控制假體或矯形器中的轉矩的製作方法

2023-05-16 22:58:41

專利名稱：控制假體或矯形器中的轉矩的製作方法
控制假體或矯形器中的轉矩相關專利申請的交叉引用本申請要求2010年4月5日提交的美國臨時申請61/320，991、2010年12月14日提交的美國臨時申請61/422，873以及2011年I月12日提交的美國臨時申請61/432，083的優先權，上述臨時申請均以引用方式併入本文中。
背景技術：
美國公開專利申請2010/0174384 (「』384申請」)和2006/0249315 (它們均以引用方式併入本文中)描述了用於步行的步法循環可以分為五個階段受控蹠屈、受控背屈(⑶)、動力蹠屈(PP)、先期擺動和後期擺動，如圖I所示。
』 384申請還公開了多個較低極限假體和矯形系統的實施例，其中經由串聯彈性元件(SEE)馬達轉矩和踝轉矩之間的非線性正反饋而在PP期間生成反射轉矩。更具體地，反射動作包括類似於CD期間的非線性彈簧和PP期間的轉矩源的行為。這種反射動作可以利用下面的公式通過驅動馬達而實現馬達轉矩=pff X (標準化轉矩)n 公式I其中，pff為調節成用於高步行速度的動力控制增益；標準化轉矩為被轉矩h標準化的踝轉矩rA (與使用者的重量極為相關)；η為動力指數，對於平地步行而言通常在3到5之間的範圍內。注意到，pff的單位為Nm，並且pff的值控制快速步行期間轉矩反射的水平的量級。一旦確定了期望的馬達轉矩，就可以基於公式馬達電流=馬達轉矩/kt，來計算驅動電流，其中kt為馬達轉矩常數。雖然利用公式I確實提供了良好的結果，但是通過下述控制方法提供的結果明顯更佳。

發明內容
本發明的一個方面涉及踝-足假體或矯形器設備。該設備包括脛構件和足構件，該足構件相對於脛構件操作地構造，以便支持步行並且允許足構件相對於脛構件蹠屈和背屈。馬達被構造為使足構件相對於脛構件蹠屈，串聯彈性元件連接在(a)馬達與脛構件之間和/或連接在(b)馬達與足構件之間。具有至少一個第一傳感器和至少一個第二傳感器，該至少一個第一傳感器具有能夠預測即將到來的步伐的步行速度的輸出，該至少一個第二傳感器具有能夠確定踝轉矩的輸出。該設備還包括控制器，該控制器被構造為根據該至少一個第一傳感器的輸出和該至少一個第二傳感器的輸出控制馬達的轉矩，使得用於慢步行速度的馬達的轉矩低於用於快步行速度的馬達的轉矩。本發明的另一個方面涉及一種修改踝-足假體或矯形器設備的特性的方法。該方法包括以下步驟預測在即將到來的步伐期間的步行速度；以及在預測的步行速度慢的情況下，修改即將到來的步伐期間的設備的特性。與預測的步行速度快時執行的非守恆淨功相比，特性的修改引起在即將到來的步伐期間執行的非守恆淨功的降低。本發明的另一個方面涉及一種設備，其包括近側構件和遠側構件，該遠側構件相對於近側構件通過接頭操作地連接，使得遠側構件和近側構件之間的角度能夠變化。馬達被構造為改變遠側構件和近側構件之間的角度，串聯彈性元件連接在(a)馬達與近側構件之間和/或(b)連接在馬達與遠側構件之間。具有至少一個第一傳感器和至少一個第二傳感器，該至少一個第一傳感器具有能夠預測即將到來的步伐的步行速度的輸出，該至少一個第二傳感器具有能夠確定接頭轉矩的輸出。該設備還包括控制器，該控制器被構造為根據該至少一個第一傳感器的輸出和該至少一個第二傳感器的輸出控制馬達的轉矩，使得用於慢步行速度的馬達的轉矩低於用於快步行速度的馬達的轉矩。本發明的另一個方面涉及一種踝-足假體或矯形器設備，其包括脛構件和足構件，該足構件相對於脛構件操作地構造，以便支持步行並且允許足構件相對於脛構件蹠屈和背屈。馬達被構造為使足構件相對於脛構件蹠屈，串聯彈性元件連接在(a)馬達與脛構件之間和/或連接在(b)馬達與足構件之間。該設備還具有至少一個傳感器和控制器，該至少一個傳感器具有能夠確定串聯彈性元件的偏轉的輸出，該控制器被構造為根據該輸出確定期望的轉矩，並且根據確定的期望轉矩控制馬達的轉矩。本發明的另一個方面涉及一種控制具有足構件和脛構件的踝-足假體或矯形器 的方法，該踝-足假體或矯形器具有馬達和串聯彈性元件，該馬達被構造為時足構件相對於脛構件蹠屈，串聯彈性元件與馬達串聯。該方法包括以下步驟感測馬達的位置；當馬達處於在感測步驟中感測到的位置時，確定串聯彈性元件的偏轉；以及根據在感測步驟中感測到的馬達位置和在確定步驟中確定的偏轉控制馬達的轉矩。本發明的另一個方面涉及一種設備，其包括近側構件；遠側構件，該遠側構件相對於近側構件操作地構造，使得遠側構件和近側構件之間的角度能夠變化；和馬達，該馬達被構造為改變遠側構件和近側構件之間的角度。串聯彈性元件連接在(a)馬達與近側構件之間和/或(b)連接在馬達與遠側構件之間，至少一個傳感器具有能夠確定串聯彈性元件的偏轉的輸出。該設備還包括控制器，該控制器被構造為根據該輸出確定期望的轉矩，並且根據確定的期望轉矩控制馬達的轉矩。


