CN108670195B - 用于辅助人体运动的软机器护甲 - Google Patents

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Abstract

运动控制系统包括具有驱动部件的驱动器，所述驱动部件具有在关节的第一侧与所述驱动器连接的近端以及与位于所述关节的第二侧的锚固元件连接点连接的远端。第一传感器被构造用于输出限定步态周期的信号，并且第二传感器被构造用于输出代表所述至少一个驱动部件中的张力的信号。控制器从所述传感器接收输出信号并在所述步态周期的第一部分期间驱动所述驱动器，以经由所述驱动部件将大于预定阀值张力的力施加至所述锚固元件连接点以产生关于所述关节的有益力矩并且自动地驱动所述驱动器。

Description

用于辅助人体运动的软机器护甲
本申请是申请日为2014年5月30日、发明名称为“用于辅助人体运动的软机器护甲”的申请号为201480031224.7专利申请的分案申请。
技术领域
本发明大致涉及用于辅助人体运动的方法和系统，并更具体地涉及用于通过向一个或多个动作被动地和/或主动地添加辅助能量来提供运动辅助并减小运动(例如，行走)期间消耗的能量的方法和系统。
背景技术
现有技术的用于辅助运动的系统利用包括刚性部件(例如，连杆机构)和关节(例如，销关节)的外骨骼，所述外骨骼使用外骨骼关节附接至用户的身体，所述外骨骼关节被布置成具有理想地与用于相邻关节的旋转的中和轴共线的旋转轴。在均至Herr等人提交的美国公布专利申请第2007/0123997号和第2011/0040216号中示出了示例性的现有技术的外骨骼，在此将这些美国公开专利申请的全部内容以引用的方式并入本文。这类刚性外骨骼提供了代替已经丧失或被严重削弱的人体运动的能力并相应地被设计用于增强用户的稳定性、平衡性和安全性。其它刚性外骨骼用作提供诊所环境中(例如，物理治疗诊所中)的物理治疗的平台，或用于辅助健全的用户更容易地执行任务或更长时间地执行任务。
然而，这些刚性外骨骼依赖于连杆机构的经由垫片、带条或其它接合技术在选择位置处连接到身体的刚性构架。当用户弯曲或伸展他们的肢体时，这些刚性连接与肢体平行地移动，这增加了相当大的必须由电机或用户克服的运动惯性。虽然已经进行了大量的努力来减小这些装置的重量和外形尺寸，但是它们仍对用户的运动造成相当大的限制，尤其是对步态的自然动力学和运动学产生相当大的阻抗。对行走的正常运动学的这种改变也是为什么这些外骨骼系统不能减小运动所需的代谢功率的原因之一。因为外骨骼的销关节并不与通过复杂三维路径移动的人体关节的轴精确地匹配，所以这样的刚性连接也会造成困难，特别是在极限运动情况下。这在正常运动期间导致高达10cm的错位，这会给用户造成疼痛甚至伤害。一个解决方案是包括多余的局部自由度，以使外骨骼在用于穿戴者运动的关键区域中能够移动和变形，然而，这进一步增加了系统的重量。
发明内容
本发明涉及被构造用于辅助用户的运动的方法、系统和装置，并更具体地涉及与包括一个或多个致动器和被布置在多个锚固点或锚固区域(髂嵴、肩膀、大腿、脚踝和小腿等)之间的多个不可伸展元件或半伸展的柔性连接元件(例如，织带、带条、绳索、功能性织物、线材、缆索、复合材料或它们的组合等)的软机器护甲有关的方法、系统和装置，其中，所述致动器适于在向特定肢体或身体部位传递的力有益于所述特定肢体或身体部位的运动的时间处在选择的柔性构件中选择性地产生张力。
如本文所述，所述软机器护甲通常涉及并包括可穿戴式装置，所述可穿戴式装置使用柔性连接元件来将辅助力提供至至少一个肢体(例如，一条腿)或肢体的一部分(例如，一只脚)。在一些方面中，所述软机器护甲使用柔性连接元件来将辅助力提供至多个肢体(例如，两条腿)或一个或多个肢体的多个部分(例如，两只脚)。在至少一些方面中，除在不同时间处驱动相对腿或相对手臂上的一个或多个关节以促进肢体在不同方向上移动的运动(例如，行走)之外，本发明还包括在一个时间处驱动多个肢体并例如包括是腿的运动彼此耦合，使腿和手臂运动(同一侧或相对侧)耦合、使手臂运动耦合或使其它身体运动耦合，以利用潜在协同的运动。
与现有技术刚性外骨骼相比，软机器护甲更轻、穿戴更舒适，在仍能够传递能够有益地辅助运动的力或转矩的同时允许更完整、更自然的关节运动范围。根据本发明，可选择地，所述柔性连接元件能够选择性地与刚性或半刚性连接元件结合使用且不必所有连接元件均是柔性的。
在本发明的至少一些方面中，运动控制系统包括至少一个驱动器，所述至少一个驱动器包括至少一个驱动部件，所述至少一个驱动部件具有在关节的第一侧与所述至少一个驱动器连接的近端并具有与位于所述关节的第二侧的锚固元件连接点连接的远端。关于具有在关节的第一侧与所述至少一个驱动器连接的近端并具有与位于所述关节的第二侧的锚固元件连接点连接的远端的所述驱动部件，连接至所述驱动器的所述近端连接件自己可与所述关节相邻或邻近或可布置成远离所述关节(例如，在背包中，通过一个或多个额外的关节来从所述关节移除)。另外，所述驱动部件本身可具有跨越多个关节的多关节缆索。所述运动控制系统还包括被构造用于输出限定步态周期的信号的第一传感器以及被构造用于输出代表所述至少一个驱动部件中的张力的信号的第二传感器。所述运动控制系统还包括至少一个控制器，所述至少一个控制器被构造用于接收从所述第一传感器和所述第二传感器输出的所述信号，并且响应于接收的信号，在所述步态周期的第一部分期间自动地驱动所述至少一个驱动器，以使大于预定阀值张力的力经由所述至少一个驱动部件施加至所述锚固元件连接点，从而产生关于所述关节的有益力矩，并在所述步态周期的至少第二部分期间自动地驱动所述至少一个驱动器，以将所述锚固元件连接点处的张力减小至所述预定阀值张力的水平或低于所述预定阀值张力的水平，从而避免产生关于所述关节的有害力矩，
虽然根据本文中所述的软机器护甲的实施例，针对上面的所述运动控制系统而被提及的关节属于生物关节(例如，人体关节和动物关节)，但是所述控制系统同样适用于非生物关节(例如，外骨骼关节、机器人关节和假体中的关节等)。关于将有益力矩施加至假体中的关节的控制系统的应用，假体有利地适应于提供更自然和流畅的运动，这可进一步辅助平衡和步态。
在本发明的至少一些其他方面中，运动控制系统包括至少一个驱动器，所述至少一个驱动器包括至少一个驱动部件，所述至少一个驱动部件具有近端和远端，所述近端在关节的第一侧与所述至少一个驱动器连接，所述远端与布置在所述关节的第二侧的锚固元件连接点连接。所述运动控制系统还包括：第一传感器，所述第一传感器被构造用于测量所述至少一个驱动部件中的张力并输出与被测张力相关的信号；第二传感器，所述第二传感器被构造用来检测足跟着地；和存储装置，所述存储装置被构造用来存储平均步态百分比数据和平均脚步时间。所述运动控制系统还包括至少一个控制器，所述至少一个控制器被构造用来监测由所述第一传感器输出的所述信号和由所述第二传感器输出的所述信号，并在检测到足跟着地之后等待所述至少一个驱动部件中的所述被测张力上升至阀值水平，在这两个事件之后，所述至少一个控制器通过使用如下公式来计算脚步内的步态百分比：
Figure BDA0001622470620000041
并触发所述至少一个驱动器将基于所述步态百分比的位置辅助力曲线经由所述至少一个驱动部件输出至所示锚固元件连接点，所述位置辅助力曲线的施加产生关于所述关节的有益力矩。在此运动控制系统中，所述至少一个控制器还被构造用于：计算新的平均步态百分比，通过使用所述足跟着地和平均脚步时间来更新存储在所述存储装置中的平均步态百分比，监测在约36％的平均步态百分比处在所述至少一个驱动部件中的所述被测张力，以及发起矫正的辅助位置曲线以适应随后的驱动器输出。
在至少一些方面中，控制机器人系统中的运动的方法(其适用于机器人或穿戴式机器人系统)包括以下步骤：通过使用控制器，利用所述可穿戴式机器人系统的第一传感器来检测足跟着地；并且，响应于对所述足跟着地的上述检测，使用所述控制器以开始监测所述可穿戴式机器人系统的第二传感器，以确定在所述第二传感器中的被动生成力何时上升至预定阀值水平。所述方法还包括使用所述控制器来根据下列公式计算步态百分比：
Figure BDA0001622470620000042
响应于对所述足跟着地的上述检测、所述第二传感器中的所述被动生成力上升至所述预定阀值水平以及36％的计算步态百分比，使用所述控制器来触发至少一个驱动器，以基于所述计算步态百分比将位置辅助曲线传递至关节。
在至少一些方面中，所述运动控制系统被构造成监测一个或多个参数(例如，可穿戴式机器人的合成刚度、关节角度和足跟着地等)(优选地，多个参数)以引导力从一个或多个致动器施加至选择的柔性连接元件。适当地，作用力可被间歇地施加至将要辅助的运动，所需力的水平取决于舒适度和/或性能。
在至少一些方面中，所述软机器护甲的刚度(且因此，所述软机器护甲的用于产生获得的张力改变的能力)是受很多因素影响的变量，这些变量例如包括但不限于所述软机器护甲适应用户的解剖学结构的程度(例如，节点相对于关节的布置等)，软机器护甲材料、软机器护甲元件结构刚度(例如，节点和锚固点的布置)以及用户的身体刚度(例如，用户的肌肉拉紧时用户的身体刚度比放松时更高)。举例来说，可通过使用跨过关节的不可伸展或可部分伸展的元件来选择性地提高所述软机器护甲的刚度。作为另一示例，在至少一个方面，这样的通过使用跨过关节的不可伸展或可部分伸展的元件对刚度的提高优先地仅位于关节的一侧而不是关节的两侧，以使当所述关节处于它的最大屈曲点或最大伸展点处时，所述软机器护甲由于身体的构造而变得张紧，但当所述关节不处于它的最大屈曲或伸展的位置处时在其它结构期间变得松弛。在其它方面，通过使用被构造成跨过多个关节由于这些关节的组合运动而产生张力的多关节系统来使所述软机器护甲张紧。软机器护甲预张力可用于增大整个系统中的合张力并且可以例如通过在节点和/或锚固点之间(例如，在髋部/地面与大腿锥形部分之间)张紧(例如，在使用之前和/或在使用期间主动地或被动地改变长度)软机器护甲连接元件或通过减小节点和/或锚固点之间的连接元件的总长度来实现。
根据本发明的至少一些方面，所述致动器可在驱动时提供位置或力曲线，这些位置或力曲线结合驱动时所述软机器护甲和身体位置提供了期望的张力、刚度以及关于选择关节的力矩。所述控制系统被构造成使用所述致动器选择性地张紧所述软机器护甲的诸如节点和连接部件等组成部件。在一个方面，这种张紧用于动态地、即时地改变跨过一个或多个关节的系统的张力。在一个方面，这种张紧可应用于(例如，自动张紧功能)通过测量所述致动器单元的力和位移以识别在特定力矩下和/或在步态(例如，在行走或奔跑时)或站立(例如，站住)中的特定点处的最有效的机器护甲刚度，从而调整所述软机器护甲的性能、舒适度和贴合度。
通常，所披露的软机器护甲被构造成将辅助提供至用户的运动。此基于运动的辅助不限于作为本文中所披露的实施例中的主要特征的行走或奔跑。而是，本文中所披露的基于运动的辅助广泛地涉及任意基于运动的服辅助，例如可以包括对任一个或多个身体部位相对于另一身体部位的运动进行辅助，这些运动例如包括仅一个肢体(例如，一只手臂相对于躯干、一条腿相对于所述髋部或一只脚相对于对应的腿)的运动、多个肢体(例如，两只手臂相对于躯干、两条腿相对于髋部和一只手臂相对于躯干以及一条腿相对于髋部等)的运动、头部和/或躯干的运动。举例来说，有利地，坐轮椅的个人可使用所述软机器护甲的上身实施例来辅助移动。
在一个实施例中，所述软机器护甲可用于辅助有负载或没有负载行走的人的运动，这种辅助有益地降低了用户的代谢消耗并减小了跨过关节的软组织(例如，韧带、肌肉和肌腱)上的负载，从而还减小了受伤和/或现有损伤或先存状况恶化的风险。这特别地有益于负载行走的士兵。在其它实施例中，受伤的、残废的和上了年纪的人能够使用本文中所披露的软机器护甲来增加移动性和/或减少疲劳(例如，行走、上身移动、转体运动和枢转运动等)。
在本发明的至少一些方面中，所述软机器护甲是被动式的并被构造成在不使用致动器的情况下产生关于一个或多个关节(例如，髋部等)的力。在这种被动软机器护甲中，所述软机器护甲包括上部锚固元件、多个下部锚固元件以及在所述上部锚固元件与所述多个下部锚固元件之间布置并沿着传递力的路径布置的多个至少大体上不可伸展的连接元件，其中，所述连接元件被构造用来将恢复力矩提供至所述髋部，以使所述大腿朝中位偏移。所述护甲以与肌肉平行的方式作用，以减小身体所需的伸展转矩。
除了基于运动的辅助之外，所述软机器护甲还可例如通过提供抵抗而不是辅助(例如，为了增强肌肉，为了对不正确的运动提供负反馈等)或通过在需要辅助训练(例如，高尔夫挥杆训练和网球训练等)的地方提供矫正辅助而被用于运动评估、康复或步态辅助活动以及运动训练。
另外，所述软机器护甲能够被参与包括个人活动(例如，徒步、攀登、骑行、步行、皮划艇、划独木舟和滑雪等)和工作活动(例如，建筑工程、垃圾收集、货物搬运、草坪护理和现场急救员等)在内的期望基于运动的辅助的活动的健康人使用。此外，根据不同的活动，致动器和/或电源的重量和定位以及电源的类型也可以根据变化的设计范围而变化。
下面对所述软机器护甲的这些和其它性能进行更充分地说明。
附图说明
图1示出了根据本发明的至少一些方面的软机器护甲的第二示例的正视图。
图2A至2B分别示出了根据本发明的至少一些方面的软机器护甲的侧视图的代表和根据本发明的至少一些方面的软机器护甲的立体图的代表。
图3示出了根据本发明的至少一些方面的软机器护甲(V5)的描绘了软机器护甲的主要部件的侧视图。
图4示出了根据本发明的至少一些方面的软机器护甲(V5)的平面模式布局的示例。
图5示出了根据本发明的至少一些方面的软机器护甲(V5)的腰带。
图6A至6B示出了根据本发明的至少一些方面的在图5中示出了其上部的软机器护甲(V5)的正视图和后视图。
图7示出了根据本发明的软机器护甲(V5)以及在各个元件上传递的力的图。
图8示出了根据本发明的至少一些方面的用于软机器护甲的驱动系统的一个实施例的示例的框图。
图9示出了在根据本发明的至少一些方面的软机器护甲中的步态周期的一部分期间内软机器护甲的受控驱动的表示。
图10示出了在根据本发明的至少一些方面的软机器护甲中的在步态周期中输入至电机的功率的近似值。
图11示出了在根据本发明的至少一些方面的软机器护甲中的作为时间的函数的缆索位移曲线的示例。
图12示出了用于根据本发明的至少一些方面的软机器护甲的控制方案的方面。
图13示出了用于根据本发明的至少一些方面的软机器护甲的控制方案的方面。
图14示出了用于根据本发明的至少一些方面的软机器护甲的控制方案的方面。
图15A至15B示出了根据本发明的至少一些方面的软机器护甲的方面。
图16示出了水平行走期间的髋关节转矩与步态周期百分比。
图17示出了地面水平行走期间的曲线、电机位置和脚踏开关信号。
图18示出了描绘了在步态周期期间软机器护甲的致动时序以及相对应的与缆索位置有关的护甲力的曲线图。
图19示出了描绘了步态周期期间的软机器护甲的致动时序以及相对应的与缆索位置有关的护甲力的另一曲线图。
图20A至20B分别示出了根据本发明的至少一些方面的软机器护甲的连接至鞋连接件的陀螺仪的示例和通过该陀螺仪获得的与穿戴者的步态周期的百分比有关的速度数据的曲线图。
图21A至21B示出了用于根据本发明的至少一些方面的软机器护甲的不同部件的功率计算。
图22A示出了用于根据本发明的至少一些方面的图22B中所示的控制系统(其与辅助轨迹发生器、位置控制和人体-护甲力监测结合起来使用步态时序)的作为步态(％)的函数的力(N)和位置(mm)的曲线。
图23A示出了用于具有软机器护甲150N的期望峰值力的平均脚踝致动曲线的在一个标准偏差内的作为步态(％)的函数的力(N)。图23B示出了根据本发明的至少一些方面的在一个标准偏差内的作为步态(％)的函数的标准化平均脚踝功率(瓦特)。
图24A至24B示出了根据本发明的至少一些方面的提供步态的同步辅助而没有脚步延迟的软机器护甲控制系统。
图25描绘了用于根据本发明的至少一些方面的软机器护甲的多层控制结构。
图26A至26B分别示出了用于根据本发明的至少一些方面的脚踝基软机器护甲和髋基软机器护甲的力位移关系的图示。
图27A至27B示出了根据本发明的至少一些方面的作为步态百分比的函数的实时功率流的曲线。
图28A至28B示出了用于使用一个或多个陀螺仪来检测步态活动的软机器护甲的方法和控制结构，其包括根据本发明的至少一些方面的作为步态百分比的函数的在不同行走速度下的标准化平均陀螺仪电压信号的曲线。
图29A至29B示出了用于根据本发明的至少一些方面的软机器护甲的方法和控制结构，其中来自正常腿的传感器数据被用来作为提供至受损腿的辅助的控制输入。
图30示出了用于根据本发明的至少一些方面的软机器护甲控制系统的图形用户界面。
图31A至31B示出了用于根据本发明的至少一些方面的软机器护甲的操作概念。
图32A至32B示出了用于根据本发明的至少一些方面的软机器护甲的额外的操作概念。
图33示出了根据本发明的至少一些方面的用于确定固定姿势下的人体-软机器护甲刚度以提供可重复力-位移特性的控制方案。
图34A至34B图示了示出根据本发明的至少一些方面的致动器在行走周期期间的髋部力矩和位置的曲线。
本发明可能具有各种修改和替代形式，已通过附图中的示例示出了具体实施例并将在本文中详细地对它们进行说明。然而，应当理解的是，本发明并不限于所披露的特定形式。而是，本发明能够覆盖落入本发明和所附权利要求的精神和范围内的所有的修改、等同物及替代物而不受限制。
具体实施方式
本发明涉及能够与致动器系统结合在一起被用来为诸如行走、奔跑、加速、减速等自然运动提供有源辅助的软机器护甲系统。
与现有技术的刚性外骨骼相比，根据本发明的软机器护甲使用柔性材料和致动器来专门解决与外骨骼装置相关的人体因素挑战并且不具有承重外骨骼，而是依赖用户的生物骨骼来辅助力的施加和负载的传递。
软机器护甲与具有刚性部件的传统外骨骼相比极大地减小了机械阻抗和运动学限制并且没有显著地束缚或限制用户的自由度。在这种系统下，可以增加受控能量脉冲(例如，在步态周期的关键部分期间)而不是肢体位置的直接控制，为运动提供辅助并在不显著地约束运动(例如，行走/载重)的情况下减小运动的代谢消耗。
图1示出了根据本发明的至少一些方面的软机器护甲100的实施例。如上所述，软机器护甲100被构造成通过使用一个或多个连接元件(例如，102-105和107)来将力矩施加至一个或多个关节(例如，如图1所示的髋关节和踝关节)。这些连接元件可以跨过关节而被预张紧，使得张力对关节施加辅助力矩。根据至少一些实施例，用户可选择性地增大或减小软机器护甲中的预张力。用户选择性预张紧变化的这种特征可包括由机械或机电张力调整器控制的一个或多个独立通道(例如，整个护甲和/或用于左/右和/或前/后的独立控制)，其中，该张力调整器被构造成(例如，通过调整一个或多个连接元件的功能性长度)沿着通道调整张力。通过或不通过向软机器护甲控制器提供关于可接受预张力舒适度的反馈的用户输入，预张紧还可以被控制器选择性地调整和/或优化。在另一方面中，用户可通过调整一个或多个连接元件或锚固元件的长度来方便地调整一个或多个连接元件或锚固元件中的张力(例如，通过带扣将织带打成环状和将尼龙搭扣(Velcro)区域用于附接)。
图1示出了包括腰带110、节点115、大腿支撑件120以及连接腰带和大腿支撑件的连接元件102和103的软机器护甲100。腰带110环绕腰部并作为支撑部件与髂嵴接触。除腰带110之外还可使用一个或多个额外的支撑元件(例如，肩带(未示出))，或者可以使用一个或多个额外的支撑元件(例如，肩带(未示出))代替腰带110。通过使腰带110在腰部的细窄部紧密地贴合身体，自然的身体特征帮助保持腰带就位。大腿支撑件120提供了在大腿的支撑点或节点，以引导连接元件102和103经过髋关节并且沿着大腿使连接元件102和103对准，且由于大腿的锥形形状，大腿可被用作抵抗施加至大腿支撑件的向上张力的支撑点。腰带110与大腿支撑件120之间的张紧使得能够产生比单独使用腰带110获得的初始张力更高的初始张力。
举例来说，连接元件102和103可被张紧使得在行走期间连接元件102和103中的张力在伸展髋部时施加促进髋关节屈曲的力矩。在步态周期的刚好蹬离之前的部分(30％-50％)期间，髋部吸收功率。软机器护甲能够通过抵抗髋部伸展来在此时间内辅助能量吸收。紧随这之后，从步态周期的50％-70％开始，髋部提供正功率。软机器护甲通过将补充力矩施加至髋部也能够辅助此功率生成。另外，连接元件102和103可(例如，直接地或经由大腿支撑件120间接地)被连接至小腿连接元件107，小腿连接元件107在膝部周围向下延伸并在腿的位于小腿肚下方的后部处相遇。
在本发明的至少一些方面中，小腿连接元件107被连接至直接地(例如，在用户的鞋内部，位于袜子或衬里与用户的鞋的内表面之间)或间接地(通过鞋)接合脚部(例如，抵抗向上张力的锚固点)的足跟连接件或锚固元件。连接元件107还可被直接地或间接地(例如，经由中间的锚固元件)连接(或可替代地连接)至位于鞋(例如，靴子)外部的点。因此，在本发明的一些方面中，软机器护甲在用户的脚(或双脚)处终止，在用户的脚处，下(下部)锚固点包括与用户的脚或用户的鞋接合的锚固部件。
在上面的将软机器护甲锚固在用户的脚或双脚或者脚或双脚附近的每个构造中，连接元件被固定和张紧，以提升软机器护甲的刚度并在足跟处有效地施加力以生成跖屈所需的力矩(或用于辅助跖屈的可根据不同情况而变化的力矩)。
在将力从连接元件107施加至用户的脚或鞋的实施例中，可例如经由包围足跟的织物、经由固定至用户的脚或脚下方的内底插入物(insole insert)或经由袜状织带结构在跟骨(足跟)处施加力。力可以被施加至足跟本身(或鞋的足跟部)以辅助背屈，或者力可以从足跟经由连接元件、织物或织带等(例如，适合应用的金属线、缆索、齿轮、传动装置和杠杆等)被重新导向脚的上表面(或鞋的上部)，以在脚的上表面(或鞋的上部)上施加向下的力从而辅助跖屈。
内底插入物可例如包括刚性或半刚性元件，该刚性或半刚性元件使力能够经由足跟连接元件被施加至该刚性或半刚性元件的后部。然后，来自连接元件102-105的张力可被施加至小腿连接元件107，进而被施加至附接至内底插入物(或者可替代地，附接至鞋的足跟部或后部，或附接至布置在脚上的袜状结构或织带结构的足跟部或后部)的足跟连接元件。足跟连接元件能够沿着脚的底部在足跟下方延伸并连接到一个或多个环绕脚的上表面的连接元件，使得施加至足跟连接元件的张力引起踝关节的跖屈(例如，脚蹬离运动)。
根据本发明的一些实施例，软机器护甲是针对特定生物力学活动(例如，行走等)而被构造、设计和优化的。当身体执行诸如行走等正常的、无助力的运动时，肌肉组织消耗代谢能来移动身体的骨骼并将重量从一只脚转移到另一只脚，并且提供用于向前推动和抵抗重力的能量。肌肉将力矩施加至特定的关节组，使这些关节以时控和协调的方式伸展和屈曲，从而走出每一步。
根据本发明的一些实施例，软机器护甲可被构造用来在关节处施加力矩或转矩，以辅助或抑制与该关节相关的身体运动。无论力矩是有益的并辅助运动还是有害的并抑制运动，该运动可以是应用运动的时序和机器护甲的连接元件的构造的函数。运动通常涉及关节周围的身体部位的往复运动，且在特定方向上和适当时间的外部力矩的施加可对由肌肉施加的力进行补充以辅助运动。在关节在相反方向上连接时施加的相同的力矩能够对抗由肌肉施加的力并对运动产生抵抗。
