CN103153234B

CN103153234B - 用于下肢矫形器的人机接口

Info

Publication number: CN103153234B
Application number: CN201180048579.3A
Authority: CN
Inventors: 荷梅勇·卡扎若尼; 凯瑟琳·斯特拉瑟尔; 亚当·佐斯; 蒂姆·斯威夫特
Original assignee: ESKO BIONICS; University of California
Current assignee: ESKO BIONICS; University of California
Priority date: 2010-10-06
Filing date: 2011-10-06
Publication date: 2016-09-14
Anticipated expiration: 2031-10-06
Also published as: EP2624786B1; CN103153234A; AU2011311954B2; CA2812792C; US20130237884A1; CA2812792A1; IL225035A; AU2011311954A1; EP2624786A4; WO2012048123A1; US20180055709A1; US11096854B2; US9801772B2; EP2624786A1

Abstract

本发明确定了一种系统和方法，通过该系统和方法，确定了下肢矫形器（100）的用户（200）想要的动作。一种控制系统（215,216,220,225,230），其自动调节电动下肢矫形器部件（212）的次序操作，以使具有移动障碍的用户（200）能够行走，并完成涉及腿部移动的其它普通动作，可能用到步态辅助器（102）。

Description

用于下肢矫形器的人机接口

关于联邦政府资助的研发的声明

本发明是以美国国家科学基金奖IIP-0712462号和美国国家标准与技术研究所奖70NANB7H7046号的名义，在美国政府的支持下作出的。美国政府对本发明持有特定的权利。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2010年10月6日提交的、题为“用于下肢矫形器的人机接口”的美国临时申请61/390,438的权益，在此以引用方式并入该申请的内容。

背景技术

电动下肢矫形器、例如电动腿支架或电动外骨骼，能使残疾患者行走，但其需要一种装置，借助该装置来传达外骨骼应当做何动作。由于一些用户的一条或两条腿完全瘫痪，因此，在外骨骼能够做出适当动作前，外骨骼控制系统必须确定用户想移动哪条腿，以及用户想以何种方式移动这条腿。这些功能通过人机接口（human machine interface, HMI）来实现，该人机接口将人的动作转化为矫形器的动作。因此，本发明与用于下肢矫形器的人机接口的结构和操作相关。

发明内容

本发明涉及一种系统和方法，下肢矫形器控制系统借助该系统和方法确定用户想做的动作，并自动调节电动下肢外骨骼矫形器部件的次序操作，本发明尤其涉及其用户使用上身肢体动作或其它信号向系统传达或表达其意图的方法和系统。这样做，确保有行动障碍的人能够行走，并完成涉及腿部动作的其它普通的移动任务。本发明特别适用于通过人外骨骼的受控操作使截瘫患者能够行走。

根据本发明，有各种方式使用户能传达或输入腿部想做的动作。设置控制系统来监控这些输入，确定想做的动作，随后通过驱动与用户下肢相连的外骨骼，来控制用户腿的移动。本发明的一些实施例涉及对用户手臂进行监控，以确定用户想进行的移动。例如，测量手臂动作的变化，例如手臂角度、角速度、绝对位置、相对于外骨骼的位置、相对于用户身体的位置、绝对速度或相对于外骨骼或用户身体的相对速度的变化。在其它实施例中，行走辅助器或辅助设备，例如助步器、前臂撑拐杖、手杖或类似物，用于与外骨骼一起提供平衡，辅助用户进行其想要的移动。同一行走辅助器与控制系统相连，以调节外骨骼的操作。例如，在特定优选实施例中，测量行走辅助器的位置，并将该位置信息传送给控制系统，以根据用户的意愿而操作外骨骼。例如，测量行走辅助器运动的改变，例如行走辅助器角度、角速度、绝对位置、相对于外骨骼的位置、相对于人体的位置、绝对速度或相对于外骨骼或人体的速度的变化。

总而言之，本发明涉及一种系统，其通过跟踪系统当前和过去的状态、以及使用各种规则来作出想要的是何种新状态的决策，从而确定意欲动作，并自动调节电动下肢矫形器部件的次序操作。当然，结合附图，通过对以下各种优选实施例的详细描述，本发明其它目的的特征和优点将更清晰呈现，各幅图中相同的附图标记指的是相对应的部件。

附图说明

图1为连接至外骨骼的、使用根据本发明的行走辅助器的残疾个体的侧视图；

图2为图1的个体、外骨骼和行走辅助器的俯视图；

图3示意了具有两种状态的简单的状态机器；

图4示意了具有两种以上状态的状态机器；

图5为展示3种模式的状态机器；

图6为展示爬楼梯实施例的状态机器；

图6a给出了本发明的过渡决策算法；

图7为用于触发一个步伐的平面阈值图示；

图8为用于触发一个步伐的脚踵抬升图示。

具体实施方式

本发明涉及基于用户将其意欲进行的动作告知外骨骼所借助的输入，使下肢外骨骼矫形器控制系统针对如何控制下肢矫形器、例如外骨骼做出决策。特别地，对来自传感器的输入进行解析，以确定该用户想采取的行动。在优选实施例中，传感器输入被读入有限状态机器中，该有限状态机器判定可允许的过渡，以及该过渡的预定条件是否已满足。

首先参见图1，其展示了下肢外骨骼矫形器，在该例中，外骨骼100具有腰或躯干部210，以及与拐杖102一起使用的小腿支撑件212，所述拐杖102包括下方的地面接合末端101和手柄103，人或用户200握持该拐杖来行走。所示用户200具有上臂201、下臂（前臂）202、头部203和下肢205。在一种已知方式中，躯干部210可配置为连接至人200的上身（未分开标记），腿部支撑件212可配置为连接至人200的下肢205和执行器，所述执行器大致标示为225，但实际上置于腿部支撑件212的各部分之间，还以现有技术中的普遍方式位于腿部支撑件212与躯干部210之间，用于使腿部支撑件212相对于躯干部210进行移动，从而使人200的下肢205能够移动。

