CN112969556B - 设计成靠近关节定位的装置和包括该装置的通用系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于定位在两个部分之间的关节附近的装置，该装置包括由两个部分中的第一部分承载的第一交界部(11)和由两个部分中的第二部分承载的第二交界部(12)，该装置在第一交界部和第二交界部之间包括至少一个连接件，该连接件包括双缸，双缸具有通过浮动活塞连接在一起的两个腔室，两个腔室中的第一腔室连接到第一交界部，而两个腔室中的第二腔室连接到双缸的输出杆，所述杆连接到第二交界部。本发明还涉及包括这种装置的系统。

Description

设计成靠近关节定位的装置和包括该装置的通用系统

技术领域

本发明涉及一种用于定位在关节附近的装置。

本发明还涉及包括这种装置的通用系统。

背景技术

外骨骼用于增强人的物理能力，以使那个人能够执行某些任务。因此，外骨骼可以用于许多应用，无论是军事、医疗、工业……以及用于理疗、康复、援助…的目的。

然而，发现制作能遵循使用者自然运动的外骨骼相对复杂，并且特别是考虑踝关节或膝关节类型的复杂关节。因此，外骨骼必须能够与使用者的运动同步地激活关节，以便能够以有效的方式辅助使用者。

发明目的

本发明的目的是提出一种能够有效地致动关节的装置，以及包括该装置的通用系统。

发明内容

为了实现该目标，提供了一种用于定位在两个部分之间的关节附近的装置，该装置包括由两个部分中的第一部分承载的第一交界部和由两个部分中的第二部分承载的第二交界部，该装置在第一交界部和第二交界部之间包括至少一个连接件。

根据本发明，连接件包括双缸，该双缸具有通过浮动活塞连接在一起的两个腔室，两个腔室中的第一腔室连接到第一交界部，而两个腔室中的第二腔室连接到双缸的输出杆，所述杆连接到第二交界部，第二腔室在使用中经由浮动活塞相对于第一腔室移动，由此使输出杆能够相对于关节的第一部分移动关节的第二部分。

因此，本发明使得关节的两个部分特别是由于双缸构造的结果而能够以简单且有效的方式彼此相对移动。

可选地，输出杆直接安装在第二交界部上。

可选地，输出杆铰接到第二交界部。

可选地，输出杆以固定方式紧固到第二腔室。

可选地，该装置包括用于引导第二腔室相对于第一腔室滑动的至少一个引导件。

可选地，引导件包括至少一个衬套-引导轴组件。

可选地，该装置包括用于引导第二腔室相对于第一腔室滑动的两个引导件，引导件布置在双缸的相对两侧上。

可选地，用于引导滑动的引导件位于双缸的外部。

可选地，该装置包括至少一个辅助连接件，该辅助连接件限制第一交界部沿着相关联的部分不希望地滑动的任何风险。

可选地，辅助连接件包括棒，棒在其至少一端处以固定方式紧固到至少一个交界部。

可选地，辅助连接件包括连杆，连杆在其至少一端处铰接到至少一个交界部。

可选地，该装置被形状设计成在使用中第一交界部定位在使用者的小腿上，第二交界部定位在使用者的脚部上。

可选地，第二交界部被形状设计成与使用者的靴子的鞋底接触。

还提供了由使用者穿戴的通用系统，所述通用系统包括如上所述的装置以及用于所述装置的动力供应单元。

可选地，动力供应单元包括至少一个磁流变液离合器。

本发明的其它特征和优点将在阅读以下对本发明的具体、非限制性实施例的说明时显现。

附图说明

根据附图给出的以下说明可以更好地理解本发明，附图中：

·图1是使用者穿戴的并包括本发明特定实施例中至少一个装置的通用系统的立体图，该装置定位在所述使用者的关节之一附近；

·图2是如使用者穿戴的图1所示装置的更大比例尺的立体图；

·图3是图2的装置其自身的纵向剖面图，双缸处于其展开位置；

·图4是与图3的视图类似的视图，双缸处于其缩回位置；以及

·图5是图1中所示系统的动力供应单元的更大比例尺的立体图。

具体实施方式

参考图1，在本发明的特定实施例中，通用系统包括与用户的右脚踝相关联的第一装置1和与用户的左脚踝相关联的第二装置2，以及用于将流体递送到第一装置1和第二装置2的动力供应单元3(该流体可以是气体或任选的粘性液体，…，并且任选的粘性液体优选于气体)。因此，系统包括将动力供应单元3连接到第一装置1的第一通道4和将动力供应单元3连接到第二装置2的第二通道5，这两个通道4和5也由使用者穿戴。此外，动力供应单元3例如借助于带子、背包、皮带、一条或多条松紧带…布置在使用者的下背部。

