JP6472607B2 - Apparatus and method for supporting human body using excess artificial limb - Google Patents

Apparatus and method for supporting human body using excess artificial limb Download PDF

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本発明は、人体の荷重に基づいて位置付けられ得る過剰人工肢を有する器具に関する。具体的には、その器具は、人体を支持し、固定し、或いは安定化させるため、その荷重に基づいてその人工肢を操作し得る。   The present invention relates to a device having an excess artificial limb that can be positioned based on the load of a human body. Specifically, the device can manipulate the artificial limb based on the load to support, fix, or stabilize the human body.

人体を支持するために長年にわたって自立器具が用いられてきた。例えば、高齢者は動くときの転倒を防止するために杖又は歩行器を用いる場合がある。高齢者らはそれら器具の何れかの部分を自身の体に取り付けたり或いは結合したりすることはない。また、それら器具の上手な使用はユーザの能力に依存する。杖又は歩行器が自らのためになるであろうとユーザが主観的に信じるところに基づいてユーザはそれら器具を位置付けなければならない。また、ユーザの力が弱まれば、その器具はユーザが転倒するのを防止できない。このように、これらの自立器具はそのユーザに対して限定的な支援をもたらすのみである。   Free-standing instruments have been used for many years to support the human body. For example, an elderly person may use a cane or a walker to prevent a fall when moving. Older people do not attach or join any part of these devices to their bodies. In addition, skillful use of these instruments depends on the user's ability. The user must position the devices based on where the user subjectively believes that the cane or walker will be for him. Also, if the user's power is weakened, the appliance cannot prevent the user from falling. Thus, these self-supporting devices only provide limited assistance to the user.

ロボット型外骨格スーツもまた、人体の健常な或いは弱まった四肢を補うために使用されてきた。ユーザが外骨格を着用すると、その器具はしばしば、ユーザの四肢の全長に沿って付着し、ユーザの四肢全体と物理的に接する。この物理的な結合のため、外骨格の位置はそのユーザが選んだ動きによって完全に制約される。また、外骨格がその重量及びユーザの重量を相殺する場合、外骨格は、ユーザの姿勢の関節角度(膝関節、足関節)から始めてそのようにしなければならない。望ましくないことに、これらの要件はかなりの電力量を外骨格に消費させてしまう。   Robotic exoskeleton suits have also been used to supplement healthy and weakened extremities of the human body. When a user wears an exoskeleton, the device often attaches along the entire length of the user's limb and physically contacts the entire user's limb. Because of this physical coupling, the position of the exoskeleton is completely constrained by the movement chosen by the user. Also, if the exoskeleton offsets its weight and the user's weight, the exoskeleton must do so starting from the joint angle (knee joint, ankle joint) of the user's posture. Undesirably, these requirements cause a significant amount of power to be consumed by the exoskeleton.

本発明の一実施例にしたがって、装置は、少なくとも1つの過剰人工肢、及び、人体と結合するように構成される基部構造を含む。基部構造は、人体の荷重に関する測定を得るセンサを含む。過剰人工肢の近位端は、基部構造に結合される。その装置は、センサに動作可能に結合され且つセンサから測定結果を受けるよう構成されるプロセッサをさらに含む。また、プロセッサは、荷重に関する測定に基づいて過剰人工肢の位置及び過剰人工肢がもたらすトルクのうちの少なくとも1つを変えるための制御信号を生成するよう構成される。   In accordance with one embodiment of the present invention, the device includes at least one excess artificial limb and a base structure configured to couple with the human body. The base structure includes a sensor that obtains measurements related to the load on the human body. The proximal end of the excess limb is coupled to the base structure. The apparatus further includes a processor operably coupled to the sensor and configured to receive measurement results from the sensor. The processor is also configured to generate a control signal to change at least one of the position of the excess artificial limb and the torque provided by the excess artificial limb based on the measurement related to the load.

また、プロセッサは、人体を固定し、支持し、或いは安定化させるべく過剰人工肢を位置決めするための制御信号を生成するよう構成されてもよい。   The processor may also be configured to generate control signals for positioning the excess artificial limb to secure, support or stabilize the human body.

いくつかの実施例では、過剰人工肢の近位端と基部構造とはボールジョイントで結合される。とりわけ、過剰人工肢は、回転関節及び直動関節を含んでいてもよい。過剰人工肢の遠位端は、フック又は摩擦端面を含んでいてもよい。また、過剰人工肢は、プロセッサから制御信号を受け、その信号に基づいて過剰人工肢の位置を変えるために関節を作動させるアクチュエータを含んでいてもよい。例えば、アクチュエータは、回転関節の角度を変えるために回転関節を作動させてもよい。別の実施例では、アクチュエータは、過剰人工肢の伸びを変えるために直動関節を作動させてもよい。さらに、アクチュエータは、プロセッサからの制御信号に基づいてトルク量を与えるために関節を作動させてもよい。   In some embodiments, the proximal end of the excess prosthesis and the base structure are joined by a ball joint. In particular, the excess artificial limb may include a rotary joint and a linear joint. The distal end of the excess limb may include a hook or friction end face. The excess artificial limb may also include an actuator that receives a control signal from the processor and activates the joint to change the position of the excess artificial limb based on the signal. For example, the actuator may actuate the rotary joint to change the angle of the rotary joint. In another example, the actuator may actuate a linear joint to change the extension of the excess artificial limb. Furthermore, the actuator may actuate the joint to provide an amount of torque based on a control signal from the processor.

本発明の別の実施例にしたがって、方法は過剰人工肢で人体を補助する。そのため、その方法は、人体の荷重に関する測定を受け、その測定に基づき、過剰人工肢のための位置、及び、その荷重の少なくとも一部を支持するために過剰人工肢が及ぼすべきトルクのうちの少なくとも1つを決定する。そして、その方法は、決定された位置又はトルクに基づいて制御信号を送る。   In accordance with another embodiment of the present invention, the method assists the human body with excess artificial limbs. Therefore, the method receives a measurement of the load on the human body and based on the measurement, of the position for the excess artificial limb and the torque that the excess artificial limb should exert to support at least a portion of the load. Determine at least one. The method then sends a control signal based on the determined position or torque.

いくつかの実施例では、荷重に関する測定は、人体の肢の関節角度、人体の質量中心の位置、人体のある部位にかかる力、又はそれらの任意の組み合わせに関連づけられる。   In some embodiments, the load measurement is related to the joint angle of the human limb, the position of the center of mass of the human body, the force on a portion of the human body, or any combination thereof.

その方法は、人体を固定し、支持し、或いは安定化させるために過剰人工肢のための位置又はトルクを決定してもよい。種々の実施例において、その方法は、環境に対する過剰人工肢の遠位端の接触によって及ぼされる力が過剰人工肢のボールジョイントの中心に向けられる位置を決定し、それによってボールジョイントの回転を防止してもよい。その方法は、過剰人工肢のための複数の取り得る位置を決定してもよい。これらの取り得る位置では、過剰人工肢の遠位端は、過剰人工肢がその取り得る位置に動かされたときに環境の表面と接触し得る。また、その方法は、複数の取り得る位置から1つの位置を選択してもよい。   The method may determine a position or torque for the excess artificial limb to secure, support, or stabilize the human body. In various embodiments, the method determines a position where the force exerted by contact of the distal end of the excess prosthesis with the environment is directed to the center of the ball joint of the excess prosthesis, thereby preventing rotation of the ball joint. May be. The method may determine a plurality of possible positions for the excess artificial limb. In these possible positions, the distal end of the excess prosthesis can contact the surface of the environment when the excess prosthesis is moved to its possible position. The method may select one position from a plurality of possible positions.

その方法は、人体の質量中心と少なくとも人体の肢の位置とに基づいて過剰人工肢の位置を決定してもよい。さらに、その方法は、過剰人工肢のための複数の取り得る位置における位置毎に、人工肢の特定の位置と人体の肢の位置とによって人体の質量中心にもたらされる支持量を決定してもよい。その方法は、最大支持量に関連する位置を選択してもよい。   The method may determine the position of the excess artificial limb based on the center of mass of the human body and at least the position of the limb of the human body. In addition, the method may determine the amount of support provided to the center of mass of the human body by a specific position of the artificial limb and the position of the human limb for each position at a plurality of possible positions for the excess artificial limb. Good. The method may select a position associated with the maximum support amount.

いくつかの実施例では、過剰人工肢のための複数の取り得る位置における位置毎に、人体の質量中心に対する支持領域を決定してもよい。支持領域は、過剰人工肢の特定の位置と人体の肢の位置とによって境界を付けられてもよい。その方法は、最大面積を有する支持領域に関連づけられた位置を選択してもよい。   In some embodiments, a support area for the center of mass of the human body may be determined for each position at a plurality of possible positions for the excess artificial limb. The support area may be bounded by a specific position of the excess artificial limb and the position of the human limb. The method may select a position associated with the support area having the largest area.

また、その方法は、人体のある1つの部位に加えられる力及びトルクの少なくとも1つを決定してもよい。その力は、人体をある姿勢で維持するために人体によって必要とされる力に対応し得る。また、その方法は、過剰人工肢のための複数の取り得る位置の位置毎に、過剰人工肢がその位置に動かされたときに過剰人工肢によってもたらされる力の量を決定してもよい。さらに、その方法は、もたらされる力の最大量に関連する位置を選択してもよい。多くの実施例では、その方法は、その体をその姿勢で維持するために必要とされる力及びトルクの量を決定してもよい。   The method may also determine at least one of a force and a torque applied to a certain part of the human body. The force can correspond to the force required by the human body to maintain the human body in a certain posture. The method may also determine, for each position of a plurality of possible positions for the excess artificial limb, the amount of force provided by the excess artificial limb when the excess artificial limb is moved to that position. In addition, the method may select a location that is associated with the maximum amount of force to be produced. In many embodiments, the method may determine the amount of force and torque required to maintain the body in that position.

いくつかの実施例では、その方法は、過剰人工肢の回転関節を作動させるアクチュエータに制御信号を送信してもよい。或いは、そのアクチュエータは、過剰人工肢の直動関節を作動させてもよい。   In some embodiments, the method may send a control signal to an actuator that operates the rotational joint of the excess artificial limb. Alternatively, the actuator may actuate the linear joint of the excess artificial limb.

