ЧЕЛОВЕКО-МАШИННЫЙ ИНТЕРФЕЙС ДЛЯ ОРТОПЕДИЧЕСКИХ АППАРАТОВ НИЖНИХ КОНЕЧНОСТЕЙ

1. Способ управления механизированным ортопедическим аппаратом для нижних конечностей, содержащим экзоскелетон, имеющий
часть для талии, выполненную с возможностью перенастройки для присоединения к верхней части тела человека,
по меньшей мере одну опору для ноги, выполненную с возможностью перенастройки для присоединения к первой нижней конечности человека,
по меньшей мере один привод для перемещения указанной по меньшей мере одной опоры для ноги относительно части для талии для обеспечения возможности перемещения первой нижней конечности человека и
множество датчиков для текущего контроля экзоскелетона, включающий
текущий контроль первой ориентации указанного экзоскелетона и второй ориентации второй нижней конечности человека;
регулирование работы указанного по меньшей мере одного привода на основании первой и второй ориентаций и
установление текущего состояния указанного экзоскелетона из ограниченного множества состояний и управление на основании текущего состояния указанным по меньшей мере одним приводом для побуждения механизированного ортопедического аппарата для нижних конечностей выполнять последовательность ориентаций, совместно воспроизводящих естественное человеческое движение.
2. Способ по п. 1, в котором указанная по меньшей мере одна опора для ноги содержит ближний конец, присоединяемый с возможностью поворота к указанной части для талии, и дальний конец, причем способ дополнительно включает оценку прямого и бокового расстояний от ближнего конца до дальнего конца указанной по меньшей мере одной опоры для ноги, а вторая ориентация состоит из упомянутых горизонтального и бокового расстояний от ближнего конца до дальнего конца.
3. Способ по п. 1, в котором опора для ноги содержит участок бедра, присоединяемый с возможностью поворота к части для талии, и участок голени, присоединяемый с возможностью поворота к участку бедра, причем способ дополнительно включает оценку угла участка голени относительно вертикали, а вторая ориентация представляет собой угол участка голени относительно вертикали.
4. Способ по п. 1, в котором опора для ноги содержит участок бедра, присоединяемый с возможностью поворота к части для талии, и участок голени, присоединяемый с возможностью поворота к участку бедра, причем способ дополнительно включает оценку угла участка голени относительно рельефа, а вторая ориентация представляет собой угол участка голени относительно рельефа.
5. Способ по п. 4, дополнительно включающий изменение указанного ряда ориентаций, воспроизводящих человеческое движение, на основании уклона рельефа.
6. Способ по п. 3, дополнительно включающий измерение абсолютного угла участка голени относительно силы тяжести посредством инерциального измерительного блока, связанного с голенью.
7. Способ по п. 3, в котором вторая ориентация состоит из трех показаний, образованных:
(1) измерением углового перемещения между участком голени и участком бедра с помощью датчика углового перемещения;
(2) измерением углового перемещения между бедром и частью для талии с помощью датчика углового перемещения;
(3) измерением угла части для талии относительно силы тяжести посредством инерциального измерительного блока и
оценки угла голени относительно силы тяжести на основании этих трех показаний.
8. Способ по п. 3, дополнительно включающий:
разложение абсолютного угла голени на сагиттальное измерение в сагиттальной плоскости и фронтальное измерение во фронтальной плоскости; и
размещение опоры для ноги, соответствующей первой нижней конечности, в состояние, соответствующее предпринимаемому шагу, когда сагиттальное измерение превышает по меньшей мере сагиттальную пороговую величину, а фронтальное измерение превышает по меньшей мере фронтальную пороговую величину.
9. Способ по п. 3, дополнительно включающий размещение опоры для ноги, соответствующей первой нижней конечности в состояние, соответствующее предпринимаемому шагу, когда угол участка голени относительно силы тяжести превышает по меньшей мере пороговую величину.
10. Способ по п. 1, в котором указанная опора для ноги содержит шарнирную связь бедра, выполненную с возможностью соединения с верхней частью ноги человека и присоединения с возможностью поворота с указанной частью для талии,
причем способ дополнительно включает измерение угла шарнирной связи бедра относительно силы тяжести, который представляет собой вторую ориентацию.
11. Способ по п. 1, в котором опора для ноги содержит стопу, выполненную с возможностью опираться на опорную поверхность в течение фазы опоры, и содержит по меньшей мере один датчик распределения усилия, выполненный с возможностью определения положения центра давления сил, распределенных по подошве стопы,
причем способ дополнительно включает размещение опоры для ноги, соответствующей первой нижней конечности, в состояние, соответствующее принимаемому шагу, когда центр давления попадает в определенную зону.