在图1所示例子中，外骨骼执行器225具体为髋部执行器235和膝部执行器240，所述髋部执行器235用于使髋关节245在屈曲和伸展方向上移动，所述膝部执行器240用于使膝关节250在屈曲和伸展方向上移动。由于外骨骼的特定结构可以体现为各种形式，这是现有技术已知的且不是本发明的一部分，因此在此不作赘述。然而，通过举例方式，在美国专利7,883,546中描述了一种已知的外骨骼，该美国专利7,883,546在此以引用方式并入本申请。为比照起见，在附图中，轴104为“前向”轴，轴105为“横向”轴（伸出纸面外），轴106为“纵向”轴。在任何情形下，对应于本发明的特定实施例，上臂201、下臂202和/或头部203的运动被感测并用于确定用户200的意欲动作，同时将所确定的动作转化为发送至外骨骼100的信号，以执行这些动作。

更具体地，通过举例方式，对用户200的手臂进行监控，以确定用户200想做什么。对应于本发明，将用户的手臂或手臂部分定义为用户的手掌到肩部之间的身体部分，因此，其特别包括特定部分，例如前臂和上臂部分，但尤其排除其它部分，例如用户的手指。在一个优选实施例中，监控用户的手臂构成了对方位变化的确定，例如通过测量用户上臂201或下臂202部段的绝对和/或相对角度。绝对角度表示具体手臂部段到外部参照物的角方位，所述外部参照物例如为轴104到106、重力方向、地球磁场或类似物。相对角度表示具体手臂部段到内部参照物的角方位，所述内部参照物例如电动外骨骼的方位或用户自身的方位。

对具体手臂部段或部分的方位的测量可通过对应于本发明的多种不同方式来进行，这些方式包括但不限于以下：角速度、绝对位置、相对于电动外骨骼的位置、相对于人的位置、绝对速度、相对于电动外骨骼的速度以及相对于人的速度。例如，为确定上臂201的方位，使用超声波传感器来测量用户的肘部到电动外骨骼100的相对位置。随后可将这一位置与肩部位置模型一起使用，来估算手臂部段的方位。类似地，可使用固定至上臂201的加速器和/或陀螺仪来直接测量方位。总体地，图1展示了对应于与本发明而使用的传感器215和216，其中来自传感器215和216的信号传送至控制器或信号处理器220，所述控制器或信号处理器220确定用户200的移动意愿或要求，从而如以下所述地相应地调节外骨骼100。

最简单的“传感器”组（215,216）为一组按钮，其可由第二人进行操作。在典型例子中，第二人可以是理疗师。这些按钮可位于一个“控制板”（未图示）上，用于选择想要的状态。在一些实施例中，可使用单个按钮来触发下一状态过渡。这样，第二人能够手动调节行走周期的时间。为安全起见，允许状态优选地受到限制，并由当前状态以及人体部分所管制。

至少对应于本发明的最优选实施例，传感器215和216涉及检测或监控用户的手臂（如前所述）或行走辅助器（即，拐杖、助步器、手杖），以大致掌握行走辅助器和/或行走辅助器上的负载的移动情况，从而确定用户想要做什么。这种技术适用于任何行走辅助器。然而，为充分阐述本发明，将示例性地结合前臂撑拐杖102的使用来进行详细描述。当然，本领域技术人员应当认识到，这些技术也适用于其它行走辅助器，例如助步器和手杖。另外，许多方法也适用于通过检测用户的手臂而在平行杠（parallel bars）上行走（无需行走辅助器）。

总而言之，在此提供了一种系统，其包括能感测拐杖末端关于用户脚的相对位置的硬件。利用这种配置，拐杖的位置可通过各种方式来大致确定，例如使用加速器/陀螺仪套装，或使用位置测量系统来测量从矫形器或外骨骼到拐杖的距离。这一位置测量系统可以是以下中一种：超声波距离探测器、光学距离探测器以及其它许多种，包括从安装在外骨骼上的摄像机218接收的信号。还可通过测量用户的上臂、下臂和/或拐杖102的绝对和/或相对角度来确定拐杖位置。本领域技术人员将意识到，还有许多其它方式来确定拐杖102相对于外骨骼的位置，然而以下将讨论的是尤其有益的设置。

在一个相当简单的实施例中，测量拐杖102在外骨骼前方或后方（即，沿着图1中的前向轴104）的大致距离。即，在一个特定系统中，仅需要对拐杖与外骨骼之间在前后方向上的距离进行简单的一维估测。其它系统可能要测量二维位置（例如沿着前向轴104和横向轴105），或甚至三维（104, 105和106）位置，以增大分辨率。所测量的位置可以是全局性位置，也可以是相对于前一点或系统中某点的位置。图2展示了二维方向上测量拐杖动作的一个例子，其中拐杖末端动作的路径示意为路径107。距离108是路径107在前向轴104方向上越过的距离，距离109是路径107在横向轴105方向上越过的距离。

另外，多数在此公开的技术假定存在某种用于确定用户脚和拐杖是否接触地面的方法。这对安全性的确认是有用的但不是必要的，且可能会使步态变缓。碰撞传感器、接触传感器、接近传感器和光学传感器都是可能用于检测脚和/或拐杖是否位于地面上的方法。本领域技术人员应当注意到，有许多种方式来创建这种传感器。通过观察由于接触地面而导致的突然的动作不连续变化，或通过观察表示拐杖末端受限于空间中某一点动作或这种动作的缺乏，从而可能使用安装在拐杖上的方位传感器来确定何时发生与地面的接触。在这种情形中，两个传感器（方位的和地面接触的）合二为一。然而，一种优选配置包括一组拐杖102，其具有在底部或末端101上的传感器215和216，用于确定与地面的接触。还包括一种用于确定拐杖102之间的距离的方法，例如通过手臂角度传感器。这些方法用于基于当前状态和允许动作来确定想要的状态，以下将更详细地讨论其中的配置。

