CN108472191A - 多主动轴线的非外骨骼康复设备 - 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，其中该使用者的附属肢体具有端点，该机器人设备包括：基部；以及机器人臂，其附接到基部并且具有端点，该机器人臂相对于基部具有至少两个主动自由度并且经配置以使得当基部相对于使用者适当定位时，机器人设备的参考系的定向大致类似于使用者的参考系，并且使用者附属肢体的端点的运动通过机器人臂的端点的运动来模拟。

Description

多主动轴线的非外骨骼康复设备

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

本发明在DARPA授予的协议第HR0011-12-9-0012号的政府支持下完成。政府对本发明享有一定的权利。

对未决的在先专利申请的引用

本专利申请：

（i）是巴雷特技术公司（Barrett Technology，Inc.）和William T.Townsend等人针对多主动轴线的非外骨骼康复设备（代理人案卷第BARRETT-5号）于2014年9月29日提交的未决的在先美国专利申请序列第14/500,810号的部分延续，该专利申请要求由巴雷特技术公司和William T. Townsend等人针对三主动轴线康复设备（代理人案卷第BARRETT-5 PROV号）于2013年9月27日提交的在先美国临时专利申请序列第61/883,367号的权益；

（ii）要求巴雷特技术公司和Alexander Jenko等人针对多主动轴线的非外骨骼康复设备（代理人案卷第BARRETT-8 PROV号）于2015年9月30日提交的未决的在先美国临时专利申请序列第62/235,276号的权益；并且

（iii）要求巴雷特技术公司和William T.Townsend等人针对多主动轴线的非外骨骼康复设备（代理人案卷第BARRETT-10 PROV号）于2016年5月24日提交的未决的在先美国临时专利申请序列第62/340,832号的权益。

上述四（4）个专利申请通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及用于康复具有诸如中风或脊髓损伤的神经学损伤或其它解剖学肢体受损的残疾人的设备。

背景技术

物理和职业治疗的新的且令人兴奋的分支是由计算机指导的机器人臂或设备（在某些实施例中，有时也称为“操纵器”以将其与可能接合它的人体臂区分开）辅助治疗。这些机器人系统利用大脑中的可塑性，从准确地重新连接大脑。最近的科学已经证明，剂量（即参与治疗的时间量）是关键因素，以便从该效果中受益。使用操纵器系统进行诸如中风后康复治疗的任务的潜在好处非常显著，其通常包括通过一系列重复运动来移动患者的肢体。存在一些类型的治疗，诸如错误增强治疗，这些治疗根本不能由人类治疗师有效地实施。此外，计算机导向治疗可以让患者参与游戏，从而使体验更加愉快，并鼓励更长，以及更激烈的治疗时段，这对患者有益。最后，治疗师能够与更多患者一起工作，例如，治疗师能够同时与多位患者一起工作，治疗师能够为患者提供更长的治疗持续时间（更高剂量），因为时段不再受治疗师的身体耐力或时间表的限制，并且治疗师能够进行更多的连续治疗时段，因为连续治疗时段的次数不再受治疗师的身体耐力或时间表的限制。

对机器人康复系统进行分类的一种有用方法是通过其具有的自由度或DOF的数量。一般来说，对于机械系统，自由度（DOF）可以被认为是机械系统允许的不同运动。举例而非限制，船舶在海上的运动具有六个自由度（DOF）：（1）上下移动，（2）左右移动，（3）前后移动，（4）左右旋转（偏摆），（5）前后倾斜（俯仰），（6）边对边枢转（滚动）。大多数商业机器人康复系统落入两大类中的一个：位于患者前方的低DOF系统（通常为一至三个DOF）以及缠绕在患者的肢体周围，通常是臂或腿的高DOF外骨骼系统（通常为六个或更多个DOF）。请注意，这些外骨骼还需要调整操纵器的链接长度的能力，以便适应特定患者的不同几何形状。一般而言，外骨骼系统可以被认为是安装到身体的外部骨架，其中外部骨架具有对应于自然身体的骨骼和关节的支柱和关节。目前两种类型（即低DOF系统和高DOF外骨骼系统）的方法都展现出明显的缺点，这导致机器人康复治疗潜力的有限实现。

低DOF系统通常比高DOF系统便宜，但它们通常也具有较小的运动范围。一些低DOF系统，诸如美国马萨诸塞州水城的交互式运动技术公司的InMotion ARM™治疗系统（InMotion ARM™ Therapy System of Interactive Motion Technologies ofWatertown, Massachusetts, USA）或加拿大安大略省金斯顿的BKIN技术公司的KINARMEnd-Point Robot™系统（KINARM End-Point Robot™ system of BKIN Technologies ofKingston, Ontario, Canada）仅限于平面运动，大大减少了系统可用于的康复任务的数量。那些不限于平面运动的低DOF系统通常必须解决诸如避免阻塞患者视线的问题，如以色列雷霍沃特的BioXtreme的DeXtreme™系统（DeXtreme™ system of BioXtreme ofRehovot, Israel）；提供极其有限的运动范围，诸如美国新泽西州劳雷尔山的Motorika医疗有限公司的ReoGO^®系统（ReoGO^® system of Motorika Medical Ltd of Mount Laurel,New Jersey, USA）；并且不足以支撑患者的肢体（当患者缺乏支撑自己的肢体的能力时，这可能是至关重要的）。这些系统中的大多数占据患者面前的空间，影响患者的工作空间，增加了单个康复“站”所需的整体足迹并消耗了康复诊所内宝贵的空间。

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，通常要复杂得多，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，从而使高DOF外骨骼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外骨骼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试图遵循患者的关节位置和联接装置长度也要花费相当长的时间，并且即使这样，高DOF外骨骼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™（参见上文），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治疗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系统和高DOF外骨骼系统的类别，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外骨骼系统的减小的占地面积、运动范围和改进的支撑能力。

更特别地，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它数量的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，以及其它创新，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（即其参考系）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，提供了一种用于双手康复的方法，其中所述方法使用一对康复设备，其中，每个康复设备被设计成能够在三个或更多个自由度上引起运动，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。

