外骨骼制造技术

定义期望外骨骼运动轨迹用于具有支撑电机装置功能障碍的使用者进行移动的方法、此使用者的行走辅助设备和控制此设备的方法提供了以上肢和上半身正常运作时下肢有限偏移或完全不动的使用者的预先确定提前运动模式进行行走的可能性。本发明专利技术提供了这些使用者以接近不具有支撑电机装置功能障碍的人的行走模式的行走模式移动的可能性，其中为使用者提供了使用控制面板32来独立地改变运动模式和改变诸如步长、抬腿高度和行走节奏等步行参数的可能性。本发明专利技术包含使用者可穿戴部分和非可穿戴部分，使用者可穿戴部分包括下肢的机动化外骨骼1，配备有在外骨骼1机载控制器85中实施的控制设备35，非可穿戴部分包括辅助专家的外部电脑86和外骨骼1期望直角轨迹参数确定系统43。其中，对外骨骼1驱动器的控制信号考虑了使用者体节和外骨骼1元件的质量惯性特性和对控制质量的要求来生成。

Exoskeleton

A definition of the expected motion trajectory method for exoskeleton with supporting users of mobile device motor dysfunction method, walking auxiliary equipment and control the user of this device provides the upper limb and upper body normal operation of lower limb or limited migration completely motionless to predetermined users in advance the possibility of walking motion patterns. The present invention provides the user does not have to support a motor device close to the dysfunction of the people mobile walking pattern of walking pattern possibilities, which provides the possibility to use the control panel to change 32 independent movement patterns and changes such as step length, leg height and walking rhythm walking parameters for users. The invention includes a user wearable wearable part and non users, the wearable lower extremity motor includes external skeleton 1, equipped with a control device in the exoskeleton of 1 airborne controller 85 in the implementation of the 35 non wearable parts including external computer aided expert 86 and 1 right angle bone expectations trajectory parameters determine the system 43. Among them, the control signal of the 1 drive of the external skeleton takes into account the mass inertia of the 1 elements of the user's body and exoskeleton and the requirements for the quality of the control.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】外骨骼本专利技术涉及医疗器械，尤其涉及定义期望外骨骼运动轨迹的方法、使用者行走辅助设备和以具有支撑电机装置功能障碍、上肢及上半身正常运作时下肢有限偏移或完全无运动力的使用者的预先确定提前运动模式来控制行走辅助的方法。