本发明涉及用于减小特别是作用于人的脊椎上的力的系统（100），所述系统包括多个相互可对齐的外骨骼元件（103）；其中相互可对齐的外骨骼元件（103）中的至少两个被设计成在系统（100）使用时被连接到人体，且相互可对齐的外骨骼元件（103）中的第一外骨骼元件（103）包括引导件（109），其包括被设计成沿着弯曲轨迹相对于第一外骨骼元件（103）引导相互可对齐的外骨骼元件（103）中的第二外骨骼元件（103）的引导件。
1.一种用于减小作用在人体脊柱上的力的系统（100），该系统（100）包括多个可连接的外骨骼元件（103）；其中至少两个所述可连接的外骨骼元件（103）构造成在所述系统（100）的使用期间被紧固到人体；并且所述可连接的外骨骼元件（103）中的第一外骨骼元件（103）包括引导件（109），该引导件构造成沿着弯曲轨迹相对于第一外骨骼元件（103）引导所述可连接的外骨骼元件（103）中的第二外骨骼元件（103），并且在沿着所述弯曲轨迹相对于第一外骨骼元件（103）引导第二外骨骼元件（103）时在第一外骨骼元件（103）与第二外骨骼元件（103）之间执行叠加的平移和旋转相对运动。
2.根据权利要求1所述的系统（100），还包括致动器单元（105），其中，该致动器单元（105）构造成使第二外骨骼元件（103）相对于第一外骨骼元件（103）可控地移位。
3.根据权利要求1或2所述的系统（100），其中，当沿着所述弯曲轨迹相对于第一外骨骼元件（103）引导第二外骨骼元件（103）时，第二外骨骼元件（103）的瞬心轨迹不与第一和第二外骨骼元件（103）相交。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的系统（100），其中，当沿着弯曲轨迹相对于第一外骨骼元件（103）引导第二外骨骼元件（103）时，第二外骨骼元件（103）的瞬心轨迹相对于第一和第二外骨骼元件（103）朝向所述脊柱偏移。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的系统（100），其中，当沿着所述弯曲轨迹相对于第一外骨骼元件（103）引导第二外骨骼元件（103）时，第二外骨骼元件（103）的瞬心轨迹与所述脊柱的椎骨或一组椎骨的瞬心轨迹匹配或重合。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的系统（100），其中，第二外骨骼元件（103）的第一引导构件（104）可滑动地安装到引导件（109），其中，当沿着所述引导件（109）滑动第一引导构件（104）时，沿着所述弯曲轨迹相对于第一外骨骼元件（103）引导第二外骨骼元件（103）。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的系统（100），其中，第二外骨骼元件（103）具有基部构件（108），并且第二外骨骼元件（103）的第一引导构件（104）相对于所述基部构件（108）可旋转地被支撑，其中，第二外骨骼元件（103）的第一引导构件（104）相对于所述基部构件（108）的旋转使得能够沿第二弯曲轨迹相对于第一外骨骼元件（103）引导第二外骨骼元件（103）。
8.根据权利要求6或7所述的系统（100），其中，第二外骨骼元件（103）的第二引导构件（104a）可滑动地安装到所述引导件（109），其中第一引导构件（104）和第二引导构件（104a）沿直线彼此间隔开。
9.根据权利要求8所述的系统（100），其中，在所述系统（100）的使用期间，所述直线位于由所述弯曲轨迹的一部分限定的平面中。
