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KR20120107928A - 의족 보철 또는 지지대를 이용하는 기립 시퀀스의 구현 - Google Patents

의족 보철 또는 지지대를 이용하는 기립 시퀀스의 구현 Download PDF

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KR20120107928A
KR20120107928A KR1020127008175A KR20127008175A KR20120107928A KR 20120107928 A KR20120107928 A KR 20120107928A KR 1020127008175 A KR1020127008175 A KR 1020127008175A KR 20127008175 A KR20127008175 A KR 20127008175A KR 20120107928 A KR20120107928 A KR 20120107928A
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KR
South Korea
Prior art keywords
knee
ankle
foot
torque
wearer
Prior art date
Application number
KR1020127008175A
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English (en)
Inventor
휴 엠. 헤르
릭 카슬러
Original Assignee
아이워크, 아이엔씨.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 아이워크, 아이엔씨. filed Critical 아이워크, 아이엔씨.
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Abstract

무릎 지지대 또는 보철은 사람이 앉은 자세에 있는 동안 사람의 발목에 대한 사람의 무릎의 위치에 기초하여 기립 시퀀스를 개시하기에 적절한 때에 자동으로 이용될 수 있다. 무릎이 발목의 앞의 위치까지 이동하는 경우, 지지대 또는 보철의 적어도 하나의 작동기는 사람을 앉은 자세에서 기립 자세로 일으켜 세우는 것을 보조하도록 작동된다.

Description

의족 보철 또는 지지대를 이용하는 기립 시퀀스의 구현{IMPLEMENTING A STAND-UP SEQUENCE USING A LOWER-EXTREMITY PROTHESIS OR ORTHESIS}
본 출원은 2009년 8월 31일에 출원된, 미국 임시 출원 제 61/238,305 호의 우선권을 청구한다.
본 발명은 일반적으로 의족 보철, 지지대 및 외골격 장치 및 그 구성소자들 및 이를 제어하기 위한 방법에 관한 것이다.
미국에서 10만 명 이상의 사람들이 매년 절단수술로 그들의 다리를 잃는다. 수십 만의 사람들이 전 세계에서 이러한 쇠약 손실로 고통받고 있다. 부가적으로, 보행을 제약하는 다양한 다리 이상을 종종 유발하는 사고에서 살아남는 사람이 미국에서 매년 70만 명에 달한다. 최근까지, 의족 보철 및 지지대 시스템들은 신체가 평평한 지형 ― 계단과 같은 평평하지 않은 표면은 말할 것도 없이 ― 에서도 경제적인 보행 동작을 달성하기 위해 필요한 각각의 걸음 상에서의 비-보존성의 긍정적인 작업(non-conservative positive work)을 이행할 수 없는 거의 수동적인 또는 저-전력 메커니즘들을 채용하였다.
의족 보철, 지지대 및 외골격 장치의 요건들을 인식하는 것이 대상의 보행 사이클과 관련되는 통상의 생체 역학을 이해하는데 도움이 된다. 특히, 시상면(sagittal plane) 회전 하의 사람의 발목의 기능은 상이한 이동 조건들에 대해 하기 설명된다.
Ossur Flex-Foot®과 같은 종래의 수동형 발목/발 보철(AFP)들의 기계적 특성은 디바이스의 수명 전반에 걸쳐 필수적으로 일정하게 유지된다. 미국 특허 공개 출원 US 2006/0249315("'315 출원")는 이러한 종래의 AFP들에 대한 상당한 향상을 나타낸다. 전체 내용이 본 명세서에 참조로 통합되는, '315 출원은 보행 사이클을 다섯 가지 시기(phase)들로 나누고, 이러한 다섯 가지 시기들 각각에 대해 독립적으로 디바이스의 기계적 특성을 최적화함으로써 성능이 향상될 수 있다는 것을 인지하였다.
도 1a는 지상에서의 대상의 보행 사이클의 상이한 시기들의 개략도이다. 보행 사이클은 통상적으로 하나의 발의 뒤꿈치 착지(heel strike)로 시작하여 같은 발의 다음번 뒤꿈치 착지에서 종료하는 것으로 정의된다. 보행 사이클은 두 개의 시기들: 입각기(stance phase)(보행 사이클의 대략 60%) 및 이후의 유각기(swing phase)(보행 사이클의 대략 40%)로 구분된다. 유각기는 발이 땅에서 떨어질 때의 보행 사이클의 일부를 나타낸다. 입각기는 뒤꿈치가 지면에 접촉하는 때의 뒤꿈치 착지에서 시작하여, 같은 발이 지면에서 떨어질 때의 발가락-들기(toe-off)에서 종료한다. 입각기는 같은 발이 지면으로부터 올라올 때의 발가락-들기에서 분리된다. 입각기는 세 개의 서브-시기들: 제어된 족저 굴곡(plantarflexion)(CP), 제어된 배측 굴곡(dorsiflexion)(CD) 및 힘이 실린 족저 굴곡(PP)으로 분리된다.
CP는 102에서 도시되는 뒤꿈치 착지에서 시작하여, 106에서 도시되는 발바닥-닿기(foot-flat)에서 종료한다. CP는 뒤꿈치 및 앞발이 지면과 접촉하는 프로세스를 설명한다. 연구 결과, CP 발목 관절 거동은 관절 토크가 관절 위치의 평형 위치에 대한 관절의 변위에 비례하는 선형 스프링 응답과 일치한다. 그러나, 스프링 거동은 가변적이고; 관절 강성(stiffness)은 입각(stance)의 세 개의 서브-시기 및 이후의 유각(swing) 상태 내에서 걸음마다 신체에 의해 계속해서 조정된다.
CP 기간 후, CD 시기는 발목이 최대 배측 굴곡의 상태에 도달할 때까지 계속되고, 110에서 도시되는 바와 같이 힘이 실린 족저 굴곡(PP)을 시작한다. CD 기간 중의 발목 토크 대 위치는 강성이 발목 위치의 상승에 따라 증가하는 비-선형 스프링으로서 설명된다. 발목은 PP 시기 동안 상향 및 전방으로 신체를 추진하는데 필요한 탄성 에너지를 CD 동안 저장한다.
PP 시기는 CD 후에 시작하여 114에서 도시되는 발가락-들기 순간에 종료한다. PP 도중, 발목은 신체를 상향 및 전방으로 추진하는 반사 응답에 따라 토크를 적용한다. 그리고나서, 추진 에너지는 CD 시기 동안 저장되는 스프링 에너지에 따라 릴리즈되어 이후 입각 중에 높은 족저 굴곡 힘을 달성한다. PP 중에 생성되는 동작이 빠른 보행 속도에 적당한 CP 및 CD 시기 중에 흡수되는 부정적 작동 이상이기 때문에 이러한 추진 거동이 필요하다. 발은 118에서 도시되는 다음번 뒤꿈치-착지까지 114로 도시되는 발가락-들기로부터, 유각기 중에 지면에서 올라온다.
계단 오르기/내려가기 중에 발목에서의 운동학적 및 운동 패턴들이 평지의 보행 패턴과 상이하기 때문에, 발목-발 생체 역학에 대한 별도의 설명이 도 1b 및 도 1c에 제시된다. 도 1b는 계단 오르기 중에 사람의 발목 생체 역학을 보여준다. 계단 오르기의 제 1 시기는 130에서 도시되는 배측 굴곡 위치에서의 발-착지(foot strike)로 시작하여, 132에서 뒤꿈치가 계단 표면과 접촉할 때까지 배측 굴곡을 계속하는 제어된 배측 굴곡 1(CD 1)로 지칭된다. 이러한 시기에서, 발목은 선형 스프링으로서 모델링될 수 있다. 제 2 시기는, 발바닥-닿기 순간(132에서 발목이 최대 배측 굴곡에 도달하는 때)에 시작하고 배측 굴곡이 134에서 다시 한번 시작하는 때에 종료하는, 힘이 실린 족저 굴곡 1(PP 1)이다. 사람의 발목은 토크 작동기로서 거동하여 체중을 지지하기 위한 여분의 에너지를 제공한다.
제 3 시기는 발목이 136에서 뒤꿈치-들기(heel-off)까지 배측 굴곡하는, 제어된 배측 굴곡 2(CD 2)이다. CD 2 시기에 있어서, 발목은 선형 스프링으로서 모델링될 수 있다. 제 4 및 최종 시기는 발바닥-들기(136)에서 시작하고, 발이 계단을 떠나는 동안 계속하고, 140에서 종료하는 유각기를 시작하기 위해 138에서 발가락이 표면을 떠나는 때에 종료하는, 힘이 실린 족저 굴곡 2(PP 2)로서, CD 2와 평행한 토크 작동기로서 작용하여 신체를 상향 및 전방으로 추진한다.
도 1c는 계단 내려가기 중의 사람 발목-발 생체 역학을 도시한다. 계단 내려가기의 입각기는 세 개의 서브-시기들: 제어된 배측 굴곡 1(CD 1), 제어된 배측 굴곡 2(CD2), 및 힘이 실린 족저 굴곡(PP)으로 나누어진다. CD 1은 150에서 도시되는 발-착지에서 시작하여 발바닥-닿기(152)에서 종료한다. 이러한 시기에서, 사람의 발목은 가변 댐퍼로서 모델링될 수 있다. CD 2에서, 발목은 154에 도시되는 최대 배측 굴곡 자세에 도달할 때까지 전방으로 배측 굴곡을 계속한다. 여기서, 발목은 선형 스프링으로서 작용하여, CD 2 동안 에너지를 저장한다. 154에서 시작하는, PP 중에, 발목은 156에서 발이 계단으로부터 올라갈 때까지 족저 굴곡한다. 이러한 최종 PP 시기에서, 발목은 저장된 CD 2 에너지를 릴리즈하여, 신체를 상향 및 전방으로 추진한다. 156에서의 발가락-들기 후, 발은 다음 발이 158에서 착지할 때까지 유각기 동안 제어되어 위치된다.
도 1b에 도시되는 계단 오르기에 있어서, 사람의 발목-발은 작동기 및 가변 강성 메커니즘의 조합을 이용하여 효과적으로 모델링될 수 있다. 그러나, 도 1c에 도시되는, 계단 내려가기에 있어서, 가변 댐퍼가 발목-발 복합을 모델링하기 위해 포함될 필요가 있으며, 사람의 발목에 의해 흡수되는 힘은 계단 오르기 중에 릴리즈되는 힘보다 계단 내려가기 중에 훨씬 더 크다. 따라서, 계단 내려가기를 위한 스프링 및 가변 댐퍼의 조합으로서 발목을 모델링하는 것이 합리적이다.
종래의 수동 보철, 지지대 및 외골격 장치는 보행 사이클의 생체 역학을 적절하게 재생하지 못한다. 이들은 임피던스를 능동적으로 조정하지 않고 반사 토크 응답을 적용하지 않으며; 지면에서 계단이나 경사로를 올라가거나 내려가지도 않고 지형 조건들을 변경하지도 않기 때문에 생체 모방 기술이 아니다. 그러므로, 개선된 의족 보철, 지지대 및 외골격 장치, 그의 컴포넌트들 및 이를 제어하기 위한 방법에 대한 필요성이 존재한다.
본 명세서에 기재된 본 발명은 일반적으로 의족 보철, 지지대 및 외골격 장치에 관한 것이다. 본 발명의 다양한 실시예들에 대한 대표적인 이용 사례는, 예를 들어, 신진대사 증대, 영구 사지 장애(limb pathology)를 갖는 대상에 대한 영구 보조, 또는 일시적 사지 장애를 갖는 착용자를 위한 보행을 포함한다.
본 발명의 일 양상은 허벅지 부재, 하퇴(lower leg) 부재 및 상기 허벅지 부재를 하퇴 부재에 연결하기 위한 무릎 관절을 포함하는 능동 지지대 또는 보철 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 또한 모터 축 출력부를 구비하는 회전 모터, 상기 모터 축 출력부에 결합되는 모터 구동 전달 조립체, 및 상기 모터 구동 전달부의 출력부에 결합되는 구동 전달 조립체를 포함하며, 상기 구동 전달 조립체의 출력부는 상기 허벅지 부재에 대해 상기 하퇴 부재를 회전시키기 위해 상기 무릎 관절에 토크를 적용하도록 상기 하퇴 부재에 결합된다. 상기 장치는 또한 발목 관절에 대한 무릎 관절의 위치가 상기 장치의 착용자가 앉은 자세에 있는 동안 결정될 수 있는 적어도 하나의 출력부를 갖는 적어도 하나의 센서, 및 상기 적어도 하나의 센서의 적어도 하나의 출력에 기초하여 상기 무릎 관절이 발목 관절 앞의 위치까지 이동하는 때를 결정하는 제어기를 포함한다. 상기 결정에 응답하여, 상기 제어기는 상기 회전 모터를 제어하여 상기 무릎 관절의 임피던스, 위치 또는 토크를 조절하여 사람을 앉은 자세(seated position)로부터 기립 자세(stand-up position)로 일으켜 세우는 것을 보조한다.
본 발명의 다른 양상은 적어도 하나의 작동기를 갖는 무릎 지지대 또는 보철을 제어하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 사람이 앉은 자세에 있는 동안 사람의 발목에 대한 사람의 무릎 위치를 검출하는 단계, 상기 검출하는 단계의 결과에 기초하여 상기 무릎이 상기 발목 앞의 위치까지 이동하는 때를 결정하는 단계, 및 상기 결과를 나타내는 출력을 생성하는 단계를 포함한다. 상기 출력에 응답하여, 상기 무릎 지지대 또는 보철의 적어도 하나의 작동기는 사람을 앉은 자세로부터 기립 자세로 일으켜 세우는 것을 보조하도록 작동된다.
도 1a는 평지 위의 착용자의 보행 사이클의 상이한 시기들의 개략도이다.
도 1b는 계단을 오르는 착용자의 보행 사이클의 상이한 시기들의 개략도이다.
도 1c는 계단을 내려가는 착용자의 보행 사이클의 상이한 시기들의 개략도이다.
도 2a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 보철, 지지대 또는 외골격 장치의 발목 관절, 뒤꿈치 및 발가락 궤적을 결정하기 위한 방법의 개략도이다.
도 2b는 보행 중에 발목 관절 가속을 도시하는 실험 데이터의 플롯이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 발 슬로프(뒤꿈치 높이)를 결정하기 위한 방법을 도시하는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 참조의 발 프레임 내의 발목 관절에 대해 뒤꿈치 및 발가락의 좌표를 결정하는 방법을 도시하는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 뒤꿈치 벡터를 평가하는 방법을 도시하는 개략도이다.
도 6a는 상이한 보행 상황에 있어서의 관성 측정 유닛-계산된 발목 관절 피벗 궤적들을 도시한다.
도 6b는 보철 장치의 발목 관절의 비행 궤적을 설명하는 2-D 구조를 도시한다.
도 6c는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 경사로 및 계단 보행 상황 사이를 구별하는 궤적 특징으로서 발목 각도 공격 각도를 이용하여 어떻게 계단-경사로 구별기가 설치될 수 있는지를 도시한다.
도 7a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 발-착지 이전에 발목 관절을 위치시키기 위한 방법을 도시한다.
도 7b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 계단의 존재 및 계단의 층계 상의 발의 돌출을 감지하기 위해 도 7a의 방법이 어떻게 이용될 수 있는지를 도시한다.
도 7c는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 경사로 보행 상황에서 발목 관절을 위치시키기 위한 방법을 도시한다.
도 7d는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 최적화된 임피던스를 이용하기 위해 도 7b의 방법이 어떻게 적응되는지를 도시한다.
도 8은 발바닥-닿기에서의 지형 각도에 기초하여 관성-참조 스프링 평형을 결정하기 위한 방법을 도시한다.
도 9는 발목 토크 대 발목 각도에 대한 보행 속도의 효과를 도시하고 적절하게 선택된 평행 탄성 엘리먼트에 푸시-풀(push-pull) 작동기 제어가 작용되는 방법을 도시한다.
도 10a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 의족 장치를 제어하기 위한 방법을 도시한다.
도 10b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 의족 보철 장치에서 임피던스 및 토크 제어를 구현하기 위한 모델-기반 제어기의 개략도이다.
도 10c는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 의족 보철 장치에서 토크 제어를 구현하기 위한 모델-기반 제어기의 개략도이다.
도 10d는 도 10a에서 수행되는 임피던스 제어를 운영하는 기계적 임피던스 관계의 개략도이다.
도 10e는 도 10b에서 수행되는 임피던스 및 반사 제어를 운영하는 임피던스 및 반사 관계를 도시하는 개략도이다.
도 10f는 어떻게 제로 모멘트 피벗 참조된 지면 반력이 보철 장치를 착용한 사람의 역전 진자 운동을 안정화시키는데 필요한 복원 토크를 결정하기 위해 이용되는지의 개략도이다.
도 11a는 지면 반력 및 제로 모멘트 피벗을 도시하는 발목 보철의 하퇴 발 부재, 발목 관절 및 발 부재의 개략도이다.
도 11b 내지 도 11d는 지면 반력 및 제로 모멘트 피벗을 결정하는데 필요한 컴포넌트들 중에서 힘 및 모멘트 관계를 도시하는 발목 보철의 컴포넌트들의 개략도이다.
도 12a 내지 도 12b는 힘이 실린 족저 굴곡 중에 보행 속도의 함수로서 평지의 발목 보철의 생체 역학(F-θ) 거동을 도시한다.
도 12c 내지 도 12d는 지면 접촉 길이에 대한 발 천이의 효과를 도시한다.
도 12e는 접촉 감쇠의 길이에 대한 속도-종속 표들이 어떻게 힘이 실린 족저 굴곡 중에 생체 모방 거동을 달성하는 수단으로서 정규화된 지면 접촉 길이를 이용할 수 있는지를 도시한다.
도 12f는 통상적 보행 동작 중에 제로 모멘트 피벗 벡터의 추정되는, y-컴포넌트가 어떻게 변화하는지를 도시한다.
도 12g는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 감쇠 인자를 장치의 성능에 적용하기 위한 방법을 도시한다.
도 13a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 뒤꿈치 착지 케이스에 대한 제어 시스템 방식의 개략도이다.
도 13b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 발가락 착지 케이스의 제어 시스템을 도시하는 개략도이다.
도 13c는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 발목 보철(예를 들어, 도 17a의 장치(1700))에 적용되는 위치 제어를 위한 방법을 도시한다.
도 14a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 단계적 지형 적응을 이용하기 위한 방법을 도시한다.
도 14b는 발목 관절 보철이 세 가지 상이한 보행 상황에 적용할 수 있는 예시적인 임피던스를 도시한다.
도 15는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 의족 생체 역학 시스템의 개략도이다.
도 16은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 상체 자세, 허벅지 자세 및 상체/바디 무게-중심 자세에 대한 자세 재구성의 방법을 도시한다.
도 17a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 의족 보철 장치의 도면이다.
도 17b는 수동 평행 탄성 엘리먼트를 도시하는 도 17a의 의종 장치의 일부의 도면이다.
도 17c는 도 17b의 장치의 수동 평행 탄성 엘리먼트의 도면이다.
도 17d는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 도 17c의 수동 평행 탄성 엘리먼트에 대한 프리-바디(free-body) 다이어그램의 도면이다.
도 17e는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 도 17a의 장치의 구조 엘리먼트(피라미드)의 사시도이다.
도 17f는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 도 17a의 하퇴 부재에 적용되는 축 방향 힘 및 모멘트를 측정하기 위한 대안적인 방법의 단면도의 도면이다.
도 17g는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 인쇄 회로 조립체 상의 변위 센서들의 원형 배열을 이용하여 평면 모멘트 벡터 및 축 방향 힘을 계산하기 위한 방법의 도면이다.
도 17h는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 도 17a 내지 도 17g의 장치들에 이용하기 위한 상태 및 작동기 제어기의 개략도이다.
도 17i는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 의족 보철 장치의 전기 회로 균등물의 개략도이다.
도 17j는 상기 장치를 제어하는데 이용되는 센서 측정들을 포함하는 도 17i의 전기 회로의 개략도이다.
도 18a 내지 도 18d는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른, 수동 직렬-탄성 부재의 도면이다.
도 19a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 평판 직렬 스프링을 통합하는 의족 보철 장치의 도면이다.
도 19b 내지 도 19c는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 대안적인 직렬 스프링을 이용하는 보철 장치의 도면이다.
도 20a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 다양한 의족 보철, 지지대 및 외골격 장치에 이용될 수 있는 선형 작동기의 사시도이다.
도 20b는 도 20a의 선형 작동기의 단면도이다.
도 21은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 의족 보철, 지지대 및 외골격 장치에서 이용될 수 있는 선형 작동기의 사시도이다.
도 22a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 의족 지지대 또는 외골격 장치(착용 가능한 로봇 무릎 교정기)의 평면도이다.
도 22b는 도 22a의 장치의 측면도이다.
도 22c는 도 22a 및 도 22b의 장치들의 무릎 관절 구동 조립체의 내부의 개략도이다.
도 23a는 경사 슬로프 상에서의 사람의 균형 문제의 개략도이다.
도 23b는 착용자에 의한 다양한 무릎 굽힘에 기초하는 균형 문제에 대한 수용 가능한 해결 방안들의 개략도이다.
도 23c는 신체를 표시하는 개략도로서 고유의 센싱이 어떻게 평지에서 착용자의 균형을 잡도록 이용될 수 있는지를 도시한다.
도 24a 내지 도 24c는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 착용자가 의자에서 일어섬에 따라 착용자를 밸런싱하기 위한 방법에 대한 개략도이다.
도 25a는 이동 작업의 정의를 도시한다.
도 25b는 엉덩이 충격력의 정의를 도시한다.
도 26은 보행 중의 통상의 사람의 걸음걸이의 생체 역학적 특징을 도시한다.
도 27은 사두근의 결함이 평지에서의 보행에 영향을 미치는 생체 역학적 메커니즘을 도시한다.
도 28은 무릎 장치가 통상의 보행을 회복하도록 사용되는 방법을 도시한다.
도 29a 내지 도 29d는 건강한 사람의 기립 시퀀스를 도시한다.
도 30a 내지 도 30d는 장애가 있는 환자에 대해 동일한 기립 시퀀스를 구현하는데 있어서의 문제점을 도시한다.
도 31a 내지 도 31d는 장애가 있는 환자의 기립 시퀀스를 보조하기 위해 무릎 장치가 이용되는 방법을 도시한다.
본 발명자들은, 일상적인 날 중에, 사람의 다리가 계단 오르기 및 내리기, 및 경사로 걷기와 같은 일상적인 보행과 더불어 많은 상이한 행동들을 수행 및 이에 적응하도록 이용된다는 것을 인식하였다. 발목-발 컴포넌트들은 하부 지형(underlying terrain)과 대부분 직접 접촉하므로 대부분의 힘을 필요로 하며 가장 지형-적응형 거동을 보여주어야 한다. 본 발명자들은 AFP들의 성능이 상기 장치의 기계적 특성을 상이한 방식으로 동적으로 최적화하고 이러한 행동 각각에 대해 상이한 방식으로 상기 장치를 동적으로 제어함으로써 현저하게 향상될 수 있다는 것을 인식하였다.
예를 들어, 사람이 평평한 지면을 걷는 경우, 발이 땅으로 내려가서 닿을 때 뒤꿈치가 발가락보다 낮아지도록 발의 각도를 제어하는 것이 더 좋다. 그러나, 사람이 계단을 올라가는 경우, 발이 다음 계단에 내려가서 닿는 경우 발가락이 뒤꿈치보다 낮아지도록 발의 각도를 제어하는 것이 더 좋다.
이러한 적용예는 지나가는 지형을 검출하고 검출된 지형에 자동으로 적응함으로써 이러한 상이한 상황들 각각에서 적절하게 수행하는 AFP들의 다양한 실시예를 설명한다. 몇몇 실시예들에 있어서, 이러한 상황의 각각에 대해 AFP들을 제어하는 능력은 다섯 가지 기본 능력: (1) 수행되는 행동을 결정하는 능력; (2) 수행되는 행동에 기초하여 AFP의 특성을 동적으로 제어하는 능력; (3) 수행되는 행동에 기초하여 AFP를 동적으로 구동하는 능력; (4) 지형 텍스쳐(texture)의 불규칙성(예를 들어, 지형이 질척거리는 정도, 지형이 미끄러운 정도, 지형이 거칠거나 매끄러운가 여부, 지형에 바위와 같은 임의의 장애물이 존재하는가 여부)을 결정하고 적절한 견인 제어로 이들에 응답하는 능력; 및 5) 동적 제어 및 동적 구동에 응답할 수 있는 AFP의 기계적 설계에 기초한다.
본 발명자들은 어떤 행동이 수행되고 있는가를 알아내는 예시적인 방법은 발목 관절 및 무릎 관절 사이의 하퇴(또는 정강이) 상의 점(통상적으로 발목관절의 가상 회전 중심)의 궤적을 추적하는 것이라고 결정하였다. 도 6a는 가파른 경사로 및 완만한 경사로 사이를 구별하기 위한 부가적인 경사로 궤적을 갖는, 다섯 가지 상이한 행동에 대응하는 정강이 궤적들을 도시한다. 상기 시스템은 이러한 정보를 이용하여, 추적된 궤적을 하나의 세트의 행동들에 매핑(mapping)함으로써 어떤 행동이 수행되는고 있는가를 알아낼 수 있다.
하퇴(정강이)의 궤적을 관찰함으로써, 평평한 지형, 계단 오르기 또는 내리기, 또는 경사로 오르기 또는 내리기 사이를 구별할 수 있다. 예를 들면, 상기 시스템이 궤적을 인식하는 경우, 적절한 모드로 스위칭하여, 상기 모드에 대해 이전에 구축된 바와 같이 AFP를 동적으로 제어(구동)할 것이다. 궤적이 분류 내에 정확하게 해당하지 않는 경우, AFP 제어기는 확률 제어 감지에 있어서의 목적 기능을 최소화하도록 응답을 최적화하거나, 지형이 분류에 해당할 가능성에 기초하여 퍼지(fuzzy) 논리 또는 애드 혹(ad hoc) 제어를 적용할 것이다.
정강이의 궤적을 추적하는 하나의 적절한 방식은 관성 측정 유닛(IMU)을 상기 하퇴 부재(정강이)의 상부의 전방 표면에 장착하고 IMU에 의해 출력되는 신호를 처리함으로써 수행된다. 다양한 궤적을 구별하는 적절한 방식은 발목 관절의 영각(angle of attack)의 속도를 모니터링하는 것이다. 이러한 주제는 이하에서 더욱 상세하게 설명된다.