12. Способ по п. 1, в котором опора для ноги содержит стопу, выполненную с возможностью опираться на опорную поверхность в течение фазы опоры, и содержит по меньшей мере один датчик распределения усилия, помещенный между стопой и человеком,
причем способ дополнительно включает измерение сил взаимодействия, распределенных между указанной стопой и человеком.
13. Способ по п. 11, в котором указанная по меньшей мере одна зона представляет собой боковую сторону стопы.
14. Способ по п. 11, в котором указанная по меньшей мере одна зона представляет собой переднюю боковую часть стопы.
15. Способ по п. 11, в котором по меньшей мере один датчик распределения усилия образован двумя датчиками, содержащими датчик области пятки, выполненный с возможностью оценки усилия, приложенного к пятке стопы, и датчик области пальца, выполненный с возможностью оценки усилия, приложенного к пальцу стопы, и причем зона соответствует датчику пятки, по существу. без веса и датчику пальца, по существу, без веса.
16. Способ по п. 11, дополнительно включающий измерение скорости опоры для ноги, причем изменение указанной определенной зоны основано на измерении скорости.
17. Способ по п. 11, дополнительно включающий
измерение момента между опорой для ноги и стопой посредством датчика интерактивного момента;
измерение распределения усилия между человеком и стопой посредством второго датчика распределения усилия и
оценку и исправление погрешности по меньшей мере одного датчика распределения усилия и второго датчика распределения усилия на основании датчика интерактивного момента.
18. Способ по п. 1, в котором опора для ноги содержит стопу, выполненную с возможностью опираться на опорную поверхность в течение фазы опоры и измерения двух из следующих трех элементов:
(1) положение центра давления сил, распределенных по подошве указанной стопы, первым датчиком,
(2) вращающий момент между опорой для ноги и стопой вторым датчиком и
(3) положение центра давления сил между человеком и стопой третьим датчиком,
причем способ включает оценку измерения не включенного элемента из этих трех элементов от соответствующих первого, второго и третьего датчиков.
19. Способ по п. 11, дополнительно включающий измерение сил давления электронным датчиком давления, расположенным в пределах полости, сформированной между тонкой поверхностью стопы и эластичным корпусом, скрепленным с, и по существу, охватывающим периметр верхней и нижней сторон стопы.
20. Способ по п. 1, дополнительно включающий две опоры для ноги, причем
каждая из опор, выполненных с возможностью поворотного присоединения к части для талии, содержащих участок бедра, присоединяемый с возможностью поворота к части для талии, и участок голени, присоединяемый с возможностью поворота к участку бедра, выполнена с возможностью опираться на опорную поверхность в течение фазы опоры и содержит по меньшей мере один датчик усилия для измерения усилия взаимодействия между опорой для ноги и опорной поверхностью, а
вторая ориентация представляет собой угол участка голени относительно силы тяжести,
при этом способ дополнительно включает:
размещение первой из опор для ноги в состояние, соответствующее предпринимаемому шагу при наличии обоих из двух явлений:
(1) усилие взаимодействия на первой из опор для ноги превышает предопределенный процент полного усилия взаимодействия; и
(2) вторая ориентация превышает пороговую величину.
21. Способ по п. 9, дополнительно включающий
оценку на основании данных от множества датчиков скорости, выбранной из группы, состоящей из поступательной скорости точки вдоль опоры для ноги и угловой скорости опоры для ноги; и
корректировку пороговой величины на основании скорости.
22. Способ по п. 3, дополнительно включающий
регистрацию комбинаций первой ориентации, которые представляют небезопасные комбинации, по которым можно выполнить шаг, в качестве небезопасных комбинаций; и
не размещение опоры для ноги, соответствующей первой нижней конечности, в состояние, соответствующее предпринимаемому шагу, при обнаружении одной из указанных небезопасных комбинаций.
23. Способ по п. 22, в котором экзоскелетон содержит первые и вторые опоры для ноги, а по меньшей мере одна из небезопасных комбинаций для первой опоры для ноги содержит процесс ступания второй опорой для ноги.
24. Способ по п. 22, в котором каждая указанная опора для ноги содержит участок бедра, присоединяемый с возможностью поворота к бедру, и участок голени, присоединяемый с возможностью поворота к участку бедра,
причем способ дополнительно включает измерение угла колена между участком голени и участком бедра посредством по меньшей мере одного из множества датчиков,
причем указанный угол колена, превышающий по меньшей мере пороговую величину, составляет по меньшей мере одну из упомянутых небезопасных комбинаций.
