WO2017069652A1 - Экзоскелет - Google Patents

Экзоскелет Download PDF

Info

Publication number
WO2017069652A1
WO2017069652A1 PCT/RU2016/000448 RU2016000448W WO2017069652A1 WO 2017069652 A1 WO2017069652 A1 WO 2017069652A1 RU 2016000448 W RU2016000448 W RU 2016000448W WO 2017069652 A1 WO2017069652 A1 WO 2017069652A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
input
exoskeleton
unit
output
parameters
Prior art date
Application number
PCT/RU2016/000448
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Екатерина Сергеевна БЕРЕЗИЙ
Елена Валентиновна ПИСЬМЕННАЯ
Андрей Викторович КУЗМИЧЕВ
Эдуард Кирович ЛАВРОВСКИЙ
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Экзоатлет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью "Экзоатлет" filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Экзоатлет"
Priority to KR1020177031213A priority Critical patent/KR102291195B1/ko
Priority to CN201680028307.XA priority patent/CN107613936B/zh
Priority to SG11201709308SA priority patent/SG11201709308SA/en
Priority to JP2017559513A priority patent/JP6941058B2/ja
Priority to AU2016343179A priority patent/AU2016343179A1/en
Priority to EP16857866.4A priority patent/EP3284452B1/en
Priority to US15/571,946 priority patent/US11148278B2/en
Publication of WO2017069652A1 publication Critical patent/WO2017069652A1/ru
Priority to IL255270A priority patent/IL255270A0/en

Links

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H3/00—Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H1/00—Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
    • A61H1/02—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
    • A61H1/0237—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising for the lower limbs
    • A61H1/0255—Both knee and hip of a patient, e.g. in supine or sitting position, the feet being moved together in a plane substantially parallel to the body-symmetrical plane
    • A61H1/0262—Walking movement; Appliances for aiding disabled persons to walk
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H3/00—Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about
    • A61H3/008—Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about using suspension devices for supporting the body in an upright walking or standing position, e.g. harnesses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/0006—Exoskeletons, i.e. resembling a human figure
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H3/00—Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about
    • A61H2003/007—Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about secured to the patient, e.g. with belts
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/12—Driving means
    • A61H2201/1207—Driving means with electric or magnetic drive
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/12—Driving means
    • A61H2201/1207—Driving means with electric or magnetic drive
    • A61H2201/1215—Rotary drive
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/14—Special force transmission means, i.e. between the driving means and the interface with the user
    • A61H2201/1481—Special movement conversion means
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/16—Physical interface with patient
    • A61H2201/1602—Physical interface with patient kind of interface, e.g. head rest, knee support or lumbar support
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/16—Physical interface with patient
    • A61H2201/1602—Physical interface with patient kind of interface, e.g. head rest, knee support or lumbar support
    • A61H2201/164—Feet or leg, e.g. pedal
    • A61H2201/1642—Holding means therefor
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/16—Physical interface with patient
    • A61H2201/1602—Physical interface with patient kind of interface, e.g. head rest, knee support or lumbar support
    • A61H2201/165—Wearable interfaces
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/16—Physical interface with patient
    • A61H2201/1657—Movement of interface, i.e. force application means
    • A61H2201/1676—Pivoting
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/50—Control means thereof
    • A61H2201/5007—Control means thereof computer controlled
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/50—Control means thereof
    • A61H2201/5007—Control means thereof computer controlled
    • A61H2201/501—Control means thereof computer controlled connected to external computer devices or networks
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/50—Control means thereof
    • A61H2201/5023—Interfaces to the user
    • A61H2201/5035—Several programs selectable
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/50—Control means thereof
    • A61H2201/5058—Sensors or detectors
    • A61H2201/5069—Angle sensors
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/50—Control means thereof
    • A61H2201/5058—Sensors or detectors
    • A61H2201/5079—Velocity sensors
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/50—Control means thereof
    • A61H2201/5058—Sensors or detectors
    • A61H2201/5084—Acceleration sensors
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2230/00—Measuring physical parameters of the user
    • A61H2230/62—Posture
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2230/00—Measuring physical parameters of the user
    • A61H2230/62—Posture
    • A61H2230/625—Posture used as a control parameter for the apparatus
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/40—Robotics, robotics mapping to robotics vision
    • G05B2219/40305—Exoskeleton, human robot interaction, extenders

