CN107920906A - 用于形成量身定做的外骨骼的系统及方法 - Google Patents

用于形成量身定做的外骨骼的系统及方法 Download PDF

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A·普罗伊斯
N·弗莱明
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Abstract

执行外骨骼穿戴者(130)的三维表面扫描以产生三维表面数据，且依据所述三维表面扫描数据产生所述外骨骼穿戴者(130)的三维表面模型。依据所述三维表面模型产生三维外骨骼模型。依据所述三维外骨骼模型打印至少一个三维外骨骼组件，且使用所述至少一个三维外骨骼组件来组装量身定做的外骨骼。

Description

用于形成量身定做的外骨骼的系统及方法
技术领域
本发明涉及在执行某些运动或任务期间增大用户的力量且帮助防止损伤的装置及方法。更特定来说，本发明涉及适合于参与重工具使用或承重任务的人使用的装置及方法或涉及适合附器的神经肌肉或肌肉功能受损的患者用于治疗用途的装置及方法。这些装置包括一组假肢，且在一些情形中包括相关控制系统及致动器，所述假肢以及相关控制系统及致动器加强用户的附器进行包含但不限于使得残疾人能够行走、赐予用户的手臂更大力量及耐力或允许用户在行走时携载更多重量的活动的经改进功能。
背景技术
可穿戴外骨骼已经设计用于医疗、商业及军事应用。医疗外骨骼用于使患有影响肌肉控制的失调症的人的恰当肌肉功能复原及康复。医疗外骨骼包含可将力施加到用户的附器的机动化支架系统。在康复设定中，医疗外骨骼由使用多个可能输入构件中的一者来命令外骨骼控制系统的理疗师控制。继而，医疗外骨骼控制系统致动机动化支架的位置，从而引起将力施加到外骨骼穿戴者的身体且通常使外骨骼穿戴者的身体移动。商业及军事外骨骼通过在工人或士兵的劳动或其它活动期间减轻工人或士兵所支撑的负载而帮助防止损伤且增大外骨骼用户的体力及力量。工具固持商业外骨骼装备有支撑工具的重量的工具固持臂，借此通过提供工具固持辅助而减轻用户疲劳。所述工具固持臂通过外骨骼的腿而非通过用户的手臂来转移固持工具所需的垂直力。类似地，军事承重外骨骼通过外骨骼的腿而非通过用户的腿转移例如盔甲或重背包的负载的重量。商业及军事外骨骼可具有增大外骨骼用户的力量的经致动关节，其中这些经致动关节受外骨骼控制系统控制且其中外骨骼用户使用多个可能输入构件中的任一者来命令外骨骼控制系统。
在动力外骨骼中，外骨骼控制系统规定且控制外骨骼的关节的轨迹，此引起外骨骼的移动。这些控制轨迹可规定为基于位置的、基于力的或两种方法的组合，例如在阻抗控制器中所见。基于位置的控制系统可直接通过规定位置的修改来进行修改。基于力的控制系统也可直接通过规定力分布曲线的修改来进行修改。外骨骼控制系统通过一系列外骨骼轨迹的使用来命令复杂外骨骼移动(例如在走动医疗外骨骼中行走)，其中越来越复杂的外骨骼移动需要一系列越来越复杂的外骨骼轨迹。这些系列的轨迹可为循环的，例如外骨骼关于每条腿采取一系列步伐，或所述轨迹可为离散的，例如外骨骼从坐位起身为站位。在走动外骨骼的情形中，在康复期间或在康复过程中，具有取决于患者的特定生理或康复阶段而修改规定位置或规定力分布曲线的能力对于理疗师来说是高度有益的。构造在康复期间达成理疗师所期望的全修改范围的外骨骼控制接口是高度复杂且困难的。另外，重要的是，控制接口不仅允许理疗师可期望的全修改范围，而且与理疗师的接口对于理疗师(其可能并非高度技术导向的)来说为直观的。由于各种外骨骼用户可为不同比例的，因此以各种方式经调整或定制化的动力外骨骼将以稍微不同方式适配每一用户，从而需要外骨骼控制系统考虑穿戴者比例、外骨骼配置或定制化及外骨骼-用户适配的这些差异，此引起对规定外骨骼轨迹的改变。
不管外骨骼的特定类型如何，外骨骼到外骨骼用户的恰当适配及定大小都增加外骨骼对于用户的效用。然而，人的比例为高度可变的，因此使外骨骼的恰当适配复杂化。在可调整外骨骼的情形中，需要熟练技师或理疗师将外骨骼适配到特定用户。尽管如此，即使具有设计良好的可调整外骨骼及熟练技师，到特定用户的适配在一些情形中也可能并非最优的。可通过针对每一特定用户定制外骨骼的全部或部分来实现更佳适配。然而，使用当前方法采用定制的外骨骼部件受经个性化制造的成本、定制外骨骼设计所需要的技能组及用户的测量或适配与定制部件的交货之间的时滞限制。
因此，此项技术中需要简单地、迅速地且准确地测量外骨骼用户以便允许适配到特定用户的经个性化外骨骼的后续设计及制造的能力。如果可在不存在高技能医疗或外骨骼设计人员的情况下发生此测量、设计及制造，那么其将具有额外效用。如果可在除特定外骨骼制造公司以外的位置中(例如在军事外骨骼的战场中或在医疗外骨骼的医院或临床环境中)发生此测量、设计及制造，那么其将具有进一步效用。另外需要针对此些经个性化外骨骼提供外骨骼及用户移动的模型化以便允许由经个性化外骨骼的外骨骼控制系统规定的轨迹的后续变更。
发明内容
