CN108472145B - 用于引导和检测3-dof旋转目标关节的运动的系统和设备 - Google Patents

用于引导和检测3-dof旋转目标关节的运动的系统和设备 Download PDF

Info

Publication number
CN108472145B
CN108472145B CN201780007057.6A CN201780007057A CN108472145B CN 108472145 B CN108472145 B CN 108472145B CN 201780007057 A CN201780007057 A CN 201780007057A CN 108472145 B CN108472145 B CN 108472145B
Authority
CN
China
Prior art keywords
motion
joint
target
guiding
detecting
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201780007057.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108472145A (zh
Inventor
思雅马克·阿藏普尔
苏海尔·萨迪基
肖恩·布儒瓦
荣格·伍克·帕克
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Human In Motion Robotics Inc
Original Assignee
Human In Motion Robotics Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Human In Motion Robotics Inc filed Critical Human In Motion Robotics Inc
Publication of CN108472145A publication Critical patent/CN108472145A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108472145B publication Critical patent/CN108472145B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
    • A61F2/68—Operating or control means
    • A61F2/70—Operating or control means electrical
    • A61F2/72—Bioelectric control, e.g. myoelectric
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb
    • A61B5/1107—Measuring contraction of parts of the body, e.g. organ, muscle
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb
    • A61B5/1121—Determining geometric values, e.g. centre of rotation or angular range of movement
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • A61B5/316—Modalities, i.e. specific diagnostic methods
    • A61B5/389—Electromyography [EMG]
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/45—For evaluating or diagnosing the musculoskeletal system or teeth
    • A61B5/4528—Joints
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/45—For evaluating or diagnosing the musculoskeletal system or teeth
    • A61B5/4538—Evaluating a particular part of the muscoloskeletal system or a particular medical condition
    • A61B5/4571—Evaluating the hip
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/45—For evaluating or diagnosing the musculoskeletal system or teeth
    • A61B5/4538—Evaluating a particular part of the muscoloskeletal system or a particular medical condition
    • A61B5/4585—Evaluating the knee
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
    • A61F2/68—Operating or control means
    • A61F2/70—Operating or control means electrical
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F5/00—Orthopaedic methods or devices for non-surgical treatment of bones or joints; Nursing devices; Anti-rape devices
    • A61F5/01—Orthopaedic devices, e.g. splints, casts or braces
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H1/00—Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus ; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
    • A61H1/02—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
    • A61H1/0237—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising for the lower limbs
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H1/00—Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus ; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
    • A61H1/02—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
    • A61H1/0237—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising for the lower limbs
    • A61H1/024—Knee
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H1/00—Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus ; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
    • A61H1/02—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
    • A61H1/0237—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising for the lower limbs
    • A61H1/0244—Hip
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H1/00—Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus ; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
    • A61H1/02—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
    • A61H1/0237—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising for the lower limbs
    • A61H1/0255—Both knee and hip of a patient, e.g. in supine or sitting position, the feet being moved in a plane substantially parallel to the body-symmetrical-plane
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H1/00—Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus ; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
    • A61H1/02—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
    • A61H1/0237—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising for the lower limbs
    • A61H1/0255—Both knee and hip of a patient, e.g. in supine or sitting position, the feet being moved in a plane substantially parallel to the body-symmetrical-plane
    • A61H1/0262—Walking movement; Appliances for aiding disabled persons to walk
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H1/00—Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus ; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
    • A61H1/02—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
    • A61H1/0237—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising for the lower limbs
    • A61H1/0266—Foot
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H1/00—Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus ; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
    • A61H1/02—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
    • A61H1/0274—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising for the upper limbs
    • A61H1/0277—Elbow
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H1/00—Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus ; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
    • A61H1/02—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
    • A61H1/0274—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising for the upper limbs
    • A61H1/0281—Shoulder
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H1/00—Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus ; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
    • A61H1/02—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
    • A61H1/0274—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising for the upper limbs
    • A61H1/0285—Hand
    • A61H1/0288—Fingers
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H3/00—Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B2505/00—Evaluating, monitoring or diagnosing in the context of a particular type of medical care
    • A61B2505/05—Surgical care
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B2505/00—Evaluating, monitoring or diagnosing in the context of a particular type of medical care
    • A61B2505/09—Rehabilitation or training
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/45—For evaluating or diagnosing the musculoskeletal system or teeth
    • A61B5/4519—Muscles
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/68—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient
    • A61B5/6801—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be attached to or worn on the body surface
    • A61B5/6813—Specially adapted to be attached to a specific body part
    • A61B5/6828—Leg
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/68—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient
    • A61B5/6887—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient mounted on external non-worn devices, e.g. non-medical devices
    • A61B5/6891—Furniture
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H3/00—Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about
    • A61H2003/007—Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about secured to the patient, e.g. with belts
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/01—Constructive details
    • A61H2201/0103—Constructive details inflatable
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/01—Constructive details
    • A61H2201/0173—Means for preventing injuries
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/12—Driving means
    • A61H2201/1207—Driving means with electric or magnetic drive
    • A61H2201/1215—Rotary drive
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/12—Driving means
    • A61H2201/1207—Driving means with electric or magnetic drive
    • A61H2201/123—Linear drive
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/14—Special force transmission means, i.e. between the driving means and the interface with the user
    • A61H2201/1481—Special movement conversion means
    • A61H2201/149—Special movement conversion means rotation-linear or vice versa
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/16—Physical interface with patient
    • A61H2201/1602—Physical interface with patient kind of interface, e.g. head rest, knee support or lumbar support
    • A61H2201/165—Wearable interfaces
    • A61H2201/1652—Harness
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/50—Control means thereof
    • A61H2201/5007—Control means thereof computer controlled
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/50—Control means thereof
    • A61H2201/5023—Interfaces to the user
    • A61H2201/5043—Displays
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/50—Control means thereof
    • A61H2201/5058—Sensors or detectors
    • A61H2201/5064—Position sensors
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/50—Control means thereof
    • A61H2201/5058—Sensors or detectors
    • A61H2201/5071—Pressure sensors
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
    • A61H2201/50—Control means thereof
    • A61H2201/5058—Sensors or detectors
    • A61H2201/5092—Optical sensor
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2230/00—Measuring physical parameters of the user
    • A61H2230/08—Other bio-electrical signals
    • A61H2230/10—Electroencephalographic signals
    • A61H2230/105—Electroencephalographic signals used as a control parameter for the apparatus
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2230/00—Measuring physical parameters of the user
    • A61H2230/60—Muscle strain, i.e. measured on the user, e.g. Electromyography [EMG]
    • A61H2230/605—Muscle strain, i.e. measured on the user, e.g. Electromyography [EMG] used as a control parameter for the apparatus
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2230/00—Measuring physical parameters of the user
    • A61H2230/62—Posture
    • A61H2230/625—Posture used as a control parameter for the apparatus

