CN101155558A - 与机电设备同步和通信的系统和方法 - Google Patents

Abstract

实施例包括一种用于控制人类肢体运动的系统。所述系统包括多个机电设备，多个机电设备的每一个可以与该多个机电设备中至少一个其他机电设备进行通信。每一个机电设备包括处理器、致动器或传感器中的一个或多个。机电设备中的一个或多个可以配置为基于通信数据，产生针对多个机电设备中至少一个其他机电设备的控制状态。在一个实施例中，通信数据用于同步机电设备。在一个实施例中，机电设备中的一个或多个配置为通过通信接口接收用于控制致动器的可执行指令。

Description

与机电设备同步和通信的系统和方法

本申请要求2005年2月16日提交的美国临时申请No.60/653,717和2005年5月10日提交的美国临时申请No.60/679,953的权益，其全部内容作为参考合并在此。

技术领域

本发明一般涉及假肢和矫正肢，此外还涉及对患者身上的假体和矫正设备的自适应控制系统进行配置和同步的系统和方法。

背景技术

诸如附着在人类肢体上的假体和矫正设备受益于电子设备方面的进步。电子控制的假体或矫正设备通常可以称作“机电(mechatronic)”设备(例如，假膝)，可以向配备有这种系统的患者提供更加安全和自然的运动。但是，电子设备方面的发展似乎超过了控制系统方面的发展。因此，用于假体系统的控制系统可以受益于智能构架。

此外，用于假体和矫正系统的电子控制系统的快速增长产生了对单个患者佩戴的多个设备(例如，假膝和假脚踝)进行同步的系统和方法的需求。多个控制系统彼此隔离地进行操作，可能无法为患者提供稳定和协作的运动。此外，多个假体设备的独立配置也可能不方便。因此，希望具有在这种控制系统之间进行配置、通信和同步的系统和方法。此外，还希望具有在这种控制系统中添加、替换或扩增部分软件的系统和方法。

发明内容

鉴于上述讨论，特别是阅读了标题为“具体实施方式”的部分之后，将理解本发明的特征如何提供了如下优点：提出了向使用者提供更加自然和舒适的运动的假体和矫正系统，并能够对控制系统软件进行更加方便和直观的配置、添加、替换或扩增。

一个实施例是一种用于控制人类肢体运动的系统。该系统可以包括多个机电设备。所述多个机电设备的每一个与所述多个机电设备中至少一个其他进行通信。所述机电设备的至少一个控制致动器。在一个这种实施例中，所述多个机电设备的至少一个配置为基于通信数据，产生针对所述多个机电设备中至少一个其他的控制状态。在一个实施例中，通信数据用于同步所述机电设备。在一个实施例中，每个机电设备包括人造关节。在一个实施例中，所述多个机电设备的至少一个包括假膝，并且所述多个机电设备的至少一个包括假脚踝。

另一实施例是一种用于与至少一个其他机电设备协作来控制人类肢体运动的机电设备。所述机电设备包括：通信接口，配置为与所述至少一个其他机电设备进行数据通信；传感器，配置为获得指示所述肢体的至少一个运动参数的值；致动器，配置为影响所述机电设备的至少一个运动参数；以及处理器，配置为基于接收到的通信数据和所述至少一个运动参数值，激活所述致动器。在一个实施例中，通信数据可以包括从所述传感器获得的参数值。在另一实施例中，通信数据可以包括从其他机电设备接收的状态机数据。在另一实施例中，通信数据可以包括从其他机电设备接收的配置数据。

另一实施例是一种用于与至少一个其他机电设备协作来控制人类肢体运动的机电设备。所述机电设备包括：通信接口，配置为与所述至少一个其他机电设备进行数据通信；以及处理器，配置为产生所述至少一个其他机电设备的控制状态。所述处理器还配置为通过所述通信接口进行与所述控制状态相关联的数据的通信。所述机电设备还包括：致动器，由所述处理器控制，以实现人类肢体的运动。在另一实施例中，通信数据可以包括在由所述处理器执行时影响所述控制状态的选择的软件。在一个实施例中，通信数据包括由其他机电设备的至少一个传感器获得的数据。在一个实施例中，通信数据包括由其他机电设备的至少一个传感器获得的配置数据。在一个实施例中，所述处理器还配置为基于所述控制状态，确定至少一个致动器控制命令，并且通信数据包括所述至少一个致动器控制命令。

另一实施例是一种将第一机电设备与第二机电设备同步的方法。所述方法包括从第二机电设备向第一机电设备进行数据通信。所述方法还包括响应于接收的数据，产生控制状态。所述方法还包括至少部分地基于所述控制状态，控制第二机电设备上的致动器。在一个实施例中，所述方法还包括响应于所述控制状态，产生对第二机电设备的致动器进行控制的命令。在一个实施例中，所述方法还包括响应于所述通信数据，产生对第一机电设备的致动器进行控制的命令。在一个实施例中，所述接收的数据包括从第二机电设备接收的传感器数据。在另一实施例中，所述接收的数据包括指示所述控制状态的信息的至少一部分。在另一实施例中，所述接收的数据包括计算机软件，并且至少部分地通过执行所述计算机软件，来执行所述控制状态。

另一实施例是用于控制与肢体相关联的设备的运动的系统。所述系统包括机电设备。所述系统还包括与人类肢体相关联的传感器，用于向所述机电设备提供运动参数数据。所述机电设备使用所述运动参数数据来进行同步。在一个实施例中，所述传感器接收来自人类神经系统的信号。在一个实施例中，所述传感器接收来自与健全肢体相关联的传感器的信号。在一个实施例中，所述运动参数数据用于与另一机电设备的同步。在一个这种实施例中，所述另一机电设备向所述机电设备提供运动参数数据。

一个实施例是一种将计算设备与同肢体相关联的设备同步的方法。所述方法包括：在机电系统与所述计算设备之间进行数据通信，在所述计算设备上存储所述数据，响应于所述数据在机电系统上产生控制状态，并至少部分地基于所述控制状态，控制第二机电系统上的致动器。

