CN107106398A - 增强外骨骼穿戴者的康复或训练的方法 - Google Patents

Abstract

通过若干特征改进外骨骼(100)的穿戴者(130)对所述外骨骼(100)的使用。在第一特征中，所述外骨骼(100)进入步态疗法准备模式以使所述穿戴者(130)为随后步态疗法做准备。在第二特征中，所述外骨骼(100)进入平衡训练模式以帮助所述穿戴者(130)学习在穿戴着所述外骨骼(100)时保持平衡。在第三特征中，所述外骨骼(100)在压力中心控制模式中提示所述穿戴者(130)转移重心及/或自动转移所述穿戴者的重心。在第四特征中，在轨迹循环模式中，将可变性元素引入到由所述外骨骼(100)执行的轨迹循环中。总之，所揭示的所述各种操作模式可个别地使用或以各种组合使用以增强穿戴者(130)的康复或训练。

Description

增强外骨骼穿戴者的康复或训练的方法

相关申请案的交叉参考

本申请案主张2014年11月11日申请且题为“用于改进行走式外骨骼的康复应用的方法及装置(Methods and Devices for Improving the Rehabilitative Applicationsof an Ambulatory Exoskeleton)”的序列号为62/078,114的美国临时专利申请案的权益。本申请案以全文引用方式并入。

技术领域

本发明涉及协助具有受损肌肉机能或控制的患者的肌肉机能的康复及恢复的装置及方法。更特定来说，本发明涉及适于肢体具有受损神经肌肉/肌肉机能的患者的治疗用途的装置及方法。此类装置包括针对包含(但不限于)步行的活动加强改进的肢体机能的机动化支架系统及相关控制系统。本发明还涉及出于训练目的利用外骨骼。

背景技术

数百万人患有行走能力的部分或全部丧失，从而导致受影响的个人的行动受到极大损害。此残疾状态可源于外伤性损伤、中风或导致影响肌肉控制的失调的其它医学病况。无论起因如何，行走机能障碍的发病及持续可对患病个体造成额外不利的生理及/或心理后果。为了改进具有行走机能障碍的患者的健康及生活质量，开发能改进或恢复行走机能的装置及方法对医学及治疗界非常有用。除了行走机能障碍，还存在会干扰肢体的肌肉控制，从而引起受影响个体的机能丧失及其它不利状况的一系列医学病况。用于改进或恢复这些额外机能的装置及方法的开发也引起医学及治疗界的极大兴趣。

在医学领域，正在开发人类外骨骼装置以恢复及康复肌肉控制失调的人的正常肌肉机能。这些外骨骼装置是可施加力到穿戴者的肢体的电动支架系统。在康复环境中，外骨骼由物理治疗师控制，所述物理治疗师使用多个可能输入构件中的一者以命令外骨骼控制系统。外骨骼控制系统又致动电动支架的位置，从而引起力施加到外骨骼穿戴者的身体且通常引起外骨骼穿戴者身体移动。外骨骼控制系统规定并控制外骨骼关节中的轨迹。可将这些轨迹规定为基于位置的、基于力的或两个方法论的组合，例如，阻抗控制器中所见到的。基于位置的控制系统可直接通过修改规定的位置而修改外骨骼轨迹。基于力的控制系统可通过修改规定的力轮廓修改外骨骼轨迹。复杂的外骨骼移动，例如步行，由外骨骼控制系统通过使用一系列外骨骼轨迹来命令，其中越来越复杂的外骨骼移动需要一系列越来越复杂的外骨骼轨迹。这些轨迹系列可为循环的，例如，外骨骼使用每一条腿迈一系列步，或其可为离散的，例如，外骨骼从就坐位置上升到站立位置。

取决于患者的特定生理或康复阶段，物理治疗师在步态训练或其它类型的康复中使用外骨骼之前以某些方式与患者进行交互通常是有益的。在一些情况下，患者可从肢体伸展，摇动或其它操纵中获益，以便使患者准备好做外骨骼治疗，且借此增加外骨骼治疗的康复效益。肢体伸展或其他放松可能对于无法控制某些肌肉的患者尤其重要。在一些情况下，物理治疗师将在外骨骼治疗之前与患者一起改进其平衡。改进在患者单腿站立或双腿站立时的患者平衡对患者行走过程中的后续平衡具有明显的益处。利用外骨骼扩充或替代物理治疗师在这些步态前训练(或“步态前”)机能中的作用的方法尚未得到满足。

