用于肢体康复的致动器装置、方法和系统与流程

本发明广泛地涉及一种用于肢体康复的致动器装置、方法和系统，特别是用于手和踝的康复。

背景技术：

运动功能的损伤是发展神经系统疾病，如中风或招致如创伤性关节炎的损伤后表面最常见的问题。运动功能损伤后，一个人会失去他或她进行日常生活(ADLs)活动的能力。

例如，手部功能受损的患者需要持续接受被动运动练习，涉及重复的任务，例如抓住和相对运动。具有执行重复任务能力的机器人设备已经被提出，以在康复过程中协助照顾者，并提供更加量化的过程。一个例子是手外骨骼，其位于手的周围，以引导手指关节成所需的轨迹。

常规手外骨骼装置的设计涉及电缆驱动，联动型和气动机构。虽然这些设计有某些优点，诸如刚性的机械身体支撑和可预测和更容易控制的线性力传递，但当设备与穿用者相互作用时它们也携带若干缺点。例如，电缆驱动和联动型的装置，如P.Heo，G.Gu，S.-j.Lee，K.Rhee和J.Kim，"Current hand exoskeleton technologies for rehabilitation and assistive engineering"，International Journal of Precision Engineering and Manufacturing，第13卷，第807-824页，2012/05/01 2012描述的通常是笨重和不舒服的；而在气动驱动装置中，例如在J.Arata，K Ohmoto，R Gassert，O.Lambercy，H.Fujimoto和I.Wada，"A new hand exoskeleton device for rehabilitation using a three-layered sliding spring mechanism"，Robotics and Automation(ICRA),2013IEEE International Conference，2013，第3902-3907页描述的，需要致动器到关节旋转中心的精确附件并且预期要更长的准备时间。此外，由于通常的的手外骨骼包括刚性部件例如电机和线性致动器，它们诱导外骨骼和手之间的支撑连接器的高应力以及通过限制其非致动的自由度(DOFs)妨碍关节的自然运动。

在另一方面，深部静脉血栓(DVT)是患者中由于各种临床因素可能会出现的严重并发症，其中血凝块在下肢深静脉形成并且影响正常血流。

DVT的预防目前大致可分为两类；药物预防和机械预防，其中药物预防需要使用抗凝血药，以防止血液凝固。有几种市售的医院通常采用的机械预防系统，这里的手段是侧重于促进静脉血流，以解决静脉淤滞的问题。一种这样的装置是使用气动泵压缩小腿的间歇气动压缩系统(瑞典，Arjohuntleigh，Flowtron)，其中建议压缩小腿的压力设定到40mmHg。另一种设备是梯度压缩储存，利用从脚到大腿的压力梯度，促进静脉血液流动(爱尔兰，柯惠医疗)。这种机械预防系统有副作用，如具有利用间歇气动系统时的皮肤破裂或损伤或利用梯度压缩储存时的溃疡，水泡和皮肤坏死。

本发明的实施例提供了一种用于肢体康复的致动器装置、方法和系统，并且寻求解决至少一个上述问题的气动致动器元件。

技术实现要素：

按照本发明的第一个方面，提供了一种用于肢体康复的致动器装置，包括一个或多个气动致动器元件；和用于将气动致动器元件在肢体的一个或多个关节上或附近耦合到肢体的机构；其中，每个气动致动器元件包括：具有纵向轴线的可膨胀主体；一个或多个形成在主体中的通道网络，使得在该气动致动器元件的默认状态下，每个通道网络的沿纵向轴线的投影长度比该每个通道网络的总通道长度短。

按照本发明的第二个方面，提供了一种使用如第一方面所定义的装置的肢体康复方法。

按照本发明的第三个方面，提供了一种用于肢体康复的系统，包含如第一方面所定义的装置；用于选择性地将气动致动器元件膨胀和收缩的泵系统；和用于泵系统的控制器。

按照本发明的第四方面，提供了一种包括具有纵向轴线的可膨胀主体的气动致动器元件；和形成在所述主体中的一个或多个通道网络，使得在该气动致动器元件的默认状态下每个通道网络的沿纵向轴线的投影长度比该每个通道网络的总通道长度短。

