本發(fā)明廣泛地涉及一種用于肢體康復的致動器裝置、方法和系統(tǒng)，特別是用于手和踝的康復。

背景技術(shù)：

運動功能的損傷是發(fā)展神經(jīng)系統(tǒng)疾病，如中風或招致如創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎的損傷后表面最常見的問題。運動功能損傷后，一個人會失去他或她進行日常生活(ADLs)活動的能力。

例如，手部功能受損的患者需要持續(xù)接受被動運動練習，涉及重復的任務，例如抓住和相對運動。具有執(zhí)行重復任務能力的機器人設備已經(jīng)被提出，以在康復過程中協(xié)助照顧者，并提供更加量化的過程。一個例子是手外骨骼，其位于手的周圍，以引導手指關(guān)節(jié)成所需的軌跡。

常規(guī)手外骨骼裝置的設計涉及電纜驅(qū)動，聯(lián)動型和氣動機構(gòu)。雖然這些設計有某些優(yōu)點，諸如剛性的機械身體支撐和可預測和更容易控制的線性力傳遞，但當設備與穿用者相互作用時它們也攜帶若干缺點。例如，電纜驅(qū)動和聯(lián)動型的裝置，如P.Heo，G.Gu，S.-j.Lee，K.Rhee和J.Kim，"Current hand exoskeleton technologies for rehabilitation and assistive engineering"，International Journal of Precision Engineering and Manufacturing，第13卷，第807-824頁，2012/05/01 2012描述的通常是笨重和不舒服的；而在氣動驅(qū)動裝置中，例如在J.Arata，K Ohmoto，R Gassert，O.Lambercy，H.Fujimoto和I.Wada，"A new hand exoskeleton device for rehabilitation using a three-layered sliding spring mechanism"，Robotics and Automation(ICRA),2013IEEE International Conference，2013，第3902-3907頁描述的，需要致動器到關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心的精確附件并且預期要更長的準備時間。此外，由于通常的的手外骨骼包括剛性部件例如電機和線性致動器，它們誘導外骨骼和手之間的支撐連接器的高應力以及通過限制其非致動的自由度(DOFs)妨礙關(guān)節(jié)的自然運動。

在另一方面，深部靜脈血栓(DVT)是患者中由于各種臨床因素可能會出現(xiàn)的嚴重并發(fā)癥，其中血凝塊在下肢深靜脈形成并且影響正常血流。

DVT的預防目前大致可分為兩類；藥物預防和機械預防，其中藥物預防需要使用抗凝血藥，以防止血液凝固。有幾種市售的醫(yī)院通常采用的機械預防系統(tǒng)，這里的手段是側(cè)重于促進靜脈血流，以解決靜脈淤滯的問題。一種這樣的裝置是使用氣動泵壓縮小腿的間歇氣動壓縮系統(tǒng)(瑞典，Arjohuntleigh，F(xiàn)lowtron)，其中建議壓縮小腿的壓力設定到40mmHg。另一種設備是梯度壓縮儲存，利用從腳到大腿的壓力梯度，促進靜脈血液流動(愛爾蘭，柯惠醫(yī)療)。這種機械預防系統(tǒng)有副作用，如具有利用間歇氣動系統(tǒng)時的皮膚破裂或損傷或利用梯度壓縮儲存時的潰瘍，水泡和皮膚壞死。

本發(fā)明的實施例提供了一種用于肢體康復的致動器裝置、方法和系統(tǒng)，并且尋求解決至少一個上述問題的氣動致動器元件。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

按照本發(fā)明的第一個方面，提供了一種用于肢體康復的致動器裝置，包括一個或多個氣動致動器元件；和用于將氣動致動器元件在肢體的一個或多個關(guān)節(jié)上或附近耦合到肢體的機構(gòu)；其中，每個氣動致動器元件包括：具有縱向軸線的可膨脹主體；一個或多個形成在主體中的通道網(wǎng)絡，使得在該氣動致動器元件的默認狀態(tài)下，每個通道網(wǎng)絡的沿縱向軸線的投影長度比該每個通道網(wǎng)絡的總通道長度短。

按照本發(fā)明的第二個方面，提供了一種使用如第一方面所定義的裝置的肢體康復方法。

按照本發(fā)明的第三個方面，提供了一種用于肢體康復的系統(tǒng)，包含如第一方面所定義的裝置；用于選擇性地將氣動致動器元件膨脹和收縮的泵系統(tǒng)；和用于泵系統(tǒng)的控制器。

按照本發(fā)明的第四方面，提供了一種包括具有縱向軸線的可膨脹主體的氣動致動器元件；和形成在所述主體中的一個或多個通道網(wǎng)絡，使得在該氣動致動器元件的默認狀態(tài)下每個通道網(wǎng)絡的沿縱向軸線的投影長度比該每個通道網(wǎng)絡的總通道長度短。

附圖說明

從下面的說明書中，僅通過示例的方式和結(jié)合附圖，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員，本發(fā)明的實施例將得到更好的理解和顯而易見，其中：