另外，长时间站立可能对人体，特别是脚部及腿部具有不利影响。作为改善这些影响的部分的一种手段，例如人长时间站立时脚部血液循环减少，会有意识或潜意识地将重心从一只脚转移到另一只脚。在一些情况下，使用外骨骼装置的残疾患者可能无法感觉到或意识到腿部及脚部中的某些问题，且因此该患者将不太可能在脚之间转移重心，如果病人保持在外骨骼中长时间站立在一个固定的位置，那么此是不合意的。对于允许外骨骼自动或手动地转移穿戴外骨骼装置的患者的重心以便防止对患者造成伤害或使患者感到不舒服从而有助于康复过程的装置及方法存在未满足的需要。

此外，在步态训练疗程或在某些其它类型的物理治疗中，与多种运动相比，精确重复运动对患者的治疗效益较低。机器人辅助的物理治疗，包含外骨骼治疗，由于机器人的性质，本质上是倾向于执行重复运动的精确循环，且尚无法在外骨骼执行的运动中引入一定程度的可变性或随机性以增加这些装置的治疗效果。

发明内容

本发明的目的是提供装置及方法，所述装置及方法允许物理治疗师或其它外骨骼操作者出于使患者的身体为外骨骼做好准备治疗的目的而使用外骨骼，特别是通过致使所述外骨骼在物理上操纵患者的肌肉、关节及其它部位及/或使患者的肌肉、关节及其它部位放松，以此方式使患者做好准备接受外骨骼治疗，借此改进外骨骼治疗对那个患者的治疗效益。本发明的额外目的是患者的此物理准备允许外骨骼控制系统能更好地预测步行及涉及患者与外骨骼两者的其它运动期间的轨迹。

本发明的又一目的是提供装置及方法，所述装置及方法允许物理治疗师或其它外骨骼操作者出于使患者为外骨骼治疗而接受训练的目的使用外骨骼，特别是通过改进患者在耦合到外骨骼时使其自身平衡的能力，借此改进外骨骼治疗对那个患者的治疗效益。对于脚上感觉不到压力的患者，如某些类型的损伤的情况，此平衡信息应由其它构件呈现，且本发明的额外目的是训练此患者在行走式治疗之前从外骨骼接收压力中心信息。

本发明的另一目的是提供装置及方法，所述装置及方法允许由患者穿戴上外骨骼以在设置时间间隔处或响应于某些类型的测量得到的数据将患者的相对重心分布从一条腿改变到另一条腿，以防止对患者造成损伤或使患者感到不舒服。

本发明的另一目的是提供装置及方法，所述装置及方法允许更改用于循环移动(例如步行)中的外骨骼轨迹，使得患者及外骨骼的移动具有对患者具有改进的治疗效益的不规则方面。本发明的额外目的是上述装置及方法满足关于此类外骨骼使用在康复环境中的安全性的政府监管(例如，FDA)要求。

为了实现这些目的，开发了如下概念，其中物理治疗师或其它外骨骼操作者能够出于使患者的四肢或其它身体部位在物理上准备好做步态训练或其它外骨骼治疗疗程的目的，与外骨骼致动器及传感器一起使用外骨骼控制系统。来自物理治疗师的命令由外骨骼控制系统解译，且外骨骼控制系统啮合外骨骼的致动器以移动外骨骼的结构。因为外骨骼的结构耦合到患者的四肢，所以外骨骼的结构施加力到患者的四肢及/或移动患者的四肢。外骨骼传感器及外骨骼控制系统测量关于外骨骼及患者的状态的信息，且外骨骼控制系统将关于外骨骼及患者的状态的反馈提供给物理治疗师。

进一步开发如下概念，其中物理治疗师或其他外骨骼操作者能够出于用平衡训练或相关技能提高的预步态疗程使患者准备好做步态训练外骨骼治疗疗程的目的，与外骨骼致动器及传感器一起使用外骨骼控制系统。来自物理治疗师的命令由外骨骼控制系统解译，且外骨骼控制系统啮合外骨骼的致动器以移动外骨骼的结构。因为外骨骼的结构耦合到患者的四肢，所以外骨骼的结构施加力到患者的四肢及/或移动患者的四肢。外骨骼传感器及外骨骼控制系统测量关于外骨骼及患者的状态的信息，且外骨骼控制系统将关于外骨骼及患者的状态的反馈提供给物理治疗师。将关于压力中心的信息提供给患者，使得患者可感受到其何时能站稳。

