CN109069338A - 用于外骨骼的受控塌陷的装置和系统 - Google Patents

用于外骨骼的受控塌陷的装置和系统 Download PDF

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Abstract

公开了用于塌陷/降低包括至少一个电机和至少一个组件的外骨骼设备的装置、方法和系统的实施例。在一些实施例中，设备被配置成由至少一个电机移动。当在外骨骼设备供电中检测到包括电源故障(诸如低电力故障和停电故障)、电气故障、软件故障和机械故障的多个故障中的至少一个时，设备的一个或多个组件可以通过至少一个电机被减速。

Description

用于外骨骼的受控塌陷的装置和系统
技术领域
本公开的实施例针对用于提供步态/移动辅助的外骨骼设备，更具体地，针对用于控制这种设备的无动力塌陷的装置和系统。
背景
各种情况致使个体中发生限制或消除个体的稳定的步态和/或移动的能力的残疾，其中的例子包括神经的和身体的伤害。外骨骼(“外部的骨骼”)已被用于允许这样的个体在只有很少或根本没有额外的支撑的情况下，重新获得他们的站立和/或移动的部分或全部能力，尽管他们有残疾。
发明内容
本文公开了用于促进包括电机的外骨骼设备的受控塌陷的装置、方法和系统的一些实施例。这样的方法可以包括以下步骤：接收外骨骼设备的电源故障、电气故障、软件故障和机械故障中的一个或多个的指示，所述指示启动外骨骼设备或其组件下降到地面；以及在电机的正端子和负端子之间建立低阻抗电路，以致使生成电磁力以抵抗或减缓外骨骼设备或组件的下降。
在一些实施例中，响应于接收与外骨骼设备或组件的性能和/或状态有关的信息，可以由电力故障检测电路生成所接收的指示，所述信息来自可操作地耦接到外骨骼设备或组件的一个或多个传感器。一个或多个传感器可以包括温度传感器，所述温度传感器被配置为测量外骨骼设备的电源的温度，并且如果温度测量结果指示故障电源则生成信息。在一些实施例中，一个或多个传感器可以包括功率计，所述功率计被配置为：收集关于外骨骼设备的电源处的电力可用性的数据，并且如果所收集的数据指示为外骨骼设备或组件供电的电源处的电力供应的短缺或不足，则生成信息，其中功率计可以被配置为在噪声从数据中滤除之后生成信息。在一些实施例中，一个或多个传感器包括电压计和/或电流计，所述电压计和/或电流计被配置为：在沿着外骨骼设备的电气电路系统的一个或多个点处分别地提供电压和/或电流数据，并且当收集的数据指示电源故障、电气故障、软件故障和机械故障中的一个或多个时生成信息。
在一些实施例中，可以由塌陷电路建立正端子和负端子之间的低阻抗，所述塌陷电路被配置为闭合在正端子和负端子之间的低阻抗开关，其中塌陷电路包括被配置为断开或闭合低阻抗开关的光电隔离功率驱动器。
在本公开的一些实施例中，公开了用于促进包括电机的外骨骼设备的受控塌陷的塌陷电路。电路可以包括：处理器，被配置为接收外骨骼设备的电源故障、电气故障、软件故障和机械故障中的一个或多个的指示，所述指示致使外骨骼设备或其组件启动到地面的下降；以及功率驱动器，被配置为在电机的正端子和负端子之间建立低阻抗，以致使生成电磁力以抵抗或减缓外骨骼设备或组件的下降。
在一些实施例中，电路还包括被配置为响应于接收与外骨骼设备或组件的性能和/或状态有关的信息而生成指示的电力故障检测电路，所述信息来自可操作地耦接到外骨骼设备或组件的一个或多个传感器。一个或多个传感器可以包括温度传感器，所述温度传感器被配置为测量外骨骼设备的电源的温度，并且如果温度测量结果指示故障电源则生成信息。在一些实施例中，一个或多个传感器可以包括功率计，所述功率计被配置为：提供关于外骨骼设备的电源处的电力的可用性的数据，并且当收集的数据指示电源故障、电气故障、软件故障和机械故障中的一个或多个时生成信息。在一些实施例中，一个或多个传感器可以包括电压计和/或电流计，所述电压计和/或电流计被配置为：在沿着外骨骼设备的电气电路系统的一个或多个点处分别地提供电压和/或电流数据，以及当收集的数据指示电源故障、电气故障、软件故障和机械故障中的一个或多个时生成信息。
在一些实施例中，电路可以包括滤波器，所述滤波器被配置为在由功率计生成信息之前滤除来自数据的噪声。在一些实施例中，功率驱动器包括光电隔离功率驱动器，所述光电隔离功率驱动器被配置为断开或闭合低阻抗开关，以在电机的正端子和负端子之间建立低阻抗。
在本公开的一些实施例中，公开了用于促进由用户使用的包括电机的外骨骼设备的塌陷的方法。方法包括以下步骤：接收外骨骼设备的电源故障、电气故障、软件故障和机械故障中的一个或多个的指示，所述指示致使外骨骼设备启动到地面的下降；确定足以抵抗或减缓外骨骼设备的下降的电磁力的量，使得在下降的至少一部分期间，外骨骼设备的塌陷速度在时间上基本恒定；以及在电机的正端子和负端子之间建立低阻抗，以致使产生确定量的电磁力以抵抗或减缓外骨骼设备的下降。
在一些实施例中，外骨骼设备的塌陷速度被配置使得下降的至少一部分的总时间相对于用户的体重基本上不变。在一些实施例中，在正端子和负端子之间建立低阻抗包括改变正端子和负端子之间的低阻抗开关被断开或闭合的时间段，其中对时间段的改变被配置使得下降的至少一部分的总时间相对于用户的体重基本上不变。在一些实施例中，可以通过对被配置为控制低阻抗开关的断开或闭合的功率宽度调制(PWM)控制信号改变占空比来改变时间段。