另一实施例是一种附着到人体上的机电系统。该设备包括传感器，配置为提供指示人体运动的数据。致动器配置为控制至少一部分人体的运动。处理器配置为执行指令，所述指令用于基于传感器数据来控制所述致动器。通信接口配置为与数据源进行数据通信。所述处理器还配置为接收来自所述数据源的至少一部分指令。在一个实施例中，所述机电系统可以包括两个或更多机电设备中的处理、感测、致动和通信的分离操作。

附图说明

图1是示出了包括多个机电设备的系统的一个实施例的框图。

图2是更详细地示出了图1的系统的一个实施例中与附加设备进行通信的机电设备的一个实施例的框图。

图3示出了与机电设备一并使用的一个仪器程序实施例的用户界面。

图4A是示出了包括假膝和假脚踝的图1系统的范例实施例的示意框图。

图4B是示出了包括假膝和假足的图1系统的范例实施例的示意框图。

图4C是示出了包括假膝、假足和主设备的图1系统的另一范例实施例的示意框图。

图4D是示出了包括假膝和假足的图1系统的另一范例实施例的示意框图，其中假足包括用于控制两个设备的一个或多个状态机。

图5是示出了包括与个人和网络计算设备进行通信的机电设备的一个系统实施例的框图。

图6是示出了将机电设备的配置或校准数据与网络计算设备同步的方法的一个实施例的流程图。

图7是示出了替换或扩增机电设备上的软件的方法的一个实施例的流程图。

具体实施方式

以下详细描述针对本发明的特定具体实施例。但是，本发明可以多种不同方式具体实现。在本说明书中，参照附图，其中全文中由类似附图标记表示类似的部分。

这里使用的术语“假体”和“假体器官”是广义的术语并以其普通含意而使用，非限制性地表示可以用作躯体部分的人造替代品或支持的任何系统、设备或装置。

这里使用的术语“矫正”和“矫正法”是广义的术语并以其普通含意而使用，非限制性地表示可以用于支持、调准、防止、保护、校正关节和/或肢体等躯体部分的畸形、固定或改善躯体部分功能的任何系统、设备或装置。

与肢体相关联的设备是可以用于辅助肢体执行某种功能的任何设备。例如，假体设备是与肢体相关联的设备。假体设备可以替换整个肢体或肢体的一部分。可选地，矫正设备是与肢体相关联的设备。例如，矫正设备支持或调准肢体。此外，诸如服装或体育品仪器等其他设备可以是与肢体相关联的设备。例如，因为鞋辅助鞋的使用者使用脚来进行例如行走或跑步，所以鞋是与肢体相关联的设备。类似地，因为滑雪靴辅助其使用者使用脚来例如滑雪，所以滑雪靴是与肢体相关联的设备。

这里使用的术语“机电”是广义的术语并以其普通含意而使用，非限制性地表示包括有与肢体相关联的电子控制设备(包括假体或矫正设备)的任何系统、设备或装置。这种设备可以包括传感器、致动器或处理器中的一个或多个。

这里使用的术语“仿生”是广义的术语并以其普通含意而使用，非限制性地表示包括有其中集成了替换或增强解剖结构或生理过程的电子控制设备的任何系统、设备或装置。仿生也可以包括集成来替换或增强解剖结构或生理过程的电子或机械智能结构或系统。例如，仿生可以包括诸如假体或矫正等机电设备。

假体或矫正设备的使用者通常可能需要多个设备。例如，经股骨(trans-femoral)截肢者可能需要机电膝和机电脚踝或足的组合。典型地，当这些设备彼此协调时，可以实现更加自然的运动。当这些设备中的两个或多个是电子控制设备时，例如，可以通过设备之间的电子接口和协调，实现例如更自然的运动，从而增强协调。图1是示出了包括多个机电设备的系统100的一个实施例的框图。在一个实施例中，特定机电设备包括一个或多个传感器、控制器和一个或多个致动器。但是，要认识到，在其他实施例中，特定机电设备例如可以只包括传感器、包括传感器和控制器、包括一个或多个致动器、包括致动器和控制器、或者只包括控制器。在一个实施例中，该系统可以包括主设备112。在一个实施例中，主设备112控制整体系统100。在一个实施例中，主设备112是具有结合了状态机的控制系统的机电设备。主设备112可以全部或部分地控制从设备114。可以向系统100的组件(诸如从设备114)发送关于状态改变的信息或直接的致动命令。系统100中的每个设备的实施例可以包括假膝、假脚踝或其他电子控制假体或矫正设备。例如，诸如支具等矫正设备可以包括用于测量膝运动的传感器。

在一个实施例中，从设备114可以只包括控制从设备114所需的软件或硬件的一部分。因此，从设备114可以完全或部分地依赖于接收来自主设备112的状态信息和命令。在一个实施例中，从设备114可以接收来自主设备112或另一从设备114的传感器数据。从设备114也可以向其他设备112、114、116或118发送传感器数据。在一个这种实施例中，从设备114包括一个或多个传感器，但不包括致动器。

系统100可以包括配置来监视或控制系统100中的一个或多个其他设备的观察设备116。在一个实施例中，观察设备包括腕表或臂上安装的设备，用于提供与系统100中设备的操作有关的状态或其他信息。在一个实施例中，状态信息是实时更新的。在另一实施例中，观察设备116可以具有配置来影响系统100操作的控制器。在一个这种实施例中，观察设备116只包括控制器，用于接收传感器数据和/或向系统100中的其他机电设备发送控制数据。例如，在一个实施例中，主设备112可以是假膝，观察设备116可以用于激活或提供与诸如行走、骑车等不同使用模式有关的暗示。

系统100也可以包括配置设备118，配置设备118适于控制系统中的一个或多个其他设备。在一个实施例中，配置设备118直接与主设备112通信。主设备112协调与其他设备(例如从设备114或观察设备116)的配置数据的通信。在其他实施例中，配置设备118可以直接与设备112、114和116中的任何一个或任何几个进行通信。

系统100的设备112、114、116和118中每一个均可以使用仿生数据总线(BDB)120进行通信。BDB 120可以包括任何数据通信物理层，包括本领域中熟知的。例如，BDB 120可以包括如下通信层的一个或多个：远距离调制解调器、以太网(IEEE802.3)、令牌环(IEEE802.5)、光纤分布式数据链路接口(FDDI)异步传输模式(ATM)、无线以太网(IEEE802.11)、蓝牙(IEEE802.15.1)或红外接口(包括IRDA)。BDB总线也可以包括外围接口总线(包括通用串行总线(USB)、IEEE 1394、外围设备互连(PCI))或本领域熟知的其他外围总线。此外，BDB 120可以包括网络，例如内联网、局域网(LAN)、广域网(WAN)或互联网。BDB 120可以包括附加协议，例如互联网协议(IP)或传输控制协议(TCP)。