进一步开发如下概念，其中外骨骼控制系统能够使用传感器或其它数据收集构件以便检测外骨骼穿戴者已在比所期望的更长时间周期内维持不利的重心分布。接着，外骨骼控制系统提示外骨骼穿戴者重新分布其重心或以此方式啮合外骨骼致动器以实现重心重新分布，其中外骨骼的致动器移动外骨骼的结构。因为外骨骼的结构耦合到外骨骼穿戴者的四肢，所以外骨骼的结构施加力到患者的四肢及/或移动患者的四肢。外骨骼传感器及外骨骼控制系统测量外骨骼及穿戴者的状态的信息，且外骨骼控制系统将关于外骨骼及患者的状态的反馈提供给穿戴者或外骨骼操作者。

进一步开发如下概念，其中可变性元素由物理治疗师或其他外骨骼操作者强加于外骨骼轨迹序列。通过致使外骨骼控制系统将可变性元素插入到某些移动的轨迹序列中来实现此举，且这改进外骨骼对患者的治疗效益。

特定来说，本发明涉及改进外骨骼的穿戴者对所述外骨骼的使用的方法。所述外骨骼包括控制系统、耦合到所述穿戴者的腿部的腿部支撑件、髋部致动器及膝致动器。在一个实施例中，致使所述外骨骼进入步态疗法准备模式，其中所述外骨骼进行操作以使所述穿戴者做好准备治疗，例如通过移动所述穿戴者的所述腿部。所述穿戴者的所述腿部的所述移动可为低速移动，且可包含摇动、振动或伸展所述穿戴者的所述腿部。在所述步态治疗准备模式之后，可使用所述外骨骼执行步态治疗。

根据本发明的另一方面，可致使所述外骨骼进入平衡训练模式，其中收集关于在所述穿戴者执行移动时所述外骨骼及穿戴者的平衡状态的数据。基于收集到的关于所述外骨骼及穿戴者的所述平衡状态的所述数据，将反馈提供给所述穿戴者。由所述穿戴者执行的所述移动可为以下各者中的一或多者：单腿站立；原地踏步；将重心从一条腿转移到另一条腿；在腿部与拐杖之间转移重心；侧跨；或后退。计算并提供使所述外骨骼及穿戴者稳定所需的辅助量。给所述穿戴者的所述反馈包含关于所需的所述辅助量的信息。

对于另一方面，计算所述外骨骼及穿戴者的压力中心，且进行关于是否推荐重心转移的确定。如果确定推荐重心转移，那么提示所述穿戴者执行所述重心转移。如果所述穿戴者不执行所述重心转移，那么计算执行所述重心转移所需的至少一个轨迹。通过使所述外骨骼通过所述至少一个轨迹移动执行所述重心转移。替代地，如果确定推荐重心转移，那么无需提示所述穿戴者，且计算执行所述重心转移所需的所述至少一个轨迹，且通过使所述外骨骼通过所述至少一个轨迹移动自动执行所述重心转移。

根据又另一方面，外骨骼涉及多次执行轨迹循环。修改所述轨迹循环以创建第一经修改轨迹循环，且致使所述外骨骼一或多次执行所述第一经修改轨迹循环。在所述外骨骼已一或多次执行所述第一经修改轨迹循环之后，修改所述轨迹循环以创建第二经修改轨迹循环，且致使所述外骨骼一或多次执行所述第二经修改轨迹循环。作为实例，轨迹循环可为跨步，且修改所述轨迹循环可包含改变以下参数中的一或多者：歩高；步长；步时；或步间隔。在所述外骨骼已一或多次执行所述第一经修改轨迹循环之后，删除所述第一经修改轨迹循环。

当结合图式进行时，将从本发明的以下详细描述变得更容易明白本发明的额外目的、特征及优点，其中相似元件符号指代若干图式中的对应部件。

附图说明

图1是穿戴行走式外骨骼的个体的侧视图；

图2A展示物理治疗师观察个体及根据本发明的第一实施例的外骨骼且与个体及外骨骼交互；

图2B是说明第一实施例的流程图，其中物理治疗师使用外骨骼以伸展个体的身体及/或以其它方式使个体的身体准备好做外骨骼治疗；

图3A展示物理治疗师观察个体及根据本发明的第二实施例的外骨骼且与个体及外骨骼交互；

图3B是穿戴行走式外骨骼的个体的俯视图；

图3C是说明第二实施例的流程图，其中物理治疗师使用外骨骼以用于个体的预步态训练；

图4是说明本发明的第三实施例的流程图；

图5A是说明本发明的第四实施例的流程图；及

图5B是根据第四实施例的实例经修改轨迹的图形。

具体实施方式

本文揭示本发明的详细实施例。然而，应理解，所揭示的实施例仅示范本发明，且可以各种及替代形式体现。图式不一定按比例绘制，且一些特征可经夸大或最小化以展示特定组件的细节。因此，本文所揭示的特定结构及功能细节不应解译为具限制性，但仅作为用于教示所属领域的技术人员运用本发明的代表性基础。