软机器护甲的连接部件通过自然的身体结构自然地偏离于关节的转动中心(例如，较大直径的腿会使软机器护甲更远离转动中心)。在本发明的至少一些方面中，这种距离可通过使用诸如间隔件(例如，织物、泡沫元件和垫料等)等被动元件或诸如致动器等主动元件来增大，以增大软机器护甲与穿戴者的身体之间的距离，或在这种主动元件的情况下动态地增大软机器护甲与穿戴者的身体之间的距离。另外，由于关节相对于彼此移动，所以一个或多个软机器护甲连接部件的动作路线可相对于关节发生改变，从而改变力矩的是沿着该连接部件施加的力。另外，响应于施加的力，可以导致节点和/或锚固元件在软机器护甲的操作期间移动，这也可改变一个或多个软机器护甲连接部件的动作路线。例如，当腿移动经过步态周期的30％-70％时，在大腿支撑件120与鞋连接元件130(例如，参考图2A)之间延伸的连接部件107(例如，参见图1)可以改变相对于膝部旋转轴“A”的位置。连接部件107的位置的相对变化改变了在运动的这些阶段内软机器护甲能够施加至膝关节或膝关节两侧的力矩。因此，在张力在步态周期的30％-70％之间被施加至连接部件107的情况下，连接部件107在步态周期的30％-40％处提供使膝部伸展的小的力矩，在步态周期的50％处在膝部几乎不提供力矩，并且在步态周期的60％-70％处提供较大的力矩。
在本发明的至少一些方面中，小腿连接元件107被布置成以相对于彼此稍微不对称的方式布置，其中，外侧(外部)小腿连接元件107被布置成位于膝部旋转轴A的稍后方，且内侧小腿连接元件107位于外侧(外部)小腿连接元件的稍前方或膝部旋转轴的稍前方。这种结构有助于拉力一直准确地定向穿过膝部转动中心。动态地，在步态的早期，内侧小腿连接元件107位于膝部转动中心的稍前方，且外侧小腿连接元件107经过膝部转动中心或位于膝部转动中心的稍后方，在步态的稍后阶段中，这减小了膝部周围的有效力矩臂(和力矩)。
在本发明的至少一些方面中，软机器护甲100被构造成在一端(例如，经由腰带110或等同的位于腰部的连接部件)锚固在肩膀和/或髋部处且另一端(例如，经由鞋连接元件130)锚固在足跟处的同时延伸跨过多个关节。鞋连接元件130可包括任何连接至穿着的鞋的外部、连接至用户的脚和/或布置在穿着的鞋内部的连接元件。在本示例中，软机器护甲100结构包括位于腰带110与大腿支撑件120之间的具有长度(S1)的第一连接器元件104，其中，大腿支撑件本身具有长度(S2)。具有长度(S3)的第二连接器元件107被附接至大腿支撑件120的底部，沿着外侧腓肠肌延伸并被连接至鞋连接元件130。第一连接器元件104的长度(S1)在运动期间将根据髋部角度的变化而发生改变。由于大腿支撑件在身体的不穿过任何关节的部分上延伸，所以大腿支撑件120(S2)的长度通常被固定。总的来说，两个锚固点(髋部和足跟)之间的距离是长度S1、S2和S3的组合，且软机器护甲的选择性张紧期望地考虑多个关节的组合影响。
根据本发明，通过理解施加至这组关节的力矩的时序，软机器护甲能够被构造成以时控和协调的方式将力矩施加至一组关节中的一些或所有关节，以对由自然的肌肉运动产生的力矩进行补充并使身体能够在消耗更少的代谢能或恢复具有减少的肌肉功能的关节的移动性的同时以相同的速率移动。这些力矩可以是以被动或主动的方式产生的。在被动构造中，自然的运动可在软机器护甲的支撑特征与连接元件之间产生软机器护甲中的张力，以此在运动周期内在特定关节处产生特定次数的力矩。在主动构造中，可使用一个或多个产生动力的致动器来产生软机器护甲中的张力，这些张力在运动周期内在特定关节处产生特定次数的力矩。根据本发明的一些实施例，软机器护甲可被构造成主动地地和被动地对身体产生对由肌肉组织产生的力进行补充的力，以使与无辅助地进行运动的情况相比，身体能够做更小的功并减小给定运动的代谢消耗。这能够通过如下软机器护甲构造来实现：该软机器护甲构造能够使用自然的身体运动以被动的方式产生张力，并且结合使用以协调的方式主动地对软机器护甲施加张力的一个或多个致动器。
在本发明的至少一些方面中，软机器护甲被构造成以与用户的肌肉从用户的运动中吸收能量的方式类似的方式从用户的运动中吸收能量。例如，在行走周期中的各个时期，肌肉吸收功率，以例如当躯干在重力的影响下向前倒时抑制躯干的运动，或在准备站住时使腿放慢速度。为了在这些和其它时期期间吸收功率，肌肉可以偏心收缩，其在施加力的同时在施加的外力下伸展。为了减小在这些情况下(或在当肌肉等长收缩时通过肌肉/肌腱吸收功率的情况下)肌肉必须施加的力的量和/或减小软组织损伤的可能性，软机器护甲能够在任何时间处施加与活动肌肉平行的力，以从身体吸收可能证明为潜在有害的或最低限度地有利的功率。然后，可经由能量储存装置(例如，弹簧系统和弹性部件等)收集这种被吸收的功率，并在稍后的某些时间点(例如，在步态周期中的后续点处)将其返回至身体。举例来说，可通过对弹簧进行压缩来收集被吸收的功率，该弹簧随后将响应于施加的压缩力的减小而伸展。可通过使用弹簧锁或一些其它机构选择性地临时保持或锁定被压缩的弹簧，以使弹簧保持在压缩状态下直到能量将被返回到软机器护甲系统中时为止。在另一示例中，可通过如下方式来收集被吸收的功率：将被吸收的功率转换成电能并将该能量储存在电池中。潜在地，可通过例如(但不限于)液压、气动或化学能量储存等适于给定的设计范围的其它装置来储存能量。来自功率吸收的能量储存可在护甲的被被动和主动模式中发生。在被动模式中，能量储存可使用被动机构(例如，离合弹簧等)，而在主动模式中，软机器护甲可使用上述这些方案或额外地使用下述方案：该方案例如通过后驱动用于在其它时间驱动软机器护甲的同一电机来直接拉动致动器以生成储存的能量。
如图2A所示，例如，小腿连接元件107对接合脚部的鞋连接元件130施加张力。根据小腿连接元件107相对于膝关节的位置，小腿连接元件107中的张力能够对膝关节施加力矩。通过将小腿连接元件107定位在膝关节的轴的前面，小腿连接元件107中的张力能够促进膝关节的伸展，且通过将小腿连接元件107定位在膝关节的轴的后面，小腿连接元件107中的张力可促进膝关节的屈曲。小腿连接元件107经过膝关节的轴的对准能够被用来传递张力而不在膝关节上产生力矩(有益的或有害的)。
根据本发明的无源构造实施例，小腿连接元件107可通过无弹性部件(例如，缆索和带条等)或弹性部件被连接到足跟连接元件，使得在正常的行走期间，软机器护甲中所产生的张力使有益力矩在适当的时间被施加于一个或多个腿关节(例如，髋部、膝部和/或脚踝)，以对自然的肌肉运动进行补充。例如，正常的行走步态导致在步态周期的大约中途(50％)处腿向后伸展。因此，在软机器护甲中产生这样的张力：该张力从腰带110延伸至位于大腿的前面的连接元件102-105的下方，进而沿着小腿连接元件107围绕膝部延伸至腿的后部的下方直至足跟带条。该张力能够在髋关节中产生辅助髋部伸展并随后辅助髋部屈曲的有益力矩，并在除了来自一个或多个致动器的主动力之外还潜在地释放由于此张力而储存在能量时将腿向前推动。除了由一个或多个致动器施加的有源力之外，该张力还能够在踝关节中产生辅助脚踝的背屈并随后辅助脚踝的跖屈的有益力矩，这使脚在前进方向上蹬离。
根据本发明的主动构造实施例，可通过增加一个或多个在适当时间主动地拉动足跟连接元件以增大脚的蹬离能量的主动部件来进一步辅助用户的运动。在此实施例中，足跟连接元件可被连接至在预定时间拉动足跟连接元件以在足跟周围施加有益力矩的驱动缆索或其它驱动部件。该驱动缆索或其它驱动部件被直接地或通过中间传动系连接至由控制器控制的电机或其它致动器，以施加力来在预定时间引起特定力矩。在一个示例中，设置缆索(例如，包括基本上不可压缩的护套的鲍登缆索)来将小腿连接元件107连接至位于腿的后部的一个或多个鞋连接元件130。这种被施加用来在脚踝处辅助蹬离的力还能够辅助髋部的屈曲。
应当注意的是，一个或多个鞋连接元件130可从鞋的表面横向地和/或垂直地位移。例如，可将鞋连接元件130布置在刚性圆柱、刚性梁部件或可调节梁部件上，连接至鞋后部、顶部或底部，或者与鞋后部、顶部或底部一体形成。以此方式，可以改变施加的力相对于鞋的位置(例如，以增大力矩臂)。
根据本发明的一些实施例，软机器护甲被构造成设置有多个锚固元件，这些锚固元件被布置在锚固点处以允许软机器护甲与身体的很好地充当锚固点的自然特征接合。然而，根据本发明的其它方面，可期望在如下位置处设立锚固点或支撑点：在所述位置处，没有身体的这种自然特征且负载的施加将通常具有不期望的结果。根据这些实施例，能够使用一个或多个连接元件或支柱将力从布置在期望位置处的支撑点传递至身体上的不同位置，诸如与身体上的自然特征(例如，肩膀和髂嵴等)相对应的一个或多个锚固点等。
例如，在上面所述并在图2A中示出的鲍登缆索实施例中，鲍登缆索护套可从用户的背包上的点沿着腿的侧面向下延伸至小腿后面的位置。因此，鲍登缆索(或诸如
Figure BDA0001622470620000171
牌缆索等其它类型的缆索)可在其与小腿连接元件107相遇的位于腿的后部小腿的点处被紧固至小腿连接元件107，且缆索护套的近端被连接至致动器(包括驱动电机和滑轮系统的肩背式背包)的外壳以帮助保持机器护甲中的张力。类似地，如本文其它部分所述，其它类型缆索或驱动元件(例如，丝带和织物等)可被使用并被从致动器(例如，通过软机器护甲的织物或软机器护甲中的通道)导向期望施加力的特定位置。
然后，可在鲍登缆索护套144附接至软机器护甲的点与中心缆索142连接至软机器护甲100的点之间产生力。因此，在软机器护甲100中，可在腰带110与位于鲍登缆索护套144的如下端部处的支撑点之间产生张力，该端部连接至位于腿的后部处的脚踝连接器元件113。当用户行走时，背包移动，小腿也移动，这改变了鲍登缆索护套144的近端与鲍登缆索护套的设置有用于软机器护甲的下部连接部件的连接点113的远端之间的距离，在这个意义上来说，该张力可以是动态的。此外，髋部也发生移动，这改变了髋部上的锚固点与小腿处的锚固点之间的距离，该距离能够影响使用期间软机器护甲中的张力。
因此，可通过用于施加能够产生有益力矩以对肌肉动作进行补充的力的被动和/或主动部件来提高软机器护甲的有益力矩。通过对将要被辅助的自然运动的生物力学以及在执行运动的过程中每个关节所消耗的功率进行分析，能够确定出补充力矩以接收期望水平的辅助。
例如，在正常行走期间，当在向前推动身体的过程中身体将支撑从一条腿转移到另一条腿时，身体消耗功率。该功率的很大一部分是由髋部和脚踝提供的，在步态周期的大约50％或中途处脚踝具有大的正力矩。根据本发明的一些实施例，可通过在步态周期的大约35％至60％处将正力矩施加至脚踝来提供行走辅助。
根据本发明的一些实施例，软机器护甲100可被设计成通过对分离的支撑点或在施加至一个或多个关节(例如，脚踝)的正力矩可能是有益时变得更加分离的支撑点进行识别来充分利用身体的各个部位的自然运动。软机器护甲100可被配置有在关节周围延伸的连接元件，以通过使用一个或多个节点或锚固点产生关于关节的轴的有益力矩来建立张力。在图2A的示例中，例如，软机器护甲100可在髋部(经由腰带110)与鞋连接元件130之间被张紧，以在步态周期期间的适当时间在脚踝处产生有益的跖屈力矩。此外，在步态周期中的下述力矩有益于髋部和/或膝部运动时的点处，软机器护甲中的张力能够被引导至髋关节(这施加促进髋部屈曲的有益力矩)和/或膝关节(这施加促进膝部伸展的有益力矩)上。
可通过在软机器护甲100中设置一个或多个能够产生增加的或额外的张力以提供增加的和/或额外的有益力矩的致动器来节省额外的代谢能。例如，在图2A中所示的软机器护甲100中，致动器缆索142可用于通过拉动从踝关节的轴位移了几厘米的足跟来在踝关节上施加正力矩。如上所述，在本发明的一个实施例中，缆索是包括基本上不可压缩的护套的鲍登缆索。在另一实施例中，护套本身被构造用于例如通过具有储存和释放能量的弹性护套或通过使弹簧元件包含在护套中来提供动态性能。
如上所述，致动器缆索142的远端被直接或(例如，经由连接元件)间接地连接至如图2A的示例所示的从足跟延伸至脚下方并随后缠绕在脚的顶部的锚固元件。驱动电机和滑轮系统可被连接至致动器缆索142的近端，且在机载控制器(例如，计算机)的控制下，驱动电机在期望时段(例如，步态周期的35％至60％)期间驱动致动器缆索以提供运动辅助。有利地，传感器(例如，脚触地传感器和关节角度传感器等)用于使致动器缆索142缆索驱动与用户的步态周期同步。作为一个示例，通过一个或多个连接器元件、节点或锚固元件中的力传感器来对拉力进行感测，通过控制器来(例如，可以针对几个运动周期)监测和评估这些力以估算步态周期，随后，控制器在更少或更多的运动周期中或者在用户的使能致动的指示后渐进地使致动器加入工作。可替代地，控制器可通过诸如来自用户或来自带条中的通过力传感器感测到的拉力(例如，控制器可针对几个运动周期监测带条中的力)的人工输入等其它反馈来推断用户的步态，随后，致动可在更少或更多运动周期内或在用户的使能致动的指示之后逐步地斜升。
如前所述，本文中的软机器护甲发明是可展开的，以通过在活动的特定点处提供辅助来减小诸如行走等各种活动的代谢消耗并减小跨过关节的软组织(肌肉、肌腱和韧带)上的负载。当用户在活动中(例如，行走)消耗更少能量时，用户的疲劳程度将比其在没有辅助的情况下的疲劳程度更低。疲劳最终导致性能恶化(例如，步态的崩溃)，这可能增加受伤的风险。代谢消耗的减小可降低与疲劳有关的受伤的风险。根据本发明的至少一些方面，软机器护甲系统能够将用户的代谢水平降低至用户在没有软机器护甲的情况下进行上述活动(例如，行走)时经历的水平以下。软机器护甲还可通过使各关节处的力的一部分被软机器护甲承担来减小作用于软组织的应力。
如图2A所述的软机器护甲100包括多个连接元件，这些连接元件例如包括穿戴在衣服下面或上面的衣料、织物或织带(例如，合成和/或天然纤维和芳纶纤维(Kevlar)等)。致动器单元200可被穿戴于背部(例如，在肩背式背包中，附接至肩背式框架等)、腰部(例如，附接至腰带等)或由用户使用的装置中或上(例如，自行车、轮椅、皮艇或划艇以及行走器等)。在图2A中，鲍登缆索单元140从致动器单元200延伸并将软机器护甲100连接至鞋连接元件130。在致动器单元200被承载于由用户使用的装置中或被由用户使用的装置承载这样的构造中，有利地，可将鲍登缆索护套144连接至固定锚固点(例如，腰带110上)，且然后使护套和鲍登缆索142向下延伸以连接至鞋连接元件130。如上所述，软机器护甲100包括一个或多个连接元件(例如，102-105和107)、节点(例如，113)和锚固点，以控制力沿着用户的身体、向着用户的身体和来自用户的身体的传递。软机器护甲系统100还可选择性地包括脚传感器150或可驱动开关，以对在行走或其它期间施加至脚的力进行感测，从而在与足跟着地相对应的大致最大力的点处进行驱动(接通或关断)。能够用于辅助步态的确定的传感器例如包括但不限于脚踏开关、惯性测量单元(IMU)、加速度计、肌电图(EMG)传感器、用于检测用户皮肤中的选择位置处的应变的应变传感器、置入到软机器护甲中用于检测护甲中的拉力和/或剪切力的传感器、位于电机或其他致动器中用于检测致动器位置的传感器、与鲍登缆索或鲍登缆索护套的部分串联的用于检测缆索中的力的传感器或其它传感器
根据本发明的一些实施例，软机器护甲100可包括一个或多个使鲍登缆索单元140的缆索142的远端缩回到护套144中的致动器单元200(例如，参见图2A至2B)。缆索142的远端能够被连接至鞋连接元件130，且鲍登缆索护套144的远端能够在小腿的后面被连接至软机器护甲100。当缩回缆索142时，缆索142向上拉动鞋连接元件130且护套144从位于小腿的后面的连接点向下推动软机器护甲100。然后，软机器护甲100通过连接元件(例如，参见图1)向上传递力，直至经由腰带110到达用户的骨盆。用户的骨结构接着将力向下传递回至踝关节并通过脚传递至地面。
有利地，由软机器护甲100产生的力被构造用于通过与用户的肌肉组织平行地作用来对用户的肌肉组织进行补充。这是通过将连接元件(例如，图1中的102-105)和节点(例如，图1中的节点1)构造成沿着身体的预定位置延伸而实现的。在如此构造的情况下，因为软机器护甲提供了运动所需的剩余力，所以用户的肌肉在步态周期的某些部分期间可以被较小程度地激活。这种肌肉激活的减少能够用于降低用户的代谢速率并减小随时间感受到的疲劳水平。
根据本发明的一些实施例，通过在肌肉产生功率的同时将功率施加至身体以及通过在肌肉吸收功率的时候从身体吸收功率来实现代谢降低。脚踝在从一个足跟着地延伸至下一个足跟着地的步态周期中的大约40％至60％之间产生大脉冲功率。当腿将身体蹬离地面时，在脚踝处输入的该功率是整个行走周期中任何关节之中的最大功率爆发。根据本发明的一些实施例，可将辅助力或力矩施加至如下关节从而以有效的方式实现代谢降低：该关节在运动周期内肌肉组织产生最大功率峰值的点处经受那些最大功率峰值。例如，根据本发明，基于关节功率的评估，软机器护甲100能够被构造成在步态周期的大约40％至60％之间的时间点期间将辅助力施加至踝关节。
根据本发明的一些实施例，软机器护甲100可从脚踝向上延伸至骨盆并且能够额外地或可替代地在膝部、髋部和脚踝处产生力矩。在多关节系统中，施加的力能够有益地影响每个关节，从而提供更有效的辅助。根据这些方面，软机器护甲100能够在步态周期内当下述力矩会有益地影响膝部和髋部的时刻在膝部和/或髋部产生力矩。因此，自然运动和/或在一个位置/关节处产生张力或软机器护甲的移位的致动器能够对多个位置/关节有益。
根据本发明的一些实施例，软机器护甲100可提供多项功能。软机器护甲(例如，100)能够产生经过例如髋部和/或踝关节的精确控制的有益力矩。如前所述，如果某力矩辅助自然的肌肉组织，则该力矩被认为是有益的。期望地，本发明披露的软机器护甲的结构以及连接元件的拓扑结构被构造成尽可能最好地模仿与由用户的肌肉提供的力接近的力矢量。
根据本发明的一些实施例，软机器护甲被优化成使刚度最大化(例如，将它牢固地捆扎在位于身体的锚固部位处的锚固元件)。对于脚踝外骨骼中的低串联弹簧刚度，需要的功率随1/k增加。因此，期望使软机器护甲尽可能地坚硬，以在将辅助力施加至穿戴者时提供更高的功率效率。此外，高机器护甲刚度将减小在运动期间和/或在驱动期间软机器护甲相对于用户的身体的位移，从而减小节点和连接元件不对准的风险并减少擦伤。然而，预期的是，各种应用将青睐最小化的刚度和/或能够基于用户的活动进行改变(例如，当不需要辅助时使刚度最小化并提高不可察觉性，且当需要辅助时使刚度最大化)的可变刚度(例如，通过控制器自动地改变或手动控制)。
软机器护甲100的配合及其刚度均可受机器护甲的张力和对准的影响。如果软机器护甲由于初始设置或软机器护甲100在使用期间的的移动而被不正确地对准，则产生的力矩将不是最佳的，且更重要的是，由于力矩在需要时停止产生，所以力矩可能表现出是随着时间而分散的或者甚至是有害的。期望的是，即使当用户移动时以及当驱动软机器护甲时，软机器护甲100也保持在身体上的正确的位置处，以免软机器护甲的功能或效率受到不利影响。为了方便使软机器护甲100在使用期间保持在正确的位置处，有利的是，在穿戴软机器护甲之后，给软机器护甲(例如，致动器缆索和连接元件等)施加预张力。可手动地(例如，通过对带条、卡扣、配件、缆索以及同时调整多个部件中的张力的控制装置等进行调整)或通过使用一个或多个致动器(例如，电机驱动型机构)自动地调整软机器护甲中的初始张力。
在本发明的至少一些方面中，软机器护甲100包括一个或多个调整部件以方便穿戴和脱下软机器护甲100并且使用户能够缩紧和/或松开一个或多个连接元件以使软机器护甲舒适贴身，所述调整部件可以是手动和/或自动的。例如，有利地，使用手动或自动调整部件来缩回和/或张紧位于护套114内部的将软机器护甲100向下拉并将锚固部件130向上拉的连接至连接器113(其进而被连接至锚固部件130)的缆索142，这使缆索142没有任何松弛并在系统中产生小量的张力。根据本发明的一些实施例，用户可将张力设定为在运动(例如，行走)期间几乎检测不到机器护甲的存在。然后，可从系统张力的那个点对软机器护甲100进行驱动。
根据本发明的一些实施例，诸如鲍登缆索等致动器驱动部件被用于将驱动系统200(图2A和2B)的质量定位成远离正被驱动的脚和踝关节。通过使用这类驱动部件，驱动系统200可被连接至用户的腰部或被携带在背包中。根据至少一些方面，使用鲍登缆索的驱动系统200允许为缆索护套沿着不会对用户的运动产生不利影响的路径延伸。存在很多可将鲍登缆索的护套144附接至软机器护甲的方法。举例来说，护套的一个附接方案包括：公型/母型连接器布置在软机器护甲的一个或多个点上，且相对应的母型/公型连接器沿着缆索护套的适当部分布置。在另一构造中，缆索护套144可被固定地连接至软机器护甲(例如，缝纫、粘合剂和胶粘剂等)，通过软机器护甲中的形成通道而形成路线、通过使用尼龙搭扣(Velcro)连接部件被连接至软机器护甲或通过使用一个或多个绑扎部件被连接至软机器护甲。
例如，当驱动系统200使用鲍登缆索时，设置小齿轮电机来驱动滑轮，或者可替代地，如图2A中的示例所示，可使用直接地驱动滑轮的较大电机来拉动缆索142，以对足跟施加辅助力。当然，还可使用其它驱动机构，这些驱动机构包括但不限于直线电机和液压/气动致动器。使用的驱动系统200的方式部分地取决于将要辅助的运动以及针对这种辅助运动的具体重量和性能要求。根据针对行走辅助的一些方面，致动器系统200使用被构造用来提供小于100W的平均功率输出的一个或多个电池，这在保持代谢益处的同时使软机器护甲100的驱动系统200的重量最小化。例如，由用户携带的额外质量使用户的代谢相对应地和可预见地增加(例如，以在背部每增加一千克增加大约0.9％的速率)，所以当被用户穿戴时，驱动系统200的重量的最小化通常是有益的。
图3示出了根据本发明的至少一些方面的软机器护甲100的示例。如图所示，软机器护甲100包括腰带110，腰带110通过连接元件102和103经过节点1连接至连接元件104和105，其中连接元件104和105进而被连接至大腿支撑件120。大腿支撑件120通过小腿带条107被连接至T连接器113。软机器护甲100可被制造成能够调整的以适应用户的自然运动并使由驱动系统200和缆索142(例如，参见图2A)产生的力与自然运动的力相协调。当用户行走时，将由驱动系统产生的并且被传递至缆索的力施加至用户的足跟，以减小用户的肌肉组织在行走时作的功。
在行走和奔跑期间，为了向前推动人的质心并抵抗重力以保持直立姿势，腿中的肌肉在步态周期内在髋关节、膝关节和踝关节处产生力矩。为了引导人从足跟着地和重量接收阶段经过站立阶段到蹬离并进入摆动阶段，随着这些力矩由这些关节周围的肌肉产生，他们在大小和方向随时间而发生变化。如上所述，根据本发明的方面的软机器护甲系统100期望地使用由驱动系统200和缆索142产生的力对踝关节处的自然力矩进行补充，从而减小代谢负荷并提高移动性。在一些方面中，软机器护甲100结构也在髋关节和膝关节周围延伸，以在步态周期期间在髋部和膝部处提供有益力矩。在步态周期期间，当驱动系统200缩回缆索142并对用户的脚施加力时，护套144也对T形连接器113和软机器护甲100施加向下的力，接着软机器护甲100可将有益力矩施加至髋部或膝部。
根据一些方面，施加至软机器护甲100的T形连接器113的力导致在软机器护甲中在T形连接器113与腰带110之间产生张力。节点1和大腿支撑件120有助于使膝部和髋部上的张力对准，以在每个关节处提供有益力矩。对于健康的成年人，在水平地面上以自我选择的速度行走的功率大部分都是在髋部和脚踝处产生的并在膝部处被耗散。进而，肌肉消耗代谢能来产生这些力矩。如上所述，本文中所披露的软机器护甲的方面的一个益处在于：通过在脚踝处增加能量以在蹬离期间辅助跖屈来减小行走的代谢消耗，并且在站立后期期间辅助在髋部处吸收能量并在站立的更稍后部分期间增加能量。在脚踝处的能量的增加可减小产生大的脚踝力矩所需的肌肉激活以及在蹬离处所需的功率，并从而减小必需的代谢消耗。为减小行走的代谢消耗，本文中所披露的软机器护甲有利地允许自然的步态动力学。在软机器护甲的一些方面中，通过向上拉动足跟并促进和/或引起足底伸展的缆索来提供施加于脚踝处的能量。来自缆索护套144的力通过软机器护甲100的连接元件(例如，参见图2A)向上分配。