10.根据权利要求9所述的系统（100），其中，第一引导构件（104）和第二引导构件（104a）之间的距离或第二外骨骼元件（103）的重心是连续可调或逐步可调的，其中，不同的距离导致不同的弯曲轨迹。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的系统（100），其中，所述引导件（109）是连续可调或逐步可调的，其中，不同的调节导致不同的弯曲轨迹。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的系统（100），其中，第一外骨骼元件（103）和第二外骨骼元件（103）设置有第一容座，第一容座适于接收第一致动器单元（105），用于沿着所述弯曲轨迹相对于第一外骨骼元件（103）可控地移位第二外骨骼元件（103）。
13.根据权利要求12所述的系统（100），其中，第一外骨骼元件（103）和第二外骨骼元件（103）设置有第二容座，第二容座适于接收第二致动器单元（105），用于沿着所述弯曲轨迹相对于第一外骨骼元件（103）可控制地移位第二外骨骼元件（103），其中，第一容座和第二容座偏离由所述弯曲轨迹限定的平面。
14.根据权利要求13所述的系统（100），其中，第一外骨骼元件（103）和/或第二外骨骼元件（103）设置有传感器单元，用于确定第一外骨骼元件（103）和第二外骨骼元件（103）之间的距离或角度。
15.一种用于减小特别作用于人体脊柱的力的方法，包括：
连接（200）根据权利要求1-14中任一项所述的系统（100）的外骨骼元件（103）；
响应于该确定，使第二外骨骼元件（103）沿着所述弯曲轨迹相对于第一外骨骼元件（103）移位（203）。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述人体脊柱的有意伸展或弯曲的确定（202）包括利用传感器单元（106）的人体安装传感器。
17.根据权利要求15或16所述的方法，还包括在伸展或弯曲脊柱时将所述弯曲轨迹调整为人的运动模式。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述调节包括减小人体脊柱的椎骨的瞬时旋转中心的运动与相应的外骨骼元件（103）的瞬时旋转中心的运动之间的偏差。
用于减少作用在脊柱上的力的系统和方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种可穿戴的、模块化的（外骨骼）系统，该系统例如可以承载在平行于脊柱的人的背部上，以在不符合人体工程学的活动例如负荷处理过程期间减轻对脊柱/脊柱肌肉组织的压力，或支撑肌肉骨骼疾病患者的运动，或将肌肉骨骼疾病患者的运动限制到特定范围。特别地，该系统能够重定向力以缓解脊柱/脊柱肌肉组织。
背景技术
[0002] 本领域中已知许多技术系统支撑人的运动，以便例如改善人工工作步骤的质量、工作场所的人体工程学或肌肉骨骼疾病患者的活动性。该系统针对整个身体或身体的个体部分，例如下肢、上肢或背部。
[0003] 致动（主动）系统的示例是混合辅助肢体（HAL）、ReWalk、波士顿动力学外骨骼或Lucy支撑系统，其可用于支撑头顶工作（overhead work）。所有这些系统的共同之处在于它们支撑下肢和/或上肢的运动。非致动（被动）系统的示例是矫形器，例如用于在椎骨损伤的情况下稳定脊柱的脊柱矫形器。矫形器通常基于刚性或半刚性背部结构，其特别限制运动自由度。
[0004] 因此，虽然已知主动和被动系统用于各种使用情况，但是在能够实现尽可能自然的运动方面仍存在改进的空间。
发明内容
[0005] 本发明的目的是改进本领域已知的系统。
[0006] 该目的通过根据本发明的系统实现。根据本发明的系统包括多个可连接的外骨骼元件，其中，至少两个可连接的外骨骼元件适于在系统的使用期间被紧固到人体，并且可连接的外骨骼元件中的第一外骨骼元件包括引导件，该引导件被配置为沿着弯曲轨迹相对于第一外骨骼元件引导可连接的外骨骼元件中的第二外骨骼元件，并且在沿着弯曲轨迹相对于第一外骨骼元件引导第二外骨骼元件时在第一外骨骼元件与第二外骨骼元件之间执行叠加的平移和旋转相对运动。
