(57)【要約】人工または矯正用足首／足のいくつかの実施形態では、次の歩みの間、歩行速度がどうなるかについて、予測が行われる。予測された歩行速度が低速である時、装置の特性が、その歩みの間、行われる正味仕事量が少なくなるように修正される（予測された歩行速度が高速である時と比較して）。これは、歩行速度が予測されることが可能なあるセンサと、足首トルクが決定されることが可能な第２のセンサを使用して実装され得る。コントローラは、それらのセンサからの入力を受信し、低速歩行速度のためのトルクが、高速歩行速度のためのトルクより低いように、モータのトルクを制御する。これは、歩行サイクルにわたって、アクチュエータによって行われる仕事量と、歩行サイクルの間、送達されるピークアクチュエータ動力を低減させる。
2013524880.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
足首−足プロテーゼまたは矯正用装置であって、
脛部材と、
足部材であって、前記足部材は、歩行を支持し、かつ、前記足部材が前記脛部材に対して底屈および背屈することを可能にするように、前記脛部材に対して動作可能に構成されている、足部材と、
前記脛部材に対して前記足部材を底屈させるように構成されているモータと、
（ａ）前記モータと前記脛部材との間、および、（ｂ）前記モータと前記足部材との間のうちの少なくとも１つに接続されている直列弾性要素と、
次の歩みの歩行速度が予測されることが可能な出力を有する少なくとも１つの第１のセンサと、
足首トルクが決定されることが可能な出力を有する少なくとも１つの第２のセンサと、
低速歩行速度のための前記モータのトルクが、高速歩行速度のための前記モータのトルクより低いように、前記少なくとも１つの第１のセンサおよび前記少なくとも１つの第２のセンサの前記出力に基づいて、前記モータのトルクを制御するように構成されているコントローラと
を備えている、装置。
【請求項２】
前記モータは、前記脛部材に対して前記足部材を背屈させるようにも構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記少なくとも１つの第１のセンサは、角速度センサおよびＩＭＵのうちの少なくとも１つを備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記コントローラは、反射が生じる直前に、前記少なくとも１つの第１のセンサの前記出力に基づいて、前記モータのトルクを制御する、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記コントローラは、（ｉ）前記少なくとも１つの第１のセンサの前記出力に基づいて、歩行速度に伴って変動する制御利得を決定することであって、低速歩行速度における前記制御利得は、高速歩行速度における前記制御利得を下回る、ことと、（ｉｉ）前記制御利得および決定された足首トルクに基づいて、所望のモータトルクを決定することと、（ｉｉｉ）前記所望のモータトルクを達成するために、前記モータを駆動することとを行うように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記コントローラは、（ｉ）前記少なくとも１つの第１のセンサの前記出力に基づいて、前記脛の角速度ωＸを決定することと、（ｉｉ）前記角速度の関数である制御利得ΚＶ（ωＸ）を決定することであって、低角速度における前記制御利得が、低角速度における前記制御利得を下回る、ことと、（ｉｉｉ）式、モータトルク＝Ｋｖ（ωＸ）×ｐｆｆ×（正規化＿トルク）ｎに基づいて、所望のモータトルクを決定することであって、式中、ｐｆｆは、定数であり、ｎは、２から７である、ことと、（ｉｖ）前記所望のモータトルクを達成するために、前記モータを駆動することとを行うように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
ωχ＝０の場合、ΚＶ（ωＸ）＝０であり、ωＸが閾値ωＴＨを超える場合、ΚＶ（ωＸ）＝１であり、ΚＶ（ωＸ）は、ωχ＝０とωＴＨとの間で単調に増加する関数である、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記モータは、前記脛部材に対して前記足部材を背屈させるようにも構成されている、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記少なくとも１つの第２のセンサは、足首トルクを直接測定する、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの第２のセンサは、直列弾性要素の偏向が決定されることが可能な少なくとも１つの出力を有し、前記コントローラは、前記少なくとも１つの出力に基づいて、前記トルクを算出する、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの第２のセンサは、前記モータの位置を感知するセンサと、前記脛部材に対する前記足部材の角度を感知するセンサとを備え、前記コントローラは、感知された前記モータの位置および感知された角度に基づいて、前記トルクを算出する、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの第２のセンサは、前記モータの位置を感知するセンサと、前記脛部材に対する前記足部材の角度を感知するセンサとを備え、前記コントローラは、感知された前記モータの位置、感知された角度、および前記直列弾性要素のトルク対偏向特性に基づいて、トルク成分ΓＳを決定する、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記足部材が前記脛部材に対して十分に背屈された場合に圧縮される緩衝装置をさらに備え、
前記コントローラは、前記感知された角度および前記緩衝装置のトルク対偏向特性に基づいて、トルク成分ΓΒを決定し、
前記コントローラは、ΓＳおよびΓΒに基づいて、総トルクを決定する、
請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
足首−足プロテーゼまたは矯正用装置の特性を修正する方法であって、
次の歩みの間、歩行速度がどうなるかを予測するステップと、
予測された歩行速度が低速である場合の状況において、前記次の歩みの間、前記装置の特性を修正するステップと
を含み、
前記特性の修正は、前記予測された歩行速度が高速である場合に行われる正味非保存仕事量と比較した場合、前記次の歩みの間に行われる正味非保存仕事量における減少をもたらす、方法。
【請求項１５】
