CN112654339A - 可穿戴主动辅助装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可穿戴主动辅助装置，包括致动器，用于提供肢体辅助并经由至少一个力传递元件耦合至被主动辅助的肢体，至少一个力传递元件通过致动器伸长或缩短；以及控制件，具有用于来自多个传感器的信号的输入端，用于处理来自多个传感器的输入信号的信号处理级，以及用于根据经处理的传感器信号输出电机致动信号的输出级；其中，控制件还具有用于选择肢体辅助程度的肢体辅助程度选择输入端；并且其中，信号处理器级适于对与多个传感器当前检测到的运动或姿势相应地伸长或缩短的至少一个力传输元件的伸长量进行连续地建模，以根据被伸长或缩短的至少一个力传递元件的建模伸长量并响应于选择的最低肢体辅助程度输出连续致动器致动信号。

Description

可穿戴主动辅助装置

技术领域

本发明涉及可穿戴主动辅助装置。

背景技术

可穿戴主动辅助装置是众所周知的。它们可特别用于辅助例如由于事故、由于近期手术、或由于其他医疗状况而在他或她的运动中受损的患者。可穿戴主动辅助装置不仅可以帮助患者以至少接近正常的方式运动，而且还可以用于帮助用户在没有辅助装置的情况下以正常的方式训练运动。这不仅可以通过主动辅助肢体运动来实现，还可以通过提供外部支撑和稳定性来实现。

当患者康复时或在疾病进展中患者的健康恶化之前，由该装置提供的辅助可能不需要为给定主动辅助装置提供可能的全部功率。通常，某些肢体根本不需要被辅助，或者不需要最大程度地辅助。具体地，例如在患者从事故中恢复的训练期间，逐渐减少辅助或将总体辅助减少到零可能是有帮助的。然而，这在标准的可穿戴主动辅助装置中是困难的。

在T.Kusaka等人于2010年7月6日至9日在加拿大蒙特利尔举行的国际先进智能机电一体化会议上发表的文件“Smart Suit for Horse Trainers-Power and Skill AssistBased on Semi-active Assist and Energy Control”(检查登录号11 769922)中，提出了一种动力辅助系统，其中通过调节弹性材料的拉伸或偏移来控制弹性材料产生的力。建议同步用户运动和辅助力，并且为此，建议采用一种周期性输入控制方法，其中周期性运动将随着马运动而变化，并且其中弹性材料的长度被调整为与马运动的时间段同步，以获得适当的辅助。

US 2018/0078391描述了基于估计关节扭矩的步行辅助，其需要用户的肌电图(EMG)数据和运动数据作为输入。基于不同的估计关节扭矩，将针对运动来设置装置的参数，这些参数特别用于模仿人体产生的关节扭矩。从DE 10 2012 219 429 A1中已知的装置通过测量致动器的剩余能量来进行控制，并且与剩余量检测器一起用于确定辅助程度。

从WO 2018/122106中已知一种软式可穿戴肌肉辅助装置，其中使用提供有控制信号的DC电机，在长度和位置方面缩短、或延长、或保持肌腱。控制器可以使用一些或多个运动和力传感器，其用于估计用户的姿势和/或运动意图、或当前运动。基于该信息，装置的控制器可以决定如何最佳地支撑用户的运动，例如，通过调节所施加的力以及关节刚度。建议传感器设置可包括位于腿的小腿和大腿部分的惯性测量单元(测量腿部运动)、在手臂的惯性测量单元(测量手臂运动)、以及在身体质心的惯性测量单元(测量躯干运动)。此外，建议将测力传感器放置在每个肌腱处以测量力。建议电机中的编码器连续地测量致动器的电机轴的旋转位置，从而估算肌腱的长度。应指出，测力传感器和编码器的组合、和/或仅编码器信号允许对系统中的刚度和/或力水平进行精细控制。还应指出，电机可以施加与重力影响相等的力并调节关节刚度。

从WO/2016/089466、WO/2015/157731和WO/2018/039354已知的依靠电缆来提供辅助力的可穿戴主动装置不能提供最小辅助、或不能紧跟穿戴者的运动。当不需要力时，这些装置将切换到如下模式，其中在力传递电缆有足够的松弛度以允许用户不受限制地执行整个范围的运动。因此，这些系统无法在被意外地需要时立即传递力，因为它们必须首先克服过度的松弛。这不仅大大减少了这些系统的带宽，而且也不允许力传递的平稳开始。此外，该原理的能量效率也较低，因为它需要致动器主动馈送额外的电缆以产生足够的松弛度。

尽管一些已知的可穿戴主动辅助装置，特别是从WO2018/122106 A1已知的软式可穿戴肌肉辅助装置，为用户提供了很好的辅助，但是期望允许选择对一个肢体进行辅助或对多个肢体进行辅助的程度，即使所期望的辅助程度至少在某些时间对于用户而言为零或可忽略。此外，许多用户将期望更精确地提供实际所需的支撑。

发明内容

本发明的目的是提供工业应用的新颖性。

该目的通过独立权利要求的主题来实现。在从属权利要求中要求保护一些优选实施例。

根据本发明的第一基本思想，一种可穿戴主动辅助装置，包括：电机，该电机在使用中能致动以提供肢体辅助并经由至少一个力传递元件耦合至被主动辅助的肢体，该至少一个力传递元件通过该电机伸长或缩短；以及控制件，该控制件具有用于来自多个传感器的信号的输入端，用于处理来自该多个传感器的输入信号的信号处理级，以及用于根据经处理的传感器信号输出电机致动信号的输出级；建议其中，该控制件还具有用于选择肢体辅助程度的肢体辅助程度选择输入端；以及其中，该信号处理器级适于对与多个传感器当前检测到的运动相应地伸长或缩短的该至少一个力传递元件的伸长量进行建模，以及根据被伸长或缩短的至少一个力传递元件的当前建模的伸长量并响应所选择的最小肢体辅助程度来输出电机致动信号。

