CN104302251B - 用于下肢体矫正器的人机界面 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种下肢体矫正控制系统，所述下肢体矫正控制系统：确定用户所期望的移动，特定来说通过用户采用示意动作或其它信号来向所述系统传达或表达其意图；及自动地调节供电式下肢体矫正组件的顺序操作。在特定应用中，使用支撑腿的定向来确定所述用户何时希望起始脚步以及所述用户何时处于从其迈出脚步的安全位置中。本发明具有供在使得截瘫用户(200)能够通过耦合到所述用户的下肢体(205)的人体外骨骼(100)的受控制的操作而行走中使用的特定适用性。控制器(220)接收关于所述用户(200)所期望的运动的输入，确定所述所期望运动且接着通过将所述外骨骼(100)致动而控制所述用户的腿部及肢体(205)的移动。

Description

用于下肢体矫正器的人机界面

相关申请案交叉参考

本申请案主张2012年3月22日提出申请的序列号为61/614,255的美国临时申请案及2012年3月26日提出申请的序列号为61/615,584的美国临时申请案的权益。

技术领域

本发明涉及用于下肢体矫正器的人机界面。

背景技术

在医学领域中开发供电式下肢体矫正装置以允许具有移动性障碍的人行走。所述装置必须通过某种智能方法确定用户何时希望起始脚步。许多供电式矫正装置当前使用按钮输入或遵循由能够移动其自身的腿部的用户起始的运动。然而，在用于瘫痪个人的外骨骼的情形中，其不能独立地起始运动。此外，其手可能由于握持拐杖、助行器或其它支撑装置而不能按下按钮。因此，需要一种将自然用户运动解译为由供电式矫正器采取的动作的人机界面(HMI)。此处所揭示的脚步起始及脚步起始训练的方法经开发以赋予供电式矫正装置的用户在安全地起始脚步时的独立性。

发明内容

本发明针对于一种系统及方法，下肢体矫正控制系统通过所述系统及方法确定用户所期望的移动且自动地调节供电式下肢体矫正组件的顺序操作，特定来说通过用户采用其上半身的示意动作或其它信号来向系统传达或表达其意图。进行此以便使得具有行动性障碍的人们能够行走以及执行涉及腿部移动的其它常见行动性任务。本发明具有供在使得截瘫者能够通过重现自然人体运动的人体外骨骼的受控制的操作而行走中使用的特定适用性。

根据本发明，存在其中用户可通过操纵处于站立阶段中的其腿部而传达或输入对其腿部的所期望运动的各种方式。控制系统经提供以留意这些输入，确定所期望运动且接着通过将耦合到用户的下肢体的外骨骼致动而控制用户的腿部的移动。一些实施例涉及监视下腿部(特别是小腿)的角度，以便确定用户所期望的移动。例如，测量小腿移动的改变(例如小腿角度、角速度及绝对位置的改变)。这些实施例并非直觉的；可在用户的腿部耦合到外骨骼时从其腿部的运动确定其意图为不明显的。然而，从基本力学明显看出，当试用者通过(举例来说)推动其拐杖而使装置移位时，此力将产生运动，尤其是围绕装置的下肢体的运动。在其中装置为坚硬的(通过力学或主动控制)其它实施例中，仍可在下肢体中观察到这些力且可使用这些力来感测意图。在又一些实施例中，观察跨越脚部的力的分布的移动可为充分的；例如，脚趾处的力传感器与脚后跟处的另一传感器的比率可提供此信息。额外实施例包含用于唯一地适于外骨骼应用的新颖传感器系统的设计。

一般来说，此处揭示一种系统，其通过跟踪所述系统的当前及过去状态且使用各种规则做出关于哪一新状态为合意的决策而确定所期望移动且自动地调节供电式下肢体矫正组件的顺序操作。然而，连同图式一起从各种优选实施例的以下实施方式本发明的额外目标、特征及优点将变得显而易见，其中在数个图式中相同元件符号指代对应部件。

附图说明

图1是耦合到外骨骼的残疾人的示意性侧视图；

图2示意性地图解说明具有两个状态的简单状态机；

图3示意性地图解说明具有更多状态的状态机；

图4图解说明小腿的角定向惯例；

图5表示具有一个腿部的实施例；

图6表示从本发明搜集的实验数据；

图7a示意性地表示外骨骼脚部的轮廓；

图7b示意性地表示具有力分布的外骨骼脚部的轮廓；

图8是处于不安全条件中的腿部的图解说明；

图9a是直接控制迈步的装置用户的图解说明；

图9b是直接控制迈步的装置操作者的图解说明；

图10示意性地表示具有移动压力中心的外骨骼脚部的轮廓；

图11是与弹性外壳介接且含有电子压力传感器的外骨骼脚部的图解说明；

图12a示意性地表示具有新颖压力中心及力传感器的外骨骼脚部的轮廓；及

图12b示意性地表示来自图12a的两个电极及其间的灵敏度区域。

具体实施方式

连同提供用户的行走运动的供电式矫正装置一起使用本发明。人体外骨骼为供电式矫正装置的一个实例。在图1中，展示供电式下肢体矫正器，其在此情形中为具有可结合拐杖102使用的腰部或主干部分210及下腿部支撑件212的外骨骼100。用户200展示为具有下肢体205。以此项技术中已知的方式，主干部分210可配置以耦合到人200的上半身(未单独标记)，腿部支撑件212可配置以耦合到人200的下肢体205及致动器，所述致动器类属地指示于225处但实际上以此项技术中众所周知的方式插入于腿部支撑件212的部分之间以及腿部支撑件212与主干部分210之间，以便使腿部支撑件212相对于主干部分210移位以使得人200的下肢体205能够移动。在一些实施例中，外骨骼100可包含构成腿部支撑件212的小腿311及大腿315。为了简化，腿部212将有时称为具有接近于躯干的近端(通常为腿部212连接到主干部分210的地方)及远离躯干的远端。图1进一步包含具有垂直、前向及横向轴的坐标系统。在论述的过程中，将提及主要解剖平面且就这些相同轴来理解：

