СПОСОБ ПРИВЕДЕНИЯ В ДВИЖЕНИЕ ЭКЗОСКЕЛЕТА
METHOD OF ACTUATING AN EXOSKELETON

Общая область техники
Настоящее изобретение относится к области роботов типа экзоскелета.
В частности, оно касается способа приведения в движение экзоскелета.
Уровень техники
С недавних пор для лиц с серьезными проблемами подвижности, таких как лица, пораженные параличом, появились устройства для ходьбы с помощью технических средств, называемые экзоскелетами, которые представляют собой внешние роботизированные устройства, которые человек-оператор (пользователь) «надевает на себя» при помощи системы креплений, связывающей движения экзоскелета с его собственными движениями. Экзоскелеты нижних конечностей имеют несколько шарниров, обычно по меньшей мере на уровне колен и бедер, чтобы воспроизводить движения ходьбы. Приводы обеспечивают приведение в движение этих шарниров, которые, в свою очередь, заставляют двигаться оператора. Система интерфейса позволяет оператору выдавать команды на экзоскелет, и система управления преобразует эти команды в команды для приводов. Обычно устройство дополнено датчиками.
Эти экзоскелеты представляют собой большой шаг вперед по сравнению с инвалидными колясками, так как позволяют операторам вставать и шагать. Экзоскелеты больше не ограничены колесами и теоретически могут передвигаться в большинстве неплоских окружающих сред: с другой стороны, в отличие от ног колеса не позволяют преодолевать серьезные препятствия, такие как ступеньки, лестницы, препятствия большой высоты и т.д.
Человеческая деятельность часто включает в себя сидячее положение: во время еды, во время работы, в транспорте сидячее положение является очень распространенным положением. В большинстве случаев использование экзоскелета лицами, пораженными параличом, предусматривает даже перемещение из инвалидной коляски в экзоскелет в сидячем положении. Следовательно, интерес и даже возможность использования экзоскелета в большой степени зависит от его способности подниматься, то есть переходить из сидячего положения в стоячее положение.
В патентных заявках WO 2010044087, EP 1260201 и US 20130150980 было предложено определить «сидячее» и «стоячее» состояния и предусмотреть алгоритмы перехода между этими состояниями. В частности, вставание происходит при обнаружении контакта с землей при помощи датчиков стопы, после чего активируются сагиттальные приводы бедра и стопы.
Вместе с тем, отмечается, что этот подход является упрощенческим и не обеспечивает комфортабельного движения и естественных ощущений. Действительно, сама по себе реализация движения вставания сталкивается с четырьмя факторами:
- Кресла, стулья и другие виды опоры, на которые можно садиться, имеют самые разные формы и размеры. Кроме того, положения усаживания будут различаться в зависимости от каждого пользователя: то, что является практичным для одного пользователя, не будет таким для другого. Точно так же, стоячее положение должно различаться в зависимости от пользователей. Действительно, каждый имеет свое собственное распределение массы и, следовательно, свои стоячие положения со специфическим для них равновесием. Кроме того, некоторые предпочитают слегка отклоняться назад с более или менее согнутыми коленями и т.д. Идеальное стоячее положение зависит даже от того, что пользователь собирается делать после вставания. Все это предполагает, что исходное и конечное положения экзоскелета при вставании должна быть адаптированы для каждого пациента и для каждого случая использования.
- Для обеспечения движения вставания ступни пациента должны оставаться на земле в течение всего движения. Таким образом, даже зная сидячее положение и стоячее положение, совсем не просто найти движение перехода от одного к другому, соблюдая требование кинематического воздействия на стопы.
- Как правило, сидячие положения характеризуются сильным сгибанием ног с центром давления, находящимся далеко сзади стоп. Следовательно, момент веса в начале движения является очень важным и требует значительных пар сил, чтобы достичь разогнутого положения. Стандартные контроллеры, отслеживающие во времени заранее вычисленную траекторию, могут усугубить эту проблему: если два шарнира не обеспечивают одинакового качества следования, например, один следует траектории с опережением, а другой запаздывает, конфигурация может еще больше затруднить движение. Это относится, в частности, к случаю, когда бедра распрямляются слишком быстро по сравнению с коленями, в этом случае таз отводится далеко назад и действует очень большим моментом на колени.