Abstract

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。

Description

用于引导和检测3-DOF旋转目标关节的运动的系统和设备
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。
在另一方面，目标关节是球窝关节并且运动引导设备是相机定位设备或推进器(propeller)定向控制设备。
在另一方面，目标关节是3-DOF关节并且运动引导和检测设备是远程运动生成和引导设备。
在一方面，提供运动辅助系统。该系统包括：第一运动引导和检测设备，用于引导第一目标的运动；至少一个附加的运动引导和检测设备，用于引导另一目标的运动；控制器，与第一运动引导和检测设备以及至少一个附加的运动引导和检测设备通信，以协调多个目标的运动；以及将运动辅助系统安装和固定到用户的装置，使得运动辅助系统支撑用户的重量。
在一方面，提供运动捕捉和力反馈系统。该系统包括：第一运动引导和检测设备，用于检测和引导第一目标关节的运动；至少一个附加的运动引导设备，用于检测和引导另一目标关节的运动；多个传感器，连接到第一运动引导和检测设备以及至少一个附加的运动引导和检测设备，其中多个传感器被配置为检测第一运动引导和检测设备的运动以及至少一个附加的运动引导和检测设备的运动。该系统还包括与多个传感器通信的控制器，以接收来自多个传感器的检测信号并计算每个目标关节的位置和定向。
在另一方面，对运动捕捉和力反馈系统的控制器进行预先编程，以控制运动引导和检测设备中的每个，以抵抗运动引导和检测设备在某些方向/定向上的运动，或在某些方向/定向上对目标关节施加力。
除了以上描述的方面和实施方式之外，通过参考附图和研究以下的详细描述，其他的方面和实施方式将变得显而易见。
附图说明
在全部附图中，可能重复使用附图标记来指示所提及的元件之间的对应关系。提供这些附图以说明本文描述的示例实施方式并且不旨在限制本公开的范围。附图中元件的大小和相对位置不一定按比例绘制。例如，各种元件的形状和角度未按比例绘制，并且这些元件中的一部分被任意放大和定位以提高附图的易读性。
图1是用于引导目标运动的设备的实例的流程图，示出了其子系统及他们的相互作用。
图2是用于引导用作髋关节外骨骼模块的被动3-DOF关节系统的运动的设备的实例的侧视图，示出了其部件和子部件连接。
图3是用作外骨骼系统的运动辅助系统的实例的前视图，示出了用于引导安装在人类用户每侧的被动3-DOF关节系统的运动的两个设备。
图4是在图3中示出的运动辅助系统的后视图。
图5是用作安装到人类用户的外骨骼系统的运动辅助系统的实例的侧视图。
图6是用于引导目标运动的设备的实例的机械示意图，示出了具有关节运动能力的关节和连杆部件，其中标记“R”表示旋转关节，“P”表示棱柱关节，“S”表示球窝关节，下划线表示主动关节，无下划线表示被动关节，并且“*”表示用于引导的目标关节。
图7是用于引导用作髋关节外骨骼模块的被动3-DOF关节系统的运动的设备的另一实施方式的侧视图，示出了其部件和子系统连接。
图8是包括图7的两个运动引导设备的运动辅助系统的实例的前视图。
图9是安装到人类用户的图8的运动辅助系统的后视图。
图10是安装到人类用户的运动辅助系统的实例的侧视图。
图11是用于引导目标运动的设备的实例的机械示意图，示出了具有关节运动能力的关节和连杆部件，其中标记“R”表示旋转关节，“P”表示棱柱关节，“S”表示球窝关节，下划线表示主动关节，无下划线表示被动关节，并且“*”表示用于引导的目标关节。
图12是用于引导目标运动的设备的实例的机械示意图，示出了具有关节运动能力的关节和连杆部件，其中标记“R”表示旋转关节，“P”表示棱柱关节，“S”表示球窝关节，下划线表示主动关节，无下划线表示被动关节，并且“*”表示用于引导的目标关节。
图13是连接3-DOF运动生成单元和目标关节的运动传递和目标接合单元的实例的机械示意图，其中两个相邻的旋转关节具有平行轴线，并形成具有相邻连杆的四杆机构。如所标记的，“R”表示旋转关节，“P”表示棱柱关节，“S”表示球窝关节或各关节共同作用以允许球面运动的系统。
图14是运动传递和目标接合单元的实例的机械示意图，其中两个相邻的旋转关节被组合以形成2-DOF万向关节，并且两个相邻的旋转关节的轴线是垂直的。如所标记的，“R”表示旋转关节，“P”表示棱柱关节，并且“S”表示球窝关节或各关节共同作用以允许球面运动的系统。
图15是图13的运动传递和目标接合单元的机械示意图，其中与图13中的运动传递和目标接合单元相比，旋转关节和棱柱关节的放置位置被交换。
图16是图14的运动传递和目标接合单元的机械示意图，其中与图14中的运动传递和目标接合单元相比，旋转关节和棱柱关节的放置位置被交换。
图17是图15的运动传递和目标接合单元的机械示意图，其中旋转关节和棱柱关节被组合为圆柱关节。
图18是图16的运动传递和目标接合单元的机械示意图，其中旋转关节和棱柱关节被组合为圆柱关节。
图19是用于引导被动3-DOF关节系统的运动的设备的实例的机械示意图，其中一个旋转致动器的放置位置被移动到基座结构与其他两个旋转致动器之间。
图20是运动辅助系统的实例的立体图，示出了用于引导髋部外骨骼目标关节的运动的两个设备，其中运动生成器的旋转致动器同轴对齐。
图21是运动辅助系统的实例的侧视图，示出了三个外骨骼模块(运动引导设备)，其沿着用户的腿串联连接，以产生完整的下肢外骨骼系统。
图22是运动辅助系统的另一实例的侧视图，示出了三个外骨骼模块，其沿着用户的腿串联连接，以产生完整的下肢外骨骼。
图23是运动辅助系统的实施方式的立体图，其被安装到用户并且用作个人使用的移动辅助件，具有几个彼此同步工作的外骨骼模块和外围部件。
图24是用于定位另一结构诸如大腿，并将大腿保持在锁定位置的运动引导设备的实例的立体图。
图25是安装到用户并用作康复工具的运动辅助系统的实例的立体图。
图26是安装到用户并且用作全身运动捕捉设备的运动辅助系统的实例的机械示意图。
具体实施方式
本发明为球窝关节或类似球窝关节的所有三个转动自由度提供分离的定位或组合的定位，而不对来自这种关节的目标突出部施加显著的拉力或压缩力。一个应用可以是髋部外骨骼或任何其他人类关节外骨骼，其用于定位的目标的关节是人类关节。另一个可能的应用是可以作为基于球窝的相机定位系统的一部分。
图1显示了用于引导三自由度(DOF)关节系统运动的设备1000，其包括3-DOF运动生成器16、运动传递和目标接合单元(motion transfer and target interfacing unit)27以及目标关节53。运动传递和目标接合单元27被配置为向目标关节53提供分离的或组合的3-DOF旋转运动或使目标关节53静止。目标53可以是包含3-DOF旋转关节(例如被动球窝关节)，或类似3-DOF旋转关节(例如行动不便的人的髋关节)，或任何其他主动目标关节(例如能够由人完全或部分移动的髋关节)的任何结构。主动目标关节被定义为具有在没有外部运动辅助设备辅助下自身执行3-DOF旋转移动的能力的任何目标关节。例如，人的髋关节是主动关节，因为其自身可移动，但是，在一个人不能产生运动(例如他们是瘫痪的)并且髋关节(或任何其他人类关节)仅在使用运动辅助设备下移动的情况下，则这种人类关节可以被认为是被动目标关节。因此，一般来说，任何能够产生自身移动的关节都被认为是主动的，而仅在使用一些结构(致动器)下移动的关节则被认为是被动关节。在实践中，可能存在这样的情况：关节能够移动(主动)，但利用额外的辅助，其可以更快、更长、更好地移动等等。
运动生成器16经由运动传递和目标接合单元27向目标关节53传达机械动作，该运动传递和目标接合单元在某种程度上物理支撑目标53，并将来自运动生成器16的动作转换为目标53的期望的移动。设备1000还包括控制单元28以及运动检测和反馈单元35。控制单元28可以包括一个或多个输入/输出单元和处理单元。输入单元可以包括例如操纵杆/键盘、触摸屏、语音识别单元或任何其他用户界面以输入任何命令/指令/参数，而输出单元可以包括致动器驱动器单元以向例如运动生成器16发送触发信号。控制器28还可以包括一个或多个微控制器、电源供应单元、用于信号调节或信号滤波(例如滤波或校准作为输入获得的信号)的预定义信号处理单元等。例如，在一个实施方案中，控制单元28可以接收来自肌电图仪(EMG)和/或脑电图仪(EEG)的信号作为输入。EMG是用来检测肌肉的电活动的设备，而EEG用来检测大脑的电活动。从EMG和/或EEG获得的信号通过控制器28的处理单元处理，以确定目标关节53的期望的运动，然后将触发信号发送到运动生成器16以生成这种运动。例如，EMG和EEG可以是运动检测和反馈单元35的一部分。运动检测和反馈单元35还可以包括惯性测量单元、旋转编码器传感器、线性编码器传感器、旋转电位计传感器、线性电位计传感器、解析器、线性可变差动变压器中的至少一个，以检测目标53的位置和定向(orientation，取向/方向)和/或运动生成器16的每个致动器5-7(见图2)的位置和定向，并将这种信号作为输入馈送到控制器28。
图2显示了用作髋关节外骨骼模块的本发明的用于引导和检测三自由度(DOF)关节系统运动的设备1000。人体工程学的长度可调的带状件1和躯干矫正器2可用于将设备1000附接到人体，例如与髋关节相邻，使得设备1000使用时容易安装或在不使用时容易脱去。这仅仅是为了说明的目的并且本领域的技术人员将会理解，设备1000可用于引导和检测任何其他人类目标关节(即膝盖、踝部、肩部、腕部、肘部、手指等)或任何其他目标关节(即球窝球状关节)的运动，而不脱离本发明的范围。