应当理解，以下较详细讨论的前述概念和附加概念的所有组合(假设这些概念不相互矛盾)被考虑为本文公开的发明主题的部分。特别地，出现在此公开结尾处的所要求保护的主题的所有组合被考虑为本文公开的发明主题的部分。还应当理解，本文明确地采用的术语也可以出现在通过引用被合并的任何公开中，所述术语应当被给予与本文公开的特定概念最一致的含义。
附图说明
技术人员将理解，图主要是出于说明性目的，不旨在限制本文描述的发明主题的范围。图不一定按比例；在一些情况下，可以在图中夸大或放大示出本文公开的发明主题的各个方面，以促进不同特征的理解。在图中，相似的参考字符通常指的是相似的特征(例如，功能上相似和/或结构上相似的元件)。
图1A-B示出了根据一些实施例的用于控制外骨骼的动作的有刷电机的示意图；
图2A-B示出了根据一些实施例的用于管理外骨骼的受控塌陷的结合低阻抗开关的有刷电机的示意图；
图3示出了根据一些实施例的包括电力故障检测电路的示例电路，该电力故障检测电路用于可操作地耦合到低阻抗开关的外骨骼电机；
图4说明了根据一些实施例的示例电力故障检测电路的细节，所述示例电力故障检测电路用于产生到低阻抗开关的输出，所述低阻抗开关可操作地耦接到外骨骼的电机；
图5A示出了根据一些实施例的描绘用于评估外骨骼的受控塌陷的激活的方案的示例流程图；
图5B示出了根据一些实施例的无刷电机三相桥驱动器的示例电路；
图6A-B示出了根据一些实施例的基于P沟道的示例H桥电路，其可以用作被配置为管理外骨骼的受控塌陷的低阻抗开关；
图7A-B示出了根据一些实施例的基于N沟道的示例H桥电路，其可以用作被配置为管理外骨骼的受控塌陷的低阻抗开关；
图8示出了根据一些实施例的包括用于低阻抗电机的自测试电路的示例电路，所述低阻抗电机被配置为管理外骨骼的受控塌陷；
图9示出了根据一些实施例的说明自测试外骨骼的受控塌陷的性能的示例流程图；
图10示出了根据一些实施例的说明外骨骼的受控塌陷的适应体重的激活的示例性流程图；
图11示出了根据一些实施例的说明用于控制外骨骼的适应体重的受控塌陷的控制模式的示例图；
图12示出了根据一些实施例的示例图，说明用于在外骨骼的适应体重的(或适应塌陷模式的)受控塌陷期间单独地控制外骨骼的分段的控制模式；
图13示出了根据一些实施例的示例电路，包括用于低阻抗电机的能量收集电路，所述低阻抗电机被配置为管理外骨骼的受控塌陷；
图14说明了用于控制外骨骼的四个分段的控制模式的示例集合。
具体实施方式
在本公开的一些实施例中，提出了包括用于提供步态/移动辅助的外骨骼设备的装置和系统，较具体地，提出了用于控制这样的设备的无动力塌陷的装置和系统。通过示例而非限制在本文中描述了特定实施例以说明本发明的原理和特征，但本发明可经受各种应用的检验。
在一些实施例中，外骨骼的操作(包括移动(平移、旋转等等)、保持和/或获得位置(例如，站立、坐下、保持直立位置等等))可由一个或多个电机供电，所述电机嵌在外骨骼结构内或可操作地耦接到外骨骼结构。但是，在一些情况下，外骨骼可能在使用期间出现故障。例如，外骨骼的处理器可能失去控制操作外骨骼的电机的能力，电机可能无法使用外骨骼的电源等等。故障(特别是那些包括外骨骼无反应或者来自电机的电力撤出的故障)可能导致潜在的伤害，诸如由外骨骼和/或用户到地面的快速下降。
在一些实施例中，提出了受控塌陷电路，所述受控塌陷电路被配置为放置跨电机端子的短路，以在塌陷阶段期间创造用于使大电流流过电机的路径。在塌陷期间作为发电机的电机可面对低电阻负载(即短路)，同时通过电机的大电流生成反电磁力(反EMF)，所述反电磁力可抵抗电机的移动，抵消快速下降并且导致外骨骼和用户的较缓慢的(因此，至少在大多数情况下也是较安全的)降低。在通常会致使外骨骼不可用并且使用户暴露于快速下降的故障(诸如电池耗尽/断开、系统故障或冻结等等)的情况下，受控塌陷允许外骨骼设备支撑用户的体重，同时使用户缓慢降低到座位或地面。
参考图1A-B，在一些实施例中，示出了用于控制外骨骼的移动的有刷电机的示意图。外骨骼使用电机为外骨骼的用户的移动供电，并且电机可以被放置在外骨骼的一个或多个分段(例如肢体)中。例如，电机可以被放置在外骨骼的下肢、上肢、躯干、中段区域等等中，并且它们可以被用于完成与向用户提供步态/移动辅助相关的各种任务，这样的任务包括但不限于改变外骨骼/用户的位置(例如，诸如站起、坐下、蹲等等的竖立动作，诸如部分地或完全地转身、改变方位等等的旋转动作)、维持位置或步态(例如，保持站立位置、在站起或坐下时保持平衡等等)、移动(平移或以其他方式改变用户的位置，诸如但不限于步行、跑步、移动(例如侧步)、跳跃、爬行等等)。
在一些实施例中，在完成任何上述任务中，位于外骨骼的各个分段中的电机可以根据任务彼此独立地或共同起作用。例如，位于外骨骼的一个下肢中的电机可以致使一条腿平移移动，同时另一个电机可以使身体旋转，以允许用户在行走时改变方向。这样的协调可以由中央处理模块控制，其示例在2015年10月16日提交的标题为“Apparatus andSystems for Controlling Exoskeletons”的美国临时专利申请序列号62/242,780中讨论，所述临时专利申请完整地通过引用结合于此。例如，这样的处理模块可以向电机提供指令，以控制电机的移动的速度、方向、持续时间等等。如上文所讨论，可以协调对每个电机的控制，以致使外骨骼完成任何上述任务。
