动力膝外骨骼系统的制作方法

1.本发明涉及这样一种外骨骼系统，其用于辅助仍然保留髋部处的一些运动机能的脊髓损伤(spinal cord injured，sci)患者的行走康复和辅助过程。
2.本发明的目的是提供这样一种外骨骼系统，其为用户提供非常类似于自然行走的直觉步态体验，而不需要执行不自然的姿势。
3.本发明的另一个目的是提供这样一种外骨骼系统，其减少髋关节的不期望的运动(即，外展-内收和内-外转动)，从而增加步行速度和步长，减小骨盆倾斜，并改善上身姿势(即，减小躯干倾斜)。
4.本发明的另一个目的是提供这样一种外骨骼系统，其特点是重量轻，并且其可以容易地联接在患者身上，并且可以容易地运输和储存。


背景技术：

5.世界卫生组织估计，全球脊髓损伤(sci)发病率为每年每百万人口40至80个新病例，这表示全世界每年250000至500000个病例。不能站立和行走是sci的主要后果之一，其导致丧失独立的活动性并限制社区参与和整合。因此，报道称sci后的步态康复为患者高度优先考虑的问题，而无关乎于其年龄、损伤后时间和损伤严重程度。
6.步行的恢复已被确认为sci患者的最高优先考虑的事项之一，然而，报道称可能的恢复水平取决于损伤的神经水平以及损伤是完全的还是不完全的。近年来，技术已经发展为运动疗法方案中的重要组成部分。最显著的技术发展之一是创建机器人外骨骼，其目的是为患者提供能够执行多次重复运动任务而使治疗师身体负担最小的能力。大量重复是支持具有不完全sci的人们恢复步行功能的运动学习的关键原理之一。
7.机器人外骨骼是放置在人体上且辅助用户执行特定运动的装置。通常，机器人外骨骼配备有传感器以测量将帮助其在特定时刻做出决策及执行任务的那些变量。然后，根据外骨骼旨在恢复的运动，通过放置在特定位置处的致动器将所做出的决定转换成实际运动和力。
8.特别地，由于促进身体活动的用户所需的主动参与以及用作社区中的辅助装置的可能性，可穿戴的下肢外骨骼正在兴起为sci后恢复活动性的有希望的解决方案。
9.在过去几年中已经生产了少量外骨骼，并且这些外骨骼现在已经被认证用于世界各地的医院，而有许多其他外骨骼或处于其早期开发阶段或尚未完全认证用于大规模使用。这些外骨骼之间在其重量、尺寸、矫正设计和激活方法方面存在显著差异。
10.通常，外骨骼需要用户执行重量转移或不自然的姿势提示来发起迈步。此外，缺乏髋部控制导致过度的髋部外转动，产生不平衡和不期望的腿部运动，最终可能导致受伤或跌倒。
11.旨在支持患有严重瘫痪的患者的市售解决方案的另一个重要限制是它们沉重且笨重，因此限制了独立穿上/脱下、用户接受度、可用性和可运输性。
12.国际pct申请wo2018/073252a1公开了一种用于辅助保有髋部屈曲能力的脊髓损
伤患者行走的系统，其中，所述系统包括单独的左矫形器和单独的右矫形器，每个矫形器包括用于每个膝盖的角度致动器、多个传感器以及控制系统，所述控制系统根据行走周期并使用传感器数据读数来决定何时屈曲或伸展膝盖。该系统不包括连接左矫形器和右矫形器的腰部或髋部节段。
13.pct公开wo2013/188868a1描述了一种用于向用户的至少一个下肢施加力的外骨骼，其包括：髋部节段；大腿节段，其通过动力关节联接到所述髋部节段；与下肢相关联的多个传感器；以及控制系统。
14.pct公开wo2016/089466a2涉及用于为人类运动(包括髋部和踝部运动)提供辅助的系统和方法，其中，传感器反馈用于确定用于致动可穿戴的机器人系统以传递期望的关节运动辅助的适当简档。


技术实现要素：

15.本发明在所附独立权利要求中限定，并且通过提供用于辅助脊髓损伤(sci)患者的行走康复和辅助过程的双侧机器人外骨骼系统来令人满意地解决现有技术的缺点，条件是患者在髋部保有一些运动机能，使得系统辅助患者执行患者可能难以执行的常见动作，从而提供非常类似于自然行走的直觉步态体验。
