用于通过外部施加力调整动力矫形装置的运动的界面的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请案的夺叉参考
[0002] 本申请案主张2013年1月16日申请的且标题是"用于通过外部施加力调整动力 矫形装置的运动的界面（Interface for Adjusting the Motion of a Powered Orthotic Device Through Externally Applied Forces)" 的第 61/753, 252 号美国临时申请案的权 益。
技术领域
[0003] 本发明涉及一种辅助肌肉功能或控制受损的患者的肌肉功能的康复及恢复的装 置及方法。更特定地说，本发明涉及一种适用于对已损坏附属器的神经肌肉/肌肉功能的 患者的治疗用途的装置及方法，且包含针对包含（但不限于）行走的活动增强附属器的改 善功能的支具的机动化系统及相关控制系统。
【背景技术】
[0004] 数百万人遭遇行走能力的部分或完全缺失。此缺陷状态可由外伤、中风或造成影 响肌肉控制的失调的其它医疗状况引起。无关于起因，行走损伤的开始及持续可造成折磨 人的额外负面的身体及/或心理后果。为了改善行走损伤的患者的健康及生活质量，可改 善或恢复行走功能的装置的开发对于医学治疗群体具有重大实用性。在行走损伤以外，存 在干扰附属器的肌肉控制的广泛医疗状况（造成功能缺失）及折磨人的其它不利状况。医 学治疗群体对改善或恢复此类功能的装置开发也极为感兴趣。
[0005] 医学领域中开发了人类外骨骼装置以恢复及康复具有影响肌肉控制的失调的人 的适当肌肉功能。此类外骨骼装置是可施加力于穿戴者的附属器的机动化支具的系统。在 康复机构中，外骨骼受控于使用多个可能输入中的一者以命令外骨骼控制系统的理疗师。 继而，外骨骼控制系统致动机动化支具的定位，从而造成施加力于外骨骼穿戴者的身体且 通常造成外骨骼穿戴者的身体移动。
[0006] 外骨骼控制系统规定且控制外骨骼的关节中的轨迹。此类轨迹可被规定为基于位 置、基于力或所述两种方法论的组合（例如阻抗控制器中所见）。基于位置的控制系统可 直接通过修改所规定位置来修改。基于力的控制系统也可直接通过修改所规定力分布来修 改。
[0007] 在康复工作阶段期间及/或康复过程中，理疗师能够取决于患者的特定生理机能 或康复阶段修改所规定位置及/或所规定力分布是极为有利的。构建实现康复期间理疗师 希望的全范围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，控制界面不但 允许理疗师可能希望的全范围修改，而且与理疗师的介接对于理疗师来说是直观的（理疗 师不一定是极具技术指向型的理疗师）。
[0008] 仍然需要提供一种允许理疗师使用类似于在使用基于外骨骼的技术之前对患者 的附属器使用的方法的命令方法直观地修改外骨骼的所规定位置及/或所规定力分布的 装置及方法。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的是为了提供一种允许理疗师使用命令动作直观地修改所规定外骨 骼位置及/或力的输入装置及方法。
[0010] 本发明的另一目的是为了提供一种输入方法，其是使用外骨骼之前的标准康复护 理的推论，外骨骼的使用使理疗师对于输入方法的理解及使用在概念上并不复杂且身体上 感到舒适。
[0011] 本发明的额外目的是为了提供一种此输入装置及方法的外骨骼穿戴者中心应用。 [0012] 更具体地说，本文中揭示了一种允许理疗师使用命令动作直观地修改所规定外骨 骼位置及/或力的输入装置及方法。此外，输入装置及方法是使用外骨骼之前的当前标准 的康复护理的推论，外骨骼的使用使输入方法简单、理疗师对输入方法的理解及与其的互 动在概念上并不复杂且身体上感到舒适。本发明还涉及一种此输入装置及方法的额外外骨 骼穿戴者中心应用。
[0013] 开发输入布置的概念以使理疗师控制及修改康复期间由外骨骼控制系统规定的 位置及/或力。因为这里呈现的概念同样适用于基于位置、力及混合"阻抗"的控制策略， 所以由外骨骼控制系统规定的位置及/或力在本发明中可称作外骨骼轨迹。
[0014] 本发明的第一实施例包括一种装备有力感测手柄的外骨骼装置，其中力感测手柄 安装到外骨骼装置的结构且包含一或多个传感器以测量通过力感测手柄传输的力。外骨骼 装置还包含一种控制系统，其包含用于来自力感测手柄的经测量力的力解译结构。外骨骼 轨迹是由控制系统修改使得经测量力通过修改外骨骼轨迹而减小。在第一实施例中，力感 测手柄使得理疗师能够以极其直观方式实时地修改外骨骼轨迹。
