[发明专利]外骨骼

说明书

技术领域

动力外骨骼例如用于神经损伤患者的机器人辅助康复。对于这样的外骨骼，需要具有与人体的运动能力相对应的运动能力的关节。

背景技术

神经损伤是严重长期残疾的主要原因。每年约一千五百万人中风。根据美国国立卒中学会，每个患者前3个月治疗的估计费用约一万五千美元。此外，对于10％的情况，这些费用超过三万五千美元。随着人口的老龄化，特别是在欧洲国家和日本，这种情况变得越来越严重。

物理康复治疗对于治疗神经残疾来说是必不可少的。治疗比重复、高强度、长期和特定任务的练习更加有效。但是，由于涉及生理负担和体力劳动，高强度的重复治疗很昂贵。

近年来，由于人机交互研究的最新进展，使用用于康复的机电系统变得普遍。使用机器人装置辅助重复且涉及生理的康复练习不仅有助于消除治疗师的运动治疗的生理负担，而且还降低与应用相关的成本。此外，机器人介入的康复治疗能够定量测量患者的进展，并且可以用于实现定制化的交互治疗方案。康复机器人增加创痛物理康复治疗的可靠性、准确性和有效性，通过仅根据需要辅助患者来实现患者的主动参与，使得能够调节治疗的持续时间和强度，可以适用于所有损伤程度的患者，由于虚实结合而激励患者坚持高强度的疗程，并且能够利用虚拟环境和触觉反馈来实现新的治疗方案。在文献中，通过临床试验已经显示出机器人辅助康复相比于传统物理疗法的有益效果。

上肢康复设备可以分成三种主要类别：末端执行器型机器人、线缆悬挂系统和外骨骼。末端执行器型康复机器人的特征在于与患者具有单个交互点(末端执行器)，这些设备的关节运动不对应于人体运动。因此，没有用来约束患者的外部约束，不能由这样的机构来提供关节特异性治疗。此外，当使用这些设备时，患者的补偿运动不能被检测到。另一方面，由于末端执行器型机器人具有简单的运动结构和低成本，因而是有益的。

末端执行器型康复机器人的已知示例是MIT-Manus。MIT-Manus是拥有两个接地的直接驱动电机来提供转矩以辅助或阻止患者运动的阻抗型机器人。这些设备的另一示例是Gentle/s，Gentle/s使用导纳型机器人(HapticMaster)以及平衡机构来连接到人的腕部。Reha-Slide是设计为管理阻抗运动治疗的另一固定基座设备。Reha-Slide具有水平地放置在平台上的两个保持器，并且能够向前和向后臂部运动。末端执行器型机器人已经被用于强制执行双手练习。具体地，基于导纳受控6自由度(DoF)PUMA机器人的MIME系统已经被用于提供镜像治疗。

线缆悬挂设备帮助通过补偿重力来调动身体的上肢。这些设备是具有简单运动结构的被动系统；因此，线缆悬挂设备成本低。但是，这些设备不能在完成治疗任务时辅助或阻止患者，它们缺乏测量能力。

与末端执行器型机器人不同，外骨骼在多个交互点处连接到人的肢体，这些设备的运动符合人的关节。结果，外骨骼能够施加受控转矩到单独的目标关节并且与其他关节的运动分开地测量这些特定关节的运动。不幸的是，与末端执行器型机器人相比，外骨骼具有更复杂的运动结构，因此更加昂贵。外骨骼可进一步分成三种类型。

矫正器(orthoses)构成第一类型的外骨骼。矫正器的目的在于当执行日常任务时物理地支撑人体。HAL-5全身外骨骼是这样的矫正器的示例(″Robot suit HAL″，http：//www.cyberdyne.jp/english/robotsuithal/index.html)。这样的矫正器的另一示例是Myomo机器人(″Myomo，″http：//www.myomo.com/myomo_product_stroke_rehabilitation_arm_brace_technology_overview.asp)，一种肘部矫正器。另一已知的矫正器是Rewalker(A.Goffer的美国专利7,153,242“Gait-locomotor apparatus”)。与Myomo不同，Rewalker矫正器特别为下肢构建以在步态运动中支持用户。