用于人类运动辅助的软外套制造技术

本发明专利技术公开了用于为人类运动(包括髋部运动和踝部运动)提供辅助的软外套系统和方法。传感器反馈用于确定致动可穿戴式机器人系统以传递期望的关节运动辅助的适宜分布。考虑使用者动力学和运动学的变化以及可穿戴式机器人系统的构造、材料和适配，以便提供针对使用者和当前活动定制的辅助。

【技术实现步骤摘要】
用于人类运动辅助的软外套相关申请的交叉参考本申请是中国专利申请第201580055314.4号的分案申请，第201580055314.4号的专利申请其申请日是2015年9月19日，专利技术名称是“用于人类运动辅助的软外套”。本申请要求于2014年9月19日提交的美国临时专利申请No.62/052,562的优先权；于2015年1月26日提交的美国临时专利申请No.62/107,729；于2015年6月10日提交的美国临时专利申请No.62/173,887；于2015年6月22日提交的美国临时专利申请No.62/183,149；和于2015年7月17日提交的美国临时专利申请No.62/193,793，并且所有这些申请的全部内容通过引用并入本文。关于联邦赞助的研究或开发的声明本公开实施方案的至少一些方面是在来自国防高级研究计划署(DARPA)以GrantW911NF-14-C0051的政府支持下进行的。政府享有本专利技术的这些方面的权利。
本公开的实施方案涉及运动辅助装置，更具体地涉及为人类运动(包括髋部运动和踝部运动)提供辅助的软外套系统和方法。
技术介绍
在过去十年中，已经开发了许多下肢外骨骼以在各种条件下辅助人类步态。一些装置被设计成辅助受损的或健全的人，而其他装置被设计成使得负荷运输更容易。通常，这些装置由能够对穿戴者提供高辅助扭矩的刚性外骨骼结构组成。然而，刚性框架可能会限制穿戴者的自然运动，并且当它们与穿戴者的生物关节不对准时可能施加不期望的力。此外，刚性装置可能特别是在远端区域上具有大的惯性，这可能阻碍穿戴者的运动并且从控制的角度提供挑战。已经开发了利用主要柔软、柔性或半柔性部件(例如，织物)的外套来解决外骨骼的这些问题特征中的一些问题。许多这种外套的共形、不引人注目和顺应性质减轻了与刚性外套相关的许多上述问题，但是反过来又引起了新的问题。软外套通常不像刚性外骨骼那样承载，因此在外套中产生的力最终传递到使用者的身体并由其承载。因此，舒适性和安全性考虑可能限制能够被产生以辅助运动的力的量。此外，由于软外套可能直接穿戴在使用者的皮肤上或穿在衣服上，所以舒适性可能是关键的设计考虑。然而，通常，针对舒适性的设计考虑通常与针对维持用于通过其传递负荷的有效系统刚度的设计考虑冲突。特别地，许多舒适的织物当被置于张力下时易于拉伸。这种拉伸可以有效地从外套中排出能量，使得与使用更高模量的材料相比，需要提供更大的电机和消耗更大量的功率以产生与人体相同的辅助力。此外，拉伸可能导致外套的元件变得与其在身体上的预期位置不对准和/或移位，可能导致不舒服，不自然的关节扭矩和增加的功率要求。软外套的固有顺应性和非线性机械结构还可能使得难以精确和可靠地将期望量的力传递到使用者身体的各个部分以辅助运动。因此，需要一种用于辅助运动的轻质、舒适的外套，其被构造成在身体上保持期望的位置和对准，并且通过其提供有效的负荷路径和传递特性。除了致动软外套的机械挑战之外，另一个挑战在于在关节运动学和肌肉活动模式中给出相当大的变化性来提供有效的帮助。用于控制运动辅助的现有方法使用历史数据或预定常数来估计辅助的开始，并且因此不能解决穿戴者的当前步法的正常或不可预测的变化。特别地，许多控制系统利用来自先前步法的历史或预定数据来估计在当前步法期间将被辅助的运动的开始。其他系统可以被构造成在设置为与普通人的步态周期的某些部分相对应的预定的、恒定的时间偏移上施加功率。这在使用者的步态变化的情况下可能是有问题的，在现实生活中通常是这样。因此，需要一种被构造成实时地适应使用者的运动并且因此以适当的时机和幅度提供辅助功率的控制系统。另一个挑战是，在由于性别、年龄、身高、体重和诸如行动速度等空间-时间因素引起的穿戴者动力学的相当大变化性的情况下，提供有效的辅助。现有的控制系统不能解决这些变化，而是提供未针对外套的特定穿戴者定制的一种尺寸适合所有的辅助幅度。因此，需要一种被构造成适应外套的特定穿戴者和/或正在进行的活动特性的辅助幅度的控制系统。
技术实现思路
本专利技术公开了使用外套系统为人类运动提供辅助的系统和方法。在各种实施方案中，外套可以被致动以向人体施加辅助力，以加强由下层肌肉组织产生的力。可以使用各种传感器来监测在外套中产生的力以及使用者身体的运动，以便确定用于致动外套的合适分布，从而在适当的时机传送期望水平的辅助。在各种实施方案中考虑使用者动力学和运动学的变化以及可穿戴式机器人系统的构造、材料和适配，以便提供针对使用者和当前活动定制的辅助。在各种实施方案中，外套可以使用迭代方法致动，该迭代方法将外套中产生的实际力或积分功率与期望的那些进行比较，从而确保适当的致动幅度，而不管外套系统的使用者之间的适配和身体特性的变化。在各种实施方案中，提供的辅助幅度可能受到诸如体重和空间-时间(如行动速度)等影响身体的生物负荷的因素所影响。此外，在各种实施方案中，身体运动和步态事件的实时检测可以用于在任何给时机针对使用者的实际运动定制辅助的时机，从而解决使用者的运动或步态的正常或不可预测的变化。在各种实施方案中，运动辅助可以提供给使用者的髋关节以辅助运动。在各种实施方案中，这可以包括确定在使用者的当前步态周期期间由外套系统产生的期望峰值力或积分功率，从而产生致动分布，根据所述致动分布可以致动外套以产生所述期望峰值力或积分功率，监测髋关节的角度的实时测量，以检测髋关节何时达到最大屈曲角度，和响应于检测到髋关节的角度已经达到最大屈曲角度，根据所述致动分布来致动可穿戴式机器人系统，以辅助使用者的髋关节的伸展运动。在各种实施方案中，运动辅助可以提供给使用者的踝关节以辅助运动。在一个实施方案中，可以在踝关节的站姿背屈和站姿跖屈运动的一个或组合期间提供辅助。可以通过实时监测传感器测量以检测脚跟着地和踝部旋转方向的随后变化来确定适当的时机，踝部旋转方向指示从站姿背屈运动到站姿跖屈运动的过渡。响应于检测到踝关节的测量旋转速度的方向的第一变化，外套可以被致动以辅助使用者的踝关节的跖屈运动。在一个实施方案中，外套系统可以被构造成分别独立地控制在背屈和跖屈运动期间传递到踝关节的负和正功率。附图说明下面将参照附图进一步解释本公开的实施方案。所示的附图不一定按比例绘制，而是通常重点放在示出本公开实施方案的原理。图1示出了软外套的代表性实施方案；图2示出了软外套的代表性实施方案；图3A示出了软外套的代表性实施方案的前视图；图3B示出了软外套的代表性实施方案的后视图；图3C示出了软外套的代表性实施方案的侧视图；图4A示出了腰部锚固构件的代表性实施方案的前视图；图4B示出了腰部锚固构件的代表性实施方案的后视图；图4C示出了腰部锚固构件的替代实施方案的前视图；图4D示出了腰部锚固部的实施方案，其中连接元件接合腰部锚固构件的前部；图4E示出了腰部锚固部的实施方案，其中连接元件接合腰部锚固构件的侧部；图5示出了大腿锚固部的代表性实施方案；图6A本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种辅助髋关节运动的方法，包括：/n确定在使用者的当前步态周期期间将由可穿戴式机器人系统产生的期望峰值力或积分功率；/n产生致动分布，根据所述致动分布来致动所述可穿戴式机器人系统，以产生所述期望峰值力或积分功率；/n监测髋关节的角度的实时测量，以检测髋关节何时达到最大屈曲角度；和/n响应于检测到髋关节的角度已经达到最大屈曲角度，根据所述致动分布来致动所述可穿戴式机器人系统，以辅助使用者的髋关节的伸展运动。/n

【技术特征摘要】
20140919 US 62/052,562;20150126 US 62/107,729;20151.一种辅助髋关节运动的方法，包括：
确定在使用者的当前步态周期期间将由可穿戴式机器人系统产生的期望峰值力或...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾伦·T·阿斯贝克，丁烨，伊格纳西奥·加利亚纳·布间达，李尚俊，戴安娜·A·瓦格纳，康纳·J·沃尔什，
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