用于來自下肢矯形器的通信的人機界面的制作方法
【專利說明】用于來自下肢矯形器的通信的人機界面
[0001] 相關申請案的奪叉參考
[0002] 本申請案主張2013年3月14日申請的標題為"用于來自下肢矯形器的通信的人 機界面（Machine to Human Interfaces for Communication from a Lower Extremity Orthotic) "的序列號為61/781，347的美國臨時申請案的權利。
【背景技術】
[0003] 本發(fā)明涉及輔助肌肉機能或控制受損的患者康復及恢復肌肉機能的裝置及方法。 更特定來說，本發(fā)明涉及適合于附肢的神經(jīng)肌肉/肌肉機能受損的患者的治療用途的裝置 及方法，其包括對于包含（但不限于）行走的活動增強附肢的改善機能的電動支架系統(tǒng)及 相關控制系統(tǒng)。
[0004] 數(shù)百萬人患有行走能力的部分或全部喪失。此殘疾狀態(tài)可源于外傷性損傷、中風 或導致影響肌肉控制失調的其它醫(yī)學病況。無論起因如何，行走機能障礙的發(fā)病及持續(xù)可 對患病個體造成額外不利的生理及/或心理后果。為了改善具有行走機能障礙的患者的健 康及生活質量，開發(fā)能改善或恢復行走機能的裝置對醫(yī)療界非常有用。除了行走機能障礙， 還存在會干擾附肢的肌肉控制，從而引起受影響個體的機能喪失及其它不利狀況的一系列 醫(yī)學病況。用于改善或恢復這些機能的裝置的開發(fā)也引起醫(yī)療界的極大興趣。
[0005] 在醫(yī)學領域，正在開發(fā)人類外骨骼裝置以恢復及康復肌肉控制失調的人的正常肌 肉機能。這些外骨骼裝置是可施加力到穿戴者的附肢的電動支架系統(tǒng)。在康復環(huán)境中，外 骨骼通常由物理治療師控制，所述物理治療師使用多個可能輸入構件中的一者以命令外骨 骼控制系統(tǒng)。外骨骼控制系統(tǒng)又致動電動支架的位置，從而引起力施加到外骨骼穿戴者的 身體且通常引起外骨骼穿戴者身體移動。在一些情形中，可通過來自外骨骼穿戴者的輸入 或穿戴者及物理治療師兩者對外骨骼控制系統(tǒng)的輸入的組合而類似地控制外骨骼。
[0006] 外骨骼控制系統(tǒng)規(guī)定及控制外骨骼的關節(jié)的軌跡。可將這些軌跡規(guī)定為基于位 置、基于力或兩種方法的組合（例如，在阻抗控制器中所見的）?？芍苯油ㄟ^修改所規(guī)定的 位置而修改基于位置的控制系統(tǒng)。也可直接通過修改所規(guī)定的力分布曲線而修改基于力的 控制系統(tǒng)。
[0007] 在康復時段期間及/或在康復進程中，物理治療師有能力取決于患者的特定生理 機能或康復階段而修改所規(guī)定的位置及/或所規(guī)定的力分布曲線是非常有益的。構建能夠 實現(xiàn)在康復期間物理治療師所希望的全方位修改的外骨骼控制界面是極為復雜及困難的。 此外，重要的是，控制界面不僅允許物理治療師可能希望的全方位修改，而且與物理治療師 的界面對于可能并非十分了解技術的物理治療師而言是直觀的。在一些情況下，使外骨骼 的穿戴者能夠修改外骨骼軌跡同樣是有益的。
[0008] 外骨骼控制系統(tǒng)從外骨骼操作者（可為物理治療師或外骨骼穿戴者）接收意圖命 令，且隨后相應地執(zhí)行所要的動作。為了正確地執(zhí)行這些動作，在整個外骨骼內(nèi)放置一系列 傳感器以感測外骨骼狀態(tài)。外骨骼的操作者（可為物理治療師或外骨骼穿戴者）可通過多 種可能的構件而輸入命令到外骨骼控制系統(tǒng)。然而，為了最大化外骨骼的康復效益，接收來 自外骨骼控制系統(tǒng)的額外信息對外骨骼操作者來說是非常有用的，所述外骨骼控制系統(tǒng)可 傳達關于來自外骨骼及穿戴者的相對力輸入、從先前軌跡循環(huán)的偏轉、外骨骼的平衡、引導 或未來定位信息或眾多其它參數(shù)中的任一者的信息。