本发明的目标是提供一种允许人的迅速三维(3D)表面测量、所测量人的3D表面的模型化、用以最佳地适配所测量人的经个性化外骨骼部件的设计及这些经个性化外骨骼部件的制造的装置及方法。本发明的另一目标是提供一种允许在多个姿势中的人的迅速3D表面测量、将在多个姿势中的所测量人的3D表面模型化、所测量人的统一3D表面模型的创建、用以最佳地适配所测量人的经个性化外骨骼部件的设计及这些经个性化外骨骼部件的制造的装置及方法。
本发明的另一目标是提供一种允许人的迅速3D表面测量及模型化、人的表面下测量及模型化、人的统一表面及表面下模型的创建、用以最佳地适配所测量人的经个性化外骨骼部件的设计及这些经个性化外骨骼部件的制造的装置及方法。本发明的额外目标是提供一种允许人的迅速表面及/或表面下测量及模型化、用以最佳地适配所测量人的经个性化动力外骨骼部件的设计、人及经个性化动力外骨骼的统一模型的创建、经修改外骨骼轨迹基于此统一模型的产生及将经修改轨迹上传到经个性化动力外骨骼的外骨骼控制系统的装置及方法。
详尽阐述了在测量外骨骼用户的大小且制造经定大小以适配所述特定外骨骼用户的经个性化外骨骼的过程中所涉及的理疗师、技师或另一人可利用3D表面扫描装置来测量外骨骼用户的表面尺寸及轮廓的方式的概念。接着使用计算机来将3D表面扫描数据模型化以建立外骨骼用户的3D表面模型。使用3D计算机模型化来设计外骨骼部件以最优地适配外骨骼用户的3D表面模型，且使用3D打印来制造将最优地适配外骨骼用户的外骨骼部件，此时可使用定制的外骨骼部件来组装经个性化外骨骼且将所述经个性化外骨骼适配到外骨骼用户。
进一步详尽阐述了在测量外骨骼用户的大小且制造经定大小以适配所述特定外骨骼用户的经个性化外骨骼的过程中涉及的理疗师、技师或另一人可利用3D表面扫描装置来重复地测量在各种姿势中的外骨骼用户的表面尺寸及轮廓的方式的概念。接着使用计算机来将在各种姿势中的外骨骼用户的3D表面扫描数据模型化以建立在各种姿势中的外骨骼用户的3D表面模型及/或创建外骨骼用户的移动模型。使用3D计算机模型化来设计外骨骼部件以最优地适配外骨骼用户的3D表面模型，且使用3D打印来制造将最优地适配外骨骼用户的外骨骼部件，此时可使用定制的外骨骼部件来组装经个性化外骨骼且将所述经个性化外骨骼适配到外骨骼用户。
进一步详尽阐述了在测量外骨骼用户的大小且制造经定大小以适配所述特定外骨骼用户的经个性化外骨骼的过程中涉及的理疗师、技师或另一人可利用3D表面扫描装置来测量在一或多个姿势中的外骨骼用户的表面尺寸及轮廓后续接着测量外骨骼用户的表面下特征的第二类型的扫描的方式的概念。接着使用计算机来将3D表面扫描数据及表面下扫描数据模型化以建立外骨骼用户的3D表面及表面下模型及/或创建外骨骼用户的移动模型。使用3D计算机模型化来设计外骨骼部件以最优地适配外骨骼用户的3D表面及表面下模型，且使用3D打印来制造将最优地适配外骨骼用户的外骨骼部件，此时可使用定制的外骨骼部件来组装经个性化外骨骼且将所述经个性化外骨骼适配到外骨骼用户。
详尽阐述了在适配动力外骨骼用户且调整经定大小以适配所述特定外骨骼的经个性化动力外骨骼的轨迹的过程中涉及的理疗师、技师或另一人可利用3D表面扫描装置来测量外骨骼用户的表面尺寸及轮廓的方式的概念。接着使用计算机来将3D表面扫描数据模型化以建立外骨骼穿戴者的3D表面模型。使用3D计算机模型化来设计外骨骼部件以最优地适配外骨骼用户的3D表面模型，且使用3D计算机模型化来产生经修改轨迹以控制经个性化动力外骨骼，此时将这些经修改轨迹上传到经个性化动力外骨骼的外骨骼控制系统。
进一步详尽阐述了在适配动力外骨骼用户且调整经定大小以适配所述特定外骨骼用户的经个性化动力外骨骼的轨迹的过程中涉及的理疗师、技师或另一人可利用3D表面扫描装置来重复地测量在各种姿势中的外骨骼用户的表面尺寸及轮廓的方式的概念。接着使用计算机来将3D表面扫描数据模型化以建立在各种姿势中的外骨骼用户的3D表面模型及/或创建外骨骼用户的移动模型。使用3D计算机模型化来设计外骨骼部件以最优地适配外骨骼用户的3D表面模型，且使用3D计算机模型化来产生经修改轨迹以控制经个性化动力外骨骼及用户，此时将这些经修改轨迹上传到经个性化动力外骨骼的外骨骼控制系统。
进一步详尽阐述了在适配动力外骨骼用户且调整经定大小以适配所述特定外骨骼用户的经个性化动力外骨骼的轨迹的过程中涉及的理疗师、技师或另一人可利用3D表面扫描装置来测量在一或多个姿势中的外骨骼用户的表面尺寸及轮廓后续接着测量外骨骼用户的表面下特征的第二类型的扫描的方式的概念。接着使用计算机来将3D表面扫描数据及表面下扫描数据模型化以建立外骨骼穿戴者的3D表面及表面下模型及/或创建外骨骼穿戴者的移动模型。使用3D计算机模型化来设计外骨骼部件以最优地适配外骨骼用户的3D表面及表面下模型，且使用3D计算机模型化来产生经修改轨迹以控制经个性化动力外骨骼及用户，此时将这些经修改轨迹上传到经个性化动力外骨骼的外骨骼控制系统。
特定来说，本发明针对于用于形成量身定做的外骨骼的系统及方法。执行外骨骼穿戴者的三维表面扫描以产生三维表面数据，且依据所述三维表面扫描数据产生所述外骨骼穿戴者的三维表面模型。依据所述三维表面模型产生三维外骨骼模型。依据所述三维外骨骼模型打印至少一个三维外骨骼组件，且使用所述至少一个三维外骨骼组件来组装所述量身定做的外骨骼。
在一个实施例中，产生所述三维表面模型包含估计所述外骨骼穿戴者的至少一个关节的位置。使用所述至少一个关节的所述位置产生所述三维外骨骼模型。