将认识到，在一个实施例中机电设备可以作为设备112、114、116和118之一进行操作，而在系统100的其他实施例中，特定机电设备可以配置为作为设备112、114、116和118中的一个或多个、以不同模式或角色进行操作。在一个实施例中，该特定机电设备可以配置为基于与系统100中其他设备的数据交换，自动地用作特定类型的设备。例如，系统100的一个实施例可以包括假膝、假脚踝和腕戴监视器。假膝的实施例可以包括如下文献示出的那些：2001年3月29日提交并在2003年8月26日公布的美国专利No.6,610,101；2005年5月6日提交的美国专利申请No.11/123,870；以及2005年3月9日提交的美国专利公开No.2005-0283257；其全部内容作为参考合并在此。假脚踝的实施例可以包括2005年2月11日提交的美国专利公开No.US2005-0197717中示出的那些，该专利公开的全部内容作为参考合并在此。

在通过BDB 120交换识别数据之后，膝可以将其自身配置为作为主设备112而进行操作，脚踝可以将其自身配置为作为从设备114进行操作，监视器将其配置为观察设备116。在系统100的仅包括脚踝和腕戴监视器的另一实施例中，脚踝可以将其自身配置为主设备112，将监视器配置为观察设备116。

在一个实施例中，设备可以包括配置数据库。该数据库可以包含将系统100的配置与该设备角色相关的数据。例如，脚踝设备可以包括数据，用于指示当系统100包括假膝时脚踝应该将自己配置为从设备114，但是在其他配置中应该将自己配置为主设备112。

还将认识到，在一些实施例中，系统100可以包括一个或多个从设备14、一个或多个观察设备116和一个或多个配置设备118。此外，在一些实施例中，可以配置多个主设备，以使设备各自控制成组的假体，例如一个主设备112针对一组基于手臂的机电设备，第二主设备112针对一组基于腿的机电设备。在这种实施例中，观察设备116可以显示与主和从设备112和114中的一些相关的信息。在另一实施例中，每个观察设备116可以显示仅与单个主或从设备112或114相关的信息。

主设备112可以通过BDB 110进行通信，以共享数据或协调系统100的操作。在一个这种实施例中，例如臂和腿机电设备的每一个均可以相对于一组设备作为主设备112而进行操作。例如，膝可以相对于脚踝假体作为主设备112而进行操作，肩机电设备可以相对于肘从设备114用作主设备112。进而对于该范例实施例，脚踝可以相对于膝主设备112作为从设备114。

将认识到，这里所述的设备112、114、116和118表示机电设备的一种操作模式的角色或功能描述。在一些实施例中，机电设备可以是混合设备，例如用作受另一主设备112的影响或支配的从设备114的混合设备，但是该混合设备也保持独特的状态机。此外，其他实施例可以包括作为在此所述的任何设备的组合而进行操作的机电设备。

图2是更详细地示出了经由BDB 120与系统100的一个实施例中的附加设备204和206进行通信的机电设备202的一个实施例。设备202可以包括配置为执行对设备操作进行控制的软件的处理器和存储器。

在一个实施例中，软件包括状态机模块210、硬件抽象模块212、动态学习模块214、配置模块216和BDB模块218。将认识到，模块210、212、214、216和218中每一个均可以包括多种子例程、过程、定义语句和宏。可以分离地编译每一个模块并将其与链接成单个可执行程序。对每个模块的描述用于方便地描述一个系统实施例的功能性。因此，可以将每个模块执行的过程重新分配给其他模块之一、一起组合在单个模块中或使其在例如可共享动态链接库中可用。在一些实施例中，可以将模块作为独立线程或过程来并发或并行地执行。可以使用任何合适的计算机语言或环境(包括C、C++、Java或FORTRAN等通用语言)来编写模块。

模块210、212、214、216和218中每一个均可以通过诸如本领域已知的适当方法进行通信。在一个实施例中，模块可以使用先前合并在此的2005年3月9日提交的美国专利公开No.2005-0283257中描述的共享数据结构来进行通信。在一个实施例中，共享数据结构可以包括可以通过仿生数据总线模块218访问并对于系统100中的其他设备204和206可用的部分。在这种实施例中，可以在BDB 120上进行共享结构中的数据一部分的通信。

在一个实施例中，观察设备116可以是配置来执行系统100中其他设备的诊断功能的个人或服务器计算机系统。在一个实施例中，观察设备116可以配置为通过仿生数据总线模块218，接收和更新例如上述共享数据结构的内容。

状态机模块210典型地包括高级、应用或设备特定的指令。状态机模块210可以一般性地描述为具有设备智能。机电设备的特定实施例的状态机模块210可以配置为作为多种系统100实施例中的主设备112、从设备114、观察设备116或配置设备118而进行操作。状态机模块210的实施例可以如下配置：通过使用硬件抽象模块212与特定机电设备上的特定硬件进行交互，将状态机模块210毫无修改地加载到例如不同膝硬件的不同机电设备中。以上合并的2001年3月29日提交并在2003年8月26日公布的美国专利No.6,610,101中描述了状态机模块210的一个范例实施例。

在一个实施例中，可以替换或扩增状态机模块210的部分，以提供对机电系统100的定制(例如，基于活动的)控制。例如，可以将针对骑车或慢跑等特定活动的软件安装到状态机模块210中，以改善或定制例如假膝等机电设备针对特定活动的功能性。在一个实施例中，通过下载，安装定制控制软件。在一个实施例中，可以从配置设备118接收下载的数据。在另一实施例中，主设备112可以包括网络接口，通过该网络接口，可以从任何其他联网的计算设备接收定制控制软件。网络接口可以包括无线网络(例如移动电话网)或其他合适的计算机网络(例如以上结合BDB 120所描述的网络)。

