專利名稱：用于人體外骨骼的人機(jī)界面的制作方法
用于人體外骨骼的人機(jī)界面關(guān)于聯(lián)邦資助研究或開發(fā)的聲明
本發(fā)明在國(guó)家科學(xué)基金獎(jiǎng)# IIP -0712462和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)獎(jiǎng)研究所#70NANB7H7046下，由美國(guó)政府支持進(jìn)行。美國(guó)政府對(duì)本發(fā)明享有一定的權(quán)益。相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
本申請(qǐng)要求了 2010年9月17日提交的、發(fā)明名稱為〃Human Machine Interfaces forHuman Exoskeletons〃的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)61/403，554，以及2010年10月6日提交的、發(fā)明名稱為 〃Upper Body Human Machine Interfaces for Human Exoskeletons^ 的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)61/390，337，作為優(yōu)先權(quán)，該兩個(gè)專利申請(qǐng)的內(nèi)容在此參考性地引入。
背景技術(shù)：
人體外骨骼在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中發(fā)展，使具有流動(dòng)性疾病的人可以行走。該裝置代表可以移動(dòng)使用者腿部的電動(dòng)腿支撐系統(tǒng)。某些使用者的一條或兩條腿完全癱瘓。在這種情況下，外骨骼控制系統(tǒng)必須在外骨骼進(jìn)行合適運(yùn)動(dòng)之前標(biāo)志使用者要移動(dòng)哪條腿，以及怎樣移動(dòng)。這種標(biāo)志可直接從手動(dòng)控制器處接受，該手動(dòng)控制器例如為:控制桿或其它手動(dòng)輸入單元。然而，關(guān)于本發(fā)明的發(fā)展，在外骨骼使用者的控制下，基于身體部分或助步裝置的感應(yīng)位置變化的輸入可提供了更多自然的行走經(jīng)驗(yàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種系統(tǒng)和方法，通過(guò)該系統(tǒng)和方法，使用者可利用其上身姿勢(shì)或其它信號(hào)對(duì)外骨骼控制系統(tǒng)傳遞或表達(dá)他們的意圖，接著該外骨骼控制系統(tǒng)確定想要的運(yùn)動(dòng)，并自動(dòng)調(diào)節(jié)外骨骼的動(dòng)力下肢矯正構(gòu)件的順序操作，以使行動(dòng)不便的人能夠進(jìn)行行走，并能夠進(jìn)行其它涉及腿部運(yùn)動(dòng)的普通移動(dòng)性任務(wù)。本發(fā)明特別用于使下身麻痹患者通過(guò)外骨骼的控制操作來(lái)行走。根據(jù)本發(fā)明，使用者可用不同的方式來(lái)傳達(dá)或輸入他們腿部的理想運(yùn)動(dòng)。在此提供一種系統(tǒng)來(lái)等待這些輸入，確定理想運(yùn)動(dòng)并隨后通過(guò)與使用者下肢相連的外骨骼的啟動(dòng)來(lái)控制用戶的腿部運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明的某些實(shí)施例包括監(jiān)測(cè)使用者的手臂來(lái)確定用戶需要的運(yùn)動(dòng)。例如，測(cè)量手臂運(yùn)動(dòng)的改變，如:手臂角度、角速度、絕對(duì)位置、相對(duì)于外骨骼的位置、相對(duì)于使用者身體的位置、絕對(duì)速度或相對(duì)于外骨骼或使用者身體的速度的改變。在其它實(shí)施例中，行走輔助或幫助裝置，例如:助步車，前臂拐杖，手杖或類似物與外骨骼一起使用來(lái)提供平衡，并幫助用戶達(dá)到理想運(yùn)動(dòng)。同樣的助步器與控制系統(tǒng)連接，以調(diào)節(jié)外骨骼的操作。例如，在某些優(yōu)選的實(shí)施例中，測(cè)量助步器的位置，并傳送到控制系統(tǒng)，以根據(jù)使用者的意圖來(lái)操作外骨骼。例如，測(cè)量助步器運(yùn)動(dòng)的改變，例如，助步器角度，角速度，絕對(duì)位置，相對(duì)于外骨骼的位置，相對(duì)于使用者身體的位置，絕對(duì)速度或相對(duì)外骨骼或使用者身體的速度的改變。在其他實(shí)施 例中，使用者手部或手臂對(duì)助步器選定部分，例如:拐杖的手部握持部，所施加的負(fù)載通過(guò)傳感器來(lái)測(cè)量，并傳送到控制系統(tǒng)，以根據(jù)使用者的意圖來(lái)操作外骨骼。一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明的許多實(shí)施例，使用者的需要基于使用者選定的身體部分運(yùn)動(dòng)的直接測(cè)量或使用者與助步器之間的相互作用來(lái)確定。然而，在其它實(shí)施例中，使用真?zhèn)€系統(tǒng)的相對(duì)方位和/或速度改變來(lái)確定使用者的意圖。以下通過(guò)不同的優(yōu)選實(shí)施例與附圖結(jié)合來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的其它目的和特點(diǎn)，在附圖中相同的附圖標(biāo)記表示相應(yīng)的部件。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的與外骨骼連接并使用助步器的殘疾患者的簡(jiǎn)要側(cè)視 圖2為圖1中患者、外骨骼和助步器的俯視 圖3展示了用于外骨骼的與控制單元有關(guān)的虛擬邊界區(qū)域；
圖4展示了使用助步器的外骨骼使用者的與步行序列行走順序有關(guān)的另一個(gè)虛擬邊界區(qū)域；
圖5a展示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例測(cè)量的速度向量，以傳達(dá)使用者的要求來(lái)向右轉(zhuǎn)；以及圖5b展示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的測(cè)量的速度向量，以傳達(dá)使用者的要求來(lái)以增加的步伐向前走動(dòng)。