Definitions

  • the invention relates to medical equipment, in particular to methods for setting the desired exoskeleton trajectories, devices for assisting walking of users, and methods for controlling devices for assisting walking in predetermined modes of movement of users with impaired function of the musculoskeletal system, with limited mobility or complete immobility of the lower extremities during normal functioning of the upper limbs and upper body.
  • the invention allows a user to walk with a violation of the functions of the musculoskeletal system along a horizontal and inclined supporting surface, as well as along flights of stairs and go through obstacles with a walking pattern similar to the walking pattern of a healthy person, and can also be used during rehabilitation and recovery procedures.
  • This method cannot be applied for users with complete immobility of the lower extremities, for example, for users - paraplegics due to the impossibility of creating muscle efforts in their legs, and for users with limited mobility of the lower extremities it is impossible to provide the desired walking pattern similar to the human walking pattern without impaired support -motor apparatus.
  • the user's gait is formed in the form of a set of time functions of the exoskeleton interlink angles, which does not allow changing the motion parameters — step length, leg height and walking pace.
  • the technical result which the proposed method aims to achieve, is to calculate time-dependent parameters of the desired motion trajectory, which allows you to uniquely set the desired exoskeleton trajectory in the sagittal plane of the Cartesian coordinate system for the movement of the user with impaired musculoskeletal system with a gait close to the human gait without disturbing the functions of the musculoskeletal system, as well as changing the parameters of the step (step length, leg height and pace of stroke fuck).
  • a device is known to facilitate walking of a user with a violation of the functions of the musculoskeletal system in predefined motion modes, containing an exoskeleton having one or more actuators associated with various exoskeleton units connected to corresponding parts of the user's body, the device providing: receiving input data indicating the desired movement of the sequence; obtaining from the memory of programmed data motions that ensure the execution of one or more sequential instructions required for the relative movements of the actuators to execute the above instructions and the movement of one or more exoskeleton links in accordance with the relative motions of the drive for each instruction [PCT application WO 201 1002306 A1, publ. 2011].
  • the input signal supplied to the drives and specifying the movement of the exoskeleton is stepwise in nature, which affects the smoothness of walking in the exoskeleton and does not allow forming control actions on the exoskeleton drives that provide a walking pattern close to natural, which negatively affects the ergonomic characteristics of the assistance device walking the user with a violation of the functions of the musculoskeletal system.
  • a device to facilitate walking of the user with a violation of the functions of the musculoskeletal system in predetermined modes of movement comprising an exoskeleton of the lower extremities, an exoskeleton of the lower extremities, the exoskeleton including the pelvic link, left and right leg supports, each which consists of the femoral and ankle links and feet, while the adjacent links are connected by means of appropriate articulated joints, providing possible their rotation in the sagittal plane and equipped with relative angular displacement meters integrated into the unit for measuring current angles and angular velocities, while the hip and knee joints are motorized and equipped with appropriate drives, for example, electric drives, as well as an onboard controller connected to relative sensors angular rotation of adjacent links and control inputs of drives of motorized joints, while the feet are equipped with support reaction sensors, in Integrated into the unit for measuring reactions of the support and mounted in the heel and toe of the feet, in addition, the walking assistance device includes left and right hand supports and a control device,
  • the driving signals for the exoskeleton drive are signals from electromyographic sensors taken from a healthy limb, therefore, the use of this device and the method of controlling it by users with no muscle activity (complete paresis), including paraplegics, are impossible;
  • the input signal supplied to the drives and specifying the movement of the exoskeleton is stepwise, which affects the smoothness of walking in the exoskeleton;
  • the walking assistance device comprises left and right hand supports and a control device including a unit for calculating the walking assistance device's movement of the user walking assistance device.
  • the walking assistance device comprises left and right hand supports and a control device including a unit for calculating
  • This method used to control the above device to facilitate walking of the user with a violation of the functions of the musculoskeletal system, causes a limitation of functionality and does not allow for high ergonomic characteristics of the device, since it cannot be used to assist in walking users with a complete loss of the functions of the musculoskeletal system apparatus, and when used by users with a partial loss of these functions, it cannot provide the user with near walking natural.
  • the technical result to which this invention is directed in relation to a device for assisting walking of a user with impaired musculoskeletal system functions and a method for controlling this device is to expand the functionality and improve the ergonomic characteristics of the device by providing the ability to control the movement of the exoskeleton with the ability to set the correct (close to a person’s walking pattern without impaired musculoskeletal function) a walking pattern for have a full or partial loss of motor activity and muscle job opportunity to set and change from the control when driving on a desired pitch trajectories such parameters as length, height and lifting feet walking tempo, and also increase the accuracy of the exoskeleton motion along these trajectories.
  • Other technical results to which this invention is directed in terms of device implementation are:
  • a motion capture system that includes a series-connected block of measuring devices for determining and transmitting data with parameters of the captured movement , a data processing unit with captured motion parameters and a captured motion storage unit I, whose output is connected to the output of the motion capture system, provides the Cartesian coordinates of the pre-selected points of the human body during its movement as a person, the Cartesian coordinates of the pre-selected body points of which are measured, use the person without disturbing the functions of the musculoskeletal system, and as the pre-selected points of his body, the Cartesian coordinates of which are measured, use the intersection points of the axes of the hip joint and the axes of the ankle joints lying in the frontal plane in with the sagittal plane, while the indicated Cartesian coordinates are measured depending on time in the form of traject
  • the feet are equipped with support reaction sensors integrated in the support reaction measurement unit and mounted in the heel and toe of the feet
  • the walking assistance device includes left and right hand supports and a control device including a unit for calculating the exoskeleton angles and angular velocities, an evaluation unit external moment and the unit for calculating and generating control signals to the exoskeleton drives connected to the control inputs of the respective drives, while the input of the unit for calculating the desired angles and angular orostey exoskeleton coupled to a first input of the control device, the third input which is connected to the output of the unit for measuring current angles and angular velocities, it is supplemented by an external computer of a specialist assistant, made with the provision of a specialist assistant
  • the onboard exoskeleton controller the ratio of the shin length to the thigh length, shin length and mass-inertial characteristics of user body segments with exoskeleton attached to them, selecting a movement mode and adjusting movement parameters such as step length, leg height and walking pace, using the remote control performed by providing the user with the ability to select a movement mode and adjust such motion parameters as step length, leg height and walking pace, current measurement unit in electric drives containing the first, second, third, fourth current sensors of the first, second, third and fourth electric drives, respectively, by the unit for generating the desired trajectories in the Cartesian coordinate system, configured to input and store parameters and / or coefficients in it that are time functions interpolation of the desired motion paths in a Cartesian coordinate system for predefined motion modes, the first input of which is connected to the output of the control panel, and the second input to the output the house of the support reaction measuring unit, the first output is connected to the first input of the control device, and the second output is configured to connect to the input of
  • the walking assistance device includes left and right hand supports and a control device including
  • the modes "Walk on a horizontal surface”, “Walk on a ladder up”, “Walk on a ladder down” “Walk uphill”, “Walk downhill”, “Step over an obstacle”, “Sit on a support”, “Stand upright with legs straightened”, “Stand upright with legs straightened out Assumption 'sit on a support, "" Take the support from the "stand upright with legs straight”.
  • the block for the formation of the desired motion paths in the Cartesian coordinate system and the control device are implemented programmatically in the on-board exoskeleton controller.
  • FIG. 1 shows the appearance of the device to facilitate walking of the user with a violation of the functions of the musculoskeletal system
  • FIG. 2 is a kinematic diagram of this device
  • FIG. 3 is a functional diagram of a system for determining parameters of desired trajectories of an exoskeleton in a Cartesian coordinate system
  • FIG. 4 is a functional diagram of a device for assisting walking of a user.
  • FIG. Figures 5–9 show the trajectories of motion in the sagittal plane of some points of the lower extremities of a person without disturbing the function of the musculoskeletal system in the Cartesian coordinate system, which were experimentally obtained from the Vicon motion capture system.
  • FIG. 5 - shows the trajectory of movement in the Cartesian coordinate system of the hip, knee and ankle joints and fingers of the figurative leg
  • FIG. 6 hip, knee and ankle joints and toes of the supporting leg
  • Figure 7 - shows the trajectory of movement in the Cartesian coordinate system of the hip and ankle joints of the portable leg for a trajectory with an initial step length (shown by a dashed line), and a path with a step length reduced by 30% (shown by a solid line).
  • Fig.9 - shows the reference path of the leg transfer along the axis of the longitudinal movement of the leg and the accelerated path 30% leg transfer.
  • 41 is a block for generating desired trajectories in a Cartesian coordinate system
  • 48 is a block for calculating the desired angular accelerations on the exoskeleton drives; 49 and 50 - the first and, accordingly, the second inputs of the unit 48 for calculating the desired angular accelerations to the exoskeleton drives;
  • 71 is a block for evaluating the angular movement of the user body
  • 87 is a controller for determining the desired motion paths in a Cartesian coordinate system
  • the way to set the desired trajectories of the exoskeleton in the Cartesian coordinate system for movement in the sagittal plane in predefined modes of movement of the user with impaired musculoskeletal system is carried out for the exoskeleton 1, including the pelvic 2 link and left 3 and right 4 foot supports, each of which consists of femoral 5 (6) and calf 7 (8) links and feet 9 (10).
  • the adjacent links 2-5, 5-7, 7-9, 2-6, 6-8 and 8-10 are connected by means of the corresponding swivel joints 11, 12, 13, 14, 15, and 16, allowing their rotation in the sagittal plane and equipped with appropriate measuring instruments 17, 18, 20, 21 of relative angular displacement, integrated into the unit 70 for measuring current angles and angular velocities, while the hip 11 and 14 and knee 12 and 15 articulated joints are made motorized and equipped with corresponding drives 23, 24 and 25, 26 for example, electric drives, as well as the on-board controller 8 5, connected to the meters 17, 18, 20, 21 of the relative angular rotation of adjacent links and the control inputs of the drives 23, 24 and 25, 26 of motorized joints.
  • the motion capture system 77 including series-connected unit 78 of measuring devices for detecting and transmitting data with parameters of the captured motion, data processing unit 79 with parameters of the captured motion and block 80 of the parameters of the captured motion, the output of which is connected to the output motion capture systems 77 provide a measurement of the Cartesian coordinates of pre-selected points of the human body in the process of its movement, and
  • motion capture system 77 is used as part of the system 43 for determining the parameters of the desired trajectories in the Cartesian coordinate system, and as a person, the Cartesian coordinates of the preselected body points of which are measured, a person is used without disturbing the functions of the musculoskeletal system, and as pre-selected points of his body whose Cartesian coordinates are measured, use the intersection points of the axis of the hip joint and the axes of the ankle joints lying in the frontal plane with the sagittal plane.
  • the indicated Cartesian coordinates are measured depending on time in the form of trajectories along the axes of the Cartesian coordinate system of the indicated sagittal plane during the movement of the aforementioned person for each of the predefined motion modes, and stored in the block 80 for storing the parameters of the captured motion in the form of data arrays for each measured trajectory , while the ordinate axis of the specified coordinate system of the sagittal plane is directed vertically, and the abscissa axis - at the direction of exoskeleton movement.
  • the parameter processing unit 81 of the captured motion the input of which is connected to the output of the motion capture system 77, the parameters and / or interpolation coefficients of the captured motion are processed by calculating, based on the above arrays of table-defined Cartesian time functions, the parameters and / or interpolation coefficients for each of the previously selected smooth interpolating the above paths analytic functions differentiable at least two times, for example, splines, including cubic splines.
  • the calculated parameters and / or interpolation coefficients are stored in the block of processing parameters of the captured motion connected to the output 81 and integrated into the Cartesian coordinate system 43 for determining the parameters of the desired trajectories in the Cartesian coordinate system, the block 76 for storing parameters and / or interpolation coefficients of the desired trajectories of the exoskeleton in the Cartesian coordinate system ,
  • the block 81 for processing parameters of the captured motion and the block 76 for storing parameters and / or interpolation coefficients of the desired motion paths in the Cartesian coordinate system are preferably implemented programmatically in the controller 87 for determining the desired motion paths in the Cartesian coordinate system.
  • a device for assisting walking of a user with impaired function of the musculoskeletal system in predetermined modes of movement comprising an exoskeleton of 1 lower limb, includes a pelvic 2 link and a left 3 and a right 4 leg supports, each of which consists of a femur 5 (6) and ankle 7 ( 8) links and feet 9 (10).
  • the adjacent links 2-5, 5-7, 7-9, 2-6, 6-8 and 8-10 are connected by means of the corresponding swivel joints 11, 12, 13, 14, 15, and 16, allowing their rotation in sagittal plane and equipped with appropriate measuring instruments 17, 18, 20, 21 of relative angular displacement, integrated into the block 70 of measuring current angles and angular velocities,
  • the hip 1 1 and 14 and the knee 12 and 15 swivel joints are motorized and equipped with corresponding drives 23, 24 and 25, 26, for example, electric drives, as well as an on-board controller 85 connected to relative angular rotation meters 17, 18, 20, 21 adjacent links and control inputs of the drives 23, 24 and 25, 26 of motorized joints, while feet 9 and 10 are equipped with first 27, second 28, third 29 and fourth 30 support reaction sensors integrated in the support reaction measurement unit 31 and mounted in the heel 27 , (29) and sock 28, ( 30) stop 9 (10).
  • the walking assistance device comprises left 33 and right 34 hand supports and a control device 35 including a unit 36 for calculating the desired angles and angular velocities of the exoskeleton 1, an external moment estimator 40, and a control signal generating unit 52 for exoskeleton drives 1 connected to the control the inputs of the respective drives, while the input 37 of the block 36 for calculating the desired angles and angular velocities of the exoskeleton 1 is connected to the first input 38 of the control device 35, the third input of which 39 is connected to the output of the unit 70 for measuring t current angles and angular velocities.
  • the walking assistance device with impaired musculoskeletal system function includes an external assistant assistant computer 86 configured to provide the specialist assistant with the ability to input the exoskeleton 1 ratio of the lower leg to thigh length, lower leg length, and mass inertial characteristics segments of the user's body with exoskeleton links attached to them, selecting a movement mode and adjusting movement parameters such as step length, leg height and walking pace s
  • control panel 32 configured to allow the user to select a driving mode and control such motion parameters as step length, leg height and walking pace and a current measuring unit 65 in electric drives containing a first 66, a second 67, a third 68, a fourth 69 current sensors, respectively first 23, second 24, third 25 and fourth 26 electric drives.
  • the device to facilitate walking of the user with a violation of the functions of the musculoskeletal system contains a block 41 for the formation of the desired trajectories in a Cartesian coordinate system, configured to input and store parameters and / or interpolation coefficients of the desired motion paths into it in a Cartesian coordinate system for predetermined motion modes, the first input 42 of which is connected to the output of the control panel 32, and the second input 53 - with the output of the support reaction measuring unit 31, the first output 83 is connected to the first input 38 of the control device 35, and the second output 19 is configured to connect to the input of the determination system 43 the parameters of the desired motion paths in the Cartesian coordinate system, the output of which is configured to connect to the third input 22 of the block 41 of the formation of the desired paths in the Cartesian coordinate system, the fourth input 84 of which is configured to connect the first 88 output of the external computer 86 assistant specialist, the second output 89 which is configured to be connected to the sixth input 90 of the external moment evaluation unit 40.
  • control device 35 contains a block 44 for generating the desired accelerations along the paths in the Cartesian coordinate system, the first input 45 of which is connected to the first input 38 of the control device 35, a unit 46 for calculating the desired angular accelerations, the first input 47 of which is connected to the output of the block 44 for generating the desired accelerations along the trajectories, and the second input 54 to the output of the block 36 for the formation of the desired angles and angular velocities,
  • a unit 48 for calculating angular accelerations to the drives of the exoskeleton 1 the first input 49 of which is connected to the output of the unit 46 for calculating the desired angular accelerations, and the second input 50 to the output of the unit 36 for forming the desired angles and angular velocities
  • unit 51 for calculating the vector of the Cartesian coordinates of the exoskeleton input which is connected to the third input 39 of the control device 35, and the output to the second 55 input of the unit 44 for generating the desired accelerations along the paths in the Cartesian coordinate system
  • the walking assistance device includes a block 71 for evaluating the angular movement of the body, the input of which 72 is connected to the output of the block 51 for calculating the current Cartesian coordinates of the exoskeleton, and the output is to the fourth 73 input of the block 40 evaluating the external moment, the fifth input 74 of which through the second input 75 of the device 35 control is connected to the output of the block 31 measurements of reactions of the support,
  • the first input 56 of the control signal generation unit 52 is connected to the output of the external moment estimation unit 40, the first input 57 of which is connected to the output of the angular acceleration calculation unit 48 to the exoskeleton drives, and the second input 58 to the third 39 input of the control device 35, also connected from the third input 59 of the block 48 for calculating angular accelerations to the exoskeleton drives and to the second 60 input of the block 52 for generating control signals, the third input 61 of which is connected to the output of the block 48 for calculating angular accelerations for the exoskeleton drives, the fourth input 62 to the fourth input 63 of the control device 35, also connected to the third input 64 of the external moment evaluation unit 40, and the output to the output of the control device 35 connected to the control inputs of the drives 23, 24, 25, 26, equipped with sensors 66, 67, 68, 69 of the current of the electric motors of the block 65 measure Ia-current motors, while the fourth input 63 the control device 35 is connected to the output 65
  • the ratio of the length of the legs to the length of the thighs, the length of the legs and the mass-inertial characteristics of the segments of the body of the user with attached exoskeleton links and through an external computer 86 of the assistant specialist are measured and the fourth input 84 of the block 41 forming the desired trajectories in the Cartesian coordinate system of the on-board controller 85 is introduced into the block 41 of the formation of the desired tr the path in the Cartesian coordinate system of the onboard 85 controller and through it to the system 43 for determining the parameters of the desired motion paths in the Cartesian coordinate system such measured user parameters as the length of the legs, the ratio of the length of the legs to the length of the hips and the mass-inertial characteristics of the segments of the body of the user worn on it exoskeleton 1, according to the entered ratio of the length of the legs to the length of the hips of the user, data is sampled from the system
  • the following modes were used as predefined exoskeleton motion modes: “Walk on a horizontal surface”, “Walk on a staircase up”, “Walk on a staircase down”, “Walk on a slope up”, “Walk on a slope down”, “Step over through an obstacle ”,“ Sit on a support ”,“ Stand upright with legs straightened ”,“ Stand upright with straightened legs from the position “Sit on a support”, “Sit on a support from the position“ Stand upright with straightened legs ”.
  • the block 41 for the formation of the desired motion paths in the Cartesian coordinate system and the control device 35 are implemented in the on-board controller 85 of the exoskeleton 1.
  • a measurement and adjustment step at which the required geometric and mass inertial characteristics of the user are measured with impaired musculoskeletal system functions and the measured data are entered into the onboard exoskeleton controller, and the exoskeleton movement mode and walking parameters are set (selected) (step length , the height of the legs, the pace of walking);
  • the proposed method for setting the desired trajectories of the exoskeleton for movement in the sagittal plane in predefined user modes of movement with impaired musculoskeletal system they capture the movement of a person without disturbing the functions of the musculoskeletal system (Fig.5,6), store the captured movement in Cartesian coordinates, calculate and use the parameters and / or interpolation coefficients of the desired motion paths in the Cartesian coordinate system in the sagittal plane bones in the same predetermined modes of human movement without impairing the functions of the musculoskeletal system.
  • this person without impairing the function of the musculoskeletal system, must have a ratio of shin length to hip length identical with the user with a violation of the functions of the musculoskeletal system.
  • the lengths of their legs should be fixed.
  • a system 43 for determining the parameters of the desired motion paths is used, including the following technical means:
  • a motion capture system 77 comprising serially connected block 78 of measuring devices for detecting and transmitting data with parameters of a captured motion, a data processing unit 79 with parameters of a captured motion and a block 80 for storing parameters of a captured motion, the output of which is connected to the output of the motion capture system 77 and connected in series block 81 for processing parameters of the captured motion, the input of which is connected to the output of the system 77 of motion capture and block 76 for storing parameters and / or coefficient s interpolating functions, which also stores data about the attitude of the lower leg length to the human femur without disturbing the function of the musculoskeletal system and the length of his shin.
  • the block 81 for processing the parameters of the captured motion and the block 76 for storing parameters and / or interpolation coefficients of the desired motion paths in the Cartesian coordinate system would be implemented programmatically in the controller 87 for determining the desired motion paths in the Cartesian coordinate system.
  • measurements are made and input into the on-board exoskeleton controller of the anthropometric and mass-inertial parameters of the user with a violation of the functions of the musculoskeletal system. These measurements are carried out by a specialist assistant who, through an external computer 86, enters them into the on-board controller 85 of the exoskeleton 1.
  • the trajectories represented in the Cartesian coordinate system are scaled by the ratio of the length of the legs of the person without disturbing the functions of the musculoskeletal system and the user with the violation of the functions of the musculoskeletal system and the interpolation coefficients of the desired trajectories for the user are calculated.
  • the obtained coefficients uniquely determine the desired trajectory of the exoskeleton in the sagittal plane for movement in predefined user modes of movement with impaired musculoskeletal system functions and are subsequently used as a reference in the process of exoskeleton movement.
  • the user interpolated trajectories are represented, represented in the Cartesian coordinate system by the corresponding coefficients, also for changing the leg transfer time (walking pace) by scaling the time axis of these functions, and scaling is performed both for each individual coordinate taken and for their combinations.
  • Reference and scaled trajectories are presented in figures 7 - 9.
  • D is [7x7] a matrix describing the inertia of an exoskeleton with a person integrated into it, H - [7x1] vector of Coriolis and centrifugal forces, G- [7xl] vector of gravitational forces, R (0) - [7x1] vector of reaction forces of the support of the foot of the supporting leg, W -
  • [7x4] - some matrix, ⁇ irritable - [4 ⁇ 1] vector of control moments developed by the drives, ⁇ ⁇ - [6 ⁇ 1] vector of external action moments, ⁇ , ⁇ , ⁇ - [7x1] vectors of generalized coordinates, speeds and accelerations.
  • the remote control 32 select the desired driving mode from a number of predefined driving modes.
  • the relative angular displacement meters 17, 20 and 18, 21 integrated in the unit 70 for measuring the current angles and angular velocities the angles and angular rotational velocities of the hip 1 1 and 14 and the knee 12 and 15 joints are measured, and using the measurements integrated in the unit 65 current of electric motors of sensors 66, 67, 68 and 69 of current-electric motors of electric drives 23, 24, 25 and 26, respectively.
  • the parameters and / or the interpolation coefficients of the motion paths of the predetermined motion modes are entered into the memory of the block 41 for generating the desired paths in the Cartesian coordinate system a person without a violation of the functions of the musculoskeletal system with the same ratio of the length of the leg to the length of the thigh as a user with a violation of these functions and the length of the goal Men with no violation of these functions.
  • the assistance device requires tuning to the anthropometric parameters of a particular user - the ratio / length of the leg / thigh length and length of the leg, as well its mass-dimensional parameters.
  • the assistant enters these user parameters to block 41 through an external 86 assistant computer. Then block 41 receives from block 43 the set of desired motion paths corresponding to the entered anthropometric parameters of the user for various driving modes.
  • the beginning of the exoskeleton movement and step parameters are set by the assistant from the external 86 computer and / or the user from the control panel 32.
  • the vector of the current Cartesian coordinates of the exoskeleton is calculated based on the obtained measurements of angles and angular velocities in the hip 11 and 14 and knee 12 and 15 articulated joints
  • the desired trajectories of the hip and ankle joints of the exoskeleton are formed as a function of time by calculating the arrays of parameter values based on the stored and time functions
  • the vector of the desired accelerations along the path in the Cartesian coordinate system is calculated based on previously calculated values of the position and velocity vector in the Cartesian coordinate system and the vector of the desired paths and their first and second derivatives,
  • the stability of exoskeleton motion along trajectories is achieved by forming control so that the deviation ⁇ of the exoskeleton coordinates from the desired trajectory is a decreasing function of time, asymptotically tending to zero (for example, in the form
  • ⁇ t (l [ + 2 ) (r (- E () - - s () + t, w providing stable motion along the trajectories in the hip and ankle joints.
  • Vector quantities, ⁇ ⁇ are given in the form of negative real numbers and are tuning coefficients or regulatory parameters determined by the dynamic characteristics of the user-exoskeleton human-machine system.
  • the vector of the desired angular accelerations is calculated based on the vector of the desired accelerations along the trajectory in the Cartesian coordinate system and the vector of the desired angles and angular velocities.
  • the vector ⁇ (/) is used to calculate the vector of the desired angular accelerations $ * () ⁇
  • the obtained expressions for the desired second derivatives at angles 3 (t) are formed taking into account possible deviations of the exoskeleton from the desired trajectories in Cartesian coordinates.
  • the vector of the desired angular accelerations to the drives is calculated based on the previously calculated vector of the desired angular accelerations, the vector of the desired angles and angular velocities, the vector of the current angles and angular velocities in the articulated joints,
  • the operator’s body is the most significant object, which undoubtedly requires consideration of its movement.
  • the angular motion of the operator ⁇ case is estimated based on the formula (Beletsky V.V. Bipedal walking. Model problems of dynamics and control. M: Nauka, 1984. 268 p., P. 65, Beletsky V.V., Lavrovsky EK The model problem of two-legged walking. / Solid Mechanics, N ° 2, 1981. P. 25)
  • m t is the mass of the torso
  • J is the moment of inertia of the torso
  • M is the user's body weight
  • L is the step length
  • h is the height of the pelvic point
  • An estimate of the angle ⁇ and its derivatives is used to estimate the external moment, which is mainly created due to vibrations of the operator’s body.
  • the vector of the external moment is calculated based on the previously calculated vector of the desired angular accelerations on the drives, the vector of the current values of the angles and angular velocities in the articulated joints and the measured vector of currents of the exoskeleton drives,
  • the exoskeleton drive system may be a hydraulic actuator, a pneumatic actuator, or an electric actuator.
  • C t , J e are the matrix of electric motor parameters
  • j is the matrix of the reduction coefficient
  • j is the current vector
  • [7x4] is the transformation matrix of the vector ⁇ alliance ⁇ to the exoskeleton angle vector
  • T ⁇ s is the moment friction forces brought to the output shaft of the engines.
  • the vector of control signals to the exoskeleton drives is calculated and based on the previously calculated vector of the current values of the angles, the estimated vector of the external moment and the measured vector of the current values of the angles and angular velocities in the articulated joints, as well as the current vector of the exoskeleton drives.
  • control is constructed for drives of a different type.

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Pain & Pain Management (AREA)
  • Physical Education & Sports Medicine (AREA)
  • Rehabilitation Therapy (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Dentistry (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Physiology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Rehabilitation Tools (AREA)

Abstract

Способ задания желаемых траекторий движения экзоскелета для передвижения пользователя с нарушением функций опорно-двигательного аппарата, устройство содействия ходьбе этого пользователя и способ управления этим устройством обеспечивают возможность ходьбы в заранее предопределенных режимах движения пользователей с ограниченной подвижностью или полной неподвижностью нижних конечностей при нормальном функционировании верхних конечностей и верхней части корпуса. Изобретение обеспечивает возможность передвижения таких пользователей с паттерном ходьбы близким к паттерну ходьбы человека без нарушения функций опорно-двигательного аппарата, при этом предоставляя пользователю с пульта (32) управления самостоятельно изменять режим движения и такие параметры ходьбы как длина шага, высота подъема ноги и темп ходьбы. Изобретение содержит носимую пользователем часть, включающую моторизованный экзоскелет (1) нижних конечностей, оснащенный устройством (35) управления, реализованным в бортовом контроллере 85 экзоскелета (1) и не носимую часть, включающую внешний компьютер (86) ассистента-специалиста и систему (43) определения параметров желаемых траекторий движения экзоскелета (1) в декартовой системе координат. При этом управляющие сигналы на приводы экзоскелета (1) формируются с учетом масс-инерционных характеристик сегментов тела пользователя и элементов экзоскелета (1) и требований к качеству управления.

