CN105979919A - 多活动轴线的非外骨骼式康复设备 - Google Patents

Abstract

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。

Description

多活动轴线的非外骨骼式康复设备

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

本发明在DARPA所授予的协议号HROOl1-12-9-0012下利用政府的支持进行。政府在本发明中具有特定的权利。

对未决的在先专利申请的引用

本专利申请要求Barrett Technology, Inc.和William T. Townsend等于2013年9月27日提交的题为THREE-ACTIVE-AXIS REHABILITATION（Attorney's Docket No. BARRETT-5 PROV）的未决的在先美国临时专利申请序号61/883,367的权益，该专利申请在此通过引用结合于本文中。

技术领域

本发明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。

背景技术

一种新的和令人兴奋的物理和职业疗法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）辅助的疗法。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。存在一些类型的疗法，例如错误增强（error-augmentation）疗法，这些疗法无法仅通过人类治疗师有效地实施。此外，计算机引导的疗法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。

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疗法的潜能。

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 Motion Technologies的InMotion ARM™治疗系统或Kingston，Ontario，Canada的BKIN Technologies的KINARM End-Point Robot™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BioXtreme of Rehovot，Israel的DeXtreme™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ReoGO®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。

同时，高DOF的外骨骼式系统，例如Volketswil，Switzerland的Hocoma AG的Armeo<®>Power系统、Volketswil，Switzerland的Hocoma AG的Armeo®Spring系统以及美国专利号8,317,730中公开的8+2 DOF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。

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™，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-Point Robot™，KINARM Exoskeletal Robot™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™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。

虽然机器人辅助的物理和职业疗法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-D和3-D康复训练的能力。

发明内容

本发明跨越低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。本发明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，但是本发明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，本发明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，本发明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，本发明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患者的两个不同的肢体上同时并且以协调的方式在三维中进行。

在本发明的一种优选形式中，提供了一种非外骨骼式康复设备，其具有少至2个主动自由度，其中，所述设备被定向和定位成使得它的参考系与患者的参考系大致相似地定向，并且患者的端点的运动通过所述设备的端点的运动来模仿。

在本发明的另一优选形式中，提供了一种非外骨骼式康复设备，其具有少至2个主动自由度，其中2个自由度通过绳索差速器来联接。

在本发明的另一优选形式中，提供了一种方法，其中，被设计成能够在三个或更多个自由度上引起运动的康复设备与相似的第二设备双向地配对，并且用于双手康复，所述康复设备能够容易地重新配置以允许右手使用和左手使用二者，并且相对于患者定位成使得两个设备可以被同时使用，而不彼此干扰。

在本发明的另一优选形式中，提供了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，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。

在本发明的另一优选形式中，提供了一种用于操作与使用者的附属肢体相关联的机器人设备的方法，其中，使用者的附属肢体具有端点，所述方法包括：

提供机器人设备，其包括：

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；

相对于所述使用者定位所述基部，使得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，并且将所述使用者的附属肢体附接到所述机械臂；以及

移动所述使用者的附属肢体的端点和所述机械臂的端点中的至少一个。

附图说明

通过以下对本发明的优选实施例的详细描述，本发明的这些和其他的目的和特征将更充分地公开或变得明显，所述详细描述应当与附图一起考虑，在附图中，相同的附图标记表示相同的部分，并且进一步在附图中：

图1和图2为示出了根据本发明形成的机器人设备的一种优选形式的示意性前向透视图；

图3和图4为示出了图1和图2的机器人设备的示意性顶视图；

图5A、图5B和图5C为示出了图1和图2的机器人设备可如何使用“向下叠放”、“持平叠放”或“向上叠放”的构造的示意性前向透视图；

图6和图7为示出了图1和图2的机器人设备的所选部分的细节的示意图；

图8A、图8B和图8C为与现有技术的设备的横滚-俯仰配置和俯仰-横滚配置相比示出了图1和图2的机器人设备的俯仰-偏摆配置的示意图；

图9为示出了本发明的机器人设备如何可从右手使用转换至左手使用的示意性顶视图；

图10为示出了用于双手康复的两个机器人设备的示意图；

图11为示出了机器人设备如何可与外部控制器通信的示意图；以及

图12示出了一对机器人设备如何可与外部控制器通信，所述外部控制器又促进设备之间的通信。

具体实施方式

首先看图1，其示出了一种新颖的多活动轴线（multi-active-axis）的非外骨骼式机器人设备5，其适于各种机器人辅助疗法和其他应用。机器人设备5一般包括基部100、内联接装置105、外联接装置110以及用于将外联接装置110耦接至患者、通常耦接至患者的肢体（例如，如图1中所示，患者的手臂120）的耦接元件115。

图1中所示的优选实施例具有三个自由度，但是本领域技术人员将理解的是，本发明可以包括更少或更多数量的自由度。三个自由度理论上提供接近笛卡尔空间中的所有位置的能力，所述能力受所述设备的运动学限制的影响，例如关节限制、联接装置长度和传输范围等。为了产生那三个自由度，机器人设备5包括三个转动关节（revolute joint），在图1中示出为：关节J1，其提供绕轴线125的俯仰；关节J2，其提供绕轴线130的偏摆；以及关节J3，其提供绕轴线135的偏摆。在优选实施例中，这些关节被实施如下。关节J1为俯仰关节，并且包括部段138，所述部段138在大致U形的框架140内旋转。关节J2为偏摆关节，并且包括垂直于部段138附接的第二部段145。该部段145包含第三部段150，其在部段145内旋转。在优选实施例中，这两个关节（即，关节J1和关节J2）通过绳索差速器（cabled differential）来联接，如将在下文中论述的。关节J3也是偏摆关节，并且通过内联接装置105与关节J2分离。如将在下文中论述的，绳索传动将促动关节J3的电机（并且其与关节J2的轴线130同轴定位，如将在下文中论述的）连接到关节J3的输出；该绳索传动运行通过内联接装置105。应当注意的是，虽然已发现该特定的实施例是优选的，但本发明也可以按照替代性实施例来实施，包括但不限于：