具體實(shí)施例方式一般來(lái)說(shuō)，本發(fā)明涉及檢測(cè)儀器或監(jiān)測(cè)使用者的上身，例如:使用者的手臂，或使用者與助步器(例如:拐杖，助步車，手杖等)之間的作用，以確定使用者要求的運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)用于動(dòng)力外骨骼的控制器，例如:使用者佩戴的動(dòng)力下肢矯正器，以通過(guò)調(diào)節(jié)外骨骼來(lái)建立理想的運(yùn)動(dòng)。為了以下更明白，可監(jiān)測(cè)上身的不同運(yùn)動(dòng)-相關(guān)參數(shù)，包括:手臂角度、角速度、絕對(duì)位置、相對(duì)外骨骼的位置、相對(duì)使用者身體的位置、絕對(duì)速度或相對(duì)外骨骼或使用者身體的改變，可監(jiān)測(cè)助步器的不同的運(yùn)動(dòng)-相關(guān)參數(shù)，包括:助步器角度、角速度、絕對(duì)位置、相對(duì)于外骨骼的位置、相對(duì)于使用者身體的位置、絕對(duì)速度或相對(duì)外骨骼或使用者身體的速度的改變，或測(cè)量助步器上負(fù)載，并用于確定使用者想要做什么，并控制外骨骼。在圖1中，外骨骼100與拐杖102 —起使用，該外骨骼100具有主干部分210和小腿支撐212，包括底部的地面頂端101和把手103，由人或使用者200用于行走。所展示的使用者200具有上臂201，下 臂(前臂)202，頭部203和下肢205。主干部分210以本領(lǐng)域熟悉的方式與人體200的上身(并非分開標(biāo)志)連接，腿部支撐件212與人體200的下肢205連接，以225標(biāo)志的執(zhí)行器實(shí)際上以本領(lǐng)域廣泛使用的方法設(shè)置在腿部支撐件212之間，以及位于腿部支撐件212和主干部分210之間，用于腿部支撐件212相對(duì)于主干部分210的轉(zhuǎn)移，使得人體200的下肢205進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。在圖1的實(shí)施例中，外骨骼執(zhí)行器225特別地髖部執(zhí)行器235，該髖部執(zhí)行器235用于以彎曲和伸展來(lái)移動(dòng)髖關(guān)節(jié)245，并作為膝部執(zhí)行器240，該膝部執(zhí)行器240用于以彎曲和伸展的方式來(lái)移動(dòng)膝部關(guān)節(jié)250。因?yàn)橥夤趋赖奶囟ńY(jié)構(gòu)可具有不同的形式，這在本領(lǐng)域?yàn)槭煜さ?，且并不作為本發(fā)明的一部分，這將在此進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。然而，通過(guò)實(shí)施例，美國(guó)專利7，883，546中說(shuō)明了已知的外骨骼，該專利在此參考性引入。為了參考的目的，在圖中，軸104為“向前”軸，軸105為“橫向”軸(從頁(yè)面出來(lái))，而軸106為“垂直”軸。在任何情況下，根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例，上臂201，下臂202和/或頭部203的運(yùn)動(dòng)被感應(yīng),并用于確定使用者200的理想運(yùn)動(dòng),有了確定的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成信號(hào)，發(fā)送至外骨骼100，來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。更具體地，通過(guò)實(shí)施例，監(jiān)測(cè)使用者200的手臂以確定使用者200想做什么。根據(jù)本發(fā)明，使用者手臂或手臂部分定義為使用者手掌至肩膀之間的一個(gè)或多個(gè)身體部分，以此具體地包括某些部分，例如:前臂，上臂部分，但具體地包括其它部分，例如:使用者的手指。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，監(jiān)測(cè)使用者的手臂包括例如:通過(guò)測(cè)量使用者上臂201或下臂202部分的絕對(duì)和/或相對(duì)角度來(lái)確定方向的改變。絕對(duì)角度代表具體手臂段對(duì)于外部參考物，例如:軸線104-106，重力，地球磁場(chǎng)或類似物的角度方位。相對(duì)角度代表特定手臂段對(duì)于內(nèi)部參考物，例如:動(dòng)力外骨骼或使用者本身的角度方位。對(duì)具體手臂段或部分的方向測(cè)量可以根據(jù)本發(fā)明的許多不同方式進(jìn)行，可非限制地包括:角速度，絕對(duì)位置，相對(duì)動(dòng)力外骨骼的位置，相對(duì)人體的位置，絕對(duì)角速度，相對(duì)動(dòng)力外骨骼的速度以及相對(duì)人體的速度。例如，為了確定上臂201的方向，使用超聲波傳感器來(lái)測(cè)量使用者手肘相對(duì)動(dòng)力外骨骼100的相對(duì)位置。該位置可隨后用肩部位置模型來(lái)估計(jì)手臂段方向。類似地，該方向可使用固定在上臂201的加速表和/或陀螺儀來(lái)直接測(cè)量。一般來(lái)說(shuō)，圖1展示了本發(fā)明在215和216使用的傳感器，用于將來(lái)自傳感器215和216的信號(hào)發(fā)送至控制器或信號(hào)處理器220，該控制器或信號(hào)處理器220確定運(yùn)動(dòng)的意圖或使用者200的要求，并根據(jù)以下所述的方式調(diào)節(jié)外骨骼100。在另一個(gè)實(shí)施例中，如果使用者200想要步進(jìn)，并仍處于站立不動(dòng)時(shí)，使用者200可通過(guò)拍動(dòng)一個(gè)或多個(gè)上臂201，以預(yù)定義模式導(dǎo)航到“行走”模式。也許只有當(dāng)拐杖102負(fù)載足夠，當(dāng)上臂201的方向高于界限時(shí)，該外骨骼100可隨后引發(fā)一個(gè)步進(jìn)行為。同時(shí)，動(dòng)力外骨骼100的控制器220評(píng)估上臂方向的等級(jí)，各腿軌跡的改變將接著進(jìn)行，通過(guò)225代表的外骨骼執(zhí)行器使腳進(jìn)行合適的移動(dòng)。在另一個(gè)實(shí)施例中，監(jiān)測(cè)使用者200的頭部203來(lái)指示意圖。具體地，使用者頭部203的角度方位通過(guò)測(cè)量頭部的絕對(duì)和/相對(duì)角度來(lái)監(jiān)測(cè)。測(cè)量頭部方向的方法與上述測(cè)量臂部的方法類似。例如，一旦測(cè)量，使用者200可通過(guò)以他們想移動(dòng)的方向來(lái)移動(dòng)頭部203來(lái)表示意圖。例如，向前傾斜他們的頭部203來(lái)指示向前行走的意圖，或向右傾斜他們的頭部203來(lái)指示轉(zhuǎn)右的意圖。在任意的這些實(shí)施例中，可使用不同的傳感器，來(lái)獲得理想的方向數(shù)據(jù)，包括:加速表，陀螺儀，傾角計(jì)，編碼器，LVDT，電位計(jì)，弦線電位計(jì)，霍爾效應(yīng)(Hall Effect)傳感器，照相機(jī)和超聲波距離傳感器。如上所述，這些傳感器一般用215和216表不，照相機(jī)用218表不。如上所述，并非通過(guò)監(jiān)測(cè)使用者200身體部分的運(yùn)動(dòng)來(lái)感覺(jué)要求的運(yùn)動(dòng)，可監(jiān)測(cè)位置，運(yùn)動(dòng)或使用者200施加到所使用的助步器上的力。