JP2012501739A - ハイブリッド型地形適応下肢システム - Google Patents
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- A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
- A61H3/00—Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J9/00—Programme-controlled manipulators
- B25J9/0006—Exoskeletons, i.e. resembling a human figure
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
- G01L5/0028—Force sensors associated with force applying means
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
- G01L5/0061—Force sensors associated with industrial machines or actuators
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P21/00—Testing or calibrating of apparatus or devices covered by the preceding groups
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
- H02K7/06—Means for converting reciprocating motion into rotary motion or vice versa
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
- A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
- A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
- A61F2002/5003—Prostheses not implantable in the body having damping means, e.g. shock absorbers
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
- A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
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- A61F2002/5007—Prostheses not implantable in the body having elastic means different from springs, e.g. including an elastomeric insert
-
- A—HUMAN NECESSITIES
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- A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
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Abstract
Description
慣性姿勢および軌跡の推定
図2は、足関節200に結合された下肢部材220の慣性姿勢に基づく義肢、装具、または外骨格装置(例えば、図17Aの装置1700)の足関節200、踵212、および爪先216の軌跡、ならびに下肢部材220と足部材208とがなす角度を判定するための方法を示す略図である。姿勢は、座標系の位置と配向である。装置1700は、下肢部材220に結合された慣性計測装置204を含む。慣性計測装置204は、角速度を測定するための3軸レートジャイロおよび加速度を測定するための3軸加速度計を備える。慣性計測装置を下肢部材220に配置することで、下肢部材220の3本の軸すべてに対する角速度および加速度の測定が一緒に行われる。慣性計測装置204は、下肢部材220の姿勢、慣性(世界座標系を基準とする)配向、および足関節200(足関節−足の回転の中心)の配置の自由度6の推定を行う。
ただし、式中
式中、γは慣性下肢部材角度であり、
式中、θは足関節の角度である。
慣性航法システムでは、典型的には、長い、通常は、数秒から数分の期間にわたって定期的に平均をとることによるゼロ速度更新(ZVUP)を使用する。慣性計測装置のこのような配置は、義足装置内においてほとんど静止していない。しかし、足の底は、唯一静止している場所であり、次いで、歩行周期には唯一の制御背屈状態である。本発明のさまざまな実施形態とともに使用するうえで、この制限の影響を受けない、例示的なゼロ速度更新法について、以下でさらに説明する。
に基づいて決定されるが、ただし、式中、Ox(tip)およびOy(tilt)はそれぞれx軸およびy軸を中心とする先端および傾きの増分的な回転を表し、
慣性計測装置のオフセットが計算され、補正(ゼロ設定)された後、足の傾き(β)(踵の高さともいう)は、例えば図3に例示されているように決定される。この図解から、β=−(θ+γ)であることを考慮して、着用者が足底接地で立っているときにそれを確認することは容易である。約1/10秒の期間について平均をとることで、βの正確な推定値を求めることができる。それ以降、足と足関節のなす座標系
1. 1〜6歩目:5°の斜面を6歩で上る
2. 7歩目:一歩で踊り場に載る
3. 8〜9歩目:10°の斜面を3歩で下る
4. 記録ギャップ
5. 10〜11歩目:階段を2歩で上る
6. 12歩目:一歩で踊り場に載る
7. 14〜17歩目:5°の斜面を4歩で下る
8. 18〜19歩目:平地を2歩進む
9. 20〜21歩目:10°の斜面を2歩で上る
10. 22歩目:一歩で10°の斜面から踊り場に進む
11. 23〜24歩目:階段を2歩で下る
12. 25〜31歩目:平地を7歩進む
階段斜面弁別器は、地形傾斜度
次のステップは、立脚期における局所的縦方向に揃うように下肢(脛)の配向を復元するステップを伴う。図8は、義足800、例えば、図17Aの義肢装置1700の足底接地における地形の角度に基づいて慣性基準バネ平衡状態を判定するための方法を示している。義肢800は、爪先816および踵820を持つ足部材808を有する。義肢は、足関節804および下肢部材(脛)812も有する。地形角度(φ)は、制御システムへの入力である。制御システムは、地形角度(φ)の変化に基づいて図10Aの曲線(Γ−Θ)をシフトし(これにより足関節のインピーダンスKcontrolledplantarflexionを変化させ)、制御底屈時に着用者の全体的なバランスを(図10Fに説明または例示されているよう)保持もしくは改善する。制御システムは、足関節の平衡角度が地形角度(φ)に等しくなるように義肢の足関節804のインピーダンスを設定し、制御システムは、局所的縦方向850に揃うように下肢部材812(脛)の配向を復元する。
1)図7Aに関して本明細書で説明されているように足部接地と足底接地との間の時間間隔の間における衝撃を軟化するように遊脚後半期のインピーダンス(ステップ1000)(動バネ定数および足関節角度平衡角度)を調節する(コントローラは、動力底屈時の負の移動エネルギー衝撃および股関節衝撃力の最小化に基づいて曲線(Γ−Θ)をシフトする(これにより足関節のインピーダンスKpoweredplantarflexionを変える))。
2)後腿に離昇力を与える−前腿の衝撃の時点において、またはその前に足関節(および膝)の反射反応を引き起こすことによって達成される(ステップ1004)。
3)制御背屈期において慣性基準平衡角度を維持し、傾いた地形上で(図10Fにおいて説明され、例示されているように)バランスをとる(平衡状態を保つ)(ステップ1008)。
地面反力(GRF)は、下にある表面によって足(または下肢装置の足部材)に与えられる力である。地面反力は、立脚期において重要な生体力学的入力である。ゼロモーメント枢軸(本明細書ではZMPおよびCoPと称する)で作用する総地面反力を知ることによって、義足装置の制御システム(例えば、図17Aのコントローラ1712)は、(着用者の)バランスを改善し、立脚期における電力供給を最適化する直接的な手だてを持つことになる。Herrらの特許文献2では、地面反力およびゼロモーメント枢軸位置の推定方法、さらには、義肢、装具、およびロボットで使用するための生体模倣運動およびバランスコントローラならびに方法をさらに説明している(参照によりその内容全体が本明細書に組み込まれている)。
1. 慣性計測装置および足関節1104の角度入力を使用して下肢部材1100および足部材1108の慣性状態を更新する。剛体であると仮定して、下肢部材1100と足部材1108の重力中心(CM)で測定された世界座標系基準の加速度ならびに下肢部材1100と足部材1108の角速度および加速度をさらに計算する。
2. 下肢部材1100に作用する力の関数としてF||について解き、これらは下肢部材1100の軸にそって解決される。
3. 下肢部材1100に作用する力およびモーメントの成分のそれぞれによって印加されるモーメントの関数としてF_|_について解く。
4. 上記のステップ2および3において計算されたF||およびF_|_に対する値を使用し、次いで、足部材1100に印加される力のバランスをとって
5.
6.
図12Aは、平地における義肢装置(例えば、図17Aの装置1700)の生体模倣Γ−θ挙動を歩行速度の関数として示している。図12Bは、特に高速歩行しているときの、印加された足関節トルクが動力底屈時に角度とともに急速に減少し、それにより理想的な生体模倣応答から逸脱し、それにより、実行される正味の仕事(Γ−θ曲線の下の領域)が著しく低減されることを示している。
図13Aおよび13Bは、足関節が遊脚期1304と立脚期1308の状態の間で遷移するときに制御システム1300が足関節の挙動を変化させることを示している。制御システム1300は、遊脚期において位置制御1328を適用する−遊脚前半期の状態において躓く危険性を回避し、遊脚後半期の状態において特定の地形状態(斜面、階段、段)に対する踵爪先接地迎え角(適応足関節位置決め)を最適化する。制御システム1300は、足関節が踵/爪先接地、足着地、ピークエネルギー貯蔵(指数関数的硬化を伴う背屈)、動力底屈、そして爪先離地事象を遷移するときに立脚期においてインピーダンスおよびトルク制御1332を適用する−足関節の慣性、バネ、および減衰特性を最適化する。
図15は、本発明の例示的な一実施形態による、下肢生体力学的装置1500を示す略図である。一実施形態では、装置1500は、着用者の歩行運動能力を強化する装具である。他の実施形態では、装置1500は、着用者の腰、大腿部、下肢、および足の筋骨格の奇形および/または異常を支持し、および/または補正するために着用者の身体に取り付ける装具である。他の実施形態では、装置1500は、着用者の下肢生体力学的出力を支援または増強する(例えば、着用者の下肢の強度もしくは機動性を増強する)ために着用者の身体に取り付ける外骨格装置である。