-具有替代性的运动学的设备，例如，三个关节采取偏摆-俯仰-偏摆的布置结构；

-使用例如移动关节（prismatic joint）之类的其他类型的关节的设备；以及

-实施其他驱动技术的设备，例如齿轮传动系、传送带、液压驱动等。

为了提供附加的自由度，不同的端点附接装置可以被设置在耦接元件115的位置处，以允许对患者的肢体定向的不同程度的控制，或提供附加的治疗方法（therapeutic modalities）。作为示例但非限制，不同的端点附接装置可以包括用于执行线性康复训练的单DOF端点附接装置；或通过使得能够实现对患者肢体的定向的控制，使得能够实现更复杂的运动的三DOF端点附接装置；或主动控制的多DOF端点附接装置。通在优选实施方式（即，图1中所示的机器人设备5）中将机器人设备的核心中的自由度的数量减少至三，机器人设备的设计被极大地简化，从而降低了成本，同时维持设备提供包括三维康复治疗的范围广泛的康复服务的能力。

接着看图1和图6，其示出了本发明的优选实施例的构造的另外的细节。所述机器人设备的优选实施例包括以下四个运动学框架（运动学框架）：

1）地面运动学框架，其包括当设备处于使用中时大致静态的所有部件；

2）关节J1的运动学框架，其包括仅绕关节J1的轴线125旋转的所有非传动（non-transmission）部件；

3）关节J2的运动学框架，其包括可仅绕关节J1的轴线125和关节J2的轴线130旋转的所有非传动部件；

4）关节J3的运动学框架，其包括可绕关节J1的轴线125、关节J2的轴线130和关节J3的轴线135旋转的所有非传动部件。

在该运动学框架的定义中，排除了传动部件以简化定义：传动装置（transmission）内的滑轮可以远离给定的关节定位，但与该关节一起旋转。类似地，可以使系统中的一些滑轮借助多于一个轴线的运动而旋转，例如，当它们是例如在本发明的优选形式中所采用的绳索差速器的一部分时。

在优选实施例中，关节J1和J2通过使用与美国专利号4,903,536中所公开的相似地设计的绳索差速器的传动装置来实施，该专利在此通过引用结合于本文中。

如美国专利号4,903,536中所述，绳索差速器是差动传动装置（differential transmission）的一种新颖的实现，其中，具有共同的旋转轴线的两个输入滑轮（例如，在图6中所示的机器人设备5中的滑轮505）被耦接到共同的第三输出滑轮（例如，图1和图6中所示的机器人设备5中的滑轮540），所述第三输出滑轮被固定到星形臂（spider）或托架（例如，图1和图6中所示的机器人设备5中托架541）。该托架能够独立于那些滑轮绕两个输入滑轮的共同的旋转轴线旋转。同时，输出滑轮能够绕垂直于所述共同的旋转轴线以及与之重合（coincident with）的轴线旋转。两个输入滑轮被耦接到输出滑轮，使得在三者之间建立差分关系（differential relationship），其中，输出滑轮（例如，机器人设备5中的滑轮540）的旋转与两个输入滑轮（例如，机器人设备5中的滑轮505）的旋转的和成比例，并且托架（例如，机器人设备5中的托架541）的旋转与两个输入滑轮的旋转的差成比例。在机器人系统中，差速器的托架的旋转被用于产生系统绕一个旋转轴线（在优选实施例中，绕关节J1的轴线125）的运动，并且差动传动装置的输出的旋转（即，输出滑轮540的旋转）被用于产生系统绕第二旋转轴线（在优选实施例中，绕关节J2的轴线130）的运动。使用绳索差速器使得这两个运动能够通过固定到较低的运动学框架（在优选实施例的情况下，固定到地面运动学框架）的电机产生。这大幅地减小了设备的移动质量，从而改进了设备的动态性能和感受。在优选实施方式中，该传动装置包括两个电机500、输入滑轮505、输出滑轮540等，如在下文中论述的。

换言之，如美国专利号4,903,536中所述，绳索差速器是差动传动装置的一种新颖的实现，其中，具有共同的旋转轴线的两个输入滑轮（例如，机器人设备5中的滑轮505）被耦接到共同的第三输出滑轮（例如，机器人设备5中的滑轮540），所述共同的第三输出滑轮绕垂直于输入滑轮轴线的轴线旋转，并且被固定到绕输入滑轮轴线旋转的托架（例如，机器人设备5中的托架541）。两个输入滑轮被耦接到输出滑轮，使得在三者之间建立差分关系，其中，输出滑轮的旋转与两个输入滑轮的旋转的和成比例，并且托架的旋转与两个输入滑轮的旋转的差成比例。该机构产生绕两个轴线（例如，关节J1的轴线125和关节J2的轴线130）的旋转，同时允许产生那些运动的电机被固定到较低的运动学框架，从而减小了设备的移动质量，并且改进了动态性能和感受。在优选实施方式中，该传动装置包括两个电机500、输入滑轮505、输出滑轮540等，如在下文中论述的。

换言之，如美国专利号4,903,536中所述，绳索传动装置是差动传动装置的一种新颖的实现，其中，两个输入滑轮（例如，滑轮505）被连接到共同的第三输出滑轮（例如，滑轮540），使得输出滑轮的旋转与两个输入滑轮的旋转的和成比例，并且差速器托架（例如，托架541）的旋转与两个输入滑轮的旋转的差成比例。在优选实施方式中，该传动装置包括两个电机500、输入滑轮505、输出滑轮540等，如在下文中论述的。

