CN104812352B - 辅助和康复下肢的机器人装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种辅助和康复下肢的机器人装置，尤其是支持人类步行的外骨骼。

Description

辅助和康复下肢的机器人装置

技术领域

本发明涉及一种辅助和康复下肢的机器人装置。

尤其是，该装置构成一种支持人步行的外骨骼。

背景技术

外骨骼是可穿戴的机器人结构，能够：

-辅助运动；

-实施康复治疗；

-提高运动技能；

-记录与使用者步行相关的运动学及动力学信息，由此可以将对象的表现进行后续评估。

用于下肢的外骨骼可以是：

-可在结构化环境和非结构化环境下使用的便携式装置；

-跑步机相关的固定系统。

便携式外骨骼可用于例如使截瘫患者恢复行走，或者辅助运动技能降低的对象。在军事领域，可用于协助士兵搬运重物或远距离步行。

非便携式外骨骼基本上用于医疗领域，主要用于患者的康复目的。这些患者或因创伤或因运动表现的生理性衰退而需要进行运动技能的康复。在相同领域，外骨骼可以用于记录对象的运动，例如定量及客观地评估某个康复方案的有效性。

绝大多数用于辅助运动的机器人系统具有拟人的运动学结构：除去小的对准误差，机器人的接合轴线与人类的接合轴线相匹配。

拟人系统主要的缺点体现在需要将机器人的接合轴线与人类的接合轴线对准，这样是为了避免：i)机器人可能对接合施以有潜在危害的力，以及ii)围套可能会过度摩擦对象的皮肤。因此，要将拟人外骨骼安装在对象的腿上，需要经历一个冗长的预备阶段，在这个阶段要尽量减小机器人接合与人类接合的同轴度误差。

此外，在大多数现有系统中，机器人驱动器放置在与需要驱动的接合同位置的结构上，增加了与附加质量的摆动相关的惯性动作，尤其是在抬腿和前进的过程中(迈步期)。科学文献提供了大量辅助步行的可穿戴式机器人系统的实例，其应用有：提高运动表现，(神经)康复，协助日常活动。

这种装置可以分为两种主要类型：

-自主机器人系统；

-基于跑步机的机器人系统。

自主机器人系统能够在非结构化环境下使用，只要机械结构、电源及控制系统足够紧凑，重量轻，以便穿戴者携带。

文献中记录了自主机器人的实例，它们用于：

·提高健康对象的表现(通常用于运输重物)，无论民用还是军事领域；

·协助有运动障碍的对象，通常由脊髓损伤引起。

借助于跑步机的固定系统通常包括机器人重量平衡系统。这种系统需要对象在跑步机上行走，通常用于康复，例如，用于脑卒中后患者的神经康复。

科学文献中描述的固定装置是由本质上拟人的运动学结构组成。

除了驱动系统(线性驱动器、旋转驱动器等)和传动系统(传送带、电缆等)所采用的特定方案，目前技术水平下的装置具有与人体接合(例如：髋接合，膝接合和踝接合)相对准的驱动旋转接合，以及基本上与人体节段(大腿、小腿、脚)相平行连杆(更为普遍的，与接合互相连结的部分)。

上述设备更进一步的共同特征是机械结构沿人体四肢几乎平均分布。驱动器通常直接装置在感兴趣的接合上(髋接合，膝接合和踝接合)，或者，另一个选择是与适当的传递运动到驱动接合的系统一起，放置在与人体四肢相平行的机械结构上。这两种方案都会导致高质量的集中以及惯性，不仅在近躯体中心的区域(躯干、大腿)，还有躯体远端的区域(小腿、脚)。这种情况意味着使用者在迈步期需要施以很大的力矩/力。