25. Способ по п. 22, дополнительно включающий размещение опоры для ноги, соответствующей первой нижней конечности, в состояние, соответствующее предпринимаемому шагу, когда угол участка голени относительно вертикали соответствует по меньшей мере первой пороговой величине, причем по меньшей мере одна из упомянутых небезопасных комбинаций содержит вторую ориентацию положения ноги, соответствующую по меньшей мере второй пороговой величине.
26. Способ по п. 22, дополнительно включающий оценку на основании данных от множества датчиков скорости человека, причем по меньшей мере одна из упомянутых небезопасных комбинаций содержит скорость человека, выходящую за пределы приемлемого диапазона.
27. Способ по п. 22, в котором опора для ноги выполнена с возможностью опираться на опорную поверхность в течение фазы опоры и содержит по меньшей мере один контактный датчик для указания момента контакта опоры для ноги с опорной поверхностью, и использование первой ориентации экзоскелетона при определении небезопасных состояний дополнительно содержит информацию от указанного по меньшей мере одного контактного датчика.
28. Способ по п. 27, в котором контактный датчик представляет собой датчик усилия, создающий сигнал, представляющий усилие между опорной поверхностью и опорой для ноги.
29. Способ по п. 3, дополнительно включающий размещение опоры для ноги, соответствующей первой нижней конечности, в состояние, соответствующее положению стоя, когда угол участка голени относительно силы тяжести превышает по меньшей мере пороговую величину, а текущее состояние экзоскелетона соответствует сидячему.
30. Способ по п. 3, дополнительно включающий размещение опоры для ноги, соответствующей первой нижней конечности, в состояние, соответствующее положению сидя, когда углы голени относительно силы тяжести превышают по меньшей мере пороговую величину, а текущим состоянием экзоскелетона является положение стоя.
31. Способ по п. 30, дополнительно включающий
оценку на основании данных от множества датчиков скорости одной из скорости точки вдоль опоры для ноги и угловой скорости опоры для ноги и
отсутствие инициирования движения в сидячее положение, если скорость превышает по меньшей мере пороговую величину.
32. Способ по п. 9, дополнительно включающий текущий контроль экзоскелетона и передачу сигналов при размещении ортопедического аппарата в состояние, соответствующее предпринимаемому шагу.
33. Способ по п. 9, дополнительно включающий передачу сигналов человеку при размещении ортопедического аппарата в состояние, соответствующее предпринимаемому шагу.
34. Способ по п. 33, в котором передачу сигналов выполняют слышимым тоном.
35. Способ по п. 33, в котором передачу сигналов выполняют тактильной вибрацией.
36. Способ по п. 33, в котором передачу сигналов выполняют визуальной подсказкой.
37. Способ по п. 9, в котором ортопедический аппарат содержит элемент вводимых данных, выполненный с возможностью активации вручную вторым человеком, причем способ дополнительно включает
введение в контакт вручную элемента вводимых данных для указания необходимости инициирования шага;
измерение разновременности между вхождением ортопедического аппарата в состояние, соответствующее предпринимаемому шагу, введением в контакт элемента вводимых данных; и
создание балльной оценки подготовленности для второго человека на основании разновременности.
38. Способ по п. 9, в котором экзоскелетон содержит контактный датчик, выполненный с возможностью создания сигнала при контакте первой нижней конечности человека и соответствующей опоры для ноги с землей, причем способ дополнительно включает
измерение времени между указанным сигналом и вхождением ортопедического аппарата в состояние, соответствующее предпринимаемому шагу;
сравнение времени с идеальным временем и
создание разности времени и балльной оценки подготовленности для человека на основании указанной разности времени.
39. Способ по п. 38, дополнительно включающий регулирование указанного идеального времени на основании скорости опор для ноги.
40. Способ по п. 9, дополнительно включающий:
измерение местоположения центра давления между экзоскелетоном и землей;
вычисление средней траектории, которой следует указанное местоположение, по множеству выборок;
вычисление величины изменения указанного местоположения от указанной средней траектории по указанному множеству выборок и
создание балльной оценки подготовленности для человека на основании величины указанного изменения.
41. Способ по п. 40, дополнительно включающий ограничение состояний, в которых может находиться экзоскелетона на основании по меньшей мере порогового значения указанной величины изменения.
42. Способ по п. 9, дополнительно включающий измерение угловой скорости опоры для ноги; сравнение угловой скорости с идеальным измерением и
создание разности скорости и балльной оценки подготовленности для человека на основании указанной разности скорости.
