多活動(dòng)軸線的非外骨骼式康復(fù)設(shè)備的制造方法
【專利摘要】一種用于與使用者的附屬肢體相關(guān)聯(lián)地操作的機(jī)器人設(shè)備，其中，所述使用者的附屬肢體具有端點(diǎn)，所述機(jī)器人設(shè)備包括：基部；以及附接到所述基部并且具有端點(diǎn)的機(jī)械臂，所述機(jī)械臂相對于所述基部具有至少兩個(gè)主動(dòng)自由度，并且配置成使得當(dāng)所述基部相對于使用者適當(dāng)?shù)囟ㄎ粫r(shí)，所述機(jī)器人設(shè)備的參考系與所述使用者的參考系大致相似地定向，并且所述使用者的附屬肢體的端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)通過所述機(jī)械臂的端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)來模仿。
【專利說明】多活動(dòng)軸線的非外骨骼式康復(fù)設(shè)備
[0001]關(guān)于聯(lián)邦政府資助的研究或開發(fā)的聲明
本發(fā)明在DARPA所授予的協(xié)議號HR0011-12-9-0012下利用政府的支持進(jìn)行。政府在本發(fā)明中具有特定的權(quán)利。
[0002]對未決的在先專利申請的引用
本專利申請要求Barrett Technology, Inc.和William T.Townsend等于2013年9月27日提交的題為THREE-ACTIVE-AXIS REHABILITAT1NCAttorney's Docket N0.BARRETT-5 PR0V)的未決的在先美國臨時(shí)專利申請序號61/883,367的權(quán)益，該專利申請?jiān)诖送ㄟ^引用結(jié)合于本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及用于殘疾人或在其他方面受損的解剖學(xué)肢體的康復(fù)的設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0004]—種新的和令人興奮的物理和職業(yè)療法的分支是通過計(jì)算機(jī)引導(dǎo)的機(jī)械臂或設(shè)備(在特定的實(shí)施例中，也稱為“操縱器”，以將它與可以接合它的人的手臂區(qū)分)輔助的療法。針對例如中風(fēng)后康復(fù)治療之類的任務(wù)使用操縱器系統(tǒng)的潛在益處是顯著的，所述中風(fēng)后康復(fù)治療通常涉及通過一系列重復(fù)的運(yùn)動(dòng)來移動(dòng)患者的肢體。存在一些類型的療法，例如錯(cuò)誤增強(qiáng)(error-augmentat1n)療法，這些療法無法僅通過人類治療師有效地實(shí)施。此夕卜，計(jì)算機(jī)引導(dǎo)的療法能夠使患者參加游戲，從而使體驗(yàn)更愉快，并且鼓勵(lì)更長和更強(qiáng)烈的治療過程，這已知有益于患者。最后，治療師能夠與更多的患者一起工作，并且能夠給患者提供增加的治療持續(xù)時(shí)間，這是因?yàn)橹委熯^程不再受限于治療師的身體耐力。
[0005]—種分類機(jī)器人康復(fù)系統(tǒng)的有效方式是通過它們所具有自由度或DOF的數(shù)量。大多數(shù)的商業(yè)機(jī)器人康復(fù)系統(tǒng)落入兩個(gè)寬泛的類別中的一個(gè)，即:低DOF(通常為一至三個(gè)D0F)系統(tǒng)，其位于患者之前；以及高D0F(通常為六個(gè)或更多個(gè)D0F)的外骨骼系統(tǒng)，其環(huán)繞患者的肢體，通常為手臂或腿。二種類別的當(dāng)前的方法呈現(xiàn)出顯著的不足，這造成很有限地實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人康復(fù)療法的潛能。
[0006]低DOF系統(tǒng)通常比高DOF系統(tǒng)廉價(jià)，但它們也通常具有較小的運(yùn)動(dòng)范圍。例如Watertown，Massachusetts，USA的Interactive Mot1n Technologies的InMot1n ARM ?治療系統(tǒng)或Kingston，0ntar1，Canada的BKIN Technologies的KINARM End-Point Robot^系統(tǒng)之類的一些系統(tǒng)僅限于平面運(yùn)動(dòng)，從而大大地減少了它們能夠用于的康復(fù)任務(wù)的數(shù)量。那些不限于平面運(yùn)動(dòng)的低DOF系統(tǒng)通常必須應(yīng)付如下問題，例如避免阻擋患者的視線，如B1Xtreme of Rehovot,Israel的DeXtreme ?系統(tǒng);提供極其有限的運(yùn)動(dòng)范圍，比如對于Mount Laurel ,New Jersey，USA的Motorika Medical Ltd的ReoGO ? 系統(tǒng)；以及不充分地支撐患者的肢體。這些系統(tǒng)中的大多數(shù)占據(jù)患者之前的空間，從而影響患者的工作空間，增加單一的康復(fù)“站”所需的整體占地面積并且消耗康復(fù)診所內(nèi)的寶貴的空間。
[0007]同時(shí)，高DOF的外骨骼.式系統(tǒng)，例如 Vo Iketswi I，Switzer land 的Hocoma AG 的 Armeo< ? >Power系統(tǒng)、VolketswiI ,Switzerlanc^aHocoma AG的Armeo ? Spring系統(tǒng)以及美國專利號8，317，730中公開的8+2 DOF的外骨骼式康復(fù)系統(tǒng)，要復(fù)雜得多，并且因此，一般比類似的低DOF系統(tǒng)昂貴。雖然這樣的高DOF外骨骼式系統(tǒng)通常提供比低DOF系統(tǒng)大的運(yùn)動(dòng)范圍，但它們的機(jī)械復(fù)雜性也使它們笨重，并且它們通常環(huán)繞患者的肢體，從而使系統(tǒng)感覺對于患者有威脅和不舒服。此外，人類的關(guān)節(jié)不按照機(jī)器人的方式遵照通過聯(lián)接裝置分開的軸線，并且每個(gè)人的解剖結(jié)構(gòu)都是不同的，具有不同的骨長度和不同的關(guān)節(jié)幾何構(gòu)型。即使利用存在于高DOF系統(tǒng)中的大量的軸線，微調(diào)外骨骼系統(tǒng)的關(guān)節(jié)位置和聯(lián)接裝置長度以匹配患者也要花費(fèi)相當(dāng)長的時(shí)間，并且即使這樣，系統(tǒng)也經(jīng)常過約束人類的肢體，從而可能造成弊大于利。
[0008]最后，存在一小部分當(dāng)前可獲得的設(shè)備不符合上文所列的兩個(gè)類別中的任何一個(gè):例如，高DOF的非外骨骼式設(shè)備或低DOF的外骨骼式設(shè)備。到目前為止，這些設(shè)備一般遭受二個(gè)類別的弱點(diǎn)，而沒有利用任一種的長處。一個(gè)特別值得注意的示例是Kingston，Ontar1 ,Canada的BKIN Technologies的KINARM Exoskeleton Robot ?，其是設(shè)計(jì)用于人類和非人類的靈長類動(dòng)物中的雙手和單手的上肢康復(fù)和實(shí)驗(yàn)的外骨骼式康復(fù)設(shè)備。如Kingston，0ntar1，Canada的BKIN Technologies的KINARM End-Point Robot? ，KINARMExoskeletal Robot ?系統(tǒng)僅為每個(gè)肢體提供兩個(gè)自由度，從限制了它能夠進(jìn)行的康復(fù)訓(xùn)練的范圍。同時(shí)，通過實(shí)施外骨骼式的設(shè)計(jì)，KINARM Exoskeletal Robot ?設(shè)備能夠給患者的肢體提供一些附加的支持，但以顯著地增加設(shè)備的尺寸、成本、復(fù)雜性和設(shè)置時(shí)間為代價(jià)。
[0009]雖然機(jī)器人輔助的物理和職業(yè)療法給許多患者群體提供了巨大的前景，但現(xiàn)有技術(shù)尚未匹配該前景。如先前示例已示出的，當(dāng)前的治療設(shè)備過于簡單和受限，從而僅允許最基本的訓(xùn)練，并且經(jīng)常在過程中干擾患者;或過于復(fù)雜和笨重，從而使得設(shè)備昂貴、令患者生畏并且使治療師難以使用。因此，仍然需要新穎的設(shè)備和方法，其能夠以相對低的價(jià)格采取簡單、無干擾和受歡迎的形狀因素給患者和治療師提供執(zhí)行復(fù)雜的2-D和3-D康復(fù)訓(xùn)練的能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明跨越低DOF康復(fù)設(shè)備和高DOF康復(fù)設(shè)備的類別，從而提供了低DOF系統(tǒng)的可用性、機(jī)械簡單性和相對應(yīng)的可負(fù)擔(dān)能力，以及高DOF系統(tǒng)的減小的占地面積、運(yùn)動(dòng)范圍和改進(jìn)的支撐能力。本發(fā)明包括相對少量的主動(dòng)(有動(dòng)力的)D0F，在優(yōu)選實(shí)施例中為三個(gè)主動(dòng)D0F，但是本發(fā)明的新穎性特征能夠在具有其他數(shù)量的DOF的系統(tǒng)中實(shí)施，所述少量的主動(dòng)DOF使設(shè)備的成本和復(fù)雜性降低至遠(yuǎn)低于高DOF外骨骼式系統(tǒng)。然而，由于如在下文中進(jìn)一步解釋的在至今的非外骨骼式系統(tǒng)中獨(dú)特的系統(tǒng)對患者的創(chuàng)新的位置和定向關(guān)系，本發(fā)明的設(shè)備享有先前限于高DOF外骨骼式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，例如更優(yōu)化的轉(zhuǎn)矩位置關(guān)系、更好的與患者的工作空間重疊和更大的運(yùn)動(dòng)范圍。此外，已發(fā)現(xiàn)的是，繩索差速器的新的實(shí)現(xiàn)(其中，相對于設(shè)備的遠(yuǎn)側(cè)聯(lián)接裝置，差速器輸入被用作俯仰軸線，并且差速器輸出被用作偏擺軸線)允許功率驅(qū)動(dòng)器(例如，電機(jī))的質(zhì)量和體積(bulk)遠(yuǎn)離患者的工作空間和視野轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)的基部。通過結(jié)合這兩個(gè)主要的創(chuàng)新，即，設(shè)備相對于患者的定向和位置和具有特殊運(yùn)動(dòng)學(xué)的繩索差速器的實(shí)現(xiàn)，以及其他創(chuàng)新，本發(fā)明提供了一種獨(dú)特的康復(fù)設(shè)備，所述康復(fù)設(shè)備填補(bǔ)康復(fù)市場的需求，并且能夠?qū)崿F(xiàn)各種各樣的康復(fù)任務(wù)。顯著地，本發(fā)明使得能夠?qū)崿F(xiàn)一種用于雙手康復(fù)的新的方法，所述雙手康復(fù)即一種新型的康復(fù)治療，其中，通常為手臂的多個(gè)肢體同時(shí)進(jìn)行康復(fù)，在所述新的方法中，康復(fù)訓(xùn)練能夠通過使用兩個(gè)相似的設(shè)備在患者的兩個(gè)不同的肢體上同時(shí)并且以協(xié)調(diào)的方式在三維中進(jìn)行。
