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助动器的控制系统

阅读:520发布:2021-10-16

专利汇可以提供助动器的控制系统专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且一种用于控制 外骨骼 的控制系统,所述外骨骼由用户佩带并具有一个或多个与对应于用户身体部分的所述外骨骼的各个体构件相关联的传动器。所述控制系统包括用于接收指示期望的运动序列的输入数据的用户 接口 , 存储器 组件,用于存储指示实施所述运动序列所要求的一个或多个连续指令的预编程的运动数据,各个指令与用于执行所述指令的有关传动器运动相关联,和用于针对各个指令根据相关传动器运动移动一个或多个传动器的传动器 控制器 。所述控制系统还包括地面子系统,用于在检测到地面斜度变化时调节传动器运动,以及平衡控制子系统,用于在一个或多个传动器的相对运动期间周期性地调节外骨骼的平衡。,下面是助动器的控制系统专利的具体信息内容。

1.一种用于控制外骨骼的方法,所述外骨骼由用户佩带并具有一个或多个与所述外骨骼的均对应于用户身体部分的各个体构件相关联的传动器,所述方法包括下列步骤:
接收指示期望的运动序列的输入数据;
存储器获得指示一个或多个连续的指令的预编程的运动数据,所述指令至少包括实施所述运动序列所需要的落脚指令,各个指令与用于执行所述指令的相关传动器运动相关联;
针对各个指令根据所述相关的传动器运动移动一个或多个传动器;以及当接收指示地面斜度变化的数据时,调节所述落脚指令,所述调节的步骤包括:
移动所述外骨骼的一个或多个与落脚构件相关联的传动器来向着最大允许倾旋转足部构件;以及
在接收指示所述足部构件与斜面对准的输入时,终止与所述足部构件相关联的一个或多个传动器的运动。
2.根据权利要求1的方法,其中所述足部构件包括至少一个位于所述足部构件的下面的每个角区域的触觉传感器,并且其中所述角区域形成两对横向基本上对准的角区域和两对纵向基本上对准的角区域。
3.根据权利要求2的方法,其中每个触觉传感器触感传感器。
4.根据权利要求2的方法,其中每个触觉传感器是传感器。
5.根据权利要求2-4中任意一个的方法,其中当一旦落脚构件的下面与地面接触而只从一些角区域的传感器接收到触发信号的时候,接收指示地面斜度变化的数据。
6.根据权利要求5的方法,其中所述地面斜度由纵向分量和横向分量组成,并且指示地面斜度变化的数据指示地面斜度的纵向分量的变化或地面斜度的横向分量的变化或二者皆有之。
7.根据权利要求6的方法,其中最大允许倾角或是斜面和纵向延长线与基本平线之间的最大允许角度,或是斜面和横向延长线与基本水平线之间的最大允许横压力角
8.根据权利要求7的方法,其中从至少一个只与两对横向地对准的角区域之一相关联的触觉传感器接收到的触发信号指示地面斜度的纵向分量发生变化,而从至少一个只与两对纵向地对准的角区域之一相关联的触觉传感器接收到的触发信号指示地面斜度的横向分量发生变化。
9.根据权利要求8的方法,其中移动一个或多个与所述外骨骼的落脚构件相关联的传动器来将所述足部构件向着最大允许倾角旋转的步骤包括围绕横穿过从其接收触发信号的对准角区域对的轴旋转所述足部构件。
10.根据权利要求9的方法,其中终止一个或多个传动器的运动的步骤包括终止运动,其根据从至少一个与一对对准角区域相关联的传感器接收的指示所述足部构件与地面的斜面对准的触发信号,而所述对准角区域对与旋转轴线横穿其的那对相对。
11.根据前述权利要求中的任意一个的方法,其中所述最大允许倾角被预定并保存在存储器中。
12.根据前述权利要求中的任意一个的方法,其中所述方法还包括在接收指示地面斜度变化的数据时暂停一个或多个传动器的运动的步骤。
13.根据前述权利要求中的任意一个的方法,其中所述方法还包括,在终止一个或多个传动器的运动步骤之后,存储指示地面的当前斜度的地面状态数据的步骤。
14.根据权利要求13的方法,其中存储指示地面的当前斜面的地面状态数据的步骤包括:
将所述足部构件的角度和来自与所述足部构件相关联的加速表的输入数据取平均;以及
并将平均角作为指示地面的当前斜率的数据而存储。
15.根据权利要求13或权利要求14的方法,还包括在移动一个或多个传动器之前和获得预编程的运动数据之后,根据所存储的指示地面的斜度的地面状态数据更新相关的传动器运动的步骤。
16.根据前述权利要求中的任意一个的方法,其中移动每个传动器包括改变传动器的长度,并且其中改变传动器的长度改变形成在外骨骼的体构件之间的相关关节的角度。
17.根据权利要求16的方法,其中移动一个或多个与落脚构件相关联的传动器以将足部构件向着最大允许倾角旋转的步骤包括下列步骤:
标识将足部构件与地面的斜度对准所需要的旋转轴和旋转方向;
由各个传动器的长度获得相关关节的角度;
使用所述足部关节的角度计算与所需要的旋转轴和旋转方向相关的外骨骼的足部关节的相对位置
确定与将所述足部构件旋转至最大允许倾角所要求的落脚构件相关联的足部关节的期望位置;
使用反相运动学来确定影响足部关节的位置的各个关节的期望位置;
从影响足部关节的位置的关节的期望位置确定期望关节角;
确定与各个期望关节角相关联的各个传动器的期望的长度变化;
并将与各个期望关节角相关联的各个传动器的长度向着传动器的期望长度变化改变。
18.根据权利要求17的方法,其中使用反相运动学的步骤包括使用相交圆的方法来确定影响足部关节的位置的关节的期望位置。
19.根据前述权利要求中的任意一个的方法,其中所述足部构件包括两个中间区域触觉传感器,用于提供关于足部构件的中央前后区域与地面的接触状态的信息,以提供升高的分辨率,从而将足部构件与地面对准。
20.一种用于控制外骨骼的方法,所述外骨骼由用户佩带并具有一个或多个与所述外骨骼的均对应于用户身体部分的各个体构件相关联的传动器,所述方法包括下列步骤:
接收指示期望的运动序列的输入数据;
从存储器获得指示实施所述运动序列所需要的一个或多个连续的指令的预编程的运动数据,各个指令与执行所述指令的相关传动器运动相关联;
根据存储的指示当前地面状态的调节数据更新相关的传动器运动;
并针对各个指令根据所述更新的相关传动器运动移动一个或多个传动器。
21.一种用于控制外骨骼的方法,所述外骨骼由用户佩带并且具有一个或多个至少与所述外骨骼的对应于用户足部的足部构件相关联的传动器,以针对地面斜度的变化调节所述足部构件,所述方法包括下列步骤:
在与足部构件相关联的着地指示期间接收指示地面斜度变化的数据;
移动一个或多个与足部构件相关联的传动器来向着最大允许倾角旋转足部构件;
并在接收指示所述足部构件与斜面对准的输入时终止与所述足部构件相关联的一个或多个传动器的运动。
22.一种用于控制外骨骼的方法,所述外骨骼用户佩带并具有一个或多个与所述外骨骼的均对应于用户身体部分的各个体构件相关联的传动器,所述方法包括下列步骤:
接收指示期望的运动序列的输入数据;
从存储器获得指示实施所述运动序列所需要的一个或多个连续的指令的预编程的运动数据,各个指令与执行所述指令的相关传动器运动相关联;
针对各个指令根据所述相关的传动器运动移动一个或多个传动器;
并且周期性地,根据当前指令通过下列步骤平衡一个或多个传动器的运动期间的外骨骼:
基于指示足部的一个或多个区域的压力的输入压力数据,确定所述外骨骼的至少一个接地足部构件的下面的实际压力中心位置,
获得与一个或多个传动器所根据其移动的当前指令相关联的期望的压力中心位置,并且将与所述接地足部构件的方向相关联的一个或多个传动器移动位置,这样将足部下面的所述实际压力中心转换为针对当前指令所期望的压力中心。
23.根据权利要求22的方法,其中所述周期性地平衡外骨骼的步骤在当前指令期间以预定时间步长出现。
24.根据权利要求23的方法,其中所述周期性地平衡所述外骨骼的步骤还包括:
确定当前时间步长的实际压力中心位置和期望的压力中心位置之间的压力中心误差;
为各个与接地足部构件的方向相关联的传动器确定后续时间步长所期望的传动器位置;
基于各个传动器的误差,为后续时间步长调节所期望的传动器位置;
并在后续时间步长期间将各个传动器朝着经过调节的传动器位置移动。
25.根据权利要求24的方法,其中当前时间步长所期望的压力中心位置在之前的时间步长中这样被决定:
在之前的时间步长的实际压力中心位置和所述指令所期望的压力中心位置之间插值;
并根据所述插值确定后续时间步长所期望的压力中心位置。
26.根据权利要求24或权利要求25之一的方法,其中确定后续时间步长所期望的传动器位置的步骤包括:
在实际传动器位置和由针对当前指令完成的传动器运动而产生的所期望的传动器位置之间插值;
并根据所述插值确定后续时间步长所期望的传动器位置。
27.根据权利要求24-26中任意一个所述的方法,其中为后续时间步长调节所期望的传动器位置的步骤包括:
使用所述压力中心误差确定传动器位置的变化;以及
并将传动器位置的变化与后续时间步长所期望的传动器位置相加以调节后续时间步长所期望的传动器位置。
28.根据权利要求27的方法,其中,所述使用压力中心误差确定传动器位置的变化的步骤是这样实现的:将所述误差送入比例积分微分PID控制器,其被安排输出传动器位置变化的指示。
29.根据权利要求22-28中任意一个的方法,其中移动一个或多个传动器包括改变一个或多个传动器的长度。
30.根据权利要求22-29中任意一个的方法,其中每个接地足部构件在接地足部下面的四个角上至少包括一个压力传感器
31.根据权利要求30的方法,其中确定所述实际压力中心位置包括步骤:
将由足部下面的四个角所定义的长方形区域划分为两个大三角形;
使用所述压力传感器输入确定各个大三角形的重心位置;
使用所述重心位置和压力传感器输入,在各个大三角形以内并大三角形的相关联的重心形成内部三角形;
确定所述各个内部三角形的重心位置;以及
并使用压力传感器输入和内部三角形的重心确定实际压力中心位置。
32.一种用于将由用户佩带的外骨骼在所述外骨骼的一个或多个传动器的相对运动期间保持平衡以执行预定指令的方法,该用于平衡的方法包括下列步骤:
基于指示足部的一个或多个区域的压力的输入压力数据,计算所述外骨骼的至少一个接地足部构件的下面的实际压力中心,
确定实际压力中心和所述预定指令所期望的压力中心之间的压力中心误差;
并且通过将足部下面的所述实际压力中心转换为所述预定指令所期望的压力中心来移动一个或多个传动器从而消除压力中心误差。
33.根据前述任意一个权利要求的方法,其中所述外骨骼包括:
i)包括用户安全设置的刚性骨盆支撑构件,所述安全设置用于将用户至少加固于所述骨盆支撑构件以可操作地支撑所述用户;
ii)第一腿结构和第二腿结构,第一腿结构和第二腿结构中的每一个与所述骨盆支撑构件接合并针对与用户的对应腿相邻的操作位置从其伸出,第一腿结构和第二腿结构中的每一个包括:
用于与用户的大腿接合的大腿结构构件,所述大腿结构构件在其第一端通过髋关节与所述骨盆支撑构件旋转轴地接合;
用于与所述用户的小腿接合的小腿结构构件,所述小腿结构构件在其第一端通过膝关节与所述大腿结构构件的第二端旋转轴地接合;
用于与用户的足部接合的足部构件,所述足部构件通过足部关节与所述小腿构件的第二端旋转轴地接合;
主臀部传动器,设置用于起动所述大腿结构构件相对于所述骨盆支撑构件围绕所述髋关节转动,以在使用中在前部/后部平面中旋转所述大腿结构构件;
膝盖传动器,被设置用于起动所述小腿结构构件相对于所述大腿结构构件围绕所述膝关节转动;和
主足部传动器,被设置用于起动所述足部构件相对于所述小腿结构构件围绕足部关节围绕基本上平行于膝关节的转动轴的转动轴转动;以及
iii)电源,可配置用于向所述主臀部传动器、膝盖传动器和主足部传动器中选择的至少一个或多个供电。
34.一种用于控制外骨骼的控制系统,所述外骨骼由用户佩带并具有一个或多个与所述外骨骼的均对应于用户身体部分的各个体构件相关联的传动器,所述控制系统包括:
用于接收指示期望的运动序列的输入数据的用户接口
存储器组件,用于存储指示实施所述运动序列所要求的一个或多个连续指令的预编程的运动数据,各个指令与用于执行所述指令的有关传动器运动相关联,用于针对各个指令根据相关传动器运动移动一个或多个传动器的传动器控制器,用于根据地面斜度变化的检测调节传动器运动的地面子系统,以及
用于周期性地调节外骨骼在一个或多个传动器相对运动期间的平衡的平衡控制子系统。
35.根据权利要求34的控制系统,其中所述控制系统从设置在外骨骼的足部构件下面的四个角区域的四个触觉传感器接收输入以检测地面斜度的变化。
36.根据权利要求34或权利要求35之一的控制系统,其中所述地面子系统被设置为:
确定将所述外骨骼的足部构件向着最大允许倾角旋转所需要的与所述足部构件相关联的一个或多个传动器的运动,以及
在接收指示所述足部构件与斜面对准的输入时终止与所述足部构件相关联的一个或多个传动器的运动。
37.根据权利要求34-36的任意一个的控制系统,其中所述平衡控制子系统从设置在外骨骼的足部构件下面的四个角区域的四个压力传感器接收输入。
38.根据权利要求37的控制系统,其中所述压力传感器输入启动平衡控制子系统以确定足部下面的压力中心位置,从而确定传动器运动所需要的调节,以针对特定指令将压力中心位置转换至期望的压力中心位置。
