上肢康復、監測和/或評估的交互裝置的製作方法
2023-10-06 04:05:24 5
本發明涉及康復、尤其是上肢康復的領域。更具體地說，本發明涉及適用於對象的上肢康復、監測和/或評估的二自由度平面交互裝置。
背景技術：
在全球範圍內，中風是殘疾的主要原因，每年僅在美國報告的新病例就有大約80萬例，其中大約13萬人死亡。在歐盟，中風的發病率似乎顯著更高，每年超過46萬人死亡。中風的生理效應是可變的，並且可以包括運動和感覺系統、語言、感知、情感和認知功能上的損傷。運動功能損傷通常涉及對側於腦損傷一側的身體一側的肌肉癱瘓或麻痺。經歷過嚴重中風的人往往具有胳膊、腿和手部的肌肉功能的顯著損傷，從而導致嚴重殘疾。在中風造成的所有損傷中，最致殘的或許就是上肢偏癱。上肢受到特別關注是因為上肢損傷影響著殘疾、獨立性和生活質量。因此，提高運動技能、更具體為上肢的功能性使用被視為中風後康復的主要目標之一。然而，即使有所康復，與下肢的情況相比，手臂的機能恢復和手部的使用通常依舊受限。局部麻痺的上肢中的受限的運動恢復的確佔據了殘疾後遺症中的一大部分。
創傷性腦損傷以及脊髓損傷需要多學科的持續性努力，以穩定、減少或防止繼發性損傷和併發症，並且為個體在整個剩餘的生命期內改善或維持社會角色功能和生活質量。因為脊髓損傷時的平均年齡是32歲，所以專門照顧必然是長期的。其他類型的疾病，如創傷性事故和神經障礙可以導致力量、協調和運動範圍上的類似缺陷。
為了在中風或受到損傷之後恢復或保持功能性的能力，患者承受康復治療，如職業和物理治療。
用手進行物理治療仍是治療的主要方法。然而，用手治療強烈依賴於物理治療師的個人經驗，並且沒有任何方法來精確地控制所施加的力的大小以及關節的扭轉程度。另外，治療師和患者之間的一對一的交互在高強度和高重複訓練的條件下是受限的。
機器人或互動訓練是展示出應用在神經康復領域的巨大潛力的新技術。機器人或互動訓練具有一些優點，例如適應性、數據收集、激勵、患者安全顧慮的緩和以及能夠提供密集的個性化反覆訓練。因此，本發明的目的在於提供一種可以由治療師用作為工具的裝置，藉此治療師能夠評估患者的恢復狀況，然後利用本發明來協助患者進行治療的重複性動作。
目前的機器人通常顯示單自由度或提供有限的康復過程，因為它們不提供對於多個肌肉群的康復而言所需的運動範圍。
美國專利5466213公開一種交互式機器人治療師，其與患者交互以塑造運動技能。所述機器人治療師包括提供轉動/轉動運動的運動鏈。在使用中，所述機器人由於其自身的運動鏈而提供有限的康復表面——僅28釐米直徑的圓。
美國專利申請2012/0109025涉及一種用於使前臂的外旋/內旋運動以及手指的屈曲/伸展運動得到恢復的機器人。然而，這種裝置旨在恢復複雜的動作，例如抓取，並且不能用來作為一期癒合康復過程。
根據本申請人，仍然需要提供能夠在一期癒合康復過程以及以後的康復過程中使用的機器人或交互裝置，同時還提供大型康復表面。此外，有必要提供能夠在康復以及定量評估和監測中使用的交互裝置。
因此，本發明的目的在於提供一種使得上肢(即肘部和肩部)能夠完全彎曲/伸展運動的大型的矩形康復表面。為此目的，本發明包括H形笛卡爾坐標平面互動裝置，其包括兩個機動化的引導機構和一個非機動化的引導機構，從而使得在無幹擾的情況下，對象的肢體能夠通過大型康複平面而運動，同時使交互裝置的複雜度、大小、重量和成本最小化。
因此，本發明提供大型的康復表面，其憑藉將機器人技術和交互環境有利地結合的交互裝置，使得能夠進行康復並且對患者的恢復和進展進行量化。
技術實現要素：
因此，本發明涉及二自由度平面康復、監測和/或評估裝置，其包括第一引導機構、基本上平行於第一引導機構的第二引導機構、基本上垂直於第一和第二引導機構的第三引導機構、和端部執行器。根據一個實施例，第三引導機構連接到第一和第二引導機構。根據一個實施例，端部執行器連接到第三引導機構。
根據一個實施例，第一引導機構包括至少一個第一導軌、可滑動地連接到至少一個第一導軌的第一滑塊和驅動第一滑塊的第一驅動模塊；第二引導機構包括至少一個第二導軌、可滑動地連接到至少一個第二導軌的第二滑塊；第三引導機構包括至少一個第三導軌、可滑動地連接到至少一個第三導軌的第三滑塊和驅動第三滑塊的第三驅動模塊。根據一個實施例，第三引導機構通過第一和第二滑塊連接到第一和第二引導機構。根據一個實施例，第二引導機構不包括驅動模塊。
根據一個實施例，端部執行器連接到第三滑塊。
根據一個實施例，端部執行器可以通過驅動模塊沿由至少一個第三導軌限定的第一軸和沿由至少一個第一導軌限定的第二軸來驅動。
根據一個實施例，至少一個第一、第二和/或第三導軌允許滑塊的線性運動的幅度延伸至2米，優選至1.5米，更優選至1米，甚至更優選約80釐米。
根據一個實施例，第二滑塊承受由對象施加在第三引導機構上的力所引起的扭矩。
根據一個實施例，第二滑塊包括主體和從主體向下突出的至少一個軸承部件，其中所述至少一個軸承部件可滑動地連接到至少一個第二導軌，並且其中位於相對端部的兩個軸承點之間的所述至少一個軸承部件的沿至少一個第二導軌的軸的長度為至少10釐米，優選為至少20釐米，更優選為至少30釐米。