[0011]在本發(fā)明的一種優(yōu)選形式中，提供了一種非外骨骼式康復(fù)設(shè)備，其具有少至2個(gè)主動(dòng)自由度，其中，所述設(shè)備被定向和定位成使得它的參考系與患者的參考系大致相似地定向，并且患者的端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)通過所述設(shè)備的端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)來模仿。
[0012]在本發(fā)明的另一優(yōu)選形式中，提供了一種非外骨骼式康復(fù)設(shè)備，其具有少至2個(gè)主動(dòng)自由度，其中2個(gè)自由度通過繩索差速器來聯(lián)接。
[0013]在本發(fā)明的另一優(yōu)選形式中，提供了一種方法，其中，被設(shè)計(jì)成能夠在三個(gè)或更多個(gè)自由度上引起運(yùn)動(dòng)的康復(fù)設(shè)備與相似的第二設(shè)備雙向地配對，并且用于雙手康復(fù)，所述康復(fù)設(shè)備能夠容易地重新配置以允許右手使用和左手使用二者，并且相對于患者定位成使得兩個(gè)設(shè)備可以被同時(shí)使用，而不彼此干擾。
[0014]在本發(fā)明的另一優(yōu)選形式中，提供了一種用于與使用者的附屬肢體相關(guān)聯(lián)地操作的機(jī)器人設(shè)備，其中，使用者的附屬肢體具有端點(diǎn)，所述機(jī)器人設(shè)備包括:
基部；以及
附接到所述基部并且具有端點(diǎn)的機(jī)械臂，所述機(jī)械臂相對于所述基部具有至少兩個(gè)主動(dòng)自由度，并且配置成使得當(dāng)所述基部相對于使用者適當(dāng)?shù)囟ㄎ粫r(shí)，所述機(jī)器人設(shè)備的參考系與所述使用者的參考系大致相似地定向，并且所述使用者的附屬肢體的端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)通過所述機(jī)械臂的端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)來模仿。
[0015]在本發(fā)明的另一優(yōu)選形式中，提供了一種用于操作與使用者的附屬肢體相關(guān)聯(lián)的機(jī)器人設(shè)備的方法，其中，使用者的附屬肢體具有端點(diǎn)，所述方法包括:
提供機(jī)器人設(shè)備，其包括:
基部；以及
附接到所述基部并且具有端點(diǎn)的機(jī)械臂，所述機(jī)械臂相對于所述基部具有至少兩個(gè)主動(dòng)自由度，并且配置成使得當(dāng)所述基部相對于使用者適當(dāng)?shù)囟ㄎ粫r(shí)，所述機(jī)器人設(shè)備的參考系與所述使用者的參考系大致相似地定向，并且所述使用者的附屬肢體的端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)通過所述機(jī)械臂的端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)來模仿；
相對于所述使用者定位所述基部，使得所述機(jī)器人設(shè)備的參考系與所述使用者的參考系大致相似地定向，并且將所述使用者的附屬肢體附接到所述機(jī)械臂；以及移動(dòng)所述使用者的附屬肢體的端點(diǎn)和所述機(jī)械臂的端點(diǎn)中的至少一個(gè)。
【附圖說明】
[0016]通過以下對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的這些和其他的目的和特征將更充分地公開或變得明顯，所述詳細(xì)描述應(yīng)當(dāng)與附圖一起考慮，在附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的部分，并且進(jìn)一步在附圖中:
圖1和圖2為示出了根據(jù)本發(fā)明形成的機(jī)器人設(shè)備的一種優(yōu)選形式的示意性前向透視圖；
圖3和圖4為不出了圖1和圖2的機(jī)器人設(shè)備的不意性頂視圖； 圖5A、圖5B和圖5C為示出了圖1和圖2的機(jī)器人設(shè)備可如何使用“向下疊放”、“持平疊放”或“向上疊放”的構(gòu)造的示意性前向透視圖；
圖6和圖7為示出了圖1和圖2的機(jī)器人設(shè)備的所選部分的細(xì)節(jié)的示意圖；
圖8A、圖SB和圖SC為與現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備的橫滾-俯仰配置和俯仰-橫滾配置相比示出了圖1和圖2的機(jī)器人設(shè)備的俯仰-偏擺配置的示意圖；
圖9為示出了本發(fā)明的機(jī)器人設(shè)備如何可從右手使用轉(zhuǎn)換至左手使用的示意性頂視圖；
圖10為示出了用于雙手康復(fù)的兩個(gè)機(jī)器人設(shè)備的示意圖；
圖11為示出了機(jī)器人設(shè)備如何可與外部控制器通信的示意圖；以及圖12示出了一對機(jī)器人設(shè)備如何可與外部控制器通信，所述外部控制器又促進(jìn)設(shè)備之間的通?目O
【具體實(shí)施方式】
[0017]首先看圖1，其示出了一種新穎的多活動(dòng)軸線(mult1-active-axis)的非外骨骼式機(jī)器人設(shè)備5，其適于各種機(jī)器人輔助療法和其他應(yīng)用。機(jī)器人設(shè)備5—般包括基部100、內(nèi)聯(lián)接裝置105、外聯(lián)接裝置110以及用于將外聯(lián)接裝置110耦接至患者、通常耦接至患者的肢體(例如，如圖1中所示，患者的手臂120)的耦接元件115。
[0018]圖1中所示的優(yōu)選實(shí)施例具有三個(gè)自由度，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的是，本發(fā)明可以包括更少或更多數(shù)量的自由度。三個(gè)自由度理論上提供接近笛卡爾空間中的所有位置的能力，所述能力受所述設(shè)備的運(yùn)動(dòng)學(xué)限制的影響，例如關(guān)節(jié)限制、聯(lián)接裝置長度和傳輸范圍等。為了產(chǎn)生那三個(gè)自由度，機(jī)器人設(shè)備5包括三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)(revolute joint)，在圖1中示出為:關(guān)節(jié)Jl，其提供繞軸線125的俯仰;關(guān)節(jié)J2，其提供繞軸線130的偏擺；以及關(guān)節(jié)J3，其提供繞軸線135的偏擺。在優(yōu)選實(shí)施例中，這些關(guān)節(jié)被實(shí)施如下。關(guān)節(jié)Jl為俯仰關(guān)節(jié)，并且包括部段138，所述部段138在大致U形的框架140內(nèi)旋轉(zhuǎn)。關(guān)節(jié)J2為偏擺關(guān)節(jié)，并且包括垂直于部段138附接的第二部段145。該部段145包含第三部段150，其在部段145內(nèi)旋轉(zhuǎn)。在優(yōu)選實(shí)施例中，這兩個(gè)關(guān)節(jié)(即，關(guān)節(jié)Jl和關(guān)節(jié)J2)通過繩索差速器(cabled differential)來聯(lián)接，如將在下文中論述的。關(guān)節(jié)J3也是偏擺關(guān)節(jié)，并且通過內(nèi)聯(lián)接裝置105與關(guān)節(jié)J2分離。如將在下文中論述的，繩索傳動(dòng)將促動(dòng)關(guān)節(jié)J3的電機(jī)(并且其與關(guān)節(jié)J2的軸線130同軸定位，如將在下文中論述的)連接到關(guān)節(jié)J3的輸出；該繩索傳動(dòng)運(yùn)行通過內(nèi)聯(lián)接裝置105。應(yīng)當(dāng)注意的是，雖然已發(fā)現(xiàn)該特定的實(shí)施例是優(yōu)選的，但本發(fā)明也可以按照替代性實(shí)施例來實(shí)施，包括但不限于:
-具有替代性的運(yùn)動(dòng)學(xué)的設(shè)備，例如，三個(gè)關(guān)節(jié)采取偏擺-俯仰-偏擺的布置結(jié)構(gòu)；
-使用例如移動(dòng)關(guān)節(jié)(prismatic joint)之類的其他類型的關(guān)節(jié)的設(shè)備；以及 -實(shí)施其他驅(qū)動(dòng)技術(shù)的設(shè)備，例如齒輪傳動(dòng)系、傳送帶、液壓驅(qū)動(dòng)等。
[0019]為了提供附加的自由度，不同的端點(diǎn)附接裝置可以被設(shè)置在耦接元件115的位置處，以允許對患者的肢體定向的不同程度的控制，或提供附加的治療方法(t h e r a P e u t i cmodalities)。作為示例但非限制，不同的端點(diǎn)附接裝置可以包括用于執(zhí)行線性康復(fù)訓(xùn)練的單DOF端點(diǎn)附接裝置;或通過使得能夠?qū)崿F(xiàn)對患者肢體的定向的控制，使得能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)的三DOF端點(diǎn)附接裝置;或主動(dòng)控制的多DOF端點(diǎn)附接裝置。通在優(yōu)選實(shí)施方式(SP，圖1中所示的機(jī)器人設(shè)備5)中將機(jī)器人設(shè)備的核心中的自由度的數(shù)量減少至三，機(jī)器人設(shè)備的設(shè)計(jì)被極大地簡化，從而降低了成本，同時(shí)維持設(shè)備提供包括三維康復(fù)治療的范圍廣泛的康復(fù)服務(wù)的能力。
[0020]接著看圖1和圖6，其示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的構(gòu)造的另外的細(xì)節(jié)。所述機(jī)器人設(shè)備的優(yōu)選實(shí)施例包括以下四個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)框架(運(yùn)動(dòng)學(xué)框架):
