表面的碰撞最小化。在一些實施例中， 在行走周期的后期站立階段，致動器基于行走速度、地形環(huán)境或地形表面特征中的至少一個來調(diào)整該裝置的踝關節(jié)上的阻抗和扭矩。在一些實施例中，致動器基于下方表面施加到足元件上的地面反作用力和零力矩樞軸坐標、小腿元件的慣性姿態(tài)、致動器施加到小腿元件上的扭矩、施加到小腿元件上的軸向力以及足元件和小腿元件之間的角度，調(diào)節(jié)該裝置的阻抗。在一些實施例中，基于小腿元件的慣性姿態(tài)、足元件和小腿元件之間的角度以及地面反作用力和零力矩樞軸坐標，在佩戴者從坐下位站起或者從站立位置坐下時，致動器調(diào)節(jié)該裝置的阻抗。在一些實施例中，該裝置用于治療足下垂步態(tài)。在一些實施例中，該裝置用于治療患有前肌無力、后肌無力或前肌無力和后肌無力組合的佩戴者。在一些實施例中，該裝置包括大腿元件、用于連接大腿元件和小腿元件的膝關節(jié)以及第二致動器，第二致動器用于給膝關節(jié)施加扭矩，以使小腿元件相對于大腿元件轉(zhuǎn)動。 該裝置還包括第二慣性測量單元，用于確定大腿元件的慣性姿態(tài)；該裝置還包括第二扭矩傳感器，用于確定第二致動器施加到大腿元件上的扭矩。該裝置還包括第二力傳感器，用于確定施加到大腿元件上的軸向力。該裝置還包括第二角度傳感器，用于確定大腿元件和小腿元件之間的角度。該裝置還包括控制器，控制器控制第一和第二致動器，以便基于用第一和第二儀器確定的慣性姿態(tài)、扭矩、軸向力和角度，在該裝置的整個行走周期內(nèi)調(diào)節(jié)該裝置的阻抗。在一些實施例中，該裝置包括軀干元件和用于連接軀干元件和大腿元件的髖關節(jié)。該裝置還包括第三致動器，用于給髖關節(jié)施加扭矩，使大腿元件相對于軀干元件轉(zhuǎn)動。 該裝置還包括第三慣性測量單元，用于確定軀干元件的慣性姿態(tài)；該裝置還包括第三扭矩傳感器，用于確定第三致動器施加到軀干元件上的扭矩。該裝置還包括第三力傳感器，用于確定施加到軀干元件上的軸向力；該裝置還包括第三角度傳感器，用于確定軀干元件和大腿元件之間的角度，其中，控制器控制第一、第二和第三致動器，以便基于第一、第二和第三儀器確定的慣性姿態(tài)、扭矩、軸向力和角度，在該裝置的整個行走周期內(nèi)調(diào)節(jié)該裝置的阻抗。在一些實施例中，小腿元件可附連到佩戴者的腿上。在一些實施例中，足元件可附連到佩戴者的腳上。在一些實施例中，大腿元件可附連到佩戴者的大腿上。在一些實施例中，控制器控制致動器，以便在該裝置的整個行走周期內(nèi)調(diào)節(jié)該裝置的關節(jié)阻抗、位置或扭矩中的至少兩個。在一些實施例中，控制器控制致動器，以便在該裝置的整個行走周期內(nèi)調(diào)節(jié)該裝置的關節(jié)阻抗、位置和扭矩。另一方面，本發(fā)明提供了一種方法，用于確定下肢矯形器或外骨骼裝置需要給佩戴該裝置的佩戴者提供幫助的水平。該方法包括制定理療方案，該理療方案限定了一段時間段內(nèi)由佩戴者佩戴的裝置進行幫助的水平；及降低佩戴者佩戴裝置幫助肢體病患康復而進行幫助的水平。在一些實施例中，基于佩戴者對該裝置的阻抗和扭矩貢獻來降低該裝置的幫助水平。在一些實施例中，該裝置包括基于佩戴者和該裝置的生物力學模型以及在該裝置工作期間佩戴者的測量，確定佩戴者的阻抗和扭矩貢獻。在一些實施例中，佩戴者的測量包括測量該裝置至少一個關節(jié)的轉(zhuǎn)動和加速度中的至少一個。在一些實施例中，該裝置的至少一個關節(jié)包括以下關節(jié)的至少一個a)踝關節(jié)，其連接該裝置的足元件和該裝置的小腿元件；b)膝關節(jié)，用于連接該裝置的大腿元件和該裝置的小腿元件；或C)髖關節(jié)，用于連接該裝置的軀干元件和該裝置的大腿元件。另一方面，本發(fā)明提供了一種方法，采用佩戴者佩戴的下肢矯形器或外骨骼裝置對有肢體病患的佩戴者進行康復。該方法包括基于佩戴者和該裝置的生物力學模型以及該裝置工作期間佩戴者的測量，估算佩戴者對該裝置至少一個關節(jié)的阻抗和扭矩貢獻；及給該裝置的致動器提供信號，該信號指令致動器給該裝置的至少一個關節(jié)提供附加扭矩， 以便在工作期間該裝置內(nèi)能夠獲得預定水平的扭矩。在一些實施例中，佩戴者的測量包括測量該裝置至少一個關節(jié)的轉(zhuǎn)動和加速度中的至少一個。在一些實施例中，該裝置的至少一個關節(jié)包括以下關節(jié)的至少一個a)踝關節(jié)，其連接該裝置的足元件和該裝置的小腿元件；b)膝關節(jié)，用于連接該裝置的大腿元件和該裝置的小腿元件；或c)髖關節(jié)，用于連接該裝置的軀干元件和該裝置的大腿元件。另一方面，本發(fā)明提供了一種方法，用于在佩戴者穿越下方地形時估算下方地形的狀態(tài)。該方法包括確定穿越下方地形的佩戴者下肢上多個點的慣性參考軌跡和佩戴者下肢的朝向；及相對于至少一個預定軌跡模型分析該慣性參考軌跡，以便估算下方地形狀態(tài)。在一些實施例中，下方地形狀態(tài)為上樓梯、上坡、平地、下坡或下樓梯中的至少一個。在一些實施例中，該方法包括確定穿越下方地形的佩戴者的慣性參考軌跡，其中，下方地形包括上樓梯、上坡、平地、下坡和下樓梯。在一些實施例中，在佩戴者步態(tài)周期的后期擺動階段完成對穿越下方地形的佩戴者的慣性參考軌跡的確定。在一些實施例中，相對于至少一種預定軌跡模型分析慣性參考軌跡包括采用至少一種模式識別技術。在一些實施例中，該至少一種模式識別技術是采用連接到至少一個傳感器的處理器和連接到佩戴者佩戴的下肢假體、矯形器或外骨骼裝置的一個致動器實現(xiàn)的。在一些實施例中，該至少一種模式識別技術選自貝葉斯模式分類、神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊邏輯或分層時間記憶構(gòu)成的組。在一些實施例中，該方法包括基于下方地形條件的估算，控制佩戴者佩戴的下肢假體、矯形器或外骨骼裝置的關節(jié)阻抗、位置或扭矩中的至少一個。在一些實施例中，該方法包括確定該裝置的足元件和下方表面之間的牽引力變化，該裝置包括足元件、小腿元件、用于連接足元件和小腿元件的踝關節(jié)以及第一致動器， 第一致動器用于給踝關節(jié)施加扭矩，使足元件相對于小腿元件轉(zhuǎn)動。該方法可包括基于小腿元件的慣性姿態(tài)、致動器施加在小腿元件上的扭矩、施加到小腿元件上的軸向力以及足元件與小腿元件之間的角度，計算下方表面施加到足元件上的地面反作用力；及基于小腿元件的慣性姿態(tài)、致動器施加在小腿元件上的扭矩、施加到小腿元件上的軸向力以及足元件與小腿元件之間的角度，計算足元件零力矩樞軸的速度。在一些實施例中，在佩戴者從足平放狀態(tài)到足尖離地狀態(tài)之間那一部分步態(tài)周期期間，如果足元件零力矩樞軸速度的至少一個分量降低，則確定足元件是打滑或下沉。在一些實施例中，該方法包括響應于確定足元件在打滑或下沉，減小施加給小腿元件的扭矩。在一些實施例中，該方法包括利用衰減系數(shù)減小施加到小腿元件上的扭矩。在一些實施例中， 衰減系數(shù)是預定衰減系數(shù)。在一些實施例中，基于零力矩樞軸速度確定衰減系數(shù)。在一些實施例中，該方法包括響應零力矩樞軸速度小于預定閾值，減小施加到小腿元件上的扭矩。另一方面，本發(fā)明提供了一種方法，用于識別佩戴者佩戴的下肢假體、矯形器或外骨骼裝置下方地形的特性，其中，該裝置包括足元件、小腿元件以及用于連接足元件和小腿元件的踝關節(jié)。該方法包括在整個步態(tài)周期中，估算該裝置踝關節(jié)的慣性速度矢量迎角； 及基于慣性速度矢量迎角是否在預定范圍內(nèi)，識別地形特性。在一些實施例中，該方法包括在當足元件的足跟接觸下方地形到當足元件相對于下方地形處于足平放位置之間的一段時間內(nèi)，基于施加到小腿元件上的彈射力，調(diào)整該裝置的阻抗以使成本函數(shù)最小化。在一些實施例中，該方法包括基于慣性速度矢量迎角是否處于預定范圍內(nèi)，控制該裝置踝關節(jié)阻抗、位置或扭矩中的至少一個。在一些實施例中， 足元件可附連到佩戴者的腳上，小腿元件可附連到佩戴者的腿上。在一些實施例中，足元件和小腿元件替代佩戴者的腳和小腿。另一方面，本發(fā)明提供了一種方法，用于控制佩戴者佩戴的下肢假體、矯形器或外骨骼裝置的關節(jié)阻抗、位置或扭矩中的至少一個，其中，該裝置包括足元件、小腿元件以及用于連接足元件和小腿元件的踝關節(jié)。在一些實施例中，該方法包括在整個步態(tài)周期內(nèi)估算該裝置踝關節(jié)的慣性速度矢量迎角；及當該慣性速度矢量迎角位于預定范圍內(nèi)時，將該裝置足元件的位置調(diào)整為足尖朝下位置。在一些實施例中，該方法包括當該慣性速度矢量迎角超出預定范圍時，將該裝置足元件的位置調(diào)整為足跟朝下位置。在一些實施例中，該方法包括在當足元件的足跟接觸下方地形到當足元件相對于下方地形處于足平放位置之間的一段時間內(nèi)，基于施加到小腿元件上的彈射力，調(diào)整該裝置的阻抗以使成本函數(shù)最小化。在一些實施例中，足元件可附連到佩戴者的腳上，小腿元件可附連到佩戴者的腿上。在一些實施例中，足元件和小腿元件替代佩戴者的腳和小腿。追蹤到的軌跡是否對應于樓梯。該方法還包括在追蹤到的軌跡對應于樓梯的情況，對于在樓梯上移動的裝置優(yōu)化其操作。該方法還包括確定追蹤到的軌跡是否對應于非樓梯地形。該方法還包括在追蹤到的軌跡對應于非樓梯地形的情況，對于在非樓梯地形上移動的裝置優(yōu)化其操作。在一些實施例中，確定追蹤到的軌跡是否對應于樓梯的步驟包括確定后期擺動階段踝關節(jié)的速度矢量迎角Ψ小于閾值，確定追蹤到的軌跡是否對應于非樓梯地形的步驟包括確定踝關節(jié)的速度矢量迎角Ψ大于閾值。在一些實施例中，對于在樓梯上行走的裝置優(yōu)化其操作的步驟包括在足觸地之前將足元件的位置調(diào)整到足尖朝下的位置，并且對于在非樓梯地形上移動的裝置優(yōu)化其操作的步驟包括在足觸地之前將足元件的位置調(diào)整到足跟朝下的位置。
