用于辅助人体运动的软机器护甲制造技术

运动控制系统包括具有驱动部件的驱动器，所述驱动部件具有在关节的第一侧与所述驱动器连接的近端以及与位于所述关节的第二侧的锚固元件连接点连接的远端。第一传感器被构造用于输出限定步态周期的信号，并且第二传感器被构造用于输出代表所述至少一个驱动部件中的张力的信号。控制器从所述传感器接收输出信号并在所述步态周期的第一部分期间驱动所述驱动器，以经由所述驱动部件将大于预定阀值张力的力施加至所述锚固元件连接点以产生关于所述关节的有益力矩并且自动地驱动所述驱动器。

Soft machine armor for human body movement

The motion control system includes a driver having a driving component having a proximal end connected to the driver on the first side of the joint and a distal end connected to the anchor element connecting point on the second side of the joint. The first sensor is configured to output a signal defining the gait period, and the second sensor is configured to output a signal representing tension in the at least one driving member. The controller receives an output signal from the sensor and drives the driver during the first part of the gait cycle to apply a force greater than a predetermined threshold tension to the anchor element connection point via the driving component to generate a beneficial torque about the joint and automatically drive the driver.

【技术实现步骤摘要】
用于辅助人体运动的软机器护甲本申请是申请日为2014年5月30日、专利技术名称为“用于辅助人体运动的软机器护甲”的申请号为201480031224.7专利申请的分案申请。
本专利技术大致涉及用于辅助人体运动的方法和系统，并更具体地涉及用于通过向一个或多个动作被动地和/或主动地添加辅助能量来提供运动辅助并减小运动(例如，行走)期间消耗的能量的方法和系统。
技术介绍
现有技术的用于辅助运动的系统利用包括刚性部件(例如，连杆机构)和关节(例如，销关节)的外骨骼，所述外骨骼使用外骨骼关节附接至用户的身体，所述外骨骼关节被布置成具有理想地与用于相邻关节的旋转的中和轴共线的旋转轴。在均至Herr等人提交的美国公布专利申请第2007/0123997号和第2011/0040216号中示出了示例性的现有技术的外骨骼，在此将这些美国公开专利申请的全部内容以引用的方式并入本文。这类刚性外骨骼提供了代替已经丧失或被严重削弱的人体运动的能力并相应地被设计用于增强用户的稳定性、平衡性和安全性。其它刚性外骨骼用作提供诊所环境中(例如，物理治疗诊所中)的物理治疗的平台，或用于辅助健全的用户更容易地执行任务或更长时间地执行任务。然而，这些刚性外骨骼依赖于连杆机构的经由垫片、带条或其它接合技术在选择位置处连接到身体的刚性构架。当用户弯曲或伸展他们的肢体时，这些刚性连接与肢体平行地移动，这增加了相当大的必须由电机或用户克服的运动惯性。虽然已经进行了大量的努力来减小这些装置的重量和外形尺寸，但是它们仍对用户的运动造成相当大的限制，尤其是对步态的自然动力学和运动学产生相当大的阻抗。对行走的正常运动学的这种改变也是为什么这些外骨骼系统不能减小运动所需的代谢功率的原因之一。因为外骨骼的销关节并不与通过复杂三维路径移动的人体关节的轴精确地匹配，所以这样的刚性连接也会造成困难，特别是在极限运动情况下。这在正常运动期间导致高达10cm的错位，这会给用户造成疼痛甚至伤害。一个解决方案是包括多余的局部自由度，以使外骨骼在用于穿戴者运动的关键区域中能够移动和变形，然而，这进一步增加了系统的重量。
技术实现思路
本专利技术涉及被构造用于辅助用户的运动的方法、系统和装置，并更具体地涉及与包括一个或多个致动器和被布置在多个锚固点或锚固区域(髂嵴、肩膀、大腿、脚踝和小腿等)之间的多个不可伸展元件或半伸展的柔性连接元件(例如，织带、带条、绳索、功能性织物、线材、缆索、复合材料或它们的组合等)的软机器护甲有关的方法、系统和装置，其中，所述致动器适于在向特定肢体或身体部位传递的力有益于所述特定肢体或身体部位的运动的时间处在选择的柔性构件中选择性地产生张力。如本文所述，所述软机器护甲通常涉及并包括可穿戴式装置，所述可穿戴式装置使用柔性连接元件来将辅助力提供至至少一个肢体(例如，一条腿)或肢体的一部分(例如，一只脚)。在一些方面中，所述软机器护甲使用柔性连接元件来将辅助力提供至多个肢体(例如，两条腿)或一个或多个肢体的多个部分(例如，两只脚)。