CN109789048A - 用于外骨骼***中的压力检测的装置、***和方法 - Google Patents

用于外骨骼***中的压力检测的装置、***和方法 Download PDF

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Abstract

本公开的实施例涉及用于在外骨骼***中提供安全功能的装置、***和方法。特别地，一些实施例利用传感器***和方法与外骨骼装置一起使用以促进这种安全功能。例如，一种用于调节施加在外骨骼的用户上的负荷量的***可以包括一个或多个传感器，用于感测与由外骨骼的一部分施加在用户的肢体上的力的大小相关的数据；通信部件，用于将感测数据传输到可操作地耦联到外骨骼的处理单元；以及处理单元，用于处理数据以确定施加力的大小，并且基于确定的力的大小生成指令以触发外骨骼的操作模式。

Description

用于外骨骼***中的压力检测的装置、***和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年10月7日提交的，名称为“用于外骨骼***中的压力检测的装置、***和方法”的美国临时专利申请No.62/405,719的优先权，其公开内容通过引用完整并入本文。
技术领域
本公开的实施例涉及用于在外骨骼***中提供安全功能的装置、***和方法。特别地，一些实施例利用传感器***和方法与外骨骼装置一起使用/用于外骨骼装置以实现这样的安全功能。
背景技术
各种条件导致个体残疾的发生，残疾限制或消除个体稳定步态和/或移动的能力，其示例包括神经和物理损伤。外骨骼(“外部骨骼”)已被用于允许这样的个体在很少或根本没有额外的支持的情况下重新获得其站立和/或移动的部分或全部能力，尽管他们有残疾。
发明内容
本公开的实施例包括一种用于调节施加在外骨骼的用户上的负荷量的***，所述***包括：一个或多个传感器，用于感测与由所述外骨骼的一部分施加在用户的肢体上的力的大小相关的数据；以及通信部件，用于将感测数据传输到可操作地耦联到所述外骨骼的处理单元；所述处理单元配置成处理数据以确定施加力的大小并且基于确定的力的大小生成指令以触发所述外骨骼的操作模式。在一些实施例中，所述一个或多个传感器可以包括应变或压力计。在一些实施例中，所述一个或多个传感器可以包括配置成测量在所述外骨骼的膝盖处形成的角度的传感器。此外，所述外骨骼的所述部分可以是配置成为用户的腿的下肢提供支撑的所述外骨骼的膝盖下前支撑件(ABKS)。
在一些实施例中，所述处理单元可以配置成当确定的力的大小超过预定阈值时生成指令。在一些实施例中，所述预定阈值可以取决于用户的重量。此外，在一些实施例中，所述外骨骼的操作模式可以包括塌缩模式，其中所述外骨骼将其自身降低到坐位或地面。在一些实施例中，所述塌缩模式可以是优雅的或受控的塌缩模式。在一些实施例中，本文公开的***可以包括用户接口，所述用户接口配置成在生成触发指令之前向用户提供通知。
在一些实施例中，本公开的实施例包括一种用于调节施加在外骨骼的用户上的负荷量的方法，所述方法包括以下步骤：从一个或多个传感器接收与在所述外骨骼从坐位到站位的过渡期间由所述外骨骼的一部分在用户的肢体上施加的力的大小相关的数据；处理数据以确定施加在用户的肢体上的力的大小；基于确定的力的大小生成指令以改变所述外骨骼的操作；以及将指令传输到所述外骨骼装置以便改变所述外骨骼的操作。所述方法也可以包括在将指令传输到所述外骨骼装置之前向用户提供警告的步骤。在一些实施例中，所述数据可以包括在所述外骨骼的脚板和地面之间的摩擦力。此外，所述数据可以包括在坐位和站位之间的过渡期间在所述外骨骼的膝盖处形成的角度。另外，所述数据可以包括在过渡期间所述外骨骼的膝盖弯曲角度。
附图说明
参考附图和以下描述可以更好地理解根据本公开的一些实施例的***、装置和方法的原理和操作。给出这些附图仅用于说明目的，并不意味着限制。
