助動(dòng)器的控制系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】
[0001] 本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2009年7月1日、申請(qǐng)?zhí)枮?00980161144. 2、發(fā)明名稱為"助 動(dòng)器的控制系統(tǒng)"的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及一種用于適于支持行動(dòng)殘障者的助動(dòng)器或助步器（WA)的控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0003] 行動(dòng)障礙者，例如那些飽受截癱之苦的人，常常被局限在輪椅上，而輪椅是他們行 動(dòng)的唯一方法。輪椅所提供的行動(dòng)范圍是有限的。此外，長(zhǎng)期受困于輪椅還會(huì)造成健康問 題。
[0004] 為了防止這樣的健康問題，已經(jīng)開發(fā)了多種訓(xùn)練系統(tǒng)來幫助行動(dòng)障礙者鍛煉他們 的下肢，以幫助肌肉質(zhì)量保持和提高循環(huán)。一些這樣的訓(xùn)練系統(tǒng)包括非機(jī)動(dòng)的支架系統(tǒng)，其 由用戶佩帶以幫助他們執(zhí)行運(yùn)動(dòng)練習(xí)。
[0005] 最近，人們提出用機(jī)動(dòng)的或驅(qū)動(dòng)的桿件系統(tǒng)、助步器和步態(tài)移動(dòng)裝置來協(xié)助行動(dòng) 障礙者完成日常的功能性運(yùn)動(dòng)活動(dòng)，例如行走。這樣的系統(tǒng)典型地包括外骨骼，其附著于用 戶并且包括具有與臀部、膝蓋和踝關(guān)節(jié)連接的對(duì)應(yīng)的大腿、脛骨和足部的大腿節(jié)。傳動(dòng)器被 設(shè)為移動(dòng)大腿節(jié)的大腿、脛骨和足部，并且所述傳動(dòng)器可由操縱桿或其它控制系統(tǒng)操作，以 達(dá)到人的步態(tài)的效果。這樣的系統(tǒng)會(huì)有穩(wěn)定性問題，尤其是當(dāng)移動(dòng)經(jīng)過不平坦的地面和當(dāng) 他們遇到其它外界干擾，包括用戶的上身相對(duì)于所述外骨骼發(fā)生移動(dòng)時(shí)。為了提高穩(wěn)定性， 典型地要求用戶將拐杖和這樣的驅(qū)動(dòng)式助步器一同使用。
[0006] 本說明書中，已經(jīng)對(duì)專利說明書、其它外部的文檔或其它材料資源進(jìn)行了參考，大 體目的是提供用于論述本發(fā)明的功能的背景。除非另有特別的說明，在任何權(quán)限下，對(duì)外部 文檔所做的參考不應(yīng)當(dāng)視為承認(rèn)這樣的文檔或這樣的材料資源為先有技術(shù)或構(gòu)成所述技 術(shù)中的公知常識(shí)部分。
[0007] 本發(fā)明的目的是提供一種穩(wěn)定的助步器，其在用戶行動(dòng)時(shí)能夠完全支撐用戶，或 者至少為公眾提供一種有用的選擇。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 第一方面，本發(fā)明大致可以說由一種方法構(gòu)成，所述方法用于控制外骨骼，其由用 戶佩帶并且具有一個(gè)或多個(gè)與所述外骨骼的對(duì)應(yīng)于用戶身體部分的各個(gè)身體構(gòu)件相關(guān)聯(lián) 的傳動(dòng)器，所述方法包括下列步驟：接收指示期望的運(yùn)動(dòng)序列的輸入數(shù)據(jù)；從存儲(chǔ)器獲得 指示一個(gè)或多個(gè)連續(xù)的指令的預(yù)編程的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，所述指令至少包括實(shí)施所述運(yùn)動(dòng)序列所 需要的落腳指令，各個(gè)指令與執(zhí)行所述指令的相關(guān)傳動(dòng)器運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)；針對(duì)各個(gè)指令根據(jù) 所述相關(guān)的傳動(dòng)器運(yùn)動(dòng)移動(dòng)一個(gè)或多個(gè)傳動(dòng)器；并依據(jù)指示地面斜度變化的接收數(shù)據(jù)調(diào)節(jié) 所述落腳指令，所述調(diào)節(jié)的步驟包括：移動(dòng)所述外骨骼的一個(gè)或多個(gè)與落腳構(gòu)件相關(guān)聯(lián)的 傳動(dòng)器來向著最大允許傾角旋轉(zhuǎn)足部構(gòu)件；并在接收指示所述足部構(gòu)件與斜面對(duì)準(zhǔn)的輸入 時(shí)終止與所述足部構(gòu)件相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)傳動(dòng)器。