圖1a)-c)示出根據(jù)示例實施例的用于氣動致動器元件的制造的模具的示意圖。

圖2a)-b)示出根據(jù)示例實施例的氣動致動器元件的彎曲動作的示意圖。

圖3a)-c)示出根據(jù)示例實施例的氣動致動器裝置的彎曲動作的示意圖。

圖4a)-c)示出根據(jù)示例實施例的氣動致動器裝置的示意圖。

圖5示出根據(jù)示例實施例的氣動致動器裝置的示意圖。

圖6a)-b)示出根據(jù)示例實施例的氣動致動器裝置的示意圖。

圖7a)-b)示出圖6a)-b)的氣動致動器裝置的彎曲動作的示意圖。

圖8a)-b)示出根據(jù)示例實施例的用于氣動致動器元件的制造的模具的示意圖。

圖9a)-c)示出了根據(jù)示例實施例在不同的致動狀態(tài)的原型氣動致動器裝置的照片。

圖10a)示出了根據(jù)示例實施例的原型氣動致動器元件對的照片。

圖10b)示出了根據(jù)示例實施例的氣動致動器裝置的示意圖。

圖11)示出了根據(jù)示例實施例的用于肢體康復的系統(tǒng)的示意圖。

圖12示出了根據(jù)示例實施例的示出致動-校準程序界面的屏幕截圖。

圖13a)-b)示出了根據(jù)示例實施例在不同的致動狀態(tài)的原型氣動致動器裝置的照片。

圖14a)-b)示出了根據(jù)示例實施例在不同的致動狀態(tài)的氣動致動器裝置的示意圖。

圖15a)-b)示出了根據(jù)示例實施例的氣動致動器裝置的示意圖。

圖15c)-e)示出了圖15a)-b)中在不同的致動狀態(tài)的氣動致動器裝置的示意圖。

圖16a)-b)示出根據(jù)示例實施例的用于氣動致動器元件的制造和模具的示意圖。

圖17a)-b)分別示出根據(jù)示例實施例的表征氣動致動器元件的實驗裝置的示意圖，以及獲得的其結(jié)果的曲線圖。

圖18示出了根據(jù)示例實施例從氣動致動器元件測得的應變力的數(shù)據(jù)的曲線圖。

圖19a)-b)示出根據(jù)示例實施例從氣動致動器元件獲得測量踝關(guān)節(jié)背屈/跖屈數(shù)據(jù)的圖表。

圖20a)-g)示出根據(jù)示例實施例的致動器元件的示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明的示例實施例提供軟機器人手套和襪子，其設計以分別改善患者的手和踝的移動性，并恢復基本的手和踝的功能，如手開/閉或踝關(guān)節(jié)背屈-跖屈。描述的示例實施例包括軟氣動致動器，以產(chǎn)生所希望的彎曲和關(guān)節(jié)屈曲。在示例實施例中，這些軟耐磨康復裝置可以有利地用于減少由神經(jīng)系統(tǒng)疾病，如中風或帕金森氏疾病，引起的殘疾以便協(xié)助他們實現(xiàn)日常生活活動的最高獨立水平。

對于在此描述的示例實施例的軟機器人或機器人致動器，通常使用軟光刻技術(shù)制造。簡要地說，具有特殊的氣動網(wǎng)絡的模具用計算機輔助繪圖設計并且在此后3D打印。隨后，將彈性混合物，如(但不限于)Smooth-On公司，DragonSkin10，硅橡膠，倒入模具中固化以創(chuàng)建模具的復制陰模，然后用另一層彈性材料密封，該彈性材料可以是與用于創(chuàng)建模具的相同或不同的材料。

優(yōu)選地，本發(fā)明的示例實施例是基于改進的軟光刻技術(shù)制成，其中設計了帶有(多個)氣動通道102的底模100，如在圖1b)示出。(多個)氣動通道102可以使用諸如，但不限于，3D打印或成形為所希望的特征輪廓的線的方法創(chuàng)建。設計了具有控制特征通道106的頂模104，見圖1a)。合模108在圖1c)中示出。然后執(zhí)行使用彈性材料(例如DragonSkin10硅橡膠)的固化處理，以形成具有可膨脹主體的致動器/致動器元件。一旦該彈性體被固化，該結(jié)構(gòu)結(jié)合到抑制層200(例如織物或彈性材料制成的較厚的層)，形成軟致動器202。在加壓下，(多個)氣動通道將朝具有凹凸表面的外壁204膨脹，對應于特征通道106，比較圖1a)，作為與抑制層200相對的有紋理的表面的一個例子，其因而彎曲軟致動器202并且產(chǎn)生一個彎曲運動，如在圖2a)-b)中所示。

