專利名稱：：用于機(jī)械腿的基于模型的神經(jīng)機(jī)械控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及用于修復(fù)、矯正、外骨骼或機(jī)械裝置(機(jī)器人裝置)的人造關(guān)節(jié)和肢體的控制，特別是用于基于神經(jīng)肌肉型運(yùn)動(dòng)模型的機(jī)械腿的控制方法。
背景技術(shù)：
：動(dòng)物和人的腿的運(yùn)動(dòng)由復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。20世紀(jì)早期被提出[Brown，Τ.G.,1914.關(guān)于神經(jīng)中樞的基礎(chǔ)活動(dòng)的本質(zhì)；伴隨間歇活動(dòng)級(jí)別狀況的分析，以及神經(jīng)系統(tǒng)功會(huì)巨白勺演化理論(Onthenatureofthefundamentalactivityofthenervouscentes；togetherwithananalysisoftheconditioningofrhythmicactivityinprogression,andatheoryoftheevolutionoffunctioninthenervoussystem).JPhysiol48(1)，18-46.]，今天被嚴(yán)格地建立[Orlovsky,G.，Deliagina，Τ.，Grillner,S.,1999.Neuronalcontroloflocomotion:frommollusctoman.OxfordUniversityPressiNewYork]，中樞模式發(fā)生器(CP(i)形成該網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。在當(dāng)今觀點(diǎn)中，CPG包括脊髓中的神經(jīng)元群層[Rybak，I.Α.，Shevtsova,N.Α.，Lafreniere-Roula,Μ.，McCrea，D.Α.，2006.Modellingspinalcircuitryinvolvedinlocomotorpatterngenerationinsightsfromdeletionsduringfictivelocomotion.JPhysiol577(Pt2)，617-639]，其中，通過(guò)其他神經(jīng)元群引導(dǎo)肌肉的協(xié)調(diào)，甚至在缺少脊髓反射時(shí)[Grillner,S.，Zangger，P.，1979.Onthecentralgenerationoflocomotioninthelowspinalcat.ExpBrainRes34(2)，241-261；Frigon，A.，Rossignol,S.,2006.Experimentsandmodelsofsensorimotorinteractionsduringlocomotion.BiolCybern95(6)，607-627]，提供腿的伸肌和屈肌的節(jié)律活動(dòng)[Dietz，V.，2003.Spinalcordpatterngeneratorsforlocomotion.ClinNeuroph3rsiol114(8)，1379-1389；Minassian，K.，Persy,I.，Rattay,F.，Pinter，Μ.Μ.，Kern,H.，Dimitrijevic，Μ.R.,2007.Humanlumbarcordcircuitriescanbeactivatedbyextrinsictonicinputtogeneratelocomotor-likeactivity.HumMovSci26(2)，275-295]足夠產(chǎn)生走動(dòng)運(yùn)動(dòng)。不過(guò)，脊髓反射是該復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)的部分[Rybak，I.A.dtecina，K.dhevtsova，N.Α.,McCrea,D.Α.,2006.Modellingspinalcircuitryinvolvedinlocomotorpatterngeneration:insightsfromtheeffectsofafferentstimulation.JPhysiol577(Pt2),641-658]，對(duì)選擇運(yùn)動(dòng)模式、限定伸肌、屈肌的活動(dòng)時(shí)間、以及調(diào)制CPG的輸出貢獻(xiàn)很大。使用中樞模式發(fā)生和調(diào)制反射的結(jié)合，七鰓鰻[Kieberg，0.，Grillner,S.，1999.Simulationsofneuromuscularcontrolinlampreyswimming.PhilosTransRSocLondBBiolSci354(1385)，895-902]，火蜥蜴[Ijspeert，A.，Crespi,Α.，Ryczko,D..Cabelguen,J.-Μ.,2007.Fromswimmingtowalkingwithasalamanderrobotdrivenbyaspinalcordmodel.Science315(5817)，1416-1420]，貓[Ivashko，D.G.，Prilutski，B.I.，Markin,S.N.，Chapin,J.K.，Rybak,I.A.，2003.Modelingthespinalcordneuralcircuitrycontrollingcathindlimbmovementduringlocomotion.Neurocomputing52—54，621—629；Yakovenko,S.，Gritsenko，V.，Prochazka,A.,2004.Contributionofstretchreflexestolocomotorcontrol:amodelingstudy.BiolCybern90(2)，146-155；Maufroy,C.，Kimura,H.，Takase,K.,2008.Towardsageneralneuralcontrollerforquadrupedallocomotion.NeuralNetw21(4)，667-681]，以及人[Ogihara，N.，Yamazaki,N.,2001.Generationofhumanbipedallocomotionbyabio-mimeticneuro-musculo-skeletalmodel.BiolCybera84(1)，1-11:Paul，C.，Bellotti，M.，Jezeraik，S.，Curt，A.,2005.Developmentofahumanneuro-musculo-skeletalmodelforinvestigationofspinalcordinjury.BiolCybern93(3)，153-170]的神經(jīng)肌肉模型已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出基本的工具用于研究在動(dòng)物和人運(yùn)動(dòng)中的不同控制策略。這些模型的重點(diǎn)是再現(xiàn)CPG的體系結(jié)構(gòu)并且已經(jīng)通過(guò)試驗(yàn)提供了潛在的反身寸[Pearson,K.，Ekeberg，0.，Buschges，A.，2006.Assessingsensoryfunctioninlocomotorsystemsusingneuro.mechanicalsimulations.TrendsNeurosci29(11)，625-631]。然而，很少有注意力花費(fèi)在認(rèn)識(shí)這樣的體系結(jié)構(gòu)如何再現(xiàn)或者編碼運(yùn)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)的原理。這些原理揭示，與復(fù)雜的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別相比，腿運(yùn)動(dòng)需要很少的控制或者不需要控制。例如，步行[Alexander，R.，1976.Mechanicsofbipe:dallocomotion.InPerspectivesinexperimentalbiology(Ed.Davies，P.S.)Pergamon.Oxford；Mochon，S.，McMahon,Τ.，1980.Ballisticwalking.J.Biomech.13(1)，49-57]和跑步[Blickhan，R.，1989.Thespring-massmodelforrunningandhopping.J.ofBiomech.22，1217—1227;McMahon，T.，Cheng，G.，1990.Themechanismofrunning:howdoesstiffnesscouplewithspeed？J.ofBiomech.23，65-78]兩種概念模型已經(jīng)被提出，用來(lái)捕捉腿運(yùn)動(dòng)的主要機(jī)理。