СИСТЕМА СООБЩЕНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА Российский патент 2006 года по МПК A61F2/60 A61H3/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ НАСТОЯЩЕЕ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к системе, предназначенной для сообщения внешнего крутящего момента вокруг сустава относительно связного тела, соответственно соединенного с возможностью вращения через посредство суставов, а более конкретно к системе, предназначенной для сообщения внешнего крутящего момента вокруг сустава ступни, коленного сустава или тазобедренного сустава относительно ноги ходока.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Система для содействия ходьбе человека, который имеет трудности в ходьбе без помощи вследствие снижения силы в ногах, было предложено в японской выложенной патентной заявке №7-163607 и №2000-166997. В этой системе аппарат сообщения крутящего момента прикрепляют к элементам коленного сустава пациента и аналогичным элементам, крутящий момент сообщают коленам посредством аппарата, и это содействует ходоку в ходьбе.

Однако в соответствии с общепринятой системой условия ходьбы по лестнице, плоской площадке и так далее идентифицированы только приблизительно, и крутящий момент до сих пор сообщали без идентификации различных условий ходьбы, например, по лестнице, имеющей нерегулярные ступеньки, и склоны, имеющие различные углы наклона. Следовательно, имеется возможность того, что сообщаемый крутящий момент становится чрезмерным.

Таким образом, задачей, решаемой настоящим изобретением, является получение системы, которая была бы способна сообщать связному телу адекватный крутящий момент в соответствии с двигательными ситуациями связного тела во время различных поворотов, включая сгибание суставов, посредством системы, способной адекватно содействовать движению связного тела, соединенного, в общем, посредством суставов, с телом ноги ходока в соответствии с различными двигательными состояниями связного тела.

СУЩНОСТЬ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Для решения этой проблемы в соответствии с настоящим изобретением обеспечивается система сообщения крутящего момента, содержащая: первое измерительное средство, предназначенное для измерения внутреннего объема работы вокруг сустава, генерируемой из связного тела; второе измерительное средство, предназначенное для измерения внешнего объема работы вокруг сустава, сообщаемой связному телу; средство для определения опорного объема работы, предназначенное для определения опорного объема работы на основе внутреннего объема работы связного тела, измеряемого первым измерительным средством; средство для определения внешнего крутящего момента, предназначенное для определения внешнего крутящего момента, сообщаемого связному телу для уменьшения разности между внутренним объемом работы связного тела, измеряемым с помощью первого измерительного средства, и опорным объемом работы, определяемым с помощью средства для определения опорного объема работы на основе внешнего объема работы, измеряемого с помощью второго измерительного средства; и средства сообщения внешнего крутящего момента, предназначенные для сообщения внешнего крутящего момента, определяемого с помощью средства для определения крутящего момента, связному телу.

В соответствии с настоящим изобретением внешний крутящий момент вокруг сустава сообщают связному телу так, чтобы внутренний объем работы вокруг сустава связного тела согласовывался с опорным объемом работы. Таким образом, при флуктуации двигательных условий связного тела объем работы и при превышении объема работы связного тела, требуемого для движения, опорного объема работы связному телу сообщается внешний крутящий момент в виде содействия избытка. Кроме того, движение может быть достигнуто при приложении внешнего крутящего момента в соответствии с опорным объемом работы в связном теле независимо от флуктуации двигательных условий.

Кроме того, внешний крутящий момент, сообщаемый связному телу, определяют на основе внешнего объема работы, сообщаемого связному телу, а опорный объем работы, который является основой определения, определяют на основе внутреннего объема работы связного тела. Таким образом, соответствующий внешний крутящий момент может быть сообщен связному телу в соответствии с балансом между внутренним объемом работы и внешним объемом работы связного тела. Следует отметить, что внешний крутящий момент, сообщаемый посредством представленной системы, соответствующей настоящему изобретению, включает в себя внешний крутящий момент во всех плоскостях, например, в плоскости ху, в плоскости yz и в плоскости zx, допуская, что направлением движения является ось х, а вертикальным направлением является ось z, то есть внешний крутящий момент в любом направлении в трехмерном пространстве.

Кроме того, система сообщения крутящего момента, соответствующая настоящему изобретению, отличается тем, что связным телом является тело ноги ходока, включающее в себя тазобедренный сустав, коленный сустав и сустав ступни.

В соответствии с настоящим изобретением, при сообщении адекватного крутящего момента в соответствии с ситуациями ходьбы в различных условиях ходьбы, например, при сгибании коленного сустава тела ноги ходока, ходьбе может быть оказано адекватное содействие.

Кроме того, система сообщения крутящего момента, соответствующая настоящему изобретению, включает в себя средство для определения первого коэффициента, определяющего отношение внешнего объема работы, сообщаемого связному телу, к внутреннему объему работы связного тела как требуемое значение в случае, в котором отличие от опорного объема работы, определяемого с помощью средства для определения опорного объема работы, равно нулю, и для последовательного определения первого коэффициента так, чтобы коэффициент стремился к требуемому значению с течением времени. Первое измерительное средство измеряет внутренний крутящий момент вокруг сустава связного тела, средство для определения внешнего крутящего момента вычисляет произведение внутреннего крутящего момента связного тела, измеряемого первым измерительным средством, и первого коэффициента, определяемого с помощью средства для определения первого коэффициента, и результат вычисления определяют как внешний крутящий момент, сообщаемый связному телу.

В соответствии с настоящим изобретением, при превышении опорного объема работы внутренним объемом работы связного тела, последовательно определяют первый коэффициент и дополнительный внешний крутящий момент, предназначенный для сообщения связному телу, для того, чтобы устранить избыток. Кроме того, при стремлении первого коэффициента к требуемому значению и при сообщении связному телу внешнего крутящего момента, определяемого на основе первого коэффициента, может быть достигнуто движение посредством внутреннего крутящего момента, прикладываемого в соответствии с опорным объемом работы связного тела.

Кроме того, при увеличении скорости стремления первого коэффициента к требуемому значению и при соответствующем превышении объемом работы, требуемым для движения, опорного объема работы благодаря флуктуации двигательных условий, внешний крутящий момент может быть сообщен связному телу так, чтобы быстро исключить избыток. С другой стороны, при уменьшении скорости стремления первого коэффициента к требуемому значению и при соответствующем превышении объемом работы, требуемым для движения, опорного объема работы благодаря флуктуации двигательных условий, внешний крутящий момент может быть сообщен связному телу так, чтобы медленно исключить избыток.

Кроме того, система сообщения крутящего момента, соответствующая настоящему изобретению, отличается тем, что средство для определения первого коэффициента определяет верхний предел или нижний предел первого коэффициента на основе внутреннего объема работы, измеряемого с помощью первого измерительного средства, или внешнего объема работы, измеряемого с помощью второго измерительного средства.

В соответствии с настоящим изобретением, поскольку верхний предел или нижний предел устанавливают первый коэффициент, то может быть предотвращена ситуация, в которой внешний крутящий момент, сообщаемый связному телу, становится чрезмерно большим или малым. Таким образом, если связным телом является тело ноги ходока, то ходок может идти более комфортабельно. Верхний предел или нижний предел определяют на основе внутреннего объема работы или внешнего объема работы, который флуктуирует в соответствии с двигательной ситуацией связного тела. Таким образом, внешний крутящий момент может быть соответственно ограничен в соответствии с двигательной ситуацией.

Кроме того, система сообщения крутящего момента, соответствующая настоящему изобретению, отличается тем, что средство для определения первого коэффициента определяет нижний предел первого коэффициента как равный нулю, если общий объем работы составляет сумму внутреннего объема работы, определенного с помощью первого измерительного средства, и внешнего объема работы, измеренного с помощью второго измерительного средства, которая не больше опорного объема работы, определенного с помощью средства для определения опорного объема работы.