附图说明

从下面的说明书中，仅通过示例的方式和结合附图，对于本领域普通技术人员，本发明的实施例将得到更好的理解和显而易见，其中：

图1a)-c)示出根据示例实施例的用于气动致动器元件的制造的模具的示意图。

图2a)-b)示出根据示例实施例的气动致动器元件的弯曲动作的示意图。

图3a)-c)示出根据示例实施例的气动致动器装置的弯曲动作的示意图。

图4a)-c)示出根据示例实施例的气动致动器装置的示意图。

图5示出根据示例实施例的气动致动器装置的示意图。

图6a)-b)示出根据示例实施例的气动致动器装置的示意图。

图7a)-b)示出图6a)-b)的气动致动器装置的弯曲动作的示意图。

图8a)-b)示出根据示例实施例的用于气动致动器元件的制造的模具的示意图。

图9a)-c)示出了根据示例实施例在不同的致动状态的原型气动致动器装置的照片。

图10a)示出了根据示例实施例的原型气动致动器元件对的照片。

图10b)示出了根据示例实施例的气动致动器装置的示意图。

图11)示出了根据示例实施例的用于肢体康复的系统的示意图。

图12示出了根据示例实施例的示出致动-校准程序界面的屏幕截图。

图13a)-b)示出了根据示例实施例在不同的致动状态的原型气动致动器装置的照片。

图14a)-b)示出了根据示例实施例在不同的致动状态的气动致动器装置的示意图。

图15a)-b)示出了根据示例实施例的气动致动器装置的示意图。

图15c)-e)示出了图15a)-b)中在不同的致动状态的气动致动器装置的示意图。

图16a)-b)示出根据示例实施例的用于气动致动器元件的制造和模具的示意图。

图17a)-b)分别示出根据示例实施例的表征气动致动器元件的实验装置的示意图，以及获得的其结果的曲线图。

图18示出了根据示例实施例从气动致动器元件测得的应变力的数据的曲线图。

图19a)-b)示出根据示例实施例从气动致动器元件获得测量踝关节背屈/跖屈数据的图表。

图20a)-g)示出根据示例实施例的致动器元件的示意图。

具体实施方式

本发明的示例实施例提供软机器人手套和袜子，其设计以分别改善患者的手和踝的移动性，并恢复基本的手和踝的功能，如手开/闭或踝关节背屈-跖屈。描述的示例实施例包括软气动致动器，以产生所希望的弯曲和关节屈曲。在示例实施例中，这些软耐磨康复装置可以有利地用于减少由神经系统疾病，如中风或帕金森氏疾病，引起的残疾以便协助他们实现日常生活活动的最高独立水平。

对于在此描述的示例实施例的软机器人或机器人致动器，通常使用软光刻技术制造。简要地说，具有特殊的气动网络的模具用计算机辅助绘图设计并且在此后3D打印。随后，将弹性混合物，如(但不限于)Smooth-On公司，DragonSkin10，硅橡胶，倒入模具中固化以创建模具的复制阴模，然后用另一层弹性材料密封，该弹性材料可以是与用于创建模具的相同或不同的材料。

优选地，本发明的示例实施例是基于改进的软光刻技术制成，其中设计了带有(多个)气动通道102的底模100，如在图1b)示出。(多个)气动通道102可以使用诸如，但不限于，3D打印或成形为所希望的特征轮廓的线的方法创建。设计了具有控制特征通道106的顶模104，见图1a)。合模108在图1c)中示出。然后执行使用弹性材料(例如DragonSkin10硅橡胶)的固化处理，以形成具有可膨胀主体的致动器/致动器元件。一旦该弹性体被固化，该结构结合到抑制层200(例如织物或弹性材料制成的较厚的层)，形成软致动器202。在加压下，(多个)气动通道将朝具有凹凸表面的外壁204膨胀，对应于特征通道106，比较图1a)，作为与抑制层200相对的有纹理的表面的一个例子，其因而弯曲软致动器202并且产生一个弯曲运动，如在图2a)-b)中所示。

形成通道网络206，这样在软气动致动器202的默认或空档状态时，沿致动器202主体的纵向轴线208的通道网络206的投影长度比通道网络206的总通道长度短。如本文所用，“默认状态”意欲指其中所述气动致动器经受的环境压力条件的状态下，即内部通道网络的压力基本上等于环境压力，例如1个大气压。