根據一個實施例，第二滑塊包括主體和從主體向下突出的兩個軸承部件，其中所述第一和第二軸承部件可滑動地連接到至少一個第二導軌，並且其中所述第一和第二軸承部件沿至少一個第二導軌的軸間隔開至少10釐米，優選至少20釐米，更優選至少30釐米。
根據一個實施例，第一和第三滑塊通過軸承、優選通過滑動軸承分別連接到至少一個第一和第三導軌；並且第二滑塊的至少一個軸承部件通過軸承、優選通過滾珠軸承連接到至少一個第二導軌。
根據一個實施例，本發明的裝置還包括基本上平行於第一和第二引導機構的第四引導機構、基本上平行於第三引導機構並且基本上垂直於第一、第二和第四引導機構的第五引導機構，和第二端部執行器。
根據一個實施例，第五引導機構連接到第二和第四引導機構。根據一個實施例，第二端部執行器連接到第五引導機構。
根據一個實施例，第二引導機構包括兩個滑塊：第一第二滑塊和第二第二滑塊。
根據一個實施例，第四引導機構包括至少一個第四導軌、可滑動地連接到至少一個第四導軌的第四滑塊和驅動第四滑塊的第四驅動模塊；第五引導機構包括至少一個第五導軌、可滑動地連接到至少一個第五導軌的第五滑塊和驅動第五滑塊的第五驅動模塊。
根據一個實施例，第五引導機構通過第四和第二第二滑塊連接到第四和第二引導機構。
根據一個實施例，第二第二滑塊承受由對象施加在第五引導機構上的力所引起的扭矩。
根據一個實施例，第二端部執行器可以通過第四和第五驅動模塊來驅動。
本發明還涉及適用於康復、監測和/或評估對象的肢體、優選為上肢的二自由度平面康復、監測和/或評估的交互裝置，其包括如本發明中所述的二自由度平面康復裝置和控制所述交互裝置的動作的控制系統。
根據一個實施例，裝置布置在底盤上並且交互裝置包括用於與對象進行交互的顯示器、位於端部執行器中的力傳感器，和位於驅動模塊中的位置傳感器，以及替選的工作面。
根據一個實施例，交互裝置能夠在限定對象與交互裝置之間的交互的三種控制模式下工作：被動模式，其中交互裝置引導對象的肢體沿預定路徑運動，主動模式，其中交互裝置不向對象提供激勵，僅控制由對象所實施的運動，和主動形式的被動模式，其中交互裝置根據對象的運動技能來協助對象的肢體運動。
根據一個實施例，根據對象的運動技能，控制系統實時調節橫向的相互作用力從而防止對象偏離預定路徑，實時調節縱向的相互作用力從而協助對象以預定速度沿預定路徑運動，並且實時調節起始時間，在該起始時間之後，如果對象尚未開始運動，則交互裝置啟動運動。
根據一個實施例，交互裝置還包括顯示在顯示器上並且情境化為任務或遊戲的用戶友好型圖形環境。
附圖說明
圖1是根據本發明的一個實施例的康復、監測和/或評估裝置的立體圖。
圖2是從第二引導機構(即非機動化的引導機構)一側觀察的根據本發明的一個實施例的康復、監測和/或評估裝置的側視圖。
圖3是根據本發明的一個實施例的康復、監測和/或評估的交互裝置的立體圖。
圖4是根據本發明的另一實施例的康復、監測和/或評估裝置的立體圖。
圖5是根據本發明的另一實施例的康復、監測和/或評估的交互裝置的立體圖。
圖6A是根據本發明的一個實施例的端部執行器的俯視圖。
圖6B是沿根據本發明的一個實施例的端部執行器的A-A軸(參照圖6A)的剖視圖。
圖7是根據本發明的一個實施例的端部執行器的分解圖。
圖8是根據本發明的一個實施例的端部執行器的傳感器部件的立體圖。
圖9是根據本發明的一個實施例的端部執行器的手柄、前臂支承件和手部支承件的分解圖。
圖10A根據本發明的一個實施例的端部執行器的手柄、前臂支承件和手部支承件的側視圖。
圖10B是沿根據本發明的一個實施例的端部執行器的手柄、前臂支承件和手部支承件的A-A軸(參見圖10A)的剖視圖。
圖10C是沿根據本發明的一個實施例的端部執行器的手柄、前臂支承件和手部支承件的B-B軸(參見圖10A)的剖視圖。
圖11是根據本發明的一個實施例的端部執行器的鎖定部件的立體圖。
圖12是根據本發明的一個實施例的控制策略的流程圖。
圖13A是根據本發明的一個實施例的框架和康復、監測和/或評估裝置的分解圖。
圖13B是根據本發明的一個實施例的固定在框架上的康復、監測和/或評估裝置的立體圖。
附圖標記
1 裝置
2 第一引導機構
2.1 第一導軌
2.2 第一滑塊
2.3 第一驅動模塊
3 第二引導機構
3.1 第二導軌
3.2 第二滑塊
3.3 第二滑塊的主體
3.41 第二滑塊的第一軸承部件
3.42 第二滑塊的第二軸承部件
4 第三引導機構
4.1 第三導軌
4.2 第三滑塊
4.3 第三驅動模塊
5 端部執行器
5.1 手柄
5.11 手柄支承件
5.2 手部支承件
5.21 鎖定部件
5.211 橢圓形孔
5.212 梨形孔口
5.213 半梨形孔口
5.22 銷
5.23 手部支承件中的設計用於部分地容納手柄支承件的杆的孔
5.24 手部支承件中的設計用於部分地容納前臂支承件的杆的孔
5.3 傳感器部件
5.31 傳感器部件內的用於容納至少一個載荷傳感器的空間
5.4 止擋部件
5.41 止擋件
5.5 前臂支承件
5.51 前臂支承件的杆
6 交互裝置
7 顯示器
