CN104936570A - 用于通过外部施加力调整动力矫形装置的运动的界面 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种下肢矫形器，其包含经配置以控制穿戴所述矫形器的人的至少一个关节的运动的至少一个致动器，所述下肢矫形器具有手柄，所述手柄包含经配置以产生表示施加于所述手柄的力的信号的力传感器。与所述力传感器及所述至少一个致动器通信的控制器经配置以基于来自所述力传感器的所述信号修改所述运动。系统可特别用来使得理疗师能够具有控制及修改在所述人的康复期间由所述下肢矫形器规定的位置及/或力的输入。

Description

用于通过外部施加力调整动力矫形装置的运动的界面
相关申请案的交叉参考
本申请案主张2013年1月16日申请的且标题是“用于通过外部施加力调整动力矫形装置的运动的界面(Interface for Adjusting the Motion of a Powered Orthotic DeviceThrough Externally Applied Forces)”的第61/753,252号美国临时申请案的权益。
技术领域
本发明涉及一种辅助肌肉功能或控制受损的患者的肌肉功能的康复及恢复的装置及方法。更特定地说，本发明涉及一种适用于对已损坏附属器的神经肌肉/肌肉功能的患者的治疗用途的装置及方法，且包含针对包含(但不限于)行走的活动增强附属器的改善功能的支具的机动化系统及相关控制系统。
背景技术
数百万人遭遇行走能力的部分或完全缺失。此缺陷状态可由外伤、中风或造成影响肌肉控制的失调的其它医疗状况引起。无关于起因，行走损伤的开始及持续可造成折磨人的额外负面的身体及/或心理后果。为了改善行走损伤的患者的健康及生活质量，可改善或恢复行走功能的装置的开发对于医学治疗群体具有重大实用性。在行走损伤以外，存在干扰附属器的肌肉控制的广泛医疗状况(造成功能缺失)及折磨人的其它不利状况。医学治疗群体对改善或恢复此类功能的装置开发也极为感兴趣。
医学领域中开发了人类外骨骼装置以恢复及康复具有影响肌肉控制的失调的人的适当肌肉功能。此类外骨骼装置是可施加力于穿戴者的附属器的机动化支具的系统。在康复机构中，外骨骼受控于使用多个可能输入中的一者以命令外骨骼控制系统的理疗师。继而，外骨骼控制系统致动机动化支具的定位，从而造成施加力于外骨骼穿戴者的身体且通常造成外骨骼穿戴者的身体移动。
外骨骼控制系统规定且控制外骨骼的关节中的轨迹。此类轨迹可被规定为基于位置、基于力或所述两种方法论的组合(例如阻抗控制器中所见)。基于位置的控制系统可直接通过修改所规定位置来修改。基于力的控制系统也可直接通过修改所规定力分布来修改。
在康复工作阶段期间及/或康复过程中，理疗师能够取决于患者的特定生理机能或康复阶段修改所规定位置及/或所规定力分布是极为有利的。构建实现康复期间理疗师希望的全范围修改的外骨骼控制界面是极为复杂及困难的。此外，重要的是，控制界面不但允许理疗师可能希望的全范围修改，而且与理疗师的介接对于理疗师来说是直观的(理疗师不一定是极具技术指向型的理疗师)。
仍然需要提供一种允许理疗师使用类似于在使用基于外骨骼的技术之前对患者的附属器使用的方法的命令方法直观地修改外骨骼的所规定位置及/或所规定力分布的装置及方法。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种允许理疗师使用命令动作直观地修改所规定外骨骼位置及/或力的输入装置及方法。
本发明的另一目的是为了提供一种输入方法，其是使用外骨骼之前的标准康复护理的推论，外骨骼的使用使理疗师对于输入方法的理解及使用在概念上并不复杂且身体上感到舒适。
本发明的额外目的是为了提供一种此输入装置及方法的外骨骼穿戴者中心应用。
更具体地说，本文中揭示了一种允许理疗师使用命令动作直观地修改所规定外骨骼位置及/或力的输入装置及方法。此外，输入装置及方法是使用外骨骼之前的当前标准的康复护理的推论，外骨骼的使用使输入方法简单、理疗师对输入方法的理解及与其的互动在概念上并不复杂且身体上感到舒适。本发明还涉及一种此输入装置及方法的额外外骨骼穿戴者中心应用。
开发输入布置的概念以使理疗师控制及修改康复期间由外骨骼控制系统规定的位置及/或力。因为这里呈现的概念同样适用于基于位置、力及混合“阻抗”的控制策略，所以由外骨骼控制系统规定的位置及/或力在本发明中可称作外骨骼轨迹。
本发明的第一实施例包括一种装备有力感测手柄的外骨骼装置，其中力感测手柄安装到外骨骼装置的结构且包含一或多个传感器以测量通过力感测手柄传输的力。外骨骼装置还包含一种控制系统，其包含用于来自力感测手柄的经测量力的力解译结构。外骨骼轨迹是由控制系统修改使得经测量力通过修改外骨骼轨迹而减小。在第一实施例中，力感测手柄使得理疗师能够以极其直观方式实时地修改外骨骼轨迹。
在第二实施例中，外骨骼轨迹不但被实时修改，而且在特定外骨骼轨迹周期的多次重复中加以修改。此使得理疗师能够使用力感测手柄修改外骨骼装置的未来移动。在此实施例中，理疗师被提供一种既直观又极其灵活的输入系统以修改外骨骼轨迹以优化患者的康复好处。用于修改外骨骼轨迹的此既直观又灵活的输入布置是有利的，因为理疗师经训练以了解特定移动及特定患者的最大康复好处所需的特定移动的修改。通过混合多个步态周期内的起始轨迹及理疗师的输入，外骨骼控制系统可使得理疗师能够塑形且完善轨迹直到轨迹成为其希望的轨迹为止。重要的是，理疗师可使用力感测手柄以直观方式将轨迹上的大量信息传达到外骨骼控制系统。由于机器人系统通常以重复任务为目标，此实施例的设计及使用所需的周期控制及混合技术为机器人学及外骨骼控制领域的技术人员充分了解。
