CN114980842A - 关节运动辅助装置 - Google Patents

Abstract

在一些实施例中，关节运动辅助装置可以包括：在所述关节的第一侧上的第一锚固件；在所述关节的第二侧上的第二锚固件；可操作地联接到所述第一锚固件及所述第二锚固件的弹簧；以及可操作地联接到所述第一锚固件及所述第二锚固件的致动器。通过致动所述致动器就可以施加绕着所述关节的扭矩，该扭矩被由所述弹簧施加到所述关节的反作用扭矩抵抗。

Description

关节运动辅助装置

相关申请的交叉参考

本申请根据35U.S.C.第119(e)条要求2019年11月19日提交的美国临时申请No.62/937,301的优先权权益，该美国临时申请的公开内容全部通过引用并入本文中。

政府许可权

本发明是在美国国立卫生研究院所资助的HD088619下得到政府支持而做出的。政府对本发明拥有某些权利。

技术领域

本发明所公开的实施例涉及关节运动辅助装置。

背景技术

在健康人群和患病人群中，刚性和软性的机械护甲(robotic exosuits)两者都已经被用来辅助人体运动。例如，先前的专注于用户下肢的软性护甲已经使用了鲍登线(Bowden cable)致动器，这样的致动器允许用户在躯干处承载大部分的系统质量，同时在髋部、膝部和/或踝部处远侧地提供辅助力。

发明内容

在一个实施例中，关节运动辅助装置包括：电机；心轴，其可操作地联接到所述电机；系绳，其可操作地联接到所述心轴，并且被构造成当所述心轴由所述电机旋转时所述系绳缠绕到所述心轴上；引导件，其被构造成当所述系绳缠绕到所述心轴上时所述引导件引导所述系绳；和至少一个弹簧。所述引导件被构造成在与所述心轴的轴向长度大致平行的方向上移动。所述至少一个弹簧被构造成将所述引导件偏压到沿着所述心轴的长度的中间位置。

在另一实施例中，致动器包括：系绳；和被构造为至少部分地包围所述系绳的至少一部分的系绳外壳。所述系绳外壳被构造为当所述系绳从所述致动器伸展和/或缩回时所述系绳外壳伸展和/或缩回。

在又一实施例中，关节运动辅助装置包括：第一锚固件，其被构造成附接到位于所述关节的第一侧上的第一身体部位；第二锚固件，其被构造成附接到位于所述关节的第二侧上的第二身体部位；致动器，其可操作地联接到所述第一锚固件及所述第二锚固件；以及支撑件，其可操作地联接到所述第一锚固件及所述第二锚固件。所述支撑件还被构造成大致维持所述第一锚固件相对于所述第一身体部位的位置和/或所述第二锚固件相对于所述第二身体部位的位置。所述支撑件被构造成当所述关节的运动使所述支撑件变形时所述支撑件向所述关节施加扭矩。

在再一实施例中，关节运动辅助装置包括：第一锚固件，其被构造成附接到位于所述关节的第一侧上的第一身体部位；第二锚固件，其被构造成附接到位于所述关节的第二侧上的第二身体部位；弹簧，其可操作地联接到所述第一锚固件及所述第二锚固件；以及致动器，其可操作地联接到所述第一锚固件及所述第二锚固件。通过致动所述致动器来施加绕着所述关节的扭矩，所述扭矩由来自所述弹簧的反作用扭矩抵抗。

在另外一实施例中，关节运动辅助方法包括：利用致动器沿第一方向向所述关节施加第一扭矩；和利用弹簧沿第二方向向所述关节施加第二扭矩，所述第二扭矩与所述第一扭矩对抗。

应当理解，前述概念和下文讨论的其他概念可以以任何合适的组合进行安排，因为本发明在这方面不受限制。此外，当结合附图考虑时，从以下对于各种非限制性实施例的详细说明中，本发明的其他优势和新颖特征将会是显而易见的。

在本说明书和通过引用而并入的文件包括彼此矛盾和/或不一致的公开内容的情况下，应以本说明书为准。如果通过引用而并入的两个以上文件包括彼此矛盾和/或不一致的公开内容，则以生效日期较晚的文件为准。

附图说明

附图并非一定是按比例进行绘制的。在附图中，在各个图中示出的彼此相同或几乎相同的组成构件可以用相同的数字表示。为了清楚起见，并非每个组成构件都会在每张附图中予以标记。在附图中：

图1A是关节运动辅助装置的一个实施例的侧视图；

图1B是关节运动辅助装置的另一实施例的侧视图；

图1C是关节运动辅助装置的又一实施例的侧视图；

图1D是关节运动辅助装置的再一实施例的侧视图；

图1E是关节运动辅助装置的另外一实施例的侧视图；

图2A示出了在没有支撑件的情况下的关节运动辅助装置；

图2B示出了在具有刚性支撑件的情况下的关节运动辅助装置；

图2C示出了在具有柔性支撑件的情况下的关节运动辅助装置；

图3示出了支撑件114和锚固件105之间的接口的一个实施例；

图4A是配置在用户膝部上的关节运动辅助装置的一个实施例的侧视图；

图4B是配置在用户髋部上的关节运动辅助装置的一个实施例的侧视图；

图5A是被构造用于辅助用户髋部运动的装置的一个实施例的侧视图；

图5B是被构造用于在背屈时辅助用户踝部运动的装置的一个实施例的侧视图；

图5C是被构造用于在跖屈时辅助用户踝部运动的装置的一个实施例的示意图；

图6示出了具有联接到心轴的电机的致动模块的一个实施例；

图7示出了具有引导件的致动模块的一部分的一个实施例；

图8A是引导件的工作原理的示意图；

图8B是对不同加载条件下的不同类型引导件进行比较的示意图；

图9A示出了致动模块的一个实施例；

图9B是致动模块的一部分的剖视图；

图10示出了模块化致动器的一个实施例；

图11示出了致动模块的系绳外壳的一些益处；

图12示出了集成到可穿戴系统中的致动模块的一个实施例；

图13A是在零扭矩控制期间的致动器扭矩输出的曲线图；和

图13B是在辅助扭矩控制期间的致动器扭矩输出的曲线图。

具体实施方式

如上所述，以前的软性护甲已经使用鲍登线来控制用户关节的致动。然而，鲍登线通常使用硬的钢丝绳，这种钢丝绳可能很沉重，因而可能需要强大的电机来操纵，和/或可能具有低的弯曲半径。虽然这种致动策略在某些应用中可能是合适的，但在其他应用中，例如针对可能受伤了或无法携带重型构件的用户们而言，可能不期望使用沉重的系绳和大型的致动器。

本发明人已经认识到，单个的单向致动器可以与弹簧组合，以辅助关节在两个方向上的运动。例如，致动器可以在一个方向上对关节施加扭矩，而弹簧可以施加与由致动器施加的扭矩相反的对抗性扭矩。而在护甲中已经可以使用两个致动器来实现两个自由度之前，致动器和对抗性弹簧的组合可以允许单个致动器来实现类似的功能，因而有可能产生一个更小、更轻、更便宜和更简单的系统。这种布置在某些用户群体中可能是特别有利的。例如，中风患者会受益于能够对踝关节施加恒定的脚趾向上辅助的轻型系统。然而，也可以设想出用于辅助其他关节的运动的系统，如下文进一步所述。

在一些实施例中，关节运动辅助装置可以被构造为向用户踝部提供辅助。该装置可以包括与弹簧结合的致动器。在整个步态周期中，弹簧可以向踝部提供背屈(脚趾向上)扭矩。当需要推出辅助(push-off assistance)时，可以启用位于用户小腿上的致动器以施加跖屈(脚趾向下)扭矩，该跖屈扭矩会克服弹簧的扭矩并向踝部传递净跖屈扭矩。当不再需要推出辅助时，可以停用致动器，由此使得来自弹簧的背屈扭矩能够向踝部提供净背屈扭矩。这样的构造可能会产生有利的故障模式，以致于如果致动器发生故障，则用户踝部将默认进入背屈状态。然而，在其他实施例中，由弹簧提供的扭矩和由致动器提供的扭矩可以反过来，因而弹簧提供跖屈扭矩并且致动器施加背屈扭矩。此外，如下文将会进一步阐明的，取决于特定的操作模式，由致动器施加到关节的扭矩可以相对于由相关弹簧施加到关节的扭矩而被控制，以便在关节的运动周期内的任何时间点处都施加所期望的净扭矩。