기계적 특성을 동적으로 최적화하고 상이한 행동 각각에 대해 상기 장치를 상이한 방식으로 동적으로 제어하는 것에 더하여, 본 발명자들은 상기 장치의 성능이 다양한 파라미터들에 기초하는 AFP의 제어 및 특성의 미세-조정(fine tuning)에 의해 더욱 향상될 수 있다는 것을 인식하였다.
예를 들어, 사람이 천천히 걷는 경우(예를 들어, 초당 0.9m 미만의 속도), 통상 보행에서 이용되는 임피던스에 대해 발목 관절의 임피던스를 증가시킴으로써 성능이 향상될 수 있다. 또는, 사람이 빠르게 걷는 경우(예를 들어, 초당 1.7m의 속도), 통상 보행에서 이용되는 임피던스에 대해 발목 관절의 임피던스를 감소시킴으로써 성능이 향상될 수 있다.
또한, 통상의 지형을 지나가는 경우 발목 관절이 예상하는 바와 같이 응답하지 않고 있다고 제어기가 결정한 경우, 제어기는 그 지형의 특징, 텍스쳐 또는 불규칙(예를 들어, 지형이 질척거리는 정도, 지형이 미끄러운 정도, 지형이 거칠거나 매끄러운가 여부, 지형에 바위와 같은 임의의 장애물이 존재하는가 여부)이 존재한다는 것을 고려(및 제어기의 출력을 변경)할 수 있다.
전술한 다섯 가지 능력(즉, 어떤 행동이 수행되는가를 알아내는 능력; 지형의 특징, 텍스쳐 또는 불규칙성의 존재 여부를 알아내는 능력; AFP의 특징을 동적으로 제어하는 능력; AFP를 동적으로 구동하는 능력; 및 AFP의 기계적 설계) 각각은 이하에 더욱 상세하게 설명된다.
수행되는 행동을 결정
관성 자세 및 궤적 추정
도 2는 발목 관절(200)과 결합되는 하퇴 부재(220)의 관성 자세, 및 하퇴 부재(220)와 발 부재(208) 사이의 각도에 기초하여 보철, 지지대 또는 외골격 장치(예를 들어, 도 17a의 장치(1700))의 발목 관절(200), 뒤꿈치(212) 및 발가락(216) 궤적들을 결정하기 위한 방법의 개략도이다. 자세는 좌표 시스템의 위치 및 배향이다. 장치(1700)는 하퇴 부재(220)와 결합되는 관성 측정 유닛(204)을 포함한다. 관성 측정 유닛(204)은 각도 비율을 측정하기 위한 3-축 레이트 자이로 및 가속도를 측정하기 위한 3-축 가속도계를 포함한다. 관성 측정 유닛을 하퇴 부재(220) 위에 위치시키는 것은 하퇴 부재(220)의 세 개의 축들 모두에 대한 각도 비율 및 가속도의 측정치를 연계시킨다. 관성 측정 유닛(204)은 하퇴 부재(220) 자세의 6-자유도 추정치, 관성(세계 프레임 참조) 배향 및 발목-관절(200)(발목-발의 회전 중심) 위치를 제공한다.
몇몇 실시예들에 있어서, 하퇴 부재(220) 자세는 무릎 관절의 순간 위치를 계산하기 위해 이용된다. 발목 관절(200) 각도(θ)의 지식을 이용함으로써, 뒤꿈치(212) 및 발가락(216)의 위치를 포함하는, 발 부재(208)의 바닥의 순간 자세가 계산될 수 있다. 차례로, 이러한 정보는 발 부재(208)가 발목 관절/발 부재의 회전축에 의해 정의되는 평면의 지형 각도를 측정하도록 평탄 상태인 경우 이용될 수 있다. 관성 측정 유닛(204)을 하퇴 부재(220) 위에 장착하는 것은 다른 잠재 위치들에 비해 이점을 갖는다. 발 부재(208) 위에 장착되는 경우와 달리, 하퇴 부재(220)의 장착은 물리적 남용을 방지하고 물에 노출되지 않도록 한다. 또한, 이것이 발 부재(208) 위에 있는 경우 필요하게 되었을 케이블 테더(cable tether)를 제거함으로써, 기계적 및 전기적 안정성을 확보한다. 결국, 하퇴 부재(220)는 최소의 부가적인 센서로 허벅지 및 상체 자세의 계산을 용이하게 하는 하이브리드 시스템(도 15 참조)의 운동학적 체인(chain) 내 중앙에 위치된다.
관성 측정 유닛(204)은 지면-참조 세계 프레임에서 의족 보철 장치의 배향(
Figure pct00001
), 위치(
Figure pct00002
) 및 속도(
Figure pct00003
)를 계산하기 위해 이용된다.
Figure pct00004
는 세계 프레임에 대한 발목 관절의 x, y 및 z 축들의 배향을 정의하는 4원법 또는 단위 벡터의 3X3 행렬에 의해 표현될 수 있다. 발목 관절(200) 좌표 프레임은 하퇴 부재(220)에 대한 배향으로 발목 관절 회전축의 중심에 위치되도록 정의된다. 이러한 중앙 지점으로부터, 위치, 속도 및 가속도가 계산될 수 있다. 예를 들어, 발(예를 들어, 뒤꿈치(212) 또는 발가락(216)), 발 부재-발목 관절 배향 변환에 대해서 살펴보면,
Figure pct00005
는 다음 관계식을 이용하여 위치를 추출하기 위해 이용된다:
Figure pct00006
식 1
여기서,
Figure pct00007
식 2
여기서, γ는 관성 하퇴 부재 각도이며,
Figure pct00008
식 3
여기서, θ는 발목 관절 각도이다.
본 실시예에 있어서, 3-축 가속도계 및 3-축 레이트 자이로를 포함하는, 관성 측정 유닛(204)은 하퇴 부재(220)의 상부에서(예를 들어, 도 17a에 도시되는 바와 같이) 전방 표면상에 위치된다. 가속도계 및 레이트 자이로 신호의 수치 적분에 의해 도입되는 세계-프레임 배향, 속도 및 위치 추정치들에 대한 스케일(scale), 드리프트(drift) 및 크로스-커플링(cross-coupling)의 효과를 제거할 필요가 있다.
제로-속도 업데이트
관성 항법 시스템들은 통상적으로 연장된 시간의 기간, 통상, 몇 초 내지 몇 분 동안 평균함으로써 주기적으로 제로-속도 업데이트(ZVUP)를 채용한다. 관성 측정 유닛의 이러한 배치는 의족 보철 장치 내에서는 거의 고정되지 않는다. 그러나, 발바닥은 유일한 고정 위치이며, 보행 사이클의 제어된 배측 굴곡 상태 중에만 해당한다. 본 발명의 다양한 실시예에 이용되는, 이러한 제한에 의해 영향받지 않는, 예시적인 제로-속도 업데이트 방법은 이하에 추가로 설명된다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 발목 관절의 배향, 속도 및 위치 적분이 수행된다. 관성 측정 유닛 가속도(
Figure pct00009
)를 디지털화한 후, 발목 관절 가속도(
Figure pct00010
)는 다음의 강체 동역학(rigid body dynamics) 방정식으로 추출된다:
*
Figure pct00011
식 4
여기서,
Figure pct00012
및
Figure pct00013
는 관성 측정 유닛 프레임 내에서 각각, 각도 비율 및 각 가속도의 벡터들이며, X는 벡터적을 나타낸다.
당해 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 다음의 관계식에 따라, 관계식,
Figure pct00014
은 표준 스트랩다운(strapdown) 관성 측정 유닛 적분 방법들을 이용하여 식 1 내지 식 3과 마찬가지로, 풀려진다.
Figure pct00015
식 5
Figure pct00016
식 6
Figure pct00017
식 7
Figure pct00018
식 8
*
Figure pct00019
식 9
Figure pct00020
식 10
Figure pct00021
식 11
Figure pct00022
식 12
Figure pct00023
식 13
Figure pct00024
식 14
식 5 내지 식 14에 있어서, 행렬,
Figure pct00025
은 배향 행렬
Figure pct00026
과 상호 교환가능하게 이용될 것이다.
세계 프레임-참조된 발목 관절 속도 및 위치는 다음에 기초하여 이전의 제로-속도 업데이트(i번째 제로-속도 업데이트)의 시기 후 적시에 추출된다:
Figure pct00027
식 15
Figure pct00028
식 16
여기서, ωpankle(t=ZVUP(i))는 모든 i에 대해 영으로 리셋된다.
실험을 통해, 예시적인 의족 보철 장치(예를 들어, 도 17a의 의족 보철 장치(1700))로부터 획득지는 관성 측정 유닛 데이터의 로그(log)들을 이용하여, z-가속도가 제어된 배측 굴곡 상태에서 대략 1g(대략 9.8m/s2)와 동일하고, z-가속도의 변화가 소정의 값(<0.005g2) ― 하퇴 부재(220)가 고정 발목 관절(200)을 중심으로 회전되는 경우의 시기를 표시함 ― 이하인 경우, 대략 50.75 초 및 50.9 초에서 관성 측정 유닛-참조된 가속도는 충분히 빠랐다는 점(도 2 참조)을 결정했다. 본 기술의 다른 실시예에 있어서, 적절한 안정 기간(quiet period)이 발의 일부 상에서 검출될 수 있다. 발목 관절의 가속도, 각도 비율 및 각 가속도에 대한 지식은 발의 임의의 지점의 가속도를 계산하기 위해 감지된 발목 각도(발 부재 및 하퇴 부재 사이의 각도), 각도 비율 및 각도 가속도의 지식과 결합될 수 있다. 발바닥의 일부 지점은 종종 연속적인 보행 사이클에서 제로 속도 업데이트를 수행하기 위해 이용될 수 있다. 이러한 속도가 알려지면, 발목 관절의 속도는 이후에 계산될 수 있다. 이러한 속도(영이 아님)는 제로 속도 업데이트가 수행될 수 있는 참조로서 이용될 수 있다.
의족 보철 장치에 있어서, 안정 기간은 거의 항상 제어된 배측 굴곡 상태에서 존재하며, 그래서 착용자가 취하는 모든 걸음에 대해 제로-속도 업데이트가 수행될 수 있다. 각각의 제로-속도 업데이트 동안, 세 가지 항목 각각으로부터의 속도 에러 기여도는 바람직하게 평가되는바 x-축(이전 단계에서의 제로-속도 업데이트 동안 발목 관절 회전 축과 정렬되는 벡터) 주위의 세계 프레임 z-축의 팁(tip), δθx; y-축(세계-프레임 수직(중력 벡터와 반대) 및 세계 프레임 x-축의 벡터적으로 정의되는 벡터) 주위의 세계 프레임 z-축의 틸트(tilt), δθy; 및 수직 축에 따라 스케일링하는 관성 측정 유닛 척도, δg 이다. 이러한 항목들의 값들은 계산된 자세, 관성 배향 및 장치(예를 들어, 도 17a의 하퇴 부재(1712))의 상이한 컴포넌트의 이전에 계산된 자세들 및 관성 배향들을 교정하기 위해 이용된다.
배향, 속도 및 위치 적분을 수행하는 동안, 속도 에러에 관한 민감도 행렬, M(t)이 계산되는바, 상기 속도 에러는 에러들의 벡터,
Figure pct00029
에 위해 유도될 수 있다. M(t)는 다음의 관계식에 기초한다:
Figure pct00030
식 17
여기서, M(t)은 전체 단자 속도 민감도, M*을 생성하도록 수치적으로 적분된다.
Figure pct00031
식 18
몇몇 실시예들에 있어서, 에러들의 벡터는 이러한 에러들이 상당한 경우 가속도계 바이어스 오프셋들을 포함하기 위해 확장됨으로써, M(t) 및 M*에서의 열(column)의 숫자들을 증가시킨다. 이러한 경우, M*-1은 펜로즈 의사-역행렬(Penrose pseudo-inverse) 또는 최적의 혁신 이득, K*에 의한 형태를 취한다. K*는 표준 최적 선형 필터링 방법들을 이용하여 계산될 수 있다. 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 다른 항목들이 보편성의 손실 없이 포함되거나 이용될 수 있다.
단계(i)에서의 제로-속도 업데이트에서, 추정되는 비-제로 발목 관절 속도,
Figure pct00032
를 생성했을 α의 값은 다음에 기초하여 결정된다:
Figure pct00033
식 19
여기서, α는 혁신 교정 벡터이다. 비-제로(non-zero) 속도는 가속도계들 및 각도 비율 측정치들에서의 소음으로부터 부분적으로 초래되지만, 모든 혁신 교정(α)이 적용되는 것은 아니다. 그 대신, 교정은 소음의 크기에 따라, 필터링 상수(분수), k에 의해 스케일링된다. 이 때, 새로운 배향 행렬(
Figure pct00034
) 및 중력 크기(g)가 다음에 기초하여 결정된다:
Figure pct00035
식 20
Figure pct00036
식 21
여기서, Ox(tip) 및 Oy(tilt)는 x 및 y 축들 각각을 중심으로 팁 및 틸트의 증분 회전들을 표시하며, ZVUPi + 및 ZVUPi - 는 ZVUP 이후 및 이전의 시기들을 각각 표시한다.
선형 추정기들을 이용하여 가속도계 및 레이트 자이로 바이어스 오프셋들을 추정하기 위해 제로 속도 업데이트를 연장할 수 있다. 일정한 각도 정렬 에러들은 (예를 들어, 주어진 축을 중심으로) 상기 축을 중심으로 레이트 자이로 바이어스를 추정하기 위해 이용될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 이들은 가속도계 및 레이트 자이로 바이어스의 선형 확률 모델들을 생성하고 이러한 모델들에 적용되는 선형 필터에 대한 입력들로서 제로-속도 업데이트 에측 잔여값을 이용함으로써 수행된다.
전술한 방법은 배향 및 외관 중력 크기를 연속적으로 업데이트하기 위한 방법이다. 초기화 절차는 의족 보철 장치에 먼저 힘이 실린 경우 이러한 실시예에서 이용된다. 이러한 방법에 있어서, 착용자는, 장치(예를 들어, 장치 또는 대안적인 이용자 인터페이스에 의해 전송되는 진동 코드)에 의해 요청되는 경우, 한걸음 앞으로 가서 정지하고, 그 후 한걸음 뒤로 와서 원래 위치로 돌아올 것이다. 이러한 프로세스에서, 걸음은 병에 걸린 다리에서 수행될 것이다(양쪽 절단 수술 환자의 경우, 이러한 눈금 조정은 절단 수술 환자에 의해 선택되는 바와 같이 연속 방식으로 실시될 것이다). 이러한 눈금 조정은 두 가지 ZVUP들 ― 하나는 배향 및 중력 크기를 초기화하는 것, 두 번째는 그 결과를 체크하는 것 ― 을 적용할 것이다. 이는 관성 측정 유닛 신호들, 프로세싱 및 제어기 통신의 완전성을 확보할 것이다.
전술한 프로세스는 관성 배향의 초기화를 달성한다. 그러나, 이는 가속도계 및 자이로 신호들 내에서 구현되는 바이어스 오프셋, 스케일링 및 교차-민감도를 포함하는 에러 소스들의 벡터(ε)를 설명하기 위해 IMU의 완전 눈금 조정을 수행하는 일반적 관심의 일종이다. 제조 시에, 로봇 또는 기타 6-자유도 기계는 IMU를 운반할 수 있으며, 이러한 에러 소스들의 효과를 측정하는 수단으로서 참조 궤적을 연속으로 적용할 수 있다. 에러 소스들 각각에 대한 감지된 참조 궤적들의 민감도 행렬(M(ε))은 당해 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 계산될 수 있다. 풍부한 세트의 참조 궤적들로부터의 감지된 편차들 ― 통상적으로 각각의 궤적 세그먼트의 엔드-포인트의 편차 ― 를 측정함으로써, 벡터(ε)는 - 참조 궤적들의 세트가 각각의 에러 소스의 영향을 자극하기에 충분히 풍부하다고 가정하여 - 회귀 또는 기타 선형 추정 방법들을 이용하여 추정될 수 있다. 본 발명자들은 세 개의 직교 평면에서의 다각형 및 원과 같은 폐쇄 경로들을 포함하는 참조 궤적들이 에러 소스의 전체 벡터의 눈금을 조정하기에 충분하다는 것을 발견하였다. 이러한 참조 궤적들은 또한, 예를 들어, 수평 평면상에서 폐쇄 패턴들의 시퀀스 대로 보행하고 수직 축을 중심으로 순차 회전시킴으로써 벡터의 주요 엘리먼트들(가속도계 바이어스, 축척 및 교차-민감도)의 눈금을 재-조정하기 위해 착용자에 의해 수행될 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예들에 있어서, 상기 방법의 이러한 원리들은, 예를 들어, 보철, 지지대, 또는 외골격 장치가 착용자의 신체의 이러한 부분들의 성능을 치료 또는 증가시키는 착용자의 허벅지 부재 및/또는 상체에 위치되는 가속도계들 및 레이트 자이로와 관련되는 가속도계 및 레이트 자이로 드리프트 에러를 교정 또는 최소화하기 위해 마찬가지로 적용된다. 일 실시예에 있어서, 상기 방법은 발목 관절이 보철 또는 지지대의 보행 사이클 중에 실질적으로 고정되는 경우, 보철 또는 지지대의 허벅지 부재와 결합되는 가속도계 및 레이트 자이로에 의해 출력되는 가속도계 신호 및 레이트 자이로 신호에 대한 오프셋 값들을 결정하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 허벅지 부재에 대한 하퇴 부재의 각도를 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 상기 방법은 또한 발목 관절이 보철 또는 지지대의 보행 사이클 동안 거의 고정인 경우 착용자의 상체와 결합되는 가속도계 및 레이트 자이로에 의해 출력되는 가속도계 신호 및 레이트 자이로 신호에 대한 오프셋 값들을 결정하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 착용자의 상체에 대한 허벅지 부재의 각도를 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 그러므로, 상기 방법은 도 16에 도시되는 바와 같이 이러한 측정들을 수행하고 연결 장치(linkage) 제한 관계 및 관련 방법들에 의존함으로써, 착용자의 허벅지 부재 및/또는 상체로 확장될 수 있다. 제로 속도 업데이트 시점에서, 연결 장치 제한은 운동학적 체인(예를 들어, 하이브리드 휴먼-로봇 시스템을 정의하는 연결 장치) 내의 최저 링크의 지면-참조된 제로 속도로부터 후방으로 관절 속도 참조들의 전파를 가능하게 한다. 이러한 속도 참조들은 상기 정의되는 바와 같이 자세 재-정렬 및 중력 보상에 대한 입력으로서 이용될 수 있다.
예시적인 발목 관절 궤적들 및 지형 상황( terrain context) 구별
관성 측정 유닛 오프셋이 계산 및 교정(제로화)되고 나면, 발-슬로프(β)(뒤꿈치 높이로 대안적으로 참조)가, 예를 들어, 도 3에 도시되는 바와 같이 결정된다. 도면으로부터, 착용자가 지면 상에 발바닥-닿기 상태로 서 있는 경우에 β=-(θ+γ)를 쉽게 볼 수 있다. 대략 10초 기간 동안 평균함으로써, β의 정확한 추정치가 결정될 수 있다. 그 후, 발을 발목 좌표 시스템으로 정의하는 변환의 배향 컴포넌트,
Figure pct00037
가 다음에 기초하여 계산된다:
Figure pct00038
식 22
전과 같이, 이러한 변환의 변환 컴포넌트는 영(zero)으로 남을 것이다.
발-슬로프가 정의되고 나면, 발 좌표 시스템 내의 뒤꿈치(212) 및 발가락(216) 좌표들을 결정하는 것이 필요하다. 이를 결정하기 위한 하나의 예시적인 방법에 있어서,
Figure pct00039
및
Figure pct00040
는 새로운 발 좌표 시스템 내의 뒤꿈치 및 발가락의 벡터 좌표로서 정의된다. β의 회전 기여도가 이미 포함되었으므로, 이러한 벡터들의 z-컴포넌트는 동일하다. 이러한 벡터들의 x-컴포넌트가 모두 영이라는 점이 가정될 수 있다. 이러한 벡터들은 다음과 같은 형태를 취한다:
Figure pct00041
식 23
Figure pct00042
식 24
여기서, z0는 발(신발)의 바닥의 z-좌표를 정의한다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 참조 발 프레임에서 발목 관절(200)에 대해 뒤꿈치(212) 및 발가락(216) 좌표들을 결정하기 위한 방법의 개략도이다. 도 4에 정의되는 발 눈금 조정 방법의 단계(1)에 있어서, 발목 관절(200)의 y-좌표는 지면 참조(예를 들어, 포장도로에서의 경계선, 깔개 또는 리놀륨 표면상의 두드러진 특징)에 대해 정렬된다. 우리는 이러한 지면 참조가 세계 좌표 시스템의 원점이 되도록 임의로 정의한다. 수학적 표기법에 있어서, 이러한 정렬은 다음과 같은 형태를 취한다:
Figure pct00043
식 25
여기서,
Figure pct00044
는 단계들(2 및 3)에서 일어나는 움직임에 대한 개시 위치이다. 단계(2)에 있어서, 발가락(216)은 지면 참조 상에 위치된다. 수학적 표기법에 있어서, 이러한 정렬은 다음과 같은 형태를 취한다:
Figure pct00045
식 26
또는
Figure pct00046
식 27
유사한 관계가 단계(3)의 정렬 중에 결정된다. 전술한 식들이 독립적으로 풀어지는 경우, z0의 두 개의 상이한 추정치들이 획득된다. 두 개의 제한식들을 하나로 결합함으로써, yheel, ytoe 및 zo의 최소 제곱 추정치가 획득될 수 있다.
전술한 뒤꿈치(212) 및 발가락(216) 눈금 조정 방법은 일련의 단계를 포함하며, 먼저, 새로운 쌍의 발/신발이 착용된다. 이러한 눈금 조정은, 예를 들어, 보철사 사무소에서 수행될 수 있다.
다른 예시적인 방법에 있어서, 뒤꿈치 및 발가락 벡터들은 그때그때 계산된다. 도 5에 도시되는 바와 같이, 발목 관절(200)은 발-착지 및 발바닥-닿기 사이의 초기 입각기에서 아크(500)를 추적한다. 아크(500)의 반경 및 배향(중간점 각도)은 뒤꿈치 및 발가락 벡터를 완전히 결정한다. 수학적으로, 이는 초기 입각 중에 기록되는 일련의 발목 위치(
Figure pct00047
)로서 설명된다. 다음과 같이, 두 개의 통계학적으로 구별되는 하퇴 부재(220)(γi,) 및 발목 관절(200) 각도(θi,) 위치에 대응하는, 두 개의 발목 위치 측정이 요구된다:
Figure pct00048
식 28
Figure pct00049
식 29
그 후, 상기 방정식을 미분함으로써, 상기 벡터 솔루션이 된다:
Figure pct00050
식 30
상기 솔루션은
Figure pct00051
이 가역적일 것을 요구한다. 또한, 최적 선형 필터링 관점에서 볼 때, 이러한 "이득 행렬"은 통계학적으로 중요한 결과를 산출하는데 충분히 커야 한다.
의족 보철 장치가 초기 입각기 중에 중요한 진동을 수행한다는 사실을 고려하면, 전술한 방정식은 발목 관절 위치/각도 측정들의 N 개의 조합에까지 연장될 수 있다. 결과적인 N-1 방정식은 최소 제곱법을 이용하여 벡터의 최적 추정치를 획득하기 위해 풀릴 수 있다. 전술한 방정식은 발가락 닿기가 초기 입각기를 개시하는 경우 발가락 벡터에 대해 풀도록 마찬가지로 적용된다.
도 6a는 다양한 지형: 평지(620), 오르막 5° 경사로(624), 내리막 5° 경사로(628), 오르막 10° 경사로(632), 내리막 10° 경사로(636), 오르막 계단(640), 및 내리막 계단(644) 상에서의 착용자 보행에 대한 상이한 보행 상황에서의 관성 측정 유닛-계산된 발목 관절 피벗 궤적을 도시한다. 상황(context)은 지형의 형상 및 착용자가 지형과 상호 작용하는 방법이다.
도 6b는 보철 장치의 발목 관절의 비행 궤적을 설명하는 2-D 구조를 도시한다. 우리가 평지 보행을 경사로 오르기/내려가기 보행 상황(평지는 영도(0°) 경사로)의 대상으로서 처리하면, 상황 구별은 계단 오르기/내려가기의 경사로 오르기/내려가기로부터의 구별에 의존한다. 이러한 구별은 통상적으로, 경사로 보행에서 통상적으로 발목 관절(600)이 발-착지 운동학을 최적화하도록 배측 굴곡(또는 중립 유지)되는 것과 비교하여, 계단 상황에서 발목 관절(600)의 족저 굴곡(배측 굴곡이 아니라)이 발-착지 운동학을 최적화하도록 요구되므로 중요하다. 후자의 경우, 족저 굴곡된 발목이 적절한 배향이 되는 매우 가파른 내리막에만 해당한다.
도 6c는 계단-경사로 구별기가 기록된 데이터의 조합에서 계단 및 경사로 보행 상황 사이를 구별하는 궤적 특징으로서 발목 각도 공격 각도(Φ)를 이용하여 수행될 수 있는 방식을 도시한다. 도 6c는 보행 사이클 동안 착용자에 의해 취해지는 각각의 걸음에 대해 장치의 발목 관절(600)의 추정된 속도 벡터 공격 각도의 플롯이다. 이러한 데이터에 있어서, 도 17a의 보철 장치(1700)를 오른쪽 발에 착용한 절단 수술 환자는 이하의 방식으로 서른 한 걸음(오른쪽 발에 참조된 보행 사이클을 의미)을 걷는다:
1. 걸음 1 내지 6: 오르막 5° 경사로 여섯 걸음
2. 걸음 7: 한걸음 착지
3. 걸음 8 내지 9: 내리막 10° 경사로 세 걸음
4. 갭 기록
5. 걸음 10 내지 11 : 오르막 계단 두 걸음
6. 걸음 12: 한걸음 착지
7. 걸음 14-17: 내리막 5° 경사로 네 걸음
8. 걸음 (18 내지 19): 평지 두 걸음
9. 걸음 (20 내지 21): 오르막 10° 경사로 두 걸음
10. 걸음 (22): 10° 경사로 한걸음 후 착지
11. 걸음 (23 내지 24): 내리막 계단 두 걸음
12. 걸음 (25 내지 31): 평지 일곱 걸음.