Требуемое значение первого коэффициента определяют так, чтобы внутренний объем работы связного тела согласовывался с опорным объемом работы, как описано выше. Таким образом, если общий объем работы связного тела уменьшается и становится меньше опорного объема работы, то первый коэффициент определяют отрицательным так, чтобы внутренний крутящий момент связного тела и дополнительный внутренний объем работы увеличивался для согласования с опорным крутящим моментом, и связному телу может быть сообщен отрицательный внешний крутящий момент, создающий сопротивление движению.

В соответствии с настоящим изобретением, в этом случае нижний предел первого коэффициента определяют как равный нулю, и внешний крутящий момент, который определяют как произведение первого коэффициента и внутреннего крутящего момента, равен нулю. Таким образом, может быть предотвращена ситуация, в которой связному телу может быть сообщен отрицательный внешний крутящий момент.

Кроме того, система сообщения крутящего момента, соответствующая настоящему изобретению, отличается тем, что средство для определения первого коэффициента определяет верхний предел первого коэффициента, если общий объем работы, составляющий сумму внутреннего объема работы, определяемого с помощью первого измерительного средства, и внешнего объема работы, измеряемого с помощью второго измерительного средства, не меньше заданного объема, который не меньше опорного объема работы, определяемого с помощью средства для определения опорного объема работы.

Если общий объем работы связного тела увеличивается и сильно увеличивает опорный объем работы, то первый коэффициент может быть определен чрезмерно большим, так что внутренний крутящий момент связного тела и дополнительный внутренний объем работы уменьшают для согласования с опорным объемом работы и связному телу может быть сообщен чрезмерно большой внешний крутящий момент.

В соответствии с настоящим изобретением, в этом случае, поскольку верхний предел первого коэффициента определен, то верхний предел устанавливают во внешнем крутящем моменте, определяемом как произведение первого коэффициента и внутреннего крутящего момента. Это может предотвратить ситуацию, в которой связному телу сообщают чрезмерно большой крутящий момент.

Кроме того, в системе сообщения крутящего момента, соответствующей настоящему изобретению, первое измерительное средство измеряет произведение внутреннего крутящего момента связного тела вокруг сустава и его угловой скорости, средство для определения первого коэффициента сегментирует и определяет первый коэффициент в соответствии с сегментом произведения, измеряемого с помощью первого измерительного средства. Средство для определения внешнего крутящего момента использует первый коэффициент, предварительно определенный на основе внутреннего объема работы в соответствии с прошлым сегментом произведения с помощью средства для определения первого коэффициента для определения внешнего крутящего момента при согласовании сегмента произведения, измеряемого с помощью первого измерительного средства, с прошлым сегментом произведения, предварительно измеренным с помощью первого измерительного средства.

Кроме того, система сообщения крутящего момента, соответствующая настоящему изобретению, отличается тем, что средство для определения первого коэффициента сегментирует и определяет первый коэффициент в зависимости от того, является ли произведение внутреннего крутящего момента связного тела вокруг сустава, измеренного с помощью первого измерительного средства, и угловой скорости положительным или отрицательным.

Кроме того, в системе сообщения крутящего момента, соответствующей настоящему изобретению, средство для определения опорного объема работы вычисляет общий объем работы, который является суммой внутреннего объема работы, измеряемого с помощью первого измерительного средства, и внешнего объема работы, измеряемого с помощью второго измерительного средства. Средство вычисляет произведение разности между общим объемом работы и внутренним объемом работы связного тела в ненагруженном состоянии, измеряемого с помощью первого измерительного средства, и второго коэффициента, касающегося внешнего крутящего момента при допущении, что разность между внутренним объемом работы связного тела и опорным объемом работы равна нулю, и вычисляет разность между общим объемом работы и произведением для определения результата вычисления как опорного объема работы.

В соответствии с настоящим изобретением, для флуктуации общего объема работы, требуемого во время движения, относительно опорного объема работы, флуктуацию, подлежащую компенсации посредством внешнего крутящего момента, определяют посредством размера второго коэффициента. То есть при установке второго коэффициента большим степень флуктуации, подлежащей компенсации посредством внешнего крутящего момента во флуктуации, может быть увеличена. С другой стороны, при установке второго коэффициента небольшим степень флуктуации, подлежащей компенсации посредством внешнего крутящего момента во флуктуации, может быть уменьшена. Следует отметить, что "внутренний объем работы связного тела в ненагруженном состоянии" включает в себя: внутренний объем работы во время движения связного тела в состоянии, в котором извне не прикладывается нагрузка; и также внутренний объем работы во время движения связного тела в состоянии, в котором нагрузка прикладывается извне, так что может быть фиктивно получен внутренний объем работы в состоянии, в котором нагрузка не приложена.

Кроме того, система сообщения крутящего момента, соответствующая настоящему изобретению, отличается тем, что первое и второе измерительные средства считают период движения связного тела как время интегрирования для измерения внутреннего и внешнего объемов работы.

В соответствии с настоящим изобретением, внешний крутящий момент, предназначенный для сообщения связному телу в следующем периоде движения, может быть определен на основе внутреннего объема работы и внешнего объема работы связного тела в непосредственно предшествующий период движения. Если связное тело представляет собой тело ноги ходока, то внешний крутящий момент, предназначенный для сообщения затем телу левой/правой ноги, может быть определен на основе внутреннего объема работы и внешнего объема работы с момента, когда правая или левая стопа оставляет опору до тех пор, пока стопа не войдет в контактное взаимодействие с опорой, и с того момента, когда левая или правая стопа оставляет опору до тех пор, пока стопа не войдет в контактное взаимодействие с опорой.

Кроме того, в системе сообщения крутящего момента, соответствующей настоящему изобретению, первое измерительное средство измеряет силу реакции, которая работает на одном суставе связного тела, измеряет общий крутящий момент внутреннего крутящего момента и внешнего крутящего момента связного тела вокруг каждого сустава в соответствии с обратной кинетической моделью на основе измеренной силы реакции и вычисляет разность внешнего крутящего момента, измеренного с помощью второго измерительного средства, и измеренного общего крутящего момента для измерения внутреннего крутящего момента связного тела вокруг каждого сустава.

Хотя детали описаны позднее, в соответствии с обратной кинетической моделью связное тело представлено как множество жестких стержней, с возможностью поворота и последовательно соединенных посредством соединений (суставов), а крутящий момент одного жесткого тела вокруг другого соединения и силу реакции другого соединения определяют на основе крутящего момента одного жесткого стержня вокруг одного соединения и силы реакции одного соединения. Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением, поскольку крутящий момент вокруг соединения на конце связного тела и силу реакции соединения измеряют на основе силы реакции в конце соединенного тела, то может быть последовательно измерен крутящий момент другого соединения. Кроме того, крутящий момент, измеряемый в соответствии с обратной кинетической моделью, является суммой внутреннего крутящего момента и внешнего крутящего момента. Таким образом, внутренний крутящий момент может быть измерен путем вычитания внешнего крутящего момента из измеренного крутящего момента.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 - структурное изображение содействующего ходьбе аппарата, который представляет собой систему сообщения крутящего момента, соответствующую настоящему изобретению;

Фиг.2 - схематическое изображение содействия в ходьбе посредством содействующего ходьбе аппарата;

Фиг.3 - блок-схема, иллюстрирующая функционирование содействующего ходьбе аппарата;

Фиг.4 - схематическое изображение измерения силы реакции опоры стопы ходока;

Фиг.5 - схематическое изображение измерения крутящего момента вокруг сустава ходока;

Фиг.6 - изображение экспериментального результата содействия ходьбе посредством содействующего ходьбе аппарата и

Фиг.7 и 8 - изображения результата имитационного моделирования содействия ходьбе посредством содействующего ходьбе аппарата.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Вариант осуществления системы сообщения крутящего момента, соответствующей настоящему изобретению, будет описан со ссылкой на чертежи.