実施例における上述の特徴は、添付図面を参照して以下の詳細な説明を参照することでより容易に理解されるであろう。   The foregoing features of the embodiments will be more readily understood by reference to the following detailed description, taken with reference to the accompanying drawings, in which:

過剰人工肢を用いて人体を支持する器具の概略図を示す。1 shows a schematic view of a device for supporting a human body using an excess artificial limb. 図1の器具で用いられる典型的な基部構造を示す。2 illustrates a typical base structure used in the instrument of FIG. 図1の器具で用いられる典型的な過剰人工肢を示す。2 illustrates a typical excess artificial limb used in the device of FIG. 図1の過剰人工肢の遠位端に結合され得る典型的なエンドエフェクタを示す。2 illustrates an exemplary end effector that may be coupled to the distal end of the excess limb of FIG. 図1の過剰人工肢の遠位端に結合され得る典型的なエンドエフェクタを示す。2 illustrates an exemplary end effector that may be coupled to the distal end of the excess limb of FIG. 図1の過剰人工肢の遠位端に結合され得る典型的なエンドエフェクタを示す。2 illustrates an exemplary end effector that may be coupled to the distal end of the excess limb of FIG. 図1の器具の典型的な実施例を示す。2 shows an exemplary embodiment of the device of FIG. 図1の器具の典型的な実施例を示す。2 shows an exemplary embodiment of the device of FIG. 図1の器具の典型的な実施例を示す。2 shows an exemplary embodiment of the device of FIG. 人体の荷重に影響を与える典型的な力の概略図を示す。Figure 2 shows a schematic diagram of typical forces affecting the human body load. 図1の器具と環境との間の典型的な接点の概略図を示す。FIG. 2 shows a schematic diagram of typical contacts between the instrument of FIG. 1 and the environment. 図1の器具の過剰人工肢と人間の脚によって人体の質量中心にもたらされる支持を示す概略図を示す。2 shows a schematic diagram illustrating the support provided to the center of mass of the human body by the excess artificial limb and human leg of the device of FIG. 構造物に接近したときに人体を支持する1又は複数の過剰人工肢の使用例を示す。An example of the use of one or more excess artificial limbs that support a human body when approaching a structure is shown. 構造物に接近したときに人体を支持する1又は複数の過剰人工肢の使用例を示す。An example of the use of one or more excess artificial limbs that support a human body when approaching a structure is shown. 構造物に接近したときに人体を支持する1又は複数の過剰人工肢の使用例を示す。An example of the use of one or more excess artificial limbs that support a human body when approaching a structure is shown. 構造物に接近したときに人体を支持する1又は複数の過剰人工肢の使用例を示す。An example of the use of one or more excess artificial limbs that support a human body when approaching a structure is shown. 様々な位置で過剰人工肢によってもたらされる力及びトルクの総合測定を示す。Figure 3 shows a total measurement of the force and torque provided by an excess artificial limb at various positions. 過剰人工肢が様々な位置に動かされたときに人体によってもたらされる残りの力及びトルクの総合測定を示す。Fig. 5 shows a total measurement of the remaining force and torque provided by the human body when the excess artificial limb is moved to various positions. 図18のグラフに重ね合わされた、過剰人工肢が現在置かれた環境において物と接触する位置に対応するアウトラインを示す。The outline corresponding to the position which contacts the thing in the environment where the excess artificial limb was placed on the graph of FIG. 18 is shown. 過剰人工肢の様々な位置に関する、人体によってもたらされる残りの力及びトルクの総合測定のグラフを示す。Figure 6 shows a graph of the total measurement of the remaining force and torque provided by the human body for various positions of the excess artificial limb. ユーザが静止しているときに、現在置かれた環境において構造物に対してユーザを固定し、それによってユーザの位置を安定化させる図1の器具の使用例を示す。FIG. 2 illustrates an example use of the apparatus of FIG. 1 to secure a user relative to a structure in a currently placed environment when the user is stationary, thereby stabilizing the user's position. ユーザが静止しているときに、現在置かれた環境において構造物に対してユーザを固定し、それによってユーザの位置を安定化させる図1の器具の使用例を示す。FIG. 2 illustrates an example use of the apparatus of FIG. 1 to secure a user relative to a structure in a currently placed environment when the user is stationary, thereby stabilizing the user's position. ユーザが動いているときに、現在置かれた環境において構造物に対してユーザを固定し、それによってユーザの位置を安定化させる図1の器具の使用例を示す。FIG. 2 illustrates an example use of the apparatus of FIG. 1 that secures a user relative to a structure in a currently placed environment when the user is moving, thereby stabilizing the user's position. ユーザが動いているときに、現在置かれた環境において構造物に対してユーザを固定し、それによってユーザの位置を安定化させる図1の器具の使用例を示す。FIG. 2 illustrates an example use of the apparatus of FIG. 1 that secures a user relative to a structure in a currently placed environment when the user is moving, thereby stabilizing the user's position. 図1の器具の操作に関する典型的なフロー図を示す。FIG. 2 shows an exemplary flow diagram for operation of the instrument of FIG.

例示的な実施例は人体の荷重を支持する。例えば、例示的な実施例は、とりわけ、ユーザの体を支え、固定し、或いは安定化させることによってユーザを支援し得る。そのため、それら実施例は、人体の荷重の少なくとも一部を支持するために過剰人工肢を位置付ける器具を含む。人工肢は、それらの端部の一つで基部構造に結合するが、それらの長さに沿った様々な位置でユーザの本物の肢には結合されない。結果として、それら器具は、ユーザの肢の姿勢とは無関係に人工肢を自由に位置付けることができる。言い換えれば、それら人工肢はユーザの本物の肢とは運動学的に独立している。   The exemplary embodiment supports a human body load. For example, exemplary embodiments may assist the user by, among other things, supporting, securing, or stabilizing the user's body. As such, these examples include an instrument that positions an excess artificial limb to support at least a portion of the load on the human body. Artificial limbs are coupled to the base structure at one of their ends, but are not coupled to the user's real limb at various locations along their length. As a result, they can position the artificial limb freely regardless of the posture of the user's limb. In other words, these artificial limbs are kinematically independent of the user's real limbs.

この独立性は、従来技術を超える多くの利点をもたらす。第一に、その器具は、人工肢のためのより広い範囲の取り得る位置を考慮し、人体の荷重をできるだけ多く支持する、その1又は複数の位置、及び必要なトルクを決定してもよい。さらに、人工肢はユーザの体の関節角度を担うのには必要とされないため、人工肢は、トルクがそれほど必要とされない位置からその荷重を支持し、それによって、従来の人工外骨格と比較し、器具の電力消費を低減させることができる。   This independence provides a number of advantages over the prior art. First, the device may consider its wider range of possible positions for the prosthesis and determine its position or positions that support as much of the human load as possible and the required torque. . In addition, since the artificial limb is not required to bear the joint angle of the user's body, the artificial limb supports its load from a location where less torque is required, thereby comparing to a conventional artificial exoskeleton. The power consumption of the instrument can be reduced.

それらの器具は、多くの適用を予期する。例えば、その器具は、歩行中のユーザのバランスを安定化させてそのユーザが転倒する可能性を低減させてもよい。ユーザの力が弱まれば、その器具はユーザの体を支持するために人工肢を再配置してもよい。別の適用では、その器具は、さもなければ疲れさせる姿勢を長時間にわたってユーザが維持できるようにする。さらに、その器具は、ユーザの体を固定してもよく、或いは、ユーザの体を構造物に固定してもよい。これらの適用では、その器具は、ユーザが現在置かれている環境において人工肢のエフェクタが物と係合するように人工肢を位置付けてもよい。例えば、人工肢は、手すりの上に引っ掛かるフック、又は、近くの構造物の棒を握るクランプを有していてもよい。それらの接点は、ユーザの体を安定化させ、状況によっては、ユーザが転倒する可能性を低減させる。これらの適用の何れにおいても、ユーザが動くと、その器具はユーザの体の荷重を再評価し、過剰人工肢の位置及び/又はトルクを更新してもよい。   These instruments anticipate many applications. For example, the appliance may stabilize the balance of the user who is walking and reduce the possibility that the user will fall. If the user's power is weakened, the device may reposition the artificial limb to support the user's body. In another application, the instrument allows the user to maintain a posture that would otherwise be tired. Furthermore, the instrument may secure the user's body or may secure the user's body to the structure. In these applications, the device may position the prosthetic limb such that the prosthetic limb effector engages the object in the environment in which the user is currently placed. For example, an artificial limb may have a hook that catches on a handrail or a clamp that grips a bar of a nearby structure. These contacts stabilize the user's body and, in some situations, reduce the possibility of the user falling. In any of these applications, as the user moves, the device may reevaluate the user's body load and update the position and / or torque of the excess prosthesis.

図1は、過剰人工肢を用いて人体の荷重を支持する器具100の概略図を示す。器具100は、プロセッサ110と共に、人体の荷重に関する様々なデータを感知するセンサ105a、105b、105c(集合的に“105”とする。)を有する基部構造112を含む。基部構造112及びプロセッサ110は、過剰人工肢115及びそれらのそれぞれのアクチュエータ118に結合される。いくつかの実施例では、人工肢115の近位端は、基部構造112に結合される。   FIG. 1 shows a schematic diagram of an instrument 100 that supports the load of the human body using an excess artificial limb. The instrument 100 includes a base structure 112 having sensors 105a, 105b, and 105c (collectively referred to as “105”) that sense various data related to the load on the human body together with the processor 110. Base structure 112 and processor 110 are coupled to excess artificial limbs 115 and their respective actuators 118. In some embodiments, the proximal end of prosthetic limb 115 is coupled to base structure 112.

ユーザが器具100を着用する場合、センサ105は、ユーザの体の荷重に関する様々な値を測定し且つプロセッサ110に送る。人工肢115のための取り得る位置毎に、器具100は、荷重を担う際に人工肢115が人体を支援する程度及び方法を決定する。例えば、プロセッサ110は、人工肢115が特定の位置に及ぼすトルク及び力の総合測定(aggregate measure)(例えば人工肢115の各関節によってもたらされるトルク及び力の集合(aggregate))を決定してもよい。そして、プロセッサ110は、人工肢115がその位置に動かされ且つ特定の力及びトルクを及ぼした場合にユーザがなおも及ぼす必要がある残りのトルク及び力の総合測定を決定してもよい。いくつかの実施例では、プロセッサ110は、その特定の位置における、環境に対する過剰人工肢115の遠位端の接触によってもたらされるトルク及び/又は力が、人工肢115を基部構造112に結合する関節の中心に向けられるかを決定し、それによってその関節の回転を防止してもよい。この処理は、基部構造112に取り付けられる過剰人工肢115の全てに関して繰り返されてもよい。プロセッサ110は、ユーザが必要とする努力の最大限の削減をもたらす人工肢115のためのトルク、位置、及び力を選択してもよい。   When the user wears the instrument 100, the sensor 105 measures and sends various values related to the user's body load to the processor 110. For each possible position for the prosthetic limb 115, the instrument 100 determines the extent and method by which the prosthetic limb 115 supports the human body when carrying the load. For example, the processor 110 may determine an aggregate measure of torque and force that the artificial limb 115 exerts on a particular position (eg, an aggregate of torque and force provided by each joint of the artificial limb 115). Good. The processor 110 may then determine a total measurement of the remaining torque and force that the user still needs to exert if the artificial limb 115 is moved to that position and exerts a particular force and torque. In some embodiments, the processor 110 is a joint that, at that particular location, torque and / or force caused by contact of the distal end of the excess prosthesis 115 with the environment couples the prosthesis 115 to the base structure 112. May be directed to the center of the joint, thereby preventing rotation of the joint. This process may be repeated for all of the excess artificial limbs 115 attached to the base structure 112. The processor 110 may select the torque, position, and force for the artificial limb 115 that provides the maximum reduction in effort required by the user.

これらの位置に基づき、プロセッサ110は、過剰人工肢115のアクチュエータ118に制御信号を送る。それに応じ、アクチュエータ118は、過剰人工肢115を位置決めし、そして、力及びトルクの特定量を及ぼし且つ維持するために人工肢115を操作する。さらに、センサ105は、ユーザの体の荷重を継続的に監視し、そしてその結果、プロセッサ110及びアクチュエータ118は、過剰人工肢115を継続的に更新して人工肢115を再配置し、或いは、それらが及ぼすトルク及び力の量を調節する。   Based on these positions, the processor 110 sends a control signal to the actuator 118 of the excess artificial limb 115. In response, the actuator 118 positions the excess artificial limb 115 and manipulates the artificial limb 115 to exert and maintain specific amounts of force and torque. Further, the sensor 105 continuously monitors the user's body load, so that the processor 110 and the actuator 118 continuously update the excess artificial limb 115 to reposition the artificial limb 115, or Adjust the amount of torque and force they exert.

