(57)【要約】  ユーザの歩行プロファイルを判定するシステムおよび方法を提供する。歩行プロファイラシステムは、左右の足−足首構造に配置されるように構成される慣性センサと、歩行プロファイルが判定される人の下肢の身体セグメント（脛、大腿部、および胴体）の空間方向とを含む検出システムを使用する。例示的な実施形態では、歩行プロファイラシステムは、左右の脚−膝構造または大腿部−臀部構造における２つの追加の慣性センサならびに左右の膝および大腿部の角度位置を示す情報を提供するセンサを使用し、ユーザが着用する外骨格または装具装置によって提供することができる。その場合、ユーザの歩行プロファイルを判定することは、膝および臀部角度と組み合わせられた慣性センサからのユーザに関する生体力学情報を使用して実行される。
2019535334.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザの歩行プロファイルを判定するための歩行プロファイラシステムであって、
前記ユーザの右足と関連付けられる第１の検知システムであって、
第１の慣性センサと、
前記ユーザの前記右足に前記第１の検知システムを固定するよう構成される第１の固定機構と、
右脛、大腿部、および胴体の空間方向を観測する外部センサの第１のセットと、
を含む第１の検知システムと、
前記ユーザの左足と関連付けられる第２の検知システムであって、
第２の慣性センサと、
前記ユーザの前記左足に前記第２の検知システムを固定するよう構成される第２の固定機構と、
左脛、大腿部、および胴体の空間方向を観測する外部センサの第２のセットと、
を含む第２の検知システムと、
前記第１および第２の慣性センサならびに外部センサの前記第１および第２のセットと通信する少なくとも１つのプロセッサであって、前記少なくとも１つのプロセッサが命令を備える関連メモリを有し、前記命令が前記プロセッサ上で実行されると、以下のステップ、すなわち、
前記第１および第２の慣性センサから前記ユーザに関する生体力学情報を受信するステップと、
外部センサの前記第１および第２のセットから生体力学情報を受信するステップと、
前記第１の慣性センサおよび外部センサの前記第１のセットからの前記生体力学情報を使用して前記ユーザの前記右足についての移動関連情報を生成するステップと、
前記第２の慣性センサおよび外部センサの前記第２のセットからの前記生体力学情報を使用して前記ユーザの前記左足についての移動関連情報を生成するステップと、
前記右足および前記左足の前記移動関連情報をマージすることによって前記ユーザの移動状態を計算するステップと、
前記ユーザの前記移動状態を使用して前記ユーザの前記歩行プロファイルを生成するステップと、
を含む、少なくとも１つのプロセッサと、
を備える、歩行プロファイラシステム。
【請求項２】
外部センサの前記第１および第２のセットは、左右の脚−膝または大腿部−臀部構造にそれぞれ配置されるように構成される一対の慣性センサと、前記ユーザの前記左右の膝および大腿部の角度位置を示す情報を提供する複数のセンサとを含む、請求項１に記載の歩行プロファイラシステム。
【請求項３】
前記左右の脚−膝または大腿部−臀部構造の前記慣性センサおよび前記左右の膝の前記角度位置を示す情報を提供する前記複数のセンサが、前記ユーザが着用する外骨格または装具装置によって提供される、請求項２に記載の歩行プロファイラシステム。
【請求項４】
前記慣性センサによって提供される前記生体力学情報が、加速度を含み、前記ユーザの前記右足および前記左足についての移動関連情報を生成する前記ステップが、前記グローバル座標系で表される前記加速度を積分して速度を計算するステップを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の歩行プロファイラシステム。
【請求項５】
前記ユーザの前記右足および前記左足についての歩行関連情報を生成する前記ステップが、前記速度を積分して位置を算出するステップを含む、請求項４に記載の歩行プロファイラシステム。
【請求項６】
前記ユーザの前記右足および左足の移動関連情報をマージする前記ステップが、前記速度および前記位置をマージするステップを含む、請求項５に記載の歩行プロファイラシステム。
【請求項７】
前記ユーザの前記歩行プロファイルを生成する前記ステップが、前記右足および前記左足の前記移動関連情報をさらに使用する、請求項１から６のいずれかに記載の歩行プロファイラシステム。
【請求項８】
前記ユーザの前記右足および前記左足の前記移動関連情報をマージする前記ステップが、センサ融合アルゴリズムを使用して実行される、請求項１から７のいずれか一項に記載の歩行プロファイラシステム。
【請求項９】
前記センサ融合アルゴリズムは、以下のサブステップ、すなわち、
前記右足および前記左足の前記移動関連情報を使用して前記ユーザの前記右足および前記左足のそれぞれの静的状態を判定するサブステップと、
