多活动轴线的非外骨骼式康复设备制造技术

一种用于与使用者的附属肢体相关联地操作的机器人设备，其中，所述使用者的附属肢体具有端点，所述机器人设备包括：基部；以及附接到所述基部并且具有端点的机械臂，所述机械臂相对于所述基部具有至少两个主动自由度，并且配置成使得当所述基部相对于使用者适当地定位时，所述机器人设备的参考系与所述使用者的参考系大致相似地定向，并且所述使用者的附属肢体的端点的运动通过所述机械臂的端点的运动来模仿。动来模仿。动来模仿。

【技术实现步骤摘要】
多活动轴线的非外骨骼式康复设备
[0001]本申请是申请日为2019年8月21日、申请号为201910774783.1、专利技术名称为《多活动轴线的非外骨骼式康复设备》的分案专利技术专利申请的分案申请，其中，前述分案专利技术专利申请201910774783.1在第二次审查意见通知书中指出了单一性问题。


[0002]本专利技术涉及用于残疾人或在其他方面受损的解剖学肢体的康复的设备。

技术介绍

[0003]一种新的和令人兴奋的物理和职业治疗的分支是通过计算机引导的机械臂或设备(在特定的实施例中，也称为“操纵器”，以将它与可以接合它的人的手臂区分)辅助的治疗。针对例如中风后康复治疗之类的任务使用操纵器系统的潜在益处是显著的，所述中风后康复治疗通常涉及通过一系列重复的运动来移动患者的肢体。存在一些类型的治疗，例如错误增强(error
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augmentation)治疗，这些治疗无法仅通过人类治疗师有效地实施。此外，计算机引导的治疗能够使患者参加游戏，从而使体验更愉快，并且鼓励更长和更强烈的治疗过程，这已知有益于患者。最后，治疗师能够与更多的患者一起工作，并且能够给患者提供增加的治疗持续时间，这是因为治疗过程不再受限于治疗师的身体耐力。
[0004]一种分类机器人康复系统的有效方式是通过它们所具有自由度或DOF的数量。大多数的商业机器人康复系统落入两个宽泛的类别中的一个，即：低DOF(通常为一至三个DOF)系统，其位于患者之前；以及高DOF(通常为六个或更多个DOF)的外骨骼系统，其环绕患者的肢体，通常为手臂或腿。二种类别的当前的方法呈现出显著的不足，这造成很有限地实现了机器人康复治疗的潜能。
[0005]低DOF系统通常比高DOF系统廉价，但它们也通常具有较小的运动范围。例如Watertown，Massachusetts，USA的Interactive MotionTechnologies的InMotion ARM
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治疗系统或Kingston，Ontario，Canada的BKIN Technologies的KINARM End
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Point Robot
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系统之类的一些系统仅限于平面运动，从而大大地减少了它们能够用于的康复任务的数量。那些不限于平面运动的低DOF系统通常必须应付如下问题，例如避免阻挡患者的视线，如Rehovot，Israel的BioXtreme的DeXtreme
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系统；提供极其有限的运动范围，比如对于Mount Laurel，New Jersey，USA的Motorika Medical Ltd的系统；以及不充分地支撑患者的肢体。这些系统中的大多数占据患者之前的空间，从而影响患者的工作空间，增加单一的康复“站”所需的整体占地面积并且消耗康复诊所内的宝贵的空间。
[0006]同时，高DOF的外骨骼式系统，例如Volketswil，Switzerland的Hocoma AG的Power系统、Volketswil，Switzerland的Hocoma AG的Spring系统以及美国专利号8,317,730中公开的8+2DOF的外骨骼式康复系统，要复杂得多，并且因此，一般比类似的低DOF系统昂贵。虽然这样的高DOF外骨骼式系统通常提供比低DOF系统大的运动范围，但它们的机械复杂性也使它们笨重，并且它们通常环绕患者的肢体，从而使系统感觉对于患者有
威胁和不舒服。此外，人类的关节不按照机器人的方式遵照通过联接装置分开的轴线，并且每个人的解剖结构都是不同的，具有不同的骨长度和不同的关节几何构型。即使利用存在于高DOF系统中的大量的轴线，微调外骨骼系统的关节位置和联接装置长度以匹配患者也要花费相当长的时间，并且即使这样，系统也经常过约束人类的肢体，从而可能造成弊大于利。
[0007]最后，存在一小部分当前可获得的设备不符合上文所列的两个类别中的任何一个：例如，高DOF的非外骨骼式设备或低DOF的外骨骼式设备。到目前为止，这些设备一般遭受二个类别的弱点，而没有利用任一种的长处。一个特别值得注意的示例是Kingston，Ontario，Canada的BKIN Technologies的KINARM Exoskeleton Robot
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，其是设计用于人类和非人类的灵长类动物中的双手和单手的上肢康复和实验的外骨骼式康复设备。如Kingston，Ontario，Canada的BKIN Technologies的KINARM End
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Point Robot
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，KINARM Exoskeletal Robot
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系统仅为每个肢体提供两个自由度，从限制了它能够进行的康复训练的范围。同时，通过实施外骨骼式的设计，KINARM Exoskeletal Robot
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设备能够给患者的肢体提供一些附加的支持，但以显著地增加设备的尺寸、成本、复杂性和设置时间为代价。
[0008]虽然机器人辅助的物理和职业治疗给许多患者群体提供了巨大的前景，但现有技术尚未匹配该前景。如先前示例已示出的，当前的治疗设备过于简单和受限，从而仅允许最基本的训练，并且经常在过程中干扰患者；或过于复杂和笨重，从而使得设备昂贵、令患者生畏并且使治疗师难以使用。因此，仍然需要新颖的设备和方法，其能够以相对低的价格采取简单、无干扰和受欢迎的形状因素给患者和治疗师提供执行复杂的2
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D和3
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D康复训练的能力。

