JP2012516717A - Actuator-powered knee prosthesis with antagonistic muscle action - Google Patents

Actuator-powered knee prosthesis with antagonistic muscle action Download PDF

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Abstract

人工膝は、並列をなす2つの直列弾性アクチュエーターからなる作動筋−拮抗筋配列を備え、膝関節、該膝関節に接続されて脚部材と並列をなす屈曲用及び伸展用アクチュエーター、及び、該アクチュエーターに独立にエネルギーを供給して、該膝関節及び該脚部材の動きを制御するためのコントローラを含んでいる。屈曲用アクチュエーターは、屈曲用モーターと屈曲用弾性要素の直列結合を含み、伸展用アクチュエーターは、伸展用モーターと伸展用弾性要素の直列結合を含む。センサーは、コントローラにフィードバックを提供する。屈曲用アクチュエーター及び伸展用アクチュエーターを一方向性とすることができ、この場合、屈曲用弾性要素及び伸展用弾性要素は直列ばねである。代わりに、伸展用アクチュエーターを双方向性とすることができ、この場合、伸展用弾性要素は一組の予め圧縮された直列ばねである。代替的には、屈曲用弾性要素を非線形漸軟ばねとし、伸展用弾性要素を非線形漸硬ばねとすることができる。The artificial knee includes an actuator muscle-antagonist muscle array composed of two series elastic actuators in parallel, a knee joint, a bending and extension actuator connected to the knee joint and in parallel with a leg member, and the actuator And a controller for independently supplying energy to control movement of the knee joint and the leg member. The bending actuator includes a series connection of a bending motor and an elastic element for bending, and the extension actuator includes a series connection of an extension motor and an elastic element for extension. The sensor provides feedback to the controller. The bending actuator and the extension actuator can be unidirectional, in which case the bending elastic element and the extending elastic element are series springs. Alternatively, the extension actuator can be bidirectional, in which case the extension elastic element is a set of pre-compressed series springs. Alternatively, the bending elastic element can be a non-linear softening spring and the extension elastic element can be a non-linear softening spring.

Description

関連出願
本願は、2010年1月30日に出願された米国仮特許出願第61/148,545号の利益を主張するものであり、該仮特許出願の全開示内容は参照により本明細書に組み込まれるものとする。
This application claims the benefit of US Provisional Patent Application No. 61 / 148,545, filed Jan. 30, 2010, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference. Shall.

本願は、2009年10月29日に出願された同時係属出願である米国特許出願第12/608,627号(該出願は、2006年12月19日に出願されたが放棄された米国特許出願第11/642,993の継続出願であって、2005年12月19日に出願されたがすでに失効している米国仮特許出願第60/751,680号の利益を主張するものである)の一部継続出願であって、米国特許出願第11/395,448号、第11/495,140号、第11/600,291号、及び第11/499,853号(これは、米国特許第7,313,463号として特許されており、2005年8月4日に出願された米国仮特許出願第60/705,651の出願日の利益を主張するものである)の一部継続出願であり、かつ、米国特許出願第11/395,448号の一部継続出願である。これらの米国特許出願の全開示内容は、参照により本明細書に組み込まれるものとする。   This application is a co-pending application, US patent application Ser. No. 12 / 608,627, filed Oct. 29, 2009, which was filed on Dec. 19, 2006, but abandoned. No. 60 / 751,680 filed on Dec. 19, 2005, but has already expired, and is a continuation-in-part application. U.S. Patent Application Nos. 11 / 395,448, 11 / 495,140, 11 / 600,291, and 11 / 499,853 (which were patented as U.S. Pat. No. 7,313,463, August 4, 2005). And is a continuation-in-part application of US Patent Application No. 11 / 395,448. The entire disclosure of these US patent applications is hereby incorporated by reference.

本願はまた、Hugh M. Herr、Daniel Joseph Paluska、及びPeter Dilworthによって2006年3月31日に出願された「Artificial human limbs and jointsemploying actuators, springs and Variable-Damper Elements」と題する米国特許出願第11/395,448号の一部継続出願である。米国特許出願第11/395,448号は、2005年3月31日に出願された米国仮特許出願第60/666,876号の出願日の利益、並びに、2005年8月1日に出願された米国仮特許出願第60/704,517号の出願日の利益を主張するものである。   This application is also a U.S. Patent Application 11 / This is a continuation-in-part of 395,448. U.S. Patent Application No. 11 / 395,448 includes the benefit of the filing date of U.S. Provisional Patent Application No. 60 / 666,876 filed on March 31, 2005, and the U.S. Provisional Patent filed on August 1, 2005. Claims the benefit of the filing date of application 60 / 704,517.

本願はまた、Hugh M. Herr、Samuel K. Au, Peter Dilworth及びDaniel Joseph Paluskaによって2006年7月29日に出願された「An Artificial Ankle-Foot System with Spring, Variable-Damping, andSeries-Elastic Actuator Components」と題する米国特許出願第11/495,140号の一部継続出願である。米国特許出願第11/495,140号は、2005年8月1日に出願された米国仮特許出願第60/704,517号の出願日の利益を主張するものであり、また、米国特許出願第11/395,448号の一部継続出願である。   This application is also filed by Hugh M. Herr, Samuel K. Au, Peter Dilworth and Daniel Joseph Paluska on July 29, 2006, “An Artificial Ankle-Foot System with Spring, Variable-Damping, and Series-Elastic Actuator Components. Is a continuation-in-part of US patent application Ser. No. 11 / 495,140. U.S. Patent Application No. 11 / 495,140 claims the benefit of the filing date of U.S. Provisional Patent Application No. 60 / 704,517, filed on Aug. 1, 2005, and U.S. Patent Application No. 11 / 395,448. Is a continuation-in-part application

本願はまた、Hugh M. Herr、Conor Walsh、Daniel Joseph Paluska、Andrew Valiente、Kenneth Pasch、及びWilliamGrandによって2006年11月15日に出願された「Exoskeletons for running and walking」と題する米国特許出願第11/600,291号の一部継続出願である。米国特許出願第11/600,291号は、2005年11月15日に出願された米国仮特許出願第60/736,929号の出願日の利益を主張するものであり、かつ、米国特許出願第11/395,448号、11/499,853号、及び11/495,140号の一部継続出願である。   This application is also a U.S. Patent Application 11 / This is a continuation-in-part of 600,291. U.S. Patent Application No. 11 / 600,291 claims the benefit of the filing date of U.S. Provisional Patent Application No. 60 / 736,929 filed on November 15, 2005, and U.S. Patent Application No. 11 / 395,448. No. 11 / 499,853 and 11 / 495,140.

本願は、上記の特許出願の各々の出願日の利益を主張するものであって、上記の出願の各々の開示を参照によって組み込んでいる。   This application claims the benefit of the filing date of each of the above patent applications, and incorporates the disclosure of each of the above applications by reference.

連邦支援の研究開発に関する陳述
本発明は、米国復員軍人援護局によって授与された認可番号VA241-P-0026下に米国政府の支援を受けてなされたものである。米国政府は本発明において所定の権利を有する。
STATEMENT REGARDING FEDERALLY SPONSORED RESEARCH AND DEVELOPMENT This invention was made with US government support under grant number VA241-P-0026 awarded by the US Veterans Assistance Agency. The US government has certain rights in this invention.

本発明は、人工装具、外骨格装具、矯正器具、または、ロボット装置に使用するための人工関節及び義肢、特に、動力付きの人工膝関節に関する。   The present invention relates to a prosthesis, a prosthetic limb for use in a prosthesis, an exoskeleton, a corrector, or a robotic device, in particular, a powered prosthetic knee joint.

ほとんどの市販の義足及び下肢装具は受動性であって、歩行サイクル中に関節生体力学(関節バイオメカニクス)を複製するために正の機械力を提供することができない。動力付きの膝システムの設計に対する既存のアプローチは、関節に直接結合された単一のモーター−トランスミッションシステムを使用することに主に焦点を当てていた。しかしながら、そのようなダイレクトドライブ(直接駆動)構成は、平坦な地面上を歩行している場合でさえも、生物学的膝関節の機械的挙動(または力学的挙動)を完全にエミュレート(模倣)するためには、大きな電力を消費する。このエネルギー非効率性の1つの理由は、脚の受動的な動力学特性、弾性エネルギー貯蔵、及び、腱様構造の復帰(復元)作用を十分に使用していないことにある。   Most commercial prosthetic and lower limb orthoses are passive and cannot provide positive mechanical force to replicate joint biomechanics (joint biomechanics) during the gait cycle. Existing approaches to the design of powered knee systems have focused primarily on using a single motor-transmission system that is directly coupled to the joint. However, such a direct drive configuration fully emulates the mechanical behavior (or mechanical behavior) of a biological knee joint, even when walking on flat ground. ) To consume a lot of power. One reason for this energy inefficiency is that it does not fully utilize the passive dynamic properties of the legs, elastic energy storage, and tendon-like structure restoration.

大腿切断者用の膝義足は、受動性、可変ダンピング式(variable-damping:可変制動式)、動力付きの3つの主なグループに分類することができる。受動性の人工膝(関節)は、動作用の電源(動力源)を必要としないが、一般的に、可変ダンピング式の人工装具よりも環境外乱に対する適応力が小さい。可変ダンピング式の膝(関節)は、電源(動力源)を必要とするが、それは、ダンピング(制動)レベルを変更するために必要となるだけである。一方、動力付きの人工膝は、膝の非保存性の正の仕事を実行することができる。   Knee prostheses for thigh amputees can be divided into three main groups: passive, variable-damping, and powered. A passive artificial knee (joint) does not require a power source (power source) for operation, but generally has less adaptability to environmental disturbances than a variable damping prosthesis. A variable-damping knee (joint) requires a power source (power source), which is only needed to change the damping (braking) level. On the other hand, a powered prosthetic knee can perform the non-conservative positive work of the knee.

可変ダンピング式の膝は、機械的に受動性の構成と比べると、異なる歩行速度に対して膝の安定度及び適応性を改善することを含むいくつかの利点を提供する。可変ダンピング式の膝は完全に受動性の膝機構に対していくつかの利点を提供するものの、正の機械力を生成することはできず、それゆえ、(椅子などに)座った状態からの立ち上がり動作、平坦な地面の歩行、及び、階段/斜面の上り歩行などの運動のために人間の膝関節の正の仕事段階を再現することができない。もっともなことだが、大腿切断者は、可変ダンピング式の膝の技術を使用するときに、たとえば、大腿を切断していない者に比べて、歩行パターンが非対称であり、歩行速度が低下し、及び、大きな代謝エネルギーが要求されるといった臨床上の問題に直面する。   A variable-damping knee offers several advantages, including improved knee stability and adaptability for different walking speeds when compared to a mechanically passive configuration. Although a variable-damping knee offers several advantages over a completely passive knee mechanism, it cannot generate positive mechanical forces and is therefore (from a chair, etc.) The positive work phase of the human knee joint cannot be reproduced due to movements such as standing up, walking on a flat ground, and walking up stairs / slopes. Of course, when a thigh amputee uses a variable-damping knee technique, for example, the walking pattern is asymmetrical and walking speed is reduced compared to those who do not cut the thigh, and Faced with clinical problems such as the need for large metabolic energy.

動力付きの人工装具、整形具、外骨格装具、及びロボット脚システムの設計に対する現在のアプローチは、関節に直接結合された単一のモーター−トランスミッションシステムを使用することに主に焦点を当てている。そのようなダイレクトドライブ(直接駆動)構成は、人間の脚の機械的挙動(または力学的挙動)を完全にエミュレート(模倣)するためには大きな電力を消費する。本明細書で提示する生体模倣型の膝は、受動性の動力学を利用し、及び、弾性エネルギー貯蔵及び腱様構造の復帰作用を用いて、電力要件を最小限にする。該膝は、オンボード電源(たとえば基板上の電源)からの小さな電力消費でもって、平坦な地面を歩行している間、人間と同様の膝の力学特性を再現することができる。   Current approaches to the design of powered prostheses, orthotics, exoskeletons, and robotic leg systems are primarily focused on using a single motor-transmission system directly coupled to the joint. . Such a direct drive configuration consumes a large amount of power to fully emulate the mechanical behavior (or mechanical behavior) of a human leg. The biomimetic knee presented here utilizes passive dynamics and uses elastic energy storage and tendon-like structure reversion to minimize power requirements. The knee can reproduce the same mechanical characteristics of a knee as a human while walking on a flat ground with low power consumption from an on-board power supply (eg, a power supply on a substrate).

本発明は、1つの側面において、並列に配置された2つの直列弾性アクチュエーターの作動筋−拮抗筋構造(または、作動体−拮抗体構造ともいう。以下同じ)を含む人工膝(膝義足)である。この人工膝の設計は、2つの直列弾性クラッチ機構及び可変ダンパーを含む、可変インピーダンス人工膝モデルによって動機付けされた。人間の歩行データを利用して、モデルの関節が生物学的に動くように制御した。モデルのパラメータは、ある時間にわたる該モデルの膝関節トルクと生物学的膝(関節)の値と間の差の二乗の和を最小にする最適化方式を用いて得られる。最適化された値を用いて、作動筋−拮抗筋構造を有する人工膝の機械的構成及び有限状態制御構成を指定する。2つの好適な実施形態が開発された。   In one aspect, the present invention is an artificial knee (a knee prosthesis) including an actuator muscle-antagonist muscle structure (or an actuator-antagonist structure, hereinafter the same) of two series elastic actuators arranged in parallel. is there. This knee prosthesis design was motivated by a variable impedance knee prosthesis model that included two series elastic clutch mechanisms and a variable damper. Using human gait data, the model joints were controlled to move biologically. The parameters of the model are obtained using an optimization scheme that minimizes the sum of the squares of the differences between the model's knee torque and biological knee (joint) values over time. The optimized values are used to specify the mechanical and finite state control configuration of an artificial knee having an agonist-antagonist muscle structure. Two preferred embodiments have been developed.

本発明による膝を、そのアーキテクチャに起因して、歩行サイクルの立脚期中は、作動筋−拮抗筋式の直列弾性クラッチ要素として挙動するように、遊脚期中は、可変ダンパーとして挙動するように制御することができ、これによって、平坦な地面上を歩行する場合に、エネルギー効率の良い人工膝装置が得られる。膝の実施形態は、直列弾性力検出機能を有して完全に動力化(たとえば電動化)されており、したがって、膝関節トルクを、階段や斜面を上る歩行や、座った姿勢から立ち上がるといったよりエネルギーコストの高いタスクに対して直接制御することができる。それゆえ、膝のアーキテクチャは、非保存性の大きな機械力による移動に対応するように設計されてると共に、依然として、平坦な地面における非常に効率の良い歩行モードを提供する。   Due to its architecture, the knee according to the invention is controlled to behave as a variable elastic damper during the stance phase of the gait cycle so that it behaves as a series elastic clutch element of the acting muscle-antagonist type. This provides an energy efficient artificial knee device when walking on flat ground. The knee embodiments are fully powered (e.g., motorized) with a series elastic force detection function, and therefore, knee joint torque can be increased from walking up stairs or slopes or standing up from a sitting position. Direct control over high energy cost tasks. Therefore, the knee architecture is designed to accommodate non-conservative mechanical movements and still provide a very efficient walking mode on flat ground.

