專利名稱：電流變流體制動(dòng)及致動(dòng)裝置以及使用該裝置的矯形器的制作方法
電流變流體制動(dòng)及致動(dòng)裝置以及使用該裝置的矯形器 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
本申請(qǐng)要求2004年11月9日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 60/626,256以及2004年11月9日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 60/626,365的優(yōu)先權(quán)，上述專利申請(qǐng)的內(nèi)容以引用的方式并入本申 請(qǐng)中。
關(guān)于聯(lián)邦政府資助的研究或開發(fā)的申明
無(wú)
背景技術(shù)：
各種類型的致動(dòng)器和制動(dòng)器為人公知。舉例來(lái)說(shuō)，DC電機(jī)可 以用作控制輸出力矩的致動(dòng)器。對(duì)于某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)這種電機(jī)可能 難以控制，并且可能龐大而笨重。增大輸出力矩通常需要增大電 機(jī)的尺寸。由于上述原因以及其它原因，在很多用于提供阻力控 制或制動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)合中DC電機(jī)都不是理想的。作為另一個(gè)例子， 摩擦制動(dòng)器可以用于阻力控制，但是不能用于提供輸出力矩。不 利的是，摩擦制動(dòng)器會(huì)發(fā)熱，容易出現(xiàn)磨損以及可靠性問(wèn)題，并 且可能受到污染物的損壞。磁性制動(dòng)器為人公知，并且用于阻力 控制，但是不能用于提供輸出力矩。磁性制動(dòng)器也發(fā)熱并難以控 制，并且提供"急動(dòng)"接合。MRF制動(dòng)器同樣不能用于提供輸出 力矩。另外還容易過(guò)度發(fā)熱，并且可能龐大而笨重。因此，這些 公知類型的致動(dòng)器或者可以控制輸出力矩，或者可以調(diào)節(jié)輸入力矩，但是都不能實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)功能。
諸如膝或肘等受損關(guān)節(jié)的康復(fù)可以采用各種方法。在一種方 法中，康復(fù)者外部佩帶被動(dòng)式矯形器或矯正器，以便為關(guān)節(jié)提供 恒定的支撐或阻力。在被動(dòng)式矯形器中，矯形器所提供的矯正力 或偏壓力或者是恒定的或者不能實(shí)時(shí)地變化。這些矯形器應(yīng)用廣 泛，其成本相對(duì)較低、容易獲得以及簡(jiǎn)單的特點(diǎn)對(duì)其應(yīng)用做出了 貢獻(xiàn)。
另一類康復(fù)裝置能夠?qū)崟r(shí)地改變阻力或作用力，這種改變通 常通過(guò)某些形式的電子控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些裝置中的一些可以佩帶 并且可以看作主動(dòng)式矯形器。舉例來(lái)說(shuō)， 一種這樣的裝置能夠鎖 定膝部的位置，以避免過(guò)度伸展，并且限制運(yùn)動(dòng)范圍。另一種裝 置通過(guò)使用致動(dòng)器而能夠提高或有助于活動(dòng)性。通常，這些裝置 僅限于對(duì)自然步態(tài)進(jìn)行再訓(xùn)練以及增強(qiáng)肌肉。這些裝置通常顯得 龐大而不方便，這妨礙了其應(yīng)用，并且由于包括主動(dòng)元件而增大 了總體尺寸、成本和重量。
最有效的康復(fù)工具是諸如等動(dòng)力(isokinetic)和CPM機(jī)等康 復(fù)機(jī)。這些機(jī)械通常用于物理治療、運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練或研究機(jī)構(gòu)。這些 機(jī)械提供較高的阻力，有時(shí)候提供較高的輔助力，同時(shí)為幾乎任 何康復(fù)者提供康復(fù)區(qū)域的獨(dú)特適應(yīng)性。其強(qiáng)大的能力增大了其作 為康復(fù)工具的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及將電流變流體(electro-rheological fluid)的控制功 能與緊湊型制動(dòng)器和/或致動(dòng)器的動(dòng)力能力相結(jié)合的電流變流體 (ERF)裝置。在本文中，術(shù)語(yǔ)"動(dòng)力"表示與運(yùn)動(dòng)相關(guān)或與導(dǎo)致 運(yùn)動(dòng)相關(guān)的特性。在手動(dòng)控制或計(jì)算機(jī)控制下，制動(dòng)或阻尼裝置能夠控制任何旋轉(zhuǎn)方向上的阻力。ERF致動(dòng)裝置能夠啟動(dòng)力輸出。
本發(fā)明還涉及能夠由動(dòng)力裝置(motive device)控制的便攜式 矯形器(orthotic device),該動(dòng)力裝置優(yōu)選地利用上述ERF制動(dòng)/ 阻尼器或致動(dòng)器來(lái)提供可變的阻力和/或致動(dòng)功能。在一個(gè)實(shí)施例 中，根據(jù)本發(fā)明的ERF制動(dòng)/阻尼裝置緊湊而輕質(zhì)，具有較強(qiáng)的調(diào) 節(jié)力矩的能力，完全便攜并可佩帶，帶有機(jī)載傳感器、功率和控 制電路以及用于閉環(huán)計(jì)算機(jī)控制的實(shí)時(shí)能力，以便在使用中優(yōu)化 康復(fù)訓(xùn)練。在另一實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的矯形器包括作為致動(dòng) 特征的致動(dòng)器。優(yōu)選的是，該矯正器展示出阻力裝置的全部特征 以及如下另外的能力使膝部進(jìn)行力運(yùn)動(dòng)，執(zhí)行肌肉增強(qiáng)，并且 提供力反饋。
因此，在一方面，本發(fā)明涉及一種用于產(chǎn)生力矩或力輸出以 及為力矩或力輸入提供阻力的電流變流體致動(dòng)器，該致動(dòng)器包括 外殼，其包括絕緣殼體，其中輸入/輸出軸可旋轉(zhuǎn)地安裝在殼體中； 多個(gè)可旋轉(zhuǎn)部件，它們呈弓形地設(shè)置在殼體內(nèi)并且與輸入/輸出軸 連接；多個(gè)可旋轉(zhuǎn)電極，它們形成為多個(gè)圓柱段，每個(gè)電極安裝 在相關(guān)的可旋轉(zhuǎn)部件上，用于與可旋轉(zhuǎn)部件一起旋轉(zhuǎn)；圓柱形接 地電極，其固定在殼體上并且與可旋轉(zhuǎn)電極同心，接地電極與可
旋轉(zhuǎn)電極之間設(shè)有間隙；電流變流體，其設(shè)置在所述間隙內(nèi)；以 及多個(gè)線性致動(dòng)元件，它們?cè)O(shè)置在相關(guān)的可旋轉(zhuǎn)部件內(nèi)，用于驅(qū) 動(dòng)相關(guān)可旋轉(zhuǎn)部件旋轉(zhuǎn)。優(yōu)選的是，線性致動(dòng)元件順序地操作， 以提供可旋轉(zhuǎn)部件的步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)，并且還與可旋轉(zhuǎn)電極相配合地 操作，其中通過(guò)激發(fā)電流變流體而鎖定一部分電極的旋轉(zhuǎn)，允許 一個(gè)可旋轉(zhuǎn)電極旋轉(zhuǎn)，以提供可旋轉(zhuǎn)部件的步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)。
此外，優(yōu)選的是，電流變流體可被激活，以便經(jīng)由可旋轉(zhuǎn)電 極上的剪切應(yīng)力為軸上的輸入力矩提供阻力，并且致動(dòng)器還包括多個(gè)滾動(dòng)觸頭，其可操作而給可旋轉(zhuǎn)電極、接地電極以及線性致 動(dòng)元件供電，其中滾動(dòng)觸頭在一個(gè)從輸入/輸出軸徑向延伸的軸上 排列，并且滾動(dòng)觸頭可在可旋轉(zhuǎn)部件表面上的觸頭上滾動(dòng)。更優(yōu) 選的是，致動(dòng)器還包括棘輪機(jī)構(gòu)，其可操作以控制線性致動(dòng)元件 的旋轉(zhuǎn)方向，其中，棘輪機(jī)構(gòu)包括棘輪，其安裝在輸入/輸出軸 上，棘輪具有兩排相反的齒；以及棘齒凸輪，其可操作以在順時(shí) 針模式中嚙合一排齒，并且在逆時(shí)針模式中嚙合另一排齒，或者 棘輪機(jī)構(gòu)可以在自由旋轉(zhuǎn)模式中操作。棘齒凸輪還可以通過(guò)彈性 軸安裝為可進(jìn)行樞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，該彈性軸安裝在凸輪從動(dòng)元件中，以 導(dǎo)致棘齒凸輪樞轉(zhuǎn)，凸輪從動(dòng)元件可操作而沿外部元件所致動(dòng)的 正弦路線移動(dòng)，以調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)方向。線性致動(dòng)元件可以包括電磁體、 螺線管、壓電致動(dòng)器和/或電活性聚合物。
