用于收集生物机械能的方法和设备的制作方法

专利名称：用于收集生物机械能的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于将人和/或动物所产生的机械能转换成电能的方法和 i殳备。所收集的电能可用于^^种用途。
背景技术：
人和其它动物是丰富的机械功率源。通常，这种机械功率来自于化学 能。肌肉或肌肉群执行指定动作所需要的化学能可被称为该动作的"代谢 值"。在人和其它动物中，化学能来自于食物。食物通常是一种丰富的资 源并具有相对高的能含量。当将食物转换成化学能，然后该化学能可用于 肌肉以便l^转换成,能时，人和其它动物显示出相对高的效率。人和 其它动物所产生的机械功率可以是有效的、轻便的且有利于环境的。由于人力的有吸引力的特征，人们已经作出相当多的努力以将人的机 械功率转换成电功率，包括 美国专利No.l,472，335(Luzy); 美国专利No.l,184，056(Van Deventer); 美国专利No.5，917,310(Baylis); 美国专利No.5,982，577(Brown); 美国专利No.6，133，642(Hutchinson); 美国专利No.6，291900(Tiemann等人)。用于将人的机械功率转换成电功率的部分设备集中在能量收集上，即 在日常活动期间M体捕获能量。涉及能量收集的〃^开示例包括 Starner， T.， ￡Taazas^K^em/ weara始co邵i//^. IBM Systems Joumal, 1996. 35<3~4): 618"629;
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.US专利申请No.US2004/0183306(Rome);
.US专利No.6，293,771 (Haney等人)。
由于多种原因，这些作者所公开的能量收集设备的发电容量和/或商 业生存力或商业成就是有限的。在这些公开中所预期的现有技术的能量收 集设备的缺陷包括缺少实施细节；低功率产率；以及沉重和/或笨拙的 能量收集设备，其可导致例如相对高的代谢能量值以;M目应低的能量转换 效率和/或对正常身体活动的损害。
期望提供一种改进的用于收集生物机械能的方法和i更备。

发明内容
本发明的一方面提供一种用于从一个或多个关节的运动收集能量的 设备。在该方面中，所述设备包括发电机，用于将机械能转换成对应的 电能； 一个或多个传感器，用于感测与一个或多个关节的运动相关联的一 个或多个对应的特征；以及控制电路，被连接以接收一个或多个所感测的 特征，并且被配置成至少部分地基于一个或多个所感测的特征来评估一或多个关节的运动与共生(mutualistic )状况相关还是与非共生 (non-mutualistic)状况相关。如果控制电路确定一个或多个关节的运动 与特定的共生状^U目关，则控制电膝故配置成通过完成将与一个或多个关
来进行能量收集。如果控制电路确定所述一个或多个关节的运动与非共生 状yi^目关，则控制电膝故配置成通过将与一个或多个关节的运动相关的机集。
本发明的另一方面提供一种用于从一个或多个关节的运动收集能量 的设备。在该方面中，所述设备包括发电机，用于将^能转换成对应 的电能；；Wfe耦合装置，用于将与一个或多个关节的运动相关的机械能传 递到发电机；电M装置，用于将发电机的电能输出传递到负栽； 一个或 多个传感器，用于感测与一个或多个关节的运动相关的一个或多个对应的 特征；以及控制电路，其被连接以接收一个或多个所感测的特征，并且被 配置成至少部分地基于一个或多个所感测的特征来评估一个或多个关节 的运动与共生状况相关还是与非共生状;;U目关。如果控制电路确定一个或 多个关节的运动与非共生状况相关，则控制电膝故配置成停止;^耦合装 置的机械能传递和/或电耦合装置的电能传递。
本发明的另 一方面提供一种用于从关节的运动来收集能量的设备。在 该方面中，所述设备包括发电机，用于将机械能转换成对应的电能；机 械耦合装置，用于将与关节的运动相关的机械能传递到发电机；以及电耦 合装置，用于将发电机的电能输出传递到负栽。所述关节可以^J^关节。
本发明的另 一方面提供一种用于从一个或多个关节的运动收集能量 的方法。在该方面中，所迷方法包括提供用于将机械能转换成对应的电 能的发电机；感测与一个或多个关节的运动相关的一个或多个特征；以及 至少部分地基于一个或多个所感测的特征来评估一个或多个关节的运动 与共生状;;^目关还是与非共生状况相关。如果确定一个或多个关节的运动 与特定的共生状^U目关，则通过完成将与一个或多个关节的运动相关的机 械能耦合到发电机以及将发电机的电输出耦合到负栽来进行能量收集。如 果确定一个或多个关节的运动与非共生状况相关，则通过将与 一个或多个
去耦合而停止能量收集。
本发明的另一方面提供一种用于从关节的运动收集能量的方法。在该方面中，所述方法包括提供用于将机械能转换成电能的发电机；将关节 M地耦合到发电机以将来自关节的机械能传递到发电机；以及将从发电 机输出的电能电耦合到负载。所述关节可包括膝关节。
本发明的另 一方面提供一种用于从一个或多个关节的运动收集能量 的设备。在该方面中，所述设备包括用于将与一个或多个关节相关的机 械能转换成电能的装置；用于评估一个或多个关节的运动与共生状;X4目关 还是与非共生状^U目关的装置；用于在评估装置确定一个或多个关节的运 动与特定的共生状》X^目关的情况下，完成将与一个或多个关节的运动相关
及用于在评估装置确定一个或多个关节的运动与非共生状况相关的情况 下，将与一个或多个关节的运动相关的机械能从转换装置分离(disengage) 和/或将转换器的电输出从负载分离的装置。
本发明的另一方面提供一种用于从一个或多个关节的运动收集能量 的设备。在该方面中，所述设备包括发电机，耦合到一个或多个关节以 及负栽，用于将与一个或多个关节的运动相关的M能转换成传递到负栽 的对应的电能； 一个或多个传感器，用于感测与一个或多个关节的运动相 关的一个或多个对应的特征；以及控制电路，被连接以接收一个或多个所 感测的特征，并被配置成至少部分地基于一个或多个所感测的特征来评估 一个或多个关节的运动与共生状况相关还是与非共生状况相关。如果控制 电路确定一个或多个关节的运动与非共生状;M目关，则控制电^L配置成 将发电机与一个或多个关节去耦合和/或将发电机与负栽去耦合。
本发明的另 一方面提供一种用于从一个或多个关节的运动收集能量 的方法。在该方面中，所述方法包括提#^合到一个或多个关节#^合 到负栽的发电机，用于将与一个或多个关节的运动相关的机械能转换成传 递到负载的对应的电能；感测与一个或多个关节相关的一个或多个特征； 以及至少部分地基于一个或多个所感测的特征来评估一个或多个关节的 运动与共生状况相关还是与非共生状况相关。如果确定一个或多个关节的 运动与非共生状^4目关，则所述方法包括将发电机与一个或多个关节去耦 合和/或将发电机与负栽去耦合。
本发明的其它方面、本发明的具体实施例的其它特征以及本发明的应 用在下面进行描述。


附图示出本发明的非限制性实施例，在附图中
图1A示意性地描述了肌肉的正M操作模式，其中，所述肌肉用于 产生一个或多个相关身体部位的运动；
图IB示意性地描述了肌肉的负M操作模式，其中，所述肌肉用于 使一个或多个相关身体部位的运动减速；
图2示出了表示在步行运动的一个完整循环期间与膝关节的典型动
态有关的各个量的多个曲线；
图3A示意性地描述了在相关肌肉的正机械功率模式期间的非共生能
量收集；
图3B示意性地描述了在相关肌肉的负^功率模式期间的共生能量
收集；
图4A示出了根据本发明的具体实施例的能量收集设备，其中能量收 集器可安装在宿主的身体上；
图4B示出了根据本发明另一实施例的能量收集设备，其中能量收集
图4C示出了根据本发明另一实施例的能量收集设备，其中能量收集 器祐^t^宿主的皮肤之下；
图5A是根据本发明的具体实施例的能量收集设备的示意性框图5B是示出根据本发明的具体实施例的用于确定在共生状况下何时 使图5A的能量收集设备收集能量的方法的示意性框图6A和6B分别是根据本发明另一实施例的能量收集设备的侧视图 和正视图7是图6A-6B的能量收集设备的局部分解图8是图6A-6B的能量收集设备的示意性框图9是示出根据本发明的具体实施例的用于确定在共生状况下何时 使图6A-6B的能量收集设备收集能量的方法的示意性框图10示出了与根据图9的方法、利用图6A-6B的能量收集设备来在 宿主正在步行时收集能量有关的多个曲线；图11是示出根据本发明另一实施例的用于确定在共生状况下何时使
图6A-6B的能量收集设备收集能量的方法的示意性框图12是根据本发明另一实施例的能量收集设备的示意性框图13A和13B分别是根据本发明的具体实施例的双向能量收集设备
的等距视图和分解等距视图14是图13A-13B的能量收集设备的示意性框图15是示出根据本发明的具体实施例的用于确定何时利用图 13A-13B的能量收集设备iM^择性地收集能量的方法的示意性框图16示出了与棉4t图15的方法、利用图13A-13B的能量收集i殳备 来在宿主正在步行时收集能量有关的多个曲线；
图17是示出根据本发明另一实施例的用于确定何时利用图13A-13B 的能量收集i殳备来选择性地收集能量的方法的示意性框图18示出了与在共生和非共生状况下、利用图6A-6B的配置成收集 能量的能量收集设备来在宿主正在步行时收集能量有关的多个曲线；
图19是示出根据本发明的具体实施例的、用于确定何时利用图4B 的能量收集设备来选择性地收集能量的方法的示意性框图20是示出根据本发明的具体实施例的用于确定何时利用图4C的 能量收集i更备来选择性地收集能量的方法的示意性框图21A、 21B和21C分别描述了示出针对在无能量收集、有共生能 量收集(仅与膝盖伸^目关)以及即有共生也有非共生能量收集(仅与膝 盖伸展相关)情况下针对人步行的肌肉活动水平和电功率产生情况的 EMG曲线；
图22示出了针对在无能量收集、有共生能量收集(仅与膝盖伸;IL相 关)以及既有共生也有非共生能量收集(仅与膝盖伸^目关)情况下步行 的人的心率-时间曲线。
具体实施例方式
以下所提到的全部描述、具体细节是为了提供对本发明更为通透的理 解。然而，本发明也可以在没有这些细节的情况下实施。在其它实例中， 未示出或详细描述公知的元素，以避免使本公开不必要Afe^K糊。因此，本说明书和附图应被认为是说明性而非限制性的。图1A示意性描述了肌肉12的正M功率操作模式10，其中，肌肉 12用于产生机械能，该机械能导致一个或多个相关身体部位44 (如四肢) 的对应运动。在正机械功率模式IO中，肌肉12将化学能转换成相关身体 部位44的机械能。由于该转换过程的低效率，当在正机械功率模式10 下操作时，肌肉12还输出热能。正;W^功率模式10与肌肉12的收缩相 关。例如，肌肉12的收缩能够围绕关节(未示出)拉动相关身体部位44。 对于某些活动，正功率产生(positive power production)的效率可趋近 25%。在这种效率下，肌肉12产生1W的^功率需要4W的代谢值， 而剩余3W作为热量被消耗。图1B示意性描述了肌肉12的负;W^功率操作模式20,其中，肌肉 12用于使相关身体部位44的运动制动(即减速)，从而减小身体部位44 的机械能并使身体部位44减速。肌肉12需要化学能来起到该制动效果。 在负;Wfe功率模式下，肌肉12使用化学能来减小相关身体部位的M能， 在该过程中，产生热能。负;Wfe功率模式20与当特定肌肉12拉长时该肌 肉12的活动相关。在负:Wfe功率模式期间，肌肉12主动地产生力，该力 趋于^JL肉12的拉长减速。当肌肉12在负**功率模式下操作时，相关 身体部位44可以在4^肉12拉长的方向上围绕关节运动，但B肉12 的活动使相关身体部位44的运动速率减緩。对于一些活动，与负功率产 生相关的效率可以高达-120%。在这种效率下，肌肉12产生-lW的M 功率需要0.83\￥的代谢值，且L83W作为热量被消耗。在许多活动期间，尤其是在有节奏的活动象步行或跑步期间，肌肉在 正和负M功率产生模式之间频繁地切换。由于肌肉作用于身体的骨骼系 统，因此正和负肌肉功率(从外部角度)可以^Ut作正和负关节功率。图 2呈现了多个曲线，所述曲线表示对于以1.3m/s的i^JL和1.8Hz的步频步 行的58kg的对象，在步行运动的一个完整循环21期间与膝关节的典型动 态有关的各个量 曲线22表示膝关节的角度，其中0°表示完全伸展，而负角M示 膝盖弯曲； 曲线24表示膝关节的角i^ (即曲线22的时间导数)，其中正角 速度表示在膝盖伸展方向上的运动，而负角iUL表示在膝盖弯曲方 向上的运动； 曲线26表示膝关节的力矩，其中正力矩表示在伸展方向上的转矩，而负力矩表示在弯曲方向上的转矩； 曲线28表示与膝关节相关的机械功率。机械功率(曲线28)表示 膝关节的转矩(曲线26)和角il;变(曲线24)的乘积。机械功率 (曲线28)的积分表示由膝关节所完成的;Wfe功； 曲线30表示经整流和滤波的肌电(EMG)信号，该信号表示作为 膝伸肌示例的股外侧肌(即四头肌之一)所产生的电活动；以及 曲线32表示经整流和滤波的肌电(EMG)信号，该信号表示作为 膝屈肌示例的半Jiy/L (即M^腱之一)所产生的电活动。参考图2，循环21通常可分成站立期21A，其中对应于图示膝盖 的脚在地面上；以及摆动期21B，其中对应于图示膝盖的脚离开地面。在 所图示的曲线中，脚后跟着地(heel strike)发生在t=0时刻，其中曲线 22示出膝盖几乎完全伸展。在t=0时刻，对应于图示膝盖的腿从膂部向 前伸展，表示两条腿中的前一条。紧接t《时刻之后，随着重量被传递到 对应的腿上，膝盖在区域22A开始弯曲。在区域22B，图示膝盖回弹并 在另一条腿的摆动期期间轻微伸展。在区域22C，图示膝盖在为摆动期 21B作准备时开始再次弯曲。在区域22D，循环21 ii/v摆动期21B，且 对应于图示膝盖的脚离开地面。图示膝盖在区域22D中继续弯曲。在区 域22E,当对应腿再次向前摆动时所*盖开始再次伸展，并准备另一次 脚后跟着地。在区域22F，图示膝盖相对挺直。就在脚后跟着地(标志下 一循环的开始)前不久，在区域22F所i^盖除挺直之外还可能轻微伸展。功率曲线28的区域28A和28B表示至少一些与图示膝盖相关的肌肉 处于负机械功率模式20 (见图1B)下。在区域28A，图示膝盖正在弯曲 且膝伸肌正在拉长，但是至少图示的膝伸肌正在负机械功率模式20下动 作以抵消该弯曲运动。曲线30的区域30A示出所图示的膝一申肌在与区域 28A相关的时间内是如何活动的。在区域28B，图示膝盖正在伸;ILHJ^屈 肌正在伸展，但是至少所图示的膝屈肌正在负机械功率模式20下动作以 抵消该伸展运动。