(57)【要約】膝装具または義肢は、人が座位にいる間に、人の足関節に対する人の膝の位置に基づいて立ち上がりのシーケンス始動させるのが適切であるときに、自動的に使用され得る。膝が、足関節の前である位置に動かされるときに、装具または義肢の少なくとも１つのアクチュエータが、座位から立位へ人を持ち上げることを助けるように作動される。少なくとも１つのセンサーは、大腿座標システムに対して重力ベクトルを測定する慣性センサーを含む。少なくとも１つのセンサーは、大腿に対して下肢の回転角を検出する。【選択図】なし
2013503026.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
能動的な装具または義肢装置であって、前記装置は、
大腿部材と、
下肢部材と、
前記大腿部材を前記下肢部材に接続するための膝関節と、
モーター軸出力を備える回転モーターと、
前記モーター軸出力に結合されているモーター駆動伝動アセンブリと、
前記モーター駆動伝動装置の前記出力に結合されている駆動伝動アセンブリであって、前記駆動伝動アセンブリの出力が前記下肢部材に結合されており、前記膝関節にトルクを印加して前記大腿部材に対して前記下肢部材を回転させる、駆動伝動アセンブリと、
少なくとも１つの出力を有する少なくとも１つのセンサーであって、前記装置の着用者が座位にいる間に、足関節に対する前記膝関節の位置が、前記少なくとも１つの出力から決定され得る、少なくとも１つのセンサーと、
コントローラと
を含み、
前記コントローラは、前記膝関節が、前記少なくとも１つのセンサーの前記少なくとも１つの出力に基づいて、前記足関節の前にある位置に動かされる時間を決定し、前記決定に応じて、前記座位から立位へ前記人を持ち上げることを助けるために、前記膝関節のインピーダンス、位置、またはトルクを変調させるように前記回転モーターを制御する、装置。
【請求項２】
前記少なくとも１つのセンサーは、大腿座標システムに対して重力ベクトルを測定する慣性センサーを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記少なくとも１つのセンサーは、前記大腿に対して前記下肢の回転角を検出する、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記コントローラは、前記着用者が座り位置にいる決定に応じて低い関節インピーダンスを維持するようにプログラムされている、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記コントローラは、試験的に立ち上がり手順を始動させることによって、前記着用者の立ちたい願望を確認するようにプログラムされている、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記コントローラは、正のフィードバックが受信される場合に、前記立ち上がり手順に進むように、正のフィードバックが受信されていない場合に、前記立ち上がり手順を中止させるようにプログラムされている、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記コントローラは、前記股関節の推定された上向きおよび前向きの速度に従って、徐々にトルクを増加させることによって、前記座位から立位へ前記人を持ち上げることを助けるように前記回転モーターを制御する、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記コントローラは、前記回転モーターを制御し、その結果、前記患者が前記立位に接近すると、復元的なトルクが、前記着用者が前記立位にいると同時に、バランスを達成することを補助するように印加される、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記着用者の足に印加されている力を測定するように構成されている少なくとも１つの圧力センサーをさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記コントローラは、膝筋肉と股関節筋肉とのうちの少なくとも１つから測定された筋電図記録信号に従って膝トルクを増加させることによって、前記座位から立位へ前記人を持ち上げることを助けるように、前記回転モーターを制御する、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
少なくとも１つのアクチュエータを有する膝装具または義肢を制御する方法であって、前記膝装具または義肢が、人によって着用されており、前記方法は、
前記人が座位でいる間に、前記人の足関節に対して前記人の膝の位置を検出するステップと、
前記膝が、前記決定するステップの結果に基づいて、前記足関節の前にある位置に動かされる時間を決定し、そして前記時間を表す出力を生成するステップと、
前記出力に応じて、前記座位から立位へ前記人を持ち上げることを助けるための、前記膝装具または義肢の少なくとも１つのアクチュエータを作動させるステップと
を含む、方法。
【請求項１２】
大腿座標システムに対して重力ベクトルを測定するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記人の大腿に対して前記人の下肢の回転角を検出するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記人が座り位置にいる決定に応じて低い関節インピーダンスを維持するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
試験的に立ち上がり手順を始動させることによって、前記着用者の立ちたい願望を確認するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
正のフィードバックが受信されるか否かを決定するステップと、
前記決定するステップにおいて正のフィードバックが受信されることが決定される場合に、立ち上がり手順に進むステップと、
前記決定するステップにおいて正のフィードバックが受信されていないことが決定される場合に、立ち上がり手順を中止させるステップと
をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
股関節の推定された上向きおよび前向きの速度に従って、徐々にトルクを増加させるステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
前記人が前記立位にいる間に、バランスを達成することを補助するように、印加された復元的なトルクを印加させるステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記人の足に印加されている力を測定するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項２０】
膝筋肉と股関節筋肉とのうちの少なくとも１つから測定された筋電図記録信号に従って膝トルクを増加させるステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本出願は、２００９年８月３１日に出願した米国仮出願第６１／２３８，３０５号の利益を主張する。
【０００２】
本発明は、一般に、義足、下肢装具および外骨格装置、そのコンポーネント、ならびに義足、下肢装具および外骨格装置、そのコンポーネントを制御するための方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
米国内では、毎年、１００，０００人を超える人々が切断により足を失っている。世界中では、何十万人もの人々がこのような衰弱性の喪失を煩っている。それに加えて、米国では毎年、歩行運動を制約するさまざまな病理を下肢に引き起こすことの多い脳卒中を生き延びる人々が７００，０００人もいる。つい最近まで、義足および下肢装具システムでは、階段や段差などの不均一な表面上は言うまでもなく平坦な地形であっても無駄のない歩行運動を行うために身体が必要とする一歩一歩に非保存的な正の仕事を伝えようにもそのような能力を持たないもっぱら受動的な、または低出力のメカニズムを採用してきた。
【０００４】
義足、下肢装具および外骨格装置の要件を評価するために、被検体の歩行周期に関連する通常の生体力学を理解することは有益である。特に、矢状面回転における人の足関節の機能を、さまざまな運動機能条件について以下で説明している。
【０００５】
Ｏｓｓｕｒ  Ｆｌｅｘ−Ｆｏｏｔ（登録商標）のような従来の受動的な下腿義足（「ＡＦＰ」）の機械的特性は、デバイスの全寿命期間にわたって本質的に一定している。特許文献１は、これらの従来のＡＦＰに比べて著しい進歩を示している。参照によりその内容全体が本明細書に組み込まれている、特許文献１では、歩行周期を５つの期に分け、デバイスの機械的特性をそれらの５つの期のそれぞれについて独立に最適化することによって性能を改善できることが認識されている。
【０００６】
図１Ａは、平地における被検体の歩行周期のさまざまな期の概略を示している。歩行周期は、典型的には、片足の踵接地で始まり、その同じ足の次の踵接地で終わる期間として定義される。歩行周期は、２つの期、つまり、立脚期（歩行周期の約６０％）とその後の遊脚期（歩行周期の約４０％）に分けられる。遊脚期は、足が地面から離れているときの歩行周期の部分を表す。立脚期は、踵が床に触れたときの踵接地から始まり、同じ足が地面から上がったときの爪先離地で終わる。立脚期は、同じ足が地面から上がったときの爪先離地に分けられる。立脚期は、制御底屈（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｐｌａｎｔａｒｆｌｅｘｉｏｎ）（ＣＰ）、制御背屈（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｄｏｒｓｉｆｌｅｘｉｏｎ）（ＣＤ）、および動力底屈（Ｐｏｗｅｒｅｄ  Ｐｌａｎｔａｒｆｌｅｘｉｏｎ）（ＰＰ）の３つの副期に分けられる。
【０００７】
ＣＰは、１０２に例示されている踵接地から始まり、１０６に例示されている足底接地で終わる。ＣＰは、踵と前足が最初に地面に接触するプロセスを記述するものである。研究者らは、ＣＰ足関節動作は関節トルクが関節位置への平衡位置に関する関節の変位に比例する線形バネ応答（ｌｉｎｅａｒ  ｓｐｒｉｎｇ  ｒｅｓｐｏｎｓｅ）に一致することを証明した。しかし、このバネの動作は、可変であり、関節の剛性は、立脚および遊脚後半の状態の３つの副期内で１歩毎に身体によって連続的に変調される。
【０００８】
ＣＰ期間の後、ＣＤ期は１１０に例示されているように足関節が最大背屈位の状態に達し、動力底屈ＰＰを開始するまで継続する。ＣＤ期間における足関節トルクと位置の関係は、足関節位置が高くなるほど剛性が増す非線形バネとして記述される。足関節は、ＰＰ期に身体を上方および前方に推進するために必要な弾性エネルギーをＣＤ期間に貯蔵する。
【０００９】
ＰＰ期は、ＣＤの後に始まり、１１４に例示されている爪先離地の瞬間に終わる。ＰＰでは、足関節は、身体を上前方に投げ出す（ｃａｔａｐｕｌｔｓ  ｔｈｅ  ｂｏｄｙ  ｕｐｗａｒｄ  ａｎｄ  ｆｏｒｗａｒｄ）反射応答に従ってトルクを印加する。次いで、ＣＤ期に貯蔵されたバネエネルギーとともにこの投げ出すエネルギー（ｃａｔａｐｕｌｔ  ｅｎｅｒｇｙ）が放出され、立脚後半期に高い底屈力を発揮する。この投げ出す動作は、ＰＰ期間になされる仕事が、中から高までの歩行速度に対してＣＰ期とＣＤ期に吸収される負の仕事より大きいため必要である。１１４における爪先離地から１１８における次の踵接地までの遊脚期に足が地面から離昇する。
【００１０】
階段の上がり下がりにおける足関節の運動学的パターンおよび動力学的パターンは、平地での歩行と異なるため、図１Ｂおよび１Ｃに下腿生体力学の別の記述が示されている。図１Ｂは、階段を上るときの人間の足関節生体力学を示している。階段上昇の第１期は、制御背屈１（ＣＤ１）と称され、これは、１３０に示されている背屈位の足部接地から始まり、１３２において踵が段表面に接触するまで背屈し続ける。この期では、足関節は、線形バネとしてモデル化することができる。第２期は、動力底屈１（ＰＰ１）であり、これは、足底接地の瞬間（１３２において足関節が最大背屈位に達したとき）に始まり、１３４において背屈がもう一度始まるときに終わる。人間の足関節は、トルクアクチュエータとして振る舞い、体重を支えるためにさらにエネルギーを供給する。
【００１１】
第３期は、制御背屈２（ＣＤ２）であり、１３６で踵離地が生じるまで足関節は背屈している。ＣＤ２期では、足関節は、線形バネとしてモデル化することができる。第４期および最終期は、動力底屈２（ＰＰ２）であり、これは、踵離地１３６から始まり、足が段を蹴って離れ、ＣＤ２バネと平行してトルクアクチュエータとして作用し、身体を上前方に推進するまで続き、１３８で爪先が表面を離れて１４０で終わる遊脚期を開始するときに終わる期である。
【００１２】
図１Ｃは、階段下降時の人間の下腿生体力学を示している。階段下降の立脚期は、制御背屈１（ＣＤ１）、制御背屈２（ＣＤ２）、および動力底屈（ＰＰ）の３つの副期に分けられる。ＣＤ１は、１５０に例示されている足部接地から始まり、足底接地１５２で終わる。この期では、人間の足関節は、可変減衰器としてモデル化することができる。ＣＤ２では、足関節は、１５４に示されている最大背屈位に達するまで前方に背屈し続ける。ここで、足関節は、線形バネとして作用し、ＣＤ２全体を通してエネルギーを貯蔵する。１５４から始まるＰＰ期では、足関節は、１５６で足が段から離昇するまで底屈している。この最終的なＰＰ期では、足関節は、貯蔵されているＣＤ２エネルギーを放出し、身体を前上方へ推進する。１５６における爪先離地の後、足が、１５８における次の足部接地まで遊脚期を通じて制御され位置決めされる。
【００１３】
図１Ｂに示されている階段上昇では、人間の下腿は、アクチュエータと可変硬直メカニズムの組み合わせを使用して効果的にモデル化されうる。しかし、図１に示されている、階段下降では、下腿複合体をモデル化するために可変減衰器も含める必要があり、人間の足関節によって吸収される力は、階段上昇時に解放される力に比べて階段下降時にかなり大きくなる。したがって、足関節を階段下降における可変減衰器とバネとの組み合わせとしてモデル化するのが妥当である。
【００１４】
従来の受動的な義肢、装具および外骨格装置は歩行周期の生体力学を十分に再現しない。これらは、インピーダンスを能動的に変調せず、また反射的トルク応答を、平地でも、上昇または下降階段もしくは斜面、または変化する地形条件でも印加しないため、生体模倣的でない。したがって、改善された義足、下肢装具および外骨格装置、そのコンポーネント、ならびに義足、下肢装具および外骨格装置、そのコンポーネントを制御するための方法が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００６／０２４９３１５号明細書
【特許文献２】米国特許第７，３１３，４６３号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本明細書で説明されている発明は、一般的に、義足、下肢装具および外骨格装置に関する。本発明のさまざまな実施形態に対する典型的な使用事例としては、例えば、代謝増大、持続性の四肢病変を持つ被検体の永続的補助、または一時的四肢病変を持つ着用者のリハビリが挙げられる。
【００１７】
本発明の一局面は、大腿部材と、下肢部材と、大腿部材を下肢部材に接続するための膝関節とを含む能動的な装具または義肢装置に関する。装置はまた、モーター軸出力を有する回転モーターと、モーター軸出力に結合されているモーター駆動伝動アセンブリと、モーター駆動伝動装置の出力に結合されている駆動伝動アセンブリであって、駆動伝動アセンブリの出力が下肢部材に結合されており、膝関節にトルクを印加して大腿部材に対して下肢部材を回転させる、駆動伝動アセンブリとを含む。装置はまた、少なくとも１つの出力を有する少なくとも１つのセンサーであって、装置の着用者が座位にいる間に、足関節に対する膝関節の位置が、少なくとも１つの出力から決定され得る、少なくとも１つのセンサーと、膝関節が、少なくとも１つのセンサーの少なくとも１つの出力に基づいて、足関節の前にある位置に動かされる時間を決定するコントローラとを含む。決定に応じて、コントローラは、座位から立位へ人を持ち上げることを助けるために、膝関節のインピーダンス、位置、またはトルクを変調させるように回転モーターを制御する。
【００１８】
本発明の別の局面は、少なくとも１つのアクチュエータを有する膝装具または義肢を制御する方法に関する。方法は、人が座位でいる間に、人の足関節に対して人の膝の位置を検出するステップと、膝が、決定するステップの結果に基づいて、足関節の前にある位置に動かされる時間を決定し、そして時間を表す出力を生成するステップとを含む。出力に応じて、膝装具または義肢の少なくとも１つのアクチュエータが、座位から立位へ人を持ち上げることを助けるために作動される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１Ａ】平地における着用者の歩行周期のさまざまな期を示す略図である。
【図１Ｂ】階段を上るときの着用者の歩行周期のさまざまな期を示す略図である。
【図１Ｃ】階段を下るときの着用者の歩行周期のさまざまな期を示す略図である。
【図２Ａ】本発明の例示的な一実施形態による、義肢、装具、または外骨格装置の足関節、踵、および爪先の軌跡を判定するための方法を示す略図である。
【図２Ｂ】歩行中の足関節の加速度を示す実験データのグラフである。
【図３】本発明の例示的な一実施形態による、足の傾き（踵の高さ）を測定するための方法を示す略図である。
【図４】本発明の例示的な一実施形態による、足の基準系内の足関節に関する踵および爪先の座標を判定するための方法を示す略図である。
【図５】本発明の例示的な一実施形態による、踵のベクトルを推定するための方法を示す略図である。
【図６Ａ】さまざまな歩行運動状況における、慣性計測装置により計算で求められた足関節枢軸軌跡を示す図である。
【図６Ｂ】義肢装置の足関節の飛行軌跡を記述する二次元の幾何学的形状を示す図である。
【図６Ｃ】本発明の例示的な一実施形態による、階段と斜面の歩行運動状況を弁別する軌跡の特徴として足関節迎え角を使用して階段−斜面弁別器を製作する方法を示す図である。
【図７Ａ】本発明の例示的な一実施形態による、足部接地前に足関節の位置決めを行うための方法を示す図である。
【図７Ｂ】本発明の例示的な一実施形態による、階段が存在していることと、階段の踊り場に足の突き出しがあることを感知するために使用されうる図７Ａの方法を示す図である。
【図７Ｃ】本発明の例示的な一実施形態による、斜面歩行運動状況における足関節の位置決めを行うための方法を示す図である。
【図７Ｄ】本発明の例示的な一実施形態による、最適化されたインピーダンスを使用するように図７Ｂの方法がどのように適合されるかを示す図である。
【図８】足底接地における地形の角度に基づいて慣性基準バネ平衡状態を判定するための方法を示す図である。
【図９】足関節トルクと足関節の角度に対する歩行速度の影響を例示し、適切に選択された並列弾性要素にプッシュプルアクチュエータ制御をどのように施すかを示す図である。
【図１０Ａ】本発明の例示的な一実施形態による、下肢装置を制御するための方法を示す図である。
【図１０Ｂ】本発明の例示的な一実施形態による、義足装置においてインピーダンスおよびトルクの制御を実行するためのモデルベースのコントローラを示す略図である。
【図１０Ｃ】本発明の例示的な一実施形態による、義足装置においてトルクの制御を実行するためのモデルベースのコントローラを示す略図である。
【図１０Ｄ】図１０Ａにおいて実行されるインピーダンスの制御を決定する機械インピーダンスの関係を示す略図である。
【図１０Ｅ】図１０Ｂにおいて実行されるインピーダンスおよび反射の制御を決定するインピーダンスおよび反射の関係を示す略図である。
【図１０Ｆ】義肢装置を着用する人の倒立振り子力学的挙動を安定させるのに必要な復元トルクを決定するためにゼロモーメント枢軸基準地面反力がどのように使用されるかを示す略図である。
【図１１Ａ】地面反力およびゼロモーメント枢軸を示す人工足関節の下肢足部材、足関節、および足部材の略図である。
【図１１Ｂ】地面反力およびゼロモーメント枢軸を決定するために必要なコンポーネント間の力およびモーメントの関係を示す人工足関節のコンポーネントを示す略図である。
【図１１Ｃ】地面反力およびゼロモーメント枢軸を決定するために必要なコンポーネント間の力およびモーメントの関係を示す人工足関節のコンポーネントを示す略図である。
【図１１Ｄ】地面反力およびゼロモーメント枢軸を決定するために必要なコンポーネント間の力およびモーメントの関係を示す人工足関節のコンポーネントを示す略図である。
【図１２Ａ】平地における人工足関節の生体模倣（Γ−θ）挙動を動力底屈時の歩行速度の関数として示す図である。
【図１２Ｂ】平地における人工足関節の生体模倣（Γ−θ）挙動を動力底屈時の歩行速度の関数として示す図である。
【図１２Ｃ】接地長さに対する足の遷移の影響を示す図である。
【図１２Ｄ】接地長さに対する足の遷移の影響を示す図である。
【図１２Ｅ】速度に依存する接地長減少の表において、正規化された接地長さを動力底屈時に生体模倣挙動を行う手段としてどのように使用できるかを示す図である。
【図１２Ｆ】典型的な歩行運動中にゼロモーメント枢軸ベクトルの推定されるｙ成分がどのように変化するかを示す図である。
【図１２Ｇ】本発明の例示的な一実施形態により、減衰係数を装置の性能に組み込むための方法を示す図である。
【図１３Ａ】本発明の例示的な一実施形態による、踵接地の場合の制御システムスキームの表現を示す略図である。
【図１３Ｂ】本発明の例示的な一実施形態による、爪先接地の場合の制御システムスキームの表現を示す略図である。
【図１３Ｃ】本発明の例示的な一実施形態による、人工足関節（例えば、図１７Ａの装置１７００）に適用される位置制御を行うための方法を示す図である。
【図１４Ａ】本発明の例示的な一実施形態による、ステップ毎の地形適応を使用するための方法を示す図である。
【図１４Ｂ】３つの異なる歩行運動状況に対し人工足関節が印加する例示的なインピーダンスを示す図である。
【図１５】本発明の例示的な一実施形態による、下肢生体力学的システムを示す略図である。
【図１６】本発明の例示的な一実施形態による、胴体姿勢、大腿部姿勢、および胴体／身体質量中心姿勢に対する姿勢再構成を行う方法を示す図である。
【図１７Ａ】本発明の例示的な一実施形態による、義足装置を示す図である。
【図１７Ｂ】受動的な並列弾性要素を示す図１７Ａの下肢装置の一部を示す図である。
【図１７Ｃ】図１７Ｂの装置の受動的な並列弾性要素を示す図である。
【図１７Ｄ】本発明の例示的な一実施形態による、図１７Ｃの受動的な並列弾性要素に対する自由体図である。
【図１７Ｅ】本発明の例示的な一実施形態による、図１７Ａの装置の構造要素（ピラミッド）を示す斜視図である。
【図１７Ｆ】本発明の例示的な一実施形態による、図１７Ａの下肢部材に印加される軸力およびモーメントを測定するための代替的方法を示す断面図である。
【図１７Ｇ】本発明の例示的な一実施形態による、プリント回路アセンブリ上の円形に配列した変位センサーを使用して平面内のモーメントベクトルおよび軸力を計算するための方法を示す図である。
【図１７Ｈ】本発明の例示的な一実施形態による、図１７〜１７Ｇの装置とともに使用する状態およびアクチュエータコントローラを示す略図である。
【図１７Ｉ】本発明の例示的な一実施形態による、義足装置の電気的等価回路を示す配線略図である。
