用于移动外骨骼的方法与流程
一般技术领域
本发明涉及外骨骼型机器人领域。
更具体地，本发明涉及一种用于移动外骨骼的方法。
背景技术：
最近，对于诸如截瘫患者之类显著行动不便的人，已经出现了称为外骨骼的辅助行走设备，其是操作者(人类)借助于将外骨骼的运动与他自己的运动连结起来的紧固件系统而“滑行”的一种外部机器人设备。下肢的外骨骼通常至少在膝关节和髋关节的水平处具有若干关节，以再现行走运动。致动器使得可以移动这些关节，转而使操作者移动。接口系统允许操作者对外骨骼发出指令，并且控制系统将这些命令转换为致动器的命令。传感器通常完成该设备。
与轮椅相比，这些外骨骼是一种进步，因为它们使操作者能够站起来走路。外骨骼不再受轮子限制，并且理论上可以在大多数非平坦环境中行进：与腿不同，轮子无法清除重大障碍物，比如台阶、楼梯、过高的障碍物等。
人类活动经常涉及到坐姿：在用餐、工作、运输中坐着是很常见的姿势。将外骨骼用于截瘫患者在大多数情况下甚至提供了在坐姿情况下从轮椅至外骨骼的转移。因此，使用外骨骼的利益甚至可能性大大取决于其站立的能力，即从坐姿转变为站姿。
因此，在专利申请wo2010044087、ep1260201和us20130150980中，提出了定义“坐姿”和“站姿”，并提供用于在两者之间转换的算法。更具体地，站立被训练成以脚传感器检测与地面的接触，并且激活髋关节和膝关节矢状位电动机。
然而，应当注意，这种方法是简单化的，并且远不能实现舒适的运动和自然的知觉。实际上，进行站立运动本身就面临四个挑战：
-可以坐在上面的扶手椅、椅子和其他支撑物具有各种形状和尺寸。此外，安装位置将根据每个用户而不同：对于一个用户实用的做法对另一用户并不实用。类似地，站姿必须根据用户而不同。实际上，每个人都有其自己的体重分布，因此具有特定的平衡站姿。此外，一些人倾向于略微向后，膝盖或多或少弯曲，等等。理想的站姿甚至取决于用户站起来后希望做些什么。所有这些都促成了这一事实：使外骨骼站立的起始姿势和到达姿势必须适合每个患者和每种使用情况。
-为了实现站立运动，在整个运动过程中，患者的脚必须保持在地面上。因此，即使知道坐姿和站姿，在遵循脚的运动学约束的同时找到从一个到另一个的运动也不是简单的。
-坐姿通常使腿折叠得较大，压力中心位于脚后方。因此，在运动开始时的重量力矩很重要，并且需要相当大的扭矩才能成功达到伸展姿态。标准控制器遵循随时间预先计算的轨迹可能会加剧此问题：如果两个关节不具有相同的跟踪质量，例如一个关节位于其轨迹的前面，而另一个关节位于其轨迹的后面，则此构型可能会使运动更加困难。尤其是如果髋关节相对于膝关节的伸展得过快，便会出现这种情况——骨盆随后被大幅度地向后方送出，并在膝关节上施加了非常显著的力矩。
-重要的是使患者(其例如要向前倾斜或靠在扶手上等)的身体顶部的运动与腿部的运动同步。如果患者必须适应外骨骼，则训练阶段将变得漫长而令人厌烦。外骨骼的运动与患者的身体顶部的运动相适应的事实使得可以减少患者所需的训练。此外，患者体会到控制运动、参与进行运动这一事实。
因此，期望能够得到一种使得外骨骼从坐姿到站立、不受当前约束、并且有效、通用(使得无论椅子和用户的初始姿势如何都可以站立)、舒适和自然的新颖技术。
技术实现要素：
因此，根据第一方面，本发明涉及一种用于将容纳人类操作者的外骨骼从坐姿移动至站姿的方法，所述坐姿和站姿使得所述外骨骼在所述坐姿和站姿中具有多个自由度，每个自由度通过由数据处理装置控制的致动器来以没有自由度为非致动的方式致动以，所述方法特征在于其包括通过所述数据处理装置实施以下步骤：
