外骨骼绳索环式致动器

申请号 CN201680020197.2 申请日 2016-04-06 公开(公告)号 CN107405250A 公开(公告)日 2017-11-28
申请人 埃克苏仿生公司; 发明人 艾伦·朱林;
摘要 一种 外骨骼 (300)包含用于耦合到穿戴者(305)的第一及第二 支撑 结构(315、320)。关节(335)连接所述第一及第二支撑结构(315、320)以使其间能够相对移动。第一及第二绳索环(405、406)连接所述第一及第二支撑结构(315、320)。至少一个 电动机 (350、351、1100)扭转且由此缩短所述第一及第二绳索环(405、406)。所述第一绳索环(405)的缩短致使所述第一及第二支撑结构(315、320)围绕所述关节(335)在第一方向上相对移动,且所述第二绳索环(406)的缩短致使所述第一及第二支撑结构(315、320)围绕所述关节(335)在第二相反方向上相对移动。如果所述第一及第二绳索环(405、406)中的一者断裂,那么 制动 机构防止所述第一及第二支撑结构(315、320)围绕所述关节(335)在所述第一及第二方向中的至少一者上相对移动。
权利要求

1.一种外骨骼,其包括:
第一支撑结构,其经配置以耦合到所述外骨骼的穿戴者;
第二支撑结构,其经配置以耦合到所述外骨骼的所述穿戴者;
关节,其连接所述第一及第二支撑结构,所述关节经配置以使所述第一及第二支撑结构之间能够相对移动;
第一绳索环,其连接所述第一及第二支撑结构;
第二绳索环,其连接所述第一及第二支撑结构;
至少一个电动机,其经配置以扭转且由此缩短所述第一及第二绳索环,其中所述第一绳索环的缩短致使所述第一及第二支撑结构围绕所述关节在第一方向上相对移动,且所述第二绳索环的缩短致使所述第一及第二支撑结构围绕所述关节在第二相反方向上相对移动;及
制动机构,其经配置以在所述第一及第二绳索环中的一者断裂的情况下防止所述第一及第二支撑结构围绕所述关节在所述第一及第二方向中的至少一者上相对移动。
2.根据权利要求1所述的外骨骼,其中:
所述制动机构包含耦合到所述第二支撑结构的齿轮
所述制动机构包含耦合到所述第一支撑结构的第一棘爪;
所述制动机构经配置使得在所述第一绳索环断裂的情况下所述第一棘爪接触所述齿轮;且
所述制动机构经配置使得所述第一棘爪与所述齿轮之间的接触防止所述第一及第二支撑结构围绕所述关节在所述第一及第二方向中的至少一者上相对移动。
3.根据权利要求2所述的外骨骼,其中:
所述制动机构包含经配置以接触所述第一绳索环的第一滑轮
所述制动机构经配置使得所述第一滑轮与所述第一绳索环之间的接触防止所述第一棘爪与所述齿轮之间的接触;
所述制动机构包含经配置以向所述第一棘爪施加的第一弹簧;且
所述制动机构经配置使得所述第一弹簧在所述第一绳索环断裂的情况下致使所述第一棘爪接触所述齿轮。
4.根据权利要求3所述的外骨骼,其中:
所述制动机构包含第二棘爪;
所述制动机构经配置使得在所述第二绳索环断裂的情况下所述第二棘爪接触所述齿轮;
所述制动机构经配置使得所述第二棘爪与所述齿轮之间的接触防止所述第一及第二支撑结构围绕所述关节在所述第一及第二方向中的至少一者上相对移动;
所述制动机构包含经配置以接触所述第二绳索环的第二滑轮;
所述制动机构经配置使得所述第二滑轮与所述第二绳索环之间的接触防止所述第二棘爪与所述齿轮之间的接触;
所述制动机构包含经配置以向所述第二棘爪施加力的第二弹簧;且
所述制动机构经配置使得所述第二弹簧在所述第二绳索环断裂的情况下致使所述第二棘爪接触所述齿轮。
5.根据权利要求1所述的外骨骼,其中所述至少一个电动机包含经配置以扭转所述第一绳索环的第一电动机及经配置以扭转所述第二绳索环的第二电动机。
6.根据权利要求1所述的外骨骼,其中所述至少一个电动机包含单个电动机,所述单个电动机经配置以在相反旋转方向上同时扭转所述第一及第二绳索环两者。
7.根据权利要求6所述的外骨骼,其进一步包括输入轴、耦合到所述第一绳索环的第一主轴及耦合到所述第二绳索环的第二主轴,其中:
所述电动机经配置以致使所述输入轴旋转;
所述输入轴经配置以致使所述第一及第二主轴旋转;
所述第一主轴经配置以扭转所述第一绳索环;且
所述第二主轴经配置以扭转所述第二绳索环。
8.根据权利要求7所述的外骨骼,其进一步包括:
第一弹簧,其经配置以缩减所述第一绳索环中的松弛;及
第二弹簧,其经配置以缩减所述第二绳索环中的松弛。
9.根据权利要求1所述的外骨骼,其进一步包括耦合到所述第一及第二绳索环中的一者的主轴,所述主轴包含绳索狭槽及第一绳索导向器,其中所述第一及第二绳索环中的所述一者穿过所述绳索狭槽且接触所述第一绳索导向器。
10.根据权利要求9所述的外骨骼,其中所述第一绳索导向器是楔形的,使得当所述第一及第二绳索环中的所述一者由所述至少一个电动机扭转时,所述第一绳索导向器与所述第一及第二绳索环中的所述一者的扭转螺旋绳索结构之间不存在间隙。
11.根据权利要求9所述的外骨骼,其进一步包括绞线分离器,所述绞线分离器包含第二绳索导向器,其中:
所述第一及第二绳索环中的所述一者穿过所述绞线分离器且接触所述第二绳索导向器;且
所述绞线分离器经配置使得当所述第一及第二绳索环中的所述一者由所述至少一个电动机扭转时,所述第一及第二绳索环中的所述一者的扭转螺旋绳索结构仅存在于所述主轴与所述绞线分离器之间。
12.根据权利要求11所述的外骨骼,其中所述第二绳索导向器是楔形的,使得当所述第一及第二绳索环中的所述一者由所述至少一个电动机扭转时,所述第二绳索导向器与所述扭转螺旋绳索结构之间不存在间隙。
13.一种致使围绕外骨骼的关节移动的方法,所述外骨骼包含:
第一支撑结构,其经配置以耦合到所述外骨骼的穿戴者;
第二支撑结构,其经配置以耦合到所述外骨骼的所述穿戴者;
关节,其连接所述第一及第二支撑结构,所述关节经配置以使所述第一及第二结构之间能够相对移动;
第一绳索环,其连接所述第一及第二支撑结构;
第二绳索环,其连接所述第一及第二支撑结构;
至少一个电动机;及
制动机构,所述方法包括:
用所述至少一个电动机来扭转且由此缩短所述第一及第二绳索环中的一者,其中所述第一绳索环的缩短致使所述第一及第二支撑结构围绕所述关节在第一方向上相对移动,且所述第二绳索环的缩短致使所述第一及第二支撑结构围绕所述关节在第二相反方向上相对移动;及
如果所述第一及第二绳索环中的一者断裂,那么用所述制动机构来防止所述第一及第二结构围绕所述关节在所述第一及第二方向中的至少一者上相对移动。
14.根据权利要求13所述的方法,其中所述制动机构包含耦合到所述第二支撑结构的齿轮及耦合到所述第一支撑结构的第一棘爪,所述方法进一步包括:
在所述第一绳索环断裂的情况下致使所述第一棘爪接触所述齿轮,其中所述第一棘爪与所述齿轮之间的接触防止所述第一及第二支撑结构围绕所述关节在所述第一及第二方向中的至少一者上相对移动。
15.根据权利要求14所述的方法,其中所述制动机构包含经配置以接触所述第一绳索环的第一滑轮及经配置以向所述第一棘爪施加力的第一弹簧,所述方法进一步包括:
通过所述第一滑轮与所述第一绳索环之间的接触来防止所述第一棘爪与所述齿轮之间的接触,其中致使所述第一棘爪接触所述齿轮包含用所述第一弹簧来致使所述第一棘爪接触所述齿轮。
16.根据权利要求15所述的方法,其中所述制动机构包含第二棘爪、经配置以接触所述第二绳索环的第二滑轮及经配置以向所述第二棘爪施加力的第二弹簧,所述方法进一步包括:
在所述第二绳索环断裂的情况下致使所述第二棘爪接触所述齿轮,其中所述第二棘爪与所述齿轮之间的接触防止所述第一及第二支撑结构围绕所述关节在所述第一及第二方向中的至少一者上相对移动;及
通过所述第二滑轮与所述第二绳索环之间的接触来防止所述第二棘爪与所述齿轮之间的接触,其中致使所述第二棘爪接触所述齿轮包含用所述第二弹簧来致使所述第二棘爪接触所述齿轮。
17.根据权利要求13所述的方法,其中:
所述至少一个电动机包含第一电动机及第二电动机;且
扭转所述第一及第二绳索环中的一者包含用所述第一电动机来扭转所述第一绳索环或用所述第二电动机来扭转所述第二绳索环。
18.根据权利要求13所述的方法,其中:
所述至少一个电动机包含单个电动机;且
扭转所述第一及第二绳索环中的一者包含在相反旋转方向上同时扭转所述第一及第二绳索环两者。
19.根据权利要求18所述的方法,其中所述外骨骼进一步包含输入轴、耦合到所述第一绳索环的第一主轴及耦合到所述第二绳索环的第二主轴,所述方法进一步包括:
用所述电动机来致使所述输入轴旋转;
用所述输入轴来致使所述第一及第二主轴旋转;
用所述第一主轴来扭转所述第一绳索环;及
用所述第二主轴来扭转所述第二绳索环。
20.根据权利要求19所述的方法,其进一步包括:
用第一弹簧来缩减所述第一绳索环中的松弛;及
用第二弹簧来缩减所述第二绳索环中的松弛。
21.根据权利要求13所述的方法,其中所述外骨骼进一步包含耦合到所述第一及第二绳索环中的一者的主轴,所述主轴包含绳索狭槽及第一绳索导向器,其中所述第一及第二绳索环中的所述一者穿过所述绳索狭槽且接触所述第一绳索导向器,所述方法进一步包括:
用所述主轴来扭转所述第一及第二绳索环中的所述一者。
22.根据权利要求21所述的方法,其中所述外骨骼进一步包含绞线分离器,所述绞线分离器包含第二绳索导向器,且所述第一及第二绳索环中的所述一者穿过所述绞线分离器且接触所述第二绳索导向器,所述方法进一步包括:
分离所述第一及第二绳索环中的所述一者的绞线,使得当所述第一及第二绳索环中的所述一者由所述至少一个电动机扭转时,所述第一及第二绳索环中的所述一者的扭转螺旋绳索结构仅存在于所述主轴与所述绞线分离器之间。