在各种实施例中，气动通道可采取各种不同的形式，形状和尺寸，其中沿致动器主体的纵向轴线的每个通道网络的投影长度比该每个通道网络的总通道长度短。在图20a)-g)中，示意性示出具有不同通道网络2011-2025的致动器2001-2007的非限制性实例，对应于致动器的主体的纵向轴线例如2027。值得注意的是，图20中的附图不旨在按比例相对于彼此，即设计之间的相对尺寸可以改变。例如，致动器2004-2007可具有对应于一个人的手指的长度，同时相应的通道网络例如2014-2016设置在沿同一手指不同的手指关节上或附近。作为另一示例，致动器2001-2003可具有与一个人的手指对应的长度，或在另一实例中，较小尺寸的个别人的致动器2001-2003可以设置在各自手指关节上或附近。

关于致动器2001-2003，线性通道部分例如2026，2028能够设置在通道网络例如2011的一端或两端，并且关于致动器2004-2007，线性通道部分例如2030，2032可以设置在一端或两端以及线性部分如2034可以设置在通道网络例如2014，2015之间，用于连接/互连到气动源(未示出)，如泵，可能具有串联和/或并联的两个或多个致动器到一个或多个气动源。

致动器2001-2003体现在单个气动致动器元件内的单个通道网络例如2044，而致动器2004-2007体现在单个气动致动器元件内的两个或多个的通道网络例如2041-2043。

不像现有的使用不顺畅的、与人类的关节的刚度不兼容的致动器和/或趋向于重并难以操作的机器人装置，本发明的实施例有利地解决这些难题。软致动器的示例实施例可以优选用于康复应用(包括手和踝的治疗)。根据示例实施例的软致动器的设计可以导致康复更大的进步，因为它有利地更耐磨，更轻，提供更安全的人-机器人的相互作用。

在本发明的各种实施例，一个附加控制机构控制软致动器的弯曲运动轮廓。在一个实施例中，这是通过嵌入高强度的线或多个线实施，例如但不限于，凯夫拉线或线300作为软致动器302-304的抑制结构的例子，如在图3a)-c)分别所示的例如前端弯曲限制，前端和后端弯曲限制，中间弯曲限制设计。各种合适的材料可以用于该线或线300，包括但不限于，尼龙，聚偏二氟乙烯(PVDF)，聚乙烯，涤纶和迪尼玛(UHMWPE)。

在不同的实施例中，这可通过结合(多个)模块化套筒或夹子400作为在软致动器402-404内的控制特征通道例如404的顶部的抑制结构的例子，以限制致动器的特定部分的弯曲，如图4a)-c)分别所示的例如前端弯曲限制，前端和后端弯曲限制，中间弯曲限制的设计。各种合适的材料可被用于该(多个)套筒或(多个)夹子400，包括与软致动器相比任何较硬的和非弹性材料，例如但不限于，塑料，纸，布，纺织品，织物，无纺布。

这样的实施例优选提高致动器的可定制性，并且在患者专用的个性化的康复过程中尤其有利。

在各种实施例中，软弯曲致动器500可以附着到手套502的手指部分，作为用于将气动致动器元件在肢体的一个或多个关节上或附近耦合到肢体的机构的例子，这样提供软机器人手套504，用于手部康复，如图5所示。致动器500的膨胀可以使手移动到各种姿势，例如，近端指间关节屈曲，掌指关节屈曲或把持姿势，这取决于上述的各种实施例控制机构如何应用到致动器500。各种合适的材料可用于手套504，包括典型的手套材料，例如但不限于，莱卡，氯丁橡胶，弹性纤维，棉花，布，针织或毡羊毛，皮革。在各种示例实施例中，每个软气动致动器500可以有自己专用的入口如506，使得它们可以被单独致动以移动所期望的手指，或以一定的组合致动，以实现所需的手的治疗的配置。