如图3所见的软机器护甲100结构将腰带110连接至与鞋(例如，靴子和鞋子等)连接元件130连接的大腿支撑件120(其被固定至用户的大腿下部)。腰带110和大腿支撑件120是通过在用户的大腿的前中部与节点1相互作用的连接元件102和103连接的。大腿支撑件120和鞋连接元件130是通过连接元件107以及在脚踝处施加致动器力的缆索142来连接的。为了去除系统中的将抑制高效操作的任何松弛，可例如通过如下方式来预张紧位于腰带与节点1之间的连接元件102和103以及位于节点1与大腿支撑件120之间的连接元件104和105：一起拉动两侧并在期望位置处将它们与尼龙搭扣(Velcro)连接，或拉动在另一侧经过滑道或带扣的一侧。例如，可在节点1已被固定在适当位置上且大腿支撑件已关于用户的大腿被定位和缩紧之后进行连接元件104和105的预张紧。因此，软机器护甲100在大腿(大腿支撑件120)与骨盆(腰带110))之间被预张紧，其中，大腿和骨盆均是圆锥形的形状并因此对所施加的预张力产生抵抗。
当例如通过图2A至2B和图3中所描绘的软机器护甲100在脚踝处施加力时，张力也可被重新向着软机器护甲上方被引导跨过膝部和髋关节直至骨盆。由于连接元件被(进一步)张紧，所以它们在髋部、膝部和脚踝周围产生力矩并在软机器护甲-用户接触的各个点处对用户产生正交力。根据一些方面，有利地，软机器护甲100与用户贴合并对准，以确保这些力矩和力不会对用户的自然步态产生使用户消耗额外的代谢能的不利影响。连接元件、节点和锚固点的布置和定向被选择成当张力被施加到机器护甲的各个元件时在关注的关节(例如，髋部、膝部和/或脚踝)周围产生有益力矩
随着软机器护甲100的刚度增大，软机器护甲能够更好地以既提供期望水平的辅助又使软机器护甲的组成部件(例如，节点和连接元件等)的错位最小化的方式将驱动力传递至用户。如上所述，软机器护甲100能够例如通过如下方式有利地依赖一个或多个锚固点(例如，骨盆和肩膀等)来提高机器护甲的刚度：通过将腰带110置于髂嵴(其提供用于分配下方和内侧/外侧的力的解剖棱脊)的顶部来使力被骨盆承载。如图1的示例所示，软机器护甲100通过均源自节点1的连接元件102和103将腿中所产生的力传递至骨盆的各侧。假如连接元件102和103将力从(例如，每条腿的)节点1分配至骨盆的两侧，则与整个驱动力被锚固在同一侧的骨盆骨相反，来自驱动的力能够被分配到横跨骨盆的两侧，这降低了各个髂嵴上的峰点力并提高了软机器护甲在使用期间的舒适度。另外，通过使用将节点1连接至相对侧的髋部的连接元件(例如，图1中的103)，由于该连接元件连接至相对侧的髋部的角度，软机器护甲能够对对面的髂嵴产生水平力和垂直力。由于该水平力帮助腰带斜靠在髂嵴的顶部，所以它有助于阻止腰带110向下滑动。
如图7所示，连接元件1(腰带)上的力在身体的周围大致水平地传递，而连接元件3上的力则向下倾斜。这两个连接元件共同作用而得到的力矢量位于这两个矢量之间并大致垂直于骨盆(当在身体的矢状平面上观察时，骨盆在此区域中是圆形的)。与身体垂直的拉动能够在施加大的负载的同时使连接元件保持在适当位置上，并避免可能引起不适的切线方向上的运动。
图7中的节点1的位置使从脚踝传上来的力被按路线传入每个腿上的一个点，接着被再引导至骨盆的每侧。根据本发明的一些方面，通过对将节点1连接至腰带110的连接元件进行调整来调整施加至腰带的力的方向，节点1能够对软机器护甲100在各个关节上产生的力矩进行控制。
大腿支撑件120可被构造成通过如下方式保持软机器护甲100中的张力：使小腿连接元件107(例如，参见图1)能够略微倾斜以适应它们相对于膝部的转动中心的位置。小腿连接元件107可经由致动器缆索142被连接至鞋连接元件130。鞋连接元件130可包括能够充当鞋(例如，靴子和鞋子等)的后跟周围的挽套的元件(例如，带条等)。鞋连接元件130可提供与用户的脚的刚性连接并将力分配到鞋上。例如，当致动器缆索142在鞋连接元件130处施加向上的力时，该力通过连接元件或材料的系统被传递至脚的底部和脚的前部(向上的力被施加在足跟的后部且向下的力被施加在前脚的顶部)。鞋连接元件130为致动器缆索142提供了在足跟处的刚性连接点以在脚踝处有效地施加力。鞋连接元件130还通过如下方式在蹬离时辅助跖屈力矩：将向上的驱动力传递至足跟的后部并还传递至脚的前部(这里，它在脚的顶部上施加向下的力)，从而在脚踝的两侧施加了辅助跖屈的力。
在至少一些方面，软机器护甲100由被切割的或以其它方式被形成为预定尺寸并缝合在一起的扁平材料(例如，织带和织物等)构造成。
图4示出了根据本发明的至少一些方面的软机器护甲的平面模式布局的示例。腰带110可形成为若干部分，与传统腰带固定装置一样，这些部分可被重叠和固定以使腰带适合具有各种腰围尺寸的人。例如，图4中示出的部分或面板可由粘合衬布层和一层或多层防撕尼龙(rip-stop nylon)构造成或由一层或多层防撕尼龙以及一层泡沫垫(例如，1/16"至1/2"厚度的聚氨酯或乙烯-乙酸乙烯酯(EVA))构造成。连接元件可例如由1/2"-3"厚度的聚酯织带构造成。在一个方面中，连接元件102和103由2"宽的聚酯织带形成，而剩余连接元件则由1"宽的聚酯织带形成。一些连接元件(例如，小腿连接元件107的远端)可被缝合以形成环，从而方便与其他连接元件或结构的连接。带扣(例如，塑料带扣)可用于紧固和系紧连接元件。大腿支撑件120可包括一件或两件并在至少一些方面由具有缝合到一侧的挂钩和环紧固件(例如，
Figure BDA0001622470620000261
)的弹力斜纹材料(例如，棉涤纶混纺织物)构成。
图5提供了能够如何布置和构造根据本发明的至少一些实施例的软机器护甲的连接元件的说明性示例。在图5中，软机器护甲的不同连接元件包括带条1(腰带连接元件)、带条2(节点1至同侧髋部连接元件)、带条3(节点1至到对侧髋部连接元件)、带条4(大腿连接元件-外侧)、带条5(大腿连接元件-内侧)、带条6(大腿连接元件至小腿的连接元件-外侧)、带条7(大腿连接元件至小腿的连接元件的-内侧)、带条8(小腿连接元件-外侧)和带条9(小腿连接元件-内侧)。
在图5中，腰带被显示成平的，这呈现了背对用户的一侧。该视图提供了腰带以及直接地连接至腰带的连接元件的概览。根据本发明的一些实施例，腰带包括可在端部处被连接至使腰带能够被紧固在用户的腰部周围的连接元件和带扣的顶部腰带连接元件和底部腰带连接元件，其中，在腰带与身体上的任意接触点(例如，髂嵴)之间具有泡沫或其它垫料。如图5和图6B所示，图5的连接元件2和3从腰带110下垂并连接之节点1的顶部。图5的连接元件4和5从节点1的底部下垂并连接到大腿支撑件120的上部。在图6A至6B中，为了图示，将图5中部分示出的软机器护甲图示在人体模特上。
腰带110阻止软机器护甲在垂直力下被拉下或因为由将大腿支撑件连接至机器护甲的骨盆部的连接元件的角度而产生的水平力而在髂嵴上滑动。还通过收紧腰带连接元件来防止腰带由于围绕骨盆存在的张力而向下滑动。通过在骨盆(腰带的一部分在髋骨的髂嵴的顶部上通过)周围产生张力来实现此目的。骨盆用作用于从脚踝处的T形连接器113向上传递穿过软机器护甲100的连接元件到达腰带110的力的支撑或锚固点。
根据一些实施例，与诸如膝部和肩膀等其它骨骼标志相比，骨盆在整个步态周期中具有相对小的运动范围。在整个步态周期中，骨盆在其总共旋转大约12°的横断面上具有最大移动。相比之下，膝部在矢状平面上移动大约50°，而肩膀的移动则高度依赖于在任何给定时刻的用户姿态。因此，根据本发明，骨盆的使用有利于根据本发明的主要针对步态辅助的软机器护甲100的实施例。整个步态周期中的骨盆的运动范围以及腿各部分的位置的周期性质使得在步态周期中骨盆与腿各部分之间的距离是高度可预见的，这有助于选择能够在步态周期内的特定时刻保持软机器护甲100的张力的适当锚固点。另外，骨盆结构限定了能够有效地连接腰带110的棱脊，从而既锚固垂直力又锚固水平力。
软机器护甲100的刚度部分地由用户-软机器护甲联接的柔量(compliance)确定。用户与软机器护甲100之间的联接的柔量越低，软机器护甲在操作中的刚度越高。通过锚固至稳定的且低柔量的特征，软机器护甲能够将更高的力传递至用户的身体。此外，骨盆的对称性使负载能够被均匀地分布至用户的身体上。通过将驱动力分配至身体的每侧，能够减小在任一点从软机器护甲作用于身体的正交力，这有助于将压疮(pressure sore)、摩擦和碰摩的形成最小化并从而增加机器护甲的感觉舒适度。如前所述，在本发明的至少一些方面中，驱动力还可被(或可替代地被)分配至身体上的一个或多个其它位置(例如，躯干和肩膀等)。
在至少一个方面中，腰带110包括顶部腰带连接元件和底部腰带连接元件，顶部腰带连接元件被布置在髋骨的顶部上(在顶部腰带连接元件上的位于靠在髂嵴的顶部的位置处选择性地设置有泡沫垫料)，且底部腰带连接元件被布置成刚好位于髂嵴下方。这两个连接元件结合起来提供了稳定的连接平台。
骨盆在髂嵴处提供了用于使软机器护甲的合适的柔量最小化的锚固点。如上所述，有利地，软机器护甲利用骨盆的如下几何结构：其在髂嵴处提供了腰带可以倚靠的棱脊。这使得即可锚固垂直力又可锚固水平力。还可通过环绕骨盆的连接元件(例如，底部腰带带条)来抵抗水平力。柔量的降低使软机器护甲的刚性更高，这能够有益于有效地将力施加至软机器护甲和穿戴者。当软机器护甲达到某一水平的刚度时，可有益于保护用户免受经由软机器护甲传递至他们的力的影响。诸如层状织物或泡沫垫等垫料可被用来将这些力传播遍及用户的更大的表面区域并提供了减小这些力的影响的阻尼介质。然而，这种垫料可能增加系统中的柔量并因而成为要进行控制以使柔量和刚度最优化从而实现效率和舒适度的平衡的另一变量。
在至少一个方面中，节点1(例如，参见图1、图5和图6B)可被构造为这样的接合点：在该点处，由各对应的腿上的脚踝驱动产生的力会聚并随后向上分开以被分配至用户的骨盆的每侧。对节点1在用户大腿上的位置的调整可有益于保持力平衡和软机器护甲100的拉力。可经由将大腿支撑件120连接至软机器护甲的腰带110的一个或多个带条来分配力。
如图1、图6B和图7的示例所示，根据本发明的至少一些方面，节点(例如，图6B中的节点1)被置于大腿的额状面的中间，并如图6A所示可通过连接元件2和连接元件3进行调整。可根据用户的尺寸以及从节点到大腿的顶部的距离来对节点1在大腿上的垂直布置进行调整，节点1在大腿上的垂直布置随用户而变化，但通常足够向下使得它不会妨碍髋部屈曲。可通过如下方式来验证适当的垂直布置：使穿着软机器护甲的用户在设定了节点位置之后弯曲他们的髋部以查看节点是否妨碍髋部屈曲。节点的布置可用于以最佳方式对准和调整软机器护甲100中的力路径，根据本发明的一些方面，这能够防止或减少与大腿支撑件120由于力不平衡而旋转的相关的问题。不适当地对准的力路径可能在髋部和膝部处形成不需要的可能导致不自然的运动、肌肉疲劳和酸痛的力矩。通过节点1(例如，参见图5、图6B和图7)的使用，因脚踝驱动而产生的力在可控的和线性的路径中从脚踝被传递至大腿的前面，然后被进一步分配至骨盆的任一侧。运用以此方式接入一个接合点(节点)的连接元件，使得能够通过缩紧、松弛或重新定位机器护甲上的所述连接元件来更协调地调整髋部和膝部周围的张力路径。这使得能够在整个步态周期中对软机器护甲在髋部和膝部处产生的力矩进行更好地控制和微调。
根据本发明的一些实施例，使用节点1的软机器护甲的特定构造有助于实现比不用该节点高得多的机器护甲刚度，这是由于它将力路径锚固至骨盆的每侧(在这里能够实现高得多的机器护甲刚度)。节点1的使用使软机器护甲100能够将力分配到骨盆上，在骨盆处腰带的刚度大得多，这导致软机器护甲能够在承受很小的位移的同时保持更高的力。将节点1连接至腰带110的连接元件在其在内侧、外侧和垂直方向上被约束时能够被固定至节点的位置。连接元件4和5(例如，参见图7)可被张紧以在腰带110与大腿支撑件120之间建立软机器护甲中的预张力，该预张力通过逆着骨盆向下和逆着大腿向上预先加载张力来提高软机器护甲的刚度。可通过跨过大腿的前面定性地产生舒适的张力来实现的因张紧连接元件4和5而产生的正确预加载，所述张力是可根据用户的舒适度(其随用户而变化)而调整的。
根据本发明的至少一些方面，腰带110(例如，参见图1)在张力被保持在腰带中的时候起最佳作用。如果腰带110没有被适本地张紧，当施加驱动时，软机器护甲100将下垂。
期望腰带110的适当的垂直布置，以保持适当的软机器护甲刚度。根据本发明的一些实施例，软机器护甲100使用骨盆上的髂嵴作为用于作用于用户的大多数力的锚点。如果腰带110没有被髂嵴支撑，则软机器护甲100可能不能够提供同样多的初始刚度，除非腰带110被身体的其它特征支撑。如果腰带110的位置被设定得太低，或在使用期间变得太低，则它可能妨碍用户的髋部运动，从而引起不适(例如，臀屈肌的疼痛)并且降低软机器护甲的功能性。
在对软机器护甲的方面的评估期间，发明人发现，在站立早期至站立中期期间跨过髋部产生的张力可导致臀屈肌和臀中肌的肌肉疲劳。在站立早期至站立中期期间，髋部发生屈曲，且因此，为了产生抵抗该屈曲的力矩，张力需要在髋部的转动中心的下方从髋部的转动中心的后面传递至大腿的前面。因此，如果图5或图6B中的连接元件2通过髋部的转动中心的下方，则它可能产生这种力矩。存在两种可能的能够导致连接元件2产生这些力矩的方式。第一种是，将节点1定位在大腿的非常低的位置处。第二种是，连接元件2连接腰带的更后方。一旦节点1(参见图5或图6B)相对于大腿的中心被正确地定位，连接元件2就能够(例如，经由
Figure BDA0001622470620000301
)被直接地连接至腰带。一旦节点1被正确地定位，就能够通过如下方式来固定节点1：通过使连接元件2从节点1直线延伸至腰带(即，确保连接元件与穿戴者保持平滑和齐平)将连接元件2连接至腰带110，这确保了连接元件2与腰带具有适当的连接角度。通常，节点1在横向上可以被定位于大腿的中心、骨盆向内约10cm处，膝盖骨的正上方，并且在垂直方向上可以被定位在大腿与躯干之间的折痕的正下方。连接元件2和3可以分别在身体的同一侧和相对侧从该点向上倾斜地延伸至骨盆的侧面(髂嵴的侧面)。外部连接元件2可相对于水平线成大约40°至65°的角度，且连接元件3可具有与水平线的相应地较小的角度。
如果节点1被定位在不正确的水平位置上，则它将导致机器护甲不利地旋转。例如，如果节点1(例如，参见图1、图3和图6B)被定位在大腿的中间的左边或右边，则软机器护甲中的张力相对于腿的对称性而言是不平衡的，这使大腿支撑件120在不平衡的方向上旋转，使得小腿连接元件107不再与膝部的转动中心正确地对准，从而在用户身体上产生了不正确的力矩。
在本发明的至少一些方面中，节点1被直接地置于大腿中央的位于大腿屈曲点下方几厘米的位置处。可通过如下方式来确定该近似垂直位置：一旦定位了节点就使穿戴者弯曲他们的髋部来查看节点1是否以任何方式妨碍髋部屈曲。名义上地，节点1接近屈曲点布置，但并没有近到使节点1妨碍髋部屈曲。由于水平未对准可能使软机器护甲不期望地旋转，所以节点1应当在水平方向上被定位在大腿的中心。一旦节点1相对于大腿被正确地定位，它首先凭借通过使连接元件2从节点1直线延伸至腰带将连接元件2连接至腰带而被固定，这确保了连接元件2相对于腰带具有适当的连接角度，第二连接部件3经过节点1的带扣形成环并被连接，注意确保：当固定连接部件3时，节点中心位置不发生移位。节点1的垂直布置并不如水平布置那样对软机器护甲的功能至关重要。如果节点1在大腿上被向上布置得太高，则节点1将妨碍用户的髋部屈曲，并且这将是显而易见的。
根据本发明的一些实施例，大腿支撑件120可缠绕在大腿下部周围。在一个方面中，大腿支撑件120包括连接在一起的两件：前件和后件，其中，前件可具有面向用户的挂钩和环紧固件(例如，
Figure BDA0001622470620000311
)，且后片块可具有背对用户的挂钩和环紧固件(例如，
Figure BDA0001622470620000312
)。小腿连接元件107可被置于这两层中间并通过挂钩和环紧固件(例如，
Figure BDA0001622470620000313
)被固定在适当位置上。
根据本发明的至少一些实施例，大腿支撑件120被定位在膝盖骨的顶部上方大约3至6厘米之间(优选地大约4至5厘米之间)，但是此距离可根据用户的生理而发生变化。优选地，大腿支撑件120被定位得更高，以允许小腿连接元件107能够进行更大范围的调整。对于具有低至中等肌肉质量的瘦小至中等身形的用户而言，大腿支撑件120可被定位在膝盖骨上方4厘米处。对于具有更大的大腿直径的用户，大腿支撑件120可被定位在膝盖骨上方5或6厘米处，以使能够正确地定位小腿连接元件107。因此，大腿支撑件120在膝部上方的位置能够被选择用来为连接到大腿支撑件120的小腿连接元件107提供适当的定位并确保小腿连接元件107不妨碍膝部的范围运动。此外，由于越向腿的上方大腿通常更大的尺寸，这使小腿连接元件能够避免接触膝部区域，从而避免了膝部区域中的擦伤。
根据软机器护甲100的至少一些方面，可以调整小腿连接元件107离开腿支撑件120的位置和角度。这种可调整性使得用户能够对软机器护甲进行调整，以在相对于膝部的转动中心适当地定位小腿连接元件107的同时适应他们的特定生理结构和肌肉组织。对小腿连接元件107的相对于膝部的转动中心的位置调整被用于确保在膝部处产生正确的力矩。
根据本发明的一些实施例，大腿支撑件120可通过在软机器护甲被张紧时平衡水平负载来促进机器护甲的刚度。该水平负载可能是由软机器护甲的稍微倾斜的加载路径(它从脚踝向上行进至骨盆)引起的。在大腿支撑件120处发生方向的变化，以适应小腿连接元件107相对于膝部的转动中心的正确定位。因为当驱动软机器护甲时跨过膝关节产生张力，所以期望正确地布置小腿连接元件107。根据相对于膝部的转动中心定位小腿连接元件107的位置，响应于此张力而产生的力矩可帮助或妨碍用户。为了使软机器护甲的张力不对用户的自然膝部力矩产生不利影响，在驱动时该张力可以与膝部的转动中心位于同一直线上或稍微位于膝部的转动中心的前面。可以对小腿连接元件107在大腿支撑件120上的位置以及小腿连接元件107离开大腿支撑件120的角度进行调整，使得张力与膝部的转动中心位于同一直线上或位于膝部的转动中心前面。
当外侧小腿连接元件107中的张力被施加至T形连接器113(参见图3至4)处时，在腿的另一侧的内侧小腿连接元件107中的张力也被施加于连接器113，且内侧和外侧小腿连接元件107上的这些力在大腿支撑件120处会聚。小腿连接元件107均经由固定连接件(例如，带扣、
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和扣钩等)被连接至大腿支撑件120。作用于小腿连接元件107的力的方向用于将它们彼此拉分离并将张力施加在两个小腿连接元件107连接至大腿支撑件120的连接点之间的织物上。获得的张力曲线被发现在大腿支撑件120的底部处提供大腿支撑件120中的最高的张力(最大矢量)，张力随着从大腿支撑件的底部起的高度的增加而减小(更小的矢量)。对于一些用户来说，可能的是，因为力曲线既取决于施加的力的方向又取决于小腿连接元件107相对于大腿支撑件120成何角度，所以水平力将在大腿支撑件120的顶部处反向。
小腿连接元件107可连接到大腿支撑件120并在小腿肌块下方在小腿的后部处连接在一起。两个条带在小腿肌块下方相遇的接合点是鲍登缆索护套144可被连接至软机器护甲100的点。如上所述，在本发明的至少一些方面中，可以对小腿连接元件107的长度、角度以及连接至大腿支撑件120的连接位置进行调整，以适应不同生理结构的用户。在一些实施例中，存在四种用于提供小腿连接元件107的正确布置的调整因子，这些变量中的每者的首要目的在于相对于膝部的转动中心正确地定位小腿连接元件107。这四个调整因子是(1)小腿连接元件107离开大腿支撑件120的位置、(2)小腿连接元件107离开大腿支撑件120的角度、(3)大腿支撑件在膝盖骨上方的垂直位置以及(4)鲍登缆索T形连接件相对于小腿的垂直位置。
可针对用户的大腿周长和大腿长度来调整上面提到的因子。当根据本发明的至少一些方面的软机器护甲的实施例允许这些因子中的一个或多个因子中的这种可变性(例如，在为特定用户设计或订做的护甲中，软机器护甲可以不需要提供这样的后续调整)时，小腿连接元件107的最佳布置是：当小腿连接元件107被张紧时，它们不会在膝部处引起将对用户的自然步态周期产生负面影响的力矩。确保小腿连接元件107不会在膝部处引起将对用户的自然步态周期产生负面影响的力矩的一种方法是使张力经过膝部的转动中心，从而确保软机器护甲在膝部上不产生力矩。然而，由于在整个步态周期中膝部在大范围的运动中屈曲和伸展，并且转动的瞬时中心不断地改变，所以这种途径难以实现。此外，更加实际的，实现此目的的另一方法是允许产生不对用户的自然步态产生负面影响的力矩。
为了进一步说明正确的小腿连接元件107的布置，对膝部和脚踝动力学的理解是有帮助的。在本发明的至少一些方面中，在发生在步态周期的大约30％至步态周期的62％之间的站立末期和摆动前期期间驱动被构造用来辅助行走运动的软机器护甲。在站立末期(30％步态周期)的开始，腓肠肌(小腿肌)和比目鱼肌(内小腿肌)逐渐增加它们的收缩以对抗增长的前脚足底屈肌力矩，并且在肌肉和肌腱组织中储存弹性能以在足跟抬起/蹬离(其发生在身体前倾时)期间进行反弹。此动作随着足跟上抬时脚踝开始跖屈而增大，且枢轴点移动至前脚。此外，当这发生时，膝部屈曲到达它的最低点(在40％处约5°)。当身体的质量向前落在使下落身体的力矢量置于位于膝部转动中心前方的前脚上时(这导致膝部的被动伸展)，屈曲的这样的减小开始发生。然而，此伸展受到后侧肌肉动作(即，由于膝部和脚踝处的动作而已经张紧的腓肠肌以及位于膝关节的腘肌)的抵抗。当达到最小屈曲角度时(40％步态周期)，膝部立即开始进行屈曲，因为在那一点处由于足跟抬起膝关节已经移至身体矢量前方。此时，之前表现为抵抗膝部伸展的后侧肌肉则正促进膝部屈曲以及位于膝部的转动中心后方的身体矢量，并因而被动地促进膝部屈曲。随着对侧肢体的初期接触(50％步态周期)站立末期结束。随着摆动前期(50％步态周期)的开始，重量转移至另一条腿，这使膝部自由地弯曲(这是由跟腱的弹性反冲、后侧肌肉的动作以及位于膝部转动中心后方的身体矢量的被动动作引起的)。然而，如果膝部屈曲发生得太快，那么股直肌就开始使膝部减速，这在膝部处产生了伸展力矩，因此，摆动前期期间的伸展力矩并不总是存在的，而是取决于腿多快地进入屈曲。
从上面的说明中，将作出关于软机器护甲在驱动阶段期间的跨过膝关节的张力的三个要点。首先，如果这种张力在步态周期的30％至40％之间出现在膝部的转动中心的前面，那么这将使后侧肌肉(腓肠肌和腘肌)更努力地减小屈曲中的降低。这将使穿戴机器护甲的用户产生“张力太大”的感觉，但这可通过将小腿连接元件107移动至大腿支撑件120的更后侧位置来进行弥补。第二，如果张力在步态周期的40％至50％之间位于膝部前面时，这将抵抗膝部屈曲，在那时该膝部屈曲由于位于转动中心后面的身体矢量而被动地产生并且由于后侧肌肉而主动地产生。此时，将有益的是，将小腿连接元件107布置成与膝部的转动中心位于同一直线上或位于膝部的转动中心的后面(因为将小腿连接元件107布置在膝部的转动中心的前面将很有可能使后侧肌肉过度劳累)。第三，如果张力在步态周期的50％至62％之间位于膝部前面时，它将抵抗由于跟腱的反冲而被动地产生的膝部的屈曲运动以及后侧肌肉的直接肌肉动作。虽然膝部的屈曲力矩在摆动前期期间有时会受到股直肌的抵抗，但是并不总是这种情况并且步态周期的此部分中所期望的伸展力矩可能不一定会发生。
有利地，小腿连接元件107是可张紧的以产生对于广泛的用户生理而言并不妨碍用户的自然行走周期或其它运动周期的力矩。确定适当的软机器护甲连接元件定位(例如，以实现重量、功率、代谢效应、舒适度以及不同生理的变化性等的最佳平衡)的第一个挑战就是人个体间的大的尺寸差异。第二个挑战是膝部在接近驱动阶段的结束的蹬离(50％步态周期)前后从伸展进入屈曲的速率。如果带条过早移往膝部的转动中心后方，那么将产生会妨碍用户的自然步态的不需要的屈曲力矩。因此，在本发明的至少一些方面中，小腿连接元件107被定位成与膝部的转动中心位于同一直线或位于膝部的转动中心后面，以避免不利的力矩。