·矢状平面为正交于横向轴105的平面

·冠状平面为正交于垂直轴104的平面

·前向平面为正交于前向轴106的平面

图1还展示可用于建立外骨骼的定向的多个传感器。在此处，定向应理解为包含多达外骨骼在全部六个空间轴(三个线性轴及三个旋转轴)上的位置、外骨骼部件在线性及角空间中的相对位置及可能装置的联动件之间以及与环境的相互作用力。惯性测量单元(IMU)可耦合到腿部支撑件212。惯性测量单元通常由加速计及陀螺仪以及有时磁力计组成；在许多现代传感器中，这些装置为具有在一或多个微芯片上的全部三个正交轴上的测量的MEMS(微机电系统)。IMU的行为是此项技术中众所理解的(IMU用于从导弹制导到机器人学到手机到业余爱好者的玩具的应用)；其通常提供相对于重力的角定向的测量以及相对于地球及线性加速的角速度的测量，其全部在三个轴上。

虽然N+1个IMU将足以完全界定N自由度装置(取决于带宽需要)的行为，但使用测量两个旋转关节之间的相对运动的传感器通常为方便的；此类传感器展示于右膝及左膝以及髋关节245及250上，且包含但不限于编码器、电位计及LVDT。这些传感器可用于通过几何模型确定定向或用于确定关节之间的横向及垂直距离。此外，图1展示具有脚部318及安装于脚部与地面(有时称为支撑表面)之间的地面接触传感器的外骨骼；这些传感器帮助外骨骼理解其何时与地面接触(通常称为行走的站立阶段)，但并非在所有实施例中为严格必要的。在一些实施例中，这些地面接触传感器可简单地为二进制开关，在其它实施例中，其可为能够解析作用于脚部上的力的力传感器，且在又一些实施例中，其可解析跨越脚部的力的分布以及力的等级。

在一些实施例中，估计人、外骨骼或其某一部件的速度可为合意的。一般来说，存在直接产生速度读数的一些类型的传感器(例如及上文所提及的陀螺仪)。如果位置测量具有充分分辨率或所得速度测量的带宽充分慢，那么还可能直接区别位置传感器读数或从多个传感器估计的位置的改变。一旦建立局部旋转速度，便可将所述速度在几何上相加以导出运动链中的下一连杆的角速度，或者如果已知所述旋转围绕其发生的位置，那么可将所述速度解析为线性速度(举例来说，如果已知脚部稳固地站在地面上，那么可从小腿角速度导出膝关节的线性速度)。如果还已知连杆相对于重力的角定向，那么可将所述速度解析为垂直与水平分量。这些技术是此项技术中众所理解的且此处仅重复以供参考。

本发明具有三个主要方面。第一方面为用户基于其下肢体角度独立地起始脚步的能力。第二方面为在使用期间对用户及/或操作者的关于脚步的时序的反馈。这两个选项可独立地或同时使用以在用户自动地迈步时将反馈给予用户。且第三方面为给佩戴外骨骼的人或帮助外骨骼提供手动地起始脚步同时提供不允许其在迈出脚步将不安全时起始脚步的安全性限制的能力。

基于下肢体定向的脚步起始

针对行走外骨骼，用以起始动作的方法已成为众多研究的主题。尽管他人已提出躯干运动、舌头运动或基于传感器/示意动作的系统，但基本原理为确定用户何时期望迈出脚步且起始所述跨步。本发明利用支撑腿的定向来确定用户何时希望起始脚步以及用户何时处于从其迈出脚步的安全位置中。

在此点处，将就确定系统将如何表现的有限状态机论述控制实施方案。控制器220的状态机控制外骨骼100何时在两个状态之间切换。图2中图解说明此非常简单状态机，其中301表示第一状态，302表示第二状态，且路径303及304表示所述状态之间的转变。

状态机的其它实施例允许将行走划分成更多状态。一种此类布置采用添加如图3中所展示的两个双腿站立状态。这些状态指示于405及406处且在两个脚部均在地面上时发生，且所述两个状态区分哪一腿部在前面。此外，如图4中所展示，状态机以拐杖定向的形式添加用户输入。在此实施例中，仅在用户已指示其想要迈出脚步时输入右腿摆动状态401及左腿摆动状态402，如分别由转变407及408表示。注意左腿及右腿可使用为了安全性而检查另一腿部状态作为其在状态之间转变的条件的一部分的独立状态机为重要的。此将产生与单个状态机相同的结果。

为了简化，典型步态循环并入以下步骤。在状态405中开始，用户经由右腿向前移动且通过下文方法触发转变408。此后，输入其中将左腿向前摆动的状态402。当左腿接触地面时，输入状态406。在状态406期间，机器可在两个脚部均在地面上的情况下做出某种运动以保存前向动量。接着，用户指示转变为通过下文方法迈出右脚步407。接着，机器输入状态401且将右腿向前摆动。当右腿接触地面时，机器输入状态405。继续此模式产生前向行进。明显地，模拟状态机可通过在拐杖运动方向相反时使摆腿运动的方向相反而实现后向行进。

在此点处，应注意，可将站立阶段划分成两个或两个以上状态，例如涵盖脚踵着地与早站立的状态及涵盖晚站立与推进的状态。此外，这些状态中的每一者可具有子状态，例如作为总体摆动的一部分的弯曲与伸展。