各センサ105は、人体の荷重に関する別の測定値を検出してもよい。例えば、センサ105は、人体の一部(例えば手首、肘、膝、足首、臀部)の関節の角度を決定するよう構成されてもよい。さらに、センサ105は、人体の質量中心の位置、又は、人体及び器具100の質量中心の位置に関する情報を取得してもよい。また、センサ105は、ユーザの体の下での荷重分布を測定してもよい。   Each sensor 105 may detect another measurement value related to the load on the human body. For example, the sensor 105 may be configured to determine a joint angle of a part of the human body (eg, wrist, elbow, knee, ankle, buttocks). Further, the sensor 105 may acquire information regarding the position of the center of mass of the human body or the position of the center of mass of the human body and the instrument 100. The sensor 105 may measure a load distribution under the user's body.

いくつかの実施例では、センサ105は、ある部位に及ぼされるトルクを感知するためにたわみを測定するエンコーダであってもよい。別のセンサ105は、環境のx軸に関する人間の胴体の角度を測定してもよい。他のセンサ105は、ユーザの臀部といった人体のある部位に及ぼされる力を測定してもよい。別の実施例では、センサ105は、その出力がユーザの体の動きを示すMEMS加速度計又はMEMSジャイロスコープといった慣性センサを含んでいてもよい。さらに別のセンサ105は、ユーザのバランスに関する情報を取得してもよい。典型的なセンサ105は、動いているときのユーザの歩みの頻度及び方向に関する情報を取得してもよい。   In some embodiments, sensor 105 may be an encoder that measures deflection to sense torque exerted on a site. Another sensor 105 may measure the angle of the human torso with respect to the environmental x-axis. Another sensor 105 may measure the force exerted on a part of the human body such as the user's buttocks. In another example, the sensor 105 may include an inertial sensor such as a MEMS accelerometer or MEMS gyroscope whose output is indicative of a user's body movement. Yet another sensor 105 may obtain information regarding the balance of the user. The exemplary sensor 105 may obtain information regarding the frequency and direction of the user's steps when moving.

さらに、センサ105は、筋電図(EMG)センサを含んでいてもよい。これらのセンサ105は、ユーザの皮膚に結合され且つその電圧を測定するよう構成される電極を含んでいてもよい。このように、EMGセンサ105は、筋活動に関するデータを記録してもよい。器具100は、本書に記載されるセンサ105の任意のものを任意の組み合わせで含んでいてもよい。さらに、器具100は、本書で説明されるセンサ105の任意の数及び組み合わせのものを要望通りに含んでいてもよい。   Further, the sensor 105 may include an electromyogram (EMG) sensor. These sensors 105 may include electrodes coupled to the user's skin and configured to measure its voltage. Thus, the EMG sensor 105 may record data relating to muscle activity. The instrument 100 may include any of the sensors 105 described herein in any combination. Further, the instrument 100 may include any number and combination of the sensors 105 described herein as desired.

センサ105は、無線又は有線媒体といった、当該技術分野で普通に用いられる任意の媒体を介してプロセッサ110に出力信号を送信してもよい。例えば、センサ105は、センサ105の出力ポートをプロセッサ110に接続するワイヤを含んでいてもよい。別の例では、センサ105は無線発信機を備えていてもよい。その場合、センサ105は、当業者によって十分理解される任意のプロトコルにしたがって無線出力信号をプロセッサ110に送信してもよい。   The sensor 105 may send the output signal to the processor 110 via any medium commonly used in the art, such as a wireless or wired medium. For example, the sensor 105 may include a wire that connects the output port of the sensor 105 to the processor 110. In another example, the sensor 105 may include a wireless transmitter. In that case, the sensor 105 may transmit the wireless output signal to the processor 110 according to any protocol well understood by those skilled in the art.

様々な実施例において、器具100は、プロセッサ110から人工肢115のアクチュエータ118に1又は複数の制御信号を送信することによって人工肢115を操作する。各アクチュエータ118は、人工肢115における異なる関節に結合されてもよい。人工肢115は、三次元空間において人工肢115が適切に配置されるのを可能にする1又は複数の関節を含んでいてもよい。例えば、過剰人工肢115は、図2に示すように、2つの回転関節120及び121を介して基部構造112に結合されてもよい。この実施例では、一方の回転関節120がx軸に関して180度の回転を許容し、他方の回転関節121が直交軸に関して180度の回転を許容する。   In various embodiments, the instrument 100 operates the artificial limb 115 by sending one or more control signals from the processor 110 to the actuator 118 of the artificial limb 115. Each actuator 118 may be coupled to a different joint in the artificial limb 115. The artificial limb 115 may include one or more joints that allow the artificial limb 115 to be properly positioned in a three-dimensional space. For example, the excess artificial limb 115 may be coupled to the base structure 112 via two rotational joints 120 and 121 as shown in FIG. In this embodiment, one rotary joint 120 allows 180 degrees of rotation about the x-axis, and the other rotary joint 121 allows 180 degrees of rotation about the orthogonal axis.

しかしながら、他の回転範囲を許容する関節が用いられてもよい。例えば、いくつかの実施例では、回転関節120(例えば肩屈曲関節)は、270度の回転を許容してもよく、回転関節121(例えば肩外転関節)は90度以内の回転を許容してもよい。別の例では、人工肢115は、三次元空間での人工肢115の回転も許容するボールジョイントを介して基部構造112に結合されてもよい。例えば、その関節は、270度の可動域を許容してもよい。これらの実施例の何れにおいても、それらの関節は、望ましくは、ユーザの肢(例えば腕、脚)によって取り囲まれる作業空間のほとんどに人工肢115の遠位端が到達できるようにする可動域を許容する。いくつかの実施例では、回転関節120は、約69Nmまでのトルクを及ぼしてもよいが、他のトルクを及ぼすことができる関節が用いられてもよい。回転関節120、121のための典型的なアクチュエータ118は、マサチューセッツ州ピーボディのHarmonic Drive LLC製のギアボックスにおけるブラシレス直流(DC)モータを含む。   However, joints that allow other rotational ranges may be used. For example, in some embodiments, rotational joint 120 (eg, shoulder flexion joint) may allow 270 degrees of rotation and rotational joint 121 (eg, shoulder abduction joint) allows rotation within 90 degrees. May be. In another example, the artificial limb 115 may be coupled to the base structure 112 via a ball joint that also allows rotation of the artificial limb 115 in three-dimensional space. For example, the joint may allow a range of motion of 270 degrees. In any of these embodiments, the joints desirably have a range of motion that allows the distal end of the artificial limb 115 to reach most of the workspace surrounded by the user's limb (eg, arm, leg). Allow. In some embodiments, the rotary joint 120 may exert a torque of up to about 69 Nm, although joints that can exert other torques may be used. A typical actuator 118 for the rotating joints 120, 121 includes a brushless direct current (DC) motor in a gearbox made by Harmonic Drive LLC of Peabody, Massachusetts.

また、人工肢115は、人工肢115の様々な部品の伸縮を可能にする1又は複数の関節を含んでいてもよく、それによって人工肢115の全体の有効長を変えてもよい。例えば、人工肢115は、望遠鏡と同じような方法で動作するように効果的に構成されてもよい。それ故に、器具100は、人工肢115の一セクションを別のセクションに結合する直動関節124といった、そのような機能に適した構造を含んでいてもよい。図3に示すように、直動関節124の作動は、他のセクションから18インチまで突出するように人工肢115の一セクションを延長してもよい。別の実施例では、人工肢115は、複数のセクション、直動関節、及び関連するアクチュエータを含んでいてもよい。例えば、人工肢115は、同じ中心軸を共用する2以上のシリンダを含んでいてもよい。それらシリンダは、異なる直径を有していてもよく、また、それらは、小さい直径を有するシリンダがより大きな直径を有するシリンダ内にはめ込まれるように構成されてもよい。言い換えれば、それらシリンダは同心であってもよい。直動関節124のそれぞれは、同心円状に互いに隣接する2つのシリンダを結合してもよく、直動関節124のそれぞれは、プロセッサ110から制御信号を受けるアクチュエータ118に結合されてもよい。それらの信号に基づき、アクチュエータ118は、人工肢115の全長を制御するために人工肢115の別々のセクションを延長し或いは引っ込めてもよい。   The artificial limb 115 may also include one or more joints that allow the various components of the artificial limb 115 to expand and contract, thereby changing the overall effective length of the artificial limb 115. For example, the artificial limb 115 may be effectively configured to operate in a manner similar to a telescope. Therefore, the device 100 may include a structure suitable for such a function, such as a linear joint 124 that couples one section of the prosthetic limb 115 to another section. As shown in FIG. 3, actuation of the linear joint 124 may extend one section of the prosthetic limb 115 so that it protrudes up to 18 inches from the other section. In another example, prosthetic limb 115 may include multiple sections, linear joints, and associated actuators. For example, the artificial limb 115 may include two or more cylinders that share the same central axis. The cylinders may have different diameters and they may be configured such that a cylinder with a small diameter fits within a cylinder with a larger diameter. In other words, the cylinders may be concentric. Each of the linear motion joints 124 may couple two cylinders concentrically adjacent to each other, and each of the linear motion joints 124 may be coupled to an actuator 118 that receives a control signal from the processor 110. Based on those signals, the actuator 118 may extend or retract separate sections of the prosthetic limb 115 to control the total length of the prosthetic limb 115.

様々な実施例において、人工肢115は、1又は複数の回転関節120、121と直動関節124とを有し、それぞれがそれぞれのアクチュエータ118に結合される。プロセッサ110は、アクチュエータ118に別々の制御信号を送信してもよい。1又は複数のアクチュエータ118は、人工肢115を適切に配置するために三次元空間内で人工肢115の一端を(例えば360度、270度)回転させてもよく、別のアクチュエータ118は、人工肢115が最終的な所望の位置に達するように人工肢115のセクションを延長し或いは引っ込めてもよい。しかしながら、器具100は、当業者が望むように、様々な大きさの動きを通じた回転が可能な任意の数の回転関節120、121を含んでいてもよく、任意の数の直動関節124を含んでいてもよい。   In various embodiments, the artificial limb 115 includes one or more rotary joints 120, 121 and a linear joint 124, each coupled to a respective actuator 118. The processor 110 may send separate control signals to the actuator 118. One or more actuators 118 may rotate one end of the prosthetic limb 115 in three-dimensional space (eg, 360 degrees, 270 degrees) to properly position the prosthetic limb 115; The section of the artificial limb 115 may be extended or retracted so that the limb 115 reaches the final desired position. However, the instrument 100 may include any number of rotational joints 120, 121 capable of rotation through various magnitudes of movement, as desired by those skilled in the art, and includes any number of linear motion joints 124. May be included.

