JP2013503026A - Implement a sequence of standing up using a prosthetic leg or lower limb orthosis - Google Patents

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Abstract

膝装具または義肢は、人が座位にいる間に、人の足関節に対する人の膝の位置に基づいて立ち上がりのシーケンス始動させるのが適切であるときに、自動的に使用され得る。膝が、足関節の前である位置に動かされるときに、装具または義肢の少なくとも1つのアクチュエータが、座位から立位へ人を持ち上げることを助けるように作動される。少なくとも1つのセンサーは、大腿座標システムに対して重力ベクトルを測定する慣性センサーを含む。少なくとも1つのセンサーは、大腿に対して下肢の回転角を検出する。
【選択図】なし
A knee brace or prosthesis can be used automatically when it is appropriate to initiate a sequence of standing up based on the position of the person's knee relative to the person's ankle while the person is sitting. When the knee is moved to a position that is in front of the ankle joint, at least one actuator of the brace or prosthesis is activated to help lift the person from sitting to standing. The at least one sensor includes an inertial sensor that measures a gravity vector relative to the femoral coordinate system. At least one sensor detects a rotation angle of the lower limb with respect to the thigh.
[Selection figure] None

Description

(関連出願)
本出願は、2009年8月31日に出願した米国仮出願第61/238,305号の利益を主張する。
(Related application)
This application claims the benefit of US Provisional Application No. 61 / 238,305, filed Aug. 31, 2009.

本発明は、一般に、義足、下肢装具および外骨格装置、そのコンポーネント、ならびに義足、下肢装具および外骨格装置、そのコンポーネントを制御するための方法に関する。   The present invention generally relates to a prosthesis, a lower limb orthosis and an exoskeleton device, components thereof, and a prosthesis, a lower limb orthosis and an exoskeleton device, and methods for controlling the components.

米国内では、毎年、100,000人を超える人々が切断により足を失っている。世界中では、何十万人もの人々がこのような衰弱性の喪失を煩っている。それに加えて、米国では毎年、歩行運動を制約するさまざまな病理を下肢に引き起こすことの多い脳卒中を生き延びる人々が700,000人もいる。つい最近まで、義足および下肢装具システムでは、階段や段差などの不均一な表面上は言うまでもなく平坦な地形であっても無駄のない歩行運動を行うために身体が必要とする一歩一歩に非保存的な正の仕事を伝えようにもそのような能力を持たないもっぱら受動的な、または低出力のメカニズムを採用してきた。   Within the United States, more than 100,000 people lose their legs due to amputations each year. Hundreds of thousands of people around the world are suffering from this loss of debilitation. In addition, every year in the United States, there are 700,000 people who survive strokes that often cause various pathologies in the lower limbs that restrict locomotion. Until recently, prosthetic and lower limb orthosis systems were not stored on a step-by-step basis required by the body to perform lean walking movements, even on flat surfaces, not to mention uneven surfaces such as stairs and steps. It has adopted an entirely passive or low-power mechanism that does not have such ability to convey positive work.

義足、下肢装具および外骨格装置の要件を評価するために、被検体の歩行周期に関連する通常の生体力学を理解することは有益である。特に、矢状面回転における人の足関節の機能を、さまざまな運動機能条件について以下で説明している。   In order to assess the requirements of prosthetic legs, lower limb orthoses and exoskeleton devices, it is useful to understand the normal biomechanics associated with the subject's walking cycle. In particular, the function of a human ankle joint in sagittal plane rotation is described below for various motor function conditions.

Ossur Flex−Foot(登録商標)のような従来の受動的な下腿義足(「AFP」)の機械的特性は、デバイスの全寿命期間にわたって本質的に一定している。特許文献1は、これらの従来のAFPに比べて著しい進歩を示している。参照によりその内容全体が本明細書に組み込まれている、特許文献1では、歩行周期を5つの期に分け、デバイスの機械的特性をそれらの5つの期のそれぞれについて独立に最適化することによって性能を改善できることが認識されている。   The mechanical properties of a conventional passive leg prosthesis (“AFP”), such as the Ossur Flex-Foot®, are essentially constant over the lifetime of the device. Patent Document 1 shows a significant advance over these conventional AFPs. In U.S. Pat. No. 6,057,027, the entire contents of which are incorporated herein by reference, the walking cycle is divided into five periods and the device mechanical properties are optimized independently for each of these five periods. It is recognized that performance can be improved.

図1Aは、平地における被検体の歩行周期のさまざまな期の概略を示している。歩行周期は、典型的には、片足の踵接地で始まり、その同じ足の次の踵接地で終わる期間として定義される。歩行周期は、2つの期、つまり、立脚期(歩行周期の約60%)とその後の遊脚期(歩行周期の約40%)に分けられる。遊脚期は、足が地面から離れているときの歩行周期の部分を表す。立脚期は、踵が床に触れたときの踵接地から始まり、同じ足が地面から上がったときの爪先離地で終わる。立脚期は、同じ足が地面から上がったときの爪先離地に分けられる。立脚期は、制御底屈(Controlled Plantarflexion)(CP)、制御背屈(Controlled Dorsiflexion)(CD)、および動力底屈(Powered Plantarflexion)(PP)の3つの副期に分けられる。   FIG. 1A shows an outline of various periods of the walking cycle of a subject on a flat ground. A gait cycle is typically defined as a period that begins with a heel contact on one foot and ends with the next heel contact on that same foot. The walking cycle is divided into two phases, that is, the stance phase (about 60% of the walking cycle) and the subsequent swing phase (about 40% of the walking cycle). The free leg period represents the part of the walking cycle when the foot is away from the ground. The stance phase begins with the heel touching when the heel touches the floor and ends with the toe off when the same foot rises from the ground. The stance phase is divided into toe-off when the same foot rises from the ground. The stance phase is divided into three sub-phases: Controlled Plantar Flexion (CP), Controlled Dorsal Flexion (CD), and Powered Plantar Flexion (PP).

CPは、102に例示されている踵接地から始まり、106に例示されている足底接地で終わる。CPは、踵と前足が最初に地面に接触するプロセスを記述するものである。研究者らは、CP足関節動作は関節トルクが関節位置への平衡位置に関する関節の変位に比例する線形バネ応答(linear spring response)に一致することを証明した。しかし、このバネの動作は、可変であり、関節の剛性は、立脚および遊脚後半の状態の3つの副期内で1歩毎に身体によって連続的に変調される。   The CP begins with the heel contact illustrated at 102 and ends with the plantar contact illustrated at 106. CP describes the process by which the heel and forefoot first contact the ground. Researchers have demonstrated that CP ankle motion is consistent with a linear spring response where the joint torque is proportional to the joint displacement relative to the equilibrium position to the joint position. However, the motion of this spring is variable, and the joint stiffness is continuously modulated by the body at every step within the three sub-phases of the standing leg and the latter half of the swinging leg.

CP期間の後、CD期は110に例示されているように足関節が最大背屈位の状態に達し、動力底屈PPを開始するまで継続する。CD期間における足関節トルクと位置の関係は、足関節位置が高くなるほど剛性が増す非線形バネとして記述される。足関節は、PP期に身体を上方および前方に推進するために必要な弾性エネルギーをCD期間に貯蔵する。   After the CP period, the CD period continues until the ankle joint reaches the maximum dorsiflexion state as illustrated at 110 and starts the power plantar flexion PP. The relationship between the ankle torque and the position in the CD period is described as a non-linear spring whose rigidity increases as the ankle position increases. The ankle joint stores the elastic energy required to propel the body upward and forward during the PP period during the CD period.

PP期は、CDの後に始まり、114に例示されている爪先離地の瞬間に終わる。PPでは、足関節は、身体を上前方に投げ出す(catapults the body upward and forward)反射応答に従ってトルクを印加する。次いで、CD期に貯蔵されたバネエネルギーとともにこの投げ出すエネルギー(catapult energy)が放出され、立脚後半期に高い底屈力を発揮する。この投げ出す動作は、PP期間になされる仕事が、中から高までの歩行速度に対してCP期とCD期に吸収される負の仕事より大きいため必要である。114における爪先離地から118における次の踵接地までの遊脚期に足が地面から離昇する。   The PP period begins after the CD and ends at the toe take-off moment illustrated at 114. In PP, the ankle applies a torque according to the reflection response, which is the body pulls the body upward and forward. Next, the energy to be thrown out is released together with the spring energy stored in the CD period, and high buckling force is exerted in the latter half of the stance. This throwing action is necessary because the work done in the PP period is greater than the negative work absorbed in the CP and CD periods for medium to high walking speeds. The foot lifts off the ground during the swing leg period from the toe separation at 114 to the next heel contact at 118.

階段の上がり下がりにおける足関節の運動学的パターンおよび動力学的パターンは、平地での歩行と異なるため、図1Bおよび1Cに下腿生体力学の別の記述が示されている。図1Bは、階段を上るときの人間の足関節生体力学を示している。階段上昇の第1期は、制御背屈1(CD1)と称され、これは、130に示されている背屈位の足部接地から始まり、132において踵が段表面に接触するまで背屈し続ける。この期では、足関節は、線形バネとしてモデル化することができる。第2期は、動力底屈1(PP1)であり、これは、足底接地の瞬間(132において足関節が最大背屈位に達したとき)に始まり、134において背屈がもう一度始まるときに終わる。人間の足関節は、トルクアクチュエータとして振る舞い、体重を支えるためにさらにエネルギーを供給する。   Since the kinematic and dynamic patterns of the ankle joint on the stairs are different from walking on flat ground, another description of lower leg biomechanics is shown in FIGS. 1B and 1C. FIG. 1B shows the human ankle biomechanics when climbing stairs. The first phase of stair climbing is referred to as controlled dorsiflexion 1 (CD1), which begins at the dorsiflexed foot grounding shown at 130 and continues at 132 until the heel touches the step surface. to continue. In this period, the ankle joint can be modeled as a linear spring. Phase 2 is power plantar flexion 1 (PP1), which begins at the moment of plantar contact (when the ankle reaches maximum dorsiflexion at 132) and when dorsiflexion begins again at 134. End. The human ankle acts as a torque actuator and supplies more energy to support weight.

第3期は、制御背屈2(CD2)であり、136で踵離地が生じるまで足関節は背屈している。CD2期では、足関節は、線形バネとしてモデル化することができる。第4期および最終期は、動力底屈2(PP2)であり、これは、踵離地136から始まり、足が段を蹴って離れ、CD2バネと平行してトルクアクチュエータとして作用し、身体を上前方に推進するまで続き、138で爪先が表面を離れて140で終わる遊脚期を開始するときに終わる期である。   The third period is controlled dorsiflexion 2 (CD2), where the ankle joint is dorsiflexed until 136 is released. In the CD2 phase, the ankle joint can be modeled as a linear spring. The fourth and final periods are power plantar flexion 2 (PP2), which begins at the detachment 136, where the foot kicks off the step, acts in parallel with the CD2 spring as a torque actuator, It continues until propelling upwards and forwards, and ends at 138 when the toe leaves the surface and begins the swing phase that ends at 140.

図1Cは、階段下降時の人間の下腿生体力学を示している。階段下降の立脚期は、制御背屈1(CD1)、制御背屈2(CD2)、および動力底屈(PP)の3つの副期に分けられる。CD1は、150に例示されている足部接地から始まり、足底接地152で終わる。この期では、人間の足関節は、可変減衰器としてモデル化することができる。CD2では、足関節は、154に示されている最大背屈位に達するまで前方に背屈し続ける。ここで、足関節は、線形バネとして作用し、CD2全体を通してエネルギーを貯蔵する。154から始まるPP期では、足関節は、156で足が段から離昇するまで底屈している。この最終的なPP期では、足関節は、貯蔵されているCD2エネルギーを放出し、身体を前上方へ推進する。156における爪先離地の後、足が、158における次の足部接地まで遊脚期を通じて制御され位置決めされる。   FIG. 1C shows human lower leg biomechanics when the stairs are lowered. The stance phase of the staircase descent is divided into three sub-phases: control dorsiflexion 1 (CD1), control dorsiflexion 2 (CD2), and power plantar flexion (PP). CD1 begins with the foot grounding illustrated at 150 and ends with the foot grounding 152. In this period, the human ankle can be modeled as a variable attenuator. In CD2, the ankle joint continues to dorsiflex forward until it reaches the maximum dorsiflexion position shown at 154. Here, the ankle acts as a linear spring and stores energy throughout CD2. In the PP phase starting at 154, the ankle is bent at 156 until the foot lifts off the step. In this final PP phase, the ankle joints release stored CD2 energy and propel the body forward and upward. After toe lift at 156, the foot is controlled and positioned throughout the swing phase until the next foot contact at 158.

図1Bに示されている階段上昇では、人間の下腿は、アクチュエータと可変硬直メカニズムの組み合わせを使用して効果的にモデル化されうる。しかし、図1に示されている、階段下降では、下腿複合体をモデル化するために可変減衰器も含める必要があり、人間の足関節によって吸収される力は、階段上昇時に解放される力に比べて階段下降時にかなり大きくなる。したがって、足関節を階段下降における可変減衰器とバネとの組み合わせとしてモデル化するのが妥当である。   In the stair lift shown in FIG. 1B, the human lower leg can be effectively modeled using a combination of actuators and variable stiffness mechanisms. However, the stair descent shown in FIG. 1 also needs to include a variable attenuator to model the lower leg complex, and the force absorbed by the human ankle joint is the force released when the stair is raised. Compared to stairs, it becomes considerably larger when the stairs are lowered. Therefore, it is appropriate to model the ankle joint as a combination of a variable attenuator and a spring in descending the stairs.

従来の受動的な義肢、装具および外骨格装置は歩行周期の生体力学を十分に再現しない。これらは、インピーダンスを能動的に変調せず、また反射的トルク応答を、平地でも、上昇または下降階段もしくは斜面、または変化する地形条件でも印加しないため、生体模倣的でない。したがって、改善された義足、下肢装具および外骨格装置、そのコンポーネント、ならびに義足、下肢装具および外骨格装置、そのコンポーネントを制御するための方法が必要である。   Conventional passive prostheses, orthoses and exoskeleton devices do not adequately reproduce the biomechanics of the walking cycle. They are not biomimetic because they do not actively modulate impedance and do not apply a reflex torque response, even on flat ground, up or down stairs or slopes, or changing terrain conditions. Accordingly, there is a need for an improved prosthesis, lower limb orthosis and exoskeleton device, components thereof, and methods for controlling the prosthesis, lower limb orthosis and exoskeleton device, components thereof.

米国特許出願公開第2006/0249315号明細書US Patent Application Publication No. 2006/0249315 米国特許第7,313,463号明細書US Pat. No. 7,313,463

本明細書で説明されている発明は、一般的に、義足、下肢装具および外骨格装置に関する。本発明のさまざまな実施形態に対する典型的な使用事例としては、例えば、代謝増大、持続性の四肢病変を持つ被検体の永続的補助、または一時的四肢病変を持つ着用者のリハビリが挙げられる。   The invention described herein generally relates to prosthetic legs, lower limb orthoses and exoskeleton devices. Typical use cases for various embodiments of the invention include, for example, increased metabolism, permanent assistance of a subject with persistent limb lesions, or rehabilitation of a wearer with temporary limb lesions.

本発明の一局面は、大腿部材と、下肢部材と、大腿部材を下肢部材に接続するための膝関節とを含む能動的な装具または義肢装置に関する。装置はまた、モーター軸出力を有する回転モーターと、モーター軸出力に結合されているモーター駆動伝動アセンブリと、モーター駆動伝動装置の出力に結合されている駆動伝動アセンブリであって、駆動伝動アセンブリの出力が下肢部材に結合されており、膝関節にトルクを印加して大腿部材に対して下肢部材を回転させる、駆動伝動アセンブリとを含む。装置はまた、少なくとも1つの出力を有する少なくとも1つのセンサーであって、装置の着用者が座位にいる間に、足関節に対する膝関節の位置が、少なくとも1つの出力から決定され得る、少なくとも1つのセンサーと、膝関節が、少なくとも1つのセンサーの少なくとも1つの出力に基づいて、足関節の前にある位置に動かされる時間を決定するコントローラとを含む。決定に応じて、コントローラは、座位から立位へ人を持ち上げることを助けるために、膝関節のインピーダンス、位置、またはトルクを変調させるように回転モーターを制御する。   One aspect of the present invention relates to an active orthosis or prosthetic device that includes a thigh member, a lower limb member, and a knee joint for connecting the thigh member to the lower limb member. The apparatus also includes a rotary motor having a motor shaft output, a motor drive transmission assembly coupled to the motor shaft output, and a drive transmission assembly coupled to the output of the motor drive transmission, the output of the drive transmission assembly Is coupled to the lower limb member and includes a drive transmission assembly that applies torque to the knee joint to rotate the lower limb member relative to the femoral member. The device is also at least one sensor having at least one output, wherein the position of the knee joint relative to the ankle joint can be determined from the at least one output while the wearer of the device is in a sitting position. A sensor and a controller that determines a time at which the knee joint is moved to a position in front of the ankle based on at least one output of the at least one sensor. In response to the determination, the controller controls the rotary motor to modulate the knee joint impedance, position, or torque to help lift the person from sitting to standing.

本発明の別の局面は、少なくとも1つのアクチュエータを有する膝装具または義肢を制御する方法に関する。方法は、人が座位でいる間に、人の足関節に対して人の膝の位置を検出するステップと、膝が、決定するステップの結果に基づいて、足関節の前にある位置に動かされる時間を決定し、そして時間を表す出力を生成するステップとを含む。出力に応じて、膝装具または義肢の少なくとも1つのアクチュエータが、座位から立位へ人を持ち上げることを助けるために作動される。   Another aspect of the invention relates to a method for controlling a knee orthosis or prosthesis having at least one actuator. The method includes detecting the position of the person's knee relative to the person's ankle while the person is sitting and moving the knee to a position in front of the ankle based on the result of the determining step. Determining a time to be generated and generating an output representative of the time. Depending on the output, at least one actuator of the knee brace or prosthesis is activated to help lift the person from sitting to standing.

平地における着用者の歩行周期のさまざまな期を示す略図である。1 is a schematic diagram illustrating various periods of a wearer's walking cycle on flat ground. 階段を上るときの着用者の歩行周期のさまざまな期を示す略図である。Fig. 6 is a schematic diagram illustrating various periods of a wearer's walking cycle when going up stairs. 階段を下るときの着用者の歩行周期のさまざまな期を示す略図である。FIG. 6 is a schematic diagram illustrating various periods of a wearer's walking cycle when going down stairs. 本発明の例示的な一実施形態による、義肢、装具、または外骨格装置の足関節、踵、および爪先の軌跡を判定するための方法を示す略図である。1 is a schematic diagram illustrating a method for determining ankle, heel, and toe trajectories of a prosthetic limb, orthosis, or exoskeleton device, according to an illustrative embodiment of the invention. 歩行中の足関節の加速度を示す実験データのグラフである。It is a graph of the experimental data which shows the acceleration of the ankle joint during a walk. 本発明の例示的な一実施形態による、足の傾き(踵の高さ)を測定するための方法を示す略図である。1 is a schematic diagram illustrating a method for measuring foot tilt (heel height), according to an illustrative embodiment of the invention. 本発明の例示的な一実施形態による、足の基準系内の足関節に関する踵および爪先の座標を判定するための方法を示す略図である。6 is a schematic diagram illustrating a method for determining heel and toe coordinates for an ankle joint in a foot reference frame, according to an illustrative embodiment of the invention. 本発明の例示的な一実施形態による、踵のベクトルを推定するための方法を示す略図である。4 is a schematic diagram illustrating a method for estimating a wrinkle vector, according to an illustrative embodiment of the invention. さまざまな歩行運動状況における、慣性計測装置により計算で求められた足関節枢軸軌跡を示す図である。It is a figure which shows the ankle joint axis locus | trajectory calculated | required by calculation with the inertial measurement apparatus in various walking movement situations. 義肢装置の足関節の飛行軌跡を記述する二次元の幾何学的形状を示す図である。It is a figure which shows the two-dimensional geometric shape which describes the flight locus | trajectory of the ankle joint of a prosthetic limb apparatus. 本発明の例示的な一実施形態による、階段と斜面の歩行運動状況を弁別する軌跡の特徴として足関節迎え角を使用して階段−斜面弁別器を製作する方法を示す図である。FIG. 6 illustrates a method of making a stair-slope discriminator using an ankle angle of attack as a trajectory feature that discriminates staircase and slope walking motion situations according to an exemplary embodiment of the present invention. 本発明の例示的な一実施形態による、足部接地前に足関節の位置決めを行うための方法を示す図である。FIG. 6 illustrates a method for positioning an ankle joint prior to foot contact, according to an illustrative embodiment of the invention. 本発明の例示的な一実施形態による、階段が存在していることと、階段の踊り場に足の突き出しがあることを感知するために使用されうる図7Aの方法を示す図である。FIG. 7B illustrates the method of FIG. 7A that can be used to sense the presence of a staircase and the presence of a foot protrusion at a staircase landing, according to an illustrative embodiment of the invention. 本発明の例示的な一実施形態による、斜面歩行運動状況における足関節の位置決めを行うための方法を示す図である。FIG. 6 illustrates a method for positioning an ankle joint in a slope walking motion situation, according to an illustrative embodiment of the invention. 本発明の例示的な一実施形態による、最適化されたインピーダンスを使用するように図7Bの方法がどのように適合されるかを示す図である。FIG. 7B illustrates how the method of FIG. 7B is adapted to use optimized impedance, according to an illustrative embodiment of the invention. 足底接地における地形の角度に基づいて慣性基準バネ平衡状態を判定するための方法を示す図である。It is a figure which shows the method for determining an inertia reference spring equilibrium state based on the angle of the topography in plantar grounding. 足関節トルクと足関節の角度に対する歩行速度の影響を例示し、適切に選択された並列弾性要素にプッシュプルアクチュエータ制御をどのように施すかを示す図である。It is a figure which illustrates the influence of the walking speed with respect to an ankle joint torque and the angle of an ankle joint, and shows how push pull actuator control is performed to the parallel elastic element selected appropriately. 本発明の例示的な一実施形態による、下肢装置を制御するための方法を示す図である。FIG. 6 illustrates a method for controlling a lower limb device, according to an illustrative embodiment of the invention. 本発明の例示的な一実施形態による、義足装置においてインピーダンスおよびトルクの制御を実行するためのモデルベースのコントローラを示す略図である。1 is a schematic diagram illustrating a model-based controller for performing impedance and torque control in a prosthetic leg device, according to an illustrative embodiment of the invention. 本発明の例示的な一実施形態による、義足装置においてトルクの制御を実行するためのモデルベースのコントローラを示す略図である。1 is a schematic diagram illustrating a model-based controller for performing torque control in a prosthetic leg device, according to an illustrative embodiment of the invention. 図10Aにおいて実行されるインピーダンスの制御を決定する機械インピーダンスの関係を示す略図である。10B is a schematic diagram illustrating the relationship of mechanical impedance that determines the impedance control performed in FIG. 10A. 図10Bにおいて実行されるインピーダンスおよび反射の制御を決定するインピーダンスおよび反射の関係を示す略図である。11B is a schematic diagram illustrating the impedance and reflection relationship that determines the impedance and reflection control performed in FIG. 10B. 義肢装置を着用する人の倒立振り子力学的挙動を安定させるのに必要な復元トルクを決定するためにゼロモーメント枢軸基準地面反力がどのように使用されるかを示す略図である。FIG. 6 is a schematic diagram showing how zero moment pivot reference ground reaction force is used to determine the restoring torque required to stabilize the inverted pendulum mechanical behavior of a person wearing a prosthetic device. 地面反力およびゼロモーメント枢軸を示す人工足関節の下肢足部材、足関節、および足部材の略図である。1 is a schematic illustration of a leg foot member, ankle joint, and foot member of an artificial ankle joint showing ground reaction forces and zero moment pivots. 地面反力およびゼロモーメント枢軸を決定するために必要なコンポーネント間の力およびモーメントの関係を示す人工足関節のコンポーネントを示す略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing components of an artificial ankle joint showing the relationship between forces and moments between components required to determine ground reaction force and zero moment pivot. 地面反力およびゼロモーメント枢軸を決定するために必要なコンポーネント間の力およびモーメントの関係を示す人工足関節のコンポーネントを示す略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing components of an artificial ankle joint showing the relationship between forces and moments between components required to determine ground reaction force and zero moment pivot. 地面反力およびゼロモーメント枢軸を決定するために必要なコンポーネント間の力およびモーメントの関係を示す人工足関節のコンポーネントを示す略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing components of an artificial ankle joint showing the relationship between forces and moments between components required to determine ground reaction force and zero moment pivot. 平地における人工足関節の生体模倣(Γ−θ)挙動を動力底屈時の歩行速度の関数として示す図である。It is a figure which shows the biomimetic ((GAMMA)-(theta)) behavior of the artificial ankle joint in a flat ground as a function of the walking speed at the time of a power plantar bending. 平地における人工足関節の生体模倣(Γ−θ)挙動を動力底屈時の歩行速度の関数として示す図である。It is a figure which shows the biomimetic ((GAMMA)-(theta)) behavior of the artificial ankle joint in a flat ground as a function of the walking speed at the time of a power plantar bending. 接地長さに対する足の遷移の影響を示す図である。It is a figure which shows the influence of the transition of the leg with respect to the contact length. 接地長さに対する足の遷移の影響を示す図である。It is a figure which shows the influence of the transition of the leg with respect to the contact length. 速度に依存する接地長減少の表において、正規化された接地長さを動力底屈時に生体模倣挙動を行う手段としてどのように使用できるかを示す図である。It is a figure which shows how the normalization contact length can be used as a means to perform a biomimetic behavior at the time of power planting in the table of contact length reduction depending on speed. 典型的な歩行運動中にゼロモーメント枢軸ベクトルの推定されるy成分がどのように変化するかを示す図である。FIG. 6 is a diagram showing how the estimated y component of a zero moment pivot vector changes during a typical walking motion. 本発明の例示的な一実施形態により、減衰係数を装置の性能に組み込むための方法を示す図である。FIG. 6 illustrates a method for incorporating an attenuation factor into device performance, according to an illustrative embodiment of the invention. 本発明の例示的な一実施形態による、踵接地の場合の制御システムスキームの表現を示す略図である。2 is a schematic diagram illustrating a representation of a control system scheme in the case of heel grounding, according to an illustrative embodiment of the invention. 本発明の例示的な一実施形態による、爪先接地の場合の制御システムスキームの表現を示す略図である。FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a representation of a control system scheme for toe grounding, according to an illustrative embodiment of the invention. 本発明の例示的な一実施形態による、人工足関節(例えば、図17Aの装置1700)に適用される位置制御を行うための方法を示す図である。FIG. 18A illustrates a method for performing position control applied to an artificial ankle joint (eg, the device 1700 of FIG. 17A), according to an illustrative embodiment of the invention. 本発明の例示的な一実施形態による、ステップ毎の地形適応を使用するための方法を示す図である。FIG. 6 illustrates a method for using step-by-step terrain adaptation, according to an illustrative embodiment of the invention. 3つの異なる歩行運動状況に対し人工足関節が印加する例示的なインピーダンスを示す図である。It is a figure which shows the example impedance which an artificial ankle joint applies with respect to three different walking movement situations. 本発明の例示的な一実施形態による、下肢生体力学的システムを示す略図である。1 is a schematic diagram illustrating a lower limb biomechanical system, according to an illustrative embodiment of the invention. 本発明の例示的な一実施形態による、胴体姿勢、大腿部姿勢、および胴体/身体質量中心姿勢に対する姿勢再構成を行う方法を示す図である。FIG. 6 illustrates a method for performing posture reconstruction for a torso posture, a thigh posture, and a torso / body mass center posture, according to an illustrative embodiment of the invention. 本発明の例示的な一実施形態による、義足装置を示す図である。1 shows a prosthetic device, according to an illustrative embodiment of the invention. FIG. 受動的な並列弾性要素を示す図17Aの下肢装置の一部を示す図である。FIG. 17B illustrates a portion of the lower limb device of FIG. 17A showing a passive parallel elastic element. 図17Bの装置の受動的な並列弾性要素を示す図である。FIG. 18B shows a passive parallel elastic element of the apparatus of FIG. 17B. 本発明の例示的な一実施形態による、図17Cの受動的な並列弾性要素に対する自由体図である。18 is a free body diagram for the passive parallel elastic element of FIG. 17C, according to an illustrative embodiment of the invention. FIG. 本発明の例示的な一実施形態による、図17Aの装置の構造要素(ピラミッド)を示す斜視図である。FIG. 17B is a perspective view showing structural elements (pyramids) of the apparatus of FIG. 17A, according to an illustrative embodiment of the invention. 本発明の例示的な一実施形態による、図17Aの下肢部材に印加される軸力およびモーメントを測定するための代替的方法を示す断面図である。FIG. 17B is a cross-sectional view illustrating an alternative method for measuring the axial force and moment applied to the lower limb member of FIG. 17A, according to an illustrative embodiment of the invention. 本発明の例示的な一実施形態による、プリント回路アセンブリ上の円形に配列した変位センサーを使用して平面内のモーメントベクトルおよび軸力を計算するための方法を示す図である。FIG. 6 illustrates a method for calculating in-plane moment vectors and axial forces using circularly arranged displacement sensors on a printed circuit assembly, according to an illustrative embodiment of the invention. 本発明の例示的な一実施形態による、図17〜17Gの装置とともに使用する状態およびアクチュエータコントローラを示す略図である。18 is a schematic diagram illustrating a state and actuator controller for use with the apparatus of FIGS. 17-17G, according to an illustrative embodiment of the invention. 本発明の例示的な一実施形態による、義足装置の電気的等価回路を示す配線略図である。2 is a schematic wiring diagram illustrating an electrical equivalent circuit of a prosthetic leg device, according to an illustrative embodiment of the invention. 装置を制御する際に使用されるセンサー測定結果を含む図17Iの電気回路の配線略図である。FIG. 18B is a schematic wiring diagram of the electrical circuit of FIG. 17I including sensor measurement results used in controlling the device. 本発明の例示的な一実施形態による、受動的な直列弾性部材を示す図である。FIG. 3 illustrates a passive series elastic member, according to an illustrative embodiment of the invention. 本発明の例示的な一実施形態による、受動的な直列弾性部材を示す図である。FIG. 3 illustrates a passive series elastic member, according to an illustrative embodiment of the invention. 本発明の例示的な一実施形態による、受動的な直列弾性部材を示す図である。FIG. 3 illustrates a passive series elastic member, according to an illustrative embodiment of the invention. 本発明の例示的な一実施形態による、受動的な直列弾性部材を示す図である。FIG. 3 illustrates a passive series elastic member, according to an illustrative embodiment of the invention. 本発明の例示的な一実施形態による、直列板バネを組み込んだ義足装置を示す図である。FIG. 3 shows a prosthetic device incorporating a series leaf spring, according to an illustrative embodiment of the invention. 本発明の例示的な一実施形態による、代替的直列バネを使用する義肢装置を示す図である。FIG. 6 shows a prosthetic device using an alternative series spring, according to an illustrative embodiment of the invention. 本発明の例示的な一実施形態による、代替的直列バネを使用する義肢装置を示す図である。FIG. 6 shows a prosthetic device using an alternative series spring, according to an illustrative embodiment of the invention. 本発明の例示的な一実施形態による、さまざまな義足、下肢装具および外骨格装置において使用することができる線形アクチュエータを示す斜視図である。1 is a perspective view showing a linear actuator that can be used in various prosthetic legs, lower limb orthoses and exoskeleton devices, according to an illustrative embodiment of the invention. FIG. 図20Aの線形アクチュエータを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the linear actuator of FIG. 20A. 本発明の例示的な一実施形態による、さまざまな義足、下肢装具および外骨格装置において使用することができる線形アクチュエータを示す斜視図である。1 is a perspective view showing a linear actuator that can be used in various prosthetic legs, lower limb orthoses and exoskeleton devices, according to an illustrative embodiment of the invention. FIG. 本発明の例示的な一実施形態による、下肢装具または外骨格装置(着用型ロボット膝装具)を示す概略上面図である。1 is a schematic top view of a lower limb brace or exoskeleton device (wearable robot knee brace), according to an illustrative embodiment of the invention. FIG. 図22Aの装置の側面図である。FIG. 22B is a side view of the device of FIG. 22A. 図22Aおよび22Bの装置の膝関節駆動アセンブリの内側部分を示す略図である。FIG. 22D is a schematic diagram illustrating the inner portion of the knee joint drive assembly of the apparatus of FIGS. 22A and 22B. 傾斜面上の人間のバランスの問題を示す略図である。6 is a schematic diagram illustrating the problem of human balance on an inclined surface. 着用者による可変膝屈曲に基づくバランスの問題に対する許容可能な解決策を示す略図である。Fig. 6 is a schematic diagram showing an acceptable solution to the problem of balance based on variable knee flexion by the wearer. 人体の表現と平地にいる着用者のバランスをとるために固有の感知機能を使用する方法を示す略図である。FIG. 6 is a schematic diagram showing how to use a unique sensing function to balance the representation of the human body and the wearer on the ground. 本発明の例示的な一実施形態による、着用者がイスから立ち上がるときの着用者のバランスをとる方法を示す略図である。FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a method for balancing a wearer when the wearer stands up from a chair, according to an illustrative embodiment of the invention. 本発明の例示的な一実施形態による、着用者がイスから立ち上がるときの着用者のバランスをとる方法を示す略図である。FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a method for balancing a wearer when the wearer stands up from a chair, according to an illustrative embodiment of the invention. 本発明の例示的な一実施形態による、着用者がイスから立ち上がるときの着用者のバランスをとる方法を示す略図である。FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a method for balancing a wearer when the wearer stands up from a chair, according to an illustrative embodiment of the invention. 移動の仕事の定義を示す図である。It is a figure which shows the definition of the work of movement. 股関節衝撃力の定義を示す図である。It is a figure which shows the definition of a hip joint impact force. 図26は、歩行運動の間に通常の人の歩行の生体力学的特徴を示す。FIG. 26 shows the biomechanical characteristics of normal human walking during a walking movement. 図27は、大腿四頭筋低下が平地上の歩行運動に影響する生体力学的メカニズムを示す。FIG. 27 shows the biomechanical mechanism by which quadriceps decline affects the walking motion on the flat ground. 図28は、通常の歩行運動を復元するように、膝装置がどのように使用されるかを示す。FIG. 28 shows how the knee device is used to restore normal walking motion. 図29Aは、健康な人の立ち上がりのシーケンスを示す。FIG. 29A shows a rising sequence of a healthy person. 図29Bは、健康な人の立ち上がりのシーケンスを示す。FIG. 29B shows a rising sequence of healthy persons. 図29Cは、健康な人の立ち上がりのシーケンスを示す。FIG. 29C shows a rising sequence of healthy persons. 図29Dは、健康な人の立ち上がりのシーケンスを示す。FIG. 29D shows a rising sequence of healthy persons. 図30Aは、障害のある患者の同じ立ち上がりのシーケンスを実装するのにおける問題を示す。FIG. 30A illustrates a problem in implementing the same rising sequence of patients with disabilities. 図30Bは、障害のある患者の同じ立ち上がりのシーケンスを実装するのにおける問題を示す。FIG. 30B illustrates a problem in implementing the same sequence of rising up patients with disabilities. 図30Cは、障害のある患者の同じ立ち上がりのシーケンスを実装するのにおける問題を示す。FIG. 30C illustrates a problem in implementing the same rising sequence of patients with disabilities. 図30Dは、障害のある患者の同じ立ち上がりのシーケンスを実装するのにおける問題を示す。FIG. 30D illustrates a problem in implementing the same sequence of rises for a disabled patient. 図31Aは、障害のある患者の立ち上がりのシーケンスを補助するように、膝装置がどのように使用されるかを示す。FIG. 31A shows how the knee device is used to assist in the sequence of standing up a disabled patient. 図31Bは、障害のある患者の立ち上がりのシーケンスを補助するように、膝装置がどのように使用されるかを示す。FIG. 31B shows how the knee device is used to assist in the sequence of standing up a disabled patient. 図31Cは、障害のある患者の立ち上がりのシーケンスを補助するように、膝装置がどのように使用されるかを示す。FIG. 31C shows how the knee device is used to assist in the sequence of standing up a disabled patient. 図31Dは、障害のある患者の立ち上がりのシーケンスを補助するように、膝装置がどのように使用されるかを示す。FIG. 31D shows how the knee device is used to assist in the sequence of standing up a disabled patient.

(好ましい実施形態の詳細な説明)
発明者らは、日常の流れの中で、階段を上り下りする、傾斜面を歩行するなど、通常の歩行に加えて多くの異なる活動を行い、それに適応するために人の下肢が使用されることを認識している。下腿コンポーネントは、下にある地形と最も直接的に接触しているため、最も大きい力を必要とし、地形に対する適応性が最も高い動作を示さなければならない。発明者らは、異なる方法でデバイスの機械的特性を動的に最適化し、それらの活動のそれぞれに対し異なる方法でデバイスを動的に制御することによってAFPの性能を劇的に改善できることをさらに認識した。
Detailed Description of Preferred Embodiments
Inventors use the lower limbs of humans to perform and adapt to many different activities in addition to normal walking, such as going up and down stairs and walking on slopes in daily flow I recognize that. The lower leg component requires the greatest force and must exhibit the most adaptable motion to the terrain because it is in direct contact with the underlying terrain. The inventors have further shown that the performance of AFP can be dramatically improved by dynamically optimizing the mechanical properties of the device in different ways and dynamically controlling the device in different ways for each of their activities. Recognized.