在一些實施例中，對于在非樓梯地形上行走的裝置優(yōu)化其操作的步驟包括在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的阻抗，在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的位置，及在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的扭矩。在一些實施例中，對于在樓梯上行走的裝置優(yōu)化其操作的步驟包括在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的阻抗，在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的位置，及在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的扭矩。在一些實施例中，該方法還包括確定追蹤到的軌跡是否對應于上坡；在追蹤到的軌跡對應于上坡的情況下優(yōu)化該裝置的上坡操作；確定追蹤到的軌跡是否對應于下坡； 及在追蹤到的軌跡對應于下坡的情況下優(yōu)化該裝置的下坡操作。在一些實施例中，優(yōu)化該裝置的上坡操作的步驟包括在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的阻抗，在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的位置，及在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的扭矩，并且優(yōu)化該裝置的下坡操作的步驟包括在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的阻抗，在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的位置，及在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的扭矩。在一些實施例中，確定追蹤到的軌跡是否對應于樓梯的步驟包括確定后期擺動階段踝關節(jié)的速度矢量迎角Ψ小于閾值，確定追蹤到的軌跡是否對應于非樓梯地形的步驟包括確定踝關節(jié)的速度矢量迎角Ψ大于閾值；其中，對于在樓梯上行走的裝置優(yōu)化其操作的步驟包括在足觸地之前將足元件的位置調(diào)整到足尖朝下的位置，對于在非樓梯地形上移動的裝置優(yōu)化其操作的步驟包括在足觸地之前將足元件的位置調(diào)整到足跟朝下的位置，并且其中，對于在非樓梯地形上行走的裝置優(yōu)化其操作的步驟包括在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的阻抗，在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的位置，及在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的扭矩。另一方面，本發(fā)明提供了一種下肢假體或矯形器裝置，該裝置包括足元件、小腿元件、可操作地連接在足元件和小腿元件之間的踝關節(jié)，以允許足元件相對于小腿元件關節(jié)連接。該裝置包括構(gòu)造成驅(qū)動踝關節(jié)的電機；和慣性測量單元，它構(gòu)造成用于追蹤小腿元件的軌跡并產(chǎn)生代表該軌跡的輸出。該裝置還包括控制器，該控制器構(gòu)造成(a)根據(jù)該輸出確定追蹤到的軌跡是否對應于樓梯，(b)當追蹤到的軌跡對應于樓梯時，優(yōu)化行走在樓梯上的踝關節(jié)的操作，(c)確定追蹤到的軌跡是否對應于非樓梯地形，及(d)當追蹤到的軌跡對應于非樓梯地形時，優(yōu)化行走在非樓梯地形上的踝關節(jié)的操作。在一些實施例中，控制器通過確定后期擺動階段踝關節(jié)的速度矢量迎角Ψ小于閾值從而確定追蹤到的軌跡是否對應于樓梯，并且控制器通過確定踝關節(jié)的速度矢量迎角 ψ大于閾值從而確定追蹤到的軌跡是否對應于非樓梯地形。在一些實施例中，控制器通過在足觸地之前將足元件的位置調(diào)整到足尖朝下的位置來優(yōu)化在樓梯上行走的踝關節(jié)的操作，并且控制器通過在足觸地之前將足元件的位置調(diào)整到足跟朝下的位置來優(yōu)化在非樓梯地形上移動的踝關節(jié)的操作。在一些實施例中，通過在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的阻抗、在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的位置及在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的扭矩，控制器優(yōu)化在非樓梯地形上行走的踝關節(jié)的操作。在一些實施例中，控制器通過在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的阻抗、在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的位置及在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的扭矩，來優(yōu)化在樓梯上行走的踝關節(jié)的操作。在一些實施例中，控制器還構(gòu)造成(e)基于該輸出確定追蹤到的軌跡是否對應于上坡，(f)當追蹤到的軌跡對應于上坡時優(yōu)化上坡行走的踝關節(jié)的操作，(g)確定追蹤到的軌跡是否對應于下坡，及(h)當追蹤到的軌跡對應于下坡時優(yōu)化下坡行走的踝關節(jié)的操作。在一些實施例中，控制器通過在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的阻抗、在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的位置及在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的扭矩，來優(yōu)化上坡的踝關節(jié)的操作，并且其中，控制器通過在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的阻抗、在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的位置及在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的扭矩，來優(yōu)化下坡的踝關節(jié)的操作。


從下面結(jié)合附圖(不是必須按照比例繪制)的說明性描述中，將更加全面理解本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)點以及發(fā)明本身。圖IA是在平地上佩戴者步態(tài)周期不同階段的示意圖。圖IB是上樓梯時佩戴者步態(tài)周期不同階段的示意圖。圖IC是下樓梯時佩戴者步態(tài)周期不同階段的示意圖。圖2A是根據(jù)本發(fā)明的一個示例實施例，一種確定假體、矯形器或外骨骼裝置的踝關節(jié)、足跟和足尖軌跡的方法的示意圖。圖2B是行走期間踝關節(jié)加速度實驗數(shù)據(jù)圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個示例實施例的一種確定足傾斜(足跟高度)的方法的示意圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個示例實施例，一種確定足跟和足尖相對于踝關節(jié)在足參考系內(nèi)的坐標的方法的示意圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個示例實施例，一種用于估算足跟矢量的方法的示意圖。圖6A表示在不同行走環(huán)境中的慣性測量單元計算的踝關節(jié)樞軸軌跡。圖6B表示描述假體裝置踝關節(jié)騰空軌跡的二維幾何關系。圖6C表示根據(jù)本發(fā)明的一個示例實施例，如何采用腳踝角度迎角作為軌跡特征來構(gòu)建樓梯-斜坡鑒別器，以便區(qū)別樓梯和斜坡行走環(huán)境。圖7A表示根據(jù)本發(fā)明的一個示例實施例的一種在足觸地之前定位踝關節(jié)的方法。圖7B表示根據(jù)本發(fā)明的一個示例實施例，如何采用圖7A的方法檢測樓梯的存在以及足懸于樓梯平臺之上。圖7C表示根據(jù)本發(fā)明的一個示例實施例，一種在斜坡行走環(huán)境中踝關節(jié)的定位方法。圖7D表示根據(jù)本發(fā)明的一個示例實施例，如何將圖7B的方法改造為使用優(yōu)化阻抗。圖8表示一種基于足平放時的地形角度確定慣性參考彈簧平衡的方法。圖9表示行走速度對于腳踝扭矩與腳踝角度之間關系的影響，表示推-拉制動器
34控制如何施加到適當選擇的并聯(lián)彈性元件上。圖IOA表示根據(jù)本發(fā)明的一個示例實施例，一種控制下肢裝置的方法。圖IOB是根據(jù)本發(fā)明的一個示例實施例，一種用于實現(xiàn)下肢假體裝置的阻抗和扭矩控制的基于模型的控制器的示意圖。圖IOC是根據(jù)本發(fā)明的一個示例實施例，一種用于實現(xiàn)下肢假體裝置的扭矩控制的基于模型的控制器的示意圖。圖IOD是決定圖IOA中進行的阻抗控制的機械阻抗關系示意圖。圖IOE是決定圖IOB中進行的阻抗和反射控制的阻抗和反射關系的示意圖。圖IOF是如何采用參考零力矩樞軸的地面反作用力來確定穩(wěn)定假體裝置佩戴者倒立擺動力學所需恢復扭矩的示意圖。圖IlA是腳踝假體的小腿足元件、踝關節(jié)和足元件的示意圖，示出地面反作用力和零力矩樞軸。圖11B-11D是踝假體各個零部件的示意圖，表示需要用于確定地面反作用力和零力矩樞軸的這些零部件之間的力和力矩的關系。圖12A-12B表示作為動力跖屈期間行走速度函數(shù)的腳踝假體在平地上的仿生 (Γ-Θ)行為。圖12C-12D表示腳過渡對觸地長度的影響。圖12E表示在受力跖屈期間觸地長度衰減的速度依賴表如何使用歸一化觸地長度作為獲得仿生行為的手段。圖12F表示在典型行走運動期間估算的零力矩樞軸矢量y分量如何變化。圖12G表示根據(jù)本發(fā)明的一個示例實施例，一種將衰減系數(shù)并入裝置性能的方法。圖13A是根據(jù)本發(fā)明的一個示例實施例，用于足跟觸地情況的控制系統(tǒng)方案的示意圖。圖1 是根據(jù)本發(fā)明的一個示例實施例，用于足尖觸地情況的控制系統(tǒng)方案的示意圖。