根据一些实施例，小腿连接元件107被定位成使得当穿戴者处于直立姿态时小腿连接元件107各自的作用线经过膝部的有效转动中心。此位置是通过如下方式来确定的：寻找胫骨的每侧上位于股骨与胫骨之间的接合点并观察表面解剖结构，分别通过股骨和胫骨上的骨骼突出部来识别适当的位置，在该骨骼突出部之间是在前后方向上延伸的“山谷”或凹陷部。如果从侧面观察膝部，小腿连接元件1070名义上将经过的位置是距离膝部的背侧(后侧)的距离的大约30％-40％。对于一些人，正是这样的情况。对于其它人(例如，大块头的人和肌肉发达的人)，则通过使用近似、实验和误差方法根据不同情况来确定正确的布置。
期望地，软机器护甲100施加在穿戴者上的力矩反映了由穿戴者自然地产生的力矩(即，尽可能等同于运动期间的自然生物力矩的关于关节的力矩)，以使软机器护甲是不被察觉的或大体上不引人注目的。在针对特定时刻的运动来自软机器护甲100的关节力矩可能与自然力矩相反的情况下，软机器护甲100期望地使关于关节的力矩臂最小化(例如，通过使连接元件107经过膝部旋转中心来使膝部力矩最小化)。
在本发明的至少一些方面中，小腿连接元件107在鲍登缆索护套144(例如，参见图2A)连接到软机器护甲的T形连接器113处终止。根据一些实施例，T形连接器113被定位在小腿肌块下方。小腿肌是依顺的和突出的，且因此，如果T形连接器113在驱动时位于小腿肌上，则它将陷入到肌肉中，从而增加了系统中的柔量并刺激到用户。小腿肌下方的空间的柔量要小得多并且还使小腿连接元件107在更直的路线上沿小腿下降而不是更深入地形成角度以适应小腿肌肉块。如果小腿连接元件107以相对于垂直方向更大的角度沿小腿下降，这会使软机器护甲的力路径更没有效率，因为当小腿连接元件107被张紧时力路径期望变直。
在本发明的至少一些方面中，小腿连接元件107被定位成包围小腿肌块，这使小腿连接元件107在相对于垂直方向更直的路线上沿小腿下降。通过将小腿连接元件107的端部处的T形连接器113直接地定位成与足跟的中心线位于同一直线上，能够相对于水平方向正确地定位T形连接器113。为了相对于垂直方向正确地定位小腿连接元件107，连接元件被调整成使得T形连接件被定位在鞋(如果穿有斜的话)的顶部或名义上使得T形连接器113位于小腿肌块下方(这使小腿带条成功地包围小腿肌块)。根据一些实施例，一些更刚性的部件可被更软的更依顺的部件所代替。
一个或多个鞋连接元件130被设置用来提供与用户的脚的刚性接合。在至少一个方面中，鞋连接元件130具有布置在靴子的远端部(例如，足跟)和近端部(例如，鞋面和内包头等)周围的挽套。这种鞋连接元件130将足跟处的因驱动而产生的向上的力转递至脚的前部，在脚的前部该力施加向下的力。以这种方式将向上的水平力传递至脚的前部有助于借助产生的补充力矩来促进脚踝跖屈。
在至少一个方面中，鞋连接元件130包括被布置成缠绕在用户的鞋(例如，靴子和鞋子等)的中间的中部(例如，上面)周围和鞋跟与脚背之间的空间周围的一个或多个连接部件。如图所示，鞋连接元件130包括被布置成缠绕在脚踝周围的一个或多个连接部件，这些连接部件提供了用于阻止鞋连接元件130从足跟滑出的约束并且被向上张紧以提供更大的刚度。有利地，一个或多个连接部件还被布置成制约鞋连接元件130相对于鞋向外侧和向内侧滑动。在至少一个方面中，有利地，一个连接部件的底部边缘被置于鞋跟的边缘周围大约0.5cm处。这种定位来自于节点2的正确定位。鞋连接元件130包括用作致动器缆索(例如，鲍登缆索等)连接点的连接部件，该连接部件直接地和/或通过另一连接部件将驱动力传递至足跟。期望地，节点2被设置为在垂直方向上尽可能地接近足跟的底部并且在内侧-外侧方向上直接位于足跟的中间。节点3被放置在脚底的中间稍后面且它的位置由节点2的布置来表示。
在正确地穿戴靴子连接件的方法的一个示例中，首先将节点2放置在足跟上，然后，将一个或多个鞋连接元件130放置在相对于鞋的适当位置，随后，根据需要顺序地调整这些鞋连接元件(例如，张紧/松弛)。
鞋连接元件130选择性地但有利地包括一个或多个可以(例如，通过例如使用
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等缩紧或系紧)被调整以将鞋连接元件固定在穿戴者的脚周围的紧固件。
在本发明的至少一些方面中，鞋连接元件130包括非常像袜子的能够被穿戴的袜状结构。可替代地，鞋连接元件130包括可随后被折叠以包围脚的进入结构(step-intostructure)，在折叠位置处一个或多个紧固件(例如，
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等)被缩紧或系紧以将鞋连接元件130固定在穿戴者的脚周围。在本发明的至少一些方面中，鞋连接元件130可包括一件或多件织物结构，在该织物结构中，织带在穿戴者的足跟下方和前脚上方延伸。
鞋连接元件130可以是布置在靴子或鞋子上并为鲍登缆索142致动器提供连接点的挽套的形式。这些解决方案是缆索142拉动以在靴跟上产生相对于足跟向上的力的“靴外”解决方案。本发明的另一方面包括使用“靴内”力致动器来产生关于踝关节的力矩的鞋连接元件130，这种鞋连接元件包括缆索连接的内底和缆索护罩。在这种结构中，为了将力施加至穿戴者，缆索延伸到穿戴者的鞋子或靴子中，缆索的一端被固定至鞋子(A)外部的致动器且缆索的另一端被粘附至鞋子内部的位于穿戴者的脚(B)内底下方的目标。
在另一方面中，选择性地将塑料或泡沫元件插入在前脚上的织带与穿戴者的脚之间，以比单独使用织带更均匀地分布脚的顶部上的压力。在另一方面中，将鞋底夹层与脚的顶部和/或脚踝上的织带(以及如上所述的可选择的泡沫或塑料)结合在一起，以提供额外的将转矩传递至脚的路径。
在内底元件的下后部处连接缆索或织带，这提供了在矢状平面上位于踝关节近端的将施加至缆索或织带上的点的力传递至穿戴者的足跟的固定点，从而在关节周围产生了转矩。此内底可以是部分或完整的内底。期望的是，内底具有诸如碳素纤维等加强元件以将负载分配至足跟。如果使用加强元件，内底可有利地被分段以允许脚的跖骨球上的最大范围的运动。在本发明的至少一些方面中，在小腿的后部处设置有缆索护罩。为了驱动，缆索需要缩回。在缆索在靴子与穿戴者的腿之间被压缩的情况下，由于缆索穿戴者与靴子之间的摩擦力可能而导致磨损和效率损失。因此，提供用于使缆索自由地移动的开放通道的系统是期望的。
在本发明的各种方面中，袜状鞋连接元件130经由连接到袜状结构的顶部的连接元件(例如，织带)被连接至软机器护甲100，并直接向上延伸至小腿连接元件107的底部。在另一方面中，鞋连接元件130包括被构造成缠绕在足跟(例如，穿戴者的足跟、鞋跟等)周围的足跟杯。在另一实施例中，鞋连接元件130包括在穿戴者的脚的一部分(例如，足跟)或整个脚下方的进入鞋中的内底插入物，这种内底插入物或上述的足跟杯在后部和/或后外侧部被连接至离开鞋并连接到软机器护甲致动器缆索的连接部件(例如，织带)。期望地，布置在鞋内部的任何连接部件包括低摩擦护套、低摩擦涂层或低摩擦材料，以使对穿戴者的摩擦最小化。在另一方面中，鞋连接元件130包括在鞋的鞋底的一部分(例如，仅足跟)或鞋的整个鞋底下方延伸的鞋底插入物。在鞋底插入物的后部和/或后外侧部处设置连接部件(例如，织带和缆索等)，以连接至附接至软机器护甲致动器缆索的连接部件。
根据本发明的一些实施例，致动器200还能够用于减小在穿戴根据本发明的软机器护甲100时行走(或其它运动或活动)的代谢消耗。致动器200用于对期望力矩的力进行补充，例如(对于行走)，在步态周期的脚踝肌肉产生最大功率时的脚趾蹬离部分期间对脚踝的补充力。举例来说，为执行此动作，可使用电机在鲍登缆索142(或其它柔性传递元件(诸如但不限于织带、丝带材料、皮带或链条))上产生必要的力/位移且传感器150(例如，图2A中的脚踏开关传感器150)可用于感测关节位置并确定驱动时序。
致动器200产生能够跨过一个或多个关节至少部分地被传递至远侧身体部位的力，以将力施加至这样的远侧身体(例如，通过使缆索142改变用户的靴子上的点与软机器护甲的底部之间的距离等)。使用能够最低程度延伸的软机器护甲，这种收缩距离在软机器护甲100、鞋连接元件(例如，靴子连接件)和缆索142中产生拉力。此拉力可被施加至偏移于踝关节的轴的位置处并导致绕着关节的力矩。作为一个示例，系统100可使用柔性鲍登缆索142将力从致动器单元200中的致动器传递至软机器护甲100。例如，如图2A所示，可远距离地或远侧地(例如，在远离身体下部的背包上)安装刚性和/或较重的致动器200。
在本发明的至少一些方面中，每个肢体(例如，腿)可由它自已的可以包括一个或多个致动器的致动器单元200驱动。在本发明的另一方面中，每个关节可由它自已的可包括一个或多个致动器的致动器单元200单独地驱动。在本发明的另一方面中，多个关节可由可以包括一个或多个致动器的致动器单元200驱动。
在根据本发明的一个实施例中，如图8至9所示，每个致动器单元200包括驱动箱223和滑轮模块224。致动器单元200用于驱动鲍登缆索142并用于通过测量足跟着地接触来感测用户的步态(例如，参见图8中的脚踏开关150)。鲍登缆索142被连接到滑轮模块224中的滑轮225并通过滑轮225的旋转进行延伸和缩回。根据一些实施例，驱动电机246包括用于增大与滑轮模块224连接的输出轴的驱动转矩的传动装置249(例如，变速箱)，以驱动为用户的运动提供辅助的鲍登缆索142。在其它方面中，电机246被直接地连接至滑轮模块224而没有中间传动装置。有利地，驱动电机246包括被构造用来指示电机输出轴的旋转位置的编码器248或其它位置传感器。驱动电机246和编码器248被连接至用于控制驱动电机的功率、速度和方向的电机控制器。
根据本发明的一些方面，设置了用于控制多个电机的集中式电机控制器。可替代地，每个致动器单元200包括它自己的被构造用来接收传感器输入并与电机控制器进行通信以控制该致动器单元的驱动电机246的操作的常驻系统控制器250。系统控制器250(或可选择地集中式电机控制器)可包括计算机或微机系统(诸如但不限于基于PC/104标准的系统)。驱动电机246被直接地或间接地(例如，通过齿轮系249)连接至包含接合鲍登缆索142的近端的滑轮225的滑轮模块224。
如图8至9所示，滑轮模块224包括外壳，该外壳适用于接合鲍登缆索护套144，以使当滑轮225在第一方向上旋转时，鲍登缆索142缠绕在滑轮上使得鲍登缆索142的远端缩回至鲍登缆索护套144的远端中，且当滑轮在第二方向上旋转时，鲍登缆索从滑轮退绕，这使鲍登缆索142的远端从鲍登缆索护套144伸出。在至少一些实施例中，滑轮225被封闭在外壳中，使得当滑轮225在第二方向上旋转时，缆索142被驱出并能够施加延伸力。
如上所述，在本发明的至少一些方面中，单个致动器单元200可用于向一个或多个肢体和/或一个或多个关节提供能量。作为一个示例，可经由肢体之间的离合器切换动力传输(其利用了相对肢体的异相运动)来实现至分离肢体的动力传输的交替(例如，腿在行走期间通常是异相的)。
在根据本发明的至少一些方面中，软机器护甲100控制系统被构造用来感测或确定用户的步态(例如，经由一个或多个传感器)并在步态周期的特定时间期间驱动驱动电机246来拉动鲍登缆索142或在步态周期(或其它运动)的特定时间处驱动被构造用来引入力的另一驱动系统。在步态周期期间的预定点处对驱动电机246的驱动可在软机器护甲100中产生预定张力，该预定张力在脚踝周围施加用于辅助行走的力。被用户穿戴的一个或多个传感器(例如，一个或多个脚踏开关150和一个或多个关节角度传感器等)被设置用来将信号发送至控制系统，以使控制系统能够使电机驱动与用户的步态周期(或其它运动)同步。根据本发明的各个实施例，传感器可采用多种形式，包括感测特定关节的角位置的传感器。例如，参见共同拥有的专利文献WO 2013/044226A2，该文献的全部内容以引用的方式被并入到本文中。根据一些方面，传感器包括在步态周期(例如，足跟着地)期间感测脚的压力的压力传感器或简单的开/关开关。
根据本发明的另一方面，一个或多个传感器可采取感测在特定位置处的肌肉激活的EMG传感器的形式。这些激活的模式和规模可确定步态周期(模式)或所需的辅助量(基于规模)。检测(相对于穿戴者上的点的)相对的或(相对于地面的)绝对的关节位置的其它传感器可用于确定步态模式，并因此可用于控制致动器激活。其他传感器可包括但不限于超弹性应变传感器、加速计、惯性测量单元、内部测量单元(IMU)和/或角度计传感器。这些传感器或其它传感器(单个地或组合地)能够检测表示身体位置的运动。根据使用的传感器，该系统特有的试探法(heuristics)能够被开发用于确定身体中的肌肉何时将力施加至关节(例如，脚踝、膝部或髋部)，以使软机器护甲100能够进而被构造成在适当的时间施加与估算的肌肉力成比例的力。例如，一个可能的方案是通过估算每个关节的速度，使用穿戴者的近似刚性人体模型并估算每个关节处的转矩来评估用户的身体的动力学，基于评估的动力学确定用于产生获得的有益转矩的合适的张力。
替代方案将涉及在训练阶段同时地记录EMG测量和传感器。在收集到此数据之后，使用机器学习算法(作为传感器输入的函数)预测肌肉何时收缩。然后，实际上，不使用EMG传感器，而是使用训练过的算法基于传感器预测肌肉激活并在适当的肌肉将被激活时将张力施加至软机器护甲。
另一方案涉及通过使用EMG、检测肌肉直径的传感器或一些其它装置来直接地测量肌肉激活。于是，软机器护甲100可以以与某些肌肉或肌肉的组合的激活成比例的方式张紧。
根据本发明的一些实施例，一个或多个脚踏开关150被布置在脚与靴子的鞋底之间来感测足跟着地，以提供对用户的步态周期的速率的测量。脚踏开关或传感器用于检测每只脚的足跟在步态周期期间最初着地时的力矩，且控制系统使用来自脚踏开关的信号来计算步态期间。可基于已知的脚踝位置相对于时间的曲线来估算脚踝在步态周期内的任一点处的位置(假定水平地面和标定数据)。估算出的脚踝位置可用于确定何时缩回鲍登缆索142并张紧软机器护甲100。张紧的软机器护甲100可在步态周期的脚趾蹬离部分期间提供围绕脚踝的力矩，以补充肌肉提供的力并减小由用户消耗的能量。
在一些方面中，
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一些其它连接机构用于在被手动地拉至期望张力之后将软机器护甲100的一部分连接至另一部分。例如，可通过使用具有
Figure BDA0001622470620000422
紧固件的连接元件将节点1(例如，参见图3和图5)连接至腰带110和大腿支撑件120。例如，在图7中，连接元件4和5在底部环绕通过大腿支撑件120上的带扣，然后被向上拉动并使用
Figure BDA0001622470620000423
或其它固定部件向下固定它们自己。可替代地，连接元件2和3均可通过使用
Figure BDA0001622470620000424
被直接地固定在腰带110处而不需要环绕带扣或通过另一固定部件或元件固定在腰带110处。另一选择是使用穿过通孔扣的一件织带(这防止了织带在其被拉紧之后脱出)并且手动地拉紧织带的突出端部。
根据本发明的至少一些方面，力传感器用于持续地测量每个鲍登缆索142中的张力。惰轮232(例如，参见图8)对于鲍登缆索142偏置，且测力传感器234(例如，参见图8)用于感测缆索142的张力。可替代地，感测缆索张力或更一般的柔性传动元件张力的其它装置可包括布置在缆索或柔性传动元件向软机器护甲施加力的点处的测力传感器。这些测量值被记录并用于将软机器护甲自动地张紧至适当的水平。根据一些方面，软机器护甲控制器250(例如，系统控制器)检测由于自然身体运动而引起的软机器护甲的张力增加并基于指示张力的增加的此信号经由致动器200施加驱动。因此，在各方面中，软机器护甲控制器持续地监测机器护甲中的力或以适于用户的运动或活动的采样频率监测机器护甲中的力。当软机器护甲由于用户的位置的几何变化而被小量地张紧时，控制器能够感测到那个(小的)力并驱动软机器护甲适当地增大或减小张力。针对行走，例如可通过从控制系统将恒定的偏移施加至电机位置信号来实现软机器护甲张紧。当然，额外地或可替代地，通过穿戴者操纵一个或多个调整部件(例如，带条、带扣、扣钩和Velcro连接件等)能够手动地实现张紧。
在一些方面中，致动器单元200被构造成经由诸如以太网(例如，有线或无线-WiFi)、蓝牙、I2C或其它开放或专有信道等通信信道上与本地或远程外部计算机(例如，台式电脑或便携式电脑，平板电脑或智能手机)通信。外部计算机可例如用于在第一次加电时就启动致动器系统控制程序，调整诸如机器护甲张力等控制参数，执行诊断检查，传输软件或甚至远程控制致动器单元200。在至少一些方面中，控制系统在加电时自动地启动并从致动器单元200的外部或手持式有线或无线远程控制或电子装置(例如，智能手机应用程序)上的开关接收控制输入。在其它方面中，控制系统基于用于检测或预期用户的意图或动作的预先编程的算法来自主地进行操作并施加适当的辅助。
在一个示例控制系统构造中，致动器单元200(例如，图8的示例中的致动器)由与金刚石系统(Diamond Systems)MM-32DX-AT模拟和数字I/O扩充板连接的PC/104形状因子的金刚石系统(Diamond Systems)Aurora单板计算机(例如，处理器250)控制。计算机可经由Diamond Systems Jupiter功率调节板从4单元(14.8-16.8V)锂聚合物电池供电。使用倚靠着滑轮模块224中的惰轮232安装的50kg梁式测力传感器234(Phidgets，产品代码3135)来感测鲍登缆索142中的张力。测力传感器234上的全桥应变仪通过电接口(例如，伸缩探针)被连接至信号放大器242(例如，Futek CSG110)。通过在将已知负载施加至测力传感器234的同时调整放大器242的输出来对每个放大器/测力传感器对进行校准。放大器242输出与测力传感器234上的力相对应的0-10V的直流电压。通过MM-32DX-AT的模拟输出引脚来读出此电压。放大器242可经由它们自己的板上功率调节器由PC/104的14.8V电池供电。
根据本发明的一些方面，可使用诸如来自B&L Engineering(产品代码FSW)的脚踏开关等脚踏开关150(例如，图8)来感测足跟着地。脚踏开关150可以是脚底形力敏电阻器。每个脚踏开关150的足跟部的端子被分别地连地和连接至MM-32DX-AT的数字输入引脚。并联在每个脚踏开关数字输入与+5V电极(rail)之间的1kΩ和10kΩ电阻器能够向上拉动上述数字引脚。当发生足跟着地，脚踏开关150的两个端子之间的电阻下降，数字引脚处的电压减小至大约零，且可通过MM-32DX-AT I/O板来读出状态的变化。脚踏开关150可被接线至插入到立体声缆索中的3.5毫米音频插孔以及滑轮模块224中的相对应的3.5毫米音频插孔。连接至脚踏开关150的电连接可通过伸缩探针接口到达PC/104计算机250。音频插孔允许脚踏开关容易地从机器护甲的剩余部分断开，这便于穿上和脱下软机器护甲100。
在一些方面中，PC/104计算机250被连接至驱动箱223的外部的控制开关。为每个驱动箱设置电源开关，以切断PC/104和电机控制器电池的正电压线。摇杆式开关和两个瞬时触发开关将用户输入提供至正在PC/104计算机250上运行的控制算法。摇杆式开关可用于使控制算法的行走模式参与进来，且瞬时触发开关可用于使左或右电机旋转以在行走之前张紧软机器护甲。这三个用户接口开关被连接至具有10kΩ的上拉电阻器的MM-32DX-AT上的数字输入引脚并与PC/104共用相同的接地。当驱动每个开关时，数字输入被接地且引脚被拉低。除箱安装型开关之外或作为箱安装型开关的替代，还可设置小型手持式有线或无线遥控器(未示出)。遥控器的开关可与箱子的开关并联地连接并提供复制功能。除用户输入开关之外或作为用户输入开关的替代，还可将其它用户接口系统集成到软机器护甲中，这些用户接口包括语音控制器、触摸屏、可穿戴式计算机或抬头显示器(例如，具有诸如无线连接轨迹板或软键等视网膜感测或其它输入的谷歌眼镜或穿戴式显示器)。
根据一些实施例，驱动箱223包括与Copley Controls Accelnet Panel ACP电机控制器连接的EC-4pole 30Maxon电机246。具有RS-422数字信令的每转500计数的HEDL5540 3-信道编码器248用于反馈。举例来说，每个电机控制器由两个串联的4单元(+14.8-16.8V)锂聚合物电池提供总共为+29.6-33.6V的电力。在图8中所示的示例中，电机控制器为电机供应高达+24V的电力。Accelnet Panel电机控制器260可接收-10V与10V之间的直流电压，以改变滑轮的角定向并张紧或松弛缆索142。-10V的信号可使滑轮从加电时的起点开始在逆时针方向上旋转一周，且+10V的信号可使滑轮顺时针地旋转一周。根据一些方面，由于在操作中仅当缆索142被尽可能远地延伸出时才启动电机控制器260，所以并不使用负电压。在软件中，控制信号可以被限制为正来防止电机运行至物理停止而损坏系统。
可从MM-32DX-AT的模拟输出引脚中的一个生成控制电压。为确保平稳的电机操作，通过低通滤波器来发送电压信号。此滤波器可包括R＝68Ω且C＝47μF的RC单极构造，并提供48.9Hz的截止频率。额外地，可通过对模拟输入执行数字滤波器操作的电机控制器来对该信号滤波。
根据本发明的一些方面，每个滑轮模块224包括照亮以指示系统状态的各种状态的诸如蓝色、绿色和/或红色LED等的一个或多个指示器(例如，当滑轮模块被正确地连接至驱动箱223时，绿色照亮)。用于LED的电源和接地可从PC/104的电池经过伸缩探针接口。1kΩ电阻器可用于使来自电池的电压下降至合适的驱动电流。
根据本发明的一些方面，鲍登缆索142经由金属滑轮箱224和用作电路系统内部的接地的驱动箱223壳体接地。有利地，鲍登缆索的接地防止了鲍登缆索起到类似天线的作用并防止了将电噪音传输至系统的测力传感器和其它部件。
根据本发明的一些方面，致动器单元200使用200W的无刷电机246(其以减小的工作周期进行操作)来使滑轮225和缆索142移动通过辅助轨迹。滑轮225将电机的转矩和旋转速度转换成可通过缆索施加至脚踝的力和位移(参见图9)。
由致动器单元提供的辅助能够受到例如电机电源(其在测试下的软机器护甲中为100W)的限制，但不是功能性的限制。在经测试的软机器护甲中，在将平均功率消耗保持在为测试选择的100W工作要求处或以下的同时，电机246的工作周期为周期的一部分提供高达约200W的功率，然后在周期的剩余部分中返回至低功率消耗(图10)。
根据本发明的一些方面，可使用Maxon Motors公司生产的EC-4pole30无刷电机246，因为它是具有高的功率重量比和紧凑尺寸的高效电机。可根据系统的性能要求使用其它电机。虽然在上面的各个实施例中使用了旋转电机，但是还可使用其它致动器，这些致动器包括但不限于机电致动器(例如，电机和螺线管等)、气动致动器(例如，气动汽缸和McKibben型致动器等)和液压致动器(液压缸等)。在本发明的其它方面中，可使用不需要减速机并因此降低了重量、减小了噪音并提高了效率的不同类型的电机。
另外，虽然上述示例披露了缆索致动器142系统包括控制鲍登缆索的运动的滑轮系统224，但是有利地，其它致动器和/或柔性传动部件可以与软机器护甲一起使用。举例来说，可使用能够缩短具有护套(鲍登缆索)或不具有护套(上述的自由缆索)的连接在两个点之间的缆索或绳索的长度的致动器。根据将要辅助的运动、这类运动的环境、禁忌以及替代的驱动布置的可用性，可将这些致动器放置在人身上或身外的任何地方。致动器可被远侧地放置(例如，在由用户的肩膀背着的背包中)，致动器动力传输元件(例如，缆索)的近端被连接至如上所述的软机器护甲系统(鞋连接元件130)的合适位置。可替代地，一个或多个致动器可被布置在锚固点、连接元件和/或节点之间，或布置在缆索的端头之间的长度的一部分。其它类型的致动器的示例可包括但不限于一个或多个气动或液压线性致动器、气动或液压旋转致动器、滚珠或丝杠致动器、皮带或缆索驱动型致动器以及电活性聚合物等。