이러한 기록 동안 걸은 걸음은 경사로 및 계단 오르기 및 내려가기를 포함한다. 도 6c는 발목 속도 공격 각도(ψ)를 모니터링함으로써 발-착지 이전에 발목이 공중에 떠 있는 상태에서 계단이 경사로와 구별될 수 있다는 것을 보여준다. ψ가 이러한 기록(및 기타 유사 기록)에서 작은 양(+)의 값 이하로 떨어지는 경우, 발(604)은 항상 계단에 착지한다. 기타 모든 경우에 있어서, 발은 경사로 각도(0°, -5°, +5°, -10°, +10°)와 관계없이 경사로에 착지한다. 그에 따라, ψ는 행동이 수행되는 것을 결정하는 프로세서에 의해 이용될 수 있는 적절한 보행 작업 상황 구별기이다.
계단-경사로 구별을 위한 대안적 방법은 본 발명의 다른 실시예에 채용될 수 있다. 자세(관성 공간 내의 배향) 하퇴 부재(608, 정강이) 및 발목 속도 공격 각도(ψ)는 계단 또는 경사로/평지 사이를 구별하는 본 발명의 일 실시예에서 이용될 수 있다. y-z 평면의 발목 관절(600)의 궤적(도 6a 참조)은 계단-경사로 구별을 위한 본 발명의 대안적 실시예에서 이용될 수 있다.
유각기 발목 위치설정
계단 경사로 구별기는 지형 슬로프 각도, φ^(t)의 실시간 예상을 제공한다. 구별기가 평지를 포함하는 계단을 검출하면, φ^(t)=O이 된다. 그렇지 않으면, 슬로프 각도는 이하가 된다:
Figure pct00052
식 31
이러한 슬로프 각도는 발이 지면과 접촉하지 않을 수 있는 최소값에 대응한다. φ^(t)는 두 개의 가능한 슬로프 각도 - 뒤꿈치가 마지막 걸음에서 발가락 위치에 대해 이루는 각도 및 발가락이 마지막 걸음에서 발가락 위치에 대해 이루는 각도 - 중 최소값이다.
φ^(t)가 알려지고 나면, 이러한 예측된 지형 슬로프에 채용되는 방식으로 발목을 위치시키도록 상이한 다양한 방법들을 적용할 수 있다. 이러한 방법들 중 두 가지 예시가 하기 설명된다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 전술한 구별기 방법론은 착용자에 의해 착용되는 의족 보철, 지지대 또는 외골격 장치(예를 들어, 도 17a의 장치(1700))의 관절 임피던스, 위치 또는 토크 중 적어도 하나를 제어하기 위해 이용된다. 상기 방법은 최종 승인 동안 장치의 발목 관절의 속도 벡터 공격 각도(예를 들어, 도 6c의 데이터의 y-축 값)를 추정하는 단계를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 상기 방법 또한 속도 벡터 공격 각도가 소정의 부호(예를 들어, 도 6c의 데이터의 경우에서의 음(-)의 값)를 갖는 경우 발가락 아래 위치에 대한 장치의 발 부재의 위치를 조정하는 단계를 포함한다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 방법은 속도 벡터 공격 각도가 소정의 부호(양(+)의 부호)의 반대 부호를 갖는 경우 뒤꿈치 아래 위치에 대해 장치의 발 부재의 위치를 조정하는 단계를 포함한다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 방법은 발 부재의 뒤꿈치가 하부 지형과 접촉하는 경우 및 발 부재가 하부 지형에 대해 발바닥-닿기 위치에 위치되는 경우 사이의 기간 동안 하퇴 부재에 가해지는 예상 힘에 기초하여 비용 함수를 최소화하도록 장치(예를 들어, 발목 관절 임피던스)의 임피던스를 조정하는 단계를 포함한다.
도 7a는 발-착지 전에 발목 관절(700)을 위치시키기 위한 방법을 도시한다. 이러한 방법에 있어서, 발목 관절 각도는 발 부재(708) 착지에서 발바닥-닿기까지 발목 관절(700)에 가해지는 예상된 힘(f(t))에 기초하여 비용 함수를 최소화하기 위해 최적화된다. 뒤꿈치-먼저(716) 및 발가락-먼저(712) 전략이 평가되며, 비용 함수를 최소화하는 최적 발목 관절(700) 각도를 포함하는 전략이 선택된다. 도 7a는 이용되는 방법을 설명한다.
다른 실시예에 있어서, 도 7a의 방법은, 도 7b에 도시되는 바와 같이 수행되어 계단의 존재를 감지하고, 짧은 착지 구역을 갖는 계단의 경우에만 발가락 착지에 대한 공격 각도 최적화를 제한한다. 가파르고 좁은 조합의 계단을 오르거나 내려가기 위해, 보철 장치는 발 및 계단 사이에 아무런 접촉도 없는 체적 오르기 중에 발에 의해 쓸린 체적의 궤적을 유지하도록 프로그램된다. 후기 유각에 있어서, 예를 들어, 뒤꿈치에 대한 착지가 없도록 결정되는 경우, 최적화는 발가락-아래 솔루션이 되도록 제한된다. 본 실시예에 있어서, z-회전은 장치의 하퇴 부재(704)(예를 들어, 도 17a의 z-축)의 길이 방향 축을 중심으로 하는 회전이다. 어떤 사람이 계단을 내려가서 발 부재(708)를 이러한 방식으로 회전시키는 경우, 착지 구역이 제한되고 발 부재(708)는 계단 위에 곧바로 착지하도록 회전되어야만 할 확률이 높다. 이러한 경우, 발가락(712) 아래 착지는 도 7a의 방법의 가용한 최소 힘 솔루션을 산출한다. 이러한 z-회전은 착지 구역이 제한되는 신호 시스템일 수 있으며, 뒤꿈치-아래와 비교하는 경우, 발가락-아래 착지가 가장 안전한 대안이 되도록 한다.
전술한 방법에 채용되는 복소 임피던스 계산은 발목 관절(700)이 발 아래 상태까지 회전함에 따라 발차기 또는 과도한 제동력의 이용을 최소화하는 수단으로서 어떤 적응형 발목 위치 방법에든 적용될 수 있다. 도 7d는 도 7a의 방법이 최적화된 임피던스를 이용하도록 적용되는 방식을 설명한다. 최적 공격 각도(ψ*)가 발견되고 나면, 최적 제어(Γ* c(t))에 따라 발차기 없이 발목 관절의 선형 및 각도 모멘텀을 영으로 할 수 있다는 것이 밝혀진다. 대응하는 발목 각도 응답(θ*(t))은 평형 궤적으로서 이용된다. 이러한 최적 궤적에 대한 대응 최적 임피던스는 모멘텀 및 국부 지형 각도에서의 불확실성을 수용하도록 추출될 수 있다.
더 단순한 방법은 또한 도 7c에 도시되는 바와 같이 이용될 수 있다. 도 7c는 경사로 보행 상황에서 발목 관절을 위치시키는 방법을 도시한다. 이러한 방법에 있어서, 발목 관절(700) 각도는 하퇴 부재(704)가 수직인 경우(슬로프 각도 φ{t)를 갖는) 슬로프-지형상의 발바닥-닿기 위치에 놓이도록 관절 결합한다. 또한, 다음 관계에 의해 예상된 슬로프 각도에 대해 선형적이 되도록 발목 각도를 조정하도록 이러한 방법을 일반화하는데 유용하다:
Figure pct00053
식 32
이러한 관계식을 이용하여, 발목 각도는 착용자 선호도를 따르도록 조정될 수 있다.
전술한 두 가지 방법들 중 하나에 있어서, 발-착지 이전의 발목 관절 각도(700)는 발이 지면과 접촉할 때까지 원하는 발목 관절(700) 각도와 일치하도록 연속적으로 제어(조향)될 것이다.
입각기 임피던스 및 토크 제어
다음 단계는 입각기 중에 국부적으로 수직 정렬하도록 하퇴(정강이)의 배향을 복귀시키는 단계를 포함한다. 도 8은 다리 보철(800), 예를 들어, 도 17a의 보철 장치(1700)의 발바닥-닿기에서의 지형 각도에 기초하여 관성-참조 스프링 평형을 결정하기 위한 방법을 도시한다. 보철(800)은 발가락(816) 및 뒤꿈치(820)를 구비하는 발 부재(808)를 갖는다. 보철 또한 발목 관절(804) 및 하퇴 부재(812, 정강이)를 갖는다. 지형 각도(φ)는 제어 시스템에 대한 입력 값이다. 제어 시스템은 지형 각도(φ)에서의 변화에 기초하여 제어된 족저 굴곡 중에 착용자의 전체 균형을(도 10f에 도시되는 바와 같이) 유지 및 향상시키기 위해 도 10a의 곡선(Γ-Θ)(발목 관절
Figure pct00054
의 임피던스를 변경)을 이동시킨다. 제어 시스템은 발목 균형 각도가 지형 각도(φ)와 동일하도록 보철의 발목 관절(804)의 임피던스를 설정하며; 제어 시스템은 국부 수직(850)과 정렬하도록 하퇴 부재(812, 정강이)의 배향을 회복시킨다.
도 9는 제어된 배측 굴곡 중에 발목 토크 대 발목 각도에 대한 보행 속도의 효과를 도시한다. 제어 시스템은 지형 각도(φ)의 변화에 기초하여 도 10a의 곡선(Γ-Θ)(발목 관절(804)
Figure pct00055
의 임피던스를 변경)을 이동시켜, 평형점을 향해 하퇴 부재(812, 정강이)를 이동시키도록 발목 관절(804)에 명령함으로써 제어된 족저 굴곡 중에 착용자의 전체 균형을 유지 또는 향상시킨다.
도 10a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 의족 장치를 제어하기 위한 방법을 도시한다. 도 10a에 도시되는 바와 같이, 이는 다음에 의해 제어 시스템에서 달성된다:
1) 힘이 실린 족저 굴곡 중에 음(-) 전달 에너지 충격 및 엉덩이 충격의 최소화에 기초하여, 도 7a (제어기가 곡선(Γ-Θ)을 이동)(발목 관절의 임피던스
Figure pct00056
를 변경)에 대해 설명된 바와 같이, 발-착지 및 발바닥-닿기 사이의 시간 간격 사이의 충격을 완화시키도록 후기 유각기 임피던스를 조정(동적 강성 및 발목-각도 평형 각도) (단계(1000));
2) 뒤따라가는 발에 올리는 힘을 도입 ― 앞서가는 발의 충격 시점 또는 그 이전에 발목( 및 무릎)에 반사 응답을 가함으로써 수행(단계(1004)); 및
3) 경사 지형상에서 균형(평형)을 유지하도록(도 10f에 도시되는 바와 같이) 제어된 배측 굴곡 시기에서 관성-참조 평형 각도를 유지(단계(1008)).
도 10b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 의족 보철 장치(예를 들어, 도 17a 내지 도 17e의 장치(1700))에서 임피던스 및 토크 제어를 구현하기 위한 제어기의 개략도이다. 도 10e는 도 10b에서 수행되는 임피던스 및 반사 제어를 수행하는 임피던스 및 반사 관계의 개략도이다.
도시되는 바와 같이, 임피던스의 스프링, 댐핑 및 관성 컴포넌트는 궤적, θo(t)에 대한 관계에서 정의된다. 도 10b에 도시되는 임피던스 이득 행렬 및 궤적은 전술한 바와 같이 보행 사이클, 지형 상황, 지형 텍스쳐 및 보행 속도에서의 시기에 따라 상태 제어기 프로세서로부터 적응적으로 실시간 로딩된다.
연구 결과, 온전한 팔다리는 비-선형 양(+) 토크(힘) 및 비-선형 양(+) 관절 속도 피드백으로부터 기인하는 반사 응답을 보여준다는 것이 밝혀졌다. 도 10e에 도시되는 바와 같은 반사 관계는 두 가지 방식의 피드백들을 채용한다. 당해 기술분야에 통상의 지식을 가진 자에는 명백한 것들인 일부 선형 및 일부 비-선형을 포함하는 이러한 양의 피드백 관계의 기타 비-선형 구현 예시들이 이용될 수 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 양의 토크 피드백은 발목 보철의 정강이의 토크를 측정하고 이를 비-선형 피드백 신호(
Figure pct00057
)로서 채용함으로써 달성된다. 다른 구현예에 있어서, 이러한 반사 토크 입력은 발목-동역학의 모델-기반 계산을 이용하여 추정될 수 있다.
본 발명자들은 보행 속도 및 지형 슬로프의 효과가 도 9에 도시되는 바와 같이 고려되는 경우 생체 모방 임피던스 및 입각의 반사가 결합한다는 것을 확인하였다. 이러한 이유로 인해, 바람직한 일 실시예에 있어서, 보철의 평행 탄성(예를 들어, 평행, 또는 K3 스프링)은 도시되는 바와 같이 느린 보행 속도에 대한 강성을 보여주도록 선택된다. 생체 모방 시스템에 있어서, 보철의 강성 컴포넌트는 더 높은 보행 속도에서 약화되며, 반사 응답은 도 9에 도시되는 바와 같이 더 가파르게 된다. 이러한 최적 생체 모방 제어 및 기계적 구현예에도 불구하고, 이러한 응답은 작동기가 제어된 배측 굴곡에서 평행 스프링을 밀도록 하고 힘이 실린 족저 굴곡에서 이를 당기도록 한다. 우리는 이를 바이폴라(bipolar), 또는 푸시-풀(push-pull), 동작이라고 부른다. 비-최적 제어 및 기계적 구현 예시에 있어서, 반사는 크기의 두 배의 유니폴라(unipolar), 당김-힘만으로 구현된다. 예시적인 실시예는, 그에 따라, 적절한 쌍방 직렬 스프링 응답이 선택되는 경우, 두 개의 인자들에 의해 피크 작동기 힘 및 모터 전류를 감소시키며, 8X에 의해 작동기 디자인-수명을 연장시키고 및 거의 두 개의 인자에 의해 볼-너트 속도를 감소시킨다. 이는 작동기 내구성을 증가시키는 막대한 이점을 가지며, 작동기 무게를 감소시키고 - 디자인 수명 타겟을 달성하도록 볼-베어링 및 볼-너트의 숫자가 감소한다 ― 및 음향 소음을 감소시킨다.
도 10c는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 의족 보철 장치(예를 들어, 도 17a 내지 도 17e의 장치(1700))에서 임피던스 제어를 구현하는 제어기를 도시하는 개략도이다. 도 10d는 도 10c에서 수행되는 임피던스 제어를 통제하는 기계적 임피던스 관계를 도시하는 사시도이다. τM 은 선형 작동기에 의해 의족 보철 장치의 발목 관절에 가해지는 토크이다. 적절한 "고-이득" 보상, Gc(z), - 여기서 z는 개별-시간 신호 변환을 의미 - 에도 불구하고, 모터 토크는 1) 직렬-탄성 작동기, 2) "K3" 평행 탄성 및 3) 토크 명령과 동일한 발목의 가속도 토크, Γc, - 원하는 결과 - 의해 가해지는 토크의 합을 이루도록 작동할 것이다. K^ 3 및 K^ s 는 이러한 기계적 변수에 대한 모델 추정치, 그에 따른 참조 대 모델-기반 제어를 표시하도록 이용된다.
도 10f는 보철 장치를 착용한 사람의 역전 진자 운동을 안정화하는데 필요한 복원 토크를 결정하도록 이용되는 방식을 도시하는 개략도이다. 토크(ΓCM)는 시스템의 무게 중심(예를 들어, 보철을 착용한 사람 및 보철의 조합)에 가해져서 다음에 기초하여 착용자의 균형을 유지한다.
Figure pct00058
식 33
여기서, fl 및 ft는 앞서가는 발과 뒤따라가는 발 각각에 작용하는 지면 반력이다. vCM은 착용자 무게 중심의 속도 벡터이다. ZMPl 및 ZMPt 는 앞서가는 발과 뒤따라가는 발의 제로 모멘트 피벗을 나타낸다.
Figure pct00059
및
Figure pct00060
는 앞서가는 발 및 따라가는 발 각각의 무게 중심 및 제로 모멘트 피벗 사이의 세계 좌표 참조된 벡터를 나타낸다. 전술한 용어인 제로 모멘트 피벗은 지면 반력 분포의 모멘트가 영인 발의 관성-참조 지점을 의미한다. 우리는 또한 이러한 지점을 본 서류의 나머지 부분에서 상호 교환 가능한 압력 중심(CoP)로 참조할 것이다.
지면 반력 및 제로 모멘트 피벗
지면 반력(GRF)은 하부 표면에 의해 발(또는 의족 장치의 발 부재)에 가해지는 힘이다. 지면 반력은 입각 중의 중요한 생체 역학 입력값이다. 제로 모멘트 피벗(본 명세서에서는 ZMP 및 CoP라 칭함)에서 작용하는 총 지면 반력을 인식함으로써, 의족 보철 장치의 제어 시스템(예를 들어, 도 17a의 제어기(1712))은 입각기 중에(착용자의) 균형을 향상시키고 힘의 전달을 최적화하는 직접적 방식을 갖는다. Herr 등에게 허여된 미국 특허 제 7,313,463 호는 보철, 지지대 및 로봇 및 방법에 이용되는 생체 모방 이동 및 균형 제어기(전체 내용이 본 명세서에 참조로 인용되는) 지면 반력 및 제로 모멘트 피벗 위치를 더 개시한다.
도 11a는 통상의 보행 사이클에서의 입각기 중에 GRF 컴포넌트(특히, 발목 관절(1104)로부터 ZMP까지의 벡터, ωrZMP, 및 GRF 벡터, wFGRF)가 변화하는 방식을 보여주는 보철(예를 들어, 도 17a의 장치(1700))의 하퇴 발 부재(1100), 발목 관절(1104), 및 발 부재(1108)를 도시하는 개략도이다. 연구 설정에서의 GRF 추정은 종종 신발의 밑창에 센서를 적용함으로써 수행된다. 그러나, 이러한 외부 감지는 보철 및 지지대 장치에서는 실용적이지 못할 수도 있는데, 그 이유는 신뢰성 있는 패키징 수단이 수백만 번의 보행 사이클 동안 접촉 스트레스를 견디어야만 하므로, 연구 설정에 이용되는 센서들은 이렇게 할 수 없기 때문이다. 또한, 이러한 수단은 종종, 착용자에게는 맞지 않을 수도 있는, 신발의 맞춤화를 필요로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, GRF의 고유의 감지는 관성 상태 및 하퇴 부재 힘/토크 입력(1112)(예를 들어, 도 17a 및 도 17e의 구조 엘리먼트(1732)를 이용하여)을 결합되는 새로운 방식으로 수행된다.
도 11b, 도 11c 및 도 11d는 도 17a의 장치(1700)의 컴포넌트들의 개략도이다. 전술한 도면 또한 지면 반력 및 제로 모멘트 피벗을 결정하는데 필요한 컴포넌트들(선형 직렬 탄성 작동기(1116)(예를 들어, 도 17의 선형 작동기(1716) 및 직렬 탄성 부재(1724)의 조합) 및 평행 스프링(1120)(예를 들어, 도 17a의 수동 탄성 부재(1724))의 힘 및 모멘트 관계를 보여준다. ωrZMP 및 wFGRF는 다음의 단계들에 기초하여 계산된다:
1. 관성 측정 유닛 및 발목 관절(1104) 각도 입력을 이용하여 하퇴 부재(1100) 및 발 부재(1108)의 관성 상태를 업데이트. 강체 추정을 이용하여, 하퇴 부재(1100) 및 발 부재(1108)의 하퇴 부재(1100) 및 발 부재(1108) 및 각속도 및 가속도의 무게 중심(CM)에서 세계-참조된 가속도를 추가로 계산한다.
2. 하퇴 부재(1100) 축을 따라 분해됨에 따라 하퇴 부재(1100)에 작용하는 힘의 함수로서
Figure pct00061
를 푼다.
3. 하퇴 부재(1100)에 작용하는 힘 및 모멘트 컴포넌트 각각에 의해 가해지는 모멘트의 함수로서
Figure pct00062
를 푼다.
4. 단계 2 및 3에서 계산되는
Figure pct00063
및
Figure pct00064
에 대한 값을 이용하고 발 부재(1100)에 가해지는 힘의 균형을 맞추어 wFGRF를 푼다.
5. wFGRF가 발-지면 경계(즉, ωrz ZMP=0)에서 가해진다는 것을 가정하여 발목 관절(1104)을 중심으로 모멘트의 균형을 맞춘다.
6. ωry ZMP를 푼다.
지형 텍스쳐로 인한 발목 관절 거동
도 12a는 보행 속도의 함수로서 평지의 보철 장치(예를 들어, 도 17a의 장치(1700))의 생체 모방 Γ-θ 거동을 도시한다. 도 12b는, 특히, 빠른 속도로 걷는 경우, 발목 관절 토크가 힘이 실린 족저 굴곡 중에 각도에 따라 빠르게 약화함으로써, 이상적 생체 모방 응답으로부터 출발하고 수행되는 순 작업(Γ-θ 곡선 하의 구역)을 현저하게 감소시킨다는 것을 도시한다.
통상의 로봇 시스템에 있어서, 궤적 또는 다른 재생 수단은 반복 가능하며 프로그램 가능한 응답들을 전달하기 위해 이용된다. 이러한 수단은 착용자의 의도가 재생 세그먼트 중간에 변화할 수 있기 때문에 보철 및 지지대 디바이스들에서 바람직하지 않다. 예를 들어, 착용자는 빨리 걷다가, 아이스 패치 앞에서 갑자기 정지할 수도 있다. 미리-프로그램된 궤적들 등은 재생되며, 힘 및 토크의 급속한 변화 및 위험의 유발 없이 이들을 중단시키는 쉬운 방법은 없다. 사실상, 이것이 고유의 수단이 이용되는 이유이다.
힘이 실린 족저 굴곡 중에 발목 관절 토크의 적용을 연장하기 위해, 보행 속도-종속 정규화된 지면 접촉 길이는 정점 족저 굴곡 토크, Γo를 완화시키는 수단으로서 이용된다. 지면 접촉 길이는 도 2a 내지 도 5와 관련되는 설명에서 추론되는 발의 이상 모델을 이용하고 제어된 배측 굴곡 및 힘이 실린 족저 굴곡 동안 발 부재의 관성 자세를 측정함으로써 추정된다. 도 12c에 도시되는 바와 같이, 발이 발바닥-닿기에서 발가락-들기로 천이함에 따라, 이상화된 발의 섹션이 지형 아래로 떨어져서, 지면 접촉 길이의 추정을 가능하게 된다. 도 12d는
Figure pct00065
가 발바닥-닿기에서 발가락-들기까지 어떻게 변화하는지를 도시한다.
도 12e는 접촉 약화의 길이의 속도-종속 표들이 어떻게 힘이 실린 족저 굴곡 중에 생체 모방 거동을 달성하는 수단으로서 정규화된 지면 접촉 길이를 이용할 수 있도록 하는지를 도시한다. 표들은 보행 속도의 함수로서 제어되는 환경에서의 비-절단 수술 환자의 지면 반력 및 발 부재 자세를 동역학적으로 측정함으로써 계산될 수 있다. 완화 함수 및 지면 접촉 길이 사이의 기능적 관계는 보행 속도 각각에 대해 계산될 수 있다. 이러한 표들은 참조 관계로서 보철 장치의 제어기에 저장될 수 있다. 기능은 보철 장치가 착용자에 맞는 경우 특정 착용자 요구에 맞는 형상이 될 수 있다.
전술한 바와 같이, 분명한 궤적 또는 재생 수단의 반대인 고유의 피드백을 이용하는 동기들 중 하나는 착용자 의도의 변화(예를 들어, 빨리 정지하기로 결정)를 수용하는 것이다. 발목 관절 토크를 완화하는 수단으로서 지면 접촉 길이를 이용하는 고유의 감지는 정지 및 방향 전환을 포함하는 착용자의 의도 변화를 수용하는데 충분히 일반적이지 않다. 도 12g를 참조하면, 보철 장치에서 구현되는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 시간-종속 감쇠 인자(e-t/τ)는 지면 접촉 길이 감쇠와 직렬로 이용된다. 이러한 감쇄의 시간 상수 τ는 착용자의 의도 변화와 관련된 위험을 방지하도록 힘이 실린 족저 굴곡 구동 토크를 없애기 위해 대안될 수 있다. τ는 통상 50 내지 100msec의 범위일 수 있다.
바람직하게도, 보철 장치는 착용자가 모든 지형에서 적은 노력으로 더 빠르게 걸을 수 있도록 한다. 지형 상황(계단, 경사 오르기/내려가기)의 변화만을 수용하는 것으로는 불충분하다. 이와 같은 지형 텍스쳐의 변화는 미끄러짐(예를 들어, 얼음/눈)을 유발할 수도 있고, 가라앉음(진흙, 눈, 모래, 고운 자갈) 위험은 반드시 수용되어야 한다. 제로 모멘트 피벗 궤적의 고유의 감지는 변화하는 지형 텍스쳐 상을 걷는 동안 보행 성능을 최적화 및/또는 위험 제거를 위해 이용될 수 있다.
도 12f는 통상의 보행 이동 중에 제로 모멘트 피벗 벡터,
Figure pct00066
, 의 추정된 y-컴포넌트가 어떻게 변화하는지를 도시한다. 도시되는 바와 같이, 비-미끄러짐 조건
Figure pct00067
은 발바닥-닿기(3) 및 발가락-들기(4)의 조건 사이에서 단조롭게 증가해야 한다. 이는 이러한 시기에(보행 사이클이 진행함에 따라 증가하여) 지형 표면으로부터 위로 올라오는 것이 뒤꿈치이기 때문이다. 제로 모멘트 피벗의 속도가 음의 y-축을 따라 이동하는 경우, 발이 미끄러진다. 잠금-방지 브레이크(ABS)가 자동차에서 구현되는 것과 유사한 방식에 있어서, 보철 장치는 음의 제로 모멘트 피벗 속도의 적분으로부터 추출되는 감쇠 인자에 의해 토크를 감소시킬 수 있다. 일 실시예에 있어서, 소음 민감도를 감소시키기 위해, 소음 임계치 이하의 음의 속도만이 적분된다.