圖13C表示根據(jù)本發(fā)明的一個示例實施例，一種給腳踝假體(例如圖17A的裝置 1700)提供的位置控制方法。圖14A表示根據(jù)本發(fā)明的一個示例實施例，一種采用逐步地形適應的方法。圖14B表示踝關節(jié)假體應用于三種不同行走環(huán)境的示例阻抗。圖15是根據(jù)本發(fā)明的一個示例實施例，一種下肢生物力學系統(tǒng)的示意圖。圖16表示根據(jù)本發(fā)明的一個示例實施例，軀干姿態(tài)、大腿姿態(tài)以及軀干/身體質(zhì)心姿態(tài)的一種姿態(tài)重建方法。圖17A是根據(jù)本發(fā)明的一個示例實施例，一種下肢假體裝置的示意圖。圖17B是圖17A的一部分下肢裝置的示意圖，示出被動并聯(lián)彈性元件。圖17C是圖17B的裝置的被動并聯(lián)彈性元件示意圖。圖17D是根據(jù)本發(fā)明的一個示例實施例，用于圖17C所示被動并聯(lián)彈性元件的自由體示意圖。圖17E是根據(jù)本發(fā)明的一個示例實施例，圖17A所示裝置的結(jié)構(gòu)元件(錐體)的透視圖。圖17F是根據(jù)本發(fā)明的一個示例實施例，用于測量施加到圖17A所示小腿元件上的軸向力和力矩的替代方法的剖視圖。圖17G表示根據(jù)本發(fā)明的一個示例實施例，采用在印刷電路組件上的圓形陣列位移傳感器計算平面內(nèi)力矩矢量和軸向力的方法。圖17H是根據(jù)本發(fā)明的一個示例實施例，用于圖17A-17G所示裝置的狀態(tài)和致動器控制器的示意圖。圖171是根據(jù)本發(fā)明的一個示例實施例，一種下肢假體裝置的等效電路的示意圖。圖17J是包括在控制裝置時采用的傳感器測量的圖171的電路的示意圖。圖18A-18D是根據(jù)本發(fā)明的一個示例實施例，一種被動串聯(lián)彈性元件的示意圖。圖19A表示根據(jù)本發(fā)明的一個示例實施例，包括有串聯(lián)扁簧的下肢假體裝置。圖19B-19C表示根據(jù)本發(fā)明的一個示例實施例，一種采用替代串聯(lián)彈簧的假體裝置。圖20A表示根據(jù)本發(fā)明的一個示例實施例，可用于各種下肢假體、矯形器和外骨骼裝置的線性致動器的透視圖。圖20B表示圖20A所示的線性致動器的剖視圖。圖21是根據(jù)本發(fā)明的一個示例實施例，可用于各種下肢假體、矯形器和外骨骼裝置的線性致動器的透視圖。圖22A是根據(jù)本發(fā)明的一個示例實施例，一種下肢矯形器或外骨骼裝置(可佩戴的機器人式膝支架)的俯視圖。圖22B是圖22A所示裝置的側(cè)視圖。圖22C是圖22A和22B所示裝置的膝關節(jié)驅(qū)動組件內(nèi)部示意圖。圖23A是在斜坡上人平衡問題的示意圖。圖2 是基于佩戴者的可變膝彎曲的平衡問題的幾種可接受解的示意圖。圖23C表示人體以及如何采用內(nèi)在檢測來平衡平地上佩戴者的示意圖。圖24A-24C表示根據(jù)本發(fā)明的一個示例實施例，在佩戴者從椅子上站起時平衡佩戴者的方法的示意圖。圖25A表示過渡功的定義。圖25B表示髖沖擊力的定義。
具體實施例方式確定正在進行的活動慣性姿態(tài)和軌跡的估算圖2是一種方法的示意圖，該方法用于基于連接到踝關節(jié)200的小腿元件220的慣性姿態(tài)以及小腿元件220和足元件208之間的角度來確定假體、矯形器或外骨骼裝置 (例如圖17A所示裝置1700)的踝關節(jié)200、足跟212和足尖216軌跡。姿態(tài)是坐標系的位置和取向。該裝置1700包括連接到小腿元件220的慣性測量單元204。慣性測量單元204 包括用于測量角速率的三軸速率陀螺儀和用于測量加速度的三軸加速度計。將慣性測量單元放置在小腿元件220上，以便對小腿元件220的所有三個軸的角速率和加速度進行測量。 慣性測量單元204對小腿元件220姿態(tài)、慣性(參考世界坐標系)取向、踝關節(jié)200(踝-足轉(zhuǎn)動中心)位置提供六個自由度的估算。在一些實施例中，利用小腿元件220的姿態(tài)計算膝關節(jié)的瞬時位置。通過踝關節(jié) 200角度(Θ)的信息，可以計算出足208底部的瞬時姿態(tài)，包括足跟212和足尖216的位置。當足元件208是平的時，又可以使用該信息來測量在踝關節(jié)/足元件的轉(zhuǎn)動軸線所限定平面內(nèi)的地形角度。在小腿元件220上安裝慣性測量單元204比安裝在其它可能的位置具有優(yōu)勢。與安裝在足元件208上不同，安裝在小腿元件220上防止了物理損傷并防止了與水接觸。此外，這樣就不再需要安裝在足元件208上時所需的拴系纜索——從而保證機械和電的整體性。最后，該小腿元件220位于混合系統(tǒng)的運動鏈系中心(參見圖15)，便于用最少量的額外傳感器計算大腿和軀干的姿態(tài)。該慣性測量單元204用于計算下肢假體裝置在參考地面的世界坐標系中的取向 Sm^、位置J尸和速度‘V。 Ο可以用四元數(shù)表示或由參照世界坐標系限定踝關節(jié)X，y和Z軸取向的單位矢量的3X3矩陣表示。踝關節(jié)200坐標系被限定為位于踝關節(jié)轉(zhuǎn)動軸線的中心， 其取向依賴于小腿元件220。根據(jù)該中心點，可以計算位置、速度和加速度。對于關注點來說，例如對于足(例如足跟212或足尖216)，采用下面的關系式用足元件-踝關節(jié)取向變換 JO㈧來得出位置。關注點>=媒>+媒 ⑴》⑷( 注點)方程ι其中
權(quán)利要求
1.一種低噪音線性致動器，包括旋轉(zhuǎn)電機，該旋轉(zhuǎn)電機包括電機輸出軸，以及螺旋傳動組件，包括連接到電機輸出軸的螺紋軸，該螺紋軸包括中空的外部，該中空的外部容納有聲阻尼材料；螺母組件，其中螺旋傳動組件將電機輸出軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為螺母組件的線性運動。
2.如權(quán)利要求1所述的線性致動器，其中，螺旋傳動組件是滾珠絲杠傳動組件，螺母組件是滾珠螺母組件，其中，該滾珠螺母組件還包括多個滾珠軸承和多個滾珠滾道，滾珠滾道用于保持滾珠軸承和用于在滾珠軸承組件中循環(huán)滾珠軸承。
3.如權(quán)利要求2所述的線性致動器，包括帶輪，以借助并聯(lián)在帶輪和滾珠絲杠傳動組件的螺紋軸之間的多個傳動帶將電機輸出軸連接到螺紋軸上。
4.如權(quán)利要求3所述的線性致動器，包括在運行期間確認傳動帶完整性的傳感器。
5.如權(quán)利要求3所述的線性致動器，其中，該帶輪被焊接到電機輸出軸上。
6.如權(quán)利要求3所述的線性致動器，包括徑向推力軸承，用于將所述多個傳動帶連接到螺紋軸上，從而承受由傳動帶張力和螺紋軸施加的載荷。
7.如權(quán)利要求2所述的線性致動器，其中，滾珠絲杠傳動組件包括至少一個密封件，用于保護滾珠絲杠傳動組件免遭污染。
8.如權(quán)利要求1所述的線性致動器，其中，該線性致動器是下肢假體、矯形器或外骨骼的零部件。
9.如權(quán)利要求1所述的線性致動器，包括傳動裝置，該傳動裝置采用多個牽引輪，牽引輪將電機輸出軸連接到滾珠絲杠傳動組件的螺紋軸。
10.如權(quán)利要求1所述的線性致動器，其中，螺旋傳動組件是絲杠傳動組件。
11.一種線性致動器，包括旋轉(zhuǎn)電機，該旋轉(zhuǎn)電機包括電機輸出軸；連接到電機輸出軸的電機驅(qū)動傳動組件，用于將電機輸出軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為電機驅(qū)動傳動組件輸出端的線性運動；以及具有雙向剛度的至少一個彈性元件，與電機驅(qū)動傳動組件串聯(lián)連接，從而在拉伸和壓縮時儲存能量。
12.如權(quán)利要求11所述的線性致動器，包括連接到該至少一個彈性元件上的應變傳感器，用于測量該至少一個彈性元件中的應變。
13.如權(quán)利要求12所述的線性致動器，其中，所述至少一個彈性元件是串聯(lián)的或并聯(lián)的彈性元件，連接到電機驅(qū)動傳動組件的輸出端。
14.如權(quán)利要求13的線性致動器，包括控制器，用于接收測量的應變信號，以完成對線性致動器推力的閉環(huán)控制。
15.如權(quán)利要求11的線性致動器，其中，所述至少一個彈性元件大體為扁的彈簧，沿該彈簧的縱軸線分開，以便使彈簧施加在電機驅(qū)動傳動組件輸出端上的平面外力矩最小化。
16.如權(quán)利要求11所述的線性致動器，其中，所述至少一個彈性元件是連接到電機驅(qū)動傳動組件輸出端的串聯(lián)彈性應變元件，并且該線性致動器還包括測量電機位置或電機驅(qū)動傳動組件輸出端位置的傳感器，以及測量串聯(lián)彈性元件輸出的至少一個傳感器，以及估算線性致動器推力以對線性致動器推力進行閉環(huán)控制的信號處理電子元件。
17.一種下肢假體、矯形器或外骨骼裝置，包括足元件；小腿元件；用于將足元件連接到小腿元件的踝關節(jié)；第一致動器，用于將扭矩施加到踝關節(jié)，以使足元件相對于小腿元件轉(zhuǎn)動；及至少一個被動彈性元件，所述至少一個被動彈性元件是非順應的止動件，與第一致動器并聯(lián)并處在小腿元件和足元件之間，其中，該非順應止動件在背屈期間存儲很少能量或不存儲能量，并且在動力跖屈期間限制腳踝進一步轉(zhuǎn)動超出預定角度。
18.如權(quán)利要求17所述的裝置，包括角度調(diào)整機構(gòu)，用于設定足元件相對于小腿元件的預定角度，在該預定角度時非順應止動件限制進一步的轉(zhuǎn)動。
19.如權(quán)利要求18所述的裝置，其中，角度調(diào)整機構(gòu)包括可螺旋調(diào)節(jié)的元件，用于設定所述預定角度。
20.如權(quán)利要求18所述的裝置，其中，該角度調(diào)整機構(gòu)包括用于設定所述預定角度的致動器。
21.如權(quán)利要求20所述的裝置，其中，所述用于設定所述預定角度的致動器基于下方地形特性來調(diào)整所述預定角度。
22.如權(quán)利要求21所述的裝置，其中，下方地形特性選自由上坡、下坡、上樓梯、下樓梯、水平表面構(gòu)成的組。
23.如權(quán)利要求22所述的裝置，其中，與該裝置相連的控制器在周期內(nèi)基礎上確定下方地形特性。