附接到躯干矫正器2的是3-DOF旋转运动生成器16，其可以包括致动器基座结构4，该基座结构可以刚性地支撑三个旋转致动器5-7。致动器5-7可以与对应的齿轮头(gearhead)8-10接合。齿轮头8-10是可选的，并且在一些实施方案中，他们可以被省略。齿轮头8-10或旋转致动器5-7(如果没有前者)各自连接到远端连杆11。进而，各个远端连杆11经由被动1-DOF旋转关节13连接到近端连杆12。各个近端连杆12继而经由另一被动1-DOF旋转关节15连接到移动部件，例如移动板14。
移动板14附接到连杆17，该连杆通过被动1-DOF旋转关节19连接到另一连杆18。进而，上述的连杆18经由另一被动1-DOF旋转关节21连接到又一连杆20。该最终连杆20附接到线性运动关节的滑动部件22(见图3)。线性运动关节可以是例如被动1-DOF棱柱关节、2-DOF圆柱关节或线性马达，其中滑动部件22被配置为沿着对应的轨道部件23上下滑动。轨道部件23连接到人体工程学的大腿矫正结构24，其与带状件25附接，这有助于与用户的大腿26接合(见图3)。关于设备1000的这个实施方式，部件1、2、17-25是运动传递和目标接合单元27的一部分，而部件4-15是运动生成器16的一部分。本领域技术人员将理解的是，运动生成器16和/或运动传递和目标接合单元27的被动旋转或棱柱关节中的任一个可由主动旋转/线性关节例如旋转/线性致动器代替，而不脱离本发明的范围。
通常，为了支持目标关节53所需要的3-DOF运动，运动生成器16以及运动传递和目标接合单元27可以共同地包含至少三个致动器。例如，在2-DOF灵活眼型(agile eye type)关节中，运动生成器16可以包括两个致动器，而运动传递和目标接合单元27可以包括一个致动器。根据不需要致动的目标53的DOF的数量，致动器的数量可以减少或由被动旋转或棱柱关节代替。运动生成器16和/或运动传递和目标接合单元27的任一个和所有致动器都可以选自电动马达、气动马达、液压马达或任何其他马达或其组合。在一个实施方案中，致动器可以远离运动引导和检测设备(例如，在用户携带的背包中)，并且可以通过线控来致动运动生成器。运动传递和目标接合单元27的目的是将运动生成器16与目标关节53之间的运动连接和传递，或者有助于运动引导设备的致动，如果在运动传递单元27中包括致动器的话。
控制器28与运动生成器16通信，并且可以触发这种运动生成器16以实现目标关节53的期望动作或不活动。控制器28可以包括经由适当的驱动子系统而触发致动器5-7的软件执行命令。另外，控制器28可以被编程以接收来自肌电图仪、脑电图仪的控制信号，或者可以经由操纵杆、键盘或其他输入单元直接输入指令，或者控制器的软件可以基于其中预先编程的预定义例程执行。此外，控制器28可以从运动检测和反馈单元35接收输入信息，该运动检测和反馈单元接合并监测目标53和致动器5-7。运动检测和反馈单元35可以使用一个或多个惯性测量单元、旋转编码器传感器、线性编码器传感器、旋转电位计传感器、线性电位计传感器、解析器、线性可变差动变压器、脚力传感器等或上述的组合来获取关于目标关节状态的信息。在一个实施方案中，运动检测和反馈单元35的传感器可以与致动器5-7的位置和/或定向进行接合和监视致动器5-7的位置和/或定向。在一个实施方案中，运动检测和反馈单元35的传感器可以检测目标关节53的位置和/或定向，在诸如识别用户意图和/或电子存储传感器读数用于以后传递到计算机(控制器)以收集错误信息和/或运动捕捉数据的应用中。
如图2所示，旋转致动器5-7分别经由连接29-31从控制器28接收控制信号。此外，传感器32-34分别附接到旋转致动器5-7，以经由连接36-38向运动检测和反馈单元35提供信息。另外，传感器封装件39经由连接40向运动检测和反馈单元35提供数据。运动检测和反馈单元35经由连接41向控制器28提供信息。在适用时，控制器28经由连接42接收和/或发送数据到另一设备1000的类似的控制器，用于协调移动(例如两个外骨骼单元能够协调步态移动)。所有上述连接29-31、36-38以及40-42可以是有线的或无线的。
图3和图4示出安装到用户3的运动辅助系统4000。运动辅助系统4000可以包括安装在用户3的每侧上的运动引导和检测设备1000、1000a中的两个(例如，每个用户3的髋部一个)。设备1000中的一个的控制器28与另一设备1000a的控制器通信以同步和协调他们的移动。两个控制器可以基于从对应的运动检测和反馈单元的相应的传感器所获得的信息而识别用户的意图，且然后可以将适当的触发信号发送给相应的运动生成单元的致动器的驱动器以生成特定的运动。在一个实施方案中，第一运动引导和检测设备1000的控制器28可以与第二设备1000a的运动检测和反馈单元以及运动生成器进行通信，使得单个控制器28可以控制运动引导和检测设备1000、1000a二者的移动。
图5显示了运动辅助外骨骼系统4000，用作在行走操作期间帮助用户的辅助设备。如图5所描绘，旋转致动器5-7的相应的协调动作43-45生成移动板14的3-DOF的围绕其旋转点中心的旋转运动46，该旋转点中心与髋关节的旋转中心不一致。连杆17也经历了围绕该点的3-DOF旋转运动，因为其附接到移动板14。连杆17的运动产生被动旋转关节19和21的同步响应47和48，以及由滑动部件22与轨道部件23之间的相互作用引起的被动棱柱关节的响应49。图6更清楚地显示了致动器5-7的动作与相应的连杆和被动关节的对应的运动和动作之间的相关性。当外骨骼系统经由运动传递和目标接合单元27而与人体合适地接合时，以上运动43-49的组合引起通过目标关节诸如用户的髋关节50的运动响应(即大腿相对于骨盆51的运动)，在其3-DOF旋转能力52的一个或任何组合中。连杆17、18和20的系统，以及被动旋转和棱柱关节19、21和滑动部件22，如上文所述互相连接，提供具有与髋关节的旋转中心一致的旋转中心的3-DOF运动，尽管运动生成单元16的移动板14的旋转中心与髋部目标关节50的旋转中心不重叠。因此，运动生成单元16可以远离髋部安装，并且运动传递和目标接合单元27将允许髋部目标关节50围绕这种目标50的旋转中心(或空间中的任意点)的3-DOF运动。运动43-49和用户的髋关节响应都是通过被动(或在一些实施方案中主动)旋转和/或棱柱关节的共同DOF促进的。
图3-5中的目标关节53对应于用户大腿26与骨盆51之间的髋关节50。如本文以上所述，只要用户没有在髋关节上提供足够的力来引起围绕它的运动或在受到外部力矩时将其保持在适当的位置，目标53就被认为是被动的。例如，如果旋转致动器5-7各自保持他们的角度位置恒定，则系统的其余部分和用户的髋关节也将停止运动并保留瞬间的位置状态(即，除了任何微小的瞬态响应之外)。此外，对于来自目标关节53的任何接合的突出部，运动传递和目标接合单元27防止或最小化沿着突出部的轴线通过目标关节53的力，从而减少对目标关节53损伤的风险。
图7描绘了用于引导和检测本发明的3-DOF关节系统的运动的设备2000的另一实施方式。设备2000还可用作髋部外骨骼关节。人体工程学的长度可调的带状件54和躯干矫正器55可以附接到高于髋关节的人体(即，在用户的躯干3处)，为设备的使用做准备或在不使用时容易脱去。附接到躯干矫正器55的是基座结构56，其刚性地支撑两个被动球状关节57-58和一个被动万向关节59。球状关节57-58可选择地由三个被动1-DOF旋转关节组成，而万向关节59可选择地由两个被动1-DOF旋转关节组成。两个球状关节57-58将基座结构56连接到分离的线性致动器60-61，而万向关节59将基座结构56连接到旋转致动器62。这些致动器可以或者可以不与对应的齿轮头74-76接合。线性致动器60-61的致动主体连接到对应的万向关节63-64，其中的每个可选择地实现为两个被动1-DOF旋转关节。进而，两个万向关节63-64均附接到单个轨道部件65。另外，齿轮头或旋转致动器62，如果没有前者，则在不同的点处连接到相同的轨道部件65，使得旋转致动器的旋转轴线与轨道部件65的纵向轴线平行。关于该特定实施方式，部件56-64包括3-DOF旋转运动生成单元16。
滑动部件66与轨道部件65相互作用以形成线性运动(即，棱柱或圆柱)关节。继而，滑动部件66连接到被动1-DOF旋转关节67，该旋转关节连接到另一非平行并且被动1-DOF旋转关节68。进而，1-DOF旋转关节68附接到具有带状件70的人体工程学的大腿矫正器结构69，该带状件促进与用户的大腿26接合。对于本实施方式，部件54、55和65-70是运动传递和目标接合单元27的一部分。运动生成器16和/或运动传递和目标接合单元27的被动旋转或线性关节可由主动旋转/线性关节诸如例如旋转/线性致动器代替，而不脱离本发明的范围。
如图7所示，线性致动器60-61和旋转致动器62分别经由连接71-73接收来自控制器28的信号。此外，传感器74-76分别附接到致动器60-62，并且经由连接77-79向运动检测和反馈单元35提供信息。另外，传感器封装件80经由连接81向运动检测和反馈单元35提供数据。运动检测和反馈单元35经由连接82向控制器28提供信息。在可应用时，控制器28经由连接83接收和/或发送数据到另一设备2000的控制器用于协调移动(例如两个设备能够协调步态移动)。以上所有连接71-73、77-79和81-83可以是有线的或无线的。