圖I為在平地上步行時使用者的步法循環的各階段的示意圖。圖2A示出了健康人的踝的非守恆淨功對步行速度的靜態範圍。圖2B示出了健康人的踝的峰值功率對步行速度的靜態範圍。圖2C示出了當兩個不同的公式用來控制馬達時的非守恆淨功對步行速度。圖2D示出了當兩個不同的公式用來控制馬達時的峰值功率對步行速度。圖3A示出了即將到來的步伐的步行速度與脛角速率之間的關係。圖3B示出了圖3A中所利用的脛角速率。圖4A示出了用於控制馬達的一個合適的增益函數。圖4B示出了另一個合適的增益函數。圖5A為依賴於轉矩感測的實施例的方框圖。圖5B示出了用於圖5A實施例的機械構造。圖6A為依賴於偏轉以及轉矩對偏轉特性的實施例的方框圖。圖6B示出了用於圖6A實施例的機械構造。圖6C示出了圖6B的構造的截面圖。
圖7示出了用於測量轉矩對偏轉特性的測試固定裝置。圖8A可以確定彈簧剛度的曲線圖。圖SB為示出了轉矩分量隨時間而變化的曲線圖。圖9示出了串聯彈性元件的轉矩對偏轉特性。圖10為未受損的踝的站姿階段轉矩-角度響應的Γ - Θ曲線。
具體實施例方式在健康人中，踝-足通常在身體需要以新陳代謝效率獲得正常步行的每個步幅上產生正的淨功和峰值功率。步法的站姿期間踝中的淨功和峰值功率與步行速度極為相關。圖2A和2B示出了這種關係。更具體地，圖2A示出了非守恆淨功對步行速度的靜態範圍(+1 Σ邊界)，其處於線11、12之間。圖2B示出了如線16、17的峰值功率對步行速度的估計的靜態範圍(+1 Σ邊界)。圖2B還示出了如線18的峰值功率對步行速度的平均值(研究中 測量的)，其處於線16和17之間。圖2C中用星號示出的數據點示出了當上述公式I用來控制馬達電流時的非守恆淨功對步行速度。注意到，可以通過計算踝-轉矩對踝角度的一個循環上的環面積來確定非守恆淨功，例如，如圖10所示，在點I處開始，順序通過點2、3和4，且返回到點I。可以看到，對於未受損的踝而言，非守恆淨功高於由線11、12界定的靜態範圍，並且與該範圍的偏差在較慢步行速度下比在較快步行速度下大。相似地，圖2D中用星號示出的數據點示出了當上述公式I用來控制馬達電流時的峰值功率對步行速度。可以看到，對於未受損的踝而言，峰值功率高於平均值線18。淨功也較高，並且被浪費了，導致產生額外的熱且降低了電池壽命。為了在寬範圍的步行速度上更加接近地模仿普通步行的人的踝-足的生物力學，』384申請所公開的實施例可以修改為採用本文描述的動力控制方法，以便遞送更加接近地匹配由圖2中的線11、12界定的靜態範圍和圖2B中的平均線18的每個步幅上的淨功和峰值功率。在這個方法中，對即將到來的步伐的步行速度進行預測，並且預測的步行速度用來設定用於即將到來的步伐的踝控制參數(包括動力控制增益的設定)。預測即將到來的步伐的步行速度的一種方式是根據圖3A所示的關係基於脛(俯仰)角速率《!￡來預測。這兩個速度高度線性相關，使得站姿階段中的峰值角速率用作即將到來的步伐的步行速度的優良預測。步行速度和脛角速率之間的相關性在站姿和擺動階段期間多次出現，但是優選的是最小化步行速度估計與其將被應用時之間的反應時間。其一種實現方式是，恰好在反射開始之前，對剛好開始受控背屈(即在足平(foot-flat)處)時的脛角速率進行取樣。這種減小的反應時間確保了在某些情形下(例如當使用者停止時)不會應用反射。另一方面，如果使用陳舊的步行速度預測，(例如通過在腳趾離地之前由脛角速率估計的步行速度)，那麼該估計可能是無效的(例如在使用者決定突然停止的情形下)。脛角速率可以通過任何合適的裝置進行測量，例如慣性測量單元(IMU)或角速率傳感器(ARS)。MU或ARS可以放置到假體或矯形器的與承窩剛性地連接的頂部部分上，從而能夠測量脛角速率，如圖3B所示。在可供選擇的實施例中，其可以安裝在足結構上。合適的角速率傳感器的實例為Invensense IDG-300。在一個優選的實施例中，MU可以由三個正交地對準的角速率傳感器(例如AnalogDevices ADXRS610)和三個正交地對準的加速計(例如 FreescaleMMA7360L)構成。使用角速率感測技術的優點在於，其剛好在調用反射控制之前提供角速率的瞬時測量。更具體地，站姿階段中的最大角速率可以被計算並且可以被用來調整步伐的受控背屈和動力蹠屈階段期間的反射轉矩響應。這種反射在很大程度上響應於產生滿足普通步行的人的踝-足需要的淨功和峰值功率。經由串聯彈性元件(SEE)馬達轉矩和踝轉矩之間的非線性的正反饋，通過利用以下的公式控制馬達，來生成反射轉矩馬達轉矩=Kv (ωχ) XpffX (標準化轉矩)η 公式2