39.根据权利要求34-38中任意一个的控制系统,其中所述控制系统从足部构件的两个中间区域触觉传感器接收输入,所述传感器用于提供关于足部构件的中央前后区域与地面的接触状态的信息,以提供升高的分辨率,从而将足部构件与地面对准。
40.一种用于控制外骨骼的控制系统,所述外骨骼由用户佩带并具有一个或多个与所述外骨骼的均对应于用户身体部分的各个体构件相关联的传动器,所述控制系统包括:
用于接收指示期望的运动序列的输入数据的用户接口;
存储器组件,用于存储指示实施所述运动序列所需要的一个或多个连续的指令的预编程的运动数据,各个指令与执行所述指令的相关传动器运动相关联;
用于针对各个指令根据相关传动器运动,移动一个或多个传动器的传动器的控制器;
以及
用于根据地面斜度变化的检测调节传动器运动的地面子系统。
41.一种用于控制外骨骼的控制系统,所述外骨骼由用户佩带并具有一个或多个与所述外骨骼的均对应于用户身体部分的各个体构件相关联的传动器,所述控制系统包括:
用于接收指示期望的运动序列的输入数据的用户接口;
存储器组件,用于存储指示实施所述运动序列所需要的一个或多个连续的指令的预编程的运动数据,各个指令与执行所述指令的相关传动器运动相关联;
用于针对各个指令根据相关传动器运动移动一个或多个传动器的传动器控制器;
和用于周期性地调节外骨骼在一个或多个传动器相对运动期间的平衡的平衡控制子系统。
42.如权利要求34-41中任意一个所述的用于控制外骨骼的控制系统,包括:
i)包括用户安全设置的刚性骨盆支撑构件,所述安全设置用于将用户至少加固于所述骨盆支撑构件以可操作地支撑所述用户;
ii)第一腿结构和第二腿结构,第一腿结构和第二腿结构中的每一个与所述骨盆支撑构件接合并针对与用户的对应腿相邻的操作位置从其伸出,第一腿结构和第二腿结构中的每一个包括:
用于与用户的大腿接合的大腿结构构件,所述大腿结构构件在其第一端通过髋关节与所述骨盆支撑构件旋转轴地接合;
用于与所述用户的小腿接合的小腿结构构件,所述小腿结构构件在其第一端通过膝关节与所述大腿结构构件的第二端旋转轴地接合;
用于与用户的足部接合的足部构件,所述足部构件通过足部关节与所述小腿构件的第二端旋转轴地接合;
主臀部传动器,设置用于起动所述大腿结构构件相对于所述骨盆支撑构件围绕所述髋关节转动,以在使用中在前部/后部平面中旋转所述大腿结构构件;
膝盖传动器,被设置用于起动所述小腿结构构件相对于所述大腿结构构件围绕所述膝关节转动;以及
主足部传动器,被设置用于起动所述足部构件相对于所述小腿结构构件围绕所述足部关节围绕基本上平行于膝关节的转动轴的旋转轴转动;以及
iii)电源,可配置用于向所述主臀部传动器、膝盖传动器和主足部传动器中选择的至少一个或多个供电。

说明书全文

助动器的控制系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于适于支持行动残障者的助动器或助步器(WA)的控制系统。

背景技术

[0002] 行动障碍者,例如那些饱受截瘫之苦的人,常常被局限在轮椅上,而轮椅是他们行动的唯一方法。轮椅所提供的行动范围是有限的。此外,长期受困于轮椅还会造成健康问题。
[0003] 为了防止这样的健康问题,已经开发了多种训练系统来帮助行动障碍者锻炼他们的下肢,以帮助肌肉质量保持和提高循环。一些这样的训练系统包括非机动的支架系统,其由用户佩带以帮助他们执行运动练习。
[0004] 最近,人们提出用机动的或驱动的杆件系统、助步器和步态移动装置来协助行动障碍者完成日常的功能性运动活动,例如行走。这样的系统典型地包括外骨骼,其附着于用户并且包括具有与臀部、膝盖和踝关节连接的对应的大腿、胫骨和足部的大腿节。传动器被设为移动大腿节的大腿、胫骨和足部,并且所述传动器可由操纵杆或其它控制系统操作,以达到人的步态的效果。这样的系统会有稳定性问题,尤其是当移动经过不平坦的地面和当他们遇到其它外界干扰,包括用户的上身相对于所述外骨骼发生移动时。为了提高稳定性,典型地要求用户将拐杖和这样的驱动式助步器一同使用。
[0005] 本说明书中,已经对专利说明书、其它外部的文档或其它材料资源进行了参考,大体目的是提供用于论述本发明的功能的背景。除非另有特别的说明,在任何权限下,对外部文档所做的参考不应当视为承认这样的文档或这样的材料资源为先有技术或构成所述技术中的公知常识部分。
[0006] 本发明的目的是提供一种稳定的助步器,其在用户行动时能够完全支撑用户,或者至少为公众提供一种有用的选择。

发明内容

[0007] 第一方面,本发明大致可以说由一种方法构成,所述方法用于控制外骨骼,其由用户佩带并且具有一个或多个与所述外骨骼的对应于用户身体部分的各个身体构件相关联的传动器,所述方法包括下列步骤:接收指示期望的运动序列的输入数据;从存储器获得指示一个或多个连续的指令的预编程的运动数据,所述指令至少包括实施所述运动序列所需要的落脚指令,各个指令与执行所述指令的相关传动器运动相关联;针对各个指令根据所述相关的传动器运动移动一个或多个传动器;并依据指示地面斜度变化的接收数据调节所述落脚指令,所述调节的步骤包括:移动所述外骨骼的一个或多个与落脚构件相关联的传动器来向着最大允许倾旋转足部构件;并在接收指示所述足部构件与斜面对准的输入时终止与所述足部构件相关联的一个或多个传动器。
[0008] 优选地所述足部构件包括至少一个位于所述足部构件的下面的每个角区域的触觉传感器,并且其中所述角区域形成两对横向基本上对准的角区域和两对纵向基本上对准的角区域。
[0009] 优选地所述触觉传感器是触感传感器。或者,所述触觉传感器是传感器。
[0010] 优选地,当一旦落脚构件的下面与地面接触而只从一些角区域的所述传感器接收到触发信号的时候,接收所述指示地面斜度变化的数据。
[0011] 优选地,所述地面斜度由纵向分量和横向分量组成,并且指示地面斜度变化的数据指示地面斜度的所述纵向分量的变化或地面斜度的所述纵向分量的变化或二者皆有之。
[0012] 优选地最大允许倾角或是斜面和纵向延长线与基本平线之间的最大允许角度,或是斜面和横向延长线与基本水平线之间的最大允许横压力角
[0013] 优选地,从至少一个只与两对横向地对准的角区域之一相关联的触觉传感器接收到触发信号指示地面斜度的纵向分量发生变化,而从至少一个只与两对纵向地对准的角区域之一相关联的触觉传感器接收到触发信号指示地面斜度的横向分量发生变化。
[0014] 优选地,移动一个或多个与所述外骨骼的落脚构件相关联的传动器来将所述足部构件向着最大允许倾角旋转的步骤包括将所述足部构件围绕轴旋转,所述轴横穿从其接收触发信号的对准角区域对。
[0015] 优选地,终止一个或多个传动器的运动的步骤包括终止运动,其根据从至少一个与一对对准角区域相关联的传感器接收的指示所述足部构件与地面的斜面对准的触发信号,而所述对准角区域对与旋转轴线横穿其的那对相对。
[0016] 优选地,所述最大允许倾角是预定的并保存于存储器。
[0017] 优选地,所述方法此外包括在接收指示地面斜度变化的数据时暂停一个或多个传动器的运动的步骤。
[0018] 优选地,所述方法此外包括在终止一个或多个传动器的运动的步骤之后存储指示所述地面的当前斜度的地面状态数据的步骤。
[0019] 优选地,存储指示地面的当前斜度的地面状态数据的步骤包括:将所述足部构件的角度和来自与所述足部构件相关联的加速表的输入数据取平均;并将所述平均角作为指示地面的当前斜度的数据而存储。
[0020] 优选地,所述方法此外包括,在移动一个或多个传动器之前和获得预编程的运动数据之后,根据所存储的指示地面的斜度的地面状态数据更新相关的传动器运动的步骤。
[0021] 优选地,移动各个传动器包括改变传动器的长度,其中改变传动器的长度改变形成在外骨骼的体构件之间的相关关节的角度。
[0022] 优选地,对于上述实施例,移动一个或多个与落脚构件相关联的传动器以将足部构件向着最大允许倾角旋转的步骤包括下列步骤:标识将足部构件与地面的斜度对准所需要的旋转轴和旋转方向;由各个传动器的长度获得相关关节的角度;使用所述足部关节的角度计算与所需要的旋转轴和旋转方向相关的外骨骼的足部关节的相对位置;确定与将所述足部构件旋转至最大允许倾角所要求的落脚构件相关联的足部关节的期望位置;使用反相运动学来确定影响足部关节的位置的各个关节的期望位置;确定与影响足部关节的位置的关节的期望位置构成的期望连接角;确定所期望的与各个期望连接角相关联的各个传动器的长度变化;并将与各个期望连接角相关联的各个传动器的长度改变为传动器的期望长度变化。
[0023] 优选地,使用反相运动学的步骤包括使用相交圆的方法来确定影响足部关节的位置的关节的期望位置。
[0024] 优选地,所述足部构件包括两个中间区域触觉传感器,用于提供关于足部构件的中央前后区域与地面的接触状态的信息,以提供升高的分辨率,从而将足部构件与地面对准。
[0025] 第二方面,本发明大致可以说由一种方法构成,所述方法用于控制外骨骼,其由用户佩带并且具有一个或多个与所述外骨骼的对应于用户身体部分的各个身体构件相关联的传动器,所述方法包括下列步骤:接收指示期望的运动序列的输入数据;从存储器获得指示实施所述运动序列所需要的一个或多个连续的指令的预编程的运动数据,各个指令与执行所述指令的相关传动器运动相关联;根据存储的指示当前地面状态的调节数据更新相关的传动器运动;针对各个指令根据所述更新的相关传动器运动移动一个或多个传动器;
[0026] 第三方面,本发明大致可以说由一种方法构成,所述方法用于控制外骨骼,其由用户佩带并且具有一个或多个至少与所述外骨骼的对应于用户足部的足部构件相关联的传动器,以相对于地面斜度变化调节所述足部构件,所述方法包括下列步骤:在与足部构件相关联的着地指示期间接收指示地面斜度变化的数据;移动一个或多个与足部构件相关联的传动器来向着最大允许倾角旋转足部构件;并在接收指示所述足部构件与斜面对准的输入时终止与所述足部构件相关联的一个或多个传动器的运动。
[0027] 第四方面,本发明大致可以说由一种方法构成,所述方法用于控制外骨骼,其由用户佩带并且具有一个或多个与所述外骨骼的对应于用户身体部分的各个身体构件相关联的传动器,所述方法包括下列步骤:接收指示期望的运动序列的输入数据;从存储器获得指示实施所述运动序列所需要的一个或多个连续的指令的预编程的运动数据,各个指令与执行所述指令的相关传动器运动相关联;针对各个指令根据所述相关的传动器运动移动一个或多个传动器;并且周期性地,根据当前指令通过下列步骤平衡一个或多个传动器的运动期间的外骨骼:基于指示足部的一个或多个区域的压力的输入压力数据,确定所述外骨骼的至少一个接地足部构件的下面的实际压力中心位置,获得与一个或多个传动器所根据而移动的当前指令相关联的期望的压力中心位置,并将与所述接地足部构件的方向相关联的一个或多个传动器移动一个位置,以将足部下面的所述实际压力中心转换为针对当前指令所期望的压力中心。
[0028] 优选地,所述周期性地平衡外骨骼的步骤在当前指令期间以预定时间步长出现。
[0029] 优选地,所述周期性地平衡所述外骨骼的步骤还包括:作为实时步骤来确定实际压力中心位置和期望的压力中心位置之间的压力中心误差;为各个与接地足部构件的方向相关联的传动器确定后续时间步长所期望的传动器位置;基于各个传动器的误差,为后续时间步长调节所期望的传动器位置;并在后续时间步长期间将各个传动器朝着经过调节的传动器位置移动。
[0030] 优选地,当前时间步长所期望的压力中心位置在之前时间步长中这样被决定:在之前时间步长的实际压力中心位置和所述指令所期望的压力中心位置之间插值;并根据所述插值确定后续时间步长所期望的压力中心位置。
[0031] 优选地,所述确定后续时间步长所期望的传动器位置的步骤包括:在实际传动器位置和由针对当前指令完成的传动器运动而产生的所期望的传动器位置之间插值;并根据所述插值确定后续时间步长所期望的传动器位置。
[0032] 优选地,所述调节所述后续时间步长所期望的传动器位置的步骤包括:使用所述压力中心误差确定传动器位置的变化;并将传动器位置的变化与后续时间步长所期望的传动器位置相加以调节后续时间步长所期望的传动器位置。
[0033] 优选地,所述使用压力中心误差确定传动器位置的变化的步骤是这样实现的:将所述误差送入比例积分微分(PID)控制器,其被安排输出传动器位置变化的指示。
[0034] 优选地,移动一个或多个传动器包括改变一个或多个传动器的长度。
[0035] 优选地,各个接地足部构件包括至少一个压力传感器,位于所述接地足部下面的四个角上。
[0036] 优选地,确定所述实际压力中心位置包括下列步骤:将由足部下面的四个角所定义的长方形区域划分为两个大三角形;使用所述压力传感器输入确定各个大三角形的重心位置;使用所述重心位置和压力传感器输入,在各个大三角形以内并在大三角形的相关联的重心周围形成内部三角形;确定所述各个内部三角形的重心位置;并使用压力传感器输入和内部三角形的重心确定实际压力中心位置。
[0037] 第五方面,本发明大致可以说由一种方法构成,所述方法用于将由用户佩带的外骨骼在所述外骨骼的一个或多个传动器的相对运动期间保持平衡,以执行预定指令,所述用于平衡的方法包括下列步骤:基于指示足部的一个或多个区域的压力的输入压力数据,计算所述外骨骼的至少一个接地足部构件的下面的实际压力中心位置,确定实际压力中心位置和所述预定指令所期望的压力中心位置之间的压力中心误差;并通过将足部下面的所述实际压力中心转换为所述预定指令所期望的压力中心来移动一个或多个传动器从而消除压力中心误差。
