[发明专利]用于引导和检测3-DOF旋转目标关节的运动的系统和设备

说明书

描述了一种用于引导和检测目标关节的运动的设备和包括这样的运动引导设备的运动辅助系统的实例。运动引导和检测设备包括运动生成器以及运动传递和目标接合单元，以将由运动生成器生成的运动传递到目标关节。该系统还包括与目标接合的运动检测和反馈单元，以及与反馈单元和运动生成器二者接合以控制和协调运动生成器和目标关节的运动的控制器。

技术领域

本发明大体上涉及空间定向引导系统，并且更具体地涉及具有运动生成、运动传递、目标接合、反馈和控制器子系统的系统，其相互作用以主动地引导或测量能够三自由度旋转移动的关节或关节系统的三自由度旋转移动。

背景技术

除非在本文中另有说明，否则在本部分中所描述的材料不是本申请中权利要求的现有技术，并且也不承认这些材料是作为现有技术包括在本部分中。

关于外骨骼应用，2013年估计有20,639,200名(7.1％)非收容治疗的美国居民患有行走障碍(ambulatory disability)，而在2012年报道约有2,512,800名(7.2％)加拿大人患运动障碍(mobility disablement)。这些残疾人在家庭照顾者支持服务上估计每年花费相当于3750亿美元，除此之外也给患者和医疗保健系统带来了巨大的经济和社会负担。

一项旨在减少该健康问题和改善患者生活质量的新兴技术是下身外骨骼：可穿戴的机器人系统，其完全或部分地支撑它们的用户的体重，并提供腿部移动的控制引导，从而允许它们的用户站立和行走。该解决方案优于使用轮椅和其他传统方式，因为其还可帮助减少静止不动的继发性并发症，例如肺炎、血栓、褥疮和自卑。然而，目前外骨骼技术的一个主要缺点是关于髋关节和踝关节的运动范围有限，髋关节和踝关节在人体内都具有三个旋转自由度(DOF)。一般来说，目前的技术主动地引导以髋部为中心移动的一个自由度，而对其他DOF中的一个或者两个缺失或只有被动的允许。该设计方案一般在外骨骼设备内形成串接的关节结构，其相比于对应的平行结构本身就具有更低的有效载荷重量比。因此，该特性导致比必要的设备更笨重。

此外，对于人关节能力的运动限制而产生的不稳定性，通常要求在站立或移动时辅助使用拐杖来维持身体地平衡。因此，为了安全地操作外骨骼系统，用户必须利用他们的上身使用额外装备来协调运动。由该要求导致的不便和费力导致较少的潜在用户采用该技术，并且完全阻止(如果不是因为该要求的话)本来能够从该技术中获益的其他人操作该设备。

发明内容

在一方面，提供用于引导和检测目标关节的运动的设备。

该设备包括：运动生成器，其被配置为产生目标关节的三自由度(3-DOF)运动；运动传递和目标接合单元，其被配置为将由运动生成器生成的运动转换到目标关节，使得目标关节围绕其自身的旋转中心以3-DOF移动；以及控制器，其与运动生成器以及运动传递和目标接合单元通信，以控制运动生成器以及运动传递和目标接合单元。运动生成器包括多个致动器以及关节和连杆(linkage)的网络以将多个致动器机械地互相连接，并将运动生成器连接到运动传递和目标接合单元的一端。致动器、关节和连杆的协调移动提供了目标关节的3-DOF旋转运动。运动传递和目标接合单元包括至少一个旋转关节、至少一个线性运动关节和连杆的网络，其将至少一个旋转关节和至少一个线性运动关节互相连接，并且将运动传递和目标接合单元连接到运动生成器和目标关节。控制器包括输入单元、输出单元和处理单元，并被配置为向运动生成器和/或运动传递和目标接合单元发送输出信号，以控制多个致动器的驱动。

运动引导设备还包括与运动生成器和控制器通信的运动检测和反馈单元。运动检测和反馈单元包括多个传感器，以检测运动生成器和/或运动传递和目标接合单元的致动器的位置和/或定向，以及目标关节的位置和/或定向。运动检测和反馈单元还将检测到的信号馈送到控制器。

在一方面，目标是人类髋关节。该设备还包括将运动引导设备安装和固定到用户的装置。安装的装置包括一个或多个可调整的带状件和一个或多个矫正器。

在一方面，运动引导设备是人类关节外骨骼。