用于来自下肢矫形器的通信的人机界面的制作方法
【专利说明】用于来自下肢矫形器的通信的人机界面
[0001] 相关申请案的夺叉参考
[0002] 本申请案主张2013年3月14日申请的标题为"用于来自下肢矫形器的通信的人 机界面（Machine to Human Interfaces for Communication from a Lower Extremity Orthotic) "的序列号为61/781，347的美国临时申请案的权利。
【背景技术】
[0003] 本发明涉及辅助肌肉机能或控制受损的患者康复及恢复肌肉机能的装置及方法。 更特定来说，本发明涉及适合于附肢的神经肌肉/肌肉机能受损的患者的治疗用途的装置 及方法，其包括对于包含（但不限于）行走的活动增强附肢的改善机能的电动支架系统及 相关控制系统。
[0004] 数百万人患有行走能力的部分或全部丧失。此残疾状态可源于外伤性损伤、中风 或导致影响肌肉控制失调的其它医学病况。无论起因如何，行走机能障碍的发病及持续可 对患病个体造成额外不利的生理及/或心理后果。为了改善具有行走机能障碍的患者的健 康及生活质量，开发能改善或恢复行走机能的装置对医疗界非常有用。除了行走机能障碍， 还存在会干扰附肢的肌肉控制，从而引起受影响个体的机能丧失及其它不利状况的一系列 医学病况。用于改善或恢复这些机能的装置的开发也引起医疗界的极大兴趣。
[0005] 在医学领域，正在开发人类外骨骼装置以恢复及康复肌肉控制失调的人的正常肌 肉机能。这些外骨骼装置是可施加力到穿戴者的附肢的电动支架系统。在康复环境中，外 骨骼通常由物理治疗师控制，所述物理治疗师使用多个可能输入构件中的一者以命令外骨 骼控制系统。外骨骼控制系统又致动电动支架的位置，从而引起力施加到外骨骼穿戴者的 身体且通常引起外骨骼穿戴者身体移动。在一些情形中，可通过来自外骨骼穿戴者的输入 或穿戴者及物理治疗师两者对外骨骼控制系统的输入的组合而类似地控制外骨骼。
[0006] 外骨骼控制系统规定及控制外骨骼的关节的轨迹。可将这些轨迹规定为基于位 置、基于力或两种方法的组合（例如，在阻抗控制器中所见的）。可直接通过修改所规定的 位置而修改基于位置的控制系统。也可直接通过修改所规定的力分布曲线而修改基于力的 控制系统。
[0007] 在康复时段期间及/或在康复进程中，物理治疗师有能力取决于患者的特定生理 机能或康复阶段而修改所规定的位置及/或所规定的力分布曲线是非常有益的。构建能够 实现在康复期间物理治疗师所希望的全方位修改的外骨骼控制界面是极为复杂及困难的。 此外，重要的是，控制界面不仅允许物理治疗师可能希望的全方位修改，而且与物理治疗师 的界面对于可能并非十分了解技术的物理治疗师而言是直观的。在一些情况下，使外骨骼 的穿戴者能够修改外骨骼轨迹同样是有益的。
[0008] 外骨骼控制系统从外骨骼操作者（可为物理治疗师或外骨骼穿戴者）接收意图命 令，且随后相应地执行所要的动作。为了正确地执行这些动作，在整个外骨骼内放置一系列 传感器以感测外骨骼状态。外骨骼的操作者（可为物理治疗师或外骨骼穿戴者）可通过多 种可能的构件而输入命令到外骨骼控制系统。然而，为了最大化外骨骼的康复效益，接收来 自外骨骼控制系统的额外信息对外骨骼操作者来说是非常有用的，所述外骨骼控制系统可 传达关于来自外骨骼及穿戴者的相对力输入、从先前轨迹循环的偏转、外骨骼的平衡、引导 或未来定位信息或众多其它参数中的任一者的信息。
[0009] 尽管现有技术提及了旨在指示被动矫形器的安全运动范围或所要运动的装置，但 通常这些标示器限于向人们提醒他们已拥有的信息（通常是关节角度）。此外，在这些情形 下，当装置确定干扰确实存在时，信息被间歇地提供。所属领域尚未认识到需要外骨骼或动 力矫形器将其意图及运动传达给人所需的方式。外骨骼所属领域中已知的实例限于离散的 状态标示器（相当于汽车上的仪表盘标示器）；本发明针对允许人理解装置的运动且参与 装置的运动的持续反馈，其更类似于通过现代汽车上的方向盘提供的力反馈。驾驶员能够 感觉到汽车施加到转向系上的力的部分，使得他们可感知作用在汽车上的力。
[0010] 存在尚未满足的需要，即提供允许外骨骼将来自外骨骼控制系统的信息传达给外 骨骼操作者（可为物理治疗师或外骨骼穿戴者）的装置及方法，其方式是外骨骼操作者能 够直观地理解由外骨骼传达的信息且利用此信息来改善外骨骼的康复效益或其它用途。