在另一实施例种，针对多个姿势中的每一者执行所述外骨骼穿戴者的三维表面扫描，且针对所述多个姿势中的每一者产生所述外骨骼穿戴者的三维表面模型。将所述三维表面模型汇编成所述外骨骼穿戴者的统一三维表面模型。依据所述统一三维表面模型产生所述三维外骨骼模型。
在又一实施例中，执行所述外骨骼穿戴者的表面下扫描以产生表面下扫描数据，且依据所述表面下扫描数据产生所述外骨骼穿戴者的表面下模型。将所述三维表面模型及所述表面下模型汇编成统一模型。依据所述统一模型产生所述三维外骨骼模型。
在再一实施例中，依据所述三维表面模型及所述三维外骨骼模型产生统一模型。使用所述统一模型产生至少一个经修改外骨骼轨迹，且将所述至少一个经修改外骨骼轨迹上传到所述量身定做的外骨骼的外骨骼控制系统。
依据在连同图式一起进行时对本发明的以下详细描述将更容易地明了本发明的额外目标、特征及优点，其中在数个视图中相似元件符号是指对应部件。
附图说明
图1是穿戴走动外骨骼的用户的侧视图；
图2A是穿戴军事外骨骼的士兵的正视图；
图2B是士兵及外骨骼的后视图；
图2C是穿戴军事外骨骼的士兵的正视图；
图2D是士兵及军事外骨骼的局部剖视图，其展示盔甲及盔甲安装于其上的外骨骼两者；
图3A是图解说明本发明的第一实施例的流程图；
图3B展示人的3D表面扫描；
图3C是依据3D表面扫描产生的外骨骼用户模型的正视图；
图3D是外骨骼用户模型的后视图；
图3E是在定制化外骨骼部件模型叠加在外骨骼用户模型上的情况下外骨骼用户模型的正视图；
图3F是外骨骼用户模型及定制化外骨骼部件模型的后视图；
图3G是耦合到外骨骼用户模型的下部右腿的定制化外骨骼部件模型的下部腿支架的正视图；
图3H是下部腿支架的后视图；
图3I是根据第一实施例构造的外骨骼的透视图；
图4A是图解说明第二实施例的流程图；
图4B展示在第一姿势中的人的3D表面扫描；
图4C展示在第二姿势中的人的3D表面扫描；
图4D是依据在第一姿势中的人的3D表面扫描产生的外骨骼用户模型的正视图；
图4E是依据在与图4D中所展示的姿势不同的姿势中的人的3D表面扫描产生的外骨骼穿戴者模型的正视图；
图5A是图解说明第三实施例的流程图；
图5B展示人的3D表面及表面下扫描；
图5C展示人的表面及表面下模型；
图6是图解说明第四实施例的流程图；
图7是图解说明第五实施例的流程图；及
图8是图解说明第六实施例的流程图。
具体实施方式
本文中揭示本发明的详细实施例。然而，应理解，所揭示实施例仅仅示范可以各种及替代形式体现的本发明。各图未必按比例，且可放大或最小化一些特征以展示特定组件的细节。因此，本文中所揭示的特定结构及功能细节将不解释为限制性，而是仅仅解释为用于教示所属领域的技术人员采用本发明的代表性基础。
参考图1，外骨骼(或外骨骼装置)100具有躯干部分105及腿支撑件(其中的一者标记为110)。与一对支柱组合使用外骨骼100，所述对支柱中的左支柱115包含下部接地尖端120及手柄125。结合此实施例，通过外骨骼100的使用，患者(或更一般来说，用户或穿戴者)130能够行走。以此项技术中已知的方式，躯干部分105经配置以耦合到患者130的躯干135，而腿支撑件经配置以耦合到患者130的下肢(其中的一者标记为140)。另外，提供插置在腿支撑件110的若干部分之间以及腿支撑件110与躯干部分105之间的致动器，以用于使腿支撑件110相对于躯干部分105移位以使得患者130的下肢140能够移动。在一些实施例中，躯干部分105可为非常小的且包括缠绕在患者130的骨盆上的骨盆环(未展示)。在图1中所展示的实例中，致动器具体地经展示为用于使髋关节150进行屈伸移动的髋致动器145，且经展示为用于使膝关节160进行屈伸移动的膝致动器155。致动器145及155由控制器(或CPU)165以外骨骼控制技术领域的技术人员已知的多个方式来控制，其中控制器165为外骨骼控制系统的构成要素。尽管图1中未展示，但各种传感器与控制器165通信使得控制器165可监测外骨骼100的定向。此些传感器可不具限制地包含编码器、电位计、加速度计及陀螺仪(举例来说)。由于结合本发明使用的外骨骼的某一特定结构可采取各种形式且在此项技术中为已知的，因此将不在本文中对其进行进一步详述。
参考图2A到D，展示穿戴外骨骼205的用户或穿戴者(可能由士兵构成)200。外骨骼205通过挽具215及条带220耦合到用户200的躯干210。挽具215连接到背部支撑件225，且背部支撑件225连接到髋支撑件230。髋支撑件230连接到髋关节235，且髋关节235连接到上部腿支撑件240。上部腿支撑件240连接到上部腿支架245，上部腿支架245耦合到用户200的上部腿250。上部腿支架245连接到膝关节255，且膝关节255连接到下部腿支架260。下部腿支架260耦合到用户200的下部腿265且连接到踝关节270。踝关节270连接到脚支撑件275，脚支撑件275与表面280(例如，地板或地面)相互作用。盔甲285环绕且连接到外骨骼205，外骨骼205支撑盔甲285的重量。具体来说，盔甲285的重量通过挽具215、背部支撑件225、髋支撑件230、髋关节235、上部腿支撑件240、上部腿支架245、膝关节255、下部腿支架260、踝关节270及脚支撑件275转移到表面280。由于结合本发明使用的外骨骼的某一特定结构可采取各种形式且在此项技术中为已知的，因此将不在本文中对其进行进一步详述。