前記特性を修正するステップは、前記予測された歩行速度が低速である場合の状況において、動力制御利得を低減させるステップを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記予測するステップは、前記次の歩みの直前の制御された背屈相の間の脛角速度測定に基づいて、次の歩みの間、歩行速度がどうなるかを予測するステップを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記脛角速度測定は、足底接地時に行われる、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
近位部材と、
関節によって前記近位部材に対して動作可能に接続されている遠位部材であって、前記遠位部材と前記近位部材との間の角度は、変動することが可能である、遠位部材と、
前記遠位部材と前記近位部材との間の角度を変動させるように構成されているモータと、
（ａ）前記モータと前記近位部材との間、および、（ｂ）前記モータと前記遠位部材との間のうちの少なくとも１つに接続されている直列弾性要素と、
次の歩みの歩行速度が予測されることが可能な出力を有する少なくとも１つの第１のセンサと、
関節トルクが決定されることが可能な出力を有する少なくとも１つの第２のセンサと、
低速歩行速度のための前記モータのトルクが、高速歩行速度のための前記モータのトルクより低いように、前記少なくとも１つの第１のセンサおよび前記少なくとも１つの第２のセンサの前記出力に基づいて、前記モータのトルクを制御するように構成されているコントローラと
を備えている、装置。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの第１のセンサは、角速度センサおよびＩＭＵのうちの少なくとも１つを備えている、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記コントローラは、反射が生じる直前に、前記少なくとも１つの第１のセンサの前記出力に基づいて、前記モータのトルクを制御する、請求項１８に記載の装置。
【請求項２１】
前記コントローラは、（ｉ）前記少なくとも１つの第１のセンサの前記出力に基づいて、歩行速度に伴って変動する制御利得を決定することであって、低速歩行速度における前記制御利得は、高速歩行速度における前記制御利得を下回る、ことと、（ｉｉ）前記制御利得および決定された関節トルクに基づいて、所望のモータトルクを決定することと、（ｉｉｉ）前記所望のモータトルクを達成するために、前記モータを駆動することとを行うように構成されている、請求項１８に記載の装置。
【請求項２２】
足首−足プロテーゼまたは矯正用装置であって、
脛部材と、
足部材であって、前記足部材は、歩行を支持し、かつ、前記足部材が前記脛部材に対して底屈および背屈することを可能にするように、前記脛部材に対して動作可能に構成されている、足部材と、
前記脛部材に対して前記足部材を底屈させるように構成されているモータと、
（ａ）前記モータと前記脛部材との間、および、（ｂ）前記モータと前記足部材との間のうちの少なくとも１つに接続されている直列弾性要素と、
前記直列弾性要素の偏向が決定されることが可能な出力を有する少なくとも１つのセンサと、
前記出力に基づいて、所望のトルクを決定するように構成されているコントローラと
を備え、
前記コントローラは、決定された所望のトルクに基づいて、前記モータのトルクを制御する、装置。
【請求項２３】
前記モータは、前記脛部材に対して前記足部材を背屈させるようにも構成されている、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記少なくとも１つのセンサは、前記モータの位置を感知するセンサと、前記脛部材に対する前記足部材の角度を感知するセンサとを備え、前記コントローラは、前記モータの位置と、前記感知された角度θと、前記直列弾性要素のトルク対偏向特性とに基づいて、トルク成分ΓＳを決定する、請求項２２に記載の装置。
【請求項２５】
前記トルク成分ΓＳは、基準角度βから感知された角度θを減算することによって決定され、前記基準角度βは、前記モータの位置に基づいて決定される、請求項２２に記載の装置。
【請求項２６】
前記足部材が前記脛部材に対して十分に背屈された場合に圧縮される緩衝装置をさらに備え、
前記コントローラは、前記感知された角度および前記緩衝装置のトルク対偏向特性に基づいて、トルク成分ΓΒを決定し、
前記コントローラは、ΓＳおよびΓΒに基づいて、前記所望のトルクを決定する、
請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
足首−足プロテーゼまたは矯正具を制御する方法であって、前記足首−足プロテーゼまたは矯正具は、足部材および脛部材と、前記脛部材に対して前記足部材を底屈させるように構成されているモータと、前記モータと直列の直列弾性要素とを有し、前記方法は、
前記モータの位置を感知するステップと、
前記モータが前記感知するステップにおいて感知された位置にある間に、前記直列弾性要素の偏向を決定するステップと、
前記感知するステップにおいて感知されたモータの位置および前記決定するステップにおいて決定された偏向に基づいて、前記モータのトルクを制御するステップと
を含む、方法。
【請求項２８】
前記決定するステップは、前記脛部材に対する前記足部材の実際の角度を感知するステップを含み、前記制御するステップは、（ａ）前記実際の角度と前記感知するステップにおいて感知された前記モータの位置に対応する基準角度との間の差異と、（ｂ）前記直列弾性要素のトルク対偏向特性とに基づいて、トルク成分ΓＳを決定するステップを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記制御するステップは、前記実際の角度と、前記足部材が前記脛部材に対して押圧された場合に圧縮される緩衝装置のトルク対偏向特性とに基づいて、トルク成分ΓΒを決定するステップと、トルク成分ΓＳを前記トルク成分ΓΒに加算するステップとをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
近位部材と、
前記近位部材に対して動作可能に構成されている遠位部材であって、前記遠位部材と前記近位部材との間の角度は、変動することが可能である、遠位部材と、
前記遠位部材と前記近位部材との間の角度を変動させるように構成されているモータと、
（ａ）前記モータと前記近位部材との間、および、（ｂ）前記モータと前記遠位部材との間のうちの少なくとも１つに接続されている直列弾性要素と、
前記直列弾性要素の偏向が決定されることが可能な出力を有する少なくとも１つのセンサと、
