(57)【要約】把持制御システムは、把持運動タスクにおいて動作者を支援する。運動意図信号は、動作者の把持運動筋のために監視される。把持運動タスクのための意志的動作者入力は、運動意図信号から識別される。１または複数の運動モータは、モーションプリミティブの連鎖として把持運動タスクを遂行するために、意志的動作者入力に基づいて動作され、各々のモーションプリミティブは、単一の自由度を有する運動経路に沿って定義される把持するモーションの基本的単位である。
2021516079.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
把持運動タスクにおいて動作者を支援するための把持制御システムを制御するための少なくとも１つのハードウェアにインプリメントされるコンピュータプロセッサを使用するコンピュータでインプリメントされる方法であって、前記方法は、
前記動作者の把持運動筋の運動意図信号を監視することと、
前記運動意図信号から、前記把持運動タスクのための意志的動作者入力を識別することと、
モーションプリミティブの連鎖として前記把持運動タスクを遂行するために、前記意志的動作者入力に基づいて動力付き矯正デバイスを動作させることであって、各々のモーションプリミティブは、単一の自由度を有する運動経路に沿って定義される把持するモーションの基本的単位である、ことと
のためのプログラム命令を実行するために、前記少なくとも１つのハードウェアプロセッサを動作させること
を備える、方法。
【請求項２】
前記動力付き矯正デバイスを動作させることは、前記意志的動作者入力に応じて制御される可変速さで、モーションプリミティブの連鎖として前記把持運動タスクを遂行することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記着用者の第２の把持運動筋の第２の運動意図信号を監視することであって、前記意志的動作者入力は、両方の運動意図信号から識別される、こと
をさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記運動意図信号によって監視される前記把持運動筋は、拮抗筋である、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記把持運動タスクを遂行することは、
逆の順序で前記モーションプリミティブの連鎖の一部を遂行することによって、前記意志的動作者入力に基づく前記把持運動タスクの一部をアンドゥすること
をさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記把持運動タスクに関連する前記着用者の１または複数の指によって生成される指力信号を監視することであって、前記意志的動作者入力は、前記運動意図信号および前記指力信号から識別される、こと
をさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記モーションプリミティブの連鎖は、少なくとも２つの自由度を有する把持するモーションを作り出す、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記モーションプリミティブの連鎖は、予め定義されたシステム連鎖である、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記モーションプリミティブの連鎖は、ユーザ定義された連鎖である、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記モーションプリミティブの連鎖は、前記ユーザによって動的に定義される、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記運動意図信号は、筋電図（ＥＭＧ）信号である、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
把持運動タスクにおいて動作者を支援するためのコンピュータでインプリメントされる把持制御システムであって、前記システムは、
運動意図信号を生み出すために前記動作者の把持運動筋を監視するために構成される筋運動センサと、
前記動作者の把持するモーションを支援するために構成される動力付き矯正デバイスと、
把持制御ソフトウェア、前記運動意図信号、および他のシステム情報を記憶するために構成されるデータ記憶メモリと、
前記データ記憶メモリに結合される少なくとも１つのハードウェアプロセッサを含み、かつ前記把持制御ソフトウェアを実行するように構成される把持制御プロセッサであって、前記把持制御ソフトウェアは、
前記運動意図信号から前記把持運動タスクのための意志的動作者入力を識別することと、
モーションプリミティブの連鎖として前記把持運動タスクを遂行するために、前記意志的動作者入力に基づく前記動力付き矯正デバイスを動作させることであって、各々のモーションプリミティブは、単一の自由度を有する運動経路に沿って定義される把持するモーションの基本的単位である、ことと
のための把持制御アルゴリズムをインプリメントするためのプロセッサ可読命令を含む、把持制御プロセッサと、
を備える、把持制御システム。
【請求項１３】
前記把持制御アルゴリズムは、前記意志的動作者入力に応じて制御される可変速さでモーションプリミティブの連鎖として前記把持運動タスクを遂行するために、前記動力付き矯正デバイスを動作させる、請求項１２に記載の把持制御システム。
【請求項１４】
第２の運動意図信号を生み出すために前記動作者の第２の把持運動筋を監視するために構成される第２の筋運動センサであって、前記把持制御アルゴリズムは、両方の運動意図信号から前記意志的動作者入力を識別する、第２の筋運動センサ
をさらに備える、請求項１２に記載の把持制御システム。
【請求項１５】