图1A-B示出了根据一些实施例的配置成允许残疾个体(例如，截瘫者)重新获得他们的一些或全部的站姿和步态能力的外骨骼装置的示例性前视图和后视/透视图。图1C示出了根据一些实施例的用于将用户固定到这样的外骨骼装置的带子的透视侧视图/前视图。
图2示出了根据一些实施例的外骨骼装置的腿的示例性图示。
图3A示出了根据一些实施例的外骨骼装置的膝盖下前支撑件(ABKS)的示例性图示。图3B示出了根据一些实施例的施加在外骨骼装置的ABKS上的力的自由体受力图。
具体实施方式
参考附图和以下描述可以更好地理解根据本公开的一些实施例的***、装置和方法的原理和操作。给出这些附图仅用于说明目的，并不意味着限制。尽管适合于各种应用，但是通过示例而非限制的方式在本文中描述了特定实施例，以便说明本发明的原理和特征。
参考图1A-C，在一些实施例中，示出了示例性外骨骼装置和相关附件，其配置成允许残疾个体(例如，截瘫者)重新获得他们的一些或全部的站姿和步态能力。外骨骼装置100包括配置成为外骨骼100的用户的肢体提供支撑的支架。例如，外骨骼100可以包括上肢支撑件9和下肢支撑件10，其分别为用户的腿的上部分(例如，大腿)和下部分(例如，小腿)提供支撑。此外，外骨骼100可以包括脚板11以在外骨骼使用时支撑用户的脚。在一些实施例中，外骨骼100也可具有为用户身体的上部或躯干提供支撑的部件。例如，外骨骼可以包括背部支撑件，外骨骼100的用户可以使用所述背部支撑件来支撑她/他的背部，例如衬垫1(从前视图示出)和3(从后视图示出)。也包括骨盆支撑件8。在一些实施例中，用户可以通过带子固定到这些支架和支撑件中的一些或全部，所述带子配置成允许外骨骼100的部件牢固且舒适地附接到用户身体的相应部分。例如，大腿带4、膝上带5和/或肩带13可以包括在外骨骼装置100中，以便在外骨骼100和用户之间提供牢固的连接。在一些实施例中，也可以有带子保持器14。在一些实施例中，外骨骼100也可以包括前膝盖托架或膝盖前下支撑件(ABKS)6，其通过邻接膝关节下方的腿的前部而为用户的腿提供支撑。
在一些实施例中，外骨骼100的操作可以经由控制器组12来控制，所述控制器组可以包括控制器(例如，以可编程处理器的形式)、存储器、通信部件、电源(例如，电池)和/或类似物。在一些情况下，控制器组12可以佩戴在使用外骨骼100的人的背部上，或者控制器组12的各种部件可以附接到或结合在外骨骼100的各种部件中，例如支架或支撑件9、10。在一些实施例中，控制器组12或其部件可以在外骨骼100的外部，并且用于外骨骼100的操作的指令可以无线地发送到外骨骼装置100(例如，发送到外骨骼100的板载通信部件)。
在一些实施例中，外骨骼100可以包括传感器7，所述传感器配置成收集与用户/外骨骼的站姿和/或步态相关的数据。在一些实施例中，传感器7也可以测量诸如温度等的环境条件。可以用于收集站姿/步态数据的传感器7的示例包括测量例如用户/外骨骼躯干的倾斜的度数和/或取向的倾斜传感器。这种传感器7的另一示例包括应变仪或传感器，其检测和测量施加在外骨骼100的一个或多个位置上的力或压力。例如，应变仪可以放置在用户身体的肢体和外骨骼100的部件进行接触的接触点处，例如在支架、支撑件、带子等处。其它示例包括加速度计、陀螺仪和/或任何其它传感器。在一些实施例中，外骨骼装置100可以包括诸如电池的电源，用于为装置的电子部件供电。这样的电源可以是可再充电的，并且在这样的实施例中，外骨骼100可以包括充电窗口2，其允许人能够将外部电源***外骨骼100的电源(例如，可再充电电池)。在一些实施例中，外骨骼100也可以包含用于启动/停用外骨骼100和/或其各种部件的打开/关闭开关。例如，这种开关可以位于充电窗口2的附近。外骨骼装置的各个方面已在以下申请和出版物中描述，所有这些都通过引用整体并入本文：