開示されている本発明は、1つの側面において、義脚(人工脚のこと)部材に対して回転可能であり、かつ、該義脚部材に結合可能な膝関節、該義脚部材に並列をなして、膝関節に接続された直列弾性屈曲用アクチュエーター(series-elastic flexion actuator)と、屈曲アクチュエーターからみて義脚部材の反対側において該義脚部材と並列をなして膝関節に接続された直列弾性伸展用アクチュエーターと、膝関節及び結合された義脚部材の動きを制御するために屈曲用モーター及び伸展用モーターに異なる時刻に独立にエネルギー(電力)を供給するためのコントローラとを備える動力付きの人工膝であって、該屈曲用アクチュエーターは、膝関節を回転させる力を加えて義脚部材を曲げるためのものであり、該伸展用アクチュエーターは、膝関節を回転させる力を加えて義脚部材を伸展させるためのものである。屈曲用アクチュエーターは、屈曲用モーターと屈曲用弾性要素の直列結合を備え、伸展用アクチュエーターは、伸展用モーターと伸展用弾性要素の直列結合を備える。好適な実施形態では、少なくとも1つのセンサーが、コントローラにフィードバックを提供するために使用される。センサーは、好ましくは、膝関節の角変位及び角加速度、膝関節におけるトルク、屈曲用弾性要素の圧縮、伸展用弾性要素の圧縮、屈曲用モーターの回転、伸展用モーターの回転、及び/または、歩行面との接触に応答するセンサーが含まれるが、これらには限定されない。   In one aspect, the disclosed invention is a knee joint that is rotatable with respect to a prosthetic leg (prosthetic leg) member and that can be coupled to the prosthetic leg member, in parallel with the prosthetic leg member. A series-elastic flexion actuator connected to the knee joint and a series-connected to the knee joint in parallel with the prosthetic leg member on the opposite side of the prosthetic leg member as viewed from the bending actuator Powered with an elastic extension actuator and a controller for independently supplying energy (electric power) to the flexing motor and the extension motor at different times to control the movement of the knee joint and the combined prosthetic leg member The bending actuator is for bending a prosthetic leg member by applying a force for rotating the knee joint, and the extension actuator is used for the knee joint. The prosthetic leg member is extended by applying a force to rotate the arm. The bending actuator includes a series connection of a bending motor and an elastic element for bending, and the extension actuator includes a series connection of an extension motor and an elastic element for extension. In a preferred embodiment, at least one sensor is used to provide feedback to the controller. The sensor is preferably an angular displacement and acceleration of the knee joint, torque at the knee joint, compression of the elastic element for bending, compression of the elastic element for extension, rotation of the bending motor, rotation of the extension motor, and / or Sensors that respond to contact with the walking surface are included, but are not limited to these.

好適な実施形態では、屈曲用アクチュエーター及び伸展用アクチュエーターは一方向性であり、屈曲用弾性要素及び伸展用弾性要素は直列ばね(series spring)である。別の好適な実施形態では、屈曲用アクチュエーターは一方向性であり、伸展用アクチュエーターは双方向性であり、屈曲用弾性要素は直列ばね(series spring)であり、伸展用弾性要素は一組の予め圧縮された直列ばね(pre-compressedseries springs:予圧縮直列ばね)である。可変速歩行に特に適した別の好適な実施形態では、屈曲用弾性要素は、非線形性の漸軟ばね(softening spring)であり、伸展用弾性要素は非線形性の漸硬ばね(hardeningspring)である。   In a preferred embodiment, the bending actuator and the extension actuator are unidirectional, and the bending elastic element and the extending elastic element are series springs. In another preferred embodiment, the bending actuator is unidirectional, the extension actuator is bidirectional, the bending elastic element is a series spring and the extension elastic element is a set of Pre-compressed series springs (pre-compressed series springs). In another preferred embodiment particularly suitable for variable speed walking, the flexural elastic element is a non-linear softening spring and the extension elastic element is a non-linear hardening spring. .

本発明の他の側面、利点、及び新規な特徴は、以下の本発明の詳細な説明及び添付の図面からより明らかになろう。   Other aspects, advantages and novel features of the invention will become more apparent from the following detailed description of the invention and the accompanying drawings.

水平な地面上の歩行時の典型的な膝の生体力学的特性を視覚的に示す図であり、膝関節が損傷を受けていない被験者が、自己選択した速度で水平な地面を歩行しているときの歩行サイクルの割合(%)に対する、該被験者の膝関節の角度、トルク及びパワーの曲線をプロットしたものである。A visual representation of typical knee biomechanical characteristics when walking on a horizontal ground, with a subject whose knee joint has not been damaged walking on the horizontal ground at a self-selected speed FIG. 5 is a plot of the knee joint angle, torque and power curves against the percentage (%) of the walking cycle. 水平な地面上の歩行時の典型的な膝の生体力学的特性を視覚的に示す図であり、膝関節トルクを、5つの歩行段階(歩行期)を示す膝関節の角度位置に対してプロットしたものである。FIG. 7 is a diagram visually showing typical biomechanical characteristics of a knee when walking on a horizontal ground, and plotting knee joint torque against knee joint angular positions indicating five walking stages (walking periods). It is a thing. 本発明の1側面にしたがう、可変インピーダンスの人工膝モデルの例示的な実施形態である。2 is an exemplary embodiment of a variable impedance artificial knee model in accordance with one aspect of the present invention. 図1A及び図1Bからの生物学的トルクデータに対して、図2Aのモデルからの最適化結果をプロットしたものである。FIG. 2B is a plot of optimization results from the model of FIG. 2A versus the biological torque data from FIGS. 1A and 1B. 本発明の1側面にしたがう、動力付き作動筋−拮抗筋膝の略機構図である。1 is a schematic mechanical diagram of a powered agonist-antagonist knee according to one aspect of the present invention. FIG. 本発明にしたがう、能動性の人工膝の例示的な実施形態の構造設計(機械設計)の側面図である。1 is a side view of a structural design (mechanical design) of an exemplary embodiment of an active knee prosthesis according to the present invention. FIG. 本発明にしたがう、能動性の人工膝の例示的な実施形態の構造設計(機械設計)の矢状面での断面図である。2 is a cross-sectional view in the sagittal plane of the structural design (mechanical design) of an exemplary embodiment of an active knee prosthesis according to the present invention. FIG. 本発明にしたがう、能動性の人工膝の例示的な実施形態の構造設計(機械設計)の後面図である。FIG. 5 is a rear view of a structural design (mechanical design) of an exemplary embodiment of an active knee prosthesis according to the present invention. 図4A〜図4Cの能動性の人工膝の例示的な実施形態の主要な構成要素の分解図である。4D is an exploded view of the major components of the exemplary embodiment of the active knee prosthesis of FIGS. 4A-4C. FIG. 図4A〜図4Cの能動性の人工膝の例示的な実施形態の主要な構成要素の別の分解図である。4D is another exploded view of the major components of the exemplary embodiment of the active knee prosthesis of FIGS. 4A-4C. FIG. 本発明の1側面にしたがう、図1A及び図1Bに示す損傷を受けていない膝の挙動を再現するように実施された、水平な地面上の歩行用の有限状態コントローラ(finite state controller)の略図である。Schematic diagram of a finite state controller for walking on a horizontal ground implemented to reproduce the behavior of an undamaged knee shown in FIGS. 1A and 1B in accordance with one aspect of the present invention. It is. 図7Aのコントローラについて、肢切断者が水平な地面を歩行しているときの膝の有限状態制御の遷移を視覚的に示している。FIG. 7A visually shows the transition of the finite state control of the knee when the limb amputee is walking on the horizontal ground. A〜Eは、本発明の1側面にしたがう、自己選択した速度で水平な地面を歩行しているときの、動力付き人工装具の予備的な歩行評価から得られた結果を示している。A through E show the results obtained from the preliminary walking evaluation of the powered prosthesis when walking on the horizontal ground at a self-selected speed in accordance with one aspect of the present invention. 本発明にしたがう、能動性の人工膝の別の例示的な実施形態の構造設計(機械設計)の側面図である。FIG. 6 is a side view of the structural design (mechanical design) of another exemplary embodiment of an active knee prosthesis according to the present invention. 本発明にしたがう、能動性の人工膝の別の例示的な実施形態の構造設計(機械設計)の矢状面での断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view in the sagittal plane of the structural design (mechanical design) of another exemplary embodiment of an active knee prosthesis according to the present invention. 本発明にしたがう、能動性の人工膝の別の例示的な実施形態の構造設計(機械設計)の後面図である。FIG. 7 is a rear view of the structural design (mechanical design) of another exemplary embodiment of an active knee prosthesis according to the present invention. 図9A〜図9Cの能動性の人工膝の例示的な実施形態の主要な構成要素の分解図である。9C is an exploded view of the major components of the exemplary embodiment of the active knee prosthesis of FIGS. 9A-9C. FIG. 本発明にしたがう、能動性の膝の直列弾性要素の力対変位挙動について、最適化された非線形多項式フィッティング(当てはめ)をした結果を示す。FIG. 4 shows the result of an optimized nonlinear polynomial fitting for force versus displacement behavior of an active knee series elastic element according to the present invention. FIG. 本発明の1側面にしたがう、可変速度歩行用の可変インピーダンス人工膝モデルの例示的な実施形態を示す。3 illustrates an exemplary embodiment of a variable impedance artificial knee model for variable speed walking in accordance with one aspect of the present invention. 図11Bのモデルを用いて、第1の歩行速度について、人工膝モデルの出力トルクを生物学的膝(関節)トルクデータと比較して示したグラフである。It is the graph which showed the output torque of an artificial knee model compared with biological knee (joint) torque data about the 1st walking speed using the model of Drawing 11B. 図11Bのモデルを用いて、第1の歩行速度と異なる第2の歩行速度について、人工膝モデルの出力トルクを生物学的膝(関節)トルクデータと比較して示したグラフである。It is the graph which showed the output torque of an artificial knee model compared with biological knee (joint) torque data about the 2nd walking speed different from the 1st walking speed using the model of Drawing 11B. 図11Bのモデルを用いて、第1及び第2の歩行速度と異なる第3の歩行速度について、人工膝モデルの出力トルクを生物学的膝(関節)トルクデータと比較して示したグラフである。11B is a graph showing the output torque of the artificial knee model compared with biological knee (joint) torque data for a third walking speed different from the first and second walking speeds using the model of FIG. 11B. .

本発明にしたがう可変インピーダンス人工膝は、作動筋−拮抗筋構成において並列に配置された2つの直列弾性アクチュエーターを有する。人工膝モデルは、可変ダンパーと、膝関節をまたぐ2つの直列弾性クラッチユニットを備える。可変インピーダンス制御構成によって、水平な地面上の定常歩行の間、人間の膝と同様の力学的特性が得られる。人工膝の可変インピーダンス特性に起因して、歩行中の所要電力を適度に抑えることができ、これによって、エネルギー効率の良い動力付き膝(たとえば電動式の膝)を提供することができる。1つの用途において、本発明にしたがう可変インピーダンス人工膝は、テザリング(制御したり動作させるための外部との接続)を要しない生体模倣型のロボット脚の一部として利用できるという利点がある。   A variable impedance artificial knee according to the present invention has two series elastic actuators arranged in parallel in an agonist-antagonist muscle configuration. The artificial knee model includes a variable damper and two in-line elastic clutch units that straddle the knee joint. The variable impedance control arrangement provides the same mechanical characteristics as a human knee during steady walking on a horizontal ground. Due to the variable impedance characteristics of the artificial knee, it is possible to moderately reduce the required power during walking, thereby providing an energy-efficient powered knee (for example, an electric knee). In one application, the variable impedance knee prosthesis according to the present invention has the advantage that it can be used as part of a biomimetic robot leg that does not require tethering (connection to the outside for control or operation).

本明細書で使用している以下の用語は、以下に示す内容を明白に含むものであるが、それらには限定されない。   As used herein, the following terms expressly include, but are not limited to the following:

「アクチュエーター」は、後述するタイプのモーターを意味する。   “Actuator” means a motor of the type described below.

「作動筋」は、別の要素である拮抗筋によって抵抗または反作用を受ける収縮性要素を意味する。   “Agonist muscle” means a contractile element that is resisted or counteracted by another element, an antagonist muscle.

「作動筋−拮抗筋アクチュエーター」は、互いに対して逆に動作する(少なくとも)2つのアクチュエーターを備えるメカニズム(装置)を意味し、1つのアクチュエーターは、エネルギーが供給されたときに2つの要素を互いに引き寄せる作動筋アクチュエーターであり、別のアクチュエーターは、エネルギーが供給されたときに2つの要素を引き離すように作用する拮抗筋アクチュエーターである。   “Actuator-antagonist actuator” means a mechanism (device) that comprises (at least) two actuators that operate in opposition to each other, where one actuator causes two elements to interact with each other when energized. An actuating muscle actuator that attracts, another actuator is an antagonist actuator that acts to pull the two elements apart when energy is supplied.

「拮抗筋」は、別の要素である作動筋によって抵抗または反作用を受ける膨張性要素を意味する。   “Antagonist muscle” means an inflatable element that is resisted or counteracted by another element, the working muscle.

「生体模倣」は、関節や四肢などの生体構造や生体機構の特性及び挙動をまねる(模倣する)人工の構造または機構を意味する。   “Biomimetic” means an artificial structure or mechanism that mimics (imitates) the characteristics and behavior of biological structures such as joints and limbs and biological mechanisms.

「背屈」は、足の先端が上に向かって動くように足関節を曲げることを意味する。   “Dorsal flexion” means bending the ankle joint so that the tip of the foot moves upward.

「弾性」は、伸張や圧縮による変形後に元の形状に回復する能力を意味する。   "Elasticity" means the ability to recover to its original shape after deformation due to stretching or compression.

「伸展」は、関節における肢の骨間の角度を大きくする該肢の関節のまわりの曲げ運動を意味する。   “Extension” means a bending motion around the joint of the limb that increases the angle between the bones of the limb at the joint.

「屈曲」は、関節における肢の骨間の角度を小さくする該肢の関節のまわりの曲げ運動を意味する。   “Bend” means a bending motion around the joint of the limb that reduces the angle between the bones of the limb at the joint.