[0038] 第六方面,本发明大致可以说由一种控制系统构成,所述控制系统用于控制外骨骼,其由用户佩带并且一个或多个与所述外骨骼的对应于用户身体部分的各个身体构件相关联的传动器,所述控制系统包括:用于接收指示期望的运动序列的输入数据的用户接口,存储器组件,用于存储指示实施所述运动序列所要求的一个或多个连续指令的预编程的运动数据,各个指令用于执行所述指令的有关传动器运动相关联,用于针对各个指令根据相关传动器运动移动一个或多个传动器的传动器控制器;用于依据地面斜度变化的检测调节传动器运动的地面子系统,和用于周期性地调节外骨骼在一个或多个传动器相对运动期间的平衡的平衡控制子系统。
[0039] 优选地所述控制系统从设置在外骨骼的足部构件下面的四个角区域的四个触觉传感器接收输入以检测地面斜度的变化。
[0040] 优选地,所述地面子系统被设置为:确定将足部构件向着最大允许倾角旋转所需要的、与所述外骨骼的足部构件相关联的一个或多个传动器的运动,并在接收指示所述足部构件与斜面对准的输入时终止与所述足部构件相关联的一个或多个传动器的运动。
[0041] 优选地,所述平衡控制子系统从所述外骨骼的足部构件下面的四个角区域处设置的四个压力传感器接收输入。
[0042] 优选地,所述压力传感器输入启动平衡控制子系统以确定足部下面的压力中心位置,从而确定将针对特定指令将压力中心位置转换至期望的压力中心位置传动器运动所需要的调节。
[0043] 优选地,根据权利要求34-38任意一个的控制系统,其中所述控制系统从足部构件的两个中间区域触觉传感器接收输入,用于提供关于足部构件的中央前后区域与地面的接触状态的信息,以提供升高的分辨率,从而将足部构件与地面对准。
[0044] 第七方面,本发明大致可以说由一种控制系统构成,所述控制系统用于控制外骨骼,其由用户佩带并且具有一个或多个与所述外骨骼的对应于用户身体部分的各个身体构件相关联的传动器,所述控制系统包括:用于接收指示期望的运动序列的输入数据的用户接口;存储器组件,用于存储指示实施所述运动序列所需要的一个或多个连续的指令的预编程的运动数据,各个指令与执行所述指令的相关传动器运动相关联;用于针对各个指令根据相关传动器运动移动一个或多个传动器的传动器控制器;和用于依据地面斜度变化的检测调节传动器运动的地面子系统。
[0045] 第八方面,本发明大致可以说由一种控制系统构成,所述控制系统用于控制外骨骼,其由用户佩带并且具有一个或多个与所述外骨骼的对应于用户身体部分的各个身体构件相关联的传动器,所述控制系统包括:用于接收指示期望的运动序列的输入数据的用户接口;存储器组件,用于存储指示实施所述运动序列所需要的一个或多个连续的指令的预编程的运动数据,各个指令与执行所述指令的相关传动器运动相关联;用于针对各个指令根据相关传动器运动移动一个或多个传动器的传动器控制器;和用于周期性地调节外骨骼在一个或多个传动器相对运动期间的平衡的平衡控制子系统。
[0046] 优选地,所述外骨骼包括:包括用户安全设置的刚性骨盆支撑构件,所述安全设置用于将用户至少加固于所述骨盆支撑构件以可操作地支撑所述用户;第一腿结构和第二腿结构,第一腿结构和第二腿结构中的每一个与所述骨盆支撑构件连接并针对与用户的对应腿相邻的操作位置从其伸出,第一腿结构和第二腿结构中的每一个包括:用于与用户的大腿接合的大腿结构构件,所述大腿结构构件在其第一端通过髋关节与所述骨盆支撑构件旋转轴地接合;用于与所述用户的小腿接合的小腿结构构件,所述小腿结构构件在其第一端通过膝关节与所述大腿结构构件的第二端旋转轴地接合;用于与用户的足部接合的足部构件,所述足部构件通过足部关节与所述小腿结构构件的第二端旋转轴地接合;主臀部传动器,设置用于起动所述大腿结构构件相对于所述骨盆支撑构件围绕所述髋关节转动,以在使用中在前部/后部平面中旋转所述大腿结构构件;膝盖传动器,被设置用于起动所述小腿结构构件相对于所述大腿结构构件围绕所述膝关节转动;和主足部传动器,被设置用于起动所述足部构件相对于所述小腿结构构件围绕所述足部关节围绕与所述膝关节的转动的轴线基本平行的旋转轴转动;和电源,被设置为向所述主臀部传动器、膝盖传动器和主足部传动器中选择的至少一个或多个供电。
[0047] 说明书和权利要求里所使用的术语″前部″是关于与人类用户的前端或前面相对应的方向,而术语″在前面″是因此而构建的。
[0048] 说明书和权利要求里所使用的术语″后部″是关于与人类用户的背后或后面相对应的方向,而术语″在后面″是因此而构建的。
[0049] 说明书和权利要求中所使用的短语″前部/后部平面″涉及从用户向前和/或向后延伸的平面。
[0050] 说明书和权利要求里所使用的术语″中间″是关于从用户的内臂朝着用户的身体向中心延伸的方向,而术语″在中间″是因此而构建的。
[0051] 说明书和权利要求里所使用的术语″侧向″是关于从用户的身体向外侧延伸的方向,而术语″侧向地″是因此而构建的。
[0052] 说明书和权利要求中所使用的短语″中间/侧平面″涉及从用户向中间和/或向侧边延伸的平面。
[0053] 所使用的术语″和/或″意指″和″或″或者″或二者皆有之。
[0054] 如名词后加上″s″意指名词的复数和/或单数形式。
[0055] 说明书和权利要求中使用的″包括″意指″至少部分包括″。当解释说明书和权利要求中包括术语″包括″的各个陈述时,除了所述术语作序的那个或那些之外的特征也可以存在。例如″包含″的相关术语应以同样的方式进行解释。附图说明
[0056] 仅通过举例并参考附图将对本发明的最优方案进行描述,附图中:
[0057] 图1显示带矫形器的WA的外骨骼形成部分的侧视图,示于第一实施例中,没有二级臀部传动器;
[0058] 图2是图1所示的外骨骼和矫形器的部分的前剖视图;
[0059] 图3是图1所示的外骨骼和矫形器的前视图;
[0060] 图4是支撑用户的图1的WA的前视图;
[0061] 图5是图1的外骨骼部分的足部构件区域的侧剖视图;
[0062] 图6是图5的后视图;
[0063] 图7是第二实施例的外骨骼部分的前剖视图,包括髋关节附近的二级臀部传动器;
[0064] 图8是图7的侧视图;
[0065] 图8a显示从前端看所述外骨骼的侧向运动传动器的示意图;
[0066] 图9显示足部构件的左侧透视图;
[0067] 图10显示图9的足部构件的底部视图;
[0068] 图11显示足部构件的右侧透视图;
[0069] 图12显示概略示出膝关节的偏移的膝关节侧视图;
[0070] 图13是通过WA的另一个实施例支撑的人的侧视图,包括二级臀部传动器;
[0071] 图14显示通过附着有覆盖物的WA支撑的人的侧视图;
[0072] 图15显示所述外骨骼的足部构件和小腿结构构件的后投影剖视图;
[0073] 图16显示所述外骨骼的较高的区域的侧视图,包括用于支撑上身相对于骨盘支架运动的上身控制延展;
[0074] 图17显示向前迈步姿势的WA的侧视图;
[0075] 图18显示包括二级臀部传动器的WA的后视图;
[0076] 图19显示被设为通过所述外骨骼保障用户安全的所述支架和支撑的细节前视图;
[0077] 图20显示所述外骨骼的膝盖区域的右剖视图,示出膝盖旋转偏移;
[0078] 图21显示优选的膝盖旋转偏移的后剖视图;
[0079] 图22显示膝盖旋转偏移的右前剖视图;
[0080] 图23显示带覆盖物的WA的侧视图,
[0081] 图24显示带覆盖物的WA的后视图,
[0082] 图25显示包括覆盖物和支撑所述用户的WA的前视图,
[0083] 图26显示步进姿势的WA的第三实施例的前透视图;
[0084] 图27显示支撑用户站立姿势的WA的第三实施例的前透视图;
[0085] 图28显示支撑用户站立姿势的WA的第三实施例的侧视图;
[0086] 图29显示WA的第三实施例的前视图;
[0087] 图30显示图26的髋关节附近区域的后视图;
[0088] 图31显示图26的髋关节附近区域的侧视图;
[0089] 图32显示图26的膝关节附近区域的后视图;
[0090] 图33显示图26的膝关节的前透视图;
[0091] 图34显示图26的髋关节附近区域的前透视图;
[0092] 图35显示图26的膝关节附近区域的侧视图;
[0093] 图36显示没有覆盖物处于站立姿势的WA的第三实施例的侧视图;
[0094] 图37显示没有覆盖物处于步进姿势的WA的第三实施例的侧视图;
[0095] 图38显示带覆盖物处于步进姿势的WA的第三实施例的侧视图;
[0096] 图39显示没有覆盖物处于坐姿的WA的第三实施例的前透视图;
[0097] 图40显示没有覆盖物处于坐姿的WA的第三实施例的前视图;
[0098] 图41显示WA的足部关节附近区域的前透视图;
[0099] 图42显示WA的足部关节附近区域的前视图;
[0100] 图43显示说明WA和用户的重心在步行运动期间步伐之间的移动的示意图;
[0101] 图44显示楔形泡沫材料包装设备;
[0102] 图45a-45j显示根据WA的控制系统的优选形式经历静态步进运动序列的外骨骼的模型;
[0103] 图46a-46e显示根据WA的控制系统的优选形式经历左侧动态步运动序列的外骨骼的模型;
[0104] 图47a-47e显示根据WA的控制系统的优选形式经历右侧动态步运动序列的外骨骼的模型;
[0105] 图48a和48b显示根据WA的控制系统的优选形式经历就座运动序列的外骨骼的模型;
[0106] 图49a和49b显示根据WA的控制系统的优选形式经历站立运动序列的外骨骼的模型;
[0107] 图50显示由地面子系统根据WA的控制系统的优选形式执行操作序列的流程图
[0108] 图51显示通过由图50的地面子系统使用的数学模型执行的操作序列的流程图;
[0109] 图52a和52b显示地面子系统中使用的外骨骼的模型的参考关节角度
[0110] 图53a和53b显示将由地面子系统计算的外骨骼模型的身体点基准位置;
[0111] 图54-58显示与参考外骨骼模型将外骨骼的足部与纵向地面斜度变化调准相关联的进程实例;
[0112] 图59-63显示与参考外骨骼模型将外骨骼的足部与横向地面斜度变化调准相关联的进程实例;
[0113] 图64显示由地面子系统根据WA的控制系统的优选形式而进行地面状态更新的进程的流程图;
[0114] 图65显示根据WA的控制系统的优选形式外骨骼的足部模型和平衡子系统的各个评价(interest)区的位置;
[0115] 图66显示根据WA的控制系统的优选形式由平衡子系统执行操作序列的流程图;
[0116] 图67a和67b显示分别用于平衡子系统的与传动器位置和压力中心位置相关联的线性插值的图表;
[0117] 图68显示当计算与WA的足部相关联的压力中心时由平衡子系统执行的操作序列的流程图;
[0118] 图69-72显示根据WA的控制系统的优选形式与由平衡子系统确定来计算足部的压力中心相关联的进程的实例;
[0119] 图73显示根据WA的优选形式的控制系统的缩略图

具体实施方式

[0120] 参考以上图示,其中相似的特征通常由类似的数字指示,可以是一种形式的助步器(WA)的设备通常由数字100指示,适用于可控制的助步器中的外骨骼通常由数字500指示。本说明书中词组助步器和助行器交替使用。另一种形式的设备可以认作医疗设备,它可以帮助减少运动残障者的腿不动的副作用,无论所述设备是否也能够以走路或步进方式移动用户。
[0121] 下面参考图1-44对WA的优选实施方式的机械结构进行详细描述。此后,参考图45a-73给出WA的控制系统的优选形式。
[0122] WA的机械结构
[0123] 参考图1-44,WA100适于在运动残障者进行与行走运动相关的一套运动时对其进行支撑。WA 100包括外骨骼500、电池组形式或其它类似机载电源组(未显示)连同其相关联的电力电缆(未显示)的电源,和控制系统(未显示)。
[0124] 外骨骼500包括刚性骨盆支撑构件或臀部框架15,其包括骨盘背带96和一对腿结构50(第一腿结构和第二腿结构)。臀部框架15需要具有相对较低的重量,同时具有高度刚性和操作中的低弯曲量。为此,臀部框架15由纤维塑造成具有内部空洞(未显示)的独立单元。可以设想臀部框架15还可以由玻璃纤维塑造。臀部框架15此外包括穿过其内部空洞的横向抗剪腹板
[0125] 各个腿结构50包括大腿结构构件10、小腿结构构件11、足部构件18、主臀部传动器16、膝盖传动器13和主足部传动器19。大腿结构构件10用于保障用户600的大腿610,大腿结构构件10在其第一端10a与臀部框架15由髋关节14旋转轴地接合。小腿结构构件11用于保障用户600的小腿620,小腿结构构件11在其第一端11a与大腿结构构件10的第二端10h由膝关节12旋转轴地接合。
[0126] 在一个实施例中,可以设想膝关节12将只允许大腿结构构件10和小腿结构构件11之间沿着单个平面进行相对旋转的移动。它将优选地使用辊轴承装置(未显示)来实现。然而,膝关节12可能会承受大的扭力或横向力,造成辊轴承装置上的轴向力。为此,可以设想膝关节还将包括止推轴承装置(未显示),设置用于抵抗膝关节12上的轴向力。