16.更详细地，本发明的一个方面涉及一种外骨骼系统，其包括：腰部节段、一对小腿节段和一对大腿节段，其适于由患者分别穿戴在腰部区域、腿部的小腿部分和大腿部分上。
17.具有与大腿节段连接的腰部节段，对于sci患者而言，减少了不期望的髋部转动并改善了行走性能。
18.该系统还包括分别连接小腿节段和大腿节段的一对动力膝关节或关节，以在小腿节段和大腿节段之间产生屈曲和伸展运动。优选地，动力膝关节适于获得其连接的小腿节段和大腿节段之间的屈曲角度的读数。
19.另外，该系统包括将腰部节段与大腿节段连接的一对髋关节。该对髋关节可以是被动关节或主动关节。在本发明的优选实施例中，该对髋关节是被动关节，其允许大腿节段和腰部节段之间的自由屈曲和伸展相对运动，限制其他髋部自由度。
20.该系统还包括一对足底节段，其通过被动关节或通过固定关节与小腿节段连接，该固定关节约束踝关节以保持固定在其解剖构型。
21.外骨骼系统的上述结构允许髋部屈曲伸展，但限制髋部外展-内收和内-外转动，使得步态性能以及步行速度和步长改善，减小的骨盆倾斜和改善的上身姿势(即，减小的躯干倾斜)，同时促进神经可塑性过程。
22.该系统还包括布置成测量每个大腿节段的角速度的一对传感器，以及适于处理角速度传感器读数并适于基于角速度传感器读数控制动力膝关节的操作的系统控制器。
23.根据本发明，系统控制器还适于通过检测髋关节在行走方向上的向前速度的增加来检测用户的指示用户发起向前迈步的意图的髋部推力姿势。
24.系统控制器还适于当检测到相应髋关节的速度增加时，操作相应的动力膝关节以执行膝盖屈曲-伸展轨迹，以向前摆动用户的腿来执行迈步。
25.此外，系统控制器适于当检测到脚与地面接触时操作动力膝关节以保持用户的腿笔直。
26.优选地，系统控制器适于通过检测大腿节段角速度的局部最小值并将检测到的局部最小值与随后测量的角速度值进行比较来检测比较值之间的差何时高于预定义阈值，以确定髋关节速度的增加。
27.因此，本发明的技术效果和优点是其能够预测用户发起行走迈步的意图，而不需要用户执行不自然的姿势。在每一步处独立且无缝地检测到用户发起迈步的意图的这种检测，允许用户在行走时感觉到他/她完全控制外骨骼。
28.此外，该系统能够在诸如坐到站、站立、行走和站到坐的动作中辅助患者。本发明的外骨骼系统旨在在康复机构中使用助行器并在受过训练的治疗师的监督下执行步行功能。
29.优选地，该系统包括右按钮和左按钮，用于治疗师手动指示系统何时发起右膝盖屈曲-伸展轨迹和左膝盖屈曲-伸展轨迹，从而允许用户的腿向前摆动以执行迈步。该系统还适于存储由治疗师指示以发起右膝盖伸展轨迹和左膝盖伸展轨迹的时刻。
30.此外，系统控制器还适于通过基于左按钮和右按钮的手动激活以及大腿节段或小腿节段角速度的读数来改变预定义角速度阈值来执行校准过程，以针对每个用户使髋部推力姿势的检测个性化，使得用于发起膝盖屈曲-伸展轨迹的定时基本上匹配治疗师指示的定时。
31.此外，该系统控制器进一步适于执行安全控制以启动或禁止用以摆动使用者的腿的所述动力膝关节的操作，并且其中，该系统控制器进一步适于计算两个大腿节段相对于竖向的角度之间的差异，使得当该差异低于预定义安全阈值时，该系统控制器禁止用以向前摆动使用者的腿的所述动力膝关节的操作。
32.所述系统控制器另外适于将右小腿节段和左小腿节段的角度定向之间的差异计算为每个大腿节段的角度定向和膝盖的屈曲之和。
33.另外，系统控制器适于当动力膝关节中的任何一个正在执行迈步运动时，禁止用以使用户的腿向前摆动的动力膝关节的操作。
34.此外，系统控制器另外适于当小腿节段的角度定向之间的差异高于预定义安全阈值并且超过预定义时间时，启动动力膝关节的操作以使用户的腿向前摆动。
35.除了角速度传感器之外，该系统还包括定向传感器，该定向传感器被布置成测量每个大腿节段相对于垂直于地面的竖向的角度。