如在图6中看到的，绳索传动装置优选地包括固定到地面运动学框架（例如，基部502）的两个电机500，所述两个电机500通过绳索571和572的长度被耦接到输入滑轮505，所述绳索571和572通常为钢索（wire rope），但可替代地为天然纤维、合成纤维或一般认定为绳索的形式的一些其他构造，所述绳索571和572被附接到电机500的小齿轮510，绕小齿轮510沿相反的方向围绕但具有相同的手征性（chirality），并且终止于输入滑轮505的外径515上。这些输入滑轮505绕关节J1的轴线125旋转，但由于绳索差速器的性质，它们的旋转可以产生设备绕关节J1的轴线125、绕关节J2的轴线130或同时绕两个轴线的旋转；此外，这些输入滑轮505不被固定到前述的关节J1的运动学框架或前述的关节J2的运动学框架。按照美国专利号4,903,536，这些输入滑轮505包括两个大的外径515，以及一系列基本上较小的阶梯式的外径520、525、530和535。这些较小的阶梯式的外径520、525、530和535通过绳索的另外的长度耦接至输出滑轮540，所述输出滑轮540包括一系列阶梯式的外径545、550、555和560，这些外径545、550、555和560基本上大于它们在输入滑轮505上所耦接到的阶梯520、525、530和535。该输出滑轮540绕关节J2的轴线130旋转，并且被固定到关节J2的运动学框架。已发现，能够有用的是，使关节J2的运动范围关于与关节J2重合并且垂直于关节J1的平面对称，因为这有利于转换设备的手征性，如下所述。

通过在滑轮系列（即，输入滑轮505和输出滑轮540）中实施该组直径关系，通过绳索传动装置实现了逐步提高的传动比。在优选实施例中，在电机小齿轮510和输入滑轮505之间实施8.51的传动比，并且在输入滑轮505和输出滑轮540之间实施1.79的传动比，从而产生15.26的电机小齿轮510和输出滑轮540之间的最大传动比。贯穿该绳索传动装置，以及本发明的所有绳索传动装置，注意确保将给定的绳索的直径和它折转（bend over）的最小直径之间的比率保持在1:15或更小。当绳索折转较小的直径时发生的较大比率已知显著地减少绳索的疲劳寿命（fatigue life）。

现在仍看图6，输出滑轮540的远侧为另一绳索传动装置，其包括电机565，所述电机565从其电机小齿轮570通过绳索576、577耦接到中间滑轮575，所述中间滑轮575又通过绳索578、579耦接到输出滑轮580。这些传动绳索被包含在内联接装置105内，所述内联接装置105被固定到前述的关节J2的运动学框架。在该附加的传动装置中，未实施差速器元件。与美国专利号4,903,536中教导的绳索传动装置的设计一致，在电机小齿轮570和中间滑轮575之间的绳索传动的第一阶段被设计成是横跨较大距离的高速、较低拉力的传动阶段；而在中间滑轮575和输出滑轮580之间的绳索传动的第二阶段被设计成是横跨非常短的距离的低速、较高拉力的传动阶段。在该传动中，中间滑轮575、输出滑轮580和关节J3的关节轴线135基本上在电机565的远侧，这是通过在电机小齿轮570和中间滑轮575之间实施长的绳索运行来实现的设计。

如美国专利号4,903,536中所述，该设计具有如下益处，即：使电机565的质量朝向机器人设备的基部移动，从而降低了系统的惯量。在优选实施方式中，电机的质量被定位成与关节J2的轴线130同轴，并且尽可能接近关节J1的轴线125，从而降低了绕两个轴线的惯量。在所示的优选实施方式中，该设计是特别有价值的，这是因为电机565的质量靠近关节J2的轴线130和关节J1的轴线125二者移动，从而降低了绕两个轴线的惯量。在电机小齿轮570和中间滑轮575之间优选地实施1.89的传动比，并且在中间滑轮575和输出滑轮580之间优选地实施5.06的传动比，从而产生9.55的电机小齿轮575和输出滑轮580之间的最大传动比。

本文所列出的所有传动比已基于一系列因素优化，包括：

-设备联接装置的长度；

-设备部件绕轴线的惯量和力矩；

-设备相对于患者的预期位置；

-电机瞬时峰值和持续的转矩极限；

-电机控制器输出电流容量，以及电机电流容量；

-设备压服（overpower）患者/被患者压服的期望的能力；以及

-患者的预期的峰值输出力。

此优化过程是大规模的并且是至少部分地定性的；不在本文中重现所述优化过程，这是因为随着上述因素改变，过程及其结果二者都将显著地改变。基于从多个来源和内部实验采集的数据，这些力估计为：

-远离/朝向患者的身体推/拉：45N

-在患者之前向上/下：15N

-在患者之前左/右侧向：17N

应当注意的是，大量的安全因素已被应用于这些估计。

在关节J3的输出滑轮580之外，一般存在外联接装置110（图1、图6和图7），所述外联接装置110通过机构590连接到关节J3的输出滑轮580（图6和图7），所述机构590允许相对于关节J3的输出滑轮580来调整外联接装置110的位置。实施该机构590（图6中未完全示出，但在图7中示出）有利于逆转机器人设备的手征性，本文中描述这样做的重要性和方法，所述机构590在一个优选实施例中允许外联接装置110的位置绕关节J3的轴线135相对于关节J3的输出滑轮580移动若干度（在一个更优选的实施例中为172.5度）。在优选实施例中，借助于拨动锁593（例如，如通常在自行车的前叉上找到的那些）通过靠着中央毂592（所述中央毂592以剖面图在图7中示出）夹两个突出部591来执行该机构590。突出部591和中央毂592的接触面如图7中所示逐渐变小（taper），以沿横向于力施加的方向的方向定位这些部分，并且增加夹持的部分能够抵抗的转矩的量。已发现，重要的是确保锥体（处于突出部591和中央毂592的接触面处）为非锁定类型，使得系统不会卡塞。该机构590允许外联接装置110翻过（flipped across）与关节J3的轴线135重合的平面，而不是绕关节J3的轴线135旋转。虽然这最初看起来似乎是微小的区别，但当利用特定类型的端点附接装置实施时，利用翻动而不是旋转的机构能够显著地减少逆转机器人设备的手征性所需的时间。还存在这里未示出的在机械臂的领域中公知的类型的其他部件，所述部件被用于确保机构590到达其期望位置，并且确保机构的位置在操作期间不移动。作为示例而非限制，这些部件可以包括对于机械臂的领域中的技术人员而言公知的类型的限位开关、磁体、锁紧装置等。还存在单独的机构，其允许从机构590移除外联接装置110，这有利于在不同类型的端点附接装置之间转换。在图7中所示的优选的构造中，这通过锁紧装置594实施，所述锁紧装置594将外联接装置110牢固地夹持在管状构件595内，所述管状构件595被牢固地附接到突出部591。该锁紧装置594当机器人设备在使用中时接合，但可以被释放以允许移除外联接装置110。

