自適應(yīng)外骨骼、用于控制自適應(yīng)外骨骼的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開內(nèi)容通常涉及外骨骼、外骨骼控制器以及用于控制外骨骼的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]許多人遭受受限移動性，該受限移動性可起因于年齡、疾病、外傷或另一原因。例如，隨著個人變老，他/她可能損失骨骼、肌肉質(zhì)量和/或力量。因此，他的/她的移動性可隨時間而變得日益受限。在其它情況下，個人可能遭受例如通過損壞/破壞肌肉、骨骼和/或大腦與肢體(例如手臂或腿)之間的神經(jīng)通路而限制他的/她的移動性的外傷。由于這些原因和其它原因，個人可能在心理上愿意移動，但是可能在身體上無法移動。
[0003]多年以來，已開發(fā)許多技術(shù)來增強(qiáng)和/或恢復(fù)已經(jīng)由于年齡和/或外傷而損失的人類移動性。具體而言，對使用用于增強(qiáng)和/或增大人類移動性的外骨骼技術(shù)的興趣與日俱增。
[0004]已在軍事背景下開發(fā)了外骨骼技術(shù)來增強(qiáng)士兵和支持人員的能力。這種軍事外骨骼可包括具有一個或多個液壓鉸接關(guān)節(jié)的鋼和鋁主框架，該一個或多個液壓鉸接關(guān)節(jié)通常被配置為模仿人類的主要關(guān)節(jié)(例如，膝蓋、肘部、肩膀等)的功能。附接到該主框架的傳感器和致動器檢測由操作人員(例如，通過該操作人員的動作)施加的力。響應(yīng)于這種所施加的力，外骨骼的相關(guān)部分以適當(dāng)?shù)姆绞揭苿印Ｒ虼?，如果操作人員通過移動一只手臂或者他的/她的兩只手臂而將力施加到傳感器，則該外骨骼的相對應(yīng)的手臂可以適當(dāng)?shù)姆绞揭苿?，以便模仿該操作人員手臂的動作。
[0005]還已針對藥用和治療應(yīng)用開發(fā)外骨骼。在一些情況下，這種外骨骼可包括由金屬主框架與鉸接膝蓋關(guān)節(jié)一起形成的“腿”。在用戶穿上該外骨骼之后，治療師可利用控制系統(tǒng)來致使該外骨骼以模擬人類的自然步態(tài)的方式行走。在一些情況下，用戶可以在該外骨骼步行時例如通過按下手持式步行器/手杖中的按鈕來進(jìn)行控制。替代地或另外，用戶可通過以可由力傳感器檢測的方式轉(zhuǎn)移他的或她的體重來促進(jìn)該外骨骼邁步。
[0006]雖然現(xiàn)有外骨骼有用，但其通常以機(jī)械組件(諸如，捆綁到或以其它方式附接到身體的機(jī)械關(guān)節(jié))的致動來增強(qiáng)或替代用戶的自然身體動作。這種外骨骼可能不通過促進(jìn)或?qū)崿F(xiàn)用戶的肌肉的收縮來增強(qiáng)和/或恢復(fù)移動性。此外，現(xiàn)有外骨骼通常依賴于力傳感器和/或一個或多個按鈕來發(fā)起外骨骼動作。即，可響應(yīng)于按鈕按下或由對力傳感器施加可檢測的力的用戶進(jìn)行的動作來發(fā)起這種外骨骼的移動。如果該用戶無法進(jìn)行所需移動或施加必需的力，則該外骨骼可能不作出響應(yīng)。
【附圖說明】
[0007]隨著以下【具體實(shí)施方式】進(jìn)行并且一旦參考附圖，所要求保護(hù)的主題的實(shí)施例的特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見，其中，相似編號描繪相似部件，并且其中:
[0008]圖1A、圖1B和圖1C分別描繪如由用戶穿戴的根據(jù)本公開內(nèi)容的示范性外骨骼的正視圖、側(cè)視圖和后視圖。
[0009]圖2描繪設(shè)置在用戶的膝蓋周圍的符合本公開內(nèi)容的示范性局部外骨骼。
[0010]圖3A、圖3B和圖3C分別描繪如由用戶穿戴的符合本公開內(nèi)容的另一示范性外骨骼的正視圖、側(cè)視圖和后視圖。
[0011]圖4描繪設(shè)置在用戶的膝蓋周圍的符合本公開內(nèi)容的另一個示范性局部外骨骼。
[0012]圖5是符合本公開內(nèi)容的示范性外骨骼控制系統(tǒng)的框圖。
[0013]圖6是符合本公開內(nèi)容的示范性方法的流程圖。
