自适应外骨骼、用于控制自适应外骨骼的装置和方法
【技术领域】
[0001]本公开内容通常涉及外骨骼、外骨骼控制器以及用于控制外骨骼的方法。
【背景技术】
[0002]许多人遭受受限移动性，该受限移动性可起因于年龄、疾病、外伤或另一原因。例如，随着个人变老，他/她可能损失骨骼、肌肉质量和/或力量。因此，他的/她的移动性可随时间而变得日益受限。在其它情况下，个人可能遭受例如通过损坏/破坏肌肉、骨骼和/或大脑与肢体(例如手臂或腿)之间的神经通路而限制他的/她的移动性的外伤。由于这些原因和其它原因，个人可能在心理上愿意移动，但是可能在身体上无法移动。
[0003]多年以来，已开发许多技术来增强和/或恢复已经由于年龄和/或外伤而损失的人类移动性。具体而言，对使用用于增强和/或增大人类移动性的外骨骼技术的兴趣与日俱增。
[0004]已在军事背景下开发了外骨骼技术来增强士兵和支持人员的能力。这种军事外骨骼可包括具有一个或多个液压铰接关节的钢和铝主框架，该一个或多个液压铰接关节通常被配置为模仿人类的主要关节(例如，膝盖、肘部、肩膀等)的功能。附接到该主框架的传感器和致动器检测由操作人员(例如，通过该操作人员的动作)施加的力。响应于这种所施加的力，外骨骼的相关部分以适当的方式移动。因此，如果操作人员通过移动一只手臂或者他的/她的两只手臂而将力施加到传感器，则该外骨骼的相对应的手臂可以适当的方式移动，以便模仿该操作人员手臂的动作。
[0005]还已针对药用和治疗应用开发外骨骼。在一些情况下，这种外骨骼可包括由金属主框架与铰接膝盖关节一起形成的“腿”。在用户穿上该外骨骼之后，治疗师可利用控制系统来致使该外骨骼以模拟人类的自然步态的方式行走。在一些情况下，用户可以在该外骨骼步行时例如通过按下手持式步行器/手杖中的按钮来进行控制。替代地或另外，用户可通过以可由力传感器检测的方式转移他的或她的体重来促进该外骨骼迈步。
[0006]虽然现有外骨骼有用，但其通常以机械组件(诸如，捆绑到或以其它方式附接到身体的机械关节)的致动来增强或替代用户的自然身体动作。这种外骨骼可能不通过促进或实现用户的肌肉的收缩来增强和/或恢复移动性。此外，现有外骨骼通常依赖于力传感器和/或一个或多个按钮来发起外骨骼动作。即，可响应于按钮按下或由对力传感器施加可检测的力的用户进行的动作来发起这种外骨骼的移动。如果该用户无法进行所需移动或施加必需的力，则该外骨骼可能不作出响应。
【附图说明】
[0007]随着以下【具体实施方式】进行并且一旦参考附图，所要求保护的主题的实施例的特征和优点将变得显而易见，其中，相似编号描绘相似部件，并且其中:
[0008]图1A、图1B和图1C分别描绘如由用户穿戴的根据本公开内容的示范性外骨骼的正视图、侧视图和后视图。
[0009]图2描绘设置在用户的膝盖周围的符合本公开内容的示范性局部外骨骼。
[0010]图3A、图3B和图3C分别描绘如由用户穿戴的符合本公开内容的另一示范性外骨骼的正视图、侧视图和后视图。
[0011]图4描绘设置在用户的膝盖周围的符合本公开内容的另一个示范性局部外骨骼。
[0012]图5是符合本公开内容的示范性外骨骼控制系统的框图。
[0013]图6是符合本公开内容的示范性方法的流程图。
[0014]图7是符合本公开内容的示范性控制器方法的流程图。
[0015]虽然将参考示例性实施例进行以下【具体实施方式】，但是其许多替代方案、修改和变型对于本领域技术人员将是显而易见的。
【具体实施方式】
[0016]虽然本文中参考针对特定应用的示例性实施例描述本公开内容，但应理解，这种实施例仅是示范性的，并且如由所附权利要求限定的本发明并不限于此。可以得到本文中所提供的教导的相关领域技术人员将认识到在本公开内容的范围内的另外修改、应用和实施例、以及其中本公开内容的实施例将实用的另外技术领域。