机器人设备5还包括板载控制器和/或外部控制器（鉴于本公开，其所具有的类型对于本领域技术人员而言将是显而易见的），以便控制机器人设备5的操作。作为示例而非限制，图11示出了外部控制器578如何可以被用于控制机器人设备5的操作和/或接收来自机器人设备5（其中，机器人设备5可以具有或者也可以不具有板载控制器）的反馈。

还可以存在包括在机器人设备中的其他部件，所述部件在机器人设备的领域中是公知的，但为了保持本发明的主题清楚的目的在本文中未示出或描绘，所述部件包括但不限于：促动机器人设备的电机（例如，电机500和565）的电气系统；用于控制机器人设备的操作的其他计算机或其他控制硬件；用于机器人设备的附加的支撑结构（例如，安装平台）；机器人设备的覆盖件和其他安全或美学部件；以及用于患者的结构、接口和/或其他设备（例如，相对于机器人设备定位患者的设备、供患者在与机器人设备交互时查看的视频屏幕、患者支撑装置，例如但不限于在使用机器人设备时供患者坐上的轮椅等）。

本发明的一些具体的创新方面将在下文中进一步详细地论述。

非外骨骼式设备

如上文所论述的，机器人设备5为非外骨骼式康复设备。外骨骼式康复设备一般理解为具有以下特性中的一些或全部的那些设备：

•穿过患者的肢体关节轴线/与患者的肢体关节轴线同轴的关节轴线，通常其中，每个患者关节与至少一个设备关节匹配；以及

•捕获在进行康复的患者的肢体中的每一个的设备部件，通常牢固地将每个肢体部段约束于设备的一个构件。

在图1中，示出了患者的肩部的关节轴线的简化表示：外展（abduction）和内收（adduction）轴线600、屈曲（flexion）和延伸轴线605以及内部和外部的旋转轴线610。图1中还示出了患者的肘关节的轴线615。如图1所示，机器人设备5关节轴线J1、J2和J3有意地与患者的关节轴线600、605、610和615非同轴。此外，在优选实施例中，患者的肢体120仅在耦接元件115处被连接到机器人设备5，或被所述耦接元件115捕获。在本发明的其他实施例中，在患者和机器人设备之间可以存在多个耦接点，这些耦接点可以部分地或完全地围绕患者的肢体；然而，本发明的机器人设备的大多数结构不捕获患者的肢体。

因为满足这两个条件（即，机器人设备的关节轴线J1、J2和J3不意在与患者的关节轴线600、605、610和615同轴，并且因为患者的肢体未被机器人设备5的主要部件围绕），本发明的机器人设备不是外骨骼式康复设备。虽然当前存在许多非外骨骼式康复设备，但本设备的非外骨骼式设计是区分它与现有技术的关键特性，这是因为设备结合了外骨骼式设备的许多有益特性，同时避免了外骨骼式设计与生俱来的成本和复杂性。

机器人设备和患者的运动学关系

此外，图2和图3示出了坐标参考系160的患者（包括向上轴线161，前锋轴线162和一个右轴线163），以及一个坐标参考系170机器人设备5（包括向上轴线171，正向轴线172和右轴线173）。这些参考系160、170的位置和定向定义了运动的关系在之间（i）机器人设备5和其联接装置105、110，以及（ii）患者和它们的肢体：机器人设备5设计使得它的运动模拟那些患者的，在中即给定的运动患者的端点在中参考系的患者将160匹配通过一个大致相似的的机器人设备5设备的端点在中参考系170运动。这种关系是到许多的设备的创新方面定义重要，如下所示。

在进一步解释这个概念之前，提供一些术语是有帮助的。“患者参考系”（或PRF）160和“设备参考系”（或DRF）170，如这里使用的，位于和定向通过的患者和设备恒定的物理特性。如图2和图3中所示，PRF160的起源是限定在处的基部患者的肢体被耦接到机器人设备，并且被认为是固定在中空间。“向上”矢量161，这将被视为一个“Z”的矢量在中一个右手坐标系统，是限定到从指向该原点在中通常接受的“向上”方向（与重力的方向）。“前向”矢量162同样限定在中通常接受的“前向”方向，在之前患者。更确切地说，它被当作一个“Y”矢量在中一个右手坐标系统，并且是限定作为部件矢量指向从原点到中心的肢体的工作空间是垂直于“向上”矢量。最后，“右”矢量163指向患者的右侧。严格限定，它被视为一个“X”矢量在中一个右手坐标系统，并且是因此限定通过其他两个矢量。因此，一个参考系160是限定为患者位于和定向完全通过不断的物理特性和特征。虽然这个坐标框架的定义已经被执行在中图2和3对患者的手臂，这种定义方法能够容易地被延伸到其他肢体，例如腿。

限定相似的参考系用于机器人设备。原点放置在处形心的基部关闭机器人设备5，这必须也是固定在中空间。“前进”矢量172是作为限定部件矢量指向从产地到的设备的工作空间的几何形心的。“向上”矢量171和“右”矢量173可以被限定在中任意方向，只要下列条件满足它们：

1）它们相互垂直；

2）它们二者都垂直于“前向”矢量172；

3）它们的定义满足一个右手坐标系统其中，“向上”矢量171被视为为Z矢量，“右”矢量173被视为一个X矢量，并且“前进”矢量172被视为A Y矢量;以及

4）优选地，但不是必须的，“向上”矢量171被定向尽可能以通常接受的“向上”方向（与重力的方向）。

在中一些情况下，例如与ReoGO®武装劳雷尔山，新泽西州，美国的Motorika医疗设备有限公司的康复系统，前述条件“4）”不能满足，因为设备的“前进”矢量已经指出在中大致接受“起来“方向;因此，”向上“矢量可以是任意限定符合三个条件先前。下面是更详细介绍这种情况。