在各种实施例中，可以使用在各自的指关节具有局部气动特征或网络600的具有基本上呈线性的气动通道602的软致动器，嵌入在手套604，作为用于将气动致动器元件在肢体的一个或多个关节上或附近耦合到肢体的机构的例子，以提供一个机器人手套606，如在图6a)-b)中示出。这些弯曲的致动器600，602的膨胀可在每个手指关节创建屈曲或伸展运动，取决于背或掌致动器600，602是否被膨胀，如图7a)-b)所示。如在图7a)-b)所示，各单独的线性通道604，606互连背和掌致动器600，602，用于背和掌致动器的选择性控制。即，在这样的实施例中，软气动特征做得较小以覆盖单个手指关节，而不是整个手指段，以便使每个手指关节分离地屈伸。应当理解，致动器600，602可以单独使用模具制造，诸如上文参考图1a)-c)所描述的模具108，并通过相应的线性通道部分相互连接，或使用具有由线性通道部分相互连接的几个局部气动特征的较大的模具。

在各种示例实施例中，由两部分组成的3D打印可重复使用的模具用于制造具有可变刚度的软弯曲致动器。如在图16a)中所示，下部模具(通道模具)1600被用于创建该致动器内部的气动通道，其将在加压下膨胀，而上部模具(特征模具)1604用来在致动器的不同位置施加可变刚度，其确定所述致动器的弯曲轮廓。

特征模具1604的设计可用于患者专用应用的定制，即在上部模具的尺寸和特征将根据病人的手，以及不同的治疗练习所需的尺寸设计。确认所需要的尺寸和练习之后，该特征模具1604可例如使用CAD软件(美国，Dassault Systèmes SolidWorks公司)和3D打印(美国，Stratasys有限公司，Object500Connex)进行设计。根据一个示例实施例，用于具有可变刚度的致动器1616的制造过程如图16b)中所示。在步骤i)中，通道模具1600被提供。在步骤ii)中，液态弹性体1602(如，但不限于，Smooth-On公司，DragonSkin10)倒入通道模具1600中，在步骤iii)，在该示例实施例中，该特征模具1604放置在填充的通道模具1600的顶部，来创建一个波纹类似手风琴的外层。在步骤iv)中，在一个示例实施例中，整体是在环境压力，例如约1个大气压下，在约60℃下固化，约15分钟。在步骤v)中，固化结构1608的底部1606用应变抑制层1609密封，例如但不限于，纸，布，纺织纤维玻璃，聚二甲基硅氧烷(PDMS)。在步骤vi)中，一个手风琴形织物1610连接到致动器1616的远端和近端以防止外层1612过度膨胀。

在加压时，致动器会在具有最低刚度的位置弯曲。给不同位置分配不同的刚度，致动器可符合不同形状，不仅是一个典型的圆形构造。控制系统和气动系统被组装在各种实施例中，以允许各致动器的分离的控制。空气可以通过例如压缩机或用于致动的微型隔膜泵供给。

由根据示例实施例的致动器1700施加的尖端的力使用如图17a)所示的定制的力测量装置1702在增加的压力上测量。该系统1702包括一个压缩测压元件1704(美国，Measurement Specialties公司，FC22)和一个安装平台1706。致动器1700的近端1708被安装在平台1706上，并通过连接管1710连接到空气源(未示出)。致动器1700的远端1712与测压元件1704接触。限制平台1714被定位在致动器1700上方。

加压期间，致动器1700弯曲，并开始与抑制平台1714接触，这限制了致动器1700的高度和曲率。沿致动器1700产生的弯曲力传递到远端1712，在那里可以通过测压元件1704来测量。

尖端力随着压力的增加而增加，参见在图17b)所示的曲线图的曲线1716。致动器样品组的最大力和最大致动压强是9.25±0.48N和200kPa。据估计，8N的最小力是优选的，以实现大多数日常生活物体的掌握和操纵。因此，估算的该致动器样品组的末端力，是有利地足以致动人的手指以及实现握持动作。

为了在MR环境下测试根据各种实施例的软机器人手套的相容性，进行模型测试，并进行了图像的信噪比(SNR)变化的计算。NiS04x6H20组成的西门子标准球形模型被用作SNR测量模型。首先获得不存在手套的模型控制图像。

在一项试验中，根据一个示例实施例的软机器人手套放置在扫描仪桌上。硅气动管连接到所述致动器，并且管的远端被连接到位于MR房间外的控制系统的气动阀。然后模型图像在MRC-手套存在的情况下获得的。然后在整个测试中保持静止。