在這方面，根據(jù)本發(fā)明的不同的控制實(shí)施例通過(guò)使用者使用的拐杖102來(lái)詳細(xì)說(shuō)明。然而，這些原則可等同地應(yīng)用于助步器的較寬范圍，包括:助步車，手杖等?？衫檬褂谜叩囊鈭D，以三種主要的方式來(lái)控制外骨骼100的操作:(1)在不同操作模式中的導(dǎo)航，(2)引發(fā)行為或(3)改變行為。也就是說(shuō)，該意圖可用于通過(guò)允許導(dǎo)航裝置的不同操作模式來(lái)控制動(dòng)力外骨骼，這些模式，非限制地包括例如:行走，站立，坐下，樓梯上升，樓梯下降，斜面，轉(zhuǎn)彎和靜止站立。這些操作模式使得動(dòng)力外骨骼通過(guò)分隔復(fù)雜的行為成具體的行為群來(lái)處理特定的行為。例如，行走模式可包括右和左步進(jìn)行為來(lái)完成意圖任務(wù)。此外，可用意圖來(lái)引發(fā)動(dòng)力外骨骼100的行為，例如，但非限制性地包括以下:開始步進(jìn)，開始站立，開始坐下，開始行走，結(jié)束行走。此外，該意圖可同樣用于改變行為，非限制性地包括:邁步的長(zhǎng)度，邁步的地面間隙高度和邁步的速度。
本實(shí)施例的另一個(gè)設(shè)置包括監(jiān)測(cè)使用者的助步器，來(lái)獲得助步器的運(yùn)動(dòng)和/或助步器上的負(fù)載的大體情況，確定使用者將要干什么。這些技術(shù)對(duì)任何助步器都有用，但再次結(jié)合前臂拐杖102形式的助步器實(shí)施例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。在大多數(shù)情況下，測(cè)試儀器的意圖在于通過(guò)測(cè)量拐杖102的相對(duì)或絕對(duì)線性位置或測(cè)量每個(gè)拐杖102的角度方位來(lái)估計(jì)空間內(nèi)的拐杖位置，并隨后估計(jì)拐杖102的各個(gè)位置。拐杖位置可粗略地由多種方式來(lái)確定，包括:使用加速計(jì)/陀螺儀包，或使用位置測(cè)量系統(tǒng)來(lái)測(cè)量外骨骼100和拐杖102之間的距離差別。這種位置測(cè)量系統(tǒng)可為以下的任何一種:超聲波測(cè)距儀，光學(xué)測(cè)距儀，計(jì)算機(jī)視覺(jué)等。角度方位可通過(guò)測(cè)量使用者拐杖102的絕對(duì)和/或相對(duì)角度來(lái)確定。絕對(duì)角度代表拐杖102相對(duì)于外部參考物的角度方位，例如軸線104-106，重力或地球磁場(chǎng)。相對(duì)角度代表拐杖102相對(duì)內(nèi)部參考物的角度方位，例如動(dòng)力外骨骼100或甚至使用者200的方向。這種角度方位的測(cè)量可以上述的手臂方向測(cè)量方法相似?？墒褂霉照?02的線性方向，同樣稱為線性位置或只是位置來(lái)指示使用者200的意圖。位置系統(tǒng)可在所有的直角坐標(biāo)軸104-106方向上測(cè)量拐杖102的位置，該直角坐標(biāo)軸104-106在此稱為向前，橫向和垂直。如圖1中所示，來(lái)自任意點(diǎn)的距離，但可以簡(jiǎn)單地適用于其它相對(duì)的或絕對(duì)的參考坐標(biāo)系，例如:從動(dòng)力外骨骼100的中心壓力的相對(duì)位置。根據(jù)需要，可讓該系統(tǒng)只測(cè)量三個(gè)直角坐標(biāo)軸104-106的子集。最小的子集僅需要拐杖102和外骨骼100之間距離的一維估計(jì)來(lái)確定意圖。例如，一維估計(jì)的主要方向是測(cè)量沿著向前軸線104方向的拐杖102在外骨骼100之前或之后的大概距離。這種外骨骼可通過(guò)以下方式來(lái)進(jìn)行操作:CPU220通過(guò)傳感器216來(lái)監(jiān)測(cè)右邊拐杖的位置。系統(tǒng)等待右邊的拐杖移動(dòng)并確定在軸線104方向上移動(dòng)多遠(yuǎn)。當(dāng)拐杖移動(dòng)超過(guò)閾值距離時(shí)，CPU220將導(dǎo)向左腿來(lái)向iu步進(jìn)。隨后該系統(tǒng)將等待左拐杖移動(dòng)。在其它實(shí)施例中，使用更復(fù)雜的子集測(cè)量，兩個(gè)直角坐標(biāo)軸的拐杖102的位置。這些實(shí)施例需要二維位置測(cè)量系統(tǒng)。這種位置測(cè)量系統(tǒng)可為以下的一種:容許三角位置的兩個(gè)超聲波測(cè)距儀的結(jié)合，光學(xué)測(cè)距儀的相似結(jié)合，手臂/拐杖角度傳感器的結(jié)合，等。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可確認(rèn)有許多其它的方式來(lái)二維確認(rèn)拐杖相對(duì)于外骨骼的位置。坐標(biāo)軸測(cè)量可為三個(gè)直角坐標(biāo)軸14 -106中的任意兩個(gè),但大多數(shù)包括向前方向104,和橫向105或垂直106方向。例如,在測(cè)量向前和橫向軸104和105時(shí),拐杖移動(dòng)的方向可用于確定使用者200是否想要轉(zhuǎn)彎。例如，當(dāng)使用者200向前移動(dòng)一個(gè)拐杖102，并向右移動(dòng)時(shí)，這給出了使用者想向右作輕微轉(zhuǎn)動(dòng)的暗示，如圖2所示。更具體地，圖2展示了可能的軌跡107，該軌跡可跟隨拐杖頂部101，軌跡通過(guò)向前位移108和橫向位移109來(lái)移動(dòng)。在這種實(shí)施例中，系統(tǒng)確定拐杖102是否置于“虛擬邊界”之外以確定使用者200是否想要步進(jìn)。該“虛擬邊界”可想象成地面或地板上的圍繞著使用者200腳所畫的圓圈或其它形狀。如圖3中的110所示。只要拐杖位于地面上，控制器220確定該拐杖是否置于邊界110之外。如果是，便命令步進(jìn)；如果并非置于邊界110之外，該系統(tǒng)不采取行為。在圖中，111項(xiàng)代表邊界110內(nèi)的位置，該位置沒(méi)有產(chǎn)生行為，而112項(xiàng)代表邊界110外的位置，該位置產(chǎn)生行為。在此同樣展示了外骨骼/使用者的腳部位置113和114，在這種情況下，邊界110以使用者/外骨骼腳印的幾何中心作為中心。該“虛擬邊界”技術(shù)使得使用者200在沒(méi)有步進(jìn)的情況下舒適地毫無(wú)目標(biāo)地打轉(zhuǎn)或?yàn)榱烁€(wěn)定而重新放置他們的拐杖。在這個(gè)方面上，注意，可為使用者制定要求，例如:通過(guò)對(duì)控制器220進(jìn)行舒適的，人工控制輸入，以致能改變邊界110的尺寸，位置或形狀，這取決于他們所進(jìn)行的活動(dòng)。