図17Aは、本発明の例示的な一実施形態による、義足装置1700を示す図である。装置1700は、着用者の相補的下肢ソケット部材に取り付けることを可能にする取り付け用インターフェイス1704を有する。装置1700は、取り付け用インターフェイス1704に結合された構成要素1732(本明細書ではピラミッドとも称する)と下肢部材1712(本明細書では脛とも称する)の第1の端部1752も備える。いくつかの実施形態では、この装置の下肢部材に印加される軸力およびモーメントは、装置の下肢部材に結合された構造部材(ピラミッド)を使用してなされるセンサー測定の結果に基づいて決定される。ピラミッドは、義肢の一コンポーネントであり、着用者の肢ソケットに結合する計測器付き構造物である。一実施形態では、ピラミッド(構造要素)の測定結果は、下肢部材に印加される軸力およびモーメントを決定するためにコントローラによって使用される。この実施形態では、構造要素1732は、一組のピン1711で下肢部材1712の第1の端部1752に結合される。ピン1711は、下肢部材1712の一組の穴1713および構造要素の一組の穴1715(図17Eに示されている)を通る。
β=(K3(1+Ks/K3)1/2/Ks)1/2 式34
であり、式中、K3は第2の受動的な弾性部材1724のバネ定数であり、Ksは線形アクチュエータ1716と第1の受動的な弾性要素1728との組み合わせのバネ定数である。本発明の一実施形態は、第2の受動的な弾性要素は、1から3までのβを与え、これにより、装置1700の帯域幅を約5Hzから約15Hzに上げる。
図20Aおよび20Bは、本発明の例示的な一実施形態による、さまざまな義足、下肢装具および外骨格装置において使用するための線形アクチュエータ2000を示す図である。図20Aは、線形アクチュエータ2000の斜視図である。図20Bは、線形アクチュエータ2000の断面図である。線形アクチュエータ2000は、例えば、図17Aの装置1700または図4の装置400の線形アクチュエータ1716として使用されうる。アクチュエータ2000は、A軸にそって直線的な動力を伝えるためにモーター2004およびネジ伝動アセンブリ2024(この実施形態では、これは、ボールネジ伝動アセンブリであり、ボールネジアセンブリとも称する)を備える。ネジ伝動アセンブリ2024は、モーター2004の回転運動を直線運動に変換するモーター駆動伝動装置として機能する。一実施形態では、ボールネジ伝動アセンブリ2024は、Nook Industries社(オハイオ州クリーブランド所在)製の特注ボールネジ伝動アセンブリである。特注ボールネジ伝動アセンブリは仕様として、ネジ山間隔14mm×3mmのネジ、150mm/sで4000Nの推力、および500万サイクルを瞬間的に施したときにL1定格寿命を有する。いくつかの実施形態では、ネジ伝導アセンブリは、送りネジ伝導アセンブリ(送りネジアセンブリとも称する)である。
図22A、22B、および22Cは、本発明の例示的な一実施形態による、下肢装具または外骨格装置2200(着用型ロボット膝装具)を示す略図である。装置2200は、着用者の下肢機能を増強する膝装具である。図22Aは、装置2200の上面図である。図22Bは、装置2200の側面図である。図22Cは、装置2200の膝関節駆動アセンブリ2204の内側部分を示す図である。装置2200の典型的な使用事例としては、例えば、代謝増大、持続性の四肢病変を持つ着用者の永続的補助、または一時的四肢病変を持つ着用者のリハビリが挙げられる。
図23Aは、可変(正または負)の傾きを持つ傾斜においてバランスをとるという一般的な問題を示している。問題は、非線形フィードバック制御実装をしやすいマルチリンクの「倒立振り子」の問題を伴うように見える。このような解決方法では、リンクの角度およびリンクの質量特性(この場合、脚部分、導体、頭部、および腕)が、マルチリンクシステムを明示的に安定化させるために使用される。しかし、このような明示的な入力は、義足、下肢装具、または外骨格装置の大半の実装に組み込まれず、したがって、着用者に信頼できる形で実装し、パッケージングすることが可能でなければ困難である。さらに、いくつかの場合において、着用者は、無傷の脚タグを1つ有し、義足、下肢装具、または外骨格装置の外側で安定化の一部がなされ、義足、下肢装具、または外骨格装置は、無傷の脚の機能を増強する。
1. WFGRFは世界zに揃える。
2. ゼロモーメント枢軸および足関節を接続する線は、世界z単位ベクトルに揃える。
3. 慣性下肢部材角度γ、および足関節角度θのすべての時間微分はゼロである。
図24A、24B、および24Cは、本発明の例示的な一実施形態による、義足装置の着用者がイスから立ち上がるのを補助するためにバランス制御法則を適用するための方法を示す図である。TUG(Timed Get Up and Go)は、動的および機能的なバランスを評価するための実験的手段として使用されることが多い。着用者は、イスから立ち上がり、3メートル歩き、床に引いた線を横切り、方向転換し、歩いて引き返し、そして着座するように口頭による指令を受ける。良好な「TUG」実行を行うために、義足には「立ち上がり」および「着座」ボタンが用意されることが多く、これにより、義肢の制御システムの動作状況を構成する。本発明の原理を組み込んだ義足装置では、一実施形態において、例えば、ボタンを押すことによって動作状況を設定する明示的な必要性はない。着座、立ち上がり、そして着座の動作状況は、義肢装置の内在的センサーによって識別される。立ち上がりおよび着座の制御動作は、着用者の平衡状態を維持する単純な一部である。
図25Aおよび25Bは、1)歩行周期の両脚支持期における後足から前足への体重移動に実行される遷移の仕事Wt、2)股関節衝撃力および力率の最小化、または3)両方の費用(目的)関数の組み合わせの最小化の確率的最適化に基づいて下肢装置を制御することについて示す略図である。図25Aは、遷移の仕事を計算するために使用される簡素化されたモデルを示している。図25Bは、股関節衝撃力および力率を計算するために使用される簡素化されたモデルを示している。
衝撃を受けたときに、地面反力およびゼロモーメント枢軸が、われわれが(地形弁別モデルから)地面に最初に当たると予想する足の部分に対応しているかチェックする。足関節角度(または足関節トルク)の対応する変化があること、および足の適切な端部が静止していることを確認する。衝撃の後、慣性足底接地角度に対応する局所的な地形の傾きが予想よりもかなり小さい状態を見つける。足関節のバネの復元力を飽和させ、これが検出されたときに減衰を高める。地形弁別に関して、生体力学的モデルのフィードバックに基づいて、地形の仮定(斜面対階段)が正しいこと、および着用者が躓いていないことを確認する。例えば、階段で躓く事象は、足の前方部分に中心を置く大きなz力の代わりにy方向の大きな負の力として検出される可能性がある。地形の質感については、踵または足の前方部分のいずれかが最初に衝撃を受ける。この衝撃に関連する沈下の非弾性成分が計算される。堅い地面では、沈下は、無視できるくらい小さく、弾性変形(足部モジュール、線形アクチュエータ)のみが観察される。ぬかるみまたは軟らかい地面では、地形の可塑性は、衝撃を生じる足部の軌跡を見ることによって観察される。地形可塑性は、歩行周期で実行される正味の仕事に対する減衰量として使用される。滑りも、衝撃後に衝撃を生じる足部の前進速度に注目することによって検出することができる。エスカレータまたは人を輸送する手段は、脛角度が足の前進速度に応じて回転してないことに注目し、着用者がうまくバランスをとり、移動面上を一歩一歩進んでいることを信号で知らせることによって検出できる。足関節のインピーダンス制御については、推定される地形基準速度迎え角(y)下肢運動量、推定される地形の傾き、および地形の特性を使用して最適なインピーダンスを適用する。反射制御については、滑りが検出された場合に、バランス復元反射が生成され、足関節上で膝を移動する。バランス制御については、最適なバランスは、通常、局所的な地形の傾きの推定が足底接地で更新された後、バネ平衡状態を慣性に関して基準とすることによって得られる。地形が滑りやすい場合、バランスを維持するアルゴリズムは、正のトルク「反射」を導入して脛を前方に「引き」、着用者が足関節上に膝を位置決めする仕事をするときに着用者を補助する−これにより、身体質量中心を推定される地面反力に揃える。
足底接地が検出された後、コントローラは、この局所的な地形の傾きに対して、着用者がこの傾きで重力に揃えて立脚しているときに静的状態の下で足関節による復元トルクの印加はないようにバネ平衡角度を慣性基準とする。この時点において、局所的な地形状況は、現在正確に知られている。この「足底接地」位置における足部基準座標も、地形質感の衝撃を評価する際に使用するために定義される。地形質感については、アルゴリズムは、足部接地と足底接地との間での衝撃を受けた足部の移動の仕方を測定することにより、「足底接地」基準に関して滑りと変形の統合尺度を使用し、地形特性モデルを更新する−特に、表面の可塑性とその滑りやすさを測定する。これらの尺度は、足関節のインピーダンスおよび正味の仕事(足底屈後期における反射トルク)を減衰させるために使用されうる。また、足部接地と足底接地との間で「滑り」が検出された場合、コントローラに実装されているアルゴリズムは、脛の角速度(足関節に関して膝がどのように移動するか)も見て、滑りやすい表面とエスカレータ/人を輸送する手段を弁別する。いずれの場合も、信頼できる「ゼロ速度での足関節」がこのステップでは利用できないため、ゼロ速度更新はスケジュールされない。地形が滑りやすいものである場合、バランス機能では、特別な尺度を呼び出す必要がある。足が移動するエスカレータまたは人を輸送する手段に載った場合、新しい慣性座標系上で公称インピーダンスを使用することができる。インピーダンス制御のために、制御システムは、慣性基準平衡角度を維持し、高いレベルの正味の仕事を使用できるように歩行速度依存の剛性(歩行速度が速いほど低い剛性)を構成し、滑りやすい、または高可塑性の表面における剛性を低減する最適なインピーダンスを適用することができる。反射制御については、滑りが検出された場合に、バランス復元反射が生成され、足関節上で膝を移動する。バランス制御については、最適なバランスは、通常、局所的な地形の傾きの推定が足底接地で更新された後、バネ平衡状態を慣性に関して基準とすることによって得られる。地形が滑りやすい場合、バランスを維持するアルゴリズムは、正のトルク「反射」を導入して脛を前方に「引き」、着用者が足関節上に膝を位置決めする仕事をするときに着用者を補助する−これにより、身体質量中心を推定される地面反力に揃える。
モデルは、滑りと表面内への沈みを監視し、これらの状態において歩行運動を効率的にするために使用されうる足関節トルク限界を識別する。地形質感については、地形特性推定が、この状態で精密化され、インピーダンス、反射、およびバランス機能への入力として使用される。インピーダンス制御については、歩行速度、地形の表面特性および変形、ならびに足の滑りの変化に対応できるように公称インピーダンスパラメータを修正する。特別な「力場」−典型的には、ボールナットが所定の終端停止限界に近づいたときに指数関数的に増加する非線形アクチュエータ力−がモーターコントローラによって印加され、これにより、K3のバネのエネルギー(並列の弾性部材の中の)はその破壊限度の下限を超えないことが確実になる。反射制御については、反射振幅は、生体力学的モデルからの正味の仕事の「セットポイント」を地形がこの正味の仕事を生み出すことに応じられる程度と組み合わせて考慮するように調節される。バランス制御については、最適なバランスは、通常、局所的な地形の傾きの推定が足底接地で更新された後、バネ平衡状態を慣性に関して基準とすることによって得られる。地形が滑りやすい場合、バランスを維持するアルゴリズムは、正のトルク「反射」を導入して脛を前方に「引き」、着用者が足関節上に膝を位置決めする仕事をするときに着用者を補助する−これにより、身体質量中心を推定される地面反力に揃える。