24.一種下肢假體，包括足元件；小腿元件；用于將足元件連接到小腿元件的踝關節(jié)；第一致動器，用于將扭矩施加到踝關節(jié)，以使足元件相對于小腿元件轉(zhuǎn)動；及結(jié)構(gòu)元件，其連接到小腿元件，該結(jié)構(gòu)元件包括用于與佩戴者的肢體插座元件連接的接口，其中，該結(jié)構(gòu)元件包括多個應變計，用于確定施加到小腿元件上的軸向力和第一致動器施加到小腿元件上的扭矩。
25.如權(quán)利要求M所述的下肢假體，包括慣性測量單元，用于確定小腿元件的慣性姿態(tài)。
26.如權(quán)利要求25所述的下肢假體，其中，慣性測量單元連接到小腿元件上。
27.如權(quán)利要求25所述的下肢假體，其中，該慣性測量單元連接到足元件。
28.如權(quán)利要求25所述的下肢假體，包括控制器，用于根據(jù)小腿元件的慣性姿態(tài)、第一致動器施加到小腿元件上的扭矩、施加到小腿元件上的軸向力以及足元件和小腿元件之間的角度，計算下方表面施加在足元件上的地面反作用力和零力矩樞軸坐標。
29.如權(quán)利要求觀所述的下肢假體，其中，控制器連接到第一致動器，并構(gòu)造成控制第一致動器，以便在下肢假體的整個行走周期中，基于小腿元件的慣性姿態(tài)軌跡、足元件和小腿元件之間的角度以及地面反作用力和零力矩樞軸坐標，來調(diào)節(jié)下肢假體的阻抗、位置和扭矩中的至少一個。
30.如權(quán)利要求觀所述的下肢假體，其中，控制器連接到第一致動器，并構(gòu)造成控制第一致動器，用來在佩戴者從坐下位置站立起來時或者從站立位置坐下時，基于小腿元件的慣性姿態(tài)，足元件和小腿元件之間的角度以及地面反作用力和零力矩樞軸坐標，來調(diào)節(jié)下肢假體的阻抗。
31.一種下肢假體，包括 足元件；小腿元件；用于將足元件連接到小腿元件的踝關節(jié)；第一致動器，用于將扭矩施加到踝關節(jié)，以使足元件相對于小腿元件轉(zhuǎn)動； 結(jié)構(gòu)元件，其連接到小腿元件，并包括用于與佩戴者的肢體插座元件連接的接口 ；及位移檢測裝置，用于測量結(jié)構(gòu)元件的偏轉(zhuǎn)，以確定施加到小腿元件上的軸向力和第一致動器施加到小腿元件上的扭矩。
32.如權(quán)利要求31所述的下肢假體，其中，位移檢測裝置包括多個傳感器，并且位移檢測裝置測量每個傳感器與結(jié)構(gòu)元件表面之間的距離。
33.如權(quán)利要求32所述的下肢假體，其中，傳感器選自由接觸式位移傳感器、非接觸式位移傳感器、感應線圈、光學傳感器、力敏電阻、壓電傳感器和應變傳感器構(gòu)成的組。
34.如權(quán)利要求32所述的下肢假體，其中，所述多個傳感器包括多個在線路板上的感應線圈。
35.如權(quán)利要求34所述的下肢假體，其中，感應線圈相對于結(jié)構(gòu)元件表面的電感變化被用于確定結(jié)構(gòu)元件的位移。
36.如權(quán)利要求31所述的下肢假體，包括慣性測量單元，用于確定小腿元件的慣性姿態(tài)。
37.如權(quán)利要求36所述的下肢假體，其中，慣性測量單元連接到小腿元件上。
38.如權(quán)利要求36所述的下肢假體，其中，慣性測量單元連接到足元件。
39.如權(quán)利要求36所述的下肢假體，包括控制器，用于根據(jù)小腿元件的慣性姿態(tài)軌跡、 第一致動器施加到小腿元件上的扭矩、施加到小腿元件上的軸向力以及足元件和小腿元件之間的角度，來計算下方表面施加在足元件上的地面反作用力和零力矩樞軸坐標。
40.如權(quán)利要求39所述的下肢假體，其中，控制器連接到第一致動器，并構(gòu)造成控制第一致動器，用來在下肢假體的整個行走周期中，基于小腿元件的慣性姿態(tài)軌跡、足元件和小腿元件之間的角度以及地面反作用力和零力矩樞軸坐標，來調(diào)節(jié)下肢假體的阻抗。
41.如權(quán)利要求39所述的下肢假體，其中，控制器連接到第一致動器，并構(gòu)造成控制第一致動器，用來在佩戴者從坐下位置站立起來時或者從站立位置坐下時，基于小腿元件的慣性姿態(tài)軌跡、足元件和小腿元件之間的角度以及地面反作用力，來調(diào)節(jié)下肢假體的阻抗。
42.一種主動式膝矯形器，包括 可附連到佩戴者大腿上的大腿元件； 可附連到佩戴者小腿上的小腿元件； 膝關節(jié)，用于將大腿元件連接到小腿元件； 包括電機輸出軸的旋轉(zhuǎn)電機；電機驅(qū)動傳動組件，其連接到電機輸出軸上，以將電機輸出軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為電機驅(qū)動傳動組件輸出端的線性運動；驅(qū)動傳動組件，其連接到電機驅(qū)動傳動組件的輸出端上，驅(qū)動傳動組件的輸出端連接到小腿元件上，用于給膝關節(jié)施加扭矩，以使小腿元件相對于大腿元件轉(zhuǎn)動；電機角度傳感器，用于確定電機位置；控制器，用于控制旋轉(zhuǎn)電機，從而在矯形器的整個行走周期內(nèi)，基于電機位置來調(diào)節(jié)矯形器的阻抗、位置或者扭矩。
43.如權(quán)利要求42所述的矯形器，包括角度傳感器，用于確定驅(qū)動傳動組件的轉(zhuǎn)鼓相對于電機驅(qū)動傳動組件輸出端的位置，其中，控制器控制旋轉(zhuǎn)電機，以便基于該位置來調(diào)節(jié)阻抗、位置或扭矩。
44.如權(quán)利要求42所述的矯形器，包括位移傳感器，用于測量電機驅(qū)動傳動組件內(nèi)串聯(lián)彈簧的位移，以確定在串聯(lián)彈簧上的作用力，其中，控制器控制旋轉(zhuǎn)電機，以基于串聯(lián)彈簧上的作用力來調(diào)節(jié)阻抗、位置或扭矩。
45.如權(quán)利要求42所述的矯形器，包括慣性測量單元，其連接到大腿元件或小腿元件上，用于確定小腿元件的慣性姿態(tài)軌跡，其中，控制器控制旋轉(zhuǎn)電機，以基于該慣性姿態(tài)來調(diào)節(jié)阻抗、位置或扭矩。
46.如權(quán)利要求42所述的矯形器，包括傳感器，用于確定驅(qū)動傳動組件施加在小腿元件和大腿元件中至少一個上的作用力，其中，控制器控制旋轉(zhuǎn)電機，以基于施加在小腿元件上的扭矩來調(diào)節(jié)阻抗、位置或扭矩。
47.如權(quán)利要求42所述的矯形器，包括角度傳感器，用于確定大腿元件和小腿元件之間的角度，其中，控制器控制旋轉(zhuǎn)電機，以基于大腿元件和小腿元件之間的角度來調(diào)節(jié)阻抗、位置或扭矩。
48.如權(quán)利要求42所述的矯形器，其中，驅(qū)動傳動選自由傳動帶驅(qū)動傳動、傳輸帶驅(qū)動傳動和纜驅(qū)動傳動構(gòu)成的組。
49.如權(quán)利要求42所述的矯形器，包括連接到大腿元件的箍套，用于將矯形器附連到佩戴者的大腿。
50.如權(quán)利要求42所述的矯形器，包括連接到小腿元件的箍套，用于將該矯形器附連到佩戴者的小腿。
51.如權(quán)利要求42所述的矯形器，其中，矯形器增強佩戴者的下肢功能。
52.如權(quán)利要求42所述的矯形器，其中，該矯形器治療佩戴者的下肢病患。
53.如權(quán)利要求42所述的矯形器，其中，控制器構(gòu)造成在佩戴者下肢病患康復期間改變矯形器提供給佩戴者的幫助。
54.一種主動式膝蓋矯形器，包括可附連到佩戴者大腿的大腿元件；可附連到佩戴者小腿的小腿元件；膝關節(jié)，用于將大腿元件連接到小腿元件；包括電機輸出軸的旋轉(zhuǎn)電機；連接到電機輸出軸的螺旋傳動組件，用于將電機輸出軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為螺旋傳動組件輸出的線性運動；連接到螺旋傳動組件輸出端的傳動帶、傳輸帶或纜驅(qū)動傳動組件，以將螺旋傳動組件輸出的線性運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動，用于給膝關節(jié)施加扭矩，以使小腿元件相對于大腿元件轉(zhuǎn)動；電機角度傳感器，用于確定電機位置；及控制器，用于控制旋轉(zhuǎn)電機，以便在矯形器的整個行走周期內(nèi)，基于電機位置來調(diào)節(jié)矯形器的阻抗、位置或者扭矩。
55.如權(quán)利要求M所述的矯形器，包括位移傳感器，用于測量傳動帶、傳輸帶或纜驅(qū)動傳動組件內(nèi)串聯(lián)彈簧的位移，以確定在串聯(lián)彈簧上的作用力，其中，控制器控制旋轉(zhuǎn)電機， 以基于串聯(lián)彈簧上的作用力來調(diào)節(jié)阻抗、位置或扭矩。
56.如權(quán)利要求M所述的矯形器，包括慣性測量單元，其連接到大腿元件或小腿元件上，用于在步態(tài)周期內(nèi)確定小腿元件的慣性姿態(tài)軌跡，其中，控制器控制旋轉(zhuǎn)電機，以在該步態(tài)周期中基于慣性姿態(tài)軌跡來調(diào)節(jié)阻抗、位置或扭矩。
57.如權(quán)利要求M所述的矯形器，包括扭矩傳感器，用于確定傳動帶、傳輸帶或纜驅(qū)動傳動組件施加在小腿元件上的扭矩，其中，控制器控制旋轉(zhuǎn)電機，以在步態(tài)周期內(nèi)基于施加在小腿元件上的作用力來調(diào)節(jié)阻抗、位置或扭矩。
58.如權(quán)利要求M所述的矯形器，包括角度傳感器，用于確定大腿元件和小腿元件之間的角度，其中，控制器控制旋轉(zhuǎn)電機，以在該步態(tài)周期中基于大腿元件和小腿元件之間的角度來調(diào)節(jié)阻抗、位置或扭矩。
59.如權(quán)利要求M所述的矯形器，其中，傳動帶、傳輸帶或纜驅(qū)動傳動組件包括至少兩個驅(qū)動傳動組件，其中，所述至少兩個驅(qū)動傳動組件中的第一驅(qū)動傳動組件構(gòu)造成將螺旋傳動組件輸出的第一方向的線性運動轉(zhuǎn)換為第一旋轉(zhuǎn)運動，用于給膝關節(jié)施加扭矩，以使小腿元件相對于大腿元件轉(zhuǎn)動，并且其中，所述至少兩個驅(qū)動傳動組件中的第二驅(qū)動傳動組件構(gòu)造成將螺旋傳動組件輸出的反向線性運動轉(zhuǎn)換為反向旋轉(zhuǎn)運動，從而給膝關節(jié)施加扭矩，以使小腿元件相對于大腿元件轉(zhuǎn)動。