应当理解，本文在各种所公开的实施例中讨论的弹簧可以相当于能够在所期望方向上将所期望的扭矩和/或力施加到相关关节的任何合适类型的弹簧或柔性结构。例如，合适类型的弹簧可以包括但不限于从以下群组中选出的至少一种：拉伸弹簧；压缩弹簧；扭转弹簧；板簧；诸如管、杆、轴、或可以包括沿自身长度的一条以上曲线的其他合适结构等柔性细长结构；和/或被构造为能够提供所期望的操作特性以向关节施加扭矩的任何其他柔性结构。在一些实施例中，弹簧的绕着关节的旋转刚度可以在约0.15Nm/°和0.6Nm/°之间。例如，弹簧可以具有0.3Nm/°的旋转刚度。当然，应当理解，弹簧可以具有任何合适的旋转刚度范围，其包括小于和大于上述那些示例的范围，因为本发明在这方面不受限制。

本文所述的致动器可以包括任何合适类型的电机。例如，致动器可以包括有刷直流电机、无刷直流电机、步进电机和/或任何其他合适类型的电机。在一些实施例中，致动器可以是诸如螺线管、McKibben致动器或丝杠等线性致动器。在一些实施例中，致动器可以直接连接到两个锚固件，系绳可以从致动器延伸到一个锚固件，致动器可以经由两个以上的单独的系绳连接到位于关节的相对两侧上的锚固件，并且/或者用于将致动器连接到装置的相关部分的任何其他合适的布置也是可以使用的。在一些实施例中，致动器可以从辅助装置上被移除。如果该装置包括弹簧，则通过移除致动器就可能会产生被动系统，该被动系统可以利用该弹簧仅在单一方向上提供关节辅助。下文更详细地提供了对致动器、相关弹簧和整体装置的更多讨论。

为了清楚起见，本文所述的大多数实施例涉及被用来将辅助扭矩施加到踝关节的装置。然而，应当理解，本文所述的系统和方法不限于仅与踝关节一起使用。例如，本文所述的致动器、装置和方法通常可适用于将辅助扭矩施加到如下的任何关节，该关节在包括例如步态周期的运动周期期间期望被施加有绕着该关节的辅助扭矩。这可以包括但不限于诸如膝部、髋部、踝部、腕部、肘部、肩部、背部或任何其他合适关节等关节。因此，还应当理解，装置的锚固件可以附接到人体的任何合适部位，这种部位包括但不限于脚部、小腿、大腿、腰部、躯干、肩部、背部、上臂、前臂、手部、颈部、头部和/或任何其他合适部位。

装置除了可以被用来向身体的各个部位施加辅助扭矩之外，装置还可以包括任何合适类型的锚固件，这样的锚固件用于维持装置的一部分相对于用户身体的下肢部位的位置和/或取向。例如，锚固件可以包括护套、带子、诸如压缩套筒等柔韧性服装、不可延展的服装、仿形到用户的下肢身体部位上的半刚性壳体和/或刚性壳体、和/或能够将装置的一部分定位且维持在用户身体的所期望部位上的任何其他合适的结构。例如，位于用户小腿上部上的锚固件可以由基本上不可延展的服装材料制成，该服装材料被成形得在穿戴起来时符合用户小腿的轮廓。

在一些应用中，操作期间的装置舒适度可能会影响用户愿意使用该装置的持续时间。例如，在软性护甲中，装置的位于下肢组织上的部分可能完全由人体上的剪切力支撑着。这种载荷可能会引起不舒适，并且可能会导致可穿戴构件在用户身体上的位置在使用期间发生漂移，而下肢身体解剖结构并非适当地成形得能够抵抗这种运动。因此，当使用了更大的辅助力时，可能会发生系统构件的更大漂移。因此，在某些应用中，完全柔软的架构可能在长时间穿戴方面并不理想。相反，装置可以包括一个或多个支撑件，这样的支撑件可以被用来减小施加到用户身体的下肢部位上的剪切载荷。例如，一个或多个支撑件可以附接到装置的位于关节两侧上的两个锚固件并在这两个锚固件之间延伸。所述一个或多个支撑件向所述两个锚固件施加力，该力起到基本上将所述两个锚固件以相互间隔开的构造维持着的作用。换句话说，支撑件可以向包括沿着远离另一个锚固件的方向的构件的各个锚固件施加力，这可以帮助将锚固件保持在适当位置并且抵消施加到用户身体的下肢部位上的剪切载荷的至少一部分。应当理解，在基本上将锚固件的相对位置和/或取向相对于彼此维持着的同时，锚固件之间可能会发生一些微小的偏移，但是可以维持整体的总体位置和/或取向。取决于特定的实施例，并且如下文进一步阐述的，所述一个或多个支撑件可以是一个或多个刚性支撑件和/或能够在使用期间变形的一个或多个柔性支撑件(compliantsupport)。例如，刚性支撑件可以包括一个或多个可转动地联接起来的段，这些段利用诸如铰链、销接头或类似机构等任何合适的连接器而被连接起来。可替代地，可以使用如下的柔性结构：其在提供了所期望的轴向刚度和/或旋转刚度的同时，还能够在关节运动期间进行变形。下面更详细地提供这些结构的具体示例。

鉴于上述内容，在一些实施例中，装置包括：被构造为附接到关节第一侧上的第一身体部位的第一锚固件；和被构造为附接到关节第二侧上的第二身体部位的第二锚固件。致动器可操作地联接到第一锚固件和第二锚固件。支撑件可操作地联接到第一锚固件和第二锚固件。在一些实施例中，支撑件是柔性的，使得它可以被视为弹簧。可替代地，该装置可以包括与支撑件分离且远离的弹簧。在支撑件是弹簧的这些实施例中，弹簧包括从由拉伸弹簧、扭转弹簧、板簧和弯曲细长结构组成的群组中选出的至少一种。在一些实施例中，在运动周期的至少一部分中，支撑件跟与该支撑件相关的肢体段的轴向方向大致对齐和/或在与该轴向方向大致平行的方向上延伸。在任一种情况下，在操作期间，支撑件可以帮助维持第一锚固件和第二锚固件相对于彼此的间距和/或取向，并且/或者支撑件可以帮助维持第一锚固件和第二锚固件在操作模式期间相对于与各锚固件相关的身体部分的下肢部位的间距和/或取向。

在一些实施例中，两个以上的支撑件可以被配置在用户关节的相反对两侧上，且这些支撑件不会妨碍关节的运动。例如，在被构造成辅助用户踝部的致动模块中，可以包括两个支撑件：一个支撑件在踝部的外侧，另一个支撑件在踝部的内侧。这两个支撑件可以是可互换的，或者各个支撑件可以专门被设计用于关节的单侧。在一些实施例中，支撑件可以被构造为具有多维形状，并且可以环绕着用户肢体段和/或关节的前部或后部。因此，应当理解，用于关节的支撑件可以具有多种不同的构造，并且可以取决于特定设计而被定位在关节的任何数量的不同侧上。

在一个实施例中，支撑件可以是由柔性材料制成的弯曲细长结构。这样的实施例可以提供宽范围的运动，并且可能不需要与关节的旋转轴线的精确对准，这种精确对准是刚性结构或某些类型的弹簧会需要的。在被致动器加载的情况下，在考虑用户脚部/其他关节的旋转时，上述弯曲细长结构的几何形状和材料特性可以产生低刚度，但在考虑用户小腿处的锚固件的垂直平移时，上述弯曲细长结构的几何形状和材料特性可以产生相对较高的刚度，这会导致用户身体上的剪切载荷显著降低。

在弯曲细长结构的一些实施例中，所述细长结构可以具有如下的横截面：它的直径或其他横向尺寸落在包括例如0.375英寸在内的约0.25英寸与约0.5英寸之间。所述细长结构还可以包括沿着自身长度的至少大部分长度的曲线，并且在某些情况下基本上沿着自身整体长度的曲线。该曲线可以具有约20cm和约40cm之间的曲率半径，但是其中使用了具有相似或不同曲率半径的多条曲线的情况也是可能的。也可以被视为弹簧的柔性支撑件的长度可以是适于既定用户的身体尺寸的任何长度。然而，在其中支撑件被用于施加绕着用户踝部的扭矩的实施例中，取决于用户的身体尺寸，支撑件的两个相对端之间的距离可以在32cm和53cm之间或等于32cm和53cm。然而，应该理解，支撑件的刚度和其他特性依赖于支撑件的材料特性及其整体几何形状。因此，应当理解，取决于所使用的材料，可以使用大于和小于上述尺寸的不同的尺寸，只要支撑件能够提供所期望的旋转刚度和压缩刚度即可。

如上所述，在一些实施例中，当用户穿戴起来时，支撑件可以施加力以将装置的各个锚固件相对于彼此以所期望位置和/或取向维持着。因此，可以选择用于提供该力的合适的刚度。在一些实施例中，支撑件可以具有至少6N/mm、8N/mm、10N/mm的线性刚度或任何其他合适的刚度。相应地，支撑件可以具有小于约15N/mm、10N/mm的线性刚度和/或任何其他合适的刚度。也可以设想出前述示例的组合，包括例如具有在6N/mm和15N/mm之间或在8N/mm和10N/mm之间或等于这些数值的线性刚度的支撑件。当然，取决于特定应用，可以设想大于和小于上述刚度示例的线性刚度。