Система сообщения крутящего момента, иллюстрируемая на фиг.1, содержит: первый исполнительный механизм (средство для сообщения внешнего крутящего момента) 1, прикрепленный к талии ходока, предназначенный для сообщения внешнего крутящего момента вокруг тазобедренного сустава; вторичные исполнительные механизмы (аналогичные исполнительному механизму, указанному выше) 2, прикрепленные к коленям ходока, предназначенные для сообщения внешнего крутящего момента вокруг коленного сустава; блок 3 управления, предназначенный для управления функционированием соответствующих исполнительных механизмов 1, 2; и батарея 4, например, батарея никель-цинковых аккумуляторов, предназначенная для подачи электроэнергии к соответствующим исполнительным механизмам 1, 2. Блок 3 управления и батарея 4 размещены в ранце 5, переносимом на спине ходока. Первый исполнительный механизм 1 прикладывает внешний крутящий момент вокруг тазобедренного сустава через посредство корсета b и бедренной контактной площадки с, прикрепленной к ходоку. Второй исполнительный механизм 2 сообщает внешний крутящий момент вокруг коленного сустава через посредство бедренной контактной площадки с и защиты d голени, прикрепленных к ходоку. Следует отметить, что "талия, бедро и голень" ходока соответствуют термину "связное тело".

Кроме того, содействующий ходьбе аппарат, соответствующий настоящему изобретению, прикреплен к спине ходока и содержит гиродатчик g, предназначенный для измерения угловой скорости относительно вертикального направления верхней части тела, и датчик g' ускорения, предназначенный для измерения ускорения в горизонтальном направлении. Аппарат дополнительно прикреплен к талии ходока и содержит гиродатчик g, предназначенный для измерения угловой скорости относительно вертикального направления талии, и датчик g' ускорения, предназначенный для измерения ускорения в горизонтальном и вертикальном направлении. Кроме того, аппарат содержит датчики а углов, которые прикреплены к талии ходока для измерения углов поворота бедер вокруг тазобедренных суставов относительно талии и которые прикреплены к коленям для измерения углов поворота голеней относительно бедер.

Блок 3 управления содержит первое измерительное средство 6, второе измерительное средство 7, средство 8 для определения опорного объема работы, средство 9 для определения первого коэффициента, средство 10 для определения внешнего крутящего момента и память 11. Блок 3 управления состоит из комбинации центрального процессора, схемы ввода-вывода сигнала, памяти и аналогичных устройств для обеспечения способности выполнения различных функций, описываемых позднее.

Первое измерительное средство 6 измеряет внутренний крутящий момент T₁ тела ноги вокруг коленных или тазобедренных суставов и внутренний объем w₁ работы, который является результатом интегрирования по времени абсолютной величины произведения внутреннего крутящего момента T₁ и внутренней угловой скорости ω₁ на основе измеренных значений соответствующих датчиков g, g', а. Второе измерительное средство 7 измеряет внешний объем w₂ работы, который является результатом интегрирования по времени абсолютной величины произведения внешнего крутящего момента T₂ вокруг коленных и тазобедренных суставов и внешней угловой скорости ω₂ на основе значений крутящих моментов соответствующих исполнительных механизмов 1, 2 и измеренных значений датчиков а углов. Средство 8 для определения опорного объема работы определяет опорный объем w₀ работы на основе внутреннего объема w₁ работы тела ноги, измеренного первым измерительным средством 6. Средство 9 для определения первого коэффициента определяет отношение внешнего объема w₂ работы к внутреннему объему w₁ работы в случае, где отклонение внутреннего объема w₁ работы от опорного объема w₀ работы, определяемого средством 8 для определения опорного объема работы, становится равным 0 в качестве требуемого значения С_TG, определяет отношение внешнего объема w₂ работы к внутреннему объему w₁ работы в качестве первого коэффициента c₁ и успешно определяет первый коэффициент c₁, так что этот коэффициент стремится к требуемому значению с истечением времени. Средство 10 для определения внешнего крутящего момента вычисляет произведение внутреннего крутящего момента T₁, измеряемого первым измерительным средством 6, и первого коэффициента c₁, определяемого средством 9 для определения первого коэффициента, для определения внешнего крутящего момента Т₂, сообщаемого вокруг тазобедренных и коленных суставов через посредство исполнительных механизмов 1, 2. Память 11 образована из энергонезависимых запоминающих устройств, например, постоянных запоминающих устройств, энергозависимых запоминающих устройств, например, запоминающих устройств с произвольной выборкой, и аналогичных устройств и хранит второй коэффициент c₂ для использования при определении опорного объема w₀ работы, как описывается позднее, таблицу данных для использования при измерении сил реакции опоры на левую/правую стопу ходока и подобные данные.

Функционирование содействующего ходьбе аппарата, содержащего элементы, которые были описаны выше, будет описано со ссылкой на фиг.2-8.

Прежде всего, структура внешнего крутящего момента вокруг коленного сустава, сообщаемого телу ноги ходока от второго исполнительного механизма 2, будет описана со ссылкой на фиг.2. Внутренний объем w₁ работы вокруг коленного сустава в то время, когда ходок идет на плоской площадке в ненагруженном состоянии, показан зачерненными участками. Необходимо отметить, что "внутренний объем w₁ работы в ненагруженном состоянии" включает в себя: внутренний объем работы, измеряемый аппаратом для анализа трехмерного движения и аналогичного устройства в состоянии, в котором содействующий ходьбе аппарат не прикреплен к ходоку; и также внутренний объем работы, определяемый уменьшением внутреннего объема работы, измеряемого посредством датчиков углов в состоянии, в котором содействующий ходьбе аппарат прикреплен к ходоку, принимая во внимание массу или трение аппарата.

Предполагается, что внутренний объем w₁ работы вокруг коленного сустава превышает внутренний объем работы во время ходьбы на плоской площадке на величину Δw (смотри заштрихованные участки фиг.2(1)), когда ходок начинает подниматься по лестнице. Это превышение вызвано необходимостью ходока перемещать ногу больше при подъеме по лестнице, чем в ходьбе по плоской площадке. Следовательно, ходок, который может идти по плоской площадке, но не может идти вверх по лестнице вследствие падения мускульной силы, имеет затруднение в подъеме по лестнице.

Для решения этой проблемы телу ноги сообщают внешней крутящий момент Т₂ с тем, чтобы помочь ходоку в ходьбе вверх по ступеням лестницы. После определения опорного объема w₀ работы, как будет описано позднее, внешний крутящий момент Т₂ последовательно определяют на основе внутреннего крутящего момента T₁, так что внутренний объем w₁ работы стремится к этому опорному объему w₀ работы. В соответствии с этим, когда ходок поднимается по лестнице, внешний объем w₂ работы (смотри убеленные участки фиг.2 (2)-(4)) постепенно увеличивается при каждом смещении в положение (2) из положения (1), в положение (3) из положения (2), в положение (4) из положения (3), как показано на фиг.2, и в соответствии с этим внутренний объем w₁ работы постепенно уменьшается для стремления к опорному объему w₀ работы. Таким образом, бремя на мускульную силу ходока, требуемую для генерирования внутреннего крутящего момента вокруг коленного сустава, уменьшается, когда ходок поднимается по лестнице. Следовательно, ходок может продолжать идти вверх по лестнице благодаря внутреннему крутящему моменту T₁, прикладываемому в соответствии с опорным объемом w₀ работы.