形成通道網(wǎng)絡206，這樣在軟氣動致動器202的默認或空檔狀態(tài)時，沿致動器202主體的縱向軸線208的通道網(wǎng)絡206的投影長度比通道網(wǎng)絡206的總通道長度短。如本文所用，“默認狀態(tài)”意欲指其中所述氣動致動器經(jīng)受的環(huán)境壓力條件的狀態(tài)下，即內(nèi)部通道網(wǎng)絡的壓力基本上等于環(huán)境壓力，例如1個大氣壓。

在各種實施例中，氣動通道可采取各種不同的形式，形狀和尺寸，其中沿致動器主體的縱向軸線的每個通道網(wǎng)絡的投影長度比該每個通道網(wǎng)絡的總通道長度短。在圖20a)-g)中，示意性示出具有不同通道網(wǎng)絡2011-2025的致動器2001-2007的非限制性實例，對應于致動器的主體的縱向軸線例如2027。值得注意的是，圖20中的附圖不旨在按比例相對于彼此，即設計之間的相對尺寸可以改變。例如，致動器2004-2007可具有對應于一個人的手指的長度，同時相應的通道網(wǎng)絡例如2014-2016設置在沿同一手指不同的手指關(guān)節(jié)上或附近。作為另一示例，致動器2001-2003可具有與一個人的手指對應的長度，或在另一實例中，較小尺寸的個別人的致動器2001-2003可以設置在各自手指關(guān)節(jié)上或附近。

關(guān)于致動器2001-2003，線性通道部分例如2026，2028能夠設置在通道網(wǎng)絡例如2011的一端或兩端，并且關(guān)于致動器2004-2007，線性通道部分例如2030，2032可以設置在一端或兩端以及線性部分如2034可以設置在通道網(wǎng)絡例如2014，2015之間，用于連接/互連到氣動源(未示出)，如泵，可能具有串聯(lián)和/或并聯(lián)的兩個或多個致動器到一個或多個氣動源。

致動器2001-2003體現(xiàn)在單個氣動致動器元件內(nèi)的單個通道網(wǎng)絡例如2044，而致動器2004-2007體現(xiàn)在單個氣動致動器元件內(nèi)的兩個或多個的通道網(wǎng)絡例如2041-2043。

不像現(xiàn)有的使用不順暢的、與人類的關(guān)節(jié)的剛度不兼容的致動器和/或趨向于重并難以操作的機器人裝置，本發(fā)明的實施例有利地解決這些難題。軟致動器的示例實施例可以優(yōu)選用于康復應用(包括手和踝的治療)。根據(jù)示例實施例的軟致動器的設計可以導致康復更大的進步，因為它有利地更耐磨，更輕，提供更安全的人-機器人的相互作用。

在本發(fā)明的各種實施例，一個附加控制機構(gòu)控制軟致動器的彎曲運動輪廓。在一個實施例中，這是通過嵌入高強度的線或多個線實施，例如但不限于，凱夫拉線或線300作為軟致動器302-304的抑制結(jié)構(gòu)的例子，如在圖3a)-c)分別所示的例如前端彎曲限制，前端和后端彎曲限制，中間彎曲限制設計。各種合適的材料可以用于該線或線300，包括但不限于，尼龍，聚偏二氟乙烯(PVDF)，聚乙烯，滌綸和迪尼瑪(UHMWPE)。

在不同的實施例中，這可通過結(jié)合(多個)模塊化套筒或夾子400作為在軟致動器402-404內(nèi)的控制特征通道例如404的頂部的抑制結(jié)構(gòu)的例子，以限制致動器的特定部分的彎曲，如圖4a)-c)分別所示的例如前端彎曲限制，前端和后端彎曲限制，中間彎曲限制的設計。各種合適的材料可被用于該(多個)套筒或(多個)夾子400，包括與軟致動器相比任何較硬的和非彈性材料，例如但不限于，塑料，紙，布，紡織品，織物，無紡布。

這樣的實施例優(yōu)選提高致動器的可定制性，并且在患者專用的個性化的康復過程中尤其有利。

在各種實施例中，軟彎曲致動器500可以附著到手套502的手指部分，作為用于將氣動致動器元件在肢體的一個或多個關(guān)節(jié)上或附近耦合到肢體的機構(gòu)的例子，這樣提供軟機器人手套504，用于手部康復，如圖5所示。致動器500的膨脹可以使手移動到各種姿勢，例如，近端指間關(guān)節(jié)屈曲，掌指關(guān)節(jié)屈曲或把持姿勢，這取決于上述的各種實施例控制機構(gòu)如何應用到致動器500。各種合適的材料可用于手套504，包括典型的手套材料，例如但不限于，萊卡，氯丁橡膠，彈性纖維，棉花，布，針織或氈羊毛，皮革。在各種示例實施例中，每個軟氣動致動器500可以有自己專用的入口如506，使得它們可以被單獨致動以移動所期望的手指，或以一定的組合致動，以實現(xiàn)所需的手的治療的配置。