在另一项试验中，模型图像在软机器人手套的存在下获得，同时致动器激活。致动器根据一预设的序列被激活。控制系统激活气动阀，并且空气压缩机通过阀为致动器供给空气。在CPM运动的一个周期中，阀被激活3秒并停用另一3秒。供给压力设定在200kPa。3秒和200kPa分别为激活时间和供给压力，对应于根据来自MR环境外部的运动测试的范围的结果的全手指屈曲。

在另一项试验中，进行人的试验，其中健康人受试者接受由软机器人手套辅助的持续被动运动(CPM)手练习，其根据预先设定的实验范例被激活。

由上述试验的结果，可以得出有利的结论，尽管根据各种实施例的软机器人手套的引入和操作，图像的质量没有显著改变。

在各种实施例中，软致动器，也可以利用具有紧凑气动通道的较大尺寸，诸如以锯齿形图案制造，因此，这些气动通道的膨胀将创建扩展致动器的膨胀口袋。这样的通道模式也可以减少致动器的整体刚度。在图8a)和b)中示出用于制造这样的软致动器800的示例模具。锯齿形图案802被再次设计使得通道网络在软致动器的制造中形成，在该气动致动器元件的默认默认状态下，沿纵向轴线(对应于模具800的纵轴804)的投影长度比通道网络的总通道长度短。

在各种实施例中，提供软机器人袜装置900，使用模具如上述参考图8的模具800制造的这类软致动器901，902，可被分别放置在袜子904的跖侧(即脚的底部)和背侧(即脚的顶部)，作为用于将致动器耦合到人的肢体上的机构的例子，如在图9a)所示。未膨胀致动器901，902在背，腹两侧张紧保持踝，保持在一个空档的姿势。在腹致动器901的膨胀下，致动器901膨胀和放松其张力，让踝通过紧张的背致动器902移动到背屈，如图9b)所示。当背致动器902膨胀时，该致动器膨胀和放松其张力，让踝通过紧张的腹致动器901移动到跖屈。

在各种实施例中，提供一软机器人袜子型装置1000，在其中双扩展软致动器1002可被放置在胫1004的腹侧，如图10a)-b)所示。双扩展软致动器1002包括一对单个软延伸致动器，如可利用在图8a)-b)中所示的模具来制造的类型，其可各自在织物1003中包封，并在远端互相连接，例如使用带1004。该对单个软延伸致动器可以并联连接到一个公共气源，例如通过单个阀和T接头1005。致动概念是当双扩展软致动器1002膨胀时，使得致动器1002扩展并将脚1006推向远侧，这因此有助于踝跖屈。另一方面，当致动器1002收缩时，致动器1002收缩回其原来的长度，得到的张力将协助踝关节背屈运动。值得注意的是，如本文所用的“收缩”，是指包括汲出到环境压力和/或(多个)致动器的(多个)通道的主动排气，并且可包括抽空(多个)通道到低于环境压力的压力。

软机器人袜子型装置1000是一种模块化设计，包括不同的模块，即：袜子1008作为将气动致动器元件在肢体的一个或多个关节上或附近耦合到肢体的机构的例子，膝套筒1010作为将气动致动器元件在肢体的一个或多个关节上或附近耦合到肢体的机构的例子，软双扩展致动器1002，关节角度传感器1012和可编程泵-阀控制系统1100(图11)。这些模块能够容易地组装到患者身上，同时允许模块的位置调整，这取决于病人的小腿尺寸。踝关节运动由放置在袜子1008跖侧的嵌入的关节角度传感器1012捕获，在示例实施例中，允许无线传输到治疗师的桌面/笔记本电脑，在机器人辅助治疗期间用于观察该患者正在经历的踝关节的运动范围。

在图11中所示的可编程泵-阀控制系统1100的主要部件包括电动泵1102，控制程序/微控制器1104，软机器人袜装置1107上的传感元件(未示出)和关节角度传感器单元1108之间的Xbee(或其他)无线收发信机链接1105，以及电子阀1106。系统1100安装有根据示例实施例的在图12中示出的致动-校准程序，和致动-校准程序界面1200。可以包括以下功能：功能“1”-“3”分别控制致动器的膨胀、保持压力和收缩，功能“4”运行关节角度传感器的校准，以确定活动踝关节的运动范围，功能“5”运行踝运动周期，其以预定的持续时间和膨胀/收缩定时，具有踝关节角度的实时关节角度传感器/惯性测量单元(IMU)的反馈，以及功能“8”为另一个患者使用复位关节角度传感器。