换句话说，建议了一种可穿戴主动辅助装置，其具有可选择的最小辅助程度，该最小辅助程度可以通过以如下方式致动通常辅助肢体的电机而接近零肢体辅助：根据基于多个传感器信号导出的模型来严格控制力传递元件的伸长量。这允许选择最小辅助而无需将致动器、电机等与肌腱解耦合。具体地，可能的情况是最小肢体辅助程度不是由穿戴该可穿戴主动辅助装置的用户自己选择的，而是由物理治疗师、理疗师、医生等来选择的，特别是甚至患者都未注意到。随着电机继续伸长或缩短至少一个力传递元件，即使在没有提供实际支撑的情况下，听到电机的用户也会有被支撑的印象。

因此，可穿戴式主动辅助装置的安慰剂效应可容易地进行测试，特别是在患者必须重建对他(或她)自己肌肉的信心的情况下。更重要的是，通过建模伸长量以及通过缩短和/或伸长至少一个力传递元件，在不管理疗师等的期望而仍必须为某些运动提供辅助的情况下，辅助可以并且将立即可用。应当注意，出于本发明的目的，肢体辅助程度选择输入被适配为使得在单元开启至少2个不同的支撑程度为可选的情况下，最小肢体辅助程度是这些可选的程度之一，即使该最小程度对应于零辅助。

注意，在优选实施例中，可以为人体的两侧选择不同的辅助程度，例如，对左腿的辅助与对右腿的辅助不同。在使用单独的致动器来辅助身体同一侧的肢体的情况下，还可能且有利的是为每个肢体选择不同的辅助程度。注意，可以通过简单地参考指示例如当前姿势的某些信号来对电机致动信号的输出进行建模，该当前姿势为将被辅助的肢体的屈曲或弯曲状态，并且在力传递元件进一步运行跨过电机将辅助的肢体的一个关节的情况下(例如，由于一个电机的同时辅助将通过被适当地引导的力传递元件而提供给小腿、大腿和髋部)，可仅依靠测量关节角度、相应元件的定向、判断例如大腿处于垂直、水平还是中间位置等的传感器信号。不必确定当前对特定肢体需要最小辅助(优选为零辅助)的人是否正在根据特定模式移动，例如，步行、爬楼梯等。

因此，预测下一运动以提供最小肢体辅助既是不必要的也没有特别有利。如本发明所建议的控制通过由电机致动信号所致动的电机来伸长或缩短力传递元件不需要依靠预定的位置轨迹，而是可以(并且优选地将)根据一个或多个经处理的传感器信号来连续地缩放，使得可以连续提供最小肢体辅助，而不管所执行的动作或姿势。

尽管如此，可以使至少一个力传递元件的伸长或缩短与用户的当前行为紧密匹配，而不预测用户接下来将运动的方式。有利的是甚至仅依靠来自多个传感器的当前感测信号，而不依靠预测的运动模式。

尽管如此，要注意的是，即使在以透明模式使用可穿戴主动辅助装置(其中提供最小肢体辅助程度)时，仍然可以识别当前运动以及用户的当前运动的阶段。以这种方式，可以在没有延迟并且未不利影响地突然需要辅助的用户的情况下立即进行辅助，这种突然需要辅助例如是由于检测到用户的血压或心率增加到超过临界水平(这经常可能是由于具有人无法应付当前情况的印象)，或者由于实际努力对用户而言过大。

此外，加速度传感器和/或角速度传感器可能指示用户开始以下落方式运动并且必须防止跌倒。在这种情况下，检测当前运动模式可能是有益的，即使在系统处于最小肢体辅助程度状态时的力传递元件的实际伸长或缩短将不依赖于这种模式。注意，可以使用诸如硬件实现的滤波器等之类的硬件级来实现控制件，或者作为替代，可以对传感器信号进行调节和数字化，使得控制件可被实现为软件级。可以将控制件作为附加(软件)模块而包括在预先存在的主动辅助装置中，特别是在此类装置已经提供足够的传感器信号的情况下。

在优选实施例中，该多个传感器包括陀螺仪和/或加速度计传感器和/或磁力计传感器和/或可伸缩传感器和/或运动和/或角度传感器。多轴传感器，特别是三轴加速度传感器、陀螺仪和磁力计传感器，在确定肢体或肢体部分的当前定向时特别有用。此外，在关节近端和远端的两侧都提供多个陀螺仪和/或加速度计传感器允许确定或至少估计关节的角度。同样地，磁力计传感器将允许确定地球磁场中的定向。应注意，上述传感器和相关联信号调节电路(例如，缓冲器、放大器、A/D转换器等)可能以可预测的方式而受到改变环境条件(例如，温度)的影响。因此，在某些实施例中，可能优选的是具有附加环境传感器，例如，温度传感器、气压传感器等，并响应于从附加环境传感器获得的信号而校正陀螺仪和/或加速度计传感器和/或磁力计传感器和/或可伸缩传感器和相关联电路的潜在漂移。

注意，可以使用其他传感器，例如，用于确定关节角度的专用角度传感器。可以预见，可以使用即将出现的传感器，例如，可伸缩传感器和/或新的和/或其他已知的但未明确列出的运动和/或角度传感器。然而，特别有利的是如果不需要力传感器来测量力传递元件上的张力，例如，应变仪等，因为这简化了布置并降低了成本。应注意，即使没有附接到力传递元件的应变仪，根据本发明的可穿戴主动辅助装置的反应也可以非常快。