根据本发明的其它方面，使用了减小末端之间的长度的致动器，且该致动器包括诸如磁性离合器或机械离合器等一个或多个半被动致动器。当需要给予辅助时(例如，当膝部弯曲时)，这些致动器将在步态中的点之间的长度更短的点处接合。在与长度可伸缩的缆索接合使得其具有最小水平的张力的情况下，离合器将在更短的状态下锁定长度，使得当腿自然地伸展时，将由于软机器护甲和缆索的伸展而产生力。这将被归类为半被动系统并将预期需要比主动系统更低的能量水平。
根据本发明的其它方面，各种机构可用于调整软机器护甲中的张力。在一些实施例中，驱动软机器护甲的同一机构还可用于调整机器护甲中的张力。在其它实施例中，单独的机构可用于单独地或与致动器一起张紧软机器护甲。可通过使用减小护甲上的两个点之间的长度的致动器来主动地缩短软机器护甲。能够实现此目的的一个机构是拉动鲍登缆索的电机，鲍登缆索的护套被连接至软机器护甲上的一个点，且鲍登缆索的中心被连接至护甲上的不同点。这可以通过使用机械致动器、气动致动器、液压致动器或其它致动器来实现。
当然，如前所述，可通过对连接元件、锚固点和节点的相对位置进行物理调整(例如，通过使用带扣和/或
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来调整带条，张紧拉带、线材或缆索并将它锁定在适当位置等)来手动地调整一个或多个点处的张力。作为另一示例，穿戴者可拉动穿过锁定带扣的织带带条，其中，该锁定带扣在拉力释放之后固定织带带条。在另一示例中，穿戴者可拉动一条织带(例如，连接元件)并使用
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将该织带固定至护甲的一部分。
穿戴者还可拉动或张紧穿过被构造成以设定的张力将缆索系紧在适当位置处的棘轮机构(例如，布置在腰带110上的例如由Boa Technology公司制造的旋转棘轮机构)或可锁定的线轴的缆索，其中，棘轮机构或可锁定线轴。棘轮机构或线轴被连接至鲍登缆索的一端(例如，在缆索的髋安装有棘轮机构的顶部处)，鲍登缆索的另一端通过使用用于提供可释放的紧固的互作用元件(例如，棘爪元件和棘齿元件)被连接至软机器护甲上的两个位置，以减小它们之间的距离。穿戴者还可通过旋转被缆索缠绕的中心轮毂来推进棘轮机构或可使用螺旋机构来张紧软机器护甲(螺旋机构在那时被锁定至最终位置)。可通过推压按钮来释放棘轮机构的互作用元件(例如，使杆移动远离棘轮轮齿)来释放张力。可通过软机器护甲穿戴者来手动地转动棘轮机构或线轴，或通过致动器(例如，齿轮电机)来转动棘轮机构或线轴(以进行张紧或松弛)。即使软机器护甲没有作为辅助系统被驱动，但是软机器护甲仍能够以张紧的模式被穿戴。在各种构造中，棘轮机构可位于穿戴者的腰部或髋部处(以便于在行走或奔跑的同时进行调整)、脚踝附近，或可能位于穿戴者的躯干上或躯干周围的其它地方。
根据一些实施例，用于张紧软机器护甲的机构可包括螺杆元件。在一个方面中，滑架元件被连接至鲍登缆索的端部并被构造成借助于其中布置有螺杆元件的螺纹部上下移动。支撑结构将滑架元件保持在相对于缆索护套的适当的位置上，且螺杆的顶部被暴露给用户以允许旋转螺杆。螺杆的旋转使滑架和连接的鲍登缆索端部进行直线运动，从而分别增加或降低软机器护甲中的张力。设置有锁定元件以使设定发生松弛的可能性最小化。在一个方面中，螺杆可在小型电机或其它致动器的控制下转动螺纹，在这种情况下，将不需要锁定元件。
如前所述，可选择地，当穿戴软机器护甲的用户移动时，可根据程序选择性地主动张紧(例如，缆索缩短或延长)软机器护甲。可替代地，在其它方面中，软机器护甲通过使用一个或多个致动器被自动地张紧并被保持在一个或多个设定张力(例如，固定值、固定的值的范围、用于运动的不同部分的不同值或不同的值的范围、标称平均值和标称峰值等)，这些设定张力的设定点可通过用户来进行调整。在这方面，系统被构造成感测软机器护甲中的张力，从而为用于控制张力的控制器提供适当的输入。
在所有这些机构的情况下，软机器护甲可被制造成通过释放这些张紧机构来在宽松地穿在穿戴者身上，以例如便于脱下软机器护甲。这样的张紧(松弛)装置允许用户例如在软机器护甲上的某些点之间保持第一水平的张力以及第二水平的张力(其高于或低于第一张力)。有利地，软机器护甲包括能够同时地操作的多个张紧机构。
在步态周期期间，电机246可在一定的转矩和速度的范围内操作，以实现期望的缆索142轨迹。由于更高的电机效率发生在高速度和低转矩下，所以本发明的一些实施例能够选择包括具有滑轮和变速箱的电机的组合，该组合使电机在步态周期期间以尽可能地接近最大效率的方式保持操作。
根据一些实施例，Maxon EC-4pole 30具有15900 RPM的标称持续速度。然而，对于此实施例，电机受到编码器的最大速度(12000RPM)限制。替代编码器(MR，类型 ML，500CPT，3信道，线驱动器Maxon#225778)可用于致动器系统中，这将增加最大电机速度。
根据本发明的一些实施例，用于此系统的越好的电机针对越高的转矩具有越低的持续速度。更低的操作速度会减小变速箱中的必要阶段的数量并会导致更高的总效率。
根据本发明的一些实施例，滑轮225和变速箱249将电机的快速旋转转换成由滑轮225驱动的缆索142的延长和缩短。滑轮225和变速箱249一起确定针对给定的负载状态的最大缆索行程和最大缆索速度。可通过从满足生物力学和机器护甲刚度的需求所要求的最小缆索行程和最大缆索速度逆向地作业来确定滑轮225直径和齿轮减速。辅助的总量由这两个限值以及功率预算驱动。
根据本发明的一些实施例，滑轮225可以是单缠绕设计，而在其它实施例中，滑轮可以是多缠绕设计。在单缠绕设计的情况下，滑轮225的周长不能小于缆索行程距离。根据一些实施例，缆索行程是基于软机器护甲100的结构以及用户的行走的生物力学。根据一些实施例，缆索行程可包括三个长度：缆索拉动长度、机器护甲张紧长度和用于防止触底的安全裕度。根据一些实施例，缆索行程由于设计参数的不确定性和用户可变性而被赋予了更大的安全长度。高度范围为5'8"至6'5"的参与者从软机器护甲和之前的致动器系统中测量缆索拉动长度和缆索张紧长度。三个长度和计算的滑轮直径可见于表1。
表1
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根据本发明的一些实施例，单缠绕滑轮的使用导致了340°(0.94转)的可用角度。选择的大约70mm的滑轮直径提供了适当的缆索长度。通常，更大的滑轮和更大的弯曲半径提供更少的磨损和降低的缆索应力，而更小的滑轮或轴可提供高得多的传动比。
根据本发明的一些实施例，变速箱249被选择为满足在辅助脚踝时缆索拉动和释放期间所需的最大速度。如图11所见，用于最大辅助情况的缆索位移可被视为在周期的主动部分中操作的三角形。领先的线是以厘米为单位的命令电机位置信号且下面的线是如由CME-2电机控制器软件范围测量的最终电机位置。正位移对应于缆索的回缩且信号命令与电机位置之间的延迟源于电机控制器的加速度限制。
如表2所见，其示出了根据本发明的至少一些方面的齿轮减速计算，可以发现，对于给定的滑轮直径(70mm)和最大电机速度，可以求出最大缆索速度为37cm/sec。从该最大缆索速度可以求出，必要的齿轮减速比为107:1且选择了具有111:1的减速比的变速箱。
表2
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期望电机在它的速度-转矩曲线内进行操作且在高速拉动期间施加的力不超出电机的限值，以保持电机的寿命。
根据本发明的一些实施例，使用包括在不能伸展的护套内部平移的不能伸展的缆索的鲍登缆索。鲍登缆索142将力从致动器单元200传递至脚踝(经由传递至鞋连接元件130的力)。鲍登缆索护套144被连接至软机器护甲和致动器单元200且缆索142被锚固至鞋连接元件130。织带和或缆索被可选择地穿过软机器护甲的织物中的导件延伸。
根据本发明的至少一些实施例，缆索中的当前系统张力被输入至控制系统，以用于数据记录和在行走之前软机器护甲的预张紧。对缆索中的张力的感测还可用于步态控制算法。滑轮模块224的测力传感器234可被安装至小型惰轮，该小型惰轮在缆索从箱体外部到达滑轮时使缆索偏斜小的角度。通常，使缆索偏斜所需的力随着缆索中的张力而线性地增大。
根据本发明的一些实施例，B&L Engineering脚踏开关被安装在用户的鞋中并提供了使一个或多个特定操作重量范围内的用户能够进行激活的灵敏度范围。当未被按压时，脚踏开关具有数百兆欧姆的标称电阻，这产生了有效的闭合电路。电阻在足跟着地(大约300磅的力)期间下降至14Ω，该值远低于将PC/104数字引脚拉低的909Ω的上拉电阻(与10kΩ并联的1kΩ)。以与10kΩ电阻器并联的方式增加1kΩ电阻器，以使过渡运动期间(例如，当足跟着地时和当足跟上抬时)的开/关触发最小化。
如在软机器护甲的经测试的构造中所配置地，使用了具有1.6GHz英特尔Atom处理器的Diamond Systems Aurora PC/104计算机250，该计算机内置具有4GB SSD硬盘的实时内核的MS-DOS。MS-DOS安装可被构造成构建xPC目标(其可在启动时二进制地执行)。xPC目标应用等待来自主机的连接，接收来自主机上的MATLAB/Simulink的编译后的程序并执行该程序。Aurora PC/104可与Diamond Systems MM-32DX-AT I/O扩充卡配对，以提供可指定作为输入或输出的32个模拟输入、4个模拟输出和24个数字引脚。根据本发明的一些实施例，PC/104的xPC目标组合提供了有效量的处理能力和灵活性。PC/104具有每秒浮点计算次数为48.2且RAM为2GB的台式机CPU，且控制算法可被开发以用于本发明而不用担心速度或内存。小尺寸和低功耗使PC/104适于在便携式系统中使用。根据本发明的一些实施例，Copley Controls Accelnet Panel ACP电机控制器是能够进行速度控制和位置控制的高性能控制器。它具有许多指令输入(RS232串行、CAN、PWM和模拟电压)。Copley Controls软件允许基本的自动调谐和控制器增益的计算。
根据本发明的一些实施例，Futek CSG110被用作全桥应变仪的通用放大器。FutekCSG110具有用于设定激发电压和mV/V传感器范围的DIP开关以及用于对输出至每个特定测力传感器的直流电压的零点和跨度进行校准的旋转电位器。Futek CSG110放大器使测力传感器能够与PC/104连接。
根据本发明的一些实施例，五个电池用于为此系统供电。四个格氏ACE 5000mAh14.8V 4S1P 40C锂聚合物电池用于为电机控制器、电机和两对驱动箱(每一个肢体一个驱动箱)供电。为了为电机控制器提供29.6V的直流电，每对电池串联地连接。第五个电池是用于为PC/104计算机、两个Futek放大器、滑轮模块LED以及每个驱动箱中的冷却风扇供电的格氏ACE 4000mAh 14.8V 2S1P 25C锂聚合物电池。PC/104电池可与电机控制器电池对以及系统中的每个部件共用相同的接地。根据本发明的一些的实施例的电池可以是系统的附件。这些电池可被容纳在具有连接至少2个能够载送超过200W电力的电连接器叶片的端子连接器的壳体内。这些叶片可与电机壳体内部的配合连接器连接，以形成能够为电机供电的功率连接。电池壳体和电机壳体可具有用于紧固壳体的诸如插销等配合保持特征，以形成了快速释放的可互换系统。
选择锂聚合物电池是因为它们在此应用中提供可接受的性能。锂离子聚合物化学结构提供了一个最高的能量储存与重量比并且比锂离子更具鲁棒性和安全性。在本发明的其它实施例中，软机器护甲可包括能量收集元件(例如，从太阳、风、自然身体运动、体热、振动、与充电站电感耦合以及有线Li电池充电端口等)，以减小为护甲供电所需的整体电池尺寸。
根据本发明的一些实施例，控制方案可包括基于来自传感器的输入决定如何移动电机的过程。可在运行在PC/104嵌入式计算机上的编码中执行该控制方案。根据一些实施例，控制方案可被写入到Simulink模块和MATLAB编码中。用于MM-32DX-AT模拟扩充板的Simulink模块可处理输入和输出(例如，I/O)。一个Simulink模块可用于读取所有传感器的值且另一Simulink模块可用于将位置值发送至电机控制器。额外的Simulink模块可用于捕捉数据并将它保存至PC/104的磁盘或将它发送至主机以进行保存或调试。可通过嵌入到Simulink模块中的MATLAB脚本来实现大量处理。此MATLAB脚本可使用脚踏开关状态、用户界面按钮和当前时间步来计算期望的电机位置。根据本发明的一些实施例，Simulink模块图可在PC/104上以0.001秒(1毫秒)的固定时间步运行。
根据本发明的一些实施例，可从在运行时间之前所产生的梯形轨迹中计算出每条腿的电机246输出。此轨迹具有单位宽度以及与期望的驱动水平相对应的可变峰高(例如，具有4cm振幅的脉冲和具有6cm振幅的脉冲)。可从多个足跟着地之间的时序来计算用户的步态的韵律。具体地，可针对预定数量的脚步(例如，前20步)记录步态期间，并取平均值。二十步移动平均值对于低通滤波器而言是足够的。此平均步态期间可用于对经过各条腿的一整个步态周期的梯形轨迹进行标量。可独立地处理每条腿且可独立地计算每条腿的波形。在一些实施例中，可同时处理两条腿且相同的计算波形可用于每条腿。
当足跟着地时，控制方案能够使用查找表来产生需要的电机拉力。步态周期(GC)的0-40％的平坦轨迹用作延迟，当脚站在地面上且用户的髋部枢转到脚上方的位置时保持软机器护甲松弛。从40％处开始，电机拉动缆索并在脚趾离地时在62.5％GC处将软机器护甲张紧至最大水平。在保持一段时间之后，电机松开缆索，在83％GC处降回至零，并重置以进行新的周期。
轨迹可受到电机246、变速箱249和鲍登缆索142的物理性能限制。轨迹的下降斜率受到电机的最大转换速率约束。此外，电机控制器可将电机的最大加速度限制为2500r/s2并将电机的最大速度限制为11500rpm，这使梯形轨迹的尖角变圆并使它稍微向右移位(～3％)。最后，可基于脚踝的位置相对于时间的图表(其在足跟首次接触地面时开始)产生此轨迹。此系统中所使用的脚踏开关需要很大的压力来触发，因此，直到足跟处于地面上且用户的重量已开始加载到脚上才能感测到足跟着地。这发生在标称步态周期中的2％-6％(最有可能2％-3％)之间的某处。
根据本发明的一些实施例，用户界面开关被设置在驱动箱223的外部、手持式遥控器上或经由无线装置设置，以改变控制方案工作的方式。当行走开关脱离时，控制方案能够选择性地继续运行，但在足跟着地之后不输出脉冲信号。每个张力触发器为从梯形轨迹查找到的电机位置添加或减去偏移。该偏移的大小根据张力触发器被按住多长时间而增长。
根据本发明的一些实施例，力传感器的值可以是被记录并用于调整梯形轨迹的大小而不是用于计算期望的电机位置的数据。根据本发明的一些实施例，力传感器可被包含在反馈回路中以跟踪整个步态周期中的期望的力轨迹而不是期望的电机位置。
根据本发明的一些方面，可使用直线缆索(direct line cable)来代替鲍登缆索。直线缆索可包括从致动器至动作的点的自由缆索。这将在两个端点之间产生与缆索位于同一直线上的力。根据本发明的其它方面，使用了多点缆索系统。例如，多点缆索系统可包括来自致动器200的自由缆索，该自由缆索沿着路径穿过角度转变点到达远端并将力和位移沿着它的长度传递经过包括端部在内的所述转变点中的一些或全部。缆索的端部之间的关于每个关节的力矩取决于它们相对于自由缆索的转变点的位置。与鲍登缆索(缆索被遮蔽直到退出端部)不同，缆索或织带可被构造成相对于转变点和穿戴者滑动。多点缆索和/或直线缆索可包括以下部件中的一者或多者：线材或丝绳、织带(例如，软机器护甲材料)、弹性元件(例如，橡胶)或任何其他柔性力传递元件。
根据本发明的一些实施例，基于织物的力传感器可用于测量两个点A与B之间的织物织带的线性位移。可将此线性位移测量可与编织衬底的性能(例如，弹性性能)一起结合至计算出的力测量。可沿着由点A和B形成的共线线路测量力，并在织物与其它连接器相遇的该线的端点处结束。编织织带通常提供坚固耐用的通常以缎带的形式(例如，长度、宽度和厚度)制成的织物。沿着织物的长度线性地施加力会在织物中产生拉伸(应变)。此拉伸已被测量并是相对一致的，使得施加至织物的力将导致特定的应变测量。通过使用此性能，基于织物的力传感器可基于测量应变(例如，在约0.05％-5％范围中的测量应变)来计算力。根据本发明的一些实施例，基于织物的力传感器可用于辅助控制一个或多个机器护甲致动器。与致动器位置测量和力位移曲线结合在一起的力测量可被控制系统用来检测运动并提供反馈。它还辅助确定护甲元件的正确位置(通过刚度测量)。
根据本发明的一些实施例，基于织物的力传感器能够用于记录在任何活动期间内软机器护甲元件中的力，以通过测量软机器护甲的特定区域中的力来辅助开发，以通过测量关节角度来检测损伤，以及用来检测用于控制或用于数据分析的关节角度。
根据本发明的一些实施例，可将传感器放置在软机器护甲上的各个位置处。在一个方面中，在沿着连接元件(例如，机织织物)或其它元件的长度的两点处将基于表面的传感器粘附至或连接至该连接元件或其它元件。在另一方面中，在连接元件(例如，机织织物)或其它元件的区域上的两点处将全表面传感器粘附至或连接至该连接元件或其它元件。在另一方面中，在连接元件或其他元件中形成或编织有(对于织物材料而言)口袋，且在该口袋中放置传感器(当计算力时需要使用该口袋的材料性能)。在其它方面中，传感器可被直接地构造到织带中。在其它方面中，用于承载一个或多个(任何类型)传感器元件的连接元件或其它元件是层状材料或合成材料，且将传感器内部地布置在层状或合成材料的各层之间。
根据本发明的一些实施例，可在系统中使用测量线性位移的传感器。优选地，该传感器能够测量当前织带的约0.05％-5％的范围内的应变。具有中等应变范围的传统的传感器通常包括具有0-10％的应变范围的传感器。其它传感器包括具有大的应变范围的超弹性传感器(例如，WO2013/044226A2中所披露的液态金属，在此将WO2013/044226A2中的全部内容以引用的方式并入到本文中)。可替代地，可通过如下方式来使用具有低应变范围的传统应变传感器：使连接应变传感器的区域变得非常硬，以降低织带的应变。
根据本发明的一些实施例，例如，如图15A至15B所示，可在髋关节处提供驱动以辅助运动(具体地，行走、奔跑和跳跃)。而且，由于髋关节靠近躯干，所以可将力从躯干安装式致动器或肩膀安装式致动器直接地传递至髋关节本身。可例如通过腰带或背包(如图15B所示)将致动器200附接至人体，且致动器和其它附属部件(例如，电力系统等)能够与腰带或背包靠近，或可替代地分布在后侧或前侧，或者前侧和后侧以分配系统质量。可通过如下方式来实现跨过髋部的力的施加：使用诸如缆索、织带件和丝带等在近端处被连接至致动器200的拉伸元件(例如，800)来拉动远端处的髋部。在此拉伸元件不需要护套的情况下，摩擦力将非常低且因此系统的效率高。髋关节靠近躯干的一个益处在于容易实现软机器护甲的穿戴和脱下。致动器位于用户的衣服的顶部的背包或腰包结构上，且拉伸元件能够保持在身体外部并通过使用也位于衣服外部的支撑件而被紧固至大腿，并因而提供了易于连接至大腿并从大腿移除的型面高度低矮的装置。
根据本发明的至少一些方面的软机器护甲100包括致动器单元，该致动器单元具有从它延伸并连接至髋部的一定长度的织带、套带、缆索或其它施加张力的装置800(在下文中被称为“带状件”)。在操作中，致动器200能够缩回带状件以产生使髋部伸展的力并且延长带状件以使带状件松弛。
当致动器200缩回带状件时，由于带状件的角度的变化，如果髋部发生屈曲带状件将趋向于推压臀区域。为防止由此构造引起的不适，几个解决方案是可能的。一个解决方案是如上图中的左边和中心所示，使带状件在致动器端部处在一定程度上从身体偏移。这将增大在带状件推压臀肌之前能够到达的髋角。另一选择是设置宽的带状件(例如，2")，以使穿戴者上的压力最小化。还可将低摩擦材料穿戴在臀区域上，以减小摩擦并增加靠着身体移动的带状件的舒适度。还可在带状件的大的长度上使用护套，即，可使用鲍登缆索，以保护身体免受带状件的运动的影响。减小身体上的压力的替代手段是使带状件的在大腿连接件处的远端偏移。这可以通过使用连接至大腿支撑件的刚性或半刚性部件来实现，所述刚性或半刚性部件可向后延伸成为“马刺(spur)”，以使带状件连接点从大腿偏移。例如，在髋部连接系统的一个实施例中，可通过在使用位于前面的Velcro将一件织物固定在大腿周围。致动器可使用2"宽的带状件连接至此大腿支撑件，且可将此带状件的顶部向上拉动。大腿支撑件由于大腿的圆锥形的形状而被限制无法沿用户的腿向上移动。同样由于该圆锥形的形状，这样的形状无法防止大腿支撑件向下移动，且所以如果在带状件上没有将它向上拉动的张力，则它可具有滑下腿部的趋势。可通过将大腿支撑件连接至腰带的其它元件或通过其它手段来向上支承大腿支撑件。
在一些方面中，致动器200柔性传动元件(例如，带状件、织带、缆索和皮带等)向下延伸到用户的臀区域上并直接地或间接地连接至接合大腿的柔软部件(例如，大腿支撑件)。在一个方面中，刚性或半刚性马刺型件可用于产生从大腿后部的偏移。在一个示例中，半刚性元件被连接在大腿的后部处，且当力经由带状件而被施加至该半刚性元件的底部时，该半刚性元件从大腿向外弯曲，由此增加了从大腿的偏移(和力矩)。这可有助于形成当不使用时倒靠在身体上的型面高度低矮的护甲，并在需要大的力时产生更大的力矩臂。在中间力处，力矩臂可处于中间位置。分别具有不同量的刚度的很多其它元件构造可用于单个系统中，包括柔软的、柔性的、刚性的和半刚性的元件的各种布置。为了再生的目的，还可包括弹簧和其它弹性元件来作为系统的元件。
根据本发明的一个或多个实施例，致动器200包括适于响应于来自控制系统的控制信号接合并缠绕所述带状件的电机驱动型驱动滑轮。可通过使用传动装置将驱动电机连接至驱动滑轮。该传动装置能够包括将功率从驱动电机传递至驱动滑轮的正时带和定时齿轮或一组齿轮。在替代实施例中，还可使用驱动轴和一个或多个齿轮或定时滑轮来将驱动电机连接至驱动滑轮，从而以预定的速率缠绕和解绕带状件以提供运动辅助。致动器还可包括惰轮，该惰轮接合带状件并测量施加在惰轮上的力。例如，可将由一个或多个应变仪提供的力信号传输至致动器控制器，以控制带状件的驱动。还可在用户的髋部或其它关节上设置额外的传感器以检测运动并控制致动器的传感器，从而提供辅助。例如，髋部的屈曲可以是用户开始移动的指示。
根据本发明的一些实施例，如上所述，可为一条腿或两个腿设置控制系统以控制致动器并接收来自传感器的信号，以检测运动并调整致动器的力来使它们与运动相协调。
在本发明的至少一些方面中，软机器护甲100被构造成驱动多个关节。例如，由致动器200驱动的滑轮224被构造成驱动多组鲍登缆索142，以将辅助力分别提供至不同的关节(例如，脚踝和髋部)，这些关节以可操作的方式与传感器350相关联以测量关节运动学并将这种关节运动学通知给控制系统。在WO 2013/044226 A2、WO 2012/103073 A2、WO 2012/050938 A2和US 8316719 B2(它们中的每者的全部内容以引用的方式被并入到本文中)中披露了示例性的传感器。另外，本发明的任何方面还可集成其它的主动受控材料，这些材料诸如但不限于WO 2011/008934 A2或WO 2013/033669 A2(它们中的每者的全部内容以引用的方式被并入到本文中)中所披露的材料。举例来说，根据任何所披露的方面的软机器护甲可包括例如位于脚踝、膝部和髋部中的任一者或多者处(即，连接至各个对应关节的两侧)的超弹性应变传感器，以测量矢状平面上的人体生物关节转动。获得的软机器护甲重量非常轻，性价比高且易于穿戴和脱下。