在至少一些方面中，除在不同时间处驱动相对腿或相对手臂上的一个或多个关节以促进肢体在不同方向上移动的运动(例如，行走)之外，本专利技术还包括在一个时间处驱动多个肢体并例如包括是腿的运动彼此耦合，使腿和手臂运动(同一侧或相对侧)耦合、使手臂运动耦合或使其它身体运动耦合，以利用潜在协同的运动。与现有技术刚性外骨骼相比，软机器护甲更轻、穿戴更舒适，在仍能够传递能够有益地辅助运动的力或转矩的同时允许更完整、更自然的关节运动范围。根据本专利技术，可选择地，所述柔性连接元件能够选择性地与刚性或半刚性连接元件结合使用且不必所有连接元件均是柔性的。在本专利技术的至少一些方面中，运动控制系统包括至少一个驱动器，所述至少一个驱动器包括至少一个驱动部件，所述至少一个驱动部件具有在关节的第一侧与所述至少一个驱动器连接的近端并具有与位于所述关节的第二侧的锚固元件连接点连接的远端。关于具有在关节的第一侧与所述至少一个驱动器连接的近端并具有与位于所述关节的第二侧的锚固元件连接点连接的远端的所述驱动部件，连接至所述驱动器的所述近端连接件自己可与所述关节相邻或邻近或可布置成远离所述关节(例如，在背包中，通过一个或多个额外的关节来从所述关节移除)。另外，所述驱动部件本身可具有跨越多个关节的多关节缆索。所述运动控制系统还包括被构造用于输出限定步态周期的信号的第一传感器以及被构造用于输出代表所述至少一个驱动部件中的张力的信号的第二传感器。所述运动控制系统还包括至少一个控制器，所述至少一个控制器被构造用于接收从所述第一传感器和所述第二传感器输出的所述信号，并且响应于接收的信号，在所述步态周期的第一部分期间自动地驱动所述至少一个驱动器，以使大于预定阀值张力的力经由所述至少一个驱动部件施加至所述锚固元件连接点，从而产生关于所述关节的有益力矩，并在所述步态周期的至少第二部分期间自动地驱动所述至少一个驱动器，以将所述锚固元件连接点处的张力减小至所述预定阀值张力的水平或低于所述预定阀值张力的水平，从而避免产生关于所述关节的有害力矩，虽然根据本文中所述的软机器护甲的实施例，针对上面的所述运动控制系统而被提及的关节属于生物关节(例如，人体关节和动物关节)，但是所述控制系统同样适用于非生物关节(例如，外骨骼关节、机器人关节和假体中的关节等)。关于将有益力矩施加至假体中的关节的控制系统的应用，假体有利地适应于提供更自然和流畅的运动，这可进一步辅助平衡和步态。在本专利技术的至少一些其他方面中，运动控制系统包括至少一个驱动器，所述至少一个驱动器包括至少一个驱动部件，所述至少一个驱动部件具有近端和远端，所述近端在关节的第一侧与所述至少一个驱动器连接，所述远端与布置在所述关节的第二侧的锚固元件连接点连接。所述运动控制系统还包括：第一传感器，所述第一传感器被构造用于测量所述至少一个驱动部件中的张力并输出与被测张力相关的信号；第二传感器，所述第二传感器被构造用来检测足跟着地；和存储装置，所述存储装置被构造用来存储平均步态百分比数据和平均脚步时间。所述运动控制系统还包括至少一个控制器，所述至少一个控制器被构造用来监测由所述第一传感器输出的所述信号和由所述第二传感器输出的所述信号，并在检测到足跟着地之后等待所述至少一个驱动部件中的所述被测张力上升至阀值水平，在这两个事件之后，所述至少一个控制器通过使用如下公式来计算脚步内的步态百分比：并触发所述至少一个驱动器将基于所述步态百分比的位置辅助力曲线经由所述至少一个驱动部件输出至所示锚固元件连接点，所述位置辅助力曲线的施加产生关于所述关节的有益力矩。在此运动控制系统中，所述至少一个控制器还被构造用于：计算新的平均步态百分比，通过使用所述足跟着地和平均脚步时间来更新存储在所述存储装置中的平均步态百分比，监测在约36％的平均步态百分比处在所述至少一个驱动部件中的所述被测张力，以及发起矫正的辅助位置曲线以适应随后的驱动器输出。在至少一些方面中，控制机器人系统中的运动的方法(其适用于机器人或穿戴式机器人系统)包括以下步骤：通过使用控制器，利用所述可穿戴式机器人系统的第一传感器来检测足跟着地；并且，响应于对所述足跟着地的上述检测，使用所述控制器以开始监测所述可穿戴式机器人系统的第二传感器，以确定在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种运动控制系统，其包括：至少一个驱动器，所述至少一个驱动器包括至少一个驱动部件，所述至少一个驱动部件具有近端和远端，所述近端在关节的第一侧连接至所述至少一个驱动器，所述远端在所述关节的第二侧连接至锚固元件连接点；第一传感器，所述第一传感器被构造用于输出与步态周期的时序相关或相关联的信号；第二传感器，所述第二传感器被构造用于输出代表在所述至少一个驱动部件中的张力的信号；以及至少一个控制器，所述至少一个控制器被构造用于接收从所述第一传感器输出的所述信号和从所述第二传感器输出的所述信号，并且响应于接收到的信号，在所述步态周期的第一部分期间自动地驱动所述至少一个驱动器，以经由所述至少一个驱动部件将大于预定阀值张力的力施加至所述锚固元件连接点以产生关于所述关节的有益力矩，并且在所述步态周期的至少第二部分期间自动地驱动所述至少一个驱动器，以将所述锚固元件连接点处的张力减小至所述预定阀值张力的水平或减小至低于所述预定阀值张力的水平，以此避免产生关于所述关节的有害力矩，其中，所述至少一个控制器被构造成使用仅从当前脚步起从所述第一传感器输出的所述信号和从所述第二传感器输出的所述信号，以确定所述张力越过所述预定阀值的时序并确定在所述步态周期的第一阶段期间达到峰值张力的时序。...

