CN107223044B - 髋关节矫形器驱动系统 - Google Patents

Abstract

髋关节矫形器(100)包括：‑位于矫形器后部的弹性旋转驱动器(10)；‑位于使用者的侧面并且适于将驱动器的动作传递到髋关节的可伸缩传动系统(2)；‑传递使用者大腿的机械动作的连接件(3)；‑自由度链(4)，三个所述元件通过该自由度链连接到将整个矫形器与使用者身体接合的框架上；这些自由度可以是被动的、致动的或连接到弹性元件。

Description

髋关节矫形器驱动系统

技术领域

本发明主要涉及一种用于活动矫形器的驱动系统，或涉及髋关节的外骨骼。

背景技术

众所周知，世界人口的平均年龄已经大大增加。与衰老相关的运动障碍表明，未来的情况是，有活动护理需求的人(尤其是走路和与满足日常活动相关的活动，甚至在家中)将会越来越多。

这种也称为外骨骼类型的机器人矫形器代表一种有前途的解决方案，可帮助老年人不再与运动缺陷相伴。这些矫形器通常具有拟人形态，并且被“穿”在对象上。为了主动帮助“目的”，矫形器可以包括一组驱动，其产生机械动力并将其传送到受影响的关节部分，经常是用户髋部。

几个作者(A.B.Zoss，H.Kazerooni：“伯克利下肢外骨骼-BLEEX的生物力学设计-(Biomechanical Design of the Berkeley Lower Extremity，Exoskeleton-BLEEX)”；美国电气和电子工程师协会/美国机械工程师学会机电一体化处理(IEEE/ASMETransactions on Mechatronics)，第11卷，第2期，2006年4月)描述了一种配备有用于产生髋关节的屈伸力矩的液压驱动器的外骨骼。该驱动器相对于股骨横向设置在使用者的身体上。然而，这种定位需要有关的关节部分的重量的增加，其结果是相关的惯性的增加。此外，整个结构的重心比生理重心要低。

此外，US 2011/166489涉及活动的髋关节矫形器，其包括放置在使用者身体后方的一组液压驱动器。

上述已知类型的矫形器/外骨骼具有一些缺点或未解决的需求。

首先，矫形器结构必须与自由度、角度延伸以及通常还与身体关节(包括那些没有辅助的身体关节)的运动学相一致。

此外，矫形器必须能够适应对象的人体测量，并且总体上实现人机舒适和从电影角度看(cinematically)有效的接口。

另外，应该在矫形器的有限的机械复杂性并且有益于其可靠性的方式获得上述内容。

最后，关于上述其他要求，可以优化的更关键的方面是：

-驱动元件相对于对象的身体的位置，

-辅助作用传动机构，

-上述被动自由度的数量和位置，

-矫形器自适应的数量和定位意味着不同的用户人体测量(当同一矫形系统被不同对象使用时，该特征是特别重要的)。

发明内容

因此，本发明提出和解决的技术问题是提供一种髋关节矫形器的驱动系统，其允许消除上述有关现有技术的缺点。

该问题通过根据权利要求1所述的驱动系统来解决。特别地，本发明提供了一种用于辅助髋关节屈伸运动的活动性髋关节矫形器的单侧驱动系统。

本发明还提供了如权利要求12所述的矫形器或外骨骼，即包括所述驱动系统的矫形器，特别是所谓的“活动性矫形器骨盆”(APO)。

本发明的活动性矫形器可以在使用者的一个或两个髋关节处提供曲伸的辅助对。

在本文中，对于矫形器，其目的正是在髋关节处延伸外骨骼结构，特别是在骨盆和至少部分使用者的下肢处。

本发明的优选特征是从属权利要求的对象。

本发明的驱动系统具有有限的横向尺寸，允许对象自由地进行所谓的“摆动”手臂的运动。这种有限的横向负担是在系统本身的背面(即在使用者的背面)定位诸如旋转的驱动器的结果。

这样的驱动系统使得使用者能够自由地执行外展内收(abduction-adduction)运动，并且优选地进行髋关节的额外旋转，以实现驱动器本身的“浮动”配置。

此外，优选地，所述系统被配置为适应对象不同的人体测量学。特别地，所述系统包括基本上平行于使用者的矢状面延伸并具有可调节的纵向尺寸的传动装置，以允许选择驱动器与将辅助对传递到大腿部分关节的连接件之间的距离。