[0127] 所述大腿结构构件10和小腿结构构件11中的每一个包括以可调节扣件46形式的加固装置,用于将各个腿结构50在使用时加固于用户600的相关腿。可以想象扣件46可由柔软的网条或带子组成,并且可以包括可调节加固装置47,其可以是具有吊钩和环加固系统的带子形式,例如穿过扣的 或者,所述可调节加固装置可以包括标准扣、拉紧扣或扣形式。
[0128] 足部构件18用于保障用户600的足部630,足部构件18通过足部关节17旋转轴地接合于小腿结构构件11的第二端11b。各足部构件18均包括用于操作上引导用户的足部630运动的足部构件结构部件126。
[0129] 在一个实施例中,每个所述足部构件18均包括31,其可以与足部构件结构部件126可移动地接合,并且用户600可以把他们的脚放入所述鞋中。所述鞋31通过安全方式,例如别针方式、卡扣方式、卡口方式或任何其它适合的方式,可以方便地与足部构件结构部件126可移动地接合。鞋31相对于足部构件结构部件126的位置是可调节的,以允许用户的踝与足部关节17的旋转轴17A对准。
[0130] 在另一个实施例中,各足部构件18均包括足部接合构造34,用于间接地(即用户穿着鞋)与用户的足部630接合。足部接合构造34以可调节方式接合于足部构件结构部件126,以再次允许用户的600踝的定位
[0131] 主臀部传动器16被设置用于起动所述大腿结构构件10相对于臀部框架15围绕所述髋关节14的转动,从而(在使用中)在用户600的前部/后部平面中旋转所述大腿结构构件10。
[0132] 外骨骼500此外包括二级臀部传动器38用于各个腿结构50。二级臀部传动器38被设置用于在使用中起动大腿结构构件10在中间/侧面围绕臀部框架15和相对于用户600的转动。
[0133] 在优选方案中,二级臀部传动器38被设置用于起动大腿结构构件10在中间/侧面以大约29度的范围,并且更优选地向内大约11度和向外18度的范围转动。在替换实施例中,所述范围可以限于小于29度和/或根据特殊的应用所规定的适当地被分成向内地和向外地分量。
[0134] 膝盖传动器13被设置用于起动所述小腿结构构件11相对于所述大腿结构构件10围绕所述膝关节12转动。
[0135] 主足部传动器19被设置用于起动足部构件18相对于小腿结构构件11围绕所述足部关节17,基本上平行于膝关节12的转动轴12A的转动轴17A转动。
[0136] 此外,外骨骼500包括二级足部传动器39,用于各个腿结构50。二级足部传动器39被设置用于起动足部构件18在基本上中间/侧面中围绕足部关节17转动。各个二级足部传动器39被设置用于起动它的相关联的大腿结构构件10在中间/侧面内大约10度的范围,并且更优选地对于垂线两侧大约六个度的范围转动。
[0137] 所述电源被设置用于向传动器16、13、19、38和39供电。
[0138] 如随后所述,所述控制系统被设置用于控制主臀部传动器、二级臀部传动器、膝盖传动器、主足部传动器和二级足部传动器的运动。这将引起外骨骼500相对于所述助步器所定位于的地面的运动。当控制系统按照正确序列操作传动器时,行走运动可以通过外骨骼获得。当运动残障用户600安装于WA时,将使得用户600通过行走运动移动他们的关节和肌肉,从而帮助防止用户600的生理机能的恶化。
[0139] 重要的是,运动残障用户需要被支撑到他们自己所不能站立的程度。这样一来,运动残障用户可以说被″完全″支撑了。然而,当前的WA的重要的特征是它支撑运动残障用户处于使得他们自己的腿荷重导致他们的骨骼承受压力的姿势。典型地,运动残障用户的腿和髋骨随时间会损耗。这是因为当他们的骨骼没有承受规则的应力时会将矿物质从他们的骨骼中转移或吸取。除了削弱他们的骨骼以外,运动残障用户可能遭受矿物质转移造成的并发症,由于这些矿物质可以积聚在身体的其它部分,例如肾结石等等。
[0140] 让运动残障用户的骨骼在他们此外不会承受压力的地方承受压力,会帮助防止用户的骨骼恶化和从用户的骨骼中转移矿物质而积聚在用户系统的其它地方的后续并发症。此外,使得用户的腿的运动帮助促进血液流经他们的系统,这会带来相关的生理机能的益处。
[0141] 参考附图,图1和3大体上显示助步器(WA)100。WA100包括将用户600有效地支撑的可移动的机械框架或外骨骼500。它可以支撑和承载用户600。
[0142] WA100包括外骨骼500,其是由用户600穿在外面的骨架结构。它可以通过便携电源组(未显示)驱动,所述电源组优选的可由例如汽车或任何家用电源插座的电源充电。
[0143] 所述用户带束于外骨骼500并由其支撑。可见WA100是自支撑结构,其能够移动用户600。WA100包括骨盘背带96形式的用户安全装置,包括以将用户600的臀部舒适地固定于臀部框架15的支架、系绳、连接带、背带或网带,和确保用户的腿和/或足部固定于腿结构50的矫形器或可调节的扣件。在一个实施例中,所述支架包括矫形器4,其被定位、设置和设计以确保用户肢体和关节正确对准,并且还可以包括连接带或网带。
[0144] 以优选形式,WA通过用户经由通常定位于腰部高度的操纵杆2和键盘3进行控制。键盘3和操纵杆2可以由臂5支撑。它也能够旋转以在至少一个工作状态(例如在使用中水平地或向下垂直地延伸)和休息状态(例如垂直地延伸)之间移动。
[0145] 如随后所述,WA的所述控制系统可以被编程以接收指令并且按那些指令行动以移动WA。WA可以移动以实施向前走和向后走以及行走同时转向、拐进地方和向侧迈步。它也允许就座和站立。它也允许升高和降低坡面通过一个或多个平面。在WA的静态和动态操作期间,WA被控制以确保所述用户保持在平衡状态中。如随后所述,WA可以是其它的,也包括确保它可以例如自动调节至地面斜度的特征。
[0146] 参见图1-3,外骨骼500包括大腿结构构件10和小腿结构构件11。这些由膝关节12连接,所述膝关节定义旋转轴12A以允许大腿结构构件10和小腿结构构件11彼此相对旋转。旋转轴12A确保所述大腿结构构件和小腿结构构件可以彼此相对旋转但是只围绕一个旋转轴。
[0147] 大腿结构构件和小腿结构构件的围绕膝盖轴12A的运动可以由膝盖传动器13起动。膝盖传动器13在大腿结构构件和小腿结构构件之间的部分延伸,目的是起动大腿结构构件10和小腿结构构件11之间的相对旋转运动。
[0148] 膝关节12优选地位于大腿结构构件10的第一端10b。大腿结构构件10的第一端10a处是髋关节14,其将大腿结构构件10与臀部框架15旋转轴地接合。髋关节14定义髋轴14A,在使用中所述髋轴相对于用户位于或接近于臀部在前部/后部运动方向上转动的自然轴。在优选方案中,各个髋关节14相对于臀部框架15而被设置,而其旋转轴14A以零和10度之间的角度侧向向下延伸,更优选的为大约4度。旋转轴14A的倾角模仿人的大腿定位并示作图30中的角度。所述倾角意指WA 100的足部构件闭合在一起,这允许当WA 100被控制以通过行走运动移动时,重心(通常大约位于骨盆的中间)更加自然地转移至由足部构件18提供的支撑区域以内的点上。这在图43中将会进一步示出,相比于不具有这样的髋关节的旋转轴的倾角(虚线所示),其示出WA100的组合重心(由点C表示)和用户的移动如何在行走运动的各个步伐之间减少左右移动。
[0149] 髋关节14允许大腿结构构件10和臀部框架15之间的相对转动。这样的转动优选地主要围绕平行于膝盖轴12A的轴。然而髋关节14还允许大腿结构构件10相对于臀部框架15在中间/侧面方向上的转动,这在操作中将导致用户600的腿沿着中间/侧面的移动(例如腿向外张开)。该多轴旋转性能通过利用上升关节(rose joint)以定义髋关节14而变得更为方便。设想髋关节14(以上升关节的形式)可以通过一对横向对准的塑料、优选地为硬质塑料(例如聚四氟乙烯或者高密度聚乙烯)、设置在上升关节的两侧的套管(未显示)而限制于它的移动。连接至大腿结构构件10的垂直对准的凸缘(未显示)将被阻止于水平面上的旋转轴运动,这样至少部分地防止大腿结构构件10围绕它的纵轴旋转移动。
[0150] 在髋关节14,臀部框架的转动或者这里也指骨盆背带15相对于大腿结构构件10围绕与膝盖轴12A平行的转动,可以通过利用主臀部传动器16获得。
[0151] 设置于小腿结构构件11的第二末端11b(远离膝关节的那端)的是足部构件18。足部构件18能够凭借足部关节17相对于小腿结构构件11旋转。足部关节17优选地定义旋转轴17a,其平行于膝盖轴12A延伸。足部构件18围绕足部关节17相对于小腿支撑结构构件11在前部/后部平面中的旋转轴移动可以由足部传动器19来实现。正如所述髋关节,足部关节17可以是上升关节以促进它的多轴旋转性能。足部关节17可以允许足部构件18相对于小腿结构构件11具有多角度旋转运动。在优选方案中,可以构思足部关节17被设置用于提供小腿结构构件11在中间/侧面和前部/后部平面中围绕所述足部构件18的旋转轴移动,同时至少部分地防止小腿结构构件11相对于足部构件18围绕它的纵轴旋转移动。这样,对于旋转或者扭绞移动的限制以类似于髋关节14的方式实现,即由在上升关节的两侧插入由硬塑料材料制造的套管。在优选方案中,可以设想各个足部关节17相对于旋转轴17A而被设置,而旋转轴17A以零和6度之间的角度侧向向下延伸,更优选的为大约4度。
[0152] 可以设置二级足部传动器39并将其接合至足部构件18,以控制所述足部构件以基本上与其中主足部传动器19能够控制旋转的方向垂直的方向并基本沿着中间/侧平面进行旋转运动。二级足部传动器39可以与足部构件18的轴或杆臂40接合,以促进该旋转运动。
[0153] 参考图5-6,图5中示出所述设备的足部构件18、足部关节17和小腿结构构件11的近视图,其中可以看出由于二级传动器39的操作,足部构件18可以围绕所设置的副轴17b旋转。
[0154] 参考图7-8,可以看出主轴的转动围绕是轴14a,而副轴由轴14b限定,围绕轴14b的运动可以由二级臀部传动器38控制。
[0155] 考虑到使WA100适于用户以允许用户按照安全方式操作所述设备,重要的是确保髋关节14、膝关节12和足部关节17之间的间隔合适。合适的定位应该是这些关节尽可能与用户相对的天生关节对准。
[0156] 外骨骼500在由用户佩带时与用户600的相对位置由综合因素定义。所述用户优选地通过使用与所述外骨骼接合的矫形器(随后会有详细描述)加固于所述外骨骼。所述髋关节、膝关节和足部关节的位置的调节凭借大腿结构构件10和小腿结构构件11的有效长度的调节而获得。这样的调节可以通过螺旋扣形式的调节装置20实现,所述装置可以位于小腿结构构件11的第二末端并且螺旋扣21位于大腿结构构件10的第一末端。螺旋扣21可以允许髋关节14和膝关节12之间的距离变化,并且螺旋扣20可以允许膝关节和足部关节17之间的距离变化。在替换实施例中,所述长度调节可以通过插入伸长插入物而实现,所述插入物可以被旋入大小腿结构构件10、11。可以想到调节特征可以设置于其它地方,并且也可以其它形式,例如卡扣设置、卡口类型设置、伸缩的或其它设定关节之间距离的方法。这个调节可以允许一个设备供可能具有不同体型和尺码的用户使用。
[0157] 参考图12,示出膝关节12的侧视图。正如所见,在优选实施例中,大腿结构构件10在它的延长方向偏离膝关节12的旋转轴12a。小腿结构构件11通过轴12a伸出。这样正确地将膝盖旋转关节与用户的膝关节对准并且防止对用户600的膝盖造成损害。轴12a位于大腿结构构件10伸出位置的后面(用户向前行进)。WA膝关节的偏移复制并且匹配人类骨骼的形式,因此避免了任何对用户膝关节的压力或破坏。
[0158] 图2中,只显示部分外骨骼,参考图3,显示了完全的外骨骼,其中显示了双腿结构50a和50b。腿结构50由臀部框架15联合在一起。臀部框架15支持部分髋关节14,从而设置髋关节14彼此之间的固定间隔。臀部框架15优选地为刚性构件,其可以围绕用户的部分腰而设。优选地臀部框架15基本上围绕用户600的臀部区域的后面延伸。臀部框架
15也可以围绕用户的部分腰延伸。
[0159] 所述用户通过骨盘背带96由臀部框架支撑,所述背带可以包括可调节连接带或网带,其围绕用户的腿延伸并且根据情况由用户扣紧和解开。这样的网带可以有可调节的长度。它可以包括类似的吊钩和环扣紧系统,例如 用于方便用户轻易穿上和脱下WA。参考图4可见所述背带可以包括网带23。用户600可以由网带23环绕他们的腰部而束于臀部框架15,以确保用户紧紧固定于臀部框架15。此外,由例如楔状泡沫材料或泡沫塑料组成的包装装置101可以用来确保用户臀部框架15中的密配合。还可以设想包装装置101可以是膨胀的薄壁压力管(未显示)。
[0160] 对用户的进一步支撑由矫形器提供,其可以替代上述可调节扣件46或者与之结合。所述矫形器是矫形设计的连接支架,其帮助确保用户600不只被支撑而且还正确地在外骨骼以内对准,从而不损坏用户600的肢体或关节。它们可以包括网带或连接带以将用户固定在矫形器所形成部分的相对位置上。网带23还可以方便用户轻松穿脱WA和进行调节。
[0161] 所述矫形支架优选地与所述外骨骼接合和/或能够可解开地与其接合。参考图3,所述矫形器可包括大腿矫形器26和小腿矫形器27。这些可以通过所述外骨骼直接地彼此连接或者间接地彼此连接。例如参考图3,所述大腿矫形器26和小腿矫形器27可以在关节28处接合。所述矫形器可以经由连接器29与外骨骼500接合。