遊脚前半期については、爪先が地面から離れてまもなく、モデルは足関節、踵、および爪先の慣性軌跡を監視し、足関節が地形によって遮られることなく背屈され中立位置に戻ることができるときにそのことを判定する。モデルは、足関節を最も速く、効率的に、安定した状態で中立位置に移動(して躓く危険性を回避)するように好適なインピーダンス利得およびフィードフォワードトルクを持つ最適な軌跡を計算する。地形の弁別については、モデルは、足が通過した掃引(足部材と「無接触」)体積を追跡することを開始し、これにより、爪先着地解が唯一の実現可能な解(例えば、浅い階段または出っ張りに着地するための)であるときに遊脚後半期における適応足関節位置決め機能に通知する。遊脚前半期におけるインピーダンス制御については、インピーダンスの中立値が、コントローラによって適用される。線形アクチュエータがハードストップ(移動の終わり)−アクチュエータをそこに(移動の終わりで)固着させる可能性のある状態−に影響を及ぼさないようにするため力場関数が適用される。ハイブリッド生体力学的モデルによって通知される遊脚前半期におけるインピーダンス制御では、コントローラは、平衡位置(足関節角度セットポイント)を所望の中立位置に指数関数的に推進する軌跡を形成するようにインピーダンスを制御する。例えばそうしなければオーバーシュートとリンギングを生じる可能性のある誤差に従うインピーダンス特性と足関節角度との間の相互作用を低減するためにフィードフォワードトルク関数を適用する。
地形の弁別について、モデルは、足が通過した「クリア」体積を追跡し、これにより、爪先着地解が例えば浅い階段または出っ張りに着地するための唯一の実現可能な解であるときに遊脚後半期における適応足関節位置決め機能に通知する。より一般的には、足関節軌跡を監視し、パターン認識機能を使用して、足が傾斜面とは反対に階段/出っ張りに着地する可能性を判定する。この2つの状態を弁別することが判明している単純な方法の1つは、足関節速度が垂直方向に対してなす角度を測定するというものであり、さまざまな実験により、この角度が10度未満のときに、足が水平の段に着地すると判定された。地形弁別モデルによって通知されるインピーダンス制御については、足関節軌跡(平衡)は、躓く危険性を回避するために必要な場合にコントローラによって修正される。例えば、地形弁別機能が階段上昇に最大尤度を割り当てる場合、爪先が階段または出っ張りに引っ掛からないように追加の背屈を指令することができる。前のように、ハイブリッド生体力学的モデルでは、安全に、また厳しい許容差による好適な方法で辿ることができる連続的に更新可能な平衡軌跡を予定する。立脚後半期では、生体力学的モデルは、移動エネルギーと膝−股関節衝撃力の何らかの組み合わせを含む目的関数を最小化する最適な平衡角度および足関節インピーダンスを計算する。この最適化の機能は、状態機械ROM内のテーブル検索を介して実行することが可能である。または、好ましい実施形態では、状態コントローラ機能は、剛体の力学の近似を使用して目的関数を計算し、最適化することで、最適化をリアルタイムで実行する。
1 駆動底屈
2 制御背屈
2 駆動底屈
136 踵離地
152 足底接地
200 足関節
204 慣性計測装置
208 足部材
212 踵
216 爪先
220 下肢部材
400 装置
500 弧
500 線形アクチュエータ
504 回転モーター
532 プーリー
600 足関節
604 足
620 平地
624 5°上昇斜面
628 5°の下降斜面
632 10°の上昇斜面
636 10°の下降斜面
640 上昇階段
644 下降階段
700 足関節
704 下肢部材
708 足部材
712 爪先最初
716 踵最初
800 義足
804 足関節
808 足部材
812 下肢部材(脛)
816 爪先
820 踵
850 局所的縦方向
1000 線形アクチュエータ
1100 下肢部材
1104 足関節
1108 足部材
1112 下肢部材力/トルク入力
1116 線形直列弾性アクチュエータ
1120 並列バネ
1300 制御システム
1304 遊脚期
1308 立脚期
1320 踵接地
1324 爪先接地
1328 位置制御
1340 爪先
1344 爪先
1348 足部材
1404 足関節トルク
1408 足関節角度
1412、1416、および1420 曲線
1500 下肢生体力学的装置
1508(L0) 足部材
1512 足関節
1516(L1) 下肢部材
1524(L2) 大腿部材
1528 股関節
1532(L3) 胴体
1536 地形
1540 ゼロモーメント枢軸
1544 爪先部分
1548 踵部分
1620 下肢部材
1624 大腿部材
1628 胴体部材
1700 義足装置
1703 直線運動
1704 取り付け用インターフェイス
1708 足部材
1711 一組のピン
1712 下肢部材
1713 一組の穴
1715 一組の穴
1716 線形アクチュエータ
1724 直列弾性部材
1724 第2の受動的弾性部材
1726 遠位端
1728 第1の受動的弾性部材
1730 近位端
1731 上面
1732 構造要素
1733 底面
1734 中央のアダプター取り付け穴
1735 変位感知装置
1736 第1の端部
1737 変位センサー
1738、1742 領域
1740 足関節
1744 第2の端部
1746および1754 領域
1748 第2の端部
1752 第1の端部
1756 第1の端部
1758および1770 機械加工された溝
1760 第2の端部
1762 コントローラ
1764 ハウジング
1768 電池
1772 踵
1776 爪先
1780 位置
1781 慣性姿勢信号
1783 軸力信号
1784 先細り形状
1785 足関節角度信号
1787 モーター位置信号
1788 カム要素
1789 歪み信号
1791 コントローラパラメータ
1792 斜面要素
1790および1794 歪みゲージ
1793 装置性能データ
1796 蟻継ぎ特徴部
1798 エンドクランプ
1900 義足装置
1904 取り付け用インターフェイス
1908 足部材
1912 下肢部材
1916 線形アクチュエータ
1926 遠位端
1928 直列板バネ
1930 近位端
1936 第1の端部
1940 足関節
1948 第2の端部
1960 コントローラ
1962 第1の端部
1964 ハウジング
1968 電池
1972 踵
1976 爪先
1980 第2の端部
1988 結合部材
1992 矢印
1994および1996 2つの部材部分
2000 線形アクチュエータ
2004 モーター
2008 モーター軸出力
2012 ベルト
2020 結合要素
2024 ボールネジ伝動アセンブリ
2026 ボールナットアセンブリ
2028 半径方向推力ベアリング
2032 プーリー
2036 ボールナットアセンブリ
2040 誘導増分的絶対角度エンコーダ
2042 再循環ボードトラック
2048 一体型のモーターヒートシンク
2052 温度センサー
2056 ベルト破損センサー
2060 ネジ山付き軸
2100 線形アクチュエータ
2104aおよび2104b ベルト
2108 ボールネジアセンブリシール
2200 下肢装具または外骨格装置
2204 膝関節駆動アセンブリ
2208 下肢カフ
2212 上肢カフ
2216 下肢部材
2228 大腿部材
2232 関節
2236 駆動ベルト
2240 回転モーター
2244 ボールネジ伝動アセンブリ
2248 ボールナットアセンブリ
2252 ネジ
2256 モーター軸出力
2260 プーリー
2264 誘導増分的絶対角度エンコーダ
2268 回転モーター
2268 ベルト
2272 半径方向推力ベアリング
2280 直列弾性のためのバネ
2284 バネケージ
2288 バネケージ/ベルト接続
2292 コントローラ
2294 慣性計測装置
Claims (216)
- 低騒音線形アクチュエータであって、
モーター軸出力を備える回転モーターと、
ネジ伝導アセンブリであって、
前記モーター軸出力に結合され、音響減衰材料が入る中がくり抜かれた部分を備えるネジ山付き軸と、
ナットアセンブリとを備える
ネジ伝導アセンブリとを具備し、
前記ネジ伝動アセンブリは、前記モーター軸出力の回転運動を前記ナットアセンブリの直線運動に変換する低騒音線形アクチュエータ。 - 前記ネジ伝動センブリは、ボールネジ伝動アセンブリであり、前記ナットアセンブリは、ボールナットアセンブリであり、前記ボールナットアセンブリは、複数のボールベアリングと前記ボールベアリングを保持し、前記ボールベアリングアセンブリ内で前記ボールベアリングを再循環させるための複数のボールトラックをさらに備える請求項1に記載の線形アクチュエータ。
- プーリーと前記ボールネジ伝動アセンブリの前記ネジ山付き軸との間で平行に接続されている複数のベルトを介して前記ネジ山付き軸に前記モーター軸出力を結合する前記プーリーを備える請求項2に記載の線形アクチュエータ。
- 動作中のベルトの完全性を確認するセンサーを備える請求項3に記載の線形アクチュエータ。
- 前記プーリーは、前記モーター軸出力に溶接される請求項3に記載の線形アクチュエータ。
- 前記複数のベルトを前記ネジ山付き軸に結合する半径方向スラストベアリングを備え、これにより、前記ベルトと前記ネジ山付き軸の張力によって加えられる荷重を支える請求項3に記載の線形アクチュエータ。
- 前記ボールネジ伝動アセンブリは、前記ボールネジ伝動アセンブリを汚染物質から保護するための少なくとも1つのシールを備える請求項2に記載の線形アクチュエータ。
- 前記線形アクチュエータは、義足、下肢装具、または外骨格の一コンポーネントである請求項1に記載の線形アクチュエータ。
- 前記モーター軸出力を前記ボールネジ伝動アセンブリの前記ネジ山付き軸に結合するトラクションホイールを使用する伝動装置を備える請求項1に記載の線形アクチュエータ。
- 前記ネジ伝動アセンブリは、送りネジ伝動アセンブリである請求項1に記載の線形アクチュエータ。
- 線形アクチュエータであって、
モーター軸出力を備える回転モーターと、
前記モーター軸出力に結合され、前記モーター軸出力の回転運動を前記モーター駆動伝動装置の出力のところで直線運動に変換する、モーター駆動伝動アセンブリと、
エネルギーを張力および圧縮力の形で貯蔵する双方向に剛性のある部分が前記モーター駆動伝動アセンブリと直列に接続されている少なくとも1つの弾性要素とを備える線形アクチュエータ。 - 前記少なくとも1つの弾性要素における歪みを測定するために前記少なくとも1つの弾性要素に結合されている歪みセンサーを備える請求項11に記載の線形アクチュエータ。
- 前記少なくとも1つの弾性要素は、前記モーター駆動伝動アセンブリの前記出力に結合された直列もしくは並列の弾性要素である請求項12に記載の線形アクチュエータ。