前記出力に基づいて、所望のトルクを決定するように構成されているコントローラと
を備え、
前記コントローラは、決定された所望のトルクに基づいて、前記モータのトルクを制御する、装置。
【請求項３１】
前記少なくとも１つのセンサは、前記モータの位置を感知するセンサと、前記遠位部材と前記近位部材との間の角度を感知するセンサとを備え、前記コントローラは、前記モータの位置、感知された角度θ、および前記直列弾性要素のトルク対偏向特性に基づいて、トルク成分ΓＳを決定する、請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
前記トルク成分ΓＳは、基準角度βから感知された角度θを減算することによって、決定され、前記基準角度βは、前記モータの位置に基づいて決定される、請求項３０に記載の装置。
【請求項３３】
前記遠位部材と前記近位部材との間の角度が閾値角度を超えた場合に圧縮される緩衝装置をさらに備え、
前記コントローラは、前記感知された角度および前記緩衝装置のトルク対偏向特性に基づいて、トルク成分ΓΒを決定し、
前記コントローラは、ΓＳおよびΓΒに基づいて、前記所望のトルクを決定する、
請求項３２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の引用）
本願は、米国仮出願第６１／３２０，９９１号（２０１０年４月５日出願）、第６１／４２２，８７３号（２０１０年１２月１４日出願）、および第６１／４３２，０８３号（２０１１年１月１２日出願）の利益を主張する。該出願の各々は、参照により本明細書に引用される。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１（「第’３８４号出願」）および特許文献２（それぞれ、参照することによって本明細書に組み込まれる）は、歩行のための歩行サイクルを、図１に描写されるように、５つの相、すなわち、制御された底屈、制御された背屈（ＣＤ）、動力によって推進された底屈（ＰＰ）、初期遊脚、および後期遊脚に分割することができると説明している。
【０００３】
第’３８４号出願はまた、下肢人工および矯正用システムのいくつかの実施形態を開示しており、そこでは、ＰＰの間の反射トルク発生は、直列弾性要素（ＳＥＥ）モータトルクと足首トルクとの間の非線形の正のフィードバックを介して、達成される。より具体的には、反射作用は、ＣＤの間、非線形バネのように、かつＰＰの間、トルク源のように、挙動することを伴う。本反射作用は、以下の式を使用して、モータを駆動させることによって、実装することができる。
モータトルク＝ｐｆｆ×（正規化＿トルク）ｎ          式１
式中、ｐｆｆは、高速歩行速度のために調整された動力制御利得であり、正規化＿トルクは、トルクΓ０（ユーザの体重に強い関連性がある）によって正規化された足首トルクΓΑであり、ｎは、平地歩行の場合、典型的には、３から５の範囲内である、べき指数である。ｐｆｆは、Ｎ−ｍの単位を有し、ｐｆｆの値は、高速歩行の間、トルク反射のレベルの規模を制御することに留意されたい。所望のモータトルクが決定されると、駆動電流は、式「モータ電流＝モータトルク／ｋｔ」に基づいて、算出することができ、式中、ｋｔは、モータトルク定数である。式１の使用は、良好な結果を提供するが、後述される制御アプローチによって提供される結果は、有意に良好である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０１７４３８４号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００６／０２４９３１５号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一側面は、足首−足プロテーゼまたは矯正用装置を対象とする。装置は、脛部材と、歩行を支持し、足部材が脛部材に対して底屈および背屈することを可能にするように、脛部材に対して動作可能に構成されている、足部材とを含む。モータは、脛部材に対して足部材を底屈させるように構成され、直列弾性要素は、（ａ）モータと脛部材との間、および、（ｂ）モータと足部材との間のうちの少なくとも１つに接続される。次の歩みの歩行速度が予測されることが可能な出力を有する少なくとも１つの第１のセンサと、足首トルクが決定されることが可能な出力を有する少なくとも１つの第２のセンサとが存在する。装置はまた、低速歩行速度のためのモータのトルクが、高速歩行速度のためのモータのトルクより低いように、少なくとも１つの第１のセンサおよび少なくとも１つの第２のセンサの出力に基づいて、モータのトルクを制御するように構成されている、コントローラを含む。
【０００６】
本発明の別の側面は、足首−足プロテーゼまたは矯正用装置の特性を修正する方法を対象とする。方法は、次の歩みの間、歩行速度がどうなるかを予測するステップと、予測された歩行速度が低速である場合の状況において、次の歩みの間、装置の特性を修正するステップとを含む。特性の修正は、予測された歩行速度が高速である場合に行われる正味非保存仕事量と比較した場合、次の歩みの間に行われる正味非保存仕事量における減少をもたらす。
【０００７】
本発明の別の側面は、近位部材と、遠位部材であって、遠位部材と近位部材との間の角度が、変動することができるように、関節によって、近位部材に対して動作可能に接続される、遠位部材とを含む装置を対象とする。モータは、遠位部材と近位部材との間の角度を変動させるように構成され、直列弾性要素は、（ａ）モータと近位部材との間、および、（ｂ）モータと遠位部材との間のうちの少なくとも１つに接続される。次の歩みの歩行速度が予測されることが可能な出力を有する少なくとも１つの第１のセンサと、関節トルクが決定されることが可能な出力を有する少なくとも１つの第２のセンサとが存在する。装置はまた、低速歩行速度のためのモータのトルクが、高速歩行速度のためのモータのトルクより低いように、少なくとも１つの第１のセンサおよび少なくとも１つの第２のセンサの出力に基づいて、モータのトルクを制御するように構成されているコントローラを含む。
【０００８】
本発明の別の側面は、脛部材と、歩行を支持し、足部材が脛部材に対して底屈および背屈することを可能にするように、脛部材に対して動作可能に構成されている、足部材とを含む、足首−足プロテーゼまたは矯正用装置を対象とする。モータは、脛部材に対して足部材を底屈させるように構成され、直列弾性要素は、（ａ）モータと脛部材との間、および、（ｂ）モータと足部材との間のうちの少なくとも１つに接続される。装置はまた、直列弾性要素の偏向を決定することができる出力を有する少なくとも１つのセンサと、出力に基づいて、所望のトルクを決定し、決定された所望のトルクに基づいて、モータのトルクを制御するように構成されている、コントローラとを含む。