在另一方面，本發(fā)明涉及用于為力矩或力輸入提供阻力的電 流變流體制動(dòng)裝置，該制動(dòng)裝置包括外殼，其包括絕緣殼體， 其中軸可旋轉(zhuǎn)地安裝在殼體中； 一個(gè)或多個(gè)圓柱形可旋轉(zhuǎn)電極， 其安裝在軸上，用于與軸一起旋轉(zhuǎn)； 一個(gè)或多個(gè)圓柱形接地電極， 其固定在殼體上并且與可旋轉(zhuǎn)電極相對(duì)并同心地設(shè)置，接地電極 與可旋轉(zhuǎn)電極之間設(shè)有間隙；以及電流變流體，其設(shè)置在所述間 隙內(nèi)。優(yōu)選的是，圓柱形可旋轉(zhuǎn)電極由單個(gè)一體的部件構(gòu)成，圓 柱形接地電極由單個(gè)一體的部件構(gòu)成。
在另一方面，本發(fā)明涉及用于為力矩或力輸入提供阻力的電 流變流體制動(dòng)裝置，該制動(dòng)裝置包括外殼，其包括絕緣殼體， 其中軸可旋轉(zhuǎn)地安裝在殼體中； 一個(gè)或多個(gè)可旋轉(zhuǎn)電極，它們安 裝在軸上，用于與軸一起旋轉(zhuǎn)； 一個(gè)或多個(gè)接地電極，其固定在 殼體上并且與可旋轉(zhuǎn)電極相對(duì)地設(shè)置，接地電極與可旋轉(zhuǎn)電極之 間設(shè)有間隙，可旋轉(zhuǎn)電極包括圓形板，這些圓形板在內(nèi)周上安裝在旋轉(zhuǎn)中心座上，該旋轉(zhuǎn)中心座安裝在軸上，所述接地電極包括 圓形板，這些圓形板在外周固定在嵌入件上，可旋轉(zhuǎn)電極和接地
電極交錯(cuò)并可以作為整體插入殼體中；以及電流變流體，其設(shè)置 在接地電極與可旋轉(zhuǎn)電極之間的間隙內(nèi)。優(yōu)選的是，制動(dòng)裝置還 包括對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，該對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)可操作以調(diào)節(jié)可旋轉(zhuǎn)電極與接地電極 之間的間隙大小，其中，所述對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)是可從殼體外部觸及的。 更優(yōu)選的是，可旋轉(zhuǎn)電極通過(guò)鎖固定在旋轉(zhuǎn)中心座上，該鎖配合 在可旋轉(zhuǎn)電極上的鍵槽中。
在另一方面，本發(fā)明涉及用于關(guān)節(jié)的矯形器，包括框架，
其可拆除地固定在使用者的肢體上，該框架包括可以設(shè)置在肢體
關(guān)節(jié)處的鉸鏈組件；電流變致動(dòng)器，其如本文所述；以及齒輪組 件，其安裝在電流變流體制動(dòng)器的軸上，以將輸入/輸出力或力矩 與鉸鏈組件連接。作為選擇，根據(jù)本發(fā)明的矯形器可以包括本文 所述的任一電流變流體制動(dòng)裝置。優(yōu)選的是，根據(jù)本發(fā)明的矯形 器包括護(hù)膝，并且框架構(gòu)造成安裝在腿上，或者作為選擇，該矯 形器包括護(hù)肘，并且框架構(gòu)造成安裝在臂上。更優(yōu)選的是，該矯 形器包括傳感系統(tǒng)，該傳感系統(tǒng)包括可操作以測(cè)量關(guān)節(jié)的角度、 速度和加速度的傳感組件，其中，傳感組件可操作以提供裝置的 閉環(huán)控制。傳感組件還可操作以測(cè)量軸上的力矩以提供裝置的閉 環(huán)控制。根據(jù)本發(fā)明的任一矯形器還可以包括設(shè)置在關(guān)節(jié)相對(duì)側(cè) 的第二電流變流體裝置。優(yōu)選的矯形器還包括可操作以控制電流 變流體裝置的控制組件，其中該控制組件可操作以提供遠(yuǎn)程通信。 更優(yōu)選的是，矯形器可以由電池電源提供的電力下工作，該電池 電源包括一個(gè)或多個(gè)電池，可以設(shè)置在矯形器內(nèi)部或矯形器外部。
在更廣泛的一方面，本發(fā)明涉及用于關(guān)節(jié)的矯形器，包括 框架，其可拆除地固定在使用者的肢體上，該框架包括可以設(shè)置在肢體關(guān)節(jié)處的鉸鏈組件；動(dòng)力裝置，其在鉸鏈組件處安裝在框 架上，并且可操作以產(chǎn)生輸出力或力矩或者阻止輸入力或力矩； 以及齒輪組件，其安裝在動(dòng)力裝置的軸上，以將輸入/輸出力或力 矩與鉸鏈組件連接。動(dòng)力裝置可以包括電流變流體制動(dòng)裝置和/或 電流變流體致動(dòng)器。在一個(gè)具體實(shí)施例中，動(dòng)力裝置是選自如下 組的制動(dòng)和/或致動(dòng)裝置DC電機(jī)、磁流變流體裝置、摩擦裝置、 電動(dòng)氣動(dòng)裝置、電磁裝置、電滯裝置、渦電流裝置、氣動(dòng)裝置、 液壓裝置、音圈裝置、電活性聚合物裝置、超聲波電機(jī)以及壓電 裝置。


結(jié)合附圖閱讀下面的詳細(xì)說(shuō)明將更全面地理解本發(fā)明，其中 圖1是本發(fā)明的制動(dòng)或阻尼裝置的第一實(shí)施例的剖視圖； 圖2是圖1所示制動(dòng)或阻尼裝置的局部視圖； 圖3是圖1所示固定電極的平面圖； 圖4是圖1所示旋轉(zhuǎn)電極的平面圖5是本發(fā)明的制動(dòng)或阻尼裝置的另一實(shí)施例的等軸測(cè)視圖； 圖6是圖5所示制動(dòng)或阻尼裝置的側(cè)視圖7是本發(fā)明的阻力和力矩生成致動(dòng)器的實(shí)施例的部分切除 等軸測(cè)視圖8是圖7所示致動(dòng)器的電磁體的等軸測(cè)視圖9示意性示出在力矩生成模式中圖7所示致動(dòng)器的操作； 圖IO是圖7所示致動(dòng)器的底部等軸測(cè)視圖11是示出圖7所示致動(dòng)器的棘齒凸輪和棘輪的一部分的局部視圖12是示出圖7所示致動(dòng)器的方向控制機(jī)構(gòu)的局部視圖13A、圖13B和圖13C示出圖12所示方向控制機(jī)構(gòu)的各個(gè) 位置；
圖14是圖7所示致動(dòng)器的等軸測(cè)視圖15是圖7所示致動(dòng)器的局部剖視圖16是圖7所示致動(dòng)器的滾動(dòng)觸頭的局部視圖17示出單個(gè)滾動(dòng)觸頭；
圖18A是圖7所示致動(dòng)器的殼體的等軸測(cè)視圖18B是圖7所示致動(dòng)器的應(yīng)力環(huán)的等軸測(cè)視圖19是包含有本發(fā)明的制動(dòng)或阻尼裝置和/或致動(dòng)裝置的腿 用矯形器的等軸測(cè)視圖20是圖19所示矯形器的等軸測(cè)視圖21A是圖19所示矯形器的等軸測(cè)視圖，其中移去制動(dòng)或阻 尼裝置或致動(dòng)裝置；
圖21B是圖19所示矯形器的齒輪箱和鉸鏈組件的局部等軸測(cè) 視圖22是用于圖19所示矯形器中的齒輪組件的等軸測(cè)視圖； 圖23是圖22所示齒輪組件的頂視圖； 圖24是圖22所示齒輪組件的底視圖25示出包含有本發(fā)明的兩個(gè)制動(dòng)或阻尼裝置或兩個(gè)致動(dòng)裝 置的腿用矯形器的另一實(shí)施例；
圖26A是圖25所示矯形器的鉸鏈組件的局部視圖；圖26B是圖26A所示鉸鏈組件的示意圖27是用于本發(fā)明的矯形器的控制系統(tǒng)的框圖；以及
圖28是包含有本發(fā)明的制動(dòng)或阻尼裝置或致動(dòng)裝置的肘用矯 形器的等軸測(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式
在存在電場(chǎng)的情況下，電流變流體會(huì)經(jīng)歷諸如粘度等流變特 性上的變化。采用諸如油等絕緣基體流體中尺寸在大約0.01至 O.lpm的顆粒的懸浮液制造這種流體。顆粒的體積比率通常在20 %至60%之間。電流變效應(yīng)(有時(shí)候稱為溫斯洛效應(yīng))被認(rèn)為是 由于電流變流體(ERF)中流體與顆粒的介電常數(shù)差異而產(chǎn)生的。 在存在電場(chǎng)的情況下，由于感應(yīng)偶極子矩，顆粒沿著場(chǎng)線形成鏈。 該感應(yīng)結(jié)構(gòu)改變ERF的粘度、屈服應(yīng)力以及其它特性，從而允許 ERF的稠度在毫秒級(jí)的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)從液體的稠度改變?yōu)橹T如凝膠 體等類似粘彈性體的稠度。ERF可以施加很高的電控制的阻力， 而其尺寸(重量和幾何參數(shù))可以很小。ERF沒(méi)有研磨性、無(wú)毒 或者無(wú)污染，因此滿足健康和安全要求。
在電場(chǎng)的影響下，ERF的狀態(tài)從牛頓流體改變?yōu)榉桥ｎD賓漢 塑性流體。作為賓漢塑性流體，僅僅在超出所需的最小屈服應(yīng)力 之后，ERF才展示出與牛頓流體相類似的應(yīng)力與應(yīng)變率之間的線 性關(guān)系。在該屈服點(diǎn)之前，其行為類似固體。在應(yīng)力高于該最小 屈服應(yīng)力的情況下，流體流動(dòng)，剪切應(yīng)力與剪切應(yīng)變率成比例地 繼續(xù)增大。
<formula>formula see original document page 16</formula>(1)
式中，T是剪切應(yīng)力，Ty是屈服應(yīng)力，^是動(dòng)態(tài)粘度，Y是剪切應(yīng)變。剪切應(yīng)變上面的點(diǎn)表示其時(shí)間微分，即剪切率。這稱為 賓漢模型。
