RU2638276C1 - Method for generation of control signals and method for manual control of operation of exoskeleton lower limbs based thereon, as well as exoskeleton operation control interfaces in manual and software control mode using specified generation method - Google Patents
Method for generation of control signals and method for manual control of operation of exoskeleton lower limbs based thereon, as well as exoskeleton operation control interfaces in manual and software control mode using specified generation method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2638276C1 RU2638276C1 RU2016144426A RU2016144426A RU2638276C1 RU 2638276 C1 RU2638276 C1 RU 2638276C1 RU 2016144426 A RU2016144426 A RU 2016144426A RU 2016144426 A RU2016144426 A RU 2016144426A RU 2638276 C1 RU2638276 C1 RU 2638276C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- exoskeleton
- user
- orthosis
- shaft
- signals
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
- A61F5/00—Orthopaedic methods or devices for non-surgical treatment of bones or joints; Nursing devices; Anti-rape devices
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Nursing (AREA)
- Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Vascular Medicine (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Rehabilitation Tools (AREA)
- Manipulator (AREA)
Abstract
Description
Группа изобретений относится к области медицины и может быть использована в экзоскелетонах (экзоскелетах) нижних конечностей с пневматическим, гидравлическим или электрическим приводом для обеспечения ходьбы пользователей с полностью или частично парализованными нижними конечностями, а также для реабилитации пациентов при восстановлении навыков ходьбы после травм и заболеваний различной тяжести.The group of inventions relates to medicine and can be used in exoskeletons (exoskeletons) of the lower extremities with pneumatic, hydraulic or electric drives to provide walking for users with fully or partially paralyzed lower extremities, as well as for the rehabilitation of patients with restoration of walking skills after injuries and diseases of various gravity.
Экзоскелетон нижних конечностей, рассматриваемый в настоящем описании группы изобретений, включает в свой состав исполнительный механизм движения экзоскелетона, состоящий из ортезов тазобедренного и/или коленного, и/или голеностопного суставов нижних конечностей (в количестве, зависимом от конкретной дисфункции нижних конечностей пользователя экзоскелетона) и интерфейс управления работой приводов указанных ортезов, в связи с чем эксплуатационная эффективность такого экзоскелетона зависит от удобства управления приводами указанных ортезов при условии максимального приближения двигательных возможностей экзоскелетона к физиологии пользователя.Exoskeleton of the lower extremities, considered in the present description of the group of inventions, includes an actuator of exoskeleton movement, consisting of orthoses of the hip and / or knee and / or ankle joints of the lower extremities (in an amount dependent on the specific dysfunction of the lower extremities of the user of the exoskeleton) and an interface for controlling the operation of the drives of these orthoses, and therefore the operational efficiency of such an exoskeleton depends on the convenience of controlling the drives indicated x orthoses, subject to the maximum approximation of the motor capabilities of exoskeleton to the physiology of the user.
Максимальное приближение двигательных возможностей экзоскелетона нижних конечностей к физиологии пользователя достигается в результате реализации интерфейса управления приводами ортезов суставов в составе экзоскелетона на основе сигналов мышечной и нейронной активности пользователя (см., например, заявку US 2015289995, A61F 2/60, 2015), который, вместе с тем, из-за низкой стабильности связи «нервная система человека ->машинные возможности управления» и, соответственно, недостаточно высокой надежности, а также сложности и высокой стоимости характеризуется ограниченностью применения. Пользователи с парализованными нижними конечностями не могут воспользоваться подобным интерфейсом ввиду невозможности организации связи «нервная система человека → машинные возможности управления», что не согласуется с социально-потребительским запросом и соответствующий интерфейс выходит за рамки настоящего описания предлагаемой группы изобретений.The maximum approximation of the motor capabilities of exoskeleton of the lower extremities to the physiology of the user is achieved as a result of the implementation of the interface for managing orthosis drives of joints in the composition of exoskeleton based on signals of muscle and neural activity of the user (see, for example, application US 2015289995, A61F 2/60, 2015), which at the same time, due to the low stability of communication “human nervous system -> machine control capabilities” and, accordingly, insufficiently high reliability, as well as complexity and high cost of character rizuetsya limited use. Users with paralyzed lower extremities cannot use such an interface due to the impossibility of organizing the communication “human nervous system → machine control capabilities”, which is not consistent with the social and consumer request and the corresponding interface is beyond the scope of the present description of the proposed group of inventions.
Уровень техники в области управления работой экзоскелетона нижних конечностей характеризуется в основном аналогами - интерфейсами управления с программным управлением приводами ортезов суставов экзоскелетона на основе обратной связи с датчиками состояния нижних конечностей экзоскелетона (см., например, патент CN 101803966, A61F 2/62, 2010 или заявку US 2015025423, А61Н 3/00, 2015).The prior art in the field of exoskeleton control of the lower extremities is characterized mainly by analogs - control interfaces with software control of the drives of orthoses of the joints of the exoskeleton based on feedback from the state sensors of the lower extremities of the exoskeleton (see, for example, patent CN 101803966, A61F 2/62, 2010 or application US 2015025423, A61H 3/00, 2015).
Недостатками перечисленных аналогов являются возможность выполнения только движений с предварительно заданными параметрами, пользователь может только выбрать, какое движение должен выполнить экзоскелетон, например, сделать шаг левой или правой ногой, но оперативно изменить параметры движения, например, длину шага, высоту подъема стопы или скорость движения системы-аналоги возможность не обеспечивают (см., например, заявку US 2013158445, А61Н 3/00, 2013).The disadvantages of these analogues are the ability to perform only movements with predefined parameters, the user can only choose which movement the exoskeleton should perform, for example, take a step with the left or right foot, but quickly change the movement parameters, for example, step length, height of the foot or movement speed analog systems do not provide the opportunity (see, for example, application US 2013158445, А61Н 3/00, 2013).
При этом наиболее проблемной в осуществлении остается возможность оперативной (во время ходьбы) регулировки каждого следующего шага, в частности, возможность на ходу менять высоту подъема стопы (см. информационный материал Ярослава Рыбакова «Импортозамещение экзоскелетов» от 04.04.2015 г. на сайте в Интернет: http://rusplt.ru/societv/importozameschenie-ekzoskeletov-16235.html?auth_code=anonymous) или длину шага.At the same time, the most problematic in implementation is the ability to quickly (during walking) adjust each next step, in particular, the ability to change the height of the foot on the go (see Yaroslav Rybakov's information material “Import Substitution of Exoskeletons” dated 04.04.2015 on the Internet site : http://rusplt.ru/societv/importozameschenie-ekzoskeletov-16235.html?auth_code=anonymous) or step length.
Этот недостаток присутствует и в известном силовом управлении, при котором пользователь за счет своих мышечных усилий (в частности ног), прикладываемых к элементам (датчикам силы) приводов экзоскелетона, осуществляет их перемещение, причем чем больше прикладываемая пользователем сила, тем выше скорость движения управляемых механических компонентов указанного исполнительного механизма и тем выше усилия, создаваемые этими компонентами (см. обзорную статью Верейкина А.А. «К вопросу применения экзоскелетов в промышленной и строительной сфере - история разработок, виды, классификация» на сайте в Интернет: http://www.str-t.ru/reports/18/).This drawback is present in the well-known power control, in which the user, due to his muscular efforts (in particular legs) applied to the elements (force sensors) of the exoskeleton drives, moves them, and the greater the force applied by the user, the higher the speed of controlled mechanical the components of the specified actuator and the higher the efforts created by these components (see the review article by A. A. Vereykin, “On the issue of using exoskeletons in industrial and construction EPE - the history of development, and classification "on the website in the Internet: http://www.str-t.ru/reports/18/).
Данный недостаток заключается в несовершенстве контроля движения экзоскелетона, связанном с калибровкой датчиков усилия, в соответствии с которой управляющий сигнал, формируемый указанными датчиками, пропорционален угловым скоростям поворота (вращения) валов ортезов суставов. При такой калибровке любой из факторов, мешающих свободному движению ортеза сустава ноги (например, сумка, одежда, трава, камни и т.п.), может привести к автоматическому увеличению момента силы, развиваемого на валу ортеза сустава из-за компенсации потери скорости вращения вала ортеза сустава от внешних факторов, в результате чего возможны:This disadvantage is the imperfection of exoskeleton movement control related to the calibration of force sensors, according to which the control signal generated by these sensors is proportional to the angular speeds of rotation (rotation) of the joint orthoses. With this calibration, any of the factors that impede the free movement of the leg joint orthosis (for example, a bag, clothes, grass, stones, etc.) can automatically increase the moment of force developed on the joint orthosis shaft due to compensation for the loss of rotation speed joint orthosis shaft from external factors, as a result of which it is possible:
а) неконтролируемый рост развиваемого на валу ортеза сустава момента силы, что может привести к повреждению ортеза сустава экзоскелетона;a) uncontrolled growth of the moment of force developed on the joint orthosis shaft, which can lead to damage to the exoskeleton joint orthosis;
б) резкое возрастание скорости вращения вала ортеза сустава после внезапного прекращения действия мешающего движению фактора, что существенно усложнит управление движением экзоскелетона, особенно для пользователя экзоскелетона с дисфункциями нижних конечностей и может привести к повреждению ортеза сустава экзоскелетона.b) a sharp increase in the rotation speed of the joint orthosis shaft after a sudden cessation of the factor that interferes with the movement, which will significantly complicate the control of exoskeleton movement, especially for the user of exoskeleton with lower limb dysfunctions and can lead to damage to the exoskeleton joint orthosis.