[0015] 在第二实施例中，外骨骼轨迹不但被实时修改，而且在特定外骨骼轨迹周期的多 次重复中加以修改。此使得理疗师能够使用力感测手柄修改外骨骼装置的未来移动。在此 实施例中，理疗师被提供一种既直观又极其灵活的输入系统以修改外骨骼轨迹以优化患者 的康复好处。用于修改外骨骼轨迹的此既直观又灵活的输入布置是有利的，因为理疗师经 训练以了解特定移动及特定患者的最大康复好处所需的特定移动的修改。通过混合多个步 态周期内的起始轨迹及理疗师的输入，外骨骼控制系统可使得理疗师能够塑形且完善轨迹 直到轨迹成为其希望的轨迹为止。重要的是，理疗师可使用力感测手柄以直观方式将轨迹 上的大量信息传达到外骨骼控制系统。由于机器人系统通常以重复任务为目标，此实施例 的设计及使用所需的周期控制及混合技术为机器人学及外骨骼控制领域的技术人员充分 了解。
[0016] 在第三实施例中，外骨骼的穿戴者能够容易使用其它附属器操控外骨骼连接附属 器，包含穿戴者使用手臂来操控外骨骼承载腿。在此实施例中，外骨骼轨迹是由外骨骼控制 系统修改使得通过修改外骨骼轨迹最小化来自力感测手柄的经测量力。
[0017] 在第四实施例中，力感测手柄上的力传感器的作用仅仅是开关，指示当手柄被操 作者抓住时，操作者（可为外骨骼的穿戴者或理疗师）希望移动外骨骼装置的部分及外骨 骼穿戴者的附接附属器。在此情况中，外骨骼将估计施加于装置关节处以抵消附属器及外 骨骼的重量所需的扭力（通常称作"重力补偿"的控制类型）且当操作者抓住手柄时施加 扭力。由于附属器'无重量'，控制外骨骼的人可容易如上所述般操纵附属器。在一些实施 例中，开关甚至无需由手柄构成，反而可为任何用户界面，例如外骨骼装置上其它地方或控 制垫上的开关，或可由语音或手势命令或由外骨骼控制领域的技术人员已知的多种替代控 制方法中的任一者启动。
[0018] 第五实施例给外骨骼穿戴者或理疗师提供一种直观输入布置以修改未来外骨骼 移动的轨迹。在此实施例中，外骨骼轨迹是由外骨骼控制系统根据预定/预选定参数的量 值且基于力感测手柄中测量的力而修改。
[0019] 在所有实施例中，力感测手柄可使用通常可用的应变仪、力感测电阻器、力敏结 构、Piezeoresistive传感器、Piezeoresistive结构制成，或可用观察者类型算法估计，或 用外骨骼控制领域的技术人员轻易明白的多种其它方法制成。在一些实施例中，力传感器 可包含经配置以产生力量值及方向的两个或两个以上力传感器。在一些情况中，力敏手柄 可为装置的结构的部分。
[0020] 在所有实施例中，力感测手柄可安装在外骨骼结构上的多个位置中，其中采用减 小或最小化力感测手柄上的力的控制方法论。在所有安装位置中，第一实施例允许理疗师 针对当前或实时移动直观地修改外骨骼的轨迹；第二实施例允许理疗师针对当前移动及未 来移动两者直观地修改外骨骼的轨迹；第三实施例允许外骨骼穿戴者使用其仍然控制的附 属器直观地操控其外骨骼附接附属器；第四实施例允许外骨骼穿戴者或理疗师直观地操控 外骨骼附属器；且第五实施例给外骨骼穿戴者或理疗师提供一种修改未来移动的轨迹的直 观输入系统。
[0021] 在所有实施例中，力感测手柄可制造成与外骨骼结构成一体式。在此配置中，最小 化手柄的重量及周长可能是优选的。力感测手柄还可经制造使得其在不使用时被个别地折 叠起来。在此配置中，维持凸出手柄的可用性，但是当手柄不使用时，可最小化外骨骼的形 状因数。
[0022] 力感测手柄可经制造使得其在不使用时个别地脱离外骨骼。在此配置中，维持附 接手柄的可用性，但是当手柄不使用时，可最小化外骨骼的形状因数。在此配置中，可通过 允许理疗师或外骨骼穿戴者具有增强外骨骼控制系统的更直观使用的多个手柄定位选项 而增加手柄的可用性。
[0023] 可采用额外力感测手柄变体。例如，力感测手柄可经制造使得其最大化人体工程 学、舒适性及功能以供理疗师在相对于外骨骼的各个定向上使用；及/或力感测手柄可经 制造使得其最大化人体工程学、舒适性及功能以供外骨骼的穿戴者使用。此外，力感测手 柄可被相关控制物体取代，所述相关控制物体包含但不限于转盘、杠杆、按钮、操纵杆、触控 板、开关、握柄、捏手或任何类似物体或装置。
[0024] 在所有实施例中，外骨骼结构可部分或全部由多个压力/力传感器覆盖。在此配 置中，穿戴者或理疗师将对选取通过压力/力传感器与外骨骼的互动的位置具有极大自主 权。在一个形式中，外骨骼穿戴者的暴露衣服可被多个压