「モーター」は、供給されたエネルギーを機械エネルギー(または力学的エネルギー)に変換することによって運動を生じさせ、または運動を与える能動要素を意味し、電気モーター/電気アクチュエーター、空気圧モーター/空気圧アクチュエーター、または、油圧モーター/油圧アクチュエーターを含む。   “Motor” means an active element that creates or imparts motion by converting supplied energy into mechanical energy (or mechanical energy), and includes an electric motor / electric actuator, a pneumatic motor / pneumatic actuator, Or it includes a hydraulic motor / hydraulic actuator.

「足底屈」は、足の先端が下に向かって動くように足関節を曲げることを意味する。   “Planar flexion” means bending the ankle joint so that the tip of the foot moves downward.

「ばね」は、圧縮後や伸張後に元の形状に復帰する金属コイルやリーフ構造(leaf structure)などの弾性デバイスを意味する。     “Spring” means an elastic device such as a metal coil or leaf structure that returns to its original shape after compression or extension.

水平な地面を歩行しているときの人間の膝関節の生体力学。図1A及び図1Bは、水平な地面を歩行しているときの典型的な人間の膝の生体力学的特性を表す図である。図1Aには、男性の被験者(体重は81.9kg)の膝(関節)の角度、トルク、パワー(動力)の曲線(power curve)が、水平な地面を自己選択した速度(1.31m/秒)で歩行しているときの歩行サイクルの割合(%)に対してプロットされている。平均値(実線。N=10の歩行実験)及び1標準偏差(破線)がプロットされている。図1Bには、膝関節トルクが、5つの歩行期を示す膝関節の角度位置に対してプロットされている。5つの歩行期を分離する重要な歩行事象は、踵接地(HS)105、立脚期の最大屈曲(MSF)110、立脚期の最大伸展(MSE)115、足指離地(toe off :TO)120、及び、遊脚期の最大屈曲(MWF)125である。   The biomechanics of the human knee joint when walking on a level ground. 1A and 1B are diagrams representing the biomechanical characteristics of a typical human knee when walking on a horizontal ground. In FIG. 1A, the power curve of the knee (joint) of a male subject (weight is 81.9 kg) is self-selected on the horizontal ground (1.31 m / power curve). It is plotted against the rate (%) of the walking cycle when walking in seconds. Average values (solid line, N = 10 walking experiment) and 1 standard deviation (dashed line) are plotted. In FIG. 1B, the knee joint torque is plotted against the angular position of the knee joint showing five walking phases. Important gait events that separate the five gait phases are heel contact (HS) 105, stance phase maximum flexion (MSF) 110, stance phase maximum extension (MSE) 115, toe off (TOe off: TO) 120 and the maximum flexion (MWF) 125 in the swing phase.

図1A及び図1Bからわかるように、5つの別個の段階すなわち歩行期を用いて、水平な地面上を歩行しているときの膝(関節)の生体力学的特性(バイオメカニクス)が記述されている。これらの歩行段階について次に説明する。   As can be seen from FIG. 1A and FIG. 1B, the biomechanical characteristics (biomechanics) of the knee (joint) when walking on the horizontal ground using five distinct stages, ie the gait phase, are described. Yes. These walking steps will be described next.

(1)踵接地(HS)105から始まって、立脚期の膝(関節)はわずかに(15°程度)屈曲を開始する。この立脚期屈曲(Stance Flexion)130の段階によって、(地面への)衝突の際の衝撃を吸収することが可能である。この段階中は、膝(関節)を、立脚期伸展(Stance Extension)段階135に備えてエネルギーを蓄えるばねとしてモデル化することができ(リニア(線形)トルク対傾斜角度。図1B参照)。   (1) Starting from heel contact (HS) 105, the knee (joint) in the stance phase begins to bend slightly (about 15 °). It is possible to absorb the impact at the time of the collision (to the ground) by the stage of the stance stance flexion 130. During this phase, the knee (joint) can be modeled as a spring that stores energy in preparation for the Stance Extension phase 135 (linear torque versus tilt angle; see FIG. 1B).

(2)立脚期の最大屈曲(MSF)110に達した後、(歩行サイクルの15%の時点で)膝関節は伸展を開始して、(歩行サイクルの42%の時点で)立脚期の最大伸展(MSE)115に達する。この膝(関節)の伸展期間は、立脚期伸展(Stance Extension)段階135と呼ばれる。立脚期伸展135の間、膝(関節)は、立脚期屈曲130の剛性に類似した剛性を有するばねとして動作する(リニアトルク対傾斜角度。図1B参照)。ここで、剛性は、実際の関節の剛性ではなく、トルク対角度曲線の勾配として定義される準静的剛性である。   (2) After reaching maximum flexion (MSF) 110 in the stance phase, the knee joint begins to extend (at 15% of the gait cycle) and reaches the maximum stance phase (at 42% of the gait cycle). Reach extension (MSE) 115. This knee (joint) extension period is referred to as the stance extension stage 135. During the stance extension 135, the knee (joint) operates as a spring with a stiffness similar to that of the stance phase flex 130 (linear torque versus tilt angle; see FIG. 1B). Here, stiffness is not actual joint stiffness, but quasi-static stiffness defined as the slope of the torque versus angle curve.

(3)立脚後期すなわち前遊脚期(Pre-Swing)140(歩行サイクルの42%から62%)の間は、支持脚の膝(関節)は、遊脚期屈曲(Swing Flexion)段階145に備えて、それが急速に屈曲する期間を開始する。前遊脚期140の間、膝(関節)が足指離地120に備えて屈曲を開始するときに、膝(関節)はばねのように動作する(リニアトルク対傾斜角度。図1B参照)が、立脚期屈曲130及び立脚期伸展135のときよりもその剛性は小さい。   (3) During the late stance phase, that is, during the pre-swing period (Pre-Swing) 140 (42% to 62% of the walking cycle), the knee (joint) of the supporting leg is in the swing flexion stage 145. In preparation, it begins the period when it bends rapidly. During the front swing phase 140, when the knee (joint) begins to flex in preparation for the toe off ground 120, the knee (joint) acts like a spring (linear torque versus tilt angle; see FIG. 1B). However, the rigidity is smaller than that in the stance phase bending 130 and the stance phase extension 135.

(4)股関節が曲がると、脚は地面から離れるが膝(関節)は屈曲を継続する。足指離地120の時点で、歩行の遊脚期屈曲段階145が開始する。この期間全体にわたって(歩行サイクルの62%〜73%)、膝(関節)のパワー(動力)は、膝(関節)トルクが膝(関節)の回転速度を遅らせるために、一般的に負である(図1A参照)。したがって、遊脚期屈曲145の間は、膝(関節)を可変ダンパーとしてモデル化することができる。   (4) When the hip joint is bent, the leg is separated from the ground, but the knee (joint) continues to bend. At the time of the toe off 120, the swinging leg stage flexing stage 145 of walking starts. Over this period (62% to 73% of the walking cycle), the power of the knee (joint) is generally negative because the knee (joint) torque slows down the rotational speed of the knee (joint). (See FIG. 1A). Accordingly, during the swing leg flexion 145, the knee (joint) can be modeled as a variable damper.

(5)遊脚期屈曲145中に最大屈曲角(60°程度)に達すると、膝(関節)は前方への伸展を開始する。遊脚期伸展(Swing Extension)150の間(歩行サイクルの73%〜100%)は、膝(関節)パワーは、次の立脚期に備えて遊脚を減速させるために一般的に負である。したがって、遊脚期伸展150期間中の膝(関節)を、遊脚期屈曲145と同じように、可変ダンパーとしてモデル化することができる。膝(関節)が完全に伸展すると、足が再び地面に置かれて、次の歩行サイクルが開始する。   (5) When the maximum flexion angle (about 60 °) is reached during the swing period 145, the knee (joint) starts to extend forward. During Swing Extension 150 (73% -100% of the walking cycle), knee (joint) power is generally negative to slow down the free leg for the next stance phase. . Therefore, the knee (joint) during the period of free leg extension 150 can be modeled as a variable damper in the same way as the free leg flexion 145. When the knee (joint) is fully extended, the foot is again placed on the ground and the next walking cycle begins.

準受動性の人工膝モデル及び最適化。説明されている膝(関節)の生体力学的特性が与えられた場合には、水平な地面上における定常歩行の間、人間と同様の膝力学特性を生成することが可能であって、ダンピング(制動)と剛性の両方を変更することが可能な可変インピーダンス人工膝に対する要求が生じることは明らかである。そのような人工装具の例は、(立脚期の膝力学構造をモデル化するための)2つの拮抗する単関節直列弾性クラッチ205、210、及び、(遊脚期の力学構造をモデル化するための)1つの可変ダンピング要素215を備える、図2Aに示す例示的な膝モデルである。このモデルでは、直列ばね220、225の各々を、それぞれのクラッチ205、225を作動させることによって係合(または連結。以下同じ)させることができ、また、そのクラッチを開くことによって切り離すことができる。モデルの制約のために、各クラッチは、各歩行サイクルの間に1回だけ接続することがきる。さらに、クラッチが接続されると、直列ばねがその全てのエネルギーを解放して、クラッチにかかる力がゼロになったときのみ、クラッチを切り離すことができる。   Quasi-passive artificial knee model and optimization. Given the described knee (joint) biomechanical characteristics, it is possible to generate knee mechanical characteristics similar to humans during steady walking on a horizontal ground, with damping ( It is clear that there is a need for a variable impedance knee prosthesis that can change both braking and stiffness. Examples of such prostheses include two antagonizing single-joint series elastic clutches 205, 210 (for modeling knee mechanics during stance) and (for modeling mechanics during swing) FIG. 2B is an exemplary knee model shown in FIG. 2A with one variable damping element 215. In this model, each of the series springs 220, 225 can be engaged (or connected; the same applies hereinafter) by actuating the respective clutch 205, 225, and can be disconnected by opening the clutch. . Due to model constraints, each clutch can only be connected once during each walking cycle. In addition, when the clutch is connected, the series spring releases all of its energy and the clutch can only be disconnected when the force on the clutch is zero.

直列弾性クラッチモデルのパラメータを、膝関節の生体力学的挙動に合致するように変更した。モデルのパラメータは、伸展用ばねの剛性と屈曲用ばねの剛性に対応する2つのばね定数(k、k)、及び、相対的な膝(関節)伸展角及び膝(関節)屈曲角(θE及びθ)であり、かかるパラメータでもって、伸展用ばね及び屈曲用ばねは立脚期の間係合する。伝統的に、伸展用ばね(伸筋ばねともいう)は、係合すると膝関節を伸ばす(伸展させる)傾向があり、一方、屈曲用ばね(屈筋ばねともいう)は膝(関節)を曲げる(屈曲させる)傾向がある。膝モデルを、ある時間にわたるモデルの膝関節トルク値と生物学的膝関節のトルク値との2乗差の和を最小にする最適化方式を用いて生物力学的データに適合させた。より具体的には、最適化のために使用された費用関数は、

Figure 2012516717

であった。ここで、τi bioとτi simは、それぞれ、生物学的トルクデータと膝モデルから得られる、歩行サイクルのi番目の割合(%)において膝関節のまわりに加えられる角トルク(angular torque)であり、τmax bioは、歩行サイクル中の関節における最大の生物学的トルクである。費用関数(1)は、伸筋ばねが、踵接地時(θE=0)に常に係合するという制約によって最小化された。この制約は、肢喪失者の安全対策として、踵接地時における膝(関節)の曲がりを制限するために適用された。 The parameters of the series elastic clutch model were changed to match the biomechanical behavior of the knee joint. The model parameters are two spring constants (k E , k F ) corresponding to the stiffness of the extension spring and the stiffness of the flexion spring, and the relative knee (joint) extension angle and knee (joint) flexion angle ( θ E and θ F ), and with such parameters, the extension spring and the bending spring engage during the stance phase. Traditionally, extension springs (also called extensor springs) tend to extend (extend) the knee joint when engaged, while flexure springs (also called flexor springs) bend the knee (joint) ( Tend to bend). The knee model was fitted to the biomechanical data using an optimization scheme that minimizes the sum of the squared differences between the model's knee and biological knee torque values over time. More specifically, the cost function used for optimization is
Figure 2012516717

Met. Where τ i bio and τ i sim are angular torques applied around the knee joint at the i-th percentage of the walking cycle, obtained from biological torque data and the knee model, respectively. Τ max bio is the maximum biological torque at the joint during the gait cycle. The cost function (1) was minimized by the constraint that the extensor spring always engages when the heel is in contact (θ E = 0). This restriction was applied to limit the bending of the knee (joint) during heel contact as a safety measure for people with limb loss.

費用関数(1)の所望の大域的最小点(global minimum)の決定は、先ず、該大域的最小点を含む領域を見つけるための遺伝的アルゴリズムを使用して実施され、次に、制約(または条件)のない勾配最適化ツール(gradient optimizer)によってその大域的最小点の正確な値が決定された。直列弾性クラッチ要素のパラメータを変更することによる費用関数(1)の最適化の後、該モデルの可変ダンパーを用いて、直列弾性要素が負の機械的力を十分に吸収できない領域における人工膝モデルのトルク値と生物学的トルク値とを完全に一致させた。生物学的膝(関節)のトルク値は、1.31m/秒で歩く体重が81.9kgで身長が1.87mの健康な被験者の10回の歩行実験から得られた動力学的及び運動学的データを用いて、逆動力学計算(inverse dynamics calculation)から得られた。   The determination of the desired global minimum of the cost function (1) is first performed using a genetic algorithm to find the region containing the global minimum, and then the constraint (or The exact value of the global minimum was determined by a gradient optimizer without the condition. After optimization of the cost function (1) by changing the parameters of the series elastic clutch element, the artificial knee model in the region where the series elastic element cannot sufficiently absorb the negative mechanical force using the variable damper of the model The torque value and the biological torque value were completely matched. Biological knee (joint) torque values are dynamics and kinematics obtained from 10 walking experiments on a healthy subject with a weight of 81.9 kg and a height of 1.87 m walking at 1.31 m / sec. Obtained from inverse dynamics calculation using dynamic data.