结合本发明，“压力中心”是赋予地面反作用力向量的施加点的术语。地面反作用力向量表示作用于物理对象与其支撑表面之间(例如，外骨骼与地面之间)的所有力的总和。压力中心并非是静态结果测量。例如，在步行期间，压力中心在脚跟着地时接近脚跟，且在整个跨步中向前移动，在脚尖离地时靠近脚尖。

参考图1，外骨骼(或外骨骼装置)100具有躯干支架105及腿部支撑件(其中一者标记为110)。外骨骼100与一对拐杖组合使用，例如，包含下部接地尖端120及手柄125的左拐杖115。结合此实施例，通过使用外骨骼100，患者(或，更一般来说，用户或穿戴者)130能够行走。以所属领域中已知的方式，躯干支架105经配置以耦合到患者130的躯干135，而腿部支撑件经配置以耦合到患者130的下肢(其中一者标记为140)。另外，致动器插入于腿部支撑件110的部分之间，也插入于腿部支撑件110与躯干支架105之间，且提供致动器以用于使腿部支撑件110相对于躯干支架105转移以使患者130的下肢140能够移动。在一些实施例中，躯干支架105可相当小，且包括环绕患者130的骨盆的骨盆连杆(未展示)。在图1中所展示的实例中，将致动器具体展示为髋部致动器145，其用于使髋部关节150以屈伸方式移动，且展示为膝致动器155，其用于使膝关节160以屈伸方式移动。致动器145及155可由控制器(或CPU)165以在外骨骼控制领域中的技术人员已知的多种方式控制，其中控制器165是外骨骼控制系统的组成部分。尽管在图1中未展示，但各种传感器与控制器165通信，使得控制器165可监测外骨骼100的定向。举例来说，此类传感器可包含(不具有限制)编码器、电位计、加速度计及陀螺仪。另外，控制器165可与中央服务器170连续或间歇通信，且可将收集到的数据报告给中央服务器170。因为结合本发明使用的外骨骼的特定结构可采取所属领域中已知的各种形式，所以在本文将不做进一步详述。

转到图2A，展示物理治疗师200观察患者130及根据本发明的第一实施例的具有主干部分(未单独标记)的外骨骼100。如此特定外骨骼布置中所展示，患者130通过躯干支架105、胸带205、大腿支架210及211、小腿支架215及216及足部支架220及221耦合到外骨骼100。在一些情况中，取决于患者130的康复状态，患者130及外骨骼100由连接到胸带205的装具225支撑。物理治疗师200使用控制或接口装置230(在图2A中展示为笔记本电脑)将命令传输到外骨骼100的外骨骼控制系统(例如，控制器165)，以致使外骨骼100参与移动，其中髋部致动器145实现围绕髋部关节150的移动，且膝致动器155实现围绕膝关节160的移动。当髋部致动器145致使围绕髋部关节150的移动时，力通过大腿支架210施加到患者130的大腿上，包含大腿相对于患者130的躯干135的移动。类似地，当膝致动器155致使围绕膝关节160的移动时，力通过小腿支架215施加到患者130的小腿上，包含小腿相对于患者130的大腿的移动。多个传感器(其中一者标记为235)安装于外骨骼100与患者130交互的各种位置处，其中多个传感器通过控制装置230将信息传输到物理治疗师200。

图2B是说明根据本发明的第一方面的方法的流程图，所述方法涉及在初始步态治疗准备操作模式中对外骨骼100进行操作。在步骤240处，物理治疗师200将患者130耦合到外骨骼100。在步骤245处，物理治疗师200啮合外骨骼控制系统，即，物理治疗师200致使命令传输到控制系统，这些命令引导外骨骼100进入步态治疗准备模式，且起始移动或移动序列。在步骤250处，外骨骼控制系统致使外骨骼100执行所命令的移动或移动序列，很可能是低强度及低速移动，这导致力施加到患者130及患者130的移动。在步骤255处，运用多个传感器收集关于患者130的状态的数据，且将所述数据报告给外骨骼控制系统及物理治疗师200，其中此数据指示例如施加到患者130的力量、患者的身体施加到外骨骼100上的阻力的量、以及基于位置的信息。在步骤260处，外骨骼控制系统及物理治疗师200解译由多个传感器提供的关于外骨骼100及患者130的状态的数据，其中接着，此数据用于对未来外骨骼移动或移动序列进行改变或校正。上述过程重复直到物理治疗师200对患者130被充分伸展、放松或另外在物理上准备好做随后外骨骼治疗疗程的程度满意，此时，物理治疗师200致使外骨骼100退出步态治疗准备模式。在一些实施例中，由外骨骼100施加到患者130上的运动是对患者130的肌肉及/或关节的摇动或振动运动。在其它实施例中，由外骨骼100施加到患者130上的运动是患者130的肌肉及/或关节的伸展。在又另外实施例中，由外骨骼100施加到患者130上的运动是物理治疗领域中已知的另一不同类型的运动，即，外骨骼被用于执行物理治疗师的其它患者操纵作用。在一些实施例中，外骨骼控制系统使用关节扭矩、位置改变及其它值计算施加到患者130身上的力量，优选地独立于压力传感器。