8 底盤
9 保護罩
10 工作面
11 具有兩個端部執行器的裝置
12 第四引導機構
13 第五引導機構
14 第二端部執行器
16 具有兩個端部執行器的交互裝置
17 框架
17.1 第一支承臂
17.2 第二支承臂
17.3 第三支承臂
17.4 第四支承臂
術語
在本發明中，以下術語具有如下意義：
-在此所使用的單數形式「一」、「一個」和「所述」包括複數參考，除非上下文另有明確說明。
-術語「約」在此用於指大約，大致，左右，或在……區域內。當術語「約」與數值範圍結合使用時，它通過將邊界擴展到所述數值之上以及之下而修改該範圍。通常，術語「約」在此用於以20％的變化，更優選地以5％的變化來將數值修改到所述數值之上以及之下。
-術語「驅動模塊」在此指能夠沿至少一個導軌驅動滑塊的任意工具，例如馬達和導螺杆。
具體實施方式
應當理解，在此所作的空間描述(例如，「之上」、「之下」、「向上」、「向下」、「頂部」、「底部」、「上」、「下」等)僅用於說明的目的，並且本發明的裝置能夠在空間上以任何取向或方式來設置。
本發明首先涉及適用於康復、監測和/或評估對象的肢體、優選為對象的上肢的二自由度平面裝置。
裝置
根據第一實施例，二自由度平面裝置具有H形。參照附圖，圖1示出所述H形裝置1，其包括第一引導機構2、基本上平行於第一引導機構2的第二引導機構3和基本上垂直於第一和第二引導機構2、3的第三引導機構4。
根據一個實施例，本發明的二自由度平面裝置1是笛卡爾坐標裝置，即兩個控制主軸是線性的(即，它們沿直線移動並且不轉動)並且互相垂直的裝置。因此，根據一個實施例，二自由度平面裝置1不提供轉動運動，並且引導機構不是可樞軸轉動地耦接在彼此之間。
根據一個實施例，第一引導機構2包括至少一個第一導軌2.1、可滑動地連接到至少一個第一導軌2.1的第一滑塊2.2和驅動第一滑塊2.2的第一驅動模塊2.3。
根據一個實施例，第二引導機構3包括至少一個第二導軌3.1、可滑動地連接到至少一個第二導軌3.1的第二滑塊3.2。根據一個實施例(未示出)，第二引導機構3包括驅動第二滑塊3.2的第二驅動模塊。根據一個優選的實施例(如圖1和2所示)，第二引導機構3不包括任何驅動模塊。
根據一個實施例，第三引導機構4包括至少一個第三導軌4.1、可滑動地連接到至少一個第三導軌4.1的第三滑塊4.2和驅動第三滑塊4.2的第三驅動模塊4.3。
根據一個實施例，三個引導機構中僅兩個包括驅動模塊，優選第二引導機構3不包括驅動模塊。根據一個實施例，本發明的二自由度平面裝置1包括兩個有源引導機構(即包括驅動模塊)和一個無源引導機構(即無驅動模塊)。根據一個實施例，本發明的二自由度平面裝置1不包括三個有源引導機構。
根據一個實施例，第一、第二和/或第三滑塊2.2、3.2、4.2分別可滑動地連接到至少一個第一、第二和/或第三導軌2.1、3.1、4.1。根據一個實施例，第一、第二和/或第三滑塊2.2、3.2、4.2分別可滑動地連接到兩個平行的第一導軌2.1、兩個平行的第二導軌3.1和/或兩個平行的第三導軌4.1。根據一個優選的實施例，第一和第三滑塊2.2、4.2分別可滑動地連接到兩個平行的第一導軌2.1和兩個平行的第三導軌4.1，並且第二滑塊3.2可滑動地連接到一個第二導軌3.1。根據一個實施例，基本上垂直於第一和第二引導機構2、3的第三引導機構4由於第一和第二滑塊2.2、3.2而沿第二或矢狀軸移動；在所述第一和第二滑塊2.2、3.2中，只有第一滑塊2.2由第一驅動模塊2.3來驅動。
根據一個實施例，第一、第二和第三滑塊2.2、3.2、4.2中的每個包括可滑動地連接到至少一個第一、第二和第三導軌2.1、3.1和4.1的至少一個軸承。根據一個優選的實施例，該軸承是滑動軸承、滾動軸承，例如滾珠軸承、流體軸承或磁性軸承。
根據一個實施例，第一引導機構2確保第一滑塊2.2通過諸如上述的那些的至少一個標準軸承沿限定第二軸(以下稱為第二軸或矢狀軸)的至少一個第一導軌2.1作線性運動。第一滑塊2.2可以由第一驅動模塊2.3來驅動。
根據一個實施例，第二引導機構3確保第二滑塊3.2通過諸如上述的那些的至少一個標準軸承沿著沿第二軸取向的至少一個第二導軌3.1作線性運動。第二滑塊3.2由於受第一驅動模塊2.3驅動的第三引導機構4的運動而可以間接地被驅動。
根據一個實施例，第三引導機構4確保第三滑塊4.2通過諸如上述的那些的至少一個標準軸承沿限定第一軸(以下稱為第一軸或額狀軸)的至少一個第三導軌4.1作線性運動。第三滑塊4.2可以由第三驅動模塊4.3來驅動。
根據一個實施例，第三引導機構4的第一和第二端部通過本領域技術人員會找到的合適的任意方式、例如螺紋連接而分別固定到第一和第二滑塊2.2、3.2。由此，第一滑塊2.2沿至少一個第一導軌2.1的線性運動可以確保第二滑塊3.2沿至少一個第二導軌3.1作類似或相同的線性運動。
根據一個實施例，第一、第二和第三滑塊2.2、3.2、4.2的至少一個軸承是相同的或不同的。根據一個優選實施例，第一滑塊2.2包括滑動軸承，第三滑塊4.2包括滑動軸承，並且第二滑塊3.2包括滾珠軸承。