[0014]圖7是符合本公開內(nèi)容的示范性控制器方法的流程圖。
[0015]雖然將參考示例性實(shí)施例進(jìn)行以下【具體實(shí)施方式】，但是其許多替代方案、修改和變型對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的。
【具體實(shí)施方式】
[0016]雖然本文中參考針對特定應(yīng)用的示例性實(shí)施例描述本公開內(nèi)容，但應(yīng)理解，這種實(shí)施例僅是示范性的，并且如由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明并不限于此。可以得到本文中所提供的教導(dǎo)的相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到在本公開內(nèi)容的范圍內(nèi)的另外修改、應(yīng)用和實(shí)施例、以及其中本公開內(nèi)容的實(shí)施例將實(shí)用的另外技術(shù)領(lǐng)域。
[0017]本文中描述一種可導(dǎo)致、幫助和/或替代用戶的自然移動性的外骨骼技術(shù)。這種外骨骼技術(shù)包括但并不限于外骨骼、外骨骼控制器、用于控制外骨骼的方法以及其組合。如下文將詳細(xì)解釋的，本文中所述的外骨骼技術(shù)可利用傳感器元件、處理/控制元件以及致動元件的組合來使得用戶能夠和/或幫助用戶以所期望方式移動?？赏ㄟ^對用戶的肌肉的電刺激、一個或多個機(jī)械組件的致動或者其組合來引起這種移動。在一些實(shí)施例中，該外骨骼技術(shù)可響應(yīng)于所測量輸入(諸如，由用戶產(chǎn)生的動作或電信號)進(jìn)行調(diào)節(jié)。以此方式，該外骨骼技術(shù)可理解已知輸入并且學(xué)習(xí)新的輸入，其可導(dǎo)致更多無縫用戶體驗(yàn)。
[0018]出于本公開內(nèi)容的目的，術(shù)語“電肌肉刺激”(“EMS”)用于指代其中通過施加電脈沖引起肌肉收縮的方法。在不受限制的情況下，這種脈沖可被配置為模擬由個人在他/她發(fā)起他的/她的身體的所有部分或一部分的移動時產(chǎn)生的自然電脈沖。具體而言，該電脈沖可被配置為模仿由個人產(chǎn)生電脈沖，所述電脈沖用以引起在軀體神經(jīng)系統(tǒng)的控制下的骨骼肌肉的收縮和/或放松，即，主動控制所述骨骼肌肉。
[0019]短語“感興趣的身體區(qū)域”在本文中用于指代人體的本文中所描述的外骨骼技術(shù)將應(yīng)用到其的部分。感興趣的身體區(qū)域可包括例如人體的一個或多個關(guān)節(jié)(例如，腳踝、膝蓋、臀部、肩膀、肘部、手指、頸、下巴等)、其組合等等，包括參與這種關(guān)節(jié)的致動的骨骼肌肉。替代地或另外，感興趣的身體區(qū)域可以包括人體的其它區(qū)域(諸如軀干、腹、臀、大腿、小腿等)、其組合以及類似區(qū)域。為了說明起見，本公開內(nèi)容將集中在本文中所述的外骨骼技術(shù)在其應(yīng)用到用戶的膝蓋時的使用上。應(yīng)理解，這種描述僅為示范性描述，并且本文中所述的外骨骼技術(shù)可應(yīng)用到感興趣的任何身體區(qū)域或身體區(qū)域的組合。
[0020]圖1A、圖1B和圖1C分別提供符合本公開內(nèi)容的示范性外骨骼系統(tǒng)100 (在下文中被稱為“系統(tǒng)100”)的正視圖、側(cè)視圖和后視圖。如圖所示，系統(tǒng)100包括外骨骼102和控制器103。為說明起見，將外骨骼102描繪為由用戶101穿戴。外骨骼102包括傳感器104和肌肉致動接口 105。