在一些实施例中，可用于为外骨骼的移动供电的电机可以既是电励磁的又有永磁体的有刷直流(DC)电机、电子换向器(EC)电机、无刷直流电机或开关磁阻电机(SRM)、通用AD-DC电机、无铁芯或无芯转子电机、轴向转子电机，伺服电机、步进电机、交流电机等等。这样的电机的操作或移动可以通过电子电路完成，所述电子电路的示例是允许控制电机在每个方向上的移动的所谓的H桥。尽管本申请中的讨论针对有刷直流电机驱动，但是在一些实施例中，相同的概念也可以应用于无刷直流电机。图1描绘了具有两个端子(标注为A端子和B端子)的示例有刷直流电机，并且包括定子以及转子或电枢，其中定子是静止的部分(即电机的壳体)，转子或电枢是移动的(例如旋转的)部分。
下面的表1总结了在两个端子上施加电压的不同模式，以致使电机沿相反方向(为方便起见，我们使用术语“右”和“左”来区分这两个相反的方向)移动。
表1：端子电压对有刷直流电机的作用
在表1的实施例中，电压施加模式1和2被配置为移动外骨骼，即电机可以被转到任一方向以允许外骨骼的移动(例如向后、向前等等)。模式3和4中的高阻抗和低阻抗分别意味着端子之间的高或低的阻抗或电阻。关于模式3，端子之间的高阻抗或断开可能导致电机惰行，导致骨骼不可控移动，包括可能导致对用户的伤害的非有意的和快速的塌陷。可与端子之间的低阻抗相关的模式4也可以用于促进外骨骼移动。此外，模式4可被用于通过制动塌陷外骨骼中的电机的移动来控制(例如减慢)外骨骼的塌陷。
参照图2A-B，在一些实施例中，示出了用于管理外骨骼的受控塌陷的结合低阻抗开关的有刷电机的示意图。上述的模式4可被用于管理外骨骼的受控塌陷并导致与开关的闭合对应的低的阻抗或电阻，即导致在电机端子之间的“短路”(低阻抗/电阻)连接的放置。在一些实施例中，这可以通过在两个端子上放置相同或基本相同的电压来实现。电压可以是任何量，包括零电压(即地)。断开开关可以加速塌陷(例如电机进入模式3)。
如下是说明使用模式4影响外骨骼的受控塌陷的示例。当外骨骼面对突然电力故障或导致用户对外骨骼的控制不足的故障时，外骨骼可能开始在其自身的和用户的体重下不可控制地塌陷，并且电压可能从电机端子移除。在这样的实施例中，由于重力引起的转矩，电机的转子可以开始旋转，转矩通过能够传递转矩的任何手段(诸如齿轮)传递到转子。如果转矩不能由某些其他来源的力平衡，那么这些转矩引起的旋转会导致外骨骼的不可控的塌陷。
然而，在一些实施例中，由于法拉第感应定律，转子或电枢的旋转可导致在绕组环中生成改变的直流电流。由于两个端子之间的开关是闭合的，所生成的电流可以自由流动，产生反电磁力(反EMF)，反电磁力抵消引起反EMF的电流，即导致与由重力引起的转矩反方向的电机转矩的力。
在一些实施例中，反EMF可以小于重力，这可以表示如下：
εgravitation>εback EMF
这样的反EMF可以生成对归因于重力的转矩的反转矩，导致外骨骼的不受控的下降或塌陷的制动或减速。反EMF小于重力的一些原因可能是由于除了磁场中的损耗以外，开关、端子和转子或电枢绕组还可能有电阻，以及来自这三个元件的电阻可能导致由反EMF力生成的至少一些(例如小部分)功率的损耗。因此，由反EMF引起的转矩可以小于归因于重力的转矩但在其反方向上，并且可以减小作用在电机的转子上的作为结果的(叠加)转矩。因此，在这样的实施例中，电枢可以在较强的力(例如重力)的方向上旋转，并且外骨骼可以继续塌陷，导致塌陷速度降低，即舒缓的或受控的塌陷。在没有这样的电阻或损耗的情况下，重力可以基本上等于反EMF，几乎完全防止下降。
参照图3，在一些实施例中，示出了包括电力故障检测电路的示例电路，所述电力故障检测电路用于被配置为管理外骨骼的舒缓的或受控的塌陷的低阻抗电机。如本文所讨论的，本申请的受控塌陷机制被配置为在外骨骼发生故障时使用，特别是用于诸如导致外骨骼不可控的塌陷的断电之类的故障。在这样的实施例中，被配置为检测电机处的电压或功率的移除的电力故障检测电路可被用于检测这样的断电，以激活上述受控塌陷电路。图3示出了包括电力故障检测电路和低阻抗开关的受控塌陷电路，其中如上所述，一旦由电力故障检测电路检测到电力故障，低阻抗开关就可以连接电机的端子。
图4示出了示例性电力故障检测电路的细节，所述电力故障检测电路被配置为检测在外骨骼设备中的电力故障并产生到低阻抗开关的输出，使得开关(可操作地耦接到外骨骼的电机)被触发并连接电机的端子。在一些实施例中，电路可以包括被配置为从外部处理器(例如外骨骼的微处理器)接收外部触发输入的内部处理器。例如，外部传感器可以观察到外骨骼的电力供应系统正在发生故障或即将发生故障(例如电池的温度测量结果指示电池过热)。另一个例子是外部传感器监视主外骨骼处理器的活动并生成数据以将关于外骨骼处理器的性能的信息提供给电力故障检测电路的内部处理器的能力。这样的数据可以被认为是对电力故障检测电路的内部处理器的外部触发器，使得内部处理器可以在每当主处理器不起作用时起作用。在一些实施例中，这样的传感器可以是功率检测电路的组件，能够获得与电源(例如直流电力供应电池)的性能和/或状态有关的信息，以提供诸如对检测电路的外部触发输入之类的信息。