60.一種方法，用于確定下方表面施加到佩戴者佩戴的下肢假體裝置的足元件上的地面反作用力和零力矩樞軸，該下肢假體裝置包括足元件、小腿元件、用于將足元件連接到小腿元件的踝關節(jié)以及用于將扭矩施加到踝關節(jié)上使足元件相對于小腿元件轉(zhuǎn)動的第一致動器，該方法包括基于小腿元件的慣性姿態(tài)、第一致動器施加到小腿元件上的扭矩、施加到小腿元件上的軸向力以及足元件和小腿元件之間的角度，計算地面反作用力。
61.如權(quán)利要求60所述的方法，包括控制第一致動器，以基于小腿元件的慣性姿態(tài)、足元件和小腿元件之間的角度、地面反作用力和零力矩樞軸，在該下肢假體裝置的整個行走周期內(nèi)調(diào)節(jié)下肢假體裝置的阻抗。
62.如權(quán)利要求60所述的方法，包括控制第一致動器，以基于小腿元件的慣性姿態(tài)、足元件和小腿元件之間的角度、地面反作用力和零力矩樞軸，在佩戴者從坐下位置站起或從站立位置坐下時調(diào)節(jié)下肢假體裝置的阻抗。
63.如權(quán)利要求60所述的方法，其中，基于連接到小腿元件的慣性測量單元的輸出來確定小腿元件的慣性姿態(tài)。
64.一種方法，用于使加速度計和速率陀螺儀誤差對下肢假體或矯形器的影響最小化， 其中，該下肢假體或矯形器包括足元件、小腿元件和用于將足元件連接到小腿元件的踝關節(jié)，該方法包括當踝關節(jié)在下肢假體或矯形器的行走周期中基本靜止時，確定對連接到小腿元件的加速度計所輸出的加速度計信號的至少一個速度誤差貢獻；以及當踝關節(jié)在下肢假體或矯形器的行走周期中基本靜止時，確定對連接到小腿元件的慣性測量單元所輸出的慣性姿態(tài)失準信號的至少一個速度誤差貢獻。
65.如權(quán)利要求64所述的方法，其中，慣性測量單元輸出的慣性姿態(tài)失準信號是速率陀螺儀輸出的速率陀螺儀信號。
66.如權(quán)利要求65所述的方法，包括用加速度計和速率陀螺儀輸出的信號計算小腿元件的姿態(tài)。
67.如權(quán)利要求66的方法，包括用速度誤差貢獻校正計算的小腿元件姿態(tài)。
68.如權(quán)利要求64所述的方法，其中，在該行走周期的一部分受控背屈狀態(tài)期間確定速度誤差貢獻。
69.如權(quán)利要求65所述的方法，包括當踝關節(jié)在下肢假體或矯形器的行走周期中基本靜止時，確定對于連接到下肢假體或矯形器的大腿元件上的加速度計和速率陀螺儀輸出的加速度計信號和速率陀螺儀信號的速度誤差貢獻。
70.如權(quán)利要求65所述的方法，包括當足元件上的計算位置基本靜止時，確定對于連接到下肢假體或矯形器的大腿元件上的加速度計和速率陀螺儀輸出的加速度計信號和速率陀螺儀信號的速度誤差貢獻。
71.如權(quán)利要求69所述的方法，包括測量小腿元件相對于大腿元件的角度。
72.如權(quán)利要求69所述的方法，包括當踝關節(jié)在下肢假體或矯形器的行走周期中基本靜止時，確定對于連接到佩戴者軀干上的加速度計和速率陀螺儀輸出的加速度計信號和速率陀螺儀信號的速度誤差貢獻。
73.如權(quán)利要求72所述的方法，包括測量大腿元件相對于佩戴者軀干的角度。
74.一種方法，用于控制佩戴下肢假體、矯形器或外骨骼裝置的佩戴者的平衡，該下肢假體、矯形器或外骨骼裝置包括足元件、小腿元件和用于把足元件連接到小腿元件的踝關節(jié)，該方法包括基于小腿元件的慣性姿態(tài)、小腿元件和足元件之間的角度以及下方表面施加到足元件上的地面反作用力和零力矩樞軸，調(diào)節(jié)該下肢假體、矯形器或外骨骼裝置的踝關節(jié)阻抗、位置或扭矩中的至少一個。
75.如權(quán)利要求74所述的方法，其中，連接到小腿元件和足元件的致動器調(diào)節(jié)踝關節(jié)阻抗、位置或扭矩中的至少一個，以控制佩戴者的平衡。
76.如權(quán)利要求75所述的方法，其中，基于小腿元件的慣性姿態(tài)、致動器施加到小腿元件的扭矩、施加到小腿元件的軸向力以及足元件和小腿元件之間的角度，控制器計算地面反作用力和零力矩樞軸，該控制器連接到致動器上，以控制致動器來調(diào)節(jié)踝關節(jié)阻抗、位置或扭矩中的至少一個，從而控制佩戴者的平衡。
77.如權(quán)利要求76所述的方法，其中，基于從連接到小腿上的慣性測量單元輸出的信號，控制器計算小腿的慣性姿態(tài)。
78.如權(quán)利要求75所述的方法，其中，連接到致動器的控制器控制致動器，以調(diào)節(jié)踝關節(jié)阻抗、位置或扭矩中的至少一個，從而控制佩戴者的平衡。
79.如權(quán)利要求78所述的方法，其中，控制器從一個或多個傳感器接收信號，以計算小腿元件的慣性姿態(tài)、小腿元件和足元件之間的角度以及下方表面施加到足元件上的地面反作用力。
80.如權(quán)利要求74所述的方法，包括在佩戴者從坐下位置到站立位置轉(zhuǎn)變時，基于地面反作用力的增加來控制佩戴者的平衡。
81.如權(quán)利要求80所述的方法，包括基于地面反作用力的增加，用連接到小腿的致動器驅(qū)動小腿元件前進。
82.一種方法，用于確定假體、矯形器或外骨骼裝置的足元件和下方表面之間的牽引力變化，該假體、矯形器或外骨骼裝置包括足元件、小腿元件、用于把足元件連接到小腿元件的踝關節(jié)以及用于給踝關節(jié)施加扭矩以使足元件相對于小腿元件轉(zhuǎn)動的第一致動器，該方法包括基于小腿元件的慣性姿態(tài)、第一致動器施加到小腿元件上的扭矩、施加到小腿元件上的軸向力以及足元件和小腿元件之間的角度，計算下方表面施加到足元件上的地面反作用力和零力矩樞軸；以及基于小腿元件的慣性姿態(tài)、第一致動器施加到小腿元件上的扭矩、施加到小腿元件上的軸向力以及足元件和小腿元件之間的角度，計算足元件零力矩樞軸的速度。
83.如權(quán)利要求82所述的方法，其中，在佩戴者的足平放和足尖離地狀態(tài)之間的一部分步態(tài)周期內(nèi)，如果足元件零力矩樞軸的速度下降，則確定足元件是在打滑或下沉。
84.如權(quán)利要求83所述的方法，包括作為對確定了足元件在打滑或下沉的響應，減小施加到小腿元件上的扭矩。
85.如權(quán)利要求84所述的方法，包括用衰減系數(shù)減小施加到小腿元件的扭矩。
86.如權(quán)利要求85所述的方法，其中，衰減系數(shù)是預定的衰減系數(shù)。
87.如權(quán)利要求85所述的方法，其中，基于零力矩樞軸速度來確定衰減系數(shù)。
88.如權(quán)利要求83所述的方法，包括作為對零力矩樞軸速度低于預定閾值的響應，減小施加到小腿元件上的扭矩。
89.一種包括內(nèi)在安全特征的線性致動器，該線性致動器包括旋轉(zhuǎn)電機，該旋轉(zhuǎn)電機包括電機輸出軸，其中，帶輪連接到該電機輸出軸上；以及滾珠絲杠傳動組件，該滾珠絲杠傳動組件包括螺紋軸，該螺紋軸借助并聯(lián)在帶輪和滾珠絲杠傳動組件螺紋軸之間的多個傳動帶而連接到電機輸出軸上，其中，滾珠絲杠傳動組件將電機輸出軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為滾珠絲杠傳動組件一部分的線性運動。
90.如權(quán)利要求89所述的線性致動器，包括角編碼器，用于確定旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)子和定子之間的角度對準。
91.如權(quán)利要求89所述的線性致動器，包括控制器，該控制器構(gòu)造成響應于傳動帶斷裂傳感器探測到所述多個傳動帶中一個或多個失效，使旋轉(zhuǎn)電機的三條導線對地短路。
92.如權(quán)利要求91所述的線性致動器，其中，使三條導線對地短路導致旋轉(zhuǎn)電機起到粘滯的制動器的作用。
93.如權(quán)利要求89所述的線性致動器，其中，通過給電機繞組中的一個繞組提供固定電流并測量該繞組內(nèi)的相應電壓來確定繞組電阻，從而確定電機溫度。
94.如權(quán)利要求89所述的線性致動器，其中，通過給電機繞組中的一個繞組提供固定電壓和測量該繞組內(nèi)的相應電流來確定繞組電阻，從而確定電機溫度。
95.如權(quán)利要求89所述的線性致動器，包括電機溫度傳感器，用于測量電機的溫度。
96.如權(quán)利要求89所述的線性致動器，包括連接到電機的控制器，用于基于電機溫度控制線性致動器輸出的扭矩。
97.一種方法，用于在整個步態(tài)周期中，基于佩戴者佩戴下肢假體、矯形器或外骨骼裝置的一部分在下方地形上的慣性參考的周期內(nèi)軌跡，控制該下肢假體、矯形器或外骨骼裝置的關節(jié)位置、阻抗或扭矩中的至少一個。
98.如權(quán)利要求97所述的方法，其中，該裝置包括足元件、小腿元件以及用于把足元件連接到小腿元件的踝關節(jié)。
99.如權(quán)利要求97所述的方法，其中，該裝置包括小腿元件、大腿元件以及用于把小腿元件連接到大腿元件的膝關節(jié)。
100.如權(quán)利要求97所述的方法，其中，該裝置包括大腿元件、軀干元件以及用于把大腿元件連接到軀干元件的髖關節(jié)。
101.如權(quán)利要求98所述的方法，其中，該裝置包括大腿元件和用于把小腿元件連接到大腿元件的膝關節(jié)。
102.如權(quán)利要求101所述的方法，其中，該裝置包括軀干元件以及用于把大腿元件連接到軀干元件的髖關節(jié)。
103.如權(quán)利要求99所述的方法，其中，該裝置包括軀干元件以及用于把大腿元件連接到軀干元件的髖關節(jié)。
104.如權(quán)利要求98所述的方法，其中，該軌跡是對小腿元件確定的。
105.如權(quán)利要求104所述的方法，其中，該軌跡是基于小腿元件的慣性姿態(tài)和足元件與小腿元件之間的角度確定的。
106.如權(quán)利要求98所述的方法，包括相對于下方地形將足元件的彈簧平衡位置調(diào)整到足平放位置，從而與相對于世界坐標系處于豎直位置的小腿元件一致。
107.如權(quán)利要求98所述的方法，包括在當足元件撞擊下方地形時到當足元件相對于下方地形處于足平放位置時之間的一段時間內(nèi)，基于施加在小腿元件上的彈射力，調(diào)整裝置的阻抗，以便使成本函數(shù)最小化。
108.如權(quán)利要求98所述的方法，包括在當足元件觸地下方地形到當足元件相對于下方地形處于足平放位置之間的一個時間周期內(nèi)，基于施加在小腿元件上的彈射力，調(diào)整裝置的阻抗以便使成本函數(shù)最小化。