[0007] 因此，这些可连接的外骨骼元件可相对于彼此移位，其中，这些外骨骼元件相对于彼此的距离和取向在位移期间会变化（在预定限度内），即，不同的距离与不同的取向相关。例如，在第一距离时第一取向，在第二距离时第二取向，被执行或至少被启用，而在第一距离时禁用第二取向，并且在第二距离时禁用第一取向。
[0008] 在该上下文中，在整个说明书和权利要求中使用的术语“可连接”特别是指能够实现（可拆卸的）串行连接或链的配置。此外，在整个说明书和权利要求中使用的术语“外骨骼元件”特别是指在使用该系统时有助于实现相对于人体的支撑、保持或力传递功能的部件。
[0009] 此外，在整个说明书和权利要求中使用的术语“紧固”特别是指这样的接触，其中作用在脊椎上的力可以被改变方向，例如，系统搁置或（部分地）封闭或包围肩部/胸部区域和臀部/耻骨区域。另外，在整个说明书和权利要求中使用的术语“轨迹”特别是指连续路径。
[0010] 优选地，该系统还包括致动器单元，其中，致动器单元构造成使第二外骨骼元件相对于第一外骨骼元件可控制地移位。
[0011] 优选地，当沿着弯曲轨迹相对于第一外骨骼元件引导第二外骨骼元件时，第二外骨骼元件的瞬心轨迹（centrode）不与第一和第二外骨骼元件相交。
[0012] 优选地，当沿着弯曲轨迹相对于第一外骨骼元件引导第二外骨骼元件时，第二外骨骼元件的瞬心轨迹相对于第一和第二外骨骼元件朝向脊柱偏移。
[0013] 优选地，当沿着弯曲轨迹相对于第一外骨骼元件引导第二外骨骼元件时，第二外骨骼元件的瞬心轨迹与脊柱的椎骨或一组椎骨的瞬心轨迹匹配或重合。
[0014] 优选地，第二外骨骼元件的第一引导构件可滑动地安装到引导件，其中，当沿着引导件滑动第一引导构件时，沿着弯曲轨迹相对于第一外骨骼元件引导第二外骨骼元件。
[0015] 通过适当地成形轨迹，人体脊柱的椎骨的瞬时旋转中心的运动与相应的外骨骼元件的瞬时旋转中心的运动之间的偏差可以（基本上）减小到零，并且因此，当弯曲或伸展脊柱时，在系统和人体的连接点与人体之间不会发生或只有可忽略的相对运动发生。
[0016] 优选地，第二外骨骼元件具有基部构件，并且第二外骨骼元件的第一引导构件相对于基部构件可旋转地被支撑，其中，第二外骨骼元件的第一引导构件相对于基部构件的旋转使得能够沿第二弯曲轨迹相对于第一外骨骼元件引导第二外骨骼元件。
[0017] 除了弯曲和伸展脊柱之外，这允许更复杂的运动，例如，围绕垂直轴线横向弯曲或扭转脊柱。
[0018] 优选地，第二外骨骼元件的第二引导构件可滑动地安装到引导件，其中第一引导构件和第二引导构件沿直线彼此间隔开。
[0019] 这可以增加运动的稳定性并减少系统的磨损。
[0020] 优选地，在系统的使用期间，直线位于由弯曲轨迹的一部分限定的平面中。
[0021] 通过利用沿着不同引导路径或一个引导路径的不同部段引导的两个单独的引导元件来引导该引导构件，还可以实现距离和对准之间的任意复杂的相关性，除了例如圆形轨迹。
[0022] 优选地，第一引导构件与第二引导构件之间的距离或第二外骨骼元件的重心是连续可调或逐步可调的，其中，不同的距离导致不同的弯曲轨迹。
[0023] 由于轨迹曲率的可调节性，人体脊柱的椎骨的瞬时旋转中心的运动与相应的外骨骼元件的瞬时旋转中心的运动之间的偏差可以（基本上）减少到零，没有定制的外骨骼元件。
[0024] 优选地，引导件是连续可调或逐步可调的，其中不同的调节导致不同的弯曲轨迹。
[0025] 如已经陈述的，轨迹曲率的可调节性允许将人体脊柱的椎骨的瞬时旋转中心的运动与相应的外骨骼元件的瞬时旋转中心的运动之间的偏差减小到（基本上）为零，而不需要定制的外骨骼元件。
[0026] 优选地，第一外骨骼元件和第二外骨骼元件设置有第一容座，其中，第一容座适于接收第一致动器单元，用于沿着弯曲轨迹使第二外骨骼元件相对于第一外骨骼元件可控地移位。