包括柔性支撑件在内的支撑件可以由任何合适的材料制成，该材料对于既定的应用具有所期望的弹性和屈服强度的组合。例如，在一个实施例中，尽管可以使用任何合适的塑料、金属、复合材料(例如，聚合物纤维复合材料和其他复合材料)和/或任何其他合适的材料来形成支撑件，支撑件也可以由聚醚醚酮(PEEK)制成，本发明不限于此。

在一些实施例中，被构造为起到弹簧的作用以便施加绕着相关关节的扭矩的柔性支撑件可以被构造成使得其能够在关节衔接期间沿相关身体部分的预期运动路径进行变形。例如，柔性支撑件可以包括如上所述的一条或多条曲线。然而，所述一条或多条曲线可以被选择成使得：当柔性支撑件在向相关关节施加扭矩的使用期间发生变形时，柔性支撑件的端部遵循着其附接到的身体部位的绕着关节的自然运动路径。在一个这样的实施例中，柔性支撑件的顶部可以在用户小腿上的位置处保持静止，并且柔性支撑件的底部可以附接到鞋子、内垫、支撑板或附接于用户脚部上的其他结构，这样，当附接到脚部的柔性支撑件发生变形时，该柔性支撑件的底部遵循脚部的运动路径，并且向踝关节施加所期望的扭矩。当然，应当理解，类似的功能可以应用于任何数量的其他关节，因为本发明不仅仅限于踝关节。

在一些实施例中，关节运动辅助装置的关节未知的致动器可以包括电机、心轴和系绳。电机可以以任何合适的方式与心轴可操作地联接，以便选择性地在一个方向或两个方向上使心轴旋转。取决于特定实施例，电机可以通过直接连接方式、低齿数比传动方式和/或任何其他合适的传动方式联接到心轴，因为本发明在这方面不受限制。当心轴在第一方向上旋转时，心轴的旋转会导致系绳沿心轴卷绕。在一些情况下，让系绳以单层缠绕到心轴上是有优点的，这样能够避免来自以多层进行缠绕的系绳的与半径变化相关联的力的非一致性，和/或能够减少在使用期间系绳上的磨损。因此，在一些实施例中，如下文进一步详述的，致动器可以包括引导件，该引导件被构造为当系绳缠绕到心轴上时该引导件引导系绳，以确保系绳以单层缠绕到心轴上。

在一些实施例中，致动模块可以包括致动器和相关的系绳外壳。系绳外壳可以是诸如弹性织物或其他材料等弹性材料，该弹性材料围绕着从该系绳外壳所附接至的致动器的一部分延伸而去的系绳的至少一部分。因此，取决于特定结构，由于致动模块的系绳外壳帮助将系绳与用户隔离，因此系绳外壳可以保护用户以免受到磨损且避免与系绳纠缠，可以保护致动器的内部以免受到环境污染，和/或可以允许系绳上被涂覆有湿润滑剂，这可以显著提高系绳的使用寿命。

作为本文中所使用的，系绳可以是指能够被卷绕到致动器上且能够从致动器上解卷绕的任何柔韧性细长结构，其用于将拉伸力施加到本文所记载的装置的所期望部分。例如，系绳可以包括：能够在鲍登线中看到的钢丝绳；编织的合成绳或天然绳；柔韧性扁平带；和/或任何其他合适的柔韧性结构。因此，上述和其他合适类型的系绳可以与本文所述的任何实施例一起使用。然而，在诸如使用较小尺寸的心轴的实施例等一些实施例中，可以使用与鲍登线中所使用的相对较硬的钢丝绳相比而言更加柔韧的系绳。例如，可以使用柔韧性编织绳或其他类似的柔韧性系绳，因为它们除了能够降低与相对柔韧的系绳在较小直径的心轴或其他卷绕结构上的卷绕相关的电机扭矩之外，还能够兼容更紧的弯曲半径而不会经历加速疲劳和故障。因此，这就允许了具有减小的尺寸、重量和成本的致动器的使用。然而，应当理解，当前公开的装置不限于任何特定类型的系绳。

下面将会参照附图，更详细地说明具体的非限制性实施例。应当理解，根据这些实施例而记载的各种系统、构件、特征和方法可以单独地使用和/或以任何期望的方式组合地使用，因为本发明不是仅限于本文中所记载的具体实施例。

图1A至图1E示出了被构造用于辅助关节102的运动的装置100的不同的实施例。在所示的各实施例中，关节102是踝关节，然而如在下文中详细说明的那样，也可以考虑是其他关节。在所示出的实施例中，该装置包括第一锚固件104和第二锚固件106，第一锚固件104被构造为附接到位于关节102的第一侧的第一身体部位，第二锚固件106被构造为附接到位于关节102的第二侧的第二身体部位。例如，在所示出的实施例中，护套(cuff)环绕着用户踝部上方的用户小腿的一部分，并且脚部踏板(foot plate)被安置在用户踝关节的相反一侧上，该脚部踏板被构造成在使用期间接纳放置于该脚部踏板上的用户脚部的至少一部分。然而，应当理解的是，可以使用任何合适类型的锚固件，只要其能够维持上述装置相对于踝部的位置并且能够将期望的扭矩施加到踝部上。在所示出的实施例中，弹簧108可操作地联接到第一锚固件104和第二锚固件106。此外，致动器110可操作地联接到第一锚固件104和第二锚固件106。在使用期间，启动致动器110，由此在第一方向上施加绕着关节102的扭矩。相应地，在至少一种操作模式期间，弹簧可以在第二方向上向关节施加与由致动器向关节施加的扭矩相反的扭矩。

如上所述，在图1A至图1E中，第一锚固件104附接到用户的小腿上段，并且第二锚固件106附接到脚部。如上所述，所公开的上述装置不限于用于将该装置的各个部分附接到用户下肢身体部位的任何特定类型的锚固件。例如，脚部锚固件可以是鞋子的内垫、围绕用户脚部的一部分的带子、整只鞋子、踏板、或者用于将上述装置的该部分相对于相关关节锚固在所期望位置处的任何其他合适的结构。此外，作为上述装置中的另一个锚固件，虽然已经示出了小腿上的护套，但也可以使用能够将上述装置附接到用户小腿或身体其他部位的任何其他合适类型的锚固件。

此外，应当理解的是，与本发明所公开的装置一起使用的弹簧可以相当于能够在伸展和/或压缩的时候向用户关节施加所期望的力的任何柔性结构。例如，如先前所述，合适类型的弹簧可以包括但不限于从由拉伸弹簧、扭转弹簧、板簧(leafspring)和弯曲细长结构组成的群组中选择的一种或多种。下面将会更详细地说明弹簧的示例性实施例及其在装置中的布置。

图1A示出了作为拉伸弹簧的弹簧108a，其附接到第一锚固件104及第二锚固件106的位于用户腿部及脚部的正面上的部分并且在这两个部分之间延伸，以施加用于将脚趾偏压到脚趾向上位置(即，背屈(dorsiflexion))的拉伸力。相应地，致动器110可操作地联接到第一锚固件104及第二锚固件106的位于肢体的与弹簧侧相反的背面或相反面上的相对部分。在图中所示的具体实施例中，致动器110被安置到用户小腿上的第一锚固件104上且附接到第一锚固件104，并且致动器110利用从该致动器向外延伸且附接到第二锚固件106的系绳112而被附接到第二锚固件106，藉此，通过用致动器110缩回系绳112来施加用于将踝部偏压到脚趾向下位置(即，跖屈(plantarflexion))的扭矩。

在图1B中，装置中所含的弹簧108b相当于如下的弯曲细长结构：其沿着用户踝关节及小腿的一侧或沿着用户身体的其他合适部位在第一锚固件104和第二锚固件106之间延伸且附接到第一锚固件104及第二锚固件106。与上述拉伸弹簧类似，该弯曲细长结构可以包括诸如曲率、横截面积、刚度等合适的尺寸及材料特性和/或任何其他合适的材料和/或结构特性，以提供所期望的轴向刚度和旋转弹簧特性，从而提供绕着相关关节(例如，所示出的踝关节)的所期望扭矩。因此，弹簧还可以起到支撑件的作用，以帮助将第一和第二锚固件以所期望位置及取向维持在处于关节两侧的身体相应部位上。该装置可以包括与上面参照图1A所说明的致动器类似的致动器模块。附图中已经示出了在关节外侧上使用的单个弯曲细长结构。然而，在一些实施例中，该装置可以包括位于相关肢体和/或关节的相对两侧上的两个弯曲细长结构。例如，该装置可以包括当穿戴时分别被安置在用户肢体的内部侧和外部侧上的第一和第二弯曲细长结构，并且在所示出的实施例中，当用户穿戴起来时，该第一和第二弯曲细长结构将会位于用户踝部及小腿的内部侧和外部侧。这可以带来如下优点：这些弯曲细长结构可以被动地向踝部施加扭矩，当踝部利用踝部的内翻运动和/或外翻运动来发生移动时，上述扭矩可以将脚部偏压到中间位置。因此，通过与所公开的装置一起使用一个或多个弯曲细长结构，就可以在一个或多个方向上提供绕着踝部的扭矩，从而辅助踝部的运动，并且可以提供沿着相关肢体的长度的至少一部分而取向的轴向稳定力，从而将两个锚固件维持在所期望的相互间隔开的位置处以避免在使用期间滑动。