도 13a 및 도 13b는, 예를 들어, 도 17a 내지 도 17e의 장치(1700)에 적용되는 본 발명의 예시적인 실시예의 상태 제어 상황을 제공한다. 통상의 보행은 두 가지 시기들: 유각기 및 입각기 사이의 사이클링을 포함한다. 도 13a는 입각기 지면과 접촉하는 뒤꿈치(1320)에 의해 개시되는 보행 이동을 포함하는 제어 시스템을 도시한다.
Figure pct00068
는 지면-참조된, 세계 프레임에서의 발목 관절 속도의 z-컴포넌트를 나타낸다. 도 13b는 입각기가 지면과 접촉하는 발가락(1324)에 의해 개시되는 보행 이동을 도시한다.
보행 사이클 동안 보철 또는 지지대를 구동하기 위한 예시적인 제어 시스템 거동
도 13a 및 도 13b는 제어 시스템(1300)이 유각기(1304) 및 입각기(1308)에서의 상태 사이의 발목 천이로서 발목 거동을 변화시킨다는 것을 도시한다. 제어 시스템(1300)은 발목의 위치를 정하는 유각기에 위치 제어(1328)를 적용하여 초기 유각기 상태에서의 헛디딤 위험을 회피하고, 후기 유각기 상태에서 특정 지형 조건(슬로프, 계단, 단차)에 대한 뒤꿈치-발가락 착지 공격 각도(적응적 발목 위치설정)를 최적화하도록 한다. 제어 시스템(1300)은 입각기에서의 임피던스 및 토크 제어(1332) - 발목의 관성, 스프링 및 댐핑 특성을 최적화 - 를 뒤꿈치/발가락 착지, 발 하향이동, 피크 에너지 저장(기하급수적 경화를 갖는 배측 굴곡), 힘이 실린 족저 굴곡 및 발가락-들기를 통한 발목 천이로서 적용한다.
도 13c는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 하부 사지(lower limb) 장치(예를 들어, 도 17a의 장치(1700))에 적용되는 위치 제어를 위한 방법을 도시한다. 장치의 착용자 및/또는 제어기가 발가락(1340)이 착용자 앞의 지형을 지나가고자 한다는 것이 확실할 때까지 발 부재(1348)를 전방으로 이동시키지 않는 것이 바람직하다. 이를 수행하는 하나의 예시적인 방안은 발 부재(1348)의 발가락(1340)이 하부 지형에 대한 발가락(1340)의 마지막 위치 위에 충분한 거리에 있을 때까지 기다리는 것이다. 본 실시예에 있어서, 제어 시스템(1300)은 시간 t 및 시간 tk -l에서의 발 부재(1348)의 발가락(1340) 사이의 지형 표면의 법선 벡터를 따라 측정되는 간극 거리가(ε0)보다 크게 되도록 결정된 이후에만 발목 관절(1340)을 회전시키기 시작함으로써 위치 제어(1328)를 적용한다. 이는 발가락(1340)이 헛디딜 수도 있는 위험을 최소화한다. 일 실시예에 있어서, 두 가지 상이한 시간(t 및 tk -l)에서의 발가락(1344)의 위치는 전술한 바와 같이 관성 측정 유닛 측정치를 이용하여 결정된다. 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 발 부재(1348)를 전방으로 이동시키는 것이 적절한 때를 결정하는 다른 방식을 적용하는 법을 알 수 있을 것이다. 몇몇 실시예들에 있어서, 제어기는, 예를 들어, 배측 굴곡 시 발의 체적이 지형 표면에 대해 원하는 간극을 달성하는가의 여부에 기초하여 적절한 전방 이동 시기를 결정할 수 있다.
요약하면, 본 발명의 실시예에 있어서, 보철 장치는 평지 보행, 계단 오르기/내려가기 및 경사로 오르기/내려가기를 포함하는 보행 과정에서 진정한 생체 모방 거동을 달성하고자 하는 의도에 맞는 단계적 지형 적응법을 채용한다. 도 14a는 단계적 적응법이 수행되는 프로세스를 개괄적으로 도시한다. 유각기에 있어서, 관성 측정 유닛은, 장치가 유각기 궤적 특징에 의해 공급되는 신호(cue)로부터 지형 상황을 파악하도록 하는, 고유의 감지 입력(외부 신경/근전기 입력의 반대인)을 공급한다. 적응적 유각기 발목 위치설정은 유각기 궤적 신호 상의 지형 상황 구별에 의해 결정되는 대로 가장 유사한 지형 상황에 대해 최적화되는 자연 뒤꿈치 또는 발가락 착지를 달성하도록 하기 위한 발목 각도, θ의 관절 결합을 의미한다.
도 14b는 발목 관절 보철을 세 가지 상이한 보행 상황에 적용할 수 있는 예시적인 임피던스를 도시한다. 도 14b는 요구되는 발목 토크(1404, Nm/kg 단위) 대 발목 관절각도(1408, 도 단위)의 그래프이다. 그래프는 세 개의 곡선(1412, 1416 및 1420)들을 포함한다. 곡선(1412)은 5도 오르막 경사로 상의 보행을 위한 발목 관절 토크(1404) 대 발목 관절각도(1408)를 도시한다. 곡선(1416)은 5도 내리막 경사로 상의 보행을 위한 발목 관절 토크(1404) 대 발목 관절각도(1408)를 도시한다. 곡선(1420)은 0도 경사로(평지) 상의 보행을 위한 발목 관절 토크(1404) 대 발목 관절각도(1408)를 도시한다. 곡선의 슬로프는 강성(또는 일반적으로 임피던스)과 동일하다. 폐쇄된 Γ-θ 곡선에 의해 밀폐되는 구역은 특정 지형 상황(예를 들어, 슬로프, 계단) 및 보행 속도에 요구되는 비-보존 작업의 양에 대응한다. 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 발목 관절 보철은 곡선(1412) 내의 구역이 곡선(1416) 내의 구역보다 크므로 오르막 경사로 보행 대 평지 보행의 보행 작업를 수행하도록 더 많은 작업을 제공하는 것이 필요할 것이다.
하이브리드 의족 증대 시스템의 일반화
도 15는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 의족 생체 역학 장치(1500)의 개략도이다. 일 실시예에 있어서, 장치(1500)는 착용자의 보행 능력을 증대하는 지지대 장치이다. 다른 실시예에 있어서, 장치(1500)는 착용자의 엉덩이, 허벅지, 정강이 및 발의 근골격 기형 및/또는 이상을 지지 및/또는 고정하도록 착용자의 신체에 부착되는 지지대 장치이다. 다른 실시예에 있어서, 장치(1500)는 착용자의 의족 생체 역학 출력(예를 들어, 착용자의 의족 강도 및 이동성을 증대)를 보조 또는 증대하도록 착용자의 신체에 부착되는 외골격 장치이다.
장치(1500)는 복수의 링크(또는 부재) 및 링크를 연결하는 관절에 의해 구성되는 연결 장치이다. 장치(1500)는 발목 관절(1512)에 의해 하퇴 부재(1516, L1)에 연결되는 발 부재(1508, L0)를 포함한다. 장치(1500) 또한 무릎 관절(1520)의 의해 하퇴 부재(1516)에 연결되는 허벅지 부재(1524, L2)를 포함한다. 장치는 또한 착용자의 상체(1532, L3)에 허벅지 부재(1524)를 결합시키는 고관절(1528)을 포함한다. 무게 중심(1504)은 장치(1500) 및 착용자의 조합의 무게 중심이다.
발 부재(1508)는 발 부재(1508) 아래에 놓인 지형(1536)과 제로 모멘트 피벗(1540)에서 접촉한다. 발 부재(1508)는 발가락 부분(1544) 및 뒤꿈치 부분(1548)을 포함한다. 장치(1500)의 각각의 관절은 또한 토크(힘) Γi , 변위 ξi , 및 임피던스 Ki의 일반화된 벡터를 갖는 작동기를 포함하되, i=0은 발목 관절(1512)에 해당하며, i=l은 무릎 관절에 해당하며, i=2는 고관절에 해당한다. 각각의 관절 작동기는 기계요소(예를 들어, 볼-스크루 작동기 또는 회전 조화 구동기), 인간 근육, 또는 둘 다를 포함할 수 있다. 관절 변위는 통상 각도 변위(회전)의 형태를 취하지만, 예를 들어, 통상의 무릎 관절에서 볼 수 있는 선형 및 각도 변위의 조합을 포함할 수 있다. 링크, i의 자세는 세계 좌표 프레임, W의 단위 벡터의 항으로 그의 좌표 프레임의 링크 원점의 위치 및 단위 벡터를 정의하는 4x4 행렬에 의해 표시된다.
각각의 링크, j의 자세는 연결 장치 제한 관계 ― 구체적으로 링크, i-1,의 자세를 일반화된 변위, ξj, 및 특정 링크 변수(링크 길이, 왜곡 및 수렴 각도)에 의해 정의되는 변환으로 곱함으로써 ― 를 통해 결정될 수 있다. 예를 들어, 정강이의 자세가 알려진 경우, 발, 허벅지 및 상체의 자세는 이러한 연결 장치에 대한 일반화된 변위가 알려졌다는 가정 하에 이들을 직접 감지하거나 관성 센서의 이용을 통해 계산될 수 있다. 각각의 링크에 대해 고유한 센서 정보의 벡터는 고유의 감지 유닛(ISU)이라고 불릴 수 있는 것에 압축된다. 고유의 센서들의 예는 일반화된 변위의 직접 또는 간접 측정; 링크의 각도 비율 및 가속도의 측정(예를 들어, 관성 측정 유닛을 이용하여); 링크 상의 힘 또는 토크의 컴포넌트의 측정 또는 추정; 다중-모달(modal) 컴퓨터 형상화(예를 들어, 범위 지도) 또는 링크 상의 또는 그에 인접하는 특정 신경 경로의 출력의 측정을 포함한다.
지형은 표면 특성, α(x,y)을 갖는 외형 함수, z(x,y)로서 모델링된다. 이러한 경우, 표면 특성은 그가 표면에 아래로 접촉 및 발 부재와 함께 그로부터 밀어져야 하는 작업에 관련됨에 따라 표면상의 정지 마찰력을 획득하는 발의 능력을 포착하고 이러한 표면 에너지를 포착하기에 충분한 표면의 탄성/소성, 댐핑 특성 및 마찰 계수를 포함한다.
도 16은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 착용자의 허벅지 부재, 엉덩이 부재 및 상체의 자세를 결정하는 방법을 도시하는 개략도이다. 로봇 무릎 보철 또는 지지대를 채용하는 하부 사지 시스템에 있어서, 엉덩이의 위치는 또한 허벅지 위에 관성 측정 유닛을 설치하거나 하퇴 부재에 대해 참조된 상대 무릎 각도를 측정함으로써 계산될 수 있다. 관성 측정 유닛이 상체에 추가로 채용되면, 상체의 자세 또한 순간적으로 계산될 수 있다. 대안적으로, 자세는 두 개의 자유도 고관절 변위를 측정함으로써 계산될 수 있다. 상체 관성 측정 유닛 상의 레이트 자이로 및 가속도계 드리프트로부터 나오는 상체 자세 예측 에러에 대한 보상은 하이브리드 시스템 연결 장치를 통한 속도 제한의 연쇄 처리를 통한 하퇴 부재 제로-속도 업데이트 중에 교정될 수 있다.
도 16은 속도 제한이 상체 자세
Figure pct00069
, 허벅지 자세
Figure pct00070
및 상체/바디 무게 중심 자세
Figure pct00071
의 예측을 교정하도록 이용되는 자세 복원 방법을 도시한다. 단계 1(1604)은, 도 2a 내지 도 5에 대하여 전술한 바와 같이, 하퇴 부재 자세를 결정하도록 하퇴 부재(1620, 링크 1) 상의 제로 속도 업데이트의 출력부를 포착한다. 허벅지 부재(1624, 링크 2) 및 상체 부재(1628, 링크 3) 각각에 대한 솔루션(단계 2 및 3)은 단계 1(1604)의 예를 따르지만, 이러한 경우에 있어서, 속도 제한은 영이 아니며, 이전 링크로부터 병진 및 회전 속도에 의해 예측된다.
예시적인 기계 설계
도 17a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 의족 보철 장치(1700)를 도시한다. 장치(1700)는 착용자의 상보형 의족 사지 소켓 부재에 부착될 수 있도록 하는 장착 인터페이스(1704)를 갖는다. 장치(1700)는 또한 장착 인터페이스(1704)와 결합되는 구조 엘리먼트(1732)(본 명세서에서는 피라미드라고 함) 및 하퇴 부재(1712)의 제 1 엔드-포인트(1752)(본 명세서에서는 정강이라고 함)를 포함한다. 몇몇 실시예들에 있어서, 장치의 하퇴 부재에 가해지는 축 방향 힘 및 모멘트는 장치의 하퇴 부재와 결합되는 구조 부재(피라미드)를 이용하여 이루어지는 측정치에 기초하여 결정된다. 피라미드는 착용자의 사지 소켓과 결합되는 보철의 컴포넌트인 계기 구조물이다. 일 실시예에 있어서, 피라미드(구조 엘리먼트) 측정치는 하퇴 부재에 가해지는 축 방향 힘 및 모멘트를 결정하도록 제어기에 의해 이용된다. 본 실시예에 있어서, 구조 엘리먼트(1732)는 일 조합의 핀(1711)을 갖는 하퇴 부재(1712)의 제 1 엔드-포인트(1752)와 결합한다. 핀(1711)은 하퇴 부재(1712) 내의 일 조합의 구멍(1713) 및 구조 엘리먼트(1732) 내의 일 조합의 구멍(1715, 도 17e에 도시됨)을 통과한다.
구조 엘리먼트(1732)는 장착 인터페이스(1704)를 향해 위치되는 상부 표면(1731) 및 하퇴 부재(1712)를 향해 위치되는 바닥 표면(1733)을 갖는다. 하퇴 부재(1712)는 또한 하퇴 부재(1712)의 제 2 엔드-포인트(1744)에서 발목 관절(1740)에서 발 부재(1708)와 결합한다. 발목 관절(1740, 예를 들어, 회전 베어링)은 발 부재(1708)가 하퇴 부재(1712)에 대해 x-축을 중심으로 회전하도록 한다. 발 부재는 뒤꿈치(1772) 및 발가락(1776)을 포함한다.
장치(1700)는 또한 제 1 엔드-포인트(1736) 및 제 2 엔드-포인트(1748)를 구비하는 선형 작동기(1716)를 포함한다. 선형 작동기(1716)는 직선 운동(1703)을 생성한다. 선형 작동기(1716)의 제 1 엔드-포인트(1736)는 하퇴 부재(1712)의 제 1 엔드-포인트(1752)와(예를 들어, 로터리 베어링으로) 결합한다. 장치(1700)는 또한 선형 작동기(1716)와 직렬 연결되는 제 1 수동 탄성 부재(1728)를 포함한다. 수동 탄성 부재(1728)는 선형 작동기(1716)의 발 부재(1708) 및 제 2 엔드-포인트(1748)와 결합한다. 수동 탄성 부재(1728)는 수동 탄성 부재(1728)의 인접 엔드-포인트(1730)에서 발 부재(1708)(예를 들어, 로터리 베어링으로)와 결합한다. 수동 탄성 부재(1728)의 말엔드-포인트(1726)는 선형 작동기(1716)의 제 2 엔드-포인트(1748) 사이에(예를 들어, 로터리 베어링으로) 결합한다. 선형 작동기(1716)는 발목 관절(1740)을 중심으로 토크를 가한다.
장치(1700)는 또한 제 1 엔드-포인트(1756) 및 제 2 엔드-포인트(1760)를 구비하는 대안적 제 2 수동 탄성 부재(1724)를 포함한다. 제 2 수동 탄성 부재(1724)는 하퇴 부재(1712)와 평행한 단일 방향 스프링 힘(평행 탄성을 제공)을 제공한다. 제 2 수동 탄성 부재(1724)의 제 1 엔드-포인트(1756)는 하퇴 부재(1712)의 제 1 엔드-포인트(1752)와 결합한다. 제 2 수동 탄성 부재(1724)의 제 2 엔드-포인트(1760)는 발 부재(1708)와 결합한다. 그러나, 족저 굴곡 중에, 스프링은 결합하지 않으며, 그에 따라, 단일 방향 스프링 힘을 장치에 제공하기만 한다.
몇몇 실시예들에 있어서, 제 2 수동 탄성 부재(1724)는 에너지를 거의 저장하지 않거나 아예 저장하지 않으며 힘이 실린 족저 굴곡 중에 소정 각도를 넘는 발목의 추가 회전을 제한하는 비-순응형 정지부이다.
도 17b 및 도 17c는 제 2 수동 탄성 엘리먼트(1724)를 도시하는 도 17a의 의족 장치의 일부를 도시한다. 제 2 수동 탄성 엘리먼트(1724)는, 족저 굴곡이 아니라, 배측 굴곡 중에 에너지를 저장한다. 탄성 엘리먼트(1724)는 이중-외팔보 결합부(제 1 엔드-포인트(1756) 및 제 2 엔드-포인트(1760) 사이의 위치(1780)에서 클램프됨)를 갖는다. 탄성 부재(1724)는 탄성 엘리먼트(1724)의 전체 길이(y-축을 따라)를 따라 굽힘 스트레인을 최대로 함으로써 탄성 부재(1724)가 효율적으로 에너지를 저장하도록 하는 테이퍼진 형상(1784)를 갖는다. 몇몇 실시예들에 있어서, 정규화된 스프링 상수 범위는 0 내지 12 Nm/rad/kg이다. 범위의 상단에서, 에너지 저장은 대략 0.25 J/kg이다.
탄성 부재(1724)의 캠/경사로 증대는 착용자의 체중에 대해 스프링 상수를 용이하게 맞출 수 있도록 한다. 캠 엘리먼트(1788)는 탄성 부재(1724)의 제 2 엔드-포인트(1760)에 위치된다. 경사로 엘리먼트(1792)는 발 부재(1708)에 위치된다. 캠 엘리먼트(1788)는 배측 굴곡 중에 경사로 엘리먼트(1792)와 결합하지만; 캠 엘리먼트(1788)는 족저 굴곡 중에 경사로 엘리먼트(1792)와 결합하지 않거나 장치(1700)의 다른 부분과 결합한다. 캠 엘리먼트(1788)가 경사로 엘리먼트(1792)와 결합하지 않거나 족저 굴곡 중에 장치(1700)의 다른 부분과 결합하므로, 탄성 부재(1724)는 배측 굴곡 중에만 에너지를 저장한다. 일 실시예에 있어서, 경사로 엘리먼트(1792)의 위치는 착용자 또는 제 2 자(second party)가 캠 엘리먼트(1788)의 경사로 결합을 맞추도록 스크루-조정 가능하여 에너지 저장 특성을 착용자의 보행 습관에 맞출 수 있도록 한다. 작업자는 캠 엘리먼트(1788)의 위치에 대해 경사로 엘리먼트(1792)의 위치를 조정하여 수동 탄성 부재(1724)의 에너지 저장 특성을 변경하도록 한다.
대안적 실시예에 있어서, 작동기는 제 2 수동 탄성 부재(1724, 탄성 부재 결합각도)가 결합되는 발목 관절 각도를 조정하도록 경사로 안으로 결합된다. 이는, 예를 들어, 착용자가 경사로 및 계단을 오르는 경우, 및 달리기 중에, 탄성 부재(1724)와 결합하지 않고, 유각기 중에 발목 관절(1740)이 배측 굴곡되도록 한다.
수동 탄성 엘리먼트(1724)는 또한 탄성 엘리먼트(1724)가 배측 굴곡에서 결합되는 경우 장치(1700)에 응답하여 주파수를 증가시키는 기능을 수행한다. 배측 굴곡에서의 장치(1700)의 동역학은 신속 응답(대역폭) 직렬 탄성 작동기(즉, 선형 작동기(1716) 및 제 1 수동 탄성 엘리먼트(1728)의 조합)로부터 득을 본다. 제 2 수동 탄성 엘리먼트(1724)와 관련된 스프링 상수는 인자, β,에 의해 장치(1700)의 대역폭을 증가시킨다:
Figure pct00072
식 34
여기서, K3는 제 2 수동 탄성 부재(1724)의 스프링 상수이며, Ks는 선형 작동기(1716) 및 제 1 수동 탄성 엘리먼트(1728)의 조합의 스프링 상수이다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제 2 수동 탄성 엘리먼트는 1 내지 3의 β를 제공하여; 장치(1700)의 대역폭을 대략 5 Hz 내지 대략 15 Hz 증가시킨다.
제 2 수동 탄성 부재(1724)는 장착 구멍을 이용하지 않고 양 엔드-포인트에서의 클램핑을 가능하게 하도록 도브테일 특징부(1796)를 채용한다. 일 실시예에 있어서, 제 2 수동 탄성 부재(1724)는 합성 섬유 물질로 제조된다. 장착 구멍은 응력 강도를 형성할 수 있으며, 스프링의 강도와 타협할 수 있는 수동 탄성 부재(1724)에서의 섬유 탈락을 유발할 수 있다. 엔드-포인트 클램프(1798)는 수동 탄성 엘리먼트(1724)를 제자리에 유지시키는 상보형 형상을 갖는다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 에폭시는 클램프에 채용되어 제 2 수동 탄성 부재(1724)를 엔드-포인트 클램프 내에 영구히 고정한다. 에폭시 관절은 도브테일 특징부(1796) 없이는 실패하기 쉬울 것이다.
수동 탄성 엘리먼트(1724)는 에너지 저장 밀도가 주어진 편향에 대한 길이 전체에 걸쳐 일정하다는 것을 보장하도록 엘리먼트(1724)에서의 에너지 저장을 최대화하는 테이퍼진 디자인을 채용한다. 도 17d를 참조하면, 수동 탄성 엘리먼트(1724)의 자유 물체도(free-body diagram)로서, 롤러 힘, Froller, 및 하퇴 부재 힘, Fshank, 이 중앙 피벗에 의해 동일하며 반대 방향인 힘을 결합시키는 방식을 보여준다. 본 실시예에 있어서, 롤러 힘 및 하퇴 부재 힘은 중앙 피벗으로부터 동일 거리로 가해진다. 엔드-포인트에서의 힘, F,는 도 17f의 중앙 피벗 힘을 생성하도록 결합한다. 표준 얇은 빔 관계를 이용하여, 중앙 피벗으로부터 x의 거리에서 작용하는 모멘트는 선형적으로 변화하며 - 중앙에서 FL의 값에서 출발하여 x=L에서 영으로 떨어짐 -, 여기서 L은 힘이 가해지는 위치 사이의 수동 탄성 엘리먼트(1724)의 길이이다. x를 따르는 에너지 저장 밀도는 표면(ε0(x))에서 모멘트(M(x)) 및 스트레인의 곱에 비례한다.
Figure pct00073
식 35
Figure pct00074
식 36
합성 물질의 주어진 레이업(layup)에 있어서, 표면 스트레인은 임계값, ε*이하이다. 주어진 모멘트에 있어서, 빔의 에너지 밀도는 표면 스트레인이 이러한 임계값에 대해 설정되는 경우 최대화될 것이다. 에너지 밀도 상수 및 그의 최대값을 유지하기 위해, 빔, w*(x), 의 최적 폭은 전술한 관계에 의해 정의된다:
Figure pct00075
식 37
일 실시예에 있어서, 테이퍼(1784)는 빔의 중앙으로부터 선형적으로 변화한다. 이러한 설계 방법을 이용함으로써, 우리는 테이퍼(1784) 없이 빔과 비교하여 2의 인자에 의해 스프링의 에너지 저장을 증폭하였다. 합성 스프링 물질이 균일하지 않고 얇은 빔 방정식이 적용 가능하지 않으므로, 계산 도구가 수동 탄성 부재(1724)에서의 에너지 저장 밀도를 추정하도록 이용된다. 대부분의 에너지를 저장할 수 있는 형상은 섬유 박리, 박리 설계, 수동 탄성 부재(1724)가 장치(1700)에 부착되는 두께 및 정확한 방식에 상당히 종속된다. 그러나, 우리는 선형 테이퍼가 대략 10%의 최적 범위의 에너지 저장을 전달한다는 것을 결정하였다. 예시적인 실시예에 있어서, 선형 테이퍼가 이용되는 이유는 선형 테이퍼 패턴이 워터-제트 공정을 이용하여 합판 합성 물질 시트로부터 절단되는 것이 상대적으로 쉽기 때문이다. 대안적이며, 덜 예시적인 실시예에 있어서, 테이퍼가 없는 스프링이 이용될 수 있다.
도 17e는 구조 엘리먼트(1732, 본 명세서에서는 피라미드라 칭함)의 실시예의 사시도를 도시한다. 구조 엘리먼트(1732)는 하퇴 부재(1712)의 장착 인터페이스(1704) 및 제 1 엔드-포인트(1752) 사이에 결합한다. 구조 엘리먼트(1732)는 일 조합의 핀(1711, 도 17a에 도시됨)을 구비하는 하퇴 부재(1712)의 제 1 엔드-포인트(1752)와 결합한다. 핀(1711)은 하퇴 부재(1712) 내의 일 조합의 구멍(1713) 및 구조 엘리먼트(1732) 내의 일 조합의 구멍(1715)을 통과한다. 핀(1711)은 구조 엘리먼트(1732) 내의 스트레인의 회전 자유도가 구조 엘리먼트(1732) 내의 축 방향 힘 및 모멘트로서 잘못 기록되도록 한다. 본 실시예에 있어서, 구조 엘리먼트(1732)는 발목 관절(1740) 상의 모멘트 및 축 방향 부하를 측정, 예를 들어, 장치(1700) 기능을 제어하는 제어기(1762) 상태 기계에 의한 "발-하향"의 양(+)의 검출; 힘이 실린 족저 굴곡 중에 채용되는 양의-피드백 반사 제어에 의한 이용을 위해 인가된 모멘트의 측정; 및 제어기(1762)에 결합되는 안전 시스템의 이용을 위한 미끄러짐의 양의 검출을 가능하게 된다.