本专利技术提供了具有支撑电机装置功能障碍的使用者以类似于健康的人的行走模式的行走模式于水平面或斜面上以及梯段和越过障碍物行走的可能性，其也可以应用于进行康复与修养程序。有一种定义期望外骨骼运动轨迹以用于具有支撑电机装置功能障碍、因下肢有限的偏移而不具有独立运动的可能性的使用者进行运动的已知方法，其中至外骨骼驱动器的控制信号根据安装在使用者腿部的电动外骨骼的夹紧元件上的力传感器的读数产生[US7731670B2专利，2010年公布]。这一方法无法用于下肢完全无运动能力的使用者，例如，对于截瘫的使用者，因为他们在腿部无法产生肌力，以及对于下肢有限偏移的使用者，不能确保类似于不具有支撑电机装置功能障碍的人行走模式的期望行走模式的设定。在定义外骨骼期望轨迹以用于具有支撑电机装置功能障碍的使用者在矢状面中进行运动的方法的方面，最接近所提出专利技术的方法是在直角坐标系中定义外骨骼期望运动轨迹以用于以具有支撑电机装置功能障碍的使用者的预先确定提前运动模式使用外骨骼在矢状面进行运动的方法，外骨骼包括配备有用于连接使用者躯体的夹具的壳、左、右脚蹬，它们中的每一个包括枢转连接的相应股骨和小腿部分以及配备有连接使用者腿部的相应夹具且配置为在矢状平面内旋转的脚踏，其中相应股骨部分的上端分别地与外骨骼壳的左、右端枢转连接，髋枢轴关节和膝枢轴关节配备有相邻部分的相对角度旋转的传感器并配置为机动化，以及机载控制器连接到相邻部分的相对角度旋转的传感器和电动关节驱动器的控制输入端，其中根据这种方法使用运动捕捉系统，运动捕捉系统包括串联连接的测量设备单元以收集并传输捕获的运动参数数据、捕获的运动参数数据处理单元以及捕获的运动参数储存单元，其输出端连接到运动捕捉系统的输出端，确保测量在运动过程中预选人体点的直角坐标。[A.P.Aliseychik，I.A.Orlov，V.E.Pavlovskiy，V.V.Pavlovskiy，A.K.Platonov.，脊椎患者神经康复的下肢外骨骼的力学和控制(Mechanicsandcontrolofexoskeletonsforlowerextremitiesforneurorehabilitationofspinalpatients.)-“XI理论与应用力学的基本问题的全俄公约(All-Russianconventiononfundamentalproblemsoftheoreticalandappliedmechanics)”CD-ROM，Kazan，8月20–24，2015，p.133–135].在这种方法中，使用者的运动模式形成为外骨骼交叉角度的一组时间函数，其不允许改变运动参数-步长、抬腿高度和行走节奏。所提出方法意欲实现的技术成果是对期望运动轨迹的时间依赖参数进行计算，以允许在直角坐标系统矢状面上精确定义外骨骼期望运动轨迹，以用于具有支撑电机装置功能障碍的使用者以接近不具有支撑电机装置功能障碍的人的运动模式的运动模式来进行运动，以及改变步伐参数(步长，抬腿高度和行走节奏)。有一种用于处于预先确定的提前运动模式的具有支撑电机装置功能障碍的使用者的行走辅助设备包括配备有一个或几个执行机构的外骨骼，一个或几个执行机构连接到外骨骼的各个部分，外骨骼的各个部分连接到使用者的相应身体部分，其中该设备提供：接受指示期望顺序运动的输入数据；获得程序化的数据传送，以执行进行指令执行的执行机构的相对移动期望以及根据每个指令的驱动器的相对移动进行外骨骼的一个或多个部分的移动所需要的一个或多个顺序指令。[PCT申请WO2011002306A1，2011公布]此设备中，被发送到驱动器并定义外骨骼运动的输入信号是分阶段的，因此影响外骨骼行走的平滑度以及不允许形成对外骨骼驱动器的控制输入，对外骨骼驱动器的该控制输入可以提供近似自然行走方式，因此，对具有支撑电机装置功能障碍的使用者所用的行走辅助设备的人体工学特性有负面影响。