在第三实施例中，外骨骼的穿戴者能够容易使用其它附属器操控外骨骼连接附属器，包含穿戴者使用手臂来操控外骨骼承载腿。在此实施例中，外骨骼轨迹是由外骨骼控制系统修改使得通过修改外骨骼轨迹最小化来自力感测手柄的经测量力。
在第四实施例中，力感测手柄上的力传感器的作用仅仅是开关，指示当手柄被操作者抓住时，操作者(可为外骨骼的穿戴者或理疗师)希望移动外骨骼装置的部分及外骨骼穿戴者的附接附属器。在此情况中，外骨骼将估计施加于装置关节处以抵消附属器及外骨骼的重量所需的扭力(通常称作“重力补偿”的控制类型)且当操作者抓住手柄时施加扭力。由于附属器‘无重量’，控制外骨骼的人可容易如上所述般操纵附属器。在一些实施例中，开关甚至无需由手柄构成，反而可为任何用户界面，例如外骨骼装置上其它地方或控制垫上的开关，或可由语音或手势命令或由外骨骼控制领域的技术人员已知的多种替代控制方法中的任一者启动。
第五实施例给外骨骼穿戴者或理疗师提供一种直观输入布置以修改未来外骨骼移动的轨迹。在此实施例中，外骨骼轨迹是由外骨骼控制系统根据预定/预选定参数的量值且基于力感测手柄中测量的力而修改。
在所有实施例中，力感测手柄可使用通常可用的应变仪、力感测电阻器、力敏结构、Piezeoresistive传感器、Piezeoresistive结构制成，或可用观察者类型算法估计，或用外骨骼控制领域的技术人员轻易明白的多种其它方法制成。在一些实施例中，力传感器可包含经配置以产生力量值及方向的两个或两个以上力传感器。在一些情况中，力敏手柄可为装置的结构的部分。
在所有实施例中，力感测手柄可安装在外骨骼结构上的多个位置中，其中采用减小或最小化力感测手柄上的力的控制方法论。在所有安装位置中，第一实施例允许理疗师针对当前或实时移动直观地修改外骨骼的轨迹；第二实施例允许理疗师针对当前移动及未来移动两者直观地修改外骨骼的轨迹；第三实施例允许外骨骼穿戴者使用其仍然控制的附属器直观地操控其外骨骼附接附属器；第四实施例允许外骨骼穿戴者或理疗师直观地操控外骨骼附属器；且第五实施例给外骨骼穿戴者或理疗师提供一种修改未来移动的轨迹的直观输入系统。
在所有实施例中，力感测手柄可制造成与外骨骼结构成一体式。在此配置中，最小化手柄的重量及周长可能是优选的。力感测手柄还可经制造使得其在不使用时被个别地折叠起来。在此配置中，维持凸出手柄的可用性，但是当手柄不使用时，可最小化外骨骼的形状因数。
力感测手柄可经制造使得其在不使用时个别地脱离外骨骼。在此配置中，维持附接手柄的可用性，但是当手柄不使用时，可最小化外骨骼的形状因数。在此配置中，可通过允许理疗师或外骨骼穿戴者具有增强外骨骼控制系统的更直观使用的多个手柄定位选项而增加手柄的可用性。
可采用额外力感测手柄变体。例如，力感测手柄可经制造使得其最大化人体工程学、舒适性及功能以供理疗师在相对于外骨骼的各个定向上使用；及/或力感测手柄可经制造使得其最大化人体工程学、舒适性及功能以供外骨骼的穿戴者使用。此外，力感测手柄可被相关控制物体取代，所述相关控制物体包含但不限于转盘、杠杆、按钮、操纵杆、触控板、开关、握柄、捏手或任何类似物体或装置。
在所有实施例中，外骨骼结构可部分或全部由多个压力/力传感器覆盖。在此配置中，穿戴者或理疗师将对选取通过压力/力传感器与外骨骼的互动的位置具有极大自主权。在一个形式中，外骨骼穿戴者的暴露衣服可被多个压力/力传感器覆盖以建立手柄。在此配置中，穿戴者或理疗师将对选取互动位置具有大量自主权且以对作为使用外骨骼之前的护理标准(其中力直接施加于穿戴者的身体)的最大推论的方式互动。
在所有实施例中，控制界面与外骨骼之间的通信可为硬接线或无线的。
结合图式考虑，从根据需要或偏好而组合的优选实施例及配置的以下详细描述将更容易了解本发明的额外目的、特征及优点，图式中相同参考数字在各图中指代共同部分。
附图说明
图1是耦合到根据本发明构建的非固定外骨骼的残疾人的示意侧视图。
图2A展示表示其中使得理疗师能够使用力感测手柄以极其直观方式实时地修改外骨骼轨迹的第一实施例的框图。
图2B展示可在图1的外骨骼中使用的力感测布置的实施例的表示。
图3A展示表示其中外骨骼轨迹不但被实时修改而且在特定外骨骼轨迹的多次重复中加以修改的第二实施例的框图。
图3B是展示其中重复运动中的外骨骼轨迹是由理疗师更改从而造成重复运动的未来周期中的新轨迹的实例的曲线图。
图4是表示其中外骨骼的穿戴者能够容易使用其它附属器操控外骨骼连接附属器的第三实施例的框图，包含穿戴者使用手臂来操控外骨骼承载腿。
图5展示表示其中给外骨骼穿戴者或理疗师提供直观输入布置以在作出尚未编程到外骨骼控制系统中的新移动时修改轨迹的第四实施例的流程图。
图6A展示表示其中给外骨骼穿戴者或理疗师提供直观输入布置以修改未来外骨骼移动的轨迹的第五实施例的框图。
图6B展示通过使用直观输入系统绘制外骨骼轨迹的第五实施例的实例，所述外骨骼轨迹包含此类轨迹的修改对未来外骨骼移动的影响。
图7A到7C说明当进行下肢训练或移动外骨骼时上面可安装力感测手柄的可能位置的实例，包含外骨骼结构的透视图(图7A)、正视图(图7B)及侧视图(图7C)。