본 실시예에 있어서, 구조 엘리먼트(1732)는 작동 중에 장치(1700)에 가해지는 내측-측면 모멘트 및 축 방향 힘에 의해 유도되는 스트레인 필드를 증폭시키는 굴곡 엘리먼트로서 설계된다. 구조 엘리먼트(1732)는 내측-측면 모멘트(x-축을 중심으로 하는 모멘트)가 가해지는 경우 중앙 어댑터 장착 구멍(1734)을 중심으로 영역(1738 및 1742) 내의 반대 부호의 큰 스트레인 필드(차동 스트레인 필드)를 생성한다. 이러한 차동 스트레인 필드는 축 방향 힘이 가해지는 경우에만 나타나는 것은 아니다. 구조 엘리먼트(1732)는 구조 엘리먼트(1732)의 바닥 표면(1733) 상의 두 개의 모멘트-감지 영역(1738 및 1742, 각각)에 결합되는 하나의 스트레인 게이지(1782 및 1786)를 포함한다. 게이지는 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge)의 양측에 적용된다. 제어기(1762)는 스트레인을 측정하도록 휘트스톤 브리지와 결합한다. 스트레인 측정치는 구조 엘리먼트(1732)의 모멘트를 측정하도록 이용된다. 일 실시예에 있어서, 측정의 민감도는 대략 0.15 N-m 범위로서, 이러한 상황에 있어서, 민감도는 500 Hz에서 디지털 샘플링되는 경우 최소 분해 가능한 변화(신호 대 소음≡l)를 정의한다.
모멘트-유도된 스트레인과 대조적으로, 높은 스트레인은 중앙 어댑터 장착 구멍(1734) 둘레의 영역( 1746 및 1754) 내의 내측-측면 축을 따라 축 방향 힘에 의해 유입된다. 이러한 스트레인은 내측-측면 축을 따라 가공되는 슬롯(1758 및 1770, 각각) 아래의 0.76 mm 두께 영역(영역들(1746 및 1754))에서 나타난다. 슬롯 위의 섹션은 얇은 하부 섹션 내에 최소 스트레인을 갖는 모멘트 부하를 전달하기에 충분히 두꺼워야 한다. 스트레인의 크기는 모멘트-부하만이 가해지는 경우 얇은 섹션에서 현저하게 약해진다. 구조 엘리먼트(1732)는 구조 엘리먼트(1732)의 바닥 표면(1733) 상의 두 개의 축 방향 부하-감지 영역(1746 및 1754, 각각) 각각에 접착되는 하나의 스트레인 게이지(1790 및 1794)를 포함한다. 게이지는 휘트스톤 브리지의 양측에 적용된다. 제어기(1762)는 스트레인을 측정하도록 휘트스톤 브리지와 결합한다. 스트레인 측정치는 구조 엘리먼트(1732) 상의 축 방향 힘 및 그에 따른 하퇴 부재(1712) 상의 축 방향 힘을 측정하도록 이용된다. 가공된 슬롯(1758 및 1770)은 구조 엘리먼트(1732)의 구조적 안정성과의 타협 없이 축 방향-유도된 스트레인을 증폭시킨다.
구조 엘리먼트(1732)가 착용자(도시하지 않음) 및 장치(1700)의 나머지 사지 소켓 사이의 구조적 지지의 임계 체인 내에 있으므로, 일 실시예에 있어서, 60 N/kg의 축 방향 부하 이상을 견디도록 설계되는 것이 바람직하다. 본 실시예에 있어서, 축 방향 측정치의 민감도는 장치(1700)가 지면에 단단히 위치되는 것을 감지하도록 장치(1700) 내에서 통상 이용되는 대략 100N의 임계치 이하인 대략 50N의 범위 내에 있게 된다. 장치(1700)의 눈금 조정 중에, 2X2 민감도 행렬은 결정되어, 진정한 모멘트 및 축 방향 힘이 쌍의 스트레인 측정치로부터 추출될 수 있도록 한다.
도 17f는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 하퇴 부재에 가해지는 축 방향 힘 및 모멘트를 측정하는 대안적 방법의 단면도를 도시한다. 본 실시예에 있어서, 구조 엘리먼트(1732)는 축 방향 힘 및 평면 모멘트(2-자유도)가 잉여 방식(redundant fashion)으로 추출될 수 있는 방법으로 그의 바닥 표면(1733)의 변위를 증폭시키는 굴곡 설계를 채용한다. 본 실시예에 있어서, 장치(1700)는 모멘트(토크) 및 하퇴 부재에 가해지는 축 방향 힘(1712)을 결정하도록 구조 엘리먼트(1732)의 편향을 측정하기 위한 변위 감지 장치(1735)를 포함한다.
본 실시예에 있어서, 변위 감지 장치(1735)는 하나 이상의 변위 센서(1737, 예를 들어, 접촉 또는 비-접촉 변위 센서)를 채용하는 인쇄 회로 조립체(PCA)를 포함한다. 센서는 각각의 감지 좌표에서 센서(1737) 및 구조 엘리먼트(1732)의 바닥 표면(1733) 사이의 거리를 측정한다.
일 실시예에 있어서, 구조 엘리먼트(1732)의 바닥 표면(1733)에 대해 PCA 상에 인쇄되는 코일의 상호 인덕턴스 변화는 국부 표면 스트레인(변위)를 측정하도록 이용된다. 본 실시예에 있어서, 구조 엘리먼트(1732)에서의 역류 "와상(eddy)" 전류는 구조 엘리먼트(1732)의 코일 및 바닥 표면(1733) 사이의 거리와 반대로 코일 인덕턴스를 감소시키도록 작용한다. 다른 변위 감지 기술이 포함될 수 있는바, 이는 PCA에 통합되는 힘-감지 저항, 압전 또는 스트레인-게이지를 채용하는 비-접촉 커패시턴스 및 광학 센서 또는 접촉-기반 센서를 포함한다. 배열의 변위 센서를 샘플링함으로써, 축 방향 힘 및 모멘트는 오프-라인 눈금 조정 과정 중에 계산되는 민감도 행렬을 이용하여 추정될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 구조 엘리먼트(1732)는 스크루에 의해 하퇴 부재(1712)에 체결되어, 도 17e에 도시되는 실시예에서 채용되는 핀(1711)의 필요성을 제거한다. 스크루 체결 방법은 무게 및 제조 복잡성을 감소시킨다. 또한, 이러한 체결 방법은 변위 감지 장치(1735)가 위치되는 구조 엘리먼트(1732)의 중심에서 측정되는 변위를 증폭시킨다. 도 17g는 평면 모멘트 벡터 및 축 방향 힘이 인쇄 회로 조립체 상의 변위 센서의 원형 배열을 이용하여 계산될 수 있는 방식을 도시한다. 도시되는 바와 같이, 바이어스 및 사인 곡선 변위 함수의 복조(demodulation)는 모멘트 및 힘을 추정하도록 이용된다. 기타 변위 센서 배열 구성은 모멘트 및 힘의 고유 감지 수단으로서 이용될 수 있을 것이다.
모멘트 및 힘 감지는 보행 상태 변화를 신호 처리하는 수단으로서 유용한다. 또한, 하퇴 부재(1712) 모멘트의 측정은 반사 거동이 힘이 실린 족저 굴곡에서 달성되는 피드백 수단으로서 작용한다. 관성 및 작동기 피드백과의 결합 시, 고유의 모멘트 및 힘 측정은 정지 마찰력 제어 및 균형에 유용한 지면 반력 및 제로 모멘트 피벗을 계산하도록 이용된다. 이러한 이유로 인해, 관성 측정 유닛 및 상태 제어 처리 함수로 감지하는 고유의 모멘트 및 힘을 패키지하는데 유리하다. 도 17f는 이러한 함수가 PCA 상에서 구현될 수 있는 방식을 보여준다. 이러한 PCA는 신호 처리층과 결합되는 상측 변위 감지 FR4-기반 층 및 바닥 FR-4-기반 층 사이의 강성 개재 기판으로서 작용하는 안정 코어 물질(예를 들어, 인바(Invar))을 구비하는 FR-4 물질의 샌드위치로서 구현될 수 있다. 단일 조립체 내에 이러한 물질 및 기능을 통합함으로써 이러한 기능을 상호 연결하는 케이블 및 기타 비-의존 수단에 대한 필요성을 제거한다. 이러한 통합은 또한 독립형 공구가 에너지 복원 및 보행 통계학을 포함하는 수동 보철 및 연구, 보행 변수를 셋업하도록 보철사에 의해 이용될 수 있도록 한다.
도 17a를 참조하면, 장치(1700)는 선형 작동기(1716)를 제어하기 위해 선형 작동기(1716)와 결합되는 제어기(1762)를 포함한다. 본 실시예에 있어서, 제어기는 장치(1700)의 하우징(1764) 내에 설치되어 외부 환경으로부터 보호된다. 하우징(1764) 내의 배터리(1768)는 장치(예를 들어, 장치(1700)와 관련되는 제어기(1762) 및 다양한 센서)에 전력을 제공한다.
장치(1700)는 이전의 발가락-들기 위치에 대한 발목 관절(1740), 뒤꿈치(1772) 및 발가락(1776)의 관성 자세 궤적을 예측하는 관성 측정 유닛(1720)을 포함한다. 관성 측정 유닛(1720)은 제어기(1762)에 전기적으로 결합하며, 장치(1700)의 선형 작동기(1716)를 제어하도록 제어기(1762)에 관성 측정 신호를 제공한다. 일 실시예에 있어서, 관성 측정 유닛(1720)은 3-축 가속도계 및 3-축 레이트 자이로를 채용한다. 3-축 가속도계는 세 개의 직교 축을 따라 국부 가속도를 측정한다. 3-축 레이트 자이로는 세 개의 직교 축을 따라 각도 회전을 측정한다. 수치 통합에 대한 이러한 잘 확립된 방법의 이용을 통해, 발 구조의 어느 지점의 위치, 속도 및 자세가 계산될 수 있다.
몇몇 실시예들에 있어서, 관성 측정 유닛(1720)은 지형 슬로프 및 단차 및 계단의 존재를 검출하도록 이용되어 - 입각기에서의 접촉 및 발목 관절의 스프링 평형 위치 이전에 하부 지형에 대한 발의 "공격 각도"의 최적화를 가능하게 한다. 몇몇 실시예들에 있어서, 관성 측정 유닛(1720)은 착용자의 보행 속도 및 지형의 조건(지형의 특징, 텍스쳐 또는 불규칙성(예를 들어, 지형이 얼마나 질척이는가, 지형이 얼마나 미끄럽고 지형이 거칠거나 매끄러운가, 지형에 바위와 같은 장애물이 있는가))을 결정하도록 이용된다. 이는 착용자가 모든 지형 타입에서 자신감 있게 걸을 수 있도록 한다. 관성 자세는 고정식 지면-참조된 (세계) 좌표 프레임 - 동종 변환의 배향 컴포넌트(세계 참조 프레임에서의 x, y 및 z 축을 정의하는 세 개의 단위 벡터)로서 포착 또는 4원법; 세계 프레임에서의 발목 관절(1740)의 병진 이동; 및 세계 프레임에서의 발목 관절(1740)의 속도로서 포착됨 -에서 하퇴 부재(1712)의 세 개의 자유도 배향을 포함한다. 본 실시예에 있어서, 관성 측정 유닛(1720)은 하퇴 부재(1712)와 물리적으로 결합한다. 몇몇 실시예들에 있어서, 관성 측정 유닛(1720)은 장치(1700)의 발 부재(1708)와 결합한다.
도 17h는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 도 17a 내지 도 17g의 장치에 이용되는 상태 추정 및 작동기 제어기(상태 및 작동기 제어 PCA - SAC)를 도시하는 개략도이다. 본 실시예에 있어서, 제어기(1762)는 좌표 선형 작동기(1716)(예를 들어, 도 5a 및 도 5b의 회전 모터(504)) 및 관성 측정 유닛(1720)을 제어 및 조정하도록 듀얼 40 MHz dsPIC(MicrocHiP™에 의해 제조) 프로세서를 채용한다. 본 실시예에 있어서, 공간-벡터 변조는 모터 RPM을 최대화하는 최적 펄스 폭 변조 구동을 생성하기 위해 브러시리스 모터 제어를 수행하도록 채용된다. 공간 벡터 변조는 참조 신호가 규칙적으로 샘플링되는 다중-위상 AC 발전을 위한 PWM 제어 알고리즘이다. 신호 또는 전원의 PWM은 삼상(three-phase) 모터 권선 전압 이용률(예를 들어, 회전 모터(504))의 변조를 포함한다. 참조 신호의 각각의 샘플링 후, 참조 벡터에 인접한 영이 아닌 능동 스위칭 벡터 및 영 스위칭 벡터 중 하나 이상은 참조 신호를 합성하기 위해 샘플링 기간의 적절한 부분에 대해 선택된다.
제어기(1762)는 다양한 입력 신호를 수신하는바, 이는 관성 측정 유닛(1720)으로부터의 관성 자세 신호(1781), 구조 엘리먼트(1732) 스트레인 측정으로부터의 토크 및 축 방향 힘 신호(1783), 발목 관절(1740)에 위치되는 홀-효과 변환기로부터의 발목 관절각도 신호(1785), 인코더(예를 들어, 도 20a의 인코더(2040))로부터의 모터 위치 신호(1787, 인덱스 및 절대 모터 위치를 갖는 직각위상 인코더), 직렬 탄성 부재(1728)의 스트레인 센서(1704, 도 18a 참조)로부터의 스트레인 신호(1789), 및 제어기 변수(1791, 예를 들어, 장치 구성 데이터, 착용자-특정 튜닝, 펌웨어 업데이트))를 포함한다. 또한, 제어기(1762)는 다양한 신호를 출력하는바, 이는 장치 성능 데이터(1793, 예를 들어, 실시간 데이터, 에러 로그 데이터, 실시간 성능 데이터), 및 발목 상태 업데이트(1795)를 포함한다. 또한, 제어기(1762)는 선형 작동기(1716)로 명령을 출력하며, 선형 작동기(1716, 대체로 신호(1797))로부터 작동기 피드백 신호, 예를 들어, 선형 작동기(1716) 용 전력 전자 부품에 제공되는 삼상 펄스 폭 변조 신호, 선형 작동기(1716)에 대한 배터리 전력, 및 선형 작동기(1716)로부터의 전류 피드백 측정치 및 온도 측정치를 수신한다.
본 실시예는 입각기 및 유각기 상태를 통한 장치(1700) 천이로서 상태 변화를 확인하도록 센서 피드백을 이용한다. 잉여 및 다양한 센서 측정치를 이용함으로써, 또한 폴트 조건을 확인하고 장치(1700)가 적절한 안전 상태가 되도록 한다. 온-보드 실시간 시계를 이용하여, 폴트에 타임-태그를 붙이고 및 이들을 온-보드 e2PROM(에러 로그)에 저장한다. 에러 로그의 내용은 보철사 및/또는 제조 업체 서비스 요원에 의해 무선으로 검색된다. 본 실시예에 있어서, 모터 구동 PCA(MD)는 SAC PCA로부터 펄스폭 변조(PWM) 명령을 받아서 모터 권선 내로 전류를 전환시킨다. MD는 감지된 전류 및 전력 정보를 SAC PCA로 되돌아가게 하여 폐쇄-루프 제어를 적용할 수 있도록 한다.
본 실시예에 있어서, IMU PCA는 시상면(sagittal plane: 정강이뼈 앞 부분과 평행한 국부 평면)에 명목적으로 장착되고, 3-축 가속도계, 이중-축 레이트 자이로(ωz 및 ωx) 및 단일-축 레이트 자이로(ωy)를 채용한다. 본 실시예에 있어서, 좌표 프레임 정의는 전방 y-축, 상방 z-축 및 y 및 z 축 (y X z)의 벡터적으로서 정의되는 x-축을 정의하는 것으로 이용된다. IMU는 500 Hz의 시스템 샘플링 비율에서 SAC로부터 상태 정보를 수신한다. 이는 발목 상태 벡터 - 특히, 발목 피벗의 위치 및 속도, 뒤꿈치의 위치 및 발가락의 위치 - 모두를 발바닥-닿기 위치에 대해 이전의 단차로부터 전달한다.
도 17i 및 도 17j는 도 17a의 장치(1700)의 예시적인 전기 균등물을 도시하는 개략도이다. 전기 회로 심벌은 기계적 엘리먼트 - 속도가 있는 선형인 댐핑 토크를 구비하는 기계적 컴포넌트를 나타내는 저항; 회전 관성 특성을 갖는 기계적 구성 엘리먼트를 나타내는 저항; 및 선형 스프링 품질을 갖는 기계적 구성소자를 나타내는 인덕터 - 를 설명하도록 이용된다. 이러한 회로 표기법에 따라, 전류는 토크에 대응하며 전압은 각속도에 대응한다.
회로 컴포넌트는 이하와 같이 정의된다: Jshank는 하퇴 부재(정강이)의 알려지지 않은 균등 관성 및 무릎(예를 들어, 도 17a의 하퇴 부재(1712) 관성) 아래의 나머지 사지이며; JMotor는 균등 모터 및 볼-스크루 전달 조립체 관성(예를 들어, 도 17a의 선형 작동기(1716)의 관성)이며;
Figure pct00076
은 압축 시 직렬 스프링(예를 들어, 도 17a의 수동 탄성 엘리먼트(1728))의 비틀림 스프링 상수이며;
Figure pct00077
은 인장 시 직렬 스프링의 비틀림 스프링 상수이며; K3는 단일 방향 평행 스프링(예를 들어, 도 17a의 수동 탄성 부재(1724))의 비틀림 스프링 상수이며; 및 JAnkle은 발목(예를 들어, 도 17a의 발 부재(1708)) 이하의 발 구조의 회전 관성이다. 모델 내의 전류(토크) 소스는 이하와 같이 정의된다:
Figure pct00078
은 착용자의 바디에 의해 하퇴 부재(예를 들어, 하퇴 부재(1712)) 상에 가해지는 알려지지 않은 토크이며; τmotor는 작동기(예를 들어, 선형 작동기(1716))에 의해 가해지는 토크이며; 및
Figure pct00079
는 구조 엘리먼트(예를 들어, 도 17a 및 도 17e의 구조 엘리먼트(1732))를 이용하여 측정되는 토크이다.
도 17i는 에너지 저장 엘리먼트인 직렬 및 평행 스프링의 중요성을 도시한다. 저장된 에너지의 이용은 선형 작동기에 의해 요구될 수 있는 전력 소비를 감소시킨다. 또한, K3 스프링의 추가의 목적은 발목-스프링 공진을 증가시키는 발목 관성을 가로지르는 션트(shunt)로서의 기능이다.
도 17j는 고-정확도 위치 및 힘을 제공하도록 본 실시예에서 채용된 센서가 고유의 안전 디자인을 전달하기에 바람직한 센서 잉여 및 다양성을 제어 및 달성하는 방식을 도시한다. 도시되는 바와 같이, 발목 관절 위치, θ,는 이하로부터 추출된다:
Figure pct00080
식 38
여기서
Figure pct00081
식 39
θ의 잉여 측정은 홀-효과 각도 변환기의 이용을 통해 달성되어, 제어 시스템에 의해 적절하게 조정된다는 것을 보증한다. 일 실시예에 있어서, 홀-효과 변환기는 장치(1700)의 하우징(1764) 내의 SAC PCA 상에 위치되는 홀-효과 장치를 포함한다. 변환기는 또한 발 부재(1708)와 결합되는 자석을 포함한다. 전계 효과 크기(변환기에 의한 신호 출력)는 각도 관절 회전(즉, 홀-효과 장치에 대한 자석의 이동)에 응답하는 공지된 방식으로 변화한다. 홀-효과 변환기는 장치(1700)의 제조 중에, 예를 들어, 자석에 대해 홀-효과 장치의 공지된 변위까지의 변환기의 출력을 측정함으로써 눈금 조정된다. 다른 발목 각도 측정 실시예에 있어서, 하퇴 부재 상의 코일 상에서 측정되는 상호 인덕턴스는 발목 각도의 함수로서 공지된 관계를 가지며, 인덕턴스는 선형 작동기 또는 기타 위치 이탈 필드에서 모터에 의해 생성되는 자기장에 민감하지 않은 방식으로 각도 변위를 계산하도록 눈금 조정될 수 있다. 또한, 도 17j에 도시되는 바와 같이, 착용자에 의해 가해지는 발목 모멘트 또한 측정된다. 이는 선형 작동기가 반사 거동을 달성하도록(예를 들어, 강성을 증가시키도록) 적용된다.
도 18a, 도 18B, 도 18C 및 도 18d는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 도 17a의 수동 탄성 부재(1728)를 도시한다. 수동 탄성 부재(1728)는 양방향 강성을 제공하며 선형 작동기(1716) 및 발 부재(1708)와 직렬 연결된다. 수동 탄성 부재(1728)는 일엔드-포인트에서 선형 작동기(1716)의 제 2 엔드-포인트(1748)와 결합하며, 타엔드-포인트에서 발 부재(도시되지 않음)와 결합한다. 수동 탄성 부재(1728)는 수동 탄성 부재(1728) 내의 스트레인을 측정하기 위해 수동 탄성 부재(1728)와 결합되는 스트레인 센서(1704)를 포함한다. 본 실시예에 있어서, 스트레인 센서(1704)는 스트레인 게이지로서, 그의 응답은 선형 작동기(1716)에 의해 가해지는 힘 및 선형 작동기(1716)에 의해 가해지는 발목 관절(1740)을 중심으로 하는 모멘트를 측정하도록 눈금 조정된다. 스트레인 게이지 신호는 도 17a의 제어기(1762)를 이용하여 측정된다.
본 실시예에 있어서, 수동 탄성 부재(1724)는 원하는 양방향(양측 방향으로의 벤딩 기능) 정규화된 구동 강성을 전달하는 형성된 카본-섬유 레이업이다. 일 실시예에 있어서, 수동 탄성 부재(1724)는 14-25 N-m/rad/kg의 압축 및 4-8 N-m/rad/kg의 인장력을 갖는 것이 바람직하다. 생체 역학 힘 및 토크는 착용자의 몸무게와 축척을 맞춘다. 보철 및 지지대 장치의 축척을 맞추는 경우, 디자인 변수 상세 내역은 통상적으로 정규화된다. 예를 들어, 이러한 장치의 직렬 및 평행 탄성은 몸무게에 맞게 축척을 이루거나 몸무게의 몇몇 범위를 덮도록 의도되는 별개의 값을 제공하도록 설계될 수 있다. 압축 및 인장 범위는 회전의 전체 범위 - 최대 족저 굴곡부터 최대 배측 굴곡까지 - 를 가로지르는 발목 관절에 대한 선형 작동기 모멘트 암(arm)의 차이로부터 기인하는 토크 변화를 반영한다. 직렬 스프링 상수는 발목이 발가락-들기 보행에서 즉시 따라오는 발가락-들기로 재-위치되는 경우 유각기 배측 굴곡 위치 제어 중에(스프링이 압축 상태인 동안) 상대적으로 비-순응형이 되도록 최적화된다. 그러나, 몇몇 컴플라이언스는 충격 부하로부터 선형 작동기를 격리시키도록 유지된다.
도 18C 및 도 18d를 참조하면, 고 강성은 수동 탄성 부재(스프링)(1728)의 말엔드-포인트(1726)를 향해 배측 굴곡 회전 바닥 제한부(1708)를 삽입함으로써 압축 상태의 수동 탄성 부재(1728)에서 달성된다. 이러한 규제는(배측 굴곡을 향한) 압축 중에 직렬 스프링(1728)의 굽힘 시 선형 작동기(1716)의 유효 모멘트 암(arm)을 감소시킨다. 인장 시, 모멘트 암은 스프링 규제부의 인접 엔드-포인트(1730)를 향해 족저 굴곡 상부 제한(1716)을 위치시킴으로써 유효하게 증가한다. 더 긴 모멘트 암에 따라, 스프링 빔은 더욱 자유롭게 구부러져, 인장 시 스프링 상수를 감소시킬 것이다. 양 방향 강성 특성에 더하여, 몇몇 실시예들에 있어서, 수동 탄성 부재(1728)의 스프링 상수는 설계에 의해 볼-스크루 회전 속도를 최소화하도록 최적화되며, 탄성 부재(1728)의 이러한 실시예는 대칭 특성 - 압축 시보다 인장 시 더 높은 순응성을 전달 - 을 갖는다. 인장 시 더 높은 순응성은 힘이 실린 족저 굴곡의 이용을 위한 직렬 스프링(1728)의 에너지 저장을 증가시킨다. 에너지는 힘이 실린 족저 굴곡에서 수반되는 최초 100ms에서 릴리즈되어, 선형 작동기(1716)의 요구되는 에너지 기여도를 감소시킨다. 선형 작동기(예를 들어, 도 20a 및 도 20b의 볼-스크루 전달 조립체(2024)) 용 회전 모터와 관련되는 볼-스크루 전달 조립체를 이용하는 본 발명의 실시예에 있어서, 이는 볼-스크루 전달 조립체의 볼-너트 조립체 부분의 원하는 작동 속도 및 회전 모터의 모터 구동 요구 조건을 감소시키는 추가 이점을 갖는다. 스프링은 이러한 경우의 고속 볼-너트 위치설정 필요 없이 발 부재를 강력히 움직인다. 직렬 탄성의 최적화된 값은 3-4 Nm/rad/kg의 범위이다.
도 19a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 평판 직렬 스프링(1928)을 구비하는 의족 보철 장치(1900)를 도시한다. 장치(1900)는 장착 인터페이스(1904)를 가짐으로써 이를 착용자의 상보형 의족 사지 소켓 부재에 부착할 수 있도록 한다. 장치(1900)는 장착 인터페이스(1904)와 결합되는 하퇴 부재(1912)를 포함한다. 하퇴 부재(1912)는 또한 장치(1900)의 발목 관절(1940)에서 발 부재(1908)와 결합한다. 발목 관절(1940)은 발 부재(1908)가 하퇴 부재(1912)에 대한 x-축을 중심으로 회전하도록 한다. 발 부재는 뒤꿈치(1972) 및 발가락(1976)을 포함한다.