在至少一些方面中，此软机器护甲是由能够跨过下肢中的关节施加力的弹性的和不能伸展的织物或材料的组合而形成的。通过使缆索或其它拉伸元件(其第一端部在关节上方被固定护甲且第二端部被固定在关节下方)收缩来产生力。如本文所述，缆索或其它拉伸元件的收缩通过软机器护甲的不能伸展的部件将力传递至各个锚固点以传送负载。如此构造，软机器护甲能够同时对多个关节作用。有利地，软机器护甲包括被构造用来测量一个或多个关节(期望地，三个关节(髋部、膝部和脚踝))的关节角度的传感器系统。应当理解的是，虽然本文中的示例具体地针对在诸如行走或奔跑等活动期间施加至用户的腿的冲量，但是本发明还包括除行走或奔跑之外的运动以及除腿之外的肢体(例如，手臂)。在至少一些实施例中，驱动箱和多滑轮为手臂运动提供辅助，例如，通过被构造用来激活1-N个滑轮(这里，N为整数)的单个驱动单元来提供多关节驱动能力，该驱动单元包括适于直接地或间接地(例如，通过一个或多个齿轮)驱动多个滑轮的单个输入(例如，轴)。对于诸如髋部屈曲和脚踝屈曲等以协同的方式操作的关节，两个滑轮可以同时活动。可经由滑轮之间的固定连接或会同时接合一个或多个滑轮的选择器来完成对两个以上滑轮的激活。
图12至14示出了根据本发明的至少一些方面的软机器护甲可以执行的控制方案的各种方面。这类控制方案是灵活的，并可根据期望适应于特定护甲和应用。举例来说，图12的软机器护甲100包括多个用于测量护甲刚度和压力的超弹性应变传感器(例如，如WO2013/044226 A2中披露的)。举例来说，这种超弹性应变传感器可以包括可拉伸的硅橡胶(例如，EcoFlex 0030,SmoothOn；PDMS,Dow Corning)片，该硅橡胶片嵌入有无毒性的共晶镓-铟(eGaln)的导电液体微通道，其中，通道的变形引起与长度的变化相对应的电阻的变化(其进而能够与关节的转动相关联)。如图所示，超弹性应变传感器被布置为跨过脚踝、膝部和髋部，以测量被监测关节的角度变化。例如，如图12所示，为了测量实时的护甲变形，可将超弹性应变传感器布置成与活动护甲的力路径平行。
经由人体运动模式检测算法或查找表，控制系统能够使关节的感测到的运动(例如，只关注角度的绝对变化以及关注角度的关于时间、速度和/或加速度等的变化)与诸如水平表面上的行走、上坡行走、下坡行走、水平表面上的奔跑、上坡奔跑、下坡奔跑、上楼梯、下楼梯、蹲伏、爬行、跳跃、跛行和单肢体着地等多个预定活动中的一者相关联。基于此运动数据，控制系统可(1)将数据存储在本地物理存储媒介上，(2)经由机载通信系统将数据无线地传输至另一本地装置或远程装置，(3)通过有线连接(例如，通信电缆)将数据传输至另一本地装置或远程装置，经由机载通信系统的装置和/或(4)使用数据来提供实时的力辅助控制，以使护甲完美地适应穿戴者的活动状态和环境。例如，如果软机器护甲测量关节变形位于基于舒适度(例如，用户偏好)和/或护甲机械能力考虑因素而界定的阀值之上，那么控制系统可被构造成自动地降低辅助水平直到这些变形再次处于期望的操作区域内。此外，软机器护甲可被用来与主动的穿戴式外骨骼结合在一起。在这类实施例中，可无线地或通过有线连接将测量数据传输至外骨骼的控制器，从而使外骨骼适应辅助的水平。此外，柔软超弹性传感器可用于测量与穿戴者与软机器护甲之间的界面的任何点有关的压力，其能够用于基于舒适度考量的辅助水平的在线自适应。
如果力传感器(例如，内嵌式传感器)用于测量缆索中的张力，那么软机器护甲可使用额外的控制方案。软机器护甲由于行走的生物力学而被动地产生张力。对于给定的腿，根据如何调整软机器护甲，此张力在步态周期的大约15％-35％处开始产生，并在腿蹬离地面时升高。此升高的力可用作控制系统的输入，其给出了关于应当何时和/或如何(例如，力曲线和力时序等)驱动软机器护甲的信息。
来自此信息的一个控制方案包含首先将护甲张紧至如下程度：在水平地面行走期间，峰值力处于某一阀值大小(例如，Fpeak)。一旦以此方式预张紧护甲，则缆索上的力被监测并可用于预测用户处于或将要处于步态周期中的何处(这是由于缆索上的力可预见地与在步态周期的相同点处的阀值相交)。关于此，图18示出了描述了步态周期期间的软机器护甲100的驱动时序以及如下两个状况下的相对应的护甲力的曲线图：当护甲被张紧时800和当护甲被驱动时810。张紧曲线图800意味着护甲已被设定至某长度，且随后该长度在整个步态周期中保持固定。驱动曲线图810意味着护甲中的张力通过护甲与鲍登缆索等一起在脚踝处被拉动而发生变化。在曲线图800中，护甲中的张力由于关节的不同运动(如同在图18中)而在整个步态周期中发生变化。对于驱动情况810，图19示出了缆索位置和护甲力的相对时序并更具体地示出了描述了在步态周期(作为步态周期的百分比)期间的软机器护甲的驱动时序以及与缆索位置(曲线图820)相关的相对应的护甲力(曲线图830)的曲线图。
在图18的曲线图中，张紧的力在行走周期中的40％处越过50N，这在很多脚步中是可重复的。此力在驱动开始每一周期之前产生，且因此，无论缆索被驱动还是未被驱动，都可获得该信息。因此，对于图18的控制系统测量驱动缆索中的接近(或选择性地等于或超过)阀值力Fthresh的力的示例而言，控制系统能够利用步态周期中穿戴者的位置的该信息来采取一个或多个动作(例如，立即驱动或在延迟后驱动)。例如，控制器可通过如下方式来估算人的步态期间：关注在两个连续的脚步上或几个连续的脚步上力越过阀值的时刻之间经过的时间，然后取平均值。
另外，从关于阀值缆索力大小和/或表示越过阀值力大小的标记的此信息中，控制器还知道那时人处于他们的步态中的什么位置。例如，控制器可被设定为在步态周期中的40％处开始缆索上的位置控制拉动。在此情况下，无论何时控制器检测到力越过对应于步态周期中的40％的阀值，则控制器可立即开始拉动。或者，如果假定控制器在步态周期中的43％处开始位置控制拉动，那么控制器会使用步态周期来计算步态周期中的40％与步态周期中的43％之间的延迟，并在一经过该计算延迟后就预测性地开始拉动。
另外，为了更精确地评估人处于他们的步态周期中的什么位置，控制器还可随时间监测张力并观察张力越过不同的力阀值的几个点。通常，力相对于时间的图案将根据人的行走速度而发生变化。力-时间曲线的斜率还可用于估算人的行走速度(或步态期间)。由于峰值张力也是人的行走速度的函数(张力随着行走速度增大而减小)，所以该斜率还将用于预测人处于步态周期中的什么位置。概括而言，控制器可被构造进行如下估算：(在步态中的当前％，步态周期)＝f(缆索力(t)，缆索力(t-l)，…，缆索力(t-N))。
这里，f()是函数且N是用于随时间跟踪缆索力的样本的数量。根据力传感器的采样速率，N可以小到1(使用两个样本来估算斜率)或大到100-1000。为了较好地估算斜率，应当针对步态周期的大约5％-10％的时段检查力。换言之，如果我们的步态周期是1秒，那么为了估算斜率，控制器应当使用从当前时间向后0.05秒或在当前时间之前0.1秒的样本。
另外，代替利用位置曲线(步态的％)来拉动(和释放)一条缆索(例如，鲍登缆索142)或多条缆索(例如，用于多关节驱动型软机器护甲)，还存在其它控制选择。电机可以以某些规定速度拉动直到达到某一峰值力为止。电机还可拉动使得脚踝处的力跟随某规定的力轨迹。电机还可以以某些规定速度拉动直到它检测到力由于行走的生物力学而下降为止。类似于软机器护甲和缆索中的张力如何由于行走的生物力学而在步态周期中的15％-35％处增大并且软机器护甲改变长度，软机器护甲和缆索中的张力也将由于身体的构造而在步态周期中的大约60％-65％处减小，这使软机器护甲松弛。具体地，即使缆索被保持在固定长度或正被电机以适度或缓慢的速率拉动(并缩短长度)，在步态周期的大约60％-65％处抬起的脚踝以及弯曲的膝部也使软机器护甲变得松弛。这种由于生物力学而引起的力的减小能够被用作当缆索应当被释放并再次被放出时的触发器。在那时，缆索应当以某些规定速度释放或跟随某力轨迹返回至标称张紧点。
通常，可通过跟随力轨迹、位置轨迹、速度轨迹、这些轨迹中的一些组合或一些其它方案来完成张紧和释放缆索的过程。
如上所述，使用穿戴式应变传感器(例如，包括液态金属导体的超弹性应变传感器以及与不导电的可伸缩织物一体形成的导电纤维等)或其它类型的传感器(例如，惯性系统以及从连接在不同肢体部位的多个陀螺仪/加速计测量的角速度等)对人体生物学关节角度进行的实时测量可用于通知软机器护甲和/或辅助外骨骼的控制系统何时执行日常任务或场地任务(例如，如图13所示)。一旦针对穿戴者或针对与穿戴者类似的群体(例如，结构上类似)建立了合适的基线，由这些应变传感器(或提供位置数据或它的派生物的其它传感器)提供的信息就可用于对诸如行走、上楼或下楼、斜坡行走、蹲伏、爬行、停止和跳跃等人体运动进行分类。当人在现实生活应用中(即，离开实验室)穿戴可穿戴式外骨骼或辅助装置时，对人体运动的实时分析是非常重要的。进行这些不同的运动所需的辅助完全不同，且对行走效果很好的策略在用户执行相同任务的变型形式(斜坡行走)或执行其它运动时将不对用户有益或甚至可能破坏用户的运动。根据本发明的至少一些方面，集成到软机器护甲中的传感器(例如，应变传感器、压力传感器、陀螺传感器和加速计等)用于测量一个或多个关节转动或肢体运动(例如，髋部、膝部和/或脚踝的转动)，或用于允许一个或多个关节转动或肢体运动的测量，且将此信息与针对软机器护甲的穿戴者的参考数据(例如，穿戴者基线数据)或针对具有类似特性的群体的参考数据(例如，查找表和算法等)进行比较，以确定运动的运动学和/或其他特性。然后，被确定的运动被软机器护甲控制系统用来影响机载系统(例如，针对单个关节类型的驱动时间和/或大小，以及针对多个关节类型的驱动时间和/或大小等)，或用于与本地或远程外部系统(例如，穿戴的外骨骼)通信和/或影响本地或远程外部系统。因此，获得的人体运动的分类可用于定义实时地更新的状态机，以告知控制系统穿戴者正在进行什么运动。
另外，当多套软机器护甲被部署到多个用户(例如，一小队士兵)中时，来自多套软机器护甲的运动数据被实时地传达至一个或多个本地或远程外部系统，且这些运动数据总体地被分析(单一地或与诸如每个穿戴者的位置数据、呼吸和心律等其它测量数据结合)，以确定团体的运动以及这类运动的特性，推断与预期值发生偏差的原因并开始矫正的动作或接入被认为适合对这样的运动特性作出响应的其它本地或远程系统。举例来说，如果期望一小队士兵沿着道路行走，而士兵的GPS数据显示士兵正向道路的相反侧移动，那么GPS数据自己无法表明士兵是正在沟渠中隐蔽还是仅使车辆通过。然而，如果将相同的GPS数据与显示每个士兵在快速移动并伴随假定俯卧或半俯卧姿势的信息结合在一起，那么实时发送至远程控制系统的这种信息就可自动地发出小队可能已与敌人交火的警报并且附近有价值目标的数据可被自动地发送至远程或现场的合适的决策者。因此，软机器护甲传感器数据不仅可被软机器护甲控制系统使用，而且可被外部(司令部和)控制系统使用，其可用作来自单个信道(例如，一套软机器护甲)或多个信道(例如，多套软机器护甲)的控制输入数据。
根据传感器数据的上述使用，这种传感器数据还可用于向软机器护甲控制系统提供诸如步态相位、速度和大小等关于用户的步态的信息。这些参数将使在行走期间通过致动器200被传递至用户生物关节的力曲线能够被实时地调整，这导致了辅助的效率提高。举例来说，传感器数据的这种使用能够允许去除诸如上述脚踏开关传感器等不必要的其它传感器。
图14示出了一个适于基于检测到的软机器护甲穿戴者运动来改变软机器护甲辅助的示例性的改进的控制结构的示例。由于在进行不同运动时每个关节所需的辅助力完全不同，所以控制系统应当被构造成在不同的被考虑的活动期间向用户提供适当的辅助力。在图14中，人体运动模式识别算法输出(例如，如上面关于图12至13所一般性地说明的)通知控制系统来确定将要传递给用户的参考轨迹力。当进行诸如倾斜的地形中的行走、奔跑等不同的运动时，人类适应了他们的肢体的生物阻抗。假如内部位置控制回路对动态和摩擦部件进行补偿，那么使用作为输入(FRef)的力来执行基于位置的准入控制(admittancecontrol)就能够限定在驱动期间被用户感觉到的虚拟阻抗(惯性、阻尼和刚度)(Fsuit)。因此，如图14所示，机载软机器护甲传感器的使用允许将感测的运动与准入控制结构结合起来使用，以使软机器护甲适应于基于用户的运动与用户一起活动，这提供了更自然和高效的驱动。人体运动模式识别将用于改变主动外骨骼的辅助力并改变传递给用户的虚拟阻抗。
返回至软机器护甲100，并具体地返回至用于在正常行走和上坡/下坡行走期间辅助髋部伸展而建立的系统(例如，参见图15A至15B的软机器护甲)，图16示出了在水平行走期间的髋关节转矩，其中，软机器护甲在步态周期的约0％至约25％之间进行驱动，在步态周期的约25％至约75％之间不进行驱动并在步态周期的约75％至约100％之间再次进行驱动。正转矩对应于髋部伸展(曲线的与驱动相关的部分)，而负转矩对应于髋部屈曲(曲线的与不驱动相关的部分)。两种控制方案有助于提供这样的辅助、基于位置的控制以及力基和准入控制。
对于基于位置的控制，在正常步态期间，髋部伸展在足跟着地发生之前开始。基于位置的控制方案需要将这类特性纳入考虑。为了获得关于正常步态期间的脚步频率的信息，使用脚踏开关来检测足跟着地。通过从最近的足跟着地的时间减去前一个足跟着地的时间来测量出一个脚步的时间。然后，将此信息存储在缓冲器中，因此，该缓冲器包含脚步频率。在对保存在缓冲器中的脚步数据或从该脚步数据中推导出的数据取平均值的情况下，可通过将最近的足跟着地事件加上该特定时间来预测下一个足跟着地。为了使位置控制器适应于不同速度，对固定轨迹进行时间缩放，这意味着轨迹的峰值不会发生变化，而电机到达该最大值的时间则能够根据测量出的脚步频率发生变化。
图17示出了描绘出力曲线、电机位置和脚踏开关信号的曲线的在平坦地面行走期间的记录数据的提取部分。从曲线705中可以看出，电机在发生足跟着地(如曲线710所示)之前开始旋转。通过回放被缩放的电机轨迹，如曲线715所示，产生了相对应的力。应当注意的是，该力是缆索中的力而不是实际的髋部力矩。这种基于位置的控制的主要缺点在于系统需要至少被轻微地张紧以允许轨迹被回放以施加期望的力。否则，系统将主要地卷绕松弛的缆索，这导致低的作用力。
对于力基和准入控制，力基控制可有利地用于跟踪髋部运动。通过使缆索中一直具有轻微的(<5N)张力，控制器能够跟踪髋部运动，这消除了基于位置的控制器的主要缺点。由于基于位置的控制对施加的力矩以及辅助用户都显示出了良好的效果，所以选择准入控制作为系统的改进控制器。电机仍然是基于位置控制的，这形成了内部控制环路形状。通过开发出高效的位置控制器，可以忽略像惯性和摩擦力一样的物理系统性质。通过增加外部准入控制环路，系统表现能够相应地被模拟并成形为物理系统。控制器设定点、期望值和误差现均是该特定情况下的力。
为了跟踪髋部伸展的正确的转矩曲线(参见图16)，脚踏开关首先用于同步控制器。完全相同的原理用于位置控制器。通过使用准入控制器对髋部运动进行跟踪使系统在没有脚踏开关的情况下也能够工作。脚踏开关可仅提供足跟着地发生的时间。可通过读取电机编码器和标记伸展变为屈曲的点来获得类似的信息。通过了解该特定点，相同的原理可用于使用脚踏开关。如上所述，电机编码器信号被用于估算髋部角度。尽管并不需要知道准确的角度，因为使控制器与步态同步所仅需的信息是伸展与屈曲之间的变化。
鉴于至少上面情况，下面参考图20A至34B对用于优化在进行不同活动时传递给人体生物关节的功率的各种非限制性控制策略进行讨论。
通过人体对象试验，发明人已经对关于由软机器护甲致动器传递至穿戴者的功率的不同辅助策略的性能进行评估。传统上，辅助策略是预先确定的，且作为步态百分比的函数，仅需要进行适应，所以它们被调节至特定步态速度和韵律。虽然这保证了一定程度的适应性，但是它并不确保正功率从装置到穿戴者的最佳传递。
事实上，这类方法没有考虑生理学的脚步与脚步之间的可变性，并且由于不精确的时序可能导致更少的正功率被传递至穿戴者并且导致由生物学结构吸收的负功率降低。
在根据本发明的软机器护甲控制系统的至少一些方面中，通过一个或多个传感器来测量关节角速度和加速度。软机器护甲控制系统实时地估算何时作用力将导致对穿戴者的生物关节的正功率将增加，并使用此信息来触发必要的力的施加和根据需要修改命令的力曲线。该在线计算确保了在步态周期期间的正确时刻仅传递正功率。它还确保了完全地考虑了脚步与脚步之间的可变性。
图20A示出了利用连接至用户的鞋(例如，如图所示，连接至靴子)的陀螺仪的控制系统的示例。图20B示出了作为步态(％)的函数的陀螺仪速度(V)的曲线图。来自陀螺仪的输出信号被控制系统用来估算肢体的角速度并用来确定关节速度何时是正的。当关节速度被确定为正的或处于控制系统预测关节速度将为正的时间点处时，控制系统命令软机器护甲致动器200开始将正向力传递至关节(这将导致传递至关节的功率增加)。
由于当在不同负载下(例如，如图2B所示，在背包中携带不同的重量)传递驱动时人体行走运动学和动力学因用户的不同而略有变化，所以发明人旨在基于实时的功率估算来确定最佳辅助路线，以提供更适合于各种不同对象、活动和操作条件的最终系统和方法。
图21A至21B示出了用于图20A中所示的陀螺仪实施例以及图20B中一般性表示的陀螺仪数据的功率计算。虚黑线900表示当软机器护甲100的穿戴者在没有来自软机器护甲的辅助的情况下行走时由生物关节吸收/产生的功率。线910表示当软机器护甲的穿戴者在来自软机器护甲的辅助下行走时由生物关节和主动软机器护甲的组合吸收/产生的功率。线920表示在辅助下由生物关节吸收/产生的功率，且线930表示由主动软机器护甲传递至关节的功率。
如图21A所示，驱动轨迹导致与正常行走(松弛前期)相比由生物关节吸收的负功率(主动脚踝功率)下降，因而降低了生物结构的效率。如图21B所示，更优化的驱动轨迹导致与正常行走(松弛前期)相比负能量部分(主动脚踝功率)得到保存且行走时所需的正功率降低。总的来说，由于图21B中所描绘的第二驱动轨迹降低了用于一个步态周期的总能量消耗，所以第二驱动轨迹更优。
与常规的刚性外骨骼不同，软机器护甲是柔韧的并在穿戴者进行一个或多个活动(例如，行走)时有可能随时间发生变形或移动。由于来源于位置控制器的辅助曲线将随时间和针对不同运动而被相应地修改，所以当通过使用位置控制方案来控制软机器护甲时会出现问题。通过监测力曲线的关键特征(其包括峰值力和在驱动之前被动地产生的力)，能够对辅助位置曲线进行自动地调整以保持力随时间和针对不同运动均一致。图22A示出了期望30N的目标预张力的示例，其中200N的峰值缆索力将被施加至足跟。线940表示软机器护甲相对于穿戴者的初始位置且线960表示用于软机器护甲的初始位置的初始力。刚好在步态周期的约40％之前开始施加初始力。通过来自对人体-护甲相互作用力(图22B)的持续监测的反馈，通过增大基线位置和它的峰值(线950)来修改轨迹。线970表示在软机器护甲相对于穿戴者的修改的或最终位置上的用于软机器护甲的位置的最终力。从初始力(线960)向上到最终力(线970)的箭头表示根据图22B中所表示的控制方案为了顾及软机器护甲的差异运动而从初始力到最终力的作用力的修改。刚好在步态周期的约20％之后开始施加最终力。有利地，还可基于对软机器护甲的穿戴者的不同运动(行走和跳跃等)的检测来修改辅助曲线。
图23A至23B示出了与利用来自软机器护甲集成陀螺仪(例如，如图20A所示)的信息的软机器护甲力基位置控制有关的曲线。通过使用陀螺仪测量关节角速度，控制系统能够实时地估算何时作用力(例如，如图2A所示，施加至鞋连接元件130的作用力)将导致传递至穿戴者的生物关节的正功率增大，并使用此信息来进行触发和修改命令的力曲线的形状。如图21A至21B所示，如果更早地施加轨迹，那么这将意味着由生物结构吸收的负功率减小。
为了辅助脚踝，可以实施由陀螺仪信号触发的力基位置控制。控制系统将预张紧力施加至软机器护甲100，以利用护甲的被动性能。图23A示出了具有150N期望峰值力的人体对象测试实验期间的一个标准偏差内的平均脚踝驱动曲线。在所示控制系统中，控制系统被设定成在步态周期的36％处达到25N预张力，护甲张力适于在步态周期的47％处开始的脚踝辅助力之前缓慢地增大，以促进护甲结构和行走运动学。在步态周期的47％处，致动器200输出在步态周期的大约56％处达到150N的期望峰值力(在此示例中)所需的力轨迹，为了避免在摆动阶段期间妨碍肢体的运动，力轨迹相对快速地在步态周期的65％处返回至预张力位置。
在图23A至23B的控制系统中，陀螺仪(例如，经由鲍登缆索142)控制致动器对作为目标的肢体和关节(例如，脚踝力矩)的拉动的时序。在脚踝驱动的示例中，为实现纯的正功率，根据算法的拉动应当随着能够被连接至软机器护甲的穿戴者的足跟上的陀螺仪检测的脚踝跖屈运动而开始。此算法的优点可见于图23B的功率比曲线图，其中，关于此驱动策略，踝关节(曲线1000)的被传递的功率(瓦特)几乎是纯的正功率。图23B示出了缆索上的由机器护甲产生的功率(“总功率”)。此功率的一部分被传递至关节(“被传递的功率”)且一部分去往或来自护甲(“护甲功率”)。可以看出，被传递至脚踝的功率(“被传递的功率”)在整个步态周期中几乎总是正的，并不会通过吸收负功率而负面地影响步态。
图24A至24B示出了在没有脚步延迟的情况下将同步辅助传递至步态的控制方法(零脚步延迟控制)。通常辅助运动的可穿戴式系统通过测量足跟着地来测定他们的控制算法的时间。因此，为了计算当前脚步内的行走时的步态％，他们需要最近的3-5个脚步的平均脚步。当在需要用户改变速度和/或步态和/或活动(例如，斜坡行走、跳跃和蹲伏等)的粗糙或不平坦的地形中行走时，这一事实使不同运动之间的转换变得困难(即，不平滑)。
通过利用本文中所披露的能够被动地辅助行走的软机器护甲的独特性能，控制系统能够在没有脚步延迟的情况下将同步辅助传递至步态(零脚步延迟控制)。换言之，此零脚步延迟控制并不需要关于之前脚步的信息而能够产生辅助曲线。为了确保平滑转换，除足跟着地之外，控制器还监测被动地产生的人机相互作用力，以在单个步态周期内获得多个数据点并使用期望水平的预张力(一般从20N至50N)来触发辅助主动曲线。
在从给定腿的一次足跟着地延伸至另一次足跟着地的步态周期的约30％-60％之间，小腿肌肉和肌腱向上和向前推动身体，且髋部肌肉和韧带使腿向前摆动。最初，当身体的质心向下和向前落在支撑脚上时小腿和髋部通过伸展来吸收功率。在步态周期的大约50％之后，当肌腱和韧带发生弹性反冲时，此被吸收的功率被返回至身体。小腿中的肌肉和髋部主动地收缩，以为这被返回的功率补充额外的能量。软机器护甲100还以此方式吸收并传输功率：致动器驱动部件起初被保持在固定长度，当身体前倾时，软机器护甲材料本身伸展且护甲下的组织压缩。这在护甲中引起张力并从身体吸收功率。因此，多关节软机器护甲的独特性能在于软机器护甲仅在身体处于对于将被施加的力的正确姿势时才变得张紧。来自被动产生的人体-护甲相互作用力的信息可用于传递期望的辅助。
图24B示出了在步态周期的0％处激活的脚踏开关(在步态周期的36％处施加人体-护甲力)。如图24A所示，辅助的激活发生在步态周期的36％处，在此之前，护甲被动地增大(从步态周期的约20％)张力直到约25N的阀值。辅助曲线示出为在步态周期的36％之后开始增大，力讯速地增大，在步态周期的约54-55％处达到200N的峰值，其后迅速地下降。
计算提供辅助的步态％的公式如下：
Figure BDA0001622470620000691
作为初始考虑条件，诸如跳跃、蹲伏或爬行等运动并不产生相同的被动力，并因此不触发辅助曲线，这将系统保持处于完全透明模式，并因此不会妨碍穿戴者。
控制算法工作如下：
第一，控制系统经由足跟着地传感器或提供关于足跟着地的信息的其它传感器来检测足跟着地，并等待被动产生的力达到规定阀值(例如，25N)。第二，通过使用公式(1)来计算脚步内的步态(％)。第三，控制系统基于步态(％)来触发位置辅助曲线。第四，控制系统监测Gaitav＝36％处的预张力以及该脚步的峰值力的值。第五，控制系统对辅助位置曲线初始以及最大振幅进行矫正，以确保实现期望的力(基于位置的力控制方法)。因此，此控制方法能够通过仅仅检测足跟着地和被动力阀值事件来传递及时和同步的辅助曲线。