在足夠高的電場(chǎng)中，流體的動(dòng)態(tài)粘度變?yōu)樨?fù)值。該現(xiàn)象可以 如下解釋，即，假定剪切率越高，形成的結(jié)合就越少或越弱，從 而得到更小的總屈服應(yīng)力和負(fù)值動(dòng)態(tài)粘度效應(yīng)。
屈服應(yīng)力Ty和動(dòng)態(tài)粘度p是影響目前基于ERF的制動(dòng)或致動(dòng) 裝置或矯形器的設(shè)計(jì)的兩個(gè)重要參數(shù)。動(dòng)態(tài)粘度^通常由基體流 體確定，并對(duì)電場(chǎng)有一定的依賴性，當(dāng)利用賓漢模型時(shí)通常忽略 該參數(shù)。電場(chǎng)感應(yīng)的屈服應(yīng)力Ty通常取決于電場(chǎng)強(qiáng)度，并且被認(rèn) 為獨(dú)立于剪切率。對(duì)于這種依賴性，已經(jīng)得到一些理論模型，但 是沒(méi)有哪種模型能夠準(zhǔn)確地反映這些關(guān)系。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，可以 假定屈服應(yīng)力隨著電場(chǎng)強(qiáng)度而二次增大。
對(duì)于屈服應(yīng)力有兩個(gè)重要值靜態(tài)屈服應(yīng)力Ty，s和動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)
力Ty，d。靜態(tài)屈服應(yīng)力定義為激發(fā)流動(dòng)所需的應(yīng)力值，即，從固態(tài)
變?yōu)橐簯B(tài)所需的應(yīng)力。動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力是在零應(yīng)變率狀態(tài)中從液態(tài) 變?yōu)楣虘B(tài)所需的應(yīng)力值。對(duì)于不同的流體而言，哪一個(gè)值更大是 彼此不同的。大多數(shù)情況下，靜態(tài)屈服應(yīng)力大于動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力。 這一稱為"黏著"的現(xiàn)象高度取決于顆粒的尺寸和形狀。
對(duì)于ERF來(lái)說(shuō)需要知道的另一個(gè)重要參數(shù)是電流強(qiáng)度J，其 定義為每單位電極面積上的電流。需要該參數(shù)評(píng)估基于ERF的裝 置的功耗。經(jīng)過(guò)ERF材料的電流的測(cè)量值被認(rèn)為是顆粒之間的電 荷泄漏的結(jié)果。
ERF特性隨著溫度而變化，溫度對(duì)于基于ERF的裝置的性能 可以具有重大影響。優(yōu)選的是，ERF應(yīng)該在較大的溫度范圍內(nèi)顯示出恒定的特性。沒(méi)有統(tǒng)一的模型來(lái)描述ERF的參數(shù)對(duì)溫度的依 賴性。對(duì)于不同的流體來(lái)說(shuō)，這種溫度依賴性也不相同。對(duì)于ERF 來(lái)說(shuō)，最大的溫度問(wèn)題來(lái)自于隨著溫度升高而導(dǎo)致的電流強(qiáng)度的 大幅增加。這不僅會(huì)增大功耗，而且還增大對(duì)于ERF裝置的操作 者的擔(dān)憂。
適合于本發(fā)明的一種ERF是Smart Technology Ltd.公司制造 的LID 3354S。該ERF由硅酮/氟碳潤(rùn)滑劑基油中體積百分比為35 %的聚合物顆粒構(gòu)成。該ERF的密度為1.46X 103kg/m3，在30°C 溫度下粘度為110mPa*sec，沸點(diǎn)高于200'C，閃點(diǎn)高于150。C，凝 固點(diǎn)低于-20。C。該ERF在水中不可溶。
在本發(fā)明的第一方面中，提供了一種制動(dòng)或阻尼裝置，其最 佳地利用ERF的特性來(lái)施加阻力矩或阻力。這種裝置能夠減緩或 阻止運(yùn)動(dòng)或動(dòng)作。(為了簡(jiǎn)單起見，在本文中將該裝置稱為制動(dòng)裝 置。) 一個(gè)或多個(gè)旋轉(zhuǎn)電極與一個(gè)或多個(gè)固定電極相交替地布置。 這些電極由填充有ERF薄層的間隙隔開。在間隙上施加的電場(chǎng)改 變流體的特性。更具體地說(shuō)，使流體的屈服應(yīng)力增大。當(dāng)旋轉(zhuǎn)電 極運(yùn)動(dòng)時(shí)，更高的屈服應(yīng)力對(duì)應(yīng)于電極表面上增大的剪切應(yīng)力。 電場(chǎng)的強(qiáng)度與電極之間的間隙寬度以及電壓成比例地變化
￡=r/g (2)
式中，E是電場(chǎng)，V是電壓，g是電極之間的間隙寬度。隨著 電場(chǎng)增強(qiáng)，流體的屈服應(yīng)力增大，并且剪切應(yīng)力增大。電極表面
上的力(剪切力)與剪切應(yīng)力成比例
F = " (3) 式中，F(xiàn)是剪切力，i是剪切應(yīng)力，A是電極表面的面積。該剪切力可以或者線性地或者旋轉(zhuǎn)地用于阻力控制，這取決于裝置
的構(gòu)造。利用上述賓漢模型以及電極板的半徑r，將等式l和3相 結(jié)合并且乘以電極半徑r可以得到ERF產(chǎn)生的阻力矩
2" = (、 + //一 (4)
更特別地參照?qǐng)D1至圖4所示的實(shí)施例，兩組導(dǎo)電電極板14、 16在方向上交替， 一組電極板14剛性地安裝在外殼或殼體18上 以阻止任何運(yùn)動(dòng)，而另一組電極板16安裝在旋轉(zhuǎn)的輸入軸20上。 這些交替的電極板用作正電極和負(fù)電極，其產(chǎn)生電場(chǎng)以激發(fā)填充 電極板之間間隙22的ERF。該電極組件置于絕緣外殼或殼體中， 外殼中填充有ERF 24，由蓋組件26封閉并且例如采用TEFLON 密封件2 8進(jìn)行密封以防止ERF泄漏。
固定電極板14剛性地安裝(接地)到裝置的殼體上。固定電 極板14由諸如鋁等輕質(zhì)導(dǎo)電材料構(gòu)成。圍繞電極板邊緣間隔開的 小突片30與滑入殼體中的嵌入件32相配合，從而將電極板牢固 地保持在殼體內(nèi)的適當(dāng)位置中。(另外參見圖3。)旋轉(zhuǎn)電極板16 安裝在旋轉(zhuǎn)中心座34上。兩組電極板的邊緣都呈圓形，以使得導(dǎo) 致電弧的"避雷針效應(yīng)"降至最低。
旋轉(zhuǎn)中心座34由諸如復(fù)合塑料等任何合適的輕質(zhì)非導(dǎo)電材料 構(gòu)成，其支撐旋轉(zhuǎn)電極板。中心座可以為中空的以減輕裝置的重 量。輸入軸20也安裝到旋轉(zhuǎn)中心座上。旋轉(zhuǎn)中心座還提供用于通 過(guò)對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)36調(diào)節(jié)電極板對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)的平臺(tái)。
由于間隙尺寸對(duì)于裝置的正常工作比較關(guān)鍵，因此對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu) 36使得能夠調(diào)節(jié)電極板之間的距離。舉例來(lái)說(shuō)，位于輸入軸20 一端的固定螺釘40平衡彈簧38施加給旋轉(zhuǎn)中心座34頂部的力。調(diào)節(jié)該固定螺釘可以使旋轉(zhuǎn)中心座和旋轉(zhuǎn)電極偏移，從而使它們 在固定電極之間適當(dāng)?shù)匚挥谥行?。可以在外部進(jìn)行調(diào)節(jié)的這一對(duì) 準(zhǔn)機(jī)構(gòu)降低了在組裝過(guò)程中加墊片的需要，因?yàn)樵诮M裝過(guò)程中加 墊片是耗時(shí)的過(guò)程，并且需要拆卸裝置來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣，外部 對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)使得能夠在組裝之后快速而準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)電極，并且還允 許在采用流體填充單元之后進(jìn)行調(diào)節(jié)。
移動(dòng)電極16采用卡槽鎖系統(tǒng)安裝在旋轉(zhuǎn)中心座34中，在該 卡槽鎖系統(tǒng)中，板狀鎖42配合在電極上的鍵槽43中，這一點(diǎn)如 圖2和圖4中最佳地示出。該安裝方法將電極板鎖在適當(dāng)位置中 并且在電極板安裝槽上提供剛性連接，以至于當(dāng)施加力矩時(shí)旋轉(zhuǎn) 中心座保持強(qiáng)度和剛度。在組裝過(guò)程中，可以將移動(dòng)電極安裝在 中心座34上，并且使其與安裝在嵌入件32上的固定電極交錯(cuò)。 這些元件可以作為整體容易地插入殼體中。
為了給旋轉(zhuǎn)電極供電，設(shè)置有旋轉(zhuǎn)觸頭。在圖示實(shí)施例中， 設(shè)置有刷子一換向器機(jī)構(gòu)或襯套一換向器機(jī)構(gòu)。換向器44為合適 的軸承或襯套，其安裝在旋轉(zhuǎn)中心座34上，并且換向器44被偏 壓為與旋轉(zhuǎn)的輸入軸20接觸。該換向器構(gòu)造使用導(dǎo)電銀脂穩(wěn)定通 過(guò)觸頭的電阻。帶有激發(fā)信號(hào)的刷子經(jīng)由彈簧保持與換向器接觸。