使用像状态机一样操作的程序对装置在由截瘫者使用时的安全性具有重要影响，这是因为其确保装置通过等待来自用户的用以改变状态的适当输入而从一个安全状态前进到另一安全状态且接着仅转变到为机器已请求或用户试图请求的所有状态的小的子集的适当状态。此大大地减少可做出的可能状态转变的数目且使行为更具确定性。举例来说，如果系统使一个脚部向前摆动(例如在图3的状态401中)，那么系统正寻找将告诉其何时停止将所述脚部向前移动的输入(且转变到双腿站立状态(例如405))而不是寻找或接受将告诉其抬高另一脚部的输入(例如直接移动到状态402)。

从任一状态，用户或操作者可指示返回到站立不动状态的意愿。此使双腿挺直且使躯干保持竖直。此状态可为坐下的前兆或可简单地用于休息或重新定位。

小腿角度定向

发现所期望脚步的一个可靠指示为在双腿站立期间前腿相对于地面的小腿角度。图4展示具有腿部支撑小腿311的人体外骨骼100的腿部支撑件212。相对于重力向量的腿部支撑小腿角度指示于312处。

小腿角度为用户何时准备迈出脚步的一贯指示符；因此，在本发明的一个实施例中，当前腿(在双腿站立期间)的腿部支撑小腿311充分向前倾斜时，此指示迈出脚步的意愿且供电式矫正器控制器起始脚步。所属领域的技术人员将注意，存在用以测量相对于地面的腿部支撑小腿角度的许多方式。一个实例为其内安装有惯性测量单元(IMU)的外骨骼小腿311。在此情形中，此腿部支撑小腿IMU将为图1中所展示的传感器215且其将向控制器220提供信号。当腿部支撑小腿角度312达到预定角度时，控制器220将指导致动器225借助后面的腿部支撑件(即，另一腿部支撑件)迈出前向脚步。

图6展示将小腿的角度与由装置的有技术的操作者进行的手动脚步起始进行比较的数据的实例。从所述数据清楚，小腿角度为用以指示装置何时应触发脚步的可重复度量。

在其中装置腿部到达地面的另一实施例中，不使用IMU，但替代地将角度测量传感器放置于装置的脚踝上。在此实施例中，所述角度传感器可为编码器、电位计或此项技术中众所周知的若干种角位移传感器中的任一者。控制器接着使用脚踝角度来估计小腿相对于局部地势的角度。地面相对于水平面的平均局部角度通常称为地势的坡度或地面的坡度(在许多情形(例如轮椅坡道)中，坡度可在整个表面上为恒定的)。在坡度为零(即，地面为平坦的)的情况下，此实施例将产生与基于IMU的实施例相同的脚步起始。然而，当坡度不为零时，可需要控制器来估计由于坡度导致的脚踝角度测量的改变并进行校正。在一些实施例中，还可使用坡度的估计来修改装置行为。作为此实施例的伸展，如果使用地面接触传感器来在记录脚踝角度时确定脚部为平坦的，那么装置可更好地估计真实小腿角度。

确定腿部支撑小腿角度的方法的另一实例为具有安装到装置上的另一连杆上的IMU且具有测量连杆之间的关节角度的传感器。接着，可使用IMU来确定IMU安装于其中的连杆相对于重力的定向。接着，可使用在小腿连杆311与和IMU的连杆之间的已知关节角度计算腿部支撑小腿角度312。存在且还可采用用以测量相对于重力的角度的若干种其它方式(除IMU外)。

目前所论述的本发明的此实施例在膝弯曲角度较小的情况下最容易工作。第二实施例仅考虑支撑腿(在双腿站立期间的前腿)的大腿角度来确定用户正指示前向脚步为合意的。以类似方式，针对大腿角度设定确定人向前移位且准备迈出脚步的阈值。

第三实施例为考虑由髋部及支撑腿的脚踝形成的线；此实施例还帮助膝弯曲角度较小的情况。外骨骼将在所述线的角度超过阈值时转变到对应于迈出脚步(例如，图3中的右腿摆动状态401)的状态中。等效地，外骨骼控制器可将髋部-脚踝线分解成前向与横向分量且仅在前向分量及横向分量超过相应阈值时转变到迈步。

这些额外实施例也可全部通过利用关节的全局位置而实现。髋关节位置可经计算以确定髋部的前向位置。膝位置可经计算以确定膝是否为向前的。

在这些实施例中的任一者中，腿部的角度阈值可由固定角度确定或可取决于行走的速度。此允许在较迅速行走中预期迈步运动，因此考虑到用户的动量。如果用户的动量足以经由支撑腿推动其向前，那么用户将能够在其重量进一步向后时起始脚步。可按地面行走速率或支撑腿的速度评判速度。

连同这些实施例中的任一者一起或独立地，可通过压力或反作用力测量用户的前向重量移位。在一个实施例中，还可使用测量脚部压力或脚部下方的地面反作用力的传感器来确定用户的腿部何时已被加重负。可独立地或与前向移位测量组合地使用此测量来确定何时起始脚步。在另一实施例中，可将反作用力测量为支撑腿上的相互作用力，以指示所述腿部正支承重量。

在又一实施例中，测量地面反作用力的传感器解析处于站立中的脚部下方的所有反作用力的几何中心；此点称作压力中心。控制器可随时间跟踪此压力中心以形成压力中心轨迹且基于压力中心的前进而将站立阶段划分成一系列状态。图7b示意性地展示强加于右外骨骼脚部上的压力中心位置320。压力中心已进入脚部的前向及横向部分上的区域322。当控制器220接收到已发生此情况的信号时，所述控制器将使另一腿部(左腿)转变到图3中的摆动状态402中。图7a图解说明解剖术语中间325及横向324的使用以分别指示脚部的内部及外部。