当时现有康复设备被分离成外骨骼式和非外骨骼式设备按照上述的说明中，进一步的区分在之间这些两个组变得显而易见基于此定义参考的系。在中外骨骼式设备，机器人设备和患者与它们的参考系中操作（如限定以上）定向大致类似地：“上”，“右”和“前进”对应大致相同的方向对二者患者和机器人设备与错位在之间分别任意一方向在中PRF和DRF的优选地不大于60度（即“正向”方向在中DRF将偏离无多于60度，从“前进”方向在中PRF），并且优选地不大于45度。同时，迄今为止，非外骨骼式设备在中哪些机器人设备和患者参考系是大致定向类似地在中这种方法尚未建立。设备可今天是定向相对于患者在中许多不同的方法的，包括以下内容：

-DRF可以是旋转180°各地“涨”轴线相对于PRF使得设备“面孔”朝向患者，或90°，使得设备“面孔”垂直于患者：例如，在中水城互动迅通科技的了InMotion ARM™系统，美国马萨诸塞州，东奥罗拉，美国纽约的穆格Incorporated的HapticMaster触觉系统;以色列雷霍沃特的BioXtreme的DeXtreme™手臂;金士顿，加拿大安大略省BKIN科技或KINARM终点机器人™。在DeXtreme™臂的情况下，例如，设备被设计成可同时位于在之前患者使用。它的工作空间，这是大致形状像急性部正圆柱体的段辐射从设备的基部，同样面临着朝向患者。用于生成当时的坐标参考系设备的工作空间与上文，“前进”方向 - 这点从的设备基部形心来形心的设备的工作空间 - 将中找到指向朝向患者。因此，设备的参考系是不定向相似于该患者的。

-另外，DRF可以b旋转90°绕“正确”的轴线相对于PRF使得设备的“前进”轴线是平行于患者的“向上”的轴线;或其他组合。一个示例是ReoGO®手臂劳雷尔山，新泽西州，美国，在设备的基部下方坐在患者的手臂进行康复，并且其主链路延伸到患者的手臂Motorika医药有限公司康复系统。它的工作空间是大致圆锥形，与位于在处形心的设备的基部锥尖。当时一个坐标参考系为生成设备正如上文所述，“前进”矢量的设备将被发现有相同的方向为“向上”矢量在中患者的参考系。因此，设备的参考系是不定向相似于该患者的。

-最后，设备像圣塞瓦斯蒂安 - 圣塞瓦斯蒂安，西班牙Tecnalia®的ArmAssist设备可以不具有可定义的DRF。ArmAssist设备是一个小型的移动平台，它被设计成坐在上桌面在之前患者。患者的手臂附接到设备，然后围绕桌面到提供康复疗法移动。因为ArmAssist设备是完全移动，一个固定原点不能限定为它按照方法上面概述，并且它是不相关的讨论。

本发明的机器人设备就是第一非外骨骼式设备而被设计成与患者及其参考系170定向大致相似于参考系160进行操作。这个创新允许机器人设备利用优点被其它限制外骨骼式设备，包括：

•减少干扰视线或身体的患者的线，因为机器人设备不需要坐下在之前/于患者的一侧。

•更优化的位置关系在之间患者和设备，由于力臂在之间设备和患者端点和它们的关节是直接成比例与1另一，而不是成反比成比例与1另一是在中其他设备。例如，当时设备的连接装置的延伸，患者的肢体进行康复将是大致延伸为好。虽然设备不能够产生尽可能多的力量在处的端点，它能够当时端点接近设备的关节，患者的动力输出能力将得到同样减小了。类似地，当时患者的肢体是承包和动力输出最大化，设备的端点将接近它的关节，并且其端点输出力能力将最大化。

•更好的工作空间重叠在之间患者和设备，因为设备的联接装置延长其从基部在中相同的一般方向是患者的肢体伸展身体从。

就像一个外骨骼式设备，机器人设备5大致患者的模仿动作的肢体，在中设备的该端点跟踪患者的肢体，并且一个给定运动在中参考系的160患者产生运动在中一个大致相似的方向在中设备的参考系170。例如，如果患者移动它们的肢体向右在中患者的参考系160，设备的联接装置将大致右移在中设备的参考系170，如中所示图4。然而，不像外骨骼式设备，个人联接装置和的机器人设备不一定模仿运动各个部分的或的患者的关节肢体，即使端点机器人设备的可跟踪患者的端点关节。如图4中所示，在优选实施例中，运动在之前患者造成二者患者的肢体和联接装置的机器人设备5105,110扩展;通过对比，在中图4，运动到最右侧患者导致患者的肢体弄直联接装置105,110，而机器人设备5弯曲。通过操作没有这个约束（即，个别联接装置的机器人和关节设备不一定模仿运动各个部分或患者的肢体的关节），机器人设备5可避免的弱点固有在中外骨骼式设备，特别是散装的许多，复杂性，直接复制一个肢体的运动学相关的成本和设置时间。

由于需要对这种区别在之间本发明的机器人设备和外骨骼式设备（即，一个关系不能容易地被限定在之间患者的肢体和联接的机器人设备装置），有必要界定关系在之间机器人设备和患者作为基部的功能，端点的机器人设备和患者和定向。通过定义设备和患者参考系在中这种方式，先前声明说：“机器人设备5设计使得它的运动模拟患者的那些，在中即给定的运动患者的端点在中参考系的患者将被匹配160通过一个大致相似的的运动设备的端点在的机器人设备5中参考系170“如本文中所述被满足仅当时机器人设备5被定向相对于患者。

一系列简单的逻辑测试已开发，以帮助在中确定是否设备是否满足标准以上概述。对于这些测试，设备被假设为在中其典型操作位置和配置相对于患者，并且是一个PRF是限定为患者的肢体进行康复如上所述。

