欠驱动机制(I)，允许驱动肩关节的远端自由度并传递扭矩和反作用力，框架(3)上的驱动系统与躯干(5)通过超冗余运动机制(200)形成如下：a.连接到人体躯干(5)的第一非致动旋转关节(100)，其绕轴线X旋转，b.连接到第一旋转接头(100)的连接机制(200)，c.第二个旋转关节(300)，它(i)围绕Y轴旋转，根据与X轴共面的肩关节的屈伸度数布置，(ii)由从动滑轮和鲍登远程驱动电缆或通过具有共同定位的电机的直接驱动致动系统，(ili)在一侧固定到连接机制(200)，在另一侧固定到人臂(6)，连接机制(200)包括：至少三个或三个以上的构件(210、220、231)，其中两个(210、220)分别刚性固定在旋转接头(100、300)之一上，均具有平行接头，称为最少关节A和B，布置成将一个构件与下一个构件连接以形成绕所述平行关节的轴线的旋转约束。接以形成绕所述平行关节的轴线的旋转约束。接以形成绕所述平行关节的轴线的旋转约束。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】未充分驱动肩外骨骼远端关节及传递约束反应装置
[0001]本专利技术涉及用于加强，辅助上肢运动障碍患者的上肢外骨骼
，特别是一种适用于肩关节屈伸力矩传递的系统。
技术介绍
[0002]本专利技术应用于工业领域中的康复医学和人体增强领域。
[0003]在工业领域，为了减少和防止因进行重复性任务和负载运输的超负荷工作而引起的肌肉骨骼系统病变的发生，并减少重复性任务中的肌肉疲劳，外骨骼类型的可穿戴支撑装置(被动或机器人类型)已经普及，能够将执行任务所需的力从上肢远端区域转移到身体区域，例如躯干或腿部，绕过负载转移到腰部区域。
[0004]在医疗康复领域，外骨骼通常用于机器人辅助康复。
[0005]在康复机器人和上肢协作机器人领域，宏观上分为两类，基于末端执行器的机器人(EEB Robot)和外骨骼机器人。
[0006]EEB机器人与人体之间的交互仅通过末端执行器进行，末端执行器与患者的手或前臂接触。根据机制可用的自由度，对手臂进行空间定位和/或定向。通常来说，机器人系统关节的旋转轴与人体关节的旋转轴不一致：这就是为什么EEB机器人比外骨骼机器人更容易设计和制造，也更容易根据患者手臂的不同长度做调整。
[0007]与这些优势形成对比的是，在了解机器人姿势的情况下，无法唯一地确定手臂的姿势和/或人体关节处的扭矩，事实上，机器人和人类之间的交互仅通过一个接触点进行。
[0008]然后，才是从EEB到外骨骼的真正转变。上肢外骨骼是运动学与手臂同构的机制，机械关节的轴与人体关节的轴对齐。
[0009]外骨骼基本上是平行于臂的机械结构。这一特性允许外骨骼设备在人与机器人之间置有多个连接点(接口)：更多的接口能够根据机器人的姿势准确地确定人肢体的姿势。同样适用于人体关节处的扭矩，可以逐一确定和监控。通过在接头处使用机械止动器，可以避免如肘部过度伸展等不必要的现象。因为外骨骼具有与上肢相似的运动学，通常可以使用外骨骼覆盖人类手臂可到达的大部分工作空间：但是，这需要将连杆长度调整为手臂长度。
[0010]为上肢设计外骨骼时要考虑的最重要方面包括：
[0011]肩部旋转中心不固定：肩部旋转中心在屈伸运动，外展和内收运动中移动。如果外骨骼也附着在前臂的身体上。必须考虑旋转中心的移动，以消除由于机器人关节轴和肩轴之间未对准而引起的误差
[0012]机器人肩关节的单一配置不应该在机器人工作空间内，或者应该在其边界处。
[0013]将机器人肩关节轴置于人体肩部旋转中心上，这项操作无法精确执行，需要每个患者重复。
[0014]运动部件的惯性应较低，以具有良好的机械透明度。
[0015]设备的安全性至关重要。
[0016]在[1]中，讨论了关节错位问题，即难以获得与人体关节轴线正确对齐的主动机器人关节轴线。
[0017]由于人加机器人系统的超静态特性，可能会导致不必要的手臂运动，同时可能对人体造成不必要的压力。事实上，在发生错位的情况下，如果两条运动链都是刚性的，运动将被完全阻止。实际上，错位是通过变形来恢复的。与外骨骼材料相比，由于皮肤、脂肪细胞和肌肉结构的刚度较低，人与机器人系统的主要变形发生在人和机器人之间的界面处。这就是在关节错位的情况下，会在人体外骨骼界面上施加不必要的压力的原因。
[0018]为了避免这个问题，在已经使用的方法中，可以1)在外骨骼内插入弹性和柔度，或2)在运动链中添加冗余被动关节，或3)使用长度可调的连杆或其他校准校正机制，或4)使用外骨骼和人体被动关节之间的接口，以避免不必要的压力。
[0019]随着界面面积的变化，机器人和人之间的负载转移，如果界面传递扭矩，稍微延伸的界面可能会不舒服，因此建议使用尽可能宽的界面或最多使用成对的界面。
[0020]因此，近年来已经引入了以柔性连杆为特征，或完全由光制成的柔性可穿戴机器人设备。柔性材料，例如纺织纤维织物或复合材料的典型纤维。东京大学的Kobayashi和Hiramatsu研究了第一个用于辅助手臂的柔性机器人。
[0021]该系统大体由织物套装组成，织物套装是躯干和手臂的第二层皮肤。McKibben型气动执行器连接在该套装上，其功能与人体肌肉基本相似，即它们可以收缩以减小套装两点之间的距离。
[0022]哈佛大学的Conor Walsh随后研究了气动驱动的柔性可穿戴设备。基本概念与东京大学的肌肉套装相同，即使用气室作为外部肌肉系统。至于上肢，Walsh教授基本上制作了两种装置，一种用于手部，一种用于肩部[2