【技术特征摘要】
2013.05.31 US 61/829,686;2013.09.04 US 61/873,433;1.一种运动控制系统，其包括：至少一个驱动器，所述至少一个驱动器包括至少一个驱动部件，所述至少一个驱动部件具有近端和远端，所述近端在关节的第一侧连接至所述至少一个驱动器，所述远端在所述关节的第二侧连接至锚固元件连接点；第一传感器，所述第一传感器被构造用于输出与步态周期的时序相关或相关联的信号；第二传感器，所述第二传感器被构造用于输出代表在所述至少一个驱动部件中的张力的信号；以及至少一个控制器，所述至少一个控制器被构造用于接收从所述第一传感器输出的所述信号和从所述第二传感器输出的所述信号，并且响应于接收到的信号，在所述步态周期的第一部分期间自动地驱动所述至少一个驱动器，以经由所述至少一个驱动部件将大于预定阀值张力的力施加至所述锚固元件连接点以产生关于所述关节的有益力矩，并且在所述步态周期的至少第二部分期间自动地驱动所述至少一个驱动器，以将所述锚固元件连接点处的张力减小至所述预定阀值张力的水平或减小至低于所述预定阀值张力的水平，以此避免产生关于所述关节的有害力矩，其中，所述至少一个控制器被构造成使用仅从当前脚步起从所述第一传感器输出的所述信号和从所述第二传感器输出的所述信号，以确定所述张力越过所述预定阀值的时序并确定在所述步态周期的第一阶段期间达到峰值张力的时序。2.如权利要求1所述的运动控制系统，其中，所述关节包括踝关节，且其中，所述锚固元件连接点包括鞋连接元件，且其中，所述步态周期的所述第一部分包括所述步态周期的约30％至62.5％之间的范围，该范围对应于在大约站立中期与脚趾离地之间的范围。3.如权利要求2所述的运动控制系统，其中，所述至少一个控制器被构造成在所述步态周期中的从约62.5％到随后的足跟着地的所述第二部分驱动所述至少一个驱动器，以将所述锚固元件连接点处的张力减小至大体上为零。4.如权利要求2所述的运动控制系统，其中，所述至少一个控制器被构造成在所述步态周期的约30％至...

【专利技术属性】
技术研发人员：康纳·沃尔什，艾伦·托马斯·阿斯贝克，丁烨，伊格纳西奥·加利亚纳·布间达，斯特凡诺·马尔科·马里亚·德罗西，
申请(专利权)人：哈佛大学校长及研究员协会，
类型：发明
国别省市：美国,US