В общем случае, настройка датчиков усилия на формирование сигналов, пропорциональных крутящему моменту силы на валах приводов поворотных звеньев экзоскелетона (как решение задачи текущей (во время ходьбы) регулировки каждого следующего шага экзоскелетона), оказывается выигрышной - более эргономичной в связи с исключением при этом излишних увеличений амплитуды движений нижних конечностей экзоскелетона, свойственных настройке датчиков силы на угловую скорость или угол поворота на валах приводов поворотных звеньев экзоскелетона в условиях преодоления препятствий местности, мешающих развитию шага экзоскелетона.In the general case, the adjustment of the force sensors to generate signals proportional to the torque of the force on the shafts of the drives of the rotary links of the exoskeleton (as a solution to the problem of the current (while walking) adjustment of each next step of the exoskeleton) turns out to be advantageous - more ergonomic due to the elimination of unnecessary the increase in the amplitude of motion of the lower extremities of the exoskeleton inherent to the adjustment of the force sensors to the angular velocity or angle of rotation on the shafts of the drives of the rotary links of the exoskeleton under conditions Barrier-terrain overcome obstacles that hinder the development step exoskeleton.
Выигрыш управления работой экзоскелетона при этом в экономии амплитуд движений его нижних конечностей, присущей физиологии пользователя экзоскелетона при смене (перестройке) шага экзоскелетона.The gain in controlling the operation of exoskeleton in this case is in saving the amplitudes of movements of its lower extremities, inherent in the physiology of the user of exoskeleton when changing (restructuring) the step of exoskeleton.
В качестве прототипа заявляемого способа выработки сигналов, управляющих работой экзоскелетона нижних конечностей, выбран способ выработки сигналов, управляющих работой экзоскелета нижних конечностей и задающих необходимый для ходьбы диапазон углов поворота валов ортезов суставов ног в составе указанного экзоскелета, путем генерации указанных сигналов за счет усилий пользователя экзоскелета с помощью средства выработки указанных сигналов, при котором пользователь экзоскелета с помощью мускулов своих ног совершает малые перемещения внутри экзоскелета -«микроперемещения» и нажимает на датчики усилий, жестко укрепленные на том или ином звене экзоскелета, сигнализируя тем самым о желаемом направлении перемещения этого звена и желаемой скорости такого перемещения, причем скорость перемещения звена тем больше, чем сильнее пользователь экзоскелета давит на датчик усилий (см. сообщение Аведикова Г.Е. и др. «Экзоскелет: конструкция, управление» - Материалы XI 1-го Всероссийского совещания по проблемам управления. М., 2014, с. 88-89, рис. 5 на сайте в Интернет: http://vspu2014.ipu.ru/proceedings/prcdnqs/84.pdf).As a prototype of the proposed method for generating signals that control the operation of the exoskeleton of the lower extremities, the method of generating signals that control the operation of the exoskeleton of the lower extremities and specifying the necessary range of angles of rotation of the shaft of the orthoses of the joints of the legs in the specified exoskeleton by generating these signals due to the efforts of the user of the exoskeleton is selected using the means of generating these signals, in which the user of the exoskeleton using the muscles of his legs makes small moves inside the exoskeleton - “micromotion” and presses the force sensors, rigidly mounted on a particular link of the exoskeleton, thereby signaling the desired direction of movement of this link and the desired speed of such movement, and the speed of movement of the link is greater, the stronger the exoskeleton user presses force sensor (see the message by G. Avedikov and others. “Exoskeleton: design, control” - Materials of the XI 1st All-Russian meeting on control problems. M., 2014, p. 88-89, fig. 5 on the website on the Internet: http://vspu2014.ipu.ru/proceedings/prcdnqs/84.pdf).
Недостатками указанного прототипа являются недостаточно усовершенствованное управление экзоскелетом нижних конечностей в связи с низкой эргономичностью способа выработки сигналов, управляющих работой экзоскелета, обусловленной настройкой датчиков усилий, вырабатывающих указанные сигналы, на скоростные характеристики движений нижних конечностей экзоскелета (см. изложенный недостаток выше) и исключение из списка возможных потребителей экзоскелета пользователей с парализованными ногами.The disadvantages of this prototype are insufficiently improved control of the exoskeleton of the lower extremities due to the low ergonomicity of the method for generating signals that control the operation of the exoskeleton, due to the adjustment of the force sensors that generate these signals to the speed characteristics of the movements of the lower extremities of the exoskeleton (see the above disadvantage) and exclusion from the list possible consumers of exoskeleton users with paralyzed legs.
В качестве прототипов заявляемых способа ручного управления работой экзоскелетона нижних конечностей и интерфейса управления работой экзоскелетона нижних конечностей в режиме ручного управления выбраны аналогичные способ управления путем выработки сигналов, задающих необходимый для ходьбы диапазон углов поворота валов ортезов суставов ног в составе указанного экзоскелетона, с помощью пальцев руки пользователя экзоскелетона, и интерфейс, содержащий блок выработки с помощью пальцев руки пользователя экзоскелетона сигналов ручного управления, задающих необходимый для ходьбы диапазон углов поворота валов ортезов суставов ног в составе указанного экзоскелетона и направляемых в приводы валов указанных ортезов по патенту US 5662693, A61F 5/01, A61F 5/00, 1997.As prototypes of the proposed method for manually controlling the operation of the exoskeleton of the lower extremities and the interface for controlling the operation of the exoskeleton of the lower extremities in the manual control mode, a similar control method was selected by generating signals defining the range of angles of rotation of the shaft of the orthoses of the joints of the legs in the specified exoskeleton using fingers an exoskeleton user, and an interface comprising a finger generating unit of the exoskeleton user’s hand signals controls that specify the range of angles of rotation of the shaft of the orthoses of the joints of the legs as a part of the specified exoskeleton and are sent to the drives of the shafts of the said orthoses according to the patent US 5662693, A61F 5/01, A61F 5/00, 1997.
При этом в данных прототипах осуществлен усложненный метод углового считывания с помощью специального приемного контроллерного устройства (в составе приводов ортезов суставов ног) сгиба пальцев руки пользователя экзоскелетона, управляющего с помощью закрепленных на пальцах специальных датчиков, вырабатывающих излучаемые электромагнитные импульсы, и приведения с помощью указанного устройства в движение ортезов суставов ног в соответствии с указанными сгибами пальцев без пропорциональности между изменением углов сгиба пальцев и изменением моментов сил, развиваемых на валах ортезов, и, соответственно без выигрыша в эргономичности управления работой экзоскелетона.Moreover, in these prototypes, a sophisticated method of angular reading was carried out using a special receiving controller device (consisting of orthoses of the joints of the legs) of the bend of the fingers of a user’s hand of an exoskeleton, which is controlled by special sensors that generate emitted electromagnetic pulses mounted on the fingers, and cast using this device into the movement of the orthoses of the joints of the legs in accordance with the indicated finger bends without proportionality between the change in the angles of the bend of the fingers and from eneniem moments of forces exerted on the shafts orthoses, and therefore no gain in ergonomics control the operation of the exoskeleton.
В качестве прототипа заявляемого интерфейса управления работой экзоскелетона нижних конечностей в режиме программного управления выбран аналогичный интерфейс по патенту US 7153242, А63В 21/00, 2006.As a prototype of the claimed interface for controlling the operation of the exoskeleton of the lower extremities in the program control mode, a similar interface was selected according to the patent US 7153242, А63В 21/00, 2006.