在设备方面最接近本专利技术的设备是以预先确定的提前运动模式用于具有支撑电机装置功能障碍的使用者的行走辅助设备，其包括下肢的外骨骼，其中外骨骼包括盆骨部分、左、右脚蹬，它们中的每一个包括股骨部分和小腿部分以及脚踏，其中相邻部分使用相应枢轴关节进行连接使其能够在矢状面上旋转以及装备有集成在当前角度和角速度测量单元的相对角度旋转的传感器，髋枢轴关节和膝枢轴关节被配置为机动化并配备有相应的驱动器，例如电动驱动器，以及机载控制器与相邻部分的相对角度旋转的传感器和电动关节驱动器的控制输入端连接，其中脚踏装备有集成于脚蹬反应测量单元并安装在脚踏的跟部和脚趾帽上的脚蹬反应传感器，另外，行走辅助设备包括左右扶手和控制设备，控制设备包括期望外骨骼角度和角速度计算单元、外部力矩估算单元以及至外骨骼驱动器的控制信号的计算和生成单元，外骨骼驱动器连接于相应驱动器的控制输入端，其中期望外骨骼角度和角速度计算单元的输入端连接于控制设备的第一输入端，其第三输入端连接于当前角度有角速度测量单元的输出端。[RU2364385专利，公布于2009]此设备有以下缺点：-至外骨骼驱动器的驱动信号是从不受影响的肢体上取下的肌电图传感器的信号，因此此设备及其控制方法无法用于没有肌肉活动(完全轻瘫)的使用者，包括截瘫；-来自这些传感器的信号无法提供枢轴角度方面的比例；-发送至驱动器并定义外骨骼运动的输入信号是阶段性的，因此影响外骨骼中行走的平滑性；-当生成至外骨骼驱动器的控制信号时，使用者肌肉疲劳对肌电信号值的影响没有被考虑，因此影响外骨骼运动的准确性；-在生成至外骨骼驱动器的信号时控制信号生成单元中所使用的使用者穿戴的外骨骼数学模型没有考虑因使用者躯干振动所产生的力矩的影响，其重量是躯体重量的一半左右。上述因素限制了该设备的功能性能力以及无法形成提供近似自然行走方式的对外骨骼驱动器的控制影响，其对具有支撑电机装置功能障碍的使用者所用的行走辅助设备的人体工学特性有负面影响。在此行走辅助装置的控制方法方面，最接近本专利技术的控制方法是以预先确定的提前运动模式用于具有支撑电机装置功能障碍的使用者的行走辅助设备的控制方法，行走辅助设备包括下肢的外骨骼，外骨骼包括盆骨部分、左、右脚蹬，它们中的每一个包括股骨部分和小腿部分以及脚踏，其中相邻部分使用相应枢轴关节进行连接使其能够在矢状面上旋转以及装备有集成于当前角度和角速度测量单元的相对角度旋转的传感器，髋枢轴关节和膝枢轴关节被配置为机动化并配备有相应的驱动器，例如电动驱动器，以及机载控制器与相邻部分的相对角度旋转的传感器和电动关节驱动器的控制输入端连接，其中脚踏装备有集成于脚蹬反应测量单元并安装在脚踏的跟部和脚趾帽上的脚蹬反应传感器，另外，行走辅助设备包括左右扶手和控制设备，控制设备包括期望外骨骼角度和角速度计算单元、外部力矩估算单元以及至外骨骼驱动器的控制信号的计算和生成单元，外骨骼驱动器连接到相应驱动器的控制输入端，其中期望外骨骼角度和角速度计算单元的输入端连接到控制设备的第一输入端，其第三输入端本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种定义在直角坐标系下外骨骼的期望轨迹用于以使用外骨骼的具有支撑电机装置功能障碍的使用者的预先确定提前运动模式在矢状面进行运动的方法，外骨骼包括盆骨部分、左、右脚蹬，每一个脚蹬包括股骨部分和小腿部分以及脚踏，其中相邻部分使用相应枢轴关节进行连接以提供在矢状面上旋转的可能性并装备有集成在当前角度和角速度测量单元的相应的相对角度转动的传感器，其中髋关节和膝关节被配置为机动化并配备有相应的驱动器，例如电动驱动器，以及机载控制器与相邻部分的相对角度转动的传感器和电动关节驱动器的输入端连接，其中根据本方法使用运动捕捉系统，包括串联连接的测量设备单元以收集并传输捕获的运动参数数据、捕获的运动参数数据处理单元和捕获的运动参数储存单元，捕获的运动参数储存单元的输出端连接到运动捕捉系统的输出端，确保对运动过程中预选人体点的直角坐标的测量，其特征在于，运动捕捉系统用作期望直角轨迹参数确定系统的一部分，不具有支撑电机装置功能障碍的人被用于测量预选人体点的直角坐标，位于冠状面与位于矢状面的髋关节轴之间和位于冠状面与位于矢状面的踝关节轴之间的交叉点用作预选人体点，预选人体点的直角坐标根据时间以对于每个预先确定提前运动模式上述人运动期间沿上述矢状面的直角坐标系的轴的轨迹的形式进行测量，并以每个测量轨迹的数据阵列的形式保存在捕获的运动参数储存单元中，其中上述矢状面的坐标系统的坐标轴是垂直方向的，而横坐标轴‑沿外骨骼运动的路线，进一步在集成于期望直角轨迹参数确定系统的捕获的运动参数处理单元中，捕获的运动参数处