说明书全文

外骨骼绳索环式致动器

[0001] 关于联邦资助的研究或开发的声明
[0002] 本发明是根据尤妮斯肯尼迪施赖弗国家儿童健康与人类发展研究所授予的授权号1R43HD080236-01;FAIN:R43HD080236、在政府支持下完成的。政府对本发明有一定的权利。
[0003] 相关申请案的交叉参考
[0004] 本申请案要求2015年4月6日提交且题为“具有整体安全机构的外骨骼关节致动装置(Exoskeleton Joint Actuation Device with Integral Safety Mechanism)”的第62/143.473号美国临时专利申请案及2015年7月17日提交且题为“具有整体安全机构及缩减磨损的外骨骼关节致动装置(Exoskeleton Joint Actuation Device with Integral Safety Mechanism and Reduced Wear)”的第62/193,901号美国临时专利申请案的权益。
这些申请案的全部内容是以引用的方式并入。

技术领域

[0005] 本发明涉及增大穿戴者的量及/或有助于在执行某些运动或任务期间防止受伤的装置。更特定地说,本发明涉及适合于附件的神经肌肉/肌肉功能已受损的患者的治疗用途的装置,或适合于由参与重型工具使用或承重任务的人使用的装置。这些装置中的每一者包含一组假肢,其中假肢可由致动器在控制系统的指导下移动。所述装置加强了穿戴者的附件进行活动的功能,包含但不限于使残疾人能够行走、向穿戴者的手臂赋予较大的力量及耐力,或允许穿戴者在行走的同时承载较多的重量。