图8、9和10示出了运动辅助系统5000，其包括安装在用户3的每侧上的两个运动引导和检测设备2000。图8-10仅示出一个运动引导和检测设备2000，但本领域技术人员将理解的是，运动辅助系统5000可包括安装在用户3的每侧(每侧一个设备)的两个这种设备2000。在一些实施方案中(见图21-23)，运动辅助系统可以包括串联连接并安装在用户的一侧的两个或更多个引导和检测设备，以引导不同目标关节例如，髋关节、膝关节和踝关节或任何其他人类目标关节(即，肩关节、腕关节、肘关节、关节等)的运动。如图10所描绘，致动器60-62的协调动作84-86生成轨道部件65围绕与万向关节59的旋转中心一致的旋转点中心的3-DOF旋转运动87。轨道65的运动产生被动旋转关节67和68的同步响应88和89，以及由滑动部件66和轨道部件65之间的相互作用而引起的被动棱柱关节的响应90。当外骨骼设备经由运动传递和目标接合单元27与人体合适地接合时，以上运动84-90的组合引起通过用户的髋关节50的运动响应(即大腿26相对于骨盆51的运动)，在其3-DOF旋转能力52的一个或任何组合中。运动84-90和用户的髋关节响应全部是通过该实施方式的被动关节的共同DOF促进的。在另一方面，如果致动器60-62都各自保持他们的角度位置恒定，则系统的其余部分和用户的髋关节也将停止运动并将保留瞬间的位置状态(即，除了任何微小的瞬态响应之外)。只要用户没有在髋关节上提供足够的用力以在受到外部力矩时引起围绕其的运动或将其保持在适当的位置，目标53就被认为是被动的。图11更清楚地显示了致动器的动作与对应的运动和动作84-90之间的相关性。
在图12中所描绘的用于引导3-DOF关节系统的运动的设备3000的另一实施方式中，旋转致动器和可能的齿轮头91经由连杆93在一端附接到被动旋转关节92而在另一端附接到基座结构94。旋转关节92进而连接到移动板95。另外，第二旋转致动器和可能的齿轮头96在一端附接到基座结构94，并且附接到经由连杆100和102串联连接的两个被动1-DOF旋转关节98-99；旋转关节92、98和99的旋转轴线在单个点处相互垂直和相交。另一连杆103将旋转关节99连接到移动板95。移动板95进而附接到旋转致动器104。对于该特定实施方式，部件91-104包括运动生成器16。
接下来，轨道部件105附接到旋转致动器104，并且滑动部件106与轨道部件105接合以形成线性运动关节，诸如例如棱柱关节。继而，经由连续的连杆109、110，滑动部件106连接到被动1-DOF旋转关节107，该旋转关节107连接到另一非平行并且被动1-DOF旋转关节108。进而，1-DOF旋转关节108附接到被动目标系统53的真正的或类似的3-DOF旋转关节的一端。关于本实施方式，部件105-110和任何其他所需要的特定应用部件包括运动传递和目标接合单元27。与之前的实施方式类似，该实施方式还涉及从致动器91、96、104到控制器28的连接，以及从相关传感器到运动检测和反馈单元35的连接。
在另一实施方案中，运动生成器16以及运动传递和目标接合单元27的被动关节可以由主动关节代替。例如，由轨道部件105和滑动部件106组成的被动棱柱关节可以由主动线性致动器代替。例如，运动引导和检测设备可以具有与图12的设备3000相同的部件，除了旋转致动器104可由被动旋转关节代替以及被动棱柱关节可由主动线性致动器代替。在这样的实施方案中，运动生成器16可以具有两个旋转致动器91和96，并且运动传递和目标接合单元27可以包括一个线性致动器，使得用于引导和检测运动的设备仍可以具有至少三个致动器，用于提供目标的3-DOF旋转运动。
在所有显示的用于引导和检测目标关节(1000、2000、3000)或运动辅助系统的运动的设备的实例中，致动器和/或他们的驱动器都机械地连接到这种设备/系统中，但是人们可以理解，这种致动器和/或驱动器可以远离这种设备/系统(例如，可以放置在用户携带的背包中)并且致动器的运动可以通过线控机构、挠性轴(flexible shaft)、齿轮系统等或无线而传递到需要的地方。致动器可以选自电动马达、气动马达、液压马达或任何其他马达或其组合。
图13描绘了运动传递和目标接合单元27的一个实施方式的机械结构。如本文以上已提到的，运动传递和目标接合单元27用于将由运动生成器16生成的3-DOF运动传递到目标关节53。在图13所示的实施方式中，3-DOF运动从一个球状关节或关节系统111传递到另一个球状关节或关节系统112。在这种情况下，关节或关节系统111代表3-DOF运动生成器16，而关节或关节系统112代表目标53。本领域技术人员要理解的是，运动传递和目标接合单元27可以将运动从关节或关节系统112(其在该情况下可以是运动生成器16)传递到关节或关节系统111(其可以是目标53)而不脱离本发明的范围。运动传递单元27可以包括将运动生成器(关节或关节系统111)连接到旋转关节114的连杆113。另一连杆115将旋转关节114连接到另一旋转关节116，该旋转关节经由连杆118连接到棱柱关节117。另一连杆119将棱柱关节117连接到目标(球状关节或关节系统112)。在图13中，这些连杆并不意味着描绘了关节轴线之间的任何特定的几何关系(即，垂直、平行等)，除了旋转关节114和旋转关节116具有平行的轴线并且因此形成具有全部相邻连杆的四杆机构。在关节或关节系统111是目标53的情况下，连杆113可以由彼此连附的几个连杆结构组成。如果关节或关节系统112是目标53，则连杆119可以由彼此连附的几个连杆结构组成。
图14描绘了图13的运动传递和目标接合单元27，其中相邻的旋转关节114和116不具有平行轴线。例如，旋转关节114和116可以具有垂直轴线，并且两个相邻的旋转关节可以或者可以不组合以形成2-DOF的万向关节。在所示的实例中，连杆115可以具有零(或接近零)的长度，并且旋转关节114和116可以具有垂直轴线。通过该方法将关节组合，可以实现运动传递和目标接合单元27的更加紧凑的机械结构。图15中所示的运动传递和目标接合单元27已经交换了旋转关节116和棱柱关节117的位置，以便还形成更紧凑的机械结构以用于一些应用。与关于图13所示的运动传递和目标接合单元27相同，图15中所示的连杆并不意味着描绘了关节轴线之间的任何特定的几何关系(即，垂直、平行等)。图16描绘了图14的运动传递和目标接合单元27，其中旋转关节116和棱柱关节117的放置被交换。
图17和18分别描绘了图15和16的运动传递和目标接合单元27，其中相应的连杆115、118的长度为零。关于图18的运动传递和目标接合单元27，旋转关节114和棱柱关节117的轴线是平行的，并且旋转关节114和棱柱关节117组合为圆柱关节120以提高机械结构的紧凑性和简单性。类似地，关于图18的运动传递和目标接合单元27，旋转关节116和棱柱关节117的轴线是平行的，并且旋转关节116和棱柱关节117组合为圆柱关节121以提高机械结构的紧凑性和简单性。
图19描绘了用于引导图12的被动3-DOF关节系统的运动的设备3000的实例，但是旋转致动器104的放置位置被移动到基座结构94与旋转致动器91和96之间。伴随该调整的是引入了连杆122，该连杆将旋转致动器104的输出轴连接到旋转致动器91和96二者。
在一个实施方案中，本文公开的设备1000、2000或3000中的任何一个都可以用作可用于移动用户的关节和身体部分的运动辅助系统诸如外骨骼的部件。运动辅助系统可以包括彼此通信的设备1000、2000、3000中的至少两个，以产生两个或更多个不同关节和身体部分(目标)的协调移动。例如，单个控制器可用于控制两个或更多个互相连接的运动引导和检测设备1000、2000、3000的移动以形成运动辅助系统。控制器可以基于从运动检测和反馈单元的传感器获得的信息来识别用户的意图，且然后可以将适当的控制信号发送给运动生成单元以及运动传递和目标接合单元的致动器的驱动器(在运动传递单元包括致动器的情况下)，以生成特定的运动。控制器的输入可以来自用户的神经系统(经由脑电图仪)、语音识别单元、脚部接触力、例如可以检测预定头部运动或眼睛跟踪的跟踪系统等。该控制器还可以使用传感器(例如IMU传感器)输入数据以检测用户的平衡，并通过向致动器提供合适的触发命令来维持它。在一个实施方式中，运动辅助设备(即，外骨骼)可配备气囊或主动缓冲系统，其可根据跌倒检测来展开。气囊可以使用常规的化学反应来充气，或者可以使用其他可逆的方法诸如压缩空气、高速风扇或可压缩的软材料诸如聚氨酯泡沫。致动机构诸如致动器的驱动器可以是电动的、气动的、液压的等。在电动驱动器(例如电动马达)的情况下，运动辅助系统(外骨骼)可以是电池供电的，并且可以配备电池和电源管理电路板。运动辅助系统可以被配置为在紧急情况下将用户移动到安全的体位，诸如坐或躺。例如，图20描绘了运动辅助系统6000，其示出了用于引导髋部外骨骼关节(两个髋部外骨骼模块1000、1000a)的运动的两个设备1000、1000a，其中运动生成器16的旋转致动器同轴对齐。
图21示出了另一运动辅助系统，其示出了三个外骨骼模块(运动引导和检测设备)，其沿着用户的腿串联连接，以产生完整的下肢外骨骼系统7000。例如，外骨骼模块中的一个可以是运动引导和检测设备3000(图12中所示)，其可以绕生物髋关节附接到用户3的骨盆和大腿处。附接在用户的膝关节123上的膝盖外骨骼模块1500一般由如本文之前解释的3-DOF运动引导和检测设备组成，或者其可以包括旋转致动器124(或线性致动器)，该旋转致动器固定到大腿矫正器125，并在其输出轴处连接到轨道连杆126。滑动连杆127与轨道连杆126接合作为线性运动关节。滑动连杆127的下端附接到被动旋转关节128，该被动旋转关节继而连接到小腿矫正器129。第三外骨骼模块还可以是绕用户的踝关节引导其运动的运动引导设备3000。