【发明内容】
[0011] 本发明的目的是提供一种新颖的装置及方法，所述装置及方法允许外骨骼控制系 统以直观格式将信息传达给物理治疗师，从而允许物理治疗师利用由所述外骨骼控制系统 传达的信息来最大化所述外骨骼对患者的治疗效益，包含（但不限于）允许物理治疗师更 好地实时（或针对未来轨迹循环）修改规定的外骨骼轨迹，或评估患者的康复状态进展。
[0012] 本发明的另一目的是提供一种新颖的装置及方法，所述装置及方法允许外骨骼控 制系统以直观格式将信息传达给外骨骼穿戴者，从而允许外骨骼穿戴者利用由所述外骨骼 作为直接或间接"反馈"传达的信息，以允许改善关于外骨骼数据的信息（例如，外骨骼作 用在何处发生、外骨骼位置在何处改变）及允许故障预测/告警。
[0013] 本发明的另一目的是提供一种新颖的装置及方法，所述装置及方法允许外骨骼控 制系统以直观格式将信息传达给外骨骼穿戴者或物理治疗师，从而允许所述外骨骼传达外 骨骼引导信息（例如，下一步位置、平衡定心或预测的行进方向）。
[0014] 本文揭示的发明包括经由外骨骼反馈系统将来自外骨骼控制系统的信息传达给 物理治疗师及/或外骨骼用户的新颖方法。这些外骨骼-操作者通信界面及反馈系统建 立在当前外骨骼技术的基础之上以使得外骨骼系统不仅能够恢复或增强人的移动，也能够 恢复或增强人的感官。一般来说，术语反馈系统用于与更宽广的显示技术集合区分：此处 的"反馈系统"用于表示供应非文本信息的装置；文本显示器用于表示正供应文本信息的装 置。本文揭示反馈系统的十个不同实施例，以及外骨骼控制器借助于这些反馈装置可传达 给人的各种各样的信息。
[0015] 本发明的主要实施例包括靠近外骨骼关节配备有一或多个发光二极管或其它照 明构件的外骨骼装置。所述照明构件连接到外骨骼控制系统且与外骨骼关节中的扭矩成比 例地照明。所述照明构件可替代地与由外骨骼装置提供的辅助级成比例地照明。这将为物 理治疗师或外骨骼穿戴者提供直观放置的视觉反馈系统，所述视觉反馈系统传达可由物理 治疗师或外骨骼穿戴者直接看到的合成移动以外的人机交互。
[0016] 在第二实施例中，视觉反馈系统包括外骨骼系统，所述外骨骼系统包含靠近外骨 骼穿戴者连接点的一或多个发光二极管或其它照明构件。外骨骼穿戴者连接点含有连接到 外骨骼控制系统的力传感器，所述力传感器确定在外骨骼穿戴者连接点处施加在外骨骼穿 戴者与外骨骼之间的力。所述照明构件连接到外骨骼控制系统且通过强度及/或颜色的调 制与在所述连接点中的力（如由在外骨骼穿戴者连接点中的力传感器所确定）成比例地照 明。与第一实施例类似，这将允许物理治疗师或外骨骼穿戴者理解在外骨骼与外骨骼穿戴 者之间所传递的力的位置。
[0017] 在第三实施例中，视觉反馈系统包括包含整体式激光指示器的外骨骼系统。所述 激光指示器通过控制光束平摇及俯仰投射角度的致动构件连接到外骨骼结构。所述平摇及 俯仰投射角度致动构件连接到外骨骼控制系统，且经控制使得所述激光指示器瞄准外骨骼 穿戴者的相关位置（例如，理想的拐杖放置目标、理想的脚放置目标及下一个移动目标）。 这将允许外骨骼穿戴者直观地受到外骨骼操作训练，以及允许外骨骼穿戴者更准确地判断 外骨骼移动将把他们带到何处。应注意，单个激光指示器可经设计以通过在地面上反复回 扫轮廓来叠加地面上的多个同时图像，或替代地，能利用多个激光指示器（可能为多个颜 色）以投射不同的图像。
[0018] 在第四实施例中，视觉反馈系统包括包含多个整体式照明构件以及由外骨骼穿戴 者佩戴的眼镜的外骨骼系统，其中所述照明构件通过合成白光的多个有色照明构件投射一 或多个图像/目标；所述眼镜具有移除所投射的颜色中的一者的滤光片，使所述图像/目标 对于外骨骼穿戴者来说是可见的有色光且同时使所述图像/目标对于未佩戴具有滤光片 的眼镜的人来说是难以察觉的白光。所述照明构件通过控制照明构件平摇及俯仰投射的致 动构件连接到外骨骼结构。所述平摇及俯仰投射角度致动构件连接到外骨骼控制系统，且 经控制使得所述激光指示器瞄准用户的相关位置（例如，理想的拐杖放置目标、理想的脚 放置目标及下一个移动目标）。此实施例具有允许在公共场合使用放置目标而不使旁观者 注意到的显著优点。
