多活動軸線的非外骨骼式康復設備的制造方法

多活動軸線的非外骨骼式康復設備的制造方法
【專利摘要】一種用于與使用者的附屬肢體相關聯地操作的機器人設備，其中，所述使用者的附屬肢體具有端點，所述機器人設備包括：基部；以及附接到所述基部并且具有端點的機械臂，所述機械臂相對于所述基部具有至少兩個主動自由度，并且配置成使得當所述基部相對于使用者適當地定位時，所述機器人設備的參考系與所述使用者的參考系大致相似地定向，并且所述使用者的附屬肢體的端點的運動通過所述機械臂的端點的運動來模仿。
【專利說明】多活動軸線的非外骨骼式康復設備
[0001]關于聯邦政府資助的研究或開發的聲明
本發明在DARPA所授予的協議號HR0011-12-9-0012下利用政府的支持進行。政府在本發明中具有特定的權利。
[0002]對未決的在先專利申請的引用
本專利申請要求Barrett Technology, Inc.和William T.Townsend等于2013年9月27日提交的題為THREE-ACTIVE-AXIS REHABILITAT1NCAttorney's Docket N0.BARRETT-5 PR0V)的未決的在先美國臨時專利申請序號61/883,367的權益，該專利申請在此通過引用結合于本文中。
技術領域
[0003]本發明涉及用于殘疾人或在其他方面受損的解剖學肢體的康復的設備。
【背景技術】
[0004]—種新的和令人興奮的物理和職業療法的分支是通過計算機引導的機械臂或設備(在特定的實施例中，也稱為“操縱器”，以將它與可以接合它的人的手臂區分)輔助的療法。針對例如中風后康復治療之類的任務使用操縱器系統的潛在益處是顯著的，所述中風后康復治療通常涉及通過一系列重復的運動來移動患者的肢體。存在一些類型的療法，例如錯誤增強(error-augmentat1n)療法，這些療法無法僅通過人類治療師有效地實施。此夕卜，計算機引導的療法能夠使患者參加游戲，從而使體驗更愉快，并且鼓勵更長和更強烈的治療過程，這已知有益于患者。最后，治療師能夠與更多的患者一起工作，并且能夠給患者提供增加的治療持續時間，這是因為治療過程不再受限于治療師的身體耐力。
[0005]—種分類機器人康復系統的有效方式是通過它們所具有自由度或DOF的數量。大多數的商業機器人康復系統落入兩個寬泛的類別中的一個，即:低DOF(通常為一至三個D0F)系統，其位于患者之前；以及高D0F(通常為六個或更多個D0F)的外骨骼系統，其環繞患者的肢體，通常為手臂或腿。二種類別的當前的方法呈現出顯著的不足，這造成很有限地實現了機器人康復療法的潛能。
[0006]低DOF系統通常比高DOF系統廉價，但它們也通常具有較小的運動范圍。例如Watertown，Massachusetts，USA的Interactive Mot1n Technologies的InMot1n ARM ?治療系統或Kingston，0ntar1，Canada的BKIN Technologies的KINARM End-Point Robot^系統之類的一些系統僅限于平面運動，從而大大地減少了它們能夠用于的康復任務的數量。那些不限于平面運動的低DOF系統通常必須應付如下問題，例如避免阻擋患者的視線，如B1Xtreme of Rehovot,Israel的DeXtreme ?系統;提供極其有限的運動范圍，比如對于Mount Laurel ,New Jersey，USA的Motorika Medical Ltd的ReoGO ? 系統；以及不充分地支撐患者的肢體。這些系統中的大多數占據患者之前的空間，從而影響患者的工作空間，增加單一的康復“站”所需的整體占地面積并且消耗康復診所內的寶貴的空間。
[0007]同時，高DOF的外骨骼.式系統，例如 Vo Iketswi I，Switzer land 的Hocoma AG 的 Armeo< ? >Power系統、VolketswiI ,Switzerlanc^aHocoma AG的Armeo ? Spring系統以及美國專利號8，317，730中公開的8+2 DOF的外骨骼式康復系統，要復雜得多，并且因此，一般比類似的低DOF系統昂貴。雖然這樣的高DOF外骨骼式系統通常提供比低DOF系統大的運動范圍，但它們的機械復雜性也使它們笨重，并且它們通常環繞患者的肢體，從而使系統感覺對于患者有威脅和不舒服。此外，人類的關節不按照機器人的方式遵照通過聯接裝置分開的軸線，并且每個人的解剖結構都是不同的，具有不同的骨長度和不同的關節幾何構型。即使利用存在于高DOF系統中的大量的軸線，微調外骨骼系統的關節位置和聯接裝置長度以匹配患者也要花費相當長的時間，并且即使這樣，系統也經常過約束人類的肢體，從而可能造成弊大于利。
[0008]最后，存在一小部分當前可獲得的設備不符合上文所列的兩個類別中的任何一個:例如，高DOF的非外骨骼式設備或低DOF的外骨骼式設備。到目前為止，這些設備一般遭受二個類別的弱點，而沒有利用任一種的長處。一個特別值得注意的示例是Kingston，Ontar1 ,Canada的BKIN Technologies的KINARM Exoskeleton Robot ?，其是設計用于人類和非人類的靈長類動物中的雙手和單手的上肢康復和實驗的外骨骼式康復設備。如Kingston，0ntar1，Canada的BKIN Technologies的KINARM End-Point Robot? ，KINARMExoskeletal Robot ?系統僅為每個肢體提供兩個自由度，從限制了它能夠進行的康復訓練的范圍。同時，通過實施外骨骼式的設計，KINARM Exoskeletal Robot ?設備能夠給患者的肢體提供一些附加的支持，但以顯著地增加設備的尺寸、成本、復雜性和設置時間為代價。
[0009]雖然機器人輔助的物理和職業療法給許多患者群體提供了巨大的前景，但現有技術尚未匹配該前景。如先前示例已示出的，當前的治療設備過于簡單和受限，從而僅允許最基本的訓練，并且經常在過程中干擾患者;或過于復雜和笨重，從而使得設備昂貴、令患者生畏并且使治療師難以使用。因此，仍然需要新穎的設備和方法，其能夠以相對低的價格采取簡單、無干擾和受歡迎的形狀因素給患者和治療師提供執行復雜的2-D和3-D康復訓練的能力。

【發明內容】

