KR20120107928A - Implementing a stand-up sequence using a lower-extremity prothesis or orthesis - Google Patents

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KR20120107928A
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휴 엠. 헤르
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Abstract

무릎 지지대 또는 보철은 사람이 앉은 자세에 있는 동안 사람의 발목에 대한 사람의 무릎의 위치에 기초하여 기립 시퀀스를 개시하기에 적절한 때에 자동으로 이용될 수 있다. 무릎이 발목의 앞의 위치까지 이동하는 경우, 지지대 또는 보철의 적어도 하나의 작동기는 사람을 앉은 자세에서 기립 자세로 일으켜 세우는 것을 보조하도록 작동된다.Knee supports or prostheses may be automatically used when appropriate to initiate a standing sequence based on the position of a person's knee relative to the person's ankle while the person is in a sitting position. When the knee is moved to a position in front of the ankle, at least one actuator of the support or prosthesis is operated to assist in raising the person from sitting position to standing position.

Figure P1020127008175
Figure P1020127008175

Description

의족 보철 또는 지지대를 이용하는 기립 시퀀스의 구현{IMPLEMENTING A STAND-UP SEQUENCE USING A LOWER-EXTREMITY PROTHESIS OR ORTHESIS}IMPLEMENTING A STAND-UP SEQUENCE USING A LOWER-EXTREMITY PROTHESIS OR ORTHESIS

본 출원은 2009년 8월 31일에 출원된, 미국 임시 출원 제 61/238,305 호의 우선권을 청구한다.This application claims the priority of US Provisional Application No. 61 / 238,305, filed August 31, 2009.

본 발명은 일반적으로 의족 보철, 지지대 및 외골격 장치 및 그 구성소자들 및 이를 제어하기 위한 방법에 관한 것이다.The present invention relates generally to prosthetic prostheses, supports and exoskeleton devices and their components and methods for controlling them.

미국에서 10만 명 이상의 사람들이 매년 절단수술로 그들의 다리를 잃는다. 수십 만의 사람들이 전 세계에서 이러한 쇠약 손실로 고통받고 있다. 부가적으로, 보행을 제약하는 다양한 다리 이상을 종종 유발하는 사고에서 살아남는 사람이 미국에서 매년 70만 명에 달한다. 최근까지, 의족 보철 및 지지대 시스템들은 신체가 평평한 지형 ― 계단과 같은 평평하지 않은 표면은 말할 것도 없이 ― 에서도 경제적인 보행 동작을 달성하기 위해 필요한 각각의 걸음 상에서의 비-보존성의 긍정적인 작업(non-conservative positive work)을 이행할 수 없는 거의 수동적인 또는 저-전력 메커니즘들을 채용하였다.More than 100,000 people in the United States lose their legs by amputation each year. Hundreds of thousands of people are suffering from this breakdown worldwide. In addition, there are about 700,000 people in the United States each year who survive accidents that often cause various leg problems that restrict walking. Until recently, prosthetic and prosthetic systems had a positive work of non-conservation on each step needed to achieve economical walking behavior even on flat terrain—not to mention non-flat surfaces such as stairs. Employing nearly passive or low-power mechanisms that cannot perform conservative positive work.

의족 보철, 지지대 및 외골격 장치의 요건들을 인식하는 것이 대상의 보행 사이클과 관련되는 통상의 생체 역학을 이해하는데 도움이 된다. 특히, 시상면(sagittal plane) 회전 하의 사람의 발목의 기능은 상이한 이동 조건들에 대해 하기 설명된다.Recognizing the requirements of the prosthetic prosthesis, the support, and the exoskeleton helps to understand the conventional biomechanics associated with the gait cycle of the subject. In particular, the function of the ankle of a person under sagittal plane rotation is described below for different movement conditions.

Ossur Flex-Foot®과 같은 종래의 수동형 발목/발 보철(AFP)들의 기계적 특성은 디바이스의 수명 전반에 걸쳐 필수적으로 일정하게 유지된다. 미국 특허 공개 출원 US 2006/0249315("'315 출원")는 이러한 종래의 AFP들에 대한 상당한 향상을 나타낸다. 전체 내용이 본 명세서에 참조로 통합되는, '315 출원은 보행 사이클을 다섯 가지 시기(phase)들로 나누고, 이러한 다섯 가지 시기들 각각에 대해 독립적으로 디바이스의 기계적 특성을 최적화함으로써 성능이 향상될 수 있다는 것을 인지하였다.The mechanical properties of conventional passive ankle / foot prostheses (AFP), such as Ossur Flex-Foot®, remain essentially constant throughout the life of the device. US Patent Publication Application US 2006/0249315 (“'315 Application”) represents a significant improvement over these conventional AFPs. The '315 application, which is incorporated herein by reference in its entirety, can improve performance by dividing the walking cycle into five phases and optimizing the mechanical properties of the device independently for each of these five phases. It was recognized.

도 1a는 지상에서의 대상의 보행 사이클의 상이한 시기들의 개략도이다. 보행 사이클은 통상적으로 하나의 발의 뒤꿈치 착지(heel strike)로 시작하여 같은 발의 다음번 뒤꿈치 착지에서 종료하는 것으로 정의된다. 보행 사이클은 두 개의 시기들: 입각기(stance phase)(보행 사이클의 대략 60%) 및 이후의 유각기(swing phase)(보행 사이클의 대략 40%)로 구분된다. 유각기는 발이 땅에서 떨어질 때의 보행 사이클의 일부를 나타낸다. 입각기는 뒤꿈치가 지면에 접촉하는 때의 뒤꿈치 착지에서 시작하여, 같은 발이 지면에서 떨어질 때의 발가락-들기(toe-off)에서 종료한다. 입각기는 같은 발이 지면으로부터 올라올 때의 발가락-들기에서 분리된다. 입각기는 세 개의 서브-시기들: 제어된 족저 굴곡(plantarflexion)(CP), 제어된 배측 굴곡(dorsiflexion)(CD) 및 힘이 실린 족저 굴곡(PP)으로 분리된다.1A is a schematic diagram of different times of an object's walking cycle on the ground. The walking cycle is typically defined as starting with a heel strike of one foot and ending at the next heel landing of the same foot. The walking cycle is divided into two phases: the stance phase (approximately 60% of the walking cycle) and the subsequent swing phase (approximately 40% of the walking cycle). The flap represents a part of the walking cycle when your feet are off the ground. The standing starts at the heel landing when the heel contacts the ground and ends at the toe-off when the same foot falls off the ground. The stand is separated from the toe-lift when the same foot is raised from the ground. The standing phase is divided into three sub-phases: controlled plantar flexion (CP), controlled dorsiflexion (CD) and forceful plantar flexion (PP).

CP는 102에서 도시되는 뒤꿈치 착지에서 시작하여, 106에서 도시되는 발바닥-닿기(foot-flat)에서 종료한다. CP는 뒤꿈치 및 앞발이 지면과 접촉하는 프로세스를 설명한다. 연구 결과, CP 발목 관절 거동은 관절 토크가 관절 위치의 평형 위치에 대한 관절의 변위에 비례하는 선형 스프링 응답과 일치한다. 그러나, 스프링 거동은 가변적이고; 관절 강성(stiffness)은 입각(stance)의 세 개의 서브-시기 및 이후의 유각(swing) 상태 내에서 걸음마다 신체에 의해 계속해서 조정된다.CP starts at heel landing shown at 102 and ends at foot-flat shown at 106. CP describes the process by which the heel and forefoot contact the ground. The results show that the CP ankle joint behavior is consistent with the linear spring response where the joint torque is proportional to the joint displacement relative to the equilibrium position of the joint position. However, the spring behavior is variable; Joint stiffness is continuously adjusted by the body at every step within the three sub-phases of stance and subsequent swing states.

CP 기간 후, CD 시기는 발목이 최대 배측 굴곡의 상태에 도달할 때까지 계속되고, 110에서 도시되는 바와 같이 힘이 실린 족저 굴곡(PP)을 시작한다. CD 기간 중의 발목 토크 대 위치는 강성이 발목 위치의 상승에 따라 증가하는 비-선형 스프링으로서 설명된다. 발목은 PP 시기 동안 상향 및 전방으로 신체를 추진하는데 필요한 탄성 에너지를 CD 동안 저장한다. After the CP period, the CD phase continues until the ankle reaches the state of maximum dorsal flexion, and begins a forceful plantar flexion (PP) as shown at 110. Ankle torque versus position during the CD period is described as a non-linear spring in which the stiffness increases with the rise of the ankle position. The ankle stores the elastic energy needed to propel the body upwards and forwards during the PP period during the CD.

PP 시기는 CD 후에 시작하여 114에서 도시되는 발가락-들기 순간에 종료한다. PP 도중, 발목은 신체를 상향 및 전방으로 추진하는 반사 응답에 따라 토크를 적용한다. 그리고나서, 추진 에너지는 CD 시기 동안 저장되는 스프링 에너지에 따라 릴리즈되어 이후 입각 중에 높은 족저 굴곡 힘을 달성한다. PP 중에 생성되는 동작이 빠른 보행 속도에 적당한 CP 및 CD 시기 중에 흡수되는 부정적 작동 이상이기 때문에 이러한 추진 거동이 필요하다. 발은 118에서 도시되는 다음번 뒤꿈치-착지까지 114로 도시되는 발가락-들기로부터, 유각기 중에 지면에서 올라온다.The PP period begins after the CD and ends at the toe-lifting moment shown at 114. During PP, the ankle applies torque in response to the reflex response that propels the body upwards and forwards. The propulsion energy is then released in accordance with the spring energy stored during the CD phase to achieve high plantar flexion forces during subsequent standing. This propulsion behavior is necessary because the motion generated in the PP is more than the negative action absorbed during the CP and CD periods suitable for high walking speeds. The foot rises from the ground during the stray, from the toe-lifting shown at 114 to the next heel-landing shown at 118.

계단 오르기/내려가기 중에 발목에서의 운동학적 및 운동 패턴들이 평지의 보행 패턴과 상이하기 때문에, 발목-발 생체 역학에 대한 별도의 설명이 도 1b 및 도 1c에 제시된다. 도 1b는 계단 오르기 중에 사람의 발목 생체 역학을 보여준다. 계단 오르기의 제 1 시기는 130에서 도시되는 배측 굴곡 위치에서의 발-착지(foot strike)로 시작하여, 132에서 뒤꿈치가 계단 표면과 접촉할 때까지 배측 굴곡을 계속하는 제어된 배측 굴곡 1(CD 1)로 지칭된다. 이러한 시기에서, 발목은 선형 스프링으로서 모델링될 수 있다. 제 2 시기는, 발바닥-닿기 순간(132에서 발목이 최대 배측 굴곡에 도달하는 때)에 시작하고 배측 굴곡이 134에서 다시 한번 시작하는 때에 종료하는, 힘이 실린 족저 굴곡 1(PP 1)이다. 사람의 발목은 토크 작동기로서 거동하여 체중을 지지하기 위한 여분의 에너지를 제공한다.A separate description of ankle-foot biomechanics is presented in FIGS. 1B and 1C because the kinematic and motor patterns at the ankle during stair climbing / descending are different from the walking pattern of the flat. 1B shows ankle biomechanics of a person during climbing stairs. Controlled flexion 1 (CD) begins with a foot strike at the ventral flexion position shown at 130, continuing the flexion until the heel contacts the stair surface at 132. It is referred to as 1). At this time, the ankle can be modeled as a linear spring. The second phase is a forceful plantar flexion 1 (PP 1), which begins at the plantar-contacting moment (when the ankle reaches maximum ventral flexion at 132) and ends when the ventral flexion begins again at 134. The human ankle behaves as a torque actuator to provide extra energy to support the weight.

제 3 시기는 발목이 136에서 뒤꿈치-들기(heel-off)까지 배측 굴곡하는, 제어된 배측 굴곡 2(CD 2)이다. CD 2 시기에 있어서, 발목은 선형 스프링으로서 모델링될 수 있다. 제 4 및 최종 시기는 발바닥-들기(136)에서 시작하고, 발이 계단을 떠나는 동안 계속하고, 140에서 종료하는 유각기를 시작하기 위해 138에서 발가락이 표면을 떠나는 때에 종료하는, 힘이 실린 족저 굴곡 2(PP 2)로서, CD 2와 평행한 토크 작동기로서 작용하여 신체를 상향 및 전방으로 추진한다.The third time period is controlled dorsal flexion 2 (CD 2), where the ankle flexes dorsally from 136 to the heel-off. At the CD 2 time, the ankle can be modeled as a linear spring. The fourth and final phase begins at the sole-lifting 136, continues while the foot leaves the stairs, and ends when the toes at the 138 leave the surface to begin the stir ending at 140. 2 (PP 2), acts as a torque actuator parallel to CD 2 to propel the body up and forward.

도 1c는 계단 내려가기 중의 사람 발목-발 생체 역학을 도시한다. 계단 내려가기의 입각기는 세 개의 서브-시기들: 제어된 배측 굴곡 1(CD 1), 제어된 배측 굴곡 2(CD2), 및 힘이 실린 족저 굴곡(PP)으로 나누어진다. CD 1은 150에서 도시되는 발-착지에서 시작하여 발바닥-닿기(152)에서 종료한다. 이러한 시기에서, 사람의 발목은 가변 댐퍼로서 모델링될 수 있다. CD 2에서, 발목은 154에 도시되는 최대 배측 굴곡 자세에 도달할 때까지 전방으로 배측 굴곡을 계속한다. 여기서, 발목은 선형 스프링으로서 작용하여, CD 2 동안 에너지를 저장한다. 154에서 시작하는, PP 중에, 발목은 156에서 발이 계단으로부터 올라갈 때까지 족저 굴곡한다. 이러한 최종 PP 시기에서, 발목은 저장된 CD 2 에너지를 릴리즈하여, 신체를 상향 및 전방으로 추진한다. 156에서의 발가락-들기 후, 발은 다음 발이 158에서 착지할 때까지 유각기 동안 제어되어 위치된다.1C shows human ankle-foot biomechanics during the step down. The stance of stepping down is divided into three sub-phases: controlled dorsal flexion 1 (CD 1), controlled dorsal flexion 2 (CD2), and forceful plantar flexion (PP). CD 1 starts at the foot-landing shown at 150 and ends at the sole-contacting 152. At this time, the ankle of the person can be modeled as a variable damper. In CD 2, the ankle continues to dorsal flexion forward until the maximum dorsal flexion position shown at 154 is reached. Here, the ankle acts as a linear spring, storing energy for CD 2. During the PP, starting at 154, the ankle flexs plantar at 156 until the foot rises from the stairs. In this final PP period, the ankle releases stored CD 2 energy, pushing the body upwards and forwards. After the toe-lift at 156, the foot is controlled and positioned during the stir until the next foot lands at 158.

도 1b에 도시되는 계단 오르기에 있어서, 사람의 발목-발은 작동기 및 가변 강성 메커니즘의 조합을 이용하여 효과적으로 모델링될 수 있다. 그러나, 도 1c에 도시되는, 계단 내려가기에 있어서, 가변 댐퍼가 발목-발 복합을 모델링하기 위해 포함될 필요가 있으며, 사람의 발목에 의해 흡수되는 힘은 계단 오르기 중에 릴리즈되는 힘보다 계단 내려가기 중에 훨씬 더 크다. 따라서, 계단 내려가기를 위한 스프링 및 가변 댐퍼의 조합으로서 발목을 모델링하는 것이 합리적이다.In the stair climb shown in FIG. 1B, the human ankle-foot can be effectively modeled using a combination of actuator and variable rigidity mechanism. However, in going down the stairs, shown in FIG. 1C, a variable damper needs to be included to model the ankle-foot compound, and the force absorbed by the person's ankle is less than the force released during the step climbing. Much bigger. Therefore, it makes sense to model the ankle as a combination of spring and variable dampers for descending stairs.

종래의 수동 보철, 지지대 및 외골격 장치는 보행 사이클의 생체 역학을 적절하게 재생하지 못한다. 이들은 임피던스를 능동적으로 조정하지 않고 반사 토크 응답을 적용하지 않으며; 지면에서 계단이나 경사로를 올라가거나 내려가지도 않고 지형 조건들을 변경하지도 않기 때문에 생체 모방 기술이 아니다. 그러므로, 개선된 의족 보철, 지지대 및 외골격 장치, 그의 컴포넌트들 및 이를 제어하기 위한 방법에 대한 필요성이 존재한다.Conventional passive prostheses, supports and exoskeletons do not adequately reproduce the biomechanics of the walking cycle. They do not actively adjust impedance and apply reflected torque response; It is not a biomimetic technique because it does not climb or descend stairs or ramps from the ground, nor does it change terrain conditions. Therefore, there is a need for improved prosthetic prostheses, supports and exoskeleton devices, their components and methods for controlling them.

본 명세서에 기재된 본 발명은 일반적으로 의족 보철, 지지대 및 외골격 장치에 관한 것이다. 본 발명의 다양한 실시예들에 대한 대표적인 이용 사례는, 예를 들어, 신진대사 증대, 영구 사지 장애(limb pathology)를 갖는 대상에 대한 영구 보조, 또는 일시적 사지 장애를 갖는 착용자를 위한 보행을 포함한다.The present invention described herein relates generally to prosthetic prostheses, supports and exoskeleton devices. Representative use cases for various embodiments of the present invention include, for example, increased metabolism, permanent assistance to subjects with permanent limb pathology, or walking for wearers with temporary limb disorders. .

본 발명의 일 양상은 허벅지 부재, 하퇴(lower leg) 부재 및 상기 허벅지 부재를 하퇴 부재에 연결하기 위한 무릎 관절을 포함하는 능동 지지대 또는 보철 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 또한 모터 축 출력부를 구비하는 회전 모터, 상기 모터 축 출력부에 결합되는 모터 구동 전달 조립체, 및 상기 모터 구동 전달부의 출력부에 결합되는 구동 전달 조립체를 포함하며, 상기 구동 전달 조립체의 출력부는 상기 허벅지 부재에 대해 상기 하퇴 부재를 회전시키기 위해 상기 무릎 관절에 토크를 적용하도록 상기 하퇴 부재에 결합된다. 상기 장치는 또한 발목 관절에 대한 무릎 관절의 위치가 상기 장치의 착용자가 앉은 자세에 있는 동안 결정될 수 있는 적어도 하나의 출력부를 갖는 적어도 하나의 센서, 및 상기 적어도 하나의 센서의 적어도 하나의 출력에 기초하여 상기 무릎 관절이 발목 관절 앞의 위치까지 이동하는 때를 결정하는 제어기를 포함한다. 상기 결정에 응답하여, 상기 제어기는 상기 회전 모터를 제어하여 상기 무릎 관절의 임피던스, 위치 또는 토크를 조절하여 사람을 앉은 자세(seated position)로부터 기립 자세(stand-up position)로 일으켜 세우는 것을 보조한다.One aspect of the present invention relates to an active support or prosthetic device comprising a thigh member, a lower leg member and a knee joint for connecting the thigh member to the lower member. The apparatus also includes a rotating 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 A portion is coupled to the lower member to apply torque to the knee joint to rotate the lower member relative to the thigh member. The device is also based on at least one sensor having at least one output that can be determined while the position of the knee joint relative to the ankle joint is in a seated position of the wearer of the device, and at least one output of the at least one sensor. To determine when the knee joint moves to a position before the ankle joint. In response to the determination, the controller controls the rotating motor to adjust the impedance, position or torque of the knee joint to assist in raising a person from a seated position to a stand-up position. .

본 발명의 다른 양상은 적어도 하나의 작동기를 갖는 무릎 지지대 또는 보철을 제어하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 사람이 앉은 자세에 있는 동안 사람의 발목에 대한 사람의 무릎 위치를 검출하는 단계, 상기 검출하는 단계의 결과에 기초하여 상기 무릎이 상기 발목 앞의 위치까지 이동하는 때를 결정하는 단계, 및 상기 결과를 나타내는 출력을 생성하는 단계를 포함한다. 상기 출력에 응답하여, 상기 무릎 지지대 또는 보철의 적어도 하나의 작동기는 사람을 앉은 자세로부터 기립 자세로 일으켜 세우는 것을 보조하도록 작동된다.Another aspect of the invention relates to a method of controlling a knee support or prosthesis having at least one actuator. The method comprises the steps of detecting a person's knee position relative to the person's ankle while the person is in a sitting position, determining when the knee is moved to a position in front of the ankle based on the results of the detecting step, And generating an output representative of the result. In response to the output, at least one actuator of the knee support or prosthesis is operated to assist in raising the person from sitting position to standing position.

도 1a는 평지 위의 착용자의 보행 사이클의 상이한 시기들의 개략도이다.
도 1b는 계단을 오르는 착용자의 보행 사이클의 상이한 시기들의 개략도이다.
도 1c는 계단을 내려가는 착용자의 보행 사이클의 상이한 시기들의 개략도이다.
도 2a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 보철, 지지대 또는 외골격 장치의 발목 관절, 뒤꿈치 및 발가락 궤적을 결정하기 위한 방법의 개략도이다.
도 2b는 보행 중에 발목 관절 가속을 도시하는 실험 데이터의 플롯이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 발 슬로프(뒤꿈치 높이)를 결정하기 위한 방법을 도시하는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 참조의 발 프레임 내의 발목 관절에 대해 뒤꿈치 및 발가락의 좌표를 결정하는 방법을 도시하는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 뒤꿈치 벡터를 평가하는 방법을 도시하는 개략도이다.
도 6a는 상이한 보행 상황에 있어서의 관성 측정 유닛-계산된 발목 관절 피벗 궤적들을 도시한다.
도 6b는 보철 장치의 발목 관절의 비행 궤적을 설명하는 2-D 구조를 도시한다.
도 6c는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 경사로 및 계단 보행 상황 사이를 구별하는 궤적 특징으로서 발목 각도 공격 각도를 이용하여 어떻게 계단-경사로 구별기가 설치될 수 있는지를 도시한다.
도 7a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 발-착지 이전에 발목 관절을 위치시키기 위한 방법을 도시한다.
도 7b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 계단의 존재 및 계단의 층계 상의 발의 돌출을 감지하기 위해 도 7a의 방법이 어떻게 이용될 수 있는지를 도시한다.
도 7c는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 경사로 보행 상황에서 발목 관절을 위치시키기 위한 방법을 도시한다.
도 7d는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 최적화된 임피던스를 이용하기 위해 도 7b의 방법이 어떻게 적응되는지를 도시한다.
도 8은 발바닥-닿기에서의 지형 각도에 기초하여 관성-참조 스프링 평형을 결정하기 위한 방법을 도시한다.
도 9는 발목 토크 대 발목 각도에 대한 보행 속도의 효과를 도시하고 적절하게 선택된 평행 탄성 엘리먼트에 푸시-풀(push-pull) 작동기 제어가 작용되는 방법을 도시한다.
도 10a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 의족 장치를 제어하기 위한 방법을 도시한다.
도 10b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 의족 보철 장치에서 임피던스 및 토크 제어를 구현하기 위한 모델-기반 제어기의 개략도이다.
도 10c는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 의족 보철 장치에서 토크 제어를 구현하기 위한 모델-기반 제어기의 개략도이다.
도 10d는 도 10a에서 수행되는 임피던스 제어를 운영하는 기계적 임피던스 관계의 개략도이다.
도 10e는 도 10b에서 수행되는 임피던스 및 반사 제어를 운영하는 임피던스 및 반사 관계를 도시하는 개략도이다.
도 10f는 어떻게 제로 모멘트 피벗 참조된 지면 반력이 보철 장치를 착용한 사람의 역전 진자 운동을 안정화시키는데 필요한 복원 토크를 결정하기 위해 이용되는지의 개략도이다.
도 11a는 지면 반력 및 제로 모멘트 피벗을 도시하는 발목 보철의 하퇴 발 부재, 발목 관절 및 발 부재의 개략도이다.
도 11b 내지 도 11d는 지면 반력 및 제로 모멘트 피벗을 결정하는데 필요한 컴포넌트들 중에서 힘 및 모멘트 관계를 도시하는 발목 보철의 컴포넌트들의 개략도이다.
도 12a 내지 도 12b는 힘이 실린 족저 굴곡 중에 보행 속도의 함수로서 평지의 발목 보철의 생체 역학(F-θ) 거동을 도시한다.
도 12c 내지 도 12d는 지면 접촉 길이에 대한 발 천이의 효과를 도시한다.
도 12e는 접촉 감쇠의 길이에 대한 속도-종속 표들이 어떻게 힘이 실린 족저 굴곡 중에 생체 모방 거동을 달성하는 수단으로서 정규화된 지면 접촉 길이를 이용할 수 있는지를 도시한다.
도 12f는 통상적 보행 동작 중에 제로 모멘트 피벗 벡터의 추정되는, y-컴포넌트가 어떻게 변화하는지를 도시한다.
도 12g는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 감쇠 인자를 장치의 성능에 적용하기 위한 방법을 도시한다.
도 13a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 뒤꿈치 착지 케이스에 대한 제어 시스템 방식의 개략도이다.
도 13b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 발가락 착지 케이스의 제어 시스템을 도시하는 개략도이다.
도 13c는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 발목 보철(예를 들어, 도 17a의 장치(1700))에 적용되는 위치 제어를 위한 방법을 도시한다.
도 14a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 단계적 지형 적응을 이용하기 위한 방법을 도시한다.
도 14b는 발목 관절 보철이 세 가지 상이한 보행 상황에 적용할 수 있는 예시적인 임피던스를 도시한다.
도 15는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 의족 생체 역학 시스템의 개략도이다.
도 16은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 상체 자세, 허벅지 자세 및 상체/바디 무게-중심 자세에 대한 자세 재구성의 방법을 도시한다.
도 17a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 의족 보철 장치의 도면이다.
도 17b는 수동 평행 탄성 엘리먼트를 도시하는 도 17a의 의종 장치의 일부의 도면이다.
도 17c는 도 17b의 장치의 수동 평행 탄성 엘리먼트의 도면이다.
도 17d는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 도 17c의 수동 평행 탄성 엘리먼트에 대한 프리-바디(free-body) 다이어그램의 도면이다.
도 17e는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 도 17a의 장치의 구조 엘리먼트(피라미드)의 사시도이다.
도 17f는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 도 17a의 하퇴 부재에 적용되는 축 방향 힘 및 모멘트를 측정하기 위한 대안적인 방법의 단면도의 도면이다.
도 17g는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 인쇄 회로 조립체 상의 변위 센서들의 원형 배열을 이용하여 평면 모멘트 벡터 및 축 방향 힘을 계산하기 위한 방법의 도면이다.
도 17h는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 도 17a 내지 도 17g의 장치들에 이용하기 위한 상태 및 작동기 제어기의 개략도이다.
도 17i는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 의족 보철 장치의 전기 회로 균등물의 개략도이다.
도 17j는 상기 장치를 제어하는데 이용되는 센서 측정들을 포함하는 도 17i의 전기 회로의 개략도이다.
도 18a 내지 도 18d는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 수동 직렬-탄성 부재의 도면이다.
도 19a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 평판 직렬 스프링을 통합하는 의족 보철 장치의 도면이다.
도 19b 내지 도 19c는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 대안적인 직렬 스프링을 이용하는 보철 장치의 도면이다.
도 20a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 다양한 의족 보철, 지지대 및 외골격 장치에 이용될 수 있는 선형 작동기의 사시도이다.
도 20b는 도 20a의 선형 작동기의 단면도이다.
도 21은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 의족 보철, 지지대 및 외골격 장치에서 이용될 수 있는 선형 작동기의 사시도이다.
도 22a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 의족 지지대 또는 외골격 장치(착용 가능한 로봇 무릎 교정기)의 평면도이다.
도 22b는 도 22a의 장치의 측면도이다.
도 22c는 도 22a 및 도 22b의 장치들의 무릎 관절 구동 조립체의 내부의 개략도이다.
도 23a는 경사 슬로프 상에서의 사람의 균형 문제의 개략도이다.
도 23b는 착용자에 의한 다양한 무릎 굽힘에 기초하는 균형 문제에 대한 수용 가능한 해결 방안들의 개략도이다.
도 23c는 신체를 표시하는 개략도로서 고유의 센싱이 어떻게 평지에서 착용자의 균형을 잡도록 이용될 수 있는지를 도시한다.
도 24a 내지 도 24c는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 착용자가 의자에서 일어섬에 따라 착용자를 밸런싱하기 위한 방법에 대한 개략도이다.
도 25a는 이동 작업의 정의를 도시한다.
도 25b는 엉덩이 충격력의 정의를 도시한다.
도 26은 보행 중의 통상의 사람의 걸음걸이의 생체 역학적 특징을 도시한다.
도 27은 사두근의 결함이 평지에서의 보행에 영향을 미치는 생체 역학적 메커니즘을 도시한다.
도 28은 무릎 장치가 통상의 보행을 회복하도록 사용되는 방법을 도시한다.
도 29a 내지 도 29d는 건강한 사람의 기립 시퀀스를 도시한다.
도 30a 내지 도 30d는 장애가 있는 환자에 대해 동일한 기립 시퀀스를 구현하는데 있어서의 문제점을 도시한다.
도 31a 내지 도 31d는 장애가 있는 환자의 기립 시퀀스를 보조하기 위해 무릎 장치가 이용되는 방법을 도시한다.
1A is a schematic diagram of different times of a wearer's walking cycle on a flat surface.
1B is a schematic diagram of the different times of the walk cycle of the wearer climbing the stairs.
1C is a schematic diagram of the different periods of the wearer's walking cycle down the stairs.
2A is a schematic diagram of a method for determining ankle joint, heel, and toe trajectory of a prosthesis, support, or exoskeleton, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
2B is a plot of experimental data showing ankle joint acceleration during walking.
3 is a schematic diagram illustrating a method for determining foot slope (heel height), in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
4 is a schematic diagram illustrating a method of determining the coordinates of the heel and toe with respect to the ankle joint within a foot frame of reference, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
5 is a schematic diagram illustrating a method of evaluating a heel vector, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
6A shows the inertial measurement unit-calculated ankle joint pivot trajectories in different walking situations.
6B illustrates a 2-D structure illustrating the flight trajectory of the ankle joint of the prosthetic device.
FIG. 6C illustrates how a step-slope separator may be installed using an ankle angle attack angle as a trajectory feature to distinguish between ramp and stair walking situations, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
7A illustrates a method for positioning an ankle joint prior to foot-landing, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 7B illustrates how the method of FIG. 7A can be used to detect the presence of a staircase and the protrusion of a foot on a staircase's stairs, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
7C illustrates a method for positioning an ankle joint in a ramp walk situation, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 7D illustrates how the method of FIG. 7B is adapted to use optimized impedance, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
8 shows a method for determining an inertial-referenced spring balance based on the topographic angle at the sole-contact.
FIG. 9 shows the effect of walking speed on ankle torque versus ankle angle and illustrates how push-pull actuator control is applied to a suitably selected parallel elastic element.
10A illustrates a method for controlling a limb device, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
10B is a schematic diagram of a model-based controller for implementing impedance and torque control in a prosthetic prosthetic device, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
10C is a schematic diagram of a model-based controller for implementing torque control in a prosthetic prosthetic device, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 10D is a schematic diagram of a mechanical impedance relationship for operating the impedance control performed in FIG. 10A.
FIG. 10E is a schematic diagram illustrating an impedance and reflection relationship for operating the impedance and reflection control performed in FIG. 10B.
10F is a schematic diagram of how a zero moment pivot referenced ground reaction force is used to determine the restoring torque required to stabilize the inverted pendulum motion of a person wearing a prosthetic device.
FIG. 11A is a schematic diagram of the lower leg member, ankle joint and foot member of the ankle prosthesis showing ground reaction force and zero moment pivot. FIG.
11B-11D are schematic diagrams of the components of the ankle prosthesis showing the force and moment relationships among the components required to determine ground reaction force and zero moment pivot.
12A-12B show the biomechanical (F-θ) behavior of flat ankle prostheses as a function of walking speed during forceful plantar flexion.
12C-12D show the effect of foot transition on ground contact length.
12E shows how the velocity-dependent tables for the length of contact attenuation can use normalized ground contact lengths as a means of achieving biomimetic behavior during forceful plantar flexion.
12F shows how the estimated y-component of the zero moment pivot vector changes during a typical walking operation.
12G illustrates a method for applying attenuation factor to the performance of a device, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
13A is a schematic diagram of a control system approach for a heel landing case, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
13B is a schematic diagram illustrating a control system of a toe landing case, according to an exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 13C illustrates a method for position control applied to an ankle prosthesis (eg, device 1700 of FIG. 17A), in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
14A illustrates a method for using phased terrain adaptation, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
14B illustrates exemplary impedances for which ankle joint prostheses can be applied to three different gait situations.
15 is a schematic diagram of a limb biomechanical system, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
16 illustrates a method of posture reconstruction for upper body posture, thigh posture and upper body / body weight-centric posture, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
17A is a diagram of a prosthetic prosthetic device, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 17B is a view of a portion of the device of FIG. 17A showing a passive parallel elastic element. FIG.
FIG. 17C is a view of a passive parallel elastic element of the apparatus of FIG. 17B.
FIG. 17D is a diagram of a free-body diagram for the passive parallel elastic element of FIG. 17C, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 17E is a perspective view of the structural element (pyramid) of the apparatus of FIG. 17A, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 17F is a cross-sectional view of an alternative method for measuring axial force and moment applied to the lower member of FIG. 17A, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention. FIG.
17G is a diagram of a method for calculating a planar moment vector and axial force using a circular arrangement of displacement sensors on a printed circuit assembly, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
17H is a schematic diagram of a state and actuator controller for use with the devices of FIGS. 17A-17G, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
17I is a schematic diagram of an electrical circuit equivalent of a prosthetic prosthetic device, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 17J is a schematic diagram of the electrical circuit of FIG. 17I including sensor measurements used to control the apparatus. FIG.
18A-18D are illustrations of passive series-elastic members, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
19A is a view of a prosthetic prosthetic device incorporating a plate tandem spring, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
19B-19C are diagrams of a prosthetic device using alternative tandem springs, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
20A is a perspective view of a linear actuator that may be used in various prosthetic prostheses, supports and exoskeleton devices, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
20B is a cross sectional view of the linear actuator of FIG. 20A.
21 is a perspective view of a linear actuator that may be used in the prosthetic prosthesis, the support and the exoskeleton device, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
22A is a top view of a limb support or exoskeleton device (wearable robotic knee braces), in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
22B is a side view of the apparatus of FIG. 22A.
22C is a schematic illustration of the interior of the knee joint drive assembly of the devices of FIGS. 22A and 22B.
23A is a schematic diagram of a human balance problem on a sloped slope.
23B is a schematic diagram of acceptable solutions to a balancing problem based on various knee bends by the wearer.
23C is a schematic representation of the body showing how inherent sensing can be used to balance the wearer on a flat surface.
24A-24C are schematic diagrams of a method for balancing a wearer as the wearer wakes up in a chair, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention.
25A shows the definition of a movement task.
25B shows the definition of hip impact force.
FIG. 26 shows the biomechanical characteristics of a normal human gait while walking.
27 illustrates a biomechanical mechanism in which quadriceps defects affect walking in the flat.
28 illustrates how the knee device is used to restore normal walking.
29A-29D show the standing sequence of a healthy person.
30A-30D illustrate problems in implementing the same standing sequence for patients with disabilities.
31A-31D illustrate how a knee device is used to assist in a standing sequence of a patient with a disability.

본 발명자들은, 일상적인 날 중에, 사람의 다리가 계단 오르기 및 내리기, 및 경사로 걷기와 같은 일상적인 보행과 더불어 많은 상이한 행동들을 수행 및 이에 적응하도록 이용된다는 것을 인식하였다. 발목-발 컴포넌트들은 하부 지형(underlying terrain)과 대부분 직접 접촉하므로 대부분의 힘을 필요로 하며 가장 지형-적응형 거동을 보여주어야 한다. 본 발명자들은 AFP들의 성능이 상기 장치의 기계적 특성을 상이한 방식으로 동적으로 최적화하고 이러한 행동 각각에 대해 상이한 방식으로 상기 장치를 동적으로 제어함으로써 현저하게 향상될 수 있다는 것을 인식하였다.The inventors have recognized that during everyday days, a person's leg is used to perform and adapt to many different behaviors, with everyday walking such as climbing and descending stairs and walking on slopes. Ankle-foot components are most in direct contact with the underlying terrain and therefore require the most force and should exhibit the most terrain-adaptive behavior. The inventors have recognized that the performance of AFPs can be significantly improved by dynamically optimizing the mechanical properties of the device in different ways and dynamically controlling the device in different ways for each of these behaviors.

예를 들어, 사람이 평평한 지면을 걷는 경우, 발이 땅으로 내려가서 닿을 때 뒤꿈치가 발가락보다 낮아지도록 발의 각도를 제어하는 것이 더 좋다. 그러나, 사람이 계단을 올라가는 경우, 발이 다음 계단에 내려가서 닿는 경우 발가락이 뒤꿈치보다 낮아지도록 발의 각도를 제어하는 것이 더 좋다.For example, if a person walks on flat ground, it is better to control the angle of the foot so that the heel is lower than the toe when the foot descends to the ground and touches it. However, when a person climbs up the stairs, it is better to control the angle of the foot so that the toes are lower than the heel when the foot descends and touches the next step.

이러한 적용예는 지나가는 지형을 검출하고 검출된 지형에 자동으로 적응함으로써 이러한 상이한 상황들 각각에서 적절하게 수행하는 AFP들의 다양한 실시예를 설명한다. 몇몇 실시예들에 있어서, 이러한 상황의 각각에 대해 AFP들을 제어하는 능력은 다섯 가지 기본 능력: (1) 수행되는 행동을 결정하는 능력; (2) 수행되는 행동에 기초하여 AFP의 특성을 동적으로 제어하는 능력; (3) 수행되는 행동에 기초하여 AFP를 동적으로 구동하는 능력; (4) 지형 텍스쳐(texture)의 불규칙성(예를 들어, 지형이 질척거리는 정도, 지형이 미끄러운 정도, 지형이 거칠거나 매끄러운가 여부, 지형에 바위와 같은 임의의 장애물이 존재하는가 여부)을 결정하고 적절한 견인 제어로 이들에 응답하는 능력; 및 5) 동적 제어 및 동적 구동에 응답할 수 있는 AFP의 기계적 설계에 기초한다.This application describes various embodiments of AFPs that perform appropriately in each of these different situations by detecting the passing terrain and automatically adapting to the detected terrain. In some embodiments, the ability to control AFPs for each of these situations includes five basic capabilities: (1) the ability to determine the action performed; (2) the ability to dynamically control the properties of the AFP based on the actions performed; (3) the ability to dynamically drive AFP based on the actions performed; (4) determine the irregularities of the terrain texture (e.g., how rough the terrain is, how slippery the terrain is, whether the terrain is rough or smooth, whether there are any obstacles such as rocks in the terrain) and The ability to respond to them with traction control; And 5) mechanical design of the AFP capable of responding to dynamic control and dynamic drive.

본 발명자들은 어떤 행동이 수행되고 있는가를 알아내는 예시적인 방법은 발목 관절 및 무릎 관절 사이의 하퇴(또는 정강이) 상의 점(통상적으로 발목관절의 가상 회전 중심)의 궤적을 추적하는 것이라고 결정하였다. 도 6a는 가파른 경사로 및 완만한 경사로 사이를 구별하기 위한 부가적인 경사로 궤적을 갖는, 다섯 가지 상이한 행동에 대응하는 정강이 궤적들을 도시한다. 상기 시스템은 이러한 정보를 이용하여, 추적된 궤적을 하나의 세트의 행동들에 매핑(mapping)함으로써 어떤 행동이 수행되는고 있는가를 알아낼 수 있다.The inventors have determined that an exemplary method of determining what action is being performed is to track the trajectory of a point on the lower leg (or shin) between the ankle and knee joints (typically the virtual center of rotation of the ankle joint). FIG. 6A shows shin trajectories corresponding to five different behaviors, with additional ramp trajectories to distinguish between steep and gentle ramps. The system can use this information to find out what actions are being performed by mapping the tracked trajectories to a set of actions.

하퇴(정강이)의 궤적을 관찰함으로써, 평평한 지형, 계단 오르기 또는 내리기, 또는 경사로 오르기 또는 내리기 사이를 구별할 수 있다. 예를 들면, 상기 시스템이 궤적을 인식하는 경우, 적절한 모드로 스위칭하여, 상기 모드에 대해 이전에 구축된 바와 같이 AFP를 동적으로 제어(구동)할 것이다. 궤적이 분류 내에 정확하게 해당하지 않는 경우, AFP 제어기는 확률 제어 감지에 있어서의 목적 기능을 최소화하도록 응답을 최적화하거나, 지형이 분류에 해당할 가능성에 기초하여 퍼지(fuzzy) 논리 또는 애드 혹(ad hoc) 제어를 적용할 것이다.By observing the trajectory of the lowering (shin), one can distinguish between flat terrain, climbing or descending stairs, or climbing or descending slopes. For example, if the system recognizes a trajectory, it will switch to the appropriate mode to dynamically control (drive) the AFP as previously built for that mode. If the trajectory does not exactly fit within the classification, the AFP controller optimizes the response to minimize the objective function in probabilistic control detection, or fuzzy logic or ad hoc based on the likelihood that the terrain corresponds to the classification. Will apply the control.

정강이의 궤적을 추적하는 하나의 적절한 방식은 관성 측정 유닛(IMU)을 상기 하퇴 부재(정강이)의 상부의 전방 표면에 장착하고 IMU에 의해 출력되는 신호를 처리함으로써 수행된다. 다양한 궤적을 구별하는 적절한 방식은 발목 관절의 영각(angle of attack)의 속도를 모니터링하는 것이다. 이러한 주제는 이하에서 더욱 상세하게 설명된다.One suitable way of tracking the trajectory of the shin is performed by mounting an inertial measurement unit IMU on the front surface of the upper part of the lowering member (shank) and processing the signal output by the IMU. A suitable way to distinguish the various trajectories is to monitor the speed of the angle of attack of the ankle joint. This subject is explained in more detail below.

기계적 특성을 동적으로 최적화하고 상이한 행동 각각에 대해 상기 장치를 상이한 방식으로 동적으로 제어하는 것에 더하여, 본 발명자들은 상기 장치의 성능이 다양한 파라미터들에 기초하는 AFP의 제어 및 특성의 미세-조정(fine tuning)에 의해 더욱 향상될 수 있다는 것을 인식하였다.In addition to dynamically optimizing the mechanical properties and dynamically controlling the device in different ways for each of the different behaviors, the present inventors further fine-tune the control and properties of the AFP based on various parameters of the device's performance. it can be further improved by tuning).

예를 들어, 사람이 천천히 걷는 경우(예를 들어, 초당 0.9m 미만의 속도), 통상 보행에서 이용되는 임피던스에 대해 발목 관절의 임피던스를 증가시킴으로써 성능이 향상될 수 있다. 또는, 사람이 빠르게 걷는 경우(예를 들어, 초당 1.7m의 속도), 통상 보행에서 이용되는 임피던스에 대해 발목 관절의 임피던스를 감소시킴으로써 성능이 향상될 수 있다.For example, when a person walks slowly (eg, speeds less than 0.9 m per second), performance can be improved by increasing the impedance of the ankle joint to the impedance typically used in walking. Or, if a person walks fast (for example, a speed of 1.7 meters per second), performance can be improved by reducing the impedance of the ankle joint to the impedance typically used in walking.

