辅助和康复下肢的机器人装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种辅助和康复下肢的机器人装置，尤其是支持人类步行的外骨骼。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】辅助和康复下肢的机器人装置
本专利技术涉及一种辅助和康复下肢的机器人装置。尤其是，该装置构成一种支持人步行的外骨骼。
技术介绍
外骨骼是可穿戴的机器人结构，能够：-辅助运动；-实施康复治疗；-提高运动技能；-记录与使用者步行相关的运动学及动力学信息，由此可以将对象的表现进行后续评估。用于下肢的外骨骼可以是：-可在结构化环境和非结构化环境下使用的便携式装置；-跑步机相关的固定系统。便携式外骨骼可用于例如使截瘫患者恢复行走，或者辅助运动技能降低的对象。在军事领域，可用于协助士兵搬运重物或远距离步行。非便携式外骨骼基本上用于医疗领域，主要用于患者的康复目的。这些患者或因创伤或因运动表现的生理性衰退而需要进行运动技能的康复。在相同领域，外骨骼可以用于记录对象的运动，例如定量及客观地评估某个康复方案的有效性。绝大多数用于辅助运动的机器人系统具有拟人的运动学结构：除去小的对准误差，机器人的接合轴线与人类的接合轴线相匹配。拟人系统主要的缺点体现在需要将机器人的接合轴线与人类的接合轴线对准，这样是为了避免：i)机器人可能对接合施以有潜在危害的力，以及ii)围套可能会过度摩擦对象的皮肤。因此，要将拟人外骨骼安装在对象的腿上，需要经历一个冗长的预备阶段，在这个阶段要尽量减小机器人接合与人类接合的同轴度误差。此外，在大多数现有系统中，机器人驱动器放置在与需要驱动的接合同位置的结构上，增加了与附加质量的摆动相关的惯性动作，尤其是在抬腿和前进的过程中(迈步期)。科学文献提供了大量辅助步行的可穿戴式机器人系统的实例，其应用有：提高运动表现，(神经)康复，协助日常活动。这种装置可以分为两种主要类型：-自主机器人系统；-基于跑步机的机器人系统。自主机器人系统能够在非结构化环境下使用，只要机械结构、电源及控制系统足够紧凑，重量轻，以便穿戴者携带。文献中记录了自主机器人的实例，它们用于：·提高健康对象的表现(通常用于运输重物)，无论民用还是军事领域；·协助有运动障碍的对象，通常由脊髓损伤引起。借助于跑步机的固定系统通常包括机器人重量平衡系统。这种系统需要对象在跑步机上行走，通常用于康复，例如，用于脑卒中后患者的神经康复。科学文献中描述的固定装置是由本质上拟人的运动学结构组成。除了驱动系统(线性驱动器、旋转驱动器等)和传动系统(传送带、电缆等)所采用的特定方案，目前技术水平下的装置具有与人体接合(例如：髋接合，膝接合和踝接合)相对准的驱动旋转接合，以及基本上与人体节段(大腿、小腿、脚)相平行连杆(更为普遍的，与接合互相连结的部分)。上述设备更进一步的共同特征是机械结构沿人体四肢几乎平均分布。驱动器通常直接装置在感兴趣的接合上(髋接合，膝接合和踝接合)，或者，另一个选择是与适当的传递运动到驱动接合的系统一起，放置在与人体四肢相平行的机械结构上。这两种方案都会导致高质量的集中以及惯性，不仅在近躯体中心的区域(躯干、大腿)，还有躯体远端的区域(小腿、脚)。这种情况意味着使用者在迈步期需要施以很大的力矩/力。最终，目前技术水平下没有一种辅助下肢的机器人装置：·具有非拟人的运动学结构，有多个接合(驱动及非驱动)，还有多个比严格复制人腿运动学结构所需更大的连杆；以及不与人类接合相对准的驱动旋转接合；·机械部件沿肢体不均匀分布，以将躯体远端区域的质量和惯性降至最低，例如迈步期中的摆动。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的在于解决上述提到的问题，可以通过如下所述的机器人装置达到这个目的：一种非拟人的外骨骼机器人装置，用于对象下肢的辅助和/或康复，包括骨盆套和运动链，骨盆套可被对象穿戴在他/她骨盆处；并且，对于每一肢，运动链包括：第一节段，在其一端处铰链连接至骨盆套以实现骨盆接合，并使其另一端铰链连接在第二节段的一端处以实现中间接合；大腿节段，一端可转动地连接于第二节段，另一端可转动地连接于大腿套；以及小腿节段，一端可转动地连接于第二节段，另一端可转动地连接于小腿套，设置成以使得大腿节段和小腿节段在装置运行过程中基本上与对应的肢节段相垂直，对于每个运动链，该装置进一步包括骨盆接合的第一驱动器及中间接合的第二驱动器。于是，本专利技术解决的技术问题在于通过提高系统工效学及穿着性能以确保下肢与可穿戴式机器人之间更好的运动相容性。机器人运动学结构的非拟人性质使之成为可能。此外，这种机器人对使用者不同的人体测量尺寸有很好的适应性。在这种机器人结构上排列驱动器具有更大的自由度，使与摆动质量运动相关的惯性效应得以降低。本专利技术解决了现有技术存在的问题，具有一些明显的优势。尤其是，非拟人的运动学结构具有确保机器人与人体之间有更好运动相容性的潜力，显著提高系统工效性。