Description

ЭКЗОСКЕЛЕТ
Изобретение относится к относится к медицинской технике, в частности к способам задания желаемых траекторий движения экзоскелета, устройствам содействия ходьбе пользователей и способам управления устройствами содействия ходьбе в заранее предопределенных режимах движения пользователей с нарушением функций опорно- двигательного аппарата, с ограниченной подвижностью или полной неподвижностью нижних конечностей при нормальном функционировании верхних конечностей и верхней части корпуса. Изобретение обеспечивает возможность ходьбы пользователя с нарушением функций опорно-двигательного аппарата по горизонтальной и наклонной опорной поверхности, а также по лестничным маршам и переход через препятствия с паттерном ходьбы, аналогичным паттерну ходьбы здорового человека, а также может применяться при проведении реабилитационно-восстановительных процедур.
Известен способ задания желаемых траекторий движения экзоскелета для передвижения пользователя с нарушением функций опорно-двигательного аппарата, не имеющего возможности к самостоятельному передвижению ввиду ограниченной подвижности нижних конечностей, в котором управляющие сигналы на приводы экзоскелета формируются согласно показаниям датчиков силы, установленным на элементах крепления моторизованного экзоскелета к ногам пользователя [патент США US 7731670 В2, опубл. 2010].
Данный способ невозможно применить для пользователей с полной неподвижностью нижних конечностей например, для пользователей - параплегиков в связи с невозможностью создания ими мышечных усилий в ногах, а для пользователей с ограниченной подвижностью нижних конечностей невозможно обеспечить задание желаемого паттерна ходьбы аналогичного паттерну ходьбы человека без нарушения функций опорно-двигательного аппарата.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению в отношении способа задания желаемых траекторий движения экзоскелета для передвижения в сагиттальной плоскости пользователя с нарушением функций опорно-двигательного аппарата является способ задания желаемых траекторий движения экзоскелета в декартовой системе координат для передвижения в сагиттальной плоскости в заранее предопределенных режимах движения пользователя с нарушением функций опорно-двигательного аппарата при помощи экзоскелета, содержащего корпус, снабженный креплениями для присоединения к торсу пользователя, левую и правую ножные опоры, каждая из которых содержит шарнирно соединенные соответствующие бедренное и голенное звенья и стопу, снабженные соответствующими креплениями для присоединения к ногам пользователя и выполненные с возможностью вращения в сагиттальной плоскости, при этом верхние концы соответствующих бедренных звеньев шарнирно соединены с левым и, соответственно, правым концами корпуса экзоскелета, при этом тазобедренные и коленные шарнирные соединения снабжены датчиками относительного углового поворота смежных звеньев и выполнены моторизованными, а также бортовой контроллер, соединенный с датчиками относительного углового поворота смежных звеньев и управляющими входами приводов моторизованных соединений, при этом согласно данному способу при помощи системы захвата движения, включающей последовательно соединенные блок измерительных устройств для определения и передачи данных с параметрами захватываемого движения, блок обработки данных с параметрами захватываемого движения и блок хранения параметров захватываемого движения, выход которого соединен с выходом системы захвата движения, обеспечивают измерение декартовых координат заранее выбранных точек тела человека в процессе его движения [А.П. Алисейчик, И. А. Орлов, В.Е. Павловский, В. В. Павловский, А.К. Платонов., Механика и управление экзоскелетами нижних конечностей для нейрореабилитации спинальных больных. - CD-ROM «XI Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики», Казань, 20-24 августа 2015 года, С. 133-135 ].
В данном способе походка пользователя формируется в виде набора функций времени межзвенных углов экзоскелета, что не позволяет менять параметры движения - длину шага, высоту подъема ноги и темп ходьбы.
Техническим результатом, на достижение которого направлен предлагаемый способ, является вычисление зависящих от времени параметров траектории желаемого движения, позволяющих однозначно задавать желаемую траекторию движения экзоскелета в сагиттальной плоскости декартовой системе координат для передвижения пользователя с нарушением функций опорно-двигательного аппарата с походкой, близкой к походке человека без нарушения функций опорно-двигательного аппарата, а также менять параметры шага (длину шага, высоту подъема ноги и темп ходьбы).
Известно устройство содействия ходьбе пользователя с нарушением функций опорно-двигательного аппарата в заранее предопределенных режимах движения, содержащее экзоскелет, имеющий один или несколько исполнительных механизмов, связанных с различными звеньями экзоскелета, соединенными с соответствующими частями тела пользователя, при этом устройство обеспечивает: прием входных данных, указывающих на желаемое движение последовательности; получение из памяти запрограммированных движений данных, обеспечивающих выполнение одной или более последовательных инструкций, требуемых для осуществления относительных перемещений исполнительных механизмов для выполнения вышеуказанных инструкций и перемещение одного или более звеньев экзоскелета в соответствии с относительными движениями привода для каждой инструкции [заявка РСТ WO 201 1002306 А1, опубл. 2011].
В данном устройстве входной сигнал, подаваемый на приводы и задающий движение экзоскелета, носит ступенчатый характер, что сказывается на плавности ходьбы в экзоскелете и не позволяет формировать управляющие воздействия на приводы экзоскелета, обеспечивающие паттерн ходьбы близкой к естественной, что отрицательно сказываются на эргономических характеристиках устройства содействия ходьбе пользователя с нарушением функций опорно-двигательного аппарата.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению в отношении устройства является устройство содействия ходьбе пользователя с нарушением функций опорно-двигательного аппарата в заранее предопределенных режимах движения, содержащее экзоскелет нижних конечностей, экзоскелет нижних конечностей, при этом экзоскелет включает тазовое звено, левую и правую ножные опоры, каждая из которых состоит из бедренного и голенного звеньев и стоп, при этом смежные звенья соединены посредством соответствующих шарнирных соединений, обеспечивающих возможность их вращения в сагиттальной плоскости и снабженных измерителями относительного углового перемещения, интегрированными в блок измерения текущих углов и угловых скоростей, при этом тазобедренные и коленные шарнирные соединения выполнены моторизованными и снабжены соответствующими приводами, например, электроприводами, а также бортовой контроллер, соединенный с датчиками относительного углового поворота смежных звеньев и управляющими входами приводов моторизованных соединений, при этом стопы снабжены датчиками реакции опоры, интегрированными в блок измерений реакций опоры и смонтированными в пятке и носке стоп, кроме того, устройство содействия ходьбе содержит левую и правую ручные опоры и устройство управления, включающее блок вычисления желаемых углов и угловых скоростей экзоскелета, блок оценки внешнего момента и блок вычисления и формирования управляющих сигналов на приводы экзоскелета, подключенный к управляющим входам соответствующих приводов, при этом вход блока вычисления желаемых углов и угловых скоростей экзоскелета соединен с первым входом устройства управления, третий вход которого соединен с выходом блока измерения текущих углов и угловых скоростей [патент RU 2364385, опубл. 2009].
Данное устройство имеет следующие недостатки:
задающими сигналами на привода экзоскелета являются сигналы с электромиографических датчиков, снимаемые с здоровой конечности, поэтому применение данного устройства и способа управления им пользователями с отсутствием мышечной активности (полный парез), в том числе, и параплегиками невозможны;
- сигналы с этих сенсоров не обеспечивают пропорциональность по углам в шарнирах;
- входной сигнал, подаваемый на приводы и задающий движение экзоскелета, носит ступенчатый характер, что сказывается на плавности ходьбы в экзоскелете;
- при формировании управляющего сигнала на приводы экзоскелета не учитывается влияние усталости мышц пользователя на величину миографического сигнала, что сказывается на точности движения экзоскелета;
- математическая модель пользователя с надетым на него экзоскелетом, используемая в блоке формирования управляющих сигналов при формировании управляющих сигналов на приводы экзоскелета, не учитывает влияние момента, создаваемого за счет колебаний торса пользователя, масса которого составляет приблизительно половину веса тела.
Указанные факторы ограничивают функциональные возможности устройства и не позволяют формировать управляющие воздействия на приводы экзоскелета, обеспечивающие паттерн ходьбы близкой к естественной, что отрицательно сказываются на эргономических характеристиках устройства содействия ходьбе пользователя с нарушением функций опорно-двигательного аппарата.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению в отношении способа управления предлагаемым устройством содействия ходьбе является способ управления устройством содействия ходьбе пользователя с нарушением функций опорно-двигательного аппарата в заранее предопределенных режимах движения, содержащим экзоскелет нижних конечностей, включающим тазовое звено, левую и правую ножные опоры, каждая из которых состоит из бедренного и голенного звеньев и стоп, при этом смежные звенья соединены посредством соответствующих шарнирных соединений, обеспечивающих возможность их вращения в сагиттальной плоскости и снабженных соответствующими измерителями относительного углового перемещения, интегрированными в блок измерения текущих углов и угловых скоростей, при этом тазобедренные и коленные шарнирные соединения выполнены моторизованными и снабжены соответствующими приводами, например, электроприводами, а также бортовой контроллер, соединенный с измерителями относительного углового поворота смежных звеньев и управляющими входами приводов моторизованных соединений, при этом стопы снабжены датчиками реакции опоры, интегрированными в блок измерений реакций опоры и смонтированными в пятке и носке стоп, кроме того, устройство содействия ходьбе содержит левую и правую ручные опоры и устройство управления, включающее блок вычисления желаемых углов и угловых скоростей экзоскелета, блок оценки внешнего момента и блок вычисления и формирования управляющих сигналов на приводы экзоскелета, подключенный к управляющим входам соответствующих приводов, при этом вход блока вычисления желаемых углов и угловых скоростей экзоскелета соединен с первым входом устройства управления, третий вход которого соединен с выходом блока измерения текущих углов и угловых скоростей, при этом согласно данному способу измеряют текущие углы и угловые скорости в тазобедренных и коленных соединениях и силы реакции опор [патент RU 2364385, опубл. 2009].
Данный способ, используемый для управления вышеуказанным устройством содействия ходьбе пользователя с нарушением функций опорно-двигательного аппарата, обуславливает ограничение функциональных возможностей и не позволяет обеспечить высокие эргономические характеристики устройства, так как его невозможно применить для оказания содействия в ходьбе пользователям с полной утратой функций опорно- двигательного аппарата, а при использовании его пользователями с частичной утратой указанных функций он не может обеспечить пользователю паттерн ходьбы близкий к естественному.
Заявленные технические результаты по устройству и способу 2
Техническим результатом на достижение которого направлено данное изобретение в отношении устройства содействия ходьбе пользователя с нарушением функций опорно- двигательного аппарата и способа управления этим устройством, является расширение функциональных возможностей и улучшение эргономических характеристик устройства за счет обеспечения возможности управления движением экзоскелета с возможностью задания правильного (близкого к паттерну ходьбы человека без нарушения функций опорно- двигательного аппарата) паттерна ходьбы для пользователей с полной или частичной потерей двигательной активности мышц и задание, возможность задания и изменения с пульта управления при движении по желаемым траекториям таких параметров шага как длина, высота подъема ноги и темп ходьбы, а также повышение точности движения экзоскелета по этим траекториям. Другими техническими результатами на достижение которых направлено данное изобретение в части реализации устройства являются:
- обеспечение возможности использования устройства для содействия ходьбе пользователей как с полной, так и с частичной параплегией;
- обеспечение возможности восстановления правильного паттерна ходьбы пользователя с возможностью выбора различных параметров ходьбы (длина, высота и темп шага- обеспечения возможности различных режимов работы устройства - движение по ровной, наклонной, ступенчатой поверхностям, а также перешагивание через препятствие, ходьба на месте
- обеспечение возможности плавного, устойчивого движения по желаемым траекториям тазобедренных и голеностопных шарниров, задаваемых в декартовых координатах
Для достижения указанного технического результата в отношении способа задания желаемых траекторий движения экзоскелета для передвижения в сагиттальной плоскости пользователя с нарушением функций опорно-двигательного аппарата, согласно которому при помощи системы захвата движения, включающей последовательно соединенные блок измерительных устройств для определения и передачи данных с параметрами захватываемого движения, блок обработки данных с параметрами захватываемого движения и блок хранения параметров захватываемого движения, выход которого соединен с выходом системы захвата движения, обеспечивают измерение декартовых координат заранее выбранных точек тела человека в процессе его движения в качестве человека, декартовые координаты заранее выбранных точек тела которого измеряют, используют человека без нарушения функций опорно-двигательного аппарата, а в качестве заранее выбранных точек его тела, декартовые координаты которых измеряют, используют точки пересечения лежащих во фронтальной плоскости оси тазобедренного сустава и осей голеностопных суставов с сагиттальной плоскостью, при этом указанные декартовые координаты измеряют в зависимости от времени в виде траекторий по осям декартовой системы координат указанной сагиттальной плоскости при движении вышеупомянутого человека для каждого из заранее предопределенных режимов движения, и сохраняют в блоке хранения параметров захватываемого движения в виде массивов данных для каждой измеренной траектории, при этом ось ординат указанной системы координат сагиттальной плоскости направлена вертикально, а ось абцисс - по курсу передвижения экзоскелета, а далее в блоке обработки параметров захватываемого движения, вход которого подключен к выходу системы захвата движения, осуществляют обработку параметров захватываемого движения, вычисляя на основе вышеуказанных являющихся заданными таблично функциями времени массивов декартовых координат, параметры и/или коэффициенты интерполяции для каждой из заранее выбранных гладких интерполирующих вышеуказанные траектории аналитических функций, дифференцируемых не менее двух раз, например, сплайнов, в том числе, и кубических сплайнов, при этом вычисленные параметры и/или коэффициенты интерполяции сохраняют в подключенном к выходу блока обработки параметров захватываемого движения блоке хранения параметров и/или коэффициентов интерполяции.
При этом в качестве заранее предопределенных режимов движения человека без нарушения функций опорно-двигательного аппарата использованы режимы: «Идти по горизонтальной поверхности», «Идти по лестнице вверх», «Идти по лестнице вниз», «Идти по наклонной поверхности вверх», «Идти по наклонной поверхности вниз», «Перешагнуть через препятствие», «Сидеть на опоре», «Стоять вертикально с выпрямленными ногами», «Встать вертикально с выпрямленными ногами из положения «Сидеть на опоре», «Сесть на опору из положения «Стоять вертикально с выпрямленными ногами».
Для достижения указанных технических результатов в отношении известного устройства содействия ходьбе пользователя с нарушением функций опорно-двигательного аппарата содержащего экзоскелет нижних конечностей, включающий тазовое звено и левую и правую ножные опоры, каждая из которых состоит из бедренного и голенного звеньев и стоп, при этом смежные звенья соединены посредством соответствующих шарнирных соединений, обеспечивающих возможность их вращения в сагиттальной плоскости и снабженных соответствующими измерителями относительного углового перемещения, интегрированными в блок измерения текущих углов и угловых скоростей, при этом тазобедренные и коленные шарнирные соединения выполнены моторизованными и снабжены соответствующими приводами, например, электроприводами, а также бортовой контроллер, соединенный с измерителями относительного углового поворота смежных звеньев и управляющими входами приводов моторизованных соединений,
при этом стопы снабжены датчиками реакции опоры, интегрированными в блок измерений реакций опоры и смонтированными в пятке и носке стоп, кроме того, устройство содействия ходьбе содержит левую и правую ручные опоры и устройство управления, включающее блок вычисления желаемых углов и угловых скоростей экзоскелета, блок оценки внешнего момента и блок вычисления и формирования управляющих сигналов на приводы экзоскелета, подключенный к управляющим входам соответствующих приводов, при этом вход блока вычисления желаемых углов и угловых скоростей экзоскелета соединен с первым входом устройства управления, третий вход которого соединен с выходом блока измерения текущих углов и угловых скоростей, оно дополнено внешним компьютером ассистента-специалиста, выполненным с предоставлением ассистенту-специалисту
возможности ввода в бортовой контроллер экзоскелета отношения длины голени к длине бедра, длины голени и масс-инерционных характеристик сегментов тела пользователя с прикрепленными к ним звеньями экзоскелета, выбора режима движения и регулирования таких параметров движения как длина шага, высота подъема ноги и темп ходьбы, пультом управления, выполненным с предоставлением пользователю возможности выбора режима движения и регулирования таких параметров движения как длина шага, высота подъема ноги и темп ходьбы, блоком измерения токов в электроприводах, содержащим первый, второй, третий, четвертый датчики тока соответственно первого, второго, третьего и четвертого электроприводов, блоком формирования желаемых траекторий в декартовой системе координат, выполненным с возможностью ввода в него и хранения в нем являющихся функциями времени параметров и/или коэффициентов интерполяции желаемых траекторий движения в декартовой системе координат для заранее предопределенных режимов движения, первый вход которого соединен с выходом пульта управления, а второй вход - с выходом блока измерения реакций опоры, первый выход - соединен с первым входом устройства управления , а второй выход выполнен с возможностью подключения ко входу системы определения параметров желаемых траекторий движения в декартовой системе координат, выход которой выполнен с возможностью подключения к третьему входу блока формирования желаемых траекторий в декартовой системе координат, четвертый вход которого выполнен с возможностью подключения к выходу внешнего компьютера ассистента-специалиста, при этом устройство управления дополнено блоком формирования желаемых ускорений движения по траекториям в декартовой системе координат, первый вход которого подключен к первому входу устройства управления, блоком вычисления желаемых угловых ускорений, первый вход которого подключен к выходу блока формирования желаемых ускорений движения по траекториям, а второй вход - к выходу блока формирования желаемых углов и угловых скоростей, блоком вычисления угловых ускорений на приводы экзоскелета, при этом первый вход блока вычисления угловых ускорений на приводы экзоскелета подключен к выходу блока вычисления желаемых угловых ускорений, а второй вход - к выходу блока формирования желаемых углов и угловых скоростей, блоком вычисления вектора текущих декартовых координат экзоскелета, вход которого подключен к третьему входу устройства управления, а выход - ко второму входу блока формирования желаемых ускорений движения по траекториям в декартовой системе координат, блоком оценки углового движения корпуса, вход которого подключен к выходу блока вычисления текущих декартовых координат экзоскелета, а выход - к четвертому входу блока оценки внешнего момента, пятый вход которого через второй вход устройства управления подключен к выходу блока измерений реакций опоры, при этом первый вход блока формирования управляющих сигналов подключен к выходу блока оценки внешнего момента, первый вход которого подключен к выходу блока вычисления угловых ускорений на приводы экзоскелета, а второй вход - к третьему входу устройства управления, соединённому также с третьим входом блока вычислений угловых ускорений на приводы экзоскелета и ко второму входу блока формирования управляющих сигналов, третий вход которого подключен к выходу блока вычисления угловых ускорений на приводы экзоскелета, четвертый вход - к четвертому входу устройства управления, соединенному также с третьим входом блока оценки внешнего момента, а выход к выходу устройства управления, подключенному к управляющим входам приводов, снабжённых датчиками тока электродвигателей блока измерения тока двигателей, при этом четвертый вход устройства управления подключен к выходу блока измерения токов электродвигателей.