例えば、人が平地を歩行しているときに、踵が足を下げて地面に接触させたときの足指より低くなるように足の角度を制御するのがよい。しかし、人が階段を上っているときには、足指が足を下げて次の段に接触させたときの踵より低くなるように足の角度を制御するのがよい。   For example, when a person is walking on a flat ground, the angle of the foot may be controlled so that the heel is lower than the toes when the foot is lowered and brought into contact with the ground. However, when a person is climbing the stairs, it is better to control the angle of the foot so that the toes are lower than the heel when the foot is lowered and brought into contact with the next step.

本出願では、横切られる地形を検出し、その検出された地形に自動的に適応するようにすることによってこれらの異なる状況のそれぞれにおいて適切な動作をするAFPのさまざまな実施形態について説明する。いくつかの実施形態では、これらの状況のそれぞれについて構築されるAFPを制御する能力は、(1)実行される活動を決定する機能、(2)実行されている活動に基づいてAFPの特性を動的に制御する機能、(3)実行されている活動に基づいてAFPを動的に駆動する機能、(4)地形の質感、凹凸(例えば、地形の粘着性、地形の滑りやすさ、地形の粗さまたは滑らかさ、地形に岩などの障害物があるかどうか)を判定し、これらに適切な牽引制御で応答する機能、および(5)動的制御および動的駆動に応答することができるAFPの機械的設計の5つの基本的機能に基づく。   In this application, various embodiments of AFP are described that operate appropriately in each of these different situations by detecting the terrain being traversed and automatically adapting to the detected terrain. In some embodiments, the ability to control the AFP built for each of these situations includes (1) the ability to determine the activity to be performed, and (2) the characteristics of the AFP based on the activity being performed. Functions to dynamically control, (3) functions to dynamically drive the AFP based on the activity being performed, (4) terrain texture, irregularities (eg, terrain stickiness, terrain slipperiness, terrain) The ability to respond to these with appropriate traction control, and (5) to respond to dynamic control and dynamic drive. Based on the five basic functions of the mechanical design of possible AFP.

発明者らは、実行されている活動を見いだすための例示的な方法は、足関節と膝関節との間の下肢(または脛部)上のスポットの軌跡(典型的には足関節の回転の仮想中心のところの)を追跡することであると判断した。図6Aは、5つの異なる活動に対応する脛軌跡を示しており、追加の斜面軌跡は急斜面と緩斜面とを区別する。システムでは、この情報を使用して、追跡される軌跡を一組の活動にマッピングすることによってどのような活動が実行されているかを見いだすことができる。   The inventors have found that an exemplary method for finding the activity being performed is a spot trajectory (typically ankle rotation) on the lower limb (or shin) between the ankle and knee joints. It was decided to track the virtual center). FIG. 6A shows shin loci corresponding to five different activities, with the additional slope trajectory distinguishing steep and gentle slopes. The system can use this information to find out what activity is being performed by mapping the tracked track to a set of activities.

下肢(脛部)の軌跡を調べることによって、平坦な地形、上昇階段、下降階段、上昇斜面、または下降斜面を区別することが可能である。例えば、システムが軌跡を認識する場合、適切なモードに切り替えて、そのモードについてすでに確立されているとおりにAFPを動的に制御(駆動)する。軌跡が分類の範囲にきちんと入らない場合、AFPコントローラが、確率制御の意味で目的関数を最小化するように応答を最適化するか、または地形が分類の範囲内に収まる確率に基づいてファジー論理またはアドホック制御を適用する。   By examining the trajectory of the lower limb (shin part), it is possible to distinguish flat terrain, ascending stairs, descending stairs, ascending slope, or descending slope. For example, if the system recognizes a trajectory, it switches to the appropriate mode and dynamically controls (drives) the AFP as already established for that mode. If the trajectory does not fall within the classification range, the AFP controller optimizes the response to minimize the objective function in the sense of probability control, or fuzzy logic based on the probability that the terrain falls within the classification range. Or apply ad hoc control.

脛部の軌跡を追跡する好適な1つの方法は、慣性計測装置(IMU)を下肢部材(脛部)の上の前方面に取り付けて、IMUによって出力される信号を処理することによる方法である。さまざまな軌跡を区別する好適な方法は、足関節迎え角の速度を監視することである。これらの話題について、以下でさらに詳しく説明する。   One preferred method of tracking the shin locus is by attaching an inertial measurement unit (IMU) to the anterior surface above the lower limb member (shin) and processing the signal output by the IMU. . A preferred way to distinguish the various trajectories is to monitor the velocity of the ankle angle of attack. These topics are described in more detail below.

機械的特性を動的に最適化することと異なる活動のそれぞれについて異なる方法でデバイスを動的に制御することに加えて、発明者らは、デバイスの性能がさまざまなパラメータに基づいてAFPの特性および制御の微調整を行うことによってさらに改善されうることを認識している。   In addition to dynamically optimizing the mechanical properties and dynamically controlling the device in different ways for each of the different activities, the inventors have determined that the performance of the device depends on various parameters. And recognize that further refinement of the control can be made.

例えば、人がゆっくり(例えば、毎秒0.9メートル未満の速度で)歩行している場合、通常の歩行に使用されるインピーダンスに関して足関節のインピーダンスを高めることによって性能を改善することができる。または、人が速く(例えば、毎秒1.7メートルの速度で)歩行している場合、通常の歩行に使用されるインピーダンスに関して足関節のインピーダンスを低くすることによって性能を改善することができる。   For example, when a person is walking slowly (eg, at a speed of less than 0.9 meters per second), performance can be improved by increasing the ankle impedance relative to the impedance used for normal walking. Alternatively, if a person is walking fast (eg, at a speed of 1.7 meters per second), performance can be improved by lowering the ankle impedance relative to the impedance used for normal walking.

それに加えて、通常の地形を横切るときに予想したとおりに足関節が応答しないとコントローラが判定した場合、コントローラは、その地形に特徴、質感、または凹凸がありえること(例えば、地形の粘着性、地形の滑りやすさ、地形の粗さまたは滑らかさ、地形に岩などの障害物があるかどうか)を考慮する(そしてコントローラの出力を修正する)ことができる。   In addition, if the controller determines that the ankle does not respond as expected when crossing normal terrain, the controller may have features, textures, or irregularities in the terrain (eg, terrain stickiness, Terrain slipperiness, terrain roughness or smoothness, whether the terrain has obstacles such as rocks, etc.) (and modify the controller output).

上に識別された5つの機能のそれぞれ(つまり、実行されている活動を見いだす機能、地形の特徴、質感、もしくは凹凸があるかどうかを見いだす機能、AFPの特性を動的に制御する機能、AFPを動的に駆動する機能、およびAFPの機械的設計)について、以下でさらに詳しく説明する。   Each of the five functions identified above (i.e., the ability to find out the activity being performed, the feature of the terrain, the texture, or the presence of irregularities, the ability to dynamically control the characteristics of the AFP, AFP Will be described in more detail below.

実行されている活動の判定
慣性姿勢および軌跡の推定
図2は、足関節200に結合された下肢部材220の慣性姿勢に基づく義肢、装具、または外骨格装置(例えば、図17Aの装置1700)の足関節200、踵212、および爪先216の軌跡、ならびに下肢部材220と足部材208とがなす角度を判定するための方法を示す略図である。姿勢は、座標系の位置と配向である。装置1700は、下肢部材220に結合された慣性計測装置204を含む。慣性計測装置204は、角速度を測定するための3軸レートジャイロおよび加速度を測定するための3軸加速度計を備える。慣性計測装置を下肢部材220に配置することで、下肢部材220の3本の軸すべてに対する角速度および加速度の測定が一緒に行われる。慣性計測装置204は、下肢部材220の姿勢、慣性(世界座標系を基準とする)配向、および足関節200(足関節−足の回転の中心)の配置の自由度6の推定を行う。
Determination of Activity Performed Inertial Posture and Trajectory Estimation FIG. 2 illustrates a prosthetic, orthotic, or exoskeleton device (eg, device 1700 of FIG. 17A) based on the inertial posture of a lower limb member 220 coupled to an ankle joint 200. 6 is a schematic diagram illustrating a method for determining the trajectory of the ankle joint 200, the heel 212, and the toe 216 and the angle formed by the lower limb member 220 and the foot member 208; The posture is the position and orientation of the coordinate system. Device 1700 includes inertial measurement device 204 coupled to lower limb member 220. The inertial measurement device 204 includes a triaxial rate gyro for measuring angular velocity and a triaxial accelerometer for measuring acceleration. By placing the inertial measurement device on the lower limb member 220, the angular velocity and acceleration are measured together for all three axes of the lower limb member 220. The inertial measurement device 204 estimates the degree of freedom 6 of the posture of the lower limb member 220, the inertia (based on the world coordinate system) orientation, and the placement of the ankle joint 200 (ankle joint—the center of foot rotation).

いくつかの実施形態において、下肢部材220の姿勢は、膝関節の瞬間的配置を計算するために使用される。膝関節200の角度(θ)を知ることによって、踵212と爪先216の配置を含む、足208の底部の瞬間的姿勢を計算することができる。この情報は、次いで、足部材208が平たいときに、足関節/足部材の回転軸によって画定される平面内の地形角度を測定するために使用されうる。慣性計測装置204を下肢部材220上に取り付けることは、他の潜在的な配置に勝る利点を有する。足部材208上に取り付けられた場合とは異なり、下肢部材220の取り付けでは、物理的誤用が防止され、浸水が回避される。さらに、足部材208に付ける場合には何らかの形で必要になるであろうケーブルによる繋留が不要になり、機械的および電気的完全性が確実にされる。最後に、下肢部材220は、ハイブリッドシステム(図15を参照)の運動学的連鎖内の中央に配置され、これにより、追加センサーを最小限に抑えて大腿部および胴体の姿勢を計算することが容易になる。   In some embodiments, the posture of the lower limb member 220 is used to calculate the instantaneous placement of the knee joint. Knowing the angle (θ) of the knee joint 200, the instantaneous posture of the bottom of the foot 208, including the placement of the heel 212 and the toe 216, can be calculated. This information can then be used to measure the terrain angle in a plane defined by the ankle / foot member rotation axis when the foot member 208 is flat. Mounting the inertial measurement device 204 on the lower limb member 220 has advantages over other potential placements. Unlike mounting on the foot member 208, mounting the lower limb member 220 prevents physical misuse and avoids flooding. In addition, tethering with a cable that would otherwise be required when attached to the foot member 208 is not required, ensuring mechanical and electrical integrity. Finally, the lower limb member 220 is centrally located in the kinematic chain of the hybrid system (see FIG. 15), thereby calculating the femoral and torso posture with minimal additional sensors. Becomes easier.

慣性計測装置204は、地面を基準とする世界座標系内の義足装置の配向   The inertial measurement device 204 is an orientation of the artificial leg device in the world coordinate system with respect to the ground.

、位置 ,position

、および速度 , And speed

を計算するために使用される。四元数、または世界座標系に関する足関節のx、y、およびz軸の配向を定義する単位ベクトルの3×3行列によって Used to calculate By a quaternion, or a 3 × 3 matrix of unit vectors that define the x, y, and z axis orientations of the ankle with respect to the world coordinate system

が表現されうる。足関節200は、その配向が下肢部材220に結び付けられている足関節の回転軸の中心に位置決めされるように画成される。この中心点から、位置、速度、および加速度が計算されうる。例えば、足(例えば、踵212または爪先216)の注目する点について、位置を導出するために足部材−足関節配向変換 Can be expressed. The ankle joint 200 is defined such that its orientation is centered on the axis of rotation of the ankle joint associated with the lower limb member 220. From this center point, position, velocity, and acceleration can be calculated. For example, for a point of interest on a foot (eg, heel 212 or toe 216), a foot member-foot joint orientation transformation to derive a position

が使用され、その際に関係式 Is used and the relational expression

を使用するが、
ただし、式中
Use
However, in the formula

であり、
式中、γは慣性下肢部材角度であり、
And
Where γ is the inertial leg member angle,

であり、
式中、θは足関節の角度である。
And
In the equation, θ is the angle of the ankle joint.

この実施形態では、3軸加速度計および3軸レートジャイロを含む、慣性計測装置204は、下肢部材220の上の前方面上に配置される(例えば、図17Aに示されているように)。加速度計およびレートジャイロの信号の数値積分によって持ち込まれる世界座標系の配向、速度、および位置の推定に対する縮尺、ドリフト、およびクロスカップリングの影響を排除する必要がある。   In this embodiment, the inertial measurement device 204, including a 3-axis accelerometer and a 3-axis rate gyro, is placed on the anterior surface above the lower limb member 220 (eg, as shown in FIG. 17A). There is a need to eliminate the effects of scale, drift, and cross-coupling on global coordinate system orientation, velocity, and position estimates introduced by numerical integration of accelerometer and rate gyro signals.

ゼロ速度更新
慣性航法システムでは、典型的には、長い、通常は、数秒から数分の期間にわたって定期的に平均をとることによるゼロ速度更新(ZVUP)を使用する。慣性計測装置のこのような配置は、義足装置内においてほとんど静止していない。しかし、足の底は、唯一静止している場所であり、次いで、歩行周期には唯一の制御背屈状態である。本発明のさまざまな実施形態とともに使用するうえで、この制限の影響を受けない、例示的なゼロ速度更新法について、以下でさらに説明する。
Zero Speed Update Inertial navigation systems typically use zero speed update (ZVUP) by averaging regularly over a period of time, usually seconds to minutes. Such an arrangement of the inertial measuring device is hardly stationary in the prosthetic device. However, the sole of the foot is the only place where it is stationary and then the only controlled dorsiflexion state during the walking cycle. An exemplary zero rate update method that is not affected by this limitation for use with various embodiments of the present invention is further described below.

この問題を解決するために、足関節の配向、速度、および位置の積分を実行する。慣性計測装置の加速度IMUaを2値化した後、足関節加速度 To solve this problem, ankle orientation, velocity and position integration is performed. After binarizing the acceleration IMU a of the inertial measurement device, the ankle joint acceleration

は、剛体の運動方程式 Is the equation of motion of the rigid body

によって導出されるが、ただし、式中、 Where, where

および and

はそれぞれ慣性計測装置の座標系内の角速度と角加速度のベクトルであり、Xは外積を表す。 Are vectors of angular velocity and angular acceleration in the coordinate system of the inertial measurement device, respectively, and X represents an outer product.

関係式   Relational expression

は、標準のストラップダウン慣性計測装置積分法を使用し、当業者に知られている関係式 Uses standard strapdown inertial instrument integration methods and is known to those skilled in the art.

に従って、式1〜3の場合と同様に解かれる。上記の式5〜14において、行列 Is solved in the same manner as in the case of Equations 1 to 3. In equations 5-14 above, the matrix

は、配向行列 Is the orientation matrix

と入れ替えて使用される。 Used interchangeably.

次いで、世界座標系基準の足関節の速度および位置を、   Then, the speed and position of the ankle joint based on the world coordinate system

に基づいて前のゼロ速度更新(i番目のゼロ速度更新)の時点以降の時点において導出するが、ただし、式中、 Derived at a time after the previous zero speed update (i th zero speed update), where

はすべてのiについてゼロにリセットされる。 Is reset to zero for all i.

実験を通じて、例示的な義足装置(例えば、図17Aの義足装置1700)から得られた慣性計測装置データのログを使用することで、慣性計測装置基準加速度は、制御背屈状態においてz加速度が約1g(約9.8m/s)に等しく、z加速度の分散が所定の値(<0.005g)より小さい場合に約50.75秒および50.9秒と早い時期に−−下肢部材220が静止している足関節200に関して回転しているある期間を示す−−十分に静穏である(図2Bを参照)と判断した。この技術の他の実施形態では、好適な静穏期間は足のある部分において検出することができる。足関節の知られている加速度、角速度、および角加速度と、感知された足間節の知られている角度(足部材と下肢部材とがなす角度)、角速度、および角加速度とを組み合わせることで、足の任意の点における加速度を計算することができる。足の底部のある点は、多くの場合に、連続する歩行周期においてゼロ速度更新を実行するために使用されうる。この速度が知られた後、足関節の速度は、経験的に計算して求めることができる。この速度(ゼロではない)を、ゼロ速度更新を実行する際の基準として使用することができる。 Through the experiment, by using a log of inertial measurement device data obtained from an exemplary prosthetic device (eg, prosthetic device 1700 of FIG. 17A), the inertial measurement device reference acceleration is approximately z-accelerated in a controlled dorsiflexion state. It equals 1 g (about 9.8m / s 2), the dispersion is a predetermined value of z acceleration (<0.005 g 2) about 50.75 seconds is smaller than and 50.9 seconds and early - leg member Shows a period of time 220 is rotating with respect to a stationary ankle 200--determined to be sufficiently calm (see FIG. 2B). In other embodiments of this technique, a suitable quiet period can be detected in the part of the foot. By combining the known acceleration, angular velocity, and angular acceleration of the ankle joint with the known angle of the sensed foot joint (the angle formed by the foot member and the leg member), angular velocity, and angular acceleration. , Acceleration at any point on the foot can be calculated. A point at the bottom of the foot can often be used to perform a zero speed update in successive walking cycles. After this speed is known, the ankle speed can be calculated empirically. This speed (not zero) can be used as a reference in performing a zero speed update.

義足装置では、静穏期間はほぼ常に制御背屈状態において存在し、したがってゼロ速度更新は、着用者が一歩一歩踏み出す毎に実行されうる。それぞれのゼロ速度更新において、好ましくは評価する速度誤差にそれぞれ寄与する3つの項は、x軸を中心とする世界座標系のz軸の先端δθ(前のステップにおけるゼロ速度更新のときの足間節の回転軸に揃えられているベクトル)、y軸を中心とする世界座標系のz軸の傾きδθ(世界座標系の垂直軸(重力ベクトルと反対)と世界座標系のx軸との外積として定義されるベクトル)、および垂直軸にそった慣性計測装置スケーリングδgである。これらの項の値は、計算された姿勢、慣性配向、および前の計算された姿勢ならびに装置の異なるコンポーネント(例えば、図17Aの下肢部材1712)の慣性配向を補正するために使用される。
配向、速度、および位置の積分を実行しながら、誤差のベクトルα=[δθδθδg]によって持ち込まれるであろう速度誤差に関係する感度行列M(t)を計算する。M(t)は、関係式
In a prosthetic device, the quiet period is almost always present in a controlled dorsiflexion state, so a zero speed update can be performed each time the wearer steps out. In each zero velocity update, preferably the three terms that each contribute to the velocity error to be evaluated are the z-axis tip δθ x of the world coordinate system centered on the x axis (the feet at the zero velocity update in the previous step). Vector aligned with the rotation axis of the internode), z-axis tilt δθ y of the world coordinate system around the y- axis (vertical axis of the world coordinate system (opposite of the gravity vector) and x-axis of the world coordinate system) ), And inertial instrument scaling δg along the vertical axis. The values of these terms are used to correct the calculated posture, inertial orientation, and the previous calculated posture and inertial orientation of different components of the device (eg, leg member 1712 of FIG. 17A).
While performing orientation, velocity, and position integration, calculate a sensitivity matrix M (t) related to the velocity error that would be introduced by the error vector α = [δθ x δθ y δg] T. M (t) is a relational expression

に基づいており、ここで、M(t)は数値積分され、全体的な終速度感度M* Where M (t) is numerically integrated and the overall final velocity sensitivity M *

を生成する。いくつかの実施形態では、誤差のベクトルを拡張し、これらの誤差が有意である場合に加速度計のバイアスオフセットを含めるようにし、これにより、M(t)およびM*の列の数を増やす。この場合、M*−1は、ペンローズ議事逆行列の形をとるか、または最適な確信利得により、K*の形をとる。Kは、標準的な最適線形フィルタリング法を使用して計算されうる。当業者であれば、一般性を失うことなく他の項も含めるか、または使用することができる。 Is generated. In some embodiments, the error vectors are expanded to include accelerometer bias offsets when these errors are significant, thereby increasing the number of columns of M (t) and M *. In this case, M * -1 takes the form of a Penrose parliamentary inverse matrix or K * with an optimal confidence gain. K * can be calculated using standard optimal linear filtering methods. Those skilled in the art can include or use other terms without loss of generality.

ステップiに対するゼロ速度更新では、推定される非ゼロの足関節速度   For the zero speed update for step i, the estimated non-zero ankle joint speed

を生成したであろうαの値は、 The value of α that would have generated

に基づいて決定され、式中、αは、革新補正ベクトル(innovations correction vector)である。一部は加速度計および角速度測定結果のノイズにより速度がゼロでなくなるため、革新補正(α)のすべてが適用される訳ではない。その代わりに、ノイズの大きさに応じて、フィルタリング定数(分数)kで補正をスケーリングする。この時点において、新規配向行列 Where α is an innovations correction vector. Not all innovation corrections (α) are applied because some speeds are not zero due to noise in accelerometer and angular velocity measurement results. Instead, the correction is scaled by a filtering constant (fraction) k depending on the magnitude of the noise. At this point, the new orientation matrix

および重力の大きさ(g)は、 And the magnitude of gravity (g) is

g(ZVUP)=g(ZVUP)−kα(3) 式21
に基づいて決定されるが、ただし、式中、O(tip)およびO(tilt)はそれぞれx軸およびy軸を中心とする先端および傾きの増分的な回転を表し、
g (ZVUP + ) = g (ZVUP ) −kα (3) Equation 21
Where O x (tip) and O y (tilt) represent the tip and tilt incremental rotations about the x and y axes, respectively,

および and

は、それぞれZVUPの前後の時間を表す。 Represents the time before and after ZVUP.

ゼロ速度更新を拡張して、線形推定量を使用して加速度計およびレートジャイロのバイアスオフセットを推定することが可能である。一致する角度アラインメント誤差(例えば、与えられた軸を中心とする)を使用して、その軸を中心とするレートジャイロのバイアスを推定することも可能である。一実施形態では、これは、加速度計およびレートジャイロのバイアスの線形確率論的モデルを作成し、ゼロ速度更新予測残差をこれらのモデルに適用される線形フィルターへの入力として使用することによって実行される。   The zero velocity update can be extended to estimate accelerometer and rate gyro bias offsets using linear estimators. It is also possible to use a matching angular alignment error (eg, centered on a given axis) to estimate the rate gyro's bias about that axis. In one embodiment, this is done by creating linear stochastic models of accelerometer and rate gyro bias and using the zero velocity update prediction residual as an input to a linear filter applied to these models. Is done.

上述の方法は、配向および見かけの重力の大きさを継続的に更新するための一方法である。この実施形態では、義足装置が最初に電源オンされるときに初期化手順が使用される。この方法において、着用者は、装置から(例えば、装置もしくは代替的ユーザーインターフェイスによって伝送される振動コードによる)要求が出たときに、一歩前進して止まり、次いで、元の位置へ一歩後退する。このプロセスにおいて、影響のある脚で歩みを進める(二肢切断患者では、この較正は、肢切断患者によって選択されたとおりに直列方式で実行される)。この較正では、2つのZVUPを呼び出し、一方は配向と重力の大きさを初期化し、他方は結果をチェックする。これにより、慣性計測装置の信号、処理、およびコントローラの通信の完全性が確実なものとなる。   The method described above is one method for continuously updating the orientation and the apparent magnitude of gravity. In this embodiment, an initialization procedure is used when the prosthetic device is first powered on. In this manner, the wearer moves forward one step and stops one step back to its original position when a request is made from the device (eg, by a vibration code transmitted by the device or alternative user interface). In this process, we walk with the affected leg (in a bilimb amputee, this calibration is performed in a serial fashion as selected by the amputee). In this calibration, two ZVUPs are invoked, one initializes the orientation and gravity magnitude, and the other checks the result. This ensures the integrity of the inertial measurement device signals, processing, and controller communication.

上記プロセスは、慣性配向の初期化を実行する。しかし、加速度計内に具現化されるバイアスオフセット、スケール、および交差感受性、ならびにジャイロの信号を含むベクトルである、誤差源のベクトル(ε)を考慮するために、IMUの完全な較正を実行することは一般的な関心事項である。製造において、ロボットまたは自由度6の機械は、IMUを搬送し、これらの誤差源の効果を測定する手段として基準軌跡を連続して適用することができる。誤差源のそれぞれへの感知された基準軌跡の感度行列(M(ε))は、当業者であれば容易に計算することができる。一組の多数の基準軌跡からの感知された逸脱−典型的には、それぞれの軌跡セグメントの終点の逸脱−を測定することによって、回帰または他の線形推定法を使用してベクトル(ε)を推定することができるが、ただし、この一組の基準軌跡は、それぞれの誤差源の影響を刺激するのに十分多いものとする。発明者らは、3つの直交面における多角形および円形のような閉路を含む基準軌跡が、誤差源の完全なベクトルを較正するのに十分であることを見いだした。このような基準軌跡は、例えば、水平面上を閉じたパターンのシーケンスで歩行し、垂直軸を中心として順に回転することによって、ベクトルの重要な要素(加速度計のバイアス、スケール、および交差感度)を再較正するために着用者によっても導かれうる。   The above process performs initialization of inertial orientation. However, perform a full calibration of the IMU to take into account the error offset vector (ε), which is the vector containing the bias offset, scale, and cross-sensitivity, and the gyro signal embodied in the accelerometer. That is a general concern. In manufacturing, a robot or 6-degree-of-freedom machine can carry the IMU and apply the reference trajectory continuously as a means of measuring the effects of these error sources. The sensitivity matrix (M (ε)) of the sensed reference trajectory to each of the error sources can be easily calculated by those skilled in the art. By measuring the perceived deviation from a set of multiple reference trajectories—typically, the deviation of the end of each trajectory segment—the vector (ε) is used using regression or other linear estimation methods. However, it is assumed that this set of reference trajectories is sufficiently large to stimulate the influence of the respective error sources. The inventors have found that a reference trajectory including a cycle such as a polygon and a circle in three orthogonal planes is sufficient to calibrate the complete vector of error sources. Such a reference trajectory, for example, walks in a sequence of closed patterns on the horizontal plane and rotates in turn around the vertical axis, thereby resolving important vector elements (accelerometer bias, scale, and cross sensitivity). It can also be guided by the wearer to recalibrate.

本発明のいくつかの実施形態において、方法のこれらの原理は、例えば、義肢、装具、または外骨格装置が着用者の身体のこれらの部分を治療し、その性能を補強する着用者の大腿部材および/または胴体上に配置された加速度計およびレートジャイロに関連付けられている加速度計およびレートジャイロのドリフト誤差の影響を補正するか、または最小にするステップに対しても同様に応用される。一実施形態では、方法は、義肢または装具の歩行周期において足関節が実質的に静止状態のときに義肢または装具の大腿部材に結合されている加速度計およびレートジャイロによって出力される加速度計信号およびレートジャイロ信号に対するオフセット値を決定するステップを含む。この方法は、大腿部材に対して下肢部材がなす角度を測定するステップも含むことができる。他の実施形態では、この方法は、義肢または装具の歩行周期において足関節が実質的に静止状態のときに着用者の胴体に結合されている加速度計およびレートジャイロによって出力される加速度計信号およびレートジャイロ信号に対するオフセット値を決定するステップも含む。この方法は、着用者の胴体に対して大腿部材がなす角度を測定するステップも含むことができる。したがって、これらの方法は、図16に示されているように、これらの測定を実行し、リンケージ制約関係式および関係する方法に利用することによって着用者の大腿部材および/または胴体に拡大適用することができる。ゼロベクトル速度更新のときに、リンケージ制約により、運動学的連鎖における最低リンク(例えば、人−ロボットハイブリッドシステムを定めるリンケージ)の地面基準ゼロ速度からの関節速度基準の後方伝搬が可能になる。これらの速度基準は、上で定義されているように姿勢再アライメントおよび重力補正への入力として使用することができる。   In some embodiments of the present invention, these principles of the method include, for example, a wearer's femoral member in which a prosthesis, brace, or exoskeleton device treats these portions of the wearer's body and reinforces its performance. The same applies to the step of correcting or minimizing the effects of accelerometer and rate gyro drift errors associated with accelerometers and rate gyros located on the fuselage. In one embodiment, the method includes an accelerometer signal output by an accelerometer and a rate gyro coupled to a prosthetic or orthotic thigh member when the ankle joint is substantially stationary during the prosthetic or orthotic walking cycle; Determining an offset value for the rate gyro signal. The method can also include measuring an angle formed by the lower limb member with respect to the femoral member. In other embodiments, the method includes an accelerometer signal output by an accelerometer and a rate gyro coupled to the wearer's torso when the ankle joint is substantially stationary during the prosthetic or orthotic walking cycle, and Also included is determining an offset value for the rate gyro signal. The method can also include the step of measuring the angle the thigh member makes with the wearer's torso. Accordingly, these methods are extended to the wearer's femoral member and / or torso by performing these measurements and utilizing them in linkage constraint equations and related methods, as shown in FIG. be able to. During zero vector velocity updates, linkage constraints allow for back propagation of the joint velocity reference from the ground-based zero velocity of the lowest link in the kinematic chain (eg, the linkage defining the human-robot hybrid system). These velocity criteria can be used as input to attitude realignment and gravity correction as defined above.

例示的な足関節の軌跡および地形状況の弁別
慣性計測装置のオフセットが計算され、補正(ゼロ設定)された後、足の傾き(β)(踵の高さともいう)は、例えば図3に例示されているように決定される。この図解から、β=−(θ+γ)であることを考慮して、着用者が足底接地で立っているときにそれを確認することは容易である。約1/10秒の期間について平均をとることで、βの正確な推定値を求めることができる。それ以降、足と足関節のなす座標系
Discrimination of exemplary ankle trajectory and terrain situation After the inertial instrument offset is calculated and corrected (zeroed), the foot inclination (β) (also known as the height of the heel) is shown in FIG. Determined as illustrated. From this illustration, considering that β = − (θ + γ), it is easy to check when the wearer is standing at the sole ground. By taking an average over a period of about 1/10 second, an accurate estimate of β can be determined. Since then, the coordinate system of the foot and ankle joint

を定義する変換の配向成分は、 The orientation component of the transformation that defines

に基づいて計算される。前記のように、この変換の並進運動成分はゼロのままである。 Calculated based on As mentioned above, the translational motion component of this transformation remains zero.

足の傾きが定義された後、次いで、足の座標系における踵212および爪先216の座標を決定する必要がある。これを決定するための例示的な一方法では、   After the foot inclination is defined, it is then necessary to determine the coordinates of the heel 212 and the toe 216 in the foot coordinate system. One exemplary method for determining this is:

および and

は、新しい足の座標系における踵および爪先のベクトル座標として定義される。βの回転の寄与分はすでに組み込まれているため、これらのベクトルのz成分は同じである。これらのベクトルのx成分は、両方ともゼロであると想定することができる。したがって、これらのベクトルは、 Is defined as the vector coordinates of the heel and toes in the new foot coordinate system. Since the rotation contribution of β has already been incorporated, the z components of these vectors are the same. It can be assumed that the x components of these vectors are both zero. So these vectors are

の形式をとり、式中、zは足(靴)の底のz座標を定義する。 Where z 0 defines the z coordinate of the bottom of the foot (shoe).

図4は、本発明の例示的な一実施形態による、足の基準系内の足関節200に関する踵212および爪先216の座標を判定するための方法を示す略図である。図4において定義されている足部較正法の第1のステップで、足関節200のy座標を地面基準(例えば、歩道の継ぎ目、敷物の顕著な特徴、またはリノリウム床面)に揃える。ここで、この地面基準を世界座標系の原点として任意に定義する。数学的表記では、このアライメントは、   FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a method for determining the coordinates of the heel 212 and toe 216 with respect to the ankle joint 200 in the foot reference frame, according to an illustrative embodiment of the invention. In the first step of the foot calibration method defined in FIG. 4, the y-coordinate of the ankle joint 200 is aligned with the ground reference (eg, sidewalk seam, rug salient features, or linoleum floor). Here, this ground reference is arbitrarily defined as the origin of the world coordinate system. In mathematical notation, this alignment is

の形式をとり、式中、 In the formula,

はステップ2および3において実行される移動に対する開始位置である。第2のステップで、爪先216を地面基準上に置く。数学的表記では、このアライメントは、 Is the starting position for the movements performed in steps 2 and 3. In the second step, the toe 216 is placed on the ground reference. In mathematical notation, this alignment is

または Or

の形式をとる。 Takes the form

ステップ3におけるアライメントでも類似の関係が決定される。上記の式が独立に解かれた場合、zの2つの異なる推定値が得られる。これらの2つの制約式を1つにまとめることによって、Yheel、Ytoe、およびzの最小二乗推定を求めることができる。 Similar relationships are also determined in the alignment in step 3. If the above equation is solved independently, two different estimates of z 0 are obtained. By combining these two constraint equations into one, a least square estimate of Y heel , Y toe , and z 0 can be determined.

上で説明されている踵212および爪先216の較正方法は、はじめて一対の足/靴を履くときに使用される一連のステップを伴う。このような較正は、例えば、義肢装具士の事務所で実行されうる。   The heel 212 and toe 216 calibration method described above involves a series of steps used when first putting on a pair of feet / shoes. Such calibration can be performed, for example, at the office of a prosthetic orthosis.

他の例示的な方法では、踵および爪先のベクトルは、実行中に計算される。図5に示されているように、足関節200は、足接地と足底接地との間の立脚前半期において弧500を描く。弧500の半径および配向(中点角度)は、踵および爪先のベクトルを完全に決定する。数学的には、これは、立脚前半において記録される一連の足関節位置   In another exemplary method, the heel and toe vectors are calculated during execution. As shown in FIG. 5, the ankle joint 200 draws an arc 500 in the first half of the stance between the foot contact and the plantar contact. The radius and orientation (midpoint angle) of the arc 500 completely determines the heel and toe vectors. Mathematically, this is a series of ankle positions recorded in the first half of the stance

として記述される。2つの統計的に区別される下肢部材220(γ,)と足関節200の角度(θ,)位置に対応する、2つの足関節位置の測定が必要であり、 Is described as Measurement of two ankle positions corresponding to the angle (θ i ) position of two statistically distinct lower limb members 220 (γ i ) and ankle joint 200 is required,

となる。次いで、式の差分をとることで、ベクトル解は It becomes. Then, by taking the difference of the equations, the vector solution is

となる。この解は、(O(γ)O(θ)−O(γ)O(θ))が可逆であることを要求している。さらに、最適線形フィルタリングの観点から、この「利得行列」は、統計的に有意な結果が得られるように十分に大きくなければならない。 It becomes. This solution requires that (O (γ 2 ) O (θ 2 ) −O (γ 1 ) O (θ 1 )) is reversible. Furthermore, from the point of view of optimal linear filtering, this “gain matrix” must be large enough to obtain statistically significant results.

立脚前半期に義足装置が著しい振動を受けるという事実を考慮して、上記の式を足関節位置/角度測定結果のN個の集合に拡張することができる。その結果のN−1個の方程式を、ベクトルの最適推定を行う最小二乗法を使用して解くことができる。上記の方程式は、同様に、爪先接地で立脚前半期が開始したときの爪先ベクトルについて解くように構成される。   In view of the fact that the prosthetic device experiences significant vibration during the first half of the stance, the above equation can be extended to N sets of ankle position / angle measurement results. The resulting N-1 equations can be solved using a least squares method with an optimal vector estimation. The above equation is similarly configured to solve for the toe vector when the first half of stance starts with toe grounding.

図6Aは、平地(620)、5°の上昇斜面(624)、5°の下降斜面(628)、10°の上昇斜面(632)、10°の下降斜面(636)、上昇階段(640)、および下降階段(644)などのさまざまな地形において着用者に対しさまざまな歩行運動状況で慣性計測装置により計算で求められた足関節枢軸軌跡を示している。状況は、地形の形状および着用者と地形との相互作用の仕方である。   FIG. 6A shows a flat ground (620), a 5 ° ascending slope (624), a 5 ° descending slope (628), a 10 ° ascending slope (632), a 10 ° descending slope (636), and an ascending staircase (640). And the ankle axis trajectory obtained by calculation by the inertial measurement device in various walking motion situations for the wearer in various terrain such as the descending stairs (644). The situation is the shape of the terrain and how the wearer interacts with the terrain.

図6Bは、義肢装置の足関節の飛行軌跡を記述する二次元の幾何学的形状を示している。ここで、平地歩行を斜面上昇/下降歩行運動状況の部分集合として扱う場合(平地は0度の斜面である)、状況弁別は、斜面上昇/下降からの階段上昇/下降の弁別に移る。この弁別は、典型的には階段状況においては足関節600の底屈(背屈ではなく)が足部接地動力学を最適化する必要があるが、典型的には斜面歩行運動においては足関節600は足部接地動力学を最適化するように背屈される(または中立に保持される)ため重要である。後者の状況では、底屈した足関節が適切な配向となるのは極端に急な下り坂のみである。   FIG. 6B shows a two-dimensional geometric shape describing the flight trajectory of the ankle joint of the prosthetic device. Here, when the flat ground walking is treated as a subset of the slope up / down walking motion situation (the flat ground is a slope of 0 degree), the situation discrimination shifts to the discrimination of the stairs up / down from the slope up / down. This discrimination typically requires that the bottom flexion (not dorsiflexion) of the ankle 600 should optimize the ground contact dynamics in a staircase situation, but typically in an inclined walking motion, the ankle joint. 600 is important because it is dorsiflexed (or held neutral) to optimize foot grounding dynamics. In the latter situation, it is only on extremely steep downhill slopes where the buckled ankle is properly oriented.