图8A到8D陈述说明其中当进行下肢训练或移动外骨骼时上面可安装力感测手柄的位置的多个特定实例的透视图。
具体实施方式
一般来说，本发明结合提供穿戴者的行走运动的动力矫形装置使用。动力外骨骼是此动力矫形装置的一个实例。在康复机构中，动力外骨骼受控于使用多个可能输入布置或系统中的一者以命令外骨骼控制系统的理疗师。继而，外骨骼控制系统致动机动化支具的定位，从而造成施加力于外骨骼穿戴者的身体且通常造成外骨骼穿戴者的身体移动。
参考图1，人或穿戴者109在行走时，结合支柱102使用具有躯干部分110及小腿支持器112的外骨骼100，支柱102包含下部地面接合尖端101及手柄103。穿戴者109经展示具有上臂111、下臂(小臂)122、头部123及下肢124。以所属领域中已知的方式，躯干部分110可配置以耦合到穿戴者109的上肢(未单独标记)，小腿支持器112可配置以耦合到人109的下肢124，且通常经指示位于125处但是实际上以所属领域中广泛已知的方式插入小腿支持器112的部分之间以及小腿支持器112与躯干部分110之间的致动器经提供用于相对于躯干部分110移位小腿支持器112以实现穿戴者109的下肢124的移动。在一些实施例中，躯干部分110可相当小且包括缠绕穿戴者109的骨盆的骨盆环。在图1中所示的实例中，外骨骼致动器125经具体示为用以在屈伸运动中移动髋关节145的臀部致动器135及用以在屈伸运动中移动膝关节150的膝盖致动器140。外骨骼致动器125是由CPU 120以外骨骼控制领域的技术人员已知的多种方式加以控制，其中CUP 120是外骨骼控制系统的组成部分。虽然图1中未展示，但是提供与CPU 120通信的各种传感器使得CPU 120可监测装置的定向。此类传感器可包含但不限于编码器、电位计、加速度计及陀螺仪。由于外骨骼的一般结构可呈现各种形式、在所属领域中是已知的且并非本发明的部分，其将不会在本文中加以进一步详述。
外骨骼控制系统规定且控制外骨骼的关节中的轨迹。此类轨迹可被规定为基于位置、基于力或所述两种方法论的组合(例如阻抗控制器中所见)。基于位置的控制系统可直接通过修改所规定位置来修改。基于力的控制系统也可直接通过修改所规定力分布来修改。
开发概念以使得理疗师能够具有输入以控制及修改康复期间由外骨骼控制系统规定的位置及/或力。因为这里呈现的概念同样适用于基于位置、力及混合“阻抗”的控制策略，所以由外骨骼控制系统规定的位置及/或力可以在本发明中称作外骨骼轨迹。
本发明的第一实施例包括一种装备有力感测手柄的外骨骼装置，其中力感测手柄安装到外骨骼装置的结构且包含用于测量通过力感测手柄传输的力的结构，其中外骨骼装置包含一种控制系统，其包含用于来自力感测手柄的经测量力的力解译结构，其中外骨骼轨迹是由控制系统修改使得经测量力通过修改外骨骼轨迹而减小。在第一实施例中，力感测手柄使得理疗师能够以极其直观方式实时地修改外骨骼轨迹。图2A中展示此系统的框图。图2B中展示可在如图2A中图解说明的第一实施例中使用的力感测布置的实施例。
在图2A中所示的系统的框图中，外骨骼201经安装具有力感测手柄202。理疗师203施加力于力感测手柄202上。力感测手柄202感测由理疗师203施加的力输入且将信号传输到力解译单元204，其继而将信号传输到外骨骼控制系统206。外骨骼控制系统206使用算法以将来自力解译单元204的信号与当前状态外骨骼轨迹205组合为经修改轨迹207。此类经修改轨迹207被传输到外骨骼驱动系统208，从而造成外骨骼轨迹改变。
图2B中展示可在如图2A中图解说明的第一实施例中使用的力感测布置的实施例。图2B中表示其中下肢外骨骼211使小腿212在臀部213处在矢状平面中枢转的第一实施例的相当简单的实例。外骨骼211测量由Θ表示且由弯曲箭头展示的髋角及施加于力感测手柄的由F表示且示为两个平行箭头的力两者。随着施加力F于力感测手柄214，外骨骼211测量角度Θ及力F，且使用此数据产生Θc，其中Θc是角度Θ的所需修正。Θdc是Θd与Θc相加之后的经修正所需Θ，其中Θd是典型的所需轨迹。外骨骼将尝试达到角度Θdc而非Θd，借此直接将来自理疗师的信息并入到步态周期中。通常，外骨骼将跟踪包括髋角轨迹的一系列髋角。通过不断地改变施加于手柄的力，理疗师可不断地改变轨迹。
等式1及2展示此类项的组合：
及
在一些实施例中，图2B中表明的力解译布置可并有其中可过滤力以提供更平滑响应的方法。在这里，Ff(T)是时间T处从简单的过滤器产生的经过滤力，其中0<γ<1，且Ff(T-1)是先前时间步进处的经过滤力。接着如上文般但是基于Ff计算Θc(T)。
此在下文等式3及4中加以展示：
及
在第一实施例的一个实例中，如果理疗师将要施加向上的力于力感测手柄，那么外骨骼控制系统将修改外骨骼轨迹以减小力感测手柄上的力。换句话来说，外骨骼轨迹将经修改以向上移动力感测手柄的位置。在非固定外骨骼的情况中，理疗师可以此方式使用力感测手柄来调整步行高度。
在第一实施例的另一实例中，如果理疗师希望改变外骨骼的某一部分的位置，那么理疗师将施加力于力感测手柄且外骨骼控制系统将修改外骨骼轨迹以减小力感测手柄上的力。理疗师将以此方式施加力于力感测手柄直到外骨骼按照理疗师的需要而定位。此时，当理疗师对外骨骼的定位感到满意时，将停止施加力于力感测手柄且外骨骼将保持受理疗师影响的新定位。在下肢步态训练或移动外骨骼的情况中，此实例可应用于步行运动结束时脚的放置，从而允许理疗师调整步行长度。