在工作中，激發(fā)粘性流體25，從而在旋轉(zhuǎn)的輸入軸20上產(chǎn)生 阻力矩。使通過(guò)粘性流體運(yùn)動(dòng)的表面積最大化將增大從制動(dòng)裝置 輸出的力矩或力，因此優(yōu)選使用多個(gè)平行的旋轉(zhuǎn)電極板。這使得 能夠?qū)⒓羟斜砻娣e最大化，同時(shí)保持制動(dòng)裝置具有較小的總體積。
制動(dòng)裝置的性能與三個(gè)因素直接相關(guān)。這三個(gè)因素包括制動(dòng) 裝置的幾何形狀、發(fā)送到電極的輸入電壓以及ERF自身的特性。 致動(dòng)模型的幾何形狀因素是平板電極的全部參數(shù)。這些參數(shù)包括電極板的內(nèi)徑(ri)、電極板的外徑(r。)、電極板的數(shù)量以及電極 板之間的間隙寬度(d)。使用這些變量以及特定流體特性的平板 制動(dòng)裝置的力矩輸出等式為
/ 3 3、 ^ 一^
,+ 〃
Z 44 、
(5)
式中，N是移動(dòng)電極板的數(shù)量，Ty是流體的屈服應(yīng)力，P是流
體的粘度，①是電極板的角速度。每種ERF都由流體基體中懸浮 顆粒的不同組合物構(gòu)成，因此具有自己獨(dú)特的行為和特性。因此， 各ERF具有自己的行為與特性之間的特征關(guān)系，并且必須知道這 種關(guān)系，以便于獲得制動(dòng)裝置的完整而準(zhǔn)確的模型。在對(duì)ERFLID 3354S進(jìn)行測(cè)試并且確定其特性(如上所述)之后，使用該流體的
制動(dòng)裝置的最終模型等式為
3
A 4 4、 & 一 G
(6)
式中，Tf是各特定制動(dòng)裝置所特有的無(wú)場(chǎng)摩擦屈服應(yīng)力項(xiàng)，^
是流體的動(dòng)態(tài)粘度，并且等于187cP， E是由下面關(guān)系決定的電場(chǎng)
￡—電壓w
(7)
可控制的ERF制動(dòng)裝置于是用作這樣的制動(dòng)或阻尼裝置，其 使得能夠準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)阻力矩，同時(shí)提供一致而穩(wěn)定的工作狀態(tài)。 該裝置特別適合于機(jī)械系統(tǒng)的控制。該裝置還可以用作安全裝置。
該裝置提供優(yōu)于現(xiàn)有裝置的幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。除了容易更換的電觸 頭和主密封件之外，該裝置沒(méi)有內(nèi)部磨損。可以準(zhǔn)確構(gòu)建ERF的 行為，并因此可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的控制。由于利用電流非常低的高壓 激發(fā)ERF，因此功耗非常低。電極具有雙重功能利用流體應(yīng)力， 以及產(chǎn)生電場(chǎng)。這使得能夠獲得緊湊而輕質(zhì)的設(shè)計(jì)。裝置的阻力 強(qiáng)度與電極的尺寸和數(shù)量成比例，因此對(duì)于各種應(yīng)用場(chǎng)合具有非常強(qiáng)的適應(yīng)性。
在圖5和圖6中示出ERF制動(dòng)裝置的另一實(shí)施例。在該實(shí)施 例中， 一個(gè)或多個(gè)固定電極60和一個(gè)或多個(gè)旋轉(zhuǎn)電極62構(gòu)造成 交替的同心圓柱體。舉例來(lái)說(shuō)，圓柱形的旋轉(zhuǎn)電極同心地置于兩 個(gè)圓柱形的固定電極之間。這些圓柱形的電極僅僅由填充有ERF 的間隙63隔開。如上所述，在間隙上施加電場(chǎng)將改變ERF的特性。 為了使通過(guò)粘性流體運(yùn)動(dòng)的表面積最大化，以便增大輸出的力矩 或力，優(yōu)選使用多個(gè)同心的圓柱形旋轉(zhuǎn)電極。這使得能夠?qū)⒓羟?表面積最大化，同時(shí)保持阻力元件具有較小的總體積。
固定電極60以任何合適的方式固定在密封的殼體64內(nèi)。旋 轉(zhuǎn)電極62通過(guò)延伸板部分70固定在輸入軸68上。固定電極可以 形成為單獨(dú)一體的或整體的部件。同樣，旋轉(zhuǎn)電極可以形成為單 獨(dú)一體的或整體的部件。另外設(shè)置有合適的軸承72和密封件74。 利用通電的襯套或軸承66給裝置供電。
該實(shí)施例的有利之處在于，更大表面積的電極位于徑向距離 輸入軸更遠(yuǎn)的位置，這會(huì)增大阻力矩。
在本發(fā)明的另一方面中，將ERF制動(dòng)裝置與諸如電磁、氣動(dòng) 或電化學(xué)致動(dòng)器相結(jié)合，以便提供能夠阻止和施加力矩或力的混 合致動(dòng)裝置。
參照?qǐng)D7至圖18B，固定電極102安裝在外殼或殼體104上， 特別是如圖18A所示，而移動(dòng)電極106安裝為經(jīng)由可旋轉(zhuǎn)部件或 應(yīng)力環(huán)110與輸入/輸出軸108—起旋轉(zhuǎn)。如下面進(jìn)一步所述，這 些電極設(shè)置在可以獨(dú)立致動(dòng)的圓柱體弓形段(弧段)中(在這里 所述的實(shí)施例中，有三個(gè)弓形段)。電極由輕質(zhì)的導(dǎo)電材料構(gòu)成。
22所有電極的邊緣優(yōu)選呈圓形，以減小邊緣的電弧效應(yīng)。固定電極
與移動(dòng)電極之間的間隙112填充有ERF。該裝置按照與上面關(guān)于 同心圓柱形電極所述相似的方式作為制動(dòng)裝置起作用。固定電極 與移動(dòng)電極之間的激發(fā)ERF的間隙是關(guān)鍵的，并且在l.O至1.5mm 的范圍內(nèi)。在致動(dòng)器的其它部分中，間隙增大以減小由于零場(chǎng)流 體剪切而產(chǎn)生的不期望的力。
另外，在裝置內(nèi)的弓形段中設(shè)置多個(gè)可以獨(dú)立致動(dòng)的線性致 動(dòng)器。在圖示實(shí)施例中，設(shè)置有三個(gè)電磁致動(dòng)器114。圖8示出一 個(gè)電磁致動(dòng)器。各電磁致動(dòng)器包括連接在一起的兩個(gè)磁體116。芯 體在中間部分118中是隔開的，并且繞組方向相反。該構(gòu)造使各 電磁組件在各端部120、 122具有類似的磁極。各電磁體以任何合 適的方式固定在相關(guān)的弓形應(yīng)力環(huán)110中，相關(guān)的一個(gè)移動(dòng)電極 106也安裝在相關(guān)的弓形應(yīng)力環(huán)IIO上。
殼體104容納全部帶電元件。殼體104為絕緣體，并且提供 內(nèi)部機(jī)構(gòu)工作所依靠的剛性結(jié)構(gòu)?？梢蕴峁┤魏魏线m的特征103 用于進(jìn)行安裝或者與應(yīng)用結(jié)構(gòu)諸如矯形器(下面描述)的框架等 相接合。主密封件124是用于防止ERF泄漏并且防止污染物進(jìn)入 的軸密封件。固定電極102用作安裝在應(yīng)力環(huán)110上的全部三個(gè) 電極的共用高壓接地。
在工作中，通過(guò)將線性致動(dòng)器安裝在可以獨(dú)立旋轉(zhuǎn)的部件即 應(yīng)力環(huán)110上，并且采用ERF順序地鎖定和解開應(yīng)力環(huán)110，從 而將致動(dòng)器的線性動(dòng)作轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。作為例子，各致 動(dòng)步驟大約為1至2mm (旋轉(zhuǎn)0.5°至2° )，并且以高達(dá)60次每 秒的頻率進(jìn)行致動(dòng)。該裝置的工作具有較高的功率密度需求和較 低的能量需求。圖9示出詳細(xì)說(shuō)明內(nèi)部工作順序的示意圖。上面一排圖示出 一個(gè)操作周期的開始，下面一排圖示出一個(gè)操作周期的結(jié)束。各 應(yīng)力環(huán)110'、 110〃、 110'〃包括獨(dú)立的線性致動(dòng)器、電磁體。外環(huán) 代表ERF旋轉(zhuǎn)電極106'、 106〃、 106〃'。中心圓126示意性地代表 將應(yīng)力環(huán)的運(yùn)動(dòng)與輸入/輸出軸108連接的棘輪機(jī)構(gòu)。下面將進(jìn)一 步描述該棘輪機(jī)構(gòu)。中心圓上的白點(diǎn)示意性地示出棘輪機(jī)構(gòu)的運(yùn) 動(dòng)，以及輸入/輸出軸的運(yùn)動(dòng)。
在操作周期1中，在步驟la中，利用激發(fā)的ERF將應(yīng)力環(huán) 110'、 110〃鎖定在殼體上。應(yīng)力環(huán)110〃'是驅(qū)動(dòng)輸入/輸出軸的活動(dòng) 環(huán)。應(yīng)力環(huán)110'與110'〃的電磁體之間的相反極性驅(qū)動(dòng)裝置前進(jìn)一 步，如步驟lb所示。在步驟2a中，將應(yīng)力環(huán)110'和110'〃鎖定在 殼體上。使應(yīng)力環(huán)110〃'中電磁體的極性變?yōu)橄喾?，從而朝向?yīng)力 環(huán)110'〃的電磁體驅(qū)動(dòng)活動(dòng)環(huán)110〃的電磁體，如步驟2b所示。以 這種方式繼續(xù)動(dòng)作。