図2Bには、図2Aのモデルから得られた最適化の結果が、図1A及び図1Bからの生物学的トルクデータと対比してプロットされている。図2Bに示されているように、上側のグラフ245では、膝モデルの最適化された正味のトルク出力250が、損傷を受けていない人間の膝関節のトルクプロファイルと比較されており、平均255と1標準偏差260、265の両方が示されている(N=10の歩行実験)。図1A及び図1Bから採用された生物学的データは、自己選択した速度(歩行速度=1.31m/秒)で歩く肢が損傷していない被験者(体重=81.9kg)についてのものである。下側のグラフ270には、直列弾性クラッチ要素の伸展用ばね275及び屈曲用ばね280、並びに、可変ダンパー285からのトルク寄与が示されている。最適化ツールは、kE=160N.m/ラジアンに等しい伸展用ばねの剛性、137N.m/ラジアンに等しい屈曲用ばねの剛性、及び、0.27ラジアン(15.46°)に等しい屈曲用ばねの膝係合角度(knee engagement angle:膝関節への接続角度)を与える。 In FIG. 2B, the optimization results obtained from the model of FIG. 2A are plotted against the biological torque data from FIGS. 1A and 1B. As shown in FIG. 2B, in the upper graph 245, the optimized net torque output 250 of the knee model is compared to the torque profile of an undamaged human knee joint, averaging 255 And 1 standard deviation 260, 265 are shown (N = 10 walking experiment). The biological data taken from FIGS. 1A and 1B is for a subject (body weight = 81.9 kg) whose limb walking at a self-selected speed (walking speed = 1.31 m / sec) is not damaged. . The lower graph 270 shows the torque contribution from the series elastic clutch element extension spring 275 and bending spring 280 and variable damper 285. The optimization tool is for extension spring stiffness equal to k E = 160 Nm / radian, bending spring stiffness equal to 137 Nm / radian, and for bending equal to 0.27 radians (15.46 °) Gives the knee engagement angle (knee engagement angle).

モデルのトルク出力は、実験値と良好に合致する。最適化手順によって制約されるので、伸展用ばねは、踵接地時に係合して、立脚期初期の膝(関節)の屈曲中にエネルギーを蓄える。膝(関節)が伸び始めると、屈曲用ばねが係合して、伸展用ばねがそのエネルギーを解放するときにエネルギーを蓄積する。遊脚期中は、モデルの可変ダンパーは、負のパワーの領域において生物学的トルク値に正確に一致する。遊脚期の中期及び終期には、パワーは、生物学的データでは正であり、したがって、ダンパーは、それらの歩行領域においてゼロトルクを出力する。   The torque output of the model agrees well with the experimental value. As constrained by the optimization procedure, the extension springs engage during heel contact and store energy during flexion of the knee (joint) in the early stance phase. As the knee (joint) begins to stretch, the flexing spring engages and accumulates energy as the extending spring releases its energy. During the swing phase, the model's variable damper exactly matches the biological torque value in the negative power region. In the middle and end of the swing phase, power is positive in biological data, so the dampers output zero torque in their walking area.

本発明の1側面にしたがう作動筋−拮抗筋膝の単純化した機構図を図3に示す。図3に示されているように、作動筋−拮抗筋作用を有する人工膝300は、2つの一方向性の直列弾性アクチュエーター、直列弾性伸展用アクチュエーター305、及び、直列弾性屈曲用アクチュエーター310を備える。人工膝300の一方向性アクチュエーター305、310の各々は、トランスミッション(動力伝達装置)335、340を介して接続されたモーター315、320及び直列ばね325、330から構成される。伸展用モーター315及び屈曲用モーター320を独立して用いて、各直列ばね325、330を係合させる膝(関節)角度を制御することができる。脚の上部350と下部355の間の膝関節345は、ケーブル駆動式のトランスミッションによって、装置の長手方向に沿って自由に移動できるリニアキャリッジ(台車)に結合されている。このキャリッジを、電気モーターによって駆動されるボールねじによって位置決めされる伸展用ばね325及び屈曲用ばね330によっていずれの側にも係合させることができる。好適な実施形態では、一方向性の直列弾性アクチュエーター305、310の両方は、ボールねじ(Nook industries,10×3mm)に結合された2:1ベルトドライブから構成されたトランスミッション335、340を特徴とする。   A simplified mechanism diagram of an agonist-antagonist knee according to one aspect of the present invention is shown in FIG. As shown in FIG. 3, an artificial knee 300 having an agonist-antagonist action includes two unidirectional series elastic actuators, a series elastic extension actuator 305, and a series elastic bending actuator 310. . Each of the unidirectional actuators 305 and 310 of the artificial knee 300 includes motors 315 and 320 and series springs 325 and 330 connected via transmissions (power transmission devices) 335 and 340. The extension motor 315 and the bending motor 320 can be used independently to control the knee (joint) angle at which the series springs 325 and 330 are engaged. The knee joint 345 between the upper part 350 and the lower part 355 of the leg is connected by a cable-driven transmission to a linear carriage (cart) that can move freely along the longitudinal direction of the device. The carriage can be engaged on either side by an extension spring 325 and a bending spring 330 positioned by a ball screw driven by an electric motor. In a preferred embodiment, both unidirectional series elastic actuators 305, 310 feature transmissions 335, 340 composed of a 2: 1 belt drive coupled to a ball screw (Nook industries, 10 × 3 mm). To do.

図2Aの例示的な膝モデルの原理は、例示的な2つの好適な物理的実施形態において具現化されている。1つの好適な実施形態では、図4A〜図4Cに示すように、作動筋−拮抗筋様の動作を行う能動性の人工膝は、2つの一方向性の直列弾性アクチュエーターを備える。図5及び図6は、図4A〜図4Cの能動性の人工膝の例示的な実施形態の主要な構成要素の分解図である。   The principles of the exemplary knee model of FIG. 2A are embodied in two exemplary preferred physical embodiments. In one preferred embodiment, as shown in FIGS. 4A-4C, an active knee prosthesis that performs an agonist-antagonist-like operation comprises two unidirectional serial elastic actuators. 5 and 6 are exploded views of the major components of the exemplary embodiment of the active knee prosthesis of FIGS. 4A-4C.

図4A〜図4C、図5及び図6に示されているように、一方向性のアクチュエーターは、伸展用アクチュエーター402及び屈曲用アクチュエーター404である。人工膝の伸展用アクチュエーター402は、トランスミッションを介して接続された伸展用モーター406及び直列ばね408から構成される。伸展用アクチュエーターは、膝関節410の近く(たとえば隣接位置)にある。伸展用トランスミッションは、精密なボールねじ416ドライブに結合されたタイミングプーリー412及びタイミングベルト(またはベルト)414駆動系から構成される。人工膝の屈曲用アクチュエーター404は、トランスミッションを介して接続された屈曲用モーター418及び直列ばね420から構成される。屈曲用トランスミッションは、精密なボールねじ426ドライブに結合されたタイミングプーリー422及びタイミングベルト(またはベルト)424駆動系から構成される。伸展用アクチュエーター402及び屈曲用アクチュエーター404を独立して用いて、直列ばね408、420の各々を係合させる膝関節410の角度を制御することができる。   As shown in FIGS. 4A to 4C, 5, and 6, the unidirectional actuators are the extension actuator 402 and the bending actuator 404. The artificial knee extension actuator 402 includes an extension motor 406 and a series spring 408 connected via a transmission. The extension actuator is near (eg, adjacent to) the knee joint 410. The extension transmission is comprised of a timing pulley 412 and a timing belt (or belt) 414 drive system coupled to a precision ball screw 416 drive. The artificial knee bending actuator 404 includes a bending motor 418 and a series spring 420 connected via a transmission. The bending transmission is comprised of a timing pulley 422 and timing belt (or belt) 424 drive train coupled to a precision ball screw 426 drive. The extension actuator 402 and the bending actuator 404 can be used independently to control the angle of the knee joint 410 that engages each of the series springs 408, 420.

直列弾性伸展用アクチュエーター402の動力付き要素(伸展用電気モーター406)を、(MaxonのRE40モーターなどの)ブラシ付きDCモーター(brushed DC motor)または(MaxonのEC-powermax 30などの)ブラシレスDCモーターとすることができる。この伸展用モーターは、タイミングプーリー−ベルトドライブ412、414機構を直接駆動する。この機構は、1:2速度伝達比(変速比)を有する。タイミングプーリー−ベルトドライブ機構412、414は、(Nook industries,10×3mmなどの)ボールねじ416を回転させる。伸展用アクチュエーター402のボールねじ416が回転すると、結合されたボールナットハウジング428が直線変位する。ボールナットハウジング428は、伸展用直列ばねケージ430に直接取り付けられている。伸展用直列ばねケージ430は、伸展用ばね408を安全に収容している。したがって、結合されたボールナットハウジング428が直線変位すると、伸展用直列ばねケージは直線変位を生じることができる。ボールナットハウジングは、該ボールナットハウジングに組み込まれているリニア軸受のために最小の摩擦状態で、2つの直線状の精密な鋼鉄製のガイドレール432に沿って移動する。2つの精密なガイドレール432の各々は、膝のメインフレーム(膝本体)434の対応する内部側壁に取り付けられる。   Powered element of series elastic extension actuator 402 (extension electric motor 406), brushed DC motor (such as Maxon RE40 motor) or brushless DC motor (such as Maxon EC-powermax 30) It can be. This extension motor directly drives the timing pulley-belt drive 412, 414 mechanism. This mechanism has a 1: 2 speed transmission ratio (transmission ratio). Timing pulley-belt drive mechanisms 412, 414 rotate a ball screw 416 (such as Nook Industries, 10 x 3 mm). When the ball screw 416 of the extension actuator 402 rotates, the coupled ball nut housing 428 is linearly displaced. The ball nut housing 428 is directly attached to the extension series spring cage 430. The extension series spring cage 430 safely accommodates the extension spring 408. Thus, when the coupled ball nut housing 428 is linearly displaced, the extension series spring cage can produce a linear displacement. The ball nut housing moves along two straight precision steel guide rails 432 with minimal friction due to the linear bearings incorporated in the ball nut housing. Each of the two precision guide rails 432 is attached to a corresponding internal sidewall of the knee main frame (knee body) 434.

直列弾性屈曲用アクチュエーター404の動力付き要素(屈曲用電気モーター418)を、(MaxonのRE40、RE30モーターなどの)ブラシ付きDCモーター(brushed DC motor)または(MaxonのEC-powermax 30や22などの)ブラシレスDCモーターとすることができる。この屈曲用モーターは、タイミングプーリー−ベルトドライブ422、424機構を直接駆動する。この機構は、1:2速度伝達比(変速比)を有する。プーリー−ベルトドライブ機構422、424は、(Nook industries,10×3mmなどの)ボールねじ426を回転させる。屈曲用アクチュエーター404のボールねじ426が回転すると、結合されたボールナットハウジング436が直線変位する。ボールナットハウジング436は、屈曲用直列ばねケージ438に直接取り付けられている。屈曲用直列ばねケージ438は、屈曲用ばね420を安全に収容している。したがって、結合されたボールナットハウジング436が直線変位すると、屈曲用直列ばねケージは直線変位を生じることができる。ボールナット支持体436は、ボールナットハウジングに組み込まれているリニア軸受のために最小の摩擦状態で、2つの直線状の精密な鋼鉄製のガイドレール432に沿って移動する。2つの精密なガイドレール432の各々は、膝のメインフレーム(膝本体)434の対応する内部側壁に取り付けられる。   Powered elements of the series elastic bending actuator 404 (electric motor 418 for bending), brushed DC motors (such as Maxon RE40, RE30 motors) or (such as Maxon EC-powermax 30 and 22) ) Can be a brushless DC motor. This bending motor directly drives the timing pulley-belt drive 422, 424 mechanism. This mechanism has a 1: 2 speed transmission ratio (transmission ratio). The pulley-belt drive mechanisms 422, 424 rotate a ball screw 426 (such as Nook industries, 10 × 3 mm). When the ball screw 426 of the bending actuator 404 rotates, the coupled ball nut housing 436 is linearly displaced. The ball nut housing 436 is directly attached to the bending series spring cage 438. The bending series spring cage 438 safely houses the bending spring 420. Thus, when the combined ball nut housing 436 is linearly displaced, the bending series spring cage can be linearly displaced. The ball nut support 436 moves along two straight precision steel guide rails 432 with minimal friction due to the linear bearings incorporated in the ball nut housing. Each of the two precision guide rails 432 is attached to a corresponding internal sidewall of the knee main frame (knee body) 434.

膝関節410の回転は、ケーブル駆動式トランスミッションに取り付けられたリニアキャリッジ442の直線変位に結合される。ケーブル駆動式トランスミッションは、2つのスチールケーブル(鋼鉄製ケーブル)440から構成される。各スチールケーブル440の2つの端部は、膝関節Uリンク支持体444に取り付けられる。各ケーブルが、膝の各側部に配置された対応するジョイントプーリー446に巻き付いている。側部のジョイントプーリー446の各々は、下側のアダプター448に取り付けられた軸を有する。リニアキャリッジ442は、2つの鋼鉄製の精密なレールガイド432で支持されて、該ガイド上を案内される。各レールは、膝のメインフレーム434の内部側壁に沿って延在している。精密なレールとリニアキャリッジ442の間の低摩擦は、リニアキャリッジ442の内部に組み込まれたリニア軸受によって得られる。スチールケーブル440によって、リニアキャリッジ442の直線変位を膝関節410の回転運動に結合することが可能になる。   The rotation of the knee joint 410 is coupled to the linear displacement of the linear carriage 442 attached to the cable driven transmission. The cable driven transmission is composed of two steel cables (steel cables) 440. The two ends of each steel cable 440 are attached to the knee joint U link support 444. Each cable wraps around a corresponding joint pulley 446 located on each side of the knee. Each of the side joint pulleys 446 has a shaft attached to the lower adapter 448. The linear carriage 442 is supported by two steel precision rail guides 432 and guided on the guides. Each rail extends along the inner side wall of the knee main frame 434. Low friction between the precision rail and the linear carriage 442 is obtained by a linear bearing built into the linear carriage 442. The steel cable 440 allows the linear displacement of the linear carriage 442 to be coupled to the rotational movement of the knee joint 410.

リニアキャリッジ442を、伸展用ばね408及び屈曲用ばね420の直線運動を用いて、個別に係合させることができる。両方のばねは、それらの対応する直列弾性アクチュエーターの駆動動作によって独立して位置決めされる。直列弾性アクチュエーター402、404の各々は、水平な地面上の歩行と、階段の上りなどのより多くのエネルギーを要するタスク(動作)の両方に対して十分なパワー(動力)を提供することができる。   The linear carriage 442 can be individually engaged using the linear motion of the extension spring 408 and the bending spring 420. Both springs are positioned independently by the drive action of their corresponding series elastic actuators. Each of the series elastic actuators 402, 404 can provide sufficient power for both walking on a horizontal ground and tasks that require more energy, such as climbing stairs. .