Для достижения указанных технических результатов в отношении способа управления устройством содействия ходьбе пользователя с нарушением функций опорно- двигательного аппарата в заранее предопределенных режимах движения на базе экзоскелета в известном способе управления устройством содействия ходьбе пользователя, содержащим экзоскелет нижних конечностей, включающим тазовое звено, левую и правую ножные опоры, каждая из которых состоит из бедренного и голенного звеньев и стоп, при этом смежные звенья соединены посредством соответствующих шарнирных соединений, обеспечивающих возможность их вращения в сагиттальной плоскости и снабженных соответствующими измерителями относительного углового перемещения, интегрированными в блок измерения текущих углов и угловых скоростей, при этом тазобедренные и коленные шарнирные соединения выполнены моторизованными и снабжены соответствующими приводами, например, электроприводами, а также бортовой контроллер, соединенный с измерителями относительного углового поворота смежных звеньев и управляющими входами приводов моторизованных соединений, при этом стопы снабжены датчиками реакции опоры, интегрированными в блок измерений реакций опоры и смонтированными в пятке и носке стоп, кроме того, устройство содействия ходьбе содержит левую и правую ручные опоры и устройство управления, включающее блок вычисления желаемых углов и угловых скоростей экзоскелета, блок оценки внешнего момента и блок вычисления и формирования управляющих сигналов на приводы экзоскелета, подключенный к управляющим входам соответствующих приводов, при этом вход блока вычисления желаемых углов и угловых скоростей экзоскелета соединен с первым входом устройства управления, третий вход которого соединен с выходом блока измерения текущих углов и угловых скоростей, при этом согласно данному способу измеряют текущие углы и угловые скорости в тазобедренных и коленных соединениях и силы реакции опор, устройство содействия ходьбе пользователя с нарушением функций опорно- двигательного аппарата дополнено внешним компьютером ассистента-специалиста, выполненным с предоставлением ассистенту-специалисту возможности ввода в бортовой контроллер экзоскелета отношения длины голени к длине бедра, длины голени и масс- инерционных характеристик сегментов тела пользователя с прикрепленными к ним звеньями экзоскелета, выбора режима движения и регулирования таких параметров движения как длина шага, высота подъема ноги и темп ходьбы, пультом управления, выполненным с предоставлением пользователю возможности выбора режима движения и регулирования таких параметров движения как длина шага, высота подъема ноги и темп ходьбы, блоком измерения токов в электроприводах, содержащим первый, второй, третий, четвертый датчики тока соответственно первого, второго, третьего и четвертого электроприводов, блоком формирования желаемых траекторий в декартовой системе координат, выполненным с возможностью ввода в него и хранения в нем являющихся функциями времени параметров и/или коэффициентов интерполяции желаемых траекторий движения в декартовой системе координат для заранее предопределенных режимов движения, первый вход которого соединен с выходом пульта управления, а второй вход - с выходом блока измерения реакций опоры, первый выход - соединен с первым входом устройства управления, а второй выход выполнен с возможностью подключения к входу системы определения параметров желаемых траекторий движения в декартовой системе координат, выход которой выполнен с возможностью подключения к третьему входу блока формирования желаемых траекторий в декартовой системе координат, четвертый вход которого выполнен с возможностью подключения к выходу внешнего компьютера ассистента-специалиста, при этом устройство управления дополнено блоком формирования желаемых ускорений движения по траекториям в декартовой системе координат, первый вход которого подключен к первому входу устройства управления, блоком вычисления желаемых угловых ускорений, первый вход которого подключен к выходу блока формирования желаемых ускорений движения по траекториям, а второй вход - к выходу блока формирования желаемых углов и угловых скоростей, блоком вычисления угловых ускорений на приводы экзоскелета, при этом первый вход блока вычисления угловых ускорений на приводы экзоскелета подключен к выходу блока вычисления желаемых угловых ускорений, а второй вход - к выходу блока формирования желаемых углов и угловых скоростей, блоком вычисления вектора текущих декартовых координат экзоскелета, вход которого подключен к третьему входу устройства управления, а выход - ко второму входу блока формирования желаемых ускорений движения по траекториям в декартовой системе координат, блоком оценки углового движения корпуса, вход которого подключен к выходу блока вычисления текущих декартовых координат экзоскелета, а выход - к четвертому входу блока оценки внешнего момента, пятый вход которого через второй вход устройства управления подключен к выходу блока измерений реакций опоры, при этом первый вход блока формирования управляющих сигналов подключен к выходу блока оценки внешнего момента, первый вход которого подключен к выходу блока вычисления угловых ускорений на приводы экзоскелета, а второй вход - к третьему входу устройства управления, соединённому также с третьим входом блока вычислений угловых ускорений на приводы экзоскелета и ко второму входу блока формирования управляющих сигналов, третий вход которого подключен к выходу блока вычисления угловых ускорений на приводы экзоскелета, четвертый вход - к четвертому входу устройства управления, соединенному также с третьим входом блока оценки внешнего момента, а выход к выходу устройства управления, подключенному к управляющим входам приводов, снабжённых датчиками тока электродвигателей блока измерения тока двигателей, при этом четвертый вход устройства управления подключен к выходу блока измерения токов электродвигателей, при этом согласно предлагаемому способу управления устройством содействия ходьбе пользователя с нарушением функций опорно-двигательного аппарата измеряют отношение длины голеней к длине бедер, длины голеней и осуществляют прямое или косвенное измерение масс-инерционных характеристик сегментов тела пользователя с прикрепленными к ним звеньями экзоскелета и через внешний компьютер ассистента-специалиста и четвертый вход блока формирования желаемых траекторий в декартовой системе координат бортового контроллера вводят в блок формирования желаемых траекторий в декартовой системе координат бортового контроллера и через него в систему определения параметров желаемых траекторий движения в декартовой системе координат такие измеренные параметры пользователя, как длина голеней, отношение длины голеней к длине бедер и масс-инерционные характеристики сегментов тела пользователя с надетым на него экзоскелетом, и согласно заданному отношению длины голеней к длине бедер пользователя осуществляют прием данных от системы определения параметров желаемых траекторий движения в декартовой системе координат, которые заносят в блок формирования желаемых траекторий в декартовой системе координат в виде массивов параметров (коэффициентов) интерполяции интерполирующих функций, полученных для человека без нарушения функций опорно- двигательного аппарата при его передвижении в каждом из заранее предопределенных режимов, задают с внешнего компьютера ассистента-специалиста или с пульта управления режим движения пользователя из ряда заранее предопределенных режимов, вычисляют численные значения интерполирующих функций и масштабируют их путем умножения на коэффициент равный отношению длина голени пользователя с нарушением функций опорно-двигательного аппарата к длине голени человека без нарушения функций опорно-двигательного аппарата, задают с пульта управления или с внешнего компьютера ассистента-специалиста желаемые параметры шага пользователя путем масштабирования соответствующих пользователю интерполированных траекторий, представленных в декартовой системе координат на соответствующие коэффициенты, также для изменения времени переноса ноги (темпа ходьбы) - путем масштабирования оси времени этих функций, причем масштабирование выполняют как по каждой отдельной взятой координате, так и по их комбинациям, в блоке вычисления текущих декартовых координат экзоскелета вычисляют вектор текущих декартовых координат экзоскелета, на основе полученных измерений углов и угловых скоростей в тазобедренных и коленных соединениях, в блоке формирования желаемых траекторий в декартовой системе координат формируют желаемые траектории движения тазобедренного и голеностопных шарниров экзоскелета в зависимости от времени, путем вычисления на основе хранящихся и являющихся функциями времени массивов значений параметров (коэффициентов) численных значений интерполирующих функций, записанных в декартовой системе координат; вычисляют вектор желаемых углов и угловых скоростей на основе ранее вычисленных значений вектора желаемых траекторий и их первых производных, в блоке формирования желаемых ускорений движения по траекториям в декартовой системе координат вычисляют вектор желаемых ускорений движения по траектории в декартовой системе координат на основе ранее вычисленных значений вектора положения и скорости в декартовой системе координат и вектора желаемых траекторий и их первых и вторых производных, в блоке формирования желаемых углов и угловых скоростей вычисляют вектор желаемых угловых ускорений на основе вектора желаемых ускорений движения по траектории в декартовой системе координат и вектора желаемых углов и угловых скоростей, в блоке вычисления желаемых угловых ускорений на приводы экзоскелета вычисляют вектор желаемых угловых ускорений на приводы, на основе ранее вычисленных вектора желаемых угловых ускорений, вектора желаемых углов и угловых скоростей, вектора текущих значений углов и угловых скоростей в шарнирных соединениях, в блоке оценки внешнего момента вычисляют вектор внешнего момента на основе ранее вычисленных вектора желаемых угловых ускорений на приводы, вектора текущих значений углов и угловых скоростей в шарнирных соединениях, вектора реакции в опорах, измеренного вектора токов приводов экзоскелета и с учетом масс-инерционных характеристик сегментов тела пользователя с надетым на него экзоскелетом, а вектор управляющих сигналов на приводы экзоскелета вычисляют и формируют в блоке формирования управляющих сигналов на приводы экзоскелета на основе вычисленных ранее вектора текущих значений углов, вектора внешнего момента и измеренных вектора текущих значений углов и угловых скоростей в шарнирных соединениях, вектора токов приводов экзоскелета
При этом в качестве заранее предопределенных режимов движения экзоскелета в устройстве содействия ходьбе пользователя с нарушением функций опорно-двигательного аппарата и способе управления этим устройством, использованы режимы «Идти по горизонтальной поверхности», «Идти по лестнице вверх», «Идти по лестнице вниз», «Идти по наклонной поверхности вверх», «Идти по наклонной поверхности вниз», «Перешагнуть через препятствие», «Сидеть на опоре», «Стоять вертикально с выпрямленными ногами», «Встать вертикально с выпрямленными ногами из положения «Сидеть на опоре», «Сесть на опору из положения «Стоять вертикально с выпрямленными ногами».
При этом блок формирования желаемых траекторий движения в декартовой системе координат и устройство управления реализованы программно в бортовом контроллере экзоскелета.
На фиг. 1 приведен внешний вид устройства содействия ходьбе пользователя с нарушением функций опорно-двигательного аппарата, на фиг.2 - кинематическая схема этого устройства, на фиг. 3 -функциональная схема системы определения параметров желаемых траекторий движения экзоскелета в декартовой системе координат, а на фиг. 4 - функциональная схема устройства содействия ходьбе пользователя.
На фиг. 5-9 приведены траектории движения в сагиттальной плоскости некоторых точек нижних конечностей человека без нарушения функции опорно- двигательного аппарата в декартовой системе координат, экспериментально полученные с системы видеозахвата движения Vicon.
На фиг. 5 - показаны траектории движения в декартовой системе координат тазобедренного, коленного и голеностопного суставов и пальцев переносной ноги, а на фиг. 6 - тазобедренного, коленного и голеностопного суставов и пальцев опорной ноги. На фиг.7 - приведены траектории движения в декартовой системе координат тазобедренного и голеностопного суставов переносной ноги для траектории с исходной длиной шага (показана штриховой линией), и траектории с длиной шага, уменьшенной на 30 % (показана сплошной линией).
На фиг.8 - показаны опорная траектория (сплошная линия) переноса ноги по оси подъема ноги и траектория ускоренного (штриховая линия) на 30% переноса ноги, на фиг.9 - показаны опорная траектория переноса ноги по оси продольного перемещения ноги и траектория ускоренного на 30% переноса ноги.
На фиг 1-9 обозначены:
1 - экзоскелет нижних конечностей;
2 - тазовое звено;
3 и 4 - левая и, соответственно, правая ножные опоры;
5 и 6 - левое и, соответственно, правое бедренные звенья;
7 и 8 - левое и, соответственно, правое голенные звенья;
9 и 10 - левая и, соответственно, правая стопы;
11 - левое тазобедренное шарнирное соединение;
12 - левое коленное шарнирное соединение;
13 - левое голеностопное шарнирное соединение;
14 - правое тазобедренное шарнирное соединение;
15 - правое коленное шарнирное соединение;
16 - правое голеностопное шарнирное соединение;
17 - измеритель относительного углового перемещения левого бедренного звена;
18 - измеритель относительного углового перемещения левого голенного звена;
19 - второй выход блока 41 формирования желаемых траекторий в декартовой системе координат;
20 - измеритель относительного углового перемещения правого бедренного звена;
21 - измеритель относительного углового перемещения правого голенного звена;
22 - третий выход блока 41 формирования желаемых траекторий в декартовой системе координат;
23 - привод левого тазобедренного шарнирного соединения;
24 - привод правого тазобедренного шарнирного соединения;
25— привод левого коленного шарнирного соединения;
26 - привод правого коленного шарнирного соединения;
27, 28, 29 и 30 - первый, второй, третий и, соответственно, четвертый силовые датчики реакции опоры; 31 - блок измерений реакций опоры;
32 - пульт управления;
33 и 34 - левая и, соответственно, правая ручные опоры;
35 - устройство управления;
36 - блок вычисления желаемых углов и угловых скоростей экзоскелета;
37 - вход блока 36 вычисления желаемых углов и угловых скоростей экзоскелета;
38 - первый вход устройства 35 управления;
39 - третий вход устройства 35 управления;
40 - блок оценки внешнего момента;
41 - блок формирования желаемых траекторий в декартовой системе координат;
42 - первый вход блока 41 формирования желаемых траекторий в декартовой системе координат;
43 - система определения параметров желаемых траекторий движения в декартовой системе координат;
44 - блок формирования желаемых ускорений движения по траекториям в декартовой системе координат;
45 - первый вход блока 44 формирования желаемых ускорений движения по траекториям в декартовой системе координат;
46 - блок вычисления желаемых угловых ускорений;
47 - первый вход блока 46 вычисления желаемых угловых ускорений;
48 - блок вычисления желаемых угловых ускорений на приводы экзоскелета; 49 и 50 - первый и, соответственно, второй входы блока 48 вычисления желаемых угловых ускорений на приводы экзоскелета;
51 - блок вычисления вектора текущих декартовых координат экзоскелета;
52 - блок формирования управляющих сигналов на приводы экзоскелета;
53 - второй вход блок 41 формирования желаемых траекторий в декартовой системе координат;
54 - второй вход блока 46 вычисления желаемых угловых ускорений;
55 - второй вход блока 44 формирования желаемых ускорений движения по траекториям в декартовой системе координат;
56 - первый вход блока 52 формирования управляющих сигналов на приводы экзоскелета;
57 и 58 - первый и, соответственно, второй входы блока 40 оценки внешнего момента; 59 - третий вход блока 48 вычислений угловых ускорений на приводы экзоскелета;
60, 61 и 62 - второй, третий и, соответственно, четвертый входы блока 52 формирования управляющих сигналов на приводы экзоскелета; 63 - четвертый вход устройства 35 управления;
64 - третий вход блока 40 оценки внешнего момента;
65 - блок измерения тока электроприводов;
66, 67, 68 и 69 - первый, второй, третий и, соответственно, четвертый 69 датчики тока первого 23, второго 24, третьего 25 и, соответственно, четвертого 26 электроприводов;
70 - блок измерения текущих углов и угловых скоростей;
71 - блок оценки углового движения корпуса пользователя;
72 - вход блока оценки углового движения корпуса пользователя;
73 - четвертый вход блока 40 оценки внешнего момента;
74 - пятый вход блока 40 оценки внешнего момента;
75 - пятый вход устройства 35 управления;
76 -блок хранения параметров и/или коэффициентов интерполяции желаемых траекторий движения экзоскелета в декартовой системе координат;
77 - система захвата движения;
78 - блок измерительных устройств для определения и передачи данных с параметрами захватываемого движения;
79 - блок обработки данных с параметрами захватываемого движения;
80 - блок хранения параметров захватываемого движения;
81 - блок обработки параметров захватываемого движения;
82 - рукоятка костыля;
83 - первый выход блока 41 формирования желаемых траекторий в декартовой системе координат;
84 - четвертый вход блока 41 формирования желаемых траекторий в декартовой системе координат;
85 - бортовой контроллер;
86 - внешний компьютер ассистента-специалиста;
87 - контроллер определения желаемых траекторий движения в декартовой системе координат;
88 и 89- первый и соответственно второй выходы внешнего компьютера 86 ассистента; 90 - шестой вход блока 40 оценки внешнего момента.
Способ задания желаемых траекторий движения экзоскелета в декартовой системе координат для передвижения в сагиттальной плоскости в заранее предопределенных режимах движения пользователя с нарушением функций опорно-двигательного аппарата осуществляется для экзоскелета 1 , включающего тазовое 2 звено и левую 3 и правую 4 ножные опоры, каждая из которых состоит из бедренного 5 (6) и голенного 7 (8) звеньев и стоп 9 (10).
При этом смежные звенья 2-5, 5-7, 7-9, 2-6, 6-8 и 8-10 соединены посредством соответствующих шарнирных соединений 11, 12, 13, 14, 15, и 16, обеспечивающих возможность их вращения в сагиттальной плоскости и снабженных соответствующими измерителями 17, 18, 20, 21 относительного углового перемещения, интегрированными в блок 70 измерения текущих углов и угловых скоростей, при этом тазобедренные 11 и 14 и коленные 12 и 15 шарнирные соединения выполнены моторизованными и снабжены соответствующими приводами 23, 24 и 25, 26 например, электроприводами, а также бортовой контроллер 85, соединенный с измерителями 17, 18, 20, 21 относительного углового поворота смежных звеньев и управляющими входами приводов 23, 24 и 25, 26 моторизованных соединений.
При этом согласно данному способу при помощи системы 77 захвата движения, включающей последовательно соединенные блок 78 измерительных устройств для определения и передачи данных с параметрами захватываемого движения, блок 79 обработки данных с параметрами захватываемого движения и блок 80 хранения параметров захватываемого движения, выход которого соединен с выходом системы 77 захвата движения, обеспечивают измерение декартовых координат заранее выбранных точек тела человека в процессе его движения, причем
систему 77 захвата движения используют в составе системы 43 определения параметров желаемых траекторий в декартовой системе координат, а в качестве человека, декартовые координаты заранее выбранных точек тела которого измеряют, используют человека без нарушения функций опорно-двигательного аппарата, а в качестве заранее выбранных точек его тела, декартовые координаты которых измеряют, используют точки пересечения лежащих во фронтальной плоскости оси тазобедренного сустава и осей голеностопных суставов с сагиттальной плоскостью.
При этом указанные декартовые координаты измеряют в зависимости от времени в виде траекторий по осям декартовой системы координат указанной сагиттальной плоскости при движении вышеупомянутого человека для каждого из заранее предопределенных режимов движения, и сохраняют в блоке 80 хранения параметров захватываемого движения в виде массивов данных для каждой измеренной траектории, при этом ось ординат указанной системы координат сагиттальной плоскости направлена вертикально, а ось абсцисс - по курсу передвижения экзоскелета.
Далее в интегрированном в систему 43 определения параметров желаемых траекторий движения в декартовой системе координат блоке 81 обработки параметров захватываемого движения, вход которого подключен к выходу системы 77 захвата движения, осуществляют обработку параметров и/или коэффициентов интерполяции захватываемого движения, вычисляя на основе вышеуказанных массивов заданных таблично функций времени декартовых координат параметры и/или коэффициенты интерполяции для каждой из заранее выбранных гладких интерполирующих вышеуказанные траектории аналитических функций, дифференцируемых не менее двух раз, например, сплайнов, в том числе, и кубических сплайнов.
При этом вычисленные параметры и/или коэффициенты интерполяции сохраняют в подключенном к выходу блока 81 обработки параметров захватываемого движения и интегрированном в систему 43 определения параметров желаемых траекторий в декартовой системе координат блоке 76 хранения параметров и/или коэффициентов интерполяции желаемых траекторий движения экзоскелета в декартовой системе координат,
При этом указанные измерения, обработку данных полученных в результате этих измерений и хранение результатов обработки этих данных осуществляют для группы людей с различным отношением длины голени к длине бедра, сохраняя при этом данные об указанных отношениях и длине голеней для каждого человека из этой группы.
При этом блок 81 обработки параметров захватываемого движения и блок 76 хранения параметров и/или коэффициентов интерполяции желаемых траекторий движения в декартовой системе координат предпочтительно реализовать программно в контроллере 87 определения желаемых траекторий движения в декартовой системе координат.
При этом в качестве заранее предопределенных режимов движения человека без нарушения функций опорно-двигательного аппарата использованы режимы: «Идти по горизонтальной поверхности», «Идти по лестнице вверх», «Идти по лестнице вниз», «Идти по наклонной поверхности вверх», «Идти по наклонной поверхности вниз», «Перешагнуть через препятствие», «Сидеть на опоре», «Стоять вертикально с выпрямленными ногами», «Встать вертикально с выпрямленными ногами из положения «Сидеть на опоре», «Сесть на опору из положения «Стоять вертикально с выпрямленными ногами».
Устройство содействия ходьбе пользователя с нарушением функций опорно- двигательного аппарата в заранее предопределенных режимах движения, содержащее экзоскелет 1 нижних конечностей, включает тазовое 2 звено и левую 3 и правую 4 ножные опоры, каждая из которых состоит из бедренного 5 (6) и голенного 7 (8) звеньев и стоп 9 (10). При этом смежные звенья 2-5, 5-7, 7-9, 2-6, 6-8 и 8-10 соединены посредством соответствующих шарнирных соединений 11, 12, 13, 14, 15, и 16, обеспечивающих возможность их вращения в сагиттальной плоскости и снабженных соответствующими измерителями 17, 18, 20, 21 относительного углового перемещения, интегрированными в блок 70 измерения текущих углов и угловых скоростей,
При этом тазобедренные 1 1 и 14 и коленные 12 и 15 шарнирные соединения выполнены моторизованными и снабжены соответствующими приводами 23, 24 и 25, 26 например, электроприводами, а также бортовой контроллер 85, соединенный с измерителями 17, 18, 20, 21 относительного углового поворота смежных звеньев и управляющими входами приводов 23, 24 и 25, 26 моторизованных соединений, при этом стопы 9 и 10 снабжены первым 27, вторым 28, третьим 29 и четвертым 30 датчиками реакции опоры, интегрированными в блок 31 измерений реакций опоры и смонтированными в пятке 27, (29) и носке 28, (30) стоп 9 (10).
Кроме того, устройство содействия ходьбе содержит левую 33 и правую 34 ручные опоры и устройство 35 управления, включающее блок 36 вычисления желаемых углов и угловых скоростей экзоскелета 1, блок 40 оценки внешнего момента и блок 52 формирования управляющих сигналов на приводы экзоскелета 1, подключенный к управляющим входам соответствующих приводов, при этом вход 37 блока 36 вычисления желаемых углов и угловых скоростей экзоскелета 1 соединен с первым входом 38 устройства 35 управления, третий вход 39 которого соединен с выходом блока 70 измерения текущих углов и угловых скоростей.
Кроме того, устройство содействия ходьбе пользователя с нарушением функций опорно-двигательного аппарата содержит внешний компьютер 86 ассистента-специалиста, выполненный с предоставлением ассистенту-специалисту возможности ввода в бортовой контроллер 85 экзоскелета 1 отношения длины голени к длине бедра, длины голени и масс-инерционных характеристик сегментов тела пользователя с прикрепленными к ним звеньями экзоскелета, выбора режима движения и регулирования таких параметров движения как длина шага, высота подъема ноги и темп ходьбы,
пульт 32 управления, выполненный с предоставлением пользователю возможности выбора режима движения и регулирования таких параметров движения как длина шага, высота подъема ноги и темп ходьбы и блок 65 измерения токов в электроприводах, содержащим первый 66, второй 67, третий 68, четвертый 69 датчики тока соответственно первого 23, второго 24, третьего 25 и четвертого 26 электроприводов.
Кроме того, устройство содействия ходьбе пользователя с нарушением функций опорно-двигательного аппарата содержит блок 41 формирования желаемых траекторий в декартовой системе координат, выполненный с возможностью ввода в него и хранения в нем являющихся функциями времени параметров и/или коэффициентов интерполяции желаемых траекторий движения в декартовой системе координат для заранее предопределенных режимов движения, первый вход 42 которого соединен с выходом пульта 32 управления, а второй вход 53 - с выходом блока 31 измерения реакций опоры, первый выход 83 - соединен с первым входом 38 устройства 35 управления, а второй выход 19 выполнен с возможностью подключения к входу системы 43 определения параметров желаемых траекторий движения в декартовой системе координат, выход которой выполнен с возможностью подключения к третьему входу 22 блока 41 формирования желаемых траекторий в декартовой системе координат, четвертый вход 84 которого выполнен с возможностью подключения к первому 88 выходу внешнего компьютера 86 ассистента-специалиста, второй выход 89 которого выполнен с возможностью подключения к шестому входу 90 блока 40 оценки внешнего момента.
При этом устройство 35 управления содержит блок 44 формирования желаемых ускорений движения по траекториям в декартовой системе координат, первый вход 45 которого подключен к первому входу 38 устройства 35 управления, блок 46 вычисления желаемых угловых ускорений, первый вход 47 которого подключен к выходу блока 44 формирования желаемых ускорений движения по траекториям, а второй вход 54 - к выходу блока 36 формирования желаемых углов и угловых скоростей,