Далее детали процедуры определения внешнего крутящего момента T₂ вокруг тазобедренных и коленных суставов, сообщаемого телу ноги от первых и вторых исполнительных механизмов 1, 2, будет описано со ссылкой на фиг.3-6. Следует отметить, что аффикс i соответственно присоединяется к физической величине в i-тый (i=1, 2,_...) период (называемый ниже "i-тым периодом") ходьбы ходока.

Сначала измеряют внутренний крутящий момент Т_1(i) и угловую скорость ω_1(i) вокруг коленных и тазобедренных суставов (фиг.3 s1). Способ измерения внутреннего крутящего момента Т_1(i) будет описана со ссылкой на фиг.4 и 5.

Силы реакции опоры на тела правой/левой ног ходока измеряют при использовании модели, иллюстрируемой на фиг.4. Силы (F_Lx, F_Ly), (F_Rx, F_Ry) реакции опоры действуют на тела левой и правой ног ходока, имеющего массу m, как показано на фиг.4. Координатой центра тяжести тела ходока, координатой левой стопы и координатой правой стопы являются (x_G, y_G), (x_L, у_L) и (x_R, у_R) соответственно. При рассмотрении баланса или направления сил в этой модели получены следующие реляционные уравнения (1a)-(1d).

F_Ry+F_Ly=m(g+у_G") (g - ускорение силы тяжести)... (1а)

F_Rx+F_Lx=mx_G"...(1b)

(y_G-y_R)(х_G-x_R)=F_Ry/F_Rx... (1c)

(y_G-y_L/(x_G-х_L)=F_Ly/F_Lx... (1d)

Массу m ходока измеряют предварительно. Координату (x_g, y_G) центра силы тяжести тела, координаты (x_L, y_L), (x_r, у_R) суставов левой/правой ступней, а ускорения (x_G", y_G") координаты центра силы тяжести тела измеряют на основе заранее измеренных величин физических измерений ходока, гиродатчика g и датчика g' ускорения, прикрепленных к талии ходока, и датчиков углов, прикрепленных к тазобедренным и коленным суставам. Более подробно координаты (х_L, у_L), (x_R, у_R) суставов левой/правой ступней и так далее измеряют на основе таблицы данных, в которой точно определены соответствия с углами тазобедренных и коленных суставов, длинами бедра и голени и аналогичными данными, хранимыми в памяти 11. Кроме того, когда эти измеренные значения подставляют в указанные выше реляционные уравнения, то первое измерительное средство 6 измеряет силы (F_Lx, F_Ly), (F_Rx, F_Ry) реакции опоры.

Далее измеряют общий крутящий момент вокруг коленных и тазобедренных суставов в соответствии с обратной кинетической моделью, используя модель, иллюстрируемую на фиг.5, на основе измеренной силы реакции опоры. Как показано на фиг.5, предполагается, что сила (F_ax, F_ay) реакции опоры действует на сустав стопы, сила (F_bx, F_by) реакции действует на коленные суставы, а сила (mx", m(у"+g)), сопровождаемая ускорением, действует на центр силы тяжести голени с массой m. Также предполагается, что крутящие моменты вокруг суставов стопы и коленных суставов имеют величину Т_а, Т_b соответственно, угол, образуемый между голенью и опорой, составляет величину θ, момент инерции голени равен величине I, а расстояние между суставами стопы и коленными суставами и центром силы тяжести голени составляют а и b соответственно. При рассмотрении баланса силы или крутящего момента в этой модели получены следующие реляционные уравнения (2а)-(2с).

F_ax-F_bx-mx"=0... (2a)

F_ay-F_by-my"=0... (2b)

Iθ=T_a-T_b+F_axasinθ-F_ayacosθ+F_bxbsinθ-F_bybcosθ... (2с)

Силу (F_ax, F_ay) реакции опоры измеряют вышеописанным методом. Кроме того, ускорение (х", у") центра силы тяжести голени, угол θ голени относительно опоры и угловое ускорение θ" измеряют на основе заранее измеренных значений физических измерений ходока и гиродатчика g, датчика g' ускорения и датчиков а углов, прикрепленных к ходоку. Кроме того, момент инерции голени 1 и расстояния a, b между суставом стопы и коленным суставом и центром силы тяжести голени соответственно измеряют заранее на основе физических измерений ходока. Крутящий момент Т_а вокруг сустава стопы измеряют с помощью первого измерительного средства 6 в соответствии с таблицей данных, хранимой в памяти 11, на основе силы (F_ax, F_ay) реакции опоры. Кроме того, крутящий момент Т_b вокруг коленного сустава измеряют при подставлении этих измеренных величин в вышеуказанные реляционные уравнения (2а)-(2с). Аналогичным образом вышеуказанные реляционные уравнения (2а)-(2с) используют также для измерения крутящего момента вокруг тазобедренного сустава.

Когда внешний крутящий момент Т_2(i), сообщаемый посредством первого и второго исполнительных механизмов 1, 2, вычитают из крутящего момента вокруг коленных и тазобедренных суставов, измеренных так, как это было описано выше, то измеряют внутренний крутящий момент Т_1(i) вокруг коленного и тазобедренного сустава (фиг.3 s1). Внутреннюю угловую скорость ω_1(i) и внешнюю угловую скорость ω_2(i) (поскольку обе, как представляется, по существу согласуются между собой, они одновременно представлены угловой скоростью ω_(i)) также измеряют с помощью датчиков а углов (фиг.3 s1). Следует отметить, что внешний крутящий момент Т_2(i) вокруг каждого сустава измеряют с помощью второго измерительного средства на основе значений крутящего момента первых и вторых исполнительных механизмов 1, 2.

Далее внешний крутящий момент Т_2(i) определяют с помощью средства 10 для определения внешнего крутящего момента и сообщают телу ноги ходока через посредство первых и вторых исполнительных механизмов 1, 2 (фиг.3 s2). Внешний крутящий момент Т_2(i) определяется произведением внутреннего крутящего момента Т_1(i), последовательно измеряемого первым измерительным средством 6, и первого коэффициента c_1(i), определяемого с помощью средства 9 для определения первого коэффициента, в каждый период ходьбы. То есть первый коэффициент c_1(i) определяет процент (долю) внешнего крутящего момента Т_2(i) относительно внутреннего крутящего момента Т_1(i). Метод определения первого коэффициента c_1(i) будет описан позднее.

Затем блок 3 управления оценивает, истек или нет i-тый период (фиг.3 s3). Характерно, что период, в котором сила реакции опоры правой стопы, измеряемая с помощью первого измерительного средства 6, становится равной нулю из конечного значения, снова возвращается в конечное значение и после этого становится равной 0, оценивают как истечение периода ходьбы.

Вышеописанный процесс s1-s3 повторяют перед истечением i-того периода (НЕТ в s3 фиг.3) и до тех пор, пока работа содействующего ходьбе аппарата не закончится.

Если оценивают, что i-тый период истек (ДА в s3 фиг.3), то первое измерительное средство 6 измеряет внутренний объем w_1(i) работы вокруг каждого сустава в соответствии со следующим уравнением (3) (фиг.3 s4). To есть внутренний объем w_1(i) работы измеряли путем интегрирования абсолютной величины произведения внутреннего крутящего момента T_1(i) вокруг каждого сустава и угловой скорости ω_(i) в течение i-того периода.