最终，目前技术水平下没有一种辅助下肢的机器人装置：

·具有非拟人的运动学结构，有多个接合(驱动及非驱动)，还有多个比严格复制人腿运动学结构所需更大的连杆；以及不与人类接合相对准的驱动旋转接合；

·机械部件沿肢体不均匀分布，以将躯体远端区域的质量和惯性降至最低，例如迈步期中的摆动。

发明内容

因此，本发明的目的在于解决上述提到的问题，可以通过如下所述的机器人装置达到这个目的：

一种非拟人的外骨骼机器人装置，用于对象下肢的辅助和/或康复，包括骨盆套和运动链，骨盆套可被对象穿戴在他/她骨盆处；并且，对于每一肢，运动链包括：

第一节段，在其一端处铰链连接至骨盆套以实现骨盆接合，并使其另一端铰链连接在第二节段的一端处以实现中间接合；

大腿节段，一端可转动地连接于第二节段，另一端可转动地连接于大腿套；以及

小腿节段，一端可转动地连接于第二节段，另一端可转动地连接于小腿套，

设置成以使得大腿节段和小腿节段在装置运行过程中基本上与对应的肢节段相垂直，对于每个运动链，该装置进一步包括骨盆接合的第一驱动器及中间接合的第二驱动器。

于是，本发明解决的技术问题在于通过提高系统工效学及穿着性能以确保下肢与可穿戴式机器人之间更好的运动相容性。机器人运动学结构的非拟人性质使之成为可能。此外，这种机器人对使用者不同的人体测量尺寸有很好的适应性。在这种机器人结构上排列驱动器具有更大的自由度，使与摆动质量运动相关的惯性效应得以降低。本发明解决了现有技术存在的问题，具有一些明显的优势。

尤其是，非拟人的运动学结构具有确保机器人与人体之间有更好运动相容性的潜力，显著提高系统工效性。其可能性在于解除了(机器人与人类)接合轴线对准的限制，而且这种结构被证实能从本质上弥补在设备穿戴过程中不可避免的细微错误。

此外，驱动器可以不必安置在接合上，还可以安置在躯干和骨盆附近，这降低了摆动质量以及由此产生的惯性效应。本发明提出的解决方案保证了更好的运动相容性，避免或大或小未对准的情况，极大地提高了系统工效性。

被动连杆，例如末端被铰链限制，基本上与躯体节段或四肢的轴线相垂直，它们的存在使装置能够更简单快速地穿戴，确保相互作用力基本上与躯体节段或四肢的轴线相垂直，从而将对产生运动无效的平行力以及可能造成使用者不舒适的原因降至最低。同样的被动连杆，能够围绕限制其末端的铰链自由旋转，也可以使机器人从本质上适应不同体型的使用者。

可以手动改变机器人的连杆长度、倾斜度以及被动接合的位置这一可能性，确保了该装置可以用在人体测量尺寸不同的大多数人身上。

此外，可以将驱动器放置在机器人任何位置(甚至远程)这一可能性，确保了在设计阶段极大的灵活性；将驱动器放置在近人体中心的骨盆高度，使用者在走动中感受到的由远离臀部的质量所产生的惯性将明显降低。

附图说明

以上及其它优点，同本发明的特征和使用方式一起，将在下面的优选实施方式中通过实施例详尽地说明，实施例不用于限制性目的。参见附图，其中：

-图1A、1B、1C分别是本发明装置的立体图、主视图和右视图；

-图2是对象穿戴本发明装置时，其躯体节段所受力的描述；

-图3A、3B、3C是实现本发明装置所选择的拓扑结构的形态学描述；

-图4A、4B是本发明装置可采用的可能的运动链示意图描述；

-图5A至5D是本发明装置中部分可调节机构的细节描述；

-图6A至6C是本发明装置可用的驱动器的视图；以及

-图7A至7C是本发明可供选择的驱动器放置布局的视图。

具体实施方式

在下文中将参照上述附图，对本发明进行详细说明。

尤其是，图1显示了本发明的机器人装置1。

装置1是用于辅助步行和运动康复的可穿戴机器人，它能够辅助臀部和膝盖在矢状面上的屈曲/伸展运动。此外，所述装置还可以作为人类机能增进器以及监控运动的装置使用。

该机器人配备了二自由度(DoF)的平面运动结构。所述结构由与下肢平行相连的运动链组成。人-机器人系统为了确保最适宜的辅助，必须采用不同构型，以与步行动作的特征范围相容。

该装置包括骨盆套，在这里实现了第一个第一驱动器对应的骨盆接合，以及第二个第二驱动器对应的中间接合。骨盆套用柔性材料例如碳纤维制成，以使肢体动作能在冠状面上进行。

运动链包括一个与两端接合旋转相连的第一连接段(连杆)；一个与中间接合旋转相连的第二连接段。

大腿段一端与该段旋转相连，另一端与大腿套旋转相连。

小腿段一端与该段旋转相连，另一端与小腿套旋转相连。

优选的，第二段由两个在角点坚硬地相连的线性部分组成，以形成非180度的角度,大腿段在角点处与第二段铰链连接。

在下文中将更好地说明，该装置能提供大量调节机构，以适应不同的人体测量尺寸。

为达到以上目的，所选择的运动学结构是一种非拟人结构。这类结构实际上确保了使用者穿戴装置时更好的穿着性能，因为不需要将机器人的接合轴线与人的接合轴线相对准。实际上在拟人结构中，这些轴线不完全重合将导致剪切力的产生，例如在装置和肢体接触部位与躯体节段平行的力。这种力无助于辅助步行，还会让使用者产生不适甚至疼痛的感觉。