36.该系统包括至少一个惯性测量单元imu，其被围封在大腿节段内并纵向地(即，在大腿节段的股骨方向上)定向，用于测量大腿节段的加速度、角速度和绝对定向角。
37.每个imu单元具有九个自由度运动传感器，每个传感器具有3轴陀螺仪、3轴加速度计和3轴磁力计，用于测量每条腿的定向和加速度，产生绝对定向、角速度和线性加速度读数。
38.在优选实施例中，外骨骼体现为模块化设备。特别地，该系统包括五个可联接的模块，即：腰部模块，其包括腰部节段和联接到腰部节段的两端的被动自由关节；左足节段和右足节段；以及左腿模块和右腿模块，每个模块包括小腿节段、大腿模块和动力膝关节。它还展现模块化设计，以便于运输、储存在手提箱中以及穿上和脱下的过程。
39.因此，与使用四个或六个马达来操作的现有技术外骨骼不同，根据本发明，膝盖处仅有两个马达并且优选地以被动方式限制其他运动，患有完全截瘫(髋部下方没有运动机
能)的患者能够再次行走。
40.在膝盖中仅使用两个致动器，本发明的系统能够帮助截瘫患者站立和行走，通过促进保有运动机能并且仅在膝关节中致动来使用户参与行走最大化，而不辅助不必要的运动。膝盖的屈曲允许在摆动阶段期间降低髋部，这减少了质心的振荡，提高了步态的能量效率。
附图说明
41.以下参考附图描述本发明的优选实施例，其中：
42.图1以透视图示出了处于站立姿态的本发明的外骨骼系统的优选实施方式。
43.图2在图a和图b中示出了处于两个不同行走姿态的外骨骼的两个透视图。
44.图3示出了外骨骼的两个正视图，图a是前视图，图b是后视图。
45.图4示出了辅助患者行走使用的外骨骼的另一透视图。
46.图5以透视图示出了外骨骼的模块化结构。
47.图6示出了腰部模块的两个透视图。
48.图7示出了在三步时段期间对应于健康步态的两个曲线图，其中图a示出了行走时的小腿节段屈曲，并且在图b中示出了对应的小腿节段速度。小腿屈曲是指小腿节段相对于竖向的角度。与单位不相关，但是在上下文中正的相当于脚跟指向后面。对每一步标记脚趾离地事件。
49.图8示出了在三步时段期间对应于使用本发明的外骨骼的sci步态并且与图7的曲线图对应的两个曲线图。类似于图7，图a示出了行走时的小腿节段屈曲，而在图b中示出了对应的小腿节段速度。小腿屈曲是指小腿节段相对于竖向所具有的角度。与单位不相关的，在上下文中正的相当于脚跟指向后面。对每一步标记脚趾离地事件。
50.图9在图a中示出了对应于步的图7b的一部分的放大视图。图9b示出了“深度”值和“显著性”值之间的差。
51.图10示出了安全控制过程的流程图。
具体实施方式
52.图1至图4示出了本发明的外骨骼系统(1)的示例性实施方式，其包括一对小腿节段(2，2
′
)、一对大腿节段(3，3
′
)和分别连接小腿节段(2，2
′
)和大腿节段(3，3
′
)的一对动力膝关节(4，4
′
)，以针对患者的左腿和右腿在小腿节段(2，2
′
)和大腿节段(3，3
′
)之间产生受控的屈曲和伸展运动。
53.每个动力膝关节(4、4
′
)包括电动马达(未示出)，其与齿轮机构(未示出)相关联以增加马达的扭矩。电动马达和齿轮机构被围封在圆柱形壳体(8、8
′
)内。
54.小腿节段(2，2
′
)和大腿节段(3，3
′
)被构造为直的且扁平的刚性体，由轻质材料如铝、碳纤维和/或硬塑料制成。如图3a、图3b中所示，外骨骼具有非常薄且轻的构造，这有助于其便携性和可用性，同时使得能够容易地将患者从轮椅转移。特别地，如图3a、图3b所示，小腿节段和大腿节段是共面的，即，它们在同一平面上相对于彼此移动。外骨骼没有背包或上身部件，外骨骼及其紧凑的设计一起允许坐于标准轮椅中时被穿戴。
55.系统(1)还包括具有大致u形构造的腰部节段(5)，并且在解剖学上适于在患者的