在本发明的另一个优选形式中，提供了一种机器人设备，其包括：

基部；

臂，其具有第一端和第二端，臂的第一端安装到基部，并且臂的第二端经配置以接收端点设备；

端点设备，其经配置以安装到臂的第二端并且经配置用于通过使用者的肢体接合；以及

控制器，其安装到基部和臂中的至少一个，用于控制臂的操作；

其中，端点设备包括使用者存在感测单元，用于检测端点设备通过使用者的肢体接合并且通知端点设备的控制器。

在本发明的另一个优选形式中，提供了一种机器人设备，包括：

基部；

臂，其具有第一端和第二端，臂的第一端安装到基部，并且臂的第二端经配置以接收端点设备；

端点设备，其经配置以安装到臂的第二端并且经配置用于通过使用者的肢体接合；以及

控制器，其安装到基部和臂中的至少一个，用于控制臂的操作；

其中端点设备使用模块化连接可安装到臂的第二端，该模块化连接提供端点设备到臂的第二端的机械安装以及端点设备和臂之间的电气通信。

在本发明的另一个优选形式中，提供了一种机器人设备，其包括：

基部；

臂，其具有第一端和第二端，臂的第一端安装到基部，并且臂的第二端经配置以接收端点设备；

端点设备，其经配置以安装到臂的第二端并且经配置用于通过使用者的肢体接合；以及

控制器，其安装到基部和臂中的至少一个，用于控制臂的操作；

其中端点设备相对于臂的第二端沿着俯仰轴线和偏摆轴线可调节。

在本发明的另一个优选形式中，提供了一种机器人设备，其包括：

基部；

臂，其具有第一端和第二端，臂的第一端安装到基部，并且臂的第二端经配置以接收端点设备；

端点设备，其经配置以安装到臂的第二端并且经配置用于通过使用者的肢体接合；以及

控制器，其安装到基部和臂中的至少一个，用于控制臂的操作；

其中控制器经配置以在端点设备通过使用者的肢体接合时补偿重力的影响。

在本发明的另一优选形式中，提供了一种用于向使用者提供康复治疗的方法，该方法包括：

提供机器人设备，该机器人设备包括：

基部；

臂，其具有第一端和第二端，臂的第一端安装到基部，并且臂的第二端经配置以接收端点设备；

端点设备，其经配置以安装到臂的第二端并且经配置用于通过使用者的肢体接合；以及

控制器，其安装到基部和臂中的至少一个，用于控制臂的操作；

其中，端点设备包括使用者存在感测单元，用于检测端点设备通过使用者的肢体接合并且通知端点设备的控制器；以及

操作机器人设备。

在本发明的另一优选形式中，提供了一种用于向使用者提供康复治疗的方法，该方法包括：

提供机器人设备，该机器人设备包括：

基部；

臂，具有第一端和第二端，臂的第一端安装到基部，并且臂的第二端经配置以接收端点设备；

端点设备，其经配置以安装到臂的第二端并且经配置用于通过使用者的肢体接合；以及

控制器，安装到基部和臂中的至少一个，用于控制臂的操作；

其中端点设备使用模块化连接可安装到臂的第二端，该模块化连接提供端点设备到臂的第二端的机械安装以及端点设备和臂之间的电气通信；以及

操作机器人设备。

在本发明的另一优选形式中，提供了一种用于向使用者提供康复治疗的方法，该方法包括：

提供机器人设备，该机器人设备包括：

基部；

臂，其具有第一端和第二端，臂的第一端安装到基部，并且臂的所述第二端经配置以接收端点设备；

端点设备，其经配置以安装到臂的第二端并且经配置用于通过使用者的肢体接合；以及

控制器，其安装到基部和臂中的至少一个，用于控制臂的操作；

其中端点设备相对于臂的第二端沿着俯仰轴线和偏摆轴线可调节；以及

操作机器人设备。

在本发明的另一优选形式中，提供了一种用于向使用者提供康复治疗的方法，该方法包括：

提供机器人设备，该机器人设备包括：

基部；

臂，其具有第一端和第二端，臂的第一端安装到基部，并且臂的第二端经配置以接收端点设备；

端点设备，其经配置以安装到臂的第二端并且经配置用于通过使用者的肢体接合；以及

控制器，其安装到基部和臂中的至少一个，用于控制臂的操作；

其中控制器经配置以当端点设备通过使用者的肢体接合时补偿重力的影响；以及

操作机器人设备。

附图说明

通过以下对本发明的优选实施例的详细描述，本发明的这些和其它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；

图13、图13A、图14和图15是示出用于本发明的机器人设备的一个优选端点设备的示意图；

图15A是示出处于端坐位置的患者正在使用的机器人设备的示意图；

图15B是示出处于站立位置的患者正在使用的机器人设备的示意图；

图16是示出用于本发明的机器人设备的另一优选端点设备的示意图；

图17是示出用于本发明的机器人设备的另一优选端点设备的示意图；

图18是示出用于本发明的机器人设备的另一优选端点设备的示意图；

图19是示出图16的端点设备的结构的细节的示意图；

图20是示出用于本发明的机器人设备的另一优选端点设备的示意图；

图21至图26是示出机器人设备如何可从左手用途变为右手用途的示意图；

图27至图29是示出用于端点设备的另一结构的示意图；以及

图30至图32是示出用于端点设备的另一结构的示意图。

具体实施方式

新型多主动轴线的非外骨骼机器人设备概述

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治疗和其他应用。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连接至患者、通常连接至患者的肢体（例如，如图1中所示，患者的手臂120）的连接元件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了接近笛卡尔空间中的所有位置的能力，所述能力受限于所述设备的运动学限制，例如关节限制、联接装置长度和传输范围等。为了产生这三个自由度，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，绳索传动装置将促动关节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；该绳索传动装置延伸通过内联接装置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（与图1的俯仰-偏摆-偏摆布置相对）；

- 使用例如移动关节（即，滑动关节）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连接元件115的位置处，以允许对患者的肢体定向进行不同程度的控制，或提供附加的治疗方法（therapeuticmodalities）。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；或通过使得能够对患者肢体的定向进行控制，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系（即，在机器人设备上各个点的运动学系）：

1）地面运动学系，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的运动学系，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的运动学系，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；以及

4）关节J3的运动学系，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。

在运动学系的这种定义中，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，可以通过多于一个轴线的运动使系统中的一些滑轮旋转，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通过使用于 1990年2月27日授予MassachusettsInstitute of Technology以及J. Kenneth Salisbury, Jr. 等人的题为 COMPACT CABLETRANSMISSION WITH CABLE DIFFERENTIAL的美国专利号4,903,536中所公开的相似地设计的绳索差速传动装置来实施，该美国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（differentialtransmission）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，图6中所示的机器人设备5中的滑轮505）被连接到共同的输出滑轮（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支架（spider）或托架（例如，图1和图6中所示的机器人设备5中的托架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，共同的输出滑轮能够绕垂直于两个输入滑轮的共同的旋转轴线以及与之重合（coincident with）的轴线旋转。两个输入滑轮被连接到输出滑轮，使得在三者之间建立差动关系（differential relationship），其中，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）的旋转与两个输入滑轮（例如，图1和图6中所示的机器人设备5中的滑轮505）的旋转的和成比例，并且托架（例如，图1和图6中所示的机器人设备5中的托架541）的旋转与两个输入滑轮的旋转的差成比例。在图1和图6中所示的机器人设备5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系（在优选实施例的情况下，固定到地面运动学系，包括当设备在使用时大致静止的所有部件）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，该绳索差速传动装置包括两个电机500、两个输入滑轮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，图6中所示出的机器人设备5中的滑轮505）被连接到共同的第三输出滑轮（例如，图6中所示出的机器人设备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（即，图6中所示出的机器人5中轴线125）旋转的托架（例如，图6中所示出的机器人设备5中的托架541）。两个输入滑轮被连接到输出滑轮，使得在三者之间建立差动关系，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，同时允许产生这些运动的电机被固定到较低的运动学系，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，图6中所示出的滑轮505）被连接到共同的第三输出滑轮（例如，图6中所示出的滑轮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，图6中所示出的托架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、两个输入滑轮505、输出滑轮540等，如在下文中论述的。

如在图6中看到的，绳索差速传动装置优选地包括固定到地面运动学系（例如，基部502）的两个电机500，所述两个电机500通过两段绳索571和572连接到输入滑轮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某种其他构造，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的运动学系或前述的关节J2的运动学系。按照美国专利号4,903,536，这些输入滑轮505包括大的外径515以及一系列基本上较小的阶梯式的外径520、525、530和535二者。这些较小的阶梯式的外径520、525、530和535通过另一段绳索连接至输出滑轮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基本上大于在输入滑轮505上它们所连接到的阶梯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的运动学系。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。

通过在该系列滑轮（即，输入滑轮505和输出滑轮540）中实施这组直径关系，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8.51：1的传动比，并且在输入滑轮505和输出滑轮540之间实施1.79：1的传动比，从而产生15.26：1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（bendover）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连接到中间滑轮575，所述中间滑轮575又通过绳索578、579连接到输出滑轮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的运动学系。在该附加的绳索传动装置中，未实施差动元件。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。在这种绳索传动装置中，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，这是通过实施在电机小齿轮570和中间滑轮575之间延伸的长的绳索来实现的设计。

如美国专利号4,903,536中所述，这种设计具有如下益处，即：使电机565的质量朝向机器人设备5的基部502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，这种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1.89：1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5.06：1的传动比，从而产生9.55：1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，该优化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

- 在患者之前侧向向左/右：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。机构590（图7）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（例如，172.5度）。在优选实施例中，通过借助于拨动锁（toggle lock）593（例如，如通常在自行车的前叉上找到的那些）靠着中央毂592（所述中央毂592以剖面图在图7中示出）夹持两个突出部591来执行机构590。突出部591和中央毂592的接触面如图7中所示逐渐变细（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，重要的是确保逐渐变细部分（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。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来实施时，利用翻转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来实施，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被接合，但可以被释放以允许移除外联接装置110。

机器人设备5还包括用于控制机器人设备5的操作的机载控制器和/或外部控制器。鉴于本公开，所述机载控制器和/或外部控制器的类型对于本领域技术人员而言将是显而易见的。作为示例而非限制，图1和图2示出了用于控制机器人设备5的操作的机载控制器596。机载控制器596有时在本文中可称为“内部控制器”。图11示出了外部控制器597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机载控制器）的反馈。

还可以存在包括在机器人设备5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被理解为是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机器人设备的对应部段。

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的关节轴线J1、J2和J3有意设计成与患者的关节轴线600、605、610和615非同轴。此外，在优选实施例中，患者的肢体120仅在连接元件115处被连接到机器人设备5，或被机器人设备5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连接点，这些连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。