Этот прототип, содержащий как минимум один датчик углов поворота вала как минимум одного ортеза сустава ноги в составе экзоскелетона, процессорный блок для выработки сигналов, задающих программно ограниченный диапазон углов поворота вала указанного ортеза, на основе считывания сигналов, поступающих от указанного датчика, снабженный автономным средством запуска (в виде клавиатуры) базовых программных вариантов поворота вала указанного ортеза в рамках основных видов движений экзоскелетона, включающих ходьбу, и изменения угла указанного поворота в режиме программного управления и соединенный как минимум с одним приводом указанного ортеза, характеризуется громоздкостью исполнения и функциональной ограниченностью корректировки движения экзоскелетона во время ходьбы, вытекающей из недостатков данного интерфейса, осуществляющего только программное управление на основе предопределенных ранее шаблонов движений экзоскелета, содержащих временные зависимости углов сгибания ортеза сустава в процессе реализации выбранного пользователем движения.This prototype, containing at least one sensor of the shaft rotation angles of at least one orthosis of the leg joint as part of the exoskeleton, is a processor unit for generating signals defining a programmatically limited range of the shaft rotation angles of the specified orthosis, based on reading signals from the specified sensor, equipped with an autonomous means launch (in the form of a keyboard) the basic software options for turning the shaft of the specified orthosis within the framework of the main types of exoskeleton movements, including walking, and changing the angle of the specified rotation in program control mode and connected to at least one drive of the specified orthosis, is characterized by cumbersome execution and functional limited adjustment of exoskeleton movement during walking, resulting from the shortcomings of this interface, which provides only program control based on previously predetermined exoskeleton motion patterns containing time dependencies angles of flexion of the joint orthosis during the implementation of the movement selected by the user.
Технический результат предлагаемой группы изобретений - усовершенствование способа выработки сигналов, управляющих работой экзоскелетона нижних конечностей, обеспечивающее повышение эксплуатационных характеристик указанного экзоскелетона в результате использования упомянутого способа выработки сигналов на более высоком эргономичном уровне управления работой экзоскелетона нижних конечностей путем выработки сигналов, задающих необходимый для ходьбы диапазон углов поворота валов ортезов суставов ног в составе указанного экзоскелетона, с помощью пальцев руки пользователя экзоскелетона, получившего осуществление в предлагаемом интерфейсе управления работой экзоскелетона нижних конечностей в режиме ручного управления в условиях качественно улучшенных возможностей преодоления порогов, бордюров и других неровностей опорной поверхности, а также путем корректировки работы экзоскелетона нижних конечностей во время ходьбы в усложненных условиях (при преодолении препятствий местности) при функционировании предлагаемого интерфейса управления работой экзоскелетона нижних конечностей в режиме программного управления с дополнительным блоком выработки с помощью пальцев руки пользователя экзоскелетона сигналов, задающих поворот валов ортезов суставов ног, за счет эффективно приближенного к физиологии пользователя экзоскелетона режима изменения амплитуд вырабатываемых пользователем сигналов, пропорционального изменению моментов сил, развиваемых на валах ортезов суставов ног пользователя.The technical result of the proposed group of inventions is an improvement in the method of generating signals that control the operation of the exoskeleton of the lower extremities, which improves the operational characteristics of the specified exoskeleton as a result of using the aforementioned method of generating signals at a higher ergonomic level of control of the work of the exoskeleton of the lower extremities by generating signals that specify the range of angles necessary for walking rotation of the shaft of the orthoses of the joints of the legs as part of the specified exosk summer, using the fingers of a user of exoskeleton, who received the lower extremities exoskeleton in the proposed control interface in the manual control mode under conditions of qualitatively improved ability to overcome thresholds, borders and other irregularities of the supporting surface, as well as by adjusting the operation of exoskeleton of the lower extremities while walking in complicated conditions (when overcoming terrain obstacles) with the functioning of the proposed exoskeleton control interface it is of the lower extremities in program control mode with an additional unit for generating, with the fingers of the user's hand, exoskeleton of signals specifying the rotation of the shaft of the orthoses of the leg joints, due to the regime of changing the amplitudes of the signals generated by the user, which is effectively close to the physiology of the user of the exoskeleton, proportional to the change in the moments of forces developed on the shafts of the orthoses joints of the user's legs.
Для достижения указанного технического результатаTo achieve the specified technical result
в способе выработки сигналов, управляющих работой экзоскелетона нижних конечностей и задающих необходимый для ходьбы диапазон углов поворота вала как минимум одного ортеза сустава ноги в составе указанного экзоскелетона, путем генерации указанных сигналов за счет усилий пользователя экзоскелетона с помощью средства выработки указанных сигналов, упомянутые сигналы вырабатывают в соответствии с условием изменения их амплитуды пропорционально изменению момента силы, развиваемого на валу указанного ортеза;in the method for generating signals that control the operation of the exoskeleton of the lower extremities and setting the range of angles of rotation of the shaft of at least one orthosis of the leg joint as a part of the specified exoskeleton necessary for walking, by generating these signals due to the efforts of the user of the exoskeleton using the means for generating these signals, the signals are generated in in accordance with the condition of changing their amplitude in proportion to the change in the moment of force developed on the shaft of the specified orthosis;
в способе ручного управления работой экзоскелетона нижних конечностей путем выработки сигналов, задающих необходимый для ходьбы диапазон углов поворота вала как минимум одного ортеза сустава ноги в составе указанного экзоскелетона, с помощью как минимум одного пальца руки пользователя экзоскелетона, амплитуду упомянутых сигналов изменяют пропорционально изменению момента силы, развиваемого на валу указанного ортеза, путем изменения усилия, поочередно оказываемого как минимум на два датчика измерения усилий с помощью двух фаланг пальца руки пользователя экзоскелетона для поворота вала указанного ортеза в двух взаимопротивоположных направлениях;in a method for manually controlling the operation of the exoskeleton of the lower extremities by generating signals specifying the range of angles of rotation of the shaft of at least one orthosis of the leg joint in the specified exoskeleton, using at least one finger of the user of the exoskeleton, the amplitude of the mentioned signals is proportional to the change in the moment of force, developed on the shaft of the specified orthosis, by changing the force, alternately exerted on at least two force measurement sensors using two phalanges pa tsa user exoskeleton hand to rotate the shaft of said orthosis in two mutually antithetical directions;
в интерфейсе управления работой экзоскелетона нижних конечностей в режиме ручного управления, содержащем блок выработки с помощью пальцев руки пользователя экзоскелетона сигналов ручного управления, задающих необходимый для ходьбы диапазон углов поворота вала как минимум одного ортеза сустава ноги в составе указанного экзоскелетона и направляемых как минимум в один привод вала указанного ортеза, блок выработки с помощью пальцев руки пользователя экзоскелетона сигналов ручного управления выполнен на основе как минимум двух датчиков измерения усилий, поочередно оказываемых на указанные датчики при ходьбе для выработки ими упомянутых сигналов двумя фалангами пальца руки пользователя с возможностью поворота вала указанного ортеза в двух взаимопротивоположных направлениях, причем указанные датчики измерения усилий откалиброваны с возможностью формирования сигналов ручного управления с амплитудами, пропорциональными моментам сил, развиваемых на валу указанного ортеза, и обеспечиваемыми пропорциональным изменением усилий, оказываемых на эти датчики указанными фалангами пальца руки пользователя,in the control interface for exoskeleton operation of the lower extremities in manual control mode, which contains a block for generating, with the user's fingers, exoskeleton of manual control signals that specify the range of shaft rotation angles of at least one leg joint orthosis included in the specified exoskeleton and sent to at least one drive the shaft of the specified orthosis, the unit for generating, with the fingers of the hand of the user, an exoskeleton of manual control signals is made on the basis of at least two sensors measuring forces alternately exerted on said sensors when walking to generate said signals by two phalanges of the user's finger with the possibility of turning the shaft of the specified orthosis in two opposite directions, moreover, said force measurement sensors are calibrated with the possibility of generating manual control signals with amplitudes proportional to the moments of forces, developed on the shaft of the specified orthosis, and provided by a proportional change in the forces exerted on these sensors by the indicated Alang finger the user's hand,
при этомwherein
как минимум два датчика измерения усилий могут бытьat least two force sensors can be
установлены с их фиксацией к ладони пользователя экзоскелетона и возможностью их рабочего контакта с двумя фалангами пальцев, подключены к усилителю сигналов ручного управления, задающих угол поворота вала как минимум одного ортеза сустава ноги в двух взаимопротивоположных направлениях, закрепленному на запястье одной из рук пользователя экзоскелетона, образующему с этими датчиками указанный выше блок выработки с помощью пальцев руки пользователя экзоскелетона сигналов ручного управления и подсоединенному как минимум к одному контроллеру привода вала указанного ортеза для исполнения поворота указанного вала в диапазоне углов, задаваемых указанным блоком выработки,are installed with their fixation to the palm of the user of the exoskeleton and the possibility of their working contact with two phalanges of the fingers, connected to an amplifier of manual control signals that specify the angle of rotation of the shaft of at least one orthosis of the leg joint in two opposite directions, mounted on the wrist of one of the hands of the user of the exoskeleton, forming with these sensors, the aforementioned unit for generating manual signals with the fingers of a user’s hand exoskeleton and connected to at least one contact a roller drive of the shaft of the specified orthosis to perform the rotation of the specified shaft in the range of angles specified by the specified generation unit,