曲线32的区域32A示出所图示的膝屈肌在与区域28B 相关的时间内是如何活动的。在本发明的一些实施例中，提供了用于当与特定关节相关的肌肉在负 M功率模式20下操作时(即当肌肉会正常用于使关节的运动减速时)， 从特定关节的运动选择性地收集能量的方法和设备。当与特定关节相关的肌肉在负M功率模式20下操作时，从特定关节选择性地收集能量在此 被称为"共生"能量收集.在具体实施例中，所收集的能量被输出为电功率。 术语"共生"很除当，因为用于在共生状况下产生电功率的机械功率可以来 自于减速关节，而在共生状况下的能量收集实际上辅助肌肉来使关节减 速。图3B示意性地图示了当肌肉12在负;W^功率模式20下操作时的共 生能量收集40。如上面有关图1B的描述，当肌肉12在负;Wfc^式20下 操作时，肌肉20消耗代谢(化学)能量以努力减小一个或多个相关身体 部位44的机械能(即，使身体部位44减速)，并在该过程中输出热能。 如图3B所示，当在共生方式40下收集能量时，收集器42通过将相关身使身体部位44减速)。收集器42帮助使身体部位44减速，并且在该过程 中将M能转换成电能，而不是单独利用来自肌肉12的能量来使身体部 位44减速。因此，共生能量收集实际上可以减小与使身体部位44的运动 减速相关的代谢值。收集器42例如可以包括发电机，并且使t电机转动中获得。当在共生模式40下选择性地收集能量时，肌肉12需要较少的代浙化 学)能量，因为使身体部位44减速所需要的部分负功率由收集器42提供。 因此，在共生模式40下选择性地收集能量实际上可以减小4执行动作 时通常所经历的代谢值和/或作用力。例如，假定收集器42具有50%的机 械到电转换效率，那么从收集器42提取1W的电功率将需要2W的M 能，意味着肌肉12所执行的^能将减少2W。假定肌肉12在负^功 率模式20下以上述-120%的效率操作，那么机械能减少2W近似地对应 于肌肉12所消耗的代谢(化学)能量减少1.7W。在一些实施例中，当与特定关节相关的肌肉在正^功率模式10下 操作时(即当肌肉用于产生身体的运动时)，能量收集方法和设W从特 定关节的运动收集能量。当与特定关节相关的肌肉在正机械功率模式20 下操作时从特定关节的运动收集能量在此被称为"非共生"能量收集。非共 生能量收集通常需要增加的来自肌肉的代谢值(即，化学能)。因此，非 共生能量收集也可以被称为"寄生，，能量收集。图3A示意性地图示了当肌肉12在正机械功率模式10下^Mt时的非 共生能量收集50。如以上关于图1A所述，当肌肉12在正M功率模式10下操作时，肌肉20消耗代谢能量以努力在一个或多个相关身体部位44 中产生机械能(即，使身体部位44运动)，并在该过程中输出热能。如图 3A所示，当以非共生方式50收集能量时，收集器42需要由肌肉12产生 并与身体部位44的运动相关的额外的机械能以提供电能。与共生能量收 集40相反，非共生能量收集50需要用户更加卖力(即，施加更多作用力) 以便产生电能。例如，假定收集器42具有50%的机械到电转换效率，那 么从收集器42提取1W的电功率将需要2W的机械能，意味着肌肉12必 须提供额外的2W M能。假g肉12在正:Wfe功率模式10下以上述 25%的效率操作，那么机械能产生增加的2W对应于肌肉12所消耗的代 谢(化学)能量增加8W。非共生能量收集相对于共生能量收集所增加的 代谢值和/或作用力趋向于限制可通过非共生能量收集而获得的最大功率 以及可收集能量的持续时间。在期望共生地收集能量的一些实施例中，^l供了引入一个或多个提供 反馈的传感器的方法和设备。来自这种传感器的>^馈可用于确定特定肌肉 是否在负M功率模式20下操作，从而允许选择性地M和分离发电机 以便进行共生能量收集40并JL^可能避免非共生能量收集50。在一些实施例中，提供了用于在人步行时对与膝盖运动相关的能量的 选择性共生能量收集的方法和i殳备。如以上关于图2的典型步行循环21 所述，每个步行循环包括 在站立期21A开始附近的时间段(区域28A)，其中由于身体的重 量被传递到对应的腿上，因此膝盖弯曲，并且J^f申肌在负机械功率 模式下操作，以接收该重量并使该弯曲减速；以及.在摆动期21B结束附近的时间段(区域28B)，其中膝盖伸展，且 膝屈M负M功率模式下操作以使该弯曲减速。如图2所示，在正常步行il;变时，区域28A、 28B中有大量的功率可 用。对于较重的A^者当人较快行走或者当人下坡行走时，该可用功率将 趋于增加。图2还示出了站立期21A结束时和摆动期21B开始时的另一区域 28D,其中膝盖弯曲并呈现负功率。然而，从曲线30可以看出，所图示 的膝伸肌在与区域28D相关的时间内不活动。本领域的技术人员应理解， 区域28D表示与脚糾目关的肌肉正机械功率操作(即，脚踝的运动)的 时段。 一些脚踝肌肉(如腓肠肌)与膝关节交叉(cross),在区域28D中28从膝关节运动收集能量的潜在结果干扰了这些肌肉相对于踝关节的正机械功率^M乍。因为与干扰与踝关节和膝关节都交叉的肌肉的正功率^Mt模式相关的代谢值增加，所以在区域28D中收集能量可能是非共生的。通 常，期望在考虑是否收集能量时考虑个别肌肉的功能。图4A、 4B和4C描述了本发明的多个不同的示例性实施例。图4A 示出了根据本发明具体实施例的可穿戴能量收集设备60。在所图示的实 施例中，收集设备60工作用于从膝关节62和对应的膝伸肌以及膝屈肌的 运动收集能量。图4B示出了根据本发明另一实施例的能量收集设备70， 其被嵌入銜波74中。在所图示的实施例中， 174包括有意在模拟膝关 节的关节72。在所图示的实施例中，收集设备70工作用于从关节72的 运动收集能量。图4C示出了根据本发明的又另一实施例的能量收集设备 80，其被植入宿主的皮肤之下以从踝关节82及其对应的踝屈肌和踝伸肌 (例如胫骨前肌)收集能量。能量收集设备60 (图4A)可安装在和/或穿戴在人的身体61上。在 所图示的实施例中，设备60安装在膝关节62上，其中上部件64设置在 膝关节62以上，下部件66设置在膝关节62以下，且枢轴关节68通常设 置成与膝关节62共轴。当宿主(即安装有设备60的人)弯曲膝关节62 时，枢轴关节68枢转，从而允许上部件64和下部件66之间的对应相对 运动。能量收集器60可以^MLi殳计成在膝关节62伸展期间、在膝关节62 弯曲期间或者既在伸展又在弯曲期间收集能量。在其它实施例中，能量收 集i史备可配置成安装在其它关节比如踝、腕或肘关节上。在其它实施例中， 能量收集i殳备可扩展到多个关节比如膝和踝关节或者肘和肩关节上。图5A是根据本发明的具体实施例的能量收集设备60的示意性框图。 能量收集设备60包括传动装置102,其经由;W^连接装置100而机械地 连接到宿主的身体61上。在所图示的实施例中，连接装置100将宿主的 膝盖62连接到传动装置102。连接装置100将;Wfe功率(由线112表示) *盖62传递到传动装置102。连接装置100可包括一个或多个上和下 部件64、 66以及枢轴关节68 (见图4A )。在其它实施例中，连接装置100 可由其它适当配置的^I提供。传动装置102将从连接装置100接收的机 械功率112转换成适合由发电机104使用的不同形式的机械功率(由线 114表示)。在一些实施例中，传动装置102将转矩相对高、iUL相对低 的机械功率(例如由膝关节62产生的机械功率类型)转换成适合由发电 机104使用的转矩相对低、速度相对高的机械功率。发电机104将机械功率114转换成电功率信号116。依赖于机械功率 输入114和发电机104的属性，电功率信号116可以具有多种形式。因此， 在所图示的实施例中，能量收集i殳备60包括信号调节器106，其调节电 功率信号116以产生电功率输出信号118。信号调节器106所输出的电功 率输出信号U8被供应给电负载111。电负栽111可包括能够4吏用和/或存 储来自输出信号118的电功率的任何一个或多个部件。适当电负栽111的 非限制性示例包括电子设备(如个人电子设备)和电池充电器。能量收集器60还包括控制器108，其接收来自 一个或多个传感器110 的反馈信号122。控制器108可包括一个或多个数据处理器以及适当的硬 件，作为非限制性示例，所述硬件包括可存取存储器、逻辑电路、驱动器、 放大器、A/D和D/A转换器等等。控制器108可以非限制性地包括微处 理器、片上计算机、计算机的CPU或任何其它适当的微控制器。控制器 108可包括多个数据处理器。反馈信号122优选地向控制器108提供信息，所述信息可由控制器 108使用以确定状况是否适于共生能量收集。传感器110可包括多种传感 器，并且作为非限制性示例，可检测宿主身体的位置(如四肢中的一个或 多个，或者其它身体部位)、肌肉的位置和/或活动水平、发电机104的位 置和/或配置、传动装置102和/或连接装置100。适合于传感器110的传 感器的非限制性示例包括电位计、加速计、速率陀螺仪、位置编码器、倾 角计、压力传感器等，这些传感器检测身体部位与另一对象(例如地面) 的接触。传感器110可包括信号调节电路(未示出)，所述信号调节电路 对于本领域的普通技术人员是公知的，用于提供适合由控制器108使用的 信号。作为非限制性示例，这种电路可包括放大器、mA/D转换器、 滤波器等。控制器108可以利用包含在反馈信号122中的信息来确定状况是否适 合于共生能量收集，在一些实施例中，控制器108(例如通过用户输入)被 配置成或可被配置成使收集器60主要在控制器108认为是共生的状况下 收集能量。在这种实施例中，在控制器108确定是共生的状况下，控制器 108使身体61 (例如膝盖62)耦合到电负载U1，并在控制器108确定是 非共生的状况下，控制器108使身体61 (例如膝盖62)与电负载lll分 离。控制器108可以使用多种技术以在共生状况下使身体61耦合到电负 载111和/或在非共生状况下使身体61与电负载111去耦合.使身体61耦合到负载111以及使身体61从负栽111去耦合的技术可涉及M耦合/ 去耦合。例如，控制器108可以使用信号120A来在共生状况下使连接装 置100 M地耦合到身体61，以及在非共生状况下使连接装置100与身 体61 M地去耦合。控制器108可另外或者替选地使用信号120A和/或 120B来控制连接装置100和/或传动装置102的操作，使得连接装置100 和传动装置102在共生状况下彼此;Wfe地耦合以及在非共生状况下彼此 ;W^地去耦合。控制器108可另外或替选地使用信号120B和/或信号120C 来控制传动装置102和/或发电机104的操作，使得传动装置102和发电 机104在共生状况下彼此;Mfe地耦合以及在非共生状况下彼此机械地去 耦合。作为非限制性示例，这种(例如在连接装置100和传动装置102 之间和/或在传动装置102和发电机104之间的)机械耦合和去耦合可以 利用对信号120A、120B、120C中的一个或多个敏感的适当配置的离合器、 或者对信号120A、 120B、 120C中的一个或多个敏感的适当配置的锁定机 构来完成。在期望主要在控制器108认为是共生的状况下收集能量的实施例中，栽111以及^身体61与负栽111去耦合。例如，控制器108可使用信号 120C和/或信号120D来在共生状况下将发电机104电连接到调节电路 106，以及在非共生状况下将发电机104从调节电路106电断连。控制器 108可另外或替选地使用信号120D来在共生状况下将调节电路106电连 接到电负栽lll,以;M^非共生状况下将调节电路106与电负载111电断 连。作为非限制性示例，这种(例如在发电机104和调节电路106之间和 /或调节电路106和负载111之间的)电耦合和去耦合可以利用对信号 120C、 120D中的一个或多个敏感的适当配置的电开关来完成。在一些实施例中，控制器108 (例如通过用户输入)被配置成或可被 配置成使收集器60在共生和非共生状况下收集能量。在期望在共生和非 共生状况下持续地收集能量的情况下，通常不需要控制器108和传感器 110。在一些实施例中，控制器108可以利用信号120A、 120B和/或120C 来控制连接装置100、传动装置102和/或发电机104的操作的其它方面。 控制器108还可以可选地利用信号120D来控制信号调节器106的^Mt。 在所图示的实施例中，信号120A、 120B、 120C、 120D包括单向信号， 而在其它实施例中，信号120A、 120B、 120C、 120D包括双向信号。在一些实施例中，控制器108 (例如通过用户输入)被配置成或可被配置成关断收集器60 (即，使收集器60完全停止收集行为直到其再次被 激活)。图5B是示出根据本发明具体实施例的用于确定在共生状况下何时使 用图5的能量收集i殳备来收集能量的方法45的示意性框图。方法45以方 框47开始，在方框47中，控制器108收集来自传感器110的^J绩122。 如上所述，控制器108利用^JMt据122 (其可包括当前和历史的>^馈数 据122)来确定是否为共生状况以便收集能量。在方框49中，方法45涉 及处理反馈数据122。方框49的处理例如可包括滤波、缩放、偏移或者 对输入的角位置数据进行数字处理。在一些实施例中，方框49的部分处 理可发生在 ^域(即，在方框47的数据收集之前)。然后方法45进行到方框51，方框51涉及查询控制器108是否认为 为共生状况。在一些实施例中，方框51的查询包括考虑与一个或多个 关节(例如膝盖62)相关的运动的模型、并JU吏用该模型以及所测量的 与一个或多个关节相关的特征(例如反馈数据122)来确M否为共生状 况。在一些实施例中，方框51的查询另外或替选地包括直接测量或感测 肌肉活动以确定是否为共生状况。方框51的查询可包括评估是否(i) 与一个或多个关节相关的一个或多个肌肉使所述一个或多个关节的运动 减速；(ii)与一个或多个关节相关的一个或多个肌肉在特定方向上产生转 矩，并且一个或多个关节正在相反方向上运动；(iii)与一个或多个关节 相关的一个或多个肌肉正在伸展，并且所述一个或多个肌肉是活动的；和 /或(iv)与一个或多个关节相关的一个或多个肌肉正在负M功率^Mt模 式下操作。方框51的查询还可涉及可选地查询是否有原因使得即使看起来为共 生状况，控制器108也不会导致能量被收集。这种查询可涉及一个或多个 关节和/或一个或多个相关肌肉的运动的具体类型。作为示例，在这种查 询期间，控制器108可确定在步行循环的区域28D (见图2)期间不期望 *盖62收集能量，即使与膝盖62相关的一个或多个肌肉在负M功率 操作模式下操作。如上所述，与区域28D中的膝盖运动相关的一些肌肉 的负功率操作可伴有与脚踝运动相关的所述肌肉的正功率^Mt。