1)地面運(yùn)動(dòng)學(xué)框架，其包括當(dāng)設(shè)備處于使用中時(shí)大致靜態(tài)的所有部件；
2)關(guān)節(jié)Jl的運(yùn)動(dòng)學(xué)框架，其包括僅繞關(guān)節(jié)Jl的軸線125旋轉(zhuǎn)的所有非傳動(dòng)(non-transmiss1n)部件；
3)關(guān)節(jié)J2的運(yùn)動(dòng)學(xué)框架，其包括可僅繞關(guān)節(jié)Jl的軸線125和關(guān)節(jié)J2的軸線130旋轉(zhuǎn)的所有非傳動(dòng)部件；
4)關(guān)節(jié)J3的運(yùn)動(dòng)學(xué)框架，其包括可繞關(guān)節(jié)Jl的軸線125、關(guān)節(jié)J2的軸線130和關(guān)節(jié)J3的軸線135旋轉(zhuǎn)的所有非傳動(dòng)部件。
[0021]在該運(yùn)動(dòng)學(xué)框架的定義中，排除了傳動(dòng)部件以簡化定義:傳動(dòng)裝置(transmi s s i on )內(nèi)的滑輪可以遠(yuǎn)離給定的關(guān)節(jié)定位，但與該關(guān)節(jié)一起旋轉(zhuǎn)。類似地，可以使系統(tǒng)中的一些滑輪借助多于一個(gè)軸線的運(yùn)動(dòng)而旋轉(zhuǎn)，例如，當(dāng)它們是例如在本發(fā)明的優(yōu)選形式中所采用的繩索差速器的一部分時(shí)。
[0022]在優(yōu)選實(shí)施例中，關(guān)節(jié)Jl和J2通過使用與美國專利號4，903，536中所公開的相似地設(shè)計(jì)的繩索差速器的傳動(dòng)裝置來實(shí)施，該專利在此通過引用結(jié)合于本文中。
[0023]如美國專利號4，903，536中所述，繩索差速器是差動(dòng)傳動(dòng)裝置(differentialtransmiss1n)的一種新穎的實(shí)現(xiàn)，其中，具有共同的旋轉(zhuǎn)軸線的兩個(gè)輸入滑輪(例如，在圖6中所示的機(jī)器人設(shè)備5中的滑輪505)被耦接到共同的第三輸出滑輪(例如，圖1和圖6中所示的機(jī)器人設(shè)備5中的滑輪540)，所述第三輸出滑輪被固定到星形臂(spider)或托架(例如，圖1和圖6中所示的機(jī)器人設(shè)備5中托架541)。該托架能夠獨(dú)立于那些滑輪繞兩個(gè)輸入滑輪的共同的旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，輸出滑輪能夠繞垂直于所述共同的旋轉(zhuǎn)軸線以及與之重合(coincident with)的軸線旋轉(zhuǎn)。兩個(gè)輸入滑輪被耦接到輸出滑輪，使得在三者之間建立差分關(guān)系(differential relat1nship)，其中，輸出滑輪(例如，機(jī)器人設(shè)備5中的滑輪540)的旋轉(zhuǎn)與兩個(gè)輸入滑輪(例如，機(jī)器人設(shè)備5中的滑輪505)的旋轉(zhuǎn)的和成比例，并且托架(例如，機(jī)器人設(shè)備5中的托架541)的旋轉(zhuǎn)與兩個(gè)輸入滑輪的旋轉(zhuǎn)的差成比例。在機(jī)器人系統(tǒng)中，差速器的托架的旋轉(zhuǎn)被用于產(chǎn)生系統(tǒng)繞一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸線(在優(yōu)選實(shí)施例中，繞關(guān)節(jié)Jl的軸線125)的運(yùn)動(dòng)，并且差動(dòng)傳動(dòng)裝置的輸出的旋轉(zhuǎn)(S卩，輸出滑輪540的旋轉(zhuǎn))被用于產(chǎn)生系統(tǒng)繞第二旋轉(zhuǎn)軸線(在優(yōu)選實(shí)施例中，繞關(guān)節(jié)J2的軸線130)的運(yùn)動(dòng)。使用繩索差速器使得這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)能夠通過固定到較低的運(yùn)動(dòng)學(xué)框架(在優(yōu)選實(shí)施例的情況下，固定到地面運(yùn)動(dòng)學(xué)框架)的電機(jī)產(chǎn)生。這大幅地減小了設(shè)備的移動(dòng)質(zhì)量，從而改進(jìn)了設(shè)備的動(dòng)態(tài)性能和感受。在優(yōu)選實(shí)施方式中，該傳動(dòng)裝置包括兩個(gè)電機(jī)500、輸入滑輪505、輸出滑輪540等，如在下文中論述的。
[0024]換言之，如美國專利號4，903，536中所述，繩索差速器是差動(dòng)傳動(dòng)裝置的一種新穎的實(shí)現(xiàn)，其中，具有共同的旋轉(zhuǎn)軸線的兩個(gè)輸入滑輪(例如，機(jī)器人設(shè)備5中的滑輪505)被耦接到共同的第三輸出滑輪(例如，機(jī)器人設(shè)備5中的滑輪540)，所述共同的第三輸出滑輪繞垂直于輸入滑輪軸線的軸線旋轉(zhuǎn)，并且被固定到繞輸入滑輪軸線旋轉(zhuǎn)的托架(例如，機(jī)器人設(shè)備5中的托架541)。兩個(gè)輸入滑輪被耦接到輸出滑輪，使得在三者之間建立差分關(guān)系，其中，輸出滑輪的旋轉(zhuǎn)與兩個(gè)輸入滑輪的旋轉(zhuǎn)的和成比例，并且托架的旋轉(zhuǎn)與兩個(gè)輸入滑輪的旋轉(zhuǎn)的差成比例。該機(jī)構(gòu)產(chǎn)生繞兩個(gè)軸線(例如，關(guān)節(jié)Jl的軸線125和關(guān)節(jié)J2的軸線130)的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)允許產(chǎn)生那些運(yùn)動(dòng)的電機(jī)被固定到較低的運(yùn)動(dòng)學(xué)框架，從而減小了設(shè)備的移動(dòng)質(zhì)量，并且改進(jìn)了動(dòng)態(tài)性能和感受。在優(yōu)選實(shí)施方式中，該傳動(dòng)裝置包括兩個(gè)電機(jī)500、輸入滑輪505、輸出滑輪540等，如在下文中論述的。
[0025]換言之，如美國專利號4，903，536中所述，繩索傳動(dòng)裝置是差動(dòng)傳動(dòng)裝置的一種新穎的實(shí)現(xiàn)，其中，兩個(gè)輸入滑輪(例如，滑輪505)被連接到共同的第三輸出滑輪(例如，滑輪540)，使得輸出滑輪的旋轉(zhuǎn)與兩個(gè)輸入滑輪的旋轉(zhuǎn)的和成比例，并且差速器托架(例如，托架541)的旋轉(zhuǎn)與兩個(gè)輸入滑輪的旋轉(zhuǎn)的差成比例。在優(yōu)選實(shí)施方式中，該傳動(dòng)裝置包括兩個(gè)電機(jī)500、輸入滑輪505、輸出滑輪540等，如在下文中論述的。
[0026]如在圖6中看到的，繩索傳動(dòng)裝置優(yōu)選地包括固定到地面運(yùn)動(dòng)學(xué)框架(例如，基部502)的兩個(gè)電機(jī)500，所述兩個(gè)電機(jī)500通過繩索571和572的長度被耦接到輸入滑輪505，所述繩索571和572通常為鋼索(wire rope)，但可替代地為天然纖維、合成纖維或一般認(rèn)定為繩索的形式的一些其他構(gòu)造，所述繩索571和572被附接到電機(jī)500的小齒輪510，繞小齒輪510沿相反的方向圍繞但具有相同的手征性(chirality)，并且終止于輸入滑輪505的外徑515上。這些輸入滑輪505繞關(guān)節(jié)Jl的軸線125旋轉(zhuǎn)，但由于繩索差速器的性質(zhì)，它們的旋轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生設(shè)備繞關(guān)節(jié)Jl的軸線125、繞關(guān)節(jié)J2的軸線130或同時(shí)繞兩個(gè)軸線的旋轉(zhuǎn);此外，這些輸入滑輪505不被固定到前述的關(guān)節(jié)Jl的運(yùn)動(dòng)學(xué)框架或前述的關(guān)節(jié)J2的運(yùn)動(dòng)學(xué)框架。按照美國專利號4，903，536，這些輸入滑輪505包括兩個(gè)大的外徑515，以及一系列基本上較小的階梯式的外徑520、525、530和535。這些較小的階梯式的外徑520、525、530和535通過繩索的另外的長度耦接至輸出滑輪540，所述輸出滑輪540包括一系列階梯式的外徑545、550、555和560，這些外徑545、550、555和560基本上大于它們在輸入滑輪505上所耦接到的階梯520、525、530和535。該輸出滑輪540繞關(guān)節(jié)J2的軸線130旋轉(zhuǎn)，并且被固定到關(guān)節(jié)J2的運(yùn)動(dòng)學(xué)框架。已發(fā)現(xiàn)，能夠有用的是，使關(guān)節(jié)J2的運(yùn)動(dòng)范圍關(guān)于與關(guān)節(jié)J2重合并且垂直于關(guān)節(jié)Jl的平面對稱，因?yàn)檫@有利于轉(zhuǎn)換設(shè)備的手征性，如下所述。
[0027]通過在滑輪系列(S卩，輸入滑輪505和輸出滑輪540)中實(shí)施該組直徑關(guān)系，通過繩索傳動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)了逐步提高的傳動(dòng)比。在優(yōu)選實(shí)施例中，在電機(jī)小齒輪510和輸入滑輪505之間實(shí)施8.51的傳動(dòng)比，并且在輸入滑輪505和輸出滑輪540之間實(shí)施1.79的傳動(dòng)比，從而產(chǎn)生15.26的電機(jī)小齒輪510和輸出滑輪540之間的最大傳動(dòng)比。貫穿該繩索傳動(dòng)裝置，以及本發(fā)明的所有繩索傳動(dòng)裝置，注意確保將給定的繩索的直徑和它折轉(zhuǎn)(bend over)的最小直徑之間的比率保持在1:15或更小。當(dāng)繩索折轉(zhuǎn)較小的直徑時(shí)發(fā)生的較大比率已知顯著地減少繩索的疲勞壽命(fatigue life)。