выполнены в виде плоских тензочувствительных элементов,made in the form of flat strain-sensitive elements,
размещены с их закреплением на двух фалангах пальцев руки пользователя экзоскелетона или их встройкой в конструкцию специальной перчатки,placed with their fastening on two phalanges of the fingers of the user's hand exoskeleton or their installation in the design of a special glove,
а в состав интерфейса могут быть включены как минимум один датчик углов поворота вала как минимум одного ортеза сустава ноги в составе экзоскелетона и средство доставки пользователю экзоскелетона информирующих сигналов, поступающих от этого датчика, выполненное в виде блока индикации, соединенного с указанным датчиком углов поворота вала и размещенного в поле зрения пользователя экзоскелетона с прикреплением блока индикации к его голове;and the interface may include at least one sensor of the angle of rotation of the shaft of at least one orthosis of the leg joint as part of the exoskeleton and a means of delivering the user of the exoskeleton of information signals coming from this sensor, made in the form of an indication unit connected to the specified sensor of the angle of rotation of the shaft and an exoskeleton placed in the user's field of view with an indication unit attached to his head;
в интерфейс управления работой экзоскелетона нижних конечностей в режиме программного управления, содержащий как минимум один датчик углов поворота вала как минимум одного ортеза сустава ноги в составе экзоскелетона, процессорный блок для выработки сигналов, задающих программно ограниченный диапазон углов поворота вала указанного ортеза, на основе считывания сигналов, поступающих от указанного датчика, снабженный автономным средством выбора базовых программных вариантов поворота вала указанного ортеза в рамках основных видов движений экзоскелетона, включающих ходьбу, и изменения угла указанного поворота в режиме программного управления и соединенный как минимум с одним приводом вала указанного ортеза, введен дополнительный блок выработки с помощью пальцев руки пользователя экзоскелетона сигналов ручного управления, задающих необходимый для ходьбы в усложненных условиях диапазон углов поворота вала указанного ортеза, соединенный с процессорным блоком с возможностью отключения программного режима управления работой экзоскелетона и включения ручного режима управления работой экзоскелетона, и выполненный на основе как минимум двух датчиков измерения усилия, поочередно оказываемого на указанные датчики при ходьбе для выработки ими упомянутых сигналов двумя фалангами пальца руки пользователя с возможностью поворота вала указанного ортеза в двух взаимопротивоположных направлениях, причем указанные датчики измерения усилия откалиброваны с возможностью формирования сигналов ручного управления с амплитудами, пропорциональными моментам сил, развиваемых на валу указанного ортеза, и обеспечиваемыми пропорциональным изменением усилий, оказываемых на эти датчики указанными фалангами пальца руки пользователя,to the interface for controlling the operation of the lower limb exoskeleton in program control mode, containing at least one sensor of the shaft rotation angles of at least one leg joint orthosis as part of the exoskeleton, a processor unit for generating signals defining a programmatically limited range of shaft rotation angles of the specified orthosis, based on signal reading coming from the specified sensor, equipped with an autonomous means of selecting the basic software options for turning the shaft of the specified orthosis within the main types of movement In addition to exoskeleton, including walking, and changing the angle of the indicated rotation in program control mode and connected to at least one drive of the shaft of the specified orthosis, an additional block has been introduced for generating, with the fingers of the user's hand, the exoskeleton of manual control signals specifying the range of rotation angles necessary for walking in complicated conditions the shaft of the specified orthosis, connected to the processor unit with the ability to disable the program mode for controlling the operation of exoskeleton and enable manual mode control operation of the exoskeleton, and made on the basis of at least two force measurement sensors, alternately applied to these sensors when walking to generate the mentioned signals by two phalanges of the user's finger with the ability to rotate the shaft of the specified orthosis in two opposite directions, and these force measurement sensors are calibrated with the ability to generate manual control signals with amplitudes proportional to the moments of forces developed on the shaft of the specified orthosis, and provide by proportional changes in the forces exerted on these sensors by the indicated phalanges of the user's finger,
при этомwherein
как минимум два датчика измерения усилий могут бытьat least two force sensors can be
установлены с их фиксацией к ладони пользователя экзоскелетона и возможностью рабочего контакта с двумя фалангами пальца и подключены к усилителю сигналов ручного управления, задающих поворот вала как минимум одного ортеза сустава ноги в двух взаимопротивоположных направлениях, закрепленному на запястье одной из рук пользователя экзоскелетона, образующему с этими датчиками блок выработки с помощью пальцев руки пользователя экзоскелетона сигналов ручного управления и подсоединенному к процессорному блоку с возможностью присоединения через него как минимум к одному контроллеру привода вала как минимум одного ортеза сустава ноги для исполнения поворота указанного вала в диапазоне углов, задаваемых указанным блоком выработки,are installed with their fixation to the palm of the user of the exoskeleton and the possibility of working contact with two phalanges of the finger and connected to an amplifier of manual control signals that rotate the shaft of at least one orthosis of the leg joint in two opposite directions, mounted on the wrist of one of the hands of the user of the exoskeleton, forming with these sensors generating unit with the fingers of the hand of the user exoskeleton manual control signals and connected to the processor unit with the ability to connect Ia therethrough to at least one controller to the drive shaft at least one leg joint orthosis for execution of rotation of said shaft in the angle range defined by said generation unit,
выполнены в виде плоских тензочувствительных элементов,made in the form of flat strain-sensitive elements,
размещены с их закреплением на двух фалангах пальца руки пользователя экзоскелетона или встройкой указанных датчиков в конструкцию специальной перчатки,placed with their fastening on two phalanges of the finger of the user's hand exoskeleton or by fitting these sensors into the design of a special glove,
автономное средство запуска базовых программных вариантов поворота вала как минимум одного ортеза сустава ноги, в составе экзоскелетона в рамках основных видов движений экзоскелетона, включающих ходьбу, и изменения угла указанного поворота в режиме программного управления может быть выполнено в виде многофункциональной кнопки с нефиксируемым состоянием с возможностью переключения этой кнопкой вида программного движения экзоскелетона и отключения с помощью нее программного режима управления работой экзоскелетона с включением ручного режима управления работой экзоскелетона, причем указанная кнопка может быть установлена с ее фиксацией на ладони пользователя экзоскелетона и возможностью ее рабочего контакта с одной из фаланг пальцев,an autonomous means of launching basic software options for turning the shaft of at least one orthosis of the leg joint, consisting of exoskeleton, within the framework of the main types of exoskeleton movements, including walking, and changing the angle of the indicated rotation in program control mode, can be made in the form of a multi-function button with non-fixed state with the ability to switch with this button, the type of programmed movement of exoskeleton and disabling with it the program mode for controlling the operation of exoskeleton with manual the second mode of controlling the operation of the exoskeleton, and this button can be installed with its fixation on the palm of the user's exoskeleton and the possibility of its working contact with one of the phalanges of the fingers,
в состав интерфейса могут быть включены датчик отклонения торса пользователя экзоскелетона от вертикали в сагиттальной и фронтальной плоскостях как минимум один датчик давления на стопу экзоскелетона со стороны опорной поверхности как минимум один датчик угловой скорости поворота вала как минимум одного ортеза сустава ноги в составе экзоскелетона, причем все перечисленные датчики подключены в следящем режиме к указанному выше процессорному блоку, а также средство доставки пользователю экзоскелетона информирующих сигналов, поступающих как минимум от одного датчика углов поворота вала как минимум одного ортеза сустава ноги и как минимум от одного датчика давления на стопу экзоскелетона,the interface may include an exoskeleton user torso deviation sensor from the vertical in the sagittal and frontal planes, at least one exoskeleton foot pressure sensor from the supporting surface side, at least one shaft angular velocity sensor of at least one leg joint orthosis in the exoskeleton, and all the listed sensors are connected in a follow-up mode to the processor unit indicated above, as well as a means of delivering information signals to the user of the exoskeleton boiling from at least one shaft rotation angle sensor as the at least one joint orthosis legs and at least one pressure sensor on the foot exoskeleton,
причем средство доставки пользователю экзоскелетона информирующих сигналов, поступающих как минимум от одного датчика углов поворота вала как минимум одного ортеза сустава ноги и как минимум от одного датчика давления на стопу экзоскелетона, может быть выполнено в виде блока индикации, соединенного с указанным выше процессорным блоком и размещенного в поле зрения пользователя экзоскелетона с прикреплением блока индикации к его голове.moreover, a means of delivering an exoskeleton to a user of information signals arriving from at least one shaft angle sensor of at least one leg joint orthosis and from at least one exoskeleton foot pressure sensor can be made in the form of an indication unit connected to the processor unit indicated above and placed in the field of view of the user exoskeleton with the attachment of the display unit to his head.