【図１７Ｊ】装置を制御する際に使用されるセンサー測定結果を含む図１７Ｉの電気回路の配線略図である。
【図１８Ａ】本発明の例示的な一実施形態による、受動的な直列弾性部材を示す図である。
【図１８Ｂ】本発明の例示的な一実施形態による、受動的な直列弾性部材を示す図である。
【図１８Ｃ】本発明の例示的な一実施形態による、受動的な直列弾性部材を示す図である。
【図１８Ｄ】本発明の例示的な一実施形態による、受動的な直列弾性部材を示す図である。
【図１９Ａ】本発明の例示的な一実施形態による、直列板バネを組み込んだ義足装置を示す図である。
【図１９Ｂ】本発明の例示的な一実施形態による、代替的直列バネを使用する義肢装置を示す図である。
【図１９Ｃ】本発明の例示的な一実施形態による、代替的直列バネを使用する義肢装置を示す図である。
【図２０Ａ】本発明の例示的な一実施形態による、さまざまな義足、下肢装具および外骨格装置において使用することができる線形アクチュエータを示す斜視図である。
【図２０Ｂ】図２０Ａの線形アクチュエータを示す断面図である。
【図２１】本発明の例示的な一実施形態による、さまざまな義足、下肢装具および外骨格装置において使用することができる線形アクチュエータを示す斜視図である。
【図２２Ａ】本発明の例示的な一実施形態による、下肢装具または外骨格装置（着用型ロボット膝装具）を示す概略上面図である。
【図２２Ｂ】図２２Ａの装置の側面図である。
【図２２Ｃ】図２２Ａおよび２２Ｂの装置の膝関節駆動アセンブリの内側部分を示す略図である。
【図２３Ａ】傾斜面上の人間のバランスの問題を示す略図である。
【図２３Ｂ】着用者による可変膝屈曲に基づくバランスの問題に対する許容可能な解決策を示す略図である。
【図２３Ｃ】人体の表現と平地にいる着用者のバランスをとるために固有の感知機能を使用する方法を示す略図である。
【図２４Ａ】本発明の例示的な一実施形態による、着用者がイスから立ち上がるときの着用者のバランスをとる方法を示す略図である。
【図２４Ｂ】本発明の例示的な一実施形態による、着用者がイスから立ち上がるときの着用者のバランスをとる方法を示す略図である。
【図２４Ｃ】本発明の例示的な一実施形態による、着用者がイスから立ち上がるときの着用者のバランスをとる方法を示す略図である。
【図２５Ａ】移動の仕事の定義を示す図である。
【図２５Ｂ】股関節衝撃力の定義を示す図である。
【図２６】図２６は、歩行運動の間に通常の人の歩行の生体力学的特徴を示す。
【図２７】図２７は、大腿四頭筋低下が平地上の歩行運動に影響する生体力学的メカニズムを示す。
【図２８】図２８は、通常の歩行運動を復元するように、膝装置がどのように使用されるかを示す。
【図２９Ａ】図２９Ａは、健康な人の立ち上がりのシーケンスを示す。
【図２９Ｂ】図２９Ｂは、健康な人の立ち上がりのシーケンスを示す。
【図２９Ｃ】図２９Ｃは、健康な人の立ち上がりのシーケンスを示す。
【図２９Ｄ】図２９Ｄは、健康な人の立ち上がりのシーケンスを示す。
【図３０Ａ】図３０Ａは、障害のある患者の同じ立ち上がりのシーケンスを実装するのにおける問題を示す。
【図３０Ｂ】図３０Ｂは、障害のある患者の同じ立ち上がりのシーケンスを実装するのにおける問題を示す。
【図３０Ｃ】図３０Ｃは、障害のある患者の同じ立ち上がりのシーケンスを実装するのにおける問題を示す。
【図３０Ｄ】図３０Ｄは、障害のある患者の同じ立ち上がりのシーケンスを実装するのにおける問題を示す。
【図３１Ａ】図３１Ａは、障害のある患者の立ち上がりのシーケンスを補助するように、膝装置がどのように使用されるかを示す。
【図３１Ｂ】図３１Ｂは、障害のある患者の立ち上がりのシーケンスを補助するように、膝装置がどのように使用されるかを示す。
【図３１Ｃ】図３１Ｃは、障害のある患者の立ち上がりのシーケンスを補助するように、膝装置がどのように使用されるかを示す。
【図３１Ｄ】図３１Ｄは、障害のある患者の立ち上がりのシーケンスを補助するように、膝装置がどのように使用されるかを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
発明者らは、日常の流れの中で、階段を上り下りする、傾斜面を歩行するなど、通常の歩行に加えて多くの異なる活動を行い、それに適応するために人の下肢が使用されることを認識している。下腿コンポーネントは、下にある地形と最も直接的に接触しているため、最も大きい力を必要とし、地形に対する適応性が最も高い動作を示さなければならない。発明者らは、異なる方法でデバイスの機械的特性を動的に最適化し、それらの活動のそれぞれに対し異なる方法でデバイスを動的に制御することによってＡＦＰの性能を劇的に改善できることをさらに認識した。
【００２１】
例えば、人が平地を歩行しているときに、踵が足を下げて地面に接触させたときの足指より低くなるように足の角度を制御するのがよい。しかし、人が階段を上っているときには、足指が足を下げて次の段に接触させたときの踵より低くなるように足の角度を制御するのがよい。
【００２２】
本出願では、横切られる地形を検出し、その検出された地形に自動的に適応するようにすることによってこれらの異なる状況のそれぞれにおいて適切な動作をするＡＦＰのさまざまな実施形態について説明する。いくつかの実施形態では、これらの状況のそれぞれについて構築されるＡＦＰを制御する能力は、（１）実行される活動を決定する機能、（２）実行されている活動に基づいてＡＦＰの特性を動的に制御する機能、（３）実行されている活動に基づいてＡＦＰを動的に駆動する機能、（４）地形の質感、凹凸（例えば、地形の粘着性、地形の滑りやすさ、地形の粗さまたは滑らかさ、地形に岩などの障害物があるかどうか）を判定し、これらに適切な牽引制御で応答する機能、および（５）動的制御および動的駆動に応答することができるＡＦＰの機械的設計の５つの基本的機能に基づく。
【００２３】
発明者らは、実行されている活動を見いだすための例示的な方法は、足関節と膝関節との間の下肢（または脛部）上のスポットの軌跡（典型的には足関節の回転の仮想中心のところの）を追跡することであると判断した。図６Ａは、５つの異なる活動に対応する脛軌跡を示しており、追加の斜面軌跡は急斜面と緩斜面とを区別する。システムでは、この情報を使用して、追跡される軌跡を一組の活動にマッピングすることによってどのような活動が実行されているかを見いだすことができる。
【００２４】
下肢（脛部）の軌跡を調べることによって、平坦な地形、上昇階段、下降階段、上昇斜面、または下降斜面を区別することが可能である。例えば、システムが軌跡を認識する場合、適切なモードに切り替えて、そのモードについてすでに確立されているとおりにＡＦＰを動的に制御（駆動）する。軌跡が分類の範囲にきちんと入らない場合、ＡＦＰコントローラが、確率制御の意味で目的関数を最小化するように応答を最適化するか、または地形が分類の範囲内に収まる確率に基づいてファジー論理またはアドホック制御を適用する。
【００２５】
脛部の軌跡を追跡する好適な１つの方法は、慣性計測装置（ＩＭＵ）を下肢部材（脛部）の上の前方面に取り付けて、ＩＭＵによって出力される信号を処理することによる方法である。さまざまな軌跡を区別する好適な方法は、足関節迎え角の速度を監視することである。これらの話題について、以下でさらに詳しく説明する。
【００２６】
機械的特性を動的に最適化することと異なる活動のそれぞれについて異なる方法でデバイスを動的に制御することに加えて、発明者らは、デバイスの性能がさまざまなパラメータに基づいてＡＦＰの特性および制御の微調整を行うことによってさらに改善されうることを認識している。
【００２７】
例えば、人がゆっくり（例えば、毎秒０．９メートル未満の速度で）歩行している場合、通常の歩行に使用されるインピーダンスに関して足関節のインピーダンスを高めることによって性能を改善することができる。または、人が速く（例えば、毎秒１．７メートルの速度で）歩行している場合、通常の歩行に使用されるインピーダンスに関して足関節のインピーダンスを低くすることによって性能を改善することができる。
【００２８】
それに加えて、通常の地形を横切るときに予想したとおりに足関節が応答しないとコントローラが判定した場合、コントローラは、その地形に特徴、質感、または凹凸がありえること（例えば、地形の粘着性、地形の滑りやすさ、地形の粗さまたは滑らかさ、地形に岩などの障害物があるかどうか）を考慮する（そしてコントローラの出力を修正する）ことができる。
【００２９】
上に識別された５つの機能のそれぞれ（つまり、実行されている活動を見いだす機能、地形の特徴、質感、もしくは凹凸があるかどうかを見いだす機能、ＡＦＰの特性を動的に制御する機能、ＡＦＰを動的に駆動する機能、およびＡＦＰの機械的設計）について、以下でさらに詳しく説明する。
【００３０】
実行されている活動の判定
慣性姿勢および軌跡の推定
図２は、足関節２００に結合された下肢部材２２０の慣性姿勢に基づく義肢、装具、または外骨格装置（例えば、図１７Ａの装置１７００）の足関節２００、踵２１２、および爪先２１６の軌跡、ならびに下肢部材２２０と足部材２０８とがなす角度を判定するための方法を示す略図である。姿勢は、座標系の位置と配向である。装置１７００は、下肢部材２２０に結合された慣性計測装置２０４を含む。慣性計測装置２０４は、角速度を測定するための３軸レートジャイロおよび加速度を測定するための３軸加速度計を備える。慣性計測装置を下肢部材２２０に配置することで、下肢部材２２０の３本の軸すべてに対する角速度および加速度の測定が一緒に行われる。慣性計測装置２０４は、下肢部材２２０の姿勢、慣性（世界座標系を基準とする）配向、および足関節２００（足関節−足の回転の中心）の配置の自由度６の推定を行う。
【００３１】
いくつかの実施形態において、下肢部材２２０の姿勢は、膝関節の瞬間的配置を計算するために使用される。膝関節２００の角度（θ）を知ることによって、踵２１２と爪先２１６の配置を含む、足２０８の底部の瞬間的姿勢を計算することができる。この情報は、次いで、足部材２０８が平たいときに、足関節／足部材の回転軸によって画定される平面内の地形角度を測定するために使用されうる。慣性計測装置２０４を下肢部材２２０上に取り付けることは、他の潜在的な配置に勝る利点を有する。足部材２０８上に取り付けられた場合とは異なり、下肢部材２２０の取り付けでは、物理的誤用が防止され、浸水が回避される。さらに、足部材２０８に付ける場合には何らかの形で必要になるであろうケーブルによる繋留が不要になり、機械的および電気的完全性が確実にされる。最後に、下肢部材２２０は、ハイブリッドシステム（図１５を参照）の運動学的連鎖内の中央に配置され、これにより、追加センサーを最小限に抑えて大腿部および胴体の姿勢を計算することが容易になる。
【００３２】
慣性計測装置２０４は、地面を基準とする世界座標系内の義足装置の配向
【００３３】
【数１】
2013503026.tif 000003
【００３４】
、位置
【００３５】
【数２】
2013503026.tif 000004
【００３６】
、および速度
【００３７】
【数３】
2013503026.tif 000005
【００３８】
を計算するために使用される。四元数、または世界座標系に関する足関節のｘ、ｙ、およびｚ軸の配向を定義する単位ベクトルの３×３行列によって
【００３９】
【数４】
2013503026.tif 000006
【００４０】
が表現されうる。足関節２００は、その配向が下肢部材２２０に結び付けられている足関節の回転軸の中心に位置決めされるように画成される。この中心点から、位置、速度、および加速度が計算されうる。例えば、足（例えば、踵２１２または爪先２１６）の注目する点について、位置を導出するために足部材−足関節配向変換
【００４１】
【数５】
2013503026.tif 000007
【００４２】
が使用され、その際に関係式
【００４３】
【数６】
2013503026.tif 000008
【００４４】
を使用するが、
ただし、式中
【００４５】
【数７】
2013503026.tif 000009
【００４６】
であり、
式中、γは慣性下肢部材角度であり、
【００４７】
【数８】
2013503026.tif 000010
【００４８】
であり、
式中、θは足関節の角度である。
【００４９】
この実施形態では、３軸加速度計および３軸レートジャイロを含む、慣性計測装置２０４は、下肢部材２２０の上の前方面上に配置される（例えば、図１７Ａに示されているように）。加速度計およびレートジャイロの信号の数値積分によって持ち込まれる世界座標系の配向、速度、および位置の推定に対する縮尺、ドリフト、およびクロスカップリングの影響を排除する必要がある。
【００５０】
ゼロ速度更新
慣性航法システムでは、典型的には、長い、通常は、数秒から数分の期間にわたって定期的に平均をとることによるゼロ速度更新（ＺＶＵＰ）を使用する。慣性計測装置のこのような配置は、義足装置内においてほとんど静止していない。しかし、足の底は、唯一静止している場所であり、次いで、歩行周期には唯一の制御背屈状態である。本発明のさまざまな実施形態とともに使用するうえで、この制限の影響を受けない、例示的なゼロ速度更新法について、以下でさらに説明する。
【００５１】
この問題を解決するために、足関節の配向、速度、および位置の積分を実行する。慣性計測装置の加速度ＩＭＵａを２値化した後、足関節加速度
【００５２】
【数９】
2013503026.tif 000011
【００５３】
は、剛体の運動方程式
【００５４】
【数１０】
2013503026.tif 000012
【００５５】
によって導出されるが、ただし、式中、
【００５６】
【数１１】
2013503026.tif 000013
【００５７】
および
【００５８】
【数１２】
2013503026.tif 000014
【００５９】
はそれぞれ慣性計測装置の座標系内の角速度と角加速度のベクトルであり、Ｘは外積を表す。
【００６０】
関係式
【００６１】
【数１３】
2013503026.tif 000015
【００６２】
は、標準のストラップダウン慣性計測装置積分法を使用し、当業者に知られている関係式
【００６３】
【数１４】
2013503026.tif 000016
【００６４】
に従って、式１〜３の場合と同様に解かれる。上記の式５〜１４において、行列
【００６５】
【数１５】
2013503026.tif 000017
【００６６】
は、配向行列
【００６７】
【数１６】
2013503026.tif 000018
【００６８】
と入れ替えて使用される。
【００６９】
次いで、世界座標系基準の足関節の速度および位置を、
【００７０】
【数１７】
2013503026.tif 000019
【００７１】
に基づいて前のゼロ速度更新（ｉ番目のゼロ速度更新）の時点以降の時点において導出するが、ただし、式中、
【００７２】
【数１８】
2013503026.tif 000020
【００７３】
はすべてのｉについてゼロにリセットされる。
【００７４】
実験を通じて、例示的な義足装置（例えば、図１７Ａの義足装置１７００）から得られた慣性計測装置データのログを使用することで、慣性計測装置基準加速度は、制御背屈状態においてｚ加速度が約１ｇ（約９．８ｍ／ｓ２）に等しく、ｚ加速度の分散が所定の値（＜０．００５ｇ２）より小さい場合に約５０．７５秒および５０．９秒と早い時期に−−下肢部材２２０が静止している足関節２００に関して回転しているある期間を示す−−十分に静穏である（図２Ｂを参照）と判断した。この技術の他の実施形態では、好適な静穏期間は足のある部分において検出することができる。足関節の知られている加速度、角速度、および角加速度と、感知された足間節の知られている角度（足部材と下肢部材とがなす角度）、角速度、および角加速度とを組み合わせることで、足の任意の点における加速度を計算することができる。足の底部のある点は、多くの場合に、連続する歩行周期においてゼロ速度更新を実行するために使用されうる。この速度が知られた後、足関節の速度は、経験的に計算して求めることができる。この速度（ゼロではない）を、ゼロ速度更新を実行する際の基準として使用することができる。
【００７５】
義足装置では、静穏期間はほぼ常に制御背屈状態において存在し、したがってゼロ速度更新は、着用者が一歩一歩踏み出す毎に実行されうる。それぞれのゼロ速度更新において、好ましくは評価する速度誤差にそれぞれ寄与する３つの項は、ｘ軸を中心とする世界座標系のｚ軸の先端δθｘ（前のステップにおけるゼロ速度更新のときの足間節の回転軸に揃えられているベクトル）、ｙ軸を中心とする世界座標系のｚ軸の傾きδθｙ（世界座標系の垂直軸（重力ベクトルと反対）と世界座標系のｘ軸との外積として定義されるベクトル）、および垂直軸にそった慣性計測装置スケーリングδｇである。これらの項の値は、計算された姿勢、慣性配向、および前の計算された姿勢ならびに装置の異なるコンポーネント（例えば、図１７Ａの下肢部材１７１２）の慣性配向を補正するために使用される。
配向、速度、および位置の積分を実行しながら、誤差のベクトルα＝［δθｘδθｙδｇ］Ｔによって持ち込まれるであろう速度誤差に関係する感度行列Ｍ（ｔ）を計算する。Ｍ（ｔ）は、関係式
【００７６】
【数１９】
2013503026.tif 000021
【００７７】
に基づいており、ここで、Ｍ（ｔ）は数値積分され、全体的な終速度感度Ｍ＊
【００７８】
【数２０】
2013503026.tif 000022
【００７９】
を生成する。いくつかの実施形態では、誤差のベクトルを拡張し、これらの誤差が有意である場合に加速度計のバイアスオフセットを含めるようにし、これにより、Ｍ（ｔ）およびＭ＊の列の数を増やす。この場合、Ｍ＊−１は、ペンローズ議事逆行列の形をとるか、または最適な確信利得により、Ｋ＊の形をとる。Ｋ＊は、標準的な最適線形フィルタリング法を使用して計算されうる。当業者であれば、一般性を失うことなく他の項も含めるか、または使用することができる。
【００８０】
ステップｉに対するゼロ速度更新では、推定される非ゼロの足関節速度
【００８１】
【数２１】
2013503026.tif 000023
【００８２】
を生成したであろうαの値は、
【００８３】
【数２２】
2013503026.tif 000024
【００８４】
に基づいて決定され、式中、αは、革新補正ベクトル（ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓ  ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ  ｖｅｃｔｏｒ）である。一部は加速度計および角速度測定結果のノイズにより速度がゼロでなくなるため、革新補正（α）のすべてが適用される訳ではない。その代わりに、ノイズの大きさに応じて、フィルタリング定数（分数）ｋで補正をスケーリングする。この時点において、新規配向行列
【００８５】
【数２３】
2013503026.tif 000025
【００８６】
および重力の大きさ（ｇ）は、
【００８７】
【数２４】
2013503026.tif 000026
【００８８】
ｇ（ＺＶＵＰ＋）＝ｇ（ＺＶＵＰ−）−ｋα（３）  式２１
に基づいて決定されるが、ただし、式中、Ｏｘ（ｔｉｐ）およびＯｙ（ｔｉｌｔ）はそれぞれｘ軸およびｙ軸を中心とする先端および傾きの増分的な回転を表し、
【００８９】
【数２５】
2013503026.tif 000027
【００９０】
および
【００９１】
【数２６】
2013503026.tif 000028
【００９２】
は、それぞれＺＶＵＰの前後の時間を表す。
【００９３】
ゼロ速度更新を拡張して、線形推定量を使用して加速度計およびレートジャイロのバイアスオフセットを推定することが可能である。一致する角度アラインメント誤差（例えば、与えられた軸を中心とする）を使用して、その軸を中心とするレートジャイロのバイアスを推定することも可能である。一実施形態では、これは、加速度計およびレートジャイロのバイアスの線形確率論的モデルを作成し、ゼロ速度更新予測残差をこれらのモデルに適用される線形フィルターへの入力として使用することによって実行される。
【００９４】
上述の方法は、配向および見かけの重力の大きさを継続的に更新するための一方法である。この実施形態では、義足装置が最初に電源オンされるときに初期化手順が使用される。この方法において、着用者は、装置から（例えば、装置もしくは代替的ユーザーインターフェイスによって伝送される振動コードによる）要求が出たときに、一歩前進して止まり、次いで、元の位置へ一歩後退する。このプロセスにおいて、影響のある脚で歩みを進める（二肢切断患者では、この較正は、肢切断患者によって選択されたとおりに直列方式で実行される）。この較正では、２つのＺＶＵＰを呼び出し、一方は配向と重力の大きさを初期化し、他方は結果をチェックする。これにより、慣性計測装置の信号、処理、およびコントローラの通信の完全性が確実なものとなる。
【００９５】
上記プロセスは、慣性配向の初期化を実行する。しかし、加速度計内に具現化されるバイアスオフセット、スケール、および交差感受性、ならびにジャイロの信号を含むベクトルである、誤差源のベクトル（ε）を考慮するために、ＩＭＵの完全な較正を実行することは一般的な関心事項である。製造において、ロボットまたは自由度６の機械は、ＩＭＵを搬送し、これらの誤差源の効果を測定する手段として基準軌跡を連続して適用することができる。誤差源のそれぞれへの感知された基準軌跡の感度行列（Ｍ（ε））は、当業者であれば容易に計算することができる。一組の多数の基準軌跡からの感知された逸脱−典型的には、それぞれの軌跡セグメントの終点の逸脱−を測定することによって、回帰または他の線形推定法を使用してベクトル（ε）を推定することができるが、ただし、この一組の基準軌跡は、それぞれの誤差源の影響を刺激するのに十分多いものとする。発明者らは、３つの直交面における多角形および円形のような閉路を含む基準軌跡が、誤差源の完全なベクトルを較正するのに十分であることを見いだした。このような基準軌跡は、例えば、水平面上を閉じたパターンのシーケンスで歩行し、垂直軸を中心として順に回転することによって、ベクトルの重要な要素（加速度計のバイアス、スケール、および交差感度）を再較正するために着用者によっても導かれうる。
【００９６】
本発明のいくつかの実施形態において、方法のこれらの原理は、例えば、義肢、装具、または外骨格装置が着用者の身体のこれらの部分を治療し、その性能を補強する着用者の大腿部材および／または胴体上に配置された加速度計およびレートジャイロに関連付けられている加速度計およびレートジャイロのドリフト誤差の影響を補正するか、または最小にするステップに対しても同様に応用される。一実施形態では、方法は、義肢または装具の歩行周期において足関節が実質的に静止状態のときに義肢または装具の大腿部材に結合されている加速度計およびレートジャイロによって出力される加速度計信号およびレートジャイロ信号に対するオフセット値を決定するステップを含む。この方法は、大腿部材に対して下肢部材がなす角度を測定するステップも含むことができる。他の実施形態では、この方法は、義肢または装具の歩行周期において足関節が実質的に静止状態のときに着用者の胴体に結合されている加速度計およびレートジャイロによって出力される加速度計信号およびレートジャイロ信号に対するオフセット値を決定するステップも含む。この方法は、着用者の胴体に対して大腿部材がなす角度を測定するステップも含むことができる。したがって、これらの方法は、図１６に示されているように、これらの測定を実行し、リンケージ制約関係式および関係する方法に利用することによって着用者の大腿部材および／または胴体に拡大適用することができる。ゼロベクトル速度更新のときに、リンケージ制約により、運動学的連鎖における最低リンク（例えば、人−ロボットハイブリッドシステムを定めるリンケージ）の地面基準ゼロ速度からの関節速度基準の後方伝搬が可能になる。これらの速度基準は、上で定義されているように姿勢再アライメントおよび重力補正への入力として使用することができる。