(a)产生所述外骨骼从所述坐姿至所述站姿的轨迹，所述轨迹被参数化为时间的函数，
(b)对所述轨迹应用关于所述被致动的自由度的一组虚拟约束，所述虚拟约束由相位变量来参数化；
(c)运行与所述一组虚拟约束相关联的所述外骨骼的控制器，以使所述外骨骼从所述坐姿移动至所述站姿，所述控制器能够产生使所述致动器在所述轨迹期间遵循所述虚拟约束的命令。
根据其他有利的且非限制性的特征：
·在步骤(a)产生所述外骨骼的轨迹是在接收到站立请求时实施的；
·所述站立请求对应于所述人类操作者的姿态；
·所述操作者的胸围被装备有多个姿态传感器，根据由所述多个传感器测量的所述操作者的所述胸围的姿态来检测所述站立请求；
·步骤(a)包括确定所述坐姿和/或所述站姿；
·步骤(a)包括识别所述站立请求的接收期间由所述外骨骼采取的临时姿势，以及从所述临时姿势确定所述坐姿和所述站姿；
·所述确定的坐姿和站姿相对于预定约束是可接受的姿势；
·所述预定约束包括处于稳定状态中的事实和姿态约束，在所述稳定状态中，压力中心即cop处于所述外骨骼的支持表面内；
·步骤(b)包括在先选择所述相位变量；
·在存储在数据存储装置中的数据库中存储了如下各项的对：
-关于所述被致动的自由度的一组虚拟约束，所述虚拟约束由相位变量参数化，
-与所述一组虚拟约束相关联的所述外骨骼的控制器；
步骤(b)包括根据所选的相位变量来识别一组约束。
根据第二方面，本发明涉及一种用于将容纳人类操作者的外骨骼从站姿移动至坐姿的方法，所述坐姿和站姿使得所述外骨骼在所述坐姿和站姿中具有多个自由度，每个自由度通过由数据处理装置控制的致动器来以没有自由度为非致动的方式致动，所述方法特征在于其包括通过所述数据处理装置实施以下步骤：
(a)产生所述外骨骼从所述站姿至所述坐姿的轨迹，所述轨迹被参数化为时间的函数，
(b)对所述轨迹应用关于所述被致动的自由度的一组虚拟约束，所述虚拟约束由相位变量来参数化；
(c)运行与所述一组虚拟约束相关联的所述外骨骼的控制器，以使所述外骨骼从所述站姿移动至所述坐姿，所述控制器能够产生使所述致动器在所述轨迹期间遵循所述虚拟约束的命令。
根据第三方面，本发明涉及一种容纳人类操作者的外骨骼，其包括被配置为实施如下模块的数据处理装置：
-用于产生所述外骨骼从坐姿至站姿的轨迹的模块，使得所述外骨骼在所述坐姿和站姿中具有多个自由度，每个由由度通过由所述数据处理装置控制的致动器来以没有自由度为非致动的方式致动，所述轨迹被参数化为时间的函数，
-用于对所述轨迹施加关于所述被致动的自由度的一组虚拟约束的模块，所述虚拟约束由相位变量来参数化，
-用于运行与所述一组虚拟约束相关联的控制器的模块，使得所述外骨骼从坐姿移动至站姿，所述控制器能够产生使所述致动器在所述轨迹期间遵循所述虚拟约束的命令。
根据第四方面，本发明涉及一种容纳人类操作者的外骨骼，其包括被配置为实施如下模块的数据处理装置：
-用于产生所述外骨骼从站姿至坐姿的轨迹的模块，使得所述外骨骼在所述坐姿和站姿中具有多个自由度，每个由由度通过由所述数据处理装置控制的致动器来以没有自由度为非致动方式致动，所述轨迹被参数化为时间的函数，
-用于对所述轨迹施加关于所述被致动的自由度的一组虚拟约束的模块，所述虚拟约束由相位变量来参数化，
-用于运行与所述一组虚拟约束相关联的控制器的模块，使得所述外骨骼从站姿移动至坐姿，所述控制器能够产生使所述致动器在所述轨迹期间遵循所述虚拟约束的命令。
