用于輔助人類運(yùn)動(dòng)的軟式外裝護(hù)具的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求以下申請的優(yōu)先權(quán)，并通過引用的方式將其整體并入：2012年9月17 日遞交的美國臨時(shí)專利申請?zhí)朜o. 61/701，970,標(biāo)題為"Soft Wearable Motion Sensing Suit for Lower Limb Biomechanics Measurements" ；2013 年 5 月 31 日遞交的美國臨時(shí) 專利申請?zhí)?No. 61/829, 686,標(biāo)題為 "Method and System for Assisted Motion"；以及 2013年9月4日遞交的美國臨時(shí)專利申請?zhí)朜o. 61/873,433,標(biāo)題為"Soft Exosuit for Assistance with Human Motion"。
[0003] 聯(lián)邦資助研宄的聲明
[0004] 本公開的某些方面是在由美軍授予的基金號W911QX-12-C-0084的政府資助下作 出的，政府對本公開的這些方面享有一定權(quán)利。
[0005] 本公開的某些方面是在由美國國家科學(xué)基金會(huì)授予的NSF基金號CNS-0932015的 政府資助下作出的，政府對本公開的這些方面享有一定權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0006] 本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思總體而言針對用于輔助人類運(yùn)動(dòng)的方法和系統(tǒng)，更具體而言針 對通過向一個(gè)或多個(gè)移動(dòng)動(dòng)作被動(dòng)和/或主動(dòng)地添加輔助能量，來為運(yùn)動(dòng)提供輔助并減少 運(yùn)動(dòng)（例如行走）期間的能量耗費(fèi)的方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0007] 現(xiàn)有技術(shù)中的運(yùn)動(dòng)輔助系統(tǒng)利用外骨骼，其包括硬質(zhì)部件（例如連桿（linkage)) 和接頭（例如銷接頭（pin joint))，所述外骨骼貼附于使用者身體，同時(shí)外骨骼關(guān)節(jié)被設(shè) 置為具有與相鄰關(guān)節(jié)的自然旋轉(zhuǎn)軸理想地處于同一直線的旋轉(zhuǎn)軸。示例性的現(xiàn)有技術(shù)中的 外骨骼示于美國公開專利申請?zhí)朜o. 2007/0123997和2011/0040216中，兩者均屬于Herr 等人，并且以引用的方式將二者的整體并入本文。此類硬質(zhì)外骨骼提供了替代已喪失或遭 嚴(yán)重?fù)p害的人體移動(dòng)的能力，并因此設(shè)計(jì)用于提高使用者的穩(wěn)定性、平衡性和安全性。其它 硬質(zhì)外骨骼起到平臺(tái)的作用，在臨床環(huán)境（如在物理治療臨床）中提供物理治療，或用于輔 助健全的使用者更輕松地或在更長的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行任務(wù)。
[0008] 然而，這些硬質(zhì)外骨骼依靠連桿的硬質(zhì)框架，通過墊、綁帶（straps)或其它接合 技術(shù)在選定位置處結(jié)合至身體。當(dāng)使用者彎曲或伸展其肢體時(shí)，這些硬質(zhì)連接與肢體平行 移動(dòng)，使得移動(dòng)增加相當(dāng)大的慣性，必須由電動(dòng)機(jī)或由使用者加以克服。盡管已經(jīng)付出了許 多努力來減小這些設(shè)備的重量和外形，其仍然對使用者的運(yùn)動(dòng)造成相當(dāng)大的限制，特別是 對自然動(dòng)力學(xué)和步態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)增加相當(dāng)大的阻礙。