理单元的输入端连接到运动捕捉系统的输出端，对捕获的运动的参数和/或插值系数进行处理，基于直角坐标的时间函数的上述表设置阵列，对选择的提前平滑、内插上述轨迹、分析函数、对于比如样条函数包括三次样条至少微分二次的每个参数和/或插值系数进行计算，其中已计算的参数和/或插值系数保存于期望外骨骼直角轨迹参数和/或插值系数储存单元中，期望外骨骼直角轨迹参数和/或插值系数储存单元连接到捕获的运动参数处理单元的输出端并集成到期望直角轨迹参数确定系统，其中上述测量、对作为这些测量结果获得的数据的处理和对这些数据处理结果的储存对于具有不同小腿长度与股骨长度的比值的群体进行，其中为这一群体中每个人保存关于上述比值和小腿长度的数据。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.10.19 RU 20151447031.一种定义在直角坐标系下外骨骼的期望轨迹用于以使用外骨骼的具有支撑电机装置功能障碍的使用者的预先确定提前运动模式在矢状面进行运动的方法，外骨骼包括盆骨部分、左、右脚蹬，每一个脚蹬包括股骨部分和小腿部分以及脚踏，其中相邻部分使用相应枢轴关节进行连接以提供在矢状面上旋转的可能性并装备有集成在当前角度和角速度测量单元的相应的相对角度转动的传感器，其中髋关节和膝关节被配置为机动化并配备有相应的驱动器，例如电动驱动器，以及机载控制器与相邻部分的相对角度转动的传感器和电动关节驱动器的输入端连接，其中根据本方法使用运动捕捉系统，包括串联连接的测量设备单元以收集并传输捕获的运动参数数据、捕获的运动参数数据处理单元和捕获的运动参数储存单元，捕获的运动参数储存单元的输出端连接到运动捕捉系统的输出端，确保对运动过程中预选人体点的直角坐标的测量，其特征在于，运动捕捉系统用作期望直角轨迹参数确定系统的一部分，不具有支撑电机装置功能障碍的人被用于测量预选人体点的直角坐标，位于冠状面与位于矢状面的髋关节轴之间和位于冠状面与位于矢状面的踝关节轴之间的交叉点用作预选人体点，预选人体点的直角坐标根据时间以对于每个预先确定提前运动模式上述人运动期间沿上述矢状面的直角坐标系的轴的轨迹的形式进行测量，并以每个测量轨迹的数据阵列的形式保存在捕获的运动参数储存单元中，其中上述矢状面的坐标系统的坐标轴是垂直方向的，而横坐标轴-沿外骨骼运动的路线，进一步在集成于期望直角轨迹参数确定系统的捕获的运动参数处理单元中，捕获的运动参数处理单元的输入端连接到运动捕捉系统的输出端，对捕获的运动的参数和/或插值系数进行处理，基于直角坐标的时间函数的上述表设置阵列，对选择的提前平滑、内插上述轨迹、分析函数、对于比如样条函数包括三次样条至少微分二次的每个参数和/或插值系数进行计算，其中已计算的参数和/或插值系数保存于期望外骨骼直角轨迹参数和/或插值系数储存单元中，期望外骨骼直角轨迹参数和/或插值系数储存单元连接到捕获的运动参数处理单元的输出端并集成到期望直角轨迹参数确定系统，其中上述测量、对作为这些测量结果获得的数据的处理和对这些数据处理结果的储存对于具有不同小腿长度与股骨长度的比值的群体进行，其中为这一群体中每个人保存关于上述比值和小腿长度的数据。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，捕获的运动参数处理单元和期望外骨骼直角轨迹参数和/或插值系数储存单元在期望直角轨迹确定控制器中以软件实施。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，不具有支撑电机装置功能障碍的人的预先确定提前运动模式采用以下模式：“平面上行走”、“上楼梯”、“下楼梯”、“走上倾斜面”、“走下倾斜面”、“跨越障碍”、“坐下休息”、“伸直腿站直”、“由“坐下休息”位置到伸直腿站直”、“由“伸直腿站直”到坐下休息”。4.