类似于图21，图22描绘了具有三个外骨骼模块的运动辅助系统7000，这三个外骨骼模块沿着用户的腿串联连接以产生完整的下肢外骨骼。外骨骼模块中的两个可设计作为运动引导和检测设备1000，其可绕生物髋关节和生物踝关节附接到用户3。膝盖外骨骼模块可以等同于关于图21所描述的设备1500。
图23描绘了运动辅助系统8000的实例，其中几个外骨骼模块彼此和外围部件同步地工作，以包括个人使用的移动辅助件。例如，运动引导和检测设备1000可以安装到用户的身体3，并用于引导髋部和踝部目标关节的运动。膝盖外骨骼模块1500还可以绕膝关节安装到用户，并可用于引导生物膝目标关节的运动。系统8000还可以包括背包，其含有便携式电源和需要给移动援助系统8000供电的伴随电子器件130。在一个实施方案中，运动引导和检测设备的致动器的驱动器也可以放置在背包中。可穿戴电子设备131可以与运动引导设备1000、1500的控制器(一个或多个)28无线通信，以允许触摸屏输入和/或语音输入和人机接合。
在一个实施方式中，外骨骼的部件可以重新排列以将其转换为用于定位另一结构的运动引导系统。这种应用的一个实例可以是整形外科手术系统，以辅助外科医生以期望的定向放置肢体。运动引导和检测设备可以是单个设备1000、2000、3000或互相通信或互相连接在一起的这种设备1000、2000、3000中的两个或更多个的组合。运动引导和检测设备可以被固定到外部固定装置，使得致动器的移动平台(例如移动板14)可以连接到经由运动传递机构27定位的结构。然后该结构的期望位置可以通过经由其控制器而命令致动器系统来实现。图24描绘了运动引导设备1000，其中设备1000的基座连接到安装臂132，该安装臂继而附接到操作台133。安装臂132能够在空间上定位设备的基座，以及将基座夹紧到相对于操作台133的固定位置。然后，设备1000可用于抬起和放置患者的腿(或其他人体部分)并将这个腿保持在锁定位置，使得患者的髋部50被放置并定向在适当的位置用于外科手术。对于用户的输入接口可以用操纵杆、虚拟现实单元、键盘、语音识别单元或可以在选项模块中设置的预置定向参数来设置。在一个实施方案中，运动引导和检测设备的致动器也可以由可锁定的关节代替。在该布置中，外科医生/操作者可以移动腿/物体，直到达到期望的位置/定向，且然后通过锁定运动引导和检测设备的致动器/关节来锁定位置/定向。
在另一实施方案中，本发明的运动辅助系统可被采用作为机器人康复工具。例如，理疗医师可以使用带状件将患者固定到运动辅助外骨骼系统，以便支撑用户的体重，且然后可以对外骨骼进行编程以通过一些重复的锻炼来帮助患者肢体。图25描绘了用作康复系统的运动辅助系统9000的一个实例。系统9000包括两个运动引导和检测设备1000，其中他们的基座附接到跑步机设备134。设备1000的其他端附接到人类用户3的大腿。用户的体重由悬挂在附接到跑步机设备基座的起重装置136上的带状件135支撑。设备1000在跑步机设备134上的步态训练锻炼期间引导用户的髋关节运动。在一个实施方案中，只有一个运动引导设备1000、2000、3000可以替代下肢外骨骼使用，例如用于踝部康复目的。治疗师可以在现场或通过接收来自外骨骼控制器的处理数据来远程监控患者的进展。该数据可以通过直接登录到控制器来访问，或者该数据可以经由有线/无线数据传输来传输给治疗师。治疗师还可以基于患者的进展而远程修改锻炼设置。
在一个实施方案中，运动辅助系统(例如外骨骼)可用作运动捕捉设备。该系统可以包括用于检测和/或引导第一目标关节的运动的第一运动引导和检测设备以及用于检测和/或引导另一目标关节的运动的至少一个附加的运动引导设备。使用诸如例如带状件和矫正器的安装的装置将运动捕捉系统固定到用户。在这方面，运动生成器以及运动传递和目标接合单元(如果有的话)的致动器可以或者可以不存在。例如，致动器可以由传感器例如编码器、线性/旋转电位计等代替，并且在控制器中编程的逆运动学算法可以使用数据来计算人类目标关节的精确定向和身体部分的位置。例如，图26描绘了用作全身运动捕捉设备的运动辅助系统9500的实施方式。系统9500可以包括多个运动引导设备(例如设备3000)，该设备可以通过非侵入性装置附接到人体，绕颈部137、肩部138、肘部139、腕部140、下背部141、髋部142、膝盖143和踝部144。这种系统9500中的运动引导和检测设备可以不包括致动器，而是可以用被动等同物替换主动关节。因此，用户可以对任一或所有的关节目标产生动作，并且多个传感器可以通过测量运动捕捉系统9500的被动关节的运动(位置和定向)来检测这种运动(由用户生成)，并且控制器可以使用在控制器中编程的算法来计算目标关节运动。在系统9500的一些实施方式中，还可以省略控制器28，并且可以将运动数据临时存储在每个设备3000的运动检测和反馈单元35中，且然后传输到计算机(外部控制器)用于进一步处理。可替代地，在另一实施方式中，运动引导和检测设备3000的主动关节和控制器(一个或多个)28可以不省略，并且系统9500可以与外部虚拟现实(VR)或增强现实(AR)系统通信。附加控制器可以与第一运动引导和检测设备以及至少一个附加运动引导和检测设备通信，以协调多个目标的引导。运动检测和反馈单元(一个或多个)可以与外部虚拟现实或增强现实系统通信。在这种情况下，致动器不会形成任何阻力，直到用户在虚拟现实或增强现实环境中物理地接触到某物，在此时致动器进行对虚拟实体模拟触觉响应(例如力反馈)。例如，本实施方式可以应用于游戏行业，其中玩家可能需要具有与环境更好的相互作用。控制器可以预先编程以命令致动器抵抗在某些方向/定向上的运动，或在某些方向/定向上施加力。系统9500还可用于训练应用诸如运动，其中不准确/不正确的运动将被限制，而准确/正确的运动将通过外骨骼促进(或不干扰)。
在一个实施方案中，设备1000、2000、3000或运动辅助系统可用于运动增强。例如，用户可以受益于系统(例如外骨骼)提供的额外功率，用于更长距离通行和承载更重的负载。在这种实施方案中，整个外骨骼或其子部件(单独的运动引导和检测设备)可依据各个特定应用而被单独采用以用于运动增强。在该布置中，将使用诸如IMU、力传感器(例如测量足部压力)、EMG、ECG、编码器等传感器来识别用户意图。在此基础上，控制器将产生命令，用于致动器产生力矩，以辅助人类关节和肌肉生成运动。
在另一实施方式中，可以用可锁定的关节代替致动器。在该布置中，操作者可以手动地移动待放置的结构，直到达到期望的位置，同时运动引导设备被附接。致动器将不会形成任何对抗运动的阻力，直到达到期望位置。然后操作者可以锁定可锁定的关节以维持该位置。
在另一实施方式中，全身外骨骼或其子部件(例如髋部子部件)可用作防跌倒设备，其中控制器可以包括平衡检测算法，其可经由从传感器(诸如一个或多个编码器、IMU系统、脚力传感器等)接收到的信号来监视用户步态。然后控制器将命令外骨骼或其子部件迫使下身移动到提高用户的稳定性的位置。在其他正常的移动动作期间系统可以是主动的或被动的。
虽然已经示出和描述了本公开的特定元件、实施方式和应用，将理解的是，本公开的范围并不限于此，因为本领域的技术人员可以进行修改而不偏离本公开的范围，特别是根据上述教导。因此，例如，在本文公开的任何方法或过程中，构成该方法/过程的动作或操作可以在任何适当的序列中执行，并且不必要限于任何特定的公开顺序。在各种实施方式中，元件和部件可以不同地配置或布置、组合和/或消除。上述各种特征和过程可以互相独立地使用，或者可以以各种方式组合。所有可能的组合和子组合都旨在落入本公开的范围内。贯穿本公开的对“一些实施方式”、“实施方式”诸如此类的参考，意味着关于实施方式描述的特定的特征、结构、步骤、过程或特性包括在至少一个实施方式中。因此，贯穿本公开，短语“在一些实施方式中”，“在实施方式中”等的出现不一定都指的是相同的实施方式，而是可以指一个或多个相同或不同的实施方式。实际上，本文描述的新颖的方法和系统可以以各种其他形式体现；此外，可以在本文描述的实施方式的形式中进行各种省略、添加、替换、等同、重新布置和变化，而不脱离本文描述的本发明的精神。
在适当处已经描述了实施方式的各种方面和优点。应理解的是，根据任何特定的实施方式，可以不必实现所有这种方面或优点。因此，例如，应认识到，可以以实现或优化如本文所教导的一个优点或优点组而不必实现如本文可以教导或提出的其他方面或优点的方式来执行各种实施方式。
除非另有特定说明，或者在如所使用的上下文中以其他方式理解，否则在本文中使用的条件语言，尤其是诸如“可”、“能够”、“会”、“可以”、“例如”等，通常旨在表达某些实施方式包括而其他实施方式不包括的某些特征、元件和/或步骤。因此，这样的条件语言通常并不旨在暗示一个或多个实施方式以任何方式所要求的特征、元件和/或步骤，或者一个或多个实施方式必然包括用于在有或者没有操作员输入或提示的情况下决定的逻辑：是否这些特征、元件和/或步骤包括在任何特定的实施方式中或将在任何特定的实施方式中执行。对于任何特定的实施方式，没有单个特征或特征组是必要的或不可缺少的。术语“包括”、“包含”、“具有”等是同义的，并且以开放式的方式使用，并且不排除附加的元件、特征、动作、操作等等。同样，术语“或”以其包括性含义(而不是其排他式含义)使用，使得当使用例如连接元件的列表时，术语“或”意味着列表中的一个、一些或全部元件。
本文描述的实施方式的示例结果和参数旨在说明而不是限制所公开的实施方式。其他实施方式可以与本文描述的说明性实例不同地配置和/或操作。