根据第五和第六方面，本发明涉及：一种计算机程序产品，其包括代码指令，所述代码指令用于运行根据本发明第一或第二方面的用于移动外骨骼的方法；以及一种计算机设备可读的存储装置，其上的计算机程序产品包括代码指令，所述代码指令用于运行根据本发明第一或第二方面的用于移动外骨骼的方法。
附图说明
通过阅读优选实施例的以下描述，本发明的其他特征和优点将变得清楚。将参考附图给出该描述，在附图中：
-图1是用于根据本发明的方法的实施方式的(外骨骼类型的)外骨骼的略图；
-图2表示相位变量的演化以及根据该相位变量而被致动的自由度的演化的示例；
-图3是示出根据本发明的方法的优选实施例的示图。
具体实施方式
架构
参照图1，本方法是一种用于使外骨骼1站立的方法，外骨骼1是指被致动和命令的设置有两条腿的两足机器人型设备的铰接机械系统，更具体地适应于其每个下肢与外骨骼1的一条腿形成为一体(尤其借助于绑带)的人类操作者。因此，它可能是或多或少的类人机器人。
外骨骼1在每条腿上包括具有支撑平面的脚结构，当脚是平坦的时，穿戴该外骨骼的人的腿的脚可以支撑在该支撑平面上。
这里“站立”是指外骨骼1从坐姿到站姿的运动。这些术语在这里具有其自然的含义。更具体地，坐姿是指装备有外骨骼的操作者坐在座位上的姿势，即被支撑在他“臀部”的水平处。如将会看到的，通常将选择“可接受的”坐姿，特别是其中外骨骼的两个脚均平放在地面上并且平坦。在站姿下，操作者仅仅依靠他的两条腿(优选为伸展的)，这表示除了这两只脚以外没有其他支撑点。对于坐姿，其通常涉及外骨骼的两脚平放在地面上并且平坦的姿势。坐姿和站姿中的一个与另一个一样，外骨骼必须处于稳定状态，也就是说，操作者可以保持静止而不跌倒。
稳定状态有利地指其中com(质心)在外骨骼1的支持表面内的状态。com与zmp(零力矩点)的停止点相符，并且更具体地指定了接触力的力矩的三个坐标中有两个为零(完全垂直)所在的点。
外骨骼1具有多个自由度，即多个可变形的关节(通常经由旋转)，即相对于彼此可移动，其每个均是“被致动的”或“非致动的”。
被致动的自由度指定了设置有由数据处理装置11控制的致动器的关节，也就是说，该自由度受到控制并且可以进行作用。相反，非致动的自由度指定了未设置有致动器的关节，也就是说，该自由度遵循其自身的动态，并且数据处理装置11没有对其直接控制(但是先验地经由其他被致动的自由度进行间接控制)。在图1的示例中，脚跟-地面的接触是准时的，因此外骨骼1相对于该接触点自由旋转。脚跟-髋关节的轴线与垂直线之间的角度于是构成非致动的自由度。
在当前情况下，并且在下文中可以得知为何如此，所述坐姿和站姿使得所述外骨骼1在这些姿势中不具有非致动的自由度，也就是说，该系统不被次致动的(次致动的程度，即非致动的自由度的数量等于零，这表示系统的演化是完全确定的)。
这解释了为何坐姿和站姿通常需要两只脚都平放在地面上并且平坦：脚跟-地面的接触不再是准时的，并且脚跟-髋关节轴线与垂直线之间的角度不再构成缺乏自由旋转的外骨骼1的非致动的自由度。然而，应理解，本发明不限于双脚都在地面上且平坦的坐姿和站姿，因为唯一必要的条件是没有非致动的自由度，并且可以找到即使一只脚没有放平也可以完全被致动的姿势(尤其是坐着的)。
数据处理装置11指定适合于处理指令并产生旨在用于不同致动器的命令的计算机设备(通常是处理器，如果外骨骼1是“遥控的”则优选是外部的，但是优选地嵌入在外骨骼1中)。所述致动器可以是电动的、液压的等。
本申请将不限于任何外骨骼架构1，并且将采用诸如在申请wo2015140352和wo2015140353中描述的示例。