非常有利的是，驱动系统以这样一种方式配置成使得其自身的髋关节的屈伸轴和其自身的髋关节的外展/内收轴交汇于一点，在使用中与使用者股骨头的中心一致。特别地，通过上述传动装置的纵向延伸的调节并且借助于使用者的冠状面上的驱动系统的宽度的相应可调节性来实现。

本发明有效地协助许多身体活动，特别是在地面上行走和上坡/下坡、上/下台阶、坐/站(“坐到立”)转换或反之亦然，以及一般来说下肢康复的运动活动。

本发明的驱动系统使得矫形器与自由度、角度延伸以及通常的使用者关节的运动学(包括被动关节)完全兼容。

此外，该系统与低成本和低机械复杂性的实现相兼容。

从以下通过实施例而非限制的方式给出的一些实施方案的详细描述，本发明的其它优点、特征和使用方式将变得显而易见。

附图简要说明

参考附图，其中：

图1示出了根据本发明的一驱动系统的优选实施例和包括该驱动系统的矫形器的立体后视图；

图2示出了图1的系统的另一立体后视图，其中已经省略了一些部件以更清楚地说明系统的运动链；

图3示出了图1的系统的传动装置的优选实施例的示例性立体侧视图；

图4A和4B分别示出处于最小和最大纵向延伸配置的图3的装置的侧视图；

图5A和5B分别示出处于最小和最大纵向延伸配置的图1的系统的传动装置的另一优选实施例的示例性立体侧视图；

图6A和6B分别示出处于最小和最大延伸配置的图5A，5B的装置的部件的示例性侧立体侧视图。

上文引入的图中所示的尺寸、角度和曲率应被理解为示例性的，而不一定按比例显示。

具体实施方式

首先参考图1和图2，根据本发明的优选实施例的髋关节矫形器通常由100表示。矫形器100是所谓的“活动性矫形器骨盆”(APO)。

矫形器100包括两个单侧驱动系统，每个髋关节用一个，分别由1和1'表示，并且每个各自根据本发明的优选实施例实现。由于两个系统1和1'是相同的，除非进行分别适用于左右关节的必要调整，否则从现在开始我们将仅参考由1表示的右侧装置。

驱动系统1首先包括固定支架11，用于永久地或可拆卸地连接矫形器100的结构。在这种情况下，支架11包括连接板或凸缘111。

支架11将矫形器100接合并固定在使用者的身体上，并且可以通过示例性示出并由12表示的骨盆或躯干的适当矫形外壳固定到使用者的身体上。

将简要描述的第一线性接头5、外展内收的旋转接头41、我们将说到的内/外旋转的旋转接头42与第一线性接头5组合，允许在髋关节执行所述运动，电机装置10，特别是旋转驱动器以及传动装置2机械地串联连接到固定支架11上。现在将更详细地描述这些部件。

旋转接头41和42以已知的方式制成，例如分别具有围绕内收外展B轴和平行于生理内外旋转轴的C轴的旋转自由度的运动对，其中，C轴正交并入射到轴B。

如上所述，接头5(平移)、41和42被布置为固定支架11和电机装置10之间的连续运动链。所述接头5、41和42然后通过电机装置10和传动装置2连接到支架11的方式执行自由度链/调节链。这些自由度可以是被动的，如在这里考虑的实例中，或者被驱动或连接到弹性元件。

旋转驱动器10可以是本领域已知的SEA类型(连续弹性驱动器“Series ElasticActuator”)。根据本发明，驱动器10设置在对应于使用者背部的矫形器100的后部。驱动器10被配置为在其自身的电机轴线M处提供辅助对。电机轴线M基本上平行于这轴线，围绕该轴线发生对象的髋部屈伸运动，换句话说，该轴线基本上垂直于矢状面。

