[发明专利]外骨骼绳索环式致动器

说明书

关于联邦资助的研究或开发的声明

本发明是根据尤妮斯肯尼迪施赖弗国家儿童健康与人类发展研究所授予的授权号1R43HD080236-01；FAIN:R43HD080236、在政府支持下完成的。政府对本发明有一定的权利。

相关申请案的交叉参考

本申请案要求2015年4月6日提交且题为“具有整体安全机构的外骨骼关节致动装置(Exoskeleton Joint Actuation Device with Integral Safety Mechanism)”的第62/143.473号美国临时专利申请案及2015年7月17日提交且题为“具有整体安全机构及缩减磨损的外骨骼关节致动装置(Exoskeleton Joint Actuation Device with Integral Safety Mechanism and Reduced Wear)”的第62/193,901号美国临时专利申请案的权益。这些申请案的全部内容是以引用的方式并入。

技术领域

本发明涉及增大穿戴者的力量及/或有助于在执行某些运动或任务期间防止受伤的装置。更特定地说，本发明涉及适合于附件的神经肌肉/肌肉功能已受损的患者的治疗用途的装置，或适合于由参与重型工具使用或承重任务的人使用的装置。这些装置中的每一者包含一组假肢，其中假肢可由致动器在控制系统的指导下移动。所述装置加强了穿戴者的附件进行活动的功能，包含但不限于使残疾人能够行走、向穿戴者的手臂赋予较大的力量及耐力，或允许穿戴者在行走的同时承载较多的重量。

背景技术

可穿戴式外骨骼已被设计成用于医疗、商业及军事应用。医用外骨骼装置使患有影响肌肉控制的疾病的患者的适当肌肉功能恢复及康复。医用外骨骼装置具有可向穿戴者的附件施加力的电动化支架系统。在康复机构中，医用外骨骼通常由理疗师控制，所述理疗师使用多个可能的输入构件中的一者来命令外骨骼控制系统。外骨骼控制系统又致动电动化支架的位置，从而导致向穿戴者的身体施加力且通常导致穿戴者的身体移动。医用外骨骼也可在治疗机构之外使用以向残疾人赋予改善的移动性。商用及军用外骨骼用于减轻由工人或士兵在其劳动或其它活动期间支撑的负载，由此防止受伤并增加这些工人或士兵的精力及力量。工具固持外骨骼配备有支撑工具重量的工具固持臂，从而通过提供工具固持辅助来缩减用户疲劳。每一工具固持臂通过外骨骼的腿部而非通过穿戴者的手臂及身体来转移为固持工具所需要的垂直力。类似地，承重外骨骼通过外骨骼的腿部而非通过穿戴者的腿部来转移外骨骼负载的重量。在一些情况下，承重外骨骼经设计成承载特定的负载，例如重型背包。在其它情况下，军用承重外骨骼支撑装甲的重量。商用及军用外骨骼可具有增大穿戴者的力量的致动关节，其中这些致动关节由外骨骼控制系统控制，且穿戴者使用多个可能的输入构件中的任一者来命令外骨骼控制系统。

在动力式外骨骼中，外骨骼控制系统规定及控制外骨骼关节的轨迹，从而导致外骨骼移动。这些轨迹可被规定为基于位置、基于力，或这两种方法的组合，例如在阻抗控制器中所看到的那些。可直接通过修改规定的位置来修改基于位置的控制系统。类似地，可直接通过修改规定的力分布来修改基于力的控制系统。外骨骼控制系统通过使用一系列外骨骼轨迹来命令复杂的外骨骼移动，例如流动式医用外骨骼中的行走，其中越来越复杂的外骨骼移动需要越来越复杂的一系列外骨骼轨迹。这些系列轨迹可为循环的，例如外骨骼的每条腿部采取一系列步伐，或这些系列轨迹可为离散的，例如外骨骼从坐姿位置升高为站立位置。在流动式外骨骼的情况下，在康复阶段期间及/或在康复的过程中，非常有益的是使理疗师能够取决于患者的特定生理学或康复时期来修改规定的位置及/或规定的力分布。由于外骨骼穿戴者的比例各不相同，故各种调整或定制的动力式外骨骼将略微不同地配合每一穿戴者，这要求外骨骼控制系统考虑穿戴者比例、外骨骼配置/定制及外骨骼穿戴者配合的这些差异，从而导致改变规定的外骨骼轨迹。