其可能性在于解除了(机器人与人类)接合轴线对准的限制，而且这种结构被证实能从本质上弥补在设备穿戴过程中不可避免的细微错误。此外，驱动器可以不必安置在接合上，还可以安置在躯干和骨盆附近，这降低了摆动质量以及由此产生的惯性效应。本专利技术提出的解决方案保证了更好的运动相容性，避免或大或小未对准的情况，极大地提高了系统工效性。被动连杆，例如末端被铰链限制，基本上与躯体节段或四肢的轴线相垂直，它们的存在使装置能够更简单快速地穿戴，确保相互作用力基本上与躯体节段或四肢的轴线相垂直，从而将对产生运动无效的平行力以及可能造成使用者不舒适的原因降至最低。同样的被动连杆，能够围绕限制其末端的铰链自由旋转，也可以使机器人从本质上适应不同体型的使用者。可以手动改变机器人的连杆长度、倾斜度以及被动接合的位置这一可能性，确保了该装置可以用在人体测量尺寸不同的大多数人身上。此外，可以将驱动器放置在机器人任何位置(甚至远程)这一可能性，确保了在设计阶段极大的灵活性；将驱动器放置在近人体中心的骨盆高度，使用者在走动中感受到的由远离臀部的质量所产生的惯性将明显降低。附图说明以上及其它优点，同本专利技术的特征和使用方式一起，将在下面的优选实施方式中通过实施例详尽地说明，实施例不用于限制性目的。参见附图，其中：-图1A、1B、1C分别是本专利技术装置的立体图、主视图和右视图；-图2是对象穿戴本专利技术装置时，其躯体节段所受力的描述；-图3A、3B、3C是实现本专利技术装置所选择的拓扑结构的形态学描述；-图4A、4B是本专利技术装置可采用的可能的运动链示意图描述；-图5A至5D是本专利技术装置中部分可调节机构的细节描述；-图6A至6C是本专利技术装置可用的驱动器的视图；以及-图7A至7C是本专利技术可供选择的驱动器放置布局的视图。具体实施方式在下文中将参照上述附图，对本专利技术进行详细说明。尤其是，图1显示了本专利技术的机器人装置1。装置1是用于辅助步行和运动康复的可穿戴机器人，它能够辅助臀部和膝盖在矢状面上的屈曲/伸展运动。此外，所述装置还可以作为人类机能增进器以及监控运动的装置使用。该机器人配备了二自由度(DoF)的平面运动结构。所述结构由与下肢平行相连的运动链组成。人-机器人系统为了确保最适宜的辅助，必须采用不同构型，以与步行动作的特征范围相容。该装置包括骨盆套，在这里实现了第一个第一驱动器对应的骨盆接合，以及第二个第二驱动器对应的中间接合。骨盆套用柔性材料例如碳纤维制成，以使肢体动作能在冠状面上进行。运动链包括一个与两端接合旋转相连的第一连接段(连杆)；一个与中间接合旋转相连的第二连接段本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非拟人的外骨骼机器人装置，用于对象下肢的辅助和/或康复，包括骨盆套和运动链，所述骨盆套可被所述对象穿戴在他/她骨盆处；并且，对于每一肢，所述运动链包括：第一节段，在其一端处铰链连接至所述骨盆套以实现骨盆接合，并使其另一端铰链连接在第二节段的一端处以实现中间接合；大腿节段，一端可转动地连接于所述第二节段，另一端可转动地连接于大腿套；以及小腿节段，一端可转动地连接于所述第二节段，另一端可转动地连接于小腿套，设置成以使得所述大腿节段和所述小腿节段在所述装置运行过程中基本上与对应的肢节段相垂直，对于每个所述运动链，所述装置进一步包括所述骨盆接合的第一驱动器及所述中间接合的第二驱动器。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.10.09 IT RM2012A0004821.一种非拟人的外骨骼机器人装置，用于对象下肢的辅助和/或康复，包括骨盆套和运动链，所述骨盆套可被所述对象穿戴在他/她骨盆处；并且，对于每一肢，所述运动链包括：第一节段，在其一端处铰链连接至所述骨盆套以实现骨盆接合，并使其另一端铰链连接在第二节段的一端处以实现中间接合；大腿节段，一端可转动地连接于所述第二节段，另一端可转动地连接于大腿套；以及小腿节段，一端可转动地连接于所述第二节段，另一端可转动地连接于小腿套，设置成以使得所述大腿节段和所述小腿节段在所述装置运行过程中基本上与对应的肢节段相垂直，对于每个所述运动链，所述装置进一步包括用于驱动所述骨盆接合的第一驱动器及用于驱动所述中间接合的第二驱动器。2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括用于控制及驱动所述第一驱动器和所述第二驱动器的部件。3.根据权利要求1或2所述的装置，进一步包括所述第一节段、所述第二节段、所述大腿节段、所述小腿节段和所述肢节段的多个调节机构。4.根据权利要求1或2所述的装置，其中每个所述第一驱动器和所述第二驱动器包括减速机构和弹性元件，所述弹性元件与所述减速机构串联。5.根据权利要求2所述的装置，其中用于...

【专利技术属性】
技术研发人员：迪诺·阿科托，法布里齐奥·塞尔吉，希奥尔希奥·卡尔皮诺，雷吉纳·路易吉·塔利亚蒙特，西蒙尼·格拉诺，米开朗基罗·迪帕洛，欧金尼奥·古格利米力，
申请(专利权)人：罗马生物医学大学，
类型：发明
国别省市：意大利;IT