因为未满足外骨骼系统的上述两个“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的部段未固定至机器人设备5的臂的对应部段），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，这是因为所述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

图2和图3示出了针对患者的参考坐标系160（包括向上轴线161、向前轴线162和向右轴线163），以及针对机器人设备5的参考坐标系170（包括向上轴线171、向前轴线172和向右轴线173）。这些参考系160、170的位置和定向限定了在（i）机器人设备5及其联接装置105、110之间以及在（ii）患者和它们的肢体之间的运动学关系：机器人设备5被设计成使得其运动模仿患者的那些运动，原因在于患者的端点在患者的参考系160中的给定运动将通过设备的端点在机器人设备5的参考系170中的大致相似的运动来匹配。这种关系对于机器人设备5的许多创新方面的定义非常重要，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。如本文所使用的，“患者参考系”（或PRF）160和“设备参考系”（或DRF）170通过患者和机器人设备5的恒定物理特性来定位和定向。如图2和图3中所示，PRF 160的原点被限定在连接到机器人设备的患者肢体的基部处，并且被认为是在空间中固定的。在右手坐标系中被视为“Z”矢量的“向上”矢量161被定义为沿普遍接受的“向上”方向（即，与重力方向相反）从该原点指向。“向前”矢量162同样沿普遍接受的“向前”方向定义，（即，在患者之前）。更精确而言，它在右手坐标系中被视为“Y”矢量，并且被定义为垂直于“向上”矢量的矢量从原点指向肢体工作空间的中心的分量。最后，“向右”矢量163指向患者的右侧。严格地定义，它在右手坐标系中被视为“X”矢量，并且因此由其他两个矢量来限定。因此，为患者定义参考系160，其完全通过恒定的物理特性和特征来定位和定向。虽然在图2和图3中针对患者的手臂进行该坐标系的定义，但是这种定义方法可以容易地扩展到其他肢体，例如腿等。

为机器人设备定义类似的参考系。原点被置于机器人设备5的基部的形心处，该形心也必须在空间中固定。“向前”矢量172被定义为向量从原点指向设备工作空间的几何形心的分量。“向上”矢量171和“向右”矢量173可以沿任意方向定义，只要它们满足以下条件：

1）它们相互垂直；

2）它们二者都垂直于“向前”矢量172；

3）它们满足右手坐标系的定义，其中，“向上”矢量171被视为Z矢量，“向右”矢量173被视为X矢量，并且“向前”矢量172被视为Y矢量；以及

4）优选地但非必要地，“向上”矢量171被定向为尽可能接近普遍接受的“向上”方向（与重力方向相反）。

在一些情况下，例如在Mount Laurel，New Jersey，USA的Motorika Medical Ltd.的ReoGO<®>手臂康复系统的情况下，无法满足上述条件“4）”，这是因为设备的“向前”矢量已指向普遍接受的“向上”方向；因此，可以根据前述三个条件任意地定义“向上”矢量。这种情况在下面进一步详细描述。

当根据上述描述将现有的康复设备分成外骨骼式和非外骨骼式设备时，基于参考系的这种定义，这两组之间的另一区别变得明显。在外骨骼式设备中，机器人设备和患者利用它们大致相似地定向的参考系（如上所定义）来操作，即：对于患者和机器人设备而言，即“向上”、“向右”和“向前”对应于大致相同的方向，其中，PRF（患者参考系）和DRF（设备参考系）中的任何一对方向之间的错位相应地优选不大于60度（即，DRF中的“向前”方向将与PRF中的“向前”方向偏离不超过60度），并且优选不大于45度。同时，到目前为止，尚未创建其中设备参考系和患者参考系以这种方式来大致相似地定向的非外骨骼式设备。目前可用的设备以多种不同的方式相对于患者来定向，包括以下：

- DRF可以相对于PRF绕“向上”轴线旋转180°，使得设备“面向”患者，或绕“向上”轴线旋转90°，使得设备“垂直”于患者：例如，在Watertown，Massachusetts，USA的InteractiveMotion Technologies的InMotion ARM™系统；East Aurora，New York，USA的MoogIncorporated的HapticMaster触觉系统；Rehovot，Israel的BioXtreme的DeXtreme™臂；或Kingston，Ontario，Canada的BKIN Technologies的KINARM End-Point Robot™中。例如，在DeXtreme™臂的情况下，设备被设计成在位于患者之前时使用。它的大致成形为如从设备的基部辐射的右侧圆柱的锐利部段（acute segment of a right cylinder）的工作空间同样面向患者。当如上所述为设备的工作空间生成参考坐标系时，将发现用于设备的“向前”方向指向患者，该“向前”方向从设备基部的形心指向设备工作空间的形心。因此，设备的参考系不相似于患者的参考系来定向；

- 替代性地，DRF可相对于PRF绕“向右”轴线旋转90°，使得设备的“向前”轴线平行于患者的“向上”轴线；或其他组合。一个示例是Mount Laurel，New Jersey，USA的MotorikaMedical Ltd的ReoGO^®手臂康复系统，其中，该设备的基部位于进行康复的患者的手臂下方，并且其主联接装置向上延伸到患者的手臂。它的工作空间是大致锥形的，其中，锥的尖端位于设备基部的形心处。当如上所述为设备生成参考坐标系时，将发现设备参考系的“向前”矢量与患者参考系中的“向上”矢量具有相同的方向。因此，设备参考系不相似于患者的参考系来定向；

- 最后，如Donostia-San Sebastian，Spain的Tecnalia<®>的ArmAssist^TM设备之类的设备可能没有可定义的DRF。ArmAssist^TM设备是设计成位于患者之前的桌面上的小型移动平台。患者的手臂被附接到设备，该设备随后绕桌面移动以提供康复治疗。由于ArmAssist^TM设备是完全可移动的，因此不能根据上述方法为它定义固定的原点，并且它与本论述不相关。

本发明的机器人设备是第一个非外骨骼式设备，其被设计成在其参考系170大致类似于患者的参考系160来定向的情况下操作。这种创新允许机器人设备利用原本限于外骨骼式设备的优点，包括：

•减少了对患者的视线或身体的干扰，这是因为机器人设备不需要位于患者之前/患者的一侧；

•患者和设备之间的更佳的位置-转矩关系，这是由于在设备和患者的端点与它们的关节之间的力矩臂彼此成正比，而不是如在其他设备中彼此成反比。例如，当设备的联接装置延伸时，患者的进行康复的肢体也将大致延伸。虽然设备不能在其端点处施加如当端点更靠近设备的关节时它所能施加的力一样多的力，但患者的力输出能力将同样降低。类似地，当患者的肢体收缩并且力输出最大化时，设备的端点将更靠近其关节，并且其端点的输出力能力也将被最大化；

•患者和设备之间的更好的工作空间重叠，这是由于设备的联接装置从其基部沿与患者的肢体从身体延伸的相同的大致方向延伸。

如外骨骼式设备，机器人设备5大致模仿患者肢体的运动，原因在于设备的端点跟踪患者的肢体，并且患者的参考系160中的给定运动在设备的参考系170中沿大致相似的方向产生运动。例如，如果患者在患者的参考系160中向右移动他们的肢体，则设备的联接装置将在设备的参考系170中大致向右移动，如图4中所示。然而，与外骨骼式设备不同，所述机器人设备的各个联接装置和关节不一定模仿患者肢体的各个部段或关节的运动，即使机器人设备的端点确实追踪患者的端点。如图4中所示，在优选实施例中，在患者前方的运动导致患者的肢体和机器人设备5的联接装置105、110延伸；相反，在图4中，向患者的最右侧的运动导致患者的肢体伸直，同时机器人设备5的联接装置105、110弯曲。通过在没有该约束的情况下操作（即，机器人设备的各个联接装置和关节不一定模仿患者肢体的各个部段或关节的运动），机器人设备5避免了外骨骼式设备中固有的许多弱点，特别是与直接复制肢体的运动相关联的体积（bulk）、复杂性、成本和设置时间。

由于需要本发明的机器人设备和外骨骼式设备之间的这种区别（即，不能容易地在患者的肢体和机器人设备5的联接装置之间限定关系），因此有必要将机器人设备和患者之间的关系定义为机器人设备和患者的基部、端点和定向的函数。通过以这种方式定义设备和患者的参考系，先前的陈述“机器人设备5被设计成使得其运动模仿患者的那些运动，原因在于患者的端点在患者的参考系160中的给定运动将通过设备的端点在机器人设备5的参考系170中的大致相似的运动来匹配”，仅当机器人设备5如本文所述地相对于患者来定向时才满足。