[0009]優(yōu)選地所述足部構(gòu)件包括至少一個(gè)位于所述足部構(gòu)件的下面的每個(gè)角區(qū)域的觸 覺傳感器，并且其中所述角區(qū)域形成兩對(duì)橫向基本上對(duì)準(zhǔn)的角區(qū)域和兩對(duì)縱向基本上對(duì)準(zhǔn) 的角區(qū)域。
[0010] 優(yōu)選地所述觸覺傳感器是觸感傳感器。或者，所述觸覺傳感器是壓力傳感器。
[0011] 優(yōu)選地，當(dāng)一旦落腳構(gòu)件的下面與地面接觸而只從一些角區(qū)域的所述傳感器接收 到觸發(fā)信號(hào)的時(shí)候，接收所述指示地面斜度變化的數(shù)據(jù)。
[0012] 優(yōu)選地，所述地面斜度由縱向分量和橫向分量組成，并且指示地面斜度變化的數(shù) 據(jù)指示地面斜度的所述縱向分量的變化或地面斜度的所述縱向分量的變化或二者皆有之。
[0013]優(yōu)選地最大允許傾角或是斜面和縱向延長(zhǎng)線與基本水平線之間的最大允許角度， 或是斜面和橫向延長(zhǎng)線與基本水平線之間的最大允許橫壓力角。
[0014]優(yōu)選地，從至少一個(gè)只與兩對(duì)橫向地對(duì)準(zhǔn)的角區(qū)域之一相關(guān)聯(lián)的觸覺傳感器接收 到觸發(fā)信號(hào)指示地面斜度的縱向分量發(fā)生變化，而從至少一個(gè)只與兩對(duì)縱向地對(duì)準(zhǔn)的角區(qū) 域之一相關(guān)聯(lián)的觸覺傳感器接收到觸發(fā)信號(hào)指示地面斜度的橫向分量發(fā)生變化。
[0015]優(yōu)選地，移動(dòng)一個(gè)或多個(gè)與所述外骨骼的落腳構(gòu)件相關(guān)聯(lián)的傳動(dòng)器來將所述足部 構(gòu)件向著最大允許傾角旋轉(zhuǎn)的步驟包括將所述足部構(gòu)件圍繞軸旋轉(zhuǎn)，所述軸橫穿從其接收 觸發(fā)信號(hào)的對(duì)準(zhǔn)角區(qū)域?qū)Α?br>[0016]優(yōu)選地，終止一個(gè)或多個(gè)傳動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)的步驟包括終止運(yùn)動(dòng)，其根據(jù)從至少一個(gè) 與一對(duì)對(duì)準(zhǔn)角區(qū)域相關(guān)聯(lián)的傳感器接收的指示所述足部構(gòu)件與地面的斜面對(duì)準(zhǔn)的觸發(fā)信 號(hào)，而所述對(duì)準(zhǔn)角區(qū)域?qū)εc旋轉(zhuǎn)軸線橫穿其的那對(duì)相對(duì)。
[0017]優(yōu)選地，所述最大允許傾角是預(yù)定的并保存于存儲(chǔ)器。
[0018]優(yōu)選地，所述方法此外包括在終止一個(gè)或多個(gè)傳動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)的步驟之后存儲(chǔ)指示 所述地面的當(dāng)前斜度的地面狀態(tài)數(shù)據(jù)的步驟。
[0019]優(yōu)選地，存儲(chǔ)指示地面的當(dāng)前斜度的地面狀態(tài)數(shù)據(jù)的步驟包括：將所述足部構(gòu)件 的角度和來自與所述足部構(gòu)件相關(guān)聯(lián)的加速表的輸入數(shù)據(jù)取平均；并將所述平均角作為指 示地面的當(dāng)前斜度的數(shù)據(jù)而存儲(chǔ)。
[0020] 優(yōu)選地，所述方法此外包括，在移動(dòng)一個(gè)或多個(gè)傳動(dòng)器之前和獲得預(yù)編程的運(yùn)動(dòng) 數(shù)據(jù)之后，根據(jù)所存儲(chǔ)的指示地面的斜度的地面狀態(tài)數(shù)據(jù)更新相關(guān)的傳動(dòng)器運(yùn)動(dòng)的步驟。