[0009] 盡管現(xiàn)有技術提及了旨在指示被動矯形器的安全運動范圍或所要運動的裝置，但 通常這些標示器限于向人們提醒他們已擁有的信息（通常是關節(jié)角度）。此外，在這些情形 下，當裝置確定干擾確實存在時，信息被間歇地提供。所屬領域尚未認識到需要外骨骼或動 力矯形器將其意圖及運動傳達給人所需的方式。外骨骼所屬領域中已知的實例限于離散的 狀態(tài)標示器（相當于汽車上的儀表盤標示器）；本發(fā)明針對允許人理解裝置的運動且參與 裝置的運動的持續(xù)反饋，其更類似于通過現(xiàn)代汽車上的方向盤提供的力反饋。駕駛員能夠 感覺到汽車施加到轉向系上的力的部分，使得他們可感知作用在汽車上的力。
[0010] 存在尚未滿足的需要，即提供允許外骨骼將來自外骨骼控制系統(tǒng)的信息傳達給外 骨骼操作者（可為物理治療師或外骨骼穿戴者）的裝置及方法，其方式是外骨骼操作者能 夠直觀地理解由外骨骼傳達的信息且利用此信息來改善外骨骼的康復效益或其它用途。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明的目的是提供一種新穎的裝置及方法，所述裝置及方法允許外骨骼控制系 統(tǒng)以直觀格式將信息傳達給物理治療師，從而允許物理治療師利用由所述外骨骼控制系統(tǒng) 傳達的信息來最大化所述外骨骼對患者的治療效益，包含（但不限于）允許物理治療師更 好地實時（或針對未來軌跡循環(huán)）修改規(guī)定的外骨骼軌跡，或評估患者的康復狀態(tài)進展。
[0012] 本發(fā)明的另一目的是提供一種新穎的裝置及方法，所述裝置及方法允許外骨骼控 制系統(tǒng)以直觀格式將信息傳達給外骨骼穿戴者，從而允許外骨骼穿戴者利用由所述外骨骼 作為直接或間接"反饋"傳達的信息，以允許改善關于外骨骼數(shù)據(jù)的信息（例如，外骨骼作 用在何處發(fā)生、外骨骼位置在何處改變）及允許故障預測/告警。
[0013] 本發(fā)明的另一目的是提供一種新穎的裝置及方法，所述裝置及方法允許外骨骼控 制系統(tǒng)以直觀格式將信息傳達給外骨骼穿戴者或物理治療師，從而允許所述外骨骼傳達外 骨骼引導信息（例如，下一步位置、平衡定心或預測的行進方向）。
[0014] 本文揭示的發(fā)明包括經(jīng)由外骨骼反饋系統(tǒng)將來自外骨骼控制系統(tǒng)的信息傳達給 物理治療師及/或外骨骼用戶的新穎方法。這些外骨骼-操作者通信界面及反饋系統(tǒng)建 立在當前外骨骼技術的基礎之上以使得外骨骼系統(tǒng)不僅能夠恢復或增強人的移動，也能夠 恢復或增強人的感官。一般來說，術語反饋系統(tǒng)用于與更寬廣的顯示技術集合區(qū)分：此處 的"反饋系統(tǒng)"用于表示供應非文本信息的裝置；文本顯示器用于表示正供應文本信息的裝 置。本文揭示反饋系統(tǒng)的十個不同實施例，以及外骨骼控制器借助于這些反饋裝置可傳達 給人的各種各樣的信息。
[0015] 本發(fā)明的主要實施例包括靠近外骨骼關節(jié)配備有一或多個發(fā)光二極管或其它照 明構件的外骨骼裝置。所述照明構件連接到外骨骼控制系統(tǒng)且與外骨骼關節(jié)中的扭矩成比 例地照明。所述照明構件可替代地與由外骨骼裝置提供的輔助級成比例地照明。這將為物 理治療師或外骨骼穿戴者提供直觀放置的視覺反饋系統(tǒng)，所述視覺反饋系統(tǒng)傳達可由物理 治療師或外骨骼穿戴者直接看到的合成移動以外的人機交互。