在再一实施例中，具有对应于压力中心的小的改变且形成正迈出脚步的另一腿部的最精细运动的非常大数目个状态为可能的。在极限的情况下，正迈出脚步(即，进入摆动阶段)的腿部的运动随处于站立中的腿部的压力中心而变，使得针对压力中心320的每一取样实际上存在一个状态为可能的。在此实施例中，佩戴所述装置的人将能够使用拐杖来向前或向后推动其重量，因此使其压力中心移动且连续地控制迈步的腿部的运动。

连同这些实施例中的任一者一起，可能实现超出简单地迈出脚步的操作。举例来说，如果佩戴外骨骼100的人为坐着的，那么其可通过推动拐杖或在椅子上推动而用信号通知站立的意愿，使得小腿311的定向改变且进入对应于站立的区域。作为安全性措施，具有两个状态(通过外部控制装置输入以告诉控制器220聆听来自人的用以站立的信号的第一状态及在控制器接收到小腿角度已超过设定阈值时对应于站立的第二状态)可为必要的。

基于脚部的方法

发现，由于施加于外骨骼脚部上的高剪切力，现有脚部压力分布传感器并不理想地适于外骨骼系统的需要。针对新颖脚部压力传感器系统开发了特别适于供与这些实施例中的任一者一起使用的设计。图11展示其中脚部318与弹性外壳706介接以封围电子压力传感器705的这些实施例中的一者。发现，为了使此传感器对剪切力及外骨骼应用的冲击负载有稳健性，必须维持脚部的上部侧周界703及周界704的下部侧两者周围的实质上连续互锁关节，同时留下用于电子压力传感器705的腔。在此配置中，弹性外壳706的壁将剪切力直接分散到脚部318中同时通过电子压力传感器705将法向力传输到脚部318中。此配置运作良好，这是因为脚部318的顶部侧及底部侧上的两个压力分布传感器允许控制器125感测人与外骨骼相互作用(在所述传感器在人与外骨骼脚部318之间的情况下)或外骨骼与地势相互作用(在所述传感器在外骨骼脚部318与地面之间的情况下)。

这些新颖压力分布传感器虽然为高度稳健的，但可由于由应用的大的力产生的应力而经受校准损失。还观察到，在此应用中，与由人、外骨骼及地势赋予到脚部上的力相比，与人的腿部及外骨骼脚部318的质量的动态效应实质上为可忽略的。额外实施例包含三个传感器，即经配置以测量脚部318的顶部及底部上的压力中心的两个此类新颖压力分布传感器及在脚部318与小腿311之间的一扭矩传感器。适合于此应用的扭矩传感器为此项技术中众所周知的，这是因为脚部318与小腿311之间的连接为机器设计中常见的类型的界面。这些传感器包含应变仪及预制作的负载单元，且为可容易地获得且众所理解的。发现，当忽视或补偿实质上可忽略的动态效应时，此布置允许控制器125使用来自扭矩传感器的信息连续地移除压力分布传感器的偏置。

通过从以下三个源估计在矢状平面中围绕脚部318的扭矩而实现偏置调整：地势，其由脚部318的底部上的压力中心位置到脚踝关节轴的距离测量；人，其由从脚部318的顶部上的压力中心到关节轴的距离描述；及脚部318到小腿311之间的连接，其由在脚部318与小腿311之间的连接中的扭矩传感器描述。基础力学教示从地势施加于脚部318上的扭矩必须等于从人施加到脚部318上的扭矩加上从外骨骼施加到脚部318上的扭矩：T_T＝T_P+T_E(再次，由于脚部的相对小的质量而忽略脚部的动态效应)。在此实施例中，使用脚部318的底部上的压力分布传感器测量T_T，使用脚部318的顶部上的压力分布传感器测量T_P，且使用脚部318与小腿311之间的扭矩测量T_E。现在过定义所述方程式，且所属领域的技术人员可容易地获得用以使用更准确传感器T_E从T_T及T_P移除偏置的方法。

使用此技术的额外实施例来减小复杂性或改进稳健性而非通过使用用于T_T、T_P及T_E的传感器系统中的仅两者的任何组合而改进性能。使用同一方程式T_T＝T_P+T_E，可直接估计缺失的传感器的值。此在仅使用T_P及T_E时对于估计T_T特别有益。明显地，在此实施例中，不可移除压力分布传感器之间的任何偏置，但特别是在其中地势为粗糙的且将压力传感器705安装于脚部318下面可将其暴露于损坏的应用中，此可为可接受的。

作为此实施例的伸展，如果扭矩传感器经配置为双轴力传感器，那么可关于轴104以及轴105应用上文所呈现的同一扭矩平衡方程式，使得可估计或校正在正平面中的力矩以及在矢状平面中的力矩。此外，如果扭矩传感器还经配置以测量沿着轴106的力，那么可将所述力求和为F_T＝F_P+F_E，从而提供用以在传感器之间进行校正或使用两个传感器来建构全部三个测量的方式。

在再一实施例中，图12a展示适合于确定压力中心位置的电子压力传感器705的新颖架构。此新颖电子压力传感器由完全放置于压阻材料或层的一侧上的两组的三电极(电极1A 720、电极1B 724、电极1C 726、电极2A 723、电极2B 725及电极2C 721)构成。当将压力施加到压阻材料时，所述材料的电阻局部地减小。通过在两组电极之间施加电压电位，控制器125可测量可通过此项技术中众所理解的技术以电方式测量的电阻的改变。一对给定电极可测量那些电极的灵敏度区域中的电阻。应理解，灵敏度区域为大致的且严重取决于所选择几何结构，但可以实验方式表征。图12b展示两个电极720及723以及其对应灵敏度区域718的细节。可在几何上计算且所属领域的技术人员显而易见所述灵敏度区域的重心717。通过针对每一灵敏度区域测量起点与区域重心719之间的距离且测量区域中的平均压力，可确定法向力及压力中心位置两者同时实质上拒绝不希望的剪切力。用于针对具有n个区域的系统做出此确定的方程式为：