如上所述，在三個(gè)獨(dú)立的應(yīng)力環(huán)上順序發(fā)生致動(dòng)。這一順序 的動(dòng)作利用棘輪機(jī)構(gòu)傳遞到輸出軸上。在力矩生成模式中，該棘 輪機(jī)構(gòu)能夠在使用中朝一個(gè)方向漸進(jìn)；在阻力模式中，該棘輪機(jī) 構(gòu)還能夠鎖定全部應(yīng)力環(huán)，因此輸入力矩均勻地分配到全部三個(gè) 應(yīng)力環(huán)上。
參照?qǐng)D7和圖10至圖14，棘輪132固定在軸108上。棘輪具 有輪齒相反的上排齒136和下排齒138，這些齒使得可以朝一個(gè)方 向旋轉(zhuǎn)同時(shí)鎖定朝相反方向的旋轉(zhuǎn)。至少一個(gè)棘齒凸輪134與各 應(yīng)力環(huán)相關(guān)聯(lián)。各棘齒凸輪具有兩個(gè)鎖定面，其中上鎖定面142 用于鎖在棘輪的上排齒上，下鎖定面144用于鎖在棘輪的下排齒 上。棘齒凸輪可以在允許朝一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的一個(gè)位置與允許朝相反方向運(yùn)動(dòng)的另一位置之間樞轉(zhuǎn)。棘齒凸輪還可以位于允許軸自 由旋轉(zhuǎn)的非嚙合中間位置。
在生成主動(dòng)力矩的操作中，處于運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)力環(huán)的棘齒凸輪
134鎖定在棘輪132上，從而棘齒凸輪被迫旋轉(zhuǎn)。其它的棘齒凸輪 (利用ERF耦合與殼體接地的另外兩個(gè)應(yīng)力環(huán))朝向無(wú)阻力地允 許該旋轉(zhuǎn)的方向。為了增大棘輪機(jī)構(gòu)的精度，使各應(yīng)力環(huán)中的兩 個(gè)棘齒凸輪偏移1/2輪齒。這可以有效地使關(guān)于棘輪的精度加倍。
各棘齒凸輪134安裝在彈性桿146上，該彈性桿穿過(guò)凸輪從 動(dòng)元件152中限定凸輪表面148的開口延伸。當(dāng)凸輪從動(dòng)元件向 上或向下移動(dòng)時(shí)，彈性桿按照導(dǎo)致棘齒凸輪樞轉(zhuǎn)的方式沿著凸輪 表面移動(dòng)。凸輪從動(dòng)元件由諸如TEFLON⑧或類似材料等非黏著材 料形成，以便于進(jìn)行平滑的滑動(dòng)動(dòng)作。圖中顯示為一對(duì)支腿的方 向滑塊154自凸輪從動(dòng)元件延伸，直至與具有兩個(gè)正弦表面158、 162的正弦表面組件156接觸，以至于凸輪從動(dòng)元件可以上下移 動(dòng)。 一個(gè)表面158固定在殼體上。另一個(gè)兩自由度(DOF)的正 弦表面162是可旋轉(zhuǎn)的，當(dāng)該表面運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)抬升滑塊154，如圖 13A至圖13C所示。彈簧164抵消方向滑塊的向上的力。通過(guò)小 齒輪166和內(nèi)齒輪168提供對(duì)正弦表面組件的控制。
可以在計(jì)算機(jī)的控制下對(duì)小齒輪進(jìn)行自動(dòng)驅(qū)動(dòng)，或者可以通 過(guò)外部把手172對(duì)小齒輪進(jìn)行手動(dòng)驅(qū)動(dòng)?；瑝K控制系統(tǒng)對(duì)力矩的 較低要求有助于應(yīng)用諸如超聲波電機(jī)、伺服電機(jī)、DC電機(jī)等輕質(zhì)、 緊湊的裝置。作為選擇，如果不需要進(jìn)行自動(dòng)化的方向控制，可 以用簡(jiǎn)單的把手代替致動(dòng)器。在該情況下，凹陷部可以與方向控 制系統(tǒng)的內(nèi)部定位裝置通信。
電氣元件使用用于各應(yīng)力環(huán)的兩個(gè)獨(dú)立通路和一個(gè)接地通路。 一個(gè)通路是用于(電極106的)高壓控制， 一個(gè)通路是用于 各應(yīng)力環(huán)的(電磁體114的)低壓控制，最后一個(gè)是用于低壓接 地。參照?qǐng)D7、圖15和圖16， 一組環(huán)形觸頭182位于應(yīng)力環(huán)上與 應(yīng)力環(huán)一起運(yùn)動(dòng)。對(duì)應(yīng)的一組環(huán)形觸頭184固定在殼體上。當(dāng)只 有一組滾動(dòng)觸頭(下面將討論)時(shí)，這些環(huán)形觸頭通過(guò)柔性彈簧 或帶狀導(dǎo)體(未示出)在應(yīng)力環(huán)之間延伸。參照?qǐng)D15和圖16所 示的實(shí)施例，觸頭182a是接地的。觸頭182b、 182c和182d經(jīng)由 例如穿過(guò)應(yīng)力環(huán)的導(dǎo)線或其它導(dǎo)體(未示出)分別與各應(yīng)力環(huán)中 的三個(gè)電磁體相連。觸頭182e、 182f和182g也經(jīng)由例如穿過(guò)應(yīng)力 環(huán)的導(dǎo)線或其它導(dǎo)體(未示出)與高壓電極106相連。
徑向滾動(dòng)觸頭系統(tǒng)用于將動(dòng)力從固定觸頭傳遞到運(yùn)動(dòng)觸頭。 在各固定觸頭和各運(yùn)動(dòng)觸頭之間設(shè)置導(dǎo)電輥186，當(dāng)應(yīng)力環(huán)運(yùn)動(dòng) 時(shí)，導(dǎo)電輥沿著各環(huán)形觸頭移動(dòng)。導(dǎo)電輥設(shè)置在徑向向外延伸的 軸188上。該系統(tǒng)在緊湊的空間內(nèi)提供多個(gè)觸頭，而導(dǎo)電通路從 旋轉(zhuǎn)軸線徑向延伸。在該設(shè)計(jì)中包含有單組輥，但是可以使用多 組輥來(lái)滿足更大的電流需求。注意到，當(dāng)滑移所產(chǎn)生的電氣噪聲 成為問(wèn)題時(shí)，可以調(diào)節(jié)各軌道的厚度。另外設(shè)置間隔件190以填 充殼體內(nèi)的空間，從而使需要的ERF數(shù)量最小化。
滾動(dòng)/旋轉(zhuǎn)觸頭186由薄的導(dǎo)電外層192、彈性中間層194以 及用于實(shí)現(xiàn)低摩擦旋轉(zhuǎn)的硬襯套196構(gòu)成。參見圖17，薄的外層 變形以形成更大的接觸區(qū)域。旋轉(zhuǎn)觸頭圍繞中心致動(dòng)器軸線旋轉(zhuǎn)， 同時(shí)圍繞自己的軸線旋轉(zhuǎn)。彈性內(nèi)部還允許在應(yīng)力環(huán)之間輕松地 轉(zhuǎn)移。
該裝置具有五個(gè)工作模式兩個(gè)旋轉(zhuǎn)阻尼/制動(dòng)模式(每個(gè)方 向一個(gè)模式)、兩個(gè)致動(dòng)模式(每個(gè)方向一個(gè)模式)、以及無(wú)咬合/自由旋轉(zhuǎn)模式，在無(wú)咬合/自由旋轉(zhuǎn)模式中，該裝置對(duì)于輸入只有 輕微的影響(只有棘輪的動(dòng)量)。對(duì)于安全性和工業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這 一點(diǎn)是重要的，因?yàn)檫@使得不需要另外的離合器來(lái)使裝置分離。
如上所述，應(yīng)力環(huán)容納線性致動(dòng)器/磁體，支撐電極，并且容
納棘輪系統(tǒng)和方向滑塊。參見圖18B,應(yīng)力環(huán)還包括填充有諸如 可壓縮閉式泡沫的非反應(yīng)性彈性材料的壓力釋放腔198。這些壓力 釋放腔允許ERF由于溫度變化而膨脹，吸收通過(guò)流體傳播的能量 波以減緩振動(dòng)，并且有助于穩(wěn)定因?yàn)榭焖僖苿?dòng)內(nèi)部元件而產(chǎn)生的 內(nèi)部壓差。可以在徑向排列的各應(yīng)力環(huán)的端部形成用于減緩應(yīng)力 環(huán)運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)和沖擊的減震溝槽202 (參見圖18B)。應(yīng)力環(huán)可以 構(gòu)造成容納幾種類型的線性致動(dòng)器，包括壓電堆、螺線管、EAP 致動(dòng)器以及圖示的帶芯電磁體。
取決于應(yīng)用場(chǎng)合，任何合適的力矩增大/降低傳動(dòng)裝置都可以 與輸入/輸出軸108連接?？梢詫⑷魏锡X輪組合添加到致動(dòng)器中， 以平衡致動(dòng)器的輸出、阻力矩和速度與各種應(yīng)用需求?？梢栽谡?個(gè)裝置中使用標(biāo)準(zhǔn)薄壁軸承208以確保無(wú)摩擦的可靠操作。
為了控制振動(dòng)，可以包含阻尼配重(未示出)。該阻尼配重與 輸入/輸出軸連接，并且沿著應(yīng)力環(huán)運(yùn)動(dòng)的相反方向運(yùn)動(dòng)，以抵消 應(yīng)力環(huán)的旋轉(zhuǎn)慣性力。
在本發(fā)明中可以使用各種類型的內(nèi)部致動(dòng)器。在上述實(shí)施例 中，設(shè)置有電磁體。電磁體是利用磁動(dòng)力(MMF)的由電流控制 的元件，該磁動(dòng)力由流過(guò)圍繞磁活性芯體的多圈導(dǎo)線的電流產(chǎn)生。 作為選擇，可以使用螺線管致動(dòng)器。螺線管為包括電磁體和可移 動(dòng)軟鐵芯體(插棒)的獨(dú)立電磁線性致動(dòng)器。該流體致動(dòng)器可以 利用插棒的力和位移。在另外的可選實(shí)施例中，壓電致動(dòng)器利用