下面参考图2到图4描述第一装置1。在该示例中，由于第二装置2与第一装置1相同，因此下面的描述也适用于第二装置2。

装置1包括布置在使用者小腿上的第一交界部11(其中术语“小腿”在本文中用来指定人体在膝盖和脚踝之间延伸的部分)。举例来说，第一交界部11借助于带子(未示出)或者通过任何其它附接手段固定到小腿。第一交界部11优选地布置在使用者小腿的前部，覆盖胫骨。结果，第一交界部11位于使用者的脚部上方。

第一交界部11有利地被形状设计成与小腿前部的形状匹配。为此，第一交界部11包括壳体6，其与使用者接触的面为凹面，壳体6的形状类似于使用者胫骨的形状。

装置1还包括布置在使用者脚部上的第二交界部12。举例来说，第二交界部12包括由四个附接臂8延伸、用于附接到使用者的靴子C的板7。

附接臂8优选地具有适于将第二交界部12紧固到所述靴子C的鞋底S的尺寸。附接臂8可以以与地面接触的方式延伸，或者它们可以仅延伸至鞋底S，鞋底S本身与地面接触。

附接臂8优选地对称分布在靴子C的内部和外部上。

这确保了在两个交界部11和12之间的相对运动期间，由靴子C的第二交界部12施加的力很好地分布。

因此，第二交界部12布置在使用者的脚部的顶部和侧边上。

应当注意，在这个示例中，交界部11和12两者都是刚性的。

装置还包括将第一交界部11和第二交界部12连接在一起的主连接件9。

为此，主连接件9包括双缸10，该双缸10具有通过浮动活塞23连接在一起的两个腔室21和22。为了在两个腔室21和22之间提供密封，两个滚动隔膜布置在浮动活塞23与腔室21和22中相应的一个之间。因此，双缸10可以等同地称为“双滚动隔膜缸”。

双缸10基本上纵向地沿轴线X延伸。在该示例中，装置布置成使所述轴线X是基本垂直的。

两个腔室中的第一腔室21连接到第一交界部11。在该示例中，第一腔室21直接安装在第一交界部11上。

举例来说，第一腔室21铰接安装在第一交界部11上。

通常，第一腔室21通过球接头或者通过枢转接头铰接到第一交界部11。

通常，第一腔室21的顶端13铰接安装到第一交界部11的近端14。

因此，第一腔室21可以相对于第一交界部11枢转。此外，活塞23在第一腔室21中沿着轴线X在高位置(如图4所示)与低位置(如图3所示)之间平移可移动，在高位置中，活塞23的近端16基本上与第一腔室21的顶端13齐平，在低位置中，活塞23的近端16基本上与第一腔室21的底端15齐平。

此外，第二腔室22同样地相对于第一腔室21沿着轴线X在高位置(如图4所示)与低位置(如图3所示)之间平移可移动，在高位置中，第二腔室22与第一腔室21接触，随后活塞23的远端17与第二腔室22的底端18基本齐平，在低位置中，第二腔室22与第一腔室21间隔开，活塞23的远端17与第二腔室22的顶端19基本齐平。

因此，应当注意，两个腔室21和22形成同一双缸10的部分，但是它们各自形成相应的不同结构，以允许两个腔室21和22相对于彼此移动。

通过将流体供应到双缸10的动力供应单元3，致使浮动活塞23和第二腔室22相对于第一腔室21移动。为此，连接通道4在第一腔室21的顶端13处引入到双缸10中。由于第一腔室21、第二腔室22和浮动活塞23的所有三个都是中空的，因此流体可以在这三个部分21、22和23之间流动，从而允许浮动活塞23展开或缩回。

因此，双缸10具有串联构造，由此使其具有相对较长的冲程。

为了引导两个腔室21和22之间的相对运动，双缸10包括沿导轴可滑动的至少一个衬套，衬套和引导轴与两个腔室21和22相关联，同时被布置在两个腔室21和22以及浮动活塞23的外部。

在本示例中，双缸10具有两个引导轴24(图中仅可见其中一个)，它们刚性地紧固到第一腔室21，从而在第一腔室21的相对侧上延伸到第一腔室21的外部，因此引导轴24相对于所述第一腔室21以固定方式紧固。因此，两个轴24分别在双缸10的右侧和左侧基本上平行于轴线X延伸。以对应的方式，第二腔室22具有两个衬套25(图中仅可见其中一个)，它们沿着引导轴24中的相应一个可滑动，衬套25被刚性地紧固到第二腔室22。