-2006年12月26日授权的，于2001年5月24日提交，名称为“步态移动马达装置”的美国专利No.7,153,242；
-2014年12月9日授权的，于2013年1月7日提交，名称为“运动辅助装置和方法”的美国专利No.8,905,955；
-2012年4月26日公开的，于2010年10月21日提交的，名称为“具有集成倾斜传感器的运动辅助装置”的美国专利公报No.2012/0101415；
-2013年9月26日公开的，于2012年3月21日提交的，名称为“机动外骨骼单元”美国专利公报No.2013/0253385；
-2014年1月2日公开的，于2012年6月28日提交，名称为“用于外骨骼装置的气囊”的美国专利公报No.2014/0005577；
-2014年7月17日公开的，于2013年1月17日提交的，名称为“带拐杖的步态装置”的美国专利公报No.2014/0196757；
-2016年7月6日提交的，名称为“用于外骨骼附接的方法和装置”的PCT国际专利申请PCT/IL2016/050723；
-2016年10月16日提交的，名称为“用于控制外骨骼的装置和***”的PCT国际专利申请No.PCT/IL2016/051125；
-2016年12月4日提交的，名称为“用于为外骨骼的支撑件提供动力的装置和***”的PCT国际专利申请No.PCT/IL2016/051296；以及
-2017年4月13日提交的，名称为“用于外骨骼的优雅塌缩的装置和***”的PCT国际专利申请No.PCT/IL2017/050453。
在一些实施例中，外骨骼100可以由用户使用以保持步态以及在坐位和站位之间过渡。然而，在坐位和站位之间的过渡期间，可以对用户的肢体以及外骨骼100的各种部件和关节施加大量的压力或应力。例如，在从坐到站立的过渡期间，当用户的重量在另一侧由ABKS支撑时，用户的上体可以推抵外骨骼100的骨盆结构。取决于来自ABKS的支撑量(其也可能取决于用户的重量)，可能对用户的骨骼施加大量压力，这可能是不舒服的或甚至不利于用户的健康。例如，这种压力可能导致骨折。因此，在一些实施例中，提供了一种安全机构，其监测和调节施加在用户肢体上的压力或应力的大小。例如，当骨压力开始变得过大时，安全机构可以提供警告，使得用户和/或外骨骼可以调节以避免过度的压力。在这种情况下，过度可能意味着骨压力在超过外骨骼的阈值的约25％，约20％，约15％，约10％，约5％，约1％内，约等于阈值(高于阈值可以中断或修改坐和站立之间的过渡)。在一些实施例中，安全机构可以触发受控塌缩模式，其中外骨骼100中断到站位的过渡并且安全地使用户返回到坐位。
在一些实施例中，参考图2，外骨骼100可以包括传感器，所述传感器配置成检测和测量可能在用户的肢体和外骨骼100和/或将用户固定到外骨骼的带子之间的接触点处发生的应力。例如，这种应变传感器或应变计可以位于用户支撑位置，例如骨盆支撑件(和骨盆支撑件的连接件210)、上肢支撑件220、膝上托架或支撑件230、下肢支撑件250、脚板260和/或类似物。传感器也可以位于将用户固定到外骨骼的腿的带子处，例如，参考图1，大腿带4、肩带13、胸背带等。在一些实施例中，应变传感器或应变计可以位于前膝盖托架或ABKS240处。当用户坐下时(图2)，在一些实施例中，位于ABKS 240处的应变传感器280可以检测并测量施加到托架上的负荷或压力270，在平衡时，其可以基本上等于施加回用户腿(因此，骨)上的应力。由于用户的重力基本上是竖直的并且压力270是水平的，因此用户的重力对压力或负荷270的贡献在坐姿可能不显著。然而，当用户从坐位过渡到站位时，在一些实施例中，存在沿着用户的上肢的长度对准的用户重力的非零分量。换句话说，参考图3A，在一些实施例中，用户的重力有助于施加到ABKS 330上的负荷320(其也可以对应于施加回用户腿的力)。在一些实施例中，可以存在位于ABKS 330上(或其附近)的附加传感器，其提供附加数据以便于确定施加在用户的腿或骨上的压力。例如，可以提供倾斜或角度传感器(未示出)，其可以测量上肢/上肢支撑件的膝盖弯曲角度α。