- 前記線形アクチュエータの推力の閉ループ制御を実行するために測定した歪み信号を受信するためのコントローラを備える請求項13に記載の線形アクチュエータ。
- 前記少なくとも1つの弾性要素は、前記バネによって前記モーター駆動伝動アセンブリの前記出力に印加される面外モーメントを最小にする前記バネの長手方向軸にそって分割される実質的に平坦な板バネである請求項11に記載の線形アクチュエータ。
- 前記少なくとも1つの弾性要素は、前記モーター駆動伝動アセンブリの前記出力に結合された直列の弾性要素であり、モーターの位置または前記モーター駆動伝動アセンブリの前記出力の位置を測定するセンサーと、前記直列の弾性要素の前記出力を測定する少なくとも1つのセンサーと、前記線形アクチュエータの推力の閉ループ制御のために前記線形アクチュエータの推力を推定する信号処理電子回路をさらに備える請求項11に記載の線形アクチュエータ。
- 義足、下肢装具、または外骨格装置であって、
足部材と、
下肢部材と、
前記足部材を前記下肢部材に接続するための足関節と、
前記下肢部材に関して前記足部材を回転させるためにトルクを前記足関節に印加するための第1のアクチュエータと、
前記下肢部材と前記足部材との間で前記アクチュエータと並列に接続されたノンコンプライアントのストッパーである少なくとも1つの受動的な弾性部材とを備え、前記ノンコンプライアントのストッパーは背屈時にエネルギーをほとんど、または全く貯蔵せず、動力底屈時に所定の角度を超える前記足関節のさらなる回転を制限する義足、下肢装具、または外骨格装置。 - 前記ノンコンプライアントのストッパーがさらなる回転を制限する前記下肢部材に関して前記足部材のあらかじめ指定されている角度を設定するための角度調節メカニズムを備える請求項17に記載の装置。
- 前記角度調節メカニズムは、前記あらかじめ指定されている角度を設定するためのネジ調節可能コンポーネントを備える請求項18に記載の装置。
- 前記角度調節メカニズムは、前記あらかじめ指定されている角度を設定するためのアクチュエータを備える請求項18に記載の装置。
- 前記アクチュエータは、前記下の地形の特性に基づいて前記あらかじめ指定されている角度を調節する請求項20に記載の装置。
- 前記下にある地形の前記特性は、上昇斜面、下降斜面、上昇階段、下降階段、水平面からなる群から選択される請求項21に記載の装置。
- 前記装置に関連付けられているコントローラは、周期内であることに基づいて前記下にある地形の前記特性を判定する請求項22に記載の装置。
- 義足であって、
足部材と、
下肢部材と、
前記足部材を前記下肢部材に接続するための足関節と、
前記下肢部材に関して前記足部材を回転させるためにトルクを前記足関節に印加するための第1のアクチュエータと、
前記下肢部材に結合され、着用者の肢ソケット部材に結合するためのインターフェイスを備える構造要素とを備え、前記構造要素は、前記アクチュエータによって前記下肢部材に印加される前記トルクおよび前記下肢部材に印加される前記軸力を測定するために複数の歪みゲージを備える義足。 - 前記下肢部材の慣性姿勢を判定するための慣性計測装置を備える請求項24に記載の義足。
- 前記慣性計測装置は、前記下肢部材に結合される請求項25に記載の義足。
- 前記慣性計測装置は、前記足部材に結合される請求項25に記載の義足。
- 前記下肢部材の慣性姿勢に基づいて下にある表面によって前記足部材上に与えられる地面反力およびゼロモーメント枢軸座標、前記アクチュエータによって前記下肢部材に印加される前記トルク、前記下肢部材に印加される軸力、および前記足部材と前記下肢部材とがなす角度を計算するためのコントローラを備える請求項25に記載の義足。
- 前記コントローラは、前記アクチュエータに結合され、前記アクチュエータを制御して、前記下肢部材の前記慣性姿勢軌跡に基づく前記義足の歩行周期全体にわたる前記義足のインピーダンス、位置、またはトルク、前記足部材と前記下肢部材とがなす前記角度、および前記地面反力と前記ゼロモーメント枢軸座標のうちの少なくとも1つを変調するように構成される請求項28に記載の義足。
- 前記コントローラは、前記アクチュエータに結合され、前記アクチュエータを制御して、前記下肢部材の前記慣性姿勢に基づく前記着用者が座位から立ち上がったとき、または立位から座ったときの前記義足のインピーダンス、前記足部材と前記下肢部材とがなす前記角度、および前記地面反力と前記ゼロモーメント枢軸座標を変調するように構成される請求項28に記載の義足。
- 義足であって、
足部材と、
下肢部材と、
前記足部材を前記下肢部材に接続するための足関節と、
前記下肢部材に関して前記足部材を回転させるためにトルクを前記足関節に印加するための第1のアクチュエータと、
前記下肢部材に結合され、着用者の肢ソケット部材に結合するためのインターフェイスを備える構造要素と、
前記アクチュエータによって前記下肢部材に印加される前記トルクおよび前記下肢部材に印加される前記軸力を決定するために前記構造要素のたわみを測定する変位感知装置とを備える義足。 - 前記変位感知装置は、複数のセンサーを備え、前記変位感知装置は、それぞれのセンサーと前記構造要素の表面との間の距離を測定する請求項31に記載の義足。
- 前記センサーは、接触式変位センサー、非接触式変位センサー、誘導コイル、光学センサー、感圧抵抗器、圧電センサー、または歪みセンサーからなる群から選択される請求項32に記載の義足。
- 前記複数のセンサーは、回路基板上に複数の誘導コイルを備える請求項32に記載の義足。
- 前記構造要素の表面に関する前記誘導コイルのインダクタンスの変化を用いて、前記構造要素の前記変位を判定する請求項34に記載の義足。
- 前記下肢部材の慣性姿勢を判定するための慣性計測装置を備える請求項31に記載の義足。
- 前記慣性計測装置は、前記下肢部材に結合される請求項36に記載の義足。
- 前記慣性計測装置は、前記足部材に結合される請求項36に記載の義足。
- 前記下肢部材の慣性姿勢軌跡に基づいて下にある表面によって前記足部材上に与えられる地面反力およびゼロモーメント枢軸座標、前記アクチュエータによって前記下肢部材に印加される前記トルク、前記下肢部材に印加される軸力、および前記足部材と前記下肢部材とがなす角度を計算するためのコントローラを備える請求項36に記載の義足。
- 前記コントローラは、前記アクチュエータに結合され、前記アクチュエータを制御して、前記下肢部材の前記慣性姿勢軌跡に基づく前記義足の歩行周期全体にわたる前記義足のインピーダンス、前記足部材と前記下肢部材とがなす前記角度、および前記地面反力と前記ゼロモーメント枢軸座標を変調するように構成される請求項39に記載の義足。
- 前記コントローラは、前記アクチュエータに結合され、前記アクチュエータを制御して、前記下肢部材の前記慣性姿勢軌跡に基づく前記着用者が座位から立ち上がったとき、または立位から座ったときの前記義足のインピーダンス、前記足部材と前記下肢部材とがなす前記角度、および前記地面反力を変調するように構成される請求項39に記載の義足。
- 能動的な膝装具であって、
着用者の大腿部に取り付け可能な大腿部材と、
前記着用者の下肢に取り付け可能な下肢部材と、
前記大腿部材を前記下肢部材に接続するための膝関節と、
モーター軸出力を備える回転モーターと、
前記モーター軸出力に結合され、前記モーター軸出力の回転運動を前記モーター駆動伝動アセンブリの出力のところで直線運動に変換する、モーター駆動伝動アセンブリと、
前記モーター駆動伝動装置の前記出力に結合され、前記駆動伝動アセンブリの出力が前記下肢部材に結合され、これにより前記膝関節にトルクを印加して前記大腿部材に関して前記下肢部材を回転させる、駆動伝動アセンブリと、
モーター位置を判定するためのモーター角度センサーと、
前記モーター位置に基づいて前記装具の歩行周期全体にわたって前記装具のインピーダンス、位置、またはトルクを変調するために前記回転モーターを制御するためのコントローラとを備える能動的な膝装具。 - 前記モーター駆動伝動アセンブリの前記出力に関して前記駆動伝動アセンブリのドラムの位置を決定するための角度センサーを備え、前記コントローラは、前記回転モーターを制御して、前記位置に基づいてインピーダンス、位置、またはトルクを変調する請求項42に記載の装具。
- 直列バネに加わる力を決定するために前記モーター駆動伝動アセンブリ内の前記直列バネの変位を測定する変位センサーを備え、前記コントローラは、前記回転モーターを制御して、前記バネに加わる前記力に基づいてインピーダンス、位置、またはトルクを変調する請求項42に記載の装具。
- 前記下肢部材の慣性姿勢軌跡を判定するために前記大腿部材または前記下肢部材に結合された慣性計測装置を備え、前記コントローラは、前記回転モーターを制御して、前記慣性姿勢に基づいてインピーダンス、位置、またはトルクを変調する請求項42に記載の装具。
- 前記駆動伝動アセンブリによって前記下肢部材および前記大腿部材のうちの少なくとも一方に印加される前記力を測定するためのセンサーを備え、前記コントローラは、前記回転モーターを制御して、前記下肢部材に印加される前記トルクに基づいてインピーダンス、位置、またはトルクを変調する請求項42に記載の装具。
- 前記大腿部材と前記下肢部材とがなす角度を測定するための角度センサーを備え、前記コントローラは、前記回転モーターを制御して、前記大腿部材と前記下肢部材とがなす前記角度に基づいてインピーダンス、位置、またはトルクを変調する請求項42に記載の装具。
- 前記駆動伝動装置は、ベルト駆動伝動装置、バンド駆動伝動装置、およびケーブル駆動伝動装置からなる群から選択される請求項42に記載の装具。
- 前記装具を前記着用者の前記大腿部に取り付けるための前記大腿部材に結合されたカフを備える請求項42に記載の装具。
- 前記装具を前記着用者の前記下肢に取り付けるための前記下肢部材に結合されたカフを備える請求項42に記載の装具。
- 前記装具は、前記着用者の下肢機能を増強する請求項42に記載の装具。
- 前記装具は、前記着用者の下肢病変を治療する請求項42に記載の装具。
- 前記コントローラは、前記着用者の下肢の病変部のリハビリ中に前記装具によって前記着用者に対しなされる補助の程度を変化させるように構成される請求項42に記載の装具。
- 能動的な膝装具であって、
着用者の大腿部に取り付け可能な大腿部材と、
前記着用者の下肢に取り付け可能な下肢部材と、
前記大腿部材を前記下肢部材に接続するための膝関節と、
モーター軸出力を備える回転モーターと、
前記モーター軸出力に結合され、前記モーター軸出力の前記回転運動を前記ネジ伝動アセンブリによる直線運動出力に変換する、ネジ伝動アセンブリと、
前記ネジ伝動アセンブリの前記出力に結合された、前記ネジ伝動アセンブリによる直線運動出力を回転運動に変換し、これにより前記膝関節にトルクを印加して前記大腿部材に関して前記下肢部材を回転させる、ベルト、バンド、またはケーブル駆動伝動アセンブリと、
モーター位置を判定するためのモーター角度センサーと、
前記モーター位置に基づいて前記装具の歩行周期全体にわたって前記装具のインピーダンス、位置、またはトルクを変調するために前記回転モーターを制御するためのコントローラとを備える能動的な膝装具。 - 直列バネに加わる力を決定するために前記ベルト、バンド、またはケーブル駆動伝動装置内の前記直列バネの変位を測定する変位センサーを備え、前記コントローラは、前記回転モーターを制御して、前記バネに加わる前記力に基づいてインピーダンス、位置、またはトルクを変調する請求項54に記載の装具。