блок 48 вычисления угловых ускорений на приводы экзоскелета 1, первый вход 49 которого подключен к выходу блока 46 вычисления желаемых угловых ускорений, а второй вход 50 - к выходу блока 36 формирования желаемых углов и угловых скоростей, блок 51 вычисления вектора текущих декартовых координат экзоскелета, вход которого подключен к третьему входу 39 устройства 35 управления, а выход ко второму 55 входу блока 44 формирования желаемых ускорений движения по траекториям в декартовой системе координат,
Кроме того, устройство содействия ходьбе содержит блок 71 оценки углового движения корпуса, вход 72 которого подключен к выходу блока 51 вычисления текущих декартовых координат экзоскелета, а выход - к четвертому 73 входу блока 40 оценки внешнего момента, пятый вход 74 которого через второй вход 75 устройства 35 управления подключен к выходу блока 31 измерений реакций опоры,
При этом первый вход 56 блока 52 формирования управляющих сигналов подключен к выходу блока 40 оценки внешнего момента, первый вход 57 которого подключен к выходу блока 48 вычисления угловых ускорений на приводы экзоскелета, а второй вход 58 - к третьему 39 входу устройства 35 управления, соединённому также с третьим входом 59 блока 48 вычислений угловых ускорений на приводы экзоскелета и ко второму 60 входу блока 52 формирования управляющих сигналов, третий вход 61 которого подключен к выходу блока 48 вычисления угловых ускорений на приводы экзоскелета, четвертый вход 62 - к четвертому входу 63 устройства 35 управления, соединенному также с третьим входом 64 блока 40 оценки внешнего момента, а выход - к выходу устройства 35 управления, подключенному к управляющим входам приводов 23, 24, 25, 26, снабжённых датчиками 66, 67, 68, 69 тока электродвигателей блока 65 измерения тока двигателей, при этом четвертый 63 вход устройства 35 управления подключен к выходу блока 65 измерения токов электродвигателей.
При этом согласно предлагаемому способу управления вышеописанным устройством содействия ходьбе пользователя с нарушением функций опорно- двигательного аппарата измеряют отношение длины голеней к длине бедер, длины голеней и масс-инерционные характеристики сегментов тела пользователя с прикрепленными к ним звеньями экзоскелета и через внешний компьютер 86 ассистента- специалиста и четвертый вход 84 блока 41 формирования желаемых траекторий в декартовой системе координат бортового контроллера 85 вводят в блок 41 формирования желаемых траекторий в декартовой системе координат бортового 85 контроллера и через него в систему 43 определения параметров желаемых траекторий движения в декартовой системе координат такие измеренные параметры пользователя, как длина голеней, отношение длины голеней к длине бедер и масс-инерционные характеристики сегментов тела пользователя с надетым на него экзоскелетом 1, согласно введенному отношению длины голеней к длине бедер пользователя осуществляют выборку данных от системы 43 определения параметров желаемых траекторий движения в декартовой системе координат, которые заносят в блок 41 формирования желаемых траекторий в декартовой системе координат в виде массивов параметров (коэффициентов) интерполяции интерполирующих функций, полученных для человека без нарушения функций опорно- двигательного аппарата при его передвижении в каждом из заранее предопределенных режимов, задают с внешнего компьютера 86 ассистента-специалиста или с пульта 32 управления режим движения пользователя, вычисляют численные значения интерполирующих функций и масштабируют их путем умножения на коэффициент равный отношению длина голени пользователя с нарушением функций опорно- двигательного аппарата к длине голени человека без нарушения функций опорно- двигательного аппарата, задают с пульта 32 управления или с внешнего компьютера 86 ассистента-специалиста желаемые параметры шага пользователя путем масштабирования соответствующих пользователю интерполированных траекторий, представленных в декартовой системе координат на соответствующие коэффициенты, также для изменения времени переноса ноги (темпа ходьбы) - путем масштабирования оси времени этих функций, причем масштабирование выполняют как по каждой отдельной взятой координате, так и по их комбинациям, вычисляют вектор текущих декартовых координат экзоскелета, на основе полученных измерений углов и угловых скоростей в тазобедренных и коленных соединениях; формируют желаемые траектории движения тазобедренного и голеностопных шарниров экзоскелета в зависимости от времени, путем вычисления на основе хранящихся и являющихся функциями времени массивов значений параметров (коэффициентов) численных значений интерполирующих функций, записанных в декартовой системе координат; вычисляют вектор желаемых углов и угловых скоростей на основе ранее вычисленных значений вектора желаемых траекторий и их первых производных; вычисляют вектор желаемых ускорений движения по траектории в декартовой системе координат на основе ранее вычисленных значений вектора положения и скорости в декартовой системе координат и вектора желаемых траекторий и их первых и вторых производных; вычисляют вектор желаемых угловых ускорений на основе вектора желаемых ускорений движения по траектории в декартовой системе координат и вектора желаемых углов и угловых скоростей; вычисляют вектор желаемых угловых ускорений на приводы, на основе ранее вычисленных вектора желаемых угловых ускорений, вектора желаемых углов и угловых скоростей, вектора текущих значений углов и угловых скоростей в шарнирных соединениях; вычисляют вектор внешнего момента на основе ранее вычисленных вектора желаемых угловых ускорений на приводы, вектора текущих значений углов и угловых скоростей в шарнирных соединениях, измеренного вектора токов приводов экзоскелета и с учетом масс-инерционных характеристик сегментов тела пользователя с надетым на него экзоскелетом, а вектор управляющих сигналов на приводы экзоскелета вычисляют и формируют на основе вычисленных ранее вектора текущих значений углов, вектора внешнего момента и измеренных вектора текущих значений углов и угловых скоростей в шарнирных соединениях, вектора токов приводов экзоскелета и вектора реакции в опорах.
При этом в качестве заранее предопределенных режимов движения экзоскелета использованы режимы «Идти по горизонтальной поверхности», «Идти по лестнице вверх», «Идти по лестнице вниз», «Идти по наклонной поверхности вверх», «Идти по наклонной поверхности вниз», «Перешагнуть через препятствие», «Сидеть на опоре», «Стоять вертикально с выпрямленными ногами», «Встать вертикально с выпрямленными ногами из положения «Сидеть на опоре», «Сесть на опору из положения «Стоять вертикально с выпрямленными ногами». При этом блок 41 формирования желаемых траекторий движения в декартовой системе координат и устройство 35 управления реализованы программно в бортовом контроллере 85 экзоскелета 1.
Описание принципов использования устройства содействия ходьбе пользователя с нарушением функций опорно-двигательного аппарата
Работу устройства содействия ходьбе пользователя с нарушением функций опорно- двигательного аппарата можно условно охарактеризовать тремя этапами:
- подготовительным, на котором формируются массивы данных, однозначно характеризующие походку (паттерн ходьбы) в декартовой системе координат человека без нарушения функций опорно-двигательного аппарата для заранее предопределенных режимов движения, являющуюся желаемой траекторией движения в той же самой декартовой системе координат пользователя с нарушением функций опорно- двигательного аппарата для тех же самых заранее предопределенных режимов работы;
- этапом измерений и настройки, на котором осуществляется измерение необходимых геометрических и масс-инерционных характеристик пользователя с нарушением функций опорно-двигательного аппарата и осуществляется ввод измеренных данных в бортовой контроллер экзоскелета, а также задаются (выбираются) режим движения экзоскелета и параметры ходьбы (длина шага, высота подъема ноги, темп ходьбы);
- этап формирования управляющих воздействий на приводы экзоскелата, на котором осуществляется вычисление сигналов управление и формирование управляющих сигналов на приводы экзоскелета. Подготовительный этап
Согласно предложенному способу задания желаемых траекторий движения экзоскелета для передвижения в сагиттальной плоскости в заранее предопределенных режимах движения пользователя с нарушением функций опорно-двигательного аппарата выполняют захват движения человека без нарушения функций опорно-двигательного аппарата (фиг.5,6), выполняют хранение снятого движения в декартовых координатах, вычисляют и используют параметры и/или коэффициенты интерполяции желаемых траекторий движения в декартовой системе координат в сагиттальной плоскости в тех же самых заранее предопределенных режимах движения человека без нарушения функций опорно-двигательного аппарата. Кроме того, этот человек без нарушения функций опорно-двигательного аппарата должен иметь соотношение длина голени к длине бедра одинаковое с пользователем с нарушением функций опорно-двигательного аппарата. Кроме того, должны быть зафиксированы и длины их голеней.
Для реализации способа задания желаемых траекторий движения экзоскелета используют систему 43 определения параметров желаемых траекторий движения, включающую следующие технические средства:
систему 77 захвата движения, содержащую последовательно соединенные блок 78 измерительных устройств для определения и передачи данных с параметрами захватываемого движения, блок 79 обработки данных с параметрами захватываемого движения и блок 80 хранения параметров захватываемого движения, выход которого соединен с выходом системы 77 захвата движения и последовательно соединенные блок 81 обработки параметров захватываемого движения, вход которого соединен с выходом системы 77 захвата движения и блок 76 хранения параметров и/или коэффициентов интерполирующих функций, в котором также сохраняются данные об отношении длины голени к длине бедра человека без нарушения функций опорно-двигательного аппарата и длине его голени.
Таким образом, в блоке 76 накопление и хранение вычисленных параметров и/или коэффициентов интерполяции желаемых траекторий как для группы людей с различными отношениями длины голени к длине бедра, сохраняя при этом данные об указанных отношениях и длине голеней для каждого человека из этой группы, так и для траекторий, соответствующих различным заранее предопределенным режимам движения (ходьба по ровной, наклонной и ступенчатой поверхностям, а также режимы опускания и подъема с опоры).
Предпочтительно, чтобы блок 81 обработки параметров захватываемого движения и блок 76 хранения параметров и/или коэффициентов интерполяции желаемых траекторий движения в декартовой системе координат были бы реализованы программно в контроллере 87 определения желаемых траекторий движения в декартовой системе координат.
При этом в качестве заранее предопределенных режимов движения человека без нарушения функций опорно-двигательного аппарата использованы режимы: «Идти по горизонтальной поверхности», «Идти по лестнице вверх», «Идти по лестнице вниз», «Идти по наклонной поверхности вверх», «Идти по наклонной поверхности вниз», «Перешагнуть через препятствие», «Сидеть на опоре», «Стоять вертикально с выпрямленными ногами», «Встать вертикально с выпрямленными ногами из положения «Сидеть на опоре», «Сесть на опору из положения «Стоять вертикально с выпрямленными ногами». Этап измерения и настройки
На этапе измерения и настройки осуществляют измерения и ввод в бортовой контроллер экзоскелета антропометрических и масс-инерционных параметров пользователя с нарушением функций опорно-двигательного аппарата. Данные измерения осуществляются ассистентом-специалистом, который через внешний компьютер 86 вводит их в бортовой контроллер 85 экзоскелета 1.
Так, по измеренному ассистентом-специалистом длины голени и отношению длина голени/длина бедра, которое через четвертый вход 84 блока 41 формирования желаемых траекторий в декартовой системе координат, второй выход 19 указанного блока 41 и вход системы 43 определения параметров желаемых траекторий движения в декартовой системе координат, вводится, а через выход указанной системы 43 осуществляется выборка массива параметров и/или коэффициентов интерполяции желаемых траекторий соответствующих введенному отношению для всех заранее предопределенных режимов движения человека.
Затем производится масштабирование траекторий, представленных в декартовой системе координат на коэффициент отношения длин голеней человека без нарушения функций опорно-двигательного аппарата и пользователя с нарушением функций опорно- двигательного аппарата и вычисляются коэффициенты интерполяции желаемых траекторий для пользователя. Полученные коэффициенты однозначно определяют желаемую траекторию движения экзоскелета в сагиттальной плоскости для передвижения в заранее предопределенных режимах движения пользователя с нарушением функций опорно-двигательного аппарата и в дальнейшем используют как опорную в процессе движения экзоскелета.
После задания параметров ходьбы (длина шага, высота подъема ноги, темп ходьбы) выполняется масштабирование соответствующих пользователю интерполированных траекторий, представленных в декартовой системе координат на соответствующие коэффициенты, также для изменения времени переноса ноги (темпа ходьбы) - путем масштабирования оси времени этих функций, причем масштабирование выполняют как по каждой отдельной взятой координате, так и по их комбинациям. Опорные и масштабированные траектории представлены на фигурах 7 - 9.
Этап формирования управляющих воздействий на приводы экзоскелета
Из литературных источников [Белецкий В. В. Двуногая ходьба. Модельные задачи динамики и управления. М.: Наука, 1984. 268 с. С. 219-220] известно, что динамическая модель экзоскелета с интегрированной и прикрепленной к нему нижней половиной тела пользователя при движении в сагиттальной плоскости, может быть описана уравнениями , учитывающими движение торса пользователя,
Ό{θ)θ + Η(θ,θ) + G(0) + R(0) = W (г, + τ„) (1) где D - [7x7] матрица описывающая инерцию экзоскелета с интегрированным в него человеком, H - [7x1] вектор кориолисовых и центробежных сил, G-[7xl] вектор гравитационных сил, R(0) - [7x1] вектор сил реакции опоры стопы опорной ноги, W -
[7x4] - некоторая матрица, Ге-[4х1] вектор управляющих моментов, развиваемых приводами, ГА-[6х1] вектор моментов внешних воздействия, θ,θ ,θ- [7x1] векторы обобщенных координат, скоростей и ускорений. Вектор Θ [7x1] состоит из декартовых координат тазобедренного сустава х^^ У^, угла наклона корпуса ψ и вектора межзвенных углов &{f) =
Figure imgf000028_0001
в тазобедренном И и 14 и коленном 12 и 15 шарнирах опорной и переносной ног.
С помощью пульта управления 32 выбирают необходимый режим движения из ряда заранее предопределенных режимов движения. С помощью интегрированных в блок 70 измерения текущих углов и угловых скоростей измерителей относительного углового перемещения 17, 20 и 18, 21 измеряют углы и угловые скорости вращения тазобедренных 1 1 и 14 и коленных 12 и 15 шарнирных соединений, а с помощью интегрированных в блок 65 измерения тока электродвигателей датчиков 66, 67, 68 и 69 тока -электродвигателей электроприводов 23, 24, 25 и 26 соответственно.
Одновременно с помощью силовых датчиков 27, 28, 29 и 30, интегрированных в блок 31 измерения реакций опоры, снимаются данные о силах реакции опоры в стопах 9 и 10.
Кроме того, по сигналу с пульта 32 управления из блока 76 хранения параметров и/или коэффициентов интерполяции системы 43 определения параметров желаемых траекторий движения в память блока 41 формирования желаемых траекторий в декартовой системе координат заносят параметры и/или коэффициенты интерполяции траекторий движения заранее предопределенных режимов движения человека без нарушения функций опорно-двигательного аппарата с тем же отношением длина голени к длине бедра, что и у пользователя с нарушением указанных функций и о длине голени человека без нарушения указанных функций.
Устройство содействия требует настройки под антропометрические параметры конкретного пользователя - отношение/длина голени/длина бедра и длина голени, а также его масс-габаритные параметры. Эти параметры пользователя ассистент вводит в блок 41 через внешний 86 компьютер ассистента-специалиста. Затем блок 41 получает из блока 43 соответствующий введенным антропометрическим параметрам пользователя набор желаемых траекторий движения для различных режимов движения.
Начало движения экзоскелета и параметры шага задает ассистент с внешнего 86 компьютера и\или пользователь с пульта 32 управления.
В блоке 51 вычисления вектора текущих декартовых координат экзоскелета вычисляют вектор текущих декартовых координат экзоскелета, на основе полученных измерений углов и угловых скоростей в тазобедренных 11 и 14 и коленных 12 и 15 шарнирных соединениях,
Связи между двумя голеностопными шарнирами и тазовым шарниром для случая одноопорной ходьбы имеет вид [Белецкий В.В. Двуногая ходьба. Модельные задачи динамики и управления. М.: Наука, 1984. 268 с, С.16]
Y = Ф(Э) (2) Ϋ =—Φ{3) (3) dt
где вектор Y =
Figure imgf000029_0001
' К0Т0РЬШ рассматривается как функция времени.
В блоке 41 формируют желаемые траектории движения тазобедренного и голеностопных шарниров экзоскелета в зависимости от времени, путем вычисления на основе хранящихся и являющихся функциями времени массивов значений параметров
(коэффициентов) численных значений интерполирующих функций Ξ(ί) и их первых
Ξ(/) и вторых Ξ(ί) производных, записанных в декартовой системе координат.
В блоке 36 формирования желаемых углов и угловых скоростей
вычисляют вектор желаемых углов и угловых скоростей на основе ранее вычисленных значений вектора желаемых траекторий и их первых производных,
Связи (2), (3) предполагают наличие обратных соотношений [Белецкий В.В. Двуногая ходьба. - М. Наука, 1984, -286 с, С.16]
Figure imgf000029_0002
Использование векторов Ξ(7), Ξ(ί) , наряду с соотношениями(4), (5) позволяет вычислить желаемые углы 3* t) и их первые производные ι9*(ί) по формулам
^( = _1(Ξ), (6)
Figure imgf000030_0001
В блоке 44 формирования желаемых ускорений движения по траектории вычисляют вектор желаемых ускорений движения по траектории в декартовой системе координат на основе ранее вычисленных значений вектора положения и скорости в декартовой системе координат и вектора желаемых траекторий и их первых и вторых производных,
Устойчивость движения экзоскелетона по траекториям достигается за счет формирования управления так, чтобы отклонение ε координат экзоскелетона от желаемой траектории являлось бы убывающей функцией времени, асимптотически стремящейся к нулю (например, в виде
ε = Υ - Ξ(ή = Α^' + ^6^', 4,^ < 0).
Определяя отсюда вектор Г после двойного дифференцирования, получаем желаемую вторую производную
{t) = (л[ + 2)(г( - Ё( ) - - s( ) + т, w обеспечивающую устойчивое движение по траекториям в тазобедренном и голеностопных шарнирах. Векторные величины ,λ^ задаются в виде отрицательных действительных чисел и являются настроечными коэффициентами или регулирующими параметрами, определяемыми динамическими характеристиками человеко-машинной системы пользователь-экзоскелет.
В блоке 46 вычисления желаемых угловых ускорений вычисляют вектор желаемых угловых ускорений на основе вектора желаемых ускорений движения по траектории в декартовой системе координат и вектора желаемых углов и угловых скоростей.
Вектор Υ (/) используется для вычисления вектора желаемых угловых ускорений $*( ) · Для этого, дифференцируя формулу (5) и подставляя в нее вектор Υ (ί) и вектора Υ* (ί) = Ξ(ί) , Υ* (ί) = Ξ(ί), вычисляем компоненты вектора 3 (t) . Полученные выражения для желаемых вторых производных по углам 3 (t) сформированы с учетом возможных отклонений экзоскелета от желаемых траекторий в декартовых координатах.
В блоке 48 вычисляют вектор желаемых угловых ускорений на приводы, на основе ранее вычисленных вектора желаемых угловых ускорений, вектора желаемых углов и угловых скоростей, вектора текущих значений углов и угловых скоростей в шарнирных соединениях,
Следующий уровень формирования алгоритма, обеспечивающий повышение качества управления приводной системы, состоит в том, что вычисляют компоненты вектора угловых ускорений 3(t) для отработки их приводной системой, который формируется с учетом возможных ошибок, возникающих при работе приводной системы экзоскелета ) = (м + Мг ) - ^( ) - H hW) - ^( ) + ^ (0, (9) где , , μ2 < 0 - векторы управляющих параметров, значения которых определяются динамикой привода. Это позволяет обеспечить устойчивое движение экзоскелета по желаемым траекториям и повысить точность реализации движения.
В блоке 71 производится оценка углового движения корпуса. Корпус оператора является наиболее весомым объектом, что, несомненно, требует учета его движения. В предлагаемом варианте способа управления угловое движение корпуса оператора ψ оценивается на основании формулы (Белецкий В.В. Двуногая ходьба. Модельные задачи динамики и управления. М: Наука, 1984. 268 с. , С. 65, Белецкий В.В., Лавровский Э.К. Модельная задача двуногой ходьбы./ Механика твердого тела, N°2, 1981. С. 25)
ML
ψ{ί) = - chcot —shcot
2К. shcoT s.tep К
(10) ω2 = Kr8 , K = mr.
J + Krh r '
где mt - масса торса;
J - момент инерции торса;
г— расстояние центра масс торса от таза;
М— масса тела пользователя;
L— длина шага;
h - высота перемещения точки таза;
Tstep " пеРиоД шага> откуда также можно получить первую и вторую производные этого угла. Оценка угла ψ и его производных используется для оценки внешнего момента, который в основном создается за счет колебаний корпуса оператора.
В блоке 40 оценки внешнего момента вычисляют вектор внешнего момента на основе ранее вычисленных вектора желаемых угловых ускорений на приводы, вектора текущих значений углов и угловых скоростей в шарнирных соединениях и измеренного вектора токов приводов экзоскелета,
Для обеспечения плавного движения экзоскелета необходимо учитывать уравнений динамики совместно с оценкой колебательных движений корпуса.
Приводной системой экзоскелета может быть гидропривод, пневмопривод или электропривод.
Известно [Титов В.В., Шардыко И.В., Даляев И.Ю. Реализация силомоментного управления для двухстепенного манипулятора../ Вюник НТУУ «ΚΠΙ». Сер1я машинобудування Ns2 (68). 2013, С.150], что динамика электропривода описывается уравнениями е(0 = Се ά: ι(ί) = e(r) + R,„ im (/) + - Lm :
Jm · a = xm (r) - xm extiO- tfijC / ~ xm ext * 0'- где тт- момент двигателя, Cm, Ce, - моменгаая и электрическая постоянные двигателя соответственно, в - противо- ЭДС двигателя, Rm, Lm - сопротивление и индуктивность якоря двигателя, Jm- момент инерции ротора двигателя.Глц, ^ - внешний момент на валу двигателя, а, а - ускорение и скорость угла поворота а вала двигателя, тГг1с- сила трения на валу двигателя, // - напряжение питания на обмотках двигателя.
С другой стороны, в случае электропривода, вектор внешних по отношению к приводу моментов, полученный из уравнения динамики (1) имеет вид re = -W ϋ(θ)θ + Η(θ,θ) + G{0) + R{9) (И) где θ = [Ϋ* ,ψ , , может быть найден с помощью оценок, учитывающих масс- инерционные [Воронов А.В. Анатомическое строение и биомеханические характеристики мышц и суставов нижней конечности./ М. Физкультура, образование и наука, 2003., С.1 1- 12, 19-20; D. A. Winter, Biomechanics and motor control of human movement, 2005. JOHN WILEY & SONS, INC., P. 86, Table 4.1] характеристики механической системы - человека в экзоскелете, а также на основе учета динамики приводов и измерения векторов протекающих в электромеханических приводах. В результате имеем
-1 Ό{θ)θ + Η{θ,θ) + G{9) + R{6 (12)
Здесь - момент, развиваемый двигателем на выходном валу редуктора, Ст , J е - матрицы параметров электродвигателей, j - матрица коэффициента редукции, - вектор тока, [7x4] - матрица преобразования вектора Θ к вектору межзвенных углов экзоскелетона, Т^с - момент сил трения, приведенный к выходному валу двигателей.
В блоке 52 формирования управляющих сигналов вычисляют и формируют вектор управляющих сигналов на приводы экзоскелета на основе вычисленных ранее вектора текущих значений углов, оцененного вектора внешнего момента и измеренных вектора текущих значений углов и угловых скоростей в шарнирных соединениях, а также вектора токов приводов экзоскелета.
Управляющее напряжение в случае электроприводов вычисляется следующим образом u(t) = Ce - T - e + Cm-lReMdv / j + ^- Le (И)