在优选实施例中，主动辅助装置适于辅助一个或多个肢体(特别是人体的至少一条腿)的活动。可以依靠来自仅一条腿的控制信号来提供控制信号。然而，可能优选的是使用来自两条腿的信号。例如，在用户开始跌倒的情况下，预期高加速度，并且通常这些高加速度将不能分配给任何已知的典型行为或运动。因此，依靠来自双方的信号将允许系统更快地确定需要立即终止零辅助阶段或最小辅助阶段。

在优选实施例中，如上所述，控制件适于对力传递元件的伸长量进行建模，而与指示对力传递元件中的力和/或张力的测量的任何力或张力指示信号无关，尤其是与测力传感器测量信号无关。将理解，尽管不论怎样测量了这样的力或张力，也可以在透明模式下使用相应的信号；然而，对于大多数应用，实际上不需要这样的力或张力指示信号，可认为有利的是如果不需要提供这样的相应传感器信号，因为它们将仅用于实施透明模式。因此，还将理解，尽管可以在透明模式下使用这样的力或张力传感器，但如果它们被认为对于实现附加功能不是至关重要的，则将不需要它们。

在非常优选的实施例中，力传递元件本身将几乎不可延伸。换句话说，在正常使用期间，用户可施加在力传递元件上的力将不适合于允许其较大的延伸。

现在，如上所述，根据本发明的可穿戴主动辅助装置依靠用于通过致动电机来评估力传递元件的当前所需伸长量的模块。在这种情况下，应注意，在电缆对应于力传递元件的情况下，电缆的展开和卷绕被认为拉伸或缩短了力传递元件。

应理解，如果物理参数(例如，尺寸、肢体长度、腿周长等)是公知的，则伸长量的基本建模将是最精确的。

然而，经常需要或至少希望不需要非常精确地测量用户，因为这将花费时间，特别是理疗师等的时间增加了使用根据本发明的可穿戴主动辅助装置的总体成本。

因此，非常优选的是允许可以在不为每个单个用户过于精确地确定专用物理参数的情况下使用可穿戴主动辅助装置。因此，在非常优选的实施例中，在肢体和电机之间，与将伸长或缩短的力传递元件串联地设置弹性元件。使用这样的弹性元件(例如，螺旋弹簧)允许以较小误差确定保持对用户而言不可检测而当前所需的力传递元件的伸长或缩短。

在优选实施例中，进一步优选的是设置限定器，该限定器限制或限定弹性元件的伸长量，例如，将弹簧的伸长量限定于最大允许伸长量，并且承受施加于弹簧或其他弹性元件的任何额外的力，而不允许其进一步伸长。例如，可以在螺旋弹簧内提供特定长度的绳索或电线。该绳索可以连接在与弹簧端部相同的位置，使得限定器也将被放置在肢体以及用于在被致动时辅助肢体的电机之间。假定只要弹簧线圈不伸展，绳索就应比弹簧线圈更长，则所有施加在力传递元件上的力例如由于模型和用户之间的不匹配而都将导致弹簧在一定程度上伸展。

虽然弹簧的伸长量保持较低，但限定器未承受力。然而，一旦弹簧伸展到允许的最大值，则任何额外的力都将被限定器承受，因此将不允许弹性弹簧的进一步伸展。换句话说，限定器将伸长量限定于被允许的特定最大值，特别是在提供实际支撑或辅助的情况下。通过适当地选择弹性弹簧元件的充足的最大允许伸长量和适当的弹性模量，可以注意模型与特定用户实际所需的伸展之间的任何偏差，其将不会损害本可穿戴主动装置在实际辅助期间的预期性能，也不会使装置在透明模式期间变得敏感。

在优选实施例中，弹性元件具有如下弹性模量，该弹性模量使得对于所选择的最小肢体辅助程度中的可接受的最大残余力，弹性元件被伸长不超过标准化模型与给定用户的正确伸展之间的最大允许偏差。在这种情况下，将明显的是，尽管不必对用户进行非常精确的测量，也可以并且将优选的是提供弹性和最大允许长度两者均不同的多个弹性元件。在典型情况下，最大允许偏差可以是几厘米，例如，3至7厘米。即使在给定标准电机速度的情况下紧急改变肢体辅助，该距离也可被轻松克服。这些优选的最大可允许长度进而允许由于弹性元件的伸展与模型不匹配时而产生的残余力，这些残余力几乎不能被用户检测到，并且将确保大多数时间或所有时间不会检测到不匹配。

如上所述，可以确定所识别的当前运动的阶段，并响应于建模伸长量来输出电机致动信号。尽管将可以预测实际的伸展，然而，应注意，对于由根据本发明的可穿戴主动辅助装置提供的透明模式，既不需要例如步态相位的知识，系统也不依靠准确的步态周期，这是因为未预先定义致动曲线。具体地，应注意，代替依靠特定步态相位，可以使用其他参数，例如，取决于膝盖角度的连续力缩放等。

然而，尽管如此，控制件也可适于识别某些活动，例如，步行、站立、上坡或下坡、上楼梯或下楼梯、就坐过渡等。如上所述，即使在透明模式的控制件本身不需要依靠确定精确的当前活动的情况下，也可以提高装置的安全性。

即使在透明模式下的致动不依靠与一些所识别的运动模式相对应的任何预定义致动曲线，控制件也可适于不仅识别某些活动，而且还组合透明模式下存在的连续力缩放致动与所检测到的活动的某些阶段所需的预定义致动曲线，在需要时在连续力缩放辅助和预定义致动曲线之间交替。

在优选实施例中，最小辅助程度可被选择使得残余力在肢体处保持小于30N，优选地在肢体处小于20N，尤其是在肢体处小于10N。然而，通常残余力仍将大于0.5N，尤其大于1N，对于至少一部分运动(具体地，50％地周期性运动，优选地至少66％的周期性运动，尤其优选地至少3/4的周期性运动)尤其在0.5和5N之间。