[0028]現(xiàn)在仍看圖6，輸出滑輪540的遠(yuǎn)側(cè)為另一繩索傳動(dòng)裝置，其包括電機(jī)565，所述電機(jī)565從其電機(jī)小齒輪570通過繩索576、577耦接到中間滑輪575，所述中間滑輪575又通過繩索578、579耦接到輸出滑輪580。這些傳動(dòng)繩索被包含在內(nèi)聯(lián)接裝置105內(nèi)，所述內(nèi)聯(lián)接裝置105被固定到前述的關(guān)節(jié)J2的運(yùn)動(dòng)學(xué)框架。在該附加的傳動(dòng)裝置中，未實(shí)施差速器元件。與美國專利號4，903，536中教導(dǎo)的繩索傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)一致，在電機(jī)小齒輪570和中間滑輪575之間的繩索傳動(dòng)的第一階段被設(shè)計(jì)成是橫跨較大距離的高速、較低拉力的傳動(dòng)階段;而在中間滑輪575和輸出滑輪580之間的繩索傳動(dòng)的第二階段被設(shè)計(jì)成是橫跨非常短的距離的低速、較高拉力的傳動(dòng)階段。在該傳動(dòng)中，中間滑輪575、輸出滑輪580和關(guān)節(jié)J3的關(guān)節(jié)軸線135基本上在電機(jī)565的遠(yuǎn)側(cè)，這是通過在電機(jī)小齒輪570和中間滑輪575之間實(shí)施長的繩索運(yùn)行來實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)。
[0029]如美國專利號4，903，536中所述，該設(shè)計(jì)具有如下益處，S卩:使電機(jī)565的質(zhì)量朝向機(jī)器人設(shè)備的基部移動(dòng)，從而降低了系統(tǒng)的慣量。在優(yōu)選實(shí)施方式中，電機(jī)的質(zhì)量被定位成與關(guān)節(jié)J2的軸線130同軸，并且盡可能接近關(guān)節(jié)Jl的軸線125，從而降低了繞兩個(gè)軸線的慣量。在所示的優(yōu)選實(shí)施方式中，該設(shè)計(jì)是特別有價(jià)值的，這是因?yàn)殡姍C(jī)565的質(zhì)量靠近關(guān)節(jié)J2的軸線130和關(guān)節(jié)Jl的軸線125 二者移動(dòng)，從而降低了繞兩個(gè)軸線的慣量。在電機(jī)小齒輪570和中間滑輪575之間優(yōu)選地實(shí)施1.89的傳動(dòng)比，并且在中間滑輪575和輸出滑輪580之間優(yōu)選地實(shí)施5.06的傳動(dòng)比，從而產(chǎn)生9.55的電機(jī)小齒輪575和輸出滑輪580之間的最大傳動(dòng)比。
[0030]本文所列出的所有傳動(dòng)比已基于一系列因素優(yōu)化，包括:
-設(shè)備聯(lián)接裝置的長度；
-設(shè)備部件繞軸線的慣量和力矩；
-設(shè)備相對于患者的預(yù)期位置；
-電機(jī)瞬時(shí)峰值和持續(xù)的轉(zhuǎn)矩極限；
-電機(jī)控制器輸出電流容量，以及電機(jī)電流容量；
-設(shè)備壓服(overpower)患者/被患者壓服的期望的能力；以及 -患者的預(yù)期的峰值輸出力。
[0031]此優(yōu)化過程是大規(guī)模的并且是至少部分地定性的；不在本文中重現(xiàn)所述優(yōu)化過程，這是因?yàn)殡S著上述因素改變，過程及其結(jié)果二者都將顯著地改變?；趶亩鄠€(gè)來源和內(nèi)部實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)，這些力估計(jì)為:
-遠(yuǎn)離/朝向患者的身體推/拉:45N -在患者之前向上/下:15N -在患者之前左/右側(cè)向:17N
應(yīng)當(dāng)注意的是，大量的安全因素已被應(yīng)用于這些估計(jì)。
[0032]在關(guān)節(jié)J3的輸出滑輪580之外，一般存在外聯(lián)接裝置110(圖1、圖6和圖7)，所述外聯(lián)接裝置110通過機(jī)構(gòu)590連接到關(guān)節(jié)J3的輸出滑輪580(圖6和圖7)，所述機(jī)構(gòu)590允許相對于關(guān)節(jié)J3的輸出滑輪580來調(diào)整外聯(lián)接裝置110的位置。實(shí)施該機(jī)構(gòu)590(圖6中未完全示出，但在圖7中示出)有利于逆轉(zhuǎn)機(jī)器人設(shè)備的手征性，本文中描述這樣做的重要性和方法，所述機(jī)構(gòu)590在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中允許外聯(lián)接裝置110的位置繞關(guān)節(jié)J3的軸線135相對于關(guān)節(jié)J3的輸出滑輪580移動(dòng)若干度(在一個(gè)更優(yōu)選的實(shí)施例中為172.5度)。在優(yōu)選實(shí)施例中，借助于撥動(dòng)鎖593(例如，如通常在自行車的前叉上找到的那些)通過靠著中央轂592(所述中央轂592以剖面圖在圖7中示出)夾兩個(gè)突出部591來執(zhí)行該機(jī)構(gòu)590。突出部591和中央轂592的接觸面如圖7中所示逐漸變小(taper)，以沿橫向于力施加的方向的方向定位這些部分，并且增加夾持的部分能夠抵抗的轉(zhuǎn)矩的量。已發(fā)現(xiàn)，重要的是確保錐體(處于突出部591和中央轂592的接觸面處)為非鎖定類型，使得系統(tǒng)不會卡塞。該機(jī)構(gòu)590允許外聯(lián)接裝置110翻過(flipped across)與關(guān)節(jié)J3的軸線135重合的平面，而不是繞關(guān)節(jié)J3的軸線135旋轉(zhuǎn)。雖然這最初看起來似乎是微小的區(qū)別，但當(dāng)利用特定類型的端點(diǎn)附接裝置實(shí)施時(shí)，利用翻動(dòng)而不是旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)能夠顯著地減少逆轉(zhuǎn)機(jī)器人設(shè)備的手征性所需的時(shí)間。還存在這里未示出的在機(jī)械臂的領(lǐng)域中公知的類型的其他部件，所述部件被用于確保機(jī)構(gòu)590到達(dá)其期望位置，并且確保機(jī)構(gòu)的位置在操作期間不移動(dòng)。作為示例而非限制，這些部件可以包括對于機(jī)械臂的領(lǐng)域中的技術(shù)人員而言公知的類型的限位開關(guān)、磁體、鎖緊裝置等。還存在單獨(dú)的機(jī)構(gòu)，其允許從機(jī)構(gòu)590移除外聯(lián)接裝置110，這有利于在不同類型的端點(diǎn)附接裝置之間轉(zhuǎn)換。在圖7中所示的優(yōu)選的構(gòu)造中，這通過鎖緊裝置594實(shí)施，所述鎖緊裝置594將外聯(lián)接裝置110牢固地夾持在管狀構(gòu)件595內(nèi)，所述管狀構(gòu)件595被牢固地附接到突出部591。該鎖緊裝置594當(dāng)機(jī)器人設(shè)備在使用中時(shí)接合，但可以被釋放以允許移除外聯(lián)接裝置110。
[0033]機(jī)器人設(shè)備5還包括板載控制器和/或外部控制器(鑒于本公開，其所具有的類型對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的)，以便控制機(jī)器人設(shè)備5的操作。作為示例而非限制，圖11示出了外部控制器578如何可以被用于控制機(jī)器人設(shè)備5的操作和/或接收來自機(jī)器人設(shè)備5(其中，機(jī)器人設(shè)備5可以具有或者也可以不具有板載控制器)的反饋。
[0034]還可以存在包括在機(jī)器人設(shè)備中的其他部件，所述部件在機(jī)器人設(shè)備的領(lǐng)域中是公知的，但為了保持本發(fā)明的主題清楚的目的在本文中未示出或描繪，所述部件包括但不限于:促動(dòng)機(jī)器人設(shè)備的電機(jī)(例如，電機(jī)500和565)的電氣系統(tǒng)；用于控制機(jī)器人設(shè)備的操作的其他計(jì)算機(jī)或其他控制硬件;用于機(jī)器人設(shè)備的附加的支撐結(jié)構(gòu)(例如，安裝平臺);機(jī)器人設(shè)備的覆蓋件和其他安全或美學(xué)部件；以及用于患者的結(jié)構(gòu)、接口和/或其他設(shè)備(例如，相對于機(jī)器人設(shè)備定位患者的設(shè)備、供患者在與機(jī)器人設(shè)備交互時(shí)查看的視頻屏幕、患者支撐裝置，例如但不限于在使用機(jī)器人設(shè)備時(shí)供患者坐上的輪椅等)。
[0035]本發(fā)明的一些具體的創(chuàng)新方面將在下文中進(jìn)一步詳細(xì)地論述。
[0036]非外骨骼式設(shè)備
如上文所論述的，機(jī)器人設(shè)備5為非外骨骼式康復(fù)設(shè)備。外骨骼式康復(fù)設(shè)備一般理解為具有以下特性中的一些或全部的那些設(shè)備:
?穿過患者的肢體關(guān)節(jié)軸線/與患者的肢體關(guān)節(jié)軸線同軸的關(guān)節(jié)軸線，通常其中，每個(gè)患者關(guān)節(jié)與至少一個(gè)設(shè)備關(guān)節(jié)匹配；以及
?捕獲在進(jìn)行康復(fù)的患者的肢體中的每一個(gè)的設(shè)備部件，通常牢固地將每個(gè)肢體部段約束于設(shè)備的一個(gè)構(gòu)件。
[0037]在圖1中，示出了患者的肩部的關(guān)節(jié)軸線的簡化表示:外展(abduct1n)和內(nèi)收(adduct1n)軸線600、屈曲(flex1n)和延伸軸線605以及內(nèi)部和外部的旋轉(zhuǎn)軸線610。圖1中還示出了患者的肘關(guān)節(jié)的軸線615。如圖1所示，機(jī)器人設(shè)備5關(guān)節(jié)軸線J1、J2和J3有意地與患者的關(guān)節(jié)軸線600、605、610和615非同軸。此外，在優(yōu)選實(shí)施例中，患者的肢體120僅在耦接元件115處被連接到機(jī)器人設(shè)備5，或被所述耦接元件115捕獲。在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，在患者和機(jī)器人設(shè)備之間可以存在多個(gè)耦接點(diǎn)，這些耦接點(diǎn)可以部分地或完全地圍繞患者的肢體;然而，本發(fā)明的機(jī)器人設(shè)備的大多數(shù)結(jié)構(gòu)不捕獲患者的肢體。