如果動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)被合適地調(diào)節(jié)，這些模型的自穩(wěn)定能力[McGeer，T.，1990.Passivedynamicwalking.Int.J.Rob.Res.9(2)，62-82；McGeer,Τ.，1992.Principlesofwalkingandrunning.Vol.11ofAdvancesinComparativeandEnvironmentalPhysiology.Springer-VerlagBerlinHeidelberg，Ch.4；Seyfarth，A.，Geyer,H.，Giinther,Μ.,Blickhan,R.,2002.Amovementcriterionforrunning.J.ofBiomech.35，649-655；Ghigliazza,R.，Altendorfer，R.，Holmes，P.，Koditschek，D.,2003.Asimplystabilizedrunningmodel.SIAMJ.Applied.DynamicalSystems2(2)，187-218]已經(jīng)被展開(kāi)研究。而且應(yīng)用此原理的步行和跑動(dòng)機(jī)器人已經(jīng)證明了其實(shí)際的相關(guān)性和控制作用[Raibert,M.，1986.Leggedrobotsthatbalance.MITpress，Cambridge；McGeer,Τ.，1990.Passivedynamicwalking.Int.J.Rob.Res.9(2),62-82Saranli,U.，Buehler,Μ.，Koditschek，D.,2001.Rhex:Asimpleandhighlymobilehexapodrobot.Int.Jour.Rob.Res.20(7)，616-631；Collins，S.，Ruina，A.,TedrakeiR.,WisseiM.，2005.Efficientbipedalrobotsbasedonpassive-dynamicwalkers.Science307(5712)，1082-1085]0但是，仍然存在一個(gè)未解決的問(wèn)題，即如何將腿力學(xué)的該和其他原理集成到人類運(yùn)動(dòng)肌控制系統(tǒng)當(dāng)中。動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)肌控制之間的相互作用的重要性已經(jīng)被神經(jīng)科學(xué)家和生物力學(xué)家們認(rèn)識(shí)到[Pearson，K.，Ekeberg，0.，Buschges，A.，2006.Assessingsensoryfunctioninlocomotorsystemsusingneuro-mechanicalsimulations.TrendsNeurosci29(11)，625-631],例如，盡管CPG形成運(yùn)動(dòng)中運(yùn)動(dòng)肌活動(dòng)的中樞驅(qū)動(dòng)已經(jīng)被廣泛接受[Grillner，S.，Zangger,P.，1979.Onthecentralgenerationoflocomotioninthelowspinalcat.ExpBrainRes34(2),241-261；Dietz,V.,2003.Spinalcordpatterngeneratorsforlocomotion.ClinNeurophy’siol114(8)，1379-1389；Frigon，A.，Rossignol，S.，2006.Experimentsandmodelsofsensorimotorinteractionsduringlocomotion.BiolCybern95(6)，607-627；Ijspeert，A.J.,2008.Centralpatterngeneratorsforlocomotioncontrolinanimalsandrobots:areview.NeuralNetw21(4)，642-653]，Limdberg在1969年提出，在其簡(jiǎn)單的中樞輸出之外，傳播關(guān)于運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)的信息的脊髓反射能夠形成實(shí)際運(yùn)動(dòng)中可見(jiàn)的復(fù)雜的肌肉活動(dòng)[Lundberg，A.，1969.Reflexcontrolofstepping.In:TheNansenmemoriallectureV,Oslo:Universitetsforlaget,5-42]。整理該思想，Taga后來(lái)提出，因?yàn)椤爸行漠a(chǎn)生的節(jié)奏由因運(yùn)動(dòng)肌裝置引發(fā)的節(jié)律運(yùn)動(dòng)引發(fā)的傳感信號(hào)導(dǎo)致…[，]運(yùn)動(dòng)肌輸出是神經(jīng)系統(tǒng)、肌肉-骨骼系統(tǒng)以及自然環(huán)境之間的動(dòng)態(tài)交互作用產(chǎn)生的特性”[Taga，G.，1995.Amodeloftheneuro-musculo-skeletalsystemforhumanlocomotion.I.Emergenceofbasicgait.Biol.Cybern.73(2),97-111]。作為支持，他提出一種人類運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)肌肉模型，其復(fù)合了帶有傳感反饋的CPG，并且證明了基本的步態(tài)如何自神經(jīng)和肌肉-骨骼系統(tǒng)得之間的節(jié)律的活動(dòng)全面誘導(dǎo)出現(xiàn)。產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)肌輸出的中心的和反射輸入的實(shí)際比連續(xù)不斷地被爭(zhēng)辯[Pearson，K.G.,2004.Generatingthewalkinggait:roleofsensoryfeedback.ProgBrainRes143,123-129；Frigon,A.，Rossignol，S.,2006.Experimentsandmodelsofsensorimotorinteractionsduringlocomotion.BiolCybem95(6)，607-627;Hultbom，H.，2006.Spinalreflexes,mechanismsandconcepts:fromEcclestoLundbergandbeyond.ProgNeurobiol78(3-5)，215-232；Prochazka,A.，Yakovenko,S.,2007.Theneuromechanicaltuninghypothesis.ProgBrainRes165，255465]。例如，步行的貓被估計(jì)為只有大約百分之三十被觀察到的支承重量的腿伸肌的肌肉活動(dòng)歸因于肌肉反射Prochazka，Α.，Gritsenko，V.，Yakovenko,S.,2002.Sensorycontroloflocomotion:reflexesversushigher-levelcontrol.AdvExpMedBiol508,357-367；Donelan,J.Μ.,McVea,D.A.,Pearson,K.G.,2009.Forceregulationofankleextensormuscleactivityinfreelywalkingcats.JNeurophysiol101(1)，360-371]。在人類中，反射對(duì)于運(yùn)動(dòng)中肌肉活動(dòng)的貢獻(xiàn)看起來(lái)更顯著。Sinkjaer和同事通過(guò)卸載試驗(yàn)估計(jì)，在步行支撐階段中反射對(duì)比目魚(yú)肌的活動(dòng)貢獻(xiàn)大約百分之五十[Sinkjaer，Τ.，Andersen，J.B.，Ladouceur,Μ.，Christensen，L0.，Nielsen，J.B.，2000.MajorroleforsensoryfeedbackinsoleusEMGactivityinthestancephaseofwalkinginman.JPhysiol523Pt3,817-827]0更近些時(shí)候，Grey和同事發(fā)現(xiàn)，比目魚(yú)肌活動(dòng)的改變與跟腱力的改變成比例，揭示了力正反饋和該肌肉活動(dòng)之間的直接關(guān)系[Grey，M.J.，Nielsen,J.B.,Mazzaro,N.,Sinkjaer,Τ.,2007.Positiveforcefeedbackinhumanwalking.JPhyrsiol581(1)，99-105]。這樣大的反饋貢獻(xiàn)是否對(duì)所有的腿肌肉都存在仍然是未知的。