混合型地形自适应下肢系统的制作方法

专利名称：混合型地形自适应下肢系统的制作方法
技术领域：
本申请大体涉及下肢假体、矫形器和外骨骼装置、其零部件及其控制方法。
背景技术：
在美国每年有超过100，000人由于截肢手术失去他们的脚。全世界有成千上万人遭受到这种令人衰弱的损失。此外，在美国每年都有700，000个中风幸存者，中风经常造成各种限制行走能力的下肢病患。直到最近，下肢假体和矫形器系统一直采用主要是被动的或小功率的机构，它们不能够在每次迈步时输出身体在即使是平地上实现经济性行走运动所需的非守恒正功，更不用说在不平表面例如楼梯和台阶上了。对与对象步态周期相关的常规生物力学的理解有助于认识下肢假体、矫形器和外骨骼装置的要求。具体而言，矢状面转动情况下人脚踝的功能将对于不同的运动状态描述如下。传统被动踝/足假体(“AFPs，，)(例如Ossur Flex-Foot )的机械特性在装置整个寿命期间基本保持不变。美国专利公开申请US2006/0M9315( ‘315申请)代表对传统AFPs的重大进步。该‘315申请(其全部内容通过引用并入本文)认识到可以通过将行走周期分成五个阶段和对五个阶段中每个阶段中装置机械特性独立进行优化来改进性能。图IA是对象在平地上步态周期的不同阶段的示意图。该步态周期通常被定义为始于一只脚的足跟触地而止于同一只脚的下一次足跟触地。该步态周期分成两个阶段站立阶段(大约为步态周期的60% )和随后的摆动阶段(大约为步态周期的40% )。摆动阶段代表脚离开地面的那部分步态周期。站立阶段始于足跟接触地板时足跟的触地，止于同一只脚从地面抬起时的足尖离地。站立阶段在同一只脚从地面抬起时的足尖离地时被划分开。站立阶段分成三个子阶段受控跖屈(CP)，受控背屈(CD)，和动力跖屈(PP)。CP始于102所示的足跟触地，止于106所示的足平放。CP描述足跟和前脚开始接触地面的过程。研究者发现，CP踝关节的行为与线性弹簧反应一致，其中，相对于关节位置的平衡位置而言，关节扭矩与关节位移成比例。但是，弹簧行为是变化的；在站立的三个子阶段和后期摆动状态中，关节刚度在步与步之间被身体连续调节。在CP阶段之后，⑶阶段继续，直到踝关节达到最大背屈状态并开始图中110所示动力跖屈PP为止。在CD阶段脚踝扭矩与位置的关系被描述为非线性弹簧，其中，刚度随脚踝位置增加而增加。在CD阶段脚踝存储弹性能量，用于在PP阶段推动身体向上和向前。PP阶段在⑶阶段之后开始，并止于图中114所示的足尖离地时刻。在PP阶段，踝关节依据向上和向前弹射身体的反射反应施加扭矩。然后，弹射能量与CD阶段存储的弹簧能量共同释放，从而在后期站立阶段获得高的跖屈动力。这种弹射行为是必需的，因为在PP 阶段产生的功大于CP和CD阶段用于中速到快速行走速度吸收的负功。在摆动阶段脚抬起离开地面，从所示114的足尖离地开始直到图示118的下一次足跟触地为止。
由于上楼梯/下楼梯时脚踝的运动学和动力学模式不同于平地行走时的模式，因此对脚踝-脚生物力学的分别描述表示在图IB和图IC中。图IB表示人脚踝上楼梯的生物力学特点。上楼梯的第一阶段称为受控背屈1 (CDl)，它始于130所示背屈位置的足触地，接着继续背屈直到132所示足跟接触台阶表面。在该阶段，脚踝可以被建模成线性弹簧。第二阶段是动力跖屈I(PPl)，它始于足平放时刻(在132处脚踝达到最大背屈时)，止于再次开始背屈的134处。人脚踝就象扭矩致动器那样工作，以提供额外能量来支撑身体的重量。第三阶段是受控背屈2 (⑶幻，其中，脚踝背屈直到136所示足跟离地。对于⑶2阶段，脚踝可以被建模成线性弹簧。第四阶段也是最后阶段是动力跖屈2 (PP2)，它始于136所示的足跟离地，随脚蹬离台阶而继续，就像与CD2弹簧并联的扭矩致动器那样工作以推动身体向上和向前，在138所示足尖离开表面时结束，以开始摆动阶段，该摆动阶段在140结束ο图IC表示人脚踝-脚下楼梯的生物力学特点。下楼梯的站立阶段被分成三个子阶段受控背屈I(CDl)，受控背屈2 (CD》，及动力跖屈(PP)。CDl始于150所示的足触地， 止于152所示的足平放。在该阶段，人脚踝被建模成可变阻尼器。在CD2，脚踝继续向前背屈，直到它达到1 所示的最大背屈姿态。这里，脚踝象线性弹簧一样工作，在整个⑶2阶段存储能量。在始于1 所示的PP阶段，脚踝跖屈，直到156所示脚从台阶抬起。在该最后的PP阶段，脚踝释放CD2阶段存储的能量，推动身体向上和向前。在156所示足尖离地之后，脚在整个摆动阶段受控地定位，直到158所示的下一次足触地为止。对于图IB中描述的上楼梯，人脚踝-脚可以运用致动器和可变刚性机构的结合来有效建模。但是，对于图IC中描述的下楼梯，还需要包括可变阻尼器以便为踝-脚复合体建模；人脚踝在下楼梯时吸收的能量大大超过上楼梯时释放的能量。因此，对于上楼梯来说合理的是将脚踝建模为可变阻尼器和弹簧的组合。传统被动假体、矫形器和外骨骼装置不能够适当再现步态周期的生物力学特点。 它们不是仿生的，因为它们不能主动调节阻抗，不能提供反射扭矩反应，无论是在平地上、 上楼梯、下楼梯、上坡、下坡时，还是在变化的地形条件时。因此，需要改进的下肢假体、矫形器和外骨骼装置，它们的零部件，以及它们的控制方法。

发明内容
本发明人已经认识到，在日常每天的过程中，人的下肢除了日常行走例如上下楼梯、走斜坡以外，还用于完成和适应很多不同的活动。脚踝-脚需要最多的能量，必须具有最好的地形自适应行为，因为它们最直接接触下方地形。本发明人还认识到，可以通过对于每一种活动以不同方式动态优化装置的机械性能和以不同方式动态控制该置，来动态改善 AFPs的性能。例如，当人行走在平坦地面上时，较好的是控制脚的角度以便在脚触地时足跟低于足尖。但是，当人上楼梯时，较好的是控制脚的角度以便在脚接触下一个台阶时足尖低于艮。本申请描述了各种AFI3S实施例，它们通过检测正在穿越的地形和自动适应检测到的地形来在每个这些不同情况下适当工作。在一些实施例中，对每种情况控制AFP的能力建立于五种基本能力(1)确定正在进行的活动；(2)基于正在进行的活动来动态地控制AFP的特性；( 基于正在进行的活动来动态地驱动AFP ； (4)确定地形表面特征的不规则性(例如地形有多粘，地形有多滑，地形是粗糙的还是光滑的，地形有无障碍例如岩石)并进行适当的牵引力控制来对此作出响应，及(5)能够响应动态控制和动态驱动的AFP机械设计。本发明人已经确定，用于断定正在进行的活动的一种示范方式是追踪位于踝关节和膝关节之间的小腿(或胫)上的部位(通常位于踝关节的虚拟转动中心)的轨迹。图6A 表示对应于五种不同活动的胫轨迹，额外的斜坡轨迹是区分陡坡和缓坡的。该系统可以使用该信息通过将追踪到的轨迹映射到一组活动上来断定正在进行的活动。通过观察小腿(胫)的轨迹，能够区分平地形、上楼梯或下楼梯、或者上坡或下坡。 例如，当该系统识别了一种轨迹，就切换到一种适当的模式，并动态地控制(驱动)之前为该模式建立的AFP。在一种轨迹并不恰好落入一种分类的情况下，AFP控制器将优化响应， 以便在随机控制意义上使目标函数最小化，或者基于该地形落入一种分类的可能性而应用模糊逻辑或随机控制。一种追踪胫轨迹的适当方式是在小腿元件(胫)顶部的前表面处安装惯性测量单元(IMU)，并处理IMU输出的信号。一种区分各种轨迹的适当方式是监测踝关节速度迎角。 这些主题将在下面进行详细描述。除了对每种不同活动以不同方式动态地优化装置机械特性和动态地控制该装置以外，本发明人已经认识到，通过基于各种参数来微调AFP的特性和控制该AFP，可以进一步改善该装置的性能。例如，当人正慢走时(例如以小于0. 9米每秒的速率)，可以通过相对于正常行走所用的阻抗提高踝关节的阻抗来改善性能。或者，当人正在快走时(例如以1.7米每秒的速率)，可以通过相对于正常行走所用的阻抗减少踝关节的阻抗来改善性能。此外，当控制器确定踝关节没有如我们期望的那样对穿越正常地形作出反应时， 控制器可以考虑(及修改控制器的输出)地形中也许存在特征、纹理或不规则(例如地形是多么粘，地形是多么滑，地形是粗糙的还是光滑的，地形中是否有障碍例如岩石)。上述确定出五种可能性(即，断定正在进行何种活动；断定地形中是否存在特征、 纹理或不规则；动态地控制AFP的特性；动态地驱动AFP ；及AFP的机械设计)的每种都将在下面进行详细描述。这里描述的发明总体涉及下肢假体、矫形器和外骨骼装置。本发明的各种实施例的典型使用场合包括例如代谢增强、对有永久肢体病患的对象的永久帮助，或者对有临时肢体病患的佩戴者的康复。一种示例下肢假体装置(例如图17A-17G的装置1700)的使用场合的一个实例涉及假体代替佩戴者下肢的行走功能。一种示例下肢矫形器装置(例如图22A-22C的装置 2200——矫形器)的使用场合的一个实例的特点是一种方法，用于确定装置需要提供给佩戴该装置的佩戴者的帮助水平。在一些实施例中，基于佩戴者对该装置的阻抗和扭矩贡献来减少由矫形器提供的帮助的水平。在一些实施例中，基于佩戴者和装置的动力学、生物力学模型以及装置工作期间佩戴者的测量，确定佩戴者的阻抗和扭矩贡献。在一些实施例中， 佩戴者的测量包括测量该装置至少一个关节的转动和加速度中的至少一个。在一些实施例中，基于使用连接到装置小腿元件的结构元件(锥体)完成的传感器测量，确定施加到装置小腿元件上的轴向力和力矩。该锥体是仪表化结构，它是假体的组成部分，并且连接到佩戴者的肢体插座。在一个实施例中，该锥体(结构元件)的测量被控制器用于确定施加到小腿元件的轴向力和力矩。在一些实施例中，该装置包括以下关节的至少一个连接该装置足元件和该装置小腿元件的踝关节，或用于连接该装置大腿元件和该装置小腿元件的膝关节，或用于连接该装置躯干元件和该装置大腿元件的髋关节。—方面，本发明提供了一种低噪音线性致动器，包括旋转电机，该旋转电机包括电机输出轴。该致动器还包括螺旋传动组件，该螺旋传动组件包括连接电机输出轴的螺纹轴， 该螺纹轴包括螺母组件和容纳声阻尼材料的中空外部。螺旋传动组件将电机输出轴的旋转运动转换为螺母组件的线性运动。在一些实施例中，螺旋传动组件是滚珠丝杠传动组件，螺母组件是滚珠螺母组件， 其中，该滚珠螺母组件还包括多个滚珠轴承和多个滚珠滚道，滚珠滚道用于保持滚珠轴承和在滚珠轴承组件中循环滚珠轴承。在一些实施例中，该致动器包括带轮，用于借助并联在带轮和滚珠丝杠传动组件的螺纹轴之间的多个传动带，将电机输出轴连接到螺纹轴上。在一些实施例中，线性致动器包括在运行期间确认传动带完整性的传感器。该带轮可被焊接到电机输出轴上。在一些实施例中，致动器包括径向推力轴承，用于将多个传动带连接到螺纹轴上， 从而承受由传动带张力和螺纹轴施加的载荷。在一些实施例中，滚珠丝杠传动组件包括至少一个密封件，用于保护滚珠丝杠传动组件免遭污染。在一些实施例中，线性致动器是下肢假体、矫形器或外骨骼的零部件。在一些实施例中，线性致动器包括传动装置，其采用将电机输出轴连接到滚珠丝杠传动组件螺纹轴的多个牵引轮。该螺旋传动组件是丝杠传动组件。本发明的另一方面提供了一种线性致动器，包括包括电机输出轴的旋转电机； 和连接电机输出轴的电机驱动传动组件，用于将电机输出轴的旋转运动转换为电机驱动传动组件输出的线性运动。该线性致动器还包括具有双向刚度的至少一个弹性元件，与电机驱动传动组件串联连接，从而以拉伸和压缩方式储存能量。在一些实施例中，线性致动器包括连接到该至少一个弹性元件上的应变传感器， 用于测量该至少一个弹性元件中的应变。该至少一个弹性元件可以是串联的或并联的弹性元件，连接到电机驱动传动组件的输出端。在一些实施例中，线性致动器包括控制器，用于接收测量的应变信号，以进行对线性致动器推力的闭环控制。该至少一个弹性元件大体为扁簧，沿该弹簧的纵轴线分开，以便使弹簧施加在电机驱动传动组件输出端上的平面外力矩最小化。该至少一个弹性元件可以是连接到电机驱动传动组件输出端的串联弹性应变元件，该线性致动器还可包括测量电机位置或电机驱动传动组件输出端位置的传感器，以及至少一个测量串联弹性元件输出的传感器，以及信号处理电子元件，用于估算线性致动器推力，以进行线性致动器推力闭环控制。本发明的另一方面提供了一种下肢假体、矫形器或外骨骼装置，包括足元件、小腿元件、用于将足元件连接到小腿元件的踝关节。该装置还包括第一致动器，用于将扭矩施加到踝关节，使足元件相对于小腿元件转动。该装置还包括至少一个被动弹性元件，其是非顺应的止动件，与致动器并联地连接在小腿元件和足元件之间，其中，该非顺应止动件在背屈期间存储很少能量或不存储能量，并且在动力跖屈期间限制脚踝进一步转动超出预定角