尽管可以使用其他机构，但在最优选的实施例中，该至少一个力传递元件将是诸如电缆或绳索之类的肌腱，为了伸长，其使用诸如步进电机或无刷电机之类的电机来卷绕或展开。电机尤其可以是无刷电机，这是特别优选的，因为当需要辅助时，无刷电机可被容易地控制并且在将辅助的肢体上提供足够高的扭矩。在优选实施例中，力传递元件在松弛护套中被引导。换句话说，力传递元件不必是鲍登电缆(Bowden cable)等，使得简化了可穿戴主动辅助装置的整体结构。

注意，基本上控制件适于对伸长量进行建模，使得在从所选择的最小辅助程度过渡到高于最小程度的辅助程度时，在向用户提供可感知的辅助之前需要通过卷绕来克服松弛不超过10cm，优选地不超过7cm，尤其优选地不超过5cm的力传递元件。

将理解，即使在系统中存在一些松弛的情况下(由于模型依靠“平均用户”进行建模)，弹性元件也将补偿通常与小误差有关的模型误差。在优选实施例中，因此不需要将使用多个参数的特定尺寸输入到系统中。

在优选实施例中，可能有用的是引导力传递元件以使其延伸超过多于一个的关节。以这种方式，力可被施加到大部分(周期性)运动。在控制件适于对将伸长或缩短的至少一个力传递元件的伸长量进行建模的情况下，非常优选的是不仅考虑当前所需的实际尺寸，而且还考虑摩擦。

在优选实施例中，考虑可变的主动辅助装置必须包括(为了完全提供主动辅助)用户必须穿戴的多个类服装元件等。与普通衣物相比，这种类服装元件当前仍将比常规衣物硬得多，并且还将具有更高的重量。当在这样的可穿戴辅助装置中运动时，需要克服由类服装元件等引起的额外摩擦，并且当加速人体的一部分时，简单地向肢体提供零力通常将是不够的。相反，在某些情况下，优选的是用户将根本不被穿戴辅助套装影响。因此，在其中辅助为零的真实透明模式下，还期望防止“负”辅助，以使得诸如摩擦和惯性之类的影响不会影响用户。因此，这些影响应被补偿。

在可穿戴主动辅助装置的优选实施例中，即使在辅助期间的扭矩仅在一个方向上被主动施加的情况下，也可能存在有助于稳定关节等的对抗性被动元件。如果是这种情况，则对于透明模式，还需要抵消对抗性被动力。在这种情况下，任何肢体辅助都将仅产生自残余的关节稳定，而非产生自主动允许运动，使得仍可以提供一些辅助。

注意，由控制器实施或使用的任何模型都可被设计为使得穿戴主动辅助装置的用户的组织顺应性和/或身体形状被考虑为模型的一部分。换句话说，优选的是用户本身被认为是被穿戴的系统的控制器的集成部分。这允许控制器以如下方式辅助用户，该方式利用人体的柔顺性，就好像它是进行存储和/或衰减的弹簧阻尼系统，换句话说，从力传递元件吸收能量，从而避免了控制方案中的不稳定性，因此有助于在控制操作期间稳定任何可能的不稳定性，从而确保安全致动，如果需要的话，还可以同时能够突然增加辅助。因此，可以实现额外等级的安全性，其允许系统在需要时以突然但受控的方式利用高等级的辅助来进行辅助。

将理解，即使在本发明的可穿戴主动辅助装置将提供不同于零辅助的肢体辅助的情况下，可能有用并且被认为本身具有创造性的是：对与多个传感器当前检测到的运动或姿势相应地伸长或缩短的至少一个力传递元件的伸长量进行建模，以及根据被伸长或缩短的该至少一个力传递元件的当前建模伸长量并考虑所选择的肢体辅助程度来输出电机致动信号。换句话说，在主动辅助期间，尤其是在辅助程度低于可能的最大辅助的情况下，可以将透明模式用作基础，然后可以通过进一步伸长或缩短该至少一个力传递元件来组合任何实际的辅助，从而以实际辅助的程度来提供肢体辅助。由此可见，可以将透明模式与其他辅助模式相结合，从而在整个任何给定的运动中实现至少所选择的最小辅助等级的连续辅助。

应注意，当提及致动器时，不仅电机是可用的。例如，在本发明的上下文中，这种电机还可以是液压或气动的。甚至可以使用类似于人造肌肉并允许对其进行控制的技术。将理解，装置可以例如利用电致伸缩、磁致伸缩等。

还寻求保护一种可穿戴主动辅助装置的控制件，该可穿戴主动辅助装置具有电机，该电机能致动以提供肢体辅助并经由至少一个力传递元件耦合至被主动辅助的肢体，该至少一个力传递元件通过该电机伸长或缩短；该控制件具有用于来自多个传感器的信号的输入端，用于处理信号的信号处理级，以及用于根据经处理的传感器信号输出电机致动信号的输出级；并且其中，该控制件包括模型级，该模型级适于通过考虑由传感器检测到的用户的当前运动和/或姿势两者、人体的组织的顺应性、以及可穿戴主动辅助装置抵消运动的惯性和/或摩擦，以将辅助保持在用户可感知的阈值处或该阈值之下的方式，来对该至少一个力传递元件的伸长量进行建模，并且其中，输出级适于根据当前建模的伸长量和所需的肢体辅助来输出电机致动信号。

在该控制件中，应用本发明的相同的总体思想，即使未将支撑等级调节到最小值，通过替代地考虑组件的惯性和/或摩擦以使得可以对其进行补偿，也可以获得用户几乎不会注意到的可穿戴辅助装置的影响。由此，将明显的是，即使在不需要最小辅助的情况下，透明模式也有助于提高可达到给定量的辅助的精度，并且这可以通过使用最小(等同于透明)模式作为基线来实现。如可以理解的，这可以通过即使在不需要最小辅助的情况下也考虑摩擦和/或惯性分量中的至少一个，并随后应用所公开的概念来实现。