图2显示了当对象穿戴具有前述运动学特征的机器人结构时，作用在其躯体节段上的力。相互作用力中的两个分力，只有与躯体节段垂直的力(Fd)能起到辅助运动的作用。纵向分力(Fu)与躯体节段相平行，是无辅助作用且有害的剪切力，相连围套的刮擦可能对使用者造成接合创伤及不舒适感。

一个确保将力Fu降至零或者相对于力Fd足以忽略不计的方法在于：

-将围套连接在两端均有铰链的机器人节段上；

-对运动学结构进行尺寸标注，以使所述连接段(连杆)在行走过程中与相应围套连接的躯体节段保持大体垂直。

经过分析能独立辅助髋接合和膝接合的运动学结构所有可能的拓扑结构，我们发现只有其中三种(参见图3A、3B、3C)能产生特定的形态以满足上述两个限制条件(例如，围套与两端均有铰链的连杆相连，所述连杆在步态周期中保持与相应躯体节段大体垂直)。

这三种拓扑结构由四个连杆(其中一个为三元连杆)和六个旋转接合组成，其中两个是驱动接合四个是被动接合。在所有三种情况下，都可以确保沿垂直方向Fd的力传递，对于特定尺寸,靠两端都有铰链的连杆能保持与大腿和小腿的垂直，实现适宜的辅助臀部及膝盖屈曲/伸展的力传递(Fd等于零，且无论如何Fd<<Fu)。

根据本发明的优选实施方式，本装置实现了图3A所示的拓扑结构类型。

相应的运动链如图4A和4B所示。

在这些图中，接合A、D是驱动的机器人接合，而其它四个机器人接合是被动的。连杆BE、CF分别与大腿、小腿大体垂直。连杆DEF是一种三元连杆。骨盆接合H与机器人在大腿上的连接点的距离，定义为HB；而膝接合K与机器人在小腿上的连接点的距离，定义为KC。

任何所述大腿和/或小腿节段，BE及CF，可以各自包括弹性部分。

换言之，所述节段可以通过刚性元件(铰链连接棒)或柔性元件(柔性棒或末端由弹性铰链支撑的棒)实现，示意图如图4B所示。

表格1根据本发明优选实施方式，列出了本装置各个机器人连杆的长度数值。

表格1

当然，以上列出的优选尺寸不应视为必须。

尤其是，第一个线性部分DE长度约为135至235毫米。

第二个线性部分EF长度约为300至400毫米。

角EDF约为1度至30度，因此在角点，两个线性部分可以形成一个约120度至180度的角度。

大腿段BE长度约为30至130毫米。

小腿段CF长度约为50至150毫米。

本装置能够适应使用者不同的体型(高度范围在160厘米至190厘米)。这是通过至少三种可能的调节机构来实现的，如图5A至5D所示。

图5A显示了第一种机构，通过插槽来调节机器人接合在围套上的位置。这种调节机构可以有利地用于本装置所有三个围套。

图5B显示了通过插槽调节连杆DEF长度的机构，以及在额状面调节连杆角度的机构。

图5C显示了一种在额状面调节机器人到人体距离的机构，位于骨盆套位置。

图5D显示了第二种在额状面调节机器人到人体距离的机构，位于大腿套位置。这种在额状面调节机器人到人体距离的机构还用于小腿套位置。

可以有利地在机器人的大腿套位置安装机械挡块，如图5D所示，这样可以防止膝接合过伸以及由此可能对使用者造成的损伤。

本发明所述装置为每肢安装两个驱动器，用以分别驱动图4中的接合A和图4中的接合D。此外，还提供了一种控制及驱动该驱动器的部件。

如图1所示，在这种构型中，驱动器全部排列在使用者的骨盆及躯干高度，以降低步行中由摆动质量产生的惯性效应。

根据本发明的优选实施方式，所述驱动器是齿轮减速电动机，在其减速机构和负载之间插入串联的弹性元件。

图6描述了一种适宜用于本发明的驱动器。

尤其是，每一个驱动器，其电动机(例如无刷直流电机)与图4中的节段AD平行放置。减速系统优选包括一个行星减速齿轮2和一个锥齿轮或准双曲面齿轮6；后者将矢状面上轴线的运动传递到与要驱动的人体接合相平行的轴线上。