[0021]雖然本公開內(nèi)容設(shè)想其中傳感器104和肌肉致動接口 105獨(dú)立支撐在用戶的身體上和/或內(nèi)(例如，使用膠帶、粘合劑、植入物等)的實(shí)施例，但并不需要這種配置。在一些實(shí)施例中，傳感器104和/或肌肉致動接口 105整合到基質(zhì)(其在圖中使用陰影示出)或以其它方式由基質(zhì)支撐。在使用時，該基質(zhì)可以以適于支撐傳感器104和致動器105的任何方式來進(jìn)行配置。例如，該基質(zhì)可以是衣服制品、貼身連衣褲、松緊帶、繃帶、膠帶、支架、整形緊身衣、其組合等等。在不受限制的情況下，該基質(zhì)優(yōu)選地以貼身連衣褲、關(guān)節(jié)支架(例如，腳踝支架、膝蓋支架、肘支架、肩膀支架、手腕支架、手指支架、頸支架等)和/或腹帶的形式，其中的任何一個或全部可由彈性材料形成?？捎米骰|(zhì)的合適彈性材料的非限制性例子包括彈性聚合物，諸如，乙丙橡膠、異戊二烯橡膠、氯丁(聚氯丁烯)橡膠、乳膠、丁腈橡膠、聚丁二烯橡膠、斯潘德克斯彈性纖維、硅橡膠、其組合等等。
[0022]在任何情況下，該基質(zhì)可被配置為緊密地覆蓋用戶的身體的全部或一部分。在圖1A-1C和圖2中用陰影示出此概念，其分別示出覆蓋用戶的身體的實(shí)質(zhì)上全部(圖1A-1C)和用戶的膝蓋(圖2)的基質(zhì)。這種緊密貼合可使得基質(zhì)能夠支撐傳感器104和肌肉致動接口 105，以使得其與用戶的身體接觸。以此方式，基質(zhì)可確保保持傳感器104與致動器105之間的接觸，其可允許這種組件執(zhí)行其相應(yīng)的功能。
[0023]傳感器104通常用于檢測由用戶101在他或她移動或試圖移動感興趣的身體區(qū)域時生成的電信號和/或其它信息。例如，傳感器104可檢測由用戶101產(chǎn)生的神經(jīng)元動作電位(在下文中被稱為“神經(jīng)元信號”)。替代地或另外，傳感器104中的一個或多個傳感器可檢測用戶101的脈搏、血壓、體溫、其組合、肌肉響應(yīng)等等。在不受限制的情況下，傳感器104中的所有傳感器或一部分傳感器優(yōu)選地被配置為檢測由用戶101產(chǎn)生的神經(jīng)元信號。具體而言，傳感器104可操作為檢測由用戶101在他/她通過致動一個或多個骨骼肌肉和/或肌肉群來移動或試圖移動他的/她的身體的一部分產(chǎn)生的神經(jīng)元信號。這種骨骼肌肉和/或肌肉群可位于手臂、腿、腹、頸、用戶101的身體的另外部分或其組合中。在一些實(shí)施例中，這種肌肉和/或肌肉群可參與感興趣的身體區(qū)域(并且具體而言，人體的關(guān)節(jié))的移動和/或穩(wěn)定。
[0024]傳感器104可以以任何合適方式來進(jìn)行配置，只要其可檢測由人類產(chǎn)生的電信號和/或其它信息。就這一點(diǎn)而言，傳感器104可被配置為當(dāng)與用戶的皮膚接觸時、當(dāng)嵌入用戶的皮膚和/或肌肉組織內(nèi)時和/或當(dāng)植入用戶內(nèi)部時起作用。在醫(yī)療行業(yè)中容易理解這種傳感器的性質(zhì)和配置，并且因此在本文中不詳細(xì)進(jìn)行描述。在一些實(shí)施例中，傳感器104中的一個或多個傳感器包括當(dāng)接觸用戶的皮膚放置時容許該傳感器檢測神經(jīng)元信號和/或其它信息的皮膚接觸電極。在不受限制的情況下，這種傳感器可檢測來自用戶101的周圍/運(yùn)動神經(jīng)元、中樞神經(jīng)系統(tǒng)、另一神經(jīng)通路和身體通路、其組合等等的神經(jīng)元信號。
[0025]在圖1A-1C的實(shí)施例中，將傳感器104描繪為廣泛散布在用戶101的身體上方。應(yīng)理解，該說明僅為示范性的，并且傳感器104可以位于任何合適的位置處。例如，傳感器104可位于在個人的主要關(guān)節(jié)(諸如，腳踝、膝蓋、臀和/或肩膀關(guān)節(jié))中的一個或多個主要關(guān)節(jié)附近。在圖2中示出此概念，圖2描繪包括如穿戴在用戶的膝蓋周圍的局部外骨骼的示范性外骨骼系統(tǒng)。因此，應(yīng)認(rèn)識到，本文中所述的外骨骼技術(shù)并不限于全身系統(tǒng)或近似全身系統(tǒng)。實(shí)際上，本公開內(nèi)容設(shè)想并且涵蓋用于身體的單獨(dú)區(qū)域(例如，膝蓋、肘、腹等)的外骨骼。此外，本文中所述的外骨骼技術(shù)可以是模塊化的。即，其可最初施加到用戶的第一身體區(qū)域，并且在用戶的需求增加時隨后施加到另外身體區(qū)域。