[0162] 所述连接器29紧紧地将所述矫形器固定至所述外骨骼。连接器29可以帮助矫形器与外骨骼500的可解开接合。这些可以有益于正常佩带矫形器的用户600。这使得这样的人能够更加迅速地将自己的与外骨骼500关联起来。它还允许这样的人能够以更加舒适的方式与外骨骼500关联,因为矫形器4已经在合适的位置与人接合。因此,用户600可以使用WA 100所设置的可调节扣件46或者通过利用设置的接口来使用他们自己的支架,所述接口可以由用户的矫形专业人员安装在用户的支架上。考虑到许多用户600具有特殊的矫形需求并且不能佩带普通的支架,用户必须能够与WA100交接。
[0163] 能够将矫形支架与WA 100解开并且常规地佩带所述支架,使用支架允许用户很快地穿脱所述设备,而无需改变所述支架。
[0164] 连接器29具有形状和配置以便在接合至所述外骨骼时即实现人的大腿和小腿的正确对准。连接器29可以是插入尾部装置或弹簧锁扣装置或其它方便快速地将矫形器与所述外骨骼接合和卸除。
[0165] 用户100可以穿着他们自己的鞋与所述外骨骼接合,所述鞋可以放置于各个足部构件18的平台30上。或者所述外骨骼包括鞋靴,例如用户600可以将他们的脚630放入的鞋31。鞋靴31可以保持永久地和外骨骼500接合,而用户可以将他们的脚放入所述鞋靴。
[0166] 所述鞋31优选地具有刚性框架,其外侧边缘带精确的键槽。所述键槽的反相在WA100上。当正确定位时,这两个部分彼此滑入对方,形成自动锁销以进行接合。所述装配的后面部分包括包含在所述鞋以内的传感器的所有电连接。所述鞋的正确对准确保完全的连接。所述自动销可以人工地或电子地断开。
[0167] 使用的线性传动器优选地是低压直流电传动器,通过所述传动器中的传感器具有定位反馈。所述传动器的低压特征很重要,因为使用起来安全并且在发生故障时不会伤害到用户。所述反馈传感器是相对应的,因为它们在任何时候给所述系统关于肢体的位置感应,并且可用于通过使用随后将描述的控制系统将肢体驱动至预编程的序列中的预定固定位置。典型地,通过驱动蜗轮(未显示)的电动机(未显示)从而使得传动器移动,接着引起传动器伸出或收缩。
[0168] 参考图16,示出本发明的WA的附加特征,使得所述设备适用于缺少上身强度和/或功能的用户。
[0169] 可以设置一个或多个躯干背带或上身支架92,其附于臀部框架15。上身支架92可以为具有限制上身控制的用户600设置。上身支架92可以包括框架或围腰,其被起动以移动用户的上身640从而帮助他们的平衡。在一个实施例中(未显示),躯干背带92可以与骨盘背带96连接。外骨骼500的一些或所有构件可以完全地或部分地由覆盖物98覆盖(如图14、23、25和38所示)。这些覆盖物98为安全、防水、防尘和美学目的而设,并且所述覆盖物98将要有足够的强度和稳定性以允许用户600通过使用所述覆盖物来支撑以穿脱WA。在一个实施例中,可以在覆盖物98中设置把手以便于用户600穿脱外骨骼500。
[0170] 在一个实施例中,所述外骨骼500被构建为坐姿(如图39和40所示)。例如,当外骨骼500处于坐姿时,所述覆盖物的表面99(例如图23所示,但是并非坐姿)将基本上横向地延伸。位于座位上的WA100则将给所述用户刚性表面以在穿脱所述设备时有所依靠。因而覆盖物98优选地以刚性方式和确保它们相对稳定的方式与所述外骨骼接合。覆盖物
98也可以(或代替)包括功能形状特征,其为了类似目的可以向用户提供扶手
[0171] 借助于矫形器支撑的使用,用户被非常限制或防止与所述外骨骼结构发生相对移动。人不能相对于所述外骨骼结构旋转他们的腿并且防止它相对于外骨骼结构纵向地或横向地移动他们的腿。
[0172] 参考图10,在一个实施例中,各个足部构件18在其底部装备有一个或多个触觉传感器,例如触感传感器或压力传感器(或二者)。这些传感器可构建为用于向控制系统提供信息以方便控制外骨骼500的运动。典型地它们是这样进行的,通过感测特殊的特性并且产生指示该特征的信号,并将所述信号传输至所述控制系统,以方便控制外骨骼500的运动。例如,所述触感或压力传感器将接触信息发送至控制系统的地面子系统,而压力传感器或者/还将信息发送至控制系统的平衡子系统,随后将详细进行描述。
[0173] 在优选的形式中,各个足部构件的底部装备有四个触感传感器66、67、68、69,每个位于或朝着底部的各个角区域。例如各个足部构件包括前端左触感传感器66、前端右触感传感器67;后端左触感传感器68,和后端右触感传感器69。各个触感传感器至少包括一个触觉或接触开关,其被设置为在所述底部的各个角接触地面的时侯触发。在所示的优选形式中,各个触感传感器通过三个分离的平行接入的触觉开关共同形成。可以想到的是各个触感传感器可以只用一个触觉开关操作,但是使用多个平行接入的开关提供了开关故障或误操作时的冗余。类似地,各个足部构件还装备有四个压力传感器,在足部的底部的各个角区域上有一个。在优选的形式中,各个压力传感器安装在各触感传感器后面。这些压力传感器被设置为测定足部构件18的各角区域正施加给表面的压力程度,或者甚至是施加给经过足部构件18的底部的地面的压力变化。在优选方案中,足部构件18上的所述触觉和压力传感器由防水盖(未显示)封装。
[0174] 在代替方式中,只提供压力传感器(即没有触感传感器)其向控制系统和尤其地分别向控制系统的地面和平衡子系统提供所需要的接触信号(在接触地面时触发)和压力信号(各个区域的压力程度)(将进一步详细描述)。
[0175] 在图10所示的优选形式中,足部构件18的底部还包括一个或多个中间区域触觉传感器71、72,其被设置为在下面接触到地或地面时触发。所述中间区域触觉传感器71、72至少包括一个触感或压力传感器,并且优选地由平行接入的三个触感或压力传感器行或列形成。所述两个中间区域触觉传感器71、72优选地基本上地沿着足部构件的中心纵轴定位。优选的形式,一个触觉传感器71设置在相对于中心横轴AA的底部的后半部分,而另一个触觉传感器72设置在底部的前半部分。操作中,中间区域触觉传感器的传感器输出向地面子系统提供附加的分辨率,以便将足部构件的底部的分布和对准与下面的地面联系起来。该附加接触信息可以由所述地面子系统利用,以帮助调节外骨骼运动序列以符合下面的地面,特别是在从倾斜地面到平地和从平地到倾斜地面之间的转变时。特别地,由中间区域触觉传感器提供的所述附加接触信息由所述地面子系统应用以帮助确定足部构件经过地面转变的幅度,即,脚下是否还有比倾斜-平地转变中的平地更斜的地面,例如或者脚下是否有更平的地,以便它基本通过所述转变。可以为平-倾斜地面转变获得相同的信息。可以想到所述中间区域触觉传感器71、72对所述控制系统来说不是必需的,但是确实在地面转变可能频繁的地方提供附加足部接触信息和分辨率以供应用。
[0176] WA还可以包括座位传感器(未显示),用于测定用户施加给WA的力。可以设想这些可以为应变仪(未显示)等等的形式。这些中的两个可以位于WA100的后面,各″大腿″区域中有一个。
[0177] 可以设想WA控制系统(未显示)被配置为经由人机界面设备1601接收用户输入,通过所述设备人与控制系统连接,并且可以通过感觉信号,例如声音、光或振动输入信息和接收信息。这样的人机界面设备的一些实例有控制盘(未显示)、键盘3、操纵杆2、触摸屏/液晶屏幕等等。
[0178] 所述控制系统包括人机界面设备1601。如上所述,各个传感器,包括传动器中的传感器,被配置为提供反馈信号,控制系统可以使用所述反馈信号以方便对传动器的控制。
[0179] 在优选方案中,控制盘4将用于人-机器接口。所述控制盘可在摆臂5上旋转。可以设想在一个实施例中,控制盘7包含薄键盘(3)、发光二极管(LED)灯(未显示)、操纵杆2和电池表(未显示)。可以使用其它适当的人机接口控制。例如,触摸屏(未显示)可以替换所述控制盘。
[0180] 优选实施例的键盘3还可以包括听觉蜂鸣器,以指示提醒和选择控制系统的输入和/或功能。可以设想LED可以用于多种用途,包括故障指示,以指示对电源充电,或指示正在使用应急电源(未显示)。LED还可以用作电池表,以提供主电池组中可用功率的指示,从所有LED点亮意指所述电池充电完全,到LED全灭意指所述电池需要充电。
[0181] 在替换实施例中,设置LCD屏幕来代替LED指示器并显示适当的设备状态信息,例如电池表和其它上述指示:
[0182] 操纵杆2将用作用户输入装置以向控制系统输入控制指令。
[0183] WA由便携电池组(未显示)供电。在优选方案中,所述电池组位于臀部框架的后面。或者,它们可以位于臀部框架中″肾″的位置和腿覆盖物98中″胫骨″的前面。所述电池系统是低压直流系统并且所述电池组可以从家用电源或车辆电源供给充电。至少所述传动器需要来自电池组的电力以允许它们起动。所述电池组是可拆卸的以便快速置换为相似功率或更大功率的另一个电池组。所述电池组可以便携地充电或者外在地在特殊设计的充电器中充电。
[0184] 典型地只有一部分电池组将被使用,万一这些耗尽将有听觉警报响起,并且控制面板上的视觉电池充电指示器将警告所述用户低的电池电源情况,然后WA能够自动地将电源切换到备用电池部分。或者在另一个优选方案中,所述控制面板将只是警告用户低电力情况,而不提供备用电池组以减轻重量。可以设想WA100将有助于恢复残疾用户的基本活动。
[0185] WA自身带有便携电源和控制系统并且可以通过车辆充电器或家用电源再充电。
[0186] WA的控制系统
[0187] 现在,参考图45a-73给出WA的控制系统的优选形式。举例来说,将结合图1-44所描述的外骨骼的优选实施例解释所述控制系统。然而,可以想到所述控制系统配置、方法和技术,特别是所述地面和平衡子系统,可以经变化而应用于其它具有相似控制功能和稳定性需求的助步器和外骨骼系统。
[0188] 可以想到所述控制系统可以实现于任何适当的硬件系统、平台或构造。所述硬件系统设置为WA机载的,并且优选地至少包括用于运行控制系统算法处理器处理器,用于存储控制系统算法和数据的存储器,和用于与其它WA构件通信并对其进行操作的接口电路,例如接收传感器信号和操作外骨骼传动器。可以想到所述处理器可以是任何形式的可编程硬件设备,是CPU、数字信号处理器、域-可编程阵列、微型控制器、专用集成电路等等。
[0189] 基于经由人-设备接口的用户输入和测定WA的例如地面改变的平衡和环境因素的传感器输入,所述控制系统控制外骨骼的传动器的状态和运动。当通电时,WA控制系统保持在静止状态,保持当前姿势并且等候用户经由控制盘的输入。所述用户输入被转化为一组命令值,其经由传动器控制器,例如一组电动机控制器,触发传动器的预编程的动作序列。优选形式的控制系统存储一系列预编程的序列,各个序列被设置为实施不同的运动,例如但不仅仅是步行、就座和站立。各个预编程的序列可以间断并由来自单独的平衡和地形感测子系统的环境变数进行调节,所述系统被设置为改变所述预编程的序列以调整至它的当前环境。
[0190] 所述预编程的序列被驱动为事件或事件序列/指令,其被确定为由传动器的物理位置和/或来自环境传感器的适当信号完成。通过具有预编程的时间和位置序列并且为环境进行调整,节约了计算时间和电源。
[0191] 参考图73,优选形式的控制系统包括人机接口1601、地面感测子系统1640、平衡子系统1630和电动机控制子系统1620。所述电动机控制子系统(即所述传动器控制器)与传动器1612连接。各个传感器1610、1611,包括在传动器1612中的传感器,提供反馈,比如所述传动器的位置。
[0192] 用户经由控制面板1601的输入由控制系统1690转化为预编程的命令。所述预编程的命令指引电动机控制器1620移动传动器1612。传动器传感器1616向控制系统提供反馈,以确保传动器的正确运动。取决于传感器输入,所述预编程的命令可以由平衡子系统1630和/或地面子系统1640进行改变。各个子系统与其它子系统分开操作,但是子系统之间经由例如网络或总线进行通信。
[0193] 下面将详述各个子系统和预编程的命令的实例。
[0194] 人机接口
[0195] 在优选方案中,可以将控制盘用于人机交互,它包含十二个薄键盘按钮、三个LED、操纵杆和电池表。可以使用其它适当的人机交互控制。例如,触摸屏可以替换所述控制盘。在另一种选择中,液晶屏幕可以替换LED和电池表,并且显示与所述设备相关的其它适当的状态信息。
[0196] 优选实施例的键盘包含″开/关″按钮,其将用于开启和关闭WA,″就座″按钮,其将用于使得WA坐下,″站立″按钮,其将用于使得WA站立,和″应急电池供给″,其将允许一旦主电源耗尽时应急电池来向WA供电。将有取消按钮来取消所选择的功能。将有″抬脚″和放下脚的功能用于坐姿。将有听觉蜂鸣器来指示某些功能的警告和选择。
[0197] 所述键盘包含三个LED:当WA中发生故障时LED之一将以恒速闪烁,当设备正在充电时LED之一将点亮,当正在使用应急电源时一个LED将点亮。
[0198] 电池表可以是LED序列,将提供主电池组中可用功率的指示,从所有LED点亮意指所述电池充电完成,到LED全灭意指所述电池需要充电。