[0019] 在第五实施例中，视觉反馈系统包括由外骨骼穿戴者佩戴的具有集成显示系统及 摄像机系统的眼镜，其中所述眼镜向外骨骼穿戴者显示引起"抬头显示"的放置目标。所述 眼镜及所述摄像机与外骨骼控制系统通信，且外骨骼控制系统通过与外骨骼系统形成整体 的确定外骨骼姿态的多个传感器来确定外骨骼的位置，而眼镜相对于外骨骼系统的位置是 通过比较安装在外骨骼系统内的惯性传感器及安装在具有整体式显示器的眼镜内的惯性 传感器而确定。在此实施例中，所述眼镜构成反馈系统，因为其正显示非文本信息（在这种 情形下，是叠加在地形上的几何图形）。
[0020] 本发明的第六实施例包括安装到外骨骼或外骨骼穿戴者上的方法及装置，其将来 自外骨骼控制系统的信息传输到外骨骼穿戴者，所述信息提供对外骨骼装置及穿戴者的压 力中心的反馈。人使用压力中心的知识以感觉到其脚处于平衡。然而，针对脚上感觉不到 压力的用户，必须以其它方法呈现此信息。多个针对压力中心的反馈方法是可行的。一种 优选方法是在用户能够感觉及处理所述信息的区域处使用触觉反馈。压力中心反馈的一个 实施例包括附接到由外骨骼穿戴者所穿的外骨骼或另一结构的轮子。所述轮子在平行于外 骨骼穿戴者身体的平面中移动以指示压力中心运动。所述轮子也可经致动以移入及移出从 而提供变化水平的压力。此压力可指示压力中心的速度、自理想状态的偏差、或压力中心与 质心之间的差。在一些实施例中，许多此类轮子与用户接触使得可显示许多不同的值。在 一些实施例中，所述轮子包括球且由外骨骼驱动而以二维（X-Y)移动且以变化水平的力推 动，从而产生能够显示信息（例如（但不限于），外骨骼穿戴者的压力中心在前向及横向轴 中的映射，以及外骨骼用户的垂直力）的三维显示。
[0021] 在第七实施例中，压力中心触觉反馈系统包括放置在外骨骼穿戴者的身体上的振 动或其它触觉电机。所述电机与外骨骼控制系统通信且通过向外骨骼穿戴者将移动的方向 给予推动感或扫掠而将反馈施加给外骨骼穿戴者。振动的幅度可指示例如所要的速度或所 需要的运动的程度的信息。可在躯干、手臂、颈部或头部上给予振动反馈，只要适于所述反 馈及外骨骼穿戴者的损伤/机能障碍等级。可组合这些方法。一个实施例包含在外骨骼穿 戴者的手臂上的触觉致动器，所述触觉致动器经激活以模仿如在步态训练期间物理治疗师 将给予的左推或右推。同样地，在另一实施例中，在外骨骼穿戴者的胸部及背部（或肩膀的 前部及后部）上的致动器模仿如物理治疗师将给予的前推或后推。在一些实施例中，可使 用振动电机阵列以产生外骨骼穿戴者的身体各处的相关信号。
[0022] 在第八实施例中，压力中心反馈系统包括连接到外骨骼穿戴者的与外骨骼控制系 统通信的温度栅格。所述温度栅格通过诱发温度感而将信息传送给外骨骼穿戴者。一个实 施例包括位于外骨骼穿戴者的舌头上的热栅格。在此实施例中，外骨骼穿戴者的舌头的表 面映射到外骨骼穿戴者的脚底。随后通过加热栅格中与脚上的压力中心处于相同位置的节 点来指示外骨骼穿戴者及外骨骼装置的压力中心。温度的度数表示在脚处的力。
[0023] 在第九实施例中，压力中心反馈系统包括安装在外骨骼或外骨骼穿戴者上的听觉 装置，所述听觉装置通过声音将来自外骨骼控制系统的信息传送给外骨骼穿戴者。所述听 觉装置包括扬声器阵列，且所述装置向外骨骼穿戴者指示偏离压力中心的方向及量值。当 外骨骼穿戴者向左偏移时，扬声器将在外骨骼穿戴者的左边产生越来越响亮的声音。在一 实施例中，所述扬声器阵列可仅包括用于以此方式给予左右或前后信息的两个扬声器。在 另一实施例中，添加更多扬声器到所述扬声器阵列导致能够将更精确的位置信息从外骨骼 控制系统传输给外骨骼穿戴者。在另一实施例中，可使用具有各种音调的一或多个扬声器 以向外骨骼穿戴者指示偏离压力中心的方向及量值。在另一实施例中，可使用扬声器中的 一或多者以依据横向位置持续改变频率以将压力中心信息传送给外骨骼穿戴者。
[0024] 本发明的第十实施例包括附接到行走辅助器的装置，所述行走辅助器附接到外骨 骼穿戴者，将来自外骨骼控制系统的信息传送给外骨骼穿戴者，所述信息向外骨骼穿戴者 提供有关行走辅助器的使用的反馈及引导。在实施例中，所述行走辅助器包括外骨骼穿戴 者各手中握着的拐杖。拐杖手柄配备有由外骨骼控制系统控