前記右足および前記左足の前記移動関連情報を使用して前記ユーザの前記右足および前記左足のそれぞれの動的状態を判定するサブステップと、
前記ユーザの前記右足および前記左足のそれぞれの前記静的状態および前記動的状態を使用して前記ユーザの前記移動状態を判定するサブステップと、
を備える、請求項８に記載の歩行プロファイラシステム。
【請求項１０】
前記ユーザの前記歩行状態を判定する前記サブステップが、前記ユーザの前記右足および前記左足についての前記移動関連情報をさらに使用する、請求項９に記載の歩行プロファイラシステム。
【請求項１１】
前記ユーザの前記歩行プロファイルを生成する前記ステップが、以下のサブステップ、すなわち、
前記第１および第２の慣性センサからの前記ユーザに関する前記生体力学情報および外部センサの前記第１および第２のセットからの前記生体力学情報の少なくとも一方を使用して二次歩行情報を計算するサブステップと、
前記ユーザの前記移動状態に基づいて歩行プロファイルを計算するサブステップであって、前記移動状態が、関連するモデル歩行プロファイルを有する、サブステップと、
前記二次歩行情報に基づいて前記歩行プロファイルを最適化するサブステップと
を含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載の歩行プロファイラシステム。
【請求項１２】
前記二次歩行情報が、ユーザ活動、勾配、および歩調のうちの少なくとも１つを含む、請求項１１に記載の歩行プロファイラシステム。
【請求項１３】
前記ユーザの前記移動状態が、立脚状態および遊脚状態のうちの一つである、請求項１から１２のいずれか一項に記載の歩行プロファイラシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、参照により本明細書に組み込まれる、２０１６年１月２５日に出願された米国仮特許出願第６２／２８６，９０２号の利益を主張する。
【０００２】
本開示は、ユーザの歩行プロファイルを判定するための歩行プロファイラシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
最適な膝アシスト（すなわち、ユーザの活動の９９％を超えるエネルギー噴射）を提供する作動装具などの支援移動装置は、ユーザの脚の状態、すなわち、ａ）立脚状態（すなわち、地面に接触している）か、またはｂ）遊脚状態かを知る必要がある。
【０００４】
これを達成する一般的な方法は、圧力センサを使用することである。しかしながら、この方法は主に以下の欠点を有する：
・ユーザの靴のソールに圧力センサを設置しなければならないか、またはすべての靴にフィットするようにソールを作成しなければならない
・圧力センサの精度は、複数の圧力センサが使用されていない限り、ユーザの特定の立脚（地面に接触したときに足のどの部分が押されるかに依存する）に影響を受ける
・圧力センサは短時間使用すると脆く破損する可能性がある
【０００５】
したがって、圧力センサの欠点を克服するユーザの歩行プロファイルを判定するための歩行プロファイラシステムおよび方法が必要とされている。
【発明の概要】
【０００６】
本開示は、ユーザの歩行プロファイルを判定するための歩行プロファイラシステムを提供し、歩行プロファイラシステムは、
ユーザの右足に関連する第１の検知システムであって、
第１の慣性センサと、
第１の検知システムをユーザの右足に固定するように構成された第１の固定機構と、
右脛、大腿部、および胴体の空間方向を観察する外部センサの第１のセットと、を含む第１の検知システムと、
ユーザの左足に関連する第２の検知システムであって、
第２の慣性センサと、
第２の検知システムをユーザの左足に固定するように構成された第２の固定機構と、
左脛、大腿部、および胴体の空間方向を観察する外部センサの第２のセットと、を含む第２の検知システムと、
前記第１および第２の慣性センサならびに外部センサの前記第１および第２のセットと通信する少なくとも１つのプロセッサであって、少なくとも１つのプロセッサが命令を備える関連メモリを有し、命令がプロセッサ上で実行されると、以下のステップ、すなわち、
第１および第２の慣性センサからユーザに関する生体力学情報を受信するステップと、
外部センサの第１および第２のセットから生体力学情報を受信するステップと、
第１の慣性センサおよび外部センサの第１のセットからの生体力学情報を使用して、ユーザの右足についての移動関連情報を生成するステップと、
第２の慣性センサおよび外部センサの第２のセットからの生体力学情報を使用して、ユーザの左足についての移動関連情報を生成するステップと、
右足および左足の歩行関連情報をマージしてユーザの移動状態（例えば、立脚状態または遊脚状態）を算出するステップと、
ユーザの移動状態を用いてユーザの歩行プロファイルを生成するステップと、を実行する少なくとも１つのプロセッサとを備える。
【０００７】