基于位置的控制与基于力的控制之间的差异在外骨骼物理疗法的背景中是显著的，因为由外骨骼进行的可变力施加可允许对患者使用可变力施加及/或由患者进行的可变力施加的治疗。在第一实施例的又一实例中，外骨骼可经制造以使所施加的力稍微小于患者抬腿所需要的力，从而允许患者产生抬腿移动的力输入小于患者原本将不具有足够大的力量来执行的力输入。在此实例中，在治疗的过程中，随着患者变强，可相对于由患者施加的力降低由外骨骼施加的力的大小。
在第二实施例中，外骨骼轨迹不但被实时修改，而且在特定外骨骼轨迹周期的多次重复中加以修改。此实施例使得理疗师能够使用力感测手柄修改外骨骼装置的未来移动。在此实施例中，理疗师被提供一种既直观又极其灵活的输入布置以修改外骨骼轨迹以优化患者的康复好处。用于修改外骨骼估计的此既直观又灵活的输入布置是有利的，因为理疗师经训练以了解特定移动及特定患者的最大康复好处所需的特定移动的修改。通过混合多个步态周期内的起始外骨骼轨迹与理疗师输入，控制系统可使得理疗师能够塑形且完善外骨骼轨迹直到所述外骨骼轨迹成为其希望的轨迹为止，其中理疗师使用力感测手柄以直观方式传达信息。由于机器人系统通常以重复任务为目标，此实施例的设计及使用所需的周期控制及混合技术将为机器人学或外骨骼控制领域的技术人员充分了解。图3A中展示此第二实施例的框图。
图3A是表示理疗师可如何直观地实时且在重复运动系列的未来周期中改变外骨骼轨迹的框图。在此图式中，周期点X％处的外骨骼的当前状态轨迹称作轨迹TX％301。当前状态轨迹301以信号通知由施加力于外骨骼安装的力感测手柄303上的理疗师302作出的未来周期的变化。力感测手柄303感测由理疗师302施加的力输入且将信号传输到力解译单元304。力解译单元304将信号传输到外骨骼控制系统305。外骨骼控制系统305使用算法以将来自力解译单元304的信号与当前状态外骨骼轨迹301组合为经修改轨迹。来自周期点X％的新的经修改轨迹称作轨迹TNX％。此类经修改轨迹施加于外骨骼驱动系统306，从而造成外骨骼轨迹实时变化。同时，外骨骼控制系统305接着用新轨迹TNX％307覆盖轨迹TX％。此类新轨迹现在将在点X％处适用于重复运动308的下一个控制周期，因此产生影响系统的此实施例内的特定外骨骼轨迹的未来重复的新轨迹。如果希望进一步调整轨迹，那么可通过在后续周期中重复此过程来实现轨迹的额外修改。包含特定外骨骼轨迹的多次重复的此周期的实例是重复运动，例如发生在行走期间的步行或其组成移动。例如，周期中的点X％可为特定腿的步行高度的顶点。
在一些情况中，此第二实施例可利用类似于图2B中所示、先前讨论且由等式1及2描述的力解译布置，且可并有其中力可经过滤以提供更平滑响应(例如先前讨论且由等式3及4描述)的方法。例如，如果臀部轨迹是Θ，那么等式1到4可全部适用。在第二实施例的此实例中，相对于第一实施例的主要区别是，所得轨迹经存储且接着应用于重复运动的下一个周期，使得此第二实施例本质上表示第一实施例的修改或增强型式。
图3B展示如图3A中表达的第二实施例的简化实例的等式1的曲线图，其中重复运动中的外骨骼轨迹是由理疗师经由施加力于力感测手柄上而直观地更改，从而产生重复外骨骼运动的未来周期中的新轨迹。由于外骨骼轨迹可被表达为力，外骨骼轨迹及施加于力感测手柄上的力两者在图3B中均被描绘为力。此实例中的文字也指代图3A中所示的标签。图3B的X轴表示重复运动周期X％的％。Y轴上展示重复运动周期X％的各个点上施加的特定方向上的任意单位的力。曲线图中的实线T1是X％的每一点处外骨骼的初始轨迹TX％或301。点线F1展示在X％的每一点处由理疗师分别施加于力感测手柄302及303上的力。虚线T2展示其中发生T1及F1的周期之后的第二运动周期中执行的新轨迹TNX％。此类新轨迹是由外骨骼控制系统305产生，其分别覆盖后续周期307及308的先前TX％。在此简化实例中，T1及F1中的X％上的力经简单相加以形成T2中的轨迹。然而，应注意，此实施例的复杂得多的实例是可能的，包含但不限于涉及力输入的更复杂算法处理的实施例及/或对许多周期而非只对上一个周期平均化X％内的力感测手柄输入的实施例。
作为此第二实施例的进一步实例，考虑照顾右侧受影响且不能适当地移动其右臀的中风患者的理疗师。患者正在以预定义轨迹穿戴外骨骼且通过正常的步态图案移动其受影响右侧使得其可重新学习使用其右臀。此预定义轨迹是经编程为许多所观察的正常步态轨迹的平均值的典型步态轨迹。在观察患者的步态之后，理疗师认为外骨骼使患者臀部在步态周期中过早地弯曲，且不会使患者臀部在步态周期中足够晚地弯曲。外骨骼大腿具有用作力手柄的区段，例如漆成红色的马达外壳(其具有应变仪来测量在外部赋予外壳上的力)或替代地多个类似力测量及传输界面中的任一者。理疗师抓住力手柄(其被标记为红色区段)且以与腿将在摇摆开始时摇摆的方向相反的方向推动所述力手柄，但是接着以腿将在步态周期中的晚期摇摆的方向拉动所述力手柄。以步态周期中的规则间隔，外骨骼对由理疗师施加的力进行取样且产生新轨迹，所述新轨迹是原始轨迹及由理疗师施加的力的函数。
在第二实施例的此实例中，新轨迹在连续周期上使用且可由理疗师加以进一步修改直到轨迹成为其希望用于当前目的的轨迹为止。传统的用户界面(例如LCD屏幕及小键盘)或以外骨骼控制领域的技术人员已知的多种方式中的任一者可允许理疗师存储轨迹以供未来使用，或加载另一轨迹(包含轨迹开始时的默认)。