如本领域的技术人员可以理解的，这样的系统和界面可以专门为所需目的建造，或者可以包括由存储在装置中的计算机程序选择性激活或重新配置的一装置。这种计算机程序可以存储在任何计算机可读介质上。该计算机可读介质可以包括存储装置，如磁盘或光盘，存储芯片，或适合与一个设备接口连接的其他存储装置。该计算机可读介质还可以包括硬连线介质或无线介质。所述计算机程序当在装置上有效地加载并执行时导致实现控制方法的步骤的设备。

这样的系统也可被实现为硬件模块。更具体地，在硬件的意义上，模块是一个功能性硬件单元，设计为与其它组件或模块一起使用。例如，模块可以使用分立的电子元件来实现，或者它可以形成一个完整的电子电路，例如专用集成电路(ASIC)的一部分。存在许多其他的可能性。那些本领域技术人员将理解，该系统还可以作为硬件和软件模块的组合来实现。

返回到图10a)-b)，根据各种实施例的由Smooth-On公司，DragonSkin10，弹性材料制成的软致动器1002的校准有一个正的应变力的关系，并能在100％应变下发挥33.2±0.3N的峰值力，参见在图18所示的曲线图的曲线1800。致动器的应变力的行为，通过控制致动器的扩展率和测量所得到的力输出，在静态张力拉伸机(美国，英斯特朗)上进行测试。对于此校准设置，软致动器以恒定应变速率从25cm左右的初始长度被拉至约100％的应变为约30秒。

对于受试者检测，使用示例实施例在受试者上的平均照相测定机器人辅助踝弯屈为15.6±0.8°，而惯性测量单元(IMU)，使用相同示例实施例在受试者上的测定机器人辅助踝弯屈为17.6±1.9°，参见分别在图19b)中所示的曲线1900和1902以及在图19b)中所示的图表中的列1904和1906。对于另一个示例受试者，平均照相测定机器人辅助踝弯屈为18.1±0.1°，而IMU使用相同示例实施例在另一个受试者上的测定机器人辅助踝弯屈为14.3±0.6°，参见在图19b)所示的图表中的列1908和1910。对于照相测定和IMU测定的机器人辅助踝弯曲之间的绝对差，平均误差为2.7±1.4，参见在图19b)所示的图表中的列1912和1914。

根据各种实施例的致动器在使用材料的弹性来创建引起踝关节背屈的张力的概念上起作用。相应地，通过改变所用的软的弹性体的类型，可以有利地提供不同的应变力分布的致动器。

在各种实施例中，通过在预缝合织物1003内包围致动器，参见图10a)，致动器的致动信息可以有利地控制。通过放置织物，优选径向致动可以被减少，从而允许更好的轴向致动以促进所述致动器的伸展和收缩。

另外地或可替代地，织物套也可有利地防止通过爆裂可潜在地损害致动器的径向过度膨胀。

IMU被附着在各种实施例中的后跟的跖骨区域，以便提供踝关节运动的实时反馈。结合各种实施例的电子系统的无线功能，实时的反馈数据可被提供给治疗师或医生等，使他们可以监测踝运动。这个实时反馈也允许踝运动的被动范围的任何改进的监测。

对于各种示例实施方式中，IMU放置在受试者的跖骨区域中，假设在整个的被动练习的持续时间内该受试者的下肢平行于地面。然而，应注意的是，本应用并不限定于跖区或背区，而是在不同的实施例中，附加地或备选地可以放置在外侧和内侧两边。虽然与实际踝关节角度进行比较，由于在袜子上的IMU的附着，从而联接到软组织时，报道IMU值仍稍有偏差，这被认为不会是一个关键问题，因为IMU的主要功能是为医生提供实时反馈，在那里他们可以在远离患者的病床的时候无线地捕捉患者的关节运动。这当作被动练习的功效的相互作用的一种形式，并由此允许医师来改变练习的参数，例如每个练习周期的持续时间。使用所述的IMU之前，实施适当的校准程序可以有利地进一步提高IMU确定运动范围的准确性。

