助动器的控制系统的制作方法
【专利说明】
[0001] 本申请是申请日为2009年7月1日、申请号为200980161144. 2、发明名称为"助 动器的控制系统"的发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明涉及一种用于适于支持行动残障者的助动器或助步器（WA)的控制系统。
【背景技术】
[0003] 行动障碍者，例如那些饱受截瘫之苦的人，常常被局限在轮椅上，而轮椅是他们行 动的唯一方法。轮椅所提供的行动范围是有限的。此外，长期受困于轮椅还会造成健康问 题。
[0004] 为了防止这样的健康问题，已经开发了多种训练系统来帮助行动障碍者锻炼他们 的下肢，以帮助肌肉质量保持和提高循环。一些这样的训练系统包括非机动的支架系统，其 由用户佩带以帮助他们执行运动练习。
[0005] 最近，人们提出用机动的或驱动的杆件系统、助步器和步态移动装置来协助行动 障碍者完成日常的功能性运动活动，例如行走。这样的系统典型地包括外骨骼，其附着于用 户并且包括具有与臀部、膝盖和踝关节连接的对应的大腿、胫骨和足部的大腿节。传动器被 设为移动大腿节的大腿、胫骨和足部，并且所述传动器可由操纵杆或其它控制系统操作，以 达到人的步态的效果。这样的系统会有稳定性问题，尤其是当移动经过不平坦的地面和当 他们遇到其它外界干扰，包括用户的上身相对于所述外骨骼发生移动时。为了提高稳定性， 典型地要求用户将拐杖和这样的驱动式助步器一同使用。
[0006] 本说明书中，已经对专利说明书、其它外部的文档或其它材料资源进行了参考，大 体目的是提供用于论述本发明的功能的背景。除非另有特别的说明，在任何权限下，对外部 文档所做的参考不应当视为承认这样的文档或这样的材料资源为先有技术或构成所述技 术中的公知常识部分。
[0007] 本发明的目的是提供一种稳定的助步器，其在用户行动时能够完全支撑用户，或 者至少为公众提供一种有用的选择。
【发明内容】
[0008] 第一方面，本发明大致可以说由一种方法构成，所述方法用于控制外骨骼，其由用 户佩带并且具有一个或多个与所述外骨骼的对应于用户身体部分的各个身体构件相关联 的传动器，所述方法包括下列步骤：接收指示期望的运动序列的输入数据；从存储器获得 指示一个或多个连续的指令的预编程的运动数据，所述指令至少包括实施所述运动序列所 需要的落脚指令，各个指令与执行所述指令的相关传动器运动相关联；针对各个指令根据 所述相关的传动器运动移动一个或多个传动器；并依据指示地面斜度变化的接收数据调节 所述落脚指令，所述调节的步骤包括：移动所述外骨骼的一个或多个与落脚构件相关联的 传动器来向着最大允许倾角旋转足部构件；并在接收指示所述足部构件与斜面对准的输入 时终止与所述足部构件相关联的一个或多个传动器。
[0009]优选地所述足部构件包括至少一个位于所述足部构件的下面的每个角区域的触 觉传感器，并且其中所述角区域形成两对横向基本上对准的角区域和两对纵向基本上对准 的角区域。
[0010] 优选地所述触觉传感器是触感传感器。或者，所述触觉传感器是压力传感器。
[0011] 优选地，当一旦落脚构件的下面与地面接触而只从一些角区域的所述传感器接收 到触发信号的时候，接收所述指示地面斜度变化的数据。
[0012] 优选地，所述地面斜度由纵向分量和横向分量组成，并且指示地面斜度变化的数 据指示地面斜度的所述纵向分量的变化或地面斜度的所述纵向分量的变化或二者皆有之。
[0013]优选地最大允许倾角或是斜面和纵向延长线与基本水平线之间的最大允许角度， 或是斜面和横向延长线与基本水平线之间的最大允许横压力角。
[0014]优选地，从至少一个只与两对横向地对准的角区域之一相关联的触觉传感器接收 到触发信号指示地面斜度的纵向分量发生变化，而从至少一个只与两对纵向地对准的角区 域之一相关联的触觉传感器接收到触发信号指示地面斜度的横向分量发生变化。