髋部和腰部区域处联接，例如如图3和图4所示。如图4中更详细地示出的，腰部节段(5)也被构造为由轻质材料制成的扁平主体，并且其包括用于将其牢固地附接到使用者的腰部区域的带子(17)或皮带。
56.类似地，每个大腿节段(3，3
′
)装有设置有大腿带(21，21
′
)的大腿支撑件(18，18
′
)，并且每个小腿节段(2，2
′
)装有设置有小腿带(2，2
′
)的小腿支撑件(19，19
′
)，用于分别将大腿节段和小腿节段支撑和附接到使用者的左腿和右腿的相应部分。
57.该系统还包括一对髋关节(6，6
′
)，其将腰部节段(5)的端部与大腿节段(3，3
′
)连接。在该示例性实施方式中，一对髋关节(6，6
′
)是被动关节，其允许大腿节段(3，3
′
)和腰部节段(5)之间的自由屈曲和伸展相对运动。然而，在其他实际实施方式中，髋关节(6，6
′
)体现为活动关节。
58.另外，在该优选实施方式中，一对足底节段(7、7
′
)通过相应的固定关节(9、9
′
)与小腿节段(2、2
′
)连接，固定关节(9、9
′
)约束踝关节以保持固定在其解剖学构造，从而阻止使用者的踝部运动。
59.足底节段(7，7
′
)的位置相对于小腿节段(2，2
′
)是纵向可调的。为此，每个足底节段(7，7
′
)包括与相应的小腿节段(2，2
′
)可伸缩地联接的杆(10，10
′
)，并且设置有快速释放锁定销，以将足底节段与相应的小腿节段固定在所需位置。
60.臀部宽度、大腿长度和深度、小腿长度和深度以及脚跟止挡深度可以在无需任何外部工具的情况下通过使用快速释放锁定销容易地调节，并且被设计成使得外骨骼可以由体重高达100kg且身高在150cm和190cm之间的人使用。
61.如图2b、图6a和图6b中更清楚地表示的，腰部节段(5)具有壳体(15)，壳体(15)围封电池部件和电子控制单元ecu，并且优选地还围封wi-fi和蓝牙通信模块。另外，壳体(15)被构造成用作治疗师的手保持器，以帮助使用者保持平衡，如图6b所示。
62.一对按钮(16)设置在壳体(15)中，并且与电子控制单元ecu相关联，使得治疗师可以手动指示系统何时向前摆动用户的左腿和右腿以执行迈步，使得系统控制器可以执行先前解释的校准过程。除了手动触发迈步之外，按钮(16)还可以用于触发其他转换，如站立过程和坐下过程。
63.在站立时，动力膝关节的致动器施加必要的扭矩以保持用户的腿笔直。为了检测用户向前移动的意图，腰部节段(5)中的内置ecu从放置在大腿节段(3、3')处的imu传感器接收由髋部运动引起的运动数据，分析数据并识别必须触发膝盖屈曲-伸展周期以向前摆动腿的时刻，从而模仿自然步态的轨迹。来自腰部节段上的led灯的听觉反馈和视觉提示通知治疗师和用户系统状态和操作状态。
64.如图2a，图2b所示，imu单元(20，20
′
)优选地集成在大腿节段(3，3
′
)内，在动力膝关节(4，4
′
)的正上方。可替代地，imu单元(20，20
′
)放置在小腿节段(2，2
′
)处，在动力膝关节(4，4
′
)的正下方。
65.如图4所示，外骨骼与手杖、拐杖或助行器一起使用以获得稳定性，并且如果需要，治疗师可以通过用双手握住壳体(15)来帮助用户保持平衡，如图6b所示，并且一对按钮(16)以如下方式放置：治疗师的手指可以在无需握住壳体(15)时移动他的手的情况下能够接触到按钮。
66.如图5中所示，外骨骼系统(1)被构造为模块化设备，其方式为其包括五个可联接
的模块，即：由腰部节段(5)和被动自由关节(6、6
′
)形成的腰部模块(11)，被动自由关节(6、6
′
)各自联接到腰部节段(5)的端部；左腿模块和右腿模块(12、12
′
)，左腿模块和右腿模块(12、12
′
)各自包括大腿节段(3、3
′
)、小腿节段(2、2
′
)和相应的动力膝关节(4、4
′
)，以及最后的足部模块(13、13
′
)，足部模块(13、13
′
)包括足部节段(7、7
′