在一些实施例中，该装置包括角度调整机构，用于设定足元件相对于小腿元件的预定角度，在该角度时非顺应止动件限制进一步的转动。角度调整机构可包括可螺旋调节的元件，用于设定该预定角度。该角度调整机构可包括致动器，用于设定预定角度。在一些实施例中，该致动器基于下方地形特性调整预定角度。在一些实施例中，下方地形特性选自上坡、下坡、上楼梯、下楼梯、水平表面构成的组。在一些实施例中，与该装置相连的控制器在周期内的基础上确定下方地形特性。本发明的另一方面提供了一种下肢假体，包括足元件、小腿元件、用于将足元件连接到小腿元件的踝关节。该假体包括第一致动器，用于将扭矩施加到踝关节，使足元件相对于小腿元件转动。该假体还包括结构元件，其连接小腿元件，并包括用于连接佩戴者肢体插座元件的接口，其中，该结构元件包括多个应变计，用于确定致动器施加到小腿元件上的扭矩和施加到小腿元件上的轴向力。在一些实施例中，假体包括惯性测量单元，用于确定小腿元件的惯性姿态。惯性测量单元可连接到小腿元件上。该惯性测量单元可连接到足元件。在一些实施例中，该假体包括控制器，用于根据小腿元件的惯性姿态、致动器施加到小腿元件上的扭矩、施加到小腿元件上的轴向力以及足元件和小腿元件之间的角度，计算下方表面施加在足元件上的地面反作用力和零力矩枢轴坐标。在一些实施例中，控制器连接到致动器，并构造成控制致动器，用来在假体的整个行走周期中，基于小腿元件的惯性姿态轨迹、足元件和小腿元件之间的角度以及地面反作用力和零力矩枢轴坐标，调节假体的阻抗、位置或扭矩中的至少一个。 在一些实施例中，控制器连接到致动器，并构造成控制致动器，用来在佩戴者从坐下位置站立起来时或者从站立位置坐下时，基于小腿元件的惯性姿态、足元件和小腿元件之间的角度以及地面反作用力和零力矩枢轴坐标，调节假体的阻抗。本发明的另一方面提供了一种下肢假体，包括足元件、小腿元件、用于将足元件连接到小腿元件的踝关节。该假体包括第一致动器，用于将扭矩施加到踝关节，使足元件相对于小腿元件转动。该假体还包括结构元件，其连接到小腿元件，并包括连接到佩戴者肢体插座元件的接口。该假体还包括位移检测装置，用于检测结构元件的偏转，以确定施加到小腿元件上的轴向力和致动器施加到小腿元件上的扭矩。在一些实施例中，位移检测装置包括多个传感器，位移检测装置测量每个传感器和结构元件表面之间的距离。传感器选自接触式位移传感器、非接触式位移传感器、感应线圈、光学传感器、力敏电阻、压电传感器或应变传感器构成的组。在一些实施例中，该多个传感器包括多个在线路板上的感应线圈。在一些实施例中，感应线圈相对于结构元件表面的电感变化用于确定结构元件的位移。在一些实施例中，假体包括惯性测量单元，用于确定小腿元件的惯性姿态。在一些实施例中，惯性测量单元连接到小腿元件上。在一些实施例中，惯性测量单元连接到足元件。在一些实施例中，假体包括控制器，用于根据小腿元件的惯性姿态轨迹、致动器施加到小腿元件上的扭矩、施加到小腿元件上的轴向力以及足元件和小腿元件之间的角度， 计算下方表面施加在足元件上的地面反作用力和零力矩枢轴坐标。在一些实施例中，控制器连接到致动器，并构造成控制致动器，用来在假体的整个行走周期中，基于小腿元件的惯性姿态轨迹、足元件和小腿元件之间的角度以及地面反作用力和零力矩枢轴坐标，调节假体的阻抗。在一些实施例中，控制器连接到致动器，并构造成控制致动器，用来在佩戴者从坐下位置站立起来时或者从站立位置坐下时，基于小腿元件的惯性姿态轨迹、足元件和小腿元件之间的角度以及地面反作用力，调节假体的阻抗。本发明的另一方面，提供了一种主动式膝矫形器，包括可附连到佩戴者大腿的大腿元件、可附连到佩戴者小腿的小腿元件和用于将大腿元件连接到小腿元件的膝关节。该矫形器还包括旋转电机，旋转电机包括电机输出轴。该矫形器还包括电机驱动传动组件，其连接到电机输出轴上，将电机输出轴的旋转运动转换为电机驱动传动组件输出端的线性运动。该矫形器还包括驱动传动组件，其连接到电机驱动传递组件的输出端上，驱动传动组件的输出端连接到小腿元件上，用于给膝关节施加扭矩，从而使小腿元件相对于大腿元件转动。该矫形器还包括电机角度传感器，用于确定电机位置。该矫形器还包括控制器，用于控制旋转电机，从而在矫形器的整个行走周期内，基于电机位置调节矫形器的阻抗、位置或者扭矩。在一些实施例中，该矫形器包括角度传感器，用于确定驱动传动组件的转鼓相对于电机驱动传动组件输出端的位置，其中，控制器控制旋转电机，以基于该位置调节阻抗、 位置或扭矩。在一些实施例中，矫形器包括位移传感器，用于测量电机驱动传动组件内串联弹簧的位移，用于确定在串联弹簧上的作用力，其中，控制器控制旋转电机，以基于弹簧上的作用力调节阻抗、位置或扭矩。在一些实施例中，矫形器包括惯性测量单元，其连接到大腿元件或小腿元件上，用于确定小腿元件的惯性姿态轨迹，其中，控制器控制旋转电机，以基于该惯性姿态调节阻抗、位置或扭矩。在一些实施例中，矫形器包括传感器，用于确定驱动传动组件施加在小腿元件和大腿元件中至少一个上的作用力，其中，控制器控制旋转电机，以基于施加在小腿元件上的扭矩调节阻抗、位置或扭矩。在一些实施例中，矫形器包括角度传感器，用于确定大腿元件和小腿元件之间的角度，其中，控制器控制旋转电机，以基于大腿元件和小腿元件之间的角度调节阻抗、位置或扭矩。在一些实施例中，矫形器包括的驱动传动选自传动带传动、传输带传动和缆驱动传动构成的组。在一些实施例中，矫形器包括连接到大腿元件的箍套，用于将矫形器附连到佩戴者的大腿。在一些实施例中，矫形器包括连接到小腿元件的箍套，用于将该矫形器附连到佩戴者的小腿。在一些实施例中，矫形器增强佩戴者的下肢功能。在一些实施例中，矫形器治疗佩戴者的下肢病患。在一些实施例中，控制器构造成在佩戴者下肢病患康复期间改变矫形器提供给佩戴者的帮助。本发明的另一方面，提供了一种主动式膝盖矫形器，包括可附连到佩戴者大腿的大腿元件、可附连到佩戴者小腿的小腿元件、用于将大腿元件连接到小腿元件的膝关节。该矫形器还包括旋转电机，旋转电机包括电机输出轴。该矫形器还包括连接到电机输出轴上的螺旋传动组件，用于将电机输出轴的旋转运动转换为螺旋传动组件输出的线性运动。该矫形器还包括连接到螺旋传动组件输出端的传动带、传输带或缆驱动传动组件，以将螺旋传动组件输出的线性运动转换为旋转运动，以便给膝关节施加扭矩，使小腿元件相对于大腿元件转动。该矫形器还包括电机角度传感器，用于确定电机位置。该矫形器还包括控制器，用于控制旋转电机，从而在矫形器的整个行走周期内，基于电机位置调节矫形器的阻抗、位置或者扭矩。在一些实施例中，矫形器包括位移传感器，用于检测传动带、传输带或缆驱动传动组件内串联弹簧的位移，用于确定在串联弹簧上的作用力，其中，控制器控制旋转电机，以基于弹簧上的作用力调节阻抗、位置或扭矩。在一些实施例中，矫形器包括惯性测量单元， 其连接到大腿元件或小腿元件上，用于在步态周期内确定小腿元件的惯性姿态轨迹，并且其中，控制器控制旋转电机，以基于该步态周期中的惯性姿态轨迹调节阻抗、位置或扭矩。在一些实施例中，矫形器包括扭矩传感器，用于确定传动带、传输带或缆驱动传动组件施加在小腿元件上的扭矩，其中，控制器控制旋转电机，以在步态周期内基于施加在小腿元件上的作用力调节阻抗、位置或扭矩。在一些实施例中，矫形器包括角度传感器，用于确定大腿元件和小腿元件之间的角度，其中，控制器控制旋转电机，以基于该步态周期中大腿元件和小腿元件之间的角度调节阻抗、位置或扭矩。在一些实施例中，传动带、传输带或缆驱动传动组件包括至少两个驱动传动组件，其中，所述至少两个驱动传动组件中的第一驱动传动组件构造成将螺旋传动组件输出的第一方向的线性运动转换为第一旋转运动，从而给膝关节施加扭矩，使小腿元件相对于大腿元件转动，并且其中，所述至少两个驱动传动组件中的第二驱动传动组件构造成将螺旋传动组件的反向线性运动转换为反向旋转运动， 从而给膝关节施加扭矩，使小腿元件相对于大腿元件转动。本发明的另一方面提供了一种方法，用于确定下方表面施加给佩戴者佩戴的下肢假体装置足元件的地面反作用力和零力矩枢轴。该装置包括足元件、小腿元件、用于将足元件连接到小腿元件的踝关节、将扭矩施加到踝关节上使足元件相对于小腿元件转动的第一致动器。该方法包括基于小腿元件的惯性姿态、致动器施加到小腿元件上的扭矩、施加到小腿元件上的轴向力以及足元件和小腿元件之间的角度，计算地面反作用力。在一些实施例中，该方法包括控制致动器，以基于小腿元件的惯性姿态、足元件和小腿元件之间的角度、地面反作用力和零力矩枢轴，在该装置的整个行走周期内调节装置的阻抗。在一些实施例中，该方法包括控制致动器，以在佩戴者从坐下位置站起时或从站立位置坐下时，基于小腿元件的惯性姿态、足元件和小腿元件之间的角度、地面反作用力和零力矩枢轴，调节装置的阻抗。在一些实施例中，小腿元件的惯性姿态是基于连接到小腿元件的惯性测量单元的输出来确定。本发明的另一方面提供了一种方法，用于使下肢假体或矫形器上加速度计和速率陀螺仪误差的影响最小化，该下肢假体或矫形器包括足元件、小腿元件、用于将足元件连接到小腿元件的踝关节。该方法包括当踝关节在假体或矫形器的行走周期中基本静止时，确定对连接到小腿元件上的加速度计输出的加速度计信号的至少一个速度误差贡献。该方法还包括当踝关节在假体或矫形器的行走周期中基本静止时，确定对连接到小腿元件上的惯性测量单元输出的惯性姿态失准信号的至少一个速度误差贡献。在一些实施例中，惯性测量单元输出的惯性姿态失准信号是速率陀螺仪输出的速率陀螺仪信号。在一些实施例中，该方法包括用加速度计和速率陀螺仪输出的信号计算小腿元件的姿态。在一些实施例中，该方法包括用速度误差贡献校正计算的小腿元件的姿态。 在一些实施例中，该方法包括在该行走周期的一部分受控背屈状态期间确定速度误差贡献。在一些实施例中，该方法包括当踝关节在假体或矫形器的行走周期中基本静止
25时，确定对连接到假体或矫形器大腿元件上的加速度计和速率陀螺仪输出的加速度计信号和速率陀螺仪信号的速度误差贡献。在一些实施例中，该方法包括当足元件上的计算位置基本静止时，确定对连接到假体或矫形器大腿元件上的加速度计和速率陀螺仪输出的加速度计信号和速率陀螺仪信号的速度误差贡献。在一些实施例中，该方法包括测量小腿元件相对于大腿元件的角度。在一些实施例中，该方法包括当踝关节在假体或矫形器的行走周期中基本静止时，确定对连接到佩戴者躯干上的加速度计和速率陀螺仪输出的加速度计信号和速率陀螺仪信号的速度误差贡献。在一些实施例中，该方法包括检测大腿元件相对于佩戴者躯干的角度。本发明的另一方面提供了一种方法，用于控制佩戴下肢假体、矫形器或外骨骼装置佩戴者的平衡，该下肢假体、矫形器或外骨骼装置包括足元件、小腿元件和用于连接足元件与小腿元件的踝关节。该方法包括基于小腿元件的惯性姿态、小腿元件和足元件之间的角度以及下方表面施加到足元件上的地面反作用力和零力矩枢轴，调节该装置的踝关节阻抗、位置或扭矩中的至少一个。在一些实施例中，连接到小腿元件和足元件的致动器调节踝关节阻抗、位置或扭矩中的至少一个，以控制佩戴者的平衡。在一些实施例中，控制器基于小腿元件的惯性姿态、致动器施加到小腿元件的扭矩、施加到小腿元件的轴向力以及足元件和小腿元件之间的角度，计算地面反作用力和零力矩枢轴，该控制器连接到致动器上，以控制致动器来调节踝关节阻抗、位置或扭矩中的至少一个，从而控制佩戴者的平衡。在一些实施例中，控制器基于连接到小腿的惯性测量单元输出的信号，计算小腿的惯性姿态。在一些实施例中，连接到致动器的控制器控制致动器以调节踝关节阻抗、位置或扭矩中的至少一个，从而控制佩戴者的平衡。在一些实施例中，控制器接收来自一个或多个传感器的信号，以计算小腿元件的惯性姿态、小腿元件和足元件之间的角度以及下方表面施加到足元件上的地面反作用力。在一些实施例中，该方法包括在佩戴者从坐下位置到站立位置转变时，基于地面反作用力的增加控制佩戴者的平衡。在一些实施例中，该方法包括基于地面反作用力的增加，用连接到小腿的致动器驱动小腿元件向前。本发明的另一方面提供了一种方法，用于确定假体、矫形器或外骨骼装置的足元件和下方表面之间的牵引力变化，该装置包括足元件、小腿元件、用于连接足元件和小腿元件的踝关节以及给踝关节施加扭矩使足元件相对于小腿元件转动的第一致动器。该方法包括基于小腿元件的惯性姿态、致动器施加到小腿元件上的扭矩、施加到小腿元件上的轴向力以及足元件和小腿元件之间的角度，计算下方表面施加到足元件上的地面反作用力和零力矩枢轴。该方法还包括基于小腿元件的惯性姿态、致动器施加到小腿元件上的扭矩、施加到小腿元件上的轴向力以及足元件和小腿元件之间的角度，计算足元件零力矩枢轴的速度。在一些实施例中，在佩戴者足平放和足尖离地状态之间的一部分步态周期内，如果足元件零力矩枢轴速度下降，则确定足元件是在打滑或是在下沉。在一些实施例中，该方法包括作为确定足元件在打滑或在下沉的响应，减小施加到小腿元件上的扭矩。在一些实施例中，该方法包括用衰减系数减小施加到小腿元件的扭矩。衰减系数可以是预定的衰减系数。可基于零力矩枢轴速度确定衰减系数。