在前向轴104上的

在横向轴105上的

在法向垂直轴106上的

力分布传感器的此新颖架构允许构造对剪切具有很小敏感性的高度稳健但低轮廓传感器。另外，所有电极(720、721、722、723、724、725、726)与单一侧上的压阻材料电连接，此大大地简化构造且允许单一印刷电路板包含所有电极。当前不存在可用于此项技术的可承受外骨骼应用中所需的负载、装配到小到两个.031英寸(.08cm)厚的层的小的外观尺寸中且同时提供在前向轴104上的压力中心位置、在横向轴105上的压力中心位置及在垂直轴106上的法向力的其它传感器技术。当与用以移除压阻材料共有的偏置的先前实施例组合时，可构造高功能性、高准确性、高稳健性及低外观尺寸压力传感器。可使用电极及形成于所述电极之间的对应灵敏度区域718的额外形状形成此架构的额外实施例。这些实施例不限于相等面积的灵敏度区域718，这是因为用于压力中心位置及力的方程式在其计算中包含灵敏度区域718的面积。

冠状平面测量

对迈出脚步的意图的额外指示符为用户的身体远离脚部以为摆动所述脚部做准备的移位。此移位可由另一脚部的压力中心的移位或身体的位置的移位指示。在后一种情况的实施例中，通过测量小腿或在冠状平面中的外骨骼的另一段的角度而指示的用户的横向移位指示为下一脚步做准备。

安全性检查

在起始脚步之前，控制器220可检查其它变量以便确定其迈出脚步为安全的。举例来说，如果用户已向前落下太远，那么不应迈出脚步。因此，可设定前向阈值使得如果人已向前前进太远，那么不再迈出脚步。在原理上，可对上文所论述的度量(小腿角度、脚部压力中心等)中的任一者设定此前向阈值。实际上，结果为在度量不仅不大于阈值而且其在可接受的范围内时起始脚步。

脚步可能不安全的额外指示为小腿角度的前向速度。如果腿部太快地向前落下(此指示缺乏稳定性)，那么不应起始脚步。同样地，如果用户正向后移动(例如在其中其正校正已向前移位太远的情形中)，那么不应起始脚步，这是因为用户的动量在错误的方向上。然而，在一些实施例中，可使用以低速的后向运动来触发后向脚步。

另外，可基于小腿角度的速度调整阈值。举例来说，如果用户正经由其脚部迅速地移动，那么控制器可利用前向动量较早起始脚步来及时完成安全脚步。同样地，如果用户正缓慢地移动，那么控制器将稍后起始脚步以确保用户的重量在其脚部上。

有时用户可在摆动腿部不完全伸展时落在摆动腿部上，如图8中所展示。此在用户太迅速地落到腿部上或绊了其脚趾时发生。在此情形中，小腿角度或脚踝到髋部线可充分向前，但用户未准备好迈出脚步，这是因为膝角度314仍为弯曲的。因此，可添加额外保护以延迟脚步直到腿部充分伸展。

可连同额外传感器一起使用这些方法以提供额外输入。举例来说，可使用拐杖力传感器来确保拐杖稳固地站在地面上。

控制器还可检查测量脚部上的压力或脚部下方的地面反作用力的传感器以确保充分重量已移位到前向脚部。此指示腿部准备好接受用户的重量且将不导致用户向后落。

在一个实施例中，外骨骼包含起始脚步的两种额外方法。可通过由佩戴装置的人给出的输入(例如按钮按压)而起始脚步。在此实施例中，如图9a中所展示，按钮120必须处于用户可每一脚步按压的位置中，例如在其拐杖103上。还可通过由操作者给出的输入(例如按钮按压)而起始脚步，如图9b中所展示；在此实施例中，按钮120将不连接到拐杖，使得替代地操作者可握持拐杖。在此实施例中，操作者为操作装置使得佩戴装置的人不需要在装置的操作上为有经验的第二人。

终止脚步

在一些情形中，可能在不安全配置中起始脚步或用户可能移位以使其处于不安全位置中。在此情形中，应出于安全性通过使腿部伸展以提供平衡及稳定性而终止脚步。如果支撑腿大腿角度(或髋部位置)在脚步起始之后开始向后行进，那么可终止脚步。此指示太早迈出脚步且用户不安全地向前前进。

训练

本发明还提供用于训练用户及操作者两者的方法。通过给出关于基于在以上实施例中给出的前向移位阈值应何时迈出脚步的触觉、听觉或视觉反馈，用户/操作者团队可学习稳定位置看起来及感觉如何。在此实施例中，外骨骼在基于给定参数(例如在基于位置的脚步起始中所描述的那些参数)应起始脚步时提供哔哔声或光(或者其它感觉反馈)。所属领域的技术人员将认识到，全部实现指示迈步阈值的众多反馈方法为可能的。

此反馈还可用作用于确定用户是否准备好独立地控制外骨骼的度量。此在赋予用户(而非称为操作者的第二个人)对通过自身按下按钮而迈出脚步的控制的外骨骼中为有用的。在允许用户使用此系统之前，治疗师必须在其用以确定何时其准备好迈出下一脚步的能力上感觉为舒适的。外骨骼可利用“理想”脚步起始时间(通过上文所论述的方法确定的时间)且关于“理想”触发基于用户何时按下按钮而形成得分。当用户变得熟练时，将存在由系统确定的脚步起始时间与其按下按钮的实际时间之间的非常小的时间差。