在一些实施例中，电力故障检测电路可以包括或可操作地耦接到直流电机电源(例如电池)，所述直流电机电源被配置为向电力故障检测器提供关于其性能的信息，使得检测器可以确定是否实际上有电力供应故障。在一些实施例中，电力故障检测电路可以包括功率检测器(诸如但不限于功率计)，所述功率检测器被配置为收集关于外骨骼设备的电源(例如电池)处的电力可用性的数据，并且确定是否有电源故障。在一些实施例中，如果收集的数据指示在为外骨骼设备或其组件供电的电源处的电力供应缺乏或不足，则电路可以生成输出。
例如，电力供应可以提供指示电力供应的荷电状态过低的数据，即可用于操作外骨骼的电力低。在一些实施例中，电机电源轨上可能存在噪声，并且在将低电力情况信息发送到检测器之前，可以由滤波器对这样的噪声进行滤波。这样的检测器的示例是电压计，所述电压计接收或测量与电源相关的电压数据(可选地可以已被滤波)，以确定电源处的电力情况。在另一个示例中，提供了测量流过外骨骼电线或电力系统的任何部分的电流的电流计。
在一些实施例中，可以向电力故障检测电路的内部处理器提供外部触发输入和/或检测器关于电源状态的确定(例如，电力供应(诸如电池)正在经历低电力情况的确定)。故障检测电路或故障检测内部处理器可以根据触发选择逻辑评估从检测器接收的输入和/或信息。在图5A中说明了低电力情况检测算法流程的示例。在一些实施例中，逻辑可以指定在根据外部输入或检测器信息确定的正常操作(例如电源处的电力是充足的且稳定的)期间低阻抗开关可以被断开，从而允许正常操作继续。然而，一旦故障检测电路或内部故障检测处理器确定在外骨骼系统中存在故障(诸如电源处的低电力可用性)，故障检测电路或内部处理器可致使开关闭合，导致电机上的低阻抗。
回来参考图4，在一些实施例中，电力故障检测电路可以包括光电隔离功率驱动器，所述光电隔离功率驱动器被配置为驱动低阻抗开关，以基于从故障检测电路或故障检测内部处理器接收的指令，来致使开关闭合或断开。例如，在确定外骨骼正在经历低电力情况时，光电隔离功率驱动器可以将信号传送到低阻抗开关以启动电机制动模式(例如表1的模式4)，因此外骨骼可以舒缓地塌陷。在一些实施例中，电力故障检测电路可以生成与检测到的电力故障相关的隔离状态报告。
在一些实施例中，如上所述，低阻抗开关可以被配置为在没有电力时导通。这样的开关的例子是所谓的常闭(NC)开关，其包括机电开关(例如导体、继电器)和固态开关。使用机电开关作为低阻抗开关可以基于其隔离建立的低导通电阻和一些因素之间的平衡作用，所述低导通电阻在开关闭合时可促进传导，所述因素诸如其有限次数的开关循环、有噪声的开关(弹跳)、用于驱动的高电力水平、较大的每安培尺寸比、低开关速度等等。固态NC开关(即固态继电器)的示例包括也可以被用作低阻抗开关的耗尽型MOSFET。固态开关可具有在被用作低阻抗开关时可被利用的几个有用的属性，包括它们的快速的和安静的开关、无弹跳、低音量、无限次数的开关循环、低功率开关、用于保持状态的最小的或无功率要求等等。然而，依据设计这些开关可以不是隔离的，并且电阻可以取决于电流。
在一些实施例中，固态开关(诸如包括固态MOSFET晶体管的那些固态开关)可以在使用H桥电机驱动结构的有刷电机中被实现，而如图5B中所示，在无刷电机的情况下可以使用三相桥驱动器结构。三相电机(无刷电机)的所有操作方面都与有刷电机的操作方面类似。在H桥被用于制动诸如外骨骼的设备的实施例中，可以构想H桥结构使得其与故障的外骨骼的特定情况之一(即外骨骼没有电力或能量，诸如可用于保持特定晶体管断开或闭合的能量)一致。图6B示出了H桥结构开关，其可以用作低阻抗开关，用于管理外骨骼设备的受控塌陷。
参考图6A，在一些实施例中，H桥可以由增强型N沟道(下部对)和P沟道(上部对)MOSFET晶体管构建。N沟道MOSFET晶体管具有正驱动电压(栅极(G)和源极(S)之间的电压VGS)，而P沟道MOSFET具有负驱动电压。每当在栅极(G)和源极(S)之间没有施加电压VGS时，增强型MOSFET(P沟道和N沟道二者)可不导通(闭合)，并且每当高于|VGS threshold|的量的电压被施加在相同的端子之间时，增强型MOSFET可以导通。然而，每当VGS等于零时，耗尽型MOSFETS可以导通，也就是说，通过例如当断电且晶体管控制电压(VGS)为零时闭合在电机端子上的低电阻开关，晶体管可以在不供电时和/或没有驱动器时导通，有助于它们在外骨骼的受控塌陷中的使用。在一些实施例中，导通可以被停止，即当电压VGS高于|VGS threshold|时开关可以被断开。这些是正常外骨骼操作(不是舒缓的或受控的塌陷)的情况。
图6B示出了用于电机驱动的示例性H桥结构开关，其可用于管理外骨骼的受控塌陷。在图6B中，图6A的两个上部P沟道增强型晶体管由两个N沟道耗尽型晶体管代替，同时应反转控制极性。在这样的实施例中，可以将额外的反相器加到耗尽型晶体管栅极，因为耗尽型MOSFET为了操作需要VGS<0。与在H桥的上部中包括N沟道增强型晶体管的经典方案相比，在上述实施例中可能必须包括反相器，因为增强型N沟道晶体管由正VGS驱动。在一些实施例中，每当发生电力故障时，驱动器断电并且两个上部晶体管都可以开始导通。这样的布置使电路闭合其中两个上部晶体管、电机和H桥的上方被连接到VBUS，促进电流的流动并允许电机制动。当在三相驱动器中三个上部P沟道增强型晶体管可以用三个N沟道耗尽型MOSFET代替时类似。此变化可以允许无刷电机的电机断开。