作为第一方面的实例，考虑物理治疗师治疗由于外伤不能在长时间周期内移动其腿部的截瘫患者。患者的腿部中的肌肉、关节及肌腱可预测地较僵直。通过使用步态治疗准备模式，物理治疗师能够在外骨骼治疗疗程之前放松及伸展患者的腿部，这将改进患者在随后外骨骼治疗疗程的康复效益。

现参考图3A，展示物理治疗师200观察患者130及外骨骼100，特别是结合涉及平衡训练模式或疗程的本发明的第二方面。如在图2A中，患者130通过躯干支架105、胸带205、大腿支架210及211、小腿支架215及216及足部支架220及221耦合到外骨骼100。在一些情况中，取决于患者130的康复状态，患者130及外骨骼100由连接到胸带205的装具225支撑。物理治疗师200使用控制装置230(在图3A中展示为笔记本电脑)将命令传输到外骨骼100的外骨骼控制系统以致使外骨骼100参与移动，其中髋部致动器145实现围绕髋部关节150的移动，且膝致动器155实现围绕膝关节160的移动。当髋部致动器145致使围绕髋部关节150的移动时，力通过大腿支架210施加到患者130的大腿，包含大腿相对于患者130的躯干135的移动。类似地，当膝致动器155致使围绕膝关节160的移动时，力通过小腿支架215施加到患者130的小腿，包含小腿相对于患者130的大腿的移动。在一些情况中，患者130使用结合图1所描述的一对拐杖与地面交互以便辅助患者130的平衡。多个传感器(其中一者标记为300)安装于外骨骼100及一对拐杖的各种位置处，且多个传感器通过控制或接口装置230将信息传输到外骨骼100的外骨骼控制系统及物理治疗师200。图3B是患者130及外骨骼100的俯视图，且其展示横截面中的各种角度，通过所述角度，患者130及外骨骼100可在平衡训练疗程的进程中移动或转移重心。

图3C是说明根据本发明的此方面的方法的流程图。在步骤305处，物理治疗师200将患者130耦合到外骨骼100。在步骤310处，物理治疗师200啮合外骨骼控制系统，即，物理治疗师200致使命令例如通过接口或控制装置230传输到控制系统，其中这些命令引导外骨骼100进入平衡训练模式。在步骤315处，患者130执行平衡训练移动或移动序列。在步骤320处，外骨骼控制系统及多个传感器收集关于外骨骼100及患者130的平衡的数据。在步骤325处，外骨骼控制系统在算法中使用来自步骤320的数据计算不平衡度及跌倒的风险，以便确定应由外骨骼100提供的辅助度(如果存在的话)以便使外骨骼100及患者130稳定。如果在步骤325中外骨骼控制系统确定需要使外骨骼100稳定，那么外骨骼控制系统计算所需的外骨骼轨迹，且在步骤330中啮合外骨骼致动器，借此恢复患者130及外骨骼100的稳定。在步骤335处，患者130从外骨骼100接收关于其性能及平衡的反馈，其包含由外骨骼100呈现的辅助度。上述过程重复直到物理治疗师200或患者130确定平衡训练完成。在一些实施例中，基于来自外骨骼100的足部及一对拐杖上的压力传感器的信息使用压力中心计算外骨骼平衡。在其它实施例中，基于外骨骼关节角度或外骨骼轨迹计算平衡。在又另外实施例中，使用来自加速度计、倾斜传感器或所属领域中已知的任何类型的传感器的额外数据计算平衡。在某些平衡训练任务中，可基于平衡性能将反馈从外骨骼100提供给患者130，及/或关于患者平衡性能的反馈可从外骨骼100提供给物理治疗师200。外骨骼100可利用详细反馈以便引导患者130在特定点或系列中的多个点处保持平衡。例如，外骨骼100可在确定平衡点目标时利用由患者130做的功的量或从外骨骼100与患者130之间的压力传感器收集到的数据。在一些实施例中，外骨骼控制系统基于先前或正在执行平衡练习的患者130的性能及康复状态调谐平衡目标。在一些实施例中，平衡训练着重于教导具有特定外伤(例如中风)的患者信任患者的较弱的腿部或身体侧。在一些实施例中，平衡训练涉及患者130：单腿站立；原地踏步；将重心从一条腿转移到另一条腿；在腿部与拐杖之间转移重心；侧跨；或后退。