在另一個(gè)實(shí)施例中，該系統(tǒng)以三個(gè)空間軸，也就是向前，橫向和垂直軸104-106來(lái)分別測(cè)量拐杖102的位置。這些實(shí)施例需要三維位置測(cè)量系統(tǒng)。例如:位置測(cè)量系統(tǒng)可為以下一種:允許三角位置的多重超聲波測(cè)距儀，光學(xué)測(cè)距儀的相似結(jié)合，手臂/拐杖位置傳感器的結(jié)合，計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)，以及其它。在圖1中，照相機(jī)218的位置可使得拐杖102位于其視線范圍內(nèi)，并可由計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)使用，以確定拐杖的位置。這種照相機(jī)可為立體照相機(jī)或由結(jié)構(gòu)光的投影來(lái)增強(qiáng)，以助于三維確定拐杖102的位置。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)為還有許多其它的方式來(lái)三維確定拐杖相對(duì)于外骨骼的位置。在另一個(gè)實(shí)施例中，擺動(dòng)腿可與拐杖同時(shí)移動(dòng)。例如，使用者可抬起他們左拐杖，而外骨骼可提起他們右腿，隨后，當(dāng)使用者向前移動(dòng)他們的左拐杖時(shí)，相連接的腿將跟隨。如果使用者加快，減慢，改變方向，或停止移動(dòng)拐杖，相連接的腿將同時(shí)做出相同的事情，并繼續(xù)來(lái)模仿拐杖移動(dòng)，直到使用者將拐杖置于地面上。隨后，外骨骼會(huì)相似地把腳置于地面上。當(dāng)拐杖和外骨骼腿都在半空時(shí)，腿部基本模仿拐杖的行為。然而，當(dāng)拐杖的路線僅向后和向前時(shí)，腿部可跟蹤更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，包括膝部運(yùn)動(dòng)和髖部運(yùn)動(dòng)，像自然步進(jìn)一樣來(lái)跟隨著軌跡。這種行為可允許別人做更復(fù)雜的控制，例如向后走路。這些實(shí)施例的延伸包括:增加測(cè)試設(shè)備來(lái)測(cè)量拐杖-地面的接觸力。該方法可在拐杖上具有傳感器，來(lái)測(cè)量拐杖是否在地面上或正在承重。施加到拐杖102重載的測(cè)量可用許多方式來(lái)進(jìn)行，非限制性地包括:商業(yè)測(cè)壓元件，應(yīng)變傳感器，壓力傳感器，力傳感電阻，電容性負(fù)載傳感器和電位計(jì)/彈簧組合。取決于實(shí)施例，測(cè)量拐杖負(fù)載的傳感器可置于許多地方，例如:頂部101，拐杖102的主軸，把手103，或甚至通過(guò)例如手套來(lái)連接到使用者200的手上。有了任何一種傳感器，可選擇無(wú)線通信，將他們的測(cè)量傳回控制器220。在任何一種情況下，可使用傳感信號(hào)來(lái)改進(jìn)使用者意圖的解釋。這些實(shí)施例可進(jìn)一步通過(guò)在外骨骼腳部加入傳感器來(lái)確定腳部是否在地面上。腳部構(gòu)建傳感器的方法有許多，美國(guó)專利7，947，004中表述了一個(gè)潛在的方法，該專利在此參考性引入。在該專利中，所展示的傳感器位于使用者的腳和外骨骼之間。然而，對(duì)于癱瘓的腿，傳感器可位于使用者的腳和地面之間，或在外骨骼腳和地面之間。這些拐杖和/或腳部負(fù)載傳感器的實(shí)施例可以通過(guò)在拐杖/腳上使用模擬力傳感器來(lái)增加，以確定使用者在每個(gè)拐杖和腳上所施加的重量。通過(guò)使用者拐杖來(lái)檢測(cè)負(fù)載的一個(gè)額外的方法是測(cè)量使用者手部和拐杖把手之間的負(fù)載，例如圖1中的把手103。再次說(shuō)明，現(xiàn)有許多已知的傳感器，包括上述列舉的，本領(lǐng)域的技術(shù)人員都可容易地獲得，包括在拐杖把手上的，或安裝在使用者手部，例如:手套上。在另一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)將腳和拐杖的位置信息與每個(gè)負(fù)載的信息相接合，可同樣估計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量的中心。這點(diǎn)稱為“質(zhì)量中心”，用位置(Xm，Ym)表示。它通過(guò)將系統(tǒng)看成是具有已知位置和已知質(zhì)量的質(zhì)量集合，并用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)來(lái)計(jì)算整個(gè)集合的質(zhì)量中心來(lái)確定。然而，根據(jù)這個(gè)實(shí)施例，該系統(tǒng)可同樣確定支撐基地，支撐基地由使用者的任何一個(gè)地面上的腳和拐杖作出的。通過(guò)比較使用者的質(zhì)量中心和支撐基地，控制器可確定使用者/外骨骼系統(tǒng)什么時(shí)候穩(wěn)定，即:質(zhì)量中心什么時(shí)候位于支撐基地之內(nèi)，以及什么時(shí)候不穩(wěn)定并下跌，即:質(zhì)量中心在支撐基地之外。隨后使用該信息來(lái)幫助使用者在進(jìn)行站立，行走或其它控制時(shí)保持平衡或理想運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明的這方面在附圖4中說(shuō)明，附圖4展示了使用者/外骨骼的右腳113和使用者/外骨骼的左腳114。同樣展示了右拐杖位置115，左拐杖頂部位置116，以及點(diǎn)(Xm，Ym)。使用者/外骨骼支撐基地的邊界用117表示。此外，該信息可用于確定系統(tǒng)的零力矩點(diǎn)(ZMP)，該零力矩點(diǎn)廣泛地用于自主行走的機(jī)器人，并為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟悉。另一個(gè)實(shí)施例(如圖4所展示)則依賴前段實(shí)施例中使用的全部相同信息，但其中該系統(tǒng)額外地確定由使用者正處于地面上的腳和拐杖作出的支撐基地的幾何中心。這提供了位置(Xgeo，Ygeo)，與上述的系統(tǒng)質(zhì)量中心(Xm，Ym)相比，確定使用者的意圖。形狀的幾何中心可以不同的已知方式來(lái)計(jì)算。例如，計(jì)算幾何中心和質(zhì)量中心的估計(jì)后，可在兩者之間標(biāo)上向量。該向量如圖4所展示的“向量A”。該系統(tǒng)使用該向量作為使用者想要移動(dòng)的方向和等級(jí)的指示。通過(guò)這種方式，使用者可簡(jiǎn)單地在他們想要移動(dòng)的方向上移動(dòng)他們的重量，而系統(tǒng)隨后合適地移動(dòng)使用者。根據(jù)計(jì)算的另一個(gè)方法:如果左拐杖測(cè)量了 15kgf，右拐杖測(cè)量了 Okgf，左腳測(cè)量了 25kgf，而右腳測(cè)量了 20kgf，隨后該系統(tǒng)的質(zhì)量中心可通過(guò)將系統(tǒng)看成為3個(gè)質(zhì)量集合，具有60kg的總質(zhì)量，具有三個(gè)位于已知位置的質(zhì)量。通過(guò)從點(diǎn)(Xgeo，Ygeo)到點(diǎn)(Xm，Ym)標(biāo)出向量A，該系統(tǒng)用此作為使用者想要移動(dòng)的方向和等級(jí)的指示。該系統(tǒng)同樣可以通過(guò)包括一個(gè)或多個(gè)輸入開關(guān)230來(lái)增強(qiáng)，該輸入開關(guān)實(shí)際上直接在助步器上(此處再次以拐杖為示例)，來(lái)確定使用者的意圖。