硬件抽象模块212典型地包括低级、硬件特定的代码，该代码提供其他软件模块对硬件的标准化接口。硬件抽象模块212可以对诸如传感器和致动器等硬件进行抽象。因此，硬件抽象模块212允许不同传感器重新使用诸如状态机模块210等其他软件，只要这些传感器中每一个均提供硬件抽象模块212可以标准化形式表示的数据。例如，特定传感器可以通过设置硬件寄存器的值，来提供数据。用于产生等效数据的另一传感器可以在更新数据时通过中断来向处理器发送信号通知。硬件抽象模块212可以配置为读取每个传感器并使用统一接口提供数据，以便在特定传感器改变时无需修改其他软件层。这在具有多个机电设备202、204和206的系统100中是尤其需要的。例如，脚踝机电设备202可以配置为接收来自不同类型和型号的假膝204的传感器值，例如，膝角度。对于本示例，在一个实施例中，脚踝设备202的硬件抽象模块212可以提供每5毫秒更新的膝角度，而无论传感器是否配置为被处理器轮询以接收更新、或者传感器是否通过例如中断通道向处理器发送信号通知。硬件抽象模块212也可以配置为提供上采样或下采样到一致精确的值的膝角度值，而无论传感器的分辨率如何。例如，可以用分辨率为8比特、10比特或更高的值表示膝角度值。此外，无论数据来自同一机电设备202还是其他机电设备204和206，针对数据的接口都可以是相同的。

要认识到，一些实施例包括的机电设备中，硬件抽象模块212配置为与患者的神经或肌肉系统进行通信。例如，致动器可以包括肌肉。在一个实施例中，传感器包括患者身体的神经。

动态学习模块214可以包括对诸如可以由状态机模块210使用的运行时参数(runtime parameters)进行更新的动态学习矩阵。在一个实施例中，学习模块214可以调整运行时参数，以适应当前运动步调、特定活动、地形等。以上合并的2001年3月29日提交并在2003年8月26日公布的美国专利No.6,610,101中描述了学习模块214的一个范例实施例。

配置模块216可以配置为存储并保持控制参数。随后，可以通过学习模块214或通过配置设备118来自动调整参数。在一个实施例中，配置模块216保持的数据基本上是静态的。配置模块216可以配置通过BDB 120与配置设备118通信，以发送和接收参数数据。配置模块216可以向配置设备118提供经由BDB 120的标准接口。在一个实施例中，例如从设备114的配置模块216配置为通过诸如主设备112等其他设备接收参数。因此，可以通过与主设备112进行通信的配置设备118，将系统100的组件一并配置，配置设备118还与系统100中的设备204和206等其他设备进行参数通信。

在一个实施例中，抽象模块212控制机电系统100中的一个或多个致动器。例如，在一个实施例中，这可以包括通过诸如假膝中的致动器施加阻尼。在一个实施例中，以不同于状态机或学习模块210和214的执行速率的频率执行抽象模块212中的至少一部分。例如，在一个实施例中，以1毫秒(ms)的周期执行低级抽象模块212，而以5ms的周期执行状态机的更高级代码。

仿生数据总线(BDB)模块218配置为通过BDB 120提供系统100中的设备之间的数据通信。BDB模块218的一个实施例包括对面向其他模块210、212、214和216的接口进行抽象或标准化的软件接口，从而无论BDB 120的特定实施例如何(例如，无论BDB是否包括网络或诸如USB等外围总线)，都可以通过BDB 120通信。

BDB模块218可以提供面向BDB 120的分层接口。在一个实施例中，这些层可以与BDB 120提供的一个或多个物理通道相对应。在其他实施例中，这些层可以与经由BDB 120的逻辑通道相对应。在一个实施例中，由BDB模块218提供的通道包括状态通道230、参数通道232、传感器通道234和致动通道236。

状态通道230可以配置为在机电设备之间进行高频率、低容量的状态机数据的通信。在一个实施例中，该数据可以包括与假膝的步态周期相关的数据。该数据可以包括状态数据或状态改变数据。例如，在假膝中，该状态改变可以指示步态周期的改变。

参数通道232可以配置为以中频和中间容量进行数据通信，以在诸如配置设备118和主设备112等设备之间进行参数设置通信。参数通道232可以包括先前合并在此的2005年3月9日提交的美国专利公开No.2005-0283257中描述的配置参数。

传感器通道234可以配置为进行高频率、低容量的传感器数据的通信。因此，来自系统100中的一个设备的传感器数据可以共享，以由其他设备使用。这允许将传感器放置在如下位置：物理上并非位于特定机电设备内或其附近，而在物理上位于系统100中的其他设备内或其附近。此外，可以共享某些传感器，以降低整个系统100的成本。传感器可以包括力传感器、电池电压传感器或可以结合或附着到任何机电设备上的任意其他传感器。

另一通信可以包括致动通道236。致动通道236进行低容量、高频率的数据的通信，其中该数据包括致动器控制信号。在一个实施例中，主设备112可以通过致动通道236发送致动器控制信号，以控制从设备114上的致动器。该数据可以包括诸如位置、力、方向和速度等数据。

除了与其他机电设备通信，其他电子设备(例如远程服务器计算机(未示出))也可以通过BDB 120与机电设备通信。在一个实施例中，远程服务器可以执行维护操作，例如诊断机电设备中的错误。设备202可以通过BDB 120，进行传感器数据、状态数据或设备202上或附着于设备202的设备204和206上产生的其他数据。

在一个实施例中，使用公共命名约定来识别在通道上通信的数据。在一个实施例中，使用该命名约定，将数据格式化为结构化的数据，例如可扩展标记语言(XML)格式。在一个实施例中，命名约定是基于使用与解剖等同术语类似的术语。例如，在一个实施例中，命名约定包括来自人类肌肉系统的术语，作为致动器信号，并包括来自人类神经系统的术语，作为传感器信号。

除了与其他机电设备通信，其他电子设备(例如远程服务器计算机(未示出))也可以通过BDB 120与机电设备通信。在一个实施例中，远程服务器可以执行维护操作，例如诊断机电设备中的错误。设备202可以通过BDB 120，进行传感器数据、状态数据或设备202上或附着于设备202的设备204和206上产生的其他数据。