所述两级可以实现，以具备大于50％的运动效率，允许适宜的后退动作，能从外部促成移动，甚至当发动机未开启时亦可，从本质上改进机器人的安全性(使用对象实际上可以通过移动他/她的腿来移动机器人：机器人不被当作一个刚性装置)。

准双曲面减速齿轮的下游有一个扭转弹簧7，设计用来承受比电动机传递的最大转矩更大的最大转矩。它包括两个扭转相容的元件，采用层状几何结构设计而成，并以串联构型排列。

控制和驱动该驱动器的部件包括用于探测驱动器角度位置的传感器。

尤其是，所述传感器包括三个编码器：一个编码器(例如解析度约为0.04度)测量到绕组电流整流末端的传动轴转动；两个增量型或绝对型编码器10，(例如解析度约为0.01度)测量扭转弹簧上下游的转动。两个绝对型编码器通过圆柱齿轮连接在弹簧上，例如模数为0.2的圆柱齿轮，作为编码器所获转动的倍频器(例如2：1)。

所述传感器能够测量每个驱动器上安装的弹性元件的形变。所述形变，乘以同一弹性元件的刚度，得到向相应的机器人驱动接合所施加的转矩。同一转矩值可以用作驱动器转矩控制的反馈信号。

与躯体节段接触的围套，在骨盆、大腿和小腿位置，示意图如图1所示。

骨盆套是人-机器人在骨盆位置的接触面，至少是部分柔顺的，以使腿部能在矢状面外活动，由此避免步行中可能对使用者造成的损伤和不舒适感。

大腿套和小腿套能将力从装置传递到使用者。这些围套，可由碳纤维或高分子材料制成，必须足够柔韧以保证穿着性能，同时有一定硬度以传递辅助对象所需要的力。在这些围套上，有一个连接机器人旋转接合的机构。围套可以做成各种尺寸，以便不同体型的使用者穿着。

图7A至7C显示了机器人其它可能的构型。

在这些实施例中，显示了四个驱动器三种不同的排列方式，四个驱动器用于驱动该结构总共四个自由度(两个髋接合及两个膝接合屈曲/伸展)。

在图7A中，驱动骨盆接合的发动机垂直安装在骨盆套背面；通过同步带轮系统将运动从驱动器输出传递到骨盆接合。驱动中间接合的两个驱动器则安装在大腿套上。

在图7B中，驱动骨盆接合的发动机水平安装在骨盆套背面；通过(锥或准双曲面)齿轮机构或丝杠系统将运动从驱动器输出传递到骨盆接合。驱动中间接合的两个驱动器则安装在大腿套上。

在图7C中，驱动接合(骨盆接合及中间接合)的发动机均垂直安装在骨盆套背面；通过电缆系统将运动从驱动器输出传递到接合。

驱动器的构造，包括具有串联柔顺元件的齿轮减速电动机，具有诸多优点，其中：i)扭转弹簧使之具有内在的柔顺性，使电动机与人体结合时具有更高的安全性；ii)能够吸收步行中因脚后跟冲击地面所造成的震动；iii)可以根据弹簧挠度读数来测量传递转矩，不需要使用其它传感器，降低了复杂度及总重量；iv)提高了转矩控制器的稳定性及可靠性；v)降低驱动器的摩擦力及非线性。

通过用适当的方法控制驱动器来提供辅助，例如阻抗控制，或者生成可变刚度及阻尼值的粘弹性转矩。该解决方案能够使系统顺应对象的动作，避免他/她的肢体行动僵硬。

这种辅助步行及康复装置的市场需求不断扩大。这种装置的应用涉及辅助康复的临床领域，该装置可以用于帮助有运动障碍的人士恢复正常行走。这种装置可能的用户有由于衰老导致运动表现呈生理性衰退的人士；由于某种疾病不能正常行走的人士；又或者是困在轮椅上的截瘫患者。

实际上，世界卫生组织(WHO)的统计数据显示，平均人口的老龄化持续上升。2000年时欧洲大于65岁的老年人约有6000万(占欧洲人口的16.4％)。这些数字必然会增长，预测到2050年，老龄人口将增至整个欧洲人口的37％。老年人运动表现尤其是步行相关的生理性衰退必然会有使用这种装置的需求。

