CN119365157A - 用于支撑矫形装置的紧凑型全范围运动和多自由度结构 - Google Patents

Abstract

位于单一生物力学平面内的紧凑型多自由度（DoF）支撑结构，用于支撑矫形装置，允许使用者在所有生物力学计划中的全范围运动。支撑结构包括：支撑带，其被配置为围绕使用者身体固定；和多DoF运动元件，其包括额状面旋转DoF机构、横向面旋转DoF机构和矢状面旋转DoF机构，从而允许多自由度（DoF）支撑结构来支撑矫形装置，同时允许使用者在所有生物力学计划中的全范围运动。

Description

用于支撑矫形装置的紧凑型全范围运动和多自由度结构

相关申请的交叉引用

本申请要求于2022年6月2日提交的美国临时专利申请No.63/348,211的权益，该申请通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及一种用于支撑矫形装置的紧凑型全范围运动（RoM）和多自由度（DoF）结构。

背景技术

连接腰部上方和下方的外骨骼和矫形器等髋部对齐装置，用于为各种使用者需求提供结构和机械辅助，但代价是使用者髋部活动性降低。这是人体髋部的自然解剖结构的结果，并且需要附接的装置在不失去传递力的能力的情况下与人体髋部的轴线保持对齐。存在涉及大型机械布置或牺牲一个或更多个髋部活动的自然轴线（通常是外展/内收和/或内旋/外旋）的解决方案，但代价是佩戴笨重/繁琐或活动受限的装置。

此外，带有髋部和膝盖致动器的传统下肢外骨骼倾向于使用髋部致动器来辅助髋部矢状面中的运动。与使用者的髋关节轴线对齐的自由度允许髋部在正面和水平面中的运动。通常避免离轴自由度，因为当使用者将髋部移动到矢状面之外时，轴位移会对大腿部分产生机械约束。

因此，需要轻量、外形小的解决方案，该解决方案能够对齐外骨骼/矫形器并允许在髋关节之间舒适地传递力，而不会限制使用者的自然关节活动性。

发明内容

本公开提供了一种紧凑型多自由度（DoF）支撑结构，其位于单一生物力学平面内，用于支撑矫形装置，允许使用者在所有生物力学计划中的全范围运动，该支撑结构包括：

支撑带，其被配置为围绕使用者的身体固定，通过第一互联装置连接到多DoF运动元件，多DoF运动元件包括第一旋转DoF机构、第二旋转DoF机构和第三旋转DoF机构，第一旋转DoF机构通过第二互联装置连接到第二旋转DoF机构，第二旋转DoF机构通过第三互联装置连接到第三旋转DoF机构，第一旋转DoF机构、第二旋转DoF机构和第三旋转DoF机构中的每一个唯一地选自包括额状面旋转DoF机构、横向面旋转DoF机构和矢状面旋转DoF机构的组；

多DoF运动元件还包括附接机构，该附接机构用于将矫形装置连接至多DoF运动元件；

其中，在使用中，紧凑型多自由度（DoF）支撑结构支撑矫形装置，同时允许使用者在所有生物力学计划中的全范围运动。

本公开还提供了紧凑型多自由度（DoF）支撑结构，其中，支撑带包括零刚度材料、无限刚度材料或刚度不同于零和无穷大的材料。

本公开进一步提供了紧凑型多自由度（DoF）支撑结构，其中，支撑带包括选自包括织物、泡沫、塑料和金属的组的材料。

本公开还进一步提供了紧凑型多自由度（DoF）支撑结构，其中，额状旋转DoF机构、横向旋转DoF机构和矢状旋转DoF机构采用选自包括枢轴、铰链、被动旋转机构和主动旋转机构的组的机构的形式。

本公开仍进一步提供了紧凑型多自由度（DoF）支撑结构，其中，额状旋转DoF机构、横向旋转DoF机构和矢状旋转DoF机构包括零刚度材料、无限刚度材料或刚度不同于零和无穷大的材料。