【０００９】
本発明の別の側面は、足部材および脛部材と、脛部材に対して足部材を底屈させるように構成されているモータと、モータに直列の直列弾性要素とを有する足首−足プロテーゼまたは矯正具を制御する方法を対象とする。方法は、モータの位置を感知するステップと、モータが、感知するステップにおいて感知された位置にある間、直列弾性要素の偏向を決定するステップと、感知するステップにおいて感知されたモータの位置および決定するステップにおいて決定された偏向に基づいて、モータのトルクを制御するステップとを含む。
【００１０】
本発明の別の側面は、近位部材と、遠位部材であって、遠位部材と近位部材との間の角度が、変動することができるように、近位部材に対して動作可能に構成されている、遠位部材と、遠位部材と近位部材との間の角度を変動させるように構成されている、モータとを含む、装置を対象とする。直列弾性要素は、（ａ）モータと近位部材との間、および、（ｂ）モータと遠位部材との間のうちの少なくとも１つに接続される。装置はまた、直列弾性要素の偏向を決定することができる出力を有する少なくとも１つのセンサと、出力に基づいて、所望のトルクを決定し、決定された所望のトルクに基づいて、モータのトルクを制御するように構成されているコントローラとを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、平地を歩行する時のユーザのトルク歩行サイクルの相の略図である。
【図２Ａ】図２Ａは、健康なヒトの足首に対する正味非保存仕事量対歩行速度の統計的範囲を描写する。
【図２Ｂ】図２Ｂは、健康なヒトの足首に対するピーク動力対歩行速度の統計的範囲を描写する。
【図２Ｃ】図２Ｃは、２つの異なる式が、モータを制御するために使用される場合の正味非保存仕事量対歩行速度を示す。
【図２Ｄ】図２Ｄは、２つの異なる式が、モータを制御するために使用される場合のピーク動力対歩行速度を示す。
【図３Ａ】図３Ａは、次の歩みの歩行速度と脛角速度との間の関係を描写する。
【図３Ｂ】図３Ｂは、どのような脛角速度が、図３Ａにおいて使用されるかを描写する。
【図４Ａ】図４Ａは、モータを制御する際に使用するための一好適な利得関数を描写する。
【図４Ｂ】図４Ｂは、別の好適な利得関数を描写する。
【図５Ａ】図５Ａは、トルク感知に依存する、実施形態のブロック図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５Ａの実施形態のための機械的構成を描写する。
【図６Ａ】図６Ａは、偏向およびトルク対偏向特性に依存する、実施形態のブロック図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａの実施形態のための機械的構成を描写する。
【図６Ｃ】図６Ｃは、図６Ｂの構成の断面図を描写する。
【図７】図７は、トルク対偏向特性を測定するための試験装置を描写する。
【図８Ａ】図８Ａは、バネ定数を決定することができる、グラフである。
【図８Ｂ】図８Ｂは、経時的にトルク成分の変化を描写するグラフである。
【図９】図９は、直列弾性要素のためのトルク対偏向特性を描写する。
【図１０】図１０は、正常足首の立脚相トルク−角応答に対するΓ−Θプロットである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
健康なヒトでは、足首−足は、通常、身体が、代謝効率に伴って、通常歩行を達成する必要がある、各歩幅に対する正の正味仕事量およびピーク動力をもたらす。歩行の立脚の間の足首における正味仕事量およびピーク動力は、歩行速度に非常に関連する。図２Ａおよび２Ｂは、本関係を描写する。より具体的には、図２Ａは、線１１、１２間にある、正味非保存仕事量対歩行速度の統計的範囲（＋１σ境界）を示す。図２Ｂは、線１６、１７として、ピーク動力対歩行速度の予想される統計的範囲（＋１σ境界）を示す。図２Ｂはまた、線１８として、線１６と１７との間にある、ピーク動力対歩行速度の平均値（ある研究で測定された）を示す。
【００１３】
図２Ｃ内の星印によって描写されるデータ点は、前述の式１が、モータ電流を制御するために使用される場合の正味非保存仕事量対歩行速度を示す。正味非保存仕事量は、足首−トルク対足首角度の１サイクルにわたって、ループ面積を計算することによって、決定することができることに留意されたい（例えば、図１０に見られるように、点１から開始し、点、２、３、および４を連続して通過し、点１に戻る）。正味非保存仕事量は、正常足首の場合の線１１、１２によって境界される、統計的範囲より高く、その範囲からの偏差は、より速い歩行速度においてより、より遅い歩行速度において大きいことが分かる。同様に、図２Ｄ内の星印によって描写されるデータ点は、前述の式１が、モータ電流を制御するために使用される場合のピーク動力対歩行速度を示す。ピーク動力は、正常足首の場合の平均値線１８より高いことが分かる。正味仕事量もまた、より高く、無駄であり、余剰熱およびバッテリ寿命の短縮をもたらす。
【００１４】
広範囲の歩行速度にわたって、通常歩行の場合のヒトの足首−足の生体力学をより厳密に模倣するために、第’３８４号出願に開示される実施形態は、本明細書に説明される動力制御アプローチを使用することによって、図２Ａ内の線１１、１２および図２Ｂ内の平均線１８によって境界される統計的範囲により厳密に一致する、正味仕事量およびピーク動力を各歩幅にもたらすように、修正され得る。本アプローチでは、次の歩みに対する歩行速度の予測が行われ、その予測された歩行速度を使用して、次の歩みに対する足首制御パラメータ（動力制御利得の設定を含む）を設定する。
【００１５】
次の歩みの歩行速度を予測する方法の１つは、図３Ａに描写される関係に基づく、脛（ピッチ）角速度ωＸに基づくものである。これらの２つの速度は、立脚相におけるピーク角速度が、次の歩みの歩行速度の優れた予測としての役割を果たすように、非常に線形に相関する。歩行速度と脛角速度との間の相関は、立脚および遊脚相の間の種々の時間に存在するが、歩行速度予想とそれが適用される時との間の待ち時間を最小限にすることが好ましい。これを達成する方法の１つは、制御された背屈の開始直後（すなわち、足底接地時）、反射が開始する直前に、脛角速度をサンプリングすることである。本待ち時間の短縮は、ユーザが停止している場合等、ある状況において、反射が適用されないことを確実にする。一方、陳腐化した歩行速度予測が使用された場合（例えば、以前の趾尖離地時の脛角速度から予想される歩行速度によって）、予想が無効となる場合がある（例えば、ユーザが、突然、停止することを決定する状況において）。