图1C示出的装置除了包括所提到的致动器模块之外，还包括与图1A中所记载的拉伸弹簧类似的拉伸弹簧108c。然而，在所示出的实施例中，刚性的分离支撑件114在第一锚固件104和第二锚固件106之间延伸且附接到第一锚固件104和第二锚固件106。具体地，该刚性支撑件的第一部分114b和第二部分114c位于可旋转联接器114a的两侧，并且该刚性支撑件的第一和第二部分分别附接到第一和第二锚固件。如上所述，该支撑件可以向第一和第二锚固件施加力，从而将各个锚固件以所期望的相互间隔开的位置和取向维持在处于关节的相对两侧上的身体相应部位上。为了方便关节(该关节在本实施例中为踝关节)的旋转，支撑件可以包括上述的可旋转联接器114a，该可旋转联接器的旋转轴线与相关关节的旋转轴线基本对齐。因此，一个或多个所述支撑件可以将所期望的力施加到附接的锚固件，以将这些锚固件维持在它们的所期望的位置和取向。此外，取决于特定实施例，可以使用单个支撑件，或者可以使用位于肢体相对两侧上的两个支撑件。该装置可以与参照图1A所记载的装置基本类似地进行操作。

图1D示出了与图1C所示的实施例类似的实施例。然而，在所示出的实施例中，拉伸弹簧已经被扭转弹簧108d代替。具体地，该扭转弹簧附接至刚性支撑件114的第一部分114b和第二部分114c，支撑件114的第一部分114b和第二部分114c位于可旋转联接器114a的两侧并且分别附接到第一锚固件104和第二锚固件106。因此，依赖于扭转弹簧，可以将所期望的扭矩施加到刚性支撑件的分离的第一和第二部分，刚性支撑件的第一和第二部分将这些扭矩传递至分别附接到该刚性支撑件(刚性连杆)的第一和第二部分的第一锚固件104和第二锚固件106。然后，该扭矩通过与支撑件114协作地工作的用户身体的连接部位而被传递到与可旋转联接器的旋转轴线对齐的关节。

图1E示出了关节运动辅助装置的又一实施例。在所示出的实施例中，该装置除了包括先前讨论的致动器模块之外，还包括板簧形式的弹簧108e。板簧在位于踝关节相对两侧的第一锚固件104和第二锚固件106之间延伸且附接到第一锚固件104和第二锚固件106。取决于板簧的刚度，板簧可以向相关锚固件施加力，从而将这些锚固件以间隔开的构造以所期望的位置和取向维持在身体相应部位(例如，小腿和脚部)上。虽然在穿戴起来时该板簧位于小腿及踝部的后部，但是该板簧也可以被构造成以如下方式附接到锚固件：该板簧在所期望的方向上施加扭矩，在本实施例中，该扭矩可以相当于将脚部偏压到脚趾向上位置的扭矩。

应当理解，虽然上述那些实施例被描绘为在各个方向上施加扭矩，并且上面所示的致动器和弹簧被布置在用户的关节和/或肢体的各侧上，但是所施加的扭矩和这些构件相对于关节和/或肢体的布置不仅仅限于所图示的那些。例如，在一些实施例中，弹簧可以向关节施加扭矩以将脚部偏压到脚趾向下位置，并且相关的致动器模块可以被操作从而向关节施加扭矩以将脚部偏压到脚趾向上位置。在这样的实施例中，当穿戴起来时，弹簧可以位于用户腿部的侧面和/或背面上，并且当穿戴起来时，致动器可以位于用户腿部的正面上。因此，本发明的公开内容涵盖了关于这里讨论的弹簧和致动器的扭矩和/或位置的特定组合的任意数量的变形例。此外，尽管上述各实施例是针对于踝关节进行说明的，但用于辅助个人关节运动的对抗性弹簧和致动器的公开内容可以应用于任何合适的关节。

除了示出了弹簧和致动器的相对的定位和操作，图1A至图1E还示出了可操作地联接到电子设备116的致动器110的使用。电子设备116可以包括电源、一个或多个传感器、和/或配备有相关的非暂时性计算机可读介质的处理器，上述非暂时性计算机可读介质包括处理器可执行指令，当该处理器可执行指令由处理器运行时，该处理器可执行指令就利用本文所记载的任何方法来让装置进行操作。在一些实施例中，一些或全部电子设备可以与致动器集成地安装着，但是也可以设想出在装置的各种构件之间使用了有线和/或无线连接的示例。在一些实施例中，额外的传感器可以被布置在遍布于辅助装置的致动模块和/或其他部分以及可操作地联接的处理器上的多个位置中，并且相应的传感器信号可以被发送到处理器且由处理器接收。例如，称重传感器(load cell)可以与致动器串联放置着，应变仪(strain gauge)可以被配置在锚固件上，并且/或者任何其他合适类型的传感器可以被用在装置上的任何合适位置中，因为本发明在这方面不受限制。在一些实施例中，致动器可以向关节施加扭矩，并且弹簧和/或支撑件可以施加反作用扭矩。反作用扭矩可以由一个或多个传感器感测出来并且用于反馈控制过程中。例如，可以至少部分地基于所感测到的与弹簧和/或支撑件相关的反作用力和/或扭矩来调整由致动器施加的力和/或扭矩。可以使用力和/或扭矩传感器来感测反作用力和/或扭矩。诸如应变仪和/或位置传感器等其他传感器可以用来测量弹簧和/或支撑件的变形并且间接地计算出反作用力和/或扭矩。

图2A至图2C示出了通过在关节运动辅助装置中设置不同支撑件而带来的对施加到用户身体上的剪切力的影响。如上所述，在一些实施例中，关节运动辅助装置可以包括支撑件，该支撑件可以施加力以便将定位于关节两侧的相关锚固件偏压到所期望位置和/或以便施加绕着关节的扭矩。而且，这种支撑结构可以减少施加到用户身体的相应部位上的剪切力，由此提高舒适度并且提高从致动器到关节运动的力传递效率。支撑件还可以减少锚固件的滑动并且通常使得装置的构件能够更好地定位。

图2A示出了在没有设置支撑件的情况下对施加到用户身体的剪切力的影响。在没有支撑件的情况下，致动器的全部力可能由用户身体通过向用户身体的下肢部位施加剪切力来支撑着，该下肢部位在这种情况下是用户的小腿和脚部。由于致动器(或致动模块)在两个锚固点之间产生了拉伸，防止锚固件移动的唯一结构是用户身体。在这种情况下，施加到用户身体的剪切力可能很高，并且锚固件可能会取决于它们所附接到的特定身体部位而显著偏移。例如，如果位于锚固件下面的身体部位是用户的小腿和大腿，和/或如果锚固件在所示出的装置中位于小腿下方，那么因为大腿和小腿相对于所施加的力的自然形状使得在不施加过大的力和/或不使用额外的锚固结构的情况下难以形成固定附件，所以锚固件在使用期间很可能向下漂移。

图2B示出了在设置有刚性支撑件的情况下对施加到用户身体的剪切力的影响。在刚性支撑件的刚度远大于用户身体的刚度的情况下，由致动器施加的力可以完全由刚性支撑件进行反作用。在这种情况下，施加到用户身体的剪切力可能非常小或接近于零。在这种情况下，锚固件的偏移可以忽略。然而，与图2A所示的柔软护甲(soft exosuit)相比，这种刚性支撑件可能会严重限制关节运动。

图2C示出了在设置有柔性支撑件的情况下对施加到用户身体的剪切力的影响。柔性支撑件的优点在于：其可以把极端情况(即，没有支撑件的情况、有刚性支撑件的情况)的益处结合起来，并且可以避免一些缺点。例如，柔性支撑件可以减少用户身体上的剪切载荷(与没有支撑件的情况相比)，不会完全限制面外运动(out ofplane motion)(例如，踝部的内翻和/或外翻运动)，并且可以在没有与关节的旋转轴线精确对准的情况下发挥作用。柔性支撑件可以被设计成在垂直轴线上是刚性的(当考虑踝部装置时)，但在其他方面是柔性的，以便在提供了绕着相关关节的所期望扭矩的同时还允许用户的自然运动。例如，支撑件的几何形状和材料特性可以部分地决定施加到关节的扭矩和用户身体部位的运动路径。在柔性支撑件被用作针对致动器的对抗性弹簧的实施例中，支撑件可以在从致动器加载的方向上具有足够的刚度以至少部分地抵抗来自致动器的力。柔性支撑件可以帮助维持锚固件的分离且对载荷进行反作用，并且可以表现出具有所期望的刚度特性的弹簧行为。