其中，Κν(ωχ)為與最大角速率有關的動力控制增益函數，圖4Α中示出了該函數的實例；ρ 為調節成用於高步行速度的動力控制增益；標準化轉矩為被轉矩r^標準化的踝轉矩Γ\ (與使用者的重量極為相關)；以及η為動力指數，對於平地步行而言通常在3到5之間的範圍內。這與上面的公式I類似，不同之處在於，公式的右側乘以增益函數Κν(ωχ)，該增益函數選擇成減小用於與較慢步行速度對應的較低角速度的馬達轉矩。注意到，用於將期望的馬達轉矩轉換為用於馬達的驅動電流的伴隨公式對於本文所述的所有實施例而言保持相同(即，馬達電流=馬達轉矩/kt，其中kt為馬達轉矩常數)。圖4A中示出了一個合適的增益函數Κν(ωχ)，其初始在角速率為零時為0，並且在與快速步行速度對應的角速率ωΤΗ處線性增大到I。在閾值角速率ωΤΗ以上，增益函數Κν(ωχ)保持為I。用於閾值ωΤΗ的合適的設定為與快速步行速度對應的角速率(例如，與I. 5到I. 75米每秒之間的步行速度對應的角速率)。在一些實施例中，閾值點可以通過義肢進行設定，優選地限制到某個合理的範圍(例如，與I. 25到2米每秒之間的步行速度對應的角速率)。在其它實施例中，用於在合理範圍內調節ωΤΗ設定點的設置甚至可以是終端使用者能夠獲得的。公式2的右側乘以Κν(ωχ)的結果是，馬達將被較低的電流驅動，以用於較慢的步行速度。這將在較慢的步行速度下引起較小的轉矩(與使用公式I相比)。當該方法用來控制假體或矯形踝時，在步法的足平部分期間，轉矩初始將為零。踝轉矩1\在受控背屈階段結束時將開始增大。響應於增大ΓΑ，控制器將基於公式2驅動馬達，這將在正反饋反射響應中進一步增大轉矩。正反饋持續到由於下腿部開始將足提升離開地面而使得腳趾離地之前。在這點處，正反饋消失，因此轉矩開始下降。正反饋在腳趾離地時結束，原因是在該點處，已經沒有需要推靠的了，這使得轉矩快速下降。此外，控制反射應用的狀態機也轉換到使用位置控制的擺動階段。注意到，以引用方式併入本文中的』 384申請中描述了狀態機的操作。在iWalk Powerfoot BiOM 假體踝/足上已經實施和測試了公式2的基於速度的動力控制方法。當公式2用來控制馬達時，圖2C中通過圓形數據點示出了非守恆淨功對步行速度。圖2C中圓形數據點和星號數據點(以上討論的)之間的比較反映了當使用公式2時非守恆淨功更靠近由線11、12界定的靜態範圍。相似地，圖2D中的圓形數據點示出了當公式2用來控制馬達電流時的峰值功率對步行速度。可以看到，峰值功率在使用公式2時比在使用公式I時(在圖2D中由星號數據點表示)更加靠近平均值線18。這個實驗結果得自於重量為2401B且脛長度為53cm的患者。利用MU系統測量步行速度，並且該不行速度在從O. 8m/s到I. 5m/s的範圍內。當使用者隨機改變它們的步行速度時，該系統提供動力的平滑過渡。在可供選擇的實施例中，可以採用具有其它形狀的增益函數來代替圖4A中所示的斜度。優選地，所有這樣的函數初始在ωχ=0時都為0，終止於1，並且是單調增大的。用於增益函數的合適形狀的實例包括類似於(a)正弦曲線的第一象限；或6)餘弦曲線的第三和第四象限(比例形成為且偏移為初始為O且終止於I)的形狀。也可以使用其它過渡形狀，包括平滑的形狀和具有急劇變化的形狀。例如，圖4B所示的曲線將操作成對於低步行速度保持低的動力(這將適合於類似於教室的某些情況)，並且精金在速度超過閾值ωΤΗ2時增加動力。任選地，增益函數還能夠操作成當向後步行或奔跑時用於負速度，以控制反射響應。為此，圖4Β中包括負速度。如果需要,用於負速度的最大增益可以小於I,以便在向後步行時提供較小的動力推進。在一些實施例中，增益函數還可以在側向步伐或側向跳躍時形成為速度的函數。在一些實施例中，可以提供用戶界面，以便對公式2中η的值提供義肢控制，該η的值優選地限制在某些合理的範圍內(例如在2到7之間)。已經發現，在3到5之間的設 定點是優選的。當η高時(例如大約5)，因為標準化轉矩為1\被標準化，所以電流將不會增大，直到ΓΑ接近Γ^。這延遲(在時間上)了正反饋的開始。反之，當η較低時(例如大約3)，電流將在ΓΑ太接近Γ ^之前開始增大。這提前(在時間上)了正反饋的開始。當該系統被構造為對η提供義肢控制時，η可以被調節(例如根據來自終端使用者的言語反饋)，以最大化使用者的舒適性。