図6Cは、記録されたデータの集合における階段と斜面の歩行運動状況を弁別する軌跡の特徴として足関節迎え角(Ψ)を使用して階段−斜面弁別器を製作する方法を示している。図6Cは、着用者が踏み出す一歩毎に対する歩行周期全体にわたる装置の足関節600の推定される速度ベクトル迎え角のグラフである。このデータにおいて、図17Aの義肢装置1700を右足に装着した肢切断患者は以下のようにして31歩進んだ(右足を基準とする歩行周期を意味する)。
1. 1〜6歩目:5°の斜面を6歩で上る
2. 7歩目:一歩で踊り場に載る
3. 8〜9歩目:10°の斜面を3歩で下る
4. 記録ギャップ
5. 10〜11歩目:階段を2歩で上る
6. 12歩目:一歩で踊り場に載る
7. 14〜17歩目:5°の斜面を4歩で下る
8. 18〜19歩目:平地を2歩進む
9. 20〜21歩目:10°の斜面を2歩で上る
10. 22歩目:一歩で10°の斜面から踊り場に進む
11. 23〜24歩目:階段を2歩で下る
12. 25〜31歩目:平地を7歩進む
この記録のときの歩行は、斜面と階段の上昇と下降の両方の歩行を含んでいた。図6Cは、足関節速度迎え角(Ψ)を監視することによって足部接地前に足関節が飛行中である間に階段と斜面とを区別できることを示している。この記録(および他の類似の記録)でΨが小さな正の値より下がったときに、足604は常に階段に着地している。他のすべての場合において、足は、ランプ角(0°、−5°、+5°、−10°、+10°)に関係なく斜面に着地する。したがって、Ψは、どのような活動が行われているかを判定するためにプロセッサによって使用されうる好適な歩行運動タスク状況弁別量である。
FIG. 6C shows a method of making a stair-slope discriminator using the ankle angle of attack (Ψ) as a trajectory feature that discriminates the staircase and slope walking motion status in the recorded data set. FIG. 6C is a graph of the estimated velocity vector angle of attack of the ankle 600 of the device over the entire walking cycle for each step taken by the wearer. In this data, a limb amputated patient wearing the prosthetic limb device 1700 of FIG. 17A advanced 31 steps as follows (meaning a walking cycle based on the right foot).
1. 1st to 6th steps: Go up the slope of 5 ° in 6 steps. Step 7: Get on the landing in one step 3. 8th to 9th steps: Go down the 10 ° slope in 3 steps. 4. Recording gap 10th to 11th steps: Go up the stairs in 2 steps. 12th step: Get on the landing in one step Steps 14-17: Go down the 5 ° slope in 4 steps. 18th to 19th steps: Advance two steps on the flat ground. 20th to 21st steps: climb a 10 ° slope in two steps Step 22: Go to the landing from a 10 ° slope in one step 23rd-24th steps: Go down the stairs in 2 steps 12. 25th to 31st steps: 7 steps on flat ground The walk at the time of this recording included both rising and falling walks on slopes and stairs. FIG. 6C shows that by monitoring the ankle velocity attack angle (Ψ), the staircase and the slope can be distinguished while the ankle is in flight before the ankle contact. The foot 604 always lands on the stairs when Ψ drops below a small positive value in this record (and other similar records). In all other cases, the foot will land on the slope regardless of the ramp angle (0 °, −5 °, + 5 °, −10 °, + 10 °). Therefore, Ψ is a preferred walking task status discriminant that can be used by the processor to determine what activity is taking place.

階段−斜面弁別のための代替的方法は、本発明の他の実施形態においても使用できる。階段または斜面/平地を区別するために本発明の一実施形態において姿勢(慣性空間内の配向)下肢部材608(脛)および足関節速度迎え角(Ψ)を使用することができる。y−z平面内の足関節600の軌跡(図6Aを参照)は、階段−斜面弁別のために本発明の代替的実施形態において使用することが可能である。   Alternative methods for staircase-slope discrimination can also be used in other embodiments of the invention. Posture (orientation in inertial space) lower limb member 608 (shin) and ankle velocity attack angle (Ψ) can be used in one embodiment of the present invention to distinguish stairs or slopes / flats. The trajectory of the ankle 600 in the yz plane (see FIG. 6A) can be used in alternative embodiments of the present invention for staircase-slope discrimination.

遊脚期足関節位置決め
階段斜面弁別器は、地形傾斜度
Swing leg ankle positioning Stair slope discriminator

のリアルタイムの予測を行うものである。弁別器が、平地を含む、段を検出した場合、 Real-time prediction. If the discriminator detects a step, including flat ground,

となる。そうでなければ、傾斜度は、 It becomes. Otherwise, the slope is

と仮定される。この傾斜度は、足が地面に接地していないとした場合に可能な最小値に対応する。 Is assumed. This inclination corresponds to the minimum possible value when the foot is not in contact with the ground.

がこれであり、2つの可能な傾斜度−つまり、最後の一歩からの爪先の位置に関して踵が現在なしている角度と最後の一歩からの爪先の位置に関して爪先がなす角度−の最小値である。 This is the minimum of the two possible slopes-the angle that the heel is currently making with respect to the toe position from the last step and the angle that the toe makes with respect to the toe position from the last step. .

  value

が判明した後、この予測される地形の傾きに適応するように足関節の位置決めを行うためのさまざまな異なる方法を適用することが可能である。このような方法のうちの2つの例を以下で説明する。本発明の一実施形態では、上述の弁別器の方法は、着用者が着用する義足、下肢装具、または外骨格装置(例えば、図17Aの装置1700)の関節のインピーダンス、位置、またはトルクのうちの少なくとも1つを制御するために使用される。この方法は、遊脚後半期全体にわたる装置の足関節の速度ベクトル迎え角(例えば、図6Cのデータのy軸値)を推定するステップを伴う。一実施形態では、この方法は、速度ベクトル迎え角が所定の符号(例えば、図6Cのデータの場合に負の値)を有しているときに装置の足部材の位置を爪先着地位置に合わせて調節するステップを伴う。本発明の他の実施形態では、この方法は、速度ベクトル迎え角が所定の符号と反対の符号(例えば、正の符号)を有しているときに装置の足部材の位置を踵着地位置に合わせて調節するステップを伴う。 Once found, a variety of different methods for positioning the ankle joint to adapt to this predicted terrain tilt can be applied. Two examples of such methods are described below. In one embodiment of the present invention, the method of the discriminator described above includes the impedance, position, or torque of the joint of a prosthetic leg, lower limb orthosis, or exoskeleton device (eg, device 1700 of FIG. 17A) worn by the wearer. Are used to control at least one of This method involves estimating the velocity vector attack angle (eg, the y-axis value of the data of FIG. 6C) of the ankle joint of the device throughout the second half of the swing leg. In one embodiment, the method matches the position of the foot member of the device to the toe landing position when the velocity vector angle of attack has a predetermined sign (eg, a negative value for the data of FIG. 6C). Step to adjust. In another embodiment of the present invention, the method includes setting the position of the foot member of the device to the heel landing position when the velocity vector angle of attack has a sign opposite to a predetermined sign (eg, a positive sign). With adjusting steps.

いくつかの実施形態において、この方法は、足部材の踵が下にある地形に接地したときから足部材が下にある地形に関して足底接地位置に置かれたときまでの期間に下肢部材に与えられる予想される力に基づいて費用関数を最小化するように装置のインピーダンス(例えば、足関節インピーダンス)を調節するステップを含む。   In some embodiments, the method is applied to the lower limb member during a period from when the foot member's heel touches the underlying terrain to when the foot member is placed in the planted ground position relative to the underlying terrain. Adjusting the impedance (eg, ankle joint impedance) of the device to minimize the cost function based on the expected force being generated.

図7Aは、足部接地前の足関節700の位置決めを行うための方法を示している。この方法では、足関節の角度は、足部材708の接地から足底接地までに足関節700に与えられる予想される力(f(t))に基づいて費用関数を最小化するように最適化される。踵最初716と爪先最初712の両方の戦略が評価され、費用関数を最小化する、最適な足関節700の角度を含む戦略が選択される。図7Aは、使用される方法を説明している。   FIG. 7A illustrates a method for positioning the ankle joint 700 prior to foot contact. In this method, the angle of the ankle joint is optimized to minimize the cost function based on the expected force (f (t)) applied to the ankle 700 from the grounding of the foot member 708 to the sole grounding. Is done. Both the heel first 716 and toe first 712 strategies are evaluated and the strategy that includes the optimal ankle 700 angle that minimizes the cost function is selected. FIG. 7A illustrates the method used.

他の実施形態では、図7Aの方法は、階段の存在を感知し、短い踊り場領域を持つ階段の場合にのみ迎え角最適化を爪先接地に制約するように強化されている。急な狭い一組の階段を上るか、または下る場合、義肢装置は、上るときに足によって掃かれる体積部分−足と階段との間に接触がなかった体積部分−を追跡するようにプログラムされる。遊脚後半期において、例えば、踵に対する踊り場領域がないと判定される場合、最適化は爪先着地解となるように制約される。この実施形態では、z回転は、装置の下肢部材704の長手方向軸(例えば、図17Aのz軸)を中心とする回転である。階段を下り、このようにして足部材708を回転させた場合、踊り場領域は制限され、足部材708は階段に対し正面から着地するように回転されなければならない。この場合、爪先712が踊り場に着地することで、図7Aの方法に対してのみ利用可能な最小の力の解が得られる。このようなz回転により、踊り場領域が制限されることをシステムに通知する信号が送られ、踵着地と比べたときに爪先踊り場着地が最も安全な代替となる。   In other embodiments, the method of FIG. 7A is enhanced to sense the presence of stairs and constrain angle of attack optimization to toe grounding only in the case of stairs with short landing areas. When going up or down a steep, narrow set of stairs, the prosthetic device is programmed to track the volume that is swept by the foot when climbing-the volume that was not in contact between the foot and the stairs. The In the latter half of the swing leg, for example, when it is determined that there is no landing area for the heel, the optimization is restricted to a toe landing solution. In this embodiment, the z rotation is a rotation about the longitudinal axis of the lower limb member 704 of the device (eg, the z axis of FIG. 17A). When going down the stairs and thus rotating the foot member 708, the landing area is limited and the foot member 708 must be rotated to land on the stairs from the front. In this case, the tip of the toe 712 lands on the landing, so that the minimum force solution that can only be used for the method of FIG. 7A is obtained. Such z rotation sends a signal to the system that the landing area is limited, making the toe landing the safest alternative when compared to the heel landing.

上記の方法で使用される複素インピーダンスの計算を、足関節700が足部着地状態まで回転するときに足への衝撃または過剰な制動力の使用を最小限に抑える手段として適応足関節位置決め方法に適用することができる。図7Dは、最適化されたインピーダンスを使用するように図7Aの方法がどのように適合されるかを示している。最適な迎え角(ψ)を見つけた後、足に衝撃を与えることなく足関節の線形および角運動量をゼロにする最適制御 The complex impedance calculation used in the above method is applied to the adaptive ankle positioning method as a means of minimizing the impact on the foot or the use of excessive braking force when the ankle 700 rotates to the foot landing state. Can be applied. FIG. 7D shows how the method of FIG. 7A is adapted to use optimized impedance. Optimal control to zero the ankle joint linearity and angular momentum without impacting the foot after finding the optimal angle of attack (ψ * )

を見つける。次いで、対応する足関節角度応答(θ*(t))を平衡軌跡として使用する。運動量と局所地形角度の不確定性に対応できるように、この最適な軌跡に関する、対応する最適なインピーダンスを求めることができる。 Find out. The corresponding ankle angle response (θ * (t)) is then used as the equilibrium trajectory. In order to cope with the uncertainties of the momentum and the local terrain angle, it is possible to obtain the corresponding optimum impedance regarding this optimum locus.

図7Cに示されているように、より単純な方法も使用できる。図7Cは、斜面歩行運動状況における足関節の位置決めを行うための方法を示している。この方法では、下肢部材704が垂直になったときに、足関節700の角度は、関節動作により傾いた地形(傾斜度   A simpler method can also be used, as shown in FIG. 7C. FIG. 7C shows a method for positioning the ankle joint in a slope walking motion situation. In this method, when the lower limb member 704 is vertical, the angle of the ankle joint 700 is the topography (tilt degree)

)上で足底接地位置に来るような角度にされる。関係式 ) The angle is such that it comes to the ground contact position above. Relational expression

によって予測される傾斜度に正比例するように足関節の角度を調節するようにこの方法を一般化することも有益である。この関係式を用いることで、着用者の好みに合わせて足関節の角度を調節することができる。 It is also beneficial to generalize this method to adjust the angle of the ankle joint to be directly proportional to the degree of inclination predicted by. By using this relational expression, the angle of the ankle joint can be adjusted according to the wearer's preference.

上述の2つの方法のうちのいずれかにおいて、足部接地の前の足関節の角度700は、足部が地面に当たるまで所望の足関節700の角度と一致するように連続的に制御される(操縦される)。   In either of the two methods described above, the ankle joint angle 700 before foot contact is continuously controlled to match the desired ankle joint 700 angle until the foot hits the ground ( Steered).

立脚期のインピーダンスおよびトルクの制御
次のステップは、立脚期における局所的縦方向に揃うように下肢(脛)の配向を復元するステップを伴う。図8は、義足800、例えば、図17Aの義肢装置1700の足底接地における地形の角度に基づいて慣性基準バネ平衡状態を判定するための方法を示している。義肢800は、爪先816および踵820を持つ足部材808を有する。義肢は、足関節804および下肢部材(脛)812も有する。地形角度(φ)は、制御システムへの入力である。制御システムは、地形角度(φ)の変化に基づいて図10Aの曲線(Γ−Θ)をシフトし(これにより足関節のインピーダンスKcontrolledplantarflexionを変化させ)、制御底屈時に着用者の全体的なバランスを(図10Fに説明または例示されているよう)保持もしくは改善する。制御システムは、足関節の平衡角度が地形角度(φ)に等しくなるように義肢の足関節804のインピーダンスを設定し、制御システムは、局所的縦方向850に揃うように下肢部材812(脛)の配向を復元する。
Control of stance phase impedance and torque The next step involves restoring the orientation of the lower limbs (shin) to align with the local longitudinal direction in the stance phase. FIG. 8 illustrates a method for determining an inertial reference spring equilibrium based on the angle of the terrain at the plantar contact of the prosthesis 800, eg, the prosthetic device 1700 of FIG. 17A. The prosthetic limb 800 has a foot member 808 having a toe 816 and a heel 820. The prosthesis also has an ankle joint 804 and a lower limb member (shin) 812. The terrain angle (φ) is an input to the control system. The control system shifts the curve (Γ-Θ) of FIG. 10A based on the change in the terrain angle (φ) (this changes the ankle impedance K controlled plantant flexion) and causes the wearer's overall bend during control plantar flexion. Maintain or improve balance (as described or illustrated in FIG. 10F). The control system sets the impedance of the prosthetic ankle 804 so that the equilibrium angle of the ankle is equal to the terrain angle (φ), and the control system sets the lower limb member 812 (shin) to align with the local longitudinal direction 850. Restore the orientation of.

図9は、制御背屈時に足関節トルクと足関節角度との関係に対する歩行速度の影響を示す。制御システムは、下肢部材(脛)812を平衡点に向けて移動するように足関節804に指令を送ることによって、地形角度(φ)の変化に基づいて図10Aの曲線(Γ−Θ)をシフトし(これにより足関節804のインピーダンスKcontrolleddorsiflexionを変化させ)、制御低屈時に着用者の全体的なバランスを保持もしくは改善する。 FIG. 9 shows the influence of walking speed on the relationship between ankle torque and ankle angle during controlled dorsiflexion. The control system sends the command to the ankle joint 804 to move the lower limb member (shin) 812 toward the equilibrium point, thereby changing the curve (Γ−Θ) of FIG. 10A based on the change in the terrain angle (φ). Shift (and thereby change the impedance K controlldodorflexion of the ankle 804) to maintain or improve the overall balance of the wearer during controlled low flexion.

図10Aは、本発明の例示的な一実施形態による、下肢装置を制御するための方法を示している。図10Aに示されているように、これは制御システムにおいて以下の方法で達成される。
1)図7Aに関して本明細書で説明されているように足部接地と足底接地との間の時間間隔の間における衝撃を軟化するように遊脚後半期のインピーダンス(ステップ1000)(動バネ定数および足関節角度平衡角度)を調節する(コントローラは、動力底屈時の負の移動エネルギー衝撃および股関節衝撃力の最小化に基づいて曲線(Γ−Θ)をシフトする(これにより足関節のインピーダンスKpoweredplantarflexionを変える))。
2)後腿に離昇力を与える−前腿の衝撃の時点において、またはその前に足関節(および膝)の反射反応を引き起こすことによって達成される(ステップ1004)。
3)制御背屈期において慣性基準平衡角度を維持し、傾いた地形上で(図10Fにおいて説明され、例示されているように)バランスをとる(平衡状態を保つ)(ステップ1008)。
FIG. 10A illustrates a method for controlling a lower limb device, according to an illustrative embodiment of the invention. As shown in FIG. 10A, this is accomplished in the following manner in the control system.
1) Impedance in the latter half of the free leg (step 1000) (dynamic spring) to soften the impact during the time interval between foot ground contact and plantar ground contact as described herein with respect to FIG. 7A Constant and ankle angle balance angle) (the controller shifts the curve (Γ−Θ) based on the negative kinetic energy impact during power plantar flexion and the minimization of the hip impact force) Impedance Kpoweredplantarflexion is changed)).
2) Applying lifting force to the rear thigh-achieved by causing an ankle (and knee) reflex response at or before the front thigh impact (step 1004).
3) Maintain the inertial reference equilibrium angle during the controlled dorsiflexion and balance (keep equilibrium) on the sloped terrain (as described and illustrated in FIG. 10F) (step 1008).

図10Bは、本発明の例示的な一実施形態による、義足装置(例えば、図17A〜17Eの装置1700)においてインピーダンスおよびトルクの制御を実行するためのコントローラを示す略図である。図10Eは、図10Bにおいて実行されるインピーダンスおよび反射の制御を決定するインピーダンスおよび反射の関係を示す略図である。   FIG. 10B is a schematic diagram illustrating a controller for performing impedance and torque control in a prosthetic device (eg, device 1700 of FIGS. 17A-17E), according to an illustrative embodiment of the invention. FIG. 10E is a schematic diagram illustrating the relationship between impedance and reflection that determines the impedance and reflection control performed in FIG. 10B.

図示されているように、インピーダンスのバネ、減衰、および慣性成分は、軌跡θ(t)に関して定義される。図10Bに例示されているインピーダンス利得行列および軌跡は両方とも、上述のように歩行周期における期、地形状況、地形質感、および歩行速度に応じて、状態コントローラのプロセッサから適応的に、リアルタイムでロードされる。 As shown, the impedance spring, damping, and inertial components are defined with respect to the trajectory θ 0 (t). Both the impedance gain matrix and trajectory illustrated in FIG. 10B are loaded in real time, adaptively from the state controller processor, depending on the period, terrain condition, terrain texture, and walking speed in the walking cycle as described above. Is done.

損なわれていない四肢が非線形の正のトルク(力)と非線形の正の関節速度フィードバックから生じる反射応答を示すことが研究からわかった。図10Eに例示されているような反射関係では両方の種類のフィードバックを使用する。当業者には明らかなように、区分線形および区分非線形を含む、これらの正のフィードバックの関係の他の非線形実装を使用することができる。好ましい実施形態では、正のトルクフィードバックは、人工足関節の膝のトルクを測定し、これを非線形フィードバック信号   Studies have shown that the intact limb exhibits a reflex response resulting from nonlinear positive torque (force) and nonlinear positive joint velocity feedback. Both types of feedback are used in the reflection relationship as illustrated in FIG. 10E. As will be apparent to those skilled in the art, other non-linear implementations of these positive feedback relationships can be used, including piece-wise linear and piece-wise non-linear. In a preferred embodiment, positive torque feedback measures the knee torque of an artificial ankle and uses this as a non-linear feedback signal.

として使用することによって達成される。他の実装では、この反射トルク入力は、足関節の動作のモデルベースの計算結果を使用して推定することができる。 Is achieved by using as In other implementations, this reflected torque input can be estimated using model-based calculations of ankle motion.

発明者らは、図9に示されているように歩行速度および地形の傾きの効果を考慮した場合に、立脚における生体模倣インピーダンスおよび反射が結合されることを観察した。このような理由から、好ましい一実施形態では、義肢の並列弾性(例えば、並列、もしくはK3バネ)は、図示されているように遅い歩行速度に対する剛性を表すように選ばれる。生体模倣システムでは、義肢の剛性成分は、歩行速度が速いときに減衰され、反射応答は、図9に示されているように急な勾配になる。この最適生体模倣制御および機械的実装を用いて、次いで、応答は、アクチュエータが制御背屈において並列バネを押し、動力底屈においてそれを引き寄せることを要求する。ここでは、これを、バイポーラ、またはプッシュプル動作と呼ぶ。非最適な制御および機械的実装では、反射は、2倍の大きさのユニポーラの引力のみによって実装される。好ましい実施形態では、これにより、適切な直列バネのバイラテラル応答(bilateral series spring response)が選択されたときに、ピークのアクチュエータの力およびモーター電流が1/2に減らされ、したがって、アクチュエータの設計寿命が8倍に延長し、ボールナット速度がほぼ1/2に減速される。これは、アクチュエータの耐久性を高めること、アクチュエータの重量を低減する−目標設計寿命を達成するのに必要なボールベアリングの数およびボールナットの直径が減らされる−こと、および騒音を減らすことに関して非常に大きな利点を有する。   The inventors have observed that biomimetic impedance and reflexes in the stance are combined when considering the effects of walking speed and terrain tilt as shown in FIG. For this reason, in one preferred embodiment, the prosthetic limb parallel elasticity (eg, parallel or K3 spring) is chosen to represent stiffness for slow walking speeds as shown. In the biomimetic system, the rigid component of the prosthesis is attenuated when the walking speed is high, and the reflex response has a steep slope as shown in FIG. With this optimal biomimetic control and mechanical implementation, the response then requires the actuator to push the parallel spring in the control dorsiflexion and pull it in the power buckle. Here, this is called a bipolar or push-pull operation. In non-optimal control and mechanical implementation, the reflection is implemented only by the unipolar attraction of twice the magnitude. In a preferred embodiment, this reduces peak actuator force and motor current by a factor of two when an appropriate series spring bilateral response is selected, thus reducing actuator design. The service life is extended 8 times, and the ball nut speed is reduced to almost 1/2. This is very important in terms of increasing the durability of the actuator, reducing the weight of the actuator-reducing the number of ball bearings and ball nut diameter required to achieve the target design life-and reducing noise. Has great advantages.

図10Cは、本発明の例示的な一実施形態による、義足装置(例えば、図17A〜17Eの装置1700)においてインピーダンスの制御を実行するためのコントローラを示す略図である。図10Dは、図10Cにおいて実行されるインピーダンスの制御を決定する機械インピーダンスの関係を示す略図である。τは、線形アクチュエータによって義足装置の足関節に印加されるトルクである。zを離散時間信号変換とする好適な「高利得」補償G(z)を通じて、モータートルクは、1)直列弾性アクチュエータ、2)「K3」並列弾性、および3)望ましい結果であるトルクコマンドΓに等しい足関節上の加速トルクによって印加されるトルクの総和をとる働きをすることは明らかである。これらの機械的パラメータ、したがってモデルベースの制御への参照に対するモデル推定値を表すために、 10C is a schematic diagram illustrating a controller for performing impedance control in a prosthetic device (eg, device 1700 of FIGS. 17A-17E), according to an illustrative embodiment of the invention. FIG. 10D is a schematic diagram illustrating the relationship of the mechanical impedance that determines the impedance control performed in FIG. 10C. τ M is a torque applied to the ankle joint of the artificial leg device by the linear actuator. Through a preferred “high gain” compensation G c (z), where z is a discrete time signal transformation, the motor torque is 1) a series elastic actuator, 2) “K3” parallel elasticity, and 3) the desired result torque command Γ. Obviously, it acts to sum the torque applied by the acceleration torque on the ankle joint equal to c . To represent model estimates for these mechanical parameters, and thus references to model-based controls,

および and

が使用される。 Is used.

図10Fは、義肢装置を着用する人の倒立振り子力学的挙動を安定させるのに必要な復元トルクを決定するためにゼロモーメント枢軸基準地面反力がどのように使用されるかを示している。トルク(ΓCM)をシステム(例えば、義肢を着用している人および義肢の組み合わせ)の質量の中心に印加し、 FIG. 10F shows how the zero moment pivot reference ground reaction force is used to determine the restoring torque required to stabilize the inverted pendulum mechanical behavior of a person wearing a prosthetic device. Applying a torque (Γ CM ) to the center of mass of the system (eg, a person wearing a prosthetic limb and a prosthetic limb combination);

に基づいて着用者のバランスを維持する。式中、fおよびfは、それぞれ、前足および後足に作用する地面反力である。vCMは、着用者の質量中心の速度ベクトルである。ZMPおよびZMPは、前足と後足上のゼロモーメント枢軸を表す。 To maintain the wearer's balance. Wherein, f l and f t are each ground reaction force acting on the front foot and rear foot. v CM is the velocity vector at the center of mass of the wearer. ZMP l and ZMP t represent zero moment pivots on the fore and hind legs.

および and

は、それぞれ前足および後足上の質量中心とゼロモーメント枢軸との間の座標基準ベクトルを表す。ゼロモーメント枢軸という用語は、足の慣性基準点を指すものであり、地面反力分布のモーメントがこの足の周りでゼロとなる。ここで、この点を圧力中心(CoP)とも称し、本明細書の残り部分全体を通して入れ替えて使用される。 Represents the coordinate reference vectors between the center of mass on the forefoot and hindfoot, respectively, and the zero moment pivot. The term zero moment pivot refers to the foot's inertia reference point, and the moment of the ground reaction force distribution is zero around this foot. Here, this point is also referred to as the center of pressure (CoP), and is used interchangeably throughout the remainder of this specification.

地面反力およびゼロモーメント枢軸
地面反力(GRF)は、下にある表面によって足(または下肢装置の足部材)に与えられる力である。地面反力は、立脚期において重要な生体力学的入力である。ゼロモーメント枢軸(本明細書ではZMPおよびCoPと称する)で作用する総地面反力を知ることによって、義足装置の制御システム(例えば、図17Aのコントローラ1712)は、(着用者の)バランスを改善し、立脚期における電力供給を最適化する直接的な手だてを持つことになる。Herrらの特許文献2では、地面反力およびゼロモーメント枢軸位置の推定方法、さらには、義肢、装具、およびロボットで使用するための生体模倣運動およびバランスコントローラならびに方法をさらに説明している(参照によりその内容全体が本明細書に組み込まれている)。
Ground reaction force and zero moment pivot The ground reaction force (GRF) is the force exerted on the foot (or leg member of the lower limb device) by the underlying surface. Ground reaction force is an important biomechanical input in the stance phase. By knowing the total ground reaction force acting on the zero moment pivot (referred to herein as ZMP and CoP), the prosthetic device control system (eg, controller 1712 in FIG. 17A) improves the balance (of the wearer). However, they will have direct steps to optimize power supply during the stance phase. Herr et al., U.S. Pat. No. 6,087,056, further describe methods for estimating ground reaction forces and zero moment pivot positions, as well as biomimetic motion and balance controllers and methods for use with prosthetics, orthoses, and robots (see The entire contents of which are incorporated herein).

図11Aは、GRF成分(特に、足関節1104からZMPへのベクトル   FIG. 11A shows the GRF component (in particular, the vector from the ankle 1104 to the ZMP).

およびGRFベクトル And GRF vector

)が典型的な歩行周期における立脚期にどのように変化するかを示す義肢(例えば、図17Aの装置1700)の下肢部材1100、足関節1104、および足部材1108を示す略図である。リサーチ設定におけるGRF推定は、多くの場合、靴底にセンサーを取り付けることによって行われている。しかし、信頼できるパッケージング手段は好ましくは数百万の歩行周期にわたって接触応力に耐えなければならないため、外部からの感知方法は義肢装置および装具では実用的でない場合があり、リサーチ設定で典型的には使用されるこれらのセンサーは、そのように耐えることができない。さらに、そのような手段は、多くの場合に、着用者には受け入れがたいことが多い靴の特注生産を必要とする。 ) Is a schematic diagram showing a lower limb member 1100, ankle joint 1104, and foot member 1108 of a prosthesis (eg, device 1700 of FIG. 17A) showing how it changes during the stance phase in a typical walking cycle. GRF estimation in research settings is often done by attaching a sensor to the sole. However, since reliable packaging means must preferably withstand contact stresses over millions of walking cycles, external sensing methods may not be practical for prosthetic devices and braces, typically in research settings. These sensors used cannot withstand that way. Furthermore, such means often require custom production of shoes that are often unacceptable to the wearer.

本発明の他の実施形態では、GRFの内在的な感知は、(例えば、図17Aおよび17Eの構造要素1732を使用して)慣性状態と下肢部材力/トルク入力1112を組み合わせることによって新規性のある方法で行われる。   In other embodiments of the present invention, GRF intrinsic sensing is novel by combining inertial state and leg member force / torque input 1112 (eg, using structural element 1732 of FIGS. 17A and 17E). Done in some way.

図11B、11C、および11Dは、図17Aの装置1700のコンポーネントを示す略図である。これらの図は、地面反力とゼロモーメント枢軸を決定するために必要なコンポーネント(線形直列弾性アクチュエータ1116(例えば、図17Aの線形アクチュエータ1716と直列弾性部材1724の組み合わせ)および並列バネ1120(例えば、図17Aの受動的な弾性部材1724))間の力とモーメントに関する関係も示している。   11B, 11C, and 11D are schematic diagrams illustrating components of the apparatus 1700 of FIG. 17A. These figures show the components necessary to determine ground reaction force and zero moment pivot (linear series elastic actuator 1116 (eg, combination of linear actuator 1716 and series elastic member 1724 of FIG. 17A) and parallel spring 1120 (eg, The relationship between the force and moment between the passive elastic members 1724)) of FIG. 17A is also shown.

および and

は、以下のステップに基づいて計算される。
1. 慣性計測装置および足関節1104の角度入力を使用して下肢部材1100および足部材1108の慣性状態を更新する。剛体であると仮定して、下肢部材1100と足部材1108の重力中心(CM)で測定された世界座標系基準の加速度ならびに下肢部材1100と足部材1108の角速度および加速度をさらに計算する。
2. 下肢部材1100に作用する力の関数としてF||について解き、これらは下肢部材1100の軸にそって解決される。
3. 下肢部材1100に作用する力およびモーメントの成分のそれぞれによって印加されるモーメントの関数としてF_|_について解く。
4. 上記のステップ2および3において計算されたF||およびF_|_に対する値を使用し、次いで、足部材1100に印加される力のバランスをとって
Is calculated based on the following steps.
1. The inertial measurement device and the angle input of the ankle joint 1104 are used to update the inertial state of the lower limb member 1100 and the foot member 1108. Assuming that the body is rigid, the acceleration based on the world coordinate system measured at the center of gravity (CM) of the lower limb member 1100 and the foot member 1108 and the angular velocity and acceleration of the lower limb member 1100 and the foot member 1108 are further calculated.
2. Solving for F || as a function of the force acting on the lower limb member 1100, these are resolved along the axis of the lower limb member 1100.
3. Solve for F_ | _ as a function of the moment applied by each of the force and moment components acting on the lower limb member 1100.
4). Using the values for F || and F_ | _ calculated in steps 2 and 3 above, then balancing the force applied to the foot member 1100

について解く。
5.
Solve about.
5.

が足と地面の境界に適用されると仮定して足関節1104の周りのモーメントのバランスをとる(つまり、 Balance the moment around the ankle 1104 (i.e.

)。
6.
).
6).

について解く。 Solve about.

地形の質感による足関節の挙動
図12Aは、平地における義肢装置(例えば、図17Aの装置1700)の生体模倣Γ−θ挙動を歩行速度の関数として示している。図12Bは、特に高速歩行しているときの、印加された足関節トルクが動力底屈時に角度とともに急速に減少し、それにより理想的な生体模倣応答から逸脱し、それにより、実行される正味の仕事(Γ−θ曲線の下の領域)が著しく低減されることを示している。
Ankle Joint Behavior Due to Terrain Texture FIG. 12A shows the biomimetic Γ-θ behavior of a prosthetic limb device (eg, device 1700 of FIG. 17A) on flat ground as a function of walking speed. FIG. 12B shows that the applied ankle torque decreases rapidly with angle during power plantar flexion, especially when walking at high speeds, thereby deviating from an ideal biomimetic response, thereby performing the net The work (region under the Γ-θ curve) is significantly reduced.

従来のロボットシステムでは、軌跡または他の再生手段を使用して、反復可能な、またプログラム可能な応答を伝達する。このような手段は、再生セグメントの真ん中で着用者の意図が変わる可能性があるため義肢デバイスおよび装具では好ましくない。例えば、着用者は、高速歩行していて、例えば氷の一区画の前で急に停止する可能性がある。事前プログラムされた軌跡または他の軌跡が再生される場合、力およびトルクの急激な変化なしで−また危険要因を持ち込むことなく、−それらを中断する簡単な方法はない。実際、それが内在的な手段が使用される理由である。   In conventional robotic systems, trajectories or other playback means are used to communicate repeatable and programmable responses. Such means are not preferred for prosthetic devices and braces because the wearer's intention may change in the middle of the regenerative segment. For example, the wearer may be walking at high speed and stop suddenly in front of, for example, a section of ice. When preprogrammed trajectories or other trajectories are reproduced, there is no easy way to interrupt them without abrupt changes in force and torque-and without introducing risk factors. In fact, that is why intrinsic means are used.

動力底屈時に足関節トルクの印加を延長するために、歩行速度に依存する正規化された接地接触長を、ピーク底屈トルクΓを減衰する手段として使用する。接地接触長は、図2A〜5に関係する説明に従って導出された足の理想化モデルを使用し、制御背屈および動力底屈時に足部材の慣性姿勢を測定することによって推定される。図12Cに示されているように、足底接地から爪先離地までの足の遷移時に、理想化された足の部分は地形より下にあり、接地接触長の推定を可能にする。図12Dは、足底接地から爪先離地へのLground−contactの変化の仕方を示している。 In order to extend the application of the ankle torque during power plantar flexion, a normalized contact length that depends on the walking speed is used as a means to attenuate the peak plantar flexion torque Γ 0 . The ground contact length is estimated by measuring the inertial posture of the foot member during controlled dorsiflexion and power plantar flexion using an idealized model of the foot derived according to the description relating to FIGS. As shown in FIG. 12C, during the foot transition from plantar grounding to toe off, the idealized foot portion is below the terrain, allowing estimation of the ground contact length. FIG. 12D shows how the L ground-contact changes from the plantar ground contact to the toe lift-off .

図12Eは、速度に依存する接地長減少の表において、正規化された接地長さを動力底屈時に生体模倣挙動を行う手段としてどのように使用できるかを示している。これらの表は、歩行速度の関数として制御された環境において肢切断患者以外の患者の地面反力および足部材姿勢を動的に測定することによって計算されうる。減衰関数と接地接触長との間の関数関係は、歩行速度毎に計算することができる。これらの表は、義肢装置のコントローラ内に基準関係として格納することができる。義肢装置が着用者に装着されるときに着用者の特定のニーズに合わせて関数を整形することができる。   FIG. 12E shows how a normalized ground contact length can be used as a means of performing biomimetic behavior during power plantar flexion in a velocity dependent contact length reduction table. These tables can be calculated by dynamically measuring ground reaction forces and foot member postures of patients other than limb amputees in a controlled environment as a function of walking speed. The functional relationship between the attenuation function and the contact length can be calculated for each walking speed. These tables can be stored as reference relationships within the controller of the prosthetic device. The function can be tailored to the wearer's specific needs when the prosthetic device is worn by the wearer.

すでに説明されているように、明示的な軌跡または再生手段とは反対に内在的フィードバックを使用する動機の1つは、着用者の意図の変更(例えば、すぐに停止する決定)に対応することである。接地接触長を足関節トルクを減衰する手段としての内在的感知機能は、停止および方向の変更を伴う着用者の意図の変更に対応するのには十分に一般的ではない。図12Gを参照すると、義肢装置上に実装される本発明の一実施形態では、時間依存の減衰係数   As already explained, one motivation to use intrinsic feedback as opposed to explicit trajectory or replay means is to respond to changes in the wearer's intention (eg, decision to stop immediately) It is. The intrinsic sensing function as a means of attenuating ankle torque with ground contact length is not general enough to accommodate changes in the wearer's intentions with stops and changes in direction. Referring to FIG. 12G, in one embodiment of the present invention implemented on a prosthetic device, a time-dependent attenuation factor

が接地接触長減少と直列に使用される。この減衰に対する時定数τは、着用者の意図の変更に関連する危険を防止するために動力底屈の駆動トルクを打ち消すように選ぶことができる。τは、典型的には、50〜100ミリ秒の範囲内にある。 Are used in series with a decrease in ground contact length. The time constant τ for this damping can be chosen to counteract the driving torque of the power plantar buckling to prevent the danger associated with changing the wearer's intention. τ is typically in the range of 50-100 milliseconds.

好ましくは、義肢装置を使用することで、着用者は、すべての地形上で少ない労力により速く歩行することができる。地形状況の変化だけ(階段、斜面上昇/下降)に対応するのでは十分でない。地形質感の変化も、滑る危険性(例えば、氷/雪)または沈む危険性(ぬかるみ、雪、砂、細かい砂利)をもたらしうるため、好ましくは、これにも対応すべきである。ゼロモーメント枢軸軌跡の内在的感知機能を使用することで、歩行性能を最適化し、および/または変化する地形質感のところを歩行しているときに危険性を排除することができる。   Preferably, by using the prosthetic device, the wearer can walk faster with less effort on all terrain. It is not enough to respond to changes in terrain conditions (stairs, slope up / down). The change in terrain texture should preferably also accommodate this as it can also pose a risk of slipping (eg ice / snow) or sinking (slack, snow, sand, fine gravel). Using the intrinsic sensing function of the zero moment pivot trajectory can optimize walking performance and / or eliminate danger when walking on changing terrain textures.

図12Fは、典型的な歩行運動中にゼロモーメント枢軸ベクトル   FIG. 12F shows a zero moment pivot vector during a typical walking motion.