[0010]本發明跨越低DOF康復設備和高DOF康復設備的類別，從而提供了低DOF系統的可用性、機械簡單性和相對應的可負擔能力，以及高DOF系統的減小的占地面積、運動范圍和改進的支撐能力。本發明包括相對少量的主動(有動力的)D0F，在優選實施例中為三個主動D0F，但是本發明的新穎性特征能夠在具有其他數量的DOF的系統中實施，所述少量的主動DOF使設備的成本和復雜性降低至遠低于高DOF外骨骼式系統。然而，由于如在下文中進一步解釋的在至今的非外骨骼式系統中獨特的系統對患者的創新的位置和定向關系，本發明的設備享有先前限于高DOF外骨骼式系統的優點，例如更優化的轉矩位置關系、更好的與患者的工作空間重疊和更大的運動范圍。此外，已發現的是，繩索差速器的新的實現(其中，相對于設備的遠側聯接裝置，差速器輸入被用作俯仰軸線，并且差速器輸出被用作偏擺軸線)允許功率驅動器(例如，電機)的質量和體積(bulk)遠離患者的工作空間和視野轉移到系統的基部。通過結合這兩個主要的創新，即，設備相對于患者的定向和位置和具有特殊運動學的繩索差速器的實現，以及其他創新，本發明提供了一種獨特的康復設備，所述康復設備填補康復市場的需求，并且能夠實現各種各樣的康復任務。顯著地，本發明使得能夠實現一種用于雙手康復的新的方法，所述雙手康復即一種新型的康復治療，其中，通常為手臂的多個肢體同時進行康復，在所述新的方法中，康復訓練能夠通過使用兩個相似的設備在患者的兩個不同的肢體上同時并且以協調的方式在三維中進行。
[0011]在本發明的一種優選形式中，提供了一種非外骨骼式康復設備，其具有少至2個主動自由度，其中，所述設備被定向和定位成使得它的參考系與患者的參考系大致相似地定向，并且患者的端點的運動通過所述設備的端點的運動來模仿。
[0012]在本發明的另一優選形式中，提供了一種非外骨骼式康復設備，其具有少至2個主動自由度，其中2個自由度通過繩索差速器來聯接。
[0013]在本發明的另一優選形式中，提供了一種方法，其中，被設計成能夠在三個或更多個自由度上引起運動的康復設備與相似的第二設備雙向地配對，并且用于雙手康復，所述康復設備能夠容易地重新配置以允許右手使用和左手使用二者，并且相對于患者定位成使得兩個設備可以被同時使用，而不彼此干擾。
[0014]在本發明的另一優選形式中，提供了一種用于與使用者的附屬肢體相關聯地操作的機器人設備，其中，使用者的附屬肢體具有端點，所述機器人設備包括:
基部；以及
附接到所述基部并且具有端點的機械臂，所述機械臂相對于所述基部具有至少兩個主動自由度，并且配置成使得當所述基部相對于使用者適當地定位時，所述機器人設備的參考系與所述使用者的參考系大致相似地定向，并且所述使用者的附屬肢體的端點的運動通過所述機械臂的端點的運動來模仿。
[0015]在本發明的另一優選形式中，提供了一種用于操作與使用者的附屬肢體相關聯的機器人設備的方法，其中，使用者的附屬肢體具有端點，所述方法包括:
提供機器人設備，其包括:
基部；以及
附接到所述基部并且具有端點的機械臂，所述機械臂相對于所述基部具有至少兩個主動自由度，并且配置成使得當所述基部相對于使用者適當地定位時，所述機器人設備的參考系與所述使用者的參考系大致相似地定向，并且所述使用者的附屬肢體的端點的運動通過所述機械臂的端點的運動來模仿；
相對于所述使用者定位所述基部，使得所述機器人設備的參考系與所述使用者的參考系大致相似地定向，并且將所述使用者的附屬肢體附接到所述機械臂；以及移動所述使用者的附屬肢體的端點和所述機械臂的端點中的至少一個。
【附圖說明】
[0016]通過以下對本發明的優選實施例的詳細描述，本發明的這些和其他的目的和特征將更充分地公開或變得明顯，所述詳細描述應當與附圖一起考慮，在附圖中，相同的附圖標記表示相同的部分，并且進一步在附圖中:
圖1和圖2為示出了根據本發明形成的機器人設備的一種優選形式的示意性前向透視圖；
圖3和圖4為不出了圖1和圖2的機器人設備的不意性頂視圖； 圖5A、圖5B和圖5C為示出了圖1和圖2的機器人設備可如何使用“向下疊放”、“持平疊放”或“向上疊放”的構造的示意性前向透視圖；
圖6和圖7為示出了圖1和圖2的機器人設備的所選部分的細節的示意圖；
圖8A、圖SB和圖SC為與現有技術的設備的橫滾-俯仰配置和俯仰-橫滾配置相比示出了圖1和圖2的機器人設備的俯仰-偏擺配置的示意圖；
圖9為示出了本發明的機器人設備如何可從右手使用轉換至左手使用的示意性頂視圖；
圖10為示出了用于雙手康復的兩個機器人設備的示意圖；
圖11為示出了機器人設備如何可與外部控制器通信的示意圖；以及圖12示出了一對機器人設備如何可與外部控制器通信，所述外部控制器又促進設備之間的通?目O
【具體實施方式】
[0017]首先看圖1，其示出了一種新穎的多活動軸線(mult1-active-axis)的非外骨骼式機器人設備5，其適于各種機器人輔助療法和其他應用。機器人設備5—般包括基部100、內聯接裝置105、外聯接裝置110以及用于將外聯接裝置110耦接至患者、通常耦接至患者的肢體(例如，如圖1中所示，患者的手臂120)的耦接元件115。
[0018]圖1中所示的優選實施例具有三個自由度，但是本領域技術人員將理解的是，本發明可以包括更少或更多數量的自由度。三個自由度理論上提供接近笛卡爾空間中的所有位置的能力，所述能力受所述設備的運動學限制的影響，例如關節限制、聯接裝置長度和傳輸范圍等。為了產生那三個自由度，機器人設備5包括三個轉動關節(revolute joint)，在圖1中示出為:關節Jl，其提供繞軸線125的俯仰;關節J2，其提供繞軸線130的偏擺；以及關節J3，其提供繞軸線135的偏擺。在優選實施例中，這些關節被實施如下。關節Jl為俯仰關節，并且包括部段138，所述部段138在大致U形的框架140內旋轉。關節J2為偏擺關節，并且包括垂直于部段138附接的第二部段145。該部段145包含第三部段150，其在部段145內旋轉。在優選實施例中，這兩個關節(即，關節Jl和關節J2)通過繩索差速器(cabled differential)來聯接，如將在下文中論述的。關節J3也是偏擺關節，并且通過內聯接裝置105與關節J2分離。如將在下文中論述的，繩索傳動將促動關節J3的電機(并且其與關節J2的軸線130同軸定位，如將在下文中論述的)連接到關節J3的輸出；該繩索傳動運行通過內聯接裝置105。應當注意的是，雖然已發現該特定的實施例是優選的，但本發明也可以按照替代性實施例來實施，包括但不限于:
-具有替代性的運動學的設備，例如，三個關節采取偏擺-俯仰-偏擺的布置結構；
-使用例如移動關節(prismatic joint)之類的其他類型的關節的設備；以及 -實施其他驅動技術的設備，例如齒輪傳動系、傳送帶、液壓驅動等。
[0019]為了提供附加的自由度，不同的端點附接裝置可以被設置在耦接元件115的位置處，以允許對患者的肢體定向的不同程度的控制，或提供附加的治療方法(t h e r a P e u t i cmodalities)。作為示例但非限制，不同的端點附接裝置可以包括用于執行線性康復訓練的單DOF端點附接裝置;或通過使得能夠實現對患者肢體的定向的控制，使得能夠實現更復雜的運動的三DOF端點附接裝置;或主動控制的多DOF端點附接裝置。通在優選實施方式(SP，圖1中所示的機器人設備5)中將機器人設備的核心中的自由度的數量減少至三，機器人設備的設計被極大地簡化，從而降低了成本，同時維持設備提供包括三維康復治療的范圍廣泛的康復服務的能力。
