行动辅助设备的制造方法
【专利说明】
[000。 相关申请的香叉引用
[0002] 本申请要求于2012年6月15日提交的，名为"外骨骼控制方法"的美国临时专利 申请第61/660, 286号的优先权和权益，其全部内容通过引用合并在此。
技术领域
[0003] 本发明设及带动力的辅助设备领域，更具体地，设及带动力的辅助设备及方法。
【背景技术】
[0004] 在美国每年大约有800, 000人患中风，其中大约660,000(83% )人幸存。在幸存 的人群中，研究表明大约60% (将近400, 000)在康复急性期具有较低的肢体运动障碍。在 该些人群中，研究表明大约一半（即，200, 000)在中风后六个月在没有帮助的情况下不能 行走。不能独立行走对个体的独立性和社区居住能力有明显的影响，因此对生活质量有明 显的影响。类似地，平衡受损及行走能力损害提高了摔倒的发生率，进而导致骨折。
[0005] 为了改善中风后具有运动障碍的人群的运动结果，已使用减重步行训练 (body-wei曲t-su卵orted trea血ill training, BWSTT)。在该种介入中，患者体重的一 部分通过头上的悬挂点吊在电动活动平板（trea血ill)上面，同时一个或多个治疗师对患 者身体的一些部分（最常见的是下肢）进行操控W模仿行走，从而促进它的康复。已经进 行了许多有关调查减重步行训练对中风后康复的疗效的研究。相对于传统的物理治疗介 入，该些关于减重步行训练的疗效的研究没有大体一致的意见，尽管一些研究表明减重步 行训练相对于传统治疗没有提供明显的好处。为了提供类似于减重步行训练、较少治疗师 参与并可能较高连贯性的运动训练，机器人版本的减重步行训练已开发出来，其保留了电 动活动平板及头上的体重悬吊系统，但用机器人操控代替了腿部的手动操控。与手动辅助 (manually-assisted,MA)减重步行训练一样，机器人辅助（robotic-assisted，RA)减重步 行训练系统也已成为当前比较它们的疗效与传统治疗疗效的研究的对象。与手动辅助减重 步行训练的研究一样，关于疗效没有大体一致的意见，尽管多项研究表明机器人辅助的减 重步行训练相对于传统治疗的好处并不明显。
[0006] 减重步行训练介入没有提供多少静态或动态的平衡训练。在机器人辅助减重步行 训练的情况下，对平衡的需求几乎从运动活动中完全去除了，而在手动辅助减重步行训练 的情况下，基本上不存在对平衡的需求。在该两种情况下，头顶上的体重支撑起到大体稳定 的作用，并且在机器人辅助减重步行训练的具体情况下，运动学上限制了沿着减少的运动 轴线组的躯干运动。除了运动学的限制之外，大体稳定的力的存在显著地妨碍了该种训练 过程中平衡的开发。
[0007] 减重步行训练不需要平衡的事实在步态再训练治疗介入的早期阶段实际上是重 大的优点。康复社区中的大多数人赞同早期介入可提供重大的治疗好处，并且许多人认为 减重步行训练系统比否则可能的传统治疗能够更早的进行治疗介入。尽管如此，随着患者 的力量逐渐增强，减重步行训练介入中存在的人为稳定妨碍了平衡的再训练，其必然设及 空间中的身体运动，躯干和上下肢的自由运动，w及每个脚的适当放置w确保动态稳定。根 据运动物理学（即，动力学），用前庭神经和本体感觉系统整合并协调该些运动是习得反 应，其对安全行走是必不可少的。
【发明内容】