[0021] 優(yōu)選地，移動(dòng)各個(gè)傳動(dòng)器包括改變傳動(dòng)器的長(zhǎng)度，其中改變傳動(dòng)器的長(zhǎng)度改變形 成在外骨骼的體構(gòu)件之間的相關(guān)關(guān)節(jié)的角度。
[0022] 優(yōu)選地，對(duì)于上述實(shí)施例，移動(dòng)一個(gè)或多個(gè)與落腳構(gòu)件相關(guān)聯(lián)的傳動(dòng)器以將足部 構(gòu)件向著最大允許傾角旋轉(zhuǎn)的步驟包括下列步驟：標(biāo)識(shí)將足部構(gòu)件與地面的斜度對(duì)準(zhǔn)所需 要的旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)方向；由各個(gè)傳動(dòng)器的長(zhǎng)度獲得相關(guān)關(guān)節(jié)的角度；使用所述足部關(guān)節(jié)的 角度計(jì)算與所需要的旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)方向相關(guān)的外骨骼的足部關(guān)節(jié)的相對(duì)位置；確定與將所 述足部構(gòu)件旋轉(zhuǎn)至最大允許傾角所要求的落腳構(gòu)件相關(guān)聯(lián)的足部關(guān)節(jié)的期望位置；使用反 相運(yùn)動(dòng)學(xué)來確定影響足部關(guān)節(jié)的位置的各個(gè)關(guān)節(jié)的期望位置；確定與影響足部關(guān)節(jié)的位置 的關(guān)節(jié)的期望位置構(gòu)成的期望連接角；確定所期望的與各個(gè)期望連接角相關(guān)聯(lián)的各個(gè)傳動(dòng) 器的長(zhǎng)度變化；并將與各個(gè)期望連接角相關(guān)聯(lián)的各個(gè)傳動(dòng)器的長(zhǎng)度改變?yōu)閭鲃?dòng)器的期望長(zhǎng) 度變化。
[0023] 優(yōu)選地，所述足部構(gòu)件包括中間區(qū)域觸覺傳感器，用于提供關(guān)于足部構(gòu)件的中央 前后區(qū)域與地面的接觸狀態(tài)的信息，以提供升高的分辨率，從而將足部構(gòu)件與地面對(duì)準(zhǔn)。
[0024] 第二方面，本發(fā)明大致可以說由一種方法構(gòu)成，所述方法用于控制外骨骼，其由用 戶佩帶并且具有一個(gè)或多個(gè)與所述外骨骼的對(duì)應(yīng)于用戶身體部分的各個(gè)身體構(gòu)件相關(guān)聯(lián) 的傳動(dòng)器，所述方法包括下列步驟：接收指示期望的運(yùn)動(dòng)序列的輸入數(shù)據(jù)；從存儲(chǔ)器獲得 指示實(shí)施所述運(yùn)動(dòng)序列所需要的一個(gè)或多個(gè)連續(xù)的指令的預(yù)編程的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，各個(gè)指令與 執(zhí)行所述指令的相關(guān)傳動(dòng)器運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)；根據(jù)存儲(chǔ)的指示當(dāng)前地面狀態(tài)的調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)更新相 關(guān)的傳動(dòng)器運(yùn)動(dòng)；針對(duì)各個(gè)指令根據(jù)所述更新的相關(guān)傳動(dòng)器運(yùn)動(dòng)移動(dòng)一個(gè)或多個(gè)傳動(dòng)器；
[0025] 第三方面，本發(fā)明大致可以說由一種方法構(gòu)成，所述方法用于控制外骨骼，其由用 戶佩帶并且具有一個(gè)或多個(gè)至少與所述外骨骼的對(duì)應(yīng)于用戶足部的足部構(gòu)件相關(guān)聯(lián)的傳 動(dòng)器，以相對(duì)于地面斜度變化調(diào)節(jié)所述足部構(gòu)件，所述方法包括下列步驟：在與足部構(gòu)件相 關(guān)聯(lián)的著地指示期間接收指示地面斜度變化的數(shù)據(jù)；移動(dòng)一個(gè)或多個(gè)與足部構(gòu)件相關(guān)聯(lián)的 傳動(dòng)器來向著最大允許傾角旋轉(zhuǎn)足部構(gòu)件；并在接收指示所述足部構(gòu)件與斜面對(duì)準(zhǔn)的輸入 時(shí)終止與所述足部構(gòu)件相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)傳動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)。