at
Аналогично строится управление и для приводов другого типа.
Вышеприведенные формулы используют при построении алгоритмов формирования желаемых траекторий движения в декартовой системе координат и управляющих сигналов на приводы экзоскелета и реализуются программно в бортовом контроллере экзоскелета.
Таким образом, благодаря существенным отличиям данного изобретения от известных:
- обеспечивается возможность содействия ходьбе пользователей как с частичной, так и с полной утратой функций опорно-двигательного аппарата, при этом передвижение пользователя выполняется согласно заданному экзоскелету паттерну ходьбы человека без нарушения функций опорно-двигательного аппарата с близкими к кинематическим характеристикам пользователя кинематическими характеристиками (отношением длин голеней и бедер);
- обеспечивается возможность восстановления правильного паттерна ходьбы пользователя при возможности изменения с пульта управления таких параметров ходьбы как длина шага, высота подъема ноги и темп ходьбы;
- обеспечивается возможность различных режимов движения пользователя по горизонтальной, наклонной и ступенчатой поверхностям, а также перешагивание через препятствие и ходьба на месте за счет задания экзоскелету движения по желаемым траекториям, соответствующим движению по выбранной поверхности;
- благодаря заданию желаемых угловых ускорений согласно экспоненциальной модели второго порядка с отрицательными действительными регулирующими параметрами обеспечивается возможность плавного и устойчивого движения по желаемым траекториям тазобедренных и голеностопных шарниров, задаваемых в декартовых координатах.
Указанные результаты подтверждают достижение в предлагаемом изобретении технических результатов в отношении расширения функциональных возможностей и улучшения эргономических характеристик устройства.
Проведенные заявителем патентные исследования показали, что аналогов предложенным существенным отличиям нет.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ задания желаемых траекторий движения экзоскелета в декартовой системе координат для передвижения в сагиттальной плоскости в заранее предопределенных режимах движения пользователя с нарушением функций опорно- двигательного аппарата при помощи экзоскелета, включающего тазовое звено и левую и правую ножные опоры, каждая из которых состоит из бедренного и голенного звеньев и стоп, при этом смежные звенья соединены посредством соответствующих шарнирных соединений, обеспечивающих возможность их вращения в сагиттальной плоскости и снабженных соответствующими измерителями относительного углового перемещения, интегрированными в блок измерения текущих углов и угловых скоростей, при этом тазобедренные и коленные шарнирные соединения выполнены моторизованными и снабжены соответствующими приводами например, электроприводами, а также бортовой контроллер, соединенный с измерителями относительного углового поворота смежных звеньев и управляющими входами приводов моторизованных соединений, при этом согласно данному способу при помощи системы захвата движения, включающей последовательно соединенные блок измерительных устройств для определения и передачи данных с параметрами захватываемого движения, блок обработки данных с параметрами захватываемого движения и блок хранения параметров захватываемого движения, выход которого соединен с выходом системы захвата движения, обеспечивают измерение декартовых координат заранее выбранных точек тела человека в процессе его движения, отличающийся тем, что систему захвата движения используют в составе системы определения параметров желаемых траекторий в декартовой системе координат, а в качестве человека, декартовые координаты заранее выбранных точек тела которого измеряют, используют человека без нарушения функций опорно-двигательного аппарата, а в качестве заранее выбранных точек его тела, декартовые координаты которых измеряют, используют точки пересечения лежащих во фронтальной плоскости оси тазобедренного сустава и осей голеностопных суставов с сагиттальной плоскостью, при этом указанные декартовые координаты измеряют в зависимости от времени в виде траекторий по осям декартовой системы координат указанной сагиттальной плоскости при движении вышеупомянутого человека для каждого из заранее предопределенных режимов движения, и сохраняют в блоке хранения параметров захватываемого движения в виде массивов данных для каждой измеренной траектории, при этом ось ординат указанной системы координат сагиттальной плоскости направлена вертикально, а ось абцисс - по курсу передвижения экзоскелета, а далее в интегрированном в систему определения параметров желаемых траекторий движения в декартовой системе координат блоке обработки параметров захватываемого движения,
вход которого подключен к выходу системы захвата движения, осуществляют обработку параметров и/или коэффициентов интерполяции захватываемого движения, вычисляя на основе вышеуказанных массивов заданных таблично функций времени декартовых координат параметры и/или коэффициенты интерполяции для каждой из заранее выбранных гладких интерполирующих вышеуказанные траектории аналитических функций, дифференцируемых не менее двух раз, например, сплайнов, в том числе, и кубических сплайнов, при этом вычисленные параметры и/или коэффициенты интерполяции сохраняют в подключенном к выходу блока обработки параметров захватываемого движения и интегрированном в систему определения параметров желаемых траекторий в декартовой системе координат блоке хранения параметров и/или коэффициентов интерполяции желаемых траекторий движения экзоскелета в декартовой системе координат, при этом указанные измерения, обработку данных полученных в результате этих измерений и хранение результатов обработки этих данных осуществляют для группы людей с различным отношением длины голени к длине бедра, сохраняя при этом данные об указанных отношениях и длине голеней для каждого человека из этой группы.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, блок обработки параметров захватываемого движения и блок хранения параметров и/или коэффициентов интерполяции желаемых траекторий движения в декартовой системе координат реализованы программно в контроллере определения желаемых траекторий движения в декартовой системе координат.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве заранее предопределенных режимов движения человека без нарушения функций опорно-двигательного аппарата использованы режимы: «Идти по горизонтальной поверхности», «Идти по лестнице вверх», «Идти по лестнице вниз», «Идти по наклонной поверхности вверх», «Идти по наклонной поверхности вниз», «Перешагнуть через препятствие», «Сидеть на опоре», «Стоять вертикально с выпрямленными ногами», «Встать вертикально с выпрямленными ногами из положения «Сидеть на опоре», «Сесть на опору из положения «Стоять вертикально с выпрямленными ногами».
4. Устройство содействия ходьбе пользователя с нарушением функций опорно- двигательного аппарата в заранее предопределенных режимах движения, содержащее экзоскелет нижних конечностей, включающий тазовое звено и левую и правую ножные опоры, каждая из которых состоит из бедренного и голенного звеньев и стоп, при этом смежные звенья соединены посредством соответствующих шарнирных соединений, обеспечивающих возможность их вращения в сагиттальной плоскости и снабженных соответствующими измерителями относительного углового перемещения, интегрированными в блок измерения текущих углов и угловых скоростей, при этом тазобедренные и коленные шарнирные соединения выполнены моторизованными и снабжены соответствующими приводами, например, электроприводами, а также бортовой контроллер, соединенный с измерителями относительного углового поворота смежных звеньев и управляющими входами приводов моторизованных соединений, при этом стопы снабжены датчиками реакции опоры, интегрированными в блок измерений реакций опоры и смонтированными в пятке и носке стоп, кроме того, устройство содействия ходьбе содержит левую и правую ручные опоры и устройство управления, включающее блок вычисления желаемых углов и угловых скоростей экзоскелета, блок оценки внешнего момента и блок вычисления и формирования управляющих сигналов на приводы экзоскелета, подключенный к управляющим входам соответствующих приводов, при этом вход блока вычисления желаемых углов и угловых скоростей экзоскелета соединен с первым входом устройства управления, третий вход которого соединен с выходом блока измерения текущих углов и угловых скоростей, отличающееся тем, что оно дополнено внешним компьютером ассистента-специалиста, выполненным с предоставлением ассистенту-специалисту возможности ввода в бортовой контроллер экзоскелета отношения длины голени к длине бедра, длины голени и масс-инерционных характеристик сегментов тела пользователя с прикрепленными к ним звеньями экзоскелета, выбора режима движения и регулирования таких параметров движения как длина шага, высота подъема ноги и темп ходьбы, пультом управления, выполненным с предоставлением пользователю возможности выбора режима движения и регулирования таких параметров движения как длина шага, высота подъема ноги и темп ходьбы, блоком измерения токов в электроприводах, содержащим первый, второй, третий, четвертый датчики тока соответственно первого, второго, третьего и четвертого электроприводов, блоком формирования желаемых траекторий в декартовой системе координат, выполненным с возможностью ввода в него и хранения в нем являющихся функциями времени параметров и/или коэффициентов интерполяции желаемых траекторий движения в декартовой системе координат для заранее предопределенных режимов движения, первый вход которого соединен с выходом пульта управления, а второй вход - с выходом блока измерения реакций опоры, первый выход - соединен с первым входом устройства управления, а второй выход выполнен с возможностью подключения к входу системы определения параметров желаемых траекторий движения в декартовой системе координат, выход которой выполнен с возможностью подключения к третьему входу блока формирования желаемых траекторий в декартовой системе координат, четвертый вход которого выполнен с возможностью подключения к выходу внешнего компьютера ассистента-специалиста, при этом устройство управления дополнено блоком формирования желаемых ускорений движения по траекториям в декартовой системе координат, первый вход которого подключен к первому входу устройства управления, блоком вычисления желаемых угловых ускорений, первый вход которого подключен к выходу блока формирования желаемых ускорений движения по траекториям, а второй вход - к выходу блока формирования желаемых углов и угловых скоростей, блоком вычисления угловых ускорений на приводы экзоскелета, при этом первый вход блока вычисления угловых ускорений на приводы экзоскелета подключен к выходу блока вычисления желаемых угловых ускорений, а второй вход - к выходу блока формирования желаемых углов и угловых скоростей, блоком вычисления вектора текущих декартовых координат экзоскелета, вход которого подключен к третьему входу устройства управления, а выход - ко второму входу блока формирования желаемых ускорений движения по траекториям в декартовой системе координат, блоком оценки углового движения корпуса, вход которого подключен к выходу блока вычисления текущих декартовых координат экзоскелета, а выход - к четвертому входу блока оценки внешнего момента, пятый вход которого через второй вход устройства управления подключен к выходу блока измерений реакций опоры, при этом первый вход блока формирования управляющих сигналов подключен к выходу блока оценки внешнего момента, первый вход которого подключен к выходу блока вычисления угловых ускорений на приводы экзоскелета, а второй вход - к третьему входу устройства управления, соединённому также с третьим входом блока вычислений угловых ускорений на приводы экзоскелета и ко второму входу блока формирования управляющих сигналов, третий вход которого подключен к выходу блока вычисления угловых ускорений на приводы экзоскелета, четвертый вход - к четвертому входу устройства управления, соединенному также с третьим входом блока оценки внешнего момента, а выход к выходу устройства управления, подключенному к управляющим входам приводов, снабжённых датчиками тока электродвигателей блока измерения тока двигателей, при этом четвертый вход устройства управления подключен к выходу блока измерения токов электродвигателей.
5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что блок формирования желаемых траекторий в декартовой системе координат и устройство управления реализованы программно в бортовом контроллере экзоскелета.
6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что в качестве заранее предопределенных режимов движения экзоскелета использованы режимы «Идти по горизонтальной поверхности», «Идти по лестнице вверх», «Идти по лестнице вниз», «Идти по наклонной поверхности вверх», «Идти по наклонной поверхности вниз», «Перешагнуть через препятствие», «Сидеть на опоре», «Стоять вертикально с выпрямленными ногами», «Встать вертикально с выпрямленными ногами из положения «Сидеть на опоре», «Сесть на опору из положения «Стоять вертикально с выпрямленными ногами».
7. Способ управления устройством содействия ходьбе пользователя с нарушением функций опорно-двигательного аппарата в заранее предопределенных режимах движения, содержащим экзоскелет нижних конечностей, включающим тазовое звено, левую и правую ножные опоры, каждая из которых состоит из бедренного и голенного звеньев и стоп, при этом смежные звенья соединены посредством соответствующих шарнирных соединений, обеспечивающих возможность их вращения в сагиттальной плоскости и снабженных соответствующими измерителями относительного углового перемещения, интегрированными в блок измерения текущих углов и угловых скоростей, при этом тазобедренные и коленные шарнирные соединения выполнены моторизованными и снабжены соответствующими приводами, например, электроприводами, а также бортовой контроллер, соединенный с измерителями относительного углового поворота смежных звеньев и управляющими входами приводов моторизованных соединений, при этом стопы снабжены датчиками реакции опоры, интегрированными в блок измерений реакций опоры и смонтированными в пятке и носке стоп, кроме того, устройство содействия ходьбе содержит левую и правую ручные опоры и устройство управления, включающее блок вычисления желаемых углов и угловых скоростей экзоскелета, блок оценки внешнего момента и блок вычисления и формирования управляющих сигналов на приводы экзоскелета, подключенный к управляющим входам соответствующих приводов, при этом вход блока вычисления желаемых углов и угловых скоростей экзоскелета соединен с первым входом устройства управления, третий вход которого соединен с выходом блока измерения текущих углов и угловых скоростей, при этом согласно данному способу измеряют текущие углы и угловые скорости в тазобедренных и коленных соединениях и силы реакции опор, отличающееся тем, что устройство содействия ходьбе пользователя с нарушением функций опорно-двигательного аппарата дополнено внешним компьютером ассистента-специалиста, выполненным с предоставлением ассистенту- специалисту возможности ввода в бортовой контроллер экзоскелета отношения длины голени к длине бедра, длины голени и масс-инерционных характеристик сегментов тела пользователя с прикрепленными к ним звеньями экзоскелета, выбора режима движения и регулирования таких параметров движения как длина шага, высота подъема ноги и темп ходьбы, пультом управления, выполненным с предоставлением пользователю возможности выбора режима движения и регулирования таких параметров движения как длина шага, высота подъема ноги и темп ходьбы, блоком измерения токов в электроприводах, содержащим первый, второй, третий, четвертый датчики тока соответственно первого, второго, третьего и четвертого электроприводов, блоком формирования желаемых траекторий в декартовой системе координат, выполненным с возможностью ввода в него и хранения в нем являющихся функциями времени параметров и/или коэффициентов интерполяции желаемых траекторий движения в декартовой системе координат для заранее предопределенных режимов движения, первый вход которого соединен с выходом пульта управления, а второй вход - с выходом блока измерения реакций опоры, первый выход - соединен с первым входом устройства управления, а второй выход выполнен с возможностью подключения к входу системы определения параметров желаемых траекторий движения в декартовой системе координат, выход которой выполнен с возможностью подключения к третьему входу блока формирования желаемых траекторий в декартовой системе координат, четвертый вход которого выполнен с возможностью подключения к выходу внешнего компьютера ассистента-специалиста, при этом устройство управления дополнено блоком формирования желаемых ускорений движения по траекториям в декартовой системе координат, первый вход которого подключен к первому входу устройства управления, блоком вычисления желаемых угловых ускорений, первый вход которого подключен к выходу блока формирования желаемых ускорений движения по траекториям, а второй вход - к выходу блока формирования желаемых углов и угловых скоростей, блоком вьиисления угловых ускорений на приводы экзоскелета, при этом первый вход блока вычисления угловых ускорений на приводы экзоскелета подключен к выходу блока вычисления желаемых угловых ускорений, а второй вход - к выходу блока формирования желаемых углов и угловых скоростей, блоком вычисления вектора текущих декартовых координат экзоскелета, вход которого подключен к третьему входу устройства управления, а выход - ко второму входу блока формирования желаемых ускорений движения по траекториям в декартовой системе координат, блоком оценки углового движения корпуса, вход которого подключен к выходу блока вычисления текущих декартовых координат экзоскелета, а выход - к четвертому входу блока оценки внешнего момента, пятый вход которого через второй вход устройства управления подключен к выходу блока измерений реакций опоры, при этом первый вход блока формирования управляющих сигналов подключен к выходу блока оценки внешнего момента, первый вход которого подключен к выходу блока вычисления угловых ускорений на приводы экзоскелета, а второй вход - к третьему входу устройства управления, соединённому также с третьим входом блока вычислений угловых ускорений на приводы экзоскелета и ко второму входу блока формирования управляющих сигналов, третий вход которого подключен к выходу блока вычисления угловых ускорений на приводы экзоскелета, четвертый вход - к четвертому входу устройства управления, соединенному также с третьим входом блока оценки внешнего момента, а выход к выходу устройства управления, подключенному к управляющим входам приводов, снабжённых датчиками тока электродвигателей блока измерения тока двигателей, при этом четвертый вход устройства управления подключен к выходу блока измерения токов электродвигателей, при этом согласно предлагаемому способу управления устройством содействия ходьбе пользователя с нарушением функций опорно-двигательного аппарата измеряют отношение длины голеней к длине бедер, длины голеней и осуществляют прямое или косвенное измерение масс-инерционных характеристик сегментов тела пользователя с прикрепленными к ним звеньями экзоскелета и через внешний компьютер ассистента- специалиста и четвертый вход блока формирования желаемых траекторий в декартовой системе координат бортового контроллера вводят в блок формирования желаемых траекторий в декартовой системе координат бортового контроллера и через него в систему определения параметров желаемых траекторий движения в декартовой системе координат такие измеренные параметры пользователя, как длина голеней, отношение длины голеней к длине бедер и масс-инерционные характеристики сегментов тела пользователя с надетым на него экзоскелетом, и согласно заданному отношению длины голеней к длине бедер пользователя осуществляют прием данных от системы определения параметров желаемых траекторий движения в декартовой системе координат, которые заносят в блок формирования желаемых траекторий в декартовой системе координат в виде массивов параметров (коэффициентов) интерполяции интерполирующих функций, полученных для человека без нарушения функций опорно-двигательного аппарата при его передвижении в каждом из заранее предопределенных режимов, задают с внешнего компьютера ассистента-специалиста или с пульта управления режим движения пользователя из ряда заранее предопределенных режимов, вычисляют численные значения интерполирующих функций и масштабируют их путем умножения на коэффициент равный отношению длина голени пользователя с нарушением функций опорно-двигательного аппарата к длине голени человека без нарушения функций опорно- двигательного аппарата, задают с пульта управления или с внешнего компьютера ассистента-специалиста желаемые параметры шага пользователя путем масштабирования соответствующих пользователю интерполированных траекторий, представленных в декартовой системе координат на соответствующие коэффициенты, также для изменения времени переноса ноги (темпа ходьбы) - путем масштабирования оси времени этих функций, причем масштабирование выполняют как по каждой отдельной взятой координате, так и по их комбинациям, в блоке вычисления текущих декартовых координат экзоскелета вычисляют вектор текущих декартовых координат экзоскелета, на основе полученных измерений углов и угловых скоростей в тазобедренных и коленных соединениях, в блоке формирования желаемых траекторий в декартовой системе координат формируют желаемые траектории движения тазобедренного и голеностопных шарниров экзоскелета в зависимости от времени, путем вычисления на основе хранящихся и являющихся функциями времени массивов значений параметров (коэффициентов) численных значений интерполирующих функций, записанных в декартовой системе координат; вычисляют вектор желаемых углов и угловых скоростей на основе ранее вычисленных значений вектора желаемых траекторий и их первых производных, в блоке формирования желаемых ускорений движения по траекториям в декартовой системе координат вычисляют вектор желаемых ускорений движения по траектории в декартовой системе координат на основе ранее вычисленных значений вектора положения и скорости в декартовой системе координат и вектора желаемых траекторий и их первых и вторых производных, в блоке формирования желаемых углов и угловых скоростей вычисляют вектор желаемых угловых ускорений на основе вектора желаемых ускорений движения по траектории в декартовой системе координат и вектора желаемых углов и угловых скоростей, в блоке вычисления желаемых угловых ускорений на приводы экзоскелета вычисляют вектор желаемых угловых ускорений на приводы, на основе ранее вычисленных вектора желаемых угловых ускорений, вектора желаемых углов и угловых скоростей, вектора текущих значений углов и угловых скоростей в шарнирных соединениях, в блоке оценки внешнего момента вычисляют вектор внешнего момента на основе ранее вычисленных вектора желаемых угловых ускорений на приводы, вектора текущих значений углов и угловых скоростей в шарнирных соединениях, вектора реакции в опорах, измеренного вектора токов приводов экзоскелета и с учетом масс-инерционных характеристик сегментов тела пользователя с надетым на него экзоскелетом, а вектор управляющих сигналов на приводы экзоскелета вычисляют и формируют в блоке формирования управляющих сигналов на приводы экзоскелета на основе вычисленных ранее вектора текущих значений углов, вектора внешнего момента и измеренных вектора текущих значений углов и угловых скоростей в шарнирных соединениях, вектора токов приводов экзоскелета.
8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что в качестве заранее предопределенных режимов движения экзоскелета использованы режимы «Идти по горизонтальной поверхности», «Идти по лестнице вверх», «Идти по лестнице вниз», «Идти по наклонной поверхности вверх», «Идти по наклонной поверхности вниз», «Перешагнуть через препятствие», «Сидеть на опоре», «Стоять вертикально с выпрямленными ногами», «Встать вертикально с выпрямленными ногами из положения «Сидеть на опоре», «Сесть на опору из положения «Стоять вертикально с выпрямленными ногами».
9. Способ по п. 7, отличающийся тем, что блок формирования желаемых траекторий движения в декартовой системе координат и устройство управления реализованы программно в бортовом контроллере экзоскелета.
PCT/RU2016/000448 2015-10-19 2016-07-18 Экзоскелет WO2017069652A1 (ru)