如果在方框51中控制器108确定为共生状况(方框51的YES输出)， 那么方法45进行到方框53 ，在方框53中控制器108利用信号120A 、 120B 、 120C、 120D中适当的一个或多个而将身体61耦合到电负栽111，从而进 行能量收集。在方框51中，如果控制器108确定为非共生状况(方框5的NO输出)，那么方法45进行到方框55,在方框55中，控制器1084吏 信号120A、 120B、 120C、 120D中适当的一个或多个将身体61与电负载 lll去耦合，从而停止能量收集。然后方法45返回到方框47。图6A、 6B、 7和8示出了根据本发明另一实施例的能量收集器60A。 在许多方面，能量收集器60A类似于上述的能量收集器60，且类似的参 考标号被用来描述与能量收集器60的对应特^目类似的能量收集器60A 的特征。类似于能量收集器60，能量收集器60A通过连接装置100连接 到宿主的膝盖62。能量收集器60A被配置成仅收集与膝盖62的伸;lbt目关 的能量。另外，如以下所进一步讨论的，当膝屈J3ME负M功率模式下操 作以佳膝盖62的伸廣*运动减速时，能量收集器60A可配置成在共生状况 下选择性地收集能量.能量收集器60A包括连接装置100，该连接装置100将;W^功率112 *盖62传递到传动装置102。如图6A、 6B和7所示，能量收集器60A 的连接装置100包括4殳置于膝盖62以上的上部件64以及设置于膝盖62 以下的下部件，所述上部件64和下部件通过通常与膝关节62共轴的枢轴 关节68而彼此耦合。在所图示的实施例中，连接装置100还包括将上部 件64耦合到宿主的大腿67的上带64A以及将下部件66耦合到宿主的小 腿69的下带66A。上带64A和下带66A例如可通过类似于矫形膝支架的 单个部件来提供。上带64A和下带66A的位置可以向上和向下调整(即， 朝向和/或远离膝关节62)，以调节宿主和能量收集器60A之间的耦合。 优选地，连接装置100被设计成对膝关节62的有效运动范围的影响最小。在所图示的实施例中，连接装置IOO包括转矩传递轴131，使得枢轴 关节68在任一方向上的运动都导致轴131的对应运动。转矩传递轴131 的旋转在图8中由线112示意性M示。能量收集器60A的传动装置102将转矩相对高、^相对低的M 功率112(例如由膝关节62产生的机械功率类型(见图2的转矩曲线26)) 转换成适合由发电机104使用的转矩相对低、iiA相对高的机械功率114。 在所图示的实施例中，能量收集器60A的传动装置102包括滚柱离合器 130和齿轮传动链134。如上所述，能量收集器60A仅收集与膝关节62的伸v^相关的能量。 该功能通过包括M旁路132的^离合器130提供。滚柱离合器130为 单向转矩传递机构。当轴131在该实施例中对应于膝关节62伸展的特定 方向上旋转时，i^离合器130与轴131^^，从而导致滚柱离合器130的旋转以及齿轮机构134的对应旋转。相反，当轴131在该实施例中对应 于膝关节62弯曲的相反方向上旋转时，机械旁路132允许轴131相对于 滚柱离合器130自由旋转。滚柱离合器130的间歇旋转(对应于膝关节 62的伸展)导致齿轮机构134以相对高的转矩和相对低的iUL对应地间 歇旋转。絲离合器130的间歇旋转在图8中由线142表示。轴131的间歇旋转(机械功率142 )被传递到齿轮机构134。齿轮机 构134具有相对高的输入-输出齿轮比(gear ratio),使得转矩相对高、速 度相对低的机械功率142被转换成速度相对高、转矩相对低的机械功率 (在图8中由线114表示)。在具体实施例中，齿轮机构134的输入-输出 齿轮比可以在25-500的范围内。齿轮^J 134所输出的iUL相对高、转输入到发电机104的机械功率。齿轮机构134优选地重量相对轻且不过分 笨重。在其它实施例中，齿轮机构134的转矩/i!JL转换功能通过其它传 动系统和传动系统的组合(例如基于皮带和滑轮的传动系统、基于齿条和 齿轮的传动系统等)来实现。机械功率114由发电机104接收。通常，发电机104可包括能够将机 械功率114转换成电功率116的任何适当的发电机。优选地，发电机104 重量相对轻且不过分笨重。在一个具体实施例中，发电机104包括旋转磁 无刷DC电动机，该旋转磁无刷DC电动机输出三相电输出功率116。本 领域的普通技术人员应理解，能够将机械功率114转换成电功率116的发 电机有很多种。通常，发电机104可包括任何适当配置的发电机。在所图示的实施例中，能量收集器60A包括信号调节器106。信号调 节器106通常用于将AUL电机104输出的电功率信号116调节成适合由电 负载lll使用的形式。因此，根据发电机104 (及其输出功率信号116) 的细节以及才艮据电负栽111的属性及其输入要求，信号调节器106可采取 多种形式并且可包括多种部件。在所图示的实施例中，发电机104包括旋转磁无刷DC电动机，该旋 转磁无刷DC电动机输出三相电功率信号116。电负载111包括可再充电 的DC电池，该可再充电的DC电池需要单相电输入信号118。在所图示 的实施例中，为提供该多相到单相的转换，信号调节器106包括全波整流 器138以;5U目关的功率调节电路140。功率调节电路140可包括一个或多 个滤波器，以便在向电负载lll提供电功率输出118之前，减小从整流器 138输出的信号146的紋波电压在所图示的实施例中，信号调节器106还包括开关136，该开关136 由来自控制器108的信号120D控制。当开关136闭合时，来自发电机104 的电功率信号116被传送到整流器138。而当开关136断开时，发电机104 为开路，使得电功率信号116不会到达整流器138。以该方式，当开关136 断开时，电负载111与膝盖62的运动去耦合，且对膝盖运动的阻力减小。 开关136通常可包括可由信号120D控制的任何开关(例如，固态开关、 电-机械开关等)。在一个具体实施例中，开关136包括Panasonic公司制 造的AQZ202开关。如上所述，能量收集器60A可配置成4吏得其在共生状况下收集能量。 为实现该目的，控制器108使用来自传感器110的反馈信号122来确定状 况是否适合于共生能量收集。当控制器108确定状况适合于共生能量收集 时，控制器108发送信号120D,其导致开关136闭合且来自发电机104 的电信号116被整流器138接收。相反，当控制器108确定状况不适合共 生能量收集时，控制器108发送信号120D，其导致开关136断开，从而 使电负栽111与膝盖62的运动去耦合。以该方式，控制器108使用信号120D来控制开关136，从而使能量 收集器60A在共生状况下选择性地收集能量。在所图示的实施例中，开关136表示用于响应于来自控制器108的信 号而选择性地将膝盖62的运动耦合到电负栽111以及4緣盖62的运动从 电负载lll去耦合的装置。如以上关于能量收集器60所述，能量收集器 60A可以另外或替选地包括用于响应于控制器108的信号而选择性地将膝 盖62的运动耦合到电负载111以及将膝盖62的运动从电负载11去耦合 的多个不同装置。这样的装置可包括电装置、M装置和/或电-机械装置， 且这种装置可以设置在能量收集器60A内的不同地方。为了在共生状况下选择性地收集能量，控制器108使用来自传感器 110的反馈信号122来确定当前操作状况是否是共生的。在一个具体实施 例中，控制器108被配置成执行基于模型的控制。例如，当膝盖62以重 复方式使用时(例如当步行、跑步或进行膝盖弯曲时)，基于模型可以相 对准确地预测膝盖62的运动。这样的模型可包括对应于重复运动的已知 模型(例如有关人步行模式或4盖弯曲模式或人骑车模式的已知模型)。这样的模型例如可以根据先前关于宿主或关于一个或多个其他对象的测 量结果来构建。本领域的普通技术人员应理解，有多种方式可以用来构建 适当的模型。控制器108可以被编程或者用与一个或多个模型有关的信息来配置，并且可以使用这样的模型结合来自传感器110的反馈信号122来 预测当前IMt状况是否;l共生的。在图6A、 6B、 7和8所图示的实施例中，能量收集器60A的控制器 108利用这种基于模型的控制来确定何时为共生状况。如上所述，能量收 集器60A被配置成仅收集与膝盖62在伸展方向上的运动相关的能量。当 宿主步行时，曲线24、 26、 28和32(图2)示出，区域28B表示在以下 情况的时间(i)膝盖62正在伸展(由大于零的角逸变(曲线24) M 示)；以及(ii)膝屈J3ML负;Wfe功率模式下操作以^^盖62的伸展运动 减速(即为共生状况——由小于零的曲线28和显示膝屈肌的高活动水平 的曲线32 M示，也由具有相反符号的转矩(曲线26)和角速度(曲线 24)来表示)。因此，区域28B表示能量收集器60A收集能量的理想时间。 当能量收集器60A在区域28B中收集能量时，转动发电机104所需要的 机械功率实际上辅助膝屈肌*盖62的伸展减速(即减小与*盖62 的伸展减速相关的作用力和/或代谢值)。如上所述，控制器108利用^Jt信号122来帮助确定是否为共生状况。 在图6A、 6B、 7和8所图示的实施例中，能量收集器60A的传感器110 包括电位计113，该电位计113产生表示膝盖62的角位置的反馈信号122。 本领域的普通技术人员应理解，可以使用其它类型的传感器来提供该角位 置反馈信号122或者有关膝盖62的角特征的类似信息。这些其它类型的 传感器可包括例如光编码器、磁编码器、机械编码器、加速计和/或速度 陀螺仪。图9是图示方法200的框图，该方法200用于预测共生状况的存在， 以及用于在这种共生状况期间收集能量并当为非共生状况时停止能量收 集。方法200适于与图6A、 6B、 7和8中的能量收集器60A —起使用。 然而本领域的普通技术人员应理解，方法200可以被修改以便与其它实施 例一起4吏用。图10示出了与才艮据方法200、利用能量收集器60A来在宿 主步行时收集能量有关的多个曲线。图IO曲线的特征(例如幅度和频率) 可以针对每个单个的宿主以及针对特定宿主所经历的状况来变化。如上所述，步行是相对重复的运动。曲线220示出了特定宿主在步行 运动期间的膝关节62的角度。如上所述，控制器108可利用来自传感器 110 (即所图示实施例中的电位计113)的及Jt信号122来确定膝关节62 的角度。当宿主步行时，曲线220的每个循环21包括站立期21A和摆动 期21B。曲线223示出了膝关节62的角速度。角速度曲线223例如可以通过对角位置曲线220取导数来获得。图9的方法200利用基于模型的控制。在所图示的实施例中，方法 200还利用传感器，所述传感器提供与膝盖62的角位置或其它角特M 关的信息。在替选实施例中，方法200可以利用对与重复运动(例如步行) 相关的一个或多个特征进行检测的其它传感器。作为非限制性示例，这些 其它传感器可包括检测脚后跟着地的压力传感器。方法200以方框202开始，其中控制器108从角位置传感器110读取 ^jff信号122。在方框204中，控制器108处理新收集的传感器信息。方 框204的处理可包括对输入的角位置数据进行例如滤波、缩放、偏移或者 数字处理。在一些实施例中，方框204的一些处理可在模拟域内发生。在 方法200的具体实施例中，方框204包括对输入的角位置数据取导数以获 得表示角it^的lt据。方框206涉及查询所处理的传感器数据是否表示膝盖62刚刚开始摆 动期膝盖伸展。摆动期膝盖伸vll被示出为曲线22的区域22E (图2 )。在 一个具体实施例中，方框206的查询涉及查询是否(i) 角速度从负值穿到正值(即角it^L以正斜率穿it^); 以及(ii) 角位置低于阈值(Othresh )。具有正斜率的角i!A过零(zero crossing)表示从弯曲到伸展的转变。然 而，如图10所示，在每个步行循环21内，有两个这种转变227A和227B， 其中角速度呈现具有正斜率的过零(zero crossing)。低于阈值(Othresh) 的角位置可以用来指示所检测的角ii;变的特定正斜率it^表示摆动期膝 盖伸展的开始。如图10所示，与转变227A相关的正斜率的角iULit^ 具有大于阈值(Othresh)的相关角位置，从而意味着与转变227A相关的 正斜率的角il^过零不对应于摆动期膝盖伸展。另一方面，与转变227B 相关的正斜率的角速度it^具有小于阈值(0thresh)的相关角位置，从而 意味着与转变227B相关的正斜率的角iULit^表示摆动期膝盖伸展的开 始。本领域的普通技术人员应理解，可以使用其它技术来预测方框206 中的摆动期膝盖伸展的开始。例如，并非绝对有必要检测角速度过零具有 正斜率。在所图示的与步行相关的示例(图10)中，控制器108可以决 定摆动期膝盖伸展的开始发生在角速度穿过零并且角位置小于阈值(①thresh)的任何时候。在其它实施例中，控制器108可以利用加^数据(即通过对角位置数据取二次导数或者通过直接检测加il^数据)来辅助确定摆动期膝盖伸展的开始。本领域的普通技术人员应理解，零加速度表示从站立期21A到摆动器21B的转变(图10 )。仍然在其它实施例中， 可以提供传感器i(M^测与重复运动相关的其它特征，并且这些其它特征可 以被用来辅助确定摆动期膝盖伸展的开始。作为非限制性的示例，置于脚 上的压力传感器可以用来检测从站立期21A到摆动器21B的转变。如果 摆动期的开始是已知的(例如利用加速计或者脚压力传感器来获知)，可 以用延迟来作为预测摆动期膝盖伸展的开始的基础。这种延迟可基于例如 重复运动的频率。如果方框206的查询表明摆动期膝盖伸展刚刚开始(方框206的YES 输出)，那么在方法200进行到方框212之前，方法200进行到方框210， 其中进行短的延迟。方框210的延迟量可以是固定不变的或者是可变的。 方框210的延迟可以针对每个用户来单独配置(或者可配置)。方框210 的延迟可与特定宿主的步行循环21的周期有关，或者与地形的M有关。 方框210的延迟可以是自适应的。作为非限制性示例，如果步行循环的周 期变化或者地形的H变化，那么方框210的延迟可相应变化。方框210 的延迟可以被配置成实现改进的性能(例如更大的功率输出和/或改善的 用户舒适度)。在一些情况下，方框210的延迟可以设置为零。在方框212 中，控制器108输出信号120D，其使开关136进入闭合状态，其中，发 电机104被耦合到电负栽111，并且能量收集开始。然后，方法200返回 到方框202，其中，控制器108从传感器110获得更多的角位置数据。图10的曲线222表示控制信号120D,该控制信号在所图示的实施例 中是具有使能收集电平和禁止收集电平的二进制信号。方框212对应于控 制信号120D从其禁止收集电平到其使能收集电平的转变。响应于控制信 号120D的该转变，开关136闭合并且膝盖62的运动被耦合到电负载111， 使得电功率输出信号U8被传递到负载111。