在各種實施例中，可以使用在各自的指關(guān)節(jié)具有局部氣動特征或網(wǎng)絡600的具有基本上呈線性的氣動通道602的軟致動器，嵌入在手套604，作為用于將氣動致動器元件在肢體的一個或多個關(guān)節(jié)上或附近耦合到肢體的機構(gòu)的例子，以提供一個機器人手套606，如在圖6a)-b)中示出。這些彎曲的致動器600，602的膨脹可在每個手指關(guān)節(jié)創(chuàng)建屈曲或伸展運動，取決于背或掌致動器600，602是否被膨脹，如圖7a)-b)所示。如在圖7a)-b)所示，各單獨的線性通道604，606互連背和掌致動器600，602，用于背和掌致動器的選擇性控制。即，在這樣的實施例中，軟氣動特征做得較小以覆蓋單個手指關(guān)節(jié)，而不是整個手指段，以便使每個手指關(guān)節(jié)分離地屈伸。應當理解，致動器600，602可以單獨使用模具制造，諸如上文參考圖1a)-c)所描述的模具108，并通過相應的線性通道部分相互連接，或使用具有由線性通道部分相互連接的幾個局部氣動特征的較大的模具。

在各種示例實施例中，由兩部分組成的3D打印可重復使用的模具用于制造具有可變剛度的軟彎曲致動器。如在圖16a)中所示，下部模具(通道模具)1600被用于創(chuàng)建該致動器內(nèi)部的氣動通道，其將在加壓下膨脹，而上部模具(特征模具)1604用來在致動器的不同位置施加可變剛度，其確定所述致動器的彎曲輪廓。

特征模具1604的設計可用于患者專用應用的定制，即在上部模具的尺寸和特征將根據(jù)病人的手，以及不同的治療練習所需的尺寸設計。確認所需要的尺寸和練習之后，該特征模具1604可例如使用CAD軟件(美國，Dassault Systèmes SolidWorks公司)和3D打印(美國，Stratasys有限公司，Object500Connex)進行設計。根據(jù)一個示例實施例，用于具有可變剛度的致動器1616的制造過程如圖16b)中所示。在步驟i)中，通道模具1600被提供。在步驟ii)中，液態(tài)彈性體1602(如，但不限于，Smooth-On公司，DragonSkin10)倒入通道模具1600中，在步驟iii)，在該示例實施例中，該特征模具1604放置在填充的通道模具1600的頂部，來創(chuàng)建一個波紋類似手風琴的外層。在步驟iv)中，在一個示例實施例中，整體是在環(huán)境壓力，例如約1個大氣壓下，在約60℃下固化，約15分鐘。在步驟v)中，固化結(jié)構(gòu)1608的底部1606用應變抑制層1609密封，例如但不限于，紙，布，紡織纖維玻璃，聚二甲基硅氧烷(PDMS)。在步驟vi)中，一個手風琴形織物1610連接到致動器1616的遠端和近端以防止外層1612過度膨脹。

在加壓時，致動器會在具有最低剛度的位置彎曲。給不同位置分配不同的剛度，致動器可符合不同形狀，不僅是一個典型的圓形構(gòu)造。控制系統(tǒng)和氣動系統(tǒng)被組裝在各種實施例中，以允許各致動器的分離的控制?？諝饪梢酝ㄟ^例如壓縮機或用于致動的微型隔膜泵供給。

由根據(jù)示例實施例的致動器1700施加的尖端的力使用如圖17a)所示的定制的力測量裝置1702在增加的壓力上測量。該系統(tǒng)1702包括一個壓縮測壓元件1704(美國，Measurement Specialties公司，F(xiàn)C22)和一個安裝平臺1706。致動器1700的近端1708被安裝在平臺1706上，并通過連接管1710連接到空氣源(未示出)。致動器1700的遠端1712與測壓元件1704接觸。限制平臺1714被定位在致動器1700上方。

加壓期間，致動器1700彎曲，并開始與抑制平臺1714接觸，這限制了致動器1700的高度和曲率。沿致動器1700產(chǎn)生的彎曲力傳遞到遠端1712，在那里可以通過測壓元件1704來測量。

尖端力隨著壓力的增加而增加，參見在圖17b)所示的曲線圖的曲線1716。致動器樣品組的最大力和最大致動壓強是9.25±0.48N和200kPa。據(jù)估計，8N的最小力是優(yōu)選的，以實現(xiàn)大多數(shù)日常生活物體的掌握和操縱。因此，估算的該致動器樣品組的末端力，是有利地足以致動人的手指以及實現(xiàn)握持動作。

為了在MR環(huán)境下測試根據(jù)各種實施例的軟機器人手套的相容性，進行模型測試，并進行了圖像的信噪比(SNR)變化的計算。NiS04x6H20組成的西門子標準球形模型被用作SNR測量模型。首先獲得不存在手套的模型控制圖像。

在一項試驗中，根據(jù)一個示例實施例的軟機器人手套放置在掃描儀桌上。硅氣動管連接到所述致動器，并且管的遠端被連接到位于MR房間外的控制系統(tǒng)的氣動閥。然后模型圖像在MRC-手套存在的情況下獲得的。然后在整個測試中保持靜止。