传动装置2机械地连接到电机轴线M并且被配置为在输出轴线D上传递所述辅助对，输出轴线D再生出髋部屈伸生理轴线。M轴线和D轴线平行或基本平行。

在一个变型实施例中，电机轴线M也可以布置成不平行于输出轴线D(例如垂直或基本垂直)。在这种情况下，传动装置将相应地被修改。

传动装置2被配置为在使用中在使用者的一侧设置为基本上平行于使用者的矢状面。换句话说，传动装置2主要在与轴线M和轴线D正交的方向上延伸。

传动装置2呈纵向延伸，即矢状面中的横向延伸是可调的。换句话说，传动装置2被配置为允许在使用者的矢状面上调节电机轴线M和输出轴线D之间的距离。该距离在图1中以示例的方式用/表示。因此，传动装置2能够适应对象的背部与髋部的旋转轴线之间的距离。

在本示例中，可旋转的连接杆3或连接件连接到，特别地被键入到输出轴线D。连接件3被配置成可能通过矫形外壳13或类似元件接合使用者的大腿，能够以舒适的方式将在驱动器10的作用下产生的压力分布在关节段的足够大的表面上。

驱动器10的辅助作用的应用然后在连接件3在对应的关节段的水平处产生的推动中实现。因此，装置2实现了可延伸的传动系统，其将旋转驱动器10的动作传递到髋关节，并且使连接件3的旋转轴线D的矢状平面与髋部使用者的轴线能够对准。

基于所描述的内容，可以理解，系统1的整体结构使得电机装置10和传动装置2相对于支架11浮动，这主要是由于插入旋转接头41和42。因此，旋转驱动器10可以被称为“后浮动髋部驱动器”。

因此，可以说，驱动系统与用户的大腿成一体，并且由于固定在矫形器的支架上的运动链允许执行髋关节的所有运动。

图1和图2以及更详细的图3,4A和4B示出了传动装置2的第一优选实施例。在该实施例中，它是基于一个或多个接合多个滑轮或等效部件的柔性细长元件，例如电缆、链条、皮带的装置。在本示例中，存在一对环形电缆21和21'。每条电缆缠绕在两个普通主滑轮上(一个相对于电机轴线M并由22表示，而一个相对于输出轴线D并由24表示)和两个分别为25、25'和26、26'的回转的怠速驱动滑轮上。所有考虑的六个滑轮可绕着彼此平行的轴线旋转，并且在使用中基本垂直于使用者的矢状面。

在所示示例中，所述设备然后包括：

-主驱动滑轮22，连接到电机轴线M以接收运动；

-主从动滑轮24，具有对应于输出轴线D的轴线；以及

-四个较小的回转中间滑轮25、25'、26和26'。

滑轮24和两对滑轮25-25'和26-26'可以通过滑动机构27在垂直于其轴线的方向上滑动，滑动机构27与壳体29相关联。壳体29可以由两个盒形元件291和292构成，它们彼此部分地接纳并且由例如碳纤维制成。两个盒形元件291和292可以相对于彼此滑动，从而改变电机轴线M与分别与它们成一体的从动轴线D之间的距离。在特定的情况下，外部盒形元件291具有两个导轨，与内部元件292成一体的两个滑块在该两个导轨上运动。主从动滑轮24和一对回转滑轮25-25'与盒形元件292成一体。主驱动滑轮22固定地连接到元件291。

两对内侧的滑轮25-25'和26-26'被放置在两个不同的元件或凸缘281和282上。元件281与盒形元件292成一体，而元件282可通过上述轨道上的托架自由滑动，还独立于第二盒形元件292的滑动。

两个元件281和282以及两个盒形元件291和292的相互定位允许在两个主滑轮22和24之间的任何距离处获得连接滑轮的电缆21的合适张力。

如图4A所示，该装置能够采取最小延伸的第一配置，其对应于回转滑轮25和26的轴线之间(并且相应地在轴线25'和26'之间)的最大距离D1以及主滑轮22和24的轴线之间的最小距离L1。

如图4B所示，该装置能够采取最大延伸的第二配置，其对应于返回滑轮25和26的轴线之间(并且相应地在轴线25'和26'之间)的最小距离D2以及主滑轮22和24的轴线之间的最大距离L2。

装置2自然地包括锁定装置，该锁定装置用于根据使用者的人体测量学和特定的电机和/或康复要求，在上述两个极限位置处和之间固定滑轮。在这里考虑的例子中，可通过导轨上的螺钉固定的元件将托架限定在所需的位置。