在一个实施例中，远程计算机包括仪器软件，用于维护或开发机电设备202。图3示出了与假膝一并使用的仪器程序的一个实施例的用户界面。左栏显示了存储器位置、寄存器或可以在机电设备202上监视的其他数据的名称。在所示实施例中，选择被监视项的名称会引起值的显示。在一个实施例中，当从设备202接收到新数据时，连续并自动地更新所显示的值。在一个实施例中，可以将所监视项的值记录为文件，以用于后面的分析。该分析可以包括数据的图形绘制。在一个实施例中，仪器程序也可以向设备202发送命令，以擦除数据、将设备202复位和更新设备202上的软件或固件。在一个实施例中，这些项的值可以由仪器程序的用户进行修改。在一个实施例中，仪器程序可以配置为将所更新项的值限制在预定范围内。

图4A是包括假膝402和假脚踝404的系统100的范例实施例的示意框图。当系统100包括电子控制脚踝404和电子控制膝402时，如果这两个“智能”组件不共享信息或以同步方式工作，则可能出现不稳定的风险。膝402可以包括3个主传感器、角度传感器、后力(PF)传感器和前力(AF)传感器。根据PF和AF传感器的信号，膝402可以计算塔柱(pylon)中的力矩。膝402可以将该力矩表示为与脚趾负重多少和脚后跟负重多少有关的信息。根据对来自PF和AF传感器的值的计算，膝402还能够辨别脚是否放置在地面上并带有多少力。在一个实施例中，这些力信号连同角度传感器由状态机中的算法评估，以便以高级循环周期(在一个实施例中，每5ms)定义膝402的状态。如果信号不正确或被错误解译，则膝402无法正确地改变状态或功能。

因为将来自力传感器的值(膝结构中的弯矩)转化为脚趾和脚后跟负重值，所以应该确定脚的调准，尤其是脚踝404的角度。在设置期间，可以为膝402设置某些范围和阈值。如果在初始设置之后，该调准显著改变，则膝402可能错误解译来自力传感器的信息。电子调整的脚踝404的功能性典型地会引起调准中的这种改变。

如果脚踝404可以足够高的频率向膝发送关于角度值的信息，则膝可以补偿来自传感器的力信号值的“误差”，从而与非同步系统相比，整个系统100可以更加稳定地操作。

电子脚踝404也可以设计为适合膝以下截肢者。在这种使用模式中，脚踝404不需要来自“同事”组件的额外信息。然而，这种膝402能够通信的额外信息可以简化脚踝设备，以由膝以上截肢者使用。

此外，脚踝404使用来自膝402的数据，这样可以向系统100提供附加功能。例如，膝404可以通过BDB 120的传感器通道232访问脚踝402的角度值。此外，如果脚踝以某种程度偏移(例如，当与高跟鞋一起使用时)，则膝402可以使用该信息，以进一步补偿力传感器的测量。可以通过参数通道232来进行该偏移值的通信。

在一个实施例中，类似于2006年2月2日提交、标题为“SENSINGSYSTEM AND METHODS FOR MONITORING GAIT DYNAMIC S”的美国专利申请No.11/346,600中公开的实施例(其全部内容作为参考合并在此)，脚踝可以包括假足或矫正足，并配置为进行脚趾负重和脚后跟负重测量并通过BDB 120提供该测量。在另一实施例中，类似于2003年12月18日提交、标题为“Prosthetic foot with rocker member”的美国专利申请No.10/742,455中公开的实施例(其全部内容作为参考合并在此)，脚踝可以包括假足或矫正足，并配置为进行角度测量并通过BDB 120提供该测量。

图4B是包括假膝402和假足406的图1系统的范例实施例的示意框图。在一个实施例中，膝402和脚踝404各自包括诸如RS-232端口之类的数据通信或网络接口，这些接口彼此通信以定义BDB 120。在另一实施例中，可以通过每个设备402和406上的RS-485端口实现BDB 120。在一个实施例中，假足406包括关节，该关节允许调整足，以适应不同坡度。因此，来自足406的响应将与脚踝固定的假足不同。在一个实施例中，基于转化为弯矩的力测量来控制膝402。根据力矩值，膝402基于膝402是在水平地面上、在不同坡度上或在楼梯上，管理状态改变并调整膝的阻力。

在一个实施例中，膝402可以基于力和力矩的改变，检测出使用者正在斜坡表面上行走。由于具有关节的足406的弯曲，足406可以调整以适应斜坡，从而膝402不会接收到与在斜坡上行走相一致的力测量。因此，当使用者实际上在下斜坡时，膝402可以表现为使用者似乎正在水平地上行走。在一个实施例中，足406可以在角度已改变时，将该关节角度传达至膝402。在其他实施例中，足406可以预定速率或在角度改变达阈值量时，将该角度传达至膝。在一个实施例中，膝402可以一定间隔或响应于诸如状态改变等特定事件，向足406请求数据。然后，膝402可以使用该角度值来校正力矩计算(例如，通过作为角度函数的比例计算)。在一个实施例中，从足406传达至膝402的数据可以包括状态机数据。该状态机数据可以由膝402的控制系统使用，以协调与足406的运动，并基于来自足406的附加信息，更好地识别适当的控制响应，例如，在足406的关节弯曲时校正力传感器的读取数据。

可以使用诸如上述参照图1中BDB的协议之类的任何合适协议，在足406与膝402之间进行数据通信。例如，在一个实施例中，可以通过RS-232链路，将传感器和控制数据作为字符串而通信。在一个实施例中，在膝402的每个程序周期中，膝读取串行端口，解析该字符串并滤出角度值。然后，将角度值转化为针对斜坡检测例程的校正值。

在另一实施例中，可以采用诸如高级链路控制(HDLC)协议等合适的链路层协议，在RS-232层上进行数据通信。在其他实施例中，可以使用合适的更加高级的协议。在一个实施例中，可以通过简单的有线接口连接两个RS-232端口。

在一个实施例中，膝402可以作为主设备112进行操作，主设备112接收来自足406的传感器数据，并使用该数据产生要向足406通信返回的控制信号。在这种实施例中，可以使用来自足406的附加传感器数据，以提供更加鲁棒的控制，并使膝402能够更好的预测或管理状态改变。此外，可以使用膝的附加传感器数据扩展或改进足406的控制。例如，膝402的负重传感器能够检测快速脚趾离地信号，该信号可以指示迈上楼梯的初始步伐。足406的控制系统可以配置为使用该数据来预测和更好地检测诸如上下楼梯等状态改变。