109.如權(quán)利要求108所述的方法，其中，調(diào)整該裝置的阻抗，使足元件的足拍擊最小化。
110.如權(quán)利要求98所述的方法，包括基于小腿元件的軌跡，相對于下方地形將足元件的位置調(diào)整到足尖朝下位置。
111.如權(quán)利要求110所述的方法，其中，小腿元件的軌跡代表當下方地形包括一個或多個樓梯時的軌跡。
112.如權(quán)利要求97所述的方法，其中，通過與裝置的至少一個傳感器和至少一個致動器連通的處理器，在步態(tài)周期內(nèi)連續(xù)修正關節(jié)位置、阻抗或扭矩中的至少一個。
113.如權(quán)利要求97所述的方法，包括基于行走速度、地形環(huán)境或地形表面特征中的至少一個，在步態(tài)周期的后期站立階段控制該裝置關節(jié)上的阻抗和扭矩。
114.如權(quán)利要求113所述的方法，其中，控制阻抗和扭矩以便獲得所需量的功。
115.如權(quán)利要求97所述的方法，包括在步態(tài)周期的受控跖屈階段，調(diào)整該裝置的阻抗，從而使前腳與下方地形的碰撞最小化。
116.如權(quán)利要求97所述的方法，包括基于裝置一部分的速度，控制該裝置的關節(jié)位置、阻抗或扭矩中的至少一個。
117.如權(quán)利要求116所述的方法，其中，該裝置是小腿裝置，所述一部分是小腿裝置的膝關節(jié)和踝關節(jié)之間的部位。
118.如權(quán)利要求97所述的方法，包括在整個步態(tài)周期內(nèi)，控制關節(jié)位置、阻抗或扭矩中的至少兩個。
119.如權(quán)利要求97所述的方法，包括在整個步態(tài)周期內(nèi)，控制關節(jié)位置、阻抗和扭矩。
120.一種方法，用于在整個步態(tài)周期內(nèi)，減少佩戴者佩戴的下肢假體、矯形器或外骨骼裝置的髖沖擊力和髖沖擊力速率，該方法包括基于與下方地形接觸的腳傳遞而產(chǎn)生的髖沖擊力和髖沖擊力速率來生成成本函數(shù)；及基于使佩戴者成本函數(shù)最小化而減小在下方地形上的步態(tài)周期內(nèi)產(chǎn)生的髖沖擊力，控制下肢假體、矯形器或外骨骼裝置的至少一個關節(jié)的位置、阻抗或扭矩中的至少一個。
121.如權(quán)利要求120所述的方法，其中，該裝置包括第一足元件、第一小腿元件和用于把第一足元件連接到第一小腿元件的第一踝關節(jié)，該方法還包括在該裝置的第一足元件的足觸地狀態(tài)和足平放狀態(tài)之間的時間段內(nèi)，調(diào)整第一踝關節(jié)的阻抗和第一足元件與第一小腿元件之間的角度。
122.如權(quán)利要求121所述的方法，其中，在該裝置的第一足元件處于足觸地狀態(tài)和足平放狀態(tài)之間時，基于對要施加到第一踝關節(jié)上的力的估算，調(diào)整第一踝關節(jié)的阻抗和第一足元件與第一小腿元件之間的角度，以使成本函數(shù)最小化。
123.如權(quán)利要求122所述的方法，其中，足觸地狀態(tài)包括足元件足跟首先撞擊下方地形。
124.如權(quán)利要求122所述的方法，其中，足觸地狀態(tài)包括足元件足尖首先撞擊下方地形。
125.如權(quán)利要求122所述的方法，其中，下方地形包括上樓梯或下樓梯中的至少一個， 該方法還包括在該裝置的第一足元件處于足觸地狀態(tài)和足平放狀態(tài)之間時基于對要施加到第一踝關節(jié)上的力的估算使成本函數(shù)最小化的同時，約束第一足元件以便使足尖首先撞擊下方地形。
126.如權(quán)利要求121所述的方法，其中，該裝置包括第二腿元件、第二足元件以及用于把第二腿元件連接到第二足元件的第二踝關節(jié)，該方法還包括在第一足元件沖擊下方地形之時或之前，給第二踝關節(jié)施加扭矩。
127.如權(quán)利要求120所述的方法，包括控制關節(jié)位置、阻抗或扭矩中的至少兩個。
128.如權(quán)利要求120所述的方法，包括控制關節(jié)位置、阻抗和扭矩。
129.—種方法，用于在整個步態(tài)周期內(nèi)使佩戴者佩戴的下肢假體、矯形器或外骨骼裝置所做的功最小化，該方法包括生成成本函數(shù)，用于在雙側(cè)支撐期間估算下肢假體、矯形器或外骨骼裝置和對象結(jié)合體在結(jié)合體質(zhì)心所做的步內(nèi)過渡功；及基于使佩戴者成本函數(shù)最小化以便減少在步態(tài)周期內(nèi)產(chǎn)生的佩戴者和下肢假體、矯形器或外骨骼裝置所做的功，控制下肢假體、矯形器或外骨骼裝置的至少一個關節(jié)的位置、阻抗或扭矩中的至少一個。
130.如權(quán)利要求1 所述的方法，其中，該下肢假體、矯形器或外骨骼裝置包括第一足元件、第一小腿元件以及用于把第一足元件連接到第一小腿元件的第一踝關節(jié)，該方法還包括在該下肢假體、矯形器或外骨骼裝置的第一足元件處于足觸地狀態(tài)和足平放狀態(tài)之間的時間段內(nèi)，調(diào)整第一踝關節(jié)的阻抗和第一足元件與第一小腿元件之間的角度。
131.如權(quán)利要求130所述的方法，其中，在該下肢假體、矯形器或外骨骼裝置的第一足元件處于足觸地狀態(tài)和足平放狀態(tài)之間時，基于對要施加到第一踝關節(jié)上的力的估算，調(diào)整第一踝關節(jié)的阻抗和第一足元件與第一小腿元件之間的角度，以使成本函數(shù)最小化。
132.如權(quán)利要求131所述的方法，其中，足觸地狀態(tài)包括足元件足跟首先撞擊下方地形。
133.如權(quán)利要求131所述的方法，其中，足觸地狀態(tài)包括足元件的足尖首先撞擊下方地形。
134.如權(quán)利要求131所述的方法，其中，佩戴者的下方地形包括上樓梯或下樓梯中的至少一個，該方法還包括在該下肢假體、矯形器或外骨骼裝置的第一足元件處于足觸地狀態(tài)和足平放狀態(tài)之間時基于對要施加到第一踝關節(jié)上的力的估算使成本函數(shù)最小化的同時，約束第一足元件以便使足尖首先撞擊下方地形。
135.如權(quán)利要求130所述的方法，其中，該下肢假體、矯形器或外骨骼裝置包括第二腿元件、第二足元件以及用于把第二腿元件連接到第二足元件的第二踝關節(jié)，該方法還包括在第一足元件沖擊下方地形之時或之前，給第二踝關節(jié)施加扭矩。
136.如權(quán)利要求1 所述的方法，包括在整個步態(tài)周期內(nèi)控制關節(jié)位置、阻抗或扭矩中的至少兩個。
137.如權(quán)利要求1 所述的方法，包括在整個步態(tài)周期內(nèi)控制關節(jié)位置、阻抗和扭矩。
138.—種方法，用于控制在行走周期內(nèi)期間佩戴者佩戴的下肢假體、矯形器或外骨骼裝置的關節(jié)阻抗、位置或扭矩中的至少一個，該方法包括在整個行走周期內(nèi)，確定該裝置的踝關節(jié)和膝關節(jié)之間的部位在坐標系中的軌跡；及基于該軌跡來調(diào)整該裝置的足元件的關節(jié)連接。
139.如權(quán)利要求138所述的方法，其中，該裝置的踝關節(jié)將足元件連接到該裝置的小腿元件的第一端，并且膝關節(jié)連接到小腿元件的相對端。
140.如權(quán)利要求138所述的方法，其中，該部位是踝關節(jié)。
141.如權(quán)利要求138所述的方法，包括當預定條件代表下方地形中出現(xiàn)平地、上坡或下坡時，將足元件的關節(jié)連接調(diào)整到足跟朝下位置。
142.如權(quán)利要求138所述的方法，包括當預定條件表示下方地形中出現(xiàn)上樓梯或下樓梯時，將足元件的關節(jié)連接調(diào)整到足尖朝下位置。
143.如權(quán)利要求138所述的方法，其中，當預定條件代表出現(xiàn)上樓梯時，相對于該裝置的小腿元件將足元件調(diào)整到背屈位置。
144.如權(quán)利要求138所述的方法，其中，當預定條件代表出現(xiàn)下樓梯時，相對于該裝置的小腿元件將足元件調(diào)整到跖屈位置。
145.如權(quán)利要求138所述的方法，包括當預定條件代表下方地形中出現(xiàn)平地、上坡或下坡時，將足元件的關節(jié)連接調(diào)整到足跟朝下位置；及當預定條件代表下方地形中出現(xiàn)上樓梯或下樓梯時，將足元件的關節(jié)連接調(diào)整到足尖朝下位置。
146.如權(quán)利要求138所述的方法，其中，基于該裝置的小腿元件的慣性姿態(tài)和足元件與小腿元件之間的角度，確定所述軌跡。
147.如權(quán)利要求138所述的方法，包括當所述軌跡滿足預定條件時，將該裝置的足元件的關節(jié)連接調(diào)整到預定朝向。
148.一種主動式下肢假體、矯形器或外骨骼裝置，包括足元件；小腿元件；用于把足元件連接到小腿元件的踝關節(jié)；第一致動器，用于將扭矩施加到踝關節(jié)上，以使足元件相對于小腿元件轉(zhuǎn)動；及慣性測量單元，用于確定小腿元件的慣性姿態(tài)；扭矩傳感器，用于確定第一致動器施加到小腿元件上的扭矩；力傳感器，用于確定施加到小腿元件上的軸向力；角度傳感器，用于確定足元件和小腿元件之間的角度；控制器，用于在該裝置的整個行走周期內(nèi)，基于所述慣性姿態(tài)、扭矩、軸向力和角度，控制第一致動器以調(diào)節(jié)該裝置的關節(jié)阻抗、位置或扭矩中的至少一個。
149.如權(quán)利要求148所述的裝置，包括連接在小腿元件和足元件之間的一個或多個被動彈性元件，用于在足元件圍繞踝關節(jié)朝小腿元件轉(zhuǎn)動時存儲能量，及用于釋放能量以提供附加扭矩而使足元件轉(zhuǎn)動離開小腿元件。
150.如權(quán)利要求149所述的裝置，其中，所述一個或多個被動彈性元件以與第一致動器并聯(lián)的方式附連到該裝置上。
151.如權(quán)利要求150所述的裝置，其中，所述一個或多個被動彈性元件是單向彈簧，并且在足元件相對于小腿元件跖屈時不被接合。
152.如權(quán)利要求148所述的裝置，其中，第一致動器包括串聯(lián)的彈性致動器。
153.如權(quán)利要求152所述的裝置，其中，該串聯(lián)的彈性致動器包括驅(qū)動滾珠絲杠的無刷電機、與滾珠絲杠的輸出端串聯(lián)的碳素纖維彈簧以及連接到該碳素纖維彈簧的應變傳感器。