在另一項試驗中，模型圖像在軟機器人手套的存在下獲得，同時致動器激活。致動器根據(jù)一預設的序列被激活。控制系統(tǒng)激活氣動閥，并且空氣壓縮機通過閥為致動器供給空氣。在CPM運動的一個周期中，閥被激活3秒并停用另一3秒。供給壓力設定在200kPa。3秒和200kPa分別為激活時間和供給壓力，對應于根據(jù)來自MR環(huán)境外部的運動測試的范圍的結(jié)果的全手指屈曲。

在另一項試驗中，進行人的試驗，其中健康人受試者接受由軟機器人手套輔助的持續(xù)被動運動(CPM)手練習，其根據(jù)預先設定的實驗范例被激活。

由上述試驗的結(jié)果，可以得出有利的結(jié)論，盡管根據(jù)各種實施例的軟機器人手套的引入和操作，圖像的質(zhì)量沒有顯著改變。

在各種實施例中，軟致動器，也可以利用具有緊湊氣動通道的較大尺寸，諸如以鋸齒形圖案制造，因此，這些氣動通道的膨脹將創(chuàng)建擴展致動器的膨脹口袋。這樣的通道模式也可以減少致動器的整體剛度。在圖8a)和b)中示出用于制造這樣的軟致動器800的示例模具。鋸齒形圖案802被再次設計使得通道網(wǎng)絡在軟致動器的制造中形成，在該氣動致動器元件的默認默認狀態(tài)下，沿縱向軸線(對應于模具800的縱軸804)的投影長度比通道網(wǎng)絡的總通道長度短。

在各種實施例中，提供軟機器人襪裝置900，使用模具如上述參考圖8的模具800制造的這類軟致動器901，902，可被分別放置在襪子904的跖側(cè)(即腳的底部)和背側(cè)(即腳的頂部)，作為用于將致動器耦合到人的肢體上的機構(gòu)的例子，如在圖9a)所示。未膨脹致動器901，902在背，腹兩側(cè)張緊保持踝，保持在一個空檔的姿勢。在腹致動器901的膨脹下，致動器901膨脹和放松其張力，讓踝通過緊張的背致動器902移動到背屈，如圖9b)所示。當背致動器902膨脹時，該致動器膨脹和放松其張力，讓踝通過緊張的腹致動器901移動到跖屈。

在各種實施例中，提供一軟機器人襪子型裝置1000，在其中雙擴展軟致動器1002可被放置在脛1004的腹側(cè)，如圖10a)-b)所示。雙擴展軟致動器1002包括一對單個軟延伸致動器，如可利用在圖8a)-b)中所示的模具來制造的類型，其可各自在織物1003中包封，并在遠端互相連接，例如使用帶1004。該對單個軟延伸致動器可以并聯(lián)連接到一個公共氣源，例如通過單個閥和T接頭1005。致動概念是當雙擴展軟致動器1002膨脹時，使得致動器1002擴展并將腳1006推向遠側(cè)，這因此有助于踝跖屈。另一方面，當致動器1002收縮時，致動器1002收縮回其原來的長度，得到的張力將協(xié)助踝關(guān)節(jié)背屈運動。值得注意的是，如本文所用的“收縮”，是指包括汲出到環(huán)境壓力和/或(多個)致動器的(多個)通道的主動排氣，并且可包括抽空(多個)通道到低于環(huán)境壓力的壓力。

軟機器人襪子型裝置1000是一種模塊化設計，包括不同的模塊，即：襪子1008作為將氣動致動器元件在肢體的一個或多個關(guān)節(jié)上或附近耦合到肢體的機構(gòu)的例子，膝套筒1010作為將氣動致動器元件在肢體的一個或多個關(guān)節(jié)上或附近耦合到肢體的機構(gòu)的例子，軟雙擴展致動器1002，關(guān)節(jié)角度傳感器1012和可編程泵-閥控制系統(tǒng)1100(圖11)。這些模塊能夠容易地組裝到患者身上，同時允許模塊的位置調(diào)整，這取決于病人的小腿尺寸。踝關(guān)節(jié)運動由放置在襪子1008跖側(cè)的嵌入的關(guān)節(jié)角度傳感器1012捕獲，在示例實施例中，允許無線傳輸?shù)街委煄煹淖烂?筆記本電腦，在機器人輔助治療期間用于觀察該患者正在經(jīng)歷的踝關(guān)節(jié)的運動范圍。

在圖11中所示的可編程泵-閥控制系統(tǒng)1100的主要部件包括電動泵1102，控制程序/微控制器1104，軟機器人襪裝置1107上的傳感元件(未示出)和關(guān)節(jié)角度傳感器單元1108之間的Xbee(或其他)無線收發(fā)信機鏈接1105，以及電子閥1106。系統(tǒng)1100安裝有根據(jù)示例實施例的在圖12中示出的致動-校準程序，和致動-校準程序界面1200?？梢园ㄒ韵鹿δ埽汗δ堋?”-“3”分別控制致動器的膨脹、保持壓力和收縮，功能“4”運行關(guān)節(jié)角度傳感器的校準，以確定活動踝關(guān)節(jié)的運動范圍，功能“5”運行踝運動周期，其以預定的持續(xù)時間和膨脹/收縮定時，具有踝關(guān)節(jié)角度的實時關(guān)節(jié)角度傳感器/慣性測量單元(IMU)的反饋，以及功能“8”為另一個患者使用復位關(guān)節(jié)角度傳感器。