在一些实施例中，该方法包括作为零力矩枢轴速度低于预定阈值的响应，减小施加到小腿元件上的扭矩。另一方面，本发明提供了一种具备内在安全特征的线性致动器。该致动器包括旋转电机，该旋转电机包括电机输出轴；其中，带轮连接到该电机输出轴上。该致动器还包括滚珠丝杠传动组件，滚珠丝杠传动组件包括螺纹轴，其借助并联在带轮和滚珠丝杠传动组件螺纹轴之间的多个传动带而连接到该电机输出轴上。滚珠丝杠传动组件将电机输出轴的旋转运动转换为滚珠丝杠传动组件一部分的线性运动。在一些实施例中，该线性致动器包括角编码器，用于确定旋转电机转子和定子之间的角度对准。在一些实施例中，该线性致动器包括控制器，该控制器构造成作为传动带断裂传感器探测到所述多个传动带中一条或多条失效的响应，使旋转电机的三条导线对地短路。在一些实施例中，使三条导线短路导致旋转电机如粘滞制动器一样工作。在一些实施例中，通过给电机绕组中的一个绕组提供固定电流和测量该绕组内的相应电压来确定绕组电阻，从而确定电机温度。在一些实施例中，通过给电机绕组中的一个绕组提供固定电压和测量该绕组内的相应电流来确定绕组电阻，从而确定电机温度。在一些实施例中，该线性致动器包括电机温度传感器，用于检测电机的温度。在一些实施例中，该线性致动器包括连接到电机的控制器，用于基于电机温度控制致动器输出的扭矩。另一方面，本发明提供了一种方法，用于在整个步态周期中，基于佩戴者佩戴的下肢假体、矫形器或外骨骼装置一部分在下方地形上的惯性参考周期内轨迹，控制装置的关节位置、阻抗或扭矩中的至少一个。在一些实施例中，该装置包括足元件、小腿元件以及用于连接足元件和小腿元件的踝关节。在一些实施例中，该装置包括小腿元件、大腿元件以及用于连接小腿元件和大腿元件的膝关节。在一些实施例中，该装置包括大腿元件、躯干元件以及用于连接大腿元件和躯干元件的髋关节元件。在一些实施例中，该装置包括大腿元件和用于连接小腿元件和大腿元件的膝关节。在一些实施例中，该装置包括躯干元件，以及用于连接大腿元件和躯干元件的髋关节。在一些实施例中，该装置包括躯干元件，以及用于连接大腿元件和躯干元件的髋关节。在一些实施例中，该轨迹是对小腿元件确定的。在一些实施例中，该轨迹是基于小腿元件的惯性姿态和足元件与小腿元件之间的角度确定的。在一些实施例中，相对于下方地形，将足元件的弹簧平衡位置调整到足平放位置，从而与相对于世界坐标系处于竖直位置的小腿元件一致。在一些实施例中，在当足元件接触下方地形和当足元件相对于下方地形处于足平放位置之间的一段时间内，基于施加在小腿元件上的弹射力，调整装置的阻抗以便使成本函数最小化。在一些实施例中，在当足元件接触下方地形和当足元件相对于下方地形处于足平放位置之间的一段时间内，基于施加在小腿元件上的弹射力，调整装置的阻抗以便使成本函数最小化。在一些实施例中，调整该装置的阻抗，使足元件的足拍击最小化。在一些实施例中，相对于下方地形，基于小腿元件的轨迹，将足元件的位置调整到足尖朝下位置。在一些实施例中，小腿元件的轨迹代表下方地形包括一个或多个楼梯时的轨迹。在一些实施例中， 在步态周期内，通过与装置的至少一个传感器和至少一个致动器连通的处理器来连续修正关节位置、阻抗或扭矩中的至少一个。在一些实施例中，基于行走速度、地形环境或地形表面特征中的至少一个，在步态周期的后期站立阶段控制该装置关节上的阻抗和扭矩。在一些实施例中，控制阻抗和扭矩以便获得所需量的功。在一些实施例中，在步态周期的受控跖屈阶段调整该装置的阻抗，从而减少前脚与下方地形的碰撞。在一些实施例中，基于装置一部分的速度，控制该装置的关节位置、阻抗或扭矩中的至少一个。在一些实施例中，该装置是小腿装置，所述一部分是处于小腿装置的膝关节和踝关节之间的部位。在一些实施例中，在整个步态周期内，控制关节位置、阻抗或扭矩中的至少两个。在一些实施例中，该装置包括在整个步态周期内控制关节位置、阻抗和扭矩。另一方面，本发明提供了一种方法，用于在整个步态周期内，减少佩戴者佩戴的下肢假体、矫形器或外骨骼装置的髋冲击力和髋冲击力速率。该方法包括基于与下方地形接触的脚传递产生的髋冲击力和冲击力速率来产生成本函数。该方法还包括基于使佩戴者成本函数最小化以便减小在下方地形上的步态周期内产生的髋冲击力，控制下肢假体、矫形器或外骨骼装置中至少一个关节的位置、阻抗或扭矩中的至少一个。在一些实施例中，该装置包括第一足元件、第一小腿元件和用于连接第一足元件和第一小腿元件的第一踝关节，该方法还包括在该装置的第一足元件的足触地状态和足平放状态之间的时间段内，调整第一踝关节的阻抗以及第一足元件与第一小腿元件之间的角度。在一些实施例中，基于在该装置第一足元件处于足触地状态和足平放状态之间时对要施加到第一踝关节上的力估算，调整第一踝关节的阻抗以及第一足元件与第一小腿元件之间的角度以使成本函数最小化。在一些实施例中，足触地状态包括足元件足跟首次接触下方地形。在一些实施例中，足触地状态包括足元件足尖首次接触下方地形。在一些实施例中，下方地形包括上楼梯或下楼梯中的至少一个，该方法还包括基于在该装置第一足元件处于足触地状态和足平放状态之间时要施加到第一踝关节上的力估算来使成本函数最小化的同时，约束第一足元件以便使足尖首先接触下方地形。在一些实施例中，该装置包括第二腿元件、第二足元件以及用于连接第二腿元件和第二足元件的第二踝关节，该方法还包括在第一足元件冲击下方地形之时或之前给第二踝关节施加扭矩。在一些实施例中，该方法包括控制关节位置、阻抗或扭矩中的至少两个。 在一些实施例中，该方法包括控制关节位置、阻抗和扭矩。另一方面，本发明提供了一种方法，用于在整个步态周期内使佩戴者佩戴的下肢假体、矫形器或外骨骼装置完成的功最小化。该方法包括生成成本函数，用于在双侧支撑期间估算装置和对象结合体在结合体质心完成的步内过渡功。该方法还包括基于使佩戴者的成本函数最小化以便减小佩戴者和装置在步态周期内完成的功，控制下肢假体、矫形器或外骨骼装置的至少一个关节的位置、阻抗或扭矩中的至少一个。在一些实施例中，该装置包括第一足元件、第一小腿元件以及用于连接第一足元件和第一小腿元件的第一踝关节，该方法还包括在该装置的第一足元件处于足触地状态和足平放状态之间的时间段内调整第一踝关节的阻抗以及第一足元件与第一小腿元件之间的角度。在一些实施例中，基于在该装置的第一足元件处于足触地状态和足平放状态之间时要施加到第一踝关节上的力的估算，调整第一踝关节的阻抗以及第一足元件与第一小腿元件之间的角度，以使成本函数最小化。足触地状态可包括足元件足跟首先接触下方地形。 足触地状态可包括足元件的足尖首先接触下方地形。在一些实施例中，佩戴者下方的地形包括上楼梯或下楼梯中的至少一个，该方法还包括在基于该装置的第一足元件处于足触地状态和足平放状态之间时要施加到第一踝关节上的力的估算使成本函数最小化的同时，约束第一足元件以便使足尖首先接触下方地形。在一些实施例中，该装置包括第二腿元件、第二足元件以及用于连接第二腿元件和第二足元件的第二踝关节，该方法还包括在第一足元件冲击下方地形之时或之前给第二踝关节施加扭矩。在一些实施例中，该方法包括在整个步态周期内控制关节位置、阻抗或扭矩中的至少两个。在一些实施例中，该方法包括在整个步态周期内控制关节位置、阻抗和扭矩。另一方面，本发明提供了一种方法，用于在周期内行走期间控制佩戴者佩戴的下肢假体、矫形器或外骨骼装置的关节阻抗、位置或扭矩中的至少一个。该方法还包括在整个行走周期内，在坐标系中确定该装置的踝关节和膝关节之间部位的轨迹。该方法还包括基于该轨迹调整该装置的足元件的关节连接。在一些实施例中，踝关节将足元件连接到该装置小腿元件的第一端，该膝关节连接到小腿元件的相对端。在一些实施例中，该装置包括所述部位是踝关节。在一些实施例中，该方法包括当预定条件表示下方地形中出现平地、上坡或下坡时，将足元件的关节连接调整到足跟朝下位置。在一些实施例中，该方法包括当预定条件表示下方地形中出现上楼梯或下楼梯时，将足元件的关节连接调整到足尖朝下位置。在一些实施例中，当预定条件表示出现上楼梯时，相对于该装置的小腿元件将足元件调整到背屈位置。在一些实施例中，当预定条件表示出现下楼梯时，相对于该装置的小腿元件将足元件调整到跖屈位置。在一些实施例中，该方法包括当预定条件表示下方地形中出现平地、上坡或下坡时，将足元件的关节连接调整到足跟朝下位置；以及当预定条件表示下方地形中出现上楼梯或下楼梯时，将足元件的关节连接调整到足尖朝下位置。在一些实施例中，基于该装置的小腿元件的惯性姿态以及足元件与小腿元件之间的角度来确定该轨迹。在一些实施例中， 该方法包括当该轨迹满足预定条件时，将该装置的足元件的关节连接调整到预定朝向。另一方面，本发明提供了一种主动式下肢假体、矫形器或外骨骼装置。该装置包括足元件、小腿元件、用于连接足元件和小腿元件的踝关节。该装置还包括第一致动器，用于将扭矩施加到踝关节上，使足元件相对于小腿元件转动；该装置还包括惯性测量单元，用于确定小腿元件的惯性姿态。该装置还包括扭矩传感器，用于确定致动器施加到小腿元件上的扭矩。该装置还包括力传感器，用于确定施加到小腿元件上的轴向力。该装置还包括角度传感器，用于确定足元件和小腿元件之间的角度。该装置还包括控制器，用于在该装置的整个行走周期内，基于惯性姿态、扭矩、轴向力和角度，控制致动器以调节该装置的关节阻抗、 位置或扭矩中的至少一个。在一些实施例中，该装置包括一个或多个连接在小腿元件和足元件之间的被动弹性元件，用于在足元件围绕踝关节朝小腿元件转动时存储能量，及用于释放能量以提供附加扭矩来转动足元件离开小腿元件。在一些实施例中，一个或多个弹性元件以与致动器并联的方式连接到该装置上。在一些实施例中，一个或多个被动弹性元件是单向弹簧，并且在足元件相对于小腿元件跖屈时不被接合。在一些实施例中，致动器包括串联的弹性致动器。在一些实施例中，该串联的弹性致动器包括无刷电机，该无刷电机驱动滚珠丝杠；与滚珠丝杠的输出端串联的碳纤维弹簧；以及连接到该弹簧的应变传感器。在一些实施例中，该惯性测量单元包括三轴速率陀螺仪和三轴加速度计。在一些实施例中，该装置包括连接到小腿元件的结构元件，该结构元件还包括连接到佩戴者肢体插座元件的接口，其中，该结构元件包括多个应变计，用于确定致动器施加到小腿元件上的扭矩和施加到小腿元件上的轴向力。在一些实施例中，在行走周期的受控跖屈阶段，致动器调整该装置的刚度，使前脚与下方表面的碰撞最小化。在一些实施例中， 在行走周期的后期站立阶段，致动器基于行走速度、地形环境或地形表面特征中的至少一个来调整该装置的踝关节上的阻抗和扭矩。在一些实施例中，致动器基于下方表面施加到足元件上的地面反作用力和零力矩枢轴坐标、小腿元件的惯性姿态、致动器施加到小腿元件上的扭矩、施加到小腿元件上的轴向力以及足元件和小腿元件之间的角度，调节该装置的阻抗。在一些实施例中，基于小腿元件的惯性姿态、足元件和小腿元件之间的角度以及地面反作用力和零力矩枢轴坐标，在佩戴者从坐下位站起或者从站立位置坐下时，致动器调节该装置的阻抗。在一些实施例中，该装置用于治疗足下垂步态。在一些实施例中，该装置用于治疗患有前肌无力、后肌无力或前肌无力和后肌无力组合的佩戴者。在一些实施例中，该装置包括大腿元件、用于连接大腿元件和小腿元件的膝关节以及第二致动器，第二致动器用于给膝关节施加扭矩，以使小腿元件相对于大腿元件转动。 该装置还包括第二惯性测量单元，用于确定大腿元件的惯性姿态；该装置还包括第二扭矩传感器，用于确定第二致动器施加到大腿元件上的扭矩。该装置还包括第二力传感器，用于确定施加到大腿元件上的轴向力。该装置还包括第二角度传感器，用于确定大腿元件和小腿元件之间的角度。该装置还包括控制器，控制器控制第一和第二致动器，以便基于用第一和第二仪器确定的惯性姿态、扭矩、轴向力和角度，在该装置的整个行走周期内调节该装置的阻抗。在一些实施例中，该装置包括躯干元件和用于连接躯干元件和大腿元件的髋关节。该装置还包括第三致动器，用于给髋关节施加扭矩，使大腿元件相对于躯干元件转动。 该装置还包括第三惯性测量单元，用于确定躯干元件的惯性姿态；该装置还包括第三扭矩传感器，用于确定第三致动器施加到躯干元件上的扭矩。该装置还包括第三力传感器，用于确定施加到躯干元件上的轴向力；该装置还包括第三角度传感器，用于确定躯干元件和大腿元件之间的角度，其中，控制器控制第一、第二和第三致动器，以便基于第一、第二和第三仪器确定的惯性姿态、扭矩、轴向力和角度，在该装置的整个行走周期内调节该装置的阻抗。在一些实施例中，小腿元件可附连到佩戴者的腿上。在一些实施例中，足元件可附连到佩戴者的脚上。在一些实施例中，大腿元件可附连到佩戴者的大腿上。在一些实施例中，控制器控制致动器，以便在该装置的整个行走周期内调节该装置的关节阻抗、位置或扭矩中的至少两个。在一些实施例中，控制器控制致动器，以便在该装置的整个行走周期内调节该装置的关节阻抗、位置和扭矩。