【００９７】
例示的な足関節の軌跡および地形状況の弁別
慣性計測装置のオフセットが計算され、補正（ゼロ設定）された後、足の傾き（β）（踵の高さともいう）は、例えば図３に例示されているように決定される。この図解から、β＝−（θ＋γ）であることを考慮して、着用者が足底接地で立っているときにそれを確認することは容易である。約１／１０秒の期間について平均をとることで、βの正確な推定値を求めることができる。それ以降、足と足関節のなす座標系
【００９８】
【数２７】
2013503026.tif 000029
【００９９】
を定義する変換の配向成分は、
【０１００】
【数２８】
2013503026.tif 000030
【０１０１】
に基づいて計算される。前記のように、この変換の並進運動成分はゼロのままである。
【０１０２】
足の傾きが定義された後、次いで、足の座標系における踵２１２および爪先２１６の座標を決定する必要がある。これを決定するための例示的な一方法では、
【０１０３】
【数２９】
2013503026.tif 000031
【０１０４】
および
【０１０５】
【数３０】
2013503026.tif 000032
【０１０６】
は、新しい足の座標系における踵および爪先のベクトル座標として定義される。βの回転の寄与分はすでに組み込まれているため、これらのベクトルのｚ成分は同じである。これらのベクトルのｘ成分は、両方ともゼロであると想定することができる。したがって、これらのベクトルは、
【０１０７】
【数３１】
2013503026.tif 000033
【０１０８】
の形式をとり、式中、ｚ０は足（靴）の底のｚ座標を定義する。
【０１０９】
図４は、本発明の例示的な一実施形態による、足の基準系内の足関節２００に関する踵２１２および爪先２１６の座標を判定するための方法を示す略図である。図４において定義されている足部較正法の第１のステップで、足関節２００のｙ座標を地面基準（例えば、歩道の継ぎ目、敷物の顕著な特徴、またはリノリウム床面）に揃える。ここで、この地面基準を世界座標系の原点として任意に定義する。数学的表記では、このアライメントは、
【０１１０】
【数３２】
2013503026.tif 000034
【０１１１】
の形式をとり、式中、
【０１１２】
【数３３】
2013503026.tif 000035
【０１１３】
はステップ２および３において実行される移動に対する開始位置である。第２のステップで、爪先２１６を地面基準上に置く。数学的表記では、このアライメントは、
【０１１４】
【数３４】
2013503026.tif 000036
【０１１５】
または
【０１１６】
【数３５】
2013503026.tif 000037
【０１１７】
の形式をとる。
【０１１８】
ステップ３におけるアライメントでも類似の関係が決定される。上記の式が独立に解かれた場合、ｚ０の２つの異なる推定値が得られる。これらの２つの制約式を１つにまとめることによって、Ｙｈｅｅｌ、Ｙｔｏｅ、およびｚ０の最小二乗推定を求めることができる。
【０１１９】
上で説明されている踵２１２および爪先２１６の較正方法は、はじめて一対の足／靴を履くときに使用される一連のステップを伴う。このような較正は、例えば、義肢装具士の事務所で実行されうる。
【０１２０】
他の例示的な方法では、踵および爪先のベクトルは、実行中に計算される。図５に示されているように、足関節２００は、足接地と足底接地との間の立脚前半期において弧５００を描く。弧５００の半径および配向（中点角度）は、踵および爪先のベクトルを完全に決定する。数学的には、これは、立脚前半において記録される一連の足関節位置
【０１２１】
【数３６】
2013503026.tif 000038
【０１２２】
として記述される。２つの統計的に区別される下肢部材２２０（γｉ，）と足関節２００の角度（θｉ，）位置に対応する、２つの足関節位置の測定が必要であり、
【０１２３】
【数３７】
2013503026.tif 000039
【０１２４】
となる。次いで、式の差分をとることで、ベクトル解は
【０１２５】
【数３８】
2013503026.tif 000040
【０１２６】
となる。この解は、（Ｏ（γ２）Ｏ（θ２）−Ｏ（γ１）Ｏ（θ１））が可逆であることを要求している。さらに、最適線形フィルタリングの観点から、この「利得行列」は、統計的に有意な結果が得られるように十分に大きくなければならない。
【０１２７】
立脚前半期に義足装置が著しい振動を受けるという事実を考慮して、上記の式を足関節位置／角度測定結果のＮ個の集合に拡張することができる。その結果のＮ−１個の方程式を、ベクトルの最適推定を行う最小二乗法を使用して解くことができる。上記の方程式は、同様に、爪先接地で立脚前半期が開始したときの爪先ベクトルについて解くように構成される。
【０１２８】
図６Ａは、平地（６２０）、５°の上昇斜面（６２４）、５°の下降斜面（６２８）、１０°の上昇斜面（６３２）、１０°の下降斜面（６３６）、上昇階段（６４０）、および下降階段（６４４）などのさまざまな地形において着用者に対しさまざまな歩行運動状況で慣性計測装置により計算で求められた足関節枢軸軌跡を示している。状況は、地形の形状および着用者と地形との相互作用の仕方である。
【０１２９】
図６Ｂは、義肢装置の足関節の飛行軌跡を記述する二次元の幾何学的形状を示している。ここで、平地歩行を斜面上昇／下降歩行運動状況の部分集合として扱う場合（平地は０度の斜面である）、状況弁別は、斜面上昇／下降からの階段上昇／下降の弁別に移る。この弁別は、典型的には階段状況においては足関節６００の底屈（背屈ではなく）が足部接地動力学を最適化する必要があるが、典型的には斜面歩行運動においては足関節６００は足部接地動力学を最適化するように背屈される（または中立に保持される）ため重要である。後者の状況では、底屈した足関節が適切な配向となるのは極端に急な下り坂のみである。
【０１３０】
図６Ｃは、記録されたデータの集合における階段と斜面の歩行運動状況を弁別する軌跡の特徴として足関節迎え角（Ψ）を使用して階段−斜面弁別器を製作する方法を示している。図６Ｃは、着用者が踏み出す一歩毎に対する歩行周期全体にわたる装置の足関節６００の推定される速度ベクトル迎え角のグラフである。このデータにおいて、図１７Ａの義肢装置１７００を右足に装着した肢切断患者は以下のようにして３１歩進んだ（右足を基準とする歩行周期を意味する）。
１．  １〜６歩目：５°の斜面を６歩で上る
２．  ７歩目：一歩で踊り場に載る
３．  ８〜９歩目：１０°の斜面を３歩で下る
４．  記録ギャップ
５．  １０〜１１歩目：階段を２歩で上る
６．  １２歩目：一歩で踊り場に載る
７．  １４〜１７歩目：５°の斜面を４歩で下る
８．  １８〜１９歩目：平地を２歩進む
９．  ２０〜２１歩目：１０°の斜面を２歩で上る
１０．  ２２歩目：一歩で１０°の斜面から踊り場に進む
１１．  ２３〜２４歩目：階段を２歩で下る
１２．  ２５〜３１歩目：平地を７歩進む
この記録のときの歩行は、斜面と階段の上昇と下降の両方の歩行を含んでいた。図６Ｃは、足関節速度迎え角（Ψ）を監視することによって足部接地前に足関節が飛行中である間に階段と斜面とを区別できることを示している。この記録（および他の類似の記録）でΨが小さな正の値より下がったときに、足６０４は常に階段に着地している。他のすべての場合において、足は、ランプ角（０°、−５°、＋５°、−１０°、＋１０°）に関係なく斜面に着地する。したがって、Ψは、どのような活動が行われているかを判定するためにプロセッサによって使用されうる好適な歩行運動タスク状況弁別量である。
【０１３１】
階段−斜面弁別のための代替的方法は、本発明の他の実施形態においても使用できる。階段または斜面／平地を区別するために本発明の一実施形態において姿勢（慣性空間内の配向）下肢部材６０８（脛）および足関節速度迎え角（Ψ）を使用することができる。ｙ−ｚ平面内の足関節６００の軌跡（図６Ａを参照）は、階段−斜面弁別のために本発明の代替的実施形態において使用することが可能である。
【０１３２】
遊脚期足関節位置決め
階段斜面弁別器は、地形傾斜度
【０１３３】
【数３９】
2013503026.tif 000041
【０１３４】
のリアルタイムの予測を行うものである。弁別器が、平地を含む、段を検出した場合、
【０１３５】
【数４０】
2013503026.tif 000042
【０１３６】
となる。そうでなければ、傾斜度は、
【０１３７】
【数４１】
2013503026.tif 000043
【０１３８】
と仮定される。この傾斜度は、足が地面に接地していないとした場合に可能な最小値に対応する。
【０１３９】
【数４２】
2013503026.tif 000044
【０１４０】
がこれであり、２つの可能な傾斜度−つまり、最後の一歩からの爪先の位置に関して踵が現在なしている角度と最後の一歩からの爪先の位置に関して爪先がなす角度−の最小値である。
【０１４１】
値
【０１４２】
【数４３】
2013503026.tif 000045
【０１４３】
が判明した後、この予測される地形の傾きに適応するように足関節の位置決めを行うためのさまざまな異なる方法を適用することが可能である。このような方法のうちの２つの例を以下で説明する。本発明の一実施形態では、上述の弁別器の方法は、着用者が着用する義足、下肢装具、または外骨格装置（例えば、図１７Ａの装置１７００）の関節のインピーダンス、位置、またはトルクのうちの少なくとも１つを制御するために使用される。この方法は、遊脚後半期全体にわたる装置の足関節の速度ベクトル迎え角（例えば、図６Ｃのデータのｙ軸値）を推定するステップを伴う。一実施形態では、この方法は、速度ベクトル迎え角が所定の符号（例えば、図６Ｃのデータの場合に負の値）を有しているときに装置の足部材の位置を爪先着地位置に合わせて調節するステップを伴う。本発明の他の実施形態では、この方法は、速度ベクトル迎え角が所定の符号と反対の符号（例えば、正の符号）を有しているときに装置の足部材の位置を踵着地位置に合わせて調節するステップを伴う。
【０１４４】
いくつかの実施形態において、この方法は、足部材の踵が下にある地形に接地したときから足部材が下にある地形に関して足底接地位置に置かれたときまでの期間に下肢部材に与えられる予想される力に基づいて費用関数を最小化するように装置のインピーダンス（例えば、足関節インピーダンス）を調節するステップを含む。
【０１４５】
図７Ａは、足部接地前の足関節７００の位置決めを行うための方法を示している。この方法では、足関節の角度は、足部材７０８の接地から足底接地までに足関節７００に与えられる予想される力（ｆ（ｔ））に基づいて費用関数を最小化するように最適化される。踵最初７１６と爪先最初７１２の両方の戦略が評価され、費用関数を最小化する、最適な足関節７００の角度を含む戦略が選択される。図７Ａは、使用される方法を説明している。
【０１４６】
他の実施形態では、図７Ａの方法は、階段の存在を感知し、短い踊り場領域を持つ階段の場合にのみ迎え角最適化を爪先接地に制約するように強化されている。急な狭い一組の階段を上るか、または下る場合、義肢装置は、上るときに足によって掃かれる体積部分−足と階段との間に接触がなかった体積部分−を追跡するようにプログラムされる。遊脚後半期において、例えば、踵に対する踊り場領域がないと判定される場合、最適化は爪先着地解となるように制約される。この実施形態では、ｚ回転は、装置の下肢部材７０４の長手方向軸（例えば、図１７Ａのｚ軸）を中心とする回転である。階段を下り、このようにして足部材７０８を回転させた場合、踊り場領域は制限され、足部材７０８は階段に対し正面から着地するように回転されなければならない。この場合、爪先７１２が踊り場に着地することで、図７Ａの方法に対してのみ利用可能な最小の力の解が得られる。このようなｚ回転により、踊り場領域が制限されることをシステムに通知する信号が送られ、踵着地と比べたときに爪先踊り場着地が最も安全な代替となる。
【０１４７】
上記の方法で使用される複素インピーダンスの計算を、足関節７００が足部着地状態まで回転するときに足への衝撃または過剰な制動力の使用を最小限に抑える手段として適応足関節位置決め方法に適用することができる。図７Ｄは、最適化されたインピーダンスを使用するように図７Ａの方法がどのように適合されるかを示している。最適な迎え角（ψ＊）を見つけた後、足に衝撃を与えることなく足関節の線形および角運動量をゼロにする最適制御
【０１４８】
【数４４】
2013503026.tif 000046
【０１４９】
を見つける。次いで、対応する足関節角度応答（θ＊（ｔ））を平衡軌跡として使用する。運動量と局所地形角度の不確定性に対応できるように、この最適な軌跡に関する、対応する最適なインピーダンスを求めることができる。
【０１５０】
図７Ｃに示されているように、より単純な方法も使用できる。図７Ｃは、斜面歩行運動状況における足関節の位置決めを行うための方法を示している。この方法では、下肢部材７０４が垂直になったときに、足関節７００の角度は、関節動作により傾いた地形（傾斜度
【０１５１】
【数４５】
2013503026.tif 000047
【０１５２】
）上で足底接地位置に来るような角度にされる。関係式
【０１５３】
【数４６】
2013503026.tif 000048
【０１５４】
によって予測される傾斜度に正比例するように足関節の角度を調節するようにこの方法を一般化することも有益である。この関係式を用いることで、着用者の好みに合わせて足関節の角度を調節することができる。
【０１５５】
上述の２つの方法のうちのいずれかにおいて、足部接地の前の足関節の角度７００は、足部が地面に当たるまで所望の足関節７００の角度と一致するように連続的に制御される（操縦される）。
【０１５６】
立脚期のインピーダンスおよびトルクの制御
次のステップは、立脚期における局所的縦方向に揃うように下肢（脛）の配向を復元するステップを伴う。図８は、義足８００、例えば、図１７Ａの義肢装置１７００の足底接地における地形の角度に基づいて慣性基準バネ平衡状態を判定するための方法を示している。義肢８００は、爪先８１６および踵８２０を持つ足部材８０８を有する。義肢は、足関節８０４および下肢部材（脛）８１２も有する。地形角度（φ）は、制御システムへの入力である。制御システムは、地形角度（φ）の変化に基づいて図１０Ａの曲線（Γ−Θ）をシフトし（これにより足関節のインピーダンスＫｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｐｌａｎｔａｒｆｌｅｘｉｏｎを変化させ）、制御底屈時に着用者の全体的なバランスを（図１０Ｆに説明または例示されているよう）保持もしくは改善する。制御システムは、足関節の平衡角度が地形角度（φ）に等しくなるように義肢の足関節８０４のインピーダンスを設定し、制御システムは、局所的縦方向８５０に揃うように下肢部材８１２（脛）の配向を復元する。
【０１５７】
図９は、制御背屈時に足関節トルクと足関節角度との関係に対する歩行速度の影響を示す。制御システムは、下肢部材（脛）８１２を平衡点に向けて移動するように足関節８０４に指令を送ることによって、地形角度（φ）の変化に基づいて図１０Ａの曲線（Γ−Θ）をシフトし（これにより足関節８０４のインピーダンスＫｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｄｏｒｓｉｆｌｅｘｉｏｎを変化させ）、制御低屈時に着用者の全体的なバランスを保持もしくは改善する。
【０１５８】
図１０Ａは、本発明の例示的な一実施形態による、下肢装置を制御するための方法を示している。図１０Ａに示されているように、これは制御システムにおいて以下の方法で達成される。
１）図７Ａに関して本明細書で説明されているように足部接地と足底接地との間の時間間隔の間における衝撃を軟化するように遊脚後半期のインピーダンス（ステップ１０００）（動バネ定数および足関節角度平衡角度）を調節する（コントローラは、動力底屈時の負の移動エネルギー衝撃および股関節衝撃力の最小化に基づいて曲線（Γ−Θ）をシフトする（これにより足関節のインピーダンスＫｐｏｗｅｒｅｄｐｌａｎｔａｒｆｌｅｘｉｏｎを変える））。
２）後腿に離昇力を与える−前腿の衝撃の時点において、またはその前に足関節（および膝）の反射反応を引き起こすことによって達成される（ステップ１００４）。
３）制御背屈期において慣性基準平衡角度を維持し、傾いた地形上で（図１０Ｆにおいて説明され、例示されているように）バランスをとる（平衡状態を保つ）（ステップ１００８）。
【０１５９】
図１０Ｂは、本発明の例示的な一実施形態による、義足装置（例えば、図１７Ａ〜１７Ｅの装置１７００）においてインピーダンスおよびトルクの制御を実行するためのコントローラを示す略図である。図１０Ｅは、図１０Ｂにおいて実行されるインピーダンスおよび反射の制御を決定するインピーダンスおよび反射の関係を示す略図である。
【０１６０】
図示されているように、インピーダンスのバネ、減衰、および慣性成分は、軌跡θ０（ｔ）に関して定義される。図１０Ｂに例示されているインピーダンス利得行列および軌跡は両方とも、上述のように歩行周期における期、地形状況、地形質感、および歩行速度に応じて、状態コントローラのプロセッサから適応的に、リアルタイムでロードされる。
【０１６１】
損なわれていない四肢が非線形の正のトルク（力）と非線形の正の関節速度フィードバックから生じる反射応答を示すことが研究からわかった。図１０Ｅに例示されているような反射関係では両方の種類のフィードバックを使用する。当業者には明らかなように、区分線形および区分非線形を含む、これらの正のフィードバックの関係の他の非線形実装を使用することができる。好ましい実施形態では、正のトルクフィードバックは、人工足関節の膝のトルクを測定し、これを非線形フィードバック信号
【０１６２】
【数４７】
2013503026.tif 000049
【０１６３】
として使用することによって達成される。他の実装では、この反射トルク入力は、足関節の動作のモデルベースの計算結果を使用して推定することができる。
【０１６４】
発明者らは、図９に示されているように歩行速度および地形の傾きの効果を考慮した場合に、立脚における生体模倣インピーダンスおよび反射が結合されることを観察した。このような理由から、好ましい一実施形態では、義肢の並列弾性（例えば、並列、もしくはＫ３バネ）は、図示されているように遅い歩行速度に対する剛性を表すように選ばれる。生体模倣システムでは、義肢の剛性成分は、歩行速度が速いときに減衰され、反射応答は、図９に示されているように急な勾配になる。この最適生体模倣制御および機械的実装を用いて、次いで、応答は、アクチュエータが制御背屈において並列バネを押し、動力底屈においてそれを引き寄せることを要求する。ここでは、これを、バイポーラ、またはプッシュプル動作と呼ぶ。非最適な制御および機械的実装では、反射は、２倍の大きさのユニポーラの引力のみによって実装される。好ましい実施形態では、これにより、適切な直列バネのバイラテラル応答（ｂｉｌａｔｅｒａｌ  ｓｅｒｉｅｓ  ｓｐｒｉｎｇ  ｒｅｓｐｏｎｓｅ）が選択されたときに、ピークのアクチュエータの力およびモーター電流が１／２に減らされ、したがって、アクチュエータの設計寿命が８倍に延長し、ボールナット速度がほぼ１／２に減速される。これは、アクチュエータの耐久性を高めること、アクチュエータの重量を低減する−目標設計寿命を達成するのに必要なボールベアリングの数およびボールナットの直径が減らされる−こと、および騒音を減らすことに関して非常に大きな利点を有する。
【０１６５】
図１０Ｃは、本発明の例示的な一実施形態による、義足装置（例えば、図１７Ａ〜１７Ｅの装置１７００）においてインピーダンスの制御を実行するためのコントローラを示す略図である。図１０Ｄは、図１０Ｃにおいて実行されるインピーダンスの制御を決定する機械インピーダンスの関係を示す略図である。τＭは、線形アクチュエータによって義足装置の足関節に印加されるトルクである。ｚを離散時間信号変換とする好適な「高利得」補償Ｇｃ（ｚ）を通じて、モータートルクは、１）直列弾性アクチュエータ、２）「Ｋ３」並列弾性、および３）望ましい結果であるトルクコマンドΓｃに等しい足関節上の加速トルクによって印加されるトルクの総和をとる働きをすることは明らかである。これらの機械的パラメータ、したがってモデルベースの制御への参照に対するモデル推定値を表すために、
【０１６６】
【数４８】
2013503026.tif 000050
【０１６７】
および
【０１６８】
【数４９】
2013503026.tif 000051
【０１６９】
が使用される。
【０１７０】
図１０Ｆは、義肢装置を着用する人の倒立振り子力学的挙動を安定させるのに必要な復元トルクを決定するためにゼロモーメント枢軸基準地面反力がどのように使用されるかを示している。トルク（ΓＣＭ）をシステム（例えば、義肢を着用している人および義肢の組み合わせ）の質量の中心に印加し、
【０１７１】
【数５０】
2013503026.tif 000052
【０１７２】
に基づいて着用者のバランスを維持する。式中、ｆｌおよびｆｔは、それぞれ、前足および後足に作用する地面反力である。ｖＣＭは、着用者の質量中心の速度ベクトルである。ＺＭＰｌおよびＺＭＰｔは、前足と後足上のゼロモーメント枢軸を表す。
【０１７３】
【数５１】
2013503026.tif 000053
【０１７４】
および
【０１７５】
【数５２】
2013503026.tif 000054
【０１７６】
は、それぞれ前足および後足上の質量中心とゼロモーメント枢軸との間の座標基準ベクトルを表す。ゼロモーメント枢軸という用語は、足の慣性基準点を指すものであり、地面反力分布のモーメントがこの足の周りでゼロとなる。ここで、この点を圧力中心（ＣｏＰ）とも称し、本明細書の残り部分全体を通して入れ替えて使用される。
【０１７７】
地面反力およびゼロモーメント枢軸
地面反力（ＧＲＦ）は、下にある表面によって足（または下肢装置の足部材）に与えられる力である。地面反力は、立脚期において重要な生体力学的入力である。ゼロモーメント枢軸（本明細書ではＺＭＰおよびＣｏＰと称する）で作用する総地面反力を知ることによって、義足装置の制御システム（例えば、図１７Ａのコントローラ１７１２）は、（着用者の）バランスを改善し、立脚期における電力供給を最適化する直接的な手だてを持つことになる。Ｈｅｒｒらの特許文献２では、地面反力およびゼロモーメント枢軸位置の推定方法、さらには、義肢、装具、およびロボットで使用するための生体模倣運動およびバランスコントローラならびに方法をさらに説明している（参照によりその内容全体が本明細書に組み込まれている）。
【０１７８】
図１１Ａは、ＧＲＦ成分（特に、足関節１１０４からＺＭＰへのベクトル
【０１７９】
【数５３】
2013503026.tif 000055
【０１８０】
およびＧＲＦベクトル
【０１８１】
【数５４】
2013503026.tif 000056
【０１８２】
）が典型的な歩行周期における立脚期にどのように変化するかを示す義肢（例えば、図１７Ａの装置１７００）の下肢部材１１００、足関節１１０４、および足部材１１０８を示す略図である。リサーチ設定におけるＧＲＦ推定は、多くの場合、靴底にセンサーを取り付けることによって行われている。しかし、信頼できるパッケージング手段は好ましくは数百万の歩行周期にわたって接触応力に耐えなければならないため、外部からの感知方法は義肢装置および装具では実用的でない場合があり、リサーチ設定で典型的には使用されるこれらのセンサーは、そのように耐えることができない。さらに、そのような手段は、多くの場合に、着用者には受け入れがたいことが多い靴の特注生産を必要とする。