然而，本领域技术人员将知道如何使本方法适应于任何其他机械架构。
动态
传统上，轨迹(即每个自由度的演化)被表达为时间的函数。系统的“动态”由函数
在所谓的“虚拟约束”方法中，原理是为了选择被致动的自由度而定义一个轨迹参数，该轨迹不是通过时间演化参数、而是直接根据构型而参数化的，该参数为指定的相位变量。这样的相位变量的一个例子在图1中示出，它是脚跟-髋关节轴线与垂直线之间的角度，其于是构成上述非致动的自由度。
虚拟约束方法是众所周知的，并且通常应用于其中至少一个自由度是非致动的运动，特别是行走，例如在申请fr1750217中提出的。
在这种情况下，相位变量使得可以定义步伐的“进度”。更具体地说，在每一步伐中，相位变量在被重新分配初始值(这是后一步伐的开始)之前从初始值连续地到最终值。为了方便起见，可以将相位参数的值归一化到0与1之间。
演化参数的每个值对应于系统必须努力遵循的被致动的自由度的值：正是这些关系(每一个希望以此方式控制的被致动的自由度对应于一个关系)被称为虚拟约束。图2示出了关节(膝关节)的虚拟约束的操作。
如果系统针对可以或希望对其进行作用的自由度来准确地遵循该轨迹，换句话说，如果对于这些自由度遵循虚拟约束，则系统的演化完全由遵循其自身动态的非致动的自由度的约束所确定。
该动态被称为混合零动态(hzd)，这是因为：
-由于其对应于命令不能/不希望作用的度，即命令等于0，因此其被指定为“零”。
-因为脚在地面上的撞击施加了与连续相位相交的瞬时不连续相位，所以其被指定为“混合”。
即使所有自由度均是被致动的并且运动是非周期性的(其不涉及步伐)并因而hzd不适用，用于使外骨骼1站立的本发明方法也以意想不到的方式使用虚拟约束方法。
在行走运动期间，引入相位变量是适应系统的次致动的方式。在站立运动期间，系统会完全被致动，但是困难在于协调患者的胸围和外骨骼的不同关节，其中一些关节由于引擎扭矩的饱和、用户的意外运动或其他扰动而无法如预期般快地移动。
申请人因此注意到，通过选择合适的相位变量、更不用说与用于行走的那些相位变量不同的相位变量(用于行走的好的相位变量并不总是用于站立的好的相位变量：行走时的单调变量在站立时并不一定是单调的)，则虚拟约束方法将使得能够以令人惊讶的方式使站立运动轻松同步，从而避免关节弯曲得太快，从而以大大增强的可用性和舒适度使其精确地以操作者所期望的速度运行。
尤其将采用用户将随其心意直接控制的相位变量。例如，将引用膝关节的姿势或胸围的角度。
方法
本方法开始于步骤(a)：产生外骨骼1从所述坐姿至所述站姿的轨迹，所述轨迹被参数化为时间的函数。当接收到站立请求时，优先实施此步骤。
在该方面，步骤(a)有利地包括检测到操作者希望站立以产生所述站立请求。
实际上，如果外骨骼1是容纳人类操作者的外骨骼，则由该人类操作者的姿态来确定他的意图(不同于可以直接接收标准化的站立要求的普通机器人的情况)。因此，必须在操作员在其椅子上的简单移动(例如，在保持坐下时向左看)的简单移动与到站姿的移动之间做出区别。
为此，操作者可以被设置有传感器10的背心，从而可以检测他的胸围的构型(其定向)。站立请求可以对应于操作者的特定姿态，例如向前倾斜，表示其意图发起从坐姿到站姿的移动，并因此命令数据处理装置执行步骤(a)。该启动算法可以基于预先计算的参数化运动并在上游进行测试，或基于传感器参考的运动，例如，用于检测脚对地面的撞击的装置13和/或安装在外骨骼1上的惯性测量装置14。替代地，站立请求可以对应于操作员对按钮的按压。