另一方面，本发明提供了一种方法，用于确定下肢矫形器或外骨骼装置需要给佩戴该装置的佩戴者提供帮助的水平。该方法包括制定理疗方案，该理疗方案限定了一段时间段内由佩戴者佩戴的装置进行帮助的水平；及降低佩戴者佩戴装置帮助肢体病患康复而进行帮助的水平。在一些实施例中，基于佩戴者对该装置的阻抗和扭矩贡献来降低该装置的帮助水平。在一些实施例中，该装置包括基于佩戴者和该装置的生物力学模型以及在该装置工作期间佩戴者的测量，确定佩戴者的阻抗和扭矩贡献。在一些实施例中，佩戴者的测量包括测量该装置至少一个关节的转动和加速度中的至少一个。在一些实施例中，该装置的至少一个关节包括以下关节的至少一个a)踝关节，其连接该装置的足元件和该装置的小腿元件；b)膝关节，用于连接该装置的大腿元件和该装置的小腿元件；或C)髋关节，用于连接该装置的躯干元件和该装置的大腿元件。另一方面，本发明提供了一种方法，采用佩戴者佩戴的下肢矫形器或外骨骼装置对有肢体病患的佩戴者进行康复。该方法包括基于佩戴者和该装置的生物力学模型以及该装置工作期间佩戴者的测量，估算佩戴者对该装置至少一个关节的阻抗和扭矩贡献；及给该装置的致动器提供信号，该信号指令致动器给该装置的至少一个关节提供附加扭矩， 以便在工作期间该装置内能够获得预定水平的扭矩。在一些实施例中，佩戴者的测量包括测量该装置至少一个关节的转动和加速度中的至少一个。在一些实施例中，该装置的至少一个关节包括以下关节的至少一个a)踝关节，其连接该装置的足元件和该装置的小腿元件；b)膝关节，用于连接该装置的大腿元件和该装置的小腿元件；或c)髋关节，用于连接该装置的躯干元件和该装置的大腿元件。另一方面，本发明提供了一种方法，用于在佩戴者穿越下方地形时估算下方地形的状态。该方法包括确定穿越下方地形的佩戴者下肢上多个点的惯性参考轨迹和佩戴者下肢的朝向；及相对于至少一个预定轨迹模型分析该惯性参考轨迹，以便估算下方地形状态。在一些实施例中，下方地形状态为上楼梯、上坡、平地、下坡或下楼梯中的至少一个。在一些实施例中，该方法包括确定穿越下方地形的佩戴者的惯性参考轨迹，其中，下方地形包括上楼梯、上坡、平地、下坡和下楼梯。在一些实施例中，在佩戴者步态周期的后期摆动阶段完成对穿越下方地形的佩戴者的惯性参考轨迹的确定。在一些实施例中，相对于至少一种预定轨迹模型分析惯性参考轨迹包括采用至少一种模式识别技术。在一些实施例中，该至少一种模式识别技术是采用连接到至少一个传感器的处理器和连接到佩戴者佩戴的下肢假体、矫形器或外骨骼装置的一个致动器实现的。在一些实施例中，该至少一种模式识别技术选自贝叶斯模式分类、神经网络、模糊逻辑或分层时间记忆构成的组。在一些实施例中，该方法包括基于下方地形条件的估算，控制佩戴者佩戴的下肢假体、矫形器或外骨骼装置的关节阻抗、位置或扭矩中的至少一个。在一些实施例中，该方法包括确定该装置的足元件和下方表面之间的牵引力变化，该装置包括足元件、小腿元件、用于连接足元件和小腿元件的踝关节以及第一致动器， 第一致动器用于给踝关节施加扭矩，使足元件相对于小腿元件转动。该方法可包括基于小腿元件的惯性姿态、致动器施加在小腿元件上的扭矩、施加到小腿元件上的轴向力以及足元件与小腿元件之间的角度，计算下方表面施加到足元件上的地面反作用力；及基于小腿元件的惯性姿态、致动器施加在小腿元件上的扭矩、施加到小腿元件上的轴向力以及足元件与小腿元件之间的角度，计算足元件零力矩枢轴的速度。在一些实施例中，在佩戴者从足平放状态到足尖离地状态之间那一部分步态周期期间，如果足元件零力矩枢轴速度的至少一个分量降低，则确定足元件是打滑或下沉。在一些实施例中，该方法包括响应于确定足元件在打滑或下沉，减小施加给小腿元件的扭矩。在一些实施例中，该方法包括利用衰减系数减小施加到小腿元件上的扭矩。在一些实施例中， 衰减系数是预定衰减系数。在一些实施例中，基于零力矩枢轴速度确定衰减系数。在一些实施例中，该方法包括响应零力矩枢轴速度小于预定阈值，减小施加到小腿元件上的扭矩。另一方面，本发明提供了一种方法，用于识别佩戴者佩戴的下肢假体、矫形器或外骨骼装置下方地形的特性，其中，该装置包括足元件、小腿元件以及用于连接足元件和小腿元件的踝关节。该方法包括在整个步态周期中，估算该装置踝关节的惯性速度矢量迎角； 及基于惯性速度矢量迎角是否在预定范围内，识别地形特性。在一些实施例中，该方法包括在当足元件的足跟接触下方地形到当足元件相对于下方地形处于足平放位置之间的一段时间内，基于施加到小腿元件上的弹射力，调整该装置的阻抗以使成本函数最小化。在一些实施例中，该方法包括基于惯性速度矢量迎角是否处于预定范围内，控制该装置踝关节阻抗、位置或扭矩中的至少一个。在一些实施例中， 足元件可附连到佩戴者的脚上，小腿元件可附连到佩戴者的腿上。在一些实施例中，足元件和小腿元件替代佩戴者的脚和小腿。另一方面，本发明提供了一种方法，用于控制佩戴者佩戴的下肢假体、矫形器或外骨骼装置的关节阻抗、位置或扭矩中的至少一个，其中，该装置包括足元件、小腿元件以及用于连接足元件和小腿元件的踝关节。在一些实施例中，该方法包括在整个步态周期内估算该装置踝关节的惯性速度矢量迎角；及当该惯性速度矢量迎角位于预定范围内时，将该装置足元件的位置调整为足尖朝下位置。在一些实施例中，该方法包括当该惯性速度矢量迎角超出预定范围时，将该装置足元件的位置调整为足跟朝下位置。在一些实施例中，该方法包括在当足元件的足跟接触下方地形到当足元件相对于下方地形处于足平放位置之间的一段时间内，基于施加到小腿元件上的弹射力，调整该装置的阻抗以使成本函数最小化。在一些实施例中，足元件可附连到佩戴者的脚上，小腿元件可附连到佩戴者的腿上。在一些实施例中，足元件和小腿元件替代佩戴者的脚和小腿。追踪到的轨迹是否对应于楼梯。该方法还包括在追踪到的轨迹对应于楼梯的情况，对于在楼梯上移动的装置优化其操作。该方法还包括确定追踪到的轨迹是否对应于非楼梯地形。该方法还包括在追踪到的轨迹对应于非楼梯地形的情况，对于在非楼梯地形上移动的装置优化其操作。在一些实施例中，确定追踪到的轨迹是否对应于楼梯的步骤包括确定后期摆动阶段踝关节的速度矢量迎角Ψ小于阈值，确定追踪到的轨迹是否对应于非楼梯地形的步骤包括确定踝关节的速度矢量迎角Ψ大于阈值。在一些实施例中，对于在楼梯上行走的装置优化其操作的步骤包括在足触地之前将足元件的位置调整到足尖朝下的位置，并且对于在非楼梯地形上移动的装置优化其操作的步骤包括在足触地之前将足元件的位置调整到足跟朝下的位置。
在一些实施例中，对于在非楼梯地形上行走的装置优化其操作的步骤包括在单步的不同阶段动态地控制踝关节的阻抗，在单步的不同阶段动态地控制踝关节的位置，及在单步的不同阶段动态地控制踝关节的扭矩。在一些实施例中，对于在楼梯上行走的装置优化其操作的步骤包括在单步的不同阶段动态地控制踝关节的阻抗，在单步的不同阶段动态地控制踝关节的位置，及在单步的不同阶段动态地控制踝关节的扭矩。在一些实施例中，该方法还包括确定追踪到的轨迹是否对应于上坡；在追踪到的轨迹对应于上坡的情况下优化该装置的上坡操作；确定追踪到的轨迹是否对应于下坡； 及在追踪到的轨迹对应于下坡的情况下优化该装置的下坡操作。在一些实施例中，优化该装置的上坡操作的步骤包括在单步的不同阶段动态地控制踝关节的阻抗，在单步的不同阶段动态地控制踝关节的位置，及在单步的不同阶段动态地控制踝关节的扭矩，并且优化该装置的下坡操作的步骤包括在单步的不同阶段动态地控制踝关节的阻抗，在单步的不同阶段动态地控制踝关节的位置，及在单步的不同阶段动态地控制踝关节的扭矩。在一些实施例中，确定追踪到的轨迹是否对应于楼梯的步骤包括确定后期摆动阶段踝关节的速度矢量迎角Ψ小于阈值，确定追踪到的轨迹是否对应于非楼梯地形的步骤包括确定踝关节的速度矢量迎角Ψ大于阈值；其中，对于在楼梯上行走的装置优化其操作的步骤包括在足触地之前将足元件的位置调整到足尖朝下的位置，对于在非楼梯地形上移动的装置优化其操作的步骤包括在足触地之前将足元件的位置调整到足跟朝下的位置，并且其中，对于在非楼梯地形上行走的装置优化其操作的步骤包括在单步的不同阶段动态地控制踝关节的阻抗，在单步的不同阶段动态地控制踝关节的位置，及在单步的不同阶段动态地控制踝关节的扭矩。另一方面，本发明提供了一种下肢假体或矫形器装置，该装置包括足元件、小腿元件、可操作地连接在足元件和小腿元件之间的踝关节，以允许足元件相对于小腿元件关节连接。该装置包括构造成驱动踝关节的电机；和惯性测量单元，它构造成用于追踪小腿元件的轨迹并产生代表该轨迹的输出。该装置还包括控制器，该控制器构造成(a)根据该输出确定追踪到的轨迹是否对应于楼梯，(b)当追踪到的轨迹对应于楼梯时，优化行走在楼梯上的踝关节的操作，(c)确定追踪到的轨迹是否对应于非楼梯地形，及(d)当追踪到的轨迹对应于非楼梯地形时，优化行走在非楼梯地形上的踝关节的操作。在一些实施例中，控制器通过确定后期摆动阶段踝关节的速度矢量迎角Ψ小于阈值从而确定追踪到的轨迹是否对应于楼梯，并且控制器通过确定踝关节的速度矢量迎角 ψ大于阈值从而确定追踪到的轨迹是否对应于非楼梯地形。在一些实施例中，控制器通过在足触地之前将足元件的位置调整到足尖朝下的位置来优化在楼梯上行走的踝关节的操作，并且控制器通过在足触地之前将足元件的位置调整到足跟朝下的位置来优化在非楼梯地形上移动的踝关节的操作。在一些实施例中，通过在单步的不同阶段动态地控制踝关节的阻抗、在单步的不同阶段动态地控制踝关节的位置及在单步的不同阶段动态地控制踝关节的扭矩，控制器优化在非楼梯地形上行走的踝关节的操作。在一些实施例中，控制器通过在单步的不同阶段动态地控制踝关节的阻抗、在单步的不同阶段动态地控制踝关节的位置及在单步的不同阶段动态地控制踝关节的扭矩，来优化在楼梯上行走的踝关节的操作。在一些实施例中，控制器还构造成(e)基于该输出确定追踪到的轨迹是否对应于上坡，(f)当追踪到的轨迹对应于上坡时优化上坡行走的踝关节的操作，(g)确定追踪到的轨迹是否对应于下坡，及(h)当追踪到的轨迹对应于下坡时优化下坡行走的踝关节的操作。在一些实施例中，控制器通过在单步的不同阶段动态地控制踝关节的阻抗、在单步的不同阶段动态地控制踝关节的位置及在单步的不同阶段动态地控制踝关节的扭矩，来优化上坡的踝关节的操作，并且其中，控制器通过在单步的不同阶段动态地控制踝关节的阻抗、在单步的不同阶段动态地控制踝关节的位置及在单步的不同阶段动态地控制踝关节的扭矩，来优化下坡的踝关节的操作。


从下面结合附图(不是必须按照比例绘制)的说明性描述中，将更加全面理解本发明的上述及其它目的、特征和优点以及发明本身。图IA是在平地上佩戴者步态周期不同阶段的示意图。图IB是上楼梯时佩戴者步态周期不同阶段的示意图。图IC是下楼梯时佩戴者步态周期不同阶段的示意图。图2A是根据本发明的一个示例实施例，一种确定假体、矫形器或外骨骼装置的踝关节、足跟和足尖轨迹的方法的示意图。图2B是行走期间踝关节加速度实验数据图。图3是根据本发明的一个示例实施例的一种确定足倾斜(足跟高度)的方法的示意图。图4是根据本发明的一个示例实施例，一种确定足跟和足尖相对于踝关节在足参考系内的坐标的方法的示意图。图5是根据本发明的一个示例实施例，一种用于估算足跟矢量的方法的示意图。图6A表示在不同行走环境中的惯性测量单元计算的踝关节枢轴轨迹。图6B表示描述假体装置踝关节腾空轨迹的二维几何关系。图6C表示根据本发明的一个示例实施例，如何采用脚踝角度迎角作为轨迹特征来构建楼梯-斜坡鉴别器，以便区别楼梯和斜坡行走环境。图7A表示根据本发明的一个示例实施例的一种在足触地之前定位踝关节的方法。图7B表示根据本发明的一个示例实施例，如何采用图7A的方法检测楼梯的存在以及足悬于楼梯平台之上。图7C表示根据本发明的一个示例实施例，一种在斜坡行走环境中踝关节的定位方法。图7D表示根据本发明的一个示例实施例，如何将图7B的方法改造为使用优化阻抗。图8表示一种基于足平放时的地形角度确定惯性参考弹簧平衡的方法。图9表示行走速度对于脚踝扭矩与脚踝角度之间关系的影响，表示推-拉制动器