图3示出了支撑件114和锚固件105之间的接口的一个实施例。支撑件114的端部包括与锚固件105的锚固件安装件124联接的支撑件安装件122。支撑件安装件122可以利用紧固件、压配合几何形状、环氧树脂、粘合剂或任何其他合适的联接件而被联接到支撑件114。如上所述，锚固件105可以包括诸如护套、带子、套筒或内垫等磨损部件。在这样的实施例中，锚固件安装件124可以被缝入该磨损部件中，以将锚固件安装件124联接到锚固件105。然而，应当理解，锚固件安装件124和锚固件105之间的任何合适联接件都是可以使用的，因为本发明在这方面不受限制。此外，应当理解，在一些实施例中，支撑件114也可以被描述为弹簧。例如，参见图1B中的弹簧108b，其起到弹簧及支撑件的作用。

一个或多个传感器可以被设置在支撑件114和锚固件105之间的接口处。在一些实施例中，传感器120被配置在支撑件安装件122和锚固件安装件124之间。传感器120可以被固定地联接到锚固件安装件124，并且支撑件安装件122可以直接附接到传感器120。也就是说，支撑件安装件122可以直接连接到传感器120，并且传感器120可以直接连接到锚固件安装件124。传感器120可以利用紧固件、压配合几何结构、环氧树脂、粘合剂或任何其他合适联接件而被联接到支撑件安装件122和/或锚固件安装件124。因此，在一些实施例中，支撑件安装件122可以经由传感器120间接地联接到锚固件安装件124。在一些实施例中，支撑件安装件122可以直接连接到锚固件安装件124，并且传感器120可以联接到支撑件安装件122和锚固件安装件124中的一者或两者。

在一些实施例中，传感器120是力传感器，其被构造用于测量由锚固件104施加在支撑件114上的力和/或由支撑件114施加在锚固件104上的力。来自传感器120的信号可以被用来计算与支撑件114和/或锚固件104相关的力和/或扭矩。其他类型的传感器可以被包括在支撑件114和锚固件104之间的接口处。例如，力和/或扭矩传感器可以被集成到支撑件114中，并且/或者应变仪121可以被直接应用于支撑件114上。替代地或附加地，位置传感器可以被用来测量支撑件114的变形。因为支撑件114可以作为具有已知刚度的弹簧来进行操作，所以来自位置传感器的信号可以被用来计算与支撑件114相关的力和/或扭矩。例如，可以利用支撑件114的已知刚度和支撑件114的所测量出来的变形来计算由支撑件114施加到关节的扭矩。

尽管前面的说明中的大部分内容涉及到用户的踝部、小腿和脚部，但这仅用于说明目的。因此，应当理解，本文所公开的装置可以应用于其他关节及用于辅助相应关节的运动的身体部位。例如，图4A至图4B示出了被配置在用户的其他关节上的装置。图4A示出了具有被配置在用户膝部两侧的锚固件104和106的装置，而图4B示出了具有被配置在用户髋部两侧的锚固件104和106的装置。在附图的实施例中，柔性支撑件114弯曲以提供膝部伸展或髋部屈曲，并且相关致动器110可以施加对抗性扭矩以提供膝部屈曲或髋部伸展。然而，在其他实施例中，柔性支撑件可以弯曲以提供膝部屈曲或髋部伸展，并且致动器可以提供膝部伸展和髋部屈曲。相应地，柔性支撑件、弹簧和/或致动器可以在任何所期望方向上施加绕着任何关节的扭矩。致动模块(其可以包括弹簧、柔性支撑件、锚固件、致动器和/或其他部件)除了可以被配置到下肢关节之外，还可以额外地被配置到腕部、肘部、肩部、躯干、背部或任何其他合适的关节。

图5A至图5C示出了被构造为穿戴在用户的不同关节上的关节运动辅助装置，这些图示出了致动方案的模块化性质。在一些实施例中，致动器可以被安装在装置的锚固件附近，并且控制和供电电子设备可以被安装在诸如腰带上等单独的位置处。这种模块化可以使得单个供电/控制方案(例如，安装在腰带上的电子设备)能够与一个或多个关节未知(joint-agnostic)的致动器一起使用以便辅助用户的不同关节(例如，髋部、膝部、踝部)。

图5A示出了被构造用于辅助用户髋部运动的装置。锚固件104和106可以被配置在用户髋部的两侧。例如，第一锚固件104可以被配置在髋部上方(诸如腰带上等)。第二锚固件106可以被配置在髋部下方(诸如大腿的靠近膝部的部分上等)。致动器110可以施加绕着髋部的扭矩以辅助用户髋部运动。致动器110可以被安装在第一锚固件104上，并且可以由电子设备116控制。该电子设备可以被配置在腰带上，或者可以附接到用户身体上的或用户身体外的任何合适位置。图5B示出了被构造用于在背屈(脚趾向上)时辅助用户踝部运动的装置，而图5C示出了被构造用于在跖屈(脚趾向下)时辅助用户踝部运动的装置。在一些实施例中，第一锚固件104可以被配置在用户小腿上，而第二锚固件106可以被配置在用户踝部下方。第二锚固件106可以是鞋子插入物、与鞋子的外部相关联的带子或任何其他合适的结构。因为本发明的公开内容在这方面不受限制，因此装置除了可以如同附图所示的实施例之外，也可以被配置在诸如髋部、膝部、踝部或任何其他合适关节等任何由用户选择的关节上。

图6示出了致动器的传动系统的一个实施例，在该传动系统中，电机816可操作地联接到心轴810。电机可以通过皮带和滑轮机构而被联接到心轴。例如，当电机816的输出端转动时，与电机816的输出端联接的皮带820就可以转动与心轴联接的皮带轮818，从而导致该心轴转动。然而，本发明不限于此，也可以设想出用于让电机和心轴联接起来的其他合适布置方案。例如，用于将电机的输出端联接到心轴的齿轮传动、直接传动和/或任何其他合适类型的传动方式都是可以使用的，因为本发明在这方面不受限制。在任一种情况下，系绳806可操作地联接到心轴，使得当心轴被电机旋转时，系绳就可以缠绕到心轴上。在一些实施例中，心轴可以是圆柱轴。然而，心轴可以是具有被构造为能够让系绳缠绕到心轴上的任何合适形状的任何合适结构。

图7示出了包括引导件812的致动器802的一个实施例，该引导件812用于控制系绳806向致动器的心轴810上的缠绕，从而使得系绳可以大致以单层缠绕在心轴上。例如，引导件812包括系绳搭接部812a，该系绳搭接部例如是通道、通孔或者当系绳806缠绕到心轴810上时能够与系绳806搭接并且能够引导系绳806的位置和/或取向的其他结构。例如，系绳806可以穿过形成于引导件812中的通孔且到达心轴810上。

引导件812和/或系绳搭接部812a可以包括被构造为能够使系绳806上的磨损最小化的低摩擦材料和/或涂层。低摩擦材料还可以使对系绳806与引导件812和/或系绳搭接部812a之间的滑动运动的阻力最小化。低摩擦材料的非限制性示例包括陶瓷、塑料以及诸如不锈钢、铝、黄铜和铜等抛光金属，它们具有适当光滑的表面以便为所需的应用提供所需的低摩擦系数。当然，其他的低摩擦材料可能是合适的，并且本发明不限于任何特定材料。在一些实施例中，低摩擦材料可以包括当跟系绳接触时与低摩擦系数相关的材料。在一些实施例中，引导件812(和/或系绳搭接部812a)与系绳806之间的摩擦系数可以小于或等于0.5、0.4、0.3、0.2、0.1或是任何其他合适的值。在一些实施例中，引导件812(和/或系绳搭接部812a)与系绳806之间的摩擦系数可以大于或等于0.01、0.1、0.2、0.3、0.4或是任何其他合适的值。还可以设想前述这些值的各种组合，例如包括：引导件812(和/或系绳搭接部812a)与系绳806之间的摩擦系数介于0.01和0.5之间、介于0.01和0.3之间、介于0.01和0.1之间、和/或任何其他合适的组合。附加地或可替代地，轴承或其他滚动元件可以被集成到引导件812和/或系绳搭接部812a中，以减少系绳806上的磨损。