【０１８３】
本発明の他の実施形態では、ＧＲＦの内在的な感知は、（例えば、図１７Ａおよび１７Ｅの構造要素１７３２を使用して）慣性状態と下肢部材力／トルク入力１１１２を組み合わせることによって新規性のある方法で行われる。
【０１８４】
図１１Ｂ、１１Ｃ、および１１Ｄは、図１７Ａの装置１７００のコンポーネントを示す略図である。これらの図は、地面反力とゼロモーメント枢軸を決定するために必要なコンポーネント（線形直列弾性アクチュエータ１１１６（例えば、図１７Ａの線形アクチュエータ１７１６と直列弾性部材１７２４の組み合わせ）および並列バネ１１２０（例えば、図１７Ａの受動的な弾性部材１７２４））間の力とモーメントに関する関係も示している。
【０１８５】
【数５５】
2013503026.tif 000057
【０１８６】
および
【０１８７】
【数５６】
2013503026.tif 000058
【０１８８】
は、以下のステップに基づいて計算される。
１．  慣性計測装置および足関節１１０４の角度入力を使用して下肢部材１１００および足部材１１０８の慣性状態を更新する。剛体であると仮定して、下肢部材１１００と足部材１１０８の重力中心（ＣＭ）で測定された世界座標系基準の加速度ならびに下肢部材１１００と足部材１１０８の角速度および加速度をさらに計算する。
２．  下肢部材１１００に作用する力の関数としてＦ｜｜について解き、これらは下肢部材１１００の軸にそって解決される。
３．  下肢部材１１００に作用する力およびモーメントの成分のそれぞれによって印加されるモーメントの関数としてＦ＿｜＿について解く。
４．  上記のステップ２および３において計算されたＦ｜｜およびＦ＿｜＿に対する値を使用し、次いで、足部材１１００に印加される力のバランスをとって
【０１８９】
【数５７】
2013503026.tif 000059
【０１９０】
について解く。
５．  
【０１９１】
【数５８】
2013503026.tif 000060
【０１９２】
が足と地面の境界に適用されると仮定して足関節１１０４の周りのモーメントのバランスをとる（つまり、
【０１９３】
【数５９】
2013503026.tif 000061
【０１９４】
）。
６．  
【０１９５】
【数６０】
2013503026.tif 000062
【０１９６】
について解く。
【０１９７】
地形の質感による足関節の挙動
図１２Ａは、平地における義肢装置（例えば、図１７Ａの装置１７００）の生体模倣Γ−θ挙動を歩行速度の関数として示している。図１２Ｂは、特に高速歩行しているときの、印加された足関節トルクが動力底屈時に角度とともに急速に減少し、それにより理想的な生体模倣応答から逸脱し、それにより、実行される正味の仕事（Γ−θ曲線の下の領域）が著しく低減されることを示している。
【０１９８】
従来のロボットシステムでは、軌跡または他の再生手段を使用して、反復可能な、またプログラム可能な応答を伝達する。このような手段は、再生セグメントの真ん中で着用者の意図が変わる可能性があるため義肢デバイスおよび装具では好ましくない。例えば、着用者は、高速歩行していて、例えば氷の一区画の前で急に停止する可能性がある。事前プログラムされた軌跡または他の軌跡が再生される場合、力およびトルクの急激な変化なしで−また危険要因を持ち込むことなく、−それらを中断する簡単な方法はない。実際、それが内在的な手段が使用される理由である。
【０１９９】
動力底屈時に足関節トルクの印加を延長するために、歩行速度に依存する正規化された接地接触長を、ピーク底屈トルクΓ０を減衰する手段として使用する。接地接触長は、図２Ａ〜５に関係する説明に従って導出された足の理想化モデルを使用し、制御背屈および動力底屈時に足部材の慣性姿勢を測定することによって推定される。図１２Ｃに示されているように、足底接地から爪先離地までの足の遷移時に、理想化された足の部分は地形より下にあり、接地接触長の推定を可能にする。図１２Ｄは、足底接地から爪先離地へのＬｇｒｏｕｎｄ−ｃｏｎｔａｃｔの変化の仕方を示している。
【０２００】
図１２Ｅは、速度に依存する接地長減少の表において、正規化された接地長さを動力底屈時に生体模倣挙動を行う手段としてどのように使用できるかを示している。これらの表は、歩行速度の関数として制御された環境において肢切断患者以外の患者の地面反力および足部材姿勢を動的に測定することによって計算されうる。減衰関数と接地接触長との間の関数関係は、歩行速度毎に計算することができる。これらの表は、義肢装置のコントローラ内に基準関係として格納することができる。義肢装置が着用者に装着されるときに着用者の特定のニーズに合わせて関数を整形することができる。
【０２０１】
すでに説明されているように、明示的な軌跡または再生手段とは反対に内在的フィードバックを使用する動機の１つは、着用者の意図の変更（例えば、すぐに停止する決定）に対応することである。接地接触長を足関節トルクを減衰する手段としての内在的感知機能は、停止および方向の変更を伴う着用者の意図の変更に対応するのには十分に一般的ではない。図１２Ｇを参照すると、義肢装置上に実装される本発明の一実施形態では、時間依存の減衰係数
【０２０２】
【数６１】
2013503026.tif 000063
【０２０３】
が接地接触長減少と直列に使用される。この減衰に対する時定数τは、着用者の意図の変更に関連する危険を防止するために動力底屈の駆動トルクを打ち消すように選ぶことができる。τは、典型的には、５０〜１００ミリ秒の範囲内にある。
【０２０４】
好ましくは、義肢装置を使用することで、着用者は、すべての地形上で少ない労力により速く歩行することができる。地形状況の変化だけ（階段、斜面上昇／下降）に対応するのでは十分でない。地形質感の変化も、滑る危険性（例えば、氷／雪）または沈む危険性（ぬかるみ、雪、砂、細かい砂利）をもたらしうるため、好ましくは、これにも対応すべきである。ゼロモーメント枢軸軌跡の内在的感知機能を使用することで、歩行性能を最適化し、および／または変化する地形質感のところを歩行しているときに危険性を排除することができる。
【０２０５】
図１２Ｆは、典型的な歩行運動中にゼロモーメント枢軸ベクトル
【０２０６】
【数６２】
2013503026.tif 000064
【０２０７】
の推定されるｙ成分がどのように変化するかを示している。図示されているように、滑らない状態では、
【０２０８】
【数６３】
2013503026.tif 000065
【０２０９】
は、足底接地（３）と爪先離地（４）との間で単調増加しなければならない。これは、この期間中に地形表面から（歩行周期が進むにつれますます）離昇する踵だからである。いつでもゼロモーメント枢軸の速度が負のｙ軸にそって移動する場合には、足が滑っている。自動車にアンチロックブレーキが実装されている仕方と同様に、義肢装置は、負のゼロモーメント枢軸速度の積分から導出された減衰係数だけトルクを減少させることができる。一実施形態では、ノイズ感度を低減するために、ノイズ閾値より低い負の速度のみが積分される。
【０２１０】
図１３Ａおよび１３Ｂは、例えば図１７Ａ〜１７Ｅの装置１７００に適用される本発明の例示的な実施形態の状態制御状況を示している。通常の歩行では、遊脚期と立脚期の２つの期の間の循環を伴う。図１３Ａは、地面への踵接地１３２０によって立脚期が開始する歩行運動を伴う制御システムスキームを示している。
【０２１１】
【数６４】
2013503026.tif 000066
【０２１２】
は、地面基準の世界座標系内の足関節速度のｚ成分を示している。図１３Ｂは、地面への爪先接地１３２４によって立脚期が開始する歩行運動を示している。
【０２１３】
歩行周期を通じて義肢または装具を駆動するための例示的な制御システムの挙動
図１３Ａおよび１３Ｂは、足関節が遊脚期１３０４と立脚期１３０８の状態の間で遷移するときに制御システム１３００が足関節の挙動を変化させることを示している。制御システム１３００は、遊脚期において位置制御１３２８を適用する−遊脚前半期の状態において躓く危険性を回避し、遊脚後半期の状態において特定の地形状態（斜面、階段、段）に対する踵爪先接地迎え角（適応足関節位置決め）を最適化する。制御システム１３００は、足関節が踵／爪先接地、足着地、ピークエネルギー貯蔵（指数関数的硬化を伴う背屈）、動力底屈、そして爪先離地事象を遷移するときに立脚期においてインピーダンスおよびトルク制御１３３２を適用する−足関節の慣性、バネ、および減衰特性を最適化する。
【０２１４】
図１３Ｃは、本発明の例示的な一実施形態による、下肢装置（例えば、図１７Ａの装置１７００）に適用される位置制御を行うための方法を示している。装置の着用者および／または装置のコントローラが爪先１３４０が着用者の前の地形をクリアしていることを確認するまで足部材１３４８を前進させないことが望ましい。これを遂行するための例示的な一方法は、足部材１３４８の爪先１３４０が下にある地形に関して爪先１３４０の最後に知られた位置から十分高い距離のところまで来るのを待つというものである。この実施形態では、制御システム１３００は、時刻ｔと時刻ｔｋ−１における足部材１３４８の爪先１３４０の間の地形表面に対する法線方向のベクトルにそって測定されたクリアランス距離が（ε０）より大きいと判定された後にのみ足関節１３４０を回転させ始めることによって位置制御１３２８を適用する。これにより、爪先１３４０が躓く危険性に遭遇するリスクを最小に抑えられる。一実施形態では、２つの異なる時刻（ｔおよびｔｋ−１）における爪先１３４４の位置は、本明細書ですでに説明されているように慣性計測装置の測定結果を使用して決定される。当業者であれば、足部材１３４８を前進させるのが適切である場合にそのことを決定する他のスキームを適用する方法があることを理解するであろう。いくつかの実施形態では、コントローラは、例えば、足の掃引体積が、背屈時に、地形表面に関して所望のクリアランスをもたらすかどうかに基づいて前進させることが適切であると判定することができる。
【０２１５】
要約すると、本発明のこの実施形態では、義肢装置は、平地の歩行、階段上昇／下降、および斜面上昇／下降を含む、すべての歩行運動タスク状況における真の生体模倣挙動を達成することを目的としてステップ毎の地形適応を使用する。図１４Ａは、ステップ毎の適応を実行するプロセスの概要を示している。遊脚期では、慣性計測装置は、遊脚期軌跡の特徴によって与えられる手がかりから地形状況を装置が弁別することを可能にする内在的感知入力（つまり外部からの神経／筋電気入力とは反対に）を供給する。適応遊脚期足関節位置決めは、足関節角度θの関節動作を指し、これにより、遊脚期の軌跡の手がかりに関する地形状況弁別によって決定される最もありそうな地形状況に対し最適化された自然な踵または爪先着地を行う。
【０２１６】
図１４Ｂは、３つの異なる歩行運動状況に対し人工足関節が印加する例示的なインピーダンスを示している。図１４Ｂは、要求される足関節トルク１４０４（単位はＮｍ／ｋｇ）と足関節角度１４０８（単位は度）の関係を示すグラフである。グラフは、３つの曲線１４１２、１４１６、および１４２０を含む。曲線１４１２は、５度の傾斜度の斜面上の歩行に対する足関節トルク１４０４と足関節角度１４０８の関係を示している。曲線１４１６は、５度の下り斜面上の歩行に対する足関節トルク１４０４と足関節角度１４０８の関係を示している。曲線１４２０は、０度（平地）の傾斜度の斜面上の歩行に対する足関節トルク１４０４と足関節角度１４０８の関係を示している。曲線の傾きは、剛性（または一般的にインピーダンス）に等しい。閉じたΓ−θ曲線によって囲まれている領域は、特定の地形状況（例えば、傾斜、階段）および歩行速度に必要な非保存的仕事の量に対応する。グラフに示されているように、足関節義肢は、曲線１４１２内の面積が曲線１４１６内の面積よりも大きいため、平地上を歩行することに対して傾斜面を歩いて上るという歩行運動タスクを遂行するためにさらに仕事を行うために必要である。
【０２１７】
ハイブリッド下肢増強システムの一般化
図１５は、本発明の例示的な一実施形態による、下肢生体力学的装置１５００を示す略図である。一実施形態では、装置１５００は、着用者の歩行運動能力を強化する装具である。他の実施形態では、装置１５００は、着用者の腰、大腿部、下肢、および足の筋骨格の奇形および／または異常を支持し、および／または補正するために着用者の身体に取り付ける装具である。他の実施形態では、装置１５００は、着用者の下肢生体力学的出力を支援または増強する（例えば、着用者の下肢の強度もしくは機動性を増強する）ために着用者の身体に取り付ける外骨格装置である。
【０２１８】
装置１５００は、複数のリンク（または部材）およびそれらのリンクを接続する関節部によって表されるリンケージである。装置１５００は、足関節１５１２によって下肢部材１５１６（Ｌ１）に結合されている足部材１５０８（Ｌ０）を備える。装置１５００は、膝関節１５２０によって下肢部材１５１６に結合されている大腿部材１５２４（Ｌ２）も備える。装置は、大腿部材１５２４を着用者の胴体１５３２（Ｌ３）に結合する股関節１５２８も備える。質量中心１５０４は、装置１５００と着用者の組み合わせの質量中心である。
【０２１９】
足部材１５０８は、ゼロモーメント枢軸１５４０における下肢部材１５０８の下にある地形１５３６と接触する。足部材１５０８は、爪先部分１５４４および踵部分１５４８を備える。装置１５００のそれぞれの関節部は、トルク（力）Γｉ、変異ξｉ、およびインピーダンスＫｉの一般化ベクトルを持つアクチュエータも備えるが、ただし、ｉ＝０は足関節１５１２に対応し、ｉ＝１は膝関節に対応し、ｉ＝２は股関節に対応する。それぞれの関節アクチュエータは、機械要素（例えば、ボールネジアクチュエータまたは回転波動歯車装置）、人の筋肉、またはその両方を備えることができる。関節部の変位は、典型的には、角度変位（回転）の形をとるが、例えば、典型的な膝関節に見られるような直線変位と角度変位の組み合わせも含みうる。リンクの姿勢ｉは、リンクの原点の位置および世界座標系Ｗの単位ベクトルに関する座標系の単位ベクトルを定義する４×４の行列で表される。
【０２２０】
したがって、それぞれのリンクの姿勢ｊは、リンケージ制約関係を介して−特にリンクの姿勢ｉ−１に一般化変位ξｊによって定義された変換と特定のリンクパラメータ（リンク長、スキュー、および収束角度）とを掛けることによって決定されうる。例えば、脛の姿勢が知られている場合、足、大腿部、および胴体の姿勢は、それらのリンケージに対する一般化変位が、これらを直接感知することによるか、または慣性センサーを使用することで知られていると仮定して計算されうる。それぞれのリンクに内在するセンサー情報のベクトルは、ここでは内在的感知ユニット（ＩＳＵ）と称するものの中にカプセル化される。内在的センサーの例としては、一般化変位の直接的または間接的測定、リンクの角速度および加速度の測定（例えば、慣性測定ユニットを例えば使用する）、リンクに対する力もしくはトルクの成分の測定もしくは推定、リンク上の、またはリンクに隣接する特定の神経経路の出力の多モードコンピュータ画像（例えば、範囲マップ）もしくは測定が挙げられる。
【０２２１】
地形は、表面特性α（ｘ，ｙ）を持つ等高線関数ｚ（ｘ，ｙ）としてモデル化される。この状況において、表面特性として、表面上で足で弾みをつけられるようにし、また表面エネルギーを捕捉するのに十分な表面の弾性／可塑性、減衰特性、および摩擦係数が挙げられ、これは表面に着地し、足部材で押して離すのに必要な仕事に関係する。
【０２２２】
図１６は、本発明の例示的な一実施形態による、着用者の大腿部材、腰部材、および胴体の姿勢を判定するための方法を示す略図である。ロボット人工膝関節または装具を採用する下肢システムでは、人の腰の配置は、大腿部に慣性計測装置を組み込むか、または下肢部材を基準として相対的膝角度を測定することによって計算することもできる。慣性計測装置が、胴体でもさらに使用される場合、胴体の姿勢も瞬時に計算されうる。あるいは、自由度２の股関節変位を測定することによって姿勢を計算することができる。胴体慣性計測装置上のレートジャイロおよび加速度計のドリフトから生じる胴体姿勢予測誤差の補正は、ハイブリッドシステムリンケージを通じて一連の速度制約を通じて下肢部材のゼロ速度更新において行うことができる。
【０２２３】
図１６は、胴体姿勢
【０２２４】
【数６５】
2013503026.tif 000067
【０２２５】
、大腿部姿勢
【０２２６】
【数６６】
2013503026.tif 000068
【０２２７】
、および胴体／身体質量中心姿勢
【０２２８】
【数６７】
2013503026.tif 000069
【０２２９】
の予測を補正するためにｊ、ｊ−１速度制約が使用される姿勢復元の方法を示している。ステップ１（１６０４）では、下肢部材１６２０（リンク１）上のゼロ速度更新の出力を捕捉して、図２Ａ〜５に関して上で説明されているように、下肢部材の姿勢を判定する。大腿部材１６２４（リンク２）および胴体部材１６２８（リンク３）に対する解（ステップ２および３）は、それぞれ、ステップ１（１６０４）の例に従うが、これらの場合には、速度制約は、非ゼロであり、前のリンクから並進および回転速度によって予測される。
【０２３０】
例示的な機械設計
図１７Ａは、本発明の例示的な一実施形態による、義足装置１７００を示す図である。装置１７００は、着用者の相補的下肢ソケット部材に取り付けることを可能にする取り付け用インターフェイス１７０４を有する。装置１７００は、取り付け用インターフェイス１７０４に結合された構成要素１７３２（本明細書ではピラミッドとも称する）と下肢部材１７１２（本明細書では脛とも称する）の第１の端部１７５２も備える。いくつかの実施形態では、この装置の下肢部材に印加される軸力およびモーメントは、装置の下肢部材に結合された構造部材（ピラミッド）を使用してなされるセンサー測定の結果に基づいて決定される。ピラミッドは、義肢の一コンポーネントであり、着用者の肢ソケットに結合する計測器付き構造物である。一実施形態では、ピラミッド（構造要素）の測定結果は、下肢部材に印加される軸力およびモーメントを決定するためにコントローラによって使用される。この実施形態では、構造要素１７３２は、一組のピン１７１１で下肢部材１７１２の第１の端部１７５２に結合される。ピン１７１１は、下肢部材１７１２の一組の穴１７１３および構造要素の一組の穴１７１５（図１７Ｅに示されている）を通る。
【０２３１】
構造要素１７３２は、取り付け用インターフェイス１７０４に向けて配置されている上面１７３１および下肢部材１７１２に向けて配置されている底面１７３３を有する。下肢部材１７１２は、下肢部材１７１２の第２の端部１７４４における足関節１７４０のところで足部材１７０８にも結合される。足関節１７４０（例えば、回転ベアリング）により、足部材１７０８は下肢部材１７１２に関してｘ軸の周りで回転することができる。足部材は、踵１７７２と爪先１７７６を含む。
【０２３２】
装置１７００は、第１の端部１７３６および第２の端部１７４８を持つ線形アクチュエータ１７１６も備える。線形アクチュエータ１７１６は、直線運動１７０３を発生する。線形アクチュエータ１７１６の第１の端部１７３６は、下肢部材１７１２の第１の端部１７５２に（例えば、回転ベアリングを使用して）結合される。装置１７００は、線形アクチュエータ１７１６と直列につながる第１の受動的な弾性部材１７２８も備える。受動的な弾性部材１７２８は、足部材１７０８と線形アクチュエータ１７１６の第２の端部１７４８に結合される。受動的な弾性部材１７２８は、受動的な弾性部材１７２８の近位端１７３０のところで足部材１７０８に（例えば、回転ベアリングを使用して）結合される。受動的な弾性部材１７２８の遠位端１７２６は、線形アクチュエータ１７１６の第２の端部１７４８との間に結合される（例えば、回転ベアリングを使用して）。線形アクチュエータ１７１６は、足関節１７４０の周りにトルクを印加する。
【０２３３】
装置１７００は、第１の端部１７５６および第２の端部１７６０を持つオプションの第２の受動的な弾性部材１７２４も備える。第２の受動的な弾性部材１７２４は、下肢部材１７１２と並列の（並列弾性をもたらす）一方向のスプリング力を発生する。第２の受動的な弾性部材１７２４の第１の端部１７５６は、下肢部材１７１２の第１の端部１７５２に結合される。第２の受動的な弾性部材１７２４の第２の端部１７６０は、足部材１７０８に結合される。しかし、底屈時にバネがかからず、したがって、一方向のスプリング力を装置に与えるのみである。
【０２３４】
いくつかの実施形態では、第２の受動的な弾性部材１７２４は、エネルギーをほとんどもしくは全く貯蔵しないノンコンプライアントのストッパーであり、動力底屈時に定義済みの角度を超える足関節のさらなる回転を制限する。
【０２３５】
図１７Ｂおよび１７Ｃは、第２の受動的な弾性要素１７２４を示す図１７Ａの下肢装置の一部を示す図である。第２の受動的な弾性要素１７２４は、底屈時にではなく、背屈時にエネルギーを貯蔵する。弾性要素１７２４は、二重片持ち梁係合を有する（第１の端部１７５６と第２の端部１７６０との間の位置１７８０のところで締め付けられる）。弾性部材１７２４は、弾性要素１７２４の全長にそって（ｙ軸にそって）曲げ歪みを最大化することによって弾性部材１７２４が効率的なエネルギー貯蔵を行えるようにする先細り形状１７８４を有する。いくつかの実施形態では、正規化されたバネ定数は０〜１２Ｎｍ／ｒａｄ／ｋｇの範囲である。この範囲の上限値では、エネルギー貯蔵は約０．２５Ｊ／ｋｇである。
【０２３６】
弾性部材１７２４のカム／斜面配置構成により、着用者の体重に合わせてバネ定数を手直しすることが容易に行える。カム要素１７８８は、弾性部材１７２４の第２の端部１７６０のところに配置される。斜面要素１７９２は、足部材１７０８上に配置される。カム要素１７８８は、背屈時に斜面要素１７９２と係合するが、カム要素１７８８は、底屈時に装置１７００の斜面要素１７９２または他の部分と係合しない。カム要素１７８８は、底屈時に装置１７００の斜面要素１７９２または他の部分と係合しないため、弾性部材１７２４は背屈時にのみエネルギーを貯蔵する。一実施形態では、斜面要素１７９２の位置は、着用者または第二者が斜面とカム要素１７８８との係合を修正しエネルギー貯蔵特性を着用者の歩行習慣に合わせることができるようにネジで調節可能である。オペレータは、受動的な弾性部材１７２４のエネルギー貯蔵特性を修正するためにカム要素１７８８の位置に関して斜面要素１７９２の位置を調節することができる。
【０２３７】
代替的実施形態では、アクチュエータが、第２の受動的な弾性部材１７２４が係合する足関節角度（弾性部材係合角度）を調節するように斜面に一体化される。これにより、例えば、着用者が斜面および階段を、走りながら上っているときに弾性部材１７２４と係合することなく遊脚期に足関節１７４０を背屈させることができる。
【０２３８】
受動的な弾性要素１７２４は、弾性要素１７２４が背屈で係合したときに装置１７００の周波数応答を高める機能も果たす。背屈における装置１７００の動作は、高速応答（帯域幅）の直列弾性アクチュエータ（つまり、線形アクチュエータ１７１６と第１の受動的な弾性要素１７２８との組み合わせ）の恩恵を受ける。第２の受動的な弾性要素１７２４に関連するバネ定数は、装置１７００の帯域幅を係数βの分だけ高めるが、ただし、
β＝（Ｋ３（１＋Ｋｓ／Ｋ３）１／２／Ｋｓ）１／２  式３４
であり、式中、Ｋ３は第２の受動的な弾性部材１７２４のバネ定数であり、Ｋｓは線形アクチュエータ１７１６と第１の受動的な弾性要素１７２８との組み合わせのバネ定数である。本発明の一実施形態は、第２の受動的な弾性要素は、１から３までのβを与え、これにより、装置１７００の帯域幅を約５Ｈｚから約１５Ｈｚに上げる。