前記把持運動筋は、拮抗筋である、請求項１４に記載の把持制御システム。
【請求項１６】
前記把持運動タスクを遂行することは、
逆の順序で前記モーションプリミティブの連鎖の一部を遂行することによって、前記意志的動作者入力に基づく前記把持運動タスクの一部をアンドゥすること
をさらに備える、請求項１２に記載の把持制御システム。
【請求項１７】
前記把持運動タスクに関連する前記着用者の１または複数の指によって生成される指力信号を監視するために構成される指力センサであって、前記把持制御アルゴリズムは、前記運動意図信号および前記指力信号から前記意志的動作者入力を識別する、指力センサ
をさらに備える、請求項１２に記載の把持制御システム。
【請求項１８】
前記モーションプリミティブの連鎖は、少なくとも２自由度を有する把持するモーションを作り出す、請求項１２に記載の把持制御システム。
【請求項１９】
前記モーションプリミティブの連鎖は、予め定義されたシステム連鎖である、請求項１２に記載の把持制御システム。
【請求項２０】
前記モーションプリミティブの連鎖は、ユーザ定義された連鎖である、請求項１２に記載の把持制御システム。
【請求項２１】
前記モーションプリミティブの連鎖は、ユーザによって動的に定義される、請求項１２に記載の把持制御システム。
【請求項２２】
前記筋運動センサは、筋電図（ＥＭＧ）信号センサである、請求項１２に記載の把持制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１８年３月９日に出願された米国仮特許出願第６２／６４０，６０９号の優先権を主張し、その米国仮特許出願は、参照によってその全体が本明細書中に援用される。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、動力付き矯正デバイスの制御に、より具体的には、把持運動タスクを遂行することにおいてユーザを支援するためにそのようなデバイスを制御することに関する。
【背景技術】
【０００３】
（背景技術）
脳卒中、脳損傷、ならびに、他の神経筋傷害もしくは疾患（例えば、筋委縮性側索硬化症（ＡＬＳ）、多発性硬化症（ＭＳ）、筋ジストロフィー（ＭＤ）等）の生存者は、しばしば、身体のいくつかの部分に半身麻痺または重度の衰弱が残る。その結果が、１または複数の四肢における機能障害かまたは機能損失であり得る。しかし、人々は、そのような神経学的傷害に続く障害の多くから有意にリハビリテーションをし得、リハビリテーションエクササイズの養生法がなじみのある機能的タスクの実行を含む場合、そのようなリハビリテーションはより効果的であり得、運動パターンがより迅速に再習得され得る。しかし、神経筋傷害に続いて、負傷した四肢（単数または複数）における制御または強度が重度に減少し、患者は支援なしで建設的な機能的リハビリテーションエクササイズを遂行することの困難性を有し得る（または不可能であり得る）。
米国特許第８５８５６２０号、第８９２６５３４号および第９３９８９９４号（参照によってそれらの全体が本明細書中に援用される）は、神経筋の問題を抱える人を支援するための動力付き矯正デバイスの例を説明する。しかし、そのような進歩的解決策が与えられてもなお、手の把持の機能性等の一般的な運動タスクのためのこれらのデバイスの制御は難題のままである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第８５８５６２０号明細書
【特許文献２】米国特許第８９２６５３４号明細書
【特許文献３】米国特許第９３９８９９４号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（概要）
本発明の実施形態は、把持運動タスクにおいて動作者を支援するための把持制御システムを制御するための少なくとも１つのハードウェアにインプリメントされるコンピュータプロセッサを使用するコンピュータでインプリメントされる方法に関する。動作者の把持運動筋の運動意図信号を監視することと、運動意図信号から、把持運動タスクのための意志的動作者入力を識別することと、モーションプリミティブの連鎖として把持運動タスクを遂行するために、意志的動作者入力に基づいて動力付き矯正デバイスを動作させることとのためのプログラム命令を実行するための少なくとも１つのハードウェアプロセッサが動作させられ、各々のモーションプリミティブは、単一の自由度を有する運動経路に沿って定義される把持するモーションの基本的単位である。
【０００６】
特定の実施形態では、動力付き矯正デバイスを動作させることは、意志的動作者入力に応じて制御される可変速さで、モーションプリミティブの連鎖として把持運動タスクを遂行することを含む。着用者の第２の把持運動筋の第２の運動意図信号は、監視され得、意志的動作者入力は、それから、両方の運動意図信号から識別され得る。例えば、運動意図信号によって監視される把持運動筋は、拮抗筋であり得る。
【０００７】
把持運動タスクを遂行することは、逆の順序でモーションプリミティブの連鎖の一部を遂行することによって、意志的動作者入力に基づく把持運動タスクの一部をアンドゥすることを含み得る。指力信号は、把持運動タスクに関連する着用者の１または複数の指によって生成され、それから意志的動作者入力が運動意図信号および指力信号から識別されるように監視され得る。
【０００８】
モーションプリミティブの連鎖は、少なくとも２つの自由度を有する把持するモーションを作り出し得る。モーションプリミティブの連鎖は、予め定義されたシステム連鎖および／またはユーザ定義された連鎖、例えばユーザによって動的に定義される連鎖であり得る。運動意図信号は、筋電図（ＥＭＧ）信号か、または攣縮、圧力、力等であり得る。
【０００９】