‑
3]。
[0023]新加坡NTU大学的Lorenzo Masia等人开发了一种用于肘部的外装(柔软的可穿戴外骨骼)[4,CN107921628]，由两个织物界面组成，这些界面可以用魔术贴带在手臂周围闭合。接口之一放置在前臂上，一个在手臂上。在这两个接口之间插入两条电缆，它们充当两个拮抗肌，二头肌和三头肌。电缆固定在两个接口之间，并由位于后背包内的电机引导，带有Bowden电缆传输(护套电缆)。
[0024]最先进的技术中也有许多外骨骼装置。
[0025]文献中提供的大多数解决方案是指使用刚性外骨骼结构来传递力和运动的解决方案。
[0026]在US2019160653中，描述了用于通过由3个线性致动器致动的机制来致动肩关节的平行运动系统，在W02018093448中，描述了具有远程旋转中心和刚性连杆球形运动的运动机制。
[0027]其中一些系统，专用于支撑下肢并使用气动驱动(US2019029914)或适合向上传递张力的带系统(CN108670195,US2018008502)。CN107921628使用Bowden缆索，应用了相同的概念，其中提供了一种适用于将辅助扭矩传递到肘部的解决方案。
[0028]在CN109318217A中，Bowden缆绳致动系统获得了专利，使用安装在具有垂直倾斜度的旋转对上的实际滑轮，用于致动肩关节的屈曲/伸展或外展/内收关节，但是这种系统不允许肩关节完全运动。
[0029]在WO2019081851中，描述了一种铰接的、柔性平行四边形机制，其允许定位与佩戴
者肩部的自由度对准而致动的轴。
[0030]相反，在ITUA20164364A1中，提供了一种用在具有任意空间方向的空间轴上排列的两个任意滑轮之间传递旋转运动的系统。
[0031]以下参考文献描述了肩部外骨骼传输的一些机制：
[0032][1]H.Kobayashi,K.Hiramatsu,Development of muscle suit for upperlimb.Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics&Automation,2004.
[0033][2]P.Polygerinos,Z.Wang,K.C.Galloway,R.J.Wood,C.J.W本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.欠驱动机制(1)，允许通过超冗余运动机制(200)驱动人体肩部关节的远端自由度，并将驱动系统在框架(3)上产生的反作用力和力传递到躯干(5)，该机制包括：a.连接到人体躯干(5)的第一非致动圆形关节(100)，其绕轴X旋转，b.连接到第一环形接头(100)的连接机制(200)，c.第二个旋转关节(300)(i)围绕根据肩关节的弯曲延伸度布置的轴Y旋转，该轴与轴X共面，(ii)由从动皮带轮和波顿电缆远程驱动，或由带有共位电机的直接驱动驱动系统远程驱动，(iii)固定在连接机制(200)上连接机制(200)包括：至少三个或三个以上的构件(210，220，231)，其中两个构件(210，220)分别刚性地固定在其中一个环形接头(100，300)上，所有构件均具有平行接头，称为最小接头A和B，布置成将一个构件与下一个构件连接，以形成围绕所述平行接头轴线的旋转约束。2.根据权利要求1所述的欠驱动机制(1)，其中仅驱动第二个环形接头(300)。3.根据权利要求1所述的欠驱动机制(1)，其中位于同一位置的电机集成在第二个环形接头(300)中。4.根据权利要求1所述的欠驱动机制(1)，其中欠驱动机制(1)没有从所述第一旋转节(100)到所述第二旋转节(300)的旋转运动的正向运动学传输。5.根据权利要求4所述的欠驱动机制(1)，其中欠驱动机制(1)配置为仅将约束反作用力从第二个旋转接头(300)向后传递到第一个旋转接头(100)。6.根据权利要求1所述的欠驱动机制(1)，其中第一个非驱动环形关节(100)相对于第二个环形关节(300)更靠近人体躯干(5)。7.根据权利要求1所述的欠驱动机制(1)，其中所述至少三个构件(210)中的所述构件布置在所述超冗余连接机制(200)的第一端，并且所述至少三个构件(210)中的所述另一构件(210)布置在所述超冗余连接机制(200)的第二相对端。8.根据权利要求1所述的欠驱动机制(1)，其中超冗余连接机制(200)形成由至少三个不同构件(210)或刚性元件组成的刚体链，通过共面旋转联轴器沿轴a、B、D
……
通过刚性轴(240)和垫片(230)连接在一起。9.根据权利要求1所述的欠驱动机制(1)，其中所述至少三个构件(210)为刚性元件，按顺序或串联连接在一起，形成链条。10.根据权利要求1所述的欠驱动机制(1)，其中所述至少三个构件(210)中的每个构件通过两个相对的细长形连接间隔元件(230)连接到后续构件上，并且彼此平行，每个所述连接间隔元件(230)可旋转地与所述每个构件(210)啮合以及所述后续构件，其分别位于所述旋转接头的所述平行轴的两个附近。11.根据权利要求1所述的欠驱动机制(1)，包括弹性平...
【专利技术属性】
技术研发人员：洛伦佐，
申请(专利权)人：海德堡大学，
类型：发明
国别省市：
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