Кроме того, второе измерительное средство 7 измеряет внешний объем w_2(i) работы вокруг каждого сустава в соответствии со следующим уравнением (4) (фиг.3 s5). To есть внешний объем w_2(i) работы измеряли путем интегрирования абсолютной величины произведения внешнего крутящего момента Т_2(i) вокруг каждого сустава и угловой скорости ω_(i) в течение i-того периода.

Следует отметить, что внутренний крутящий момент Т_1(i), внешний крутящий момент T_1(i) и угловая скорость ω_(i) вокруг каждого сустава являются физическими величинами, которые являются функциями времени флуктуирующими (нерегулярно изменяющимися) каждый момент, даже в i-тый период.

Кроме того, средство 8 для определения опорного объема работы определяет опорный объем w_0(i) работы i+первого периода в соответствии со следующим уравнением (5) (фиг.3 s6). Говоря подробно, сначала измеряют флуктуацию общего объема w_1(i)+w_2(i) работы, который является суммой внутреннего объема w_1(i) работы и внешнего объема w_2(i) работы относительно внутреннего объема w₁₍₀₎ работы во время ходьбы по плоской площадке, измеренного предварительно. То есть опорный объем w_o(i+1) работы определяют вычитанием произведения второго коэффициента c₂ (1≥c₂≥0), хранимого в памяти 11, и флуктуации Δw₁ из общего объема w_1(i)+w_2(i) работы. Второй коэффициент с₂ определяет степень флуктуации, компенсируемую посредством сообщаемого внешнего крутящего момента T_2(i+1) в этой флуктуации Δw₁. Например, если второй коэффициент c₂ устанавливают равным 1,0, то внешний крутящий момент T_2(i+1) определяют так, чтобы компенсировать все флуктуации Δw₁, то есть так, чтобы ходьба могла продолжаться благодаря внутреннему объему w₁₍₀₎ работы в состоянии ходьбы по плоской площадке независимо от флуктуации состояния ходьбы. Если второй коэффициент c₂ устанавливают равным 0,5, то внешний крутящий момент T_2(i+1) определяют так, чтобы компенсировать половину флуктуации Δw₁. Следует также указать, что второй коэффициент c₂ может быть также установлен/обновлен на рабочей панели (не показано).

Кроме того, средство 9 для определения первого коэффициента определяет требуемое значение c_tg(i+1) первого коэффициента в соответствии со следующим уравнением (6) (фиг.3 s7).

Кроме того, средство для определения первого коэффициента использует коэффициент G усиления (1≥G≥0), хранимого в памяти 11 для определения первого коэффициента с_1(i+1) в соответствии со следующим уравнением (7). Размер коэффициента G усиления определяет скорость, при которой внутренний объем w_1(i+1) работы стремится к опорному объему w_0(i+1) работы. То есть внешний крутящий момент Т_2(i) увеличивается так, чтобы внутренний объем w_1(i) работы быстро стремился к опорному объему w_0(i) работы с увеличением коэффициента G усиления. Следует отметить, что коэффициент G усиления может также быть установлен/обновлен на рабочей панели (не показано).

Если работа содействующего ходьбе аппарата не заканчивается (НЕТ в s9 фиг.3), то первый коэффициент c_1(i) i-того периода обновляется до c_1(i+1) (фиг.3 s11). В отношении i+первого периода следует сказать дополнительно, что первое измерительное средство 6 измеряет внутренний крутящий момент T_1(i+1) (фиг.3 s1). Кроме того, средство 10 для определения внешнего крутящего момента определяет внешний крутящий момент T_2(i+1) как произведение первого коэффициента c_1(i+1) и внутреннего крутящего момента T_1(i+1), как описано выше в следующем уравнении (8) (фиг.3 s2).

Кроме того, внешний крутящий момент T_2(i+1), определяемый с помощью средства 10 для определения внешнего крутящего момента, сообщается телу ноги ходока через первый и второй исполнительные механизмы (фиг.3 s2).

Далее со ссылкой на фиг.6 будет описан результат эксперимента, касающийся флуктуации внешнего крутящего момента Т₂, сообщаемого коленному суставу ходока с флуктуацией условий ходьбы. На фиг.6 иллюстрируется флуктуация первого коэффициента c₁ в случае, в котором ходок начинает ходьбу на плоской площадке, поднимается по лестнице и спускается по лестнице. Как описано выше, поскольку первый коэффициент c₁ управляет долей внутреннего крутящего момента Т₁ определяемого/сообщаемого как внешний крутящий момент T₂, флуктуация внешнего крутящего момента Т₂ может косвенно захватываться через его флуктуацию. Следует отметить, что в этом эксперименте верхний предел первого коэффициента c₁ устанавливали величиной до 0,25 и второй коэффициент c₂ - величиной до 0,25.

Во время ходьбы по плоской площадке первый коэффициент с₁, начиная от 0, достигает верхнего предела, составляющего 0,25, и после этого постепенно уменьшается, достигая 0 (смотри направленную вниз стрелку на приведенном чертеже). Это указывает на то, что непосредственно после начала ходьбы по плоской площадке большой крутящий момент сообщается коленному суставу для содействия ходоку в ходьбе, причем после этого внешний крутящий момент постепенно уменьшается и ходок идет сам.

Кроме того, когда ходок поднимается по лестнице, то первый коэффициент c₁ достигает верхнего предела 0,25 от 0 и после этого поддерживается при верхнем пределе по существу все время. Это указывает на то, что хотя ходок поднимается по лестнице, постоянно сообщаемый коленному суставу ходока большой внешний крутящий момент содействует ходоку в ходьбе.

Кроме того, когда ходок спускается по лестнице, то первый коэффициент c₁ поднимается до величины, составляющей приблизительно 0,1, от 0, немного уменьшается и постепенно увеличивается до приблизительно 0,15 (смотри направленную вверх стрелку на чертеже). Это указывает на то, что соответствующий внешний крутящий момент при спуске по лестнице сообщается коленному суставу для содействия ходоку в ходьбе.

Далее результат моделирования на флуктуации внешнего объема w₂ работы, сообщаемой ходоку в отношении флуктуации условий ходьбы, будет описан со ссылкой на фиг.7 и 8. На фиг.7 и 8 ордината указывает общий объем работы, требуемый для ходьбы, а абсцисса показывает период ходьбы ходока. Объем работы стандартизирован посредством общего объема работы (пунктирная линия) во время ходьбы по плоской площадке. Кроме того, на фиг.7 флуктуация общего объема работы на основе объема при времени ходьбы по плоской площадке показана наклонными линиями, а на фиг.8 наклонными линиями показана флуктуация внешнего объема работы.

Как показано на фиг.7, предполагается, что общий объем работы увеличивается до 1,0 в первый-четвертый периоды, до 1,5 от 1,0 в пятый период, до 1,5 в шестой-одиннадцатый периоды и до 2,0 от 1,5 в двенадцатый период. Объем поддерживается при 2,0 в тринадцатый-семнадцатый периоды, уменьшается до 1,5 от 2,0 в восемнадцатый период, поддерживается при 1,5 в девятнадцатый - двадцать первый периоды, уменьшается до 1,0 от 1,5 в двадцать втором периоде и поддерживается при 1,0 в двадцать третьем периоде и после него. Увеличение общего объема работы следует, например, после перехода к ходьбе вверх по наклону или вверх по лестнице от ходьбы по плоской площадке, а уменьшение общего объема работы следует, например, после перехода к ходьбе по плоской площадке от ходьбы вверх по наклону или вверх по лестнице.