技术实现思路

[0009]本专利技术跨越低DOF康复设备和高DOF康复设备的类别，从而提供了低DOF系统的可用性、机械简单性和相对应的可负担能力，以及高DOF系统的减小的占地面积、运动范围和改进的支撑能力。本专利技术包括相对少量的主动(有动力的)DOF，在优选实施例中为三个主动DOF，但是本专利技术的新颖性特征能够在具有其他数量的DOF的系统中实施，所述少量的主动DOF使设备的成本和复杂性降低至远低于高DOF外骨骼式系统。然而，由于如在下文中进一步解释的在至今的非外骨骼式系统中独特的系统对患者的创新的位置和定向关系，本专利技术的设备享有先前限于高DOF外骨骼式系统的优点，例如更优化的转矩位置关系、更好的与患者的工作空间重叠和更大的运动范围。此外，已发现的是，绳索差速器的新的实现(其中，相对于设备的远侧联接装置，差速器输入被用作俯仰轴线，并且差速器输出被用作偏摆轴线)允许功率驱动器(例如，电机)的质量和体积(bulk)远离患者的工作空间和视野转移到系统的基部。通过结合这两个主要的创新，即，设备相对于患者的定向和位置和具有特殊运动学的绳索差速器的实现，以及其他创新，本专利技术提供了一种独特的康复设备，所述康复设备填补康复市场的需求，并且能够实现各种各样的康复任务。显著地，本专利技术使得能够实现一种用于双手康复的新的方法，所述双手康复即一种新型的康复治疗，其中，通常为手臂的多个肢体同时进行康复，在所述新的方法中，康复训练能够通过使用两个相似的设备在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于与用户的身体相关联地操作的机器人设备，其中用户的身体包括躯干和附属肢体，其中用户的附属肢体具有端点、附属肢体部段，可移动地将端点连接到附属肢体部段的第一关节，以及将附属肢体部段可移动地连接到用户躯干的第二关节，该机器人设备包括：具有固定配置的基部，所述基部被配置用于布置在用户的躯干后面和侧面；第一部段，其可移动地安装到基部，以绕第一轴线旋转，从而提供第一自由度；第二部段，其可移动地安装到第一部段，以绕第二轴线旋转，从而提供第二自由度；第三部段，其安装到第二部段；以及第四部段，其可移动地安装到第三部段，以绕第三轴线旋转，从而提供第三自由度，第四部段具有端点，第四部段的端点被配置用于附接到用户附属肢体的端点，并且第四部段被配置为不附接到用户的附属肢体部段；其中，第一轴线基本上水平设置，第二轴线垂直于第一轴线设置，并且第三轴线平行于第二轴线设置；以及其中，当第四部段的端点附接到用户附属肢体的端点时，第一部段、第二部段、第三部段和第四部段在用户的附属肢体移动期间移动，并且第一轴线、第二轴线和第三轴线没有与用户的附属肢体的第一关节或第二关节同轴设置。2.根据权利要求1所述的机器人设备，其中，所述机器人设备的第一以及第二自由度通过绳索差速器来联接。3.根据权利要求1所述的机器人设备，其中，所述绳索差速器包括输入轴线和输出轴线，其中，第三部段联接到所述绳索差速器，其中第三部段沿着轴线延伸，并且其中，所述绳索差速器的输入轴线和输出轴线二者都垂直于所述第三部段的轴线。4.根据权利要求1所述的机器人设备，还包括电机，其中机器人设备的基部包括地面框架，并且机器人设备包括处于各个自由度的运动学框架，并且其中电机位于地面框架之外的运动学框架上。5.根据权利要求1所述的机器人设备，其中，在使用中所述机器人设备配置成关于与用户的正中矢状平面平行的平面对称。6.根据权利要求1所述的机器人设备，其中，第三部段和第四部段向下叠放。7.根据权利要求1所述的机器人设备，其中，第三部段和第四部段向上叠放。8.根据权利要求1所述的机器人设备，其中，所述机器人设备的端点由提供不同功能的另一端点替换。9.根据权利要求1所述的机器人设备，其中，所述三个自由度布置在俯仰