)和杆(10、10
′
)。
67.为了将腰部模块(11)与左腿模块和右腿模块(12、12
′
)连接，系统(1)装有快速连接装置(14、14
′
)，用于将模块机械地和电气地联接在一起，以将电池和ecu与布置在大腿节段(3、3
′
)处的imu单元和膝关节(4、4
′
)的电动马达连接。
68.为了使用外骨骼，首先将模块单独地装到相应的身体部分，然后将它们连接在一起。这种模块化通过显著减少穿上和脱下装置的时间来提供独特的可用性。该特征与最靠近用户身体定位的紧凑且纤细的结构一起使得能够直接从轮椅上穿上外骨骼和从轮椅上脱下外骨骼，从而避免不必要地过渡到椅子。它还提供了在小手提箱中处理、运输和储存的容易性。
69.优选地，壳体(15)还围封wi-fi及蓝牙通信模块，使得借助于移动电话应用程序，其允许治疗师在治疗疗程期间配置(适当地适合于用户、展示系统状态)、操作(在操作状态之间转变、实时改变步态参数(例如膝盖屈曲或摆动阶段时间))及监测(实时利用、跟踪用户的进展、记录疗程的数据)外骨骼。
70.该系统包括用于高级用户的附加部件：遥控器(未示出)，其可以附接到手杖、拐杖或助行器，以允许用户独立地在操作状态之间转换。遥控器通过蓝牙与外骨骼无线通信，并提供视觉和听觉系统状态反馈。因此，用户可以总是在治疗师的监督下自己站立、行走和坐下。
71.图7和图8示出了由系统控制器执行的控制过程。如这些图所示，在每步中的脚趾离地事件周围，即，当使用者将脚抬离地面时，小腿的角速度从被认为是“深度”的局部最小值上升到被认为是“显著性”的最大值。
72.在本发明中，已经发现，通过检测这两个关键点“深度”和“显著性”等同于当sci患者使用双侧外骨骼时检测到向前的“髋部推力”，并且该检测到的“髋部推力”是被认为是患者发起每次迈步的意图的姿势。
73.当用户(特别是sci患者)使用助行器向前迈步时，其通过在将脚抬离地面之前首先向前推动髋部来实现。因此，检测“髋部推力”等同于检测患者发起迈步的意图。“髋部推力”可以定义为在行走的双支撑阶段期间髋关节的向前速度(在行走方向上)的突然增加。
74.图9a示出了对应于一步的小腿屈曲的放大视图，其中指示了“深度”值和“显著性”值，并且图9b示出了“深度”值和“显著性”值之间的差。由系统控制器执行的核心计算过程如下：首先，测量角速度的最小值并将其存储为“深度”值。其次，将存储的“深度”值与实际测量的角速度进行比较。当角速度减小时，两者将相等，但是一旦找到局部最小值，实际速度将增加。一旦实际速度和深度之间的差大于预定义阈值(显著性)，就已经检测到“髋部推力”，并且应当触发迈步运动以操作相应的动力膝关节以使用户的腿向前摆动。
75.因此，核心计算过程最小化函数需要：
[0076]-一个存储深度的变量；
[0077]-一个可调参数，显著性；
[0078]-角速度传感器的读数。
[0079]
在该核心计算过程之上，系统控制器适于实现安全控制以启动或禁止核心计算过程的执行，从而启动或禁止动力膝关节的操作。
[0080]
在该安全控制中，系统控制器计算两个大腿节段相对于竖向的角度之间的差异，使得当该差异低于预定义安全阈值时，系统控制器禁止用以使用户的腿向前摆动的动力膝关节的操作。
[0081]
每当步伐完成时或当大腿角度变为负时，重置核心计算。这确保了迈步的摆动部分被忽略，并且在开始行走时增加了鲁棒性。
[0082]
除非腿纵向分离超过预定义阈值，否则安全控制使用大腿角度来防止算法被执行。这被计算为相对于竖向的大腿角度的差异。低于给定阈值的腿之间的任何角度差异为了安全而禁用触发器。它还控制何时需要重置核心。
[0083]
安全控制最小参数如下：
[0084]-测量相对于两个支架的竖向的大腿角度；
[0085]-控制启动芯的最小间隔的1个参数；
[0086]-控制直腿膝盖屈曲的1个参数。
[0087]