在简单实施例中，脚步可由四个度量表征：压力中心(图10中的708、715、713及714)的水平及前向改变以及水平及前向偏移。接着，可在两个或两个以上脚步内对这两个度量进行比较且可计算这些度量的平均值。由于初学者用户将比有经验的用户更不规律地行走，因此所述平均值将针对初学者用户较高且针对有经验的用户较低，从而允许控制器量化人的经验。在另一实施例中，控制器可能在站立循环内跟踪脚部的压力中心且使曲线拟合压力中心轨迹。接着，控制器可区别曲线与实际轨迹且在所述脚步内测量所得信号的变化量。存在信号的变化量的许多众所理解的测量，包含(作为一实例)信号的方差及标准差。理解测量信号的一致性及平滑性为此项技术中众所理解的且存在许多更精细的可用技术为重要的。

再一实施例可扩展所描述用户性能度量产生方法中的任一者以允许外骨骼系统出于安全操作而启用及停用需要不同等级的用户熟练度的状态。在此实施例中，外骨骼系统直接从在较不先进安全状态中的用户的外骨骼操作产生用于用户熟练度的度量作为启用需要安全地执行更大熟练度的更先进状态的操作的先决条件。此自调节架构给外骨骼设计者提供对熟练度的公正测量的信心，此提供不会针对初学者外骨骼用户无意致动将对初学者用户危险的状态的保证。针对初学者用户停用专家级状态中的此信心允许外骨骼设计者包含在包含于并非自调节的外骨骼装置中的情况下将形成太高可靠性的先进状态。

还可使用此度量来将物理治疗师在操作外骨骼上的能力评分。在训练期间，频繁地，物理治疗师操作者不确定何时为起始脚步的适当时间。通过基于操作者被要求查看的参数提供一致反馈，改进了训练过程。在训练结束时，可基于此理想触发及操作者确定得分以便确定其是否被充分训练。

还可使用此阈值来将用户的熟练度评分。存在与实现为下一脚步做准备的此所期望位置的能力(其指示行走的熟练度)相关的众多测量。一个实施例为测量从脚踵着地到起始下一脚步的时间，转变越快，行走越流畅。第二实施例包含测量脚踵着地与起始下一脚步之间的小腿角度的速度以便确定运动的流畅性。

伸展

此方法还可用于额外状态确定，例如后向迈步、坐下及站立。举例来说，如果小腿角度向后倾斜充分远，那么将起始后向脚步。此后向角度指示质量中心向后的移位且用户将需要向后迈步以便支撑自身。在坐下的情形中，如果两个小腿角度均测量为充分向后，那么单元可起始坐下。如果两个小腿角度足够向前倾斜且关节角度还满足针对安全性及平衡设定的需要，那么装置可起始站立。

在优选实施例中，外骨骼具有两个腿部支撑件。然而，在一些实施例中，如图5中所展示，特别是针对展现偏瘫步态受伤的用户，装置具有仅一个腿部支撑件可为合意的。此处所揭示的方法使用来自一个腿部的信息来触发另一腿部的迈步；在装置具有仅一个腿部支撑件的情况下，可能获得关于人的不具有腿部支撑件的下肢体(较不受影响的肢体)的定向的必要信息。举例来说，将可能将小的橡皮筋放在包含将测量较不受影响的肢体的小腿定向的IMU 217的所述小腿上。此信息可无线地或借助小电缆中继到控制器。理解上文出于将腿部转变到摆动阶段中的目的而揭示的所有技术适用于单腿装置为重要的；仅有必要借助适当组的传感器来自人的下肢体的相同信息。举例来说，在此项技术中应理解，可能将脚部力传感器配置为装配于鞋子内部的鞋垫。因此，即使装置的仅有腿部耦合到人的另一腿部，仍可能中继关于人的腿部的重量分布及压力中心的信息。此外，如果装置为并不伸展到地面而是替代地在小腿中间处结束的矫正器，那么可能使用此相同技术。这些实例打算图解说明本发明的范围；虽然主要论述双腿实施例，但这些相同技术可容易地伸展到更简单及更小装置。

虽然关于本发明的优选实施例进行描述，但应理解，可在不背离本发明的情况下做出各种改变及/或修改。例如，作为另一实施例，可能测量在外骨骼的脚踝中产生的力矩以估计在矢状平面中的压力中心的位置(此假设佩戴外骨骼的人不具有用以借助其脚踝产生矢状平面力矩的能力)。因此，可能使用脚踝力矩的测量来可靠地触发脚步。此实施例在其中外骨骼的脚踝为坚硬或刚性的且可能不存在用于触发脚步的外骨骼小腿的适合运动的装置中为有用的。同样地，如果髋关节在站立期间具有充分刚性，那么还可测量髋关节处的扭矩以指示触发脚步的意愿。一般来说，本发明仅打算由所附权利要求书的范围限制。

Claims (44)

1.一种控制供电式下肢体矫正器的方法，所述供电式下肢体矫正器包含外骨骼，所述外骨骼具有：腰部部分，其可配置以耦合到人的上半身；至少一个腿部支撑件，其可配置以耦合到所述人的第一下肢体，其中所述腿部支撑件包含以可旋转方式连接到所述腰部部分的大腿段及以可旋转方式连接到所述大腿段的小腿段，至少一个致动器，其用于使所述至少一个腿部支撑件相对于所述腰部部分移位以使得所述人的所述第一下肢体能够移动；及多个传感器，其用于监视所述外骨骼，所述方法包括：

监视所述外骨骼的第一定向及所述人的第二下肢体的第二定向；及

基于所述第一及第二定向而调节所述至少一个致动器的操作，及

从有限多个状态建立所述外骨骼的当前状态，且基于所述当前状态而控制所述至少一个致动器以致使所述供电式下肢体矫正器遵循共同重现自然人体运动的一系列定向，包括在所述小腿段相对于重力的角度超过至少一阈值时，将对应于所述第一下肢体的所述腿部支撑件放置成对应于迈出脚步的状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个腿部支撑件包含可以可旋转方式连接到所述腰部部分的近端及远端，所述方法进一步包括估计从所述至少一个腿部支撑件的所述近端到所述远端的前向及横向距离，且所述第二定向由从所述近端到所述远端的所述前向且横向距离构成。