- Важно синхронизировать движение верхней части тела пациента (который, например, наклоняется вперед или опирается на подлокотники…) с движением ног. Если пациент должен приспособиться к экзоскелету, фазы обучения будут очень долгими и трудными. Поскольку движение экзоскелета адаптировано к движению верхней части тела пациента, это позволяет сократить необходимый для пациента период обучения. Кроме того, пациенты пользуются возможностью контролировать движение и участвовать в его осуществлении.
Следовательно, существует потребность в новом методе вставания из сидячего положения для экзоскелетов, который позволяет преодолеть эти недостатки и является эффективным, универсальным (обеспечивает вставание с любого стула и при любом исходном положении пользователя), комфортабельным и естественным.
Раскрытие изобретения
Таким образом, первым объектом изобретения является способ приведения в движение экзоскелета, надетого на человека-оператора, из сидячего положения в стоячее положение, при этом указанные сидячее и стоячее положения являются такими, при которых указанный экзоскелет имеет в указанных сидячем и стоячем положениях несколько степеней свободы, каждая из которых активируется приводом, управляемым средствами обработки данных таким образом, что ни одна степень свободы не является не активируемой, при этом способ отличается тем, что включает в себя осуществление следующих этапов средствами обработки данных:
(а) генерирование траектории экзоскелета из указанного сидячего положения в указанное стоячее положение, при этом указанная траектория параметризована временем;
(b) применение на указанной траектории набора ограничительных условий для указанных активируемых степеней свободы, при этом ограничительные условия параметризованы по переменной фазы.
(с) активизация контроллера указанного экзоскелета для указанного набора виртуальных ограничительных условий таким образом, чтобы экзоскелет перешел из сидячего положения в стоячее положение, при этом указанный контроллер способен генерировать команды для указанных приводов таким образом, чтобы соблюдать указанные виртуальные ограничительные условия по ходу указанной траектории.
Согласно другим предпочтительным и не ограничительным отличительным признакам:
- генерирование траектории экзоскелета на этапе (а) осуществляют при получении запроса на вставание;
- запрос на вставание соответствует положению тела указанного человека-оператора;
- торс оператора оснащен множеством датчиков положения тела, при этом запрос на вставание обнаруживают в зависимости от положения указанного торса оператора, измеряемого множеством датчиков;
- этап (а) включает в себя определение указанного сидячего положения и/или указанного стоячего положения;
- этап (а) включает в себя идентификацию временного положения, занимаемого экзоскелетом, во время получения запроса на вставание и определение указанного сидячего положения и указанного стоячего положения на основании временного положения;
- указанные определяемые сидячее положение и стоячее положение являются приемлемыми положениями относительно заранее определенных ограничительных условий;
- указанные заранее определенные ограничительные условия включают в себя нахождение в состоянии устойчивости, в котором центр давления, СоР, находится в пределах площади опорного основания экзоскелета, и ограничительные условия, связанные с положением тела;
- этап (b) включает в себя предварительный выбор переменной фазы;
- в базе данных, записанной в средствах хранения данных, хранятся следующие пары:
- набор виртуальных ограничительных условий для указанных активируемых степеней свободы, при этом виртуальные ограничительные условия параметризованы по переменной фазы,
- контроллер указанного экзоскелета, ассоциированный с набором виртуальных ограничительных условий;
при этом этап (с) включает в себя идентификацию набора ограничительных условий в зависимости от выбранной переменной фазы.