在其它實施例中，用戶界面可以設置成對η (在合理範圍內)提供終端使用者控制。在可供選擇的實施例中，反射轉矩生成公式可以修改如下馬達轉矩=Κν(ωχ) XpffX (標準化轉矩)η (ωχ) 公式3公式3與公式2非常類似，不同的是，在公式3中，標準化轉矩的指數η乘以角速率函數。函數f (ωχ)優選地選擇成使得所得到的指數在較高角速度下臂在較低角速度下大。這將操作成，相對於使用者較慢地步行時的正時，當使用者較快速地步行時提前開始反射(在時間上)。注意到，在上述實施例中，該系統並沒有對即將到來的步伐進行明確的步行速度預測。相反，該系統依賴於脛的角速率ωχ (如上所述，這與預測的步行速度相關)。在這種情況下，脛的角速率ωχ用作步行速度的替代品。在可供選擇的實施例中，不依賴於脛的角速率ωχ，而是可以利用其它參數來預測步行速度。然後，根據這些可供選擇的傳感器，基於預測的步行速度相應地調節踝動力。例如，站姿階段中的膝蓋上方的腿部區段的角速率或者膝蓋線性運動速度可以用來預測即將到來的步伐的步行速度。利用IMU追蹤的踝或膝蓋的笛卡爾軌線也可以用來預測即將到來的步伐的步行速度。在其它實施例中，各公式可以實施為將估計的步行速度明確地計算為中間結果，然後基於該中間結果調節各個參數，以控制功率和非守恆淨功(例如在公式2中通過用Kv(速度彡代替!^…〕)。優選地，該系統包括特定情形處理裝置，以便在其確定存在特定步行環境時改變功率水平。例如，即使步行速度慢，功率也可以增加，以用於上樓/上坡道步行。或者即使步行速度高，功率也可以減小，以用於下樓或下坡道步行。注意到，踝軌線或膝蓋軌線(例如利用IMU確定)可以用作辨別器，以確定是否存在特定步行環境，從而可以針對特定步行環境調節踝的特性(包括反射)。上述系統為使用者提供改進的淨功和峰值功率，以便在整個步行速度範圍內實現用於普通步行的正常生物力學。該系統還在低步行速度下使用減小的馬達電流，這是大多數人的日常中主要的步行情況。這可以幫助保持馬達的溫度低，節省能量，並且減小對電池再次充電的頻率和攜帶備用電池的需要。較低的電流還減小驅動傳遞裝置(包括串聯彈簧)上的應力和疲勞，並且能夠增加裝置中各個部件的設計壽命。上述實施例依賴於踝轉矩「4作為公式的輸出，其最終在受控背屈和動力蹠屈期間控制馬達電流。該踝轉矩ΓΑ可以通過多種方法確定。在』384申請中描述了一種這樣的方法，該方法利用例如布置在惠斯通電橋構造中的應變儀主動地測量踝轉矩ΓΑ，以測量由踝假體的頂部處的承窩附接件施加的轉矩。圖5Α為用於這個實施例的系統方框圖。假體或矯形踝/足包括脛構件52和足構件54，該脛構件52和足構件54例如通過接頭53操作地連接，以允許進行蹠屈和背屈。馬 達56固定到脛構件52上，並且串聯彈性元件58坐落在脛構件52和足構件54之間，使得其將與馬達串聯，如美國專利5，650，704中所解釋的，該美國專利以引用方式併入本文中。沿著一個方向或另一個方向驅動馬達將使足構件54相對於脛構件52蹠屈或背屈。在可供選擇的實施例中(未示出)，馬達56和串聯彈性元件58可以交換，在這種情況下，馬達將安裝到足構件54上。轉矩傳感器66測量踝轉矩ΓΑ，並且將代表該轉矩的輸出發送到控制器68。控制器68被編程，以通過實施公式2來控制馬達56。在可供選擇的實施例中，被構造為實施公式2的模擬電路可以用來代替控制器68。動力驅動器60包含將來自控制器68的低電平信號轉換為驅動馬達56所需的高電平信號所需的驅動電路。圖5Β示出了用於實施圖5Α的實施例中所示的結構的實際機械構造。在圖5Β中，轉矩傳感器1732 (其對應於圖5Α中的附圖標記66)定位在脛構件1716 (其對應於圖5Α中的附圖標記52)的恰好頂部處。用於確定踝轉矩ΓΑ的另一個方法是將轉矩分解為其組成分量，並且單獨地分析這些分量中每一個的轉矩。例如，在圖6A-C所示的設計中，具有有助於總轉矩的兩個分量由串聯彈性元件施加的轉矩(rs)和由緩衝器施加的轉矩(ΓΒ)。緩衝器定位在踝的脛部分和足部分之間，並且在剛度高時還可以被看作是硬阻擋件。在可供選擇的實施例中，彈簧可以用來代替緩衝器。注意到，ΓΒ分量僅僅在緩衝器接合期間(S卩，在背屈期間，當脛構件壓靠著固定到足構件上的緩衝器時，或者在可供選擇的實施例中，當足構件接合固定到脛構件上的緩衝器時)起作用。如果每個起作用的分量都是已知的，那麼可以通過將^和ΓΒ矢量加(SP，Fa= Fs+Fb)來確定總踝轉矩。在圖6B所示的設計中，「3和Fb均可以被確定為位移的函數，該位移由在整個設計上分布的位置傳感器測量，該位置傳感器類似於檢測馬達位置的馬達編碼器和檢測踝樞轉角度的踝角度編碼器。