の推定されるy成分がどのように変化するかを示している。図示されているように、滑らない状態では、 It shows how the estimated y component of changes. As shown in the figure,

は、足底接地(3)と爪先離地(4)との間で単調増加しなければならない。これは、この期間中に地形表面から(歩行周期が進むにつれますます)離昇する踵だからである。いつでもゼロモーメント枢軸の速度が負のy軸にそって移動する場合には、足が滑っている。自動車にアンチロックブレーキが実装されている仕方と同様に、義肢装置は、負のゼロモーメント枢軸速度の積分から導出された減衰係数だけトルクを減少させることができる。一実施形態では、ノイズ感度を低減するために、ノイズ閾値より低い負の速度のみが積分される。 Must increase monotonically between the plantar ground (3) and the toe off (4). This is because during this period, it should be lifted off the surface of the terrain (as the walking cycle progresses). If at any time the velocity of the zero moment pivot moves along the negative y axis, the foot is slipping. Similar to the way anti-lock brakes are implemented in automobiles, prosthetic limb devices can reduce torque by a damping factor derived from the integration of the negative zero moment pivot speed. In one embodiment, only negative velocities below the noise threshold are integrated to reduce noise sensitivity.

図13Aおよび13Bは、例えば図17A〜17Eの装置1700に適用される本発明の例示的な実施形態の状態制御状況を示している。通常の歩行では、遊脚期と立脚期の2つの期の間の循環を伴う。図13Aは、地面への踵接地1320によって立脚期が開始する歩行運動を伴う制御システムスキームを示している。   FIGS. 13A and 13B illustrate a state control situation of an exemplary embodiment of the invention applied to, for example, the apparatus 1700 of FIGS. Normal walking involves circulation between two phases, the swing phase and the stance phase. FIG. 13A shows a control system scheme with a walking motion in which the stance phase begins with a heel-contact 1320 to the ground.

は、地面基準の世界座標系内の足関節速度のz成分を示している。図13Bは、地面への爪先接地1324によって立脚期が開始する歩行運動を示している。 Indicates the z component of the ankle joint velocity in the ground-based world coordinate system. FIG. 13B shows a walking motion in which the stance phase begins with a toe grounding 1324 to the ground.

歩行周期を通じて義肢または装具を駆動するための例示的な制御システムの挙動
図13Aおよび13Bは、足関節が遊脚期1304と立脚期1308の状態の間で遷移するときに制御システム1300が足関節の挙動を変化させることを示している。制御システム1300は、遊脚期において位置制御1328を適用する−遊脚前半期の状態において躓く危険性を回避し、遊脚後半期の状態において特定の地形状態(斜面、階段、段)に対する踵爪先接地迎え角(適応足関節位置決め)を最適化する。制御システム1300は、足関節が踵/爪先接地、足着地、ピークエネルギー貯蔵(指数関数的硬化を伴う背屈)、動力底屈、そして爪先離地事象を遷移するときに立脚期においてインピーダンスおよびトルク制御1332を適用する−足関節の慣性、バネ、および減衰特性を最適化する。
Behavior of an exemplary control system for driving a prosthesis or orthosis throughout the walking cycle FIGS. 13A and 13B show that the control system 1300 is ankle joint when the ankle joint transitions between the swing phase 1304 and stance phase 1308 states. It shows that the behavior of is changed. The control system 1300 applies position control 1328 during the swing phase-avoids the risk of stumbling during the first half of the swing phase and avoids the risk of specific topographic conditions (slopes, stairs, steps) during the second half of the swing phase. Optimize toe contact angle of attack (adaptive ankle joint positioning). The control system 1300 provides impedance and torque in the stance phase when the ankle transitions between heel / toe grounding, foot landing, peak energy storage (dorsiflexion with exponential stiffness), power plantar flexion, and toe takeoff events. Apply control 1332—optimize the ankle inertia, spring, and damping characteristics.

図13Cは、本発明の例示的な一実施形態による、下肢装置(例えば、図17Aの装置1700)に適用される位置制御を行うための方法を示している。装置の着用者および/または装置のコントローラが爪先1340が着用者の前の地形をクリアしていることを確認するまで足部材1348を前進させないことが望ましい。これを遂行するための例示的な一方法は、足部材1348の爪先1340が下にある地形に関して爪先1340の最後に知られた位置から十分高い距離のところまで来るのを待つというものである。この実施形態では、制御システム1300は、時刻tと時刻tk−1における足部材1348の爪先1340の間の地形表面に対する法線方向のベクトルにそって測定されたクリアランス距離が(ε)より大きいと判定された後にのみ足関節1340を回転させ始めることによって位置制御1328を適用する。これにより、爪先1340が躓く危険性に遭遇するリスクを最小に抑えられる。一実施形態では、2つの異なる時刻(tおよびtk−1)における爪先1344の位置は、本明細書ですでに説明されているように慣性計測装置の測定結果を使用して決定される。当業者であれば、足部材1348を前進させるのが適切である場合にそのことを決定する他のスキームを適用する方法があることを理解するであろう。いくつかの実施形態では、コントローラは、例えば、足の掃引体積が、背屈時に、地形表面に関して所望のクリアランスをもたらすかどうかに基づいて前進させることが適切であると判定することができる。 FIG. 13C illustrates a method for performing position control applied to a lower limb device (eg, device 1700 of FIG. 17A), according to an illustrative embodiment of the invention. It is desirable not to advance the foot member 1348 until the wearer of the device and / or the controller of the device has confirmed that the toe 1340 has cleared the terrain in front of the wearer. One exemplary method for accomplishing this is to wait for the toe 1340 of the foot member 1348 to be sufficiently high from the last known position of the toe 1340 with respect to the underlying terrain. In this embodiment, the control system 1300 has a clearance distance measured along a vector in the normal direction with respect to the topographic surface between the toes 1340 of the foot member 1348 at time t and time tk −1 from (ε 0 ). Position control 1328 is applied by starting to rotate the ankle 1340 only after it is determined to be large. This minimizes the risk of encountering the danger that the toes 1340 will crawl. In one embodiment, the position of the toe 1344 at two different times (t and t k-1 ) is determined using the measurement results of the inertial measurement device as previously described herein. One skilled in the art will appreciate that there are other ways of applying other schemes to determine when it is appropriate to advance the foot member 1348. In some embodiments, the controller may determine that it is appropriate to advance, for example, based on whether the swept volume of the foot provides the desired clearance with respect to the terrain surface during dorsiflexion.

要約すると、本発明のこの実施形態では、義肢装置は、平地の歩行、階段上昇/下降、および斜面上昇/下降を含む、すべての歩行運動タスク状況における真の生体模倣挙動を達成することを目的としてステップ毎の地形適応を使用する。図14Aは、ステップ毎の適応を実行するプロセスの概要を示している。遊脚期では、慣性計測装置は、遊脚期軌跡の特徴によって与えられる手がかりから地形状況を装置が弁別することを可能にする内在的感知入力(つまり外部からの神経/筋電気入力とは反対に)を供給する。適応遊脚期足関節位置決めは、足関節角度θの関節動作を指し、これにより、遊脚期の軌跡の手がかりに関する地形状況弁別によって決定される最もありそうな地形状況に対し最適化された自然な踵または爪先着地を行う。   In summary, in this embodiment of the present invention, the prosthetic limb device aims to achieve true biomimetic behavior in all walking motor task situations, including walking on flat ground, stair climbing / falling, and slope climbing / falling. As step by step terrain adaptation. FIG. 14A shows an overview of the process for performing step-by-step adaptation. In the swing phase, the inertial measurement device is able to discriminate the terrain situation from the cues given by the trajectory trajectory features (ie opposite to the external neural / myoelectric input). To supply). Adaptive swing leg ankle positioning refers to the joint motion at the foot joint angle θ, which is a natural motion optimized for the most likely topographic situation determined by the topographic situation discrimination with respect to the trajectory of the swing leg period. Do nails or toe landings.

図14Bは、3つの異なる歩行運動状況に対し人工足関節が印加する例示的なインピーダンスを示している。図14Bは、要求される足関節トルク1404(単位はNm/kg)と足関節角度1408(単位は度)の関係を示すグラフである。グラフは、3つの曲線1412、1416、および1420を含む。曲線1412は、5度の傾斜度の斜面上の歩行に対する足関節トルク1404と足関節角度1408の関係を示している。曲線1416は、5度の下り斜面上の歩行に対する足関節トルク1404と足関節角度1408の関係を示している。曲線1420は、0度(平地)の傾斜度の斜面上の歩行に対する足関節トルク1404と足関節角度1408の関係を示している。曲線の傾きは、剛性(または一般的にインピーダンス)に等しい。閉じたΓ−θ曲線によって囲まれている領域は、特定の地形状況(例えば、傾斜、階段)および歩行速度に必要な非保存的仕事の量に対応する。グラフに示されているように、足関節義肢は、曲線1412内の面積が曲線1416内の面積よりも大きいため、平地上を歩行することに対して傾斜面を歩いて上るという歩行運動タスクを遂行するためにさらに仕事を行うために必要である。   FIG. 14B shows exemplary impedances applied by the artificial ankle for three different walking motion situations. FIG. 14B is a graph showing the relationship between the required ankle joint torque 1404 (unit: Nm / kg) and the ankle joint angle 1408 (unit: degree). The graph includes three curves 1412, 1416 and 1420. A curve 1412 shows the relationship between the ankle joint torque 1404 and the ankle joint angle 1408 for walking on a slope with an inclination of 5 degrees. A curve 1416 shows the relationship between the ankle joint torque 1404 and the ankle joint angle 1408 with respect to walking on a downward slope of 5 degrees. A curve 1420 shows the relationship between the ankle joint torque 1404 and the ankle joint angle 1408 for walking on a slope with an inclination of 0 degrees (flat ground). The slope of the curve is equal to stiffness (or generally impedance). The area enclosed by the closed Γ-θ curve corresponds to the amount of non-conservative work required for a particular terrain situation (eg, slope, stairs) and walking speed. As shown in the graph, the ankle joint prosthesis has a larger area in the curve 1412 than the area in the curve 1416. Needed to do further work to accomplish.

ハイブリッド下肢増強システムの一般化
図15は、本発明の例示的な一実施形態による、下肢生体力学的装置1500を示す略図である。一実施形態では、装置1500は、着用者の歩行運動能力を強化する装具である。他の実施形態では、装置1500は、着用者の腰、大腿部、下肢、および足の筋骨格の奇形および/または異常を支持し、および/または補正するために着用者の身体に取り付ける装具である。他の実施形態では、装置1500は、着用者の下肢生体力学的出力を支援または増強する(例えば、着用者の下肢の強度もしくは機動性を増強する)ために着用者の身体に取り付ける外骨格装置である。
Generalization of Hybrid Leg Enhancement System FIG. 15 is a schematic diagram illustrating a leg biomechanical device 1500, according to an illustrative embodiment of the invention. In one embodiment, the device 1500 is a brace that enhances the wearer's ability to walk. In other embodiments, the device 1500 is an appliance that attaches to the wearer's body to support and / or correct malformations and / or abnormalities of the wearer's waist, thigh, lower limb, and foot musculoskeletal. It is. In other embodiments, the device 1500 is an exoskeleton device that attaches to the wearer's body to assist or enhance the wearer's lower limb biomechanical output (eg, to increase the strength or mobility of the wearer's lower limb). It is.

装置1500は、複数のリンク(または部材)およびそれらのリンクを接続する関節部によって表されるリンケージである。装置1500は、足関節1512によって下肢部材1516(L)に結合されている足部材1508(L)を備える。装置1500は、膝関節1520によって下肢部材1516に結合されている大腿部材1524(L)も備える。装置は、大腿部材1524を着用者の胴体1532(L)に結合する股関節1528も備える。質量中心1504は、装置1500と着用者の組み合わせの質量中心である。 The device 1500 is a linkage represented by a plurality of links (or members) and joints connecting the links. Device 1500 includes a foot member 1508 (L 0 ) coupled to a lower limb member 1516 (L 1 ) by an ankle joint 1512. Apparatus 1500 also includes a femoral member 1524 (L 2 ) coupled to lower limb member 1516 by knee joint 1520. The apparatus also includes a hip joint 1528 that couples the thigh member 1524 to the wearer's torso 1532 (L 3 ). Center of mass 1504 is the center of mass of the combination of device 1500 and the wearer.

足部材1508は、ゼロモーメント枢軸1540における下肢部材1508の下にある地形1536と接触する。足部材1508は、爪先部分1544および踵部分1548を備える。装置1500のそれぞれの関節部は、トルク(力)Γ、変異ξ、およびインピーダンスKの一般化ベクトルを持つアクチュエータも備えるが、ただし、i=0は足関節1512に対応し、i=1は膝関節に対応し、i=2は股関節に対応する。それぞれの関節アクチュエータは、機械要素(例えば、ボールネジアクチュエータまたは回転波動歯車装置)、人の筋肉、またはその両方を備えることができる。関節部の変位は、典型的には、角度変位(回転)の形をとるが、例えば、典型的な膝関節に見られるような直線変位と角度変位の組み合わせも含みうる。リンクの姿勢iは、リンクの原点の位置および世界座標系Wの単位ベクトルに関する座標系の単位ベクトルを定義する4×4の行列で表される。 The foot member 1508 contacts the terrain 1536 below the lower limb member 1508 at the zero moment pivot 1540. The foot member 1508 includes a toe portion 1544 and a heel portion 1548. Each joint of device 1500 also includes an actuator having a generalized vector of torque (force) Γ i , mutation ξ i , and impedance K i , where i = 0 corresponds to ankle joint 1512 and i = 1 corresponds to the knee joint and i = 2 corresponds to the hip joint. Each joint actuator may comprise a mechanical element (eg, a ball screw actuator or a rotating wave gear device), a human muscle, or both. The joint displacement typically takes the form of angular displacement (rotation), but may also include a combination of linear and angular displacement, such as found in a typical knee joint, for example. The link orientation i is represented by a 4 × 4 matrix that defines the unit vector of the coordinate system related to the position of the origin of the link and the unit vector of the world coordinate system W.

したがって、それぞれのリンクの姿勢jは、リンケージ制約関係を介して−特にリンクの姿勢i−1に一般化変位ξによって定義された変換と特定のリンクパラメータ(リンク長、スキュー、および収束角度)とを掛けることによって決定されうる。例えば、脛の姿勢が知られている場合、足、大腿部、および胴体の姿勢は、それらのリンケージに対する一般化変位が、これらを直接感知することによるか、または慣性センサーを使用することで知られていると仮定して計算されうる。それぞれのリンクに内在するセンサー情報のベクトルは、ここでは内在的感知ユニット(ISU)と称するものの中にカプセル化される。内在的センサーの例としては、一般化変位の直接的または間接的測定、リンクの角速度および加速度の測定(例えば、慣性測定ユニットを例えば使用する)、リンクに対する力もしくはトルクの成分の測定もしくは推定、リンク上の、またはリンクに隣接する特定の神経経路の出力の多モードコンピュータ画像(例えば、範囲マップ)もしくは測定が挙げられる。 Thus, each link attitude j is transformed via linkage constraints-in particular the transformation defined by the generalized displacement ξ j to the link attitude i-1 and the specific link parameters (link length, skew and convergence angle). It can be determined by multiplying with. For example, if the shin posture is known, the foot, thigh, and torso postures can be determined by direct sensing of their generalized displacements relative to their linkages or by using inertial sensors. It can be calculated assuming that it is known. The vector of sensor information inherent in each link is encapsulated in what is referred to herein as an intrinsic sensing unit (ISU). Examples of intrinsic sensors include direct or indirect measurement of generalized displacement, measurement of link angular velocity and acceleration (eg, using an inertial measurement unit, for example), measurement or estimation of force or torque components on the link, Multimodal computer images (eg, range maps) or measurements of the output of a particular neural pathway on or adjacent to the link.

地形は、表面特性α(x,y)を持つ等高線関数z(x,y)としてモデル化される。この状況において、表面特性として、表面上で足で弾みをつけられるようにし、また表面エネルギーを捕捉するのに十分な表面の弾性/可塑性、減衰特性、および摩擦係数が挙げられ、これは表面に着地し、足部材で押して離すのに必要な仕事に関係する。   The terrain is modeled as a contour function z (x, y) with surface characteristics α (x, y). In this situation, the surface properties include the elasticity / plasticity of the surface, the damping properties, and the coefficient of friction that are sufficient to allow the foot to be bounced on the surface and capture the surface energy. It relates to the work required to land and push and release with the foot member.

図16は、本発明の例示的な一実施形態による、着用者の大腿部材、腰部材、および胴体の姿勢を判定するための方法を示す略図である。ロボット人工膝関節または装具を採用する下肢システムでは、人の腰の配置は、大腿部に慣性計測装置を組み込むか、または下肢部材を基準として相対的膝角度を測定することによって計算することもできる。慣性計測装置が、胴体でもさらに使用される場合、胴体の姿勢も瞬時に計算されうる。あるいは、自由度2の股関節変位を測定することによって姿勢を計算することができる。胴体慣性計測装置上のレートジャイロおよび加速度計のドリフトから生じる胴体姿勢予測誤差の補正は、ハイブリッドシステムリンケージを通じて一連の速度制約を通じて下肢部材のゼロ速度更新において行うことができる。   FIG. 16 is a schematic diagram illustrating a method for determining a posture of a wearer's thigh member, waist member, and torso, according to an illustrative embodiment of the invention. In lower limb systems that employ robotic knee prostheses or orthoses, human hip placement can also be calculated by incorporating an inertial measurement device in the thigh or by measuring the relative knee angle relative to the lower limb member. it can. If the inertial measurement device is further used in the torso, the torso posture can also be calculated instantaneously. Alternatively, the posture can be calculated by measuring the hip joint displacement with two degrees of freedom. Correction of torso posture prediction errors resulting from rate gyro and accelerometer drift on the torso inertial measurement device can be performed in a zero speed update of the lower limb member through a series of speed constraints through the hybrid system linkage.

図16は、胴体姿勢   Figure 16 shows the body posture

、大腿部姿勢 , Thigh posture

、および胴体/身体質量中心姿勢 And body / body mass center posture

の予測を補正するためにj、j−1速度制約が使用される姿勢復元の方法を示している。ステップ1(1604)では、下肢部材1620(リンク1)上のゼロ速度更新の出力を捕捉して、図2A〜5に関して上で説明されているように、下肢部材の姿勢を判定する。大腿部材1624(リンク2)および胴体部材1628(リンク3)に対する解(ステップ2および3)は、それぞれ、ステップ1(1604)の例に従うが、これらの場合には、速度制約は、非ゼロであり、前のリンクから並進および回転速度によって予測される。 Shows a method of posture restoration in which j, j-1 speed constraints are used to correct the prediction of. Step 1 (1604) captures the output of the zero speed update on the lower limb member 1620 (link 1) to determine the posture of the lower limb member, as described above with respect to FIGS. The solutions (steps 2 and 3) for the thigh member 1624 (link 2) and the torso member 1628 (link 3) follow the example of step 1 (1604), respectively, but in these cases the velocity constraint is non-zero. Yes, predicted by translation and rotational speed from the previous link.

例示的な機械設計
図17Aは、本発明の例示的な一実施形態による、義足装置1700を示す図である。装置1700は、着用者の相補的下肢ソケット部材に取り付けることを可能にする取り付け用インターフェイス1704を有する。装置1700は、取り付け用インターフェイス1704に結合された構成要素1732(本明細書ではピラミッドとも称する)と下肢部材1712(本明細書では脛とも称する)の第1の端部1752も備える。いくつかの実施形態では、この装置の下肢部材に印加される軸力およびモーメントは、装置の下肢部材に結合された構造部材(ピラミッド)を使用してなされるセンサー測定の結果に基づいて決定される。ピラミッドは、義肢の一コンポーネントであり、着用者の肢ソケットに結合する計測器付き構造物である。一実施形態では、ピラミッド(構造要素)の測定結果は、下肢部材に印加される軸力およびモーメントを決定するためにコントローラによって使用される。この実施形態では、構造要素1732は、一組のピン1711で下肢部材1712の第1の端部1752に結合される。ピン1711は、下肢部材1712の一組の穴1713および構造要素の一組の穴1715(図17Eに示されている)を通る。
Exemplary Mechanical Design FIG. 17A is a diagram illustrating a prosthetic device 1700, according to an illustrative embodiment of the invention. The device 1700 has an attachment interface 1704 that allows attachment to a wearer's complementary leg socket member. The device 1700 also includes a component 1732 (also referred to herein as a pyramid) coupled to a mounting interface 1704 and a first end 1752 of a lower limb member 1712 (also referred to herein as a shin). In some embodiments, the axial force and moment applied to the lower limb member of the device is determined based on the results of sensor measurements made using a structural member (pyramid) coupled to the lower limb member of the device. The A pyramid is a component with a measuring instrument that is a component of a prosthetic limb and couples to a wearer's limb socket. In one embodiment, pyramid measurements are used by the controller to determine the axial forces and moments applied to the lower limb member. In this embodiment, the structural element 1732 is coupled to the first end 1752 of the lower limb member 1712 with a set of pins 1711. Pin 1711 passes through a set of holes 1713 in lower limb member 1712 and a set of holes 1715 in the structural element (shown in FIG. 17E).

構造要素1732は、取り付け用インターフェイス1704に向けて配置されている上面1731および下肢部材1712に向けて配置されている底面1733を有する。下肢部材1712は、下肢部材1712の第2の端部1744における足関節1740のところで足部材1708にも結合される。足関節1740(例えば、回転ベアリング)により、足部材1708は下肢部材1712に関してx軸の周りで回転することができる。足部材は、踵1772と爪先1776を含む。   The structural element 1732 has a top surface 1731 disposed toward the attachment interface 1704 and a bottom surface 1733 disposed toward the lower limb member 1712. Lower limb member 1712 is also coupled to foot member 1708 at ankle joint 1740 at second end 1744 of lower limb member 1712. Ankle joint 1740 (eg, a rotational bearing) allows foot member 1708 to rotate about the x-axis with respect to lower limb member 1712. The foot member includes a heel 1772 and a toe 1776.

装置1700は、第1の端部1736および第2の端部1748を持つ線形アクチュエータ1716も備える。線形アクチュエータ1716は、直線運動1703を発生する。線形アクチュエータ1716の第1の端部1736は、下肢部材1712の第1の端部1752に(例えば、回転ベアリングを使用して)結合される。装置1700は、線形アクチュエータ1716と直列につながる第1の受動的な弾性部材1728も備える。受動的な弾性部材1728は、足部材1708と線形アクチュエータ1716の第2の端部1748に結合される。受動的な弾性部材1728は、受動的な弾性部材1728の近位端1730のところで足部材1708に(例えば、回転ベアリングを使用して)結合される。受動的な弾性部材1728の遠位端1726は、線形アクチュエータ1716の第2の端部1748との間に結合される(例えば、回転ベアリングを使用して)。線形アクチュエータ1716は、足関節1740の周りにトルクを印加する。   Apparatus 1700 also includes a linear actuator 1716 having a first end 1736 and a second end 1748. The linear actuator 1716 generates a linear motion 1703. The first end 1736 of the linear actuator 1716 is coupled to the first end 1752 of the lower limb member 1712 (eg, using a rotating bearing). The apparatus 1700 also includes a first passive elastic member 1728 that is in series with a linear actuator 1716. Passive elastic member 1728 is coupled to foot member 1708 and second end 1748 of linear actuator 1716. Passive elastic member 1728 is coupled to foot member 1708 at the proximal end 1730 of passive elastic member 1728 (eg, using a rotating bearing). The distal end 1726 of the passive resilient member 1728 is coupled between the second end 1748 of the linear actuator 1716 (eg, using a rotating bearing). Linear actuator 1716 applies torque around ankle joint 1740.

装置1700は、第1の端部1756および第2の端部1760を持つオプションの第2の受動的な弾性部材1724も備える。第2の受動的な弾性部材1724は、下肢部材1712と並列の(並列弾性をもたらす)一方向のスプリング力を発生する。第2の受動的な弾性部材1724の第1の端部1756は、下肢部材1712の第1の端部1752に結合される。第2の受動的な弾性部材1724の第2の端部1760は、足部材1708に結合される。しかし、底屈時にバネがかからず、したがって、一方向のスプリング力を装置に与えるのみである。   The apparatus 1700 also includes an optional second passive elastic member 1724 having a first end 1756 and a second end 1760. The second passive elastic member 1724 generates a unidirectional spring force in parallel with the lower limb member 1712 (providing parallel elasticity). The first end 1756 of the second passive elastic member 1724 is coupled to the first end 1752 of the lower limb member 1712. A second end 1760 of the second passive elastic member 1724 is coupled to the foot member 1708. However, no springs are applied when buckling, thus only applying a one-way spring force to the device.

いくつかの実施形態では、第2の受動的な弾性部材1724は、エネルギーをほとんどもしくは全く貯蔵しないノンコンプライアントのストッパーであり、動力底屈時に定義済みの角度を超える足関節のさらなる回転を制限する。   In some embodiments, the second passive elastic member 1724 is a non-compliant stopper that stores little or no energy and limits further rotation of the ankle joint beyond a defined angle during power plantar flexion. To do.

図17Bおよび17Cは、第2の受動的な弾性要素1724を示す図17Aの下肢装置の一部を示す図である。第2の受動的な弾性要素1724は、底屈時にではなく、背屈時にエネルギーを貯蔵する。弾性要素1724は、二重片持ち梁係合を有する(第1の端部1756と第2の端部1760との間の位置1780のところで締め付けられる)。弾性部材1724は、弾性要素1724の全長にそって(y軸にそって)曲げ歪みを最大化することによって弾性部材1724が効率的なエネルギー貯蔵を行えるようにする先細り形状1784を有する。いくつかの実施形態では、正規化されたバネ定数は0〜12Nm/rad/kgの範囲である。この範囲の上限値では、エネルギー貯蔵は約0.25J/kgである。   FIGS. 17B and 17C show a portion of the lower limb device of FIG. 17A showing a second passive elastic element 1724. The second passive elastic element 1724 stores energy when buckling, not when buckling. The elastic element 1724 has a double cantilever engagement (clamped at a location 1780 between the first end 1756 and the second end 1760). The elastic member 1724 has a tapered shape 1784 that allows the elastic member 1724 to efficiently store energy by maximizing bending strain along the entire length of the elastic element 1724 (along the y-axis). In some embodiments, the normalized spring constant is in the range of 0-12 Nm / rad / kg. At the upper limit of this range, energy storage is about 0.25 J / kg.

弾性部材1724のカム/斜面配置構成により、着用者の体重に合わせてバネ定数を手直しすることが容易に行える。カム要素1788は、弾性部材1724の第2の端部1760のところに配置される。斜面要素1792は、足部材1708上に配置される。カム要素1788は、背屈時に斜面要素1792と係合するが、カム要素1788は、底屈時に装置1700の斜面要素1792または他の部分と係合しない。カム要素1788は、底屈時に装置1700の斜面要素1792または他の部分と係合しないため、弾性部材1724は背屈時にのみエネルギーを貯蔵する。一実施形態では、斜面要素1792の位置は、着用者または第二者が斜面とカム要素1788との係合を修正しエネルギー貯蔵特性を着用者の歩行習慣に合わせることができるようにネジで調節可能である。オペレータは、受動的な弾性部材1724のエネルギー貯蔵特性を修正するためにカム要素1788の位置に関して斜面要素1792の位置を調節することができる。   With the cam / slope arrangement of the elastic member 1724, the spring constant can be easily adjusted according to the weight of the wearer. The cam element 1788 is disposed at the second end 1760 of the elastic member 1724. Slope element 1792 is disposed on foot member 1708. Cam element 1788 engages bevel element 1792 when dorsiflexed, but cam element 1788 does not engage bevel element 1792 or other portions of device 1700 when bent. Since the cam element 1788 does not engage the beveled element 1792 or other portions of the device 1700 during bottom flexion, the elastic member 1724 stores energy only during dorsiflexion. In one embodiment, the position of the bevel element 1792 is adjusted with a screw so that the wearer or a second party can modify the engagement of the bevel with the cam element 1788 to tailor the energy storage characteristics to the wearer's walking habits. Is possible. An operator can adjust the position of the slope element 1792 relative to the position of the cam element 1788 to modify the energy storage characteristics of the passive elastic member 1724.

代替的実施形態では、アクチュエータが、第2の受動的な弾性部材1724が係合する足関節角度(弾性部材係合角度)を調節するように斜面に一体化される。これにより、例えば、着用者が斜面および階段を、走りながら上っているときに弾性部材1724と係合することなく遊脚期に足関節1740を背屈させることができる。   In an alternative embodiment, the actuator is integrated into the bevel to adjust the ankle joint angle (elastic member engagement angle) with which the second passive elastic member 1724 engages. Thereby, for example, when the wearer is climbing up the slope and the stairs, the ankle joint 1740 can be dorsiflexed during the swing phase without engaging with the elastic member 1724.

受動的な弾性要素1724は、弾性要素1724が背屈で係合したときに装置1700の周波数応答を高める機能も果たす。背屈における装置1700の動作は、高速応答(帯域幅)の直列弾性アクチュエータ(つまり、線形アクチュエータ1716と第1の受動的な弾性要素1728との組み合わせ)の恩恵を受ける。第2の受動的な弾性要素1724に関連するバネ定数は、装置1700の帯域幅を係数βの分だけ高めるが、ただし、
β=(K(1+K/K1/2/K1/2 式34
であり、式中、Kは第2の受動的な弾性部材1724のバネ定数であり、Kは線形アクチュエータ1716と第1の受動的な弾性要素1728との組み合わせのバネ定数である。本発明の一実施形態は、第2の受動的な弾性要素は、1から3までのβを与え、これにより、装置1700の帯域幅を約5Hzから約15Hzに上げる。
Passive elastic element 1724 also serves to increase the frequency response of device 1700 when elastic element 1724 is dorsiflexively engaged. The operation of device 1700 in dorsiflexion benefits from a fast response (bandwidth) series elastic actuator (ie, a combination of linear actuator 1716 and first passive elastic element 1728). The spring constant associated with the second passive elastic element 1724 increases the bandwidth of the device 1700 by a factor β, provided that
β = (K 3 (1 + K s / K 3 ) 1/2 / K s ) 1/2 formula 34
Where K 3 is the spring constant of the second passive elastic member 1724 and K s is the spring constant of the combination of the linear actuator 1716 and the first passive elastic element 1728. In one embodiment of the invention, the second passive elastic element provides a β of 1 to 3, thereby increasing the bandwidth of the device 1700 from about 5 Hz to about 15 Hz.

第2の受動的な弾性部材1724は、両端に蟻継ぎ特徴部1796を使用して、取り付け穴を使用せずに両端の締め付けを可能にする。一実施形態では、第2の受動的な弾性部材1724は、複合繊維材料から加工される。取り付け穴があると、応力拡大が生じ、バネの強度を損なう受動的な弾性部材1724に繊維転位が引き起こされる。エンドクランプ1798は、受動的な弾性要素1724を適所に保持する相補的形状を有する。本発明の一実施形態では、クランプ内にエポキシを使用し、第2の受動的な弾性部材1724をエンドクランプ内に恒久的に固定する。エポキシ樹脂製関節は、蟻継ぎ特徴部1796が存在しない場合にはうまく機能しない傾向がある。   The second passive elastic member 1724 uses dovetail features 1796 at both ends to allow for clamping at both ends without using attachment holes. In one embodiment, the second passive elastic member 1724 is fabricated from a composite fiber material. The attachment holes cause stress expansion and cause fiber dislocation in the passive elastic member 1724 that impairs the strength of the spring. The end clamp 1798 has a complementary shape that holds the passive elastic element 1724 in place. In one embodiment of the invention, epoxy is used in the clamp to permanently secure the second passive elastic member 1724 in the end clamp. Epoxy resin joints tend not to work well when dovetail feature 1796 is not present.

受動的な弾性要素1724では、先細設計を採用して、要素1724へのエネルギー貯蔵を最大化し、与えられたたわみに対して全長にわたってエネルギー貯蔵密度が一定となるようにする。図17Dを参照すると、そこには受動的な弾性要素1724に対する自由体図が例示されており、ローラーの力Frollerおよび下肢部材の力Fshankが組み合わさって、中心枢軸による等しいが、反対の向きの力が発生する仕組みを示している。この実施形態では、ローラーの力および下肢部材の力は、中心枢軸から等距離のところに印加される。端部の複数の力Fが組み合わさって、17Fの中心枢軸力を発生する。標準的な細い梁の関係式を使用すると、中心枢軸からxの距離のところで作用するモーメントは直線的に変化する−Lを力が印加される位置と位置との間の受動的な弾性要素1724の長さとして中心におけるFLの値から始まり、x=Lでゼロになる。xにそったエネルギー貯蔵密度は、モーメント(M(x))と表面における歪み(ε(x))との積に比例するが、ただし、 The passive elastic element 1724 employs a tapered design to maximize energy storage in the element 1724 so that the energy storage density is constant over the entire length for a given deflection. Referring to FIG. 17D, there is illustrated a free body diagram for a passive elastic element 1724 in which the roller force F rollr and the lower limb member force F shank combine to equal but not by the central pivot. It shows the mechanism that generates the direction force. In this embodiment, the roller force and the leg member force are applied equidistant from the central pivot. The multiple forces F at the ends combine to generate a 17F central pivot force. Using the standard thin beam relationship, the moment acting at a distance x from the central pivot varies linearly -L is the passive elastic element 1724 between the positions where the force is applied. Starts with the value of FL at the center, and becomes zero when x = L. The energy storage density along x is proportional to the product of the moment (M (x)) and the strain at the surface (ε 0 (x)), provided that

である。 It is.

複合材料の与えられたレイアップに対して、表面歪みが臨界値εより低く保持される。与えられたモーメントについて、梁の中のエネルギー密度は、表面歪みがこの臨界値に設定されたときに最大になる。エネルギー密度を一定に保ち、また最大値に保持するために、梁の最適な幅w(x)は、関係式 For a given layup of the composite material, the surface strain is kept below the critical value ε * . For a given moment, the energy density in the beam is maximized when the surface strain is set to this critical value. In order to keep the energy density constant and at the maximum value, the optimum beam width w * (x) is

によって定義される。 Defined by

一実施形態では、先細り形状1784は、梁の中心から直線的に変化する。この設計方法を使用することによって、先細り形状1784のない梁の場合と比べてバネのエネルギー貯蔵が2倍に増大された。複合バネ材料は、均質でないため、また細い梁の方程式は適用可能でないので、受動的な弾性部材1724のエネルギー貯蔵密度を推定するために計算ツールを使用する。大半のエネルギーを貯蔵することができる形状は、繊維積層板、積層設計、厚さ、および受動的な弾性部材1724を装置1700に取り付ける正確な方法に大きく依存する。しかし、ここでは、直線的な先細り形状が最適値の約10%の範囲内のエネルギー貯蔵を行うと判断した。好ましい一実施形態では、直線的な先細り形状は、ウォータージェットプロセスを使用し単層複合材料の板から直線的な先細りパターンを切り出すのが比較的容易であるため使用されている。代替的な、あまり好ましくない実施形態では、先細でないバネを使用することができる。   In one embodiment, the tapered shape 1784 varies linearly from the center of the beam. By using this design method, the energy storage of the spring was increased by a factor of two compared to the beam without the tapered shape 1784. Since the composite spring material is not homogeneous and the thin beam equation is not applicable, a calculation tool is used to estimate the energy storage density of the passive elastic member 1724. The shape that can store most of the energy is highly dependent on the fiber laminate, the laminate design, the thickness, and the exact method of attaching the passive elastic member 1724 to the device 1700. However, it was determined here that the linear taper shape stores energy within a range of about 10% of the optimum value. In one preferred embodiment, a linear taper is used because it is relatively easy to cut a linear taper pattern from a single layer composite plate using a water jet process. In an alternative, less preferred embodiment, a non-tapered spring can be used.

図17Eは、構造要素1732(本明細書ではピラミッドとも称する)の一実施形態を示す斜視図である。構造要素1732は、取り付け用インターフェイス1704と下肢部材1712の第1の端部1752との間に結合される。構造要素1732は、一組のピン1711(図17Aに示されている)で下肢部材1712の第1の端部1752に結合される。ピン1711は、下肢部材1712の一組の穴1713および構造要素1732の一組の穴1715を通る。ピン1711により、構造要素1732内の歪みに対する回転自由度を構造要素1732内の軸力およびモーメントとして誤って記録しないようにすることができる。この実施形態では、構造要素1732は、足関節1740上のモーメントおよび軸方向荷重を測定することができ、これにより、例えば、装置1700の機能を制御するコントローラ1762の状態機械で使用するために「足着地」の正の検出、動力底屈時に使用される正フィードバック反射制御装置で使用するための印加されたモーメントの測定、およびコントローラ1762に一体化されている安全システムで使用するための躓きの正の検出を行うことができる。   FIG. 17E is a perspective view illustrating one embodiment of a structural element 1732 (also referred to herein as a pyramid). Structural element 1732 is coupled between attachment interface 1704 and first end 1752 of lower limb member 1712. The structural element 1732 is coupled to the first end 1752 of the lower limb member 1712 with a set of pins 1711 (shown in FIG. 17A). Pin 1711 passes through a set of holes 1713 in lower limb member 1712 and a set of holes 1715 in structural element 1732. The pin 1711 prevents rotational degrees of freedom for distortion in the structural element 1732 from being erroneously recorded as axial forces and moments in the structural element 1732. In this embodiment, the structural element 1732 can measure moments and axial loads on the ankle 1740, thereby providing for use with, for example, a state machine of a controller 1762 that controls the function of the device 1700. Positive detection of "foot landing", measurement of applied moments for use in positive feedback reflection controllers used during power plantar flexion, and whispering for use in safety systems integrated into controller 1762 Positive detection can be performed.