[0020]接著看圖1和圖6，其示出了本發明的優選實施例的構造的另外的細節。所述機器人設備的優選實施例包括以下四個運動學框架(運動學框架):
1)地面運動學框架，其包括當設備處于使用中時大致靜態的所有部件；
2)關節Jl的運動學框架，其包括僅繞關節Jl的軸線125旋轉的所有非傳動(non-transmiss1n)部件；
3)關節J2的運動學框架，其包括可僅繞關節Jl的軸線125和關節J2的軸線130旋轉的所有非傳動部件；
4)關節J3的運動學框架，其包括可繞關節Jl的軸線125、關節J2的軸線130和關節J3的軸線135旋轉的所有非傳動部件。
[0021]在該運動學框架的定義中，排除了傳動部件以簡化定義:傳動裝置(transmi s s i on )內的滑輪可以遠離給定的關節定位，但與該關節一起旋轉。類似地，可以使系統中的一些滑輪借助多于一個軸線的運動而旋轉，例如，當它們是例如在本發明的優選形式中所采用的繩索差速器的一部分時。
[0022]在優選實施例中，關節Jl和J2通過使用與美國專利號4，903，536中所公開的相似地設計的繩索差速器的傳動裝置來實施，該專利在此通過引用結合于本文中。
[0023]如美國專利號4，903，536中所述，繩索差速器是差動傳動裝置(differentialtransmiss1n)的一種新穎的實現，其中，具有共同的旋轉軸線的兩個輸入滑輪(例如，在圖6中所示的機器人設備5中的滑輪505)被耦接到共同的第三輸出滑輪(例如，圖1和圖6中所示的機器人設備5中的滑輪540)，所述第三輸出滑輪被固定到星形臂(spider)或托架(例如，圖1和圖6中所示的機器人設備5中托架541)。該托架能夠獨立于那些滑輪繞兩個輸入滑輪的共同的旋轉軸線旋轉。同時，輸出滑輪能夠繞垂直于所述共同的旋轉軸線以及與之重合(coincident with)的軸線旋轉。兩個輸入滑輪被耦接到輸出滑輪，使得在三者之間建立差分關系(differential relat1nship)，其中，輸出滑輪(例如，機器人設備5中的滑輪540)的旋轉與兩個輸入滑輪(例如，機器人設備5中的滑輪505)的旋轉的和成比例，并且托架(例如，機器人設備5中的托架541)的旋轉與兩個輸入滑輪的旋轉的差成比例。在機器人系統中，差速器的托架的旋轉被用于產生系統繞一個旋轉軸線(在優選實施例中，繞關節Jl的軸線125)的運動，并且差動傳動裝置的輸出的旋轉(S卩，輸出滑輪540的旋轉)被用于產生系統繞第二旋轉軸線(在優選實施例中，繞關節J2的軸線130)的運動。使用繩索差速器使得這兩個運動能夠通過固定到較低的運動學框架(在優選實施例的情況下，固定到地面運動學框架)的電機產生。這大幅地減小了設備的移動質量，從而改進了設備的動態性能和感受。在優選實施方式中，該傳動裝置包括兩個電機500、輸入滑輪505、輸出滑輪540等，如在下文中論述的。
[0024]換言之，如美國專利號4，903，536中所述，繩索差速器是差動傳動裝置的一種新穎的實現，其中，具有共同的旋轉軸線的兩個輸入滑輪(例如，機器人設備5中的滑輪505)被耦接到共同的第三輸出滑輪(例如，機器人設備5中的滑輪540)，所述共同的第三輸出滑輪繞垂直于輸入滑輪軸線的軸線旋轉，并且被固定到繞輸入滑輪軸線旋轉的托架(例如，機器人設備5中的托架541)。兩個輸入滑輪被耦接到輸出滑輪，使得在三者之間建立差分關系，其中，輸出滑輪的旋轉與兩個輸入滑輪的旋轉的和成比例，并且托架的旋轉與兩個輸入滑輪的旋轉的差成比例。該機構產生繞兩個軸線(例如，關節Jl的軸線125和關節J2的軸線130)的旋轉，同時允許產生那些運動的電機被固定到較低的運動學框架，從而減小了設備的移動質量，并且改進了動態性能和感受。在優選實施方式中，該傳動裝置包括兩個電機500、輸入滑輪505、輸出滑輪540等，如在下文中論述的。
[0025]換言之，如美國專利號4，903，536中所述，繩索傳動裝置是差動傳動裝置的一種新穎的實現，其中，兩個輸入滑輪(例如，滑輪505)被連接到共同的第三輸出滑輪(例如，滑輪540)，使得輸出滑輪的旋轉與兩個輸入滑輪的旋轉的和成比例，并且差速器托架(例如，托架541)的旋轉與兩個輸入滑輪的旋轉的差成比例。在優選實施方式中，該傳動裝置包括兩個電機500、輸入滑輪505、輸出滑輪540等，如在下文中論述的。
[0026]如在圖6中看到的，繩索傳動裝置優選地包括固定到地面運動學框架(例如，基部502)的兩個電機500，所述兩個電機500通過繩索571和572的長度被耦接到輸入滑輪505，所述繩索571和572通常為鋼索(wire rope)，但可替代地為天然纖維、合成纖維或一般認定為繩索的形式的一些其他構造，所述繩索571和572被附接到電機500的小齒輪510，繞小齒輪510沿相反的方向圍繞但具有相同的手征性(chirality)，并且終止于輸入滑輪505的外徑515上。這些輸入滑輪505繞關節Jl的軸線125旋轉，但由于繩索差速器的性質，它們的旋轉可以產生設備繞關節Jl的軸線125、繞關節J2的軸線130或同時繞兩個軸線的旋轉;此外，這些輸入滑輪505不被固定到前述的關節Jl的運動學框架或前述的關節J2的運動學框架。按照美國專利號4，903，536，這些輸入滑輪505包括兩個大的外徑515，以及一系列基本上較小的階梯式的外徑520、525、530和535。這些較小的階梯式的外徑520、525、530和535通過繩索的另外的長度耦接至輸出滑輪540，所述輸出滑輪540包括一系列階梯式的外徑545、550、555和560，這些外徑545、550、555和560基本上大于它們在輸入滑輪505上所耦接到的階梯520、525、530和535。該輸出滑輪540繞關節J2的軸線130旋轉，并且被固定到關節J2的運動學框架。已發現，能夠有用的是，使關節J2的運動范圍關于與關節J2重合并且垂直于關節Jl的平面對稱，因為這有利于轉換設備的手征性，如下所述。
[0027]通過在滑輪系列(S卩，輸入滑輪505和輸出滑輪540)中實施該組直徑關系，通過繩索傳動裝置實現了逐步提高的傳動比。在優選實施例中，在電機小齒輪510和輸入滑輪505之間實施8.51的傳動比，并且在輸入滑輪505和輸出滑輪540之間實施1.79的傳動比，從而產生15.26的電機小齒輪510和輸出滑輪540之間的最大傳動比。貫穿該繩索傳動裝置，以及本發明的所有繩索傳動裝置，注意確保將給定的繩索的直徑和它折轉(bend over)的最小直徑之間的比率保持在1:15或更小。當繩索折轉較小的直徑時發生的較大比率已知顯著地減少繩索的疲勞壽命(fatigue life)。