这被设置为在核心功能之前的一系列if语句，其在以下情况下禁用核心：
[0088]-如果腿之间的间隔小于预定义阈值，则禁用芯；
[0089]-如果大腿角度变为负(脚跟指向前方)，则芯被重置，清除其存储器；
[0090]-如果膝的屈曲角度不同于预定义直腿膝盖屈曲，则芯被禁用。
[0091]
整个过程需要：
[0092]-测量每条大腿的角速度；
[0093]-测量相对于每条大腿的竖向的角度；
[0094]-用于存储深度的1个变量。
[0095]
并且用以下来调整：
[0096]-1个主要参数，显著性；
[0097]-2个次要参数：
[0098]-腿最小间隔，
[0099]-直腿膝盖屈曲。
[0100]
次要参数被定义为使得可以在会话开始时设置并且不需要太多改变。然而，核心参数通常需要被调整到患者的当前状态，并且当用户对装置感到舒适并且康复进展时将改变。
[0101]
在更高的级别上，算法在每个定时间隔执行并执行图10中的测试。流程图中的每个框表示被调用并修改状态或返回条件通过或失败的函数。
[0102]
外骨骼系统操作自动地适应于每个用户，运行校准过程，该校准过程监督测量的数据并将参数调整到用于功能的适当值。校准可以与数据采集并行运行或串行运行。并行或“实时校准”与核心过程一起执行，并且在进行每次迈步之后调整参数。
[0103]
在优选实施例中，串行地执行校准过程，在进行一组步伐之后，校准在进行迈步之后优化参数以在外骨骼直接使用时不干扰外骨骼的用户。
[0104]
为了发起校准过程，第二用户(通常是治疗师)使用壳体(15)处的按钮(16)手动触发迈步。
[0105]
工作流程如下：
[0106]-激活校准；
[0107]-外骨骼开始存储数据；
[0108]-用户和治疗师使用手动模式执行可能的最大步伐；
[0109]-外骨骼处理数据；
[0110]-调整参数。
[0111]
该工作流程允许数据的独立测量。假设治疗师知道触发迈步的正确定时，并且因此行走算法不影响用于校准的数据。然后可以使用该信息来推荐将导致与治疗师推荐的模式类似的步态模式的参数。
[0112]
测量的数据如下：
[0113]-时间；
[0114]-l/r大腿角速度；
[0115]-腿角度差异；
[0116]-l/r迈步状态(当膝盖执行屈曲或伸展时为1，否则为0)。
[0117]
校准过程主要取决于数据处理流水线，其由从数据中提取相关点以计算参数的若干步骤组成。
[0118]
1.滤波器：对l/r角速度进行滤波以平滑噪声和非预期的峰；
[0119]
2.裁剪：缩短数据以仅包括一致步伐的周期；
[0120]
3.最小腿部间隔估计；
[0121]
4.显著性估计。
[0122]
在步骤3中，最小腿部间隔估计推荐最小腿部间隔的值，其确保允许由治疗师触发的迈步。它通过在每次触发时存储腿间隔来实现这一点。
[0123]
推荐值将是平均值减去2倍标准偏差。这确保触发步伐的95％的理论分布。然后，该值被默认设置的最小值箝位，以排除出于安全原因不应允许的极小值。
[0124]
在步骤4中，显著性估计推荐将触发数据分布的大多数步伐的显著性值。它通过首先检测步伐何时被触发，然后向后测量绝对显著性和绝对深度来实现它。
[0125]
通过对大腿角速度的最小值进行分类来计算成功的步伐。如果该步伐产生具有低于100度/秒的值的最小值(图8中的3个最低最小值)，则认为该步伐是成功的。
[0126]
对于每个峰，执行迭代以寻找显著性(图8)。如果发现显著性，则继续迭代以找到下一个最小值，即深度。当找到这两个值时，存储推荐的显著性(图9b)。
[0127]
推荐值将是平均显著性减去两倍标准偏差。这确保触发步伐的95％的理论分布。然后，该值被默认设置的最小值箝位，以排除出于安全原因不应允许的极小值。
[0128]