この実施形態では、構造要素1732は、動作時に装置1700に印加される内側−外側モーメントおよび軸力によって誘起される歪場を増幅する屈曲要素として設計される。構造要素1732は、内側−外側モーメント(x軸の周りのモーメント)が印加されたときに中央のアダプター取り付け穴1734の周りの領域1738および1742内で反対符号を持つ高い歪場(微分歪場)を発生する。これらの微分歪場は、軸力のみが印加される場合には存在しない。構造要素1732は、構造要素1732の底面1733上の2つのモーメント感知領域(それぞれ1738および1742)のそれぞれに接着された歪みゲージ(1782および1786)を1つ備える。ゲージは、ホイートストンブリッジの対向する側にはり付けられる。歪みを測定するためにコントローラ1762をホイートストンブリッジに結合する。歪み測定結果を使用して、構造要素1732上のモーメントを測定する。一実施形態では、測定の感度は、約0.15N−mの範囲内にあり、この状況では、感度は、500Hzでデジタルサンプリングしたときの分解可能な最小の変化(信号対雑音比≒1)を定める。   In this embodiment, the structural element 1732 is designed as a bending element that amplifies the strain field induced by inner-outer moments and axial forces applied to the device 1700 during operation. Structural element 1732 has a high strain field (differential strain field) with opposite sign in regions 1738 and 1742 around the central adapter mounting hole 1734 when an inner-outer moment (moment about the x-axis) is applied. Is generated. These differential strain fields do not exist when only axial force is applied. Structural element 1732 includes one strain gauge (1782 and 1786) bonded to each of two moment sensing regions (1738 and 1742, respectively) on the bottom surface 1733 of structural element 1732. The gauge is attached to the opposite side of the Wheatstone bridge. Controller 1762 is coupled to the Wheatstone bridge to measure strain. The strain measurement results are used to measure the moment on the structural element 1732. In one embodiment, the sensitivity of the measurement is in the range of about 0.15 N-m, and in this situation, the sensitivity is the smallest change that can be resolved when digitally sampled at 500 Hz (signal to noise ratio≈1). Determine.

モーメントによって誘起される歪みとは対照的に、中央のアダプター取り付け穴1734の周りの領域1746および1754内の内外軸にそった軸力によって高い歪みがもたらされる。これらの歪みは、内外軸にそって機械加工された溝(それぞれ1758および1770)の下にある0.76mmの厚さの領域(領域1746および1754)内に出現する。この溝の上の部分は、薄い下側部分において最小の歪みでモーメント荷重を伝えるのに十分な厚さのものでなければならない。歪みの大きさは、モーメントのみの荷重が加えられたときに薄い部分内において著しく減少する。構造要素1732は、構造要素1732の底面1733上の2つの軸方向荷重感知領域(それぞれ1746および1754)のそれぞれに接着された歪みゲージ(1790および1794)を1つ備える。ゲージは、ホイートストンブリッジの対向する側にはり付けられる。歪みを測定するためにコントローラ1762をホイートストンブリッジに結合する。これらの歪み測定結果は、構造要素1732上の軸力を測定する、したがって、その結果、下肢部材1712上の軸力を測定するために使用される。機械加工された溝1758および1770は、構造要素1732の構造的完全性を損なうことなく軸方向に誘起される歪みを増幅する。   In contrast to moment-induced strain, high strain is caused by axial forces along the inner and outer shafts in regions 1746 and 1754 around the central adapter mounting hole 1734. These distortions appear in 0.76 mm thick regions (regions 1746 and 1754) below the grooves machined along the inner and outer shafts (1758 and 1770, respectively). The upper part of this groove must be thick enough to transmit the moment load with minimal distortion in the thin lower part. The magnitude of the strain is significantly reduced in the thin area when a moment-only load is applied. Structural element 1732 includes one strain gauge (1790 and 1794) bonded to each of two axial load sensing areas (1746 and 1754, respectively) on the bottom surface 1733 of structural element 1732. The gauge is attached to the opposite side of the Wheatstone bridge. Controller 1762 is coupled to the Wheatstone bridge to measure strain. These strain measurement results are used to measure the axial force on the structural element 1732 and, therefore, to measure the axial force on the lower limb member 1712. Machined grooves 1758 and 1770 amplify axially induced strain without compromising the structural integrity of structural element 1732.

構造要素1732は、着用者の残肢ソケット(図示せず)と装置1700との間の構造支持材の重要な連鎖内にあるため、一実施形態では、好ましくは、60N/kgを超える軸方向荷重に耐えるように設計される。この実施形態では、軸方向の測定感度は、約50Nの範囲内であり、これは、装置が地面にしっかりと置かれていることを感知するために装置1700において通常使用される閾値である約100Nより十分に低い。装置1700の較正時に、2×2の感度行列が決定され、これにより、いくつかの対の歪み測定結果から真のモーメントおよび軸力を導出することができる。   In one embodiment, the structural element 1732 is preferably in the axial direction of more than 60 N / kg because it is in the critical chain of structural support between the wearer's remaining leg socket (not shown) and the device 1700. Designed to withstand loads. In this embodiment, the axial measurement sensitivity is in the range of about 50N, which is a threshold typically used in the device 1700 to sense that the device is firmly placed on the ground. Well below 100N. During calibration of the device 1700, a 2 × 2 sensitivity matrix is determined, whereby the true moment and axial force can be derived from several pairs of strain measurement results.

図17Fは、本発明の例示的な一実施形態による、下肢部材に印加される軸力およびモーメントを測定するための代替的方法を示す断面図である。この実施形態では、構造要素1732は、軸力と平面内モーメント(自由度2)が冗長な形で導出されうるように底面1733の変位を増幅する曲げ設計を採用している。この実施形態では、装置1700は、下肢部材1712に印加されるモーメント(トルク)および軸力を決定するために構造要素1732のたわみを測定する変位感知装置1735を備える。   FIG. 17F is a cross-sectional view illustrating an alternative method for measuring axial forces and moments applied to a lower limb member, according to an illustrative embodiment of the invention. In this embodiment, the structural element 1732 employs a bending design that amplifies the displacement of the bottom surface 1733 so that axial forces and in-plane moments (two degrees of freedom) can be derived redundantly. In this embodiment, the device 1700 includes a displacement sensing device 1735 that measures the deflection of the structural element 1732 to determine the moment (torque) and axial force applied to the leg member 1712.

この実施形態では、変位感知装置1735は、1つまたは複数の変位センサー1737(例えば、接触または非接触変位センサー)を採用するプリント回路アセンブリ(PCA)を備える。センサーは、それぞれの感知座標において、センサー1737と構造要素1732の底面1733との間の距離を測定する。   In this embodiment, the displacement sensing device 1735 comprises a printed circuit assembly (PCA) that employs one or more displacement sensors 1737 (eg, contact or non-contact displacement sensors). The sensor measures the distance between the sensor 1737 and the bottom surface 1733 of the structural element 1732 at each sensing coordinate.

一実施形態では、構造要素1732の底面1733に関するPCA上に印刷されたコイルの相互インダクタンスの変化を用いて、局所的表面変形(変位)を測定する。この実施形態では、構造要素1732内の逆循環する「渦」電流は、コイルと構造要素1732の底面1733との間の距離に反比例してコイルのインダクタンスを低減するために使用される。非接触型静電容量および光学センサーまたはPCAに内蔵されている力感知抵抗器、圧電、または歪みゲージを使用する接触に基づくセンサーを含む、他の変位感知技術も使用することが可能である。変位センサーの配列をサンプリングすることによって、オフライン較正プロセスの実行中に計算される感度行列を使用して、軸力およびモーメントを推定することができる。   In one embodiment, changes in the mutual inductance of the coils printed on the PCA with respect to the bottom surface 1733 of the structural element 1732 are used to measure local surface deformation (displacement). In this embodiment, the counter-circulating “vortex” current in the structural element 1732 is used to reduce the inductance of the coil inversely proportional to the distance between the coil and the bottom surface 1733 of the structural element 1732. Other displacement sensing techniques can also be used, including contactless capacitance and contact sensors using force sensors, piezoelectrics, or strain gauges built into optical sensors or PCAs. By sampling the array of displacement sensors, the axial force and moment can be estimated using the sensitivity matrix calculated during the off-line calibration process.

この実施形態では、構造要素1732は、ネジで下肢部材1712に留められ、このため、図17Eに例示されている実施形態で使用されているピン1711が不要になる。ネジ留め方法を採用することで、重量と製造の複雑さが低減される。さらに、このネジ留め方法により、変位感知装置1735が配置されている構造要素1732の中心で測定される変位が増幅される。図17Gは、プリント回路アセンブリ上の変位センサーの円形配列を使用して平面内モーメントベクトルおよび軸力をどのように計算するかを示している。図示されているように、バイアスおよび正弦関数に似た変位関数の復調を使用して、モーメントおよび力を推定する。他の変位センサー配列構成も、モーメントおよび力の内在的感知の手段として使用することが可能である。   In this embodiment, the structural element 1732 is screwed to the lower limb member 1712, thus eliminating the pin 1711 used in the embodiment illustrated in FIG. 17E. By employing the screwing method, the weight and manufacturing complexity are reduced. Furthermore, this screwing method amplifies the displacement measured at the center of the structural element 1732 where the displacement sensing device 1735 is located. FIG. 17G shows how to calculate the in-plane moment vector and axial force using a circular array of displacement sensors on the printed circuit assembly. As shown, the bias and sine function-like demodulation of the displacement function is used to estimate moments and forces. Other displacement sensor arrangements can also be used as a means of intrinsic sensing of moments and forces.

モーメントおよび力の感知は、歩行状態の変化を信号で知らせる手段として有用である。それに加えて、下肢部材1712のモーメントの測定は、動力底屈で反射動作を行わせるフィードバック手段として使用される。慣性およびアクチュエータのフィードバックと組み合わせた場合、内在的なモーメントおよび力の測定結果は、牽引制御を行い、バランスをとるために使用される地面反力およびゼロモーメント枢軸を計算するために使用される。これらの理由から、内在的なモーメントおよび力の感知機能を慣性計測装置および状態制御処理機能とともにパッケージングすることが有益である。図17Fは、これらの機能をPCA上にどのように実装できるかを示している。このようなPCAは、上面変位感知FR−4ベース層と信号処理層を組み込んだ底部FR−4ベース層との間の剛性のある介在基材として使用されるFR−4材料と安定したコア材料(例えば、インバール)とのサンドイッチとして実装することが可能である。材料と機能とを一体化して単一のアセンブリにすることで、ケーブル配線およびこれらの機能を相互接続するための潜在的に信頼性が低い手段が不要になる。このような一体化を行うことで、エネルギー回収および歩行統計量を含む、受動的な義肢および研究、歩行パラメータをセットアップするために義肢装具士によって使用されうるスタンドアロン型のツールも利用できるようになる。   Moment and force sensing is useful as a means of signaling changes in walking conditions. In addition, the measurement of the moment of the lower limb member 1712 is used as a feedback means for causing a reflex action with power buckling. When combined with inertia and actuator feedback, the intrinsic moment and force measurements are used to calculate traction control and ground reaction forces and zero moment pivots used to balance. For these reasons, it is beneficial to package the intrinsic moment and force sensing functions along with inertial measurement devices and state control processing functions. FIG. 17F shows how these functions can be implemented on the PCA. Such a PCA has an FR-4 material and a stable core material used as a rigid interposer between a top displacement sensing FR-4 base layer and a bottom FR-4 base layer incorporating a signal processing layer. It can be implemented as a sandwich with (for example, Invar). By integrating the materials and functions into a single assembly, cabling and potentially unreliable means for interconnecting these functions are eliminated. This integration also allows for the use of stand-alone tools that can be used by prosthetic orthotics to set up passive prosthesis and research, gait parameters, including energy recovery and gait statistics. .

図17Aを参照すると、装置1700は、線形アクチュエータ1716を制御するために線形アクチュエータ1716に結合されているコントローラ1762も備える。この実施形態では、コントローラは、環境から保護するために装置1700のハウジング1764内に配置される。ハウジング1764内の電池1768は、装置(例えば、コントローラ1762および装置1700に関連するさまざまなセンサー)に電力を供給する。   Referring to FIG. 17A, the apparatus 1700 also includes a controller 1762 coupled to the linear actuator 1716 to control the linear actuator 1716. In this embodiment, the controller is placed in the housing 1764 of the device 1700 to protect it from the environment. A battery 1768 in the housing 1764 provides power to the device (eg, various sensors associated with the controller 1762 and the device 1700).

装置1700は、前の爪先離地位置に関して足首関節1740、踵1772、および爪先1776の慣性姿勢軌跡を予測するために慣性計測装置1720を備える。慣性計測装置1720は、コントローラ1762に電気的に結合され、装置1700の線形アクチュエータ1716を制御するために慣性測定信号をコントローラ1762に送る。一実施形態では、慣性計測装置1720は、3軸加速度計および3軸レートジャイロを採用している。3軸加速度計は、3本の直交軸にそって局所的加速度を測定する。3軸レートジャイロは、3本の直交軸の周りの角回転を測定する。確立されている数値積分法を使用することで、足部構造上の任意の点における位置、速度、および姿勢を計算することができる。   Apparatus 1700 includes an inertial measurement device 1720 to predict the inertial posture trajectory of ankle joint 1740, heel 1772, and toe 1776 with respect to the previous toe off location. Inertial measurement device 1720 is electrically coupled to controller 1762 and sends an inertial measurement signal to controller 1762 to control linear actuator 1716 of device 1700. In one embodiment, inertial measurement device 1720 employs a triaxial accelerometer and a triaxial rate gyro. A triaxial accelerometer measures local acceleration along three orthogonal axes. A triaxial rate gyro measures angular rotation about three orthogonal axes. By using established numerical integration methods, the position, velocity, and orientation at any point on the foot structure can be calculated.

いくつかの実施形態では、慣性計測装置1720は、地形の傾きおよび段および階段の存在を検出するために使用され、これにより、着地する前の下にある地形および立脚期にある足関節のバネ平衡位置に関する足の「迎え角」を最適化することができる。いくつかの実施形態では、慣性計測装置1720は、着用者の歩行速度および地形の状態(地形の特徴、質感、または凹凸(例えば、地形がどれだけべたべたしているか、地形がどれだけ滑りやすいか、地形が粗いかそれとも滑らかか、地形に岩などの障害物があるか))を判定するために使用される。これにより、着用者は、すべての種類の地形において自信を持って歩くことができる。慣性姿勢は、固定された地面基準(世界)座標系内の下肢部材1712の自由度3の配向−多くの場合、線形変換の配向成分(世界基準座標系内のx、y、およびz軸を定義する3つの単位ベクトル)として、または四元数として捕捉される−と、世界座標系内の足関節1740の並進と、世界座標系内の足関節1740の速度とを含む。この実施形態では、慣性計測装置1720は、下肢部材1712に物理的に結合される。いくつかの実施形態では、慣性計測装置1720は、装置1700の足部材1708に結合される。   In some embodiments, the inertial measurement device 1720 is used to detect the slope of the terrain and the presence of steps and stairs, so that the terrain below and the ankle spring in the stance phase before landing. The “attack angle” of the foot with respect to the equilibrium position can be optimized. In some embodiments, the inertial measurement device 1720 may determine the wearer's walking speed and terrain condition (eg, terrain features, texture, or irregularities (eg, how much the terrain is sticky, how slippery the terrain is). Used to determine if the terrain is rough or smooth, or if there are obstacles such as rocks on the terrain)). This allows the wearer to walk with confidence in all types of terrain. The inertial posture is a three-degree-of-freedom orientation of the lower limb member 1712 in a fixed ground reference (world) coordinate system—often the orientation component of the linear transformation (the x, y, and z axes in the world reference coordinate system Three unit vectors to be defined) or captured as a quaternion—the translation of the ankle 1740 in the world coordinate system and the velocity of the ankle 1740 in the world coordinate system. In this embodiment, inertial measurement device 1720 is physically coupled to lower limb member 1712. In some embodiments, inertial measurement device 1720 is coupled to foot member 1708 of device 1700.

図17Hは、本発明の例示的な一実施形態による、図17A〜17Gの装置とともに使用する状態推定およびアクチュエータコントローラ(状態およびアクチュエータ制御PCA−SAC)を示す略図である。この実施形態では、コントローラ1762は、デュアル40MHz dsPIC(MicrochipTM社製)プロセッサを使用して、線形アクチュエータ1716(例えば、図5Aおよび5Bの回転モーター504)ならびに慣性計測装置1720を制御し、調整する。この実施形態では、モーターのRPMを最大化する最適なパルス幅変調駆動力を発生させるブラシレスモーター制御を実装するために空間ベクトル変調が使用される。空間ベクトル変調は、基準信号が定期的にサンプリングされる、多相AC発生のためのPWM制御アルゴリズムである。信号または電源のPWMは、3相モーター巻線電圧のデューティサイクルの変調を伴う(例えば、回転モーター504)。基準信号を毎回サンプリングした後に、基準ベクトルに隣接するゼロでない能動的なスイッチングベクトルおよびゼロスイッチングベクトルのうちの1つまたは複数のベクトルが、基準信号を合成するためにサンプリング期間全体のうちの適切な部分について選択される。 FIG. 17H is a schematic diagram illustrating a state estimation and actuator controller (state and actuator control PCA-SAC) for use with the apparatus of FIGS. 17A-17G, according to an illustrative embodiment of the invention. In this embodiment, the controller 1762 uses a dual 40 MHz dsPIC (Microchip ) processor to control and adjust the linear actuator 1716 (eg, the rotary motor 504 of FIGS. 5A and 5B) and the inertial measurement device 1720. . In this embodiment, space vector modulation is used to implement a brushless motor control that generates an optimal pulse width modulated driving force that maximizes the RPM of the motor. Space vector modulation is a PWM control algorithm for multiphase AC generation in which a reference signal is periodically sampled. Signal or power supply PWM involves modulation of the duty cycle of the three-phase motor winding voltage (eg, rotary motor 504). After each time the reference signal is sampled, one or more of the non-zero active switching vectors and zero switching vectors adjacent to the reference vector are appropriate for the entire sampling period to synthesize the reference signal. Selected for part.

コントローラ1762は、慣性計測装置1720からの慣性姿勢信号1781、構造要素1732の歪み測定結果からのトルクおよび軸力信号1783、足関節1740内に配置されているホール効果変換器からの足関節角度信号1785、エンコーダ(例えば、図20Aのエンコーダ2040)からのモーター位置信号1787(インデックスおよび絶対モーター位置を持つ直角位相エンコーダ)、直列弾性部材1728の歪みセンサー1704(図18Aを参照)からの歪み信号1789、およびコントローラパラメータ1791(例えば、装置構成データ、着用者特有のチューニング、ファームウェア更新)を含む、さまざまな入力信号を受信する。それに加えて、コントローラ1762は、装置性能データ1793(例えば、リアルタイムデータ、エラーログデータ、リアルタイム性能データ)、足関節状態更新1795を含む、さまざまな信号を出力する。それに加えて、コントローラ1762は、線形アクチュエータ1716にコマンドを出力し、線形アクチュエータ1716からのアクチュエータのフィードバック信号(一般に信号1797)、例えば、線形アクチュエータ1716の電源用電子回路に供給される3相パルス幅変調信号、線形アクチュエータ1716への電池電力、ならびに線形アクチュエータ1716からの電流フィードバック測定値および温度測定値を受け取る。   The controller 1762 includes an inertial posture signal 1781 from the inertial measurement device 1720, a torque and axial force signal 1783 from the distortion measurement result of the structural element 1732, and an ankle joint angle signal from the Hall effect transducer disposed in the ankle joint 1740. 1785, motor position signal 1787 (quadrature encoder with index and absolute motor position) from an encoder (eg, encoder 2040 in FIG. 20A), strain signal 1789 from series elastic member 1728 strain sensor 1704 (see FIG. 18A). And various input signals including controller parameters 1791 (eg, device configuration data, wearer specific tuning, firmware updates). In addition, the controller 1762 outputs various signals including device performance data 1793 (eg, real-time data, error log data, real-time performance data), ankle joint status update 1795. In addition, the controller 1762 outputs a command to the linear actuator 1716 to provide an actuator feedback signal from the linear actuator 1716 (generally signal 1797), eg, a three-phase pulse width supplied to the power supply electronics of the linear actuator 1716. The modulation signal, battery power to linear actuator 1716, and current feedback measurements and temperature measurements from linear actuator 1716 are received.

この実施形態では、センサーのフィードバックを使用して、装置1700が立脚期状態と遊脚期状態の間を遷移するときの状態変化を識別する。冗長な、また多様なセンサー測定結果を使用することによって、故障状態も識別し、装置1700を該当する安全な状態にする。オンボードのリアルタイムクロックを使用することで、故障に時間タグを付け、それをオンボードのePROM(エラーログ)に格納する。エラーログの内容は、義肢装具士および/またはメーカーのサービス要員によって無線で取り出される。この実施形態では、モータードライバーPCA(MD)が、SAC PCAからパルス幅変調(PWM)コマンドを受け取って、モーター巻線に切り替えて電流を流す。MDは感知された電流および電力情報をSAC PCAに戻し、これにより閉ループ制御を適用することができる。 In this embodiment, sensor feedback is used to identify a state change as device 1700 transitions between a stance phase and a swing phase state. By using redundant and diverse sensor measurement results, fault conditions are also identified, and the device 1700 is put into an appropriate safe state. By using an on-board real-time clock, the failure is time-tagged and stored in the on-board e 2 PROM (error log). The content of the error log is retrieved wirelessly by a prosthetic brace and / or manufacturer service personnel. In this embodiment, the motor driver PCA (MD) receives a pulse width modulation (PWM) command from the SAC PCA and switches to the motor winding to pass current. The MD returns the sensed current and power information to the SAC PCA so that closed loop control can be applied.

この実施形態では、IMU PCAは公称的に矢状面(脛骨の前部に平行な局所的平面)内に取り付けられ、3軸加速度計、2軸レートジャイロ(ωおよびω)、および1軸レートジャイロ(ω)を使用する。この実施形態では、この座標系の定義は、y軸を前方、z軸を上方、x軸をy軸とz軸との外積(y×x)と定義するものである。IMUは、500HzのシステムサンプリングレートでSACから状態情報を受け取る。これは、足関節状態ベクトル−特に足関節枢軸の位置と速度、踵の位置、爪先の位置−をすべて前のステップからの足底接地位置に関して送信する。 In this embodiment, the IMU PCA is nominally mounted in the sagittal plane (a local plane parallel to the anterior part of the tibia), a 3-axis accelerometer, a 2-axis rate gyro (ω z and ω x ), and 1 An axial rate gyro (ω y ) is used. In this embodiment, the definition of the coordinate system is to define the y-axis forward, the z-axis upward, and the x-axis as the outer product (y × x) of the y-axis and z-axis. The IMU receives status information from the SAC at a system sampling rate of 500 Hz. This transmits the ankle joint state vector—especially the position and velocity of the ankle pivot, the position of the heel, the position of the toe—all with respect to the sole ground contact position from the previous step.

図17Iおよび17Jは、図17Aの装置1700の例示的な電気的等価物を示す略図である。電気回路の記号は、機械要素−速度と線形関係にある減衰トルクを持つ機械的コンポーネントを表す抵抗器、回転慣性特性を持つ機械的コンポーネントを表すキャパシタ、および直線的なバネ特性を持つ機械的コンポーネントを表すインダクタ−を記述するために使用されている。この回路表記を用いると、電流はトルクに対応し、電圧は角速度に対応する。   17I and 17J are schematic diagrams illustrating exemplary electrical equivalents of the device 1700 of FIG. 17A. Electrical circuit symbols are mechanical elements—resistors representing mechanical components with damping torque that is linearly related to speed, capacitors representing mechanical components with rotational inertia characteristics, and mechanical components with linear spring characteristics Is used to describe an inductor that represents Using this circuit notation, current corresponds to torque and voltage corresponds to angular velocity.

回路コンポーネントは、以下のように定義される。Jshankは、下肢部材(脛)および膝下の残肢の未知の等価慣性(例えば、図17Aの下肢部材1712の慣性)であり、JMotorは、等価モーターおよびボールネジ伝動アセンブリの慣性(例えば、図17Aの線形アクチュエータ1716の慣性)であり、 The circuit component is defined as follows. Jshank is the unknown equivalent inertia of the lower limb member (shin) and the remaining leg under the knee (eg, inertia of the lower limb member 1712 of FIG. 17A), and J Motor is the inertia of the equivalent motor and ball screw transmission assembly (eg, FIG. 17A linear actuator 1716 inertia),

は、圧縮されているときの直列バネ(例えば、図17Aの受動的な弾性要素1728)に対するねじりバネ定数であり、 Is the torsion spring constant for a series spring when compressed (eg, passive elastic element 1728 of FIG. 17A);

は、張力が加えられているときの直列バネに対するねじりバネ定数であり、Kは、一方向並列バネ(例えば、図17Aの受動的な弾性部材1724)に対するねじりバネ定数であり、JAnkleは、足関節(例えば、17Aの足部材1708)の下の足部構造の回転慣性である。モデル内の電流(トルク)源は、以下のように定義される。ΓHumanは、着用者の身体によって下肢部材(例えば、下肢部材1712)に印加される未知のトルクであり、τmotorは、アクチュエータ(例えば、線形アクチュエータ1716)によって印加されるトルクであり、Γshankは、構造要素(例えば、図17Aおよび17Eの構造要素1732)を使用して測定されるトルクである。 Is the torsion spring constant for the series spring when tension is applied, K 3 is the torsion spring constant for the unidirectional parallel spring (eg, passive elastic member 1724 in FIG. 17A), and J Ankle is , Rotational inertia of the foot structure under the ankle joint (eg, 17A foot member 1708). The current (torque) source in the model is defined as follows: Γ Human is the unknown torque applied to the lower limb member (eg, lower limb member 1712) by the wearer's body, τ motor is the torque applied by the actuator (eg, linear actuator 1716), and Γ shank Is the torque measured using a structural element (eg, structural element 1732 of FIGS. 17A and 17E).

図17Iは、エネルギー貯蔵要素としての直列バネおよび並列バネの重要性を示している。貯蔵されているエネルギーを使用すると、このエネルギーを使用しなければ線形アクチュエータに必要になる消費電力が低減される。それに加えて、Kバネのさらなる目的として、足関節−バネ共鳴を増大する足関節慣性に対するシャントとしての機能が挙げられる。 FIG. 17I illustrates the importance of series and parallel springs as energy storage elements. The use of stored energy reduces the power consumption required for a linear actuator if this energy is not used. In addition, as a further object of K 3 springs, ankle - include functions as a shunt for the ankle inertia to increase the spring resonance.

図17Jは、高忠実度位置および力制御を行い、本質的に安全な設計を実現するために望ましいセンサーの冗長性と多様性をもたらすようにこの実施形態においてセンサーがどのように使用されているかを示す。図示されているように、足関節位置   FIG. 17J illustrates how sensors are used in this embodiment to provide high fidelity position and force control and provide desirable sensor redundancy and versatility to achieve an intrinsically safe design. Indicates. As shown, ankle joint position

は、 Is

から導かされるが、ただし、 Is derived from

である。 It is.

θの冗長な尺度は、ホール効果角度変換器を使用することで得られ、これにより、足関節が制御システムによって適切に操作されていることを検証できる。一実施形態では、ホール効果変換器は、装置1700のハウジング1764内にあるSAC PCA上に配置されているホール効果デバイスを備える。この変換器は、足部材1708に結合されている磁石も備える。磁界効果の大きさ(変換器によって出力される信号)は、角度関節回転(つまり、ホール効果デバイスに関する磁石の運動)に応答して知られている形で変化する。ホール効果変換器は、例えば、磁石に関するホール効果デバイスの知られている変位に対して変換器の出力を測定することによって装置1700の製造時に較正される。他の足関節角度測定の実施形態では、下肢部材上のコイルに関して測定された相互インダクタンスは、足関節角度の関数としての知られている関係を有し、インダクタンスは、線形アクチュエータ内のモーターによって、または他の漂遊磁界によって発生する磁界に敏感でない仕方で角変位を計算するように較正されうる。また、図17Jに示されているように、着用者によって与えられるような足関節モーメントも測定される。これにより、線形アクチュエータは反射動作を行うように適応する(例えば、剛性を増大する)ことができる。   A redundant measure of θ is obtained by using a Hall effect angle converter, which can verify that the ankle joint is being properly manipulated by the control system. In one embodiment, the Hall effect transducer comprises a Hall effect device disposed on a SAC PCA in the housing 1764 of the apparatus 1700. The transducer also includes a magnet coupled to the foot member 1708. The magnitude of the magnetic field effect (the signal output by the transducer) changes in a known manner in response to angular joint rotation (ie, the movement of the magnet with respect to the Hall effect device). The Hall effect transducer is calibrated during manufacture of the apparatus 1700, for example, by measuring the transducer output against a known displacement of the Hall effect device relative to the magnet. In other ankle angle measurement embodiments, the mutual inductance measured with respect to the coil on the lower limb member has a known relationship as a function of the ankle angle, which is determined by the motor in the linear actuator, Or it can be calibrated to calculate angular displacement in a manner that is insensitive to magnetic fields generated by other stray fields. Also, as shown in FIG. 17J, the ankle moment as given by the wearer is also measured. This allows the linear actuator to adapt (eg, increase stiffness) to perform a reflective operation.

図18A、18B、18C、および18Dは、本発明の例示的な一実施形態による、図17Aの受動的な弾性部材1728を示す図である。受動的な弾性部材1728は、双方向の剛性をもたらし、線形アクチュエータ1716および足部材1708と直列に接続される。受動的な弾性部材1728は、線形アクチュエータ1716の第2の端部1748に一端で、また足部材(図示せず)に他端で、結合される。受動的な弾性部材1728は、受動的な弾性部材1728内の歪みを測定するために受動的な弾性部材1728に結合される歪みセンサー1704を備える。この実施形態では、歪みセンサー1704は、線形アクチュエータ1716によって印加される力、次いで、線形アクチュエータ1716によって印加される足関節1740の周りのモーメントを測定するために応答が較正される歪みゲージである。歪みゲージの信号は、図17Aのコントローラ1762を使用して測定される。   18A, 18B, 18C, and 18D show the passive elastic member 1728 of FIG. 17A, according to an illustrative embodiment of the invention. Passive elastic member 1728 provides bi-directional stiffness and is connected in series with linear actuator 1716 and foot member 1708. Passive elastic member 1728 is coupled at one end to second end 1748 of linear actuator 1716 and at the other end to a foot member (not shown). Passive elastic member 1728 includes a strain sensor 1704 coupled to passive elastic member 1728 to measure strain in passive elastic member 1728. In this embodiment, strain sensor 1704 is a strain gauge whose response is calibrated to measure the force applied by linear actuator 1716 and then the moment about ankle 1740 applied by linear actuator 1716. The strain gauge signal is measured using the controller 1762 of FIG. 17A.

この実施形態では、受動的な弾性部材1724は、望ましい双方向の(両方向において曲げる機能)正規化された駆動機構剛性をもたらす成形カーボンファイバーレイアップである。一実施形態では、受動的な弾性部材1724は、14〜25N−m/rad/kgの好ましい圧縮力、および4〜8N−m/rad/kgの張力を有する。生体力学な力およびトルクは、着用者の体重に強く対応する。義肢および装具をスケーリングする場合、設計パラメータの指定は、典型的には正規化する。例えば、そのような直列および並列の弾性デバイスは、体重に対応付けるか、または体重の複数の範囲をカバーすることを意図されている離散値をもたらすように設計されうる。圧縮力および張力の範囲は、回転の全範囲−最大の底屈から最大の背屈まで−にわたって足関節に対する線形アクチュエータのモーメントアームの差から結果として生じるトルクの変動を反映する。直列バネ定数は、足関節が歩行中の爪先離地の直後に位置変更されるときなど、遊脚期背屈位置制御時に(バネが圧縮状態にある間に)比較的ノンコンプライアントとなるように最適化される。しかし、衝撃荷重から線形アクチュエータを分離するためにある程度のコンプライアンスが維持される。   In this embodiment, the passive elastic member 1724 is a molded carbon fiber layup that provides the desired bi-directional (function to bend in both directions) normalized drive mechanism stiffness. In one embodiment, the passive elastic member 1724 has a preferred compressive force of 14-25 Nm / rad / kg and a tension of 4-8 Nm / rad / kg. Biomechanical forces and torques strongly correspond to the wearer's weight. When scaling prostheses and braces, design parameter specifications are typically normalized. For example, such series and parallel elastic devices can be designed to yield discrete values that are intended to correspond to weight or cover multiple ranges of weight. The range of compressive force and tension reflects the variation in torque that results from the difference in the moment arm of the linear actuator relative to the ankle over the full range of rotation—from maximum buckling to maximum dorsiflexion. The series spring constant should be relatively non-compliant during swing phase dorsiflexion position control (while the spring is in compression), such as when the ankle joint is repositioned immediately after toe-off during walking. Optimized for. However, some degree of compliance is maintained to decouple the linear actuator from the impact load.

図18Cおよび18Dを参照すると、高い剛性は、背屈回転底部制約部1708を受動的な弾性部材(バネ)1728の遠位端1726に向けて挿入することによって圧縮状態の受動的な弾性部材1728にもたらされることがわかる。この拘束により、圧縮時に(背屈に向けて)直列バネ1728を曲げた後線形アクチュエータ1716の有効モーメントアームが低減される。張力がかかっている状態において、モーメントアームは、底屈の上部制約部1716をバネ拘束の近位端1730の方へ向けて配置することによって効果的に増大される。モーメントアームが長ければ長いほど、バネ梁は自由に曲がり、このため、張力のかかっている状態のバネ定数は低減される。両側剛性特性に加えて、いくつかの実施形態では、受動的な弾性部材1728のバネ定数は、ボールネジの回転速度を最小にするように最適化される。設計により、弾性部材1728のこの実施形態は、非対称的な特性を有する、つまり、圧縮力におけるコンプライアンスよりも張力におけるコンプライアンスの方が高い。張力におけるコンプライアンスが高ければ高いほど、動力底屈において使用するための直列バネ1728へのエネルギー貯蔵は増大する。エネルギーは、動力底屈に関わる最初の約100ms以内に解放され、これにより、線形アクチュエータ1716の必要なエネルギー負担が低減される。線形アクチュエータの回転モーターと連携してボールネジ伝動アセンブリ(例えば、図20A〜20Bのボールネジ伝動アセンブリ2024)を使用する本発明の実施形態では、これは、ボールネジ伝動アセンブリのボールナットアセンブリ部分の必要な動作速度、さらには回転モーターのモーター駆動要件を低減できるという利点をさらに有する。バネが、この場合に高速なボールナット位置決めを必要とせずに足部材を投げ出す。直列の弾性に対し最適化された値は、3〜4Nm/rad/kgの範囲内である。   Referring to FIGS. 18C and 18D, the high stiffness is achieved by inserting a dorsiflexion rotation bottom constraint 1708 toward the distal end 1726 of the passive elastic member (spring) 1728 and compressing the passive elastic member 1728. You can see that This constraint reduces the effective moment arm of the linear actuator 1716 after bending the series spring 1728 during compression (towards dorsiflexion). In tension, the moment arm is effectively increased by positioning the buckled upper constraint 1716 toward the proximal end 1730 of the spring constraint. The longer the moment arm, the more freely the spring beam bends, so that the spring constant in tension is reduced. In addition to the bilateral stiffness characteristics, in some embodiments, the spring constant of the passive elastic member 1728 is optimized to minimize the rotational speed of the ball screw. By design, this embodiment of the elastic member 1728 has asymmetric properties, i.e. higher compliance in tension than compliance in compressive force. The higher the compliance in tension, the greater the energy storage in the series spring 1728 for use in power buckling. Energy is released within the first approximately 100 ms involved in power planting, which reduces the required energy burden of the linear actuator 1716. In embodiments of the present invention that use a ball screw transmission assembly (eg, the ball screw transmission assembly 2024 of FIGS. 20A-20B) in conjunction with a rotary motor of a linear actuator, this is the required operation of the ball nut assembly portion of the ball screw transmission assembly. It has the further advantage that the speed and even the motor drive requirements of the rotary motor can be reduced. The spring throws out the foot member without the need for fast ball nut positioning in this case. The value optimized for in-line elasticity is in the range of 3-4 Nm / rad / kg.

図19Aは、本発明の例示的な一実施形態による、直列板バネ1928を組み込んだ義足装置1900を示す図である。装置1900は、着用者の相補的下肢ソケット部材に取り付けることを可能にする取り付け用インターフェイス1904を有する。装置1900は、取り付け用インターフェイス1904に結合された下肢部材1912を備える。下肢部材1912は、装置1900の足関節1940のところで足部材1908にも結合される。足関節1940により、足部材1908は下肢部材1912に関してx軸の周りで回転することができる。足部材は、踵1972と爪先1976を含む。   FIG. 19A is a diagram illustrating a prosthetic device 1900 incorporating a series leaf spring 1928, according to an illustrative embodiment of the invention. The device 1900 has an attachment interface 1904 that allows attachment to a wearer's complementary leg socket member. Device 1900 includes a lower limb member 1912 coupled to an attachment interface 1904. Lower limb member 1912 is also coupled to foot member 1908 at ankle joint 1940 of device 1900. Ankle joint 1940 allows foot member 1908 to rotate about the x-axis with respect to lower limb member 1912. The foot member includes a heel 1972 and a toe 1976.