在一些实施例中，可能较佳的是，引导件812被构造成能够在与心轴810的长度(诸如心轴的轴向长度等)大致平行的方向上移动。例如，引导件可以以可移动的方式安装到在与心轴的轴向方向平行的方向上延伸的一个或多个导轨814上。在图7中具体描绘的实施例中，引导件包括两个平行的通孔，它们滑动地接纳两个相应的导轨以使得：在允许引导件沿着心轴的轴向长度的至少一部分移动的同时，还相对于心轴维持着引导件的取向以及引导件的与系绳搭接的部分。在一些实施例中，至少一个弹簧814a被构造为将引导件偏压至沿着心轴长度而言的中间位置。例如，如图7所示，两个以上的拉伸和/或压缩弹簧可以位于引导件的相对两侧上，以将引导件偏压至导轨的中部或沿着心轴长度而言的任何其他所期望中间位置。此外，在一些情况下，弹簧可以被配置在导轨上以使得：在向引导件提供所期望的偏压力的同时，还帮助维持这些导轨在致动器内的位置。然而，也可以设想出其中在导轨上未配置有弹簧的情况。稍后将会进一步说明这种致动器的操作。

如上所述，较佳的是，可以仅将单层的系绳缠绕到心轴上，这是因为：多次缠绕于系绳自身上的系绳可能会遭受增大的疲劳，并且可能会由于当系绳在相对较小的心轴上缠绕于该系绳自身上面时所施加的力距臂(moment arm)的变化而导致更高的电机扭矩。为了实现单层，缠绕到心轴上的系绳的缠绕角θ₁可以是足够陡峭的以使缠绕具有方向性，但也不会太陡峭以致心轴用完了缠绕空间。在一些实施例中，致动器的与系绳搭接的引导件可以提供如下的缠绕角θ₁：该缠绕角θ₁大于或等于比能够确保绳索以单层进行缠绕的0°大的任何角度。此外，缠绕角θ₁可以小于或等于80°。还可以设想出上述缠绕角范围的组合，例如包括介于4°和80°之间或等于4°和80°的缠绕角。此外，引导件可以在操作期间将缠绕角维持在任何其他合适的角度范围内。然而，当该系统被安装在用户上时，维持这样的角度范围或任何其他合适的角度范围可能是困难的，因为系绳的进入角θ₂可能会随着用户的四处走动而不断变化。

参见图8A，为了帮助系绳以单层缠绕到心轴上，可以采用引导件812以便将系绳806的极端进入角θ₂改变为处于缠绕角θ₁的可接受范围内。如先前在上面所说明的，引导件可以包括一个或多个弹簧814，以将引导件偏压到沿着心轴长度的所期望中间位置，在一些实施例中，该中间位置是沿着心轴的在操作期间缠绕有系绳的一部分的长度而言的大约中心位置。随着系绳卷绕到心轴上，θ₁会减小。θ₁的这种减小导致了：在穿过引导件的系绳的两侧之间的力不平衡会在平行于心轴的方向上向引导件施加不同的力。所产生的力不平衡引起引导件发生移位，这就将被配置在引导件的对应于移动方向的一侧上的弹簧压缩，并且使在该弹簧的相对一侧上的弹簧伸展。这在图中被示出为引导件偏移(ΔX_弹簧)的增大变化。因此，引导件的这种移动可以帮助维持合适的引导件位置以及相应的系绳位置和系绳进入角，从而将心轴上的系绳以单层缠绕到心轴810上。如在下文中详细说明的，弹簧刚度可以基于预期的可能取决于具体应用而变化的系绳进入角和致动器力来予以选择，以提供致动器的所期望操作。

图8B是对具有不同类型构造的不同类型引导件进行比较的示意图。不希望受到理论的束缚，系绳缠绕于心轴上的位置可以至少部分地取决于系绳的进入角和缠绕角，而不管是否存在引导件以及与引导件相关的任何弹簧的相应刚度是怎样的。例如，在不使用引导件的情况下，这可以近似成弹簧常数为零或可以类似于太柔性的弹簧，系绳会根据几何考虑而简单地缠绕到心轴上，直到系绳在该系绳缠绕于其自身上面上的位置点处与心轴近似垂直为止。类似地，如果一个或多个相关弹簧的弹簧常数太硬，和/或如果引导件简单地被固定在适当位置，则系绳也将会根据几何约束而缠绕到心轴上，直到系绳在该系绳再一次缠绕于其自身上面上的位置点处与心轴近似垂直为止。相反，当选择了合适的弹簧常数时，引导件就如上所述被允许沿心轴的轴向长度移动。对于相对于致动器的各种各样进入角，这种类型的操作允许更大量的系绳缠绕到心轴上，而不会缠绕于该系绳自身上面。应当理解，具体的几何形状和弹簧刚度将会取决于特定的致动器几何形状、系绳取向和由致动器在使用期间所要施加的力而变化。

如图9A至图9B所示，在一些实施例中，致动模块800可以包括：致动器802；缠绕到致动器的心轴810上的系绳806；以及系绳外壳808，该系绳外壳808至少部分地包围并且在一些情况下完全包围系绳806的从致动器延伸出去的部分。图9B示出了图9A的致动模块的一部分的剖视图，以用于示出内部构件。在一些情况下，致动模块还可以包括连接器804，该连接器804连接到系绳806的与致动器相反的远端。如图所见，系绳外壳连接到致动器的外部，并且从致动器的外部延伸出去直至到达一个相关的呈套筒形式且让系绳穿过的连接器，然而其他的外壳形状和构造也是可能的。取决于特定实施例，系绳外壳可以延伸得直至和/或超过相关的连接器，使得系绳的在连接器和致动器之间延伸的部分被系绳外壳完全包围。此外，在一些实施例中，系绳外壳可以从一端到另一端是逐渐变细的。例如，系绳外壳可以在致动器壳体附近更宽，而在远端连接点附近更窄。然而，在一些实施例中，系绳外壳可以具有统一的直径。在某些应用中，系绳外壳被构造成能够随着系绳相对于致动器的伸展和缩回而选择性地伸展和缩回。在一些实施例中，系绳外壳由弹性材料形成，例如弹性织物可以被用来形成包围系绳的弹性套筒。然而，也可以设想出其中系绳外壳并非弹性的实施例。

上述系绳外壳可以提供许多益处，包括但不限于：保护用户以免受到磨损和以免与露出的系绳发生纠缠；保护致动器内部以免受到环境污染物的影响；以及允许系绳上涂覆有湿润滑剂或干润滑剂，这可以显著提高系绳的使用寿命，而不会使用户和周围环境暴露于润滑剂。另外，在外壳是弹性的实施例中，外壳的刚度可以被调整为：当装置被穿戴起来时，该外壳能够向被用来将装置保持在用户身体相应部位上的已连接锚固件提供一定量的恒定拉伸。外壳的这种初始拉伸状态较佳地可以将各构件保持在适当位置。例如，外壳的刚度可以被选择为能够提供如下的拉伸：该拉伸可以将锚固件保持在适当位置而不会影响到用户运动。在一种这样的应用中，外壳可以在约50％的伸长率下施加约5N至10N的拉伸力，但是取决于应用也可以设想出大于和小于上述范围的其他范围。可替代地，刚度可以被选择成：能够对用户运动具有可测量的影响(例如，断电状态期间的辅助扭矩)，能够提供预加载拉伸力以消除由心轴施加的力，或能够减少致动器的功率需求。当然，利用所公开的装置未提供上述益处和/或提供了不同益处的实施例也是可能的，因为本发明不限于在所有情况下都提供这些益处。将会在下面进一步详细阐述这些益处中的一些益处。

图10示出了模块化致动器802的一个实施例。模块化致动器可以使得能够容易地更换诸如高磨损构件等易耗构件。图10的模块化致动器802包括主要部分830和可替换部分840。可替换部分840可以形成单个筒盒，该筒盒被构造为能够选择性地从主要部分830拆下。可替换部分840可以包括下列构件中的至少一种：心轴810、系绳806、引导件812和第一同步皮带轮818。主要部分830可以包括致动器802的其余构件，例如电机编码器815、电机816和第二同步皮带轮817等。当然，应当理解，在其他实施例中，构件的不同组合方式可以被包括在模块化致动器802的主要部分830和可替换部分840中。例如，同步皮带轮818可以与同步皮带轮817、电机816和编码器815一起被包括在主要部分830中。在一些实施例中，至少心轴810、系绳806和引导件812可以选择性地从电机816上移除。主要部分830可以被构造为能够利用卡扣几何形状或压配合几何形状、紧固件、闩锁、棘爪、插槽及突起、磁铁、或者任何其他合适的联接器而选择性地咬合可替换部分840。

在一些实施例中，主要部分830和可替换部分840可以被手动地咬合和/或分离。在一些实施例中，主要部分830的构件和/或可替换部分840的构件可以帮助实现这两个部分的咬合/分离。例如，在这两个部分830和840的初始手动联接阶段之后，可以致动电机816以使皮带轮817和818的运动关联起来，这可以作为最终联接阶段以使这两个部分830和840完全咬合。在一些实施例中，主要部分和可替换部分可以利用用于连接两个皮带轮的皮带、用于啮合的齿轮齿组和/或两个轴之间的花键联接来予以联接。当然，主要部分和可替换部分可以通过其他方式适当联接起来，并且本发明不限于此。