또한, 통상의 지형을 지나가는 경우 발목 관절이 예상하는 바와 같이 응답하지 않고 있다고 제어기가 결정한 경우, 제어기는 그 지형의 특징, 텍스쳐 또는 불규칙(예를 들어, 지형이 질척거리는 정도, 지형이 미끄러운 정도, 지형이 거칠거나 매끄러운가 여부, 지형에 바위와 같은 임의의 장애물이 존재하는가 여부)이 존재한다는 것을 고려(및 제어기의 출력을 변경)할 수 있다. In addition, if the controller determines that the ankle joint is not responding as expected when passing through normal terrain, the controller may determine the feature, texture, or irregularities of the terrain (eg, how sloppy the terrain is, how slippery the terrain is), It can be taken into account (and change the output of the controller) whether the terrain is rough or smooth, or if there are any obstacles such as rocks in the terrain.

전술한 다섯 가지 능력(즉, 어떤 행동이 수행되는가를 알아내는 능력; 지형의 특징, 텍스쳐 또는 불규칙성의 존재 여부를 알아내는 능력; AFP의 특징을 동적으로 제어하는 능력; AFP를 동적으로 구동하는 능력; 및 AFP의 기계적 설계) 각각은 이하에 더욱 상세하게 설명된다.
The five abilities mentioned above (i.e. the ability to find out what actions are being performed; the ability to detect the presence of features, textures or irregularities of the terrain; the ability to dynamically control the features of the AFP; the ability to dynamically drive the AFP) And mechanical design of the AFP) are described in more detail below.

수행되는 행동을 결정Determine the action performed

관성 자세 및 궤적 추정Inertial Posture and Trajectory Estimation

도 2는 발목 관절(200)과 결합되는 하퇴 부재(220)의 관성 자세, 및 하퇴 부재(220)와 발 부재(208) 사이의 각도에 기초하여 보철, 지지대 또는 외골격 장치(예를 들어, 도 17a의 장치(1700))의 발목 관절(200), 뒤꿈치(212) 및 발가락(216) 궤적들을 결정하기 위한 방법의 개략도이다. 자세는 좌표 시스템의 위치 및 배향이다. 장치(1700)는 하퇴 부재(220)와 결합되는 관성 측정 유닛(204)을 포함한다. 관성 측정 유닛(204)은 각도 비율을 측정하기 위한 3-축 레이트 자이로 및 가속도를 측정하기 위한 3-축 가속도계를 포함한다. 관성 측정 유닛을 하퇴 부재(220) 위에 위치시키는 것은 하퇴 부재(220)의 세 개의 축들 모두에 대한 각도 비율 및 가속도의 측정치를 연계시킨다. 관성 측정 유닛(204)은 하퇴 부재(220) 자세의 6-자유도 추정치, 관성(세계 프레임 참조) 배향 및 발목-관절(200)(발목-발의 회전 중심) 위치를 제공한다.FIG. 2 illustrates a prosthetic, support or exoskeleton device (eg, FIG. 2) based on the inertial position of the lower member 220 coupled with the ankle joint 200 and the angle between the lower member 220 and the foot member 208. A schematic diagram of a method for determining ankle joint 200, heel 212, and toe 216 trajectories of device 1700 of 17A. Posture is the position and orientation of the coordinate system. The device 1700 includes an inertial measurement unit 204 that is coupled with the lowering member 220. The inertial measurement unit 204 includes a three-axis rate gyro for measuring the angular ratio and a three-axis accelerometer for measuring the acceleration. Positioning the inertial measurement unit above the lowering member 220 correlates measurements of the angular rate and acceleration for all three axes of the lowering member 220. The inertial measurement unit 204 provides a six-degree of freedom estimate of the lower member 220 posture, inertia (see world frame) orientation, and ankle-joint 200 (center of rotation of the ankle-foot).

몇몇 실시예들에 있어서, 하퇴 부재(220) 자세는 무릎 관절의 순간 위치를 계산하기 위해 이용된다. 발목 관절(200) 각도(θ)의 지식을 이용함으로써, 뒤꿈치(212) 및 발가락(216)의 위치를 포함하는, 발 부재(208)의 바닥의 순간 자세가 계산될 수 있다. 차례로, 이러한 정보는 발 부재(208)가 발목 관절/발 부재의 회전축에 의해 정의되는 평면의 지형 각도를 측정하도록 평탄 상태인 경우 이용될 수 있다. 관성 측정 유닛(204)을 하퇴 부재(220) 위에 장착하는 것은 다른 잠재 위치들에 비해 이점을 갖는다. 발 부재(208) 위에 장착되는 경우와 달리, 하퇴 부재(220)의 장착은 물리적 남용을 방지하고 물에 노출되지 않도록 한다. 또한, 이것이 발 부재(208) 위에 있는 경우 필요하게 되었을 케이블 테더(cable tether)를 제거함으로써, 기계적 및 전기적 안정성을 확보한다. 결국, 하퇴 부재(220)는 최소의 부가적인 센서로 허벅지 및 상체 자세의 계산을 용이하게 하는 하이브리드 시스템(도 15 참조)의 운동학적 체인(chain) 내 중앙에 위치된다.In some embodiments, the lower member 220 posture is used to calculate the instantaneous position of the knee joint. By using knowledge of the ankle joint 200 angle [theta], the instantaneous posture of the bottom of the foot member 208, including the position of the heel 212 and the toe 216, can be calculated. In turn, this information may be used when the foot member 208 is flat to measure the topographic angle of the plane defined by the axis of rotation of the ankle joint / foot member. Mounting the inertial measurement unit 204 over the lower member 220 has an advantage over other potential positions. Unlike when mounted over foot member 208, mounting of retracting member 220 prevents physical abuse and prevents exposure to water. In addition, by removing the cable tether that would be needed if it was on the foot member 208, mechanical and electrical stability is ensured. As a result, the lowering member 220 is centered in the kinematic chain of the hybrid system (see FIG. 15) which facilitates the calculation of the thigh and upper body posture with minimal additional sensors.

관성 측정 유닛(204)은 지면-참조 세계 프레임에서 의족 보철 장치의 배향(

Figure pct00001
), 위치(
Figure pct00002
) 및 속도(
Figure pct00003
)를 계산하기 위해 이용된다.
Figure pct00004
는 세계 프레임에 대한 발목 관절의 x, y 및 z 축들의 배향을 정의하는 4원법 또는 단위 벡터의 3X3 행렬에 의해 표현될 수 있다. 발목 관절(200) 좌표 프레임은 하퇴 부재(220)에 대한 배향으로 발목 관절 회전축의 중심에 위치되도록 정의된다. 이러한 중앙 지점으로부터, 위치, 속도 및 가속도가 계산될 수 있다. 예를 들어, 발(예를 들어, 뒤꿈치(212) 또는 발가락(216)), 발 부재-발목 관절 배향 변환에 대해서 살펴보면,
Figure pct00005
는 다음 관계식을 이용하여 위치를 추출하기 위해 이용된다:The inertial measurement unit 204 measures the orientation of the prosthetic prosthesis in the ground-referenced world frame.
Figure pct00001
), location(
Figure pct00002
) And speed (
Figure pct00003
Is used to calculate
Figure pct00004
Can be represented by a quadratic or 3 × 3 matrix of unit vectors that define the orientation of the x, y and z axes of the ankle joint with respect to the world frame. The ankle joint 200 coordinate frame is defined to be positioned at the center of the ankle joint rotation axis in an orientation with respect to the lower member 220. From this central point, position, velocity and acceleration can be calculated. For example, with respect to foot (eg, heel 212 or toe 216), foot member-ankle joint orientation transformation,
Figure pct00005
Is used to extract the location using the following relation:

Figure pct00006
식 1
Figure pct00006
Equation 1

여기서, here,

Figure pct00007
식 2
Figure pct00007
Equation 2

여기서, γ는 관성 하퇴 부재 각도이며,Where γ is the inertial lowering member angle,

Figure pct00008
식 3
Figure pct00008
Equation 3

여기서, θ는 발목 관절 각도이다.Where θ is the ankle joint angle.

본 실시예에 있어서, 3-축 가속도계 및 3-축 레이트 자이로를 포함하는, 관성 측정 유닛(204)은 하퇴 부재(220)의 상부에서(예를 들어, 도 17a에 도시되는 바와 같이) 전방 표면상에 위치된다. 가속도계 및 레이트 자이로 신호의 수치 적분에 의해 도입되는 세계-프레임 배향, 속도 및 위치 추정치들에 대한 스케일(scale), 드리프트(drift) 및 크로스-커플링(cross-coupling)의 효과를 제거할 필요가 있다.
In the present embodiment, the inertial measurement unit 204, which includes a three-axis accelerometer and a three-axis rate gyro, has a front surface at the top of the lowering member 220 (eg, as shown in FIG. 17A). Is located on. Need to eliminate the effects of scale, drift and cross-coupling on world-frame orientation, velocity and position estimates introduced by numerical integration of accelerometer and rate gyro signals have.

제로-속도 Zero-speed 업데이트update

관성 항법 시스템들은 통상적으로 연장된 시간의 기간, 통상, 몇 초 내지 몇 분 동안 평균함으로써 주기적으로 제로-속도 업데이트(ZVUP)를 채용한다. 관성 측정 유닛의 이러한 배치는 의족 보철 장치 내에서는 거의 고정되지 않는다. 그러나, 발바닥은 유일한 고정 위치이며, 보행 사이클의 제어된 배측 굴곡 상태 중에만 해당한다. 본 발명의 다양한 실시예에 이용되는, 이러한 제한에 의해 영향받지 않는, 예시적인 제로-속도 업데이트 방법은 이하에 추가로 설명된다. Inertial navigation systems typically employ zero-speed update (ZVUP) periodically by averaging over an extended period of time, typically a few seconds to several minutes. This arrangement of the inertial measurement unit is hardly fixed in the prosthetic prosthesis. However, the sole is the only fixed position and only during the controlled dorsal flexion state of the walking cycle. An exemplary zero-rate update method, which is not affected by this limitation, used in various embodiments of the present invention, is further described below.

이러한 문제를 해결하기 위해, 발목 관절의 배향, 속도 및 위치 적분이 수행된다. 관성 측정 유닛 가속도(

Figure pct00009
)를 디지털화한 후, 발목 관절 가속도(
Figure pct00010
)는 다음의 강체 동역학(rigid body dynamics) 방정식으로 추출된다:
To solve this problem, the orientation, velocity and position integration of the ankle joint is performed. Inertial Measurement Unit Acceleration (
Figure pct00009
) And then digitize the ankle joint
Figure pct00010
) Is extracted from the following rigid body dynamics equation:

*

Figure pct00011
식 4*
Figure pct00011
Equation 4

여기서,

Figure pct00012
Figure pct00013
는 관성 측정 유닛 프레임 내에서 각각, 각도 비율 및 각 가속도의 벡터들이며, X는 벡터적을 나타낸다.here,
Figure pct00012
And
Figure pct00013
Are the vectors of the angular ratio and the angular acceleration, respectively, within the inertial measurement unit frame, and X represents the vector product.

당해 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 다음의 관계식에 따라, 관계식,

Figure pct00014
은 표준 스트랩다운(strapdown) 관성 측정 유닛 적분 방법들을 이용하여 식 1 내지 식 3과 마찬가지로, 풀려진다. In accordance with the following relations known to those skilled in the art, the relations,
Figure pct00014
Is solved, as in equations 1 through 3, using standard strapdown inertial measurement unit integration methods.

Figure pct00015
식 5
Figure pct00015
Equation 5

Figure pct00016
식 6
Figure pct00016
Equation 6

Figure pct00017
식 7
Figure pct00017
Equation 7

Figure pct00018
식 8
Figure pct00018
Equation 8

*

Figure pct00019
식 9*
Figure pct00019
Equation 9

Figure pct00020
식 10
Figure pct00020
Equation 10

Figure pct00021
식 11
Figure pct00021
Equation 11

Figure pct00022
식 12
Figure pct00022
Equation 12

Figure pct00023
식 13
Figure pct00023
Equation 13

Figure pct00024
식 14
Figure pct00024
Equation 14

식 5 내지 식 14에 있어서, 행렬,

Figure pct00025
은 배향 행렬
Figure pct00026
과 상호 교환가능하게 이용될 것이다. In formulas 5 to 14, the matrix,
Figure pct00025
Silver orientation matrix
Figure pct00026
Will be used interchangeably.

세계 프레임-참조된 발목 관절 속도 및 위치는 다음에 기초하여 이전의 제로-속도 업데이트(i번째 제로-속도 업데이트)의 시기 후 적시에 추출된다: The world frame-referenced ankle joint velocity and position is timely extracted after the timing of the previous zero-velocity update (i-th zero-velocity update) based on:

Figure pct00027
식 15
Figure pct00027
Equation 15

Figure pct00028
식 16
Figure pct00028
Equation 16

여기서, ωpankle(t=ZVUP(i))는 모든 i에 대해 영으로 리셋된다.Here, ω p ankle (t = ZVUP (i)) is reset to zero for all i.

실험을 통해, 예시적인 의족 보철 장치(예를 들어, 도 17a의 의족 보철 장치(1700))로부터 획득지는 관성 측정 유닛 데이터의 로그(log)들을 이용하여, z-가속도가 제어된 배측 굴곡 상태에서 대략 1g(대략 9.8m/s2)와 동일하고, z-가속도의 변화가 소정의 값(<0.005g2) ― 하퇴 부재(220)가 고정 발목 관절(200)을 중심으로 회전되는 경우의 시기를 표시함 ― 이하인 경우, 대략 50.75 초 및 50.9 초에서 관성 측정 유닛-참조된 가속도는 충분히 빠랐다는 점(도 2 참조)을 결정했다. 본 기술의 다른 실시예에 있어서, 적절한 안정 기간(quiet period)이 발의 일부 상에서 검출될 수 있다. 발목 관절의 가속도, 각도 비율 및 각 가속도에 대한 지식은 발의 임의의 지점의 가속도를 계산하기 위해 감지된 발목 각도(발 부재 및 하퇴 부재 사이의 각도), 각도 비율 및 각도 가속도의 지식과 결합될 수 있다. 발바닥의 일부 지점은 종종 연속적인 보행 사이클에서 제로 속도 업데이트를 수행하기 위해 이용될 수 있다. 이러한 속도가 알려지면, 발목 관절의 속도는 이후에 계산될 수 있다. 이러한 속도(영이 아님)는 제로 속도 업데이트가 수행될 수 있는 참조로서 이용될 수 있다. Through experiments, using the logs of inertial measurement unit data obtained from an exemplary prosthetic prosthetic device (eg, the prosthetic prosthetic device 1700 of FIG. 17A), the z-acceleration is controlled in the dorsal flexion state. Approximately equal to 1 g (approximately 9.8 m / s 2 ) and the change in z-acceleration is a predetermined value (<0.005 g 2 ) —the time when the lower leg member 220 is rotated about the fixed ankle joint 200 In the following, it was determined that the inertial measurement unit-referenced acceleration was fast enough at approximately 50.75 seconds and 50.9 seconds (see FIG. 2). In other embodiments of the present technology, an appropriate quiet period may be detected on a portion of the foot. Knowledge of the acceleration, angular rate and angular acceleration of the ankle joint can be combined with knowledge of the detected ankle angle (angle between the foot and lower members), angle ratio and angular acceleration to calculate the acceleration of any point of the foot. have. Some points of the sole can often be used to perform zero speed updates in successive walking cycles. Once this speed is known, the speed of the ankle joint can be calculated later. This rate (not zero) can be used as a reference for which a zero rate update can be performed.

의족 보철 장치에 있어서, 안정 기간은 거의 항상 제어된 배측 굴곡 상태에서 존재하며, 그래서 착용자가 취하는 모든 걸음에 대해 제로-속도 업데이트가 수행될 수 있다. 각각의 제로-속도 업데이트 동안, 세 가지 항목 각각으로부터의 속도 에러 기여도는 바람직하게 평가되는바 x-축(이전 단계에서의 제로-속도 업데이트 동안 발목 관절 회전 축과 정렬되는 벡터) 주위의 세계 프레임 z-축의 팁(tip), δθx; y-축(세계-프레임 수직(중력 벡터와 반대) 및 세계 프레임 x-축의 벡터적으로 정의되는 벡터) 주위의 세계 프레임 z-축의 틸트(tilt), δθy; 및 수직 축에 따라 스케일링하는 관성 측정 유닛 척도, δg 이다. 이러한 항목들의 값들은 계산된 자세, 관성 배향 및 장치(예를 들어, 도 17a의 하퇴 부재(1712))의 상이한 컴포넌트의 이전에 계산된 자세들 및 관성 배향들을 교정하기 위해 이용된다.In the prosthetic prosthetic device, the settling period is almost always in a controlled dorsal flexion state, so that zero-speed updates can be performed for every step the wearer takes. During each zero-velocity update, the velocity error contribution from each of the three items is preferably evaluated as the world frame z around the x-axis (the vector aligned with the ankle joint rotation axis during the zero-velocity update in the previous step). Tip of the axis, δθ x ; tilt of the world frame z-axis around the y -axis (vector-defined vector of the world-frame vertical (as opposed to the gravity vector) and the world frame x-axis), δθ y ; And an inertial measurement unit scale, δg, scaled along the vertical axis. The values of these items are used to correct the calculated pose, inertial orientation and previously calculated poses and inertial orientations of the different components of the device (eg, the lowering member 1712 of FIG. 17A).

배향, 속도 및 위치 적분을 수행하는 동안, 속도 에러에 관한 민감도 행렬, M(t)이 계산되는바, 상기 속도 에러는 에러들의 벡터,

Figure pct00029
에 위해 유도될 수 있다. M(t)는 다음의 관계식에 기초한다:While performing orientation, velocity and position integration, a sensitivity matrix, M (t), for velocity error is calculated, wherein the velocity error is a vector of errors,
Figure pct00029
Can be induced for. M (t) is based on the following relation:

Figure pct00030
식 17
Figure pct00030
Equation 17

여기서, M(t)은 전체 단자 속도 민감도, M*을 생성하도록 수치적으로 적분된다.Here, M (t) is numerically integrated to produce the overall terminal speed sensitivity, M * .

Figure pct00031
식 18
Figure pct00031
Equation 18

몇몇 실시예들에 있어서, 에러들의 벡터는 이러한 에러들이 상당한 경우 가속도계 바이어스 오프셋들을 포함하기 위해 확장됨으로써, M(t) 및 M*에서의 열(column)의 숫자들을 증가시킨다. 이러한 경우, M*-1은 펜로즈 의사-역행렬(Penrose pseudo-inverse) 또는 최적의 혁신 이득, K*에 의한 형태를 취한다. K*는 표준 최적 선형 필터링 방법들을 이용하여 계산될 수 있다. 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 다른 항목들이 보편성의 손실 없이 포함되거나 이용될 수 있다. In some embodiments, the vector of errors is expanded to include accelerometer bias offsets if these errors are significant, thereby increasing the number of columns in M (t) and M * . In this case, M * -1 takes the form of Penrose pseudo-inverse or optimal innovation gain, K * . K * can be calculated using standard optimal linear filtering methods. For those of ordinary skill in the art, other items may be included or used without loss of universality.

단계(i)에서의 제로-속도 업데이트에서, 추정되는 비-제로 발목 관절 속도,

Figure pct00032
를 생성했을 α의 값은 다음에 기초하여 결정된다:In the zero-velocity update in step (i), the estimated non-zero ankle joint velocity,
Figure pct00032
The value of α that would generate is determined based on:

Figure pct00033
식 19
Figure pct00033
Equation 19

여기서, α는 혁신 교정 벡터이다. 비-제로(non-zero) 속도는 가속도계들 및 각도 비율 측정치들에서의 소음으로부터 부분적으로 초래되지만, 모든 혁신 교정(α)이 적용되는 것은 아니다. 그 대신, 교정은 소음의 크기에 따라, 필터링 상수(분수), k에 의해 스케일링된다. 이 때, 새로운 배향 행렬(

Figure pct00034
) 및 중력 크기(g)가 다음에 기초하여 결정된다:Where α is the innovation calibration vector. Non-zero velocity results in part from noise in accelerometers and angular rate measurements, but not all innovation corrections α apply. Instead, the calibration is scaled by the filtering constant (fractional), k, depending on the magnitude of the noise. In this case, the new orientation matrix (
Figure pct00034
) And gravity magnitude (g) are determined based on:

Figure pct00035
식 20
Figure pct00035
Equation 20

Figure pct00036
식 21
Figure pct00036
Equation 21

여기서, Ox(tip) 및 Oy(tilt)는 x 및 y 축들 각각을 중심으로 팁 및 틸트의 증분 회전들을 표시하며, ZVUPi + 및 ZVUPi - 는 ZVUP 이후 및 이전의 시기들을 각각 표시한다. Where O x (tip) and O y (tilt) indicate incremental rotations of the tip and tilt around each of the x and y axes, and ZVUP i + and ZVUP i indicate the periods after and before ZVUP, respectively. .

선형 추정기들을 이용하여 가속도계 및 레이트 자이로 바이어스 오프셋들을 추정하기 위해 제로 속도 업데이트를 연장할 수 있다. 일정한 각도 정렬 에러들은 (예를 들어, 주어진 축을 중심으로) 상기 축을 중심으로 레이트 자이로 바이어스를 추정하기 위해 이용될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 이들은 가속도계 및 레이트 자이로 바이어스의 선형 확률 모델들을 생성하고 이러한 모델들에 적용되는 선형 필터에 대한 입력들로서 제로-속도 업데이트 에측 잔여값을 이용함으로써 수행된다. Linear estimators may be used to extend the zero velocity update to estimate accelerometer and rate gyro bias offsets. Constant angular alignment errors can be used to estimate the rate gyro bias about the axis (eg, about a given axis). In one embodiment, they are performed by generating linear probabilistic models of accelerometer and rate gyro bias and using zero-velocity update side residuals as inputs to the linear filter applied to these models.

전술한 방법은 배향 및 외관 중력 크기를 연속적으로 업데이트하기 위한 방법이다. 초기화 절차는 의족 보철 장치에 먼저 힘이 실린 경우 이러한 실시예에서 이용된다. 이러한 방법에 있어서, 착용자는, 장치(예를 들어, 장치 또는 대안적인 이용자 인터페이스에 의해 전송되는 진동 코드)에 의해 요청되는 경우, 한걸음 앞으로 가서 정지하고, 그 후 한걸음 뒤로 와서 원래 위치로 돌아올 것이다. 이러한 프로세스에서, 걸음은 병에 걸린 다리에서 수행될 것이다(양쪽 절단 수술 환자의 경우, 이러한 눈금 조정은 절단 수술 환자에 의해 선택되는 바와 같이 연속 방식으로 실시될 것이다). 이러한 눈금 조정은 두 가지 ZVUP들 ― 하나는 배향 및 중력 크기를 초기화하는 것, 두 번째는 그 결과를 체크하는 것 ― 을 적용할 것이다. 이는 관성 측정 유닛 신호들, 프로세싱 및 제어기 통신의 완전성을 확보할 것이다.The method described above is a method for continuously updating orientation and apparent gravity magnitudes. The initialization procedure is used in this embodiment when the prosthetic prosthesis is first loaded with force. In this way, the wearer will go one step forward and stop when requested by the device (eg, the vibration code sent by the device or alternative user interface), and then back one step back to its original position. In this process, the steps will be performed on the affected leg (for both amputated patients this calibration will be performed in a continuous manner as selected by the amputated patient). This scale adjustment will apply two ZVUPs, one to initialize the orientation and gravity magnitude, and the second to check the result. This will ensure the integrity of the inertial measurement unit signals, processing and controller communication.

전술한 프로세스는 관성 배향의 초기화를 달성한다. 그러나, 이는 가속도계 및 자이로 신호들 내에서 구현되는 바이어스 오프셋, 스케일링 및 교차-민감도를 포함하는 에러 소스들의 벡터(ε)를 설명하기 위해 IMU의 완전 눈금 조정을 수행하는 일반적 관심의 일종이다. 제조 시에, 로봇 또는 기타 6-자유도 기계는 IMU를 운반할 수 있으며, 이러한 에러 소스들의 효과를 측정하는 수단으로서 참조 궤적을 연속으로 적용할 수 있다. 에러 소스들 각각에 대한 감지된 참조 궤적들의 민감도 행렬(M(ε))은 당해 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 계산될 수 있다. 풍부한 세트의 참조 궤적들로부터의 감지된 편차들 ― 통상적으로 각각의 궤적 세그먼트의 엔드-포인트의 편차 ― 를 측정함으로써, 벡터(ε)는 - 참조 궤적들의 세트가 각각의 에러 소스의 영향을 자극하기에 충분히 풍부하다고 가정하여 - 회귀 또는 기타 선형 추정 방법들을 이용하여 추정될 수 있다. 본 발명자들은 세 개의 직교 평면에서의 다각형 및 원과 같은 폐쇄 경로들을 포함하는 참조 궤적들이 에러 소스의 전체 벡터의 눈금을 조정하기에 충분하다는 것을 발견하였다. 이러한 참조 궤적들은 또한, 예를 들어, 수평 평면상에서 폐쇄 패턴들의 시퀀스 대로 보행하고 수직 축을 중심으로 순차 회전시킴으로써 벡터의 주요 엘리먼트들(가속도계 바이어스, 축척 및 교차-민감도)의 눈금을 재-조정하기 위해 착용자에 의해 수행될 수 있다.The process described above achieves initialization of the inertial orientation. However, this is of general interest to perform full calibration of the IMU to account for a vector of error sources ε including bias offset, scaling and cross-sensitivity implemented in accelerometer and gyro signals. In manufacturing, a robot or other 6-degree of freedom machine may carry the IMU and apply the reference trajectory continuously as a means of measuring the effect of these error sources. The sensitivity matrix M ( ε ) of the sensed reference trajectories for each of the error sources can be easily calculated by one of ordinary skill in the art. By measuring the detected deviations from the rich set of reference trajectories—typically the deviation of the end-point of each trajectory segment—the vector ε is used to determine that the set of reference trajectories stimulates the influence of each error source. Can be estimated using regression or other linear estimation methods. The inventors have found that reference trajectories including closed paths such as polygons and circles in three orthogonal planes are sufficient to adjust the scale of the entire vector of the error source. These reference trajectories are also used to re-scale the major elements of the vector (accelerometer bias, scale and cross-sensitivity), for example, by walking in a sequence of closed patterns on the horizontal plane and sequentially rotating around the vertical axis. It may be performed by the wearer.

본 발명의 몇몇 실시예들에 있어서, 상기 방법의 이러한 원리들은, 예를 들어, 보철, 지지대, 또는 외골격 장치가 착용자의 신체의 이러한 부분들의 성능을 치료 또는 증가시키는 착용자의 허벅지 부재 및/또는 상체에 위치되는 가속도계들 및 레이트 자이로와 관련되는 가속도계 및 레이트 자이로 드리프트 에러를 교정 또는 최소화하기 위해 마찬가지로 적용된다. 일 실시예에 있어서, 상기 방법은 발목 관절이 보철 또는 지지대의 보행 사이클 중에 실질적으로 고정되는 경우, 보철 또는 지지대의 허벅지 부재와 결합되는 가속도계 및 레이트 자이로에 의해 출력되는 가속도계 신호 및 레이트 자이로 신호에 대한 오프셋 값들을 결정하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 허벅지 부재에 대한 하퇴 부재의 각도를 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 상기 방법은 또한 발목 관절이 보철 또는 지지대의 보행 사이클 동안 거의 고정인 경우 착용자의 상체와 결합되는 가속도계 및 레이트 자이로에 의해 출력되는 가속도계 신호 및 레이트 자이로 신호에 대한 오프셋 값들을 결정하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 착용자의 상체에 대한 허벅지 부재의 각도를 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 그러므로, 상기 방법은 도 16에 도시되는 바와 같이 이러한 측정들을 수행하고 연결 장치(linkage) 제한 관계 및 관련 방법들에 의존함으로써, 착용자의 허벅지 부재 및/또는 상체로 확장될 수 있다. 제로 속도 업데이트 시점에서, 연결 장치 제한은 운동학적 체인(예를 들어, 하이브리드 휴먼-로봇 시스템을 정의하는 연결 장치) 내의 최저 링크의 지면-참조된 제로 속도로부터 후방으로 관절 속도 참조들의 전파를 가능하게 한다. 이러한 속도 참조들은 상기 정의되는 바와 같이 자세 재-정렬 및 중력 보상에 대한 입력으로서 이용될 수 있다.
In some embodiments of the present invention, these principles of the method may include, for example, a thigh member and / or upper body of the wearer where the prosthesis, support, or exoskeleton treats or increases the performance of these parts of the wearer's body. The same applies to correct or minimize the accelerometer and rate gyro drift errors associated with the accelerometers and rate gyro located at. In one embodiment, the method relates to an accelerometer signal and a rate gyro signal output by an accelerometer and a rate gyro coupled with the thigh member of the prosthesis or support when the ankle joint is substantially fixed during the prosthetic or support walking cycle. Determining offset values. The method may also include measuring the angle of the lowering member relative to the thigh member. In another embodiment, the method also determines offset values for the accelerometer and rate gyro signals output by the accelerometer and rate gyro coupled with the upper body of the wearer when the ankle joint is nearly stationary during the walking cycle of the prosthesis or support. It includes a step. The method may also include measuring the angle of the thigh member relative to the upper body of the wearer. Therefore, the method can be extended to the thigh member and / or torso of the wearer by performing these measurements as shown in FIG. 16 and relying on linkage constraints and related methods. At the zero velocity update, the coupling device limitation enables propagation of articulation velocity references backwards from the ground-referenced zero velocity of the lowest link in the kinematic chain (eg, the coupling device defining the hybrid human-robot system). do. These velocity references can be used as input to posture realignment and gravity compensation as defined above.

예시적인 발목 관절 궤적들 및 지형 상황(Example ankle joint trajectories and terrain situation ( terrainterrain context) 구별 context)

관성 측정 유닛 오프셋이 계산 및 교정(제로화)되고 나면, 발-슬로프(β)(뒤꿈치 높이로 대안적으로 참조)가, 예를 들어, 도 3에 도시되는 바와 같이 결정된다. 도면으로부터, 착용자가 지면 상에 발바닥-닿기 상태로 서 있는 경우에 β=-(θ+γ)를 쉽게 볼 수 있다. 대략 10초 기간 동안 평균함으로써, β의 정확한 추정치가 결정될 수 있다. 그 후, 발을 발목 좌표 시스템으로 정의하는 변환의 배향 컴포넌트,

Figure pct00037
가 다음에 기초하여 계산된다: After the inertial measurement unit offset is calculated and corrected (zeroed), the foot-slope β (alternatively referred to as heel height) is determined, for example, as shown in FIG. 3. From the figure it is easy to see β = − (θ + γ) when the wearer is standing in the sole-contacting state on the ground. By averaging over a period of approximately 10 seconds, an accurate estimate of β can be determined. The orientation component of the transformation that then defines the foot as the ankle coordinate system,
Figure pct00037
Is calculated based on:

Figure pct00038
식 22
Figure pct00038
Equation 22

전과 같이, 이러한 변환의 변환 컴포넌트는 영(zero)으로 남을 것이다. As before, the transform component of this transform will remain zero.

발-슬로프가 정의되고 나면, 발 좌표 시스템 내의 뒤꿈치(212) 및 발가락(216) 좌표들을 결정하는 것이 필요하다. 이를 결정하기 위한 하나의 예시적인 방법에 있어서,

Figure pct00039
Figure pct00040
는 새로운 발 좌표 시스템 내의 뒤꿈치 및 발가락의 벡터 좌표로서 정의된다. β의 회전 기여도가 이미 포함되었으므로, 이러한 벡터들의 z-컴포넌트는 동일하다. 이러한 벡터들의 x-컴포넌트가 모두 영이라는 점이 가정될 수 있다. 이러한 벡터들은 다음과 같은 형태를 취한다:Once the foot-slope is defined, it is necessary to determine the heel 212 and toe 216 coordinates in the foot coordinate system. In one exemplary method for determining this,
Figure pct00039
And
Figure pct00040
Is defined as the vector coordinate of the heel and toe in the new foot coordinate system. Since the rotational contribution of β has already been included, the z-components of these vectors are identical. It can be assumed that the x-components of these vectors are all zero. These vectors take the form:

Figure pct00041
식 23
Figure pct00041
Equation 23

Figure pct00042
식 24
Figure pct00042
Formula 24

여기서, z0는 발(신발)의 바닥의 z-좌표를 정의한다.Where z 0 defines the z-coordinate of the bottom of the foot (shoes).

도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 참조 발 프레임에서 발목 관절(200)에 대해 뒤꿈치(212) 및 발가락(216) 좌표들을 결정하기 위한 방법의 개략도이다. 도 4에 정의되는 발 눈금 조정 방법의 단계(1)에 있어서, 발목 관절(200)의 y-좌표는 지면 참조(예를 들어, 포장도로에서의 경계선, 깔개 또는 리놀륨 표면상의 두드러진 특징)에 대해 정렬된다. 우리는 이러한 지면 참조가 세계 좌표 시스템의 원점이 되도록 임의로 정의한다. 수학적 표기법에 있어서, 이러한 정렬은 다음과 같은 형태를 취한다:4 is a schematic diagram of a method for determining heel 212 and toe 216 coordinates for ankle joint 200 in a reference foot frame, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention. In step (1) of the foot scale adjustment method defined in FIG. 4, the y-coordinate of the ankle joint 200 is referenced to ground reference (eg, a salient feature on a boundary line, rug or linoleum surface on a pavement). Aligned. We arbitrarily define these ground references to be the origin of the world coordinate system. In mathematical notation, this alignment takes the form:

Figure pct00043
식 25
Figure pct00043
Equation 25

여기서,

Figure pct00044
는 단계들(2 및 3)에서 일어나는 움직임에 대한 개시 위치이다. 단계(2)에 있어서, 발가락(216)은 지면 참조 상에 위치된다. 수학적 표기법에 있어서, 이러한 정렬은 다음과 같은 형태를 취한다:here,
Figure pct00044
Is the starting position for the movement occurring in steps 2 and 3. In step 2, toes 216 are positioned on the ground reference. In mathematical notation, this alignment takes the form:

Figure pct00045
식 26
Figure pct00045
Equation 26

또는or

Figure pct00046
식 27
Figure pct00046
Equation 27

유사한 관계가 단계(3)의 정렬 중에 결정된다. 전술한 식들이 독립적으로 풀어지는 경우, z0의 두 개의 상이한 추정치들이 획득된다. 두 개의 제한식들을 하나로 결합함으로써, yheel, ytoe 및 zo의 최소 제곱 추정치가 획득될 수 있다. Similar relationships are determined during the alignment of step (3). If the above equations are solved independently, two different estimates of z 0 are obtained. By combining the two constraints into one, the least squares estimate of y heel , y toe and z o can be obtained.

전술한 뒤꿈치(212) 및 발가락(216) 눈금 조정 방법은 일련의 단계를 포함하며, 먼저, 새로운 쌍의 발/신발이 착용된다. 이러한 눈금 조정은, 예를 들어, 보철사 사무소에서 수행될 수 있다.The heel 212 and toe 216 calibration method described above comprises a series of steps, first of which a new pair of feet / shoes are worn. Such calibration can be performed, for example, at the prosthetic office.

다른 예시적인 방법에 있어서, 뒤꿈치 및 발가락 벡터들은 그때그때 계산된다. 도 5에 도시되는 바와 같이, 발목 관절(200)은 발-착지 및 발바닥-닿기 사이의 초기 입각기에서 아크(500)를 추적한다. 아크(500)의 반경 및 배향(중간점 각도)은 뒤꿈치 및 발가락 벡터를 완전히 결정한다. 수학적으로, 이는 초기 입각 중에 기록되는 일련의 발목 위치(

Figure pct00047
)로서 설명된다. 다음과 같이, 두 개의 통계학적으로 구별되는 하퇴 부재(220)(γi,) 및 발목 관절(200) 각도(θi,) 위치에 대응하는, 두 개의 발목 위치 측정이 요구된다:In another exemplary method, the heel and toe vectors are then calculated. As shown in FIG. 5, the ankle joint 200 tracks the arc 500 at an initial stance between foot-landing and plantar-contacting. The radius and orientation (midpoint angle) of arc 500 completely determines the heel and toe vector. Mathematically, this is a series of ankle positions (recorded during initial standing)
Figure pct00047
It is explained as Two ankle position measurements are required, corresponding to two statistically distinct lowering member 220 (γ i, ) and ankle joint 200 angle (θ i, ) positions:

Figure pct00048
식 28
Figure pct00048
Equation 28

Figure pct00049
식 29
Figure pct00049
Equation 29

그 후, 상기 방정식을 미분함으로써, 상기 벡터 솔루션이 된다:Then, by differentiating the equation, the vector solution is:

Figure pct00050
식 30
Figure pct00050
Equation 30

상기 솔루션은

Figure pct00051
이 가역적일 것을 요구한다. 또한, 최적 선형 필터링 관점에서 볼 때, 이러한 "이득 행렬"은 통계학적으로 중요한 결과를 산출하는데 충분히 커야 한다.The solution is
Figure pct00051
Requires this to be reversible. In addition, in terms of optimal linear filtering, this "gain matrix" should be large enough to yield statistically significant results.

의족 보철 장치가 초기 입각기 중에 중요한 진동을 수행한다는 사실을 고려하면, 전술한 방정식은 발목 관절 위치/각도 측정들의 N 개의 조합에까지 연장될 수 있다. 결과적인 N-1 방정식은 최소 제곱법을 이용하여 벡터의 최적 추정치를 획득하기 위해 풀릴 수 있다. 전술한 방정식은 발가락 닿기가 초기 입각기를 개시하는 경우 발가락 벡터에 대해 풀도록 마찬가지로 적용된다.Given the fact that the prosthetic prosthesis performs significant vibrations during the initial stance, the above equation can be extended to N combinations of ankle joint position / angle measurements. The resulting N-1 equation can be solved to obtain the best estimate of the vector using least squares. The above equation applies likewise to solve for the toe vector when the toe contact initiates the initial stance.

도 6a는 다양한 지형: 평지(620), 오르막 5° 경사로(624), 내리막 5° 경사로(628), 오르막 10° 경사로(632), 내리막 10° 경사로(636), 오르막 계단(640), 및 내리막 계단(644) 상에서의 착용자 보행에 대한 상이한 보행 상황에서의 관성 측정 유닛-계산된 발목 관절 피벗 궤적을 도시한다. 상황(context)은 지형의 형상 및 착용자가 지형과 상호 작용하는 방법이다.6A shows various terrains: flat 620, uphill 5 ° ramp 624, downhill 5 ° ramp 628, uphill 10 ° ramp 632, downhill 10 ° ramp 636, uphill stairs 640, and Inertial measurement unit-calculated ankle joint pivot trajectory in different walking situations for wearer walking on downhill stairs 644. Context is the shape of the terrain and how the wearer interacts with the terrain.

도 6b는 보철 장치의 발목 관절의 비행 궤적을 설명하는 2-D 구조를 도시한다. 우리가 평지 보행을 경사로 오르기/내려가기 보행 상황(평지는 영도(0°) 경사로)의 대상으로서 처리하면, 상황 구별은 계단 오르기/내려가기의 경사로 오르기/내려가기로부터의 구별에 의존한다. 이러한 구별은 통상적으로, 경사로 보행에서 통상적으로 발목 관절(600)이 발-착지 운동학을 최적화하도록 배측 굴곡(또는 중립 유지)되는 것과 비교하여, 계단 상황에서 발목 관절(600)의 족저 굴곡(배측 굴곡이 아니라)이 발-착지 운동학을 최적화하도록 요구되므로 중요하다. 후자의 경우, 족저 굴곡된 발목이 적절한 배향이 되는 매우 가파른 내리막에만 해당한다.6B illustrates a 2-D structure illustrating the flight trajectory of the ankle joint of the prosthetic device. If we treat the flat walk as the object of a ramp up / down ramp situation (the flat is a zero degree ramp), the situation distinction depends on the distinction from the ramp up / down of the stair up / down. This distinction is typically a plantar flexion (dorsiflexion) of the ankle joint 600 in staircase situations, as compared to a dorsal flexion (or neutral maintenance) to optimize foot-landing kinematics on a ramp walk. This is important because it is required to optimize foot-and-land kinematics. In the latter case, it only corresponds to a very steep downhill where the plantar flexed ankle is in the proper orientation.

도 6c는 계단-경사로 구별기가 기록된 데이터의 조합에서 계단 및 경사로 보행 상황 사이를 구별하는 궤적 특징으로서 발목 각도 공격 각도(Φ)를 이용하여 수행될 수 있는 방식을 도시한다. 도 6c는 보행 사이클 동안 착용자에 의해 취해지는 각각의 걸음에 대해 장치의 발목 관절(600)의 추정된 속도 벡터 공격 각도의 플롯이다. 이러한 데이터에 있어서, 도 17a의 보철 장치(1700)를 오른쪽 발에 착용한 절단 수술 환자는 이하의 방식으로 서른 한 걸음(오른쪽 발에 참조된 보행 사이클을 의미)을 걷는다:FIG. 6C illustrates how an ankle angle attack angle Φ can be performed as a trajectory feature that distinguishes between steps and ramp walk situations in a combination of data recorded with a step-tilt separator. 6C is a plot of the estimated velocity vector attack angle of the ankle joint 600 of the device for each step taken by the wearer during the walking cycle. In this data, the amputation patient wearing the prosthetic device 1700 of FIG. 17A on his right foot walks thirty steps (meaning a walking cycle referenced to the right foot) in the following manner:

1. 걸음 1 내지 6: 오르막 5° 경사로 여섯 걸음1. Steps 1 to 6: Uphill 5 ° ramp 6 steps

2. 걸음 7: 한걸음 착지2. Step 7: Landing One Step

3. 걸음 8 내지 9: 내리막 10° 경사로 세 걸음 3. steps 8 to 9: downhill 10 ° ramp three steps

4. 갭 기록4. Gap recording

5. 걸음 10 내지 11 : 오르막 계단 두 걸음5. Steps 10-11: Two steps uphill

6. 걸음 12: 한걸음 착지6. Step 12: One Step Landing

7. 걸음 14-17: 내리막 5° 경사로 네 걸음7. Step 14-17: 4 steps downhill 5 ° ramp

8. 걸음 (18 내지 19): 평지 두 걸음8. Steps (18 to 19): Two steps of flat

9. 걸음 (20 내지 21): 오르막 10° 경사로 두 걸음9. Steps (20-21): Two steps uphill 10 ° ramp

10. 걸음 (22): 10° 경사로 한걸음 후 착지 10. Step (22): Land after 10 ° ramp

11. 걸음 (23 내지 24): 내리막 계단 두 걸음11. steps (23 to 24): two steps downhill

12. 걸음 (25 내지 31): 평지 일곱 걸음.12. Steps (25-31): Seven steps of flats.