3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括估计所述小腿段相对于垂直线的角度，其中所述第二定向为所述小腿段相对于垂直线的所述角度。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述腿部支撑件包含以可旋转方式连接到所述腰部部分的大腿段及以可旋转方式连接到所述大腿段的小腿段，所述方法进一步包括估计所述小腿段相对于地势的角度，其中所述第二定向为所述小腿段相对于所述地势的所述角度。

5.根据权利要求4所述的方法，其进一步包括基于所述地势的坡度而修改重现人体运动的所述系列的定向。

6.根据权利要求3所述的方法，其进一步包括借助于耦合到所述小腿的惯性测量单元测量所述小腿段相对于重力的绝对角度。

7.根据权利要求3所述的方法，其中所述第二定向由三个读数构成，所述三个读数由以下各项组成：

(1)以角位移传感器测量所述小腿段与所述大腿段之间的角位移；

(2)以角位移传感器测量所述大腿与所述腰部部分之间的角位移；及

(3)以惯性测量单元测量所述腰部部分相对于重力的角度；及

从所述三个读数估计所述小腿相对于重力的所述角度。

8.根据权利要求3所述的方法，其进一步包括：

将所述小腿的绝对角度分解成在矢状平面中的矢状面测量及在冠状平面中的冠状面测量；及

在所述矢状面测量超过至少矢状面阈值且所述冠状面测量超过至少冠状面阈值时，将对应于所述第一下肢体的所述腿部支撑件放置成对应于迈出脚步的状态。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述腿部支撑件包含经配置以耦合到所述人的上腿部且以可旋转方式连接到所述腰部部分的大腿连杆，且所述方法进一步包括测量所述大腿连杆相对于重力的角度，其中所述大腿连杆的所述角度为所述第二定向。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述腿部支撑件包含经配置以在站立阶段期间搁置于支撑表面上的脚部且包含经配置以感测分布于所述脚部的底部上的力的压力中心的位置的至少一个力分布传感器，所述方法进一步包括在所述压力中心进入所规定区域时，将对应于所述第一下肢体的所述腿部支撑件放置成对应于迈出脚步的状态。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述腿部支撑件包含经配置以在站立阶段期间搁置于支撑表面上的脚部且包含放置于所述脚部与所述人之间的至少一个力分布传感器，且所述方法进一步包括测量分布于所述脚部与所述人之间的相互作用力。

12.根据权利要求10所述的方法，其中所述至少一区域为所述脚部的横向侧。

13.根据权利要求10所述的方法，其中所述至少一区域为所述脚部的前横向部分。

14.根据权利要求10所述的方法，其中所述至少一个力分布传感器由两个传感器组成，包含经配置以估计施加到所述脚部的脚踵的力的脚踵区传感器及经配置以估计施加到所述脚部的脚趾的力的脚趾区传感器，且其中所述区域对应于实质上无重负的所述脚踵区传感器及实质上有重负的所述脚趾区传感器。

15.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括测量所述腿部支撑件的速度且修改所述所规定区域是基于所述速度的测量。

16.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括：

以相互作用扭矩传感器测量所述腿部支撑件与所述脚部之间的扭矩；

以第二力分布传感器测量所述人与所述脚部之间的力分布；及

基于所述相互作用扭矩传感器估计且校正所述至少一个力分布传感器及所述第二力分布传感器的偏置。

17.根据权利要求1所述的方法，其中所述腿部支撑件包含经配置以在站立阶段期间搁置于支撑表面上的脚部，且测量以下三个元素中的两者：

(1)以第一传感器测量分布于所述脚部的底部上的力的压力中心的位置，

(2)以第二传感器测量所述腿部支撑件与脚部之间的扭矩，及

(3)以第三传感器测量所述人与所述脚部之间的力的压力中心的位置，所述方法包含从所述第一、第二及第三传感器中的相应传感器估计所述三个元素中的非包含元素的测量。

18.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括以位于形成于所述脚部的薄表面与和所述脚部的上部侧及下部侧两者的周界互锁且实质上封围所述周界的弹性外壳之间的腔内的电子压力传感器测量压力。

19.根据权利要求1所述的方法，进一步包含两个腿部支撑件，每一所述腿部支撑件可以可旋转方式连接到所述腰部部分，包含可以可旋转方式连接到所述腰部部分的大腿段及可以可旋转方式连接到所述大腿段的小腿段，经配置以在站立阶段中搁置于支撑表面上，且包含用于测量所述腿部支撑件与所述支撑表面之间的相互作用力的至少一个力传感器，其中所述第二定向为所述小腿段相对于重力的角度，所述方法进一步包括：

在以下两种情况均发生时，将所述腿部支撑件中的第一者放置为对应于迈出脚步的状态：

(1)所述腿部支撑件中的所述第一者上的相互作用力超过总的相互作用力的预定百分比；及

(2)所述第二定向超过阈值。

20.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：

从所述多个传感器估计选自由沿着所述腿部支撑件的点的前向速度及所述腿部支撑件的角速度组成的群组的速度；及

基于所述速度而调整所述阈值。

21.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：

将所述第一定向的表示从其迈步的不安全组合的组合记录为不安全组合；及

在检测到所述不安全组合中的一者时，不将对应于所述第一下肢体的所述腿部支撑件放置成对应于迈出脚步的状态。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所述外骨骼包含第一及第二腿部支撑件，且所述第一腿部支撑件的所述不安全组合中的至少一者包含所述第二腿部支撑件正处于迈步的过程中。