【００１６】
脛角速度は、慣性計測装置（ＩＭＵ）または角速度センサ（ＡＲＳ）等、任意の好適な手段によって、測定され得る。ＩＭＵまたはＡＲＳは、脛角速度が、図３Ｂに描写されるように、測定され得るように、ソケットに固定して接続される、プロテーゼまたは矯正具の上部に設置され得る。代替実施形態では、足構造上に搭載され得る。好適な角速度センサの実施例は、Ｉｎｖｅｎｓｅｎｓｅ  ＩＤＧ−３００である。一好ましい実施形態では、ＩＭＵは、Ａｎａｌｏｇ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  ＡＤＸＲＳ６１０等の３つの直角に整列された角速度センサと、Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ  ＭＭＡ７３６０Ｌ等の３つの直角に整列された加速時計から作製することができ。
【００１７】
角速度感知技法を使用する利点は、それが、反射制御を起動する直前に、角速度の即時測定を提供することである。より具体的には、立脚相における最大角速度は、歩みの制御された背屈および動力によって推進された底屈相の間、反射トルク応答を調節するように計算および採用することができる。本反射は、通常歩行のためのヒトの足首−足の必要性を満たす、正味仕事量およびピーク動力を発生させるのに大きく関与する。
【００１８】
反射トルク発生は、以下の式を使用して、モータを制御することによって、直列弾性要素（ＳＥＥ）モータトルクと足首トルクとの間の非線形の正のフィードバックを介して、達成される。
モータトルク＝ΚＶ（ωＸ）×ｐｆｆｘ（正規化＿トルク）ｎ    式２
式中、ΚＶ（ωＸ）は、最大角速度に関連する動力制御利得関数であり、その実施例は、図４Ａに描写されており、ｐｆｆは、高速歩行速度のために調整された動力制御利得であり、正規化＿トルクは、トルクΓ０（ユーザの体重に強い関連性がある）によって正規化された足首トルクΓΑであり、ｎは、平地歩行の場合、典型的には、３から５の範囲内である、べき指数である。これは、前述の式１に類似するが、式の右側は、より遅い歩行速度に応答する、より低い角速度に対してモータトルクを低減するように選択される、利得関数ΚＶ（ωＸ）によって乗算される。所望のモータトルクをモータのための駆動電流に変換するための随伴式は、本明細書に説明される全実施形態に対して同じままであることに留意されたい（すなわち、モータ電流＝モータトルク／ｋｔ（式中、ｋｔは、モータトルク定数である））。
【００１９】
一好適な利得関数ΚＶ（ωＸ）は、図４Ａに描写されており、角速度がゼロの時、０から開始し、高速歩行速度に対応する角速度ωＴＨで１まで線形に増加する。その閾値角速度ωΤΗを超えると、利得関数ΚＶ（ωＸ）は、１のままである。閾値ωＴＨのための好適な設定は、高速歩行速度に対応する、角速度（例えば、１．５から１．７５メートル／秒の歩行速度に対応する、角速度）である。いくつかの実施形態では、閾値点は、義肢装具士によって設定可能であり得、好ましくは、ある法定範囲（例えば、１．２５から２メートル／秒の歩行速度に対応する、角速度）に制約される。他の実施形態では、法定範囲内のωΤΗ設定点を調節するための用意は、エンドユーザにさえ利用可能であり得る。
【００２０】
式２の右側をΚＶ（ωＸ）によって乗算する結果、モータは、より遅い歩行速度に対するより低い電流によって駆動されるであろう。これは、より遅い歩行速度において、より少ないトルクをもたらすであろう（式１が使用される場合と比較して）。本アプローチが、人工または矯正用足首を制御するために使用される場合、歩行の足底接地の間、トルクは、最初、ゼロとなるであろう。足首トルクΓΑは、制御された背屈相の終了時、増加し始めるであろう。上昇ΓΑに応答して、コントローラは、式２に基づいて、モータを駆動させ、正のフィードバック反射応答において、トルクをさらに増加させるであろう。本正のフィードバックは、趾尖離地に先立って、下肢が、地面から足を持ち上げ始めるまで、継続する。本時点において、正のフィードバックが減少し、したがって、トルクが、降下し始める。正のフィードバックは、その時点において、押し付けるものが何もないため、趾尖離地時に終了し、トルクを急激に減少させる。加えて、反射の適用を制御する状態機械もまた、位置制御が使用される、遊脚相へと移行する。状態機械の動作は、第’３８４号出願に説明されており、参照することによって本明細書に組み込まれることに留意されたい。
【００２１】
式２の動力制御方法に基づく方法は、ｉＷａｌｋ（登録商標）  Ｐｏｗｅｒｆｏｏｔ（登録商標）  ＢｉＯＭ（登録商標）人工足首／足上で実装され、試験された。式２がモータを制御するために使用された場合、正味非保存仕事量対歩行速度は、図２Ｃ内の円形データ点によって描写される。図２Ｃ内の円形データ点と星印データ点（前述）との間の比較は、正味非保存仕事量が、式２が使用される場合、線１１、１２によって境界される統計的範囲により近いことを示す。同様に、図２Ｄ内の円形データ点は、モータ電流を制御するために、前述の式２が使用される場合のピーク動力対歩行速度を示す。式２が使用される場合のピーク動力は、式１が使用される場合（図２Ｄ内の星印データ点によって示される）より平均値線１８に遥かに近いことが分かる。本実験結果は、体重２４０ポンドおよび脛長５３ｃｍの患者から得られた。歩行速度は、ＩＭＵシステムを使用して測定され、０．８ｍ／ｓから１．５ｍ／ｓの範囲であった。システムは、ユーザが、その歩行速度を無作為に変更した場合に、動力の平滑移行を提供した。
【００２２】
代替実施形態では、他の形状を伴う利得関数が、図４Ａに描写される勾配の代わりに使用され得る。好ましくは、すべてのそのような関数は、ωＸ＝０の時、０から開始し、１で終了し、単調増加する。利得関数のための好適な形状の実施例として、（ａ）正弦曲線の第一象限、または（ｂ）余弦曲線の第三および第四象限に類似する、形状が挙げられる（０から開始し、１で終了するように、スケーリングおよびオフセットされる）。平滑形状および急激な変化を伴う形状を含む、他の移行形状もまた、使用され得る。例えば、図４Ｂに描写される曲線は、低速歩行速度の場合、動力を低く維持するように動作し（教室のようなある状況において好適であるであろう）、速度が、閾値ωΤΗ２を超える場合のみ、増加するであろう。随意に、利得関数はまた、逆方向に歩行または走行時、反射応答を制御するように、負の速度に対して有効であり得る。本理由から、負の速度が、図４Ｂに含まれる。所望に応じて、負の速度に対する最大利得は、逆方向に歩行する場合、より小さい動力増大を提供するように、１より低くあり得る。いくつかの実施形態では、利得関数はまた、横歩きまたは横向きに跳躍する場合、速度の関数となるようにされ得る。