本発明の実施形態はまた、把持運動タスクにおいて動作者を支援するためのコンピュータでインプリメントされる把持制御システムを含む。システムは、運動意図信号を生み出すために動作者の把持運動筋を監視するために構成される筋運動センサを含む。動力付き矯正デバイスは、動作者の把持するモーションを支援するために構成される。データ記憶メモリは、把持制御ソフトウェア、運動意図信号、および他のシステム情報を記憶するために構成される。少なくとも１つのハードウェアプロセッサを含む把持制御プロセッサは、データ記憶メモリに結合され、把持制御ソフトウェアを実行するように構成される。把持制御ソフトウェアは、運動意図信号から把持運動タスクのための意志的動作者入力を識別するための把持制御アルゴリズムをインプリメントするためのプロセッサ可読命令を含み、動力付き矯正デバイスの動作は、モーションプリミティブの連鎖として把持運動タスクを遂行するために意志的動作者入力に基づき、各々のモーションプリミティブは、単一の自由度を有する運動経路に沿って定義される把持するモーションの基本的単位である。
【００１０】
把持制御アルゴリズムは、意志的動作者入力に応じて制御される可変速さで、モーションプリミティブの連鎖として把持運動タスクを遂行するように動力付き矯正デバイスを動作させ得る。第２の運動意図信号を生み出すために動作者の第２の把持運動筋を監視するために構成される第２の筋運動センサも存在し得、把持制御アルゴリズムは、両方の運動意図信号から意志的動作者入力を識別する。例えば、把持運動筋は、拮抗筋であり得る。
【００１１】
把持運動タスクを遂行することは、逆の順序でモーションプリミティブの連鎖の一部を遂行することによって、意志的動作者入力に基づく把持運動タスクの一部をアンドゥすることを含み得る。把持運動タスクに関連する着用者の１または複数の指によって生成される指力信号を監視するために構成される指力センサも存在し得、把持制御アルゴリズムは、運動意図信号および指力信号から意志的動作者入力を識別する。
【００１２】
モーションプリミティブの連鎖は、少なくとも２自由度を有する把持するモーションを作り出し得る。モーションプリミティブの連鎖は、予め定義されたシステム連鎖および／またはユーザ定義された連鎖、例えばユーザによって動的に定義される連鎖であり得る。筋運動センサは、筋電図（ＥＭＧ）信号センサであり得る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
（図面の簡単な説明）
【図１】図１は、本発明の実施形態による動力付き矯正デバイスのための把持制御システム内の種々の機能的ブロックを示す。
【００１４】
【図２】図２は、本発明の実施形態による把持制御システムのためのユーザインタフェースの種々の機能的ブロックの詳細を示す。
【００１５】
【図３Ａ】図３Ａ−図３Ｇは、ユーザが飲むためにコップを持ち上げるという特定の把持運動タスクのために用いる動力付き矯正デバイスが装備されたユーザの例示的な写真を示す。
【図３Ｂ】図３Ａ−図３Ｇは、ユーザが飲むためにコップを持ち上げるという特定の把持運動タスクのために用いる動力付き矯正デバイスが装備されたユーザの例示的な写真を示す。
【図３Ｃ】図３Ａ−図３Ｇは、ユーザが飲むためにコップを持ち上げるという特定の把持運動タスクのために用いる動力付き矯正デバイスが装備されたユーザの例示的な写真を示す。
【図３Ｄ】図３Ａ−図３Ｇは、ユーザが飲むためにコップを持ち上げるという特定の把持運動タスクのために用いる動力付き矯正デバイスが装備されたユーザの例示的な写真を示す。
【図３Ｅ】図３Ａ−図３Ｇは、ユーザが飲むためにコップを持ち上げるという特定の把持運動タスクのために用いる動力付き矯正デバイスが装備されたユーザの例示的な写真を示す。
【図３Ｆ】図３Ａ−図３Ｇは、ユーザが飲むためにコップを持ち上げるという特定の把持運動タスクのために用いる動力付き矯正デバイスが装備されたユーザの例示的な写真を示す。
【図３Ｇ】図３Ａ−図３Ｇは、ユーザが飲むためにコップを持ち上げるという特定の把持運動タスクのために用いる動力付き矯正デバイスが装備されたユーザの例示的な写真を示す。
【００１６】
【図４】図４は、図３Ａ−図３Ｇに示されるプロセスの間の種々の関連するパラメータのグラフを示す。
【００１７】
【図５】図５は、単一方向のスクラビングの場合にどのようにモーション連鎖が形づくられるかの例を示す。
【００１８】
【図６】図６は、正方向および負方向のＶＯＩの２つの入力を用いて変速でスクラビングされる単一のＤＯＦを有する別の例についての同様のセットの波形を示す。
【００１９】
【図７】図７は、本発明の実施形態による手のタスク運動を遂行することにおいてユーザを支援するために適した動力付き矯正デバイスの構造の例を示す。
【００２０】
【図８】図８は、本発明の実施形態によるモーション連鎖を用いる把持制御プロセスにおける種々の論理的ステップを示す把持−解放フローチャートである。
【００２１】
【図９】図９は、基本的な接触前−確実−保持シーケンスに関連する種々の例示的な波形を示す。
【００２２】
【図１０】図１０は、基本的な接触前−確実−保持／段階的昇降シーケンスに関連する種々の例示的な波形を示す。
【００２３】
【図１１】図１１は、単一センサの接触前−解放トリガ−解放プロセスに関連する種々の例示的な波形を示す。
【００２４】
【図１２】図１２は、２センサの接触前−解放トリガ−解放プロセスに関連する種々の例示的な波形を示す。
【００２５】
【図１３】図１３は、単一の屈筋筋肉センサの場合の把持滑りについての種々の例示的な波形を示す。
【００２６】
【図１４】図１４は、単一の屈筋筋肉センサの場合の把持解放についての種々の例示的な波形を示す。
【００２７】
【図１５】図１５は、２つの屈筋センサの場合の把持解放についての種々の例示的な波形を示す。
【００２８】
【図１６】図１６は、一方のデバイスがそれ自体によって達成することが不可能である行動を完了するために他の外部デバイスの高められた機能性を提供する運動を図示する。
【００２９】