模块化致动器802可以额外地还使得用户能够修改致动模块的功能，例如使致动模块适应于特定功能。例如，可以选择具有不同长度系绳806的不同可替换部分840，以适配于用户身高和尺寸的范围。另一种修改可以是改变同步皮带轮817和818的直径，以改变电机816和心轴810之间的齿数比。这种修改将会使得单个致动模块能够具有多个可替换部分840以便针对具体关节的规格进行调整。例如，踝部可能需要更高的扭矩但是更低的速度，而髋部可能需要更低的扭矩但是更高的速度。具有不同齿数比的一组可替换部分840可以允许单个致动模块通过用第二可替换部分替换第一可替换部分来兼容两种关节。改变心轴810的直径将会具有与改变齿数比类似的效果。当然，可以通过把一个可替换部分840由另一可替换部分840替换来实现对致动器802的其他修改，并且本发明不限于本文在这里明确阐述的修改。

如上所述，在一些实施例中，系绳外壳可以在使用期间被预加载，使得该系绳外壳向已附接的锚固件提供相对恒定的低拉伸力。而且，这也能够即使在装置未通电的情况下仍可以有助于将锚固件保持在用户身体上的适当位置处。该装置的预加载还可以被用来通过平滑从卸载状态到加载状态的过渡来减少致动急动(actuationjerk)，这就可以提供运动上的一些所期望效果，该效果例如是：通过针对过度伸展的相反运动来支持膝部控制。这些状况被示出于图11中，该图中示出了具有预加载的系绳外壳808的致动器和具有松散状态下的未被包围的系绳806的致动器。如图11中的相应图表所示，对于未被包围的系绳而言，与包括呈现了更平缓的到加载状态的过渡的预加载系绳外壳的装置相比，相关关节上的所施加力的变化是更为突然的。

图12示出了集成到可穿戴系统中的致动模块的一个实施例。在所示出的实施例中，致动模块800将第一锚固件822连接到位于用户分开的双腿上的分开的第二锚固件824。在所示出的实施例中，第一锚固件822是腰带，并且第二锚固件824是穿戴在膝部上方的两条大腿各者上的可穿戴构件。如先前所述，电子设备826可以包括电源、一个以上的传感器、和/或具有相关存储器的处理器，该相关存储器用于控制上述装置的操作以便在诸如步态周期等运动周期期间将向用户的独立的髋部或其他关节提供所需的辅助扭矩组合。

通过利用所公开的致动器和对抗性弹簧，能够在运动周期期间在关节的各种取向上向关节提供宽范围的扭矩。例如，由致动器施加的扭矩可以被用来允许来自弹簧的全部扭矩能够被施加到相关关节、部分地施加到相关关节、抵消由弹簧施加的扭矩、和/或施加一个相对于由弹簧施加的扭矩而言在幅度上更大且在方向上相反的扭矩。因此，由于具有能够控制在整个步态周期中被传递的扭矩的能力，可以通过该装置向关节应用各种各样的致动曲线，藉此在运动周期的各个部分期间提供各种量的辅助扭矩。

图13A是在零扭矩控制期间的致动器扭矩输出的曲线图。该图示出了该系统在步态周期期间向踝部传递零净扭矩的曲线。例如，在该图表中，致动器施加正扭矩(+PF)，并且弹簧施加负扭矩(-DF)。实线代表所期望的净扭矩(net torque)。在整个步态周期中，该系统监控来自弹簧的扭矩，并向致动器提供一个与弹簧的扭矩在幅度上相等且相反的扭矩，这就导致了将零扭矩传递给用户。在用户想要在主动辅助和完全依靠他们自己的力量进行锻炼之间快速转换的整个治疗方案中，零扭矩致动曲线在某些时间可以是很有用的。

图13B是在辅助扭矩控制期间的致动器扭矩输出的曲线图。该图描绘了其中施加到关节的净扭矩幅度在整个运动周期中发生变化的情况，在这种情况下，上述扭矩是在步态周期期间施加到踝部的扭矩。在该图表中，致动器施加正扭矩(+PF)，并且弹簧施加负扭矩(-DF)。实线代表所期望的净扭矩。当脚部踩在地面上时，来自致动器的力抵消了来自弹簧的力，藉此，传递了零净辅助扭矩。当用户拉近脚趾时，系统会传递跖屈扭矩，藉此帮助用户将他们自身向前推进。一旦用户抬起他们的脚部进行摆动时，致动器会传递一个非常低的扭矩，藉此允许弹簧将负净扭矩施加到踝部以辅助背屈，从而防止脚部下垂/绊倒。

鉴于上述情况，应当理解，所公开的致动器和对抗性弹簧可以被用来在无需使用对抗性致动器的情况下在运动周期的各个部分的期间向相关关节施加正、负和/或零净扭矩的任何所需组合。此外，这样的系统可以提供所期望的故障和/或无动力模式：在该故障和/或无动力模式中，即使在被动无动力模式或故障模式下操作时，这样的系统仍然可以提供诸如用于将脚部偏压向脚趾向上位置的扭矩等所需辅助。这样的系统还可以被操作以随时间来改变提供给用户的辅助量。例如，在初始治疗期间，该系统可以在运动期间提供第一量的辅助扭矩，当用户关节有所康复并且需要较少辅助时，可以让上述辅助扭矩随时间而减少。可替代地，该系统可以在正常使用期间提供具有第一幅值的辅助扭矩，并且该系统可以被操作以在物理治疗期间提供较低的辅助扭矩和/或零净辅助扭矩。因此，所公开的系统提供了一种灵活的平台，其能够在多种不同的情况下辅助用户关节的运动。

本文所记载的技术的上述各种实施例可以以多种方式中的任一种来实现。例如，可以使用硬件、软件或其组合来实现实施例。当以软件来实现时，软件代码可以在任何合适的处理器或处理器集合上运行，而无论该处理器或处理器集合是被设置在单个计算装置中还是被分布在多个计算装置中。这样的处理器可以被实现为集成电路，其在集成电路构件中具有一个或多个处理器，并且包括可商购的在本领域中以诸如CPU芯片、GPU芯片、微处理器、微控制器或协处理器等名称已知的集成电路构件。可替代地，处理器可以在诸如ASIC等定制电路中予以实现或在通过构建可编程逻辑器件而得到的半定制电路中予以实现。作为又一可替代方案，处理器可以是较大的电路或半导体器件的一部分，而无论该电路或半导体器件是可商购的、半定制的还是定制的。作为具体示例，一些可商购的微处理器具有多个内核，因此这些内核中的一个内核或一组内核可以构成处理器。然而，可以使用任何合适格式的电路来实现处理器。

此外，在一些实施例中，所公开的装置可以包括一个或多个输入设备和输出设备。这些设备除了用于其他方面外，还可以用于呈现用户界面。可以用于提供用户界面的输出设备的示例包括：用于输出的视觉呈现的显示屏；以及用于输出的可听呈现的扬声器或其他声音生成装置。可以用于用户界面的输入设备的示例包括：键盘；个体按钮；无线连接的装置；以及诸如鼠标、触控板和数字平板电脑等指针设备。作为另一示例，本发明的装置可以通过语音识别或其他可听格式来接收输入的信息。

此外，本文概述的各种方法或过程可以被编码为可在采用多种操作系统或平台中的任何一者的一个或多个处理器上执行的软件。此外，这样的软件可以使用多种合适的编程语言和/或编程或脚本工具中的任何一种来编写，并且还可以编译为在框架或虚拟机上执行的可执行机器语言代码或中间代码。

在这方面，本文所述的实施例可以被体现为编码有一个或多个程序的计算机可读存储介质(或多个计算机可读介质)(例如，计算机存储器、一个或多个软性磁盘、压缩盘(CD)、光盘、数字视频磁盘(DVD)、磁带、闪存、RAM、ROM、EEPROM、现场可编程门阵列或其他半导体器件中的电路构造或其他有形计算机存储介质)，当在一个或多个程序或其他处理器上执行时，该程序执行实现上述各种实施例的方法。如从前述示例中显而易见的是，计算机可读存储介质可以将信息保留足够时间以提供非暂时形式的计算机可执行指令。这样的计算机可读存储介质或媒介可以是可传输的，使得存储于其上的一个或多个程序可以被加载到一个或多个不同的计算装置或其他处理器上，以实现如上所述的本发明的各个方面。如本文所使用的，术语“计算机可读存储介质”仅包括可以被认为是工业品(即，制造品)或机器的非暂时性计算机可读介质。替代地或附加地，本发明可以被体现为除计算机可读存储介质以外的诸如传播信号等计算机可读介质。