[0026]同樣地，圖1A-1C中示出的傳感器104的數(shù)目僅為示范性的，并且在本文中所述的外骨骼技術(shù)中可使用任何數(shù)目個傳感器104。在一些實(shí)施例中，外骨骼102中傳感器104的數(shù)目可取決待收集的信息的范圍、感興趣的身體區(qū)域、用戶的身體的受影響區(qū)域以及其它因素而變化。例如，本文中所述的外骨骼技術(shù)可利用約I個、2個、3個、4個、5個、10個、15個、20個、50個、100個或甚至約1000個傳感器。在不受限制的情況下，在本文中所述的外骨骼技術(shù)中使用約I個到約20個傳感器104。
[0027]傳感器104中的一個或多個傳感器可定位為使得當(dāng)外骨骼102由用戶穿戴時其接近于感興趣的身體區(qū)域。這種傳感器可通過基質(zhì)保持在該位置中，如先前所述。例如，傳感器104可嵌入以柔性支架/帶形式的基質(zhì)中，這樣當(dāng)穿戴外骨骼102時，其保持嵌入和/或與用戶的皮膚接觸。接近于感興趣的身體區(qū)域定位傳感器104可容許其檢測由用戶101產(chǎn)生的神經(jīng)元信號，所述神經(jīng)元信號用以引起來自參與該身體區(qū)域的移動的一個或多個肌肉/肌肉群的響應(yīng)。以此方式，傳感器104可檢測在感興趣的身體區(qū)域的“局部(local)”的區(qū)域中的神經(jīng)元信號。
[0028]例如，當(dāng)感興趣的身體區(qū)域是諸如膝蓋之類的關(guān)節(jié)時，可將傳感器104保持為接近于膝蓋，諸如在膝蓋近側(cè)和/或遠(yuǎn)側(cè)。該放置可容許傳感器104檢測由用戶101產(chǎn)生的神經(jīng)元信號，所述神經(jīng)元信號用以刺激參與膝蓋的動作的一個或多個肌肉/肌肉群，例如，腱肌、腓腸肌、股薄肌、縫匠肌、其組合等等。
[0029]當(dāng)然，傳感器104無需定位為使得其在感興趣的身體區(qū)域的局部。在一些實(shí)施例中，用戶101可能受到麻痹或防止神經(jīng)元信號發(fā)送到感興趣的身體區(qū)域(在下文被稱為“受影響區(qū)域”)的另一條件的影響。例如，用戶101可能已遭受一個或多個神經(jīng)損壞(例如，脊髓內(nèi)、臂叢中、骶叢中等)，以使得防止神經(jīng)元信號從大腦發(fā)送到該受影響區(qū)域。在這種情況下，放置在受影響區(qū)域上或受影響區(qū)域的局部的傳感器104可能不能檢測由試圖移動此區(qū)域的用戶101產(chǎn)生的神經(jīng)元信號。
[0030]為進(jìn)行補(bǔ)償，傳感器104中的一個或多個傳感器可定位為使得其可檢測由用戶101從遠(yuǎn)離感興趣的身體區(qū)域的身體區(qū)域產(chǎn)生的神經(jīng)元信號。在一些實(shí)施例中，一個或多個傳感器104可檢測在用戶101的神經(jīng)系統(tǒng)的受損區(qū)域的點(diǎn)“上游”處(諸如在沿用戶101的脊柱、頸和/或遠(yuǎn)離受影響區(qū)域的神經(jīng)系統(tǒng)通路的點(diǎn)處)的神經(jīng)元信號。例如，傳感器104中的一個和多個傳感器可被放置為檢測將來自用戶的坐骨神經(jīng)的受影響區(qū)域作為目標(biāo)的神經(jīng)元信號。類似地，傳感器104中的一個和多個傳感器可以是顱傳感器，其被配置為當(dāng)放置在用戶101的頭部上或內(nèi)時檢測將受影響身體區(qū)域作為目標(biāo)的神經(jīng)元信號。以此方式，一個或多個傳感器104可定位為檢測由用戶101在他/她試圖移動受影響區(qū)域(感興趣的身體區(qū)域)時產(chǎn)生的神經(jīng)元信號，即使用戶101不能夠?qū)⑦@種信號實(shí)際上發(fā)送到該受影響區(qū)域。包括這種神經(jīng)元信號和/或致動信號的數(shù)據(jù)信號可隨后按路線傳送(route)到該受影響區(qū)域(例如，使用控制器103，如下文所述)，繞過用戶101的身體的可以防止神經(jīng)元信號使用用戶101的自然神經(jīng)系統(tǒng)通路發(fā)送到該受影響區(qū)域的部分。