23.根据权利要求21所述的方法，进一步包括以所述多个传感器中的至少一者测量所述小腿段与所述大腿段之间的膝角度，其中所述膝角度超过组成所述不安全组合中的至少一者的至少一阈值。

24.根据权利要求21所述的方法，其进一步包括在所述小腿段相对于垂直线的所述角度满足至少第一阈值时，将对应于所述第一下肢体的所述腿部支撑件放置成对应于迈出脚步的状态，其中所述不安全组合中的至少一者包含支撑腿的所述第二定向满足至少第二阈值。

25.根据权利要求21所述的方法，其进一步包括从所述多个传感器估计所述人的速度，其中所述不安全组合中的至少一者包含所述人的所述速度在可接受范围以外。

26.根据权利要求21所述的方法，其中所述腿部支撑件经配置以在站立阶段期间搁置于支撑表面上且包含用以指示所述腿部支撑件何时与所述支撑表面接触的至少一个接触传感器，且其中使用所述外骨骼的所述第一定向确定不安全条件进一步包含来自所述至少一个接触传感器的信息。

27.根据权利要求26所述的方法，其中所述接触传感器为产生表示所述支撑表面与所述腿部支撑件之间的力的信号的力传感器。

28.根据权利要求3所述的方法，其进一步包括在所述小腿段相对于重力的所述角度超过至少一阈值且所述外骨骼的当前状态为坐下时，将对应于所述第一下肢体的所述腿部支撑件放置成对应于站立的状态。

29.根据权利要求3所述的方法，其进一步包括在相对于重力的两个小腿角度超过至少一阈值且所述外骨骼的所述当前状态为站立时，将对应于所述第一下肢体的所述腿部支撑件放置成对应于坐下的状态。

30.根据权利要求29所述的方法，其进一步包括：

从所述多个传感器估计沿着所述腿部支撑件的点的速度及所述腿部支撑件的角速度中的一者的速度；及

如果所述速度超过至少一阈值，那么不起始坐下运动。

31.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：

监视所述外骨骼；及

用信号通知何时将所述矫正器放置成对应于迈出脚步的状态。

32.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括用信号通知所述人何时将所述矫正器放置成对应于迈出脚步的状态。

33.根据权利要求32所述的方法，其中以听觉音调实现用信号通知。

34.根据权利要求32所述的方法，其中以触觉振动实现用信号通知。

35.根据权利要求32所述的方法，其中以视觉提示实现用信号通知。

36.根据权利要求1所述的方法，其中所述矫正器包含经配置以由第二人手动地致动的输入元件，所述方法进一步包括：

手动地接合所述输入元件以指示起始脚步的意愿；

测量所述矫正器进入对应于迈出脚步的状态与所述输入元件的接合之间的时间差；及

基于所述时间差而产生所述第二人的熟练度得分。

37.根据权利要求1所述的方法，其中所述外骨骼包含经配置以在所述人的所述第一下肢体及对应腿部支撑件接触地面时产生信号的接触传感器，所述方法进一步包括：

测量所述信号与所述矫正器进入对应于迈出脚步的状态之间的时间；及

将所述时间与理想时间进行比较；及

产生时间差且基于所述时间差而产生所述人的熟练度得分。

38.根据权利要求37所述的方法，其进一步包括基于所述腿部支撑件的速度而调整所述理想时间。

39.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：

测量所述外骨骼与地面之间的压力中心的位置；

计算所述位置在多个样本上所遵循的平均轨迹；

从所述多个样本上的所述平均轨迹计算所述位置的变化量；及

基于所述变化量的量值而产生所述人的熟练度得分。

40.根据权利要求39所述的方法，其进一步包括基于所述变化量的至少一阈值而限制可达到哪些外骨骼状态。

41.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：

测量所述腿部支撑件的角速度；

将所述角速度与理想测量进行比较；及

产生速度差且基于所述速度差而产生所述人的熟练度得分。

42.根据权利要求3所述的方法，其进一步包括：

监视所述矫正器；

通过将输入元件手动致动指示使所述外骨骼进入对应于迈出脚步的状态的意愿；及

不进入对应于迈出脚步的所述状态直到所述第二定向超过至少一阈值。

43.根据权利要求42所述的方法，其中所述人将所述输入元件手动地致动。

44.一种控制供电式下肢体矫正器的方法，所述供电式下肢体矫正器包含外骨骼，所述外骨骼具有：腰部部分，其可配置以耦合到人的上半身；两个腿部支撑件，其可配置以耦合到所述人的下肢体，每一所述腿部支撑件以可旋转方式连接到所述腰部部分，包含以可旋转方式连接到所述腰部部分的大腿段及以可旋转方式连接到所述大腿段的小腿段，经配置以在站立阶段中搁置于支撑表面上，且包含用于测量所述腿部支撑件与所述支撑表面之间的相互作用力的至少一个力传感器；及两个致动器，一个致动器用于使每一腿部支撑件相对于所述腰部部分移位以使得所述人的所述下肢体能够移动；及多个传感器，其用于监视所述外骨骼，所述方法包括：

监视所述外骨骼的第一定向及所述腿部支撑件中的每一者的第二定向，其中所述第二定向为所述小腿段相对于重力的角度；

基于所述第一及第二定向而调节所述至少一个致动器的操作；及

基于所述第一及第二定向两者而从有限多个状态建立所述供电式下肢体矫正器的当前状态，且通过如下步骤并基于所述当前状态而控制所述至少一个致动器以致使所述供电式下肢体矫正器遵循共同重现自然人体运动的一系列定向：

在以下两种情况均发生时，将所述腿部支撑件中的第一者放置为对应于迈出脚步的状态：

(1)所述腿部支撑件中的所述第一者上的相互作用力超过总的相互作用力的预定百分比；及

(2)所述第二定向超过阈值。