[0026] 第四方面，本發(fā)明大致可以說由一種方法構(gòu)成，所述方法用于控制外骨骼，其由用 戶佩帶并且具有一個(gè)或多個(gè)與所述外骨骼的對(duì)應(yīng)于用戶身體部分的各個(gè)身體構(gòu)件相關(guān)聯(lián) 的傳動(dòng)器，所述方法包括下列步驟：接收指示期望的運(yùn)動(dòng)序列的輸入數(shù)據(jù)；從存儲(chǔ)器獲得 指示實(shí)施所述運(yùn)動(dòng)序列所需要的一個(gè)或多個(gè)連續(xù)的指令的預(yù)編程的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，各個(gè)指令與 執(zhí)行所述指令的相關(guān)傳動(dòng)器運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)；針對(duì)各個(gè)指令根據(jù)所述相關(guān)的傳動(dòng)器運(yùn)動(dòng)移動(dòng)一 個(gè)或多個(gè)傳動(dòng)器；并且周期性地，根據(jù)當(dāng)前指令通過下列步驟平衡一個(gè)或多個(gè)傳動(dòng)器的運(yùn) 動(dòng)期間的外骨骼：基于指示足部的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域的壓力的輸入壓力數(shù)據(jù)，確定所述外骨 骼的至少一個(gè)接地足部構(gòu)件的下面的實(shí)際壓力中心位置，獲得與一個(gè)或多個(gè)傳動(dòng)器所根據(jù) 而移動(dòng)的當(dāng)前指令相關(guān)聯(lián)的期望的壓力中心位置，并將與所述接地足部構(gòu)件的方向相關(guān)聯(lián) 的一個(gè)或多個(gè)傳動(dòng)器移動(dòng)一個(gè)位置，以將足部下面的所述實(shí)際壓力中心轉(zhuǎn)換為針對(duì)當(dāng)前指 令所期望的壓力中心。
[0027] 優(yōu)選地，所述周期性地平衡外骨骼的步驟在當(dāng)前指令期間以預(yù)定時(shí)間步長(zhǎng)出現(xiàn)。
[0028] 優(yōu)選地，所述周期性地平衡所述外骨骼的步驟還包括：作為實(shí)時(shí)步驟來確定實(shí)際 壓力中心位置和期望的壓力中心位置之間的壓力中心誤差；為各個(gè)與接地足部構(gòu)件的方向 相關(guān)聯(lián)的傳動(dòng)器確定后續(xù)時(shí)間步長(zhǎng)所期望的傳動(dòng)器位置；基于各個(gè)傳動(dòng)器的誤差，為后續(xù) 時(shí)間步長(zhǎng)調(diào)節(jié)所期望的傳動(dòng)器位置；并在后續(xù)時(shí)間步長(zhǎng)期間將各個(gè)傳動(dòng)器朝著經(jīng)過調(diào)節(jié)的 傳動(dòng)器位置移動(dòng)。
[0029] 優(yōu)選地，當(dāng)前時(shí)間步長(zhǎng)所期望的壓力中心位置在之前時(shí)間步長(zhǎng)中這樣被決定：在 之前時(shí)間步長(zhǎng)的實(shí)際壓力中心位置和所述指令所期望的壓力中心位置之間插值；并根據(jù)所 述插值確定后續(xù)時(shí)間步長(zhǎng)所期望的壓力中心位置。
[0030] 優(yōu)選地，所述確定后續(xù)時(shí)間步長(zhǎng)所期望的傳動(dòng)器位置的步驟包括：在實(shí)際傳動(dòng)器 位置和由針對(duì)當(dāng)前指令完成的傳動(dòng)器運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的所期望的傳動(dòng)器位置之間插值；并根據(jù) 所述插值確定后續(xù)時(shí)間步長(zhǎng)所期望的傳動(dòng)器位置。