[0017]本文中描述一种可导致、帮助和/或替代用户的自然移动性的外骨骼技术。这种外骨骼技术包括但并不限于外骨骼、外骨骼控制器、用于控制外骨骼的方法以及其组合。如下文将详细解释的，本文中所述的外骨骼技术可利用传感器元件、处理/控制元件以及致动元件的组合来使得用户能够和/或帮助用户以所期望方式移动。可通过对用户的肌肉的电刺激、一个或多个机械组件的致动或者其组合来引起这种移动。在一些实施例中，该外骨骼技术可响应于所测量输入(诸如，由用户产生的动作或电信号)进行调节。以此方式，该外骨骼技术可理解已知输入并且学习新的输入，其可导致更多无缝用户体验。
[0018]出于本公开内容的目的，术语“电肌肉刺激”(“EMS”)用于指代其中通过施加电脉冲引起肌肉收缩的方法。在不受限制的情况下，这种脉冲可被配置为模拟由个人在他/她发起他的/她的身体的所有部分或一部分的移动时产生的自然电脉冲。具体而言，该电脉冲可被配置为模仿由个人产生电脉冲，所述电脉冲用以引起在躯体神经系统的控制下的骨骼肌肉的收缩和/或放松，即，主动控制所述骨骼肌肉。
[0019]短语“感兴趣的身体区域”在本文中用于指代人体的本文中所描述的外骨骼技术将应用到其的部分。感兴趣的身体区域可包括例如人体的一个或多个关节(例如，脚踝、膝盖、臀部、肩膀、肘部、手指、颈、下巴等)、其组合等等，包括参与这种关节的致动的骨骼肌肉。替代地或另外，感兴趣的身体区域可以包括人体的其它区域(诸如躯干、腹、臀、大腿、小腿等)、其组合以及类似区域。为了说明起见，本公开内容将集中在本文中所述的外骨骼技术在其应用到用户的膝盖时的使用上。应理解，这种描述仅为示范性描述，并且本文中所述的外骨骼技术可应用到感兴趣的任何身体区域或身体区域的组合。
[0020]图1A、图1B和图1C分别提供符合本公开内容的示范性外骨骼系统100 (在下文中被称为“系统100”)的正视图、侧视图和后视图。如图所示，系统100包括外骨骼102和控制器103。为说明起见，将外骨骼102描绘为由用户101穿戴。外骨骼102包括传感器104和肌肉致动接口 105。
[0021]虽然本公开内容设想其中传感器104和肌肉致动接口 105独立支撑在用户的身体上和/或内(例如，使用胶带、粘合剂、植入物等)的实施例，但并不需要这种配置。在一些实施例中，传感器104和/或肌肉致动接口 105整合到基质(其在图中使用阴影示出)或以其它方式由基质支撑。在使用时，该基质可以以适于支撑传感器104和致动器105的任何方式来进行配置。例如，该基质可以是衣服制品、贴身连衣裤、松紧带、绷带、胶带、支架、整形紧身衣、其组合等等。在不受限制的情况下，该基质优选地以贴身连衣裤、关节支架(例如，脚踝支架、膝盖支架、肘支架、肩膀支架、手腕支架、手指支架、颈支架等)和/或腹带的形式，其中的任何一个或全部可由弹性材料形成。可用作基质的合适弹性材料的非限制性例子包括弹性聚合物，诸如，乙丙橡胶、异戊二烯橡胶、氯丁(聚氯丁烯)橡胶、乳胶、丁腈橡胶、聚丁二烯橡胶、斯潘德克斯弹性纤维、硅橡胶、其组合等等。
[0022]在任何情况下，该基质可被配置为紧密地覆盖用户的身体的全部或一部分。在图1A-1C和图2中用阴影示出此概念，其分别示出覆盖用户的身体的实质上全部(图1A-1C)和用户的膝盖(图2)的基质。这种紧密贴合可使得基质能够支撑传感器104和肌肉致动接口 105，以使得其与用户的身体接触。以此方式，基质可确保保持传感器104与致动器105之间的接触，其可允许这种组件执行其相应的功能。
[0023]传感器104通常用于检测由用户101在他或她移动或试图移动感兴趣的身体区域时生成的电信号和/或其它信息。例如，传感器104可检测由用户101产生的神经元动作电位(在下文中被称为“神经元信号”)。替代地或另外，传感器104中的一个或多个传感器可检测用户101的脉搏、血压、体温、其组合、肌肉响应等等。在不受限制的情况下，传感器104中的所有传感器或一部分传感器优选地被配置为检测由用户101产生的神经元信号。具体而言，传感器104可操作为检测由用户101在他/她通过致动一个或多个骨骼肌肉和/或肌肉群来移动或试图移动他的/她的身体的一部分产生的神经元信号。这种骨骼肌肉和/或肌肉群可位于手臂、腿、腹、颈、用户101的身体的另外部分或其组合中。在一些实施例中，这种肌肉和/或肌肉群可参与感兴趣的身体区域(并且具体而言，人体的关节)的移动和/或稳定。