转向图3A，展示图解说明根据本发明的第一实施例的方法的流程图。在步骤300处，执行人的一或多个3D扫描，其中测量人的表面轮廓。在步骤305处，使用来自步骤300的3D扫描数据来产生人的3D表面计算机模型。在步骤310处，使用人的3D表面模型来产生将最优地适配人的3D表面模型的3D外骨骼组件模型。在步骤315处，使用3D打印来基于在步骤310中产生的3D外骨骼模型而制作外骨骼组件。在步骤320处，技师或理疗师将经3D打印的外骨骼组件组装成外骨骼。在步骤325处，技师或理疗师将经组装外骨骼适配到在步骤300中测量的人，确认恰当适配且视需要做出进一步调整。
参考图3B，展示根据第一实施例的人的3D表面扫描。参考编号330及331分别指示人335的冠状平面及矢状平面。3D扫描仪340及341沿着冠状平面330定位，而3D扫描仪342及343沿着矢状平面316定位。此允许扫描仪340到343从冠状平面330及矢状平面331两者中的视角使人335成像。图3B展示发出扫描射束345的扫描仪340，扫描射束345以使得测量人335的3D表面轮廓的方式与人335的表面相互作用。扫描仪340接着将从射束345与人335的相互作用获得的数据传送到计算机(或控制器或控制系统)350，计算机350存储测量数据。
现在参考图3C及3D，展示根据第一实施例的人的示范性3D表面模型355。由计算机使用由人的3D表面扫描(使用3D表面映射技术领域的技术人员已知的方法)产生的3D激光表面扫描数据创建表面模型355。从图3C中的正视图及图3D中的后视图展示表面模型355。
参考图3E到I，根据第一实施例，与外骨骼及其组件的3D模型360一起展示表面模型355。如在上文，由计算机考虑表面模型355及已知外骨骼参数(包含先前申请案中所描述的那些外骨骼参数)两者以及3D表面模型化技术领域的技术人员已知的方法而创建模型360。从图3E中的正视图且从图3F中的后视图展示表面模型355及360。除其它组件以外，模型360的下部腿支架365耦合到模型355的右腿370。图3G及3H提供下部腿支架365及右腿370的更近视图。特定来说，可看到下部腿支架365紧密适配到右腿370。基于模型360，使用3D打印来制造定制外骨骼组件，所述定制外骨骼组件稍后适配到最初针对3D扫描经模型化的人。已发现定制外骨骼件适配得非常良好，从而允许组装严密地适配的经个性化外骨骼。图3I中展示此外骨骼。
作为本发明的第一实施例的实例，考虑将要去往作战环境的士兵。通过利用本发明，可在美国一位置处测量士兵且将所述士兵模型化。在士兵到达作战战场之后，可使用先前产生的测量及模型针对在场的士兵3D打印量身定做的装甲外骨骼。如果在作战或其它活动期间，存在对士兵的外骨骼或盔甲的损坏，那么可使用先前产生的模型迅速地制造量身定做的替换部件。
作为第一实施例的第二实例，考虑在康复设定中使用走动外骨骼的行走受损患者。继某些类型的损伤之后，肌肉萎缩可发生在一些患者中，且在康复的过程中，可发生肌肉组织的一些再生长。通过使用本发明，理疗师可迅速地且容易地测量患者的腿的不断改变的生理且将其模型化，借此允许制造更佳适配的外骨骼部件以便有助于走动外骨骼治疗的使用及患者的康复。
转向图4A，展示图解说明根据本发明的第二实施例的方法的流程图。在步骤400处，针对多个姿势中的每一者执行人的一或多个3D扫描。因此，测量在所述姿势中的每一者中的人的表面轮廓。由于肌肉及其它组织膨胀及收缩，因此人的3D表面随着人的身体采用各种姿势而改变。在步骤405处，使用来自步骤400的3D扫描数据来针对每一姿势产生人的3D表面计算机模型。在步骤410处，将人的3D表面模型汇编成考虑在各种姿势中的人的不断改变的表面轮廓的单个统一3D表面模型。在步骤415处，使用统一3D表面模型来产生将最优地适配人的统一3D表面模型的3D外骨骼组件模型。在步骤420处，使用3D打印来基于在步骤415中产生的3D外骨骼模型而制作外骨骼组件。在步骤425处，技师或理疗师将经3D打印的外骨骼组件组装成外骨骼。在步骤430处，技师或理疗师将经组装外骨骼适配到在步骤400中测量的人，确认恰当适配且视需要进行进一步调整。在一些实施例中，算法使用人的统一模型来预测人的关节的位置，从而允许对外骨骼模型的修改更佳地适合外骨骼穿戴者的移动。
参考图4B及4C，展示根据第二实施例的人的3D表面扫描。与第一实施例一样，参考编号435及436分别指示人440的冠状平面及矢状平面。3D扫描仪445及446沿着冠状平面435定位，而3D扫描仪447及448沿着矢状平面436定位。展示发出扫描射束450的扫描仪445，扫描射束450以使得测量人440的3D表面轮廓的方式与人440的表面相互作用。扫描仪445接着将从射束450与人440的相互作用获得的数据传送到计算机(或控制器或控制系统)455，计算机455存储测量数据。与第一实施例进行比较，扫描在多个姿势中的每一者中的人440，其中图4B及4C中展示两个此类姿势。