根據一個實施例，至少一個第三導軌4.1允許第三滑塊4.2的線性運動的範圍為0.1釐米到2米，優選為10釐米到1.5米，更優選為30釐米到1米，甚至更優選為約80釐米。
根據一個實施例，至少一個第三導軌4.1允許第三滑塊4.2的線性運動的幅度延伸到2米，優選到1.5米，更優選到1米，甚至更優選到約80釐米。
根據一個實施例，至少一個第一和第二導軌2.1、3.1允許第一和第二滑塊2.2、3.2的線性運動的範圍為0.1釐米到2米，優選為10釐米到1.5米，更優選為30釐米到1米，甚至更優選為約80釐米。
根據一個實施例，至少一個第一和第二導軌2.1、3.1允許第一和第二滑塊2.2、3.2的線性運動的幅度延伸到2米，優選到1.5米，更優選到1米，甚至更優選到約80釐米。
根據一個實施例，H形裝置1包括固定到第三滑塊4.2的端部執行器5。所述端部執行器由於第三滑塊4.2的線性運動而可以沿第一軸滑動或被驅動，並且由於第一和第二滑塊2.2、3.2的線性運動而可以沿第二軸滑動或被驅動。由此，所述端部執行器可以沿矩形康復表面移動或被驅動；所述運動優選通過僅僅兩個機動化的引導機構2、4和一個非機動化的引導機構3來實現。
根據本申請人，在沒有任何第二引導機構3的情況下，由於最高可以達到2米長的力矩臂，橫向的第三引導機構4可以創建過大的扭矩，從而損壞機動化的第一引導機構2。因此，為了確保大的矩形康復表面，已經實施了第二引導機構3，從而形成H形裝置。根據一個實施例，如圖2所示，第二引導機構3包括滑塊3.2，所述滑塊承受由對象施加在端部執行器5上且由此施加在第三引導機構4上的力所引起的扭矩，從而避免對額外的驅動模塊的需求。根據所述實施例，第二滑塊3.2包括主體3.3和從主體3.3向下突出的至少一個軸承部件。所述至少一個軸承部件通過諸如上述公開的那些的任意標準軸承可滑動地連接到至少一個第二導軌3.1。根據一個實施例，在位於相對端部處的兩個支承點之間的所述至少一個軸承部件沿至少一個第二導軌3.1的軸的長度的範圍為10釐米到100釐米，優選為20釐米到80釐米，更優選為30釐米到40釐米，從而承受由用戶創建的力所引起的扭矩。所述實施例提供了對第二引導機構3和第三引導機構4之間的垂直度、尤其是至少一個第二導軌3.1和至少一個第三導軌4.1之間的垂直度的保持。
根據一個優選的實施例，第二滑塊3.2包括主體3.3和兩個軸承部件3.41、3.42。所述第一和第二軸承部件3.41、3.42從主體3.3向下突出。第一和第二軸承部件3.41、3.42通過諸如上述公開的那些的任意標準軸承可滑動地連接到至少一個第二導軌3.1。根據一個實施例，第一和第二軸承部件3.41、3.42沿至少一個第二導軌3.1的軸牢固地間隔開至少10釐米，優選至少20釐米，更優選至少30釐米，從而承受由用戶創建的力所引起的扭矩。優選地，第一和第二軸承部件3.41、3.42沿至少一個第二導軌3.1的軸牢固地間隔開10釐米到100釐米，優選為20釐米到80釐米，更優選為30釐米到40釐米的長度範圍，從而承受由用戶創建的力所引起的扭矩。所述實施例提供對第二引導機構3和第三引導機構4之間的垂直度的保持，並且尤其是對至少一個第二導軌3.1和至少一個第三導軌4.1之間的垂直度的保持。
根據一個實施例，如圖13A和13B中所示，為了維護和提高第一和第二引導機構2、3的平行度，二自由度平面裝置1固定在框架17上。根據一個實施例，框架包括第一、第二、第三和第四支承臂17.1、17.2、17.3和17.4，其布置為使得第一和第二支承臂17.1和17.2彼此之間基本平行並且使得第三和第四支承臂17.3和17.4彼此之間基本平行並且基本垂直於第一和第二支承臂17.1和17.2。根據一個實施例，第三和第四支承臂17.3和17.4各自連接到第一和第二支承臂17.1和17.2。根據一個實施例，第一、第二和第三支承臂17.1、17.2和17.3形成U形框架，並且第四支承臂17.4垂直地位於第一和第二支承臂17.1和17.2的兩個端部之間。根據一個實施例，為了避免對對象造成幹擾，第四支承臂17.4不位於第一和第二支承臂17.1和17.2的端部。根據一個實施例，第四支承臂17.4大約位於第一和第二支承臂17.1和17.2的中間。
根據一個實施例，第一引導模塊2，特別是第一導軌2.1固定到第一支承臂17.1，並且第二引導機構3，特別是第二導軌3.1固定到第二支承臂17.2。
交互裝置
本發明還涉及適用於對對象的肢體、尤其是對象的上肢的性能演化進行輔助康復、定量評估和/或監測的二自由度平面交互裝置。在一個實施例中，交互裝置和機器人具有相同的含義。在一個實施例中，評估和評價具有相同的含義。
根據一個實施例，如圖3中所示，輔助康復、定量評估和/或監測交互裝置6包括如上所述的裝置1。
再次參照圖3，康復、監測和/或評估的交互裝置6大致包括控制交互裝置的運動的控制系統。根據一個實施例，控制系統控制交互裝置6的運動並且分別連接到第一和第三引導機構2、4的第一和第三驅動模塊2.3、4.3。根據一個實施例，所述控制系統通過旨在由治療師使用的計算機來參數化(圖3中未示出)。根據一個實施例，如本領域技術人員所熟知的，控制系統包括用於存儲數據的存儲器和用於計算參數的處理器，所述參數依賴於交互裝置-患者的互動以及治療師的指示而變化。