1）设备外骨骼式康复设备，如限定以前？

a. 是：设备不满足标准- 标准仅适用于非外骨骼式设备。

b. 否：继续。

2）能够原点是被固定相对于全球参考系和设在处形的基部心设备是限定？

a. 是：继续。

b. 否：设备不满足标准- 标准不适用于移动设备。

3）考虑设备的工作空间，并且找到了几何形心工作空间。能够“向前”或Y矢量被限定在之间设备的工作空间和设备的原产几何形心？

a. 是：继续。

b. 否：设备不满足标准。

4）与上文相对于前进矢量能够“向上”“/ Z矢量和”右“”/ X矢量被限定？

a. 是：继续。

b. 否：设备不满足标准 - 这很可能是设计比设备在这里透露一个显著不同的康复模式。

5）有工作的空间设备和患者定向大致类似地，在中说的二者协调参考系是否有大致相同的方向，以“右''/ X，”前进''/ Y和“向上”“/ Z矢量小于度在之间的任何一对矢量的一个选定数目的偏差？（在优选实施例中，这是优选地小于60度，并且更优选地小于45度）。

a. 是：继续。

b. 否：设备不满足标准概述 - 它是定位不同的相对于患者比设备这里列出。

6）被关闭运动患者的端点模仿或跟踪通过相似的的运动设备的端点？

a. 是：设备满足概述的标准。

b. 是：设备不满足概述的标准。

迄今为止，还没有设备有多于2自由度，其他比这里描述的系统，已经发现，成功地传递这一系列测试的。

说另一方式，大致相似的定向在之间患者和设备能够被检查通过识别“前进”方向对二者使用者和设备。在中患者的情况下，“前进”方向能够被限定为一般方向从患者的臂基部进行康复，沿患者的肢体，朝向患者的端点当时是在处位置最通常访问在期间使用的设备的。在中设备的情况下，“前进”方向能够被限定为一般方向从设备的基部，沿设备的联接装置，朝向设备的端点当时是在处位置最通常访问在期间使用的设备的。如果“向前”方向设备和的“前进”方向的患者是大致平行（例如，优选地以小于60度的偏差的，并且更优选地具有小于45度的偏差），则设备和使用者能够是说是大致类似地定向。

系统的一般位置

一种优选的本发明就是中所示的图3和图4，其中机器人设备5是定位在侧实施例，并且略微在之后，患者（在中这种情况下，关节J1的轴线125在之后，或重合与，患者的冠状平面）。在本实施例中，参考系170的机器人设备5和参考系160的患者是定向大致类似地，如上所述。机器人设备5保持了患者的工作空间和视线，使其二者在物理和视觉上显得突兀。工作空间机器人设备和患者重叠高度。运动范围允许通过这个定位还是相当大的，如中所示图4，并且接近或超过允许通过高自由度的外骨骼式系统。

应当注意的是，虽然该布置（即，与机器人设备5定位到的，侧并且略微在之后，患者）已被发现是优选的某些康复疗法，有其他实施例在中哪些机器人设备5是定位不同相对于患者其可以更适合于其他的应用，例如用作触觉输入/控制设备，或其他康复活动。例如，在中的高级 - 阶段手臂康复，在中情况下患者是和达到了远从设备的情况下，它可以证明的最佳放置机器人设备略微在之前患者。

联接装置叠放顺序

接着看图5A，5B图和图5C，一些新颖的系统的实现显示其中，设备的联接装置105,110都安排（有序）在中不同的方向，以方便不同的活动。通过示例的方式但不作为限制，图5A示出了一个配置称为“叠放-down”配置，在中其中外联接装置的机器人设备5110是附的机器人内联接装置105接到侧设备5，允许设备达到上述从患者，向下，向它们的肢体（附接通过耦接元件115）。图5C示出了一个配置称为“叠放-up”配置，在中其中外联接装置的机器人设备5110是附的内联接装置的机器人设备5105，允许设备到达接到顶侧从以下患者，向上，向它们的肢体（附通过耦接元件115接）。二者的实现可以提供最佳的在中不同的情况。“向下叠放”变体不太可能与患者的手臂干扰，因为它的位置上面在期间康复活动患者的工作空间，并且可以证明是，高功能康复患者谁需要扩展工作空间更加有用。相反，“向上叠放”变体是更好的能够支撑患者的手臂，并且不太可能与患者的视觉工作空间干涉;它更适合于低功能患者。图5B示出了一个配置称为“持平叠放”配置，在中其中外联接装置的机器人设备5110是附接到的内的机器人设备5联接装置105，并且耦接元件115是底侧的外联接装置110附接到顶部，允许设备达到患者使得患者的前臂与内联接装置105大约持平。

具有替代性配置的绳索差速器

图6图示了本的一个重要方面发明，即，利用绳索差速器（参见，例如，美国专利号4903536）在中康复设备。优选的实施例机器人设备5包括三个转动关节J1，J2和J3，实施在中俯仰 - 偏摆 - 偏摆配置（图1），与第一两个关节（即，J1和J2）联接在中绳索差速器如中所示图6。如中所示图6中，使用的绳索差速器允许一个电机是将通常被安装在上一个较高级别的运动学框架被向下移动到一个较低的水平框架。例如，在优选实施例中中所示的图6，电机500导致旋转绕关节J1和关节J2移动从前述关节J1运动学框架（其中旋转绕关节J1的轴线125下降到前述地面运动学框架（地面框架;与置100基部在图1中）。这显著减少惯量的电机500移动需要，从而提高了的机器人性能的设备和降低其成本通过允许被使用500更小的电机。尽管这是实施在优选实施例中在处的机器人设备基部，原理在之后这个设计是有效的任何地方沿一个设备的运动链。这为的康复尤为重要创新在中环境设备，因为它的能力，以降低设备的成本，这必须保持在较低水平，以确保设备的商业成功。此配置也允许独占使用的旋转（而不是移动关节）关节，从而大大地简化了设备的设计。低惯量也提高了设备安全性通过降低设备的势头。最后，这种创新也最大化的可用性通过允许视觉散装设备被移开从患者的视线朝向基部设备的。而这个概念作为康复设备具有三个自由度在优选实施例中，它显然适用于其他康复设备具有少至两个自由度的一部分执行。

