[发明专利]矫正支撑和刺激系统及方法

说明书

背景技术

生物和计算系统之间的接口正在变得普遍，特别是在为残疾人设计（assistive）的康复治疗和运动辅助、诸如电动假体设备的应用领域中。 这些设备中的大多数使用状态机架构，状态定义由一个或多个预定义模式模板组成以在生物功能与控制算法之间进行转译。然而，被用于这些目的的状态定义必须是理想化的，或者从广泛的人群取平均值。因此，它们在任何情况下总是底层生物元素的不完美复制品，其在不同条件下对于不同的个体而言变化巨大。除这些个体差异之外，环境条件、衣物、传感器位置、动作的特定运动和运动速度仅仅是可以极其快速地改变、破坏任何模式模板内的操作的许多变量中的几个。为了适应所有变化，所使用的物理位置和速度模式常常必须如此宽泛，以致于负面地影响甚至在缓慢运动背景下的操作。此外，当更频繁地以较高速度发生的较小位置改变很好地落在强制的宽泛模板位置范围内时，常常导致快速运动的动态情况下的性能降级。

理想化状态定义模板通过选择性参数修改对个体实例的适应已经显示出适度的成功，最显著的是通过收紧状态边界定义而改善瞬态行为。然而，甚至当被动态地最优化时，测量条件针对任何状态定义模板的直接比较固有地使可行性（viability）局限于在模板内定义的那些条件。固有地缺少外推，纯模板驱动系统中的可预测系统控制只有当输入条件落在模板定义内时才发生。因此，这使紧密控制操作约束于其中状态定义模板已被定义或训练的情况。例如，形成模板以定义在水平面上的正常行走期间的被动态刺激的腿部肌肉收缩标准的动态自适应不一定扩展至先前未遇到的情况，诸如下楼梯。在存在不良定义状态的情况下，最终控制目标的直接测量、特别是在生物学应用中因此最多也是极其困难的，使得典型反馈环路维持不住。

遵循腿部刺激示例，整形外科（orthopedic）设备的目的可以是通过外部动态受控力矢量来保护损坏的关节。本目标暗示着将内部矢量关节力的量值保持在禁止极限内。然而，由于所涉及的多个自由度中的惯性分量，可能由大量的不相关位置和运动条件引起关节内的类似矢量力。外部位置和运动测量显示出与内部矢量关节力的量值的不良相关，主要是由于大多数关节的化合物性质。内部关节力上的直接控制环路闭合在大多数应用中由于关节侵害而变得维持不住。例如，通过在物理上将负载传感器（load cell）放置在关节内部以获得内部力测量来计算内侧髁（ internal condyle）力可能是不切实际的。然而，具有要求矢量关节保护的所有情况的高度覆盖的位置模板的开发由于可能的位置和运动的绝对数目而变得不太可能。前述示例描述了其中受控系统的非线性性质通过直接测量不容易明显、但通过由测量动态条件激励的物理系统建模而以简洁的形式可用的情况。此简洁形式是高度可修改为状态机架构的，不仅是在类似于以上示例的生物接口中，而且在其中希望许多激励源的高阶效应的直接控制的任何控制情况中。

状态机的计算要求与在任何时间段内检查的状态定义的数目成正比。然后发生最高效率，其中最小数目的状态退出/进入标准打开以用于任何给定时间的检查。然而，在在时间和对于不同的实例两者方面的差异的情况下，常常存在显著控制事件，诸如以上整形外科示例中的骨对骨（bone-on-bone）髁骨 （condular）影响。在以上示例中，预测髁骨影响的步态（gait）模式随着病人疲劳和对于不同的病人而言显著地变化。在宽泛物理系统变化的情况下，当设计控制系统时，指示显著控制事件的测量和甚至建模条件的身份（identity）可以改变或甚至是未知的。根据整形外科示例，膝盖运动学在重和轻的病人之间相差悬殊。在本示例和许多其他示例中，外推能力的缺失要求最佳状态模板定义穷举性地覆盖可能的系统实例和条件。覆盖所有应用的状态条件标准的宽泛集合不仅在计算上是低效的，而且失去了通过对其中检查到显著控制事件的背景求平均来进行区分的能力。

需要一种具有底层结构系统的足够知识以允许预先观察的和全新的操作条件下的稳健且准确的控制操作的状态确定技术。

附图说明

根据所附权利要求书、一个或多个示例性实施例的以下详细描述以及相应的图，本发明的实施例的特征和优点将变得清楚，在所述附图中：

图1包括有限状态机控制器的框图。

图2包括举例说明本发明的实施例的使用的计算架构的框图。

图3包括被用来控制被附加于腿的整形外科肌肉刺激设备的本发明的实施例的框图。

图4包括图3的实施例背景下的图2的架构的状态机属性。

图5包括被用来改善高尔夫车的稳定性的本发明的实施例的框图。