- 前記下肢部材の慣性姿勢軌跡を、歩行周期内で判定するために前記大腿部材または前記下肢部材に結合された慣性計測装置を備え、前記コントローラは、前記回転モーターを制御して、前記歩行周期において前記慣性姿勢軌跡に基づきインピーダンス、位置、またはトルクを変調する請求項54に記載の装具。
- 前記ベルト、バンド、またはケーブル駆動伝動装置によって前記下肢部材に印加されるトルクを測定するためのトルクセンサーを備え、前記コントローラは、前記回転モーターを制御して、前記下肢部材に印加される前記力に基づいて前記歩行周期内でインピーダンス、位置、またはトルクを変調する請求項54に記載の装具。
- 前記大腿部材と前記下肢部材とがなす角度を測定するための角度センサーを備え、前記コントローラは、前記回転モーターを制御して、前記歩行周期内で前記大腿部材と前記下肢部材とがなす前記角度に基づいてインピーダンス、位置、またはトルクを変調する請求項54に記載の装具。
- 前記ベルト、バンド、またはケーブル駆動伝動装置は、少なくとも2つの駆動伝動装置を含み、前記少なくとも2つの駆動伝動装置のうちの第1の駆動伝動装置は、前記ネジ伝動アセンブリによる直線運動出力を第1の回転運動に変換するように構成され、これにより前記膝関節にトルクを印加して前記大腿部材に関して前記下肢部材を回転させ、前記少なくとも2つの駆動伝動装置のうちの第2の駆動伝動装置は、前記ネジ伝動アセンブリによる反対方向の直線運動出力を反対方向の回転運動に変換するように構成され、これにより前記膝関節にトルクを印加して前記大腿部材に関して前記下肢部材を回転させる請求項54に記載の装具。
- 下にある表面によって着用者が着用する義足装置の足部材上に与えられる地面反力およびゼロモーメント枢軸を決定するための方法であって、前記装置は足部材、下肢部材、前記足部材を前記下肢部材に接続するための足関節、およびトルクを前記足関節に印加して前記下肢部材に関して前記足部材を回転させるための第1のアクチュエータとを備え、
前記下肢部材の慣性姿勢に基づく前記地面反力、前記アクチュエータによって前記下肢部材に印加される前記トルク、前記下肢部材に印加される軸力、および前記足部材と前記下肢部材とがなす角度を計算するステップを含む方法。 - 前記アクチュエータを制御して、前記下肢部材の前記慣性姿勢に基づく前記装置の歩行周期全体にわたる前記装置のインピーダンス、前記足部材と前記下肢部材とがなす前記角度、および前記地面反力と前記ゼロモーメント枢軸を変調するステップを含む請求項60に記載の方法。
- 前記アクチュエータを制御して、前記下肢部材の前記慣性姿勢に基づく前記着用者が座位から立ち上がったとき、または立位から座ったときの前記装置のインピーダンス、前記足部材と前記下肢部材とがなす前記角度、前記地面反力、および前記ゼロモーメント枢軸を変調するステップを含む請求項60に記載の方法。
- 前記下肢部材の前記慣性姿勢は、前記下肢部材に結合されている慣性計測装置の出力に基づいて判定される請求項60に記載の方法。
- 足部材、下肢部材、および前記足部材を前記下肢部材に接続するための足関節を含む義足または下肢装具に対する加速度計およびレートジャイロの誤差の影響を最小にするための方法であって、
前記義肢または装具の歩行周期において前記足関節が実質的に静止状態のときに前記下肢部材に結合されている加速度計によって出力される加速度計信号に対する少なくとも1つの速度誤差の寄与分を決定するステップと、
前記義肢または装具の歩行周期において前記足関節が実質的に静止状態のときに前記下肢部材に結合されている慣性計測装置によって出力される慣性姿勢ミスアライメント信号に対する少なくとも1つの速度誤差の寄与分を決定するステップとを含む方法。 - 前記慣性計測装置によって出力される前記慣性姿勢ミスアライメント信号は、レートジャイロによって出力されるレートジャイロ信号である請求項64に記載の方法。
- 前記加速度計および前記レートジャイロによって出力される信号を使用して前記下肢部材の前記姿勢を計算するステップを含む請求項65に記載の方法。
- 前記速度誤差寄与分を使用して前記下肢部材の前記計算された姿勢を補正するステップを含む請求項66に記載の方法。
- 前記歩行周期の制御背屈状態の一部の期間において前記速度誤差寄与分が決定される請求項64に記載の方法。
- 前記義肢または前記装具の歩行周期において前記足関節が実質的に静止状態のときに前記義肢または前記装具の大腿部材に結合されている加速度計およびレートジャイロによって出力される加速度計信号およびレートジャイロ信号に対する速度誤差の寄与分を決定するステップを含む請求項65に記載の方法。
- 足部材上の計算された位置が実質的に静止しているときに前記義肢または前記装具の大腿部材に結合されている加速度計およびレートジャイロによって出力される加速度計信号およびレートジャイロ信号に対する速度誤差の寄与分を決定するステップを含む請求項65に記載の方法。
- 前記大腿部材に対して前記下肢部材がなす前記角度を測定するステップを含む請求項69に記載の方法。
- 前記義肢または前記装具の歩行周期において前記足関節が実質的に静止状態のときに着用者の胴体に結合されている加速度計およびレートジャイロによって出力される加速度計信号およびレートジャイロ信号に対する速度誤差の寄与分を決定するステップを含む請求項69に記載の方法。
- 前記着用者の胴体に対して前記大腿部材がなす前記角度を測定するステップを含む請求項72に記載の方法。
- 足部材、下肢部材、および前記足部材を前記下肢部材に接続するための足関節を含む義足、下肢装具または外骨格装置を着用する着用者のバランスを制御するための方法であって、
前記下肢部材の慣性姿勢に基づく前記装置の前記足関節のインピーダンス、位置、またはトルク、前記下肢部材と前記足部材とがなす角度、ならびに下にある表面によって前記足部材に与えられる地面反力およびゼロモーメント枢軸のうちの少なくとも1つを調節するステップを含む方法。 - 前記下肢部材および前記足部材に結合されているアクチュエータは、前記足関節のインピーダンス、位置、またはトルクのうちの少なくとも1つを調節して前記着用者の前記バランスを制御する請求項74に記載の方法。
- コントローラは、前記下肢部材の慣性姿勢に基づく前記地面反力および前記ゼロモーメント枢軸、前記アクチュエータによって前記下肢部材に印加される前記トルク、前記下肢部材に印加される軸力、および前記足部材と前記下肢部材とがなす角度を計算し、前記コントローラは、前記アクチュエータに結合され、これにより前記アクチュエータを制御し、前記足関節のインピーダンス、位置、またはトルクのうちの少なくとも1つを調節して前記着用者の前記バランスを制御する請求項75に記載の方法。
- 前記コントローラは、前記下肢に結合されている慣性計測装置から出力される信号に基づいて前記下肢部材の前記慣性姿勢を計算する請求項76に記載の方法。
- 前記アクチュエータに結合されているコントローラは、前記アクチュエータを制御し、前記足関節のインピーダンス、位置、またはトルクのうちの少なくとも1つを調節して前記着用者の前記バランスを制御する請求項75に記載の方法。
- 前記コントローラは、1つまたは複数のセンサーから信号を受け取り、前記下肢部材の前記慣性姿勢、前記下肢部材と前記足部材とがなす角度、ならびに前記下にある表面によって前記足部材に与えられる前記地面反力を計算する請求項78に記載の方法。
- 前記地面反力の増加に基づいて前記着用者が座位から立位に遷移するときの前記着用者のバランスを制御するステップを含む請求項74に記載の方法。
- 前記地面反力の前記増加に基づいて前記下肢に結合されているアクチュエータにより前記下肢部材を前方へ駆動するステップを含む請求項80に記載の方法。
- 装具、義肢、または外骨格装置の足部材と下にある表面との間のトラクションの変化を判定するための方法であって、前記装置は足部材、下肢部材、前記足部材を前記下肢部材に接続するための足関節、ならびにトルクを前記足関節に印加して前記下肢部材に関して前記足部材を回転させるための第1のアクチュエータを備え、
前記下肢部材の慣性姿勢に基づいて下にある表面によって前記足部材上に与えられる地面反力および前記ゼロモーメント枢軸、前記アクチュエータによって前記下肢部材に印加される前記トルク、前記下肢部材に印加される軸力、および前記足部材と前記下肢部材とがなす角度を計算するステップと、
前記下肢部材の前記慣性姿勢に基づき前記足部材のゼロモーメント枢軸の速度、前記アクチュエータによって前記下肢部材に印加される前記トルク、前記下肢部材に印加される前記軸力、および前記足部材と前記下肢部材とがなす前記角度を計算するステップとを含む方法。 - 足底接地状態と爪先離地状態との間の前記着用者の歩行周期の一部の期間において前記足部材のゼロモーメント枢軸の前記速度が減少する場合に前記足部材が滑るか、または沈んでいると判定される請求項82に記載の方法。
- 前記足部材が滑っているか、または沈んでいると判定したことに対する応答として前記下肢部材に印加されるトルクを低減するステップを含む請求項83に記載の方法。
- 前記下肢部材に印加される前記トルクを減衰係数だけ低減するステップを含む請求項84に記載の方法。
- 前記減衰係数は、所定の減衰係数である請求項85に記載の方法。
- 前記減衰係数は、前記ゼロモーメント枢軸速度に基づいて決定される請求項85に記載の方法。
- 前記ゼロモーメント枢軸速度が所定の閾値より低いことに対する応答として前記下肢部材に印加される前記トルクを低減するステップを含む請求項83に記載の方法。
- 内在的な安全機能を備える線形アクチュエータであって、
プーリーが結合されているモーター軸出力を備える回転モーターと、
ネジ山付き軸を備えるボールネジ伝動アセンブリであって、前記ネジ山付き軸は前記プーリーと前記ボールネジ伝動アセンブリの前記ネジ山付き軸との間で平行に接続されている複数のベルトによって前記モーター軸出力に結合されている、ボールネジ伝動アセンブリとを備え、
前記ボールネジ伝動アセンブリは、前記モーター軸出力の回転運動を前記ボールネジ伝導アセンブリの一部分の直線運動に変換する線形アクチュエータ。 - 前記回転モーターのローターとステーターとの間の角度アラインメントを決定するための角度エンコーダを備える請求項89に記載の線形アクチュエータ。
- ベルト破損センサーが前記複数のベルトのうちの1つまたは複数のベルトの不具合を検出したことに対する応答として前記回転モーターの3本のリードをアースに短絡させるように構成されたコントローラを備える請求項89に記載の線形アクチュエータ。
- 前記3本のリードを短絡させると、その結果、前記回転モーターは堅い粘着性のあるブレーキとして機能する請求項91に記載の線形アクチュエータ。
- 前記モーターの温度は、前記モーター巻線のうちの1本の巻線に一定電流を流し、前記巻線における対応する電圧を測定して前記巻線抵抗を決定することによって判定される請求項89に記載の線形アクチュエータ。
- 前記モーターの温度は、前記モーター巻線のうちの1本の巻線に一定電圧を掛け、前記巻線における対応する電流を測定して前記巻線抵抗を決定することによって判定される請求項89に記載の線形アクチュエータ。
- 前記モーターの前記温度を測定するためのモーター温度センサーを備える請求項89に記載の線形アクチュエータ。
- 前記モーターの温度に基づいて前記アクチュエータによって出力されるトルクを制御するための前記モーターに結合されているコントローラを備える請求項89に記載の線形アクチュエータ。