这些推荐值被存储到每个特定用户的行走简档中。该过程允许针对每个个体使步态触发算法个性化，通过解译由用户产生的最小运动来无缝地检测他们发起每次迈步的意图。这允许用户跳过试错并专注于治疗并将他们的努力集中在生成健康的步态模式中。
[0129]
在所附从属权利要求和这些权利要求的多个组合中描述了本发明的其他优选实施例。

技术特征：
1.一种动力膝外骨骼系统(1)，包括：一对小腿节段(2，2
′
)；一对大腿节段(3，3
′
)；一对动力膝关节(4、4
′
)，其分别连接小腿节段(2、2
′
)和大腿节段(3、3
′
)，以在所述小腿节段(2、2
′
)和所述大腿节段(3，3
′
)之间产生屈曲和伸展运动；腰部节段(5)；一对髋关节(6、6
′
)，其将所述腰部节段(5)与所述大腿节段(3、3
′
)连接；一对足底节段(7、7
′
)，其分别与所述小腿节段(2、2
′
)连接；至少一对传感器，其适于测量或计算所述大腿节段(3、3
′
)或所述小腿节段(2，2
′
)中每一者的角速度；系统控制器，其适于处理角速度传感器读数并且适于基于所述传感器读数的角速度来控制所述动力膝关节(4、4
′
)的操作，其中，所述系统控制器还适于通过检测髋关节在行走方向上的向前速度的增加来检测用户的髋部推力姿势，所述髋部推力姿势指示用户发起向前迈步的意图，并且其中，所述系统控制器适于通过检测所述大腿节段或所述小腿节段角速度的局部最小值并将检测到的局部最小值与随后测量的角速度值进行比较以检测被比较的值之间的差何时高于预定义阈值来确定髋关节在所述行走方向(6，6
′
)上的所述向前速度的增加。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统控制器还适于当已经检测到髋关节(6、6
′
)的速度增加时，操作相应的动力膝关节(4、4
′
)以执行膝盖屈曲-伸展轨迹，从而允许用户的腿向前摆动以执行迈步。3.根据前述权利要求中任一项所述的系统，包括右按钮和左按钮(16)，其用于治疗师手动指示所述系统何时发起右膝盖屈曲-伸展轨迹和左膝盖屈曲-伸展轨迹，从而允许所述用户的腿向前摆动以执行迈步，并且其中，所述系统还适于存储由所述治疗师指示以发起右膝盖伸展轨迹和左膝盖伸展轨迹的时刻。4.根据权利要求1和3所述的系统，其中，所述系统控制器还适于通过基于左按钮和右按钮(16)的手动激活和所述大腿节段或所述小腿节段角速度的读数来改变预定义角速度阈值来执行校准过程，以针对每个用户使所述髋部推力姿势的检测个性化，使得用于发起膝盖屈曲-伸展轨迹的定时基本上匹配由治疗师指示的定时。5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，还包括定向传感器，所述定向传感器被布置成测量每个大腿节段或小腿节段相对于垂直于地面的竖向的角度，并且其中可选地，所述系统还包括至少一个惯性测量单元(imu)，所述惯性测量单元被围封在所述大腿节段(3，3
′
)内，用于测量所述大腿节段(3，3
′
)的加速度、角速度和绝对定向角度。6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述系统控制器还适于执行安全控制以启动或禁止用以摆动用户的腿的所述动力膝关节(4、4
′
)的操作，并且其中，所述系统控制器还适于计算两个大腿节段(3、3
′
)或小腿节段(2、2
′
)相对于所述竖向的角度之间的差异，使得仅当所述差异高于预定义安全阈值并且超过能够可选为零的预定义时间时，所述系统控制器启动所述动力膝关节(4、4
′
)的操作以向前摆动用户的腿。7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述动力膝关节(4、4
′
)适于获得所连接的所述小腿节段和所述大腿节段之间的屈曲角度的读数，并且其中可选地，所述系统
控制器还适于将两个小腿节段(2、2
′