作为实例，考虑物理治疗师治疗尚未尝试在使用行走式外骨骼时走动的残疾患者。通过使用平衡训练模式，物理治疗师能够教导患者在尝试更复杂运动(例如，步行)之前如何以安全的方式更好地使他们自己及外骨骼平衡。

关于参考图2及3所论述的两种模式，传感器可为所属领域中已知的压力传感器或其他传感器类型。在一些实施例中，传感器定位于与图2A及3A中所展示的位置不同的位置及/或额外位置中。在某些实施例中，装具225经电动化以便辅助患者130站立或就坐。在任一情况中，患者130及/或外骨骼控制系统担负物理治疗师200的部分或全部作用，包含由患者130自主使用外骨骼100以用于伸展、平衡训练等等，其中外骨骼控制系统及多个传感器在此过程中提供安全测量。

现参考图4，流程图说明根据本发明的第三方面的结合压力中心控制模式的方法。在步骤400处，外骨骼控制系统使用多个传感器或外骨骼状态或姿态数据计算外骨骼100及患者130的压力中心。在步骤405处，外骨骼控制系统随着时间的推移使用从步骤400测量的压力中心数据及算法确定外骨骼100及患者130的压力中心是否应转移。在步骤410处，如果推荐重心转移，那么外骨骼100提示患者130转移重心。在步骤415处，患者130响应于步骤410中的提示手动转移重心，且当检测到此重心转移时系统循环回到步骤400。替代地，在步骤420处，患者130不响应于步骤410中的提示转移重心。因此，在步骤425处，外骨骼控制系统确定患者130在步骤410中的提示后的给定时间周期之后未转移重心。在步骤430处，外骨骼控制系统计算将外骨骼重心转移到新的压力中心所需的外骨骼轨迹。在步骤435处，外骨骼控制系统啮合外骨骼致动器以实现外骨骼及患者的重心转移，且接着，系统循环回到步骤400。在一些实施例中，例如“手动”模式，省略步骤425、430及435，且外骨骼100仅将关于重心转移的适当性的反馈提供给患者130。在其它实施例中，例如“自动”模式，不提示患者130转移重心，且省略步骤410、415、420及425，其中外骨骼100在外骨骼控制系统确定转移重心的适当性时自动转移重心。由个人使用压力中心的知识以感觉其何时能站稳。然而，对于感觉不到足部压力的用户，以其它方式呈现包含当前及所期望压力中心的此信息。在一些实施例中，反馈采取声音、振动、视觉反馈或所属领域中已知的其它类型的反馈的形式。可使用额外传感器测量患者130的状态，且把额外传感器以及随着时间的推移的压力中心数据作为因素计入到重心转移的适当性的确定中。在一些实施例中，来自额外装置，例如附接到一对拐杖或患者130的手臂的压力传感器的数据由外骨骼控制系统考虑，其中把此数据作为因素计入到重心转移的适当性的确定中。另外，外骨骼系统的质量中心可由外骨骼控制系统考虑。

作为第三实施例的实例，考虑在物理治疗环境外，例如在家中，使用行走式外骨骼的残疾人。如果此人(在腰部以下无感觉)正使用外骨骼而使其能够站立长的时间周期，例如在其参与烹饪活动时，外骨骼将周期性地确定此人应转移重心并提示其转移重心。接着，原本不能感觉到其已单腿站立太长时间的此人响应于来自外骨骼的提示转移重心，其中此提示采取音频线索或在此人仍能感觉的区域中的振动的形式。如果此人不通过转移重心响应于提示，那么，在某一时期之后，外骨骼自动转移此人的重心。以此方式，可防止归因于在单个位置中的延长的站立对此人四肢造成损伤或使四肢感到不舒服。