【０２３９】
第２の受動的な弾性部材１７２４は、両端に蟻継ぎ特徴部１７９６を使用して、取り付け穴を使用せずに両端の締め付けを可能にする。一実施形態では、第２の受動的な弾性部材１７２４は、複合繊維材料から加工される。取り付け穴があると、応力拡大が生じ、バネの強度を損なう受動的な弾性部材１７２４に繊維転位が引き起こされる。エンドクランプ１７９８は、受動的な弾性要素１７２４を適所に保持する相補的形状を有する。本発明の一実施形態では、クランプ内にエポキシを使用し、第２の受動的な弾性部材１７２４をエンドクランプ内に恒久的に固定する。エポキシ樹脂製関節は、蟻継ぎ特徴部１７９６が存在しない場合にはうまく機能しない傾向がある。
【０２４０】
受動的な弾性要素１７２４では、先細設計を採用して、要素１７２４へのエネルギー貯蔵を最大化し、与えられたたわみに対して全長にわたってエネルギー貯蔵密度が一定となるようにする。図１７Ｄを参照すると、そこには受動的な弾性要素１７２４に対する自由体図が例示されており、ローラーの力Ｆｒｏｌｌｅｒおよび下肢部材の力Ｆｓｈａｎｋが組み合わさって、中心枢軸による等しいが、反対の向きの力が発生する仕組みを示している。この実施形態では、ローラーの力および下肢部材の力は、中心枢軸から等距離のところに印加される。端部の複数の力Ｆが組み合わさって、１７Ｆの中心枢軸力を発生する。標準的な細い梁の関係式を使用すると、中心枢軸からｘの距離のところで作用するモーメントは直線的に変化する−Ｌを力が印加される位置と位置との間の受動的な弾性要素１７２４の長さとして中心におけるＦＬの値から始まり、ｘ＝Ｌでゼロになる。ｘにそったエネルギー貯蔵密度は、モーメント（Ｍ（ｘ））と表面における歪み（ε０（ｘ））との積に比例するが、ただし、
【０２４１】
【数６８】
2013503026.tif 000070
【０２４２】
である。
【０２４３】
複合材料の与えられたレイアップに対して、表面歪みが臨界値ε＊より低く保持される。与えられたモーメントについて、梁の中のエネルギー密度は、表面歪みがこの臨界値に設定されたときに最大になる。エネルギー密度を一定に保ち、また最大値に保持するために、梁の最適な幅ｗ＊（ｘ）は、関係式
【０２４４】
【数６９】
2013503026.tif 000071
【０２４５】
によって定義される。
【０２４６】
一実施形態では、先細り形状１７８４は、梁の中心から直線的に変化する。この設計方法を使用することによって、先細り形状１７８４のない梁の場合と比べてバネのエネルギー貯蔵が２倍に増大された。複合バネ材料は、均質でないため、また細い梁の方程式は適用可能でないので、受動的な弾性部材１７２４のエネルギー貯蔵密度を推定するために計算ツールを使用する。大半のエネルギーを貯蔵することができる形状は、繊維積層板、積層設計、厚さ、および受動的な弾性部材１７２４を装置１７００に取り付ける正確な方法に大きく依存する。しかし、ここでは、直線的な先細り形状が最適値の約１０％の範囲内のエネルギー貯蔵を行うと判断した。好ましい一実施形態では、直線的な先細り形状は、ウォータージェットプロセスを使用し単層複合材料の板から直線的な先細りパターンを切り出すのが比較的容易であるため使用されている。代替的な、あまり好ましくない実施形態では、先細でないバネを使用することができる。
【０２４７】
図１７Ｅは、構造要素１７３２（本明細書ではピラミッドとも称する）の一実施形態を示す斜視図である。構造要素１７３２は、取り付け用インターフェイス１７０４と下肢部材１７１２の第１の端部１７５２との間に結合される。構造要素１７３２は、一組のピン１７１１（図１７Ａに示されている）で下肢部材１７１２の第１の端部１７５２に結合される。ピン１７１１は、下肢部材１７１２の一組の穴１７１３および構造要素１７３２の一組の穴１７１５を通る。ピン１７１１により、構造要素１７３２内の歪みに対する回転自由度を構造要素１７３２内の軸力およびモーメントとして誤って記録しないようにすることができる。この実施形態では、構造要素１７３２は、足関節１７４０上のモーメントおよび軸方向荷重を測定することができ、これにより、例えば、装置１７００の機能を制御するコントローラ１７６２の状態機械で使用するために「足着地」の正の検出、動力底屈時に使用される正フィードバック反射制御装置で使用するための印加されたモーメントの測定、およびコントローラ１７６２に一体化されている安全システムで使用するための躓きの正の検出を行うことができる。
【０２４８】
この実施形態では、構造要素１７３２は、動作時に装置１７００に印加される内側−外側モーメントおよび軸力によって誘起される歪場を増幅する屈曲要素として設計される。構造要素１７３２は、内側−外側モーメント（ｘ軸の周りのモーメント）が印加されたときに中央のアダプター取り付け穴１７３４の周りの領域１７３８および１７４２内で反対符号を持つ高い歪場（微分歪場）を発生する。これらの微分歪場は、軸力のみが印加される場合には存在しない。構造要素１７３２は、構造要素１７３２の底面１７３３上の２つのモーメント感知領域（それぞれ１７３８および１７４２）のそれぞれに接着された歪みゲージ（１７８２および１７８６）を１つ備える。ゲージは、ホイートストンブリッジの対向する側にはり付けられる。歪みを測定するためにコントローラ１７６２をホイートストンブリッジに結合する。歪み測定結果を使用して、構造要素１７３２上のモーメントを測定する。一実施形態では、測定の感度は、約０．１５Ｎ−ｍの範囲内にあり、この状況では、感度は、５００Ｈｚでデジタルサンプリングしたときの分解可能な最小の変化（信号対雑音比≒１）を定める。
【０２４９】
モーメントによって誘起される歪みとは対照的に、中央のアダプター取り付け穴１７３４の周りの領域１７４６および１７５４内の内外軸にそった軸力によって高い歪みがもたらされる。これらの歪みは、内外軸にそって機械加工された溝（それぞれ１７５８および１７７０）の下にある０．７６ｍｍの厚さの領域（領域１７４６および１７５４）内に出現する。この溝の上の部分は、薄い下側部分において最小の歪みでモーメント荷重を伝えるのに十分な厚さのものでなければならない。歪みの大きさは、モーメントのみの荷重が加えられたときに薄い部分内において著しく減少する。構造要素１７３２は、構造要素１７３２の底面１７３３上の２つの軸方向荷重感知領域（それぞれ１７４６および１７５４）のそれぞれに接着された歪みゲージ（１７９０および１７９４）を１つ備える。ゲージは、ホイートストンブリッジの対向する側にはり付けられる。歪みを測定するためにコントローラ１７６２をホイートストンブリッジに結合する。これらの歪み測定結果は、構造要素１７３２上の軸力を測定する、したがって、その結果、下肢部材１７１２上の軸力を測定するために使用される。機械加工された溝１７５８および１７７０は、構造要素１７３２の構造的完全性を損なうことなく軸方向に誘起される歪みを増幅する。
【０２５０】
構造要素１７３２は、着用者の残肢ソケット（図示せず）と装置１７００との間の構造支持材の重要な連鎖内にあるため、一実施形態では、好ましくは、６０Ｎ／ｋｇを超える軸方向荷重に耐えるように設計される。この実施形態では、軸方向の測定感度は、約５０Ｎの範囲内であり、これは、装置が地面にしっかりと置かれていることを感知するために装置１７００において通常使用される閾値である約１００Ｎより十分に低い。装置１７００の較正時に、２×２の感度行列が決定され、これにより、いくつかの対の歪み測定結果から真のモーメントおよび軸力を導出することができる。
【０２５１】
図１７Ｆは、本発明の例示的な一実施形態による、下肢部材に印加される軸力およびモーメントを測定するための代替的方法を示す断面図である。この実施形態では、構造要素１７３２は、軸力と平面内モーメント（自由度２）が冗長な形で導出されうるように底面１７３３の変位を増幅する曲げ設計を採用している。この実施形態では、装置１７００は、下肢部材１７１２に印加されるモーメント（トルク）および軸力を決定するために構造要素１７３２のたわみを測定する変位感知装置１７３５を備える。
【０２５２】
この実施形態では、変位感知装置１７３５は、１つまたは複数の変位センサー１７３７（例えば、接触または非接触変位センサー）を採用するプリント回路アセンブリ（ＰＣＡ）を備える。センサーは、それぞれの感知座標において、センサー１７３７と構造要素１７３２の底面１７３３との間の距離を測定する。
【０２５３】
一実施形態では、構造要素１７３２の底面１７３３に関するＰＣＡ上に印刷されたコイルの相互インダクタンスの変化を用いて、局所的表面変形（変位）を測定する。この実施形態では、構造要素１７３２内の逆循環する「渦」電流は、コイルと構造要素１７３２の底面１７３３との間の距離に反比例してコイルのインダクタンスを低減するために使用される。非接触型静電容量および光学センサーまたはＰＣＡに内蔵されている力感知抵抗器、圧電、または歪みゲージを使用する接触に基づくセンサーを含む、他の変位感知技術も使用することが可能である。変位センサーの配列をサンプリングすることによって、オフライン較正プロセスの実行中に計算される感度行列を使用して、軸力およびモーメントを推定することができる。
【０２５４】
この実施形態では、構造要素１７３２は、ネジで下肢部材１７１２に留められ、このため、図１７Ｅに例示されている実施形態で使用されているピン１７１１が不要になる。ネジ留め方法を採用することで、重量と製造の複雑さが低減される。さらに、このネジ留め方法により、変位感知装置１７３５が配置されている構造要素１７３２の中心で測定される変位が増幅される。図１７Ｇは、プリント回路アセンブリ上の変位センサーの円形配列を使用して平面内モーメントベクトルおよび軸力をどのように計算するかを示している。図示されているように、バイアスおよび正弦関数に似た変位関数の復調を使用して、モーメントおよび力を推定する。他の変位センサー配列構成も、モーメントおよび力の内在的感知の手段として使用することが可能である。
【０２５５】
モーメントおよび力の感知は、歩行状態の変化を信号で知らせる手段として有用である。それに加えて、下肢部材１７１２のモーメントの測定は、動力底屈で反射動作を行わせるフィードバック手段として使用される。慣性およびアクチュエータのフィードバックと組み合わせた場合、内在的なモーメントおよび力の測定結果は、牽引制御を行い、バランスをとるために使用される地面反力およびゼロモーメント枢軸を計算するために使用される。これらの理由から、内在的なモーメントおよび力の感知機能を慣性計測装置および状態制御処理機能とともにパッケージングすることが有益である。図１７Ｆは、これらの機能をＰＣＡ上にどのように実装できるかを示している。このようなＰＣＡは、上面変位感知ＦＲ−４ベース層と信号処理層を組み込んだ底部ＦＲ−４ベース層との間の剛性のある介在基材として使用されるＦＲ−４材料と安定したコア材料（例えば、インバール）とのサンドイッチとして実装することが可能である。材料と機能とを一体化して単一のアセンブリにすることで、ケーブル配線およびこれらの機能を相互接続するための潜在的に信頼性が低い手段が不要になる。このような一体化を行うことで、エネルギー回収および歩行統計量を含む、受動的な義肢および研究、歩行パラメータをセットアップするために義肢装具士によって使用されうるスタンドアロン型のツールも利用できるようになる。
【０２５６】
図１７Ａを参照すると、装置１７００は、線形アクチュエータ１７１６を制御するために線形アクチュエータ１７１６に結合されているコントローラ１７６２も備える。この実施形態では、コントローラは、環境から保護するために装置１７００のハウジング１７６４内に配置される。ハウジング１７６４内の電池１７６８は、装置（例えば、コントローラ１７６２および装置１７００に関連するさまざまなセンサー）に電力を供給する。
【０２５７】
装置１７００は、前の爪先離地位置に関して足首関節１７４０、踵１７７２、および爪先１７７６の慣性姿勢軌跡を予測するために慣性計測装置１７２０を備える。慣性計測装置１７２０は、コントローラ１７６２に電気的に結合され、装置１７００の線形アクチュエータ１７１６を制御するために慣性測定信号をコントローラ１７６２に送る。一実施形態では、慣性計測装置１７２０は、３軸加速度計および３軸レートジャイロを採用している。３軸加速度計は、３本の直交軸にそって局所的加速度を測定する。３軸レートジャイロは、３本の直交軸の周りの角回転を測定する。確立されている数値積分法を使用することで、足部構造上の任意の点における位置、速度、および姿勢を計算することができる。
【０２５８】
いくつかの実施形態では、慣性計測装置１７２０は、地形の傾きおよび段および階段の存在を検出するために使用され、これにより、着地する前の下にある地形および立脚期にある足関節のバネ平衡位置に関する足の「迎え角」を最適化することができる。いくつかの実施形態では、慣性計測装置１７２０は、着用者の歩行速度および地形の状態（地形の特徴、質感、または凹凸（例えば、地形がどれだけべたべたしているか、地形がどれだけ滑りやすいか、地形が粗いかそれとも滑らかか、地形に岩などの障害物があるか））を判定するために使用される。これにより、着用者は、すべての種類の地形において自信を持って歩くことができる。慣性姿勢は、固定された地面基準（世界）座標系内の下肢部材１７１２の自由度３の配向−多くの場合、線形変換の配向成分（世界基準座標系内のｘ、ｙ、およびｚ軸を定義する３つの単位ベクトル）として、または四元数として捕捉される−と、世界座標系内の足関節１７４０の並進と、世界座標系内の足関節１７４０の速度とを含む。この実施形態では、慣性計測装置１７２０は、下肢部材１７１２に物理的に結合される。いくつかの実施形態では、慣性計測装置１７２０は、装置１７００の足部材１７０８に結合される。
【０２５９】
図１７Ｈは、本発明の例示的な一実施形態による、図１７Ａ〜１７Ｇの装置とともに使用する状態推定およびアクチュエータコントローラ（状態およびアクチュエータ制御ＰＣＡ−ＳＡＣ）を示す略図である。この実施形態では、コントローラ１７６２は、デュアル４０ＭＨｚ  ｄｓＰＩＣ（ＭｉｃｒｏｃｈｉｐＴＭ社製）プロセッサを使用して、線形アクチュエータ１７１６（例えば、図５Ａおよび５Ｂの回転モーター５０４）ならびに慣性計測装置１７２０を制御し、調整する。この実施形態では、モーターのＲＰＭを最大化する最適なパルス幅変調駆動力を発生させるブラシレスモーター制御を実装するために空間ベクトル変調が使用される。空間ベクトル変調は、基準信号が定期的にサンプリングされる、多相ＡＣ発生のためのＰＷＭ制御アルゴリズムである。信号または電源のＰＷＭは、３相モーター巻線電圧のデューティサイクルの変調を伴う（例えば、回転モーター５０４）。基準信号を毎回サンプリングした後に、基準ベクトルに隣接するゼロでない能動的なスイッチングベクトルおよびゼロスイッチングベクトルのうちの１つまたは複数のベクトルが、基準信号を合成するためにサンプリング期間全体のうちの適切な部分について選択される。
【０２６０】
コントローラ１７６２は、慣性計測装置１７２０からの慣性姿勢信号１７８１、構造要素１７３２の歪み測定結果からのトルクおよび軸力信号１７８３、足関節１７４０内に配置されているホール効果変換器からの足関節角度信号１７８５、エンコーダ（例えば、図２０Ａのエンコーダ２０４０）からのモーター位置信号１７８７（インデックスおよび絶対モーター位置を持つ直角位相エンコーダ）、直列弾性部材１７２８の歪みセンサー１７０４（図１８Ａを参照）からの歪み信号１７８９、およびコントローラパラメータ１７９１（例えば、装置構成データ、着用者特有のチューニング、ファームウェア更新）を含む、さまざまな入力信号を受信する。それに加えて、コントローラ１７６２は、装置性能データ１７９３（例えば、リアルタイムデータ、エラーログデータ、リアルタイム性能データ）、足関節状態更新１７９５を含む、さまざまな信号を出力する。それに加えて、コントローラ１７６２は、線形アクチュエータ１７１６にコマンドを出力し、線形アクチュエータ１７１６からのアクチュエータのフィードバック信号（一般に信号１７９７）、例えば、線形アクチュエータ１７１６の電源用電子回路に供給される３相パルス幅変調信号、線形アクチュエータ１７１６への電池電力、ならびに線形アクチュエータ１７１６からの電流フィードバック測定値および温度測定値を受け取る。
【０２６１】
この実施形態では、センサーのフィードバックを使用して、装置１７００が立脚期状態と遊脚期状態の間を遷移するときの状態変化を識別する。冗長な、また多様なセンサー測定結果を使用することによって、故障状態も識別し、装置１７００を該当する安全な状態にする。オンボードのリアルタイムクロックを使用することで、故障に時間タグを付け、それをオンボードのｅ２ＰＲＯＭ（エラーログ）に格納する。エラーログの内容は、義肢装具士および／またはメーカーのサービス要員によって無線で取り出される。この実施形態では、モータードライバーＰＣＡ（ＭＤ）が、ＳＡＣ  ＰＣＡからパルス幅変調（ＰＷＭ）コマンドを受け取って、モーター巻線に切り替えて電流を流す。ＭＤは感知された電流および電力情報をＳＡＣ  ＰＣＡに戻し、これにより閉ループ制御を適用することができる。
【０２６２】
この実施形態では、ＩＭＵ  ＰＣＡは公称的に矢状面（脛骨の前部に平行な局所的平面）内に取り付けられ、３軸加速度計、２軸レートジャイロ（ωｚおよびωｘ）、および１軸レートジャイロ（ωｙ）を使用する。この実施形態では、この座標系の定義は、ｙ軸を前方、ｚ軸を上方、ｘ軸をｙ軸とｚ軸との外積（ｙ×ｘ）と定義するものである。ＩＭＵは、５００ＨｚのシステムサンプリングレートでＳＡＣから状態情報を受け取る。これは、足関節状態ベクトル−特に足関節枢軸の位置と速度、踵の位置、爪先の位置−をすべて前のステップからの足底接地位置に関して送信する。
【０２６３】
図１７Ｉおよび１７Ｊは、図１７Ａの装置１７００の例示的な電気的等価物を示す略図である。電気回路の記号は、機械要素−速度と線形関係にある減衰トルクを持つ機械的コンポーネントを表す抵抗器、回転慣性特性を持つ機械的コンポーネントを表すキャパシタ、および直線的なバネ特性を持つ機械的コンポーネントを表すインダクタ−を記述するために使用されている。この回路表記を用いると、電流はトルクに対応し、電圧は角速度に対応する。
【０２６４】
回路コンポーネントは、以下のように定義される。Ｊｓｈａｎｋは、下肢部材（脛）および膝下の残肢の未知の等価慣性（例えば、図１７Ａの下肢部材１７１２の慣性）であり、ＪＭｏｔｏｒは、等価モーターおよびボールネジ伝動アセンブリの慣性（例えば、図１７Ａの線形アクチュエータ１７１６の慣性）であり、
【０２６５】
【数７０】
2013503026.tif 000072
【０２６６】
は、圧縮されているときの直列バネ（例えば、図１７Ａの受動的な弾性要素１７２８）に対するねじりバネ定数であり、
【０２６７】
【数７１】
2013503026.tif 000073
【０２６８】
は、張力が加えられているときの直列バネに対するねじりバネ定数であり、Ｋ３は、一方向並列バネ（例えば、図１７Ａの受動的な弾性部材１７２４）に対するねじりバネ定数であり、ＪＡｎｋｌｅは、足関節（例えば、１７Ａの足部材１７０８）の下の足部構造の回転慣性である。モデル内の電流（トルク）源は、以下のように定義される。ΓＨｕｍａｎは、着用者の身体によって下肢部材（例えば、下肢部材１７１２）に印加される未知のトルクであり、τｍｏｔｏｒは、アクチュエータ（例えば、線形アクチュエータ１７１６）によって印加されるトルクであり、Γｓｈａｎｋは、構造要素（例えば、図１７Ａおよび１７Ｅの構造要素１７３２）を使用して測定されるトルクである。
【０２６９】
図１７Ｉは、エネルギー貯蔵要素としての直列バネおよび並列バネの重要性を示している。貯蔵されているエネルギーを使用すると、このエネルギーを使用しなければ線形アクチュエータに必要になる消費電力が低減される。それに加えて、Ｋ３バネのさらなる目的として、足関節−バネ共鳴を増大する足関節慣性に対するシャントとしての機能が挙げられる。
【０２７０】
図１７Ｊは、高忠実度位置および力制御を行い、本質的に安全な設計を実現するために望ましいセンサーの冗長性と多様性をもたらすようにこの実施形態においてセンサーがどのように使用されているかを示す。図示されているように、足関節位置
【０２７１】
【数７２】
2013503026.tif 000074
【０２７２】
は、
【０２７３】
【数７３】
2013503026.tif 000075
【０２７４】
から導かされるが、ただし、
【０２７５】
【数７４】
2013503026.tif 000076
【０２７６】
である。
【０２７７】
θの冗長な尺度は、ホール効果角度変換器を使用することで得られ、これにより、足関節が制御システムによって適切に操作されていることを検証できる。一実施形態では、ホール効果変換器は、装置１７００のハウジング１７６４内にあるＳＡＣ  ＰＣＡ上に配置されているホール効果デバイスを備える。この変換器は、足部材１７０８に結合されている磁石も備える。磁界効果の大きさ（変換器によって出力される信号）は、角度関節回転（つまり、ホール効果デバイスに関する磁石の運動）に応答して知られている形で変化する。ホール効果変換器は、例えば、磁石に関するホール効果デバイスの知られている変位に対して変換器の出力を測定することによって装置１７００の製造時に較正される。他の足関節角度測定の実施形態では、下肢部材上のコイルに関して測定された相互インダクタンスは、足関節角度の関数としての知られている関係を有し、インダクタンスは、線形アクチュエータ内のモーターによって、または他の漂遊磁界によって発生する磁界に敏感でない仕方で角変位を計算するように較正されうる。また、図１７Ｊに示されているように、着用者によって与えられるような足関節モーメントも測定される。これにより、線形アクチュエータは反射動作を行うように適応する（例えば、剛性を増大する）ことができる。
【０２７８】
図１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、および１８Ｄは、本発明の例示的な一実施形態による、図１７Ａの受動的な弾性部材１７２８を示す図である。受動的な弾性部材１７２８は、双方向の剛性をもたらし、線形アクチュエータ１７１６および足部材１７０８と直列に接続される。受動的な弾性部材１７２８は、線形アクチュエータ１７１６の第２の端部１７４８に一端で、また足部材（図示せず）に他端で、結合される。受動的な弾性部材１７２８は、受動的な弾性部材１７２８内の歪みを測定するために受動的な弾性部材１７２８に結合される歪みセンサー１７０４を備える。この実施形態では、歪みセンサー１７０４は、線形アクチュエータ１７１６によって印加される力、次いで、線形アクチュエータ１７１６によって印加される足関節１７４０の周りのモーメントを測定するために応答が較正される歪みゲージである。歪みゲージの信号は、図１７Ａのコントローラ１７６２を使用して測定される。
【０２７９】
この実施形態では、受動的な弾性部材１７２４は、望ましい双方向の（両方向において曲げる機能）正規化された駆動機構剛性をもたらす成形カーボンファイバーレイアップである。一実施形態では、受動的な弾性部材１７２４は、１４〜２５Ｎ−ｍ／ｒａｄ／ｋｇの好ましい圧縮力、および４〜８Ｎ−ｍ／ｒａｄ／ｋｇの張力を有する。生体力学な力およびトルクは、着用者の体重に強く対応する。義肢および装具をスケーリングする場合、設計パラメータの指定は、典型的には正規化する。例えば、そのような直列および並列の弾性デバイスは、体重に対応付けるか、または体重の複数の範囲をカバーすることを意図されている離散値をもたらすように設計されうる。圧縮力および張力の範囲は、回転の全範囲−最大の底屈から最大の背屈まで−にわたって足関節に対する線形アクチュエータのモーメントアームの差から結果として生じるトルクの変動を反映する。直列バネ定数は、足関節が歩行中の爪先離地の直後に位置変更されるときなど、遊脚期背屈位置制御時に（バネが圧縮状態にある間に）比較的ノンコンプライアントとなるように最適化される。しかし、衝撃荷重から線形アクチュエータを分離するためにある程度のコンプライアンスが維持される。