在各种实施例中，提供软机器人袜装置1300，其中，致动器1302被放置在袜子1304的内侧和/或外侧，作为将气动致动器元件在肢体的一个或多个关节上或附近耦合到肢体上的机构的一个例子，以提供辅助的外旋和内旋，如图13a)-b)所示。

在各种实施例中，提供软机器人袜子型装置1400，其中致动器1401，1402可以被分别放置在胫1404的腹侧和背侧两侧，使用套筒(未示出)作为将气动致动器元件在肢体的一个或多个关节上或附近耦合到肢体的机构的例子，如在图14a)-b)中所示的。致动器1401，1402经由引导织物1408连接到脚趾的背侧和腹侧，以模拟腱-鞘机构，对比在图14a)-b)中的引导织物1408和织物护套元件1409。提供用于致动器1401，1402的各自独立的进气口1410，1412，用于致动器的选择性控制。在腹致动器1401膨胀时，致动器1401膨胀并放松它的张力，让踝通过紧张的背动器1402移动到跖屈，见图14a)。在背致动器1402膨胀时，致动器1402膨胀并放松它的张力，让踝通过紧张的腹致动器1401移动到背屈，见图14b)。各种合适的材料可被用于该(多个)套筒或(多个)夹子400，包括任何布材料，例如但不限于，棉，牛仔布，羊毛，莱卡。

在各种实施例中，提供软机器人袜装置1500，其中利用一个基于拉链的概念，用于容易穿戴，并且软致动器1502，1504分别被嵌入或并入袜子1506的腹侧和背侧，作为一个示例的机构，用于将气动致动器元件在肢体的一个或多个关节上或附近耦合到肢体，其穿到脚/踝关节上，如在图15a)-e)示出。背致动器1502的膨胀将踝向外弯曲为跖屈，如图15e)所示，而腹致动器1504的膨胀将踝向内弯曲为背屈，如在图15d)中所示。袜子1506可以由以下材料制成，例如但不限于，美国，戈尔公司(W.L.Gore&Associates)，戈尔特斯(Goretex)。

软机器人袜装置1500还包括柔性关节角度传感器1508，见图15a)，以及进气口1510，参见图15c)。提供单独的线性通道1512，1514各自连接到致动器1502，1504，用于选择性致动器控制。

在一个实施例中，提供用于肢体康复的致动器装置，包括：一个或多个气动致动器元件；和用于将气动致动器元件在肢体的一个或多个关节上或附近耦合到肢体的机构；其中，每个气动致动器元件包括：具有纵向轴线的可膨胀主体；一个或多个形成在主体中的通道网络，使得在该气动致动器元件的默认状态下，每个通道网络的沿纵向轴线的投影长度比该每个通道网络的总通道长度短。

该装置可以进一步包括耦合到可膨胀主体的抑制层，用于引导由通道网络膨胀造成的主体的变形。

该装置可以构造成用于手康复。

主体可以包括有纹理的表面，用于促进由通道网络膨胀造成的主体的膨胀。

该装置可进一步包括耦合到所述主体的一个或多个抑制结构，用于在主体的至少一部分中基本上抑制主体的膨胀。

用于将气动致动器元件耦合到肢体的机构可以包括手套。

至少一个气动致动器元件可以设置在手套的背侧。

至少一个气动致动器元件可以设置在手套的掌侧。

成对气动致动器元件可以设置在或靠近各关节。

每对气动致动器的一个可以设置在手套的背侧并且另一个在手套的掌侧。

所述装置可以构造成用于踝的康复。

该装置可以包括耦合的一对气动致动器元件，其中用于将气动致动器元件耦合到肢体的机构包括用于将该对气动致动器元件的第一端耦合到脚的第一耦合元件和用于将该对气动致动器元件的第二端耦合到腿的第二耦合元件，以使得该对气动致动器元件跨过踝延伸。