154.如權(quán)利要求148所述的裝置，其中，該慣性測量單元包括三軸速率陀螺儀和三軸加速度計。
155.如權(quán)利要求148所述的裝置，包括連接到小腿元件的結(jié)構(gòu)元件，該結(jié)構(gòu)元件包括接口，該接口用于連接到佩戴者的肢體插座元件，其中，該結(jié)構(gòu)元件包括多個應變計，用于確定施加到小腿元件上的軸向力和第一致動器施加到小腿元件上的扭矩。
156.如權(quán)利要求148所述的裝置，其中，在行走周期的受控跖屈階段，第一致動器調(diào)整該裝置的剛度，以使前腳與下方表面的撞擊最小化。
157.如權(quán)利要求148所述的裝置，其中，在行走周期的后期站立階段，基于行走速度、 地形環(huán)境或地形表面特征中的至少一個，第一致動器控制該裝置的踝關節(jié)上的阻抗和扭矩。
158.如權(quán)利要求148所述的裝置，其中，基于下方表面施加到足元件上的地面反作用力和零力矩樞軸坐標、小腿元件的慣性姿態(tài)、第一致動器施加到小腿元件上的扭矩、施加到小腿元件上的軸向力以及足元件和小腿元件之間的角度，第一致動器調(diào)節(jié)該裝置的阻抗。
159.如權(quán)利要求158所述的裝置，其中，在佩戴者從坐下位置站起或者從站立位置坐下時，基于小腿元件的慣性姿態(tài)、足元件和小腿元件之間的角度以及地面反作用力和零力矩樞軸坐標，第一致動器調(diào)節(jié)該裝置的阻抗。
160.如權(quán)利要求148所述的裝置，其中，該裝置用于治療足下垂步態(tài)。
161.如權(quán)利要求148所述的裝置，其中，該裝置用于治療患有前肌無力、后肌無力或這兩種情況的佩戴者。
162.如權(quán)利要求148所述的裝置，包括 大腿元件；用于把大腿元件連接到小腿元件的膝關節(jié)；第二致動器，用于給膝關節(jié)施加扭矩，以使小腿元件相對于大腿元件轉(zhuǎn)動； 第二慣性測量單元，用于確定大腿元件的慣性姿態(tài)； 第二扭矩傳感器，用于確定第二致動器施加到大腿元件上的扭矩； 第二力傳感器，用于確定施加到大腿元件上的軸向力；及第二角度傳感器，用于確定大腿元件和小腿元件之間的角度； 其中，控制器控制第一和第二致動器，以便基于用第一和第二儀器確定的慣性姿態(tài)、扭矩、軸向力和角度，在該裝置的整個行走周期內(nèi)調(diào)節(jié)該裝置的阻抗。
163.如權(quán)利要求162所述的裝置，包括 軀干元件；髖關節(jié)，用于把軀干元件連接到大腿元件；第三致動器，用于給髖關節(jié)施加扭矩，以使大腿元件相對于軀干元件轉(zhuǎn)動； 第三慣性測量單元，用于確定軀干元件的慣性姿態(tài)； 第三扭矩傳感器，用于確定第三致動器施加到軀干元件上的扭矩； 第三力傳感器，用于確定施加到軀干元件上的軸向力；以及第三角度傳感器，用于確定軀干元件和大腿元件之間的角度； 其中，控制器控制第一、第二和第三致動器，以便基于第一、第二和第三儀器確定的慣性姿態(tài)、扭矩、軸向力和角度，在該裝置的整個行走周期內(nèi)調(diào)節(jié)該裝置的阻抗。
164.如權(quán)利要求148所述的裝置，其中，小腿元件可附連到佩戴者的腿上。
165.如權(quán)利要求148所述的裝置，其中，足元件可附連到佩戴者的腳上。
166.如權(quán)利要求162所述的裝置，其中，大腿元件可附連到佩戴者的大腿上。
167.如權(quán)利要求148所述的裝置，其中，控制器控制第一致動器，以便在該裝置的整個行走周期內(nèi)調(diào)節(jié)該裝置的關節(jié)阻抗、位置或扭矩中的至少兩個。
168.如權(quán)利要求148所述的裝置，其中，控制器控制第一致動器，以便在該裝置的整個行走周期內(nèi)調(diào)節(jié)該裝置的關節(jié)阻抗、位置和扭矩。
169.—種方法，用于確定下肢矯形器或外骨骼裝置給佩戴該裝置的佩戴者提供所需幫助的水平，該方法包括制定理療方案，該理療方案限定了一段時間段內(nèi)由佩戴者佩戴的裝置進行幫助的水平；及降低由佩戴者佩戴的裝置進行幫助的水平，以幫助肢體病患的康復。
170.如權(quán)利要求169所述的方法，其中，基于佩戴者對該裝置的阻抗和扭矩貢獻，降低該裝置的幫助水平。
171.如權(quán)利要求170所述的方法，其中，基于佩戴者和該裝置的生物力學模型以及在該裝置工作期間佩戴者的測量，確定佩戴者的阻抗和扭矩貢獻。
172.如權(quán)利要求171所述的方法，其中，佩戴者的測量包括測量該裝置至少一個關節(jié)的轉(zhuǎn)動和加速度中的至少一個。
173.如權(quán)利要求172所述的方法，其中，該裝置的所述至少一個關節(jié)包括以下關節(jié)中的至少一個a)踝關節(jié)，其把該裝置的足元件連接到該裝置的小腿元件；b)膝關節(jié)，用于把該裝置的大腿元件連接到該裝置的小腿元件；或c)髖關節(jié)，用于把該裝置的軀干元件連接到該裝置的大腿元件。
174.一種方法，采用佩戴者佩戴的下肢矯形器或外骨骼裝置對有肢體病患的佩戴者進行康復，該方法包括基于佩戴者和該裝置的生物力學模型以及該裝置工作期間佩戴者的測量，估算佩戴者對該裝置至少一個關節(jié)的阻抗和扭矩貢獻；及給該裝置的致動器提供信號，該信號指令致動器給該裝置的至少一個關節(jié)提供附加扭矩，以便在工作期間在該裝置內(nèi)獲得預定水平的扭矩。
175.如權(quán)利要求174的方法，其中，佩戴者的測量包括測量該裝置至少一個關節(jié)的轉(zhuǎn)動和加速度中的至少一個。
176.如權(quán)利要求175的方法，其中，該裝置的所述至少一個關節(jié)包括以下關節(jié)中的至少一個a)踝關節(jié)，其把該裝置的足元件連接到該裝置的小腿元件；b)膝關節(jié)，用于把該裝置的大腿元件連接到該裝置的小腿元件；或c)髖關節(jié)，用于把該裝置的軀干元件連接到該裝置的大腿元件。
177.一種方法，用于在佩戴者穿越下方地形時估算下方地形的狀態(tài)，該方法包括確定穿越下方地形的佩戴者下肢上多個點的慣性參考軌跡和佩戴者下肢的朝向；及相對于至少一個預定軌跡模型來分析該慣性參考軌跡，以便估算下方地形狀態(tài)。
178.如權(quán)利要求177所述的方法，其中，下方地形狀態(tài)為上樓梯、上坡、平地、下坡或下樓梯中的至少一個。
179.如權(quán)利要求177所述的方法，包括確定穿越下方地形的佩戴者的慣性參考軌跡， 其中，下方地形包括上樓梯、上坡、平地、下坡和下樓梯。
180.如權(quán)利要求177所述的方法，其中，在佩戴者步態(tài)周期的后期擺動階段進行對穿越下方地形的佩戴者的慣性參考軌跡的確定。
181.如權(quán)利要求177所述的方法，其中，相對于至少一個預定軌跡模型分析慣性參考軌跡包括采用至少一種模式識別技術。
182.如權(quán)利要求181所述的方法，其中，所述至少一種模式識別技術是采用連接到至少一個傳感器的處理器和連接到佩戴者佩戴的下肢假體、矯形器或外骨骼裝置的一個致動器實現(xiàn)的。
183.如權(quán)利要求182所述的方法，其中，所述至少一種模式識別技術選自由貝葉斯模式分類、神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊邏輯或分層時間記憶構(gòu)成的組。
184.如權(quán)利要求Sl的方法，包括基于下方地形狀態(tài)的估算，控制佩戴者佩戴的下肢假體、矯形器或外骨骼裝置的關節(jié)阻抗、位置或扭矩中的至少一個。
185.如權(quán)利要求177所述的方法，包括確定該裝置的足元件和下方表面之間的牽引力變化，該裝置包括足元件、小腿元件、用于把足元件連接到小腿元件的踝關節(jié)以及用于給踝關節(jié)施加扭矩以使足元件相對于小腿元件轉(zhuǎn)動的第一致動器，該方法還包括基于小腿元件的慣性姿態(tài)、第一致動器施加在小腿元件上的扭矩、施加到小腿元件上的軸向力以及足元件與小腿元件之間的角度，計算下方表面施加到足元件上的地面反作用力 ’及基于小腿元件的慣性姿態(tài)、第一致動器施加在小腿元件上的扭矩、施加到小腿元件上的軸向力以及足元件與小腿元件之間的角度，計算足元件零力矩樞軸的速度。
186.如權(quán)利要求185所述的方法，其中，在佩戴者處于足平放狀態(tài)和足尖離地狀態(tài)之間的一部分步態(tài)周期期間，如果足元件零力矩樞軸速度的至少一個分量降低，則確定足元件是在打滑或是在下沉。
187.如權(quán)利要求186所述的方法，包括作為確定了足元件是在打滑或是在下沉的響應，減小施加給小腿元件的扭矩。
188.如權(quán)利要求187所述的方法，包括利用衰減系數(shù)減小施加到小腿元件上的扭矩。
189.如權(quán)利要求188所述的方法，其中，衰減系數(shù)是預定衰減系數(shù)。
190.如權(quán)利要求188所述的方法，其中，基于零力矩樞軸速度確定衰減系數(shù)。
191.如權(quán)利要求186所述的方法，包括作為對零力矩樞軸速度小于預定閾值的響應， 減小施加到小腿元件上的扭矩。
192.一種方法，用于識別佩戴者佩戴的下肢假體、矯形器或外骨骼裝置的下方地形特性，其中，該裝置包括足元件、小腿元件以及用于把足元件連接到小腿元件的踝關節(jié)，該方法包括在整個步態(tài)周期中，估算該裝置踝關節(jié)的慣性速度矢量迎角；及基于慣性速度矢量迎角是否在預定范圍內(nèi)，識別地形特性。
193.如權(quán)利要求192所述的方法，包括在當足元件的足跟撞擊下方地形到當足元件相對于下方地形處于足平放位置之間的一段時間內(nèi)，基于施加到小腿元件上的彈射力，調(diào)整該裝置的阻抗以使成本函數(shù)最小化。
194.如權(quán)利要求192所述的方法，包括基于慣性速度矢量迎角是否處于預定范圍內(nèi)， 控制該裝置踝關節(jié)阻抗、位置或扭矩中的至少一個。
195.如權(quán)利要求192所述的方法，其中，足元件可附連到佩戴者的腳上，小腿元件可附連到佩戴者的腿上。
196.如權(quán)利要求192所述的方法，其中，足元件和小腿元件替代佩戴者的腳和小腿。