【０２８０】
図１８Ｃおよび１８Ｄを参照すると、高い剛性は、背屈回転底部制約部１７０８を受動的な弾性部材（バネ）１７２８の遠位端１７２６に向けて挿入することによって圧縮状態の受動的な弾性部材１７２８にもたらされることがわかる。この拘束により、圧縮時に（背屈に向けて）直列バネ１７２８を曲げた後線形アクチュエータ１７１６の有効モーメントアームが低減される。張力がかかっている状態において、モーメントアームは、底屈の上部制約部１７１６をバネ拘束の近位端１７３０の方へ向けて配置することによって効果的に増大される。モーメントアームが長ければ長いほど、バネ梁は自由に曲がり、このため、張力のかかっている状態のバネ定数は低減される。両側剛性特性に加えて、いくつかの実施形態では、受動的な弾性部材１７２８のバネ定数は、ボールネジの回転速度を最小にするように最適化される。設計により、弾性部材１７２８のこの実施形態は、非対称的な特性を有する、つまり、圧縮力におけるコンプライアンスよりも張力におけるコンプライアンスの方が高い。張力におけるコンプライアンスが高ければ高いほど、動力底屈において使用するための直列バネ１７２８へのエネルギー貯蔵は増大する。エネルギーは、動力底屈に関わる最初の約１００ｍｓ以内に解放され、これにより、線形アクチュエータ１７１６の必要なエネルギー負担が低減される。線形アクチュエータの回転モーターと連携してボールネジ伝動アセンブリ（例えば、図２０Ａ〜２０Ｂのボールネジ伝動アセンブリ２０２４）を使用する本発明の実施形態では、これは、ボールネジ伝動アセンブリのボールナットアセンブリ部分の必要な動作速度、さらには回転モーターのモーター駆動要件を低減できるという利点をさらに有する。バネが、この場合に高速なボールナット位置決めを必要とせずに足部材を投げ出す。直列の弾性に対し最適化された値は、３〜４Ｎｍ／ｒａｄ／ｋｇの範囲内である。
【０２８１】
図１９Ａは、本発明の例示的な一実施形態による、直列板バネ１９２８を組み込んだ義足装置１９００を示す図である。装置１９００は、着用者の相補的下肢ソケット部材に取り付けることを可能にする取り付け用インターフェイス１９０４を有する。装置１９００は、取り付け用インターフェイス１９０４に結合された下肢部材１９１２を備える。下肢部材１９１２は、装置１９００の足関節１９４０のところで足部材１９０８にも結合される。足関節１９４０により、足部材１９０８は下肢部材１９１２に関してｘ軸の周りで回転することができる。足部材は、踵１９７２と爪先１９７６を含む。
【０２８２】
装置１９００は、第１の端部１９３６および第２の端部１９４８を持つ線形アクチュエータ１９１６も備える。線形アクチュエータ１９１６の第１の端部１９３６は、下肢部材１９１２に結合される。装置１９００は、線形アクチュエータ１９１６と直列につながる受動的な弾性部材１９２８も備える。受動的な弾性部材１９２８は、足部材１９０８と線形アクチュエータ１９１６の第２の端部１９４８との間に結合される。受動的な弾性部材１９２８は、受動的弾性部材１９２８の近位端１９３０のところで足部材１９０８に結合される。受動的な弾性部材１９２８の遠位端１９２６は、線形アクチュエータ１９１６の第２の端部１９４８に結合される。線形アクチュエータ１９１６は、足関節１９４０の周りにトルクを印加する。
【０２８３】
装置１９００は、線形アクチュエータ１９１６を制御するために線形アクチュエータ１９１６に結合されているコントローラ１９６０も備える。この実施形態では、コントローラ１９６０は、環境から保護するために装置１９００のハウジング１９６４内に配置されるが、ハウジングの一部は、ハウジングの中身が見えるようにこの図では取り除かれている。装置１９００に結合されている電池１９６８は、装置１９００（例えば、コントローラ１９６０および装置１９００に関連付けられているさまざまなセンサー）に電力を供給する。
【０２８４】
図１９Ａの受動的な弾性部材１９２８は、板バネである（例えば、ウォータージェット切断装置で加工される）。板バネを使用すると、受動的な弾性部材１９００のコストが低減され、着用者の体重に合うようにバネ定数を容易に設定することができる。一実施形態では、バネを縦方向に分割し（ｙ軸にそって）、ボールナットの回転軸と直列の受動的な弾性部材１９２８との間の平行性を欠いていることによる線形アクチュエータ１９１６のボールナット（例えば、図２０Ａおよび２０Ｂ）のコンポーネントに対する面外モーメントを低減する。この実施形態では、アクチュエータのトルクフィードバックループには、歪み感知機能を使用していない。むしろ、バネを通じて伝わるトルクを推定するために、板バネの知られているバネ定数を測定されたバネのたわみ（測定された足関節１９４０の角度θとバネのたわみがゼロのときにネジにそった特定のボールナット位置から結果として生じる足関節１９４０の角度として運動学的に定義される角度βとの差）に掛ける。
【０２８５】
図１９Ｂおよび１９Ｃは、本発明の例示的な一実施形態による、義肢装置１９００の代替的な２つの部分から作られている直列弾性バネを示す図である。装置１９００は、着用者の相補的下肢ソケット部材に取り付けることを可能にする取り付け用インターフェイス１９０４を有する。装置１９００は、取り付け用インターフェイス１９０４に結合された下肢部材１９１２を備える。下肢部材１９１２は、装置１９００の足関節１９４０のところで足部材１９０８にも結合される。足関節１９４０により、足部材１９０８は下肢部材１９１２に関してｘ軸の周りで回転することができる。足部材は、踵１９７２と爪先１９７６を含む。装置１９００は、第１の端部（図示せず）および第２の端部１９４８を持つ線形アクチュエータ１９１６も備える。線形アクチュエータ１９１６の第１の端部は、下肢部材１９１２に結合される。装置１９００は、足部材１９０８を足関節１９４０のｘ軸の周りに回転させるためのベアリングとともに足部材１９０８を下肢部材１９１２に足関節１９４０のところで結合する結合部材１９８８（例えば、取り付け用金具）も備える。
【０２８６】
装置１９００は、線形アクチュエータ１９１６と直列につながる受動的な弾性部材１９２８も備える。図１９Ｃを参照すると、受動的な弾性部材１９２８は、２つの部材部分（例えば、梁様の部分）１９９４および１９９６を有する。弾性部材１９２８は、第１の部材１９９４上に第１の端部１９６２も有し、また第２の部材１９９６上に第２の端部１９８０も有する。弾性部材１９２８は、２つの部材１９９４および１９９６が会合し、２つの部材１９９４および１９９６がｘ軸の周りで互いに関して枢動する中間位置１９９６も有する。第２の部材１９９６は、第１の部材１９９４の方へ枢動すると、弾性部材は、背屈時に（矢印１９９２で示されている）圧縮でエネルギーを貯蔵する。
【０２８７】
弾性要素１９２８の第１の端部１９６２は、ｘ軸の周りで回転できるようにするベアリングとともに線形アクチュエータ１９１６の第２の端部１９４８に結合される。弾性要素１９２８の第２の端部１９８０は、ｘ軸の周りで回転できるようにするベアリングとともに結合部材１９８８上の場所に結合される。
【０２８８】
例示的な線形アクチュエータ
図２０Ａおよび２０Ｂは、本発明の例示的な一実施形態による、さまざまな義足、下肢装具および外骨格装置において使用するための線形アクチュエータ２０００を示す図である。図２０Ａは、線形アクチュエータ２０００の斜視図である。図２０Ｂは、線形アクチュエータ２０００の断面図である。線形アクチュエータ２０００は、例えば、図１７Ａの装置１７００または図４の装置４００の線形アクチュエータ１７１６として使用されうる。アクチュエータ２０００は、Ａ軸にそって直線的な動力を伝えるためにモーター２００４およびネジ伝動アセンブリ２０２４（この実施形態では、これは、ボールネジ伝動アセンブリであり、ボールネジアセンブリとも称する）を備える。ネジ伝動アセンブリ２０２４は、モーター２００４の回転運動を直線運動に変換するモーター駆動伝動装置として機能する。一実施形態では、ボールネジ伝動アセンブリ２０２４は、Ｎｏｏｋ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ社（オハイオ州クリーブランド所在）製の特注ボールネジ伝動アセンブリである。特注ボールネジ伝動アセンブリは仕様として、ネジ山間隔１４ｍｍ×３ｍｍのネジ、１５０ｍｍ／ｓで４０００Ｎの推力、および５００万サイクルを瞬間的に施したときにＬ１定格寿命を有する。いくつかの実施形態では、ネジ伝導アセンブリは、送りネジ伝導アセンブリ（送りネジアセンブリとも称する）である。
【０２８９】
アクチュエータ２０００は、モーター軸出力２００８を有する回転モーター２００４を備える。モーター軸出力２００８は、モーター軸出力２００８に結合された（例えば、溶接された）プーリー２０３２を有する。一実施形態では、回転モーター２００４は、高速ブラシレスモーター（マサチューセッツ州ホールリバー所在のＭａｘｏｎ  Ｍｏｔｏｒ  ＡＧ，  Ｍａｘｏｎ  Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ  Ｍｏｔｏｒｓ，  Ｉｎｃ．社が製造するモデルＥＣ３０モーター）である。モーター２００４は、回転モーター２００４のローターとステーターとの間の角度アラインメントを決定するためにモーター２００４に組み込まれている誘導増分的絶対角度エンコーダ（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ  ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌ−ａｂｓｏｌｕｔｅ  ａｎｇｕｌａｒ  ｅｎｃｏｄｅｒ）２０４０を備える。エンコーダ２０４０は、線形アクチュエータ２０００のネジ２０６０の位置を制御し、「瞬時オン」のモーター整流および冗長位置フィードバック監視を行う。
【０２９０】
エンコーダ２０４０の誘導結合エンコーディング要素（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ−ｃｏｕｐｌｅｄ  ｅｎｃｏｄｉｎｇ  ｅｌｅｍｅｎｔｓ）を使用することで、システムは高精度の増分的ローター位置フィートバックと同時にローターとステーターとの間の絶対アライメントを（例えば、１回転につき１０ビットの分解能で）判定することができる。これらの冗長フィードバック要素をクロスチェックすることによって、エンコーダの不具合が足関節制御の不安定の原因となりうる可能性を最小にすることが可能である。増分的エンコーダは、ボールネジ伝動アセンブリ２０２４（以下参照）が等速動作しているときに感知される速度変動をなくすために振れを３００μｒａｄ未満とする。その結果、アクチュエータ２０００によって印加されるトルク変動は小さくなる。
【０２９１】
回転モーター２００４は、一体型のモーターヒートシンク２０４８も備える。一実施形態では、ヒートシンク２０４８は、モーター２００４の巻線から熱を引き出し、これにより、着用者はモーターのコイル温度限界（典型的には１６０℃）を超えることなく非保存的な仕事のピークレベルで歩行することができる。モーターの発熱は、線形アクチュエータ２０００が推力を伝えるときにモーター２００４内の抵抗損失（ｉ２Ｒ損失）により生じる。コイル温度が上昇すると、コイル抵抗は０．３９％／℃の割合で高くなり、これにより、コイル温度がさらに上昇する。それに加えて、モーターＫｔ（モーター電流に比例するのでトルクの尺度）は、典型的には、コイル温度が限界値まで高くなると２０％ほど低下する。これは、同じ量の仕事をするのに電流消費を増やすことを必要とし、コイル温度はさらに上昇する。線形アクチュエータ２０００内のヒートシンクは、コイル温度の上昇を４０％以上低減する。モーター巻線の絶縁およびモーターのベアリングの初期故障を促進する「摩耗」現象は、コイル温度が１０℃下がる毎に１／２に低減されるため、モーターの寿命は、モーターコイルの動作温度が低く保持されれば著しく延びる。また、この内在的コイル温度感知方法を使用すると、最大定格に近づいたときに動力底屈の電力（電流）を単純に減らし、最終的に、例えば１５０℃の所定の限界に達したときに電池の電力を遮断することによってモーターを１６０℃の絶対最大定格を超えないように保護することができる
ロボット義肢は、典型的には、コンパクトで軽量なモーター駆動装置を使用して、影響を受ける肢に出力をバーストで送る。いくつかのシナリオにおいて、出力バーストは、反復的に、長時間にわたり高率で適用することができる。モーターの銅損および渦電流損は、過剰な貯蔵加熱効果を引き起こし、これにより、モーター巻線の温度が上昇することになる。銅巻線抵抗は温度とともに上昇するので（０．３９％／℃）、銅損は増大し、そのため、加熱効果が増幅する。ときには臨界巻線温度限界に達する可能性もあり、その場合、さらなる温度上昇がモーターに永久的損傷を引き起こすことになる。この温度限界に達した場合にそのことを感知することは、制御システムによって行うのが好ましい。
【０２９２】
銅巻線温度限界に達した場合、またはこれから達する場合にそのことを防止するか、もしくは検出するために２つの従来の方法を使用することができる。第１に、銅損および渦電流損は、制御システムの動作中に計算される。これらは、巻線温度を推定できるように巻線の熱的モデルを運用するために使用される。ときには、周囲温度を測定して、巻線温度の測定結果を改善する。この方法の利点は、実装が安価に行えるという点である。不利点は、コイル温度モデルを入手しがたいこと、また較正することが難しいことである。また、モーターの周りの周囲温度の良好な測定結果を出すことが難しい場合も多く、巻線温度測定が誤ることになる。
【０２９３】
ときには第１の方法と組み合わされる、第２の方法では、モーターのケース温度を、ケースの外側、またはモーターの内側にはり付けたサーミスタを使って測定する。この方法の利点は、直接的な測定を行えるという点である。不利点は、測定が一点でのみ行われ、センサーをはり付けるのは費用がかかり、多くの場合信頼性も低いことである。
【０２９４】
より好ましいアプローチは、温度を検出するとともに、潜在的な過熱状態を緩和することである。このアプローチでは、測定を行うために足関節を固定位置に短時間だけ保持する（これにより抵抗の計算に対するＢａｃｋ−ＥＭＦ効果を排除する）ことができるときに歩行周期のある時点において一歩進める毎にモーター巻線抵抗を測定する。一実施形態では、コイル温度は、モーター巻線に一定電流を流し（あるいは一定電圧をかけて）、その巻線における対応する電圧（あるいは電流）を測定して判定される。精度を高めるために、ここでは、順方向および逆方向の両方で電圧をかけ（または電流を流し）、電流（または電圧）の差を測定する。
【０２９５】
モーター駆動用電子回路では、ＰＷＭ電流制御法を使用しているため、この測定を行うためのすべてのインフラストラクチャが存在する。この巻線抵抗と足関節が静止状態（較正一定）にあるときの抵抗との差の割合に注意して、費用をかけずに巻線抵抗をｉｎ−ｓｉｔｕで推定することができる。典型的なサーボシステムでは、この測定を行うことはできないが、それは、アクチュエータを絶えず閉ループ制御下に置かなければならないからである。しかし、人工足関節では、足関節位置が典型的には測定を行うために必要な５ミリ秒を超えて精度制御を維持する必要はない時期（遊脚期）がいくつかある。巻線温度がこの方法で計算された後、制御システムは、巻線が臨界温度に近づいているときにそのことを検出することができる。これらの時期において、歩行に利用できる駆動電力は、温度が安全なレベルに下げられるまでまとめて低減もしくは排除される。
【０２９６】
いくつかの実施形態において、温度センサー２０５２の出力がコントローラ（例えば、図１７Ａのコントローラ１７６２）に供給され、それにより、モーター２００４の温度に基づいて線形アクチュエータ２０００によって出力されるトルクを制御する。
【０２９７】
ベルト２０１２は、プーリー２０３２をボールネジ伝動アセンブリ２０２４のネジ山付き軸２０６０に結合し、これにより、モーター軸出力２００８の回転運動をボールネジ伝動アセンブリ２０２４のボールナットアセンブリ２０３６部分の直線運動に変換する。いくつかの実施形態では、２つまたはそれ以上のベルトを並列に張り、それぞれが線形アクチュエータ２０００のボールネジ伝動アセンブリ２０２４それだけを駆動することができ、したがって、１回のベルト破損であれば線形アクチュエータ２０００は動作可能である。そのような事象においては、ベルト破損センサー２０５６が、その状態を感知し、動作中に（例えば、義肢を使用する着用者の歩行周期毎に）ベルトの完全性を確認する。
【０２９８】
一実施形態では、光学センサー（例えば、スルービームセンサー）がベルト破損センサーとして使用され、ベルトが破損したときに光学センサーの出力信号が知られている方法で変化する。本発明の他の実施形態では、容量センサーがベルト破損センサーとして使用され、ベルトが破損したときに容量センサーの出力が知られている方法で変化する。
【０２９９】
一実施形態では、プーリー２０３２およびベルトは、回転運動を直線運動に変換するための装置として使用されない。むしろ、伝動装置として一組のトラクションホイールが使用される。この実施形態では、ベルト破損の脅威は、これにより排除される。
【０３００】
一実施形態において、ベルト破損が発生した場合、線形アクチュエータ２０００が使用されている装置のコントローラ（例えば、図１７Ａの装置１７００のコントローラ１７６２）は、下肢部材に関する足部材の位置を線形アクチュエータ２０００が修理されるまでの間装置が受動的な人工足関節として動作することが可能な安全な位置に変更する。一実施形態では、コントローラは、ベルト破損センサーが複数のベルトのうちの１つまたは複数のベルトの不具合を検出したことに対する応答として回転モーター２００４の３本のリード線を短絡させる。３相の電気入力を短絡させると、モーター２００４はモーター軸出力２００８上に粘性抵抗をもたらす。歩行中、粘性抵抗は、装置が受動的な義肢として動作するようにローター軸出力を大まかに固定状態に保持する。しかし、装置は、立位または座位にあるときに非固定平衡位置に移動できるようにゆっくりと移動させることができる。それぞれの入力リードは、それ専用の個別のスイッチによってアースに短絡される。
【０３０１】
一実施形態では、スイッチは、充電式電池（装置を動作させるために使用される一次電池からの分離した電池）によって作動する。分離した電池を使用することによって、スイッチは、故障が発生した場合でも（または一次電池が尽きた場合でも）入力リードを短絡する（そして装置を安全モードにする）。
【０３０２】
一実施形態では、ネジ山付き軸２０６０は、アクチュエータ２０００およびアクチュエータ２０００が使用されている装置から発生する騒音を低減するために騒音減衰材料を収納する、中をくり抜いた部分を備える。一実施形態では、ネジ山付き軸２０６０は、軸の長さの６４ｍｍ分だけ延在する、ボア径８．７ｍｍの直径１４ｍｍのステンレス鋼の軸であり、３Ｍ（ミネソタ州セントポール所在）社製のＩＳＯＤＡＭＰ（登録商標）Ｃ−１００２音響減衰材料で充填されている。
【０３０３】
アクチュエータ２０００は、回転モーター２００４とネジ２０３６の推力とによりベルト２０２４の張りを支持する半径方向推力ベアリング２０２８も備える。ベルトの張りと推力とによる負荷が、静的に、また歩行周期において存在する。
【０３０４】
ボールナットアセンブリ２０３６は、複数のボールベアリングを保持する１つまたは複数の再循環ボールトラック２０４２を備え、この組み合わせにより、ボールナットアセンブリ２０３６の直線運動を支持する。一実施形態では、５つのボールトラックが使用される。アクチュエータ２０００は、アクチュエータ２０００を、例えば、義肢装置の足部材の受動的な弾性部材（例えば、図１７Ａの受動的な弾性部材１７２４）に結合する結合要素２０２０（例えば、図１７Ａの線形アクチュエータ１７１６の第２の端部１７４８）を備える。
【０３０５】
図２１は、本発明の例示的な一実施形態による、さまざまな義足、下肢装具および外骨格装置において使用するための線形アクチュエータ２１００を示す斜視図である。線形アクチュエータ２１００は、例えば、図１７Ａの装置１０００または図４の装置４００の線形アクチュエータ１０１６として使用されうる。線形アクチュエータ２１００は、図２０Ａおよび２０Ｂのアクチュエータ２０００の一変更形態である。
【０３０６】
アクチュエータ２１００は、モーター軸出力２００８を有する回転モーター２００４を備える。モーター軸出力２００８は、モーター軸出力２００８に溶接されたプーリー２０３２を有する。モーター２００４は、回転モーター２００４のローターとステーターとの間の角度アラインメントを決定するためにモーター２００４に組み込まれている誘導増分的絶対角度エンコーダ２０４０を備える。回転モーター２００４は、一体型のモーターヒートシンク２０４８も備える。
【０３０７】
２本のベルト２１０４ａおよび２１０４ｂは、図２０Ａおよび２０Ｂの単一のベルト２０１２ではなく、並列に使用される。それぞれのベルトは、ベルト破損に対して１．５倍のマージンで線形アクチュエータ伝動機能それだけを駆動する能力を有し、これにより、線形アクチュエータ２１００は単一のベルト破損にも耐えられる。一実施形態では、ベルト破損が発生した場合、線形アクチュエータ５００が使用されている装置のコントローラ（例えば、図１７Ａの装置１７００のコントローラ１７６２）は、線形アクチュエータ５００が修理されるまでの間装置が受動的な人工足関節として動作することが可能なように足関節を安全な位置に移動する。一実施形態では、コントローラは、ベルト破損センサーが複数のベルトのうちの１つまたは複数のベルトの不具合を検出したことに対する応答として回転モーター５０４の３本のリード線を短絡させる。このような場合、１つまたは複数のベルト破損センサーは、その状態を感知して、線形アクチュエータが修理されるまでの間システムが受動的な人工足関節として動作できるように足関節を安全な位置に移動する。
【０３０８】
２つのベルト２１０４ａおよび２１０４ｂは、プーリー５３２をボールネジ伝動アセンブリのネジ山付き軸（例えば、図２０Ｂのネジ山付き軸２０６０）に結合し、これにより、モーター軸出力２００８の回転運動をボールネジ伝動アセンブリのボールナットアセンブリ２０３６部分の直線運動に変換する。アクチュエータ２１００は、回転モーター２００４とネジの推力とによりベルト２１０４ａおよび２１０４ｂの張りを支持する半径方向推力ベアリング２０２８も備える。ベルトの張りと推力とによる負荷が、静的に、また歩行周期において存在する。
【０３０９】
ボールナットアセンブリ２０３６は、複数のボールベアリングを保持する１つまたは複数の再循環ボールトラックを備え、この組み合わせにより、ボールナットアセンブリ２０３６の直線運動を支持する。アクチュエータ２１００は、アクチュエータ２１００を、例えば、義肢装置の足部材の受動的な弾性部材（例えば、図１７Ａの受動的な弾性部材１７２４）に結合する結合要素２０２０（例えば、図１７Ａの線形アクチュエータ１７１６の第２の端部１７４８）を備える。
【０３１０】
アクチュエータ２１００は、ボールネジアセンブリシール２１０８も備える。ボールネジアセンブリシール２１０８は、ネジを、例えば、汚染物質（例えば、砂、泥、腐食性物質、粘着物質）から保護する。このような汚染物質があると、アクチュエータの設計寿命が予測できなくなる。