装置1900は、第1の端部1936および第2の端部1948を持つ線形アクチュエータ1916も備える。線形アクチュエータ1916の第1の端部1936は、下肢部材1912に結合される。装置1900は、線形アクチュエータ1916と直列につながる受動的な弾性部材1928も備える。受動的な弾性部材1928は、足部材1908と線形アクチュエータ1916の第2の端部1948との間に結合される。受動的な弾性部材1928は、受動的弾性部材1928の近位端1930のところで足部材1908に結合される。受動的な弾性部材1928の遠位端1926は、線形アクチュエータ1916の第2の端部1948に結合される。線形アクチュエータ1916は、足関節1940の周りにトルクを印加する。   The apparatus 1900 also includes a linear actuator 1916 having a first end 1936 and a second end 1948. The first end 1936 of the linear actuator 1916 is coupled to the lower limb member 1912. Device 1900 also includes a passive elastic member 1928 in series with a linear actuator 1916. Passive elastic member 1928 is coupled between foot member 1908 and second end 1948 of linear actuator 1916. Passive elastic member 1928 is coupled to foot member 1908 at the proximal end 1930 of passive elastic member 1928. The distal end 1926 of the passive elastic member 1928 is coupled to the second end 1948 of the linear actuator 1916. Linear actuator 1916 applies a torque around ankle joint 1940.

装置1900は、線形アクチュエータ1916を制御するために線形アクチュエータ1916に結合されているコントローラ1960も備える。この実施形態では、コントローラ1960は、環境から保護するために装置1900のハウジング1964内に配置されるが、ハウジングの一部は、ハウジングの中身が見えるようにこの図では取り除かれている。装置1900に結合されている電池1968は、装置1900(例えば、コントローラ1960および装置1900に関連付けられているさまざまなセンサー)に電力を供給する。   Apparatus 1900 also includes a controller 1960 that is coupled to linear actuator 1916 to control linear actuator 1916. In this embodiment, the controller 1960 is disposed within the housing 1964 of the device 1900 to protect it from the environment, but a portion of the housing has been removed in this view so that the contents of the housing can be seen. A battery 1968 coupled to the device 1900 provides power to the device 1900 (eg, the controller 1960 and various sensors associated with the device 1900).

図19Aの受動的な弾性部材1928は、板バネである(例えば、ウォータージェット切断装置で加工される)。板バネを使用すると、受動的な弾性部材1900のコストが低減され、着用者の体重に合うようにバネ定数を容易に設定することができる。一実施形態では、バネを縦方向に分割し(y軸にそって)、ボールナットの回転軸と直列の受動的な弾性部材1928との間の平行性を欠いていることによる線形アクチュエータ1916のボールナット(例えば、図20Aおよび20B)のコンポーネントに対する面外モーメントを低減する。この実施形態では、アクチュエータのトルクフィードバックループには、歪み感知機能を使用していない。むしろ、バネを通じて伝わるトルクを推定するために、板バネの知られているバネ定数を測定されたバネのたわみ(測定された足関節1940の角度θとバネのたわみがゼロのときにネジにそった特定のボールナット位置から結果として生じる足関節1940の角度として運動学的に定義される角度βとの差)に掛ける。   The passive elastic member 1928 of FIG. 19A is a leaf spring (for example, processed by a water jet cutting device). When a leaf spring is used, the cost of the passive elastic member 1900 is reduced, and the spring constant can be easily set to match the weight of the wearer. In one embodiment, the spring is split longitudinally (along the y-axis) and the linear actuator 1916 by lacking parallelism between the ball nut's rotational axis and the passive elastic member 1928 in series. Reduce the out-of-plane moment for the components of the ball nut (eg, FIGS. 20A and 20B). In this embodiment, the actuator torque feedback loop does not use a strain sensing function. Rather, in order to estimate the torque transmitted through the spring, the known spring constant of the leaf spring is measured against the measured spring deflection (when the measured angle θ of the ankle 1940 and the spring deflection is zero). The resulting angle of the ankle 1940 resulting from the kinematically defined angle β).

図19Bおよび19Cは、本発明の例示的な一実施形態による、義肢装置1900の代替的な2つの部分から作られている直列弾性バネを示す図である。装置1900は、着用者の相補的下肢ソケット部材に取り付けることを可能にする取り付け用インターフェイス1904を有する。装置1900は、取り付け用インターフェイス1904に結合された下肢部材1912を備える。下肢部材1912は、装置1900の足関節1940のところで足部材1908にも結合される。足関節1940により、足部材1908は下肢部材1912に関してx軸の周りで回転することができる。足部材は、踵1972と爪先1976を含む。装置1900は、第1の端部(図示せず)および第2の端部1948を持つ線形アクチュエータ1916も備える。線形アクチュエータ1916の第1の端部は、下肢部材1912に結合される。装置1900は、足部材1908を足関節1940のx軸の周りに回転させるためのベアリングとともに足部材1908を下肢部材1912に足関節1940のところで結合する結合部材1988(例えば、取り付け用金具)も備える。   FIGS. 19B and 19C are diagrams illustrating a series elastic spring made from two alternative portions of a prosthetic device 1900, according to an illustrative embodiment of the invention. The device 1900 has an attachment interface 1904 that allows attachment to a wearer's complementary leg socket member. Device 1900 includes a lower limb member 1912 coupled to an attachment interface 1904. Lower limb member 1912 is also coupled to foot member 1908 at ankle joint 1940 of device 1900. Ankle joint 1940 allows foot member 1908 to rotate about the x-axis with respect to lower limb member 1912. The foot member includes a heel 1972 and a toe 1976. Apparatus 1900 also includes a linear actuator 1916 having a first end (not shown) and a second end 1948. A first end of linear actuator 1916 is coupled to lower limb member 1912. The device 1900 also includes a coupling member 1988 (eg, a mounting bracket) that couples the foot member 1908 to the lower limb member 1912 at the ankle joint 1940 with a bearing for rotating the foot member 1908 about the x-axis of the ankle joint 1940. .

装置1900は、線形アクチュエータ1916と直列につながる受動的な弾性部材1928も備える。図19Cを参照すると、受動的な弾性部材1928は、2つの部材部分(例えば、梁様の部分)1994および1996を有する。弾性部材1928は、第1の部材1994上に第1の端部1962も有し、また第2の部材1996上に第2の端部1980も有する。弾性部材1928は、2つの部材1994および1996が会合し、2つの部材1994および1996がx軸の周りで互いに関して枢動する中間位置1996も有する。第2の部材1996は、第1の部材1994の方へ枢動すると、弾性部材は、背屈時に(矢印1992で示されている)圧縮でエネルギーを貯蔵する。   Device 1900 also includes a passive elastic member 1928 in series with a linear actuator 1916. Referring to FIG. 19C, the passive elastic member 1928 has two member portions (eg, beam-like portions) 1994 and 1996. The elastic member 1928 also has a first end 1962 on the first member 1994 and a second end 1980 on the second member 1996. The elastic member 1928 also has an intermediate position 1996 where the two members 1994 and 1996 meet and the two members 1994 and 1996 pivot about each other about the x-axis. As the second member 1996 pivots toward the first member 1994, the elastic member stores energy in compression (indicated by arrow 1992) during dorsiflexion.

弾性要素1928の第1の端部1962は、x軸の周りで回転できるようにするベアリングとともに線形アクチュエータ1916の第2の端部1948に結合される。弾性要素1928の第2の端部1980は、x軸の周りで回転できるようにするベアリングとともに結合部材1988上の場所に結合される。   The first end 1962 of the elastic element 1928 is coupled to the second end 1948 of the linear actuator 1916 with a bearing that allows rotation about the x-axis. The second end 1980 of the elastic element 1928 is coupled to a location on the coupling member 1988 with a bearing that allows it to rotate about the x-axis.

例示的な線形アクチュエータ
図20Aおよび20Bは、本発明の例示的な一実施形態による、さまざまな義足、下肢装具および外骨格装置において使用するための線形アクチュエータ2000を示す図である。図20Aは、線形アクチュエータ2000の斜視図である。図20Bは、線形アクチュエータ2000の断面図である。線形アクチュエータ2000は、例えば、図17Aの装置1700または図4の装置400の線形アクチュエータ1716として使用されうる。アクチュエータ2000は、A軸にそって直線的な動力を伝えるためにモーター2004およびネジ伝動アセンブリ2024(この実施形態では、これは、ボールネジ伝動アセンブリであり、ボールネジアセンブリとも称する)を備える。ネジ伝動アセンブリ2024は、モーター2004の回転運動を直線運動に変換するモーター駆動伝動装置として機能する。一実施形態では、ボールネジ伝動アセンブリ2024は、Nook Industries社(オハイオ州クリーブランド所在)製の特注ボールネジ伝動アセンブリである。特注ボールネジ伝動アセンブリは仕様として、ネジ山間隔14mm×3mmのネジ、150mm/sで4000Nの推力、および500万サイクルを瞬間的に施したときにL1定格寿命を有する。いくつかの実施形態では、ネジ伝導アセンブリは、送りネジ伝導アセンブリ(送りネジアセンブリとも称する)である。
Exemplary Linear Actuators FIGS. 20A and 20B illustrate a linear actuator 2000 for use in various prosthetic, lower limb orthosis and exoskeleton devices, according to an illustrative embodiment of the invention. 20A is a perspective view of the linear actuator 2000. FIG. FIG. 20B is a cross-sectional view of the linear actuator 2000. The linear actuator 2000 can be used, for example, as the linear actuator 1716 of the apparatus 1700 of FIG. 17A or the apparatus 400 of FIG. The actuator 2000 includes a motor 2004 and a screw transmission assembly 2024 (in this embodiment, this is a ball screw transmission assembly, also referred to as a ball screw assembly) to transmit linear power along the A axis. The screw transmission assembly 2024 functions as a motor drive transmission that converts the rotational motion of the motor 2004 into linear motion. In one embodiment, the ball screw transmission assembly 2024 is a custom ball screw transmission assembly manufactured by Nook Industries (Cleveland, Ohio). As a specification, the custom ball screw transmission assembly has a thread spacing of 14 mm × 3 mm, a thrust of 4000 N at 150 mm / s, and an L1 rated life when subjected to 5 million cycles instantaneously. In some embodiments, the screw transmission assembly is a lead screw transmission assembly (also referred to as a lead screw assembly).

アクチュエータ2000は、モーター軸出力2008を有する回転モーター2004を備える。モーター軸出力2008は、モーター軸出力2008に結合された(例えば、溶接された)プーリー2032を有する。一実施形態では、回転モーター2004は、高速ブラシレスモーター(マサチューセッツ州ホールリバー所在のMaxon Motor AG, Maxon Precision Motors, Inc.社が製造するモデルEC30モーター)である。モーター2004は、回転モーター2004のローターとステーターとの間の角度アラインメントを決定するためにモーター2004に組み込まれている誘導増分的絶対角度エンコーダ(inductive incremental−absolute angular encoder)2040を備える。エンコーダ2040は、線形アクチュエータ2000のネジ2060の位置を制御し、「瞬時オン」のモーター整流および冗長位置フィードバック監視を行う。   The actuator 2000 includes a rotary motor 2004 having a motor shaft output 2008. The motor shaft output 2008 has a pulley 2032 coupled (eg, welded) to the motor shaft output 2008. In one embodiment, rotary motor 2004 is a high speed brushless motor (a model EC30 motor manufactured by Maxon Motor AG, Maxon Precision Motors, Inc., Hall River, Mass.). The motor 2004 includes an inductive incremental-absolute angular encoder 2040 that is incorporated into the motor 2004 to determine the angular alignment between the rotor and stator of the rotary motor 2004. The encoder 2040 controls the position of the screw 2060 of the linear actuator 2000 for “instant-on” motor commutation and redundant position feedback monitoring.

エンコーダ2040の誘導結合エンコーディング要素(inductively−coupled encoding elements)を使用することで、システムは高精度の増分的ローター位置フィートバックと同時にローターとステーターとの間の絶対アライメントを(例えば、1回転につき10ビットの分解能で)判定することができる。これらの冗長フィードバック要素をクロスチェックすることによって、エンコーダの不具合が足関節制御の不安定の原因となりうる可能性を最小にすることが可能である。増分的エンコーダは、ボールネジ伝動アセンブリ2024(以下参照)が等速動作しているときに感知される速度変動をなくすために振れを300μrad未満とする。その結果、アクチュエータ2000によって印加されるトルク変動は小さくなる。   By using the inductively-coupled encoding elements of encoder 2040, the system achieves absolute alignment between the rotor and stator (eg, 10 per revolution) simultaneously with high-precision incremental rotor position footback. (With bit resolution). By cross-checking these redundant feedback elements, it is possible to minimize the possibility that an encoder failure may cause ankle control instability. Incremental encoders have a runout of less than 300 μrad to eliminate speed fluctuations that are sensed when the ball screw transmission assembly 2024 (see below) is operating at constant speed. As a result, the torque fluctuation applied by the actuator 2000 is reduced.

回転モーター2004は、一体型のモーターヒートシンク2048も備える。一実施形態では、ヒートシンク2048は、モーター2004の巻線から熱を引き出し、これにより、着用者はモーターのコイル温度限界(典型的には160℃)を超えることなく非保存的な仕事のピークレベルで歩行することができる。モーターの発熱は、線形アクチュエータ2000が推力を伝えるときにモーター2004内の抵抗損失(iR損失)により生じる。コイル温度が上昇すると、コイル抵抗は0.39%/℃の割合で高くなり、これにより、コイル温度がさらに上昇する。それに加えて、モーターK(モーター電流に比例するのでトルクの尺度)は、典型的には、コイル温度が限界値まで高くなると20%ほど低下する。これは、同じ量の仕事をするのに電流消費を増やすことを必要とし、コイル温度はさらに上昇する。線形アクチュエータ2000内のヒートシンクは、コイル温度の上昇を40%以上低減する。モーター巻線の絶縁およびモーターのベアリングの初期故障を促進する「摩耗」現象は、コイル温度が10℃下がる毎に1/2に低減されるため、モーターの寿命は、モーターコイルの動作温度が低く保持されれば著しく延びる。また、この内在的コイル温度感知方法を使用すると、最大定格に近づいたときに動力底屈の電力(電流)を単純に減らし、最終的に、例えば150℃の所定の限界に達したときに電池の電力を遮断することによってモーターを160℃の絶対最大定格を超えないように保護することができる
ロボット義肢は、典型的には、コンパクトで軽量なモーター駆動装置を使用して、影響を受ける肢に出力をバーストで送る。いくつかのシナリオにおいて、出力バーストは、反復的に、長時間にわたり高率で適用することができる。モーターの銅損および渦電流損は、過剰な貯蔵加熱効果を引き起こし、これにより、モーター巻線の温度が上昇することになる。銅巻線抵抗は温度とともに上昇するので(0.39%/℃)、銅損は増大し、そのため、加熱効果が増幅する。ときには臨界巻線温度限界に達する可能性もあり、その場合、さらなる温度上昇がモーターに永久的損傷を引き起こすことになる。この温度限界に達した場合にそのことを感知することは、制御システムによって行うのが好ましい。
The rotary motor 2004 also includes an integrated motor heat sink 2048. In one embodiment, the heat sink 2048 draws heat from the windings of the motor 2004, which allows the wearer to peak non-conservative work without exceeding the motor's coil temperature limit (typically 160 ° C). You can walk in. Heat generation of the motor is caused by resistance loss (i 2 R loss) in the motor 2004 when the linear actuator 2000 transmits thrust. As the coil temperature increases, the coil resistance increases at a rate of 0.39% / ° C., which further increases the coil temperature. In addition, the motor K t (a measure of torque as it is proportional to the motor current) typically decreases by about 20% as the coil temperature increases to a limit value. This requires increasing current consumption to do the same amount of work, further increasing the coil temperature. The heat sink in the linear actuator 2000 reduces the coil temperature rise by 40% or more. The “wear” phenomenon, which promotes motor winding insulation and motor bearing initial failure, is reduced by half each time the coil temperature drops by 10 ° C., so the life of the motor is lower than the operating temperature of the motor coil. If held, it will extend significantly. Also, using this intrinsic coil temperature sensing method, the power buckling power (current) is simply reduced when the maximum rating is approached, and finally the battery is reached when a predetermined limit of, for example, 150 ° C. is reached. The motor prosthesis can be protected from exceeding the absolute maximum rating of 160 ° C by shutting off the power of the robot, typically using a compact and lightweight motor drive, Send output in bursts. In some scenarios, output bursts can be applied repeatedly at high rates over time. Motor copper loss and eddy current loss cause excessive storage heating effects, which will increase the temperature of the motor windings. Since the copper winding resistance increases with temperature (0.39% / ° C.), the copper loss increases, thus amplifying the heating effect. Sometimes the critical winding temperature limit can be reached, in which case further temperature rise will cause permanent damage to the motor. Sensing when this temperature limit is reached is preferably done by the control system.

銅巻線温度限界に達した場合、またはこれから達する場合にそのことを防止するか、もしくは検出するために2つの従来の方法を使用することができる。第1に、銅損および渦電流損は、制御システムの動作中に計算される。これらは、巻線温度を推定できるように巻線の熱的モデルを運用するために使用される。ときには、周囲温度を測定して、巻線温度の測定結果を改善する。この方法の利点は、実装が安価に行えるという点である。不利点は、コイル温度モデルを入手しがたいこと、また較正することが難しいことである。また、モーターの周りの周囲温度の良好な測定結果を出すことが難しい場合も多く、巻線温度測定が誤ることになる。   Two conventional methods can be used to prevent or detect when the copper winding temperature limit is reached or reached. First, copper loss and eddy current loss are calculated during operation of the control system. These are used to operate a thermal model of the winding so that the winding temperature can be estimated. Sometimes the ambient temperature is measured to improve the measurement result of the winding temperature. The advantage of this method is that it can be implemented inexpensively. The disadvantage is that the coil temperature model is not available and is difficult to calibrate. In addition, it is often difficult to obtain a good measurement result of the ambient temperature around the motor, and the winding temperature measurement is erroneous.

ときには第1の方法と組み合わされる、第2の方法では、モーターのケース温度を、ケースの外側、またはモーターの内側にはり付けたサーミスタを使って測定する。この方法の利点は、直接的な測定を行えるという点である。不利点は、測定が一点でのみ行われ、センサーをはり付けるのは費用がかかり、多くの場合信頼性も低いことである。   In the second method, sometimes combined with the first method, the motor case temperature is measured using a thermistor attached to the outside of the case or the inside of the motor. The advantage of this method is that direct measurements can be made. Disadvantages are that measurements are made at a single point, and attaching the sensor is expensive and often unreliable.

より好ましいアプローチは、温度を検出するとともに、潜在的な過熱状態を緩和することである。このアプローチでは、測定を行うために足関節を固定位置に短時間だけ保持する(これにより抵抗の計算に対するBack−EMF効果を排除する)ことができるときに歩行周期のある時点において一歩進める毎にモーター巻線抵抗を測定する。一実施形態では、コイル温度は、モーター巻線に一定電流を流し(あるいは一定電圧をかけて)、その巻線における対応する電圧(あるいは電流)を測定して判定される。精度を高めるために、ここでは、順方向および逆方向の両方で電圧をかけ(または電流を流し)、電流(または電圧)の差を測定する。   A more preferred approach is to detect temperature and mitigate potential overheating conditions. In this approach, every time one step is taken at some point in the walking cycle when the ankle joint can be held in a fixed position for a short period of time to make a measurement (this eliminates the Back-EMF effect on the resistance calculation). Measure motor winding resistance. In one embodiment, the coil temperature is determined by passing a constant current (or applying a constant voltage) through the motor winding and measuring the corresponding voltage (or current) at that winding. In order to increase the accuracy, voltage is applied (or current is applied) in both the forward direction and the reverse direction, and the difference in current (or voltage) is measured.

モーター駆動用電子回路では、PWM電流制御法を使用しているため、この測定を行うためのすべてのインフラストラクチャが存在する。この巻線抵抗と足関節が静止状態(較正一定)にあるときの抵抗との差の割合に注意して、費用をかけずに巻線抵抗をin−situで推定することができる。典型的なサーボシステムでは、この測定を行うことはできないが、それは、アクチュエータを絶えず閉ループ制御下に置かなければならないからである。しかし、人工足関節では、足関節位置が典型的には測定を行うために必要な5ミリ秒を超えて精度制御を維持する必要はない時期(遊脚期)がいくつかある。巻線温度がこの方法で計算された後、制御システムは、巻線が臨界温度に近づいているときにそのことを検出することができる。これらの時期において、歩行に利用できる駆動電力は、温度が安全なレベルに下げられるまでまとめて低減もしくは排除される。   Since the motor drive electronics use the PWM current control method, there is all the infrastructure to make this measurement. By paying attention to the ratio of the difference between the winding resistance and the resistance when the ankle is in a stationary state (calibration constant), the winding resistance can be estimated in-situ without cost. In a typical servo system, this measurement cannot be made because the actuator must be constantly under closed loop control. However, in an artificial ankle joint, there are several times when the ankle position typically does not need to maintain precision control beyond the 5 milliseconds required to perform the measurement (the swing phase). After the winding temperature is calculated in this manner, the control system can detect when the winding is approaching the critical temperature. During these periods, the drive power available for walking is reduced or eliminated collectively until the temperature is lowered to a safe level.

いくつかの実施形態において、温度センサー2052の出力がコントローラ(例えば、図17Aのコントローラ1762)に供給され、それにより、モーター2004の温度に基づいて線形アクチュエータ2000によって出力されるトルクを制御する。   In some embodiments, the output of temperature sensor 2052 is provided to a controller (eg, controller 1762 of FIG. 17A), thereby controlling the torque output by linear actuator 2000 based on the temperature of motor 2004.

ベルト2012は、プーリー2032をボールネジ伝動アセンブリ2024のネジ山付き軸2060に結合し、これにより、モーター軸出力2008の回転運動をボールネジ伝動アセンブリ2024のボールナットアセンブリ2036部分の直線運動に変換する。いくつかの実施形態では、2つまたはそれ以上のベルトを並列に張り、それぞれが線形アクチュエータ2000のボールネジ伝動アセンブリ2024それだけを駆動することができ、したがって、1回のベルト破損であれば線形アクチュエータ2000は動作可能である。そのような事象においては、ベルト破損センサー2056が、その状態を感知し、動作中に(例えば、義肢を使用する着用者の歩行周期毎に)ベルトの完全性を確認する。   The belt 2012 couples the pulley 2032 to the threaded shaft 2060 of the ball screw transmission assembly 2024, thereby converting the rotational motion of the motor shaft output 2008 to the linear motion of the ball nut assembly 2036 portion of the ball screw transmission assembly 2024. In some embodiments, two or more belts can be stretched in parallel, each driving only the ball screw transmission assembly 2024 of the linear actuator 2000, and thus a linear actuator 2000 for a single belt failure. Is operational. In such an event, the belt break sensor 2056 senses the condition and verifies the integrity of the belt during operation (eg, every wearer's walking cycle using a prosthesis).

一実施形態では、光学センサー(例えば、スルービームセンサー)がベルト破損センサーとして使用され、ベルトが破損したときに光学センサーの出力信号が知られている方法で変化する。本発明の他の実施形態では、容量センサーがベルト破損センサーとして使用され、ベルトが破損したときに容量センサーの出力が知られている方法で変化する。   In one embodiment, an optical sensor (eg, a through beam sensor) is used as a belt break sensor, and the output signal of the optical sensor changes in a known manner when the belt breaks. In another embodiment of the present invention, a capacitive sensor is used as a belt break sensor, and the output of the capacitive sensor changes in a known manner when the belt breaks.

一実施形態では、プーリー2032およびベルトは、回転運動を直線運動に変換するための装置として使用されない。むしろ、伝動装置として一組のトラクションホイールが使用される。この実施形態では、ベルト破損の脅威は、これにより排除される。   In one embodiment, pulley 2032 and the belt are not used as a device for converting rotational motion to linear motion. Rather, a set of traction wheels is used as the transmission. In this embodiment, the threat of belt breakage is thereby eliminated.

一実施形態において、ベルト破損が発生した場合、線形アクチュエータ2000が使用されている装置のコントローラ(例えば、図17Aの装置1700のコントローラ1762)は、下肢部材に関する足部材の位置を線形アクチュエータ2000が修理されるまでの間装置が受動的な人工足関節として動作することが可能な安全な位置に変更する。一実施形態では、コントローラは、ベルト破損センサーが複数のベルトのうちの1つまたは複数のベルトの不具合を検出したことに対する応答として回転モーター2004の3本のリード線を短絡させる。3相の電気入力を短絡させると、モーター2004はモーター軸出力2008上に粘性抵抗をもたらす。歩行中、粘性抵抗は、装置が受動的な義肢として動作するようにローター軸出力を大まかに固定状態に保持する。しかし、装置は、立位または座位にあるときに非固定平衡位置に移動できるようにゆっくりと移動させることができる。それぞれの入力リードは、それ専用の個別のスイッチによってアースに短絡される。   In one embodiment, if a belt failure occurs, the controller of the device in which the linear actuator 2000 is used (eg, the controller 1762 of the device 1700 of FIG. 17A) repairs the position of the foot member relative to the lower limb member. Until then, the device changes to a safe position where it can operate as a passive ankle joint. In one embodiment, the controller shorts the three leads of the rotary motor 2004 in response to the belt break sensor detecting a failure of one or more of the belts. When the three-phase electrical input is shorted, the motor 2004 provides a viscous resistance on the motor shaft output 2008. During walking, the viscous resistance keeps the rotor shaft output roughly fixed so that the device operates as a passive prosthesis. However, the device can be moved slowly so that it can move to a non-stationary equilibrium position when in the standing or sitting position. Each input lead is shorted to ground by its own individual switch.

一実施形態では、スイッチは、充電式電池(装置を動作させるために使用される一次電池からの分離した電池)によって作動する。分離した電池を使用することによって、スイッチは、故障が発生した場合でも(または一次電池が尽きた場合でも)入力リードを短絡する(そして装置を安全モードにする)。   In one embodiment, the switch is operated by a rechargeable battery (a separate battery from the primary battery used to operate the device). By using a separate battery, the switch shorts the input lead (and puts the device in safe mode) even if a failure occurs (or even if the primary battery is exhausted).

一実施形態では、ネジ山付き軸2060は、アクチュエータ2000およびアクチュエータ2000が使用されている装置から発生する騒音を低減するために騒音減衰材料を収納する、中をくり抜いた部分を備える。一実施形態では、ネジ山付き軸2060は、軸の長さの64mm分だけ延在する、ボア径8.7mmの直径14mmのステンレス鋼の軸であり、3M(ミネソタ州セントポール所在)社製のISODAMP(登録商標)C−1002音響減衰材料で充填されている。   In one embodiment, threaded shaft 2060 includes a hollowed out portion that houses a noise attenuating material to reduce the noise generated from actuator 2000 and the device in which actuator 2000 is used. In one embodiment, threaded shaft 2060 is a stainless steel shaft with a bore diameter of 8.7 mm and a diameter of 14 mm, extending by 64 mm of the shaft length, manufactured by 3M (St. Paul, Minn.). Filled with ISODAMP® C-1002 sound attenuating material.

アクチュエータ2000は、回転モーター2004とネジ2036の推力とによりベルト2024の張りを支持する半径方向推力ベアリング2028も備える。ベルトの張りと推力とによる負荷が、静的に、また歩行周期において存在する。   The actuator 2000 also includes a radial thrust bearing 2028 that supports the tension of the belt 2024 by the rotation motor 2004 and the thrust of the screw 2036. Loads due to belt tension and thrust are present both statically and during the walking cycle.

ボールナットアセンブリ2036は、複数のボールベアリングを保持する1つまたは複数の再循環ボールトラック2042を備え、この組み合わせにより、ボールナットアセンブリ2036の直線運動を支持する。一実施形態では、5つのボールトラックが使用される。アクチュエータ2000は、アクチュエータ2000を、例えば、義肢装置の足部材の受動的な弾性部材(例えば、図17Aの受動的な弾性部材1724)に結合する結合要素2020(例えば、図17Aの線形アクチュエータ1716の第2の端部1748)を備える。   Ball nut assembly 2036 includes one or more recirculating ball tracks 2042 that hold a plurality of ball bearings, and this combination supports the linear motion of ball nut assembly 2036. In one embodiment, five ball tracks are used. Actuator 2000 includes a coupling element 2020 (eg, of linear actuator 1716 of FIG. 17A) that couples actuator 2000 to, for example, a passive elastic member of a leg member of a prosthetic device (eg, passive elastic member 1724 of FIG. 17A). A second end 1748).

図21は、本発明の例示的な一実施形態による、さまざまな義足、下肢装具および外骨格装置において使用するための線形アクチュエータ2100を示す斜視図である。線形アクチュエータ2100は、例えば、図17Aの装置1000または図4の装置400の線形アクチュエータ1016として使用されうる。線形アクチュエータ2100は、図20Aおよび20Bのアクチュエータ2000の一変更形態である。   FIG. 21 is a perspective view illustrating a linear actuator 2100 for use in various prosthetic, lower limb orthosis and exoskeleton devices, according to an illustrative embodiment of the invention. The linear actuator 2100 can be used, for example, as the linear actuator 1016 of the apparatus 1000 of FIG. 17A or the apparatus 400 of FIG. Linear actuator 2100 is a variation of actuator 2000 of FIGS. 20A and 20B.

アクチュエータ2100は、モーター軸出力2008を有する回転モーター2004を備える。モーター軸出力2008は、モーター軸出力2008に溶接されたプーリー2032を有する。モーター2004は、回転モーター2004のローターとステーターとの間の角度アラインメントを決定するためにモーター2004に組み込まれている誘導増分的絶対角度エンコーダ2040を備える。回転モーター2004は、一体型のモーターヒートシンク2048も備える。   The actuator 2100 includes a rotary motor 2004 having a motor shaft output 2008. The motor shaft output 2008 has a pulley 2032 welded to the motor shaft output 2008. The motor 2004 includes an inductive incremental absolute angle encoder 2040 that is incorporated into the motor 2004 to determine the angular alignment between the rotor and stator of the rotary motor 2004. The rotary motor 2004 also includes an integrated motor heat sink 2048.

2本のベルト2104aおよび2104bは、図20Aおよび20Bの単一のベルト2012ではなく、並列に使用される。それぞれのベルトは、ベルト破損に対して1.5倍のマージンで線形アクチュエータ伝動機能それだけを駆動する能力を有し、これにより、線形アクチュエータ2100は単一のベルト破損にも耐えられる。一実施形態では、ベルト破損が発生した場合、線形アクチュエータ500が使用されている装置のコントローラ(例えば、図17Aの装置1700のコントローラ1762)は、線形アクチュエータ500が修理されるまでの間装置が受動的な人工足関節として動作することが可能なように足関節を安全な位置に移動する。一実施形態では、コントローラは、ベルト破損センサーが複数のベルトのうちの1つまたは複数のベルトの不具合を検出したことに対する応答として回転モーター504の3本のリード線を短絡させる。このような場合、1つまたは複数のベルト破損センサーは、その状態を感知して、線形アクチュエータが修理されるまでの間システムが受動的な人工足関節として動作できるように足関節を安全な位置に移動する。   The two belts 2104a and 2104b are used in parallel rather than the single belt 2012 of FIGS. 20A and 20B. Each belt has the ability to drive the linear actuator transmission function itself with a margin of 1.5 times against belt failure, so that the linear actuator 2100 can withstand a single belt failure. In one embodiment, if a belt failure occurs, the controller of the device in which the linear actuator 500 is used (eg, the controller 1762 of the device 1700 of FIG. 17A) may be passive until the linear actuator 500 is repaired. The ankle is moved to a safe position so that it can operate as a typical artificial ankle. In one embodiment, the controller shorts the three leads of the rotary motor 504 in response to the belt break sensor detecting a failure of one or more of the plurality of belts. In such cases, one or more belt break sensors sense the condition and position the ankle in a safe position so that the system can operate as a passive prosthetic ankle until the linear actuator is repaired. Move to.

2つのベルト2104aおよび2104bは、プーリー532をボールネジ伝動アセンブリのネジ山付き軸(例えば、図20Bのネジ山付き軸2060)に結合し、これにより、モーター軸出力2008の回転運動をボールネジ伝動アセンブリのボールナットアセンブリ2036部分の直線運動に変換する。アクチュエータ2100は、回転モーター2004とネジの推力とによりベルト2104aおよび2104bの張りを支持する半径方向推力ベアリング2028も備える。ベルトの張りと推力とによる負荷が、静的に、また歩行周期において存在する。   Two belts 2104a and 2104b couple the pulley 532 to the threaded shaft of the ball screw transmission assembly (eg, the threaded shaft 2060 of FIG. 20B), thereby coupling the rotational motion of the motor shaft output 2008 to the ball screw transmission assembly. It converts into the linear motion of the ball nut assembly 2036 part. The actuator 2100 also includes a radial thrust bearing 2028 that supports the tension of the belts 2104a and 2104b by the rotation motor 2004 and the thrust of the screw. Loads due to belt tension and thrust are present both statically and during the walking cycle.

ボールナットアセンブリ2036は、複数のボールベアリングを保持する1つまたは複数の再循環ボールトラックを備え、この組み合わせにより、ボールナットアセンブリ2036の直線運動を支持する。アクチュエータ2100は、アクチュエータ2100を、例えば、義肢装置の足部材の受動的な弾性部材(例えば、図17Aの受動的な弾性部材1724)に結合する結合要素2020(例えば、図17Aの線形アクチュエータ1716の第2の端部1748)を備える。   The ball nut assembly 2036 includes one or more recirculating ball tracks that hold a plurality of ball bearings, and this combination supports the linear motion of the ball nut assembly 2036. Actuator 2100 includes a coupling element 2020 (eg, of linear actuator 1716 of FIG. 17A) that couples actuator 2100 to, for example, a passive elastic member of a leg member of a prosthetic device (eg, passive elastic member 1724 of FIG. 17A). A second end 1748).

アクチュエータ2100は、ボールネジアセンブリシール2108も備える。ボールネジアセンブリシール2108は、ネジを、例えば、汚染物質(例えば、砂、泥、腐食性物質、粘着物質)から保護する。このような汚染物質があると、アクチュエータの設計寿命が予測できなくなる。   The actuator 2100 also includes a ball screw assembly seal 2108. Ball screw assembly seal 2108 protects the screw from, for example, contaminants (eg, sand, mud, corrosive materials, sticky materials). Such contaminants make it impossible to predict the design life of the actuator.

例示的な下肢装具(着用型ロボット膝装具)
図22A、22B、および22Cは、本発明の例示的な一実施形態による、下肢装具または外骨格装置2200(着用型ロボット膝装具)を示す略図である。装置2200は、着用者の下肢機能を増強する膝装具である。図22Aは、装置2200の上面図である。図22Bは、装置2200の側面図である。図22Cは、装置2200の膝関節駆動アセンブリ2204の内側部分を示す図である。装置2200の典型的な使用事例としては、例えば、代謝増大、持続性の四肢病変を持つ着用者の永続的補助、または一時的四肢病変を持つ着用者のリハビリが挙げられる。
Exemplary lower limb orthosis (wearable robot knee orthosis)
22A, 22B, and 22C are schematic diagrams illustrating a lower limb brace or exoskeleton device 2200 (wearable robot knee brace), according to an illustrative embodiment of the invention. Device 2200 is a knee brace that enhances the lower limb function of the wearer. FIG. 22A is a top view of the device 2200. FIG. 22B is a side view of device 2200. FIG. 22C shows the inner portion of the knee joint drive assembly 2204 of the device 2200. Typical use cases of the device 2200 include, for example, increased metabolism, permanent assistance of a wearer with persistent limb lesions, or rehabilitation of a wearer with temporary limb lesions.

代謝増大の使用事例は、例えば、着用者(例えば、兵士もしくは他の要員)が重い荷を運びながら高速で長時間重みのある地形を横断する必要がある場合が挙げられる。この使用事例では、膝装具装置2200は、着用者自身の能力を増強する。永続的補助の使用事例としては、リハビリの可能性のない持続性の四肢病変(例えば、膝の腱または半月板の変性)を煩っている着用者が挙げられる。この使用事例では、膝装具装置2200は、着用者に永続的補助を行う。一時的な四肢病変を持つ着用者のリハビリを伴う使用事例としては、外傷または他の一時的な症状からの着用者の回復が挙げられる。この使用事例では、膝装具装置2200は、回復を加速するために理学療法士によって配備されるプログラム可能な遠隔操作型ロボットツールとして機能する−運動感覚のリハビリの進行を通じて、また筋肉の記憶および強度が回復している間に補助を徐々に減らして行う。他の実施形態では、この方法は、一定期間にわたって着用者の装置によって実行される補助のレベルを画定し、四肢の病変のリハビリを補助するために着用者の装置によって実行される補助のレベルを低減する理学療法手順を規定するステップを含む。いくつかの実施形態では、装置によって実行される補助のレベルは、装置への着用者のインピーダンスおよびトルク寄与分に基づいて低減される。   Use cases of increased metabolism include, for example, when a wearer (eg, a soldier or other personnel) needs to traverse heavy and heavy weight terrain while carrying heavy loads. In this use case, the knee orthosis device 2200 enhances the wearer's own ability. Use cases for permanent assistance include wearers who suffer from persistent limb lesions (eg, knee tendon or meniscus degeneration) that are not rehabilitated. In this use case, the knee orthosis device 2200 provides permanent assistance to the wearer. Use cases involving rehabilitation of a wearer with a temporary extremity lesion include recovery of the wearer from trauma or other temporary symptoms. In this use case, the knee orthosis device 2200 functions as a programmable remote-controlled robotic tool deployed by the physiotherapist to accelerate recovery—through the progression of kinesthetic rehabilitation, and muscle memory and strength While recovering, gradually reduce the assistance. In other embodiments, the method defines a level of assistance performed by the wearer's device over a period of time, and the level of assistance performed by the wearer's device to assist in rehabilitation of a limb lesion. Including defining a physical therapy procedure to be reduced. In some embodiments, the level of assistance performed by the device is reduced based on the wearer's impedance and torque contribution to the device.