27因?yàn)槭┘与妷憾冃蔚膲弘姴牧稀＠眠B續(xù)的多個(gè)材料層可以產(chǎn)
生可用的應(yīng)變量。在另外的可選實(shí)施例中，電活性聚合物(EAP) 是在電場(chǎng)中改變形狀的材料。這種材料可以以片材或帶材的形式 構(gòu)成。
作為致動(dòng)器，該裝置易于控制，緊湊而輕質(zhì)。該裝置的效率 較高并且其總功耗較低。該裝置還能夠以可預(yù)測(cè)的方式進(jìn)行很好 地縮放。作為阻力控制裝置、阻尼器或制動(dòng)器，該裝置以較低的 功耗工作。該裝置在ERF元件方面基本上沒(méi)有磨損。輸出力矩和 阻力矩也易于調(diào)節(jié)。
本發(fā)明的ERF制動(dòng)及致動(dòng)裝置特別可以用作矯形器的制動(dòng)及 致動(dòng)器。矯形器或矯正器為外部佩帶裝置，其通常在諸如膝或肘 等關(guān)節(jié)上對(duì)身體施加力。這些力用于支撐、控制、修正或使身體 上佩帶有該裝置的部位從各種問(wèn)題中恢復(fù)。圖19至圖21A示出利 用本發(fā)明的ERF制動(dòng)或致動(dòng)裝置312的護(hù)膝形式的矯形器。該矯 形器包括可以安裝在肢體上并且鉸接在膝部?jī)蓚?cè)的支撐架314。 ERF制動(dòng)或致動(dòng)裝置在一側(cè)或兩側(cè)安裝在鉸鏈組件316上。該基 于ERF的裝置可以僅僅是阻力元件，或者作為選擇，還可以提供 力矩生成功能，這取決于期望的應(yīng)用場(chǎng)合。與各ERF制動(dòng)或致動(dòng) 裝置相關(guān)聯(lián)的齒輪箱318提供ERF制動(dòng)或致動(dòng)裝置312與鉸鏈316 之間的接合。ERF制動(dòng)或致動(dòng)裝置可以為模組化的，以至于僅僅 通過(guò)更換制動(dòng)或致動(dòng)裝置而使矯形器可以在純阻力構(gòu)造與包含力 矩生成功能的平臺(tái)之間變換。
支撐架314包括通過(guò)鉸鏈組件316連接的上支撐架322和下 支撐架324。鉸鏈組件例如可以包括可旋轉(zhuǎn)元件317，其安裝在 上支撐架上；以及可旋轉(zhuǎn)元件319，其安裝在下支撐架上，而可旋轉(zhuǎn)元件317與319經(jīng)由元件321連接在一起。參見圖21B，各支 撐架可以安裝在肢體上， 一個(gè)在關(guān)節(jié)上， 一個(gè)在關(guān)節(jié)下。例如， 支撐架可以由諸如鋁等金屬或高強(qiáng)度塑料或諸如碳纖維復(fù)合材料 等復(fù)合材料構(gòu)成。支撐架可以以避免支撐架在肢體上移動(dòng)的任何 合適的方式安裝在肢體上。舉例來(lái)說(shuō)，纏繞肢體的帶326可以包 括鉤環(huán)扣件，并且可以襯有泡沫，以順應(yīng)患者的肢體。上支撐架 與下支撐架之間的鉸鏈組件優(yōu)選在矯正器的兩側(cè)是相同的。這使 得能夠在左腿或右腿上使用相同的矯形器。力從佩帶者經(jīng)由帶和 支撐架傳遞，并且在鉸鏈組件處產(chǎn)生力矩。
齒輪箱318傳遞并增大制動(dòng)或致動(dòng)裝置的輸出力矩。ERF制 動(dòng)或致動(dòng)裝置的輸入/輸出軸330與齒輪箱內(nèi)的齒輪組件332連接。 在圖示實(shí)施例中，利用鉸鏈組件316中包含的行星齒輪系統(tǒng)增大 所產(chǎn)生的力矩。參見圖22至圖24，在一個(gè)示例性實(shí)施例中，力矩 以6.2: l的比例增大。軸330經(jīng)由一對(duì)鍵槽336與小齒輪334相 連。小齒輪與三個(gè)行星齒輪338嚙合，這些行星齒輪被固定在接 地環(huán)或框架342上的環(huán)形齒輪340包圍。接地環(huán)安裝在鉸鏈組件 316上，從而與鉸鏈組件316—起旋轉(zhuǎn)。齒輪箱包括合適的外殼。 齒輪箱還用作制動(dòng)或致動(dòng)裝置的支座并且用作鉸鏈穩(wěn)定器。
齒輪箱系統(tǒng)還用作傳感系統(tǒng)的平臺(tái)。優(yōu)選地在該裝置中使用 三個(gè)傳感器或傳感組件。第一傳感組件測(cè)量膝部的角度、速度和 加速度，并且可以用于ERF制動(dòng)或致動(dòng)裝置的閉環(huán)控制。可以使 用諸如標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)絕對(duì)式光學(xué)編碼器或霍爾效應(yīng)傳感器等光學(xué)編碼 器352。第二傳感組件是用于測(cè)量患者所產(chǎn)生的力矩的力矩傳感 器，并且也可以用于ERF制動(dòng)或致動(dòng)裝置的閉環(huán)控制。在圖示實(shí) 施例中，在環(huán)形齒輪340的延伸部分356與接地環(huán)342之間朝相反方向設(shè)置有兩個(gè)微型壓縮傳感器354，用于在彎曲和伸展?fàn)顟B(tài)中 經(jīng)由力矩臂和力測(cè)量力矩。當(dāng)力矩供給到鉸鏈時(shí)，取決于運(yùn)動(dòng)的 方向，環(huán)形齒輪的延伸部分推壓在一個(gè)傳感器上。將該力的測(cè)量 值與公知的尺寸值(從軸到傳感器的距離)相結(jié)合來(lái)計(jì)算力矩。 作為選擇，力傳感器可以包括安裝在支撐架上的應(yīng)變計(jì)，該應(yīng)變 計(jì)用于測(cè)量施加在看作簡(jiǎn)單梁的下支撐架上的應(yīng)變。隨后可以計(jì) 算力矩。作為選擇，可以在鉸鏈關(guān)節(jié)中包含力矩傳感器，以直接 測(cè)量所施加的力矩。在另外的可選實(shí)施例中，壓強(qiáng)傳感器可以安 裝在帶上，并且可以根據(jù)給定的面積計(jì)算力和力矩。
第三傳感組件(未示出)是用于監(jiān)視腳與地面之間的相互作 用的力傳感電阻器陣列。該陣列可以結(jié)合在踝一腳附件中，該踝 一腳附件可以增加到受傷患者的護(hù)膝上以便于如鉸接的踝一腳矯 形器中那樣提供內(nèi)外側(cè)穩(wěn)定性。在健康的患者中，該陣列可以位 于患者的鞋上所佩帶的鞋墊中。該陣列使得能夠跟蹤壓力中心的 前后運(yùn)動(dòng)，因此能夠識(shí)別步態(tài)周期的不同階段。該能力使得能夠 對(duì)膝部矯形器實(shí)施控制策略。
在另一實(shí)施例中，可以使用多中心鉸鏈機(jī)構(gòu)362。參見圖26A 和圖26B，該鉸鏈機(jī)構(gòu)包括互嚙合的上、下橢圓齒輪。橢圓齒輪 產(chǎn)生偏心運(yùn)動(dòng)，該偏心運(yùn)動(dòng)使其跟隨患者膝部的自然運(yùn)動(dòng)。ERF 制動(dòng)或致動(dòng)裝置364的輸入/輸出軸安裝在一個(gè)齒輪上。
矯形器上的電子元件包含從傳感器獲取的數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)邏輯 以及ERF制動(dòng)或致動(dòng)裝置的致動(dòng)信號(hào)。以任何合適的方式，例如 通過(guò)容納在小型手持裝置中的電池給這些電子元件供電。閃存可 以用于存儲(chǔ)操作軟件并且記錄患者的數(shù)據(jù)。可以實(shí)施諸如經(jīng)由 WI-FI的無(wú)線通信，從而允許不受約束地使用該裝置。例如通過(guò)提供關(guān)節(jié)角度和力矩的實(shí)時(shí)顯示，可以包括視覺(jué)輸出以便于使用該 裝置。
圖27示出電子元件的示意圖。無(wú)線通信連接使得能夠?qū)?lái)自 裝置的數(shù)據(jù)自由地連接。另外還允許對(duì)裝置上的控制器進(jìn)行動(dòng)態(tài) 編程。該系統(tǒng)能夠以獨(dú)立的模式工作，也能夠以連接到個(gè)人計(jì)算 機(jī)的數(shù)據(jù)方式工作。無(wú)線頻帶可以在2.4至2.5GHz的范圍內(nèi)，該 范圍稱為用于工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療用途的ISM頻帶。無(wú)線信號(hào)可以 傳出超過(guò)50米，從而傳輸最高達(dá)625kbit/s的未編碼數(shù)據(jù)率。用于 無(wú)線連接的無(wú)線收發(fā)器組件尺寸小，低功耗。裝置上的用戶界面 讓使用者能夠選擇特定的控制模式而不需要到計(jì)算機(jī)去操作。該 裝置可以具備記錄能力以跟蹤其使用情況。醫(yī)生或理療師可以從 該裝置遠(yuǎn)程下載數(shù)據(jù)，而不需要患者回到醫(yī)療機(jī)構(gòu)。
使用本發(fā)明的ERF制動(dòng)或致動(dòng)裝置，矯形器能夠具有實(shí)時(shí)功 能。該裝置由于具有取決于電場(chǎng)的輸出力矩而易于控制，并且可 以在大約幾毫秒的時(shí)間內(nèi)做出反應(yīng)。由于具有這樣的可控制性， 因此可以針對(duì)每位患者的個(gè)人需要定制康復(fù)計(jì)劃。由于具有閉環(huán) 控制，來(lái)自傳感器的反饋使得計(jì)算機(jī)能夠計(jì)算每個(gè)具體訓(xùn)練的效 率并且相應(yīng)地實(shí)時(shí)改變訓(xùn)練方式，以實(shí)現(xiàn)最佳的康復(fù)效果。