全ての作動機構は、下肢の解剖学上の外皮に似た構造を有する膝のメインフレーム434に対応するアルミニウム構造によって完全に支持される。膝のメインフレームは、該フレームに従来の高性能のロボット短下肢装具を取り付け可能にする下側アダプター448を有する。膝関節のUリンク支持体444と膝のメインフレームを結合することによって、膝関節410に対応する回転自由度が生まれる。膝関節のUリンク支持体444は、標準的な人工装具のピラミッド形アダプター450の取り付けを可能し、これによって、人工膝を、通常の大腿ソケットに取り付けることができ、かつ、肢喪失者が装着することが可能になる。   All actuation mechanisms are fully supported by an aluminum structure corresponding to the knee main frame 434 having a structure resembling the anatomical skin of the lower limb. The main frame of the knee has a lower adapter 448 that allows a conventional high performance robotic short leg brace to be attached to the frame. By connecting the U-link support 444 of the knee joint and the main frame of the knee, a degree of freedom of rotation corresponding to the knee joint 410 is created. The knee joint U-link support 444 allows attachment of a standard prosthetic pyramid adapter 450 so that the prosthetic knee can be attached to a normal thigh socket and worn by a person with a limb loss It becomes possible to do.

かかる機能要件に基づいた、図4A〜図4C、図5、及び図6の実施形態の膝(関節)のサイズ、角度範囲(単位deg=度)、及び、最大トルク値の設計パラメータが表1に記載されている。

Figure 2012516717
Table 1 shows the design parameters of the knee (joint) size, angle range (unit deg = degree), and maximum torque value of the embodiments of FIGS. 4A to 4C, 5 and 6 based on such functional requirements. It is described in.
Figure 2012516717

オンボードコントローラへのリアルタイムフィードバック情報は、オンボード固有のセンサーによって提供される。図4A〜図4C、図5及び図6の実施形態によって利用されるこれらのセンサーが表2に記載されている。

Figure 2012516717
Real-time feedback information to the onboard controller is provided by onboard specific sensors. These sensors utilized by the embodiments of FIGS. 4A-4C, 5 and 6 are listed in Table 2.
Figure 2012516717

膝(関節)の角変位は、膝のメインフレーム434の左外面に固定されたデジタル直線エンコーダー452によって間接的に測定される。膝関節410の回転運動は、スチールケーブル440トランスミッションを介してリニアキャリッジ442の変位に結合される。直列弾性アクチュエーターのばね408、420の各々の圧縮度は、対応するホール効果センサー454、456で測定される。これらのセンサーは、ばね408、420が圧縮されている間に、ばねケージ430、438の各々に取り付けられた磁石の近さが変化したときに生じる磁界の変化を測定する。各モーターの回転は、対応するモーター406、418の背面に取り付けられたモーターデジタルエンコーダー458、460によって測定される。地面との相互作用は、力感知式フットパッド(force sensitive footpad)(不図示)で測定される。このフットパッドによって、脚が歩行面上にある時点と歩行面から離れている時点を検出することができ、ユーザが装着しているロボット人工膝がどの歩行段階にあるかをコントローラが決定するのを支援する。   The angular displacement of the knee (joint) is indirectly measured by a digital linear encoder 452 fixed to the left outer surface of the main frame 434 of the knee. The rotational movement of the knee joint 410 is coupled to the displacement of the linear carriage 442 via the steel cable 440 transmission. The degree of compression of each of the series elastic actuator springs 408, 420 is measured by corresponding Hall effect sensors 454, 456. These sensors measure the change in magnetic field that occurs when the proximity of the magnets attached to each of the spring cages 430, 438 changes while the springs 408, 420 are compressed. The rotation of each motor is measured by a motor digital encoder 458, 460 attached to the back of the corresponding motor 406, 418. Interaction with the ground is measured with a force sensitive footpad (not shown). With this foot pad, it is possible to detect when the leg is on the walking surface and when it is away from the walking surface, and the controller determines which walking stage the robot artificial knee worn by the user is in. To help.

全ての電子回路は、単一のオンボードマイクロコントローラベースのシステムに実装される。モーターは、Hブリッジ(H-bridge)コントローラによって駆動され、その速度は、20kHzパルス幅変調(PWM)によって決定され、電力は、(6セルのリチウムポリマー電池(定格22.2V)などの)DCバッテリー(直流電池)によって供給される。アナログセンサーは、10ビットアナログ−デジタル変換器(ADC)によって読み取られた。該システムは、(AVRなどの)オンボードマイクロコントローラによって制御され、USB及び/またはブルートゥース(Bluetooth)によってモニタ(監視)することができる。全ての処理はオンボードで実行され、電力は、比較的小さな電池(質量=0.15kg)によって供給される。試作機(プロトタイプ)は、完全に自立型であり、テザリング(制御したり動作させるための外部との接続)を必要としない。   All electronic circuits are implemented in a single on-board microcontroller-based system. The motor is driven by an H-bridge controller, its speed is determined by 20 kHz pulse width modulation (PWM), and the power is DC (such as a 6-cell lithium polymer battery (rated 22.2V)) Supplied by a battery (DC battery). The analog sensor was read by a 10-bit analog-to-digital converter (ADC). The system is controlled by an on-board microcontroller (such as AVR) and can be monitored by USB and / or Bluetooth. All processing is performed onboard and power is supplied by a relatively small battery (mass = 0.15 kg). The prototype (prototype) is completely self-contained and does not require tethering (an external connection for control or operation).

有限状態制御方式。水平な地面上の歩行用の有限状態コントローラは、図1A及び図1Bに示す損傷のない膝(関節)の挙動を再現するために実施された。この状態機械は図7Aに示されている。3つの状態が制御作用及び遷移条件と共に図示されている。コントローラの3つの状態は、立脚初期状態(Early Stance:ES)710、前遊脚状態(Pre-Swing:PW)720、及び遊脚状態(SW)730である。準受動的平衡点制御(quasi-passive equilibrium point control)が、状態ES710及びPW720用に実施され、SW状態730の間は、可変ダンピング制御が利用された。状態間の遷移は、3つの測定である、踵と地面の接触、つま先(足指)と地面の接触、及び膝(関節)角度によって主に決定された。   Finite state control method. A finite state controller for walking on a horizontal ground was implemented to reproduce the behavior of an intact knee (joint) shown in FIGS. 1A and 1B. This state machine is shown in FIG. 7A. Three states are shown with control action and transition conditions. The three states of the controller are a standing stance initial state (Early Stance: ES) 710, a front swing leg state (Pre-Swing: PW) 720, and a swing leg state (SW) 730. A quasi-passive equilibrium point control was implemented for states ES 710 and PW 720, and variable damping control was utilized during SW state 730. Transitions between states were mainly determined by three measurements: heel-to-ground contact, toe (toe) -to-ground contact, and knee (joint) angle.

状態遷移及びその識別のために、該システムは以下の変数を用いた。
踵接触(H)。H=1は、踵が地面に接触していることを示し、H=0は、踵が地面から離れている状態を示す。
足指接触(T)。T=1は、足指が地面に接触していることを示し、T=0は、足指が地面から離れている状態を示す。
膝(関節)角度(θ)は、膝関節の相対角度である。全ての膝角度は屈曲角である。角度θE、θFは、それぞれ、立脚期中に伸展用ばね、屈曲用ばねが係合する角度を規定する。さらに、θは、遊脚期の屈曲時の膝関節の角度であり、θは、遊脚期の伸展時の膝関節の角度である。
For state transition and its identification, the system used the following variables.
踵 Contact (H). H = 1 indicates that the heel is in contact with the ground, and H = 0 indicates a state where the heel is away from the ground.
Toe contact (T). T = 1 indicates that the toes are in contact with the ground, and T = 0 indicates that the toes are away from the ground.
The knee (joint) angle (θ) is the relative angle of the knee joint. All knee angles are flexion angles. The angles θ E and θ F define angles at which the extension spring and the bending spring are engaged during the stance phase, respectively. Further, θ + is the angle of the knee joint when flexing during the swing phase, and θ is the angle of the knee joint when extending during the swing phase.

次に各状態について説明する。立脚初期状態(ES)710は踵接地(HS)から開始する。踵が地面に接触する(H=1)と、伸展用モーターの軸(シャフト)は、高いPD利得制御を用いてロックされ、この場合の所望の軸速度はゼロである。次に、伸展用ばねは、踵接地時の膝の位置と等価なばね平衡角度θEで係合する。次に、伸展用ばねは、膝(関節)の伸展に備えて、立脚初期に膝(関節)が屈曲している間にエネルギーを蓄える。膝(関節)が屈曲している間、屈曲用ばねの平衡点θFは、位置制御を用いて、膝の出力接合部(knee output joint)に結合されたリニアキャリッジを精密に追跡するようにサーボ制御される(サーボ制御とは、サーボ機構による制御のこと)。膝(関節)が立脚初期状態において最大に屈曲すると、膝(関節)は伸展を開始し、屈曲用モーターの軸はロックされる。次に、屈曲用ばねは、膝(関節)の屈曲が最大となったときの膝(関節)の位置と等価なばね平衡角θFで係合する。エネルギーは、最初に、伸展用ばねから解放されて、その後、屈曲用ばねに蓄えられる。 Next, each state will be described. The stance initial state (ES) 710 starts from heel contact (HS). When the heel touches the ground (H = 1), the extension motor shaft is locked using high PD gain control, in which case the desired axial speed is zero. Next, the extension spring engages at a spring equilibrium angle θ E equivalent to the knee position at the time of heel contact. Next, in preparation for the extension of the knee (joint), the extension spring stores energy while the knee (joint) is bent in the initial stage of the stance. While the knee (joint) is flexing, the flexion spring equilibrium point θ F uses position control to accurately track the linear carriage coupled to the knee output joint. Servo-controlled (servo control is control by a servo mechanism). When the knee (joint) is bent to the maximum in the initial state of the stance, the knee (joint) starts to extend and the shaft of the bending motor is locked. Next, the bending spring is engaged at a spring equilibrium angle θ F equivalent to the position of the knee (joint) when the knee (joint) has the maximum bending. The energy is first released from the extension spring and then stored in the bending spring.

前遊脚期状態(PW)720は、踵が地面から離れ(H=0)て、膝(関節)角度が小さくなる(θ<3°)と開始する。この状態では、伸展用ばねの平衡点θEは、無負荷(zero load)の下で位置制御され、膝(関節)が遊脚期に備えて屈曲するときにリニアキャリッジを精密に追跡する。屈曲用ばねは、それの現在の平衡位置θFを維持する(モーター軸はロックされたままである)。したがって、膝(関節)がPW全体にわたって屈曲すると、屈曲用ばねに蓄積されたエネルギーが解放される。 The front swing leg state (PW) 720 starts when the heel leaves the ground (H = 0) and the knee (joint) angle decreases (θ <3 °). In this state, the balance point θ E of the extension spring is position controlled under zero load and precisely tracks the linear carriage as the knee (joint) bends in preparation for the swing phase. The bending spring maintains its current equilibrium position θ F (the motor shaft remains locked). Therefore, when the knee (joint) is bent over the entire PW, the energy stored in the bending spring is released.

遊脚状態(SW)730は、足指離地(T=0)で開始する。伸展用ばねの平衡角θEは、無負荷の下で膝(関節)角度の追跡を継続する。膝(関節)が20°を超えて屈曲する(θ>20°)と、屈曲用ばねの平衡角θFは、θ=15°に対応する位置へと無負荷の下でサーボ制御される。膝(関節)が60°を超えて屈曲する(θ>60°)と、伸展用ばねが係合する。伸展用モーターの軸に対する低利得ダンピング制御によって、伸展用モーター及びトランスミッションをバックドライブ(backdrive)して、膝(関節)の過屈曲を低減するための可変ダンパーとして動作させる。膝(関節)が伸展を開始し、及び、60°未満の角度(θ<60°)になると、伸展用ばねの平衡角θEは、再び、無負荷の下でリニアキャリッジを追跡して、伸展している間中膝(関節)を追従する。膝(関節)が、遊脚後期(遊脚期の後半)において15°を超えて伸展を継続すると、屈曲用ばねが係合する。この場合も、屈曲用モーターの軸に対する低利得ダンピング制御によって、屈曲用モーター及びトランスミッションをバックドライブして、屈曲用ばねの平衡角θFが3°に達するまで、遊脚をなめらかに減速させるための可変ダンパーとして動作させる。遊脚時に膝(関節)が5°を超えて(θ<5°)伸展すると、伸展用ばねの平衡角θEは、後続の歩行サイクルの踵接地時における係合及びエネルギー貯蔵に備えて、3°にサーボ制御される。 The free leg state (SW) 730 starts with the toe off (T = 0). The balance angle θ E of the extension spring continues to track the knee (joint) angle under no load. When the knee (joint) bends beyond 20 ° (θ + > 20 °), the bending spring's equilibrium angle θ F is servo controlled under no load to a position corresponding to θ = 15 °. . When the knee (joint) bends beyond 60 ° (θ + > 60 °), the extension spring engages. The low gain damping control for the extension motor shaft backdrives the extension motor and transmission to act as a variable damper to reduce knee (joint) hyperflexion. When the knee (joint) begins to extend and reaches an angle less than 60 ° (θ <60 °), the balance angle θ E of the extension spring again tracks the linear carriage under no load. Follow the middle knee (joint) while extending. When the knee (joint) continues to extend beyond 15 ° in the late swing phase (second half of the swing phase), the bending spring engages. Also in this case, the low-gain damping control for the bending motor shaft back-drives the bending motor and the transmission to smoothly decelerate the free leg until the bending spring equilibrium angle θ F reaches 3 °. Operate as a variable damper. When the knee (joint) extends beyond 5 ° (θ <5 °) during the swing leg, the balance angle θ E of the extension spring is used in preparation for engagement and energy storage at the time of heel contact in the subsequent walking cycle. Servo controlled to 3 °.

図7Aの状態機械の遷移を示す有限状態制御図を図7Bに示す。図7Bのグラフは、図4A〜図4C、図5及び図6の実施形態において実施された制御方式によって、水平な地面上の3つの連続する歩行サイクルについてコントローラの状態遷移が行われる様子を例示している。水平な地面上の歩行の場合の制御状態は、立脚初期状態(Early Stance:ES=状態1)750、前遊脚期状態(Pre-Swing:PW=状態2)760、及び遊脚期状態(SW=状態3)770として定義される。システムは、各歩行サイクルにおいて状態シーケンス1−2−3(ES−PW−SW)を経た。コントローラは、3つの連続する歩行サイクルを通じて状態1−2−3と着実に移行した。   A finite state control diagram showing the transition of the state machine of FIG. 7A is shown in FIG. 7B. The graph of FIG. 7B illustrates the state transition of the controller for three consecutive walking cycles on the horizontal ground according to the control scheme implemented in the embodiments of FIGS. 4A-4C, 5 and 6. is doing. The control states in the case of walking on the horizontal ground are the stance initial state (Early Stance: ES = state 1) 750, the front swing leg state (Pre-Swing: PW = state 2) 760, and the swing leg state ( SW = state 3) 770 is defined. The system went through state sequence 1-2-3 (ES-PW-SW) in each walking cycle. The controller steadily transitioned to state 1-2-3 through three consecutive walking cycles.