图3B示出了当外骨骼的用户在坐位和站位之间过渡(反之亦然)时发生的力的自由体受力图。当用户/外骨骼上升时，在一些实施例中，用户的上肢(等效地，外骨骼的上肢支撑件)可以定向成与竖直方向形成角度α。用户的重力Mg竖直向下指向，因而，沿着用户的上肢指向的重力分量可以表示为Mgcos(α)。当脚板在站立过程中推动地面时，地面还提供推压外骨骼的脚板的底部的摩擦力fN。这里同样，可以沿着上肢或上肢支撑件的方向定向的摩擦力的分量可以由-fN cos(α)给出，其中fN是由地面施加到外骨骼的脚板的竖直法向力(负号表示与重力分量的方向相反的分量的方向)。因此，位于ABKS 330上(例如，位于310处)的应变传感器或应变计可以测量对应于重力分量和摩擦分量之间的差的负荷或力320Fsensor。例如，Fsensor可以等于或基本等于0.5(Mgcos(α)–fN cos(α))。在一些实施例中，当支撑用户时ABKS施加回用户腿上的回复力可以等于或基本等于Fsensor＝0.5(Mgcos(α)–fN cos(α))。在一些实施例中，负荷或力320可以不在用户的左腿和右腿之间平衡，并且在这种情况下，由左腿和右腿上的不同传感器测量的Fsensor可以是不同的。例如，一个腿上的传感器可以检测到Fsensor＝β(Mgcos(α)–fN cos(α))的负荷或力320，其中β可以在约0到约1的范围内，而另一个腿上的传感器可以检测到Fsensor＝(1-β)(Mgcos(α)–fN cos(α))的负荷或力320。
在一些实施例中，可能希望限制Fsensor的大小，原因是ABKS施加回用户腿(并且因此施加到腿骨)的力或压力与Fsensor相同或至少基本相同。换句话说，为了避免不适或甚至诸如骨折的健康风险，人们可能希望限制或最小化传感器测量并且也施加在用户腿上的力。
在一些实施例中，应变传感器或应变计和/或外骨骼的其它附加传感器(例如测量取向、倾斜等的传感器)可以将由传感器收集的数据传输到外骨骼的控制器组的处理单元和/或可操作地耦联到外骨骼的外部处理单元。例如，传感器可以收集关于用户的重量、膝盖弯曲角度α、法向力fN(例如，由位于外骨骼的脚板处的传感器测量)等的数据，并且至少将这些数据传输到所述处理单元。传输可以通过通信部件进行，所述通信部件配置成在传感器和布置在控制器组中和/或在外骨骼外部的处理单元之间建立通信。在一些实施例中，处理单元然后可以确定在用户肢体和外骨骼部件(例如ABKS 330)的接触点处施加的净力，如上所述(例如)。在一些实施例中，传感器可以具有至少一些处理能力来计算所施加的净力，并将计算结果传输到处理单元。然后，处理单元可以确定用户肢体上的负荷或压力是否接近或超过阈值，并且如果是，则确定是否生成并向用户/外骨骼提供警告以适当地调节以减少过大的力。警告可以是用户接口上的显示的形式，或者可以是音频警告。在一些实施例中，基于传感器测量、计算结果和/或来自用户/外骨骼的反馈，处理单元可以触发优雅或受控的塌缩模式，其中外骨骼从坐位到站位的过渡被中断并且外骨骼安全地返回到稳定位置(例如，降低到地面)。