此外，根据世界卫生组织的分析，每年有1500万人遭受脑卒中，其中500万人会留下终身残废。在欧洲，每年约有45万人遭受脑卒中并需要运动康复治疗；欧洲有超过2000家临床中心为这类患者提供神经康复治疗。

最后，在美国和欧洲大约有50万被认为是截瘫的脊髓损伤(SCI)患者，而且每年约有2万新增脊髓损伤患者。

本发明的潜在市场包括在康复中心使用这些装置，或者个体使用者将其作为助行器使用。

在康复中心，这个装置能够提高脑卒中后康复治疗的效果，增强患者的参与性。每天的治疗次数及这些中心提供服务的总费用可能会降低，因为所需治疗师的数量及康复疗程持续的时间都会减少。

对于截瘫的使用者，可能使他们重新行走的装置有着无尽的优点。对于他们来说，不用被迫待靠轮椅生活而能够进行正常的日常活动，这个优点是巨大的。这类装置可以取代手动轮椅和电动轮椅；事实上，2011年的轮椅市场据估计约为30亿美元，到2018年将达到70亿美元。

这类装置还被广泛用于提高特定健康人群的运动表现，例如执行任务的士兵，或者需要长途搬运重物的人。

至此，通过优选实施方式对本发明进行了说明。应了解的是，这里用实施例说明的优选实施方式中采用的任何一个技术方案，都可以有利地通过不同组合形成其它的实施方式，均落入相同发明的概念，而且全部包括在权利要求的保护范围中。

Claims (15)

1.一种非拟人的外骨骼机器人装置，用于对象下肢的辅助和/或康复，包括骨盆套和运动链，所述骨盆套可被所述对象穿戴在他/她骨盆处；并且，对于每一肢，所述运动链包括：

第一节段，在其一端处铰链连接至所述骨盆套以实现骨盆接合，并使其另一端铰链连接在第二节段的一端处以实现中间接合；

大腿节段，一端可转动地连接于所述第二节段，另一端可转动地连接于大腿套；以及

小腿节段，一端可转动地连接于所述第二节段，另一端可转动地连接于小腿套，

设置成以使得所述大腿节段和所述小腿节段在所述装置运行过程中基本上与对应的肢节段相垂直，对于每个所述运动链，所述装置进一步包括用于驱动所述骨盆接合的第一驱动器及用于驱动所述中间接合的第二驱动器。

2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括用于控制及驱动所述第一驱动器和所述第二驱动器的部件。

3.根据权利要求1或2所述的装置，进一步包括所述第一节段、所述第二节段、所述大腿节段、所述小腿节段和所述肢节段的多个调节机构。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其中每个所述第一驱动器和所述第二驱动器包括减速机构和弹性元件，所述弹性元件与所述减速机构串联。

5.根据权利要求2所述的装置，其中用于控制及驱动所述第一驱动器和所述第二驱动器的所述部件包括用于探测所述第一驱动器和所述第二驱动器角度位置的传感器。

6.根据权利要求1、2和5中任一权利要求所述的装置，其中所述第一驱动器及第二驱动器基本上放置在骨盆处，与所述骨盆套的外侧部成为一体。

7.根据权利要求1、2和5中任一权利要求所述的装置，其中一个或多个所述驱动器基本上放置在骨盆处，与所述骨盆套的后部连接。

8.根据权利要求1、2和5中任一权利要求所述的装置，其中所述大腿节段和/或所述小腿节段包括弹性部分。

9.根据权利要求1、2和5中任一权利要求所述的装置，其中所述第二节段包括两个线性部分，所述两个线性部分在角点坚硬地连接，以形成非180度的角度。

10.根据权利要求9所述的装置，其中所述大腿节段在所述角点处与所述第二节段相铰链连接。

11.根据权利要求9所述的装置，其中所述两个线性部分中的第一部分长度为135毫米至235毫米。

12.根据权利要求9所述的装置，其中所述两个线性部分的第二部分长度为300毫米至400毫米。

13.根据权利要求9所述的装置，其中所述角度为120度至180度。

14.根据权利要求9所述的装置，其中所述大腿节段长度为30毫米至130毫米。

15.根据权利要求9所述的装置，其中所述小腿节段的长度为50毫米至150毫米。