参考图5A，流程图说明根据本发明的第四轨迹循环模式方面的方法。在步骤500处，患者130或物理治疗师200起始重复外骨骼轨迹循环。在步骤505处，外骨骼控制系统将外骨骼轨迹循环的副本存储于存储器中作为第一轨迹循环。替代地，如果外骨骼轨迹循环已经存储于存储器中作为第一轨迹循环，那么可省略步骤505。在步骤510中，外骨骼控制系统创建第一轨迹循环的副本，其存储于存储器中作为第二轨迹循环。在步骤515中，外骨骼控制系统修改第二轨迹循环以将可变性、随机性或半随机性元素引入到轨迹循环的参数。在步骤520处，外骨骼控制系统使用来自步骤515的经修改轨迹循环以啮合外骨骼致动器及在经预先确定数目个轨迹循环(例如，1到3个)内实现外骨骼移动。因此，在步骤525处，外骨骼100及患者130预先确定数目次地移动通过经修改轨迹循环。在步骤530处，删除来自步骤515的经修改轨迹循环，且控制系统循环到步骤510，其中外骨骼控制系统创建第一轨迹循环的新副本，其中过程在每一额外轨迹循环或由外骨骼100担任的每一组轨迹循环中重复。循环移动的可变性的此增加改进对患者的康复效益。在一些实施例中，可在轨迹循环的修改期间更改以下参数中的一或多者：单腿站立；原地踏步；将重心从一条腿转移到另一条腿；在腿部与拐杖之间转移重心；侧跨；或后退。在其它实施例中，更改与跨步无关的参数。在某些实施例中，限于某些可选择参数内，及/或由患者安全参数限制。

作为第四实施例的实例，考虑物理治疗师治疗残疾患者以便改进那个患者的步行能力。通过使用本发明的轨迹循环模式，跨步参数由外骨骼自动更改，从而导致对患者的更大康复效益及患者的步态的更快改进。

参考图5B，展示根据本发明的此方面的用于外骨骼步行中的示范性经修改轨迹循环的图形。歩高标绘于Y轴上，而轨迹循环时间的百分比标绘于X轴上，其中一个轨迹循环(0到100％)表示单个跨步。线535表示随着时间的推移的经修改轨迹循环的歩高，而线540、545、550及555表示经修改轨迹循环。在此实例中，通过如上文结合图5A所描述那样更改轨迹循环的歩高，起因于这些轨迹循环的跨步中的每一者将具有稍微不同外骨骼及患者歩高。此外，相对于由线535表示的未经修改轨迹循环，由线540表示的经修改轨迹循环具有更长步时，且由线550表示的经修改轨迹循环具有更短步时。

基于上述内容，应容易地明白，本发明通过外骨骼执行伸展、平衡训练、重心转移及可变轨迹循环的能力使外骨骼具备改进的康复效益。结合本发明，外骨骼用户或穿戴者可为接受物理治疗师的治疗的残疾人、在不存在物理治疗师的情况下操作外骨骼的残疾人、或甚至是身体健全的人，例如与训练员一起工作的身体健全的人。在任一情况中，所揭示的各种操作模式可个别使用或以各种组合连续使用以增强用户的康复或训练。尽管参考优选实施例进行描述，但应容易地理解，可对本发明做出各种改变或修改而不背离本发明的精神。一般来说，本发明仅希望受以下权利要求书的范围的限制。

Claims (20)

1.一种在步态治疗准备模式中使用包含控制系统、耦合到穿戴者的腿部的腿部支撑件、髋部致动器及膝致动器的外骨骼的方法，所述方法包括：

致使所述外骨骼进入所述步态治疗准备模式；

使用所述外骨骼移动所述穿戴者的所述腿部；

致使所述外骨骼退出所述步态治疗准备模式；及

使用所述外骨骼执行步态治疗。

2.根据权利要求1所述的方法，其中移动所述穿戴者的所述腿部包含：使用所述外骨骼执行所述穿戴者的所述腿部的低速移动。

3.根据权利要求1所述的方法，其中移动所述穿戴者的所述腿部包含：使用所述外骨骼摇动、振动或伸展所述穿戴者的所述腿部。

4.一种在平衡训练模式中使用包含控制系统、耦合到穿戴者的腿部的腿部支撑件、髋部致动器及膝致动器的外骨骼的方法，所述方法包括：

致使所述外骨骼进入所述平衡训练模式；

收集关于在所述穿戴者执行移动时所述外骨骼及穿戴者的平衡状态的数据；及

基于收集到的关于所述外骨骼及穿戴者的所述平衡状态的所述数据，将反馈提供给所述穿戴者。

5.根据权利要求4所述的方法，其中收集数据包含：收集关于在所述穿戴者执行以下移动中的一或多者时所述外骨骼及穿戴者的所述平衡状态的数据：单腿站立；原地踏步；将重心从一条腿转移到另一条腿；在腿部与拐杖之间转移重心；侧跨；或后退。