이러한 기록 동안 걸은 걸음은 경사로 및 계단 오르기 및 내려가기를 포함한다. 도 6c는 발목 속도 공격 각도(ψ)를 모니터링함으로써 발-착지 이전에 발목이 공중에 떠 있는 상태에서 계단이 경사로와 구별될 수 있다는 것을 보여준다. ψ가 이러한 기록(및 기타 유사 기록)에서 작은 양(+)의 값 이하로 떨어지는 경우, 발(604)은 항상 계단에 착지한다. 기타 모든 경우에 있어서, 발은 경사로 각도(0°, -5°, +5°, -10°, +10°)와 관계없이 경사로에 착지한다. 그에 따라, ψ는 행동이 수행되는 것을 결정하는 프로세서에 의해 이용될 수 있는 적절한 보행 작업 상황 구별기이다.The steps taken during this recording include climbing and descending ramps and stairs. 6C shows that by monitoring the ankle velocity attack angle ψ, the staircase can be distinguished from the ramp with the ankle floating in the air prior to foot-landing. If ψ falls below a small positive value in this record (and other similar records), foot 604 always lands on the stairs. In all other cases, the foot lands on the ramp regardless of ramp angles (0 °, -5 °, + 5 °, -10 °, + 10 °). Accordingly, ψ is an appropriate walking task situation discriminator that can be used by the processor to determine that the action is to be performed.

계단-경사로 구별을 위한 대안적 방법은 본 발명의 다른 실시예에 채용될 수 있다. 자세(관성 공간 내의 배향) 하퇴 부재(608, 정강이) 및 발목 속도 공격 각도(ψ)는 계단 또는 경사로/평지 사이를 구별하는 본 발명의 일 실시예에서 이용될 수 있다. y-z 평면의 발목 관절(600)의 궤적(도 6a 참조)은 계단-경사로 구별을 위한 본 발명의 대안적 실시예에서 이용될 수 있다.
Alternative methods for distinguishing by step-tilt may be employed in other embodiments of the present invention. The posture (orientation in the inertial space) retraction member 608 (shank) and ankle velocity attack angle ψ may be used in one embodiment of the present invention to distinguish between stairs or ramps / flat. The trajectory of the ankle joint 600 in the yz plane (see FIG. 6A) can be used in an alternative embodiment of the present invention to distinguish by step-tilt.

유각기Boom 발목 위치설정 Ankle Positioning

계단 경사로 구별기는 지형 슬로프 각도, φ^(t)의 실시간 예상을 제공한다. 구별기가 평지를 포함하는 계단을 검출하면, φ^(t)=O이 된다. 그렇지 않으면, 슬로프 각도는 이하가 된다:Stairway ramp discriminator provides real-time prediction of terrain slope angle, φ ^ (t). When the discriminator detects a step that includes flat land, φ ^ (t) = O. Otherwise, the slope angle is:

Figure pct00052
식 31
Figure pct00052
Equation 31

이러한 슬로프 각도는 발이 지면과 접촉하지 않을 수 있는 최소값에 대응한다. φ^(t)는 두 개의 가능한 슬로프 각도 - 뒤꿈치가 마지막 걸음에서 발가락 위치에 대해 이루는 각도 및 발가락이 마지막 걸음에서 발가락 위치에 대해 이루는 각도 - 중 최소값이다.This slope angle corresponds to the minimum value at which the foot may not be in contact with the ground. φ ^ (t) is the minimum of two possible slope angles: the angle the heel makes to the toe position at the last step and the angle the toe makes to the toe position at the last step.

φ^(t)가 알려지고 나면, 이러한 예측된 지형 슬로프에 채용되는 방식으로 발목을 위치시키도록 상이한 다양한 방법들을 적용할 수 있다. 이러한 방법들 중 두 가지 예시가 하기 설명된다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 전술한 구별기 방법론은 착용자에 의해 착용되는 의족 보철, 지지대 또는 외골격 장치(예를 들어, 도 17a의 장치(1700))의 관절 임피던스, 위치 또는 토크 중 적어도 하나를 제어하기 위해 이용된다. 상기 방법은 최종 승인 동안 장치의 발목 관절의 속도 벡터 공격 각도(예를 들어, 도 6c의 데이터의 y-축 값)를 추정하는 단계를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 상기 방법 또한 속도 벡터 공격 각도가 소정의 부호(예를 들어, 도 6c의 데이터의 경우에서의 음(-)의 값)를 갖는 경우 발가락 아래 위치에 대한 장치의 발 부재의 위치를 조정하는 단계를 포함한다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 방법은 속도 벡터 공격 각도가 소정의 부호(양(+)의 부호)의 반대 부호를 갖는 경우 뒤꿈치 아래 위치에 대해 장치의 발 부재의 위치를 조정하는 단계를 포함한다.Once φ ^ (t) is known, various different methods can be applied to position the ankle in the manner employed for this predicted terrain slope. Two examples of these methods are described below. In one embodiment of the present invention, the discriminator methodology described above includes at least one of joint impedance, position, or torque of a prosthetic prosthesis, support, or exoskeleton device (eg, device 1700 of FIG. 17A) worn by the wearer. It is used to control. The method includes estimating the velocity vector attack angle (eg, the y-axis value of the data in FIG. 6C) of the ankle joint of the device during final approval. In one embodiment, the method also determines the foot member of the device relative to the position under the toe when the velocity vector attack angle has a predetermined sign (eg, a negative value in the case of the data of FIG. 6C). Adjusting the position. In another embodiment of the present invention, the method includes adjusting the position of the foot member of the device with respect to the position under the heel when the velocity vector attack angle has a sign opposite to a predetermined sign (positive sign). Include.

몇몇 실시예들에 있어서, 상기 방법은 발 부재의 뒤꿈치가 하부 지형과 접촉하는 경우 및 발 부재가 하부 지형에 대해 발바닥-닿기 위치에 위치되는 경우 사이의 기간 동안 하퇴 부재에 가해지는 예상 힘에 기초하여 비용 함수를 최소화하도록 장치(예를 들어, 발목 관절 임피던스)의 임피던스를 조정하는 단계를 포함한다.In some embodiments, the method is based on the expected force exerted on the lower member during the period between when the heel of the foot member is in contact with the lower terrain and when the foot member is positioned in the sole-contacting position with respect to the lower terrain. Adjusting the impedance of the device (eg, ankle joint impedance) to minimize the cost function.

도 7a는 발-착지 전에 발목 관절(700)을 위치시키기 위한 방법을 도시한다. 이러한 방법에 있어서, 발목 관절 각도는 발 부재(708) 착지에서 발바닥-닿기까지 발목 관절(700)에 가해지는 예상된 힘(f(t))에 기초하여 비용 함수를 최소화하기 위해 최적화된다. 뒤꿈치-먼저(716) 및 발가락-먼저(712) 전략이 평가되며, 비용 함수를 최소화하는 최적 발목 관절(700) 각도를 포함하는 전략이 선택된다. 도 7a는 이용되는 방법을 설명한다. 7A illustrates a method for positioning ankle joint 700 prior to foot-landing. In this method, the ankle joint angle is optimized to minimize the cost function based on the expected force f (t) applied to the ankle joint 700 from the foot member 708 landing to the sole-contacting. The heel-first 716 and toe-first 712 strategies are evaluated and a strategy is selected that includes an optimal ankle joint 700 angle that minimizes cost function. 7A illustrates the method used.

다른 실시예에 있어서, 도 7a의 방법은, 도 7b에 도시되는 바와 같이 수행되어 계단의 존재를 감지하고, 짧은 착지 구역을 갖는 계단의 경우에만 발가락 착지에 대한 공격 각도 최적화를 제한한다. 가파르고 좁은 조합의 계단을 오르거나 내려가기 위해, 보철 장치는 발 및 계단 사이에 아무런 접촉도 없는 체적 오르기 중에 발에 의해 쓸린 체적의 궤적을 유지하도록 프로그램된다. 후기 유각에 있어서, 예를 들어, 뒤꿈치에 대한 착지가 없도록 결정되는 경우, 최적화는 발가락-아래 솔루션이 되도록 제한된다. 본 실시예에 있어서, z-회전은 장치의 하퇴 부재(704)(예를 들어, 도 17a의 z-축)의 길이 방향 축을 중심으로 하는 회전이다. 어떤 사람이 계단을 내려가서 발 부재(708)를 이러한 방식으로 회전시키는 경우, 착지 구역이 제한되고 발 부재(708)는 계단 위에 곧바로 착지하도록 회전되어야만 할 확률이 높다. 이러한 경우, 발가락(712) 아래 착지는 도 7a의 방법의 가용한 최소 힘 솔루션을 산출한다. 이러한 z-회전은 착지 구역이 제한되는 신호 시스템일 수 있으며, 뒤꿈치-아래와 비교하는 경우, 발가락-아래 착지가 가장 안전한 대안이 되도록 한다.In another embodiment, the method of FIG. 7A is performed as shown in FIG. 7B to detect the presence of a step and limit the attack angle optimization for toe landing only for steps with short landing zones. In order to climb or descend a steep and narrow combination of steps, the prosthetic device is programmed to maintain the trajectory of the volume swept by the foot during the volume climb without any contact between the foot and the step. In later stages, for example, if it is determined that there is no landing on the heel, the optimization is limited to be a toe-bottom solution. In this embodiment, the z-rotation is a rotation about the longitudinal axis of the descending member 704 (eg, the z-axis of FIG. 17A) of the device. If a person descends the stairs and rotates the foot member 708 in this manner, the landing area is limited and the foot member 708 is likely to have to be rotated to land directly on the stairs. In such a case, landing under toes 712 yields the minimum force solution available of the method of FIG. 7A. This z-rotation can be a signal system with a limited landing area and, when compared with the heel-bottom, makes the toe-bottom landing the safest alternative.

전술한 방법에 채용되는 복소 임피던스 계산은 발목 관절(700)이 발 아래 상태까지 회전함에 따라 발차기 또는 과도한 제동력의 이용을 최소화하는 수단으로서 어떤 적응형 발목 위치 방법에든 적용될 수 있다. 도 7d는 도 7a의 방법이 최적화된 임피던스를 이용하도록 적용되는 방식을 설명한다. 최적 공격 각도(ψ*)가 발견되고 나면, 최적 제어(Γ* c(t))에 따라 발차기 없이 발목 관절의 선형 및 각도 모멘텀을 영으로 할 수 있다는 것이 밝혀진다. 대응하는 발목 각도 응답(θ*(t))은 평형 궤적으로서 이용된다. 이러한 최적 궤적에 대한 대응 최적 임피던스는 모멘텀 및 국부 지형 각도에서의 불확실성을 수용하도록 추출될 수 있다.The complex impedance calculation employed in the method described above may be applied to any adaptive ankle position method as a means of minimizing the use of kicks or excessive braking force as the ankle joint 700 rotates to the underfoot state. FIG. 7D illustrates how the method of FIG. 7A is applied to use optimized impedance. Once the optimal attack angle ψ * is found, it is found that the linear and angular momentum of the ankle joint can be zeroed without a kick according to the optimal control (Γ * c (t)). The corresponding ankle angle response θ * (t) is used as the equilibrium trajectory. The corresponding optimum impedance for this optimal trajectory can be extracted to accommodate uncertainties in momentum and local topographic angles.

더 단순한 방법은 또한 도 7c에 도시되는 바와 같이 이용될 수 있다. 도 7c는 경사로 보행 상황에서 발목 관절을 위치시키는 방법을 도시한다. 이러한 방법에 있어서, 발목 관절(700) 각도는 하퇴 부재(704)가 수직인 경우(슬로프 각도 φ{t)를 갖는) 슬로프-지형상의 발바닥-닿기 위치에 놓이도록 관절 결합한다. 또한, 다음 관계에 의해 예상된 슬로프 각도에 대해 선형적이 되도록 발목 각도를 조정하도록 이러한 방법을 일반화하는데 유용하다:A simpler method can also be used as shown in FIG. 7C. 7C illustrates a method of positioning the ankle joint in a ramp walk situation. In this method, the ankle joint 700 angle articulates to be in a slope-shaped foot-contacting position when the lowering member 704 is vertical (having a slope angle φ (t)). It is also useful to generalize this method to adjust the ankle angle to be linear with respect to the slope angle expected by the following relationship:

Figure pct00053
식 32
Figure pct00053
Equation 32

이러한 관계식을 이용하여, 발목 각도는 착용자 선호도를 따르도록 조정될 수 있다. Using this relationship, the ankle angle can be adjusted to follow the wearer preferences.

전술한 두 가지 방법들 중 하나에 있어서, 발-착지 이전의 발목 관절 각도(700)는 발이 지면과 접촉할 때까지 원하는 발목 관절(700) 각도와 일치하도록 연속적으로 제어(조향)될 것이다.
In one of the two methods described above, the ankle joint angle 700 prior to foot-landing will be continuously controlled (steered) to match the desired ankle joint 700 angle until the foot is in contact with the ground.

입각기 임피던스 및 토크 제어Position impedance and torque control

다음 단계는 입각기 중에 국부적으로 수직 정렬하도록 하퇴(정강이)의 배향을 복귀시키는 단계를 포함한다. 도 8은 다리 보철(800), 예를 들어, 도 17a의 보철 장치(1700)의 발바닥-닿기에서의 지형 각도에 기초하여 관성-참조 스프링 평형을 결정하기 위한 방법을 도시한다. 보철(800)은 발가락(816) 및 뒤꿈치(820)를 구비하는 발 부재(808)를 갖는다. 보철 또한 발목 관절(804) 및 하퇴 부재(812, 정강이)를 갖는다. 지형 각도(φ)는 제어 시스템에 대한 입력 값이다. 제어 시스템은 지형 각도(φ)에서의 변화에 기초하여 제어된 족저 굴곡 중에 착용자의 전체 균형을(도 10f에 도시되는 바와 같이) 유지 및 향상시키기 위해 도 10a의 곡선(Γ-Θ)(발목 관절

Figure pct00054
의 임피던스를 변경)을 이동시킨다. 제어 시스템은 발목 균형 각도가 지형 각도(φ)와 동일하도록 보철의 발목 관절(804)의 임피던스를 설정하며; 제어 시스템은 국부 수직(850)과 정렬하도록 하퇴 부재(812, 정강이)의 배향을 회복시킨다. The next step includes reverting the orientation of the lower leg (shank) to local vertical alignment during the standing phase. FIG. 8 illustrates a method for determining an inertial-reference spring balance based on the topographic angle at the foot-contact of the prosthesis 800, eg, the prosthetic device 1700 of FIG. 17A. Prosthesis 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 leg 812 (shank). The terrain angle φ is the input to the control system. The control system calculates the curve Γ-Θ (ankle joint) of FIG. 10A to maintain and improve the overall balance of the wearer (as shown in FIG. 10F) during controlled plantar flexion based on the change in terrain angle φ.
Figure pct00054
Change the impedance). The control system sets the impedance of the ankle joint 804 of the prosthesis such that the ankle balance angle is equal to the terrain angle φ; The control system restores the orientation of the lowering member 812 (shanks) to align with the local vertical 850.

도 9는 제어된 배측 굴곡 중에 발목 토크 대 발목 각도에 대한 보행 속도의 효과를 도시한다. 제어 시스템은 지형 각도(φ)의 변화에 기초하여 도 10a의 곡선(Γ-Θ)(발목 관절(804)

Figure pct00055
의 임피던스를 변경)을 이동시켜, 평형점을 향해 하퇴 부재(812, 정강이)를 이동시키도록 발목 관절(804)에 명령함으로써 제어된 족저 굴곡 중에 착용자의 전체 균형을 유지 또는 향상시킨다.9 shows the effect of walking speed on ankle torque versus ankle angle during controlled dorsal flexion. The control system calculates the curve Γ-Θ (ankle joint 804) of FIG. 10A based on the change in terrain angle φ.
Figure pct00055
Change the impedance of the device) to instruct the ankle joint 804 to move the lowering member 812 (shank) toward the equilibrium point, thereby maintaining or improving the overall balance of the wearer during controlled plantar flexion.

도 10a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 의족 장치를 제어하기 위한 방법을 도시한다. 도 10a에 도시되는 바와 같이, 이는 다음에 의해 제어 시스템에서 달성된다:10A illustrates a method for controlling a limb device, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention. As shown in FIG. 10A, this is achieved in the control system by:

1) 힘이 실린 족저 굴곡 중에 음(-) 전달 에너지 충격 및 엉덩이 충격의 최소화에 기초하여, 도 7a (제어기가 곡선(Γ-Θ)을 이동)(발목 관절의 임피던스

Figure pct00056
를 변경)에 대해 설명된 바와 같이, 발-착지 및 발바닥-닿기 사이의 시간 간격 사이의 충격을 완화시키도록 후기 유각기 임피던스를 조정(동적 강성 및 발목-각도 평형 각도) (단계(1000));1) FIG. 7A (controller moves curve Γ-Θ) based on minimization of negative-impact energy shock and hip shock during forceful plantar flexion (impedance of ankle joint)
Figure pct00056
As described above, adjust the late-stage drift impedance (dynamic stiffness and ankle-angle equilibrium angle) to mitigate the impact between the time interval between foot-landing and plantar-contacting (step 1000). ;

2) 뒤따라가는 발에 올리는 힘을 도입 ― 앞서가는 발의 충격 시점 또는 그 이전에 발목( 및 무릎)에 반사 응답을 가함으로써 수행(단계(1004)); 및2) introducing a lifting force to the following foot—by applying a reflex response to the ankle (and knee) at or before the point of impact of the preceding foot (step 1004); And

3) 경사 지형상에서 균형(평형)을 유지하도록(도 10f에 도시되는 바와 같이) 제어된 배측 굴곡 시기에서 관성-참조 평형 각도를 유지(단계(1008)).3) Maintain an inertial-reference equilibrium angle at controlled dorsal flexion timing (as shown in FIG. 10F) to maintain balance (equilibrium) on the sloped terrain (step 1008).

도 10b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 의족 보철 장치(예를 들어, 도 17a 내지 도 17e의 장치(1700))에서 임피던스 및 토크 제어를 구현하기 위한 제어기의 개략도이다. 도 10e는 도 10b에서 수행되는 임피던스 및 반사 제어를 수행하는 임피던스 및 반사 관계의 개략도이다.10B is a schematic diagram of a controller for implementing impedance and torque control in a prosthetic prosthetic device (eg, device 1700 of FIGS. 17A-17E), in accordance with an exemplary embodiment of the present invention. FIG. 10E is a schematic diagram of the impedance and reflection relationship for performing the impedance and reflection control performed in FIG. 10B.

도시되는 바와 같이, 임피던스의 스프링, 댐핑 및 관성 컴포넌트는 궤적, θo(t)에 대한 관계에서 정의된다. 도 10b에 도시되는 임피던스 이득 행렬 및 궤적은 전술한 바와 같이 보행 사이클, 지형 상황, 지형 텍스쳐 및 보행 속도에서의 시기에 따라 상태 제어기 프로세서로부터 적응적으로 실시간 로딩된다. As shown, the spring, damping, and inertial components of impedance are defined in relation to the trajectory, θ o (t). The impedance gain matrix and trajectory shown in FIG. 10B is adaptively loaded in real time from the state controller processor according to the timing in walking cycle, terrain situation, terrain texture and walking speed as described above.

연구 결과, 온전한 팔다리는 비-선형 양(+) 토크(힘) 및 비-선형 양(+) 관절 속도 피드백으로부터 기인하는 반사 응답을 보여준다는 것이 밝혀졌다. 도 10e에 도시되는 바와 같은 반사 관계는 두 가지 방식의 피드백들을 채용한다. 당해 기술분야에 통상의 지식을 가진 자에는 명백한 것들인 일부 선형 및 일부 비-선형을 포함하는 이러한 양의 피드백 관계의 기타 비-선형 구현 예시들이 이용될 수 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 양의 토크 피드백은 발목 보철의 정강이의 토크를 측정하고 이를 비-선형 피드백 신호(

Figure pct00057
)로서 채용함으로써 달성된다. 다른 구현예에 있어서, 이러한 반사 토크 입력은 발목-동역학의 모델-기반 계산을 이용하여 추정될 수 있다.Studies have shown that intact limbs show reflex responses resulting from non-linear positive torque (force) and non-linear positive joint velocity feedback. The reflection relationship as shown in FIG. 10E employs two ways of feedback. Other non-linear implementation examples of this amount of feedback relationship, including some linear and some non-linear, are obvious to those of ordinary skill in the art. In an exemplary embodiment, the positive torque feedback measures the torque of the shin of the ankle prosthesis and translates it into a non-linear feedback signal (
Figure pct00057
It is achieved by employing as). In another implementation, such reflected torque input can be estimated using model-based calculations of ankle-dynamics.

본 발명자들은 보행 속도 및 지형 슬로프의 효과가 도 9에 도시되는 바와 같이 고려되는 경우 생체 모방 임피던스 및 입각의 반사가 결합한다는 것을 확인하였다. 이러한 이유로 인해, 바람직한 일 실시예에 있어서, 보철의 평행 탄성(예를 들어, 평행, 또는 K3 스프링)은 도시되는 바와 같이 느린 보행 속도에 대한 강성을 보여주도록 선택된다. 생체 모방 시스템에 있어서, 보철의 강성 컴포넌트는 더 높은 보행 속도에서 약화되며, 반사 응답은 도 9에 도시되는 바와 같이 더 가파르게 된다. 이러한 최적 생체 모방 제어 및 기계적 구현예에도 불구하고, 이러한 응답은 작동기가 제어된 배측 굴곡에서 평행 스프링을 밀도록 하고 힘이 실린 족저 굴곡에서 이를 당기도록 한다. 우리는 이를 바이폴라(bipolar), 또는 푸시-풀(push-pull), 동작이라고 부른다. 비-최적 제어 및 기계적 구현 예시에 있어서, 반사는 크기의 두 배의 유니폴라(unipolar), 당김-힘만으로 구현된다. 예시적인 실시예는, 그에 따라, 적절한 쌍방 직렬 스프링 응답이 선택되는 경우, 두 개의 인자들에 의해 피크 작동기 힘 및 모터 전류를 감소시키며, 8X에 의해 작동기 디자인-수명을 연장시키고 및 거의 두 개의 인자에 의해 볼-너트 속도를 감소시킨다. 이는 작동기 내구성을 증가시키는 막대한 이점을 가지며, 작동기 무게를 감소시키고 - 디자인 수명 타겟을 달성하도록 볼-베어링 및 볼-너트의 숫자가 감소한다 ― 및 음향 소음을 감소시킨다.The inventors have found that the reflection of the biomimetic impedance and the standing angle combine when the effects of walking speed and terrain slope are considered as shown in FIG. 9. For this reason, in one preferred embodiment, the parallel elasticity of the prosthesis (eg, parallel, or K3 spring) is selected to show stiffness with respect to slow walking speed as shown. In biomimetic systems, the rigid component of the prosthesis is weakened at higher walking speeds, and the reflection response is steeper as shown in FIG. Despite this optimal biomimetic control and mechanical implementation, this response causes the actuator to push the parallel spring in controlled dorsal flexion and pull it in forceful plantar flexion. We call this bipolar, or push-pull, operation. In a non-optimal control and mechanical implementation example, the reflection is implemented with only unipolar, pull-force twice the size. The exemplary embodiment thus reduces the peak actuator force and motor current by two factors when the appropriate bilateral series spring response is selected, prolongs the actuator design-life by 8X and nearly two factors. By reducing the ball-nut speed. This has the enormous advantage of increasing actuator durability, reducing actuator weight-reducing the number of ball bearings and ball-nuts to achieve design life targets-and reducing acoustic noise.

도 10c는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 의족 보철 장치(예를 들어, 도 17a 내지 도 17e의 장치(1700))에서 임피던스 제어를 구현하는 제어기를 도시하는 개략도이다. 도 10d는 도 10c에서 수행되는 임피던스 제어를 통제하는 기계적 임피던스 관계를 도시하는 사시도이다. τM 은 선형 작동기에 의해 의족 보철 장치의 발목 관절에 가해지는 토크이다. 적절한 "고-이득" 보상, Gc(z), - 여기서 z는 개별-시간 신호 변환을 의미 - 에도 불구하고, 모터 토크는 1) 직렬-탄성 작동기, 2) "K3" 평행 탄성 및 3) 토크 명령과 동일한 발목의 가속도 토크, Γc, - 원하는 결과 - 의해 가해지는 토크의 합을 이루도록 작동할 것이다. K^ 3 및 K^ s 는 이러한 기계적 변수에 대한 모델 추정치, 그에 따른 참조 대 모델-기반 제어를 표시하도록 이용된다. 10C is a schematic diagram illustrating a controller implementing impedance control in a prosthetic prosthetic device (eg, device 1700 of FIGS. 17A-17E), in accordance with an exemplary embodiment of the present invention. FIG. 10D is a perspective view illustrating a mechanical impedance relationship for controlling the impedance control performed in FIG. 10C. τ M is the torque exerted on the ankle joint of the prosthetic prosthesis by a linear actuator. Despite the appropriate "high-gain" compensation, G c (z), where z means individual-time signal conversion, the motor torque is 1) series-elastic actuator, 2) "K 3 " parallel elastic and 3 ) Will act as the sum of the torque exerted by the acceleration torque, Γ c , the desired result, of the same ankle as the torque command. K ^ 3 and K ^ s are used to represent model estimates for these mechanical variables, and therefore reference to model-based control.

도 10f는 보철 장치를 착용한 사람의 역전 진자 운동을 안정화하는데 필요한 복원 토크를 결정하도록 이용되는 방식을 도시하는 개략도이다. 토크(ΓCM)는 시스템의 무게 중심(예를 들어, 보철을 착용한 사람 및 보철의 조합)에 가해져서 다음에 기초하여 착용자의 균형을 유지한다. FIG. 10F is a schematic diagram illustrating the manner used to determine the restoring torque required to stabilize the inverted pendulum motion of a person wearing a prosthetic device. FIG. The torque Γ CM is applied to the center of gravity of the system (eg, the combination of the person wearing the prosthesis and the prosthesis) to balance the wearer based on:

Figure pct00058
식 33
Figure pct00058
Equation 33

여기서, fl 및 ft는 앞서가는 발과 뒤따라가는 발 각각에 작용하는 지면 반력이다. vCM은 착용자 무게 중심의 속도 벡터이다. ZMPl 및 ZMPt 는 앞서가는 발과 뒤따라가는 발의 제로 모멘트 피벗을 나타낸다.

Figure pct00059
Figure pct00060
는 앞서가는 발 및 따라가는 발 각각의 무게 중심 및 제로 모멘트 피벗 사이의 세계 좌표 참조된 벡터를 나타낸다. 전술한 용어인 제로 모멘트 피벗은 지면 반력 분포의 모멘트가 영인 발의 관성-참조 지점을 의미한다. 우리는 또한 이러한 지점을 본 서류의 나머지 부분에서 상호 교환 가능한 압력 중심(CoP)로 참조할 것이다. Where f l and f t are the ground reaction forces acting on each of the leading foot and the following foot. v CM is the velocity vector of the wearer's center of gravity. ZMP l and ZMP t Represents the zero moment pivot of the leading foot and the following foot.
Figure pct00059
And
Figure pct00060
Represents the world coordinate referenced vector between the center of gravity and the zero moment pivot of each of the leading foot and the following foot. The above term zero moment pivot refers to the inertia-reference point of the foot where the moment of the ground reaction force distribution is zero. We will also refer to these points as interchangeable pressure centers (CoPs) in the remainder of this document.

지면 surface 반력Reaction 및 제로 모멘트 피벗 And zero moment pivot

지면 반력(GRF)은 하부 표면에 의해 발(또는 의족 장치의 발 부재)에 가해지는 힘이다. 지면 반력은 입각 중의 중요한 생체 역학 입력값이다. 제로 모멘트 피벗(본 명세서에서는 ZMP 및 CoP라 칭함)에서 작용하는 총 지면 반력을 인식함으로써, 의족 보철 장치의 제어 시스템(예를 들어, 도 17a의 제어기(1712))은 입각기 중에(착용자의) 균형을 향상시키고 힘의 전달을 최적화하는 직접적 방식을 갖는다. Herr 등에게 허여된 미국 특허 제 7,313,463 호는 보철, 지지대 및 로봇 및 방법에 이용되는 생체 모방 이동 및 균형 제어기(전체 내용이 본 명세서에 참조로 인용되는) 지면 반력 및 제로 모멘트 피벗 위치를 더 개시한다.Ground reaction force (GRF) is a force exerted by the lower surface on the foot (or foot member of the prosthetic device). Ground reaction force is an important biomechanical input during standing. By recognizing the total ground reaction forces acting on the zero moment pivot (referred to herein as ZMP and CoP), the control system of the prosthetic prosthetic device (e.g., controller 1712 in FIG. It has a direct way to improve balance and optimize force transmission. US Pat. No. 7,313,463 to Herr et al. Further discloses ground reaction force and zero moment pivot positions (both incorporated herein by reference) for biomimetic movement and balance controllers used in prosthetics, supports and robots and methods. .

도 11a는 통상의 보행 사이클에서의 입각기 중에 GRF 컴포넌트(특히, 발목 관절(1104)로부터 ZMP까지의 벡터, ωrZMP, 및 GRF 벡터, wFGRF)가 변화하는 방식을 보여주는 보철(예를 들어, 도 17a의 장치(1700))의 하퇴 발 부재(1100), 발목 관절(1104), 및 발 부재(1108)를 도시하는 개략도이다. 연구 설정에서의 GRF 추정은 종종 신발의 밑창에 센서를 적용함으로써 수행된다. 그러나, 이러한 외부 감지는 보철 및 지지대 장치에서는 실용적이지 못할 수도 있는데, 그 이유는 신뢰성 있는 패키징 수단이 수백만 번의 보행 사이클 동안 접촉 스트레스를 견디어야만 하므로, 연구 설정에 이용되는 센서들은 이렇게 할 수 없기 때문이다. 또한, 이러한 수단은 종종, 착용자에게는 맞지 않을 수도 있는, 신발의 맞춤화를 필요로 한다. FIG. 11A shows a prosthesis (eg an example of how a GRF component (in particular, an vector from ankle joint 1104 to ZMP, ω r ZMP , and a GRF vector, w F GRF ) changes during a standing phase in a typical walking cycle. For example, a schematic diagram illustrating the lower leg member 1100, the ankle joint 1104, and the foot member 1108 of the device 1700 of FIG. 17A. GRF estimation in the study setting is often performed by applying a sensor to the sole of the shoe. However, such external sensing may not be practical for prosthetic and support devices, because the sensors used in the study setup cannot do this because reliable packaging means must withstand contact stress for millions of walking cycles. . In addition, such means often require customization of the shoes, which may not be suitable for the wearer.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, GRF의 고유의 감지는 관성 상태 및 하퇴 부재 힘/토크 입력(1112)(예를 들어, 도 17a 및 도 17e의 구조 엘리먼트(1732)를 이용하여)을 결합되는 새로운 방식으로 수행된다.In another embodiment of the present invention, the inherent sensing of the GRF is coupled to the inertial state and the retraction member force / torque input 1112 (eg, using the structural elements 1732 of FIGS. 17A and 17E). Performed in a new way.

도 11b, 도 11c 및 도 11d는 도 17a의 장치(1700)의 컴포넌트들의 개략도이다. 전술한 도면 또한 지면 반력 및 제로 모멘트 피벗을 결정하는데 필요한 컴포넌트들(선형 직렬 탄성 작동기(1116)(예를 들어, 도 17의 선형 작동기(1716) 및 직렬 탄성 부재(1724)의 조합) 및 평행 스프링(1120)(예를 들어, 도 17a의 수동 탄성 부재(1724))의 힘 및 모멘트 관계를 보여준다. ωrZMPwFGRF는 다음의 단계들에 기초하여 계산된다:11B, 11C, and 11D are schematic views of components of the apparatus 1700 of FIG. 17A. The foregoing figures also show the components necessary for determining ground reaction force and zero moment pivot (linear linear elastic actuator 1116 (eg, a combination of linear actuator 1716 and series elastic member 1724 of FIG. 17) and a parallel spring. 1120 (e.g., the passive elastic member 1724 of Figure 17A) shows the force and moment relationship ω r ZMP and w F GRF are calculated based on the following steps:

1. 관성 측정 유닛 및 발목 관절(1104) 각도 입력을 이용하여 하퇴 부재(1100) 및 발 부재(1108)의 관성 상태를 업데이트. 강체 추정을 이용하여, 하퇴 부재(1100) 및 발 부재(1108)의 하퇴 부재(1100) 및 발 부재(1108) 및 각속도 및 가속도의 무게 중심(CM)에서 세계-참조된 가속도를 추가로 계산한다.1. Update the inertia states of the lower member 1100 and the foot member 1108 using the inertial measurement unit and ankle joint 1104 angle input. Using rigid estimation, the world-referenced acceleration is further calculated at the lower member 1100 and the foot member 1108 of the lower member 1100 and the foot member 1108 and the center of gravity (CM) of angular velocity and acceleration. .

2. 하퇴 부재(1100) 축을 따라 분해됨에 따라 하퇴 부재(1100)에 작용하는 힘의 함수로서

Figure pct00061
를 푼다.2. As a function of the force acting on the lower member 1100 as it is disassembled along the lower member 1100 axis.
Figure pct00061
Loosen

3. 하퇴 부재(1100)에 작용하는 힘 및 모멘트 컴포넌트 각각에 의해 가해지는 모멘트의 함수로서

Figure pct00062
를 푼다.3. As a function of the moment exerted by each of the force and moment components acting on the lowering member 1100
Figure pct00062
Loosen

4. 단계 2 및 3에서 계산되는

Figure pct00063
Figure pct00064
에 대한 값을 이용하고 발 부재(1100)에 가해지는 힘의 균형을 맞추어 wFGRF를 푼다.4. Calculated in steps 2 and 3
Figure pct00063
And
Figure pct00064
Solve w F GRF by using the value for and balancing the force applied to the foot member 1100.

5. wFGRF가 발-지면 경계(즉, ωrz ZMP=0)에서 가해진다는 것을 가정하여 발목 관절(1104)을 중심으로 모멘트의 균형을 맞춘다.5. Balance the moment around the ankle joint 1104 assuming that w F GRF is applied at the foot-ground boundary (ie, ω r z ZMP = 0).

6. ωry ZMP를 푼다.
6. Solve the ω r y ZMP .

지형 terrain 텍스쳐로As a texture 인한 발목 관절 거동 Ankle Joint Behavior

도 12a는 보행 속도의 함수로서 평지의 보철 장치(예를 들어, 도 17a의 장치(1700))의 생체 모방 Γ-θ 거동을 도시한다. 도 12b는, 특히, 빠른 속도로 걷는 경우, 발목 관절 토크가 힘이 실린 족저 굴곡 중에 각도에 따라 빠르게 약화함으로써, 이상적 생체 모방 응답으로부터 출발하고 수행되는 순 작업(Γ-θ 곡선 하의 구역)을 현저하게 감소시킨다는 것을 도시한다.12A shows the biomimetic Γ-θ behavior of a flat prosthetic device (eg, device 1700 of FIG. 17A) as a function of walking speed. 12B shows the net work (zones under the Γ-θ curve) starting and performing from the ideal biomimetic response, especially when walking at high speeds, with the ankle joint torque weakening rapidly with angle during plantar flexion with force. To reduce the power consumption.

통상의 로봇 시스템에 있어서, 궤적 또는 다른 재생 수단은 반복 가능하며 프로그램 가능한 응답들을 전달하기 위해 이용된다. 이러한 수단은 착용자의 의도가 재생 세그먼트 중간에 변화할 수 있기 때문에 보철 및 지지대 디바이스들에서 바람직하지 않다. 예를 들어, 착용자는 빨리 걷다가, 아이스 패치 앞에서 갑자기 정지할 수도 있다. 미리-프로그램된 궤적들 등은 재생되며, 힘 및 토크의 급속한 변화 및 위험의 유발 없이 이들을 중단시키는 쉬운 방법은 없다. 사실상, 이것이 고유의 수단이 이용되는 이유이다. In a typical robotic system, trajectories or other reproducing means are used to convey repeatable and programmable responses. Such means are undesirable in prosthetic and support devices because the wearer's intention can vary in the middle of the regeneration segment. For example, the wearer may walk quickly and stop suddenly in front of an ice patch. Pre-programmed trajectories and the like are reproduced, and there is no easy way to stop them without causing rapid change in force and torque and causing a hazard. In fact, this is why inherent means are used.

힘이 실린 족저 굴곡 중에 발목 관절 토크의 적용을 연장하기 위해, 보행 속도-종속 정규화된 지면 접촉 길이는 정점 족저 굴곡 토크, Γo를 완화시키는 수단으로서 이용된다. 지면 접촉 길이는 도 2a 내지 도 5와 관련되는 설명에서 추론되는 발의 이상 모델을 이용하고 제어된 배측 굴곡 및 힘이 실린 족저 굴곡 동안 발 부재의 관성 자세를 측정함으로써 추정된다. 도 12c에 도시되는 바와 같이, 발이 발바닥-닿기에서 발가락-들기로 천이함에 따라, 이상화된 발의 섹션이 지형 아래로 떨어져서, 지면 접촉 길이의 추정을 가능하게 된다. 도 12d는

Figure pct00065
가 발바닥-닿기에서 발가락-들기까지 어떻게 변화하는지를 도시한다.To extend the application of the ankle joint torque during forceful plantar flexion, the walking speed-dependent normalized ground contact length is used as a means to mitigate the vertex plantar flexion torque, Γ o . Ground contact length is estimated by using an anomaly model of the foot inferred in the description associated with FIGS. 2A-5 and measuring the inertial attitude of the foot member during plantar flexion with controlled dorsal flexion and force. As shown in FIG. 12C, as the foot transitions from the sole-to-toe to the toe-lifting, the sections of the idealized foot fall below the terrain, allowing estimation of ground contact length. 12D is
Figure pct00065
Shows how the change from the sole to the toe-lift.

도 12e는 접촉 약화의 길이의 속도-종속 표들이 어떻게 힘이 실린 족저 굴곡 중에 생체 모방 거동을 달성하는 수단으로서 정규화된 지면 접촉 길이를 이용할 수 있도록 하는지를 도시한다. 표들은 보행 속도의 함수로서 제어되는 환경에서의 비-절단 수술 환자의 지면 반력 및 발 부재 자세를 동역학적으로 측정함으로써 계산될 수 있다. 완화 함수 및 지면 접촉 길이 사이의 기능적 관계는 보행 속도 각각에 대해 계산될 수 있다. 이러한 표들은 참조 관계로서 보철 장치의 제어기에 저장될 수 있다. 기능은 보철 장치가 착용자에 맞는 경우 특정 착용자 요구에 맞는 형상이 될 수 있다. FIG. 12E shows how the velocity-dependent tables of the length of contact weakening enable the use of normalized ground contact length as a means of achieving biomimetic behavior during forceful plantar flexion. The tables can be calculated by dynamically measuring the ground reaction force and the foot absent posture of a non-cutting surgical patient in a controlled environment as a function of walking speed. The functional relationship between the relaxation function and the ground contact length can be calculated for each walking speed. These tables can be stored in the controller of the prosthetic device as a reference relationship. The function may be shaped to meet specific wearer needs if the prosthetic device fits the wearer.

전술한 바와 같이, 분명한 궤적 또는 재생 수단의 반대인 고유의 피드백을 이용하는 동기들 중 하나는 착용자 의도의 변화(예를 들어, 빨리 정지하기로 결정)를 수용하는 것이다. 발목 관절 토크를 완화하는 수단으로서 지면 접촉 길이를 이용하는 고유의 감지는 정지 및 방향 전환을 포함하는 착용자의 의도 변화를 수용하는데 충분히 일반적이지 않다. 도 12g를 참조하면, 보철 장치에서 구현되는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 시간-종속 감쇠 인자(e-t/τ)는 지면 접촉 길이 감쇠와 직렬로 이용된다. 이러한 감쇄의 시간 상수 τ는 착용자의 의도 변화와 관련된 위험을 방지하도록 힘이 실린 족저 굴곡 구동 토크를 없애기 위해 대안될 수 있다. τ는 통상 50 내지 100msec의 범위일 수 있다.As mentioned above, one of the motivations for using inherent feedback, which is the inverse of the apparent trajectory or playback means, is to accommodate a change in the wearer's intention (e.g., decide to stop quickly). Inherent sensing using ground contact length as a means of mitigating ankle joint torque is not general enough to accommodate a change in the wearer's intentions, including stopping and turning. 12G, in one embodiment of the invention implemented in a prosthetic device, the time-dependent damping factor (e- t / τ ) is used in series with the ground contact length attenuation. The time constant τ of this attenuation can be altered to eliminate the plantar flexion drive torque loaded with force to prevent the risk associated with the change of intention of the wearer. τ can typically be in the range of 50 to 100 msec.

바람직하게도, 보철 장치는 착용자가 모든 지형에서 적은 노력으로 더 빠르게 걸을 수 있도록 한다. 지형 상황(계단, 경사 오르기/내려가기)의 변화만을 수용하는 것으로는 불충분하다. 이와 같은 지형 텍스쳐의 변화는 미끄러짐(예를 들어, 얼음/눈)을 유발할 수도 있고, 가라앉음(진흙, 눈, 모래, 고운 자갈) 위험은 반드시 수용되어야 한다. 제로 모멘트 피벗 궤적의 고유의 감지는 변화하는 지형 텍스쳐 상을 걷는 동안 보행 성능을 최적화 및/또는 위험 제거를 위해 이용될 수 있다. Preferably, the prosthetic device allows the wearer to walk faster on all terrains with less effort. It is insufficient to accommodate only changes in terrain conditions (stairs, slope climbs / downs). Such changes in terrain texture may cause slippage (eg ice / snow), and the risk of sinking (mud, snow, sand, fine gravel) must be accepted. Inherent sensing of zero moment pivot trajectories can be used to optimize walking performance and / or eliminate risk while walking on changing terrain textures.

도 12f는 통상의 보행 이동 중에 제로 모멘트 피벗 벡터,

Figure pct00066
, 의 추정된 y-컴포넌트가 어떻게 변화하는지를 도시한다. 도시되는 바와 같이, 비-미끄러짐 조건
Figure pct00067
은 발바닥-닿기(3) 및 발가락-들기(4)의 조건 사이에서 단조롭게 증가해야 한다. 이는 이러한 시기에(보행 사이클이 진행함에 따라 증가하여) 지형 표면으로부터 위로 올라오는 것이 뒤꿈치이기 때문이다. 제로 모멘트 피벗의 속도가 음의 y-축을 따라 이동하는 경우, 발이 미끄러진다. 잠금-방지 브레이크(ABS)가 자동차에서 구현되는 것과 유사한 방식에 있어서, 보철 장치는 음의 제로 모멘트 피벗 속도의 적분으로부터 추출되는 감쇠 인자에 의해 토크를 감소시킬 수 있다. 일 실시예에 있어서, 소음 민감도를 감소시키기 위해, 소음 임계치 이하의 음의 속도만이 적분된다.12F is a zero moment pivot vector during normal walking movement,
Figure pct00066
We show how the estimated y-component of,,, changes. As shown, non-slip conditions
Figure pct00067
Should increase monotonically between the conditions of the sole-contacting 3 and the toe-lifting 4. This is because at this time (increasing as the walking cycle progresses), it is the heel to rise up from the terrain surface. If the velocity of the zero moment pivot moves along the negative y-axis, the foot slips. In a manner similar to that in which an anti-lock brake (ABS) is implemented in a motor vehicle, the prosthetic device can reduce the torque by a damping factor extracted from the integration of the negative zero moment pivot speed. In one embodiment, only the speed of sound below the noise threshold is integrated to reduce noise sensitivity.