197.一種方法，用于控制佩戴者佩戴的下肢假體、矯形器或外骨骼裝置的關節(jié)阻抗、位置或扭矩中的至少一個，其中，該裝置包括足元件、小腿元件以及用于把足元件連接到小腿元件的踝關節(jié)，該方法包括在整個步態(tài)周期內(nèi)估算該裝置踝關節(jié)的慣性速度矢量迎角；及當該慣性速度矢量迎角位于預定范圍內(nèi)時，將該裝置足元件的位置調(diào)整為足尖朝下位置。
198.如權(quán)利要求197所述的方法，包括當該慣性速度矢量迎角超出預定范圍時，將該裝置足元件的位置調(diào)整為足跟朝下位置。
199.如權(quán)利要求198所述的方法，包括在當足元件的足跟撞擊下方地形到當足元件相對于下方地形處于足平放位置之間的一段時間內(nèi)，基于施加到小腿元件上的彈射力，調(diào)整該裝置的阻抗以使成本函數(shù)最小化。
200.如權(quán)利要求197所述的方法，其中，足元件可附連到佩戴者的腳上，小腿元件可附連到佩戴者的腿上。
201.如權(quán)利要求197所述的方法，其中，足元件和小腿元件替代佩戴者的腳和小腿。
202.一種操作下肢假體或矯形器裝置的方法，該裝置具有足元件和踝關節(jié)，該方法包括步驟追蹤該裝置一部分的軌跡； 確定追蹤到的軌跡是否對應于樓梯；在追蹤到的軌跡對應于樓梯的情況下，優(yōu)化該裝置的操作以便在樓梯上移動； 確定追蹤到的軌跡是否對應于非樓梯地形；以及在追蹤到的軌跡對應于非樓梯地形的情況下，優(yōu)化該裝置的操作以便在非樓梯地形上移動。
203.如權(quán)利要求202所述的方法，其中，確定追蹤到的軌跡是否對應于樓梯的步驟包括確定后期擺動階段中踝關節(jié)的速度矢量迎角Ψ小于閾值，并且確定追蹤到的軌跡是否對應于非樓梯地形的步驟包括確定后期擺動階段中踝關節(jié)的速度矢量迎角Ψ大于閾值。
204.如權(quán)利要求202所述的方法，其中，對于在樓梯上行走而優(yōu)化裝置操作的步驟包括在足觸地之前將足元件的位置調(diào)整到足尖朝下的位置，以及對于在非樓梯地形上移動而優(yōu)化裝置操作的步驟包括在足觸地之前將足元件的位置調(diào)整到足跟朝下的位置。
205.如權(quán)利要求202所述的方法，其中，對于在非樓梯地形上行走而優(yōu)化裝置操作的步驟包括以下步驟在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的阻抗； 在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的位置；及在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的扭矩。
206.如權(quán)利要求202所述的方法，其中，對于在樓梯上行走而優(yōu)化裝置操作的步驟包括以下步驟在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的阻抗； 在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的位置；及在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的扭矩。
207.如權(quán)利要求202所述的方法，還包括步驟 確定追蹤到的軌跡是否對應于上坡；在追蹤到的軌跡對應于上坡的情況下優(yōu)化該裝置的上坡操作；確定追蹤到的軌跡是否對應于下坡；及在追蹤到的軌跡對應于下坡的情況下優(yōu)化該裝置的下坡操作。
208.如權(quán)利要求206所述的方法，其中，優(yōu)化該裝置上坡操作的步驟包括以下步驟在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的阻抗，在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的位置， 及在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的扭矩，及其中，優(yōu)化該裝置下坡操作的步驟包括以下步驟在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的阻抗，在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的位置，及在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的扭矩。
209.如權(quán)利要求202所述的方法，其中，確定追蹤到的軌跡是否對應于樓梯的步驟包括確定后期擺動階段中踝關節(jié)的速度矢量迎角Ψ小于閾值，以及確定追蹤到的軌跡是否對應于非樓梯地形的步驟包括確定后期擺動階段中踝關節(jié)的速度矢量迎角Ψ大于閾值，其中，對于在樓梯上行走而優(yōu)化裝置操作的步驟包括在足觸地之前將足元件的位置調(diào)整到足尖朝下的位置，并且對于在非樓梯地形上移動而優(yōu)化裝置操作的步驟包括在足觸地之前將足元件的位置調(diào)整到足跟朝下的位置，及其中，對于在非樓梯地形上行走而優(yōu)化裝置操作的步驟包括以下步驟在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的阻抗，在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的位置，及在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的扭矩。
210.一種下肢假體或矯形器裝置，該裝置包括 足元件；小腿元件；踝關節(jié)，其可操作地連接在足元件和小腿元件之間，以允許足元件相對于小腿元件關節(jié)連接；電機，用于驅(qū)動踝關節(jié)；慣性測量單元，用于追蹤小腿元件的軌跡并產(chǎn)生代表該軌跡的輸出；以及控制器，其中，該控制器構(gòu)造成(a)基于所述輸出來確定追蹤到的軌跡是否對應于樓梯，(b) 當追蹤到的軌跡對應于樓梯時，優(yōu)化行走在樓梯上的踝關節(jié)操作，(c)確定追蹤到的軌跡是否對應于非樓梯地形，及(d)當追蹤到的軌跡對應于非樓梯地形時，優(yōu)化行走在非樓梯地形上的踝關節(jié)操作。
211.如權(quán)利要求210所述的裝置，其中，控制器通過確定后期擺動階段中踝關節(jié)的速度矢量迎角Ψ小于閾值來確定追蹤到的軌跡是否對應于樓梯，并且控制器通過確定踝關節(jié)的速度矢量迎角Ψ大于閾值來確定追蹤到的軌跡是否對應于非樓梯地形。
212.如權(quán)利要求210所述的裝置，其中，控制器通過在足觸地之前將足元件的位置調(diào)整到足尖朝下的位置來優(yōu)化在樓梯上行走的踝關節(jié)操作，并且控制器通過在足觸地之前將足元件的位置調(diào)整到足跟朝下的位置來優(yōu)化在非樓梯地形上移動的踝關節(jié)操作。
213.如權(quán)利要求210所述的裝置，其中，通過在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的阻抗、在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的位置及在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的扭矩，控制器優(yōu)化在非樓梯地形上行走的踝關節(jié)操作。
214.如權(quán)利要求210所述的裝置，其中，通過在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的阻抗、在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的位置及在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的扭矩，控制器優(yōu)化在樓梯上行走的踝關節(jié)操作。
215.如權(quán)利要求210所述的裝置，其中，控制器還構(gòu)造成(e)基于所述輸出來確定追蹤到的軌跡是否對應于上坡，(f)當追蹤到的軌跡對應于上坡時，優(yōu)化上坡行走的踝關節(jié)操作，(g)確定追蹤到的軌跡是否對應于下坡，及(h)當追蹤到的軌跡對應于下坡時，優(yōu)化下坡行走的踝關節(jié)操作。
216.如權(quán)利要求215所述的裝置，其中，通過在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的阻抗、在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的位置及在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的扭矩，控制器優(yōu)化上坡的踝關節(jié)操作，及其中，通過在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的阻抗、在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的位置及在單步的不同階段動態(tài)地控制踝關節(jié)的扭矩，控制器優(yōu)化下坡的踝關節(jié)操作。
全文摘要
提供一種混合型地形自適應下肢裝置，以及通過探測正穿越的地形和適應探測到的地形而在各種不同情況下實施的方法。在一些實施例中，對于每種情況控制該裝置的能力建立在五個基本能力之上(1)確定正在進行的活動；(2)基于正在進行的活動，動態(tài)控制該裝置的特性；(3)基于正在進行的活動，動態(tài)地驅(qū)動該裝置；(4)確定地形表面特征不規(guī)則性(例如地形有多粘，地形有多滑，是粗糙地形還是光滑地形，地形有無障礙，例如巖石)；及(5)可以響應動態(tài)控制和動態(tài)驅(qū)動的裝置機械設計。
文檔編號F16H25/00GK102202613SQ200980142846
公開日2011年9月28日 申請日期2009年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月4日
發(fā)明者A·S·馬戈林, C·M·努克, D·W·默里, G·K·湯普森, H·M·赫爾, J·A·韋伯, K·J·塞茲, M·T·科瓦爾奇克, R·W·斯帕勒, R·卡斯勒, S·S·凱斯勒, T·M·達爾林普爾 申請人:Iwalk股份有限公司