已开发了一系列简单的逻辑测试来帮助确定设备是否满足上述标准。对于这些测试，假定设备相对于患者处于其典型的操作位置和构造，并且如上所述为患者进行康复的肢体定义PRF。

1）该设备是外骨骼式康复设备，是否如先前所定义

a. YES：设备不符合标准 - 标准仅适用于非外骨骼式设备；

b. NO：继续。

2）是否可以定义相对于世界参考系固定并位于设备基部的形心处的原点

a. YES：继续；

b. NO：设备不符合标准 - 标准不适用于移动设备。

3）考虑设备的工作空间，并找到该工作空间的几何形心。是否可以在设备工作空间的几何形心和设备的原点之间定义“向前”或Y矢量

a. YES：继续；

b. NO：设备不符合标准。

4）是否可以相对于向前矢量如上所述来定义“向上”或Z矢量和“向右”或X矢量

a. YES：继续；

b. NO：设备不满足标准 - 它可能被设计用于与本文所公开的设备显著不同的康复模式。

5）设备和患者的工作空间是否大致相似地定向，即两个参考坐标系的“向右”或X、“向前”或Y和“向上”或Z矢量具有大致相同的方向，而在任何矢量对之间具有小于选定的度数的偏差（在优选实施例中，这优选为小于60度，并且更优选为小于45度）

a. YES：继续；

b. NO：设备不符合所述标准 - 相对于患者，它与本文所述的设备定位不同。

6）患者的端点的运动是否通过设备的端点的相似运动来模仿或跟踪

a. YES：设备符合所述标准；

b. NO：设备不符合所述标准。

到目前为止，除了本文所述的系统之外，还没有发现具有多于2个自由度的设备成功地通过此系列的测试。

换言之，可以通过识别用户和设备二者的“向前”方向来检查患者和设备之间的大致相似的定向。在患者的情况下，“向前”方向可以被定义为，当患者的端点处于在使用设备期间最常进入的位置处时，从进行康复的患者手臂的基部沿患者的肢体朝向患者的端点的大致方向。在设备的情况下，“向前”方向可以被定义为，当设备的端点处于在使用设备期间最常进入的位置处时，从设备的基部沿设备的联接装置以及关节朝向设备的端点的大致方向。如果设备的“向前”方向和患者的“向前”方向大致平行（例如，优选地具有小于60度的偏差，并且更优选地具有小于45度的偏差），则设备和用户可以被说成是大致相似地定向。

系统的大致位置

在图3和图4中示出了本发明的一个优选实施例，其中，机器人设备5被定位在患者的一侧并略微靠后（在这种情况下，关节J1的轴线125在患者的冠状面之后，或与之重合）。在该实施例中，机器人设备5的参考系170和患者的参考系160大致相似地定向至彼此，如上所述。使机器人设备5保持在患者的工作空间和视线之外，从而使得它在物理和视觉二者上都不引人注意。机器人设备和患者的工作空间高度重叠。这种定位允许的运动范围仍然相当大，如图4中所示，并且接近或超过高DOF外骨骼式系统所允许的范围。

应当注意的是，虽然已发现这种布置（即，其中，机器人设备5定位在患者的一侧并略微靠后）对于某些康复治疗是优选的，但也存在其他实施例，其中，机器人设备5相对于患者不同地定位，这可更好地适于其他应用，诸如用作触觉输入/控制装置或其他康复活动等。例如，在高级手臂康复的情况下，在患者向上和远离设备伸展的情况下，可以证明将机器人设备略微放置在患者之前是最佳的。

联接装置叠放顺序

接下来看图5A、图5B和图5C，其示出了系统的若干新颖的实现，其中，设备的联接装置105、110在不同的方向上有序排列以促进不同的活动。作为示例而非限制，图5A示出了被称为“向下叠放（stacked-down）”构造的构造，其中，机器人设备5的外联接装置110被附接到机器人设备5的内联接装置105的下侧，从而允许设备从患者上方向下到达其肢体（经由连接元件115附接）。图5C示出了被称为“向上叠放（stacked-up）”构造的构造，其中，机器人设备5的外联接装置110被附接到机器人设备5的内联接装置105的顶侧，从而允许设备从患者下方向上到达其肢体（经由连接元件115附接）。这两种实现可以证明在不同情况下是最佳的。由于其在患者工作空间上方的位置，“向下叠放”的变体在康复活动期间不太可能干扰患者的手臂，并且可以证明对于需要扩展的工作空间的高功能（high-functioning）康复的患者而言更有用。相反，“向上叠放”的变体能够更好地支撑患者的手臂，并且不太可能干扰患者的视觉工作空间；它更适合低功能（low-functioning）的患者。图5B示出了被称为“持平叠放（stacked flat）”构造的构造，其中，机器人设备5的外联接装置110被附接到机器人设备5的内联接装置105的底侧，并且连接元件115被附接到外联接装置110的顶侧，从而允许设备到达患者，使得患者的前臂与内联接装置105大致持平。

具有替代性构造的绳索差速器

图6图示了本发明的一个重要方面，即，绳索差速器（例如，参见美国专利号4,903,536）在康复设备中的用途。机器人设备5的优选实施例包括以俯仰-偏摆-偏摆构造（图1）来实施的三个转动关节J1、J2和J3，其中，前两个关节（即，J1和J2）以绳索差速器来联接，如图6中所示。如图6中所示，使用绳索差速器允许通常将安装在较高水平的运动学系上的电机向下移动到较低水平的系。例如，在图6中所示的优选实施例中，引起绕关节J1和关节J2的旋转的电机500从前述关节J1的运动学系（其绕关节J1的轴线125旋转）向下移动到前述地面运动学系（地面系；与图1中的基部100并置）。这显著地减小了需要电机500移动的惯量，这改善了机器人设备的性能，并通过允许使用较小的电机500来降低其成本。尽管在优选实施例中这在机器人设备的基部处实现，但该设计背后的原理在沿设备运动链的任何地方都是有效的。这在康复设备的背景下是特别重要的创新，因为其具有降低设备的成本的能力，必须使设备的成本保持较低以确保设备的商业成功。这种构造还允许专门使用旋转关节（替代移动关节），这极大地简化了设备的设计。较低的惯性还通过降低设备的动量而提高了设备的安全性。最后，该创新还通过允许设备的视觉体积朝向设备的基部从患者的视线移开而最大化了可用性。虽然在优选实施例中这种概念作为具有三个自由度的康复设备的一部分来执行，但它显然可适用于具有少至两个自由度的其他康复设备。

此外，在图1和图6中所示的优选实施例中，具有均垂直于远侧联接装置的轴线（即，沿内联接装置105的轴线）的输入轴线和输出轴线（即，输入滑轮505和输出滑轮540的轴线）的绳索差速器的实现提供了绳索差速器的优点，同时允许独特的俯仰-偏摆运动学布置结构，该俯仰-偏摆运动学布置结构使得该设备非常适合于康复用途。绳索差速器的先前的实施方式以例如Newton，MA的Barrett Technology，Inc的Barrett WAM产品中的俯仰-横滚构造来布置，如图8C中的700处所示，或者以例如Barrett WAM腕部产品中的横滚-俯仰构造来布置，如图8B中的720处所示。在这两种实现（即，图8C的俯仰-横滚配置700和图8B的横滚-俯仰配置720）中，远侧联接装置（即，在运动链中的差速器之外的联接装置）或近侧联接装置（即，在运动链中的差速器之前的联接装置）与两个差速器旋转轴线中的一个永久同轴。在图8C的俯仰-横滚配置700的情况下，外联接装置710总是与差速器输出轴线705同轴；在图8B的横滚-俯仰配置720中，内联接装置725总是与差速器输入轴线730同轴。

然而，到目前为止，绳索差速器尚未被用于差速器轴线都不与联接装置中的一个同轴的配置中。这种配置已在本发明的优选实施例中成功地实现，如在图6（参见相对于机器人设备5的内联接装置的关节J1和J2的俯仰-偏摆配置）和图8A二者中看到的，图8A中示出了新颖的俯仰-偏摆配置740。绳索差速器的这种新的实现使得能够实现如本发明中所使用的创新的运动学构造。