如本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的，這樣的系統(tǒng)和界面可以專門為所需目的建造，或者可以包括由存儲在裝置中的計算機程序選擇性激活或重新配置的一裝置。這種計算機程序可以存儲在任何計算機可讀介質(zhì)上。該計算機可讀介質(zhì)可以包括存儲裝置，如磁盤或光盤，存儲芯片，或適合與一個設備接口連接的其他存儲裝置。該計算機可讀介質(zhì)還可以包括硬連線介質(zhì)或無線介質(zhì)。所述計算機程序當在裝置上有效地加載并執(zhí)行時導致實現(xiàn)控制方法的步驟的設備。

這樣的系統(tǒng)也可被實現(xiàn)為硬件模塊。更具體地，在硬件的意義上，模塊是一個功能性硬件單元，設計為與其它組件或模塊一起使用。例如，模塊可以使用分立的電子元件來實現(xiàn)，或者它可以形成一個完整的電子電路，例如專用集成電路(ASIC)的一部分。存在許多其他的可能性。那些本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，該系統(tǒng)還可以作為硬件和軟件模塊的組合來實現(xiàn)。

返回到圖10a)-b)，根據(jù)各種實施例的由Smooth-On公司，DragonSkin10，彈性材料制成的軟致動器1002的校準有一個正的應變力的關(guān)系，并能在100％應變下發(fā)揮33.2±0.3N的峰值力，參見在圖18所示的曲線圖的曲線1800。致動器的應變力的行為，通過控制致動器的擴展率和測量所得到的力輸出，在靜態(tài)張力拉伸機(美國，英斯特朗)上進行測試。對于此校準設置，軟致動器以恒定應變速率從25cm左右的初始長度被拉至約100％的應變?yōu)榧s30秒。

對于受試者檢測，使用示例實施例在受試者上的平均照相測定機器人輔助踝彎屈為15.6±0.8°，而慣性測量單元(IMU)，使用相同示例實施例在受試者上的測定機器人輔助踝彎屈為17.6±1.9°，參見分別在圖19b)中所示的曲線1900和1902以及在圖19b)中所示的圖表中的列1904和1906。對于另一個示例受試者，平均照相測定機器人輔助踝彎屈為18.1±0.1°，而IMU使用相同示例實施例在另一個受試者上的測定機器人輔助踝彎屈為14.3±0.6°，參見在圖19b)所示的圖表中的列1908和1910。對于照相測定和IMU測定的機器人輔助踝彎曲之間的絕對差，平均誤差為2.7±1.4，參見在圖19b)所示的圖表中的列1912和1914。

根據(jù)各種實施例的致動器在使用材料的彈性來創(chuàng)建引起踝關(guān)節(jié)背屈的張力的概念上起作用。相應地，通過改變所用的軟的彈性體的類型，可以有利地提供不同的應變力分布的致動器。

在各種實施例中，通過在預縫合織物1003內(nèi)包圍致動器，參見圖10a)，致動器的致動信息可以有利地控制。通過放置織物，優(yōu)選徑向致動可以被減少，從而允許更好的軸向致動以促進所述致動器的伸展和收縮。

另外地或可替代地，織物套也可有利地防止通過爆裂可潛在地損害致動器的徑向過度膨脹。

IMU被附著在各種實施例中的后跟的跖骨區(qū)域，以便提供踝關(guān)節(jié)運動的實時反饋。結(jié)合各種實施例的電子系統(tǒng)的無線功能，實時的反饋數(shù)據(jù)可被提供給治療師或醫(yī)生等，使他們可以監(jiān)測踝運動。這個實時反饋也允許踝運動的被動范圍的任何改進的監(jiān)測。

對于各種示例實施方式中，IMU放置在受試者的跖骨區(qū)域中，假設在整個的被動練習的持續(xù)時間內(nèi)該受試者的下肢平行于地面。然而，應注意的是，本應用并不限定于跖區(qū)或背區(qū)，而是在不同的實施例中，附加地或備選地可以放置在外側(cè)和內(nèi)側(cè)兩邊。雖然與實際踝關(guān)節(jié)角度進行比較，由于在襪子上的IMU的附著，從而聯(lián)接到軟組織時，報道IMU值仍稍有偏差，這被認為不會是一個關(guān)鍵問題，因為IMU的主要功能是為醫(yī)生提供實時反饋，在那里他們可以在遠離患者的病床的時候無線地捕捉患者的關(guān)節(jié)運動。這當作被動練習的功效的相互作用的一種形式，并由此允許醫(yī)師來改變練習的參數(shù)，例如每個練習周期的持續(xù)時間。使用所述的IMU之前，實施適當?shù)男食绦蚩梢杂欣剡M一步提高IMU確定運動范圍的準確性。