[0031] 優(yōu)選地，所述調(diào)節(jié)所述后續(xù)時(shí)間步長(zhǎng)所期望的傳動(dòng)器位置的步驟包括：使用所述 壓力中心誤差確定傳動(dòng)器位置的變化；并將傳動(dòng)器位置的變化與后續(xù)時(shí)間步長(zhǎng)所期望的傳 動(dòng)器位置相加以調(diào)節(jié)后續(xù)時(shí)間步長(zhǎng)所期望的傳動(dòng)器位置。
[0032] 優(yōu)選地，所述使用壓力中心誤差確定傳動(dòng)器位置的變化的步驟是這樣實(shí)現(xiàn)的：將 所述誤差送入反饋控制器，其被安排輸出傳動(dòng)器位置變化的指示。優(yōu)選地，所述反饋控制器 是比例積分微分（PID)控制器。
[0033] 優(yōu)選地，移動(dòng)一個(gè)或多個(gè)傳動(dòng)器包括改變一個(gè)或多個(gè)傳動(dòng)器的長(zhǎng)度。
[0034] 優(yōu)選地，各個(gè)接地足部構(gòu)件包括至少一個(gè)壓力傳感器，位于所述接地足部下面的 四個(gè)角上。
[0035] 第五方面，本發(fā)明大致可以說由一種方法構(gòu)成，所述方法用于將由用戶佩帶的外 骨骼在所述外骨骼的一個(gè)或多個(gè)傳動(dòng)器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)期間保持平衡，以執(zhí)行預(yù)定指令，所述 用于平衡的方法包括下列步驟：基于指示足部的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域的壓力的輸入壓力數(shù)據(jù)， 計(jì)算所述外骨骼的至少一個(gè)接地足部構(gòu)件的下面的實(shí)際壓力中心位置，確定實(shí)際壓力中心 位置和所述預(yù)定指令所期望的壓力中心位置之間的壓力中心誤差；并通過將足部下面的所 述實(shí)際壓力中心轉(zhuǎn)換為所述預(yù)定指令所期望的壓力中心來移動(dòng)一個(gè)或多個(gè)傳動(dòng)器從而消 除壓力中心誤差。
[0036] 第六方面，本發(fā)明大致可以說由一種控制系統(tǒng)構(gòu)成，所述控制系統(tǒng)用于控制外骨 骼，其由用戶佩帶并且一個(gè)或多個(gè)與所述外骨骼的對(duì)應(yīng)于用戶身體部分的各個(gè)身體構(gòu)件相 關(guān)聯(lián)的傳動(dòng)器，所述控制系統(tǒng)包括：用于接收指示期望的運(yùn)動(dòng)序列的輸入數(shù)據(jù)的用戶接口， 存儲(chǔ)器組件，用于存儲(chǔ)指示實(shí)施所述運(yùn)動(dòng)序列所要求的一個(gè)或多個(gè)連續(xù)指令的預(yù)編程的運(yùn) 動(dòng)數(shù)據(jù)，各個(gè)指令用于執(zhí)行所述指令的有關(guān)傳動(dòng)器運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)，用于針對(duì)各個(gè)指令根據(jù)相 關(guān)傳動(dòng)器運(yùn)動(dòng)移動(dòng)一個(gè)或多個(gè)傳動(dòng)器的傳動(dòng)器控制器；用于依據(jù)地面斜度變化的檢測(cè)調(diào)節(jié) 傳動(dòng)器運(yùn)動(dòng)的地面子系統(tǒng)，和用于周期性地調(diào)節(jié)外骨骼在一個(gè)或多個(gè)傳動(dòng)器相對(duì)運(yùn)動(dòng)期間 的平衡的平衡控制子系統(tǒng)。
[0037] 優(yōu)選地所述控制系統(tǒng)從設(shè)置在外骨骼的足部構(gòu)件下面的至少四個(gè)角區(qū)域的觸覺 傳感器接收輸入以檢測(cè)地面斜度的變化。
[0038] 優(yōu)選地，所述地面子系統(tǒng)被設(shè)置為：確定將足部構(gòu)件向著最大允許傾角旋轉(zhuǎn)所需 要的、與所述外骨骼的足部構(gòu)件相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)傳動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)，并在接收指示所述足 部構(gòu)件與斜面對(duì)準(zhǔn)的輸入時(shí)終止與所述足部構(gòu)件相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)傳動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)。
[0039] 優(yōu)選地，所述