[0031]如先前所述，傳感器104中的所有傳感器和一部分傳感器可被配置為檢測除了來自用戶101的神經(jīng)元信號以外的信息。這種其它信息的一個例子是肌肉響應(yīng)信息，包括但不限于由感興趣的身體區(qū)域產(chǎn)生的肌肉響應(yīng)信息。這種肌肉響應(yīng)信息的非限制性例子包括肌肉動作電位、肌肉收縮和/或擴(kuò)張的范圍、動作范圍、其組合等等。在不受限制的情況下，傳感器104中的至少一個傳感器檢測感興趣的身體區(qū)域中的肌肉動作電位。如下文將描述的，肌肉響應(yīng)信息可由外骨骼系統(tǒng)100(并且具體而言，控制器103)用于確定感興趣區(qū)域中的肌肉/肌肉群對所施加刺激(即，由用戶101產(chǎn)生的神經(jīng)元信號、由控制器103產(chǎn)生的致動信號或其組合)作出反應(yīng)的程度。
[0032]傳感器104可將數(shù)據(jù)信號(在圖1A-1C中未示出)發(fā)送到控制器103。因此，傳感器104可與控制器103進(jìn)行有線和/或無線通信。在前一情況(有線通信)下，傳感器104可通過與控制器103的線連接或其它物理連接將數(shù)據(jù)信號發(fā)送到控制器103。在后一情況下，來自傳感器104的數(shù)據(jù)信號可以使用一個或多個預(yù)先確定的無線發(fā)送協(xié)議以無線方式發(fā)送到控制器103。在不受限制的情況下，傳感器104和控制器103優(yōu)選地彼此無線通信。
[0033]不管傳感器104和控制器103通信的方式如何，由傳感器104產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信號都可包括神經(jīng)元信號信息、肌肉響應(yīng)信息或其組合。該信息可與由傳感器104中的一個和多個傳感器檢測到的信息相對應(yīng)。例如，該數(shù)據(jù)信號中的信息可包括所檢測的神經(jīng)元信號的波形和/或強(qiáng)度、所測量的肌肉動作電位、其組合等等。在一些實(shí)施例中，傳感器104中的至少一個傳感器產(chǎn)生包括神經(jīng)元信號信息(例如，波形、強(qiáng)度、其組合等等)的數(shù)據(jù)信號，并且至少一個其它傳感器104產(chǎn)生包括肌肉響應(yīng)信息的數(shù)據(jù)信號。在另外實(shí)施例中，傳感器104中的至少一個傳感器產(chǎn)生包括神經(jīng)元信號信息和肌肉響應(yīng)信息兩者的數(shù)據(jù)信號。
[0034]控制器103通常用于從傳感器104接收數(shù)據(jù)信號并且將致動信號(在圖1A-1C中未示出)發(fā)送到外骨骼102的致動器105。因此，控制器103可與致動器105有線或無線通信。在不受限制的情況下，控制器103優(yōu)選地被配置為使用一個或多個預(yù)先確定的無線通信協(xié)議以無線方式將致動信號發(fā)送到致動器105中的一個或多個致動器。
[0035]由控制器103產(chǎn)生的致動信號可被配置為引起和/或增強(qiáng)參與感興趣的身體區(qū)域的動作和/或穩(wěn)定的一個或多個肌肉/肌肉群的響應(yīng)。例如，致動信號可以模仿、復(fù)制或以其它方式模擬當(dāng)用戶101試圖移動感興趣的身體區(qū)域時產(chǎn)生的自然神經(jīng)元信號的電肌肉刺激(EMS)信號的形式。在一些實(shí)施例中，由控制器103產(chǎn)生的這些致動信號可重復(fù)(即，復(fù)制)當(dāng)用戶101試圖以一個或多個肌肉/肌肉群移動感興趣的身體區(qū)域時由傳感器104檢測到的神經(jīng)元信號。
[0036]肌肉致動接口 105通常用于從控制器103接收致動信號并且將這種致動信號施加到感興趣的身體區(qū)域中的一個或多個肌肉/肌肉群。具體而言，肌肉致動接口 105可用于將致動信號從控制器103發(fā)送或以其它方式傳輸?shù)絽⑴c感興趣的身體區(qū)域的移動(例如，經(jīng)由一個或多個肌肉的致動)的一個或多個肌肉/肌肉群。就這一點(diǎn)而言，肌肉致動接口105可以一個或多個電極的形式，其可操作用于將電信號傳輸?shù)絽⑴c感興趣的身體區(qū)域的移動和/或穩(wěn)定的肌肉