도 13a 및 도 13b는, 예를 들어, 도 17a 내지 도 17e의 장치(1700)에 적용되는 본 발명의 예시적인 실시예의 상태 제어 상황을 제공한다. 통상의 보행은 두 가지 시기들: 유각기 및 입각기 사이의 사이클링을 포함한다. 도 13a는 입각기 지면과 접촉하는 뒤꿈치(1320)에 의해 개시되는 보행 이동을 포함하는 제어 시스템을 도시한다.

Figure pct00068
는 지면-참조된, 세계 프레임에서의 발목 관절 속도의 z-컴포넌트를 나타낸다. 도 13b는 입각기가 지면과 접촉하는 발가락(1324)에 의해 개시되는 보행 이동을 도시한다.
13A and 13B provide a state control situation in an exemplary embodiment of the present invention applied to, for example, the device 1700 of FIGS. 17A-17E. Common walks involve cycling between two phases: the stray and the stance. 13A illustrates a control system that includes walking movement initiated by heel 1320 in contact with the standing ground.
Figure pct00068
Denotes the z-component of the ankle joint velocity in the ground-referenced world frame. FIG. 13B illustrates the walking movement initiated by the toe 1324 where the stance is in contact with the ground.

보행 사이클 동안 보철 또는 지지대를 구동하기 위한 예시적인 제어 시스템 거동Example Control System Behavior for Driving a Prosthesis or Support During a Walk Cycle

도 13a 및 도 13b는 제어 시스템(1300)이 유각기(1304) 및 입각기(1308)에서의 상태 사이의 발목 천이로서 발목 거동을 변화시킨다는 것을 도시한다. 제어 시스템(1300)은 발목의 위치를 정하는 유각기에 위치 제어(1328)를 적용하여 초기 유각기 상태에서의 헛디딤 위험을 회피하고, 후기 유각기 상태에서 특정 지형 조건(슬로프, 계단, 단차)에 대한 뒤꿈치-발가락 착지 공격 각도(적응적 발목 위치설정)를 최적화하도록 한다. 제어 시스템(1300)은 입각기에서의 임피던스 및 토크 제어(1332) - 발목의 관성, 스프링 및 댐핑 특성을 최적화 - 를 뒤꿈치/발가락 착지, 발 하향이동, 피크 에너지 저장(기하급수적 경화를 갖는 배측 굴곡), 힘이 실린 족저 굴곡 및 발가락-들기를 통한 발목 천이로서 적용한다. 13A and 13B show that the control system 1300 changes the ankle behavior as an ankle transition between states in the stator 1304 and the stance 1308. The control system 1300 applies the position control 1328 to the stator to position the ankle to avoid risk of crushing in the initial sting phase, and to select certain terrain conditions (slopes, steps, steps) in the staging phase. Optimize heel-toe landing attack angle (adaptive ankle positioning) for The control system 1300 controls the impedance and torque control 1332 in the stance-optimizing the inertia, spring and damping characteristics of the ankle-heel / toe landing, foot downward movement, peak energy storage (dorsiflexion with exponential hardening). ) As an ankle transition via forceful plantar flexion and toe-lift.

도 13c는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 하부 사지(lower limb) 장치(예를 들어, 도 17a의 장치(1700))에 적용되는 위치 제어를 위한 방법을 도시한다. 장치의 착용자 및/또는 제어기가 발가락(1340)이 착용자 앞의 지형을 지나가고자 한다는 것이 확실할 때까지 발 부재(1348)를 전방으로 이동시키지 않는 것이 바람직하다. 이를 수행하는 하나의 예시적인 방안은 발 부재(1348)의 발가락(1340)이 하부 지형에 대한 발가락(1340)의 마지막 위치 위에 충분한 거리에 있을 때까지 기다리는 것이다. 본 실시예에 있어서, 제어 시스템(1300)은 시간 t 및 시간 tk -l에서의 발 부재(1348)의 발가락(1340) 사이의 지형 표면의 법선 벡터를 따라 측정되는 간극 거리가(ε0)보다 크게 되도록 결정된 이후에만 발목 관절(1340)을 회전시키기 시작함으로써 위치 제어(1328)를 적용한다. 이는 발가락(1340)이 헛디딜 수도 있는 위험을 최소화한다. 일 실시예에 있어서, 두 가지 상이한 시간(t 및 tk -l)에서의 발가락(1344)의 위치는 전술한 바와 같이 관성 측정 유닛 측정치를 이용하여 결정된다. 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 발 부재(1348)를 전방으로 이동시키는 것이 적절한 때를 결정하는 다른 방식을 적용하는 법을 알 수 있을 것이다. 몇몇 실시예들에 있어서, 제어기는, 예를 들어, 배측 굴곡 시 발의 체적이 지형 표면에 대해 원하는 간극을 달성하는가의 여부에 기초하여 적절한 전방 이동 시기를 결정할 수 있다. FIG. 13C illustrates a method for position control applied to a lower limb device (eg, device 1700 of FIG. 17A), in accordance with an exemplary embodiment of the present invention. Preferably, the wearer and / or controller of the device does not move the foot member 1348 forward until it is certain that the toe 1340 wishes to pass the terrain in front of the wearer. One exemplary way to do this is to wait until the toe 1340 of the foot member 1348 is a sufficient distance above the last position of the toe 1340 relative to the underlying terrain. In this embodiment, the control system 1300 has a gap distance (ε 0 ) measured along the normal vector of the topographical surface between the toes 1340 of the foot member 1348 at time t and time t k -l . Position control 1328 is applied by starting to rotate ankle joint 1340 only after it is determined to be larger. This minimizes the risk that the toes 1340 may be sluggish. In one embodiment, the position of the toes 1344 at two different times t and t k -l are determined using inertial measurement unit measurements as described above. Those skilled in the art will know how to apply other ways of determining when it is appropriate to move the foot member 1348 forward. In some embodiments, the controller can determine an appropriate forward movement timing, for example, based on whether the volume of the foot at the dorsal flexion achieves the desired clearance with respect to the terrain surface.

요약하면, 본 발명의 실시예에 있어서, 보철 장치는 평지 보행, 계단 오르기/내려가기 및 경사로 오르기/내려가기를 포함하는 보행 과정에서 진정한 생체 모방 거동을 달성하고자 하는 의도에 맞는 단계적 지형 적응법을 채용한다. 도 14a는 단계적 적응법이 수행되는 프로세스를 개괄적으로 도시한다. 유각기에 있어서, 관성 측정 유닛은, 장치가 유각기 궤적 특징에 의해 공급되는 신호(cue)로부터 지형 상황을 파악하도록 하는, 고유의 감지 입력(외부 신경/근전기 입력의 반대인)을 공급한다. 적응적 유각기 발목 위치설정은 유각기 궤적 신호 상의 지형 상황 구별에 의해 결정되는 대로 가장 유사한 지형 상황에 대해 최적화되는 자연 뒤꿈치 또는 발가락 착지를 달성하도록 하기 위한 발목 각도, θ의 관절 결합을 의미한다. In summary, in an embodiment of the present invention, the prosthetic device employs a stepwise terrain adaptation method adapted to the intention to achieve true biomimetic behavior during walking, including flat walking, stepping up / down and ramping up / down. Adopt. 14A schematically illustrates the process by which the stepwise adaptation method is performed. In the stir phase, the inertial measurement unit supplies a unique sensing input (opposite of the external nerve / myopia input), which causes the device to identify the terrain situation from the cue supplied by the stipple trajectory feature. . Adaptive angular ankle positioning refers to the joint combination of ankle angle, θ, to achieve a natural heel or toe landing that is optimized for the most similar topographical situation, as determined by topographical contextual distinction on the stator trajectory signal.

도 14b는 발목 관절 보철을 세 가지 상이한 보행 상황에 적용할 수 있는 예시적인 임피던스를 도시한다. 도 14b는 요구되는 발목 토크(1404, Nm/kg 단위) 대 발목 관절각도(1408, 도 단위)의 그래프이다. 그래프는 세 개의 곡선(1412, 1416 및 1420)들을 포함한다. 곡선(1412)은 5도 오르막 경사로 상의 보행을 위한 발목 관절 토크(1404) 대 발목 관절각도(1408)를 도시한다. 곡선(1416)은 5도 내리막 경사로 상의 보행을 위한 발목 관절 토크(1404) 대 발목 관절각도(1408)를 도시한다. 곡선(1420)은 0도 경사로(평지) 상의 보행을 위한 발목 관절 토크(1404) 대 발목 관절각도(1408)를 도시한다. 곡선의 슬로프는 강성(또는 일반적으로 임피던스)과 동일하다. 폐쇄된 Γ-θ 곡선에 의해 밀폐되는 구역은 특정 지형 상황(예를 들어, 슬로프, 계단) 및 보행 속도에 요구되는 비-보존 작업의 양에 대응한다. 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 발목 관절 보철은 곡선(1412) 내의 구역이 곡선(1416) 내의 구역보다 크므로 오르막 경사로 보행 대 평지 보행의 보행 작업를 수행하도록 더 많은 작업을 제공하는 것이 필요할 것이다.
14B shows exemplary impedances that may apply ankle joint prosthesis to three different gait situations. 14B is a graph of the required ankle torque (in 1404, Nm / kg) versus ankle joint angle (1408 in degrees). The graph includes three curves 1412, 1416, and 1420. Curve 1412 shows ankle joint torque 1404 versus ankle joint angle 1408 for walking on a 5 degree uphill ramp. Curve 1416 shows ankle joint torque 1404 versus ankle joint angle 1408 for walking on a 5 degree downhill ramp. Curve 1420 shows ankle joint torque 1404 versus ankle joint angle 1408 for walking on a zero degree ramp (flat). The slope of the curve is equal to the stiffness (or generally impedance). The area enclosed by the closed Γ-θ curve corresponds to the amount of non-conservation work required for certain terrain conditions (eg slopes, stairs) and walking speed. As can be seen in the graph, the ankle joint prosthesis will need to provide more work to perform a walk of walk versus flat walk on an uphill slope because the area within curve 1412 is larger than the area within curve 1416.

하이브리드hybrid 의족 증대 시스템의 일반화 Generalization of Prosthetic Footprint System

도 15는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 의족 생체 역학 장치(1500)의 개략도이다. 일 실시예에 있어서, 장치(1500)는 착용자의 보행 능력을 증대하는 지지대 장치이다. 다른 실시예에 있어서, 장치(1500)는 착용자의 엉덩이, 허벅지, 정강이 및 발의 근골격 기형 및/또는 이상을 지지 및/또는 고정하도록 착용자의 신체에 부착되는 지지대 장치이다. 다른 실시예에 있어서, 장치(1500)는 착용자의 의족 생체 역학 출력(예를 들어, 착용자의 의족 강도 및 이동성을 증대)를 보조 또는 증대하도록 착용자의 신체에 부착되는 외골격 장치이다. 15 is a schematic diagram of the prosthetic biomechanical apparatus 1500, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention. In one embodiment, the device 1500 is a support device that increases the wearer's ability to walk. In another embodiment, the device 1500 is a support device attached to the wearer's body to support and / or fix the musculoskeletal malformations and / or abnormalities of the wearer's hips, thighs, shins and feet. In another embodiment, the device 1500 is an exoskeleton device attached to the wearer's body to assist or increase the wearer's limb biomechanical output (eg, increasing the wearer's limb strength and mobility).

장치(1500)는 복수의 링크(또는 부재) 및 링크를 연결하는 관절에 의해 구성되는 연결 장치이다. 장치(1500)는 발목 관절(1512)에 의해 하퇴 부재(1516, L1)에 연결되는 발 부재(1508, L0)를 포함한다. 장치(1500) 또한 무릎 관절(1520)의 의해 하퇴 부재(1516)에 연결되는 허벅지 부재(1524, L2)를 포함한다. 장치는 또한 착용자의 상체(1532, L3)에 허벅지 부재(1524)를 결합시키는 고관절(1528)을 포함한다. 무게 중심(1504)은 장치(1500) 및 착용자의 조합의 무게 중심이다.The device 1500 is a connecting device constituted by a plurality of links (or members) and joints connecting the links. Device 1500 includes foot members 1508, L 0 , which are connected to lower leg members 1516, L 1 by ankle joint 1512. Device 1500 also includes thigh members 1524, L 2 , which are connected to lowering member 1516 by knee joint 1520. The device also includes a hip 1528 that couples the thigh member 1524 to the upper body 1532, L 3 of the wearer. Center of gravity 1504 is the center of gravity of the combination of device 1500 and wearer.

발 부재(1508)는 발 부재(1508) 아래에 놓인 지형(1536)과 제로 모멘트 피벗(1540)에서 접촉한다. 발 부재(1508)는 발가락 부분(1544) 및 뒤꿈치 부분(1548)을 포함한다. 장치(1500)의 각각의 관절은 또한 토크(힘) Γi , 변위 ξi , 및 임피던스 Ki의 일반화된 벡터를 갖는 작동기를 포함하되, i=0은 발목 관절(1512)에 해당하며, i=l은 무릎 관절에 해당하며, i=2는 고관절에 해당한다. 각각의 관절 작동기는 기계요소(예를 들어, 볼-스크루 작동기 또는 회전 조화 구동기), 인간 근육, 또는 둘 다를 포함할 수 있다. 관절 변위는 통상 각도 변위(회전)의 형태를 취하지만, 예를 들어, 통상의 무릎 관절에서 볼 수 있는 선형 및 각도 변위의 조합을 포함할 수 있다. 링크, i의 자세는 세계 좌표 프레임, W의 단위 벡터의 항으로 그의 좌표 프레임의 링크 원점의 위치 및 단위 벡터를 정의하는 4x4 행렬에 의해 표시된다.The foot member 1508 is in contact with the terrain 1536 underlying the foot member 1508 at the zero moment pivot 1540. 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 , displacement ξ i , and impedance K i , where i = 0 corresponds to ankle joint 1512, i = l corresponds to the knee joint and i = 2 corresponds to the hip joint. Each articulation actuator may comprise a mechanical component (eg, ball-screw actuator or rotational coordination driver), human muscle, or both. Joint displacement usually takes the form of angular displacement (rotation), but may include, for example, a combination of linear and angular displacement found in conventional knee joints. The posture of the link, i, is represented by a 4x4 matrix that defines the position of the link origin of the coordinate frame and the unit vector in terms of the world coordinate frame, the unit vector of W.

각각의 링크, j의 자세는 연결 장치 제한 관계 ― 구체적으로 링크, i-1,의 자세를 일반화된 변위, ξj, 및 특정 링크 변수(링크 길이, 왜곡 및 수렴 각도)에 의해 정의되는 변환으로 곱함으로써 ― 를 통해 결정될 수 있다. 예를 들어, 정강이의 자세가 알려진 경우, 발, 허벅지 및 상체의 자세는 이러한 연결 장치에 대한 일반화된 변위가 알려졌다는 가정 하에 이들을 직접 감지하거나 관성 센서의 이용을 통해 계산될 수 있다. 각각의 링크에 대해 고유한 센서 정보의 벡터는 고유의 감지 유닛(ISU)이라고 불릴 수 있는 것에 압축된다. 고유의 센서들의 예는 일반화된 변위의 직접 또는 간접 측정; 링크의 각도 비율 및 가속도의 측정(예를 들어, 관성 측정 유닛을 이용하여); 링크 상의 힘 또는 토크의 컴포넌트의 측정 또는 추정; 다중-모달(modal) 컴퓨터 형상화(예를 들어, 범위 지도) 또는 링크 상의 또는 그에 인접하는 특정 신경 경로의 출력의 측정을 포함한다. The posture of each link, j, is a linking device constraint relationship--specifically, the posture of the link, i-1, is converted into a transformation defined by generalized displacement, ξ j , and certain link variables (link length, distortion, and convergence angle). By multiplying by For example, if the postures of the shins are known, the postures of the feet, thighs and upper body can be calculated either directly by sensing them or using the inertial sensor, assuming that the generalized displacements for these connecting devices are known. The vector of sensor information unique for each link is compressed into what may be called a unique sensing unit (ISU). Examples of inherent sensors include direct or indirect measurement of generalized displacement; Measurement of angular rate and acceleration of the link (eg, using an inertial measurement unit); Measuring or estimating a component of a force or torque on the link; Multi-modal computer shaping (eg, range maps) or measurements of the output of specific neural pathways on or adjacent to a link.

지형은 표면 특성, α(x,y)을 갖는 외형 함수, z(x,y)로서 모델링된다. 이러한 경우, 표면 특성은 그가 표면에 아래로 접촉 및 발 부재와 함께 그로부터 밀어져야 하는 작업에 관련됨에 따라 표면상의 정지 마찰력을 획득하는 발의 능력을 포착하고 이러한 표면 에너지를 포착하기에 충분한 표면의 탄성/소성, 댐핑 특성 및 마찰 계수를 포함한다. The terrain is modeled as a surface function, an appearance function with α (x, y), z (x, y). In this case, the surface properties are sufficient to capture the surface's resilience / capacity to capture the surface energy and capture the ability of the foot to obtain a static frictional force on the surface as it relates to the work he is forced to contact with the surface and to be pushed away from it with the foot member. Plasticity, damping properties and coefficient of friction.

도 16은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 착용자의 허벅지 부재, 엉덩이 부재 및 상체의 자세를 결정하는 방법을 도시하는 개략도이다. 로봇 무릎 보철 또는 지지대를 채용하는 하부 사지 시스템에 있어서, 엉덩이의 위치는 또한 허벅지 위에 관성 측정 유닛을 설치하거나 하퇴 부재에 대해 참조된 상대 무릎 각도를 측정함으로써 계산될 수 있다. 관성 측정 유닛이 상체에 추가로 채용되면, 상체의 자세 또한 순간적으로 계산될 수 있다. 대안적으로, 자세는 두 개의 자유도 고관절 변위를 측정함으로써 계산될 수 있다. 상체 관성 측정 유닛 상의 레이트 자이로 및 가속도계 드리프트로부터 나오는 상체 자세 예측 에러에 대한 보상은 하이브리드 시스템 연결 장치를 통한 속도 제한의 연쇄 처리를 통한 하퇴 부재 제로-속도 업데이트 중에 교정될 수 있다.16 is a schematic diagram illustrating a method of determining a wearer's thigh member, hip member, and upper body posture, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention. In a lower limb system employing a robotic knee prosthesis or support, the position of the hip can also be calculated by installing an inertial measurement unit over the thigh or by measuring the relative knee angle referenced to the lower leg member. If the inertial measurement unit is further employed on the upper body, the posture of the upper body can also be calculated instantaneously. Alternatively, the pose can be calculated by measuring two degrees of freedom hip joint displacement. Compensation for the upper body attitude prediction error resulting from the rate gyroscope and accelerometer drift on the upper body inertia measurement unit can be corrected during the down member zero-speed update through a chain process of speed limiting via the hybrid system connection device.

도 16은 속도 제한이 상체 자세

Figure pct00069
, 허벅지 자세
Figure pct00070
및 상체/바디 무게 중심 자세
Figure pct00071
의 예측을 교정하도록 이용되는 자세 복원 방법을 도시한다. 단계 1(1604)은, 도 2a 내지 도 5에 대하여 전술한 바와 같이, 하퇴 부재 자세를 결정하도록 하퇴 부재(1620, 링크 1) 상의 제로 속도 업데이트의 출력부를 포착한다. 허벅지 부재(1624, 링크 2) 및 상체 부재(1628, 링크 3) 각각에 대한 솔루션(단계 2 및 3)은 단계 1(1604)의 예를 따르지만, 이러한 경우에 있어서, 속도 제한은 영이 아니며, 이전 링크로부터 병진 및 회전 속도에 의해 예측된다.
Figure 16 shows the upper body posture limit
Figure pct00069
Thigh posture
Figure pct00070
And upper body / body center of gravity posture
Figure pct00071
A posture reconstruction method used to calibrate the prediction of P is shown. Step 1 1604 captures the output of the zero velocity update on the lower member 1620, link 1, as described above with respect to Figures 2A-5. The solution (steps 2 and 3) for each of the thigh members 1624, link 2 and upper body 1628, link 3 follows the example of step 1 1604, but in this case, the speed limit is not zero, Predicted by translation and rotational speed from the link.

예시적인 기계 설계Example Machine Design

도 17a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 의족 보철 장치(1700)를 도시한다. 장치(1700)는 착용자의 상보형 의족 사지 소켓 부재에 부착될 수 있도록 하는 장착 인터페이스(1704)를 갖는다. 장치(1700)는 또한 장착 인터페이스(1704)와 결합되는 구조 엘리먼트(1732)(본 명세서에서는 피라미드라고 함) 및 하퇴 부재(1712)의 제 1 엔드-포인트(1752)(본 명세서에서는 정강이라고 함)를 포함한다. 몇몇 실시예들에 있어서, 장치의 하퇴 부재에 가해지는 축 방향 힘 및 모멘트는 장치의 하퇴 부재와 결합되는 구조 부재(피라미드)를 이용하여 이루어지는 측정치에 기초하여 결정된다. 피라미드는 착용자의 사지 소켓과 결합되는 보철의 컴포넌트인 계기 구조물이다. 일 실시예에 있어서, 피라미드(구조 엘리먼트) 측정치는 하퇴 부재에 가해지는 축 방향 힘 및 모멘트를 결정하도록 제어기에 의해 이용된다. 본 실시예에 있어서, 구조 엘리먼트(1732)는 일 조합의 핀(1711)을 갖는 하퇴 부재(1712)의 제 1 엔드-포인트(1752)와 결합한다. 핀(1711)은 하퇴 부재(1712) 내의 일 조합의 구멍(1713) 및 구조 엘리먼트(1732) 내의 일 조합의 구멍(1715, 도 17e에 도시됨)을 통과한다.17A shows a prosthetic prosthesis 1700, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention. Device 1700 has a mounting interface 1704 that allows attachment to a wearer's complementary limb socket member. Device 1700 also includes structural element 1732 (herein referred to as pyramid) coupled with mounting interface 1704 and first end-point 1702 (referred to herein as shank) of the retraction member 1712. It includes. In some embodiments, the axial forces and moments applied to the retracting member of the device are determined based on measurements made using structural members (pyramids) engaged with the retracting member of the device. A pyramid is a meter structure that is a component of a prosthesis that engages a wearer's limb socket. In one embodiment, pyramid (structural element) measurements are used by the controller to determine the axial force and moment applied to the descending member. In this embodiment, the structural element 1732 engages with the first end-point 1722 of the retraction member 1712 having a combination of pins 1711. The pin 1711 passes through a combination of holes 1713 in the retracting member 1712 and a combination of holes 1715 in the structural element 1732 (shown in FIG. 17E).

구조 엘리먼트(1732)는 장착 인터페이스(1704)를 향해 위치되는 상부 표면(1731) 및 하퇴 부재(1712)를 향해 위치되는 바닥 표면(1733)을 갖는다. 하퇴 부재(1712)는 또한 하퇴 부재(1712)의 제 2 엔드-포인트(1744)에서 발목 관절(1740)에서 발 부재(1708)와 결합한다. 발목 관절(1740, 예를 들어, 회전 베어링)은 발 부재(1708)가 하퇴 부재(1712)에 대해 x-축을 중심으로 회전하도록 한다. 발 부재는 뒤꿈치(1772) 및 발가락(1776)을 포함한다.The structural element 1732 has a top surface 1731 positioned towards the mounting interface 1704 and a bottom surface 1733 positioned towards the retraction member 1712. The lower member 1712 also engages with the foot member 1708 at the ankle joint 1740 at the second end-point 1744 of the lower member 1712. Ankle joint 1740 (eg, a rotating bearing) causes foot member 1708 to rotate about the x-axis with respect to lower leg 1717. The foot member includes a heel 1772 and a toe 1776.

장치(1700)는 또한 제 1 엔드-포인트(1736) 및 제 2 엔드-포인트(1748)를 구비하는 선형 작동기(1716)를 포함한다. 선형 작동기(1716)는 직선 운동(1703)을 생성한다. 선형 작동기(1716)의 제 1 엔드-포인트(1736)는 하퇴 부재(1712)의 제 1 엔드-포인트(1752)와(예를 들어, 로터리 베어링으로) 결합한다. 장치(1700)는 또한 선형 작동기(1716)와 직렬 연결되는 제 1 수동 탄성 부재(1728)를 포함한다. 수동 탄성 부재(1728)는 선형 작동기(1716)의 발 부재(1708) 및 제 2 엔드-포인트(1748)와 결합한다. 수동 탄성 부재(1728)는 수동 탄성 부재(1728)의 인접 엔드-포인트(1730)에서 발 부재(1708)(예를 들어, 로터리 베어링으로)와 결합한다. 수동 탄성 부재(1728)의 말엔드-포인트(1726)는 선형 작동기(1716)의 제 2 엔드-포인트(1748) 사이에(예를 들어, 로터리 베어링으로) 결합한다. 선형 작동기(1716)는 발목 관절(1740)을 중심으로 토크를 가한다. The apparatus 1700 also includes a linear actuator 1716 having a first end-point 1736 and a second end-point 1748. Linear actuator 1716 produces linear motion 1703. The first end-point 1736 of the linear actuator 1716 couples (eg, with a rotary bearing) with the first end-point 1722 of the retracting member 1712. The apparatus 1700 also includes a first passive elastic member 1728 connected in series with the linear actuator 1716. The passive elastic member 1728 is coupled with the foot member 1708 and the second end-point 1748 of the linear actuator 1716. Passive elastic member 1728 engages foot member 1708 (eg, with a rotary bearing) at an adjacent end-point 1730 of passive elastic member 1728. The end-point 1726 of the passive elastic member 1728 couples (eg, with a rotary bearing) between the second end-points 1748 of the linear actuator 1716. Linear actuator 1716 applies torque about ankle joint 1740.

장치(1700)는 또한 제 1 엔드-포인트(1756) 및 제 2 엔드-포인트(1760)를 구비하는 대안적 제 2 수동 탄성 부재(1724)를 포함한다. 제 2 수동 탄성 부재(1724)는 하퇴 부재(1712)와 평행한 단일 방향 스프링 힘(평행 탄성을 제공)을 제공한다. 제 2 수동 탄성 부재(1724)의 제 1 엔드-포인트(1756)는 하퇴 부재(1712)의 제 1 엔드-포인트(1752)와 결합한다. 제 2 수동 탄성 부재(1724)의 제 2 엔드-포인트(1760)는 발 부재(1708)와 결합한다. 그러나, 족저 굴곡 중에, 스프링은 결합하지 않으며, 그에 따라, 단일 방향 스프링 힘을 장치에 제공하기만 한다. The apparatus 1700 also includes an alternative second passive elastic member 1724 having a first end-point 1756 and a second end-point 1760. The second passive elastic member 1724 provides a unidirectional spring force (providing parallel elasticity) parallel to the retraction member 1712. The first end-point 1756 of the second passive elastic member 1724 is coupled with the first end-point 1702 of the lower member 1712. The second end-point 1760 of the second passive elastic member 1724 engages with the foot member 1708. However, during plantar flexion, the springs do not engage, thus merely providing a unidirectional spring force to the device.

몇몇 실시예들에 있어서, 제 2 수동 탄성 부재(1724)는 에너지를 거의 저장하지 않거나 아예 저장하지 않으며 힘이 실린 족저 굴곡 중에 소정 각도를 넘는 발목의 추가 회전을 제한하는 비-순응형 정지부이다.In some embodiments, the second passive resilient member 1724 is a non-compliant stop that stores little or no energy and limits further rotation of the ankle over a certain angle during forceful plantar flexion. .

도 17b 및 도 17c는 제 2 수동 탄성 엘리먼트(1724)를 도시하는 도 17a의 의족 장치의 일부를 도시한다. 제 2 수동 탄성 엘리먼트(1724)는, 족저 굴곡이 아니라, 배측 굴곡 중에 에너지를 저장한다. 탄성 엘리먼트(1724)는 이중-외팔보 결합부(제 1 엔드-포인트(1756) 및 제 2 엔드-포인트(1760) 사이의 위치(1780)에서 클램프됨)를 갖는다. 탄성 부재(1724)는 탄성 엘리먼트(1724)의 전체 길이(y-축을 따라)를 따라 굽힘 스트레인을 최대로 함으로써 탄성 부재(1724)가 효율적으로 에너지를 저장하도록 하는 테이퍼진 형상(1784)를 갖는다. 몇몇 실시예들에 있어서, 정규화된 스프링 상수 범위는 0 내지 12 Nm/rad/kg이다. 범위의 상단에서, 에너지 저장은 대략 0.25 J/kg이다.17B and 17C show a portion of the limb device of FIG. 17A showing a second passive elastic element 1724. The second passive elastic element 1724 stores energy during dorsal flexion, but not plantar flexion. Elastic element 1724 has a double-cantilever coupling (clamped at position 1780 between first end-point 1756 and second end-point 1760). The elastic member 1724 has a tapered shape 1784 that allows the elastic member 1724 to efficiently store energy by maximizing the bending strain along the entire length (along the y-axis) of the elastic element 1724. In some embodiments, the normalized spring constant range is 0 to 12 Nm / rad / kg. At the top of the range, the energy storage is approximately 0.25 J / kg.

탄성 부재(1724)의 캠/경사로 증대는 착용자의 체중에 대해 스프링 상수를 용이하게 맞출 수 있도록 한다. 캠 엘리먼트(1788)는 탄성 부재(1724)의 제 2 엔드-포인트(1760)에 위치된다. 경사로 엘리먼트(1792)는 발 부재(1708)에 위치된다. 캠 엘리먼트(1788)는 배측 굴곡 중에 경사로 엘리먼트(1792)와 결합하지만; 캠 엘리먼트(1788)는 족저 굴곡 중에 경사로 엘리먼트(1792)와 결합하지 않거나 장치(1700)의 다른 부분과 결합한다. 캠 엘리먼트(1788)가 경사로 엘리먼트(1792)와 결합하지 않거나 족저 굴곡 중에 장치(1700)의 다른 부분과 결합하므로, 탄성 부재(1724)는 배측 굴곡 중에만 에너지를 저장한다. 일 실시예에 있어서, 경사로 엘리먼트(1792)의 위치는 착용자 또는 제 2 자(second party)가 캠 엘리먼트(1788)의 경사로 결합을 맞추도록 스크루-조정 가능하여 에너지 저장 특성을 착용자의 보행 습관에 맞출 수 있도록 한다. 작업자는 캠 엘리먼트(1788)의 위치에 대해 경사로 엘리먼트(1792)의 위치를 조정하여 수동 탄성 부재(1724)의 에너지 저장 특성을 변경하도록 한다.Increasing the cam / tilt of the elastic member 1724 allows the spring constant to be easily matched to the wearer's weight. The cam element 1788 is located at the second end-point 1760 of the elastic member 1724. The ramp element 1792 is located in the foot member 1708. Cam element 1788 engages ramp element 1792 during dorsal flexion; The cam element 1788 does not engage the ramp element 1792 during plantar flexion or engages with other portions of the apparatus 1700. Because cam element 1788 does not engage ramp element 1792 or engages with other portions of device 1700 during plantar flexion, elastic member 1724 stores energy only during ventral flexion. In one embodiment, the position of ramp element 1792 is screw-adjustable to allow the wearer or second party to match the ramp engagement of cam element 1788 to match energy storage characteristics to the wearer's walking habits. To help. The operator adjusts the position of the ramp element 1792 relative to the position of the cam element 1788 to change the energy storage characteristics of the passive elastic member 1724.

대안적 실시예에 있어서, 작동기는 제 2 수동 탄성 부재(1724, 탄성 부재 결합각도)가 결합되는 발목 관절 각도를 조정하도록 경사로 안으로 결합된다. 이는, 예를 들어, 착용자가 경사로 및 계단을 오르는 경우, 및 달리기 중에, 탄성 부재(1724)와 결합하지 않고, 유각기 중에 발목 관절(1740)이 배측 굴곡되도록 한다.In an alternative embodiment, the actuator is engaged into the ramp to adjust the ankle joint angle at which the second passive elastic member 1724 (elastic member engagement angle) is engaged. This, for example, causes the ankle joint 1740 to bend back during the stator phase, without engaging the elastic member 1724 when the wearer climbs the ramp and stairs, and during running.

수동 탄성 엘리먼트(1724)는 또한 탄성 엘리먼트(1724)가 배측 굴곡에서 결합되는 경우 장치(1700)에 응답하여 주파수를 증가시키는 기능을 수행한다. 배측 굴곡에서의 장치(1700)의 동역학은 신속 응답(대역폭) 직렬 탄성 작동기(즉, 선형 작동기(1716) 및 제 1 수동 탄성 엘리먼트(1728)의 조합)로부터 득을 본다. 제 2 수동 탄성 엘리먼트(1724)와 관련된 스프링 상수는 인자, β,에 의해 장치(1700)의 대역폭을 증가시킨다:Passive elastic element 1724 also serves to increase the frequency in response to device 1700 when elastic element 1724 is engaged in dorsal flexion. The dynamics of the device 1700 in the dorsal flexion benefit from a fast response (bandwidth) series elastic actuator (ie, a combination of the linear actuator 1716 and the first passive elastic element 1728). The spring constant associated with the second passive elastic element 1724 increases the bandwidth of the device 1700 by the factor, β:

Figure pct00072
식 34
Figure pct00072
Equation 34

여기서, K3는 제 2 수동 탄성 부재(1724)의 스프링 상수이며, Ks는 선형 작동기(1716) 및 제 1 수동 탄성 엘리먼트(1728)의 조합의 스프링 상수이다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제 2 수동 탄성 엘리먼트는 1 내지 3의 β를 제공하여; 장치(1700)의 대역폭을 대략 5 Hz 내지 대략 15 Hz 증가시킨다. 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 present invention, the second passive elastic element provides β of 1 to 3; Increase the bandwidth of device 1700 approximately 5 Hz to approximately 15 Hz.

제 2 수동 탄성 부재(1724)는 장착 구멍을 이용하지 않고 양 엔드-포인트에서의 클램핑을 가능하게 하도록 도브테일 특징부(1796)를 채용한다. 일 실시예에 있어서, 제 2 수동 탄성 부재(1724)는 합성 섬유 물질로 제조된다. 장착 구멍은 응력 강도를 형성할 수 있으며, 스프링의 강도와 타협할 수 있는 수동 탄성 부재(1724)에서의 섬유 탈락을 유발할 수 있다. 엔드-포인트 클램프(1798)는 수동 탄성 엘리먼트(1724)를 제자리에 유지시키는 상보형 형상을 갖는다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 에폭시는 클램프에 채용되어 제 2 수동 탄성 부재(1724)를 엔드-포인트 클램프 내에 영구히 고정한다. 에폭시 관절은 도브테일 특징부(1796) 없이는 실패하기 쉬울 것이다.The second passive resilient member 1724 employs a dovetail feature 1796 to allow clamping at both end-points without using mounting holes. In one embodiment, the second passive elastic member 1724 is made of synthetic fiber material. The mounting holes can form stress strength and can cause fiber dropout in the passive elastic member 1724 that can compromise the strength of the spring. End-point clamp 1798 has a complementary shape that holds passive elastic element 1724 in place. In one embodiment of the invention, the epoxy is employed in the clamp to permanently secure the second passive elastic member 1724 in the end-point clamp. Epoxy joints will be likely to fail without dovetail features 1796.

수동 탄성 엘리먼트(1724)는 에너지 저장 밀도가 주어진 편향에 대한 길이 전체에 걸쳐 일정하다는 것을 보장하도록 엘리먼트(1724)에서의 에너지 저장을 최대화하는 테이퍼진 디자인을 채용한다. 도 17d를 참조하면, 수동 탄성 엘리먼트(1724)의 자유 물체도(free-body diagram)로서, 롤러 힘, Froller, 및 하퇴 부재 힘, Fshank, 이 중앙 피벗에 의해 동일하며 반대 방향인 힘을 결합시키는 방식을 보여준다. 본 실시예에 있어서, 롤러 힘 및 하퇴 부재 힘은 중앙 피벗으로부터 동일 거리로 가해진다. 엔드-포인트에서의 힘, F,는 도 17f의 중앙 피벗 힘을 생성하도록 결합한다. 표준 얇은 빔 관계를 이용하여, 중앙 피벗으로부터 x의 거리에서 작용하는 모멘트는 선형적으로 변화하며 - 중앙에서 FL의 값에서 출발하여 x=L에서 영으로 떨어짐 -, 여기서 L은 힘이 가해지는 위치 사이의 수동 탄성 엘리먼트(1724)의 길이이다. x를 따르는 에너지 저장 밀도는 표면(ε0(x))에서 모멘트(M(x)) 및 스트레인의 곱에 비례한다.Passive elastic element 1724 employs a tapered design that maximizes energy storage at element 1724 to ensure that the energy storage density is constant throughout its length for a given deflection. Referring to FIG. 17D, as a free-body diagram of the passive elastic element 1724, the roller force, F roller , and the retraction member force, F shank , are the same and opposite in direction by the central pivot. Show how to combine. In this embodiment, the roller force and the retraction member force are applied at the same distance from the central pivot. Forces at the end-point, F, combine to produce the central pivot force of FIG. 17F. Using a standard thin beam relationship, the moment acting at a distance of x from the center pivot changes linearly-starting at the value of FL at the center and falling to zero at x = L-where L is the force The length of the passive elastic element 1724 in between. The energy storage density along x is proportional to the product of the moment M (x) and strain at the surface ε 0 (x).

Figure pct00073
식 35
Figure pct00073
Equation 35

Figure pct00074
식 36
Figure pct00074
Equation 36

합성 물질의 주어진 레이업(layup)에 있어서, 표면 스트레인은 임계값, ε*이하이다. 주어진 모멘트에 있어서, 빔의 에너지 밀도는 표면 스트레인이 이러한 임계값에 대해 설정되는 경우 최대화될 것이다. 에너지 밀도 상수 및 그의 최대값을 유지하기 위해, 빔, w*(x), 의 최적 폭은 전술한 관계에 의해 정의된다:For a given layup of the synthetic material, the surface strain is below the threshold, ε *. For a given moment, the energy density of the beam will be maximized if the surface strain is set for this threshold. In order to maintain the energy density constant and its maximum value, the optimal width of the beam, w * (x), is defined by the above relationship:

Figure pct00075
식 37
Figure pct00075
Equation 37

일 실시예에 있어서, 테이퍼(1784)는 빔의 중앙으로부터 선형적으로 변화한다. 이러한 설계 방법을 이용함으로써, 우리는 테이퍼(1784) 없이 빔과 비교하여 2의 인자에 의해 스프링의 에너지 저장을 증폭하였다. 합성 스프링 물질이 균일하지 않고 얇은 빔 방정식이 적용 가능하지 않으므로, 계산 도구가 수동 탄성 부재(1724)에서의 에너지 저장 밀도를 추정하도록 이용된다. 대부분의 에너지를 저장할 수 있는 형상은 섬유 박리, 박리 설계, 수동 탄성 부재(1724)가 장치(1700)에 부착되는 두께 및 정확한 방식에 상당히 종속된다. 그러나, 우리는 선형 테이퍼가 대략 10%의 최적 범위의 에너지 저장을 전달한다는 것을 결정하였다. 예시적인 실시예에 있어서, 선형 테이퍼가 이용되는 이유는 선형 테이퍼 패턴이 워터-제트 공정을 이용하여 합판 합성 물질 시트로부터 절단되는 것이 상대적으로 쉽기 때문이다. 대안적이며, 덜 예시적인 실시예에 있어서, 테이퍼가 없는 스프링이 이용될 수 있다.In one embodiment, the taper 1784 changes linearly from the center of the beam. By using this design method, we amplified the energy storage of the spring by a factor of two compared to the beam without taper 1784. Since the synthetic spring material is not uniform and the thin beam equation is not applicable, a calculation tool is used to estimate the energy storage density in the passive elastic member 1724. The shape that can store most of the energy is highly dependent on the fiber peel, the peel design, the thickness and the exact manner in which the passive elastic member 1724 is attached to the device 1700. However, we determined that linear taper delivers an optimal range of energy storage of approximately 10%. In an exemplary embodiment, the linear taper is used because it is relatively easy for the linear taper pattern to be cut from the plywood composite sheet using a water-jet process. In an alternative, less exemplary embodiment, a tapered spring can be used.

도 17e는 구조 엘리먼트(1732, 본 명세서에서는 피라미드라 칭함)의 실시예의 사시도를 도시한다. 구조 엘리먼트(1732)는 하퇴 부재(1712)의 장착 인터페이스(1704) 및 제 1 엔드-포인트(1752) 사이에 결합한다. 구조 엘리먼트(1732)는 일 조합의 핀(1711, 도 17a에 도시됨)을 구비하는 하퇴 부재(1712)의 제 1 엔드-포인트(1752)와 결합한다. 핀(1711)은 하퇴 부재(1712) 내의 일 조합의 구멍(1713) 및 구조 엘리먼트(1732) 내의 일 조합의 구멍(1715)을 통과한다. 핀(1711)은 구조 엘리먼트(1732) 내의 스트레인의 회전 자유도가 구조 엘리먼트(1732) 내의 축 방향 힘 및 모멘트로서 잘못 기록되도록 한다. 본 실시예에 있어서, 구조 엘리먼트(1732)는 발목 관절(1740) 상의 모멘트 및 축 방향 부하를 측정, 예를 들어, 장치(1700) 기능을 제어하는 제어기(1762) 상태 기계에 의한 "발-하향"의 양(+)의 검출; 힘이 실린 족저 굴곡 중에 채용되는 양의-피드백 반사 제어에 의한 이용을 위해 인가된 모멘트의 측정; 및 제어기(1762)에 결합되는 안전 시스템의 이용을 위한 미끄러짐의 양의 검출을 가능하게 된다. FIG. 17E shows a perspective view of an embodiment of the structural element 1732, referred to herein as a pyramid. The structural element 1732 couples between the mounting interface 1704 of the retracting member 1712 and the first end-point 1702. The structural element 1732 engages with the first end-point 1702 of the retraction member 1712 having a combination of pins 1711 (shown in FIG. 17A). The pin 1711 passes through a combination of holes 1713 in the retracting member 1712 and a combination of holes 1715 in the structural element 1732. The pin 1711 causes the degrees of freedom of rotation of the strain in the structural element 1732 to be incorrectly recorded as axial forces and moments in the structural element 1732. In the present embodiment, the structural element 1732 is " foot-down " by a controller 1762 state machine that measures the moment and axial load on the ankle joint 1740, eg, controls the device 1700 function. Positive (+) detection; Measurement of the moment applied for use by positive-feedback reflection control employed during forceful plantar flexion; And detection of the amount of slip for use of the safety system coupled to the controller 1762.