参考图4D及4E，展示根据第二实施例的人的示范性3D表面模型460及461。由计算机使用由在两个不同姿势中的人的3D表面扫描(使用3D表面映射技术领域的技术人员已知的方法)产生的3D激光表面扫描数据创建表面模型460及461。表面模型460对应于第一姿势，而表面模型461对应于第二姿势。当汇编统一3D表面模型时且因此当设计经个性化外骨骼模型(如上文结合图4A所描述)时考虑3D表面模型460及461的不同3D轮廓。在一些实施例中，使用对应于各种不同姿势的许多3D模型来形成统一模型，例如，可使用3或多于3个模型。而且，在一些实施例中，所述统一模型为可包含例如行走、跑步或使用手臂来执行某些任务的特定动作的移动模型。
作为本发明的第二实施例的实例，考虑肌肉高度发达的士兵的经个性化装甲外骨骼的设计。由于不同个体的身体关于生理及体适能实践以不同方式发展，因此在单个姿势中的个体的3D表面不可提供足以设计在由所述个体穿戴时最优地适配且更重要的是很好地移动的外骨骼的关于所述个体的信息。通过利用本发明，可以使得考虑肌肉屈曲及肿胀以达成某些组件的适配且允许经显著改进关节移动预测以达成其它外骨骼组件的恰当设计的方式测量在多个姿势中的士兵且将所述士兵模型化。此允许容易地测量不同生理的士兵且将所述士兵模型化以用于经个性化外骨骼设计及制造。如果在作战或其它活动期间，存在对士兵的经个性化外骨骼或盔甲的损坏，那么可使用先前产生的模型迅速地制造量身定做的替换部件。
作为本发明的第二实施例的第二实例，考虑在康复设定中使用走动外骨骼的行走受损患者。继某些类型的损伤之后，肌肉萎缩可发生在一些患者中，且在康复的过程中，可发生肌肉的一些再生长。类似地，某些类型的损伤可阻止患者能够使某些肌肉屈曲。患者生理的这些变化不仅难以正确地适配经个性化外骨骼而且使外骨骼在战场中的使用复杂化，因为关节生理的小变化可影响许多活动，例如行走。通过使用本发明，理疗师可测量患者的身体的特定生理及屈曲特性，从而允许制造更佳适配的外骨骼部件以便有助于走动外骨骼治疗的使用及患者的康复。
转向图5A，展示图解说明根据本发明的第三实施例的方法的流程图。在步骤500处，在人处于一或多个姿势中的情况下执行人的一或多个3D表面扫描。在步骤505处，使用来自步骤500的3D扫描数据来产生人的一或多个3D表面计算机模型。在步骤510处，在人处于一或多个姿势中的情况下执行人的一或多个表面下扫描。在步骤515处，使用来自步骤510的表面下扫描数据来形成人的一或多个表面下模型。在步骤520处，将一或多个3D表面模型及一或多个表面下模型汇编成人的单个统一模型，所述单个统一模型考虑在一或多个姿势中的人的表面及表面下特征两者。在步骤525处，使用在步骤520中产生的统一3D模型来产生将最优地适配人的统一3D模型的3D外骨骼组件模型。在步骤530处，使用3D打印来基于在步骤525中产生的3D外骨骼模型而制作外骨骼组件。在步骤535处，技师或理疗师将经3D打印的外骨骼组件组装成外骨骼。在步骤540处，技师或理疗师将经组装外骨骼适配到在步骤500中测量的人，确认恰当适配且视需要进行进一步调整。在一些实施例中，算法使用人的统一模型来指派人的关节的位置，从而允许对外骨骼模型的修改更好地适合外骨骼穿戴者的移动。
参考图5B，展示根据第三实施例的人的3D表面及表面下扫描。与第一实施例及第二实施例一样，参考编号545及546分别指示人550的冠状平面及矢状平面。3D扫描仪555及556沿着冠状平面545定位，而表面下扫描仪560及561沿着矢状平面546定位。展示发出扫描射束565的3D扫描仪555，扫描射束565以使得测量人550的3D表面轮廓的方式与人550的表面相互作用。3D扫描仪555接着将从射束565与人550的相互作用获得的数据传送到计算机(或控制器或控制系统)570，计算机570存储测量数据。类似地，展示表面下扫描仪560，表面下扫描仪560发出在由表面下扫描仪561接收且检测之前穿透人550的表面下特征且与人550的表面下特征相互作用的射束575，此时由表面下扫描仪561检测到的信号中继到计算机570，计算机570存储测量数据。
参考图5C，展示根据第三实施例的人的示范性表面下模型580。由计算机使用由人的3D表面及表面下扫描(使用3D表面映射及医疗成像技术领域的技术人员已知的方法)产生的表面扫描及表面下扫描数据创建表面下模型580。在骨骼及软组织两者可见的情况下从正视图正面展示模型580。特定来说，展示分别表示骨骼及软组织的股骨585及大腿组织590。在设计经个性化外骨骼模型(如结合图5A所描述)时考虑统一模型的表面及表面下特征两者。在一些实施例中，使用对应于各种不同姿势的许多3D模型来形成统一模型，例如，可使用3个或多于3个模型。而且，在一些实施例中，统一模型为可包含例如行走、跑步或使用手臂来执行某些任务的特定动作的移动模型。
作为本发明的第三实施例的实例，考虑肌肉高度发达的士兵的经个性化装甲外骨骼的设计。由于不同个体的身体关于生理及体适能实践以不同方式发展，因此个体的3D表面不可提供足以设计在由所述个体穿戴时最优地适配且更重要的是很好地移动的外骨骼的关于所述个体的信息。通过利用本发明，可测量士兵的3D表面及表面下两者以允许经显著改进关节移动预测以达成其它外骨骼组件的恰当设计。此允许容易地测量不同生理的士兵且将所述士兵模型化以用于经个性化外骨骼设计及制造。如果在作战或其它活动期间存在对士兵的经个性化外骨骼或盔甲的损坏，那么可使用先前产生的模型迅速地制造量身定做的替换部件。