在各種實施例中，提供軟機器人襪裝置1300，其中，致動器1302被放置在襪子1304的內(nèi)側(cè)和/或外側(cè)，作為將氣動致動器元件在肢體的一個或多個關(guān)節(jié)上或附近耦合到肢體上的機構(gòu)的一個例子，以提供輔助的外旋和內(nèi)旋，如圖13a)-b)所示。

在各種實施例中，提供軟機器人襪子型裝置1400，其中致動器1401，1402可以被分別放置在脛1404的腹側(cè)和背側(cè)兩側(cè)，使用套筒(未示出)作為將氣動致動器元件在肢體的一個或多個關(guān)節(jié)上或附近耦合到肢體的機構(gòu)的例子，如在圖14a)-b)中所示的。致動器1401，1402經(jīng)由引導織物1408連接到腳趾的背側(cè)和腹側(cè)，以模擬腱-鞘機構(gòu)，對比在圖14a)-b)中的引導織物1408和織物護套元件1409。提供用于致動器1401，1402的各自獨立的進氣口1410，1412，用于致動器的選擇性控制。在腹致動器1401膨脹時，致動器1401膨脹并放松它的張力，讓踝通過緊張的背動器1402移動到跖屈，見圖14a)。在背致動器1402膨脹時，致動器1402膨脹并放松它的張力，讓踝通過緊張的腹致動器1401移動到背屈，見圖14b)。各種合適的材料可被用于該(多個)套筒或(多個)夾子400，包括任何布材料，例如但不限于，棉，牛仔布，羊毛，萊卡。

在各種實施例中，提供軟機器人襪裝置1500，其中利用一個基于拉鏈的概念，用于容易穿戴，并且軟致動器1502，1504分別被嵌入或并入襪子1506的腹側(cè)和背側(cè)，作為一個示例的機構(gòu)，用于將氣動致動器元件在肢體的一個或多個關(guān)節(jié)上或附近耦合到肢體，其穿到腳/踝關(guān)節(jié)上，如在圖15a)-e)示出。背致動器1502的膨脹將踝向外彎曲為跖屈，如圖15e)所示，而腹致動器1504的膨脹將踝向內(nèi)彎曲為背屈，如在圖15d)中所示。襪子1506可以由以下材料制成，例如但不限于，美國，戈爾公司(W.L.Gore&Associates)，戈爾特斯(Goretex)。

軟機器人襪裝置1500還包括柔性關(guān)節(jié)角度傳感器1508，見圖15a)，以及進氣口1510，參見圖15c)。提供單獨的線性通道1512，1514各自連接到致動器1502，1504，用于選擇性致動器控制。

在一個實施例中，提供用于肢體康復的致動器裝置，包括：一個或多個氣動致動器元件；和用于將氣動致動器元件在肢體的一個或多個關(guān)節(jié)上或附近耦合到肢體的機構(gòu)；其中，每個氣動致動器元件包括：具有縱向軸線的可膨脹主體；一個或多個形成在主體中的通道網(wǎng)絡，使得在該氣動致動器元件的默認狀態(tài)下，每個通道網(wǎng)絡的沿縱向軸線的投影長度比該每個通道網(wǎng)絡的總通道長度短。

該裝置可以進一步包括耦合到可膨脹主體的抑制層，用于引導由通道網(wǎng)絡膨脹造成的主體的變形。

該裝置可以構(gòu)造成用于手康復。

主體可以包括有紋理的表面，用于促進由通道網(wǎng)絡膨脹造成的主體的膨脹。

該裝置可進一步包括耦合到所述主體的一個或多個抑制結(jié)構(gòu)，用于在主體的至少一部分中基本上抑制主體的膨脹。

用于將氣動致動器元件耦合到肢體的機構(gòu)可以包括手套。

至少一個氣動致動器元件可以設置在手套的背側(cè)。

至少一個氣動致動器元件可以設置在手套的掌側(cè)。

成對氣動致動器元件可以設置在或靠近各關(guān)節(jié)。

每對氣動致動器的一個可以設置在手套的背側(cè)并且另一個在手套的掌側(cè)。

所述裝置可以構(gòu)造成用于踝的康復。

該裝置可以包括耦合的一對氣動致動器元件，其中用于將氣動致動器元件耦合到肢體的機構(gòu)包括用于將該對氣動致動器元件的第一端耦合到腳的第一耦合元件和用于將該對氣動致動器元件的第二端耦合到腿的第二耦合元件，以使得該對氣動致動器元件跨過踝延伸。