在第三实施例中，外骨骼的穿戴者能够容易使用其它附属器操控外骨骼连接附属器，包含穿戴者使用手臂来操控外骨骼承载腿。在此实施例中，外骨骼轨迹是由外骨骼控制系统修改使得通过修改外骨骼轨迹最小化来自力感测手柄的经测量力。通过最小化力感测手柄上的力，当通过力感测手柄施加力时，外骨骼附接的附属器似乎‘无重量’。此允许外骨骼穿戴者使用外骨骼穿戴者的其它附属器直观地操控其外骨骼附属器。图4中展示此第三实施例的框图。
在如图4所示的系统的框图表示中，力感测手柄402安装在外骨骼结构401上。外骨骼穿戴者403施加力于力感测手柄402上。力感测手柄402感测由外骨骼穿戴者403施加的力输入且将信号传输到力解译单元404。力解译单元404将信号传输到外骨骼控制系统405。外骨骼控制系统405使用算法以将来自力解译单元404的信号与当前状态外骨骼轨迹401组合为经修改轨迹。此类经修改轨迹从控制系统405传输到外骨骼驱动系统406，从而造成外骨骼轨迹改变。
在一些情况中，此第三实施例可利用对应于图2B中所示、先前讨论且由等式1及2描述的力解译布置，且可并有其中力可经过滤以提供更平滑响应(例如先前讨论且由等式3及4描述)的方法。
当作出尚未编程到外骨骼轨迹中的新移动时，此第三实施例将是有利的。例如，如果穿戴外骨骼的人坐下，那么其可将力感测手柄抓在其大腿上以重新定位其腿，而非需要笨拙地移位其整个身体以与其在无本发明的情况下伸腿一样向四周伸腿。在此实例中，穿戴者将使用他的手举起附接到外骨骼的大腿的力感测手柄，从而以信号通知外骨骼控制系统以基于由穿戴者通过力感测手柄赋予的力举起连接到手柄及穿戴者的腿的外骨骼的部分。接着，穿戴者可施加横向力于力感测手柄上，从而以信号通知外骨骼控制系统以基于由穿戴者通过力感测手柄赋予的力横向移动腿及连接到腿的外骨骼的部分。最后，穿戴者可在力感测手柄上向下推动，从而以信号通知外骨骼控制系统以基于由穿戴者通过力感测手柄赋予的力向下移动腿及连接到腿的外骨骼的部分。以此方式，坐下的外骨骼穿戴者将能够通过使用他的手/上肢附属器操控力感测手柄来重新定位外骨骼及腿。
在第四实施例中，力感测手柄上的力传感器的作用可能仅仅是开关，指示当力感测手柄被操作者抓住时，操作者(可为外骨骼的穿戴者或理疗师)希望移动外骨骼的腿。在此情况中，外骨骼将计算施加于外骨骼装置关节处以抵消腿及外骨骼的重量所需的扭力(通常称作“重力补偿”的控制类型)且当操作者抓住手柄时施加所计算扭力于关节。由于腿‘无重量’，控制外骨骼的人可容易如上所述般使用施加于力感测手柄的力或凭借其它方式通过施加力于外骨骼或附属器来操纵腿。在一些实施例中，开关甚至无需在手柄中，而是可为任何用户界面，例如外骨骼装置上其它地方、控制垫上的开关，或可由语音或手势命令或由外骨骼控制领域的技术人员已知的多种替代控制方法中的任一者启动。
图5中展示表示此第四实施例的流程图。在此过程的第一步骤501中，可为外骨骼穿戴者或理疗师的操作者抓住力感测手柄或以其它方式致动开关来以信号通知特定外骨骼附属器上的重力补偿的参与。在第二步骤502中，外骨骼控制系统从力感测手柄接收信号以参与外骨骼附属器上的重力补偿。在第三步骤503中，外骨骼控制系统计算附属器关节处归因于重力产生的扭力。在第四步骤504中，外骨骼产生足以抵消来自步骤503的所计算扭力的扭力，从而造成‘无重量’外骨骼附属器。在第五步骤505中，可为外骨骼穿戴者或理疗师的外骨骼操作者自由地移动‘无重量’附属器。在第六步骤506中，外骨骼操作者释放力感测手柄或以其它方式断开命令重力补偿的开关，从而产生发送到外骨骼控制系统的信号。在第七步骤507中，外骨骼控制系统断开重力补偿且外骨骼恢复正常控制。
当作出尚未编程到外骨骼轨迹中的新移动时，此第四实施例将是有利的。例如，如果腿力量有限的人正在穿戴外骨骼且坐下，那么此穿戴者可将力感测手柄抓住在其大腿上以啮合重力补偿开关，且使用其腿肌肉组织、其上部附属器或所述两者的组合来以移动现在‘无重量’的腿。在此实例中，穿戴者将使用他的手举起附接到外骨骼的大腿的力感测手柄，从而以信号通知外骨骼控制系统参与重力补偿，使连接到手柄及穿戴者的腿的外骨骼的部分变为‘无重量’。接着，穿戴者可自由地操控腿及外骨骼的‘无重量’部分，从而允许按照穿戴者的需要横向举起及/或重新定位腿。例如，外骨骼穿戴者可使用其上部附属器及通过力感测手柄施加力来举起‘无重量’腿。替代地，穿戴者可继续握持力感测手柄，从而保持啮合重力补偿系统，且使用其有限的腿力量以举起及/或移动现在‘无重量’的腿及外骨骼，这可有用地作为有疗效地再训练患者的方式，所述患者在缺少外骨骼及重力补偿系统时将不具有抬腿的力量。
第五实施例给外骨骼穿戴者或理疗师提供一种直观输入布置以修改未来外骨骼移动的轨迹。在示为图6A中的框图的此实施例的表示中，可为外骨骼穿戴者或理疗师的外骨骼操作者601首先使用输入方法602以选择将确定外骨骼控制系统603对后续命令的响应的预定参数。外骨骼操作者601接着施加力于安装在外骨骼结构605上的力感测手柄604上。力感测手柄604感测此力且将信号传输到力解译单元606，力解译单元606测量施加于力感测手柄604上的力的量值及方向。力解译单元606将信号传输到外骨骼控制系统603。基于使用输入方法602输入的预定参数及来自力解译单元606的信号两者，外骨骼控制系统603产生新的外骨骼轨迹607。此类新轨迹607是由外骨骼控制系统603根据方法602中输入的预定参数基于力感测手柄606中测量的力的量值而确定。新的外骨骼轨迹607接着被传输到外骨骼驱动系统608，从而造成外骨骼轨迹改变。此类新的外骨骼轨迹607可为周期或重复运动(例如步行)的部分，且可取决于预选定参数而覆盖外骨骼重复移动的后续周期中的后续外骨骼移动中的轨迹或一系列轨迹。