也許接近末端梯度存在于運(yùn)動(dòng)肌控制，其中最接近的腿肌肉主要由中樞輸入控制而末端腿肌肉由于高的本體感受反饋增益以及大的力學(xué)影響靈敏度主要受控于反射輸入，正如Daley和同事由鳥(niǎo)類運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)推斷的那樣[Daley,Μ.Α.，F(xiàn)elix,G.，Biewener,Α.Α.,2007.Runningstabilityisenhancedbyaproximo-distalgradientinjointneuromechanicalcontrol.JExpBiol210(Pt3)，383—394]。適應(yīng)地形是行走的一個(gè)重要方面。現(xiàn)今市售的踝-足假體利用輕質(zhì)的被動(dòng)(無(wú)源)結(jié)構(gòu)，其被設(shè)計(jì)成在步行的支撐階段中呈現(xiàn)適當(dāng)?shù)膹椥訹S.Ron，ProstheticsandOrthotics:LowerLimbandSpinal.LippincottWilliams&Wilkins2002]。用在這些裝置中的先進(jìn)的復(fù)合物允許在可控的背屈和足跖彎曲過(guò)程中存儲(chǔ)一些能量，并在隨后的用動(dòng)力推動(dòng)的足跖彎曲過(guò)程中釋放能量，更像正常人的跟腱[A.L.Hof,B.A.Geelen,Jw.VandenBerg,"Calfmusclemoment,workandefficiencyinlevelwalking；roleofserieselasticity,”JournalofBiomechanics,Vol.16.No.7,pp.523-537,1983；D.A.Winter,"Biomechanicalmotorpatterninnormalwalking.，，JournalofMotorBehavior,Vol.15，No.4，pp.302-330，1983]。盡管這些被動(dòng)-彈性性能在慢步走中是一種良好的近似的踝功能，常速和快步走需要附加額外的外部能量，這樣不能通過(guò)任何被動(dòng)踝-足裝置實(shí)現(xiàn)[M.Palmer,"Sagittalplanecharacterizationofnormalhumananklefunctionacrossarangeofwalkinggaitspeeds，，，Master’sThesis,MassachusettsInstituteofTechnology，Cambridge，MA,2002；D.H.Gates，"Characterizinganklefunctionduringstairascent，descent，andlevelwalkingforankleprosthesisandorthosisdesign.，，Master'sThesis，BostonUniversity,2004；A.H.Hansen，D.S.Childress.S.C.Miff，S.A.Gard，K.P.Mesplay,“Thehumanankleduringwalkingimplicationforthedesignofbiomimeticankleprosthesis，，，JournalofBiomechanics,Vol.37,Issue10，pp.1467-1474,2004]。這種不足反映在膝下截肢使用被動(dòng)踝-足假體的的步態(tài)中。較之正常狀態(tài)，其自選擇步速較慢，步幅較短。[D.A.WinterandS.Ε.Sienko.“Biomechanicsofbelow,kneeamputeegait，，，JournalofBiomechanics，21，pp.361-367，1988]。另外，其步態(tài)顯然不對(duì)稱，自然側(cè)的踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍較小[H.B.SkinnermdD.J.Effeney,“Gaitanalysisinamputees，，，AmJPhysMed,Vol.64,pp.82-89,1985；H.BateniandS.Olney,"Kinematicandkineticvariationsofbelow-kneeamputeegait，，，JournalofProsthetics&Orthotics，Vol.14，No.1，pp.2-13，2002]，同時(shí)，在假體側(cè)，髖拉伸力矩較大，而且膝彎曲力矩較小[D.A.WinterandS.Ε.Sienko.“Biomechanicsofbelow-kneeamputeegait，”JournalofBiomechanics，21，pp.361-367，1988；H.BateniandS.Olney,"Kinematicandkineticvariatiohsofbelow,kneeamputeegait，，，JournalofProsthetics&Orthotics，Vol.14，No.1，pp.2-13，2002]。他們也比沒(méi)有截肢的人消耗更大的新陳代謝能量步行。[N.H.Molen，“Energy/speedrelationofbelow-kneeamputeeswalkingonmotor-driventreadmill,“Int.Z.Angew,Physio,Vol.31，ρ173，1973；G.R.Colborne，S.Naumann.P.E.Longmuir,andD.Berbrayer,“Analysisofmechanicalandmetabolicfactorsinthegaitofcongenitalbelowkneeamputees,"Am.J.Phys.Med.Rehabil.，Vol.92,pp272-278,1992；R.L.Waters,J.Perry,D.Antonelli,H.Hislop."Energycostofwalkingamputees:theinfluenceoflevelofamputation，，，JBoneJointSurg.Am.，Vol.58,No.1，pp.4246，1976；Ε.G.Gonzalez,P.J.Corcoran,andLR.Rodolfo.EnergyexpenditureinB/Kamputeescorrelationwithstumplength.Archs.Phys.Med.Rehabi1.55，111-119，1974；D.J.SandersonandP.E.Martin."Lowerextremitykinematicandkineticadaptationsinunilateralbelow-kneeamputeesduringwalking·，，GaitandPosture·6，126136，1997；A.Esquenazi,andR.DiGiacomo.“RehabilitationAfterAmputation，，，JoumAmPodiatrMedAssoc，91(1):13-22，2001]。這些區(qū)別可能是截肢者使用更大的腰力量補(bǔ)償缺失的躁力量的結(jié)果[A.D.Kuo,“Energeticsofactivelypoweredlocomotionusingthesimplestwalkingmodel，”JBiomechEng.，Vol.124，pp.113-120，2002；A.D.Kuo,J.M.Donelan,andA.Ruina，“Energeticconsequencesofwalkinglikeaninvertedpendulum:Step-sto_steptransitions，”Exerc.SportSci.Rev.，Vol.33，No.2，pp.88-97,2005；A.Ruina,J.E.Bertram,andM.Srinivasan，“Acollisionalmodeloftheenergeticcostofsupportworkqualitativelyexplainslegsequencinginwalkingandgalloping,pseudo-elasticlegbehaviorinrunningandthewalk-to-runtransition.”J.Theor.Biol.，Vol.237，No.2，pp.170—192，2005]。被動(dòng)踝-足假體不能提供適應(yīng)地形的能力。