[0024]传感器104可以以任何合适方式来进行配置，只要其可检测由人类产生的电信号和/或其它信息。就这一点而言，传感器104可被配置为当与用户的皮肤接触时、当嵌入用户的皮肤和/或肌肉组织内时和/或当植入用户内部时起作用。在医疗行业中容易理解这种传感器的性质和配置，并且因此在本文中不详细进行描述。在一些实施例中，传感器104中的一个或多个传感器包括当接触用户的皮肤放置时容许该传感器检测神经元信号和/或其它信息的皮肤接触电极。在不受限制的情况下，这种传感器可检测来自用户101的周围/运动神经元、中枢神经系统、另一神经通路和身体通路、其组合等等的神经元信号。
[0025]在图1A-1C的实施例中，将传感器104描绘为广泛散布在用户101的身体上方。应理解，该说明仅为示范性的，并且传感器104可以位于任何合适的位置处。例如，传感器104可位于在个人的主要关节(诸如，脚踝、膝盖、臀和/或肩膀关节)中的一个或多个主要关节附近。在图2中示出此概念，图2描绘包括如穿戴在用户的膝盖周围的局部外骨骼的示范性外骨骼系统。因此，应认识到，本文中所述的外骨骼技术并不限于全身系统或近似全身系统。实际上，本公开内容设想并且涵盖用于身体的单独区域(例如，膝盖、肘、腹等)的外骨骼。此外，本文中所述的外骨骼技术可以是模块化的。即，其可最初施加到用户的第一身体区域，并且在用户的需求增加时随后施加到另外身体区域。
[0026]同样地，图1A-1C中示出的传感器104的数目仅为示范性的，并且在本文中所述的外骨骼技术中可使用任何数目个传感器104。在一些实施例中，外骨骼102中传感器104的数目可取决待收集的信息的范围、感兴趣的身体区域、用户的身体的受影响区域以及其它因素而变化。例如，本文中所述的外骨骼技术可利用约I个、2个、3个、4个、5个、10个、15个、20个、50个、100个或甚至约1000个传感器。在不受限制的情况下，在本文中所述的外骨骼技术中使用约I个到约20个传感器104。
[0027]传感器104中的一个或多个传感器可定位为使得当外骨骼102由用户穿戴时其接近于感兴趣的身体区域。这种传感器可通过基质保持在该位置中，如先前所述。例如，传感器104可嵌入以柔性支架/带形式的基质中，这样当穿戴外骨骼102时，其保持嵌入和/或与用户的皮肤接触。接近于感兴趣的身体区域定位传感器104可容许其检测由用户101产生的神经元信号，所述神经元信号用以引起来自参与该身体区域的移动的一个或多个肌肉/肌肉群的响应。以此方式，传感器104可检测在感兴趣的身体区域的“局部(local)”的区域中的神经元信号。
[0028]例如，当感兴趣的身体区域是诸如膝盖之类的关节时，可将传感器104保持为接近于膝盖，诸如在膝盖近侧和/或远侧。该放置可容许传感器104检测由用户101产生的神经元信号，所述神经元信号用以刺激参与膝盖的动作的一个或多个肌肉/肌肉群，例如，腱肌、腓肠肌、股薄肌、缝匠肌、其组合等等。
[0029]当然，传感器104无需定位为使得其在感兴趣的身体区域的局部。在一些实施例中，用户101可能受到麻痹或防止神经元信号发送到感兴趣的身体区域(在下文被称为“受影响区域”)的另一条件的影响。例如，用户101可能已遭受一个或多个神经损坏(例如，脊髓内、臂丛中、骶丛中等)，以使得防止神经元信号从大脑发送到该受影响区域。在这种情况下，放置在受影响区域上或受影响区域的局部的传感器104可能不能检测由试图移动此区域的用户101产生的神经元信号。