当下一次方法200到达方框206时，摆动期膝盖伸展已在前一循环开 始，因此方法200将退出方框206 ，通过方框206的NO输出ii^方框208。 通常，方框208涉及确定方框212中所进行的能量收集是否应被停止(例 如因为状况不再是共生的)。如果能量收集在曲线22的摆动期膝盖伸展区 域22E开始时(或附近)进行，那么它应该在曲线22的站立期膝盖伸展 区域22B (图2)开始之前停止。即使开关136闭合，能量收集也不会在曲线22的区域22A (图2)中发生，因为膝盖62正在弯曲且滚柱离合器 130使膝盖62与发电机104去耦合。因此，在所图示的实施例中，方框 208的查询方框212中所进行的能量收集是否应^L停止包括查询所处理的 传感器数据是否表示膝盖62刚刚开始站立期膝盖伸展。如图10所示，站立期膝盖伸展的开始对应于与转变227A相关的正 斜率的角iUL过零。在一个具体实施例中，方框208的查询涉及查询是否(i) 角i4^从负值穿it^到正值(即角iUL以正斜率穿it^);以及(ii) 角位置大于阈值水平(①thresh).本领域的普通技术人员应理解，可以使用其它技术来预测方框208 中的站立期膝盖伸展的开始。例如，并非绝对有必要检测角速度过零具有 正斜率。在所图示的与步行相关的示例(图10)中，控制器108可以决 定站立期膝盖伸展的开始发生在角速度穿过零并且角位置大于阈值 (<Ewesh)的伶河时候。在其它实施例中，控制器108可以利用加iUL数 据(即通过对角位置数据取二次导数或者通过直接检测加iUL数据)来辅 助确定摆动期膝盖伸展的开始。本领域的普通技术人员应理解，零加itJL 表示在站立期膝盖伸展之前的最小角速度(见图2和10)。仍然在其它实 施例中，可以提供传感器来险测与重复运动相关的其它特征，并且这些其 它特征可以被用来辅助确定摆动期膝盖伸展的开始。作为非限制性的示 例，置于脚上的压力传感器可以用加险测从摆动器21B到站立期21A的 转变。如果满足这些条件(例如在站立期膝盖伸展之前的角速度最小值或 站立期的开始)的任意一种，可以用延迟来作为预测站立期膝盖伸展的开 始的基础.这种延迟例如可基于重复运动的频率。如果方框208的查询表明站立期J^盖伸展尚未开始(方框208的NO 输出)且开关136闭合(即能量收集器60A正在收集能量)，那么开关136 保持闭合，并且能量收集器60A继续收集能量，同时方法200返回到方 框202。另一方面，如果方框208的查询表明站立期膝盖伸展刚刚开始(方 框208的YES输出)且开关136闭^K即能量收集器60A正在收集能量)， 那么在方法200进行到方框216之前，方法200进行到方框214，其中进 行短的延迟。方框214的延迟量可以是固定不变的或者是可变的。方框 214的延迟可以针对每个用户来单独配置(或者可配置)。方框214的延 迟可与特定宿主的步行循环21的周期或者宿主正在步行的地形的^A有 关。方框214的延迟可以是自适应的。作为非限制性示例，如果步行循环 的周期变化或者地形的化变变化，那么方框214的延迟可相应变化。方框214的延迟可以被配置成实现改进的性能(例如更大的功率输出和/或改善 的用户舒适度)。在一些情况下，方框214的延迟可以设置为零。在方框216中，控制器108输出信号120D，其使开关136进入断开 状态，其中，发电机104从电负栽111去耦合，并且能量收集停止。方框 216包括控制信号120D (图10的曲线222)从其使能收集电平到其禁止 收集电平的转变。响应于控制信号120D的该转变，开关136断开并且膝 盖62的运动与电负栽111去耦合。在方框216之后，方法200再次返回 到方框202。如果方框208的查询表明站立期膝盖伸展尚未开始(方框208的NO 输出)且开关136断开(即能量收集器60A不是在收集能量)，那么方法 200返回到方框202而无需改变开关136的状态。曲线222表示电功率输出信号118的瞬时功率。通过比较曲线224和 曲线222可以看出，M控制信号120D (曲线220)处于其使能收集电 平时才收集电功率。如上所述，在摆动期膝盖伸展期间，控制信号120D 处于其使能收集电平，此时，膝屈肌工作在负机械功率模式下以使膝盖 62的伸展减速，并且为共生状况。曲线226表示电功率输出信号118的 平均功率(即曲线224的平均值)。在图IO所示的具体示例中，当宿主步 行时，收集器60A产生2.4W的平均功率。在其它实施例中，类似于图9和10的基于模型的控制可以用于其它 的循环运动。这种循环运动的非限制性示例包括跑步、跳跃、膝盖弯曲、 爬行、上和/或下楼梯或堤坝等。在另一实施例中，控制器108被配置成直接感测肌肉活动来帮助确定 何时为共生状况。在这种基于肌肉活动的控制中，传感器110可包括用于 感测关节的角度或关节(例如膝盖62)的其它角特征(例如角速度或加 速度)的一个或多个位置传感器，以及用于感测一个或多个肌肉(例如膝 屈肌)内的活动的一个或多个传感器。所述传感器中的任何一种都可以用 于确定关节的角特征。适当的肌肉活动传感器包括肌电(EMG)传感器。 当基于肌肉活动的控制被用于图6A、 6B、 7和8的特定能量收集器60A 且M膝盖62在伸展方向上的运动收集能量时，反馈信号122将包含与 角特征比如膝盖62的位置有关的信息，并且肌肉活动传感器将被配置(例 如设置)成感测膝屈肌的活动。图11为描述用于利用基于肌肉活动的控制来预测共生状况的存在的方法300的框图。方法300适合于与图6A、 6B、 7和8中的能量收集器 60A —起使用，但是也可以推广到和其它实施例一起使用。方法300利用 提供与膝盖62的角位置有关的信息的一个或多个位置传感器以及提供与 膝屈肌的活动活动的信息的一个或多个肌肉活动传感器。方法300以方框 301开始，其中控制器108从角位置传感器110读取^^馈信号122。然后 方法300进行到方框302，其中控制器从肌肉活动传感器读取^Jt信号 122。在方框304中，控制器108处理新获得的传感器信息。方框304的 处理可包括例如对输入的数据进行滤波、缩放、偏移或者进行数字处理。 在一些实施例中，方框304的一些处理可在模拟域内(即在方框301和/ 或302的数据收集之前)进行。在该具体实施例中，方框304包括对输入 的角位置数据取导数以获得表示角速度的数据。在该具体实施例中，方框 304包括对肌肉活动数据进行整流和滤波。方法300 i^进行到方框306，其涉及查询膝盖62是否正在伸展。 方框306的查询可包括将角位置数据的时间导数(即角速度)与零比较。 如果角速度大于零，则膝盖62正在伸展；如果角速度小于零，则膝盖62 正在弯曲。可替选地，方框306的查询可涉及查看历史的角位置数据以确 定当前角位置是否大于前一角位置(在该情况下膝盖62正在伸展)或者 当前角位置是否小于前一角位置(在该情况下膝盖62正在弯曲)。如果方框306的查询表明膝盖62正在弯曲(方框306的NO输出)， 则方法300在返回到方框301以采集更多的数据之前进行到方框312，在 方框312中收集被禁止。另一方面，如果方框306的查询表明膝盖62正 在伸展(方框306的YES输出)，则方法300进行到方框308。方框308 涉及查询膝屈肌是否是活动的。方框308可涉及查询膝屈肌的活动水平是 否高于某个阈值(见图2的EMG曲线32中的Ithresh)。如果方框308的 查询表明膝屈肌中的活动不充分(方框308的NO输出)，则方法300在 返回到方框301以采集更多的数据之前进行到方框312，在方框312中收 集被禁止。另一方面，如果方框308的查询表明有充分的膝屈肌活动(方 框308的YES输出)，则方法300进行到方框310。如果方法300到达方框310,则膝盖62正在伸展(方框306的YES 输出)且膝屈肌正在积极试图4^盖伸展减速(方框308的YES输出)。 因此，膝屈肌在负机械功率模式下操作且为共生状况。如果方法300到达 方框310，则控制器108通过将适当的控制信号120D发送到开关136、 开关136又将膝盖62的运动耦合到电负栽111来进行收集。在一些实施例中，方法300可以可选地涉;M^进行方框3io中的收集之前延迟一小段 时间。这种延迟量可以是固定不变的或者可以是针对每个用户单独地配置(或者可配置)。所^迟可与特定宿主的步^"循环21的周期有关。所述延迟可以被配置以实现改进的性能(例如更大的功率输出和/或改善的用户^it度)。然后方法300返回到方框301以获得更多数据。图12是根据本发明另一实施例的能量收集设备60B的示意性框图。 能量收集设备60B在许多方面类似于能量收集设备60A，并且类似的参 考标号被用来来描述与能量收集器60A的对应特征类似的能量收集器 60B的特征。能量收集器60B与能量收集器60A的不同之处在于，能量收集器60B 包括可控离合器150而不是具有电开关136和滚柱离合器130，所述可控 离合器150将膝盖62的运动;W^地耦合到电负载111以及^J^盖62的运 动与电负载111去耦合。离合器150包括M旁路152，该Wfe旁路152 由来自控制器108的信号120B控制。当控制器108确定为共生状况并且 应该收集能量时，控制器108利用控制信号120B来使离合器150 即， 使^旁路152无效)，其又将膝盖62的运动耦合到电负载111.当控制 器108确定为非共生状况或者不应该收集能量(例如由于膝盖62正在弯 曲)时，控制器108利用控制信号120B来使离合器150分离(即激活机 械旁路152)，其又使膝盖62的运动与电负载111去耦合。可控离合器150的输出(由线154表示)是断续且幅度可变的M功 率。能量收集器60B与能量收集器60A的不同之处还在于，能量收集器 60B包括负栽均％^ 156，该负载均衡^* 156接收来自离合器150的 断续且幅度可变的机喊功率154，并输出相对连续的机械功率(由线158 表示)。相对连续的机械功率158被传递到齿轮机构134，该齿轮机构134 输出对应的机械功率114，该机械功率114可具有与机械功率158不同的 速度和转矩。负栽均^构156不是必要的。然而，负栽^156可改进 能量收集i殳备60B的性能，这是因为当输入机械功率114是连续的而非断 续和可变的时候，发电机104可以表现出更好的性能(即更好的功率转换 效率)。在其它方面，能量收集器60B类似于能量收集器60A。能量收集器60B胜于能量收集器60A的一个优点在于，离合器150 使齿轮^J 134和发电机104 ^地与膝盖62分离。这样，当离合器150 分离且能量收集器60B不是在收集能量时，宿主不必移动齿4^机构134或发电机104。相反，当膝盖62正在伸展时(即滚柱离合器130#^)， 即使开关136断开且不是在收集能量时，能量收集器60A也需要宿主移 动齿轮机构134和发电机104。当膝盖.62正在弯曲时，能量收集器60A 的i^i离合器130通过将齿轮^！ 134和发电机104 ;tOfe地与膝盖62分 离来提供类似于能量收集器60B的离合器150的好处。上述的能量收集器60A、 60B仅收集与膝盖62的伸展相关的能量。 本领域的普通技术人员应理解，能量收集器60A、 60B可以被修改成当能 量收集状况主要是共生时仅收集与膝盖62的弯曲相关的能量。该能量收 集状况例如在曲线28的区域28A中显示.能量收集器60A可^^务改成通过重新配置滚柱离合器130以在膝盖 62正在弯曲时^^齿^^机构134并在膝盖62正在伸展时分离齿轮^M^ 134，来收集与膝盖弯曲相关的能量(见图8)。能量收集器60B不需要改 变硬件来在膝盖伸展期间收集能量。方法200可被修改成通过适当地修改 方框206和/或方框208来在膝盖弯曲期间并且在能量收集状况主要是共 生时收集能量。作为非限制性示例，方4医206的查询可^^务改成考虑站立 期21A是否刚刚开始。不必改变方框208的查询。这种修改将允许控制 器108使用方法200在对应于区域28A的时间内进行能量收集，以及在 其它时间停止能量收集。方法300可被修改成通过将方框306的查询修改 成考虑膝盖62是否正在弯曲以及通过将方框308的查询修改成考虑J^f申肌是否是活动的，来在膝盖弯曲期间以;M^能量收集状况主要是共生时收集能量。这种修改允许控制器108使用方法300在对应于区域28A的时 间内进行能量收集，以及在其它时间停止能量收集。在一些实施例中，当膝盖62正在伸展以;5J^盖62正在弯曲时都可以 收集能量。可在伸展和弯曲期间收集能量的能量收集器可以被称为是双向 的。图13A、 13B和14示出了才艮据本发明另一实施例的双向能量收集i殳备60C。能量收集器60C被配置成在膝盖弯曲期间以;sj^盖伸展期间并且主要在能量收集为共生状况时收集能量。能量收集i殳备60C在许多方 面类似于能量收集i殳备60A,并且类似的参考标号被用于描述与能量收集 器60A的对应特征相类似的能量收集器60C的特征。能量收集器60C与能量收集器60A的不同之处在于，能量收集器60C 包括机械整流器164，该机械整流器164将膝关节62的两个方向的运动 (即弯曲和伸展)转换成单向机械功率信号。机械整流器164可包括配置 在相反方向上的一对单向转矩传递机构130、 160，其中转矩传递机构之一耦合到机械方向逆变器166。在所图示的实施例中，转矩传递机构130、 160包括絲离合器130、 160。錄离合器130、 160被配置使得(i) 当膝盖62在伸展方向上运动时，、i^a离合器130直^^齿轮^) 134 (由线142A表示)，以及当膝盖62在弯曲方向上运动时，^i离合器130 (通过^旁路132)与齿轮城134分离；以及(ii)当膝盖62在弯曲 方向上运动时，泉柱离合器160经由方向逆变器166 (由线142B表示) M齿轮^134，以及当膝盖62在伸展方向上运动时，i^离合器160 (通it^L械旁路162 )与齿轮机构134分离。由于方向逆变器166 (其在 膝盖162正在弯曲方向上运动且滚柱离合器160被掩^时工作)，膝盖162 在弯曲方向和伸展方向上的运动都导致齿轮机构134在相同方向上运动。构134之间来实现。本领域的普通技术人员应理解，有多种另外的或替选 的机构可用来实现方向逆变器166。在其它方面，能量收集器60C的部件与能量收集器60A的部件类似。和能量收集器60A对比，在下列情况时，控制器108可被配置成利 用信号120D来闭合开关136 (即将膝盖62的运动耦合到负栽111),所述 情况为(i)膝盖62正在伸;ILE控制器108确定能量收集状况主要是共 生；和/或(ii)膝盖62正在弯曲且控制器108确定能量收集状况主要是 共生。