為了提供一種普通的經(jīng)濟(jì)的而不是慢步速的步態(tài)，動(dòng)力踝-足假體現(xiàn)今已經(jīng)被幵發(fā)出來(lái)[S.AumdH.Herr."InitialexperimentalstudyondynamicinteractionbetweenanamputeeandaDoweredankle-footprosthesis，”WorkshoponDynamicWalking:MechanicsandControlofHumanandRobotLocomotion，AnnArbor，MI,May2006；S.K.Au,J.Weber,andH.Herr,“Biomechanicaldesignofapoweredankle-footprosthesis，nPmc.IEEEInt.Conf.OnRehabilitationRobotics，Noordwijk，TheNetherlands，pp.298-303.June2007；S.Au,J.Weber,E.Martinez-Villapando,andH.Herr."PoweredAnkle-FootProsthesisfortheImprovementofAmputeeAmbulation，"IEEEEngineeringinMedicineandBiologyInternationalConference.August23—26，Lyon,France·pp.3020—3026，2007；H.Herr,J.Weber,S.Au."PoweredAnkle-FootProsthesis,biomechanicsoftheLowerLimbinHealth，DiseaseandRehabilitation.September3—5，Manchester，England，pp.72—74，2007；S.K.Au，"PoweredAnkle-FootProsthesisfortheImprovementofAmputeeWalkingEconomy，，，Ph.D.Thesis，MassachusettsInstituteofTechnology，Cambridge，MA,2007；S.Au,J.Weber,andH.Herr."PoweredAnkle-footProsthesisImprovesWalkingMetabolicEconomy,"IEEETrans,onRobotics，Vol.25，pp.51-66，2009;J.Hitt，R.Bellman,M.Holgate,T.Sugar,andK.Hollander,"Thesparky(springanklewithregenerativekinetics)projects:Designandanalysisofarobotictranstibialprosthesiswithregenerativekinetics.，，inProc.IEEEInt.Conf.Robot.Autom.，Orlando，F(xiàn)L，pp2939-2945，May2006；S.K.Au,H.Herr,"OntheDesignofaPoweredAnkle-FootProsthesis:TheImportanceofSeriesandParallelElasticity，，，IEEERobotics&AutomationMagazine,pp.52-59,September2008]。其中的一些在尺寸禾口重量上可與正常人類踝-足相當(dāng)，并且具有彈性能量存儲(chǔ)、馬達(dá)動(dòng)力以及能夠提供一天的典型步行活動(dòng)的電池能量[S.K.Au，H.Herr.“OntheDesignofaPoweredAnkle-FootProsthesis:TheImportanceofSeriesandParallelElasticity·，，IEEERobotics&AutomationMagazine,pp.52-59，September2008]。在這些假體中使用有效的馬達(dá)動(dòng)力增加了控制的問(wèn)題。在之前使用這些動(dòng)力裝置的工作中，使用的方法是匹配正常人類踝展開(kāi)活動(dòng)的踝力矩狀態(tài)分布圖[S.K.Au，“P0WeredAnkle-FootProsthesisfortheImprovementofAmputeeWalkingEconomy,"Ph.D.Thesis,MassachusettsInstituteofTechnology,Cambridge,MA,2007；J.Hitt,R.Bellman,M.Holgate,T.Sugar,andK.Hollander,"Thesparky(springanklewithregenerativekinetics)projects-Designandanalysisofarobotictranstibialprosthesiswithregenerativekinetics,，，inProc.IEEEInt.Conf.Robot.Autom.,Orlando,FL,pp2939-2945，May2006；F.Sup,A.Bohara,andM.Goldfarb."DesignandControlofaPoweredTransfemoralProsthesis,"TheInternationalJournalofRoboticsResearch,Vol.27,No.2，pp.263-273，2008]。提供馬達(dá)動(dòng)力意味著踝力矩分布的工作開(kāi)環(huán)在快速步行時(shí)能夠被支持，而不是僅僅由被動(dòng)裝置提供類似彈簧的行為。然而，這樣的控制方法顯示出固有的自適應(yīng)。替代地，隨著合適的選擇它們的方法，力矩分布對(duì)于所有想要的活動(dòng)和地形變化都是必需的。通常，已有的市售主動(dòng)(有源)踝假體只能重構(gòu)踝關(guān)節(jié)擺動(dòng)階段，第一次接觸地面后需要幾個(gè)步幅來(lái)收斂達(dá)到地形適應(yīng)踝位置。此外，它們不提供任何正常步態(tài)所需的支撐階段動(dòng)力，因此不能適應(yīng)地形傾斜的純支撐工作狀態(tài)。特別是，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的踝-足假體控制模式依賴于由正常的人體以目標(biāo)速度步行穿過(guò)已知地形測(cè)量得到的固定的踝力矩狀態(tài)關(guān)系。盡管在期望的步速和地形條件下是有效的，這些控制器不允許環(huán)境干擾的適應(yīng)，例如速度瞬變和地形變化。帶有作為控制基礎(chǔ)的力正反饋反射策略的神經(jīng)肌肉模型近來(lái)被應(yīng)用于腿運(yùn)動(dòng)的生物力學(xué)仿真研究[H.Geyer,H.Herr,‘‘Amuscle-reflexmodelthatencodesprinciplesofleggedmechanicspredictshumanwalkingdynamicsandmuscleactivities,，，(Submittedforpublication)；H.Geyer,A.Seyfarth,R.Blickhan,"Positiveforcefeedbackinbouncinggaits？,"Proc.RSociety.Lond.B270,pp.2173-2183，2003]。這些研究示出了對(duì)地形自適應(yīng)的需求的愿望。
發(fā)明內(nèi)容一方面，本發(fā)明是一種用于基于人類運(yùn)動(dòng)神經(jīng)肌肉模型的仿生機(jī)械腿的控制器和控制方法。該控制結(jié)構(gòu)體系操控步行中動(dòng)力腿假體、矯正裝置或外骨骼的踝、膝和髖關(guān)節(jié)的仿生力矩。在一優(yōu)選實(shí)施例中，動(dòng)力裝置包括力矩可控的人造踝和膝關(guān)節(jié)。由安裝在機(jī)械腿裝置的每個(gè)關(guān)節(jié)處的傳感器提供的反饋信息確定的適當(dāng)?shù)年P(guān)節(jié)力矩被提供給使用者。這些傳感器包括，但是不限于，使用數(shù)字編碼器的角度關(guān)節(jié)位移和速度霍爾效應(yīng)傳感器或類似物、在踝和膝關(guān)節(jié)處的力矩傳感器、以及位于膝和踝關(guān)節(jié)之間的至少一個(gè)慣性測(cè)量單元(IMU)。來(lái)自機(jī)械腿的關(guān)節(jié)狀態(tài)(位置和速度)的傳感信息被用來(lái)作為對(duì)人類運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)肌肉模型的輸入。來(lái)自機(jī)械腿關(guān)節(jié)狀態(tài)傳感信息被用來(lái)確定每個(gè)虛擬肌肉的內(nèi)部狀態(tài)，肌肉活動(dòng)應(yīng)當(dāng)被給予什么水平的單個(gè)虛擬肌肉力和剛度由脊髓反射模型確定。如果機(jī)械腿是膝上截肢者穿戴的腿假體，踝和膝的角度傳感器測(cè)量這些關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)狀態(tài)。對(duì)于髖關(guān)節(jié)，使用者大腿的對(duì)地定向由假體膝處的關(guān)節(jié)角度傳感器和位于假體膝和踝關(guān)節(jié)處的IMU確定。為了估計(jì)髖位置和速度，控制結(jié)構(gòu)體系在假定步態(tài)過(guò)程中上部軀體(殘缺的)保持相對(duì)豎直位置的情況下工作?！