附图说明

现在将参考附图说明本发明。在附图中：

图1示出了根据本发明的可穿戴主动辅助装置的示意图；

图2示出了其细节，示出了作为有弹性的弹性元件的弹簧，该弹簧与将伸长或缩短的力传递元件串联地设置，以及套(cuff)布置，该套布置围绕肢体放置，但具有用于将弹簧伸长量限定于最大允许伸长量的限定器；

图3示出了根据本发明的由可穿戴主动辅助装置的控制件使用的模型的说明；

图4示出了根据本发明的用于对可穿戴主动辅助装置的透明行为进行建模的示意性高级框图；

图5a-d更详细地示出了模型组件，即顺应性补偿组件；

图5b是速度补偿组件；

图5c是弹性元件力补偿；以及

图5d是位置补偿组件；

图6a是以循环方式反复增加的不同力的力-肌腱长度关系；

图6b更详细地示出了固定力和重复力增加的力-肌腱长度关系；注意，显示的是旋转致动器的编码器计数，而不是肌腱长度；

图6c是图6的力-肌腱长度关系以及在重复循环之后获得的平均行为；

图6d是示出可被精确控制的施加到肌腱的力的演示；

图6e是不同姿势的力-肌腱长度关系；

图7示出了在不同姿势中最小支撑和/或透明模式需要不同的肌腱长度；

图8示出了在缓慢运动时在透明模式期间作用在膝盖力臂上的力，显示了在透明模式期间仅施加了最小的力。

具体实施方式

根据图1，可穿戴主动辅助装置1包括电机2，该电机2可致动并且用于向用户4的肢体3提供辅助，电机2经由至少一个力传递元件5耦合至肢体3，该至少一个力传递元件5通过电机和控制件6来伸长或缩短，该控制件6具有用于来自多个传感器8a、8b、8c、8d的信号7a、7b、7c、7d的输入端，该控制器具有用于处理来自多个传感器8a-8d的输入信号7a-7d的信号处理级，以及用于根据经处理的传感器信号输出电机致动信号10的输出级9，其中，该控制件还具有用于选择肢体辅助程度的肢体辅助程度选择输入端11；并且其中，控制件6的信号处理器级适于对与使用传感器8a-8d当前检测到的用户的运动相应地伸长或缩短的至少一个力传递元件5的伸长量进行建模，以及根据被伸长或缩短的至少一个力传递元件5的当前建模的伸长量并响应于所选择的最小肢体辅助程度来输出电机制动信号10。

应注意，尽管在所示的实施例中，可以选择肢体辅助程度并且将本发明实现的透明模式用作最小肢体辅助程度，但不一定是这种情况。通常可以精确地保持辅助，特别是有意地保持在最大辅助程度以下，例如，以便减少可穿戴主动辅助装置的组件(例如，电机、电池、肌腱等)上的负荷，并增加装置的寿命。

尽管如此，即使在这种情况下，本文描述的透明模式也可被认为是有用的，因为透明模式可被用来限定基础伸长量，从该基础伸长量开始提供附加辅助。以这种方式，例如，周期性运动期间的总体辅助可更恒定。在这种情况下，可穿戴式主动辅助装置可例如包括电机，该电机能致动以提供关节辅助，并经由至少一个力传递元件耦合至被主动辅助的关节，该至少一个力传递元件通过该电机伸长或缩短；以及控制件，其具有来自多个传感器的输入端，用于处理信号的信号处理级，以及用于根据经处理的传感器信号输出电机致动信号的输出级；其中，该控制件包括模型级，该模型级适于通过考虑由传感器检测到的用户的当前运动和姿势两者、以及可穿戴主动辅助装置抵消运动的惯性和/或摩擦，以将辅助保持在用户可感知的阈值或该阈值之下的方式，来对该至少一个力传递元件的伸长量进行建模，并且其中，输出级适于根据当前建模的伸长量和/或所需的肢体辅助来输出电机致动信号。

现在，返回到图1和其中示出的实施例，用户4是需要一定程度的辅助的人类患者，但在不需要主动辅助的至少一些时间段内也使用可穿戴主动辅助装置。

力传递元件是如下肌腱，其在通过电机2旋转的卷轴上盘绕和展开以便伸长或缩短该力传递元件。这尤其可以在图7中看到。虽然图1未示出构造可穿戴主动辅助装置以及沿着人类用户4的身体引导力传递元件的精确方式，但在这方面可以参考WO 2018/122106A1。然而，可能的情况是其中示出了可实施本发明的可穿戴主动辅助装置的非限制性示例。

此外，所引用的文献中示出了许多细节，例如，来自不同层的构造等。这些在本发明中是有用的，但不是绝对必要的。因此，尽管具有根据所引用文献的构造，并具有根据所引用文献的传感器、以及除了本文所描述的紧密对应于所引用文献的控制件之外的控制件的可穿戴肌肉辅助装置完全可用于本发明，但应注意，本发明不限于如WO2018/122106 A1中所构造的可穿戴主动辅助装置，并且本发明的基本思想还可以用于具有不同构造的可穿戴主动辅助装置。

在所示的实施例中，所辅助的关节是用户的膝关节和髋关节，尤其是右腿的膝关节和髋关节，并且在小腿上设置有第一三轴加速度计传感器8d，并且在大腿上设置有第二三轴加速度计。此外，提供了角度传感器以指示右髋的弯曲角度(参见传感器8a)以及右膝的弯曲角度(参见传感器8c)。可以在踝部设置另一角度传感器(图1中未示出)。图7还示出了针对不同姿势的不同角度。