参考图2,(曲线28的)区域28B显示出摆动期21B中的共生状况， 其中膝盖62正在伸yflX膝屈肌用于4吏该伸展减速，区域28A显示出站立 期21A中的共生状况，其中膝盖62正在弯曲且膝伸肌用于使该弯曲减速。曲线28 (图2)还示出了在共生区域28B和相邻的共生区域28A之 间存在显示非共生状况的小区域28C。理论上，只能在区域28B和区域 28A中收集能量。但是实际上，对于从步行的人身上收集能量，本发明人 已确定有时很方便从共生区域28B的开始、通过共生区域28B、非共生区 域28C以及随后的共生区域28A来收集能量，并在共生区域28A结束时 停止能量收集。区域28C中的能量收集是非共生的。然而，当和与在区 域28A和28B中的共生能量收集相关的代谢功率节省相比时，区域28C 中的这种非共生能量收集在其附加的代谢值方面是相对微不足道的。另 外，区域28A、 28B和28C中的能量收集减小了负载111的掩^和分离频 率(其在仅在区域28A和28B中收集能量时发生)，并且避免了这种快速 的掩^和分离可能对宿主的协调产生的副作用。如同在能量收集器60A的仅伸展情况下一样，能量收集器60C的控制器108可确定关于何时利用基于模型的控制技术或基于肌肉活动的控 制技术来收集能量，从而在共生状况下收集能量并且在非共生状况期间停止能量收集。图15是图示用于预测主要共生状况的存在的方法的示意性框图。方 法400适合于与图13A、 13B和14的能量收集器60C —起使用。然而本 领域的普通技术人员应理解，方法400可被修改以便与其它实施例一起使 用。图16示出了与根据方法400、利用能量收集器60C来在宿主步行时 收集能量有关的多个曲线。图16曲线的特征(例如幅度和频率)可以针 对每个单独的宿主以及特定宿主所经历的情况来变化。曲线420示出了在步行运动期间特定宿主的膝关节62的角度。如上 所述，控制器108可利用来自传感器110(即所图示实施例中的电位计113 ) 的反馈信号122来确定膝关节62的角度。当宿主步行时，曲线402的每 个循环21包括站立期21A和摆动期21B。曲线423示出了膝关节62的角 速度。角速度曲线423可通过例如对角位置曲线420取导数来获得。曲线 422表示控制信号120D，其在所图示的实施例中是具有使能收集电平和 禁止收集电平的二进制信号。当曲线422处于其使能收集电平时，控制器 108输出导致开关136闭合的信号120D。当开关136闭合时，膝盖62的 运动被耦合到电负载111，使得电功率输出信号118被传递到负栽111。 当曲线422处于其禁止收集电平时，控制器108输出导致开关136断开的 信号120D，从而将膝盖62的运动与电负栽111去耦合并停止能量收集。方法400使用基于模型的控制。在所图示的实施例中，方法400还利 用提供与膝盖62的角位置(或其它角特征)有关的信息的传感器。在替 选实施例中，方法400可以利用检测与重复运动(例如步行)相关的一个 或多个特征的其它传感器。在许多方面，基于模型的控制方法400类似于 基于模型的控制方法200 (图9 )。方框402、 404和406基本上类似于基 于模型的控制方法200 (图9)的方框202、 204和206,且分别涉及从角 位置传感器IIO读取反馈信号122、处理新获得的传感器信息以及查询所 处理的传感器数据是否表示膝盖62刚刚开始摆动期膝盖伸展。如果方框406的查询表明摆动期膝盖伸展刚刚开始(方框406的YES 输出)，则方法400进行到方框410 (其施加短的延迟)。方框410可类似 于方法200的方框210。方法400从方框410进行到方框412,其中控制 器108以类似于方法200的方框212的方式开始能量收集。然后，方法 400返回到方框402，其中控制器108从传感器110获得更多的角位置数据。当下一次方法400到达方框406时，摆动期膝盖伸展已在前一循环开 始，因此方法400将退出方框406,通过方框406的NO输出it^方框408 。 通常，方框408涉及确定方框212中所进行的能量收集是否应被停止(例 如因为状况不再是共生)。方框408可以J^上类似于方法200的方框208。如果方框408的查询表明站立期膝盖伸展尚未开始(方框408的NO 输出)且开关136闭合(即能量收集器60C正在收集能量)，那么开关136 保持闭合，并且能量收集器60C继续收集能量，同时方法400返回到方 框402。另 一方面，如果方框408的查询表明站立期膝盖伸展刚刚开始(方 框408的YES输出)且开关136闭^(即能量收集器60C正在收集能量)， 那么方法400进行到延迟方框414。延迟方框414可以类似于方法200的 延迟方框214。然后方法400进行到方框416，其中控制器108以类似于 方法200的方框216的方式来停止能量收集。在方框416之后，方法400 再次返回到方框402。如果方框408的查询表明站立期膝盖伸展尚未开始 (方框408的NO输出)且开关136断开(即能量收集器60C不是在收 集能量)，那么方法400返回到方框402而无需改变开关136的状态。与用于在图9和10中所示出的步行期间收集能量的基于模型的控制 方法相似，类似于图15和16的基于模型的控制可用于其它循环运动。图17是图示用于利用基于肌肉活动的控制来预测主要共生状况的存 在的方法500的框图，该方法500适合与图13A、 13B和14的能量收集 器一起使用。方法500利用提供与膝盖62的角位置(或其它角特征)有 关的信息的一个或多个位置传感器以及提供与膝屈肌的活动和膝伸肌的 活动有关的信息的多个肌肉活动传感器。方法500的方框501、 502和503 类似于方法300的方框301、 302和303，并且分别涉及从角位置传感器 110获得反馈信号122、从肌肉活动传感器110获得反馈信号122以及处 理新获得的传感器信息。方框506涉及查询膝屈肌是否是活动的。方框506可以以类似于方法 300的方框308的方式来执行。如果方框506的查询表明膝vS肌中的活动 水平不充分(方框506的NO输出)，则方法500进行到方框520。另一 方面，如果方框506的查询表明膝屈肌活动显著(方框506的YES输出)， 则方法500进行到方框508。方框508涉及查询膝盖62是否正在伸展。方框508的查询可以以类似于方法300的方框306的方式来执行。如果方框508的查询表明膝_盖 62不是在伸展(方框508的NO输出)，则方法500返回到方框501以采 集更多数据。另一方面，如果方框508的查询表明膝盖62正在伸展(方 框506的YES输出)，则方法500在返回到方框501以采集更多数据之前 进行到方框510，在方框510中控制器108进行收集。在一些实施例中， 方法500可以可选地涉;5Lt方框510中进行收集之前延迟一小段时间。该 延迟量可以是固定不变的或者可以是针对每个用户单独地配置(或者是可 配置的)。所i^迟可涉及特定宿主的步行循环21的周期。所iiH迟可以 被配置以实现改进的性能(例如更大的功率输出和/或改善的用户舒适 度)。然后方法500返回到方框501以获得更多数据。方框520涉及查询膝伸肌是否是活动的。方框520可以以类似于方法 300的方框308的方式来执行，只是方框520涉及伸肌而不是弯曲肌。如 果方框520的查询表明膝伸肌中的活动水平不充分(即方框520的NO输 出)，则方法500返回到方框501以采集更多数据。另一方面，如果方框 520的查询表明膝伸肌活动显著(方框520的YES输出)，则方法500进 行到方框514。方框514涉及查询膝盖62是否正在弯曲。方框514的查询可包括将 角位置数据的时间导数(即角逸变)与零相比较。如果角速度小于零，则 膝盖62正在弯曲。可替选地，方框306的查询可涉及查看历史角位置数 据以确定当前角位置是否小于前一角位置(在该情况下膝盖62正在弯 曲)。如果方框514的查询表明膝盖62不是在弯曲(方框514的NO输出)， 则方法500在返回到方框501以采集更多数据之前进行到方框518,在方 框518中控制器108停止收集(如果进行了收集)。另一方面，如果方框 514的查询表明膝盖62正在弯曲(方框514的YES输出)，则方法500 在返回到方框501以采集更多数据之前进行到方框516，在方框516中控 制器108进行收集。从图17可以看出，在膝盖62正在伸展(方框508的YES输出)且 膝屈肌用于使该伸展减速(方框506的YES输出)时进行能量收集(在 方框510中)。这些状况对应于共生区域28B。图17还示出了在膝盖62 正在弯曲(方框514的YES输出)且膝伸肌用于使该弯曲减速(方框520 的YES输出)时进行能量收集(在方框516中)。这些状况对应于共生区 域28A。方法500被配置成通过区域28A、 28B和28C (图2)进行能量收集。当进行收集之后，方法500不停止收集直到方框518。方框518对应于站 立期膝盖伸展的开始(即图2的曲线22的区域22B的开始)以及曲线28A 的结束(图2)。在一些实施例中，控制器108可配置成允许非共生收集。例如，控制 器108可配置成输出适当的信号120A、 120B、 120C、 120D以保持膝盖 62的运动和电负载111之间的掩^。在一些实施例中，用于选择性地进 行能量收集和停止能量收集的控制系统从上述任一实施例中移除,使得它 们在共生状况和非共生状况下收集能量。作为非限制性示例，能量收集i更 备60A (图8 )可被配置成通过以适当方式配置控制器108或者通过移除 控制器108、开关136和/或传感器110而在共生和非共生状况下收集能量。 当以此方式修改时，由于滚柱离合器130 (即能量收集器是单向的)，因 此能量收集器60A仍然只能在膝盖62伸展时收集能量。尽管修改上述任一实施例(或者配置其控制器)以在非共生状况下收 集能量仍然能够产生合理量的能量，然而这种能量产生将以增加宿主的作 用力为代价，这是因为在非共生状况下宿主将不得不施加额外的M功率 来使发电机104运转。图18示出了与利用被配置成在共生和非共生状况 下收集能量的能量收集器60A来在宿主步行时收集能量有关的多个曲线。 图18曲线的特征(例如幅度和频率)可以针对每个单独的宿主以及特定 宿主所经历的具体情况而变化。曲线602表示(如通过传感器110所测量 的)膝盖62的位置，曲线600表示信号118的瞬时输出功率，曲线604 表示信号118的平均输出功率。图18示出了在典型的步行循环21期间，能量收集发生在当膝盖62 伸展时(即当曲线602的斜率为正)的两个时段期间。曲线604表示当在 共生和非共生状况下进:行收集时，由能量收集器60A在负载111上产生的 平均输出功率为3.2W，其大于在主要是共生状况下进行收集时的2.4W输 出(图10)。然而，在非共生状况下收集能量需要从宿主输入4艮大的能量。图21A、 21B和21C分别描述了示出针对人步行的肌肉活动水平和 电功率产生情况的EMG曲线。图21A描述了针对膝伸肌的EMG曲线 30和针对膝屈肌的EMG曲线32，以及在没有能量收集时针对人步行的 电功率曲线902。图21B描述了针对膝伸肌的EMG曲线904和针对膝屈 肌的EMG曲线906,以;5Ut仅进行与膝盖伸^目关的共生能量收集时针 对人步行的电功率曲线908。图21C描述了针对膝伸肌的EMG曲线910 和针对膝屈肌的EMG曲线912，以及在仅进行与膝盖伸;M目关的共生和非共生能量收集时(即当膝在伸展方向上的运动一直耦合到电负载时)针对人步行的电功率曲线914。(通过比较图21B的曲线卯6和图21A的曲线32)可以看出，在膝 盖伸展期间的共生能量收集减少了与4緣盖伸展减速相关的膝屈肌活动。 曲线908示出了电能在共生能量收集期间产生。(通过比较图21C的曲线 910和图21B的曲线904)还可以看出，在膝盖伸展期间的非共生能量收 集增加了与在站立期膝盖伸展期间移动膝盖相关的膝J申肌活动。比较曲线 914和曲线908表明在共生和(似目对于共生状况的)非共生状况期间收 集能量时产生了更多的电能，但是该过度的电能收集是以膝伸肌的额外作 用力为代价的。图22示出了在没有能量收集(区域916)的情况下、在仅与膝盖伸 展相关的共生能量收集(区域918)的情况下以;5Lt仅与J^盖伸^目关的 共生和非共生能量收集(区域920 )的情况下针对人步行的心率-时间曲线。 心率是相关活动所涉及的体力的总指示器。比较图22的区域916和区域 918表明在共生状况下收集能量(区域918)时步行所需要的作用力比在 没有能量收集(区域916)情况下步行所需要的作用力小。比较图22的 区域920与区域916和918表明，在共生和非共生状况下收集能量(区域 920)时步行所需要的作用力比在没有能量收集(区域916)情况下步行 所需要的作用力或者在共生状况下收集能量(区域918)时步行所需要的 作用力大。如图4B所示，能量收集设备70可以作为矫形M 74的一部分或者 附属物来提供。在所图示的实施例中，能量收集器70在假肢74的部位 74A、 74B之间的一个关节72 (或多个关节)上收集能量，以^^以与上述 能量收集设备几乎相同的方式来收集关节72所传递的机喊能。能量收集 器70可以引入与上述能量收集设备的部件类似的部件。能量收集器70 可以与皿74集成在一起。优选地，能量收集器70在主要是共生的状况 下收集能量。能量收集器70可设置有允许用户进行能量收集或停止能量 收集和/或改变能量收集器70的操作模式的控制机构。在所图示的实施例中，能量收集器70与 1—起4吏用，其中关节72 为膝关节(图4)。假肢的膝关节通常由无源设备比如液压装置(例如 Ossur Total Knee)或者由有源设备比如磁流变流体致动器 (Magnetorheologic (MR) Fluid Actuator)(例如Ossur Rheo Knee)来 制动(即减速)。能量收集器70使用类似于发电机104的发电机对关节72做负功，从而使关节72的运动减速。该发电机将机械能转换成电能， 所述电能可全部或部分地用于^IMt74的电部件(未示出)供电。以此 方式来收集能量可以大大提高M74的效率，从而允许电池更小、更轻 且充电周期更长。能量收集器70可包括类似于控制器108的控制器，其可在共生状况 下选择性地将关节72的运动接合到电负栽。能量收集器70可包括一个或 多个传感器(类似于传感器110)以检测关节72的角位置。这样的传感 器还可检测关于作用在关节72上的致动器(未示出)的信息。例如，这 样的传感器可检测诸如针对MR流体致动器的电流消耗或来自液压致动 器的力和速度信号等信息，并且所述控制器可4吏用该信息来确定何时为共 生状况。在一些实施例中，能量收集器70用来取代用于m 74的关节72的 传统致动器。基于例如与关节角速度、銜遮下的地面反作用力以及来自完 整腿的信息有关的反馈信号，可以在步行步伐循环的适当部分选择性地接 合和停止能量收集器70。