본 실시예에 있어서, 구조 엘리먼트(1732)는 작동 중에 장치(1700)에 가해지는 내측-측면 모멘트 및 축 방향 힘에 의해 유도되는 스트레인 필드를 증폭시키는 굴곡 엘리먼트로서 설계된다. 구조 엘리먼트(1732)는 내측-측면 모멘트(x-축을 중심으로 하는 모멘트)가 가해지는 경우 중앙 어댑터 장착 구멍(1734)을 중심으로 영역(1738 및 1742) 내의 반대 부호의 큰 스트레인 필드(차동 스트레인 필드)를 생성한다. 이러한 차동 스트레인 필드는 축 방향 힘이 가해지는 경우에만 나타나는 것은 아니다. 구조 엘리먼트(1732)는 구조 엘리먼트(1732)의 바닥 표면(1733) 상의 두 개의 모멘트-감지 영역(1738 및 1742, 각각)에 결합되는 하나의 스트레인 게이지(1782 및 1786)를 포함한다. 게이지는 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge)의 양측에 적용된다. 제어기(1762)는 스트레인을 측정하도록 휘트스톤 브리지와 결합한다. 스트레인 측정치는 구조 엘리먼트(1732)의 모멘트를 측정하도록 이용된다. 일 실시예에 있어서, 측정의 민감도는 대략 0.15 N-m 범위로서, 이러한 상황에 있어서, 민감도는 500 Hz에서 디지털 샘플링되는 경우 최소 분해 가능한 변화(신호 대 소음≡l)를 정의한다. In this embodiment, the structural element 1732 is designed as a flexing element that amplifies the strain field induced by the lateral forces and lateral forces applied to the device 1700 during operation. The structural element 1732 is a large strain field (differential strain field) of opposite sign in the regions 1738 and 1742 around the center adapter mounting hole 1734 when an inward-side moment (a moment about the x-axis) is applied. ) This differential strain field does not appear only when axial forces are applied. The structural element 1732 includes one strain gauge 1782 and 1786 coupled to two moment-sensing regions 1738 and 1742, respectively, on the bottom surface 1733 of the structural element 1732. Gauges are applied to both sides of the Wheatstone bridge. Controller 1762 couples with the Wheatstone bridge to measure strain. Strain measurements are used to measure the moment of structural element 1732. In one embodiment, the sensitivity of the measurement is in the range of approximately 0.15 N-m, in which case the sensitivity defines the minimum resolvable change (signal-to-noise) when digitally sampled at 500 Hz.

모멘트-유도된 스트레인과 대조적으로, 높은 스트레인은 중앙 어댑터 장착 구멍(1734) 둘레의 영역( 1746 및 1754) 내의 내측-측면 축을 따라 축 방향 힘에 의해 유입된다. 이러한 스트레인은 내측-측면 축을 따라 가공되는 슬롯(1758 및 1770, 각각) 아래의 0.76 mm 두께 영역(영역들(1746 및 1754))에서 나타난다. 슬롯 위의 섹션은 얇은 하부 섹션 내에 최소 스트레인을 갖는 모멘트 부하를 전달하기에 충분히 두꺼워야 한다. 스트레인의 크기는 모멘트-부하만이 가해지는 경우 얇은 섹션에서 현저하게 약해진다. 구조 엘리먼트(1732)는 구조 엘리먼트(1732)의 바닥 표면(1733) 상의 두 개의 축 방향 부하-감지 영역(1746 및 1754, 각각) 각각에 접착되는 하나의 스트레인 게이지(1790 및 1794)를 포함한다. 게이지는 휘트스톤 브리지의 양측에 적용된다. 제어기(1762)는 스트레인을 측정하도록 휘트스톤 브리지와 결합한다. 스트레인 측정치는 구조 엘리먼트(1732) 상의 축 방향 힘 및 그에 따른 하퇴 부재(1712) 상의 축 방향 힘을 측정하도록 이용된다. 가공된 슬롯(1758 및 1770)은 구조 엘리먼트(1732)의 구조적 안정성과의 타협 없이 축 방향-유도된 스트레인을 증폭시킨다.In contrast to the moment-induced strain, the high strain is introduced by axial force along the medial-side axis in the regions 1746 and 1754 around the central adapter mounting hole 1734. This strain appears in the 0.76 mm thick region (regions 1746 and 1754) below the slots 1758 and 1770, respectively, machined along the medial-lateral axis. The section above the slot should be thick enough to deliver the moment load with the minimum strain in the thin lower section. The magnitude of the strain is significantly weaker in thin sections when only moment-load is applied. The structural element 1732 includes one strain gauge 1790 and 1794 attached to each of the two axial load-sensing regions 1746 and 1754, respectively, on the bottom surface 1735 of the structural element 1732. Gauges are applied to both sides of the Wheatstone bridge. Controller 1762 couples with the Wheatstone bridge to measure strain. Strain measurements are used to measure the axial force on the structural element 1732 and thus the axial force on the lower member 1712. Machined slots 1758 and 1770 amplify the axially-induced strain without compromising the structural stability of structural element 1732.

구조 엘리먼트(1732)가 착용자(도시하지 않음) 및 장치(1700)의 나머지 사지 소켓 사이의 구조적 지지의 임계 체인 내에 있으므로, 일 실시예에 있어서, 60 N/kg의 축 방향 부하 이상을 견디도록 설계되는 것이 바람직하다. 본 실시예에 있어서, 축 방향 측정치의 민감도는 장치(1700)가 지면에 단단히 위치되는 것을 감지하도록 장치(1700) 내에서 통상 이용되는 대략 100N의 임계치 이하인 대략 50N의 범위 내에 있게 된다. 장치(1700)의 눈금 조정 중에, 2X2 민감도 행렬은 결정되어, 진정한 모멘트 및 축 방향 힘이 쌍의 스트레인 측정치로부터 추출될 수 있도록 한다.Since the structural element 1732 is in a critical chain of structural support between the wearer (not shown) and the remaining limb sockets of the device 1700, in one embodiment it is designed to withstand more than 60 N / kg of axial load It is preferable to be. In this embodiment, the sensitivity of the axial measurement is in the range of approximately 50N, which is below the threshold of approximately 100N typically used within the device 1700 to sense that the device 1700 is firmly positioned on the ground. During calibration of the device 1700, the 2 × 2 sensitivity matrix is determined so that true moment and axial forces can be extracted from the pair's strain measurements.

도 17f는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 하퇴 부재에 가해지는 축 방향 힘 및 모멘트를 측정하는 대안적 방법의 단면도를 도시한다. 본 실시예에 있어서, 구조 엘리먼트(1732)는 축 방향 힘 및 평면 모멘트(2-자유도)가 잉여 방식(redundant fashion)으로 추출될 수 있는 방법으로 그의 바닥 표면(1733)의 변위를 증폭시키는 굴곡 설계를 채용한다. 본 실시예에 있어서, 장치(1700)는 모멘트(토크) 및 하퇴 부재에 가해지는 축 방향 힘(1712)을 결정하도록 구조 엘리먼트(1732)의 편향을 측정하기 위한 변위 감지 장치(1735)를 포함한다.17F illustrates a cross-sectional view of an alternative method of measuring the axial force and moment applied to the retracting member, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention. In the present embodiment, the structural element 1732 is curved to amplify the displacement of its bottom surface 1733 in such a way that axial forces and planar moments (two degrees of freedom) can be extracted in a redundant fashion. Adopt a design. In this embodiment, the device 1700 includes a displacement sensing device 1735 for measuring the deflection of the structural element 1732 to determine the moment (torque) and the axial force 1712 applied to the retracting member. .

본 실시예에 있어서, 변위 감지 장치(1735)는 하나 이상의 변위 센서(1737, 예를 들어, 접촉 또는 비-접촉 변위 센서)를 채용하는 인쇄 회로 조립체(PCA)를 포함한다. 센서는 각각의 감지 좌표에서 센서(1737) 및 구조 엘리먼트(1732)의 바닥 표면(1733) 사이의 거리를 측정한다. In this embodiment, the displacement sensing device 1735 includes a printed circuit assembly (PCA) that employs one or more displacement sensors 1735 (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 sense coordinate.

일 실시예에 있어서, 구조 엘리먼트(1732)의 바닥 표면(1733)에 대해 PCA 상에 인쇄되는 코일의 상호 인덕턴스 변화는 국부 표면 스트레인(변위)를 측정하도록 이용된다. 본 실시예에 있어서, 구조 엘리먼트(1732)에서의 역류 "와상(eddy)" 전류는 구조 엘리먼트(1732)의 코일 및 바닥 표면(1733) 사이의 거리와 반대로 코일 인덕턴스를 감소시키도록 작용한다. 다른 변위 감지 기술이 포함될 수 있는바, 이는 PCA에 통합되는 힘-감지 저항, 압전 또는 스트레인-게이지를 채용하는 비-접촉 커패시턴스 및 광학 센서 또는 접촉-기반 센서를 포함한다. 배열의 변위 센서를 샘플링함으로써, 축 방향 힘 및 모멘트는 오프-라인 눈금 조정 과정 중에 계산되는 민감도 행렬을 이용하여 추정될 수 있다.In one embodiment, the mutual inductance change of the coil printed on the PCA relative to the bottom surface 1733 of the structural element 1732 is used to measure the local surface strain (displacement). In the present embodiment, the reverse "eddy" current in the structural element 1732 acts to reduce the coil inductance as opposed to the distance between the coil and the bottom surface 1735 of the structural element 1732. Other displacement sensing techniques may be included, including non-contact capacitance and optical or contact-based sensors employing force-sensitive resistors, piezoelectric or strain-gauge integrated into the PCA. By sampling the displacement sensors of the array, the axial forces and moments can be estimated using the sensitivity matrix calculated during the off-line calibration process.

본 실시예에 있어서, 구조 엘리먼트(1732)는 스크루에 의해 하퇴 부재(1712)에 체결되어, 도 17e에 도시되는 실시예에서 채용되는 핀(1711)의 필요성을 제거한다. 스크루 체결 방법은 무게 및 제조 복잡성을 감소시킨다. 또한, 이러한 체결 방법은 변위 감지 장치(1735)가 위치되는 구조 엘리먼트(1732)의 중심에서 측정되는 변위를 증폭시킨다. 도 17g는 평면 모멘트 벡터 및 축 방향 힘이 인쇄 회로 조립체 상의 변위 센서의 원형 배열을 이용하여 계산될 수 있는 방식을 도시한다. 도시되는 바와 같이, 바이어스 및 사인 곡선 변위 함수의 복조(demodulation)는 모멘트 및 힘을 추정하도록 이용된다. 기타 변위 센서 배열 구성은 모멘트 및 힘의 고유 감지 수단으로서 이용될 수 있을 것이다.In this embodiment, the structural element 1732 is fastened to the retraction member 1712 by screws, eliminating the need for the pin 1711 employed in the embodiment shown in FIG. 17E. Screw fastening methods reduce weight and manufacturing complexity. This fastening method also amplifies the displacement measured at the center of the structural element 1732 where the displacement sensing device 1735 is located. 17G shows how the planar moment vector and the axial force can be calculated using a circular arrangement of displacement sensors on the printed circuit assembly. As shown, demodulation of the bias and sinusoidal displacement functions is used to estimate the moment and force. Other displacement sensor arrangements may be used as inherent means of moment and force.

모멘트 및 힘 감지는 보행 상태 변화를 신호 처리하는 수단으로서 유용한다. 또한, 하퇴 부재(1712) 모멘트의 측정은 반사 거동이 힘이 실린 족저 굴곡에서 달성되는 피드백 수단으로서 작용한다. 관성 및 작동기 피드백과의 결합 시, 고유의 모멘트 및 힘 측정은 정지 마찰력 제어 및 균형에 유용한 지면 반력 및 제로 모멘트 피벗을 계산하도록 이용된다. 이러한 이유로 인해, 관성 측정 유닛 및 상태 제어 처리 함수로 감지하는 고유의 모멘트 및 힘을 패키지하는데 유리하다. 도 17f는 이러한 함수가 PCA 상에서 구현될 수 있는 방식을 보여준다. 이러한 PCA는 신호 처리층과 결합되는 상측 변위 감지 FR4-기반 층 및 바닥 FR-4-기반 층 사이의 강성 개재 기판으로서 작용하는 안정 코어 물질(예를 들어, 인바(Invar))을 구비하는 FR-4 물질의 샌드위치로서 구현될 수 있다. 단일 조립체 내에 이러한 물질 및 기능을 통합함으로써 이러한 기능을 상호 연결하는 케이블 및 기타 비-의존 수단에 대한 필요성을 제거한다. 이러한 통합은 또한 독립형 공구가 에너지 복원 및 보행 통계학을 포함하는 수동 보철 및 연구, 보행 변수를 셋업하도록 보철사에 의해 이용될 수 있도록 한다.Moment and force sensing is useful as a means to signal changes in walking state. In addition, the measurement of the retraction member 1712 moment acts as a feedback means by which the reflective behavior is achieved in the plantar flexion on which the force is loaded. In combination with inertia and actuator feedback, inherent moment and force measurements are used to calculate ground reaction forces and zero moment pivots useful for static friction force control and balance. For this reason, it is advantageous to package the inherent moments and forces that are sensed by the inertial measurement unit and the state control processing function. 17F shows how this function can be implemented on the PCA. This PCA is a FR- with a stable core material (e.g. Invar) that acts as a rigid intervening substrate between the top displacement sensing FR4-based layer and the bottom FR-4-based layer in combination with the signal processing layer. It can be implemented as a sandwich of four materials. Integrating these materials and functions within a single assembly eliminates the need for cables and other non-dependent means of interconnecting these functions. This integration also allows stand-alone tools to be used by prostheses to set up passive prosthetics and research, gait parameters, including energy recovery and gait statistics.

도 17a를 참조하면, 장치(1700)는 선형 작동기(1716)를 제어하기 위해 선형 작동기(1716)와 결합되는 제어기(1762)를 포함한다. 본 실시예에 있어서, 제어기는 장치(1700)의 하우징(1764) 내에 설치되어 외부 환경으로부터 보호된다. 하우징(1764) 내의 배터리(1768)는 장치(예를 들어, 장치(1700)와 관련되는 제어기(1762) 및 다양한 센서)에 전력을 제공한다. Referring to FIG. 17A, the apparatus 1700 includes a controller 1762 coupled with a linear actuator 1716 to control the linear actuator 1716. In this embodiment, the controller is installed in the housing 1764 of the device 1700 to protect it from the external environment. Battery 1768 in housing 1764 provides power to the device (eg, controller 1762 and various sensors associated with device 1700).

장치(1700)는 이전의 발가락-들기 위치에 대한 발목 관절(1740), 뒤꿈치(1772) 및 발가락(1776)의 관성 자세 궤적을 예측하는 관성 측정 유닛(1720)을 포함한다. 관성 측정 유닛(1720)은 제어기(1762)에 전기적으로 결합하며, 장치(1700)의 선형 작동기(1716)를 제어하도록 제어기(1762)에 관성 측정 신호를 제공한다. 일 실시예에 있어서, 관성 측정 유닛(1720)은 3-축 가속도계 및 3-축 레이트 자이로를 채용한다. 3-축 가속도계는 세 개의 직교 축을 따라 국부 가속도를 측정한다. 3-축 레이트 자이로는 세 개의 직교 축을 따라 각도 회전을 측정한다. 수치 통합에 대한 이러한 잘 확립된 방법의 이용을 통해, 발 구조의 어느 지점의 위치, 속도 및 자세가 계산될 수 있다. The device 1700 includes an inertial measurement unit 1720 that predicts the inertial posture trajectory of the ankle joint 1740, heel 1772, and toe 1776 for the previous toe-lifting position. Inertial measurement unit 1720 is electrically coupled to controller 1762 and provides an inertial measurement signal to controller 1762 to control linear actuator 1716 of device 1700. In one embodiment, the inertial measurement unit 1720 employs a three-axis accelerometer and a three-axis rate gyro. The 3-axis accelerometer measures local acceleration along three orthogonal axes. A three-axis rate gyro measures angular rotation along three orthogonal axes. Through the use of this well-established method for numerical integration, the position, velocity and posture of any point in the foot structure can be calculated.

몇몇 실시예들에 있어서, 관성 측정 유닛(1720)은 지형 슬로프 및 단차 및 계단의 존재를 검출하도록 이용되어 - 입각기에서의 접촉 및 발목 관절의 스프링 평형 위치 이전에 하부 지형에 대한 발의 "공격 각도"의 최적화를 가능하게 한다. 몇몇 실시예들에 있어서, 관성 측정 유닛(1720)은 착용자의 보행 속도 및 지형의 조건(지형의 특징, 텍스쳐 또는 불규칙성(예를 들어, 지형이 얼마나 질척이는가, 지형이 얼마나 미끄럽고 지형이 거칠거나 매끄러운가, 지형에 바위와 같은 장애물이 있는가))을 결정하도록 이용된다. 이는 착용자가 모든 지형 타입에서 자신감 있게 걸을 수 있도록 한다. 관성 자세는 고정식 지면-참조된 (세계) 좌표 프레임 - 동종 변환의 배향 컴포넌트(세계 참조 프레임에서의 x, y 및 z 축을 정의하는 세 개의 단위 벡터)로서 포착 또는 4원법; 세계 프레임에서의 발목 관절(1740)의 병진 이동; 및 세계 프레임에서의 발목 관절(1740)의 속도로서 포착됨 -에서 하퇴 부재(1712)의 세 개의 자유도 배향을 포함한다. 본 실시예에 있어서, 관성 측정 유닛(1720)은 하퇴 부재(1712)와 물리적으로 결합한다. 몇몇 실시예들에 있어서, 관성 측정 유닛(1720)은 장치(1700)의 발 부재(1708)와 결합한다. In some embodiments, the inertial measurement unit 1720 is used to detect the presence of terrain slopes and steps and steps—the “attack angle of the foot relative to the underlying terrain prior to the spring equilibrium position of the contact and ankle joint at the standing position. Enable optimization of ". In some embodiments, the inertial measurement unit 1720 may include the walking speed of the wearer and the conditions of the terrain (such as terrain features, textures or irregularities (e.g., how dense the terrain is, how slippery the terrain is, rough or smooth). , Is there any obstacle, such as a rock, on the terrain). This allows the wearer to walk confidently in all terrain types. Inertia poses are captured or quaternized as a fixed, ground-referenced (world) coordinate frame-an orientation component of homogeneous transformation (three unit vectors defining the x, y and z axes in the world reference frame); Translational movement of ankle joint 1740 in a world frame; And three degrees of freedom orientation of the lower member 1712 at-captured as the velocity of the ankle joint 1740 in the world frame. In this embodiment, the inertial measurement unit 1720 is physically coupled with the lowering member 1712. In some embodiments, inertial measurement unit 1720 is coupled with foot member 1708 of device 1700.

도 17h는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 도 17a 내지 도 17g의 장치에 이용되는 상태 추정 및 작동기 제어기(상태 및 작동기 제어 PCA - SAC)를 도시하는 개략도이다. 본 실시예에 있어서, 제어기(1762)는 좌표 선형 작동기(1716)(예를 들어, 도 5a 및 도 5b의 회전 모터(504)) 및 관성 측정 유닛(1720)을 제어 및 조정하도록 듀얼 40 MHz dsPIC(MicrocHiP™에 의해 제조) 프로세서를 채용한다. 본 실시예에 있어서, 공간-벡터 변조는 모터 RPM을 최대화하는 최적 펄스 폭 변조 구동을 생성하기 위해 브러시리스 모터 제어를 수행하도록 채용된다. 공간 벡터 변조는 참조 신호가 규칙적으로 샘플링되는 다중-위상 AC 발전을 위한 PWM 제어 알고리즘이다. 신호 또는 전원의 PWM은 삼상(three-phase) 모터 권선 전압 이용률(예를 들어, 회전 모터(504))의 변조를 포함한다. 참조 신호의 각각의 샘플링 후, 참조 벡터에 인접한 영이 아닌 능동 스위칭 벡터 및 영 스위칭 벡터 중 하나 이상은 참조 신호를 합성하기 위해 샘플링 기간의 적절한 부분에 대해 선택된다. FIG. 17H is a schematic diagram illustrating a state estimation and actuator controller (state and actuator control PCA-SAC) used in the apparatus of FIGS. 17A-17G, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention. In this embodiment, the controller 1762 is a dual 40 MHz dsPIC to control and adjust the coordinate linear actuator 1716 (eg, rotation motor 504 of FIGS. 5A and 5B) and inertial measurement unit 1720. Employs a processor (manufactured by MicrocHiP ™). In this embodiment, space-vector modulation is employed to perform brushless motor control to produce an optimal pulse width modulation drive that maximizes motor RPM. Space vector modulation is a PWM control algorithm for multi-phase AC generation in which the reference signal is sampled regularly. The PWM of the signal or power supply includes modulation of three-phase motor winding voltage utilization (eg, rotary motor 504). After each sampling of the reference signal, one or more of a nonzero active switching vector and a zero switching vector adjacent to the reference vector are selected for the appropriate portion of the sampling period to synthesize the reference signal.

제어기(1762)는 다양한 입력 신호를 수신하는바, 이는 관성 측정 유닛(1720)으로부터의 관성 자세 신호(1781), 구조 엘리먼트(1732) 스트레인 측정으로부터의 토크 및 축 방향 힘 신호(1783), 발목 관절(1740)에 위치되는 홀-효과 변환기로부터의 발목 관절각도 신호(1785), 인코더(예를 들어, 도 20a의 인코더(2040))로부터의 모터 위치 신호(1787, 인덱스 및 절대 모터 위치를 갖는 직각위상 인코더), 직렬 탄성 부재(1728)의 스트레인 센서(1704, 도 18a 참조)로부터의 스트레인 신호(1789), 및 제어기 변수(1791, 예를 들어, 장치 구성 데이터, 착용자-특정 튜닝, 펌웨어 업데이트))를 포함한다. 또한, 제어기(1762)는 다양한 신호를 출력하는바, 이는 장치 성능 데이터(1793, 예를 들어, 실시간 데이터, 에러 로그 데이터, 실시간 성능 데이터), 및 발목 상태 업데이트(1795)를 포함한다. 또한, 제어기(1762)는 선형 작동기(1716)로 명령을 출력하며, 선형 작동기(1716, 대체로 신호(1797))로부터 작동기 피드백 신호, 예를 들어, 선형 작동기(1716) 용 전력 전자 부품에 제공되는 삼상 펄스 폭 변조 신호, 선형 작동기(1716)에 대한 배터리 전력, 및 선형 작동기(1716)로부터의 전류 피드백 측정치 및 온도 측정치를 수신한다. The controller 1762 receives various input signals, such as an inertial attitude signal 1781 from the inertial measurement unit 1720, a torque and axial force signal 1783 from the structural element 1732 strain measurement, ankle joint Ankle joint angle signal 1785 from the Hall-effect transducer located at 1740, right angle with motor position signal 1787, index and absolute motor position from encoder (eg, encoder 2040 of FIG. 20A) Phase encoder), strain signals 1789 from strain sensor 1704 of series elastic member 1728, and controller variables 1791 (e.g., device configuration data, wearer-specific tuning, firmware updates). ). The controller 1762 also outputs various signals, including device performance data 1793 (eg, real time data, error log data, real time performance data), and ankle status update 1795. In addition, the controller 1762 outputs a command to the linear actuator 1716, which is provided from the linear actuator 1716 (generally the signal 1797) to an actuator feedback signal, for example, a power electronic component for the linear actuator 1716. Receive a three-phase pulse width modulated signal, battery power for linear actuator 1716, and current feedback measurements and temperature measurements from linear actuator 1716.

본 실시예는 입각기 및 유각기 상태를 통한 장치(1700) 천이로서 상태 변화를 확인하도록 센서 피드백을 이용한다. 잉여 및 다양한 센서 측정치를 이용함으로써, 또한 폴트 조건을 확인하고 장치(1700)가 적절한 안전 상태가 되도록 한다. 온-보드 실시간 시계를 이용하여, 폴트에 타임-태그를 붙이고 및 이들을 온-보드 e2PROM(에러 로그)에 저장한다. 에러 로그의 내용은 보철사 및/또는 제조 업체 서비스 요원에 의해 무선으로 검색된다. 본 실시예에 있어서, 모터 구동 PCA(MD)는 SAC PCA로부터 펄스폭 변조(PWM) 명령을 받아서 모터 권선 내로 전류를 전환시킨다. MD는 감지된 전류 및 전력 정보를 SAC PCA로 되돌아가게 하여 폐쇄-루프 제어를 적용할 수 있도록 한다. This embodiment uses sensor feedback to identify the state change as the device 1700 transitions through the stance and stipple states. By using redundancy and various sensor measurements, the fault condition is also checked and the device 1700 is in an appropriate safe state. Using the on-board real time clock, time-tag the faults and store them in the on-board e 2 PROM (error log). The contents of the error log are retrieved wirelessly by the prosthetic and / or manufacturer service personnel. In this embodiment, the motor drive PCA (MD) receives a pulse width modulation (PWM) command from the SAC PCA to convert current into the motor windings. The MD returns the sensed current and power information back to the SAC PCA to enable closed-loop control.

본 실시예에 있어서, IMU PCA는 시상면(sagittal plane: 정강이뼈 앞 부분과 평행한 국부 평면)에 명목적으로 장착되고, 3-축 가속도계, 이중-축 레이트 자이로(ωz 및 ωx) 및 단일-축 레이트 자이로(ωy)를 채용한다. 본 실시예에 있어서, 좌표 프레임 정의는 전방 y-축, 상방 z-축 및 y 및 z 축 (y X z)의 벡터적으로서 정의되는 x-축을 정의하는 것으로 이용된다. IMU는 500 Hz의 시스템 샘플링 비율에서 SAC로부터 상태 정보를 수신한다. 이는 발목 상태 벡터 - 특히, 발목 피벗의 위치 및 속도, 뒤꿈치의 위치 및 발가락의 위치 - 모두를 발바닥-닿기 위치에 대해 이전의 단차로부터 전달한다.In this embodiment, the IMU PCA is nominally mounted in a sagittal plane (local plane parallel to the anterior portion of the tibia), a three-axis accelerometer, a dual-axis rate gyro (ω z and ω x ) and Employ a single-axis rate gyro (ω y ). In this embodiment, the coordinate frame definition is used to define the front y-axis, the upper z-axis, and the x-axis defined as the vectors of the y and z axes (y X z). The IMU receives status information from the SAC at a system sampling rate of 500 Hz. This conveys the ankle state vector—in particular, the position and speed of the ankle pivot, the position of the heel and the position of the toe—from the previous step relative to the plantar-contacting position.

도 17i 및 도 17j는 도 17a의 장치(1700)의 예시적인 전기 균등물을 도시하는 개략도이다. 전기 회로 심벌은 기계적 엘리먼트 - 속도가 있는 선형인 댐핑 토크를 구비하는 기계적 컴포넌트를 나타내는 저항; 회전 관성 특성을 갖는 기계적 구성 엘리먼트를 나타내는 저항; 및 선형 스프링 품질을 갖는 기계적 구성소자를 나타내는 인덕터 - 를 설명하도록 이용된다. 이러한 회로 표기법에 따라, 전류는 토크에 대응하며 전압은 각속도에 대응한다.17I and 17J are schematic diagrams illustrating exemplary electrical equivalents of the apparatus 1700 of FIG. 17A. The electrical circuit symbol may comprise a mechanical element-a resistance representing a mechanical component with a linear damping torque with speed; Resistance indicative of a mechanical component having rotational inertia properties; And an inductor representing a mechanical component with linear spring quality. According to this circuit notation, current corresponds to torque and voltage corresponds to angular velocity.

회로 컴포넌트는 이하와 같이 정의된다: Jshank는 하퇴 부재(정강이)의 알려지지 않은 균등 관성 및 무릎(예를 들어, 도 17a의 하퇴 부재(1712) 관성) 아래의 나머지 사지이며; JMotor는 균등 모터 및 볼-스크루 전달 조립체 관성(예를 들어, 도 17a의 선형 작동기(1716)의 관성)이며;

Figure pct00076
은 압축 시 직렬 스프링(예를 들어, 도 17a의 수동 탄성 엘리먼트(1728))의 비틀림 스프링 상수이며;
Figure pct00077
은 인장 시 직렬 스프링의 비틀림 스프링 상수이며; K3는 단일 방향 평행 스프링(예를 들어, 도 17a의 수동 탄성 부재(1724))의 비틀림 스프링 상수이며; 및 JAnkle은 발목(예를 들어, 도 17a의 발 부재(1708)) 이하의 발 구조의 회전 관성이다. 모델 내의 전류(토크) 소스는 이하와 같이 정의된다:
Figure pct00078
은 착용자의 바디에 의해 하퇴 부재(예를 들어, 하퇴 부재(1712)) 상에 가해지는 알려지지 않은 토크이며; τmotor는 작동기(예를 들어, 선형 작동기(1716))에 의해 가해지는 토크이며; 및
Figure pct00079
는 구조 엘리먼트(예를 들어, 도 17a 및 도 17e의 구조 엘리먼트(1732))를 이용하여 측정되는 토크이다.The circuit components are defined as follows: J shank is the unknown equal inertia of the lower leg (shank) and the remaining limbs below the knee (eg, lower leg 1717 in FIG. 17A); J Motor is the uniform motor and ball-screw transfer assembly inertia (eg, inertia of linear actuator 1716 of FIG. 17A);
Figure pct00076
Is the torsion spring constant of the tandem spring (eg, passive elastic element 1728 of FIG. 17A) upon compression;
Figure pct00077
Is the torsional spring constant of the serial spring at tension; K 3 is the torsional spring constant of the unidirectional parallel spring (eg, passive elastic member 1724 of FIG. 17A); And J Ankle is the rotational inertia of the foot structure below the ankle (eg, foot member 1708 in FIG. 17A). The current (torque) source in the model is defined as follows:
Figure pct00078
Is an unknown torque exerted on the lower member (eg, the lower member 1712) by the wearer's body; τ motor is the torque exerted by the actuator (eg, linear actuator 1716); And
Figure pct00079
Is the torque measured using the structural element (eg, structural element 1732 of FIGS. 17A and 17E).

도 17i는 에너지 저장 엘리먼트인 직렬 및 평행 스프링의 중요성을 도시한다. 저장된 에너지의 이용은 선형 작동기에 의해 요구될 수 있는 전력 소비를 감소시킨다. 또한, K3 스프링의 추가의 목적은 발목-스프링 공진을 증가시키는 발목 관성을 가로지르는 션트(shunt)로서의 기능이다. 17i illustrates the importance of series and parallel springs as energy storage elements. The use of stored energy reduces the power consumption that may be required by the linear actuator. A further object of the K 3 spring is also to function as a shunt across the ankle inertia which increases the ankle-spring resonance.

도 17j는 고-정확도 위치 및 힘을 제공하도록 본 실시예에서 채용된 센서가 고유의 안전 디자인을 전달하기에 바람직한 센서 잉여 및 다양성을 제어 및 달성하는 방식을 도시한다. 도시되는 바와 같이, 발목 관절 위치, θ,는 이하로부터 추출된다:17J illustrates how the sensors employed in this embodiment to provide high-accuracy position and force control and achieve sensor redundancy and variability desirable for delivering a unique safety design. As shown, the ankle joint position, θ, is extracted from:

Figure pct00080
식 38
Figure pct00080
Equation 38

여기서here

Figure pct00081
식 39
Figure pct00081
Equation 39

θ의 잉여 측정은 홀-효과 각도 변환기의 이용을 통해 달성되어, 제어 시스템에 의해 적절하게 조정된다는 것을 보증한다. 일 실시예에 있어서, 홀-효과 변환기는 장치(1700)의 하우징(1764) 내의 SAC PCA 상에 위치되는 홀-효과 장치를 포함한다. 변환기는 또한 발 부재(1708)와 결합되는 자석을 포함한다. 전계 효과 크기(변환기에 의한 신호 출력)는 각도 관절 회전(즉, 홀-효과 장치에 대한 자석의 이동)에 응답하는 공지된 방식으로 변화한다. 홀-효과 변환기는 장치(1700)의 제조 중에, 예를 들어, 자석에 대해 홀-효과 장치의 공지된 변위까지의 변환기의 출력을 측정함으로써 눈금 조정된다. 다른 발목 각도 측정 실시예에 있어서, 하퇴 부재 상의 코일 상에서 측정되는 상호 인덕턴스는 발목 각도의 함수로서 공지된 관계를 가지며, 인덕턴스는 선형 작동기 또는 기타 위치 이탈 필드에서 모터에 의해 생성되는 자기장에 민감하지 않은 방식으로 각도 변위를 계산하도록 눈금 조정될 수 있다. 또한, 도 17j에 도시되는 바와 같이, 착용자에 의해 가해지는 발목 모멘트 또한 측정된다. 이는 선형 작동기가 반사 거동을 달성하도록(예를 들어, 강성을 증가시키도록) 적용된다.Redundant measurements of θ are achieved through the use of Hall-effect angle transducers to ensure that they are properly adjusted by the control system. In one embodiment, the Hall-effect converter includes a Hall-effect device located on the SAC PCA in the housing 1764 of the device 1700. The transducer also includes a magnet that is coupled with the foot member 1708. The field effect magnitude (signal output by the transducer) varies in a known manner in response to angular joint rotation (ie, the movement of the magnet relative to the Hall-effect device). The Hall-effect transducer is calibrated during manufacture of the apparatus 1700 by, for example, measuring the output of the transducer up to a known displacement of the Hall-effect apparatus with respect to the magnet. In another ankle angle measurement embodiment, the mutual inductance measured on the coil on the lowering member has a known relationship as a function of the ankle angle, where the inductance is not sensitive to the magnetic field generated by the motor in a linear actuator or other out-of-position field. In order to calculate the angular displacement. In addition, as shown in FIG. 17J, the ankle moment exerted by the wearer is also measured. This applies to the linear actuator to achieve reflection behavior (eg to increase stiffness).

도 18a, 도 18B, 도 18C 및 도 18d는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 도 17a의 수동 탄성 부재(1728)를 도시한다. 수동 탄성 부재(1728)는 양방향 강성을 제공하며 선형 작동기(1716) 및 발 부재(1708)와 직렬 연결된다. 수동 탄성 부재(1728)는 일엔드-포인트에서 선형 작동기(1716)의 제 2 엔드-포인트(1748)와 결합하며, 타엔드-포인트에서 발 부재(도시되지 않음)와 결합한다. 수동 탄성 부재(1728)는 수동 탄성 부재(1728) 내의 스트레인을 측정하기 위해 수동 탄성 부재(1728)와 결합되는 스트레인 센서(1704)를 포함한다. 본 실시예에 있어서, 스트레인 센서(1704)는 스트레인 게이지로서, 그의 응답은 선형 작동기(1716)에 의해 가해지는 힘 및 선형 작동기(1716)에 의해 가해지는 발목 관절(1740)을 중심으로 하는 모멘트를 측정하도록 눈금 조정된다. 스트레인 게이지 신호는 도 17a의 제어기(1762)를 이용하여 측정된다.18A, 18B, 18C and 18D show the passive elastic member 1728 of FIG. 17A, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention. Passive elastic member 1728 provides bidirectional stiffness and is connected in series with linear actuator 1716 and foot member 1708. Passive elastic member 1728 is coupled with the second end-point 1748 of linear actuator 1716 at one end-point and with the foot member (not shown) at the other end-point. Passive elastic member 1728 includes a strain sensor 1704 coupled with the passive elastic member 1728 to measure strain in the passive elastic member 1728. In the present embodiment, the strain sensor 1704 is a strain gauge whose response is momentum about the force exerted by the linear actuator 1716 and the ankle joint 1740 exerted by the linear actuator 1716. It is scaled to measure. Strain gauge signals are measured using controller 1762 of FIG. 17A.

본 실시예에 있어서, 수동 탄성 부재(1724)는 원하는 양방향(양측 방향으로의 벤딩 기능) 정규화된 구동 강성을 전달하는 형성된 카본-섬유 레이업이다. 일 실시예에 있어서, 수동 탄성 부재(1724)는 14-25 N-m/rad/kg의 압축 및 4-8 N-m/rad/kg의 인장력을 갖는 것이 바람직하다. 생체 역학 힘 및 토크는 착용자의 몸무게와 축척을 맞춘다. 보철 및 지지대 장치의 축척을 맞추는 경우, 디자인 변수 상세 내역은 통상적으로 정규화된다. 예를 들어, 이러한 장치의 직렬 및 평행 탄성은 몸무게에 맞게 축척을 이루거나 몸무게의 몇몇 범위를 덮도록 의도되는 별개의 값을 제공하도록 설계될 수 있다. 압축 및 인장 범위는 회전의 전체 범위 - 최대 족저 굴곡부터 최대 배측 굴곡까지 - 를 가로지르는 발목 관절에 대한 선형 작동기 모멘트 암(arm)의 차이로부터 기인하는 토크 변화를 반영한다. 직렬 스프링 상수는 발목이 발가락-들기 보행에서 즉시 따라오는 발가락-들기로 재-위치되는 경우 유각기 배측 굴곡 위치 제어 중에(스프링이 압축 상태인 동안) 상대적으로 비-순응형이 되도록 최적화된다. 그러나, 몇몇 컴플라이언스는 충격 부하로부터 선형 작동기를 격리시키도록 유지된다. In this embodiment, the passive elastic member 1724 is a formed carbon-fiber layup that delivers the desired bidirectional (bending function in both directions) normalized drive stiffness. In one embodiment, the passive elastic member 1724 preferably has a compression of 14-25 N-m / rad / kg and a tensile force of 4-8 N-m / rad / kg. Biomechanical forces and torques are aligned with the weight of the wearer. When scaling prosthetic and support devices, design variable details are typically normalized. For example, the serial and parallel resilience of such a device may be designed to provide a distinct value that is intended to be scaled to the weight or to cover some range of weight. The compression and tension range reflects the torque change resulting from the difference in the linear actuator moment arm for the ankle joint across the entire range of rotation—from maximum plantar flexion to maximum ventral flexion. The tandem spring constant is optimized to be relatively non-compliant during the stator dorsal flexion position control (while the spring is in compression) when the ankle is re-positioned to a toe-lift immediately following in the toe-lift walk. However, some compliance is maintained to isolate the linear actuator from the impact load.

도 18C 및 도 18d를 참조하면, 고 강성은 수동 탄성 부재(스프링)(1728)의 말엔드-포인트(1726)를 향해 배측 굴곡 회전 바닥 제한부(1708)를 삽입함으로써 압축 상태의 수동 탄성 부재(1728)에서 달성된다. 이러한 규제는(배측 굴곡을 향한) 압축 중에 직렬 스프링(1728)의 굽힘 시 선형 작동기(1716)의 유효 모멘트 암(arm)을 감소시킨다. 인장 시, 모멘트 암은 스프링 규제부의 인접 엔드-포인트(1730)를 향해 족저 굴곡 상부 제한(1716)을 위치시킴으로써 유효하게 증가한다. 더 긴 모멘트 암에 따라, 스프링 빔은 더욱 자유롭게 구부러져, 인장 시 스프링 상수를 감소시킬 것이다. 양 방향 강성 특성에 더하여, 몇몇 실시예들에 있어서, 수동 탄성 부재(1728)의 스프링 상수는 설계에 의해 볼-스크루 회전 속도를 최소화하도록 최적화되며, 탄성 부재(1728)의 이러한 실시예는 대칭 특성 - 압축 시보다 인장 시 더 높은 순응성을 전달 - 을 갖는다. 인장 시 더 높은 순응성은 힘이 실린 족저 굴곡의 이용을 위한 직렬 스프링(1728)의 에너지 저장을 증가시킨다. 에너지는 힘이 실린 족저 굴곡에서 수반되는 최초 100ms에서 릴리즈되어, 선형 작동기(1716)의 요구되는 에너지 기여도를 감소시킨다. 선형 작동기(예를 들어, 도 20a 및 도 20b의 볼-스크루 전달 조립체(2024)) 용 회전 모터와 관련되는 볼-스크루 전달 조립체를 이용하는 본 발명의 실시예에 있어서, 이는 볼-스크루 전달 조립체의 볼-너트 조립체 부분의 원하는 작동 속도 및 회전 모터의 모터 구동 요구 조건을 감소시키는 추가 이점을 갖는다. 스프링은 이러한 경우의 고속 볼-너트 위치설정 필요 없이 발 부재를 강력히 움직인다. 직렬 탄성의 최적화된 값은 3-4 Nm/rad/kg의 범위이다. 18C and 18D, high rigidity is achieved by inserting the dorsal flexion rotational bottom limiting portion 1708 toward the end end point 1726 of the passive elastic member (spring) 1728. 1728). This restriction reduces the effective moment arm of the linear actuator 1716 upon bending of the serial spring 1728 during compression (toward the bend bend). In tension, the moment arm is effectively increased by placing the plantar flexion upper limit 1716 towards the adjacent end-point 1730 of the spring restraint. With longer moment arms, the spring beam will bend more freely, reducing the spring constant upon tensioning. In addition to the bidirectional stiffness characteristic, in some embodiments, the spring constant of the passive elastic member 1728 is optimized by design to minimize ball-screw rotational speed, and this embodiment of the elastic member 1728 has a symmetrical characteristic. Delivers higher compliance in tension than compression. Higher compliance in tension increases the energy storage of the tandem spring 1728 for the use of forceful plantar flexion. Energy is released at the first 100 ms involved in forceful plantar flexion, reducing the required energy contribution of the linear actuator 1716. In an embodiment of the invention that utilizes a ball-screw delivery assembly associated with a rotary motor for a linear actuator (e.g., ball-screw delivery assembly 2024 of FIGS. 20A and 20B), It has the further advantage of reducing the desired operating speed of the ball-nut assembly portion and the motor drive requirements of the rotating motor. The spring moves the foot member strongly without the need for high speed ball-nut positioning in this case. The optimized value of series elasticity is in the range of 3-4 Nm / rad / kg.

도 19a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 평판 직렬 스프링(1928)을 구비하는 의족 보철 장치(1900)를 도시한다. 장치(1900)는 장착 인터페이스(1904)를 가짐으로써 이를 착용자의 상보형 의족 사지 소켓 부재에 부착할 수 있도록 한다. 장치(1900)는 장착 인터페이스(1904)와 결합되는 하퇴 부재(1912)를 포함한다. 하퇴 부재(1912)는 또한 장치(1900)의 발목 관절(1940)에서 발 부재(1908)와 결합한다. 발목 관절(1940)은 발 부재(1908)가 하퇴 부재(1912)에 대한 x-축을 중심으로 회전하도록 한다. 발 부재는 뒤꿈치(1972) 및 발가락(1976)을 포함한다.FIG. 19A illustrates a prosthetic prosthesis 1900 with a plate tandem spring 1928, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention. The device 1900 has a mounting interface 1904 to allow it to be attached to the wearer's complementary limb limb socket member. The apparatus 1900 includes a retraction member 1912 that is coupled with the mounting interface 1904. The lower member 1912 also engages with the foot member 1908 at the ankle joint 1940 of the device 1900. Ankle joint 1940 causes the foot member 1908 to rotate about the x-axis relative to the lower member 1912. The foot member includes a heel 1972 and a toe 1976.