図22Aおよび22Bを参照すると、装置2200は、下肢部材2216(駆動アームとも称する)、大腿部材2228、下肢カフ2208、および上肢カフ2212を備える。下肢カフ2208は、下肢部材2228に結合される。下肢カフ2208は、装置2200を着用者の下肢に取り付ける。上肢カフ2212は、大腿部材2228に結合される。上肢カフ2212は、装置2200を着用者の大腿部に取り付ける。装置2200は、大腿部材2228を下肢部材2216に接続するための膝関節2232を備える。膝関節2232(例えば、回転ベアリング)により、下肢部材2216は大腿部材2228に関してx軸の周りで回転することができる。   Referring to FIGS. 22A and 22B, device 2200 includes a lower limb member 2216 (also referred to as a drive arm), a thigh member 2228, a lower limb cuff 2208, and an upper limb cuff 2212. Lower limb cuff 2208 is coupled to lower limb member 2228. Lower limb cuff 2208 attaches device 2200 to the wearer's lower limb. Upper limb cuff 2212 is coupled to thigh member 2228. Upper limb cuff 2212 attaches device 2200 to the wearer's thigh. Device 2200 includes a knee joint 2232 for connecting thigh member 2228 to lower limb member 2216. A knee joint 2232 (eg, a rotational bearing) allows the lower limb member 2216 to rotate about the x-axis with respect to the femoral member 2228.

図22Cを参照すると、膝関節駆動アセンブリ2204は、ベルト駆動伝動装置2236を通じて膝関節ドラム2232を駆動する線形アクチュエータを備える。線形アクチュエータは、回転モーター2240(例えば、ブラシレスモーター)およびボールネジ伝動アセンブリ2244(例えば、図20Aおよび20Bのモーター2004およびボールネジ伝動アセンブリ2024)である。装置2200では、モーター2240のモーター軸出力2256の回転運動をボールネジ伝導アセンブリ2244のボールナットアセンブリ2248部分の直線運動に変換する。モーター軸出力2256は、モーター軸出力2256に結合された(例えば、溶接された)プーリー2260を有する。モーター2240は、回転モーター2240のローターとステーターとの間の角度アラインメントを決定するためにモーター2240に組み込まれている誘導増分的絶対角度エンコーダ2264を備える。エンコーダは、ボールネジ伝動アセンブリ2244のネジ2252の位置を制御し、「瞬時オン」のモーター整流および冗長位置フィードバック監視を行うのに必要な位置フィードバック信号も備える。   Referring to FIG. 22C, knee joint drive assembly 2204 includes a linear actuator that drives knee joint drum 2232 through belt drive transmission 2236. Linear actuators are a rotary motor 2240 (eg, a brushless motor) and a ball screw transmission assembly 2244 (eg, the motor 2004 and ball screw transmission assembly 2024 of FIGS. 20A and 20B). Device 2200 converts the rotational motion of motor shaft output 2256 of motor 2240 into linear motion of the ball nut assembly 2248 portion of ball screw transmission assembly 2244. The motor shaft output 2256 has a pulley 2260 coupled (eg, welded) to the motor shaft output 2256. The motor 2240 includes an inductive incremental absolute angle encoder 2264 that is incorporated into the motor 2240 to determine the angular alignment between the rotor and stator of the rotary motor 2240. The encoder also provides the position feedback signal necessary to control the position of the screw 2252 of the ball screw transmission assembly 2244 and to provide “instant-on” motor commutation and redundant position feedback monitoring.

ベルト2268は、プーリー2260をボールネジ伝動アセンブリ2244のネジ山付き軸2252に結合し、これにより、モーター軸出力2256の回転運動をボールネジ伝動アセンブリ2244のボールナットアセンブリ2248部分の直線運動に変換する。   The belt 2268 couples the pulley 2260 to the threaded shaft 2252 of the ball screw transmission assembly 2244, thereby converting the rotational motion of the motor shaft output 2256 to the linear motion of the ball nut assembly 2248 portion of the ball screw transmission assembly 2244.

一実施形態では、ネジ山付き軸2252は、膝関節駆動アセンブリ2204によって発生する騒音を低減するために騒音軽減材料を収納する、中をくり抜いた部分を備える。膝関節駆動アセンブリ2204は、回転モーター2240とネジ2252の推力とによりベルト2268の張りを支持する半径方向推力ベアリング2272も備える。ベルトの張りと推力とによる負荷が、静的に、また歩行周期において存在する。   In one embodiment, the threaded shaft 2252 includes a hollowed out portion that houses a noise reducing material to reduce noise generated by the knee joint drive assembly 2204. The knee joint drive assembly 2204 also includes a radial thrust bearing 2272 that supports the tension of the belt 2268 by the rotational motor 2240 and the thrust of the screw 2252. Loads due to belt tension and thrust are present both statically and during the walking cycle.

膝関節駆動アセンブリ2204は、直列弾性のためのバネ2280、バネケージ2284、駆動ベルト2236、およびバネケージ/ベルト接続2288も備える。いくつかの実施形態では、駆動バンド(例えば、バネ鋼の薄片)が、駆動ベルト2236の代わりに使用される。いくつかの実施形態では、駆動ケーブル(例えば、撚り線の輪)が、駆動ベルト2236の代わりに使用される。バネ2280は、図17Aの直列弾性バネ要素1728と同様の機能を持つ直列の受動的な弾性要素である。バネケージ2284は、バネ2280が配置されている閉じた容積部を備える。ボールナット伝動アセンブリ2248は、ネジ2252に結合される。ボールナットアセンブリ2248は、駆動ベルト2236にも結合される。ネジ2252の直線運動により、ボールナットアセンブリ2248の直線運動が生じる。ボールナットアセンブリ2248における直線運動は、駆動ベルト2236の直線運動を引き起こす。駆動ベルト2236の直線運動は、膝関節2232を駆動する。   The knee joint drive assembly 2204 also includes a spring 2280 for series elasticity, a spring cage 2284, a drive belt 2236, and a spring cage / belt connection 2288. In some embodiments, a drive band (eg, a spring steel flake) is used in place of the drive belt 2236. In some embodiments, a drive cable (eg, a stranded wire) is used in place of the drive belt 2236. The spring 2280 is a series passive elastic element having a function similar to that of the series elastic spring element 1728 of FIG. 17A. Spring cage 2284 includes a closed volume in which spring 2280 is disposed. Ball nut transmission assembly 2248 is coupled to screw 2252. Ball nut assembly 2248 is also coupled to drive belt 2236. Linear movement of the screw 2252 causes linear movement of the ball nut assembly 2248. Linear motion in the ball nut assembly 2248 causes linear motion of the drive belt 2236. The linear movement of the drive belt 2236 drives the knee joint 2232.

装置2200は、コントローラ2292(線形アクチュエータ2204、状態および慣性計測装置2294(例えば、図17Aの慣性計測装置1720)制御および処理機能を組み込んだプリント回路アセンブリ)を備え、これにより、装置2200の動作を駆動し制御する。図22Bを参照すると、装置2200は、下肢部材2216に結合されているトルクセンサー2220も備え、これにより、膝関節駆動アセンブリ2204によって下肢部材2216に印加されるトルクを測定する。センサー2220は、コントローラ2292の制御ループ内でフィードバック要素として使用され、これにより、膝関節2232の高忠実度の閉ループ位置、インピーダンス、およびトルク(反射用)制御を行う。一実施形態では、高速な生体模倣応答を行うために使用される力測定を行うことを目的として、力感知変換器の配列がカフ構造内に埋め込まれている。   The device 2200 includes a controller 2292 (a linear actuator 2204, a state and inertial measurement device 2294 (eg, a printed circuit assembly incorporating the inertial measurement device 1720 of FIG. 17A) control and processing functions), thereby controlling the operation of the device 2200. Drive and control. Referring to FIG. 22B, the device 2200 also includes a torque sensor 2220 coupled to the lower limb member 2216, thereby measuring the torque applied to the lower limb member 2216 by the knee joint drive assembly 2204. The sensor 2220 is used as a feedback element in the control loop of the controller 2292, thereby providing high fidelity closed-loop position, impedance, and torque (for reflection) control of the knee joint 2232. In one embodiment, an array of force sensing transducers is embedded in the cuff structure for the purpose of making a force measurement that is used to produce a fast biomimetic response.

いくつかの実施形態において、モーター角度センサー(例えば、エンコーダ2264)は、モーター位置を測定し、コントローラは、回転モーターを制御し、モーター位置に基づいて膝関節2232の位置、インピーダンス、およびトルクを変調する。   In some embodiments, a motor angle sensor (eg, encoder 2264) measures the motor position, and the controller controls the rotary motor and modulates the position, impedance, and torque of the knee joint 2232 based on the motor position. To do.

いくつかの実施形態において、装置2200は、モーター駆動伝動装置の出力に関してベルト駆動伝動装置のドラム2232の位置を決定するための角度センサーを備え、コントローラが回転モーターを制御し、その位置に基づいてインピーダンス、位置、またはトルクを変調する。いくつかの実施形態では、装置2200は、直列バネに加わる力を決定するためにモーター駆動伝動装置内の直列バネの変位を測定する変位センサーを備え、コントローラが回転モーターを制御し、そのバネに加わる力に基づいてインピーダンス、位置、またはトルクを変調する。いくつかの実施形態では、慣性計測装置2294は、下肢部材の慣性姿勢軌跡を決定するために大腿部材または下肢部材に結合され、コントローラが回転モーターを制御し、慣性姿勢に基づいてインピーダンス、位置、またはトルクを変調する。いくつかの実施形態では、装置2220は、ベルト駆動伝動装置によって下肢部材に印加されるトルクを測定し、コントローラが回転モーターを制御し、下肢部材に印加される力に基づいてインピーダンス、位置、またはトルクを変調する。いくつかの実施形態では、装置2200は、大腿部材と下肢部材とがなす角度を判定する角度センサーを備えるが、ただし、コントローラは回転モーターを制御し、大腿部材と下肢部材とがなす角度に基づいてインピーダンス、位置、またはトルクを変調する。   In some embodiments, the device 2200 includes an angle sensor for determining the position of the belt drive transmission drum 2232 with respect to the output of the motor drive transmission, and the controller controls the rotation motor based on the position. Modulate impedance, position, or torque. In some embodiments, the device 2200 includes a displacement sensor that measures the displacement of the series spring in the motor driven transmission to determine the force applied to the series spring, and the controller controls the rotary motor to the spring. Modulates impedance, position, or torque based on applied force. In some embodiments, the inertial measurement device 2294 is coupled to the thigh member or the lower limb member to determine the inertial posture trajectory of the lower limb member, and the controller controls the rotation motor to determine the impedance, position, Or modulate the torque. In some embodiments, the device 2220 measures the torque applied to the lower limb member by the belt drive transmission, and the controller controls the rotation motor to determine the impedance, position, or based on the force applied to the lower limb member. Modulate torque. In some embodiments, the device 2200 includes an angle sensor that determines an angle between the femoral member and the lower limb member, provided that the controller controls a rotation motor based on the angle formed by the femoral member and the lower limb member. To modulate impedance, position, or torque.

いくつかの実施形態において、装置2200は、モーター駆動伝動装置の代わりに、モーター軸出力に結合されたネジ伝動アセンブリを備え、モーター軸出力の回転運動をネジ伝動アセンブリによる直線運動出力に変換する。それに加えて、モーター駆動伝動装置の出力に結合された駆動伝動アセンブリは、ネジ伝動アセンブリによる直線運動出力を回転運動に変換し、これにより膝関節にトルクを印加して大腿部材に関して下肢部材を回転させるように、ネジ伝動アセンブリに結合されている冗長ベルト、バンド、またはケーブル駆動伝動装置である。   In some embodiments, the device 2200 includes a screw transmission assembly coupled to the motor shaft output instead of the motor drive transmission to convert the rotational motion of the motor shaft output into a linear motion output by the screw transmission assembly. In addition, the drive transmission assembly coupled to the output of the motor drive transmission converts the linear motion output by the screw transmission assembly into rotational motion, thereby applying torque to the knee joint to rotate the lower limb member relative to the femoral member. A redundant belt, band, or cable drive transmission coupled to the screw transmission assembly.

図20Aの義肢装置2000とは異なり、膝装具装置2200は、人の作動と平行して動作する。代謝増大および置換用途では、膝装具制御システムは、歩行周期内で必要なインピーダンスおよびトルクをすべて供給する。着用者が、疲れることなく、また身体の増強側に力を発揮することなく終日歩行することができることが望ましい。リハビリ用途では、膝装具装置2200は、インピーダンスおよびトルクのうちのプログラムされた割合のみを供給する。このような用途では、膝装具装置2200は、着用者のリハビリを監視する理学療法士の遠隔操作型ロボットの延長部として使用される。   Unlike the prosthetic device 2000 of FIG. 20A, the knee orthosis device 2200 operates in parallel with the human action. In metabolic augmentation and replacement applications, the knee orthosis control system provides all the necessary impedance and torque within the gait cycle. It is desirable for the wearer to be able to walk throughout the day without getting tired and without exerting force on the body augmentation side. For rehabilitation applications, the knee orthosis device 2200 supplies only a programmed proportion of impedance and torque. In such applications, the knee orthosis device 2200 is used as an extension of a physical therapist's remotely operated robot that monitors the wearer's rehabilitation.

膝装具制御システムの一実施形態では、理学療法士が、療法士訪問の間の期間にわたって膝装具により遠隔操作型ロボットにより実行される手順を作成する。無線インターフェイスを使用することで、患者の実行状況を理学療法士にフィードバックすることができ、これによりテレプレゼンスが実現される。この手順では、時間の経過とともに補助が減る速度を指定する。膝装具装置により補助が減るので、膝装具装置は、生体力学的モデルを介して、着用者によるインピーダンスおよびトルクの寄与分を計算する−所望の正味の生体模倣応答を維持する改善された応答に従って補助を減らす。生体力学的モデルは、膝の逆動力学を解くことを伴う−下肢部材、大腿部材、および胴体の慣性回転および加速を組み込む。この自由度6の情報は、大腿部材および膝関節角度変位において慣性計測装置から導出される。慣性計測装置に対するゼロ速度更新は、本明細書で説明されているのと同様に実行される。   In one embodiment of a knee brace control system, a physiotherapist creates a procedure that is performed by a remotely operated robot with a knee brace over a period between visits to the therapist. By using the wireless interface, the patient's execution status can be fed back to the physical therapist, thereby realizing telepresence. This procedure specifies the rate at which assistance is reduced over time. As the knee brace device reduces assistance, the knee brace device calculates the impedance and torque contributions by the wearer via a biomechanical model--according to an improved response that maintains the desired net biomimetic response. Reduce assistance. The biomechanical model involves solving the knee's inverse dynamics-incorporating inertial rotation and acceleration of the lower limb, femoral and torso. This information on the degree of freedom 6 is derived from the inertial measurement device in terms of the thigh member and knee joint angular displacement. The zero speed update for the inertial measurement device is performed in the same manner as described herein.

図26は、踵接地の点から始まり、踵接地の点で終わる歩行運動の間に、通常の人の歩行の生体力学的特徴を示す。それには、立脚期と遊脚期とに分けられ、股関節、膝、および足関節での全要素の運動を必要とする。筋障害性の病気、例えば、IBM(封入体筋炎)が、主に大腿四頭筋低下に関連し、患者の安全かつ効率的に走行する能力に不利な影響を与える。同様に重要であるが、IBMを有する患者は、静止状態(立つ状態または座る状態)と走行状態との間に安全に遷移することができない。   FIG. 26 shows the biomechanical characteristics of normal human walking during a walking movement that begins at the point of heel contact and ends at the point of heel contact. This is divided into a stance phase and a swing phase and requires movement of all elements at the hip, knee and ankle joints. Myopathy, such as IBM (inclusion body myositis), is mainly associated with quadriceps decline and adversely affects the patient's ability to run safely and efficiently. Equally important, patients with IBM cannot safely transition between resting (standing or sitting) and running.

図27は、大腿四頭筋低下が平地上の歩行運動に影響する生体力学的メカニズムを示す。全部の生体力学的シーケンスには、図26に対して2つの方法が不足している。第1、立脚前半の膝関節の剛性(または生体力学的インピーダンス)が、足接地の衝撃を吸収し、バランスを維持するために復元的なトルクを印加するのに不十分である場合に、膝が立脚前半においてバックルで締められ得る(参照番号2710によって示される)。足接地を吸収するように膝を能動的に硬直させる大腿四頭筋が歩行速度を制約する能力がないことは、ブレーキなしに車を運転することと同様である。生体力学的インピーダンスは、関節が働かせる剛性を指し、3つのコンポーネント、バネ定数および平行位置によって規定され、関節の変位に応じてトルクを線形または非線形の復元トルクを印加するバネコンポーネント、関節の速度に応じて線形または非線形の粘性復元トルクを印加する減衰コンポーネント、および関節の加速度に応じて線形の復元トルクを印加する慣性コンポーネントを処理するように既知であり、第2、立脚後半および遊脚前半において、大腿四頭筋は、速い膝屈を妨げるために、ブレーキのトルクを膝に印加することができない(参照番号2720によって示される)ことを留意する。   FIG. 27 shows the biomechanical mechanism by which quadriceps decline affects the walking motion on the flat ground. The entire biomechanical sequence lacks two methods relative to FIG. First, if the stiffness (or biomechanical impedance) of the knee joint in the first half of the stance is insufficient to absorb the impact of ground contact and apply restorative torque to maintain balance, Can be buckled in the first half of the stance (indicated by reference numeral 2710). The lack of the ability of the quadriceps to actively stiffen the knee to absorb foot contact has the ability to limit walking speed is similar to driving a car without braking. Biomechanical impedance refers to the stiffness that the joint acts on, and is defined by three components, the spring constant and parallel position, and the torque depending on the displacement of the joint, the spring component that applies a linear or nonlinear restoring torque, the speed of the joint Known to process damping components that apply linear or non-linear viscous restoring torques in response, and inertial components that apply linear restoring torque in response to joint accelerations, in the second, second half of stance and first half of the free leg Note that the quadriceps cannot apply brake torque to the knee to prevent fast knee flexion (indicated by reference numeral 2720).

図22A〜Cに示された膝装置は、図27に関連して上に識別された不足を処理するためのロボット支援の解決策として使用され得る。図28は、下肢軌跡を本質的に感知することを使用することによって、そして所望の歩行軌跡状態、地形、体勢および安定性を再現するために、歩行周期の相に従って患者の膝関節に生体模倣的インピーダンス、増加的なトルクおよび位置制御を適用することによって通常の歩行運動を復元することを証明する。   The knee device shown in FIGS. 22A-C can be used as a robot-assisted solution for handling the shortfalls identified above in connection with FIG. FIG. 28 is a biomimetic of the patient's knee joint according to the phase of the walking cycle by using essentially sensing the lower limb trajectory and to reproduce the desired walking trajectory state, terrain, posture and stability. We demonstrate restoring normal walking motion by applying dynamic impedance, incremental torque and position control.

(参照番号2810によって示される)立脚前半において、膝装置は、足接地エネルギーを吸収し、後腿が地面に離れ得る安定なプラットフォームを提供する増加した剛性を提供する。(参照番号2820に示される)足底屈のような立脚後半において、膝装置は、大腿および脛部の配向と、着用者の歩行速度との本質的な測定を使用し、完全機能の大腿四頭筋肉によって供給されるものと同一であり、代謝効率的な歩行のために着用者を上方および前方に推進する生体模倣的かつ反射的トルクを印加する。その後、膝装置が、下肢が(参照番号2830に示される)遊脚期にあることを感知する場合に、膝が曲げられ、高いインピーダンスが適用され、足が地面に接するときに下肢を吸収する(ブレーキをかける)。これは、安全かつ代謝効率的な歩行をもたらす。   In the first half of the stance (indicated by reference numeral 2810), the knee device absorbs foot contact energy and provides increased stiffness that provides a stable platform where the hind leg can leave the ground. In the second half of the stance, such as plantar flexion (shown at reference numeral 2820), the knee device uses intrinsic measurements of thigh and shin orientation and the wearer's walking speed to produce a fully functional femoral quadrilateral. It is identical to that supplied by the head muscles and applies biomimetic and reflex torque that propels the wearer up and forward for metabolically efficient walking. Later, when the knee device senses that the lower limb is in the swing phase (shown at reference numeral 2830), the knee is bent, high impedance is applied, and the lower limb is absorbed when the foot touches the ground. (Apply the brake). This results in a safe and metabolically efficient gait.

地面反力およびゼロモーメント枢軸を使用する平衡
図23Aは、可変(正または負)の傾きを持つ傾斜においてバランスをとるという一般的な問題を示している。問題は、非線形フィードバック制御実装をしやすいマルチリンクの「倒立振り子」の問題を伴うように見える。このような解決方法では、リンクの角度およびリンクの質量特性(この場合、脚部分、導体、頭部、および腕)が、マルチリンクシステムを明示的に安定化させるために使用される。しかし、このような明示的な入力は、義足、下肢装具、または外骨格装置の大半の実装に組み込まれず、したがって、着用者に信頼できる形で実装し、パッケージングすることが可能でなければ困難である。さらに、いくつかの場合において、着用者は、無傷の脚タグを1つ有し、義足、下肢装具、または外骨格装置の外側で安定化の一部がなされ、義足、下肢装具、または外骨格装置は、無傷の脚の機能を増強する。
Equilibrium Using Ground Reaction Force and Zero Moment Axis FIG. 23A illustrates the general problem of balancing in slopes with variable (positive or negative) slopes. The problem seems to involve the problem of multi-link “inverted pendulum” that is easy to implement nonlinear feedback control. In such a solution, the link angle and link mass properties (in this case, leg, conductor, head, and arms) are used to explicitly stabilize the multilink system. However, such explicit input is not incorporated into most implementations of prosthetic limbs, lower limb orthoses, or exoskeleton devices, and is therefore difficult if it is not possible to implement and package in a reliable manner to the wearer It is. Further, in some cases, the wearer has one intact leg tag and is part of the stabilization outside the prosthetic leg, lower limb orthosis, or exoskeleton device, and the prosthetic leg, lower limb orthosis, or exoskeleton The device enhances the function of the intact leg.

それに加えて、図23Bは、バランス問題に対する許容可能な一連の解決方法のあることを示している。特に、完全に許容可能な、さらには人の意図に応じて望ましい膝曲げの無限に多くの解決方法がある(例えば、重い手荷物または箱を拾い上げる、またはゲームをしながらバランスをとる)。したがって、所望の解決方法では、人の意図に合わせて平衡状態を達成するために無傷のバランス発生身体部分を補完する内在的な(義足、下肢装具、または外骨格装置に対して)感知機能を使用する。   In addition, FIG. 23B shows that there is an acceptable set of solutions to the balance problem. In particular, there are infinitely many solutions for knee bending that are completely acceptable and even desirable depending on the person's intention (eg, picking up heavy baggage or boxes, or balancing while playing games). Thus, the desired solution provides an intrinsic sensing function (for a prosthetic leg, lower limb orthosis, or exoskeleton device) that complements an intact balance-generating body part to achieve equilibrium in accordance with a person's intention. use.

義足、下肢装具、または外骨格装置のいくつかの実施形態において採用されている解決方法では、図23Cにおいてモデル化されているように問題の簡素化された表現を使用する。この表現では、下肢部材の慣性状態、膝関節の角度、および慣性基準地面反力の内在的感知機能を足関節トルク(例えば、義肢装置の線形アクチュエータによって足関節に伝えられるトルク)を駆動する安定化フィードバックとして使用する。身体は、時間とともに変化する剛性および慣性モーメントを持つ質量ゼロの、薄い、座屈梁上の一連の質量(図には1つだけ示されている)としてモデル化される。   Solutions employed in some embodiments of the prosthetic leg, lower limb orthosis, or exoskeleton device use a simplified representation of the problem as modeled in FIG. 23C. In this representation, the stability of driving the ankle torque (eg, torque transmitted to the ankle joint by the linear actuator of the prosthetic device) through the inherent sensing of the lower limb member's inertial state, knee joint angle, and inertial reference ground reaction force Used as generalized feedback. The body is modeled as a series of masses on a thin, zero-buckled beam (only one is shown in the figure) with a mass and moment of inertia that change over time.

バランスは、以下の詳細に基づいてとられる。望ましい平衡状態は、以下の条件が満たされたときに達成される。
1. GRFは世界zに揃える。
2. ゼロモーメント枢軸および足関節を接続する線は、世界z単位ベクトルに揃える。
3. 慣性下肢部材角度γ、および足関節角度θのすべての時間微分はゼロである。
The balance is taken based on the following details. The desired equilibrium state is achieved when the following conditions are met:
1. W F GRF align to the world z.
2. The line connecting the zero moment pivot and the ankle is aligned with the world z unit vector.
3. All time derivatives of inertial leg member angle γ and ankle joint angle θ are zero.

次いで、   Then

に基づいてこれらの条件のそれぞれの平衡状態に駆動するフィードバック制御法則を導くが、ただし、式中、 Leads to a feedback control law that drives to the equilibrium state of each of these conditions, where

は二次費用指数Jを最適化し、 Optimizes the secondary cost index J,

および and

であり、kの成分は、費用指数へのリンク角度の動的寄与分を強調するように選択されている。この実施形態では、制御法則解決方法が、線形二次レギュレータ(LQR)法によって実現される。非専門家向けには、これは、機械またはプロセスを支配する(調節)コントローラの設定が、上記の数学的アルゴリズムを使用し、人によって供給される重み付け係数で費用関数を最小化することによって求められることを意味している。「費用」(関数)は、所望の値からの重要な測定結果の偏差の総和として定義されることが多い。実際、このアルゴリズムは、そのため、望ましくない偏差、例えば、着用者の義肢によって実行される所望の仕事からの偏差を最小化するコントローラ設定を求める。多くの場合、制御アクションそれ自体の大きさは、制御アクションそれ自体によって消費されるエネルギーを制限された状態に保つためにこの総和に含まれる。実際、LQRアルゴリズムは、重み付け係数のエンジニアの指定に基づいてコントローラを最適化する。LQRアルゴリズムは、そのコアにおいて、適切な状態フィードバックコントローラを見つける自動化された一手段にすぎない。 And the component of k is selected to emphasize the dynamic contribution of the link angle to the cost index. In this embodiment, the control law solution is realized by a linear secondary regulator (LQR) method. For non-professionals, this is determined by setting the (regulatory) controller that controls the machine or process using the mathematical algorithm described above and minimizing the cost function with the weighting factor supplied by the person. Is meant to be. “Cost” (function) is often defined as the sum of the deviations of important measurement results from the desired value. In fact, the algorithm therefore seeks a controller setting that minimizes undesirable deviations, such as deviations from the desired work performed by the wearer's prosthesis. In many cases, the magnitude of the control action itself is included in this sum to keep the energy consumed by the control action itself limited. In fact, the LQR algorithm optimizes the controller based on the weighting factor engineer designation. The LQR algorithm is just one automated means of finding an appropriate state feedback controller at its core.

二次費用指数の使用は必要でないが、一実施形態では、二次費用指数を最適化基準として使用することで、義足の着用者向けに分析し、営業所内でカスタマイズするための客観的なフレームワークが形成され、これにより、システムが異なる地形において着用者の平衡状態を維持しようとするときに許容可能フィーリングを維持できる。制御エンジニアがコントローラを見つけるためにLQRアルゴリズムの使用よりも完全状態フィードバック(極配置とも称される)のような代替的な従来の方法を好むことはまれである。こうしたことにより、エンジニアは、調節されたパラメータとその結果生じるコントローラの挙動の変化との間のかなり明確なつながりを確認できる。   Although the use of a secondary cost index is not required, in one embodiment, the secondary cost index is used as an optimization criterion, which provides an objective frame for analysis and customization within the sales office for prosthetic leg wearers. A workpiece is formed, which allows an acceptable feeling to be maintained when the system attempts to maintain the wearer's equilibrium in different terrain. It is rare for a control engineer to prefer an alternative conventional method such as full state feedback (also called pole placement) rather than using an LQR algorithm to find a controller. This allows the engineer to see a fairly clear link between the adjusted parameters and the resulting changes in controller behavior.

イスから立ち上がるときの着用者補助
図24A、24B、および24Cは、本発明の例示的な一実施形態による、義足装置の着用者がイスから立ち上がるのを補助するためにバランス制御法則を適用するための方法を示す図である。TUG(Timed Get Up and Go)は、動的および機能的なバランスを評価するための実験的手段として使用されることが多い。着用者は、イスから立ち上がり、3メートル歩き、床に引いた線を横切り、方向転換し、歩いて引き返し、そして着座するように口頭による指令を受ける。良好な「TUG」実行を行うために、義足には「立ち上がり」および「着座」ボタンが用意されることが多く、これにより、義肢の制御システムの動作状況を構成する。本発明の原理を組み込んだ義足装置では、一実施形態において、例えば、ボタンを押すことによって動作状況を設定する明示的な必要性はない。着座、立ち上がり、そして着座の動作状況は、義肢装置の内在的センサーによって識別される。立ち上がりおよび着座の制御動作は、着用者の平衡状態を維持する単純な一部である。
Wearer Assist when Standing Up from a Chair FIGS. 24A, 24B, and 24C are for applying a balance control law to assist a wearer of a prosthetic device standing up from a chair, according to an illustrative embodiment of the invention. It is a figure which shows the method of. TUG (Timed Get Up and Go) is often used as an experimental means to assess dynamic and functional balance. The wearer is verbally commanded to get up from the chair, walk 3 meters, cross the line drawn on the floor, change direction, walk back, and sit down. In order to perform good “TUG” execution, prosthetic legs are often provided with “rise” and “sitting” buttons, which constitute the operating status of the prosthetic limb control system. In a prosthetic device incorporating the principles of the present invention, in one embodiment, there is no explicit need to set the operating status, for example, by pressing a button. Sitting, standing up, and sitting movements are identified by intrinsic sensors in the prosthetic device. The rising and sitting control actions are a simple part of maintaining the wearer's balance.

図24A、24B、および24Cは、着用者がイスから立ち上がるときに着用者を補助するために内在的バランス制御アルゴリズムがどのように働くかを示している。図24Aを参照すると、着座の開始から立ち上がりへの遷移は、3つの状態を伴う。最初に足が地面から離れるか、または地面に軽く触れているだけである。義肢装置(例えば、図17A〜17Eの装置1700)が、着用者の体重、下肢部材および足部材の慣性配向、ならびに地面反力(例えば、図11Aに関して決定されるような)を認識する。したがって、装置は、着用者が座っていることを「認識している」か、または感知する。着用者が立ち上がり始めると、地面反力の増大が記録され、足(足底接地)の状態が、慣性計測装置の計測結果および足関節角度センサーの計測結果を介して判明する。内在的バランス制御法則実行が開始する。この第2の状態のときに、地面反力におけるアンバランスによって感知される不均衡を使用して、下肢部材(例えば、足関節1740に印加されるトルクを増やすように線形アクチュエータ1716に指令を送るコントローラ1762によって前方へ推進される)を、足関節上で胴体(質量中心)を引く手段として前方へ推進される。   FIGS. 24A, 24B, and 24C illustrate how the intrinsic balance control algorithm works to assist the wearer as he stands up from the chair. Referring to FIG. 24A, the transition from the start of seating to rising involves three states. Initially the foot is only off the ground or touching the ground lightly. A prosthetic device (eg, device 1700 of FIGS. 17A-17E) recognizes the wearer's weight, the inertial orientation of the lower limb and foot members, and ground reaction forces (eg, as determined with respect to FIG. 11A). Thus, the device “knows” or senses that the wearer is sitting. When the wearer starts to stand up, the increase in ground reaction force is recorded, and the state of the foot (ground contact with the sole) is determined through the measurement result of the inertial measurement device and the measurement result of the ankle joint angle sensor. Intrinsic balance control law execution begins. In this second state, the linear actuator 1716 is commanded to increase the torque applied to the lower limb member (eg, ankle joint 1740) using an imbalance sensed by an imbalance in ground reaction force. Propelled forward by the controller 1762) as a means of pulling the torso (center of mass) over the ankle joint.

図24Bを参照すると、内在的バランス制御は、イスの前で着用者を平衡状態にする動作を続ける。図24Cは、立脚中期の平衡状態にある着用者が望むならば歩行を開始できる状態にあることを示している。図示されているように、着用者の意図、およびより具体的には、着座/立ち上がる動作状況は、義肢装置に内在する感知機能によって求めることができる。明示的な状況切り替え(ボタンを押すこと)の実装費用および複雑さは、これにより回避される。義肢装置は、自然な形で身体機能を補完し、増強する。   Referring to FIG. 24B, the inherent balance control continues the operation of balancing the wearer in front of the chair. FIG. 24C shows that the wearer in mid-stance balance can start walking if desired. As shown, the wearer's intent, and more specifically, the sitting / standing up situation, can be determined by a sensing function inherent in the prosthetic device. This avoids the implementation cost and complexity of explicit situation switching (pressing a button). Prosthetic devices complement and enhance body function in a natural way.

地面反力(GRF)によって誘起される足関節トルクは、立脚中期における指数関数的硬化を達成する好ましい方法である。下肢でトルク(例えば、図17Aの構造要素1732を使用して測定されるトルク)を使用するのとは異なり、GRFで計算した足関節トルクは、足関節上で地面によって印加されるトルクの尺度となっている。GRFは、多くの場合、歩行リサーチ設定における力板によって測定され、それにより、歩行中に無傷の足関節が地面とどのように接触するかの尺度として使用される。GRFは、異なる地形状況における生体模倣足関節動作がどのようなものであるかを定める。指数関数的硬化を達成する手段としてGRFを使用する利点は、生体模倣基準に関して性能を測定することが容易であるという点にある。さらに、この尺度の使用により、地形配向に対する不変性が確実なものとなるが、それは、内在的慣性感知機能から導かれるからである(例えば、図17Aの慣性計測装置1720を使用して)。   Ankle torque induced by ground reaction force (GRF) is a preferred method of achieving exponential hardening in mid-stance. Unlike using torque on the lower limb (eg, torque measured using structural element 1732 of FIG. 17A), the ankle torque calculated with GRF is a measure of the torque applied by the ground on the ankle. It has become. GRF is often measured by a force plate in a gait research setting, thereby being used as a measure of how an intact ankle contacts the ground during gait. The GRF defines what the biomimetic ankle motion is in different terrain situations. The advantage of using GRF as a means to achieve exponential curing is that it is easy to measure performance with respect to biomimetic criteria. In addition, the use of this scale ensures invariance to the terrain orientation because it is derived from the intrinsic inertial sensing function (eg, using the inertial measurement device 1720 of FIG. 17A).

立ち上がりの補助が、図22A〜Cに示された膝装具、またはより一般的に任意の能動的な膝装具または義肢を用いても実装され得る。座りから立位へ自身を上げる外見上簡単なタスクは、実際には、段差のようなシーケンスの動作に離昇力トルクおよび復元的なバランスを適用するために、膝および股関節の伸筋の関与を組み込む複雑なタスクである。図29A〜Dは、健康な人の通常の立ち上がりのシーケンスを示し、その立ち上がりのシーケンスは、4つの相:図29Aに示される座り;(b)図29Bに示される立ち上がるための準備において足上の膝を位置変更すること;(c)図29Cに示される座りから立ちへの遷移;および(d)図29Dに示される、一旦体が離昇されると、バランスを保つことを含む。   Standing assistance can also be implemented using the knee brace shown in FIGS. 22A-C, or more generally any active knee brace or prosthesis. The apparently simple task of raising oneself from sitting to standing is in fact the involvement of knee and hip extensors to apply lift-off torque and restorative balance to step-like sequence movements. It is a complex task to incorporate. FIGS. 29A-D show the normal rising sequence of a healthy person, the rising sequence being four phases: sitting as shown in FIG. 29A; (b) stepping up in preparation for rising as shown in FIG. 29B Repositioning the knee; (c) the sitting-to-standing transition shown in FIG. 29C; and (d) the balance shown in FIG. 29D once the body is lifted.

図30A〜Dは、その同じ4つの相のうちのいくつかが実行されることができないため、能動的な下肢装具または義肢を着用する人にとって同じ立ち上がりを実装するのにおける問題を示す。より具体的には、図30Aに示される座位において始まると、多くの装具または義肢の着用者は、イスに彼らを位置決めするために、彼らの腕に十分な強度を維持し、従って、彼らが足関節上に膝および胴体を事前に位置決めし、図30Bに示される相bを実装することを可能にする。しかしながら、大腿四頭筋および/または股関節伸筋に強度が欠いていることは、図30CのX、3010によって示される上肢および胴体をイスの外へ離昇させる相cの回転を妨げる。加えて、膝または股関節において十分な伸筋トルクがない場合に、不適な膝および/または股関節の筋肉強度を有する患者にとって、図30DのX、3020によって示される胴体を減速させ、かつ一旦垂直的姿勢が達成されるとバランスを維持することは、事実上に不可能である。   FIGS. 30A-D illustrate a problem in implementing the same standing for a person wearing an active leg prosthesis or prosthesis because some of the same four phases cannot be performed. More specifically, starting in the sitting position shown in FIG. 30A, many orthotic or prosthetic wearers maintain sufficient strength in their arms to position them on a chair, so that they Pre-position the knee and torso over the ankle joint, allowing phase b shown in FIG. 30B to be implemented. However, the lack of strength in the quadriceps and / or hip extensors prevents rotation of phase c that lifts the upper limbs and torso out of the chair as indicated by X, 3010 in FIG. 30C. In addition, for patients with inadequate knee and / or hip muscle strength when there is not enough extensor torque at the knee or hip, the torso shown by X, 3020 in FIG. It is virtually impossible to maintain balance once the posture is achieved.