此外，在优选实施例中中所示的图1和图6，实施绳索差速器与输入和输出轴线（即，轴线输入滑轮505和输出滑轮540）二者垂直于远侧链接轴线（即，轴线沿内联接装置105）提供一个绳索差速器，同时允许独特的俯仰的好处 - 偏摆运动的安排，使这个设备如此适合康复使用。先前的绳索差速器小号的实现要么被安排在中俯仰 - 横滚配置例如巴雷特科技公司的在中巴雷特WAM产品。牛顿，MA如图所示在处700在中图8C，或在中一个横滚 - 俯仰配置例如在中巴雷特WAM手腕产品如在处720在中图8B。在中二者的这些实现（即，俯仰 - 横滚配置700图8C和横滚 - 俯仰配置图8B的720），无论是远侧链路（即，链接超越差速器在中运动链）或近端链接（即，前差速器在链接中运动链）是永久同轴与两个中的一个差速器的旋转轴线。在中的俯仰情况下 - 横滚配置700图8C的，外联接装置710始终同轴，以差速器输出轴线705;在中横滚 - 俯仰配置图8B的720，内联接装置725始终同轴以差速器输入轴线730。

迄今为止，然而，绳索差速器未被使用在中一个配置在那里都不差速器轴线是同轴向的联接装置之一。这个配置已经成功地实施在优选实施例中的本发明，因为看到在中二者图6（见俯仰 - 偏摆的配置关节J1和J2相对于内的设备105联接装置）和在中图8A其中新颖的俯仰 - 偏显示摆配置740。这个新的实现绳索差速器的创新使运动配置一样，使用在中本发明。

双手多维康复训练和设备设计

图9示出了如何优选实施的机器人设备5例是最优的转换从右手到左手使用的目的。机器人设备5实质上是整个平面平行于患者的正中矢状平面和重合与关节J2的轴线130对称。通过简单地确保范围关节J2是对称绕先前描述的平面，并且使外联接装置110被逆转绕关节J3的轴线135使得它的运动范围就是对称绕前面平面在描述中任一位置，设备的手征性能够容易地被逆转，从而使其能够在患者的身体上右侧或任左侧用作在图9中看出。

最后，图10图示了如何天生的对称性和的机器人设备5可逆的手征性，其独特的工作位置/定向和小尺寸允许两个单位的机器人设备结合使用同时进行三维双手康复。在中双手康复，受灾肢体配对与非受灾肢体在中康复活动，包括合作的任务，例如使用二者肢体解除的对象;以及启发任务，其中健康的肢体“驱动器”折磨肢体。双手康复的值（从一个神经肌肉损伤例如中风，它能够使神经系统复杂的任务就像协调运动的执行特别康复在中方面在之间肢体在上身体极度困难的两侧），早在1951年的理论，并且已经在过去20年里取得了显著的牵引力。请参阅“双手训练笔划后：有两个手总比一个人好？”Rose, Dorian K. and Winstein, Carolee J. Topics in Stroke Rehabilitation; 2004 Fall; 11(4): 20-30.。机器人康复设备都非常适合这种类型的疗法，由于它们的能力能够精确地控制运动的患者的肢体和与其他康复设备坐标。在中示范实施中所示的图10，第一机器人设备5连接到患者的折磨右臂，而第二机器人设备5是连接到一个功能更强大的左臂。机器人设备都联接到彼此共同的通过一些类型的控制器（例如，因为看到在中图12，外部控制器578的通信与板载的二者机器人设备5控制器，同时促进通信在之间两个设备），协调康复疗法。虽然此示例论证的优选实施例的机器人设备使用的图像，它可以被理解的是，基本概念双手康复可以是实施与任何各种设备，即使那些设备是不同的。然而，也有显著优点于使用两个相似的机器人设备5双手康复，这是下面的披露，并且由此导致了新颖的方法为双手康复。

机器人设备5此处描述的第一非平面康复设备为目的而设计这种类型的双设备，同时使用在中一个三维双手系统。如前所述，机器人设备的先天对称性允许其手征性是容易地逆转，允许相同的机器人设备设计是用于二者的权利和左侧肢体的康复。此外，设备的小巧方便同时使用两个系统中，如中所示图10。虽然其他设备，例如沃克茨维尔，瑞士，是Hocoma AG的Armeo™电源系统类似地可逆的，大小这些系统和它们的位置相对于患者排除了它们的使用在中一双手康复系统，自基部两个系统将干涉。也有一些设备已经被故意设计为双手康复，例如金士顿，加拿大安大略省BKIN科技KINARM外骨骼™和终点™机器人。然而，如上所述，这些设备是故意限于平面的（二维）康复疗法，显著影响它们的对患者效用。

存在一种已知的一个系统的示例是名义上能够执行有限的3维双手康复疗法与仅单手驱动，即，第三代镜像运动使能器（MIME）康复机器人，开发成一个合作项目在之间的部退伍军人事务部和美国斯坦福大学在中1999年。请参阅“Development of robots for rehabilitation therapy: The Palo Alto VA/Stanford experience." Burgar et. al. Journal of Rehabilitation Research and Development. Vol. 37 No. 6, Nov/Dec 2000, pp. 663-673”。第三代机器人MIME一个包括PUMA-560工业机器人固定到患者的折磨肢体，并且被动六轴线MicroScribe的数字转换器固定到夹板，这是在中打开耦接到患者的健康的肢体。在系统的双手模式中，健康的运动检测肢体通过数字化和传递给机械臂，其中移动健康肢体受苦肢体使得其运动镜那些。虽然这种系统能够执行有限的双手康复疗法，它是从根本上限制通过信息的单向流动在内系统：信息能够被从健康的肢体来折磨肢体传递，但不回从患有肢体健康的肢体，因为数字化仪被动和不有无电机或其他机构，用以施加力在上患者的健康的肢体。