根據一個實施例，交互裝置6布置在高度可調節並且在使用過程中使引導機構保持對準的底盤8上。根據一個實施例，交互裝置6還包括用於受物理治療師(未示出)控制的顯示器接口，和用於使對象沉浸在治療中的顯示器7，例如屏幕或頭戴式顯示器(未示出)。根據一個實施例，由於顯示器7，圖形用戶界面(GUI)創建情境化為任務或遊戲的用戶友好型環境。根據一個實施例，交互裝置6還包括避免對象觀察到其下肢的工作面10。根據一個實施例，工作面10位於第三引導機構4(參照圖3)之下。根據一個實施例，其中交互裝置包括兩個端部執行器，工作面10位於第一第二和第四引導機構2、3、12(參照圖5)之下。根據一個實施例，交互裝置6還包括保護第一和第二引導機構2、3同時還避免對任意對象和/或操作員造成物理傷害的保護罩9。根據一個實施例，交互裝置6還包括用於增強治療中的對象的沉浸感的音響系統。
根據一個實施例，交互裝置6包括連接到控制系統的傳感器。根據一個實施例，二自由度交互裝置6的位置、速度和/或力由標準化的現成組件測量。根據一個實施例，端部執行器5包括旨在測量對象和交互裝置之間的相互作用力的力傳感器。根據一個實施例，每個驅動模塊2.3、4.3都包括測量對象的肢體的運動的位置傳感器。根據一個實施例，二自由度平面交互裝置6提供反饋迴路。
根據一個實施例，交互裝置6包括在除了單個前臂之外的對象主體的一部分穿過康復表面的情況下關閉交互裝置的檢測系統，由此提供安全特徵。
使用方法
本發明還涉及交互裝置6的使用方法。
根據一個實施例，在對交互裝置6進行任意使用之前，所有對象都以符合人體工程學的並且標準化的坐姿或站姿來安置，以便使補償動作最小化。根據一個實施例，如果對象的肩太虛弱，則將患者的前臂固定到與矯形器相關聯的前臂支承件。根據一個實施例，如果對象的手太虛弱，則將手固定到手柄，或者可以將手柄移除。根據一個實施例，根據對象的痙攣狀態，採用不同的手柄。
根據一個實施例，控制系統使用來自傳感器的輸入數據來驅動在顯示器7上圖形化顯示的圖標、光標或其他圖形。受控制系統控制並且利用人工智慧對對象的輸入作出反應的互動遊戲，諸如迷宮遊戲可以用於確保使對象沉浸在治療中。顯示器7提供用於使用交互裝置6、尤其是端部執行器5來執行治療練習的可視化的交互式遊戲環境。根據一個實施例，控制系統提供實時反饋，從而有利地激勵對象執行任務。
根據一個實施例，交互裝置6包括三種工作模式。
根據第一實施例，本交互裝置6以輔助康復工作模式執行。在所述實施例中，交互裝置使對象能夠在激勵環境下執行重複任務。
根據第二實施例，本交互裝置6以定量評估工作模式執行。在所述實施例中，交互裝置使用動態措施來定量且客觀地對上肢進行評估或評價。動態指標可以由對象執行的各種任務來計算。
根據第三實施例，本交互裝置6以檢測工作模式執行。在所述實施例中，在輔助康復過程中或者在定量評估過程中都實現了對對象的性能演化的監測。在每個任務或練習期間，針對每位患者可以記錄特定的參數：所執行的運動的次數，平均縱向相互作用力，平均側向相互作用力，平均速度和平均起始時間。每個參數可以與通過健康對象獲得的參考參數進行比較。
根據一個實施例，任務選自以最精確且直接的方式達到目標的單個分離任務、通過預定路徑達到目標的複合分離任務、或執行連續的循環任務的節律性循環任務。
根據一個實施例，交互裝置6能夠在限定對象、交互裝置和治療師之間的互動的許多控制模式下工作，即被動模式、主動模式和主動形式的被動模式。
根據一個實施例，在主動模式下，交互裝置6不對對象提供激勵，並且僅控制和記錄由對象所完成的動作。根據一個實施例，在被動模式下，交互裝置6根據所選擇的任務沿預定路徑引導端部執行器以及由此對象的肢體的、優選手和/或前臂的動作。根據一個實施例，在主動形式的被動模式下，交互裝置6根據對象的運動技能來輔助對象的肢體、優選手和/或前臂的動作。此外，在每個任務期間，根據對象的運動技能，由控制系統實時調整該輔助。
根據一個實施例，如圖12中所示，控制系統的控制策略確保對交互裝置和對象之間的力的相互作用的控制。控制系統包括由治療師通過治療師GUI引導的虛擬系統，所述虛擬系統調節力控制器，而力控制器再次調節交互裝置。根據一個實施例，虛擬系統調節四個參數，即縱向相互作用力、橫向相互作用力、基準速度和起始時間。
根據一個實施例，由交互裝置施加的橫向相互作用力通過動力或阻力來防止對象偏離預定路徑。根據一個實施例，由交互裝置施加的縱向相互作用力通過動力或阻力來引導或輔助對象以預定速度：基準速度遵循或沿預定路徑運動。根據一個實施例，如果對象在預定的起始時間之後尚未通過自身而開始任何動作，則控制系統通過動力來啟動動作。根據一個實施例，縱向相互作用力、橫向相互作用力、基準速度和起始時間在任務中或包含重複任務的練習過程中演變。參數的演變是實時獲得的，要麼通過增加輔助來幫助對象執行預定任務，要麼通過減少輔助來挑戰對象。