在图7A-B中示出可用于管理外骨骼的受控塌陷的用于电机驱动的H桥结构开关的另一示例。特别地，如图7B中所示，通过用N沟道耗尽型晶体管代替两个下部增强型MOSFET，可以修改图7A的基于N沟道MOSFET的H桥结构。在这样的实施例中，因为控制极性保持不变，所以不需要额外的反相器。如以上情况，当发生电力故障时，两个下部晶体管可以开始导通(与上面的两个上部晶体管被替换的情况的两个上部晶体管相反)，促进电流的流动并允许电机的制动。在三相桥中，所有三个下部MOSFET都可以从封装型被修改为耗尽型N沟道晶体管。在等效替换之后，它们可以类似于H桥晶体管作用，即无论何时发生电力故障，它们都可以允许断开无刷电机(舒缓的或受控的塌陷)。
通过用(例如)P沟道耗尽型晶体管代替增强型晶体管(P沟道和N沟道二者)，可以修改图6A和6B。
与使用单独的低电阻开关相比，使用耗尽型MOSFET作为在外骨骼中驱动电机的H桥的一部分，说明了在H桥结构内低电阻开关的集成，所述H桥结构已经是外骨骼的一部分。通过允许四个MOSFET晶体管中的两个的双重使用(包括H桥)，这种整体实现促进了电子电路组件数量的降低。
参照图8，在一些实施例中，示出了包括用于低阻抗开关的自测试电路的示例电路，所述低阻抗开关被配置为管理外骨骼的受控塌陷。在一些实施例中，除了图3中所示的受控塌陷电路的组件(诸如单独电机驱动器、直流电机电源、低阻抗开关等等)外，自测试电路可以包括能够经受大量电流(例如高达最大电机电流的4倍、3倍、2倍等等)的隔离的电流传感器。另外，被配置为在自测试期间调整电机电流测量结果的噪声滤波器也可以是自测试电路的部分。此外，即使当外骨骼完全可操作而没有电力故障时，出于测试目的，可以使用隔离的开关触发器来触发受控塌陷情况，所述受控塌陷情况激活舒缓的或受控的塌陷功能。
自测试电路的一个特征是其检测在外骨骼设备上的受控塌陷电路的存在的能力，允许所述自测试电路区分包括受控塌陷电路的外骨骼和不具有受控塌陷电路的外骨骼。每当系统开启时，可以在内置测试(BIT)期间执行自测试算法(诸如在图9中说明的示例实施例)。可替代地，可以在外骨骼处于安全位置时(例如，在用户不在时，或者如果在，则在用户坐着时)启动所述自测试算法。在一些实施例中，所提出的自测试算法可以不旨在当外骨骼处于站立位置执行或每当其处于动作中时执行。
在一些实施例中，自测试算法的执行可以包括一些或所有外骨骼分段的最小移动(例如在一些特定方向上移动大约1、2、3度等等)，未经外骨骼的用户批准的或不受用户控制的移动。例如，可以仅在人类肢体移动范围内执行移动。此外，如果实际上可用，那么外骨骼的受控塌陷功能可以被激活。例如，隔离的开关触发控制可以提供受控塌陷情况，其被配置为触发受控塌缩功能。一旦参与受控塌陷，与电机和驱动器二者并联放置的低阻抗开关可开始导通，导致开关由于开关的低阻抗而从驱动器汲取大份额的电流。
在一些实施例中，在受控塌陷电路和自测试电路(STC)被激活时，可与开关串联的电流传感器可以测量电流。电流的幅值可以提供关于受控塌陷电路和/或自测试电路是否正确地起作用或故障的指示，并且可以生成指示两个电路的性能的报告。例如，如果例如测量到超过最大驱动器额定电流的10％的电流，则可以将其解释为受控塌陷电路和/或自测试电路(STC)在正确地运行，并且内部或控制处理器可以使电机驱动器和受控塌陷电路二者脱离，并且可以生成指示受控塌陷的功能操作的报告。除了其他因素以外，所测量的电流的量尤其受到由外骨骼电源(诸如电池)和驱动器电流供应能力的限制。
在一些实施例中，在外骨骼完成动作时，测量到的电流可能很少或没有，这可以被受控塌陷电路和/或STC解释为故障的指示，以及会生成指示故障的相应报告。在一些实施例中，可能尚未检测到大电流或者可能尚未完成动作。在这种情况下，可能必须检查电机驱动器并且可产生适当的报告。
参考图10，在一些实施例中，给出了说明了外骨骼的受控塌陷的适应体重的激活的示例流程图。如上所述，归因于用户的体重的重力影响外骨骼的受控塌陷功能，并且正因为如此，希望具有适应体重的受控塌陷功能。事实上，受控塌陷特征可被配置为适应广泛的用户人口统计性，使得外骨骼(包括受控塌陷功能)可适应各种用户参数，诸如但不限于体重、身高、性别、特定用户身体特征。在一些实施例中，适应体重的受控塌陷可以允许受控塌陷时间间隔保持为至少大体上不因用户体重而变化。也就是说，通过调整外骨骼的用户的体重，可以使塌陷的时间段(例如降低到地面所需的总时间)至少基本上独立于外骨骼用户的体重。在一些实施例中，通过将受控塌陷功能设计到尽可能高的体重，然后以编程的方式随着实际用户的体重而降低受控塌陷强度(例如，提高塌陷速度)，可以实现对各种用户体重的适应。换言之，可以首先为外骨骼被设计成要支撑的最高体重建立期望的塌陷速度，并且可以校准对于任何其他体重的塌陷速度使得在它们的受控塌陷期间的时间间隔与最高体重的受控塌陷的时间间隔基本相同。
在图10中，通过至少部分地基于对外骨骼的塌陷的高度和/或速度的分析而控制低阻抗开关，激活适应体重的受控塌陷。图10示出了其中在外骨骼的适应体重的受控塌陷期间使用受控塌陷的暂时去激活的实施例。取决于塌陷速度和/或下降的高度，外骨骼的受控塌陷特征可以被激活或去激活，以分别地降低或提高塌陷速度。例如，PWM控制信号的占空比可以被增大或减小，以分别地指示降低或提高塌陷速度的确定。然后，这些开关控制信号可以被提供给低阻抗开关。在一些实施例中，信号可以是模拟的。内部控制处理器(例如专用受控塌陷处理器)可以控制受控塌陷的速度，以允许塌陷的持续时间(从垂直位置到地面位置)为恒定。如下面关于图11的示例实施例所描述的，通过在依赖用户体重的可变时间段期间保持低阻抗开关闭合，可以获得该作用。