在多个脚步期间，可通过如下方式来更新辅助的量、预张力和预张力事件的时序：使用针对最近N个脚步的足跟着地和平均脚步时间来更新平均的步态％(Gaitav)。
因此，从两个传感器(例如，脚踏开关)提供了具有步态百分比估算和辅助触发的力基位置控制。通过使用力基位置控制对被动预张力水平和峰值力进行矫正来改变被控位置曲线。通过使用足跟着地来计算平均的步态％(Gaitav)。最大的位置曲线自适应是每步1mm，并仅在用户具有来自两个脚踏开关的正确信号序列时才会被激活，因此，当在运动之间进行转换或采取随机步伐时，这并不对获得的力产生大的影响。结果显示，此控制针对诸如避障、跳跃和急停等不同事件具有鲁棒性。
只要一个传感器读取发生在步态周期的0％之后和步态周期的36％之前，其它传感器组合就能够用于零脚步延迟控制，且护甲张力可用作第二传感器。
根据本发明的其它方面，控制系统被构造用来基于护甲压力监测提供力曲线的自动调整。举例来说，传感器可被集成到软机器护甲100中，以测量身体的对力进行支撑的一些关键区域中的位于软机器护甲和人体间的物理界面处的压力水平。软机器护甲100的控制器(例如，处理器250)实时地监测一个或多个不同区域(其包括但不限于诸如髂嵴等骨区域)中的压力，并对峰值力和/或位置曲线进行调整以将用户感觉的压力保持在规定限值(其是针对用户的舒适度而由用户可选择地设定的)内。因此，人体-软机器护甲界面的一个或多个关键区域中的实时压力测量能够被用于确保舒适度。
图25示出了根据本发明的至少一些方面的适于穿戴者的不同活动和生理状态的软机器护甲100的控制系统。在一个实施例中，图25的控制系统使用包括低水平步态辅助控制(其由低水平步态辅助1050和低水平机器护甲控制器1040代表)和高水平人体感知引擎(其由高水平活动/感知引擎1055、生理学和运动学信号处理1032以及辅助力曲线生成1034代表)的多层控制结构。低水平机器护甲控制器1040被通知有如下两个关键测量：护甲张力状态(其由图25中的(3)“护甲张力传感器网络”提供)和步态运动学(其由图25中的(2)“嵌入式柔软运动学传感器网络”提供)。护甲张力传感器网络提供被动的基于运动学的张力信息，该张力信息与脚踝和髋部处测量的张力模式结合能够进行步态子阶段的检测。这可以例如通过试图找出多个这些多个张力信号之间的关联以及步态阶段的时序的模式识别和机器学习方法来实现。有利地但不是必须地，来自图25的传感器(1)至(3)的信息与来自诸如惯性测量单元(IMU)等其它冗余传感器的数据或内底压力一起进行处理，以确保鲁棒控制(例如，针对扰动和速度变化的鲁棒性)。
多关节低水平控制策略将提供减小的参数设定，其能够被控制但不用在每个关节处进行局部地精确控制，而是将跨过所有关节一起优化控制。这将确保对每个肌肉群的辅助水平具有对于步态韵律、步长、关节角度偏移(由于斜坡行走而引起)和其它关节水平变量的鲁棒性。它将确保仅在步态的与能量相关的阶段期间及时地传递针对每个肌肉群的辅助(例如，在水平行走期间针对踝关节的向前推动以及在上坡行走期间针对髋部伸展的早期支撑)。
高水平感知引擎1055通过对来自整个身体传感器网络的数据进行分析来监测用户的生物力学和身体应力状态。通过分析信号模式，智能活动适应算法将使由低水平控制器产生的辅助动态地适应不同的步态和活动(例如，士兵在典型任务期间将经历的不同步态和活动，诸如但不限于水平行走、上坡行走、下坡行走、爬行和奔跑)。活动引擎还能够检测软机器护甲100的穿戴者是否处于过渡阶段或正在进行非步态运动(爬行和蹲伏等)(这使软机器护甲控制处于“高度警戒”模式，准备好需要时尽快地开始辅助)。因此，软机器护甲控制系统持续地监测或以高的频率监测穿戴者的运动(或相对应的无运动)的状态，以基于用户的需要使辅助的量相适应并针对穿戴者正进行的活动对辅助的量进行调整。如在图25的高水平活动/感知引擎1055中所描绘的，描绘了处于高度警戒状态(左边)、行走(中间)和下行(右边)的士兵。
此外，诸如上述超弹性传感器等用于运动学和压力感测的软传感器可被集成到软机器护甲材料(例如，织物)中，以进行上肢和/或下肢测量。可替代地，单独的与软机器护甲分离的由软机器护甲的用户穿戴的其它服装(其)可包括诸如上述超弹性传感器等用于运动学和压力感测的传感器，且这些传感器可通过适当的通信协议(例如，蓝牙等)被无线地连接至软机器护甲控制器。
在本发明的其它方面中，信号处理方法和算法用于检测软机器护甲中的运动意图并基于检测到的运动意图使辅助适应于穿戴者的身体状态。在这类方面中，将实时的生物力学、物理相互作用和生理数据输入(例如，从一个或多个传感器或一个或多个感测系统到中央控制器的硬接线和/或无线输出)至一个或多个用于确定穿戴者的意图、动作和身体状况的控制器，以确保软机器护甲一直在施加正确的辅助。
生物力学数据的示例包括但不限于身体部分的角速度(通过陀螺仪来测量)、身体部分的线加速度(通过加速度计来测量)、身体部分的角位置(通过惯性测量单元来测量)、脚触地和其它步态事件(通过脚踏开关来测量)。物理相互作用测量的示例包括但不限于缆索上的相互作用力(使用测力传感器来测量)、皮肤上的压力(使用分布式压力传感器来测量)以及剪切力。生理数据示例包括心率、皮肤导电性、EEG信号和表面肌电信号。
与依赖于单个传感器类型相比，通过整合各种传感器数据，能够获得更具鲁棒性的精确估算。如果必要，可将来自这些传感器的信息与来自诸如惯性测量单元等其它冗余传感器的数据整合到一起。此信息可被交互至控制器，以确保对每个肌肉群的辅助的类型和水平对于步态韵律、步长、水平和斜坡行走、承重以及其它关节水平变量具有鲁棒性。
已经示明，能够通过使用机器学习算法和预处理技术来检测不同人体活动和运动。有利地，对诸如行走、奔跑、蹲伏或上/下楼梯等人体运动的实时检测能够被用来通知穿戴式软机器护甲的控制器以提供在这些不同的条件和/或变化的条件下的适当的辅助。虽然之前的外骨骼设计中的大部分工作都是在实验室环境下进行的(因而将用户限制为在跑步机上行走)，但是本发明能够直接地应用于真实的开放式场景中的人类活动。来自软机器护甲的传感器的信息被输入到适于检测并响应人类运动模式的控制系统中并被其解读。
高水平感知引擎1055还能够通过对来自整个身体传感器网络的数据(例如，体温、出汗和心率等)进行分析来监测用户的生物力学和身体应力状态。通过分析信号模式，智能活动适应算法能够通知低水平控制器以使产生的辅助适应于用户可能将要进行的不同步态和活动。例如，心率的快速增加对于士兵而言可能预示着感知到的威胁，响应于此，将要求士兵奔跑(例如，朝威胁前进，奔跑到掩体后面等)。以此方式，软机器护甲100能够持续地监测(例如，士兵的)状态并且可基于穿戴者的需要使辅助的量相适应并响应于这种需要对辅助的量进行调整。
此外，软机器护甲传感器(例如，诸如图25中的运动学传感器和/或护甲张力传感器等集成传感器网络)能够实时地监测生物力学信息并将其提供给用户以为用户提供视觉和/或听觉反馈，以针对不正常或紧急情况(例如，它们的步态中的崩溃、极端物理应力或硬件故障(例如，电量不足))对用户进行警报，使得用户能够根据需要采取适当的矫正动作。此方法在软机器护甲与用户之间产生双向相互作用流，这提升了导致更多共生互动的更高感知水平。
下述的图26A至26B涉及对计算软机器护甲100、软机器护甲驱动系统和穿戴者之间的实时功率流进行计算的控制方法。可以计算由软机器护甲的驱动缆索(例如，缆索142)提供的功率以及在软机器护甲的连接点处(鞋连接器130处)的缆索的力和速度。然后，通过拉动脚踝缆索并记录多个加载和卸载循环期间的力和位移对来确定护甲刚度。实时地，可通过使用缆索的速度以及末端力(其使用测力传感器来测量)来计算功率流。
通过使用护甲中的力以及护甲-人体系列刚度模型来计算被软机器护甲吸收和返回的功率。考虑脚踝处的力，刚度模型的逆转用于计算必须由身体的压缩和护甲的拉伸所适应的长度差异。对此变量进行时间求导，并将其乘以护甲中的力，以计算护甲功率。护甲功率(其为正)对应于它从穿戴者和电机246吸收的功率。然后，由于输入至护甲的功率必定进入护甲中或进入穿戴者中且滞后损耗已经被包括在护甲功率中，所以可以通过进行输入至护甲的功率与计算的护甲功率之间的差分来计算传递至人体的功率。传递至人体或从人体传递的此功率是传递至脚踝、髋部和膝部的功率的总和。通过在穿戴者保持静止时驱动护甲并测量获得的力和电机位置来开发此方法所需的护甲刚度模型。如下所述，且如图26A至26B所示，对提供至穿戴者的功率进行估算的这种方法相当精确。
图26A示出了软机器护甲100的“脚踝护甲”版本(例如，参见图22A)的力-位移关系，而图26B示出了软机器护甲100的“髋部护甲”版本(例如，参见图15A和15B)的力-位移关系。功率计算考虑了护甲中的滞后现象。图26B示出了通过使用Vicon运动捕捉系统测量的被传递至穿戴者的功率与通过使用护甲中的力测量和软机器护甲的刚度模型估算的功率之间的比较。
通过使用护甲的刚度模型，可在现场实时地计算功率。图27A至27B示出了作为步态百分比的函数的功率(瓦特)的曲线图。图27A示出了脚踝处的总功率1100、护甲功率1110和被传递至穿戴者的功率1120的曲线图。图27B示出了计算的刚度1130的曲线，而曲线1140则示出了测量功率。因此，高水平控制器可被构造用于实时地观察功率流并使软机器护甲和/或致动器输出的一个或多个特性相适应以优化在进行不同活动时被传递至穿戴者的功率。
可基于传递至穿戴者的功率(其是从护甲刚度模型估算出的)来优化由软机器护甲100提供的辅助脉冲的形状和时序。例如，辅助脉冲可发生改变以使被传递的功率严格为正或与期望的曲线相匹配。可通过如下方式来调整辅助脉冲：以将要被传递至穿戴者的期望功率曲线开始并逆向地使用算法来生成作为时间的函数的致动器的期望位置。
当通过结合电机位移和护甲中的力对(来自其它传感器或使用基于穿戴者的高度、重量和由此产生的肢体长度的穿戴者如何行走的模型的)用户的关节角度进行估算，当穿戴者处于静止时，还能够在不进行之前的测量的情况下实时地估算软机器护甲穿戴者的系列刚度模型。
在本发明的其它方面中，软机器护甲100能够提供护甲未对准的自动检测及通知。软机器护甲100对被动地产生的相互作用力进行监测。优选地，仅仅通过由穿戴者正常行走几步来产生被动产生的相互作用力的基线，使得系统可监测该被动产生的力的动态形状。如果该力是正确的，则系统可通知用户系统已被正确地定位。如果存在额外的被动力或被动地产生的张力的形状不正确，则系统将适当地通知用户护甲没有被正确地对准，使得他或她能够重新调整可穿戴式系统的一个或多个部件的位置。基于检测的力，软机器护甲100可以选择性地进一步通知穿戴者用于调整的最可能的候选部件。
在本发明的其它方面中，例如，如图20A所示，软机器护甲100控制器通过使用(例如，安装在足跟上、安装在脚上和安装在手臂上等的)一个或多个陀螺仪来检测步态事件。可使用位于一个或多个肢体上的一个或多个部位上的陀螺仪传感器来代替脚踏开关来检测步态事件并减小系统的冗余。如图28A中所示，一组具有不同行走速度(0.67m/s、1.25m/s和1.78m/s)的陀螺仪数据被分别地收集为曲线1200、1210和1220。虽然行走速度不同，但是4th％步态事件和脚踝正功率事件检测保持相同。因此，具有时序检测的四状态状态机可被设计用于检测步态事件并测定辅助曲线的时间。
图28A至28B中所示的四个状态是(1)静止状态(IS)，非行走状态、(2)摆动前期-中期状态(IMSS)、(3)摆动末期-初期接触状态(TSICS)以及(4)站立状态(SS)。对于一个步态周期，由于电压下降至0V，所以摆动前期-中期状态是独特的。这用作状态机的从静止状态到行走状态的入口。然后，在饱和期之后，通过检测足跟，它进入摆动末期-初期接触状态。在站立状态中，一旦陀螺仪越过1.7V(其对应于脚的相对于地面框架的7.5°/s的角速度)，系统就开始辅助。而且，测量每个状态的时间，一旦各个状态经过的时间超过正常时间，状态机就被设定为返回至静止状态。此算法在改变行走速度时鲁棒性的适应。
根据本发明，控制策略还可适于辅助受损步态，其中，与之前的示例不同，控制策略无法依赖非受损穿戴者典型的生理步态的强规律性，这是由于受损步态的规律性比生理步态更差且每个患者根据病损的类型、康复治疗的进展以及由患者开展的补偿运动的类型而具有不同的步态模式。
下面详细说明的控制策略能够与任何步态模式结合在一起使用。
在与任何步态模式一起使用的第一示例性控制策略中，为受损步态提供混合控制以及自动化事件检测和理疗师的手动调整。可穿戴式机器护甲的控制器的通用结构包括两个部分：(1)用于检测步态事件的自动化算法和(2)使诸如理疗师等个体能够确定被传递的辅助的时序、类型和量的手动界面。对于第一部分，自动化算法允许对多个信号进行测量，这些信号诸如但不限于角速度(陀螺仪)、加速度(加速度计)、磁场(磁力仪)、接触式开关和应变传感器。此算法能够利用与步态事件相关的信号模式中的规律性并对这些测量进行处理以提取在步态(诸如但不限于足跟着地、脚趾离地和/或站立中期)期间发生的一些事件的时序。在一个方面中，这种步态事件的检测将一组逻辑规则用于对步态事件时序的这些测量并将它们结合，并且在另一方面中使用被训练用来检测特定事件的专家系统(例如由机器学习算法实现)。
对于第二部分，提供了手动界面，以使诸如理疗师(或穿戴者)等个人能够确定被传递的辅助的时序、类型和量。该界面可包括例如在计算机或手持式电子装置(例如，智能手机)上实施的图形用户界面(GUI)和/或诸如具有按钮、旋钮和/或开关等的手持式装置或可穿戴式输入面板等手动界面。无论以何种方式进行构造，此界面允许相对于自动地检测的事件对传递来自每个电机的辅助的时序进行调整。此界面还允许对每个致动器传递的辅助的量以及不同辅助水平之间的转换(例如，转换速率、逐渐转换和更突然的转换等)进行调整。
针对上述情况，此混合控制方案的一个可能应用是针对(例如，由中风事件、神经肌肉疾病、任何其它状况或年龄引起的)行动不便的人的步态复原和步态训练。受损步态缺乏健康步态的规律性，所以无法对不同步态事件之间的时间延迟作出假设。例如，虽然足跟着地与脚踝蹬离之间的延迟在健康步态中是规律的和可预测的，但是在受损步态中则是不可预测的和非常易变的。这种规律性和可预测性的缺失可通过这种混合结构得以补偿。算法的自动化部分能够检测在步态期间发生的一个或多个事件。手动界面允许理疗师或个人自己基于他们的观察或感觉来对辅助的相对时序进行调整。
在与任何步态模式一起使用的第二示例性控制策略中，用于受损步态的混合控制利用陀螺仪对足跟着地进行检测并且对用于跖屈和/或背屈的辅助进行手动调整。在此控制方案的一个实施例中，自动化事件检测能够检测足跟着地(例如，通过使用来自加速度计、陀螺仪、接触式开关和/或伸展传感器等的测量值)，且手动界面能够用于调整对跖屈(脚踝蹬离阶段)和/或背屈(摆动阶段)进行辅助的延迟。在此控制方案的另一实施例中，自动化事件检测能够检测发生在蹬离阶段之前的任何事件，且手动界面能够用于测定驱动跖屈的延迟的时间。在此控制方案的另一实施例中，自动化事件检测能够检测发生在脚趾离地之前的任何事件，且手动界面能够用于测定驱动背屈的延迟的时间。由于每一件事情发生在同一脚步内，所以这些在进行驱动之前的任何时间检测事件的实施例能够实现非常高程度的适应性。
在与任何步态模式一起使用的第三示例性控制策略中，用于受损步态的混合控制适于检测腿上的任何数量的步态事件并基于这些事件限定轨迹。在此实施例中，将N个传感器放置在身体上。来自这N个传感器的读数被用来检测步态期间的M个事件。在一个实施例中，诸如GUI等手动界面允许与这些事件相关地确定何时产生辅助。M个事件中的每者可用作开始、修改或停止辅助的时间参考。在另一实施例中，诸如GUI等手动界面允许确定在每一对连续事件之间产生的辅助的量和类型。在另一实施例中，手动界面逐渐地被学习并代替来自理疗师的手动输入的专家系统(自动化算法)所代替。
在与任何步态模式一起使用的第四示例性控制策略中，用于受损步态的混合控制适于检测正常腿上的步态事件，以驱动对受损腿的辅助。在图29A至29B中示出了基于检测正常腿上的步态事件以辅助受损腿的此控制算法的示例。图29A至29B示出了安装在具有受损步态的患者的两个足跟上的陀螺仪的可能的信号模式。在此算法的可能的实施例中，正常腿(图29B)的清楚的三峰值模式可用作辅助受损腿(图29A中所示)的时间参考。在此示例中，图29A至29B中的站立阶段均由阴影区域标示。通过检测正常腿(图29B)的摆动阶段期间的峰值，用户能够提取出用于总是发生在受损腿的摆动阶段之前的事件的参考。此参考可用于驱动发生在摆动阶段期间的背屈。
等同地，在其它实施例中，可将不同类型的传感器放置在正常腿上，以检测能够被用来测定对侧受损腿的时间的步态事件。
此结构还使控制器能够被构造成通过一个或多个传感器来观察健康腿的运动模式，并能够驱动受损肢体以使它能够逐渐地趋向至类似的步态模式。
图30示出了用于医学控制的软件界面，并具体地示出了用于显示由护甲上的传感器测量的实时步态参数以及实时地控制由护甲传递的辅助的曲线和时序的输入装置(数据输入字段)的图形用户界面1300。
在各种方面中，图形用户界面1300显示从护甲传感器计算的实时步态数据，以提供关于患者的步态的量化信息。该实时步态数据例如可包括但不限于站立对称性(每条腿的单腿站立的时间量)、步长、速度/韵律、膝部伸展、跖屈力、背屈度以及离地净高中的任一个或多个。此输出可以以量化或图示的方式显示，且临床医生将能够选择他们希望看到的参数。图形用户界面1300还能够显示保存的步态和使用数据以示出长期趋势，这将有助于临床医生或患者观察门诊就诊之间累积的数据。这类数据可包括关于行走速度、每天行走的距离、由护甲提供的辅助的水平和/或每天使用护甲的小时数的长期趋势。此数据还将有助于证实患者的配合度并向第三方付款人证明护甲的使用。
如图所示，GUI 1300使用户(例如，医疗提供方、患者和研究者等)能够控制由护甲提供的背屈和跖屈辅助的力和时序。该界面包括用于施加于背屈和跖屈缆索的最大力的输入。基于计算出的步态周期，研究者还输入每个力的斜升和斜降的开始和结束的时间点。有利地，安全措施被内置到界面中，或被输入至界面中(例如，通过经授权的医疗提供方)，以防止超过预设允许力或位置限值的意外输入。可在界面内修改阻抗、力和位置限值。此外，当产生新的力曲线时，将它叠加绘制在当前力曲线的顶部以强调两条曲线之间的差异。新曲线在其能够被施加至护甲之前必须得到用户的确认
在至少一些方面中，GUI 1300包含使用户能够输入在时间上与力曲线的变化同步的注释的注释窗格。这类注释可以例如详述作出特定变化的原因、哪些工作取得了成功、哪些工作不成功或在未来需要实施什么。
在至少一些方面中，能够在远离软机器护甲100的计算机或装置上访问GUI 1300，且计算机和软机器护甲100是联网的，使得输入到GUI1300中的变化被自动地包含到软机器护甲控制系统中。因此，对患者进行治疗的临床医生或对士兵进行监控的上级均可监测软机器护甲100数据并实施对控制系统的实时修改，以适应软机器护甲的穿戴者(例如，患者和士兵等)的特定需要。在临床应用中，此界面使临床医生能够在患者康复期间对软机器护甲100进行调整，以确保护甲在患者的整个恢复过程中提供适当量和时序的辅助。
除此以外，下面对人/机界面、穿戴者与软机器护甲100之间的作用力以及这种作用力对控制算法的影响一起进行讨论。
概括地，控制是这样的一种策略：通过该策略命令软机器护甲中的主动元件(例如，拉伸元件和驱动装置等)在活动期间改变它们的长度。软机器护甲100可使它的长度被软机器护甲中的主动元件改变，这些主动元件在单个脚步内提供变化或提供经过很多脚步的缓慢变化(例如，有益于地形的逐渐变化)。自动化和/或可手动地调节的元件还可用于改变护甲的长度。本文中所披露的软机器护甲100是独特的，尤其是如果软机器护甲变得松弛(通过增加长度)，那么它对穿戴者来说完全是不可察觉的，这意味着它并不限制穿戴者的运动。
软机器护甲100可通过两种方法在它的内部产生张力。第一种方法是主动元件改变软机器护甲100的长度以在身体上拉紧它。第二种方法是身体能够移动且软机器护甲由于关节的运动以及软机器护甲材料在至少一个关节上以某半径从所述关节延伸这样的事实而发生延伸。在图31A至32B中图示了在软机器护甲中产生张力的这两种方法。
图31A至31B示出了通过使用被驱动部分来缩短护甲的长度以在软机器护甲100中产生张力的方法和系统。图31A图示了概念，且图31B示出了该概念可如何用于软机器护甲的特定示例。在图31B中，小腿的后部处的箭头表明软机器护甲的那部分正在缩短，骨盆和足跟处的箭头表明在软机器护甲中引起了力且身体必须在这些位置处施加反作用力以防止软机器护甲在这些位置处产生位移。
图32A至32B示出了由于穿戴者的身体构造变化而在软机器护甲中产生张力的方法和系统。图32A示出了如何产生的：如果织物或其它柔性拉伸元件在关节的每一侧被粘附至身体部分，且然后关节弯曲，如果织物或其它柔性拉伸元件在关节周围以半径r>0的路径经过，那么在织物或其它柔性拉伸元件内部引起张力。图32B示出了在腰部的前面和脚踝的后部处被锚固至穿戴者的软机器护甲100的可能的路径。它经过膝关节，但位于髋部的前面和脚踝的后面的正半径处。当穿戴者移动进入图32B的中间图像中所示的位置时，软机器护甲由于它在髋部和脚踝上的伸展而变得绷紧。在图32B的中间图像中通过腰部和脚踝处的箭头示出了由身体施加在软机器护甲上以防止其发生移动的力。在其它腿部位置处，软机器护甲是松弛的。
基于这样的对于如何在软机器护甲中产生力的理解，存在很多可用于控制护甲中的张力的方案。
如果软机器护甲100变得松弛(通过选择比在给定姿态中的身体更长的初始长度，或通过伸展被驱动部分)，那么软机器护甲中的力大体上为零(力<2N，这类似于穿了一条牛仔裤)。在软机器护甲中具有零力或大体上零力是有用的，因为它不会限制穿戴者的运动并通常不会引起穿戴者的注意。如果穿戴者仅在某些运动(例如，爬楼梯)期间想要辅助而在其它运动(例如，水平地面上的行走)中并不想被软机器护甲妨碍或限制，那么这将是有用的。
另一可能性是在软机器护甲100中具有小量的正的力(0.0001N至10N)，即使穿戴者移动至不同姿态也保持这样的力。为实现此目的，软机器护甲必须包括根据需要进行伸展和收缩的驱动部分，以当穿戴者的姿态、运动和站立发生变化时在软机器护甲中保持如此量的张力。出于以下几个原因，在软机器护甲中保持小量的正的力是有用的。在保持此小量的张力时致动器移动经过的位置轨迹可用于确定身体的位置，这对于控制是有用的。例如，当身体到达某一姿态时致动器可施加更高的力，或身体的姿态可用于通知与身体上的不同负载路径连接的致动器的控制(其将在相反方向上驱动不同关节或相同关节)。在软机器护甲中保持小的力时致动器的位置轨迹还可被记录用于确定穿戴者如何随时间移动，以例如监测他们的生物力学。而且，如果期望致动器施加更大的力，则在软机器护甲中一直保持小的力使得致动器能够更快地响应，这是因为这些致动器不需要卷绕护甲中的大量的松弛。
最后的可能性是在软机器护甲中具有大量的力(>10N)。这个量的力有助于将转矩施加至生物关节以例如在穿戴者行走时辅助穿戴者。如果穿戴者处于运动中，这个量的力将仅在特定时间处被使用。例如，在行走期间，软机器护甲能够在脚踝处辅助主要发生在步态周期的40％-60％中的蹬离。或者，如果某人在进行从坐姿到站起动作时接收辅助，则软机器护甲可在整个动作期间提供力，并且一旦该动作完成就停止提供力。