根據一個實施例，交互裝置6通過在使用過程中實時計算性能標記來將反饋提供給對象，例如視覺反饋、聽覺反饋、感覺運動反饋或定量反饋。
根據一個實施例，交互裝置6用於一期癒合康復過程和隨後的康復過程中。
根據一個優選的實施例，對象是中風後或腦外傷後的患者，處於急性或亞急性期或腦癱患兒。
具有兩個端部執行器的裝置和相關聯的交互裝置
根據一個替代的實施例，本發明的裝置還包括兩個端部執行器。在所述實施例中，如圖4和5所示，具有兩個端部執行器的裝置包括兩個如上所述的裝置。所述兩個裝置布置成使得所述兩個裝置中的每個的第三引導機構平行，並且使得所述兩個裝置中的每個的第一引導機構相互抵靠。在所述實施例中，具有兩個端部執行器的裝置包括僅一個第二引導機構，所述第二引導機構由兩個裝置共享並連接到所述兩個裝置中的每個的第三引導機構。
換而言之，如圖4中所示，具有兩個端部執行器的裝置11可以包括如上所述的裝置1，並且進一步包括基本上平行於第一和第二引導機構2、3的第四引導機構12，基本上平行於第三引導機構4並且基本上垂直於第一、第二和第四引導機構2、3、12的第五引導機構13，和第二端部執行器14。根據一個實施例，第五引導機構13連接到第二和第四引導機構4、12。根據一個實施例，端部執行器14連接到第五引導機構13。
根據一個實施例，第二引導機構3包括兩個滑塊。根據一個實施例，第二引導機構3不包括驅動模塊。
根據一個實施例，第四引導機構12包括至少一個第四導軌、可滑動地連接到至少一個第四導軌的第四滑塊和驅動第四滑塊的第四驅動模塊。
根據一個實施例，第五引導機構13包括至少一個第五導軌、可滑動地連接到至少一個第五導軌的第五滑塊和驅動第五滑塊的第五驅動模塊。
根據一個實施例，第五引導機構13通過第四和第二第二滑塊連接到第四和第二引導機構12、3。
根據一個實施例，第二第二滑塊承受由對象施加在第五引導機構13上的力所引起的扭矩。
根據一個實施例，端部執行器14由第四和第五驅動模塊來驅動。
根據一個實施例，第四、第五和/或第二第二滑塊分別可滑動地連接到至少一個第四、第五和第二導軌。根據一個實施例，第四、第五和/或第二第二滑塊分別可滑動地連接到兩個平行的第四導軌、兩個平行的第五導軌和/或兩個平行的第二導軌。根據一個優選的實施例，第四和第五滑塊分別可滑動地連接到兩個平行的第四導軌和兩個平行的第五導軌，並且第二第二滑塊可滑動地連接到一個第二導軌。
根據一個實施例，第四、第五和第二第二滑塊中的每個都包括可滑動地連接到至少一個第四、第五和第二導軌的至少一個軸承。根據一個優選的實施例，所述軸承是滑動軸承、滾動軸承，例如滾珠軸承、流體軸承或磁性軸承。
根據一個實施例，第四引導機構12確保第四滑塊通過諸如上述的那些的至少一個標準軸承沿至少一個第四導軌作線性運動。第四滑塊可以由第四驅動模塊來驅動。
根據一個實施例，第五引導機構13確保第五滑塊通過諸如上述的那些的至少一個標準軸承沿至少一個第五導軌作線性運動。第五滑塊可以由第五驅動模塊來驅動。
根據一個實施例，第四、第五和第二第二滑塊的至少一個軸承是相同的或不同的。根據一個優選的實施例，第四滑塊包括滑動軸承，第五滑塊包括滑動軸承並且第二第二滑塊包括滾珠軸承。
根據一個實施例，至少一個第四導軌允許第四滑塊的線性運動的範圍為0.1釐米到2米，優選為10釐米到1.5米，更優選為30釐米到1米，甚至更優選為約80釐米。
根據一個實施例，至少一個第四導軌允許第四滑塊的線性運動的幅度延伸到2米，優選到1.5米，更優選到1米，甚至更優選到約80釐米。
根據一個實施例，至少一個第五導軌允許第五滑塊的線性運動的範圍為0.1釐米到2米，優選為10釐米到1.5米，更優選為30釐米到1米，甚至更優選為約80釐米。
根據一個實施例，至少一個第五導軌允許第五滑塊的線性運動的幅度延伸到2米，優選到1.5米，更優選到1米，甚至更優選到約80釐米。
根據一個實施例，第五引導機構13通過本領域技術人員會找到的合適的任意方式、例如螺紋連接而固定到第四和第二第二滑塊。由此，第四滑塊沿至少一個第四導軌的線性運動可以確保第二第二滑塊沿至少一個第二導軌3.1作類似或相同的線性運動。
根據一個實施例，裝置包括固定到第五滑塊的第二端部執行器14。所述端部執行器由於第五滑塊的線性運動而可以沿第一軸滑動或者被驅動，並且由於第四和第二第二滑塊的線性運動而可以沿第二軸滑動或被驅動。由此，所述端部執行器可以沿矩形康復表面移動或被驅動；所述運動優選通過僅僅兩個機動化的引導機構和一個非機動化的引導機構3來實現。
根據一個實施例，第二引導機構3包括第二滑塊，所述第二滑塊承受由對象施加在端部執行器14上且由此施加在第五引導機構13上的力所引起的扭矩，從而避免對驅動機構的需求。根據所述實施例，第二第二滑塊類似於第一第二滑塊。所述實施例提供對第二引導機構和第五引導機構之間的垂直度的保持，尤其對至少一個第二導軌3.1和至少一個第五導軌之間的垂直度的保持。
相應地，兩個端部執行器5和14沿大的矩形康復表面被驅動，從而使得能夠康復、監測和/或評估對象的兩個肢體、優選為兩個上肢。