Результаты моделирования флуктуации внутреннего и внешнего объемов работы иллюстрируются на фиг.8(а), 8(b), 8(с) и 8(d) в случае, где предполагается, что комбинации второго коэффициента c₂ и коэффициента G усиления составляют (1,0; 0,6), (0,5; 0,6), (1,0; 1,0) и (0,5; 1,0) соответственно.

Как следует из фиг.8(а) и фиг.8(с), если второй коэффициент c₂ равен 1,0, то внешний крутящий момент и дополнительный внешний объем работы (заштрихованные участки фиг.8(а) и фиг.8(с)) сообщались так, чтобы компенсировать всю флуктуацию (заштрихованные участки фиг.7) общего объема работы на основе объема в состоянии ходьбы по плоской площадке. Как следует из фиг.8(b) и фиг.8(d), если второй коэффициент c₂ равен 0,5, то внешний крутящий момент и дополнительный внешний объем работы (заштрихованные участки фиг.8(b) и фиг.8(d)) сообщались так, чтобы компенсировать половину флуктуации (заштрихованные участки фиг.7).

Кроме того, при сравнении фиг.8(а) и фиг.8(с) или фиг.8(b) и фиг.8(d) очевидно, что если коэффициент G усиления велик, то внешний крутящий момент, сообщаемый вокруг сустава, и дополнительный внешний объем работы (заштрихованные участки фиг.8(а)-фиг.8(d)) быстро флуктуируют (заштрихованные участки фиг.7). Также очевидно, что в том случае, если коэффициент G усиления мал, то внешний объем работы, сообщаемый вокруг сустава (заштрихованные участки фиг.8(а)-фиг.8(d) медленно флуктуирует в соответствии с флуктуацией (заштрихованные участки фиг.7). То есть, как описано выше со ссылкой на фиг.2, внешний объем работы (убеленный участок) w₂ постепенно увеличивается во время ходьбы вверх по лестнице. Однако в том случае, если коэффициент G усиления увеличивается, то скорость смещения на фиг.2 к (2) из (1), (3) из (2), (4) из (3) увеличивается. Чем меньше коэффициент G усиления, тем меньше скорость.

В соответствии с содействующим ходьбе аппаратом, соответствующим настоящему изобретению, внешний крутящий момент T₂ вокруг сустава сообщают телу ноги так, чтобы внешний объем w₁ работы вокруг сустава ходока тела ноги согласовывался с опорным объемом w₀ работы. Таким образом, когда ходок переходит к ходьбе по лестнице от ходьбы по плоской площадке и аналогичной плоскости, условия ходьбы флуктуируют и объем работы тела ноги, требуемый для ходьбы, превышает опорный объем w₀ работы, внешний крутящий момент Т₂ прикладывается к телам ноги или аналогичным элементам так, чтобы содействовать избытку. Кроме того, независимо от флуктуации условий ходьбы, ходьба становится возможной благодаря внутреннему крутящему моменту T₁, прикладываемому в соответствии с опорным объемом w₀ работы в теле ноги.

Кроме того, внешний крутящий момент Т₂, сообщаемый телу ноги, определяется на основе первого коэффициента c₁ и дополнительного внешнего объема w₂ работы, сообщаемого телу ноги (смотри вышеприведенные уравнения (6)-(8)), и опорный объем w₀ работы, который является базовым в определении, определяется на основе внутреннего объема w₁ работы тела ноги (смотри вышеприведенное уравнение (5)). Таким образом, соответствующий внешний крутящий момент Т₂ может быть сообщен телу ноги в соответствии с балансом внутреннего объема w₁ работы и внешнего объема w₂ работы тела ноги.

Кроме того, если коэффициент G усиления увеличивается, то скорость стремления первого коэффициента c₁ к требуемому значению c_TG может увеличиваться. Кроме того, если объем работы, требуемый для ходьбы, превышает опорный объем w₀ работы благодаря флуктуации условий ходьбы, то внешний крутящий момент Т₂ может быть приложен к телу ноги так, чтобы быстро устранить избыток (смотри фиг.8(с), фиг.8(d)). С другой стороны, если коэффициент G усиления уменьшается, то скорость стремления первого коэффициента c₁ к требуемому значению c_tg, может уменьшиться. Кроме того, если объем работы, требуемый для ходьбы, превышает опорный объем w₀ работы благодаря флуктуации условий ходьбы, то внешний крутящий момент T₂ может быть сообщен телу ноги так, чтобы медленно исключить избыток (смотри фиг.8(а) и фиг.8(b)).

Кроме того, для флуктуации общего объема работы, требуемого для ходьбы, по отношению к опорному объему w₀ работы флуктуация, подлежащая компенсированию посредством внешнего крутящего момента Т₂, определяется размером второго коэффициента c₂. То есть если второй коэффициент C₂ устанавливают большим, то степень флуктуации, подлежащая компенсации посредством внешнего крутящего момента Т₂ во флуктуациях, может быть увеличена (смотри фиг.8(а) и фиг.8(с)). С другой стороны, если второй коэффициент c₂ устанавливают небольшим, то степень флуктуации, подлежащая компенсации посредством внешнего крутящего момента Т₂ во флуктуациях, может быть уменьшена (смотри фиг.8(b) и фиг.8(d)).

Следует отметить, что в этом варианте осуществления настоящего изобретения внешний крутящий момент сообщают телу ноги ходока вокруг тазобедренных и коленных суставов, но в другом варианте осуществления внешний крутящий момент также может быть сообщен телу ноги вокруг сустава стопы и внешний крутящий момент руки (от кисти до плеча) также может быть сообщен вокруг сустава соединения кисти, локтевого сустава или плечевого сустава. То есть в варианте осуществления настоящего изобретения "связное тело", составляющее объект, которому сообщается крутящий момент, включает в себя талию и бедро ходока, соединенные через посредство тазобедренных суставов, и бедро и голень, соединенные через посредство коленных суставов, но в другом варианте осуществления "связным телом" может быть также голень и стопа, соединенные через посредство суставов стопы.

Кроме того, в представленном варианте осуществления настоящего изобретения внешний крутящий момент вокруг сустава сообщали телу ноги так, чтобы содействовать движению человека, но в другом варианте осуществления внешний крутящий момент вокруг сустава может быть также сообщен телу ноги так, чтобы содействовать движениям животных, например, кошек и собак. Это означает, что система сообщения крутящего момента, соответствующая настоящему изобретению, может быть применима не только для медицинского ухода за людьми, но и для благотворительности и в спортивных областях или в аналогичных случаях применения, а также в области ветеринарной медицины.

Кроме того, в представленном варианте осуществления настоящего изобретения внешний крутящий момент сообщают телам левой/правой ноги, но в другом варианте осуществления внешний крутящий момент может быть приложен только к телу одной левой или правой ноги.

В представленном варианте осуществления настоящего изобретения внешний крутящий момент Т₂ сообщали так, чтобы содействовать ходоку в ходьбе, но в другом варианте осуществления внешний крутящий момент T₂ может быть также сообщен в направлении, обратном направлению, в котором ходок должен двигаться. В соответствии с другим вариантом осуществления, если средство 9 для определения первого коэффициента определяет, что первый коэффициент c₁ является отрицательным, то знак внешнего крутящего момента T₂ отличается от знака внутреннего крутящего момента T₁ (смотри вышеприведенное уравнение (8)). Кроме того, если ходок пытается двигаться против сообщаемого внешнего крутящего момента T₂, то мускульная сила ходока может увеличиваться. То есть систему сообщения крутящего момента, соответствующую настоящему изобретению, используют в качестве тренировочного устройства для увеличения мускульных сил атлетов или аналогичных качеств.