また、器具100は、特定のレベルの力及び/又はトルクをそれぞれの位置で与え且つ維持するように人工肢115を操作してもよい。例えば、プロセッサ110は、人工肢115のアクチュエータ118の任意のものに1又は複数の制御信号を送信してもよい。人工肢115の位置決めのためにアクチュエータ118が関節を動作させた後、アクチュエータ118は、特定量の力及び/又はトルクを与えるために、制御信号に基づいてその関節をさらに動作させてもよい。いくつかの実施例では、人工肢115は、遠位端にかかる圧力を測定するセンサ105を含む。このセンサ105は、その圧力に関する情報をプロセッサ110に送信してもよく、プロセッサ110は、人工肢115が及ぼす力及び/又はトルクを調節するために制御信号を更新してもよい。   The instrument 100 may also operate the artificial limb 115 to apply and maintain a specific level of force and / or torque at each position. For example, the processor 110 may send one or more control signals to any of the actuators 118 of the artificial limb 115. After the actuator 118 operates the joint to position the artificial limb 115, the actuator 118 may further operate the joint based on the control signal to provide a specific amount of force and / or torque. In some embodiments, the artificial limb 115 includes a sensor 105 that measures pressure on the distal end. The sensor 105 may send information regarding its pressure to the processor 110, which may update the control signal to adjust the force and / or torque exerted by the artificial limb 115.

人工肢115の遠位端は、取り外し可能な或いは取り外せないように接続されるエンドエフェクタといった、人体の荷重を支持する際に人工肢115を支援する物を含んでいてもよい。エンドエフェクタは、現在置かれた環境のある表面との間でしっかりした接触を人工肢が創出し且つ維持できるようにする任意の器具であってもよい。例えば、エンドエフェクタは、高い摩擦係数を有していてもよく、それは人工肢115がそのような表面に力を及ぼすことができるようにする。このエンドエフェクタは、図4に示すような摩擦端面を持つキャップ128又は球体等の任意の形状ファクタを有していてもよい。エンドエフェクタは、ゴム等の高い摩擦係数を有する任意の材料を含んでいてもよい。また、人工肢115は、取り外し可能で且つ交換可能なエンドエフェクタに結合されるよう構成されてもよい。それ故に、ユーザは、人工肢115からキャップ128を外し、それを球体又は任意の他のエンドエフェクタで置き換えてもよい。   The distal end of the prosthetic limb 115 may include things that assist the prosthetic limb 115 in supporting a human body load, such as an end effector that is detachably or non-removably connected. An end effector may be any device that allows an artificial limb to create and maintain firm contact with a currently placed environmental surface. For example, the end effector may have a high coefficient of friction, which allows the artificial limb 115 to exert a force on such a surface. The end effector may have any shape factor such as a cap 128 or sphere with a friction end as shown in FIG. The end effector may include any material having a high coefficient of friction such as rubber. The artificial limb 115 may also be configured to be coupled to a removable and replaceable end effector. Therefore, the user may remove the cap 128 from the artificial limb 115 and replace it with a sphere or any other end effector.

いくつかの実施例では、人工肢115は、その遠位端に、図5に示すようなフック130等の把持部を含んでいてもよい。フック130が物(例えばはしごの段)を把持する必要がある適用では、人工肢115を直ちに最終位置まで動かすことは、所望の接触を実現できない場合がある。その代わりに、プロセッサ110は、フック130をその目標物の回りに位置付ける方法で人工肢115が最終位置に近づけるようにアクチュエータ118に一連の制御信号を送信してもよい。例えば、アクチュエータ118は、最初にフック130を段の上に持ち上げ、その段そのものを超えて人工肢115を延長し、そしてフック130を下げ、フック130がその段と係合するように人工肢115を引っ込めてもよい。   In some embodiments, the prosthetic limb 115 may include a gripping portion, such as a hook 130 as shown in FIG. In applications where the hook 130 needs to grip an object (eg, a ladder step), moving the artificial limb 115 immediately to the final position may not achieve the desired contact. Instead, the processor 110 may send a series of control signals to the actuator 118 so that the prosthetic limb 115 approaches the final position in a manner that positions the hook 130 about its target. For example, the actuator 118 first lifts the hook 130 over the step, extends the artificial limb 115 beyond the step itself, and lowers the hook 130 so that the hook 130 engages the step. You may withdraw.

或いは、人工肢115は、図6に示す把持部131のような作動型の把持部を含んでいてもよい。人工肢115は、プロセッサ110及び把持部131に結合されるアクチュエータ118を含んでいてもよい。プロセッサ110からの制御信号に基づき、アクチュエータ118は、(例えば物をつかむことで)把持部131を物に固定するために把持部131を閉じてもよく、また、再配置のために人工肢115を解放すべく把持部131を開いてもよい。フック130を有する実施例と同様に、プロセッサ110は、人工肢115が所望の物に近づいたときに把持部131を開くために、また、人工肢115がその最終位置に達した時点で把持部131を閉じるために、一連の制御信号を送信してもよい。   Alternatively, the artificial limb 115 may include an actuating gripper such as the gripper 131 shown in FIG. The artificial limb 115 may include an actuator 118 coupled to the processor 110 and the grip portion 131. Based on the control signal from the processor 110, the actuator 118 may close the grip 131 to secure the grip 131 to the object (eg, by grabbing an object), and may also prosthesis 115 for repositioning. You may open the holding | grip part 131 in order to release. Similar to the embodiment having the hook 130, the processor 110 opens the grip 131 when the artificial limb 115 approaches the desired object, and when the artificial limb 115 reaches its final position. To close 131, a series of control signals may be sent.

図1の器具100は2つの過剰人工肢115を示すが、器具100は、任意の数の人工肢115を含んでいてもよい。例えば、器具100は、単一の人工肢115を含んでいてもよい。いくつかの実施例では、器具100は、1又は複数の対の過剰人工肢115を含んでいてもよい。さらに、図1は、長方形の箱の両側に結合される2つの人工肢115を有する長方形の箱として基部構造112を概略的に示す。しかしながら、基部構造112は、当業者が望む任意の形状又は構成を有していてもよい。例えば、基部構造112は、人間の臀部の形に沿った表面を含んでいてもよい。或いは、基部構造112は、ユーザの脊椎と合うように構成される可撓管を含んでいてもよい。   Although the device 100 of FIG. 1 shows two excess artificial limbs 115, the device 100 may include any number of artificial limbs 115. For example, the instrument 100 may include a single artificial limb 115. In some embodiments, the device 100 may include one or more pairs of excess artificial limbs 115. In addition, FIG. 1 schematically illustrates the base structure 112 as a rectangular box having two artificial limbs 115 coupled to both sides of the rectangular box. However, the base structure 112 may have any shape or configuration desired by those skilled in the art. For example, the base structure 112 may include a surface that follows the shape of a human buttock. Alternatively, the base structure 112 may include a flexible tube configured to mate with the user's spine.

また、人工肢115は、任意の所望の位置で基部構造112に結合されてもよい。いくつかの実施例では、人工肢115は、基部構造112の長さに沿って位置付けられてもよい。それ故に、基部構造112がユーザの脊椎に合う可撓管であれば、過剰人工肢115は、ユーザの脊椎における別々の位置に人工肢115のそれぞれを結合するために、その管の上に位置付けられてもよい。いくつかの実施例では、2つの人工肢115が同じ位置で基部構造112に結合されてもよく、また、それらは、ユーザが基部構造112を着用する場合に、一方の人工肢115がユーザの右に延び、他方がユーザの左に延びるように配置されてもよい。また、様々な形状ファクタを有する基部構造112、及び、基部構造112の別々の位置に結合される様々な数の人工肢115の他の例も本書において予期される。   The artificial limb 115 may also be coupled to the base structure 112 at any desired location. In some examples, the artificial limb 115 may be positioned along the length of the base structure 112. Therefore, if the base structure 112 is a flexible tube that fits the user's spine, the excess prosthetic limb 115 is positioned over that tube to couple each of the prosthetic limbs 115 to different locations in the user's spine. May be. In some embodiments, two prosthetic limbs 115 may be coupled to the base structure 112 at the same location, and when the user wears the base structure 112, one prosthetic limb 115 may be It may be arranged so that it extends to the right and the other extends to the left of the user. Other examples of a base structure 112 having various shape factors and various numbers of prosthetic limbs 115 coupled to different locations of the base structure 112 are also contemplated herein.

さらに、器具100は単一のプロセッサ110を有するとして説明されたが、器具100は、任意の数のプロセッサ110を含んでいてもよい。とりわけ、プロセッサ110は、単一コア又は多重コアを含んでいてもよい。器具100は、過剰人工肢115のための制御アルゴリズムを実行可能な任意の数の或いは任意のタイプのプロセッサ110を用いてもよい。   Furthermore, although the instrument 100 has been described as having a single processor 110, the instrument 100 may include any number of processors 110. In particular, the processor 110 may include a single core or multiple cores. The instrument 100 may use any number or any type of processor 110 capable of executing a control algorithm for the excess artificial limb 115.

図7及び図8は図1に示す器具100の典型的な実施例の様々な図を示す。図7では、器具100は、表面上に平らに広げられ、図8では、過剰人工肢115が基部構造112に対して垂直となるように回転させられている。プロセッサ110及びセンサ105を基部構造112内に収容することに加え、この実施例はまた、ユーザのウエストに結合されるように構成されるウエスト装具133を含む。人工肢115は、2つの回転関節120及び121を介して基部構造112に結合される。回転関節120及び121の作動は、三次元空間において人工肢115を回転させる。また、人工肢115は、直動関節124を含む。直動関節124の作動は、人工肢の一部を伸び縮みさせる。さらに、人工肢115は、その遠位端に結合されるゴム製球体135を有する。これらの球体135は、環境における表面との高摩擦接触をもたらす。   7 and 8 show various views of an exemplary embodiment of the instrument 100 shown in FIG. In FIG. 7, the device 100 is spread flat on the surface, and in FIG. 8, the excess artificial limb 115 is rotated so that it is perpendicular to the base structure 112. In addition to housing the processor 110 and sensor 105 within the base structure 112, this embodiment also includes a waist brace 133 configured to be coupled to the user's waist. The artificial limb 115 is coupled to the base structure 112 via two rotational joints 120 and 121. The operation of the rotary joints 120 and 121 rotates the artificial limb 115 in a three-dimensional space. The artificial limb 115 includes a linear joint 124. The operation of the linear joint 124 causes a part of the artificial limb to expand and contract. In addition, the artificial limb 115 has a rubber sphere 135 that is coupled to its distal end. These spheres 135 provide high friction contact with the surface in the environment.

図9は、図1に示す器具100の別の典型的な実施例を示す。この実施例では、基部構造112は、ウエストベルト及びストラップを有するハーネス147に結合される。ユーザは、ストラップを自身の腕に通し、自身の臀部の周りにウエストベルトを結び、それによってハーネス147を自身の背中に結合できる。このように、器具100が着用されると、基部構造112は、ユーザのウエストの近くに位置付けられる。さらに、この実施例では、人工肢115は、ボールジョイント148を介して基部構造112に結合される。ボールジョイント148の作動は、三次元空間において人工肢115を回転させる。また、人工肢115は、直動関節124を含み、直動関節124の作動は、人工肢の一部を伸び縮みさせる。   FIG. 9 shows another exemplary embodiment of the instrument 100 shown in FIG. In this embodiment, the base structure 112 is coupled to a harness 147 having a waist belt and a strap. The user can pass the strap through his arm and tie a waist belt around his buttocks thereby connecting the harness 147 to his back. Thus, when the instrument 100 is worn, the base structure 112 is positioned near the user's waist. Further, in this embodiment, artificial limb 115 is coupled to base structure 112 via ball joint 148. The operation of the ball joint 148 rotates the artificial limb 115 in a three-dimensional space. The artificial limb 115 includes a linear motion joint 124, and the operation of the linear motion joint 124 causes a part of the artificial limb to expand and contract.