Использование датчиков силы для выработки ими сигналов управления при нажатии на них пальцами пользователя экзоскелетона в экзоскелетоне нижних конечностей по заявке WO 2015168788, A61F 2/50, A61F 2/60, A61F 2/68, A61F 2/70, 2015 и в интерфейсе управления работой экзоскелетона нижних конечностей по патенту US 9158376, G05B 15/02, G06F 3/01, A61F 4/00, B25J 9/00, А61Н 1/00, 2015 не противоречит требованиям изобретательского уровня заявляемой группы изобретений, т.к. в первом случае с помощью изменения усилия нажатия на датчики силы пользователь экзоскелетона регулирует коэффициент обратной связи в усложненной несбалансированной динамичной системе экзоскелетона между управляющими приводами верхних поворотных звеньев (для рук пользователя) и ведомыми приводами нижних ортезов суставов ног в условиях низкоэргономичных, а во втором случае с помощью нажатия на датчики силы пользователь экзоскелетона регулирует скоростной параметр движения нижних конечностей экзоскелетона во время ходьбы при программном управлении его работой в порядке текущего выбора пользователем экзоскелетона заранее определенной скорости без выработки пользователем экзоскелетона сигналов, управляющих работой экзоскелетона нижних конечностей, в режиме их изменения, пропорционального изменению крутящего момента силы на валах ортезов суставов ног.The use of force sensors to generate control signals when pressed with the fingers of an exoskeleton user in exoskeleton of the lower extremities according to the application WO 2015168788, A61F 2/50, A61F 2/60, A61F 2/68, A61F 2/70, 2015 and in the operation control interface exoskeleton of the lower extremities according to the patent US 9158376, G05B 15/02, G06F 3/01, A61F 4/00,
На фиг. 1 и 2 представлены схемы предлагаемого интерфейса управления работой экзоскелетона нижних конечностей, соответственно на основе одного ортеза тазобедренного, коленного или голеностопного сустава в режиме ручного управления и на основе двух ортезов (например, тазобедренного и коленного) суставов правой ноги пользователя экзоскелетона и двух ортезов таких же суставов левой ноги пользователя экзоскелетона в режиме программного управления;In FIG. Figures 1 and 2 show the diagrams of the proposed interface for controlling the exoskeleton of the lower extremities, respectively, based on one orthosis of the hip, knee, or ankle joint in manual control mode and on the basis of two orthoses (for example, the hip and knee) of the joints of the right leg of the user of the exoskeleton and two orthoses of the same joints of the left leg of the user of exoskeleton in program control mode;
на фиг. 3 показаныin FIG. 3 shown
закрепленные на двух фалангах двух пальцев (указательного и среднего) правой руки пользователя экзоскелетона и на двух фалангах таких же пальцев левой руки пользователя экзоскелетона восемь датчиков измерения усилий (по одному на фалангу), поочередно оказываемых на указанные датчики при ходьбе для выработки ими сигналов ручного управления двумя фалангами каждого из указанных пальцев рук,fixed on two phalanges of two fingers (index and middle) of the right hand of the user of the exoskeleton and on two phalanges of the same fingers of the left hand of the user of the exoskeleton, eight force sensors (one on the phalanx), alternately applied to these sensors when walking to generate manual control signals two phalanges of each of these fingers,
закрепленные на запястьях правой и левой рук пользователя экзоскелетона два усилителя сигналов ручного управления, входящие в состав блока выработки с помощью пальцев рук пользователя экзоскелетона сигналов ручного управления, задающих необходимый для ходьбы в усложненных условиях диапазон углов поворота валов правой и левой пар указанных на фиг. 2 ортезов,two amplifiers of manual control signals fixed on the wrists of the right and left hands of the user of the exoskeleton, which are part of the unit for generating manual signals with the fingers of the user of the user of the exoskeleton, which specify the range of rotation angles of the shaft of the right and left pairs indicated in FIG. 2 orthoses,
закрепленные на нижних частях указательных пальцев правой и левой рук пользователя экзоскелетона две (для нажатия на соответствующую кнопку большим пальцем правой или левой руки пользователя - правши или левши) многофункциональные кнопки с нефиксируемым состоянием (по одной на пальце) для автономной работы каждой в режиме переключения вида программного движения экзоскелетона и отключения программного режима управления работой экзоскелетона с включением ручного режима управления работой экзоскелетона в процессе функционирования интерфейса на фиг. 2;two (for pressing the corresponding button with the thumb of the user's right or left hand — right-handed or left-handed) fixed on the lower parts of the index fingers of the right and left hands of the user of the exoskeleton are multi-function buttons with an unstable state (one on the finger) for each battery to work independently in a view switching mode programmed movement of exoskeleton and disabling the program mode for controlling the operation of exoskeleton with the inclusion of the manual mode for controlling the operation of exoskeleton in the process of erfeysa FIG. 2;
на фиг. 4 показаны интерфейсные элементы на фиг. 3, закрепленные на правой руке пользователя экзоскелетона, при использовании костыля подлокотного;in FIG. 4 shows the interface elements in FIG. 3, mounted on the right hand of the user of exoskeleton, using a crutch of the armpit;
на фиг. 5 и 6 представлены, соответственно, передний вид в аксонометрии входящего в состав интерфейса управления работой экзоскелетона нижних конечностей в режиме программного управления отдельного блока индикации для доставки пользователю экзоскелетона информирующих сигналов, поступающих через процессорный блок от четырех датчиков углов поворота валов ортезов на фиг. 3 и 4 и двух датчиков давления на правую и левую стопы экзоскелетона (по одному на стопу), и два вида (в разворотах головы на фиг. 6а и 6б) размещенного в поле зрения пользователя экзоскелетона этого же блока индикации, прикрепленного к голове пользователя.in FIG. 5 and 6 show, respectively, a front perspective view of the lower extremities exoskeleton operating interface included in the program control mode of a separate display unit for delivering exoskeleton information signals to the user through the processor unit from four angle sensors of orthosis shaft rotation in FIG. 3 and 4, and two pressure sensors on the right and left feet of the exoskeleton (one per foot), and two types (in head turns in Figs. 6a and 6b) located in the user's field of vision of the exoskeleton of the same display unit attached to the user's head.
Для раскрытия реализации заявляемых способа выработки сигналов, управляющих работой экзоскелетона нижних конечностей, и использующего его в качестве основы способа ручного управления работой экзоскелетона нижних конечностей предлагается следующий пример выполнения интерфейса управления работой экзоскелетона нижних конечностей (в составе одного ортеза, например, коленного сустава правой ноги пользователя экзоскелетона) в режиме ручного управления (см. фиг. 1), содержащего блок выработки сигналов ручного управления с помощью пальцев руки пользователя экзоскелетона, образованный двумя датчиками 1 измерения усилий и усилителем 2 сигналов ручного управления, датчик 3 углов поворота вала ортеза в составе экзоскелетона, кнопку 4 включения интерфейса и блок 5 индикации движения экзоскелетона в режиме ручного управления его работой.To disclose the implementation of the proposed method for generating signals that control the operation of the exoskeleton of the lower extremities, and using it as the basis for the method of manual control of the operation of the exoskeleton of the lower extremities, the following example of the interface for controlling the operation of the exoskeleton of the lower extremities (as part of one orthosis, for example, the knee joint of the right leg of the user exoskeleton) in manual control mode (see Fig. 1), containing the block generating manual signals with fingers the hands of an exoskeleton user, formed by two
Оба датчика 1 измерения усилий выполнены в виде плоских тензочувствительных элементов, размещены с их закреплением на двух фалангах, соседних со стороны конца, например, указательного пальца правой руки пользователя экзоскелетона (как показано на фиг. 3, иллюстрирующей пример выполнения интерфейса управления работой экзоскелетона нижних конечностей в режиме программного управления) и через усилитель 2 сигналов ручного управления, закрепленный на запястье правой руки пользователя экзоскелетона (как показано на фиг. 3), подключены к контроллеру 6 привода вала указанного ортеза.Both
При этом датчик 3 углов поворота вала ортеза подсоединен к блоку 5 индикации, прикрепленному к голове пользователя экзоскелетона с размещением блока 5 в поле зрения пользователя (как показано на фиг. 6, иллюстрирующей пример выполнения интерфейса управления работой экзоскелетона нижних конечностей в режиме программного управления), а кнопка 4 включения интерфейса (которая может быть закреплена на крайней фаланге со стороны ладони указательного пальца правой руки пользователя экзоскелетона) подсоединена к контроллеру 6 привода вала ортеза. Причем к блоку 5 индикации подсоединен также контроллер 6 привода вала ортеза для информирования пользователя экзоскелетона о выходе из строя контроллера 6 или о возникшем нерабочем состоянии разрядившегося аккумулятора привода вала ортеза.In this case, the
Таким образом, блок 5 индикации включает в свой состав индикатор 7 включения интерфейса, индикатор 8 углов сгиба ортеза и индикатор 9 предупреждения об аварийном состоянии контроллера 6 привода вала ортеза или аккумулятора указанного привода (подобно тому, как показано на фиг. 5, иллюстрирующей пример выполнения интерфейса управления работой экзоскелетона нижних конечностей в режиме программного управления). Блок 5 индикации, сориентированный на визуальную систему восприятия пользователя экзоскелетона, может быть выполнен сориентированным на тактильное восприятие с индикаторами в виде пьезоэлектрических вибраторов на гибкой подложке, размещаемыми на коже пользователя экзоскелетона (на фигурах не показаны).Thus, the indicating
Предлагаемый интерфейс управления работой экзоскелетона нижних конечностей в режиме ручного управления функционирует следующим образом.The proposed control interface for exoskeleton of the lower extremities in the manual control mode operates as follows.