- 下にある地形上の前記装置の一部分の慣性基準周期内軌跡に基づいて着用者が着用している義足、下肢装具、または外骨格装置の関節の位置、インピーダンス、またはトルクのうちの少なくとも1つを歩行周期全体にわたって制御するための方法。
- 前記装置は、足部材、下肢部材、および前記足部材を前記下肢部材に接続するための足関節を備える請求項97に記載の方法。
- 前記装置は、下肢部材、大腿部材、および前記下肢部材を前記大腿部材に接続するための膝関節を備える請求項97に記載の方法。
- 前記装置は、大腿部材、胴体部材、および前記大腿部材を前記胴体部材に接続するための股関節を備える請求項97に記載の方法。
- 前記装置は、大腿部材および前記下肢部材を前記大腿部材に接続するための膝関節を備える請求項98に記載の方法。
- 前記装置は、胴体部材、および前記大腿部材を前記胴体部材に接続するための股関節を備える請求項101に記載の方法。
- 前記装置は、胴体部材、および前記大腿部材を前記胴体部材に接続するための股関節を備える請求項99に記載の方法。
- 前記軌跡は、前記下肢部材について判定される請求項98に記載の方法。
- 前記軌跡は、前記下肢部材の慣性姿勢および前記足部材と前記下肢部材とがなす角度に基づいて決定される請求項104に記載の方法。
- 前記足部材の前記バネ平衡位置を、世界座標系に関して垂直位置にある前記下肢部材と合致するように前記下にある地形に関して足底接地位置に合わせて調節するステップを含む請求項98に記載の方法。
- 足部材が前記下にある地形に接地したときと前記足部材が前記下にある地形に関して足底接地位置に置かれたときとの間の期間に前記下肢部材に与えられる予想される力に基づいて費用関数を最小化するように前記装置の前記インピーダンスを調節するステップを含む請求項98に記載の方法。
- 足部材が前記下にある地形に接地したときから前記足部材が前記下にある地形に関して足底接地位置に置かれたときまでの期間に前記下肢部材に与えられる予想される力に基づいて費用関数を最小化するように前記装置の前記インピーダンスを調節するステップを含む請求項98に記載の方法。
- 前記装置の前記インピーダンスを調節するステップは、前記足部材の足への衝撃を最小にする請求項108に記載の方法。
- 前記下肢部材の前記軌跡に基づいて前記下にある地形に関して爪先着地位置に合わせて前記足部材の位置を調節するステップを含む請求項98に記載の方法。
- 前記下肢部材の前記軌跡は、前記下にある表面が1つまたは複数の階段を含むときの軌跡を表す請求項110に記載の方法。
- 関節の位置、インピーダンス、またはトルクのうちの前記少なくとも1つは、前記装置の少なくとも1つのセンサーおよび1つのアクチュエータと通信するプロセッサによって前記歩行周期において連続的に更新される請求項97に記載の方法。
- 歩行運動速度、地形の状況、または地形の質感のうちの少なくとも1つに基づいて前記歩行周期の立脚後半期のときに前記装置の前記関節に対するインピーダンスおよびトルクを制御するステップを含む請求項97に記載の方法。
- 前記インピーダンスおよび前記トルクは、望む量の仕事をするように制御される請求項113に記載の方法。
- 前足と前記下にある地形との衝突が最小になるように前記歩行周期の制御底屈期において前記装置のインピーダンスを調節するステップを含む請求項97に記載の方法。
- 前記装置の関節の位置、インピーダンス、またはトルクのうちの前記少なくとも1つを、前記装置の一部分の速度に基づいて制御するステップを含む請求項97に記載の方法。
- 前記装置は、下肢装置であり、前記部分は、前記下肢装置の膝関節と足関節との間の場所である請求項116に記載の方法。
- 前記関節の位置、前記インピーダンス、または前記トルクのうちの少なくとも2つを、前記歩行周期全体にわたって制御するステップを含む請求項97に記載の方法。
- 前記関節の位置、前記インピーダンス、および前記トルクを、前記歩行周期全体にわたって制御するステップを含む請求項97に記載の方法。
- 着用者が着用する義足、下肢装具、または外骨格装置の股関節衝撃力および股関節衝撃力率を歩行周期全体にわたって低減するための方法であって、
下にある地形と足との接触が伝えられることによって発生する股関節衝撃力および股関節衝撃力率に基づいて費用関数を生成するステップと、
前記下にある地形上で歩行周期にわたって発生する股関節衝撃力を低減することに対する着用者の前記費用関数を最小化することに基づいて前記義足、下肢装具、または外骨格装置の少なくとも1つの関節の位置、インピーダンス、またはトルクのうちの少なくとも1つを制御するステップとを含む方法。 - 前記装置は、第1の足部材、第1の下肢部材、および前記第1の足部材を前記第1の下肢部材に接続するための第1の足関節を備え、前記方法は、前記第1の足関節のインピーダンスおよび前記装置の前記第1の足部材の足部接地状態と足底接地状態との間の時間間隔における前記第1の足部材と前記第1の下肢部材とがなす角度を調節するステップをさらに含む請求項120に記載の方法。
- 前記第1の足関節の前記インピーダンスおよび前記第1の足部材と前記第1の下肢部材とがなす前記角度は、前記装置の前記第1の足部材の前記足部接地状態と前記足底接地状態との間の前記第1の足関節に与えられる力の推定結果に基づいて費用関数を最小化するように調節される請求項121に記載の方法。
- 前記足部接地状態は、足部材踵が前記下にある地形に最初に接地する状況を含む請求項122に記載の方法。
- 前記足部接地状態は、足部材爪先が前記下にある地形に最初に接地する状況を含む請求項122に記載の方法。
- 前記下にある地形は、少なくとも1つの上昇階段または下降階段を含み、前記方法は、前記装置の前記第1の足部材の前記足部接地状態と前記足底接地状態との間で前記第1の足関節に与えられる力の前記推定結果に基づいて前記費用関数を最小化しながら前記下にある地形に爪先が最初に接地する動作を行うように前記第1の足部材を制約するステップをさらに含む請求項122に記載の方法。
- 前記装置は、第2の脚部材、第2の足部材、および前記第2の脚部材を前記第2の足部材に接続するための第2の足関節を備え、前記方法は、前記第1の足部材が前記下にある地形に衝撃を与えるとき、または与える前にトルクを前記第2の足関節に印加するステップをさらに含む請求項121に記載の方法。
- 前記関節の位置、前記インピーダンス、または前記トルクのうちの少なくとも2つを制御するステップを含む請求項120に記載の方法。
- 前記関節の位置、前記インピーダンス、および前記トルクを制御するステップを含む請求項120に記載の方法。
- 着用者が着用する義足、下肢装具、または外骨格装置によってなされる仕事を歩行周期全体にわたって最小化するための方法であって、
二重支持が行われている間に前記装置と被検体との組み合わせによって前記組み合わせの質量中心に対してなされるステップ内で遷移する仕事を推定するための費用関数を生成するステップと、
歩行周期にわたって発生する前記着用者と装置とによってなされる前記仕事を低減することに対する着用者の前記費用関数を最小化することに基づいて前記義足、下肢装具、または外骨格装置の少なくとも1つの関節の位置、インピーダンス、またはトルクのうちの少なくとも1つを制御するステップとを含む方法。 - 前記装置は、第1の足部材、第1の下肢部材、および前記第1の足部材を前記第1の下肢部材に接続するための第1の足関節を備え、前記方法は、前記第1の足関節のインピーダンスおよび前記装置の前記第1の足部材の足部接地状態と足底接地状態との間の時間間隔における前記第1の足部材と前記第1の下肢部材とがなす角度を調節するステップをさらに含む請求項129に記載の方法。
- 前記第1の足関節の前記インピーダンスおよび前記第1の足部材と前記第1の下肢部材とがなす前記角度は、前記装置の前記第1の足部材の前記足部接地状態と前記足底接地状態との間の前記第1の足関節に与えられる力の推定結果に基づいて費用関数を最小化するように調節される請求項130に記載の方法。
- 前記足部接地状態は、足部材踵が下にある地形に最初に接地する状況を含む請求項131に記載の方法。
- 前記足部接地状態は、足部材爪先が下にある地形に最初に接地する状況を含む請求項131に記載の方法。
- 前記着用者の下にある地形は、少なくとも1つの上昇階段または下降階段を含み、前記方法は、前記装置の前記第1の足部材の前記足部接地状態と前記足底接地状態との間で前記第1の足関節に与えられる力の前記推定結果に基づいて前記費用関数を最小化しながら前記下にある地形に爪先が最初に接地する動作を行うように前記第1の足部材を制約するステップをさらに含む請求項131に記載の方法。
- 前記装置は、第2の脚部材、第2の足部材、および前記第2の脚部材を前記第2の足部材に接続するための第2の足関節を備え、前記方法は、前記第1の足部材が下にある地形に衝撃を与えるとき、または与える前にトルクを前記第2の足関節に印加するステップをさらに含む請求項130に記載の方法。
- 前記関節の位置、前記インピーダンス、または前記トルクのうちの少なくとも2つを、前記歩行周期全体にわたって制御するステップを含む請求項129に記載の方法。
- 前記関節の位置、前記インピーダンス、および前記トルクを、前記歩行周期全体にわたって制御するステップを含む請求項129に記載の方法。
- 周期内歩行運動において着用者が着用する義足、下肢装具、または外骨格装置の関節のインピーダンス、位置、またはトルクのうちの少なくとも1つを制御するための方法であって、
歩行周期全体にわたって座標系内の前記装置の足関節と膝関節との間の場所の軌跡を決定するステップと、
前記軌跡に基づいて前記装置の足部材の前記関節動作を調節するステップとを含む方法。 - 前記装置において、前記足関節は前記足部材を前記装置の前記下肢部材の第1の端部に接続し、前記膝関節は、前記下肢部材の反対側の端部に接続される請求項138に記載の方法。
- 前記場所は、前記足関節である請求項138に記載の方法。
- 前記所定の条件が下にある地形内に平地、上昇斜面、または下降斜面が存在することを表す場合に踵着地位置に合わせて前記足部材の前記関節動作を調節するステップを含む請求項138に記載の方法。
- 前記所定の条件が下にある地形内に上昇階段または下降階段が存在することを示す場合に爪先着地位置に合わせて前記足部材の前記関節動作を調節するステップを含む請求項138に記載の方法。
- 前記足部材は、前記所定の条件が上昇階段の存在を表している場合に前記装置の下肢部材に関して背屈位置に合わせて調節される請求項138に記載の方法。
- 前記足部材は、前記所定の条件が下降階段の存在を表している場合に前記装置の下肢部材に関して底屈位置に合わせて調節される請求項138に記載の方法。
- 前記所定の条件が下にある地形内に平地、上昇斜面、または下降斜面が存在することを表す場合に踵着地位置に合わせて前記足部材の前記関節動作を調節するステップと、
前記所定の条件が下にある地形内に上昇階段または下降階段が存在することを表す場合に爪先着地位置に合わせて前記足部材の前記関節動作を調節するステップとを含む請求項138に記載の方法。 - 前記軌跡は、前記装置の下肢部材の慣性姿勢および前記足部材と前記下肢部材とがなす角度に基づいて決定される請求項138に記載の方法。
- 前記軌跡が所定の条件を満たしている場合に前記装置の前記足部材の前記関節動作を所定の配向に調節するステップを含む請求項138に記載の方法。
- 能動的な義足、下肢装具、または外骨格装置であって、