我們以rs開始。在圖6C中，馬達IB-102驅動滾珠絲槓IB-106，並且安裝在馬達上的數字編碼器IB-104測量滾珠絲槓延伸P。如果足在無載荷下操作(例如，當其懸在空中)，那麼對於滾珠絲槓延伸P的每個給定的值，踝接頭IB-108將運動到角度β (ρ)。β (ρ)函數可以根據經驗這樣進行確定，即通過將該裝置提升到空中以使其處於無載荷狀態，然後驅動馬達通過其整個操作範圍，並且測量在P的每個值處所得到的踝接頭IB-108的角度。或者，可以基於已知的裝置幾何結構計算β (P)。β (P)函數以任何合適的格式(例如作為公式或查找表)存儲在存儲器中，該存儲器可由控制器78 (如圖6Α所示)讀取。在正常操作期間，裝置將被加載，並且踝接頭1Β-108的實際角度Θ可以被確定(例如通過安裝在踝接頭上的未示出的高解析度編碼器)。此外，可以根據數字編碼器ΙΒ-104的輸出確定實際滾珠絲槓延伸P。控制器輸入來自馬達編碼器的P，並且從存儲器中重新得到無載荷角度位置β (P)。然後，其輸入來自踝接頭角度編碼器的實際角度θ，並且從Θ減去β (ρ)(即控制器計算θ-β (ρ))。該差值為SEE 1B-110的角度偏轉。在一些實施例中，可以使用「單轉」馬達控制器。在功率開的情況下，其在一個馬達迴轉內的絕對位置與絕對接頭位置可以一起用來確定滾珠絲槓沿蹠屈方向相對於行程末端的絕對位移。在已經確定了偏轉之後，可以找到轉矩rs，原因是轉矩是偏轉的函數。在簡單的模型中，轉矩對偏轉特性可以模擬為線性函數(虎克定律)，從而rs=ksx偏轉，其中ks為用於SEE的彈簧剛度。圖9示出了用於串聯彈性元件1B-110 (如圖6B所示)的轉矩對偏轉 特性。從這些特性中，測量的偏轉可以用來確定rs。注意到，依賴於包含彈簧常數匕的公式僅僅只是由偏轉確定轉矩的許多可能的方式中的一種方式，還可以使用用於確定轉矩對偏轉特性的可供選擇的模型和方法(例如查找表、多項式曲線擬合或非線性估計)。我們接下來轉到ΓΒ分量。在背屈期間，脛構件1Β-111推向足構件1Β-114，並且坐落在這兩個構件之間(並且可以固定到任一個構件上)的緩衝器1Β-112被壓縮。在前述生成設計(其緩衝器1Β-112使用較軟的塑料)的測試期間，發明人認識到，在接合期間在緩衝器中能夠觀察到在對於2501b的被截肢者而言每85Nm峰值基準載荷偏轉O. 25。的範圍內的柔量。當使用較硬的塑料(例如EPDM，其具有95A硬度計硬度)時，存在較小的偏轉(例如對於2501b的被截肢者而言每85Nm峰值基準載荷偏轉O. 1° )，並且這種柔量的力-偏轉特徵變得更加穩定且更加容易模擬。注意到，容納踝機構的金屬外殼也將可測量地彎曲，並且因此與緩衝器接觸的構件和足結構也能夠可測量地彎曲。當對於特定設計或設計樣品(例如，利用測試固定裝置)根據經驗測量彎曲位移時，所有的這些彎曲將會自動地得到解釋。對於給定設計或特定設計示例可以根據經驗確定在緩衝器壓縮時ΓΒ的變化。一種方式是將樣品踝/足250螺栓連接到測試固定裝置200中，類似於如圖7所示的情況。測試固定裝置200優選地使用六自由度力-轉矩傳感器210 (例如由JR3公司製造的)，該傳感器同時測量沿著和繞著三個正交軸線的力和轉矩，其中向後驅動滾珠絲槓致動器220安裝在踝/足250的足部分252和JR3210之間。在該測試固定裝置200中，踝/足250被驅動，直到足部分252初始與踝/足250的脛部分254上的緩衝器接觸(如圖6Β所示)。初始接觸的角度限定為ΘΙ。然後，利用向後驅動滾珠絲槓致動器220，足部分252被進一步驅動到角度Θ。。踝/足假體上的踝編碼器1Β-108 (如圖6C所示)可以測量角度Θ。。隨著Θ c增大，緩衝器的壓縮增大，並且對於每個可能的角度Θ。存儲由JR3210確定的力。由JR3210測量的Z (豎向)和Y (水平)力利用矢量數學相加，以確定沿著向後驅動滾珠絲槓軸線的力。然後，通過在從SEE減去任何轉矩組成之後，將軸向力乘以垂直的力矩臂來計算踝轉矩。對於每個可能的角度會制多個循環(例如10個循環)的踝轉矩對踝角度曲線，並且計算至少方形最佳擬合線，假設線性關係Fb=KsX (θε-θ工)，其中Ks為緩衝器1Β-112的旋轉彈簧剛度。所得到的最佳擬合線的斜度是用Nm/rad表示的緩衝器的彈簧剛度Ks，如圖8A所示。在可供選擇的實施例中，不採用線性關係模擬緩衝器，也可以使用可供選擇的模擬和方法，以用於確定設計中的轉矩對偏轉特性(例如查找表、多項式曲線擬合或非線性的估計)。