本開示はまた、上述のような歩行プロファイラシステムを提供し、外部センサの第１および第２のセットは、左右の脚−膝または大腿部−臀部構造にそれぞれ配置されるように構成された一対の慣性センサと、ユーザの左右の膝および大腿部の角度位置を示す情報を提供する複数のセンサとを含む。
【０００８】
本開示は、上述のような歩行プロファイラシステムをさらに提供し、様々なセンサが、ユーザが着用する外骨格または装具装置によって提供される。
【０００９】
本開示は、上述のような歩行プロファイラシステムをさらに提供し、ユーザの右足および左足の移動関連情報をマージするステップが、センサ融合アルゴリズムを使用して実行され、センサ融合アルゴリズムが、以下のサブステップ、すなわち、
右足および左足の移動関連情報を用いてユーザの右足および左足のそれぞれの静止状態を判定するサブステップと、
右足および左足の移動関連情報を用いてユーザの右足および左足のそれぞれの動的状態を判定するサブステップと、
ユーザの右足および左足のそれぞれの静的状態および動的状態を使用してユーザの移動状態を判定するサブステップと
を備える。
【００１０】
本開示はさらに、上述の歩行プロファイラシステムを提供し、ユーザの歩行プロファイルを生成するステップは、以下のサブステップ、すなわち、
第１および第２の慣性センサからのユーザに関する生体力学情報ならびに外部センサの第１および第２のセットからの生体力学情報の少なくとも１つを用いて二次歩行情報を計算するサブステップと、
ユーザの移動状態に基づいて歩行プロファイルを計算するサブステップであって、移動状態が、関連するモデル歩行プロファイルを有するサブステップと、
二次歩行情報に基づいて歩行プロファイルを最適化するサブステップと
を含む。
【００１１】
本開示の実施形態は、添付の図面を参照して、例示のみのために記載される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】歩行プロファイラシステムの概略図である。
【図２】本開示の例示的な実施形態による歩行プロファイラシステムの概略図である。
【図３】本開示の例示的な実施形態による状態計算処理のフロー図である。
【図４】図３の状態計算処理のセンサ融合アルゴリズムサブステップのフロー図である。
【図５】本開示の例示的な実施形態による歩行プロファイル計算処理のフロー図である。
【００１３】
異なる図で使用される同様の参照符号は、同様の構成要素を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
一般に、本開示の非限定的な例示的実施形態は、ユーザの歩行プロファイルを判定するためのシステムおよび方法を提供する。歩行プロファイラシステムは、左右の足−足首構造に配置されるように構成される慣性センサと、歩行プロファイルが判定される人の下肢の身体セグメント（脛、大腿部、および胴体）の空間方向とを含む検出システムを使用する。例示的な実施形態では、歩行プロファイラシステムは、左右の脚−膝構造または大腿部−臀部構造における２つの追加の慣性センサならびに左右の膝および大腿部の角度位置を示す情報を提供するセンサを使用し、例えば、米国特許第９，３７０，４３９号“ＬＯＡＤ  ＤＩＳＴＲＩＢＵＴＩＯＮ  ＤＥＶＩＣＥ  ＦＯＲ  ＨＵＭＡＮ  ＪＯＩＮＴＳ”に記載されているような、ユーザが着用する外骨格または装具装置によって提供することができる。ユーザの歩行プロファイルをこのように判定することは、膝および臀部角度と組み合わせられた慣性センサからのユーザに関する生体力学情報を使用して実行される。
【００１５】
図１を参照すると、歩行プロファイラシステム１０は、命令を備える関連メモリ１４を伴う１つまたは複数のプロセッサ１２であって、命令がプロセッサ１２上で実行されると、以下でさらに説明する状態計算処理１００および歩行プロファイル計算処理２００のステップを実行する、１つまたは複数のプロセッサ１２と、有線、無線、またはその両方の組み合わせとすることができる通信リンク１８を介して、右足２０ａおよび左足２０ｂ検知システムならびに右３０ａおよび左３０ｂ脛、大腿部、および胴体の空間方向を観測する外部センサと通信するための入力／出力（Ｉ／Ｏ）インターフェース１６とを含む。
【００１６】
検知システム２０ａ、２０ｂのそれぞれは、関連する慣性センサ２２ａ、２２ｂ（ユーザのそれぞれの足の周囲の生体力学情報を提供する）と、例えば、ユーザの関連する足の内果の真下に、検知システム２０ａ、２０ｂを固定するように構成された固定機構２４ａ、２４ｂとを含む。
【００１７】
図２に示す歩行プロファイラシステム１０の例示的な実施形態では、外部センサ３０ａ、３０ｂは、右３０’ａおよび左３０’ｂの膝または大腿部慣性ならびに膝および臀部角度位置センサの形態をとる。
【００１８】