[0038]因?yàn)闈M足這兩個(gè)條件(S卩，機(jī)器人設(shè)備的關(guān)節(jié)軸線J1、J2和J3不意在與患者的關(guān)節(jié)軸線600、605、610和615同軸，并且因?yàn)榛颊叩闹w未被機(jī)器人設(shè)備5的主要部件圍繞)，本發(fā)明的機(jī)器人設(shè)備不是外骨骼式康復(fù)設(shè)備。雖然當(dāng)前存在許多非外骨骼式康復(fù)設(shè)備，但本設(shè)備的非外骨骼式設(shè)計(jì)是區(qū)分它與現(xiàn)有技術(shù)的關(guān)鍵特性，這是因?yàn)樵O(shè)備結(jié)合了外骨骼式設(shè)備的許多有益特性，同時(shí)避免了外骨骼式設(shè)計(jì)與生倶來的成本和復(fù)雜性。
[0039]機(jī)器人設(shè)備和患者的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系
此外，圖2和圖3示出了坐標(biāo)參考系160的患者(包括向上軸線161，前鋒軸線162和一個(gè)右軸線163)，以及一個(gè)坐標(biāo)參考系170機(jī)器人設(shè)備5(包括向上軸線171，正向軸線172和右軸線173)。這些參考系160、170的位置和定向定義了運(yùn)動(dòng)的關(guān)系在之間(i)機(jī)器人設(shè)備5和其聯(lián)接裝置105、110，以及(ii)患者和它們的肢體:機(jī)器人設(shè)備5設(shè)計(jì)使得它的運(yùn)動(dòng)模擬那些患者的，在中即給定的運(yùn)動(dòng)患者的端點(diǎn)在中參考系的患者將160匹配通過一個(gè)大致相似的的機(jī)器人設(shè)備5設(shè)備的端點(diǎn)在中參考系170運(yùn)動(dòng)。這種關(guān)系是到許多的設(shè)備的創(chuàng)新方面定義重要，如下所示。
[0040]在進(jìn)一步解釋這個(gè)概念之前，提供一些術(shù)語是有幫助的?！盎颊邊⒖枷怠?SPRF)160和“設(shè)備參考系”(或DRF)170，如這里使用的，位于和定向通過的患者和設(shè)備恒定的物理特性。如圖2和圖3中所示，PRF160的起源是限定在處的基部患者的肢體被耦接到機(jī)器人設(shè)備，并且被認(rèn)為是固定在中空間?！跋蛏稀笔噶?61，這將被視為一個(gè)“Z”的矢量在中一個(gè)右手坐標(biāo)系統(tǒng)，是限定到從指向該原點(diǎn)在中通常接受的“向上”方向(與重力的方向)?！扒跋颉笔噶?62同樣限定在中通常接受的“前向”方向，在之前患者。更確切地說，它被當(dāng)作一個(gè)“Y”矢量在中一個(gè)右手坐標(biāo)系統(tǒng)，并且是限定作為部件矢量指向從原點(diǎn)到中心的肢體的工作空間是垂直于“向上”矢量。最后，“右”矢量163指向患者的右側(cè)。嚴(yán)格限定，它被視為一個(gè)“X”矢量在中一個(gè)右手坐標(biāo)系統(tǒng)，并且是因此限定通過其他兩個(gè)矢量。因此，一個(gè)參考系160是限定為患者位于和定向完全通過不斷的物理特性和特征。雖然這個(gè)坐標(biāo)框架的定義已經(jīng)被執(zhí)行在中圖2和3對患者的手臂，這種定義方法能夠容易地被延伸到其他肢體，例如腿。
[0041]限定相似的參考系用于機(jī)器人設(shè)備。原點(diǎn)放置在處形心的基部關(guān)閉機(jī)器人設(shè)備5，這必須也是固定在中空間?！扒斑M(jìn)”矢量172是作為限定部件矢量指向從產(chǎn)地到的設(shè)備的工作空間的幾何形心的?！跋蛏稀笔噶?71和“右”矢量173可以被限定在中任意方向，只要下列條件滿足它們:
1)它們相互垂直；
2)它們二者都垂直于“前向”矢量172;
3)它們的定義滿足一個(gè)右手坐標(biāo)系統(tǒng)其中，“向上”矢量171被視為為Z矢量，“右”矢量173被視為一個(gè)X矢量，并且“前進(jìn)”矢量172被視為A Y矢量;以及
4)優(yōu)選地，但不是必須的，“向上”矢量171被定向盡可能以通常接受的“向上”方向(與重力的方向)。
[0042]在中一些情況下，例如與ReoGO ?武裝勞雷爾山，新澤西州，美國的Motorika醫(yī)療設(shè)備有限公司的康復(fù)系統(tǒng)，前述條件“4)”不能滿足，因?yàn)樵O(shè)備的“前進(jìn)”矢量已經(jīng)指出在中大致接受“起來“方向；因此，”向上“矢量可以是任意限定符合三個(gè)條件先前。下面是更詳細(xì)介紹這種情況。
[0043]當(dāng)時(shí)現(xiàn)有康復(fù)設(shè)備被分離成外骨骼式和非外骨骼式設(shè)備按照上述的說明中，進(jìn)一步的區(qū)分在之間這些兩個(gè)組變得顯而易見基于此定義參考的系。在中外骨骼式設(shè)備，機(jī)器人設(shè)備和患者與它們的參考系中操作(如限定以上)定向大致類似地:“上”，“右”和“前進(jìn)”對應(yīng)大致相同的方向?qū)Χ呋颊吆蜋C(jī)器人設(shè)備與錯(cuò)位在之間分別任意一方向在中PRF和DRF的優(yōu)選地不大于60度(S卩“正向”方向在中DRF將偏離無多于60度，從“前進(jìn)”方向在中PRF)，并且優(yōu)選地不大于45度。同時(shí)，迄今為止，非外骨骼式設(shè)備在中哪些機(jī)器人設(shè)備和患者參考系是大致定向類似地在中這種方法尚未建立。設(shè)備可今天是定向相對于患者在中許多不同的方法的，包括以下內(nèi)容:
-DRF可以是旋轉(zhuǎn)180°各地“漲”軸線相對于PRF使得設(shè)備“面孔”朝向患者，或90°，使得設(shè)備“面孔”垂直于患者:例如，在中水城互動(dòng)迅通科技的了 InMot1n ARM ?系統(tǒng)，美國馬薩諸塞州，東奧羅拉，美國紐約的穆格Incorporated的HapticMaster觸覺系統(tǒng)；以色列雷霍沃特的B1Xtreme的DeXtreme ?手臂；金士頓，加拿大安大略省BKIN科技或KINARM終點(diǎn)機(jī)器人?。在DeXtreme ?臂的情況下，例如，設(shè)備被設(shè)計(jì)成可同時(shí)位于在之前患者使用。它的工作空間，這是大致形狀像急性部正圓柱體的段輻射從設(shè)備的基部，同樣面臨著朝向患者。用于生成當(dāng)時(shí)的坐標(biāo)參考系設(shè)備的工作空間與上文，“前進(jìn)”方向-這點(diǎn)從的設(shè)備基部形心來形心的設(shè)備的工作空間-將中找到指向朝向患者。因此，設(shè)備的參考系是不定向相似于該患者的。
[0044]-另外，DRF可以b旋轉(zhuǎn)90°繞“正確”的軸線相對于PRF使得設(shè)備的“前進(jìn)”軸線是平行于患者的“向上”的軸線；或其他組合。一個(gè)示例是ReoGO ?手臂勞雷爾山，新澤西州，美國，在設(shè)備的基部下方坐在患者的手臂進(jìn)行康復(fù)，并且其主鏈路延伸到患者的手臂Motorika醫(yī)藥有限公司康復(fù)系統(tǒng)。它的工作空間是大致圓錐形，與位于在處形心的設(shè)備的基部錐尖。當(dāng)時(shí)一個(gè)坐標(biāo)參考系為生成設(shè)備正如上文所述，“前進(jìn)”矢量的設(shè)備將被發(fā)現(xiàn)有相同的方向?yàn)椤跋蛏稀笔噶吭谥谢颊叩膮⒖枷?。因此，設(shè)備的參考系是不定向相似于該患者的。
[0045]-最后，設(shè)備像圣塞瓦斯蒂安-圣塞瓦斯蒂安，西班牙Tecnalia?的ArmAssist設(shè)備可以不具有可定義的DRFC3ArmAssist設(shè)備是一個(gè)小型的移動(dòng)平臺，它被設(shè)計(jì)成坐在上桌面在之前患者?；颊叩氖直鄹浇拥皆O(shè)備，然后圍繞桌面到提供康復(fù)療法移動(dòng)。因?yàn)锳rmAssist設(shè)備是完全移動(dòng)，一個(gè)固定原點(diǎn)不能限定為它按照方法上面概述，并且它是不相關(guān)的討論。
[0046]本發(fā)明的機(jī)器人設(shè)備就是第一非外骨骼式設(shè)備而被設(shè)計(jì)成與患者及其參考系170定向大致相似于參考系160進(jìn)行操作。這個(gè)創(chuàng)新允許機(jī)器人設(shè)備利用優(yōu)點(diǎn)被其它限制外骨骼式設(shè)備，包括:
?減少干擾視線或身體的患者的線，因?yàn)闄C(jī)器人設(shè)備不需要坐下在之前/于患者的一側(cè)。
[0047]?更優(yōu)化的位置關(guān)系在之間患者和設(shè)備，由于力臂在之間設(shè)備和患者端點(diǎn)和它們的關(guān)節(jié)是直接成比例與I另一，而不是成反比成比例與I另一是在中其他設(shè)備。例如，當(dāng)時(shí)設(shè)備的連接裝置的延伸，患者的肢體進(jìn)行康復(fù)將是大致延伸為好。雖然設(shè)備不能夠產(chǎn)生盡可能多的力量在處的端點(diǎn)，它能夠當(dāng)時(shí)端點(diǎn)接近設(shè)備的關(guān)節(jié)，患者的動(dòng)力輸出能力將得到同樣減小了。類似地，當(dāng)時(shí)患者的肢體是承包和動(dòng)力輸出最大化，設(shè)備的端點(diǎn)將接近它的關(guān)節(jié)，并且其端點(diǎn)輸出力能力將最大化。
[0048]?更好的工作空間重疊在之間患者和設(shè)備，因?yàn)樵O(shè)備的聯(lián)接裝置延長其從基部在中相同的一般方向是患者的肢體伸展身體從。
[0049]就像一個(gè)外骨骼式設(shè)備，機(jī)器人設(shè)備5大致患者的模仿動(dòng)作的肢體，在中設(shè)備的該端點(diǎn)跟蹤患者的肢體，并且一個(gè)給定運(yùn)動(dòng)在中參考系的160患者產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)在中一個(gè)大致相似的方向在中設(shè)備的參考系170。例如，如果患者移動(dòng)它們的肢體向右在中患者的參考系160，設(shè)備的聯(lián)接裝置將大致右移在中設(shè)備的參考系170，如中所示圖4。然而，不像外骨骼式設(shè)備，個(gè)人聯(lián)接裝置和的機(jī)器人設(shè)備不一定模仿運(yùn)動(dòng)各個(gè)部分的或的患者的關(guān)節(jié)肢體，即使端點(diǎn)機(jī)器人設(shè)備的可跟蹤患者的端點(diǎn)關(guān)節(jié)。如圖4中所示，在優(yōu)選實(shí)施例中，運(yùn)動(dòng)在之前患者造成二者患者的肢體和聯(lián)接裝置的機(jī)器人設(shè)備5105，110擴(kuò)展;通過對比，在中圖4，運(yùn)動(dòng)到最右側(cè)患者導(dǎo)致患者的肢體弄直聯(lián)接裝置105，110，而機(jī)器人設(shè)備5彎曲。通過操作沒有這個(gè)約束(即，個(gè)別聯(lián)接裝置的機(jī)器人和關(guān)節(jié)設(shè)備不一定模仿運(yùn)動(dòng)各個(gè)部分或患者的肢體的關(guān)節(jié))，機(jī)器人設(shè)備5可避免的弱點(diǎn)固有在中外骨骼式設(shè)備，特別是散裝的許多，復(fù)雜性，直接復(fù)制一個(gè)肢體的運(yùn)動(dòng)學(xué)相關(guān)的成本和設(shè)置時(shí)間。