本文所述在中实施，使用的两个相似的，积极的机器人设备5 - 在优选实施方式中，具有相似的运动学，关节范围，力输出限制静态状语从句和动态性能特点 - 支持双向信息流（即，双向信息流其中，二者设备发送，接收，和响应信息从其他设备），创造了双手康复系统是能够和潜在的受灾二者健康和肢体，移动患者的患病肢体在中三个维度监控位置控制其定向同时，并且可选提供并发力反馈，支持或其他力量输入到健康的肢体。例如，机器人设备连接到患者的健康的肢体能够被用于“驱动”机器人设备连接到患者的折磨肢体，而同时支持健康的肢体，以防止疲劳，并且提供力反馈，以健康的肢体按要求通过疗法。在中这方面已发现的是，绳索驱动器用于在优选实施方式本的中发明特别适合由于绳索传动变速器的高机械带宽这种类型的使用;然而，替代性的实施例可以是实施使用替代性的机械驱动系统。无论具体实施，这个双向信息流 - 当时执行在之间两个相似的设备与促进这里所描述的特点 - 允许设备是用于远更广泛的三维双手康复疗法比现有技术系统和实现方法披露于此。

本发明的附加应用

在中前面的介绍，本发明就是论述在中其康复设备的应用环境。然而，这将可以理解的是，本发明可以在中利用其他应用程序，例如需要高保真力反馈的应用。通过示例的方式但不作为限制，这些应用可以包括用作输入/触觉反馈设备用于电子游戏，对于其他机械设备，例如工业机械臂或施工机械，或作为用于检测设备位置，一个控制器即作为数字化仪或三坐标测量设备。

优选实施例的修改

应当理解的是，许多额外的变化在中细节，材料，步骤和已和说明在中为了解释自然界在这里描述的部分，安排本发明，可以通过本作领域技术人员，其余的仍在内原则本的和范围发明。

Claims (28)

1. 一种非外骨骼式康复设备，具有少至2个主动自由度，其中，所述设备被定向和定位成使得它的参考系与患者的参考系大致相似地定向，并且患者的端点的运动通过所述设备的端点的运动来模仿。

2. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备大致位于一侧并且略微位于患者之后。

3. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备的自由度中的两个通过绳索差速器来联接。

4. 根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述绳索差速器被配置成使得输入轴线和输出轴线二者都垂直于所述绳索差速器远侧的联接装置的轴线。

5. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，位于地面框架之外的运动学框架上的电机沿较低框架的关节轴线定位，或以其他方式定位成最小化它们对所述设备的惯量的影响。

6. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备被设计成在标准使用期间关于平行于患者的正中矢状平面的平面对称，并且允许右手使用和左手使用二者，而无需显著地重新配置。

7. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备的远侧联接装置按照特定的方式来安排，以提供特定的益处。

8. 根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述设备的远侧联接装置被向下叠放，以最大化运动范围，并且避免与患者的碰撞。

9. 根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述设备的远侧联接装置被向上叠放，以防止对患者的视觉干扰，并且提供更大的臂支撑。

10. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备仅包括旋转关节，并且不包括移动关节。

11. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，替代性的端点附接装置可以被固定到所述设备，以允许不同类型的康复活动。

12. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备在俯仰-偏摆-偏摆配置中包括3个机动的旋转自由度，其中，前两个关节通过绳索差速器来联接，其中，用于第三关节的促动器沿第一关节的轴线定位，以减少它对所述设备的整体惯量的影响，并且其中，所述设备被设计成有利于逆转所述设备的手征性。

13. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备与相似的第二设备配对，并且用于双手康复。

14. 一种非外骨骼式康复设备，具有少至2个主动自由度，其中2个自由度通过绳索差速器来联接。

15. 根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述绳索差速器被配置成使得输入轴线和输出轴线二者都垂直于远侧联接装置的轴线。

16. 根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述设备大致位于一侧并且略微位于患者之后。

17. 根据权利要求14所述的设备，其特征在于，位于地面框架之外的运动学框架上的电机沿较低框架的关节轴线定位，或以其他方式定位成最小化它们对所述设备的惯量的影响。

18. 根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述设备被设计成在标准使用期间关于平行于患者的正中矢状平面的平面对称，并且允许右手使用和左手使用二者，而无需显著地重新配置。

19. 根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述设备的远侧联接装置按照特定的方式来安排，以提供特定的益处。

20. 根据权利要求19所述的设备，其特征在于，所述设备的远侧联接装置被向下叠放，以最大化运动范围，并且避免与患者的碰撞。

21. 根据权利要求19所述的设备，其特征在于，所述设备的远侧联接装置被向上叠放，以防止对患者的视觉干扰，并且提供更大的臂支撑。

22. 根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述设备仅包括旋转关节，并且不包括移动关节。

23. 根据权利要求14所述的设备，其特征在于，替代性的端点附接装置可以被固定到所述设备，以允许不同类型的康复活动。

24. 根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述设备在俯仰-偏摆-偏摆配置中包括3个机动的旋转自由度，其中，前两个关节通过绳索差速器联接，其中，用于第三关节的促动器沿第一关节的轴线定位，以减少它对所述设备的整体惯量的影响，并且其中，所述第三关节具有延伸的运动范围，以有利于在右手使用和左手使用之间转换。

25. 根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述设备与相似的第二设备配对，并且用于双手康复。

26. 一种方法，其中，被设计成能够在三个或更多个自由度上引起运动的康复设备与相似的第二设备双向地配对，并且用于双手康复，所述康复设备能够容易地重新配置以允许右手使用和左手使用二者，并且相对于患者定位成使得两个设备可以被同时使用，而不彼此干扰。

27. 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。

28. 一种用于操作与使用者的附属肢体相关联的机器人设备的方法，其中，所述使用者的附属肢体具有端点，所述方法包括：

提供机器人设备，其包括：

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；

相对于所述使用者定位所述基部，使得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，并且将所述使用者的附属肢体附接到所述机械臂；以及

移动所述使用者的附属肢体的端点和所述机械臂的端点中的至少一个。