双手多维康复训练和设备设计

图9示出了机器人设备5的优选实施例如何对于从右手使用转换到左手使用的目的而言是最佳的。机器人设备5跨平行于患者的正中矢状平面（midsagittal plane）并且与关节J2的轴线130重合的平面基本上对称。通过仅确保关节J2的范围关于先前描述的平面对称，并且使得外联接装置110能够绕关节J3的轴线135逆转，使得其运动范围关于先前描述的平面在任一位置对称，该设备的手征性可以被容易地逆转，从而使得它能够用在患者身体的右侧或患者身体的左侧上，如在图9中看到的。

最后，图10图示了机器人设备5的固有对称性和可逆的手征性如何与其独特的工作位置/定向以及小尺寸相结合，以允许同时将两个单元的机器人设备用于三维双手康复。在双手康复中，患肢在康复活动中与无患肢体配对，所述康复活动包括：协作任务，该协作任务例如使用两个肢体来抬起物体；以及指导性任务，其中，健康的肢体“驱动”患肢。双手康复的价值（特别是在从例如中风之类的神经肌肉损伤中康复的背景下，这可使执行如身体两侧上的肢体之间的协调运动之类的神经复杂的任务极端困难）早在1951年就被理论化，并在过去20年中获得了显著的吸引力。参见“Bimanual Training After Stroke: AreTwo Hands Better Than One”Rose，Dorian K. and Winstein，Carolee J. Topics inStroke Rehabilitation；2004 Fall；11(4)：20-30。机器人康复设备极为适合于这种类型的治疗，这是因为它们精确控制患者肢体的运动并与其他康复设备协调的能力。在图10中所示的示例性实现中，第一机器人设备5被连接到患者的患病的右臂，而第二机器人设备5被连接到更具功能的左臂。所述机器人设备通过某种类型的公共控制器（例如，如在图12中看到的，与两个机器人设备5的机载控制器通信同时促进两个设备之间的通信的外部控制器597）联接到彼此，该公共控制器协调康复治疗。虽然使用机器人设备的优选实施例的图像来展示该示例，但可以理解的是，双手康复的基本概念可以用任何种类的设备来实现，即使那些设备是彼此不同的和/或与机器人设备5的优选实施例不同。然而，将两个类似的机器人设备5用于双手康复具有显著的优点，所述优点在下面公开，并且所述优点导致用于双手康复的新颖方法。

这里描述的机器人设备5是专门设计用于同时在三维双手系统中使用的这种类型的双设备的第一非平面康复设备。如前所述，机器人设备的固有对称性允许容易地逆转其手征性，从而允许将相同的机器人设备的设计用于右肢和左肢二者的康复。此外，该设备的小占用空间有利于同时使用两个系统，如图10中所示。虽然例如Volketswil, Switzerland的Hocoma AG的Armeo™Power系统之类的其他装置是类似可逆的，但这些系统的尺寸和它们相对于患者的位置妨碍了它们在双手康复系统中的使用，这是因为两个系统的基部将会干扰。还有一些被特意设计成用于双手康复的设备，例如Kingston，Ontario，Canada的BKINTechnologies的KINARM Exoskeleton™和End-Point™机器人等。然而，如上所述，这些设备特意限于平面（二维）的康复治疗，从而显著地影响了它们对患者的效用。

存在名义上能够仅利用单手致动来执行有限的3维双手康复治疗的一个已知的系统的示例，即，第三代Mirror-Image Motion Enabler（MIME）康复机器人，该康复机器人1999年作为退伍军人事务部（Department of Veterans Affairs）和斯坦福大学之间的合作项目开发。参见“Development of robots for rehabilitation therapy: The PaloAlto VA/Stanford experience” Burgar et. al. Journal of RehabilitationResearch and Development. Vol. 37 No. 6，Nov/Dec 2000，pp.663-673。第三代MIME机器人包括固定到患者的患肢的PUMA-560工业机器人和固定到夹板的被动六轴MicroScribe数字化仪，该夹板又被连接到患者的健康肢体。在系统的双手模式中，健康肢体的运动通过数字化仪检测并且被传递到机器人臂，该机器人臂移动患肢，使得其运动反映健康肢体的运动。虽然该系统可以执行双手康复治疗的有限集合，但它基本上受到系统内信息的单向流动限制，即：信息可从健康肢体传递到患肢，但不能从患肢传递回到健康肢体到健康肢体，这是因为数字化仪是被动的，并且不具有用来对患者的健康肢体施加力的马达或其他机构。

在本文所描述的实施方式中，使用在优选实施方式中具有相似的运动学、关节范围、力输出限制以及静态和动态性能特性的两个相似的主动机器人设备5使得能够实现双向信息流（即，其中两个设备都发送、接收和响应来自另一个设备的信息的双向信息流），从而创建了双手康复系统，该双手康复系统能够监测患肢和健康肢体二者的位置，使患者的肢体在三维中移动并且同时潜在地控制其定向， 并且可选地向健康肢体提供同时的力反馈、支撑或其他力输入。例如，连接到患者的健康肢体的机器人设备可以被用于“驱动”连接到患者的患肢的机器人设备，而同时支撑健康肢体以防止疲劳，并且根据治疗需要向健康肢体提供力反馈。在这方面，已发现的是，在本发明的优选实施方式中使用的绳索驱动器特别好地适用于这种类型的用途，这是因为绳索驱动传动装置的高机械带宽；然而，替代实施例可以使用替代性的机械驱动系统来实现。无论具体实施方式如何，当在具有本文所述的促进特征的两个相似的设备之间执行时，这种双向信息流允许将设备用于比现有技术的系统更广范围的三维双手康复治疗，并且使得能够实现本文所公开的方法。

使用者界面端点设备以及左手到右手翻转机构

在前述部分中，机器人设备5被描述为具有用于将外联接装置110联接到患者、通常联接到患者的肢体的联接元件115，其中外联接装置110在上述机构590（图6和图7）处、例如经由闩锁594（图7）可拆卸地连接到机器人设备的其余部分。联接元件115和外联接装置110可以被认为是一起构成用于机器人设备5的使用者界面端点设备（即，“端点”），即物理接触患者的机器人设备5的部分。在下面的部分中，描述了端点的不同可能的实施例，其全部是模块化的并且在机器人设备5上“可交换”。不同类型的端点对于允许具有不同功能和不同治疗目标的患者使用该系统来说非常重要。

图13、图13A、图14和图15示出用于供患者右手使用的托架端点800。托架端点800通常包括用于接收患者的肢体（例如，前臂）的托架805，用于将肢体固定到托架805的带810，用于将托架805连接到外联接装置110的连接器815以及上述外联接装置110。托架端点800优选地还包括用于由患者（例如，患者的手）抓握的球形握把820。在托架端点800的情况下，患者抓住球并将他们的前臂绑到托架。托架端点800意图由中度或重度功能障碍的患者使用，或者由希望在使用期间将他们的臂重量放在系统上的使用者使用。如果需要，可以在机器人设备5附近提供监视器825，用于在使用机器人设备5的同时向患者提供视觉反馈。作为示例而非限制，托架端点800可以向患者提供触觉反馈，并且监视器825可以向患者提供视觉反馈，并且该系统还可以提供听觉反馈。

请注意，在图13和图13A中，机器人系统5被示出为安装到可移动基部100，即安装在轮（或脚轮）826上的基部100，其可以是自由轮转的或由机载控制器596驱动（其可以容纳在其自身的壳体中，例如以图13所示的方式）。

还要注意，在本发明的这种形式中，U形框架140可以经由伸缩组件827被支撑在基部100上方，伸缩组件827允许U形框架140的高度（并且因此允许机器人臂的高度）相对于基部100进行调节。该特征是非常有利的，因为它有助于将机器人设备5与端坐着（图15A）以及站立着（图15B）的患者一起使用。在本发明的一个优选形式中，伸缩组件827包括可以延伸大约0.5米高的刚性且强的线性致动器（未示出）。电动马达（未示出）升高和降低伸缩组件827的顶部（并因此升高和降低安装到伸缩组件顶部的机器人臂）。这种高度调整对于用于不同身高的人和不同轮椅类型来说很重要。作为示例而非限制，坐着轮椅的功能较低的患者可以使用靠近垂直行程下端的设备。功能较高的正在重新学习缓步的患者可以在垂直行程的上端附近使用该设备，并参与轻轻挑战平衡的练习，例如在愉快的游戏氛围中。