不管所用传感器的具体类型如何，对应于本发明，来自这种传感器215和216的输入被读入控制器或中央处理器（CPU）220，所述CPU中存储有外骨骼100的当前状态和过往状态，并使用这些状态来确定CPU220在控制下肢矫形器100时要采取的下一适当动作。本领域技术人员将注意到，这种类型的程序常称作有限状态机，当然，也有许多不太正式的方法来创建这种行为。这些方法包括但不限于：情形语句、开关语句、查询表、级联IF语句，等等。

在这一点上，将就有限状态机来讨论控制的执行，所述有限状态机确定系统将如何表现。在最简单的版本中，有限状态机具有两个状态。在第一状态中，左腿迈步而右腿站立。在第二状态中，右腿迈步而左腿站立（图1）。当外骨骼100在这两种状态之间切换时，由控制器220的状态机进行控制。图3展示了这一非常简单的状态机，其中301表示第一状态，302表示第二状态，而路径303和304表示这些状态之间的过渡。

状态机的更多实施例允许将行走划分为多种状态。一种设置增加了如图4所示的双站立状态。这些状态标示为405和406，发生于双足都位于地面上时，且这两种状态对哪只脚在前方进行了区别。进一步地，图4所示的状态机增加了以拐杖方位的形式的用户输入。在该实施例中，仅当用户通过向前移动拐杖102表示其想迈一步时，才进入右和左迈步状态401和402，分别如过渡407和408所示。应当注意，左腿和右腿能使用独立的状态机，所述独立的状态机检查另一条腿的状态，并将该状态作为在各状态之间进行过渡的条件之一，从而确保安全性。这将产生与单一状态机一样的效果。

为清楚起见，一个典型的步态周期包括以下步骤。以状态405开始，用户将右侧拐杖前移，并在右侧拐杖接触地面时触发过渡408。随后，进入状态402，其中左腿向前迈步。当左腿接触地面时，进入状态406。在状态406时，机器可做出一些动作，双脚都在地面上以保持前行动量。接着，用户将左侧拐杖前移，在左侧拐杖接触地面时触发过渡407。随后，机器进入状态401，并使右腿向前迈步。当右腿接触地面时，机器进入状态405。继续这一模式从而向前移位。显然，一个类似的状态机可通过在拐杖移动方向相反时改变迈步腿的动作方向而向后运动。

在这一点上，应当注意的是，站立相可划分为两个或多个状态，例如包括踵撞击的状态、早期站立、以及包括晚期站立的状态和抬脚。另外，这些状态中每一个可具有子状态，例如作为整个迈步过程一部分的屈曲和伸展。

当截瘫患者使用时，使用像状态机那样操作的程序对于设备的安全性而言具有重要作用，因为该程序通过等待来自用户的适当输入而改变状态，且随后仅过渡到状态机具有的或用户可能试图请求的、作为全部状态的一个小子集的适当状态，因此，确保设备从一个安全状态行进至另一安全状态。这极大地减少了能够做出的可能状态的过渡的数量，使行为更加确定。例如，如果系统使一只脚前行（例如图4中的状态401），则系统正寻找那些能告知它何时停止使脚前移（并过渡至例如405这样的双站立状态）的输入，而不是寻找或接受那些将告知它抬升另一只脚（例如直接移至状态402）的输入。

状态机的延伸还包括表示用户正从事的活动类型的改变的附加状态，例如：坐下、站起、转身、爬楼梯、爬坡、静止站立以及在操作中用户可能需要使用外骨骼的其它状态。我们将这些不同活动称作“模式”，其表示从状态机的一部分移至另一部分。图5展示了由三种模式构成的这种状态机的一部分，所述模式即行走模式502、站立模式503和坐态模式504。在一些情形中，一种模式可仅由一种状态构成，例如站立模式503。在图5所示实施例中，当用户处于站立状态501时，用户可发出“坐下”信号，将拐杖置于身后，并将重量移至拐杖上，于是外骨骼过渡至坐态模式504和坐下状态505，当就坐动作完成后，其自动过渡至已坐或坐态状态506。在该实施例中，就坐动作完成的信号是由外骨骼测得的髋部角度超过一预定阈值而发出的。应当理解的是，为清楚起见，这些图未标示出允许充分移动性所需的状态机的完整实施例。例如，图5未包括从坐态位置站立起来的方式，但是站立所需状态很明显是坐态时所用方法的延伸。例如，正如在站立时将两个拐杖都置于身后、并将重量移至拐杖上是一种表示用户想坐下的好方法一样，在坐着时将两个拐杖都置于身后、并将重量移至拐杖上，这是一种表示用户想要站起来的好方法。

另一种这类模式改变是开始爬楼梯。图6中展示了用于这种活动变化的部分状态机。在该实施例中，在行走或站立时，当拐杖撞击地面时，其碰到的是大致位于当前脚位置上方的地面，即沿着图1中的纵轴106更高的位置，则通过移入图6所示的“爬楼梯模式”508内的“右脚爬楼梯迈步，左脚站立”状态507，外骨骼将过渡至爬楼梯模式。图6a展示了关于如何做决策、以在过渡407与509之间进行选择的流程图。