장치(1900)는 또한 제 1 엔드-포인트(1936) 및 제 2 엔드-포인트(1948)를 구비하는 선형 작동기(1916)를 포함한다. 선형 작동기(1916)의 제 1 엔드-포인트(1936)는 하퇴 부재(1912)와 결합한다. 장치(1900)는 또한 선형 작동기(1916)와 직렬 연결되는 수동 탄성 부재(1928)를 포함한다. 수동 탄성 부재(1928)는 선형 작동기(1916)의 발 부재(1908) 및 제 2 엔드-포인트(1948) 사이에 연결된다. 수동 탄성 부재(1928)는 수동 탄성 부재(1928)의 인접 엔드-포인트(1930)에서 발 부재(1908)와 결합한다. 수동 탄성 부재(1928)의 말엔드-포인트(1926)는 선형 작동기(1916)의 제 2 엔드-포인트(1948)와 결합한다. 선형 작동기(1916)는 토크를 발목 관절(1940) 중심으로 가한다.
장치(1900)는 또한 선형 작동기(1916)를 제어하기 위해 선형 작동기(1916)와 결합되는 제어기(1960)를 포함한다. 본 실시예에 있어서, 제어기(1960)는 장치(1900)의 하우징(1964) 내에 위치되어 환경으로부터 보호되지만; 하우징의 일부는 도시되는 바와 같이 하우징 내의 내용물을 노출하도록 제거된다. 장치(1900)와 결합되는 배터리(1968)는 장치(1900)(예를 들어, 제어기(1960) 및 장치(1900)와 관련되는 다양한 센서)에 전력을 제공한다.
도 19a의 수동 탄성 부재(1928)는 평판 스프링(예를 들어, 워터-컷 장비로 제조됨)이다. 평판 스프링은 수동 탄성 부재(1900)의 비용을 감소시키고 착용자의 몸무게와 정렬하도록 스프링 상수를 구성하기에 쉽도록 한다. 일 실시예에 있어서, 스프링은 볼-너트의 회전 축 및 직렬 수동 탄성 부재(1928) 사이의 평행의 결여로 인해 선형 작동기(1916)의 볼-너트(예를 들어, 도 2OA 및 도 20b 참조)의 컴포넌트 상의 평면 밖으로의 모멘트를 감소시키도록 길이 방향(y-축을 따라)으로 나눠진다. 본 실시예에 있어서, 비-스트레인 감지는 작동기 토크 피드백 루프에 채용된다. 오히려, 스프링을 통해 전달되는 토크는 스프링 편향이 영인 경우 스크루를 따라 특정 볼-너트 위치로부터 초래될 수 있는 발목 관절(1940) 각도로서 운동학적으로 정의되는 측정된 스프링 편향(측정된 발목 관절(1940) 각도, θ 및 각도, β, 사이의 차이)에 의해 평판 스프링의 공지된 스프링 상수를 곱함으로써 평가된다.
도 19b 및 도 19c는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 보철 장치(1900)의 대안적 투피스 직렬-탄성 스프링을 도시한다. 장치(1900)는 착용자의 상보형 의족 사지 소켓 부재에 이를 부착할 수 있도록 하는 장착 인터페이스(1904)를 갖는다. 장치(1900)는 장착 인터페이스(1904)와 결합되는 하퇴 부재(1912)를 포함한다. 하퇴 부재(1912)는 또한 장치(1900)의 발목 관절(1940)에서 발 부재(1908)와 결합한다. 발목 관절(1940)은 발 부재(1908)가 하퇴 부재(1912)에 대해 x-축을 중심으로 회전하도록 한다. 발 부재는 뒤꿈치(1972) 및 발가락(1976)을 포함한다. 장치(1900)는 또한 제 1 엔드-포인트(도시하지 않음) 및 제 2 엔드-포인트(1948)를 갖는 선형 작동기(1916)를 포함한다. 선형 작동기(1916)의 제 1 엔드-포인트는 하퇴 부재(1912)와 결합한다. 장치(1900)는 또한, 발 부재(1908)가 발목 관절(1940)의 x-축을 중심으로 회전하도록 하는 베어링으로, 발목 관절(1940)에서 발 부재(1908)를 하퇴 부재(1912)에 연결하는 커플링 부재(1988, 예를 들어, 브래킷)를 포함한다.
장치(1900)는 또한 선형 작동기(1916)와 직렬 연결되는 수동 탄성 부재(1928)를 포함한다. 도 19c를 참조하면, 수동 탄성 부재(1928)는 두 개의 부재 섹션(예를 들어, 빔-형 섹션)(1994 및 1996)을 갖는다. 탄성 부재(1928)는 또한 제 1 부재(1994) 상의 제 1 엔드-포인트(1962) 및 제 2 부재(1996) 상의 제 2 엔드-포인트(1980)를 갖는다. 탄성 부재(1928)는 또한 두 개의 부재(1994 및 1996)가 만나며 두 개의 부재(1994 및 1996)가 x-축을 중심으로 서로에 대해 피벗하는 중간 위치(1996)를 갖는다. 제 2 부재(1996)가 제 1 부재(1994)를 향해 피벗함에 따라, 탄성 부재는 배측 굴곡(화살표(1992)에 도시됨) 중에 압축 상태에서 에너지를 저장한다.
탄성 엘리먼트(1928)의 제 1 엔드-포인트(1962)는 x-축을 중심으로 하는 회전을 허용하는 베어링을 갖는 선형 작동기(1916)의 제 2 엔드-포인트(1948)와 결합한다. 탄성 엘리먼트(1928)의 제 2 엔드-포인트(1980)는 x-축을 중심으로 하는 회전을 허용하는 베어링을 갖는 커플링 부재(1988) 상의 위치와 결합한다.
예시적인 선형 작동기
도 20a 및 도 20b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 다양한 의족 보철, 지지대, 및 외골격 장치의 이용을 위한 선형 작동기(2000)를 도시한다. 도 20a는 선형 작동기(2000)의 사시도이다. 도 20b는 선형 작동기(2000)의 단면도이다. 선형 작동기(2000)는, 예를 들어, 도 17a의 장치(1700) 또는 도 4의 장치(400)의 선형 작동기(1716)로서 이용될 수 있다. 작동기(2000)는 A 축을 따라 선형 전력을 전달하기 위한 모터(2004) 및 스크루 전달 조립체(2024)(본 실시예에 있어서, 볼-스크루 전달 조립체, 또한 볼-스크루 조립체라 칭함)를 포함한다. 스크루 전달 조립체(2024)는 모터(2004)의 회전 운동을 직선 운동으로 변환시키도록 모터 구동 전달부로서 작용한다. 일 실시예에 있어서, 볼-스크루 전달 조립체(2024)는 Nook Industries(클리블랜드 및 오하이오 소재)에 의해 제조되는 맞춤형 볼-스크루 전달 조립체이다. 맞춤형 볼-스크루 전달 조립체는 이하의 세부 사항: 14 mm x 3 mm 피치 스크루, 150 mm/s에서 4000 N의 추력, 및 본 출원의 5백만 사이클에서의 Ll 등급 수명을 갖는다. 몇몇 실시예들에 있어서, 스크루 전달 조립체는 리드-스크루 전달 조립체(리드-스크루 조립체라고도 칭함)이다.
작동기(2000)는 모터 축 출력부(2008)를 갖는 회전 모터(2004)를 포함한다. 모터 축 출력부(2008)는 모터 축 출력부(2008)와 결합(예를 들어, 용접)하는 풀리(2032)를 갖는다. 일 실시예에 있어서, 회전 모터(2004)는 고속 브러시리스 모터(매사추세추 폴 리버에 소재하는 Maxon Motor AG, Maxon Precision Motors, Inc.에 의해 제조되는 모델 EC30 모터)이다. 모터(2004)는 회전 모터(2004)의 로터 및 스테이터 사이의 각도 정렬을 결정하기 위해 모터(2004)와 통합되는 유도 증분-절대 각도 인코더(2040)를 포함한다. 인코더(2040)는 또한 선형 작동기(2000)의 스크루(2060) 위치를 제어 및 "즉석" 모터 대체 및 잉여 위치 피드백 모니터링을 위해 제공하도록 필요한 위치 피드백 신호를 제공한다.
인코더(2040)의 유도-결합 인코딩 엘리먼트는 시스템이 고-정밀 증분 로터 위치 피드백과 동시에 절대 로터-스테이터 정렬(예를 들어, 회전 당 10 비트의 해상도)을 결정하도록 한다. 이러한 잉여 피드백 엘리먼트를 크로스 체크함으로써, 인코더 고장이 발목 조정 불능을 유발할 수 있는 가능성을 최소화할 수 있다. 증분 인코더는 볼-스크루 전달 조립체(2024, 이하 참조)가 일정한 속도로 작동하는 경우 감지된 속도 변동을 제거하도록 300 μrad 이하의 런-아웃을 달성한다. 그 결과, 토크 변화가 작동기(200)에 의해 덜 가해진다.
회전 모터(2004)는 또한 일체형 모터 히트-싱크(2048)를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 히트-싱크(2048)는 모터(2004)의 권선으로부터 열을 뽑아내어, 모터 코일 온도 제한(통상 160℃)을 초과하지 않고 비-보존 작업의 피크 레벨에서 착용자가 걸을 수 있도록 한다. 모터 가열은 선형 작동기(2000)가 추력을 전달함에 따라 모터(2004)의 저항 손실(i2R 손실)로 인해 나타난다. 코일 온도가 올라감에 따라, 코일 저항은 0.39%/℃의 비율로 상승하여, 코일 온도를 더 상승시킨다. 또한, 모터 Kt(모터 전류에 맞추어짐에 따라 토크를 측정)는 통상 코일 온도가 그의 한계까지 증가함에 따라 20% 가까이 하락한다. 이는 동일 작업량을 수행하도록 추가의 전류 소비를 필요로 하여, 코일 온도를 더 올린다. 선형 작동기(2000) 내의 히트-싱크는 40% 이상까지 코일 온도를 감소시킨다. 모터 권선 절연의 조기 실패를 유도하는 마모 현상이 발생하고 모터 베어링이 10℃의 모든 코일 온도 감소에 대해 2X의 인자에 의해 유효하게 감소하므로, 모터 수명은 하부 모터 코일 작동 온도가 유지되는 경우 현저하게 증가한다. 또한, 고유의 코일 온도 감지 방법을 이용하여, 모터는 최대 등급이 가까워짐에 따라 힘이 실린 족저 굴곡 전력(전류)을 단순히 감소시키고, 예를 들어, 150℃의 소정 한계에 도달하는 경우 배터리 전력을 궁극적으로 끊음으로써 160℃의 절대 최대 등급을 초과하는 것으로부터 보호될 수 있다.
로봇 보철은 통상 소형 경량 모터를 채용하여 병에 걸린 사지에 동력을 단속적으로 전달하도록 구동된다. 몇몇 시나리오에 있어서, 동력은 연장된 기간 동안 반복적이며 높은 비율로 가해질 수 있다. 모터 구리 및 와동 전류 손실은 모터 권선 온도가 올라가도록 하는 과도한 축적 가열 효과를 유발할 것이다. 구리 권선 저항이 온도 비율(0.39%/℃)로 증가하므로, 구리 손실은 증가하여 가열 효과를 증폭시킬 것이다. 임계 권선 온도 제한은 때때로 추가 온도 상승이 모터에 영구 손상을 유발할 정도까지 도달할 수 있다. 이러한 온도 한계에 도달하는 시점을 감지하는 것은 제어 시스템에 의해 수행되는 것이 바람직하다.
두 가지 통상적 방법은 구리 권선 온도 한계에 도달하거나 도달할 경우를 방지 또는 검출하도록 이용될 수 있다. 먼저, 구리 및 와동 전류 손실은 제어 시스템이 동작하는 동안 계산된다. 이들은 권선의 열 모델을 구동하여 권선 온도가 추정될 수 있도록 이용된다. 때때로, 주변 온도는 더 나은 권선 온도 측정을 수행하도록 측정된다. 이러한 방법의 이점은 저렴한 비용으로 구현된다는 것이다. 단점은 이러한 코일 온도 모델의 구축 및 눈금 조정이 어렵다는 것이다. 또한, 모터 주변의 온도의 양호한 측정이 어려운 경우가 많아서, 권선 온도 측정에 에러가 많이 생기게 된다.
제 2 방법에 있어서, 때때로 제 1 방법과 조합하여, 모터의 온도가 케이스 외부 또는 모터 내부에 적용되는 서미스터(thermister)로 측정된다. 이것의 이점은 직접 측정이 가능하다는 것이다. 이것의 단점은 하나의 지점에서만 측정이 가능하며 센서의 적용은 비용이 많이 들고 종종 신뢰성이 없다는 것이다.
더욱 바람직한 접근 방식은 온도를 검출하고 잠재적 과열 조건을 완화하는 것이다. 여기서, 고정 위치에서(저항 계산에서 후방-emf 효과를 제거) 발목을 간단하게 고정하여 측정을 수행하는 경우, 보행 사이클 중의 모든 걸음에서 모터 권성 저항을 측정한다. 일 실시예에 있어서, 코일 온도는 고정 전류(대안적으로 고정 전압)를 모터 권선에 인가하고 권선 내의 대응 전압(대안적으로 전류)을 측정함으로써 결정된다. 정확도를 증가시키기 위해, 전방 및 반대 방향으로 전압(또는 전류)을 인가하고 전류(또는 전압)에서의 차이를 측정한다.
모터 구동 전자부(motor drive electronics)는 PWM 전류 제어 방법을 채용하며, 이러한 측정을 수행하는 모든 구조가 존재한다. 발목이 휴식(눈금 조정 상수) 상태인 경우 권선 저항 사이의 비율 차이를 표시함으로써, 비용 없이 현장의 권선 저항을 추정할 수 있다. 통상의 서보 시스템에 있어서, 이러한 측정은 이루어질 수 없는 바, 그 이유는 작동기가 폐쇄-루프 제어 상태로 계속 있어야 하기 때문이다. 그러나, 발목 보철에 있어서, 발목 위치가 측정에 통상적으로 요구되는 5 밀리 초에 정밀 제어를 유지하는 것을 필요로 하지 않는 경우(유각기)가 있다. 권선 온도가 이러한 방식으로 계산되고 나면, 제어 시스템은 권선이 임계 온도에 도달하는 때에 검출할 수 있다. 이러한 시기 중에, 보행에 대해 가용한 구동 전력은 온도가 안전 레벨까지 낮아질 때까지 함께 감소하거나 제거된다.
몇몇 실시예들에 있어서, 온도 센서(2052)의 출력은 모터(2004)의 온도에 기초하여선형 작동기(2000)에 의해 출력되는 토크를 제어하도록 제어기(예를 들어, 도 17a의 제어기(1762))에 제공된다.
벨트(2012)는 풀리(2032)를 볼-스크루 전달 조립체(2024)의 나선 축(2060)과 결합시켜 모터 축 출력부(2008)의 회전 운동이 볼-스크루 전달 조립체(2024)의 볼-너트 조립체(2036) 부분의 직선 운동으로 변환되도록 한다. 몇몇 실시예들에 있어서, 둘 또는 그 이상의 벨트는 평행하게 적용되어, 각각 구동 선형 작동기(2000) 볼-스크루 전달 조립체(2024) 자체의 구동을 가능하게 하여, 선형 작동기(2000)가 단일 벨트 파손 고장을 견뎌낼 수 있도록 한다. 이러한 경우, 벨트 파손 센서(2056)는 조건을 감지하고 작동 중에(예를 들어, 보철을 이용하는 착용자의 각각의 보행 사이클 중에) 벨트 무결(integrity)을 승인한다.
일 실시예에 있어서, 광학 센서(예를 들어, 관통-빔 센서)는 벨트 파손 센서로서 이용되며 광학 센서의 출력 신호는 벨트 파손 시 공지된 방식으로 변화한다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 용량 센서는 벨트 파손 센서로서 이용되며 용량 센서의 출력은 벨트 파손 시 공지된 방식으로 변화한다.
일 실시예에 있어서, 풀리(2032) 및 벨트(들)는 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 장치로서 이용되지 않는다. 오히려, 견인 휠의 조합이 전달 장치로서 이용된다. 본 실시예에 있어서, 벨트 고장의 위험성이 해소된다.
일 실시예에 있어서, 벨트 파손의 경우, 선형 작동기(2000)가 이용되는 장치의 제어기(예를 들어, 도 17a의 장치(1700)의 제어기(1762))는, 선형 작동기(2000)가 수리될 때까지 수동 발목 보철로서 작동할 수 있도록, 하퇴 부재에 대한 발 부재의 위치를 안전 위치로 변경한다. 일 실시예에 있어서, 제어기는 복수의 벨트 중 하나 이상의 고장을 검출하는 벨트 파손 센서에 응답하여 회전 모터(2004)의 세 개의 전기 리드를 단락시킨다. 3상 전기 입력 리드를 단락시킴으로써 모터(2004)가 모터 축 출력부(2008) 상에 점성 항력(viscous drag)을 유입시킨다. 보행 중에, 점성 항력은 고정된 로터 축 출력부를 잡아서 장치가 수동 보철로서 작동하도록 한다. 그러나, 장치는 그가 서거나 앉은 비-고정 평형 위치로 이동할 수 있도록 하는 방식으로 느리게 이동될 수 있다. 각각의 입력 리드는 자신의 개별 스위치에 의해 지면에 단락될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 스위치는 충전식 배터리(장치를 작동하도록 이용되는 일차 배터리와 별도의 배터리)에 의해 작동된다. 별도의 배터리를 이용함으로써, 스위치는 파손이 발생하더라도(또는 일차 배터리가 소모되더라도) 입력 리드를 단락(및 장치를 안전 모드에 위치) 시킬 수 있을 것이다.
일 실시예에 있어서, 나선 축(2060)은 작동기(2000)에 의해 생성되는 소음을 감소시키도록 소음 댐핑 물질을 포함하는 중공형 외부 및 작동기(2000)가 이용되는 장치를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 나선 축(2060)은 14mm 직경의 스테인리스 스틸 축이며 8.7mm 내경의 보어를 가지며, 축의 길이의 64mm 연장하며, 3M(미네소타주, 세인트폴 소재)에 의해 제조되는 음향 댐핑 물질 ISODAMP®C- 1002로 채워진다.
작동기(2000)는 또한 회전 모터(2004) 및 스크루(2036)의 추력으로 인해 벨트(2024) 인장을 지지하는 래디얼 및 스러스트 베어링(2028)을 포함한다. 벨트 인장 및 추력으로 인한 부하는 보행 사이클 중에 통계학적으로 제시된다.
볼-너트 조립체(2036)는 복수의 볼 베어링을 유지하는 하나 이상의 재-순환 볼-트랙(2042); 볼-너트 조립체(2036)의 직선 운동을 지지하는 조합을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 다섯 개의 볼-트랙이 이용된다. 작동기(2000)는 작동기(2000)를, 예를 들어, 보철 장치의 발 부재의 수동 탄성 부재(예를 들어, 도 17a의 수동 탄성 부재(1724))에 결합시키는 결합 엘리먼트(2020)(예를 들어, 도 17a의 선형 작동기(1716)의 제 2 엔드-포인트(1748))를 포함한다.
도 21은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 다양한 의족 보철, 지지대, 및 외골격 장치에 이용되는 선형 작동기(2100)의 사시도를 도시한다. 선형 작동기(2100)는, 예를 들어, 도 17a의 장치(1000) 또는 도 4의 장치(400)의 선형 작동기(1016)로서 이용될 수 있다. 선형 작동기(2100)는 도 20a 및 도 20b의 작동기(2000)의 스트레인예이다.
작동기(2100)는 모터 축 출력부(2008)를 갖는 회전 모터(2004)를 포함한다. 모터 축 출력부(2008)는 모터 축 출력부(2008)에 용접되는 풀리(2032)를 갖는다. 모터(2004)는 회전 모터(2004) 로터 및 스테이터 사이의 각도 정렬을 결정하기 위해 모터(2004)와 통합되는 유도 증분-절대 각도 인코더(2040) 포함한다. 회전 모터(2004)는 또한 일체형 모터 히트-싱크(2048)를 포함한다.
도 20a 및 도 20b의 단일 벨트(2012)가 아니라, 두 개의 벨트(2104a 및 2104b)가 나란히 이용된다. 각각의 벨트는 벨트 파손의 1.5배 여유를 가지고 선형 작동기 전달부 자체를 구동하는 능력을 가져서, 선형 작동기(2100)가 단일 벨트 파손 고장을 버틸 수 있도록 한다. 일 실시예에 있어서, 벨트 파손의 경우, 선형 작동기(500)가 수리될 때까지, 장치가 수동 발목 보철로서 작동하도록 하는 방식으로, 선형 작동기(500)가 작동되는 장치의 제어기(예를 들어, 도 17a의 장치(1700)의 제어기(1762))는 발목을 안전 위치로 이동시킨다. 일 실시예에 있어서, 제어기는 복수의 벨트 중 하나 이상의 고장을 검출하는 벨트 파손 센서에 응답하여 회전 모터(504)의 세 개의 전기 리드를 단락시킨다. 이러한 경우, 하나 이상의 벨트 파손 센서는 조건을 감지하고 선형 작동기가 수리될 때까지 시스템이 수동 발목 보철로서 작동하는 하는 방식으로 발목을 안전 위치로 이동시킨다.
두 개의 벨트(2104a 및 2104b)는 풀리(532)를 볼-스크루 전달 조립체의 나선 축(예를 들어, 도 20b의 나선 축(2060))에 결합시켜 모터 축 출력부(2008)의 회전 운동이 볼-스크루 전달 조립체의 볼-너트 조립체(2036) 부분의 직선 운동으로 변환되도록 한다. 작동기(2100)는 또한 회전 모터(2004) 및 나선 스크루의 추력으로 인해 벨트(2104a 및 2104b)의 인장을 지지하는 래디얼 및 스러스트 베어링(2028)을 포함한다. 벨트 인장 및 추력으로 인한 부하는 보행 사이클 중에 통계학적으로 표시된다.
볼-너트 조립체(2036)는 복수의 볼 베어링; 볼-너트 조립체(2036)의 직선 운동을 지지하는 조합을 유지하는 재순환 볼-트랙을 포함한다. 작동기(2100)는 또한 작동기(2100)를, 예를 들어, 보철 장치의 발 부재의 수동 탄성 부재(예를 들어, 도 17a의 수동 탄성 부재(1724))에 결합시키는 결합 엘리먼트(2020)(예를 들어, 도 17a의 선형 작동기(1716)의 제 2 엔드-포인트(1748))를 포함한다.
작동기(2100)는 또한 볼-스크루 조립체 밀봉부(2108)를 포함한다. 볼-스크루 조립체 밀봉부(2108)는, 예를 들어, 오염물(예를 들어, 모래, 먼지, 부식 물질, 점착 물질)로부터 스크루를 보호한다. 이러한 오염은 작동기의 설계 수명이 결정될 수 없도록 한다.
예시적인 의족 지지대(착용 가능한 로봇 무릎 교정기)
도 22a, 도 22b 및 도 22c는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 의족 지지대 또는 외골격 장치(2200)(착용 가능한 로봇 무릎 교정기)를 도시하는 개략도이다. 장치(2200)는 착용자의 의족 기능을 증대시키는 무릎 교정기이다. 도 22a는 장치(2200)의 평면도이다. 도 22b는 장치(2200)의 측면도이다. 도 22c는 장치(2200)의 무릎 관절 구동 조립체(2204)의 내부를 도시한다. 장치(2200)의 통상적 이용 경우는, 예를 들어, 신진 대사 증대, 영구 사지 장애를 갖는 착용자의 영구 보조, 또는 임시 사지 장애를 갖는 착용자의 보행을 포함한다.
신진 대사 증대 이용 경우의 예는, 예를 들어, 무거운 짐을 가지고 빠른 속도로 연장된 기간 동안 험한 지형을 지나가야 하는 착용자(예를 들어, 군인 또는 기타 인력)이다. 이러한 용도의 경우, 무릎 교정 장치(2200)는 착용자 자체의 능력을 증대시킨다. 영구 보조 용도의 예는 보행 가능성이 없는 영구 사지 장애(예를 들어, 무릎 힘줄 또는 반월판 퇴화)를 겪는 착용자를 포함한다. 이러한 용도의 경우, 무릎 교정 장치(2200)는 착용자에게 영구 보조를 제공한다. 임시 사지 장애를 갖는 착용자의 보행을 포함하는 이용 사례의 예는 부상 또는 기타 임시 조건으로부터 회복하는 착용자를 포함한다. 이러한 용도의 경우, 무릎 교정 장치(2200)는 회복을 보조하도록 물리 치료사에 의해 채용되는 프로그램 가능한 원격 로봇 공구로서 - 근육 기억 및 강도 회복 중에 운동 역학 보행 및 점차 감소하는 보조의 진전을 통해 - 작용한다. 다른 실시예에 있어서, 방법은 일정 기간 동안 착용자에 대해 장치에 의해 수행되는 보조의 수준을 정의하는 물리 치료 프로토콜을 특정하는 단계 및 사지 장애의 보행을 보조하도록 착용자에 대해 장치에 의해 수행되는 보조의 수준을 감소시키는 단계를 포함한다. 몇몇 실시예들에 있어서, 장치에 의해 수행되는 보조 레벨은 장치에 대한 착용자의 임피던스 및 토크 기여도에 기초하여 감소한다.
도 22a 및 도 22b를 참조하면, 장치(2200)는 하퇴 부재(2216)(구동 암이라고도 칭함), 허벅지 부재(2228), 하퇴 커프(2208) 및 상퇴 커프(2212)를 포함한다. 하퇴 커프(2208)는 하퇴 부재(2228)와 결합한다. 하퇴 커프(2208)는 장치(2200)를 착용자의 정강이에 부착한다. 상퇴 커프(2212)는 허벅지 부재(2228)와 결합한다. 상퇴 커프(2212)는 장치(2200)를 착용자의 허벅지에 부착한다. 장치(2200)는 허벅지 부재(2228)를 하퇴 부재(2216)에 연결하기 위한 무릎 관절(2232) 포함한다. 무릎 관절(2232)(예를 들어, 회전 베어링)은 하퇴 부재(2216)가 허벅지 부재(2228)에 대해 x-축을 중심으로 회전하도록 한다.