34控制如何施加到适当选择的并联弹性元件上。图IOA表示根据本发明的一个示例实施例，一种控制下肢装置的方法。图IOB是根据本发明的一个示例实施例，一种用于实现下肢假体装置的阻抗和扭矩控制的基于模型的控制器的示意图。图IOC是根据本发明的一个示例实施例，一种用于实现下肢假体装置的扭矩控制的基于模型的控制器的示意图。图IOD是决定图IOA中进行的阻抗控制的机械阻抗关系示意图。图IOE是决定图IOB中进行的阻抗和反射控制的阻抗和反射关系的示意图。图IOF是如何采用参考零力矩枢轴的地面反作用力来确定稳定假体装置佩戴者倒立摆动力学所需恢复扭矩的示意图。图IlA是脚踝假体的小腿足元件、踝关节和足元件的示意图，示出地面反作用力和零力矩枢轴。图11B-11D是踝假体各个零部件的示意图，表示需要用于确定地面反作用力和零力矩枢轴的这些零部件之间的力和力矩的关系。图12A-12B表示作为动力跖屈期间行走速度函数的脚踝假体在平地上的仿生 (Γ-Θ)行为。图12C-12D表示脚过渡对触地长度的影响。图12E表示在受力跖屈期间触地长度衰减的速度依赖表如何使用归一化触地长度作为获得仿生行为的手段。图12F表示在典型行走运动期间估算的零力矩枢轴矢量y分量如何变化。图12G表示根据本发明的一个示例实施例，一种将衰减系数并入装置性能的方法。图13A是根据本发明的一个示例实施例，用于足跟触地情况的控制系统方案的示意图。图1 是根据本发明的一个示例实施例，用于足尖触地情况的控制系统方案的示意图。图13C表示根据本发明的一个示例实施例，一种给脚踝假体(例如图17A的装置 1700)提供的位置控制方法。图14A表示根据本发明的一个示例实施例，一种采用逐步地形适应的方法。图14B表示踝关节假体应用于三种不同行走环境的示例阻抗。图15是根据本发明的一个示例实施例，一种下肢生物力学系统的示意图。图16表示根据本发明的一个示例实施例，躯干姿态、大腿姿态以及躯干/身体质心姿态的一种姿态重建方法。图17A是根据本发明的一个示例实施例，一种下肢假体装置的示意图。图17B是图17A的一部分下肢装置的示意图，示出被动并联弹性元件。图17C是图17B的装置的被动并联弹性元件示意图。图17D是根据本发明的一个示例实施例，用于图17C所示被动并联弹性元件的自由体示意图。图17E是根据本发明的一个示例实施例，图17A所示装置的结构元件(锥体)的透视图。图17F是根据本发明的一个示例实施例，用于测量施加到图17A所示小腿元件上的轴向力和力矩的替代方法的剖视图。图17G表示根据本发明的一个示例实施例，采用在印刷电路组件上的圆形阵列位移传感器计算平面内力矩矢量和轴向力的方法。图17H是根据本发明的一个示例实施例，用于图17A-17G所示装置的状态和致动器控制器的示意图。图171是根据本发明的一个示例实施例，一种下肢假体装置的等效电路的示意图。图17J是包括在控制装置时采用的传感器测量的图171的电路的示意图。图18A-18D是根据本发明的一个示例实施例，一种被动串联弹性元件的示意图。图19A表示根据本发明的一个示例实施例，包括有串联扁簧的下肢假体装置。图19B-19C表示根据本发明的一个示例实施例，一种采用替代串联弹簧的假体装置。图20A表示根据本发明的一个示例实施例，可用于各种下肢假体、矫形器和外骨骼装置的线性致动器的透视图。图20B表示图20A所示的线性致动器的剖视图。图21是根据本发明的一个示例实施例，可用于各种下肢假体、矫形器和外骨骼装置的线性致动器的透视图。图22A是根据本发明的一个示例实施例，一种下肢矫形器或外骨骼装置(可佩戴的机器人式膝支架)的俯视图。图22B是图22A所示装置的侧视图。图22C是图22A和22B所示装置的膝关节驱动组件内部示意图。图23A是在斜坡上人平衡问题的示意图。图2 是基于佩戴者的可变膝弯曲的平衡问题的几种可接受解的示意图。图23C表示人体以及如何采用内在检测来平衡平地上佩戴者的示意图。图24A-24C表示根据本发明的一个示例实施例，在佩戴者从椅子上站起时平衡佩戴者的方法的示意图。图25A表示过渡功的定义。图25B表示髋冲击力的定义。
具体实施例方式确定正在进行的活动惯性姿态和轨迹的估算图2是一种方法的示意图，该方法用于基于连接到踝关节200的小腿元件220的惯性姿态以及小腿元件220和足元件208之间的角度来确定假体、矫形器或外骨骼装置 (例如图17A所示装置1700)的踝关节200、足跟212和足尖216轨迹。姿态是坐标系的位置和取向。该装置1700包括连接到小腿元件220的惯性测量单元204。惯性测量单元204 包括用于测量角速率的三轴速率陀螺仪和用于测量加速度的三轴加速度计。将惯性测量单元放置在小腿元件220上，以便对小腿元件220的所有三个轴的角速率和加速度进行测量。 惯性测量单元204对小腿元件220姿态、惯性(参考世界坐标系)取向、踝关节200(踝-足转动中心)位置提供六个自由度的估算。在一些实施例中，利用小腿元件220的姿态计算膝关节的瞬时位置。通过踝关节 200角度(Θ)的信息，可以计算出足208底部的瞬时姿态，包括足跟212和足尖216的位置。当足元件208是平的时，又可以使用该信息来测量在踝关节/足元件的转动轴线所限定平面内的地形角度。在小腿元件220上安装惯性测量单元204比安装在其它可能的位置具有优势。与安装在足元件208上不同，安装在小腿元件220上防止了物理损伤并防止了与水接触。此外，这样就不再需要安装在足元件208上时所需的拴系缆索——从而保证机械和电的整体性。最后，该小腿元件220位于混合系统的运动链系中心(参见图15)，便于用最少量的额外传感器计算大腿和躯干的姿态。该惯性测量单元204用于计算下肢假体装置在参考地面的世界坐标系中的取向 Sm^、位置J尸和速度‘V。 Ο可以用四元数表示或由参照世界坐标系限定踝关节X，y和Z轴取向的单位矢量的3X3矩阵表示。踝关节200坐标系被限定为位于踝关节转动轴线的中心， 其取向依赖于小腿元件220。根据该中心点，可以计算位置、速度和加速度。对于关注点来说，例如对于足(例如足跟212或足尖216)，采用下面的关系式用足元件-踝关节取向变换 JO㈧来得出位置。关注点>=媒>+媒 ⑴》⑷( 注点)方程ι其中
权利要求
1.一种低噪音线性致动器，包括旋转电机，该旋转电机包括电机输出轴，以及螺旋传动组件，包括连接到电机输出轴的螺纹轴，该螺纹轴包括中空的外部，该中空的外部容纳有声阻尼材料；螺母组件，其中螺旋传动组件将电机输出轴的旋转运动转换为螺母组件的线性运动。
2.如权利要求1所述的线性致动器，其中，螺旋传动组件是滚珠丝杠传动组件，螺母组件是滚珠螺母组件，其中，该滚珠螺母组件还包括多个滚珠轴承和多个滚珠滚道，滚珠滚道用于保持滚珠轴承和用于在滚珠轴承组件中循环滚珠轴承。
3.如权利要求2所述的线性致动器，包括带轮，以借助并联在带轮和滚珠丝杠传动组件的螺纹轴之间的多个传动带将电机输出轴连接到螺纹轴上。
4.如权利要求3所述的线性致动器，包括在运行期间确认传动带完整性的传感器。
5.如权利要求3所述的线性致动器，其中，该带轮被焊接到电机输出轴上。
6.如权利要求3所述的线性致动器，包括径向推力轴承，用于将所述多个传动带连接到螺纹轴上，从而承受由传动带张力和螺纹轴施加的载荷。
7.如权利要求2所述的线性致动器，其中，滚珠丝杠传动组件包括至少一个密封件，用于保护滚珠丝杠传动组件免遭污染。
8.如权利要求1所述的线性致动器，其中，该线性致动器是下肢假体、矫形器或外骨骼的零部件。
9.如权利要求1所述的线性致动器，包括传动装置，该传动装置采用多个牵引轮，牵引轮将电机输出轴连接到滚珠丝杠传动组件的螺纹轴。
10.如权利要求1所述的线性致动器，其中，螺旋传动组件是丝杠传动组件。
11.一种线性致动器，包括旋转电机，该旋转电机包括电机输出轴；连接到电机输出轴的电机驱动传动组件，用于将电机输出轴的旋转运动转换为电机驱动传动组件输出端的线性运动；以及具有双向刚度的至少一个弹性元件，与电机驱动传动组件串联连接，从而在拉伸和压缩时储存能量。
12.如权利要求11所述的线性致动器，包括连接到该至少一个弹性元件上的应变传感器，用于测量该至少一个弹性元件中的应变。
13.如权利要求12所述的线性致动器，其中，所述至少一个弹性元件是串联的或并联的弹性元件，连接到电机驱动传动组件的输出端。
14.如权利要求13的线性致动器，包括控制器，用于接收测量的应变信号，以完成对线性致动器推力的闭环控制。
15.如权利要求11的线性致动器，其中，所述至少一个弹性元件大体为扁的弹簧，沿该弹簧的纵轴线分开，以便使弹簧施加在电机驱动传动组件输出端上的平面外力矩最小化。
16.如权利要求11所述的线性致动器，其中，所述至少一个弹性元件是连接到电机驱动传动组件输出端的串联弹性应变元件，并且该线性致动器还包括测量电机位置或电机驱动传动组件输出端位置的传感器，以及测量串联弹性元件输出的至少一个传感器，以及估算线性致动器推力以对线性致动器推力进行闭环控制的信号处理电子元件。
17.一种下肢假体、矫形器或外骨骼装置，包括足元件；小腿元件；用于将足元件连接到小腿元件的踝关节；第一致动器，用于将扭矩施加到踝关节，以使足元件相对于小腿元件转动；及至少一个被动弹性元件，所述至少一个被动弹性元件是非顺应的止动件，与第一致动器并联并处在小腿元件和足元件之间，其中，该非顺应止动件在背屈期间存储很少能量或不存储能量，并且在动力跖屈期间限制脚踝进一步转动超出预定角度。
18.如权利要求17所述的装置，包括角度调整机构，用于设定足元件相对于小腿元件的预定角度，在该预定角度时非顺应止动件限制进一步的转动。
19.如权利要求18所述的装置，其中，角度调整机构包括可螺旋调节的元件，用于设定所述预定角度。
20.如权利要求18所述的装置，其中，该角度调整机构包括用于设定所述预定角度的致动器。
21.如权利要求20所述的装置，其中，所述用于设定所述预定角度的致动器基于下方地形特性来调整所述预定角度。
22.如权利要求21所述的装置，其中，下方地形特性选自由上坡、下坡、上楼梯、下楼梯、水平表面构成的组。
23.如权利要求22所述的装置，其中，与该装置相连的控制器在周期内基础上确定下方地形特性。
24.一种下肢假体，包括足元件；小腿元件；用于将足元件连接到小腿元件的踝关节；第一致动器，用于将扭矩施加到踝关节，以使足元件相对于小腿元件转动；及结构元件，其连接到小腿元件，该结构元件包括用于与佩戴者的肢体插座元件连接的接口，其中，该结构元件包括多个应变计，用于确定施加到小腿元件上的轴向力和第一致动器施加到小腿元件上的扭矩。
25.如权利要求M所述的下肢假体，包括惯性测量单元，用于确定小腿元件的惯性姿态。
26.如权利要求25所述的下肢假体，其中，惯性测量单元连接到小腿元件上。
27.如权利要求25所述的下肢假体，其中，该惯性测量单元连接到足元件。
28.如权利要求25所述的下肢假体，包括控制器，用于根据小腿元件的惯性姿态、第一致动器施加到小腿元件上的扭矩、施加到小腿元件上的轴向力以及足元件和小腿元件之间的角度，计算下方表面施加在足元件上的地面反作用力和零力矩枢轴坐标。
29.如权利要求观所述的下肢假体，其中，控制器连接到第一致动器，并构造成控制第一致动器，以便在下肢假体的整个行走周期中，基于小腿元件的惯性姿态轨迹、足元件和小腿元件之间的角度以及地面反作用力和零力矩枢轴坐标，来调节下肢假体的阻抗、位置和扭矩中的至少一个。
30.如权利要求观所述的下肢假体，其中，控制器连接到第一致动器，并构造成控制第一致动器，用来在佩戴者从坐下位置站立起来时或者从站立位置坐下时，基于小腿元件的惯性姿态，足元件和小腿元件之间的角度以及地面反作用力和零力矩枢轴坐标，来调节下肢假体的阻抗。
31.一种下肢假体，包括 足元件；小腿元件；用于将足元件连接到小腿元件的踝关节；第一致动器，用于将扭矩施加到踝关节，以使足元件相对于小腿元件转动； 结构元件，其连接到小腿元件，并包括用于与佩戴者的肢体插座元件连接的接口 ；及位移检测装置，用于测量结构元件的偏转，以确定施加到小腿元件上的轴向力和第一致动器施加到小腿元件上的扭矩。
32.如权利要求31所述的下肢假体，其中，位移检测装置包括多个传感器，并且位移检测装置测量每个传感器与结构元件表面之间的距离。
33.如权利要求32所述的下肢假体，其中，传感器选自由接触式位移传感器、非接触式位移传感器、感应线圈、光学传感器、力敏电阻、压电传感器和应变传感器构成的组。
34.如权利要求32所述的下肢假体，其中，所述多个传感器包括多个在线路板上的感应线圈。
35.如权利要求34所述的下肢假体，其中，感应线圈相对于结构元件表面的电感变化被用于确定结构元件的位移。
36.如权利要求31所述的下肢假体，包括惯性测量单元，用于确定小腿元件的惯性姿态。
37.如权利要求36所述的下肢假体，其中，惯性测量单元连接到小腿元件上。
38.如权利要求36所述的下肢假体，其中，惯性测量单元连接到足元件。
39.如权利要求36所述的下肢假体，包括控制器，用于根据小腿元件的惯性姿态轨迹、 第一致动器施加到小腿元件上的扭矩、施加到小腿元件上的轴向力以及足元件和小腿元件之间的角度，来计算下方表面施加在足元件上的地面反作用力和零力矩枢轴坐标。
40.如权利要求39所述的下肢假体，其中，控制器连接到第一致动器，并构造成控制第一致动器，用来在下肢假体的整个行走周期中，基于小腿元件的惯性姿态轨迹、足元件和小腿元件之间的角度以及地面反作用力和零力矩枢轴坐标，来调节下肢假体的阻抗。