在这一点上，主要讨论的是用于调节状态和模式变化的传感器输入的使用。中央处理单元（CPU）220也可使用传感器，例如传感器215和216，以对采取行动时CPU使用的步态参数进行修正。例如，在行走时，拐杖传感器可修正系统的步伐长度。例如，使用图4所示状态机的CPU220也可使用拐杖移动的距离，以确定在状态401和状态402中操作时要实施的步伐轨迹长度。所述步伐长度可以是拐杖所动距离的函数，但优选地与图2所示的距离108成正比。由于步伐长度变为拐杖移动的函数，这种配置有利地提供了转弯或障碍躲避功能。如果一个拐杖比另一个拐杖移得远了，则相应的步伐将变得更长，随后用户将转弯。

除了仅使用比例函数，从拐杖移动距离108到步伐长度的理想映射可使用学习算法来估测或习得。这样，可使用一些培训步骤而针对每一用户来调节映射。Epsilon greedy算法和非线性回归法是可用于确定由给定拐杖移动距离表示的理想步伐长度的两种可能的学习算法。当使用这种方法时，将设定基准映射，用户将使用这种系统提供的、关于其是否感觉到每一连续步伐比其想要的更长或更短的反馈。当所产生的步伐长度改变时，产生这种反馈。利用这种设置，可使用这一过程来使软件学习拐杖移动距离108与步伐长度之间的优选映射。在相关方案中，传感器也能通过从拐杖末端的速度或手臂的角速度到想要的步伐速度之间的映射，以与步伐长度映射大致相同的方式来指示步伐速度。

可通过拐杖的移动和/或位于拐杖末端101或脚的传感器来探测障碍物。这些障碍物可通过调节步伐高度和长度参数来避开。例如，如果图2所示的路径107采取未预期的迂回路径到其终点（可能以一种用户被指示使用、以与机器沟通的类型的动作），那么，CPU220可使用不同参数来执行图4所示的步伐状态405和407，例如将脚抬升更高，以留出附加间隙。应当注意，当拐杖的移动极大偏移了预期值时，需要使外骨骼100过渡至“安全站立”状态，以应对用户正面对简单的障碍物之外的其它问题的情形。

在替代性实施例中，通过观察在步伐开始之前拐杖移动时拐杖所移动的高度，来调节迈步腿的路径。这种配置被认为在清除障碍物时尤其有用。例如，如果用户在拐杖移动时常规地将拐杖移高，则步伐轨迹的最大高度将增大，从而使脚也比迈步时的正常值移至更高。作为一种更直接的方法，传感器可置于外骨骼上，以直接测量到障碍物的距离。在爬楼梯模式中采用的步伐高度和步伐距离参数也可基于拐杖是如何移动的而进行调节。例如，如果拐杖动作在沿着轴106的一纵向位置上结束，而该位置比初始位置高例如6英寸，则系统可推断出正在爬升标准楼梯台阶，并相应地调节参数。图6a的流程图展示了这一决策的算法。比起清除障碍物，该方法更适用于爬楼梯，但使用的也是相同的原理来跟踪拐杖移动了多高。

可通过确定外骨骼脚沿图1的轴106落在何处来探测楼梯。例如，如果外骨骼迈步的腿在当前站立脚的大致上方处接触地面，则其可过渡至爬楼梯模式。如果外骨骼迈步的腿沿着轴106在当前站立脚的大致下方接触地面，则其可过渡至下楼梯模式。

回到各状态之间的过渡，要从一个状态过渡到另一状态的必要条件可以以若干方式进行选择。首先，可基于对用户臂部或拐杖所作动作的观察来确定过渡。基本实施例寻找拐杖离开地面的时机，观察其移动了多远和/或多快，等待其撞击地面，随后使相反的腿迈步。然而，等待拐杖在初始一步后撞击地面，这可与流畅的步态相干扰，因此，可使用另一条件来使步伐开始。在替代性实施例中，系统观察拐杖迈步，以确定其移动超过了某阈值。当拐杖超过该阈值后，步伐被触发。一个适当的阈值可以是穿过用户中心的纵向平面。这种平面如图7中虚线701所示。当拐杖移经该平面时，显而易见，是想要进行下一步伐，且该步伐将开始。还能使用其它过程的阈值。例如，如前所述，可使用测量手臂角度的传感器来替代实际拐杖位置。在这种情形中，可观测手臂角度，直到其超过适当阈值，且下一步伐将开始。这种模式与图4所示的状态机相匹配，然而，要实现“拐杖前移”的过渡（例如407到408）的标准是：拐杖超过阈值，而不是接触地面。

脚传感器也可用于创建状态过渡，其将无需系统在抬升脚之前先放下拐杖。参见图8，当下一迈步腿的踵部702抬升离开地面时，触发了一个步伐。为安全起见，在开始步伐前，可检查另一只脚的状态，以确保其是在地面上的，或确保相当一部分重量已经转移到了另一只脚上。结合这些以增强安全性，为进行左脚迈步，右臂首先前移至左臂前方，并经过设定的阈值，而左脚踵部离开地面，同时右脚仍留在地面上。当这些条件满足后，左腿迈步。

对应于以左脚迈步而进行阐述的另一方法，右臂以比设定的阈值更快的速度向前迈步，并经过一特定角度（或经过相反手臂）。如果迈步（左）脚的踵部也解除负载了，则开始迈步。对应于一个优选实施例，这种设置是通过测量右臂的角速度和角位置、并将二者与阈值相比较来实现的。

这些方法都可用于获得更流畅的步态，但为了使步态尽可能地最流畅，可能需要具有“稳步行走”模式的状态机。在用户指示了一排的多个连续步伐、从而表示要稳步行走的意图之后，可进入该模式。在“稳步行走”模式中，外骨骼将完成连续步态循环，像普通人那样不用拐杖地行走。状态机这部分的本质区别将在于：状态过渡主要由次序驱动，例如在x + 0.25时刻开始迈步，在x + 0.50时刻开始双站立态，等等。然而，为安全起见，状态机也需要过渡，如果用户未跟上次序，例如，如果拐杖未在适当时刻举起或放下，则这些过渡将结束该模式。