[0028]現在仍看圖6，輸出滑輪540的遠側為另一繩索傳動裝置，其包括電機565，所述電機565從其電機小齒輪570通過繩索576、577耦接到中間滑輪575，所述中間滑輪575又通過繩索578、579耦接到輸出滑輪580。這些傳動繩索被包含在內聯接裝置105內，所述內聯接裝置105被固定到前述的關節J2的運動學框架。在該附加的傳動裝置中，未實施差速器元件。與美國專利號4，903，536中教導的繩索傳動裝置的設計一致，在電機小齒輪570和中間滑輪575之間的繩索傳動的第一階段被設計成是橫跨較大距離的高速、較低拉力的傳動階段;而在中間滑輪575和輸出滑輪580之間的繩索傳動的第二階段被設計成是橫跨非常短的距離的低速、較高拉力的傳動階段。在該傳動中，中間滑輪575、輸出滑輪580和關節J3的關節軸線135基本上在電機565的遠側，這是通過在電機小齒輪570和中間滑輪575之間實施長的繩索運行來實現的設計。
[0029]如美國專利號4，903，536中所述，該設計具有如下益處，S卩:使電機565的質量朝向機器人設備的基部移動，從而降低了系統的慣量。在優選實施方式中，電機的質量被定位成與關節J2的軸線130同軸，并且盡可能接近關節Jl的軸線125，從而降低了繞兩個軸線的慣量。在所示的優選實施方式中，該設計是特別有價值的，這是因為電機565的質量靠近關節J2的軸線130和關節Jl的軸線125 二者移動，從而降低了繞兩個軸線的慣量。在電機小齒輪570和中間滑輪575之間優選地實施1.89的傳動比，并且在中間滑輪575和輸出滑輪580之間優選地實施5.06的傳動比，從而產生9.55的電機小齒輪575和輸出滑輪580之間的最大傳動比。
[0030]本文所列出的所有傳動比已基于一系列因素優化，包括:
-設備聯接裝置的長度；
-設備部件繞軸線的慣量和力矩；
-設備相對于患者的預期位置；
-電機瞬時峰值和持續的轉矩極限；
-電機控制器輸出電流容量，以及電機電流容量；
-設備壓服(overpower)患者/被患者壓服的期望的能力；以及 -患者的預期的峰值輸出力。
[0031]此優化過程是大規模的并且是至少部分地定性的；不在本文中重現所述優化過程，這是因為隨著上述因素改變，過程及其結果二者都將顯著地改變。基于從多個來源和內部實驗采集的數據，這些力估計為:
-遠離/朝向患者的身體推/拉:45N -在患者之前向上/下:15N -在患者之前左/右側向:17N
應當注意的是，大量的安全因素已被應用于這些估計。
[0032]在關節J3的輸出滑輪580之外，一般存在外聯接裝置110(圖1、圖6和圖7)，所述外聯接裝置110通過機構590連接到關節J3的輸出滑輪580(圖6和圖7)，所述機構590允許相對于關節J3的輸出滑輪580來調整外聯接裝置110的位置。實施該機構590(圖6中未完全示出，但在圖7中示出)有利于逆轉機器人設備的手征性，本文中描述這樣做的重要性和方法，所述機構590在一個優選實施例中允許外聯接裝置110的位置繞關節J3的軸線135相對于關節J3的輸出滑輪580移動若干度(在一個更優選的實施例中為172.5度)。在優選實施例中，借助于撥動鎖593(例如，如通常在自行車的前叉上找到的那些)通過靠著中央轂592(所述中央轂592以剖面圖在圖7中示出)夾兩個突出部591來執行該機構590。突出部591和中央轂592的接觸面如圖7中所示逐漸變小(taper)，以沿橫向于力施加的方向的方向定位這些部分，并且增加夾持的部分能夠抵抗的轉矩的量。已發現，重要的是確保錐體(處于突出部591和中央轂592的接觸面處)為非鎖定類型，使得系統不會卡塞。該機構590允許外聯接裝置110翻過(flipped across)與關節J3的軸線135重合的平面，而不是繞關節J3的軸線135旋轉。雖然這最初看起來似乎是微小的區別，但當利用特定類型的端點附接裝置實施時，利用翻動而不是旋轉的機構能夠顯著地減少逆轉機器人設備的手征性所需的時間。還存在這里未示出的在機械臂的領域中公知的類型的其他部件，所述部件被用于確保機構590到達其期望位置，并且確保機構的位置在操作期間不移動。作為示例而非限制，這些部件可以包括對于機械臂的領域中的技術人員而言公知的類型的限位開關、磁體、鎖緊裝置等。還存在單獨的機構，其允許從機構590移除外聯接裝置110，這有利于在不同類型的端點附接裝置之間轉換。在圖7中所示的優選的構造中，這通過鎖緊裝置594實施，所述鎖緊裝置594將外聯接裝置110牢固地夾持在管狀構件595內，所述管狀構件595被牢固地附接到突出部591。該鎖緊裝置594當機器人設備在使用中時接合，但可以被釋放以允許移除外聯接裝置110。
[0033]機器人設備5還包括板載控制器和/或外部控制器(鑒于本公開，其所具有的類型對于本領域技術人員而言將是顯而易見的)，以便控制機器人設備5的操作。作為示例而非限制，圖11示出了外部控制器578如何可以被用于控制機器人設備5的操作和/或接收來自機器人設備5(其中，機器人設備5可以具有或者也可以不具有板載控制器)的反饋。
[0034]還可以存在包括在機器人設備中的其他部件，所述部件在機器人設備的領域中是公知的，但為了保持本發明的主題清楚的目的在本文中未示出或描繪，所述部件包括但不限于:促動機器人設備的電機(例如，電機500和565)的電氣系統；用于控制機器人設備的操作的其他計算機或其他控制硬件;用于機器人設備的附加的支撐結構(例如，安裝平臺);機器人設備的覆蓋件和其他安全或美學部件；以及用于患者的結構、接口和/或其他設備(例如，相對于機器人設備定位患者的設備、供患者在與機器人設備交互時查看的視頻屏幕、患者支撐裝置，例如但不限于在使用機器人設備時供患者坐上的輪椅等)。
[0035]本發明的一些具體的創新方面將在下文中進一步詳細地論述。
[0036]非外骨骼式設備
如上文所論述的，機器人設備5為非外骨骼式康復設備。外骨骼式康復設備一般理解為具有以下特性中的一些或全部的那些設備:
?穿過患者的肢體關節軸線/與患者的肢體關節軸線同軸的關節軸線，通常其中，每個患者關節與至少一個設備關節匹配；以及
?捕獲在進行康復的患者的肢體中的每一個的設備部件，通常牢固地將每個肢體部段約束于設備的一個構件。
[0037]在圖1中，示出了患者的肩部的關節軸線的簡化表示:外展(abduct1n)和內收(adduct1n)軸線600、屈曲(flex1n)和延伸軸線605以及內部和外部的旋轉軸線610。圖1中還示出了患者的肘關節的軸線615。如圖1所示，機器人設備5關節軸線J1、J2和J3有意地與患者的關節軸線600、605、610和615非同軸。此外，在優選實施例中，患者的肢體120僅在耦接元件115處被連接到機器人設備5，或被所述耦接元件115捕獲。在本發明的其他實施例中，在患者和機器人設備之間可以存在多個耦接點，這些耦接點可以部分地或完全地圍繞患者的肢體;然而，本發明的機器人設備的大多數結構不捕獲患者的肢體。
[0038]因為滿足這兩個條件(S卩，機器人設備的關節軸線J1、J2和J3不意在與患者的關節軸線600、605、610和615同軸，并且因為患者的肢體未被機器人設備5的主要部件圍繞)，本發明的機器人設備不是外骨骼式康復設備。雖然當前存在許多非外骨骼式康復設備，但本設備的非外骨骼式設計是區分它與現有技術的關鍵特性，這是因為設備結合了外骨骼式設備的許多有益特性，同時避免了外骨骼式設計與生倶來的成本和復雜性。