Основным видом движения экзоскелетона является ходьба, которая осуществляется при ручном управлении путем выработки с помощью датчиков 1 измерения усилий сигналов, усиливаемых в усилителе 2 и задающих в контроллере 6 привода вала ортеза необходимый для ходьбы диапазон углов поворота вала ортеза в результате изменения усилий, поочередно оказываемых в настоящем примере на два датчика 1 измерения усилий с помощью двух фаланг пальца руки пользователя экзоскелетона для поворота вала ортеза в двух взаимопротивоположных направлениях.The main type of exoskeleton movement is walking, which is carried out with manual control by means of
Причем, предлагаемое изменение амплитуд упомянутых сигналов пропорционально изменению моментов сил, развиваемых на валу ортеза, что обусловлено калибровкой датчиков 1 измерения усилий с возможностью формирования сигналов ручного управления с амплитудами, пропорциональными моментам сил, развиваемых на валу указанного ортеза, и обеспечиваемыми пропорциональным изменением усилий, оказываемых на эти датчики соответствующими фалангами пальца руки пользователя.Moreover, the proposed change in the amplitudes of the mentioned signals is proportional to the change in the moments of forces developed on the shaft of the orthosis, which is due to the calibration of the
Указанное изменение амплитуд сигналов ручного управления, вырабатываемых датчиками 1 измерения усилий приводит к экономии амплитуд движений нижней конечности экзоскелетона, присущей физиологии человека при смене (перестройке) шага, и обеспечивает повышение эргономичности управления движением экзаскелетона, заключающееся в устранении недостатков, свойственных контролю движения экзоскелетона с помощью датчиков усилий, управляющий сигнал которых пропорционален угловым скоростям вращения вала ортеза (в настоящем примере коленного) сустава и который при ходьбе в усложненных условиях, обусловленных порогами, бордюрами и другими неровностями опорной поверхности, вызывает автоматическое увеличение усилия, развиваемого ортезом (с излишней амплитудой движений нижней конечности экзоскелетона) из-за компенсации потери скорости вращения вала ортеза сустава от указанных внешних факторов.The indicated change in the amplitudes of the manual control signals generated by the
Такие движения экзоскелетона, как подъем и посадка, при функционировании предлагаемого интерфейса управления работой экзоскелетона нижних конечностей в режиме ручного управления осуществляются путем обеспечения предварительно подобранных тренинговых усилий, поочередно оказываемых на два датчика 1 измерения усилий с помощью двух фаланг пальца руки пользователя экзоскелетона.Such exoskeleton movements, such as lifting and landing, when the proposed interface for controlling the operation of the exoskeleton of the lower extremities is operated in manual mode, are carried out by providing pre-selected training efforts, alternately exerted on two
Блок 5 индикации облегчает пользователю управление движением экзоскелетона в ручном режиме в результате визуального контроля углов сгиба ортеза коленного сустава за счет сигналов, поступающих на индикатор 8 углов сгиба ортеза от датчика 3 углов поворота вала этого ортеза.The
Для раскрытия использования заявляемого способа выработки сигналов, управляющих работой экзоскелетона нижних конечностей, предлагается пример выполнения интерфейса управления работой экзоскелетона нижних конечностей (в составе четырех ортезов, в частности ортеза тазобедренного сустава и ортеза коленного сустава правой ноги пользователя экзоскелетона и двух ортезов таких же суставов левой ноги пользователя экзоскелетона) в режиме программного управления (см. фиг. 2), содержащего четыре датчика 3 углов поворота валов и четыре датчика 10 угловых скоростей поворота валов четырех указанных ортезов суставов ног пользователя экзоскелетона, датчик 11 отклонения торса пользователя экзоскелетона от вертикали в сагиттальной и фронтальной плоскостях, два датчика 12 давления на правую и левую стопы экзоскелетона со стороны опорной поверхности (по одному на каждую стопу экзоскелетона) и процессорный блок 13, необходимые для функционирования интерфейса в режиме программного управления, многофункциональную кнопку 14 с нефиксируемым состоянием с возможностью переключения вида программного движения экзоскелетона и отключения программного режима управления работой экзоскелетона с включением ручного режима управления работой экзоскелетона, блок выработки сигналов ручного управления с помощью пальцев рук пользователя экзоскелетона, состоящий из двух частей, образованных каждая (правая и левая) четырьмя датчиками 1 измерения усилий и одним усилителем 2 сигналов ручного управления, и блок 15 индикации движения экзоскелетона в режиме программного управления его работой.To disclose the use of the proposed method for generating signals that control the operation of the exoskeleton of the lower extremities, an example of an interface for controlling the operation of the exoskeleton of the lower extremities (consisting of four orthoses, in particular, an orthosis of the hip joint and an orthosis of the knee joint of the right leg of a user of exoskeleton and two orthoses of the same joints of the left leg) is proposed exoskeleton user) in program control mode (see Fig. 2), containing four sensors 3 shaft rotation angles and four sensors 1 0 angular rotational speeds of the shafts of the four indicated orthoses of the joints of the legs of the user of the exoskeleton, a sensor 11 of the deviation of the torso of the user of the exoskeleton from the vertical in the sagittal and frontal planes, two sensors 12 for pressure on the right and left feet of the exoskeleton from the supporting surface (one for each foot of the exoskeleton) and the processor unit 13, necessary for the functioning of the interface in program control mode, a multifunction button 14 with a non-fixed state with the ability to switch the type of prog exoskeleton frame movement and disabling exoskeleton program control mode with the exoskeleton manual control mode on, exoskeleton user hand signal generation unit consisting of two parts formed by each (right and left) with four force measurement sensors 1 and one amplifier 2 signals of manual control, and an exoskeleton motion display unit 15 in the program control mode of its operation.
При этом четыре датчика 3 углов поворота валов и четыре датчика 10 угловых скоростей поворота валов четырех указанных ортезов суставов ног пользователя экзоскелетона, датчик 11 отклонения торса пользователя экзоскелетона от вертикали в сагиттальной и фронтальной плоскостях, два датчика 12 давления на правую и левую стопы экзоскелетона со стороны опорной поверхности подключены в следящем режиме к процессорному блоку 13.Four
Многофункциональная кнопка 14 с нефиксируемым состоянием (см. фиг. 3) закреплена на крайней фаланге со стороны ладони указательного пальца правой руки пользователя экзоскелетона и подсоединена к процессорному блоку 13. На фиг. 3 показана также вторая кнопка 14, закрепленная на крайней фаланге со стороны ладони указательного пальца левой руки пользователя экзоскелетона и параллельно подсоединенная к процессорному блоку 13 для удобства эксплуатации экзоскелетона пользователем - левшой.The
Восемь датчиков 1 измерения усилий (см. фиг. 3) выполнены в виде плоских тензочувствительных элементов, размещены по два с их закреплением на двух фалангах, соседних со стороны конца, указательного и среднего пальцев правой и левой рук пользователя экзоскелетона и через два усилителя 2 сигналов ручного управления, закрепленные по одному на запястьях правой и левой рук пользователя экзоскелетона, подключены к процессорному блоку 13.Eight force measurement sensors 1 (see Fig. 3) are made in the form of flat strain-sensitive elements, placed in two with their fastening on two phalanges adjacent to the end, index and middle fingers of the right and left hands of the user of the exoskeleton and through two
Процессорный блок 13 (см. фиг. 5) подсоединен к четырем контроллерам 16 приводов валов четырех указанных выше ортезов и подключен к блоку 15 индикации, который включает в свой состав индикатор 17 текущего подрежима программного управления работой экзоскелетона, четыре индикатора 18 углов сгиба четырех указанных ортезов, два индикатора 19 давления на правую и левую стопы экзоскелетона и индикатор 20 предупреждения о выходе из строя контроллеров 16, процессорного блока 13 или разрядившегося аккумулятора приводов валов ортезов и прикреплен к голове пользователя экзоскелетона с размещением блока 15 в поле зрения пользователя (см. фиг. 6).The processor unit 13 (see Fig. 5) is connected to four
Функционирование предлагаемого интерфейса управления работой экзоскелетона нижних конечностей в режиме программного управления предусматривает следующие рабочие подрежимы его работы.The functioning of the proposed interface for controlling the exoskeleton of the lower extremities in the program control mode provides the following working sub-modes of its operation.