图11示出了一个示例实施例，所述示例实施例说明了控制外骨骼的适应体重的受控塌陷的PWM控制模式的使用。在图11中描述的这一示例实施例中，控制信号是活跃低(LOW)(即每当控制信号为零时受控塌陷被激活，并且每当信号为高时受控塌陷被去激活)。高于表面的高度可以由惯性传感器/高度计、接近度传感器、通过使用嵌入在外骨骼部分的关节中的绝对/增量编码器等等来测量。在正常操作期间(假设外骨骼处于稳定的站立位置(阶段A))，高度和塌陷速度是稳定的。高度是标称的，并且坍塌速度为零。在点(1)，检测到电力故障并激活受控塌陷。在阶段B期间，在点(1)处高度开始下降，同时由于加速度，速度升高。在点(2)处，控制微处理器可分析高度变化、速度和加速度数据，以确定塌陷可能太快(例如，计算的或估计的塌陷时间超过阈值)。基于该确定，微处理器可以决定减小PWM占空比，以降低塌陷速度。在阶段C期间，塌陷速度严格受控，加速度被降低(例如，到无穷小值)，并且塌陷速度保持在几乎恒定的值。在阶段C期间，高度近乎线性下降。在点(3)中，每当外骨骼到达表面(地)时，阶段C结束。这是阶段D的开始。速度为零，并且控制信号被停止。以这样的方式，适应体重的受控塌陷结束。
参考图12，在一些实施例中，示出了在外骨骼的适应体重的受控塌陷期间用于单独地控制外骨骼的分段的说明控制模式的示例图。在受控塌陷期间，可以有多个因素影响外骨骼的每个分段的塌陷的速度，包括不同分段的关节之间的摩擦、外骨骼受控塌陷之前的初始位置、用户行为等等，可能影响外骨骼的各个分段的塌陷的速度。在一些实施例中，因为各个分段可能经历不同的受控塌陷情况，所以可能希望建立受控塌陷机制，所述受控塌陷机制能够在塌陷期间平衡外骨骼的各个分段的可能的不同塌陷速度。不同分段可能经历不同受控塌陷情况的示例状况包括运动(例如，像滑冰和花样滑冰的运动，其中下降(塌陷)可以是活动的必须的部分，运动员被指导如何下降)。在一些状况中，可以教给学生安全下降技术，其中下降不一定是平衡/对称的，即外骨骼的不同分段可能在不同情况下下降。
图14说明了用于控制外骨骼的4个分段的控制模式的示例集合。在这一示例性实施例中，在外骨骼的受控塌陷期间，分开地控制各分段。图中的曲线被分为六个阶段：
阶段A：外骨骼正常操作(静止不动)。高度恒定，没有检测到电力故障。
阶段B：在点(1)检测到电力故障。外骨骼进入受控塌陷。除了分段2之外，所有分段由相同的模式控制。分段2塌陷太快，控制器决定通过减小PWM控制占空比来减缓下降。
阶段C：在前一阶段期间达到的大的加速度导致控制器减缓除了分段4之外的所有分段。分段4以正确的速度塌陷，并且由此控制器为该分段保留相同的控制占空比。
阶段D：在塌陷期间，所有分段开始减缓。分段1和3用低占空比PWM控制。分段2和4处于完全断开，占空比为零。
阶段E：接近受控塌陷的末尾，控制器决定收缩分段3(100％占空比无发动机断开)。分段1和2由低占空比PWM信号控制，并且只有分段4由高占空比信号控制。
阶段F：在点(2)处身体的质心到达表面，塌陷完成。所有的控制信号都被去激活。
关于图12的上述示例说明了受控塌陷机制，其通过对每个受控区段评估诸如高度、速度、加速度、方向接近度等等的信息，来分开控制外骨骼的不同分段的受控塌陷。数据可以通过策略性地定位在整个外骨骼上的传感器获得。例如，嵌在外骨骼的关节中的绝对编码器和增量编码器可以提供至少一些上述信息。如关于图11更详细地描述的(例如通过改变占空比等)，对所有分段的上述信息的分析可允许控制处理器确定如何影响每个分段的塌陷。通过采用低电阻开关的基于PWM的控制，给予外骨骼独立地提高或降低每个分段的塌陷速度的能力，所公开的实施例允许外骨骼塌陷以适应各种用户的受控塌陷行为、初始受控塌陷位置，并提供手段来接着预定义塌陷模式执行自定义安全塌陷程序。
参考图13，在一些实施例中，示出了示例性受控塌陷电路，所述受控塌陷电路包括能量收集电路，所述能量收集电路用于被配置成管理外骨骼的受控塌陷的低阻抗电机。如上文详细讨论的，参与受控塌陷的至少一个原因可以是在外骨骼设备处的电力故障(其中能量供应可能在毫秒内斑驳(dappled))，这似乎是矛盾的，因为管理受控塌陷的控制处理器可以消耗电力来完成与控制或管理受控塌陷(例如生成PWM、分析数据等等)、促进断开和闭合低阻抗开关等等相关的任务。在一些实施例中，在外骨骼系统中可存在至少两个电力源，其中有故障的电源：为受控塌陷而设计的备用储能系统和能量收集系统，或其组合。
备用储能系统的示例可以是超级电容器，其可以有低重量、高能量可用性和低再充电时间。在一些实施例中，可以控制这样的超级电容器的再充电，以避免在外骨骼通电期间的涌流。关于能量收集电路，可以使用再生制动技术，所述再生制动技术收集由于在低阻抗开关闭合处的大电流的流动而产生的电势或能量。由于楞次定律，通过能量收集电路的电感器的大电流的流动可以生成磁通Φ，其导致在电感器上生成电压电势，所述电压电势可以被转换为适合系统电子器件和存储器(例如在超级电容器处)的电压。