这些控制方法的另一种改进是，状态机过渡表现为与前述离散过渡相反的、特征矢量的加权过渡。前述状态机使用离散的状态触发值，必须满足特定的状态标准才能触发过渡。而新结构中并入了任意数量个特征，以基于一组完整的状态信息来估测状态何时被触发。例如，从迈步到站立的状态过渡初始表达为仅是拐杖负载和手臂角度的函数，但在另一种方法中可并入来自整个设备的状态信息。特别地：

离散过渡：T = (F_Crutch > F_Threshold)&( θ_Arm > θ_Threshold)

加权过渡：A_Trigger =ω_Trigger * F_state ; A_NoTrigger =ω_NoTrigger* F_State

T = (A_Trigger > A_NoTrigger)

其中，A_i = 所示分类的激活值

ω_i= 非触发状态的加权矢量

F_state = 当前设备状态的特征矢量，其中该特征矢量包括可能相关的任何特征，例如拐杖的力、倚靠角度、或脚位置

T=何时切换状态的触发标志（1表示切换状态，0表示无动作）

因此，这一方法可与机器学习技术一起使用，以学习最可靠的状态过渡。使用机器学习来确定用于状态信息的最佳加权矢量，将通过增加与具体状态过渡最强关联的特征的权重，从而并入状态过渡的概率性本质。这一问题的构想可通过并入传感器信息来为过渡提供附加健全性，从而确定用户在该时刻想过渡状态的可能性。通过在过渡中识别和利用附加传感器信息，如果学习过程确定另一传感器信息未提供新信息，则系统将至少像前述离散过渡那样进行健全的匹配。

另一种考虑安全性的方法是使用可达到性分析法。混合控制理论（hybrid control theory）提供了用于确保HMI仅允许安全过渡的另一种方法。可达到性分析法确定在扭矩和角速度受限的情况下，机器是否能将人从初始状态（存储在第一存储器中）移至安全的最终状态（存储在第二存储器中）。该方法考虑了系统的动力学，因此比质心法更广泛地适用。当人要开始进行迈步时，控制器确定人是否能够进入另一安全状态，或者，请求的步伐长度是否是可达到的。如果不安全或不能达到，则控制器调节人的姿势，或调节理想目标，以使步伐安全。这一方法可在移动中使用，例如站立。

冠状平面的后角也可用于表示转身的意欲。当用户向左或右倾斜时，这一行动表示想转向该方向的意欲。可在冠状平面（即，由轴105和106形成的平面）上测量这种倾斜。类似地，横向平面（由轴104和105形成的平面）的头部角度也可以按照类似方式进行使用。另外，由于后角是可测量的，因此，冠状平面上质心的速度或角速度也可测量。这一信息可用于确定意图转身，且可由各种传感器来测量，包括惯性测量单元。

也可测量扭矩，以替代测量角度或角速度。这也表示，身体在冠状平面内转身，并可用于确定意欲转身方向。可使用若干个传感器来进行这一测量，且这是本领域技术人员能够进行的。两种可选方式是位于背部平面的、测量不同力的扭转负载传感器或压力传感器。

尽管描述的是本发明的优选实施例，应当清楚，本发明的各种变化和/或修正都可在不脱离本发明精神的前提下做出。特别地，应当注意，在此公开的用于确定穿着外骨骼的人的意欲动作或意图的各种配置和方法也可彼此配合使用，从而同时采用两种或两种以上的配置和方法，并比较其结果，以对要进行的意欲动作进行确定。如论如何，本发明都旨在受权利要求范围的限制。

Claims

1.电动下肢矫形器，其适于连接至人，该电动下肢矫形器包括：

外骨骼，其包括：腰部，所述腰部适于连接至人的上身；至少一个腿部支撑件，其适于连接至人的至少一个下肢；至少一个执行器，其用于使所述至少一个腿部支撑件相对于所述腰部进行移动，以使人的下肢能够移动；多个传感器，用于监测所述外骨骼的第一方位；

至少一个附加传感器，用于监测人的手臂或由人使用的步态辅助器二者中的至少一个的第二方位，其中，当监测人的手臂的第二方位时，使用加速器或陀螺仪检测人的手臂的第二方位；以及

控制器，其从所述多个传感器和所述至少一个附加传感器接收信号，并调节所述至少一个执行器的操作，所述控制器同时基于所述第一和第二方位，从有限多个状态中建立所述电动下肢矫形器的当前状态，并基于该当前状态控制所述至少一个执行器，以使得所述电动下肢矫形器遵循一系列方位，这些方位一起重现人的自然动作。

2.根据权利要求1所述的电动下肢矫形器，其中，所述至少一个下肢包括两个下肢，所述第二方位是人使用的步态辅助器的方位，所述步态辅助器由第一和第二拐杖构成，且所述至少一个附加传感器也指示所述第一或第二拐杖何时与支撑表面相接触，其特征在于：

所述控制器基于来自所述多个传感器以及所述至少一个附加传感器的信号，来确定所述第一拐杖何时抬升离开人后方位置的支撑表面，并置于与人前方的支撑表面相接触的位置；

所述控制器使所述两个下肢中的第一下肢抬升离开位于第一位置的支撑表面，并使所述两个下肢中的第一下肢向前迈步，所述两个下肢中的第一下肢位于与所述第一拐杖相反的人的一侧；且所述控制器在向前迈步的末期时，进一步将所述两个下肢中的第一下肢置于第二位置处的支撑表面上，借此，所述电动下肢矫形器使人向前迈一步。

3.根据权利要求2所述的电动下肢矫形器，其特征在于，所述控制器适于重复前行步伐，在第一与第二下肢之间切换，并相应地切换由人手臂所握持的所述第一和第二拐杖，借此，所述电动下肢矫形器设备使所述人向前行走。