【図１７】図１７は、新たなタスクモーション連鎖を獲得するための１つの特定の論理的フロー配置を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
（詳細な説明）
本発明の種々の実施形態は、動力付き矯正デバイスで把持運動タスクを遂行するための把持制御についての技術に関する。
【００３１】
定義
「スクラビング」は、コマンドセットまたは信号中を順方向または逆方向にトラバースすることを指す。
【００３２】
「意志的動作者入力」は、ユーザの意図によって制御されるシステム制御入力（例えば筋電図（ＥＭＧ）信号入力、脳電図（ＥＥＧ）信号入力、または身体着用式線形変換器入力）を指す。
【００３３】
「自由度（ＤＯＦ）」は、独立した方向であり、その方向において、並進的かもしくは回転的な関節かまたはそれらの組み合わせの周りでモーションが発生し得る。例えば、人間の手首は３ＤＯＦを含む一方で、ひじは１を含むのみである。
【００３４】
「モーションプリミティブ」は、規定された位置、速度、または力の標的となる軌道を通る線形または非線形の運動経路に沿った単一のＤＯＦ動きを伴うモーションの基本的単位である。
【００３５】
「モーション連鎖」は、１または複数のＤＯＦにわたるより複雑な行動を作り出すために直列または並列で接続されるモーションプリミティブのセットである。
【００３６】
「形づくられたモーション連鎖（ＳＭＣ）」は、ＶＯＩ入力に基づいて可変速さでトラバースされるモーション連鎖である。
【００３７】
平均的なユーザにとってリアルタイムで実行するためには洗練され過ぎている複合的なモーションは、より複合的な一連の運動を形成するために複数の単純な運動を共に連鎖させることによって、効果的に作り出されかつ再生され得る。このことはまた、デバイスセンサの数がＤＯＦの数よりも少ないシナリオを可能とする。例えば、療法士は、ユーザの家へ来て、患者が、キッチンの特定の引き出しを開けることか、または彼らのモデルの冷蔵庫の取っ手に手を伸ばすことのような複合的なタスクを記録することを助ける。ユーザはその後、日常活動の間これらの習慣的なルーチンを起動し、彼らが日常生活において家でより独立することを可能とする。連携された腕−手を上げることおよびピックアンドプレイスタスク等のより複合的な治療的タスクのためにより複雑なモーションを共に連鎖させることはまた、治療において、より障害のあるユーザにとって便益であり得る。以下の議論は、「把持」タスクおよび機能の観点から提示されるが、本発明はその特定の用途に限定されず、より単純なモーションの共に連鎖されたシーケンスの手法は、複数のＤＯＦで他の運動タスクへ有益に適用され得る。
【００３８】
図１に示される本発明の実施形態は、モーションプリミティブの連鎖として、例えば形づくられたモーション連鎖ＳＭＣとして把持運動タスクにおいて動作者を支援するために動力付き矯正器具１０４を制御するためのコンピュータでインプリメントされる把持制御システム１００および関連方法に関する。把持制御システム１００は、ユーザおよび動力付き矯正器具１０４の状態を推定し、システム動作モード、ユーザヒストリ、共有される利用情報および他のデータに基づいて、モーションプリミティブの連鎖において意図される次のモーションを決定し、対応する制御コマンドを動力付き矯正１０４デバイスへ出力する。モーションプリミティブの連鎖は、少なくとも２自由度を有するモーションを含むより複雑な把持するモーションを遂行し得る。モーションプリミティブの連鎖は、特に、予め定義されたシステム連鎖および／またはユーザ定義連鎖（例えばユーザによって動的に定義されたもの）であり得る。
【００３９】
例えば筋電図（ＥＭＧ）信号センサ、ＥＥＧセンサ、筋収縮センサ等の筋運動センサ１０１が、システムへの意志的動作者入力（ＶＯＩ）を表す運動意図信号を生み出すために動作者の把持運動筋を監視するために構成される。ＥＭＧセンサに加えて、所与のＶＯＩを生み出す筋運動センサ１０は、ＥＥＧセンサか、線形変換器入力か、サックアンドパフチューブか、または他の生理的なユーザ制御入力を、限定することなく含み得る。
【００４０】
ＥＭＧ？、ＩＭＵ、位置、関節角度、力、ひずみ等の有益な情報信号を生み出すように構成される１または複数の他の追加的データセンサ１０６が存在し得る。例えば、追加的データセンサ１０６は、第２の運動意図信号を生み出すために動作者の第２の把持運動筋を監視するために構成される第２の筋運動センサを含み得る（例えば、把持運動筋は拮抗筋であり得る）。または、追加的データセンサ１０６は、把持運動タスクに関する着用者の１または複数の指によって生成される指力信号を監視するために構成される指力センサであり得、それによって、把持制御システム１００が運動意図信号および指力信号からＶＯＩを識別し得る。把持制御システム１００によって用いられ得るＧＰＳ、ＲＦＩＤリーダ、Ｗｉ−Ｆｉ信号等の追加的な情報信号を生み出すために、１または複数の外に面するセンサ１０５も存在し得る。
【００４１】
データ記憶メモリ１０３は、把持制御ソフトウェア、運動意図信号、ならびに、把持制御システム１００および動力付き矯正器具１０４の動作に関する種々のシステム設定１０７等の他のシステム情報を記憶するために構成される。システム設定１０７は、信号ゲイン、信号閾値、動作速さ、把持の好み等の１または複数のユーザ特有の設定を含み得る。データ記憶メモリ１０３内に記憶されるシステム情報はまた、デバイスヒストリ情報、共有される遂行情報、ヒストリ制御設定および機械学習データを、限定することなく含み得る。
【００４２】