背景技术

[0006] 可穿戴式外骨骼已被设计成用于医疗、商业及军事应用。医用外骨骼装置使患有影响肌肉控制的疾病的患者的适当肌肉功能恢复及康复。医用外骨骼装置具有可向穿戴者的附件施加力的电动化支架系统。在康复机构中,医用外骨骼通常由理疗师控制,所述理疗师使用多个可能的输入构件中的一者来命令外骨骼控制系统。外骨骼控制系统又致动电动化支架的位置,从而导致向穿戴者的身体施加力且通常导致穿戴者的身体移动。医用外骨骼也可在治疗机构之外使用以向残疾人赋予改善的移动性。商用及军用外骨骼用于减轻由工人或士兵在其劳动或其它活动期间支撑的负载,由此防止受伤并增加这些工人或士兵的精力及力量。工具固持外骨骼配备有支撑工具重量的工具固持臂,从而通过提供工具固持辅助来缩减用户疲劳。每一工具固持臂通过外骨骼的腿部而非通过穿戴者的手臂及身体来转移为固持工具所需要的垂直力。类似地,承重外骨骼通过外骨骼的腿部而非通过穿戴者的腿部来转移外骨骼负载的重量。在一些情况下,承重外骨骼经设计成承载特定的负载,例如重型背包。在其它情况下,军用承重外骨骼支撑装甲的重量。商用及军用外骨骼可具有增大穿戴者的力量的致动关节,其中这些致动关节由外骨骼控制系统控制,且穿戴者使用多个可能的输入构件中的任一者来命令外骨骼控制系统。
[0007] 在动力式外骨骼中,外骨骼控制系统规定及控制外骨骼关节的轨迹,从而导致外骨骼移动。这些轨迹可被规定为基于位置、基于力,或这两种方法的组合,例如在阻抗控制器中所看到的那些。可直接通过修改规定的位置来修改基于位置的控制系统。类似地,可直接通过修改规定的力分布来修改基于力的控制系统。外骨骼控制系统通过使用一系列外骨骼轨迹来命令复杂的外骨骼移动,例如流动式医用外骨骼中的行走,其中越来越复杂的外骨骼移动需要越来越复杂的一系列外骨骼轨迹。这些系列轨迹可为循环的,例如外骨骼的每条腿部采取一系列步伐,或这些系列轨迹可为离散的,例如外骨骼从坐姿位置升高为站立位置。在流动式外骨骼的情况下,在康复阶段期间及/或在康复的过程中,非常有益的是使理疗师能够取决于患者的特定生理学或康复时期来修改规定的位置及/或规定的力分布。由于外骨骼穿戴者的比例各不相同,故各种调整或定制的动力式外骨骼将略微不同地配合每一穿戴者,这要求外骨骼控制系统考虑穿戴者比例、外骨骼配置/定制及外骨骼穿戴者配合的这些差异,从而导致改变规定的外骨骼轨迹。
[0008] 虽然外骨骼控制系统将轨迹分配给外骨骼关节并控制这些关节的位置,但是施加到外骨骼关节的实际力是由致动器施加。这些致动器可具有许多形式,如所属领域中所知,所述形式在各种应用中各自具有优点及缺点。在当前外骨骼中,对关节施加力的致动器通常包含紧接于所述关节的电动机。致动器与关节的协同定位在机械及设计简单性方面具有优点,但是其具有某些缺点。这些缺点当中最主要的缺点是,将大体积的电动机添加到关节会增加关节的体积,从而限制了关节及外骨骼在某些环境中的可操纵性。相比之下,考虑人的手指。对手指关节施加力的肌肉组织并不位于手指关节附近,而是位于前臂中,其中肌肉收缩会拉紧肌,所述肌腱在一定距离内将力中继到关节。这具有使手指体积最小化的优点,从而允许手指既具有较大的灵巧性又彼此较接近地放置。此外,较多肌肉可位于手臂上,而不是装配在手指上,从而允许有较大的力量。第4,843,921号美国专利中所描述的一种机械致动装置使用电动机扭转绳索环的驱动机构,其中此绳索环形成螺旋结构且随着其扭转而缩短,由此致使绳索环的长度缩短并将绳索环的两端拉靠在一起。以此方式,电动机的激活用于通过绳索环在一定距离内施加拉力。这允许驱动关节移动的电动机位于远离正被移动的关节的位置处的设计。
[0009] 可设想到,可使用类似的电动机及环驱动系统来向人类外骨骼的较大关节(例如人类外骨骼的膝盖)提供动力。此设计的一个主要优点是紧凑的外骨骼膝盖,这将会缩减膝盖的体积及重量,从而允许在狭窄的环境中(例如进出车辆)更容易操纵外骨骼。然而,此类设计也存在许多缺点。首先,大多数机器人/外骨骼致动器的机构允许致动器在两个关节移动方向上施加力。在膝盖的情况下,那些移动方向是弯曲及伸展。不幸的是,电动机及环驱动系统仅能够引起牵拉运动,使得力仅在一个方向上施加到关节。虽然此类型的致动器的一些实施例可使用弹簧或其它类似装置来致使关节返回到电动机的电流被切断时的位置,但是这不适合于为移动人类外骨骼的大关节及穿戴者的身体所需要的力。此外,即使高抗拉强度的绳索在多次扭转及解除扭转或已经受由于跌倒或失足而引起的应力之后也可能会有断裂的险。绳索故障将会导致关节移动不受控制且导致外骨骼穿戴者受伤的可能性不可接受。在医用外骨骼的情况下,此受伤关注特别显著,这是因为穿戴者可经受导致膝盖或其它关节的移动几乎不受控制的状况。此外,例如食品与药物管理局的监管机构要求医用装置符合安全准则。除非此类设计的风险得到解决,否则不可能被这些机构批准使用。
[0010] 基于上文,在所属领域中需要一种外骨骼,其中致动器使用电动机来扭转绳索环,以便致使外骨骼关节在与电动机相隔的一定距离处移动,其中关节经受双向移动,且其中在绳索断裂的情况下阻碍关节移动,由此防止外骨骼的穿戴者受伤或进一步损坏外骨骼。还存在对一种外骨骼的未满足的需要,其中关节通过单个电动机的作用而经受双向移动。
此外,存在对一种控制由致动器扭转的绳索环的绞线的位置及分离的装置的未满足的需要,其中此装置用以使得绳索环的绞线随着每一扭转周期而经受缩减磨损,由此延长了绳索环的功能寿命。