Вторым объектом изобретения является способ приведения в движение экзоскелета, надетого на человека-оператора, из стоячего положения в сидячее положение, при этом указанные сидячее и стоячее положения являются такими, при которых указанный экзоскелет имеет в указанных сидячем и стоячем положениях несколько степеней свободы, каждая из которых активируется приводом, управляемым средствами обработки данных таким образом, что ни одна степень свободы не является не активируемой, при этом способ отличается тем, что включает в себя осуществление следующих этапов средствами обработки данных:
(а) генерирование траектории экзоскелета из указанного стоячего положения в указанное сидячее положение, при этом указанная траектория параметризована временем.
(b) применение на указанной траектории набора ограничительных условий для указанных активируемых степеней свободы, при этом ограничительные условия параметризованы по переменной фазы.
(с) активирование контроллера указанного экзоскелета для указанного набора виртуальных ограничительных условий таким образом, чтобы экзоскелет перешел из стоячего положения в сидячее положение, при этом указанный контроллер способен генерировать команды для указанных приводов таким образом, чтобы соблюдать указанные виртуальные ограничительные условия по ходу указанной траектории.
Третьим объектом изобретения является экзоскелет, надеваемый на человека-оператора, содержащий средства обработки данных, выполненные с возможностью реализовать:
- модуль генерирования траектории экзоскелета из сидячего положения в стоячее положение, при этом указанный экзоскелет имеет в указанных сидячем и стоячем положениях несколько степеней свободы, каждая из которых активируется приводом, управляемым средствами обработки данных таким образом, что ни одна степень свободы не является не активируемой, при этом указанная траектория параметризована временем;
- модуль применения на указанной траектории набора ограничительных условий для указанных активируемых степеней свободы, при этом ограничительные условия параметризованы по переменной фазы;
- модуль активирования контроллера указанного экзоскелета для указанного набора виртуальных ограничительных условий таким образом, чтобы экзоскелет перешел из сидячего положения в стоячее положение, при этом указанный контроллер способен генерировать команды для указанных приводов таким образом, чтобы соблюдать указанные виртуальные ограничительные условия по ходу указанной траектории.
Четвертым объектом изобретения является экзоскелет, надеваемый на человека-оператора, содержащий средства обработки данных, выполненные с возможностью реализовать:
- модуль генерирования траектории экзоскелета из стоячего положения в сидячее положение, при этом указанный экзоскелет имеет в указанных сидячем и стоячем положениях несколько степеней свободы, каждая из которых активируется приводом, управляемым средствами обработки данных таким образом, что ни одна степень свободы не является не активируемой, при этом указанная траектория параметризована временем;
- модуль применения на указанной траектории набора ограничительных условий для указанных активируемых степеней свободы, при этом ограничительные условия параметризованы по переменной фазы;
- модуль активизации контроллера указанного экзоскелета для указанного набора виртуальных ограничительных условий таким образом, чтобы экзоскелет перешел из стоячего положения в сидячее положение, при этом указанный контроллер способен генерировать команды для указанных приводов таким образом, чтобы соблюдать указанные виртуальные ограничительные условия по ходу указанной траектории.
Пятым и шестым объектами изобретения являются компьютерный программный продукт, содержащий командные коды для исполнения заявленного способа приведения в движение экзоскелета согласно первому или второму объектам изобретения; и средство хранения информации, считываемое вычислительным оборудованием, на котором компьютерный программный продукт содержит командные коды для исполнения заявленного способа приведения в движение экзоскелета согласно первому или второму объектам изобретения.
Описание фигур
Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания предпочтительного варианта выполнения. Это описание представлено со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 - схема экзоскелета (типа экзоскелета) для осуществления заявленного способа;
фиг. 2 - пример изменения переменной фазы и изменения активируемой степени свободы в зависимости от этой переменной фазы;
фиг. 3 - блок-схема предпочтительного варианта осуществления заявленного способа.
Подробное описание
Архитектура
Как показано на фиг. 1, представленный способ является способом обеспечения вставания экзоскелета 1, то есть механической шарнирной системы типа активируемого приводами и управляемого двуногого роботизированного устройства, имеющего две ноги, которое надевают на человека-оператора, каждую из нижних конечностей которого неподвижно соединяют с ногой экзоскелета 1 (в частности, при помощи лямок). Оно может быть более или менее человекоподобным роботом.