在第五实施例的实例中，非固定外骨骼穿戴者或理疗师可用此力感测手柄调整外骨骼步行高度及步行长度。通过上拉或下拉手柄及启动轨迹修改，穿戴者或理疗师可设置更高或更低的步行高度用于未来步行周期；或通过上推或上拉力感测手柄及启动轨迹修改，穿戴者或理疗师可设置更短或更长步行。此仅仅是可应用于此实施例中的多个可能预定参数及参数修改算法中的一者。
扩展其中第五实施例用以直观地修改非固定外骨骼步行高度的实例，图6B中展示外骨骼轨迹的曲线图。在此简化实例中，外骨骼进行的重复运动(在此情况中，步行)被描绘为Y轴上的一系列任意位置轨迹单元与X轴上的步行周期X％中的一系列点。在图6B中，黑色实线T1表示周期X％中的标准步行轨迹。如果可为理疗师或外骨骼穿戴者的外骨骼操作者希望修改后续步行周期中的步行高度，那么操作者将首先使用输入方法以选择步行高度参数。例如，此参数可经设计以使最靠近步行顶点的X％区域中的步行高度按力手柄输入的每个单元改变20％。一旦选择所述输入方法，操作者将使用力感测手柄以启动预定参数。在此实施例的极简单实例中，力感测手柄的一次拉动将用作力感测手柄输入的一个单元，而力感测手柄的一次推动将用作力感测手柄输入的-1个单元。使用此实例，图6B中还展示可由此实例中的外骨骼操作者命令的一些经修改轨迹的曲线图。如果操作者将向上拉动力感测手柄一次，那么虚线T1+1将为所得轨迹，其在步行的顶点区域中的步行高度比标准轨迹T1高20％。类似地，如果操作者将给出两次拉动，那么点划线T1+2将为所得轨迹，其在步行的顶点区域中的步行高度比标准轨迹T1高40％。相反地，如果操作者将改为下推力感测手柄一次，那么点线T1-1将为所得轨迹，其步行周期的顶点区域中的步行高度低20％。第五实施例及此实例中描述的系统可有利地作为可用以参与对多个周期点上的极其复杂轨迹修改及/或影响外骨骼中的各个位置处的多个外骨骼轨迹的简化输入机制，从而允许外骨骼穿戴者或理疗师直观地修改轨迹。例如步行长度、步行时间、步行速度等其它参数或用以产生轨迹的任何参数也可以此方式进行修改。如果外骨骼可提供不同程度的辅助，那么可调整所述辅助，而非轨迹。将被修改的参数可通过使用用户界面进行选择。
在一些情况中，此第五实施例可利用类似于图2B中所示的力解译单元。在另一情况中，此第五实施例可利用类似于第四实施例中描述的类似二元开关的机制。在其它情况中，第五实施例还可利用多个力解译或使用力感测手柄的输入机制或格式中的任一者，包含但不限于测量力、接触时间或接触/致动次数(例如图5B中所示的实例中描述)的输入机制或格式。
在所有实施例中，力感测手柄可使用通常可用的应变仪、力感测电阻器、力敏结构、Piezeoresistive传感器、Piezeoresistive结构制成，或可用观察者类型算法估计，或用外骨骼控制领域的技术人员轻易明白的多种其它材料、装置或方法制成。外骨骼控制领域的技术人员在阅读本发明之后还将轻易地明白减小或最小化力感测手柄上的力的控制方法论。
在所有实施例中，力感测手柄可安装在外骨骼结构上的多个位置中。在所有安装位置中，第一实施例允许理疗师针对当前或实时移动直观地修改安装位置的轨迹。在所有安装位置中，第二实施例允许理疗师针对当前移动及未来移动两者直观地修改安装位置的轨迹。在所有安装位置中，第三实施例允许外骨骼穿戴者使用其仍然控制的附属器直观地操控其外骨骼附接附属器。在所有安装位置中，第四实施例允许外骨骼穿戴者或理疗师直观地操控外骨骼附属器。在所有安装位置中，第五实施例给外骨骼穿戴者或理疗师提供一种修改未来移动的轨迹的直观输入布置。
在下肢步态训练或移动外骨骼的实例中，图7A到7C中展示安装力感测手柄的主要位置。位置701构成安装到脚的结构的力感测手柄，位置702构成沿着小腿(小腿骨)安装的力感测手柄，位置703构成安装在膝关节处的力感测手柄，位置704构成沿着膝盖马达外壳安装的力感测手柄，位置705构成沿着大腿安装的力感测手柄，位置706构成安装到骶骨结构的力感测手柄，位置707构成安装在髋关节处的力感测手柄，位置708构成安装到臀部马达外壳的力感测手柄，且位置709构成安装到躯干结构的力感测手柄。此类指定位置只构成安装位置的实例且此位置列表决不限制或以任何方式妨碍或约束替代位置处力感测手柄的放置。