注意到，當增大轉矩時(即當足部分正被驅動到緩衝器且正壓縮緩衝器時)，踝轉矩對踝角度偏轉的關係是非常線性化的。然而，當返回到零時(降低轉矩)，曲線是不同的。這種差異是由於緩衝器的能量吸收特性的影響。優選的是，利用增大轉矩部分的最小方形最佳擬合線的斜度來確定緩衝器的彈簧剛度Kg。圖SB示出了轉矩的分量ΓΒ，該分量在緩衝器漸增地被壓縮半秒鐘(直到轉矩達到-90)然後釋放的情況下隨時間推移利用該方法確定。Γ B轉矩的量化性質為編碼器解析度的函數。這種量化可以利用較高解析度的編碼器而最小化。在一個優選的實施例中，使用Renishaw公司(P / N RMB13BC1)製造的13位的編碼器(8196計數/360度)。Renishaw編碼器採用定製的霍爾效應1C，其測量從安裝在足結構上的單極圓柱形磁體出現的相對於固定到嵌於踝外殼中的印刷電路組件上的IC的定向的場角度。利用在專門的DSP中執行的FIR低通濾波器進行的角度測量的過濾，已經示出為將有效解析度延展到15-16位。 一旦已經模擬了緩衝器/踝外殼的轉矩對偏轉特性(例如如上所述)，就可以通過測量θ c且將結果插入到公式rB=KsX (Qc-Q1)中或模擬rB作為θ。的函數的可供選擇的模型中，確定假體操作期間任何給定瞬時的rB組成。從而，從測量的角度偏轉Θ。中，可以確定第二轉矩分量rB。在可供選擇的實施例中，可以採用其它踝角度編碼裝置來確定緩衝器已經被壓縮到何種程度，包括光學的、磁電機-限制和感應傳感器。在這點上，1%和ΓΒ分量均是已知的。現在，rs可以與ΓΒ相加，以獲得ΓΑ，並且所得到的^用作公式2的輸入，以控制馬達。圖64為用於通過單獨地確定1^和ΓΒ，然後將這些分量相加以獲得ΓΑ，來實施該方法的系統方框圖。兀件52-60與圖5Α中標有對應附圖標記的兀件相同。角位置傳感器76測量馬達位移ρ和踝接頭位移Θ，並且將代表這些位移的輸出發送到控制器78。控制器78被編程，以將這些位移轉換為如上所述的轉矩rs。此外，控制器78被編程，以將踝接頭位移Θ轉換為如上所述的轉矩ΓΒ。然後，控制器78將^與^矢量相加，以確定ΓΑ。然後，控制器78通過實施公式2控制馬達56 (藉助於動力驅動器60，如圖5Α的實施例所示)。如上所述，公式2中的η可以被調節，以使得該裝置對於使用者而言更加舒適。其它參數也可以類似地調節，例如Pff和閾值角速率ωΤΗ，其影響公式2中的Κν(ωχ)函數。現在參考圖10，其是響應於未受損的站姿階段的身體-質量標準化轉矩-角度踝的Γ-Θ曲線，可以發現，能夠調節假體或矯形器中額外的參數，以儘量更好地模擬未受損的踝，從而提高舒適度和性能。實例包括在踝-足從受控蹠屈(Ku的斜度)通過受控背屈(K2_3的斜度)過渡到動力蹠屈(κ3_4的斜度)時調節阻抗。這三個阻抗的初始值以及腳趾離地時Θ的初始值(θ可以得自於未受損的踝的平均Γ-Θ響應，然後這些初始值可以被調節，以適合於活動水平、分肢長度、身體-質量分布和各個使用者的喜好。在上述實施例中，單個馬達用來實施蹠屈和背屈兩者。但是在可供選擇的實施例中，該馬達可以由用於實施蹠屈的一個馬達和用於實施背屈的另一個部件代替。在其它可供選擇的實施例中，多個馬達可以並行布置，以執行蹠屈和背屈兩者。在其它實施例中，上述電動馬達可以替換為其它類型的馬達(例如液壓馬達)，在這種情況下，控制器和動力驅動器必須進行相應的調節。注意到，當上述概念以假體的語境解釋時，它們也可以應用於矯形器語境。此外，雖然上述實施例全部涉及踝，但是上述概念可以應用於其它假體和矯形器應用，例如臀、軀幹和臂，在這種情況下，應當進行適當的修改，這將是本領域技術人員能夠理解的。例如，在膝蓋的語境中，在剛好腳趾離地期間發生反射的情況下，步行速度預測將利用正好腳趾離地之前的「最新」脛速度測量。在其它的語境中，脛構件可以概括為近側構件，足構件可以概括為遠側構件，並且背屈/蹠屈可以概括為改變遠側構件和近側構件之間的角度。上述概念還可以應用於人形機器人的語境。雖然已經參考某些實施例公開了本發明，但是在不脫離所附的權利要求所限定的本發明的精神和範圍的情況下，可以對所述實施例進行各種修改、替換和改變。因此，本發 明並不限於所述的實施例，而是完全覆蓋以下的權利要求的語言及其等效形式所限定的範圍。
權利要求
1.一種踝-足假體或矯形器設備，其包括 胚構件； 足構件，該足構件相對於脛構件操作地構造，以便支持步行並且允許足構件相對於脛構件蹠屈和背屈； 馬達，該馬達被構造為使足構件相對於脛構件蹠屈； 串聯彈性元件，該串聯彈性元件連接在(a)馬達與脛構件之間和/或連接在(b)馬達與足構件之間； 至少一個第一傳感器，該至少一個第一傳感器具有能夠預測即將到來的步伐的步行速度的輸出； 至少一個第二傳感器，該至少一個第二傳感器具有能夠確定踝轉矩的輸出；以及 控制器，該控制器被構造為根據該至少一個第一傳感器的輸出和該至少一個第二傳感器的輸出控制馬達的轉矩，使得用於慢步行速度的馬達的轉矩低於用於快步行速度的馬達的轉矩。