Экзоскелет 1 содержит на каждой ноге конструкцию стопы, имеющую опорную плоскость, на которую может опираться стопа ноги человека с надетым на него экзоскелетом, когда стопа находится в положении опоры.
Под «вставанием» в данном случае следует понимать приведение в движение экзоскелета 1 таким образом, чтобы перейти из сидячего положения в стоячее положение. В данном случае эти термины имеют свое естественное значение. В частности, под сидячим положением следует понимать положение, в котором оператор, оснащенный экзоскелетом, опирается на сидение, то есть поддерживается на уровне своего «седалища». Как будет показано ниже, обычно выбирают «приемлемое» сидячее положение, в частности, в котором обе стопы экзоскелета полностью опираются на землю. В стоячем положении оператор опирается только на свои две ноги, предпочтительно распрямленные, то есть он не имеет никаких других точек опоры, кроме двух стоп. Как и в случае сидячего положения, обычно речь идет о положении, в котором обе стопы экзоскелета полностью опираются на землю. Как в сидячем, так и в стоячем положениях экзоскелет должен находиться в состоянии устойчивости, то есть оператор должен оставаться статичным и не падать.
Под состоянием устойчивости предпочтительно понимают состояние, в котором центр массы СоМ (“Center of Mass”) находится в пределах площади опорного основания экзоскелета 1. СоМ совпадает в неподвижном положении с точкой нулевого момента ZMP (“Zero Moment Point”) и, в частности, обозначает точку, в которой две из трех координат момента сил контакта являются нулевыми (чистая вертикальность).
Экзоскелет 1 имеет несколько степеней свободы, то есть содержит несколько деформируемых шарнирных сочленений (как правило, вращающихся), то есть подвижных относительно друг друга, при этом каждое из них является либо «активируемым», либо «не активируемым».
Активируемая степень свободы обозначает шарнир, оснащенный приводом, управляемым средствами 11 обработки данных, то есть эта степень свободы является контролируемой, и на нее можно воздействовать. С другой стороны, не активируемая степень свободы представляет собой шарнир, не имеющий привода, то есть эта степень свободы следует своей собственной динамике, и средства 11 обработки данных не контролируют ее напрямую (но априори существует непрямой контроль через другие активируемые степени свободы). В примере, представленном на фиг. 1, контакт пятка-земля является точечным, и экзоскелет 1 может свободно поворачиваться относительно этой точки контакта. Угол между осью пятка-бедро и вертикалью образует не активируемую степень свободы.
В данном случае, как будет пояснено ниже, указанные сидячее и стоячее положения являются такими, при которых указанный экзоскелет 1 не имеет в этих положениях ни одной степени свободы, которая является не активируемой, то есть система не является недостаточно активируемой (степень свободы с недостаточным активированием, то есть когда число не активируемых степеней свободы равно нулю, означает, что изменение системы является полностью определенным).
Это объясняет, почему сидячее и стоячее положения чаще всего требуют полной опоры на обе стопы: контакт пятка-земля больше не является точечным, и угол между осью пятка-бедро и вертикалью больше не образует не активируемую степень свободы экзоскелета 1 из-за отсутствия свободного вращения. Вместе с тем, понятно, что настоящее изобретение не ограничивается сидячим и стоячим положениями с полной опорой на землю обеими стопами, так как единственным необходимым условием является полное отсутствие не активируемой степени свободы, и можно найти положения (в частности, сидячие положения), которые являются полностью активируемыми, ходя опора на стопу не является полной.
Средства 11 обработки данных представляют собой компьютерное устройство (как правило, процессор, который является внешним, если экзоскелет 1 является «телеуправляемым», но предпочтительно установлен в экзоскелете 1), выполненное с возможностью обрабатывать поступающие команды и создавать команды для различных приводов. Последние могут быть электрическими, гидравлическими и т.д.
Настоящая заявка не ограничивается архитектурой экзоскелета 1, и в качестве примера можно взять сведения из заявок WO 2015140352 и WO 2015140353.