在一个实施例中，足406和膝402也可以配置为共享电源。在这种实施例中，诸如膝之类的主设备112可以协调两个设备的电源管理。在一个实施例中，足406和膝402可以具体设计为一起进行操作。但是，在其他实施例中，包括可兼容机械和通信接口的任何膝402和足406都可以形成系统100。

图4C是图1系统的另一范例实施例的示意方框图，该实施例包括假膝402、假足406和作为主设备112进行操作的主设备408。主设备408可以包括任何电子设备，该电子设备配置为接收分别来自膝402和足406的传感器数据，并基于该传感器数据，向膝402和足406提供控制信号。

图4D是图1系统的另一范例实施例的示意方框图，该实施例包括假膝402和假足406，其中假足406作为主设备112进行操作。在这种实施例中，足406的控制器可以包括用于控制两个设备的一个或多个状态机。

图5是示出了与一对机电设备202和204通信的系统500的一个实施例的框图。在所示实施例中，系统500包括通过数据通信网络350与机电设备202和204通信的单个网络计算设备340。其他实施例只包括单个机电设备202或多于两个的机电设备。在一个实施例中，系统500包括附加网络计算设备341，该网络计算设备341也通过网络352与网络计算设备340通信。在一个实施例中，机电设备202和204配置为与网络计算设备340通信，以发送和接收配置和校准数据。在一个实施例中，机电设备202和204配置为与网络计算设备340通信，以接收扩增或替换如下模块的一部分或全部的可执行指令：机电设备202的状态机模块210、硬件抽象模块212、动态学习模块214、配置模块216、BDB模块218或其他任何合适的软件模块中的一个或多个。

在一个实施例中，网络计算设备340包括与处理器344和存储器346通信的网络接口342。网络计算设备340可以包括服务器计算机、个人计算机或诸如膝上计算机等移动计算机。在一个实施例中，网络计算设备340包括个人数字助理。在另一实施例中，网络计算设备340包括移动电话。

网络接口342提供经由网络350和352的、至一个或多个计算设备(包括机电设备202和204)的网络连接。在一个实施例中，至网络350和352的网络接口344包括例如如下的一个或多个：远距离调制解调器、以太网(IEEE802.3)、令牌环(IEEE802.5)、光纤分布式数据链路接口(FDDI)、异步传输模式(ATM)、无线以太网(IEEE802.11)、蓝牙(IEEE802.15.1)或红外接口(包括IRDA)。网络350可以包括网络，例如互联网、内联网、局域网(LAN)或广域网(WAN)。这里所用的网络350和352可以包括网络变体，诸如公共互联网、互联网内的专用网络、互联网内的安全网络、专用网络、公共网络、增值网络、内联网等。在一个实施例中，网络350包括了网络352。

处理器344可以是任何合适的通用单或多芯片微处理器，例如ARM、Pentium、Pentium II、Pentium III、Pentium IV、PentiumPro、8051、MIPS、Power PC、ALPHA或其他任何适合的处理器。此外，处理器344可以包括任何合适的专用微处理器，诸如数字信号处理器或可编程门阵列。

存储器346可以包括易失性组件，诸如DRAM或SRAM。存储器346也可以包括非易失性组件，诸如基于存储器或盘的存储。在一个实施例中，网络计算设备340包括服务器，存储器346包括基于盘的存储。在一个实施例中，该基于盘的存储包括文件服务器。

在一个实施例中，机电设备202包括针对可拆卸连接存储器的存储卡接口366。存储卡接口366可以包括针对可拆卸存储卡的接口，该可拆卸存储卡包括半导体存储器(芯片)，例如随机存取存储器(RAM)或多种形式的只读存储器(ROM)，它们均是可拆卸地连接到处理器344的。可拆卸连接存储器可以包括任何标准化和专有器件上的存储器，诸如存储卡、安全数字存储卡、记忆棒或其他任何合适的可拆卸存储器件。在一个实施例中，存储卡接口400配置为作为处理器固态永久性存储器(诸如FLASH存储器或磁致电阻RAM(MRAM))的接口。在一个实施例中，存储器104包括盘驱动，例如磁、光或磁光驱动。

在一个实施例中，机电设备202和204各自包括与存储器362和网络接口364相连的处理器360。处理器360可以包括任何合适的处理器，包括以上针对处理器344所论述的那些。存储器362可以包括任何合适的存储器，包括以上针对存储器346所论述的那些。网络接口364使处理器360与网络350进行通信。网络接口364可以包括任何合适的网络接口，包括以上针对网络接口342所论述的那些。

图6是示出了将机电设备的配置或校准数据与图5网络计算设备340同步的方法的一个实施例的流程图。配置数据可以包括由修复医生输入、基于机电设备使用者的身高等预定参数确定的、基于机电设备202的使用者的经验或偏好而选择的、或者由机电设备的设计者或制造者选择的数据，该数据影响机电设备202的控制系统。校准数据可以包括在机电设备202的操作期间由机电设备的控制系统确定的数据。这种数据一般也可以称作控制数据。方法600开始于块610，其中机电设备202建立与网络计算设备340的通信。可以通过诸如图3所示的屏幕显示等输入或检查该数据。

接着，在块620，机电设备202将一个或多个设置与图5的网络计算设备340同步。在一个实施例中，机电设备202接收与特定机电设备202的使用者相关的配置或校准信息。在另一实施例中，机电设备202向网络计算设备340发送配置或校准数据。在一个实施例中，所同步的配置和校准数据包括上述通过BDB 120发送的数据中的任何数据。此外，所同步的数据可以包括由机电设备120使用的任何其他配置或校准数据。