[0015]优选地，移动一个或多个与所述外骨骼的落脚构件相关联的传动器来将所述足部 构件向着最大允许倾角旋转的步骤包括将所述足部构件围绕轴旋转，所述轴横穿从其接收 触发信号的对准角区域对。
[0016]优选地，终止一个或多个传动器的运动的步骤包括终止运动，其根据从至少一个 与一对对准角区域相关联的传感器接收的指示所述足部构件与地面的斜面对准的触发信 号，而所述对准角区域对与旋转轴线横穿其的那对相对。
[0017]优选地，所述最大允许倾角是预定的并保存于存储器。
[0018]优选地，所述方法此外包括在终止一个或多个传动器的运动的步骤之后存储指示 所述地面的当前斜度的地面状态数据的步骤。
[0019]优选地，存储指示地面的当前斜度的地面状态数据的步骤包括：将所述足部构件 的角度和来自与所述足部构件相关联的加速表的输入数据取平均；并将所述平均角作为指 示地面的当前斜度的数据而存储。
[0020] 优选地，所述方法此外包括，在移动一个或多个传动器之前和获得预编程的运动 数据之后，根据所存储的指示地面的斜度的地面状态数据更新相关的传动器运动的步骤。
[0021] 优选地，移动各个传动器包括改变传动器的长度，其中改变传动器的长度改变形 成在外骨骼的体构件之间的相关关节的角度。
[0022] 优选地，对于上述实施例，移动一个或多个与落脚构件相关联的传动器以将足部 构件向着最大允许倾角旋转的步骤包括下列步骤：标识将足部构件与地面的斜度对准所需 要的旋转轴和旋转方向；由各个传动器的长度获得相关关节的角度；使用所述足部关节的 角度计算与所需要的旋转轴和旋转方向相关的外骨骼的足部关节的相对位置；确定与将所 述足部构件旋转至最大允许倾角所要求的落脚构件相关联的足部关节的期望位置；使用反 相运动学来确定影响足部关节的位置的各个关节的期望位置；确定与影响足部关节的位置 的关节的期望位置构成的期望连接角；确定所期望的与各个期望连接角相关联的各个传动 器的长度变化；并将与各个期望连接角相关联的各个传动器的长度改变为传动器的期望长 度变化。
[0023] 优选地，所述足部构件包括中间区域触觉传感器，用于提供关于足部构件的中央 前后区域与地面的接触状态的信息，以提供升高的分辨率，从而将足部构件与地面对准。
[0024] 第二方面，本发明大致可以说由一种方法构成，所述方法用于控制外骨骼，其由用 户佩带并且具有一个或多个与所述外骨骼的对应于用户身体部分的各个身体构件相关联 的传动器，所述方法包括下列步骤：接收指示期望的运动序列的输入数据；从存储器获得 指示实施所述运动序列所需要的一个或多个连续的指令的预编程的运动数据，各个指令与 执行所述指令的相关传动器运动相关联；根据存储的指示当前地面状态的调节数据更新相 关的传动器运动；针对各个指令根据所述更新的相关传动器运动移动一个或多个传动器；
[0025] 第三方面，本发明大致可以说由一种方法构成，所述方法用于控制外骨骼，其由用 户佩带并且具有一个或多个至少与所述外骨骼的对应于用户足部的足部构件相关联的传 动器，以相对于地面斜度变化调节所述足部构件，所述方法包括下列步骤：在与足部构件相 关联的着地指示期间接收指示地面斜度变化的数据；移动一个或多个与足部构件相关联的 传动器来向着最大允许倾角旋转足部构件；并在接收指示所述足部构件与斜面对准的输入 时终止与所述足部构件相关联的一个或多个传动器的运动。
[0026] 第四方面，本发明大致可以说由一种方法构成，所述方法用于控制外骨骼，其由用 户佩带并且具有一个或多个与所述外骨骼的对应于用户身体部分的各个身体构件相关联 的传动器，所述方法包括下列步骤：接收指示期望的运动序列的输入数据；从存储器获得 指示实施所述运动序列所需要的一个或多个连续的指令的预编程的运动数据，各个指令与 执行所述指令的相关传动器运动相关联；针对各个指令根据所述相关的传动器运动移动一 个或多个传动器；并且周期性地，根据当前指令通过下列步骤平衡一个或多个传动器的运 动期间的外骨骼：基于指示足部的一个或多个区域的压力的输入压力数据，确定所述外骨 骼的至少一个接地足部构件的下面的实际压力中心位置，获得与一个或多个传动器所根据 而移动的当前指令相关联的期望的压力中心位置，并将与所述接地足部构件的方向相关联 的一个或多个传动器移动一个位置，以将足部下面的所述实际压力中心转换为针对当前指 令所期望的压力中心。