Специалист в данной области сможет адаптировать настоящий способ для любой другой механической архитектуры.
Динамика
+
0
Традиционно, траектории, то есть изменения каждой степени свободы, выражаются в зависимости от времени. «Динамику» системы определяют по функции f: χ × U × R → χ и по исходной точке ξ ∈ χ, при этом функцию f записывают как , x = ξ, при этом χ является пространством состояния экзоскелета 1, и U является пространством контроля, а t обозначает время.
В рамках так называемого метода «виртуальных ограничительных условий» общее правило состоит в том, чтобы при выборе активируемых степеней свободы определять траекторию, параметризируемую параметром развития не во времени, а напрямую как функцию конфигурации, этот параметр называют переменной фазы. Пример такой переменной фазы представлен на фиг. 1, и речь идет об угле между осью пятка-бедро и вертикалью, который в этом случае образует вышеупомянутую не активируемую степень свободы.
Метод виртуальных ограничительных условий хорошо известен, и его обычно применяют для движения, в котором по меньшей мере одна степень свободы является не активируемой, в частности, для ходьбы, как предложено в заявке FR1750217.
В таком случае переменная фазы позволяет определить «продвижение» на один шаг. В частности, при каждом шаге переменная фазы постоянно переходит от первоначального значения к конечному значению, после чего опять принимает первоначальное значение: это начало следующего шага. Для облегчения можно нормализовать значение параметра фазы между 0 и 1.
Каждому значению параметра изменения соответствует одно значение активируемых степеней свободы, которому система должна стараться следовать: именно эти соотношения (одно для каждой активируемой степени свободы, которую можно таким образом контролировать) называют виртуальными ограничительными условиями. На фиг. 2 показано, как работают виртуальные ограничительные условия для одного шарнирного сочленения - колена.
Если система точно следует этой траектории при степенях свободы, на которые можно или на которые хотят воздействовать, иначе говоря, если виртуальные ограничительные условия для этих степеней соблюдены, то движение системы полностью определяется изменением не активируемых степеней свободы, которые следуют своей собственной динамике.
Эту динамику называют «гибридной нулевой динамикой» или HZD (Hybrid Zero Dynamics), так как:
- ее называют «нулевой», поскольку она соответствует степеням, на которые не может/не хочет действовать команда, то есть команда равна 0;
- ее называют «гибридной», так как соприкосновение стопы с землей задает дискретные моментальные фазы, которые перемежают непрерывные фазы.
Как неожиданно выяснилось, в рамках способа обеспечения вставания экзоскелета 1 можно применить метод виртуальных ограничительных условий, даже когда все степени свободы являются активируемыми, и движение не является циклическим (речь не идет о шаге), и, следовательно, динамика HZD не может быть применена.
Во время движения в виде ходьбы введение переменной фазы является способом адаптации к недостаточному активированию системы. Во время движения в виде вставания система является полностью активируемой, но трудность состоит в координации торса пациента и различных шарниров экзоскелета, некоторые из которых не двигаются так быстро, как было предусмотрено, по причине насыщения вращающего момента, непредвиденных движений пользователя или других помех.
Таким образом, заявитель установил, что при выборе соответствующей переменной фазы и тем более переменной фазы, отличной от переменных фазы, используемых при ходьбе (надлежащая переменная фазы при ходьбе не всегда является надлежащей переменной фазы при вставании: монотонная переменная во время ходьбы не обязательно является монотонной переменной во время вставания), неожиданно выяснилось, что метод виртуальных ограничительных условий позволяет легко синхронизировать движение вставания и, следовательно, избегать слишком быстрого распрямления шарниров, чтобы точно осуществлять его со скоростью, задаваемой оператором, при существенно лучшем комфорте и увеличенной функциональности.
В частности, необходимо выбирать переменные фазы, над которыми пользователь может установить прямой контроль. Например, можно указать положения колена или угол торса.