[000引本发明的实施方式设及控制方法，W及由此的设备，其通过去除由被动动力强加 的强有力的运动负担来辅助人。优选地，控制方法不会试图支持或提供任何运动。相反地， 控制方法优选地配置成积极地补偿被动作用，为了移动使用者必须克服该种被动作用。具 体地，该些被动作用包括但不限于，移动身体或载荷W突破重力所需要的力，W及使使用者 身体的一些部分加速或减速所需要的惯性力或承载的载荷。其他被动作用可包括（例如， 由于李缩）使用者关节的阻巧和/或僵硬。被动作用定义如下；对于起始于任意形态，经历 任意形态，并返回至初始形态的系统来说，被动作用不会对系统做任何正净功。例如，对于 起始于空间中的给定点，穿过重力场，然后返回至初始的初始点的质点来说，重力场会对质 点做零净功，因此重力作用被该系统认作是被动作用。由于在该种情况下对系统所做的净 功为零，力场被认为是守恒场。如果物体穿过阻巧场并返回起始点，阻巧会对系统做负功， 于是阻巧也会被认为是被动作用（在该种情况下，由于对系统所做的净功为负，该个力场 被认为是完全被动的）。在系统返回至初始形态并且对系统做了正净功的情况下，该作用会 被认为是主动的（或非被动的）。
[0009] 在优选实施方式中，控制方法仅仅尝试去除被动的运动障碍，而不是补给运动意 图。对于该种控制方法而言，外骨骼优选地仅对运动做出响应，但不产生运动。该样，本文 描述的控制方法使得外骨骼能够对运动贡献出动力，而永远不会产生运动。就该一点而言， 提出的方法的实质好处在于优选实施方式中的外骨骼能够避免不顾使用者的运动意图。
[0010] 控制方法可用来可变地或可选择地去除被动负担。例如，对具有运动障碍但仍具 有部分力量的使用者来说，该方法可用来去除被动作用的一部分（例如，可去除一半的重 力载荷，而不是全部的载荷）。被动补偿量可基于测量信息（诸如步态模式）而适应于使用 者。
[0011] 在守恒力场的情况下（诸如由重力强加的），使场的梯度上升需要对系统的一部 分做功（即，产生动力），而使场的梯度下降把该个功返还给系统。在外骨骼的情况下，控制 方法在运动产生动力的部分中可有选择地补偿（即，仅在使场的梯度上升时补偿），而不是 始终补偿守恒力场。如此，外骨骼去除了使用者产生动力的负担，但允许使用者得益于由守 恒场辅助的该部分运动。由于身体通常包含多个部分，并且不同部分的能量梯度的方向可 改变，控制方法优选的实施方式是确定关节级能量梯度，使用关节控制转矩与关节角速度 的乘积的符号和可能幅度来确定梯度是正还是负。在关节级能量梯度为正的情况下（即， 关节对抗重力做功），系统可对关节提供一些程度的重力补偿。在关节级能量梯度为负的情 况下（即，关节随着重力做功），系统不需要提供重力补偿。在一些实施方式中，当随着能量 梯度（即，随着重力）移动时，外骨骼可提供规定量的关节级阻巧。
[0012] 在第一实施方式中，提供了一种控制外骨骼的方法，该外骨骼包括与使用者下肢 关联的至少一个带动力的关节。该方法包括关于重力向量估算与外骨骼关联的使用者的身 体形态并基于形态计算至少一个带动力的关节的第一控制转矩，其至少部分地补偿使用者 的重力动力。该方法还包括计算至少一个带动力的关节的重力能量梯度，至少基于重力能 量梯度衰减第一控制转矩W产生第二控制转矩，W及施加最终控制转矩到至少一个带动力 的关节上，所述最终控制转矩至少部分地基于第二控制转矩。
[0013] 该方法还可包括计算至少一个带动力的关节的第=控制转矩，其大致补偿了外骨 骼的重力动力，于是该里最终控制转矩是第二控制转矩和第S控制转矩的总和。
[0014] 在该方法中，计算至少一个关节的重力能量梯度可包括确定至少一个带动力的关 节的第一控制转矩与测量到的关节角速度的乘积。
[0015] 在该方法中，估算形态可包括