在所示的实施例中，力传递元件5是由不可伸展的材料制成的肌腱，并经由套12固定于小腿(参见图2)。在肌腱5和套12之间设置相当有弹性的螺旋弹簧13。螺旋弹簧13的一端固定于套12，并且另一端固定于肌腱5的端部5a。与螺旋弹簧13平行并在螺旋弹簧13内引导的是绳索14。绳索14的长度使得绳索松弛直到弹性元件13的最大接受伸展。当然，这种限定也可以用除螺旋弹簧之外的弹性元件来实现，例如，橡皮筋。

如图3中可以看出，肌腱沿着用户3的腿部延伸的长度将取决于用户的姿势，特别是膝盖和髋部的弯曲角度；此外，如果电机在相当高的位置附接于用户的躯干，则该长度还将取决于躯干本身的姿势。将理解，肌腱5的长度变化将尤其取决于如由可穿戴主动辅助装置实现的肌腱靠近人体的路径。例如，取决于肌腱是在髋部的前方还是后方引导，该长度将不同。当然可以考虑这一点。具体地，如图3所示，这可以通过仅根据当前弯曲角度(在图3中表示为角度α、角度β、角度γ)限定虚拟髋部和虚拟腿部而计算虚拟肌腱长度来完成。

然后，对于本领域技术人员将明显的是，任何可穿戴辅助装置都会有一些质量，如果用户想要移动肢体，也需要移动这些质量。例如，当移动小腿时，套12以及弹簧13、绳索14必须与肌腱5的各部分等一起移动。此外，由于可穿戴主动辅助装置的各部分的类服装结构的一些摩擦和服装内的摩擦，以及由于通常理解的其他摩擦原因，将存在一些摩擦。

现在，如果用户将被提供零辅助作为最小辅助，但又不受可穿戴主动辅助装置1的不利影响，则应考虑并补偿图4所示的补偿分量，例如，惯性和摩擦，以及其他影响和干扰。否则，用户将必须施加额外的力而仅用于克服可穿戴主动辅助装置的额外的摩擦和惯性。此外，将明显的是，要克服的惯性可取决于具体运动。例如，在移动小腿的情况下，要补偿的惯性将取决于是在摆动阶段的开始期间(需要高加速度)还是在摆动阶段的中间期间(速度在短时间内基本上保持恒定，使得不需要补偿惯性力)支撑小腿。此外，摩擦力可取决于当前的速度和当前的弯曲角度。(注意，虽然为了解释摩擦和惯性效应，已经参考了运动模式和阶段，例如，姿态或摆动，但不必确定它们。相比之下，确定小腿的速度等将是足够的)。

如图4所示，在优选实施例中，对透明力进行建模的模型级将考虑人体不同部位(即躯干、大腿、小腿)的当前姿势或位置，并且还将考虑躯干、大腿和小腿的当前速度。然后，可以考虑每个组件(例如，在躯干、大腿和小腿处)的摩擦以及相应的惯性，以及弹性元件力分量。

将明显的是，电机也将贡献于摩擦和惯性，使得还应考虑分别用于躯干、大腿和小腿的诸如IMU(惯性测量单元)之类的其他传感器，优选地，还应当考虑电机编码器信号。使用这些信号，可以分别从位置补偿分量、速度补偿分量、摩擦补偿分量和惯性补偿分量计算位置补偿力、速度补偿力、摩擦补偿力和惯性补偿力。

通过添加这些力分量，确定总体透明力，该总体透明力用于为用户提供可穿戴主动辅助装置既不辅助也不妨碍运动的印象。

如在图5a、图5b、图5d中可以更详细地看到，每个IMU包括陀螺仪传感器和加速度传感器，尤其是三轴加速度计传感器，其被分别指定为：陀螺仪大腿、加速度大腿、陀螺仪小腿、加速度小腿；陀螺仪躯干、加速度躯干；陀螺仪大腿、加速度大腿、陀螺仪小腿、加速度小腿。根据这些传感器信号，计算当前大腿角度和当前小腿角度，这两个角度被用于确定速度补偿分量以及推导膝盖角度和髋部角度。根据这些角度，然后基于非特定于用户的模型来计算虚拟髋部角度和虚拟腿部长度，从而得出虚拟肌腱的建议长度。

反复重复此确定，计算虚拟电缆长度随时间的变化。

可以将虚拟电缆长度随时间的变化与从电机编码器信号导出的电机的当前速度进行比较，以确定当前速度是否为完全补偿当前运动所需的正确速度。如果需要，则然后可以校正当前速度。

以类似方式，为了确定位置补偿，再次使用躯干角度、大腿角度和小腿角度，并且现在从它们确定膝盖角度。将膝盖角度和躯干角度与相应的初始角度进行比较，因为差异确定长度的变化。此外，考虑初始大腿角度。以这种方式，可以确定当前伸长量是否正确，或者应被增加还是减少，以便避免张力或松弛。根据该确定的结果，确定与当前位置相关的力分量。

最后，可能且优选的是以如下方式考虑组织顺应性及其在施加力时对肌腱位移的影响：对在肌腱向其施加力时人体的组织压缩进行补偿。

应注意，利用优选的致动器，可以使用对来自致动器的旋转角度编码器信号进行计数的计数器来确定肌腱的缠绕或展开，并同时例如根据施加于致动器的电流和/或电压来估计施加于肌腱的力。以这种方式，可以建立力-肌腱长度关系，并且由此可以估计组织压缩效应等。可反复确定这种关系，考虑到通过拉紧肌腱，沿着身体引导肌腱的路径可能略微改变，可穿戴主动辅助装置的织物部分可能相对于彼此滑动或稍微改变其位置等，导致力-肌腱长度关系的轻微变化。这种行为上的变化可例如从图6b得出。为了精确起见，注意到在图6b中，参考编码器计数。尽管编码器计数与肌腱长度密切相关，但将理解，由于肌腱的缠绕或展开，与其中由于几乎完全缠绕的肌腱的较大直径而使得完整旋转将产生肌腱长度的较大变化的情况相比，在肌腱完全伸展的情况下致动电机的完整旋转将产生较小变化。尽管如此，可容易地看到一般模式，并且还容易校正控制器中的这种影响，特别是具有某些软件模块的基于微处理器的控制器。此外，从图6c可以看出，可以导出平均行为以增加或迅速减小力，如曲线AB-BC-CA所示。