例如，開關(guān)230可用于將外骨骼從行走模式中取出，并防止其移動(dòng)。這使得使用者停止行走，并“毫無(wú)目的打轉(zhuǎn)”，而不需擔(dān)心系統(tǒng)將拐杖運(yùn)動(dòng)解釋成步進(jìn)的指令。開關(guān)的實(shí)施方式有很多種，例如:按鈕，觸發(fā)，杠桿，觸發(fā)器，下滑，旋鈕和其它的對(duì)于看到上述公開的本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)非常明顯的方式。在這點(diǎn)上，這些實(shí)施例的目的優(yōu)選地在于以上述方式控制動(dòng)力外骨骼，因?yàn)槠湓谌齻€(gè)主要的方法下操作，即:導(dǎo)航操作模式，引發(fā)行為或修改行為。例如，該動(dòng)力外骨骼可識(shí)別正在使用的拐杖的節(jié)奏或運(yùn)動(dòng)的速度，并使步進(jìn)時(shí)間與它們匹配。在另一個(gè)實(shí)施例中，該系統(tǒng)可實(shí)際上確定整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量中心的速度向量,并使用該向量來(lái)確定使用者的意圖。該速度向量的大小和方向可通過(guò)以頻繁的時(shí)間間隔計(jì)算上述系統(tǒng)的質(zhì)量中心，并計(jì)算差額來(lái)確定當(dāng)前的速度向量。例如，可使用速度向量的大小來(lái)控制當(dāng)前步進(jìn)的長(zhǎng)度和步進(jìn)速度。隨著使用者更快地向前移動(dòng)它們的質(zhì)量中心，該系統(tǒng)通過(guò)產(chǎn)生更長(zhǎng)更快的步進(jìn)來(lái)回應(yīng)。如 圖5a所示，速度向量B為小等級(jí)，并朝向右邊，指示使用者想要轉(zhuǎn)右。圖5b中的速度向量C為大等級(jí)，并直接向前，指示使用者想繼續(xù)穩(wěn)定地快速向前走。這種策略的類型在想要平滑的連續(xù)行走運(yùn)動(dòng)，而不是一步一步運(yùn)動(dòng)的時(shí)候比較有用，如果系統(tǒng)在產(chǎn)生目的確定和控制外骨骼之前等待每個(gè)拐杖的移動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致一步一步運(yùn)動(dòng)。在另一個(gè)相當(dāng)簡(jiǎn)單的實(shí)施例中，使用了助步器，該系統(tǒng)可測(cè)量拐杖每次移動(dòng)的距離，并使外骨骼腳作出合理的移動(dòng)。該系統(tǒng)會(huì)測(cè)量拐杖在外骨骼前或后的大約距離。更具體地，該系統(tǒng)需要在前后方向的拐杖和外骨骼之間距離的一維估計(jì)?？刂破髟诖_定使用者目的時(shí)接受到使用者移動(dòng)拐杖多遠(yuǎn)的信號(hào)。使用者如果想獲得更大步進(jìn)移動(dòng)可將拐杖移動(dòng)較遠(yuǎn)距離，或移動(dòng)較短距離來(lái)獲得更小步進(jìn)。例如，可以想象轉(zhuǎn)彎的能力可通過(guò)使用者選擇地每一步將右腳移動(dòng)相對(duì)左腳更遠(yuǎn)來(lái)產(chǎn)生。在該實(shí)施例中，假設(shè)使用者移動(dòng)拐杖，系統(tǒng)觀察到拐杖的移動(dòng)，并相應(yīng)地使腿移動(dòng)。再次說(shuō)明，可在腳和拐杖上使用額外的傳感器，來(lái)確定什么時(shí)候移動(dòng)腳?？梢杂性S多方法來(lái)進(jìn)行。例如，當(dāng)所有的四點(diǎn)(右腳，左腳，右拐杖，左拐杖)都在地面上時(shí)，控制系統(tǒng)將等待來(lái)觀察拐杖移動(dòng)，當(dāng)拐杖被拿起時(shí)，該控制系統(tǒng)開始測(cè)量拐杖移動(dòng)的距離，直到在地面上被取代。隨后該系統(tǒng)使相對(duì)腳移動(dòng)合理位置至拐杖移動(dòng)的地方。該系統(tǒng)抬起腳，直到腳上的負(fù)載為零，隨后向前擺動(dòng)腿。該系統(tǒng)等待觀察腳再次與地面接觸，來(lái)確認(rèn)該移動(dòng)完成，并將隨手等待另一個(gè)拐杖移動(dòng)。為了提供稍微不一樣的步態(tài)，可使用左拐杖運(yùn)動(dòng)來(lái)啟動(dòng)左腳運(yùn)動(dòng)(而不是相對(duì)于移動(dòng)拐杖的腳)。在前述任一種實(shí)施例中，該系統(tǒng)將等待，直到使用者在移動(dòng)前卸下腳。例如，如果一個(gè)人移動(dòng)拐杖，表示這個(gè)人想要右腳的移動(dòng)，該系統(tǒng)在開始步進(jìn)移動(dòng)之前將等待，直到他們從右腳處移開重量(通過(guò)將身體傾斜至左邊)。基于上述，不管是方向，力度或其它參數(shù)，本發(fā)明的許多方法很明顯都能通過(guò)測(cè)量的使用者信息來(lái)識(shí)別目的。當(dāng)然，一個(gè)簡(jiǎn)單的例子是當(dāng)測(cè)量或計(jì)算的數(shù)值高于預(yù)定的閾值時(shí)識(shí)別目的。例如，如果拐杖力閾值設(shè)置為10傍，當(dāng)測(cè)量信號(hào)上升高于10傍閾值時(shí)，該信號(hào)引發(fā)使用者200意圖去行動(dòng)。另一個(gè)識(shí)別目的的實(shí)施例是當(dāng)測(cè)量的信號(hào)類似于預(yù)定模式或軌跡時(shí)，例如:如果預(yù)定模式為上下拍打上臂3次，所測(cè)量的信號(hào)將需要觀察上下移動(dòng)三次，來(lái)標(biāo)志使用者的意圖。上述的 每個(gè)實(shí)施例都描述成簡(jiǎn)單的步驟，這些步驟在給定步驟之前通過(guò)觀察拐杖/手臂的運(yùn)動(dòng)來(lái)每次作出決定。然而，自然行走是非常流動(dòng)性的步驟，必須在目前步進(jìn)結(jié)束之前作出下一步的決定。為了獲得真正的流體行走，因此，這些策略將需要在前步的拐杖移動(dòng)結(jié)束前，讓外骨骼來(lái)引發(fā)下一步進(jìn)。這可通過(guò)引發(fā)下一步前不要等到拐杖碰到地面來(lái)獲得。盡管本發(fā)明結(jié)合了優(yōu)選實(shí)施例來(lái)說(shuō)明，但應(yīng)理解為在不偏離本發(fā)明精神的情況下可對(duì)本發(fā)明進(jìn)行不同的改變和/或修飾。特別注意，用于確定穿戴外骨骼用戶的理想運(yùn)動(dòng)或目的的不同結(jié)構(gòu)和方法可相互結(jié)合使用，使得可同時(shí)使用兩種或更多的結(jié)構(gòu)和方法，t匕較所得的結(jié)果來(lái)確定給予的理想運(yùn)動(dòng)。在任何情況下，本發(fā)明僅被以下權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求
