[发明专利]辅助和康复下肢的机器人装置

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

因此，本发明的目的在于解决上述提到的问题，可以通过权利要求1限定的机器人装置达到这个目的。

于是，本发明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。本发明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。