本公开还提供了紧凑型多自由度（DoF）支撑结构，其中，额状旋转DoF机构、横向旋转DoF机构和矢状旋转DoF机构包括选自包括织物、泡沫、塑料和金属的组的材料。

本公开进一步提供了紧凑型多自由度（DoF）支撑结构，其中，矫形装置是被动矫形器或动力矫形器。

本公开还进一步提供了紧凑型多自由度（DoF）支撑结构，其中，第三旋转DoF机构是矢状面旋转DoF机构，并且附接机构是将第三旋转DoF机构被动地联接到矫形装置的离轴矢状面平移DoF机构，其中，离轴矢状面平移DoF机构是自调节可变长度结构，该自调节可变长度结构允许第三旋转DoF机构和矫形装置之间的距离变化，从而防止未对准对生物关节的活动施加物理约束。

本公开仍进一步提供了紧凑型多自由度（DoF）支撑结构，其中，离轴矢状面平移DoF机构是棱柱关节或圆柱关节的形式。

本公开还提供了提供了紧凑型多自由度（DoF）支撑结构，其中，矫形装置包括选自包括踝关节、膝关节、髋关节、腕关节、肘关节和肩关节的组的关节，该关节与相应的使用者的关节对齐。

本公开进一步提供了紧凑型多自由度（DoF）支撑结构，其中，支撑带被配置为在髋关节上方围绕使用者的躯干或腰部固定、在肩关节上方围绕使用者的肩部固定、在膝关节上方围绕使用者的腿部固定或在肘关节上方围绕使用者的手臂固定。

附图说明

以下将仅参考附图以示例的方式描述本发明的实施例，其中：

图1是根据本公开的说明性实施例的紧凑型全范围运动（RoM）和多自由度（DoF）结构的示意性侧视图；

图2是全范围运动（RoM）和多自由度（DoF）髋部结构的第一替代实施例的示意性侧视图；

图3是图2的全范围运动（RoM）和多自由度（DoF）髋部结构的立体图；

图4是图2的全范围运动（RoM）和多自由度（DoF）髋部结构的2DoF运动元件的正面立体图；

图5是全范围运动（RoM）和多自由度（DoF）髋部结构的第二替代实施例的示意性侧视图；

图6是图5的全范围运动（RoM）和多自由度（DoF）髋部结构的立体图；

图7是全范围运动（RoM）和多自由度（DoF）髋部结构的第三替代实施例的示意性侧视图，以及

图8A和图8B是离轴矢状面平移DoF机构形式的附接机构的替代实施例的立体图，其以第一肢体位置（图8A）和第二肢体位置（图8B）示出。

不同图中使用的相似附图标记表示相似的部件。

具体实施方式

总体而言，本公开的非限制性说明性实施例提供紧凑型全范围运动和多自由度（DoF）支撑结构，其位于单一生物力学平面内，用于支撑矫形装置（例如支架、矫形器或具有下肢部件的外骨骼），允许使用者根据运动方向进行全范围髋部运动。有利地，支撑结构足够刚度，以便在矢状面中将髋关节活动传递到使用者髋部（即髋部屈曲/伸展运动），同时允许其他使用者髋部活动（即髋部内旋/外旋和髋部外展/内收），包括骨盆和膝关节之间的平移活动的最大运动自由度。

髋部支撑结构还提供离轴联接结构，从而使髋部结构在矢状面上是完全刚性的，以便将髋部运动完全传递到矫形结构髋关节或致动器，同时为使用者提供2DoF，以允许在水平（内旋/外旋）面和正面（外展、内收）上活动。那些2DoF的旋转轴线不需要与使用者的髋部旋转轴线对齐。在髋部支撑结构附接到不具有膝关节的下肢矫形器或外骨骼的情况下，这种轴位移所产生的效果只是大腿结构沿大腿向上或向下滑动。如果矫形器或外骨骼配备有需要与使用者膝关节对齐的膝关节或致动器，则髋部结构配备有滑动股骨干，从而可以移除由这种轴位移产生的机械约束。