[0016] 在第二實施例中，視覺反饋系統(tǒng)包括外骨骼系統(tǒng)，所述外骨骼系統(tǒng)包含靠近外骨 骼穿戴者連接點的一或多個發(fā)光二極管或其它照明構件。外骨骼穿戴者連接點含有連接到 外骨骼控制系統(tǒng)的力傳感器，所述力傳感器確定在外骨骼穿戴者連接點處施加在外骨骼穿 戴者與外骨骼之間的力。所述照明構件連接到外骨骼控制系統(tǒng)且通過強度及/或顏色的調 制與在所述連接點中的力（如由在外骨骼穿戴者連接點中的力傳感器所確定）成比例地照 明。與第一實施例類似，這將允許物理治療師或外骨骼穿戴者理解在外骨骼與外骨骼穿戴 者之間所傳遞的力的位置。
[0017] 在第三實施例中，視覺反饋系統(tǒng)包括包含整體式激光指示器的外骨骼系統(tǒng)。所述 激光指示器通過控制光束平搖及俯仰投射角度的致動構件連接到外骨骼結構。所述平搖及 俯仰投射角度致動構件連接到外骨骼控制系統(tǒng)，且經(jīng)控制使得所述激光指示器瞄準外骨骼 穿戴者的相關位置（例如，理想的拐杖放置目標、理想的腳放置目標及下一個移動目標）。 這將允許外骨骼穿戴者直觀地受到外骨骼操作訓練，以及允許外骨骼穿戴者更準確地判斷 外骨骼移動將把他們帶到何處。應注意，單個激光指示器可經(jīng)設計以通過在地面上反復回 掃輪廓來疊加地面上的多個同時圖像，或替代地，能利用多個激光指示器（可能為多個顏 色）以投射不同的圖像。
[0018] 在第四實施例中，視覺反饋系統(tǒng)包括包含多個整體式照明構件以及由外骨骼穿戴 者佩戴的眼鏡的外骨骼系統(tǒng)，其中所述照明構件通過合成白光的多個有色照明構件投射一 或多個圖像/目標；所述眼鏡具有移除所投射的顏色中的一者的濾光片，使所述圖像/目標 對于外骨骼穿戴者來說是可見的有色光且同時使所述圖像/目標對于未佩戴具有濾光片 的眼鏡的人來說是難以察覺的白光。所述照明構件通過控制照明構件平搖及俯仰投射的致 動構件連接到外骨骼結構。所述平搖及俯仰投射角度致動構件連接到外骨骼控制系統(tǒng)，且 經(jīng)控制使得所述激光指示器瞄準用戶的相關位置（例如，理想的拐杖放置目標、理想的腳 放置目標及下一個移動目標）。此實施例具有允許在公共場合使用放置目標而不使旁觀者 注意到的顯著優(yōu)點。
[0019] 在第五實施例中，視覺反饋系統(tǒng)包括由外骨骼穿戴者佩戴的具有集成顯示系統(tǒng)及 攝像機系統(tǒng)的眼鏡，其中所述眼鏡向外骨骼穿戴者顯示引起"抬頭顯示"的放置目標。所述 眼鏡及所述攝像機與外骨骼控制系統(tǒng)通信，且外骨骼控制系統(tǒng)通過與外骨骼系統(tǒng)形成整體 的確定外骨骼姿態(tài)的多個傳感器來確定外骨骼的位置，而眼鏡相對于外骨骼系統(tǒng)的位置是 通過比較安裝在外骨骼系統(tǒng)內(nèi)的慣性傳感器及安裝在具有整體式顯示器的眼鏡內(nèi)的慣性 傳感器而確定。在此實施例中，所述眼鏡構成反饋系統(tǒng)，因為其正顯示非文本信息（在這種 情形下，是疊加在地形上的幾何圖形）。