ここで器具100の操作を検討すると、器具100は、最初に、特定の姿勢において人体を支持するために必要な荷重を決定してもよい。ユーザが器具100の助けを借りない場合、ユーザは、自身の重量を支え、且つ、環境及び状況に基づく力及びトルクに対抗するのに十分な力及びトルクを発揮しなければならない。例えば、ユーザが用具を操作している場合、ユーザは、その用具が発生させる反動に対抗しなければならない。ユーザが風洞内にいる場合、ユーザは、真っ直ぐ立ち続けるために風に対抗しなければならない。ユーザは、自身の脚によって自身の体をある姿勢に維持するので、ユーザの体にかかる荷重に対応する累積的な力及びトルクは、ユーザの臀部での累積的な測定によって表されてもよい。いくつかの実施例では、これらの累積的な測定は、ユーザの臀部の周りのトルクばかりではなく、ユーザの臀部での人体及び器具100の双方の重力荷重及び慣性荷重を説明し得る。   Considering the operation of the instrument 100 here, the instrument 100 may first determine the load required to support the human body in a particular posture. If the user does not help with the instrument 100, the user must exert sufficient force and torque to support his weight and to counteract environmental and situational forces and torques. For example, if the user is operating a tool, the user must counter the reaction that the tool generates. If the user is in a wind tunnel, the user must counter the wind to stay upright. Since the user maintains his / her body in a certain posture with his / her legs, the cumulative force and torque corresponding to the load on the user's body may be represented by cumulative measurements at the user's buttocks. . In some embodiments, these cumulative measurements may account for not only the torque around the user's buttocks, but also the gravity and inertial loads of both the human body and the instrument 100 at the user's buttocks.

プロセッサ110は、前述の任意のタイプ又は任意の組み合わせのセンサ105からの出力に基づいて荷重を決定してもよい。一例を挙げれば、図10は、1又は複数のセンサ105によって検出され得る、人体の荷重に寄与する典型的な測定を示す。例えば、環境のx軸に関する人間の胴体の角度150、膝の角度151、足首の角度152、質量中心の加速度、及び質量中心の位置153は全てセンサ105によって検出されてもよく、或いは、それらセンサ105の出力を用いてプロセッサ110によって決定されてもよい。   The processor 110 may determine a load based on the output from any type or combination of sensors 105 described above. In one example, FIG. 10 illustrates a typical measurement that contributes to human load that can be detected by one or more sensors 105. For example, human torso angle 150, knee angle 151, ankle angle 152, center of mass acceleration, and center of mass position 153 with respect to the x-axis of the environment may all be detected by sensor 105, or they may be It may be determined by the processor 110 using 105 outputs.

荷重を決定した後、いくつかの実施例では、器具100は過剰人工肢115が現在置かれた環境に接触できるようにする位置のセットを特定する。このようにして、器具100は、多くの位置を検討対象から除外してもよい。人工肢115と環境との間の接触をもたらす位置のみが体の荷重の少なくとも一部を支持できるためである。例えば、図11に示すように、ユーザが平らな面に立っている場合、器具100は、過剰人工肢115の範囲154内の地面上で位置を決定してもよい。別の例では、ユーザがワークステーションの前に立っている場合、器具100は、地面上の位置に加え、人工肢115の届く範囲内にあるワークステーション上で位置を決定してもよい。同様に、器具100は、人工肢115が接触し得るユーザの後ろの壁で位置を特定してもよい。   After determining the load, in some embodiments, the device 100 identifies a set of positions that allow the excess artificial limb 115 to contact the currently placed environment. In this way, the instrument 100 may exclude many positions from consideration. This is because only the position that provides contact between the artificial limb 115 and the environment can support at least a portion of the body load. For example, as shown in FIG. 11, if the user is standing on a flat surface, the instrument 100 may determine a position on the ground within the range 154 of the excess artificial limb 115. In another example, if the user is standing in front of a workstation, the instrument 100 may determine the position on a workstation that is within reach of the artificial limb 115 in addition to the position on the ground. Similarly, the instrument 100 may locate on the wall behind the user where the artificial limb 115 can contact.

様々な実施例において、器具100は、現在置かれた環境の画像を取得するカメラを含んでいてもよい。プロセッサ110は、物体を検出して基部構造112に対するそれらの相対位置を決定するためにそれらの画像を分析してもよい。いくつかの例では、プロセッサ110は、基部構造112上の特定位置からの物体の距離、及び、その位置に対する角変位を決定する。器具100は検出された物体上の様々な場所に対して人工肢115を位置付け得るため、プロセッサ110は、それらの場所に対応する複数の距離及び角変位を決定して保存してもよい。例えば、ユーザがはしごを登っている場合、器具100は、基部構造112に対する個々の段の位置を検出してもよい。ユーザがフェンスの近くに立っている場合、器具100は、基部構造112に対するポストの位置及びそれらポスト上の位置を検出してもよい。   In various embodiments, the instrument 100 may include a camera that acquires an image of the currently placed environment. The processor 110 may analyze the images to detect objects and determine their relative position with respect to the base structure 112. In some examples, the processor 110 determines the distance of the object from a particular location on the base structure 112 and the angular displacement relative to that location. Since the instrument 100 can position the artificial limb 115 relative to various locations on the detected object, the processor 110 may determine and store multiple distances and angular displacements corresponding to those locations. For example, the instrument 100 may detect the position of individual steps relative to the base structure 112 when the user is climbing a ladder. If the user is standing near the fence, the instrument 100 may detect the positions of the posts relative to the base structure 112 and the positions on those posts.

器具100は、ユーザ毎に異なる目標を達成するために過剰人工肢115を位置決めしてもよい。一実施例では、器具100は、ユーザの体の安定性を増大させてもよい。例として、図12は、人工肢115の位置決めがどのようにしてユーザが歩行している際のユーザの安定性を向上させるかを概念的に示す。左図に示すように、ユーザが器具100を着用していない場合、ユーザの胴体は、主に自身の脚によって支持されている。ユーザの脚の位置及びユーザの体の質量中心は、ユーザの胴体に支持が提供されているところである領域155を定める。この領域155は、様々な角度を有する多角形として表されてもよい。右図に示すように、ユーザが器具100を着用している場合、ユーザの胴体は、脚及び人工肢115の双方によって支持され、ユーザの胴体に支持が提供されているところである別の領域156を定める。この領域156は角度がより均等な多角形をカバーするため、領域156は、ユーザの体に対してより高い安定性をもたらす。このように、ユーザの脚の位置の反対にある地面に接触するように過剰人工肢115を位置決めすることによって、器具100は、人体の安定性を向上させ、ユーザがつまづいて転ぶのを防止してもよい。   The instrument 100 may position the excess artificial limb 115 to achieve different goals for each user. In one example, the instrument 100 may increase the stability of the user's body. As an example, FIG. 12 conceptually illustrates how positioning of the artificial limb 115 improves user stability when the user is walking. As shown in the left figure, when the user is not wearing the instrument 100, the user's torso is mainly supported by his / her legs. The position of the user's leg and the center of mass of the user's body define an area 155 where support is provided to the user's torso. This region 155 may be represented as a polygon having various angles. As shown in the right figure, when the user wears the device 100, the user's torso is supported by both the leg and the artificial limb 115, and another region 156 where support is provided to the user's torso. Determine. Since this region 156 covers a polygon with a more uniform angle, the region 156 provides greater stability to the user's body. Thus, by positioning the excess prosthetic limb 115 so as to contact the ground opposite the position of the user's leg, the device 100 improves the stability of the human body and prevents the user from tripping over. May be.

この場合において過剰人工肢115のための位置を決定するために、器具100は、本書で説明された任意のセンサ105及び任意の方法を用いて脚の位置を最初に決定してもよい。いくつかの実施例では、人工肢115のための取り得る位置の対毎に、器具100は、人工肢115の取り得る位置とユーザの脚の実際の位置とによって形成される多角形156の角度を決定してもよい。器具100は、最も小さい角度範囲を有する多角形156に対応する人工肢の位置を選択してもよい。他の実施例では、器具100は、それら多角形156の表面積を決定し、最大表面積に対応する位置を選択してもよい。器具100は、人体の荷重に基づいて人工肢115が与える力及び/又はトルクを決定してもよい。   In this case, to determine a position for the excess limb 115, the instrument 100 may first determine the position of the leg using any sensor 105 and any method described herein. In some embodiments, for each possible pair of positions for the prosthetic limb 115, the instrument 100 may measure the angle of the polygon 156 formed by the possible position of the prosthetic limb 115 and the actual position of the user's leg. May be determined. The instrument 100 may select the position of the artificial limb corresponding to the polygon 156 having the smallest angular range. In other examples, the instrument 100 may determine the surface area of the polygons 156 and select a position corresponding to the maximum surface area. The device 100 may determine the force and / or torque that the artificial limb 115 applies based on the load of the human body.

また、器具100は、ユーザの歩みの頻度及び方向を測定するセンサ105を含んでいてもよい。さらに、器具100は、ユーザの歩幅を推定するセンサ105を含んでいてもよい。プロセッサ110は、過剰人工肢115の位置を継続的に更新するためにこの情報を用い、それによってユーザの体を安定化させる位置を予測てもよい。   Instrument 100 may also include a sensor 105 that measures the frequency and direction of the user's steps. Further, the instrument 100 may include a sensor 105 that estimates the user's stride. The processor 110 may use this information to continuously update the position of the excess artificial limb 115, thereby predicting a position that will stabilize the user's body.

器具100の別の潜在的な目的は、所定の姿勢でユーザの体を支持することである。様々な仕事を仕上げるために、ユーザは、その維持に継続的な努力が要求される姿勢をとる必要がある場合がある。例えば、ユーザは、しゃがんだり、かがみ込んだり、或いは、天井に向かって伸びたりする場合がある。その結果、ユーザが自身の仕事を仕上げる前にユーザの脚が疲労してしまう場合がある。このような状況において、器具100は、ユーザの体の荷重を支持するために過剰人工肢115を位置付け、それによってその姿勢でユーザの体を維持するために必要とされるユーザの努力のいくらかを和らげるようにしてもよい。   Another potential purpose of the instrument 100 is to support the user's body in a predetermined posture. In order to complete various tasks, the user may need to take an attitude that requires continuous efforts to maintain it. For example, the user may squat down, crouch down, or extend toward the ceiling. As a result, the user's legs may become tired before the user finishes his or her work. In such a situation, the instrument 100 positions the excess artificial limb 115 to support the load on the user's body, thereby taking some of the user's effort required to maintain the user's body in that position. You may make it soften.