发明内容

[0011] 本发明的目标是提供一种外骨骼,其中由绳索环的系统对外骨骼的关节施加力,绳索环在由电动机扭转时缩短,从而导致关节移动。两组对置绳索环及电动机允许关节在相反方向上移动。本发明的另外目标是提供一种外骨骼,其中在绳索断裂的情况下暂停关节的移动,由此防止外骨骼穿戴者受伤。此外,本发明的目标是提供一种外骨骼,其中关节仅通过单个电动机的作用而经受双向移动。为了实现此情形,外骨骼包含一或多个弹簧元件,其用于防止绳索环中原本可由于非线性绳索环依据扭转而缩短而在绳索环扭转量的范围内引起的松弛。本发明的额外目标是提供一种外骨骼,其中装置经塑形以引导及限制形成在扭转区段与解除扭转区段之间的绳索环的过渡区域处的螺旋绳索结构,其中此装置的使用会导致绳索环磨损减小且导致绳索环功能寿命增加。
[0012] 开发了针对外骨骼关节及致动器装置的概念,其中致动器的主驱动机构是附接到两组对置绳索环的滑轮凸轮组合件,当一个绳索环相对于另一绳索环缩短时,所述两组对置绳索环使关节在相反方向上移动。当由所连接的电动机扭转时,绳索环形成螺旋结构,其随着扭转的增加而缩短,从而导致绳索环到电动机的附接点与绳索环到关节凸轮的附接点之间的张力增加。两个电动机中的每一者连接到绳索环中的一者,且每一绳索环附接到关节凸轮的相对端,使得一个电动机的作用导致与由另一电动机引起的关节移动相反的关节移动。
[0013] 进一步开发了针对包含常开制动机构的概念,其中附接到凸轮关节的每一侧的绳索环在弹簧负载滑轮两端布线并限制弹簧负载滑轮的位置。滑轮通过小范围的运动而铰接,且一组弹簧驱动棘爪耦合到滑轮。在绳索环中的任一者失去张力的情况下,滑轮及棘爪由弹簧向前驱动,且棘爪接合连接到关节凸轮的齿轮区段,由此停止关节旋转。
[0014] 进一步开发了针对包含用于防止绳索环缠结的机构的概念,其中绳索环扭转与绳索环的线性部分隔绝,从而允许与滑轮及凸轮接合的绳索环部分保持解除扭转,且由此对绳索环及缩减磨损提供较好的指导。
[0015] 开发了针对制动机构的变型的概念,其中常开制动设计经配置使得两个滑轮均连接到单个制动组合件。此制动组合件是弹簧负载的,且致动器的绳索环经布线穿过滑轮且拉紧以便限制制动组合件的移动并压缩弹簧。在绳索环中的任一者断裂的情况下,弹簧的力使得单个剩余绳索环提供不足的张力来限制制动组合件的移动,且制动组合件由弹簧向前驱动,直到附接到制动组合件的齿轮区段与连接到对置关节凸轮的齿轮区段接触为止,由此将关节定在适当位置且停止关节旋转。
[0016] 进一步开发了针对包含引导及限制绳索环的绞线的绳索环主轴及绳索绞线分离器中的结构及形成在绳索环的扭转区段与解除扭转区段之间的过渡区处的螺旋结构的概念,以便特别在过渡区处提供缩减的绳索环磨损。
[0017] 开发了针对外骨骼关节及致动器装置的变型的概念,其中仅一个电动机用于以双向关节移动来驱动系统,其中此电动机通过使用连接到每一绳索环主轴的齿轮而与每一绳索环相互作用。齿轮经配置使得电动机的作用同时顺时针驱动一个绳索环主轴且逆时针驱动另一主轴,其中绳索环及主轴经配置使得一个绳索环随着对置绳索环伸长而缩短。此装置中的主轴是由弹簧元件拉紧,所述弹簧元件用于防止绳索环中原本由于非线性绳索环依据扭转而缩短而在绳索环扭转量的范围内引起的松弛。
[0018] 基于这些概念,开发了一种具有具备制动机构的外骨骼膝盖致动装置的外骨骼,所述制动机构在绳索环断裂的情况下自动地接合,由此暂停膝盖移动。在此布置中,大腿及小腿支撑件通过外骨骼的膝关节而连接,且影响膝盖移动的致动器位于外骨骼的髋部附近。
[0019] 具体地说,本发明涉及一种外骨骼,其包含经配置以耦合到外骨骼的穿戴者的第一及第二支撑结构。关节连接第一及第二支撑结构,关节经配置以使第一及第二结构之间能够相对移动。第一及第二绳索环连接第一及第二支撑结构。至少一个电动机经配置以扭转且由此缩短第一及第二绳索环,其中第一绳索环的缩短致使第一及第二支撑结构围绕关节在第一方向上相对移动,且第二绳索环的缩短致使第一及第二支撑结构围绕关节在第二相反方向上相对移动。制动机构经配置以在第一及第二绳索环中的一者断裂的情况下防止第一及第二支撑结构围绕关节在第一及第二方向中的至少一者上相对移动。
[0020] 在一个实施例中,制动机构包含耦合到第二支撑结构的齿轮及耦合到第一支撑结构的第一棘爪。制动机构经配置使得在第一绳索环断裂的情况下第一棘爪接触齿轮。第一棘爪与齿轮之间的接触防止第一及第二支撑结构围绕关节在第一及第二方向中的至少一者上相对移动。制动机构进一步包含经配置以接触第一绳索环的第一滑轮及经配置以向第一棘爪施加力的第一弹簧。制动机构经配置使得第一滑轮与第一绳索环之间的接触防止第一棘爪与齿轮之间的接触。第一弹簧在第一绳索环断裂的情况下致使第一棘爪接触齿轮。
[0021] 在另一实施例中,制动机构进一步包含第二棘爪、经配置以接触第二绳索环的第二滑轮及经配置以向第二棘爪施加力的第二弹簧。制动机构经配置使得在第二绳索环断裂的情况下第二棘爪接触齿轮。第二棘爪与齿轮之间的接触防止第一及第二支撑结构围绕关节在第一及第二方向中的至少一者上相对移动。制动机构还经配置使得第二滑轮与第二绳索环之间的接触防止第二棘爪与齿轮之间的接触。第二弹簧在第二绳索环断裂的情况下致使第二棘爪接触齿轮。
[0022] 在一些实施例中,至少一个电动机包含经配置以扭转第一绳索环的第一电动机及经配置以扭转第二绳索环的第二电动机。在其它实施例中,至少一个电动机包含单个电动机,单个电动机经配置以在相反旋转方向上同时扭转第一及第二绳索环两者。当使用单个电动机时,外骨骼可进一步包含输入轴、耦合到第一绳索环的第一主轴及耦合到第二绳索环的第二主轴。电动机经配置以致使输入轴旋转,且输入轴经配置以致使第一及第二主轴旋转。第一主轴扭转第一绳索环,且第二主轴扭转第二绳索环。优选地,第一弹簧缩减第一绳索环中的松弛,且第二弹簧缩减第二绳索环中的松弛。
[0023] 在一个实施例中,外骨骼进一步包含耦合到第一及第二绳索环中的一者的主轴,主轴包含绳索狭槽及第一绳索导向器,其中第一及第二绳索环中的一者穿过绳索狭槽且接触第一绳索导向器。优选地,第一绳索导向器是楔形的,使得当第一及第二绳索环中的一者由至少一个电动机扭转时,第一绳索导向器与第一及第二绳索环中的一者的扭转螺旋绳索结构之间不存在间隙。外骨骼还可包含绞线分离器,绞线分离器包含第二绳索导向器。第一及第二绳索环中的一者穿过绞线分离器且接触第二绳索导向器。绞线分离器经配置使得当第一及第二绳索环中的一者由至少一个电动机扭转时,第一及第二绳索环中的一者的扭转螺旋绳索结构仅存在于主轴与绞线分离器之间。优选地,第二绳索导向器是楔形的,使得当第一及第二绳索环中的一者由至少一个电动机扭转时,第二绳索导向器与扭转螺旋绳索结构之间不存在间隙。
[0024] 从结合附图取得的本发明的以下详细描述中,本发明的额外目标、特征及优点将变得更容易显而易见,其中相同的附图标记是指若干视图中的对应部分。

附图说明

[0025] 图1是耦合到流动式外骨骼的残疾人的侧视图,其中控制关节的致动器被展示为紧靠关节;
[0026] 图2是根据本发明的简化的主动肌-对抗肌致动器装置的透视图,其中随着对应电动机扭转绳索环,关节的位置通过两个绳索环中的一者的相对缩短而改变,其中每一电动机的作用导致与由另一电动机引起的关节移动相反的关节移动;
[0027] 图3A是根据本发明的第一实施例的耦合到流动式外骨骼的残疾人的侧视图,其中致动器装置致动膝关节;
[0028] 图3B是图3A的残疾人及流动式外骨骼的侧视图,其中移除了膝盖组合件的盖;
[0029] 图4A是第一实施例的致动器装置的简化视图;
[0030] 图4B是第一实施例的致动器装置的简化视图,其说明制动组件响应于绳索环中的一者的断裂的位置;
[0031] 图5是根据本发明的第一实施例而构造的致动器装置的详细分解视图;
[0032] 图6是根据本发明的第二实施例的致动器装置的简化视图;
[0033] 图7A是根据第一主轴实施例的主轴的横截面,本发明的绳索环围绕主轴而扭转;
[0034] 图7B是图7A的主轴的侧视图,主轴相对于图7A在垂直平面中旋转90度;
[0035] 图7C是图7A的主轴的透视图;
[0036] 图8A是根据第二主轴实施例的主轴的横截面,本发明的绳索环围绕主轴而扭转;
[0037] 图8B是图8A的主轴的侧视图,主轴相对于图8A在垂直平面中旋转90度;
[0038] 图8C是图8A的主轴的透视图;
[0039] 图9A是图7A的主轴的横截面,其中绳索环被展示为围绕主轴而扭转;
[0040] 图9B是图8A的主轴的横截面,其中绳索环被展示为围绕主轴而扭转;
[0041] 图10A是根据本发明的绳索环绞线分离器的横截面;
[0042] 图10B是图10A的绳索环绞线分离器的透视图;
[0043] 图11A是根据本发明的第三实施例的致动器装置的简化视图;
[0044] 图11B是图11A的致动器装置的简化视图,其展示内部主轴组件;及[0045] 图12是根据本发明的第三实施例而构造的致动器装置的详细分解视图。