6.根据权利要求5所述的方法，其进一步包括：

计算使所述外骨骼及穿戴者稳定所需的辅助量；及

提供使所述外骨骼及穿戴者稳定所需的所述辅助量，其中将反馈提供给所述穿戴者包含：提供关于使所述外骨骼及穿戴者稳定所需的所述辅助量的信息。

7.一种在压力中心控制模式中使用包含控制系统、耦合到穿戴者的腿部的腿部支撑件、髋部致动器及膝致动器的外骨骼的方法，所述方法包括：

致使所述外骨骼进入所述压力中心控制模式；

计算所述外骨骼及穿戴者的压力中心；及

确定是否推荐重心转移。

8.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括：

如果确定推荐重心转移，那么提示所述穿戴者执行所述重心转移。

9.根据权利要求8所述的方法，其进一步包括：

确定所述穿戴者尚未执行所述重心转移；

计算执行所述重心转移所需的至少一个轨迹；及

通过使所述外骨骼通过所述至少一个轨迹移动，自动执行所述重心转移。

10.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括：

如果确定推荐重心转移，那么计算执行所述重心转移所需的至少一个轨迹；及

通过使所述外骨骼通过所述至少一个轨迹移动，自动执行所述重心转移。

11.一种在轨迹循环模式中使用包含控制系统、耦合到穿戴者的腿部的腿部支撑件、髋部致动器及膝致动器的外骨骼的方法，所述方法包括：

致使所述外骨骼进入所述轨迹循环模式；

引导所述外骨骼多次执行轨迹循环；

修改所述轨迹循环以创建第一经修改轨迹循环；及

致使所述外骨骼一或多次执行所述第一经修改轨迹循环。

12.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括：

修改所述轨迹循环以创建第二经修改轨迹循环；及

在所述外骨骼已一或多次执行所述第一经修改轨迹循环之后，致使所述外骨骼一或多次执行所述第二经修改轨迹循环。

13.根据权利要求11所述的方法，其中引导所述外骨骼多次执行所述轨迹循环包含：

引导所述外骨骼多次执行跨步。

14.根据权利要求13所述的方法，其中修改所述轨迹循环包含：改变以下参数中的一或多者：歩高；步长；步时；或步间隔。

15.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括：

在所述外骨骼已一或多次执行所述第一经修改轨迹循环之后，删除所述第一经修改轨迹循环。

16.一种使用包含控制系统、耦合到穿戴者的腿部的腿部支撑件、髋部致动器及膝致动器的外骨骼的方法，所述方法包括：

致使所述外骨骼连续进入所述外骨骼的至少两个操作模式，其中所述操作模式是从以下各者中的两者或多于两者中选出：步态治疗准备模式、平衡训练模式、压力中心控制模式及轨迹循环模式。

17.根据权利要求16所述的方法，其中：

a)在所述步态治疗准备模式中，在利用所述外骨骼对所述穿戴者执行步态治疗之前，使用所述外骨骼执行所述穿戴者的所述腿部的低速移动；

b)在所述平衡训练模式中，收集关于在所述穿戴者执行移动时所述外骨骼及穿戴者的平衡状态的数据，且基于收集到的关于所述外骨骼及穿戴者的所述平衡状态的所述数据，将反馈提供给所述穿戴者；

c)在所述压力控制模式，计算所述外骨骼及穿戴者的压力中心，且进行推荐重心转移的确定；及

d)在所述轨迹循环模式，致使所述外骨骼多次执行轨迹循环，创建第一经修改轨迹循环，并致使所述外骨骼一或多次执行所述第一经修改轨迹循环。

18.根据权利要求17所述的方法，其中在所述步态治疗准备模式中，所述低速移动包含：使用所述外骨骼摇动、振动或伸展所述穿戴者的所述腿部。

19.根据权利要求17所述的方法，其中在所述平衡训练模式中，所述数据收集包含：

收集关于在所述穿戴者执行以下移动中的一或多者时所述外骨骼及穿戴者的所述平衡状态的数据：单腿站立；原地踏步；将重心从一条腿转移到另一条腿；在腿部与拐杖之间转移重心；侧跨；或后退。

20.根据权利要求17所述的方法，其中在所述轨迹循环模式中，通过改变以下参数中的一或多者修改所述轨迹循环：歩高；步长；步时；或步间隔。