4.根据权利要求2所述的电动下肢矫形器，其特征在于，所述控制器利用来自连续支撑表面接触点的、所述至少一个附加传感器的读数之间的差值，来确定所述第一与第二位置之间的差值。

5.根据权利要求1所述的电动下肢矫形器，其中，所述至少一个下肢包括两个下肢，所述第二方位是人使用的步态辅助器的方位，所述步态辅助器由第一和第二拐杖构成，且所述至少一个附加传感器也指示所述第一或第二拐杖何时与支撑表面相接触，其特征在于：

所述控制器监测所述多个传感器和所述附加传感器，以确定所述人何时使所述第一拐杖抬升离开位于人前方位置的支撑表面，并将所述第一拐杖置于与位于所述人后方的支撑表面相接触的位置；

所述控制器将使两个下肢中的第一下肢抬升离开位于第一位置的支撑表面，并使所述两个下肢中的第一下肢向后迈步，所述两个下肢中的第一下肢位于与所述第一拐杖相反的人的一侧；且在向后迈步的末期，所述控制器进一步将所述两个下肢中的第一下肢置于第二位置处的支撑表面上，借此，所述电动下肢矫形器使人向后迈一步。

6.根据权利要求5所述的电动下肢矫形器，其特征在于，所述控制器适于重复向后的步伐，在第一与第二下肢之间切换，并相应地切换由人的手臂握持的所述第一和第二拐杖，借此，所述电动下肢矫形器设备使所述人向后行走。

7.根据权利要求5所述的电动下肢矫形器，其特征在于，所述控制器利用来自连续支撑表面接触点的、所述至少一个附加传感器的读数之间的差值，来确定所述第一与第二位置之间的差值。

8.根据权利要求1所述的电动下肢矫形器，其特征在于，所述步态辅助器进一步包括至少一个传感器，该传感器能指示所述步态辅助器已负重；

所述控制器从所述多个传感器中记录数据，从所述电动下肢矫形器的所述方位来确定所述电动下肢矫形器是站立的；并且

当所述步态辅助器中位于所述人后方并负重时，所述控制器进一步使所述电动下肢矫形器过渡至坐态模式，并进一步控制所述电动下肢矫形器，以使所述人坐下。

9.根据权利要求1所述的电动下肢矫形器，其特征在于，所述第二方位是由人使用的步态辅助器的方位，所述步态辅助器包括至少一个传感器，该传感器适于指示所述步态辅助器何时已负重；以及所述控制器，其用多个传感器测量所述电动下肢矫形器的方位，确定所述电动下肢矫形器是坐着的，并在所述步态辅助器总体置于所述人后方并负重时，将所述电动下肢矫形器过渡至站立模式，以及控制电动下肢矫形器，以使所述人站立。

10.根据权利要求1所述的电动下肢矫形器，其特征在于，所述第二方位是由人使用的步态辅助器的方位，所述控制器使所述电动下肢矫形器保持在行走模式，直到来自所述至少一个附加传感器的输出偏离在行走时该输出所常规遵循的轨迹；并且

当所述输出偏离在行走时该输出所常规遵循的轨迹时，所述控制器进一步使所述电动下肢矫形器停止。

11.根据权利要求1所述的电动下肢矫形器，其特征在于，所述第二方位是由人使用的步态辅助器的方位，其中至少一个附加传感器也指示所述步态辅助器何时与支撑表面相接触；

所述控制器使所述电动下肢矫形器保持在行走模式，直到来自所述至少一个附加传感器的输出偏离在行走时该输出所常规遵循的行为；并且

当所述输出偏离在行走时该输出所常规遵循的行为时，所述控制器结束所述行走模式。

12.根据权利要求1所述的电动下肢矫形器，其特征在于，所述第二方位是由人使用的步态辅助器的方位，其中至少一个附加传感器也指示所述第一或第二拐杖何时与支撑表面相接触；

所述控制器基于所述至少一个附加传感器，进一步确定与所述步态辅助器的地面接触点相离的第一高度；

所述控制器进一步确定与所述电动下肢矫形器的地面接触点相离的第二高度；

所述控制器从所述第一高度中减去所述第二高度，以计算高度差；并且

当所述高度差大于预定值时，所述控制器使所述电动下肢矫形器过渡至爬楼梯模式。

13.根据权利要求1所述的电动下肢矫形器，其特征在于，所述第二方位是由人使用的步态辅助器的方位，所述步态辅助器由第一和第二拐杖构成，其中至少一个附加传感器也指示所述第一或第二拐杖何时与支撑表面相接触；其特征在于：

当所述第一拐杖与支撑表面相接触时，所述控制器基于所述至少一个附加传感器，确定与所述第一拐杖的地面接触点相离的第一高度；

当所述第二拐杖与支撑表面相接触时，所述控制器基于所述至少一个附加传感器，确定与所述第二拐杖的地面接触点相离的第二高度；

14.根据权利要求1所述的电动下肢矫形器，其特征在于，所述多个传感器包括位于每个第一和第二腿部支撑件上的至少一个传感器，该传感器指示第一和第二腿部支撑件中的一个何时与支撑表面相接触；

当所述第一腿部支撑件与支撑表面相接触时，所述控制器比较在纵向轴上第一和第二腿部支撑件的相对方位；

如果所述第一腿部支撑件高于所述第二腿部支撑件，则控制器将所述电动下肢矫形器过渡至爬楼梯模式；并且

如果所述第一腿部支撑件低于所述第二腿部支撑件，则控制器将所述电动下肢矫形器过渡至下楼梯模式。

15.根据权利要求1所述的电动下肢矫形器，其特征在于，所述第二方位是由人使用的步态辅助器的方位，其中至少一个附加传感器也指示所述步态辅助器何时与支撑表面相接触；并且

