用于人体外骨骼的人机界面制造技术

控制与人体下肢连接的动力外骨骼来进行人所需的运动。人的意图由控制器基于以下至少一项的监测结果来确定：人的手臂部分的位置改变，人的头部的位置改变，人所使用的助步器的方位，人所使用的助步器和支撑表面之间的接触力，人对助步器所施加的力，外骨骼、外骨骼可移动部件和人的相对方位，以及外骨骼、外骨骼可移动部件和人之间的相对速度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于人体外骨骼的人机界面关于联邦资助研究或开发的声明本专利技术在国家科学基金奖#IIP-0712462和国家标准和技术奖研究所#70NANB7H7046下，由美国政府支持进行。美国政府对本专利技术享有一定的权益。相关申请的交叉引用本申请要求了2010年9月17日提交的、专利技术名称为"HumanMachineInterfacesforHumanExoskeletons"的美国临时申请61/403,554，以及2010年10月6日提交的、专利技术名称为"UpperBodyHumanMachineInterfacesforHumanExoskeletons"的美国临时申请61/390,337，作为优先权，该两个专利申请的内容在此参考性地引入。
技术介绍
人体外骨骼在医学领域中发展，使具有流动性疾病的人可以行走。该装置代表可以移动使用者腿部的电动腿支撑系统。某些使用者的一条或两条腿完全瘫痪。在这种情况下，外骨骼控制系统必须在外骨骼进行合适运动之前标志使用者要移动哪条腿，以及怎样移动。这种标志可直接从手动控制器处接受，该手动控制器例如为：控制杆或其它手动输入单元。然而，关于本专利技术的发展，在外骨骼使用者的控制下，基于身体部分或助步装置的感应位置变化的输入可提供了更多自然的行走经验。
技术实现思路
本专利技术涉及一种系统和方法，通过该系统和方法，使用者可利用其上身姿势或其它信号对外骨骼控制系统传递或表达他们的意图，接着该外骨骼控制系统确定想要的运动，并自动调节外骨骼的动力下肢矫正构件的顺序操作，以使行动不便的人能够进行行走，并能够进行其它涉及腿部运动的普通移动性任务。本专利技术特别用于使下身麻痹患者通过外骨骼的控制操作来行走。根据本专利技术，使用者可用不同的方式来传达或输入他们腿部的理想运动。在此提供一种系统来等待这些输入，确定理想运动并随后通过与使用者下肢相连的外骨骼的启动来控制用户的腿部运动。本专利技术的某些实施例包括监测使用者的手臂来确定用户需要的运动。例如，测量手臂运动的改变，如：手臂角度、角速度、绝对位置、相对于外骨骼的位置、相对于使用者身体的位置、绝对速度或相对于外骨骼或使用者身体的速度的改变。在其它实施例中，行走辅助或帮助装置，例如：助步车，前臂拐杖，手杖或类似物与外骨骼一起使用来提供平衡，并帮助用户达到理想运动。同样的助步器与控制系统连接，以调节外骨骼的操作。例如，在某些优选的实施例中，测量助步器的位置，并传送到控制系统，以根据使用者的意图来操作外骨骼。例如，测量助步器运动的改变，例如，助步器角度，角速度，绝对位置，相对于外骨骼的位置，相对于使用者身体的位置，绝对速度或相对外骨骼或使用者身体的速度的改变。在其他实施例中，使用者手部或手臂对助步器选定部分，例如：拐杖的手部握持部，所施加的负载通过传感器来测量，并传送到控制系统，以根据使用者的意图来操作外骨骼。一般来说，根据本专利技术的许多实施例，使用者的需要基于使用者选定的身体部分运动的直接测量或使用者与助步器之间的相互作用来确定。然而，在其它实施例中，使用真个系统的相对方位和/或速度改变来确定使用者的意图。以下通过不同的优选实施例与附图结合来说明本专利技术的其它目的和特点，在附图中相同的附图标记表示相应的部件。附图说明图1为根据本专利技术的与外骨骼连接并使用助步器的残疾患者的简要侧视图；图2为图1中患者、外骨骼和助步器的俯视图；图3展示了用于外骨骼的与控制单元有关的虚拟边界区域；图4展示了使用助步器的外骨骼使用者的与步行序列行走顺序有关的另一个虚拟边界区域；图5a展示了根据本专利技术实施例测量的速度向量，以传达使用者的要求来向右转；以及图5b展示了根据本专利技术实施例的测量的速度向量，以传达使用者的要求来以增加的步伐向前走动。具体实施方式一般来说，本专利技术涉及检测仪器或监测使用者的上身，例如：使用者的手臂，或使用者与助步器（例如：拐杖，助步车，手杖等）之间的作用，以确定使用者要求的运动，这种运动用于动力外骨骼的控制器，例如：使用者佩戴的动力下肢矫正器，以通过调节外骨骼来建立理想的运动。为了以下更明白，可监测上身的不同运动-相关参数，包括：手臂角度、角速度、绝对位置、相对外骨骼的位置、相对使用者身体的位置、绝对速度或相对外骨骼或使用者身体的改变，可监测助步器的不同的运动-相关参数，包括：助步器角度、角速度、绝对位置、相对于外骨骼的位置、相对于使用者身体的位置、绝对速度或相对外骨骼或使用者身体的速度的改变，或测量助步器上负载，并用于确定使用者想要做什么，并控制外骨骼。在图1中，外骨骼100与拐杖102一起使用，该外骨骼100具有主干部分210和小腿支撑212，包括底部的地面顶端101和把手103，由人或使用者200用于行走。所展示的使用者200具有上臂201，下臂（前臂）202，头部203和下肢205。主干部分210以本领域熟悉的方式与人体200的上身（并非分开标志）连接，腿部支撑件212与人体200的下肢205连接，以225标志的执行器实际上以本领域广泛使用的方法设置在腿部支撑件212之间，以及位于腿部支撑件212和主干部分210之间，用于腿部支撑件212相对于主干部分210的转移，使得人体200的下肢205进行运动。在图1的实施例中，外骨骼执行器225特别地髋部执行器235，该髋部执行器235用于以弯曲和伸展来移动髋关节245，并作为膝部执行器240，该膝部执行器240用于以弯曲和伸展的方式来移动膝部关节250。因为外骨骼的特定结构可具有不同的形式，这在本领域为熟悉的，且并不作为本专利技术的一部分，这将在此进一步详细说明。然而，通过实施例，美国专利7,883,546中说明了已知的外骨骼，该专利在此参考性引入。为了参考的目的，在图中，轴104为“向前”轴，轴105为“横向”轴（从页面出来），而轴106为“垂直”轴。在任何情况下，根据本专利技术的某些实施例，上臂201，下臂202和/或头部203的运动被感应，并用于确定使用者200的理想运动，有了确定的运动转化成信号，发送至外骨骼100，来进行运动。更具体地，通过实施例，监测使用者200的手臂以确定使用者200想做什么。根据本专利技术，使用者手臂或手臂部分定义为使用者手掌至肩膀之间的一个或多个身体部分，以此具体地包括某些部分，例如：前臂，上臂部分，但具体地包括其它部分，例如：使用者的手指。在一个优选的实施例中，监测使用者的手臂包括例如：通过测量使用者上臂201或下臂202部分的绝对和/或相对角度来确定方向的改变。绝对角度代表具体手臂段对于外部参考物，例如：轴线104-106，重力，地球磁场或类似物的角度方位。相对角度代表特定手臂段对于内部参考物，例如：动力外骨骼或使用者本身的角度方位。对具体手臂段或部分的方向测量可以根据本专利技术的许多不同方式进行，可非限制地包括：角速度，绝对位置，相对动力外骨骼的位置，相对人体的位置，绝对角速度，相对动力外骨骼的速度以及相对人体的速度。例如，为了确定上臂201的方向，使用超声波传感器来测量使用者手肘相对动力外骨骼100的相对位置。该位置可随后用肩部位置模型来估计手臂段方向。类似地，该方向可使用固定在上臂201的加速表和/或陀螺仪来直接测量。一般来说，图1展示了本专利技术在215和216使用的传感器，用于将来自传感器215和216的信号发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.09.17 US 61/403,554;2010.10.06 US 61/390,3371.用于连接至人的下肢的动力外骨骼的控制方法，其特征在于，包括：基于对以下至少一项的监测来建立控制参数：人所使用的助步器的方位，人所使用的助步器和支撑表面之间的接触力，人施加在助步器上的力；基于所述控制参数来确定人体下肢所需的运动；以及控制外骨骼，以赋予该所需的运动；其中所述外骨骼包括与人的上身连接的主干部分，与人的至少一个下肢连接的腿部支撑件和至少一个执行器，所述执行器用于相对主干部分来转移至少一个腿部支撑件，使得人的下肢运动可以进行。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外骨骼还包括多个操作模式，且所述方法意图从所述多个操作模式中建立一种操作模式。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外骨骼还包括多个操作模式，且所述方法意图改进所述多个操作模式中的一种操作模式的至少一个特征。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，其中的操作步骤为步进，且所述特征为步进长度。5.用于连接至人的下肢的动力外骨骼的控制方法，其特征在于，包括：基于对人体手臂部分的位置改变的监测来建立控制参数；基于所述控制参数来确定人体下肢所需的运动；以及控制外骨骼，以赋予该所需的运动；其中所述外骨骼包括与人的上身连接的主干部分，与人的至少一个下肢连接的腿部支撑件和至少一个执行器，所述执行器用于相对主干部分来转移至少一个腿部支撑件，使得人的下肢运动可以进行。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，基于对人体手臂部分的方位的检测来建立所述控制参数。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述手臂部分的方位通过使用至少一种传感器来监测，所述至少一种传感器测量以下各项中的至少一种：角速度、绝对位置、手臂部分相对于外骨骼部分的位置、手臂部分相对于人的另一身体部分的位置、绝对速度、相对于外骨骼的速度和相对于人体的速度。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：通过设置在助步器上的至少一个开关的操作来手动引发或改变外骨骼的操作模式。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述助步器包括至少一个拐杖。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，使用至少一个传感器来测量所述至少一个拐杖的角度方位。11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括：测量所述至少一个拐杖相对于外骨骼的角度方位。12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：用三个相互垂直的轴来定义外骨骼周围的空间，其中，第一个轴所在平面与支撑表面相平行，并平行于人所面对的方向延伸；第二个轴所在平面与支撑表面平行，并垂直于人所面对的方向延伸；第三个轴与第一和第二轴相互垂直，且沿着所述第一、第二和第三轴的至少其中之一来测量所述助步器的线性位置。13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，沿着所述第一轴、从外骨骼到助步器测量所述线性位置。14.根据权利要求12所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：亚当·佐斯，凯瑟琳·斯特拉瑟尔，蒂姆·斯威夫特，罗斯·安格德，约翰·彭斯，荷梅恩·卡泽罗尼，迪伦·费尔班克斯，内森·哈丁，
申请(专利权)人：艾克索仿生技术公司，加利福尼亚大学董事会，
类型：
国别省市：