【０３１１】
例示的な下肢装具（着用型ロボット膝装具）
図２２Ａ、２２Ｂ、および２２Ｃは、本発明の例示的な一実施形態による、下肢装具または外骨格装置２２００（着用型ロボット膝装具）を示す略図である。装置２２００は、着用者の下肢機能を増強する膝装具である。図２２Ａは、装置２２００の上面図である。図２２Ｂは、装置２２００の側面図である。図２２Ｃは、装置２２００の膝関節駆動アセンブリ２２０４の内側部分を示す図である。装置２２００の典型的な使用事例としては、例えば、代謝増大、持続性の四肢病変を持つ着用者の永続的補助、または一時的四肢病変を持つ着用者のリハビリが挙げられる。
【０３１２】
代謝増大の使用事例は、例えば、着用者（例えば、兵士もしくは他の要員）が重い荷を運びながら高速で長時間重みのある地形を横断する必要がある場合が挙げられる。この使用事例では、膝装具装置２２００は、着用者自身の能力を増強する。永続的補助の使用事例としては、リハビリの可能性のない持続性の四肢病変（例えば、膝の腱または半月板の変性）を煩っている着用者が挙げられる。この使用事例では、膝装具装置２２００は、着用者に永続的補助を行う。一時的な四肢病変を持つ着用者のリハビリを伴う使用事例としては、外傷または他の一時的な症状からの着用者の回復が挙げられる。この使用事例では、膝装具装置２２００は、回復を加速するために理学療法士によって配備されるプログラム可能な遠隔操作型ロボットツールとして機能する−運動感覚のリハビリの進行を通じて、また筋肉の記憶および強度が回復している間に補助を徐々に減らして行う。他の実施形態では、この方法は、一定期間にわたって着用者の装置によって実行される補助のレベルを画定し、四肢の病変のリハビリを補助するために着用者の装置によって実行される補助のレベルを低減する理学療法手順を規定するステップを含む。いくつかの実施形態では、装置によって実行される補助のレベルは、装置への着用者のインピーダンスおよびトルク寄与分に基づいて低減される。
【０３１３】
図２２Ａおよび２２Ｂを参照すると、装置２２００は、下肢部材２２１６（駆動アームとも称する）、大腿部材２２２８、下肢カフ２２０８、および上肢カフ２２１２を備える。下肢カフ２２０８は、下肢部材２２２８に結合される。下肢カフ２２０８は、装置２２００を着用者の下肢に取り付ける。上肢カフ２２１２は、大腿部材２２２８に結合される。上肢カフ２２１２は、装置２２００を着用者の大腿部に取り付ける。装置２２００は、大腿部材２２２８を下肢部材２２１６に接続するための膝関節２２３２を備える。膝関節２２３２（例えば、回転ベアリング）により、下肢部材２２１６は大腿部材２２２８に関してｘ軸の周りで回転することができる。
【０３１４】
図２２Ｃを参照すると、膝関節駆動アセンブリ２２０４は、ベルト駆動伝動装置２２３６を通じて膝関節ドラム２２３２を駆動する線形アクチュエータを備える。線形アクチュエータは、回転モーター２２４０（例えば、ブラシレスモーター）およびボールネジ伝動アセンブリ２２４４（例えば、図２０Ａおよび２０Ｂのモーター２００４およびボールネジ伝動アセンブリ２０２４）である。装置２２００では、モーター２２４０のモーター軸出力２２５６の回転運動をボールネジ伝導アセンブリ２２４４のボールナットアセンブリ２２４８部分の直線運動に変換する。モーター軸出力２２５６は、モーター軸出力２２５６に結合された（例えば、溶接された）プーリー２２６０を有する。モーター２２４０は、回転モーター２２４０のローターとステーターとの間の角度アラインメントを決定するためにモーター２２４０に組み込まれている誘導増分的絶対角度エンコーダ２２６４を備える。エンコーダは、ボールネジ伝動アセンブリ２２４４のネジ２２５２の位置を制御し、「瞬時オン」のモーター整流および冗長位置フィードバック監視を行うのに必要な位置フィードバック信号も備える。
【０３１５】
ベルト２２６８は、プーリー２２６０をボールネジ伝動アセンブリ２２４４のネジ山付き軸２２５２に結合し、これにより、モーター軸出力２２５６の回転運動をボールネジ伝動アセンブリ２２４４のボールナットアセンブリ２２４８部分の直線運動に変換する。
【０３１６】
一実施形態では、ネジ山付き軸２２５２は、膝関節駆動アセンブリ２２０４によって発生する騒音を低減するために騒音軽減材料を収納する、中をくり抜いた部分を備える。膝関節駆動アセンブリ２２０４は、回転モーター２２４０とネジ２２５２の推力とによりベルト２２６８の張りを支持する半径方向推力ベアリング２２７２も備える。ベルトの張りと推力とによる負荷が、静的に、また歩行周期において存在する。
【０３１７】
膝関節駆動アセンブリ２２０４は、直列弾性のためのバネ２２８０、バネケージ２２８４、駆動ベルト２２３６、およびバネケージ／ベルト接続２２８８も備える。いくつかの実施形態では、駆動バンド（例えば、バネ鋼の薄片）が、駆動ベルト２２３６の代わりに使用される。いくつかの実施形態では、駆動ケーブル（例えば、撚り線の輪）が、駆動ベルト２２３６の代わりに使用される。バネ２２８０は、図１７Ａの直列弾性バネ要素１７２８と同様の機能を持つ直列の受動的な弾性要素である。バネケージ２２８４は、バネ２２８０が配置されている閉じた容積部を備える。ボールナット伝動アセンブリ２２４８は、ネジ２２５２に結合される。ボールナットアセンブリ２２４８は、駆動ベルト２２３６にも結合される。ネジ２２５２の直線運動により、ボールナットアセンブリ２２４８の直線運動が生じる。ボールナットアセンブリ２２４８における直線運動は、駆動ベルト２２３６の直線運動を引き起こす。駆動ベルト２２３６の直線運動は、膝関節２２３２を駆動する。
【０３１８】
装置２２００は、コントローラ２２９２（線形アクチュエータ２２０４、状態および慣性計測装置２２９４（例えば、図１７Ａの慣性計測装置１７２０）制御および処理機能を組み込んだプリント回路アセンブリ）を備え、これにより、装置２２００の動作を駆動し制御する。図２２Ｂを参照すると、装置２２００は、下肢部材２２１６に結合されているトルクセンサー２２２０も備え、これにより、膝関節駆動アセンブリ２２０４によって下肢部材２２１６に印加されるトルクを測定する。センサー２２２０は、コントローラ２２９２の制御ループ内でフィードバック要素として使用され、これにより、膝関節２２３２の高忠実度の閉ループ位置、インピーダンス、およびトルク（反射用）制御を行う。一実施形態では、高速な生体模倣応答を行うために使用される力測定を行うことを目的として、力感知変換器の配列がカフ構造内に埋め込まれている。
【０３１９】
いくつかの実施形態において、モーター角度センサー（例えば、エンコーダ２２６４）は、モーター位置を測定し、コントローラは、回転モーターを制御し、モーター位置に基づいて膝関節２２３２の位置、インピーダンス、およびトルクを変調する。
【０３２０】
いくつかの実施形態において、装置２２００は、モーター駆動伝動装置の出力に関してベルト駆動伝動装置のドラム２２３２の位置を決定するための角度センサーを備え、コントローラが回転モーターを制御し、その位置に基づいてインピーダンス、位置、またはトルクを変調する。いくつかの実施形態では、装置２２００は、直列バネに加わる力を決定するためにモーター駆動伝動装置内の直列バネの変位を測定する変位センサーを備え、コントローラが回転モーターを制御し、そのバネに加わる力に基づいてインピーダンス、位置、またはトルクを変調する。いくつかの実施形態では、慣性計測装置２２９４は、下肢部材の慣性姿勢軌跡を決定するために大腿部材または下肢部材に結合され、コントローラが回転モーターを制御し、慣性姿勢に基づいてインピーダンス、位置、またはトルクを変調する。いくつかの実施形態では、装置２２２０は、ベルト駆動伝動装置によって下肢部材に印加されるトルクを測定し、コントローラが回転モーターを制御し、下肢部材に印加される力に基づいてインピーダンス、位置、またはトルクを変調する。いくつかの実施形態では、装置２２００は、大腿部材と下肢部材とがなす角度を判定する角度センサーを備えるが、ただし、コントローラは回転モーターを制御し、大腿部材と下肢部材とがなす角度に基づいてインピーダンス、位置、またはトルクを変調する。
【０３２１】
いくつかの実施形態において、装置２２００は、モーター駆動伝動装置の代わりに、モーター軸出力に結合されたネジ伝動アセンブリを備え、モーター軸出力の回転運動をネジ伝動アセンブリによる直線運動出力に変換する。それに加えて、モーター駆動伝動装置の出力に結合された駆動伝動アセンブリは、ネジ伝動アセンブリによる直線運動出力を回転運動に変換し、これにより膝関節にトルクを印加して大腿部材に関して下肢部材を回転させるように、ネジ伝動アセンブリに結合されている冗長ベルト、バンド、またはケーブル駆動伝動装置である。
【０３２２】
図２０Ａの義肢装置２０００とは異なり、膝装具装置２２００は、人の作動と平行して動作する。代謝増大および置換用途では、膝装具制御システムは、歩行周期内で必要なインピーダンスおよびトルクをすべて供給する。着用者が、疲れることなく、また身体の増強側に力を発揮することなく終日歩行することができることが望ましい。リハビリ用途では、膝装具装置２２００は、インピーダンスおよびトルクのうちのプログラムされた割合のみを供給する。このような用途では、膝装具装置２２００は、着用者のリハビリを監視する理学療法士の遠隔操作型ロボットの延長部として使用される。
【０３２３】
膝装具制御システムの一実施形態では、理学療法士が、療法士訪問の間の期間にわたって膝装具により遠隔操作型ロボットにより実行される手順を作成する。無線インターフェイスを使用することで、患者の実行状況を理学療法士にフィードバックすることができ、これによりテレプレゼンスが実現される。この手順では、時間の経過とともに補助が減る速度を指定する。膝装具装置により補助が減るので、膝装具装置は、生体力学的モデルを介して、着用者によるインピーダンスおよびトルクの寄与分を計算する−所望の正味の生体模倣応答を維持する改善された応答に従って補助を減らす。生体力学的モデルは、膝の逆動力学を解くことを伴う−下肢部材、大腿部材、および胴体の慣性回転および加速を組み込む。この自由度６の情報は、大腿部材および膝関節角度変位において慣性計測装置から導出される。慣性計測装置に対するゼロ速度更新は、本明細書で説明されているのと同様に実行される。
【０３２４】
図２６は、踵接地の点から始まり、踵接地の点で終わる歩行運動の間に、通常の人の歩行の生体力学的特徴を示す。それには、立脚期と遊脚期とに分けられ、股関節、膝、および足関節での全要素の運動を必要とする。筋障害性の病気、例えば、ＩＢＭ（封入体筋炎）が、主に大腿四頭筋低下に関連し、患者の安全かつ効率的に走行する能力に不利な影響を与える。同様に重要であるが、ＩＢＭを有する患者は、静止状態（立つ状態または座る状態）と走行状態との間に安全に遷移することができない。
【０３２５】
図２７は、大腿四頭筋低下が平地上の歩行運動に影響する生体力学的メカニズムを示す。全部の生体力学的シーケンスには、図２６に対して２つの方法が不足している。第１、立脚前半の膝関節の剛性（または生体力学的インピーダンス）が、足接地の衝撃を吸収し、バランスを維持するために復元的なトルクを印加するのに不十分である場合に、膝が立脚前半においてバックルで締められ得る（参照番号２７１０によって示される）。足接地を吸収するように膝を能動的に硬直させる大腿四頭筋が歩行速度を制約する能力がないことは、ブレーキなしに車を運転することと同様である。生体力学的インピーダンスは、関節が働かせる剛性を指し、３つのコンポーネント、バネ定数および平行位置によって規定され、関節の変位に応じてトルクを線形または非線形の復元トルクを印加するバネコンポーネント、関節の速度に応じて線形または非線形の粘性復元トルクを印加する減衰コンポーネント、および関節の加速度に応じて線形の復元トルクを印加する慣性コンポーネントを処理するように既知であり、第２、立脚後半および遊脚前半において、大腿四頭筋は、速い膝屈を妨げるために、ブレーキのトルクを膝に印加することができない（参照番号２７２０によって示される）ことを留意する。
【０３２６】
図２２Ａ〜Ｃに示された膝装置は、図２７に関連して上に識別された不足を処理するためのロボット支援の解決策として使用され得る。図２８は、下肢軌跡を本質的に感知することを使用することによって、そして所望の歩行軌跡状態、地形、体勢および安定性を再現するために、歩行周期の相に従って患者の膝関節に生体模倣的インピーダンス、増加的なトルクおよび位置制御を適用することによって通常の歩行運動を復元することを証明する。
【０３２７】
（参照番号２８１０によって示される）立脚前半において、膝装置は、足接地エネルギーを吸収し、後腿が地面に離れ得る安定なプラットフォームを提供する増加した剛性を提供する。（参照番号２８２０に示される）足底屈のような立脚後半において、膝装置は、大腿および脛部の配向と、着用者の歩行速度との本質的な測定を使用し、完全機能の大腿四頭筋肉によって供給されるものと同一であり、代謝効率的な歩行のために着用者を上方および前方に推進する生体模倣的かつ反射的トルクを印加する。その後、膝装置が、下肢が（参照番号２８３０に示される）遊脚期にあることを感知する場合に、膝が曲げられ、高いインピーダンスが適用され、足が地面に接するときに下肢を吸収する（ブレーキをかける）。これは、安全かつ代謝効率的な歩行をもたらす。
【０３２８】
地面反力およびゼロモーメント枢軸を使用する平衡
図２３Ａは、可変（正または負）の傾きを持つ傾斜においてバランスをとるという一般的な問題を示している。問題は、非線形フィードバック制御実装をしやすいマルチリンクの「倒立振り子」の問題を伴うように見える。このような解決方法では、リンクの角度およびリンクの質量特性（この場合、脚部分、導体、頭部、および腕）が、マルチリンクシステムを明示的に安定化させるために使用される。しかし、このような明示的な入力は、義足、下肢装具、または外骨格装置の大半の実装に組み込まれず、したがって、着用者に信頼できる形で実装し、パッケージングすることが可能でなければ困難である。さらに、いくつかの場合において、着用者は、無傷の脚タグを１つ有し、義足、下肢装具、または外骨格装置の外側で安定化の一部がなされ、義足、下肢装具、または外骨格装置は、無傷の脚の機能を増強する。
【０３２９】
それに加えて、図２３Ｂは、バランス問題に対する許容可能な一連の解決方法のあることを示している。特に、完全に許容可能な、さらには人の意図に応じて望ましい膝曲げの無限に多くの解決方法がある（例えば、重い手荷物または箱を拾い上げる、またはゲームをしながらバランスをとる）。したがって、所望の解決方法では、人の意図に合わせて平衡状態を達成するために無傷のバランス発生身体部分を補完する内在的な（義足、下肢装具、または外骨格装置に対して）感知機能を使用する。
【０３３０】
義足、下肢装具、または外骨格装置のいくつかの実施形態において採用されている解決方法では、図２３Ｃにおいてモデル化されているように問題の簡素化された表現を使用する。この表現では、下肢部材の慣性状態、膝関節の角度、および慣性基準地面反力の内在的感知機能を足関節トルク（例えば、義肢装置の線形アクチュエータによって足関節に伝えられるトルク）を駆動する安定化フィードバックとして使用する。身体は、時間とともに変化する剛性および慣性モーメントを持つ質量ゼロの、薄い、座屈梁上の一連の質量（図には１つだけ示されている）としてモデル化される。
【０３３１】
バランスは、以下の詳細に基づいてとられる。望ましい平衡状態は、以下の条件が満たされたときに達成される。
１．  ＷＦＧＲＦは世界ｚに揃える。
２．  ゼロモーメント枢軸および足関節を接続する線は、世界ｚ単位ベクトルに揃える。
３．  慣性下肢部材角度γ、および足関節角度θのすべての時間微分はゼロである。
【０３３２】
次いで、
【０３３３】
【数７５】
2013503026.tif 000077
【０３３４】
に基づいてこれらの条件のそれぞれの平衡状態に駆動するフィードバック制御法則を導くが、ただし、式中、
【０３３５】
【数７６】
2013503026.tif 000078
【０３３６】
は二次費用指数Ｊを最適化し、
【０３３７】
【数７７】
2013503026.tif 000079
【０３３８】
および
【０３３９】
【数７８】
2013503026.tif 000080
【０３４０】
であり、ｋの成分は、費用指数へのリンク角度の動的寄与分を強調するように選択されている。この実施形態では、制御法則解決方法が、線形二次レギュレータ（ＬＱＲ）法によって実現される。非専門家向けには、これは、機械またはプロセスを支配する（調節）コントローラの設定が、上記の数学的アルゴリズムを使用し、人によって供給される重み付け係数で費用関数を最小化することによって求められることを意味している。「費用」（関数）は、所望の値からの重要な測定結果の偏差の総和として定義されることが多い。実際、このアルゴリズムは、そのため、望ましくない偏差、例えば、着用者の義肢によって実行される所望の仕事からの偏差を最小化するコントローラ設定を求める。多くの場合、制御アクションそれ自体の大きさは、制御アクションそれ自体によって消費されるエネルギーを制限された状態に保つためにこの総和に含まれる。実際、ＬＱＲアルゴリズムは、重み付け係数のエンジニアの指定に基づいてコントローラを最適化する。ＬＱＲアルゴリズムは、そのコアにおいて、適切な状態フィードバックコントローラを見つける自動化された一手段にすぎない。
【０３４１】
二次費用指数の使用は必要でないが、一実施形態では、二次費用指数を最適化基準として使用することで、義足の着用者向けに分析し、営業所内でカスタマイズするための客観的なフレームワークが形成され、これにより、システムが異なる地形において着用者の平衡状態を維持しようとするときに許容可能フィーリングを維持できる。制御エンジニアがコントローラを見つけるためにＬＱＲアルゴリズムの使用よりも完全状態フィードバック（極配置とも称される）のような代替的な従来の方法を好むことはまれである。こうしたことにより、エンジニアは、調節されたパラメータとその結果生じるコントローラの挙動の変化との間のかなり明確なつながりを確認できる。
【０３４２】
イスから立ち上がるときの着用者補助
図２４Ａ、２４Ｂ、および２４Ｃは、本発明の例示的な一実施形態による、義足装置の着用者がイスから立ち上がるのを補助するためにバランス制御法則を適用するための方法を示す図である。ＴＵＧ（Ｔｉｍｅｄ  Ｇｅｔ  Ｕｐ  ａｎｄ  Ｇｏ）は、動的および機能的なバランスを評価するための実験的手段として使用されることが多い。着用者は、イスから立ち上がり、３メートル歩き、床に引いた線を横切り、方向転換し、歩いて引き返し、そして着座するように口頭による指令を受ける。良好な「ＴＵＧ」実行を行うために、義足には「立ち上がり」および「着座」ボタンが用意されることが多く、これにより、義肢の制御システムの動作状況を構成する。本発明の原理を組み込んだ義足装置では、一実施形態において、例えば、ボタンを押すことによって動作状況を設定する明示的な必要性はない。着座、立ち上がり、そして着座の動作状況は、義肢装置の内在的センサーによって識別される。立ち上がりおよび着座の制御動作は、着用者の平衡状態を維持する単純な一部である。
【０３４３】
図２４Ａ、２４Ｂ、および２４Ｃは、着用者がイスから立ち上がるときに着用者を補助するために内在的バランス制御アルゴリズムがどのように働くかを示している。図２４Ａを参照すると、着座の開始から立ち上がりへの遷移は、３つの状態を伴う。最初に足が地面から離れるか、または地面に軽く触れているだけである。義肢装置（例えば、図１７Ａ〜１７Ｅの装置１７００）が、着用者の体重、下肢部材および足部材の慣性配向、ならびに地面反力（例えば、図１１Ａに関して決定されるような）を認識する。したがって、装置は、着用者が座っていることを「認識している」か、または感知する。着用者が立ち上がり始めると、地面反力の増大が記録され、足（足底接地）の状態が、慣性計測装置の計測結果および足関節角度センサーの計測結果を介して判明する。内在的バランス制御法則実行が開始する。この第２の状態のときに、地面反力におけるアンバランスによって感知される不均衡を使用して、下肢部材（例えば、足関節１７４０に印加されるトルクを増やすように線形アクチュエータ１７１６に指令を送るコントローラ１７６２によって前方へ推進される）を、足関節上で胴体（質量中心）を引く手段として前方へ推進される。
【０３４４】
図２４Ｂを参照すると、内在的バランス制御は、イスの前で着用者を平衡状態にする動作を続ける。図２４Ｃは、立脚中期の平衡状態にある着用者が望むならば歩行を開始できる状態にあることを示している。図示されているように、着用者の意図、およびより具体的には、着座／立ち上がる動作状況は、義肢装置に内在する感知機能によって求めることができる。明示的な状況切り替え（ボタンを押すこと）の実装費用および複雑さは、これにより回避される。義肢装置は、自然な形で身体機能を補完し、増強する。
【０３４５】
地面反力（ＧＲＦ）によって誘起される足関節トルクは、立脚中期における指数関数的硬化を達成する好ましい方法である。下肢でトルク（例えば、図１７Ａの構造要素１７３２を使用して測定されるトルク）を使用するのとは異なり、ＧＲＦで計算した足関節トルクは、足関節上で地面によって印加されるトルクの尺度となっている。ＧＲＦは、多くの場合、歩行リサーチ設定における力板によって測定され、それにより、歩行中に無傷の足関節が地面とどのように接触するかの尺度として使用される。ＧＲＦは、異なる地形状況における生体模倣足関節動作がどのようなものであるかを定める。指数関数的硬化を達成する手段としてＧＲＦを使用する利点は、生体模倣基準に関して性能を測定することが容易であるという点にある。さらに、この尺度の使用により、地形配向に対する不変性が確実なものとなるが、それは、内在的慣性感知機能から導かれるからである（例えば、図１７Ａの慣性計測装置１７２０を使用して）。
【０３４６】
立ち上がりの補助が、図２２Ａ〜Ｃに示された膝装具、またはより一般的に任意の能動的な膝装具または義肢を用いても実装され得る。座りから立位へ自身を上げる外見上簡単なタスクは、実際には、段差のようなシーケンスの動作に離昇力トルクおよび復元的なバランスを適用するために、膝および股関節の伸筋の関与を組み込む複雑なタスクである。図２９Ａ〜Ｄは、健康な人の通常の立ち上がりのシーケンスを示し、その立ち上がりのシーケンスは、４つの相：図２９Ａに示される座り；（ｂ）図２９Ｂに示される立ち上がるための準備において足上の膝を位置変更すること；（ｃ）図２９Ｃに示される座りから立ちへの遷移；および（ｄ）図２９Ｄに示される、一旦体が離昇されると、バランスを保つことを含む。
【０３４７】
図３０Ａ〜Ｄは、その同じ４つの相のうちのいくつかが実行されることができないため、能動的な下肢装具または義肢を着用する人にとって同じ立ち上がりを実装するのにおける問題を示す。より具体的には、図３０Ａに示される座位において始まると、多くの装具または義肢の着用者は、イスに彼らを位置決めするために、彼らの腕に十分な強度を維持し、従って、彼らが足関節上に膝および胴体を事前に位置決めし、図３０Ｂに示される相ｂを実装することを可能にする。しかしながら、大腿四頭筋および／または股関節伸筋に強度が欠いていることは、図３０ＣのＸ、３０１０によって示される上肢および胴体をイスの外へ離昇させる相ｃの回転を妨げる。加えて、膝または股関節において十分な伸筋トルクがない場合に、不適な膝および／または股関節の筋肉強度を有する患者にとって、図３０ＤのＸ、３０２０によって示される胴体を減速させ、かつ一旦垂直的姿勢が達成されるとバランスを維持することは、事実上に不可能である。
【０３４８】