[0050]由于需要對這種區(qū)別在之間本發(fā)明的機(jī)器人設(shè)備和外骨骼式設(shè)備(S卩，一個(gè)關(guān)系不能容易地被限定在之間患者的肢體和聯(lián)接的機(jī)器人設(shè)備裝置)，有必要界定關(guān)系在之間機(jī)器人設(shè)備和患者作為基部的功能，端點(diǎn)的機(jī)器人設(shè)備和患者和定向。通過定義設(shè)備和患者參考系在中這種方式，先前聲明說機(jī)器人設(shè)備5設(shè)計(jì)使得它的運(yùn)動(dòng)模擬患者的那些，在中即給定的運(yùn)動(dòng)患者的端點(diǎn)在中參考系的患者將被匹配160通過一個(gè)大致相似的的運(yùn)動(dòng)設(shè)備的端點(diǎn)在的機(jī)器人設(shè)備5中參考系170“如本文中所述被滿足僅當(dāng)時(shí)機(jī)器人設(shè)備5被定向相對于患者。
[0051]一系列簡單的邏輯測試已開發(fā)，以幫助在中確定是否設(shè)備是否滿足標(biāo)準(zhǔn)以上概述。對于這些測試，設(shè)備被假設(shè)為在中其典型操作位置和配置相對于患者，并且是一個(gè)PRF是限定為患者的肢體進(jìn)行康復(fù)如上所述。
[0052]I)設(shè)備外骨骼式康復(fù)設(shè)備，如限定以前？
a.是:設(shè)備不滿足標(biāo)準(zhǔn)-標(biāo)準(zhǔn)僅適用于非外骨骼式設(shè)備。
[0053]b.否:繼續(xù)。
[0054]2)能夠原點(diǎn)是被固定相對于全球參考系和設(shè)在處形的基部心設(shè)備是限定？ a.是:繼續(xù)。
[0055]b.否:設(shè)備不滿足標(biāo)準(zhǔn)-標(biāo)準(zhǔn)不適用于移動(dòng)設(shè)備。
[0056]3)考慮設(shè)備的工作空間，并且找到了幾何形心工作空間。能夠“向前”或Y矢量被限定在之間設(shè)備的工作空間和設(shè)備的原產(chǎn)幾何形心？
a.是:繼續(xù)。
[0057]b.否:設(shè)備不滿足標(biāo)準(zhǔn)。
[0058]4)與上文相對于前進(jìn)矢量能夠“向上Z矢量和”右‘X矢量被限定？
a.是:繼續(xù)。
[0059]b.否:設(shè)備不滿足標(biāo)準(zhǔn)-這很可能是設(shè)計(jì)比設(shè)備在這里透露一個(gè)顯著不同的康復(fù)模式。
[0060]5)有工作的空間設(shè)備和患者定向大致類似地，在中說的二者協(xié)調(diào)參考系是否有大致相同的方向，以“右X，”前進(jìn)Y和“向上”7 Z矢量小于度在之間的任何一對矢量的一個(gè)選定數(shù)目的偏差？(在優(yōu)選實(shí)施例中，這是優(yōu)選地小于60度，并且更優(yōu)選地小于45度)。
[0061]a.是:繼續(xù)。
[0062]b.否:設(shè)備不滿足標(biāo)準(zhǔn)概述-它是定位不同的相對于患者比設(shè)備這里列出。[0063 ] 6 )被關(guān)閉運(yùn)動(dòng)患者的端點(diǎn)模仿或跟蹤通過相似的的運(yùn)動(dòng)設(shè)備的端點(diǎn)？
a.是:設(shè)備滿足概述的標(biāo)準(zhǔn)。
[0064]b.是:設(shè)備不滿足概述的標(biāo)準(zhǔn)。
[0065]迄今為止，還沒有設(shè)備有多于2自由度，其他比這里描述的系統(tǒng)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，成功地傳遞這一系列測試的。
[0066]說另一方式，大致相似的定向在之間患者和設(shè)備能夠被檢查通過識別“前進(jìn)”方向?qū)Χ呤褂谜吆驮O(shè)備。在中患者的情況下，“前進(jìn)”方向能夠被限定為一般方向從患者的臂基部進(jìn)行康復(fù)，沿患者的肢體，朝向患者的端點(diǎn)當(dāng)時(shí)是在處位置最通常訪問在期間使用的設(shè)備的。在中設(shè)備的情況下，“前進(jìn)”方向能夠被限定為一般方向從設(shè)備的基部，沿設(shè)備的聯(lián)接裝置，朝向設(shè)備的端點(diǎn)當(dāng)時(shí)是在處位置最通常訪問在期間使用的設(shè)備的。如果“向前”方向設(shè)備和的“前進(jìn)”方向的患者是大致平行(例如，優(yōu)選地以小于60度的偏差的，并且更優(yōu)選地具有小于45度的偏差)，則設(shè)備和使用者能夠是說是大致類似地定向。
[0067]系統(tǒng)的一般位置
一種優(yōu)選的本發(fā)明就是中所示的圖3和圖4，其中機(jī)器人設(shè)備5是定位在側(cè)實(shí)施例，并且略微在之后，患者(在中這種情況下，關(guān)節(jié)Jl的軸線125在之后，或重合與，患者的冠狀平面)。在本實(shí)施例中，參考系170的機(jī)器人設(shè)備5和參考系160的患者是定向大致類似地，如上所述。機(jī)器人設(shè)備5保持了患者的工作空間和視線，使其二者在物理和視覺上顯得突兀。工作空間機(jī)器人設(shè)備和患者重疊高度。運(yùn)動(dòng)范圍允許通過這個(gè)定位還是相當(dāng)大的，如中所示圖4，并且接近或超過允許通過高自由度的外骨骼式系統(tǒng)。
[0068]應(yīng)當(dāng)注意的是，雖然該布置(S卩，與機(jī)器人設(shè)備5定位到的，側(cè)并且略微在之后，患者)已被發(fā)現(xiàn)是優(yōu)選的某些康復(fù)療法，有其他實(shí)施例在中哪些機(jī)器人設(shè)備5是定位不同相對于患者其可以更適合于其他的應(yīng)用，例如用作觸覺輸入/控制設(shè)備，或其他康復(fù)活動(dòng)。例如，在中的高級-階段手臂康復(fù)，在中情況下患者是和達(dá)到了遠(yuǎn)從設(shè)備的情況下，它可以證明的最佳放置機(jī)器人設(shè)備略微在之前患者。
[0069]聯(lián)接裝置疊放順序
接著看圖5A，5B圖和圖5C，一些新穎的系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)顯示其中，設(shè)備的聯(lián)接裝置105,110都安排(有序)在中不同的方向，以方便不同的活動(dòng)。通過示例的方式但不作為限制，圖5A示出了一個(gè)配置稱為“疊放-down”配置，在中其中外聯(lián)接裝置的機(jī)器人設(shè)備5110是附的機(jī)器人內(nèi)聯(lián)接裝置105接到側(cè)設(shè)備5，允許設(shè)備達(dá)到上述從患者，向下，向它們的肢體(附接通過耦接元件115)。圖5C示出了一個(gè)配置稱為“疊放-up”配置，在中其中外聯(lián)接裝置的機(jī)器人設(shè)備5110是附的內(nèi)聯(lián)接裝置的機(jī)器人設(shè)備5105，允許設(shè)備到達(dá)接到頂側(cè)從以下患者，向上，向它們的肢體(附通過耦接元件115接)。二者的實(shí)現(xiàn)可以提供最佳的在中不同的情況?！跋蛳炉B放”變體不太可能與患者的手臂干擾，因?yàn)樗奈恢蒙厦嬖谄陂g康復(fù)活動(dòng)患者的工作空間，并且可以證明是，高功能康復(fù)患者誰需要擴(kuò)展工作空間更加有用。相反，“向上疊放”變體是更好的能夠支撐患者的手臂，并且不太可能與患者的視覺工作空間干涉;它更適合于低功能患者。圖5B示出了一個(gè)配置稱為“持平疊放”配置，在中其中外聯(lián)接裝置的機(jī)器人設(shè)備5110是附接到的內(nèi)的機(jī)器人設(shè)備5聯(lián)接裝置105，并且耦接元件115是底側(cè)的外聯(lián)接裝置110附接到頂部，允許設(shè)備達(dá)到患者使得患者的前臂與內(nèi)聯(lián)接裝置105大約持平。
[0070]具有替代性配置的繩索差速器圖6圖示了本的一個(gè)重要方面發(fā)明，S卩，利用繩索差速器(參見，例如，美國專利號4903536)在中康復(fù)設(shè)備。優(yōu)選的實(shí)施例機(jī)器人設(shè)備5包括三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)Jl，J2和J3，實(shí)施在中俯仰-偏擺-偏擺配置(圖1)，與第一兩個(gè)關(guān)節(jié)(即，Jl和J2)聯(lián)接在中繩索差速器如中所示圖6。如中所示圖6中，使用的繩索差速器允許一個(gè)電機(jī)是將通常被安裝在上一個(gè)較高級別的運(yùn)動(dòng)學(xué)框架被向下移動(dòng)到一個(gè)較低的水平框架。例如，在優(yōu)選實(shí)施例中中所示的圖6，電機(jī)500導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)繞關(guān)節(jié)Jl和關(guān)節(jié)J2移動(dòng)從前述關(guān)節(jié)Jl運(yùn)動(dòng)學(xué)框架(其中旋轉(zhuǎn)繞關(guān)節(jié)Jl的軸線125下降到前述地面運(yùn)動(dòng)學(xué)框架(地面框架;與置100基部在圖1中)。這顯著減少慣量的電機(jī)500移動(dòng)需要，從而提高了的機(jī)器人性能的設(shè)備和降低其成本通過允許被使用500更小的電機(jī)。盡管這是實(shí)施在優(yōu)選實(shí)施例中在處的機(jī)器人設(shè)備基部，原理在之后這個(gè)設(shè)計(jì)是有效的任何地方沿一個(gè)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)鏈。這為的康復(fù)尤為重要?jiǎng)?chuàng)新在中環(huán)境設(shè)備，因?yàn)樗哪芰?，以降低設(shè)備的成本，這必須保持在較低水平，以確保設(shè)備的商業(yè)成功。此配置也允許獨(dú)占使用的旋轉(zhuǎn)(而不是移動(dòng)關(guān)節(jié))關(guān)節(jié)，從而大大地簡化了設(shè)備的設(shè)計(jì)。低慣量也提高了設(shè)備安全性通過降低設(shè)備的勢頭。最后，這種創(chuàng)新也最大化的可用性通過允許視覺散裝設(shè)備被移開從患者的視線朝向基部設(shè)備的。而這個(gè)概念作為康復(fù)設(shè)備具有三個(gè)自由度在優(yōu)選實(shí)施例中，它顯然適用于其他康復(fù)設(shè)備具有少至兩個(gè)自由度的一部分執(zhí)行。