有助于理解可如何使用机器护甲的第二概念是传递至穿戴者或从穿戴者传递的功率的概念。考虑在单个方向上对单个关节进行辅助的机器护甲，例如，用于辅助髋部伸展的机器护甲。在此情况下，软机器护甲施加将髋部进一步拉向伸展的张力。如果关节在与被施加的力相同的方向上移动，则软机器护甲将正功率传递至关节。在用于髋部伸展(例如，参见图15A至15B)的软机器护甲100的方面，这对应于在软机器护甲中存在力时的髋部伸展。相反地，如果关节在与被施加的力相反的方向上移动，则软机器护甲将负功率施加至关节，或换言之，软机器护甲从关节吸收功率。在用于髋部伸展(例如，参见图15A至15B)的软机器护甲100的方面中，这对应于在软机器护甲中存在力时的髋部屈曲。
如图33和图34A至34B所示，软机器护甲中所产生的力取决于底层的关节运动。换言之，机器护甲的主动部分被控制为仅在力将正功率传递至穿戴者的时间段内产生显著的力。对于跨过单个关节的机器护甲，关节的运动可由一个或多个传感器(例如，布置在关节上或周围的传感器或布置在肢体或关注部位上的传感器)检测或由一个或多个传感器(例如，布置在另一关节或另一肢体上或周围的传感器，该传感器的输出能够提供关于关注的关节或肢体的补充信息)推测。当关节在机器护甲施加力的方向上移动时，致动器可在软机器护甲中产生显著的力。如果关节开始在相反方向上移动时，则致动器可移动以停止在软机器护甲中产生显著的力。这种策略确保了软机器护甲仅向穿戴者提供正功率而并不从穿戴者吸收能量。
在没有施加显著的力的时间段内，致动器200可以移动以在护甲中产生松弛，或移动以在施加小的力的同时跟踪穿戴者，或这两者的某些组合。如果致动器200在施加小的力的同时跟踪穿戴者，则致动器的长度可用于检测关节何时在与软机器护甲100施加力的方向相同的方向上移动：如果致动器缩短软机器护甲的某方面，则关节在与软机器护甲100施加力的方向相同的方向上移动。如果致动器必须移动以增长软机器护甲的某方面，则关节在相反方向上移动。
如果在护甲中存在松弛，则诸如陀螺仪和软应变传感器等其它传感器可用于估算关节的运动。陀螺仪可用于直接地估算关节的速度，且因此(例如，在矢状平面上测量的)正或负读数将直接地对应于关节是屈曲还是伸展。当关节在与正在从软机器护甲传递至身体的正功率相对应的方向上移动时，可在软机器护甲100中产生张力。对于关节角度传感器，必须检测运动方向上的变化。
如果致动器200向软机器护甲100施加显著量的力并向身体施加正功率，那么可以以几种方式来检测致动器应当释放软机器护甲中的张力的时间。诸如陀螺仪和软应变传感器等其它传感器可用于估算关节的运动。可替代地，致动器长度能够结合软机器护甲中的测量力以及软机器护甲和穿戴者的力-位移特性的模型一起用于估算关节的运动。在图33和图34A至34B中示出了护甲-人体的力-位移的模型如何与力和位移一起使用的示例。
图33示出了测量的人体-护甲系统刚度。穿戴者以与在任务期间驱动电机时他们的身体将处于的形状相对应的某一姿态站立(例如，他们的腿向前就好像他们处于步态周期中的10％处)。然后，软机器护甲100的驱动部分改变长度，且记录软机器护甲中产生的力。图33的曲线示出了致动器位移与感应力的相关性。通过将方程式拟合至数据来产出模型：例如二次方程式(力＝a*x2+b*x，其中x是位移且a和b是常数)拟合曲线的上升斜坡，且指数方程式(力＝c*exp(-d*(x-xmax))，其中c、d和xmax是常数)拟合曲线的下降斜坡。这给出了可重复的力-位移特性。位于数据曲线上方和下方的箭头表示滞后回线周围的方向。
在此模型下，给定护甲中的力、该力的时程(用于确定力是上升还是下降)和致动器长度，就能够确定人的位置。图34A至34B示出了行走周期期间的髋部力矩(其是护甲中的力的缩放版本)和致动器200的位置的曲线。通过图34A中的黑色实线(“大约”)示出了一个步态周期中的软机器护甲中的力。通过使用逆模型，由此力计算出护甲-人体系统的位移，且结果是图34B中的“xs”1400。致动器的长度在图34B中被示出为曲线“xm”1410。髋部的位置在图34B由图34B中的曲线“xhip”1420示出。曲线“xhip”1420是未知的，但可通过使用护甲-人体系统位移xs和致动器长度xm由关系xhip＝xm+xs来进行计算。
对于跨过多个关节的软机器护甲100，可使用类似原理。在保持软机器护甲中的低的力的同时由致动器产生并用于跟踪身体的位移是被跨过的关节的角度以及软机器护甲在这些关节处偏移的半径的函数。可对软机器护甲跨过的多个关节的角度进行跟踪，且当所有角度在与它们的从软机器护甲接收的正功率相对应的方向上移动时，能够在软机器护甲中产生张力。
通常，它可能不是最大地有益于仅在软机器护甲能够向身体传递正功率时在软机器护甲100中产生张力。为了使软机器护甲100感觉更自然并与身体协同作用，它可有助于复制身体的功能(在生物关节吸收功率时吸收功率，在生物关节产生功率时向身体传递功率)。以此方式作用还可允许身体以更自然的方式移动(例如，保持与行走的标称方式更接近的运动学)，这能够导致更好的性能。为了使用跨过多个关节的软机器护甲100来实现此目的，软机器护甲中的张力可以是每个关节角度的函数。
因此，软机器护甲100中的张力可被形成为关节角度的函数。如果致动器200持续地移动以在护甲中保持小的张力，则除关节角度测量之外还可使用致动器长度，或可使用致动器长度来代替关节角度测量。
如果一个关节产生正功率而其他关节吸收功率，或如果两个关节通常产生正功率但其中一个由于虚弱或损伤而比正常情况得到身体更少地驱动，那么跨过多个关节的软机器护甲100能够被用于将功率从一个关节传递至另一个或另一些关节，例如，越过大腿的后部、穿过膝部而到达胫骨的软机器护甲100可将功率从髋部传递至脚踝，以在步态周期的60％-100％期间抬高前脚。此装置对患有肌肉萎缩症或中风的患者(这些患者的在背屈中抬起脚的胫骨前肌存在问题)将会有用。当大腿移动进入屈曲时，由于髋部的运动而在软机器护甲100中产生张力。此张力将向上拉动脚的前部，从而帮助脚离地。
根据本发明，软机器护甲100不需要跨过多个关节(多关节软机器护甲结构)并且可以仅跨过一个关节。举例来说，本文中所披露的概念(包括控制方案)同样适用于与小腿接合并通过一个或多个连接元件连接至用户的鞋的软机器护甲。应当强调的是，软机器护甲的锚固点可包括尺寸被设计成抵抗张力的施加的解剖学特征(包括肌肉结构)。
上面的说明涉及本发明的各种示例性方面。这些实施例及其各种变形例的每者均被认为落入到本发明的精神和范围内，本发明的至少一些方法在下面的权利要求中进行了阐述。以阐释而非限制的方式，本文中所披露的与软机器护甲100的示例有关的控制系统同样适用于机器人(即，独立式机器人)以及诸如传统的基于外骨骼的可穿戴式机器人系统或假肢装置等可穿戴式机器人系统和装置。因此，所有可穿戴式机器人系统(本文中所披露的软机器护甲、传统的基于外骨骼的可穿戴式机器人系统、假肢装置或它们的组合)能够变得更具适应性，而不是仅仅依赖于预编程的运动模式。此外，虽然针对鲍登缆索或其它缆索类型对软机器护甲力传递的若干示例进行了说明，但是根据本发明的力传递可以有利地使用任何种类的柔性传动元件，诸如但不限于柔性织带或带状材料(例如，织物和复合材料等)等。
在另一方面，本文中所披露的控制系统可有利地使用电机电流作为输入，控制器利用电机电流作为施加至驱动部件的电机转矩(以及相应地，通过驱动部件施加至驱动部件的连接点的力)的指示。
在至少一些方面，控制系统可被用户(或诸如医疗服务提供者等经授权的第三方)构造为修改由软机器护甲致动器施加的力的曲线，以例如缓和力的施加的斜升(例如，为了有助于用户适应所述力)和/或力的施加的斜降(例如，为了使用户突然感到“双腿沉重”的感觉最小化)。
在至少一些方面，控制系统体现了下述“故障保护”协议：其中，倘若系统的任何部件(例如，高值失效或低值失效的传感器)发生故障，控制系统采取矫正动作以使软机器护甲置于软机器护甲对穿戴者产生最低程度干扰的构造。
相关申请的交叉引用
本申请要求享有如下专利申请的优先权：于2013年5月31日提交的名为“用于辅助运动的方法和系统(Method and System for Assisted Motion)”的美国临时专利申请第61/829686号、于2013年9月4日提交的名为“用于辅助人体运动的软机器护甲(SoftExosuit for Assistance with Human Motion)”的美国临时专利申请第61/873433号、于2013年9月17日提交的名为“用于辅助人体运动的软机器护甲(Soft Exosuit forAssistance with Human Motion)”的PCT专利申请第PCT/US 13/60225号、于2014年2月5日提交的名为“在发育迟缓儿童应用中用于辅助行走的多机器人信息物理系统(Multi-robotCyberphysical System for Assisting Walking in Developmentally-DelayedToddlers Application)”的美国临时专利申请第61/936162号、于2013年12月9日提交的名为“可穿戴软机器护甲、辅助装置和相关系统(Soft,Wearable Exosuits,AssistiveDevices and Related Systems)”的美国临时专利申请第61/913863号、于2014年1月16日提交的名为“可穿戴软机器护甲、辅助装置和相关系统(Soft,Wearable Exosuits,Assistive Devices and Related Systems)”的美国临时专利申请第61/928281号、于2014年4月10日提交的名为“膝部外骨骼和下坡行走装置(Knee Exoskeleton and DownhillWalking Device)”的美国临时专利申请第61/977880号以及于2014年4月17日提交的名为“用于辅助下肢的软机器护甲(Soft Exosuit for Assisting the Lower Body)”的美国申请第61/980961号，在此将每个前述申请中的全部内容以引用的方式并入本文。
关于联邦政府科研资助的声明
本发明的一些方面是在政府的支持下进行的，并被美国军队授予批准号W911QX-12-C-0084，因此，政府享有本发明的这些方面的权利。
本发明的一些方面是在政府的支持下进行的，并被美国国家科学基金会授予批准号CNS-0932015，因此，政府享有本发明的这些方面的权利。

Claims (53)

1.一种可穿戴软机器护甲，其包括：
第一锚固元件，所述第一锚固元件被构造成位于穿戴所述可穿戴软机器护甲的人的第一身体部位处或所述第一身体部位附近；
第二锚固元件，所述第二锚固元件被构造成位于穿戴所述可穿戴软机器护甲的人的第二身体部位处或所述第二身体部位附近；
至少一个致动器，所述至少一个致动器连接到所述第一锚固元件和所述第二锚固元件；以及
至少一个控制器，所述至少一个控制器被构造成驱动所述至少一个致动器，
其中，所述至少一个致动器的驱动在所述可穿戴软机器护甲中产生用于在被所述可穿戴软机器护甲跨越的所述人的至少一个关节周围施加力矩的拉力，并且其中，在运动周期的至少一部分期间，所述至少一个控制器被构造成将所述拉力减小至阈值拉力的水平或减小至低于所述阈值拉力的水平，以避免产生关于所述至少一个关节的有害力矩，
其中，所述拉力在至少一个柔性连接元件中产生，所述至少一个柔性连接元件在所述可穿戴软机器护甲的所述第一锚固元件与所述第二锚固元件之间延伸，并且
其中，在所述运动周期期间，在所述至少一个柔性连接元件中保持张力。
2.如权利要求1所述的可穿戴软机器护甲，其中，所述第一锚固元件和所述第二锚固元件中的至少一者包括足部锚固元件、大腿锚固元件、腰部锚固元件、或肩部锚固元件。
3.如权利要求1所述的可穿戴软机器护甲，其中，所述至少一个致动器包括至少一个电机驱动致动器、至少一个气动致动器、至少一个液压致动器或至少一个电活性聚合物。
4.如权利要求1所述的可穿戴软机器护甲，其中，所述至少一个致动器还包括连接到所述第一锚固元件和所述第二锚固元件中的一者或两者的驱动部件。
5.如权利要求1所述的可穿戴软机器护甲，
其中，所述可穿戴软机器护甲被构造成跨越所述人的多个关节，并且
其中，由所述至少一个致动器在所述可穿戴软机器护甲中产生的所述拉力经由所述至少一个柔性连接元件分布到整个所述可穿戴软机器护甲。
6.如权利要求1所述的可穿戴软机器护甲，
其中，所述第一锚固元件为足部锚固元件，
其中，所述第二锚固元件为小腿锚固元件，并且
其中，所述至少一个致动器的驱动产生用于在所述人的踝关节周围施加力矩的拉力。
7.如权利要求1所述的可穿戴软机器护甲，
其中，所述第一锚固元件为上身锚固元件，
其中，所述第二锚固元件为下身锚固元件，并且
其中，所述至少一个致动器产生用于在所述人的至少髋关节周围施加力矩的拉力。
8.如权利要求1所述的可穿戴软机器护甲，
其中，所述第一锚固元件为肩部锚固元件，
其中，所述第二锚固元件为大腿锚固元件，并且
其中，所述至少一个致动器产生用于在所述人的至少髋关节周围施加力矩的拉力。
9.如权利要求1所述的可穿戴软机器护甲，还包括第三锚固元件和第四锚固元件，并且至少第二致动器连接到所述第三锚固元件和所述第四锚固元件，
其中，所述第一锚固元件为被构造成位于所述人的第一大腿处或所述第一大腿附近的大腿锚固元件，
其中，所述第三锚固元件为被构造成位于所述人的第二大腿处或所述第二大腿附近的大腿锚固元件，
其中，所述第二锚固元件为肩部锚固元件，
其中，所述第四锚固元件为肩部锚固元件，并且
其中，所述至少一个致动器产生用于在所述人的至少髋关节周围施加力矩的拉力。
10.如权利要求7、8或9所述的可穿戴软机器护甲，其中，所述可穿戴软机器护甲辅助所述人的躯干的运动。
11.如权利要求1所述的可穿戴软机器护甲，
其中，所述第一锚固元件为大腿锚固元件，
其中，所述第二锚固元件为小腿锚固元件，并且
其中，所述至少一个致动器的驱动产生用于在所述人的膝关节周围施加力矩的拉力。
12.如权利要求1所述的可穿戴软机器护甲，
其中，所述第一锚固元件为肩部锚固元件，
其中，所述第二锚固元件为躯干锚固元件，并且
其中，所述至少一个致动器的驱动产生用于在所述人的肩关节周围施加力矩的拉力。
13.如权利要求1所述的可穿戴软机器护甲，还包括至少一个传感器，所述至少一个传感器被构造成测量关于所述人的运动和身体位置中的至少一者的信息。
14.如权利要求13所述的可穿戴软机器护甲，其中，所述至少一个传感器被构造成针对所述至少一个关节测量关节角度信息、关节速度信息、关节加速度信息、以及肌肉激活中的至少一者。
15.如权利要求13所述的可穿戴软机器护甲，其中，所述至少一个传感器被集成到所述可穿戴软机器护甲中。
16.如权利要求13所述的可穿戴软机器护甲，其中，所述至少一个控制器被构造成响应于关于运动和身体位置中的至少一者的所述信息，自动地驱动所述至少一个致动器，以在被所述可穿戴软机器护甲跨越的所述至少一个关节周围施加有益力矩。
17.如权利要求16所述的可穿戴软机器护甲，其中，所述至少一个控制器被构造成自动地驱动所述至少一个致动器，以避免在所述至少一个关节周围施加有害力矩。
18.如权利要求13所述的可穿戴软机器护甲，其中，所述至少一个控制器被构造成响应于关于运动和身体位置中的至少一者的所述信息，自动地驱动所述至少一个致动器，以产生拉力，所述拉力用于限定在驱动期间被所述人感觉到的虚拟阻抗，或用于在被所述可穿戴软机器护甲跨越的所述至少一个关节周围施加力矩。
19.如权利要求13所述的可穿戴软机器护甲，其中，所述至少一个控制器被构造成基于来自于所述至少一个传感器的所述信息，自动地驱动所述至少一个致动器，使得所述力矩将正功率传递至被所述可穿戴软机器护甲跨越的所述至少一个关节。
20.如权利要求13所述的可穿戴软机器护甲，其中，所述至少一个控制器被构造成使人体运动模式识别与关于运动和身体位置中的至少一者的所述信息相关联，以改变在所述可穿戴软机器护甲中产生的所述拉力或者改变用于限定在驱动期间被所述人感觉到的虚拟阻抗的所述拉力。
21.如权利要求13所述的可穿戴软机器护甲，其中，所述至少一个控制器被构造成：
使用由所述至少一个传感器测量的所述信息，检测将要被所述可穿戴软机器护甲主动辅助的运动的开始或接近开始，
响应于所述运动的所述开始或接近开始的检测，自动地驱动所述至少一个致动器，以产生用于在将要被所述可穿戴软机器护甲主动辅助的所述运动的期间在所述至少一个关节周围施加力矩的拉力。
22.如权利要求21所述的可穿戴软机器护甲，
其中，所述至少一个控制器被构造成在将要主动辅助的所述运动的所述开始的检测之后立即自动地驱动所述至少一个致动器。
23.如权利要求21所述的可穿戴软机器护甲，
其中，所述至少一个控制器被构造成在所述运动的所述接近开始的检测之后并且与将要主动辅助的所述运动的所述开始的预测时间相符地自动地驱动所述至少一个致动器。
24.如权利要求1所述的可穿戴软机器护甲，
其中，所述至少一个控制器被构造成自动地驱动所述至少一个致动器，以避免在各运动未被所述可穿戴软机器护甲辅助的期间在所述至少一个关节周围施加有害力矩。
25.如权利要求1所述的可穿戴软机器护甲，其中，所述至少一个控制器被构造成自动地驱动所述至少一个致动器，以在所述可穿戴软机器护甲中产生大体上为零的拉力，以避免施加所述有害力矩。
26.如权利要求1所述的可穿戴软机器护甲，其中，所述可穿戴软机器护甲被构造成当所述至少一个致动器被驱动以避免施加所述有害力矩时变松弛。
27.如权利要求1所述的可穿戴软机器护甲，其中，当所述人参与不在运动曲线内的运动时，所述控制器被构造成停用所述致动器，以不提供关于所述至少一个关节的任何辅助力矩。
28.一种可穿戴软机器护甲，其包括：
第一锚固元件，所述第一锚固元件被构造成位于穿戴所述可穿戴软机器护甲的人的第一身体部位处或所述第一身体部位附近；
第二锚固元件，所述第二锚固元件被构造成位于穿戴所述可穿戴软机器护甲的人的第二身体部位处或所述第二身体部位附近；
至少一个柔性连接元件，所述至少一个柔性连接元件连接到所述第一锚固元件和所述第二锚固元件；
至少一个致动器，所述至少一个致动器被构造成调整或锁定所述至少一个柔性连接元件的长度，以调整通过所述人的运动或身体位置在所述可穿戴软机器护甲中产生的张力的水平，所述张力用于在被所述可穿戴软机器护甲跨越的所述人的至少一个关节周围施加力矩；并且
其中，所述至少一个致动器被构造成在一定的运动或身体位置期间避免产生关于所述至少一个关节的有害力矩，并且
其中，在运动周期期间，在所述至少一个柔性连接元件中保持张力。
29.如权利要求28所述的可穿戴软机器护甲，其中，所述第一锚固元件和所述第二锚固元件中的至少一者包括足部锚固元件、大腿锚固元件、腰部锚固元件、或肩部锚固元件。
30.如权利要求28所述的可穿戴软机器护甲，其中，所述至少一个柔性连接元件是不可伸展的或半可伸展的。
31.如权利要求28所述的可穿戴软机器护甲，其中，所述至少一个柔性连接元件包括织带、绑带、绳索、功能性纺织品、织物、线材、缆索和复合材料中的至少一者。
32.如权利要求28所述的可穿戴软机器护甲，
其中，所述可穿戴软机器护甲被构造成跨越所述人的多个关节，并且
其中，通过所述人的移动或身体位置在所述可穿戴软机器护甲中产生的所述张力经由所述至少一个柔性连接元件分布到整个所述可穿戴软机器护甲。
33.如权利要求28所述的可穿戴软机器护甲，
其中，所述第一锚固元件为足部锚固元件，
其中，所述第二锚固元件为小腿锚固元件，并且
其中，通过所述人的运动或身体位置在所述可穿戴软机器护甲中产生的张力在所述人的踝关节周围施加力矩。
34.如权利要求28所述的可穿戴软机器护甲，
其中，所述第一锚固元件为上身锚固元件，
其中，所述第二锚固元件为下身锚固元件，并且
其中，通过所述人的运动或身体位置在所述可穿戴软机器护甲中产生的张力在所述人的至少髋关节周围施加力矩。
35.如权利要求28所述的可穿戴软机器护甲，
其中，所述第一锚固元件为肩部锚固元件，
其中，所述第二锚固元件为大腿锚固元件，并且
其中，通过所述人的运动或身体位置在所述可穿戴软机器护甲中产生的张力在所述人的至少髋关节周围施加力矩。
36.如权利要求28所述的可穿戴软机器护甲，还包括第三锚固元件和第四锚固元件，并且至少第二致动器连接到所述第三锚固元件和所述第四锚固元件，
其中，所述第一锚固元件为被构造成位于所述人的第一大腿处或所述第一大腿附近的大腿锚固元件，
其中，所述第三锚固元件为被构造成位于所述人的第二大腿处或所述第二大腿附近的大腿锚固元件，
其中，所述第二锚固元件为肩部锚固元件，
其中，所述第四锚固元件为肩部锚固元件，并且
其中，通过所述人的运动或身体位置在所述可穿戴软机器护甲中产生的张力在所述人的至少髋关节周围施加力矩。
37.如权利要求34、35或36所述的可穿戴软机器护甲，其中，所述可穿戴软机器护甲辅助所述人的躯干的运动。
38.如权利要求28所述的可穿戴软机器护甲，
其中，所述第一锚固元件为大腿锚固元件，
其中，所述第二锚固元件为小腿锚固元件，并且
其中，所述可穿戴软机器护甲产生的拉力被构造成在所述人的膝关节周围施加力矩。
39.如权利要求28所述的可穿戴软机器护甲，
其中，所述第一锚固元件为肩部锚固元件，
其中，所述第二锚固元件为躯干锚固元件，并且
其中，所述可穿戴软机器护甲产生的拉力被构造成在所述人的肩关节周围施加力矩。
40.如权利要求28所述的可穿戴软机器护甲，其中，所述至少一个致动器被手动地操作。
41.如权利要求28所述的可穿戴软机器护甲，还包括至少一个传感器，所述至少一个传感器被构造成测量关于所述人的运动和身体位置中的至少一者的信息。
42.如权利要求41所述的可穿戴软机器护甲，其中，所述至少一个传感器被构造成针对所述至少一个关节测量关节角度信息、关节速度信息、关节加速度信息、以及肌肉激活中的至少一者。
43.如权利要求41所述的可穿戴软机器护甲，其中，所述至少一个传感器被集成到所述可穿戴软机器护甲中。
44.如权利要求41所述的可穿戴软机器护甲，还包括至少一个控制器，所述至少一个控制器被构造成响应于关于运动和身体位置中的至少一者的所述信息，自动地驱动所述至少一个致动器，以调整或锁定所述至少一个柔性连接元件的长度。
45.如权利要求44所述的可穿戴软机器护甲，其中，所述至少一个控制器被构造成自动地驱动所述至少一个致动器，以释放所述至少一个柔性连接元件，以避免在所述至少一个关节周围施加有害力矩。
46.如权利要求28所述的可穿戴软机器护甲，还包括至少一个传感器，所述至少一个传感器被构造成测量通过所述人的移动在所述可穿戴软机器护甲中产生的所述张力。
47.如权利要求46所述的可穿戴软机器护甲，其中，所述至少一个传感器被集成到所述可穿戴软机器护甲中。
48.如权利要求46所述的可穿戴软机器护甲，还包括至少一个控制器，所述至少一个控制器被构造成响应于测量出的所述张力，自动地驱动所述至少一个致动器，以调整所述至少一个柔性连接元件的长度。
49.如权利要求48所述的可穿戴软机器护甲，其中，所述至少一个控制器被构造成自动地驱动所述至少一个致动器，以释放所述至少一个柔性连接元件，以避免在所述至少一个关节周围施加有害力矩。
50.如权利要求28所述的可穿戴软机器护甲，还包括至少一个能量储存装置，所述至少一个能量储存装置连接到所述至少一个柔性连接元件，并且其中，所述至少一个能量储存装置被构造成吸收通过所述人的运动或身体位置产生的能量。
51.如权利要求50所述的可穿戴软机器护甲，还包括弹簧锁或离合器，所述弹簧锁或离合器被构造成锁定所述至少一个能量储存装置，直到被吸收的能量经由在被所述可穿戴软机器护甲跨越的所述人的至少一个关节周围施加的力矩而将要被返回到所述人时为止。
52.如权利要求50所述的可穿戴软机器护甲，其中，所述至少一个能量储存装置在吸收并返回通过所述人的运动或身体位置产生的所述能量的同时，还在被所述可穿戴软机器护甲跨越的所述人的至少一个关节周围产生力矩。
53.如权利要求50所述的可穿戴软机器护甲，其中，所述至少一个能量储存装置包括弹簧系统、离合弹簧、弹性部件、液压装置、气动装置、化学能量储存装置、和半可伸展的柔性连接元件中的至少一者。
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