Priority Applications (8)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020177031213A KR102291195B1 (ko) 2015-10-19 2016-07-18 외골격
CN201680028307.XA CN107613936B (zh) 2015-10-19 2016-07-18 外骨骼
SG11201709308SA SG11201709308SA (en) 2015-10-19 2016-07-18 Method to define desired motion trajectories of exoskeleton for movement of a user with functional impairment of the support-motor apparatus, walking assistance device for this user and control method for this device
JP2017559513A JP6941058B2 (ja) 2015-10-19 2016-07-18 支持−運動機構の機能障害を伴うユーザーのための歩行補助デバイス
AU2016343179A AU2016343179A1 (en) 2015-10-19 2016-07-18 Exoskeleton
EP16857866.4A EP3284452B1 (en) 2015-10-19 2016-07-18 Exoskeleton
US15/571,946 US11148278B2 (en) 2015-10-19 2016-07-18 Exoskeleton
IL255270A IL255270A0 (en) 2015-10-19 2017-10-26 exoskeleton

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015144703 2015-10-19
RU2015144703/14A RU2598124C1 (ru) 2015-10-19 2015-10-19 Способ задания желаемых траекторий движения экзоскелета для передвижения пользователя с нарушением функций опорно-двигательного аппарата, устройство содействия ходьбе этого пользователя и способ управления этим устройством