장치(1900)는 또한 제 1 엔드-포인트(1936) 및 제 2 엔드-포인트(1948)를 구비하는 선형 작동기(1916)를 포함한다. 선형 작동기(1916)의 제 1 엔드-포인트(1936)는 하퇴 부재(1912)와 결합한다. 장치(1900)는 또한 선형 작동기(1916)와 직렬 연결되는 수동 탄성 부재(1928)를 포함한다. 수동 탄성 부재(1928)는 선형 작동기(1916)의 발 부재(1908) 및 제 2 엔드-포인트(1948) 사이에 연결된다. 수동 탄성 부재(1928)는 수동 탄성 부재(1928)의 인접 엔드-포인트(1930)에서 발 부재(1908)와 결합한다. 수동 탄성 부재(1928)의 말엔드-포인트(1926)는 선형 작동기(1916)의 제 2 엔드-포인트(1948)와 결합한다. 선형 작동기(1916)는 토크를 발목 관절(1940) 중심으로 가한다. The apparatus 1900 also includes a linear actuator 1916 having a first end-point 1936 and a second end-point 1948. The first end-point 1936 of the linear actuator 1916 couples with the retracting member 1912. The apparatus 1900 also includes a passive elastic member 1928 that is connected in series with the linear actuator 1916. The passive elastic member 1928 is connected between the foot member 1908 and the second end-point 1948 of the linear actuator 1916. Passive elastic member 1928 is coupled with foot member 1908 at an adjacent end-point 1930 of passive elastic member 1928. The end-point 1926 of the passive resilient member 1928 is coupled with the second end-point 1948 of the linear actuator 1916. Linear actuator 1916 applies torque about ankle joint 1940.

장치(1900)는 또한 선형 작동기(1916)를 제어하기 위해 선형 작동기(1916)와 결합되는 제어기(1960)를 포함한다. 본 실시예에 있어서, 제어기(1960)는 장치(1900)의 하우징(1964) 내에 위치되어 환경으로부터 보호되지만; 하우징의 일부는 도시되는 바와 같이 하우징 내의 내용물을 노출하도록 제거된다. 장치(1900)와 결합되는 배터리(1968)는 장치(1900)(예를 들어, 제어기(1960) 및 장치(1900)와 관련되는 다양한 센서)에 전력을 제공한다. The apparatus 1900 also includes a controller 1960 that is coupled with the linear actuator 1916 to control the linear actuator 1916. In this embodiment, the controller 1960 is located within the housing 1964 of the device 1900 and protected from the environment; Part of the housing is removed to expose the contents within the housing as shown. Battery 1968, coupled with device 1900, provides power to device 1900 (eg, controller 1960 and various sensors associated with device 1900).

도 19a의 수동 탄성 부재(1928)는 평판 스프링(예를 들어, 워터-컷 장비로 제조됨)이다. 평판 스프링은 수동 탄성 부재(1900)의 비용을 감소시키고 착용자의 몸무게와 정렬하도록 스프링 상수를 구성하기에 쉽도록 한다. 일 실시예에 있어서, 스프링은 볼-너트의 회전 축 및 직렬 수동 탄성 부재(1928) 사이의 평행의 결여로 인해 선형 작동기(1916)의 볼-너트(예를 들어, 도 2OA 및 도 20b 참조)의 컴포넌트 상의 평면 밖으로의 모멘트를 감소시키도록 길이 방향(y-축을 따라)으로 나눠진다. 본 실시예에 있어서, 비-스트레인 감지는 작동기 토크 피드백 루프에 채용된다. 오히려, 스프링을 통해 전달되는 토크는 스프링 편향이 영인 경우 스크루를 따라 특정 볼-너트 위치로부터 초래될 수 있는 발목 관절(1940) 각도로서 운동학적으로 정의되는 측정된 스프링 편향(측정된 발목 관절(1940) 각도, θ 및 각도, β, 사이의 차이)에 의해 평판 스프링의 공지된 스프링 상수를 곱함으로써 평가된다.The passive resilient member 1928 of FIG. 19A is a flat spring (eg, made of water-cut equipment). The flat spring reduces the cost of the passive elastic member 1900 and makes it easy to configure the spring constant to align with the weight of the wearer. In one embodiment, the spring is a ball-nut of linear actuator 1916 (see, eg, FIGS. 20A and 20B) due to the lack of parallelism between the axis of rotation of the ball-nut and the series passive elastic member 1928. It is divided in the longitudinal direction (along the y-axis) to reduce the moment out of the plane on the component of. In this embodiment, non-strain sensing is employed in the actuator torque feedback loop. Rather, the torque transmitted through the spring is measured spring deflection (measured ankle joint 1940), which is defined kinematically as an ankle joint 1940 angle that may result from a particular ball-nut position along the screw if the spring deflection is zero. ), Multiplied by the known spring constant of the flat spring.

도 19b 및 도 19c는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 보철 장치(1900)의 대안적 투피스 직렬-탄성 스프링을 도시한다. 장치(1900)는 착용자의 상보형 의족 사지 소켓 부재에 이를 부착할 수 있도록 하는 장착 인터페이스(1904)를 갖는다. 장치(1900)는 장착 인터페이스(1904)와 결합되는 하퇴 부재(1912)를 포함한다. 하퇴 부재(1912)는 또한 장치(1900)의 발목 관절(1940)에서 발 부재(1908)와 결합한다. 발목 관절(1940)은 발 부재(1908)가 하퇴 부재(1912)에 대해 x-축을 중심으로 회전하도록 한다. 발 부재는 뒤꿈치(1972) 및 발가락(1976)을 포함한다. 장치(1900)는 또한 제 1 엔드-포인트(도시하지 않음) 및 제 2 엔드-포인트(1948)를 갖는 선형 작동기(1916)를 포함한다. 선형 작동기(1916)의 제 1 엔드-포인트는 하퇴 부재(1912)와 결합한다. 장치(1900)는 또한, 발 부재(1908)가 발목 관절(1940)의 x-축을 중심으로 회전하도록 하는 베어링으로, 발목 관절(1940)에서 발 부재(1908)를 하퇴 부재(1912)에 연결하는 커플링 부재(1988, 예를 들어, 브래킷)를 포함한다.19B and 19C illustrate alternative two-piece series-elastic springs of prosthetic device 1900, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention. Device 1900 has a mounting interface 1904 that allows it to attach to the wearer's complementary limb socket member. The apparatus 1900 includes a retraction member 1912 that is coupled with the mounting interface 1904. The lower member 1912 also engages with the foot member 1908 at the ankle joint 1940 of the device 1900. Ankle joint 1940 causes foot member 1908 to rotate about the x-axis with respect to lower member 1912. The foot member includes a heel 1972 and a toe 1976. The apparatus 1900 also includes a linear actuator 1916 having a first end-point (not shown) and a second end-point 1948. The first end-point of the linear actuator 1916 couples with the retraction member 1912. The device 1900 is also a bearing that causes the foot member 1908 to rotate about the x-axis of the ankle joint 1940, which connects the foot member 1908 to the lower member 1912 at the ankle joint 1940. Coupling member 1988 (eg, bracket).

장치(1900)는 또한 선형 작동기(1916)와 직렬 연결되는 수동 탄성 부재(1928)를 포함한다. 도 19c를 참조하면, 수동 탄성 부재(1928)는 두 개의 부재 섹션(예를 들어, 빔-형 섹션)(1994 및 1996)을 갖는다. 탄성 부재(1928)는 또한 제 1 부재(1994) 상의 제 1 엔드-포인트(1962) 및 제 2 부재(1996) 상의 제 2 엔드-포인트(1980)를 갖는다. 탄성 부재(1928)는 또한 두 개의 부재(1994 및 1996)가 만나며 두 개의 부재(1994 및 1996)가 x-축을 중심으로 서로에 대해 피벗하는 중간 위치(1996)를 갖는다. 제 2 부재(1996)가 제 1 부재(1994)를 향해 피벗함에 따라, 탄성 부재는 배측 굴곡(화살표(1992)에 도시됨) 중에 압축 상태에서 에너지를 저장한다.The apparatus 1900 also includes a passive elastic member 1928 that is connected in series with the linear actuator 1916. Referring to FIG. 19C, the passive elastic member 1928 has two member sections (eg, beam-shaped sections) 1994 and 1996. The elastic member 1928 also has a first end-point 1962 on the first member 1994 and a second end-point 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 towards the first member 1994, the elastic member stores energy in a compressed state during dorsal flexion (shown by arrow 1992).

탄성 엘리먼트(1928)의 제 1 엔드-포인트(1962)는 x-축을 중심으로 하는 회전을 허용하는 베어링을 갖는 선형 작동기(1916)의 제 2 엔드-포인트(1948)와 결합한다. 탄성 엘리먼트(1928)의 제 2 엔드-포인트(1980)는 x-축을 중심으로 하는 회전을 허용하는 베어링을 갖는 커플링 부재(1988) 상의 위치와 결합한다.
The first end-point 1962 of the elastic element 1928 engages with the second end-point 1948 of the linear actuator 1916 having a bearing that allows rotation about the x-axis. The second end-point 1980 of the elastic element 1928 engages with a position on the coupling member 1988 having a bearing that allows rotation about the x-axis.

예시적인 선형 작동기Example Linear Actuator

도 20a 및 도 20b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 다양한 의족 보철, 지지대, 및 외골격 장치의 이용을 위한 선형 작동기(2000)를 도시한다. 도 20a는 선형 작동기(2000)의 사시도이다. 도 20b는 선형 작동기(2000)의 단면도이다. 선형 작동기(2000)는, 예를 들어, 도 17a의 장치(1700) 또는 도 4의 장치(400)의 선형 작동기(1716)로서 이용될 수 있다. 작동기(2000)는 A 축을 따라 선형 전력을 전달하기 위한 모터(2004) 및 스크루 전달 조립체(2024)(본 실시예에 있어서, 볼-스크루 전달 조립체, 또한 볼-스크루 조립체라 칭함)를 포함한다. 스크루 전달 조립체(2024)는 모터(2004)의 회전 운동을 직선 운동으로 변환시키도록 모터 구동 전달부로서 작용한다. 일 실시예에 있어서, 볼-스크루 전달 조립체(2024)는 Nook Industries(클리블랜드 및 오하이오 소재)에 의해 제조되는 맞춤형 볼-스크루 전달 조립체이다. 맞춤형 볼-스크루 전달 조립체는 이하의 세부 사항: 14 mm x 3 mm 피치 스크루, 150 mm/s에서 4000 N의 추력, 및 본 출원의 5백만 사이클에서의 Ll 등급 수명을 갖는다. 몇몇 실시예들에 있어서, 스크루 전달 조립체는 리드-스크루 전달 조립체(리드-스크루 조립체라고도 칭함)이다.20A and 20B illustrate a linear actuator 2000 for use of various prosthetic prostheses, supports, and exoskeleton devices, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention. 20A is a perspective view of a linear actuator 2000. 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 device 1700 of FIG. 17A or the device 400 of FIG. 4. The actuator 2000 includes a motor 2004 and a screw delivery assembly 2024 (in this embodiment, ball-screw delivery assembly, also called ball-screw assembly) for delivering linear power along the A axis. The screw delivery assembly 2024 acts as a motor drive transmission to convert the rotational motion of the motor 2004 into linear motion. In one embodiment, the ball-screw delivery assembly 2024 is a custom ball-screw delivery assembly manufactured by Nook Industries (Cleveland and Ohio). The custom ball-screw transfer assembly has the following details: 14 mm x 3 mm pitch screw, thrust of 4000 N at 150 mm / s, and Ll rating life at 5 million cycles of the present application. In some embodiments, the screw delivery assembly is a lead-screw delivery assembly (also called a lead-screw assembly).

작동기(2000)는 모터 축 출력부(2008)를 갖는 회전 모터(2004)를 포함한다. 모터 축 출력부(2008)는 모터 축 출력부(2008)와 결합(예를 들어, 용접)하는 풀리(2032)를 갖는다. 일 실시예에 있어서, 회전 모터(2004)는 고속 브러시리스 모터(매사추세추 폴 리버에 소재하는 Maxon Motor AG, Maxon Precision Motors, Inc.에 의해 제조되는 모델 EC30 모터)이다. 모터(2004)는 회전 모터(2004)의 로터 및 스테이터 사이의 각도 정렬을 결정하기 위해 모터(2004)와 통합되는 유도 증분-절대 각도 인코더(2040)를 포함한다. 인코더(2040)는 또한 선형 작동기(2000)의 스크루(2060) 위치를 제어 및 "즉석" 모터 대체 및 잉여 위치 피드백 모니터링을 위해 제공하도록 필요한 위치 피드백 신호를 제공한다.The actuator 2000 includes a rotary motor 2004 with a motor shaft output 2008. Motor shaft output 2008 has pulley 2032 that engages (eg, welds) with motor shaft output 2008. In one embodiment, the rotary motor 2004 is a high speed brushless motor (model EC30 motor manufactured by Maxon Motor AG, Maxon Precision Motors, Inc., of Fall River, Mass.). Motor 2004 includes an inductive incremental-absolute angle encoder 2040 integrated with motor 2004 to determine the angular alignment between the rotor and stator of rotary motor 2004. The encoder 2040 also provides the position feedback signal needed to provide the position of the screw 2060 of the linear actuator 2000 for control and “immediate” motor replacement and redundant position feedback monitoring.

인코더(2040)의 유도-결합 인코딩 엘리먼트는 시스템이 고-정밀 증분 로터 위치 피드백과 동시에 절대 로터-스테이터 정렬(예를 들어, 회전 당 10 비트의 해상도)을 결정하도록 한다. 이러한 잉여 피드백 엘리먼트를 크로스 체크함으로써, 인코더 고장이 발목 조정 불능을 유발할 수 있는 가능성을 최소화할 수 있다. 증분 인코더는 볼-스크루 전달 조립체(2024, 이하 참조)가 일정한 속도로 작동하는 경우 감지된 속도 변동을 제거하도록 300 μrad 이하의 런-아웃을 달성한다. 그 결과, 토크 변화가 작동기(200)에 의해 덜 가해진다. The inductively-coupled encoding element of encoder 2040 allows the system to determine absolute rotor-stator alignment (eg, 10 bits of resolution per revolution) simultaneously with high-precision incremental rotor position feedback. By cross checking this redundant feedback element, it is possible to minimize the possibility that an encoder failure can cause ankle adjustment. The incremental encoder achieves a run out of 300 μrad or less to eliminate sensed speed variations when the ball-screw transfer assembly 2024 (see below) operates at a constant speed. As a result, the torque change is less applied by the actuator 200.

회전 모터(2004)는 또한 일체형 모터 히트-싱크(2048)를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 히트-싱크(2048)는 모터(2004)의 권선으로부터 열을 뽑아내어, 모터 코일 온도 제한(통상 160℃)을 초과하지 않고 비-보존 작업의 피크 레벨에서 착용자가 걸을 수 있도록 한다. 모터 가열은 선형 작동기(2000)가 추력을 전달함에 따라 모터(2004)의 저항 손실(i2R 손실)로 인해 나타난다. 코일 온도가 올라감에 따라, 코일 저항은 0.39%/℃의 비율로 상승하여, 코일 온도를 더 상승시킨다. 또한, 모터 Kt(모터 전류에 맞추어짐에 따라 토크를 측정)는 통상 코일 온도가 그의 한계까지 증가함에 따라 20% 가까이 하락한다. 이는 동일 작업량을 수행하도록 추가의 전류 소비를 필요로 하여, 코일 온도를 더 올린다. 선형 작동기(2000) 내의 히트-싱크는 40% 이상까지 코일 온도를 감소시킨다. 모터 권선 절연의 조기 실패를 유도하는 마모 현상이 발생하고 모터 베어링이 10℃의 모든 코일 온도 감소에 대해 2X의 인자에 의해 유효하게 감소하므로, 모터 수명은 하부 모터 코일 작동 온도가 유지되는 경우 현저하게 증가한다. 또한, 고유의 코일 온도 감지 방법을 이용하여, 모터는 최대 등급이 가까워짐에 따라 힘이 실린 족저 굴곡 전력(전류)을 단순히 감소시키고, 예를 들어, 150℃의 소정 한계에 도달하는 경우 배터리 전력을 궁극적으로 끊음으로써 160℃의 절대 최대 등급을 초과하는 것으로부터 보호될 수 있다.Rotary motor 2004 also includes an integral motor heat-sink 2048. In one embodiment, the heat-sink 2048 draws heat from the windings of the motor 2004 so that the wearer can walk at the peak level of the non-conservation operation without exceeding the motor coil temperature limit (typically 160 ° C.). Make sure Motor heating appears due to the resistance loss (i 2 R loss) of the motor 2004 as the linear actuator 2000 transmits thrust. As the coil temperature rises, the coil resistance rises at a rate of 0.39% / 占 폚, further raising the coil temperature. Also, the motor K t (measures torque as it is fitted to the motor current) typically drops to near 20% as the coil temperature increases to its limit. This requires additional current consumption to perform the same workload, further raising the coil temperature. The heat-sink in linear actuator 2000 reduces the coil temperature by 40% or more. Motor wear is markedly reduced when the lower motor coil operating temperature is maintained, as wear phenomena occur that leads to premature failure of motor winding insulation and the motor bearings are effectively reduced by a factor of 2X for every coil temperature reduction of 10 ° C. Increases. In addition, using a unique coil temperature sensing method, the motor simply reduces the forceful plantar flexion power (current) as the maximum rating approaches, and reduces battery power, for example, when reaching a predetermined limit of 150 ° C. Ultimately by breaking it can be protected from exceeding the absolute maximum rating of 160 ° C.

로봇 보철은 통상 소형 경량 모터를 채용하여 병에 걸린 사지에 동력을 단속적으로 전달하도록 구동된다. 몇몇 시나리오에 있어서, 동력은 연장된 기간 동안 반복적이며 높은 비율로 가해질 수 있다. 모터 구리 및 와동 전류 손실은 모터 권선 온도가 올라가도록 하는 과도한 축적 가열 효과를 유발할 것이다. 구리 권선 저항이 온도 비율(0.39%/℃)로 증가하므로, 구리 손실은 증가하여 가열 효과를 증폭시킬 것이다. 임계 권선 온도 제한은 때때로 추가 온도 상승이 모터에 영구 손상을 유발할 정도까지 도달할 수 있다. 이러한 온도 한계에 도달하는 시점을 감지하는 것은 제어 시스템에 의해 수행되는 것이 바람직하다.Robotic prostheses are usually driven to employ a small, lightweight motor to intermittently transmit power to the affected limb. In some scenarios, the power may be applied repeatedly at a high rate for an extended period of time. Motor copper and vortex current losses will cause excessive cumulative heating effects causing the motor winding temperatures to rise. As the copper winding resistance increases with the temperature ratio (0.39% / ° C), the copper losses will increase to amplify the heating effect. Critical winding temperature limits can sometimes be reached to the extent that additional temperature rise will cause permanent damage to the motor. Detecting the point of time when this temperature limit is reached is preferably performed by the control system.

두 가지 통상적 방법은 구리 권선 온도 한계에 도달하거나 도달할 경우를 방지 또는 검출하도록 이용될 수 있다. 먼저, 구리 및 와동 전류 손실은 제어 시스템이 동작하는 동안 계산된다. 이들은 권선의 열 모델을 구동하여 권선 온도가 추정될 수 있도록 이용된다. 때때로, 주변 온도는 더 나은 권선 온도 측정을 수행하도록 측정된다. 이러한 방법의 이점은 저렴한 비용으로 구현된다는 것이다. 단점은 이러한 코일 온도 모델의 구축 및 눈금 조정이 어렵다는 것이다. 또한, 모터 주변의 온도의 양호한 측정이 어려운 경우가 많아서, 권선 온도 측정에 에러가 많이 생기게 된다.Two conventional methods can be used to prevent or detect when the copper winding temperature limit is reached or reached. First, copper and vortex current losses are calculated while the control system is operating. These are used to drive a thermal model of the winding so that the winding temperature can be estimated. Occasionally, the ambient temperature is measured to make better winding temperature measurements. The advantage of this method is that it is implemented at low cost. The disadvantage is the difficulty in building and calibrating these coil temperature models. In addition, good measurement of the temperature around the motor is often difficult, resulting in many errors in winding temperature measurement.

제 2 방법에 있어서, 때때로 제 1 방법과 조합하여, 모터의 온도가 케이스 외부 또는 모터 내부에 적용되는 서미스터(thermister)로 측정된다. 이것의 이점은 직접 측정이 가능하다는 것이다. 이것의 단점은 하나의 지점에서만 측정이 가능하며 센서의 적용은 비용이 많이 들고 종종 신뢰성이 없다는 것이다.In the second method, sometimes in combination with the first method, the temperature of the motor is measured with a thermistor applied outside the case or inside the motor. The advantage of this is that it can be measured directly. The disadvantage is that measurements can only be made at one point and the application of the sensor is expensive and often unreliable.

더욱 바람직한 접근 방식은 온도를 검출하고 잠재적 과열 조건을 완화하는 것이다. 여기서, 고정 위치에서(저항 계산에서 후방-emf 효과를 제거) 발목을 간단하게 고정하여 측정을 수행하는 경우, 보행 사이클 중의 모든 걸음에서 모터 권성 저항을 측정한다. 일 실시예에 있어서, 코일 온도는 고정 전류(대안적으로 고정 전압)를 모터 권선에 인가하고 권선 내의 대응 전압(대안적으로 전류)을 측정함으로써 결정된다. 정확도를 증가시키기 위해, 전방 및 반대 방향으로 전압(또는 전류)을 인가하고 전류(또는 전압)에서의 차이를 측정한다.A more preferred approach is to detect temperature and mitigate potential overheating conditions. Here, when the measurement is performed by simply fixing the ankle at the fixed position (removing the back-emf effect from the resistance calculation), the motor winding resistance is measured at every step during the walking cycle. In one embodiment, the coil temperature is determined by applying a fixed current (alternatively a fixed voltage) to the motor windings and measuring the corresponding voltage (alternatively current) in the windings. To increase accuracy, voltage (or current) is applied in the forward and reverse directions and the difference in current (or voltage) is measured.

모터 구동 전자부(motor drive electronics)는 PWM 전류 제어 방법을 채용하며, 이러한 측정을 수행하는 모든 구조가 존재한다. 발목이 휴식(눈금 조정 상수) 상태인 경우 권선 저항 사이의 비율 차이를 표시함으로써, 비용 없이 현장의 권선 저항을 추정할 수 있다. 통상의 서보 시스템에 있어서, 이러한 측정은 이루어질 수 없는 바, 그 이유는 작동기가 폐쇄-루프 제어 상태로 계속 있어야 하기 때문이다. 그러나, 발목 보철에 있어서, 발목 위치가 측정에 통상적으로 요구되는 5 밀리 초에 정밀 제어를 유지하는 것을 필요로 하지 않는 경우(유각기)가 있다. 권선 온도가 이러한 방식으로 계산되고 나면, 제어 시스템은 권선이 임계 온도에 도달하는 때에 검출할 수 있다. 이러한 시기 중에, 보행에 대해 가용한 구동 전력은 온도가 안전 레벨까지 낮아질 때까지 함께 감소하거나 제거된다. Motor drive electronics employ a PWM current control method, and all structures exist that perform these measurements. If the ankle is at rest (scale adjustment constant), the ratio of the difference between the winding resistances can be displayed, thus allowing the on-site winding resistance to be estimated at no cost. In a typical servo system, this measurement cannot be made because the actuator must remain in the closed-loop control state. However, in ankle prostheses, there are cases where ankle position does not require maintaining precise control at 5 milliseconds, which is typically required for measurement (slag). Once the winding temperature has been calculated in this manner, the control system can detect when the winding reaches a critical temperature. During this time, the drive power available for walking is reduced or eliminated together until the temperature is lowered to a safe level.

몇몇 실시예들에 있어서, 온도 센서(2052)의 출력은 모터(2004)의 온도에 기초하여선형 작동기(2000)에 의해 출력되는 토크를 제어하도록 제어기(예를 들어, 도 17a의 제어기(1762))에 제공된다. In some embodiments, the output of the temperature sensor 2052 is configured to control the torque output by the linear actuator 2000 based on the temperature of the motor 2004 (eg, the controller 1762 of FIG. 17A). Is provided).

벨트(2012)는 풀리(2032)를 볼-스크루 전달 조립체(2024)의 나선 축(2060)과 결합시켜 모터 축 출력부(2008)의 회전 운동이 볼-스크루 전달 조립체(2024)의 볼-너트 조립체(2036) 부분의 직선 운동으로 변환되도록 한다. 몇몇 실시예들에 있어서, 둘 또는 그 이상의 벨트는 평행하게 적용되어, 각각 구동 선형 작동기(2000) 볼-스크루 전달 조립체(2024) 자체의 구동을 가능하게 하여, 선형 작동기(2000)가 단일 벨트 파손 고장을 견뎌낼 수 있도록 한다. 이러한 경우, 벨트 파손 센서(2056)는 조건을 감지하고 작동 중에(예를 들어, 보철을 이용하는 착용자의 각각의 보행 사이클 중에) 벨트 무결(integrity)을 승인한다.The belt 2012 couples the pulley 2032 with the helix shaft 2060 of the ball-screw delivery assembly 2024 so that the rotational movement of the motor shaft output 2008 is caused by the ball-nut of the ball-screw delivery assembly 2024. To be converted to linear motion of the portion of assembly 2036. In some embodiments, two or more belts are applied in parallel to each drive the drive linear actuator 2000 ball-screw transfer assembly 2024 itself, such that the linear actuator 2000 breaks a single belt. To withstand failures. In this case, the belt break sensor 2056 senses the condition and approves belt integrity during operation (eg, during each walk cycle of the wearer using the prosthesis).

일 실시예에 있어서, 광학 센서(예를 들어, 관통-빔 센서)는 벨트 파손 센서로서 이용되며 광학 센서의 출력 신호는 벨트 파손 시 공지된 방식으로 변화한다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 용량 센서는 벨트 파손 센서로서 이용되며 용량 센서의 출력은 벨트 파손 시 공지된 방식으로 변화한다. In one embodiment, an optical sensor (eg, a through-beam sensor) is used as the belt break sensor and the output signal of the optical sensor changes in a known manner upon belt break. In another embodiment of the invention, the capacitive sensor is used as a belt break sensor and the output of the capacitive sensor changes in a known manner upon belt break.

일 실시예에 있어서, 풀리(2032) 및 벨트(들)는 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 장치로서 이용되지 않는다. 오히려, 견인 휠의 조합이 전달 장치로서 이용된다. 본 실시예에 있어서, 벨트 고장의 위험성이 해소된다. In one embodiment, pulley 2032 and belt (s) are not used as a device to convert rotational motion into linear motion. Rather, a combination of traction wheels is used as the delivery device. In this embodiment, the risk of belt failure is eliminated.

일 실시예에 있어서, 벨트 파손의 경우, 선형 작동기(2000)가 이용되는 장치의 제어기(예를 들어, 도 17a의 장치(1700)의 제어기(1762))는, 선형 작동기(2000)가 수리될 때까지 수동 발목 보철로서 작동할 수 있도록, 하퇴 부재에 대한 발 부재의 위치를 안전 위치로 변경한다. 일 실시예에 있어서, 제어기는 복수의 벨트 중 하나 이상의 고장을 검출하는 벨트 파손 센서에 응답하여 회전 모터(2004)의 세 개의 전기 리드를 단락시킨다. 3상 전기 입력 리드를 단락시킴으로써 모터(2004)가 모터 축 출력부(2008) 상에 점성 항력(viscous drag)을 유입시킨다. 보행 중에, 점성 항력은 고정된 로터 축 출력부를 잡아서 장치가 수동 보철로서 작동하도록 한다. 그러나, 장치는 그가 서거나 앉은 비-고정 평형 위치로 이동할 수 있도록 하는 방식으로 느리게 이동될 수 있다. 각각의 입력 리드는 자신의 개별 스위치에 의해 지면에 단락될 수 있다. In one embodiment, in case of belt breakage, the controller of the device in which the linear actuator 2000 is used (eg, controller 1762 of the device 1700 of FIG. 17A) may cause the linear actuator 2000 to be repaired. Change the position of the foot member relative to the lower member to the safe position so that it can act as a manual ankle prosthesis until it is. In one embodiment, the controller shorts three electrical leads of the rotary motor 2004 in response to a belt break sensor that detects a failure of one or more of the plurality of belts. By shorting the three-phase electrical input lead, the motor 2004 introduces viscous drag on the motor shaft output 2008. During walking, viscous drag grabs the fixed rotor shaft output, allowing the device to act as a manual prosthesis. However, the device may be moved slowly in a manner that allows it to move to a non-fixed equilibrium position in which he stands or sits. Each input lead can be shorted to ground by its individual switch.

일 실시예에 있어서, 스위치는 충전식 배터리(장치를 작동하도록 이용되는 일차 배터리와 별도의 배터리)에 의해 작동된다. 별도의 배터리를 이용함으로써, 스위치는 파손이 발생하더라도(또는 일차 배터리가 소모되더라도) 입력 리드를 단락(및 장치를 안전 모드에 위치) 시킬 수 있을 것이다. In one embodiment, the switch is operated by a rechargeable battery (a battery separate from the primary battery used to operate the device). By using a separate battery, the switch will be able to short the input leads (and place the device in safe mode) even if a breakdown occurs (or the primary battery is exhausted).

일 실시예에 있어서, 나선 축(2060)은 작동기(2000)에 의해 생성되는 소음을 감소시키도록 소음 댐핑 물질을 포함하는 중공형 외부 및 작동기(2000)가 이용되는 장치를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 나선 축(2060)은 14mm 직경의 스테인리스 스틸 축이며 8.7mm 내경의 보어를 가지며, 축의 길이의 64mm 연장하며, 3M(미네소타주, 세인트폴 소재)에 의해 제조되는 음향 댐핑 물질 ISODAMP®C- 1002로 채워진다.In one embodiment, spiral shaft 2060 includes a hollow exterior and actuator 2000 comprising a noise damping material to reduce the noise generated by actuator 2000. In one embodiment, spiral shaft 2060 is a 14 mm diameter stainless steel shaft, has a bore of 8.7 mm inner diameter, extends 64 mm of the length of the shaft, and is acoustically damped material manufactured by 3M (St. Paul, Minn.). Filled with ISODAMP®C-1002.

작동기(2000)는 또한 회전 모터(2004) 및 스크루(2036)의 추력으로 인해 벨트(2024) 인장을 지지하는 래디얼 및 스러스트 베어링(2028)을 포함한다. 벨트 인장 및 추력으로 인한 부하는 보행 사이클 중에 통계학적으로 제시된다. The actuator 2000 also includes a radial and thrust bearing 2028 that supports the belt 2024 tension due to the thrust of the rotating motor 2004 and the screw 2036. The load due to belt tension and thrust is presented statistically during the walking cycle.

볼-너트 조립체(2036)는 복수의 볼 베어링을 유지하는 하나 이상의 재-순환 볼-트랙(2042); 볼-너트 조립체(2036)의 직선 운동을 지지하는 조합을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 다섯 개의 볼-트랙이 이용된다. 작동기(2000)는 작동기(2000)를, 예를 들어, 보철 장치의 발 부재의 수동 탄성 부재(예를 들어, 도 17a의 수동 탄성 부재(1724))에 결합시키는 결합 엘리먼트(2020)(예를 들어, 도 17a의 선형 작동기(1716)의 제 2 엔드-포인트(1748))를 포함한다.Ball-nut assembly 2036 includes one or more recirculating ball-tracks 2042 that hold a plurality of ball bearings; Combinations that support the linear motion of the ball-nut assembly 2036. In one embodiment, five ball-tracks are used. Actuator 2000 couples actuator 20 (e.g., a coupling element 2020 (e.g., passive elastic member 1724 of Figure 17A) to the foot elastic member of the prosthetic device (e.g. For example, the second end point 1748 of the linear actuator 1716 of FIG. 17A is included.

도 21은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 다양한 의족 보철, 지지대, 및 외골격 장치에 이용되는 선형 작동기(2100)의 사시도를 도시한다. 선형 작동기(2100)는, 예를 들어, 도 17a의 장치(1000) 또는 도 4의 장치(400)의 선형 작동기(1016)로서 이용될 수 있다. 선형 작동기(2100)는 도 20a 및 도 20b의 작동기(2000)의 스트레인예이다. 21 illustrates a perspective view of a linear actuator 2100 used in various prosthetic prostheses, supports, and exoskeleton devices, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention. Linear actuator 2100 may be used, for example, as linear actuator 1016 of device 1000 of FIG. 17A or device 400 of FIG. 4. Linear actuator 2100 is an example strain of actuator 2000 of FIGS. 20A and 20B.

작동기(2100)는 모터 축 출력부(2008)를 갖는 회전 모터(2004)를 포함한다. 모터 축 출력부(2008)는 모터 축 출력부(2008)에 용접되는 풀리(2032)를 갖는다. 모터(2004)는 회전 모터(2004) 로터 및 스테이터 사이의 각도 정렬을 결정하기 위해 모터(2004)와 통합되는 유도 증분-절대 각도 인코더(2040) 포함한다. 회전 모터(2004)는 또한 일체형 모터 히트-싱크(2048)를 포함한다.The actuator 2100 includes a rotary motor 2004 with a motor shaft output 2008. The motor shaft output portion 2008 has a pulley 2032 welded to the motor shaft output portion 2008. Motor 2004 includes inductive incremental-absolute angle encoder 2040 integrated with motor 2004 to determine the angular alignment between rotor motor and stator. Rotary motor 2004 also includes an integral motor heat-sink 2048.

도 20a 및 도 20b의 단일 벨트(2012)가 아니라, 두 개의 벨트(2104a 및 2104b)가 나란히 이용된다. 각각의 벨트는 벨트 파손의 1.5배 여유를 가지고 선형 작동기 전달부 자체를 구동하는 능력을 가져서, 선형 작동기(2100)가 단일 벨트 파손 고장을 버틸 수 있도록 한다. 일 실시예에 있어서, 벨트 파손의 경우, 선형 작동기(500)가 수리될 때까지, 장치가 수동 발목 보철로서 작동하도록 하는 방식으로, 선형 작동기(500)가 작동되는 장치의 제어기(예를 들어, 도 17a의 장치(1700)의 제어기(1762))는 발목을 안전 위치로 이동시킨다. 일 실시예에 있어서, 제어기는 복수의 벨트 중 하나 이상의 고장을 검출하는 벨트 파손 센서에 응답하여 회전 모터(504)의 세 개의 전기 리드를 단락시킨다. 이러한 경우, 하나 이상의 벨트 파손 센서는 조건을 감지하고 선형 작동기가 수리될 때까지 시스템이 수동 발목 보철로서 작동하는 하는 방식으로 발목을 안전 위치로 이동시킨다. Instead of the single belt 2012 of FIGS. 20A and 20B, two belts 2104a and 2104b are used side by side. Each belt has the ability to drive the linear actuator delivery itself with a margin of 1.5 times the belt break, allowing the linear actuator 2100 to survive a single belt break failure. In one embodiment, in the case of a belt break, the controller of the device in which the linear actuator 500 is operated (eg, in a manner such that the device acts as a manual ankle prosthesis until the linear actuator 500 is repaired). Controller 1762 of device 1700 of FIG. 17A moves the ankle to a safe position. In one embodiment, the controller shorts three electrical leads of the rotary motor 504 in response to a belt break sensor that detects a failure of one or more of the plurality of belts. In this case, one or more belt break sensors detect the condition and move the ankle to a safe position in such a way that the system acts as a manual ankle prosthesis until the linear actuator is repaired.

두 개의 벨트(2104a 및 2104b)는 풀리(532)를 볼-스크루 전달 조립체의 나선 축(예를 들어, 도 20b의 나선 축(2060))에 결합시켜 모터 축 출력부(2008)의 회전 운동이 볼-스크루 전달 조립체의 볼-너트 조립체(2036) 부분의 직선 운동으로 변환되도록 한다. 작동기(2100)는 또한 회전 모터(2004) 및 나선 스크루의 추력으로 인해 벨트(2104a 및 2104b)의 인장을 지지하는 래디얼 및 스러스트 베어링(2028)을 포함한다. 벨트 인장 및 추력으로 인한 부하는 보행 사이클 중에 통계학적으로 표시된다. The two belts 2104a and 2104b couple the pulley 532 to the helix axis of the ball-screw delivery assembly (eg helix axis 2060 of FIG. 20B) to allow rotational movement of the motor shaft output 2008. It is intended to translate into linear motion of the ball-nut assembly 2036 portion of the ball-screw delivery assembly. The actuator 2100 also includes radial and thrust bearings 2028 that support the tension of the belts 2104a and 2104b due to the thrust of the rotating motor 2004 and the spiral screw. Loads due to belt tension and thrust are statistically displayed during the walking cycle.

볼-너트 조립체(2036)는 복수의 볼 베어링; 볼-너트 조립체(2036)의 직선 운동을 지지하는 조합을 유지하는 재순환 볼-트랙을 포함한다. 작동기(2100)는 또한 작동기(2100)를, 예를 들어, 보철 장치의 발 부재의 수동 탄성 부재(예를 들어, 도 17a의 수동 탄성 부재(1724))에 결합시키는 결합 엘리먼트(2020)(예를 들어, 도 17a의 선형 작동기(1716)의 제 2 엔드-포인트(1748))를 포함한다.Ball-nut assembly 2036 includes a plurality of ball bearings; A recirculating ball-track that maintains a combination that supports the linear motion of the ball-nut assembly 2036. The actuator 2100 also couples the actuator 2100 (eg, a coupling element 2020 (eg, passive elastic member 1724 of FIG. 17A) to the passive elastic member of the foot member of the prosthetic device (eg, FIG. 17A). For example, the second end point 1748 of the linear actuator 1716 of FIG. 17A is included.

작동기(2100)는 또한 볼-스크루 조립체 밀봉부(2108)를 포함한다. 볼-스크루 조립체 밀봉부(2108)는, 예를 들어, 오염물(예를 들어, 모래, 먼지, 부식 물질, 점착 물질)로부터 스크루를 보호한다. 이러한 오염은 작동기의 설계 수명이 결정될 수 없도록 한다.
The actuator 2100 also includes a ball-screw assembly seal 2108. The ball-screw assembly seal 2108 protects the screw from, for example, contaminants (eg, sand, dust, corrosive materials, sticky materials). Such contamination ensures that the design life of the actuator cannot be determined.

예시적인 의족 지지대(착용 가능한 로봇 무릎 교정기)Exemplary Prosthetic Supports (Wearable Robot Knee Braces)

도 22a, 도 22b 및 도 22c는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 의족 지지대 또는 외골격 장치(2200)(착용 가능한 로봇 무릎 교정기)를 도시하는 개략도이다. 장치(2200)는 착용자의 의족 기능을 증대시키는 무릎 교정기이다. 도 22a는 장치(2200)의 평면도이다. 도 22b는 장치(2200)의 측면도이다. 도 22c는 장치(2200)의 무릎 관절 구동 조립체(2204)의 내부를 도시한다. 장치(2200)의 통상적 이용 경우는, 예를 들어, 신진 대사 증대, 영구 사지 장애를 갖는 착용자의 영구 보조, 또는 임시 사지 장애를 갖는 착용자의 보행을 포함한다.22A, 22B and 22C are schematic diagrams illustrating a limb support or exoskeleton device 2200 (wearable robotic knee braces), in accordance with an exemplary embodiment of the present invention. Device 2200 is a knee brace that augments the wearer's limb function. 22A is a top view of the device 2200. 22B is a side view of the device 2200. 22C shows the interior of the knee joint drive assembly 2204 of the device 2200. Typical uses of the device 2200 include, for example, increased metabolism, permanent assistance of the wearer with permanent limb disorder, or walking of the wearer with temporary limb disorder.

신진 대사 증대 이용 경우의 예는, 예를 들어, 무거운 짐을 가지고 빠른 속도로 연장된 기간 동안 험한 지형을 지나가야 하는 착용자(예를 들어, 군인 또는 기타 인력)이다. 이러한 용도의 경우, 무릎 교정 장치(2200)는 착용자 자체의 능력을 증대시킨다. 영구 보조 용도의 예는 보행 가능성이 없는 영구 사지 장애(예를 들어, 무릎 힘줄 또는 반월판 퇴화)를 겪는 착용자를 포함한다. 이러한 용도의 경우, 무릎 교정 장치(2200)는 착용자에게 영구 보조를 제공한다. 임시 사지 장애를 갖는 착용자의 보행을 포함하는 이용 사례의 예는 부상 또는 기타 임시 조건으로부터 회복하는 착용자를 포함한다. 이러한 용도의 경우, 무릎 교정 장치(2200)는 회복을 보조하도록 물리 치료사에 의해 채용되는 프로그램 가능한 원격 로봇 공구로서 - 근육 기억 및 강도 회복 중에 운동 역학 보행 및 점차 감소하는 보조의 진전을 통해 - 작용한다. 다른 실시예에 있어서, 방법은 일정 기간 동안 착용자에 대해 장치에 의해 수행되는 보조의 수준을 정의하는 물리 치료 프로토콜을 특정하는 단계 및 사지 장애의 보행을 보조하도록 착용자에 대해 장치에 의해 수행되는 보조의 수준을 감소시키는 단계를 포함한다. 몇몇 실시예들에 있어서, 장치에 의해 수행되는 보조 레벨은 장치에 대한 착용자의 임피던스 및 토크 기여도에 기초하여 감소한다. An example of a metabolic augmentation use case is a wearer (eg, a soldier or other personnel) who, for example, must carry heavy loads and traverse rough terrain for extended periods of time. For this use, the knee correction device 2200 increases the wearer's own capabilities. Examples of permanent assisted use include wearers who suffer from permanent limb disorders (eg, knee tendon or meniscus degeneration) that are unlikely to walk. For this use, knee correction apparatus 2200 provides permanent assistance to the wearer. Examples of use cases involving walking of a wearer with a temporary limb disorder include a wearer recovering from an injury or other temporary condition. For this purpose, the knee correction apparatus 2200 is a programmable remote robotic tool employed by a physiotherapist to assist with recovery-through the movement of motor dynamics and progressively decreasing assistance during muscle memory and strength recovery. . In another embodiment, the method further comprises specifying a physiotherapy protocol that defines the level of assistance performed by the device to the wearer for a period of time and assisting the wearer by the device to assist walking of the limb disorder. Reducing the level. In some embodiments, the auxiliary level performed by the device decreases based on the wearer's impedance and torque contribution to the device.

도 22a 및 도 22b를 참조하면, 장치(2200)는 하퇴 부재(2216)(구동 암이라고도 칭함), 허벅지 부재(2228), 하퇴 커프(2208) 및 상퇴 커프(2212)를 포함한다. 하퇴 커프(2208)는 하퇴 부재(2228)와 결합한다. 하퇴 커프(2208)는 장치(2200)를 착용자의 정강이에 부착한다. 상퇴 커프(2212)는 허벅지 부재(2228)와 결합한다. 상퇴 커프(2212)는 장치(2200)를 착용자의 허벅지에 부착한다. 장치(2200)는 허벅지 부재(2228)를 하퇴 부재(2216)에 연결하기 위한 무릎 관절(2232) 포함한다. 무릎 관절(2232)(예를 들어, 회전 베어링)은 하퇴 부재(2216)가 허벅지 부재(2228)에 대해 x-축을 중심으로 회전하도록 한다. Referring to FIGS. 22A and 22B, the apparatus 2200 includes a lower member 2216 (also referred to as a drive arm), a thigh member 2228, a lower cuff 2208, and an upper cuff 2212. Lower cuff 2208 engages lower member 2228. The lower cuff 2208 attaches the device 2200 to the wearer's shin. Reclining cuff 2212 engages thigh member 2228. Reclining cuff 2212 attaches device 2200 to the thigh of the wearer. The device 2200 includes a knee joint 2232 for connecting the thigh member 2228 to the lower member 2216. Knee joint 2232 (eg, a rotating bearing) causes lowering member 2216 to rotate about x-axis with respect to thigh member 2228.