[0071]此外，在優(yōu)選實(shí)施例中中所示的圖1和圖6，實(shí)施繩索差速器與輸入和輸出軸線(即，軸線輸入滑輪505和輸出滑輪540)二者垂直于遠(yuǎn)側(cè)鏈接軸線(S卩，軸線沿內(nèi)聯(lián)接裝置105)提供一個(gè)繩索差速器，同時(shí)允許獨(dú)特的俯仰的好處-偏擺運(yùn)動(dòng)的安排，使這個(gè)設(shè)備如此適合康復(fù)使用。先前的繩索差速器小號的實(shí)現(xiàn)要么被安排在中俯仰-橫滾配置例如巴雷特科技公司的在中巴雷特WAM產(chǎn)品。牛頓，MA如圖所示在處700在中圖8C，或在中一個(gè)橫滾-俯仰配置例如在中巴雷特WAM手腕產(chǎn)品如在處720在中圖8B。在中二者的這些實(shí)現(xiàn)(S卩，俯仰-橫滾配置700圖SC和橫滾-俯仰配置圖SB的720)，無論是遠(yuǎn)側(cè)鏈路(S卩，鏈接超越差速器在中運(yùn)動(dòng)鏈)或近端鏈接(即，前差速器在鏈接中運(yùn)動(dòng)鏈)是永久同軸與兩個(gè)中的一個(gè)差速器的旋轉(zhuǎn)軸線。在中的俯仰情況下-橫滾配置700圖SC的，外聯(lián)接裝置710始終同軸，以差速器輸出軸線705;在中橫滾-俯仰配置圖8B的720，內(nèi)聯(lián)接裝置725始終同軸以差速器輸入軸線730。
[0072]迄今為止，然而，繩索差速器未被使用在中一個(gè)配置在那里都不差速器軸線是同軸向的聯(lián)接裝置之一。這個(gè)配置已經(jīng)成功地實(shí)施在優(yōu)選實(shí)施例中的本發(fā)明，因?yàn)榭吹皆谥卸邎D6(見俯仰-偏擺的配置關(guān)節(jié)Jl和J2相對于內(nèi)的設(shè)備105聯(lián)接裝置)和在中圖8A其中新穎的俯仰-偏顯示擺配置740。這個(gè)新的實(shí)現(xiàn)繩索差速器的創(chuàng)新使運(yùn)動(dòng)配置一樣，使用在中本發(fā)明。
[0073]雙手多維康復(fù)訓(xùn)練和設(shè)備設(shè)計(jì)
圖9示出了如何優(yōu)選實(shí)施的機(jī)器人設(shè)備5例是最優(yōu)的轉(zhuǎn)換從右手到左手使用的目的。機(jī)器人設(shè)備5實(shí)質(zhì)上是整個(gè)平面平行于患者的正中矢狀平面和重合與關(guān)節(jié)J2的軸線130對稱。通過簡單地確保范圍關(guān)節(jié)J2是對稱繞先前描述的平面，并且使外聯(lián)接裝置110被逆轉(zhuǎn)繞關(guān)節(jié)J3的軸線135使得它的運(yùn)動(dòng)范圍就是對稱繞前面平面在描述中任一位置，設(shè)備的手征性能夠容易地被逆轉(zhuǎn)，從而使其能夠在患者的身體上右側(cè)或任左側(cè)用作在圖9中看出。
[0074]最后，圖10圖示了如何天生的對稱性和的機(jī)器人設(shè)備5可逆的手征性，其獨(dú)特的工作位置/定向和小尺寸允許兩個(gè)單位的機(jī)器人設(shè)備結(jié)合使用同時(shí)進(jìn)行三維雙手康復(fù)。在中雙手康復(fù)，受災(zāi)肢體配對與非受災(zāi)肢體在中康復(fù)活動(dòng)，包括合作的任務(wù)，例如使用二者肢體解除的對象；以及啟發(fā)任務(wù)，其中健康的肢體“驅(qū)動(dòng)器”折磨肢體。雙手康復(fù)的值(從一個(gè)神經(jīng)肌肉損傷例如中風(fēng)，它能夠使神經(jīng)系統(tǒng)復(fù)雜的任務(wù)就像協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行特別康復(fù)在中方面在之間肢體在上身體極度困難的兩側(cè))，早在1951年的理論，并且已經(jīng)在過去20年里取得了顯著的牽引力。請參閱“雙手訓(xùn)練筆劃后:有兩個(gè)手總比一個(gè)人好?” Rose，Dorian K.and ffinstein, Carolee J.Topics in Stroke Rehabilitat1n; 2004 Fall; 11(4):20-30.。機(jī)器人康復(fù)設(shè)備都非常適合這種類型的療法，由于它們的能力能夠精確地控制運(yùn)動(dòng)的患者的肢體和與其他康復(fù)設(shè)備坐標(biāo)。在中示范實(shí)施中所示的圖10，第一機(jī)器人設(shè)備5連接到患者的折磨右臂，而第二機(jī)器人設(shè)備5是連接到一個(gè)功能更強(qiáng)大的左臂。機(jī)器人設(shè)備都聯(lián)接到彼此共同的通過一些類型的控制器(例如，因?yàn)榭吹皆谥袌D12，外部控制器578的通信與板載的二者機(jī)器人設(shè)備5控制器，同時(shí)促進(jìn)通信在之間兩個(gè)設(shè)備)，協(xié)調(diào)康復(fù)療法。雖然此示例論證的優(yōu)選實(shí)施例的機(jī)器人設(shè)備使用的圖像，它可以被理解的是，基本概念雙手康復(fù)可以是實(shí)施與任何各種設(shè)備，即使那些設(shè)備是不同的。然而，也有顯著優(yōu)點(diǎn)于使用兩個(gè)相似的機(jī)器人設(shè)備5雙手康復(fù)，這是下面的披露，并且由此導(dǎo)致了新穎的方法為雙手康復(fù)。
[0075]機(jī)器人設(shè)備5此處描述的第一非平面康復(fù)設(shè)備為目的而設(shè)計(jì)這種類型的雙設(shè)備，同時(shí)使用在中一個(gè)三維雙手系統(tǒng)。如前所述，機(jī)器人設(shè)備的先天對稱性允許其手征性是容易地逆轉(zhuǎn)，允許相同的機(jī)器人設(shè)備設(shè)計(jì)是用于二者的權(quán)利和左側(cè)肢體的康復(fù)。此外，設(shè)備的小巧方便同時(shí)使用兩個(gè)系統(tǒng)中，如中所示圖10。雖然其他設(shè)備，例如沃克茨維爾，瑞士，是Hocoma AG的Armeo ?電源系統(tǒng)類似地可逆的，大小這些系統(tǒng)和它們的位置相對于患者排除了它們的使用在中一雙手康復(fù)系統(tǒng)，自基部兩個(gè)系統(tǒng)將干涉。也有一些設(shè)備已經(jīng)被故意設(shè)計(jì)為雙手康復(fù)，例如金士頓，加拿大安大略省BKIN科技KINARM外骨骼?和終點(diǎn)?機(jī)器人。然而，如上所述，這些設(shè)備是故意限于平面的(二維)康復(fù)療法，顯著影響它們的對患者效用。
[0076]存在一種已知的一個(gè)系統(tǒng)的示例是名義上能夠執(zhí)行有限的3維雙手康復(fù)療法與僅單手驅(qū)動(dòng)，即，第三代鏡像運(yùn)動(dòng)使能器(MME)康復(fù)機(jī)器人，開發(fā)成一個(gè)合作項(xiàng)目在之間的部退伍軍人事務(wù)部和美國斯坦福大學(xué)在中1999年。請參閱“Development of robots forrehabilitat1n therapy: The Palo Alto VA/Stanford experience, Burgar et.al.Journal of Rehabilitat1n Research and Development.Vol.37 N0.6，Nov/Dec2000, pp.663-673”。第三代機(jī)器人MME—個(gè)包括PUMA-560工業(yè)機(jī)器人固定到患者的折磨肢體，并且被動(dòng)六軸線MicroScribe的數(shù)字轉(zhuǎn)換器固定到夾板，這是在中打開親接到患者的健康的肢體。在系統(tǒng)的雙手模式中，健康的運(yùn)動(dòng)檢測肢體通過數(shù)字化和傳遞給機(jī)械臂，其中移動(dòng)健康肢體受苦肢體使得其運(yùn)動(dòng)鏡那些。雖然這種系統(tǒng)能夠執(zhí)行有限的雙手康復(fù)療法，它是從根本上限制通過信息的單向流動(dòng)在內(nèi)系統(tǒng):信息能夠被從健康的肢體來折磨肢體傳遞，但不回從患有肢體健康的肢體，因?yàn)閿?shù)字化儀被動(dòng)和不有無電機(jī)或其他機(jī)構(gòu)，用以施加力在上患者的健康的肢體。
[0077]本文所述在中實(shí)施，使用的兩個(gè)相似的，積極的機(jī)器人設(shè)備5-在優(yōu)選實(shí)施方式中，具有相似的運(yùn)動(dòng)學(xué)，關(guān)節(jié)范圍，力輸出限制靜態(tài)狀語從句和動(dòng)態(tài)性能特點(diǎn)-支持雙向信息流(即，雙向信息流其中，二者設(shè)備發(fā)送，接收，和響應(yīng)信息從其他設(shè)備)，創(chuàng)造了雙手康復(fù)系統(tǒng)是能夠和潛在的受災(zāi)二者健康和肢體，移動(dòng)患者的患病肢體在中三個(gè)維度監(jiān)控位置控制其定向同時(shí)，并且可選提供并發(fā)力反饋，支持或其他力量輸入到健康的肢體。例如，機(jī)器人設(shè)備連接到患者的健康的肢體能夠被用于“驅(qū)動(dòng)”機(jī)器人設(shè)備連接到患者的折磨肢體，而同時(shí)支持健康的肢體，以防止疲勞，并且提供力反饋，以健康的肢體按要求通過療法。在中這方面已發(fā)現(xiàn)的是，繩索驅(qū)動(dòng)器用于在優(yōu)選實(shí)施方式本的中發(fā)明特別適合由于繩索傳動(dòng)變速器的高機(jī)械帶寬這種類型的使用;然而，替代性的實(shí)施例可以是實(shí)施使用替代性的機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。無論具體實(shí)施，這個(gè)雙向信息流-當(dāng)時(shí)執(zhí)行在之間兩個(gè)相似的設(shè)備與促進(jìn)這里所描述的特點(diǎn)-允許設(shè)備是用于遠(yuǎn)更廣泛的三維雙手康復(fù)療法比現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)方法披露于此。
[0078]本發(fā)明的附加應(yīng)用
在中前面的介紹，本發(fā)明就是論述在中其康復(fù)設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境。然而，這將可以理解的是，本發(fā)明可以在中利用其他應(yīng)用程序，例如需要高保真力反饋的應(yīng)用。通過示例的方式但不作為限制，這些應(yīng)用可以包括用作輸入/觸覺反饋設(shè)備用于電子游戲，對于其他機(jī)械設(shè)備，例如工業(yè)機(jī)械臂或施工機(jī)械，或作為用于檢測設(shè)備位置，一個(gè)控制器即作為數(shù)字化儀或三坐標(biāo)測量設(shè)備。