自己選択した速度(0.81m/秒)での水平な地面の歩行中に、動力付き人工装具の予備的な歩行評価から得られた結果を図8のA〜Eに示す。人工膝の膝関節角度(図8のA)、正味のトルク(図8のB)、及び、パワー(図8のC)が、平坦な地面の歩行(肢喪失被験者の体重=97kg、歩行速度=0.81m/秒)について、歩行サイクルの割合(%)に対してプロットされている(N=10の歩行実験について、平均は実線で、1標準偏差は破線で示されている)。図8のDには、直列弾性アクチュエーターの伸展用ばね(下側の線)及び屈曲用ばね(上側の線)からのトルクの寄与がプロットされている。図8のEには、膝関節トルクが膝関節角度位置に対してプロットされており、立脚期中の2つの特性剛性(characteristic stiffness)が示されている。   The results obtained from the preliminary walking evaluation of the powered prosthesis during walking on the horizontal ground at a self-selected speed (0.81 m / sec) are shown in FIGS. The knee joint angle of the artificial knee (A in FIG. 8), the net torque (B in FIG. 8), and the power (C in FIG. 8) are walking on the flat ground (weight of the subject with limb loss = 97 kg, walking speed) = 0.81 m / sec) is plotted against the rate of walking cycle (% for the walking experiment with N = 10, the mean is shown as a solid line and one standard deviation is shown as a dashed line). In FIG. 8D, the torque contribution from the extension spring (lower line) and the bending spring (upper line) of the series elastic actuator is plotted. E in FIG. 8 plots the knee joint torque against the knee joint angular position and shows two characteristic stiffnesses during the stance phase.

これらの人工膝の値は、図1Aに示す、体重と身長が調和している肢を喪失していない人の損傷のない膝機構のものと定性的に合致している。人工膝は、図8のAに示されている損傷のない膝の運動学(的特性)に類似して、立脚初期には、膝(関節)の伸展後に、膝(関節)の屈曲(最大14.5°程度の屈曲角)を行う。立脚終期には、人工膝は、遊脚期に備えて急速な膝(関節)の屈曲を行う。該膝は、遊脚期において、最大61°程度の屈曲角まで屈曲し、その後、踵接地の前に前方に伸展する。図8のB及びCに示すように、人工膝の膝関節トルク及びパワー(動力)は、立脚初期の膝屈曲中は負である。図1Aに示す損傷のない膝(関節)データでは、膝関節トルク及びパワーは、踵接地後、初めは正であるが、膝が屈曲を継続するにつれて急速に負になる。人工膝は、図8のBに示すように、立脚初期の開始時には類似の挙動を示した。かかる挙動をしたのは、肢喪失者が、踵接地時に初めに膝を伸ばし、これによって屈曲用ばねを係合させたがすぐに膝の屈曲を継続して伸展用ばねを係合させたためである。踵接地の後すぐに伸展用ばねを圧縮することは、過度の座屈を被らないように膝を制限し、これによって、人工膝を装着した肢喪失者の安全をより確実に守るのに役立った。損傷のない膝と人工膝のいずれについても、立脚期における膝(関節)の伸展中、トルクは、初めは負で、その後正になり、膝(関節)パワーは、初めは正で、その後負になる。さらに、前遊脚期中は、トルク及びパワー(動力)は、初めは正で、その後、遊脚期に備えて負になる。遊脚期の間、損傷のない膝と人工膝のいずれについても、パワーは、膝(関節)の最大屈曲(負のトルク)を制限し、その後、遊脚期における伸展(正のトルク)中に遊脚を滑らかに減速させるために一般に負である。   These artificial knee values are qualitatively consistent with those of an intact knee mechanism shown in FIG. 1A that has not lost a limb whose weight and height are in harmony. The artificial knee is similar to the kinematics (target characteristic) of an intact knee shown in FIG. 8A. In the early stage of stance, the knee (joint) is flexed (maximum). Bending angle of about 14.5 °). At the end of stance, the artificial knee performs rapid knee (joint) flexion in preparation for the swing phase. The knee bends to a bending angle of about 61 ° at the maximum during the swing phase, and then extends forward before heel contact. As shown in FIGS. 8B and 8C, the knee joint torque and power (power) of the artificial knee are negative during knee flexion in the initial stage of stance. In the undamaged knee (joint) data shown in FIG. 1A, knee joint torque and power are initially positive after heel contact but rapidly become negative as the knee continues to flex. As shown in FIG. 8B, the artificial knee showed a similar behavior at the start of the initial stance. The reason for this behavior was that a person with a limb lost his knees first when he touched the heel and engaged the bending spring, but immediately continued to bend the knee and engaged the extension spring. is there. Compressing the extension spring immediately after heel contact limits the knee so that it does not suffer excessive buckling, thereby ensuring greater safety for those with limb loss It was helpful. During the extension of the knee (joint) in the stance phase, the torque is initially negative and then positive, and the knee (joint) power is initially positive and then negative for both intact and artificial knees. become. Furthermore, during the previous swing phase, torque and power (power) are initially positive and then negative in preparation for the swing phase. During the swing phase, for both undamaged knees and artificial knees, power limits the maximum flexion (negative torque) of the knee (joint) and then during extension during the swing phase (positive torque) Generally, it is negative to smoothly slow down the free leg.

図8のDには、一方向性の直列弾性アクチュエーターの各々からのトルクの寄与が、歩行サイクルの割合(%)に対してプロットされている。屈曲用ばねは、肢喪失者の膝(関節)の短い伸展に起因して、踵接地後すぐに一時的に係合する。立脚期における膝の屈曲が生じるとすぐに、伸展用ばねは、人工膝モデルと同様に係合する。立脚期における屈曲中に、屈曲用ばねは、膝の出力接合部(knee output joint)に結合されたリニアキャリッジを精密に追跡するときにそのエネルギーを急速に失う。その後、屈曲用ばねは、立脚初期中において膝(関節)の屈曲が最大になったときに再び係合し、立脚期における伸展中及び前遊脚期中にエネルギーを蓄える。遊脚期では、膝の屈曲が最大のときの伸展用モーター、及び、立脚終期における屈曲用モーターは、膝の最大屈曲を制限し、かつ、立脚終期において遊脚をなめらかに減速させるために、それぞれ、能動的にバックドライブされる。図8のEには、人工膝の膝(関節)トルクが、膝(関節)の角度位置に対してプロットされている。損傷のない人間の膝(図1B)と同様に、人工膝は、立脚期中に2つの特性剛性を有する。立脚初期の屈曲及び伸展段階中の膝(関節)の剛性は、前遊脚期中に比べて大きい。   In FIG. 8D, the torque contribution from each of the unidirectional series elastic actuators is plotted against the walking cycle percentage. The flexion spring is temporarily engaged immediately after heel contact due to the short extension of the knee (joint) of the limb-losing person. As soon as knee flexion occurs in the stance phase, the extension spring engages in the same manner as the artificial knee model. During flexion in the stance phase, the flexion spring loses its energy rapidly when closely tracking a linear carriage coupled to the knee output joint. Thereafter, the bending spring re-engages when the knee (joint) has a maximum flexion during the initial stage of stance, and stores energy during extension in the stance phase and during the forward swing phase. In the swing phase, the extension motor when the knee flexion is maximum, and the flexion motor at the end of stance limit the maximum flexion of the knee and smoothly decelerate the swing leg at the end of stance. Each is actively backdriven. In FIG. 8E, the knee (joint) torque of the artificial knee is plotted against the angular position of the knee (joint). Like an undamaged human knee (FIG. 1B), an artificial knee has two characteristic stiffnesses during the stance phase. The stiffness of the knee (joint) during the flexion and extension stages in the initial stage of stance is greater than that during the front swing stage.

図4A〜図4C、図5及び図6の人工膝の実施形態は、歩行中の電気エネルギーを最小にするために、組み込まれた直列弾性要素を可変インピーダンス制御と組み合わせて利用する。この方式によれば、膝の挙動は、人工膝と損傷のない膝機構とで合致する。機械設計アーキテクチャと制御を組み合わせた場合には、人工膝の電気モーターは、水平な地面の歩行中、膝関節に対して正の仕事を行わず、その結果、所要電力が適度に収まる。   The artificial knee embodiments of FIGS. 4A-4C, 5 and 6 utilize an integrated series elastic element in combination with variable impedance control to minimize electrical energy during walking. According to this method, knee behavior is matched between an artificial knee and an intact knee mechanism. When the mechanical design architecture and control are combined, the knee prosthetic motor does not perform positive work on the knee joint during walking on the horizontal ground, resulting in moderate power requirements.

水平な地面の歩行中の人工装具(人工膝)可変インピーダンス制御によって、人工膝の所要電力は、0.81m/秒の平均歩行速度での定常歩行実験中は小さい(8Watts electrical(8ワットエレクトリカル))。研究者は、歩数カウントモニター装置を用いて、片側の脚を失った活動的な人が、一日に3060±1890歩だけ歩くことを見出した。モーターの所要電力(電力(パワー)=電流×電圧)を見積もるために、オンボードモーター電流検出を用いて各モーターの電流を直接測定し、並びに、モーター電圧を見積もるために、モーター速度、モーター速度定数(motor speed constant)、及びモーター抵抗値を使用した。肢喪失者が、中程度の歩行速度で5000歩だけ歩く場合を想定すると、オンボード電池のサイズを推定することができる。たとえば、0.13kgのリチウムポリマー電池(エネルギー密度は165ワット時/kg)は、5000歩の動力付き歩行を可能にするであろう(8ワット×1.95秒/サイクル×5000サイクル=78キロジュール)。この電池質量は、他の市販の動力付き膝に必要な電池の1/5以下である。   The artificial knee (artificial knee) variable impedance control during walking on the horizontal ground, the required power of the artificial knee is small during steady walking experiments with an average walking speed of 0.81 m / sec (8 Watts electrical) ). Researchers have used a step count monitor device to find that an active person who has lost one leg walks 3060 ± 1890 steps a day. To estimate the required power of the motor (power (current) = current x voltage), measure the current of each motor directly using on-board motor current detection, as well as estimate the motor voltage, motor speed, motor speed Constants (motor speed constant) and motor resistance values were used. Assuming that a person who has lost a limb walks 5000 steps at a moderate walking speed, the size of the on-board battery can be estimated. For example, a 0.13 kg lithium polymer battery (with an energy density of 165 watt hours / kg) would allow 5000 steps of powered walking (8 watts x 1.95 seconds / cycle x 5000 cycles = 78 kg). Jules). This battery mass is 1/5 or less of that required for other commercially available powered knees.

図9A〜図9Cに示す第2の好適な実施形態では、能動性の人工膝は、作動筋−拮抗筋アーキテクチャをなすように配置された2つのアクチュエーターを備える。図10は、図9A〜図9Cの能動性の人工膝の例示的な実施形態の主要な構成要素の分解図である。本発明にしたがう能動性の人工膝のこの実施形態では、2つのアクチュエーターの一方は、伸展用直列弾性アクチュエーター902であり、他方は、屈曲用アクチュエーター904である。伸展用アクチュエーター902は双方向性であり、屈曲用アクチュエーター904は一方向性である。人工膝の膝関節906の近くにある伸展用アクチュエーター902は、トランスミッションを介して接続された伸展用モーター908及び一組の予め圧縮されている直列ばね910から構成される。伸展用トランスミッションは、精密なボールねじ916ドライブに結合されたタイミングプーリーセット912及びベルト914駆動システムから構成される。人工膝の一方向性屈曲用アクチュエーター904は、トランスミッションを介して接続された屈曲用モーター918及び直列ばね920から構成される。屈曲用トランスミッションは、親ねじ(lead-screw)926ドライブに結合されたタイミングプーリーセット922及びベルト924駆動システムから構成される。伸展用アクチュエーター902及び屈曲用アクチュエーター904を独立に用いて、直列ばね910、920を係合させることができる膝関節906の角度を制御することができる。   In a second preferred embodiment shown in FIGS. 9A-9C, the active knee prosthesis comprises two actuators arranged to form an agonist-antagonist architecture. FIG. 10 is an exploded view of the major components of the exemplary embodiment of the active knee prosthesis of FIGS. 9A-9C. In this embodiment of an active knee prosthesis according to the present invention, one of the two actuators is an extension series elastic actuator 902 and the other is a bending actuator 904. The extension actuator 902 is bidirectional, and the bending actuator 904 is unidirectional. An extension actuator 902 near the knee joint 906 of the knee prosthesis is comprised of an extension motor 908 connected through a transmission and a set of pre-compressed series springs 910. The extension transmission consists of a timing pulley set 912 and a belt 914 drive system coupled to a precision ball screw 916 drive. An artificial knee unidirectional bending actuator 904 includes a bending motor 918 and a series spring 920 connected via a transmission. The bending transmission is comprised of a timing pulley set 922 and a belt 924 drive system coupled to a lead-screw 926 drive. The extension actuator 902 and the bending actuator 904 can be used independently to control the angle of the knee joint 906 with which the series springs 910, 920 can be engaged.

伸展用アクチュエーター902の電気モーター908を、(MaxonのRE40モーターなどの)ブラシ付きDCモーター(brushed DC motor)または(MaxonのEC-powermax30などの)ブラシレスDCモーターとすることができる。この伸展用モーターは、タイミングプーリー−ベルトドライブ914、928機構を直接駆動する。この機構は、1:2速度伝達比(変速比)を有する。タイミングプーリー−ベルトドライブ機構914、928は、(Nook industries,10×3mmなどの)ボールねじ916を回転させる。伸展用アクチュエーター902のボールねじ916が回転すると、結合されたボールナットハウジング930が直線変位する。ボールナットハウジング930は、伸展用直列弾性ばねケージ932に直接取り付けられている。伸展用直列弾性ばねケージ932は、2つの同一の予め圧縮されている受動性の機械ばね(該ばねの剛性は、モデルの伸展用アクチュエーターの剛性と同じである)からなるばねの組910を安全に収容する。したがって、結合されたボールナットハウジング930が直線変位すると、伸展用直列弾性ばねケージ932は直線変位を生じる。ボールナットハウジング930は、2つの直線状の鋼鉄製のガイドレール934に沿って移動する。これら2つのレールの各々は、ハウジングの対応する側壁936に取り付けられる。ばねケージ932は、それに組み込まれているころ軸受938によって支持されたガイドレールに沿って移動する。伸展用アクチュエーター902は、スチールケーブルドライブシステム940に取り付けられているので、膝関節906の回転運動に直接結合される。   The electric motor 908 of the extension actuator 902 can be a brushed DC motor (such as Maxon's RE40 motor) or a brushless DC motor (such as Maxon's EC-powermax30). This extension motor directly drives the timing pulley-belt drive 914, 928 mechanism. This mechanism has a 1: 2 speed transmission ratio (transmission ratio). Timing pulley-belt drive mechanisms 914, 928 rotate a ball screw 916 (such as Nook Industries, 10 × 3 mm). When the ball screw 916 of the extension actuator 902 rotates, the combined ball nut housing 930 is linearly displaced. The ball nut housing 930 is directly attached to the extension series elastic spring cage 932. The series elastic spring cage 932 for extension secures a set of springs 910 consisting of two identical pre-compressed passive mechanical springs (the stiffness of which is the same as that of the model extension actuator). To house. Therefore, when the coupled ball nut housing 930 is linearly displaced, the extension series elastic spring cage 932 is linearly displaced. The ball nut housing 930 moves along two straight steel guide rails 934. Each of these two rails is attached to a corresponding side wall 936 of the housing. The spring cage 932 moves along a guide rail supported by roller bearings 938 incorporated therein. Because the extension actuator 902 is attached to the steel cable drive system 940, it is directly coupled to the rotational movement of the knee joint 906.