矫妫景l(fā)明是用于包括至少一個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)械肢體的基于模型的神經(jīng)機(jī)械控制器，該控制器包括配置成接收涉及機(jī)械肢體狀態(tài)的反饋數(shù)據(jù)和確定機(jī)械肢體狀態(tài)的有限狀態(tài)機(jī)、配置成接收來(lái)自有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)信息以及來(lái)自至少一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的肌肉幾何機(jī)構(gòu)和反射體系信息并利用神經(jīng)肌肉模型確定發(fā)送至機(jī)械肢體的至少一個(gè)期望的關(guān)節(jié)力矩或剛度指令的肌肉模型處理器、以及配置成操控(支配)機(jī)械肢體關(guān)節(jié)處的肌肉模型處理器確定的仿生力矩和剛度的關(guān)節(jié)指令處理器。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，反饋數(shù)據(jù)通過(guò)安裝在機(jī)械肢體的每個(gè)關(guān)節(jié)處的至少一個(gè)傳感器提供。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，機(jī)械肢體是腿，有限狀態(tài)機(jī)同步于腿步態(tài)周期。另一方面，本發(fā)明是一種基于模型的方法，用于控制包括至少一個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)械肢體，其包括以下步驟在有限狀態(tài)機(jī)處接收與機(jī)械肢體狀態(tài)相關(guān)的反饋數(shù)據(jù)，利用有限狀態(tài)機(jī)和接收的反饋數(shù)據(jù)確定機(jī)械肢體狀態(tài)，利用神經(jīng)肌肉模型、肌肉幾何結(jié)構(gòu)、反射體系結(jié)構(gòu)信息以及來(lái)自有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)信息確定發(fā)送至機(jī)械肢體的至少一個(gè)期望的關(guān)節(jié)力矩或剛度指令，以及操控機(jī)械肢體關(guān)節(jié)處的肌肉模型處理器確定的仿生力矩和剛度。當(dāng)附圖與本發(fā)明下述詳細(xì)描述一起考慮時(shí)，本發(fā)明的其它方面、優(yōu)點(diǎn)和新穎特征將變得更顯而易見(jiàn)；其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的一方面通常的神經(jīng)肌肉模型體系結(jié)構(gòu)的示例性實(shí)施例的方框圖；圖2A-F示出了根據(jù)本發(fā)明的一方面在通常的神經(jīng)肌肉模型體系結(jié)構(gòu)發(fā)展中的六個(gè)階段；圖3圖示了根據(jù)本發(fā)明、根據(jù)通常的神經(jīng)肌肉模型體系結(jié)構(gòu)的一方面的模型生成；圖4A和4B分別示出了根據(jù)本發(fā)明的一方面人類模型在模型和地面之間動(dòng)態(tài)交互的自組織步行以及相應(yīng)的地面反作用力；圖5A-C根據(jù)本發(fā)明的一方面分別比較了模型和人穩(wěn)定步行狀態(tài)髖、膝和踝；圖6A-D示出了根據(jù)本發(fā)明的一方面步行上樓梯的適應(yīng)性，包括模型快照(圖6A)、凈功(圖6B)、伸肌活動(dòng)模式(圖6C)和相應(yīng)的地面反作用力(圖6D)；圖7A-D示出了根據(jù)本發(fā)明的一方面步行下樓梯的適應(yīng)性，包括模型快照(圖7A)、凈功(圖7B)、伸肌活動(dòng)模式(圖7C)和相應(yīng)的地面反作用力(圖6D)；圖8是根據(jù)本發(fā)明的一方面肌肉-肌腱模型的原理圖；圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的一方面的接觸模型；圖10A-C示出了根據(jù)本發(fā)明的一方面用于優(yōu)選實(shí)施例的踝-足假體實(shí)施例，分別示出了實(shí)際系統(tǒng)(圖10A)、驅(qū)動(dòng)鏈圖(圖10B)以及動(dòng)力學(xué)模型(圖10C)；圖11是根據(jù)本發(fā)明的一方面與步態(tài)周期同步的帶有在每一狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換閾值和踝-足生物力學(xué)等效物的有限狀態(tài)機(jī)的實(shí)施例的示意圖，用于實(shí)施圖10A-C的踝-足假體的頂級(jí)控制；圖12是根據(jù)本發(fā)明的一方面踝-足假體控制系統(tǒng)示例性實(shí)施例的方框圖；圖13A-C是根據(jù)本發(fā)明的一方面水平地面(圖13A)、上升斜坡(圖13B)、下降斜坡(圖13C)三種步行狀態(tài)的一個(gè)完整步態(tài)周期內(nèi)的假體力矩示例曲線；圖14A-C示出了根據(jù)本發(fā)明的一方面如在假體微控制器上實(shí)施的肌肉骨骼模型的示例性實(shí)施例，包括兩連接踝關(guān)節(jié)模型(圖14A)、詳細(xì)示出的Hill型肌肉模型(圖14B)以及附接到骨骼上的肌肉模型的幾何結(jié)構(gòu)(圖14C)；圖15示出了根據(jù)本發(fā)明的一方面虛擬足跖屈肌反射策略的示例性實(shí)施例，包括踝角度、肌肉力和踝力矩的足跖屈肌部分之間的關(guān)系；圖16A和16B示出了試驗(yàn)中測(cè)量得到的截肢者主體的假體力矩和角度軌跡以及具有完整肢體的重量和高度主體匹配的生物踝的力矩和角度軌跡之間的比較，分別包括踝力矩和踝角度；圖17是根據(jù)本發(fā)明的一方面參數(shù)優(yōu)化后力矩分布圖與生物力矩分布的比較；以及圖18A-C是水平地面(圖18A)、上升斜坡(圖18B)、下降斜坡(圖18C)三種不同的步行狀態(tài)下本發(fā)明的示例性實(shí)施例中試驗(yàn)測(cè)量得到的假體力矩-角度軌跡曲線。具體實(shí)施例方式一種控制體系結(jié)構(gòu)提出操控動(dòng)力腿假體、矯正器或外骨骼的踝、膝和髖關(guān)節(jié)在步行時(shí)的仿生力矩。在該實(shí)施中，動(dòng)力裝置包括力矩可控的人造踝和膝關(guān)節(jié)。由安置在機(jī)械腿裝置的每個(gè)關(guān)節(jié)處的傳感器提供的反饋信息確定的適當(dāng)?shù)牧乇惶峁┙o使用者。這些傳感器包括，但是不限于，使用數(shù)字編碼器的角度關(guān)節(jié)位移和速度霍爾效應(yīng)傳感器或類似物、膝和踝關(guān)節(jié)處的力矩傳感器、以及位于膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)之間的至少一個(gè)慣性測(cè)量裝置(IMU)。來(lái)自機(jī)械腿(髖、膝和踝)的關(guān)節(jié)狀態(tài)(位置和速度)的傳感信息被用作人類運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)肌肉模型的輸入。該模型使用來(lái)自機(jī)械腿的關(guān)節(jié)狀態(tài)傳感信息確定其每個(gè)虛擬肌肉的內(nèi)部狀態(tài)，并建立脊髓反射模型確定的應(yīng)當(dāng)給予什么樣特定水平的肌肉活動(dòng)的各虛擬肌肉的力和剛性。如果機(jī)械腿是腿上截肢者穿戴的腿假體，在踝和膝處的角度傳感器測(cè)量這些關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)狀態(tài)。對(duì)于髖關(guān)節(jié)，使用者大腿的對(duì)地定向由假體膝的角度關(guān)節(jié)傳感器和位于假體膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)之間的IMU兩者確定。為了估計(jì)髖關(guān)節(jié)位置和速度，控制結(jié)構(gòu)體系假定在步態(tài)過(guò)程中上部軀體(殘缺的)保持相對(duì)豎直位置的條件下工作。正如此處使用的以及在此處參考引用的申請(qǐng)中，下述術(shù)語(yǔ)明確包括但是不限于“致動(dòng)器”表示一種如下定義的馬達(dá)?！爸骺s肌”表示收縮元件，其被另一元件、拮抗肌抵抗或阻礙。“主縮肌一拮抗肌致動(dòng)器”表示一種機(jī)構(gòu)，包括(至少)兩個(gè)致動(dòng)器相互對(duì)立起作用主縮肌致動(dòng)器，當(dāng)其作用時(shí)拉動(dòng)兩個(gè)元件到一起，而拮抗肌致動(dòng)器，當(dāng)其作用時(shí)，促使兩個(gè)元件分離?！稗卓辜　北硎疽环N擴(kuò)張?jiān)?，其被另一種元件、收縮機(jī)抵抗或阻礙。