足部材と、
下肢部材と、
前記足部材を前記下肢部材に接続するための足関節と、
前記下肢部材に関して前記足部材を回転させるためにトルクを前記足関節に印加するための第1のアクチュエータと、
前記下肢部材の慣性姿勢を決定するための慣性計測装置と、
前記アクチュエータによって前記下肢部材に印加されるトルクを測定するためのトルクセンサーと、
前記下肢部材に印加される軸力を測定するための力センサーと、
前記足部材と前記下肢部材とがなす角度を測定するための角度センサーと、
前記慣性姿勢、トルク、軸力、および角度に基づいて前記装置の歩行周期全体にわたって前記装置の関節のインピーダンス、位置、またはトルクのうちの少なくとも1つを変調するための前記アクチュエータを制御するコントローラとを備える能動的な義足、下肢装具、または外骨格装置。 - 前記足部材が前記足関節を中心として前記下肢部材の方へ回転するときにエネルギーを貯蔵し、前記足部材を回転して前記足部材を前記下肢部材から遠ざけるためにエネルギーを解放して追加トルクを印加することを目的とする前記下肢部材と前記足部材との間に接続されている1つまたは複数の受動的な弾性部材を備える請求項148に記載の装置。
- 前記1つまたは複数の受動的な弾性部材は、前記アクチュエータと平行になるように前記装置に取り付けられる請求項149に記載の装置。
- 前記1つまたは複数の受動的な弾性部材は、一方向性のバネであり、前記下肢部材に関する前記足部材の底屈時には係合しない請求項150に記載の装置。
- 前記アクチュエータは、直列弾性アクチュエータを備える含む請求項148に記載の装置。
- 前記直列弾性アクチュエータは、ボールネジを駆動するブラシレスモーター、前記ボールネジの出力と直列につながるカーボンファイバー製バネ、および前記バネに結合されている歪みセンサーを備える請求項152に記載の装置。
- 前記慣性計測装置は、3軸レートジャイロおよび3軸加速度計を備える請求項148に記載の装置。
- 前記下肢部材に結合され、着用者の肢ソケット部材に結合するためのインターフェイスを備える構造要素を備え、前記構造要素は、前記アクチュエータによって前記下肢部材に印加される前記トルクおよび前記下肢部材に印加される前記軸力を測定するために複数の歪みゲージを備える請求項148に記載の装置。
- 前記アクチュエータは、前足と下にある地形との衝突が最小になるように前記歩行周期の制御底屈期において前記装置の剛性を調節する請求項148に記載の装置。
- 前記アクチュエータは、歩行運動速度、地形の状況、または地形の質感のうちの少なくとも1つに基づいて前記歩行周期の立脚後半期のときに前記装置の前記足関節に対するインピーダンスおよびトルクを制御する請求項148に記載の装置。
- 前記アクチュエータは、下にある表面によって前記足部材上に与えられる地面反力およびゼロモーメント枢軸座標、前記下肢部材の前記慣性姿勢、前記アクチュエータによって前記下肢部材に印加される前記トルク、前記下肢部材に印加される前記軸力、および前記足部材と前記下肢部材とがなす前記角度に基づいて前記装置のインピーダンスを変調する請求項148に記載の装置。
- 前記アクチュエータは、前記下肢部材の前記慣性姿勢に基づく前記着用者が座位から立ち上がったとき、または立位から座ったときの前記装置の前記インピーダンス、前記足部材と前記下肢部材とがなす前記角度、ならびに前記地面反力およびゼロモーメント枢軸座標を変調する請求項158に記載の装置。
- 前記装置は、鶏歩を治療するために使用される請求項148に記載の装置。
- 前記装置は、前筋筋力低下、後筋筋力低下、またはこれらの組み合わせ症状を有する着用者を治療するために使用される請求項148に記載の装置。
- 大腿部材と、
前記大腿部材を前記下肢部材に接続するための膝関節と、
前記大腿部材に関して前記下肢部材を回転させるためにトルクを前記膝関節に印加するための第2のアクチュエータと、
前記大腿部材の慣性姿勢を決定するための第2の慣性計測装置と、
前記第2のアクチュエータによって前記大腿部材に印加されるトルクを測定するための第2のトルクセンサーと、
前記大腿部材に印加される軸力を測定するための第2の力センサーと、
前記大腿部材と前記下肢部材とがなす角度を測定するための第2の角度センサーとを備え、
前記コントローラは、前記第1および第2のデバイスを使用して決定された前記慣性姿勢、トルク、軸力、および角度に基づいて前記装置の歩行周期全体にわたって前記装置のインピーダンスを変調するための第1および第2のアクチュエータを制御する請求項148に記載の装置。 - 胴体部材と、
前記胴体部材を前記大腿部材に接続するための股関節と、
前記胴体部材に関して前記大腿部材を回転させるためにトルクを前記股関節に印加するための第3のアクチュエータと、
前記胴体部材の慣性姿勢を決定するための第3の慣性計測装置と、
前記第3のアクチュエータによって前記胴体部材に印加されるトルクを測定するための第3のトルクセンサーと、
前記胴体部材に印加される軸力を測定するための第3の力センサーと、
前記胴体部材と前記大腿部材とがなす角度を測定するための第3の角度センサーとを備え、
前記コントローラは、前記第1、第2、および第3のデバイスを使用して決定された前記慣性姿勢、トルク、軸力、および角度に基づいて前記装置の歩行周期全体にわたって前記装置のインピーダンスを変調するための前記第1、第2、および第3のアクチュエータを制御する請求項162に記載の装置。 - 前記下肢部材は、前記着用者の脚に取り付け可能である請求項148に記載の装置。
- 前記足部材は、前記着用者の足に取り付け可能である請求項148に記載の装置。
- 前記大腿部材は、前記着用者の大腿部に取り付け可能である請求項162に記載の装置。
- 前記コントローラは、前記装置の関節のインピーダンス、位置、またはトルクのうちの少なくとも2つを、前記装置の歩行周期全体にわたって変調するように前記アクチュエータを制御する請求項148に記載の装置。
- 前記コントローラは、前記装置の関節のインピーダンス、位置、およびトルクを、前記装置の歩行周期全体にわたって変調するように前記アクチュエータを制御する請求項148に記載の装置。
- 装置を着用する着用者に施すべき下肢装具または外骨格装置に対する補助の望ましいレベルを決定するための方法であって、
一定期間にわたって前記着用者に対して前記装置によって実行される補助のレベルを定める理学療法手順を指定するステップと、
前記肢病変部のリハビリを補助するために前記着用者に対し前記装置によって実行される補助のレベルを下げるステップとを含む方法。 - 前記装置による補助の前記レベルは、前記装置への前記着用者のインピーダンスおよびトルク寄与分に基づいて低減される請求項169に記載の方法。
- 前記着用者の前記インピーダンスおよびトルク寄与分は、前記着用者および装置の動的生体力学モデルおよび前記装置の動作中の前記着用者の測定結果に基づいて決定される請求項170に記載の方法。
- 前記着用者の前記測定結果は、前記装置の少なくとも1つの関節の回転および加速のうちの少なくとも一方を含む請求項171に記載の方法。
- 前記装置の前記少なくとも1つの関節は、
a)前記装置の足部材を前記装置の下肢部材に接続する足関節、
b)前記装置の大腿部材を前記装置の前記下肢部材に接続する膝関節、または
c)前記装置の胴体部材を前記装置の前記大腿部材に接続する股関節のうちの少なくとも1つを備える請求項172に記載の方法。 - 着用者が着用する下肢装具または外骨格装置を使用して肢病変を持つ着用者のリハビリを行うための方法であって、
前記着用者および装置の生体力学モデルおよび前記装置の動作中の前記着用者の測定結果に基づいて前記装置の少なくとも1つの関節への前記着用者のインピーダンスおよびトルクの寄与分を推定するステップと、
動作中に所定のレベルのトルクが前記装置で達成されるように前記装置の少なくとも1つの関節にトルクをさらに印加するように前記アクチュエータに指令する信号を前記装置のアクチュエータに送るステップとを含む方法。 - 前記着用者の前記測定結果は、前記装置の少なくとも1つの関節の回転および加速のうちの少なくとも一方を含む請求項174に記載の方法。
- 前記装置の前記少なくとも1つの関節は、
a)前記装置の足部材を前記装置の下肢部材に接続する足関節、
b)前記装置の大腿部材を前記装置の前記下肢部材に接続する膝関節、または
c)前記装置の胴体部材を前記装置の前記大腿部材に接続する股関節のうちの少なくとも1つを備える請求項175に記載の方法。 - 着用者が下にある地形を横切っている間に前記下にある地形の状態を推定するための方法であって、
着用者の下肢上のいくつかの点の慣性基準軌跡および下にある地形を横切る前記着用者の前記下肢の配向を判定するステップと、
少なくとも1つの所定の軌跡モデルに関して前記慣性基準軌跡を分析して、下にある地形の状態を推定するステップとを含む方法。 - 前記下にある地形の状態は、階段上昇、斜面上昇、平地、斜面下降、または階段下降のうちの少なくとも1つである請求項177に記載の方法。
- 下にある地形を横切る前記着用者の前記慣性基準軌跡を決定するステップを含み、前記下にある地形は、階段上昇、斜面上昇、平地、斜面下降、および階段下降を含む請求項177に記載の方法。
- 下にある地形を横切る着用者の慣性基準軌跡を判定するステップは、前記着用者の歩行周期の遊脚後半期において実行される請求項177に記載の方法。
- 少なくとも1つの所定の軌跡モデルに関して前記慣性基準軌跡を分析するステップは、少なくとも1つのパターン認識技術を使用するステップを含む請求項177に記載の方法。
- 前記少なくとも1つのパターン認識技術は、少なくとも1つのセンサーに結合された1つのプロセッサおよび着用者が着用する義足、下肢装具、または外骨格装置に結合された1つのアクチュエータを使用して実行される請求項181に記載の方法。
- 前記少なくとも1つのパターン認識技術は、ベイズ式パターン分類、ニューラルネット、ファジー論理、または階層的一時記憶からなる技術群から選択される請求項182に記載の方法。
- 前記下にある地形の状態の推定結果に基づいて着用者が着用する義足、下肢装具、または外骨格装置の関節のインピーダンス、位置、またはトルクのうちの少なくとも1つを制御するステップを含む請求項S1に記載の方法。
- 前記装置の足部材と前記下にある表面との間のトラクションの変化を判定するステップを含み、前記装置は足部材、下肢部材、前記足部材を前記下肢部材に接続するための足関節、およびトルクを前記足関節に印加して前記下肢部材に関して前記足部材を回転させるための第1のアクチュエータとを備え、
前記下肢部材の慣性姿勢に基づいて前記下にある表面によって前記足部材上に与えられる地面反力、前記アクチュエータによって前記下肢部材に印加される前記トルク、前記下肢部材に印加される軸力、および前記足部材と前記下肢部材とがなす角度を計算するステップと、
前記下肢部材の前記慣性姿勢に基づき前記足部材のゼロモーメント枢軸の速度、前記アクチュエータによって前記下肢部材に印加される前記トルク、前記下肢部材に印加される前記軸力、および前記足部材と前記下肢部材とがなす前記角度を計算するステップとを含む請求項177に記載の方法。 - 足底接地状態と爪先離地状態との間の前記着用者の歩行周期の一部の期間において前記足部材のゼロモーメント枢軸の前記速度の少なくとも1つの成分が減少する場合に前記足部材が滑るか、または沈んでいると判定される請求項185に記載の方法。