В представленном варианте осуществления настоящего изобретения блок 3 управления расположен в ранце 5 содействующего ходьбе аппарата, но в других вариантах осуществления блок 3 управления отделен от содействующего ходьбе аппарата. Посредством сигналов приема/передачи между этими двумя частями, из которых первая часть является блоком 3 управления, а вторая - содействующим ходьбе аппаратом, может измеряться внутренний крутящий момент T₁ в блоке 3 управления, может определяться внешний крутящий момент Т₂, или могут также даваться рабочие команды первому и второму исполнительным механизмам 1, 2.

Кроме того, средство 9 для определения первого коэффициента может определять нижний предел первого коэффициента c₁ как равный нулю, если общий объем работы как сумма внутреннего объема w₁ работы, измеряемого первым измерительным средством 6, и внешнего объема w₂ работы, измеряемого вторым измерительным средством 7, равен опорному объему w₀ работы или менее опорного объема w₀ работы, определяемому средством 8 для определения опорного объема работы. В соответствии с этим, если общий объем w₁+w₂ работы тела ноги уменьшается до значения, находящегося ниже опорного объема w₀ работы, то может быть предотвращена ситуация, в которой первый коэффициент с₁ определен как отрицательный и телу ноги сообщается отрицательный внешний крутящий момент Т₂.

Кроме того, средство 9 для определения первого коэффициента может также определять верхний предел первого коэффициента c₁, если общий объем w₁+w₂ работы тела ноги равен или превышает заданный объем (0, 1,5 w₀; 2,5 w₀;... и так далее) равный или превышающий опорный объем w₀, определяемый средством 8 для определения опорного объема работы. В соответствии с этим, если общий объем w₁+w₂ работы тела ноги увеличивается, чтобы сильно превышать опорный объем w₀ работы, то может быть предотвращена ситуация, в которой первый коэффициент c₁ определен чрезмерно большим и телу ноги сообщается чрезмерно большой внешний крутящий момент Т₂.

В представленном варианте осуществления настоящего изобретения произведение внутреннего крутящего момента T₁ и угловой скорости ω₁ и произведение внешнего крутящего момента T₂ и угловой скорости ω₂ интегрируют по времени за период ходьбы ходока, а внутренний объем w₁ работы и внешний объем w₂ работы измеряют на основе интегрального времени (смотри вышеприведенные уравнения (3), (4) и фиг.3 s3-s5), но в другом варианте осуществления интегральное время может быть также единичным временем и может быть другим временем, например, временем, требуемым для ходока, чтобы переместиться на единичное расстояние.

В представленном варианте осуществления настоящего изобретения внутренний крутящий момент T₁ и внутренний объем w₁ работы коленного и тазобедренного суставов измеряли на основе силы реакции опоры на тело ноги в соответствии с обратной кинетической моделью (смотри фиг.5, уравнения (2а)-(2с)), а в другом варианте осуществления внутренний крутящий момент T₁ и внутренний объем w₁ работы каждого сустава может быть также измерен с помощью аппарата для анализа трехмерного движения. То есть движение тела ноги фотографируют в направлениях xyz, подвергают анализу изображение, показывающее угол сгиба каждого сустава при угловой скорости ω₁ и на основе результата этого анализа может быть измерен внутренний крутящий момент Т₁ или внутренний объем w₁ работы каждого сустава.

В представленном варианте осуществления настоящего изобретения сила реакции опоры на тело ноги пользователя измеряли на основе измеренных значений датчиков углов и аналогичных средств (смотри фиг.4, уравнения (1а)-(1d)), но в другом варианте осуществления датчик силы реакции опоры расположен на ботинках ходока, и в соответствии с этим сила реакции опоры может быть измерена непосредственно.

В представленном варианте осуществления настоящего изобретения измеряют внутренний крутящий момент T₁ и (внутреннюю) угловую скорость ω вокруг сустава, а абсолютную величину произведения обоих этих параметров интегрируют по времени для измерения внутреннего объема w₁ работы вокруг сустава (смотри уравнение (3)). В другом варианте осуществления измеряют усилие и скорость мышечного сокращения, связанного с суставом ходока, а внутренний объем w₁ работы вокруг сустава также может быть измерен на основе произведения обоих параметров. В альтернативном варианте измеряют угол правого/левого бедер, голени и так далее в вертикальном направлении или расстояние движения ступней, а таблицу данных соотношения измеренного значения и внутреннего объема w₁ работы хранят/содержат с помощью памяти 11, и измеренное значение и таблица данных могут быть использованы для измерения внутреннего объема w₁ работы.

В представленном варианте осуществления настоящего изобретения измеряют внешний крутящий момент Т₂ и (внешнюю) угловую скорость ω вокруг сустава, абсолютную величину произведения обоих параметров интегрируют по времени и в соответствии с этим измеряют внешний объем w₂ работы вокруг сустава (смотри уравнение (4)). Однако в другом варианте осуществления измеряют потребление мощности соответствующих исполнительных механизмов 1, 2, и также на основе потребления мощности может быть измерен внешний объем w₂ работы. Если исполнительные механизмы 1, 2 являются гидравлическими исполнительными механизмами, то измеряют флуктуацию гидравлического давления, а затем на основе интегрального времени флуктуации гидравлического давления может быть также измерен внешний объем w₂ работы.

В этой заявке будет описан еще другой вариант осуществления настоящего изобретения. Рассматривается произведение внешнего крутящего момента Т₂ вокруг сустава ходока и угловой скорости ω вокруг него в случае, где ходок идет вверх по лестнице. Предполагается, что направление сгибания коленей является "отрицательным", а направление растяжения положительным.

Когда шагнувшая правая ступня ходока входит в контактное взаимодействие с более верхней ступенькой лестницы, правое колено сгибается. Затем, когда ходок отрывает левую ступню от более нижней ступеньки лестницы для того, чтобы подниматься вверх по лестнице, генерируется "положительный" внутренний крутящий момент T₁, так что правое колено разгибается из согнутого состояния для подъема тела ходока. Кроме того, исполнительный механизм 2 (смотри фиг.1), прикрепленный к правому колену, сообщает "положительный" внешний крутящий момент Т₂ для того, чтобы содействовать правому колену в разгибании. Однако непосредственно после того, как ходок отрывает левую стопу от более нижней ступеньки лестницы, правое колено немного сгибается под массой тела ходока и угловая скорость ω становится "отрицательной". Таким образом, оба произведения, как произведение внутреннего крутящего момента T₁ и угловой скорости ω, так и произведение внешнего крутящего момента Т₂ и угловой скорости ω становятся "отрицательными".

Затем после истечения некоторого количества времени с того момента, когда ходок оторвал левую ступню, правое колено ходока постепенно разгибается из согнутого состояния благодаря "положительному" внутреннему крутящему моменту T₁ и внешнему крутящему моменту Т₂, и угловая скорость ω становится "положительной". Таким образом, оба произведения, как произведение внутреннего крутящего момента T₁ и угловой скорости ω, так и произведение внешнего крутящего момента Т₂ и угловой скорости о становятся "положительными".

Как следует из сказанного выше, могут иметь место случаи, когда произведение крутящего момента и угловой скорости иногда в зависимости от условий ходьбы становятся "положительными" или "отрицательными" даже в одном периоде ходьбы.

Для манипулирования такими ситуациями в другом варианте осуществления первое измерительное средство 6 и второе измерительное средство 7 измеряют интегрированные части w_1(i) ⁺, w_2(i) ⁺ с положительным произведением внутреннего и внешнего объемов w_1(i), w_2(i) работы в соответствии со следующими уравнениями (9)-(12) и интегрированные части w_1(i) ^-, w_2(i) ^- с их отрицательным произведением в разделенном виде.

f⁺(х)≅х(если х≥0),

0 (если х<0)...(11)

f^-(x)≅0(если х≥0),

-х (если х<0)...(12).