[0027] 这允许主动支撑人的运动，例如，脊柱或上身的弯曲和伸展。
[0028] 优选地，第一外骨骼元件和第二外骨骼元件设置有第二容座，第二容座适于接收第二致动器单元，用于沿着弯曲轨迹使第二外骨骼元件相对于第一外骨骼元件可控制地移位，其中，第一容座和第二容座偏离由弯曲轨迹限定的平面。
[0029] 由此，可以产生围绕垂直于引导方向的轴线的扭矩，其可以被用于主动地支撑围绕垂直轴线的横向弯曲或扭转脊柱。
[0030] 优选地，第一外骨骼元件和/或第二外骨骼元件设置有传感器单元，用于确定第一外骨骼元件和第二外骨骼元件之间的距离或角度。
[0031] 这允许更精确地控制运动支撑。
[0032] 优选地，一种用于减小在运动期间作用于人体脊柱的力的方法包括：连接系统的外骨骼元件，将系统紧固到人体，确定人体脊柱的有意伸展或弯曲脊柱，响应于该确定，使第二外骨骼元件沿着弯曲轨迹相对于第一外骨骼元件移位。
[0033] 这允许支撑人体脊柱的有意伸展或弯曲并减少脊柱或脊柱肌肉组织的负荷，因为，例如，以其他方式作用在脊柱上部的力被系统吸收和改变方向。
[0034] 优选地，人体脊柱的有意伸展或弯曲的确定包括利用传感器单元的人体安装传感器。
[0035] 这允许更快速和准确地检测脊柱的有意伸展或弯曲。
[0036] 优选地，该方法还包括在伸展或弯曲脊柱时将弯曲轨迹调整为人的运动模式。
[0037] 由于该调节，外骨骼元件的运动甚至可以更精确地适应于脊柱的运动。
[0038] 优选地，所述调节包括减小人体脊柱的椎骨的瞬时旋转中心的运动与相应的外骨骼元件的瞬时旋转中心的运动之间的偏差。
[0039] 结果，可以实现脊柱和脊柱肌肉组织的支撑，其大部分遵循自然的运动过程。
附图说明
[0040] 将在基于示例性实施例的详细描述中更详细地解释本发明，其中参考附图，其中：-图1以示意性主体侧视图示出了根据本发明的系统在人体上的布置的示例。
[0041] -图2以示意性主体侧视图示出了根据本发明的系统的外骨骼元件（外椎骨）相对于人体脊柱的布置的示例。
[0042] -图3以斜视图示出了外椎骨的实施例的示例。
[0043] -图4以斜视图示出了根据图3的两个连接的外椎骨的示例。
[0044] -图5示出了根据另一实施例的处于斜视图中的两个连接的外椎骨的示例。
[0045] -图6示出了处于伸展位置的图5的连接的外椎骨的侧视图。
[0046] -图7示出了用于减小在运动期间作用在人体脊柱上的力的方法。
[0047] 在附图中，相同和功能相似的元件由相同的附图标记表示。
[0048] 附图标记100 系统
101a 上身
101b 下身
102 连接器
103 外骨骼元件
104,104a 引导构件
105 致动器单元
106 传感器单元
107 人体椎骨
108 基部构件
109,109a 引导件
109b,109c 引导件
110 悬臂
111 枢转轴承。
具体实施方式
[0049] 图1示出了可穿戴系统100，其包括平行于人体脊柱布置的两个外椎骨103。系统100通过连接器102连接到人的上身101a（例如肩部）和下身101b（例如下背部/骨盆）。如图1所示，连接器102可以（部分地）包围或跨越肩部或骨盆和/或整合到（织物）服装中，这允许力在系统100与使用者的身体之间传递。此外，每个外椎骨103可以在背部上邻接，即在使用期间与使用者的背部接触（可能间接地通过其中集成有系统100的（织物）服装）。
[0050] 如图1和图2所示，外椎骨103可对应于或跨越若干或单个人体椎骨。或者，若干外椎骨103可对应于或跨越一个人体椎骨。特别地，外椎骨103可以对应于或跨越一个或整数个人体椎骨。此外，如图2所示，当脊柱伸展时，外椎骨103和人体椎骨可以水平并置，其中穿过外椎骨103的（假想的）水平线也伸展穿过人体椎骨的重心。