应当理解，髋部支撑结构被配置为与矫形装置或包括下肢部件的外骨骼一起使用，并且外骨骼可以进一步包括或不包括上肢部件。

参见图1，紧凑型全范围运动（RoM）和多自由度（DoF）髋部结构（1）包括支撑带（11），支撑带（11）被配置为围绕使用者的躯干或腰部定位，至少一个互联装置（41）在矢状面上横向固定到该支撑带（11）。互联装置（41）连接到多DoF运动元件（20），多DoF运动元件（20）包括额状面旋转DoF机构（21）、横向面旋转DoF机构（22）和矢状面旋转DoF机构（23）。这些DoF机构（21、22、23）通过互联装置（42）和互联装置（43）相互连接。DoF机构（21、22、23）的顺序并不重要，例如，三个DoF机构（21、22、23）中的任何一个通过互联装置（41）连接到支撑带（11），其余两个DoF机构中的任何一个通过互联装置（42）连接到第一DoF机构，剩余的DoF机构通过互联装置（43）连接到第二DoF机构。多DoF运动元件（20）本身被配置为通过附接机构（44）连接到矫形装置（30），附接机构（44）例如能够是髋关节。

额状面旋转DoF机构（21）允许矫形装置（30）围绕外展/内收轴线运动。横向面旋转DoF机构（22）允许矫形装置（30）围绕内/外旋转轴线运动。至于矢状面旋转DoF机构（23），其允许矫形装置（30）围绕屈曲/伸展轴线运动。在说明性实施例中，矢状面旋转DoF机构（23）能够是相关联的矫形装置（30）的髋关节。

应当理解，DoF机构（21、22、23）能够独立地由自由铰链和枢轴制成，或由塑料、泡沫、聚合物和织物等柔性材料制成。柔性材料的薄度结合其弹性允许矫形装置（30）通过弯曲围绕外展/内收轴线运动，并且通过扭转围绕内/外旋转轴线运动，同时限制在屈曲/伸展轴线上的运动。

在另一说明性实施例中，附接机构（44）是矢状面平移DoF机构，其补偿由DoF机构（21、22、23）与使用者的天然关节不共轴产生的使用者的关节与矫形装置（30）关节之间的未对准，从而防止矫形装置（30）在该区域的未对准对使用者的生物关节的活动施加物理约束。因此，使用者的腿部的运动不会受到阻碍。

在另一说明性实施例中，DoF机构（23）为矫形装置（30）髋关节，并且矢状面平移DoF机构（44）将矫形装置髋关节（23）联接至膝盖和/或髋部矫形装置。

应当理解，这种紧凑型全范围运动（RoM）和多自由度（DoF）结构（1）能够用于使用者的髋部或其他关节（例如肩部、肘部、手腕、膝盖和脚踝）处，其中，矢状面平移DoF机构（44）将矫形装置（30）的和使用者的近端关节对齐的第一关节（23）联接到矫形装置（30）的和使用者的远端关节对齐的第二关节或侧节段，从而防止矫形装置（30）在该区域的未对准对生物关节的活动施加物理约束。因此，使用者的肢体（腿部或手臂）的运动不会受到阻碍。

参考图2和图3，示出了全范围运动（RoM）和多自由度（DoF）髋部结构（1’）的第一替代实施例，其包括在矢状面上与使用者的髋关节旋转中心对齐并且固定在支撑带（11）上的2DoF运动元件（20’），该支撑带（11）被配置为围绕使用者的躯干或腰部定位。

该2DoF运动元件（20’）上设有附接机构（44），以将矫形装置（30）附接至2DoF运动元件（20’）。2DoF运动元件（20'）允许附接机构（44）围绕外展/内收轴线（15）以及围绕使用者的髋部的内/外旋转轴线（16）运动，同时限制在屈曲/伸展轴线（17）上的运动。因此，允许或限制使用者的髋部运动的运动取决于运动的方向。