根據一個實施例，本發明還涉及適用於對對象的肢體、優選為對象的上肢進行康復、監測和/或評估的二自由度平面交互裝置，並且其包括如本文所述的具有兩個端部執行器的裝置11。
根據一個實施例，如所圖5中所示，康復、監測和/或評估的交互裝置16包括如本文中所述的裝置11，並且包括與具有一個端部執行器6的交互裝置相同的功能。
根據一個實施例，本發明的交互裝置6或16提供適用於多元性患者(從小孩到老人)的用戶友好的大型康復、「達到」進程和近端至末端康復，並且使得上肢(即肘部和肩部)能夠作完全屈曲/伸展運動。根據一個實施例，本發明的交互裝置6或16提供至少80釐米*80釐米的大型康復表面，優選為至少1米*1米，更優選為1.5米×1.5米，甚至更優選2米*2米。根據一個實施例，本發明的交互裝置6或16提供延伸至約80釐米*80釐米、約1米*1米、約1.5米*1.5米或約2米*2米的大型康復表面。
端部執行器
本發明還涉及旨在與適用於對對象的肢體、優選為對象的上肢進行康復、監測和/或評估的交互裝置共同使用的端部執行器。
參照附圖，圖6A中示出了端部執行器5，其包括手柄5.1、手部支承件5.2、傳感器部件5.3、止擋部件5.4和前臂支承件5.5。端部執行器5的手柄5.1要麼由主體來移動和/或要麼由交互裝置來驅動，由此驅動對象的上肢。手柄5.1和前臂支承件5.5可移除地連接到手部支承件5.2。本說明書涉及適用於上肢的端部執行器；然而，正如本領域技術人員所熟知的，所述端部執行器可以適用於其他肢體。
如圖6B和7中所示，端部執行器5固定到第三滑塊4.2和傳感器部件5.3的頂側。為了避免超過第三引導機構4的、特別是沿垂直於康複平面(如由裝置的額狀軸和矢狀軸所限定)的軸的機械強度，止擋部件5.4固定到第三滑塊4.2的頂側並且包括適用於在過載的情況下接觸工作面10的止擋件5.41。根據一個實施例，止擋件5.41可以是本領域技術人員會找到的合適的的任意止擋件，例如彈性止擋件。因此，施加在端部執行器5上的過大的力，特別是沿垂直於康複平面的軸的力不會導致第三引導機構4的劣化，這是由於工作面10會通過止擋件5.41和止擋部件5.4承受力。
交互裝置6的控制系統要求監測對象和端部執行器5之間的力。根據一個實施例，端部執行器5包括用於感測對象和端部執行器之間的力的至少一個載荷傳感器。根據本申請人，將載荷傳感器定位在手柄中——對象的施力點——會有利地避免感測任意的扭矩。然而，在這樣的位置處會妨礙手柄的更換。因此，在本端部執行器5中，至少一個載荷傳感器位於不定域傳感器部件5.3內。本發明的所述至少一個載荷傳感器位於傳感器部件5.3的至少一個空間5.31內(參照圖8)。根據一個實施例，至少一個載荷傳感器是本領域技術人員會發現合適的任意的載荷傳感器。根據一個實施例，本發明的至少一個兩軸載荷傳感器針對每條軸都包括在惠斯通電橋配置中的四個應變計，以避免感測甚至在不定域傳感器部件5.3中的扭矩。
如圖7所示，止擋部件5.4包括用於容納傳感器部件5.3的空的部分。止擋部件5.4在康複平面上的投影表面確實具有U形，其中U的兩端連接到第三滑塊4.2並且止擋件5.41連接到基底，並且其中傳感器部件5.3位於所述U之內。根據一個實施例，傳感器部件5.3設計為使得在通常的使用中，所述部件5.3機械地隔離於止擋部件5.4。因而，載荷傳感器會僅感測沿裝置1或交互裝置6的兩個軸的力。
根據一個實施例，手部支承件5.2固定到傳感器部件5.3，並且不按壓在止擋部件5.4上，除非有過大的力、特別是沿垂直於康複平面的軸的力施加在手柄5.1、手部支承件5.2和/或前臂支承件5.5上。如果過大的力施加在傳感器部件5.3上，那麼所述機械地受隔離的傳感器部件5.3會按壓在止擋部件5.4上。在過大的力施加在傳感器部件5.3上的實施例中，傳感器部件5.3由於所述手部支承件5.2的直徑超過U形止擋部件5.4的內部中空空間的寬度而按壓在止擋部件5.4上。因此，在本發明中，端部執行器5提供有效的方法來感測沿裝置的兩個軸、即矢狀和額狀軸的力，並且不感測任何扭矩、在康複平面中的任何摩擦力或在垂直於康複平面的方向上的任何力。
可移除的手柄和前臂支承件
本發明還涉及能夠從旨在與適用於對對象的肢體、優選為對象的上肢進行康復、監測和/或評估的交互裝置一起使用的端部執行器移除的可移除手柄和/或前臂支承件。在對對象的上肢進行康復、神經康復、評估和/監測的領域中，允許更換手柄以使所述手柄適應於不同的對象(兒童、成人等)和/或允許使用前臂支承件是有利的。例如，如果對象的手部太虛弱，則治療師可以選擇移除手柄以將患者的前臂固定到前臂支承件。本說明書涉及適用於對象的上肢的可移除的手柄和前臂支承件；然而，如本領域技術人員所熟知的，所以所述可移除的手柄和前臂支承件可以適用於其他肢體。
為了實現可移除的手柄和/或前臂支承件，如圖9所示，本發明的端部執行器5包括用於支承對象的手部的手部支承件5.2、用於支承對象的前臂的前臂支承件5.5、和手柄5.1。根據一個實施例，可移除的手柄5.1和可移除的前臂支承件5.5可移除地連接到手部支承件5.2。根據一個實施例，手部支承件5.2通過本領域技術人員會發現的合適的任意方式、例如扣環、扣合等而固定到端部執行器5的傳感器部件5.3。