具体实施方式

[0046] 本文中揭示了本发明的详细实施例。然而,应理解,所揭示的实施例仅仅示范可以各种及替代形式而体现的本发明。各图未必按比例绘制,且一些特征可能被夸大或最小化以展示特定组件的细节。因此,本文中所揭示的特定结构及功能细节不应被解释为限制性的,而是仅仅作为用于教导所属领域的技术人员采用本发明的代表性基础
[0047] 最初参考图1,展示具有躯干支撑件105及小腿支撑件110及111的外骨骼100。外骨骼100与一对拐杖组合地使用,所述拐杖中的左拐杖115包含下部地面接合尖端120及把手125。结合此实施例,通过使用外骨骼100,患者(或更一般地,用户或穿戴者)130能够行走。
以所属领域中所知的方式,躯干支撑件105经配置以耦合到患者130的躯干135,而腿部支撑件110及111经配置以耦合到患者130的下肢140及141。另外,致动器插入在腿部支撑件110及111的部分之间以及腿部支撑件110及111与躯干支撑件105之间,其中这些致动器经配置以使腿部支撑件110及111相对于躯干支撑件105移位,以使患者130的下肢140及141能够移动。在一些实施例中,躯干支撑件105可相当小且包括缠绕患者130的骨盆的骨盆连杆(未展示)。在图1所展示的实例中,致动器被特定地展示为髋部致动器145,其用于使髋关节150进行弯曲及伸展移动,且致动器被展示为膝盖致动器155,其用于使膝关节160进行弯曲及伸展移动。致动器145及155是由控制器(或控制系统或CPU)165以外骨骼控制领域的技术人员所知的多种方式而控制。虽然图1中未展示,但是各种传感器与控制器165通信,使得控制器
165可监视外骨骼100的定向。此类传感器可包含但不限于例如编码器、电位计、加速度计及陀螺仪。此外,控制器165与数据链路170连续地或间歇地通信,且将选定外骨骼状态数据传送到数据链路170。数据链路170是经配置以将从控制器165接收的数据传送到中央服务器
175的无线传输装置。因为外骨骼的额外结构细节可采取各种形式、在所属领域中是已知的且不是本发明的部分,所以本文中将不再进一步详述所述细节。代替地,外骨骼100旨在用作现有技术的外骨骼的实例,所述外骨骼具有放置得靠近正被致动的关节的致动器。具体地说,如上文所论述,髋部致动器145与髋关节150协同定位,且膝盖致动器155与膝关节160协同定位。
[0048] 转到图2,展示简化的主动肌-对抗肌致动器200,其中下部结构205由关节轴承215在关节220处可旋转地连接到上部结构210。下部结构205相对于上部结构210的位置是由耦合到上部结构210的左电动机225及右电动机226所施加的相对力控制。左电动机225控制左主轴230的旋转。左绳索环235穿过左主轴230,左绳索环235包含第一绳索绞线240及第二绳索绞线245。第一绳索绞线240及第二绳索绞线245耦合到左绳索接受器250,其耦合到下部结构205。右电动机226控制右主轴231的旋转。右绳索环236穿过右主轴231,右绳索环236包含第一绳索绞线241及第二绳索绞线246。第一绳索绞线241及第二绳索绞线246耦合到右绳索接受器251,其耦合到下部结构205。在图2中,关节220被展示为旋转,使得下部结构205相对于上部结构210定位到中心的左侧,这是由于左电动机225被接合并致使左主轴230扭转左绳索环235。这导致形成扭转螺旋绳索结构255,缩短了左绳索环235的长度并增加了沿左绳索环235的张力,使得左绳索环235对左绳索接受器250施加拉力。对左绳索接受器250施加且因此也对下部结构205施加的力导致围绕关节220的扭矩。相反地,如果左电动机225被切断且右电动机226被接合,那么右主轴231扭转右绳索环236,这导致右绳索环236的缩短及围绕关节220的扭矩,使得下部结构205相对于上部结构210逆时针旋转。此逆时针移动致使左主轴230旋转且致使螺旋绳索结构255解除扭转,使得左绳索环236的长度增加。
[0049] 如果致动器200被并入到外骨骼中,那么两个绳索环235及236均将被固持在相对高的张力下,且因此,一个环的任何缩短应通过对置环的伸长予以补偿。因而,准确地控制到电动机225及226中的每一者的电流的外骨骼控制系统可准确地控制关节220的位置。这允许电动机225及226放置在与正被致动的关节(即,关节220)相隔的一定距离处。在图2的简化实例中,电动机225及226两者均被展示为在上部结构210上。然而,许多实施例是可能的,例如在关节220的左侧上具有电动机225及226两者,其中电动机225及226中的一者在上部结构210上且一者在下部结构205上。在一些实施例中,多个电动机及环并联排列以便增加对关节施加的力。在一些实施例中,一或多个弹簧元件被并入到关节中以便帮助返回到特定位置。
[0050] 图3A、3B、4A及4B以稍微简化的方式说明本发明的第一实施例的致动器,以便促进对致动器的功能理解。图3A及3B在由人穿戴的外骨骼的上下文中展示致动器,而图4A及4B展示在图3A及3B中不清楚可见的致动器的主要功能组件的内部工作。虽然致动器被展示为用于向外骨骼的膝关节提供动力,但是根据本发明的致动器可用于向关节而非向外骨骼的膝盖或其它类似的机器人装置提供致动。根据第一实施例的致动器的更详细的表示出现在图5中,图5是根据本发明而构造的特定致动器的分解视图。
[0051] 返回到图3A及3B,展示由用户或穿戴者305穿戴的外骨骼300。外骨骼300包含髋部致动器310、大腿支撑件315及小腿支撑件320。髋部致动器310可旋转地连接到大腿支撑件315且经配置以致使大腿支撑件315围绕与用户305的髋部330协同定位的髋关节325旋转。
大腿支撑件315在与用户305的膝盖340协同定位的膝关节335处可旋转地连接到小腿支撑件320。小腿支撑件320经配置以选择性地耦合到用户305的小腿345,而大腿支撑件315经配置以选择性地耦合到用户305的大腿346(但是图中出于清楚起见而未展示此后一特征)。前向致动器电动机350及后向致动器电动机351通过使用绳索环来控制大腿支撑件315及小腿支撑件320的相对位置,所述绳索环在图3A及3B中是不可见的,但是结合图4A及4B予以更充分地展示及论述。绳索环穿过大腿支撑件315的中心,其中这些绳索环是由前向制动滑轮
355及后向制动滑轮356的位置引导及限制,此后,绳索环连接到耦合到小腿支撑件320的膝盖凸轮360。盖365覆盖膝关节335的内部工作,以便防止衣物或其它材料绊住在膝盖凸轮
360或其它制动组件上。在图3A及3B中,电动机350及351被展示为与用户305的髋部330协同定位。然而,在其它实施例中,电动机350及351可位于沿大腿支撑件315的其它位置,以减小体积或以其它方式优化空间利用率。替代地,电动机350及351中的一者或两者可位于小腿支撑件320上。