在一个实施例中，同步数据包括：确定机电设备202上的数据与网络计算设备340上同特定机电设备202相关联的数据之间的差别，并将该数据从一个设备发送至另一设备。在一个实施例中，网络计算设备340将与机电设备202相关联的数据存储在数据库中，该数据库与标识该特定机电设备的数据(例如，序列号)相关联。在一个实施例中，当再次同步特定机电设备202时，网络计算设备340基于数据库中的数据，确定数据中的差别。在一个实施例中，在确定哪个控制数据不同之后，机电设备202向网络计算设备340发送控制数据，网络计算设备340对与机电设备202相关联的控制数据进行盖写。在另一实施例中，网络计算设备340向机电设备202发送控制数据，机电设备202对机电设备上的该数据进行盖写。在一个实施例中，一些数据可以双向发送，以用于盖写。基于一种或多种方法，确定控制数据是发送至机电设备202还是从机电设备202发送。例如，在一个实施例中，将时间戳与该数据相关联，以便在机电设备202和网络计算设备340中均保存与控制数据的特定项相关联的最新数据。在其他实施例中，关于控制数据特定项的预定规则确定如何同步数据。在一个实施例中，通过设备使用者的选择或修复医生的选择，确定同步控制数据的哪个数据特定项。在一个实施例中，新的机电设备202接收来自与网络计算设备340相关联的数据库的初始控制数据，网络计算设备340存储初始数据或对机电设备202上的任何现有数据进行盖写。

在一个实施例中，网络计算设备340用作管道，以向存储数据的另一网络计算设备341发送和接收配置或校准数据。在一个实施例中，网络计算设备340是PDA或移动电话，它通过短程网络与机电设备202通信，并将数据中继至网络计算设备341。在一个这种实施例中，网络计算设备341包括服务器计算机。因此，机电设备202可以与网络计算设备340和341中的一个或两个进行配置和校准数据的同步。

接着，在块630，机电设备202存储任何接收的数据。此外，或可选地，网络计算设备340和341可以存储任何接收的数据。在一个实施例中，设备202、340或341中的一个或多个也可以存储与同步相关的数据，例如用于标识同步中涉及的设备或数据的时间戳或数据。在一个实施例中，网络计算设备340或341在与机电设备相关联的数据库中存储数据。返回图6，方法600前进到结束状态。

图7是示出了用于安装、替换、扩增或卸载机电设备上的软件的方法700的一个实施例的流程图。方法700开始于块710，其中机电设备202建立与包含软件的源设备的通信，所述软件配置为在机电设备202执行。在一个实施例中，源设备包括网络计算设备340。在这种实施例中，机电设备202经由网络350建立与网络计算设备340的通信。在另一实施例中，源设备还包括网络计算设备341。在这种实施例中，机电设备经由网络计算设备340，通过网络350和351建立与网络计算设备341的通信。在一个实施例中，源设备包括另一机电设备。在另一实施例中，源设备包括与存储卡接口366通信的存储卡。软件可以是例如低级固件和/或高级软件。

移至块720，机电设备202或设备202的使用者选择要在其上安装的软件。在一个实施例中，使用者在适应于多种活动(例如，徒步行走、骑车或慢跑)的软件的列表中选择。在一个实施例中，将该列表显示在与网络计算设备340相关联的用户界面上。在一个实施例中，用户界面包括网络浏览器。在一个这种实施例中，用户界面接收来自网络计算设备340的列表。

前进到块730，机电设备202接收来自源设备的软件。在一个实施例中，接收软件包括通过网络350传送该软件。在另一实施例中，接收软件包括将存储卡安装在存储卡接口366中。

接下来，在块740，机电设备202安装用于执行的软件。安装软件可以包括：在存储器362的一部分中保存软件，在存储器362中更新指针或跳转表，以替换或扩增先前安装的软件，或者存储软件安装的记录。在一个实施例中，该记录包括足以去除新安装的软件的数据。在一个实施例中，机电设备202将接收的软件保存到其存储器362中。在另一实施例中，机电设备202直接从存储卡执行新软件。

移至块750，机电设备执行新软件。新软件可以替换如下模块的全部或一部分：机电设备202的状态机模块210、硬件抽象模块212、动态学习模块214、配置模块216、BDB模块218或任何其他适当软件模块中的一个或多个。新软件可以包括用于修补错误、改进性能和提供附加特征的软件更新。在一个实施例中，新软件可以包括控制机电设备202的指令，以使机电设备202执行一种或多种特定活动，例如徒步行走、骑车、游泳、慢跑、投掷、跳跃或经过特定类型的地形的运动。

要理解，依据实施例，在此所述的方法的特定动作或事件可以按照不同顺序执行，可以相加、合并或全部省略(例如，所述的全部动作或事件并非都是实施本发明所必需的)。此外，在特定实施例中，可以通过例如多线程处理、中断处理或多处理器来并发地执行动作或事件，而不是顺序地执行。

虽然上述描述示出、描述并指出了应用于多种实施例的本发明的新颖特征，但是要理解，在不背离本发明精神的前提下，本领域技术人员可以对所示设备或过程的形式和细节进行多种省略、替代和改变。将认识到，因为一些特征可以与其他特征相分离地使用或实施，所以本发明可以在并不提供这里所提出的所有特征和优点的形式范围内具体实现。

Claims (47)

1.一种用于控制与肢体相关联的设备的运动的系统，所述系统包括：

多个机电设备，所述多个机电设备的每一个配置为与所述多个机电设备中至少一个其他机电设备进行通信，所述机电设备的至少一个控制致动器。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述多个机电设备的至少一个配置为基于通信数据，产生针对所述多个机电设备中至少一个其他机电设备的控制状态。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述通信数据用于同步所述机电设备。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述多个机电设备中每一个均包括人造关节。