43. Способ по п. 3, дополнительно включающий текущий контроль ортопедического аппарата;
указание необходимости вхождения экзоскелетона в состояние, соответствующее предпринимаемому шагу, посредством ручной активации элемента вводимых данных и
не введение в состояние, соответствующее предпринимаемому шагу, пока вторая ориентация не превышает по меньшей мере пороговой величины.
44. Способ по п. 43, в котором человек вручную приводит в действие элемент вводимых данных.
45. Способ управления механизированным ортопедическим аппаратом для нижних конечностей, содержащим экзоскелетон, имеющий
часть для талии, выполненную с возможностью перенастройки для присоединения к верхней части тела человека,
две опоры для ноги, выполненные с возможностью перенастройки для присоединения к нижним конечностям человека и дополнительно выполненные с возможностью опираться на опорную поверхность в течение фазы опоры и передачи момента к опорной поверхности,
по меньшей мере один привод для индивидуального перемещения опор для ноги относительно части для талии для обеспечения возможности движения нижних конечностей человека и
множество датчиков для выполнения текущего контроля экзоскелетона,
включающий
текущий контроль ориентации указанного экзоскелетона, включающий оценку момента, переданного опорной поверхности;
регулирование работы указанного по меньшей мере одного привода для опоры ноги;
установление текущего состояния указанного механизированного ортопедического аппарата для нижних конечностей из ограниченного множества состояний на основании ориентации и оцененного момента и
управление на основании текущего состояния по меньшей мере одним приводом для побуждения механизированного ортопедического аппарата для нижних конечностей выполнять последовательность ориентаций, совместно воспроизводящих естественное человеческое движение.
46. Способ по п. 45, дополнительно включающий измерение момента, переданного опорной поверхности в сагиттальной плоскости.
47. Способ по п. 45, дополнительно включающий размещение ортопедического аппарата в состояние, соответствующее предпринимаемому шагу, при превышении моментом по меньшей мере пороговой величины.
48. Способ управления механизированным ортопедическим аппаратом для нижних конечностей, содержащим экзоскелетон, имеющий
часть для талии, выполненную с возможностью перенастройки для присоединения к верхней части тела человека,
две опоры для ноги, выполненные с возможностью перенастройки для присоединения к нижним конечностям человека и дополнительно выполненные с возможностью опираться на опорную поверхность в течение фазы опоры,
по меньшей мере один привод для перемещения каждой из опор для ноги относительно части для талии для обеспечения возможности передвижения нижних конечностей человека и
множества датчиков для осуществления текущего контроля экзоскелетона,
включающий
текущий контроль ориентации указанного экзоскелетона, включающий оценку переданного момента между частью для талии и опорами для ноги;
регулирование работы указанного по меньшей мере одного привода для каждой опоры ноги на основании ориентации;
установление текущего состояния указанного механизированного ортопедического аппарата для нижних конечностей из ограниченного множества состояний на основании ориентации и оцененного момента и
управление на основании текущего состояния по меньшей мере одним приводом для побуждения механизированного ортопедического аппарата для нижних конечностей выполнять последовательность ориентаций, совместно воспроизводящих естественное человеческое движение.
49. Способ по п. 48, дополнительно включающий измерение момента, переданного между частью для талии и опорами для ноги в сагиттальной плоскости.
50. Способ по п. 49, дополнительно включающий размещение указанного ортопедического аппарата в состояние, соответствующее предпринимаемому шагу, при превышении моментом по меньшей мере пороговой величины.
51. Способ управления механизированным ортопедическим аппаратом для нижних конечностей, содержащим экзоскелетон, имеющий
часть для талии, выполненную с возможностью перенастройки для присоединения к верхней части тела человека,
две опоры для ноги, выполненные с возможностью перенастройки для присоединения к нижним конечностям человека,
два привода, по одному для перемещения каждой опоры ноги относительно части для талии для обеспечения возможности передвижения нижней конечности человека, и
множество датчиков для осуществления текущего контроля экзоскелетона,
включающий
текущий контроль первой ориентации указанного экзоскелетона и второй ориентации каждой из опор для ноги;
регулирование работы указанного по меньшей мере одного привода на основании первой и второй ориентаций;
установление текущего состояния указанного механизированного ортопедического аппарата для нижних конечностей из ограниченного множества состояний на основании первой и второй ориентаций, и
управление на основании текущего состояния по меньшей мере одним приводом для побуждения следования механизированным ортопедическим аппаратом для нижних конечностей за рядом ориентаций, совместно воспроизводящих естественное человеческое движение.