少なくとも１つのハードウェアプロセッサを含む把持制御プロセッサ１０２は、データ記憶メモリ１０３に結合され、把持制御ソフトウェアを実行するように構成される。把持制御ソフトウェアは、筋運動センサ１０１によって生み出される運動意図信号から把持運動タスクのための意志的動作者入力を識別するための把持制御アルゴリズムをインプリメントするためのプロセッサ可読命令を含む。把持制御プロセッサ１０２による動力付き矯正デバイス１０４の動作は、モーションプリミティブの連鎖として把持運動タスクを遂行するために意志的動作者入力に基づき、各々のモーションプリミティブは、単一の自由度を有する運動経路に沿って定義される把持するモーションの基本的単位である。特に、把持制御システム１００は、意志的動作者入力に応じて制御される可変速さでモーションプリミティブの連鎖として把持運動タスクを遂行するために、動力付き矯正デバイス１０４を動作させ得る。
【００４３】
把持制御システム１００は、システムか、ユーザか、または療法士によって定義されるモーションプリミティブの連鎖として把持運動タスクをインプリメントする。モーションプリミティブは、１自由度（ＤＯＦ）を有する動力付き矯正器具１０４の単純なモーションを記述し、基本的な期間内での位置、速度、または力を規定する。モーションプリミティブは、予め定義され得るか、かつ／または、それらは、重力ベクトルに基づいて空間的位置を維持するモーションかもしくは（位置のいくらかの変化を要求する）一定の力を維持すること等のセンサ入力に基づいて、オンラインで（オンザフライで）動的に生成され得る。モーションプリミティブは、直列かまたは並列で組み合わされ得、動力付き矯正器具１０４が遂行し得る複合的な把持運動タスク操作を作り出す。そして、特定の把持運動タスクを遂行することは、逆の順序でモーションプリミティブの連鎖の一部を遂行することによって、ＶＯＩに基づく把持運動タスクの一部をアンドゥすることを含み得る。
【００４４】
上述されたように、モーションプリミティブ連鎖は、予め定義されてデバイスに記憶され得るか、または、それらは、把持制御システム１００によってアクセスされ得る遠隔のサーバにあり得るか、または、それらは、外部かもしくは内部のセンシング入力からの分岐論理に基づいてオンラインで組み合わされ得る。連鎖は、直接的に記録されるモーションを用い得るか、または、それらは、所望の把持運動タスクに合う最も近い予め定義されたモーションプリミティブを選択し得る。連鎖されたモーションプリミティブを通じて動的な速さでスクラビングすること（関節角速度コマンドという結果になる）は、プリミティブの所望の速さおよびＶＯＩの両方に依存し、形づくられたモーション連鎖（ＳＭＣ）という結果になる。ＳＭＣは、動力付き矯正デバイスのコントローラへの入力としての役割を果たす。デバイスは、ＳＭＣの上に他の制御層を与え得、他の制御層は、閉ループ速度制御、力制御もしくはフィードバック、位置制限、運動学的補償、加速度制限、ならびに安全閾値を含むがそれらへ限定されない。意志的動作者入力（ＶＯＩ）が、行動の連鎖中をスクラビングするために用いられ得ることで、行動の連鎖は、測定される信号電力か、電流か、または電圧に比例する速さで、行動命令セット中を前進および後退する。
【００４５】
ユーザはまた、システム設定および／または動作モードを選択するように構成されるユーザインタフェース１０８を介して、把持制御システム１００と相互作用し得る。図２は、そのようなユーザインタフェース１０８のためのメニューアーキテクチャの１つの特定の例を示し、ユーザインタフェース１０８は、バッテリステータスおよびセッションヒストリ等の情報をユーザへ表示するように構成されるデバイスステータスセクション２０１を含む。システム入力センサをテストおよび較正し、かつそれらの感度ならびに応答の速さおよび力を調節するために、センサメニュー２０２等の他の有益なサブメニューがまた利用可能である。モードメニュー２０３は、ユーザが、特定のアーム構成を設定し、動作モード２０３１（例えば、速く、精密に、歩行用に、敏感に、スポーツ用に、作業用に等）をカスタマイズし、かつ握り方のパターン２０３２（例えば、パワー把持、つまみ把持、横つまみ、球状把持等）を調節することを可能にする。臨床メニュー２０４は、ユーザの目標および進行の監視および調節、臨床医のコミュニケーション、治療運動のプログラム、ならびにリハビリテーションエクササイズビデオの制御を可能とする。タスクトレーニングメニュー２０５は、ユーザが、食べること、服を着ること等の種々の被支援運動タスクをプログラムおよび編成することを助ける。
【００４６】
図３Ａ−図３Ｇは、ユーザが飲むためにコップを持ち上げるという特定の把持運動タスクのために用いる動力付き矯正デバイスを装備したユーザの例示的な写真を示す。図３Ａでは、ユーザは、システムへボイスコマンドを発する等のユーザ入力によって、把持運動タスクを開始する。それから、手の指が開き（図３Ｂ）、それからひじが、コップをまたぐように開いた手を下げる（図３Ｃ）。実行される次のモーションプリミティブが、手をコップの周りで手を閉じる（図３Ｄ）。それから、システムは、次のモーションプリミティブを実行し（図３Ｅ）、コップレベルを保つように連携された態様でひじおよび手首を動かすことによって、コップを持ち上げた。図３Ｆでは、コップが、ユーザの前方の所望の飲む場所に到達し、次の運動が実行され、手首の偏位をニュートラルに戻すように調節し、口に向けてコップを傾ける（図３Ｇ）。
【００４７】
図４は、図３Ａ−図３Ｇに示されるそのようなプロセス中の種々の関連するパラメータのグラフを示す。これは、コップから飲むという把持運動タスクが、３つの別個のＤＯＦを用いてより単純な運動をどのように組み合わせるのかを図示する。把持姿勢、手首の偏位の角度、およびひじの角度についての異なる線の各セグメントは、ある時間にわたる別個の異なるモーションプリミティブである。並列で共に組み合されるとき、モーション連鎖を形成する複合的なセットの把持運動タスク行動が作り出される。
【００４８】