【００２３】
いくつかの実施形態では、ユーザインターフェースが、義肢装具士に、式２内のｎの値の制御を与えるように適用され得、好ましくは、ある法定範囲（例えば、２から７）内に制約される。３から５の設定点は、好ましいことが分かっている。正規化＿トルクは、Γ０によって正規化されたΓΑであるので、ｎが、高い場合（例えば、約５）、電流は、ΓΑが、Γ０に近づくまで、上昇しないであろう。これは、正のフィードバックの開始を（時間的に）遅延させる。反対に、ｎが、低い場合（例えば、約３）、電流は、ΓΑが、Γ０に近づき過ぎる前に、増加を開始するであろう。これは、正のフィードバックの開始を（時間的に）早める。システムが、義肢装具士に、ｎの制御を与えるように構成されている場合、ｎを調節し（例えば、エンドユーザからの口頭フィードバックに基づいて）、ユーザのトルク快適性を最大化することができる。他の実施形態では、ユーザインターフェースは、エンドユーザに、ｎの制御を与えるように提供され得る（法定範囲内）。
【００２４】
代替実施形態では、反射トルク発生式は、以下のように修正され得る。
モータトルク＝ΚＶ（ωＸ）×ｐｆｆ×（正規化＿トルク）ｎｆ（ωｘ）    式３
式３は、式２に非常に類似するが、式３では、正規化＿トルクの指数ｎは、角速度ωＸの関数によって乗算される。関数ｆ（ωｘ）は、好ましくは、結果として生じる指数が、より低い角速度におけるより、より高い角速度において大きくなるように選択される。これは、ユーザが、より低速で歩行している場合のタイミングに対して、ユーザが、より高速で歩行している場合、反射の開始を（時間的に）早めるように動作するであろう。
【００２５】
前述の実施形態では、システムは、次の歩みに対する歩行速度の予測を陽に行わないことに留意されたい。代わりに、システムは、脛の角速度ωＸに依存する（前述のように、予測された歩行速度に相関される）。この場合、脛の角速度ωＸは、歩行速度に対するサロゲートとしての役割を果たす。代替実施形態では、脛の角速度ωＸに依存する代わりに、他のパラメータを使用して、歩行速度を予測し得る。次いで、足首動力は、これらの代替センサに基づく、予測された歩行速度に基づいて、適宜、調節されるであろう。例えば、膝上方の脚区分の角速度または立脚相における膝線形移動速度を使用して、次の歩みの歩行速度を予測し得る。ＩＭＵを使用して追跡される、足首または膝のデカルト軌道もまた、次の歩みの歩行速度を予測するために使用され得る。
【００２６】
他の実施形態では、式は、中間結果として、予想される歩行速度を明示的に算出し、次いで、その中間結果に基づいて、種々のパラメータを調節し、動力および正味非保存仕事量を制御するように実装され得る（例えば、式２内のＫｖ（ωＸ）をＫｖ（速度）と置換することによって）。
【００２７】
好ましくは、システムは、特殊歩行環境が存在することを決定すると、動力レベルを修正するための特殊事象対応を含む。例えば、動力は、上り階段／上り勾配歩行の場合、歩行速度が低速である場合でも、増加され得る。または、動力は、下り階段または下り勾配歩行の場合、歩行速度が高速である場合でも、減少され得る。足首軌道または膝軌道（例えば、ＩＭＵを使用して、決定される）は、特殊歩行環境の場合、足首の特性（反射を含む）を調節することができるように、特殊歩行環境が存在するかどうかを決定するための弁別子として使用され得ることに留意されたい。
【００２８】
前述のシステムは、ユーザに、歩行速度の範囲にわたって、通常歩行のための正常な生体力学を達成するために、改善された正味仕事量およびピーク動力を提供する。システムはまた、ほとんどの人々の日常的所作における歩行の大部分の場合である低速歩行速度において、低モータ電流を使用する。これは、モータ温度を低く維持し、エネルギーを節約し、バッテリ再充電頻度および予備バッテリを携行する必要性を低減させるのを支援し得る。より低い電流はまた、直列バネを含む、駆動伝達にかかる応力および疲労を低減させ、デバイス内の種々の構成要素の設計寿命を延長することができる。
【００２９】
前述の実施形態は、制御された背屈および動力によって推進された底屈の間、モータ電流を最終的に制御する式への入力として、足首トルクΓΑに依存する。本足首トルクΓΑは、いくつかのアプローチによって、決定され得る。第’３８４号出願に説明される、そのようなアプローチの１つは、例えば、Ｗｈｅａｔｓｔｏｎｅブリッジ構成に配設される歪みゲージを使用して、足首トルクΓΑを能動的に測定し、足首プロテーゼの上部のソケットアタッチメントによって、印加されたトルクを測定するものである。
【００３０】
図５Ａは、本実施形態のためのシステムブロック図である。人工または矯正用足首／足は、例えば、関節５３によって、底屈および背屈をもたらすように、動作可能に接続される、脛部材５２および足部材５４を含む。モータ５６は、脛部材５２に添着され、直列弾性要素５８は、米国特許第５，６５０，７０４号（参照することによって本明細書に組み込まれる）に説明されるように、モータと直列となるように、脛部材５２と足部材５４との間に着座する。一方向または他方にモータを駆動することによって、脛部材５２に対して足部材５４を底屈または背屈させるであろう。代替実施形態では（図示せず）、モータ５６および直列弾性要素５８の位置は、交換され得、その場合、モータは、足部材５４に搭載されるであろう。
【００３１】
トルクセンサ６６は、足首トルクΓΑを測定し、そのトルクを表す出力をコントローラ６８に送信する。コントローラ６８は、式２を実装することによって、モータ５６を制御するようにプログラムされる。代替実施形態では、式２を実装するように構成されている、アナログ回路が、コントローラ６８の代わりに使用され得る。動力ドライバ６０は、コントローラ６８からの低レベル信号をモータ５６を駆動するために必要とされる高動力信号に変換するために必要とされる、駆動回路を含む。
【００３２】
図５Ｂは、図５Ａの実施形態に示されるアーキテクチャを実装するための実践的機械構成を描写する。図５Ｂでは、トルクセンサ１７３２（図５Ａ内の参照番号６６に対応する）は、脛部材１７１６（図５Ａ内の参照番号５２に対応する）の一番上に位置付けられる。
【００３３】