[0052] 特定地参考图4A,前向电动机350被展示为连接到前向主轴400。前向绳索环405穿过前向主轴400及前向绞线分离器410。此外,前向绳索环405与前向制动滑轮355接触,前向制动滑轮355围绕前向滑轮销415旋转。前向绳索环405在前向绳索环附接点420处耦合到小腿支撑件320的膝盖凸轮360。类似地,后向电动机351连接到后向主轴401。后向绳索环406穿过后向主轴401及后向绞线分离器411。此外,后向绳索环406与后向制动滑轮356接触,后向制动滑轮356围绕后向滑轮销416旋转。后向绳索环406在后向绳索环附接点421处耦合到膝盖凸轮360。前向电动机350及后向电动机351耦合到大腿支撑件315(如图3A及3B所展示),使得在电动机350及351与膝关节335之间维持固定距离。齿条或齿轮425(例如正齿轮)耦合到膝盖凸轮360,其中齿轮425及膝盖凸轮360围绕膝关节335一起旋转。前向制动组合件430包含前向制动滑轮355、前向棘爪435、前向枢轴销440及前向弹簧445。前向制动滑轮355由前向滑轮销415可旋转地耦合到前向棘爪435。后向制动组合件431包含后向制动滑轮
356、后向棘爪436、后向枢轴销441及后向弹簧446。后向制动滑轮356由后向滑轮销416可旋转地耦合到后向棘爪436。前向制动组合件430及后向制动组合件431分别在前向枢轴销440及后向枢轴销441处可旋转地耦合到大腿支撑件315(如图3A及3B所展示)。前向弹簧445及后向弹簧446由前向棘爪435及后向棘爪436固持为压缩抵靠大腿支撑件315。为压缩弹簧
445及446所需要的力是由作用在制动滑轮355及356上的拉紧的绳索环405及406施加。
[0053] 在图4A中,膝关节335被展示为弯曲,这是后向电动机351的作用的结果。具体地说,后向电动机351致使后向主轴401旋转,从而致使后向绳索环406扭转成扭转螺旋绳索结构450且缩短后向绳索环406的长度。因此,对膝盖凸轮360施加力,使得小腿支撑件320在逆时针方向上围绕膝关节335旋转。螺旋绳索结构450仅伸展到后向绞线分离器411,其固持在适当位置中,使得防止后向绞线分离器411旋转。后向绞线分离器411下方的后向绳索环406的区段被解除扭转,从而允许后向绳索环406更容易地且以更少的磨损或钩住可能性越过后向制动滑轮356布线到后向绳索环附接点421。在图3A、3B、4A及4B的实施例中,前向电动机350的激活导致前向绳索环405缩短。因此,对膝盖凸轮360施加力,这致使小腿支撑件320进行伸展移动。因此,前向电动机350、前向绳索环405及膝盖凸轮360也可被描述为伸展致动器。类似地,后向电动机351的激活导致后向绳索环406缩短。因此,对膝盖凸轮360施加力,这致使小腿支撑件320进行弯曲移动。因此,后向电动机351、后向绳索环406及膝盖凸轮360也可被描述为弯曲致动器。
[0054] 在图4B中,说明后向绳索环406的断裂。一旦发生这种情况,后向制动滑轮356就不再受到后向绳索环406限制,且后向弹簧446致使后向棘爪436围绕后向枢轴销441旋转,直到后向棘爪436接触齿轮425为止。此时,后向棘爪436的齿与齿轮425的齿配合。因为后向棘爪436耦合到大腿支撑件315且齿轮425耦合到小腿支撑件320,所以这些齿的配合会防止小腿支撑件320及大腿支撑件315在膝关节335处相对于彼此旋转。在图3A及3B的上下文中,膝关节335的锁定会固定用户305的小腿345及大腿346的相对位置。
[0055] 作为第一实施例的实例,考虑由康复机构中的最近变残疾的患者穿戴的外骨骼。患者在理疗师的帮助下参与外骨骼治疗,且外骨骼配备有由绳索环式致动器提供动力的至少一个关节。如果致动器的绳索环断裂且外骨骼未配备有第一实施例的制动机构,那么经受故障的外骨骼关节将不受限制并能够自由地移动。穿戴外骨骼的患者(其在与发生故障的外骨骼关节协同定位的关节中可能几乎没有力量)将有受伤或跌倒的重大风险。通过使用第一实施例的制动机构,如果发生绳索断裂,那么制动机构将自动地接合,从而将关节锁定在适当位置中且极大地降低了患者受伤的风险。如果外骨骼用作医用装置,例如用于步态训练或其它外骨骼治疗的医用装置,那么安全性的保证是食品与药物管理局及其它监管机构监管批准的先决条件。当在膝盖或其它关节处需要固定位置状态时,制动机构的常开性质还具有节省电池电量的优点,这是因为与典型的外骨骼关节致动器不同,不需要将电流发送到电动机来对外力输入作出反应。因为制动机构在外骨骼电源故障的情况下仍然可起作用,所以对电流的要求的这种缺少用作另外安全特征。此外,因为这些治疗性外骨骼可作为移动装置(例如作为轮椅替代物)在诊所之外使用,所以缩减关节的体积有益于例如防止关节被钩住在衣物或障碍物上且有益于促进进出汽车
[0056] 如上文所提及,图3A、3B、4A及4B中所说明的外骨骼是旨在促进理解本发明的稍微简化的表示。图5中提供更详细的表示,图5展示根据第一实施例而构造的装置。与图3及4的外骨骼100不同,图5所展示的装置包含:两个齿轮,关节凸轮的每一侧上有一个齿轮;及四个棘爪,每一棘爪与四个弹簧中的一者接触,制动组合件的每一侧上有两个棘爪。因此,在绳索环断裂的情况下,制动组合件将把棘爪锁定到每一齿轮中。此外,关节凸轮的每一侧上的齿轮用作用于绳索环到凸轮附接点的导向器。应注意,在一些情况下,对于伸展或弯曲组件仅更详细地展示成对部分,例如,伸展制动组合件是以分解视图展示,而弯曲制动组合件被展示为组装单元。图5中还展示将关于关节状态的信息中继到外骨骼控制系统的传感器。在图5的布置中,棘爪是单向的,其中关节伸展滑轮上的棘爪抵消关节弯曲,且反之亦然。在其它实施例中,制动机构经设计使得棘爪在任一方向上停止运动,或使得单个棘爪耦合到两个滑轮,且在任一(或两个)绳索环中的张力消失时起作用。至少部分地基于避免自锁情形及易于控制算法设计来选择图5所展示的布置。
[0057] 更具体地说,图5的绳索环式致动器500包含分别与第一齿轮503及第二齿轮504对接的伸展电动机501及弯曲电动机502。齿轮503是伸展主轴505的组件,伸展主轴505包含填隙垫圈506、滚子轴承507、直接驱动主轴508及止推轴承509。紧定螺钉510及511将伸展主轴505的组件紧固在一起。电动机501及502由固件(共同标记为513)耦合到电动机架512,其中电动机架512耦合到挤压管道514,挤压管道514又耦合到关节主体515。伸展分离器导向器516在挤压管道514内,伸展分离器导向器516含有在伸展绳索环连接器518处连接到伸展主轴505的高强度伸展绳索环517。伸展绳索环517穿过伸展绞线分离器519,伸展绞线分离器519能够沿伸展分离器导向器516的长度滑动,其中伸展分离器导向器516防止伸展绞线分离器519旋转。关节520(在此实例中为膝关节)将关节主体515连接到关节凸轮521。关节
520包含变阻器电位计522、电位计架523、滚针轴承524及关节轴525。止动点螺钉526限制关节凸轮521相对于关节主体515的移动,从而设置用于膝关节伸展及弯曲的终端允许点。
