[发明专利]用于人类运动辅助的软外套

说明书

本发明公开了用于为人类运动(包括髋部运动和踝部运动)提供辅助的软外套系统和方法。传感器反馈用于确定致动可穿戴式机器人系统以传递期望的关节运动辅助的适宜分布。考虑使用者动力学和运动学的变化以及可穿戴式机器人系统的构造、材料和适配，以便提供针对使用者和当前活动定制的辅助。

相关申请的交叉参考

本申请要求于2014年9月19日提交的美国临时专利申请No.62/052,562的优先权；于2015年1月26日提交的美国临时专利申请No.62/107,729；于2015年6月10日提交的美国临时专利申请No.62/173,887；于2015年6月22日提交的美国临时专利申请No.62/183,149；和于2015年7月17日提交的美国临时专利申请No.62/193,793，并且所有这些申请的全部内容通过引用并入本文。

关于联邦赞助的研究或开发的声明

本公开实施方案的至少一些方面是在来自国防高级研究计划署(DARPA)以GrantW911NF-14-C0051的政府支持下进行的。政府享有本发明的这些方面的权利。

技术领域

本公开的实施方案涉及运动辅助装置，更具体地涉及为人类运动(包括髋部运动和踝部运动)提供辅助的软外套系统和方法。

背景技术

在过去十年中，已经开发了许多下肢外骨骼以在各种条件下辅助人类步态。一些装置被设计成辅助受损的或健全的人，而其他装置被设计成使得负荷运输更容易。通常，这些装置由能够对穿戴者提供高辅助扭矩的刚性外骨骼结构组成。然而，刚性框架可能会限制穿戴者的自然运动，并且当它们与穿戴者的生物关节不对准时可能施加不期望的力。此外，刚性装置可能特别是在远端区域上具有大的惯性，这可能阻碍穿戴者的运动并且从控制的角度提供挑战。

已经开发了利用主要柔软、柔性或半柔性部件(例如，织物)的外套来解决外骨骼的这些问题特征中的一些问题。许多这种外套的共形、不引人注目和顺应性质减轻了与刚性外套相关的许多上述问题，但是反过来又引起了新的问题。软外套通常不像刚性外骨骼那样承载，因此在外套中产生的力最终传递到使用者的身体并由其承载。因此，舒适性和安全性考虑可能限制能够被产生以辅助运动的力的量。此外，由于软外套可能直接穿戴在使用者的皮肤上或穿在衣服上，所以舒适性可能是关键的设计考虑。然而，通常，针对舒适性的设计考虑通常与针对维持用于通过其传递负荷的有效系统刚度的设计考虑冲突。特别地，许多舒适的织物当被置于张力下时易于拉伸。这种拉伸可以有效地从外套中排出能量，使得与使用更高模量的材料相比，需要提供更大的电机和消耗更大量的功率以产生与人体相同的辅助力。此外，拉伸可能导致外套的元件变得与其在身体上的预期位置不对准和/或移位，可能导致不舒服，不自然的关节扭矩和增加的功率要求。软外套的固有顺应性和非线性机械结构还可能使得难以精确和可靠地将期望量的力传递到使用者身体的各个部分以辅助运动。因此，需要一种用于辅助运动的轻质、舒适的外套，其被构造成在身体上保持期望的位置和对准，并且通过其提供有效的负荷路径和传递特性。

除了致动软外套的机械挑战之外，另一个挑战在于在关节运动学和肌肉活动模式中给出相当大的变化性来提供有效的帮助。用于控制运动辅助的现有方法使用历史数据或预定常数来估计辅助的开始，并且因此不能解决穿戴者的当前步法的正常或不可预测的变化。特别地，许多控制系统利用来自先前步法的历史或预定数据来估计在当前步法期间将被辅助的运动的开始。其他系统可以被构造成在设置为与普通人的步态周期的某些部分相对应的预定的、恒定的时间偏移上施加功率。这在使用者的步态变化的情况下可能是有问题的，在现实生活中通常是这样。因此，需要一种被构造成实时地适应使用者的运动并且因此以适当的时机和幅度提供辅助功率的控制系统。

另一个挑战是，在由于性别、年龄、身高、体重和诸如行动速度等空间-时间因素引起的穿戴者动力学的相当大变化性的情况下，提供有效的辅助。现有的控制系统不能解决这些变化，而是提供未针对外套的特定穿戴者定制的一种尺寸适合所有的辅助幅度。因此，需要一种被构造成适应外套的特定穿戴者和/或正在进行的活动特性的辅助幅度的控制系统。