這種對行走的正常運(yùn)動(dòng)學(xué)造成的變化正是 為何這些外骨骼系統(tǒng)無法減少運(yùn)動(dòng)所需代謝功率的一個(gè)原因。硬質(zhì)連接也會(huì)造成困難，特 別是在運(yùn)動(dòng)的極端時(shí)，這是因?yàn)橥夤趋赖匿N接頭與人體關(guān)節(jié)的軸線并非精確匹配，后者通 過復(fù)雜的三維路徑進(jìn)行移動(dòng)。這導(dǎo)致了正常移動(dòng)期間的不重合度高達(dá)l〇cm，使得使用者產(chǎn) 生疼痛甚至受傷。一種解決方案包括冗余的被動(dòng)自由度，以允許外骨骼在穿戴者運(yùn)動(dòng)的關(guān) 鍵區(qū)域發(fā)生飄移（travel)和變形，然而，這又進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的重量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思針對配置用于輔助使用者移動(dòng)的方法、系統(tǒng)和設(shè)備，更具體地 說，針對涉及軟式外裝護(hù)具的方法、系統(tǒng)和設(shè)備，所述軟式外裝護(hù)具包括多個(gè)不可伸長的或 半可伸長的元件作為柔性連接元件（例如，織帶（webbing)、綁帶、繩（cord)、功能紡織品 (functional textile)、金屬線（wire)、纜線（cable)、復(fù)合材料或以上材料的組合等），上 述元件設(shè)置于多個(gè)錨定點(diǎn)或錨定區(qū)域（例如，髂嵴、肩、大腿、腳踝、小腿等）之間，所述軟式 外裝護(hù)具還包括一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器，上述致動(dòng)器適于適時(shí)地在選定的柔性元件處選擇性地 產(chǎn)生張力，此時(shí)將力傳輸至特定肢體或身體部位，從而有利于所述特定肢體或身體部分的 移動(dòng)。本文所述的軟式外裝護(hù)具通常是指代并包括利用柔性連接元件向至少一個(gè)肢體（例 如腿部）或肢體部分（例如足部）提供輔助力的可穿戴設(shè)備。在一些方面，軟式外裝護(hù)具 利用柔性連接元件向多個(gè)肢體（例如，雙腿）或一個(gè)或多個(gè)肢體的多個(gè)部分（例如，雙足） 提供輔助力。在至少一些方面，除了驅(qū)動(dòng)對側(cè)雙腿或?qū)?cè)雙臂的一個(gè)或多個(gè)關(guān)節(jié)以促進(jìn)肢 體在不同時(shí)間向不同方向移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)（例如行走）以外，本發(fā)明的構(gòu)思也包括提供同時(shí)驅(qū) 動(dòng)多于一個(gè)的肢體，并且包括例如使雙腿的運(yùn)動(dòng)相互配合、或使腿和手臂的移動(dòng)（同側(cè)或 對側(cè)）相互配合、使手臂的移動(dòng)相互配合，或使其它身體移動(dòng)相互配合，從而開發(fā)利用潛在 的協(xié)同移動(dòng)。
[0010] 相比于現(xiàn)有技術(shù)的硬質(zhì)外骨骼而言，軟式外裝護(hù)具更輕，穿戴更舒適，并允許更完 整、更自然的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍，同時(shí)仍然能夠傳遞有助于輔助運(yùn)動(dòng)的力或扭矩。根據(jù)本發(fā)明的 構(gòu)思，柔性連接元件可任選地與硬質(zhì)或半硬質(zhì)連接元件組合使用，并且不必要使所有連接 元件均為柔性。
[0011] 在本發(fā)明構(gòu)思的至少一些方面，可穿戴軟式外裝護(hù)具包括第一錨定元件和第二錨 定元件，所述第一錨定元件被配置為位于穿戴所述可穿戴軟式外裝護(hù)具的人的第一身體部 分處或位于所述第一身體部分附近，所述第二錨定元件被配置為位于穿戴所述可穿戴軟式 外裝護(hù)具的人的第二身體部分處或位于所述第二身體部分附近。所述軟式外裝護(hù)具還包 括：多個(gè)連接元件，所述連接元件在所述第一錨定元件和所述第二錨定元件之間延伸，并且 所述多個(gè)連接元件中的至少一個(gè)跨越位于第一銷定元件和第二銷定元件之間的至少一個(gè) 關(guān)節(jié)；至少一個(gè)致動(dòng)器；以及至少一個(gè)控制器，所述控制器被配置為用于在所述至少一個(gè) 關(guān)節(jié)進(jìn)行移動(dòng)期間的預(yù)定時(shí)間，對所述至少一個(gè)致動(dòng)器進(jìn)行致動(dòng)，以在所述至少一個(gè)關(guān)節(jié) 周圍產(chǎn)生有益力矩。