2.根據權利要求I所述的設備，其中馬達還被構造為使足構件相對於脛構件背屈。
3.根據權利要求I所述的設備，其中該至少一個第一傳感器包括角速率傳感器和IMU中的至少一個。
4.根據權利要求I所述的設備，其中控制器根據正好在發生反射之前的該至少一個第一傳感器的輸出控制馬達的轉矩。
5.根據權利要求I所述的設備，其中控制器被構造為(i)根據該至少一個第一傳感器的輸出確定隨步行速度變化的控制增益，其中慢步行速度下的控制增益小於快步行速度下的增益；(ii)根據該控制增益和確定的踝轉矩確定期望的馬達轉矩；以及(iii)驅動馬達以獲得該期望的馬達轉矩。
6.根據權利要求I所述的設備，其中控制器被構造為(i)根據該至少一個第一傳感器的輸出確定脛的角速率ωχ ;(ii)確定為該角速率的函數的控制增益Κν(ωχ)，其中低角速度下的控制增益小於低角速度下的控制增益；(iii)根據公式馬達轉矩=Kv(ωχ) XpffX (標準化轉矩)η，確定期望的馬達轉矩，其中pff為常數且η在2到7的範圍內；以及(iv)驅動馬達以獲得該期望的馬達轉矩。
7.根據權利要求6所述的設備,其中當ωχ=0時，Κν(ωχ)=0,當(^超過閾值ωΤΗ時，Κν(ωχ)=1，並且在ωχ=0和ωΤΗ之間，Κν(ωχ)為單調遞增函數。
8.根據權利要求7所述的設備，其中馬達還被構造為使足構件相對於脛構件背屈。
9.根據權利要求I所述的設備，其中該至少一個第二傳感器直接測量踝轉矩。
10.根據權利要求I所述的設備，其中該至少一個第二傳感器具有能夠確定串聯彈性元件的偏轉的至少一個輸出，並且控制器根據該至少一個輸出計算轉矩。
11.根據權利要求I所述的設備，其中該至少一個第二傳感器包括感測馬達的位置的傳感器和感測足構件相對於脛構件的角度的傳感器，並且控制器根據感測到的馬達的位置和感測到的角度計算轉矩。
12.根據權利要求I所述的設備，其中該至少一個第二傳感器包括感測馬達的位置的傳感器和感測足構件相對於脛構件的角度的傳感器，並且控制器根據感測到的馬達的位置、感測到的角度和串聯彈性元件的轉矩對偏轉特性確定轉矩分量Γ s。
13.根據權利要求12所述的設備，其還包括緩衝器，當足構件相對於脛構件充分背屈時，該緩衝器被壓縮， 其中控制器根據感測到的角度和緩衝器的轉矩對偏轉特性確定轉矩分量ΓΒ，並且 其中控制器根據^和ΓΒ確定總轉矩。
14.一種修改踝-足假體或矯形器設備的特性的方法，該方法包括以下步驟 預測在即將到來的步伐期間的步行速度；以及 在預測的步行速度慢的情況下，修改即將到來的步伐期間的設備的特性，其中與預測的步行速度快時執行的非守恆淨功相比，特性的修改引起在即將到來的步伐期間執行的非守恆淨功的降低。
15.根據權利要求14所述的方法，其中修改特性的步驟包括在預測的步行速度慢的情況下減小動力控制增益。
16.根據權利要求14所述的方法，其中預測步驟包括根據在正好即將到來的步伐之前的受控背屈階段期間的脛角速率測量，預測在即將到來的步伐期間的步行速度。
17.根據權利要求16所述的方法，其中在足平處進行脛角速率的測量。
18.—種設備,其包括 近側構件； 遠側構件，該遠側構件相對於近側構件通過接頭操作地連接，使得遠側構件和近側構件之間的角度能夠變化； 馬達，該馬達被構造為改變遠側構件和近側構件之間的角度； 串聯彈性元件，該串聯彈性元件連接在(a)馬達與近側構件之間和/或(b)連接在馬達與遠側構件之間； 至少一個第一傳感器，該至少一個第一傳感器具有能夠預測即將到來的步伐的步行速度的輸出； 至少一個第二傳感器，該至少一個第二傳感器具有能夠確定接頭轉矩的輸出；以及控制器，該控制器被構造為根據該至少一個第一傳感器的輸出和該至少一個第二傳感器的輸出控制馬達的轉矩，使得用於慢步行速度的馬達的轉矩低於用於快步行速度的馬達的轉矩。
19.根據權利要求18所述的設備，其中該至少一個第一傳感器包括角速率傳感器和IMU中的至少一個。
20.根據權利要求18所述的設備，其中控制器根據正好在發生反射之前的該至少一個第一傳感器的輸出控制馬達的轉矩。
21.根據權利要求18所述的設備，其中控制器被構造為(i)根據該至少一個第一傳感器的輸出確定隨步行速度變化的控制增益，其中慢步行速度下的控制增益小於快步行速度下的增益；(ii)根據該控制增益和確定的接頭轉矩確定期望的馬達轉矩；以及(iii)驅動馬達以獲得該期望的馬達轉矩。