在接收到站立请求之后，参考图3，步骤(a)可以包括产生坐姿和/或站姿的在先子步骤。该子步骤是可选的，因为这些姿势可能是直接可用的(特别是，操作者会在运动的发起之时发现自己已经处于可接受的坐姿，并且可以预先提供目标站姿)。
从与在接收站立请求期间所采取的坐姿对应的“临时”坐姿开始，有利地确定“起始”坐姿，该“起始”坐姿是本方法将使用的可接受的坐姿(从该坐姿将会实现向站姿的运动，应当注意的是，在本说明书的其余部分中，“坐姿”将是指可接受的坐姿，尤其是所述起始坐姿。
更具体地，“可接受的”坐姿和站姿是其中(如所解释的那样)所有自由度优选地相对于约束被致动(通常脚在地面上)的姿势，所述约束包括稳定性约束(支撑物上方的cop)、姿势约束(比如关节幅度、扭矩等)、以及由临时姿势定义的约束，比如就座高度(仅针对坐姿)、脚的间距、骨盆的定向等。应该注意的是，相反如果某些约束(比如脚的间距或骨盆的定向)的值无法实现正确的轨迹，则可以相对于临时姿势重新定义这些约束。
可以通过以对应任务定义的逆运动学来完成对可接受的坐姿或站姿中的一个或另一个的确定。
坐姿和站姿优选地共享姿态连贯性，例如脚的相同姿势(这表示唯一地运动的是外骨骼1的其余部分)，以确保在整个运动中所有自由度保持被致动。
因此，特别优选的方式是，步骤(a)包括紧接在接收到站立请求之后识别临时坐姿。从此时起，使用操作者和外骨骼1的模型来计算相关约束，所述相关约束将用作确定可接受的坐姿和站姿(就座高度、脚的间距、姿态规范等)的基础，其可以从操作者专有的测量结果(关节中心之间的距离、重量、尺寸)预先产生。
随后，在搜索姿态连贯性的同时借助于所述约束来确定(起始)坐姿和站姿。然后可以确定将它们连接起来的作为时间的函数的轨迹。
可以以多种已知方式(例如通过二阶逆运动学)来执行坐姿与站姿之间的步骤(a)的轨迹确定。
特别地，针对遵循上述潜在系统约束(关节幅度、速度、可用扭矩、保持在地面上的脚等)的所有关节，通过作为时间的函数的位置/速度/加速度来定义使得可以将一个姿势与另一姿势连结的动态轨迹。
从而步骤(a)使得可以以简单方式确保该轨迹是可行的，并且考虑到潜在扭矩、关节约束等。
在步骤(b)中，时间轨迹被传递到虚拟约束中。更具体地，将关于所述被致动的自由度的一组虚拟约束应用于所述轨迹，所述虚拟约束由相位变量来参数化。
该步骤(b)可以包括所述相位变量的在先选择。如所解释的，需要这样一个变量，该变量的演化在运动期间是单调的并且是可测量的。优选的是，操作者可以对该变量的演化进行作用，以便他控制运动的运行。如上所述，至虚拟约束的该传递避免了关节过快伸直，从而大大提高了舒适度。
对于给定的一组虚拟约束，“约束”状态空间是动态的拓扑变化，其中，每个点都由相位参数的值(以及在需要时为其导数)来定义。
该组虚拟约束与控制器相关联，该控制器能够产生使所述致动器在轨迹期间遵循所述虚拟约束的命令。
应当注意的是，多组约束可以是可用的，对应于不同的相位变量，或者非常简单地对应于不同的就座高度或站立速度。
在这方面，本方法有利地建议使用存储在以下中的至少一对的数据存储装置12(连接到数据处理装置11的存储器)中的数据库(称为控制库)：
-关于所述被致动的自由度的一组虚拟约束，所述虚拟约束由相位变量来参数化，
-所述外骨骼1的控制器(与所述一组虚拟约束相关联)，其能够产生使所述致动器通过实施至少一个稳定轨迹来遵循所述虚拟约束的命令。
本领域技术人员将知道如何产生它们。因此，步骤(b)可以包括尤其是根据所选择的相位变量来识别一组虚拟约束和一个控制器的对。