[0058] 弯曲制动组合件527被展示为组装及定位在关节主体515内,而伸展制动组合件528的组件是以分解视图展示。伸展制动组合件528包含制动紧固件529、滑轮罩530及531、滚子轴承532及533、制动棘爪534及535、滑轮536、定位销537、轴承538及定位销539。定位销
539构成用于伸展制动组合件528的枢轴。下部关节组合件540包含关节凸轮521,其具有伸展绳索环附接点541及弯曲绳索环附接点542。绳索环端盖542及543由紧固件(共同标记为
544)耦合到关节凸轮521。齿轮545及546由弹簧销(共同标记为547)及紧固件(共同标记为
548及549)耦合到关节凸轮521。垫圈550及551与关节凸轮521及关节主体515接触。
[0059] 虽然致动器500包含两个关节盖,但是出于清楚起见而仅展示一个。具体地说,关节盖552用紧固件(共同标记为553)耦合到关节主体515,且覆盖关节主体515及下部关节组合件540。环形电位计554耦合到关节盖552的内表面,且弹簧柱塞555与环形电位计554对接以允许关节度感测。应注意,致动器500含有冗余关节角度感测系统,具体地说,变阻器电位计522及环形电位计554。优选地,实际上仅包含环形电位计554。包含变阻器电位计522可被认为是有益的,这是因为变阻器电位计522在没有关节盖552处于适当位置中的情况下起作用。还应注意,齿轮545及546除了用作制动机构的部分之外还用于将伸展绳索环517及对应弯曲绳索环556引导到关节凸轮521上。
[0060] 现在参考图6,展示本发明的第二实施例。如图3A、3B、4A及4B中一样,前向电动机350连接到前向主轴400,且前向绳索环405穿过前向主轴400及前向绞线分离器410。此外,前向绳索环405与前向制动滑轮600接触,前向制动滑轮600围绕前向滑轮销605旋转。前向绳索环405在前向绳索环附接点420处耦合到小腿支撑件320的膝盖凸轮360。类似地,后向电动机351连接到后向主轴401。后向绳索环406穿过后向主轴401及后向绞线分离器411。此外,后向绳索环406与后向制动滑轮601接触,后向制动滑轮601围绕后向滑轮销606旋转。后向绳索环406在后向绳索附接点421处耦合到膝盖凸轮360。前向电动机350及后向电动机
351耦合到大腿结构315(如图3A及3B所展示),使得在电动机350及351与膝关节335之间维持固定距离。齿轮425耦合到膝盖凸轮360,其中齿轮425及膝盖凸轮360围绕膝关节335一起旋转。制动组合件610包含前向制动滑轮600、后向制动滑轮601、齿轮615、狭槽620、狭槽导向器625及弹簧630。狭槽导向器625位于膝关节335与电动机350及351之间的固定位置处。
此外,狭槽导向器625与狭槽620的侧紧密接触,使得制动组合件610不能够相对于狭槽导向器625旋转。然而,制动组合件610能够在狭槽620的长度内沿狭槽导向器625滑动短距离。弹簧630邻接外骨骼的部分(例如大腿支撑件315)且向制动组合件610施加力,其中此力被抵抗,且制动组合件610沿狭槽导向器625的运动受到由前向绳索环405及后向绳索环406施加到前向制动滑轮600及后向制动滑轮601的张力限制。在前向绳索环405或后向绳索环406断裂的情况下,由剩余绳索环施加的张力不足以抵抗弹簧630的力,使得制动组合件610沿狭槽导向器625向前驱动,直到齿轮615与齿轮425接触为止。这导致膝关节335的锁定,其中防止膝关节335在任一方向上移动。
[0061] 作为第二实施例的实例,考虑康复机构中由最近变残疾的患者穿戴的外骨骼。患者在理疗师的帮助下参与外骨骼治疗,且外骨骼配备有由绳索环式致动器提供动力的至少一个关节。如果致动器的绳索环断裂且外骨骼未配备有第二实施例的制动机构,那么经受故障的外骨骼关节将不受限制并能够自由地移动。穿戴外骨骼的患者(在与发生故障的外骨骼关节协同定位的关节中可能几乎没有力量)将有受伤或跌倒的重大风险。通过使用第二实施例的制动机构,如果发生绳索断裂,那么制动机构将自动地接合,从而将关节锁定在适当位置中且极大地降低了患者受伤的风险。如果外骨骼用作医用装置,例如用于步态训练或其它外骨骼治疗的医用装置,那么安全性的保证是食品与药物管理局及其它监管机构监管批准的先决条件。
[0062] 转到图7A到C及8A到C,展示结合本发明而使用的第一及第二主轴实施例。具体地说,在图7A到C中,主轴700包含绳索狭槽705及圆形绳索导向器710。在图8A到C中,主轴800包含绳索狭槽805及楔形绳索导向器810。图9A及9B分别展示主轴700及800,其中绳索环900由于电动机的作用而处于高扭转,这导致形成扭转螺旋绳索结构905(如上文所论述)。主轴700由于绳索导向器710的圆形形状而在主轴表面与螺旋绳索结构905之间具有间隙910。与此对比,主轴800由于绳索导向器810的楔形形状而在主轴表面与螺旋绳索结构905之间没有间隙。由于额外的控制及支撑,消除此间隙是有利的,由此缩减了磨损。在一些实施例中,绳索导向器810是耦合到主轴800的单独零件。在一个优选实施例中,绳索导向器810是由允许一定程度的变形的柔软材料制成。
[0063] 图10A及10B展示结合本发明而使用的绳索环绞线分离器1000。如上文所论述,绳索环穿过绞线分离器,其中绳索环的扭转螺旋绳索结构位于一端处的主轴与另一端处的绞线分离器之间。绞线分离器经配置以分离绳索环的绞线,使得螺旋绳索结构不会继续经过绞线分离器,即,绳索环在绞线分离器之后的部分解除扭转。这允许绳索环更容易地且以更少的磨损或钩住可能性越过制动滑轮布线到绳索环附接点。特定地返回到绞线分离器1000,绞线分离器1000包含楔形绳索导向器1005,其以类似于绳索导向器810的方式起作用。具体地说,如同绳索导向器810一样,绳索导向器1005防止在螺旋绳索结构与绞线分离器1000的表面之间形成间隙。
[0064] 作为本发明的主轴及绳索环绞线分离器的实用性的实例,考虑具有结合本发明的第一实施例而展示的类型的膝关节及致动器的外骨骼。在绳索环扭转及解除扭转的许多周期中,绳索环的表面将开始降解,特别是在绳索环的扭转部分与解除扭转部分之间的过渡区域处。通过使用本发明的主轴及绞线分离器,这些过渡扭转到解除扭转区域中的绳索环上的磨损显著地减小。这些结构的测试已展示相对于不利用它们的第一实施例的装置减小了绳索环磨损,其中绳索环磨损依据绳索环表面上的纤维破损及断裂而容易观察到。绳索环磨损的减小会缩减对外骨骼的维护需要,且缩减外骨骼在使用时由于绳索环断裂而临时停用的可能性。本发明的绳索环可由各种材料制成。然而,优选材料包含高模量聚乙烯(HMPE)、液晶聚合物(LCP)、芳族聚酰胺(ARAMID)及聚苯并恶唑(PBO)。