[0199] 正如上面对替换实施例的描述,LED可以被液晶屏幕替换,其显示由LED及类似或其它方法提供的信息。
[0200] 操纵杆将用于控制WA的步行运动。操纵杆向前或向后方向的选择和快速释放将使得WA分别向前或向后静态步进,而保持操纵杆向前或向后较长时间将使得WA分别向前或向后动态步进。将操纵杆向左或向右按下将使得WA分别向左或向右走。对角线地向前或向后同时向左或向右按下操纵杆将使得WA转向对应方向。
[0201] 预编程的命令/序列
[0202] WA由用户通过人机接口控制。如前所述,优选方案的人机接口是键盘。在键盘上执行作业触发预编程的事件序列。这些序列是定时的、用角度量的运动系列,其恒定地将用户维护在平衡状态,如果该平衡状态被外部环境力乃至由用户运动扰乱,设备子系统中断并利用输入变量更新预编程的序列以针对环境因素进行调整。
[0203] 因此所述预编程的序列假设平地,即相对于运动方向来说纵向或横向均没有斜度。各个预编程的运动序列与要执行期望的运动所要求的多个连续的指令相关联。所述连续的指令在某种程度上离散地模仿人类关节需要的运动步骤,以执行特殊的运动序列。每个指令与某个执行所期望指令的相关传动器运动集合相关联。因此,控制系统必须存储每个预编程的序列、与该序列相关联的指令和每个指令需要的传动器运动。
[0204] 图45a-49b提供预编程的运动序列、与这些序列相关联的指令和要执行那些特定的指令所要求的相关传动器运动的实例。在下面的实例中,为了清楚起见概略示出图1-44的外骨骼500的模型700。所示箭头相应于传动器针对上述的指令的运动(或第一指令情况下从站立被控姿势进行的移动)。
[0205] 如图1-44对外骨骼500所述,外骨骼的关节角通过变化与特定的关节相关联的传动器的长度来改变。因此传动器701-710由箭头代表,以显示传动器是否在特定的指令期间伸长或缩短(所述指令随之改变相关联的关节以执行期望的运动)。如下列表1所示,各传动器701-710对应于外骨骼500的传动器19、39、13、16和38中的一个(与关节7、12和14相关联)。
[0206]模型700传动器 对应的外骨骼500传动器
传动器701 主左脚传动器19
传动器702 主右脚传动器19
传动器703 二级左脚传动器39
传动器704 二级右脚传动器39
传动器705 左膝传动器13
传动器706 右膝传动器13
传动器707 主左臀部传动器16
传动器708 主右臀部传动器16
传动器709 二级左臀部传动器38
传动器710 二级右臀部传动器38
[0207] 表1
[0208] 例如下面图45-49的运动序列实例,参照传动器701-710并且特别是它们的长度变化,如图中的相关箭头表示。
[0209] 步行-静态步进
[0210] 图45(a)-(j)中示出静态步进运动序列。静态步进需要每个腿走一步,从而外骨骼700以被控姿势站立(不会向左或向右倾斜),同时两腿彼此成直线(相邻)。在走步之前,WA会检测它是否处于站立姿势。WA和用户的组合重心首先移至侧边,直接在一只脚上面。所述系统将确保所述重心直接在脚上。另一个腿将抬起并向前移动,然后放在地上,位置在第一支脚的前面。接下来WA和用户的组合重心移至另一侧,直接在已向前移动的脚上,然后另一只脚抬起并向前移至与第一只脚成直线的位置,并在此位置落地。
[0211] 图45所示的特定实例显示右腿引导所述静态步进。可以想到用于引导左腿运动的类似程序序列也可以通过简单地改变一些指令的顺序而由系统存储。此外,所示实例是向前步进,可以想到向后步进也可以通过相应地变化指令而预编程,这对本领域技术人员是显而易见的。
[0212] 因此下面的指令是为图45的静态步编程序列(右腿引导向前)所存储的:
[0213] i)向左倾斜外骨骼700(图45(a)),
[0214] ii)向左倾斜骨盆(图45(b)),
[0215] iii)抬起右腿并向前移动(图45(c)),
[0216] iv)将右腿放在地面上(图45(d))以便右腿比左腿靠前,
[0217] v)将外骨骼700(用户在其中)的重量向右转移,将外骨骼700定位于被控姿势(图45(e)),
[0218] vi)继续将重量向右转移,以将外骨骼700定位于右侧位置(图45(f)),[0219] vii)向右倾斜外骨骼700的骨盆(图45(g)),
[0220] viii)抬起左腿并向前移动(图45(h)),
[0221] ix)将左腿放在地面上(图45(i))以便左腿与右腿相邻,并且
[0222] x)将外骨骼700(用户在其中)的重量向左转移,将外骨骼700定位于被控姿势(图45(j))。
[0223] 因此系统机载存储器会为上述每个指令相对于每个运动序列存储有关的传动器运动。图45(a)-(j)中只示出了那些改变长度的传动器。双面箭头表示相关传动器的长度的增加/扩展;和两个彼此相对的箭头表示相关传动器的长度的缩短/收缩。例如,要实施静态步进运动序列的左侧倾斜指令(i),传动器701-710需要相对它们的被控姿势/站立状态(即例如图45(j)所示的指令之后所达到的状态)进行移动,通过:
[0224] 伸长传动器701、702、704、706和709,
[0225] 缩短传动器703、705、707、708和710。
[0226] 类似地,静态步进序列的其余指令(ii)-(x)需要如图45(b)-(j)所示的传动器运动(针对从上述指令产生的传动器长度)。
[0227] 仅仅举例来说,下面的表2显示在图45的静态步进运动序列期间十个传动器701-710的相对长度变化。这些长度变化的变量指标将针对每个指令进行存储并被发送至发动机控制系统,以及当静态步进运动序列由用户经由例如用户接口启动时的每个后续指令要求。
[0228] 表2中的负值指示传动器相对于前一指令结束时它的长度有所缩短,而正值指示传动器伸长(也是相对于前一指令结束时它的长度)。
[0229]
[0230] 步行-动态步进
[0231] 图46(a)-(e)中示出左动态步进运动序列,而图47(a)-(e)中示出右动态步进运动序列。当用户想要连续地步行而不是挪动一步的时候将使用所述动态步进序列(用户可以通过例如将用户接口的操纵杆保持为向前位置来命令这些序列)。所述控制系统通过在左右动态步进之间进行交替来执行动态步进序列。
[0232] 在走步之前,WA会检测它是否处于站立姿势,WA和用户的组合重心首先移至侧边,直接在一只脚上面。另一个腿将抬起并向前移动,然后放在地上,位置在第一支脚的前面。接下来WA和用户的组合重心移至另一侧,直接在已向前移动的脚上,然后另一只脚抬起并向前移至第一只脚前面的位置,并在此位置落地。在用户将操纵杆保持在适当命令位置时这些序列将重复,当操纵杆被松开时,下一次落脚将与前面的脚成直线(相邻),从而使得用户位于停止的站立姿势,双脚成一线。
[0233] 图46(a)-(e)所示的左动态步进包括下列连续的指令集合:
[0234] (i)将外骨骼700的重量(用户在其中)向左转移,以将外骨骼700定位于左倾姿势(图46(a)),
[0235] (ii)将外骨骼700的骨盆向左倾斜(图46(b))
[0236] (iii)抬起右腿并向前移动(图46(c)),
[0237] (iv)将右腿放在地面上(图46(d))以便右腿比左腿靠前,
[0238] (v)将外骨骼700(用户在其中)的重量向右转移,将外骨骼700定位于被控姿势(图46(e)),
[0239] 图46(a)-(e)显示为实施上述左动态指令(i)-(v)分别需要的有关传动器运动。
[0240] 图47(a)-(e)所示的右动态步进包括下列连续的指令集合:
[0241] (i)将重量向右转移,以将外骨骼700定位于右侧位置(图47(a)),
[0242] (ii)向右倾斜外骨骼700的骨盆(图47(b)),
[0243] (iii)抬起左腿并向前移动(图47(c)),
[0244] (iv)将左腿放在地面上(图47(d))以便左腿与右腿相邻,并且
[0245] (v)将外骨骼700(用户在其中)的重量向左转移,将外骨骼700定位于被控姿势(图47(d))。
[0246] 图47(a)-(e)显示为实施上述右动态指令(i)-(v)分别需要的有关传动器运动。
[0247] 下页表3显示一个动态步进序列(右动态步进接左动态步进)中有关传动器长度变化的实例。
[0248]
[0249] 就座
[0250] 在就座序列启动之前,WA会检测它是否处于站立姿势。当用户启动就座序列时,就座传感器会被启动。传动器慢慢地降下WA,同时保持WA和用户的组合重心直接落在脚上,以确保稳定性,然后WA慢慢地降下直到后部覆盖物/就座传感器接触座位的表面。
[0251] 图48(a)和48(b)显示与就座命令相关的指令。这些是:
[0252] (i)向前降低重心(图48(a)),和
[0253] (ii)将重心转移到座位上(结果为图48(b)的坐姿)。
[0254] 下面的表4显示执行由上述指令(i)和(ii)定义的就座序列需要的有关传动器运动(从站立姿势开始)。
[0255] 站立
[0256] 在站立序列启动之前,WA会检测它是否处于坐姿。当用户启动站立序列时,就座传感器会被启动。传动器将抬起用户的大腿直到后部覆盖物传感器不再与座位表面接触。然后传动器将用于将WA和用户的组合重心直接转移到用户的脚上。然后WA将伸直变为站立姿势,同时一直保持WA和用户的组合重心直接落在用户的脚上,以确保WA稳定。
[0257] 图49(a)和49(b)显示与站立命令相关的指令。这些是:
[0258] (iii)将重心移开座位(图49(a)),和
[0259] (iv)将重心向前抬起(结果为图49(b)的站立姿势)。
[0260] 下面的表5显示执行由上述指令(i)和(ii)定义的就座序列需要的有关传动器运动(从坐姿势开始)。
[0261]
[0262] 上面的表2-5显示执行上述运动序列的特定指令需要的有关传动器长度实例。例如指示这些长度的值/变量的数据将针对每个运动序列的每个相关的指令存储,以预编程WA的控制系统。在要求特定的运动序列时,与所述序列的第一指令相关的值/变量将被发送至发动机控制系统,然后其通过相应地变化传动器701-710的长度执行所需要的指令。在完成第一指令时,与第二指令的传动器长度相关的变量/值被发送至发动机控制系统,其于是再次相应地执行所需要的指令。这些进程为所述序列中的所有指令进行重复。除与指令相关的值/变量之外,WA存储指示在下一步之前分配给每个指令的时间的时间数据。
[0263] 显然,上面的表里提供的传动器长度只是实例,并且根据WA的特定尺寸和应用可以变化。此外,可以想到预编程的序列的概念可以用于许多其它运动序列,例如拖着脚走和递升/递降(用于阶梯),并且这样的其它序列不应当被排除在本发明的范围之外。这些其它序列的用于离散地模仿人体自然步进的指令和相关传动器运动可以被脱机确定并且编程输入WA以增加外骨骼的多用性。
[0264] 地面和平衡子系统
[0265] 优选形式的控制系统包括两个子系统,即地面子系统和平衡子系统。所述地面子修改预编程的序列以在WA移动例如在不平坦或倾斜的地面上行走时将其稳定。平衡子系统实时修改传动器位置,以确保WA的压力中心在行走序列期间处于支撑多边形以内。现在将分别描述地面和平衡子系统的优选形式的构造,但可以想到它们在优选形式的控制系统中可以协调操作。
[0266] 地面子系统
[0267] 如参考图10所述,优选形式的外骨骼在WA的每个足部构件的底部使用四个触觉传感器,例如触感传感器(瞬间通电),以检测WA之下的地面。当所述设备上的集合点接触地面的表面时所述触感传感器触发。在优选形式中,有四个触感传感器与每个足部相关联;一个位于左前部,一个位于左后部,一个位于右前部和一个位于右后部,即足部的底部的每个角区域中有一个触感传感器。相对于足部的方向,这四个传感器提供足部以下表面的斜度的指示。所述角区域横向形成两对基本上对准的角区域和纵向形成两对基本上对准的角区域。优选地,当一旦落脚构件的下面与地面接触,而只从一些角区域的传感器接收到触发信号的时候,接收指示地面斜度变化的数据。例如,如果依据足部在表面上的位置全部四个传感器触发,则足部的方向与所述表面的斜度相同(即足部的方向与地面斜度的横向和纵向分量一致),并且WA不需要为地面进行调整。然而如果在腿下降到表面上时只有两个前端传感器触发,则所述表面的斜度在纵向大于足部的方位角,并且足部需要为地面进行调整。可以想到在替换实施例中,如果特定应用要求,可以在足部的每个部分使用多个传感器。
[0268] 如上参考图10所述,优选形式的足部构件18还可以包括两个中间区域触觉传感器。这些传感器提供关于每个足部构件的中间或中心前后区域与下面的地面的接触状态的信息。由中间区域触觉传感器提供的附加接触信息向地面子系统提供附加的分辨率,以便将足部构件与下面的地面对准。这样的信息使能所述地面子系统来计算足部构件经过地面转变的幅度,例如从斜地-平地或从平地-斜地。例如,取决于哪些中间区域触觉传感器被触发,所述地面子系统可以确定足部构件是在地面转变的开始、中间还是结尾。这些信息能被地面子系统使用以调整运动序列来更加有效地处理地面转变,并且可以控制系统的某些方式使用。