作为本发明的第三实施例的第二实例，考虑在康复设定中使用走动外骨骼的行走受损患者。继某些类型的损伤之后，肌肉萎缩可发生在一些患者中，且在康复的过程中，可发生肌肉组织的一些再生长。类似地，某些类型的损伤可阻止患者能够使某些肌肉屈曲。患者生理的这些变化不仅难以正确地适配经个性化外骨骼而且使外骨骼在战场中的使用复杂化，因为关节生理的小变化可影响许多活动，例如行走。通过使用本发明，理疗师可测量患者的身体的特定生理，从而允许制造更佳适配的外骨骼部件以便有助于走动外骨骼治疗的使用及患者的康复。
参考图6，展示图解说明根据本发明的第四实施例的方法的流程图。在步骤600处，执行人的一或多个3D表面扫描以测量人的表面轮廓。在步骤605处，使用来自步骤600的3D扫描数据来产生人的3D表面计算机模型。在步骤610处，使用人的3D表面模型来产生将最优地适配人的3D表面模型的3D外骨骼组件模型。在步骤615处，依据3D表面模型及3D外骨骼模型产生统一模型。所述统一模型包含人及外骨骼两者的移动的估计，包含人的关节位置及适合用于人及外骨骼的经组合移动的对外骨骼移动的修改。在步骤620处，基于统一模型而产生经修改外骨骼轨迹以便允许外骨骼控制系统与人一起更好地控制外骨骼。在步骤625处，将经修改外骨骼轨迹上传到外骨骼(其是如结合第一实施例所描述而构造的)的外骨骼控制系统中。在一些实施例中，技师或理疗师基于人的特定需要而进一步修改经修改轨迹。另外，应理解，第一实施例及第四实施例可经组合使得执行共同步骤(即，步骤300、305、310、600、605及610)单次且执行剩余步骤(即，步骤315、320、325、615、620及625)全部。
作为本发明的第四实施例的实例，考虑在康复设定中使用走动外骨骼的行走受损患者。继某些类型的损伤之后，肌肉萎缩可发生在一些患者中，且在康复的过程中，可发生肌肉组织的一些再生长。通过使用本发明，理疗师能够(举例来说)迅速地且容易地测量患者的腿的不断改变的生理且将其模型化，这允许更好地适合于患者的康复状态的外骨骼轨迹的自动设计，借此有助于走动外骨骼治疗的使用及患者的康复。
参考图7，展示图解说明根据本发明的第五实施例的方法的流程图。在步骤700处，针对多个姿势中的每一者执行人的一或多个3D表面扫描。因此，测量在所述姿势中的每一者中的人的表面轮廓。由于肌肉及其它组织膨胀及收缩，因此人的3D表面随着人的身体采用各种位置而改变。在步骤705处，使用来自步骤700的3D扫描数据来针对每一姿势产生人的3D表面计算机模型。在步骤710处，将人的3D表面模型汇编成考虑在各种姿势中的人的不断改变的表面轮廓的单个统一3D表面模型。在步骤715处，使用统一3D表面模型来产生将最优地适配人的3D表面模型的3D外骨骼组件模型。在步骤720处，依据3D表面模型及3D外骨骼模型产生统一模型。所述统一模型包含人及外骨骼两者的移动的估计，包含人的关节位置、在各种姿势中的人的表面轮廓改变及适合用于人及外骨骼的经组合移动的对外骨骼移动的修改。在步骤725处，基于步骤720的统一模型而产生经修改外骨骼轨迹以便允许外骨骼控制系统与人一起更好地控制外骨骼。在步骤730处，将经修改外骨骼轨迹上传到外骨骼(其是如结合第二实施例所描述而构造的)的外骨骼控制系统中。在一些实施例中，技师或理疗师基于人的特定需要而进一步修改经修改轨迹。另外，应理解，第二实施例及第五实施例可经组合使得执行共同步骤(即，步骤400、405、410、415、700、705、710及715)单次且执行剩余步骤(即，步骤420、425、430、720、725及730)全部。
作为本发明的第五实施例的实例，考虑在康复设定中使用走动外骨骼的行走受损患者。继某些类型的损伤之后，肌肉萎缩可发生在一些患者中，且在康复的过程中，可发生肌肉组织的一些再生长。通过使用本发明，理疗师能够(举例来说)迅速地且容易地测量患者的腿的不断改变的生理且将其模型化(例如，基于来自多姿势表面分析的肌肉肿胀)，此允许更好地适合于患者的康复状态的外骨骼轨迹的设计，借此有助于走动外骨骼治疗的使用及患者的康复。
参考图8，展示图解说明根据本发明的第六实施例的方法的流程图。在步骤800处，在人处于一或多个姿势中的情况下执行人的一或多个3D表面扫描。在步骤805处，使用来自步骤800的3D扫描数据来产生人的一或多个3D表面计算机模型。在步骤810处，在人处于一或多个姿势中的情况下执行人的一或多个表面下扫描。在步骤815处，使用来自步骤810的表面下扫描数据来创建人的一或多个表面下模型。在步骤820处，将一或多个3D表面模型及一或多个表面下模型汇编成人的单个统一模型，所述单个统一模型考虑在一或多个姿势中的人的表面及表面下特征两者。在步骤825处，使用在步骤820中产生的统一3D模型来产生将最优地适配人的统一3D模型的3D外骨骼组件模型。在步骤830处，依据在步骤820中产生的人的统一模型及在步骤825中产生的3D外骨骼模型产生统一模型。步骤830的统一模型包含人及外骨骼两者的移动的估计，包含人的关节位置、在各种姿势中的人的表面及表面下轮廓及适合用于人及外骨骼的经组合移动的对外骨骼移动的修改。在步骤835处，基于步骤830的统一模型而产生经修改外骨骼轨迹以便允许外骨骼控制系统与人一起更好地控制外骨骼。在步骤840处，将经修改外骨骼轨迹上传到外骨骼(其是如结合第三实施例所描述而构造的)的外骨骼控制系统中。在一些实施例中，技师或理疗师基于人的特定需要而进一步修改外骨骼的经修改轨迹。另外，应理解，第三实施例及第六实施例可经组合使得执行共同步骤(即，步骤500、505、510、515、520、525、800、805、810、815、820及825)单次且执行剩余步骤(即，步骤530、535、540、830、835及840)全部。