图5A至6B涉及传动装置的第二实施例，在这种情况下总体上由20表示。

装置20还包括连接到电机轴线M的主旋转电机构件或电机辊子220以及与输出轴线D相关联的主旋转从动元件或辊子240。

在这些辊子220和240中的每一个上，相应的臂201,202或曲柄安装在其自身的中心部分处与相应的辊子相关联。

每个臂的纵向末端连接到第一和第二刚性杆状元件或杆203和204的相应末端，从而实现基本上铰接的平行四边形的结构。

如图6A和6B最佳所示，每个杆状元件203,204具有可调节的纵向延伸，与在多个配置中可锁定的伸缩式或等效结构相关联。

用于实施每个元件203,204的特定解决方案包括三部分构造：由内螺纹形成的空心树状件构成的中央部分，其具有半个左旋螺纹和半个右旋螺纹；以及将平行四边形曲柄的旋转接头与每个连接杆203,204的中央部分连接的两个末端部分。每个连接杆203,204的两个末端元件可以是相同的，除了用于与中央部分联接的螺纹，其中一个螺纹根据右旋螺纹制成，另一个根据左旋螺纹制成。

在所描述的两个实施例中，传动装置2,20适于以减小的厚度实现。

再次参考图1和图2，如本示例中已经提到的，系统1还提供了一种调整或改变使用者前平面的宽度的装置，总体由5表示并且基于线性接头。线性接头以已知的方式作为具有沿平行于使用者的额平面的水平方向的一个平移自由度的运动学对制成。

线性接头5还可以在使用中实现驱动系统1和包括驱动系统1的矫形器100的线性自由度。

在本示例中，所述装置包括与固定支架11相关联的由一个或多个导轨或轨道51形成的滑动机构以及连接到接头41的一个或多个滑动元件或板52。线性接头沿着基本上平行于轴线M和D的前轴线A延伸。

装置5允许在使用之前或连续地调整在前平面中的驱动系统1的宽度，由图1中的示例性维度f表示。

还有一个进一步的横向调节机构50-根据对象的人体测量，后者可以被锁定在预定的位置，特别是借助于螺钉系统-适合于允许驱动系统且介于接头42和传动装置之间的宽度调节；具体地说，该机构允许从图2中与尺寸b1相关联的人的侧面(或类似地从矢状面)调整内收-外展接头41的始终在额平面中的距离。因此，机构50是附加的线性接头，其被配置为允许在使用者的额平面上调整旋转接头41和传动装置2之间的水平距离。距离b1的调整与上述距离f的调整相独立。以这种方式，获得与生理旋转轴的对准。

调节装置5优选装置50的存在以及传动装置2的横向矢状延伸的可调性允许使外展/内收的B轴和屈曲/伸展的M轴入射在穿着矫形器的对象的股骨头的中心或重心。

系统1还可以包括电机装置10和系统的其他部件的垂直位置(高度)调节装置。这样的装置也可以根据对象的人体测量被锁定在预定位置，或者在使用中可以向驱动系统提供进一步的线性自由度。

因此，应理解的是，驱动系统1实现了支架11和连接件3之间的运动链。特别地，旋转接头41表示人髋部的外展-内收关节，同时沿着/围绕A轴和C轴的两个自由度的组合，连同大腿-连接件联轴器固有的可能的轻微的不稳定性，允许在髋部水平的内外旋转的运动自由运动。整个运动链自然地以由连接件3实现的围绕轴线D的髋部屈伸关节结束。

在这一点上，将更好地理解，矫形器100提供了可以辅助髋部屈伸的双侧外骨骼系统。该系统能够提供高辅助对，且总质量轻。

迄今为止描述的传动系统的实现提供了其相对于使用者身体的空间结构，其中传动系统的纵向轴线平行于人的端平面。在这种结构中，驱动电机轴线M和从动轴线D相对于端平面处于相同的高度。

驱动组在相对于人体的后方位置的存在仍然允许变型实施例，其中驱动器相对于髋轴-关节即相对于驱动轴线D处于不同的高度。将驱动组定位成高于轴-关节的可能性允许，一方面避免背部的中下部的阻碍导致不能坐着，另一方面将整个结构的重心定位较高，在行走期间在能量消耗方面产生积极的后果。在该变型实施例中，传动装置被倾斜地设置，即不是水平的。