- 前記足部材が滑っているか、または沈んでいると判定したことに対する応答として前記下肢部材に印加されるトルクを低減するステップを含む請求項186に記載の方法。
- 前記下肢部材に印加される前記トルクを減衰係数だけ低減するステップを含む請求項187に記載の方法。
- 前記減衰係数は、所定の減衰係数である請求項188に記載の方法。
- 前記減衰係数は、前記ゼロモーメント枢軸速度に基づいて決定される請求項188に記載の方法。
- 前記ゼロモーメント枢軸速度が所定の閾値より低いことに対する応答として前記下肢部材に印加される前記トルクを低減するステップを含む請求項186に記載の方法。
- 着用者が着用する義足、下肢装具、または外骨格装置の下にある地形の特性を弁別するための方法であって、前記装置は、足部材、下肢部材、および前記足部材を前記下肢部材に接続するための足関節を備え、
歩行周期全体にわたって前記装置の前記足関節の慣性速度ベクトル迎え角を推定するステップと、
前記慣性速度ベクトル迎え角が所定の範囲内に収まっているかどうかに基づいて地形の特性を弁別するステップとを含む方法。 - 前記足部材の踵が前記下にある地形に接地したときから前記足部材が前記下にある地形に関して足底接地位置に置かれたときまでの期間に前記下肢部材に与えられる予想される力に基づいて費用関数を最小化するように前記装置の前記インピーダンスを調節するステップを含む請求項192に記載の方法。
- 前記慣性速度ベクトル迎え角が所定の範囲内に収まっているかどうかに基づいて前記装置の足関節のインピーダンス、位置、またはトルクのうちの少なくとも1つを制御するステップを含む請求項192に記載の方法。
- 前記足部材は、前記着用者の足に取り付け可能であり、前記下肢部材は、前記着用者の脚に取り付け可能である請求項192に記載の方法。
- 前記足部材と前記下肢部材は、前記着用者の前記足と前記下肢の代替えとなる請求項192に記載の方法。
- 着用者が着用する義足、下肢装具、または外骨格装置の関節のインピーダンス、位置、またはトルクのうちの少なくとも1つを制御するための方法であって、前記装置は、足部材、下肢部材、および前記足部材を前記下肢部材に接続するための足関節を備え、
歩行周期全体にわたって前記装置の前記足関節の慣性速度ベクトル迎え角を推定するステップと、
前記速度ベクトル迎え角が所定の範囲内に収まっている場合に前記装置の足部材の位置を爪先着地位置に合わせて調節するステップとを含む方法。 - 前記慣性速度ベクトル迎え角が所定の範囲を外れている場合に前記足部材の前記位置を踵着地位置に合わせて調節するステップを含む請求項197に記載の方法。
- 前記足部材の踵が前記下にある地形に接地したときから前記足部材が前記下にある地形に関して足底接地位置に置かれたときまでの期間に前記下肢部材に与えられる予想される力に基づいて費用関数を最小化するように前記装置の前記インピーダンスを調節するステップを含む請求項198に記載の方法。
- 前記足部材は、前記着用者の足に取り付け可能であり、前記下肢部材は、前記着用者の脚に取り付け可能である請求項197に記載の方法。
- 前記足部材と前記下肢部材は、前記着用者の前記足と前記下肢の代替えとなる請求項197に記載の方法。
- 義足または下肢装具を動作させる方法であって、前記装置は足部材および足関節を有し、
前記装置の一部の軌跡を追跡するステップと、
前記追跡される軌跡が階段に対応しているかどうかを判定するステップと、
前記追跡される軌跡が階段に対応している状況において、階段上での移動運動に関して前記装置の動作を最適化するステップと、
前記追跡される軌跡が非階段地形に対応しているかどうかを判定するステップと、
前記追跡される軌跡が非階段地形に対応している状況において、非階段地形上での移動運動に関して前記装置の動作を最適化するステップとを含む方法。 - 前記追跡される軌跡が階段に対応しているかどうかを判定する前記ステップは、遊脚後半期における前記足関節の速度ベクトル迎え角Ψが閾値より低いと判定するステップを含み、前記追跡される軌跡が非階段地形に対応しているかどうかを判定する前記ステップは、前記足関節の速度ベクトル迎え角Ψが閾値より高いと判定するステップを含む請求項202に記載の方法。
- 階段を歩行する場合の前記装置の動作を最適化する前記ステップは、足部接地の前に足部材の位置を爪先着地位置に合わせて調節するステップを含み、非階段地形上での移動運動のための前記装置の動作を最適化する前記ステップは、足部接地の前に前記足部材の位置を爪先着地位置に合わせて調節するステップを含む請求項202に記載の方法。
- 非階段地形上で歩行する場合の前記装置の動作を最適化する前記ステップは、
単一ステップの異なる期において前記足関節のインピーダンスを動的に制御するステップと、
単一ステップの異なる期において前記足関節の位置を動的に制御するステップと、
単一ステップの異なる期において前記足関節のトルクを動的に制御するステップとを含む請求項202に記載の方法。 - 階段上で歩行する場合の前記装置の動作を最適化する前記ステップは、
単一ステップの異なる期において前記足関節のインピーダンスを動的に制御するステップと、
単一ステップの異なる期において前記足関節の位置を動的に制御するステップと、
単一ステップの異なる期において前記足関節のトルクを動的に制御するステップとを含む請求項202に記載の方法。 - 前記追跡される軌跡が上昇斜面に対応しているかどうかを判定するステップと、
前記追跡される軌跡が上昇斜面に対応している状況において斜面を上ることについて前記装置の動作を最適化するステップと、
前記追跡される軌跡が下降斜面に対応しているかどうかを判定するステップと、
前記追跡される軌跡が下降斜面に対応している状況において斜面を下ることについて前記装置の動作を最適化するステップとを含む請求項202に記載の方法。 - 斜面を上る場合の前記装置の動作を最適化する前記ステップは、単一ステップの異なる期において前記足関節のインピーダンスを動的に制御するステップと、単一ステップの異なる期において前記足関節の位置を動的に制御するステップと、単一ステップの異なる期において前記足関節のトルクを動的に制御するステップとを含み、
斜面を下る場合の前記装置の動作を最適化する前記ステップは、単一ステップの異なる期において前記足関節のインピーダンスを動的に制御するステップと、単一ステップの異なる期において前記足関節の位置を動的に制御するステップと、単一ステップの異なる期において前記足関節のトルクを動的に制御するステップとを含む請求項206に記載の方法。 - 前記追跡される軌跡が階段に対応しているかどうかを判定する前記ステップは、遊脚後半期における前記足関節の速度ベクトル迎え角Ψが閾値より低いと判定するステップを含み、前記追跡される軌跡が非階段地形に対応しているかどうかを判定する前記ステップは、前記足関節の速度ベクトル迎え角Ψが閾値より高いと判定するステップを含み、
階段を歩行する場合の前記装置の動作を最適化する前記ステップは、足部接地の前に前記足部材の位置を爪先着地位置に合わせて調節するステップを含み、非階段地形上での移動運動のための前記装置の動作を最適化する前記ステップは、足部接地の前に前記足部材の位置を爪先着地位置に合わせて調節するステップを含み、
非階段地形上で歩行する場合の前記装置の動作を最適化する前記ステップは、単一ステップの異なる期において前記足関節のインピーダンスを動的に制御するステップと、単一ステップの異なる期において前記足関節の位置を動的に制御するステップと、単一ステップの異なる期において前記足関節のトルクを動的に制御するステップとを含む請求項202に記載の方法。 - 義足または下肢装具であって、
足部材と、
下肢部材と、
前記下肢部材に関して前記足部材の関節動作を可能にするように前記足部材と前記下肢部材との間に動作可能なように接続された足関節と、
前記足関節を駆動するように構成されたモーターと、
前記下肢部材の軌跡を追跡し、前記軌跡を表す出力を生成するように構成された慣性計測装置と、
コントローラとを備え、
前記コントローラは、(a)前記出力に基づいて前記追跡される軌跡が階段に対応しているかどうかを判定し、(b)前記追跡される軌跡が階段に対応しているときに階段を歩行する場合の前記足関節の動作を最適化し、(c)前記追跡される軌跡が非階段地形に対応しているかどうかを判定し、(d)前記追跡される軌跡が非階段地形に対応しているときに非階段地形上を歩行する場合の前記足関節の動作を最適化するように構成されている義足または下肢装具。 - 前記コントローラは、遊脚後半期における前記足関節の速度ベクトル迎え角Ψが閾値より低いと判定することによって前記追跡される軌跡が階段に対応しているかどうかを判定し、前記コントローラは、前記足関節の速度ベクトル迎え角Ψが前記閾値より高いと判定することによって前記追跡される軌跡が非階段地形に対応しているかどうかを判定する請求項210に記載の装置。
- 前記コントローラは、足部接地の前に前記足部材の位置を爪先着地位置に合わせて調節することによって階段を歩行する場合の前記足関節の動作を最適化し、前記コントローラは、足部接地の前に前記足部材の位置を爪先着地位置に合わせて調節することによって非階段地形上での移動運動のために前記足関節の動作を最適化する請求項210に記載の装置。
- 前記コントローラは、非階段地形上で歩行する場合の前記足関節の動作の最適化を、単一ステップの異なる期において前記足関節のインピーダンスを動的に制御するステップと、単一ステップの異なる期において前記足関節の位置を動的に制御するステップと、単一ステップの異なる期において前記足関節のトルクを動的に制御するステップとを実行することによって行う請求項210に記載の装置。
- 前記コントローラは、階段上で歩行する場合の前記足関節の動作の最適化を、単一ステップの異なる期において前記足関節のインピーダンスを動的に制御するステップと、単一ステップの異なる期において前記足関節の位置を動的に制御するステップと、単一ステップの異なる期において前記足関節のトルクを動的に制御するステップとを実行することによって行う請求項210に記載の装置。
- 前記コントローラは、(e)前記追跡される軌跡が上昇斜面に対応しているかどうかを、前記出力に基づいて判定し、(f)前記追跡される軌跡が上昇斜面に対応しているときに上昇斜面上を歩行する場合の前記足関節の動作を最適化し、(g)前記追跡される軌跡が下降斜面に対応しているかどうかを判定し、(h)前記追跡される軌跡が下降斜面に対応しているときに下降斜面上を歩行する場合の前記足関節の動作を最適化するようにさらに構成される請求項210に記載の装置。
- 前記コントローラは、斜面を上る場合の前記足関節の動作の最適化を、単一ステップの異なる期において前記足関節のインピーダンスを動的に制御するステップと、単一ステップの異なる期において前記足関節の位置を動的に制御するステップと、単一ステップの異なる期において足関節のトルクを動的に制御するステップとを実行することによって行い、
前記コントローラは、斜面を下る場合の前記足関節の動作の最適化を、単一ステップの異なる期において前記足関節のインピーダンスを動的に制御するステップと、単一ステップの異なる期において前記足関節の位置を動的に制御するステップと、単一ステップの異なる期において前記足関節のトルクを動的に制御するステップとを実行することによって行う請求項215に記載の装置。
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