5.如权利要求1所述的系统，其中所述多个机电设备的至少一个包括假膝，以及所述多个机电设备的至少一个包括假脚踝。

6.如权利要求1所述的系统，其中所述与肢体相关联的设备是人造腿。

7.一种用于与至少一个其他机电设备协作来控制人类肢体运动的机电设备，所述设备包括：

通信接口，配置为与所述至少一个其他机电设备进行数据通信；

传感器，配置为获得指示所述肢体的至少一个运动参数的值；

致动器，配置为影响所述肢体的至少一个运动参数；以及

处理器，配置为基于接收到的通信数据和所述至少一个运动参数值，控制所述致动器。

8.如权利要求7所述的机电设备，其中所述通信数据包括由所述传感器获得的参数值。

9.如权利要求7所述的机电设备，其中所述通信数据包括从所述其他机电设备接收的状态机数据。

10.如权利要求7所述的机电设备，其中所述通信数据包括从所述其他机电设备接收的配置数据。

11.一种用于与至少一个其他机电设备协作来控制与肢体相关联的设备的运动的机电设备，所述设备包括：

通信接口，配置为与所述至少一个其他机电设备进行数据通信；

处理器，配置为产生所述至少一个其他机电设备的控制状态，并通过所述通信接口进行与所述控制状态相关联的数据的通信；以及

致动器，由所述处理器控制，以实现人类肢体的运动。

12.如权利要求11所述的机电设备，其中所述通信数据包括由所述其他机电设备的至少一个传感器获得的数据。

13.如权利要求11所述的机电设备，其中所述通信数据包括从所述其他机电设备接收的配置数据。

14.如权利要求11所述的机电设备，其中所述处理器还配置为基于所述控制状态，确定至少一个致动器控制命令，以及所述通信数据包括所述至少一个致动器控制命令。

15.如权利要求11所述的机电设备，其中所述通信数据包括在由所述处理器执行时影响所述控制状态的选择的软件。

16.一种将第一机电设备与第二机电设备同步的方法，其中第二机电设备与同肢体相关联的设备相关联，所述方法包括：

在第二机电设备与第一机电设备之间进行数据通信；

响应于所述通信数据，在第一机电设备上产生针对第二机电设备的控制状态；

将所述控制状态传达至第二机电设备；以及

至少部分地基于所述控制状态，控制第二机电设备上的致动器。

17.如权利要求16所述的方法，还包括：响应于所述控制状态，产生对第二机电设备的致动器进行控制的命令。

18.如权利要求16所述的方法，还包括：响应于所述通信数据，产生对第一机电设备的致动器进行控制的命令。

19.如权利要求16所述的方法，其中所述通信数据包括从第二机电设备接收的传感器数据。

20.如权利要求16所述的方法，其中所述通信数据包括指示所述控制状态的信息的至少一部分。

21.如权利要求16所述的方法，其中所述通信数据包括计算机软件，以及通过执行所述计算机软件，在所述第一机电设备上产生所述控制状态。

22.一种用于控制与肢体相关联的设备的运动的系统，所述系统包括：

机电设备；

与人类肢体相关联的传感器，用于向所述机电设备提供运动参数数据，其中所述机电设备使用所述运动参数数据来进行同步。

23.如权利要求22所述的系统，其中所述传感器接收来自人类神经系统的信号。

24.如权利要求22所述的系统，其中所述传感器接收来自与健全肢体相关联的传感器的信号。

25.如权利要求22所述的系统，其中所述运动参数数据用于与另一机电设备的同步。

26.如权利要求25所述的系统，其中所述另一机电设备向所述机电设备提供运动参数数据。

27.一种附着到人体上的机电系统，所述系统包括：

传感器，配置为提供指示人体运动的数据；

致动器，配置为控制至少一部分人体的运动；

处理器，配置为执行指令，所述指令用于基于传感器数据来控制所述致动器；以及

通信接口，配置为与数据源进行数据通信；

其中所述处理器配置为接收来自所述数据源的至少一部分指令。

28.如权利要求27所述的系统，其中所述接收的指令在被执行时，调整所述机电系统以适应特定活动。

29.如权利要求28所述的系统，其中所述特定活动包括徒步行走、慢跑和跑步中的至少一种。

30.如权利要求27所述的系统，其中所述数据源包括计算设备。

31.如权利要求27所述的系统，其中所述数据源包括存储卡。

32.如权利要求27所述的系统，其中所述致动器配置为控制人体的膝的运动。

33.如权利要求27所述的系统，其中所述指令包括第一状态机。

34.如权利要求33所述的系统，其中所述接收的指令包括第二状态机，第二状态机替换第一状态机的至少一部分。

35.如权利要求27所述的系统，其中所述通信接口配置为使用互联网协议进行数据通信。

36.如权利要求27所述的系统，其中所述通信接口配置为通过无线通信链接进行数据通信。

37.如权利要求27所述的系统，其中所述源设备包括第一和第二计算设备，所述通信接口配置为通过第一网络与第一计算设备通信，第一计算设备配置为通过第二网络与第二计算设备通信。

38.如权利要求37所述的系统，其中所述处理器配置为接收来自第二通信设备的指令。

39.一种将计算设备与同人类肢体相关联的机电系统同步的方法，所述方法包括：

在所述机电系统与所述计算设备之间进行数据通信；

在所述计算设备上存储所述数据；

响应于所述数据，在所述机电系统上产生控制状态；以及

至少部分地基于所述控制状态，控制第二机电系统上的致动器。

40.如权利要求39所述的方法，还包括：

在所述机电系统上接收传感器数据；以及

响应于所述传感器数据，在所述机电系统上产生待通信数据。

41.如权利要求40所述的方法，其中在所述机电系统与所述计算设备之间进行数据通信包括：

从所述机电系统向所述计算设备发送数据；以及

从所述计算设备向所述机电系统发送数据。

42.如权利要求39所述的方法，还包括：

基于与所述机电系统相关联的信息，从数据库获取数据；

将获取的数据从所述计算设备传达至所述机电系统；以及

在所述机电系统上存储获取的数据。

43.如权利要求39所述的方法，其中在所述计算设备上存储获取的数据包括：

将所述数据与指示所述机电系统的数据相关联；以及

在数据库中存储所述数据和所述指示所述机电系统的数据。

44.一种附着到人体上的机电系统，该系统包括：

用于提供指示人体运动的数据的装置；

用于控制至少一部分人体的运动的装置；

用于存储指令的装置，其中所述指令配置为基于传感器数据来控制致动器；

用于执行所述存储的指令并基于传感器数据来控制执行器的装置；以及

用于与数据源进行数据通信并将来自所述数据源的至少一部分指令接收到所述存储装置中。

45.如权利要求44所述的系统，其中所述接收的指令在被执行时，调整所述机电系统以适应特定活动。

46.如权利要求46所述的系统，其中所述特定活动包括徒步行走、慢跑和跑步中的至少一种。

47.如权利要求44所述的系统，其中所述控制装置包括用于控制人体的膝的运动的装置。

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