Всего поддерживается шесть рабочих подрежимов:In total, six working submodes are supported:
а) приводы отключены (исходный режим);a) the drives are disabled (initial mode);
б) подъем (вставание со стула);b) lifting (getting up from a chair);
в) вертикально;c) vertically;
г) движение шагом в режиме программного управления;d) step movement in program control mode;
д) движение шагом в режиме ручного управления;e) step movement in manual control mode;
е) посадка (опускание на стул).e) landing (lowering on a chair).
Включение/выключение интерфейса и переход из одного рабочего подрежима в другой рабочий подрежим (включая корректирующее изменение углов поворота валов четырех ортезов) осуществляется посредством нажатия пользователем экзоскелетона, например, на размещенную на его правой руке многофункциональную кнопку 14 с нефиксируемым состоянием.Switching the interface on / off and switching from one working submode to another working submode (including corrective changes in the angles of rotation of the shafts of four orthoses) is carried out by pressing the exoskeleton by the user, for example, on the
Исходный подрежим - "приводы отключены" (после включения питания интерфейса однократным коротким нажатием на кнопку 14 приводы валов четырех ортезов не включены). В данном режиме индикатор 17 текущего режима управления работой экзоскелетона отображает символ 0.The initial sub-mode is “drives disabled” (after turning on the interface power by briefly pressing
При двукратном коротком нажатии на кнопку 14 на индикаторе 17 отображается символ В и интерфейс переходит в подрежим "подъем" в рамках базовых программных вариантов поворота валов ортезов, в течение которого приводы валов четырех ортезов включаются и отрабатывают последовательность: наклон торса вперед, одновременное разгибание правого и левого ортезов коленных суставов, одновременное разгибание правого и левого ортезов тазобедренных суставов, переход в режим "вертикально".When the
Углы наклона торса, углы сгибания указанных ортезов и скорости поворота валов двух ортезов тазобедренного и коленного суставов при этом контролируются интерфейсом по показаниям четырех датчиков 3 углов поворота валов указанных ортезов и четырех датчиков 10 угловой скорости поворота валов этих ортезов, а также датчика 11 отклонения торса пользователя экзоскелетона от вертикали в сагиттальной и фронтальной плоскостях.The torso angles, the bending angles of these orthoses and the shaft rotation speed of two orthoses of the hip and knee joints are controlled by the interface according to the readings of four
В подрежиме "вертикально" приводы валов указанных ортезов блокируются, а на индикаторе 17 отображается символ I.In the submode "vertically", the drives of the shafts of the indicated orthoses are blocked, and the symbol I is displayed on the
Из подрежима "вертикально" интерфейс может перевести экзоскелетон в рамках базовых программных вариантов поворота валов ортезов в подрежим "движение шагом в режиме программного управления" в результате однократного длительного нажатия на кнопку 14, при котором на индикаторе 17 отображается символ П.From the “vertical” submode, the interface can transfer the exoskeleton within the basic program options for turning the orthosis shafts into the “step by step in program control mode” submode as a result of a single long press on
В данном подрежиме управление движением экзоскелетона осуществляется наклоном торса влево-вперед (шаг правой ногой) и вправо-вперед (шаг левой ногой). Команда выполнения шага неопорной ногой формируется на базе данных о наклоне торса, выдаваемых датчиком 11 и данных о давлении на стопу экзоскелетона, выдаваемых датчиками 12 давления опорной поверхности на стопы. Опорной считается та нога, давление на стопу которой максимально, шаг делается неопорной ногой при условии наклона торса пилота вперед и в сторону опорной ноги. Попеременно наклоняя с помощью опорных приспособлений (костылей, ходунков) торс вправо и лево пользователь экзоскелетона добивается движения в нужном направлении с нужным темпом, который вводится в процессорный блок 13 на основе учета показаний четырех датчиков 3 углов поворота валов указанных ортезов и четырех датчиков 10 угловой скорости поворота валов этих ортезов. Параметры движения: высота подъема стопы и длина шага введены в процессорный блок 13 заранее.In this submode, exoskeleton movement is controlled by tilting the torso left-forward (step with the right foot) and right-forward (step with the left foot). The command to perform the step with the non-supporting foot is formed on the basis of the data on the torso tilt, issued by the
При движении экзоскелетона четыре индикатора 18 демонстрируют текущие углы сгиба четырех ортезов суставов, а два индикатора 19 - уровни давления на правую и левую стопы экзоскелетона.When exoskeleton moves, four
Из подрежима "вертикально" интерфейс может перевести экзоскелетон в рамках базовых программных вариантов поворота валов ортезов в подрежим "движение шагом в режиме ручного управления" в результате двукратного длительного нажатия на кнопку 14, при котором происходит отключение программного режима управления работой экзоскелетона с включением ручного режима управления работой экзоскелетона и на индикаторе 17 отображается символ Р.From the “vertical” submode, the interface can transfer the exoskeleton within the basic program options for turning the orthosis shafts into the “step by step in manual control” submode as a result of two long presses on
В данном подрежиме управление движением экзоскелетона осуществляется сжиманием/разжиманием четырех пальцев правой и левой рук пользователя экзоскелетона путем изменения давления, оказываемого фалангами указанных пальцев на восемь датчиков 1 измерения усилий за счет опоры указанных датчиков, например, на поверхность рукояток двух костылей подлокотных (см. пальцы с четырьмя датчиками 1 измерения усилий правой ладони пользователя на фиг. 4).In this submode, exoskeleton movement is controlled by squeezing / unclenching four fingers of the right and left hands of the exoskeleton user by changing the pressure exerted by the phalanges of these fingers onto eight
В отличие от программного управления движением шагом процессорный блок 13 формируют не команды поочередного выполнения шагов в рамках данного вида базового программного варианта поворота валов ортезов, а направляет (путем коммутации) в ручном режиме управления движения шагом сигналы, вырабатываемые четырьмя парами датчиков 1 измерения усилий и усиливаемые двумя усилителями 2 в соответствующие четыре контроллера 16 приводов валов четырех указанных ортезов.In contrast to the programmed step motion control, the
При этом интерфейс управления работой экзоскелетона нижних конечностей в режиме программного управления функционирует в режиме работы, изложенном выше в случае интерфейса управления работой экзоскелетона нижних конечностей в режиме ручного управления с изменением амплитуд сигналов, вырабатываемых датчиками 1 измерения усилий, пропорционально изменению моментов сил, развиваемых на валах ортезов, в результате поочередно оказываемых усилий на указанные датчики при ходьбе для выработки ими упомянутых сигналов двумя фалангами пальцев рук пользователя с возможностью поворота валов ортезов в двух взаимопротивоположных направленияхIn this case, the control interface of the exoskeleton of the lower extremities in the program control mode operates in the operating mode described above in the case of the control interface of the exoskeleton of the lower extremities in the manual control mode with a change in the amplitudes of the signals generated by the
Указанные выше изменения амплитуд сигналов, вырабатываемых датчиками 1 измерения усилий обусловлены калибровкой датчиков 1 измерения усилий с возможностью формирования сигналов ручного управления с амплитудами, пропорциональными моментам сил, развиваемых на валах ортезов, и обеспечиваемыми пропорциональным изменением усилий, оказываемых на эти датчики соответствующими фалангами пальца руки пользователя экзоскелетона.The above changes in the amplitudes of the signals generated by the
Из подрежима "вертикально" интерфейс может перевести экзоскелетон в рамках базовых программных вариантов поворота валов ортезов в подрежим "посадка" в результате троекратного короткого нажатия на кнопку 14, при котором на индикаторе 17 отображается символ Н.From the “vertical” submode, the interface can transfer the exoskeleton within the basic program options for turning the orthosis shafts into the “landing” submode as a result of three short presses on
При этом приводы валов четырех ортезов отрабатывают последовательность: наклон торса вперед, одновременное сгибание правого и левого ортезов коленных суставов, одновременное сгибание правого и левого ортезов тазобедренных суставов, переход в режим "приводы отключены".In this case, the drives of the shafts of four orthoses fulfill the sequence: torso forward, simultaneous bending of the right and left orthoses of the knee joints, simultaneous bending of the right and left orthoses of the hip joints, switching to the "drives disabled" mode.