[0269] 在替换实施例中,所述触觉传感器可以是压力传感器,其按照与上面对触感传感器的描述相似的配置进行设置。所述压力传感器能够提供指示足部的底部(下面)和地表面之间的接触的输出。在下文中,地面子系统将涉及触感传感器或瞬间通电。然而可以想到,替换的压力传感器形式可以被代替使用,而无需改变控制子系统的操作方法。
[0270] 图50示出与优选形式的控制系统的地面子系统相关联的程序流800。在WA的正常操作过程中,经由如上所述的用户接口用户拥有选择特定的运动序列的选项。一旦用户在步骤805选择所期望的运动,一系列系统检测会由WA系统执行(或者可以发生临时转换为故障检测子系统或类似的要执行这些检测的情况)。步骤810的系统检测可以包括,但不限于,下列中的任意一个或多个:
[0271] -检查系统故障状态。
[0272] -检测电池水平是否足够完成所述命令。
[0273] -检测WA特别是传动器的当前位置。
[0274] -检测当前物理状态的正确性。
[0275] -检测当前期望的运动序列需要的传感器输出的正确性。
[0276] 取决于使用的系统的复杂性或取决于用户选择的特定的运动序列,可以执行其它系统检测。
[0277] 如果没有故障并且系统确信选择的特定运动序列可以被恰当地处理而没有较大的失败险,则包含对应的运动地图或指令序列(例如上述的就座、站立、步行和拖着脚走)的预编程的数据从存储器加载到电动机控制子系统中。在指令系列被发送至电动机控制器(或是如果没有使用发动机控制系统则直接发送至传动器)之前,基于当前地面状态对它们进行调整(步骤820)。所述预编程的运动序列数据假设为平地。地面子系统更新和存储当前地面状态,以更新运动序列数据并对其进行调整以符合当前地面。
[0278] 相对于平地,当前地面状态按照角度被存储为补偿数据。当前地面相对于平地的方向可以由纵向(沿着外骨骼的运动方向)的偏角和横向(与外骨骼的运动方向大约成直角)的偏角代表。在初始的或下一指令发出至发动机控制系统之前,当前存储的补偿地面数据由度数转换成对应的传动器长度。使用地面子系统内存储的传动器长度对度数的关系来进行所述转换。在优选形式的外骨骼中,传动器703、704、709和710(由图45-49)由横向地面状态(横向偏角)修改,而传动器701和702由纵向地面状态(纵向偏角)修改。传动器705、706、707和708将保持不变。如果当前地面是平地,则补偿数据将设为零,或者设置标记以指示不需要更新。一旦指令值被调整(或者如果这样的话没有需要更新的标记被返回),它们被发给所述电动机控制器或直接发给执行更新指令825的传动器。发送给传动器的指令数据通常包含十个传动器的预定位置(或传动器长度的变化)和用于执行所述指令所期望的时间周期。
[0279] 预编程的序列数据包含用于整个运动序列的指令系列。除时间和期望的传动器位置之外,每个指令还包括固定足部和腿向下标记(或落地足部指令标记)。固定足部标记指示是左脚或右脚还是两者固定于地面,并且它用于WA模型计算,随后会详细说明。如果指令是腿要向下的那个,则腿向下标记(或落地足部指令)示意。当腿向下标记是真(步骤830),地面子系统启动。
[0280] 当未固定的足部(由固定足部标记确定)的一个或多个触感传感器触发时,地面子系统暂停WA上的所有传动器。如果未固定的足部是平的,即每个角的所有四个触感传感器同时触发,以便足部与下面的地面在纵向和横向上都对准,则不需要更新地面状态,并且WA将退出地面子系统而继续移动传动器和完成所述指令。然而,如果足部不是平的835(即所有四个触感传感器不同时触发,指示足部没有完全与下面的地面对准),在传动器运动暂停,所有传动器的当前位置被存储并发送至WA数学模型。
[0281] 所述地面斜度由纵向分量和横向分量组成,并且从触感传感器收到的指示地面斜度变化的数据将指示地面斜度的纵向分量的变化或地面斜度的横向分量的变化或二者皆有之。从至少一个只与两对横向对准的角区域之一相关联的触觉传感器接收触发信号指示地面斜度的纵向分量发生变化。类似地从至少一个只与两对纵向对准的角区域之一相关联的触觉传感器接收触发信号指示地面斜度的横向分量发生变化。所述足部围绕横穿接收触发信号的那双对准角区域的轴向最大允许角度旋转,以将足部与已经变化的斜度分量对准。取决于已经改变斜度分量,最大允许倾角或是斜面和纵向延长线并基本水平的线之间的最大允许角度,或是斜面和横向延长线并基本水平的线之间的最大允许横压力角。当从至少一个与旋转轴经过的那对相对的那双对准角区域相关联的传感器接收触发信号时,足部的旋转轴运动结束。这指示足部构件与地面的斜度对准。
[0282] 所述WA数学模型(840)将用于控制所述传动器以将未固定足部朝着最大允许地面斜度调整(或横向或纵向或两者都有),直到全部四个触感传感器触发(即直到足部是平的845)。新传动器长度(当足部相对地面是平的时候)然后被转换为角度,足部的角度表示当前斜度的角度。因此,当前地面状态可以用新斜度值更新850。
[0283] 在优选方案中,除了由足部角度计算得出的斜度值之外,也可以从足部在纵向和横向方向上读取加速表倾斜读数,将其与纵向和横向斜度计算平均,以更加准确地更新地面状态。
[0284] 一旦地面状态被更新,WA等待传动器来完成对当前指令855的执行,然后处理下一指令860(如果有的话)。对于下一指令,新的更新地面状态数据被用于调整820指令的预编程的传动器数据。
[0285] 现在将参考图51的流程图和图52-63的实例图详细说明WA数学模型的优选形式。
[0286] WA的数学模型
[0287] 图51显示用于将足部与地面对准的优选方法的流程图900。在传动器已经暂停之后(如上步骤835),地面子系统识别四个传感器中的哪个被触发(步骤911)。这提供了要旋转足部所要求的一个或多个方向的指示,以便足部与地面斜度一致。例如,如果只有两个前部传感器触发,则足部需要沿顺时针方向绕足部的前端旋转。类似地,如果只有两个左侧传感器触发,则足部需要沿顺时针方向绕其左侧旋转。足部旋转的幅度通过当从所有四个传感器接收信号时完全地停止转动来决定,即足部旋转直到所有四个传感器触发,这指示平的足部与地面斜度一致。可以想到取决于地面斜度的变化,足部可以需要在纵向、横向或两者方向上旋转。
[0288] 为了恰当地旋转足部,WA数学模型需要先获得外骨骼中十个关节的角度(步骤915)。图52a和52b显示图1-40的外骨骼500和需要计算的十个关节角901-910的模型。
图52a显示侧面的外骨骼和关节纵向形成的角度。图52b显示后面的外骨骼和关节横向形成的角度。下面的表6显示图52a和52b的关节角901-910和外骨骼500的对应关节(图
1-40)以及它们围绕旋转所形成角度的轴之间的关系。
[0289]关节角 对应的关节和旋转轴
901 17围绕轴17A旋转(左脚-见图5)
902 17围绕轴17A旋转(右脚-见图5)
903 17围绕轴17B旋转(左脚-见图6)
904 17围绕轴17B旋转(右脚-见图6)
905 12围绕轴12A旋转(左腿-见图2)
906 12围绕轴12A旋转(右腿-见图2)
907 14围绕轴14A旋转(左臀-见图7)
908 14围绕轴14A旋转(右臀-见图7)
909 14围绕轴14B旋转(左臀-见图8)
910 14围绕轴14B旋转(右臀-见图8)
[0290] 表6
[0291] 关节角901-910可以使用简易的线性关系由传动器701-710的长度计算。下面表7给出这样的关系实例,然而可以想到所使用的值取决于外骨骼系统组成部分(即关节和传动器的类型和尺寸)。
[0292]关节 角度变化率(关节角的每度传动器的延伸(mm))
901和902 1.1664(传动器701和702)
903和904 0.902(传动器703和704)
905和906 1.146(传动器705和706)
907和908 1.0581(传动器707和708)
909和910 0.8623(传动器709和710)
[0293] 表7
[0294] 在WA数学模型由传动器长度计算关节角之后,以迭代的方式计算全局X、Y和Z坐标以获得外骨骼的某些身体点(步骤930)。图53a和53b显示和标有身体点971-981的图52a与52b中相同的模型。在这个特定实例中身体点977-981的xyz坐标被希望表示传动器已经暂停的时候未固定足部的当前位置。身体点972-981的XYZ位置是相对于固定足部身体点971而计算的。计算方法是迭代的,并且它接连计算身体点972-981相对于足部固定(于地面)的身体点971的XYZ坐标。
[0295] 使用四元法获得″全局″X、Y和Z坐标的计算方法。所述计算开始于XYZ(1),其位于腿的踝关节并且其″固定足部标记″开启;这是图53a中的第一身体点971。XYZ(1)被初始化为全局X、Y、Z坐标系的基准零坐标,即X=0,Y=0和Z=0。在矢量式中,这是:
[0296]
[0297] 身体点972经历两次旋转以达到它的当前位置,转动角度901(由传动器701产生)和转动角度903(由传动器703产生)。角度901与903在图52a与52b中可见。
[0298] 在旋转角度θi之后第n个身体点的位置(其中身体点971是第一身体点,身体点972是第二个等等)由下式给出:
[0299]
[0300] (等式1.1)
[0301] 其中:n=表示第n个身体点
[0302] i=关节角数字
[0303] W=cos(θi/2)
[0304] X=i*sin(θi/2)
[0305] Y=j*sin(θi/2)
[0306] Z=k*sin(θi/2)
[0307] i=X轴方向单位矢量,
[0308] j=Y轴方向单位矢量,
[0309] k=Z轴方向单位矢量
[0310] 等式1.1针对第二身体点972使用两次,一次使用i=901,一次使用i=903,分别对于关节角901与903。n在计算身体点972的新XYZ位置之后增加。该进程在达到最后一个身体点(身体点980)时结束。然后可以使用角度904与902相对于身体点979计算身体点981。
[0311] 一旦所有身体点(971-981)的位置已经在X、Y和Z坐标结构中计算,则接触地面斜度的足部(图53中的身体点976、977、978、979、980和981)的XYZ坐标被转换以获得最大允许地面斜度。最大允许地面根据外骨骼参数和性能被预设,而外骨骼能根据该最大允许地面进行移动。优选形式中,最大允许地面由两个参数组成,一个说明纵向最大允许角度,一个说明横向最大允许角度。下面将仅仅通过举例说明如何获得最大允许地面。然而可以想到该技术可以由控制系统恰当地适用于临近的情况,所论述的值和变量通过举例的方式给出。
[0312] 获得最大纵向角:
[0313] 当后部开关或前部开关被启动,但并非二者都启动时,检测到纵向斜度发生变化。理论上,两种情形下要获得最大纵向角所要求的事情次序相同。
[0314] 图54显示实例,其中由于落地脚和地面的纵向斜度之间的角度的差别,前端开关(之一或两个)启动,而非后部开关。如上所述,当触觉开关启动时,传动器暂停。身体点976、977和978的XYZ坐标由地面子系统使用以定义两个矢量,V1和V2,如图54所示(图
51的步骤935)。V1和V2初始于接触地表面的足部的点。在图54的情况下,是身体点978。
所述矢量V1在纵向延伸结束于踝部分(实例中身体点976),V2结束于足部的另一端(实例中身体点976)。
[0315] 因此为数学模型上面的身体点坐标使用矢量符号需要定义为:
[0316]
[0317]
[0318] 一旦所述两个矢量已经确定,则数学模型将试图使这些矢量旋转至最大允许角度。一组单位矢量,i、j和k由所述模型使用以为矢量V1和V2定义旋转轴(图54中矢量j的方向是朝着纸面向里)。取决于足部的哪个或哪些角接触地面来设定所述矢量。当所述单位矢量被设定为例如i=0,j=0和k=0时,身体点978为V1和V2的旋转充当支点。所述旋转方向还基于足部的哪个部分接触地面而被确定,即如果前端传感器触发则以顺时针方向纵向旋转,如果后部传感器触发则逆时钟方向旋转。
[0319] 旋转矢量V1和V2以便它们在纵向处于最大允许角度所要求的角度θrotate通过将预先存储的θmax_tong(如图54所示其相对于横向/平地在纵向定义最大允许倾角)与V2的角度θv2(其使用已知的数学方法而确定)进行差分而确定。因此,θrotate=θmax_tong-θv2。
[0320] 图55显示矢量V1和V2在这样的旋转(图51的步骤940的结果)之后的理论位置。正如所示,V1和V2以及更为重要的外骨骼的身体点976-978现在表示为正位于最大允许纵向斜度。经过旋转的V1和V2现在定义身体点976-978所期望的位置。为了获得这个期望的位置,所述膝关节(或实例中的身体点975)需要从图56中所示的位置移动至图57中所示标记为975(新)的新位置。要计算身体点975的这个新的期望位置975(新),数学模型使用反相运动学(图51的步骤945)。
[0321] 在优选形式中,如图56所示,相交圆的方法用来将小腿的下半部与身体点976联系起来并求出身体点975(新)。975(新)的XYZ坐标作为两个圆周(它们的中心位于身体点974和975而半径分别由长度974-975和975-976定义)之间的交叉点,其在X坐标上具有较高的值。这就确保膝关节维持在人类生物力学限制以内。这是一个已知的反相运动学方法,其可用于求出975(新),然而可以想到本领域人员已知的其它方法可以替代地用于所述模型。