图8A到8D展示下肢步态训练或移动外骨骼的可能位置的多个特定实例，其具有安装在某个位置中的各种力感测手柄类型。图8A中的最左侧图展示其中圆柱形力感测手柄801R及801L安装在臀部上且力感测手柄802R及802L安装在非固定外骨骼的膝盖上的实例。图8B展示其中圆柱形力感测手柄803R及803L安装在臀部上且力感测手柄804R及804L安装在非固定外骨骼的膝盖上且手柄包含弯折的实例。图8C展示采用分别直接安装在臀部及膝盖马达外壳的表面上的压敏结构的力感测手柄805R及805L以及806R及806L。在此类实施例中的任一者中，如果一个手柄中提供多个力感测元件使得力传感器在两个轴上测量，那么可使用单对手柄。考虑图8D，其中手柄807R及807L单独地提供在外骨骼的大腿元件上。通过测量垂直方向810及水平方向811上来自手柄807R及807L中的每一者的力，控制器可产生每一手柄的两个独立读数，对应于每条腿进行两次独立调整。在一些实施例中，接着控制器可使用沿着水平方向811的来自手柄807R的读数以直接控制相同右腿的水平运动变化且使用沿着垂直方向810的读数以直接控制相同右腿的垂直运动变化；结果是一种调整腿运动的极其直观方式。当然，可使用还关于横向轴812进行测量的力传感器，或甚至可使用关于轴810、811或812测量扭力的传感器以产生更多信息。可根据需要组合此类手柄类型或安装位置/配置中的任一者，且某些配置在特定实施例中可能最有用。这些仅意图用作可能的力感测手柄放置及配置的实例，且决不限制各个实施例的范围。
在所有实施例中，力感测手柄可制造成与外骨骼结构成一体式。例如，腿元件中的一者的简易凸部可具有结合到其的应变仪使得施加于所述凸部的负载被应变仪感测到。在此配置中，最小化手柄的重量及周长可能是优选的。在一个此类实施例中，已存在的凸部(例如外壳上的凸起)可仪表化为力手柄。
在所有实施例中，力感测手柄可经制造使得其在不使用时被个别地折叠起来。在此配置中，维持凸出手柄的可用性，但是当手柄不使用时，可最小化外骨骼的形状因数，例如允许改善引导穿过紧密空间的外骨骼。
在所有实施例中，力感测手柄可经制造使得其在不使用时个别地脱离外骨骼。在此配置中，维持附接手柄的可用性，但是当手柄不使用时，可最小化外骨骼的形状因数。在此配置中，可通过允许理疗师或患者具有增强外骨骼控制系统的更直观使用的多个手柄定位选项而增加手柄的可用性。
在所有实施例中，力感测手柄可经制造使得其最大化人体工程学及舒适性以供理疗师在相对于外骨骼的各个定向上使用。
在所有实施例中，力感测手柄可经制造使得其最大化人体工程学及舒适性以供外骨骼的穿戴者使用。
在所有实施例中，力感测手柄可为多个手柄形状类型中的任一者，其中力感测材料或系统针对手柄类型及安装位置酌情地加以选择及放置。各种手柄类型可经设计以允许通过推动、拉动、扭转或施加力于物体上的其它方式施加及检测力，因为力感测手柄类型及构成力感测材料及系统的设计将为电气工程设计及机器人学领域的技术人员轻易明白。
在所有实施例中，力感测手柄可被相关控制物体取代，所述相关控制物体包含但不限于转盘、杠杆、按钮、操纵杆、触控板、开关、握柄、捏手或任何类似物体或系统。此外，电气工程设计及机器人学领域的技术人员将轻易明白力感测控制物体及构成力感测材料及系统的特定设计。
在所有实施例中，外骨骼结构可部分或全部由多个压力/力传感器覆盖。在此配置中，穿戴者或理疗师将对选取通过压力/力传感器与外骨骼的互动的位置具有极大自主权。
在所有实施例中，外骨骼穿戴者的暴露衣服可由多个压力/力传感器覆盖或含有多个压力/力传感器。在此配置中，穿戴者或理疗师将对选取与压力/力传感器的互动位置具有大量自主权，且还可以对作为使用外骨骼之前的护理标准(其中力直接施加于穿戴者的身体)的最大推论的方式互动。
在所有实施例中，力感测手柄或表面可检测一个或一个以上轴上的力。将允许解译来自施加于力感测手柄的一轴、两轴或三轴力的信号且将此类信号转换为经修改外骨骼轨迹的控制方法论也将为机器人学及外骨骼控制领域的技术人员轻易明白。在先前揭示的一些实施例中，由外骨骼控制器使用以控制腿的坐标系是笛卡尔，其中原点在臀部处且踝部相对于臀部的位置以矢状平面中的X-Y空间表示。在此实施例中，两轴传感器尤其有利，因为其可经配置以测量相同平面中的力。通过将传感器的坐标系变换为上文描述的笛卡尔坐标系，外骨骼可在外骨骼正在其中工作的坐标系中直接解译力。在给定臀部与力传感器之间的外骨骼的运动学定向(通常已为外骨骼所已知)的情况下，所需的变换很简单。此外，在四轴外骨骼的情况中，所得装置只需要每条腿具有一个手柄，而非臀部及膝盖上具有单独手柄。此实施例可结合上述更改轨迹的方法(其中经调适的值是线性而不具角度)使用。例如，在第一实施例中，θ可由线性变量x及用于y的第二组等效变量取代。
在所有实施例中，有可能使用扭力传感器而非力传感器，使得外骨骼解译施加于手柄的旋转扭力，而非手柄的线性推动，以供各个实施例使用。此类扭力传感器在所属领域中是众所周知的且使用与上文概述的力传感器相同的基本元件。
在所有实施例中，控制界面与外骨骼之间的通信可为硬接线或无线的。电气工程设计领域的技术人员轻易了解此类通信设计。
在所有实施例中，可同时使用多个力感测手柄以影响外骨骼的各个位置的移动。在下肢步态训练或移动外骨骼的实例中，可使用一个力感测手柄以改变外骨骼及腿的膝盖角度，同时可使用第二力感测手柄以影响相同腿的髋角，其中每一手柄使得能够施加外部手动力，所述力用以更改针对矫形器建立的运动或周期轨迹。
在所有实施例中，可根据需要或根据偏好组合此申请案中描述的各个所描述实施例及配置的特征以用于总体外骨骼的特定应用。在任何情况中，虽然关于本发明的优选实施例进行描述，但是应意识到，在不脱离本发明的精神的情况下可作出各种改变及/或修改。例如，基于以上描述，应轻易明白，本发明中采用的手柄可呈现各种形式，包含可直接或间接抓住及操控或仅仅被按压或上拉同时仍然使得能够建立所需运动更改信号的结构。因此，术语“手柄”旨在涵盖可被添加到下肢矫形器(例如外骨骼)且用以传达修改力信号的广范围的结构。在任何情况中，本发明只希望受所附权利要求书的范围限制。