[0039]機器人設備和患者的運動學關系
此外，圖2和圖3示出了坐標參考系160的患者(包括向上軸線161，前鋒軸線162和一個右軸線163)，以及一個坐標參考系170機器人設備5(包括向上軸線171，正向軸線172和右軸線173)。這些參考系160、170的位置和定向定義了運動的關系在之間(i)機器人設備5和其聯接裝置105、110，以及(ii)患者和它們的肢體:機器人設備5設計使得它的運動模擬那些患者的，在中即給定的運動患者的端點在中參考系的患者將160匹配通過一個大致相似的的機器人設備5設備的端點在中參考系170運動。這種關系是到許多的設備的創新方面定義重要，如下所示。
[0040]在進一步解釋這個概念之前，提供一些術語是有幫助的。“患者參考系”(SPRF)160和“設備參考系”(或DRF)170，如這里使用的，位于和定向通過的患者和設備恒定的物理特性。如圖2和圖3中所示，PRF160的起源是限定在處的基部患者的肢體被耦接到機器人設備，并且被認為是固定在中空間。“向上”矢量161，這將被視為一個“Z”的矢量在中一個右手坐標系統，是限定到從指向該原點在中通常接受的“向上”方向(與重力的方向)。“前向”矢量162同樣限定在中通常接受的“前向”方向，在之前患者。更確切地說，它被當作一個“Y”矢量在中一個右手坐標系統，并且是限定作為部件矢量指向從原點到中心的肢體的工作空間是垂直于“向上”矢量。最后，“右”矢量163指向患者的右側。嚴格限定，它被視為一個“X”矢量在中一個右手坐標系統，并且是因此限定通過其他兩個矢量。因此，一個參考系160是限定為患者位于和定向完全通過不斷的物理特性和特征。雖然這個坐標框架的定義已經被執行在中圖2和3對患者的手臂，這種定義方法能夠容易地被延伸到其他肢體，例如腿。
[0041]限定相似的參考系用于機器人設備。原點放置在處形心的基部關閉機器人設備5，這必須也是固定在中空間。“前進”矢量172是作為限定部件矢量指向從產地到的設備的工作空間的幾何形心的。“向上”矢量171和“右”矢量173可以被限定在中任意方向，只要下列條件滿足它們:
1)它們相互垂直；
2)它們二者都垂直于“前向”矢量172;
3)它們的定義滿足一個右手坐標系統其中，“向上”矢量171被視為為Z矢量，“右”矢量173被視為一個X矢量，并且“前進”矢量172被視為A Y矢量;以及
4)優選地，但不是必須的，“向上”矢量171被定向盡可能以通常接受的“向上”方向(與重力的方向)。
[0042]在中一些情況下，例如與ReoGO ?武裝勞雷爾山，新澤西州，美國的Motorika醫療設備有限公司的康復系統，前述條件“4)”不能滿足，因為設備的“前進”矢量已經指出在中大致接受“起來“方向；因此，”向上“矢量可以是任意限定符合三個條件先前。下面是更詳細介紹這種情況。
[0043]當時現有康復設備被分離成外骨骼式和非外骨骼式設備按照上述的說明中，進一步的區分在之間這些兩個組變得顯而易見基于此定義參考的系。在中外骨骼式設備，機器人設備和患者與它們的參考系中操作(如限定以上)定向大致類似地:“上”，“右”和“前進”對應大致相同的方向對二者患者和機器人設備與錯位在之間分別任意一方向在中PRF和DRF的優選地不大于60度(S卩“正向”方向在中DRF將偏離無多于60度，從“前進”方向在中PRF)，并且優選地不大于45度。同時，迄今為止，非外骨骼式設備在中哪些機器人設備和患者參考系是大致定向類似地在中這種方法尚未建立。設備可今天是定向相對于患者在中許多不同的方法的，包括以下內容:
-DRF可以是旋轉180°各地“漲”軸線相對于PRF使得設備“面孔”朝向患者，或90°，使得設備“面孔”垂直于患者:例如，在中水城互動迅通科技的了 InMot1n ARM ?系統，美國馬薩諸塞州，東奧羅拉，美國紐約的穆格Incorporated的HapticMaster觸覺系統；以色列雷霍沃特的B1Xtreme的DeXtreme ?手臂；金士頓，加拿大安大略省BKIN科技或KINARM終點機器人?。在DeXtreme ?臂的情況下，例如，設備被設計成可同時位于在之前患者使用。它的工作空間，這是大致形狀像急性部正圓柱體的段輻射從設備的基部，同樣面臨著朝向患者。用于生成當時的坐標參考系設備的工作空間與上文，“前進”方向-這點從的設備基部形心來形心的設備的工作空間-將中找到指向朝向患者。因此，設備的參考系是不定向相似于該患者的。
[0044]-另外，DRF可以b旋轉90°繞“正確”的軸線相對于PRF使得設備的“前進”軸線是平行于患者的“向上”的軸線；或其他組合。一個示例是ReoGO ?手臂勞雷爾山，新澤西州，美國，在設備的基部下方坐在患者的手臂進行康復，并且其主鏈路延伸到患者的手臂Motorika醫藥有限公司康復系統。它的工作空間是大致圓錐形，與位于在處形心的設備的基部錐尖。當時一個坐標參考系為生成設備正如上文所述，“前進”矢量的設備將被發現有相同的方向為“向上”矢量在中患者的參考系。因此，設備的參考系是不定向相似于該患者的。
[0045]-最后，設備像圣塞瓦斯蒂安-圣塞瓦斯蒂安，西班牙Tecnalia?的ArmAssist設備可以不具有可定義的DRFC3ArmAssist設備是一個小型的移動平臺，它被設計成坐在上桌面在之前患者。患者的手臂附接到設備，然后圍繞桌面到提供康復療法移動。因為ArmAssist設備是完全移動，一個固定原點不能限定為它按照方法上面概述，并且它是不相關的討論。
[0046]本發明的機器人設備就是第一非外骨骼式設備而被設計成與患者及其參考系170定向大致相似于參考系160進行操作。這個創新允許機器人設備利用優點被其它限制外骨骼式設備，包括:
?減少干擾視線或身體的患者的線，因為機器人設備不需要坐下在之前/于患者的一側。
[0047]?更優化的位置關系在之間患者和設備，由于力臂在之間設備和患者端點和它們的關節是直接成比例與I另一，而不是成反比成比例與I另一是在中其他設備。例如，當時設備的連接裝置的延伸，患者的肢體進行康復將是大致延伸為好。雖然設備不能夠產生盡可能多的力量在處的端點，它能夠當時端點接近設備的關節，患者的動力輸出能力將得到同樣減小了。類似地，當時患者的肢體是承包和動力輸出最大化，設備的端點將接近它的關節，并且其端點輸出力能力將最大化。
[0048]?更好的工作空間重疊在之間患者和設備，因為設備的聯接裝置延長其從基部在中相同的一般方向是患者的肢體伸展身體從。