足首トルクΓΑを決定するための別のアプローチは、そのトルクをその構成成分に分割し、それらの成分の各々のトルクを別個に分析するものである。例えば、図６Ａ−Ｃに描写される設計では、総トルクに寄与する、２つの成分、すなわち、直列弾性要素によって印加されるトルク（Γｓ）と、緩衝装置によって印加されるトルク（ΓΒ）が存在する。緩衝装置は、足首の脛部分と足部分との間に位置付けられ、また、剛性が高い場合、急停止部と見なされることができる。代替実施形態では、バネが、緩衝装置の代わりに使用され得る。ΓΒ成分、緩衝装置係合の間のみ（すなわち、背屈の間、脛部材が、足部材に添着される緩衝装置を押圧する場合、または、代替実施形態では、足部材が、脛部材に添着される緩衝装置に係合する時）、作用することに留意されたい。
【００３４】
寄与成分の各々が既知である場合、総足首トルクは、ΓｓとΓΒとをベクトル加算することによって（すなわち、ΓΑ＝Γｓ＋ΓΒ）、決定することができる。図６Ｂに描写される設計では、ΓｓおよびΓΒの両方を、モータの位置を検出する、モータエンコーダ、および足首旋回の角度を検出する足首角度エンコーダ等、設計を通して分配される、位置センサによって測定される変位の関数として、決定することができる。
【００３５】
Γｓから始める。図６Ｃでは、モータ１Ｂ−１０２が、ボールネジ１Ｂ−１０６を駆動し、モータ上に搭載されたデジタルエンコーダ１Ｂ−１０４が、ボールネジ伸展ｐを測定する。足が、無負荷で動作された場合（例えば、空中にある時）、ボールネジ伸展ｐのあらゆる所与の値に対して、足首関節１Ｂ−１０８は、角度β（ｐ）に移動するであろう。β（ｐ）関数は、無負荷であるように、空中にデバイスを持ち上げ、次いで、その動作範囲全体を通して、モータを駆動し、ｐの各値において、足首関節１Ｂ−１０８の結果として生じた角度を測定することによって、実験的に決定されることが可能である。代替として、β（ｐ）は、デバイスの既知の幾何学形状に基づいて、計算され得る。β（ｐ）関数は、任意の好適な形式（例えば、式またはルックアップテーブルとして）において、コントローラ７８（図６Ａに示される）によってアクセス可能なメモリ内に記憶される。
【００３６】
正常動作の間、デバイスは、負荷がかけられ、足首関節１Ｂ−１０８の実際の角度θを決定することができる（例えば、足首関節上に搭載された高分解能エンコーダ（図示せず）によって）。加えて、実際のボールネジ伸展ｐは、デジタルエンコーダ１Ｂ−１０４の出力に基づいて、決定することができる。コントローラは、モータエンコーダからのｐを入力し、メモリから無負荷角度位置β（ｐ）を読み出す。次いで、足首関節角度エンコーダからの実際の角度θを入力し、β（ｐ）をθから減算する（すなわち、コントローラは、θ−β（ｐ）を算出する）。その差異は、ＳＥＥ１Ｂ−１１０の角偏向である。いくつかの実施形態では、「一回転」モータコントローラを使用することができる。動力投入時における１モータ回転内のその絶対位置と絶対関節位置とを一緒に使用して、底屈方向における進行の終了に関するボールネジの絶対変位を決定することができる。
【００３７】
偏向が決定された後、トルクは、偏向の関数であるため、トルクΓｓを求めることができる。単純モデルでは、トルク対偏向特性は、Γｓ＝ｋｓ×偏向（ｋｓは、ＳＥＥに対するバネ定数である）となるように、線形関数（Ｈｏｏｋｅの法則）として、モデル化することができる。図９は、直列弾性要素１Ｂ−１１０（図６Ｂに示される）に対するトルク対偏向特性を描写する。これらの特性から、測定された偏向を使用して、Γｓを決定することができる。バネ定数ｋｓを伴う式に依存することは、偏向からトルクを決定するための多くの可能性のある方法のうちの１つに過ぎず、トルク対偏向特性を決定するための代替モデルおよびアプローチもまた、使用され得ることに留意されたい（例えば、ルックアップテーブル、多項式曲線適合法、または非線形予想）。
【００３８】
次に、ΓΒ成分を検討する。背屈の間、脛部材１Ｂ−１１１は、足部材１Ｂ−１１４に向かって押動し、それらの２つの部材間に着座する（かつ、いずれかの部材に添着され得る）緩衝装置１Ｂ−１１２が、圧縮される。緩衝装置１Ｂ−１１２に対して比較的に軟性のプラスチックを使用した、以前の発生設計の試験の際、発明者らは、係合の間、緩衝装置内に、２５０ポンドの切断者の場合、０．２５°の偏向／８５Ｎｍピーク基準負荷の範囲内の観察可能な柔軟性が存在することを認識している。より硬質のプラスチックが使用される場合（例えば、硬度９５Ａを伴う、ＥＰＤＭ）、偏向は遥かに少なく（例えば、２５０ポンドの切断者の場合、０．１°の偏向／８５Ｎｍピーク基準負荷）、本柔軟性の力偏向特性は、より安定し、より容易にモデル化された。足首機構を格納する、金属シェルもまた、ある程度まで屈曲し、したがって、緩衝装置に接触する足構造および部材も屈曲することができることに留意されたい。屈曲変位が、特定の設計または設計のサンプルのために、実験的に測定される場合（例えば、試験装置を使用して）、それらの屈曲はすべて、自動的に、考慮されるであろう。
【００３９】
緩衝装置の圧縮に伴う、ΓΒの変動は、所与の設計または設計の特定の具体例に対して実験的に決定することができる。これを行うための方法の１つは、図７に示されるように、サンプル足首／足２５０を試験装置２００内にボルト締めするものである。試験装置２００は、好ましくは、６自由度の力−トルクセンサ２１０（例えば、ＪＲ３，Ｉｎｃ．製）を使用し、該センサは、３つの直角軸に沿う力、およびそれら回りのトルクを、足首／足２５０の足部分２５２とＪＲ３  ２１０との間にインストールされたバックドライブボールネジアクチュエータ２２０によって、同時に測定する。本試験装置２００では、足首／足２５０は、足部分２５２が、足首／足２５０の脛部分２５４上の緩衝装置（図６Ｂに示される）と初期接触するまで駆動される。初期接触の角度は、θＩとして、定義される。次いで、バックドライブボールネジアクチュエータ２２０を使用して、足部分２５２はさらに、角度θｃまで駆動される。角度θｃは、足首／足プロテーゼ（図６Ｃに示される）上の足首エンコーダ１Ｂ−１０８によって測定することができる。θｃが増加するのに伴って、緩衝装置の圧縮が増加し、ＪＲ３  ２１０によって決定される力は、あらゆる可能性のある角度θｃに対して記憶される。
【００４０】
ＪＲ３  ２１０によって測定されたＺ（垂直）およびＹ（水平）力は、次いで、バックドライブネジ軸に沿った力を決定するためのベクトル計算を使用して、合計される。足首トルクは、ＳＥＥからのいかなるトルク寄与も減算した後、軸方向力を垂直モーメントアームによって乗算することによって計算される。足首トルク対足首角度が、あらゆる可能性のある角度θｃに対して数サイクル（例えば、１０サイクル）にわたってプロットされ、最小２乗最良適合線が、線形関係ΓΒ＝Ｋｓ×（θｃ−θＩ）（式中、Ｋｓは、緩衝装置１Ｂ−１１２に対する回転バネ定数）であると仮定して、計算される。結果として生じた最良適合線の勾配は、図８Ａに示されるように、Ｎｍ／ｒａｄにおける緩衝装置のバネ定数Ｋｓである。代替実施形態では、本線形関係を使用して、緩衝装置をモデル化する代わりに、設計内のトルク対偏向特性を決定するための代替モデルおよびアプローチもまた、使用され得る（例えば、ルックアップテーブル、多項式曲線適合法、または非線形予想）。