当然，垂直高度调节可以通过本领域公知的其它手段来完成，诸如手动脚踏式液压升降机。

图16示出了除了被重新配置用于由患者的左手使用之外的相同的托架端点800。

图17示出了球形端点800B。除了托架805A和带810A被省略之外，球形端点800B与托架端点800A基本相同。在球形端点800B的情况下，球形握把820B仅由使用者“抓握”。球形端点800B旨在由相对健康的使用者使用，例如高功能中风患者。球形端点800B也可以用作健康使用者的触觉输入设备，用于游戏或与计算机程序一起使用。还考虑到可以用布织绷带（未示出）或内置的带/织带系统（未示出）将使用者的手固定到球。

图18示出了具有手握式辅助装置800C的托架端点。除了球形握把820A被致动或基于弹簧的手柄820C代替之外，具有手握式辅助装置800C的托架端点与托架端点800A基本相同。在本发明的这种形式中，使用者将他们的手滑入手柄820C并且使用带810C将他们的前臂绑到托架805C。具有手握式辅助装置800C的托架端点类似于上述的托架端点800A，其具有致动的或基于弹簧的设备的附加功能，其为使用者打开和/或闭合他们的手提供辅助。

下面列出了这些端点设备的新属性，并在紧接的各部分中进一步详细描述：

A. 与兴趣点重合的单个偏摆轴线；

B. 柔性臂支撑装置（托架）；

C. 可调节俯仰角；

D. 离轴可旋转手支撑装置；

E. 手存在感测；

F. 模块化端点；

G. 端点存在感测；

H. 端点类型感测；

I. 重力补偿算法；以及

J. 改变偏手性。

A.与兴趣点重合的单个偏摆轴线

在本发明的一个优选形式中，端点设备包括与兴趣点（例如，使用者的手）重合的单个偏摆轴线。举例来说而非限制，并且现在看图19，托架端点800包括与兴趣点（即，由使用者的手抓握的球形握把820）重合的单个被动自由度（偏摆）。注意，托架805和球形握把820都围绕偏摆轴线830旋转。还要注意，连接器815包括用于连接到外联接装置110的第一部分835和用于连接到托架805和球形握把820的第二部分840，其中第一部分835连接到外联接装置110以便提供围绕俯仰轴线845的旋转。

B.柔性臂支撑装置（托架）

本发明的另一方面是提供前臂支撑装置（例如托架805）和端点设备的其余部分之间的柔性连接的能力。以这种方式，端点设备能够支撑臂的重量，但是允许使用者伸出他们的臂而没有来自后带810的不舒适的压力。作为示例而非限制，并且现在看图20，示出了包括板簧850的托架端点800，该板簧850能够实现柔性并且允许使用者的臂在某些三维运动期间升起。当托架垂直于偏摆轴线830时，硬止动件855支撑使用者的臂的重量。

C.可调节的俯仰角

本发明的另一方面是提供一种可调节的俯仰角，其：1）使得能够进行左手到右手的切换，并且2）能够根据使用者尺寸、感兴趣的工作空间以及运动类型进行小角度调节。作为示例而非限制，并且现在看图20，将会看到，俯仰角调节旋钮860可以允许相对于外联接装置110调节第一部分835的配置。

D.离轴可旋转的手支撑装置

本发明的另一方面是提供一种离轴旋转的手柄（例如球形握把），其在增加舒适度的同时允许不同的手尺寸。作为示例而非限制，并且现在看图20，球形握把820可以围绕偏摆轴线830旋转。注意，在本发明的这种形式中，用于球形握把820的安装轴865被设置成与球形握把820的中心“离轴”。这种“离轴”安装允许球形握把为了舒适而手动旋转—对于小手来说，可以旋转球形握把，使得大部分球形握把（即，较胖的部分）定向成远离使用者的手掌，而对于较大的手来说，可以旋转球形握把，使得大部分球形握把朝向使用者的手掌。

E.手存在感测

本发明的另一个特征是包括电子手存在感测系统。更特别地，在本发明的一个优选形式中，提供了一种电容感测系统，其检测端点设备上使用者肢体的存在并且向机器人设备发信号通知人的肢体存在（或不存在）端点设备上。这是安全和功能特征，并且对于某些端点设备尤其重要，例如球形端点800B（图17），其中使用者的臂不一定绑到端点，如果使用者放开端点设备，则电容式感测系统检测到此，并且机器人设备可以暂停（“软停止”）。即使在使用带的情况下，患者仍然可能从装置上滑出。一旦使用者重新接合端点设备（例如，再次抓住球形握把），则电容式感测系统检测此并且机器人设备继续工作。

使用者的存在状态优选通过以几种颜色中的一个点亮球形握把820（或端点设备上或机器人设备5上其它地方提供的另一个状态灯，未示出）而立即让患者和治疗师清楚，诸如当患者接合设备并且设备处于活动状态时为绿色、或者黄色以指示系统准备好运转并等待患者或使用者。该系统还可以使用可听声音来帮助识别或确认使用者存在的状态。

举例而非限制，托架端点800可以使其球形握把820配置有与机器人设备5的机载控制器596通信的电容式感测系统。这种电容式感测系统在传感器领域中是公知的，并且容易适应球形握把820。根据本发明，当使用者抓握球形握把820时，与球形握把820相关联的电容式感测系统检测使用者接合并且向机器人设备5的机载控制器596通知使用者正在与端点设备接合。然后，机器人设备5可以继续执行编程到机器人设备5的机载控制器596中的治疗区域。然而，如果使用者放开球形握把820，则与球形握把820相关联的电容式感测系统检测使用者脱离并且向机器人设备5的机载控制器596通知使用者不再与端点设备接合。然后机器人设备5可暂停编程到机器人设备5的机载控制器596中的治疗区域。

F.模块化端点

本发明的另一方面在于容易地“换出”机器人设备5上的不同端点并且在新端点和机器人设备之间建立机械连接时自动发生电气连接的能力。在本发明的一个优选形式中，这通过机械闩锁（例如，机械闩锁，诸如宾夕法尼亚州康科德维尔的索斯特公司（SouthCo ofConcordville, Pennsylvania）制造的机械闩锁），定制设计的嵌套管和浮动电气连接器系统（例如“Molex Mini-Fit Blindmate”系统，诸如由伊利诺斯州利斯尔的莫莱克斯（Molexof Lisle, Illinois）制造的系统），它们一起提供机械连接和电气连接，其能够引起机械未对准而不施加应力的电气连接。

G.端点存在感测

在本发明的一个优选形式中，在机器人设备5上提供检测端点设备的存在（或不存在）的机械开关。可替代地，也可以提供电气开关以检测端点设备的存在（或不存在）。此机械和电气开关在传感器领域是众所周知的，并且容易适用于接收端点设备的外联接装置110的机器人设备5的部分。端点存在感测对于系统安全性是重要的，如果在机器人设备5的操作期间端点应该与机器人设备5断开连接，则机器人设备5可以进入安全（“静止”）模式，直到端点被重新附接（或者其它端点被附接在其位置上）。

H.端点类型传感

端点的模块化的重要方面是机器人设备5经配置以使其能够自动感测和识别安装在机器人设备上的端点的类型。这允许机器人设备5根据安装到机器人设备的特定端点自动调整其操作参数，例如，它允许机器人设备5调整各种操作参数，诸如与端点位置有关的运动学、重力辅助计算（参见下文）等。举例而非限制，每个端点的外联接装置110可以包括代表端点类型的编码元件，并且接收外联接装置110的机器人设备5的部分可以包括读取器元件—当端点被安装到机器人设备5时，机器人设备5上的读取器元件读取安装的端点上的编码元件，并且读取器元件适当地通知用于机器人设备5的机载控制器596。

I.重力补偿算法

在本发明的一个优选形式中，提供重力补偿装置以使使用者的肢体感觉到失重。这是通过向端点设备施加可以补偿使用者肢体重量的向上偏置来完成的，由此有效地使使用者的肢体“失重”。此重力补偿可以通过使得当使用者的肢体接合端点设备时使机载控制器596读取马达500和马达565上的扭矩水平，并且然后激励马达500和马达565以便向马达施加偏置扭矩，从而偏置使用者肢体的重量来实现。重力补偿很重要，因为它允许使用者长时间使用系统而不会疲劳。然而，这可能是复杂的，因为不同人的肢体的重量是不同的，并且因为单个人的肢体的重量随着他/她将肢体移动到不同的位置并且激活/调整不同的肌肉组而改变。为此，本发明的重力补偿装置包括各种装置/算法/程序，其涉及：