屈曲用アクチュエーター904の電気モーター918を、(MaxonのRE40、RE30モーターなどの)ブラシ付きDCモーター(brushed DC motor)または(MaxonのEC-powermax30や22などの)ブラシレスDCモーターとすることができる。この屈曲用モーターは、タイミングプーリー−ベルトドライブ922、924機構を直接駆動する。この機構は、1:2速度伝達比(変速比)を有する。プーリー−ベルトドライブ機構922、924は、(Nook industries,10×3mmなどの)親ねじ926を回転させる。屈曲用アクチュエーター904の親ねじ926が回転すると、結合されたボールナットハウジング942が直線変位する。ボールナットハウジング942は、屈曲用直列ばねケージ944に直接取り付けられている。屈曲用直列ばねケージ944は、屈曲用ばね920を安全に収容する。したがって、結合されたボールナットハウジング942が直線変位すると、屈曲用直列ばねケージは直線変位を生じることができる。ボールナットハウジング942は、該ボールナットハウジングに組み込まれているローラー938のために最小の摩擦状態で、2つの直線状の鋼鉄製のガイドレール934に沿って移動する。屈曲用アクチュエーター904は、膝関節906の回転運動に直接に結合されてはいないが、動作時には、膝を曲げることができ、伸展用直列弾性ばねケージ932をバックドライブする。   The electric motor 918 of the bending actuator 904 may be a brushed DC motor (such as Maxon's RE40, RE30 motor) or a brushless DC motor (such as Maxon's EC-powermax 30 or 22). This bending motor directly drives the timing pulley-belt drive 922, 924 mechanism. This mechanism has a 1: 2 speed transmission ratio (transmission ratio). Pulley-belt drive mechanisms 922, 924 rotate a lead screw 926 (such as Nook Industries, 10 × 3 mm). When the lead screw 926 of the bending actuator 904 rotates, the combined ball nut housing 942 is linearly displaced. The ball nut housing 942 is directly attached to the bending series spring cage 944. The bending series spring cage 944 securely houses the bending spring 920. Therefore, when the coupled ball nut housing 942 is linearly displaced, the bending series spring cage can be linearly displaced. Ball nut housing 942 moves along two straight steel guide rails 934 with minimal friction due to rollers 938 incorporated in the ball nut housing. The flexing actuator 904 is not directly coupled to the rotational motion of the knee joint 906, but can bend during operation and backdrives the series elastic spring cage 932 for extension.

膝関節932は、伸展用直列弾性ばねケージ932に接続された組をなす2つのスチールケーブルドライブ940に結合される。該直列弾性ケージは、2つの鋼鉄製の精密なガイドレール934によって支持されて案内される。スチールケーブル940は、直列弾性ばねケージ932の直線変位を膝関節906の回転運動に結合できるようにする。   The knee joint 932 is coupled to a pair of two steel cable drives 940 that are connected to an extension series elastic spring cage 932. The series elastic cage is supported and guided by two precision guide rails 934 made of steel. Steel cable 940 allows the linear displacement of series elastic spring cage 932 to be coupled to the rotational movement of knee joint 906.

スチールケーブル940の各々の2つ端部は、膝関節の駆動ハブ944に取り付けられる。駆動ハブ944は膝関節ハウジング946によって支持される。各ケーブルは、膝関節906から離れた側の膝の各側部に配置された対応するジョイントプーリー948に巻き付いている。側部のジョイントプーリー948の各々は、対応する側壁936に取り付けられた軸を有する。対応するケーブルテンショナ949を調整して、側部のジョイントプーリー948を調節することによって、各ケーブルドライブ940に独立に張力をかけることができる。直列弾性アクチュエーター902、904の各々は、水平な地面上の歩行と、階段の上りなどのより多くのエネルギーを要するタスク(動作)の両方に対して十分なパワー(動力)を提供することができる。   The two ends of each of the steel cables 940 are attached to a knee drive hub 944. Drive hub 944 is supported by knee joint housing 946. Each cable wraps around a corresponding joint pulley 948 located on each side of the knee remote from the knee joint 906. Each of the side joint pulleys 948 has a shaft attached to a corresponding side wall 936. Each cable drive 940 can be tensioned independently by adjusting the corresponding cable tensioner 949 and adjusting the side joint pulley 948. Each of the series elastic actuators 902, 904 can provide sufficient power for both walking on a horizontal ground and tasks that require more energy, such as climbing stairs. .

全ての作動機構は、膝の側壁936、上側のピラミッド形アダプター928、及び下側のピラミッド形アダプター950のアッセンブリー(組立体)に対応するアルミニウム構造によって完全に支持される。この構造は、下肢の解剖学上の外皮に似た支持フレームを提供する。下側のピラミッド形アダプター950は、従来の高性能のロボット短下肢装具を人工膝に取り付け可能にする。標準的な人工装具用上側ピラミッド形アダプター928によって、人工膝を、通常の大腿ソケットに取り付けること、及び、大腿切断者が装着することが可能になる。人工膝の構成は、駆動アクチュエーター及び機構に容易にアクセスできるようにする着脱可能な側部及び前部のカバーを有しているので、人工膝のメンテナンスが容易である。   All actuation mechanisms are fully supported by an aluminum structure corresponding to the knee sidewall 936, the upper pyramid adapter 928, and the lower pyramid adapter 950 assembly. This structure provides a support frame that resembles the anatomical skin of the lower limb. The lower pyramidal adapter 950 allows a conventional high performance robotic short leg brace to be attached to an artificial knee. A standard prosthetic upper pyramid adapter 928 allows the prosthetic knee to be attached to a normal thigh socket and worn by the thigh amputee. The prosthetic knee configuration has removable side and front covers that allow easy access to the drive actuators and mechanisms, thus facilitating maintenance of the prosthetic knee.

図9A〜図9C及び図10の実施形態の膝(関節)のサイズ、角度範囲(単位deg=度)、及び、最大トルク値の設計パラメータが表3に記載されている。

Figure 2012516717
Table 3 shows design parameters of the knee (joint) size, angle range (unit: deg = degree), and maximum torque value of the embodiment of FIGS. 9A to 9C and FIG.
Figure 2012516717

膝の固有の感覚システム(センサーシステム)は、オンボードの制御電子回路にフィードバックを提供する。これらのセンサーは表4に記載されている。

Figure 2012516717

これらのセンサーは、歩行中の、膝関節906の角変位、各直列弾性要素の変位及び変形、及び、膝と環境(地面)との力/接触相互作用をモニタする。 The knee's inherent sensory system (sensor system) provides feedback to the on-board control electronics. These sensors are listed in Table 4.
Figure 2012516717

These sensors monitor the angular displacement of the knee joint 906, the displacement and deformation of each series elastic element, and the force / contact interaction between the knee and the environment (ground) during walking.

膝の角変位は、膝関節906に配置されたアブソリュートエンコーダー952によって直接測定される。このセンサー952は、関節の回転と連動するエンコーダーハウジング953上に搭載されている。各アクチュエーターの直列弾性ばね910、920の圧縮度は、対応するホール効果センサー954、956で測定される。これらのセンサーは、ばね910、920が圧縮されている間に、ばねケージ932、944の各々に取り付けられた磁石の近さが変化したときに生じる磁界の変化を測定する。各モーターの回転は、対応するモーター908、918の背面に取り付けられたモーターデジタルエンコーダー958、960によって測定される。地面との相互作用は、力感知式フットパッド(force sensitive footpad)(不図示)で測定される。このフットパッドによって、脚が歩行面に接触している時点を検出することができ、ユーザーが装着しているロボット人工膝がどの歩行段階にあるかをコントローラが決定できるようにする。地面との相互作用を測定するために使用される他の方法は、膝のフレーム(具体的には、すねカバー962内)に搭載されて、装着された下側ピラミッド形アダプター950を貫通する歪みゲージを使用することである。このセンサー情報は、膝に関して相互作用する力及びトルクに関する情報を提供するものであり、かつ、膝関節におけるトルクを計算するための情報を提供することができる。この情報は、コントローラが歩行段階を判定するのを支援する。この実施形態について考慮されている別のセンサーは、膝のメインフレームに取り付けられた慣性測定ユニット(不図示)を使用するものであり、これによって、コントローラが、歩行サイクル中の向き及び加速度を特定することが可能になる。   The angular displacement of the knee is directly measured by an absolute encoder 952 located at the knee joint 906. This sensor 952 is mounted on an encoder housing 953 that interlocks with the rotation of the joint. The degree of compression of the series elastic springs 910, 920 of each actuator is measured by corresponding Hall effect sensors 954, 956. These sensors measure the change in magnetic field that occurs when the proximity of the magnets attached to each of the spring cages 932, 944 changes while the springs 910, 920 are compressed. The rotation of each motor is measured by a motor digital encoder 958, 960 attached to the back of the corresponding motor 908, 918. Interaction with the ground is measured with a force sensitive footpad (not shown). With this foot pad, it is possible to detect when the leg is in contact with the walking surface, and the controller can determine which walking stage the robot artificial knee worn by the user is in. Another method used to measure the interaction with the ground is the strain that is mounted on the knee frame (specifically, in the shin cover 962) and penetrates the attached lower pyramid adapter 950. Is to use a gauge. This sensor information provides information on the forces and torques that interact with the knee and can provide information for calculating the torque at the knee joint. This information helps the controller determine the walking stage. Another sensor considered for this embodiment is to use an inertial measurement unit (not shown) attached to the main frame of the knee, which allows the controller to determine orientation and acceleration during the walking cycle. It becomes possible to do.

人工膝に自律性(テザリングを用いない制御)をもたらす電子機器一式が内蔵されている。電子機器は、膝の側壁及び後壁(後ろの壁)に組み付けられたグループをなす5つのプリント回路基板(PCB)に実装されている。これらの基板のうちの2つは、アクチュエーターの制御用に割り当てられ、他の1つのボードは、膝の制御方式全体の監視を担当し、他の1つのボードは、外部の監視用PC/ラップトップシステムとの接続及び通信用に割り当てられ、最後の1つのボードは、膝に設置された慣性測定ユニットのデータの処理を担当する。電子機器一式は、PICマイクロコントローラ技術に基づき、定格電圧22.2Vの6セルリチウムポリマー電池によって給電される。モーター基板は、最大20KHzまでの制御が可能なブラシレスコントローラを備える。システムの挙動を、USBを用いて、または、Wi-Fi(ワイファイ)相互接続による無線通信によって、モニターして更新することができる。   A set of electronic devices that provide autonomy (control without tethering) to the artificial knee is built in. The electronic devices are mounted on five printed circuit boards (PCBs) that form a group assembled to the side wall of the knee and the rear wall (back wall). Two of these boards are allocated for actuator control, the other board is responsible for monitoring the entire knee control scheme, and the other board is an external monitoring PC / lap Assigned for connection and communication with the top system, the last one board is responsible for processing the data of the inertial measurement unit installed on the knee. The electronics set is powered by a 6-cell lithium polymer battery with a rated voltage of 22.2V, based on PIC microcontroller technology. The motor board includes a brushless controller capable of controlling up to 20 KHz. System behavior can be monitored and updated using USB or by wireless communication via Wi-Fi interconnection.

有限状態制御方式。歩行サイクル中の5つの段階を用いて、最小のエネルギー消費で膝の生体力学を模倣するために準受動性の膝モデルを利用する、水平な地面歩行用の膝制御方式が確立された。   Finite state control method. Using five stages in the walking cycle, a knee control scheme for horizontal ground walking has been established that utilizes a semi-passive knee model to mimic the knee biomechanics with minimal energy consumption.

立脚期の膝は、踵接地から開始して、わずかに(15度程度)屈曲し始める。この立脚期屈曲段階は、衝突時の衝撃吸収を可能にする。この段階の間は、膝の伸展用アクチュエーターは、膝の屈曲中にエネルギーが蓄積されるときにばね平衡位置を維持することによってそれの直列弾性要素を係合させる。この場合、モーターは、係合クラッチ(または、かみ合いクラッチ)として動作している。   The knee in the stance phase starts from the heel contact and begins to bend slightly (about 15 degrees). This stance phase flexion phase enables shock absorption during a collision. During this phase, the knee extension actuator engages its series elastic element by maintaining a spring equilibrium position as energy is stored during knee flexion. In this case, the motor operates as an engagement clutch (or meshing clutch).

立脚期において屈曲が最大になると、(15%程度の歩行サイクルで)膝関節は伸展を開始して、(42%程度の歩行サイクルで)立脚期における最大伸展(MSE)状態に達する。この膝の伸展期間を立脚伸展段階(Stance Extension phase)と呼ぶ。立脚伸展段階の間、屈曲用アクチュエーターは、膝が伸展し始めたときにエネルギーが蓄積されるようにそれの直列ばねを位置決めし、これによって、伸展用ばねのエネルギーを伝達できるようにする。このエネルギー伝達によって、立脚期中に剛性を調整することが可能になる。屈曲用アクチュエーターのトランスミッションは親ねじを備えているので、該アクチュエーターが線形ばね(linear spring)を位置決めするとすぐに、モーターはもはや正の動力を提供せず、したがって、エネルギー消費全体が最小になるということに言及しておくのは重要である。これは、「常時閉(ノーマルクローズ)」設定状態におけるモデルのクラッチ係合挙動を効果的に利用している。   When flexion is maximized in the stance phase, the knee joint begins to extend (with a walking cycle of about 15%) and reaches a maximum extension (MSE) state in the stance phase (with a walking cycle of about 42%). This knee extension period is called the stance extension phase. During the stance extension phase, the flexing actuator positions its series spring so that energy is stored when the knee begins to extend, thereby allowing the energy of the extension spring to be transmitted. This energy transfer makes it possible to adjust the stiffness during the stance phase. Since the bending actuator transmission has a lead screw, as soon as the actuator positions a linear spring, the motor no longer provides positive power, thus minimizing overall energy consumption. It is important to mention that. This effectively uses the clutch engagement behavior of the model in the “normally closed (normally closed)” setting state.