[0322] 在这个阶段数学模型已经确定身体点975-978的新的理论或期望位置(在XYZ坐标中),其将实现足部在纵向符合最大允许斜度的定向。这些XYZ坐标中的理论位置被转换为关节角(使用前述等式1.1-图51的步骤950),随后关节角被转换为传动器长度,图51的步骤955(使用前述线性关系)。然后传动器长度(其将获得最大允许足部定向)被发送给电动机控制器(或直接发送至传动器)。所述传动器将被启动以向着这些期望长度调节(图51的步骤960)直到后部传感器接触地表,以使得足部在纵向变得与地面对准。在这时,传动器停止它们的运动,因为足部纵向的角度匹配斜面的角度,如图58所示(图51的步骤965)。足部纵向的角度由当前传动器长度计算出来,以更新当前地面状态的纵向分量。
[0323] 获得最大横向角
[0324] 外骨骼调节横向斜度变化的方法与上述纵向的相似。然而为了清楚起见,将给出实例。
[0325] 当左侧开关或右侧开关启动,但并非二者都启动时,检测到横向斜度发生变化。理论上,两种情形下要获得最大横向角所要求的事件次序相同。
[0326] 图59显示实例,其中由于落地脚和地面的纵向斜度之间的角度的差别,右侧开关(之一或两个)启动,而非左侧开关。如上所述,当触觉开关启动时,传动器暂停。身体点979、980和981的XYZ坐标由地面子系统使用以定义两个矢量,V1和V2,如图59所示(图
51的步骤935)。V1和V2初始于接触地表面的足部的点。在图59的情况下,是身体点980。
所述矢量V1在横向延伸结束于踝部分(实例中身体点979),V2结束于足部的另一端(实例中身体点981)。
[0327] 因此为数学模型上面的身体点坐标使用矢量符号需要定义为:
[0328]
[0329]
[0330] 一旦所述两个矢量已经确定,则数学模型将试图使这些矢量旋转至最大允许角度。一组单位矢量,i、j和k由所述模型使用以为矢量V1和V2定义旋转轴(图59中矢量i的方向是朝着纸面向里)。取决于足部的哪个或哪些角接触地面来设定所述矢量。当所述单位矢量被设定为例如i=0,j=0和k=0时,身体点978为V1和V2的旋转充当支点。所述旋转方向还基于足部的哪个部分接触地面而被确定,即如果右侧传感器触发则以逆时针方向横向旋转,如果左侧传感器触发则顺时钟方向旋转。
[0331] 旋转矢量V1和V2以便它们在横向处于最大允许角度所要求的角度θrotate,通过将预先存储的θmax_trans(如图59所示其相对于纵向/平地在横向定义最大允许倾角)与V2的角度θv2(其使用已知的数学方法而确定)进行差分而确定。因此,θrotate=θmax_trans-θv2。
[0332] 图60显示矢量V1和V2在这样的旋转(图51的步骤940的结果)之后的理论位置。正如所示,V1和V2以及更为重要的外骨骼的身体点979-981现在表示为正位于最大允许横向斜度。经过旋转的V1和V2现在定义身体点979-981所期望的位置。为了获得这个期望的位置,所述髋关节(或实例中的身体点974)需要从图61中所示的位置移动至图62中所示标记为974(新)的新位置。要计算身体点974的这个新的期望位置974(新),数学模型使用反相运动学(图51的步骤945)。
[0333] 正如图61所示,相交圆的方法用来将小腿的下半部与身体点979联系起来并求出身体点974(新)。974(新)的XYZ坐标作为两个圆周(它们的中心位于身体点973和974而半径分别由长度973-974和974-979定义)之间的交叉点,其在Y坐标上具有较高的值。这就确保髋关节维持在人类生物力学限制以内。这是一个可用于求出974(新)已知的反相运动学方法,然而可以想到本领域人员已知的其它方法可以替换地用于所述模型。
[0334] 所述数学模型这时已经确定身体点974和979-981的新理论位置(在xyz坐标),其将实现足部在横向符合最大允许斜度的定向。这些XYZ坐标中的理论位置被转换为关节角(使用前述等式1.1-图51的步骤950),随后关节角被转换为传动器长度,图51的步骤955(还使用前述线性关系)。然后传动器长度(其将获得最大允许足部定向)被发送给电动机控制器(或直接发送至传动器)。所述传动器将被启动以向着这些期望长度调节(图
51的步骤960)直到左传感器接触地表。这时传动器停止它们的运动,因为足部横向的角度对准斜面的角度,如图63所示(图51的步骤965)。足部横向的角度由当前传动器长度计算出来,以更新当前地面状态的横向分量。
[0335] 地面状态更新
[0336] 图64示出地面状态更新序列的基本流程图概要,其发生在足部已经调节为符合新地面之后。当WA的足部已经如图58或63所示完全接触斜面(所有触觉开关触发)时,WA配有新传动器长度。使用表7的线性关系,这些长度被转换为角度。然后足部在纵向和横向的角度(其也是地面分别在纵向和横向上的角度)然后由关节角计算出来(步骤990)。
[0337] 还在纵向和横向从足部读取加速倾斜读数(步骤991)。WA计算的足部角度和加速表结果被平均(步骤992)并导入各自的横向和纵向地面数据状态(步骤993),供下一指令使用。
[0338] 平衡子系统
[0339] 平衡子系统实时修改传动器位置,以确保压力中心(CoP)在行运动序列期间处于支撑多边形以内。对于静态序列,通常足以使每个足部的CoP在支撑多边形以内,以维持稳定和平衡。对于经历运动序列动态系统,还有必要针对序列中的每个指令使得特定CoP位置在支撑多边形以内。这样防止所述运动序列变形(即它不足以在动态系统保持静态平衡)。如果所述外骨骼在每个指令期间在每个足部保持期望的CoP,则系统可以恰当地执行所需要的运动序列而没有变形或失去平衡。
[0340] 为了满足上述需求,CoP位置的脱机计算为每个预编程的指令提供每个足部上的目标xy位置集合。每个指令的CoP 1300仍然需要位于支撑多边形1310以内和每个足部周围形成的不工作区1320,如图55所示用于将被平衡的系统。所述不工作区通过在不同的角度平衡外骨骼而得出,以确定失衡的点(试错法)。
[0341] 总的来说,在一个或多个传动器根据当前指令运动期间,平衡子系统将周期性地平衡外骨骼,通过首先基于来自指示足部的一个或多个区域的压力的输入压力数据源的压力传感器,确定外骨骼接地足部构件的底部压力实际压力中心位置。然后获得与当前指令相关联的所期望的压力中心位置并将与每个接地足部构件的方向相关联的传动器移动至这样的位置,即足部下面的所述实际压力中心转换为当前指令所期望的压力中心。
[0342] 比例积分微分(PID)控制器用于每一个足部传动器701、702、703和704(图45-49中的模型700),以校正指令期间CoP的任何变化(图65中所示k的容许量)。在预编程的CoP和特定的指令的一定时间实例内的实际CoP之间的误差被代入PID,公式为:
[0343]
[0344] 其中:
[0345] n=传动器号701-704
[0346] t=时间
[0347] en=DC0Pn-AC0Pn
[0348] DC0Pn=期望的压力中心
[0349] AC0Pn=实际的压力中心
[0350] Kp=比例增益常数(试错法),
[0351] Ki=积分增益常数(试错法),
[0352] Kd=微分增益常数(试错法)
[0353] 公式中的un的输出形式为 并且是平衡控制机制的输入。
[0354] 图66显示与平衡控制子系统相关的程序流程1000。在步骤1005,外骨骼的用户选择期望的特定运动序列。然后第一指令被加载并且所述传动器开始移动以执行所述指令(步骤1010)。要执行特定指令所需要的时间被分成一系列时间步长。所述时间步长是通过试错法获得的值并且其说明随着时间的推移平衡子系统多久被调用一次。可以想到平衡子系统可以在运动序列期间以任何预定频率周期性地运行。
[0355] 在启动所述序列以后,在传动器继续移动的每个时间步长,每个接地足部的CoP被计算(步骤1015)。在每个时间步长以后,当前计算的CoP和用于该特定的时间步长的期望的CoP位置(将进行详细描述)之间的误差被计算出来(步骤1020)并且被馈入PID控制器,以获得要纠正该误差所要求的传动器长度的变化(步骤1025)。
[0356] 然后平衡子系统在当前时间步长的实际传动器位置和所述指令结尾所期望传动器位置之间插值线性表示(步骤1030),如图67a所示。该插值允许传动器位置在下一时间步长时变为预定的(步骤1035)。PID的输出(传动器长度的变化)与该传动器位置预测相加,以给出下一时间步长所期望的传动器位置(1040)。这样传动器继续向着所述指令所最后期望的传动器位置移动,并且还修正了当前时间步长所计算的CoP误差。
[0357] 所述机制还在实际CoP和所述指令结尾所期望的CoP位置之间插值线性表示(1045),如图67b所示。这使得下一时间步长所期望的CoP位置能够被确定(步骤1050)。然后下一时间步长所期望的CoP位置和下一时间步长所期望的传动器位置被发送至传动器(步骤1055)。在下一时间步长,传动器将朝着这个接收到的传动器位置调节(步骤1060),并且所接收的CoP位置将在步骤1020用于计算误差。一旦所述指令完成(所有时间步长已经完成),下一指令被调用(如果序列中还有的话),并且进程针对新指令的期望传动器长度和CoP位置而进行重复。该方法维护WA的CoP,并且因此维护系统处于平衡状态下。
[0358] 计算压力中心
[0359] 现在将参考图68的流程图1100描述用于计算足部CoP的优选方法。为了计算CoP沿着足部底部(足部底部被认为是支撑多边形)的X和Y位置,四个压力传感器P1-P4用在每个足部的四个角上,如图69的足部模型1200所示。使用三角形的几何性质计算CoP,其中基于由在四个角测定的压力表示的加权因子,三角形形成在更大的三角形以内。
[0360] 矩形1205,表示WA的足部,被分成两个大三角形1210和1215,如图69所示(图68的步骤1110)。X轴方向上三角形1210的重心1210a由等式2.1计算,y轴方向上三角形1210的重心1210a由等式2.2计算。类似地,X轴方向上三角形1215的重心1215a由等式2.3计算,y轴方向上三角形1215的重心1215a由等式2.4计算(图68的步骤1115)。
[0361]
[0362]
[0363]
[0364]
[0365] 其中:
[0366] CTnx=x轴方向上大三角形n的重心;n=1,2
[0367] CTny=y轴方向上大三角形n的重心;n=1,2
[0368] FCx=x轴方向上足部的重心
[0369] FCy=y轴方向上足部的重心
[0370] Pn=来自传感器Pn的压力读数;n=1,2,3,4
[0371] PT1=P1+P2+P4
[0372] PT2=P2+P3+P4
[0373] IPnx=压力传感器Pn的x坐标,n=1,2,3,4
[0374] IPny=压力传感器Pn的y坐标,n=1,2,3,4
[0375] 然后围绕更大三角形1210、1215的重心形成较小的三角形1211、1216,如图70所示(图68的步骤1120)。使用各个压力传感器对足部总压力和较大三角形的重心和足部的各个角之间的距离进行加权,得出较小三角形1211和1216的坐标。组成内部三角形的顶点T11、T12、T13、T21、T22、T23的X坐标分别经由等式2.5-2.10计算得出;组成内部三角形的顶点T11、T12、T13、T21、T22、T23的Y坐标分别经由等式2.11-2.16计算得出。
[0376]
[0377]
[0378]
[0379]
[0380]
[0381]
[0382]
[0383]
[0384]
[0385]
[0386]
[0387]
[0388] 然后基于所述三角形的角处出现的压力加权的因数和两个三角形的中心(足部中心)和内部三角形的重心1211a和1216a之间的距离,计算内部三角形1211和1216的重心1211a和1216a(图68的步骤1125)。这图71中有所说明。分别使用等式2.17和2.18计算内部三角形1211和内部三角形1216的重心1211a和1216a的X坐标。分别使用等式2.19和2.20计算内部三角形1211和内部三角形1216的重心1211a和1216a的Y坐标。
[0389]
[0390]
[0391]
[0392]
[0393] 最后图72说明足部的CoP 1300。(图68的步骤1130)分别适用于等式2.21和2.22,使用内部三角形的重心1211a和1216a的X和Y坐标计算CoP 1300的X和Y坐标(CoP_X和CoP_Y)。
[0394]
[0395]
[0396] 其它输入-压力盘
[0397] 座位传感器-WA的后面有两个传感器,每个″大腿″区域上有一个。当用户启动SIT或STAND功能时,这些传感器被启动。当启动就座功能时,这些传感器将确定何时用户的重量已经转移到座位,并且使得就座功能结束。当启动站立功能时,这些传感器将确定何时用户的重量已经不再由座位支撑,以便继续站立功能。
[0398] 上面对本发明的描述包括其优选形式。对其进行的修改不超出所附权利要求所限定的本发明范围。
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