[0065] 现在参考图11A及11B,展示根据本发明第三实施例的致动器。双向电动机1100驱动输入轴1105的旋转。输入轴1105上的驱动齿轮1110接触前向主轴1120的前向齿轮1115。后向主轴1121包含与前向齿轮1115接触的后向齿轮1116。前向主轴1120包含前向弹性体弹簧1125及前向弹簧终止销1130。前向弹簧终止销1130穿过前向绳索环405并限制前向绳索环405及前向绳索环顶点1135的位置。后向主轴1121包含后向弹性体弹簧1126及后向弹簧终止销1131。后向弹簧终止销1131穿过后向绳索环406并限制后向绳索环406及后向绳索环顶点1136的位置。由于驱动齿轮1110、前向齿轮1115与后向齿轮1116之间的连接,驱动齿轮
1110的逆时针旋转致使前向齿轮1115顺时针旋转,这又致使后向齿轮1116逆时针旋转。前向齿轮1115的顺时针旋转还致使前向主轴1120及前向弹簧终止销1130顺时针旋转,这导致前向绳索环405扭转及缩短。后向主轴1121及后向弹簧终止销1131的同时逆时针旋转导致后向绳索环406解除扭转及伸长。因此,电动机1100在逆时针方向上的激活同时伸长后向绳索环406且缩短前向绳索环405。因为电动机1100及主轴1120及1121连接到大腿支撑件315(如图3A及3B所展示),从而在这些结构与膝关节335之间维持固定距离,所以后向绳索环
406的同时伸长及前向绳索环405的缩短导致后向绳索环附接点421上的张力减小,且前向绳索环附接点420上的张力增加,这致使小腿支撑件320围绕膝关节335向前(即,在顺时针方向上)旋转。类似地,电动机1100在顺时针方向上的激活致使小腿支撑件320围绕膝关节
335向后(即,在逆时针方向上)旋转。前向弹性体弹簧1125及后向弹性体弹簧1126在此设计中是有益的,这是因为绳索环405及406的缩短及伸长不是线性函数。这在第一及第二实施例中不是问题,这是因为对置电动机可用于拉紧任何松弛。然而,如第三实施例中一样,当绳索环405及406同时伸长及缩短时,包含用于移除绳索松弛的机构是有利的。具体地说,弹簧1125及1126在远离膝关节335的方向上对销1130及1131施加力。因此,绳索环405或绳索环406中的松弛通过销1130或销1131移动远离膝关节335而被拉紧。在替代实施例中,可使用其它类型的弹簧或其它机构来移除绳索松弛。此外,电动机1100及输入轴1105可以不同方式布置。举例来说,电动机1100及输入轴1105可位于主轴1120及1121下方,输入轴1105可位于主轴1120及1121之间,或可存在以所属领域中所知的多种方式中的任一种方式链接输入轴1105及主轴1120及1211的旋转的滚子链或某个其它机构。
[0066] 第三实施例的驱动机构经设计成与例如本发明的第一及第二实施例中所展示的制动机构一起使用。在图11A及11B中,展示根据第一实施例的制动机构。因此,如上文所论述,前向绳索环405穿过前向主轴1120及前向绞线分离器410。此外,前向绳索环405与前向制动滑轮355接触,前向制动滑轮355围绕前向滑轮销415旋转。前向绳索环405在前向绳索环附接点420处耦合到小腿支撑件320的膝盖凸轮360。类似地,后向绳索环406穿过后向主轴1121及后向绞线分离器411。此外,后向绳索环406与后向制动滑轮356接触,后向制动滑轮356围绕后向滑轮销415旋转。后向绳索环406在后向绳索附接点521处耦合到膝盖凸轮360。电动机1110连接到大腿支撑件315(如图3A及3B所展示),使得在电动机1110与膝关节
335之间维持固定距离。齿轮425耦合到膝盖凸轮360,其中齿轮425及膝盖凸轮360围绕膝关节335一起旋转。前向制动组合件430包含前向制动滑轮355、前向棘爪435、前向枢轴销440及前向弹簧445。前向制动滑轮355由前向滑轮销415可旋转地耦合到前向棘爪435。后向制动组合件431包含后向制动滑轮356、后向棘爪436、后向枢轴销441及后向弹簧446。后向制动滑轮356由后向滑轮销416可旋转地耦合到后向棘爪436。前向制动组合件430及后向制动组合件431在前向枢轴销440及后向枢轴销441处可旋转地耦合到大腿支撑件315(图3A及3B所展示)。前向弹簧445及后向弹簧446由前向棘爪435及后向棘爪436固持为压缩抵靠大腿支撑件315。为压缩弹簧445及446所需要的力是由拉紧的绳索环405及406施加到制动滑轮
355及356上。
[0067] 如果后向绳索环406发生断裂,那么后向制动滑轮356不再受到后向绳索环406限制,且后向弹簧446致使后向棘爪436围绕后向枢轴销441旋转,直到后向棘爪436接触齿轮425为止。此时,后向棘爪436的齿与齿轮425的齿配合。因为后向棘爪436耦合到大腿支撑件
315且齿轮425耦合到小腿支撑件320,所以这些齿的配合会防止小腿支撑件320及大腿支撑件315在膝关节335处相对于彼此旋转。在图3A及3B的上下文中,膝关节335的锁定会固定用户305的小腿345及大腿346的相对位置。
[0068] 图11A及11B所说明的致动器是旨在促进理解本发明的稍微简化的表示。图12中提供更详细的表示,图12展示根据第三实施例而构造的装置。具体地说,装置1200包含主轴1205及1206、弹簧终止销1210、绳索环1215及1216、弹性体弹簧1220及1221、螺旋齿轮1225及1226、输入轴1230、止推轴承1235及1236、驱动架轴承1240、外导向套1245及1246、内导向套1250及1251,及挤压管道1255。装置1200的下部部分(即,关节及制动机构)在图12中未展示,但是基本上类似于图5所展示的情况。在装置1200中,螺旋齿轮1225及1226以1:1的比率进行齿轮传动,使得主轴1205及1206中的一者的顺时针扭转通过主轴1205及1206中的另一者的逆时针扭转予以相等地补偿。在一些实施例中,弹簧张力可通过改变弹簧或使用所属领域中所知的其它方法而调整,以提供可变的膝盖阻力。
[0069] 作为第三实施例的实例,考虑两个外骨骼装置。第一外骨骼装置配备有第一实施例的致动器,且第二外骨骼装置配备有第三实施例的致动器。第二外骨骼的每一致动器仅需要一个电动机,这允许缩减外骨骼重量或在相同的外骨骼重量下增加电动机大小及扭矩。缩减外骨骼的重量可增加外骨骼的范围及可能速度,以及其它优点。增加电动机扭矩可增加外骨骼速度以及外骨骼的提升或承载能力。
[0070] 基于上文,应容易显而易见,本发明提供一种外骨骼,其中致动器使用电动机来扭转绳索环,以便致使外骨骼关节在与电动机相隔的一定距离处移动,其中关节经受双向移动,且其中在绳索环断裂的情况下阻碍关节移动,由此防止外骨骼的穿戴者受伤或进一步损坏外骨骼。本发明还提供一种外骨骼,其中关节通过单个电动机的作用而经受双向移动。此外,本发明提供一种装置,其控制由致动器扭转的绳索环的绞线的位置及分离,其中此装置用以使得绳索环的绞线随着每一扭转周期而经受缩减磨损,由此延长了绳索环的功能寿命。虽然参考优选实施例进行描述,但是应容易理解,在不脱离本发明的精神的情况下,可对本发明进行各种改变或修改。一般来说,本发明仅意图受到所附权利要求书的范围限制。
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