22.—種踝-足假體或矯形器設備，其包括 胚構件； 足構件，該足構件相對於脛構件操作地構造，以便支持步行並且允許足構件相對於脛構件蹠屈和背屈；馬達，該馬達被構造為使足構件相對於脛構件蹠屈； 串聯彈性元件，該串聯彈性元件連接在(a)馬達與脛構件之間和/或連接在(b)馬達與足構件之間； 至少一個傳感器，該至少一個傳感器具有能夠確定串聯彈性元件的偏轉的輸出；以及 控制器，該控制器被構造為根據該輸出確定期望的轉矩，並且根據確定的期望轉矩控制馬達的轉矩。
23.根據權利要求22所述的設備，其中馬達還被構造為使足構件相對於脛構件背屈。
24.根據權利要求22所述的設備，其中該至少一個傳感器包括感測馬達的位置的傳感器和感測足構件相對於脛構件的角度的傳感器，並且控制器根據馬達的位置、感測到的角度Θ和串聯彈性元件的轉矩對偏轉特性確定轉矩分量rs。
25.根據權利要求22所述的設備，其中轉矩分量「8是通過基準角度β減去感測到的角度Θ而確定，其中基準角度β根據馬達的位置確定。
26.根據權利要求25所述的設備，其還包括緩衝器，當足構件相對於脛構件充分背屈時，該緩衝器被壓縮， 其中控制器根據感測到的角度和緩衝器的轉矩對偏轉特性確定轉矩分量ΓΒ，並且 其中控制器根據^和ΓΒ確定期望的轉矩。
27.—種控制具有足構件和脛構件的踝-足假體或矯形器的方法，該踝-足假體或矯形器具有馬達和串聯彈性元件，該馬達被構造為時足構件相對於脛構件蹠屈，串聯彈性元件與馬達串聯，該方法包括以下步驟 感測馬達的位置； 當馬達處於在感測步驟中感測到的位置時，確定串聯彈性元件的偏轉；以及 根據在感測步驟中感測到的馬達位置和在確定步驟中確定的偏轉控制馬達的轉矩。
28.根據權利要求27所述的方法，其中該確定步驟包括感測足構件相對於脛構件的實際角度，並且其中該控制步驟包括根據(a)實際角度和與在感測步驟中感測到的馬達位置對應的基準角度之間的差以及(b)串聯彈性元件的轉矩對偏轉特性，確定轉矩分量rs。
29.根據權利要求27所述的方法，其中該控制步驟還包括根據該實際角度和在足構件壓靠著脛構件時被壓縮的緩衝器的轉矩對偏轉特性確定轉矩分量ΓΒ ;以及將轉矩分量r s與轉矩分量r B相加。
30.一種設備,其包括 近側構件； 遠側構件，該遠側構件相對於近側構件操作地構造，使得遠側構件和近側構件之間的角度能夠變化； 馬達，該馬達被構造為改變遠側構件和近側構件之間的角度； 串聯彈性元件，該串聯彈性元件連接在(a)馬達與近側構件之間和/或(b)連接在馬達與遠側構件之間； 至少一個傳感器，該至少一個傳感器具有能夠確定串聯彈性元件的偏轉的輸出；以及 控制器，該控制器被構造為根據該輸出確定期望的轉矩，並且根據確定的期望轉矩控制馬達的轉矩。
31.根據權利要求30所述的設備，其中該至少一個傳感器包括感測馬達的位置的傳感器和感測遠側構件與近側構件之間的角度的傳感器，並且控制器根據馬達的位置、感測到的角度Θ和串聯彈性元件的轉矩對偏轉特性確定轉矩分量rs。
32.根據權利要求30所述的設備，其中轉矩分量「8是通過基準角度β減去感測到的角度Θ而確定，其中基準角度β根據馬達的位置確定。
33.根據權利要求32所述的設備，其還包括緩衝器，當遠側構件與近側構件之間的角度超過閾值角度時，該緩衝器被壓縮， 其中控制器根據感測到的角度和緩衝器的轉矩對偏轉特性確定轉矩分量ΓΒ，並且 其中控制器根據^和ΓΒ確定期望的轉矩。
全文摘要
在假體或矯形踝／足的一些實施例中，對即將到來的步伐期間的步行速度進行預測。於是，當預測的步行速度慢時，修改設備的特性，使得在該步伐中執行較少的淨功(與預測的步行速度快相比)。這可以利用能夠預測步行速度的一個傳感器和能夠確定踝轉矩的第二傳感器(66)而實現。控制器(68)接收來自這些傳感器的輸入，並且控制馬達的轉矩，使得用於慢步行速度的轉矩低於用於快步行速度的轉矩。這減少了步法循環中致動器所做的功和在步法循環期間遞送的峰值致動器功率。在一些實施例中，串聯彈性元件(58)與能夠驅動踝的馬達(56)串聯，並且至少一個傳感器設有能夠確定串聯彈性元件的偏轉的輸出。控制器根據該輸出確定期望的轉矩，並且根據確定的期望轉矩控制馬達的轉矩。
文檔編號A61F2/60GK102892388SQ201180023930
公開日2013年1月23日 申請日期2011年4月4日 優先權日2010年4月5日
發明者H·M·赫爾, R·J·卡斯勒, 韓智修, C·巴爾恩哈特, G·格宗, D·加爾洛 申請人:Iwalk股份有限公司