Способ
Настоящий способ начинается с этапа (а) генерирования траектории экзоскелета 1 из указанного сидячего положения в указанное стоячее положение, при этом указанную траекторию параметризуют по функции времени. Предпочтительно этот этап осуществляют при получении запроса на вставание.
В связи с этим этап (а) предпочтительно включает в себя обнаружение намерения оператора встать, чтобы создать указанный запрос на вставание.
Действительно, если экзоскелет 1 является экзоскелетом, внутри которого находится человек-оператор, именно положение тела указанного человека-оператора определяет его намерения (в отличие от нормального робота, который может напрямую получать стандартный запрос на вставание). Необходимо отличать простое движение оператора на стуле (например, поворот, чтобы посмотреть налево, оставаясь при этом в сидячем положении) от движения перехода в стоячее положение.
Для этого оператор может надеть на себя жилет 10 с датчиками, позволяющими отслеживать конфигурацию его торса (ориентацию торса). Запрос на вставание может соответствовать конкретному положению тела оператора, например, его наклону вперед, указывающему на его намерение начать движение из сидячего положения в стоячее положение, и, следовательно, подаче команды в средства обработки данных на осуществление этапа (а). Этот алгоритм запуска может быть основан на предварительно вычисленных и протестированных параметризованных движениях или на движениях, отмеченных датчиками, например, средств 13 обнаружения соприкосновения стоп с землей и/или инерциальных средств 14 измерения, которыми оснащен экзоскелет 1. Альтернативно, запрос на вставание может соответствовать случаю, когда оператор нажимает на кнопку.
После получения запроса на вставание, как показано на фиг. 3, этап (а) может содержать предварительный подэтап генерирования сидячего положения и/или стоячего положения. Этот подэтап является факультативным, так как эти положения могут быть доступны напрямую (в частности, оператор может уже находиться в приемлемом сидячем положении в момент начала движения, и целевое стоячее положение может быть предусмотрено заранее).
Начиная от «временного» сидячего положения, соответствующего сидячему положению, когда получение запроса на вставание предпочтительно определяет «исходное» сидячее положение, являющееся приемлемым сидячим положением, которое будет использовано в рамках настоящего способа (положение, начиная от которого будет осуществляться движение к стоячему положению, при этом в дальнейшем тексте настоящего описания «сидячее положение» будет обозначать приемлемое сидячее положение и, в частности, указанное исходное сидячее положение).
В частности, «приемлемые» сидячее и стоячее положения представляют собой положение, в котором, как было указано выше, все степени свободы являются активируемыми (обычно стопы опираются на землю), предпочтительно с соблюдением ограничительных условий, в том числе ограничительного условия устойчивости (СоМ находится над опорами), ограничительных условий положения тела, таких как амплитуды шарниров, вращательные моменты и т.д., и ограничительных условий, определяемых временным положением, таких как высота сидения (только для сидячего положения), промежуток между стопами, ориентация таза и т.д. Следует отметить, что некоторые ограничительные условия, такие как промежуток между стопами или ориентация таза, могут быть определены повторно по отношению к временному положению, если их значения не обеспечивают правильной траектории.
Определение одного или другого из приемлемых сидячего или стоячего положений можно осуществить при помощи инверсной кинематики с определением соответствующих задач.
Предпочтительно, сидячее положение и стоячее положение имеют общую когерентность положения тела, например, одинаковое положение стоп (то есть движется только остальная часть экзоскелета 1), чтобы гарантировать, что в течение всего движения все степени свободы будут активируемыми.
Таким образом, сразу после получения запроса на вставание этап (а) предпочтительно включает в себя идентификацию временного сидячего положения. На основании этого вычисляют соответствующие ограничительные условия, которые послужат основанием для определения приемлемых сидячего и стоячего положений (высота сидения, промежуток между стопами, данные о положении тела и т.д.), используя модель оператора и экзоскелета 1, которая может быть генерирована заранее на основании измерений, связанных с оператором (расстояние между центрами сочленений, вес, рост).
Сидячее (исходное) и стоячее положения определяют при помощи указанных ограничительных условий, добиваясь когерентности положения тела. После этого можно определить траекторию в зависимости от связывающего их времени.