图12图示了用于a式能量收集器的示例性的 控制逻辑。图19示意性地描述了用于控制能量收集器70使得其在主要为共生的 状况期间收集能量的方法700。方法700涉及在方框702中读取可用的传 感器数据以及在方框704中处理传感器数据。方框706、 708、 714和720 涉及使用所处理的传感器数据来确定关节72的运动方向以及关节72上的 净转矩。图19示出了当关节72在弯曲方向上运动(方框706的YES输 出)且关节72上的净转矩处于伸展方向(方框708的YES输出)时收集 能量(方框710)。类似地，当关节72在伸展方向上运动(方框720的 YES输出)且关节72上的净转矩处于弯曲方向(方框714的YES输出) 时收集能量(方框716 )。图4C描述了根据本发明另一实施例的能量收集设备80，其中能量收 集设备80被植入宿主的身体内。在所图示的实施例中，能量收集设备80 被设置在踝关节82的前面，解剖位置类似于胫骨前肌84的解剖位置。在 其它实施例中，能量收集器80可被配置成与对应身体部位之间的另一关 节(或另外多个关节) 一起工作。能量收集设备80可被配置成在共生模 式下收集能量，从而在肌肉在负机械功率模式下操作期间辅助特定肌肉 (或肌肉群)。在一些实施例中，能量收集设备80可被配置成也在非共生 模式期间收集能量或者完全停止能量收集。操作模式之间的切换可以由用户按照需要利用遥控开关(未示出)来完成。通常，所^的能量收集器80的部件和操作可类似于上述的能量收 集器60、 60A、 60B、 60C和70的部件和操作。在一些实施例中，能量收 集器80的发电机(未示出)包括压电发电机，以将;Wfe位移转换成电能。 在这样的实施例中，可以不需要负栽均衡以及齿轮^J。在所图示的实施 例中，发电机的一端被附着到胫骨，另一端被附着到脚骨。这可以例如利 用由适当的生物相容性材料比如钽(一种不会被身体排斥的相对坚固的材 料)制成的接骨螺钉来完成。能量收集器80的一些部件(例如控制器和 功率调节电路)可以容纳在所植入的小密封容器(未示出)中。该容器例如可以由钽或某些其它适当的生物相容性材料制成。为在共生模式下操作，能量收集器80的控制器使用来自适当传感器 的信息来确定其所辅助的肌肉何时在负M功率模式下操作。如上所述， 当肌肉正在拉长且肌肉活动(即试图收缩)时，肌肉在负;W^功率模式下 操作。例如利用^肌肉的加速计可以感测到肌肉的iUL，且例如利用植 入肌肉的EMG电极可以感测到肌肉的活动。利用适当的导体比如涂覆 TeflonTM的金属线，可以将来自这些传感器的信号传导回所植入的控制 器。能量收集器80的控制器可以被配置成当相关肌肉活动并且肌肉正在 拉长时进行收集。图20是示出根据本发明特定实施例的用于确定何时选 择性地使能量收集i更备80收集能量的方法的示意性框图。方法800感测 数据(方框802 )并处理输入数据(方框804 )。方法800在肌肉活动时(方 框806的YES输出)以及当相关肌肉正在拉长时(方框808的YES输出) 进行收集(方框810)。否则停止收集(方框812)。在所图示的实施例中，能量收集器80的控制器可以被配置成在胫骨 前肌84活动且胫骨前肌84正在拉长时收集能量。收集器80所产生的最 终的电能可用于给电池充电和/或直接用于给另一所^的设M电。例 如，所述电能可用于给可容纳在包^^有控制器的盒子内的小型蓄电池比如 锂碘电池充电。在步行期间，能量收集器80按照如下过程进行操作。当腿处于其摆 动期中间时，电负载与围绕踝的运动被分离。就在脚后跟着地之前，利用 一个或多个肌肉活动传感器感测到胫骨前JIMfc激活。胫骨前肌中的该活动 符合进行能量收集的一种状况。在脚后跟着地时，利用一个或多个加速计 或其它适当传感器感测到胫骨前肌被拉长。胫骨前肌的这种拉长符合能量收集的第二状况。然后控制器将电负载与踝82的运动耦合。随着站立期 的进行,传感器检测到胫骨前肌停止拉长,从而导致控制器停止能量收集。尽管上面已描述了多个示例性的方面和实施例，本领域的普通技术人 员应认识到这些方面和实施例的某些修改、置换、增加以及次组合 (sub-combinations )。例如 上述的一些实施例涉及与人的膝相关的肌肉来在共生模式下利用 选择性地收集能量。本领域的普通技术人员将理解，在共生模式下 从与其它关节相关的肌肉选择性地收集能量被认为是在本发明的 范围内。作为非限制性示例，人们可以设计类似的系统以从与脚踝、 肩、肘、手指、手腕、颈、臀等的运动相关的肌肉收集能量。同样， 根据其它实施例的能量收集器被配置成从多个关节收集能量。 上述的一些实施例涉及在特定运动比如步行期间、在共生模式下选 择性地收集能量。在其它实施例中，在共生模式下选择性地收集能 量可针对其它类型的运动来提供。作为非限制性示例，这类运动可涉;sj^盖弯曲、下楼梯或斜M面、骑车、跳舞、打印、投掷等。 除了在共生模式下操作夕卜，上述任一实施例可以被配置成在非共生 模式下操作，其中以宿主需要的额外作用力为代价来收集电能。非 共生模式能量收集的优点在于，与只有共生模式能量收集相比，可 以有更多的功率可供收集。 通过任一上述实施例所产生的电能可以以任何适当的方式来^吏用。 例如，该电能可直接用于给电^:备洪电，或者该电能可^L存储以备 日后使用。可由通过上述实施例所产生的电能来供电的电设备的非 限制性示例包括矫形或神经^务复i殳备以;SJt携式电子i殳备(例如蜂 窝电话、个人数字助手、全球定位系统接收机、膝上型电脑等)。 上述的一些实施例利用滚柱离合器作为单向转矩传递机构。在替选实施例中，可以使用其它适当配置的单向转矩传递机构比如4iN^机构等来代替^离合器。 双向能量收集i殳备(例如图13A、 13B和14的能量收集器60C ) 可被配置成针对弯曲和伸展具有不同的齿轮比。这些不同的齿轮比 可以补偿机械功率输入趋于在任一方向具有不同的转矩和/或不同 的i^JL的情况。 双向能量收集设备引入机械整流器是不必要的。整流可在电域内进行。例如，通过简单地移除滚柱离合器130以及将整流器138修改 成适应来自发电机104的双向电输出，单向能量收集器60A可以成 为双向的。 双向能量收集i殳备60C (图14)被描述为具有电开关136，该电开 关136用于将宿主的身体61耦合到电负载111 ，以及将宿主的身体 61与电负栽111去耦合。在其它实施例中，能量收集器60C包括 可控的机械离合器等(如果能量收集器60B (图12)用于将宿主的 身体61耦合到电负栽111以及将宿主的身体61与电负载111去耦 合，则类似于离合器150)。这种可控离合器可以设置在例如^连 接装置100和机械整流器164之间或者机械整流器164和齿轮M 134之间。控制器108可以利用对应的信号120B来控制这种可控 离合器。
一些实施例可包括不同的发电机类型或者不同的发电机部件。例 如，可能使用电活性聚合物或者压电发电机是有利的。在一些实施 例中，发电机可以响应于发电机部件相对于彼此的线性运动来发 电。也可能使用两个或多个发电机是有利的。
一些实施例可包括不同的传动配置或不同的传动部件。可直接(而 不是利用滚柱离合器)驱动齿轮W^。可使用不同于传统齿轮的机 构来改变输入机械功率的转矩和it^特征。这些机构的示例包括绞 盘驱动器或杠杆臂。可以使用其它负栽均衡机构比如飞轮等。在一 些实施例中，不需要负栽均衡和/或齿轮^J。在其它实施例中， 齿轮机构用于减小输入机械功率的速度，在例如使用某些发电机比 如压电发电机时这可能是所期望的。 能量收集设备60、 60A、 60C可以被修改成增加与能量收集设备60B 的负载均衡^I156类似的负载均WL^。例如，能量收集器60A (图8 )可以被修改成在例如线142处(即在滚柱离合器130和齿 轮^ 134之间)提供负载均衡装置。这种负载均衡装置可用于将 相对连续的机械功率传递到其对应的齿轮^ 134和发电机104。 方法400 (图15 )和方法500 (图17)描述了用于收集与膝盖伸展 和膝盖弯曲相关的能量的技术。这两个方法都涉及在曲线28(图2 ) 的小的非共生区域28C内收集能量。这些方法中任意一种都可以被 修改成仅在专门的共生区域(例如曲线28的区域28A、 28B)内收 集能量。例如，方法500可以被l奮改成通it4方框508和520的NO输出上设置停止收集方框(类似于方框518)来专门在共生区 域内收集能量。
类似于方法200的方框210和214的延迟可以被引入到其它实施例 中。作为非限制性示例，可以在方法300(图11)的方框308和310 之间和/或方法300的方框308和312之间和/或方法300的方框306 和312之间插入类似延迟。延迟可以被类似地插入到方法500 (图 17)、 700 (图19)、 800 (图20)以及任一其它实施例中。 用于评估状况是共生还是非共生的阈值(例如0 thresh和Ithresh)可以 是固定不变的或可变的，也可以是用户可配置的。这些阈值可与地 形的M有关。这些阈值可以是自适应的。作为非限制性示例，如 果地形的礼变变化或者重复运动的周期变化，那么阈值可能相应地 变化。 在一些实施例中，发电机104和负栽118之间的电耦合可包括无线 耦合。例如，电功率信号116或118可以利用RF发射器发送到配 备有适当RF接收器的负载lll。 上述实施例包括控制器108。在其它实施例中，其它控制电路可用 于41供控制器108的功能。这样的其它控制电路可包括模拟电路和 /或数字电路，并且可包括上述类型的控制器。本发明应被理解为包 括能够执行上述控制器108的功能的任一控制电路。 根据本发明的能量收集设备可置入外衣中，或戴在外衣下或外衣 上。 上述实施例涉及从人收集能量，但是本领域的普通技术人员应理 解，可以根据上述方法和设^^从动物(例如牲畜)收集能量。因此，本发明的范围应根据由以下权利要求所限定的内容来解释。
权利要求
1.一种从一个或多个关节的运动收集能量的设备，所述设备包括发电机，用于将机械能转换成对应的电能；一个或多个传感器，用于感测与所述一个或多个关节的运动相关的一个或多个对应的特征；以及控制电路，被连接以接收所感测的一个或多个特征，并且被配置成至少部分地基于所述一个或多个所感测的特征来评估所述一个或多个关节的运动与共生状况相关还是与非共生状况相关；其中如果所述控制电路确定所述一个或多个关节的运动与特定的共生状况相关，则所述控制电路被配置成通过完成与所述一个或多个关节的运动相关的机械能到所述发电机的耦合以及所述发电机的电输出到负载的耦合来进行能量收集；并且其中如果所述控制电路确定所述一个或多个关节的运动与非共生状况相关，则所述控制电路被配置成通过进行以下去耦合中的至少一个来停止能量收集将与所述一个或多个关节的运动相关的所述机械能与所述发电机去耦合，以及将所述发电机的所述电输出与所述负载去耦合。
2. 根据权利要求1所述的设备，其中当与所述一个或多个关节相关的 一个或多个肌肉用于使所述一个或多个关节的运动减速时，所述一个或多个关节的运动与共生状,;U目关。
3. 根据权利要求1和2中任意一项所述的设备，其中当与所述一个或 多个关节相关的 一个或多个肌肉在特定方向上产生转矩，并且所述一个 或多个关节的运动处于相反方向时，所述一个或多个关节的运动与共生状;;U目关。
4. 根据权利要求1至3中任意一项所述的设备，其中当与所述一个或 多个关节相关的一个或多个肌肉正在拉长，并且所述一个或多个肌肉具 有活动水平阈值以上的活动水平时，所述一个或多个关节的运动与共生 状况相关。
5. 根据权利要求1至4中任意一项所述的设备，其中当与所述一个或 多个关节相关的一个或多个肌肉在负机械功率操作模式下操作时，所述 一个或多个关节的运动与共生状况相关。
6. 根据权利要求1至5中任意一项所述的设备，其中当完成与所述一 个或多个关节的运动相关的所述机械能到所述发电机的耦合以及所述发电机的电输出到所述负栽的耦合，导致以下中的至少一个时，所述一个或多个关节的运动与共生状况相关与所述一个或多个关节的运动相关 的作用力减小；与所述一个或多个关节的运动相关的代谢值减小；以及 与所述一个或多个关节的运动相关的心率减小。
7. 根据权利要求1至6中任意一项所述的设备，其中所述特定的共生 状况包括以下中的至少一个所有共生状况；以及由所述控制电路确定 为适合于能量收集的共生状况的子集。
8. 根据权利要求1至7中任意一项所述的设备，包括用于将与所述一置。
9. 根据权利要求8所述的设备，其中所述;W^耦合装置包括离合器， 所述离合器在接合时，将与所述一个或多个关节的运动相关的所述机械 能传递到所述发电机，并且在分离时，将与所述一个或多个关节的运动 相关的所i^械能的所述传递与所iOC电机去耦合。
10. 根据权利要求9所述的设备，其中所述离合器在所述一个或多 个关节在第一方向上运动期间接合，而在所述一个或多个关节在与所述 第一方向相反的第二方向上运动期间分离。
11. 根据权利要求10所述的设备，其中所述离合器包括滚柱离合器。
12. 根据权利要求10至11中任意一项所述的设备，其中所述第一 方向包括所述一个或多个关节围绕一个或多个对应关节轴的伸展，而所 述第二方向包括所述一个或多个关节围绕所述一个或多个对应关节轴的弯曲。
13. 根据权利要求10至11中任意一项所述的设备，其中所述第一 方向包括所述一个或多个关节围绕一个或多个对应关节轴的弯曲，而所 述第二方向包括所述一个或多个关节围绕所述一个或多个对应关节轴的伸展。
14. 根据权利要求9所述的设备，其中所述离合器可响应于来自所述控制电路的信号而在其接合配置和其分离配置之间切换，其中如果所述控制电路确定所述一个或多个关节的运动与所述特定的共生状况相关，则所述控制电路被配置成通过将所述离合器切换到其接合配置来进行能量收集，并且其中如果所述控制电路确定所述一个或多个关节的运 动与非共生状况相关，则所述控制电路被配置成通过将所述离合器切换到其分离配置来停止能量收集。
15. 根据权利要求8、 9和14中任意一项所述的设备，其中所述机 械耦合装置包括单向转矩传递机构，所述单向转矩传递机构用于将与所 述一个或多个关节在第一方向上的运动相关的机械能传递到所述发电 机，以及用于将与所述一个或多个关节在与所述第一方向相反的第二方 向上的运动相关的机喊能的传递与所iOL电机去耦合。
16. 根据权利要求8、 9和14中任意一项所述的设备，其中所# 械耦合装置包括机械整流器，所述机械整流器被连接，使得所述一个或 多个关节在第一方向上的运动引起所述机械整流器在对应的第一方向上 的对应运动，并且所述一个或多个关节在与所述第一方向相反的第二方 向上的运动引起所述机械整流器在所述对应的第一方向上的对应运动。