41.如权利要求39所述的下肢假体，其中，控制器连接到第一致动器，并构造成控制第一致动器，用来在佩戴者从坐下位置站立起来时或者从站立位置坐下时，基于小腿元件的惯性姿态轨迹、足元件和小腿元件之间的角度以及地面反作用力，来调节下肢假体的阻抗。
42.一种主动式膝矫形器，包括 可附连到佩戴者大腿上的大腿元件； 可附连到佩戴者小腿上的小腿元件； 膝关节，用于将大腿元件连接到小腿元件； 包括电机输出轴的旋转电机；电机驱动传动组件，其连接到电机输出轴上，以将电机输出轴的旋转运动转换为电机驱动传动组件输出端的线性运动；驱动传动组件，其连接到电机驱动传动组件的输出端上，驱动传动组件的输出端连接到小腿元件上，用于给膝关节施加扭矩，以使小腿元件相对于大腿元件转动；电机角度传感器，用于确定电机位置；控制器，用于控制旋转电机，从而在矫形器的整个行走周期内，基于电机位置来调节矫形器的阻抗、位置或者扭矩。
43.如权利要求42所述的矫形器，包括角度传感器，用于确定驱动传动组件的转鼓相对于电机驱动传动组件输出端的位置，其中，控制器控制旋转电机，以便基于该位置来调节阻抗、位置或扭矩。
44.如权利要求42所述的矫形器，包括位移传感器，用于测量电机驱动传动组件内串联弹簧的位移，以确定在串联弹簧上的作用力，其中，控制器控制旋转电机，以基于串联弹簧上的作用力来调节阻抗、位置或扭矩。
45.如权利要求42所述的矫形器，包括惯性测量单元，其连接到大腿元件或小腿元件上，用于确定小腿元件的惯性姿态轨迹，其中，控制器控制旋转电机，以基于该惯性姿态来调节阻抗、位置或扭矩。
46.如权利要求42所述的矫形器，包括传感器，用于确定驱动传动组件施加在小腿元件和大腿元件中至少一个上的作用力，其中，控制器控制旋转电机，以基于施加在小腿元件上的扭矩来调节阻抗、位置或扭矩。
47.如权利要求42所述的矫形器，包括角度传感器，用于确定大腿元件和小腿元件之间的角度，其中，控制器控制旋转电机，以基于大腿元件和小腿元件之间的角度来调节阻抗、位置或扭矩。
48.如权利要求42所述的矫形器，其中，驱动传动选自由传动带驱动传动、传输带驱动传动和缆驱动传动构成的组。
49.如权利要求42所述的矫形器，包括连接到大腿元件的箍套，用于将矫形器附连到佩戴者的大腿。
50.如权利要求42所述的矫形器，包括连接到小腿元件的箍套，用于将该矫形器附连到佩戴者的小腿。
51.如权利要求42所述的矫形器，其中，矫形器增强佩戴者的下肢功能。
52.如权利要求42所述的矫形器，其中，该矫形器治疗佩戴者的下肢病患。
53.如权利要求42所述的矫形器，其中，控制器构造成在佩戴者下肢病患康复期间改变矫形器提供给佩戴者的帮助。
54.一种主动式膝盖矫形器，包括可附连到佩戴者大腿的大腿元件；可附连到佩戴者小腿的小腿元件；膝关节，用于将大腿元件连接到小腿元件；包括电机输出轴的旋转电机；连接到电机输出轴的螺旋传动组件，用于将电机输出轴的旋转运动转换为螺旋传动组件输出的线性运动；连接到螺旋传动组件输出端的传动带、传输带或缆驱动传动组件，以将螺旋传动组件输出的线性运动转换为旋转运动，用于给膝关节施加扭矩，以使小腿元件相对于大腿元件转动；电机角度传感器，用于确定电机位置；及控制器，用于控制旋转电机，以便在矫形器的整个行走周期内，基于电机位置来调节矫形器的阻抗、位置或者扭矩。
55.如权利要求M所述的矫形器，包括位移传感器，用于测量传动带、传输带或缆驱动传动组件内串联弹簧的位移，以确定在串联弹簧上的作用力，其中，控制器控制旋转电机， 以基于串联弹簧上的作用力来调节阻抗、位置或扭矩。
56.如权利要求M所述的矫形器，包括惯性测量单元，其连接到大腿元件或小腿元件上，用于在步态周期内确定小腿元件的惯性姿态轨迹，其中，控制器控制旋转电机，以在该步态周期中基于惯性姿态轨迹来调节阻抗、位置或扭矩。
57.如权利要求M所述的矫形器，包括扭矩传感器，用于确定传动带、传输带或缆驱动传动组件施加在小腿元件上的扭矩，其中，控制器控制旋转电机，以在步态周期内基于施加在小腿元件上的作用力来调节阻抗、位置或扭矩。
58.如权利要求M所述的矫形器，包括角度传感器，用于确定大腿元件和小腿元件之间的角度，其中，控制器控制旋转电机，以在该步态周期中基于大腿元件和小腿元件之间的角度来调节阻抗、位置或扭矩。
59.如权利要求M所述的矫形器，其中，传动带、传输带或缆驱动传动组件包括至少两个驱动传动组件，其中，所述至少两个驱动传动组件中的第一驱动传动组件构造成将螺旋传动组件输出的第一方向的线性运动转换为第一旋转运动，用于给膝关节施加扭矩，以使小腿元件相对于大腿元件转动，并且其中，所述至少两个驱动传动组件中的第二驱动传动组件构造成将螺旋传动组件输出的反向线性运动转换为反向旋转运动，从而给膝关节施加扭矩，以使小腿元件相对于大腿元件转动。
60.一种方法，用于确定下方表面施加到佩戴者佩戴的下肢假体装置的足元件上的地面反作用力和零力矩枢轴，该下肢假体装置包括足元件、小腿元件、用于将足元件连接到小腿元件的踝关节以及用于将扭矩施加到踝关节上使足元件相对于小腿元件转动的第一致动器，该方法包括基于小腿元件的惯性姿态、第一致动器施加到小腿元件上的扭矩、施加到小腿元件上的轴向力以及足元件和小腿元件之间的角度，计算地面反作用力。
61.如权利要求60所述的方法，包括控制第一致动器，以基于小腿元件的惯性姿态、足元件和小腿元件之间的角度、地面反作用力和零力矩枢轴，在该下肢假体装置的整个行走周期内调节下肢假体装置的阻抗。
62.如权利要求60所述的方法，包括控制第一致动器，以基于小腿元件的惯性姿态、足元件和小腿元件之间的角度、地面反作用力和零力矩枢轴，在佩戴者从坐下位置站起或从站立位置坐下时调节下肢假体装置的阻抗。
63.如权利要求60所述的方法，其中，基于连接到小腿元件的惯性测量单元的输出来确定小腿元件的惯性姿态。
64.一种方法，用于使加速度计和速率陀螺仪误差对下肢假体或矫形器的影响最小化， 其中，该下肢假体或矫形器包括足元件、小腿元件和用于将足元件连接到小腿元件的踝关节，该方法包括当踝关节在下肢假体或矫形器的行走周期中基本静止时，确定对连接到小腿元件的加速度计所输出的加速度计信号的至少一个速度误差贡献；以及当踝关节在下肢假体或矫形器的行走周期中基本静止时，确定对连接到小腿元件的惯性测量单元所输出的惯性姿态失准信号的至少一个速度误差贡献。
65.如权利要求64所述的方法，其中，惯性测量单元输出的惯性姿态失准信号是速率陀螺仪输出的速率陀螺仪信号。
66.如权利要求65所述的方法，包括用加速度计和速率陀螺仪输出的信号计算小腿元件的姿态。
67.如权利要求66的方法，包括用速度误差贡献校正计算的小腿元件姿态。
68.如权利要求64所述的方法，其中，在该行走周期的一部分受控背屈状态期间确定速度误差贡献。
69.如权利要求65所述的方法，包括当踝关节在下肢假体或矫形器的行走周期中基本静止时，确定对于连接到下肢假体或矫形器的大腿元件上的加速度计和速率陀螺仪输出的加速度计信号和速率陀螺仪信号的速度误差贡献。
70.如权利要求65所述的方法，包括当足元件上的计算位置基本静止时，确定对于连接到下肢假体或矫形器的大腿元件上的加速度计和速率陀螺仪输出的加速度计信号和速率陀螺仪信号的速度误差贡献。
71.如权利要求69所述的方法，包括测量小腿元件相对于大腿元件的角度。
72.如权利要求69所述的方法，包括当踝关节在下肢假体或矫形器的行走周期中基本静止时，确定对于连接到佩戴者躯干上的加速度计和速率陀螺仪输出的加速度计信号和速率陀螺仪信号的速度误差贡献。
73.如权利要求72所述的方法，包括测量大腿元件相对于佩戴者躯干的角度。
74.一种方法，用于控制佩戴下肢假体、矫形器或外骨骼装置的佩戴者的平衡，该下肢假体、矫形器或外骨骼装置包括足元件、小腿元件和用于把足元件连接到小腿元件的踝关节，该方法包括基于小腿元件的惯性姿态、小腿元件和足元件之间的角度以及下方表面施加到足元件上的地面反作用力和零力矩枢轴，调节该下肢假体、矫形器或外骨骼装置的踝关节阻抗、位置或扭矩中的至少一个。
75.如权利要求74所述的方法，其中，连接到小腿元件和足元件的致动器调节踝关节阻抗、位置或扭矩中的至少一个，以控制佩戴者的平衡。
76.如权利要求75所述的方法，其中，基于小腿元件的惯性姿态、致动器施加到小腿元件的扭矩、施加到小腿元件的轴向力以及足元件和小腿元件之间的角度，控制器计算地面反作用力和零力矩枢轴，该控制器连接到致动器上，以控制致动器来调节踝关节阻抗、位置或扭矩中的至少一个，从而控制佩戴者的平衡。
77.如权利要求76所述的方法，其中，基于从连接到小腿上的惯性测量单元输出的信号，控制器计算小腿的惯性姿态。
78.如权利要求75所述的方法，其中，连接到致动器的控制器控制致动器，以调节踝关节阻抗、位置或扭矩中的至少一个，从而控制佩戴者的平衡。
79.如权利要求78所述的方法，其中，控制器从一个或多个传感器接收信号，以计算小腿元件的惯性姿态、小腿元件和足元件之间的角度以及下方表面施加到足元件上的地面反作用力。
80.如权利要求74所述的方法，包括在佩戴者从坐下位置到站立位置转变时，基于地面反作用力的增加来控制佩戴者的平衡。
81.如权利要求80所述的方法，包括基于地面反作用力的增加，用连接到小腿的致动器驱动小腿元件前进。
82.一种方法，用于确定假体、矫形器或外骨骼装置的足元件和下方表面之间的牵引力变化，该假体、矫形器或外骨骼装置包括足元件、小腿元件、用于把足元件连接到小腿元件的踝关节以及用于给踝关节施加扭矩以使足元件相对于小腿元件转动的第一致动器，该方法包括基于小腿元件的惯性姿态、第一致动器施加到小腿元件上的扭矩、施加到小腿元件上的轴向力以及足元件和小腿元件之间的角度，计算下方表面施加到足元件上的地面反作用力和零力矩枢轴；以及基于小腿元件的惯性姿态、第一致动器施加到小腿元件上的扭矩、施加到小腿元件上的轴向力以及足元件和小腿元件之间的角度，计算足元件零力矩枢轴的速度。
83.如权利要求82所述的方法，其中，在佩戴者的足平放和足尖离地状态之间的一部分步态周期内，如果足元件零力矩枢轴的速度下降，则确定足元件是在打滑或下沉。
84.如权利要求83所述的方法，包括作为对确定了足元件在打滑或下沉的响应，减小施加到小腿元件上的扭矩。
85.如权利要求84所述的方法，包括用衰减系数减小施加到小腿元件的扭矩。
86.如权利要求85所述的方法，其中，衰减系数是预定的衰减系数。
87.如权利要求85所述的方法，其中，基于零力矩枢轴速度来确定衰减系数。
88.如权利要求83所述的方法，包括作为对零力矩枢轴速度低于预定阈值的响应，减小施加到小腿元件上的扭矩。
89.一种包括内在安全特征的线性致动器，该线性致动器包括旋转电机，该旋转电机包括电机输出轴，其中，带轮连接到该电机输出轴上；以及滚珠丝杠传动组件，该滚珠丝杠传动组件包括螺纹轴，该螺纹轴借助并联在带轮和滚珠丝杠传动组件螺纹轴之间的多个传动带而连接到电机输出轴上，其中，滚珠丝杠传动组件将电机输出轴的旋转运动转换为滚珠丝杠传动组件一部分的线性运动。
90.如权利要求89所述的线性致动器，包括角编码器，用于确定旋转电机的转子和定子之间的角度对准。
91.如权利要求89所述的线性致动器，包括控制器，该控制器构造成响应于传动带断裂传感器探测到所述多个传动带中一个或多个失效，使旋转电机的三条导线对地短路。
92.如权利要求91所述的线性致动器，其中，使三条导线对地短路导致旋转电机起到粘滞的制动器的作用。
93.如权利要求89所述的线性致动器，其中，通过给电机绕组中的一个绕组提供固定电流并测量该绕组内的相应电压来确定绕组电阻，从而确定电机温度。
94.如权利要求89所述的线性致动器，其中，通过给电机绕组中的一个绕组提供固定电压和测量该绕组内的相应电流来确定绕组电阻，从而确定电机温度。
95.如权利要求89所述的线性致动器，包括电机温度传感器，用于测量电机的温度。
96.如权利要求89所述的线性致动器，包括连接到电机的控制器，用于基于电机温度控制线性致动器输出的扭矩。
97.一种方法，用于在整个步态周期中，基于佩戴者佩戴下肢假体、矫形器或外骨骼装置的一部分在下方地形上的惯性参考的周期内轨迹，控制该下肢假体、矫形器或外骨骼装置的关节位置、阻抗或扭矩中的至少一个。
98.如权利要求97所述的方法，其中，该装置包括足元件、小腿元件以及用于把足元件连接到小腿元件的踝关节。
99.如权利要求97所述的方法，其中，该装置包括小腿元件、大腿元件以及用于把小腿元件连接到大腿元件的膝关节。
100.如权利要求97所述的方法，其中，该装置包括大腿元件、躯干元件以及用于把大腿元件连接到躯干元件的髋关节。
101.如权利要求98所述的方法，其中，该装置包括大腿元件和用于把小腿元件连接到大腿元件的膝关节。