[0079]優(yōu)選實(shí)施例的修改
應(yīng)當(dāng)理解的是，許多額外的變化在中細(xì)節(jié)，材料，步驟和已和說明在中為了解釋自然界在這里描述的部分，安排本發(fā)明，可以通過本作領(lǐng)域技術(shù)人員，其余的仍在內(nèi)原則本的和范圍發(fā)明。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種非外骨骼式康復(fù)設(shè)備，具有少至2個(gè)主動(dòng)自由度，其中，所述設(shè)備被定向和定位成使得它的參考系與患者的參考系大致相似地定向，并且患者的端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)通過所述設(shè)備的端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)來模仿。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備大致位于一側(cè)并且略微位于患者之后。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備的自由度中的兩個(gè)通過繩索差速器來聯(lián)接。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于，所述繩索差速器被配置成使得輸入軸線和輸出軸線二者都垂直于所述繩索差速器遠(yuǎn)側(cè)的聯(lián)接裝置的軸線。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，位于地面框架之外的運(yùn)動(dòng)學(xué)框架上的電機(jī)沿較低框架的關(guān)節(jié)軸線定位，或以其他方式定位成最小化它們對所述設(shè)備的慣量的影響。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備被設(shè)計(jì)成在標(biāo)準(zhǔn)使用期間關(guān)于平行于患者的正中矢狀平面的平面對稱，并且允許右手使用和左手使用二者，而無需顯著地重新配置。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備的遠(yuǎn)側(cè)聯(lián)接裝置按照特定的方式來安排，以提供特定的益處。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備的遠(yuǎn)側(cè)聯(lián)接裝置被向下疊放，以最大化運(yùn)動(dòng)范圍，并且避免與患者的碰撞。9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備的遠(yuǎn)側(cè)聯(lián)接裝置被向上疊放，以防止對患者的視覺干擾，并且提供更大的臂支撐。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備僅包括旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，并且不包括移動(dòng)關(guān)節(jié)。11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，替代性的端點(diǎn)附接裝置可以被固定到所述設(shè)備，以允許不同類型的康復(fù)活動(dòng)。12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備在俯仰-偏擺-偏擺配置中包括3個(gè)機(jī)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)自由度，其中，前兩個(gè)關(guān)節(jié)通過繩索差速器來聯(lián)接，其中，用于第三關(guān)節(jié)的促動(dòng)器沿第一關(guān)節(jié)的軸線定位，以減少它對所述設(shè)備的整體慣量的影響，并且其中，所述設(shè)備被設(shè)計(jì)成有利于逆轉(zhuǎn)所述設(shè)備的手征性。13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備與相似的第二設(shè)備配對，并且用于雙手康復(fù)。14.一種非外骨骼式康復(fù)設(shè)備，具有少至2個(gè)主動(dòng)自由度，其中2個(gè)自由度通過繩索差速器來聯(lián)接。15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其特征在于，所述繩索差速器被配置成使得輸入軸線和輸出軸線二者都垂直于遠(yuǎn)側(cè)聯(lián)接裝置的軸線。16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備大致位于一側(cè)并且略微位于患者之后O17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其特征在于，位于地面框架之外的運(yùn)動(dòng)學(xué)框架上的電機(jī)沿較低框架的關(guān)節(jié)軸線定位，或以其他方式定位成最小化它們對所述設(shè)備的慣量的影響。18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備被設(shè)計(jì)成在標(biāo)準(zhǔn)使用期間關(guān)于平行于患者的正中矢狀平面的平面對稱，并且允許右手使用和左手使用二者，而無需顯著地重新配置。19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備的遠(yuǎn)側(cè)聯(lián)接裝置按照特定的方式來安排，以提供特定的益處。20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備的遠(yuǎn)側(cè)聯(lián)接裝置被向下疊放，以最大化運(yùn)動(dòng)范圍，并且避免與患者的碰撞。21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備的遠(yuǎn)側(cè)聯(lián)接裝置被向上疊放，以防止對患者的視覺干擾，并且提供更大的臂支撐。22.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備僅包括旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，并且不包括移動(dòng)關(guān)節(jié)。23.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其特征在于，替代性的端點(diǎn)附接裝置可以被固定到所述設(shè)備，以允許不同類型的康復(fù)活動(dòng)。24.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備在俯仰-偏擺-偏擺配置中包括3個(gè)機(jī)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)自由度，其中，前兩個(gè)關(guān)節(jié)通過繩索差速器聯(lián)接，其中，用于第三關(guān)節(jié)的促動(dòng)器沿第一關(guān)節(jié)的軸線定位，以減少它對所述設(shè)備的整體慣量的影響，并且其中，所述第三關(guān)節(jié)具有延伸的運(yùn)動(dòng)范圍，以有利于在右手使用和左手使用之間轉(zhuǎn)換。25.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備與相似的第二設(shè)備配對，并且用于雙手康復(fù)。26.—種方法，其中，被設(shè)計(jì)成能夠在三個(gè)或更多個(gè)自由度上引起運(yùn)動(dòng)的康復(fù)設(shè)備與相似的第二設(shè)備雙向地配對，并且用于雙手康復(fù)，所述康復(fù)設(shè)備能夠容易地重新配置以允許右手使用和左手使用二者，并且相對于患者定位成使得兩個(gè)設(shè)備可以被同時(shí)使用，而不彼此干擾。27.一種用于與使用者的附屬肢體相關(guān)聯(lián)地操作的機(jī)器人設(shè)備，其中，所述使用者的附屬肢體具有端點(diǎn)，所述機(jī)器人設(shè)備包括: 基部；以及 附接到所述基部并且具有端點(diǎn)的機(jī)械臂，所述機(jī)械臂相對于所述基部具有至少兩個(gè)主動(dòng)自由度，并且配置成使得當(dāng)所述基部相對于使用者適當(dāng)?shù)囟ㄎ粫r(shí)，所述機(jī)器人設(shè)備的參考系與所述使用者的參考系大致相似地定向，并且所述使用者的附屬肢體的端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)通過所述機(jī)械臂的端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)來模仿。28.—種用于操作與使用者的附屬肢體相關(guān)聯(lián)的機(jī)器人設(shè)備的方法，其中，所述使用者的附屬肢體具有端點(diǎn)，所述方法包括: 提供機(jī)器人設(shè)備，其包括: 基部；以及 附接到所述基部并且具有端點(diǎn)的機(jī)械臂，所述機(jī)械臂相對于所述基部具有至少兩個(gè)主動(dòng)自由度，并且配置成使得當(dāng)所述基部相對于使用者適當(dāng)?shù)囟ㄎ粫r(shí)，所述機(jī)器人設(shè)備的參考系與所述使用者的參考系大致相似地定向，并且所述使用者的附屬肢體的端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)通過所述機(jī)械臂的端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)來模仿； 相對于所述使用者定位所述基部，使得所述機(jī)器人設(shè)備的參考系與所述使用者的參考系大致相似地定向，并且將所述使用者的附屬肢體附接到所述機(jī)械臂；以及移動(dòng)所述使用者的附屬肢體的端點(diǎn)和所述機(jī)械臂的端點(diǎn)中的至少一個(gè)。
【文檔編號】A61H1/02GK105979919SQ201480065122
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2014年9月29日
【發(fā)明人】W.T.湯森, D.威爾金森, A.詹科, J.勒蘭, A.阿南塔納拉亞南, J.佩頓
【申請人】巴萊特技術(shù)有限責(zé)任公司