该装置可以包括至少两个气动致动器元件，其中用于将所述气动致动器元件耦合到肢体的机构配置为将两个气动致动器元件耦合在腿部的相对侧，所述装置还包括在一端与第一气动致动器元件耦合并在另一端与第二气动致动器元件耦合的引导织物，该装置还包括一个用于容纳脚在其中的护套，同时引导织物基本上围绕脚和通过护套延伸。

将气动致动器元件耦合到肢体的机构可以包括袜子元件，所述袜子元件具有嵌入在其中的至少两个气动致动器元件，在袜子元件被穿上时，用于分布在或靠近踝的相对侧。

袜子元件可以包括由双边紧固机构例如拉链连接的两个互补的部分。

所述装置可以配置为用于踝跖屈/背屈。

所述装置可以配置为用于踝内翻/外翻。

该装置还可以包括用于监测所述一个或多个关节的移动的传感器。

在一个实施例中，提供了使用如在上述实施例中描述的装置的肢体康复的方法。

在一个实施例中，提供了一种用于肢体康复的系统，包括如在上述实施例中描述的装置；用于选择性地膨胀和收缩气动致动器元件的泵系统；和用于泵系统的控制器。

该系统还可以包括用于监测所述一个或多个关节的移动的传感器。

在一个实施例中，提供气动致动器元件，其包括：具有纵向轴线的可膨胀主体；和一个或多个形成在主体中的通道网络，使得在该气动致动器元件的默认状态下，每个通道网络的沿纵向轴线的投影长度比该每个通道网络的总通道长度短。

根据各种实施例的装置，可有利地适合于提供连续的踝的被动致动，直到用户停止电子设置。因此，根据各种实施例的装置有利地能够提供高达每小时数百次的背屈和跖屈的循环。

根据各种实施例的软致动器显示出一致的应变力数据。因此，使用根据各种实施例的软致动器于被动的踝练习时，可以改变所述致动器的初始长度和气动泵-阀系统的应变信息，以满足不同受试者的踝刚度。

这些描述的示例实施例可以优选阐明软康复机器人对脑刺激的效果，这通常难以实现，如果机器人装置包括由铁构件制成的常规电动机。换句话说，根据示例实施例的软机器人辅助疗法可以与功能性磁共振成像(fMRI)同时进行，以确定脑刺激的程度。

本发明的实施例可以提供以下优点中的一个或多个：

(1)在软致动器内的气动特征可以形化成各种设计以覆盖不同的致动要求。

(2)这些软致动器可以通过使用外部抑制结构，如凯夫拉线和模块化的套筒，在期望的位置被抑制。

(3)这些软致动器可以嵌入到各种耐磨织物，如袜子和手套，以在某些期望的方向或方位提供辅助运动。

(4)软致动器可以模拟人类自然的动作，相比之下传统的硬机器人笨重，呆板，复杂。

(5)软致动器是高度可定制的，对于个性化患者专用的应用尤其有利。

(6)软致动器可以与fMRI结合来研究脑刺激的治疗效果。

(7)通过使用不同强度的材料和/或不同强度的空气泵源可以提供满足不同强度要求的弯曲力。

示例实施例的工业应用可以包括一个或多个：

(1)神经系统疾病患者的手和踝康复，以及

(2)使用fMRI研究软机器人辅助治疗对脑刺激的效果。

本领域技术人员应当理解，各种变化和/或修改可以在本发明中所示的具体实施例作出，而不背离广泛描述的本发明的精神或范围。因此本文的实施例应该在所有方面被认为是说明性的而不是限制性的。此外，本发明包括特征的任意组合，特别是在专利权利要求书中的特征的任何组合，即使特征或特征的组合未在专利权利要求书或在本实施例中明确指定。

例如，应当理解，如参照图11和12的可编程的泵-阀控制系统，可用于本文所述的各种不同的实施例。

例如，应当理解，虽然用于将气动致动器元件在肢体的一个或多个关节上或附近耦合到肢体的机构的示例已经描述，各种其他功能设计，可以在不同的实施例中使用。

例如，应当理解，虽然有纹理的表面的示例以上已经描述，各种其他功能设计，可以在不同的实施例中使用。

例如，应当理解，虽然限制结构的示例以上已经描述，各种其他功能设计，可以在不同的实施例中使用。

例如，应当理解，致动器元件的主体的形状和构造不限于示例实施例中描述的形状和构造。