[0051] 如图1和图2所示，两个连接的外椎骨103经由引导构件104彼此连接，其中最下面和最上面的外椎骨103（即，末端外椎骨103）通过连接器102在相应的外侧连接到使用者101。外椎骨103，如下面参考图3至图6更详细地描述的，配置成允许旋转-线性相对运动。由此，外椎骨103彼此的相对运动可以设计成使得它们的瞬时旋转中心至少近似地与相应的人体椎骨的枢转点重合。
[0052] 另外，致动器单元105可以设置在每两个外椎骨103之间。致动器单元105可以用于（主动地）使外椎骨103相对于彼此移位，从而加速人的运动或者（可能取决于方向）使其减速（或支撑它）。致动器单元105可以例如设置有电动马达、人造肌肉、气动或液压致动器、机械弹簧和形状记忆合金。致动器单元105还可以连接到动力源例如蓄能器，或流体源，其向致动器单元105供应电能或（加压的）流体。
[0053] 系统100还可包括控制单元（未示出），其控制系统100，尤其是致动器单元105，并且可选地，使得能够以各种控制模式启用系统100的操作。例如，控制模式可以使致动器单元105在特定范围内自由运动（freewheel），在该特定范围内，可以自由做出人的运动或不太多地支撑人的运动，并且防止、减慢或辅助特定范围之外的运动。另一种控制模式可以例如提供致动器单元105支撑人的任何运动或手动请求支撑的运动（“在接触按钮时”）。又一控制模式可以例如评估负载数据，其例如可以由传感器单元106的传感器测量，其中基于负载数据调整支撑水平。例如，肌电图（EMG）或力传感器可用于基于负载来控制系统100。例如，在低负载时，系统100最初可以是不活动的，并且仅当负载超过临界值时才变为活动状态。
[0054] 图3示出了示例性的外椎骨103。图3中所示的外椎骨103包括基部构件108（这里以平板的形式示出），其具有在第一（垂直）连接侧上的引导件109和在第二（相对）连接侧上的引导构件110。引导件109包括两个平行的引导板109a和109b，它们具有弧形凹槽。在使用中，外椎骨103可以相对于脊柱布置，使得两个相邻的外椎骨103在其上移动的弧的中心（即，外椎骨103的瞬时旋转中心）与相应的下层人体椎骨的旋转中心（对于假定基本固定的瞬时旋转中心）一致。由于这种机械行为，外骨骼结构在使用者背部的腹侧弯曲的情况下经历伸长，这对应于使用者背部的伸长，这导致外椎骨103可以固定地布置在背部上。
[0055] 在图3和图4中形成为悬臂110的托架的引导构件104包括两个用于接收引导销的凹槽，如图4所示，该引导销当在弧形凹槽中滑动时实现了引导构件104在连接的外椎骨103的引导件109中的滑动轴承。引导构件104还通过枢转轴承111连接到基部构件108。由于枢转轴承111，其位于第一连接的旋转平面中并且具有旋转轴线（其优选地指向瞬时旋转中心），可以给外椎骨103的链增加旋转自由度。除了由外椎骨103形成的外脊椎的弯曲和伸展之外，进一步的自由度使得也能够进行倾斜的弯曲和伸展。
[0056] 外椎骨103的基部构件108还设置有孔栅形式的连接装置，其允许形成到连接器102的连接。此外，致动器单元105可以附接到孔栅，例如，在悬臂110的两侧上。此外，致动器单元105可以附接到两个连续的外椎骨103或两个以上的外椎骨103，它们通过例如电动机和以相同的传动比或不同的传动比拉动的拉索（cable pull）相对于彼此移位。因此，例如，致动器单元105可以通过伸展到相邻的外椎骨103的拉索，在致动器单元105的方向上使相邻的外椎骨103移位。
[0057] 图5和图6示出了两个连接的外椎骨103的另一个示例。图5和图6中所示的外椎骨103与图3和图4中所示的外椎骨103的不同之处在于代替一个弧形凹槽，每个板109a和109b有两个凹槽（导轨），其中由可插入悬臂110的凹槽中的第一销形成的第一引导构件104可滑动地安装到第一板109a的第一导轨上，以及在轨道方向上偏移并由可插入悬臂110的凹槽中的第二销形成的第二引导构件104a可滑动地安装到第一板109a的第二导轨109c上。提供多个导轨和相关的引导销引起具有移动的瞬时旋转中心的旋转特性。为了能够随后适应瞬时旋转中心的运动，引导板109a和109b制成为可以互换，从而可以使用具有不同导轨路线的板。由于可以利用所描述的引导技术实现复杂的瞬心轨迹，因此还可以仅用一个外椎骨