特定の実施形態では、ユーザは、コップを拾い上げ得、またコップの把持が発生しているときは意志的にモーションを遅くするか、または把持の試みがコップを完全に逃した場合には、モーションを逆にし得る。それから、その実施形態は、飲むことを完了するための時間全体を減少させるために、ユーザがコップを持ち上げるときにはモーションを速くし得る。
【００４９】
図５は、単一方向のスクラビングの場合に、どのようにモーション連鎖が形づくられるかの例を示す。単一のＤＯＦは、２０％および１７０％の再生速さの間で変動する速さでスクラビングされることが示される。位置対時間の出力グラフは、スクラビング速さおよび標的となる位置グラフの勾配（速度）の組み合わせに基づく可変速度という結果になる。モーション連鎖は、完了したパーセンテージの観点のみから定義されるが、可変のレートで再生されると、完了時間は、ＶＯＩおよびモーション連鎖の両方に依存することに留意されたい。
【００５０】
図６は、正方向および負方向のＶＯＩを生成するために２つの入力を用いて変速でスクラビングされる、単一のＤＯＦを有する別の例のための波形の同様のセットを示す。正方向の値がより高いとき（真ん中の波形の左側）には、モーション連鎖は、ＶＯＩ値に比例する速さで順方向にスクラビングされる。負方向の値がより高いとき（真ん中の波形の右側）には、モーションは負方向にスクラビングされる。位置対時間の出力グラフは、スクラビング速さおよび標的となる位置グラフの勾配（速度）の組み合わせに基づく可変速度という結果となる。この場合では、モーション連鎖の６０％が遂行され、それから方向が逆にされ、モーション連鎖がＶＯＩに比例する速さで逆に再生され、いくらか対称的な結果を生ずる。
【００５１】
１つの特定の実施形態では、そのような把持運動タスクのための筋センシング信号は、ユーザの二頭筋および三頭筋に接続される拮抗するペアの表面筋電図（ｓＥＭＧ）センサによって生成され得、筋センシング信号がＶＯＩを生成する。それから、二頭筋を屈曲させることが、モーション連鎖を通した速い運動を生成する一方で、三頭筋を屈曲させることは、信号電力に比例する速さでモーション連鎖を通した逆運動を引き起こす。
【００５２】
ＶＯＩは、指のモーションを遂行するために用いられている指の屈筋信号等に生理学的に関連し得るか、または、ＶＯＩは、連携されたひじ、手、および手首の運動を利用する複雑な操作を実行するために胸筋信号を用いること等には生理学的に関連しないことがある。単一入力でのＶＯＩの実施形態にとっては、適度な信号レベルは、不変の閾値レベルと考えられ得、より低いレベルの信号は、逆のモーションのＶＯＩを示し、より高いレベルの信号は、順方向のモーションを示す。閾値からの信号の絶対値が大きくなるほど、モーションの速さは速くなる。オルタナティブ信号センサの実施形態は、ゼロ信号レベルの近傍のゼロモーションセットポイントを有し得、増加する信号レベルは、より速い順方向のモーションを示す。素早い攣縮等の指示が作動されるときに、方向が逆にされ、より高い信号レベルがより速い逆のモーションを示す。攣縮のパターンの代わりに、ボイスコマンドかまたは他方の手でボタンを押すことも、方向を逆にするために用いられ得る。信号ノイズ除去の実用性のために、いくらかの信号レベルが常にノイズの形式で測定されるため、ゼロモーションはゼロ信号レベルにあり得ない。その代わりに、最小の閾値は、ノイズフロアの上に設定され得、その閾値の下にある信号はいずれもゼロとみなされ得る。
【００５３】
情報および／またはデータは、１のモーションプリミティブから別のものへ移行するときを決定するためか、またはモーションプリミティブのオンラインの形を決定するために、角度位置、重力ベクトル、ローカライゼーション情報等の他の搭載センサ、または力／圧力／接触センサから引き出され得る。例えば、コップから飲むときに、尺骨の偏位およびひじの屈曲の連携は、尺骨の偏位が慣性測定ユニット（ＩＭＵ）で測定されるコップレベルを維持するようにリンクされる。ユーザの姿勢に依存して、回内、回外、尺骨の偏位等の特定の運動のために要求される角度は、各々のタスクの実行中で異なり得、そのため、ひじおよび手首の位置の予め定義されたルーチンのみでは、常には満足な遂行を生じないことがある。別の例は、手にある力センサが物体と接触する十分な把持を記録するまで、モーションが閉じる把持方向に行い続けることであり得る。その点において、次のモーションプリミティブへの進行がトリガされる。ロジックはまた、力が記録されるまでかまたはアクチュエータの行程の終了に到達するまで手を閉じる等、分岐および合流し得る。
【００５４】
上で議論された筋センサ配列に加えて、所与の運動タスクのためにモーション連鎖を開始するためのＶＯＩは、ボイスコマンド、デバイス上のボタンを押すこと、電話もしくはタブレット上のコマンドのリストをスクロールすること等のユーザ入力のいくつかの他の形式によって生成されるか、または、場所情報（例えば、ＲＦＩＤタグ、ＱＲコード（登録商標）、もしくは他の場所タグ）に基づくデバイスによって理知的に選択されるか、もしくは把持の場合には、把持される物体を識別および分類するためにビデオカメラを用いて、理知的に選択され得る。
【００５５】
図７は、本発明の実施形態による、手のタスク運動を遂行することにおいてユーザを支援するために適した動力付き矯正デバイス７００の構造の例を示す。ベースセクション７０１は、ユーザの前腕にわたって装備され、かつＶＯＩを生成する筋運動センサ（示されていないが、前腕の屈筋筋肉および伸筋筋肉上へ装備される）を含む。把持アクチュエータ７０４は、把持制御プロセッサを含み、かつモーション連鎖のモーションプリミティブの実行中に運動を支援するために、親指アクチュエータ７０２および指アクチュエータ７０３への動力付き信号を生成する。力センサ７０６は、手のタスク運動の制御のためにフィードバック信号を把持アクチュエータ７０４に提供する。デバイス角度７０５は、中手指節関節（ＭＣＰ）の角度を示し、０度が、指の完全に開いた位置に対応する。