参照优选实施例对本发明进行了说明。应当理解，可以存在传入相同发明核心的其他实施例，如下文所提出的权利要求的保护范围所限定的。

Claims (14)

1.一种髋关节的单侧驱动系统（1），所述系统配置为连接到矫形器（100），其特征在于，所述系统（1）包括：

-电机装置（10），所述电机装置适于在电机轴线（M）提供辅助转矩并且被配置成布置在与使用者背部相对应的矫形器的后部；

-传动装置（2），所述传动装置连接到所述电机轴线（M），从而将所述转矩传递到对应于髋关节的屈伸轴线并平行于所述电机轴线（M）的输出轴线（D），其中传动装置（2）具有在使用中对应于使用者的矢状面中的横向延伸的可调延伸，所述传动装置（2）被配置成允许调节在使用者的矢状面中在所述电机轴线（M）和所述输出轴线（D）之间的横向距离，

其中所述传动装置（2）被配置成在使用中布置于使用者的一侧；

-固定支架（11），所述固定支架用于连接到所述矫形器，在所述固定支架上安装所述电机装置（10）和所述传动装置（2）；

-至少一个旋转接头（41），所述旋转接头与相应的内收/外展轴线（B）的髋关节的外展/内收自由度相对应，旋转接头（41）设于所述支架（11）和所述电机装置（10）之间；

-线性接头（5），所述线性接头设于所述固定支架（11）和所述髋关节内收/外展的旋转接头（41）之间，其中所述线性接头（5）配置成调节所述使用者的正面上的所述驱动系统（1）的横向宽度，

总体结构使得所述电机装置（10）和所述传动装置（2）相对于所述支架（11）浮动。

2.根据权利要求1所述的系统（1），其特征在于，所述电机装置（10）包括旋转驱动器。

3.根据权利要求2所述的系统（1），其特征在于，所述的旋转驱动器为旋转弹性驱动器。

4.根据前述权利要求1或2所述的系统（1），其特征在于，所述传动装置（2）被配置成在使用中基本上平行于所述使用者的矢状面。

5.根据前述权利要求1或2所述的系统（1），其特征在于，所述传动装置（2）是一种柔性电缆并且包括由所述电缆（21,21'）接合并且具有可调节彼此间的距离的多个滑轮（22,24,25,25'，26,26'）。

6.根据权利要求1或2所述的系统（1），其特征在于，所述传动装置（20）包括多个细长的刚性元件（201-204），所述多个细长的刚性元件（201-204）形成铰接的平行四边形结构，其中相对的细长元件（203,204）具有可调节的纵向延伸。

7.根据前述权利要求1或2所述的系统（1），其特征在于，包括旋转连接件（3），所述旋转连接件在所述输出轴线（D）处连接到所述传动装置（2）并且被配置为接合使用者的大腿。

8.根据前述权利要求1或2所述的系统（1），其特征在于，包括内外旋转的旋转接头（42），所述内外旋转的旋转接头与所述固定支架（11）和所述电机装置（10）之间的髋关节内收/外展的所述旋转接头（41）布置成运动链。

9.根据前述权利要求1或2所述的系统（1），其特征在于，所述线性接头（5）在使用中实现了水平自由度。

10.根据前述权利要求1或2所述的系统（1），其特征在于，所述线性接头（5）包括与所述支架（11）相关联的固定元件（51）和可移动元件（52），可移动元件（52）可相对于所述固定元件根据基本上平行于电机轴线（M）和输出轴线（D）的前轴线（A）滑动从而形成平移接头。

11.根据前述权利要求1或2所述的系统（1），其特征在于，包括额外的线性接头（50），所述额外的线性接头被配置为允许调节使用者的正面上的所述旋转接头（41）和所述传动装置（2）之间的水平距离。

12.根据前述权利要求1或2所述的系统（1），其特征在于，包括用于调节所述电机装置（10）的垂直位置的装置。

13.一种髋关节矫形器（100），其特征在于，包括根据前述权利要求中任一项所述的至少一个单侧驱动系统（1）。

14.根据权利要求13所述的髋关节矫形器（100），其特征在于，包括一对根据前述权利要求中任一项所述的单侧驱动系统（1,1'）并且安装在相应的髋关节处。