[0030]为进行补偿，传感器104中的一个或多个传感器可定位为使得其可检测由用户101从远离感兴趣的身体区域的身体区域产生的神经元信号。在一些实施例中，一个或多个传感器104可检测在用户101的神经系统的受损区域的点“上游”处(诸如在沿用户101的脊柱、颈和/或远离受影响区域的神经系统通路的点处)的神经元信号。例如，传感器104中的一个和多个传感器可被放置为检测将来自用户的坐骨神经的受影响区域作为目标的神经元信号。类似地，传感器104中的一个和多个传感器可以是颅传感器，其被配置为当放置在用户101的头部上或内时检测将受影响身体区域作为目标的神经元信号。以此方式，一个或多个传感器104可定位为检测由用户101在他/她试图移动受影响区域(感兴趣的身体区域)时产生的神经元信号，即使用户101不能够将这种信号实际上发送到该受影响区域。包括这种神经元信号和/或致动信号的数据信号可随后按路线传送(route)到该受影响区域(例如，使用控制器103，如下文所述)，绕过用户101的身体的可以防止神经元信号使用用户101的自然神经系统通路发送到该受影响区域的部分。
[0031]如先前所述，传感器104中的所有传感器和一部分传感器可被配置为检测除了来自用户101的神经元信号以外的信息。这种其它信息的一个例子是肌肉响应信息，包括但不限于由感兴趣的身体区域产生的肌肉响应信息。这种肌肉响应信息的非限制性例子包括肌肉动作电位、肌肉收缩和/或扩张的范围、动作范围、其组合等等。在不受限制的情况下，传感器104中的至少一个传感器检测感兴趣的身体区域中的肌肉动作电位。如下文将描述的，肌肉响应信息可由外骨骼系统100(并且具体而言，控制器103)用于确定感兴趣区域中的肌肉/肌肉群对所施加刺激(即，由用户101产生的神经元信号、由控制器103产生的致动信号或其组合)作出反应的程度。
[0032]传感器104可将数据信号(在图1A-1C中未示出)发送到控制器103。因此，传感器104可与控制器103进行有线和/或无线通信。在前一情况(有线通信)下，传感器104可通过与控制器103的线连接或其它物理连接将数据信号发送到控制器103。在后一情况下，来自传感器104的数据信号可以使用一个或多个预先确定的无线发送协议以无线方式发送到控制器103。在不受限制的情况下，传感器104和控制器103优选地彼此无线通信。
[0033]不管传感器104和控制器103通信的方式如何，由传感器104产生的数据信号都可包括神经元信号信息、肌肉响应信息或其组合。该信息可与由传感器104中的一个和多个传感器检测到的信息相对应。例如，该数据信号中的信息可包括所检测的神经元信号的波形和/或强度、所测量的肌肉动作电位、其组合等等。在一些实施例中，传感器104中的至少一个传感器产生包括神经元信号信息(例如，波形、强度、其组合等等)的数据信号，并且至少一个其它传感器104产生包括肌肉响应信息的数据信号。在另外实施例中，传感器104中的至少一个传感器产生包括神经元信号信息和肌肉响应信息两者的数据信号。
[0034]控制器103通常用于从传感器104接收数据信号并且将致动信号(在图1A-1C中未示出)发送到外骨骼102的致动器105。因此，控制器103可与致动器105有线或无线通信。在不受限制的情况下，控制器103优选地被配置为使用一个或多个预先确定的无线通信协议以无线方式将致动信号发送到致动器105中的一个或多个致动器。
[0035]由控制器103产生的致动信号可被配置为引起和/或增强参与感兴趣的身体区域的动作和/或稳定的一个或多个肌肉/肌肉群的响应。例如，致动信号可以模仿、复制或以其它方式模拟当用户101试图移动感兴趣的身体区域时产生的自然神经元信号的电肌肉刺激(EMS)信号的形式。在一些实施例中，由控制器103产生的这些致动信号可重复(即，复制)当用户101试图以一个或多个肌肉/肌肉群移动感兴趣的身体区域时由传感器104检测到的神经元信号。
[0036]肌肉致动接口 105通常用于从控制器103接收致动信号并且将这种致动信号施加到感兴趣的身体区域中的一个或多个肌肉/肌肉群。具体而言，肌肉致动接口 105可用于将致动信号从控制器103发送或以其它方式传输到参与感兴趣的身体区域的移动(例如，经由一个或多个肌肉的致动)的一个或多个肌肉/肌肉群。就这一点而言，肌肉致动接口105可以一个或多个电极的形式，其可操作用于将电信号传输到参与感兴趣的身体区域的移动和/或稳定的肌肉