도 22c를 참조하면, 무릎 관절 구동 조립체(2204)는 벨트 구동 전달부(2236)를 통해 무릎 관절 드럼(2232)을 구동하는 선형 작동기를 포함한다. 선형 작동기는 회전 모터(2240)(예를 들어, 브러시리스 모터) 및 볼-스크루 전달 조립체(2244)(예를 들어, 도 20a 및 도 20b의 모터(2004) 및 볼-스크루 전달 조립체(2024))이다. 장치(2200)에 있어서, 모터(2240)의 모터 축 출력부(2256)의 회전 운동은 볼-스크루 전달 조립체(2244)의 볼-너트 조립체(2248) 부분의 직선 운동으로 변환된다. 모터 축 출력부(2256)는 모터 축 출력부(2256)와 결합(예를 들어, 용접)하는 풀리(2260)를 갖는다. 모터(2240)는 회전 모터(2240)의 로터 및 스테이터 사이의 각도 정렬을 결정하도록 모터(2240)와 통합되는 유도 증분-절대 각도 인코더(2264)를 포함한다. 인코더는 또한 볼-스크루 전달 조립체(2244)의 스크루(2252) 위치를 제어 및 "순간" 모터 대체 및 잉여 위치 피드백 모니터링 하는데 필요한 위치 피드백 신호를 제공한다.
벨트(2268)는 풀리(2260)를 볼-스크루 전달 조립체(2244)의 나선 축(2252)과 결합시켜 모터 축 출력부(2256)의 회전 운동이 볼-스크루 전달 조립체(2244)의 볼-너트 조립체(2248) 부분의 직선 운동으로 변환된다.
일 실시예에 있어서, 나선 축(2252)은 무릎 관절 구동 조립체(2204)에 의해 생성되는 소음을 감소시키도록 소음 댐핑 물질을 포함하는 중공형 부분을 포함한다. 무릎 관절 구동 조립체(2204)는 또한 회전 모터(2240) 및 스크루(2252)의 추력으로 인해 벨트(2268) 인장을 지지하는 래디얼 및 스러스트 베어링(2272)을 포함한다. 벨트 인장 및 추력으로 인한 부하는 보행 사이클 중에 통계학적으로 표시된다.
무릎 관절 구동 조립체(2204)는 또한 직렬 탄성용 스프링(2280), 스프링 케이지(2284), 구동 벨트(2236) 및 스프링 케이지/벨트 연결부(2288)를 포함한다. 몇몇 실시예들에 있어서, 구동 밴드(예를 들어, 스프링 스틸의 얇은 조각)는 구동 벨트(2236) 대신에 이용된다. 몇몇 실시예들에 있어서, 구동 케이블(예를 들어, 가닥 물질의 루프)은 구동 벨트(2236) 대신에 이용된다. 스프링(2280)은 직렬 수동 탄성 엘리먼트로서, 도 17a의 직렬 탄성 스프링 엘리먼트(1728)와 동일한 방식으로 작용한다. 스프링 케이지(2284)는 스프링(2280)이 위치되는 폐쇄 체적을 제공한다. 볼-너트 전달 조립체(2248)는 스크루(2252)와 결합한다. 볼-너트 조립체(2248)는 또한 구동 벨트(2236)와 결합한다. 스크루(2252)의 직선 운동은 볼-너트 조립체(2248)의 직선 운동을 유발한다. 볼-너트 조립체(2248)에서의 직선 운동은 구동 벨트(2236)에서의 직선 운동을 유발한다. 구동 벨트(2236)의 직선 운동은 무릎 관절(2232)을 구동한다.
장치(2200)는 제어기(2292)(예를 들어, 선형 작동기(2204)를 구비하는 인쇄 회로 조립체, 상태 및 관성 측정 유닛(2294)(예를 들어, 도 17a의 관성 측정 유닛(1720)) 제어 및 처리 기능)를 포함하여 장치(2200)의 작동을 구동 및 제어한다. 도 22b를 참조하면, 장치(2200)는 또한 무릎 관절 구동 조립체(2204)에 의해 하퇴 부재(2216)에 가해지는 토크를 측정하도록 하퇴 부재(2216)와 결합되는 토크 센서(2220)를 포함한다. 센서(2220)는 제어기(2292)의 제어 루프에서 피드백 엘리먼트로서 작용하여 무릎 관절(2232)의 고 정확도 폐쇄 루프 위치, 임피던스 및 토크(반사를 위한) 제어를 달성한다. 일 실시예에 있어서, 힘-감지 변환기의 배열은 신속한 생체 모방 응답을 달성하도록 이용되는 힘 측정치를 제공하기 위해 커프 구조물 내에 실장된다.
몇몇 실시예들에 있어서, 모터 각도 센서(예를 들어, 인코더(2264))는 모터 위치를 측정하고 제어기는 모터 위치에 기초하여 무릎 관절(2232)의 위치, 임피던스 및 토크를 조정하도록 회전 모터를 제어한다.
몇몇 실시예들에 있어서, 장치(2200)는 모터 구동 전달의 출력부에 대해 벨트 구동 전달부의 드럼(2232)의 위치를 결정하는 각도 센서를 포함하며, 제어기는 위치에 기초하여 임피던스, 위치 또는 토크를 조정하도록 회전 모터를 제어한다. 몇몇 실시예들에 있어서, 장치(2200)는 직렬 스프링 상의 힘을 결정하도록 모터 구동 전달부의 직렬 스프링의 변위를 측정하는 변위 센서를 포함하며, 제어기는 스프링 상의 힘에 기초하여 임피던스, 위치 또는 토크를 조정하는 회전 모터를 제어한다. 몇몇 실시예들에 있어서, 관성 측정 유닛(2294)은 하퇴 부재의 관성 자세를 결정하기 위해 허벅지 부재 또는 하퇴 부재와 결합하며, 제어기는 관성 자세에 기초하여 임피던스, 위치 또는 토크를 조정하도록 회전 모터를 제어한다. 몇몇 실시예들에 있어서, 토크 센서(2220)는 벨트 구동 전달부에 의해 하퇴 부재에 가해지는 토크를 측정하며, 제어기는 하퇴 부재에 가해지는 토크에 기초하여 임피던스, 위치 또는 토크를 조정하도록 회전 모터를 제어한다. 몇몇 실시예들에 있어서, 장치(2200)는 허벅지 부재 및 하퇴 부재 사이의 각도를 결정하는 각도 센서를 포함하며, 제어기는 허벅지 부재 및 하퇴 부재 사이의 각도에 기초하여 임피던스, 위치 또는 토크를 조정하도록 회전 모터를 제어한다.
몇몇 실시예들에 있어서, 장치(2200)는, 모터 구동 전달부 대신, 모터 축 출력부의 회전 운동을 스크루 전달 조립체에 의해 출력되는 직선 운동으로 변환하도록 모터 축 출력부와 결합되는 스크루 전달 조립체를 포함한다. 또한, 모터 구동 전달의 출력부와 결합되는 구동 전달 조립체는 스크루 전달 조립체와 결합되는 잉여 벨트, 밴드 또는 케이블 구동 전달부로서, 스크루 전달 조립체에 의해 출력되는 직선 운동을 허벅지 부재에 대해 하퇴 부재를 회전시키도록 무릎 관절에 토크를 가하는 회전 운동으로 변환시킨다.
도 20a의 보철 장치(2000)와 달리, 무릎 교정 장치(2200)는 사람의 충동 작용과 평행하게 작동한다. 신진 대사 증대 및 대체 적용에 있어서, 무릎 교정 제어 시스템은 보행 사이클에서 필요한 모든 임피던스 및 토크를 공급할 것이다. 착용자가 바디의 증대된 측면(들)에 대한 피로 누적 및 많은 노력 없이 하루 종일 걸을 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 보행 적용에 있어서, 무릎-교정 장치(2200)는 임피던스 및 토크의 프로그램된 비율을 공급한다. 이러한 적용에 있어서, 무릎-교정 장치(2200)는 착용자의 보행을 총괄하는 물리 치료사의 원격 로봇 연장부로서 작용한다.
무릎 교정 제어 시스템의 일 실시예에 있어서, 물리 치료사는 치료사 방문 사이의 기간 동안 무릎에 의해 원격 수행될 프로토콜을 생성한다. 무선 인터페이스를 이용하여, 환자 상태가 물리 치료사에게 피드백되어, 텔레프레즌스(telepresence)를 달성한다. 프로토콜은 보조가 초과 시간을 줄이는 비율을 특정한다. 무릎 교정 장치가 보조를 감소시킴에 따라, 무릎 교정 장치는 착용자에 의한 임피던스 및 토크 기여도의 생체 역학 모델을 통해 - 원하는 순 생체 모방 응답을 유지하도록 향상된 응답에 따라 보조를 감소 - 계산될 것이다. 생체 역학 모델은 무릎의 역전 동역학을 해결하는 단계 - 하퇴 부재, 허벅지 부재 및 상체의 관성 회전 및 가속도를 통합 - 를 포함할 것이다. 이러한 6 자유도 정보는 허벅지 부재 및 무릎 관절 각도 변위 내의 관성 측정 유닛으로부터 추출될 것이다. 관성 측정 유닛을 위한 제로-속도 업데이트는 본 명세서에 설명된 바와 마찬가지로 달성될 것이다.
도 26은 뒤꿈치 착지(heel strike)에서 시작하여 종료하는, 보행 중의 통상의 사람의 걸음걸이의 생체 역학적 특징을 도시한다. 이는 입각기 및 유각기로 나눠지며, 엉덩이, 무릎 및 발목에서의 운동의 모든 요소를 수반한다. IBM(inclusion body myositis, 봉입체 근염)과 같은, 근염 질병은 안전하고 효율적으로 보행하기 위한 환자의 능력에 부정적인 영향을 끼치는, 주요 사두근의 결함과 관련된다. 마찬가지로 중요하게도, IBM을 갖는 환자는 휴식(기립 또는 앉기)과 보행 상태 사이의 안전한 이행을 수행할 수 없다.
도 27은 사두근의 결함이 평지에서의 보행에 영향을 미치는 생체역학적 메커니즘을 도시한다. 전체적인 기계적 시퀀스는 도 26과 관련하여 두 가지 면에서 부족하다. 먼저, 초기 입각기에서 발목 관절의 강성(또는 기계적 임피던스)이 발 착지의 충격을 흡수하고 복원 토크를 인가하여 균형을 유지(참조 번호(2710)에 의해 지시됨)하기에 부적절한 경우, 무릎은 초기 입각기에서 무너질(buckle) 수 있다. 발-착지를 흡수하기 위해 무릎을 능동적으로 강화하는 사두근의 무능력은 브레이크 없는 차를 운전하는 것과 마찬가지로, 보행 속도를 제한한다. 기계적 임피던스는 관절이 발휘하는 강성과 관련되며, 세 가지 구성요소, 즉, 관절 변위에 응답하여 선형 또는 비-선형 복원 토크를 인가하는 스프링 상수 및 평형 위치에 의해 정의되는 스프링 구성요소; 관절 속도에 응답하여 선형 또는 비-선형 점성 복원 토크를 인가하는 댐핑 구성요소; 및 관절 가속도 및 제 2 의 후기 입각 및 초기 유각에 응답하여 선형 복원 토크를 인가하는 관성 구성요소를 포함하는 것으로 알려져 있으며, 사두근은 신속한 무릎 굴곡(참조 번호(2720)에 의해 표시됨)을 방해하는 무릎 제동 토크를 가하지 못할 수 있다는 점을 주의해야 한다.
도 22a 내지 도 22c에서 도시되는 무릎 장치는 도 27과 관련하여 전술한 결함을 처리하기 위한 로봇-보조 해결 방안으로써 이용될 수 있다. 도 28은 요구되는 걸음걸이 궤적 상태, 지형, 신체 자세 및 안정성을 재현하기 위해, 하퇴 궤적의 고유 감지를 이용하고, 보행 사이클의 시기에 따라 환자의 무릎 관절에 생체 모방 임피던스, 확장 토크 및 위치 제어를 적용함으로써, 통상의 보행을 복원하도록 무릎 장치를 이용하는 것을 도시한다.
초기 입각기(참조번호 2810으로 지시됨)에서, 무릎 장치는 발 착지 에너지를 흡수하고 뒤따라가는 다리가 지면을 떠날 수 있는 안정된 플랫폼을 제공하기 위하 증가된 강성을 제공한다. 발목 족저 굴곡과 같은, 후기 입각기(참조번호(2820)에 의해 지시됨)에 있어서, 무릎 장치는 허벅지 및 정강이의 배향과 착용자의 보행 속도의 고유 측정치를 사용하여 신진대사-효율적인 보행을 위해 착용자를 상향 및 전방으로 추진하는 생체 모방, 재귀 토크 ― 완전히 동작하는 사두근에 의해 제공될 수 있는 것과 동일함 ― 를 인가한다. 이후에, 하퇴가 유각기(참조번호(2830)에 의해 지시됨)에 있다는 것을 상기 무릎 장치가 감지하는 경우, 무릎은 구부러지고 높은 임피던스가 가해져서 발이 지면에 착지할 때 하퇴를 흡수(제동)할 것이다. 그 결과는 안전하고 신진대사-효율적인 보행이다.
지면 반력 및 제로 모멘트 피벗을 이용하는 균형
도 23a는 가변(양 또는 음) 슬로프의 경사 위에서의 균형을 이루는 일반적 문제를 도시한다. 이러한 문제는 다중-링크, "역전 진자" 문제를 수반하며, 비-선형 피드백 제어 구현으로 처리 가능하다. 이러한 해결 방안에 있어서, 링크(이러한 경우, 다리 세그먼트, 상체, 머리 및 팔)의 링크 각도 및 질량 특성에 대한 지식은 다중-링크 시스템을 명료하게 안정화하도록 이용된다. 그러나, 이러한 명료한 입력은 의족 보철, 지지대 또는 외골격 장치의 대부분의 실시예에는 포함되지 않으며, 그에 따라, 불가능이 아니라면, 착용자에 대해 신뢰성 있게 구현 및 패키지하기 어려울 것이다. 또한, 몇몇 경우에 있어서, 착용자는 하나의 온전한 다리를 가질 것이며, 그에 따라 안정화의 부분은 의족 보철, 지지대 또는 외골격 장치의 외부에서 달성될 것이며, 의족 보철, 지지대 또는 외골격 장치는 온전한 다리의 기능을 증대시킨다.
또한, 도 23b는 균형 문제에 대한 수용 가능한 해결 방안에 대한 연속체를 도시한다. 구체적으로, 사람의 의지에 따라 완전히 받아들여질 수 있으며 심지어는 원하는 무한 숫자의 굽은-무릎 해결 방안(예를 들어, 무거운 화물 또는 박스를 들거나 게임을 하는 중에 균형을 이루도록)이 있다. 그리하여, 우리는 원하는 해결 방안이 사람의 의도에 맞추어 평형을 달성하도록 온전한 균형-제조 바디 컴포넌트의 보상에 대한(의족 보철, 지지대 또는 외골격 장치에 대한) 고유의 감지를 채용한다는 것을 확인한다.
의족 보철, 지지대 또는 외골격 장치의 몇몇 실시예에서 채용되는 해결 방안은 도 23c에서 모델링되는 바와 같은 문제점의 단순화된 표시를 이용한다. 이러한 표시에 있어서, 하퇴 부재 관성 상태, 발목 관절각도 및 관성-참조된, 지면 반력의 고유의 감지는, 발목 토크(예를 들어, 보철 장치의 선형 작동기에 의해 발목 관절에 제공되는 토크)를 구동하는 안정화 피드백으로서 이용된다. 바디는 시간-가변 강성 및 관성 모멘트를 갖는 질량 없는, 얇은, 버클링(buckling) 빔 상의 직렬 질량(도면에는 하나만 도시됨)으로서 모델링된다.
균형은 이하의 상세 내역에 기초하여 달성된다. 원하는 평형은 이하의 조건이 만족되는 경우 달성된다:
1. WFGRF은 세계 z와 정렬하며;
2. 제로 모멘트 피벗 및 발목 관절을 연결하는 선은 세계 z 단위 벡터와 정렬하며; 및
3. 관성 하퇴 부재 각도, γ, 및 발목 관절 각도, θ,의 모든 시간 미분은 영이다.
다음에 기초하여 이러한 조건 각각을 평행 상태로 구동하는 피드백 제어 법칙이 추출된다:
Figure pct00082
식 40
여기서
Figure pct00083
식 41
이차 비용 지수, J,를 최적화하며, 여기서,
Figure pct00084
식 42
및
Figure pct00085
식 43
여기서, k의 컴포넌트는 비용 인덱스에 대한 링크 각도 동적 기여도를 강조하도록 선택된다. 본 실시예에 있어서, 제어 법칙 해결 방안은 선형-이차 조정기(LQR) 방법론에 의해 제공된다. 비전문가의 용어에 있어서, 이는 기계나 공정을 통제하는 (조정)제어기의 설정이 전술한 수학적 알고리즘을 이용하고 사람에 의해 공급되는 무게 인자를 갖는 비용 함수를 최소화함으로써 발견된다는 것을 의미한다. "비용" (함수)은 이들의 원하는 값으로부터 주요 측정치의 편차의 합으로서 종종 정의된다. 사실상, 이러한 알고리즘은, 그에 따라, 원하지 않는 편차, 예를 들어, 착용자의 보철에 의해 수행되는 원하는 작업으로부터의 편차를 최소화하는 이러한 제어기 설정을 발견한다. 제어 액션 자체의 크기는 종종 제한되는 제어 액션 자체에 의해 연장되는 에너지를 유지하기 위한 합계 내에 포함된다. 사실상, LQR 알고리즘은 가중 인자에 대한 엔지니어의 세부 사항에 기초하여 제어기를 최적화한다. LQR 알고리즘은, 핵심에 있어서, 적절한 상태-피드백 제어기를 발견하는 자동화된 방식이다.
이차 비용 인덱스의 이용은 필요하지 않지만; 일 실시예에 있어서, 최적화 기준으로서 이차 비용 인덱스의 이용은 상이한 지형에서 착용자의 평형을 유지하기 위한 시스템 작업으로서 수용 가능한 느낌을 달성하도록 의족 보철의 착용자를 위한 분석 및 현재-맞춤용 목표 프레임 작업을 생성한다. 제어 엔지니어가 LQR 알고리즘의 이용에 있어 제어기를 찾는 완전 상태 피드백(또한, 막대기 배치로 공지됨)과 같은 대안적 통상의 방법을 선호한다는 것을 발견하는 것이 흔한 것은 아니다. 이들에 따라, 엔지니어는 조정된 변수 및 제어기 거동에서의 결과적 변화 사이의 훨씬 명료한 연결 장치를 갖는다.
의자에서 일어서는 착용자 보조
도 24a, 도 24b 및 도 24c는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 의족 보철 장치의 착용자가 의자에서 일어나는 것을 보조하기 위해 균형 제어 법칙을 적용하는 방법을 도시한다. 이러한 정해진 시간 내 일어나서 가기(timed Get-Up and Go: TUG)는 동적 및 기능적 균형을 유효하게 하는 실험적 수단으로서 종종 이용된다. 착용자는 의자에서 일어서서 앞으로 3미터 걸어가고 마루에 그어진 선을 넘어가고, 뒤로 돌아온 후 앉는 것의 구두 지시가 주어진다. 양호한 "TUG" 성능을 달성하기 위해, 다리 보철은 종종 보철' 제어 시스템의 거동 상황을 생성하도록 "서기" 및 "앉기" 버튼을 갖는다. 본 발명의 원리를 채용하는 의족 보철 장치의 일 실시예에 있어서, 예를 들어, 버튼을 누름으로써 거동 상황을 설정하는 명료한 요건은 없다. 앉기, 서기 및 앉기 거동 상황은 보철 장치의 고유의 센서에 의해 확인된다. 제어 거동 중에, 서기 및 앉기는 단순히 착용자의 평형을 유지하는 일부이다.
도 24a, 도 24b 및 도 24c는 고유의 균형 제어 알고리즘 작업이 착용자가 의자에서 일어남에 따라 착용자를 증대시키는 방식을 설명한다. 도 24a를 참조하면, 앉은 자세에서 선 자세로의 시작은 세 가지 상태를 포함한다. 먼저, 발은 지면에서 떨어지거나 가볍게 닿게 된다. 보철 장치(예를 들어, 도 17a 내지 도 17e의 장치(1700))는 착용자의 무게; 하퇴 부재 및 발 부재의 관성 배향; 및 지면 반력(예를 들어, 도 11a에 대해 결정된 바와 같이)을 인식하고 있다. 그에 따라, 장치는 착용자가 앉아 있다는 것을 "인식" 또는 감지한다. 착용자가 일어서기 시작함에 따라, 지면 반력의 증가가 나타나며, 발(발바닥-닿기)의 상태는 관성 측정 유닛 측정 및 발목 관절각도 센서 측정을 통해 인식된다. 고유의 균형 제어 법칙 실시가 개시된다. 이러한 제 2 상태 중에, 지면 반력의 불균형에 의해 감지된 불균형은 발목 관절 위에 상체(무게 중심)를 당기는 수단으로서 하퇴 부재를 전방으로 구동(예를 들어, 발목 관절(1740)에 가해지는 토크를 증가시키도록 선형 작동기(1716)를 명령하는 제어기(1762)에 의해 전방으로 구동)하도록 이용된다.
도 24b를 참조하면, 고유의 균형 제어는 착용자가 의자 앞의 평형 상태로 계속 있도록 한다. 도 24c는 필요하다면 중간-입각 평형, 보행 준비 상태에 있는 착용자를 보여준다. 도시되는 바와 같이, 착용자의 의도, 더 구체적으로, 앉기/서기 거동 상황은 보철 장치에 내재 된 감지에 의해 추론된다. 구현 비용 및 명료한 상황 전환(버튼 누르기)의 복잡성이 회피된다. 보철 장치는 자연스런 방식으로 신체 기능을 보상 및 증대한다.
지면 반력(GRF)에 의해 유도되는 발목 토크는 중간-입각 중에 기하급수적 경화를 달성하는 바람직한 방식이다. 하퇴 상의 토크의 이용과 달리(예를 들어, 도 17a의 구조 엘리먼트(1732)를 이용하여 측정되는 토크), GRF-계산된 발목 토크는 지면에 의해 발목 관절에 가해지는 토크를 측정한다. GRF는 보행 연구 설정에서 힘 판에 의해 종종 측정되며, 보행 중에 온전한 발목이 지면과 상호 작용하는 방식의 측정으로서 이용된다. GRF는 상이한 지형 상황에서의 생체 모방 발목 거동이 무엇인가를 확립한다. 기하급수적 경화를 달성하는 수단으로서 GRF를 이용하는 이점은 생체 모방 참조에 대해 측정될 수 있는 성능에 의해 쉽게 수행된다는 것이다. 또한, 고유의 관성 감지(예를 들어, 도 17a의 관성 측정 유닛(1720)을 이용하여)로부터 추출되므로, 이러한 측정의 이용은 지형 배향에 대한 불변성을 보장한다.
기립 보조는 또한 도 22a 내지 도 22c에 도시된 무릎 지지대 또는 보다 일반적으로 임의의 능동 무릎 지지대 또는 보철을 이용하여 구현될 수 있다. 앉은 자세에서 기립 자세로 사람을 일으켜 세우는 외견상 단순한 작업은 실제로는 단계적인 동작 시퀀스에 따라 리프팅(lifting) 토크 및 복원 균형을 적용하기 위해 무릎 및 엉덩이 신근(extensor)의 참여를 통합하는 복잡한 작업이다. 도 29a 내지 도 29d는 (a) 도 29a에서 도시되는 앉기; (b) 도 29b에서 도시되는 기립 준비로 발 위에 무릎을 재위치; (c) 도 29c에서 도시되는 앉기에서 기립으로의 이행; 및 (d) 도 29d에서 도시되는 신체가 일으켜 세워진 이후의 균형 제어를 포함하는 네 가지 시기를 수반하는, 건강한 사람의 통상의 기립 시퀀스를 도시한다.
도 30a 내지 도 30d는 상기 동일한 네 가지 시기 중 일부가 수행되지 않기 때문에, 능동 다리 지지대 또는 보철을 착용한 사람이 동일한 기립 시퀀스를 구현하는데 있어서의 문제점을 도시한다. 더 구체적으로는, 도 30a에 도시되는 바와 같이, 앉은 자세에서 시작하여, 대부분의 지지대 또는 보철 착용자들은 자신들을 의자에 위치시키기 위해 팔에 충분한 힘을 유지하며, 이는 상기 착용자들이 도 30b에 도시되는 바와 같이, 무릎과 상체를 발목 위에 미리 위치시키고 시기(b)를 구현하게 한다. 그러나, 사두근 및 엉덩이 신근에 있어서의 힘의 부족은 도 30c의 X(3010)에 의해 지시되는 바와 같이, 위쪽 다리 및 상체를 의자로부터 일으켜 세우는 시기(c)에서의 회전을 방해한다. 또한, 무릎 및 엉덩이에서 충분한 신근 토크의 결여되는 경우, 부적절한 무릎 및/또는 엉덩이 근육 강도를 갖는 환자는 도 30d의 X(3020)에 의해 지시되는 바와 같이, 기립 자세가 달성되면 상체를 감속시키고 균형을 유지하도록 하는 것은 사실상 불가능하다.
도 31a 내지 도 31d는 능동 지지대(도 22a 내지 도 22c에 도시됨) 또는 능동 무릎 보철과 같은 능동 무릎 장치가 사지 장애로 고통받는 환자의 기립 시퀀스를 보조하기 위해 이용될 수 있는 방법을 도시한다. 이는 사용자가 현재 앉아 있음을 인식하기 위한 능력, 및 앉은 자세를 유지하려는 사용자의 의도 및 기립하기 시작하는 사용자의 의도 사이를 구별하기 위한 능력을 필요로 한다.
사용자가 현재 앉아있음을 나타내는 하나의 지표는 도 31a에서 도시되는 바와 같이 허벅지가 실질적으로 수평인 경우이다. 이러한 허벅지의 자세는, 앉은 자세에서의 중력 벡터가 주로 허벅지의 x-y 평면(z-축에 직교)에 놓여있기 때문에, 허벅지 좌표 시스템에 대해 중력 벡터를 측정하는 무릎 장치에 장착된 관성 센서를 이용하여 결정될 수 있다. 앉은 자세에 있음을 나타내는 다른 지표는, 이완된 앉은 자세에서 발목 관절이 통상적으로 무릎의 앞쪽에 있기 때문에, 허벅지에 대한 정강이의 회전 각도(각도 인코더를 이용하여 획득될 수 있음)에 기초한다. 예를 들어, 이완된 앉은 자세와 일치하는 낮은 관절 임피던스를 유지함으로써, 앉음 모드에 남아 있기 위해, 이러한 조건들이 시스템에 의해 측정되고 시스템에 의존할 수 있다.