Claims (23)

1.一种下肢矫形器，其包括：
至少一个致动器，其经配置以控制穿戴所述矫形器的人的至少一个关节的运动；
提供在所述矫形器上的手柄，所述手柄包含经配置以产生表示施加于所述手柄的力的信号的力传感器；及
与所述力传感器及所述至少一个致动器通信的控制器，其中所述控制器经配置以基于来自所述力传感器的所述信号修改所述运动。
2.根据权利要求1所述的下肢矫形器，其中所述至少一个致动器包含经配置以移动所述人的臀部的第一致动器及经配置以移动所述人的膝盖的第二致动器，所述控制器经配置以基于来自所述力传感器的所述信号通过所述第一和第二致动器中的至少一者修改所述运动。
3.根据权利要求2所述的下肢矫形器，其进一步包括：耦合到人的躯干的骨盆环、耦合到所述人的大腿且用髋关节旋转地连接到所述骨盆环的大腿环，及耦合到所述人的小腿且用膝关节可旋转地连接到所述大腿环的小腿环，其中所述第一致动器耦合到所述髋关节且经配置以控制所述臀部的运动，所述第二致动器耦合到所述膝关节且经配置以控制所述膝盖的运动，且所述控制器经配置以控制所述髋关节及膝关节以遵循步态周期内的周期轨迹且基于来自所述力传感器的所述信号修改所述周期轨迹以产生经修改周期轨迹。
4.根据权利要求3所述的下肢矫形器，其中所述力传感器经配置以在多个相异轴上产生独立的读数，且所述控制器经配置以基于所述独立的读数修改所述周期轨迹。
5.根据权利要求3所述的下肢矫形器，其中所述手柄附接到所述大腿环及所述小腿环中的一者。
6.根据权利要求3所述的下肢矫形器，其中所述手柄附接到所述髋关节及所述膝关节中的一者。
7.根据权利要求3所述的下肢矫形器，其中所述手柄包括沿着所述第一及第二致动器中的一者的外壳的标记区段，其中力传感器提供在所述标记区段上以产生表示施加于所述标记区段的所述力的所述信号。
8.根据权利要求2所述的下肢矫形器，其中所述力传感器构成压力传感器。
9.根据权利要求2所述的下肢矫形器，其中所述力传感器构成扭力传感器。
10.根据权利要求2所述的下肢矫形器，其中所述力传感器包含覆盖所述矫形器的不接触所述人的至少一个区域的力敏材料。
11.根据权利要求2所述的下肢矫形器，其中所述力传感器包含所述人不接触所述矫形器的位置中的衣服中包含的力敏材料。
12.根据权利要求2所述的下肢矫形器，其中所述控制器经配置以存储所述经修改周期轨迹作为未来周期的周期轨迹。
13.一种控制下肢矫形器的方法，所述下肢矫形器包含经配置以控制穿戴所述矫形器的人的至少一个关节的运动的至少一个致动器，所述方法包括：
从力传感器接收表示施加于所述矫形器的手柄的力的信号；及
基于来自所述力传感器的所述信号修改所述运动。
14.根据权利要求13所述的方法，其中修改所述运动包括控制用于移动所述人的臀部的第一致动器及用于移动所述人的膝盖的第二致动器两者。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述矫形器进一步包含耦合到人的躯干的骨盆环、耦合到所述人的大腿且用髋关节旋转地连接到所述骨盆环的大腿环，及耦合到所述人的小腿且用膝关节可旋转地连接到所述大腿环的小腿环，其中所述第一致动器耦合到所述髋关节且经配置以控制所述臀部的运动，所述第二致动器耦合到所述膝关节且经配置以控制所述膝盖的运动，所述方法进一步包括：控制所述髋关节及膝关节以遵循步态周期内的周期轨迹且基于来自所述力传感器的所述信号修改所述周期轨迹以产生经修改周期轨迹。
16.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括存储所述经修改周期轨迹作为未来周期的周期轨迹。
17.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括：监测所述矫形器的定向，且当所述力信号超过阈值时，控制所述至少一个致动器以基于所述矫形器的所述定向抵消重力。
18.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括：基于所述力信号改变参数，其中所述参数用来产生轨迹且所述轨迹包括所述运动。
19.根据权利要求20所述的方法，其中所述改变的参数是选自由以下项组成的群组：步行长度、步行高度、步行时间及步行速度。
20.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括：从所述力传感器产生至少两个独立的读数；及基于所述至少两个独立的读数修改至少两个相异方向上的所述运动。
21.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括：凭借通过所述手柄施加外部手动力于所述矫形器建立所述信号。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述外部手动力是由除了穿戴所述矫形器的所述人以外的个人施加。
23.根据权利要求21所述的方法，其进一步包括：通过覆盖所述矫形器的不接触所述人的至少一个区域或所述人不接触所述矫形器的位置中的衣服的力敏材料施加所述外部手动力。
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