1）将使用者的肢体绑到端点设备，让使用者将其肢体的端点移动到预定数量的点，在每个点处放松，并使机器人设备记录在每个点处的马达扭矩（例如，施加在马达500和马达565上的负载）；

2）从多个使用者处获取上述步骤1）所述的数据并取平均数据；

3）从多个使用者处获取上述步骤1）所述的数据，并基于身体/肢体尺寸创建不同的使用者曲线；

4）使用上述步骤的结果以创建易于调整的增益因子，该增益因子增加和减少由机器人设备5提供的重力辅助力，从而使得使用者的肢体在其移动通过规定的物理治疗区域时实质上失重；以及

5）使用上述步骤的结果，使得新使用者（没有校准记录）需要仅在一小组数据点（例如，1至5个数据点）中放松他/她的肢体，然后系统使用减少的数据点组将该使用者映射到有用的重力补偿曲线。

注意，机载控制器596可以经配置以当端点设备在单个步骤中通过使用者的肢体接合时补偿重力的影响，或者机载控制器596可以经配置以在一系列增量步骤中补偿重力的影响。后一种方法在某些情况下可能是有利的，因为重力补偿的逐渐应用避免了对使用者的任何惊吓。还要注意，机载控制器596可以自动应用重力补偿或者机载控制器596可以在操作员（例如治疗师）的指导下应用重力补偿。

J.改变偏手性

机器人设备5经配置以使得它具有能够容易地从右侧翻转到左侧配置的能力，例如使用凸轮闩锁（类似于在前自行车车轮上发现的凸轮闩锁），诸如前述凸轮闩锁594，其允许给定端点设备的外联接装置110快速且容易地附接到机器人设备5的其余部分或从其上拆下。此外，机器人设备5由于前述自动端点感测开关而具有给定端点设备的“偏手性”的知识。这允许机器人设备5自动更改其机载控制器596中的软件以考虑不同端点设备的不同运动学。各种端点设备具有设计成适应这种翻转，并且可以用于右手和左手配置。

为了从左手用途变为右手用途，反之亦然，需要三个围绕三个轴的180度翻转。

举例而非限制，现在看图21至图26，现在将描述从左手用途改变为右手用途的过程。首先，释放杆593（图21）以松开位于肘关节J3附近的额外关节。该动作允许把设备的肘部以外的整个臂翻转180度（图22），然后使用杆593重新确保该自由（图23）。接下来，存在通过松开、翻转然后拧紧指旋螺钉860的第二次180度翻转（图24和图25）。最后，存在托架旋转180度的最后180度翻转（图26）。注意，对于最后一次翻转，没有机械锁定，因为此关节的旋转是被动的。

为了从右手用途改变为左手用途，翻转按照相同的顺序执行，但是颠倒翻转的方向。

适应前臂/手腕的内旋/外旋

在一些情况下，当使用者的前臂绑到托架805时，允许使用者的前臂/手腕的内旋/外旋可能是重要的。内旋/外旋是手腕围绕前臂的纵向轴的扭转/旋转。

为此，在本发明的一种形式中，现在看图27至图29，一对Kaydon式环形轴承905被用于支撑托架支撑装置910（图27至图29中未示出）上方的托架805，托架支撑装置910又连接到外联接装置110（图27至图29中未示出）。Kaydon式环形轴承905足够大（例如，150 mm）以容纳使用者的前臂绑到托架805时第百分之95的男性手和臂的前臂/手腕的内旋/外旋。编码器915用于跟踪使用者位置并将其传送至机器人设备5的机载控制器956。

可替代地，也可以使用轴承领域公知的其它类型的弧形轴承。

然而，使用此Kaydon式环形轴承和其它弧形轴承可增加端点设备的成本。

因此，在本发明的另一个优选实施例中，并且现在看图30至图32，使用4杆连杆机构920将托架805支撑在托架支撑装置925上方，其中托架支撑装置925连接到连接器815（图30至图32中未示出），连接器815又连接到外联接装置 110（图30至图32中未示出）。托架支撑装置925和连杆机构920位于托架下方，完全隐藏在使用者的视野之外。这种方法可以实现约90度的手腕内旋/外旋，并通过避免环形轴承的使用来降低制造成本。而且，采用这种方法，患者或使用者可以更容易地进出端点设备。此外，对于使用者的手和前臂的尺寸没有限制，因为可能存在环形轴承的情况。编码器930用于跟踪使用者位置并将其传送给机器人设备5的机载控制器956。

提供基于游戏的物理治疗和职业治疗，并且使用机器人设备提供基于活动的物理 治疗和职业治疗

在前述公开中，公开了一种用于向患者提供物理治疗和职业治疗（有时在本文中统称为“物理治疗/职业治疗”和/或简单地“治疗”）的新型多主动轴线的非外骨骼机器人设备。

A.基于游戏的治疗

在本发明的一种形式中，机器人设备经配置以提供基于游戏的康复。在本发明的这种形式中，患者使用计算机屏幕、投影仪、眼镜、护目镜或类似装置观看二维（2D）或三维（3D）场景。2D或3D场景描绘了患者通过移动其肢体（其连接到机器人设备）“玩”的游戏，以便引起2D或3D场景内的虚拟对象（或虚拟角色）的相应移动。当患者努力适当地移动他们的肢体以便引起虚拟对象（或虚拟角色）在游戏的2D或3D场景内的适当移动时，患者“毫不费力”地参与治疗过程。本发明的这种形式是一种强有力的工具，因为它促进了患者在治疗过程中的增加的参与度，并由此产生物理治疗或职业治疗的较高“剂量”，这被认为是成功从中风以及许多其它伤害和疾病恢复的基本要素。

如果需要，2D或3D场景可以采用另一种非游戏形式，即2D或3D场景可以是非游戏图形或文本显示，其中患者努力适当地移动其肢体（其连接到机器人设备）以便引起虚拟对象在图形或文本显示内的适当移动。尽管如此，这种非游戏方法虽然不如上述基于游戏的物理治疗或职业治疗那样适合患者，但仍然能够提供有价值的评估措施。

在本发明的前述两种形式中，患者基本上努力适当地移动其肢体（其连接到机器人设备的端点），以便引起计算机屏幕、投影仪、眼镜、护目镜或类似装置上的虚拟对象（或虚拟角色）的相应适当移动。

B.基于活动的治疗

尽管上述方法为患者提供了极好的治疗，但他们不适合进行基于活动的培训（ABT）。通过ABT，患者学会完成重要的日常活动，例如用勺子喂食自己。

为此，在本发明的另一种形式中，机器人设备经配置以使治疗师通过期望的运动（例如，用勺子喂食自己）引导（例如手动辅助）患者移动其肢体（其连接到机器人设备）。当发生这种情况时，机器人设备“记忆”期望的运动（即，通过记录机器人设备的各个段的运动），然后机器人设备随后辅助患者重复期望的运动，例如通过帮助承载患者肢体的重量和通过限制患者肢体的运动到期望的路径的运动。因此，在机器人设备以该基于活动的模式操作的情况下，患者正在真实空间中操纵真实物体（并且不像在基于游戏的物理治疗中那样操纵计算机屏幕上的虚拟物体）。

然而，应当理解，机器人设备还经配置以使得可以在不需要来自治疗师的物理干预的情况下提供基于活动的治疗，因为机器人设备可以足以简单地悬挂患者肢体的一部分重量从而允许患者在特定活动中取得成功。机器人设备还可以设置有超出仅仅是肢体悬挂的预先设想的治疗模式，诸如限制患者运动所沿的广义预定义路径，使得机器人设备在引导意义上起作用。

本发明的附加应用

在前面的描述中，本发明通常在其康复设备的应用环境中论述。然而，这将可以理解的是，本发明也可以用于其他应用程序，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，例如工业机械臂和/或施工机械，或作为用于感测位置的设备，例如数字转换器或坐标测量设备。

优选实施例的修改

应当理解的是，细节，材料，步骤和部件的布置的许多附加的变化已经在本文中描述并且例示以便说明本发明的本质，所述变化可以由本领域技术人员完成而仍保持在本发明的原则和范围内。

Claims (29)