1.用于連接至人的下肢的動(dòng)力外骨骼的控制方法，其特征在于，包括: 基于對(duì)以下至少一項(xiàng)的監(jiān)測(cè)來(lái)建立控制參數(shù):人體手臂部分的位置改變，人體頭部的位置改變，人所使用的助步器的方位，人所使用的助步器和支撐表面之間的接觸力，人施加在助步器上的力，外骨骼、外骨骼的可移動(dòng)部件和人的相對(duì)方位，外骨骼、外骨骼的可移動(dòng)部件和人之間的相對(duì)速度； 基于所述控制參數(shù)來(lái)確定人體下肢所需的運(yùn)動(dòng)；以及 控制外骨骼，以賦予該所需的運(yùn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述外骨骼還包括多個(gè)操作模式，且所述方法意圖從所述多個(gè)操作模式中建立一種操作模式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述外骨骼還包括多個(gè)操作模式，且所述方法意圖改進(jìn)所述多個(gè)操作模式中的一種操作模式的至少一個(gè)特征。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述操作模式構(gòu)成步進(jìn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述特征為步進(jìn)長(zhǎng)度。
6.用于連接至人的下肢的動(dòng)力外骨骼的控制方法，其特征在于，包括: 基于對(duì)人體手臂部分的位置改變的監(jiān)測(cè)來(lái)建立控制參數(shù)； 基于所述控制參數(shù)來(lái)確定人體下肢所需的 運(yùn)動(dòng)；以及 控制外骨骼，以賦予該所需的運(yùn)動(dòng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，基于對(duì)人體手臂部分的方位的檢測(cè)來(lái)建立所述控制參數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述手臂部分的方位通過(guò)使用至少一種傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)，所述至少一種傳感器測(cè)量以下各項(xiàng)中的至少一種:加速度、角速度、絕對(duì)位置、手臂部分相對(duì)于外骨骼部分的位置、手臂部分相對(duì)于人的另一身體部分的位置、絕對(duì)速度、相對(duì)于外骨骼的速度和相對(duì)于人體的速度。
9.用于連接至人的下肢的動(dòng)力外骨骼的控制方法，其特征在于，包括: 基于人體頭部的方位來(lái)建立控制參數(shù)； 基于所述控制參數(shù)確定人體下肢所需的運(yùn)動(dòng)；以及 控制外骨骼，以賦予該所需的運(yùn)動(dòng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，包括:基于人體頭部的方位來(lái)確定該外骨骼什么時(shí)候應(yīng)該轉(zhuǎn)動(dòng)。
11.用于連接至人的下肢的動(dòng)力外骨骼的控制方法，其特征在于，包括: 基于人所使用的助步器的方位來(lái)建立控制參數(shù)； 基于所述控制參數(shù)確定人體下肢所需的運(yùn)動(dòng)；以及 控制外骨骼，以賦予該所需的運(yùn)動(dòng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，還包括:通過(guò)設(shè)置在助步器上的至少一個(gè)開關(guān)的操作來(lái)手動(dòng)引發(fā)或改變外骨骼的操作模式。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述助步器包括至少一個(gè)拐杖。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，使用至少一個(gè)傳感器來(lái)測(cè)量所述至少一個(gè)拐杖的角度方位。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，還包括:測(cè)量相對(duì)于重力的角度方位。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，還包括:測(cè)量相對(duì)于地球磁場(chǎng)的角度方位。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，還包括:測(cè)量相對(duì)于外骨骼的角度方位。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，測(cè)量所述助步器的線性位置。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，還包括: 用三個(gè)相互垂直的軸來(lái)定義外骨骼周圍的空間，其中，第一個(gè)軸所在平面與支撐表面相平行，并平行于人所面對(duì)的方向延伸；第二個(gè)軸所在平面與支撐表面平行，并垂直于人所面對(duì)的方向延伸；第三個(gè)軸與第一和第二軸相互垂直，且 沿著所述第一、第二和第三軸的至少其中之一來(lái)測(cè)量所述線性位置。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，沿著所述第一軸、從外骨骼到助步器測(cè)量所述線性位置。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述線性位置由所有三個(gè)互相垂直的軸上的助步器的地面接觸點(diǎn)的位置構(gòu)成。
22.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，還包括:根據(jù)助步器的方位來(lái)控制所述外骨骼的運(yùn)動(dòng)軌跡。
23.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，還包括: 在一段時(shí)間內(nèi)記錄所 述方位，以產(chǎn)生方位軌跡； 將所述方位軌跡與多個(gè)軌跡進(jìn)行比較，其中所述多個(gè)軌跡中的每一個(gè)均對(duì)應(yīng)于可能的使用者意圖；以及 如果所述方位軌跡與可能的使用者意圖足夠接近，則將該人的意圖確定為可能的使用者意圖。
24.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，還包括: 根據(jù)至少兩個(gè)傳感器信號(hào)來(lái)確定所述方位； 在一段時(shí)間內(nèi)記錄所述至少兩個(gè)傳感器信號(hào)；以及 將至少兩個(gè)傳感器信號(hào)中的第一個(gè)信號(hào)參數(shù)化為該至少兩個(gè)傳感器信號(hào)中的第二個(gè)信號(hào)的函數(shù)，以產(chǎn)生與時(shí)間無(wú)關(guān)的方位軌跡； 將所述方位軌跡與多個(gè)軌跡相比較，其中所述多個(gè)軌跡中的每一個(gè)均對(duì)應(yīng)于可能的使用者意圖；以及 如果所述方位軌跡與所述可能的使用者意圖足夠接近，則將人的意圖確定為所述可能的使用者意圖。
25.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，還包括: 用所述方位建立公共空間內(nèi)測(cè)量的虛擬邊界； 當(dāng)所述方位處于虛擬邊界之外時(shí)，控制外骨骼來(lái)引發(fā)步態(tài)；以及 當(dāng)所述方位處于虛擬邊界之內(nèi)時(shí)，控制外骨骼不引發(fā)步態(tài)。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，所述虛擬邊界位于助步器的支撐表面所在的平面。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，所述虛擬邊界由支撐表面平面上的圓形構(gòu)成。
28.用于連接至人的下肢的動(dòng)力外骨骼的控制方法，其特征在于，包括: 基于人所使用的助步器和支撐表面之間的接觸力來(lái)建立控制參數(shù)； 基于所述控制參數(shù)來(lái)確定人體下肢所需的運(yùn)動(dòng)；以及 控制所述外骨骼，以賦予該所需的運(yùn)動(dòng)。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，還包括: 測(cè)量由外骨骼和人對(duì)支撐表面所施加的人類-矯正反應(yīng)力的位置和大小；以及 計(jì)算接觸力和人類-矯正反應(yīng)力的垂直分量的幾何中心。
30.用于連接至人的下肢的動(dòng)力外骨骼的控制方法，其特征在于，包括: 基于人對(duì)其所使用的助步器施加的力來(lái)建立控制參數(shù)； 基于所述控制參數(shù)來(lái)確定人體下肢所需的運(yùn)動(dòng)；以及 控制所述外骨骼，以賦予該所需的運(yùn)動(dòng)。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，在助步器和支撐表面之間測(cè)量所述力。
32.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，在人和助步器之間測(cè)量所述力。
33.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，所述力由傳感器來(lái)測(cè)量，所述傳感器選自:應(yīng)變傳感器、霍爾效應(yīng)力傳感器、壓電傳感器和位置測(cè)量傳感器。
34.用于連接至人的下肢的動(dòng)力外骨骼的控制方法，其特征在于，包括: 建立控制參數(shù)，所述控制參數(shù)由人和外骨骼的總質(zhì)量中心的位置構(gòu)成，其通過(guò)以下方法建立: 測(cè)量所述外骨骼、所述外骨骼的可移動(dòng)部件與人的相對(duì)方位，以及 根據(jù)該相對(duì)方位計(jì)算人和外骨骼的總質(zhì)量中心； 基于所述控制參數(shù)確定人體下肢所需的運(yùn)動(dòng)；以及 控制所述外骨骼，以賦予該所需的運(yùn)動(dòng)。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，還包括: 計(jì)算外骨骼和人的支撐基地的邊界； 將總質(zhì)量中心的位置和所述邊界進(jìn)行比較；并基于從所述支撐基地的中心到所述總質(zhì)量中心的位置的方向來(lái)確定人的意圖。
36.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，還包括:控制外骨骼，以在支撐基地上維持所述總質(zhì)量中心的位置，從而使人和外骨骼都保持在直立位置。
37.用于連接至人的下肢的動(dòng)力外骨骼的控制方法，其特征在于，包括: 建立控制參數(shù)，所述控制參數(shù)由人和外骨骼的總質(zhì)量中心的速度構(gòu)成，通過(guò)以下方式來(lái)建立所述控制參數(shù): 測(cè)量所述外骨骼、所述外骨骼的可移動(dòng)部件與人之間的相對(duì)速度；以及 根據(jù)所述相對(duì)速度來(lái)計(jì)算人和外骨骼的總質(zhì)量中心的速度； 基于控制參數(shù)來(lái)確定人體下肢所需的運(yùn)動(dòng)；以及 控制所述外骨骼，以賦予該所需的運(yùn)動(dòng)。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，包括:使用所述總質(zhì)量中心的速度在地面平面上的分量的方向來(lái)確定人意圖進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)的方向。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，其特征在于，包括:使用所述總質(zhì)量中心的速度在地面平面上的分量的大小來(lái)確定人的水平運(yùn)動(dòng)意圖達(dá)到的速度。
40.一種動(dòng)力下肢矯正器，其設(shè)置為能夠連接至人，其特征在于，所述動(dòng)力下肢矯正器包括: 外骨骼，所述外骨骼包括:主干部分，所述主干部分與人的上身連接；至少一個(gè)腿部支撐件，所述腿部支撐件與人的至少一個(gè)下肢連接；以及至少一個(gè)執(zhí)行器，所述執(zhí)行器用于相對(duì)主干部分轉(zhuǎn)變至少一個(gè)腿部支撐件，使人的下肢運(yùn)動(dòng)可以進(jìn)行；至少一個(gè)傳感器，設(shè)置為測(cè)量所述人的手臂或頭部的位置改變；以及 控制器，所述控制器用于確定人的下肢所需的運(yùn)動(dòng)，并基于自所述至少一個(gè)傳感器所接受的信號(hào)來(lái)操作至少一個(gè)執(zhí)行器，以賦予該所需的運(yùn)動(dòng)。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的動(dòng)力下肢矯正器，其特征在于，所述至少一個(gè)傳感器測(cè)量人的前臂的方位。
42.根據(jù)權(quán)利要求40所述的動(dòng)力下肢矯正器，其特征在于，所述至少一個(gè)傳感器測(cè)量人的上臂部分的方位。
43.根據(jù)權(quán)利要求40所述的動(dòng)力下肢矯正器，其特征在于，所述至少一個(gè)傳感器測(cè)量人的頭部的方位。
44.根據(jù)權(quán)利要求40所述的動(dòng)力下肢矯正器，其特征在于，所述至少一個(gè)傳感器選自:加速表，陀螺儀，傾角計(jì)，編碼器，LVDT，電位計(jì)，弦線電位計(jì)，霍爾效應(yīng)傳感器，照相機(jī)和超聲波距離傳感器。
45.根據(jù)權(quán)利要求40所述的動(dòng)力下肢矯正器，其特征在于，所述至少一個(gè)傳感器構(gòu)成照相機(jī)，而控制器包括視頻信號(hào)處理器，用于記錄來(lái)自照相機(jī)的視頻信號(hào)，且控制器在測(cè)量位置改變的過(guò)程中計(jì)算距照相機(jī)視場(chǎng)內(nèi)的多個(gè)點(diǎn)的距離。
46.一種根據(jù)權(quán)利要求40所述的動(dòng)力下肢矯正器，其特征在于，所述至少一個(gè)傳感器選自:加速度傳感器，角速度傳感器，位置傳感器和速度傳感器。
47.—種矯正器系統(tǒng),其特征在于,包括: 與人相連接的動(dòng)力下肢矯正器，所述矯正器包括外骨骼，所述外骨骼具有與人的上身連接的主干部分，與人的至少一個(gè)下肢連接的腿部支撐件和至少一個(gè)執(zhí)行器，所述執(zhí)行器用于相對(duì)主干部分來(lái)轉(zhuǎn)移至少一個(gè)腿部支撐件，使得人的下肢運(yùn)動(dòng)可以進(jìn)行； 人所使用的助步器； 測(cè)量助步器方位的至少一個(gè)傳感器；以及控制器，所述控制器確定人的下肢所需的運(yùn)動(dòng)，并操作至少一個(gè)執(zhí)行器，以基于自所述至少一個(gè)傳感器接受而來(lái)的信號(hào)賦予所需的運(yùn)動(dòng)。
48.根據(jù)權(quán)利要求47所述的矯正器系統(tǒng)，其特征在于，還包括:至少一個(gè)開關(guān)，所述開關(guān)設(shè)置在助步器上，并與控制器連接，以手動(dòng)地改變外骨骼的操作模式。
49.根據(jù)權(quán)利要求47所述的矯正器系統(tǒng)，其特征在于，所述助步器構(gòu)成至少一個(gè)拐杖。
50.根據(jù)權(quán)利要求49所述的矯正器系統(tǒng)，其特征在于，使用至少一個(gè)傳感器來(lái)測(cè)量所述至少一個(gè)拐杖的角度方位。
51.根據(jù)權(quán)利要求47所述的矯正器系統(tǒng)，其特征在于，使用至少一個(gè)傳感器來(lái)測(cè)量所述助步器的線性位置。
52.—種矯正系統(tǒng),其特征在于,包括: 動(dòng)力下肢矯正器，所述動(dòng)力下肢矯正器與人連接，并包括外骨骼，所述外骨骼具有與人的上身連接的主干部分，與人體至少一個(gè)下肢連接的至少一個(gè)腿部支撐件，以及至少一個(gè)執(zhí)行器，所述執(zhí)行器用于相對(duì)主干部分轉(zhuǎn)移至少一個(gè)腿部支撐件，使人的下肢運(yùn)動(dòng)能夠進(jìn)行； 人所使用的助步器； 至少一個(gè)傳感器，所述傳感器設(shè)置為測(cè)量助步器和支撐表面之間的接觸力；以及 控制器，所述控制器用于確定人的下肢所需的運(yùn)動(dòng)，并操作至少一個(gè)執(zhí)行器，以基于自至少一個(gè)傳感器接受的信號(hào)來(lái)賦予所需的運(yùn)動(dòng)。
53.根據(jù)權(quán)利要求52所述的矯正器系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)傳感器測(cè)量外骨骼和人對(duì)支撐表面所施加的人類-矯正反應(yīng)力的位置和大小。
54.—種矯正系統(tǒng),其特征在于,包括: 動(dòng)力下肢矯正器，所述動(dòng)力下肢矯正器與人連接，并包括外骨骼，所述外骨骼具有與人的上身連接的主干部分，與人體至少一個(gè)下肢連接的至少一個(gè)腿部支撐件，以及至少一個(gè)執(zhí)行器，所述執(zhí)行器用于相對(duì)主干部分轉(zhuǎn)移至少一個(gè)腿部支撐件，使人的下肢運(yùn)動(dòng)能夠進(jìn)行； 人所使用的助步器； 至少一個(gè)傳感器，所述傳感器設(shè)置為測(cè)量人對(duì)助步器所施加的力；以及 控制器，所述控制器用于確定人的下肢所需的運(yùn)動(dòng)，并操作至少一個(gè)執(zhí)行器，以基于自至少一個(gè)傳感器接收的信號(hào)來(lái)賦予所需的運(yùn)動(dòng)。
55.根據(jù)權(quán)利要求54所述的矯正器系統(tǒng)，其特征在于，測(cè)量所述助步器和支撐表面之間的接觸力。
56.根據(jù)權(quán)利要求54所述的矯正器系統(tǒng)，其特征在于，測(cè)量人和所述助步器之間的接觸力。
57.根據(jù)權(quán)利要求54所述的矯正器系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一種傳感器選自:應(yīng)變傳感器，霍爾效應(yīng)力傳感器，壓電式傳感器和位置測(cè)量傳感器。
58.—種矯正系統(tǒng),其特征在于,包括: 動(dòng)力下肢矯正器，所述動(dòng)力下肢矯正器與人連接，并包括外骨骼，所述外骨骼具有與人的上身連接的主干部分，與人體至少一個(gè)下肢連接的至少一個(gè)腿部支撐件，以及至少一個(gè)執(zhí)行器，所述執(zhí)行器用于相對(duì)主干部分轉(zhuǎn)移至少一個(gè)腿部支撐件，使人的下肢運(yùn)動(dòng)能夠進(jìn)行； 人所使用的助步器； 至少一個(gè)傳感器，所述傳感器設(shè)置為測(cè)量外骨骼、外骨骼的可移動(dòng)部件與人的相對(duì)方位；以及 控制器，所述控制器用于根據(jù)所述相對(duì)方位來(lái)計(jì)算人和外骨骼的總質(zhì)量中心的位置，基于該總質(zhì)量中心的位置確定人的下肢所需的運(yùn)動(dòng)，并操作至少一個(gè)執(zhí)行器來(lái)賦予該所需的運(yùn)動(dòng)。
59.—種矯正系統(tǒng),其特征在于,包括: 動(dòng)力下肢矯正器，所述動(dòng)力下肢矯正器與人連接，并包括外骨骼，所述外骨骼具有與人的上身連接的主干部分，與人體至少一個(gè)下肢連接的至少一個(gè)腿部支撐件，以及至少一個(gè)執(zhí)行器，所述執(zhí)行器用于相對(duì)主干部分轉(zhuǎn)移至少一個(gè)腿部支撐件，使人的下肢運(yùn)動(dòng)能夠進(jìn)行； 人所使用的助步器； 至少一個(gè)傳感器，所述傳感器設(shè)置為測(cè)量外骨骼、外骨骼的可動(dòng)部件與人之間的相對(duì)速度；以及 控制器，所述控制器用于根據(jù)所述相對(duì)速度計(jì)算人和外骨骼的總質(zhì)量中心的速度，并基于該總質(zhì)量中心的速度來(lái)確定人的下肢所需的運(yùn)動(dòng)，并操作至少一個(gè)執(zhí)行器來(lái)賦予該所需的運(yùn)動(dòng)。
全文摘要
控制與人體下肢連接的動(dòng)力外骨骼來(lái)進(jìn)行人所需的運(yùn)動(dòng)。人的意圖由控制器基于以下至少一項(xiàng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)確定人的手臂部分的位置改變，人的頭部的位置改變，人所使用的助步器的方位，人所使用的助步器和支撐表面之間的接觸力，人對(duì)助步器所施加的力，外骨骼、外骨骼可移動(dòng)部件和人的相對(duì)方位，以及外骨骼、外骨骼可移動(dòng)部件和人之間的相對(duì)速度。
文檔編號(hào)A61M1/00GK103153356SQ201180044355
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2011年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月17日
發(fā)明者亞當(dāng)·佐斯, 凱瑟琳·斯特拉瑟爾, 蒂姆·斯威夫特, 羅斯·安格德, 約翰·彭斯, 荷梅恩·卡澤羅尼, 迪倫·費(fèi)爾班克斯, 內(nèi)森·哈丁 申請(qǐng)人:艾克索仿生技術(shù)公司, 加利福尼亞大學(xué)董事會(huì)