17. 根据权利要求16所述的设备，其中所i^械整流器包括单向转矩传递机构对，被连接以使得所述一个或多个关节在所述第一 方向上的运动引起所述单向转矩传递机构对中的第一单向转矩传递机构 在所述对应的第一方向上的对应运动，并且所述一个或多个关节在所述第 二方向上的运动引起所述单向转矩传递机构对中的第二单向转矩传递机 构在与所述对应的第一方向相反的对应的第二方向上的对应运动；以及^逆变器，耦合到所述单向转矩传递机构对中的所述第二单向转矩 传递 M勾，用于将所述单向转矩传递机构对中的所述第二单向转矩传递机 构在所述对应的第二方向上的运动转换成所述逆变器在所述对应的第一 方向上的运动。
18. 根据权利要求1至7中任意一项所述的设备，包括电耦合装置， 所述电耦合装置用于将所i^iC电机的电能输出传递到所述负载。
19. 根据权利要求18所述的设备，其中所述电耦合装置包括开关， 所述开关在闭合时，将所述发电机的所述电能输出传递到所述负载，并 且在断开时，将所iUC电机的所述电能输出的传递与所述负载去耦合。
20. 根据权利要求19所述的设备，其中所述开关可响应于来自所述 控制电路的信号而在其断开配置和其闭合配置之间切换，其中如果所述 控制电路确定所述一个或多个关节的运动与所述特定的共生状况相关， 则所述控制电路被配置成通过将所述开关切换到其闭合配置来进行能量 收集，并且其中如果所述控制电路确定所述一个或多个关节的运动与非 共生状况相关，则所述控制电路被配置成通过将所述开关切换到其断开配置来停止能量收集。
21. 根据权利要求18至20中任意一项所述的设备，包括机械耦合 装置，所述机械耦合装置用于将与所述一个或多个关节的运动相关的所 ^械能传递到所述发电机。
22. 根据权利要求21所述的设备，其中所述^^耦合装置包括离合 器，所述离合器在接合时，将与所述一个或多个关节的运动相关的所述 机械能传递到所述发电机，并且在分离时，将与所述一个或多个关节的 运动相关的所述机械能的传递与所逸发电机去耦合。
23. 根据权利要求22所述的设备，其中所述离合器在所述一个或多 个关节在第一方向上运动期间接合，并且在所述一个或多个关节在与所 述第一方向相反的第二方向上运动期间分离。
24. 根据权利要求23所述的设备，其中所述离合器包括滚柱离合器。
25. 根据权利要求23至24中任意一项所述的设备，其中所述第一 方向包括所述一个或多个关节围绕一个或多个对应关节轴的伸展，而所 述第二方向包括所述一个或多个关节围绕所述一个或多个对应关节轴的 弯曲。
26. 根据权利要求23至24中任意一项所述的设备，其中所述第一 方向包括所述一个或多个关节围绕一个或多个对应关节轴的弯曲，而所 述第二方向包括所述一个或多个关节围绕所述一个或多个对应关节轴的伸展。
27. 根据权利要求21和22中任意一项所述的设备，其中所ii^ 耦合装置包括单向转矩传递机构，所述单向转矩传递机构用于将与所述 一个或多个关节在第一方向上的运动相关的机械能传递到所^L电机， 以及用于将与所述一个或多个关节在和所述第一方向相反的第二方向上 的运动相关的机械能的传递与所iOL电机去耦合。
28. 根据权利要求21和22中任意一项所述的设备，其中所述M 耦合装置包括机械整流器，所述机械整流器被连接，使得所述一个或多 个关节在第一方向上的运动引起所述机械整流器在对应的第一方向上的 对应运动，并且所述一个或多个关节在与所述第一方向相反的第二方向 上的运动引起所^^喊整流器在所述对应的第 一方向上的对应运动。
29. 根据权利要求8至17以及21至28中任意一项所述的设备，其 中所述机械耦合装置包括传动装置，所述传动装置用于在将与所述一个或多个关节的运动相关的所述机械能传递到所i^L电机之前，改变所述 机械能的转矩和速度特征。
30. 4艮据权利要求8至17以及21至29中任意一项所述的设备，其 中所述机械耦合装置包括负载均衡装置，所述负载均衡装置用于在将与 所述一个或多个关节的运动相关的所述机械能传递到所述发电机之前， 调节所i^械能中的时间波动。
31. 根据权利要求1至32中任意一项所述的设备，其中所述控制电 膝故配置成至少部分地基于所述一个或多个关节的重复运动的模型来评估所述一个或多个关节的运动与共生状;;U目关还是与非共生状^t目关。
32. 根据权利要求31所述的设备，其中所述一个或多个所感测的特 征中的至少一个包括与所述一个或多个关节的重复运动相关的特征。
33. 根据权利要求1至32中任意一项所述的设备，其中所述一个或 多个所感测的特征中的至少一个与所述一个或多个关节的角特征有关， 并且所述控制电路被配置成处理所述一个或多个所感测的特征中的所述 至少一个以获得所述一个或多个关节的角位置以及所述一个或多个关节 的角速度。
34. 根据权利要求33所述的设备，其中所述控制电M配置成至少 部分地基于检测所述角速度的一个或多个过零来评估所述一个或多个关 节的运动与共生状况相关还是与非共生状况相关。
35. 根据权利要求33至34中任意一项所述的设备，其中所述控制 电路被配置成至少部分地基于比较所述角位置与一个或多个阈值水平来 评估所述一个或多个关节的运动与共生状况相关还是与非共生状况相 关。
36. 根据权利要求1至32中任意一项所述的设备，其中所述一个或 多个所感测的特征中的至少一个与所述一个或多个关节的角特征有关， 并且所述控制电路被配置成处理所述一个或多个所感测的特征中的所述 至少一个以获得所述一个或多个关节的角位置。
37. 根据权利要求36所述的设备，其中所述控制电M配置成至少 部分地基于比较所述角位置与一个或多个阈值水平来评估所述一个或多个关节的运动与共生状况相关还是与非共生状;;U目关。
38. 根据权利要求1至32中任意一项所述的设备，其中所述一个或 多个所感测的特征中的至少一个与所述一个或多个关节的角特征有关，并且所述控制电路被配置成处理所述一个或多个所感测的特征中的所述 至少一个以获得所述一个或多个关节的角速度。
39. 根据权利要求38所述的设备，其中所述控制电路被配置成至少 部分地基于检测所述角速度的过零来评估所述一个或多个关节的运动与 共生状;X4目关还是与非共生状,M目关。
40. M权利要求32至33中任意一项所述的设备，其中所i^型 预测在所述重复运动的特定部分期间，所述一个或多个关节的运动与非 共生状况相关，并且针对所述重复运动的所述特定部分，所述控制电路 被配置成抑制以下中的至少 一个将与所述一个或多个关节的运动相关 的所述机械能与所U电机去耦合，以及将所述发电机的电输出与所述 负载去耦合。
41. 根据权利要求1至30中任意一项所述的设备，其中所感测的一 个或多个特征中的第 一特征包括与所述一个或多个关节的运动相关的一 个或多个肌肉的活动水平，并且其中所述控制电路被配置成至少部分地 基于比较所述活动水平与一个或多个阈值水平来评估所述一个或多个关节的运动与共生状;;U目关还是与非共生状况相关。
42. 根据权利要求41所述的设备，其中所述一个或多个所感测的特 征中的第二特征与所述一个或多个关节的角特征有关，并且所述控制电 路被配置成处理所述一个或多个所感测的特征中的所述第二特征以获得 所述一个或多个关节的角速度，并且所述控制电路被配置成至少部分地 基于检测所述角速度的符号来评估所述一个或多个关节的运动与共生状 况相关还是与非共生状况相关。
43. 根据权利要求1至42中任意一项所述的设备，其中所述设备可 安装在宿主的身体上，并且所述一个或多个关节包括所述宿主的身体的 一个或多个关节。
44. 根据权利要求1至42中任意一项所述的设备，其中所述设备被 嵌入到宿主的身体内部，并且所述一个或多个关节包括所述宿主的身体 的一个或多个关节。
45. 根据权利要求1所述的设备，其中所述设备至少部分地可安装 到皿上，并且所述一个或多个关节包括所述/Ml的一个或多个关节。
46. 根据权利要求45所述的设备，其中当所述假肢的一个或多个部 件用于使所述一个或多个关节的运动减速时，所述一个或多个关节的运动与共生状况相关。
47. 根据权利要求45至46中任意一项所述的设备，其中当所述假 肢的一个或多个部件在特定方向上产生转矩并且所述一个或多个关节的 运动处于相反方向时，所述一个或多个关节的运动与共生状况相关。
48. 根据权利要求45至47中任意一项所述的设备，其中所述负载 包括所述皿的电器件。
49. 一种用于从一个或多个关节的运动收集能量的设备，所述设备 包括发电机，用于将机械能转换成对应的电能；机械耦合装置，用于将与所述一个或多个关节的运动相关的机械能传 递到所述发电机；电耦合装置，用于将所述发电机的电能输出传递到负载；一个或多个传感器，用于感测与所述一个或多个关节的运动相关的一 个或多个对应的特征；以及控制电路，被连接以接收所述一个或多个所感测的特征，并且被配置 成至少部分地基于所述一个或多个所感测的特征来评估所述一个或多个关节的运动与共生状况相关还是与非共生状况相关，并且如果所述控制电 路确定所述一个或多个关节的运动与非共生状况相关，则停止以下中的至少一个所述机械耦合装置的机械能传递，以及所述电耦合装置的电能传 递。
50. —种用于从关节的运动收集能量的设备，所述设备包括 发电机，用于将机械能转换成对应的电能；机械耦合装置，用于将与所述关节的运动相关的机械能传递到所述发电机；以及电耦合装置，用于将所iiJC电机的电能输出传递到负载。
51. 根据权利要求50所述的设备，其中所述机械耦合装置包括离合 器，所述离合器在接合时，将与所述关节的运动相关的所述机械能传递 到所述发电机，并且在分离时，将与所述关节的运动相关的所述机械能 的传递与所述发电机去耦合。
52. 根据权利要求54所述的设备，其中所述离合器在所述关节在第一方向上运动期间接合，而在所述关节在与所述第一方向相反的第二方 向上运动期间分离。
53. 根据权利要求52所述的设备，其中所述离合器包括^离合器。
54. 根据权利要求52至53中任意一项所述的设备，其中所述第一 方向包括所述关节围绕一个或多个对应关节轴的伸展，而所述第二方向 包括所述关节围绕所述一个或多个对应关节轴的弯曲。
55. 根据权利要求52至53中任意一项所述的设备，其中所述第一 方向包括所述关节围绕一个或多个对应关节轴的弯曲，而所述第二方向 包括所述关节围绕所述一个或多个对应关节轴的伸展。
56. 根据权利要求51所述的设备，其中所述离合器可响应于来自控 制电路的信号而在其接合配置和其分离配置之间切换。
57. 根据权利要求50、 51和56中任意一项所述的设备，其中所述 机械耦合装置包括单向转矩传递机构，所述单向转矩传递机构用于将与 所述关节在第一方向上的运动相关的机械能传递到所述发电机，以及用 于将与所述关节在与所述第一方向相反的第二方向的运动相关的机械能 的传递与所述发电机去耦合。
58. 根据权利要求50、 51和56中任意一项所述的设备，其中所述 机械耦合装置包括机械整流器，所述机械整流器被连接，使得所述关节 在第一方向上的运动引起所述机械整流器在对应的第一方向上的对应运 动，并且所述关节在与所述第一方向相反的第二方向上的运动引起所述 机械整流器在所述对应的第 一方向上的对应运动。
59. 根据权利要求58所述的设备，其中所i^O^整流器包括单向转矩传递机构对，被连接以使得所述关节在所述第一方向上的运 动引起所述单向转矩传递机构对中的第 一单向转矩传递机构在所述对应 的第 一方向上的对应运动，并且所述关节在所述第二方向上的运动引起所 述单向转矩传递机构对中的第二单向转矩传递机构在与所述对应的第一方向相反的对应的笫二方向上的对应运动；以及机械逆变器，耦合到所述单向转矩传递机构对中的所述第二单向转矩 传递机构，用于将所述单向转矩传递机构对中的所述第二单向转矩传递机 构在所述对应的第二方向上的运动转换成所述逆变器在所述对应的第一 方向上的运动。
60. 根据权利要求50至55以及57至59中任意一项所述的设备， 其中所述电耦合装置包括开关，所述开关在闭合时，将所述发电机的电 能输出传递到所述负载，并且在断开时，将所i^L电机的电能输出的传 递与所述负载去耦合。
61. 根据权利要求60所述的设备，其中所述开关可响应来自所述控 制电路的信号而在其断开配置和其闭合配置之间切换。
62. 根据权利要求50至61中任意一项所述的设备，其中所it^ 耦合装置包括传动装置，所述传动装置用于在将与所述关节相关的机械 能传递到所述发电机之前，改变所g械能的转矩和iOL特征。
63. 根据权利要求50至62中任意一项所述的设备，其中所i^Wfe 耦合装置包括负载均衡装置，所述负载均衡装置用于在将与所述一个或 多个关节相关的所述机械能传递到所述发电机之前，调节所述机械能中 的时间波动。
64. 根据权利要求50至63中任意一项所述的设备，其中所述关节 包括膝关节。
65. —种用于从一个或多个关节的运动收集能量的方法，所述方法 包括提供用于将机械能转换成对应的电能的发电机； 感测与所述一个或多个关节的运动相关的一个或多个特征；至少部分地基于所述一个或多个所感测的特征来评估所述一个或多 个关节的运动与共生状况相关还是与非共生状;X4目关；如果确定所述一个或多个关节的运动与特定的共生状,;U目关，则通过完成与所述一个或多个关节的运动相关的机械能到所i^JL电机的耦合以 及所^JL电机的电能输出到负栽的耦合来进行能量收集；以及如果确定所述一个或多个关节的运动与非共生状》;U目关，则通过进行以下去耦合中的至少一个来停止能量收集:将与所述一个或多个关节的运 动相关的所i^L械能与所述发电机去耦合，以及将所逸t电机的所述电能 输出与所述负栽去耦合。
66. 根据权利要求65所述的方法，其中当与所述一个或多个关节相 关的一个或多个肌肉用于使所述一个或多个关节的运动减速时，所述一 个或多个关节的运动与共生状况相关，
67. 根据权利要求65和66中任意一项所述的方法，其中当与所述 一个或多个关节相关的一个或多个肌肉在特定方向上产生转矩，并且所 述一个或多个关节的运动处于相反方向时，所述一个或多个关节的运动与共生状;;U目关。
68. 根据权利要求65至67中任意一项所述的方法，其中当与所述 一个或多个关节相关的一个或多个肌肉正在伸展，并且所述一个或多个 肌肉具有活动水平阅值以上的活动水平时，所述一个或多个关节的运动与共生状;;W目关。
69. 根据权利要求65至68中任意一项所述的方法，其中当与所述 一个或多个关节相关的一个或多个肌肉在负机械功率操作模式下操作 时，所述一个或多个关节的运动与共生状况相关。
70. 根据权利要求65至69中任意一项所述的方法，其中当完成与 所述一个或多个关节的运动相关的机械能到所述发电机的耦合以及所述 发电机的电能输出到所述负栽的耦合，导致以下中的至少一个时，所述 一个或多个关节的运动与共生状况相关与所述一个或多个关节的运动 相关的作用力减小；与所述一个或多个关节的运动相关的代谢值减小； 以及与所述一个或多个关节的运动相关的心率减小.