도 22c를 참조하면, 무릎 관절 구동 조립체(2204)는 벨트 구동 전달부(2236)를 통해 무릎 관절 드럼(2232)을 구동하는 선형 작동기를 포함한다. 선형 작동기는 회전 모터(2240)(예를 들어, 브러시리스 모터) 및 볼-스크루 전달 조립체(2244)(예를 들어, 도 20a 및 도 20b의 모터(2004) 및 볼-스크루 전달 조립체(2024))이다. 장치(2200)에 있어서, 모터(2240)의 모터 축 출력부(2256)의 회전 운동은 볼-스크루 전달 조립체(2244)의 볼-너트 조립체(2248) 부분의 직선 운동으로 변환된다. 모터 축 출력부(2256)는 모터 축 출력부(2256)와 결합(예를 들어, 용접)하는 풀리(2260)를 갖는다. 모터(2240)는 회전 모터(2240)의 로터 및 스테이터 사이의 각도 정렬을 결정하도록 모터(2240)와 통합되는 유도 증분-절대 각도 인코더(2264)를 포함한다. 인코더는 또한 볼-스크루 전달 조립체(2244)의 스크루(2252) 위치를 제어 및 "순간" 모터 대체 및 잉여 위치 피드백 모니터링 하는데 필요한 위치 피드백 신호를 제공한다. Referring to FIG. 22C, knee joint drive assembly 2204 includes a linear actuator for driving knee joint drum 2232 through belt drive transfer 2236. The linear actuator is a rotary motor 2240 (eg, brushless motor) and ball-screw delivery assembly 2244 (eg, motor 2004 and ball-screw delivery assembly 2024 of FIGS. 20A and 20B). )to be. In the apparatus 2200, the rotational motion of the motor shaft output 2256 of the motor 2240 is converted into linear motion of the ball-nut assembly 2248 portion of the ball-screw delivery assembly 2244. Motor shaft output 2256 has a pulley 2260 that engages (eg, welds) with motor shaft output 2256. The motor 2240 includes an inductive increment-absolute angle encoder 2264 integrated with 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 signals necessary to control the screw 2252 position of the ball-screw delivery assembly 2244 and to monitor " instantaneous " motor replacement and redundant position feedback.

벨트(2268)는 풀리(2260)를 볼-스크루 전달 조립체(2244)의 나선 축(2252)과 결합시켜 모터 축 출력부(2256)의 회전 운동이 볼-스크루 전달 조립체(2244)의 볼-너트 조립체(2248) 부분의 직선 운동으로 변환된다.The belt 2268 couples the pulley 2260 with the helix shaft 2252 of the ball-screw delivery assembly 2244 so that the rotational movement of the motor shaft output 2256 causes the ball-nut of the ball-screw delivery assembly 2244 to be rotated. Converted to linear motion of part of assembly 2248.

일 실시예에 있어서, 나선 축(2252)은 무릎 관절 구동 조립체(2204)에 의해 생성되는 소음을 감소시키도록 소음 댐핑 물질을 포함하는 중공형 부분을 포함한다. 무릎 관절 구동 조립체(2204)는 또한 회전 모터(2240) 및 스크루(2252)의 추력으로 인해 벨트(2268) 인장을 지지하는 래디얼 및 스러스트 베어링(2272)을 포함한다. 벨트 인장 및 추력으로 인한 부하는 보행 사이클 중에 통계학적으로 표시된다. In one embodiment, spiral axis 2252 includes a hollow portion that includes a noise damping material to reduce noise generated by knee joint drive assembly 2204. Knee joint drive assembly 2204 also includes radial and thrust bearings 2252 that support belt 2268 tension due to thrust of rotating motor 2240 and screw 2252. Loads due to belt tension and thrust are statistically displayed during the walking cycle.

무릎 관절 구동 조립체(2204)는 또한 직렬 탄성용 스프링(2280), 스프링 케이지(2284), 구동 벨트(2236) 및 스프링 케이지/벨트 연결부(2288)를 포함한다. 몇몇 실시예들에 있어서, 구동 밴드(예를 들어, 스프링 스틸의 얇은 조각)는 구동 벨트(2236) 대신에 이용된다. 몇몇 실시예들에 있어서, 구동 케이블(예를 들어, 가닥 물질의 루프)은 구동 벨트(2236) 대신에 이용된다. 스프링(2280)은 직렬 수동 탄성 엘리먼트로서, 도 17a의 직렬 탄성 스프링 엘리먼트(1728)와 동일한 방식으로 작용한다. 스프링 케이지(2284)는 스프링(2280)이 위치되는 폐쇄 체적을 제공한다. 볼-너트 전달 조립체(2248)는 스크루(2252)와 결합한다. 볼-너트 조립체(2248)는 또한 구동 벨트(2236)와 결합한다. 스크루(2252)의 직선 운동은 볼-너트 조립체(2248)의 직선 운동을 유발한다. 볼-너트 조립체(2248)에서의 직선 운동은 구동 벨트(2236)에서의 직선 운동을 유발한다. 구동 벨트(2236)의 직선 운동은 무릎 관절(2232)을 구동한다.Knee joint drive assembly 2204 also includes a spring elastic 2280, a spring cage 2284, a drive belt 2236, and a spring cage / belt connection 2288. In some embodiments, a drive band (eg, a thin piece of spring steel) is used instead of the drive belt 2236. In some embodiments, a drive cable (eg, a loop of strand material) is used in place of the drive belt 2236. The spring 2280 is a series passive elastic element, which acts in the same manner as the series elastic spring element 1728 of FIG. 17A. Spring cage 2284 provides a closed volume in which spring 2280 is located. Ball-nut delivery assembly 2248 engages with screws 2252. Ball-nut assembly 2248 also engages drive belt 2236. The linear movement of the screw 2252 causes the linear movement of the ball-nut assembly 2248. Linear motion in the ball-nut assembly 2248 causes linear motion in the drive belt 2236. The linear motion of the drive belt 2236 drives the knee joint 2232.

장치(2200)는 제어기(2292)(예를 들어, 선형 작동기(2204)를 구비하는 인쇄 회로 조립체, 상태 및 관성 측정 유닛(2294)(예를 들어, 도 17a의 관성 측정 유닛(1720)) 제어 및 처리 기능)를 포함하여 장치(2200)의 작동을 구동 및 제어한다. 도 22b를 참조하면, 장치(2200)는 또한 무릎 관절 구동 조립체(2204)에 의해 하퇴 부재(2216)에 가해지는 토크를 측정하도록 하퇴 부재(2216)와 결합되는 토크 센서(2220)를 포함한다. 센서(2220)는 제어기(2292)의 제어 루프에서 피드백 엘리먼트로서 작용하여 무릎 관절(2232)의 고 정확도 폐쇄 루프 위치, 임피던스 및 토크(반사를 위한) 제어를 달성한다. 일 실시예에 있어서, 힘-감지 변환기의 배열은 신속한 생체 모방 응답을 달성하도록 이용되는 힘 측정치를 제공하기 위해 커프 구조물 내에 실장된다.Apparatus 2200 controls controller 2292 (e.g., a printed circuit assembly with a linear actuator 2204, state and inertia measurement unit 2294 (e.g., inertia measurement unit 1720 of Figure 17A). And processing functions) to drive and control the operation of the device 2200. Referring to FIG. 22B, the device 2200 also includes a torque sensor 2220 coupled with the lower member 2216 to measure the torque applied to the lower member 2216 by the knee joint drive assembly 2204. Sensor 2220 acts as a feedback element in the control loop of controller 2292 to achieve high accuracy closed loop position, impedance, and torque (for reflection) control of knee joint 2232. In one embodiment, an array of force-sensitive transducers is mounted in the cuff structure to provide force measurements that are used to achieve rapid biomimetic response.

몇몇 실시예들에 있어서, 모터 각도 센서(예를 들어, 인코더(2264))는 모터 위치를 측정하고 제어기는 모터 위치에 기초하여 무릎 관절(2232)의 위치, 임피던스 및 토크를 조정하도록 회전 모터를 제어한다. In some embodiments, a motor angle sensor (eg, encoder 2264) measures the motor position and the controller adjusts the rotating motor to adjust the position, impedance and torque of the knee joint 2232 based on the motor position. To control.

몇몇 실시예들에 있어서, 장치(2200)는 모터 구동 전달의 출력부에 대해 벨트 구동 전달부의 드럼(2232)의 위치를 결정하는 각도 센서를 포함하며, 제어기는 위치에 기초하여 임피던스, 위치 또는 토크를 조정하도록 회전 모터를 제어한다. 몇몇 실시예들에 있어서, 장치(2200)는 직렬 스프링 상의 힘을 결정하도록 모터 구동 전달부의 직렬 스프링의 변위를 측정하는 변위 센서를 포함하며, 제어기는 스프링 상의 힘에 기초하여 임피던스, 위치 또는 토크를 조정하는 회전 모터를 제어한다. 몇몇 실시예들에 있어서, 관성 측정 유닛(2294)은 하퇴 부재의 관성 자세를 결정하기 위해 허벅지 부재 또는 하퇴 부재와 결합하며, 제어기는 관성 자세에 기초하여 임피던스, 위치 또는 토크를 조정하도록 회전 모터를 제어한다. 몇몇 실시예들에 있어서, 토크 센서(2220)는 벨트 구동 전달부에 의해 하퇴 부재에 가해지는 토크를 측정하며, 제어기는 하퇴 부재에 가해지는 토크에 기초하여 임피던스, 위치 또는 토크를 조정하도록 회전 모터를 제어한다. 몇몇 실시예들에 있어서, 장치(2200)는 허벅지 부재 및 하퇴 부재 사이의 각도를 결정하는 각도 센서를 포함하며, 제어기는 허벅지 부재 및 하퇴 부재 사이의 각도에 기초하여 임피던스, 위치 또는 토크를 조정하도록 회전 모터를 제어한다. In some embodiments, the apparatus 2200 includes an angle sensor that determines the position of the drum 2232 of the belt drive transmission relative to the output of the motor drive transmission, and the controller is based on the position for impedance, position or torque. Control the rotating motor to adjust it. In some embodiments, the device 2200 includes a displacement sensor that measures the displacement of the series spring of the motor drive transmission to determine the force on the series spring, wherein the controller adjusts the impedance, position or torque based on the force on the spring. Control the rotating motor to adjust. In some embodiments, the inertial measurement unit 2294 engages the thigh member or the lower member to determine the inertial attitude of the lowered member, and the controller uses a rotating motor to adjust the impedance, position or torque based on the inertial position. To control. In some embodiments, the torque sensor 2220 measures the torque applied to the dropping member by the belt drive transmission, and the controller adjusts the impedance, position or torque based on the torque applied to the dropping member. To control. In some embodiments, the apparatus 2200 includes an angle sensor that determines an angle between the thigh member and the lower member, and the controller is adapted to adjust the impedance, position, or torque based on the angle between the thigh member and the lower member. Control the rotary motor.

몇몇 실시예들에 있어서, 장치(2200)는, 모터 구동 전달부 대신, 모터 축 출력부의 회전 운동을 스크루 전달 조립체에 의해 출력되는 직선 운동으로 변환하도록 모터 축 출력부와 결합되는 스크루 전달 조립체를 포함한다. 또한, 모터 구동 전달의 출력부와 결합되는 구동 전달 조립체는 스크루 전달 조립체와 결합되는 잉여 벨트, 밴드 또는 케이블 구동 전달부로서, 스크루 전달 조립체에 의해 출력되는 직선 운동을 허벅지 부재에 대해 하퇴 부재를 회전시키도록 무릎 관절에 토크를 가하는 회전 운동으로 변환시킨다. In some embodiments, the apparatus 2200 includes a screw delivery assembly coupled with the motor shaft output to convert the rotational motion of the motor shaft output into a linear motion output by the screw delivery assembly instead of the motor drive transmission. do. In addition, the drive transmission assembly coupled with the output of the motor drive transmission is a redundant belt, band or cable drive transmission coupled with the screw delivery assembly, which rotates the lower member relative to the thigh member for the linear motion output by the screw delivery assembly. To a rotational motion that applies torque to the knee joint.

도 20a의 보철 장치(2000)와 달리, 무릎 교정 장치(2200)는 사람의 충동 작용과 평행하게 작동한다. 신진 대사 증대 및 대체 적용에 있어서, 무릎 교정 제어 시스템은 보행 사이클에서 필요한 모든 임피던스 및 토크를 공급할 것이다. 착용자가 바디의 증대된 측면(들)에 대한 피로 누적 및 많은 노력 없이 하루 종일 걸을 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 보행 적용에 있어서, 무릎-교정 장치(2200)는 임피던스 및 토크의 프로그램된 비율을 공급한다. 이러한 적용에 있어서, 무릎-교정 장치(2200)는 착용자의 보행을 총괄하는 물리 치료사의 원격 로봇 연장부로서 작용한다.Unlike the prosthetic device 2000 of FIG. 20A, the knee correction device 2200 operates in parallel with the impulsive action of a person. For metabolic boosting and alternative applications, the knee correction control system will provide all the impedance and torque needed in the walking cycle. It is desirable to allow the wearer to walk all day without fatigue accumulation and much effort on the increased side (s) of the body. In gait applications, knee-calibration device 2200 supplies a programmed ratio of impedance and torque. In this application, knee-correction device 2200 acts as a remote robotic extension of a physiotherapist who oversees the wearer's gait.

무릎 교정 제어 시스템의 일 실시예에 있어서, 물리 치료사는 치료사 방문 사이의 기간 동안 무릎에 의해 원격 수행될 프로토콜을 생성한다. 무선 인터페이스를 이용하여, 환자 상태가 물리 치료사에게 피드백되어, 텔레프레즌스(telepresence)를 달성한다. 프로토콜은 보조가 초과 시간을 줄이는 비율을 특정한다. 무릎 교정 장치가 보조를 감소시킴에 따라, 무릎 교정 장치는 착용자에 의한 임피던스 및 토크 기여도의 생체 역학 모델을 통해 - 원하는 순 생체 모방 응답을 유지하도록 향상된 응답에 따라 보조를 감소 - 계산될 것이다. 생체 역학 모델은 무릎의 역전 동역학을 해결하는 단계 - 하퇴 부재, 허벅지 부재 및 상체의 관성 회전 및 가속도를 통합 - 를 포함할 것이다. 이러한 6 자유도 정보는 허벅지 부재 및 무릎 관절 각도 변위 내의 관성 측정 유닛으로부터 추출될 것이다. 관성 측정 유닛을 위한 제로-속도 업데이트는 본 명세서에 설명된 바와 마찬가지로 달성될 것이다. In one embodiment of the knee correction control system, the physiotherapist creates a protocol to be performed remotely by the knee during the period between visits to the therapist. Using the air interface, patient condition is fed back to the physiotherapist to achieve telepresence. The protocol specifies the rate at which the assistance reduces the over time. As the knee straightening device reduces its assistance, the knee straightening device will be calculated through the biomechanical model of impedance and torque contribution by the wearer-reducing the assist according to the enhanced response to maintain the desired net biomimetic response. The biomechanical model will include solving the knee inversion kinetics—integrating the inertia rotation and acceleration of the lower leg, thigh member, and upper body. This six degrees of freedom information will be extracted from the inertial measurement unit in the thigh member and knee joint angular displacement. The zero-rate update for the inertial measurement unit will be achieved as described herein.

도 26은 뒤꿈치 착지(heel strike)에서 시작하여 종료하는, 보행 중의 통상의 사람의 걸음걸이의 생체 역학적 특징을 도시한다. 이는 입각기 및 유각기로 나눠지며, 엉덩이, 무릎 및 발목에서의 운동의 모든 요소를 수반한다. IBM(inclusion body myositis, 봉입체 근염)과 같은, 근염 질병은 안전하고 효율적으로 보행하기 위한 환자의 능력에 부정적인 영향을 끼치는, 주요 사두근의 결함과 관련된다. 마찬가지로 중요하게도, IBM을 갖는 환자는 휴식(기립 또는 앉기)과 보행 상태 사이의 안전한 이행을 수행할 수 없다.FIG. 26 illustrates the biomechanical characteristics of the gait of a typical person during walking, starting and ending at heel strike. It is divided into upright and stippled phases and involves all elements of movement in the hips, knees and ankles. Myositis diseases, such as IBM (inclusion body myositis), are associated with major quadriceps defects that negatively affect the patient's ability to walk safely and efficiently. Equally important, patients with IBM are unable to perform a safe transition between rest (standing or sitting) and gait.

도 27은 사두근의 결함이 평지에서의 보행에 영향을 미치는 생체역학적 메커니즘을 도시한다. 전체적인 기계적 시퀀스는 도 26과 관련하여 두 가지 면에서 부족하다. 먼저, 초기 입각기에서 발목 관절의 강성(또는 기계적 임피던스)이 발 착지의 충격을 흡수하고 복원 토크를 인가하여 균형을 유지(참조 번호(2710)에 의해 지시됨)하기에 부적절한 경우, 무릎은 초기 입각기에서 무너질(buckle) 수 있다. 발-착지를 흡수하기 위해 무릎을 능동적으로 강화하는 사두근의 무능력은 브레이크 없는 차를 운전하는 것과 마찬가지로, 보행 속도를 제한한다. 기계적 임피던스는 관절이 발휘하는 강성과 관련되며, 세 가지 구성요소, 즉, 관절 변위에 응답하여 선형 또는 비-선형 복원 토크를 인가하는 스프링 상수 및 평형 위치에 의해 정의되는 스프링 구성요소; 관절 속도에 응답하여 선형 또는 비-선형 점성 복원 토크를 인가하는 댐핑 구성요소; 및 관절 가속도 및 제 2 의 후기 입각 및 초기 유각에 응답하여 선형 복원 토크를 인가하는 관성 구성요소를 포함하는 것으로 알려져 있으며, 사두근은 신속한 무릎 굴곡(참조 번호(2720)에 의해 표시됨)을 방해하는 무릎 제동 토크를 가하지 못할 수 있다는 점을 주의해야 한다.27 illustrates a biomechanical mechanism by which quadriceps defects affect walking in the flat. The overall mechanical sequence is lacking in two respects with respect to FIG. First, if the stiffness (or mechanical impedance) of the ankle joint is inadequate in the initial stance to absorb the impact of the landing and apply a restorative torque to balance (as indicated by reference number 2710), the knee is initially It can be buckled in a standing position. The quadriceps's inability to actively strengthen the knees to absorb foot-landing limits the speed of walking, much like driving a brakeless car. Mechanical impedance is related to the stiffness of the joint and includes three components: a spring component defined by a spring constant and an equilibrium position that applies a linear or non-linear restoring torque in response to joint displacement; A damping component that applies a linear or non-linear viscous restorative torque in response to the joint velocity; And an inertial component that applies a linear restorative torque in response to joint acceleration and a second late and early elevation angle, wherein the quadriceps are the knees that interfere with rapid knee flexion (indicated by reference number 2720). Note that braking torque may not be applied.

도 22a 내지 도 22c에서 도시되는 무릎 장치는 도 27과 관련하여 전술한 결함을 처리하기 위한 로봇-보조 해결 방안으로써 이용될 수 있다. 도 28은 요구되는 걸음걸이 궤적 상태, 지형, 신체 자세 및 안정성을 재현하기 위해, 하퇴 궤적의 고유 감지를 이용하고, 보행 사이클의 시기에 따라 환자의 무릎 관절에 생체 모방 임피던스, 확장 토크 및 위치 제어를 적용함으로써, 통상의 보행을 복원하도록 무릎 장치를 이용하는 것을 도시한다.The knee device shown in FIGS. 22A-22C can be used as a robot-assisted solution to address the deficiencies discussed above with respect to FIG. 27. FIG. 28 utilizes inherent sensing of the lower leg trajectory to reproduce the desired gait trajectory state, terrain, body posture and stability, and controls biomimetic impedance, extended torque and position on the knee joint of the patient according to the time of the walking cycle. By applying, it shows the use of the knee device to restore normal walking.

초기 입각기(참조번호 2810으로 지시됨)에서, 무릎 장치는 발 착지 에너지를 흡수하고 뒤따라가는 다리가 지면을 떠날 수 있는 안정된 플랫폼을 제공하기 위하 증가된 강성을 제공한다. 발목 족저 굴곡과 같은, 후기 입각기(참조번호(2820)에 의해 지시됨)에 있어서, 무릎 장치는 허벅지 및 정강이의 배향과 착용자의 보행 속도의 고유 측정치를 사용하여 신진대사-효율적인 보행을 위해 착용자를 상향 및 전방으로 추진하는 생체 모방, 재귀 토크 ― 완전히 동작하는 사두근에 의해 제공될 수 있는 것과 동일함 ― 를 인가한다. 이후에, 하퇴가 유각기(참조번호(2830)에 의해 지시됨)에 있다는 것을 상기 무릎 장치가 감지하는 경우, 무릎은 구부러지고 높은 임피던스가 가해져서 발이 지면에 착지할 때 하퇴를 흡수(제동)할 것이다. 그 결과는 안전하고 신진대사-효율적인 보행이다.
In an early stance (indicated by reference numeral 2810), the knee device provides increased stiffness to absorb the landing energy and provide a stable platform for the following leg to leave the ground. In late standing (as indicated by reference 2820), such as ankle plantar flexion, the knee device uses the inherent measure of thigh and shin orientation and wearer's walking speed to allow the wearer to metabolize-efficient walking. Apply biomimetic, recursive torque, the same as can be provided by a fully functioning quadriceps. Later, if the knee device detects that the lower leg is in the stator (indicated by reference 2830), the knee is bent and high impedance is applied to absorb the lower leg when the foot lands on the ground (braking). something to do. The result is safe, metabolic-efficient walking.

지면 surface 반력Reaction 및 제로 모멘트 피벗을 이용하는 균형 And balance using zero moment pivot

도 23a는 가변(양 또는 음) 슬로프의 경사 위에서의 균형을 이루는 일반적 문제를 도시한다. 이러한 문제는 다중-링크, "역전 진자" 문제를 수반하며, 비-선형 피드백 제어 구현으로 처리 가능하다. 이러한 해결 방안에 있어서, 링크(이러한 경우, 다리 세그먼트, 상체, 머리 및 팔)의 링크 각도 및 질량 특성에 대한 지식은 다중-링크 시스템을 명료하게 안정화하도록 이용된다. 그러나, 이러한 명료한 입력은 의족 보철, 지지대 또는 외골격 장치의 대부분의 실시예에는 포함되지 않으며, 그에 따라, 불가능이 아니라면, 착용자에 대해 신뢰성 있게 구현 및 패키지하기 어려울 것이다. 또한, 몇몇 경우에 있어서, 착용자는 하나의 온전한 다리를 가질 것이며, 그에 따라 안정화의 부분은 의족 보철, 지지대 또는 외골격 장치의 외부에서 달성될 것이며, 의족 보철, 지지대 또는 외골격 장치는 온전한 다리의 기능을 증대시킨다.Figure 23a illustrates a general problem of balancing over the slope of a variable (positive or negative) slope. This problem entails a multi-link, "inverted pendulum" problem, which can be handled with a non-linear feedback control implementation. In this solution, knowledge of the link angle and mass characteristics of the links (in this case, leg segments, upper body, head and arms) is used to clearly stabilize the multi-link system. However, such clear input is not included in most embodiments of the prosthetic prosthesis, support or exoskeleton device, and, if not impossible, would be difficult to reliably implement and package for the wearer. Also, in some cases, the wearer will have one intact leg, so that part of the stabilization will be achieved outside of the prosthetic prosthesis, support or exoskeleton, and the prosthetic prosthesis, support or exoskeleton will function as an intact leg. Increase

또한, 도 23b는 균형 문제에 대한 수용 가능한 해결 방안에 대한 연속체를 도시한다. 구체적으로, 사람의 의지에 따라 완전히 받아들여질 수 있으며 심지어는 원하는 무한 숫자의 굽은-무릎 해결 방안(예를 들어, 무거운 화물 또는 박스를 들거나 게임을 하는 중에 균형을 이루도록)이 있다. 그리하여, 우리는 원하는 해결 방안이 사람의 의도에 맞추어 평형을 달성하도록 온전한 균형-제조 바디 컴포넌트의 보상에 대한(의족 보철, 지지대 또는 외골격 장치에 대한) 고유의 감지를 채용한다는 것을 확인한다.23B also shows a continuum for an acceptable solution to the balance problem. Specifically, there is an infinite number of bent-knee solutions that can be fully accepted and even at will, such as to lift a heavy cargo or box or to balance while playing a game. Thus, we confirm that the desired solution employs a unique sense of compensation (for prosthetic prosthetics, supports or exoskeleton) of the intact balance-manufactured body component to achieve equilibrium in line with human intentions.

의족 보철, 지지대 또는 외골격 장치의 몇몇 실시예에서 채용되는 해결 방안은 도 23c에서 모델링되는 바와 같은 문제점의 단순화된 표시를 이용한다. 이러한 표시에 있어서, 하퇴 부재 관성 상태, 발목 관절각도 및 관성-참조된, 지면 반력의 고유의 감지는, 발목 토크(예를 들어, 보철 장치의 선형 작동기에 의해 발목 관절에 제공되는 토크)를 구동하는 안정화 피드백으로서 이용된다. 바디는 시간-가변 강성 및 관성 모멘트를 갖는 질량 없는, 얇은, 버클링(buckling) 빔 상의 직렬 질량(도면에는 하나만 도시됨)으로서 모델링된다. The solution employed in some embodiments of the prosthetic prosthesis, support or exoskeleton device uses a simplified representation of the problem as modeled in FIG. 23C. In this indication, inherent sensing of the lower member inertia state, ankle joint angle and inertia-referenced ground reaction force drives ankle torque (eg, the torque provided to the ankle joint by a linear actuator of the prosthetic device). Is used as stabilization feedback. The body is modeled as a series mass (only one shown in the figure) on a mass, thin, buckling beam with no time-varying stiffness and moment of inertia.

균형은 이하의 상세 내역에 기초하여 달성된다. 원하는 평형은 이하의 조건이 만족되는 경우 달성된다: Balance is achieved based on the following details. Desired equilibrium is achieved when the following conditions are met:

1. WFGRF은 세계 z와 정렬하며;1. W F GRF aligns with world z;

2. 제로 모멘트 피벗 및 발목 관절을 연결하는 선은 세계 z 단위 벡터와 정렬하며; 및2. The line connecting the zero moment pivot and ankle joint is aligned with the world z unit vector; And

3. 관성 하퇴 부재 각도, γ, 및 발목 관절 각도, θ,의 모든 시간 미분은 영이다. 3. All time derivatives of inertia lowering member angle, γ, and ankle joint angle, θ, are zero.

다음에 기초하여 이러한 조건 각각을 평행 상태로 구동하는 피드백 제어 법칙이 추출된다:The feedback control law that drives each of these conditions in parallel is extracted based on:

Figure pct00082
식 40
Figure pct00082
Expression 40

여기서here

Figure pct00083
식 41
Figure pct00083
Equation 41

이차 비용 지수, J,를 최적화하며, 여기서,Optimize the secondary cost index, J, where

Figure pct00084
식 42
Figure pct00084
Expression 42

And

Figure pct00085
식 43
Figure pct00085
Equation 43

여기서, k의 컴포넌트는 비용 인덱스에 대한 링크 각도 동적 기여도를 강조하도록 선택된다. 본 실시예에 있어서, 제어 법칙 해결 방안은 선형-이차 조정기(LQR) 방법론에 의해 제공된다. 비전문가의 용어에 있어서, 이는 기계나 공정을 통제하는 (조정)제어기의 설정이 전술한 수학적 알고리즘을 이용하고 사람에 의해 공급되는 무게 인자를 갖는 비용 함수를 최소화함으로써 발견된다는 것을 의미한다. "비용" (함수)은 이들의 원하는 값으로부터 주요 측정치의 편차의 합으로서 종종 정의된다. 사실상, 이러한 알고리즘은, 그에 따라, 원하지 않는 편차, 예를 들어, 착용자의 보철에 의해 수행되는 원하는 작업으로부터의 편차를 최소화하는 이러한 제어기 설정을 발견한다. 제어 액션 자체의 크기는 종종 제한되는 제어 액션 자체에 의해 연장되는 에너지를 유지하기 위한 합계 내에 포함된다. 사실상, LQR 알고리즘은 가중 인자에 대한 엔지니어의 세부 사항에 기초하여 제어기를 최적화한다. LQR 알고리즘은, 핵심에 있어서, 적절한 상태-피드백 제어기를 발견하는 자동화된 방식이다.Here, the component of k is chosen to emphasize the link angle dynamic contribution to the cost index. In this embodiment, the control law solution is provided by the linear-secondary regulator (LQR) methodology. In non-professional terms, this means that the setting of a controller to control a machine or process is found by using the mathematical algorithm described above and by minimizing the cost function with the weight factor supplied by a person. "Cost" (function) is often defined as the sum of the deviations of the major measurements from their desired values. Indeed, such an algorithm finds such a controller setting that minimizes unwanted deviations, for example deviations from the desired work performed by the wearer's prosthesis. The magnitude of the control action itself is often included in the sum to maintain the energy extended by the control action itself, which is often limited. In fact, the LQR algorithm optimizes the controller based on the engineer's details of the weighting factors. The LQR algorithm is, at its core, an automated way of finding an appropriate state-feedback controller.

이차 비용 인덱스의 이용은 필요하지 않지만; 일 실시예에 있어서, 최적화 기준으로서 이차 비용 인덱스의 이용은 상이한 지형에서 착용자의 평형을 유지하기 위한 시스템 작업으로서 수용 가능한 느낌을 달성하도록 의족 보철의 착용자를 위한 분석 및 현재-맞춤용 목표 프레임 작업을 생성한다. 제어 엔지니어가 LQR 알고리즘의 이용에 있어 제어기를 찾는 완전 상태 피드백(또한, 막대기 배치로 공지됨)과 같은 대안적 통상의 방법을 선호한다는 것을 발견하는 것이 흔한 것은 아니다. 이들에 따라, 엔지니어는 조정된 변수 및 제어기 거동에서의 결과적 변화 사이의 훨씬 명료한 연결 장치를 갖는다.
Use of a secondary cost index is not necessary; In one embodiment, the use of a secondary cost index as an optimization criterion is used to analyze and presently tailor target frame work for wearers of prosthetic prostheses to achieve an acceptable feel as a system work to balance the wearer in different terrain. Create It is not uncommon to find that a control engineer prefers alternative conventional methods such as full state feedback (also known as stick placement) to find a controller in the use of the LQR algorithm. In accordance with these, the engineer has a much clearer connection between the adjusted parameters and the resulting change in controller behavior.

의자에서 일어서는 착용자 보조Wearer assistant standing up in a chair

도 24a, 도 24b 및 도 24c는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 의족 보철 장치의 착용자가 의자에서 일어나는 것을 보조하기 위해 균형 제어 법칙을 적용하는 방법을 도시한다. 이러한 정해진 시간 내 일어나서 가기(timed Get-Up and Go: TUG)는 동적 및 기능적 균형을 유효하게 하는 실험적 수단으로서 종종 이용된다. 착용자는 의자에서 일어서서 앞으로 3미터 걸어가고 마루에 그어진 선을 넘어가고, 뒤로 돌아온 후 앉는 것의 구두 지시가 주어진다. 양호한 "TUG" 성능을 달성하기 위해, 다리 보철은 종종 보철' 제어 시스템의 거동 상황을 생성하도록 "서기" 및 "앉기" 버튼을 갖는다. 본 발명의 원리를 채용하는 의족 보철 장치의 일 실시예에 있어서, 예를 들어, 버튼을 누름으로써 거동 상황을 설정하는 명료한 요건은 없다. 앉기, 서기 및 앉기 거동 상황은 보철 장치의 고유의 센서에 의해 확인된다. 제어 거동 중에, 서기 및 앉기는 단순히 착용자의 평형을 유지하는 일부이다.24A, 24B, and 24C illustrate a method of applying a balance control law to assist a wearer of a prosthetic prosthetic device to take place in a chair, in accordance with an exemplary embodiment of the present invention. This timed Get-Up and Go (TUG) is often used as an experimental means of validating dynamic and functional balance. The wearer stands up from the chair, walks forward three meters, crosses the floor line, comes back and is given verbal instructions to sit back. To achieve good "TUG" performance, leg prostheses often have "stand" and "sit" buttons to create the behavior of the prosthesis' control system. In one embodiment of the prosthetic prosthetic device employing the principles of the present invention, there is no clear requirement to set the behavior situation, for example by pressing a button. Sit, stand and sit behaviors are identified by sensors inherent in the prosthetic device. During control behavior, standing and sitting are simply part of keeping the wearer in balance.

도 24a, 도 24b 및 도 24c는 고유의 균형 제어 알고리즘 작업이 착용자가 의자에서 일어남에 따라 착용자를 증대시키는 방식을 설명한다. 도 24a를 참조하면, 앉은 자세에서 선 자세로의 시작은 세 가지 상태를 포함한다. 먼저, 발은 지면에서 떨어지거나 가볍게 닿게 된다. 보철 장치(예를 들어, 도 17a 내지 도 17e의 장치(1700))는 착용자의 무게; 하퇴 부재 및 발 부재의 관성 배향; 및 지면 반력(예를 들어, 도 11a에 대해 결정된 바와 같이)을 인식하고 있다. 그에 따라, 장치는 착용자가 앉아 있다는 것을 "인식" 또는 감지한다. 착용자가 일어서기 시작함에 따라, 지면 반력의 증가가 나타나며, 발(발바닥-닿기)의 상태는 관성 측정 유닛 측정 및 발목 관절각도 센서 측정을 통해 인식된다. 고유의 균형 제어 법칙 실시가 개시된다. 이러한 제 2 상태 중에, 지면 반력의 불균형에 의해 감지된 불균형은 발목 관절 위에 상체(무게 중심)를 당기는 수단으로서 하퇴 부재를 전방으로 구동(예를 들어, 발목 관절(1740)에 가해지는 토크를 증가시키도록 선형 작동기(1716)를 명령하는 제어기(1762)에 의해 전방으로 구동)하도록 이용된다. 24A, 24B and 24C illustrate how the unique balance control algorithm operation multiplies the wearer as the wearer wakes up in the chair. Referring to FIG. 24A, the start from the sitting position to the standing position includes three states. First, your feet fall off the ground or touch lightly. The prosthetic device (eg, device 1700 of FIGS. 17A-17E) may include a weight of the wearer; Inertial orientation of the lower and foot members; And ground reaction forces (eg, as determined for FIG. 11A). As such, the device “knows” or senses that the wearer is sitting. As the wearer starts to stand up, an increase in ground reaction force appears, and the state of the foot (foot-contact) is recognized through inertial measurement unit measurements and ankle joint angle sensor measurements. Inherent balance control law enforcement is disclosed. During this second state, the imbalance detected by the imbalance of ground reaction forces drives the lowering member forward as a means of pulling the upper body (center of gravity) over the ankle joint (eg, increases the torque applied to the ankle joint 1740). Drive forward by a controller 1762 that instructs linear actuator 1716.

도 24b를 참조하면, 고유의 균형 제어는 착용자가 의자 앞의 평형 상태로 계속 있도록 한다. 도 24c는 필요하다면 중간-입각 평형, 보행 준비 상태에 있는 착용자를 보여준다. 도시되는 바와 같이, 착용자의 의도, 더 구체적으로, 앉기/서기 거동 상황은 보철 장치에 내재 된 감지에 의해 추론된다. 구현 비용 및 명료한 상황 전환(버튼 누르기)의 복잡성이 회피된다. 보철 장치는 자연스런 방식으로 신체 기능을 보상 및 증대한다. Referring to FIG. 24B, inherent balance control keeps the wearer in equilibrium in front of the chair. 24C shows the wearer in mid-standing equilibrium, ready to walk, if necessary. As shown, the intention of the wearer, more specifically, the sit / stand behavior, is inferred by the sensing inherent in the prosthetic device. The cost of implementation and the complexity of explicit context switching (button press) are avoided. Prosthetic devices compensate and augment body function in a natural way.

지면 반력(GRF)에 의해 유도되는 발목 토크는 중간-입각 중에 기하급수적 경화를 달성하는 바람직한 방식이다. 하퇴 상의 토크의 이용과 달리(예를 들어, 도 17a의 구조 엘리먼트(1732)를 이용하여 측정되는 토크), GRF-계산된 발목 토크는 지면에 의해 발목 관절에 가해지는 토크를 측정한다. GRF는 보행 연구 설정에서 힘 판에 의해 종종 측정되며, 보행 중에 온전한 발목이 지면과 상호 작용하는 방식의 측정으로서 이용된다. GRF는 상이한 지형 상황에서의 생체 모방 발목 거동이 무엇인가를 확립한다. 기하급수적 경화를 달성하는 수단으로서 GRF를 이용하는 이점은 생체 모방 참조에 대해 측정될 수 있는 성능에 의해 쉽게 수행된다는 것이다. 또한, 고유의 관성 감지(예를 들어, 도 17a의 관성 측정 유닛(1720)을 이용하여)로부터 추출되므로, 이러한 측정의 이용은 지형 배향에 대한 불변성을 보장한다. Ankle torque induced by ground reaction force (GRF) is a preferred way to achieve exponential hardening during mid-standing. Unlike the use of torque on the lower leg (eg, torque measured using the structural element 1732 of FIG. 17A), the GRF-calculated ankle torque measures the torque applied to the ankle joint by the ground. GRF is often measured by force plates in pedestrian research settings and is used as a measure of how intact ankles interact with the ground during walking. GRF establishes what biomimetic ankle behavior is in different terrain situations. The advantage of using GRF as a means of achieving exponential cure is that it is easily performed by the ability to be measured for biomimetic references. In addition, since it is extracted from inherent inertial sensing (eg, using the inertial measurement unit 1720 of FIG. 17A), the use of such measurements ensures invariance to terrain orientation.

기립 보조는 또한 도 22a 내지 도 22c에 도시된 무릎 지지대 또는 보다 일반적으로 임의의 능동 무릎 지지대 또는 보철을 이용하여 구현될 수 있다. 앉은 자세에서 기립 자세로 사람을 일으켜 세우는 외견상 단순한 작업은 실제로는 단계적인 동작 시퀀스에 따라 리프팅(lifting) 토크 및 복원 균형을 적용하기 위해 무릎 및 엉덩이 신근(extensor)의 참여를 통합하는 복잡한 작업이다. 도 29a 내지 도 29d는 (a) 도 29a에서 도시되는 앉기; (b) 도 29b에서 도시되는 기립 준비로 발 위에 무릎을 재위치; (c) 도 29c에서 도시되는 앉기에서 기립으로의 이행; 및 (d) 도 29d에서 도시되는 신체가 일으켜 세워진 이후의 균형 제어를 포함하는 네 가지 시기를 수반하는, 건강한 사람의 통상의 기립 시퀀스를 도시한다.The standing support may also be implemented using the knee support shown in FIGS. 22A-22C or more generally any active knee support or prosthesis. The seemingly simple task of raising people from sitting position to standing position is actually a complex task that incorporates the involvement of the knee and hip extensors to apply lifting torque and restorative balance according to a stepwise sequence of movements. . 29A-29D are (a) sitting shown in FIG. 29A; (b) repositioning the knee over the foot in preparation for the standing shown in FIG. 29B; (c) transition from sitting to standing shown in FIG. 29C; And (d) a normal standing sequence of a healthy person, involving four periods of time, including balance control after the body is shown up in FIG. 29D.

도 30a 내지 도 30d는 상기 동일한 네 가지 시기 중 일부가 수행되지 않기 때문에, 능동 다리 지지대 또는 보철을 착용한 사람이 동일한 기립 시퀀스를 구현하는데 있어서의 문제점을 도시한다. 더 구체적으로는, 도 30a에 도시되는 바와 같이, 앉은 자세에서 시작하여, 대부분의 지지대 또는 보철 착용자들은 자신들을 의자에 위치시키기 위해 팔에 충분한 힘을 유지하며, 이는 상기 착용자들이 도 30b에 도시되는 바와 같이, 무릎과 상체를 발목 위에 미리 위치시키고 시기(b)를 구현하게 한다. 그러나, 사두근 및 엉덩이 신근에 있어서의 힘의 부족은 도 30c의 X(3010)에 의해 지시되는 바와 같이, 위쪽 다리 및 상체를 의자로부터 일으켜 세우는 시기(c)에서의 회전을 방해한다. 또한, 무릎 및 엉덩이에서 충분한 신근 토크의 결여되는 경우, 부적절한 무릎 및/또는 엉덩이 근육 강도를 갖는 환자는 도 30d의 X(3020)에 의해 지시되는 바와 같이, 기립 자세가 달성되면 상체를 감속시키고 균형을 유지하도록 하는 것은 사실상 불가능하다.30A-30D illustrate problems in implementing the same standing sequence for a person wearing an active leg support or prosthesis since some of the same four periods are not performed. More specifically, starting from a sitting position, as shown in FIG. 30A, most support or prosthetic wearers maintain sufficient force on their arms to place themselves in a chair, which is shown in FIG. 30B. As above, the knee and upper body are pre-positioned over the ankle and embodied timing (b). However, the lack of force in the quadriceps and hip extensors prevents rotation at a time c to raise the upper leg and upper body out of the chair, as indicated by X 3010 in FIG. 30C. In addition, if there is a lack of sufficient extensor torque in the knees and hips, a patient with improper knee and / or hip muscle strength will slow down and balance the upper body once the standing position is achieved, as indicated by X 3020 of FIG. 30D. It is virtually impossible to keep them.

도 31a 내지 도 31d는 능동 지지대(도 22a 내지 도 22c에 도시됨) 또는 능동 무릎 보철과 같은 능동 무릎 장치가 사지 장애로 고통받는 환자의 기립 시퀀스를 보조하기 위해 이용될 수 있는 방법을 도시한다. 이는 사용자가 현재 앉아 있음을 인식하기 위한 능력, 및 앉은 자세를 유지하려는 사용자의 의도 및 기립하기 시작하는 사용자의 의도 사이를 구별하기 위한 능력을 필요로 한다.31A-31D illustrate how an active knee device, such as an active support (shown in FIGS. 22A-22C) or an active knee prosthesis, can be used to assist in the standing sequence of a patient suffering from limb disorder. This requires the ability to recognize that the user is currently sitting and the ability to distinguish between the user's intention to maintain the sitting position and the user's intention to start standing.

사용자가 현재 앉아있음을 나타내는 하나의 지표는 도 31a에서 도시되는 바와 같이 허벅지가 실질적으로 수평인 경우이다. 이러한 허벅지의 자세는, 앉은 자세에서의 중력 벡터가 주로 허벅지의 x-y 평면(z-축에 직교)에 놓여있기 때문에, 허벅지 좌표 시스템에 대해 중력 벡터를 측정하는 무릎 장치에 장착된 관성 센서를 이용하여 결정될 수 있다. 앉은 자세에 있음을 나타내는 다른 지표는, 이완된 앉은 자세에서 발목 관절이 통상적으로 무릎의 앞쪽에 있기 때문에, 허벅지에 대한 정강이의 회전 각도(각도 인코더를 이용하여 획득될 수 있음)에 기초한다. 예를 들어, 이완된 앉은 자세와 일치하는 낮은 관절 임피던스를 유지함으로써, 앉음 모드에 남아 있기 위해, 이러한 조건들이 시스템에 의해 측정되고 시스템에 의존할 수 있다.One indicator that the user is currently sitting is when the thighs are substantially horizontal, as shown in FIG. 31A. This thigh pose uses an inertial sensor mounted on the knee device that measures the gravity vector against the thigh coordinate system, since the gravity vector in the sitting position lies mainly in the xy plane (orthogonal to the z-axis) of the thigh. Can be determined. Another indicator of being in a sitting position is based on the angle of rotation of the shin relative to the thigh (which can be obtained using an angle encoder) because the ankle joint is typically in front of the knee in the relaxed sitting position. For example, by maintaining a low joint impedance consistent with a relaxed sitting position, these conditions may be measured by the system and dependent on the system to remain in sitting mode.