Claims (21)

1.一种用于引导和检测目标关节的运动的设备，所述设备包括：
-运动生成器，具有：至少一个致动器、与所述至少一个致动器通信的驱动器以及将所述至少一个致动器互相连接的关节和连杆的网络；所述运动生成器的所述至少一个致动器与所述关节和连杆的网络的协调动作在第一位置处生成具有第一旋转中心的三自由度旋转运动，所述第一旋转中心与所述目标关节的旋转中心不一致；
-运动传递和目标接合单元，被配置为连接所述运动生成器和所述目标关节，所述运动传递和目标接合单元包括：至少一个旋转关节、包括滑动部件和轨道部件的至少一个线性运动关节、以及连杆和关节的网络，所述运动传递和目标接合单元的所述连杆和关节互相连接在一起以将所述至少一个旋转关节与所述至少一个线性运动关节连结，所述滑动部件接合所述轨道部件以沿所述轨道部件滑动，所述运动传递和目标接合单元在一端连接到所述运动生成器而在相对端连接到所述目标关节，所述运动传递和目标接合单元被配置为转换由所述运动生成器生成的运动以在所述运动传递和目标接合单元的所述相对端处提供三自由度旋转运动并将所述三自由度旋转运动传递到所述目标关节的对应的三自由度旋转运动，其中，所述目标关节的所述旋转中心与所述相对端的旋转中心一致；以及
-第一控制器，与所述运动生成器以及所述运动传递和目标接合单元通信，所述第一控制器包括输入单元、输出单元和处理单元，所述第一控制器向所述运动生成器发送输出信号以命令所述至少一个致动器的所述驱动器。
2.根据权利要求1所述的用于引导和检测目标关节的运动的设备，还包括与所述运动生成器和所述第一控制器通信的运动检测和反馈单元，所述运动检测和反馈单元包括多个第一传感器，以检测所述运动生成器的所述至少一个致动器的位置和/或定向以及所述目标关节的位置和/或定向，并将检测到的对应的位置和/或定向的信号馈送到所述第一控制器，
其中，所述多个第一传感器包括惯性测量单元、旋转编码器、线性编码器、旋转电位计、线性电位计、解析器、线性可变差动变压器、肌电图仪、脑电图仪、压力传感器的任意数量的任意组合。
3.根据权利要求1所述的用于引导和检测目标关节的运动的设备，其中，所述运动传递和目标接合单元还包括连接到所述驱动器的至少一个致动器，所述运动传递和目标接合单元的所述至少一个致动器与所述第一控制器通信，所述第一控制器向所述驱动器发送输出信号以致动所述运动传递和目标接合单元的所述至少一个致动器。
4.根据权利要求1所述的用于引导和检测目标关节的运动的设备，其中，所述至少一个致动器中的每个致动器是线性致动器或旋转致动器。
5.根据权利要求1所述的用于引导和检测目标关节的运动的设备，其中，所述运动生成器还包括至少一个被动关节。
6.根据权利要求5所述的用于引导和检测目标关节的运动的设备，其中，所述运动生成器还包括至少一个能够锁定的关节。
7.根据权利要求1所述的用于引导和检测目标关节的运动的设备，其中，所述运动传递和目标接合单元的所述至少一个旋转关节是主动旋转致动器，而所述运动传递和目标接合单元的所述至少一个线性运动关节是主动线性致动器。
8.根据权利要求1所述的用于引导和检测目标关节的运动的设备，其中，所述至少一个致动器远离所述用于引导和检测目标关节的运动的设备的其余部分设置，所述至少一个致动器在所述第一位置处通过线控机构、挠性轴、齿轮系统或无线来致动运动的生成。
9.根据权利要求1所述的用于引导和检测目标关节的运动的设备，其中，所述目标关节包括三自由度旋转关节。
10.根据权利要求9所述的用于引导和检测目标关节的运动的设备，其中，所述目标关节是人类关节。
11.根据权利要求10所述的用于引导和检测目标关节的运动的设备，其中，所述目标关节是髋关节、膝关节、踝关节、肩关节、肘关节、腕关节或指关节中的至少一个。
12.根据权利要求9所述的用于引导和检测目标关节的运动的设备，还包括将所述用于引导和检测目标关节的运动的设备安装并固定到用户的装置，其中，所述装置包括至少一个可调节带状件和至少一个矫正器。
13.根据权利要求9所述的用于引导和检测目标关节的运动的设备，其中，所述目标关节是球窝关节，而所述用于引导和检测目标关节的运动的设备是用相机定位的或推进器定向控制的。
14.根据权利要求1所述的用于引导和检测目标关节的运动的设备，其中，所述运动传递和目标接合单元的所述至少一个旋转关节和所述至少一个线性运动关节被组合成圆柱关节。
15.根据权利要求1所述的用于引导和检测目标关节的运动的设备，还包括至少一个附加的用于引导和检测运动的设备，用以引导附加目标关节的运动，并且其中，所述第一控制器还包括通信装置，用于连接到所述至少一个附加的用于引导和检测运动的设备，以协调所述目标关节和所述附加目标关节的运动。
16.根据权利要求15所述的用于引导和检测目标关节的运动的设备，还包括附加控制器，并且其中，所述第一控制器与所述附加控制器通信，所述附加控制器被配置为控制所述附加目标关节的移动，所述第一控制器和所述附加控制器被配置为协调所述目标关节和所述附加目标关节的运动。
17.根据权利要求15所述的用于引导和检测目标关节的运动的设备，其中，所述目标关节包括行动不便的人的髋关节。
18.一种运动捕捉和力反馈系统，所述系统包括：
-第一运动引导和检测设备，所述第一运动引导和检测设备是根据权利要求1至14中的任一项所述的用于引导和检测目标关节的运动的设备，用于检测和引导第一目标关节的运动；
-至少一个附加运动引导和检测设备，所述至少一个附加运动引导和检测设备是根据权利要求1至14中的任一项所述的用于引导和检测目标关节的运动的设备，用于检测和引导另一目标关节的运动；
-将所述第一运动引导和检测设备和所述至少一个附加运动引导和检测设备安装并固定到用户的装置；
-连接到所述第一运动引导和检测设备以及所述至少一个附加运动引导和检测设备的多个第二传感器，所述多个第二传感器被配置为检测所述第一运动引导和检测设备的运动以及所述至少一个附加运动引导和检测设备的运动；以及
-与所述多个第二传感器通信以接收来自所述多个第二传感器的检测信号的第二控制器，所述第二控制器被配置为计算每个目标关节的位置和定向，
其中所述多个第二传感器选自惯性测量单元、编码器、力传感器、线性电位计和/或旋转电位计的中的任意组合。
19.根据权利要求18所述的系统，还包括外部虚拟现实(VR)系统或增强现实(AR)系统，所述第二控制器与所述外部虚拟现实(VR)系统或所述增强现实(AR)系统通信。
20.根据权利要求18所述的系统，其中，所述第二控制器被预先编程以控制所述第一运动引导和检测设备和所述至少一个附加运动引导和检测设备，用以抵抗所述第一运动引导和检测设备和所述至少一个附加运动引导和检测设备在某些方向/定向上的运动，或者在某些方向/定向上向所述第一运动引导和检测设备和所述至少一个附加运动引导和检测设备施加力。
21.根据权利要求18所述的系统，还包括与所述第二控制器通信的气囊系统，所述第二控制器用平衡检测算法编程，用于基于从所述多个第二传感器获得的检测信号来进行跌倒检测，其中所述第二控制器向所述气囊系统发送输出信号以根据所述跌倒检测来展开所述气囊系统。
CN201780007057.6A 2016-01-17 2017-01-16 用于引导和检测3-dof旋转目标关节的运动的系统和设备 Active CN108472145B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201662279798P 2016-01-17 2016-01-17
US62/279,798 2016-01-17
PCT/CA2017/050046 WO2017120680A1 (en) 2016-01-17 2017-01-16 System and device for guiding and detecting motions of 3-dof rotational target joint