Определение на этапе (а) траектории между сидячим и стоячим положениями можно производить многими известными способами, например, при помощи инверсной кинематики второго порядка.
Динамическую траекторию, позволяющую связать одно положение с другим, определяют, в частности, по положениям/скоростям/ускорениям в зависимости от времени для всех сочленений с соблюдением возможных вышеупомянутых системных ограничительных условий: амплитуды сочленений, скорости, доступные вращательные моменты, опора стоп на землю и т.д.
Таким образом, этап (а) позволяет убедиться, что траектория является реализуемой, и учитывать возможные ограничительные условия вращательных моментов, шарнирных сочленений и т.д.
На этапе (b) траекторию во времени переводят в виртуальные ограничительные условия. В частности, к этой траектории применяют набор виртуальных ограничительных условий на указанных активируемых степенях свободы, при этом виртуальные ограничительные условия параметризуют по переменной фазы.
Этот этап (b) может включать в себя предварительный выбор указанной переменной фазы. Как было указано выше, необходима переменная, изменение которой является монотонным в ходе движения и поддается измерению. Предпочтительно, чтобы оператор мог воздействовать на изменение этой переменной, чтобы контролировать исполнение движения. Этот переход к виртуальным ограничительным условиям позволяет, как было указано выше, избегать слишком быстрого распрямления сочленений, что обеспечивает ощущаемое увеличение комфорта.
Для данного набора виртуальных ограничительных условий «ограничительное» состояние представляет собой топологическое многообразие динамики, в котором каждая точка определена значением параметра фазы (и, возможно, их производными).
Набор виртуальных ограничительных условий ассоциирован с контроллером, который способен генерировать команды для указанных приводов таким образом, чтобы соблюдать указанные виртуальные ограничительные условия по ходу траектории.
Следует отметить, что возможно наличие множества наборов ограничительных условий, соответствующих разным переменным фазы или просто разным высотам сидения или разным скоростям вставания.
В связи с этим в рамках способа предпочтительно предложено использовать из базы данных (называемой библиотекой контроля), загруженной в средства 12 хранения данных (память, связанная со средствами 11 обработки данных), по меньшей мере одну пару из:
- набора виртуальных ограничительных условий для указанных активируемых степеней свободы, при этом виртуальные ограничительные условия параметризованы по переменной фазы,
- контроллера указанного экзоскелета 1 (ассоциированного с указанным набором виртуальных ограничительных условий), способного генерировать команды для указанных приводов таким образом, чтобы соблюдать указанные виртуальные ограничительные условия, реализуя по меньшей мере одну стабильную траекторию.
Специалист в данной области может легко генерировать эти пары. Таким образом, этап (b) может включать в себя идентификацию пары из набора виртуальных ограничительных условий и контроллера, в частности, в зависимости от выбранной переменной фазы.
На конечном этапе (с) происходит активизация указанного контроллера указанного экзоскелета 1, ассоциированного с указанным набором (в случае необходимости, идентифицированным) виртуальных ограничительных условий, таким образом, чтобы экзоскелет 1 перешел из сидячего положения в стоячее положение.
В частности, контроллер применяет траекторию, параметризованную по переменной фазы: при помощи контроллера в каждый момент вычисляют переменную фазы и как следствие - заданные положение и скорость каждого активируемого шарнира.
Следует отметить, что, когда необходимо определить приемлемое сидячее положение, отличное от временного положения, этап (с) должен включать в себя переход в это приемлемое сидячее положение до исполнения контроллера. Однако это положение обычно близко к временному положению, занимаемому экзоскелетом в момент начала способа.
На практике таковыми являются два сидячих положения, имеющие общие условия, такие как высота сидения. Часто временное положение соответствует наполовину распрямленным ногам, тогда как приемлемое сидячее положение соответствует более согнутым ногам, чтобы переместить стопы под сидение.
Это решение является исключительно эффективным, так как вся сложность вставания уже пройдена до этого. Во время работы контроллеру экзоскелета остается лишь применить полученную траекторию для обеспечения удобного и естественного движения вставания, независимо от конфигурации.
Начиная с этого момента, можно начать применение способа приведения в движение (ходьбы), в частности, описанного в заявке FR1750217, используя новые наборы виртуальных ограничительных условий и контроллеры, но уже типа HZD (по причине наличия не активируемых степеней свободы во время ходьбы).
Следует отметить, что аналогично можно осуществить «обратный» способ приведения в движение экзоскелета 1 из стоячего положения в сидячее положение (то есть, чтобы садиться, а не вставать).
Этот второй способ основан на том же принципе и является идентичным с первым способом, только меняется порядок между сидячим и стоячим положениями: он включает в себя осуществление с помощью средств 11 обработки данных следующих этапов:
(а) генерирование траектории экзоскелета 1 из указанного стоячего положения в указанное сидячее положение, при этом указанная траектория параметризована временем;
(b) применение для указанной траектории набора виртуальных ограничительных условий для указанных активируемых степеней свободы, при этом ограничительные условия параметризованы по переменной фазы;
(с) активизация контроллера указанного экзоскелета 1, ассоциированного с указанным набором виртуальных ограничительных условий, таким образом, чтобы экзоскелет перешел из стоячего положения в сидячее положение, при этом указанный контроллер способен генерировать команды для указанных приводов таким образом, чтобы соблюдать указанные виртуальные ограничительные условия по ходу указанной траектории.
Специалист в данной области может транспонировать этапы определения приемлемых стоячего и сидячего положений, и все варианты осуществления первого способа (вставания) могут быть адаптированы для второго способа (чтобы садиться).
Устройства и система
Объектом изобретения является также экзоскелет 1, в частности, типа экзоскелета, для осуществления способа в соответствии с первым объектом (вставание) и/или вторым объектом (переход в сидячее положение).
Как было указано выше, экзоскелет 1 содержит средства 11 обработки данных и средства 12 хранения данных (возможно, внешние), а также, в случае необходимости, инерциальные средства 14 измерения (инерциальный датчик) и/или средства 13 обнаружения соприкосновения стоп с землей (датчики контакта или, возможно, датчики давления).
Он имеет несколько степеней свободы, из которых по меньшей мере одна степень свободы активируется приводом, управляемым средствами 11 обработки данных, и, в частности, в указанных сидячем и стоячем положениях каждую из нескольких степеней активирует привод, управляемый средствами 11 обработки данных таким образом, чтобы ни одна степень свободы не была не активируемой.
Средства 11 обработки данных выполнены с возможностью реализовать:
- модуль генерирования траектории экзоскелета 1 из указанного сидячего положения в указанное стоячее положение (и/или из стоячего положения в сидячее положение), при этом указанный экзоскелет 1 имеет в указанных сидячем и стоячем положениях несколько степеней свободы, каждая из которых активируется приводом, управляемым средствами 11 обработки данных таким образом, что ни одна степень свободы не является не активируемой, при этом указанная траектория параметризована временем;
- модуль применения на указанной траектории набора ограничительных условий для указанных активируемых степеней свободы, при этом ограничительные условия параметризованы по переменной фазы;
- модуль активизации контроллера указанного экзоскелета для указанного набора виртуальных ограничительных условий таким образом, чтобы экзоскелет перешел из сидячего положения в стоячее положение (и/или из стоячего положения в сидячее положение), при этом указанный контроллер способен генерировать команды для указанных приводов таким образом, чтобы соблюдать указанные виртуальные ограничительные условия по ходу указанной траектории.
Компьютерный программный продукт
Пятым и шестым объектами изобретения являются компьютерный программный продукт, содержащий командные коды для исполнения (на средствах 11 обработки данных) способа приведения в движение экзоскелета 11 согласно первому или второму объектам изобретения, а также средства хранения информации (например, средства 12 хранения данных), считываемые вычислительным оборудованием, на которых записан этот компьютерный программный продукт.