Углы наклона торса, углы сгибания указанных ортезов и скорости поворота валов двух ортезов тазобедренного и коленного суставов при этом контролируются интерфейсом по показаниям четырех датчиков 3 углов поворота валов указанных ортезов и четырех датчиков 10 угловой скорости поворота валов этих ортезов, а также датчика 11 отклонения торса пользователя экзоскелетона от вертикали в сагиттальной и фронтальной плоскостях, после чего на индикаторе 17 отображается символ 0.The torso angles, the bending angles of these orthoses and the shaft rotation speed of two orthoses of the hip and knee joints are controlled by the interface according to the readings of four
В дополнение к индикатору 17 текущего подрежима программного управления работой экзоскелетона четыре индикатора 18 углов сгиба четырех указанных ортезов, два индикатора 19 давления на правую и левую стопы экзоскелетона и индикатор 20 предупреждения о выходе из строя контроллеров 16, процессорного блока 13 или разрядившегося аккумулятора приводов валов ортезов в составе блока 15 индикации повышают эффективность пользования экзоскелетом в режиме программного управления.In addition to the
Датчики 3 углов поворота валов ортезов могут быть выполнены с применением потенциометров, а также оптических или магнитных инклинометров. В качестве датчика 11 отклонения торса пользователя экзоскелетона от вертикали в сагиттальной и фронтальной плоскостях может быть применен 3-хосевой МЭМС-датчик, совмещающий функции гироскопа и акселерометра. Для изготовления датчиков 12 давления опорной поверхности на стопы экзоскелетона и датчиков 1 измерения усилий могут быть применены пленочные тензорезисторы.
Таким образом, предлагаемый способ выработки сигналов, управляющих работой экзоскелетона нижних конечностей, эффективен как в случае осуществления на основе него автономного эргономичного способа ручного управления работой экзоскелетона нижних конечностей и интерфейса для его осуществления, так и в случае его реализации в качестве эргономичного подрежима «движение шагом в режиме ручного управления» органично включенного в функционирование интерфейса управления работой экзоскелетона нижних конечностей в режиме программного управления и обеспечивающего стабильную работоспособность экзоскелетона в усложненных условиях движения шагом по опорной поверхности с препятствиями для указанного движения (неровностями в виде бордюров, порогов, ступеней и т.п.).Thus, the proposed method for generating signals that control the operation of the exoskeleton of the lower extremities is effective both in the case of the implementation on its basis of an autonomous ergonomic method of manual control of the operation of the exoskeleton of the lower extremities and the interface for its implementation, and in the case of its implementation as an ergonomic submode "step movement in manual control mode ”organically included in the operation of the control interface of the exoskeleton of the lower extremities in the program control mode water flow and ensuring stable performance of exoskeleton in complicated traffic conditions in increments of the supporting surface with obstacles to the specified movement (irregularities in the form of borders, thresholds, steps, etc.).
Claims (17)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016144426A RU2638276C1 (en) | 2016-11-11 | 2016-11-11 | Method for generation of control signals and method for manual control of operation of exoskeleton lower limbs based thereon, as well as exoskeleton operation control interfaces in manual and software control mode using specified generation method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016144426A RU2638276C1 (en) | 2016-11-11 | 2016-11-11 | Method for generation of control signals and method for manual control of operation of exoskeleton lower limbs based thereon, as well as exoskeleton operation control interfaces in manual and software control mode using specified generation method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2638276C1 true RU2638276C1 (en) | 2017-12-12 |
Family
ID=60718703
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016144426A RU2638276C1 (en) | 2016-11-11 | 2016-11-11 | Method for generation of control signals and method for manual control of operation of exoskeleton lower limbs based thereon, as well as exoskeleton operation control interfaces in manual and software control mode using specified generation method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2638276C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2739278C2 (en) * | 2019-02-07 | 2020-12-22 | Акционерное общество "Волжский электромеханический завод" | Method for four-support movement of child exoskeleton |
RU2799915C1 (en) * | 2022-11-25 | 2023-07-13 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Санкт-Петербургский Федеральный исследовательский центр Российской академии наук" | Method of recognizing hypokinesia functional state |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5662693A (en) * | 1995-06-05 | 1997-09-02 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | Mobility assist for the paralyzed, amputeed and spastic person |
US7153242B2 (en) * | 2001-05-24 | 2006-12-26 | Amit Goffer | Gait-locomotor apparatus |
US8070700B2 (en) * | 2003-10-29 | 2011-12-06 | The Regents Of The University Of California | Lower extremity enhancer |
WO2015168788A1 (en) * | 2014-05-05 | 2015-11-12 | Genesis Advanced Technology Inc. | Exoskeleton suit with hand control to enable walking |
RU2014136777A (en) * | 2012-03-22 | 2016-05-20 | Эксо Бионикс, Инк. | HUMAN MACHINE INTERFACE FOR ORTHOPEDIC DEVICES OF LOWER EXTREMITIES |
-
2016
- 2016-11-11 RU RU2016144426A patent/RU2638276C1/en active IP Right Revival
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5662693A (en) * | 1995-06-05 | 1997-09-02 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | Mobility assist for the paralyzed, amputeed and spastic person |
US7153242B2 (en) * | 2001-05-24 | 2006-12-26 | Amit Goffer | Gait-locomotor apparatus |
US8070700B2 (en) * | 2003-10-29 | 2011-12-06 | The Regents Of The University Of California | Lower extremity enhancer |
RU2014136777A (en) * | 2012-03-22 | 2016-05-20 | Эксо Бионикс, Инк. | HUMAN MACHINE INTERFACE FOR ORTHOPEDIC DEVICES OF LOWER EXTREMITIES |
WO2015168788A1 (en) * | 2014-05-05 | 2015-11-12 | Genesis Advanced Technology Inc. | Exoskeleton suit with hand control to enable walking |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2739278C2 (en) * | 2019-02-07 | 2020-12-22 | Акционерное общество "Волжский электромеханический завод" | Method for four-support movement of child exoskeleton |
RU2799915C1 (en) * | 2022-11-25 | 2023-07-13 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Санкт-Петербургский Федеральный исследовательский центр Российской академии наук" | Method of recognizing hypokinesia functional state |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US12076289B2 (en) | Hip exoskeleton | |
EP2945590B1 (en) | Interface for adjusting the motion of a powered orthotic device through externally applied forces | |
EP2827809B1 (en) | Human machine interface for lower extremity orthotics | |
US8083694B2 (en) | Multi joint orthodynamic rehabilitator, assistive orthotic device and methods for actuation controlling | |
EP2616115B1 (en) | Human machine interface for human exoskeleton | |
EP2967959B1 (en) | Machine to human interfaces for communication from a lower extremity orthotic | |
US10369071B2 (en) | Exoskeleton suit with hand control to enable walking | |
JP2014073222A (en) | Exercise assisting device, and exercise assisting method | |
JP5961331B2 (en) | User combined human machine interface | |
TW201639534A (en) | Exoskeleton ankle robot | |
EP1949873A1 (en) | Motion assistance apparatus and method of assisting motion | |
TWI702977B (en) | Walking rehabilitation robot system | |
WO2021117063A1 (en) | A multi-joint rehabilitation system | |
RU2638276C1 (en) | Method for generation of control signals and method for manual control of operation of exoskeleton lower limbs based thereon, as well as exoskeleton operation control interfaces in manual and software control mode using specified generation method | |
US20200268584A1 (en) | Systems, devices, and methods for therapeutic loading of a joint | |
JP6264400B2 (en) | Multiple link mechanism and exercise assistance method | |
JP5494011B2 (en) | Operation support system | |
Mineev | Multimodal control system of active lower limb exoskeleton with feedback | |
JP2024517584A (en) | Method and device for measuring user's muscle strength using a wearable device | |
WO2019050929A1 (en) | Systems, devices, and methods for therapeutic loading of a joint | |
WO2015190938A1 (en) | A rehabilitation exoskeleton and an apparatus for transmitting torque | |
EP4298990A1 (en) | Wearable apparatus to monitor a musculoskeletal condition of a joint, limb and muscles and also to stimulate thereof, and related systems | |
GB2499019A (en) | A pressure applying haptic device for a finger | |
JP2016209475A (en) | Walking support device | |
Class et al. | Patent application title: ISOLATED ORTHOSIS FOR THUMB ACTUATION Inventors: Hani M. Sallum (Somerville, MA, US) Leia Stirling (Stoneham, MA, US) Annette Correia (Milton, MA, US) |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20180808 Effective date: 20180808 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20191112 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20220118 |