所述控制器基于连续支撑表面的接触点之间的所述步态辅助器的方位差，计算所述下肢中的一个的连续接触位置之间的差。

16.根据权利要求1所述的电动下肢矫形器，其特征在于，所述第二方位是由人使用的步态辅助器的方位，所述步态辅助器由第一和第二拐杖构成，所述拐杖具有与支撑表面相接合的拐杖末端，其中所述至少一个附加传感器指示各拐杖末端的纵向位移；并且

当所述纵向位移大于预定量时，所述控制器检测到行走路径上的障碍物的存在，并基于障碍物的存在而调节所述电动下肢矫形器的行走步态。

17.根据权利要求1所述的电动下肢矫形器，其特征在于，所述电动下肢矫形器包括至少一个位于下肢上的传感器，该传感器测量到物体而未接触物体的距离；

所述控制器测量在至少一个轴上的所述距离；并且

所述控制器基于所述距离检测行走路径上障碍物的存在，并基于所述障碍物的存在而调节所述电动下肢矫形器的行走步态。

18.根据权利要求1所述的电动下肢矫形器，其特征在于，所述第二方位是由人使用的步态辅助器的方位，所述至少一个附加传感器测量所述步态辅助器移动时所述步态辅助器的高度；并且

所述控制器基于所述步态辅助器的所述高度，为所述下肢确定支撑表面之上的理想高度。

19.根据权利要求1所述的电动下肢矫形器，其特征在于，所述第二方位是由人使用的步态辅助器的方位，所述步态辅助器由第一和第二拐杖构成，所述拐杖具有与支撑表面相接合的拐杖末端，其特征在于：

所述控制器基于所述第二方位而监控所述拐杖尖端的轨迹；

所述控制器在预编程的第一存储器中保持至少一个特殊拐杖末端轨迹，该轨迹不同于在行走时所述拐杖末端通常遵循的轨迹；并且

当所述拐杖末端轨迹类似于所述至少一个特殊拐杖末端轨迹时，所述控制器检测行走路径中障碍物的存在。

20.根据权利要求1所述的电动下肢矫形器，其特征在于，所述第二方位是由人使用的步态辅助器的方位，所述步态辅助器由第一和第二拐杖构成；所述控制器确定所述第一拐杖何时从位于人后方的方位移走；以及所述第一拐杖何时越过预定的方位，所述控制器在一个步态周期中使两个下肢中的第一下肢抬升以离开第一位置处的地面，并使两个下肢中的所述第一下肢向前迈步，所述两个下肢中的第一下肢位于与所述第一拐杖相对的人的一侧；

在前向迈步的末期，所述控制器进一步将所述第一下肢放回在第二位置处的支撑表面上，并且

借此，所述电动下肢矫形器使所述人能前行一步，在步态周期的一部分中仅使用两个接触点。

21.根据权利要求20所述的电动下肢矫形器，其特征在于，所述预定的方位包括以下测量值中至少一个：

所述第一拐杖沿着行走方向相对于所述下肢矫形器的位置、所述第一拐杖的角度、所述第一拐杖的角速度、所述第一拐杖的直线速度、人手臂的直线速度、人手臂的角速度以及人手臂的角度。

22.根据权利要求21所述的电动下肢矫形器，其特征在于，所述两个下肢中的每一个包括至少一个脚，该脚由脚踵部段和脚趾部段构成，所述踵部段包括至少一个接触传感器，该接触传感器指示所述脚踵与地面相接触；并且

直到所述第一下肢的至少一个接触传感器指示所述第一下肢的脚踵未与支撑表面相接触，所述控制器才使所述下肢抬升以离开支撑表面。

23.根据权利要求20所述的电动下肢矫形器，其特征在于，所述电动下肢矫形器进一步包括控制器，所述控制器重复一系列步伐，在所述第一和第二下肢之间交替，并相应地切换由位于人体与所述下肢相反侧的所述人手臂握持的第一和第二拐杖；并且

借此，所述电动下肢矫形器使所述人能向前行走。

24.一种控制电动下肢矫形器的方法，该电动下肢矫形器包括外骨骼，所述外骨骼具有：腰部，所述腰部适于连接至人的上身；至少一个腿部支撑件，其适于连接至人的下肢；至少一个执行器，其用于使所述至少一个腿部支撑件相对于所述腰部进行移动，以使人的下肢能够移动，该方法包括：

监测所述外骨骼的第一方位；

监测人的手臂或由人使用的步态辅助器二者中的至少一个的第二方位，其中，当监测人的手臂的第二方位时，使用加速器或陀螺仪检测人的手臂的第二方位；以及

基于所述第一和第二方位调节所述至少一个执行器的操作，以同时基于所述第一和第二方位从有限多个状态中建立所述电动下肢矫形器设备的当前状态，并基于该当前状态控制所述至少一个执行器，以使所述电动下肢矫形器遵循一系列方位，这些方位一起重现人的自然动作。

25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述步态辅助器进一步包括至少一个传感器，该传感器能够指示所述步态辅助器已负重，并从所述电动下肢矫形器的所述第一方位来确定所述电动下肢矫形器是站立的；

当所述步态辅助器置于所述人的后方并负重时，使所述电动下肢矫形器过渡至坐态模式，并且

控制所述电动下肢矫形器，以使所述人坐下。

26.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述至少一个下肢包括两个下肢，所述第二方位是人使用的步态辅助器的方位，所述步态辅助器由第一和第二拐杖构成，且该方法进一步包括：

确定所述第一拐杖何时从人后方的位置抬升，并置于与人前方的支撑表面相接触的位置；使所述两个下肢中的第一下肢抬升以离开位于第一位置的支撑表面，并使所述两个下肢中的第一下肢向前迈步，所述两个下肢中的第一下肢位于与所述第一拐杖相反的人的一侧；并且在向前迈步的末期，将所述两个下肢中的第一下肢置于第二位置处的支撑表面上，借此，所述电动下肢矫形器使人向前迈一步。