それらの目的のため、図13〜図16は、航空機の構造物等の構造物に近いところでつらい姿勢をとるユーザを支持する人工肢115のための典型的な位置を示す。図13では、器具100は、特定位置でその構造物と係合するように単一の人工肢115を位置付けている。図14では、器具100は、地面との接触によってユーザを支持するように単一の人工肢115を位置付けている。図15では、器具100は、地面との2つの接点によってユーザを支持するように2つの人工肢115を位置付けている。最後に、図16では、器具100は、ユーザの臀部の上にある構造物上のバーにフック130が係合することでユーザの胴体に支持をもたらすように2つの人工肢115を位置付けている。   For those purposes, FIGS. 13-16 illustrate exemplary positions for an artificial limb 115 that supports a user in a hard position close to a structure, such as an aircraft structure. In FIG. 13, the instrument 100 positions a single prosthetic limb 115 to engage its structure at a particular location. In FIG. 14, the instrument 100 positions a single artificial limb 115 to support the user by contact with the ground. In FIG. 15, the instrument 100 positions two artificial limbs 115 to support the user by two contacts with the ground. Finally, in FIG. 16, instrument 100 positions two artificial limbs 115 such that hook 130 engages a bar on the structure above the user's buttocks to provide support to the user's torso. .

これらの場合において過剰人工肢115のための位置を選択するとき、器具100は、ユーザの体を所望の姿勢で維持するためにユーザが要求される努力を最小限にする位置を決定する。ユーザの体をその姿勢で支持するために必要とされる力及びトルクの集合は、Eextで表され得る。上述のように、この総合測定は、少なくともユーザと器具100の重量に基づき、ユーザと器具100との質量中心に有効に関連付けられる重力荷重を少なくとも説明し得る。いくつかの実施例では、その重力荷重は、ユーザと、器具100と、器具100上の任意の用具又は付属品との質量中心に有効に関連付けられてもよい。また、総合測定は、ユーザの臀部の周りの累積的なトルクを説明し得る。この集合は、ユーザの脚による努力E、及び、過剰人工肢115による努力ESALによって負担されてもよい。それ故に、Eext=E+ESALである。 When selecting a position for the excess artificial limb 115 in these cases, the instrument 100 determines a position that minimizes the effort required by the user to maintain the user's body in the desired posture. The set of forces and torques required to support the user's body in that posture can be expressed as Eext. As described above, this overall measurement can be based at least on the weight of the user and the instrument 100 and can at least account for the gravitational load that is effectively associated with the center of mass of the user and the instrument 100. In some embodiments, the gravity load may be effectively associated with the center of mass of the user, the instrument 100, and any tool or accessory on the instrument 100. The overall measurement may also account for the cumulative torque around the user's buttocks. This set may be borne by the effort E U by the user's leg and the effort E SAL by the excess artificial limb 115. Therefore, Eext = E U + E SAL .

及びESALの値の様々な組み合わせがこの関係を満たし、ユーザの体をある姿勢でユーザが維持できるようにし得る。また、過剰人工肢115の様々な位置、力、及びトルクは、様々な度合いでユーザの努力要求を緩和し得る。例えば、器具100は、ESALの最大量を有する過剰人工肢115の位置、力、及びトルクを決定し、それによってユーザに求められる努力E(例えば力、トルク)を最小化してもよい。 E meet various combinations this relationship of the values of U and E SAL, may allow users to maintain a posture that the user's body. Also, the various positions, forces, and torques of the excess artificial limb 115 can alleviate the user's effort requirements to varying degrees. For example, instrument 100, the position of the excess artificial limb 115 with a maximum amount of E SAL, force, and determines the torque, thereby effort E U (eg force, torque) required for the user may be minimized.

この位置を特定するために、人工肢115が取り得る位置毎に、プロセッサ110は、その特定の位置で人工肢115が及ぼす力及びトルクの総合測定を決定する。航空機の構造物の前にユーザが位置付けられる図13及び図14に示す例に関し、様々な位置で人工肢115が及ぼす力及びトルクの総合測定を図17に示す。その総合測定は、過剰人工肢115の各関節によってもたらされる力及びトルクの合計として表されてもよい。それ故に、図17のグラフは、人工肢115の種々の潜在的な位置のためのESALの値を示す。 To identify this position, for each possible position that the artificial limb 115 can take, the processor 110 determines an overall measurement of the force and torque exerted by the artificial limb 115 at that particular position. For the example shown in FIGS. 13 and 14 where a user is positioned in front of an aircraft structure, a total measurement of the force and torque exerted by the prosthetic limb 115 at various locations is shown in FIG. The overall measurement may be expressed as the sum of the force and torque provided by each joint of the excess artificial limb 115. Therefore, the graph of FIG. 17 shows the value of ESAL for various potential positions of the artificial limb 115.

その後、取り得る位置のそれぞれについて、プロセッサ110は、人工肢115がその位置に動かされたときにユーザが発揮する必要のある力及びトルクの総合測定を決定する。図13及び図14に示す例について、ユーザが発揮する必要のある残りの力及びトルクの総合測定を図18に示す。それ故に、図18のグラフは、人工肢115の種々の潜在的な位置のためのE(すなわちEext−ESAL)の値を示す。さらに、このグラフは、ユーザが求められる努力を低減させる人工肢115のための取り得る位置の領域を明らかにする。 Thereafter, for each possible position, the processor 110 determines a total measurement of the force and torque that the user needs to exert when the artificial limb 115 is moved to that position. For the example shown in FIGS. 13 and 14, a total measurement of the remaining force and torque that the user needs to exert is shown in FIG. Therefore, the graph of FIG. 18 shows the value of E U (i.e. Eext-E SAL) for a variety of potential locations of the artificial limb 115. In addition, this graph reveals possible location areas for the prosthetic limb 115 that reduce the user's required effort.

しかしながら、実際にユーザに支持を提供するためには、器具100は、ユーザの環境(この場合は航空機の構造物又は地面)における表面に人工肢115が接触する位置に人工肢115を位置付けなければならない。したがって、器具100は、人工肢115が実際にそのような接触を行うための取り得る位置を特定する。それ故に、図19は、ユーザの現在置かれた環境における潜在的な接点のアウトラインを図18のグラフの上に重ね、人工肢115が様々な位置に動かされたときにユーザに要求される力を図示する。そのアウトラインにおける一方の弧160は、人工肢115が届く範囲内にある航空機の構造物上の位置に対応し、他方の弧161は、人工肢115が届く範囲内にある地面上の位置に対応する。   However, in order to actually provide support to the user, the instrument 100 must position the artificial limb 115 at a location where the artificial limb 115 contacts a surface in the user's environment (in this case, the aircraft structure or the ground). Don't be. Accordingly, the instrument 100 identifies possible positions for the prosthetic limb 115 to actually make such a contact. Therefore, FIG. 19 superimposes the outline of potential contacts in the user's current environment on the graph of FIG. 18, and the force required by the user when the artificial limb 115 is moved to various positions. Is illustrated. One arc 160 in the outline corresponds to a position on the aircraft structure that is within reach of the artificial limb 115, and the other arc 161 corresponds to a position on the ground within the range that the artificial limb 115 can reach. To do.

これらの位置において、プロセッサ110は、どの位置が最大量の努力をユーザから取り除くかを決定する。図20は、図19で収集されたように、過剰人工肢115の種々の潜在的な位置について、ユーザが要求される残りの努力のグラフを示す。このグラフでは、円は、それぞれの表面について、ユーザが要求される残りの努力の最小値に対応する人工肢115のための位置を特定する。例えば、左側の円162は、ユーザによって支持される残りの荷重を最小にする航空機の構造物上の位置に対応し、右側の円163は、この荷重を最小にする地面上の位置に対応する。いくつかの実施例では、別々の位置が荷重における同じ低下をもたらす場合、より小さい力及びトルクを発揮することを過剰人工肢115に要求する位置が選択される。   At these locations, processor 110 determines which location removes the maximum amount of effort from the user. FIG. 20 shows a graph of the remaining effort required by the user for various potential positions of the excess prosthesis 115, as collected in FIG. In this graph, the circle identifies a position for the prosthesis 115 that corresponds to the minimum of the remaining effort required by the user for each surface. For example, the left circle 162 corresponds to a position on the aircraft structure that minimizes the remaining load supported by the user, and the right circle 163 corresponds to a position on the ground that minimizes this load. . In some embodiments, a position that requires the excess prosthesis 115 to exert less force and torque is selected if different positions result in the same drop in load.

別の実施例では、器具100は、ユーザの筋肉の疲労を推定し、この疲労をできるだけ低減させるために人工肢115を位置決めしてもよい。例えば、プロセッサ110は、人体にかかる荷重とセンサ105から集められたその体の位置についてのデータとに基づいて種々の筋肉の疲労を推定してもよい。別の例では、プロセッサ110は、ユーザの体に位置付けられるEMGセンサ105からデータを集め、EMGセンサ105に結合される特定の筋肉の疲労を決定してもよい。プロセッサ110は、筋肉疲労をできるだけ低減させる位置を決定するために過剰人工肢115の潜在的な位置を評価してもよい。   In another example, the instrument 100 may estimate the user's muscle fatigue and position the artificial limb 115 to reduce this fatigue as much as possible. For example, the processor 110 may estimate various muscle fatigues based on the load on the human body and data about the body position collected from the sensor 105. In another example, the processor 110 may collect data from the EMG sensor 105 positioned on the user's body and determine fatigue of a particular muscle coupled to the EMG sensor 105. The processor 110 may evaluate the potential position of the excess artificial limb 115 to determine a position that reduces muscle fatigue as much as possible.

器具100の別の潜在的な目的は、現在置かれた環境における物体を用いてユーザの体を固定し、それによって体の安定性を向上させることである。図21−22は、過剰人工肢115の遠位端のところに器具100がフック130を有し、且つ、フック130が周囲の環境における物と係合するように人工肢115を器具100が位置付けた使用例を示す。この係合は、ユーザとその環境との間にさらなる接点をもたらし、それによってユーザの体をその環境内で安定化させる。そのような固定は、ユーザが例えばプラットフォーム又は他の足場から落下する可能性を低くし得る。別の例では、その固定は、ユーザの体の乱れを抑制し得る。ユーザが風洞内にいる場合、ユーザの体を構造物に対して固定することは、例えば、ユーザが適当な位置に留まるのに役立ち得る。   Another potential purpose of the instrument 100 is to secure the user's body with objects in the environment in which it is currently placed, thereby improving body stability. 21-22 show that the instrument 100 positions the prosthetic limb 115 such that the instrument 100 has a hook 130 at the distal end of the excess prosthetic limb 115 and the hook 130 engages an object in the surrounding environment. An example of use is shown. This engagement provides additional contact between the user and the environment, thereby stabilizing the user's body within the environment. Such fixation may reduce the likelihood that the user will fall from, for example, a platform or other scaffold. In another example, the fixation may suppress disturbance of the user's body. If the user is in a wind tunnel, securing the user's body to the structure may help the user stay in place, for example.

これらの実施例では、器具100は、カメラを用いてユーザが現在置かれた環境の画像を取得し、人工肢115が係合できる物を検出するためにそれらの画像を分析し、且つ、基部構造112に対するその物の距離及び角変位を決定してもよい。器具100はユーザの体を固定しようとするため、器具100は、ユーザの体の中心線に関して対称である人工肢115のための位置の特定を試みてもよい。図21に示すように、ユーザがプラットフォームに立っている場合、人工肢115は、ユーザの左右でフック130がポールと係合するように位置付けられてもよい。同様に、図22に示すように、ユーザが構造物の前に立っている場合、人工肢115は、ユーザの中心線の左右に等距離にある位置でその構造物におけるバーとフック130が係合するように位置付けられてもよい。   In these embodiments, the instrument 100 uses a camera to acquire images of the environment in which the user is currently placed, analyzes those images to detect what the artificial limb 115 can engage, and the base. The distance and angular displacement of the object relative to the structure 112 may be determined. Because the instrument 100 attempts to secure the user's body, the instrument 100 may attempt to locate a position for the prosthetic limb 115 that is symmetric about the user's body centerline. As shown in FIG. 21, when the user is standing on the platform, the artificial limb 115 may be positioned such that the hook 130 engages the pole on the left and right sides of the user. Similarly, as shown in FIG. 22, when the user is standing in front of the structure, the artificial limb 115 is engaged with the bar and the hook 130 in the structure at a position equidistant to the left and right of the center line of the user. May be positioned to match.