此外，双缸10具有连接到第二腔室22的输出杆26。在该示例中，输出杆26的第一端刚性地紧固到第二腔室22的底端18。

以优选方式，输出杆26的第二端27直接安装在第二交界部12上。这使得输出杆26能够在没有任何中间致动器机构的情况下直接致动第二交界部12。

同样优选地，输出杆26的第二端27铰接到第二交界部12。

这可限制当输出杆26推抵第二交界部12时损坏输出杆26的任何风险。此外，这使得装置能够更自然地遵循使用者脚踝的运动。

通常，输出杆26例如通过球接头或者通过枢转接头铰接到第二交界部12。

在该示例中，输出杆26经由第二交界部12的板7安装在第二交界部12上。因此，输出杆26以与使用者的脚踝围绕该轴线自然挠曲的轴线偏离的方式作用在第二交界部12上。特别地，输出杆26作用在附接臂8上，附接臂8继而作用在地面或鞋底S上(取决于附接臂8的尺寸)。

还应当注意，驱动轴26形成刚性结构，在两个交界部11和12之间提供良好的力传递。

在使用中，从双缸10处于其缩回位置的情况(如图4中所示)开始，当动力供应单元3将流体供应到双缸10时，引起浮动活塞23和第二腔室22两者都相对于第一腔室22逐渐移动，并且还引起第二腔室22相对于浮动活塞23移动，直到双缸10到达其展开位置(如图3中所示)。

因此，输出杆26在第二交界部12上逐渐施加推力，引起第二交界部12相对于第一交界部11枢转，并且因此引起脚踝枢转。

因此，装置在移动时，无论是行走还是跑步还是用于民用和军用应用，均可以有助于使用者。

因此，上述装置具有相对简单的结构，并且其能够经由双缸10的驱动轴26直接在第二交界部12上采取行动。

这使有效的装置成为可能，因为它是反应非常快的。特别地，上述装置避免使用皮带-滑轮式机构，皮带-滑轮式机构可能太有弹性。

该装置也被发现是稳健的。

特别地，该装置被布置成使得当双缸10处于其展开位置与其缩回位置之间的中间位置时，使用者的脚部基本上处于水平面。

在优选实施例中，为了避免当输出杆26将推力施加在第二交界部12上时第一交界部11由反作用而沿着胫骨向上移动，该装置包括至少一个辅助连接件28，在该示例中，辅助连接件28布置在第一交界部11和使用者的靴子C之间。

优选地，装置具有两个辅助连接件28(在图中仅其中一个可见)，其各自布置在第一交界部11和使用者的靴子C之间。每个辅助连接件28通常布置在双缸10的左右两侧的相应一侧上以及双缸10的外部。

通常，每个辅助连接件28呈棒29的形式，该棒29在第一端处刚性地紧固到第一交界部11，并且在第二端处刚性地紧固到靴子C。

各种棒29形成刚性结构，用于承受由主连接件9产生的力，并且因此避免第一交界部11的不必要的运动，并且特别是避免第一交界部11沿着使用者的胫骨向上移动。

任选地，棒29在它们的第二端处紧固到靴子C。例如，每个棒29被布置成紧固到第一交界部11的侧边缘中的相应一个，并且紧固到靴子C的各外侧中对应的相应一个。

每个棒29也优选地布置成基本上在脚踝围绕该轴线挠曲的轴线上紧固到靴子C。

这用于使第一交界部11相对于使用者的不希望的移动最小化，特别是诸如交界部11沿着使用者的胫骨的滑动。

参考图5，下文是对本发明特定实施例中的动力供应单元3的描述。

在该示例中，动力供应单元3包括动力供应源30，例如，诸如电动机，该动力供应源连接到与第一装置1相关联的第一动力供应构件31和与第二装置2相关联的第二动力供应构件32，因此同一个动力供应源30向动力供应构件31和32两者提供动力。

这对应地限制动力供应单元3的重量还有其尺寸。在本示例中，使用单个动力供应源30是有利的，为了有助于使用者执行行走运动，需要交替地而不是同时地对装置1和2提供动力。

通常，每个动力供应构件31、32包括具有输入轴和输出轴的磁流变液离合器33、34，输入轴连接到动力供应源30。在使用中，当离合器33、34中存在的磁流变液足够粘稠时，输入轴在动力供应源30的旋转驱动下继而驱动输出轴的旋转。如果磁流变液过于液态，则两个轴在旋转时不会被共同约束。通过以这种方式作用于磁流变液的粘度，因此可能控制在两个轴之间传递的扭矩。