[0049]就像一個外骨骼式設備，機器人設備5大致患者的模仿動作的肢體，在中設備的該端點跟蹤患者的肢體，并且一個給定運動在中參考系的160患者產生運動在中一個大致相似的方向在中設備的參考系170。例如，如果患者移動它們的肢體向右在中患者的參考系160，設備的聯接裝置將大致右移在中設備的參考系170，如中所示圖4。然而，不像外骨骼式設備，個人聯接裝置和的機器人設備不一定模仿運動各個部分的或的患者的關節肢體，即使端點機器人設備的可跟蹤患者的端點關節。如圖4中所示，在優選實施例中，運動在之前患者造成二者患者的肢體和聯接裝置的機器人設備5105，110擴展;通過對比，在中圖4，運動到最右側患者導致患者的肢體弄直聯接裝置105，110，而機器人設備5彎曲。通過操作沒有這個約束(即，個別聯接裝置的機器人和關節設備不一定模仿運動各個部分或患者的肢體的關節)，機器人設備5可避免的弱點固有在中外骨骼式設備，特別是散裝的許多，復雜性，直接復制一個肢體的運動學相關的成本和設置時間。
[0050]由于需要對這種區別在之間本發明的機器人設備和外骨骼式設備(S卩，一個關系不能容易地被限定在之間患者的肢體和聯接的機器人設備裝置)，有必要界定關系在之間機器人設備和患者作為基部的功能，端點的機器人設備和患者和定向。通過定義設備和患者參考系在中這種方式，先前聲明說機器人設備5設計使得它的運動模擬患者的那些，在中即給定的運動患者的端點在中參考系的患者將被匹配160通過一個大致相似的的運動設備的端點在的機器人設備5中參考系170“如本文中所述被滿足僅當時機器人設備5被定向相對于患者。
[0051]一系列簡單的邏輯測試已開發，以幫助在中確定是否設備是否滿足標準以上概述。對于這些測試，設備被假設為在中其典型操作位置和配置相對于患者，并且是一個PRF是限定為患者的肢體進行康復如上所述。
[0052]I)設備外骨骼式康復設備，如限定以前？
a.是:設備不滿足標準-標準僅適用于非外骨骼式設備。
[0053]b.否:繼續。
[0054]2)能夠原點是被固定相對于全球參考系和設在處形的基部心設備是限定？ a.是:繼續。
[0055]b.否:設備不滿足標準-標準不適用于移動設備。
[0056]3)考慮設備的工作空間，并且找到了幾何形心工作空間。能夠“向前”或Y矢量被限定在之間設備的工作空間和設備的原產幾何形心？
a.是:繼續。
[0057]b.否:設備不滿足標準。
[0058]4)與上文相對于前進矢量能夠“向上Z矢量和”右‘X矢量被限定？
a.是:繼續。
[0059]b.否:設備不滿足標準-這很可能是設計比設備在這里透露一個顯著不同的康復模式。
[0060]5)有工作的空間設備和患者定向大致類似地，在中說的二者協調參考系是否有大致相同的方向，以“右X，”前進Y和“向上”7 Z矢量小于度在之間的任何一對矢量的一個選定數目的偏差？(在優選實施例中，這是優選地小于60度，并且更優選地小于45度)。
[0061]a.是:繼續。
[0062]b.否:設備不滿足標準概述-它是定位不同的相對于患者比設備這里列出。[0063 ] 6 )被關閉運動患者的端點模仿或跟蹤通過相似的的運動設備的端點？
a.是:設備滿足概述的標準。
[0064]b.是:設備不滿足概述的標準。
[0065]迄今為止，還沒有設備有多于2自由度，其他比這里描述的系統，已經發現，成功地傳遞這一系列測試的。
[0066]說另一方式，大致相似的定向在之間患者和設備能夠被檢查通過識別“前進”方向對二者使用者和設備。在中患者的情況下，“前進”方向能夠被限定為一般方向從患者的臂基部進行康復，沿患者的肢體，朝向患者的端點當時是在處位置最通常訪問在期間使用的設備的。在中設備的情況下，“前進”方向能夠被限定為一般方向從設備的基部，沿設備的聯接裝置，朝向設備的端點當時是在處位置最通常訪問在期間使用的設備的。如果“向前”方向設備和的“前進”方向的患者是大致平行(例如，優選地以小于60度的偏差的，并且更優選地具有小于45度的偏差)，則設備和使用者能夠是說是大致類似地定向。
[0067]系統的一般位置
一種優選的本發明就是中所示的圖3和圖4，其中機器人設備5是定位在側實施例，并且略微在之后，患者(在中這種情況下，關節Jl的軸線125在之后，或重合與，患者的冠狀平面)。在本實施例中，參考系170的機器人設備5和參考系160的患者是定向大致類似地，如上所述。機器人設備5保持了患者的工作空間和視線，使其二者在物理和視覺上顯得突兀。工作空間機器人設備和患者重疊高度。運動范圍允許通過這個定位還是相當大的，如中所示圖4，并且接近或超過允許通過高自由度的外骨骼式系統。
[0068]應當注意的是，雖然該布置(S卩，與機器人設備5定位到的，側并且略微在之后，患者)已被發現是優選的某些康復療法，有其他實施例在中哪些機器人設備5是定位不同相對于患者其可以更適合于其他的應用，例如用作觸覺輸入/控制設備，或其他康復活動。例如，在中的高級-階段手臂康復，在中情況下患者是和達到了遠從設備的情況下，它可以證明的最佳放置機器人設備略微在之前患者。
[0069]聯接裝置疊放順序
接著看圖5A，5B圖和圖5C，一些新穎的系統的實現顯示其中，設備的聯接裝置105,110都安排(有序)在中不同的方向，以方便不同的活動。通過示例的方式但不作為限制，圖5A示出了一個配置稱為“疊放-down”配置，在中其中外聯接裝置的機器人設備5110是附的機器人內聯接裝置105接到側設備5，允許設備達到上述從患者，向下，向它們的肢體(附接通過耦接元件115)。圖5C示出了一個配置稱為“疊放-up”配置，在中其中外聯接裝置的機器人設備5110是附的內聯接裝置的機器人設備5105，允許設備到達接到頂側從以下患者，向上，向它們的肢體(附通過耦接元件115接)。二者的實現可以提供最佳的在中不同的情況。“向下疊放”變體不太可能與患者的手臂干擾，因為它的位置上面在期間康復活動患者的工作空間，并且可以證明是，高功能康復患者誰需要擴展工作空間更加有用。相反，“向上疊放”變體是更好的能夠支撐患者的手臂，并且不太可能與患者的視覺工作空間干涉;它更適合于低功能患者。圖5B示出了一個配置稱為“持平疊放”配置，在中其中外聯接裝置的機器人設備5110是附接到的內的機器人設備5聯接裝置105，并且耦接元件115是底側的外聯接裝置110附接到頂部，允許設備達到患者使得患者的前臂與內聯接裝置105大約持平。
[0070]具有替代性配置的繩索差速器圖6圖示了本的一個重要方面發明，S卩，利用繩索差速器(參見，例如，美國專利號4903536)在中康復設備。優選的實施例機器人設備5包括三個轉動關節Jl，J2和J3，實施在中俯仰-偏擺-偏擺配置(圖1)，與第一兩個關節(即，Jl和J2)聯接在中繩索差速器如中所示圖6。如中所示圖6中，使用的繩索差速器允許一個電機是將通常被安裝在上一個較高級別的運動學框架被向下移動到一個較低的水平框架。例如，在優選實施例中中所示的圖6，電機500導致旋轉繞關節Jl和關節J2移動從前述關節Jl運動學框架(其中旋轉繞關節Jl的軸線125下降到前述地面運動學框架(地面框架;與置100基部在圖1中)。這顯著減少慣量的電機500移動需要，從而提高了的機器人性能的設備和降低其成本通過允許被使用500更小的電機。盡管這是實施在優選實施例中在處的機器人設備基部，原理在之后這個設計是有效的任何地方沿一個設備的運動鏈。這為的康復尤為重要創新在中環境設備，因為它的能力，以降低設備的成本，這必須保持在較低水平，以確保設備的商業成功。此配置也允許獨占使用的旋轉(而不是移動關節)關節，從而大大地簡化了設備的設計。低慣量也提高了設備安全性通過降低設備的勢頭。最后，這種創新也最大化的可用性通過允許視覺散裝設備被移開從患者的視線朝向基部設備的。而這個概念作為康復設備具有三個自由度在優選實施例中，它顯然適用于其他康復設備具有少至兩個自由度的一部分執行。