図３１Ａ〜Ｄは、四肢病理に苦しむ患者に対して立ち上がりのシーケンスを補助するために使用され得る（図２２Ａ〜Ｃに示される）能動的な装具または能動的な膝の義肢のような能動的な膝装置がどのように使用されるかを示す。これは、ユーザーが現在に座っていることを認識する能力、およびまたユーザーの座ったままにしたい願望と、ユーザーの立ち始めたい願望とを区別する能力を必要とする。
【０３４９】
ユーザーが現在に座っていることの１つの指針は、図３１Ａに示されるように大腿が実質的に水平である。座位において重力ベクトルが、主に大腿のｘ−ｙ平面（ｚ軸に垂直）にあるので、大腿の姿勢は、大腿座標システムに対して重力ベクトルを測定する、膝装置に取り付けられた慣性センサーを用いて決定され得る。弛緩して座る位置において足関節が典型的によく膝の前にあるので、座位である別の指針は、（角度エンコーダを用いて得られ得る）大腿に対する脛部の回転角に基づく。これらの状態は、座ったモードであるままのシステムによって、例えば、弛緩して座る位置と一致している低い関節インピーダンスを維持することによって、検出され得、それらに頼られ得る。
【０３５０】
次に、これらの同じセンサーは、図３１Ｂに示されるように、足関節が膝関節下により近く置かれている時間を検出することによって、ユーザーの立位へ遷移したい願望を検出するために、使用され得る。この状況が検出される場合に、好ましくは、システムは、試験的に立ち上がり手順を始動させることによって、ユーザーの立ちたい願望を確認しようとする。システムがユーザーから正のフィードバックを受信した場合に、立ち上がり手順が進む。しかしながら、システムが、ユーザーから正のフィードバックを受信していない場合に、立ち上がり手順が中止される。
【０３５１】
立ち上がり手順のこの試験的な始動は、図３１Ｃに示される、股関節の推定された上向きおよび前向きの速度に従って徐々に増加するトルク３１１０を適用する膝装置を有することによって実装され得る。正のフィードバックは、膝装置が離昇することを補助するために、股関節を垂直的に位置変更するように彼女の腕と共に彼女の体を離昇しようとすることによって、ユーザーによって提供され得る。この状況において、股関節がより垂直的に位置変更し、重力ベクトルは、ｚ軸に向かって遷移し始める。システムは、ユーザーが実際に立ちたい確認としてそれらの状態を解釈する。応じて、システムは、ユーザーを離昇させ続けるために、より大きなトルクを印加する。
【０３５２】
代替的には、ユーザーからの正のフィードバックは、表面または内蔵の電極を用いて着用者の大腿および／または股関節の筋肉構造から測定された筋電図記録信号の形であり得る。より具体的には、一旦装置が、膝関節が足関節に対して前向きに移動したことを検出すると、立ち上がり手順が、彼女の大腿四頭筋および／または股関節伸筋を曲げる着用者によって始動され得る。次に、装置は、これらの筋電図記録信号を測定し、各筋肉出力を増幅させ、かつフィルタリングし、そして従来の技術を用いて振幅、分散、および／または周波数のような信号の特徴を抽出する。次に、これらの抽出された特徴は、ユーザーが座ったままであるかまたは立ち上がり手順を始動するかを意図することを弁別するために使用され得る。
【０３５３】
オプション的には、足での圧力センサーが、ＺＭＰを検出するために使用され得、ＩＭＵに取り付けられた胴体が、ＣＭＰを検出するために使用され得、そして関連付けられた地面反力ベクトルが、下肢にわたって着用者のバランスを保つために、フィードバックとして使用され得る。好ましくは、これらの圧力センサーは、適切なワイヤレスインターフェース（例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標））を用いて、膝装置のコントローラと連結している。患者が立ち状態に接近しているときに、膝装置は、図３１Ｄに示されるように、着用者が立ち状態にいる間にバランスを達成することを補助するために、復元的なトルク３１２０を印加する。膝トルクの印加は、全体にわたって着用者の重心の力ベクトルを操作し、それによって時間にわたってＺＭＰ−ＣＭＰをゼロにする。これを実装するための適切なアプローチの例は、米国特許７，３１３，４６３に見つけられ得、上記出願が、参照することによって本明細書において援用される。
【０３５４】
ユーザーは、また立ち上がり手順の試験的始動をトリガーする方法で座っている間に、彼女のイスにおいて時折に位置をシフトさせることを留意する。しかしながら、印加された膝装置トルクは、まず比較的に小さく、正のフィードバックがユーザーから受信されない場合に、時間（例えば、１〜２秒）にわたって潜在的に消滅する。筋電図記録のないシステムの正のフィードバックのない例は、ユーザーが、彼女の腕と共に胴体を離昇しようとせず、股関節が位置変更を始めないときであり得る。筋電図記録のあるシステムの正のフィードバックのない例は、ユーザーが、立ち上がりの意図に対して彼女の意図を確認するために、実質的に彼女の膝および／または股関節を活動的にさせないときであり得る。正のフィードバックを受信されなかった場合に、システムは、立ち上がり手順を中止させ、そして弛緩して座っている状態に戻る。
【０３５５】
最適化方法
図２５Ａおよび２５Ｂは、１）歩行周期の両脚支持期における後足から前足への体重移動に実行される遷移の仕事Ｗｔ、２）股関節衝撃力および力率の最小化、または３）両方の費用（目的）関数の組み合わせの最小化の確率的最適化に基づいて下肢装置を制御することについて示す略図である。図２５Ａは、遷移の仕事を計算するために使用される簡素化されたモデルを示している。図２５Ｂは、股関節衝撃力および力率を計算するために使用される簡素化されたモデルを示している。
【０３５６】
確率論的という用語は、人の意図、生体力学的フィードバック（歩行速度を含む）、地形状況、および地形特性に対する確率（尤度）関数を仮定して、最適化により股関節衝撃力および力率制約に従って目的関数の期待値を最小化することを表している。最適化は、制御アルゴリズム内のインピーダンス、トルク、および位置制御パラメータの修正により達成される。事実上、足部接地の負の衝撃を最小化し、ハイブリッドシステムエネルギーに対する反射で誘起される地面力の正の衝撃を最大化することによって、移動エネルギーは最小化され、股関節衝撃力制約条件が満たされる。
【０３５７】
上述の最適化は、生体模倣動作に寄与する重要なコンポーネントに「発展的」な摂動を導入し、それらの発展的な摂動（ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ  ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎｓ）から生じる移動エネルギーを測定することによってリアルタイムで実行できる。移動エネルギーは、慣性計測装置のフィードバックを増強するために生体力学的モデルを使用して推定することができるか、または特別な場合には、一時的な慣性計測装置サブシステム（胴体および／または上肢の周りにベルトの形で身体に取り付けられているＩＭＵ）が、胴体姿勢および身体質量中心速度の推定を行いやすくするために使用することが可能である。Ｆｌｅｔｃｈｅｒ−Ｐｏｗｅｌｌ法（Ｆｌｅｔｃｈｅｒ−Ｐｏｗｅｌｌ  ｍｅｔｈｏｄ）（または、当業者に知られている他の好適な最適化手法）を使用することで、パラメータのインテリジェント型の発展（ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ  ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ  ｏｆ  ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ）を導入し、最適値を計算することができる。この最適値は、増強のリハビリに対する効果により、時間の経過とともに変化する可能性がある。これらの発展的な摂動を継続的に、また時間の経過とともにゆっくりと適用することによって、継続的に最適値を求めることができる。または、義肢または装具の初期装着または医療上の診断時の場合のように、この発展的な最適化は、かなり短い時間間隔、つまり、５分から１０分の間に行うことが可能である。
【０３５８】
以下では、被検体の歩行周期の異なる期について説明し、また一実施形態では、本発明の原理による人工足関節によって実行されるステップは、人工足関節の動作を感知し、人工足関節を制御するためのステップである。
【０３５９】
制御底屈
衝撃を受けたときに、地面反力およびゼロモーメント枢軸が、われわれが（地形弁別モデルから）地面に最初に当たると予想する足の部分に対応しているかチェックする。足関節角度（または足関節トルク）の対応する変化があること、および足の適切な端部が静止していることを確認する。衝撃の後、慣性足底接地角度に対応する局所的な地形の傾きが予想よりもかなり小さい状態を見つける。足関節のバネの復元力を飽和させ、これが検出されたときに減衰を高める。地形弁別に関して、生体力学的モデルのフィードバックに基づいて、地形の仮定（斜面対階段）が正しいこと、および着用者が躓いていないことを確認する。例えば、階段で躓く事象は、足の前方部分に中心を置く大きなｚ力の代わりにｙ方向の大きな負の力として検出される可能性がある。地形の質感については、踵または足の前方部分のいずれかが最初に衝撃を受ける。この衝撃に関連する沈下の非弾性成分が計算される。堅い地面では、沈下は、無視できるくらい小さく、弾性変形（足部モジュール、線形アクチュエータ）のみが観察される。ぬかるみまたは軟らかい地面では、地形の可塑性は、衝撃を生じる足部の軌跡を見ることによって観察される。地形可塑性は、歩行周期で実行される正味の仕事に対する減衰量として使用される。滑りも、衝撃後に衝撃を生じる足部の前進速度に注目することによって検出することができる。エスカレータまたは人を輸送する手段は、脛角度が足の前進速度に応じて回転してないことに注目し、着用者がうまくバランスをとり、移動面上を一歩一歩進んでいることを信号で知らせることによって検出できる。足関節のインピーダンス制御については、推定される地形基準速度迎え角（ｙ）下肢運動量、推定される地形の傾き、および地形の特性を使用して最適なインピーダンスを適用する。反射制御については、滑りが検出された場合に、バランス復元反射が生成され、足関節上で膝を移動する。バランス制御については、最適なバランスは、通常、局所的な地形の傾きの推定が足底接地で更新された後、バネ平衡状態を慣性に関して基準とすることによって得られる。地形が滑りやすい場合、バランスを維持するアルゴリズムは、正のトルク「反射」を導入して脛を前方に「引き」、着用者が足関節上に膝を位置決めする仕事をするときに着用者を補助する−これにより、身体質量中心を推定される地面反力に揃える。
【０３６０】
制御背屈
足底接地が検出された後、コントローラは、この局所的な地形の傾きに対して、着用者がこの傾きで重力に揃えて立脚しているときに静的状態の下で足関節による復元トルクの印加はないようにバネ平衡角度を慣性基準とする。この時点において、局所的な地形状況は、現在正確に知られている。この「足底接地」位置における足部基準座標も、地形質感の衝撃を評価する際に使用するために定義される。地形質感については、アルゴリズムは、足部接地と足底接地との間での衝撃を受けた足部の移動の仕方を測定することにより、「足底接地」基準に関して滑りと変形の統合尺度を使用し、地形特性モデルを更新する−特に、表面の可塑性とその滑りやすさを測定する。これらの尺度は、足関節のインピーダンスおよび正味の仕事（足底屈後期における反射トルク）を減衰させるために使用されうる。また、足部接地と足底接地との間で「滑り」が検出された場合、コントローラに実装されているアルゴリズムは、脛の角速度（足関節に関して膝がどのように移動するか）も見て、滑りやすい表面とエスカレータ／人を輸送する手段を弁別する。いずれの場合も、信頼できる「ゼロ速度での足関節」がこのステップでは利用できないため、ゼロ速度更新はスケジュールされない。地形が滑りやすいものである場合、バランス機能では、特別な尺度を呼び出す必要がある。足が移動するエスカレータまたは人を輸送する手段に載った場合、新しい慣性座標系上で公称インピーダンスを使用することができる。インピーダンス制御のために、制御システムは、慣性基準平衡角度を維持し、高いレベルの正味の仕事を使用できるように歩行速度依存の剛性（歩行速度が速いほど低い剛性）を構成し、滑りやすい、または高可塑性の表面における剛性を低減する最適なインピーダンスを適用することができる。反射制御については、滑りが検出された場合に、バランス復元反射が生成され、足関節上で膝を移動する。バランス制御については、最適なバランスは、通常、局所的な地形の傾きの推定が足底接地で更新された後、バネ平衡状態を慣性に関して基準とすることによって得られる。地形が滑りやすい場合、バランスを維持するアルゴリズムは、正のトルク「反射」を導入して脛を前方に「引き」、着用者が足関節上に膝を位置決めする仕事をするときに着用者を補助する−これにより、身体質量中心を推定される地面反力に揃える。
【０３６１】
動力底屈
モデルは、滑りと表面内への沈みを監視し、これらの状態において歩行運動を効率的にするために使用されうる足関節トルク限界を識別する。地形質感については、地形特性推定が、この状態で精密化され、インピーダンス、反射、およびバランス機能への入力として使用される。インピーダンス制御については、歩行速度、地形の表面特性および変形、ならびに足の滑りの変化に対応できるように公称インピーダンスパラメータを修正する。特別な「力場」−典型的には、ボールナットが所定の終端停止限界に近づいたときに指数関数的に増加する非線形アクチュエータ力−がモーターコントローラによって印加され、これにより、Ｋ３のバネのエネルギー（並列の弾性部材の中の）はその破壊限度の下限を超えないことが確実になる。反射制御については、反射振幅は、生体力学的モデルからの正味の仕事の「セットポイント」を地形がこの正味の仕事を生み出すことに応じられる程度と組み合わせて考慮するように調節される。バランス制御については、最適なバランスは、通常、局所的な地形の傾きの推定が足底接地で更新された後、バネ平衡状態を慣性に関して基準とすることによって得られる。地形が滑りやすい場合、バランスを維持するアルゴリズムは、正のトルク「反射」を導入して脛を前方に「引き」、着用者が足関節上に膝を位置決めする仕事をするときに着用者を補助する−これにより、身体質量中心を推定される地面反力に揃える。
【０３６２】
遊脚前半期
遊脚前半期については、爪先が地面から離れてまもなく、モデルは足関節、踵、および爪先の慣性軌跡を監視し、足関節が地形によって遮られることなく背屈され中立位置に戻ることができるときにそのことを判定する。モデルは、足関節を最も速く、効率的に、安定した状態で中立位置に移動（して躓く危険性を回避）するように好適なインピーダンス利得およびフィードフォワードトルクを持つ最適な軌跡を計算する。地形の弁別については、モデルは、足が通過した掃引（足部材と「無接触」）体積を追跡することを開始し、これにより、爪先着地解が唯一の実現可能な解（例えば、浅い階段または出っ張りに着地するための）であるときに遊脚後半期における適応足関節位置決め機能に通知する。遊脚前半期におけるインピーダンス制御については、インピーダンスの中立値が、コントローラによって適用される。線形アクチュエータがハードストップ（移動の終わり）−アクチュエータをそこに（移動の終わりで）固着させる可能性のある状態−に影響を及ぼさないようにするため力場関数が適用される。ハイブリッド生体力学的モデルによって通知される遊脚前半期におけるインピーダンス制御では、コントローラは、平衡位置（足関節角度セットポイント）を所望の中立位置に指数関数的に推進する軌跡を形成するようにインピーダンスを制御する。例えばそうしなければオーバーシュートとリンギングを生じる可能性のある誤差に従うインピーダンス特性と足関節角度との間の相互作用を低減するためにフィードフォワードトルク関数を適用する。
【０３６３】
遊脚後半期
地形の弁別について、モデルは、足が通過した「クリア」体積を追跡し、これにより、爪先着地解が例えば浅い階段または出っ張りに着地するための唯一の実現可能な解であるときに遊脚後半期における適応足関節位置決め機能に通知する。より一般的には、足関節軌跡を監視し、パターン認識機能を使用して、足が傾斜面とは反対に階段／出っ張りに着地する可能性を判定する。この２つの状態を弁別することが判明している単純な方法の１つは、足関節速度が垂直方向に対してなす角度を測定するというものであり、さまざまな実験により、この角度が１０度未満のときに、足が水平の段に着地すると判定された。地形弁別モデルによって通知されるインピーダンス制御については、足関節軌跡（平衡）は、躓く危険性を回避するために必要な場合にコントローラによって修正される。例えば、地形弁別機能が階段上昇に最大尤度を割り当てる場合、爪先が階段または出っ張りに引っ掛からないように追加の背屈を指令することができる。前のように、ハイブリッド生体力学的モデルでは、安全に、また厳しい許容差による好適な方法で辿ることができる連続的に更新可能な平衡軌跡を予定する。立脚後半期では、生体力学的モデルは、移動エネルギーと膝−股関節衝撃力の何らかの組み合わせを含む目的関数を最小化する最適な平衡角度および足関節インピーダンスを計算する。この最適化の機能は、状態機械ＲＯＭ内のテーブル検索を介して実行することが可能である。または、好ましい実施形態では、状態コントローラ機能は、剛体の力学の近似を使用して目的関数を計算し、最適化することで、最適化をリアルタイムで実行する。
【０３６４】
本明細書で説明されている内容の変更形態、修正形態、および他の実装は、当業者であれば、請求項に記載されているとおりに本発明の精神および範囲から逸脱することなく、思い付く。したがって、本発明は、前記の例示的な説明によってではなく、代わりに、以下の請求項の精神と範囲とによって定められるものとする。
【図５】
2013503026.tif 000081
【図７Ａ】
2013503026.tif 000082
【図７Ｂ】
2013503026.tif 000083
【図７Ｃ】
2013503026.tif 000084
【図７Ｄ】
2013503026.tif 000085
【図８】
2013503026.tif 000086
【図１１Ａ】
2013503026.tif 000087
【図１３Ｃ】
2013503026.tif 000088
【図１７Ａ】
2013503026.tif 000089
【図１７Ｂ】
2013503026.tif 000090
【図１７Ｃ】
2013503026.tif 000091
【図１７Ｅ】
2013503026.tif 000092
【図１８Ｃ】
2013503026.tif 000093
【図１９Ａ】
2013503026.tif 000094
【図１９Ｂ】
2013503026.tif 000095
【図１９Ｃ】
2013503026.tif 000096
【図２０Ａ】
2013503026.tif 000097
【図２０Ｂ】
2013503026.tif 000098
【図２１】
2013503026.tif 000099
【図２２Ａ】
2013503026.tif 000100
【図２２Ｂ】
2013503026.tif 000101
【図２２Ｃ】
2013503026.tif 000102
【図２９Ａ】
2013503026.tif 000103
【図２９Ｂ】
2013503026.tif 000104
【図２９Ｃ】
2013503026.tif 000105
【図２９Ｄ】
2013503026.tif 000106
【図３０Ａ】
2013503026.tif 000107
【図３０Ｂ】
2013503026.tif 000108
【図３０Ｃ】
2013503026.tif 000109
【図３０Ｄ】
2013503026.tif 000110
【図３１Ａ】
2013503026.tif 000111
【図３１Ｂ】
2013503026.tif 000112
【図３１Ｃ】
2013503026.tif 000113
【図３１Ｄ】
2013503026.tif 000114
【図１Ａ】
2013503026.tif 000115
【図１Ｂ】
2013503026.tif 000116
【図１Ｃ】
2013503026.tif 000117
【図２Ａ】
2013503026.tif 000118
【図２Ｂ】
2013503026.tif 000119
【図３】
2013503026.tif 000120
【図４】
2013503026.tif 000121
【図６Ａ】
2013503026.tif 000122
【図６Ｂ】
2013503026.tif 000123
【図６Ｃ】
2013503026.tif 000124
【図９】
2013503026.tif 000125
【図１０Ａ】
2013503026.tif 000126
【図１０Ｂ】
2013503026.tif 000127
【図１０Ｃ】
2013503026.tif 000128
【図１０Ｄ】
2013503026.tif 000129
【図１０Ｅ】
2013503026.tif 000130
【図１０Ｆ】
2013503026.tif 000131
【図１１Ｂ】
2013503026.tif 000132
【図１１Ｃ】
2013503026.tif 000133
【図１１Ｄ】
2013503026.tif 000134
【図１２Ａ】
2013503026.tif 000135
【図１２Ｂ】
2013503026.tif 000136
【図１２Ｃ】
2013503026.tif 000137
【図１２Ｄ】
2013503026.tif 000138
【図１２Ｅ】
2013503026.tif 000139
【図１２Ｆ】
2013503026.tif 000140
【図１２Ｇ】
2013503026.tif 000141
【図１３Ａ】
2013503026.tif 000142
【図１３Ｂ】
2013503026.tif 000143
【図１４Ａ】
2013503026.tif 000144
【図１４Ｂ】
2013503026.tif 000145
【図１５】
2013503026.tif 000146
【図１６】
2013503026.tif 000147
【図１７Ｄ】
2013503026.tif 000148
【図１７Ｆ】
2013503026.tif 000149
【図１７Ｇ】
2013503026.tif 000150
【図１７Ｈ】
2013503026.tif 000151
【図１７Ｉ】
2013503026.tif 000152
【図１７Ｊ】
2013503026.tif 000153
【図１８Ａ】
2013503026.tif 000154
【図１８Ｂ】
2013503026.tif 000155
【図１８Ｄ】
2013503026.tif 000156
【図２３Ａ】
2013503026.tif 000157
【図２３Ｂ】
2013503026.tif 000158
【図２３Ｃ】
2013503026.tif 000159
【図２４Ａ】
2013503026.tif 000160
【図２４Ｂ】
2013503026.tif 000161
【図２４Ｃ】
2013503026.tif 000162
【図２５Ａ】
2013503026.tif 000163
【図２５Ｂ】
2013503026.tif 000164
【図２６】
2013503026.tif 000165
【図２７】
2013503026.tif 000166
【図２８】
2013503026.tif 000167
【国際調査報告】
2013503026.tif 000168
2013503026.tif 000169
2013503026.tif 000170