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017069652A1 true WO2017069652A1 (ru) 2017-04-27

Family

ID=56938074

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2016/000448 WO2017069652A1 (ru) 2015-10-19 2016-07-18 Экзоскелет

Country Status (10)

Country Link
US (1) US11148278B2 (ru)
EP (1) EP3284452B1 (ru)
JP (1) JP6941058B2 (ru)
KR (1) KR102291195B1 (ru)
CN (1) CN107613936B (ru)
AU (1) AU2016343179A1 (ru)
IL (1) IL255270A0 (ru)
RU (1) RU2598124C1 (ru)
SG (1) SG11201709308SA (ru)
WO (1) WO2017069652A1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114654498A (zh) * 2021-06-25 2022-06-24 北京精密机电控制设备研究所 一种基于惯性传感器的膝关节外骨骼运动监测方法

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3068236B1 (fr) * 2017-06-29 2019-07-26 Wandercraft Procede de mise en mouvement d'un exosquelette
FR3069664B1 (fr) * 2017-07-31 2019-08-30 Safran Electronics & Defense Procede d’assistance d’au moins un mouvement d’un utilisateur et dispositif correspondant
JP6933101B2 (ja) * 2017-11-17 2021-09-08 トヨタ自動車株式会社 歩行評価装置、歩行訓練システムおよび歩行評価方法
RU2711223C2 (ru) * 2017-12-12 2020-01-15 Акционерное общество "Волжский электромеханический завод" Способ проведения испытаний экзоскелета
RU2698364C1 (ru) * 2018-03-20 2019-08-26 Акционерное общество "Волжский электромеханический завод" Способ управления экзоскелетом
CN109079763B (zh) * 2018-10-29 2023-05-16 河北工业大学 一种可穿戴柔性步行助力机器人控制系统及控制方法
RU2739278C2 (ru) * 2019-02-07 2020-12-22 Акционерное общество "Волжский электромеханический завод" Способ четырехопорного передвижения детского экзоскелета
CN110279986A (zh) * 2019-03-29 2019-09-27 中山大学 一种基于肌电信号的康复机器人控制方法
JP7255392B2 (ja) * 2019-06-27 2023-04-11 トヨタ自動車株式会社 リハビリ支援システム、推定装置、学習装置、方法、プログラム、及び学習済みモデル
JP7211280B2 (ja) * 2019-06-27 2023-01-24 トヨタ自動車株式会社 学習装置、歩行訓練システム、方法、プログラム、及び学習済みモデル
CN111178330A (zh) * 2020-01-20 2020-05-19 深圳市丞辉威世智能科技有限公司 休息辅助切换方法、装置、终端及存储介质
CN111930135B (zh) * 2020-08-12 2023-09-05 深圳航天科技创新研究院 基于地形判断的主动助力控制方法、装置及外骨骼机器人
CN112618283B (zh) * 2020-12-21 2022-12-27 南京伟思医疗科技股份有限公司 一种外骨骼机器人主动训练用步态协调助力控制系统
CN112545845B (zh) * 2020-12-25 2022-08-16 青岛大学附属医院 一种医疗康复用外骨骼
CN113116339B (zh) * 2021-03-02 2024-01-30 深圳市第二人民医院(深圳市转化医学研究院) 一种骨科病人移动监测预警方法及系统
CN114712170B (zh) * 2022-03-17 2023-10-17 浙大宁波理工学院 一种调控上肢摆动的步态修正系统及方法
CN115886795B (zh) * 2022-09-30 2024-07-23 北京精密机电控制设备研究所 一种用于下肢助力外骨骼系统的地形坡度预测方法
CN115416003B (zh) * 2022-10-10 2024-07-30 电子科技大学 一种面向老人的下肢外骨骼的按需辅助控制方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2364385C2 (ru) * 2005-01-26 2009-08-20 Юниверсити Оф Цукуба Носимое вспомогательное устройство, содействующее двигательной активности, и управляющая программа
US20150025423A1 (en) * 2013-07-19 2015-01-22 Bionik Laboratories, Inc. Control system for exoskeleton apparatus

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1442704B1 (en) * 2001-10-16 2010-12-29 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Walking condition determining device and method
EP1306792B1 (en) * 2001-10-29 2015-05-27 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Simulation system and method for human augmentation devices
US7125388B1 (en) * 2002-05-20 2006-10-24 The Regents Of The University Of California Robotic gait rehabilitation by optimal motion of the hip
US7731670B2 (en) 2007-02-02 2010-06-08 Honda Motor Co., Ltd. Controller for an assistive exoskeleton based on active impedance
US9345592B2 (en) * 2008-09-04 2016-05-24 Bionx Medical Technologies, Inc. Hybrid terrain-adaptive lower-extremity systems
JP5379304B2 (ja) * 2009-07-01 2013-12-25 レックス バイオニクス リミテッド 移動補助器械用制御システム
EP2548543B1 (en) * 2010-03-17 2015-01-14 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Leg assistance device
JP5083461B2 (ja) * 2010-06-21 2012-11-28 トヨタ自動車株式会社 脚支援装置
EP2644178B1 (en) * 2010-11-25 2015-01-21 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Walking assistance device
KR101368817B1 (ko) * 2012-04-02 2014-03-03 유승현 보행 보조장치
KR20150077413A (ko) * 2012-09-17 2015-07-07 프레지던트 앤드 펠로우즈 오브 하바드 칼리지 인간의 움직임에 대한 보조를 위한 소프트 엑소슈트
EP2945590B1 (en) * 2013-01-16 2018-12-19 Ekso Bionics, Inc. Interface for adjusting the motion of a powered orthotic device through externally applied forces
US10843332B2 (en) * 2013-05-31 2020-11-24 President And Fellow Of Harvard College Soft exosuit for assistance with human motion
KR20150139056A (ko) * 2014-06-02 2015-12-11 대우조선해양 주식회사 리니어 엑추에이터를 적용한 착용로봇

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2364385C2 (ru) * 2005-01-26 2009-08-20 Юниверсити Оф Цукуба Носимое вспомогательное устройство, содействующее двигательной активности, и управляющая программа
US20150025423A1 (en) * 2013-07-19 2015-01-22 Bionik Laboratories, Inc. Control system for exoskeleton apparatus

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3284452A4 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114654498A (zh) * 2021-06-25 2022-06-24 北京精密机电控制设备研究所 一种基于惯性传感器的膝关节外骨骼运动监测方法

Also Published As

Publication number Publication date
IL255270A0 (en) 2017-12-31
SG11201709308SA (en) 2017-12-28
EP3284452B1 (en) 2020-11-11
EP3284452A4 (en) 2019-01-02
JP6941058B2 (ja) 2021-09-29
RU2598124C1 (ru) 2016-09-20
KR102291195B1 (ko) 2021-08-20
CN107613936A (zh) 2018-01-19
JP2018533986A (ja) 2018-11-22
EP3284452A1 (en) 2018-02-21
AU2016343179A1 (en) 2017-10-26
US11148278B2 (en) 2021-10-19
KR20180071198A (ko) 2018-06-27
US20180141206A1 (en) 2018-05-24
CN107613936B (zh) 2020-10-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2598124C1 (ru) Способ задания желаемых траекторий движения экзоскелета для передвижения пользователя с нарушением функций опорно-двигательного аппарата, устройство содействия ходьбе этого пользователя и способ управления этим устройством
JP4426432B2 (ja) 脚体運動補助装具の補助モーメント制御方法
Vukobratovic et al. Development of active anthropomorphic exoskeletons
EP1721593B1 (en) Generated torque control method for leg body exercise assistive apparatus
US9198821B2 (en) Lower extremity exoskeleton for gait retraining
JP5761832B2 (ja) 動作補助装置、及び動作補助装置の同調制御方法
JP2008535638A (ja) 短下肢装具の能動的制御
Jasińska-Choromańska et al. Mechatronic system for verticalization and aiding the motion of the disabled
Swift Control and trajectory generation of a wearable mobility exoskeleton for spinal cord injury patients
Wang et al. Design and experimental verification of a hip exoskeleton based on human–machine dynamics for walking assistance
CN112472531A (zh) 面向医疗复健和助力行走的下肢外骨骼机器人步态平稳算法
Munawar et al. AssistOn-Gait: An overground gait trainer with an active pelvis-hip exoskeleton
RU2768106C2 (ru) Способ приведения в движение экзоскелета
JP2016187626A (ja) 複数リンクシステム、制御方法、並びにコンピューター・プログラム
Zuccatti et al. Modeling the human gait phases by using Bèzier curves to generate walking trajectories for lower-limb exoskeletons
Geravand et al. Human sit-to-stand transfer modeling for optimal control of assistive robots
KR20150090355A (ko) 하지 재활 운동 로봇의 제어 방법
Jung et al. A methodology to control walking speed of robotic gait rehabilitation system using feasibility-guaranteed trajectories
Kagawa et al. On-line control of continuous walking of wearable robot coordinating with user's voluntary motion
Ali et al. Forward Thrust Modelling and Control Optimization of Biped in 3D for Sit to Stand
He et al. Auto-LEE: A novel autonomous lower extremity exoskeleton for walking assistance
Perera et al. Design of a Lower Extremity Exoskeleton Robot for Balance Control of Paraplegics
Kagawa et al. A kinematic and dynamic analysis on orthotic gait of paraplegics
González-Mejía et al. Gait Assisted Rehabilitation Platform–RUVEM

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16857866

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2016343179

Country of ref document: AU

Date of ref document: 20160718

Kind code of ref document: A

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 255270

Country of ref document: IL

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20177031213

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 15571946

Country of ref document: US

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2017559513

Country of ref document: JP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 11201709308S

Country of ref document: SG

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE