行动辅助设备制造技术

一种包括外骨骼系统的装置，具有多个传感器、髋部段和至少一个下肢，所述传感器用于产生表示至少所述外骨骼系统的当前动作和当前布置的信号。所述下肢包括用于耦接到用户腿部的侧表面的大腿段和小腿段。所述大腿段包括将所述大腿段耦接到所述髋部段的第一带动力的关节、将所述大腿段耦接到所述小腿段的第二带动力的关节以及耦接到所述传感器、所述第一带动力的关节和所述第二带动力的关节的控制器。所述控制器是构造来基于所述信号确定所述外骨骼系统的当前状态和所述用户的当前意图，并基于所述当前状态和所述当前意图给所述第一和第二带动力的关节生成控制信号。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及带动力的辅助设备领域，尤其是涉及带动力的辅助设备和方法。
技术介绍
美国目前约有262，000个脊髓损伤(SCI)的人，大概每年保持12000个新伤、平均受伤年龄为40.2岁。其中，约44% (每年5300例)导致截瘫。截瘫产生的最主要障碍之一是丧失可动性，特别是在比较年轻的时候受伤。对截瘫用户的调查表明，可动性问题是最普遍的问题之一，可动性希望中主要是行走和站立的能力。除了行动不便，无法站立和行走带来严重的生理作用，包括肌肉萎缩、骨矿物质成分流失、皮肤频繁破损的问题、尿路感染发病率增加、肌肉痉挛、淋巴管和血管循环受损、消化功能受损、呼吸系统和心血管系统功能减弱。在努力恢复截瘫的人的一定程度的腿可动性方面，已经开发出了几种下肢矫形器。形式最简单的被动矫形器是长腿支具，其包括在脚踝处提供支撑的双踝足矫形器(AFO)jAFO与将膝关节锁在完全伸直的状态的腿支具耦接。髋部通常是由骨盆前方的韧带和肌肉组织的张力来稳定。因为几乎所有的行动能量都是由上半身提供的，这些(被动的)矫形器需要大量的上半身力量并且体力消耗程度高，而提供的行走速度非常慢。髋部导矫形器(HG0)，这是在长腿支具上的变型，包括硬性抵挡髋关节的内收和外展的髋关节以及提高脚趾离地的重心的刚性鞋板，从而使每迈一步，前进的程度较大。长腿矫形器的另一种变型，交替式步态矫形器(RG0)，包括将一条腿的髋部屈曲与另一条腿的髋部伸展链接起来的运动约束，通常是通过一个推拉式缆线组件。像戴着其它被动矫形器那样，用户向前倾靠住稳定性辅助设备，而去掉摆动腿的重量并利用重力提供站立腿的髋部伸展。由于髋关节的动作是通过交替式机构交替耦接的，所述重力引起的髋部伸展还提供了对侧髋部的屈曲(摆动腿)，使得步态的跨步长度增加。RGO的一种变型是包括在左右髋关节之间的基于液压电路的可变耦接。具有这种变型的实验表明，经调制的液压耦接的髋部运动得到改善。为了降低与被动矫形器相关的高程度用力，以前已经研究过使用带动力的矫形器，其包括启动器和相关的电源来辅助位移。最近，通过结合三个电动马达和RGO研发出一种带动力的矫形器，两个放在膝盖关节处，使得在摆动过程中，膝盖能够屈伸，而另一个帮助髋部耦接，其实质上辅助站立的髋部伸展和对侧的摆动髋部屈曲两者。相对于没有带动力的辅助的行走而言，所示的矫形器是来增加步态速度并减小补偿动作。此外提出了控制方法，给戴有带动力的下肢矫形器HAL的截瘫的人提供辅助性操作(坐下到站立、站立到坐 下、行走)，带动力的下肢矫形器HAL是一种带有六个电动马达(即，带动力的矢状平面髋关节、膝关节和踝关节)的新兴的商业设备。与带动力的下肢矫形器HAL —样，另外两个新兴的商业设备包括阿尔戈医疗技术公司(Argo MedicalTechnologies)的带动力的矫形器ReWalk 和伯克利仿生公司(Berkeley Bionics)的带动力的矫形器eLEGS 。这两种设备都是特别为截瘫的人研发的。
技术实现思路