1.一种机器人设备，包括：

基部；

臂，具有第一端和第二端，所述臂的所述第一端安装到所述基部，并且所述臂的所述第二端经配置以接收端点设备；

端点设备，经配置以安装到所述臂的所述第二端并且经配置用于通过使用者的肢体接合；以及

控制器，安装到所述基部和所述臂中的至少一个，用于控制所述臂的操作；

其中，所述端点设备包括使用者存在感测单元，用于检测所述端点设备通过使用者的肢体接合并且通知所述端点设备的所述控制器。

2.如权利要求1所述的机器人设备，其中所述控制器经配置以当所述使用者存在感测单元确定所述端点设备通过使用者的肢体接合时使得能够进行所述臂的操作。

3.如权利要求1所述的机器人设备，其中所述控制器经配置以当所述使用者存在感测单元确定所述端点设备未通过使用者的肢体接合时禁用所述臂的操作。

4.如权利要求1所述的机器人设备，其中所述端点设备经配置以当所述使用者存在感测单元确定所述端点设备通过使用者的肢体接合时提供视觉信号。

5.如权利要求4所述的机器人设备，其中所述视觉信号是点亮的灯。

6.如权利要求1所述的机器人设备，其中所述端点设备和所述控制器中的至少一个经配置以当所述使用者存在感测单元确定所述端点设备通过使用者的肢体接合时提供可听信号。

7.如权利要求1所述的机器人设备，其中所述使用者存在感测单元包括电容传感器。

8.如权利要求1所述的机器人设备，其中所述基部、所述臂和所述端点设备一起形成多主动轴线的非外骨骼机器人设备。

9.一种机器人设备，包括：

基部；

臂，具有第一端和第二端，所述臂的所述第一端安装到所述基部，并且所述臂的所述第二端经配置以接收端点设备；

端点设备，经配置以安装到所述臂的所述第二端并且经配置用于通过使用者的肢体接合；以及

控制器，安装到所述基部和所述臂中的至少一个，用于控制所述臂的操作；

其中所述端点设备使用模块化连接可安装到所述臂的所述第二端，所述模块化连接提供所述端点设备到所述臂的第二端的机械安装以及所述端点设备和所述臂之间的电气通信。

10.如权利要求9所述的机器人设备，其中所述臂的所述第二端包括端点存在感测单元，用于检测端点设备何时被安装到所述臂的所述第二端。

11.如权利要求10所述的机器人设备，其中所述控制器经配置以当所述端点存在感测单元确定没有端点设备安装到所述臂的所述第二端时，禁用所述臂的操作。

12.如权利要求9所述的机器人设备，其中所述机器人设备进一步包括端点类型感测单元，用于当端点设备安装到所述臂的所述第二端时识别安装到所述臂的所述第二端的所述端点设备的类型。

13.如权利要求12所述的机器人设备，其中所述控制器经配置以根据安装到所述臂的所述第二端的所述端点设备的类型来适应所述臂的操作。

14.如权利要求12所述的机器人设备，其中所述端点类型感测单元包括安装到所述端点设备并代表所述端点设备的类型的编码元件，以及安装到所述臂的所述第二端的读取器元件，所述读取器元件读取在经安装的端点设备上的所述编码元件并适当地通知控制器。

15.如权利要求9所述的机器人设备，其中所述端点设备使用模块化连接可安装到所述臂的所述第二端，所述模块化连接允许所述机器人设备以右手配置或左手配置使用。

16.一种机器人设备，包括：

基部；

臂，具有第一端和第二端，所述臂的所述第一端安装到所述基部，并且所述臂的所述第二端经配置以接收端点设备；

端点设备，经配置以安装到所述臂的所述第二端并且经配置用于通过使用者的肢体接合；以及

控制器，安装到所述基部和所述臂中的至少一个，用于控制所述臂的操作；

其中，所述端点设备相对于所述臂的所述第二端沿着俯仰轴线和偏摆轴线可调节。

17.如权利要求16所述的机器人设备，其中所述端点设备包括托架，用于将使用者的肢体固定到所述托架的带，以及经配置以由使用者的手抓握的握把。

18.如权利要求17所述的机器人设备，其中所述握把包括球形握把。

19.如权利要求17所述的机器人设备，其中所述握把包括弹簧偏置手柄。

20.如权利要求17所述的机器人设备，其中所述端点设备进一步包括经配置以安装到所述臂的所述第二端的外联接装置和用于将所述托架连接到所述外联接装置的连接器，其中所述握把包括球形握把，并且进一步地，其中所述球形握把离轴地安装到所述连接器和所述托架中的一个。

21.一种机器人设备，包括：

基部；

臂，具有第一端和第二端，所述臂的所述第一端安装到所述基部，并且所述臂的所述第二端经配置以接收端点设备；

端点设备，经配置以安装到所述臂的所述第二端并且经配置以用于通过使用者的肢体接合；以及

控制器，安装到所述基部和所述臂中的至少一个，用于控制所述臂的操作；

其中所述控制器经配置以在所述端点设备通过使用者的肢体接合时补偿所述重力的影响。

22.如权利要求21所述的机器人设备，其中所述基部和所述臂中的至少一个包括用于移动所述臂的至少一个马达，并且其中所述控制器控制所述至少一个马达的操作。

23.如权利要求22所述的机器人设备，其中所述控制器经配置以监测所述至少一个马达上的扭矩，以便识别所述至少一个马达上的所述负载，并且进一步地，其中所述控制器使用所述至少一个马达上的所监测的扭矩来操作至少一个马达，以便在所述端点设备通过所述使用者的肢体接合时补偿所述重力的影响。

24.如权利要求21所述的机器人设备，其中所述控制器经配置以当所述端点设备在单个步骤中通过使用者的肢体接合时补偿所述重力的影响。

25.如权利要求21所述的机器人设备，其中所述控制器经配置以当所述端点设备通过使用者的肢体以一系列增量步骤接合时补偿所述重力的影响。

26.一种用于向使用者提供康复治疗的方法，所述方法包括：

提供机器人设备，所述机器人设备包括：

基部；

臂，具有第一端和第二端，所述臂的所述第一端安装到所述基部，并且所述臂的所述第二端经配置以接收端点设备；

端点设备，经配置以安装到所述臂的所述第二端并且经配置用于通过使用者的肢体接合；以及

控制器，安装到所述基部和所述臂中的至少一个，用于控制所述臂的操作；

其中，所述端点设备包括使用者存在感测单元，用于检测所述端点设备通过使用者的肢体接合并且通知所述端点设备的所述控制器；以及

操作所述机器人设备。

27.一种用于向使用者提供康复治疗的方法，所述方法包括：

提供机器人设备，所述机器人设备包括：

基部；

臂，具有第一端和第二端，所述臂的所述第一端安装到所述基部，并且所述臂的所述第二端经配置以接收端点设备；

端点设备，经配置以安装到所述臂的所述第二端并且经配置用于通过使用者的肢体接合；以及

控制器，安装到所述基部和所述臂中的至少一个，用于控制所述臂的操作；

其中所述端点设备使用模块化连接可安装到所述臂的所述第二端，所述模块化连接提供所述端点设备到所述臂的所述第二端的机械安装以及所述端点设备和所述臂之间的电气通信；以及

操作所述机器人设备。

28.一种用于向使用者提供康复治疗的方法，所述方法包括：

提供机器人设备，所述机器人设备包括：

基部；

臂，具有第一端和第二端，所述臂的所述第一端安装到所述基部，并且所述臂的所述第二端经配置以接收端点设备；

端点设备，经配置以安装到所述臂的所述第二端并且经配置用于通过使用者的肢体接合；以及

控制器，安装到所述基部和所述臂中的至少一个，用于控制所述臂的操作；

其中所述端点设备相对于所述臂的所述第二端沿着俯仰轴线和偏摆轴线可调节；以及

操作所述机器人设备。

29.一种用于向使用者提供康复治疗的方法，所述方法包括：

提供机器人设备，所述机器人设备包括：

基部；

臂，具有第一端和第二端，所述臂的所述第一端安装到所述基部，并且所述臂的所述第二端经配置以接收端点设备；

端点设备，经配置以安装到所述臂的所述第二端并且经配置用于通过使用者的肢体接合；以及

控制器，安装到所述基部和所述臂中的至少一个，用于控制所述臂的操作；

其中所述控制器经配置以当所述端点设备通过使用者的肢体接合时补偿所述重力的影响；以及

操作所述机器人设备。