“仿生”表示人造結(jié)構(gòu)或機(jī)構(gòu)，其模仿生物結(jié)構(gòu)或機(jī)構(gòu)、如關(guān)節(jié)或肢體的特性或行為?！氨城?，，表示彎曲踝關(guān)節(jié)以致足末端向上移動(dòng)。“彈性”表示由于拉伸或壓縮變形之后能夠恢復(fù)原始形狀?！吧煺埂北硎緡@肢體中關(guān)節(jié)的彎曲運(yùn)動(dòng)，其增大關(guān)節(jié)處肢體骨骼之間的角度?！皬澢北硎緡@肢體中關(guān)節(jié)的彎曲運(yùn)動(dòng)，其減小關(guān)節(jié)處肢體骨骼之間的角度。“馬達(dá)”表示主動(dòng)(有源)元件，其通過(guò)將提供的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能產(chǎn)生或給予運(yùn)動(dòng)，包括電動(dòng)、氣動(dòng)或液壓馬達(dá)和致動(dòng)器?！磅徘?，，表示彎曲踝關(guān)節(jié)使得足末端向下移動(dòng)。“彈簧”表示彈性裝置，例如金屬線圈或板狀結(jié)構(gòu)，在被壓縮或者拉伸之后其恢復(fù)原始形狀。根據(jù)本發(fā)明的一方面，一種基于神經(jīng)肌肉模型的控制方案的示例性實(shí)施例示于圖1的方框圖中。圖1中，根據(jù)本發(fā)明的神經(jīng)肌肉模型包括每個(gè)模型肌肉單元120的反射環(huán)110。由所有的模型肌肉推算的力和剛度被用來(lái)使用來(lái)自文獻(xiàn)中的肌肉力臂值140計(jì)算130關(guān)節(jié)力矩和剛度。接著模型估算被傳送到控制器作為仿生機(jī)械腿關(guān)節(jié)150期望的有用力矩和剛度值?？刂破?60接著跟蹤記錄每個(gè)機(jī)械關(guān)節(jié)150處的力矩和剛度值。為了使得每個(gè)虛擬肌肉產(chǎn)生其需要的力，肌肉刺激參數(shù)STIM(t)是需要的。該參數(shù)可由外部輸入或局部反饋環(huán)確定。在實(shí)施例的仿生腿控制策略中，STIM(t)基于局部反饋環(huán)計(jì)算得出。該體系結(jié)構(gòu)基于由GeyerandHerr開(kāi)發(fā)的反射反饋框架[H.Geyer，H.Herr，“Amuscle-reflexmodelthatencodesprinciplesofleggedmechanicspredictshumanwalkingdynamicsandmuscleactivities，”(已經(jīng)提交用于出版)，在此處整體合并引入?yún)⒖糫.在該框架中，神經(jīng)控制被設(shè)計(jì)成模仿正常人體肌肉的拉伸反射。該基于神經(jīng)肌肉反射的控制方法允許仿生機(jī)械腿再現(xiàn)類人的關(guān)節(jié)機(jī)理。神經(jīng)機(jī)構(gòu)模型。帶有腿力學(xué)原理編碼反射控制的人模型推算人步行動(dòng)力學(xué)和肌肉活動(dòng)。當(dāng)神經(jīng)科學(xué)家識(shí)別日益復(fù)雜的控制動(dòng)物和人步態(tài)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，生物力學(xué)家發(fā)現(xiàn)，如果留意腿力學(xué)原理，運(yùn)動(dòng)幾乎不需要運(yùn)動(dòng)肌控制。此處示出了如何使得肌肉反射行為對(duì)聯(lián)系著兩種觀察結(jié)果是至關(guān)重要的。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一種人運(yùn)動(dòng)的模型，其由編碼腿力學(xué)原理的肌肉反射行為驅(qū)動(dòng)。裝備了基于該原理的反射控制，由于其與地面的動(dòng)態(tài)交互作用，該模型穩(wěn)定了步態(tài)，容許地面擾動(dòng)，以及可自適應(yīng)樓梯環(huán)境。此外，該模型顯示出與試驗(yàn)得出的關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)力矩和肌肉活動(dòng)的定性一致性，暗示了人類運(yùn)動(dòng)肌輸出很大程度上可以由將腿力學(xué)原理鏈接到負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的肌肉反射行為成形。帶有運(yùn)動(dòng)肌(馬達(dá))控制的人類步行模型基于肌肉反射，其被設(shè)計(jì)成包括腿力學(xué)原理。這些原理來(lái)自腿運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)單概念模型，包括支撐階段對(duì)順從腿的依賴[Bliclchan，R.,1989.Thespring-massmodelforrunningandhopping.J.ofBiomech.22,1217-1227；Ghigliazza,R.,Altendorfer,R.,Holmes,P.,Koditschek,D.,2003.Asimplystabilizedrunningmodel.SIAMJ.Applied.DynamicalSystems2(2),187-218；Geyer,H.,Seyfarth,A.,Blickhan,R.,2006.Compliantlegbehaviourexplainsthebasicdynamicsofwalkingandrunning.Proc.R.Soc.Lond.B273,2861-2867],基于靜態(tài)關(guān)節(jié)力矩平衡的分段腿的穩(wěn)定性[Seyfarth,Α.，Gunther,Μ.，Blickhan,R.,2001.Stableoperationofanelasticthree,segmentedleg.Biol.Cybern.84,365-382；Giinther,Μ.,Keppler,V.,Seyfarth,Α.,Blickhan,R.,2004.Humanlegdesign:optimalaxialalignmentunderconstraints.J.Math.Biol.48，623-646],沖擊擺動(dòng)腿機(jī)構(gòu)的維護(hù)[Mochon,S.，McMahon,T.，1980.Ballisticwalking.J.Biomech.13(1)，49-57]，以及使用擺動(dòng)腿縮回增強(qiáng)步速穩(wěn)定性[Seyfarth，Α.，Geyer,H.，Gunther,M.，Blickhan,R.，2002.Amovementcriterionforrunning.J.ofBiomech.35,649-655；Seyfarth,A.,Geyer,H.,Herr,H.M.,2003.Swing-legretraction-.asimplecontrolmodelforstablerunning.J.Exp.Biol.206，2547-2555]。Hill型肌肉在與脊髓反射也包括力和長(zhǎng)度的正反饋方案結(jié)合在一起使用，以有效地編碼這些力學(xué)特性。較之來(lái)自關(guān)于人類步行的著作的帶有動(dòng)力學(xué)的、運(yùn)動(dòng)學(xué)的以及肌電現(xiàn)象的模型行為，已經(jīng)顯示出帶有設(shè)計(jì)成編碼腿力學(xué)原理的運(yùn)動(dòng)肌控制神經(jīng)肌肉模型可生成生物學(xué)的步行力學(xué)和肌肉活動(dòng)。該反射控制允許模型容許地面水平的突然改變，適應(yīng)樓梯上升和下降，而無(wú)需變量干涉。從概念點(diǎn)質(zhì)量模型到帶有上部軀體和每節(jié)由七塊肌肉驅(qū)動(dòng)并由肌肉反射控制的兩、三節(jié)腿的兩足動(dòng)物的神經(jīng)肌肉，人類模型的結(jié)構(gòu)和控制的發(fā)展分為六個(gè)階段。根據(jù)本發(fā)明的該方面，圖2A-F示出了普通神經(jīng)肌肉模型結(jié)構(gòu)體系演化的六個(gè)階段。前三階段一體化和穩(wěn)定了順從腿在支撐階段的行為(圖2A-C)。第四階段增加了上部軀體和其平衡控制(圖2D)。最后兩個(gè)階段準(zhǔn)備和確保了在擺動(dòng)過(guò)程中腿的向前和收回動(dòng)作(圖2E和圖2F)。在圖2A-F中，后續(xù)段落中更詳細(xì)地描述，從支撐腿構(gòu)型(圖2A)，順從腿行為作為關(guān)鍵因素演變到通過(guò)帶有正反饋力F+驅(qū)動(dòng)比目魚(yú)肌(SOL)和塊狀股骨肌群(MS)生成步行和跑動(dòng)(圖2B)。為了防止膝過(guò)度拉伸，附加使用F+的兩關(guān)節(jié)腓腸肌(GAS)(圖2C)，并且如果膝關(guān)節(jié)拉伸超過(guò)170度閾值VAS開(kāi)始被抑制。為了防止踝過(guò)度拉伸，附加脛骨前面的肌肉(TA)，其通過(guò)長(zhǎng)度正反饋L+拉住踝關(guān)節(jié)到屈曲位，且通過(guò)來(lái)自比目魚(yú)肌的力負(fù)反饋F-抑制在正常狀態(tài)。為了允許腿擺動(dòng)，附加了上部軀體(圖2D)。其通過(guò)支撐腿的髖屈肌(HFL)和相互作用的髖伸肌(GLU，HAM)被驅(qū)動(dòng)到相對(duì)于豎直方向的參考斜度，此處兩關(guān)節(jié)HAM防止由髖伸肌力矩產(chǎn)生的膝過(guò)度拉伸。著陸的另一條(主導(dǎo)的)腿通過(guò)分別增加/減少對(duì)HFL/GLU的連續(xù)激勵(lì)，并通過(guò)抑制VAS相對(duì)于另一腿承載的負(fù)載的比例(圖2E)啟動(dòng)擺動(dòng)。實(shí)際的腿擺動(dòng)通過(guò)使用L+的HFL促進(jìn)直到其被HAM的L-抑制(圖2F)。HFL的激勵(lì)特別依賴于上部軀體起身時(shí)的傾斜。而且，對(duì)GLU和HAM使用F+朝向擺動(dòng)末端收回和伸直腿。最后，現(xiàn)在未抑制的TA的L+驅(qū)動(dòng)踝至彎曲位置(圖2G)。支撐腿的順從性和穩(wěn)定性。彈簧質(zhì)量?jī)勺隳Ｐ捅挥米魅祟愡\(yùn)動(dòng)概念基礎(chǔ)的起點(diǎn)(圖2A)。盡管該模型僅僅由點(diǎn)-質(zhì)量205組成，其在兩個(gè)無(wú)質(zhì)量彈簧210，215上前行，其再現(xiàn)了在人步行和跑動(dòng)時(shí)觀察到的質(zhì)量中心動(dòng)力學(xué)，在基于支撐狀態(tài)的順從腿行為的一個(gè)概念框架下統(tǒng)一了兩種步態(tài)[Geyer,H.，Seyfarth,Α.，Blickhan,R.,2006.Compliantlegbehaviourexplainsthebasicdynamicsofwalkingandrunning.Proc.R.Soc.Lond.B273,2861-2867].為了在神經(jīng)肌肉腿實(shí)現(xiàn)順從行為，每個(gè)彈簧210、215被置換附加大腿220，脛骨225和足230，以及比目魚(yú)肌(SOL)235和塊狀股骨肌群(VAQM0，兩者都在步態(tài)的支撐階段(圖2B)通過(guò)局部力的正反饋(F+)生成它們的肌肉活動(dòng)。該力反射以與Geyer，H.，Seyfarth,A.,Blickhan,R.,2003在Positiveforcefeedbackinbouncinggaits？Proc.R.Soc.Lond.B270，2173-2183中同樣的方式建模。在力的正反饋條件下，肌肉m的激勵(lì)Sm(t)是預(yù)激勵(lì)S0，m以及肌肉的時(shí)滯(At)和增益(G)力Fm的和Sm(t)=SO,m+GmFm(t-Δtm)。在順從腿行為是基本的同時(shí)，其也威脅節(jié)肢腿關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性[kyfarth，Α.，Giinther,M.,Blickhan,R.,2001.Stableoperaionofanelasticthree,segmentedleg.Biol.Cybern.84,365-382；Giinther,M.，Keppler,V.，Seyfarth,Α.，Blickhan,R.,2004.Humanlegdesign:optimalaxialalignmentunderconstraints.J.Math.Biol.48,623-646]。在節(jié)肢腿中，膝和踝力矩，、和τb，遵守靜力平衡τa/τb=hk/ha，其中hk和ha分別是從膝和踝到足力矢量Fleg的垂直距離。有效地，當(dāng)一關(guān)節(jié)驅(qū)使另一關(guān)節(jié)上的大拉伸扭矩靠近Fleg時(shí)，將威脅其類似彈簧行為的腿的產(chǎn)生過(guò)度拉伸[詳細(xì)參見(jiàn)kyfarth，A.,Giinther,Μ.,Blickhan,R.,2001.Stableoperaionofanelasticthree-segmentedleg.Biol.Cybem.84，365-382]。通過(guò)附加腓腸肌(GAS)245和脛骨前側(cè)的(ΤΑ)250肌肉(圖2C)，該過(guò)度拉伸的趨勢(shì)在膝和踝上被逆反。類似于SOL和VAS，在步態(tài)的支撐階段兩關(guān)節(jié)GAS使用正的局部力反饋(F+)。這種肌肉反射不僅防止膝因踝大的拉伸扭矩導(dǎo)致過(guò)度拉伸，還對(duì)生成所有的順從腿行為做出貢獻(xiàn)。相反，單關(guān)節(jié)TA使用帶有STA(t)的距離局部正反饋(L+)，STA(t)=SQ,TA+GTA(kE,TA-l。ff,TA)(t-At,TA)，其中，1&是了六纖維長(zhǎng)度，l。ff,TA是長(zhǎng)度偏移。彎曲足，當(dāng)產(chǎn)生大的膝扭矩時(shí)TA的L+防止踝過(guò)度拉伸。然而如果踝伸肌足夠活躍能保持膝和踝的力矩平衡，這種肌肉反射是不需要的。為了避免在該狀態(tài)下TA與SOL不必要的對(duì)抗，TA激勵(lì)被來(lái)自SOL的負(fù)的力反饋(F-)抑制，導(dǎo)致(t)=S0,TA+GTA(lCE,TA-loff,TA)(t_At,TA)-GscmaFi(t-AtsJ。為了進(jìn)一步保護(hù)膝免受過(guò)度拉傷，如果膝伸展超過(guò)170度閾值，Svas(t)=S0,vas+GvasFvas(t-ΔVAS)-(t-Atk),VAS被抑制，其中，％是比例增益，Αφ,=^k-170度〒k是膝角度。該反射抑制僅僅在Δρ>0條件下并且膝實(shí)際上是拉伸狀態(tài)時(shí)起作用。上部軀體和其平衡。在彈簧-質(zhì)量概念模型到兩足神經(jīng)肌肉模型演化的下一階段，點(diǎn)質(zhì)量表示法被放棄，引入了圍繞上部軀體255的可擺動(dòng)腿(圖2D)。該上部軀體255組合了頭部、手臂和軀干(HAT)。為了在運(yùn)動(dòng)中平衡HAT255，每條腿都附加了臀部肌肉群(GLU)260和髖屈肌肌肉群(HFL)265。GLU260和HFL265都被HAT255的比例微分信號(hào)激勵(lì)，相對(duì)于重力向前傾斜θ角，Sau/HFL±Dip(9-9ref)+kdd0/dt]，其中kjPkd是比例和微分增益，并且θ%是參考傾斜角度[相似方法的比較，例如，Gunther,M.，Ruder,H.，2003.Synthesisoftwo-dimensionalhumanwalking-.atestoftheλ—model.Biol.Cybem.89,89-106]。還包括使用ShamSau逆轉(zhuǎn)當(dāng)向后拉動(dòng)沉重的HAT255時(shí)由于GL似60產(chǎn)生的大的髖力矩引起的膝過(guò)度拉伸的兩關(guān)節(jié)的腿筋肌肉群(HAM)270。由于如果腿承受足夠的重量，髖力矩只能平衡HAT255，GLU260.HAM270和HFL265的激勵(lì)被調(diào)制成每條腿成比例地承受身體的總重量。結(jié)果，每條腿的髖肌肉只在支撐階段對(duì)HAT的平衡控制起作用。擺動(dòng)腿伸出和收回。除了產(chǎn)生擺動(dòng)腿伸出和收回的肌肉反射控制，人類模型的結(jié)構(gòu)是完整的。假定支撐腿的功能重要性與已經(jīng)雙重支撐的對(duì)側(cè)腿和初始擺動(dòng)腿伸長(zhǎng)承受的身體總重量(bw)成比例減少(圖2E)。人類模型檢測(cè)哪個(gè)腿進(jìn)入支撐末段(對(duì)側(cè)腿)，并按對(duì)側(cè)腿承受的重量的比例抑制身體同側(cè)腿的VAS240的F+，SVAS(t)=S。，VAS+GVASFVAS(t-AtVAS)--Atk)-。當(dāng)踝拉伸并推動(dòng)腿離開(kāi)地面向前時(shí)，對(duì)側(cè)抑制允許膝中斷其功能性彈簧行為，并且彎曲。盡管只有如果踝能有效地推動(dòng)，這種彈射機(jī)制才能夠啟動(dòng)擺動(dòng)，在雙支撐階段，該模型還能夠通過(guò)以固定量ΔS增加HFL265的激勵(lì)和減少GL似60的激勵(lì)啟動(dòng)擺動(dòng)腿伸長(zhǎng)。在實(shí)際的擺動(dòng)階段，主要依靠腿沖擊運(yùn)動(dòng)，但是其被兩個(gè)方面影響(圖2F)。一方面，擺動(dòng)腿的伸長(zhǎng)是被推動(dòng)的。通過(guò)在支撐擺動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)程中使用HAT255向前的節(jié)距角θref偏置過(guò)的長(zhǎng)度正反饋(L+)，HFL265被激勵(lì)SHFUt)=S0,HFL+klean(θ-θref)T0+GHFL(lCE,HFL-loff,HFL)(t-At,HFL)D使用這種方法，確保了擺動(dòng)腿的沖擊運(yùn)動(dòng)及時(shí)獲得向前運(yùn)動(dòng)的力矩[Mochon，S.