102.如权利要求101所述的方法，其中，该装置包括躯干元件以及用于把大腿元件连接到躯干元件的髋关节。
103.如权利要求99所述的方法，其中，该装置包括躯干元件以及用于把大腿元件连接到躯干元件的髋关节。
104.如权利要求98所述的方法，其中，该轨迹是对小腿元件确定的。
105.如权利要求104所述的方法，其中，该轨迹是基于小腿元件的惯性姿态和足元件与小腿元件之间的角度确定的。
106.如权利要求98所述的方法，包括相对于下方地形将足元件的弹簧平衡位置调整到足平放位置，从而与相对于世界坐标系处于竖直位置的小腿元件一致。
107.如权利要求98所述的方法，包括在当足元件撞击下方地形时到当足元件相对于下方地形处于足平放位置时之间的一段时间内，基于施加在小腿元件上的弹射力，调整装置的阻抗，以便使成本函数最小化。
108.如权利要求98所述的方法，包括在当足元件触地下方地形到当足元件相对于下方地形处于足平放位置之间的一个时间周期内，基于施加在小腿元件上的弹射力，调整装置的阻抗以便使成本函数最小化。
109.如权利要求108所述的方法，其中，调整该装置的阻抗，使足元件的足拍击最小化。
110.如权利要求98所述的方法，包括基于小腿元件的轨迹，相对于下方地形将足元件的位置调整到足尖朝下位置。
111.如权利要求110所述的方法，其中，小腿元件的轨迹代表当下方地形包括一个或多个楼梯时的轨迹。
112.如权利要求97所述的方法，其中，通过与装置的至少一个传感器和至少一个致动器连通的处理器，在步态周期内连续修正关节位置、阻抗或扭矩中的至少一个。
113.如权利要求97所述的方法，包括基于行走速度、地形环境或地形表面特征中的至少一个，在步态周期的后期站立阶段控制该装置关节上的阻抗和扭矩。
114.如权利要求113所述的方法，其中，控制阻抗和扭矩以便获得所需量的功。
115.如权利要求97所述的方法，包括在步态周期的受控跖屈阶段，调整该装置的阻抗，从而使前脚与下方地形的碰撞最小化。
116.如权利要求97所述的方法，包括基于装置一部分的速度，控制该装置的关节位置、阻抗或扭矩中的至少一个。
117.如权利要求116所述的方法，其中，该装置是小腿装置，所述一部分是小腿装置的膝关节和踝关节之间的部位。
118.如权利要求97所述的方法，包括在整个步态周期内，控制关节位置、阻抗或扭矩中的至少两个。
119.如权利要求97所述的方法，包括在整个步态周期内，控制关节位置、阻抗和扭矩。
120.一种方法，用于在整个步态周期内，减少佩戴者佩戴的下肢假体、矫形器或外骨骼装置的髋冲击力和髋冲击力速率，该方法包括基于与下方地形接触的脚传递而产生的髋冲击力和髋冲击力速率来生成成本函数；及基于使佩戴者成本函数最小化而减小在下方地形上的步态周期内产生的髋冲击力，控制下肢假体、矫形器或外骨骼装置的至少一个关节的位置、阻抗或扭矩中的至少一个。
121.如权利要求120所述的方法，其中，该装置包括第一足元件、第一小腿元件和用于把第一足元件连接到第一小腿元件的第一踝关节，该方法还包括在该装置的第一足元件的足触地状态和足平放状态之间的时间段内，调整第一踝关节的阻抗和第一足元件与第一小腿元件之间的角度。
122.如权利要求121所述的方法，其中，在该装置的第一足元件处于足触地状态和足平放状态之间时，基于对要施加到第一踝关节上的力的估算，调整第一踝关节的阻抗和第一足元件与第一小腿元件之间的角度，以使成本函数最小化。
123.如权利要求122所述的方法，其中，足触地状态包括足元件足跟首先撞击下方地形。
124.如权利要求122所述的方法，其中，足触地状态包括足元件足尖首先撞击下方地形。
125.如权利要求122所述的方法，其中，下方地形包括上楼梯或下楼梯中的至少一个， 该方法还包括在该装置的第一足元件处于足触地状态和足平放状态之间时基于对要施加到第一踝关节上的力的估算使成本函数最小化的同时，约束第一足元件以便使足尖首先撞击下方地形。
126.如权利要求121所述的方法，其中，该装置包括第二腿元件、第二足元件以及用于把第二腿元件连接到第二足元件的第二踝关节，该方法还包括在第一足元件冲击下方地形之时或之前，给第二踝关节施加扭矩。
127.如权利要求120所述的方法，包括控制关节位置、阻抗或扭矩中的至少两个。
128.如权利要求120所述的方法，包括控制关节位置、阻抗和扭矩。
129.—种方法，用于在整个步态周期内使佩戴者佩戴的下肢假体、矫形器或外骨骼装置所做的功最小化，该方法包括生成成本函数，用于在双侧支撑期间估算下肢假体、矫形器或外骨骼装置和对象结合体在结合体质心所做的步内过渡功；及基于使佩戴者成本函数最小化以便减少在步态周期内产生的佩戴者和下肢假体、矫形器或外骨骼装置所做的功，控制下肢假体、矫形器或外骨骼装置的至少一个关节的位置、阻抗或扭矩中的至少一个。
130.如权利要求1 所述的方法，其中，该下肢假体、矫形器或外骨骼装置包括第一足元件、第一小腿元件以及用于把第一足元件连接到第一小腿元件的第一踝关节，该方法还包括在该下肢假体、矫形器或外骨骼装置的第一足元件处于足触地状态和足平放状态之间的时间段内，调整第一踝关节的阻抗和第一足元件与第一小腿元件之间的角度。
131.如权利要求130所述的方法，其中，在该下肢假体、矫形器或外骨骼装置的第一足元件处于足触地状态和足平放状态之间时，基于对要施加到第一踝关节上的力的估算，调整第一踝关节的阻抗和第一足元件与第一小腿元件之间的角度，以使成本函数最小化。
132.如权利要求131所述的方法，其中，足触地状态包括足元件足跟首先撞击下方地形。
133.如权利要求131所述的方法，其中，足触地状态包括足元件的足尖首先撞击下方地形。
134.如权利要求131所述的方法，其中，佩戴者的下方地形包括上楼梯或下楼梯中的至少一个，该方法还包括在该下肢假体、矫形器或外骨骼装置的第一足元件处于足触地状态和足平放状态之间时基于对要施加到第一踝关节上的力的估算使成本函数最小化的同时，约束第一足元件以便使足尖首先撞击下方地形。
135.如权利要求130所述的方法，其中，该下肢假体、矫形器或外骨骼装置包括第二腿元件、第二足元件以及用于把第二腿元件连接到第二足元件的第二踝关节，该方法还包括在第一足元件冲击下方地形之时或之前，给第二踝关节施加扭矩。
136.如权利要求1 所述的方法，包括在整个步态周期内控制关节位置、阻抗或扭矩中的至少两个。
137.如权利要求1 所述的方法，包括在整个步态周期内控制关节位置、阻抗和扭矩。
138.—种方法，用于控制在行走周期内期间佩戴者佩戴的下肢假体、矫形器或外骨骼装置的关节阻抗、位置或扭矩中的至少一个，该方法包括在整个行走周期内，确定该装置的踝关节和膝关节之间的部位在坐标系中的轨迹；及基于该轨迹来调整该装置的足元件的关节连接。
139.如权利要求138所述的方法，其中，该装置的踝关节将足元件连接到该装置的小腿元件的第一端，并且膝关节连接到小腿元件的相对端。
140.如权利要求138所述的方法，其中，该部位是踝关节。
141.如权利要求138所述的方法，包括当预定条件代表下方地形中出现平地、上坡或下坡时，将足元件的关节连接调整到足跟朝下位置。
142.如权利要求138所述的方法，包括当预定条件表示下方地形中出现上楼梯或下楼梯时，将足元件的关节连接调整到足尖朝下位置。
143.如权利要求138所述的方法，其中，当预定条件代表出现上楼梯时，相对于该装置的小腿元件将足元件调整到背屈位置。
144.如权利要求138所述的方法，其中，当预定条件代表出现下楼梯时，相对于该装置的小腿元件将足元件调整到跖屈位置。
145.如权利要求138所述的方法，包括当预定条件代表下方地形中出现平地、上坡或下坡时，将足元件的关节连接调整到足跟朝下位置；及当预定条件代表下方地形中出现上楼梯或下楼梯时，将足元件的关节连接调整到足尖朝下位置。
146.如权利要求138所述的方法，其中，基于该装置的小腿元件的惯性姿态和足元件与小腿元件之间的角度，确定所述轨迹。
147.如权利要求138所述的方法，包括当所述轨迹满足预定条件时，将该装置的足元件的关节连接调整到预定朝向。
148.一种主动式下肢假体、矫形器或外骨骼装置，包括足元件；小腿元件；用于把足元件连接到小腿元件的踝关节；第一致动器，用于将扭矩施加到踝关节上，以使足元件相对于小腿元件转动；及惯性测量单元，用于确定小腿元件的惯性姿态；扭矩传感器，用于确定第一致动器施加到小腿元件上的扭矩；力传感器，用于确定施加到小腿元件上的轴向力；角度传感器，用于确定足元件和小腿元件之间的角度；控制器，用于在该装置的整个行走周期内，基于所述惯性姿态、扭矩、轴向力和角度，控制第一致动器以调节该装置的关节阻抗、位置或扭矩中的至少一个。
149.如权利要求148所述的装置，包括连接在小腿元件和足元件之间的一个或多个被动弹性元件，用于在足元件围绕踝关节朝小腿元件转动时存储能量，及用于释放能量以提供附加扭矩而使足元件转动离开小腿元件。
150.如权利要求149所述的装置，其中，所述一个或多个被动弹性元件以与第一致动器并联的方式附连到该装置上。
151.如权利要求150所述的装置，其中，所述一个或多个被动弹性元件是单向弹簧，并且在足元件相对于小腿元件跖屈时不被接合。
152.如权利要求148所述的装置，其中，第一致动器包括串联的弹性致动器。
153.如权利要求152所述的装置，其中，该串联的弹性致动器包括驱动滚珠丝杠的无刷电机、与滚珠丝杠的输出端串联的碳素纤维弹簧以及连接到该碳素纤维弹簧的应变传感器。
154.如权利要求148所述的装置，其中，该惯性测量单元包括三轴速率陀螺仪和三轴加速度计。
155.如权利要求148所述的装置，包括连接到小腿元件的结构元件，该结构元件包括接口，该接口用于连接到佩戴者的肢体插座元件，其中，该结构元件包括多个应变计，用于确定施加到小腿元件上的轴向力和第一致动器施加到小腿元件上的扭矩。
156.如权利要求148所述的装置，其中，在行走周期的受控跖屈阶段，第一致动器调整该装置的刚度，以使前脚与下方表面的撞击最小化。
157.如权利要求148所述的装置，其中，在行走周期的后期站立阶段，基于行走速度、 地形环境或地形表面特征中的至少一个，第一致动器控制该装置的踝关节上的阻抗和扭矩。
158.如权利要求148所述的装置，其中，基于下方表面施加到足元件上的地面反作用力和零力矩枢轴坐标、小腿元件的惯性姿态、第一致动器施加到小腿元件上的扭矩、施加到小腿元件上的轴向力以及足元件和小腿元件之间的角度，第一致动器调节该装置的阻抗。
159.如权利要求158所述的装置，其中，在佩戴者从坐下位置站起或者从站立位置坐下时，基于小腿元件的惯性姿态、足元件和小腿元件之间的角度以及地面反作用力和零力矩枢轴坐标，第一致动器调节该装置的阻抗。
160.如权利要求148所述的装置，其中，该装置用于治疗足下垂步态。
161.如权利要求148所述的装置，其中，该装置用于治疗患有前肌无力、后肌无力或这两种情况的佩戴者。
162.如权利要求148所述的装置，包括 大腿元件；用于把大腿元件连接到小腿元件的膝关节；第二致动器，用于给膝关节施加扭矩，以使小腿元件相对于大腿元件转动； 第二惯性测量单元，用于确定大腿元件的惯性姿态； 第二扭矩传感器，用于确定第二致动器施加到大腿元件上的扭矩； 第二力传感器，用于确定施加到大腿元件上的轴向力；及第二角度传感器，用于确定大腿元件和小腿元件之间的角度； 其中，控制器控制第一和第二致动器，以便基于用第一和第二仪器确定的惯性姿态、扭矩、轴向力和角度，在该装置的整个行走周期内调节该装置的阻抗。
163.如权利要求162所述的装置，包括 躯干元件；髋关节，用于把躯干元件连接到大腿元件；第三致动器，用于给髋关节施加扭矩，以使大腿元件相对于躯干元件转动； 第三惯性测量单元，用于确定躯干元件的惯性姿态； 第三扭矩传感器，用于确定第三致动器施加到躯干元件上的扭矩； 第三力传感器，用于确定施加到躯干元件上的轴向力；以及第三角度传感器，用于确定躯干元件和大腿元件之间的角度； 其中，控制器控制第一、第二和第三致动器，以便基于第一、第二和第三仪器确定的惯性姿态、扭矩、轴向力和角度，在该装置的整个行走周期内调节该装置的阻抗。
164.如权利要求148所述的装置，其中，小腿元件可附连到佩戴者的腿上。
165.如权利要求148所述的装置，其中，足元件可附连到佩戴者的脚上。
166.如权利要求162所述的装置，其中，大腿元件可附连到佩戴者的大腿上。
167.如权利要求148所述的装置，其中，控制器控制第一致动器，以便在该装置的整个行走周期内调节该装置的关节阻抗、位置或扭矩中的至少两个。
168.如权利要求148所述的装置，其中，控制器控制第一致动器，以便在该装置的整个行走周期内调节该装置的关节阻抗、位置和扭矩。