裝置上的電子系統(tǒng)的電源可以為例如鋰離子電池，諸如用于 膝上型計(jì)算機(jī)的鋰離子電池。然而，ERF制動(dòng)或致動(dòng)裝置的動(dòng)力 應(yīng)該是分離的系統(tǒng)，并且可以是裝置電池壽命中的限制性因素。 3000至4000mAh和24V的鎳金屬混合電池重約500至600g，并 且使得ERF制動(dòng)裝置能夠以最大負(fù)載連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)1.5至2小時(shí)。在 裝置正常工作的情況下，電池壽命估計(jì)至少為4至5小時(shí)。這些 電池在形狀和尺寸方面有很大的選擇，包括AA、 C和D型電池尺寸以及小的塊狀。20個(gè)AA型鎳金屬混合電池的500g電池組是進(jìn) 行幾個(gè)小時(shí)的致動(dòng)所必需的代表性電源組。電池可以位于裝置中， 或者可以置于佩帶包中，例如置于帶上。
ERF功率放大器是高度專業(yè)化的，標(biāo)準(zhǔn)的非定制的解決方案 通常是不合適的，因?yàn)樗鼈儾荒軌驖M足需要的快速響應(yīng)。ERF系 統(tǒng)通常需要超過(guò)lkHz的帶寬。然而，近來(lái)在變壓器芯體材料和低 電阻MOSFET晶體管領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展使得可以實(shí)現(xiàn)這樣的設(shè)計(jì)， 與先前可以獲得的高壓電源相比，該設(shè)計(jì)不僅尺寸上小得多，而 且效率上高得多?，F(xiàn)在在商業(yè)上(例如從Smart Technology Ltd. 公司)可以獲得各種基于微控制器的開關(guān)式電源系統(tǒng)，這些系統(tǒng) 能夠產(chǎn)生更高的輸出功率同時(shí)保持較小的機(jī)械引腳以及較低的重 量。這些系統(tǒng)是為ERF的控制進(jìn)行特別設(shè)計(jì)的，本領(lǐng)域的技術(shù)人 員容易認(rèn)識(shí)到，這些系統(tǒng)可以針對(duì)矯形器的需求而定制。定制使 得能夠提供為裝置的功率需求提供尺寸最小的解決方案并且使用 最佳形狀的外殼。
由于ERF制動(dòng)或致動(dòng)裝置在由人佩帶或操作的裝置中使用， 因此安全性是一個(gè)考慮因素。如目前采用ERF LID 3354S所進(jìn)行 的設(shè)計(jì)那樣，多個(gè)同心的圓柱體ERF制動(dòng)裝置可以在1mA的電流 下以估計(jì)最大5000伏的直流電壓工作。即使所需的電壓較高，低 電流和低功率特性也在人操作的裝置的安全工作裕量?jī)?nèi)。全部制 動(dòng)和致動(dòng)元件都封閉在接地的金屬外殼內(nèi)以避免意外接觸。另外， 全部高壓導(dǎo)向、開關(guān)和金屬部件都具有足夠的絕緣性并且操作者 不能接觸到。另外設(shè)置有快速動(dòng)作應(yīng)急斷路裝置，如本領(lǐng)域所公 知的那樣，如果電流升高到額定最大電流之上，該斷路裝置就起 作用并且將電壓降低為零。為了進(jìn)一步避免傷害，制動(dòng)或致動(dòng)裝置以及相關(guān)器件或機(jī)構(gòu)與使用者沒(méi)有任何金屬接觸，全部帶電元 件都采用具有較高介電常數(shù)的材料絕緣。通過(guò)利用具有超常耐磨
特性的彈簧加載的FEFLON密封件將ERF的泄漏將至最低或者完 全避免。密封件在磨損時(shí)提供自調(diào)節(jié)，從而為更長(zhǎng)的使用時(shí)間提 供一致的性能。通過(guò)使用0型圈而避免蓋子與外殼之間的泄漏。 如果任何密封件失效，ERF為無(wú)毒的并且可以采用普通的肥皂和 清潔劑進(jìn)行清洗。
該矯形器結(jié)構(gòu)緊湊并便于攜帶，并且可佩帶的康復(fù)裝置。使 用者可以在普通的椅子上，在站立時(shí)，或者甚至在走動(dòng)中使用該 矯形器。該裝置的使用只受到使用者能力的限制。因此，較虛弱 的患者可以使用它進(jìn)行阻力訓(xùn)練，較強(qiáng)壯的患者可以使用它進(jìn)行 重量訓(xùn)練和適當(dāng)?shù)牟綉B(tài)訓(xùn)練。使用者可以利用自己的任何時(shí)間釆 用該裝置進(jìn)行訓(xùn)練，在家里或者在工作中，或者在每天的日?；?動(dòng)中。
另外，在給出本文提出的指導(dǎo)之后，根據(jù)本領(lǐng)域的技術(shù)人員 所公知的原則，本發(fā)明的矯形器的各方面可以與其它制動(dòng)裝置或 致動(dòng)裝置使用，例如DC電機(jī)、磁流變流體制動(dòng)裝置、摩擦制動(dòng) 裝置、電動(dòng)氣動(dòng)致動(dòng)器、電磁致動(dòng)裝置、電滯制動(dòng)裝置、渦電流 制動(dòng)裝置、氣動(dòng)制動(dòng)裝置、液壓致動(dòng)裝置、音圈致動(dòng)裝置、電活 性聚合物致動(dòng)裝置、超聲波電機(jī)以及壓電致動(dòng)裝置。
盡管上面具體地結(jié)合膝部進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明的矯形器 可以用于人體的任何關(guān)節(jié)，諸如肘部等。參見圖28，利用矯正關(guān) 節(jié)可以組成全部或部分人體衣裝，這已經(jīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)，用于降 低肌肉疲勞或增強(qiáng)肌肉運(yùn)動(dòng)，并且用于微重力補(bǔ)償中(諸如在外 太空參觀中幫助減少肌肉和骨骼損耗)。除非所附權(quán)利要求書中提到，否則本發(fā)明不受到上面的具體 圖示和描述的限制。
權(quán)利要求
1、一種用于產(chǎn)生力矩或力輸出以及為力矩或力輸入提供阻力的電流變流體致動(dòng)器，包括外殼，其包括絕緣殼體，其中輸入/輸出軸可旋轉(zhuǎn)地安裝在殼體中；多個(gè)可旋轉(zhuǎn)部件，它們呈弓形地設(shè)置在殼體內(nèi)并且與輸入/輸出軸連接；多個(gè)可旋轉(zhuǎn)電極，它們形成為多個(gè)圓柱段，每個(gè)電極安裝在相關(guān)的可旋轉(zhuǎn)部件上，用于與可旋轉(zhuǎn)部件一起旋轉(zhuǎn)；圓柱形接地電極，其固定在殼體上并且與可旋轉(zhuǎn)電極同心，接地電極與可旋轉(zhuǎn)電極之間設(shè)有間隙；電流變流體，其設(shè)置在所述間隙內(nèi)；以及多個(gè)線性致動(dòng)元件，它們?cè)O(shè)置在相關(guān)的可旋轉(zhuǎn)部件內(nèi)，用于驅(qū)動(dòng)相關(guān)可旋轉(zhuǎn)部件旋轉(zhuǎn)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的致動(dòng)器，其特征在于，線性致動(dòng)元 件順序地操作，以提供可旋轉(zhuǎn)部件的步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的致動(dòng)器，其特征在于，線性致動(dòng)元 件與可旋轉(zhuǎn)電極相配合地操作，其中，通過(guò)激發(fā)電流變流體而鎖 定一部分電極的旋轉(zhuǎn)，以及允許一個(gè)可旋轉(zhuǎn)電極旋轉(zhuǎn)，以提供可 旋轉(zhuǎn)部件的步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的致動(dòng)器，其特征在于，電流變流體 可被激活，以便經(jīng)由可旋轉(zhuǎn)電極上的剪切應(yīng)力為軸上的輸入力矩 提供阻力。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的致動(dòng)器，其特征在于，還包括多個(gè) 滾動(dòng)觸頭，所述滾動(dòng)觸頭可操作而給可旋轉(zhuǎn)電極、接地電極以及 線性致動(dòng)元件供電。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的致動(dòng)器，其特征在于，滾動(dòng)觸頭在 一個(gè)從輸入/輸出軸徑向延伸的軸上排列，并且滾動(dòng)觸頭可在可旋 轉(zhuǎn)部件表面上的觸頭上滾動(dòng)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的致動(dòng)器，其特征在于，還包括棘輪 機(jī)構(gòu)，所述棘輪機(jī)構(gòu)可操作以控制線性致動(dòng)元件的旋轉(zhuǎn)方向。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的致動(dòng)器，其特征在于，棘輪機(jī)構(gòu)包 括棘輪，其安裝在輸入/輸出軸上，棘輪具有兩排相反的齒；以 及棘齒凸輪，其可操作以在順時(shí)針模式中嚙合一排齒，并且在逆 時(shí)針模式中嚙合另一排齒。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的致動(dòng)器，其特征在于，棘輪機(jī)構(gòu)可 以在自由旋轉(zhuǎn)模式中操作。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的致動(dòng)器，其特征在于，棘齒凸輪 通過(guò)彈性軸安裝為可進(jìn)行樞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，該彈性軸安裝在凸輪從動(dòng)元 件中，以導(dǎo)致棘齒凸輪樞轉(zhuǎn)。