103来跨接（span）大量的椎骨103。
[0058] 如图5和图6所示，悬臂110还包括一系列凹槽，使得可插入销彼此之间的距离以及相应外椎骨 103的重心都是可调的。应当理解，作为一系列凹槽的替代，可以实现用于调节可插入销彼此之间的距离或相应外椎骨103的重心的连续机构，例如，通过连续凹槽，在该凹槽中销可以夹在任何位置。
[0059] 图1至图6中所示的系统100用于支撑脊柱/脊柱肌肉组织。可以由所示的外椎骨103形成的外骨骼结构由串联连接的几个相同的外椎骨103组成，这些外椎骨103沿着脊柱布置并且可滑动地彼此连接。通过适当地设计或调整相对运动的轨迹，外椎骨103可以静止地布置在背部，因为它们彼此之间的距离在背部的弯曲或伸展期间改变。
[0060] 因此，由于整体结构在弯曲脊柱时不会经受张力，因此可以实现不限制或仅最小程度地限制自然运动的支撑，其中，系统100避免相对于身体的易摩擦运动。此外，外椎骨103可以相对彼此连接和引导，使得当弯曲脊柱时，它们具有相对于彼此的相对枢转点，该相对枢转点与下层（人体）椎骨的有效枢转点一致。以这种方式，外骨骼结构能够跟随人体脊柱的运动，尽管它偏离脊柱的弯曲线。
[0061] 通过外椎骨103之间的致动器单元105，可以在外椎骨103之间产生拉力和/或推力并因此产生扭矩。因此，当外骨骼结构通过合适的连接器连接到使用者身体时，在外骨骼结构中产生的力被传递到穿着者的躯干，从而缓解脊柱和脊柱肌肉组织。因此，可以支撑其中背部弯曲和伸展的身体运动。
[0062] 系统100还可以通过可调节的外椎骨103（如结合图5和图6所描述的）适应于使用者的个体特征（尤其是人体测量学和运动特征）。特别地，通过可调节地配置的外椎骨103，外椎骨103之间的距离变化可以被设定成与外椎骨103之间的角度变化成期望关系。因此，系统100可以单独地适应使用者的解剖结构，从而实现最佳的支撑行为。此外，通过添加或省略外椎骨103或通过使用不同尺寸的外椎骨103，系统100的长度可缩放。另外，外椎骨103的刚性/柔软性/弹性可以通过几何形状和所用材料来调节。
[0063] 总的来说，提供了低复杂度的系统100，其中几何形状和材料可用于调整运动特性，并且仅需要线性运动致动。另外，提供了系统100，其具有大量的相同部件。系统100还使得能够通过外椎骨103相对于彼此的预定真实世界轨迹实现在人的运动期间相对的旋转到平移的限定关系。
[0064] 如上所述，系统100可用于支撑必须执行不利于人体工程学的或重复的或持续很长时间的任务的人，或者例如由于背部受伤而遭受损伤的人。此外，也可以用于稳定至少部分弹性或柔性技术元件或技术接头或其他生物的支撑。结果，可以通过力的方向改变和放大来减轻或使人或其他生物的身体或技术系统（例如工业机器人）的至少一部分免受伤害，这样才使得能执行某些活动。
[0065] 在这方面，图7示出了使用系统100的方法。在分析运动学条件之后，从各种不同的外椎骨103（例如尺寸和使用材料不同的外椎骨103）中选择和提供匹配的外椎骨103。此后，外椎骨103如步骤200所示被连接并在步骤201中被紧固到人体，另一个或甚至是技术系统。可选地，当使用可调节的外椎骨103时（如图5和图6所示），系统100可以通过调整轨迹而通过例如减少人体脊柱的椎骨的瞬时旋转中心的运动与外骨骼元件103的瞬时旋转中心的运动之间的偏差来如上所述的调节到身体的运动特性。如果借助于传感器单元206检测到脊柱的有意伸展或弯曲（步骤202），则响应于步骤203中的确定，致动器单元105被致动，使得外椎骨103相对于彼此移位，结果导致由系统100形成的外骨骼结构弯曲或伸展。