参见图4，2DoF运动元件（20’）采用万向架的形式，该万向架带有固定的外环形式的互联装置（41）以及分别为中环和内环形式的可枢转互联装置（42）和（43）。互联装置（41）固定到支撑带（11）以限制在屈曲/伸展轴线（17）上的运动（参见图3）。以第一组枢轴的形式的额状面旋转DoF机构（21）可枢转地连接在互联装置（41）和互联装置（42）之间，从而允许附接机构（44）围绕使用者髋部的外展/内收轴线（15）运动（参见图3）。以第二组枢轴的形式的横向面旋转DoF机构（22）可枢转地连接在互联装置（42）和互联装置（43）之间，从而允许附接机构（44）围绕使用者髋部的内/外旋转轴线（16）运动（参见图3）。

参考图5和图6，示出了全范围运动（RoM）和多自由度（DoF）髋部结构（1’’）的第二替代实施例，其包括在矢状面上与使用者的髋关节旋转中心对齐并且固定在支撑带（11）上的2DoF运动元件（20’’），该支撑带（11）被配置为围绕使用者的躯干或腰部定位。

该2DoF运动元件（20’’）上设有附接机构（44），以将下肢矫形装置（30）附接至2DoF运动元件（20’’）。2DoF运动元件（20’’）允许附接机构（44）围绕外展/内收轴线（15）以及围绕使用者的髋部的内/外旋转轴线（16）运动，同时限制在屈曲/伸展轴线（17）上的运动。因此，允许或限制使用者髋部运动运动取决于运动方向。

2DoF运动元件20’’的上部部分24的薄度结合2DoF运动元件20’’和支撑带（11）的构造中使用的材料的弹性，允许附接机构（44）通过弯曲围绕外展/内收轴线（15）运动并且通过扭转围绕内/外旋转轴线（16）运动，同时限制在屈曲/伸展轴线（17）上的运动。

参考图7，示出了全范围运动（RoM）和多自由度（DoF）髋部结构（1’’’）的第三替代实施例，其包括前额面内收（21’’’）DoF机制和外展（22’’’）DoF机制，以及互联装置（43）或髋部执行器支撑件（44’’’）。

现在参考图8A和图8B，示出了离轴矢状面平移DoF机构（444）形式的附接机构（44）的替代实施例，其为自调节可变长度结构，允许水平横向DoF机构（23）和矫形装置（30）之间的距离改变，从而防止未对准对生物关节的活动施加物理约束。

在一个说明性实施例中，离轴矢状面平移DoF机构（444）可采用棱柱关节（例如燕尾榫和直线轴承）的形式。在另一个说明性实施例中，离轴矢状面平移DoF机构（444）可采用圆柱关节的形式，例如底盘上的轴和滑入第二圆筒中的第一圆柱形。

尽管已经通过特定的非限制性说明性实施例及其示例描述了本公开内容，但应当注意，在不脱离本公开内容的范围的情况下对当前特定实施例进行修改对于本领域技术人员来说是显而易见的。

Claims (20)

1.一种紧凑型多自由度（DoF）支撑结构（1），其位于单一生物力学平面内，用于支撑矫形装置（30），允许使用者在所有生物力学计划中的全范围运动，所述支撑结构包括：

支撑带（11），其被配置为围绕使用者的身体固定，通过第一互联装置（41）连接到多DoF运动元件（20），所述多DoF运动元件（20）包括第一旋转DoF机构（21）、第二旋转DoF机构（22）和第三旋转DoF机构（23），所述第一旋转DoF机构（21）通过第二互联装置（42）连接到所述第二旋转DoF机构（22），所述第二旋转DoF机构（22）通过第三互联装置（43）连接到所述第三旋转DoF机构（23），所述第一旋转DoF机构（21）、所述第二旋转DoF机构（22）和所述第三旋转DoF机构（23）中的每一个都唯一地选自包括额状面旋转DoF机构、横向面旋转DoF机构和矢状面旋转DoF机构的组；