在一些实施例中，处理单元用于确定力或负荷是否过大的阈值可以是静态的或动态的。例如，阈值可以是静态值，例如固定力(例如，100磅等)，或者它可以是用户重力的分数。例如，阈值可以是用户重力的约25％、约35％、约45％、约一半、约75％等。作为说明性示例，阈值可以是用户重力的大约一半，并且当传感器检测到的净力Fsensor＝0.5(Mgcos(α)–fN cos(α))超过该阈值时(即，当Fsensor超过约0.5Mgcos(α)时)，处理单元可以生成并发送警告或触发受控塌缩模式，如上所述。在一些实施例中，阈值可以是动态的，即，阈值可以在使用时由用户和/或处理单元调节。例如，用户可以通过用户接口提供输入以便增加或减小阈值，然后可以通过用户接口将阈值传输到处理单元。在一些实施例中，用户可以选择完全超控警告(无论是否调节阈值)。在一些实施例中，处理单元可以基于传感器的测量、从用户或他人接收的输入、坐位和站位之间的过渡的进度或状态等来调节阈值。例如，如果当Fsensor超过阈值时处理单元确定膝盖弯曲角度α几乎为零(指示用户几乎是直立的)，则处理单元可以(暂时或永久地)调节(例如，增加)阈值以允许用户完全直立而不触发外骨骼的优雅塌缩模式。在这样的实施例中，处理单元仍然可以向用户提供警告。
在一些实施例中，当处理单元确定Fsensor已超过阈值时，它可以生成指令并将指令传输到外骨骼以进入塌缩模式。在一些实施例中，塌缩模式可以是优雅的或受控的塌缩模式，其中外骨骼从其当前状态过渡(例如，上升到站位)并以安全的方式进入稳定的“优雅塌缩”模式。受控或优雅的塌缩模式允许外骨骼装置在缓慢地将用户降低到座位或地面的同时支撑用户的重量，从而将用户置于稳定和安全的环境中。外骨骼装置的优雅塌缩模式的各个方面已在2017年4月13日提交的，名称为“用于外骨骼的优雅塌缩的装置和***”的PCT国际专利申请No.PCT/IL2017/050453中描述，其通过引用完整地并入本文。
所公开的一些实施例的各种实现方式，特别是所讨论的至少一些过程(或其部分)，可以在数字电子电路、集成电路、专门配置的ASIC(专用集成电路)、计算机硬件、固件、软件和/或其组合中实现。这些各种实现方式，例如与控制器254关联，可以包括在可编程***上可执行和/或可解译的一个或多个计算机程序中的实现，所述可编程***包括至少一个可编程处理器，其可以是专用的或通用的，耦联以从存储***、至少一个输入设备和至少一个输出设备接收数据和指令，并将数据和指令传输到存储***、至少一个输入设备和至少一个输出设备。
这样的计算机程序(也称为程序、软件、软件应用程序或代码)包括例如用于可编程处理器的机器指令/代码，并且可以用高级程序和/或面向对象的编程语言、和/或汇编/机器语言来实现。如本文所使用的，术语“机器可读介质”是指用于向可编程处理器提供机器指令和/或数据的任何计算机程序产品，装置和/或设备(例如，非暂时性介质，包括例如磁盘，光盘，闪存，可编程逻辑器件(PLD))，包括将机器指令作为机器可读信号接收的机器可读介质。术语“机器可读信号”是指用于向可编程处理器提供机器指令和/或数据的任何信号。
为了提供与用户的交互，本文描述的主题可以在具有用于向用户显示信息的显示设备(例如，LCD(液晶显示器)监视器等)和键盘和/或用户可通过其向计算机提供输入的指示设备(例如，鼠标或轨迹球、触摸屏)的计算机上实现。例如，该程序可以由分配单元、遥控器、PC、膝上型电脑、智能电话、媒体播放器或个人数据助理(“PDA”)存储、执行和操作。其它类型的设备也可用于提供与用户的交互。例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的感觉反馈(例如，视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈)，并且可以以任何形式接收来自用户的输入，包括声学、语音或触觉输入。本文描述的主题的某些实施例可以在包括后端部件(例如，作为数据服务器)，或包括中间件部件(例如，应用服务器)，或包括前端部件(例如，具有图形用户接口或Web浏览器的客户端计算机，用户可通过其与本文所述主题的实现交互)，或这种后端、中间件或前端部件的任何组合的计算***和/或设备中实现。