，McMahon,T.，1980.Ballisticwalking.J.Biomech.13(1)，49-57]。此外，擺動(dòng)腿也被防止過(guò)度拉伸，并且被確保收回。在擺動(dòng)階段如果腿到達(dá)并保持合適的定位，腿系統(tǒng)自穩(wěn)定為一個(gè)步態(tài)周期[McGeer，Τ.,1990.Passivedynamicwalking.Int.J.Rob.Res.9(2),62-82；Seyfarth,A.,Geyer,H.,Giinther,Μ.,Blickhan.R.,2002.Amovementcriterionforrunning.J.ofBiomech.35,649-655；Ghigliazza,R.,Altendorfer,R.,Holmes,P.,Koditschek,D.,2003.Asimplystabilizedrunningmodel.SIAMJ.Applied.DynamicalSystems2(2),187-218；Geyer,H.,Seyfarth,A.,Blickhan,R.,2006.Compliantlegbehaviourexplainsthebasicdynamicsofwalkingandrunning.Proc.R.Soc.Lond.B273,2861-2867]如果擺動(dòng)腿又在落地前收回，這種對(duì)抗擾動(dòng)的機(jī)械自穩(wěn)定的容許度可被大幅度提高Beyfarth，Α.，Geyer，H.,2002.Naturalcontrolofspring,likerunning-optimizedself-stabilization.InProceedingsofthe5thinternationalconferenceonclimbingandwalkingrobots.ProfessionalEngineeringPublishingLimited,pp.81-85；Seyfarth,A.,Geyer,H.,Herr,H.Μ.,2003.Swing,legretraction-.asimplecontrolmodelforstablerunning.J.Exp.Biol.206.2547-2555]。為了實(shí)現(xiàn)這種停止-收回策略，三種肌肉反射被包含于人類模型中。當(dāng)伸長(zhǎng)過(guò)程中膝達(dá)到完全伸展時(shí)，由腿受到的向前的推動(dòng)力產(chǎn)生的擺動(dòng)腿拉伸過(guò)度被阻止。關(guān)于此，HFL的L+被與HAM在擺動(dòng)階段受到的張力成比例地抑制，Shfl(t)=U^~^ref)T0+G肌(1邙，HFL_l0ff，肌)^t,HFl)~^ΗΑΜΗρζχ(1CE,HAM~loff,HAm)(卜八t，HAM)。力夕卜，F(xiàn)+被用于GLU，Sglu(t)=S0jGLU+GGLUFGLU(t-AtGLU)，以及HAM,Sham(t)=So^+G^F^a-ΔtmM)，來(lái)確保依賴于實(shí)際伸長(zhǎng)力矩，擺動(dòng)腿不僅可以懸停，還可以傳遞部分力矩到腿進(jìn)行矯直和收回。最后，引入確保足誤差的TAL+在整個(gè)擺動(dòng)階段被保持。在該階段SOL、GAS、VAS不起作用。反射控制參數(shù)。對(duì)肌肉激勵(lì)Sm(t)不同的反射影響通過(guò)模型中使用的函數(shù)管理。沒(méi)有優(yōu)化的參數(shù)被應(yīng)用。參數(shù)從以前的反射行為(F+，L+)知識(shí)或者通過(guò)似是而非的估計(jì)得來(lái)。在被轉(zhuǎn)換成肌肉活動(dòng)Am(t)之前，所有的肌肉激勵(lì)被限定于范圍0.01到1之間。表1代表了本優(yōu)選實(shí)施例中使用的支撐反射函數(shù)。表1Ssol(t)=So^oL+GsoLFso^t!)=0.01+1.2^,^^(^)Sta(t)—Sq7ta+Gta[1ceta(tx)_loff,TA)]_Gsol,taFsol(ι)=0.01+1.1[1CE,TA(^)-0.711opt,TA)]-0.3/Ffflax,S0LFS0L(tx)Sgas(t)=S0,gas+GgasFgas(tx)=0.01+1.1^,,^(^)權(quán)利要求1.一種用于包括至少一個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)械肢體的基于模型的神經(jīng)機(jī)械控制器，該控制器包括有限狀態(tài)機(jī)，該有限狀態(tài)機(jī)被配置成接收涉及機(jī)械肢體狀態(tài)的反饋數(shù)據(jù)以及利用接收到的反饋數(shù)據(jù)確定機(jī)械肢體狀態(tài)；肌肉模型處理器，該肌肉模型處理器被配置成接收來(lái)自有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)信息和來(lái)自至少一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的肌肉幾何結(jié)構(gòu)和反射體系結(jié)構(gòu)信息，并利用神經(jīng)肌肉模型確定發(fā)送至機(jī)械肢體的至少一個(gè)期望的關(guān)節(jié)力矩或剛度指令；以及關(guān)節(jié)指令處理器，該關(guān)節(jié)指令處理器被配置成操控機(jī)械肢體關(guān)節(jié)處的肌肉模型處理器確定的仿生力矩和剛度。2.如權(quán)利要求1所述的控制器，其特征在于，反饋數(shù)據(jù)通過(guò)安裝在機(jī)械肢體的每個(gè)關(guān)節(jié)處的至少一個(gè)傳感器提供。3.如權(quán)利要求1所述的控制器，其特征在于，機(jī)械肢體是腿，有限狀態(tài)機(jī)同步于腿步態(tài)周期。4.如權(quán)利要求3所述的控制器，其特征在于，腿包括動(dòng)力踝-足假體。5.如權(quán)利要求3所述的控制器，其特征在于，腿包括膝關(guān)節(jié)。6.如權(quán)利要求4所述的控制器，其特征在于，腿還包括膝關(guān)節(jié)。7.如權(quán)利要求6所述的控制器，其特征在于，腿還包括髖關(guān)節(jié)。8.如權(quán)利要求2所述的控制器，其特征在于，至少一個(gè)傳感器是角度關(guān)節(jié)位移和速度傳感器、力矩傳感器或慣性測(cè)量單元。9.一種控制包括至少一個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)械肢體的方法，該方法包括以下步驟在有限狀態(tài)機(jī)處接收涉及機(jī)械肢體狀態(tài)的反饋數(shù)據(jù)；利用有限狀態(tài)機(jī)和接收到的反饋數(shù)據(jù)確定機(jī)械肢體狀態(tài)；利用神經(jīng)肌肉模型、肌肉幾何結(jié)構(gòu)和反射結(jié)構(gòu)體系信息以及來(lái)自有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)信息確定發(fā)送至機(jī)械肢體的至少一個(gè)期望的關(guān)節(jié)力矩或剛度指令；以及操控機(jī)械肢體關(guān)節(jié)處的肌肉模型處理器確定的仿生力矩和剛度。全文摘要一種用于具有至少一個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)械肢體的基于模型的神經(jīng)機(jī)械控制器，包括被配置成接收涉及機(jī)械肢體狀態(tài)的反饋數(shù)據(jù)并確定機(jī)械肢體狀態(tài)的有限狀態(tài)機(jī)、配置成接收來(lái)自有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)信息并利用肌肉幾何結(jié)構(gòu)和反射體系信息、神經(jīng)肌肉模型確定發(fā)送至機(jī)械肢體的至少一個(gè)期望的關(guān)節(jié)力矩或剛度指令的肌肉模型處理器、以及配置成操控機(jī)械肢體關(guān)節(jié)處的肌肉模型處理器確定的仿生力矩和剛度的關(guān)節(jié)指令處理器。優(yōu)選地，反饋數(shù)據(jù)由安裝在機(jī)械肢體的每個(gè)關(guān)節(jié)處的至少一個(gè)傳感器提供。在優(yōu)選實(shí)施例中，機(jī)械肢體是腿，有限狀態(tài)機(jī)同步于腿步態(tài)周期。文檔編號(hào)B25J9/18GK102378669SQ201080015208公開(kāi)日2012年3月14日申請(qǐng)日期2010年2月1日優(yōu)先權(quán)日2009年1月30日發(fā)明者H·M·赫爾,H·蓋耶,M·F·艾倫貝格申請(qǐng)人:麻省理工學(xué)院