根據一個實施例，為了實現所述移除，手部支承件5.2包括彈簧加載的鎖定部件5.21。所述彈簧加載的鎖定部件5.21可以沿手部支承件5.2的平面中的軸平移。當被按下時，鎖定部件可以平移；隨後彈簧的回覆力使得鎖定部件5.21能夠返回到其初始位置。根據一個實施例，彈簧加載的鎖定部件5.21的行程由從位於所述鎖定部件5.21中的橢圓形孔5.211中的手部支承件5.2突出的銷5.22的相對運動來限定(參照圖10C)。
根據一個實施例，手柄5.1包括手柄支承件5.11，所述手柄支承件5.11通過本領域技術人員會發現的合適的任意方式、例如摩擦配合或接合而固定到手柄(參見圖9和圖10B)。
根據一個實施例，如圖11所示，鎖定部件5.21包括梨形孔口5.212。根據一個實施例，手柄支承件5.11包括可移除地連接到手部支承件5.2的杆；所述杆可以通過作用在鎖定部件5.21上而從手部支承件5.2釋放，從而使得能夠移除手柄5.1。根據一個實施例，手柄支承件5.11的杆包括至少一個周向槽。根據一個實施例，杆具有對應於梨形孔口5.212的張開部分的直徑，並且至少一個周向槽具有對應於梨形孔口5.212的收縮部分的直徑。根據一個實施例，手部支承件5.2包括孔5.23，所述孔設計用於部分地容納手柄支承件5.11的杆，並且要麼(i)當所述鎖定部件5.21處於其初始位置時對準鎖定部件5.21的梨形孔口5.212的收縮部分；要麼(i i)當所述鎖定部件5.21受到按壓時對準鎖定部件5.21的梨形孔口5.212的張開部分。
通過這樣的配置，當手柄支承件5.11的杆對準孔口5.212的張開部分時，所述杆能夠容易地接合到手部支承件5.2。然後，通過鎖定部件由於彈簧力而滑動到其初始位置，孔口5.212的收縮部分可以適配到設置在手柄支承件的杆上的槽中，從而相對於手部支承件5.2牢固地保持手柄5.1。
為了將手柄5.1從手部支承件5.2分離，用戶可以滑動鎖定部件5.21，以釋放適配在孔口5.212的收縮部分中的槽，然後可以通過拉動來移除手柄5.1。
根據一個實施例，前臂支承件5.5包括從前臂支承件5.5突出的至少兩個杆5.51，其設計用於插入手部支承件5.2的至少兩個孔5.24。根據一個實施例，所述杆中的至少一個設計用於插入手部支承件5.2，然後插入鎖定部件5.21。
根據一個實施例，如圖11中所示，鎖定部件5.21包括半梨形孔口5.213，其優選位於鎖定部件5.21的側部。根據一個實施例，前臂支承件5.5包括可移除地連接到手部支承件5.2的至少一個杆5.51，所述至少一個杆5.51通過作用於鎖定部件5.21而從手部支承件5.2釋放，從而使得能夠移除前臂支承件5.5。根據一個實施例，前臂支承件5.5的至少一個杆5.51包括至少一個周向槽。根據一個實施例，至少一個杆5.51具有對應於半梨形孔口5.213的張開部分的直徑，並且至少一個周向槽具有對應於半梨形孔口5.213的收縮部分的直徑。根據一個實施例，設計用於部分地容納至少一個杆5.51的手部支承件5.2的孔5.24要麼(i)當所述鎖定部件5.21處於其初始位置時對準鎖定部件5.21的半梨形孔口5.213的收縮部分，要麼(i i)當所述鎖定部件5.21受到按壓時對準鎖定部件5.21的半梨形孔口5.213的張開部分。
通過這樣的配置，當手臂支承件5.5的至少一個杆5.51對準孔口5.213的張開部分時，所述至少一個杆能夠容易地接合到手部支承件5.2。然後，通過鎖定部件5.21由於彈簧力而滑動到其初始位置，孔口5.213的收縮部分可以適配到設置在前臂支承件5.5的至少一個杆5.51上的槽中，從而將前臂支承件5.5牢固地保持於手部支承件5.2。
為了將前臂支承件5.5從手部支承件5.2分離，用戶可以滑動鎖定部件5.21，以釋放適配在孔口5.213的收縮部分中的槽，然後可以通過拉動來移除前臂支承件5.5。
因此，根據一個實施例，本發明的手部支承件5.2、尤其是鎖定部件5.21使得能夠通過作用於鎖定部件5.21而同時地移除和/或鎖定手柄5.1和前臂支承件5.5。根據一個實施例，手部支承件5.2包括具有兩個孔口5.212、5.213的彈簧加載的鎖定部件5.21，所述孔口中的每個都具有張開部分和收縮部分。通過鎖定部件的平移，第一孔口5.212的張開部分能夠容納來自手柄5.11的杆，並且第二孔口5.213的張開部分能夠容納來自前臂支承件5.51的杆。通過向後平移，第一孔口5.212的收縮部分能夠適配在手柄5.11的杆的周向槽中，並且第二孔口5.213的收縮部分適配在前臂支承件5.5的杆5.51的周向槽中，從而相對於手部支承件5.2來鎖定所述前臂支承件5.5和所述手柄5.1。為了將前臂支承件5.5和手柄5.1從手部支承件5.2分離，用戶可以滑動鎖定部件5.21，以釋放適配在孔口5.212和5.213的收縮部分中的槽，然後可以移除前臂支承件5.5和手柄5.1。
雖然已經說明並且闡釋了不同的實施例，但是該詳細說明不應解釋為對此的限制。在不脫離由權利要求限定的本公開的真實精神和範圍的情況下，本領域技術人員能夠對所述實施例作出各種修改。