【００４１】
トルク増加時（すなわち、足部分が、緩衝装置内に駆動され、緩衝装置を圧縮している場合）、足首トルクと足首角度偏向の関係は、非常に線形であることに留意されたい。しかしながら、ゼロに戻る場合（トルク減少時）、曲線は、異なる。本相違は、緩衝装置のエネルギー吸収特性の影響によるものである。増加トルク部分に対する最小二乗最良適合線の勾配を使用して、緩衝装置のバネ定数ＫＳを決定することが好ましい。
【００４２】
図８Ｂは、緩衝装置が、約３０秒間、（トルクが、−９０に到達するまで）、徐々に圧縮され、次いで、解放される状況において、本アプローチを使用して経時的に決定される、トルクのΓΒ成分を描写する。ΓΒトルクの量子化された性質は、エンコーダ分解能の関数である。本量子化は、より高い分解能のエンコーダを利用することによって、最小限にすることができる。一好ましい実施形態では、Ｒｅｎｉｓｈａｗ  Ｉｎｃ（Ｐ／Ｎ  ＲＭＢ１３ＢＣ１）製１３ビットエンコーダ（８１９６カウント／３６０度）が、使用される。Ｒｅｎｉｓｈａｗエンコーダは、単極から生じる磁場の角度を測定するカスタムホール効果ＩＣを採用し、円筒形磁石が、足首シェル内に内蔵された印刷回路アセンブリに添着されるＩＣの配向に関連して、足構造上に搭載される。専用ＤＳＰ内で実行する、ＦＩＲ低域通過フィルタを使用した、角度測定のフィルタリングが、効果的分解能を１５−１６ビットまで拡張することが示されている。
【００４３】
緩衝装置／足首シェルのトルク対偏向特性が、モデル化されると（例えば、前述のように）、プロテーゼの動作の間の任意の所与の瞬間におけるΓΒ寄与が、θｃを測定し、式ΓΒ＝Ｋｓ×（θｃ−θＩ）またはΓΒをθｃの関数としてモデル化する代替モデルに、結果を当てはめることによって、決定することができる。したがって、測定された角偏向θｃから、第２のトルク成分ΓΒを決定することができる。代替実施形態では、光学、磁気抵抗、および誘導センサを含む、他の足首角度エンコーディング手段が、緩衝装置がどれくらい圧縮されたかを決定するために採用され得る。
【００４４】
本時点では、ΓｓおよびΓΒ成分は両方とも、既知である。ここで、ΓｓをΓΒに加算し、ΓΑに到達することができ、結果として生じたΓΑを式２への入力として使用して、モータを制御する。
【００４５】
図６Ａは、ΓＳおよびΓΒを別個に決定し、次いで、それらの成分を加算し、ΓＡに到達することによって、本アプローチを実装するためのシステムブロック図である。要素５２−６０は、図５Ａ内の対応する番号が付与された要素と同一である。角度位置センサ７６は、モータ変位ｐおよび足首関節変位θを測定し、それらの変位を表す出力をコントローラ７８に送信する。コントローラ７８は、前述のように、それらの変位をトルクΓＳに変換するようにプログラムされる。加えて、コントローラ７８は、前述のように、足首関節変位θをトルクΓΒに変換するようにプログラムされる。次いで、コントローラ７８は、ΓＳをΓΒにベクトル加算し、ΓΑを決定する。次いで、コントローラ７８は、式２を実装することによって、モータ５６を制御する（図５Ａの実施形態におけるように、動力ドライバ６０を用いて）。
【００４６】
前述のように、式２内のｎは、ユーザにとって、デバイスをより快適にするように調整することができる。同様に、ｐｆｆ、および式２中のΚＶ（ωχ）関数に影響を及ぼす閾値角速度ωＴＨ等、他のパラメータもまた、調整され得る。
【００４７】
次に、正常足首の立脚相体重正規化＿トルク角応答に対するΓ−Θプロットである、図１０を参照すると、正常足首をより模倣し、それによって、快適性および性能を改善しようとするために、プロテーゼまたは矯正具において調整され得る、付加的パラメータを見出すことができる。実施例は、足首−足が、制御された底屈（Ｋ１−２の勾配）から、制御された背屈（Ｋ２−３の勾配）を通して、動力によって推進された底屈（Ｋ３−４の勾配）へと移行するのに伴う、変調インピーダンスを含む。これらの３つのインピーダンスの初期値および趾尖離地（θ＊ＴＯＥ−ＯＦＦ）におけるθの初期値は、正常足首の平均Γ−Θ応答から導出することができ、次いで、それらの初期値は、個々のユーザの活動レベル、肢の長さ、体重分布、および選好に適合するように調整することができる。
【００４８】
前述の実施形態では、単一モータが、底屈および背屈の両方を実装するために使用される。しかしながら、代替実施形態では、そのモータは、底屈を実装するための１つのモータと、背屈を実装するための別の構成要素とによって置換され得る。他の代替実施形態では、複数のモータが、底屈および背屈の両方を行うように、並列に配列され得る。さらに他の実施形態では、前述の電気モータは、他の種類のモータ（例えば、油圧モータ）と置換することができ、その場合、コントローラおよび動力ドライバは、適宜、調節される必要があるであろう。
【００４９】
前述の概念は、人工装具に関して説明されるが、また、矯正具に関して適用することもできることに留意されたい。加えて、前述の実施形態はすべて、足首に関するが、前述の概念は、臀部、胴体、および腕等、他の人工および矯正用用途に適用することもでき、その場合、当業者によって理解されるであろう、好適な修正が、行われるべきである。例えば、膝に関して、反射が、趾尖離地の間にまさに生じ、歩行速度予測は、趾尖離地直前の「新鮮な」脛速度測定を使用するであろう。その他の場合、脛部材は、近位部材として一般化することができ、足部材は、遠位部材として一般化することができ、および背屈／底屈は、遠位部材と近位部材との間の角度を変動させるものとして一般化することができる。前述の概念はまた、人間型ロボットに関して適用されることもできる。
【００５０】
本発明は、ある実施形態を参照して、開示されたが、添付の請求項に定義される、本発明の分野および範囲から逸脱することなく、説明された実施形態に対して多数の修正、改変、および変更が、可能である。故に、本発明は、説明される実施形態に限定されず、以下の請求項およびその均等物の用語によって定義される全範囲を有することが意図される。
【図１】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３Ａ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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