[0071]此外，在優選實施例中中所示的圖1和圖6，實施繩索差速器與輸入和輸出軸線(即，軸線輸入滑輪505和輸出滑輪540)二者垂直于遠側鏈接軸線(S卩，軸線沿內聯接裝置105)提供一個繩索差速器，同時允許獨特的俯仰的好處-偏擺運動的安排，使這個設備如此適合康復使用。先前的繩索差速器小號的實現要么被安排在中俯仰-橫滾配置例如巴雷特科技公司的在中巴雷特WAM產品。牛頓，MA如圖所示在處700在中圖8C，或在中一個橫滾-俯仰配置例如在中巴雷特WAM手腕產品如在處720在中圖8B。在中二者的這些實現(S卩，俯仰-橫滾配置700圖SC和橫滾-俯仰配置圖SB的720)，無論是遠側鏈路(S卩，鏈接超越差速器在中運動鏈)或近端鏈接(即，前差速器在鏈接中運動鏈)是永久同軸與兩個中的一個差速器的旋轉軸線。在中的俯仰情況下-橫滾配置700圖SC的，外聯接裝置710始終同軸，以差速器輸出軸線705;在中橫滾-俯仰配置圖8B的720，內聯接裝置725始終同軸以差速器輸入軸線730。
[0072]迄今為止，然而，繩索差速器未被使用在中一個配置在那里都不差速器軸線是同軸向的聯接裝置之一。這個配置已經成功地實施在優選實施例中的本發明，因為看到在中二者圖6(見俯仰-偏擺的配置關節Jl和J2相對于內的設備105聯接裝置)和在中圖8A其中新穎的俯仰-偏顯示擺配置740。這個新的實現繩索差速器的創新使運動配置一樣，使用在中本發明。
[0073]雙手多維康復訓練和設備設計
圖9示出了如何優選實施的機器人設備5例是最優的轉換從右手到左手使用的目的。機器人設備5實質上是整個平面平行于患者的正中矢狀平面和重合與關節J2的軸線130對稱。通過簡單地確保范圍關節J2是對稱繞先前描述的平面，并且使外聯接裝置110被逆轉繞關節J3的軸線135使得它的運動范圍就是對稱繞前面平面在描述中任一位置，設備的手征性能夠容易地被逆轉，從而使其能夠在患者的身體上右側或任左側用作在圖9中看出。
[0074]最后，圖10圖示了如何天生的對稱性和的機器人設備5可逆的手征性，其獨特的工作位置/定向和小尺寸允許兩個單位的機器人設備結合使用同時進行三維雙手康復。在中雙手康復，受災肢體配對與非受災肢體在中康復活動，包括合作的任務，例如使用二者肢體解除的對象；以及啟發任務，其中健康的肢體“驅動器”折磨肢體。雙手康復的值(從一個神經肌肉損傷例如中風，它能夠使神經系統復雜的任務就像協調運動的執行特別康復在中方面在之間肢體在上身體極度困難的兩側)，早在1951年的理論，并且已經在過去20年里取得了顯著的牽引力。請參閱“雙手訓練筆劃后:有兩個手總比一個人好?” Rose，Dorian K.and ffinstein, Carolee J.Topics in Stroke Rehabilitat1n; 2004 Fall; 11(4):20-30.。機器人康復設備都非常適合這種類型的療法，由于它們的能力能夠精確地控制運動的患者的肢體和與其他康復設備坐標。在中示范實施中所示的圖10，第一機器人設備5連接到患者的折磨右臂，而第二機器人設備5是連接到一個功能更強大的左臂。機器人設備都聯接到彼此共同的通過一些類型的控制器(例如，因為看到在中圖12，外部控制器578的通信與板載的二者機器人設備5控制器，同時促進通信在之間兩個設備)，協調康復療法。雖然此示例論證的優選實施例的機器人設備使用的圖像，它可以被理解的是，基本概念雙手康復可以是實施與任何各種設備，即使那些設備是不同的。然而，也有顯著優點于使用兩個相似的機器人設備5雙手康復，這是下面的披露，并且由此導致了新穎的方法為雙手康復。
[0075]機器人設備5此處描述的第一非平面康復設備為目的而設計這種類型的雙設備，同時使用在中一個三維雙手系統。如前所述，機器人設備的先天對稱性允許其手征性是容易地逆轉，允許相同的機器人設備設計是用于二者的權利和左側肢體的康復。此外，設備的小巧方便同時使用兩個系統中，如中所示圖10。雖然其他設備，例如沃克茨維爾，瑞士，是Hocoma AG的Armeo ?電源系統類似地可逆的，大小這些系統和它們的位置相對于患者排除了它們的使用在中一雙手康復系統，自基部兩個系統將干涉。也有一些設備已經被故意設計為雙手康復，例如金士頓，加拿大安大略省BKIN科技KINARM外骨骼?和終點?機器人。然而，如上所述，這些設備是故意限于平面的(二維)康復療法，顯著影響它們的對患者效用。
[0076]存在一種已知的一個系統的示例是名義上能夠執行有限的3維雙手康復療法與僅單手驅動，即，第三代鏡像運動使能器(MME)康復機器人，開發成一個合作項目在之間的部退伍軍人事務部和美國斯坦福大學在中1999年。請參閱“Development of robots forrehabilitat1n therapy: The Palo Alto VA/Stanford experience, Burgar et.al.Journal of Rehabilitat1n Research and Development.Vol.37 N0.6，Nov/Dec2000, pp.663-673”。第三代機器人MME—個包括PUMA-560工業機器人固定到患者的折磨肢體，并且被動六軸線MicroScribe的數字轉換器固定到夾板，這是在中打開親接到患者的健康的肢體。在系統的雙手模式中，健康的運動檢測肢體通過數字化和傳遞給機械臂，其中移動健康肢體受苦肢體使得其運動鏡那些。雖然這種系統能夠執行有限的雙手康復療法，它是從根本上限制通過信息的單向流動在內系統:信息能夠被從健康的肢體來折磨肢體傳遞，但不回從患有肢體健康的肢體，因為數字化儀被動和不有無電機或其他機構，用以施加力在上患者的健康的肢體。
[0077]本文所述在中實施，使用的兩個相似的，積極的機器人設備5-在優選實施方式中，具有相似的運動學，關節范圍，力輸出限制靜態狀語從句和動態性能特點-支持雙向信息流(即，雙向信息流其中，二者設備發送，接收，和響應信息從其他設備)，創造了雙手康復系統是能夠和潛在的受災二者健康和肢體，移動患者的患病肢體在中三個維度監控位置控制其定向同時，并且可選提供并發力反饋，支持或其他力量輸入到健康的肢體。例如，機器人設備連接到患者的健康的肢體能夠被用于“驅動”機器人設備連接到患者的折磨肢體，而同時支持健康的肢體，以防止疲勞，并且提供力反饋，以健康的肢體按要求通過療法。在中這方面已發現的是，繩索驅動器用于在優選實施方式本的中發明特別適合由于繩索傳動變速器的高機械帶寬這種類型的使用;然而，替代性的實施例可以是實施使用替代性的機械驅動系統。無論具體實施，這個雙向信息流-當時執行在之間兩個相似的設備與促進這里所描述的特點-允許設備是用于遠更廣泛的三維雙手康復療法比現有技術系統和實現方法披露于此。