此外，将理解，所施加的不同的最大力将产生不同的变化(如例如从图6a中明显的)，增加所施加的力将产生与力减小时观察到的行为不同的行为(如从图6a或图6b中明显的)，并且所描述的效果在不同的姿势中将不同，比较图6c。因此，可以对组织压缩等的一般行为和/或一般影响进行建模；附加地和/或替代地，可以特别地考虑是否在姿势显著改变之后第一次施加力、或者力的施加是否重复来对行为进行建模；附加地和/或替代地，可以考虑在给定姿势中当前或先前施加的最大力来对行为进行建模；附加地和/或替代地，可以考虑先前的姿势，特别是紧接在当前姿势之前的(一个或多个)姿势，来对行为进行建模。图6d示出了用于确定用户的刚度模型的潜在力曲线。图6e中描绘的结果还示出了可被补偿的系统中的不同的松弛长度。

该模型可以基于针对广泛用户收集的平均数据和/或可以基于专门针对单个用户(尤其是针对特定用户以及穿戴装置的特定当前方式)收集的数据，考虑到可能会发生日常变化，并且可以通过建立或估计当前力-肌腱长度关系来补偿这些变化。注意，因此，在优选实施例中，可以确定模型，该模型将所施加的力与对肌腱行程的测量结果相关联，使得系统可以通过进行补偿来考虑到用户上的任何潜在高压点(卷绕电缆)。还应注意，在被压缩时，组织当然将吸收一些能量，并且可以通过将组织视为弹簧阻尼器系统的方式对此进行建模，该弹簧阻尼器系统通过吸收来自力传递元件的能量而有助于在控制动作期间稳定潜在的不稳定性，以及在需要突然增加辅助时改善系统对安全致动的响应。

应注意，尽管控制件适于对力传递元件伸长量进行建模而不管用户的大小和体重如何，例如以确定透明模式所必需的伸长量而与用户的尺寸无关，可以关于对力-肌腱长度关系进行建模来免除此问题，因为这些关系可被容易地确定，如从以上所述是明显的。

目前，尽管可以针对具有特定大小的特定用户来对可穿戴主动辅助装置的确切行为进行建模，但这通常需要频繁地必须多次重复进行的多次测量，例如，由于患者的腿部在事故后初始地肿胀，该肿胀随时间逐渐减少。

因此，期望使用如关于图2所解释的弹性元件来使用一般参数，并且仅以一定精度来伸长或缩短肌腱，使得弹簧13在透明模式期间未完全伸展。仅在需要实际辅助时(例如，由于患者变得精疲力竭)，肌腱5才会缩短到使得元件14不再松弛的程度。由于在本发明的透明模式期间，肌腱5必须被卷绕的距离将非常小，因此可以几乎立即提供主动辅助，并且不会对所支撑的肢体造成冲击或猛击。

Claims (35)

1.一种可穿戴主动辅助装置，包括：致动器，该致动器用于提供肢体辅助并经由至少一个力传递元件耦合至被主动辅助的肢体，所述至少一个力传递元件通过所述致动器伸长或缩短；以及控制件，该控制件具有用于来自多个传感器的信号的输入端、用于处理来自所述多个传感器的输入信号的信号处理级、以及用于根据经处理的传感器信号输出电机致动信号的输出级；其中，所述控制件还具有用于选择肢体辅助程度的肢体辅助程度选择输入端；

并且其中，所述信号处理器级适于对与所述多个传感器当前检测到的运动或姿势相应地伸长或缩短的所述至少一个力传输元件的伸长量进行连续地建模，以根据被伸长或缩短的所述至少一个力传递元件的建模伸长量并响应选择的最低肢体辅助程度来输出连续致动器致动信号。

2.根据权利要求1所述的可穿戴主动辅助装置，

其中，系统响应是以考虑到人体的物理特性，尤其是穿戴该装置的特定用户的特定物理特性的方式来确定的。

3.根据权利要求1或2所述的可穿戴主动辅助装置，其中，所述控制件适于对力传递元件伸长量进行与用户的大小和体重无关的建模。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的可穿戴主动辅助装置，其中，所述多个传感器包括：陀螺仪和/或加速度计传感器、和/或磁力计传感器、和/或可伸缩传感器、和/或运动和/或角度传感器。

5.根据权利要求4所述的可穿戴主动辅助装置，其中，所述多个传感器包括位于每条腿的多个肢体或关节中的每一个肢体或关节处的至少一个陀螺仪和/或加速度计传感器。

6.根据权利要求5所述的可穿戴主动辅助装置，其中，一条腿的当前力传递元件伸长量是响应于来自两条腿的传感器信号而确定的。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的可穿戴主动辅助装置，其中，所述控制件适于对力传递元件伸长量进行建模，而与指示所述力传递元件中的力和/或张力的任何力指示信号或张力指示信号无关，尤其是与测力传感器测量信号无关。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的可穿戴主动辅助装置，其中，所述控制件适于以考虑到所述力传递元件的摩擦/或惯性的方式来对被伸长或缩短的所述至少一个力传递元件的伸长量进行建模。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的可穿戴主动辅助装置，其中，有弹性的弹性元件，尤其是弹簧，与被伸长或缩短的所述力传递元件串联地设置在所述肢体和所述致动器之间，并且其中，提供了用于将所述弹簧的伸长量限定于最大允许伸长量的限定器。