27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，从一个地面接触点到另一个地面接触点的、所述第一和第二拐杖或人手臂的所述第二方位的读数之间的差，决定了两个下肢中所述第一下肢的所述第一与第二位置之间的差。

28.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：

将所述电动下肢外骨骼保持在行走模式，直到所述步态辅助器上的第二方位偏离行走时常规遵循的轨迹；并且

当所述步态辅助器偏离所述轨迹时，使所述电动下肢矫形器停止。

29.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：

将所述电动下肢矫形器保持在行走模式，直到所述步态辅助器偏离行走时输出常规遵循的轨迹；并且

当所述输出偏离所述轨迹时，使所述电动下肢矫形器停止。

30.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述步态辅助器包括第一拐杖和第二拐杖，所述下肢矫形器包括两个下肢，该方法进一步包括：

指示所述步态辅助器何时接触支撑表面；

确定人何时使所述第一拐杖抬升以离开人前方的一个位置处的地面，并使所述第一拐杖位于与人后方的地面相接触；

使所述两个下肢中的第一下肢抬升以离开第一位置处的地面，并使所述两个下肢中的第一下肢向后迈步，所述两个下肢中的第一下肢位于与所述第一拐杖相反的人的一侧；并且

在向后迈步的末期，将所述两个下肢中的第一下肢置于第二位置处的地面上，借此，所述电动下肢矫形器使所述人向后迈一步。

31.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：重复一系列步伐，包括在所述两个下肢中的第一和第二下肢之间交替，并相应地切换由人体的与所述下肢相反侧的所述人手臂握持的第一和第二拐杖，借此，所述电动下肢矫形器使所述人能向后行走。

32.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述第二方位是包括第一拐杖和第二拐杖的步态辅助器的方位，所述下肢矫形器包括两个下肢，且该方法进一步包括：

监测拐杖接触传感器和第一及第二方位，以确定人何时抬升所述第一拐杖以离开位于人后方位置处的地面，并将所述第一拐杖置于与位于人前方的地面相接触；

抬升所述两个下肢中的第一下肢以离开第一位置处的地面，并使所述两个下肢中的第一下肢向前迈步，所述两个下肢中的第一下肢位于与所述第一拐杖相反的人的一侧；并且

在所述向前迈步的末期，将所述两个下肢中的第一下肢置于第二位置处的地面上，借此，所述下肢矫形器使人能向前迈步。

33.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：重复一系列步伐，包括在所述两个下肢中的第一和第二下肢之间交替，并切换与该下肢位于人体相反侧的第一和第二拐杖其中相应的一个，借此，所述电动下肢矫形器使所述人能向前行走。

34.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，从一个地面接触点到另一个地面接触点的、所述拐杖的所述第二方位的读数之间的差，确定所述第一与第二位置之间的差。

35.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，从一个地面接触点到另一个地面接触点的、所述拐杖的所述第二方位的读数之间的差，确定所述第一与第二位置之间的差。

36.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述第二方位是步态辅助器的方位，该方法进一步包括：

通过位于所述步态辅助器上的至少一个传感器，提供关于所述步态辅助器已负重的指示；

从所述第一方位确定所述电动下肢矫形器是坐着的；

当所述步态辅助器位于人后方并负重时，使所述电动下肢矫形器过渡至站立模式，并且

控制所述电动下肢矫形器，使人站立。

37.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述第二方位是步态辅助器的方位，该方法进一步包括：

当所述步态辅助器位于地面上时，基于所述第二方位确定所述步态辅助器的地面接触点的第一高度；

确定所述电动下肢矫形器的地面接触点的第二高度；

从所述第一高度中减去所述第二高度，以得到高度差；并且

当所述高度差大于预定义值时，过渡为爬楼梯模式。

38.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述第二方位是第一和第二步态辅助器的方位，该方法进一步包括：

当所述第一步态辅助器与地面接触时，基于所述第二方位，确定所述第一步态辅助器的地面接触点的第一高度；

当所述第二步态辅助器与地面接触时，基于所述第二方位，确定所述第二步态辅助器的地面接触点的第二高度；

从所述第一高度中减去所述第二高度，以得到高度差；并且

当所述高度差大于预定义值时，过渡为爬楼梯模式。

39.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：

基于连续的地面接触点之间所述第一和第二拐杖中一个拐杖的方位的差值，确定所述下肢中一个下肢的连续接触位置之间的差值。

40.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：

检测所述第一拐杖末端的纵向位移；

当所述纵向位移大于常规值时，检测到行走路径上的障碍物的存在；并且

基于障碍物的存在，调节所述电动下肢矫形器的行走步态。

41.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：

测量所述电动下肢矫形器与物体之间在至少一个轴上的、未接触物体的距离；

基于所述距离，检测行走路径上障碍物的存在；并基于所述障碍物的存在，调节所述电动下肢矫形器的行走步态。

42.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：

测量在所述步态辅助器移动时，所述步态辅助器的高度；并且

基于所述步态辅助器的测得高度，为所述下肢中的一个下肢确定支撑表面之上的理想高度。

43.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：基于连续地面接触点之间所述步态辅助器的第二方位的差值，确定所述下肢中的一个下肢的连续位置之间的差值。

44.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，所述步态辅助器包括第一拐杖，所述方法进一步包括：

感测所述第一拐杖末端的纵向位移；

基于障碍物的存在，调节所述电动下肢矫形器的行走步态。

45.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：

基于所述距离检测行走路径上障碍物的存在；并基于所述障碍物的存在，调节所述电动下肢矫形器的行走步态。

46.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：

测量在所述步态辅助器移动时所述步态辅助器的高度；并基于所述步态辅助器的测得高度，为所述下肢确定地面上方的理想高度。