그리고나서, 도 31b에 도시되는 바와 같이 발목 관절이 무릎 관절 아래에 더 가깝게 위치되는 때를 검출함으로써 기립 자세로의 이행에 대한 사용자의 의도를 검출하는데 이러한 동일한 센서들이 이용될 수 있다. 이러한 상황이 검출되면, 시스템은 기립 루틴을 시험적으로 개시함으로써 기립하려는 사용자의 의도를 검증하도록 시도하는 것이 바람직하다. 시스템이 사용자로부터 긍정적인 피드백을 수신하면, 기립 루틴이 계속된다. 그러나, 시스템이 사용자로부터 긍정적인 피드백을 수신하지 않으면, 기립 루틴은 중단된다.
기립 루틴의 이러한 시험적인 개시는 도 31c에 도시되는 바와 같이, 무릎 장치가 엉덩이 관절의 추정된 상향 및 전방 속도에 따라 점차적으로 증가하는 토크(3110)를 인가하게 함으로써 구현될 수 있다. 긍정적인 피드백은 기립 동작 중인 무릎 장치를 보조하기 위해 엉덩이 관절을 수직으로 이동시키려고 팔로 몸을 일으켜 세우려는 사용자에 의해 제공될 수 있다. 이러한 상황에서, 엉덩이는 더욱 수직으로 이동할 것이며, 중력 벡터는 z-축을 행해 이행하기 시작할 것이다. 시스템은 이러한 상태를 사용자가 실제로 기립하기를 원하는 것으로 해석한다. 이에 응답하여, 시스템은 사용자를 계속해서 일으켜 세우기 위해 토크를 더 인가한다.
대안적으로, 사용자로부터의 긍정적인 피드백은 표면 또는 매몰(implanted) 전극을 이용하여 착용자의 허벅지 및/또는 엉덩이 근육 조직으로부터 측정되는 근전도 신호의 형태일 수 있다. 더 구체적으로는, 무릎 관절이 발목 관절을 향해 앞으로 이동하는 것을 장치가 검출하면, 기립 루틴은 착용자가 사두근 및/또는 엉덩이 신근을 굽힘으로써 개시될 수 있다. 장치는 종래의 기술을 사용하여 이들 근전도 신호를 측정하고, 각각의 근육 출력을 증폭 및 필터링하며, 크기, 변화 및/또는 주파수와 같은 신호 특징을 추출할 수 있다. 그리고나서, 이러한 추출된 특징들은 앉은 상태를 유지하거나 기립 루틴을 개시하고자 하는 사용자의 의도를 파악하기 위해 이용될 수 있다.
선택적으로, 발의 압력 센서가 ZMP를 검출하기 위해 이용될 수 있고, 상체 장착형 IMU가 CMP를 검출하기 위해 이용될 수 있으며, 착용자가 하퇴 위에서의 균형을 유지하기 위한 피드백으로서 관련되는 지면 반력 벡터가 이용될 수 있다. 이러한 압력 센서들은 적절한 무선 인터페이스(예를 들어, 블루투스)를 이용하여 무릎 장치 내의 제어기와 통신한다. 환자가 기립 상태에 도달함에 따라, 무릎 장치는 도 31d에 도시되는 바와 같이, 기립 상태에 있는 동안 균형을 이루도록 착용자를 보조하는 복원 토크(3120)를 인가한다. 무릎 토크의 인가는 착용자의 무게 중심 앞뒤의 힘 벡터를 조향함으로써, ZMP-CMP를 시간이 경과함에 따라 무효로 만들 것이다. 이를 구현하기 위한 적절한 접근 방식의 예시들은 여기서 참조로서 통합되는 미국 등록 특허 제 7,313,463 호에서 발견될 수 있다.
의자에 앉아 있는 동안 사용자가 때때로 자세를 여러 가지 방식으로 바꿈으로써 기립 루틴의 시험적 개시를 촉발할 수도 있다는 점을 주의해야 한다. 그러나, 적용되는 무릎 장치의 토크는 처음에는 상대적으로 작으며, 사용자로부터 긍정적인 피드백이 수신되지 않을 경우 시간(예를 들어, 1초 내지 2초)이 경과함에 따라 급격히 사라질 것이다. 비-근전성(non-myoelectric) 시스템에 있어서 긍정적 피드백이 없는 예시는 사용자가 팔을 이용하여 신체를 일으켜 세우려고 시도하지 않고 엉덩이 관절이 이동을 시작하지 않는 경우이다. 근전성(myoelectric) 시스템에 있어서 긍정적 피드백이 없는 예시는 사용자의 의도가 기립 의도라고 확신할 수 있을 정도로 사용자가 무릎 및/또는 엉덩이 신근을 실질적으로 활성화하지 않는 때이다. 긍정적인 피드백이 수신되지 않는다면, 시스템은 기립 루틴을 중단하고 이완된 앉음 상태로 돌아갈 것이다.
최적화 방법들
도 25a 및 도 25b는 1) 보행 사이클의 동시 입각 시기 중에 뒤따라가는 발부터 앞서가는 발로 체중을 이동시키는 천이 작업, Wt, 2) 엉덩이 충격력 및 힘 비율의 최소화, 또는 3) 비용(목적) 함수의 조합을 최소화의 확률적 최적화에 기초하여 의족 장치를 제어하는 것을 도시하는 개략도이다. 도 25a는 천이 작업을 계산하도록 이용되는 단순화된 모델을 도시한다. 도 25b는 엉덩이 충격력 및 힘 비율을 계산하도록 이용되는 단순화된 모델을 도시한다.
확률적인이라는 용어는 사람의 의도; 생체 역학 피드백(보행 속도 포함); 지형 상황, 및 지형 특성에 대한 확률(가능성) 함수를 가정하여 엉덩이 충격력 및 힘 비율 제한을 조건으로 하는 목적 함수의 예상된 값을 최소화한다는 것을 나타낸다. 최적화는 제어 알고리즘 내의 임피던스, 토크 및 위치 제어 변수의 변경을 통해 달성된다. 사실상, 하이브리드 시스템 에너지에 대한 발-착지력의 음의 충격을 최소화하고 반사에 의한 지면력의 양의 충격을 최대화함으로써 전달 에너지는 최소화되고, 엉덩이 충격력 제한이 만족된다.
전술한 최적화는 생체 모방 거동에 기여하는 핵심 컴포넌트 내의 "진화적" 섭동(攝動)(perturbation)을 유도하고 이러한 진화적 섭동으로부터 나오는 전달 에너지를 측정함으로써 실시간으로 구현될 수 있다. 전달 에너지는 관성 측정 유닛 피드백을 증대하도록 생체 역학 모델을 이용하여 추정될 수 있거나, 특별한 경우, 임시 관성 측정 유닛 서브-시스템(상체 및/또는 상퇴 둘레의 벨트 형태의 바디 상에 장착되는 IMU)는 상체 자세 및 바디 무게 중심 속도를 용이하게 추정하도록 이용될 수 있을 것이다. 플레처-파웰(Fletcher-Powell) 방법(또는 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 다른 적절한 최적화 방법)을 이용하여, 변수의 지능 진화가 유도될 수 있으며, 최적화가 계산될 수 있다. 이러한 최적화는 증대의 보행 효과로 인해 계속해서 변화한다. 이러한 진화적 섭동을 계속하여 서서히 적용함으로써, 최적화는 연속성에 기초하여 달성될 수 있다. 또한, 보철 또는 지지대의 초기 조정 또는 건강 진단의 경우로서, 이러한 진화적 최적화는 상당히 짧은 간격, 즉, 5분 내지 10분간 발생할 수 있을 것이다.
이하에서는 대상의 보행 사이클의 상이한 시기(phase)를 설명하며, 일 실시예에 있어서, 본 발명의 원리에 따라 발목-관절 보철에 의해 수행되는 걸음은 발목-관절 보철의 작동 및 제어를 감지하기 위한 것이다.
제어된 족저 굴곡
충격 시, 지면에 먼저 닿을 것을 예상(지형구별 모델(terrain discrimination model)로부터)하는 발의 일부에 대응하는 지면 반력 및 제로 모멘트 피벗을 체크한다. 발목 각도(또는 발목 토크)의 대응하는 변화의 존재 및 발의 적절한 엔드-포인트의 고정을 확인한다. 충격 후, 관성 발바닥-닿기 각도에 대응하는 국부 지형 슬로프가 예상보다 현저하게 작은 조건을 찾는다. 발목 스프링 복원력을 포화시키고 이것이 검출되는 경우 댐핑을 증가시킨다. 지형구별을 위해, 생체 역학 모델 피드백에 기초하여, 지형 가설(슬로프 대 계단)이 맞는지 및 착용자가 헛디뎠는지를 확인한다. 예를 들어, 계단에서의 헛디딤은 발의 전방 부분의 중심에 가해지는 큰 z-힘 대신 y-방향으로 큰 음의 힘으로서 측정될 수도 있다. 지형 텍스쳐의 경우, 발의 뒤꿈치 또는 전방 부분이 먼저 충격을 받을 것이다. 이러한 충격과 관련되는 함몰의 비-탄성 컴포넌트가 계산될 것이다. 단단한 지면에는, 이러한 함몰은 무시되어야만 하며 - 탄성 스트레인(발 모듈, 선형 작동기)만이 관측될 것이다. 진흙 또는 부드러운 지면의 경우, 지형 가소성은 충격받는 발 세그먼트의 궤적을 살펴봄으로써 관측될 것이다. 지형 가소성은 이러한 보행 사이클 상에서 수행되는 순 작업의 완화제로서 이용될 것이다. 미끄러짐 또한 충격 후 충격받는 발 세그먼트의 전방 속도를 표시함으로써 검출될 수 있다. 에스컬레이터 또는 수송 수단은 정강이 각도가 발의 전방 속도에 따라 회전하지 않는 것을 표시하고, 착용자가 균형을 잘 이루고 이동 표면 위로 걷고 있음을 신호 처리함으로써 검출될 수 있다. 임피던스의 경우, 발목 관절의 제어는 추정된 지형-참조된 속도 공격 각도(y) 하부 사지 모멘텀, 추정된 지형 슬로프 및 지형 특성을 이용하여 최적 임피던스를 적용한다. 반사 제어에 있어서, 미끄러짐이 검출되는 경우, 균형-복원 반사는 발목 위에서 무릎을 이동시키도록 발생될 것이다. 균형 제어에 있어서, 최적 균형은 국부 지형 슬로프 추정치가 발바닥-닿기에서 업데이트된 후 스프링 평형을 관성 참조함으로써 통상적으로 달성될 것이다. 지형이 미끄러운 경우, 균형을 이루는 알고리즘은 정강이를 전방으로 "당기도록" 양의 토크 "반사"를 유도하여 작용자가 발목 위의 무릎을 위치시킴에 따라 착용자를 보조함으로써, - 바디 무게 중심이 추정된 지면 반력과 정렬하도록 한다.
제어된 배측 굴곡
발바닥-닿기가 검출되고 나면, 제어기는 이러한 국부 지형 슬로프에 대해 스프링 평형 각도를 관성적으로 참조하여 착용자가 이러한 슬로프 위의 중력과 정렬하여 서 있는 경우, 복원 토크가 정적 조건 하의 발목에 의해 전혀 적용되지 않도록 한다. 이 시점에서, 국부 지형 상황은 이제 정확하게 알려진다. 이러한 "발바닥-닿기" 위치에서의 발 참조 좌표는 또한 지형 텍스쳐의 충격을 평가하는데 이용되도록 정의된다. 지형 텍스쳐에 있어서, 알고리즘은 지형 특성 모델을 업데이트하도록 - 특히, 충격받은 발 세그먼트이 발-착지 및 발바닥-닿기 사이에서 이동하는 방식을 측정함으로써 표면의 가소성 및 그의 미끄러짐을 측정하도록 - "발바닥-닿기" 참조에 대해 미끄러짐 및 스트레인의 통합된 측정치를 이용한다. 이러한 측정치는 발목 임피던스 및 순 작업(후기 족저 굴곡의 반사 토크)을 완화하도록 이용될 수 있다. 또한, "미끄러짐"이 발-착지 및 발바닥-닿기 사이에서 검출되는 경우, 제어기에 수행되는 알고리즘은 또한 정강이 각속도(무릎이 발목 관절에 대해 이동하는 방식)를 관찰함으로써 미끄러운 표면 및 에스컬레이터/이송 수단 사이를 구별한다. 어떤 경우, 신뢰성 있는 "제로 속도에서 발목 관절"이 이러한 걸음에서 전혀 이용될 수 없을 것이므로, 제로-속도 업데이트는 예정될 수 없을 것이다. 지형이 미끄러운 경우, 특정 측정치는 균형 기능에 의해 적용될 필요가 있을 것이다. 이동하는 에스컬레이터 또는 이송 수단에 발이 착지하는 경우, 정격 임피던스는 새로운 관성 프레임 상에서 이용될 수 있다. 임피던스 제어에 있어서, 제어 시스템은 관성-참조 평형 각도를 유지하는 최적 임피던스를 가할 수 있으며; 더 높은 레벨의 순 작업을 가능하게 하도록 보행 속도-종속 강성(더 빠른 보행 속도에서 더 낮은 강성)을 생성하며; 높은-소성 표면에서의 강성을 감소시킨다. 반사 제어에 있어서, 미끄러짐이 검출되는 경우, 균형-복원 반사는 발목 위에서 무릎을 이동시키도록 생성될 것이다. 균형 제어에 있어서, 최적 균형은 국부 지형 슬로프 추정치가 발바닥-닿기에서 업데이트된 후 스프링 평형을 관성 참조함으로써 통상적으로 달성될 것이다. 지형이 미끄러운 경우, 균형을 유지하는 알고리즘은 작업자가 발목 위에 무릎을 위치시킴에 따라 착용자를 보조하도록 정강이를 앞으로 "당김" 또는 양의 토크 "반사"를 유도함으로써 - 바디 무게 중심이 추정된 지면 반력과 정렬되도록 할 것이다.
힘이 실린 족저 굴곡
표면 내로의 모델 모니터 미끄러짐 및 가라앉음은 이러한 조건에서 효율적인 보행을 위해 이용될 수 있는 발목 토크 제한을 확인한다. 지형 텍스쳐의 경우, 지형 특성 추정치는 이러한 상태에서 개선되며 임피던스, 반사 및 균형 기능에 대한 입력치로서 이용된다. 임피던스 제어의 경우, 정격 임피던스 변수는 보행 속도, 지형 표면 특성 및 스트레인 및 발 미끄러짐에서의 변화를 수용하도록 변경될 것이다. 특정 "힘 필드" - 통상적으로, 볼-너트가 사전 정의된 단부-정지 한계에 도달함에 따라 기하급수적으로 증가하는 비-선형 작동기 힘 - 는 모터 제어기에 의해 가해져서 K3 스프링 에너지(평행 탄성 부재 내부)가 골절 한계의 하한을 초과하지 않도록 보장한다. 반사 제어의 경우, 반사 진폭은 지형이 이러한 순 작업의 제조를 지지할 수 있는 정도와 조합하여 생체 역학 모델로부터의 순 작업 "세트포인트"를 설명하도록 조정될 것이다. 균형 제어에 있어서, 최적 균형은 국부 지형 슬로프 추정치가 발바닥-닿기에서 업데이트된 후 스프링 평형을 관성 참조함으로써 통상적으로 달성될 것이다. 지형이 미끄러운 경우, 균형을 유지하는 알고리즘은 착용자가 발목 위에 무릎을 위치시킴에 따라 착용자를 보조하기 위해 정강이를 전방으로 "당기도록" 양의 토크 "반사"를 유입함으로써 - 바디 무게 중심이 추정된 지면 반력과 정렬되도록 할 것이다.
초기 유각
초기 유각의 경우, 발가락이 지면을 떠난 직후, 모델은 발목, 뒤꿈치 및 발가락의 관성 궤적을 모니터하며, 발목이 지형에 의한 방해 없이 중립 위치로 배측 굴곡될 수 있는 때를 결정한다. 모델은 가장 빠르고 효율적이며 안정적인 방식으로 중립 위치까지 발목을 이동시키도록(헛디딤 위험을 피하도록) 적절한 임피던스 이득 및 전방-공급 토크를 갖는 최적 궤적을 계산한다. 지형구별의 경우, 모델은, 발이 이동되는 쓸어낸(발 부재와 "비-접촉") 체적의 트랙을 유지하기를 시작하여, 발가락-하향 솔루션이 유일하게 성공 가능한 솔루션(예를 들어, 얕은 계단이나 레지(ledge)에 착지)인 경우, 후기 유각에서 적응적 발목 위치설정 기능을 통지한다. 초기 유각에서의 임피던스 제어의 경우, 임피던스의 중립 값은 제어기에 의해 적용된다. 힘-전계 함수는 선형 작동기가 견고한 정지부(이동의 단부)를 충돌하지 않을 것을 - 작동기가 그곳(이동의 단부)에 접착되도록 하는 조건 - 보장하도록 가해진다. 하이브리드 생체 역학 모델에 의해 통지되는 초기 유각의 임피던스 제어의 경우, 제어기는 평형 위치를(발목 각도 세트포인트) 원하는 중립 위치로 기하급수적으로 구동하는 궤적을 생성하도록 임피던스를 제어한다. 전방 공급 토크 기능은, 예를 들어, 오버슈트 및 경보를 유도할 수 있는 에러를 따르는 임피던스 특성 및 발목 각도 사이의 상호작용을 감소시키도록 가해진다.
후기 유각
지형구별의 경우, 모델은 발이 이동되는 "클리어" 체적의 트랙을 유지함으로써, 발가락-하향 해결 방안이 유일한 실현 가능한 해결 방안, 즉, 얕은 계단 또는 레지인 경우, 후기 유각의 적응적 발목 위치설정 기능을 통지한다. 보다 일반적으로, 발목 궤적이 모니터링되며 패턴 인식 기능은 경사 표면과 반대인 계단/레지 위에 발이 착지할 가능성을 결정하도록 이용된다. 두 가지 조건 사이를 구별하도록 발견되는 하나의 단순한 방식은 발목 속도가 수직에 대해 이루어지는 각도를 측정하는 것이며; 다양한 실험에 있어서, 이러한 각도가 10도 이하인 경우가 결정되었으며, 발은 수평 단차에 착지할 것이다. 지형구별 모델에 의해 통지되는 임피던스 제어의 경우, 발목 궤적(평형)은 헛디딤 위험을 회피할 것이 필요함에 따라 제어기에 의해 수정될 것이다. 예를 들어, 지형구별 기능이 계단 오르기의 최대 가능성을 제공하는 경우, 추가의 배측 굴곡은 발가락이 계단 또는 레지를 잡지 않을 것을 보장하도록 명령이 내려진다. 이전과 같이, 하이브리드 생체 역학 모델은 긴밀한 공차로 안전하고 안정적인 방식으로 추적될 수 있는 계속적이며 업데이트 가능한 평형 궤적을 계획한다. 후기-입각 상태에 있어서, 생체 역학 모델은 전달 에너지 및 무릎-엉덩이 충격력의 약간의 조합을 포함하는 목적 함수를 최소화할 최적 평형 각도 및 발목 임피던스를 계산한다. 이러한 최적화 기능은 State Machine ROM의 색인표를 통해 구현될 수 있을 것이다. 또는, 예시적인 실시예에 있어서, 상태 제어기 기능은 목적 함수를 계산 및 최적화하도록 강체 동역학(rigid body dynamics)의 근사치를 이용하여 실시간으로 최적화를 수행할 것이다.
본 명세서에 개시된 스트레인예, 변경예 및 기타 구현예는 청구되는 본 발명의 사상 및 범위를 이탈하지 않고도 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게는 명료하게 될 것이다. 그에 따라, 본 발명은 전술한 설명에 의해 정의되는 것이 아니라 하기 청구범위의 사상 및 범위에 의해 정의될 것이다.
200: 발목 관절
204: 관성 측정 유닛
208: 발 부재
212: 뒤꿈치
216: 발가락
220: 하퇴 부재

Claims (20)

  1. 능동 지지대 또는 보철 장치로서,
    허벅지 부재;
    하퇴 부재;
    상기 허벅지 부재를 상기 하퇴 부재에 연결하기 위한 무릎 관절;
    모터 축 출력부를 포함하는 회전 모터;
    상기 모터 축 출력부와 결합되는 상기 모터 구동 전달 조립체;
    상기 모터 구동 전달 조립체의 출력과 결합되는 구동 전달 조립체 ― 상기 구동 전달 조립체의 출력부는 상기 무릎 관절에 토크를 적용하여 상기 허벅지 부재에 대해 상기 하퇴 부재를 회전시키기 위해 상기 하퇴 부재와 결합함 ― ;
    상기 장치의 착용자가 앉은 자세(seated position)에 있을 때 발목 관절에 대한 무릎 관절의 위치가 결정될 수 있는 적어도 하나의 출력을 갖는 적어도 하나의 센서; 및
    상기 적어도 하나의 센서의 상기 적어도 하나의 출력에 기초하여 상기 무릎 관절이 상기 발목 관절 앞의 위치로 이동하는 때를 결정하고, 상기 결정에 응답하여 사람을 상기 앉은 자세에서 기립 자세(standing positioin)로 일으켜 세우는 것을 보조하기 위해 상기 무릎 관절의 임피던스, 위치 또는 토크를 조절하도록 상기 회전 모터를 제어하는 제어기
    를 포함하는, 능동 지지대 또는 보철 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 센서는 허벅지 좌표 시스템에 대한 중력 벡터를 측정하는 관성 센서를 포함하는,
    능동 지지대 또는 보철 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 센서는 상기 허벅지에 대한 상기 하퇴의 회전 각도를 검출하는,
    능동 지지대 또는 보철 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 착용자가 앉은 자세에 있다는 결정에 응답하여 낮은 관절 임피던스를 유지하도록 프로그래밍되는,
    능동 지지대 또는 보철 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 기립 루틴을 시험적으로 개시함으로써 상기 착용자의 기립 의도를 검증하도록 프로그래밍되는, 능동 지지대 또는 보철 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어기는 긍정적인 피드백이 수신되는 경우 상기 기립 루틴을 계속해서 수행하고, 긍정적인 피드백이 수신되지 않는 경우 상기 기립 루틴을 중단하도록 프로그래밍되는, 능동 지지대 또는 보철 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 엉덩이 관절의 추정된 상향 및 전방 속도에 따라 토크를 점차적으로 증가시킴으로써 상기 앉은 자세로부터 기립 자세로 사람을 일으켜 세우는 것을 보조하도록 상기 회전 모터를 제어하는,
    능동 지지대 또는 보철 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 환자가 기립 상태에 도달할 때, 상기 기립 상태에 있는 동안 균형을 이루도록 상기 착용자를 보조하기 위한 복원 토크가 인가되도록 상기 회전 모터를 제어하는,
    능동 지지대 또는 보철 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 착용자의 발에 인가되는 힘을 측정하도록 구성되는 적어도 하나의 압력 센서를 더 포함하는,
    능동 지지대 또는 보철 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 무릎 근육 및 엉덩이 근육 중 적어도 하나로부터 측정되는 근전도 신호들에 따라 무릎 토크를 증가시킴으로써 상기 앉은 자세로부터 기립 자세로 사람을 일으켜 세우는 것을 보조하도록 상기 회전 모터를 제어하는,
    능동 지지대 또는 보철 장치.
  11. 적어도 하나의 작동기(actuator)를 갖는 무릎 지지대 또는 보철을 제어하는 방법으로서,
    상기 무릎 지지대 또는 보철은 사람에 의해 착용되고,
    상기 방법은:
    상기 사람이 앉은 자세에 있는 동안 상기 사람의 발목에 대한 상기 사람의 무릎의 위치를 검출하는 단계;
    상기 검출하는 단계의 결과에 기초하여 상기 무릎이 상기 발목 앞의 위치까지 이동되는 때를 결정하고, 상기 결정을 나타내는 출력을 생성하는 단계; 및
    상기 출력에 응답하여, 상기 앉은 자세에서 기립 자세로 상기 사람을 일으켜 세우는 것을 보조하도록 상기 무릎 지지대 또는 보철의 적어도 하나의 작동기를 작동하는 단계를 포함하는,
    무릎 지지대 또는 보철을 제어하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    허벅지 좌표 시스템에 대한 중력 벡터를 측정하는 단계를 더 포함하는,
    무릎 지지대 또는 보철을 제어하는 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 사람의 허벅지에 대한 상기 사람의 하퇴의 회전 각도를 검출하는 단계를 더 포함하는,
    무릎 지지대 또는 보철을 제어하는 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 사람이 앉은 자세에 있다는 결정에 응답하여 낮은 관절 임피던스를 유지하는 단계를 더 포함하는,
    무릎 지지대 또는 보철을 제어하는 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    기립 루틴을 시험적으로 개시함으로써 상기 사람의 기립 의도를 검증하는 단계를 더 포함하는,
    무릎 지지대 또는 보철을 제어하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    긍정적인 피드백이 수신되는지를 결정하는 단계; 및
    상기 결정하는 단계에서 긍정적인 피드백이 수신된다고 결정되는 경우, 상기 기립 루틴을 계속해서 수행하는 단계; 및
    상기 결정하는 단계에서 긍정적인 피드백이 수용되지 않는다고 결정되는 경우, 상기 기립 루틴을 중단하는 단계를 더 포함하는,
    무릎 지지대 또는 보철을 제어하는 방법.
  17. 제 11 항에 있어서,
    엉덩이 관절의 추정된 상향 및 전방 속도에 따라 토크를 증가시키는 단계를 더 포함하는,
    무릎 지지대 또는 보철을 제어하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    기립 상태에서 균형을 이루도록 상기 사람을 보조하기 위한 복원 토크를 인가하는 단계를 더 포함하는,
    무릎 지지대 또는 보철을 제어하는 방법.
  19. 제 11 항에 있어서,
    상기 사람의 발에 인가되는 힘을 측정하는 단계를 더 포함하는,
    무릎 지지대 또는 보철을 제어하는 방법.
  20. 제 11 항에 있어서,
    무릎 근육 및 엉덩이 근육 중 적어도 하나로부터 측정되는 근전도 신호들에 따라 무릎 토크를 증가시키는 단계를 더 포함하는,
    무릎 지지대 또는 보철을 제어하는 방법.
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