図31A〜Dは、四肢病理に苦しむ患者に対して立ち上がりのシーケンスを補助するために使用され得る(図22A〜Cに示される)能動的な装具または能動的な膝の義肢のような能動的な膝装置がどのように使用されるかを示す。これは、ユーザーが現在に座っていることを認識する能力、およびまたユーザーの座ったままにしたい願望と、ユーザーの立ち始めたい願望とを区別する能力を必要とする。   31A-D can be used to assist in the sequence of standing up for patients suffering from limb pathology, such as active braces (as shown in FIGS. 22A-C) or active knee prostheses. How the knee device is used. This requires the ability to recognize that the user is currently sitting and also to distinguish between the user's desire to remain seated and the desire of the user to start standing.

ユーザーが現在に座っていることの1つの指針は、図31Aに示されるように大腿が実質的に水平である。座位において重力ベクトルが、主に大腿のx−y平面(z軸に垂直)にあるので、大腿の姿勢は、大腿座標システムに対して重力ベクトルを測定する、膝装置に取り付けられた慣性センサーを用いて決定され得る。弛緩して座る位置において足関節が典型的によく膝の前にあるので、座位である別の指針は、(角度エンコーダを用いて得られ得る)大腿に対する脛部の回転角に基づく。これらの状態は、座ったモードであるままのシステムによって、例えば、弛緩して座る位置と一致している低い関節インピーダンスを維持することによって、検出され得、それらに頼られ得る。   One indication that the user is currently sitting is that the thigh is substantially horizontal, as shown in FIG. 31A. In the sitting position, the gravity vector is mainly in the xy plane of the thigh (perpendicular to the z-axis), so the thigh posture is an inertial sensor attached to the knee device that measures the gravity vector relative to the thigh coordinate system. Can be determined. Another guide that is sitting is based on the angle of rotation of the shin relative to the thigh (which can be obtained using an angle encoder) since the ankle joint is typically well in front of the knee in a relaxed sitting position. These states can be detected and relied upon by a system that remains in a sitting mode, for example, by maintaining a low joint impedance consistent with a relaxed sitting position.

次に、これらの同じセンサーは、図31Bに示されるように、足関節が膝関節下により近く置かれている時間を検出することによって、ユーザーの立位へ遷移したい願望を検出するために、使用され得る。この状況が検出される場合に、好ましくは、システムは、試験的に立ち上がり手順を始動させることによって、ユーザーの立ちたい願望を確認しようとする。システムがユーザーから正のフィードバックを受信した場合に、立ち上がり手順が進む。しかしながら、システムが、ユーザーから正のフィードバックを受信していない場合に、立ち上がり手順が中止される。   These same sensors then detect the desire to transition to the user's standing position by detecting when the ankle joint is placed closer to the knee joint, as shown in FIG. 31B. Can be used. When this situation is detected, the system preferably attempts to confirm the user's desire to stand by initiating a startup procedure on a trial basis. The startup procedure proceeds when the system receives positive feedback from the user. However, if the system has not received positive feedback from the user, the startup procedure is aborted.

立ち上がり手順のこの試験的な始動は、図31Cに示される、股関節の推定された上向きおよび前向きの速度に従って徐々に増加するトルク3110を適用する膝装置を有することによって実装され得る。正のフィードバックは、膝装置が離昇することを補助するために、股関節を垂直的に位置変更するように彼女の腕と共に彼女の体を離昇しようとすることによって、ユーザーによって提供され得る。この状況において、股関節がより垂直的に位置変更し、重力ベクトルは、z軸に向かって遷移し始める。システムは、ユーザーが実際に立ちたい確認としてそれらの状態を解釈する。応じて、システムは、ユーザーを離昇させ続けるために、より大きなトルクを印加する。   This trial start-up of the stand-up procedure can be implemented by having a knee device that applies a gradually increasing torque 3110 according to the estimated upward and forward speed of the hip shown in FIG. 31C. Positive feedback may be provided by the user by attempting to lift her body with her arm to vertically reposition the hip joint to help the knee device lift. In this situation, the hip joint repositions more vertically and the gravity vector begins to transition toward the z-axis. The system interprets these states as confirmation that the user actually wants to stand. In response, the system applies a greater torque to keep the user lifted.

代替的には、ユーザーからの正のフィードバックは、表面または内蔵の電極を用いて着用者の大腿および/または股関節の筋肉構造から測定された筋電図記録信号の形であり得る。より具体的には、一旦装置が、膝関節が足関節に対して前向きに移動したことを検出すると、立ち上がり手順が、彼女の大腿四頭筋および/または股関節伸筋を曲げる着用者によって始動され得る。次に、装置は、これらの筋電図記録信号を測定し、各筋肉出力を増幅させ、かつフィルタリングし、そして従来の技術を用いて振幅、分散、および/または周波数のような信号の特徴を抽出する。次に、これらの抽出された特徴は、ユーザーが座ったままであるかまたは立ち上がり手順を始動するかを意図することを弁別するために使用され得る。   Alternatively, the positive feedback from the user may be in the form of an electromyographic recording signal measured from the wearer's thigh and / or hip musculature using surface or built-in electrodes. More specifically, once the device detects that the knee joint has moved forward relative to the ankle joint, a standing up procedure is initiated by the wearer bending her quadriceps and / or hip extensor. obtain. The device then measures these electromyographic recording signals, amplifies and filters each muscle output, and uses conventional techniques to characterize the signal such as amplitude, variance, and / or frequency. Extract. These extracted features can then be used to discriminate whether the user intends to remain seated or initiate a standing up procedure.

オプション的には、足での圧力センサーが、ZMPを検出するために使用され得、IMUに取り付けられた胴体が、CMPを検出するために使用され得、そして関連付けられた地面反力ベクトルが、下肢にわたって着用者のバランスを保つために、フィードバックとして使用され得る。好ましくは、これらの圧力センサーは、適切なワイヤレスインターフェース(例えば、Bluetooth(登録商標))を用いて、膝装置のコントローラと連結している。患者が立ち状態に接近しているときに、膝装置は、図31Dに示されるように、着用者が立ち状態にいる間にバランスを達成することを補助するために、復元的なトルク3120を印加する。膝トルクの印加は、全体にわたって着用者の重心の力ベクトルを操作し、それによって時間にわたってZMP−CMPをゼロにする。これを実装するための適切なアプローチの例は、米国特許7,313,463に見つけられ得、上記出願が、参照することによって本明細書において援用される。   Optionally, a foot pressure sensor can be used to detect ZMP, a torso attached to the IMU can be used to detect CMP, and the associated ground reaction force vector is It can be used as feedback to keep the wearer balanced across the lower limbs. Preferably, these pressure sensors are coupled to the knee device controller using a suitable wireless interface (e.g., Bluetooth (R)). As the patient is approaching standing, the knee device applies a restoring torque 3120 to assist in achieving balance while the wearer is standing, as shown in FIG. 31D. Apply. The application of knee torque manipulates the wearer's center of gravity force vector throughout, thereby zeroing the ZMP-CMP over time. An example of a suitable approach to implement this can be found in US Pat. No. 7,313,463, which is hereby incorporated by reference.

ユーザーは、また立ち上がり手順の試験的始動をトリガーする方法で座っている間に、彼女のイスにおいて時折に位置をシフトさせることを留意する。しかしながら、印加された膝装置トルクは、まず比較的に小さく、正のフィードバックがユーザーから受信されない場合に、時間(例えば、1〜2秒)にわたって潜在的に消滅する。筋電図記録のないシステムの正のフィードバックのない例は、ユーザーが、彼女の腕と共に胴体を離昇しようとせず、股関節が位置変更を始めないときであり得る。筋電図記録のあるシステムの正のフィードバックのない例は、ユーザーが、立ち上がりの意図に対して彼女の意図を確認するために、実質的に彼女の膝および/または股関節を活動的にさせないときであり得る。正のフィードバックを受信されなかった場合に、システムは、立ち上がり手順を中止させ、そして弛緩して座っている状態に戻る。   Note that the user also occasionally shifts position in her chair while sitting in a way that triggers a trial start of the standing up procedure. However, the applied knee device torque is initially relatively small and potentially disappears over time (eg, 1-2 seconds) if no positive feedback is received from the user. An example of no positive feedback for a system without EMG recording may be when the user does not attempt to lift the torso with her arm and the hip joint does not begin repositioning. An example of a system with electromyography without positive feedback is when the user does not substantially activate her knees and / or hips to confirm her intentions against the intent of standing up It can be. If no positive feedback is received, the system aborts the start-up procedure and relaxes and returns to sitting.

最適化方法
図25Aおよび25Bは、1)歩行周期の両脚支持期における後足から前足への体重移動に実行される遷移の仕事W、2)股関節衝撃力および力率の最小化、または3)両方の費用(目的)関数の組み合わせの最小化の確率的最適化に基づいて下肢装置を制御することについて示す略図である。図25Aは、遷移の仕事を計算するために使用される簡素化されたモデルを示している。図25Bは、股関節衝撃力および力率を計算するために使用される簡素化されたモデルを示している。
Optimization Methods FIGS. 25A and 25B show: 1) Transition work W t performed for weight transfer from the hind leg to the forefoot during both leg support periods of the walking cycle, 2) Minimization of hip joint impact force and power factor, or 3 ) Is a schematic diagram illustrating controlling the lower limb device based on a stochastic optimization of minimizing the combination of both cost (objective) functions FIG. 25A shows a simplified model that is used to calculate the work of the transition. FIG. 25B shows a simplified model used to calculate hip impact force and power factor.

確率論的という用語は、人の意図、生体力学的フィードバック(歩行速度を含む)、地形状況、および地形特性に対する確率(尤度)関数を仮定して、最適化により股関節衝撃力および力率制約に従って目的関数の期待値を最小化することを表している。最適化は、制御アルゴリズム内のインピーダンス、トルク、および位置制御パラメータの修正により達成される。事実上、足部接地の負の衝撃を最小化し、ハイブリッドシステムエネルギーに対する反射で誘起される地面力の正の衝撃を最大化することによって、移動エネルギーは最小化され、股関節衝撃力制約条件が満たされる。   The term probabilistic is a hip-impact force and power factor constraint that is optimized by assuming probability (likelihood) functions for human intention, biomechanical feedback (including walking speed), terrain conditions, and terrain characteristics. Represents minimizing the expected value of the objective function. Optimization is achieved by modification of impedance, torque, and position control parameters in the control algorithm. By effectively minimizing the negative impact of ground contact and maximizing the positive impact of ground forces induced by reflections on the hybrid system energy, the kinetic energy is minimized and the hip impact force constraint is met. It is.

上述の最適化は、生体模倣動作に寄与する重要なコンポーネントに「発展的」な摂動を導入し、それらの発展的な摂動(evolutionary perturbations)から生じる移動エネルギーを測定することによってリアルタイムで実行できる。移動エネルギーは、慣性計測装置のフィードバックを増強するために生体力学的モデルを使用して推定することができるか、または特別な場合には、一時的な慣性計測装置サブシステム(胴体および/または上肢の周りにベルトの形で身体に取り付けられているIMU)が、胴体姿勢および身体質量中心速度の推定を行いやすくするために使用することが可能である。Fletcher−Powell法(Fletcher−Powell method)(または、当業者に知られている他の好適な最適化手法)を使用することで、パラメータのインテリジェント型の発展(intelligent evolution of parameters)を導入し、最適値を計算することができる。この最適値は、増強のリハビリに対する効果により、時間の経過とともに変化する可能性がある。これらの発展的な摂動を継続的に、また時間の経過とともにゆっくりと適用することによって、継続的に最適値を求めることができる。または、義肢または装具の初期装着または医療上の診断時の場合のように、この発展的な最適化は、かなり短い時間間隔、つまり、5分から10分の間に行うことが可能である。   The above optimization can be performed in real time by introducing “evolutionary” perturbations to key components contributing to biomimetic behavior and measuring the kinetic energy resulting from those evolutionary perturbations. The kinetic energy can be estimated using a biomechanical model to enhance the inertial measurement device feedback or, in special cases, a temporary inertial measurement device subsystem (torso and / or upper limb). Can be used to facilitate estimation of torso posture and body mass center velocity. Introducing intelligent evolution of parameters using the Fletcher-Powell method (or other suitable optimization methods known to those skilled in the art), An optimal value can be calculated. This optimal value may change over time due to the effect of augmentation on rehabilitation. By applying these evolutionary perturbations continuously and slowly over time, the optimum value can be determined continuously. Alternatively, this evolutionary optimization can be done in a fairly short time interval, i.e. between 5 and 10 minutes, as in the initial wearing of a prosthesis or brace or during medical diagnosis.

以下では、被検体の歩行周期の異なる期について説明し、また一実施形態では、本発明の原理による人工足関節によって実行されるステップは、人工足関節の動作を感知し、人工足関節を制御するためのステップである。   The following describes different periods of the subject's walking cycle, and in one embodiment, the steps performed by the artificial ankle according to the principles of the present invention sense the movement of the artificial ankle and control the artificial ankle It is a step to do.

制御底屈
衝撃を受けたときに、地面反力およびゼロモーメント枢軸が、われわれが(地形弁別モデルから)地面に最初に当たると予想する足の部分に対応しているかチェックする。足関節角度(または足関節トルク)の対応する変化があること、および足の適切な端部が静止していることを確認する。衝撃の後、慣性足底接地角度に対応する局所的な地形の傾きが予想よりもかなり小さい状態を見つける。足関節のバネの復元力を飽和させ、これが検出されたときに減衰を高める。地形弁別に関して、生体力学的モデルのフィードバックに基づいて、地形の仮定(斜面対階段)が正しいこと、および着用者が躓いていないことを確認する。例えば、階段で躓く事象は、足の前方部分に中心を置く大きなz力の代わりにy方向の大きな負の力として検出される可能性がある。地形の質感については、踵または足の前方部分のいずれかが最初に衝撃を受ける。この衝撃に関連する沈下の非弾性成分が計算される。堅い地面では、沈下は、無視できるくらい小さく、弾性変形(足部モジュール、線形アクチュエータ)のみが観察される。ぬかるみまたは軟らかい地面では、地形の可塑性は、衝撃を生じる足部の軌跡を見ることによって観察される。地形可塑性は、歩行周期で実行される正味の仕事に対する減衰量として使用される。滑りも、衝撃後に衝撃を生じる足部の前進速度に注目することによって検出することができる。エスカレータまたは人を輸送する手段は、脛角度が足の前進速度に応じて回転してないことに注目し、着用者がうまくバランスをとり、移動面上を一歩一歩進んでいることを信号で知らせることによって検出できる。足関節のインピーダンス制御については、推定される地形基準速度迎え角(y)下肢運動量、推定される地形の傾き、および地形の特性を使用して最適なインピーダンスを適用する。反射制御については、滑りが検出された場合に、バランス復元反射が生成され、足関節上で膝を移動する。バランス制御については、最適なバランスは、通常、局所的な地形の傾きの推定が足底接地で更新された後、バネ平衡状態を慣性に関して基準とすることによって得られる。地形が滑りやすい場合、バランスを維持するアルゴリズムは、正のトルク「反射」を導入して脛を前方に「引き」、着用者が足関節上に膝を位置決めする仕事をするときに着用者を補助する−これにより、身体質量中心を推定される地面反力に揃える。
Controlled bottom flexion When subjected to impact, check that the ground reaction force and zero moment pivot correspond to the part of the foot that we expect to hit the ground first (from the terrain discrimination model). Verify that there is a corresponding change in ankle joint angle (or ankle torque) and that the appropriate end of the foot is stationary. After the impact, find a state where the local terrain slope corresponding to the inertial foot contact angle is much smaller than expected. Saturates the restoring force of the ankle spring and increases damping when it is detected. For terrain discrimination, based on biomechanical model feedback, confirm that the terrain assumptions (slope vs. staircase) are correct and that the wearer is not speaking. For example, a stair event may be detected as a large negative force in the y direction instead of a large z force centered on the front part of the foot. For terrain texture, either the heel or the front part of the foot is impacted first. The inelastic component of settlement associated with this impact is calculated. On hard ground, settlement is negligibly small and only elastic deformation (foot module, linear actuator) is observed. On muddy or soft ground, terrain plasticity is observed by looking at the trajectory of the foot causing the impact. Terrain plasticity is used as an attenuation for the net work performed in the walking cycle. Slip can also be detected by noting the forward speed of the foot that produces an impact after impact. The escalator or means of transporting the person notices that the shin angle does not rotate according to the forward speed of the foot and signals that the wearer is well balanced and is stepping on the moving surface step by step Can be detected. For ankle joint impedance control, an optimal impedance is applied using the estimated terrain reference speed attack angle (y) lower limb momentum, estimated terrain slope, and terrain characteristics. With respect to reflex control, when slip is detected, a balance restoration reflex is generated and the knee is moved over the ankle joint. For balance control, the optimal balance is usually obtained by taking the spring equilibrium state as a reference for inertia after the local terrain slope estimate is updated at the plantar contact. When the terrain is slippery, the algorithm to maintain balance introduces a positive torque “reflex” to “pull” the shin forward and help the wearer to position the knee over the ankle joint. Assist-This aligns the center of body mass with the estimated ground reaction force.

制御背屈
足底接地が検出された後、コントローラは、この局所的な地形の傾きに対して、着用者がこの傾きで重力に揃えて立脚しているときに静的状態の下で足関節による復元トルクの印加はないようにバネ平衡角度を慣性基準とする。この時点において、局所的な地形状況は、現在正確に知られている。この「足底接地」位置における足部基準座標も、地形質感の衝撃を評価する際に使用するために定義される。地形質感については、アルゴリズムは、足部接地と足底接地との間での衝撃を受けた足部の移動の仕方を測定することにより、「足底接地」基準に関して滑りと変形の統合尺度を使用し、地形特性モデルを更新する−特に、表面の可塑性とその滑りやすさを測定する。これらの尺度は、足関節のインピーダンスおよび正味の仕事(足底屈後期における反射トルク)を減衰させるために使用されうる。また、足部接地と足底接地との間で「滑り」が検出された場合、コントローラに実装されているアルゴリズムは、脛の角速度(足関節に関して膝がどのように移動するか)も見て、滑りやすい表面とエスカレータ/人を輸送する手段を弁別する。いずれの場合も、信頼できる「ゼロ速度での足関節」がこのステップでは利用できないため、ゼロ速度更新はスケジュールされない。地形が滑りやすいものである場合、バランス機能では、特別な尺度を呼び出す必要がある。足が移動するエスカレータまたは人を輸送する手段に載った場合、新しい慣性座標系上で公称インピーダンスを使用することができる。インピーダンス制御のために、制御システムは、慣性基準平衡角度を維持し、高いレベルの正味の仕事を使用できるように歩行速度依存の剛性(歩行速度が速いほど低い剛性)を構成し、滑りやすい、または高可塑性の表面における剛性を低減する最適なインピーダンスを適用することができる。反射制御については、滑りが検出された場合に、バランス復元反射が生成され、足関節上で膝を移動する。バランス制御については、最適なバランスは、通常、局所的な地形の傾きの推定が足底接地で更新された後、バネ平衡状態を慣性に関して基準とすることによって得られる。地形が滑りやすい場合、バランスを維持するアルゴリズムは、正のトルク「反射」を導入して脛を前方に「引き」、着用者が足関節上に膝を位置決めする仕事をするときに着用者を補助する−これにより、身体質量中心を推定される地面反力に揃える。
Controlled dorsiflexion After the plantar contact is detected, the controller is able to adjust the ankle joint under static conditions when the wearer is standing against gravity at this tilt. The spring equilibrium angle is used as the inertia reference so that the restoring torque is not applied by. At this point, the local terrain situation is now accurately known. The foot reference coordinates at the “foot contact” position are also defined for use in evaluating the impact of the terrain texture. For terrain texture, the algorithm measures an integrated measure of slip and deformation with respect to the “Foot Ground” criterion by measuring the way the foot moves under impact between the foot and ground contact. Use and update the terrain feature model-specifically measure the plasticity of the surface and its slipperiness. These measures can be used to attenuate ankle impedance and net work (reflex torque in late plantar flexion). Also, if a “slip” is detected between the foot contact and the plantar contact, the algorithm implemented in the controller also looks at the angular velocity of the shin (how the knee moves relative to the ankle joint). Distinguish between slippery surfaces and means of transporting escalators / people. In either case, a zero speed update is not scheduled because a reliable “ankle at zero speed” is not available at this step. If the terrain is slippery, the balance function needs to call a special scale. When the foot is on an moving escalator or means of transporting people, the nominal impedance can be used on the new inertial coordinate system. For impedance control, the control system maintains the inertial reference equilibrium angle and configures walking speed dependent stiffness (lower stiffness as walking speed is faster) so that high level net work can be used, and slippery, Or an optimum impedance can be applied that reduces the stiffness at the highly plastic surface. With respect to reflex control, when slip is detected, a balance restoration reflex is generated and the knee is moved over the ankle joint. For balance control, the optimal balance is usually obtained by taking the spring equilibrium state as a reference for inertia after the local terrain slope estimate is updated at the plantar contact. When the terrain is slippery, the algorithm to maintain balance introduces a positive torque “reflex” to “pull” the shin forward and help the wearer to position the knee over the ankle joint. Assist-This aligns the center of body mass with the estimated ground reaction force.

動力底屈
モデルは、滑りと表面内への沈みを監視し、これらの状態において歩行運動を効率的にするために使用されうる足関節トルク限界を識別する。地形質感については、地形特性推定が、この状態で精密化され、インピーダンス、反射、およびバランス機能への入力として使用される。インピーダンス制御については、歩行速度、地形の表面特性および変形、ならびに足の滑りの変化に対応できるように公称インピーダンスパラメータを修正する。特別な「力場」−典型的には、ボールナットが所定の終端停止限界に近づいたときに指数関数的に増加する非線形アクチュエータ力−がモーターコントローラによって印加され、これにより、Kのバネのエネルギー(並列の弾性部材の中の)はその破壊限度の下限を超えないことが確実になる。反射制御については、反射振幅は、生体力学的モデルからの正味の仕事の「セットポイント」を地形がこの正味の仕事を生み出すことに応じられる程度と組み合わせて考慮するように調節される。バランス制御については、最適なバランスは、通常、局所的な地形の傾きの推定が足底接地で更新された後、バネ平衡状態を慣性に関して基準とすることによって得られる。地形が滑りやすい場合、バランスを維持するアルゴリズムは、正のトルク「反射」を導入して脛を前方に「引き」、着用者が足関節上に膝を位置決めする仕事をするときに着用者を補助する−これにより、身体質量中心を推定される地面反力に揃える。
The power plantar model monitors slip and sinking into the surface and identifies ankle torque limits that can be used to make walking motion efficient in these conditions. For terrain texture, terrain feature estimation is refined in this state and used as input to impedance, reflection, and balance functions. For impedance control, the nominal impedance parameters are modified to accommodate changes in walking speed, terrain surface characteristics and deformation, and foot slip. A special “force field” —typically a non-linear actuator force that increases exponentially as the ball nut approaches a predetermined end stop limit—is applied by the motor controller, thereby allowing the K 3 spring to It is ensured that the energy (in the parallel elastic members) does not exceed the lower limit of its failure limit. For reflection control, the reflection amplitude is adjusted to take into account the net work “setpoint” from the biomechanical model in combination with the extent to which the terrain is adapted to produce this net work. For balance control, the optimal balance is usually obtained by taking the spring equilibrium state as a reference for inertia after the local terrain slope estimate is updated at the plantar contact. When the terrain is slippery, the algorithm to maintain balance introduces a positive torque “reflex” to “pull” the shin forward and help the wearer to position the knee over the ankle joint. Assist-This aligns the center of body mass with the estimated ground reaction force.

遊脚前半期
遊脚前半期については、爪先が地面から離れてまもなく、モデルは足関節、踵、および爪先の慣性軌跡を監視し、足関節が地形によって遮られることなく背屈され中立位置に戻ることができるときにそのことを判定する。モデルは、足関節を最も速く、効率的に、安定した状態で中立位置に移動(して躓く危険性を回避)するように好適なインピーダンス利得およびフィードフォワードトルクを持つ最適な軌跡を計算する。地形の弁別については、モデルは、足が通過した掃引(足部材と「無接触」)体積を追跡することを開始し、これにより、爪先着地解が唯一の実現可能な解(例えば、浅い階段または出っ張りに着地するための)であるときに遊脚後半期における適応足関節位置決め機能に通知する。遊脚前半期におけるインピーダンス制御については、インピーダンスの中立値が、コントローラによって適用される。線形アクチュエータがハードストップ(移動の終わり)−アクチュエータをそこに(移動の終わりで)固着させる可能性のある状態−に影響を及ぼさないようにするため力場関数が適用される。ハイブリッド生体力学的モデルによって通知される遊脚前半期におけるインピーダンス制御では、コントローラは、平衡位置(足関節角度セットポイント)を所望の中立位置に指数関数的に推進する軌跡を形成するようにインピーダンスを制御する。例えばそうしなければオーバーシュートとリンギングを生じる可能性のある誤差に従うインピーダンス特性と足関節角度との間の相互作用を低減するためにフィードフォワードトルク関数を適用する。
In the first half of the swing leg, in the first half of the swing leg, the model immediately monitors the inertial trajectories of the ankles, heels, and toes, and the ankle is bent back without being obstructed by the terrain. Determine when you can return. The model calculates an optimal trajectory with suitable impedance gain and feedforward torque to move the ankle joint to the neutral position in the fastest, efficient and stable state (and avoid the risk of crawls). For terrain discrimination, the model starts tracking the swept (“contact” with the foot member) volume that the foot has passed, so that the toe landing solution is the only feasible solution (eg, shallow staircase) Or to notify the adaptive ankle joint positioning function in the latter half of the swing leg. For impedance control in the first half of the swing leg, the neutral value of impedance is applied by the controller. A force field function is applied so that the linear actuator does not affect the hard stop (end of movement)-a condition that could cause the actuator to stick there (at the end of movement). In the impedance control in the first half of the swing leg notified by the hybrid biomechanical model, the controller sets the impedance to form a trajectory that exponentially propels the equilibrium position (ankle angle setpoint) to the desired neutral position. Control. For example, a feedforward torque function is applied to reduce the interaction between the impedance characteristic and the ankle angle according to errors that could otherwise cause overshoot and ringing.

遊脚後半期
地形の弁別について、モデルは、足が通過した「クリア」体積を追跡し、これにより、爪先着地解が例えば浅い階段または出っ張りに着地するための唯一の実現可能な解であるときに遊脚後半期における適応足関節位置決め機能に通知する。より一般的には、足関節軌跡を監視し、パターン認識機能を使用して、足が傾斜面とは反対に階段/出っ張りに着地する可能性を判定する。この2つの状態を弁別することが判明している単純な方法の1つは、足関節速度が垂直方向に対してなす角度を測定するというものであり、さまざまな実験により、この角度が10度未満のときに、足が水平の段に着地すると判定された。地形弁別モデルによって通知されるインピーダンス制御については、足関節軌跡(平衡)は、躓く危険性を回避するために必要な場合にコントローラによって修正される。例えば、地形弁別機能が階段上昇に最大尤度を割り当てる場合、爪先が階段または出っ張りに引っ掛からないように追加の背屈を指令することができる。前のように、ハイブリッド生体力学的モデルでは、安全に、また厳しい許容差による好適な方法で辿ることができる連続的に更新可能な平衡軌跡を予定する。立脚後半期では、生体力学的モデルは、移動エネルギーと膝−股関節衝撃力の何らかの組み合わせを含む目的関数を最小化する最適な平衡角度および足関節インピーダンスを計算する。この最適化の機能は、状態機械ROM内のテーブル検索を介して実行することが可能である。または、好ましい実施形態では、状態コントローラ機能は、剛体の力学の近似を使用して目的関数を計算し、最適化することで、最適化をリアルタイムで実行する。
Late Legs For terrain discrimination, the model tracks the “clear” volume that the foot has passed, so that the toe landing solution is the only feasible solution for landing on a shallow staircase or ledge, for example. To notify the ankle positioning function in the second half of the swing leg. More generally, the ankle trajectory is monitored and a pattern recognition function is used to determine the likelihood that the foot will land on a staircase / projection as opposed to an inclined surface. One simple method that has been found to discriminate between the two states is to measure the angle that the ankle velocity makes with respect to the vertical direction, and various experiments have shown that this angle is 10 degrees. When it was less than, it was determined that the foot landed on a horizontal step. For impedance control notified by the terrain discrimination model, the ankle trajectory (equilibrium) is modified by the controller when necessary to avoid the danger of stumbling. For example, if the terrain discriminator assigns maximum likelihood to stair climb, an additional dorsiflexion can be commanded so that the toes do not get caught on the stair or ledge. As before, the hybrid biomechanical model schedules a continuously updatable equilibrium trajectory that can be traced safely and in a suitable manner with tight tolerances. In the second half of stance, the biomechanical model calculates the optimal equilibrium angle and ankle impedance that minimizes the objective function including some combination of kinetic energy and knee-hip impact forces. This optimization function can be performed via a table lookup in the state machine ROM. Alternatively, in a preferred embodiment, the state controller function performs the optimization in real time by calculating and optimizing the objective function using approximations of rigid body dynamics.

本明細書で説明されている内容の変更形態、修正形態、および他の実装は、当業者であれば、請求項に記載されているとおりに本発明の精神および範囲から逸脱することなく、思い付く。したがって、本発明は、前記の例示的な説明によってではなく、代わりに、以下の請求項の精神と範囲とによって定められるものとする。   Variations, modifications, and other implementations of what is described herein will occur to those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the invention as set forth in the claims. . Accordingly, the invention is to be defined not by the preceding illustrative description but instead by the spirit and scope of the following claims.

Claims (20)

能動的な装具または義肢装置であって、前記装置は、
大腿部材と、
下肢部材と、
前記大腿部材を前記下肢部材に接続するための膝関節と、
モーター軸出力を備える回転モーターと、
前記モーター軸出力に結合されているモーター駆動伝動アセンブリと、
前記モーター駆動伝動装置の前記出力に結合されている駆動伝動アセンブリであって、前記駆動伝動アセンブリの出力が前記下肢部材に結合されており、前記膝関節にトルクを印加して前記大腿部材に対して前記下肢部材を回転させる、駆動伝動アセンブリと、
少なくとも1つの出力を有する少なくとも1つのセンサーであって、前記装置の着用者が座位にいる間に、足関節に対する前記膝関節の位置が、前記少なくとも1つの出力から決定され得る、少なくとも1つのセンサーと、
コントローラと
を含み、
前記コントローラは、前記膝関節が、前記少なくとも1つのセンサーの前記少なくとも1つの出力に基づいて、前記足関節の前にある位置に動かされる時間を決定し、前記決定に応じて、前記座位から立位へ前記人を持ち上げることを助けるために、前記膝関節のインピーダンス、位置、またはトルクを変調させるように前記回転モーターを制御する、装置。
An active orthosis or prosthetic device, the device comprising:
A thigh member;
A lower limb member;
A knee joint for connecting the thigh member to the lower limb member;
A rotary motor with motor shaft output;
A motor drive transmission assembly coupled to the motor shaft output;
A drive transmission assembly coupled to the output of the motor drive transmission device, wherein the output of the drive transmission assembly is coupled to the lower limb member and applying torque to the knee joint to the thigh member; A drive transmission assembly for rotating the lower limb member;
At least one sensor having at least one output, wherein a position of the knee joint relative to an ankle can be determined from the at least one output while a wearer of the device is in a sitting position. When,
Including the controller and
The controller determines a time for the knee joint to move to a position in front of the ankle joint based on the at least one output of the at least one sensor, and in response to the determination, stands from the sitting position. An apparatus that controls the rotary motor to modulate the impedance, position, or torque of the knee joint to assist in lifting the person into position.
前記少なくとも1つのセンサーは、大腿座標システムに対して重力ベクトルを測定する慣性センサーを含む、請求項1に記載の装置。   The apparatus of claim 1, wherein the at least one sensor includes an inertial sensor that measures a gravity vector relative to a femoral coordinate system. 前記少なくとも1つのセンサーは、前記大腿に対して前記下肢の回転角を検出する、請求項1に記載の装置。   The apparatus of claim 1, wherein the at least one sensor detects a rotation angle of the lower limb relative to the thigh. 前記コントローラは、前記着用者が座り位置にいる決定に応じて低い関節インピーダンスを維持するようにプログラムされている、請求項1に記載の装置。   The apparatus of claim 1, wherein the controller is programmed to maintain a low joint impedance in response to a determination that the wearer is in a sitting position. 前記コントローラは、試験的に立ち上がり手順を始動させることによって、前記着用者の立ちたい願望を確認するようにプログラムされている、請求項1に記載の装置。   The apparatus of claim 1, wherein the controller is programmed to confirm the wearer's desire to stand by triggering a start-up procedure on a trial basis. 前記コントローラは、正のフィードバックが受信される場合に、前記立ち上がり手順に進むように、正のフィードバックが受信されていない場合に、前記立ち上がり手順を中止させるようにプログラムされている、請求項5に記載の装置。   6. The controller of claim 5, wherein the controller is programmed to abort the rising procedure if no positive feedback is received, so as to proceed to the rising procedure when positive feedback is received. The device described. 前記コントローラは、前記股関節の推定された上向きおよび前向きの速度に従って、徐々にトルクを増加させることによって、前記座位から立位へ前記人を持ち上げることを助けるように前記回転モーターを制御する、請求項1に記載の装置。   The controller controls the rotary motor to help lift the person from the sitting position to a standing position by gradually increasing torque according to the estimated upward and forward speeds of the hip joint. The apparatus according to 1. 前記コントローラは、前記回転モーターを制御し、その結果、前記患者が前記立位に接近すると、復元的なトルクが、前記着用者が前記立位にいると同時に、バランスを達成することを補助するように印加される、請求項7に記載の装置。   The controller controls the rotary motor so that when the patient approaches the standing position, a restoring torque assists in achieving balance while the wearer is in the standing position. 8. The device of claim 7, wherein the device is applied as follows. 前記着用者の足に印加されている力を測定するように構成されている少なくとも1つの圧力センサーをさらに含む、請求項1に記載の装置。   The apparatus of claim 1, further comprising at least one pressure sensor configured to measure a force applied to the wearer's foot. 前記コントローラは、膝筋肉と股関節筋肉とのうちの少なくとも1つから測定された筋電図記録信号に従って膝トルクを増加させることによって、前記座位から立位へ前記人を持ち上げることを助けるように、前記回転モーターを制御する、請求項1に記載の装置。   The controller helps to lift the person from the sitting position to a standing position by increasing knee torque according to an electromyographic recording signal measured from at least one of knee and hip muscles; The apparatus of claim 1, wherein the apparatus controls the rotary motor. 少なくとも1つのアクチュエータを有する膝装具または義肢を制御する方法であって、前記膝装具または義肢が、人によって着用されており、前記方法は、
前記人が座位でいる間に、前記人の足関節に対して前記人の膝の位置を検出するステップと、
前記膝が、前記決定するステップの結果に基づいて、前記足関節の前にある位置に動かされる時間を決定し、そして前記時間を表す出力を生成するステップと、
前記出力に応じて、前記座位から立位へ前記人を持ち上げることを助けるための、前記膝装具または義肢の少なくとも1つのアクチュエータを作動させるステップと
を含む、方法。
A method for controlling a knee orthosis or prosthesis having at least one actuator, wherein the knee orthosis or prosthesis is worn by a person, the method comprising:
Detecting the position of the person's knee relative to the person's ankle joint while the person is sitting;
Determining the time that the knee is moved to a position in front of the ankle based on the result of the determining and generating an output representative of the time;
Activating at least one actuator of the knee brace or prosthesis to assist in lifting the person from the sitting position to a standing position in response to the output.
大腿座標システムに対して重力ベクトルを測定するステップをさらに含む、請求項11に記載の方法。   The method of claim 11, further comprising measuring a gravity vector with respect to the femoral coordinate system. 前記人の大腿に対して前記人の下肢の回転角を検出するステップをさらに含む、請求項11に記載の方法。   The method of claim 11, further comprising detecting a rotation angle of the person's lower limb relative to the person's thigh. 前記人が座り位置にいる決定に応じて低い関節インピーダンスを維持するステップをさらに含む、請求項11に記載の方法。   The method of claim 11, further comprising maintaining a low joint impedance in response to a determination that the person is in a sitting position. 試験的に立ち上がり手順を始動させることによって、前記着用者の立ちたい願望を確認するステップをさらに含む、請求項11に記載の方法。   12. The method of claim 11, further comprising the step of confirming the wearer's desire to stand by initiating a stand-up procedure on a trial basis. 正のフィードバックが受信されるか否かを決定するステップと、
前記決定するステップにおいて正のフィードバックが受信されることが決定される場合に、立ち上がり手順に進むステップと、
前記決定するステップにおいて正のフィードバックが受信されていないことが決定される場合に、立ち上がり手順を中止させるステップと
をさらに含む、請求項15に記載の方法。
Determining whether positive feedback is received;
If it is determined in the determining step that positive feedback is received, proceeding to a start-up procedure;
16. The method of claim 15, further comprising the step of aborting the start-up procedure if it is determined in the determining step that no positive feedback has been received.
股関節の推定された上向きおよび前向きの速度に従って、徐々にトルクを増加させるステップをさらに含む、請求項11に記載の方法。   The method of claim 11, further comprising gradually increasing torque according to the estimated upward and forward speed of the hip joint. 前記人が前記立位にいる間に、バランスを達成することを補助するように、印加された復元的なトルクを印加させるステップをさらに含む、請求項17に記載の方法。   18. The method of claim 17, further comprising applying an applied restoring torque to assist in achieving balance while the person is in the standing position. 前記人の足に印加されている力を測定するステップをさらに含む、請求項11に記載の方法。   The method of claim 11, further comprising measuring a force applied to the person's foot. 膝筋肉と股関節筋肉とのうちの少なくとも1つから測定された筋電図記録信号に従って膝トルクを増加させるステップをさらに含む、請求項11に記載の方法。   12. The method of claim 11, further comprising increasing knee torque according to an electromyographic recording signal measured from at least one of knee muscle and hip muscle.
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