10.根据权利要求9所述的可穿戴主动辅助装置，其中，所述有弹性的弹性元件具有弹性模量，该弹性模量使得对于在选择的最小肢体辅助程度中接受的最大残余力，所述弹簧被伸长不超过标准化模型与给定用户的正确伸展之间的最大允许偏差。

11.根据前述权利要求中任一项所述的可穿戴主动辅助装置，其中，被伸长或缩短的所述至少一个力传递元件包括力传递元件，其中，卷轴被提供以在缩短或伸长时卷绕或展开所述力传递元件，并且具体地，其中所述致动器是步进电机或无刷电机。

12.根据前述权利要求中任一项所述的可穿戴主动辅助装置，其中，所述力传递元件在松弛护套中被引导。

13.根据前述权利要求中任一项所述的可穿戴主动辅助装置，其中，通过所述致动器伸长或缩短的所述至少一个力传递元件延伸超过多于一个关节。

14.根据前述权利要求中任一项所述的可穿戴主动辅助装置，其中，在最小辅助程度下，所述控制件适于维持所述伸长量使得所述残余力不被所述用户感知。

15.根据权利要求14所述的可穿戴主动辅助装置，其中，在所述肢体处，所述残余力小于30N。

16.根据权利要求15所述的可穿戴主动辅助装置，其中，所述残余力小于20N。

17.根据权利要求16所述的可穿戴主动辅助装置，其中，所述残余力小于10N。

18.根据权利要求14至17中任一项所述的可穿戴主动辅助装置，其中，由所述力传递元件引起的残余力大于0.5N。

19.根据权利要求18所述的可穿戴主动辅助装置，其中，由所述力传递元件引起的残余力大于1N。

20.根据权利要求18所述的可穿戴主动辅助装置，其中，由所述力传递元件引起的残余力在0.5N至5N之间。

21.根据权利要求14至20中任一项所述的可穿戴主动辅助装置，其中，由所述力传递元件引起的残余力用于运动的至少一部分。

22.根据权利要求21所述的可穿戴主动辅助装置，其中，由所述力传递元件引起的残余力用于周期性运动的至少50％。

23.根据权利要求22所述的可穿戴主动辅助装置，其中，由所述力传递元件引起的残余力用于周期性运动的至少66％。

24.根据权利要求23所述的可穿戴主动辅助装置，其中，由所述力传递元件引起的残余力用于周期性运动的至少75％。

25.根据前述权利要求中任一项所述的可穿戴主动辅助装置，其中，所述控制件适于对所述伸长量进行建模，使得在从选择的最小辅助程度过渡到高于所述最小程度的辅助程度时，在向所述用户提供可感知的辅助之前需要通过卷绕来克服不超过10cm的力传递元件松弛。

26.根据权利要求25所述的可穿戴主动辅助装置，其中，在向所述用户提供可感知的辅助之前，需要通过卷绕来克服不超过7cm的力传递元件松弛。

27.根据权利要求25所述的可穿戴主动辅助装置，其中，在向所述用户提供可感知的辅助之前，需要通过卷绕来克服不超过5cm的力传递元件松弛。

28.根据前述权利要求中任一项所述的可穿戴主动辅助装置，其中，所述主动辅助装置适于辅助腿部活动，并且所述多个传感器包括位于每条腿的多个肢体或关节中的每个肢体或关节处的至少一个陀螺仪和加速度计传感器。

29.根据权利要求28所述的可穿戴主动辅助装置，其中，一条腿的当前力传递元件伸长量是响应于来自两条腿的传感器信号而确定的。

30.根据前述权利要求中任一项所述的可穿戴主动辅助装置，其中，响应于所述传感器信号，所述模型适于根据所述传感器信号识别当前预期运动来确定所识别的当前运动中的阶段，以根据所述当前运动的预期进展来对所述力传递元件伸长量的变化进行建模，并响应于所建模的伸长量来输出电机致动信号。

31.根据前述权利要求中任一项所述的可穿戴主动辅助装置，其中，所述控制件适于将活动识别为当前运动，并且其中，所述控制件适于将所述当前活动中的阶段确定为站立阶段或摆动阶段，和/或确定脚与地面的接触，和/或确定上楼梯和/或下楼梯、和/或步行、上坡或下坡、和/或就坐过渡中的阶段。

32.一种用于可穿戴主动辅助装置的控制件，尤其用于根据前述权利要求中任一项所述的可穿戴主动辅助装置，

其中，所述可穿戴主动辅助装置具有致动器，该致动器能够致动以提供肢体辅助并经由至少一个力传递元件耦合至被主动辅助的肢体，所述至少一个力传递元件通过电机伸长或缩短；

所述控制件具有下列项：

用于来自多个传感器的信号的输入端，

用于处理所述信号的信号处理级，以及

用于根据经处理的传感器信号输出电机致动信号的输出级；

并且其中，所述控制件包括模型级，所述模型级适于：

通过考虑由所述传感器检测到的用户的当前运动和/或姿势、以及所述可穿戴主动辅助装置抵消运动的惯性和/或摩擦、和/或人体的组织顺应性，以将辅助保持在所述用户可感知的阈值处或该阈值之下的方式，来对所述至少一个力传递元件的伸长量进行建模，

并且其中，所述输出级适于根据当前建模的伸长量和所需的肢体辅助来输出所述电机致动信号。

33.根据前一权利要求所述的控制件，所述控制件适于在不参考预定力/辅助曲线的情况下以连续方式对伸长分量进行建模，

尤其是最小辅助透明模式所需的伸长量。

34.根据权利要求33所述的控制件，其中，所述控制件还适于确定响应于被检测和/或识别的运动而同时施加的附加伸长分量，其中，所述附加伸长分量被同时施加于所述透明模式伸长量。

35.根据权利要求34所述的控制件，其中，所述被检测和/或识别的运动是步行运动、上楼梯运动、或就坐过渡运动。

Images