可重新配置的外骨骼的制作方法
【专利说明】可重新配置的外骨骼
[0001]相关申请案的交叉参考
[0002]本申请案主张2012年12月11日申请的标题为“可重新配置的外骨骼”的第61/735，816号美国临时专利申请案的权益。
【背景技术】
[0003]在动力下肢外骨骼的领域中(尤其在致动外骨骼支腿的至少两个自由度的情况下)，主要应用为帮助下肢完全瘫痪的人行走。针对此应用，若干装置已商业化或正商业化。然而，这些装置通常忽略了下肢功能受损的更大人群(尤其是曾发生中风的人)。中风幸存者通常展现轻度偏瘫损伤，其中一个肢比另一个肢受损更严重。虽然已设计出提供一个动力自由度的一些装置(例如，动力膝盖支架)，但这些装置仅可帮助具有更轻微的损伤的人，且无法像完整外骨骼那样适应受到严重损伤的人。此外，这些装置导致人在其受损伤较轻的腿上承受相当大的重量，所述受损伤较轻的腿必须在受损伤较重的腿处于摆动中时支撑所述装置的重量；对于具有两个或两个以上自由度的较重装置，此效果被加重。最后，所属领域中已知的动力下肢外骨骼中的平面外轴被锁定，这对于完全瘫痪的人来说是必要的，但对于偏瘫的人来说是限制性的。
[0004]可见市场上需要可用于各种残障人士(尤其是具有偏瘫或截瘫损伤的人)的多功能康复外骨骼。本申请案涉及克服这些限制以产生真正多功能的且具有商业可行性的通用康复外骨骼的若干新颖实施例。这若干实施例可单个使用或经组合以达到更大的效果。
[0005]虽然本文揭示的装置及概念同样适用于与人的上肢、下肢或两者一起工作的装置，但本文的论述将集中于用于下肢的装置。对致动哪些关节(或自由度)、允许哪些关节自由旋转、无源地控制哪些关节(使用弹性系统及/或阻尼系统)及固定哪些关节的确定是基于每一外骨骼用户的需要而做出的。此确定为限制外骨骼装置的预期用户群体的主要因素中的一者；举例来说，如果关节是固定的且用户要求所述关节自由旋转，那么所述用户无法使用所述外骨骼装置。因此，为建造可服务于更大的预期用户群体的外骨骼，最终用户可即时地根据每一外骨骼用户的需要调整关节控制方法是有益的。
【发明内容】
[0006]本发明涉及一种下肢外骨骼，其经配置以耦合到具有相异的右侧身体机能及左侧身体机能的人。出于此目的，所述下肢外骨骼包含:经配置以耦合到人的下肢的非对称构造或控制的右腿支撑件及左腿支撑件，其中每一腿支撑件经配置以在站立姿势阶段期间搁置在地面上且包含通过膝关节互连的大腿连杆及小腿连杆；以及非对称构造或控制的外骨骼躯干，其经配置以耦合到人的上身且通过相应矢状髋关节可旋转地连接到所述腿支撑件的大腿连杆中的每一者。第一转矩修改器跨越所述右腿支撑件及所述左腿支撑件中的一者的膝关节耦合，而第二转矩修改器耦合到所述右腿支撑件及左腿支撑件中的同一者的髋关节。所述第一转矩修改器及所述第二转矩修改器提供对所述下肢外骨骼的右侧部分及左侧部分的相异调节以补偿所述人的所述相异的右侧身体机能及左侧身体机能。
[0007]本文揭示用作所述第一转矩修改器及所述第二转矩修改器且允许最终用户即时调整及控制外骨骼关节从而使得增大的预期用户群体能够使用特定外骨骼装置的若干装置。这些装置分成三个类别。所描述的第一装置允许创造模块化关节系统，在所述系统中，可改变或交换个别外骨骼关节或肢以针对特定用户优化外骨骼。所描述的第二装置允许通过使用软件来即时调整经致动的外骨骼关节来模拟自由旋转的关节。描述此方法的多个实施例，所述多个实施例包含允许外骨骼关节无摩擦感且甚至允许外骨骼支架无重量感及质量感的超常实施例。第三装置为一对机械解锁关节，其允许外骨骼支腿在未经致动的轴中枢转或不枢转。第一解锁关节为特定机械解决方案，其允许管状轴向旋转外骨骼关节在固定与自由旋转之间切换，同时具有整体独立锁定长度调整。第二解锁关节为特定机械解决方案，其允许旋转关节在固定与自由旋转之间切换，同时当处于自由旋转状态中时具有对固定关节位置的角度及整体硬止动的整体调整。这些结构及方法共同地允许外骨骼设计者创造具有极大地扩展的预期用户群体的外骨骼。
[0008]总的来说，根据本发明，本发明的装置可单个或组合地运用在商业化产品中。在任何情形中，基于以下陈述的详细论述(尤其参考其中相同参考数字在若干视图中指代对应部件的附图)将更显而易见本发明的额外目标、特征及优势。
【附图说明】
[0009]图1A说明具有一或多个模块化关节或附件的外骨骼系统。
[0010]图1B为图1A的外骨骼系统的侧视图。
[0011]图1C为根据本发明的实施例构造的外骨骼系统的透视图。
[0012]图2为具有机电膝盖制动件的模块化外骨骼附件的侧视图。