【００５６】
図８は、特に物体を把持、保持および解放することを示す、本発明の実施形態による、モーション連鎖を用いた把持制御プロセスにおける種々の論理ステップを示す把持−解放フローチャートである。まず、ユーザが、「物を掴みたい」と決定するとき（ステップ８０１）、ユーザは、屈筋ＥＭＧ信号を調整可能な「基礎閾値」より上にすることによって初期ＶＯＩを生成して、動力付き矯正デバイスの初期の接触前運動を始める（ステップ８０２）。物体との接触がなされると（ステップ８０３）、指力センサは、把持モードを「接触前」から「確実な握り」へ変化させる初期の０でない力の値を読み込む（ステップ８０４）。「確実な握り」モードでは、屈筋ＥＭＧ信号が閾値より上にある限り、指が閉じるレート（デバイス角度勾配）が、力センサによって駆動される。力センサによって特定の力の閾値に到達すると（ステップ８０５）、把持モードは、「確実な握り」モードから「保持」モードへ変化する（ステップ８０９）。「保持」モードでは、ユーザは屈筋ＥＭＧ信号を基礎閾値より下に緩和し得、デバイスは、物体に対するその握りを維持する。この基本の接触前−確実−保持シーケンスに関連する種々の例示的な波形が図９に示される。
【００５７】
ユーザが、「確実な握り」モード（ステップ８０４）にあり、位置を保持するために任意の点に屈筋ＥＭＧ信号を緩和し得るか、または、ユーザが、デバイス角度および物体を保持する力を増加させ続けるように、一度緩和されて基礎閾値より上へ屈筋ＥＭＧ信号を上昇させ得る、保持／段階的昇降モードも提供される。この基本の接触前−確実−保持／段階的昇降シーケンスが、図１０に示される。
【００５８】
確実な握りモード（ステップ８０４）から、保持モード（ステップ８０９）へ滑らかに進行するのではなく、ユーザが物体を解放することを欲するように、握りを確実にするプロセスにおいて何かうまくいかないことがある。単一の屈筋筋肉センサを有する実施形態では、プロセスにおける特定の点で、ユーザが握りを確実にすることを望まないときには、その後、解放閾値の下へ落ちるまでそれらの屈筋筋肉センサ信号を解放し（ステップ８０６）、そのため、解放モードがトリガされ（ステップ８０７）、指が開くレート（デバイス角度勾配）が力センサによって駆動される間、物体は解放される。図１１は、この単一センサの接触前−解放トリガ−解放プロセスに関連する種々の例示的な波形を示す。
【００５９】
２センサの実施形態では、屈筋筋肉センサ信号および伸筋筋肉センサ信号の両方がＶＯＩのために利用可能であり、物体との接触がなされる（ステップ８０３）まで屈筋センサ信号を調整可能な基礎閾値より上にすることによって、ユーザが運動を開始する（ステップ８０２）。しかし、いくつかの点では、ユーザは把持を確実にすることを望まず（ステップ８０６）、屈筋センサ信号を解放し、伸筋センサ信号を調整可能な基礎閾値より上に上昇させて（ステップ８０６）、解放モードをトリガし（ステップ８０７）、ユーザが伸筋ＥＭＧ信号を基礎閾値より上に維持する限り、物体が解放される（ステップ８０８）。物体が解放されるときに、再び、指が開くレート（デバイス角度勾配）が屈筋センサによって駆動される。図１２は、この２センサの接触前−解放トリガ−解放プロセスに関連する種々の例示的な波形を示す。
【００６０】
物体を解放するための意思決定ではなく、物体が不注意で滑り得、それによって、力センサは解放モードをトリガするゼロの力信号を生成する。特に、完全な把持／保持モードにあると（ステップ８０９）、滑りが検出される場合に（ステップ８１０）把持補正が試みられ得るか（ステップ８１１）、さもなければ、解放トリガモードに入り（ステップ８０７）、物体が解放される（ステップ８０８）。図１３は、単一の屈筋センサの場合のこの滑りについての種々の例示的な波形を示しており、解放モードにおいて基礎閾値より下に緩和されるときに、ユーザの把持を開く（デバイス角度を０へと下方に戻すことをもたらす）。２つの筋センサを有する事象においては、伸筋センサ信号を基礎閾値より上に上昇させることがまた、ユーザの把持を開き得る。
【００６１】
完全な把持／保持モードでは（ステップ８０９）、ユーザは、有意なＶＯＩ信号なしで物体を保持する。ユーザが物体を解放することを欲すると、彼／彼女は、解放トリガモードに入る（ステップ８０７）まで、調整可能な時間にわたって基礎閾値より上にＶＯＩ信号を増加させる（ステップ８１２）。解放モードにあると、ユーザは、ＶＯＩ信号を解放閾値より下に緩和することによって物体を解放し得（ステップ８０８）、力センサが、指が一定のレートで開くような力を全く読み込まなくなるまで、指は、力センサによって駆動されるレートで開く。図１４は、単一の屈筋センサの場合のこの滑りについての種々の例示的な波形を示し、図１５は、２センサの実施形態の場合の同様の波形を示す。
【００６２】
上で説明されたもの等の動力付き矯正デバイスおよび把持制御システムは、他のデバイスが単独では達成不可能な行動を完了させるために、他の外部デバイスへ増強した機能性を提供し得る。つまり、いくつかの把持タスクを成し遂げるために、複数の異なるデバイスを連携させることが有益である。例えば、そのような配置は、車いす（「他の外部デバイス」）に座っているユーザが、現在テーブル上の手の届かない物体を把持することを助け得る。図１６は、動力付き矯正デバイスが「アームエグゾスケルトン」と称されるそのようなシナリオでの動作を図示し、「アームエグゾスケルトン」は、ただ１つのデバイスを有するユーザによってなされ得るよりも複雑かまたはより大きい運動タスクを完了するために、その動作を動力付き車いすと連携させることが可能である。特に、アームエグゾスケルトンおよび動力付き車いすは、マスター−スレーブ配置で構成され得、その配置においては、明示的なコマンドがマスターデバイスからスレーブデバイスへ送られ、そのコマンドが、マスターデバイスによって制御されている運動タスクを遂行するために何をすべきかをスレーブデバイスに教示する。