这使得能够精细地控制供应到装置1和2的动力。

每个动力供应构件31、32还包括用于将流体传递到相关联的装置的输出机构。为此，每个输出机构包括输出致动器35、36，该输出致动器35、36例如通过皮带-滑轮系统和/或任何其它传动装置(诸如线缆、波顿线缆、链条…)连接到相关联的离合器33、34的输出轴。

特别地，输出轴和输出致动器35、36之间的变速器包括固定到输出轴的驱动滑轮37、38和相关联的从动滑轮39、40以及皮带41、42，皮带41、42的一端附接到驱动滑轮37、38，而其另一端附接到静止结构，皮带41、42也围绕从动滑轮39、40卷绕。此外，输出致动器35、36具有固定到从动滑轮39、40的致动臂43、44，因此输出轴的旋转引起皮带41、42移动，并且因此在致动臂43、44上施加牵引力。举例来说，驱动滑轮37、38和从动滑轮39、40之间的比率可以是2:1，但是可以使用其它比率。

于是，致动臂43、44的运动引起输出致动器35、36中的流体移动，并且因此使通道中的流体向相关联装置1、2移动。

举例来说，输出致动器35、36是单个滚动隔膜缸、没有滚动隔膜的缸、…

关于动力供应单元3的更多信息，可参考2018年5月14日提交的国际申请PCT/CA2018/050570中描述的动力供应单元，并通过引用纳入本文。

自然地，本发明不限于所描述的实施例，并且可以在不超出由权利要求所限定的本发明的范围的情况下提供变型实施例。

通常，尽管上述装置与通用系统相关联，但是该装置可以是独立的。因此，该装置可以具有其自己的动力供应单元，该动力供应单元可以靠近一个或两个交界部、由一个或两个交界部承载，或者布置成与两个交界部隔开。

此外，尽管上述装置与脚踝相关联，但是该装置可以与一些其它关节相关联，例如膝盖、手腕、…。

该装置可以用于许多应用中，并且举例来说，其可以是或形成外骨骼、矫形器、假肢、便携式系统、集成在机器人中的系统…的一部分。

以相同方式，尽管上述装置是由人穿戴的，但也可以由机器人穿戴。

装置的一个或两个交界部可以直接集成在使用者的服装或鞋类中，而不是如上所述紧固至其上。例如，第二交界部可以是使用者靴子的一体部分。

第一腔室可以刚性地紧固到第一交界部，而不是铰接至其。在这种情况下，如果双缸具有一个或多个引导轴，则可以将它们刚性地紧固到第一腔室和/或第一交界部。在这种情况下，输出杆于是可以铰接到第二腔室，而不是刚性地紧固至其。

输出杆可以刚性地紧固到第二交界部，而不是铰接至其。同样地，输出杆于是可以铰接到第二腔室，而不是刚性地紧固至其。杆不需要直接连接到第二腔室和/或第二交界部。举例来说，可以在输出杆与第二交界部和/或第二腔室之间布置皮带-滑轮系统(或任何其它连接机构)。

该装置可以在两个交界部之间具有其它数量的连接件。该装置可以因此具有仅一个连接件。

如果该装置包括辅助连接件，则它们可能与上述描述不同。

例如，可能使用在一端或两端处例如经由枢转接头或球接头铰接的连杆，而不是被刚性地紧固的棒。这将赋予该装置更好的灵活性。举例来说，每个连杆可以在第一端处铰接到第一交界部，并且在第二端处铰接到靴子。例如，当使用两个连杆时，每个连杆可以以布置成使得铰接到第一交界部的相应的侧边缘并且铰接到靴子的对应外部侧。每个连杆也可以布置成基本上在脚踝围绕该轴线挠曲的轴线上铰接到靴子。于是，各种棒将形成刚性结构，用于承受主连接件产生的力，并且因此避免第一交界部的不必要的运动，并且特别是避免第一交界部沿着使用者的胫骨向上移动。

在任何情况下，该辅助连接件或每个辅助连接件都可以在其第二端处以固定方式铰接或紧固到靴子的鞋底，而不是如图所示铰接或紧固到靴子鞋面。以相同的方式，该辅助连接件或每个辅助连接件都可以在其第二端处以固定方式铰接或紧固到第二交界部，而不是如图所示直接铰接或紧固到靴子。举例来说，第二交界部可以至少延伸至脚踝围绕该轴线挠曲的轴线，以使得至少一个辅助连接件可以在该轴线上附接到第二交界部。