[0013]图3A为下身外骨骼系统的示意侧立面图。
[0014]图3B说明与图3A的下身外骨骼系统一起使用的关节模块的第一实施例。
[0015]图3C说明与图3A的下身外骨骼系统一起使用的关节模块的第二实施例。
[0016]图3D说明与图3A的下身外骨骼系统一起使用的关节模块的第三实施例。
[0017]图3E说明与图3A的下身外骨骼系统一起使用的关节模块的第四实施例。
[0018]图3F说明与图3A的下身外骨骼系统一起使用的关节模块的第五实施例。
[0019]图4说明根据本发明的示范性外骨骼连接布置。
[0020]图5说明结合本发明使用的控制算法。
[0021]图6说明根据本发明的在外骨骼组件连杆之间使用的旋转锁定布置的实施例。
[0022]图7说明根据本发明的在外骨骼组件连杆之间使用的旋转锁定布置的另一实施例。
[0023]图8说明根据本发明的在外骨骼组件连杆之间使用的旋转锁定布置的进一步实施例。
[0024]图9说明根据本发明的在外骨骼组件连杆之间使用的调整布置。
【具体实施方式】
[0025]根据受试人协议对中风患者执行的大量测试表明，具有慢性损伤的中风患者可受益于一种外骨骼，其中可交换支腿使得外骨骼的仅一侧被致动。此知识导致如现将描述的根据本发明的并入有转矩修改器的第一类别的模块化系统。一般来说，第一实施例使单个外骨骼能使截瘫者能够行走并辅助中风患者的步态训练。这两个群体可得到外骨骼装置的不同配置的最佳服务。完全截瘫者可能缺乏某个高度以下的任何肌肉控制；在此情形中，必须控制所述人的每一自由度一使用马达、无源元件(例如，弹簧或阻尼器)或通过简单地完全将自由度锁定。相反，中风患者可具有较少受影响的肌肉控制几乎正常的一侧身体；在此情形中，应尽可能少地控制自由度，使得所述人在其较少受影响的体侧上的步态及平衡不被妨害。虽然这些概念是特别针对截瘫移动性及中风康复的用户组合而描述，但所揭示的特征可应用于单个外骨骼的广泛范围的可能用户组合。
[0026]模块化外骨骼系统
[0027]本发明的第一方面涉及一种外骨骼系统，其中关节中的一或多者或整个外骨骼附件在构造上是模块化的，使得不同版本的关节或外骨骼附件可由最终用户即时安装在单个外骨骼装置上。此方式允许最大的灵活性，这是因为可针对特定用户群体完全优化关节或外骨骼附件。此外，所述外骨骼通常可较便宜且较轻质，这是因为无需安装特定患者不需要的马达。此方式的缺点是必须提供多个版本的外骨骼关节或外骨骼附件。
[0028]如参考图1A、1B及IC所展示，外骨骼100具有四个支腿，S卩，经致动支腿IllR及IllL及未经致动支腿112R及112L，其中在任何一个时间仅连接两个支腿。经致动支腿IllR及IllL类似于所属领域中已知的支腿，且在此实施例中包括经致动的膝盖及髋部。作为实例，左经致动支腿IllL展示为包括髋部致动器121L及膝盖致动器120L。然而，在此实施例中，外骨骼100进一步包含未经致动支腿112R及112L。经致动支腿或未经致动支腿可使用连接件150附接到躯干110 (前提是给定支腿的手性(chirality)适合于所述支腿将被附接到的躯干110的侧)。虽然连接件150可由单个螺栓连接件构成，但将支腿连接到躯干110的各种其它机械手段也是可行的。此外，还将通常使用电连接器提供支腿与躯干110之间的电连接，且在这些图中未图示这些连接。在一些实施例中，连接件150可并入有结构性连接件及电连接件两者。
[0029]现将参考左未经致动支腿112L详细描述未经致动支腿的特征，但应理解，在适当的情况下，右未经致动支腿112R将含有带有相反手性的实质上相同组件。图1B呈现未经致动支腿112R的正视图及贯穿本文档使用的坐标惯例，其中箭头160正交于矢状平面，箭头161正交于冠状平面且箭头162正交于横向平面。未经致动支腿112L包含髋部连杆130，髋部连杆130在连接件150处连接到躯干110。髋部枢轴131在矢状平面中将髋部连杆130可旋转地连接到大腿连杆134。髋部枢轴131进一步包含与外骨骼控制器101 (图1C)通信的髋部定向传感器140以测量髋部枢轴131的相对运动。恰在髋部枢轴131下方，髋部外展枢轴132允许支腿在设定的运动范围内外展。一般来说，外展枢轴132包含在站立姿势期间防止过度外展的一系列运动止动件，使得在单个站立姿势期间由躯干110产生的力矩被转移到支腿112L而非通过穿戴外骨骼100的人。在外展枢轴132下方的是髋部旋转件133，髋部旋转件133允许横向平面中的旋转。通常，髋部旋转