立脚期後半または前遊脚期の間(約42%〜約62%の歩行サイクル)は、支持脚の膝は、遊脚期に備えて急速に屈曲する期間を開始する。前遊脚期の間、膝は、足指離地に備えて屈曲しはじめ、屈曲用ばねに蓄積されたエネルギーが解放されて、足指離地の前にユーザーを支援する。   During the late stance phase or the anterior swing phase (about 42% to about 62% gait cycle), the knee of the support leg begins a period of rapid flexion in preparation for the swing phase. During the front swing phase, the knee begins to flex in preparation for toe separation, and the energy stored in the flexing spring is released to assist the user before toe separation.

脚が地面から離れて膝は屈曲を継続する。足指離地時に、歩行の遊脚期屈曲段階が開始する。この期間全体(62%〜73%歩行サイクル)にわたって、膝(関節)トルクが膝の回転速度を遅くするため、膝のパワー(動力)は一般に負である。したがって、遊脚期屈曲段階中は、膝の伸展用アクチュエーターを回生要素(または再生要素)として利用することができ、該アクチュエーターがバックドライブされているときに、遊脚期中に減少したエネルギーをオンボードの電池に蓄積することができ、脚は新たな歩行サイクルを開始するために再配置される。   The leg continues off the ground and the knee continues to flex. When the toes leave, the flexion phase of walking begins. Over this entire period (62% to 73% walking cycle), knee power is generally negative because knee (joint) torque slows the rotational speed of the knee. Therefore, during the swing phase flexion phase, the knee extension actuator can be used as a regenerative element (or regenerative element), and when the actuator is back-driven, the energy reduced during the swing phase is turned on. The battery on the board can accumulate and the legs are repositioned to begin a new walking cycle.

遊脚期中に最大の屈曲角(約60°)に達すると、膝は前方への伸展を開始する。遊脚期伸展段階(約73%〜約100%歩行サイクル)の間、膝のパワー(動力)は、次の立脚期に備えて遊脚を減速させるために一般に負である。この段階では、伸展用アクチュエーターは、エネルギー回生(またはエネルギー再生)を提供して人工膝のエネルギー効率を改善するための要素として使用される。この段階の間、屈曲用モーターは、新たな歩行サイクルに備えて線形ばねを再配置する。   When the maximum flexion angle (about 60 °) is reached during the swing phase, the knee begins to extend forward. During the swing phase extension phase (about 73% to about 100% walking cycle), the knee power is generally negative in order to decelerate the swing leg for the next stance phase. At this stage, the extension actuator is used as an element to provide energy regeneration (or energy regeneration) to improve the energy efficiency of the knee prosthesis. During this phase, the flexing motor repositions the linear spring in preparation for a new walking cycle.

可変速歩行用の人工膝。説明されている能動性の人工膝の実施形態は、肢喪失者にK3レベル(すなわち、多様な歩調で歩行する能力または潜在的能力を有するレベル)で歩き回る能力を提供することが意図されている。肢喪失者の速度の変化に適応可能であって、かつ、最適なエネルギー効率レベルを維持することが可能な人工膝を提供するためには、両方の直列弾性要素を、非線形性のものとし、かつ、肢喪失者の体重に合わせて調整する必要がある。   Artificial knee for variable speed walking. The described active knee prosthesis embodiments are intended to provide the ability to walk around at the K3 level (i.e., the ability to walk or have the potential to vary at various paces) for those who have lost their limbs. In order to provide a knee prosthesis that is adaptable to changes in the speed of the limb loser and that can maintain an optimal energy efficiency level, both series elastic elements should be non-linear, And it is necessary to adjust to the weight of the person with limb loss.

速度適応性を評価するために、前述した最適化方式を用いて、可変インピーダンス膝モデルを、1.0m/秒、1.3m/秒、及び1.6m/秒の速度で歩行している損傷を受けていない被験者からの生体力学的データに適合させた。最適化の結果は、歩行サイクル中の両方の直列弾性要素の係合角度と共に、それらの直列弾性要素に(それぞれの歩行速度における)線形剛性値をもたらした。それぞれのばねと歩行速度について、最初に最大の力−変位のデータ対が選択された。同じ力対変位空間に全てのデータ対をプロットすることによって、屈曲用ばね及び伸展用ばねについて最適な非線形ばね関数(non-linear spring function。または非線形ばね作用)を推定することが可能となった。図11Aは、本発明にしたがう能動性の膝の直列弾性要素の力対変位の挙動について、最適化された非線形多項式フィッティングを行った結果をプロットしたものである。具体的には、2次の多項式フィッティングが、モデルの伸展用ばね1105に対して実施され、区分的多項式(piecewise polynomial)フィッティングが、屈曲用ばね1110に対して実施された。   In order to evaluate speed adaptability, using the optimization method described above, a variable impedance knee model is injured walking at speeds of 1.0 m / sec, 1.3 m / sec, and 1.6 m / sec. Adapted to biomechanical data from subjects who did not receive it. The optimization results resulted in linear stiffness values (at the respective walking speeds) for the series elastic elements as well as the engagement angles of both series elastic elements during the walking cycle. For each spring and walking speed, the maximum force-displacement data pair was first selected. By plotting all data pairs in the same force versus displacement space, it is now possible to estimate the optimal non-linear spring function (or non-linear spring function) for the bending spring and the extension spring. . FIG. 11A is a plot of optimized nonlinear polynomial fitting results for force versus displacement behavior of a series elastic element of an active knee according to the present invention. Specifically, a second order polynomial fitting was performed on the model extension spring 1105 and a piecewise polynomial fitting was performed on the bending spring 1110.

図11Aのデータによって示唆されているように、可変速歩行用途の場合は、図2の伸展用直列弾性要素を、非線形の漸硬(hardening)弾性要素で置換し、かつ、図2の屈曲用要素を漸軟ばね(softening spring)で置換する必要がある。図11Bは、本発明の1側面にしたがう、可変速歩行用の可変インピーダンス人工膝モデルの例示的な実施形態を示している。図11Bに示すように、該モデルは、2つの単関節直列弾性クラッチ1120、1125、2つの非線形ばね1130、1135、及び可変ダンピング要素1140を備える。   As suggested by the data in FIG. 11A, in the case of variable speed walking applications, the extension series elastic element of FIG. 2 is replaced with a non-linear hardening elastic element, and the flexing element of FIG. It is necessary to replace the element with a softening spring. FIG. 11B illustrates an exemplary embodiment of a variable impedance artificial knee model for variable speed walking according to one aspect of the present invention. As shown in FIG. 11B, the model includes two single-joint series elastic clutches 1120, 1125, two nonlinear springs 1130, 1135, and a variable damping element 1140.

これらの非線形ばね関数(または非線形ばね作用)を用いて、人工膝モデルの出力トルクを生物学的膝(関節)トルクデータと比較した。図11C〜図11Eには、図11Bに示すモデルを用いて3つの異なる歩行速度について行ったこの比較が示されている。図11C〜図11Eでは、最適化された膝モデル1150、1155、1160の正味のトルク出力を、損傷を受けていない人間の膝関節のトルクプロファイルと比較しており、各速度について、平均1165、1170、1175と1標準偏差1180、1182、1184、1186、1188、1190(N=10の歩行実験)の両方が示されている。該モデルの適合度は、各歩行速度における決定係数(coefficient of determination)Rによって提供される。生物学的データは、1.0m/秒(図11C)、1.3m/秒(図11D)、1.6m/秒(図11E)の3つの異なる速度で歩いている肢の損傷がない被験者(体重=66.2kg)について得られたデータである。選択された速度の各々について、歩行速度±5%の範囲が許容された。 Using these nonlinear spring functions (or nonlinear spring action), the output torque of the artificial knee model was compared with biological knee (joint) torque data. 11C-11E show this comparison made for three different walking speeds using the model shown in FIG. 11B. In FIGS. 11C-11E, the net torque output of the optimized knee models 1150, 1155, 1160 is compared to the torque profile of an undamaged human knee joint, with an average of 1165 for each speed. Both 1170, 1175 and 1 standard deviation 1180, 1182, 1184, 1186, 1188, 1190 (N = 10 walking experiment) are shown. The goodness of fit of the model is provided by a coefficient of determination R 2 at each walking speed. Biological data are for subjects with no limb injury walking at three different speeds: 1.0 m / sec (FIG. 11C), 1.3 m / sec (FIG. 11D), 1.6 m / sec (FIG. 11E). Data obtained for (body weight = 66.2 kg). For each selected speed, a range of walking speed ± 5% was allowed.

可変速歩行用の人工膝モデルを、当業者にはすぐにわかる構成要素及び材料を用いて、図2のモデルについて説明した実施形態の場合と類似のやり方で物理的に実施することができること、及び、図4A〜図4C、及び図9A〜図9Cの実施形態に適する任意の変形及び修正が図11Bのモデルを用いて実施する場合にも適するものであることが、当業者には明らかであろう。   An artificial knee model for variable speed walking can be physically implemented in a manner similar to the embodiment described for the model of FIG. 2, using components and materials readily apparent to those skilled in the art; And it will be apparent to those skilled in the art that any variations and modifications suitable for the embodiment of FIGS. 4A-4C and 9A-9C are also suitable when implemented using the model of FIG. 11B. I will.

さらに、本発明の好適な実施形態を開示したが、多くの他の実施例が当業者には想起されるであろうし、それらの実施例は全て本発明の範囲内のものである。上述の種々の実施形態の各々を、説明した他の実施形態と組み合わせて多数の特徴を提供することができる。さらに、本明細書では、本発明の装置及び方法の複数の個別の実施形態を説明したが、本明細書に記載されているのは、本発明の原理の適用の例示に過ぎない。したがって、当業者による他の配列(構成)、方法、変更形態、及び置換もまた、本発明の範囲内のものとみなされるのであり、本発明は、添付の特許請求の範囲以外によっては限定されない。
Moreover, while preferred embodiments of the invention have been disclosed, many other examples will occur to those skilled in the art, and all of these examples are within the scope of the invention. Each of the various embodiments described above can be combined with the other described embodiments to provide a number of features. Furthermore, although a number of individual embodiments of the apparatus and method of the present invention have been described herein, what has been described herein is merely illustrative of the application of the principles of the present invention. Accordingly, other sequences (configurations), methods, modifications, and substitutions by those skilled in the art are also considered to be within the scope of the present invention, and the present invention is not limited except by the appended claims. .

Claims (9)

動力付き人工膝であって、
義肢部材に対して回転可能で、かつ、該義肢部材に結合可能な膝関節と、
前記膝関節を回転させるための力を加えて、前記義肢部材を屈曲させるための直列弾性屈曲用アクチュエーターであって、前記膝関節に接続されて前記義肢部材と並列をなし、かつ、屈曲用モーターと屈曲用弾性要素の直列結合を含む直列弾性屈曲用アクチュエーターと、
前記膝関節を回転させるための力を加えて前記義肢部材を伸展させるための直列弾性伸展用アクチュエーターであって、前記膝関節に接続されて、前記屈曲用アクチュエーターからみて前記義肢部材の反対側において前記義肢部材と並列をなし、かつ、伸展用モーターと伸展用弾性要素の直列結合を含む直列弾性伸展用アクチュエーターと、
異なる時刻に前記屈曲用モーター及び前記伸展用モーターに独立にエネルギーを供給して、前記膝関節及び結合された義肢部材の位置、インピーダンス、及び非保存トルクを制御するためのコントローラ
を組み合わせて備える動力付き人工膝。
A powered artificial knee,
A knee joint rotatable with respect to the prosthetic limb member and connectable to the prosthetic limb member;
A series elastic bending actuator for bending a prosthetic limb member by applying a force for rotating the knee joint, connected to the knee joint in parallel with the prosthetic limb member, and a bending motor A series elastic bending actuator including a series connection of a bending elastic element and
A series elastic extension actuator for extending the prosthetic limb member by applying a force for rotating the knee joint, connected to the knee joint and on the opposite side of the prosthetic limb member as viewed from the bending actuator A series elastic extension actuator that is in parallel with the prosthetic limb member and includes a series connection of an extension motor and an extension elastic element;
Power comprising a combination of controllers for controlling the position, impedance, and non-conservative torque of the knee joint and the combined prosthetic limb member by independently supplying energy to the flexing motor and the extension motor at different times Artificial knee with.
前記コントローラにフィードバックを提供するように構成された少なくとも1つのセンサーをさらに備える、請求項1の人工膝。   The knee prosthesis of claim 1, further comprising at least one sensor configured to provide feedback to the controller. 前記センサーは、前記膝関節の角変位、前記屈曲用弾性要素の圧縮、前記伸展用弾性要素の圧縮、前記屈曲用モーターの回転、前記伸展用モーターの回転の少なくとも1つに応答する、請求項2の人工膝。   The sensor is responsive to at least one of angular displacement of the knee joint, compression of the elastic element for bending, compression of the elastic element for extension, rotation of the bending motor, rotation of the extension motor. 2 artificial knees. 前記屈曲用アクチュエーター及び前記伸展用アクチュエーターが一方向性である、請求項1の人工膝。   The artificial knee according to claim 1, wherein the bending actuator and the extension actuator are unidirectional. 前記屈曲用弾性要素及び前記伸展用弾性要素は直列ばねである、請求項4の人工膝。   The artificial knee according to claim 4, wherein the elastic element for bending and the elastic element for extension are series springs. 前記屈曲用アクチュエーターが一方向性であり、前記伸展用アクチュエーターが双方向性である、請求項1の人工膝。   The artificial knee of claim 1, wherein the bending actuator is unidirectional and the extension actuator is bidirectional. 前記屈曲用弾性要素が直列ばねであり、前記伸展用弾性要素が、一組の予め圧縮されている直列ばねである、請求項6の人工膝。   The knee prosthesis of claim 6 wherein the bending elastic element is a series spring and the extension elastic element is a set of pre-compressed series springs. 前記屈曲用弾性要素が非線形漸軟ばねであり、前記伸展用弾性要素が非線形漸硬ばねである、請求項1の人工膝。   The artificial knee according to claim 1, wherein the elastic element for bending is a non-linear gradually soft spring, and the elastic element for extension is a non-linear gradually soft spring. 前記屈曲用アクチュエーターが、バックドライブができないトランスミッションを備える、請求項1の人工膝。
The knee prosthesis of claim 1, wherein the bending actuator comprises a transmission that cannot be back-driven.
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