***的部件可以通过数字数据通信的任何形式或介质(例如，通信网络)互连。通信网络的示例包括局域网(“LAN”)、广域网(“WAN”)和因特网。根据上述一些这样的实施例的计算***可以包括客户端和服务器。客户端和服务器通常彼此远离，并且通常通过通信网络进行交互。客户端和服务器的关系借助于在各个计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序而产生。
在本申请中的任何地方出现的对出版物或其它文献的任何和所有引用，包括但不限于专利、专利申请、文章、网页、书籍等，均通过引用整体并入本文。
本文已经描述了设备、***和方法的示例性实施例。如在别处可以注意到的，已经仅出于说明性目的描述了这些实施例，而不是限制性的。其它实施例是可能的并且由本公开涵盖，这将从本文包含的教导中显而易见。因此，本公开的广度和范围不应受任何上述实施例的限制，而应仅根据本公开所支持的权利要求及其等同物来限定。此外，本主题公开的实施例可以包括方法、***和设备，其可以进一步包括来自任何其它公开的方法、***和设备的任何和所有元件/特征，包括对应于易位控制的任何和所有特征。换句话说，来自一个和/或另一个公开实施例的特征可以与来自其它公开实施例的特征互换，而这些特征又对应于其它实施例。此外，可以去除所公开的实施例的一个或多个特征/元素，并且仍然产生可获得专利的主题(并且因此，导致本主题公开的更多实施例)。可能存在于现有技术中的一个或多个特征的特定缺失同样在本公开的一些实施例的范围内。在这样的实施例中，可授予专利的权利要求可以包括否定的限制，以指示这种在现有技术中教导的例如，某些公开的装置、***和方法中的任何一个或多个中的一个或多个特征的缺失。

Claims (12)

1.一种用于调节施加在外骨骼的用户上的负荷量的***，所述***包括：
一个或多个传感器，所述一个或多个传感器用于感测与由所述外骨骼的一部分施加在用户的肢体上的力的大小相关的数据；
通信部件，所述通信部件用于将感测数据传输到可操作地耦联到所述外骨骼的处理单元；以及
所述处理单元，所述处理单元配置成处理所述数据以确定施加力的大小并且基于确定的力的大小生成指令以触发所述外骨骼的操作模式。
2.根据权利要求1所述的***，其中所述一个或多个传感器包括应变或压力计。
3.根据权利要求1所述的***，其中所述一个或多个传感器包括配置成测量在所述外骨骼的膝盖处形成的角度的传感器。
4.根据权利要求1所述的***，其中所述外骨骼的所述一部分是配置成为用户的腿的下肢提供支撑的所述外骨骼的膝盖下前支撑件(ABKS)。
5.根据权利要求1所述的***，其中当确定的力的大小超过预定阈值时所述处理单元生成指令。
6.根据权利要求5所述的***，其中所述预定阈值取决于用户的重量。
7.根据权利要求1所述的***，其还包括用户接口，所述用户接口配置成在生成触发指令之前向用户提供通知。
8.根据权利要求1所述的***，其中所述外骨骼的操作模式包括塌缩模式，其中所述外骨骼将其自身降低到坐位或地面。
9.一种用于调节施加在外骨骼的用户上的负荷量的方法，所述方法包括：
从一个或多个传感器接收与在所述外骨骼从坐位到站位的过渡期间由所述外骨骼的一部分施加在用户的肢体上的力的大小相关的数据；
处理所述数据以确定施加在用户的肢体上的力的大小；
基于确定的力的大小生成指令以改变所述外骨骼的操作；以及
将指令传输到外骨骼装置以便改变所述外骨骼的操作。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述数据包括在所述外骨骼的脚板和地面之间的摩擦力。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述数据包括在过渡期间在所述外骨骼的膝盖处形成的角度。
12.根据权利要求9所述的方法，其还包括在将指令传输到所述外骨骼装置之前向用户提供警告。
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