在一些实施例中，给定多个能量源(例如存储器和收集系统)，包括能量收集电路的受控塌陷电路可以包括电源选择器，所述电源选择器被配置为选择一个或多个电源以在受控塌陷期间使用。该选择器可以基于简单的或门(ORing)二极管或者可以使用更复杂的电力路径控制器。例如，电源的选择可取决于多种因素，诸如在电源处的能量可用性、执行受控塌陷所需的能量的量等等。
在一些实施例中，受控塌陷电路还可以包括被配置为感测电压和外骨骼高度、方向和位置的传感器模块。传感器模块将数据提供给低电阻开关控制器和驱动器。感测电压可以协调外骨骼的开关控制策略。
在一些实施例中，一旦由能量源选择器选择了电源，就可以由所选择的来源将电力供应给低电阻开关控制器和驱动器。当从传感器模块接收电力和数据时，开关控制器和驱动器可以进行评估以确定是否应当改变外骨骼的受控塌陷的任何参数。例如，在一些实施例中，根据来自电源的电力的可用性、外骨骼在地面上方的高度和由传感器模块获得的分段位置，开关控制器和驱动器可以仅减小外骨骼的选择的分段的PWM控制占空比。作为另一示例，如果电源低，则暂停适应体重的受控塌陷控制，并且外骨骼进入简单的、不受控的降低例程。
虽然本文已经描述和说明了各种发明实施例，但是本领域普通技术人员将容易地预想用于执行本文描述的功能和/或获得本文描述的结果和/或一个或多个优点的各种其他手段和/或结构，并且每个这样的变化和/或修改被认为是在本文所描述的发明实施例的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易理解，本文描述的所有参数、尺寸、材料、组件和配置都有意为示例，并且实际参数、尺寸、材料和/或配置将取决于特定应用或使用发明教导的应用。本领域技术人员将认识到，或者能够使用不超过常规实验来确定许多本文所描述的具体发明性实施方式的等同物。因此，应当理解，上述实施例仅以示例的方式呈现，并且在所附权利要求及其等同物的范围内，除了具体描述的和要求保护的之外，可以实践其他发明性实施例。本公开的发明性实施例针对本文描述的每个单独的特征、系统、物品、材料、套件和/或方法。此外，如果这些特征、系统、物品、材料、套件和/或方法不是相互不一致的，则两个或更多个这样的特征、系统、物品、材料和/或方法的任何组合都包括在本公开的发明范围内。此外，通过具体地缺少现有技术中公开的一个或多个特征，本文公开的一些实施例与现有技术参考文献相比是可区分的；即，对这些实施例的权利要求可以包括负限制，以便与现有技术区分。
还可以将各种发明概念体现为一种或多种方法，其中提供了一个示例。作为方法的一部分执行的行为可以以任何合适的方式排序。因此，即使在说明性实施例中示出为顺序动作，也可以构造这想的实施例，其中以不同于所说明的顺序执行动作，其中可以包括同时地执行一些动作。
在本申请的任何地方提出的任何或所有对出版物或其他文件的参考(包括但不限于专利、专利申请、文章、网页、书籍等等)，全部通过参考合并入本文。此外，本文所定义和使用的所有定义都应理解为控制对词典的定义、在通过引用合并的文档中的定义和/或所定义术语的普通含义。
如本说明书和权利要求书中使用的不定冠词“一”和“一个”应被理解为意思是“至少一个”，除非明确指示相反。
在本说明书和权利要求书中使用的短语“和/或”应被理解为意思是如此结合的元件“两者中任一或两者都”，即在某些情况下联合地存在而在其他情况下分离地存在的元件。用“和/或”列出的多个元件应以相同的方式解释，即“一个或多个”如此结合的元件。除了用“和/或”短语特别地识别的元件之外，其他元件可以可选地存在，无论这些元件与特别地识别的元件相关还是不相关。因此，作为一个非限制性示例，当与诸如“包括”的开放式语言结合使用时，对“A和/或B”的引用可以在一个实施例中仅指代A(可选地包括除B之外的元件)；在另一个实施例中，仅指代B(可选地包括除A之外的元件)；在又一个实施例中，指代A和B二者(可选地包括其他元件)等等。
如本说明书和权利要求书中使用的，“或”应被理解为具有与上文定义的“和/或”相同的含义。例如，当在列表中分隔项目时，“或”或“和/或”应被解释为包含，即包含元件的至少一个或元件的列表中的至少一个(但也包括多于一个)，以及可选地包含额外的未列出的项目。只有术语明确指示相反，诸如“只有一个”或“恰好一个”，或者，当“由……组成”在权利要求中使用时，将指包含恰好一个元件或元件列表中的恰好一个元件。一般来说，本文所使用的术语“或”只有在前面加上排他性术语(诸如“两者中任一”、“一个”、“只有一个”或“恰好一个”)时，才应被解释为指示排他性替代(即“一个或另一个但不是二者都”)。“主要由……组成”在权利要求书中使用时，应具有如在专利法领域中使用的普通含义。
如本说明书和权利要求书中所使用的，关于一个或多个元件的列表的短语“至少一个”应被理解为意思是从元件列表中的任意一个或多个元件中选择的至少一个元件，但不一定包括至少一个在元件列表中具体列出的每一个元件，并且不排除在元件列表中的元件的任何组合。这个定义还允许元件可以选择性地存在于短语“至少一个”所指的元件的列表中特别地识别的元件之外，而不论所述元件与特别地识别的元件相关还是不相关。因此，作为一个非限制性示例，在一个实施例中，“A和B中的至少一个”(或者等效地“A或B中的至少一个”，或者等效地“A和/或B中的至少一个”)可以指至少一个、可选地包括不止一个A，而没有B(并且可选地包括除B之外的元件)；在另一个实施例中，指至少一个、可选地包括不止一个B，而没有A(并且可选地包括除A之外的元件)；在又一个实施例中，指至少一个、可选地包括不止一个A，和至少一个、可选地包括不止一个B(并且可选地包括其他元件)等等。