11、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的致動(dòng)器，其特征在于，凸輪從動(dòng) 元件可操作而沿外部元件所致動(dòng)的正弦路線移動(dòng)，以調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)方 向。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的致動(dòng)器，其特征在于，線性致動(dòng) 元件包括電磁體。
13、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的致動(dòng)器，其特征在于，線性致動(dòng) 元件包括螺線管。
14、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的致動(dòng)器，其特征在于，線性致動(dòng) 元件包括壓電致動(dòng)器。
15、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的致動(dòng)器，其特征在于，線性致動(dòng) 元件包括電活性聚合物。
16、 一種用于為力矩或力輸入提供阻力的電流變流體制動(dòng)裝 置，包括外殼，其包括絕緣殼體，其中軸可旋轉(zhuǎn)地安裝在殼體中；一個(gè)或多個(gè)圓柱形可旋轉(zhuǎn)電極，其安裝在軸上，用于與軸一 起旋轉(zhuǎn)；一個(gè)或多個(gè)圓柱形接地電極，其固定在殼體上并且與可旋轉(zhuǎn) 電極相對(duì)并同心地設(shè)置，接地電極與可旋轉(zhuǎn)電極之間設(shè)有間隙； 以及電流變流體，其設(shè)置在所述間隙內(nèi)。
17、 根據(jù)權(quán)利要求16所述的流體制動(dòng)裝置，其特征在于，圓 柱形可旋轉(zhuǎn)電極由單個(gè)一體的部件構(gòu)成。
18、 根據(jù)權(quán)利要求16所述的流體制動(dòng)裝置，其特征在于，圓 柱形接地電極由單個(gè)一體的部件構(gòu)成。
19、 一種用于為力矩或力輸入提供阻力的電流變流體制動(dòng)裝 置，包括外殼，其包括絕緣殼體，其中軸可旋轉(zhuǎn)地安裝在殼體中； 一個(gè)或多個(gè)可旋轉(zhuǎn)電極，它們安裝在軸上，用于與軸一起旋轉(zhuǎn)；一個(gè)或多個(gè)接地電極，其固定在殼體上并且與可旋轉(zhuǎn)電極相 對(duì)地設(shè)置，接地電極與可旋轉(zhuǎn)電極之間設(shè)有間隙；所述可旋轉(zhuǎn)電極包括圓形板，該圓形板在內(nèi)周安裝在旋轉(zhuǎn)中 心座上，所述旋轉(zhuǎn)中心座安裝在軸上，所述接地電極包括圓形板， 該圓形板在外周固定在嵌入件上，可旋轉(zhuǎn)電極和接地電極交錯(cuò)并可以作為整體插入殼體中；以及電流變流體，其設(shè)置在接地電極與可旋轉(zhuǎn)電極之間的間隙內(nèi)。
20、 根據(jù)權(quán)利要求19所述的制動(dòng)裝置，其特征在于，制動(dòng)裝 置還包括對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，所述對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)可操作以調(diào)節(jié)可旋轉(zhuǎn)電極與接 地電極之間的間隙大小。
21、 根據(jù)權(quán)利要求20所述的制動(dòng)裝置，其特征在于，所述對(duì) 準(zhǔn)機(jī)構(gòu)是可從殼體外部觸及的。
22、 根據(jù)權(quán)利要求19所述的制動(dòng)裝置，其特征在于，可旋轉(zhuǎn) 電極通過(guò)鎖固定在旋轉(zhuǎn)中心座上，所述鎖配合在可旋轉(zhuǎn)電極上的
23、 一種用于關(guān)節(jié)的矯形器，包括框架，其可拆除地固定在使用者的肢體上，所述框架包括可 以設(shè)置在肢體關(guān)節(jié)處的鉸鏈組件；根據(jù)權(quán)利要求l所述的電流變致動(dòng)器；以及齒輪組件，其安裝在電流變流體制動(dòng)器的軸上，以將輸入/輸 出力或力矩與鉸鏈組件連接。
24、 一種用于關(guān)節(jié)的矯形器，包括框架，其可拆除地固定在使用者的肢體上，所述框架包括可 以設(shè)置在肢體關(guān)節(jié)處的鉸鏈組件；根據(jù)權(quán)利要求16所述的電流變流體制動(dòng)裝置；以及 齒輪組件，其安裝在電流變流體制動(dòng)器的軸上，以將輸入/輸出力或力矩與鉸鏈組件連接。
25、 一種用于關(guān)節(jié)的矯形器，包括框架，其可拆除地固定在使用者的肢體上，所述框架包括可 以設(shè)置在肢體關(guān)節(jié)處的鉸鏈組件；根據(jù)權(quán)利要求19所述的電流變流體制動(dòng)裝置；以及齒輪組件，其安裝在電流變流體制動(dòng)器的軸上，以將輸入/輸 出力或力矩與鉸鏈組件連接。
26、 根據(jù)權(quán)利要求23、 24或25所述的矯形器，其特征在于， 矯形器包括護(hù)膝，并且框架構(gòu)造成安裝在腿上。
27、 根據(jù)權(quán)利要求23、 24或25所述的矯形器，其特征在于， 矯形器包括護(hù)肘，并且框架構(gòu)造成安裝在臂上。
28、 根據(jù)權(quán)利要求23、 24或25所述的矯形器，其特征在于， 矯形器還包括傳感系統(tǒng)，所述傳感系統(tǒng)包括可操作以測(cè)量關(guān)節(jié)的 角度、速度和加速度的傳感組件。
29、 根據(jù)權(quán)利要求28所述的矯形器，其特征在于，傳感組件 可操作以提供矯形器的閉環(huán)控制。
30、 根據(jù)權(quán)利要求23、 24或25所述的矯形器，其特征在于， 矯形器還包括傳感系統(tǒng)，所述傳感系統(tǒng)包括可操作以測(cè)量軸上的 力矩的傳感組件。
31、 根據(jù)權(quán)利要求30所述的矯形器，其特征在于，傳感組件 可操作以提供矯形器的閉環(huán)控制。
32、 根據(jù)權(quán)利要求23、 24或25所述的矯形器，其特征在于， 矯形器還包括設(shè)置在關(guān)節(jié)相對(duì)側(cè)的第二電流變流體裝置。
33、 根據(jù)權(quán)利要求23、 24或25所述的矯形器，其特征在于，矯形器還包括可操作以控制電流變流體裝置的控制組件。
34、 根據(jù)權(quán)利要求33所述的矯形器，其特征在于，控制組件 可操作以提供遠(yuǎn)程通信。
35、 根據(jù)權(quán)利要求23、 24或25所述的矯形器，其特征在于， 矯形器在由電池電源提供的電力下工作。
36、 根據(jù)權(quán)利要求35所述的矯形器，其特征在于， 一個(gè)或多 個(gè)電池設(shè)置在矯形器內(nèi)部。
37、 根據(jù)權(quán)利要求35所述的矯形器，其特征在于， 一個(gè)或多 個(gè)電池設(shè)置在矯形器外部。
38、 一種用于關(guān)節(jié)的矯形器，包括框架，其可拆除地固定在使用者的肢體上，所述框架包括可 以設(shè)置在肢體關(guān)節(jié)處的鉸鏈組件；動(dòng)力裝置，其在鉸鏈組件處安裝在框架上，并且可操作地產(chǎn) 生輸出力或力矩或者阻止輸入力或力矩；以及齒輪組件，其安裝在動(dòng)力裝置的軸上，以將輸入/輸出力或力 矩與鉸鏈組件連接。
39、 根據(jù)權(quán)利要求38所述的矯形器，其特征在于，動(dòng)力裝置 包括電流變流體制動(dòng)裝置。
40、 根據(jù)權(quán)利要求38所述的矯形器，其特征在于，動(dòng)力裝置 包括電流變流體致動(dòng)器。
41、 根據(jù)權(quán)利要求39所述的矯形器，其特征在于，動(dòng)力裝置 還包括電流變流體致動(dòng)器。
42、 根據(jù)權(quán)利要求40所述的矯形器，其特征在于，動(dòng)力裝置 包括電流變流體制動(dòng)裝置。
43、根據(jù)權(quán)利要求38所述的矯形器，其特征在于，動(dòng)力裝置 是選自如下組的制動(dòng)或致動(dòng)裝置DC電機(jī)、磁流變流體裝置、摩 擦裝置、電動(dòng)氣動(dòng)裝置、電磁裝置、電滯裝置、渦電流裝置、氣 動(dòng)裝置、液壓裝置、音圈裝置、電活性聚合物裝置、超聲波電機(jī) 以及壓電裝置。
全文摘要
電流變流體制動(dòng)或致動(dòng)裝置提供在手動(dòng)控制或計(jì)算機(jī)控制下提供可控的阻力，包括或不包括任一旋轉(zhuǎn)方向的主動(dòng)力矩輸出。該制動(dòng)及致動(dòng)裝置適合在用于諸如膝或肘等關(guān)節(jié)的矯形器中使用。
文檔編號(hào)A61H1/00GK101443572SQ200580046036
公開日2009年5月27日 申請(qǐng)日期2005年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月9日
發(fā)明者B·溫伯格, C·馬夫羅伊迪斯, J·尼基祖克 申請(qǐng)人:東北大學(xué)