作为本发明的第六实施例的实例，考虑在康复设定中使用走动外骨骼的行走受损患者。继某些类型的损伤之后，肌肉萎缩可发生在一些患者中，且在康复的过程中，可发生肌肉组织的一些再生长。通过使用本发明，理疗师能够(举例而言)基于表面及表面下扫描模型化及分析而迅速地且容易地测量患者的腿的不断改变的生理且将其模型化，此允许更好地适合于患者的康复状态的外骨骼轨迹的设计，借此有助于走动外骨骼治疗的使用及患者的康复。
在一些实施例中，基于穿戴者的3D模型及外骨骼的3D模型而3D打印外骨骼的所有组件。在其它实施例中，基于穿戴者及外骨骼的3D模型化而仅3D打印外骨骼的某些组件，且与定制组件一起组装一些标准(即，非量身定做)组件。因此，可以各种方式开发三维模型，包含依据非量身定做的外骨骼的三维模型产生三维外骨骼模型，后续接着通过将至少一个三维外骨骼组件耦合到第二非量身定做的外骨骼组件来组装量身定做的外骨骼。在一些实施例中，3D扫描、表面下扫描、3D模型化、3D打印及组装发生在同一位置处。在其它实施例中，3D扫描、表面下扫描、3D模型化、3D打印及组装发生在不同位置处。在一些实施例中，3D模型化数据经存储以便允许在稍后时间或在不同位置处3D打印替换部件，例如，可在于别处进行初始测量之后在当地医院中或在作战战场/环境中打印替换部件。在一些实施例中，人的3D模型包含关于人的关节的位置的估计，且当设计外骨骼的3D模型时考虑此信息。在一些实施例中，外骨骼为具有受外骨骼控制系统控制的致动器的动力外骨骼，而在其它实施例中，外骨骼为无源外骨骼。
在一些实施例中，所展示的所有3D及表面下扫描仪用于测量人，扫描仪中的每一者直接或间接与计算机通信。或者，使用较少扫描仪。举例来说，可提供单个3D及/或表面下扫描仪，或单个3D及/或表面下扫描仪可提供于冠状平面及矢状平面中的每一者中。在一些实施例中，单个扫描仪安装于允许扫描仪从多个角度进行扫描的可移动系统上。在其它实施例中，人站立于可旋转平台上，所述可旋转平台允许单个扫描仪从多个角度使人成像。在一些实施例中，扫描仪包含电动机使得从扫描仪经引导的射束的角度可在多个平面中移动。而且，在一些实施例中，扫描仪排列在与各图中所展示的位置不同的位置中。在一些实施例中，同时执行多个扫描，而在其它实施例中，顺序地执行扫描。在一些实施例中，举例来说当人有残疾时，可采用挽具或其它支撑结构来支撑在站位或其它位置中的人。
在一些实施例中，3D扫描仪为3D激光扫描装置。在其它实施例中，3D扫描仪利用3D表面测量技术中已知的其它3D表面测量装置及方法。在一些实施例中，表面下扫描利用3D表面扫描，包含但不限于在同时对正扫描的区域吹经加压空气时执行的一或多个额外3D激光表面扫描。暴露于空气压力导致较软组织的暂时位移从而允许对“软”可位移组织及“硬”不可位移组织的测量。3D表面下模型包括：1)在不具有经加压空气的情况下执行的一或多个3D表面扫描与在具有经加压空气的情况下执行的一或多个3D表面扫描相比较的差别图；或2)简单地，在具有经加压空气的情况下执行的一或多个3D表面扫描。在一些实施例中，表面下扫描为利用穿透电磁扫描技术的3D扫描，例如计算机断层摄影术(CT)扫描、磁共振成像(MRI)或医疗成像技术中已知的其它3D表面下测量装置及方法。在一些实施例中，同时执行3D表面及表面下扫描(即，借助一个扫描仪类型)且利用穿透电磁扫描技术。在一些实施例中，表面下扫描为利用穿透电磁辐射(包含但不限于单个X射线)的2D扫描，其中接着由可考虑或可不考虑用以推断人的3D表面下特征的3D表面扫描数据的算法处理X射线。
基于上文，应容易地明了，本发明提供对外骨骼用户的简单、迅速且准确测量以便允许适配到特定用户的经个性化外骨骼的后续设计及制造。另外，本发明针对此些经个性化外骨骼提供外骨骼及用户移动的模型化以便允许由经个性化外骨骼的外骨骼控制系统所规定的轨迹的后续变更。尽管参考优选实施例描述，但应容易地理解，可在不背离本发明的精神的情况下对本发明做出各种改变或修改。一般来说，本发明仅打算由所附权利要求书的范围限制。

Claims (20)

1.一种形成量身定做的外骨骼的方法，其包括：
执行外骨骼穿戴者的三维表面扫描以产生三维表面扫描数据；
依据所述三维表面扫描数据产生所述外骨骼穿戴者的三维表面模型；及
依据所述三维表面模型产生三维外骨骼模型；及
依据所述三维外骨骼模型产生至少一个三维外骨骼组件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：
产生所述三维表面模型包含估计所述外骨骼穿戴者的至少一个关节的位置；且
产生所述三维外骨骼模型包含使用所述至少一个关节的所述位置产生所述三维外骨骼模型。