[0078]本發明的附加應用
在中前面的介紹，本發明就是論述在中其康復設備的應用環境。然而，這將可以理解的是，本發明可以在中利用其他應用程序，例如需要高保真力反饋的應用。通過示例的方式但不作為限制，這些應用可以包括用作輸入/觸覺反饋設備用于電子游戲，對于其他機械設備，例如工業機械臂或施工機械，或作為用于檢測設備位置，一個控制器即作為數字化儀或三坐標測量設備。
[0079]優選實施例的修改
應當理解的是，許多額外的變化在中細節，材料，步驟和已和說明在中為了解釋自然界在這里描述的部分，安排本發明，可以通過本作領域技術人員，其余的仍在內原則本的和范圍發明。
【主權項】
1.一種非外骨骼式康復設備，具有少至2個主動自由度，其中，所述設備被定向和定位成使得它的參考系與患者的參考系大致相似地定向，并且患者的端點的運動通過所述設備的端點的運動來模仿。2.根據權利要求1所述的設備，其特征在于，所述設備大致位于一側并且略微位于患者之后。3.根據權利要求1所述的設備，其特征在于，所述設備的自由度中的兩個通過繩索差速器來聯接。4.根據權利要求3所述的設備，其特征在于，所述繩索差速器被配置成使得輸入軸線和輸出軸線二者都垂直于所述繩索差速器遠側的聯接裝置的軸線。5.根據權利要求1所述的設備，其特征在于，位于地面框架之外的運動學框架上的電機沿較低框架的關節軸線定位，或以其他方式定位成最小化它們對所述設備的慣量的影響。6.根據權利要求1所述的設備，其特征在于，所述設備被設計成在標準使用期間關于平行于患者的正中矢狀平面的平面對稱，并且允許右手使用和左手使用二者，而無需顯著地重新配置。7.根據權利要求1所述的設備，其特征在于，所述設備的遠側聯接裝置按照特定的方式來安排，以提供特定的益處。8.根據權利要求7所述的設備，其特征在于，所述設備的遠側聯接裝置被向下疊放，以最大化運動范圍，并且避免與患者的碰撞。9.根據權利要求7所述的設備，其特征在于，所述設備的遠側聯接裝置被向上疊放，以防止對患者的視覺干擾，并且提供更大的臂支撐。10.根據權利要求1所述的設備，其特征在于，所述設備僅包括旋轉關節，并且不包括移動關節。11.根據權利要求1所述的設備，其特征在于，替代性的端點附接裝置可以被固定到所述設備，以允許不同類型的康復活動。12.根據權利要求1所述的設備，其特征在于，所述設備在俯仰-偏擺-偏擺配置中包括3個機動的旋轉自由度，其中，前兩個關節通過繩索差速器來聯接，其中，用于第三關節的促動器沿第一關節的軸線定位，以減少它對所述設備的整體慣量的影響，并且其中，所述設備被設計成有利于逆轉所述設備的手征性。13.根據權利要求1所述的設備，其特征在于，所述設備與相似的第二設備配對，并且用于雙手康復。14.一種非外骨骼式康復設備，具有少至2個主動自由度，其中2個自由度通過繩索差速器來聯接。15.根據權利要求14所述的設備，其特征在于，所述繩索差速器被配置成使得輸入軸線和輸出軸線二者都垂直于遠側聯接裝置的軸線。16.根據權利要求14所述的設備，其特征在于，所述設備大致位于一側并且略微位于患者之后O17.根據權利要求14所述的設備，其特征在于，位于地面框架之外的運動學框架上的電機沿較低框架的關節軸線定位，或以其他方式定位成最小化它們對所述設備的慣量的影響。18.根據權利要求14所述的設備，其特征在于，所述設備被設計成在標準使用期間關于平行于患者的正中矢狀平面的平面對稱，并且允許右手使用和左手使用二者，而無需顯著地重新配置。19.根據權利要求14所述的設備，其特征在于，所述設備的遠側聯接裝置按照特定的方式來安排，以提供特定的益處。20.根據權利要求19所述的設備，其特征在于，所述設備的遠側聯接裝置被向下疊放，以最大化運動范圍，并且避免與患者的碰撞。21.根據權利要求19所述的設備，其特征在于，所述設備的遠側聯接裝置被向上疊放，以防止對患者的視覺干擾，并且提供更大的臂支撐。22.根據權利要求14所述的設備，其特征在于，所述設備僅包括旋轉關節，并且不包括移動關節。23.根據權利要求14所述的設備，其特征在于，替代性的端點附接裝置可以被固定到所述設備，以允許不同類型的康復活動。24.根據權利要求14所述的設備，其特征在于，所述設備在俯仰-偏擺-偏擺配置中包括3個機動的旋轉自由度，其中，前兩個關節通過繩索差速器聯接，其中，用于第三關節的促動器沿第一關節的軸線定位，以減少它對所述設備的整體慣量的影響，并且其中，所述第三關節具有延伸的運動范圍，以有利于在右手使用和左手使用之間轉換。25.根據權利要求14所述的設備，其特征在于，所述設備與相似的第二設備配對，并且用于雙手康復。26.—種方法，其中，被設計成能夠在三個或更多個自由度上引起運動的康復設備與相似的第二設備雙向地配對，并且用于雙手康復，所述康復設備能夠容易地重新配置以允許右手使用和左手使用二者，并且相對于患者定位成使得兩個設備可以被同時使用，而不彼此干擾。27.一種用于與使用者的附屬肢體相關聯地操作的機器人設備，其中，所述使用者的附屬肢體具有端點，所述機器人設備包括: 基部；以及 附接到所述基部并且具有端點的機械臂，所述機械臂相對于所述基部具有至少兩個主動自由度，并且配置成使得當所述基部相對于使用者適當地定位時，所述機器人設備的參考系與所述使用者的參考系大致相似地定向，并且所述使用者的附屬肢體的端點的運動通過所述機械臂的端點的運動來模仿。28.—種用于操作與使用者的附屬肢體相關聯的機器人設備的方法，其中，所述使用者的附屬肢體具有端點，所述方法包括: 提供機器人設備，其包括: 基部；以及 附接到所述基部并且具有端點的機械臂，所述機械臂相對于所述基部具有至少兩個主動自由度，并且配置成使得當所述基部相對于使用者適當地定位時，所述機器人設備的參考系與所述使用者的參考系大致相似地定向，并且所述使用者的附屬肢體的端點的運動通過所述機械臂的端點的運動來模仿； 相對于所述使用者定位所述基部，使得所述機器人設備的參考系與所述使用者的參考系大致相似地定向，并且將所述使用者的附屬肢體附接到所述機械臂；以及移動所述使用者的附屬肢體的端點和所述機械臂的端點中的至少一個。
【文檔編號】A61H1/02GK105979919SQ201480065122
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2014年9月29日
【發明人】W.T.湯森, D.威爾金森, A.詹科, J.勒蘭, A.阿南塔納拉亞南, J.佩頓
【申請人】巴萊特技術有限責任公司