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108472145A CN108472145A (zh) 2018-08-31
CN108472145B true CN108472145B (zh) 2021-07-02

Family

ID=59310492

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201780007057.6A Active CN108472145B (zh) 2016-01-17 2017-01-16 用于引导和检测3-dof旋转目标关节的运动的系统和设备

Country Status (6)

Country Link
US (2) US11135120B2 (zh)
EP (1) EP3402444B1 (zh)
CN (1) CN108472145B (zh)
AU (1) AU2017207542B2 (zh)
CA (1) CA3010960C (zh)
WO (1) WO2017120680A1 (zh)

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11135120B2 (en) 2016-01-17 2021-10-05 Human In Motion Robotics Inc. System and device for guiding and detecting motions of 3-DOF rotational target joint
KR101836636B1 (ko) 2016-05-19 2018-03-09 현대자동차주식회사 착용식 보행 보조 로봇 시스템 및 그 제어 방법
GB201718271D0 (en) * 2017-11-03 2017-12-20 Surgical Dynamics Ltd Obstetric Forceps
WO2019218056A1 (en) 2018-05-14 2019-11-21 Human In Motion Robotics Inc. Self-supported device for guiding motions of a target joint
KR20200072203A (ko) 2018-12-12 2020-06-22 삼성전자주식회사 링크 어셈블리 및 이를 포함하는 운동 보조 장치
IT201900001003A1 (it) * 2019-01-23 2020-07-23 Fabrizio Granieri Tutore di Mobilizzazione a giunto sferico
US20200306952A1 (en) * 2019-04-01 2020-10-01 Bionik, Inc. System, Method and/or Computer Readable Medium for Controlling an Exoskeleton
DE102019210232B3 (de) * 2019-07-10 2020-11-19 Elvira Kuhn Bewegungsabhängiges Stabilisierungsunterstützungssystem
EP4041138A1 (en) 2019-10-11 2022-08-17 Neurolutions, Inc. Orthosis systems and rehabilitation of impaired body parts
JP2023518787A (ja) * 2020-03-20 2023-05-08 ユニバーシティ オブ ユタ リサーチ ファウンデーション 受動型および動力付き外骨格における自己整列機構
CN112472516B (zh) * 2020-10-26 2022-06-21 深圳市康乐福科技有限公司 基于ar的下肢康复训练系统
CN114129389B (zh) * 2021-12-03 2023-08-29 山西工程职业学院 膝关节骨关节炎步态监视装置及分析方法
CN114518731B (zh) * 2022-01-27 2023-03-31 哈尔滨工程大学 可远程应用的大场景工业现场无标记增强现实辅助制造和运维系统

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5901581A (en) * 1997-06-07 1999-05-11 Oriental Institute Of Technology Paralytic lower limb rehabilitation apparatus
WO2012042471A1 (en) * 2010-09-28 2012-04-05 C.N.R. Consiglio Nazionale Ricerche Biomedical device for robotized rehabilitation of a human upper limb, particularly for neuromotor rehabilitation of the shoulder and elbow joint
CN102573746A (zh) * 2009-07-01 2012-07-11 瑞克仿生学有限公司 助动器的控制系统