术语“程序”或“软件”在本文中在一般意义上用于指代可以被用于对计算装置或其他处理器进行编程以实现上述本发明的各个方面的任何类型的计算机代码或计算机可执行指令集。此外，应当理解，根据本实施例的一个方面，当被执行时执行本发明的方法的一个或多个计算机程序不需要驻留在单个计算装置或处理器上，而是可以以模块化方式被分布在多个不同的计算机或处理器之间，以实现本发明的各个方面。

计算机可执行指令可以采用由一台或多台计算机或其他装置执行的诸如程序模块等多种形式。通常，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、构件、数据结构等。通常，程序模块的功能可以在各种实施例中根据需要进行组合或分布。

本文所述的实施例可以被体现为已经提供了该方法的示例的方法。作为该方法的一部分执行的动作可以以任何合适的方式排序。因此，即使在示例性实施例中被示出为顺序动作，也可以构造出其中以不同于所图示顺序的顺序来执行动作的实施例，这可以包括同时执行一些动作。

此外，一些动作被描述为由“用户”采取。应当理解，“用户”不必是单个个体，并且在一些实施例中，可归因于“用户”的动作可以由个体团队和/或个体结合计算机辅助工具或其他机制来执行。

尽管已经结合各种实施例和示例说明了本教示，但并不旨在将本教示限于这些实施例或示例。相反，本教示包括本领域技术人员将理解的各种替代、变形和等同物。因此，前述说明和附图仅作为示例。

Claims (41)

1.关节运动辅助装置，所述装置包括：

电机；

心轴，其可操作地联接到所述电机；

系绳，其可操作地联接到所述心轴，并且被构造成当所述心轴由所述电机旋转时所述系绳缠绕到所述心轴上；

引导件，其被构造成当所述系绳缠绕到所述心轴上时所述引导件引导所述系绳，其中所述引导件被构造成在与所述心轴的轴向长度大致平行的方向上移动；和

至少一个弹簧，其被构造成将所述引导件偏压到沿着所述心轴的长度的中间位置。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述引导件包括被构造成接纳所述系绳的开口部。

3.如权利要求2所述的装置，其中，所述引导件的所述开口部由低摩擦材料制成，所述低摩擦材料被构造为使得所述系绳上的磨损以及对所述系绳和所述引导件之间的滑动运动的阻力最小化。

4.如权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述至少一个弹簧包括被配置在所述引导件的相对两侧上的至少两个弹簧。

5.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其中，所述系绳是绳索。

6.如权利要求5所述的装置，其中，所述绳索是编织的合成绳索。

7.如权利要求1至6中任一项所述的装置，还包括包围所述系绳的系绳外壳，

其中，随着所述系绳卷绕到所述心轴上和/或从所述心轴上解卷绕，所述系绳外壳伸展和/或缩回。

8.如权利要求7所述的装置，其中，所述系绳外壳是弹性的。

9.如权利要求8所述的装置，其中，所述系绳外壳是纺织物。

10.如权利要求1至9中任一项所述的装置，其中，所述引导件被构造成将所述系绳以单层缠绕到所述心轴上。

11.如权利要求1至10中任一项所述的装置，其中，至少所述心轴和所述系绳可选择性地从所述电机移除。

12.致动器，包括：

系绳；和

系绳外壳，其被构造为至少部分地包围所述系绳的至少一部分，其中，所述系绳外壳被构造为当所述系绳从所述致动器伸展和/或缩回时所述系绳外壳伸展和/或缩回。

13.如权利要求12所述的致动器，其中，所述系绳外壳是弹性的。

14.如权利要求13所述的致动器，其中，所述系绳外壳是纺织物。

15.如权利要求10至14中任一项所述的致动器，其中，所述系绳外壳的材料是湿润滑剂不能渗透的。

16.如权利要求10至15中任一项所述的致动器，其中，从所述系绳外壳的第一近端到所述系绳外壳的位于所述系绳的远侧部分附近的第二远端，所述系绳外壳是变细的。

17.关节运动辅助装置，所述装置包括：

第一锚固件，其被构造成附接到位于所述关节的第一侧上的第一身体部位；

第二锚固件，其被构造成附接到位于所述关节的第二侧上的第二身体部位；

致动器，其可操作地联接到所述第一锚固件及所述第二锚固件；以及

支撑件，其可操作地联接到所述第一锚固件及所述第二锚固件，其中所述支撑件被构造成大致维持所述第一锚固件相对于所述第一身体部位的位置和/或所述第二锚固件相对于所述第二身体部位的位置。

18.如权利要求17所述的装置，其中，所述支撑件被构造成当所述关节的运动使所述支撑件变形时所述支撑件向所述关节施加扭矩。

19.如权利要求18所述的装置，其中，由所述支撑件施加到所述关节的所述扭矩抵抗由所述致动器施加到所述关节的扭矩。

20.如权利要求18至19中任一项所述的装置，其中，所述支撑件被构造成大致维持所述第一锚固件和所述第二锚固件的间距。

21.如权利要求18至20中任一项所述的装置，其中，由所述支撑件施加的所述扭矩与所述支撑件的所述变形之间的关系是可调节的。

22.如权利要求18至21中任一项所述的装置，其中，所述支撑件的所述变形能够被测量以便计算由所述支撑件施加的所述扭矩。

23.如权利要求18至22中任一项所述的装置，其中，由所述支撑件施加的所述扭矩能够利用扭矩传感器来测量，或者能够利用来自一个或多个力传感器的测量值来计算。

24.如权利要求17至23中任一项所述的装置，其中，所述支撑件的至少一部分跟与所述支撑件相关的肢体段的轴向方向大致对齐。

25.关节运动辅助装置，所述装置包括：

第一锚固件，其被构造成附接到位于所述关节的第一侧上的第一身体部位；

第二锚固件，其被构造成附接到位于所述关节的第二侧上的第二身体部位；

弹簧，其可操作地联接到所述第一锚固件及所述第二锚固件；以及

致动器，其可操作地联接到所述第一锚固件及所述第二锚固件，其中，通过致动所述致动器来施加绕着所述关节的扭矩，所述扭矩由来自所述弹簧的反作用扭矩抵抗。

26.如权利要求25所述的装置，其中，所述弹簧包括从由拉伸弹簧、扭转弹簧、板簧和弯曲细长结构组成的群组中选出的至少一种。

27.如权利要求25或26所述的装置，其中，所述关节包括从由踝部、膝部和髋部组成的群组中选出的至少一种。

28.如权利要求25至27中任一项所述的装置，其中，所述致动器可操作地联接到系绳。

29.如权利要求28所述的装置，其中，所述致动器被安装在所述第一锚固件上。

30.如权利要求25至29中任一项所述的装置，其中，所述第一锚固件和所述第二锚固件中的至少一者包括柔韧性服装材料，所述柔韧性服装材料被构造为平躺在所述第一身体部位和所述第二身体部位中的至少一者上。

31.如权利要求25至30中任一项所述的装置，还包括一个或多个传感器，所述传感器被构造为感测来自所述弹簧的所述反作用扭矩。

32.如权利要求31所述的装置，其中，至少部分地基于所感测到的来自所述弹簧的所述反作用扭矩来调节由所述致动器施加的所述扭矩。

33.关节运动辅助方法，所述方法包括：

利用致动器沿第一方向向所述关节施加第一扭矩；和

利用弹簧沿第二方向向所述关节施加第二扭矩，所述第二扭矩与所述第一扭矩对抗。

34.如权利要求33所述的方法，其中，沿所述第一方向向所述关节施加所述第一扭矩的步骤包括：沿所述第一方向向所述关节施加所述第一扭矩以使得所述关节获得第一构造。

35.如权利要求33或34所述的方法，还包括：移除所述第一扭矩。

36.如权利要求34所述的方法，还包括：利用所述弹簧继续施加所述第二扭矩以使得所述关节获得第二构造。

37.如权利要求33至36中任一项所述的方法，

其中，所述关节是踝部，

其中，所述第一方向和所述第二方向中的一者与跖屈相关，

并且其中，所述第一方向和所述第二方向中的另一者与背屈相关。

38.如权利要求33至36中任一项所述的方法，

其中，所述关节是膝部，

其中，所述第一方向和所述第二方向中的一者与膝部伸展相关，并且

其中，所述第一方向和所述第二方向中的另一者与膝部屈曲相关。

39.如权利要求33至36中任一项所述的方法，

其中，所述关节是髋部，

其中，所述第一方向和所述第二方向中的一者与髋部伸展相关，并且

其中，所述第一方向和所述第二方向中的另一者与髋部屈曲相关。

40.如权利要求33至39中任一项所述的方法，还包括：

感测施加到所述关节的一个或多个扭矩和/或力；以及

至少部分地基于所感测到的所述一个或多个扭矩和/或力来调整所述第一扭矩。

41.如权利要求40所述的方法，其中，感测施加到所述关节的一个或多个扭矩和/或力的步骤包括：利用所述弹簧来感测施加到所述关节的所述第二扭矩。

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