辅助连接件应当优选地将其端部的至少一个连结到交界部中的至少一个。

辅助连接件可以包括缸而不是诸如棒或连杆的刚性结构，或者实际上其可以包括带、或者弹簧或弹性类型的回复构件。

辅助连接件可以由第一交界部和/或由第二交界部和/或由使用者的服装或鞋类承载。因此，辅助连接件可以由两个交界部中的相应一个直接承载在其端部的每一端部处。

双缸可以具有除了上述衬套-引导轴组件之外的引导件。例如，引导件可以是伸缩缸或者皮带-滑轮组件。双缸不需要包括引导件，或者其可以具有除了上述之外的一些引导件。

双缸可以自然地(当脚完全返回到地面上)和/或通过从双缸中抽吸流体和/或借助于诸如弹簧的回复构件…而返回到其缩回位置。动力供应单元可以任选地产生扭矩，用以补偿由回复构件产生的任何力。

该装置可以包括这些所述元件之外的元件，例如一个或多个传感器，该传感器用于测量由使用者的脚施加在地面上的力或者由第二交界部施加在靴子上的力或者输出杆推抵第二交界部的区域中施加的力…，并且该传感器可以测量诸如温度、压力、加速度、位置、…的其它参数。

交界部可以具有所描述之外的形状。例如，每个交界部可以是套筒的形状。除了带之外的部件可以用于将交界部附接到使用者，诸如弹性带、钩-环型附接条带(类似如Velcro商标的销售产品)…。

同样，与该装置相关联的动力供应单元可以不同于所述的。例如，动力供应单元不需要在电动机和主致动器之间具有离合器，或者其可以具有不同的离合器，例如非磁流变液离合器的离合器。同样，动力供应单元不需要包括对装置直接提供动力的输出致动器、电动机和/或离合器。动力供应单元可以等同地包括一个或多个减速器。因此，动力供应单元内的元件数量可能有所不同。例如，不同的电动机可以与每个装置相关联，或者实际上，单个离合器可以与多个装置相关联。

所有或一部分的动力供应单元可以由装置承载或者形成该装置的一部分。

该系统可以包括与所述的数量不同的装置，例如，其可以包括单个装置。

Claims (15)

1.一种用于定位在两个部分之间的关节附近的装置，所述装置包括由所述两个部分中的第一部分承载的第一交界部(11)和由所述两个部分中的第二部分承载的第二交界部(12)，所述装置在所述第一交界部和所述第二交界部之间包括至少一个连接件(9)，所述装置的特征在于，所述连接件包括双缸(10)，所述双缸(10)具有通过浮动活塞(23)连接在一起的两个腔室(21、22)，所述两个腔室中的第一腔室连接到所述第一交界部，而所述两个腔室中的第二腔室连接到所述双缸的输出杆(26)，所述杆连接到所述第二交界部，所述第二腔室在使用中经由所述浮动活塞相对于所述第一腔室移动，由此使得所述输出杆能够相对于所述关节的第一部分移动所述关节的第二部分，其中，所述第一腔室、所述第二腔室和所述浮动活塞中的所有三个是中空的。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述输出杆(26)直接安装在所述第二交界部(12)上。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述输出杆(26)铰接到所述第二交界部(12)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述输出杆(26)以固定方式紧固到所述第二腔室(22)。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，包括用于引导所述第二腔室相对于所述第一腔室的滑动的至少一个引导件。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述引导件包括至少一个衬套-引导轴组件。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，包括用于引导所述第二腔室(22)相对于所述第一腔室(21)滑动的两个引导件，所述引导件布置在所述双缸(10)的相对两侧上。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，用于引导滑动的所述引导件位于所述双缸的外部。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，包括至少一个辅助连接件(28)，所述辅助连接件(28)限制所述第一交界部(11)沿着相关联的部分不希望地滑动的任何风险。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述辅助连接件包括棒(29)，所述棒(29)在其至少一端处以固定方式紧固到至少一个所述交界部。

11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述辅助连接件包括连杆，所述连杆在其至少一端处铰接到至少一个所述交界部。

12.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置被形状设计成在使用中定位在使用者的脚踝附近，所述第一交界部(11)定位在使用者的小腿上，而所述第二交界部(12)定位在使用者的脚部上。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述第二交界部(12)被形状设计成与使用者的靴子的鞋底接触。

14.一种系统，所述系统包括根据权利要求1至13中任一项所述的装置，以及用于将流体供应到所述装置的动力供应单元(3)。

15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述动力供应单元包括至少一个磁流变液离合器(33、34)。

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