71. 根据权利要求65至70中任意一项所述的方法，其中所述特定 的共生状况包括以下中的至少一个所有共生状况；以及被确定为适合 于能量收集的共生状况的子集。
72. 根据权利要求65至71中任意一项所述的方法，包括提供用于 将与所述一个或多个关节的运动相关的所述机械能传递到所U电机的 城耦合装置。
73. 根据权利要求72所述的方法，其中所i^O^耦合装置可配置成 接合配置，在所述接合配置的情况下，所述机械耦合装置将与所述一个 或多个关节的运动相关的所述机械能传递到所述发电机；并且可配置成 分离配置，在所述分离配置的情况下，所述机械耦合装置将与所述一个 或多个关节的运动相关的所述机械能的传递与所述发电机去耦合。
74. 根据权利要求73所述的方法，包括在所述一个或多个关节在第 一方向上运动期间，将所述机械耦合装置配置成其接合配置，以及在所 述一个或多个关节在与所述第一方向相反的第二方向上运动期间，将所 述^fe耦合装置配置成其分离配置。
75. 根据权利要求74所述的方法，其中所述第一方向包括所述一个 或多个关节围绕一个或多个对应关节轴的伸展，而所述第二方向包括所 述一个或多个关节围绕所述一个或多个对应关节轴的弯曲。
76. 根据权利要求74所述的方法，其中所述第一方向包括所述一个 或多个关节围绕一个或多个对应关节轴的弯曲，而所述第二方向包括所 述一个或多个关节围绕所述一个或多个对应关节轴的伸展。
77. 根据权利要求73所述的方法，包括从控制电^^出信号以使所 述^耦合装置在其接合配置和其分离配置之间切换。
78. 根据权利要求65至71中任意一项所述的方法，包括提供用于 将所iaL^电机的电能输出传递到所述负栽的电耦合装置。
79. 根据权利要求78所述的方法，其中所述电耦合装置可配置成闭 合配置，在所述闭合配置的情况下，所述电耦合装置将所述发电机的所 述电能输出传递到所述负栽；并且可配置成断开配置，在所述断开配置 的情况下，所述电耦合装置将所述发电机的所述电能输出的传递与所述 负栽去耦合。
80. 根据权利要求79所述的方法，包括从控制电#出信号以使所 述电耦合装置在其断开配置和其闭合配置之间。
81. 根据权利要求78至80中任意一项所述的方法，包括提供用于 将与所述一个或多个关节的运动相关的所述机械能传递到所iOL电机的 城耦合装置。
82. 根据权利要求81所述的方法，其中所述^Ofe耦合装置可配置成 接合配置，在所述接合配置的情况下，所述机械耦合装置将与所述一个 或多个关节的运动相关的所述机械能传递到所述发电机；并且可配置成 分离配置，在所述分离配置的情况下，所述机械耦合装置将与所述一个 或多个关节的运动相关的所*喊能的传递与所^电机去耦合。
83. 根据权利要求82所述的方法，包括在所述一个或多个关节在第 一方向上运动期间，将所述机械耦合装置配置成其接合配置；以及在所 述一个或多个关节在与所述第一方向相反的第二方向上运动期间，将所 i^iO^耦合装置配置成其分离配置。
84. 根据权利要求83所述的方法，其中所述第一方向包括所述一个 或多个关节围绕一个或多个对应关节轴的伸展，而所述第二方向包括所 述一个或多个关节围绕所述一个或多个对应关节轴的弯曲。
85. 根据权利要求83所述的方法，其中所述第一方向包括所述一个 或多个关节围绕一个或多个对应关节轴的弯曲，而所述第二方向包括所 述一个或多个关节围绕所述一个或多个对应关节轴的伸展。
86. 根据权利要求65至85中任意一项所述的方法，包括在将与所 述一个或多个关节相关的所述机械能传递到所iiiL电机之前，改变所述 机械能的转矩和速度特征。
87. 根据权利要求65至86中任意一项所述的方法，包括在将与所 述一个或多个关节相关的所述机械能传递到所i^L电机之前，调节所述 机械能中的时间波动.
88. 根据权利要求65至87中任意一项所述的方法，其中评估所述 一个或多个关节的运动与共生状况相关还是与非共生状况相关是至少部 分地基于所述一个或多个关节的重复运动的模型。
89. 根据权利要求88所述的方法，其中感测与所述一个或多个关节 的运动相关的 一个或多个特征包括感测与所述一个或多个关节的重复运 动相关的特征。
90. 根据权利要求65至89中任意一项所述的方法，其中感测与所 述一个或多个关节的运动相关的一个或多个特征包括感测所述一个或 多个关节的角特征，以及处理所述角特征以获得所述一个或多个关节的 角位置和所述一个或多个关节的角itv复。
91. 根据权利要求90所述的方法，其中评估所述一个或多个关节的 运动与共生状况相关还是与非共生状况相关包括检测所述角速度的一个 或多个it^。
92. 根据权利要求90至91中任意一项所述的方法，其中评估所述 一个或多个关节的运动与共生状况相关还是与非共生状况相关包括比较 所述角位置与 一个或多个阈值水平。
93. 根据权利要求90所述的方法，其中评估所述一个或多个关节的 运动与共生状况相关还是与非共生状况相关包括当所述角速度穿过零并 且所述角位置小于阈值时，确定所述一个或多个关节的运动与所述特定共生状;;U目关。
94. 根据权利要求93所述的方法，包括在确定所述一个或多个关节 的运动与所述特定共生状;X^目关之后，在进行能量收集之前引入延迟。
95. 根据权利要求94所述的方法，其中所i^迟是以下中的至少一 种常数；变量；以及用户可配置.
96. 根据权利要求94所述的方法，包括至少部分地基于以下中的一 个或多个来调整所述延迟的长度所述一个或多个关节的运动被确定为 共生的最近时间；所述一个或多个关节的运动被确定为非共生的最近时 间；与所述一个或多个关节的运动相关的所述一个或多个特征；以及与 所述一个或多个关节的运动相关的重复可检测亊件的最近时间。
97. 根据权利要求93至96中任意一项所述的方法，其中所述阈值 是以下中的至少一种常数；变量；以及用户可配置。
98. 根据权利要求93至96中任意一项所述的方法，包括至少部分 地基于以下中的一个或多个来调整所述阈值所述一个或多个关节的运 动被确定为共生的最近时间；所述一个或多个关节的运动被确定为非共 生的最近时间；与所述一个或多个关节的运动相关的所述一个或多个特 征；以及与所述一个或多个关节的运动相关的重复可检测事件的最近时 间。
99. 根据权利要求卯所述的方法，其中评估所述一个或多个关节的 运动与共生状况相关还是与非共生状况相关包括当所述角速度穿过零并 且所述角位置大于阈值时，确定所述一个或多个关节的运动与非共生状 W目关。
100. ^L据权利要求99所述的方法，包括在确定所述一个或多个关节 的运动与非共生状况相关之后，在停止能量收集之前引AJl迟。
101. 根据权利要求100所述的方法，其中所i^迟是以下中的至少 一种常数；变量；以及用户可配置。
102. 根据权利要求100所述的方法，包括至少部分地基于以下中的 一个或多个来调整所述延迟的长度所述一个或多个关节的运动被确定 为共生的最近时间；所述一个或多个关节的运动被确定为非共生的最近 时间；与所述一个或多个关节的运动相关的所述一个或多个特征；以及 与所述一个或多个关节的运动相关的重复可检测事件的最近时间。
103. 根据权利要求99至102中的任意一项所述的方法，其中所述阈 值是以下中的至少一种常数；变量；以及用户可配置。
104. 根据权利要求99至102中任意一项所述的方法，包括至少部分 地基于以下中的一个或多个来调整所述阈值所述一个或多个关节的运动被确定为共生的最近时间；所述一个或多个关节的运动被确定为非共 生的最近时间；与所述一个或多个关节的运动相关的所述一个或多个特 征；以及与所述一个或多个关节的运动相关的重复可检测事件的最近时 间。
105. 根据权利要求65至89中任意一项所述的方法，其中感测与所 述一个或多个关节的运动相关的所述一个或多个特征包括感测所述一 个或多个关节的角特征，以及处理所述角特征以获得所述一个或多个关 节的角位置。
106. 根据权利要求105所述的方法，其中评估所述一个或多个特征 的运动与共生状况相关还是与非共生状况相关包括比较所述角位置与一 个或多个阈值水平.
107. 根据权利要求65至89中任意一项所述的方法，其中感测与所 述一个或多个关节的运动相关的所述一个或多个特征包括感测所述一 个或多个关节的角特征，以及处理所述角特征以获得所述一个或多个关 节的角iUL
108. 根据权利要求107所述的方法，其中评估所述一个或多个特征 的运动与共生状况相关还是与非共生状况相关包括检测所述角速度的一 个或多个#。
109. 根据权利要求92所述的方法，其中所i^型预测在重复运动的 特定部分期间，所述一个或多个关节的运动与非共生状况相关，并且其 中所述方法包括针对所述重复运动的所述特定部分来抑制能量收集停 止。
110. 根据权利要求65至87中任意一项所述的方法，其中感测与所 述一个或多个关节的运动相关的 一个或多个特征包括感测与所述一个或 多个关节的运动相关的一个或多个肌肉的活动水平，并且其中评估所述 一个或多个关节的运动与共生状况相关还是与非共生状况相关包括比较 所述活动水平与一个或多个阈值水平。
111. 根据权利要求110所述的方法，其中感测与所述一个或多个关 节的运动相关的一个或多个特征包括感测所述一个或多个关节的角特 征以及处理所述角特征以获得所述一个或多个关节的角速度，并且其中 评估所述一个或多个关节的运动与共生状况相关还是与非共生状况相关 包括检测所述角速度的符号。
112. 根据权利要求111所述的方法，包括如果确定所述一个或多个关 节的运动与所述特定的共生状^4目关，则在进行能量收集之前引入延迟。
113. 根据权利要求112所述的方法，其中所^迟是以下中的至少 一种常数；变量；以及用户可配置。
114. 根据权利要求112所述的方法，包括至少部分地基于以下中的 一个或多个来调整所述延迟的长度所述一个或多个关节的运动被确定 为共生的最近时间；所述一个或多个关节的运动被确定为非共生的最近 时间；与所述一个或多个关节的运动相关的所述一个或多个特征；以及 与所述一个或多个关节的运动相关的重复可检测事件的最近时间。
115. 根据权利要求111所述的方法，包括如果确定所述一个或多个关 节的运动与非共生状^U目关，则在停止能量收集之前引入延迟。
116. 根据权利要求115所述的方法，其中所5^迟是以下中的至少 一种常数；变量；以及用户可配置。
117. 根据权利要求115所述的方法，包括至少部分地基于以下中的 一个或多个来调整所述延迟的长度所述一个或多个关节的运动被确定 为共生的最近时间；所述一个或多个关节的运动被确定为非共生的最近 时间；与所述一个或多个关节的运动相关的所述一个或多个特征；以及 与所述一个或多个关节的运动相关的重复可检测事件的最近时间。
118. 根据权利要求110至117中任意一项所述的方法，其中所述一个 或多个阈值是以下中的至少一种常数；变量；以及用户可配置。
119. 根据权利要求110至117中任意一项所述的方法，包括至少部分 地基于以下中的一个或多个来调整所述一个或多个阈值水平所述一个 或多个关节的运动被确定为共生的最近时间；所述一个或多个关节的运 动被确定为非共生的最近时间；与所述一个或多个关节的运动相关的所 述一个或多个特征；以及与所述一个或多个关节的运动相关的重复可检 测事件的最近时间。
120. —种用于从关节的运动收集能量的方法，所述方法包括提供用于将机械能转换成对应的电能的发电机；将所述关节机械地耦合到所述发电机以将来自所述关节的机械能传 递到所^Jt电机；以及将来自所iOC电机的所述电能输出电耦合到负载。
121. —种用于从一个或多个关节的运动收集能量的设备，所述设备 包括用于将与所述一个或多个关节的运动相关的机械能转换成电能的装置；用于评估所述一个或多个关节的运动与共生状况相关还是与非共生 状^4目关的装置；以及用于如果评估装置确定所述一个或多个关节的运动与特定的共生状 ;;U目关，则完成与所述一个或多个关节的运动相关的机械能到所述转换装 置的耦合以及所述转换装置的电能输出到负载的耦合的装置；以及用于进行以下分离中的至少一个的装置将与所述一个或多个关节的运动相关的机械能与所述转换装置 分离；以及如果所述评估装置确定所述一个或多个关节的运动与非共生状 况相关，则将所述转换器的电能输出与所述负栽分离。
122. —种用于从一个或多个关节的运动收集能量的设备，所述设备 包括发电机，耦合到所述一个或多个关节以及负栽，用于将与所述一个或 多个关节的运动相关的机械能转换成传递到所述负栽的对应的电能；一个或多个传感器，用于感测与所述一个或多个关节的运动相关的一 个或多个对应的特征；以及控制电路，被连接以接收所述一个或多个所感测的特征，并被配置成 至少部分地基于所述一个或多个所感测的特征来评估所述一个或多个关 节的运动与共生状况相关还是与非共生状况相关；以及如果所述控制电路 确定所述一个或多个关节的运动与非共生状;;U目关，则进行以下去耦合中 的至少一个将所逸义电机与所述一个或多个关节去耦合；以及将所iOL 电机与所述负载去耦合。
123. —种用于从一个或多个关节的运动收集能量的方法，所述方法 包括提供发电机，所述发电机耦合到所述一个或多个关节和负载，用于将 与所述一个或多个关节的运动相关的机械能转换成传递到所述负载的对 应的电能；感测与所述一个或多个关节的运动相关的一个或多个特征；至少部分地基于所述一个或多个所感测的特征来评估所述一个或多 个关节的运动与共生状况相关还是与非共生状况相关；如果确定所述一个或多个关节的运动与非共生状况相关，则进行以下 去耦合中的至少一个将所Ut电机与所述一个或多个关节去耦合；以及 将所iiiL电机与所述负载去耦合。
全文摘要
公开了用于从一个或多个关节的运动收集能量的方法和设备。能量收集器包括能量转换器，用于将机械能转换成对应的电能；一个或多个传感器，用于感测与一个或多个关节的运动相关的一个或多个对应的特征；以及控制器，被连接以接收一个或多个所感测的特征，并且被配置成至少部分地基于一个或多个所感测的特征来评估所述一个或多个关节的运动与共生状况相关还是与非共生状况相关。如果确定为共生状况，则进行能量收集。如果确定为非共生状况，则停止能量收集。
文档编号H02K7/18GK101263641SQ200680033060
公开日2008年9月10日 申请日期2006年8月10日 优先权日2005年8月10日
发明者华金·安德烈斯·霍费尔, 李庆国, 詹姆斯·麦克斯维尔·唐兰, 道格拉斯·韦伯, 阿瑟·D·国 申请人:仿生能源有限公司