在权利要求书以及上述说明书中，诸如“包括”、“包含”、“携带”、“具有”、“含有”、“涉及”、“保持”、“构成包括”等等的所有过渡短语都应被理解为开放式的，即意思是包括但不限于。如美国专利局专利审查程序手册第211.03节中所述，只有过渡短语“由……组成”和“基本上由……组成”分别应是封闭或半封闭的过渡短语。

Claims (20)

1.一种促进包括电机的外骨骼设备的受控塌陷的方法，所述方法包括：
接收外骨骼设备的电源故障、电气故障、软件故障和机械故障中的一个或多个的指示，所述指示启动外骨骼设备或其组件下降到地面；以及
在电机的正端子和负端子之间建立低阻抗电路，以致使生成电磁力以抵抗或减缓外骨骼设备或组件的下降。
2.如权利要求1所述的方法，其中接收的指示是由电力故障检测电路响应于接收与外骨骼设备或组件的性能和/或状态有关的信息而生成的，所述信息来自可操作地耦接到外骨骼设备或组件的一个或多个传感器。
3.如权利要求2所述的方法，其中一个或多个传感器包括温度传感器，所述温度传感器被配置为测量外骨骼设备的电源的温度，并且如果温度测量结果指示故障的电源则生成信息。
4.如权利要求2所述的方法，其中一个或多个传感器包括功率计，所述功率计被配置为：
收集关于外骨骼设备的电源处的电力的可用性的数据，并且
如果收集的数据指示在为外骨骼设备或组件供电的电源处的电力供应短缺或不足，则生成信息。
5.如权利要求4所述的方法，其中功率计被配置为在从数据中滤除噪声之后生成信息。
6.如权利要求2所述的方法，其中一个或多个传感器包括电压计和/或电流计，所述电压计和/或电流计被配置为：
在沿外骨骼设备的电气电路系统的一个或多个点处分别地提供电压和/或电流数据，并且
当收集的数据指示电源故障、电气故障、软件故障和机械故障中的一个或多个时，生成信息。
7.如权利要求1所述的方法，其中由受控塌陷电路建立正端子和负端子之间的低阻抗，所述受控塌陷电路被配置为闭合正端子和负端子之间的低阻抗开关。
8.如权利要求7所述的方法，其中受控塌陷电路包括被配置为断开或闭合低阻抗开关的光电隔离功率驱动器。
9.一种塌陷电路，用于促进包括电机的外骨骼设备的受控塌陷，电路包括：
处理器，被配置为接收外骨骼设备的电源故障、电气故障、软件故障和机械故障中的一个或多个的指示，所述指示致使外骨骼设备或其组件启动到地面的下降；以及
功率驱动器，被配置为在电机的正端子和负端子之间建立低阻抗，以致使生成电磁力以抵抗或减缓外骨骼设备或组件的下降。
10.如权利要求9所述的电路，还包括被配置为响应于接收与外骨骼设备或组件的性能和/或状态有关的信息而生成指示的电力故障检测电路，所述指示来自可操作地耦接到外骨骼设备或组件的一个或多个传感器。
11.如权利要求10所述的电路，还包括一个或多个传感器，所述一个或多个传感器包括温度传感器，所述温度传感器被配置为测量外骨骼设备的电源的温度，并且如果温度测量结果指示故障的电源则生成信息。
12.如权利要求10所述的电路，还包括一个或多个传感器，所述一个或多个传感器包括功率计，所述功率计被配置为：
提供关于外骨骼设备的电源处的电力的可用性的数据，并且
当收集的数据指示电源故障、电气故障、软件故障和机械故障中的一个或多个时，则生成信息。
13.如权利要求12所述的电路，还包括被配置为在由功率计生成信息之前滤除来自数据的噪声的滤波器。
14.如权利要求10所述的电路，还包括一个或多个传感器，所述一个或多个传感器包括电压计和/或电流计，所述电压计和/或电流计被配置为：
在沿外骨骼设备的电气电路系统的一个或多个点处分别提供电压和/或电流数据，并且
当收集的数据指示电源故障、电气故障、软件故障和机械故障中的一个或多个时，生成信息。
15.如权利要求9所述的电路，其中功率驱动器包括光电隔离功率驱动器，所述光电隔离功率驱动器被配置为断开或闭合低阻抗开关，以在电机的正端子和负端子之间建立低阻抗。
16.一种用于促进由用户使用的外骨骼设备的塌陷的方法，外骨骼设备包括电机，所述方法包括：
接收外骨骼设备的电源故障、电气故障、软件故障和机械故障中的一个或多个的指示，所述指示致使外骨骼设备启动到地面的下降；
确定足以抵抗或减缓外骨骼设备的下降的电磁力的量，使得在至少下降的一部分期间外骨骼设备的塌陷速度在时间上基本恒定；以及
在电机的正端子和负端子之间建立低阻抗，以致使生成确定的量的电磁力以抵抗或减缓外骨骼设备的下降。
17.如权利要求16所述的方法，其中外骨骼设备的塌陷速度被配置使得下降的至少一部分的总时间相对于用户的体重基本上不变。
18.如权利要求16所述的方法，其中在正端子和负端子之间建立低阻抗包括改变正端子和负端子之间的低阻抗开关被断开或闭合的时间段。
19.如权利要求18所述的方法，其中对时间段的改变被配置使得下降的至少一部分的总时间相对于用户的体重基本上不变。
20.如权利要求18所述的方法，其中通过对被配置为控制低阻抗开关的断开或闭合的功率宽度调制(PWM)控制信号改变占空比来改变时间段。
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