在最后的步骤(c)中，与所述一组虚拟约束相关联地运行所述外骨骼1的所述控制器(如果需要识别的话)，使得外骨骼1从坐姿移动到站姿。
更具体地说，控制器应用根据相位变量而参数化的轨迹：借助于控制器在每个时刻都可以计算相位变量以及因此而被致动的每个关节的位置和速度设定点。
应当注意，在必须确定与临时姿势不同的可接受的坐姿的情况下，步骤(c)必须包括在运行控制器之前的至该可接受坐姿的传递。然而，这通常接近于在方法启动时外骨骼所采取的临时姿势。
实际上，这是两个具有共同条件的坐姿，例如就座高度。临时姿势通常是腿半伸，而可接受的坐姿是使腿更折叠以使脚经过座位下方。
该解决方案被证明是特别有效的，因为所有的站立复杂性是在上游执行的。在操作中，无论构型如何，外骨骼的控制器都必须应用获得的轨迹以获得舒适自然的站立运动。
从此时起，一种用于移动(行走)的方法(特别是例如在申请fr1750217中定义的方法)可以进行接替，此时使用新的虚拟约束组和hzd类型的控制器(由于在行走期间存在非致动的自由度)。
应当注意，可以以类似方式实施用于将外骨骼1从站姿移动到坐姿(即，坐下来而不是站起来)的“相反”方法。
该第二种方法基于相同的原理，其与第一种方法相同，只是将坐姿和站姿倒转：其包括由数据处理装置11实施以下步骤：
(a)产生从所述站姿至所述坐姿的外骨骼1的轨迹，所述轨迹被参数化为时间的函数。
(b)对所述轨迹应用关于所述被致动的自由度的一组虚拟约束，所述虚拟约束由相位变量来参数化，
(c)运行与所述一组虚拟约束相关联的所述外骨骼1的控制器，以使外骨骼1从站姿移动到坐姿，所述控制器能够产生使所述致动器在所述轨迹期间遵循所述虚拟约束的命令。
本领域技术人员将知道如何调换确定可接受的站姿和坐姿的步骤，并且第一方法(站立)的所有实施例可以适用于第二方法(坐下)。
设备和系统
根据其他方面，本发明涉及用于实施根据第一方面(站立)和/或第二方面(坐下)的方法的外骨骼1，特别是外骨骼类型。
如所解释的，外骨骼1包括数据处理装置11和数据存储装置12(可选地在外部)，以及必要时包括惯性测量装置14(惯性单元)和/或用于检测脚对地面的撞击的装置13(接触传感器或可选的压力传感器)。
它具有多个自由度，其中至少一个自由度通过由数据处理装置11控制的致动器来致动，特别是在所述坐姿和站姿，多个自由度每个均通过由数据处理装置11控制的致动器来以没有自由度为非致动的方式致动。
数据处理装置11被配置为实施：
-用于产生外骨骼1从坐姿到站姿(和/或从站姿到坐姿)的轨迹的模块，使得所述外骨骼1在所述坐姿和站姿具有多个自由度，每个自由度通过由数据处理装置11控制的致动器来以没有自由度为非致动的方式致动，所述轨迹被参数化为时间的函数。
-用于对所述轨迹施加关于所述被致动的自由度的一组虚拟约束的模块，所述虚拟约束由相位变量来参数化，
-用于运行与所述一组虚拟约束相关联的控制器的模块，使得外骨骼1从坐姿移动到站姿(和/或从站姿移动到坐姿)，所述控制器能够产生使所述致动器在所述轨迹期间遵循所述虚拟约束的命令。
计算机程序产品
根据第五和第六方面，本发明涉及一种计算机程序产品以及存储装置，所述计算机程序产品包括用于(在处理装置11上)运行根据本发明的第一方面或第二方面的用于移动外骨骼1的方法的代码指令，所述存储装置可以由在其上找到该计算机程序产品的计算机设备(例如数据存储装置12)来读取。
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