[0027] 优选地，所述周期性地平衡外骨骼的步骤在当前指令期间以预定时间步长出现。
[0028] 优选地，所述周期性地平衡所述外骨骼的步骤还包括：作为实时步骤来确定实际 压力中心位置和期望的压力中心位置之间的压力中心误差；为各个与接地足部构件的方向 相关联的传动器确定后续时间步长所期望的传动器位置；基于各个传动器的误差，为后续 时间步长调节所期望的传动器位置；并在后续时间步长期间将各个传动器朝着经过调节的 传动器位置移动。
[0029] 优选地，当前时间步长所期望的压力中心位置在之前时间步长中这样被决定：在 之前时间步长的实际压力中心位置和所述指令所期望的压力中心位置之间插值；并根据所 述插值确定后续时间步长所期望的压力中心位置。
[0030] 优选地，所述确定后续时间步长所期望的传动器位置的步骤包括：在实际传动器 位置和由针对当前指令完成的传动器运动而产生的所期望的传动器位置之间插值；并根据 所述插值确定后续时间步长所期望的传动器位置。
[0031] 优选地，所述调节所述后续时间步长所期望的传动器位置的步骤包括：使用所述 压力中心误差确定传动器位置的变化；并将传动器位置的变化与后续时间步长所期望的传 动器位置相加以调节后续时间步长所期望的传动器位置。
[0032] 优选地，所述使用压力中心误差确定传动器位置的变化的步骤是这样实现的：将 所述误差送入反馈控制器，其被安排输出传动器位置变化的指示。优选地，所述反馈控制器 是比例积分微分（PID)控制器。
[0033] 优选地，移动一个或多个传动器包括改变一个或多个传动器的长度。
[0034] 优选地，各个接地足部构件包括至少一个压力传感器，位于所述接地足部下面的 四个角上。
[0035] 第五方面，本发明大致可以说由一种方法构成，所述方法用于将由用户佩带的外 骨骼在所述外骨骼的一个或多个传动器的相对运动期间保持平衡，以执行预定指令，所述 用于平衡的方法包括下列步骤：基于指示足部的一个或多个区域的压力的输入压力数据， 计算所述外骨骼的至少一个接地足部构件的下面的实际压力中心位置，确定实际压力中心 位置和所述预定指令所期望的压力中心位置之间的压力中心误差；并通过将足部下面的所 述实际压力中心转换为所述预定指令所期望的压力中心来移动一个或多个传动器从而消 除压力中心误差。
[0036] 第六方面，本发明大致可以说由一种控制系统构成，所述控制系统用于控制外骨 骼，其由用户佩带并且一个或多个与所述外骨骼的对应于用户身体部分的各个身体构件相 关联的传动器，所述控制系统包括：用于接收指示期望的运动序列的输入数据的用户接口， 存储器组件，用于存储指示实施所述运动序列所要求的一个或多个连续指令的预编程的运 动数据，各个指令用于执行所述指令的有关传动器运动相关联，用于针对各个指令根据相 关传动器运动移动一个或多个传动器的传动器控制器；用于依据地面斜度变化的检测调节 传动器运动的地面子系统，和用于周期性地调节外骨骼在一个或多个传动器相对运动期间 的平衡的平衡控制子系统。
[0037] 优选地所述控制系统从设置在外骨骼的足部构件下面的至少四个角区域的触觉 传感器接收输入以检测地面斜度的变化。
[0038] 优选地，所述地面子系统被设置为：确定将足部构件向着最大允许倾角旋转所需 要的、与所述外骨骼的足部构件相关联的一个或多个传动器的运动，并在接收指示所述足 部构件与斜面对准的输入时终止与所述足部构件相关联的一个或多个传动器的运动。
[0039] 优选地，所述