本专利技术的实施例关注的是体现为带动力的下肢矫形器或者外骨骼的行动辅助设备，与已经提到的设备一样，是用来通过在髋关节和膝关节两处提供矢状平面辅助转矩来给截瘫患者提供步态辅助。根据各种实施例的矫形器与现有的矫形器不同，因为事实上它既不包括穿在肩上的一部分，也不包括穿在鞋子下面的一部分。同样，相对于报道的其它设备的质量，根据各种实施例的矫形器具有显著较轻的质量。此外，根据各种实施例的矫形器包括新的控制架构，使用户能够直观地、自主地控制(即，没有按钮控制或者系统操作员的帮助)与腿部可动性相关的基本行动(即，坐、站立和行走)。提供控制架构，使用户能够自主导航这些行动，而不用按钮或开关或外部操作员的帮助。具体而言，所述根据各种实施例的控制架构，在用户的上身行动和矫形器的状态的基础上，使用户能够在坐着、站立和行走之间切换。可以给根据各种实施例的带动力下肢假肢补充用户肌肉的功能性电刺激(FES)(即，使用电刺激引起用户肌肉的收缩)。在其余行动由辅助设备提供的情况下，可以控制FES来提供尽可能多的行动。附图说明图1图示的是使用根据各种实施例的矫形器的用户；图2示出了图1中所示的矫形器的主视 图3示出了图1中所示的矫形器的侧视图；图4示出了图1中所示的矫形器的轴测图；图5A示出了图1中所示的矫形器的一部分的局部剖视图；图5B示出了图5A的截面B的详细分解视图；图6是根据各种实施例的矫形器的示例性分布式嵌入系统的功能图；图7示出了根据本专利技术各种实施例的状态机；图8A是在转换到行走状态的过程中关节角度是跨步百分比的函数的X-Y图；图SB是在行走状态之间转换的过程中关节角度是跨步百分比的函数的X-Y图；图SC是在转换到站立状态的过程中关节角度是跨步百分比的函数的X-Y图；图9是示出在行走的过程中的压力中心的示意图；图1OA是示出在从坐着转换到站立的过程中压力中心的示意图；图1OB是示出在从站立转换到坐着的过程中压力中心的示意图；图11是示出根据各种实施例的功能性电刺激的示例性布置的示意图；图12和图13示出了从23个右步和23个左步测量到的每个关节的关节角度数据，它们是时间的函数，叠加在同一幅图上；图14示出了图13的数据的为跨步的函数的用电；图15示出了测试患者的为时间的函数的关节角度(左右髋部、左右膝部)和状态；图16A示出了为时间的函数的(步幅稍微不同的)几个步子的系统状态；图16B示出了与图16A的步子相同的步子的估计CoP (Xe)(实线)和CoP切换阈值(xe)(虚线)；图16C示出了与图16A和16B中的步骤相同的步骤的步幅(Xh)的估计值；图17A、17B和17C分别给出了和第一、第二、第三TUG测试每一个相对应的有限状态序列；图18以图形方式示出了使用各种行走方法的患者的TUG心率和TMWT心率的结果;图19以图形方式示出了使用各种行走方法的患者的TUG心率％变化、TMWT心率％变化和博格感觉尽力度。具体实施例方式本专利技术是参考附图来描述的，其中，贯穿附图，同样的参考标号指的是类似的或者等同的要素。这些图并非是按比例绘出，它们仅用来说明本专利技术。下文参考用于说明的示例应用描述本专利技术的几个方面。应当理解的是，许多具体细节、关系和方法列举出来是提供本专利技术的全面理解。但是，相关
内的普通技术人员会容易理解，本专利技术可以在没有一个或多个具体细节或者其它方法的情况下实践。在其它示例中，众所周知的结构或者操作没有详细示出，避免使本专利技术模糊。本专利技术不受所图示的行为或者事件的顺序的限制，因为一些行为可以与其它行为或者事件发生的顺序不同和/或与之同时发生。此外，并非所有图示的行为或者事件都要求实施根据本专利技术的方法。1.带动力的矫形器构造虽然有时是根据给 截瘫用户提供可动性辅助的矫形器来讨论各种实施例，但是各种实施例并不局限于这个方面。所述各种实施例同样适用于其它应用。例如，这些应用可以包括其它非截瘫病情用户的可动性辅助、中风致伤的用户的复健和可动性辅助和具有使腿部可动性受损的神经肌肉残疾的用户(举例而言，包括人和非人类用户)的可动性辅助。因此，可以暂时或者永远将各种实施例应用于任何需要可动性辅助和增强的应用中。此外，虽然将根据下面描述的示例矫形器来笼统地描述各种实施例，但本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：莱恩·J·法里斯，雨果·A·昆特罗，迈克尔·戈德法布，
申请(专利权)人：范德比尔特大学，
类型：
国别省市：