Дополнительно средство 9 для определения первого коэффициента определяет различные первые коэффициенты с_1(i+1) ⁺, c_1(i+1) ^- на основе w_1(i) ⁺ и w_2(i) ⁺, дополнительно w_1(i) ^- и w_2(i) ^- (смотри уравнение (7)).

Кроме того, средство 10 для определения внешнего крутящего момента определяет внешний крутящий момент T_2(i+1) на основе первого коэффициента c_1(i+1) ⁺, определенного в соответствии с "положительным" произведением в i-том периоде, когда произведение внутреннего крутящего момента T_1(i+1) и угловой скорости ω_(i+1) является "положительным" в i+первом периоде (смотри уравнение (8)). С другой стороны, внешний крутящий момент T_2(i+1) определяют на основе первого коэффициента c_1(i+1), определенного в соответствии с "отрицательным" произведением в i-том периоде, когда произведение является "отрицательным" (так же, как выше).

Таким образом, при условиях ходьбы, сходных с прошлыми условиями ходьбы, существующий внешний крутящий момент Т₂ может быть определен/сообщен на основе первого коэффициента c₁, определенного прежде в соответствии с прошлыми условиями ходьбы.

Кроме того, в другом варианте осуществления первый коэффициент с₁ и дополнительный внешний крутящий момент Т₂ определяли в зависимости от того, является ли произведение внутреннего крутящего момента T₁ и угловой скорости ω положительным/отрицательным, но в еще другом варианте осуществления первый коэффициент c₁ также может быть определен в соответствии с тремя или более сегментами произведения. Например, первый коэффициент c₁ может также быть определен, когда произведение равно менее -2, не менее -2 и менее +1, или +1, или более на произвольную единицу.

Изобретение относится к области медицинской техники, а именно к системе, предназначенной для сообщения внешнего крутящего момента вокруг сустава относительно связного тела, соответственно соединенного с возможностью вращения через посредство суставов, а более конкретно к системе, предназначенной для сообщения внешнего крутящего момента вокруг сустава ступни, коленного сустава или тазобедренного сустава ноги ходока. Система сообщения крутящего момента содержит первое измерительное средство, второе измерительное средство, средство для определения опорного объема работы на основе внутреннего объема работы связного тела, измеряемого первым измерительным средством, средство для определения внешнего крутящего момента, сообщаемого связному телу для уменьшения разности между внутренним объемом работы связного тела, измеряемым с помощью первого измерительного средства, и опорным объемом работы, определяемым с помощью средства для определения опорного объема работы на основе внешнего объема работы, измеряемого с помощью второго измерительного средства и средства сообщения внешнего крутящего момента. Первое измерительное средство предназначено для измерения внутреннего объема работы вокруг сустава, генерируемой из связного тела. Второе измерительное средство предназначено для измерения внешнего объема работы вокруг сустава, сообщаемой связному телу. Средства сообщения внешнего крутящего момента предназначены для сообщения внешнего крутящего момента связному телу, определяемого с помощью средства для определения крутящего момента. Технический результат - способность сообщать телу адекватный крутящий момент в соответствии с двигательными ситуациями связного тела во время различных поворотов, включая сгибание суставов, посредством системы, способной адекватно содействовать движению связного тела, соединенного, в общем, посредством суставов, с телом ноги ходока в соответствии с различными двигательными состояниями связного тела. 15 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Система сообщения крутящего момента вокруг сустава относительно связного тела, соединенного посредством сустава с возможностью поворота, содержащая

первое измерительное средство, предназначенное для измерения внутреннего объема работы вокруг сустава, генерируемой из связного тела;

второе измерительное средство, предназначенное для измерения внешнего объема работы вокруг сустава, сообщаемой связному телу;

средство для определения опорного объема работы на основе внутреннего объема работы связного тела, измеряемого первым измерительным средством;

средство для определения внешнего крутящего момента, сообщаемого связному телу для уменьшения разности между внутренним объемом работы связного тела, измеряемым с помощью первого измерительного средства, и опорным объемом работы, определяемым с помощью средства для определения опорного объема работы на основе внешнего объема работы, измеряемого с помощью второго измерительного средства, и

средства сообщения внешнего крутящего момента, предназначенные для сообщения внешнего крутящего момента связному телу, определяемого с помощью средства для определения крутящего момента.

средство для определения первого коэффициента, определяющего отношение внешнего объема работы, сообщаемой связному телу, к внутреннему объему работы связного тела как требуемое значение в случае, в котором отличие от опорного объема работы, определяемого с помощью средства для определения опорного объема работы, равно нулю, и для последовательного определения первого коэффициента так, чтобы коэффициент стремился с истечением времени к требуемому значению,

причем первое измерительное средство измеряет внутренний крутящий момент вокруг сустава связного тела,

средство для определения внешнего крутящего момента вычисляет произведение внутреннего крутящего момента связного тела, измеряемого первым измерительным средством, и первого коэффициента, определяемого с помощью средства для определения первого коэффициента, и

результат вычисления определяют как внешний крутящий момент, сообщаемый связному телу.

средство для определения первого коэффициента сегментирует и определяет первый коэффициент в соответствии с сегментом произведения, измеряемого с помощью первого измерительного средства, и

средство для определения внешнего крутящего момента использует первый коэффициент, предварительно определенный на основе внутреннего объема работы в соответствии с прошлым сегментом произведения с помощью средства для определения первого коэффициента для определения внешнего крутящего момента, когда сегмент произведения, измеряемый с помощью первого измерительного средства, согласуется с прошлым сегментом произведения, предварительно измеренным с помощью первого измерительного средства.

средство для определения первого коэффициента, определяющего отношение внешнего объема работы, сообщаемой связному телу, к внутреннему объему работы связного тела как требуемое значение в случае, в котором отличие от опорного объема работы, определяемого с помощью средства для определения опорного объема работы, равно нулю, и для последовательного определения первого коэффициента так, чтобы коэффициент стремился с истечением времени к требуемому значению,

причем первое измерительное средство измеряет внутренний крутящий момент вокруг сустава связного тела,

средство для определения внешнего крутящего момента вычисляет произведение внутреннего крутящего момента связного тела, измеряемого первым измерительным средством, и первого коэффициента, определяемого с помощью средства для определения первого коэффициента, и

результат вычисления определяют как внешний крутящий момент, сообщаемый связному телу,

причем связным телом является тело ноги ходока, включающее в себя тазобедренный сустав, коленный сустав и сустав ступни.

средство для определения первого коэффициента сегментирует и определяет первый коэффициент в соответствии с сегментом произведения, измеряемого с помощью первого измерительного средства, и

средство для определения внешнего крутящего момента использует первый коэффициент, предварительно определенный на основе внутреннего объема работы в соответствии с прошлым сегментом произведения с помощью средства для определения первого коэффициента для определения внешнего крутящего момента, когда сегмент произведения, измеряемый с помощью первого измерительного средства, согласуется с прошлым сегментом произведения, предварительно измеренным с помощью первого измерительного средства.

причем вычисляется произведение разности между общим объемом работы и внутренним объемом работы связного тела в ненагруженном состоянии, измеряемым с помощью первого измерительного средства, и второго коэффициента, касающегося внешнего крутящего момента при допущении, что разность между внутренним объемом работы связного тела и опорным объемом работы равна нулю, и

вычисляется разность между общим объемом работы и произведением для определения результата вычисления опорного объема работы.