【００６３】
状況に基づいてリアルタイムで必要とされる場合に、新たな把持およびモーション連鎖が、習得および獲得され得る。通常の生活で起こり得るそのような新たなタスクの例は、重いブーツのような新種の物体を把持することか、新たなハンディキャップアクセスボタンを動作させることか、ゴルフクラブをスイングするような新たなスポーツをプレイするためのデバイスを用いることか、または新たなコーヒーマグのために握りサイズを調節するだけの簡単なことでさえも含み得る。そのような新たなタスクシナリオは、例えば、メニューから新たなタスクを選択することによってか、またはオーディオダウンロードコマンドによって、カメラベースの画像分類器に基づいてトリガされ得る。加えてまたは代替として、把持制御システムは、規則的にかまたはオンデマンドで、把持制御システムに新たなふるまい／日々のアップデートを提供する遠隔のサーバへ接続し得る。
【００６４】
図１７は、そのような新たなタスクモーション連鎖を獲得するための１つの特定の配置を示す。システムがタスクまたは目標を識別し（ステップ１７０１）、このタスクが現在定義されていないことを決定する（ステップ１７０２）と、システムは、それから、初めにリアルタイムでそのタスクを定義し、かつ遠隔のクエリデータベースにアクセスし（ステップ１７０４）、中央データベース１７０５から新たなタスクのための命令を取得する。新たなタスクのための命令が中央データベースに存在する場合（ステップ１７０６）、システムは新たなタスクのための命令をダウンロードし（ステップ１７０７）、そしてそのタスクが完了され得る（ステップ１７１０）。新たなタスクのための命令が、ステップ１７０６において中央データベースに存在しない場合、システムは、新たな解決策を開発するように試み得る（ステップ１７０８）。新たな解決策のためのモーション連鎖のそのような開発は、ローカルにデバイスにおいてか、またはリモートで中央サーバにおいてか、またはローカルリソースおよびリモートリソースの両方の組み合わせおよび連携によって処理され得る。それが成功される場合（ステップ１７０９）、システムは、それから、新たなタスクのための新たな命令をダウンロードし（ステップ１７０７）、タスクが完了され得る（ステップ１７１０）。そうでない場合、ルーチンは失敗に終わり（ステップ１７１１）、新たなタスクのための命令を取得できない。開発されるそのような新たなタスク解決策はまた、他のユーザにとって利用可能であるように（例えば、同一の型のコップを拾い上げる）、中央データベースへ再アップロードし得る。
【００６５】
本発明の実施形態は、ＶＨＤＬ、ＳｙｓｔｅｍＣ、Ｖｅｒｉｌｏｇ、ＡＳＭ等の任意の従来のコンピュータプログラミング言語で、部分的にインプリメントされ得る。本発明のオルタナティブ実施形態は、予めプログラムされたハードウェア要素としてか、他の関連する構成要素か、またはハードウェア構成要素およびソフトウェア構成要素の組み合わせとしてインプリメントされ得る。
【００６６】
実施形態は、コンピュータシステムでの使用のためのコンピュータプログラム製品として部分的にインプリメントされ得る。そのようなインプリメンテーションは、コンピュータ可読媒体（例えば、ディスケット、ＣＤ−ＲＯＭ、ＲＯＭ、もしくは固定ディスク）等の有形の媒体に固定されるか、または、媒体上のネットワークへ接続される通信アダプタ等のモデムもしくは他のインタフェースデバイスを介してコンピュータシステムへ送信可能に固定されるかのいずれかである一連のコンピュータ命令を含み得る。媒体は、有形の媒体（例えば、光学またはアナログの通信ライン）か、または無線技術（例えば、マイクロ波、赤外線もしくは他の送信技術）でインプリメントされる媒体のいずれかであり得る。一連のコンピュータ命令は、システムに関して本明細書で既に説明された機能性の全てまたはそのうちの一部を具現化する。当業者は、そのようなコンピュータ命令が、多くのコンピュータアーキテクチャまたは動作システムにおける使用のための多数のプログラミング言語で記され得ることを認識するはずである。さらに、そのような命令は、半導体メモリデバイスか、磁気メモリデバイスか、光学メモリデバイスか、または他のメモリデバイス等の任意のメモリデバイスに記憶され得、光学送信テクノロジか、赤外線送信テクノロジか、マイクロ波送信テクノロジか、または他の送信テクノロジ等の任意の通信テクノロジを用いて送信され得る。そのようなコンピュータプログラム製品は、印刷された書類かもしくは電子書類（例えば、シュリンクラップソフトウェア）を伴った取り外し可能媒体として分配されるか、コンピュータシステムに（例えば、システムＲＯＭもしくは固定ディスクに）前もってインストールされるか、またはサーバかもしくはネットワーク（例えば、ＩｎｔｅｒｎｅｔもしくはＷｏｒｌｄ  Ｗｉｄｅ  Ｗｅｂ）上の電子掲示板から分配され得る。勿論、本発明のいくつかの実施形態は、ソフトウェア（例えば、コンピュータプログラム製品）およびハードウェアの両方の組み合わせとしてインプリメントされ得る。本発明のさらに他の実施形態は、完全にハードウェアウェアかまたは完全にソフトウェア（例えば、コンピュータプログラム製品）としてインプリメントされる。
【００６７】
本発明の種々の例示的な実施形態が開示されたが、本発明の真の範囲から出ずに、本発明の利点のうちのいくつかを達成する種々の変化および改変がなされ得ることが、当業者にとって明らかであるはずである。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図３Ｇ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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