[0020] 本發(fā)明的第六實施例包括安裝到外骨骼或外骨骼穿戴者上的方法及裝置，其將來 自外骨骼控制系統(tǒng)的信息傳輸?shù)酵夤趋来┐髡?，所述信息提供對外骨骼裝置及穿戴者的壓 力中心的反饋。人使用壓力中心的知識以感覺到其腳處于平衡。然而，針對腳上感覺不到 壓力的用戶，必須以其它方法呈現(xiàn)此信息。多個針對壓力中心的反饋方法是可行的。一種 優(yōu)選方法是在用戶能夠感覺及處理所述信息的區(qū)域處使用觸覺反饋。壓力中心反饋的一個 實施例包括附接到由外骨骼穿戴者所穿的外骨骼或另一結構的輪子。所述輪子在平行于外 骨骼穿戴者身體的平面中移動以指示壓力中心運動。所述輪子也可經(jīng)致動以移入及移出從 而提供變化水平的壓力。此壓力可指示壓力中心的速度、自理想狀態(tài)的偏差、或壓力中心與 質心之間的差。在一些實施例中，許多此類輪子與用戶接觸使得可顯示許多不同的值。在 一些實施例中，所述輪子包括球且由外骨骼驅動而以二維（X-Y)移動且以變化水平的力推 動，從而產(chǎn)生能夠顯示信息（例如（但不限于），外骨骼穿戴者的壓力中心在前向及橫向軸 中的映射，以及外骨骼用戶的垂直力）的三維顯示。
[0021] 在第七實施例中，壓力中心觸覺反饋系統(tǒng)包括放置在外骨骼穿戴者的身體上的振 動或其它觸覺電機。所述電機與外骨骼控制系統(tǒng)通信且通過向外骨骼穿戴者將移動的方向 給予推動感或掃掠而將反饋施加給外骨骼穿戴者。振動的幅度可指示例如所要的速度或所 需要的運動的程度的信息?？稍谲|干、手臂、頸部或頭部上給予振動反饋，只要適于所述反 饋及外骨骼穿戴者的損傷/機能障礙等級?？山M合這些方法。一個實施例包含在外骨骼穿 戴者的手臂上的觸覺致動器，所述觸覺致動器經(jīng)激活以模仿如在步態(tài)訓練期間物理治療師 將給予的左推或右推。同樣地，在另一實施例中，在外骨骼穿戴者的胸部及背部（或肩膀的 前部及后部）上的致動器模仿如物理治療師將給予的前推或后推。在一些實施例中，可使 用振動電機陣列以產(chǎn)生外骨骼穿戴者的身體各處的相關信號。
[0022] 在第八實施例中，壓力中心反饋系統(tǒng)包括連接到外骨骼穿戴者的與外骨骼控制系 統(tǒng)通信的溫度柵格。所述溫度柵格通過誘發(fā)溫度感而將信息傳送給外骨骼穿戴者。一個實 施例包括位于外骨骼穿戴者的舌頭上的熱柵格。在此實施例中，外骨骼穿戴者的舌頭的表 面映射到外骨骼穿戴者的腳底。隨后通過加熱柵格中與腳上的壓力中心處于相同位置的節(jié) 點來指示外骨骼穿戴者及外骨骼裝置的壓力中心。溫度的度數(shù)表示在腳處的力。
[0023] 在第九實施例中，壓力中心反饋系統(tǒng)包括安裝在外骨骼或外骨骼穿戴者上的聽覺 裝置，所述聽覺裝置通過聲音將來自外骨骼控制系統(tǒng)的信息傳送給外骨骼穿戴者。所述聽 覺裝置包括揚聲器陣列，且所述裝置向外骨骼穿戴者指示偏離壓力中心的方向及量值。當 外骨骼穿戴者向左偏移時，揚聲器將在外骨骼穿戴者的左邊產(chǎn)生越來越響亮的聲音。在一 實施例中，所述揚聲器陣列可僅包括用于以此方式給予左右或前后信息的兩個揚聲器。在 另一實施例中，添加更多揚聲器到所述揚聲器陣列導致能夠將更精確的位置信息從外骨骼 控制系統(tǒng)傳輸給外骨骼穿戴者。在另一實施例中，可使用具有各種音調的一或多個揚聲器 以向外骨骼穿戴者指示偏離壓力中心的方向及量值。在另一實施例中，可使用揚聲器中的 一或多者以依據(jù)橫向位置持續(xù)改變頻率以將壓力中心信息傳送給外骨骼穿戴者。
[0024] 本發(fā)明的第十實施例包括附接到行走輔助器的裝置，所述行走輔助器附接到外骨 骼穿戴者，將來自外骨骼控制系統(tǒng)的信息傳送給外骨骼穿戴者，所述信息向外骨骼穿戴者 提供有關行走輔助器的使用的反饋及引導。在實施例中，所述行走輔助器包括外骨骼穿戴 者各手中握著的拐杖。拐杖手柄配備有由外骨骼控制系統(tǒng)控