膝および臀部角度位置センサ３０’ａ、３０’ｂは、角度位置を示す情報を提供する任意のセンサの形態をとることができ、または膝角度および臀部角度が直接測定によって判定され得るように角度位置を生成すること、または様々なタイプのセンサによって提供される生体力学情報から導き出すことができることが理解されるべきである。
【００１９】
図３を参照すると、本開示の例示的な実施形態による、１つまたは複数のプロセッサ１２（図１および図２参照）によって実行される状態計算処理１００のフロー図が示される。処理１００のステップは、ブロック１０２から１１０で示される。
【００２０】
処理１００は、ブロック１０２で開始し、関連する慣性センサ２０ａ、２０ｂおよび外部センサ３０ａ、３０ｂからの生体力学情報ならびに膝角度および臀部角度が１つまたは複数のプロセッサ１２に提供される。
【００２１】
ブロック１０４において、任意選択的に、速度は、グローバル座標系で表現された加速度を積分することによって計算される。
【００２２】
ブロック１０６において、任意選択的に、速度が補正および積分され、最後のステップ以降の位置が得られる。
【００２３】
次に、ブロック１０８で、位置および速度（任意のステップ１０４および１０６が実行された場合）、加速度、回転、および向きが、センサ融合アルゴリズムでマージされて、ユーザの移動状態（すなわち、立脚状態または遊脚状態）が計算される。
【００２４】
最後に、ブロック１１０において、処理１００は、ユーザの立脚状態または遊脚状態ならびにユーザの各足の移動関連情報を歩行プロファイル計算処理２００に提供する。
【００２５】
図４を参照すると、図３の状態計算処理１００のステップ１０８で使用されるセンサ融合アルゴリズムのサブステップのフロー図が示される。センサ融合アルゴリズムのサブステップは、ブロック１０８２から１０８６で示される。
【００２６】
ブロック１０８２において、生体力学情報を使用して、すなわち、地面と接触して足が動かないかどうかなどを使用して、ユーザの右足および左足のそれぞれの静的状態が判定される。
【００２７】
次に、ブロック１０８４において、生体力学情報を使用して、すなわち、足が動いていて、移動サイクルの一部にあるかどうかなどを使用して、ユーザの左右の足のそれぞれの動的状態が判定される。
【００２８】
最後に、ブロック１０８６において、アルゴリズムは、ユーザの移動状態（すなわち、立脚状態または遊脚状態）を判定する。このために、右足と左足の静的および動的状態が使用され（すなわち、静的右足、静的左足、動的右足、動的左足）、右足の状態および左足の状態の様々な組み合わせにより、ユーザが立脚状態にあるか、または遊脚状態にあるかを判定する。右足および左足の静的状態および動的状態を補うために他の生体力学情報を使用することができることを理解されたい。
【００２９】
ここで図５を参照すると、本開示の例示的な実施形態による、１つまたは複数のプロセッサ１２（図１および図２参照）によって実行される歩行プロファイル計算処理２００のフロー図が示される。処理２００のステップは、ブロック２０２から２１０で示される。
【００３０】
処理２００は、ブロック２０２で開始し、状態計算処理１００（図３参照）から、ユーザの移動状態（すなわち、立脚状態または遊脚状態）およびユーザの各足の移動関連情報が取得される。
【００３１】
ブロック２０４において、ユーザ活動、勾配、歩調などの二次歩行情報が、生体力学情報ならびに膝角度および臀部角度から計算される。
【００３２】
ブロック２０６では、ユーザの立脚または遊脚状態に基づいてトルクプロファイルが計算される。各状態は、モデルトルクプロファイル、すなわち、立脚状態トルクプロファイルおよび遊脚状態トルクプロファイルを備える。
【００３３】
次いで、ブロック２０８において、ユーザの二次歩行情報に基づいてトルクプロファイルが最適化される。これは、移動状態および／または二次歩行情報の変化が検出された場合に、ユーザの歩行に関するそれらの変化の影響を制限するためにトルクプロファイルが調整されることを意味する。
【００３４】
最後に、ブロック２１０において、処理２００は、ユーザのトルクプロファイル（すなわち、歩行プロファイル）を提供する。
【００３５】
代替実施形態では、状態計算処理１００および歩行プロファイル計算処理２００は、単一または別個のプロセッサ１２上で実行することができ、状態計算処理１００は、ユーザの左右の足に対する別個のプロセッサ１２で実行することができ、慣性センサ２０ａ、２０ｂおよび外部センサ３０ａ、３０ｂは、関連するプロセッサ１２に情報を直接提供することを理解されよう。
【００３６】
本開示は、特定の非限定的な例示的実施形態およびその例によって説明してきたが、特許請求の範囲で請求される本開示の範囲から逸脱することなく変更を本特定の実施形態に適用することができることが当業者には明らかであろうことに留意されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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