)之间的角度定向之间的差异计算为每个大腿节段的角度定向和所述动力膝关节的屈曲之和。8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述系统控制器还适于当所述动力膝关节(4、4
′
)中的任何一个执行迈步运动时，禁止用以使用户的腿向前摆动的所述动力膝关节(4、4
′
)的操作。9.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述一对髋关节(6、6')是被动关节或主动关节，并且其中可选地，所述一对髋关节(6、6')是被动关节，其允许所述大腿节段(3、3')和所述腰部节段(5)之间的自由屈曲和伸展相对运动，并限制髋部外展-内收和髋部内外转动。10.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述一对足底节段(7、7
′
)分别通过被动关节或通过固定关节与所述小腿节段(2、2
′
)连接，所述固定关节约束踝关节以保持固定在其解剖构造以阻止使用者的踝运动。11.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述足底节段(7、7
′
)的位置相对于所述小腿节段(2、2
′
)是纵向可调节的，所述大腿节段(3、3
′
)和所述小腿节段(2、2
′
)的长度以及所述腰部节段的宽度是可伸缩地调节的，和/或其中，每次调节的位置可以通过快速释放锁定销手动改变。12.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述系统控制器适于操作动力膝关节(4、4
′
)，以当检测到脚与地面接触时保持用户的腿笔直。13.根据前述权利要求中任一项所述的系统，还包括五个可联接的模块，即：由所述腰部节段(5)和被动自由关节(6、6
′
)形成的腰部模块(11)，每个被动自由关节联接至所述腰部节段(5)的端部；左腿模块和右腿模块(12、12
′
)，所述左腿模块和右腿模块每个包括大腿节段(3、3
′
)、小腿节段(2、2
′
)和动力膝关节(4、4
′
)；以及左脚模块和右脚模块(13、13
′
)，所述左脚模块和右脚模块每个包括足部区段(7、7
′
)和杆(10、10
′
)，并且其中可选地，所述系统还包括用于将所述模块联接在一起的快速连接装置，并且其中，用于将所述腰部模块与左模块和右模块联接的所述快速连接装置包括电连接。14.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述腰部节段具有壳体(15)，所述壳体(15)具有电池部件和电子控制单元ecu，所述电池部件和所述电子控制单元都被围封在所述壳体(15)内，并且其中可选地，所述壳体(15)具有用于治疗师帮助用户保持平衡的一对手保持器，以及与所述电子控制单元ecu相关联的按钮(16)，并且其中可选地，所述腰部模块(11)包括用于将所述腰部模块(11)附接到所述用户的腰部区域的皮带或带子(17)。

技术总结
本发明涉及一种用以辅助患者的行走康复和辅助过程的外骨骼系统。该系统包括：小腿节段、大腿节段、分别用于左腿和右腿的分别连接小腿节段和大腿节段的一对动力膝关节。一对髋关节将腰部节段与大腿节段连接，并且一对足底节段与小腿节段连接。系统控制器适于处理角速度传感器读数并且适于基于角速度传感器读数来控制动力膝关节的操作。系统控制器还适于通过检测髋关节在行走方向上的向前速度的增加来检测用户的髋部推力姿势，该髋部推力姿势指示用户发起向前迈步的意图。本发明为用户提供了非常类似于自然行走的直觉步态体验。了非常类似于自然行走的直觉步态体验。了非常类似于自然行走的直觉步态体验。


技术研发人员：P
受保护的技术使用者：埃布尔人体运动有限公司
技术研发日：2021.12.14
技术公布日：2023/8/21