3.根据权利要求1所述的方法，其中执行所述三维表面扫描包含执行在多个姿势中的每一者中的所述外骨骼穿戴者的三维表面扫描，且产生所述三维表面模型包含针对所述多个姿势中的每一者产生所述外骨骼穿戴者的三维表面模型，所述方法进一步包括：
将所述三维表面模型汇编成所述外骨骼穿戴者的统一三维表面模型，其中产生所述三维外骨骼模型包含依据所述统一三维表面模型产生所述三维外骨骼模型。
4.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
执行所述外骨骼穿戴者的表面下扫描以产生表面下扫描数据；
依据所述表面下扫描数据产生所述外骨骼穿戴者的表面下模型；及
将所述三维表面模型及所述表面下模型汇编成统一模型，其中产生所述三维外骨骼模型包含依据所述统一模型产生所述三维外骨骼模型。
5.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
依据所述三维表面模型及所述三维外骨骼模型产生统一模型；及
使用所述统一模型产生至少一个经修改外骨骼轨迹。
6.根据权利要求5所述的方法，其进一步包括：
将所述至少一个经修改外骨骼轨迹上传到所述量身定做的外骨骼的外骨骼控制系统。
7.根据权利要求1所述的方法，其中产生所述至少一个三维外骨骼组件包含用三维打印机打印所述三维外骨骼组件。
8.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
使用所述至少一个三维外骨骼组件组装所述量身定做的外骨骼。
9.根据权利要求8所述的方法，其中组装所述量身定做的外骨骼包含将所述至少一个三维外骨骼组件耦合到第二外骨骼组件。
10.根据权利要求1所述的方法，其中产生所述三维外骨骼模型包含依据非量身定做的外骨骼的三维模型产生所述三维外骨骼模型，所述方法进一步包括：
通过将所述至少一个三维外骨骼组件耦合到第二非量身定做的外骨骼组件而组装所述量身定做的外骨骼。
11.一种用于形成量身定做的外骨骼的系统，其包括：
三维扫描仪，其经配置以执行外骨骼穿戴者的三维表面扫描以产生三维表面扫描数据；
至少一个计算机，所述至少一个计算机经配置以：
依据所述三维表面扫描数据产生所述外骨骼穿戴者的三维表面模型；及
依据所述三维表面模型产生三维外骨骼模型；及
三维打印机，其经配置以依据所述三维外骨骼模型打印至少一个三维外骨骼组件，其中使用所述至少一个三维外骨骼组件来组装所述量身定做的外骨骼。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述至少一个计算机进一步经配置以：
在产生所述三维表面模型时估计所述外骨骼穿戴者的至少一个关节的位置；及
使用所述至少一个关节的所述位置产生所述三维外骨骼模型。
13.根据权利要求11所述的系统，其中：
所述三维扫描仪进一步经配置以执行在多个姿势中的每一者中的所述外骨骼穿戴者的三维表面扫描；且
所述至少一个计算机进一步经配置以：
针对所述多个姿势中的每一者产生所述外骨骼穿戴者的三维表面模型；
将所述三维表面模型汇编成所述外骨骼穿戴者的统一三维表面模型；且
依据所述统一三维表面模型产生所述三维外骨骼模型。
14.根据权利要求11所述的系统，其进一步包括：
表面下扫描仪，其经配置以执行所述外骨骼穿戴者的表面下扫描以产生表面下扫描数据，其中所述至少一个计算机进一步经配置以：
依据所述表面下扫描数据产生所述外骨骼穿戴者的表面下模型；
将所述三维表面模型及所述表面下模型汇编成统一模型；及
依据所述统一模型产生所述三维外骨骼模型。
15.根据权利要求11所述的系统，其中所述至少一个计算机进一步经配置以：
依据所述三维表面模型及所述三维外骨骼模型产生统一模型；及
使用所述统一模型产生至少一个经修改外骨骼轨迹。
16.根据权利要求15所述的系统，其中：
所述量身定做的外骨骼包含外骨骼控制系统；且
所述至少一个计算机进一步经配置以将所述至少一个经修改外骨骼轨迹上传到所述外骨骼控制系统。
17.一种外骨骼，其经配置以耦合到人，所述外骨骼包括：
下部腿支架，其经配置以耦合到所述人的下部腿；
上部腿支架，其经配置以耦合到所述人的上部腿；
膝关节，其连接到所述下部腿支架及所述上部腿支架，所述膝关节经配置以允许所述下部腿支架与所述上部腿支架之间的相对移动；
上部腿支撑件，其连接到所述上部腿支架；
髋支撑件；及
髋关节，其连接到所述上部腿支撑件及所述髋支撑件，所述髋关节经配置以允许上部腿支撑件与所述髋支撑件之间的相对移动，
其中所述下部腿支架、所述上部腿支架、所述上部腿支撑件及所述髋支撑件中的至少一者为依据三维外骨骼模型产生的量身定做的外骨骼组件，所述三维外骨骼模型已依据所述人的三维表面模型而产生。
18.根据权利要求17所述的外骨骼，其中所述量身定做的外骨骼组件经配置以耦合到非量身定做的外骨骼组件。
19.根据权利要求17所述的外骨骼，其中所述下部腿支架、所述上部腿支架、所述上部腿支撑件及所述髋支撑件中的至少两者为依据三维外骨骼模型产生的量身定做的外骨骼组件。
20.根据权利要求19所述的外骨骼，其中所述量身定做的外骨骼组件中的至少一者经配置以耦合到非量身定做的外骨骼组件。
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