169.—种方法，用于确定下肢矫形器或外骨骼装置给佩戴该装置的佩戴者提供所需帮助的水平，该方法包括制定理疗方案，该理疗方案限定了一段时间段内由佩戴者佩戴的装置进行帮助的水平；及降低由佩戴者佩戴的装置进行帮助的水平，以帮助肢体病患的康复。
170.如权利要求169所述的方法，其中，基于佩戴者对该装置的阻抗和扭矩贡献，降低该装置的帮助水平。
171.如权利要求170所述的方法，其中，基于佩戴者和该装置的生物力学模型以及在该装置工作期间佩戴者的测量，确定佩戴者的阻抗和扭矩贡献。
172.如权利要求171所述的方法，其中，佩戴者的测量包括测量该装置至少一个关节的转动和加速度中的至少一个。
173.如权利要求172所述的方法，其中，该装置的所述至少一个关节包括以下关节中的至少一个a)踝关节，其把该装置的足元件连接到该装置的小腿元件；b)膝关节，用于把该装置的大腿元件连接到该装置的小腿元件；或c)髋关节，用于把该装置的躯干元件连接到该装置的大腿元件。
174.一种方法，采用佩戴者佩戴的下肢矫形器或外骨骼装置对有肢体病患的佩戴者进行康复，该方法包括基于佩戴者和该装置的生物力学模型以及该装置工作期间佩戴者的测量，估算佩戴者对该装置至少一个关节的阻抗和扭矩贡献；及给该装置的致动器提供信号，该信号指令致动器给该装置的至少一个关节提供附加扭矩，以便在工作期间在该装置内获得预定水平的扭矩。
175.如权利要求174的方法，其中，佩戴者的测量包括测量该装置至少一个关节的转动和加速度中的至少一个。
176.如权利要求175的方法，其中，该装置的所述至少一个关节包括以下关节中的至少一个a)踝关节，其把该装置的足元件连接到该装置的小腿元件；b)膝关节，用于把该装置的大腿元件连接到该装置的小腿元件；或c)髋关节，用于把该装置的躯干元件连接到该装置的大腿元件。
177.一种方法，用于在佩戴者穿越下方地形时估算下方地形的状态，该方法包括确定穿越下方地形的佩戴者下肢上多个点的惯性参考轨迹和佩戴者下肢的朝向；及相对于至少一个预定轨迹模型来分析该惯性参考轨迹，以便估算下方地形状态。
178.如权利要求177所述的方法，其中，下方地形状态为上楼梯、上坡、平地、下坡或下楼梯中的至少一个。
179.如权利要求177所述的方法，包括确定穿越下方地形的佩戴者的惯性参考轨迹， 其中，下方地形包括上楼梯、上坡、平地、下坡和下楼梯。
180.如权利要求177所述的方法，其中，在佩戴者步态周期的后期摆动阶段进行对穿越下方地形的佩戴者的惯性参考轨迹的确定。
181.如权利要求177所述的方法，其中，相对于至少一个预定轨迹模型分析惯性参考轨迹包括采用至少一种模式识别技术。
182.如权利要求181所述的方法，其中，所述至少一种模式识别技术是采用连接到至少一个传感器的处理器和连接到佩戴者佩戴的下肢假体、矫形器或外骨骼装置的一个致动器实现的。
183.如权利要求182所述的方法，其中，所述至少一种模式识别技术选自由贝叶斯模式分类、神经网络、模糊逻辑或分层时间记忆构成的组。
184.如权利要求Sl的方法，包括基于下方地形状态的估算，控制佩戴者佩戴的下肢假体、矫形器或外骨骼装置的关节阻抗、位置或扭矩中的至少一个。
185.如权利要求177所述的方法，包括确定该装置的足元件和下方表面之间的牵引力变化，该装置包括足元件、小腿元件、用于把足元件连接到小腿元件的踝关节以及用于给踝关节施加扭矩以使足元件相对于小腿元件转动的第一致动器，该方法还包括基于小腿元件的惯性姿态、第一致动器施加在小腿元件上的扭矩、施加到小腿元件上的轴向力以及足元件与小腿元件之间的角度，计算下方表面施加到足元件上的地面反作用力 ’及基于小腿元件的惯性姿态、第一致动器施加在小腿元件上的扭矩、施加到小腿元件上的轴向力以及足元件与小腿元件之间的角度，计算足元件零力矩枢轴的速度。
186.如权利要求185所述的方法，其中，在佩戴者处于足平放状态和足尖离地状态之间的一部分步态周期期间，如果足元件零力矩枢轴速度的至少一个分量降低，则确定足元件是在打滑或是在下沉。
187.如权利要求186所述的方法，包括作为确定了足元件是在打滑或是在下沉的响应，减小施加给小腿元件的扭矩。
188.如权利要求187所述的方法，包括利用衰减系数减小施加到小腿元件上的扭矩。
189.如权利要求188所述的方法，其中，衰减系数是预定衰减系数。
190.如权利要求188所述的方法，其中，基于零力矩枢轴速度确定衰减系数。
191.如权利要求186所述的方法，包括作为对零力矩枢轴速度小于预定阈值的响应， 减小施加到小腿元件上的扭矩。
192.一种方法，用于识别佩戴者佩戴的下肢假体、矫形器或外骨骼装置的下方地形特性，其中，该装置包括足元件、小腿元件以及用于把足元件连接到小腿元件的踝关节，该方法包括在整个步态周期中，估算该装置踝关节的惯性速度矢量迎角；及基于惯性速度矢量迎角是否在预定范围内，识别地形特性。
193.如权利要求192所述的方法，包括在当足元件的足跟撞击下方地形到当足元件相对于下方地形处于足平放位置之间的一段时间内，基于施加到小腿元件上的弹射力，调整该装置的阻抗以使成本函数最小化。
194.如权利要求192所述的方法，包括基于惯性速度矢量迎角是否处于预定范围内， 控制该装置踝关节阻抗、位置或扭矩中的至少一个。
195.如权利要求192所述的方法，其中，足元件可附连到佩戴者的脚上，小腿元件可附连到佩戴者的腿上。
196.如权利要求192所述的方法，其中，足元件和小腿元件替代佩戴者的脚和小腿。
197.一种方法，用于控制佩戴者佩戴的下肢假体、矫形器或外骨骼装置的关节阻抗、位置或扭矩中的至少一个，其中，该装置包括足元件、小腿元件以及用于把足元件连接到小腿元件的踝关节，该方法包括在整个步态周期内估算该装置踝关节的惯性速度矢量迎角；及当该惯性速度矢量迎角位于预定范围内时，将该装置足元件的位置调整为足尖朝下位置。
198.如权利要求197所述的方法，包括当该惯性速度矢量迎角超出预定范围时，将该装置足元件的位置调整为足跟朝下位置。
199.如权利要求198所述的方法，包括在当足元件的足跟撞击下方地形到当足元件相对于下方地形处于足平放位置之间的一段时间内，基于施加到小腿元件上的弹射力，调整该装置的阻抗以使成本函数最小化。
200.如权利要求197所述的方法，其中，足元件可附连到佩戴者的脚上，小腿元件可附连到佩戴者的腿上。
201.如权利要求197所述的方法，其中，足元件和小腿元件替代佩戴者的脚和小腿。
202.一种操作下肢假体或矫形器装置的方法，该装置具有足元件和踝关节，该方法包括步骤追踪该装置一部分的轨迹； 确定追踪到的轨迹是否对应于楼梯；在追踪到的轨迹对应于楼梯的情况下，优化该装置的操作以便在楼梯上移动； 确定追踪到的轨迹是否对应于非楼梯地形；以及在追踪到的轨迹对应于非楼梯地形的情况下，优化该装置的操作以便在非楼梯地形上移动。
203.如权利要求202所述的方法，其中，确定追踪到的轨迹是否对应于楼梯的步骤包括确定后期摆动阶段中踝关节的速度矢量迎角Ψ小于阈值，并且确定追踪到的轨迹是否对应于非楼梯地形的步骤包括确定后期摆动阶段中踝关节的速度矢量迎角Ψ大于阈值。
204.如权利要求202所述的方法，其中，对于在楼梯上行走而优化装置操作的步骤包括在足触地之前将足元件的位置调整到足尖朝下的位置，以及对于在非楼梯地形上移动而优化装置操作的步骤包括在足触地之前将足元件的位置调整到足跟朝下的位置。
205.如权利要求202所述的方法，其中，对于在非楼梯地形上行走而优化装置操作的步骤包括以下步骤在单步的不同阶段动态地控制踝关节的阻抗； 在单步的不同阶段动态地控制踝关节的位置；及在单步的不同阶段动态地控制踝关节的扭矩。
206.如权利要求202所述的方法，其中，对于在楼梯上行走而优化装置操作的步骤包括以下步骤在单步的不同阶段动态地控制踝关节的阻抗； 在单步的不同阶段动态地控制踝关节的位置；及在单步的不同阶段动态地控制踝关节的扭矩。
207.如权利要求202所述的方法，还包括步骤 确定追踪到的轨迹是否对应于上坡；在追踪到的轨迹对应于上坡的情况下优化该装置的上坡操作；确定追踪到的轨迹是否对应于下坡；及在追踪到的轨迹对应于下坡的情况下优化该装置的下坡操作。
208.如权利要求206所述的方法，其中，优化该装置上坡操作的步骤包括以下步骤在单步的不同阶段动态地控制踝关节的阻抗，在单步的不同阶段动态地控制踝关节的位置， 及在单步的不同阶段动态地控制踝关节的扭矩，及其中，优化该装置下坡操作的步骤包括以下步骤在单步的不同阶段动态地控制踝关节的阻抗，在单步的不同阶段动态地控制踝关节的位置，及在单步的不同阶段动态地控制踝关节的扭矩。
209.如权利要求202所述的方法，其中，确定追踪到的轨迹是否对应于楼梯的步骤包括确定后期摆动阶段中踝关节的速度矢量迎角Ψ小于阈值，以及确定追踪到的轨迹是否对应于非楼梯地形的步骤包括确定后期摆动阶段中踝关节的速度矢量迎角Ψ大于阈值，其中，对于在楼梯上行走而优化装置操作的步骤包括在足触地之前将足元件的位置调整到足尖朝下的位置，并且对于在非楼梯地形上移动而优化装置操作的步骤包括在足触地之前将足元件的位置调整到足跟朝下的位置，及其中，对于在非楼梯地形上行走而优化装置操作的步骤包括以下步骤在单步的不同阶段动态地控制踝关节的阻抗，在单步的不同阶段动态地控制踝关节的位置，及在单步的不同阶段动态地控制踝关节的扭矩。
210.一种下肢假体或矫形器装置，该装置包括 足元件；小腿元件；踝关节，其可操作地连接在足元件和小腿元件之间，以允许足元件相对于小腿元件关节连接；电机，用于驱动踝关节；惯性测量单元，用于追踪小腿元件的轨迹并产生代表该轨迹的输出；以及控制器，其中，该控制器构造成(a)基于所述输出来确定追踪到的轨迹是否对应于楼梯，(b) 当追踪到的轨迹对应于楼梯时，优化行走在楼梯上的踝关节操作，(c)确定追踪到的轨迹是否对应于非楼梯地形，及(d)当追踪到的轨迹对应于非楼梯地形时，优化行走在非楼梯地形上的踝关节操作。
211.如权利要求210所述的装置，其中，控制器通过确定后期摆动阶段中踝关节的速度矢量迎角Ψ小于阈值来确定追踪到的轨迹是否对应于楼梯，并且控制器通过确定踝关节的速度矢量迎角Ψ大于阈值来确定追踪到的轨迹是否对应于非楼梯地形。
212.如权利要求210所述的装置，其中，控制器通过在足触地之前将足元件的位置调整到足尖朝下的位置来优化在楼梯上行走的踝关节操作，并且控制器通过在足触地之前将足元件的位置调整到足跟朝下的位置来优化在非楼梯地形上移动的踝关节操作。
213.如权利要求210所述的装置，其中，通过在单步的不同阶段动态地控制踝关节的阻抗、在单步的不同阶段动态地控制踝关节的位置及在单步的不同阶段动态地控制踝关节的扭矩，控制器优化在非楼梯地形上行走的踝关节操作。
214.如权利要求210所述的装置，其中，通过在单步的不同阶段动态地控制踝关节的阻抗、在单步的不同阶段动态地控制踝关节的位置及在单步的不同阶段动态地控制踝关节的扭矩，控制器优化在楼梯上行走的踝关节操作。
215.如权利要求210所述的装置，其中，控制器还构造成(e)基于所述输出来确定追踪到的轨迹是否对应于上坡，(f)当追踪到的轨迹对应于上坡时，优化上坡行走的踝关节操作，(g)确定追踪到的轨迹是否对应于下坡，及(h)当追踪到的轨迹对应于下坡时，优化下坡行走的踝关节操作。
216.如权利要求215所述的装置，其中，通过在单步的不同阶段动态地控制踝关节的阻抗、在单步的不同阶段动态地控制踝关节的位置及在单步的不同阶段动态地控制踝关节的扭矩，控制器优化上坡的踝关节操作，及其中，通过在单步的不同阶段动态地控制踝关节的阻抗、在单步的不同阶段动态地控制踝关节的位置及在单步的不同阶段动态地控制踝关节的扭矩，控制器优化下坡的踝关节操作。
全文摘要
提供一种混合型地形自适应下肢装置，以及通过探测正穿越的地形和适应探测到的地形而在各种不同情况下实施的方法。在一些实施例中，对于每种情况控制该装置的能力建立在五个基本能力之上(1)确定正在进行的活动；(2)基于正在进行的活动，动态控制该装置的特性；(3)基于正在进行的活动，动态地驱动该装置；(4)确定地形表面特征不规则性(例如地形有多粘，地形有多滑，是粗糙地形还是光滑地形，地形有无障碍，例如岩石)；及(5)可以响应动态控制和动态驱动的装置机械设计。
文档编号F16H25/00GK102202613SQ200980142846
公开日2011年9月28日 申请日期2009年9月1日 优先权日2008年9月4日
发明者A·S·马戈林, C·M·努克, D·W·默里, G·K·汤普森, H·M·赫尔, J·A·韦伯, K·J·塞兹, M·T·科瓦尔奇克, R·W·斯帕勒, R·卡斯勒, S·S·凯斯勒, T·M·达尔林普尔 申请人:Iwalk股份有限公司