所述多DoF运动元件（20）还包括附接机构（44），所述附接机构（44）用于将所述矫形装置（30）连接至所述多DoF运动元件（20）；

其中，在使用中，所述紧凑型多自由度（DoF）支撑结构（1）支撑所述矫形装置（30），同时允许使用者在所有生物力学计划中的全范围运动。

2.根据权利要求1所述的紧凑型多自由度（DoF）支撑结构（1），其中，所述支撑带（11）包括零刚度材料。

3.根据权利要求1所述的紧凑型多自由度（DoF）支撑结构（1），其中，所述支撑带（11）包括无限刚度材料。

4.根据权利要求1所述的紧凑型多自由度（DoF）支撑结构（1），其中，所述支撑带（11）包括刚度不同于零和无穷大的材料。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的紧凑型多自由度（DoF）支撑结构（1），其中，所述支撑带（11）包括选自包括织物、泡沫、塑料和金属的组的材料。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的紧凑型多自由度（DoF）支撑结构（1），其中，所述额状旋转DoF机构（21）、所述横向旋转DoF机构（22）和所述矢状旋转DoF机构（23）采用选自包括枢轴、铰链、被动旋转机构和主动旋转机构的组的机构的形式。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的紧凑型多自由度（DoF）支撑结构（1），其中，所述额状旋转DoF机构（21）、所述横向旋转DoF机构（22）和所述矢状旋转DoF机构（23）包括零刚度材料。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的紧凑型多自由度（DoF）支撑结构（1），其中，所述额状旋转DoF机构（21）、所述横向旋转DoF机构（22）和所述矢状旋转DoF机构（23）包括无限刚度材料。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的紧凑型多自由度（DoF）支撑结构（1），其中，所述额状旋转DoF机构（21）、所述横向旋转DoF机构（22）和所述矢状旋转DoF机构（23）包括刚度不同于零和无穷大的材料。

10.根据权利要求1至5中任一项所述的紧凑型多自由度（DoF）支撑结构（1），其中，所述额状旋转DoF机构（21）、所述横向旋转DoF机构（22）和所述矢状旋转DoF机构（23）包括选自包括织物、泡沫、塑料和金属的组的材料。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的紧凑型多自由度（DoF）支撑结构（1），其中，所述矫形装置（30）是被动矫形器。

12.根据权利要求1至10中任一项所述的紧凑型多自由度（DoF）支撑结构（1），其中，所述矫形装置（30）是动力矫形器。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的紧凑型多自由度（DoF）支撑结构（1），其中，所述第三旋转DoF机构（23）是矢状面旋转DoF机构，并且所述附接机构（44）是将所述第三旋转DoF机构（23）被动地联接至所述矫形装置（30）的离轴矢状面平移DoF机构（444），其中，所述离轴矢状面平移DoF机构（444）是自调节可变长度结构，所述自调节可变长度结构允许所述第三旋转DoF机构（23）和所述矫形装置（30）之间的距离变化，从而防止未对准对生物关节的活动施加物理约束。

14.根据权利要求13所述的紧凑型多自由度（DoF）支撑结构（1），其中，所述离轴矢状面平移DoF机构（444）是棱柱关节的形式。

15.根据权利要求13或14所述的紧凑型多自由度（DoF）支撑结构（1），其中，所述离轴矢状面平移DoF机构（444）是圆柱关节的形式。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的紧凑型多自由度（DoF）支撑结构（1），其中，所述矫形装置（30）包括选自包括踝关节、膝关节、髋关节、腕关节、肘关节和肩关节的组的关节，所述关节与相应的使用者的关节对齐。

17.根据权利要求1至15中任一项所述的紧凑型多自由度（DoF）支撑结构（1），其中，所述支撑带（11）被配置为在所述髋关节上方围绕使用者的躯干或腰部固定。

18.根据权利要求1至15中任一项所述的紧凑型多自由度（DoF）支撑结构（1），其中，所述支撑带（11）被配置为在所述肩关节上方围绕使用者的肩部固定。

19.根据权利要求1至15中任一项所述的紧凑型多自由度（DoF）支撑结构（1），其中，所述支撑带（11）被配置为在所述膝关节上方围绕使用者的腿部固定。

20.根据权利要求1至15中任一项所述的紧凑型多自由度（DoF）支撑结构（1），其中，所述支撑带（11）被配置为在所述肘关节上方围绕使用者的手臂固定。