[0012] 在本發(fā)明的概念的至少一些其它方面中，用于在一個(gè)或多個(gè)關(guān)節(jié)周圍產(chǎn)生力的系 統(tǒng)包括軟式外裝護(hù)具，所述軟式外裝護(hù)具包括：多個(gè)錨定元件；多個(gè)連接元件，所述連接元 件被配置在所述多個(gè)錨定元件之間；至少一個(gè)傳感器，所述傳感器用于對所述多個(gè)連接元 件中的至少一個(gè)之中或所述多個(gè)錨定元件之中的力進(jìn)行檢測，并輸出與所述力相關(guān)的信 號；至少一個(gè)致動(dòng)器，所述致動(dòng)器被配置為用于改變所述軟式外裝護(hù)具中的張力；以及至 少一個(gè)控制器，所述控制器被配置為用于接收來自所述至少一個(gè)傳感器輸出的信號，并響 應(yīng)于所接收到的信號對所述至少一個(gè)致動(dòng)器進(jìn)行致動(dòng)。
[0013] 在至少一些方面中，所述軟式外裝護(hù)具連接元件被布置在可穿戴矩陣中，所述可 穿戴矩陣限定了多個(gè)節(jié)點(diǎn)、點(diǎn)或區(qū)域，多個(gè)連接元件在上述多個(gè)節(jié)點(diǎn)、點(diǎn)或區(qū)域處得以相互 連接，并直接或間接地連接到多個(gè)錨定點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)上的力由連接元件的配置（例如，相互連接 在節(jié)點(diǎn)處的連接元件的數(shù)量、相互連接在節(jié)點(diǎn)處的連接元件的相對角度等）和沿著各構(gòu)成 連接元件所施加的力而得以部分控制。在運(yùn)動(dòng)期間，軟式外裝護(hù)具致動(dòng)器選擇性地在選定 的節(jié)點(diǎn)和/或錨定點(diǎn)處沿著連接元件施加張力。作為所施加的張力的結(jié)果，在一個(gè)或多個(gè) 關(guān)節(jié)中產(chǎn)生力矩。當(dāng)這些力矩與由肌肉產(chǎn)生的自然力矩同向時(shí)，這些力矩被認(rèn)為是有益力 矩，并輔助運(yùn)動(dòng)（和/或吸收功率），需要較少的來自使用者的能量并減少運(yùn)動(dòng)的代謝消耗。
[0014] 基于連接元件相對于關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的位置，來確定由致動(dòng)器與每個(gè)關(guān)節(jié)處的相關(guān)連 接元件施加的力矩的大小和方向。力矩的大小可基于張力相對于關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的偏移來確 定，此類偏移受使用者的自然身體結(jié)構(gòu)（如，肌肉、脂肪等）、服裝（例如靴）和中介元件（例 如，將錨定點(diǎn)連接至連接元件的錨定元件）影響。在至少一些方面中，軟式外裝護(hù)具被配置 為用于通過設(shè)置連接元件，以對稱地傳遞至關(guān)節(jié)的兩側(cè)，從而將基本平衡的力施加至關(guān)節(jié) 的每一側(cè)，來有利地降低無益的力矩。通過配置軟式外裝護(hù)具柔性元件盡可能接近地（如 果未能覆蓋的話）通過關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸，可進(jìn)一步減少軟式外裝護(hù)具中的不希望的力矩。軟式 外裝護(hù)具中抵抗拉伸的元件能夠防止軟式外裝護(hù)具上的點(diǎn)（例如，節(jié)點(diǎn)或另一個(gè)點(diǎn)）向可 能導(dǎo)致該元件伸長的方向移動(dòng)。將數(shù)個(gè)此類元件放置