該裝置可以包括至少兩個氣動致動器元件，其中用于將所述氣動致動器元件耦合到肢體的機構(gòu)配置為將兩個氣動致動器元件耦合在腿部的相對側(cè)，所述裝置還包括在一端與第一氣動致動器元件耦合并在另一端與第二氣動致動器元件耦合的引導織物，該裝置還包括一個用于容納腳在其中的護套，同時引導織物基本上圍繞腳和通過護套延伸。

將氣動致動器元件耦合到肢體的機構(gòu)可以包括襪子元件，所述襪子元件具有嵌入在其中的至少兩個氣動致動器元件，在襪子元件被穿上時，用于分布在或靠近踝的相對側(cè)。

襪子元件可以包括由雙邊緊固機構(gòu)例如拉鏈連接的兩個互補的部分。

所述裝置可以配置為用于踝跖屈/背屈。

所述裝置可以配置為用于踝內(nèi)翻/外翻。

該裝置還可以包括用于監(jiān)測所述一個或多個關(guān)節(jié)的移動的傳感器。

在一個實施例中，提供了使用如在上述實施例中描述的裝置的肢體康復的方法。

在一個實施例中，提供了一種用于肢體康復的系統(tǒng)，包括如在上述實施例中描述的裝置；用于選擇性地膨脹和收縮氣動致動器元件的泵系統(tǒng)；和用于泵系統(tǒng)的控制器。

該系統(tǒng)還可以包括用于監(jiān)測所述一個或多個關(guān)節(jié)的移動的傳感器。

在一個實施例中，提供氣動致動器元件，其包括：具有縱向軸線的可膨脹主體；和一個或多個形成在主體中的通道網(wǎng)絡，使得在該氣動致動器元件的默認狀態(tài)下，每個通道網(wǎng)絡的沿縱向軸線的投影長度比該每個通道網(wǎng)絡的總通道長度短。

根據(jù)各種實施例的裝置，可有利地適合于提供連續(xù)的踝的被動致動，直到用戶停止電子設置。因此，根據(jù)各種實施例的裝置有利地能夠提供高達每小時數(shù)百次的背屈和跖屈的循環(huán)。

根據(jù)各種實施例的軟致動器顯示出一致的應變力數(shù)據(jù)。因此，使用根據(jù)各種實施例的軟致動器于被動的踝練習時，可以改變所述致動器的初始長度和氣動泵-閥系統(tǒng)的應變信息，以滿足不同受試者的踝剛度。

這些描述的示例實施例可以優(yōu)選闡明軟康復機器人對腦刺激的效果，這通常難以實現(xiàn)，如果機器人裝置包括由鐵構(gòu)件制成的常規(guī)電動機。換句話說，根據(jù)示例實施例的軟機器人輔助療法可以與功能性磁共振成像(fMRI)同時進行，以確定腦刺激的程度。

本發(fā)明的實施例可以提供以下優(yōu)點中的一個或多個：

(1)在軟致動器內(nèi)的氣動特征可以形化成各種設計以覆蓋不同的致動要求。

(2)這些軟致動器可以通過使用外部抑制結(jié)構(gòu)，如凱夫拉線和模塊化的套筒，在期望的位置被抑制。

(3)這些軟致動器可以嵌入到各種耐磨織物，如襪子和手套，以在某些期望的方向或方位提供輔助運動。

(4)軟致動器可以模擬人類自然的動作，相比之下傳統(tǒng)的硬機器人笨重，呆板，復雜。

(5)軟致動器是高度可定制的，對于個性化患者專用的應用尤其有利。

(6)軟致動器可以與fMRI結(jié)合來研究腦刺激的治療效果。

(7)通過使用不同強度的材料和/或不同強度的空氣泵源可以提供滿足不同強度要求的彎曲力。

示例實施例的工業(yè)應用可以包括一個或多個：

(1)神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者的手和踝康復，以及

(2)使用fMRI研究軟機器人輔助治療對腦刺激的效果。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應當理解，各種變化和/或修改可以在本發(fā)明中所示的具體實施例作出，而不背離廣泛描述的本發(fā)明的精神或范圍。因此本文的實施例應該在所有方面被認為是說明性的而不是限制性的。此外，本發(fā)明包括特征的任意組合，特別是在專利權(quán)利要求書中的特征的任何組合，即使特征或特征的組合未在專利權(quán)利要求書或在本實施例中明確指定。

例如，應當理解，如參照圖11和12的可編程的泵-閥控制系統(tǒng)，可用于本文所述的各種不同的實施例。

例如，應當理解，雖然用于將氣動致動器元件在肢體的一個或多個關(guān)節(jié)上或附近耦合到肢體的機構(gòu)的示例已經(jīng)描述，各種其他功能設計，可以在不同的實施例中使用。

例如，應當理解，雖然有紋理的表面的示例以上已經(jīng)描述，各種其他功能設計，可以在不同的實施例中使用。

例如，應當理解，雖然限制結(jié)構(gòu)的示例以上已經(jīng)描述，各種其他功能設計，可以在不同的實施例中使用。

例如，應當理解，致動器元件的主體的形狀和構(gòu)造不限于示例實施例中描述的形狀和構(gòu)造。