52. Механизированный ортопедический аппарат для нижних конечностей, выполненный с возможностью перенастройки для присоединения к человеку, содержащий
экзоскелетон, содержащий часть для талии, выполненную с возможностью перенастройки для присоединения к верхней части тела человека,
по меньшей мере одну опору для ноги, выполненную с возможностью перенастройки для присоединения к первой нижней конечности человека, и
по меньшей мере один привод для перемещения по меньшей мере одной опоры для ноги относительно части для талии для обеспечения возможности передвижения нижней конечности человека;
множество датчиков для осуществления текущего контроля первой ориентации указанного экзоскелетона, причем по меньшей мере один из датчиков представляет собой датчик ориентации ноги, выполненный с возможностью оценки второй ориентации второй нижней конечности человека; и
контроллер, выполненный с возможностью приема сигналов от множества датчиков и управления работой по меньшей мере одного привода,
причем контроллер выполняет установку текущего состояния указанного механизированного ортопедического аппарата для нижних конечностей из ограниченного множества состояний на основании первой и второй ориентаций и на основании текущего состояния управляет по меньшей мере одним приводом для побуждения механизированного ортопедического аппарата для нижних конечностей выполнять последовательность ориентаций, совместно воспроизводящих естественное человеческое движение.
53. Механизированный ортопедический аппарат для нижних конечностей по п. 52, в котором опора для ноги содержит участок бедра, присоединяемый с возможностью поворота к части для талии, и участок голени, присоединяемый с возможностью поворота к участку бедра, и
в котором датчик ориентации ноги образован инерциальным измерительным блоком, связанным с участком голени и выполненным с возможностью измерения абсолютного угла участка голени относительно силы тяжести.
54. Механизированный ортопедический аппарат для нижних конечностей по п. 53, в котором датчик ориентации ноги содержит
(1) первый датчик углового перемещения, выполненный с возможностью измерения углового перемещения между участком голени и участком бедра;
(2) второй датчик углового перемещения, выполненный с возможностью измерения углового перемещения между участком бедра и частью для талии и
(3) инерциальный измерительный блок, выполненный с возможностью измерения угла части для талии относительно силы тяжести.
55. Механизированный ортопедический аппарат для нижних конечностей по п. 53, в котором контроллер размещает опору для ноги, соответствующую первой нижней конечности, в состояние, соответствующее предпринимаемому шаги, когда абсолютный угол голени относительно силы тяжести превышает по меньшей мере пороговую величину.
56. Механизированный ортопедический аппарат для нижних конечностей по п. 52, в котором опора для ноги содержит стопу, выполненную с возможностью опираться на опорную поверхность в течение фаза опоры, и содержит по меньшей мере один датчик распределения усилия, выполненный с возможностью определения положения центра давления сил, распределенных по подошве стопы,
причем контроллер выполнен с возможностью размещения опоры для ноги, соответствующей первой нижней конечности, в состояние, соответствующее предпринимаемому шагу, когда центр давления попадает в определенную зону.
57. Механизированный ортопедический аппарат для нижних конечностей по п. 56, в котором по меньшей мере один датчик распределения усилия содержит датчик зоны пятки, выполненный с возможностью определения усилия, приложенного к пятке стопы, и датчик зоны пальца ноги, выполненный с возможностью определения усилия, приложенного к пальцу стопы.
58. Механизированный ортопедический аппарат для нижних конечностей по п. 52, в котором опора для ноги содержит стопу, выполненную с возможностью опираться на опорную поверхность в течение фазы опоры, и стопа содержат два из следующих трех датчиков:
(1) датчик распределения усилия, выполненный с возможностью определения положения центра давления сил, распределенных по подошве упомянутой стопы;
(2) датчик интерактивного момента, выполненный с возможностью измерения момента между опорой для ноги и стопой и
(3) датчик распределения усилия, выполненный с возможностью определения положения центра давления сил между человеком и упомянутой стопой,
причем контроллер выполняет оценку измерения не содержащегося датчика из этих трех датчиков на основании двух содержащихся датчиков.
59. Механизированный ортопедический аппарат для нижних конечностей по п. 56, в котором указанная стопа содержит верхнюю сторону и нижнюю сторону,
причем датчик распределения усилия содержит: эластичный корпус, соединяющийся с указанной стопой, по существу, охватывающий периметр верхней и нижней сторон таким образом, чтобы была сформирована полость между стопой и эластичным корпусом; а электронный блок датчика давления расположен в пределах указанной полости.
60. Механизированный ортопедический аппарат для нижних конечностей по п. 59, в котором электронный блок датчика давления содержит
по меньшей мере три электрода;
пьезорезистивный слой и
электронную схему, содержащую алгоритм, выполненный с возможностью создания управляющего сигнала по меньшей мере указывающего: усилие на указанном эластичном корпусе и центр положения давления на указанном эластичном корпусе.