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偏摆
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偏摆配置中，其中，机器人设备的第一和第二部段通过绳索差速器来联接，其中，用于第四部段的促动器沿第一轴线定位，并且其中，所述机器人设备的第四部段被配置成有利于在右手使用和左手使用之间转换。10.根据权利要求1所述的机器人设备，其中，围绕第一轴线的旋转提供俯仰，并且围绕第二轴线和第三轴线的旋转提供偏摆。11.根据权利要求1所述的机器人设备，其中，第二部段垂直地附接至第一部段。12.一种机器人系统，包括：用于与用户的身体相关联地操作的第一机器人设备，其中用户的身体包括躯干和两个
附属肢体，其中用户的第一附属肢体具有第一端点、第一附属肢体部段，可移动地将第一端点连接到第一附属肢体部段的第一关节，以及将附属肢体部段可移动地连接到用户躯干的第二关节；用于与用户的身体相关联地操作的第二机器人设备，其中用户的第二附属肢体具有第二端点、第二附属肢体部段，可移动地将第二端点连接到第二附属肢体部段的第三关节，以及将附属肢体部段可移动地连接到用户躯干的第四关节，所述第一和第二机器人设备各自包括：具有固定配置的基部，所述基部被配置用于布置在用户的躯干后面和侧面；第一部段，其可移动地安装到基部，以绕第一轴线旋转，从而提供第一自由度；第二部段，其可移动地安装到第一部段，以绕第二轴线旋转，从而提供第二自由度；第三部段，其安装到第二部段；以及第四部段，其可移动地安装到第三部段，以绕第三轴线旋转，从而提供第三自由度，第四部段具有端点；其中，第一机器人设备的第四部段的端点被配置用于附接到用户的第一附属肢体的第一端点，并且第一机器人设备的第四部段被配置为不附接到用户的第一附属肢体部段；其中，第二机器人设备的第四部段的第二端点被配置用于附接到用户的第二附属肢体的第二端点，并且第二机器人设备的第四部段被配置为不附接到用户的第二附属肢体部段；其中，所述第一机器人设备和第二机器人设备配对成，使得所述第一机器人设备和第二机器人设备相互协调地移动；其中，所述第一机器人设备的第一轴线以及第二机器人设备的第一轴线基本上水平设置，所述第一机器人设备的第二轴线以及第二机器人设备的第二轴线分别垂直于所述第一机器人设备的第一轴线以及第二机器人设备的第一轴线设置，并且所述第一机器人设备的第三轴线以及第二机器人设备的第三轴线分别平行于所述第一机器人设备的第二轴线以及第二机器人设备的第二轴线设置；以及其中，当所述第一机器人设备的第四部段的端点附接到用户附属肢体的第一端点时，并且当所述第二机器人设备的第四部段的端点附接到用户的第二附属肢体的第二端点时，第一机器人设备以及第二机器人设备的第一部段、第二部段、第三部段和第四部段分别在用户的第一以及第二附属肢体移动期间移动，并且第一机器人设备或第二机器人设备的第一轴线、第二轴线和第三轴线没有与用户的第一或第二附属肢体的第一关节或第二关节同轴设置。13.一种方法包括：提供机器人系统，包括：用于与用户的身体的第一附属肢体相关联地操作的第一机器人设备，其中用户的身体包括躯干和两个附属肢体，其中用户的第一附属肢体具有第一端点、第一附属肢体部段，可移动地将第一端点连接到第一附属肢体部段的第一关节，以及将附属肢体部段可移动地连接到用户躯干的...

【专利技术属性】
技术研发人员：WT汤森，D威尔金森，A詹科，J勒兰，A阿南塔纳拉亚南，J佩顿，
申请(专利权)人：埃斯顿南京医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：