器具100が画像を処理し且つ人工肢115が環境と接する位置に関する情報を取得した後で、プロセッサ110は、ユーザの中心線に対して対称である人工肢115のための位置の潜在的な対を特定するためにそれらの位置を評価してもよい。再び図21を参照すると、プロセッサ110は、ユーザの左右に等距離にある2つのポールを特定し、その後に、それらポールの高さに沿った潜在的な位置(例えば、両方のポール上でユーザの臀部の下に4インチ、8インチ、又は12インチのところにある位置)を特定してもよい。同様に、図22の例を用いると、器具100が航空機の構造物における水平バーを検出した後、プロセッサ110は、ユーザの中心線から等距離にあるそれらのバーに沿った複数対の位置(例えば、そのバー上におけるユーザの中心線の左右に1フィート、2フィート、又は3フィートのところにある位置)を特定してもよい。   After the instrument 100 has processed the image and obtained information about the position at which the prosthetic limb 115 is in contact with the environment, the processor 110 may identify a potential pair of positions for the prosthetic limb 115 that is symmetric about the user centerline. Their position may be evaluated to identify Referring again to FIG. 21, processor 110 identifies two poles that are equidistant to the left and right of the user, and then a potential location along the height of those poles (eg, the user on both poles). May be located 4 inches, 8 inches, or 12 inches below the heel. Similarly, using the example of FIG. 22, after instrument 100 detects horizontal bars in an aircraft structure, processor 110 may detect multiple pairs of positions along those bars that are equidistant from the user's centerline ( For example, a position on the bar that is 1 foot, 2 feet, or 3 feet to the left and right of the center line of the user may be specified.

潜在的な位置の対毎に、プロセッサ110は、人工肢115によって及ぼされる力及びトルクを決定してもよく、その後に、ユーザの位置を維持するためにユーザが要求される残りの力及びトルクを決定してもよい。プロセッサ110は、ユーザのための残りの力及びトルクの最小値、又は、ユーザの筋肉のための最小の推定累積疲労に関連付けられる位置の対を選択する。いくつかの実施例では、プロセッサ110は、図12を参照して既に説明したように、人工肢115及びユーザの脚の位置が最大表面積を持つ領域を定めるようにそれらの位置を決定してもよい。別の実施例では、プロセッサ110は、最小の角度範囲を有する領域を定める位置を決定してもよい。プロセッサ110は、最も有利な領域に関連づけられる位置を選択する。それらの実施例の何れにおいても、プロセッサ110はその後に人工肢115を動作させて選択された位置に移動させ、それらの位置で力及びトルクを働かせる。フック130がその環境における物と係合するので、ユーザのための追加的な接点は、その環境内においてユーザの体を安定化させる。   For each potential position pair, the processor 110 may determine the force and torque exerted by the artificial limb 115, after which the remaining force and torque required by the user to maintain the user's position. May be determined. The processor 110 selects the pair of positions associated with the minimum remaining force and torque for the user, or the minimum estimated cumulative fatigue for the user's muscles. In some embodiments, the processor 110 may determine their positions such that the positions of the prosthetic limb 115 and the user's leg define a region having a maximum surface area, as previously described with reference to FIG. Good. In another example, processor 110 may determine a position that defines an area having a minimum angular range. The processor 110 selects the location associated with the most advantageous area. In any of these embodiments, the processor 110 then operates the artificial limb 115 to move it to selected positions and apply forces and torques at those positions. As hooks 130 engage objects in the environment, additional contacts for the user stabilize the user's body in the environment.

器具100の別の潜在的な目的は、ユーザが移動する際に、現在置かれた環境における様々な物にユーザの体を固定し、その環境とのさらなる接点を提供してその体の安定性を向上させることである。さらに、場合によっては、ユーザが立ち止まって静止しているときに、人工肢115のフックは、ユーザが他の仕事を行うためにユーザの手を用いることができるように、ユーザの体を支持してもよい。図23−24は、器具100が過剰人工肢115の遠位端にフック130を有し、且つ、ユーザが環境を進む際に、フック130と様々な物又は物における様々な場所とを係合させるために器具100が人工肢115を再配置する使用例を示す。図23に示すように、ユーザが構造物を登るときに、器具100は、様々な位置でその構造物と係合するように片方又は両方の人工肢115を再配置してもよい。フック130がその構造物からユーザの体をつるす場合、ユーザは、他の目的のために自身の手を用いることができる。さらに、支持を提供することに加え、器具100は、本来ならば到達不能であり或いは過度に危険であった場所でユーザが作業するのを可能にし得る。図24に示すように、ユーザがはしごを登るときに、器具100は、ユーザが登るにつれてより高い段に係合するように人工肢115を再配置してもよい。   Another potential purpose of the instrument 100 is to secure the user's body to various objects in the current environment and provide further contact with the environment as the user moves to stabilize the body. It is to improve. Further, in some cases, when the user is stationary and stationary, the hook of the artificial limb 115 supports the user's body so that the user can use the user's hand to perform other tasks. May be. 23-24 show that the device 100 has a hook 130 at the distal end of the excess prosthetic limb 115 and engages the hook 130 with various objects or various locations as the user navigates the environment. An example of use in which the device 100 repositions the artificial limb 115 is shown. As shown in FIG. 23, as the user climbs a structure, the device 100 may reposition one or both artificial limbs 115 to engage the structure at various positions. If the hook 130 hangs the user's body from the structure, the user can use his hand for other purposes. Further, in addition to providing support, the instrument 100 may allow the user to work in places that were otherwise unreachable or excessively dangerous. As shown in FIG. 24, as the user climbs the ladder, the instrument 100 may reposition the artificial limb 115 to engage higher tiers as the user climbs.

位置を決定するために、器具100は、本書で説明された方法の何れかにしたがってその環境における物を検出し、フック130が係合可能なその物における場所を特定してもよい。本書で説明されるように、器具100は、その体を現在の位置に維持するのに必要な力及びトルクを決定し、そして、ユーザが発揮する必要のあるそれら力及びトルクを最小にする位置を選択してもよい。ユーザが移動するときに、器具100は、体を維持するのに必要な力及びトルクを更新し、体の新しい配置を考慮して人工肢115のための潜在的な位置を再評価し、且つ、ユーザの体に対して最大の支持を提供する位置を選択する。   To determine the position, the instrument 100 may detect an object in its environment according to any of the methods described herein and identify a location in the object where the hook 130 can engage. As described herein, the instrument 100 determines the force and torque required to maintain its body in its current position, and a position that minimizes those forces and torques that the user needs to exert. May be selected. As the user moves, the instrument 100 updates the forces and torques necessary to maintain the body, re-evaluates the potential position for the artificial limb 115 taking into account the new placement of the body, and Select a position that provides maximum support for the user's body.

図25は、図1に示す器具を用いるための方法の典型的な簡略化したフロー図を示す。最初に、その方法は、人体の荷重に関する測定結果を受ける(ステップ2501)。その測定結果は、人体のウエスト又は質量中心に関連する重力荷重及びトルク又は慣性荷重及びトルクを示し得る。その測定結果は、人体(例えば膝、足首)における関節角度を含んでいてもよい。また、その方法は、その荷重に関する測定結果に基づき、過剰人工肢がその荷重の少なくとも一部を支持するための位置を決定する(ステップ2502)。例えば、その方法は、本書で説明されるステップの何れかによって創出される制御アルゴリズムを適用してもよい。また、その方法は、過剰人工肢をその決定された位置に動かすために制御信号を送る(ステップ2503)。制御信号は、その人工肢を位置付けるためにアクチュエータ118を動作させてもよい。   FIG. 25 shows an exemplary simplified flow diagram of a method for using the instrument shown in FIG. Initially, the method receives a measurement result relating to a human body load (step 2501). The measurement result may indicate gravity load and torque or inertial load and torque associated with the human waist or center of mass. The measurement result may include a joint angle in a human body (for example, a knee or an ankle). The method also determines a position for the excess artificial limb to support at least a portion of the load based on the measurement results for the load (step 2502). For example, the method may apply a control algorithm created by any of the steps described herein. The method also sends a control signal to move the excess artificial limb to its determined position (step 2503). The control signal may operate the actuator 118 to position the artificial limb.

基部構造に結合され得る過剰人工肢を参照して様々な実施例が本書で説明されたが、いくつかの実施例では、人工肢は基部構造から取り外されてもよい。例えば、人工肢は、ユーザから離れて位置付けられてもよい。これらの実施例では、人工肢の制御アルゴリズムを開発するためのデータを取得するために、開発者は、様々な姿勢を取り、開発者の体を支持し、固定し、或いは安定化させるべく過剰人工肢115を位置付け、そして、それらの姿勢、人工肢115の位置、並びに、特定の位置で人工肢115が及ぼす力及びトルクについてのセンサ105の測定結果に関するデータのセットを記録してもよい。例えば、開発者は、建設機器等の機械類を制御する際にユーザを支援すべく人工肢を動作させるためのデータを収集してもよい。このようにしてユーザの姿勢及び関連の人工肢の挙動に関するデータを収集することで、開発者は、人工肢を動作させるための制御アルゴリズムを創出してもよい。さらなる工業的実施例が予期され且つ本開示の範囲に含まれ得る。開発者は、主成分解析及び部分最小二乗回帰にしたがって制御アルゴリズムを創出してもよい。   While various embodiments have been described herein with reference to an excess prosthesis that can be coupled to the base structure, in some embodiments, the prosthesis may be removed from the base structure. For example, the artificial limb may be positioned away from the user. In these examples, in order to obtain data for developing artificial limb control algorithms, the developer may take a variety of postures to support, secure, or stabilize the developer's body. The artificial limbs 115 may be positioned and a set of data regarding their posture, the position of the artificial limb 115, and the measurement results of the sensor 105 about the force and torque exerted by the artificial limb 115 at a particular position may be recorded. For example, a developer may collect data for operating an artificial limb to assist the user in controlling machinery such as construction equipment. By collecting data regarding the user's posture and related artificial limb behavior in this manner, the developer may create a control algorithm for operating the artificial limb. Further industrial examples are anticipated and may be included within the scope of this disclosure. Developers may create control algorithms according to principal component analysis and partial least square regression.