一种用于处于预先确定提前运动模式的具有支撑电机装置功能障碍的使用者的行走辅助设备，包括下肢的外骨骼，外骨骼包括盆骨部分、左、右脚蹬，每一个脚蹬包括股骨部分和小腿部分和脚踏，其中相邻部分使用相应枢轴关节进行连接以提供在矢状面上旋转的可能性并装备有集成在当前角度和角速度测量单元的相应的相对角度转动的传感器，其中髋关节和膝关节被配置为机动化并配备有相应的驱动器，例如电动驱动器，以及机载控制器与相邻部分的相对角度转动的传感器和电动关节驱动器的控制输入端连接，其中脚踏装备有集成于脚蹬反应测量单元并安装在脚踏的跟部及脚趾帽上的脚蹬反应传感器，另外行走辅助设备包括左右扶手和控制设备，控制设备包括期望外骨骼角度和角速度计算单元、外部力矩估算单元以及至外骨骼驱动器的控制信号计算和生成单元，至外骨骼驱动器的控制信号计算和生成单元连接于相应的驱动器的控制输入端，其中期望外骨骼角度和角速度计算单元的输入端连接到控制设备的第一输入端，控制设备的第三输入端连接到当前角度和角速度测量单元的输出端，其特征在于，还提供辅助专家的外部电脑、控制面板、电动驱动器电流测量单元以及直角坐标系中期望轨迹生成单元，辅助专家的外部电脑配置成提供辅助专家向外骨骼机载控制器输入小腿长度与股骨长度的比值、小腿长度以及与外骨骼部分连接的使用者体节的质量惯性特征、对运动模式进行选择以及对运动参数如步长、抬腿高度和行走节奏进行调整的可能性，控制面板配置成向使用者提供运动模式的选择和运动参数如步长、抬腿高度和行走节奏的调整的可能性，电动驱动器电流测量单元包括第一、第二、第三、第四电动驱动器各自的第一、第二、第三、第四电流传感器，直角坐标系中期望轨迹生成单元配置为向其输入并在其存储用于预先确定提前运动模式的直角坐标系中的期望运动轨迹的时间依赖参数和/或插值系数，直角坐标系中期望轨迹生成单元的第一输入端连接到控制设备的第一输出端，以及第二输入端-到脚蹬反应测量单元的输出端，第一输出端-连接到控制设备的第一输入端，以及第二输出端配置为连接到期望直角轨迹参数确定系统，期望直角轨迹参数确定系统的输出端配置为连接到期望轨迹生成单元的第三输入端，期望轨迹生成单元的第四输入端配置为连接到辅助专家的外部电脑的输出端，其中控制设备增加了期望直角轨迹加速度生成单元、期望角加速度计算单元、外骨骼驱动器角加速度计算单元、当前外骨骼直角坐标向量计算单元以及使用者躯干角运动估算单元，期望直角轨迹加速度生成单元的第一输入端连接到控制设备的第一输入端，期望角加速度计算单元的第一输入端连接到期望轨迹加速度生成单元的输出端，以及第二输入端-到期望角度和角速度生成单元的输出端，其中外骨骼驱动器角加速度计算单元的第一输入端连接到期望角加速度计算单元的输出端，以及第二输入端-到期望角度和角速度计算单元的输出端，当前外骨骼直角坐标向量计算单元的输入端连接到控制设备的第三输入端，以及输出端-到期望直角轨迹加速度生成单元的第二输入端，使用者躯干角运动估算单元的输入端连接到当前外骨骼直角坐标计算单元的输出端，以及输出端-到外部力矩估算单元的第四输入端，外部力矩估算单元的第五输入端通过控制设备的第二输入端连接到脚蹬反应计算单元的输出端，其中控制信号生成单元的第一输入端连接到外部力矩估算单元的输出端，外部力矩估算单元的第一输入端连接到外骨骼驱动器角加速度计算单元的输出端，以及第二输入端-到控制设备的第三输入端，控制设备的第三输入端也连接到外骨骼驱动器角加速度计算单元的第三输入端和控制信号生成单元的第二输入端，控制信号生成单元的第三输入端连接到外骨骼驱动器角加速度计算单元的输出端，第四输入端-到控制设备的第四输入端，控制设备的第四输入端也连接到外部力矩估算单元的第三输入端，以及控制信号生成单元的输出端到控制设备的输出端，控制设备的输出端连接到装备有电机电流测量单元的电动驱动器电流传感器的驱动器的控制输入端，其中控制设备的第四输入端连接到电动电机电流测量单元的输出端。5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，期望直角轨迹生成单元和控制设备在外骨骼的机载控制器中以软件实施。6.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，具有支撑电机装置功能障碍的使用者的预先确定提前运动模式采用以下模式：“平面上行走”，“上楼梯”，“下楼梯”，“走上倾斜面”，“走下倾斜面”，“跨越障碍”，“坐下休息”，“伸直腿站直”，“由“坐下休息”位置到伸直腿站直”，“由“伸直腿站直”到坐下休息”。7.一种用于处于预先确定提前运动模式的具有支撑电机装置...

【专利技术属性】
技术研发人员：E·S·别列津，E·V·皮斯曼纳加，A·V·库兹米乔夫，E·K·拉夫劳夫斯基，
申请(专利权)人：埃克索艾特莱特有限责任公司，
类型：发明
国别省市：俄罗斯,RU