그리고나서, 도 31b에 도시되는 바와 같이 발목 관절이 무릎 관절 아래에 더 가깝게 위치되는 때를 검출함으로써 기립 자세로의 이행에 대한 사용자의 의도를 검출하는데 이러한 동일한 센서들이 이용될 수 있다. 이러한 상황이 검출되면, 시스템은 기립 루틴을 시험적으로 개시함으로써 기립하려는 사용자의 의도를 검증하도록 시도하는 것이 바람직하다. 시스템이 사용자로부터 긍정적인 피드백을 수신하면, 기립 루틴이 계속된다. 그러나, 시스템이 사용자로부터 긍정적인 피드백을 수신하지 않으면, 기립 루틴은 중단된다.These same sensors can then be used to detect the user's intention to transition to a standing position by detecting when the ankle joint is located closer to the bottom of the knee joint as shown in FIG. 31B. If such a situation is detected, the system preferably attempts to verify the user's intention to stand by experimentally starting the standing routine. Once the system receives positive feedback from the user, the standing routine continues. However, if the system does not receive positive feedback from the user, the standing routine is stopped.

기립 루틴의 이러한 시험적인 개시는 도 31c에 도시되는 바와 같이, 무릎 장치가 엉덩이 관절의 추정된 상향 및 전방 속도에 따라 점차적으로 증가하는 토크(3110)를 인가하게 함으로써 구현될 수 있다. 긍정적인 피드백은 기립 동작 중인 무릎 장치를 보조하기 위해 엉덩이 관절을 수직으로 이동시키려고 팔로 몸을 일으켜 세우려는 사용자에 의해 제공될 수 있다. 이러한 상황에서, 엉덩이는 더욱 수직으로 이동할 것이며, 중력 벡터는 z-축을 행해 이행하기 시작할 것이다. 시스템은 이러한 상태를 사용자가 실제로 기립하기를 원하는 것으로 해석한다. 이에 응답하여, 시스템은 사용자를 계속해서 일으켜 세우기 위해 토크를 더 인가한다.This experimental initiation of the standing routine can be implemented by causing the knee device to apply torque 3110 that gradually increases with the estimated upward and forward speeds of the hip joint. Positive feedback may be provided by the user trying to stand up with the arm to move the hip joint vertically to assist the standing knee device. In this situation, the hip will move more vertically, and the gravity vector will begin to execute along the z-axis. The system interprets this state as if the user actually wants to stand. In response, the system further applies torque to keep the user up.

대안적으로, 사용자로부터의 긍정적인 피드백은 표면 또는 매몰(implanted) 전극을 이용하여 착용자의 허벅지 및/또는 엉덩이 근육 조직으로부터 측정되는 근전도 신호의 형태일 수 있다. 더 구체적으로는, 무릎 관절이 발목 관절을 향해 앞으로 이동하는 것을 장치가 검출하면, 기립 루틴은 착용자가 사두근 및/또는 엉덩이 신근을 굽힘으로써 개시될 수 있다. 장치는 종래의 기술을 사용하여 이들 근전도 신호를 측정하고, 각각의 근육 출력을 증폭 및 필터링하며, 크기, 변화 및/또는 주파수와 같은 신호 특징을 추출할 수 있다. 그리고나서, 이러한 추출된 특징들은 앉은 상태를 유지하거나 기립 루틴을 개시하고자 하는 사용자의 의도를 파악하기 위해 이용될 수 있다.Alternatively, the positive feedback from the user may be in the form of EMG signals measured from the thigh and / or hip muscle tissue of the wearer using surface or implanted electrodes. More specifically, if the device detects that the knee joint moves forward toward the ankle joint, the standing routine can be initiated by the wearer bending the quadriceps and / or the hip extensor. The device may use conventional techniques to measure these EMG signals, amplify and filter each muscle output, and extract signal features such as magnitude, change, and / or frequency. These extracted features can then be used to identify the user's intention to stay seated or initiate a standing routine.

선택적으로, 발의 압력 센서가 ZMP를 검출하기 위해 이용될 수 있고, 상체 장착형 IMU가 CMP를 검출하기 위해 이용될 수 있으며, 착용자가 하퇴 위에서의 균형을 유지하기 위한 피드백으로서 관련되는 지면 반력 벡터가 이용될 수 있다. 이러한 압력 센서들은 적절한 무선 인터페이스(예를 들어, 블루투스)를 이용하여 무릎 장치 내의 제어기와 통신한다. 환자가 기립 상태에 도달함에 따라, 무릎 장치는 도 31d에 도시되는 바와 같이, 기립 상태에 있는 동안 균형을 이루도록 착용자를 보조하는 복원 토크(3120)를 인가한다. 무릎 토크의 인가는 착용자의 무게 중심 앞뒤의 힘 벡터를 조향함으로써, ZMP-CMP를 시간이 경과함에 따라 무효로 만들 것이다. 이를 구현하기 위한 적절한 접근 방식의 예시들은 여기서 참조로서 통합되는 미국 등록 특허 제 7,313,463 호에서 발견될 수 있다.Optionally, a foot pressure sensor can be used to detect the ZMP, an upper body mounted IMU can be used to detect the CMP, and a ground reaction force vector is used as the feedback for the wearer to maintain balance on the lower leg. Can be. These pressure sensors communicate with a controller in the knee device using a suitable wireless interface (eg, Bluetooth). As the patient reaches the standing state, the knee device applies a restoring torque 3120 to assist the wearer to balance while in the standing state, as shown in FIG. 31D. The application of knee torque will invalidate the ZMP-CMP over time by steering the force vector before and after the wearer's center of gravity. Examples of suitable approaches to implementing this can be found in US Pat. No. 7,313,463, which is incorporated herein by reference.

의자에 앉아 있는 동안 사용자가 때때로 자세를 여러 가지 방식으로 바꿈으로써 기립 루틴의 시험적 개시를 촉발할 수도 있다는 점을 주의해야 한다. 그러나, 적용되는 무릎 장치의 토크는 처음에는 상대적으로 작으며, 사용자로부터 긍정적인 피드백이 수신되지 않을 경우 시간(예를 들어, 1초 내지 2초)이 경과함에 따라 급격히 사라질 것이다. 비-근전성(non-myoelectric) 시스템에 있어서 긍정적 피드백이 없는 예시는 사용자가 팔을 이용하여 신체를 일으켜 세우려고 시도하지 않고 엉덩이 관절이 이동을 시작하지 않는 경우이다. 근전성(myoelectric) 시스템에 있어서 긍정적 피드백이 없는 예시는 사용자의 의도가 기립 의도라고 확신할 수 있을 정도로 사용자가 무릎 및/또는 엉덩이 신근을 실질적으로 활성화하지 않는 때이다. 긍정적인 피드백이 수신되지 않는다면, 시스템은 기립 루틴을 중단하고 이완된 앉음 상태로 돌아갈 것이다.
It should be noted that while sitting in a chair, the user may sometimes trigger a trial initiation of the standing routine by changing posture in various ways. However, the torque of the applied knee device is relatively small at first, and will quickly disappear with time (eg, 1 second to 2 seconds) if no positive feedback is received from the user. An example of no positive feedback in a non-myoelectric system is when the user does not attempt to raise the body using the arm and the hip joint does not begin to move. An example of no positive feedback in a myoelectric system is when the user does not substantially activate the knee and / or hip extensors so as to be sure that the user's intention is a standing intent. If no positive feedback is received, the system will abort the standing routine and return to a relaxed sitting state.

최적화 방법들Optimization methods

도 25a 및 도 25b는 1) 보행 사이클의 동시 입각 시기 중에 뒤따라가는 발부터 앞서가는 발로 체중을 이동시키는 천이 작업, Wt, 2) 엉덩이 충격력 및 힘 비율의 최소화, 또는 3) 비용(목적) 함수의 조합을 최소화의 확률적 최적화에 기초하여 의족 장치를 제어하는 것을 도시하는 개략도이다. 도 25a는 천이 작업을 계산하도록 이용되는 단순화된 모델을 도시한다. 도 25b는 엉덩이 충격력 및 힘 비율을 계산하도록 이용되는 단순화된 모델을 도시한다. 25A and 25B show 1) a transition operation to move weight from the following foot to the leading foot during the simultaneous standing phase of the walking cycle, W t , 2) minimizing hip impact force and force ratio, or 3) cost (purpose) function Is a schematic diagram illustrating controlling a prosthetic device based on a stochastic optimization of minimizing a combination of the two. 25A shows a simplified model used to calculate the transition task. 25B shows a simplified model used to calculate hip impact force and force ratio.

확률적인이라는 용어는 사람의 의도; 생체 역학 피드백(보행 속도 포함); 지형 상황, 및 지형 특성에 대한 확률(가능성) 함수를 가정하여 엉덩이 충격력 및 힘 비율 제한을 조건으로 하는 목적 함수의 예상된 값을 최소화한다는 것을 나타낸다. 최적화는 제어 알고리즘 내의 임피던스, 토크 및 위치 제어 변수의 변경을 통해 달성된다. 사실상, 하이브리드 시스템 에너지에 대한 발-착지력의 음의 충격을 최소화하고 반사에 의한 지면력의 양의 충격을 최대화함으로써 전달 에너지는 최소화되고, 엉덩이 충격력 제한이 만족된다.The term stochastic refers to a person's intention; Biomechanical feedback (including walking speed); It assumes that the terrain situation, and the probability function for the terrain feature, minimizes the expected value of the objective function subject to hip impact force and force ratio constraints. Optimization is achieved by changing the impedance, torque and position control variables in the control algorithm. In fact, the transmission energy is minimized by minimizing the negative impact of landing force on the hybrid system energy and maximizing the positive impact of ground force by reflection, and hip impact force limitations are satisfied.

전술한 최적화는 생체 모방 거동에 기여하는 핵심 컴포넌트 내의 "진화적" 섭동(攝動)(perturbation)을 유도하고 이러한 진화적 섭동으로부터 나오는 전달 에너지를 측정함으로써 실시간으로 구현될 수 있다. 전달 에너지는 관성 측정 유닛 피드백을 증대하도록 생체 역학 모델을 이용하여 추정될 수 있거나, 특별한 경우, 임시 관성 측정 유닛 서브-시스템(상체 및/또는 상퇴 둘레의 벨트 형태의 바디 상에 장착되는 IMU)는 상체 자세 및 바디 무게 중심 속도를 용이하게 추정하도록 이용될 수 있을 것이다. 플레처-파웰(Fletcher-Powell) 방법(또는 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 다른 적절한 최적화 방법)을 이용하여, 변수의 지능 진화가 유도될 수 있으며, 최적화가 계산될 수 있다. 이러한 최적화는 증대의 보행 효과로 인해 계속해서 변화한다. 이러한 진화적 섭동을 계속하여 서서히 적용함으로써, 최적화는 연속성에 기초하여 달성될 수 있다. 또한, 보철 또는 지지대의 초기 조정 또는 건강 진단의 경우로서, 이러한 진화적 최적화는 상당히 짧은 간격, 즉, 5분 내지 10분간 발생할 수 있을 것이다. The foregoing optimization can be implemented in real time by inducing "evolutionary" perturbations in key components contributing to biomimetic behavior and measuring the transfer energy from such evolutionary perturbations. The delivered energy may be estimated using a biomechanical model to augment the inertial measurement unit feedback, or in special cases, a temporary inertial measurement unit sub-system (IMU mounted on a belt-shaped body around the upper body and / or the upper leg) It may be used to easily estimate the upper body posture and body center of gravity velocity. Using the Fletcher-Powell method (or other suitable optimization method known to those of ordinary skill in the art), the intelligent evolution of the variable can be derived and the optimization can be calculated. This optimization continues to change due to the walking effect of augmentation. By continually applying this evolutionary perturbation, optimization can be achieved based on continuity. In addition, in the case of initial adjustment or medical examination of the prosthesis or support, this evolutionary optimization may occur at fairly short intervals, i.e. 5 to 10 minutes.

이하에서는 대상의 보행 사이클의 상이한 시기(phase)를 설명하며, 일 실시예에 있어서, 본 발명의 원리에 따라 발목-관절 보철에 의해 수행되는 걸음은 발목-관절 보철의 작동 및 제어를 감지하기 위한 것이다.
The following describes different phases of the gait cycle of a subject, and in one embodiment, the steps performed by the ankle-joint prosthesis in accordance with the principles of the present invention provide for detecting the operation and control of the ankle-joint prosthesis. will be.

제어된 Controlled 족저Plantar 굴곡 curve

충격 시, 지면에 먼저 닿을 것을 예상(지형구별 모델(terrain discrimination model)로부터)하는 발의 일부에 대응하는 지면 반력 및 제로 모멘트 피벗을 체크한다. 발목 각도(또는 발목 토크)의 대응하는 변화의 존재 및 발의 적절한 엔드-포인트의 고정을 확인한다. 충격 후, 관성 발바닥-닿기 각도에 대응하는 국부 지형 슬로프가 예상보다 현저하게 작은 조건을 찾는다. 발목 스프링 복원력을 포화시키고 이것이 검출되는 경우 댐핑을 증가시킨다. 지형구별을 위해, 생체 역학 모델 피드백에 기초하여, 지형 가설(슬로프 대 계단)이 맞는지 및 착용자가 헛디뎠는지를 확인한다. 예를 들어, 계단에서의 헛디딤은 발의 전방 부분의 중심에 가해지는 큰 z-힘 대신 y-방향으로 큰 음의 힘으로서 측정될 수도 있다. 지형 텍스쳐의 경우, 발의 뒤꿈치 또는 전방 부분이 먼저 충격을 받을 것이다. 이러한 충격과 관련되는 함몰의 비-탄성 컴포넌트가 계산될 것이다. 단단한 지면에는, 이러한 함몰은 무시되어야만 하며 - 탄성 스트레인(발 모듈, 선형 작동기)만이 관측될 것이다. 진흙 또는 부드러운 지면의 경우, 지형 가소성은 충격받는 발 세그먼트의 궤적을 살펴봄으로써 관측될 것이다. 지형 가소성은 이러한 보행 사이클 상에서 수행되는 순 작업의 완화제로서 이용될 것이다. 미끄러짐 또한 충격 후 충격받는 발 세그먼트의 전방 속도를 표시함으로써 검출될 수 있다. 에스컬레이터 또는 수송 수단은 정강이 각도가 발의 전방 속도에 따라 회전하지 않는 것을 표시하고, 착용자가 균형을 잘 이루고 이동 표면 위로 걷고 있음을 신호 처리함으로써 검출될 수 있다. 임피던스의 경우, 발목 관절의 제어는 추정된 지형-참조된 속도 공격 각도(y) 하부 사지 모멘텀, 추정된 지형 슬로프 및 지형 특성을 이용하여 최적 임피던스를 적용한다. 반사 제어에 있어서, 미끄러짐이 검출되는 경우, 균형-복원 반사는 발목 위에서 무릎을 이동시키도록 발생될 것이다. 균형 제어에 있어서, 최적 균형은 국부 지형 슬로프 추정치가 발바닥-닿기에서 업데이트된 후 스프링 평형을 관성 참조함으로써 통상적으로 달성될 것이다. 지형이 미끄러운 경우, 균형을 이루는 알고리즘은 정강이를 전방으로 "당기도록" 양의 토크 "반사"를 유도하여 작용자가 발목 위의 무릎을 위치시킴에 따라 착용자를 보조함으로써, - 바디 무게 중심이 추정된 지면 반력과 정렬하도록 한다.
On impact, check the ground reaction force and the zero moment pivot that correspond to the part of the foot that is expected to reach the ground first (from the terrain discrimination model). Confirm the presence of a corresponding change in ankle angle (or ankle torque) and fixation of the appropriate end-point of the foot. After the impact, find a condition where the local terrain slope corresponding to the inertial sole-contact angle is significantly smaller than expected. Saturate ankle spring restoring force and increase damping when it is detected. For topographic differentiation, based on biomechanical model feedback, the topography hypothesis (slope versus staircase) is checked and the wearer is sloppy. For example, a step in the staircase may be measured as a large negative force in the y-direction instead of a large z-force applied to the center of the front portion of the foot. For terrain textures, the heel or front part of the foot will be impacted first. The non-elastic component of the depression associated with this impact will be calculated. On hard ground this depression should be ignored-only elastic strains (foot modules, linear actuators) will be observed. For mud or soft ground, topographic plasticity will be observed by looking at the trajectory of the impacted foot segment. Terrain plasticity will be used as a mitigator for the net work performed on this walking cycle. Slip can also be detected by indicating the forward velocity of the foot segment impacted after the impact. An escalator or vehicle can be detected by indicating that the shin angle does not rotate according to the forward speed of the foot and signaling that the wearer is well balanced and walking over the moving surface. In the case of impedance, the control of the ankle joint applies the optimum impedance using the estimated terrain-referenced velocity attack angle (y) lower limb momentum, estimated terrain slope and terrain characteristics. In reflex control, if a slip is detected, a balance-restored reflection will be generated to move the knee over the ankle. In balance control, optimal balance will typically be achieved by inertia referencing the spring equilibrium after the local terrain slope estimate has been updated at the sole-contact. If the terrain is slippery, the balancing algorithm induces a positive torque "reflection" to "pull" the shin forward, assisting the wearer as the operator positions the knee above the ankle,-the body center of gravity is estimated Align with ground reactions.

제어된 Controlled 배측Domination 굴곡 curve

발바닥-닿기가 검출되고 나면, 제어기는 이러한 국부 지형 슬로프에 대해 스프링 평형 각도를 관성적으로 참조하여 착용자가 이러한 슬로프 위의 중력과 정렬하여 서 있는 경우, 복원 토크가 정적 조건 하의 발목에 의해 전혀 적용되지 않도록 한다. 이 시점에서, 국부 지형 상황은 이제 정확하게 알려진다. 이러한 "발바닥-닿기" 위치에서의 발 참조 좌표는 또한 지형 텍스쳐의 충격을 평가하는데 이용되도록 정의된다. 지형 텍스쳐에 있어서, 알고리즘은 지형 특성 모델을 업데이트하도록 - 특히, 충격받은 발 세그먼트이 발-착지 및 발바닥-닿기 사이에서 이동하는 방식을 측정함으로써 표면의 가소성 및 그의 미끄러짐을 측정하도록 - "발바닥-닿기" 참조에 대해 미끄러짐 및 스트레인의 통합된 측정치를 이용한다. 이러한 측정치는 발목 임피던스 및 순 작업(후기 족저 굴곡의 반사 토크)을 완화하도록 이용될 수 있다. 또한, "미끄러짐"이 발-착지 및 발바닥-닿기 사이에서 검출되는 경우, 제어기에 수행되는 알고리즘은 또한 정강이 각속도(무릎이 발목 관절에 대해 이동하는 방식)를 관찰함으로써 미끄러운 표면 및 에스컬레이터/이송 수단 사이를 구별한다. 어떤 경우, 신뢰성 있는 "제로 속도에서 발목 관절"이 이러한 걸음에서 전혀 이용될 수 없을 것이므로, 제로-속도 업데이트는 예정될 수 없을 것이다. 지형이 미끄러운 경우, 특정 측정치는 균형 기능에 의해 적용될 필요가 있을 것이다. 이동하는 에스컬레이터 또는 이송 수단에 발이 착지하는 경우, 정격 임피던스는 새로운 관성 프레임 상에서 이용될 수 있다. 임피던스 제어에 있어서, 제어 시스템은 관성-참조 평형 각도를 유지하는 최적 임피던스를 가할 수 있으며; 더 높은 레벨의 순 작업을 가능하게 하도록 보행 속도-종속 강성(더 빠른 보행 속도에서 더 낮은 강성)을 생성하며; 높은-소성 표면에서의 강성을 감소시킨다. 반사 제어에 있어서, 미끄러짐이 검출되는 경우, 균형-복원 반사는 발목 위에서 무릎을 이동시키도록 생성될 것이다. 균형 제어에 있어서, 최적 균형은 국부 지형 슬로프 추정치가 발바닥-닿기에서 업데이트된 후 스프링 평형을 관성 참조함으로써 통상적으로 달성될 것이다. 지형이 미끄러운 경우, 균형을 유지하는 알고리즘은 작업자가 발목 위에 무릎을 위치시킴에 따라 착용자를 보조하도록 정강이를 앞으로 "당김" 또는 양의 토크 "반사"를 유도함으로써 - 바디 무게 중심이 추정된 지면 반력과 정렬되도록 할 것이다.
Once the plantar-contact is detected, the controller inertically references the spring equilibrium angle for this local topographical slope so that if the wearer is standing in alignment with gravity on this slope, the restoring torque is applied by the ankle under static conditions at all. Do not At this point, the local terrain situation is now correctly known. The foot reference coordinates at this “foot-contacting” position are also defined to be used to evaluate the impact of the terrain texture. For terrain textures, the algorithm updates the terrain feature model, in particular to measure plasticity of the surface and its slipping by measuring how the impacted foot segment moves between foot-and-foot contact. Use integrated measurements of slip and strain for reference. These measurements can be used to mitigate ankle impedance and net work (reflection torque of late plantar flexion). In addition, when a "slip" is detected between foot-and-foot contact, the algorithm performed on the controller also determines the slippage between the slippery surface and the escalator / transportation means by observing the shin angular velocity (the way the knee moves relative to the ankle joint). Distinguish. In some cases, since a reliable "ankle joint at zero speed" would not be available at all at this pace, a zero-speed update could not be scheduled. If the terrain is slippery, certain measurements will need to be applied by the balance function. If the foot lands on a moving escalator or conveying means, the rated impedance can be used on a new inertia frame. In impedance control, the control system can apply an optimum impedance that maintains an inertial-reference equilibrium angle; Generate walking speed-dependent stiffness (lower stiffness at faster walking speeds) to enable higher levels of net work; Reduces stiffness at high-plastic surfaces. In reflex control, if a slip is detected, a balance-restored reflection will be created to move the knee over the ankle. In balance control, optimal balance will typically be achieved by inertia referencing the spring equilibrium after the local terrain slope estimate has been updated at the sole-contact. If the terrain is slippery, the balancing algorithm may induce a “pull” or positive torque “reflection” forward of the shin to assist the wearer as the operator positions the knee over the ankle—the ground reaction force from which the body center of gravity is estimated Will be aligned with.

힘이 실린 Empowered 족저Plantar 굴곡 curve

표면 내로의 모델 모니터 미끄러짐 및 가라앉음은 이러한 조건에서 효율적인 보행을 위해 이용될 수 있는 발목 토크 제한을 확인한다. 지형 텍스쳐의 경우, 지형 특성 추정치는 이러한 상태에서 개선되며 임피던스, 반사 및 균형 기능에 대한 입력치로서 이용된다. 임피던스 제어의 경우, 정격 임피던스 변수는 보행 속도, 지형 표면 특성 및 스트레인 및 발 미끄러짐에서의 변화를 수용하도록 변경될 것이다. 특정 "힘 필드" - 통상적으로, 볼-너트가 사전 정의된 단부-정지 한계에 도달함에 따라 기하급수적으로 증가하는 비-선형 작동기 힘 - 는 모터 제어기에 의해 가해져서 K3 스프링 에너지(평행 탄성 부재 내부)가 골절 한계의 하한을 초과하지 않도록 보장한다. 반사 제어의 경우, 반사 진폭은 지형이 이러한 순 작업의 제조를 지지할 수 있는 정도와 조합하여 생체 역학 모델로부터의 순 작업 "세트포인트"를 설명하도록 조정될 것이다. 균형 제어에 있어서, 최적 균형은 국부 지형 슬로프 추정치가 발바닥-닿기에서 업데이트된 후 스프링 평형을 관성 참조함으로써 통상적으로 달성될 것이다. 지형이 미끄러운 경우, 균형을 유지하는 알고리즘은 착용자가 발목 위에 무릎을 위치시킴에 따라 착용자를 보조하기 위해 정강이를 전방으로 "당기도록" 양의 토크 "반사"를 유입함으로써 - 바디 무게 중심이 추정된 지면 반력과 정렬되도록 할 것이다.
Model monitor slipping and sinking into the surface identify ankle torque limits that can be used for efficient walking in these conditions. For terrain textures, terrain feature estimates are improved in this state and used as inputs for impedance, reflection, and balance functions. For impedance control, the rated impedance variable will be changed to accommodate changes in walking speed, terrain surface properties, and strain and foot slip. A particular "force field"-typically a non-linear actuator force that increases exponentially as the ball-nut reaches a predefined end-stop limit-is applied by the motor controller so that the K3 spring energy (inside the parallel elastic member) ) Is not to exceed the lower limit of the fracture limit. In the case of reflection control, the reflection amplitude will be adjusted to account for the net work “setpoint” from the biomechanical model in combination with the extent to which the terrain can support the manufacture of this net work. In balance control, optimal balance will typically be achieved by inertia referencing the spring equilibrium after the local terrain slope estimate has been updated at the sole-contact. If the terrain is slippery, the balancing algorithm introduces a positive torque "reflection" to "pull" the shin forward to assist the wearer as the wearer places his knee above the ankle-the body center of gravity is estimated. Will be aligned with ground reactions.

초기 Early 유각Embossed

초기 유각의 경우, 발가락이 지면을 떠난 직후, 모델은 발목, 뒤꿈치 및 발가락의 관성 궤적을 모니터하며, 발목이 지형에 의한 방해 없이 중립 위치로 배측 굴곡될 수 있는 때를 결정한다. 모델은 가장 빠르고 효율적이며 안정적인 방식으로 중립 위치까지 발목을 이동시키도록(헛디딤 위험을 피하도록) 적절한 임피던스 이득 및 전방-공급 토크를 갖는 최적 궤적을 계산한다. 지형구별의 경우, 모델은, 발이 이동되는 쓸어낸(발 부재와 "비-접촉") 체적의 트랙을 유지하기를 시작하여, 발가락-하향 솔루션이 유일하게 성공 가능한 솔루션(예를 들어, 얕은 계단이나 레지(ledge)에 착지)인 경우, 후기 유각에서 적응적 발목 위치설정 기능을 통지한다. 초기 유각에서의 임피던스 제어의 경우, 임피던스의 중립 값은 제어기에 의해 적용된다. 힘-전계 함수는 선형 작동기가 견고한 정지부(이동의 단부)를 충돌하지 않을 것을 - 작동기가 그곳(이동의 단부)에 접착되도록 하는 조건 - 보장하도록 가해진다. 하이브리드 생체 역학 모델에 의해 통지되는 초기 유각의 임피던스 제어의 경우, 제어기는 평형 위치를(발목 각도 세트포인트) 원하는 중립 위치로 기하급수적으로 구동하는 궤적을 생성하도록 임피던스를 제어한다. 전방 공급 토크 기능은, 예를 들어, 오버슈트 및 경보를 유도할 수 있는 에러를 따르는 임피던스 특성 및 발목 각도 사이의 상호작용을 감소시키도록 가해진다.In the case of early bees, immediately after the toes leave the ground, the model monitors the inertia trajectories of the ankles, heel, and toes, and determines when the ankles can bend back to a neutral position without obstruction by terrain. The model calculates the optimal trajectory with the appropriate impedance gain and forward-supply torque to move the ankle to the neutral position (avoid tingling risk) in the fastest, most efficient and stable manner. In the case of topographic distinction, the model begins to keep track of the volume of the sweeping ("non-contacting" foot) and the volume of the foot being moved, so that the toe-down solution is the only viable solution (eg, shallow staircase). Or landing on the ledge), announcing the adaptive ankle positioning function at later stages. In the case of impedance control at initial slope, the neutral value of impedance is applied by the controller. The force-field function is applied to ensure that the linear actuator will not impinge on a rigid stop (end of movement)-a condition under which the actuator will adhere to it (end of movement). In the case of impedance control of the initial angle noticed by the hybrid biomechanical model, the controller controls the impedance to create a trajectory that drives the equilibrium position (ankle angle set point) exponentially to the desired neutral position. The forward feed torque function is applied to reduce the interaction between impedance characteristics and ankle angles following errors that can lead to overshoot and alarms, for example.

후기 review 유각Embossed

지형구별의 경우, 모델은 발이 이동되는 "클리어" 체적의 트랙을 유지함으로써, 발가락-하향 해결 방안이 유일한 실현 가능한 해결 방안, 즉, 얕은 계단 또는 레지인 경우, 후기 유각의 적응적 발목 위치설정 기능을 통지한다. 보다 일반적으로, 발목 궤적이 모니터링되며 패턴 인식 기능은 경사 표면과 반대인 계단/레지 위에 발이 착지할 가능성을 결정하도록 이용된다. 두 가지 조건 사이를 구별하도록 발견되는 하나의 단순한 방식은 발목 속도가 수직에 대해 이루어지는 각도를 측정하는 것이며; 다양한 실험에 있어서, 이러한 각도가 10도 이하인 경우가 결정되었으며, 발은 수평 단차에 착지할 것이다. 지형구별 모델에 의해 통지되는 임피던스 제어의 경우, 발목 궤적(평형)은 헛디딤 위험을 회피할 것이 필요함에 따라 제어기에 의해 수정될 것이다. 예를 들어, 지형구별 기능이 계단 오르기의 최대 가능성을 제공하는 경우, 추가의 배측 굴곡은 발가락이 계단 또는 레지를 잡지 않을 것을 보장하도록 명령이 내려진다. 이전과 같이, 하이브리드 생체 역학 모델은 긴밀한 공차로 안전하고 안정적인 방식으로 추적될 수 있는 계속적이며 업데이트 가능한 평형 궤적을 계획한다. 후기-입각 상태에 있어서, 생체 역학 모델은 전달 에너지 및 무릎-엉덩이 충격력의 약간의 조합을 포함하는 목적 함수를 최소화할 최적 평형 각도 및 발목 임피던스를 계산한다. 이러한 최적화 기능은 State Machine ROM의 색인표를 통해 구현될 수 있을 것이다. 또는, 예시적인 실시예에 있어서, 상태 제어기 기능은 목적 함수를 계산 및 최적화하도록 강체 동역학(rigid body dynamics)의 근사치를 이용하여 실시간으로 최적화를 수행할 것이다. In the case of topographic distinction, the model maintains a track of the "clear" volume through which the foot is moved, so that when the toe-down solution is the only feasible solution, ie, shallow staircase or ledge, the late ankle adaptive ankle positioning function. Notify. More generally, the ankle trajectory is monitored and pattern recognition functions are used to determine the likelihood that the foot will land on a stair / resist opposite to the inclined surface. One simple way found to distinguish between the two conditions is to measure the angle at which the ankle velocity is perpendicular to the vertical; In various experiments, it was determined that this angle was less than or equal to 10 degrees and the foot would land on a horizontal step. In the case of impedance control notified by the topographical model, the ankle trajectory (balance) will be modified by the controller as needed to avoid risk of wandering. For example, if the topographical feature provides the maximum likelihood of climbing stairs, additional dorsal flexion is ordered to ensure that the toes do not hold the stairs or ledges. As before, hybrid biomechanical models project continuous and updateable equilibrium trajectories that can be tracked in a secure and stable manner with tight tolerances. In the late-standing state, the biomechanical model calculates the optimal equilibrium angle and ankle impedance that will minimize the objective function including some combination of transfer energy and knee-hip impact force. These optimizations can be implemented through state machine ROM index tables. Or, in an exemplary embodiment, the state controller function will perform optimization in real time using an approximation of rigid body dynamics to calculate and optimize the objective function.

본 명세서에 개시된 스트레인예, 변경예 및 기타 구현예는 청구되는 본 발명의 사상 및 범위를 이탈하지 않고도 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게는 명료하게 될 것이다. 그에 따라, 본 발명은 전술한 설명에 의해 정의되는 것이 아니라 하기 청구범위의 사상 및 범위에 의해 정의될 것이다. Strains, modifications, and other embodiments disclosed herein will be apparent to those of ordinary skill in the art without departing from the spirit and scope of the claimed invention. Accordingly, the invention will be defined not by the foregoing description, but by the spirit and scope of the following claims.

200: 발목 관절
204: 관성 측정 유닛
208: 발 부재
212: 뒤꿈치
216: 발가락
220: 하퇴 부재
200: ankle joint
204: inertial measurement unit
208: foot member
212: heel
216: toes
220: retreat member

Claims (20)

능동 지지대 또는 보철 장치로서,
허벅지 부재;
하퇴 부재;
상기 허벅지 부재를 상기 하퇴 부재에 연결하기 위한 무릎 관절;
모터 축 출력부를 포함하는 회전 모터;
상기 모터 축 출력부와 결합되는 상기 모터 구동 전달 조립체;
상기 모터 구동 전달 조립체의 출력과 결합되는 구동 전달 조립체 ― 상기 구동 전달 조립체의 출력부는 상기 무릎 관절에 토크를 적용하여 상기 허벅지 부재에 대해 상기 하퇴 부재를 회전시키기 위해 상기 하퇴 부재와 결합함 ― ;
상기 장치의 착용자가 앉은 자세(seated position)에 있을 때 발목 관절에 대한 무릎 관절의 위치가 결정될 수 있는 적어도 하나의 출력을 갖는 적어도 하나의 센서; 및
상기 적어도 하나의 센서의 상기 적어도 하나의 출력에 기초하여 상기 무릎 관절이 상기 발목 관절 앞의 위치로 이동하는 때를 결정하고, 상기 결정에 응답하여 사람을 상기 앉은 자세에서 기립 자세(standing positioin)로 일으켜 세우는 것을 보조하기 위해 상기 무릎 관절의 임피던스, 위치 또는 토크를 조절하도록 상기 회전 모터를 제어하는 제어기
를 포함하는, 능동 지지대 또는 보철 장치.
As an active support or prosthetic device,
Thigh member;
Lower member;
A knee joint for connecting the thigh member to the lower member;
A rotary motor including a motor shaft output;
The motor drive transmission assembly coupled to the motor shaft output;
A drive transmission assembly coupled with an output of the motor drive transmission assembly, the output of the drive transmission assembly engages with the lower member to apply torque to the knee joint to rotate the lower member relative to the thigh member;
At least one sensor having at least one output from which the position of the knee joint relative to the ankle joint may be determined when the wearer of the device is in a seated position; And
Determine when the knee joint moves to a position before the ankle joint based on the at least one output of the at least one sensor, and in response to the determination a person from the sitting position to a standing positioin A controller to control the rotating motor to adjust the impedance, position or torque of the knee joint to assist in raising
Comprising, an active support or prosthetic device.
제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 센서는 허벅지 좌표 시스템에 대한 중력 벡터를 측정하는 관성 센서를 포함하는,
능동 지지대 또는 보철 장치.
The method of claim 1,
Wherein the at least one sensor comprises an inertial sensor measuring a gravity vector for the thigh coordinate system,
Active support or prosthetic device.
제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 센서는 상기 허벅지에 대한 상기 하퇴의 회전 각도를 검출하는,
능동 지지대 또는 보철 장치.
The method of claim 1,
The at least one sensor detecting the rotational angle of the lower leg relative to the thigh,
Active support or prosthetic device.
제 1 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 착용자가 앉은 자세에 있다는 결정에 응답하여 낮은 관절 임피던스를 유지하도록 프로그래밍되는,
능동 지지대 또는 보철 장치.
The method of claim 1,
The controller is programmed to maintain a low joint impedance in response to determining that the wearer is in a sitting position,
Active support or prosthetic device.
제 1 항에 있어서,
상기 제어기는 기립 루틴을 시험적으로 개시함으로써 상기 착용자의 기립 의도를 검증하도록 프로그래밍되는, 능동 지지대 또는 보철 장치.
The method of claim 1,
And the controller is programmed to verify the standing intent of the wearer by experimentally starting the standing routine.
제 5 항에 있어서,
상기 제어기는 긍정적인 피드백이 수신되는 경우 상기 기립 루틴을 계속해서 수행하고, 긍정적인 피드백이 수신되지 않는 경우 상기 기립 루틴을 중단하도록 프로그래밍되는, 능동 지지대 또는 보철 장치.
The method of claim 5, wherein
The controller is programmed to continue to run the standing routine when positive feedback is received and to stop the standing routine if no positive feedback is received.
제 1 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 엉덩이 관절의 추정된 상향 및 전방 속도에 따라 토크를 점차적으로 증가시킴으로써 상기 앉은 자세로부터 기립 자세로 사람을 일으켜 세우는 것을 보조하도록 상기 회전 모터를 제어하는,
능동 지지대 또는 보철 장치.
The method of claim 1,
The controller controls the rotating motor to assist in raising a person from the sitting position to a standing position by gradually increasing torque in accordance with the estimated upward and forward speeds of the hip joint,
Active support or prosthetic device.
제 7 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 환자가 기립 상태에 도달할 때, 상기 기립 상태에 있는 동안 균형을 이루도록 상기 착용자를 보조하기 위한 복원 토크가 인가되도록 상기 회전 모터를 제어하는,
능동 지지대 또는 보철 장치.
The method of claim 7, wherein
The controller controls the rotating motor to apply a restoring torque to assist the wearer to balance while in the standing state when the patient reaches a standing state,
Active support or prosthetic device.
제 1 항에 있어서,
상기 착용자의 발에 인가되는 힘을 측정하도록 구성되는 적어도 하나의 압력 센서를 더 포함하는,
능동 지지대 또는 보철 장치.
The method of claim 1,
Further comprising at least one pressure sensor configured to measure a force applied to the foot of the wearer,
Active support or prosthetic device.
제 1 항에 있어서,
상기 제어기는 무릎 근육 및 엉덩이 근육 중 적어도 하나로부터 측정되는 근전도 신호들에 따라 무릎 토크를 증가시킴으로써 상기 앉은 자세로부터 기립 자세로 사람을 일으켜 세우는 것을 보조하도록 상기 회전 모터를 제어하는,
능동 지지대 또는 보철 장치.
The method of claim 1,
The controller controls the rotating motor to assist in raising a person from the sitting position to an upright position by increasing knee torque in accordance with EMG signals measured from at least one of the knee and hip muscles,
Active support or prosthetic device.
적어도 하나의 작동기(actuator)를 갖는 무릎 지지대 또는 보철을 제어하는 방법으로서,
상기 무릎 지지대 또는 보철은 사람에 의해 착용되고,
상기 방법은:
상기 사람이 앉은 자세에 있는 동안 상기 사람의 발목에 대한 상기 사람의 무릎의 위치를 검출하는 단계;
상기 검출하는 단계의 결과에 기초하여 상기 무릎이 상기 발목 앞의 위치까지 이동되는 때를 결정하고, 상기 결정을 나타내는 출력을 생성하는 단계; 및
상기 출력에 응답하여, 상기 앉은 자세에서 기립 자세로 상기 사람을 일으켜 세우는 것을 보조하도록 상기 무릎 지지대 또는 보철의 적어도 하나의 작동기를 작동하는 단계를 포함하는,
무릎 지지대 또는 보철을 제어하는 방법.
A method of controlling a knee support or prosthesis having at least one actuator,
The knee support or prosthesis is worn by a person,
The method comprising:
Detecting the position of the person's knee relative to the person's ankle while the person is in a sitting position;
Determining when the knee is moved to a position before the ankle based on a result of the detecting, and generating an output indicative of the determination; And
In response to said output, operating at least one actuator of said knee support or prosthesis to assist in raising said person from said sitting position to a standing position,
How to control knee supports or prostheses.
제 11 항에 있어서,
허벅지 좌표 시스템에 대한 중력 벡터를 측정하는 단계를 더 포함하는,
무릎 지지대 또는 보철을 제어하는 방법.
The method of claim 11,
Further comprising measuring a gravity vector for the thigh coordinate system,
How to control knee supports or prostheses.
제 11 항에 있어서,
상기 사람의 허벅지에 대한 상기 사람의 하퇴의 회전 각도를 검출하는 단계를 더 포함하는,
무릎 지지대 또는 보철을 제어하는 방법.
The method of claim 11,
Detecting a rotational angle of the man's lower leg relative to the thigh of the man,
How to control knee supports or prostheses.
제 11 항에 있어서,
상기 사람이 앉은 자세에 있다는 결정에 응답하여 낮은 관절 임피던스를 유지하는 단계를 더 포함하는,
무릎 지지대 또는 보철을 제어하는 방법.
The method of claim 11,
Maintaining a low joint impedance in response to determining that the person is in a sitting position,
How to control knee supports or prostheses.
제 11 항에 있어서,
기립 루틴을 시험적으로 개시함으로써 상기 사람의 기립 의도를 검증하는 단계를 더 포함하는,
무릎 지지대 또는 보철을 제어하는 방법.
The method of claim 11,
Verifying the standing intent of the person by experimentally starting the standing routine,
How to control knee supports or prostheses.
제 15 항에 있어서,
긍정적인 피드백이 수신되는지를 결정하는 단계; 및
상기 결정하는 단계에서 긍정적인 피드백이 수신된다고 결정되는 경우, 상기 기립 루틴을 계속해서 수행하는 단계; 및
상기 결정하는 단계에서 긍정적인 피드백이 수용되지 않는다고 결정되는 경우, 상기 기립 루틴을 중단하는 단계를 더 포함하는,
무릎 지지대 또는 보철을 제어하는 방법.
The method of claim 15,
Determining whether positive feedback is received; And
If it is determined in the determining that positive feedback is received, continuing to perform the standing routine; And
If it is determined in the determining step that positive feedback is not accepted, further comprising the step of stopping the standing routine,
How to control knee supports or prostheses.
제 11 항에 있어서,
엉덩이 관절의 추정된 상향 및 전방 속도에 따라 토크를 증가시키는 단계를 더 포함하는,
무릎 지지대 또는 보철을 제어하는 방법.
The method of claim 11,
Further comprising increasing torque in accordance with the estimated upward and forward velocity of the hip joint,
How to control knee supports or prostheses.
제 17 항에 있어서,
기립 상태에서 균형을 이루도록 상기 사람을 보조하기 위한 복원 토크를 인가하는 단계를 더 포함하는,
무릎 지지대 또는 보철을 제어하는 방법.
The method of claim 17,
Applying a restoring torque to assist the person to balance in the standing state,
How to control knee supports or prostheses.
제 11 항에 있어서,
상기 사람의 발에 인가되는 힘을 측정하는 단계를 더 포함하는,
무릎 지지대 또는 보철을 제어하는 방법.
The method of claim 11,
Further comprising measuring a force applied to the foot of the person,
How to control knee supports or prostheses.
제 11 항에 있어서,
무릎 근육 및 엉덩이 근육 중 적어도 하나로부터 측정되는 근전도 신호들에 따라 무릎 토크를 증가시키는 단계를 더 포함하는,
무릎 지지대 또는 보철을 제어하는 방법.
The method of claim 11,
Further comprising increasing knee torque in accordance with EMG signals measured from at least one of the knee muscle and the hip muscle,
How to control knee supports or prostheses.
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