本発明の様々な実施例は、この段落に続く(また、本出願の最後にある実際の請求項の前の)段落に列挙される潜在的な請求項によって特徴付けられてもよい。これらの潜在的な請求項は、本出願の明細書の一部を構成する。したがって、以下の潜在的な請求項の内容は、本出願又は本出願に基づく優先権を主張する何れの出願に関する後の手続きにおいて実際の請求項として提示され得る。それらの潜在的な請求項の包含は、実際の請求項が潜在的な請求項の内容をカバーしていないことを意味すると解釈されるべきではない。それ故に、後の手続きでこれらの潜在的な請求項を提示しないとする決定は、その内容の一般への寄贈として解釈されるべきではない。   Various embodiments of the invention may be characterized by the potential claims listed in the paragraph that follows this paragraph (and also before the actual claims at the end of this application). These potential claims form part of the specification of the present application. Accordingly, the contents of the following potential claims may be presented as actual claims in subsequent procedures relating to this application or any application claiming priority based on this application. The inclusion of those potential claims should not be construed to mean that the actual claims do not cover the contents of the potential claims. Therefore, a decision not to present these potential claims in a later procedure should not be construed as a general donation of the contents.

上述の本発明の実施例は単なる例示であることを意図している。多くの変更及び改良が当業者にとって明らかである。それら変更及び改良の全ては添付の請求項の何れかに定められる本発明の範囲内にあることを意図している。   The above-described embodiments of the present invention are intended to be examples only. Many variations and modifications will be apparent to those skilled in the art. All such modifications and improvements are intended to be within the scope of the invention as defined in any of the appended claims.

Claims (20)

少なくとも1つの過剰人工肢を有する装置であって:
人体と結合するように構成される基部構造であり、前記人体の荷重に関する測定値を取得するセンサを含む基部構造;
近位端及び遠位端を有する過剰人工肢であり、該近位端が前記基部構造に結合される過剰人工肢;並びに
前記センサに動作可能に結合されるプロセッサであり、
(i)前記センサから前記測定値を受け、
(ii)前記人体の自重及び環境によってもたらされる前記人体にかかる前記荷重を最小にするために、前記荷重に関する前記測定値に基づき、前記過剰人工肢の位置及び前記過剰人工肢が及ぼすトルクのうちの少なくとも1つを決定し、且つ、
(iii)前記過剰人工肢の位置及び前記過剰人工肢が及ぼすトルクのうちの少なくとも1つを変化させる制御信号を生成するように構成されるプロセッサ;
を含む装置。
A device having at least one excess artificial limb comprising:
A base structure configured to couple with a human body, including a sensor for obtaining a measurement regarding a load of the human body;
An excess prosthesis having a proximal end and a distal end, wherein the proximal end is coupled to the base structure; and a processor operably coupled to the sensor;
(I) receiving the measured value from the sensor;
(Ii) of the position of the excess artificial limb and the torque exerted by the excess artificial limb, based on the measurement value relating to the load, in order to minimize the load applied to the human body caused by the weight of the human body and the environment. And determining at least one of
(Iii) a processor configured to generate a control signal that changes at least one of a position of the excess artificial limb and a torque exerted by the excess artificial limb;
Including the device.
前記プロセッサは、前記人体を固定し、支持し、或いは安定化させるために前記過剰人工肢を位置付けるべく前記制御信号を生成するように構成される、
請求項1の装置。
The processor is configured to generate the control signal to position the excess artificial limb to secure, support, or stabilize the human body.
The apparatus of claim 1.
前記過剰人工肢の前記近位端と前記基部構造とはボールジョイントで結合される、
請求項1の装置。
The proximal end of the excess artificial limb and the base structure are joined by a ball joint;
The apparatus of claim 1.
前記過剰人工肢は、回転関節及び直動関節を含む、
請求項1の装置。
The excess artificial limb includes a rotary joint and a linear joint.
The apparatus of claim 1.
前記過剰人工肢の前記遠位端は、フック又は摩擦キャップを含む、
請求項1の装置。
The distal end of the excess artificial limb includes a hook or friction cap;
The apparatus of claim 1.
前記過剰人工肢は、(i)前記プロセッサから前記制御信号を受け、且つ、(ii)該制御信号に基づいて前記過剰人工肢の位置を変えるために関節を作動させるアクチュエータを含む、
請求項1の装置。
The excess artificial limb includes an actuator that (i) receives the control signal from the processor, and (ii) operates a joint to change the position of the excess artificial limb based on the control signal.
The apparatus of claim 1.
前記アクチュエータは、回転関節を作動させて該回転関節の角度を変える、
請求項6の装置。
The actuator operates a rotary joint to change the angle of the rotary joint;
The apparatus of claim 6.
前記アクチュエータは、直動関節を作動させて前記過剰人工肢の伸びを変える、
請求項6の装置。
The actuator actuates a linear joint to change the extension of the excess artificial limb,
The apparatus of claim 6.
プロセッサによって制御される過剰人工肢を有する装置の作動方法であって:
人体の荷重に関する測定値を前記プロセッサが受けること;
前記人体の前記荷重の少なくとも一部を支持するために、前記荷重に関する前記測定値に基づき、過剰人工肢のための位置、及び、前記過剰人工肢が及ぼすべきトルクのうちの少なくとも1つを前記プロセッサが決定すること;並びに、
決定した位置及び/又はトルクに基づいて前記プロセッサが制御信号を送ること;
を含む方法。
A method of operating a device having an excess artificial limb controlled by a processor comprising :
The processor receives a measurement of the load on the human body;
Wherein in order to support at least part of the load of the human body, based on the measured value for the load, the position for the excess artificial limb, and, at least one of torque to the on excess artificial limb What the processor decides; and
The processor sends a control signal based on the determined position and / or torque;
Including methods.
前記人体の前記荷重に関する前記測定値を前記プロセッサが受けることは、前記人体の肢の関節角度、前記人体の質量中心の位置、前記人体の1つの部位に及ぼされる力、又はそれらの任意の組み合わせに関連する測定値を前記プロセッサがセンサから受けることを含む、
請求項9の方法。
The processor receiving the measurement value related to the load of the human body means that the joint angle of the limb of the human body, the position of the center of mass of the human body, the force exerted on one part of the human body, or any combination thereof The processor receiving a measurement value associated with
The method of claim 9.
前記過剰人工肢のための位置及び/又は前記過剰人工肢が及ぼすべきトルクを前記プロセッサが決定することは、前記人体を固定し、支持し、或いは安定化させるために前記過剰人工肢のための位置及び/又は前記過剰人工肢が及ぼすべきトルクを前記プロセッサが決定することを含む、
請求項9の方法。
The excess that artificial limb position and / or the processor torque to said on excess artificial limb for is determined, the body is fixed, supporting, or for the excess artificial limb to stabilize The processor determining a position and / or torque to be exerted by the excess artificial limb,
The method of claim 9.
前記過剰人工肢のための位置を前記プロセッサが決定することは、前記過剰人工肢の遠位端と環境との接触によって及ぼされる力が前記過剰人工肢のボールジョイントの中心に向けられる位置を前記プロセッサが決定し、それによって該ボールジョイントの回転を前記プロセッサが防止することを含む、
請求項9の方法。
Wherein said processor the location for excess artificial limb is determined, the position where the force exerted by contact between the distal end and the environment of the excess artificial limb is directed into the center of the ball joint of the excess artificial limb processor determines, thereby comprising said processor rotation of the ball joint is prevented,
The method of claim 9.
前記過剰人工肢の位置を前記プロセッサが決定することは、前記過剰人工肢のための複数の取り得る位置を前記プロセッサが決定すること、及び、前記複数の取り得る位置から1つの位置を前記プロセッサが選択することを含み、前記過剰人工肢が前記取り得る位置に動かされたときに前記過剰人工肢の遠位端は環境の表面に接触する、
請求項9の方法。
Wherein the excess the processor the position of the artificial limb is determined, the excess plurality of possible positions for the artificial limb that said processor determines, and the one position from the plurality of possible positions processor There comprising selecting, distal end of the over-the artificial limb in contact with the surface of the environment when the excess artificial limb is moved to a position to obtain the take-up,
The method of claim 9.
前記過剰人工肢の位置を前記プロセッサが決定することは、前記人体の質量中心と少なくとも前記人体の肢の位置とに基づいて前記過剰人工肢の位置を前記プロセッサが決定することを含む、
請求項9の方法。
The processor determining the position of the excess artificial limb includes the processor determining the position of the excess artificial limb based on the center of mass of the human body and at least the position of the limb of the human body.
The method of claim 9.
前記過剰人工肢の位置を前記プロセッサが決定することは:
前記過剰人工肢のための複数の取り得る位置の位置毎に、前記過剰人工肢の特定位置と前記人体の肢の位置とによって前記人体の質量中心にもたらされる支持量を前記プロセッサが決定すること;及び
最大の支持量に関連する位置を前記プロセッサが選択すること;を含む
請求項9の方法。
The processor determines the position of the excess artificial limb:
For each position of a plurality of possible positions for the excess artificial limb, the processor determines the amount of support provided to the center of mass of the human body by the specific position of the excess artificial limb and the position of the limb of the human body. And the processor selects a position associated with a maximum amount of support.
前記過剰人工肢の位置を前記プロセッサが決定することは:
前記過剰人工肢のための複数の取り得る位置の位置毎に、前記人体の質量中心の支持領域を前記プロセッサが決定すること;及び
最大面積を有する支持領域に関連する位置を前記プロセッサが選択すること;を含み、
前記支持領域は、前記過剰人工肢の特定の位置と前記人体の肢の位置とによって境界を付けられる、
請求項9の方法。
The processor determines the position of the excess artificial limb:
For each position of a plurality of possible positions for the excess artificial limb, the processor determines a support area at the center of mass of the human body; and the processor selects a position associated with the support area having the largest area Including
The support region is bounded by a specific position of the excess artificial limb and a position of the human limb;
The method of claim 9.
前記過剰人工肢の位置を前記プロセッサが決定することは:
前記人体の1つの部位に及ぼされる力を前記プロセッサが決定すること;及び
前記過剰人工肢のための複数の取り得る位置の位置毎に、前記過剰人工肢が該位置に動かされた場合に前記過剰人工肢によってもたらされる力の量を前記プロセッサが決定すること;及び
前記もたらされる力の最大量に関連する位置を前記プロセッサが選択すること;を含み、
前記力は、1つの姿勢で前記人体を維持するために前記人体が必要とする力に対応する、
請求項9の方法。
The processor determines the position of the excess artificial limb:
The processor determines the force exerted on one part of the human body; and, for each position of a plurality of possible positions for the excess prosthesis, when the excess prosthesis is moved to that position, the The processor determines the amount of force provided by the excess artificial limb; and the processor selects a location associated with the maximum amount of force provided;
The force corresponds to the force required by the human body to maintain the human body in one posture;
The method of claim 9.
前記過剰人工肢によって及ぼされるトルクを前記プロセッサが決定することは、1つの姿勢で前記人体を維持するために必要とされるトルクの量を前記プロセッサが決定することを含む、
請求項9の方法。
Wherein determining the processor the torque exerted by excessive artificial limb comprises said processor the amount of torque required to maintain the body in one orientation is determined,
The method of claim 9.
前記プロセッサが前記制御信号を送ることは、前記過剰人工肢の回転関節を作動させるアクチュエータに前記プロセッサが前記制御信号を送ることを含む、
請求項9の方法。
Said processor sends the control signal, the processor to the actuator for actuating the rotation joint of the excess artificial limb comprises sending said control signal,
The method of claim 9.
前記プロセッサが前記制御信号を送ることは、前記過剰人工肢の直動関節を作動させるアクチュエータに前記プロセッサが前記制御信号を送ることを含む、
請求項9の方法。
Said processor sends the control signal, the processor to the actuator for actuating the prismatic joints of the excess artificial limb comprises sending said control signal,
The method of claim 9.
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