Family Cites Families (52)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5282460A (en) * 1992-01-06 1994-02-01 Joyce Ann Boldt Three axis mechanical joint for a power assist device
US5476441A (en) * 1993-09-30 1995-12-19 Massachusetts Institute Of Technology Controlled-brake orthosis
WO1997002520A1 (en) * 1995-06-30 1997-01-23 Ross-Hime Designs, Inc. Robotic manipulator
KR100299210B1 (ko) * 1999-03-12 2001-09-22 박호군 인간팔 장착형 힘 재현기능을 갖는 마스터 장치
US7153242B2 (en) 2001-05-24 2006-12-26 Amit Goffer Gait-locomotor apparatus
US7628766B1 (en) * 2003-10-29 2009-12-08 The Regents Of The University Of California Lower extremity enhancer
US7429253B2 (en) * 2004-09-21 2008-09-30 Honda Motor Co., Ltd. Walking assistance system
US20070123997A1 (en) * 2005-03-31 2007-05-31 Massachusetts Institute Of Technology Exoskeletons for running and walking
CN101119695B (zh) * 2005-05-27 2011-06-15 本田技研工业株式会社 行走辅助装置
US7862524B2 (en) * 2006-03-23 2011-01-04 Carignan Craig R Portable arm exoskeleton for shoulder rehabilitation
US20080009771A1 (en) * 2006-03-29 2008-01-10 Joel Perry Exoskeleton
WO2008031023A2 (en) * 2006-09-07 2008-03-13 Ohio University Haptic exoskeleton
US8353854B2 (en) * 2007-02-14 2013-01-15 Tibion Corporation Method and devices for moving a body joint
EP2150175B1 (en) * 2007-05-01 2014-07-23 Queen's University at Kingston Robotic exoskeleton for limb movement
US8170287B2 (en) 2007-10-26 2012-05-01 Honda Motor Co., Ltd. Real-time self collision and obstacle avoidance
JP5261495B2 (ja) 2007-11-01 2013-08-14 本田技研工業株式会社 重み行列を用いたリアルタイム自己衝突および障害物回避
NZ586912A (en) 2007-12-26 2013-03-28 Rex Bionics Ltd Walking aid as exoskeleton from pelvic support down to foot supports to power assist walking for a user
CN100558322C (zh) * 2008-02-28 2009-11-11 上海交通大学 适用于瘫痪病人的并联关节式助走外骨骼假肢
US8096965B2 (en) 2008-10-13 2012-01-17 Argo Medical Technologies Ltd. Locomotion assisting device and method
AU2011237357B2 (en) * 2010-04-09 2016-05-19 Deka Products Limited Partnership System and apparatus for robotic device and methods of using thereof
US9682006B2 (en) 2010-09-27 2017-06-20 Vanderbilt University Movement assistance devices
ES2636946T3 (es) 2010-09-27 2017-10-10 Vanderbilt University Dispositivo de asistencia al movimiento
US20120101415A1 (en) 2010-10-21 2012-04-26 Amit Goffer Locomotion assisting apparatus with integrated tilt sensor
US9314921B2 (en) * 2011-03-17 2016-04-19 Sarcos Lc Robotic lift device with human interface operation
EP2723296A2 (en) * 2011-06-24 2014-04-30 Northeastern University Robotic gait rehabilitation training system
ITPI20120069A1 (it) * 2012-06-11 2013-12-12 Scuola Superiore S Anna Esoscheletro per l¿interazione fisica con l¿uomo
US9566705B2 (en) 2012-06-15 2017-02-14 Vanderbilt University Movement assistance device
US20140005577A1 (en) * 2012-06-28 2014-01-02 Amit Goffer Airbag for exoskeleton device
US20140100493A1 (en) * 2012-10-04 2014-04-10 Travis Craig Bipedal Exoskeleton and Methods of Use
EP2931204B1 (en) 2012-12-11 2019-04-03 Ekso Bionics, Inc. Reconfigurable exoskeleton
CN105142445B (zh) 2013-03-13 2018-03-20 埃克苏仿生公司 步态矫正装置以及用于保护步态矫正装置及用户免受损伤的方法
CN105073069B (zh) 2013-03-13 2017-07-28 埃克苏仿生公司 用于实现释放双手的稳定性的步态矫正系统及方法
AU2014240454A1 (en) 2013-03-14 2015-08-20 Ekso Bionics, Inc. Machine to human interfaces for communication from a lower extremity orthotic
WO2014138871A1 (en) * 2013-03-15 2014-09-18 Bionik Laboratories, Inc. Transmission assembly for use in an exoskeleton apparatus
US20150025423A1 (en) * 2013-07-19 2015-01-22 Bionik Laboratories, Inc. Control system for exoskeleton apparatus
WO2015058249A1 (en) * 2013-10-24 2015-04-30 University Of Technology, Sydney Robotic exoskeleton apparatus
CN105722490B (zh) 2013-11-12 2019-03-12 埃克苏仿生公司 用于来自下肢矫形器的通信的人机接口
AU2013406157A1 (en) 2013-11-29 2016-06-16 Rex Bionics Limited Mobility aid
JP6386269B2 (ja) * 2014-06-30 2018-09-05 本田技研工業株式会社 歩行補助装置
CA2895123A1 (en) * 2014-07-15 2016-01-15 Soc Robotics Inc. Motion system with plurality of stewart platform based actuators
US9757254B2 (en) 2014-08-15 2017-09-12 Honda Motor Co., Ltd. Integral admittance shaping for an exoskeleton control design framework
US10449105B2 (en) * 2014-10-26 2019-10-22 Springactive, Inc. System and method of bidirectional compliant joint torque actuation
ES2575255B1 (es) 2014-11-27 2017-04-06 Consejo Superior De Investigaciones Científicas (Csic) Exoesqueleto para asistencia al movimiento humano
EP3283040B1 (en) 2015-04-14 2023-12-20 Ekso Bionics, Inc. Methods of exoskeleton communication and control
US9782322B2 (en) 2015-07-16 2017-10-10 Honda Motor Co., Ltd. Resistive exoskeleton control design framework
US10518404B2 (en) 2015-07-17 2019-12-31 Lockheed Martin Corporation Variable force exoskeleton hip joint
US10195736B2 (en) 2015-07-17 2019-02-05 Lockheed Martin Corporation Variable force exoskeleton hip joint
CN204951525U (zh) * 2015-09-17 2016-01-13 武汉大学 一种下肢外骨骼机器人髋关节弹性转向调节装置
CN204913894U (zh) * 2015-09-18 2015-12-30 哈尔滨博实自动化股份有限公司 一种三自由度机器人
US11135120B2 (en) 2016-01-17 2021-10-05 Human In Motion Robotics Inc. System and device for guiding and detecting motions of 3-DOF rotational target joint
US11191653B2 (en) 2016-11-03 2021-12-07 University Of New Brunswick Powered lower limb devices and methods of control thereof
KR102311666B1 (ko) 2017-06-30 2021-10-13 현대자동차주식회사 다절 링크 기구와 이를 이용한 하지 외골격 로봇 및 그 제어 방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5901581A (en) * 1997-06-07 1999-05-11 Oriental Institute Of Technology Paralytic lower limb rehabilitation apparatus
CN102573746A (zh) * 2009-07-01 2012-07-11 瑞克仿生学有限公司 助动器的控制系统
WO2012042471A1 (en) * 2010-09-28 2012-04-05 C.N.R. Consiglio Nazionale Ricerche Biomedical device for robotized rehabilitation of a human upper limb, particularly for neuromotor rehabilitation of the shoulder and elbow joint

Also Published As

Publication number Publication date
US11612537B2 (en) 2023-03-28
WO2017120680A1 (en) 2017-07-20
EP3402444A1 (en) 2018-11-21
AU2017207542A1 (en) 2018-06-21
AU2017207542B2 (en) 2019-04-04
CN108472145A (zh) 2018-08-31
EP3402444B1 (en) 2022-04-06
EP3402444A4 (en) 2019-10-16
CA3010960A1 (en) 2017-07-20
CA3010960C (en) 2020-03-10
US11135120B2 (en) 2021-10-05
US20180325766A1 (en) 2018-11-15
US20210378906A1 (en) 2021-12-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108472145B (zh) 用于引导和检测3-dof旋转目标关节的运动的系统和设备
Meuleman et al. LOPES II—design and evaluation of an admittance controlled gait training robot with shadow-leg approach
US11135122B2 (en) Self-supported device for guiding motions of a passive target system
Mao et al. Human movement training with a cable driven arm exoskeleton (CAREX)
US20190201273A1 (en) Robotic upper limb rehabilitation device
EP2150175B1 (en) Robotic exoskeleton for limb movement
Ball et al. MEDARM: a rehabilitation robot with 5DOF at the shoulder complex
Mihelj et al. ARMin II-7 DoF rehabilitation robot: mechanics and kinematics
Nef et al. ARMin-design of a novel arm rehabilitation robot
Low Robot-assisted gait rehabilitation: From exoskeletons to gait systems
Surdilovic et al. STRING-MAN: Wire-robot technology for safe, flexible and human-friendly gait rehabilitation
Pietrusinski et al. Robotic gait rehabilitation trainer
Vouga et al. EXiO—A brain-controlled lower limb exoskeleton for rhesus macaques
Omarkulov et al. Preliminary mechanical design of NU-Wrist: A 3-DOF self-aligning Wrist rehabilitation robot
US20220401284A1 (en) System for guiding motions of a target joint
Ercolini et al. A novel generation of ergonomic upper-limb wearable robots: Design challenges and solutions
Kaczmarski et al. Rehabilitation robot rrh1
Castelli et al. Modelling, simulation and testing of a reconfigurable cable-based parallel manipulator as motion aiding system
Li et al. Rehabilitation Training of Spinal Cord Injured Individuals by a Self-Balancing Exoskeleton Robot
Bloom et al. A Wearable Upper Extremity Rehabilitation Device for Inducing Arm Swing in Gait Training
Kim Development of an upper-body robotic rehabilitation platform that furthers motor recovery after neuromuscular injuries
İlhan Designing and Manufacturing of a Rehabilitation Robot with Three Degrees of Freedom

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant