专利汇可以提供电流变流体制动及致动装置以及使用该装置的矫形器专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且电流 变 流体 制动 或致动装置提供在手动控制或计算机控制下提供可控的阻 力 ,包括或不包括任一旋转方向的主动力矩输出。该制动及致动装置适合在用于诸如膝或肘等关节的 矫形器 中使用。,下面是电流变流体制动及致动装置以及使用该装置的矫形器专利的具体信息内容。
1、一种用于产生力矩或力输出以及为力矩或力输入提供阻力 的电流变流体致动器,包括:
外壳,其包括绝缘壳体,其中输入/输出轴可旋转地安装在壳 体中;
多个可旋转部件,它们呈弓形地设置在壳体内并且与输入/输 出轴连接;
多个可旋转电极,它们形成为多个圆柱段,每个电极安装在 相关的可旋转部件上,用于与可旋转部件一起旋转;
圆柱形接地电极,其固定在壳体上并且与可旋转电极同心, 接地电极与可旋转电极之间设有间隙;
电流变流体,其设置在所述间隙内;以及
多个线性致动元件,它们设置在相关的可旋转部件内,用于 驱动相关可旋转部件旋转。
2、根据权利要求1所述的致动器,其特征在于,线性致动元 件顺序地操作,以提供可旋转部件的步进式旋转。
3、根据权利要求1所述的致动器,其特征在于,线性致动元 件与可旋转电极相配合地操作,其中,通过激发电流变流体而锁 定一部分电极的旋转,以及允许一个可旋转电极旋转,以提供可 旋转部件的步进式旋转。
4、根据权利要求1所述的致动器,其特征在于,电流变流体 可被激活,以便经由可旋转电极上的剪切应力为轴上的输入力矩 提供阻力。
5、根据权利要求1所述的致动器,其特征在于,还包括多个 滚动触头,所述滚动触头可操作而给可旋转电极、接地电极以及 线性致动元件供电。
6、根据权利要求5所述的致动器,其特征在于,滚动触头在 一个从输入/输出轴径向延伸的轴上排列,并且滚动触头可在可旋 转部件表面上的触头上滚动。
7、根据权利要求1所述的致动器,其特征在于,还包括棘轮 机构,所述棘轮机构可操作以控制线性致动元件的旋转方向。
8、根据权利要求7所述的致动器,其特征在于,棘轮机构包 括:棘轮,其安装在输入/输出轴上,棘轮具有两排相反的齿;以 及棘齿凸轮,其可操作以在顺时针模式中啮合一排齿,并且在逆 时针模式中啮合另一排齿。
9、根据权利要求8所述的致动器,其特征在于,棘轮机构可 以在自由旋转模式中操作。
10、根据权利要求8所述的致动器,其特征在于,棘齿凸轮 通过弹性轴安装为可进行枢转运动,该弹性轴安装在凸轮从动元 件中,以导致棘齿凸轮枢转。
11、根据权利要求8所述的致动器,其特征在于,凸轮从动 元件可操作而沿外部元件所致动的正弦路线移动,以调节旋转方 向。
12、根据权利要求1所述的致动器,其特征在于,线性致动 元件包括电磁体。
13、根据权利要求1所述的致动器,其特征在于,线性致动 元件包括螺线管。
14、根据权利要求1所述的致动器,其特征在于,线性致动 元件包括压电致动器。
15、根据权利要求1所述的致动器,其特征在于,线性致动 元件包括电活性聚合物。
16、一种用于为力矩或力输入提供阻力的电流变流体制动装 置,包括:
外壳,其包括绝缘壳体,其中轴可旋转地安装在壳体中;
一个或多个圆柱形可旋转电极,其安装在轴上,用于与轴一 起旋转;
一个或多个圆柱形接地电极,其固定在壳体上并且与可旋转 电极相对并同心地设置,接地电极与可旋转电极之间设有间隙; 以及
电流变流体,其设置在所述间隙内。
17、根据权利要求16所述的流体制动装置,其特征在于,圆 柱形可旋转电极由单个一体的部件构成。
18、根据权利要求16所述的流体制动装置,其特征在于,圆 柱形接地电极由单个一体的部件构成。
19、一种用于为力矩或力输入提供阻力的电流变流体制动装 置,包括:
外壳,其包括绝缘壳体,其中轴可旋转地安装在壳体中;
一个或多个可旋转电极,它们安装在轴上,用于与轴一起旋 转;
一个或多个接地电极,其固定在壳体上并且与可旋转电极相 对地设置,接地电极与可旋转电极之间设有间隙;
所述可旋转电极包括圆形板,该圆形板在内周安装在旋转中 心座上,所述旋转中心座安装在轴上,所述接地电极包括圆形板, 该圆形板在外周固定在嵌入件上,可旋转电极和接地电极交错并 可以作为整体插入壳体中;以及
电流变流体,其设置在接地电极与可旋转电极之间的间隙内。
20、根据权利要求19所述的制动装置,其特征在于,制动装 置还包括对准机构,所述对准机构可操作以调节可旋转电极与接 地电极之间的间隙大小。
21、根据权利要求20所述的制动装置,其特征在于,所述对 准机构是可从壳体外部触及的。
22、根据权利要求19所述的制动装置,其特征在于,可旋转 电极通过锁固定在旋转中心座上,所述锁配合在可旋转电极上的 键槽中。
23、一种用于关节的矫形器,包括:
框架,其可拆除地固定在使用者的肢体上,所述框架包括可 以设置在肢体关节处的铰链组件;
根据权利要求1所述的电流变致动器;以及
齿轮组件,其安装在电流变流体制动器的轴上,以将输入/输 出力或力矩与铰链组件连接。
24、一种用于关节的矫形器,包括:
框架,其可拆除地固定在使用者的肢体上,所述框架包括可 以设置在肢体关节处的铰链组件;
根据权利要求16所述的电流变流体制动装置;以及
齿轮组件,其安装在电流变流体制动器的轴上,以将输入/输 出力或力矩与铰链组件连接。
25、一种用于关节的矫形器,包括:
框架,其可拆除地固定在使用者的肢体上,所述框架包括可 以设置在肢体关节处的铰链组件;
根据权利要求19所述的电流变流体制动装置;以及
齿轮组件,其安装在电流变流体制动器的轴上,以将输入/输 出力或力矩与铰链组件连接。
26、根据权利要求23、24或25所述的矫形器,其特征在于, 矫形器包括护膝,并且框架构造成安装在腿上。
27、根据权利要求23、24或25所述的矫形器,其特征在于, 矫形器包括护肘,并且框架构造成安装在臂上。
28、根据权利要求23、24或25所述的矫形器,其特征在于, 矫形器还包括传感系统,所述传感系统包括可操作以测量关节的 角度、速度和加速度的传感组件。
29、根据权利要求28所述的矫形器,其特征在于,传感组件 可操作以提供矫形器的闭环控制。
30、根据权利要求23、24或25所述的矫形器,其特征在于, 矫形器还包括传感系统,所述传感系统包括可操作以测量轴上的 力矩的传感组件。
31、根据权利要求30所述的矫形器,其特征在于,传感组件 可操作以提供矫形器的闭环控制。
32、根据权利要求23、24或25所述的矫形器,其特征在于, 矫形器还包括设置在关节相对侧的第二电流变流体装置。
33、根据权利要求23、24或25所述的矫形器,其特征在于, 矫形器还包括可操作以控制电流变流体装置的控制组件。
34、根据权利要求33所述的矫形器,其特征在于,控制组件 可操作以提供远程通信。
35、根据权利要求23、24或25所述的矫形器,其特征在于, 矫形器在由电池电源提供的电力下工作。
36、根据权利要求35所述的矫形器,其特征在于,一个或多 个电池设置在矫形器内部。
37、根据权利要求35所述的矫形器,其特征在于,一个或多 个电池设置在矫形器外部。
38、一种用于关节的矫形器,包括:
框架,其可拆除地固定在使用者的肢体上,所述框架包括可 以设置在肢体关节处的铰链组件;
动力装置,其在铰链组件处安装在框架上,并且可操作地产 生输出力或力矩或者阻止输入力或力矩;以及
齿轮组件,其安装在动力装置的轴上,以将输入/输出力或力 矩与铰链组件连接。
39、根据权利要求38所述的矫形器,其特征在于,动力装置 包括电流变流体制动装置。
40、根据权利要求38所述的矫形器,其特征在于,动力装置 包括电流变流体致动器。
41、根据权利要求39所述的矫形器,其特征在于,动力装置 还包括电流变流体致动器。
42、根据权利要求40所述的矫形器,其特征在于,动力装置 包括电流变流体制动装置。
43、根据权利要求38所述的矫形器,其特征在于,动力装置 是选自如下组的制动或致动装置:DC电机、磁流变流体装置、摩 擦装置、电动气动装置、电磁装置、电滞装置、涡电流装置、气 动装置、液压装置、音圈装置、电活性聚合物装置、超声波电机 以及压电装置。
各种类型的致动器和制动器为人公知。举例来说,DC电机可 以用作控制输出力矩的致动器。对于某些应用来说这种电机可能 难以控制,并且可能庞大而笨重。增大输出力矩通常需要增大电 机的尺寸。由于上述原因以及其它原因,在很多用于提供阻力控 制或制动的应用场合中DC电机都不是理想的。作为另一个例子, 摩擦制动器可以用于阻力控制,但是不能用于提供输出力矩。不 利的是,摩擦制动器会发热,容易出现磨损以及可靠性问题,并 且可能受到污染物的损坏。磁性制动器为人公知,并且用于阻力 控制,但是不能用于提供输出力矩。磁性制动器也发热并难以控 制,并且提供“急动”接合。MRF制动器同样不能用于提供输出 力矩。另外还容易过度发热,并且可能庞大而笨重。因此,这些 公知类型的致动器或者可以控制输出力矩,或者可以调节输入力 矩,但是都不能实现这两个功能。
诸如膝或肘等受损关节的康复可以采用各种方法。在一种方 法中,康复者外部佩带被动式矫形器或矫正器,以便为关节提供 恒定的支撑或阻力。在被动式矫形器中,矫形器所提供的矫正力 或偏压力或者是恒定的或者不能实时地变化。这些矫形器应用广 泛,其成本相对较低、容易获得以及简单的特点对其应用做出了 贡献。
另一类康复装置能够实时地改变阻力或作用力,这种改变通 常通过某些形式的电子控制来实现。这些装置中的一些可以佩带 并且可以看作主动式矫形器。举例来说,一种这样的装置能够锁 定膝部的位置,以避免过度伸展,并且限制运动范围。另一种装 置通过使用致动器而能够提高或有助于活动性。通常,这些装置 仅限于对自然步态进行再训练以及增强肌肉。这些装置通常显得 庞大而不方便,这妨碍了其应用,并且由于包括主动元件而增大 了总体尺寸、成本和重量。
最有效的康复工具是诸如等动力(isokinetic)和CPM机等康 复机。这些机械通常用于物理治疗、运动训练或研究机构。这些 机械提供较高的阻力,有时候提供较高的辅助力,同时为几乎任 何康复者提供康复区域的独特适应性。其强大的能力增大了其作 为康复工具的发展。
发明内容
本发明涉及将电流变流体(electro-rheological fluid)的控制功 能与紧凑型制动器和/或致动器的动力能力相结合的电流变流体 (ERF)装置。在本文中,术语“动力”表示与运动相关或与导致 运动相关的特性。在手动控制或计算机控制下,制动或阻尼装置 能够控制任何旋转方向上的阻力。ERF致动装置能够启动力输出。
本发明还涉及能够由动力装置(motive device)控制的便携式 矫形器(orthotic device),该动力装置优选地利用上述ERF制动/ 阻尼器或致动器来提供可变的阻力和/或致动功能。在一个实施例 中,根据本发明的ERF制动/阻尼装置紧凑而轻质,具有较强的调 节力矩的能力,完全便携并可佩带,带有机载传感器、功率和控 制电路以及用于闭环计算机控制的实时能力,以便在使用中优化 康复训练。在另一实施例中,根据本发明的矫形器包括作为致动 特征的致动器。优选的是,该矫正器展示出阻力装置的全部特征 以及如下另外的能力:使膝部进行力运动,执行肌肉增强,并且 提供力反馈。
因此,在一方面,本发明涉及一种用于产生力矩或力输出以 及为力矩或力输入提供阻力的电流变流体致动器,该致动器包括: 外壳,其包括绝缘壳体,其中输入/输出轴可旋转地安装在壳体中; 多个可旋转部件,它们呈弓形地设置在壳体内并且与输入/输出轴 连接;多个可旋转电极,它们形成为多个圆柱段,每个电极安装 在相关的可旋转部件上,用于与可旋转部件一起旋转;圆柱形接 地电极,其固定在壳体上并且与可旋转电极同心,接地电极与可 旋转电极之间设有间隙;电流变流体,其设置在所述间隙内;以 及多个线性致动元件,它们设置在相关的可旋转部件内,用于驱 动相关可旋转部件旋转。优选的是,线性致动元件顺序地操作, 以提供可旋转部件的步进式旋转,并且还与可旋转电极相配合地 操作,其中通过激发电流变流体而锁定一部分电极的旋转,允许 一个可旋转电极旋转,以提供可旋转部件的步进式旋转。
此外,优选的是,电流变流体可被激活,以便经由可旋转电 极上的剪切应力为轴上的输入力矩提供阻力,并且致动器还包括 多个滚动触头,其可操作而给可旋转电极、接地电极以及线性致 动元件供电,其中滚动触头在一个从输入/输出轴径向延伸的轴上 排列,并且滚动触头可在可旋转部件表面上的触头上滚动。更优 选的是,致动器还包括棘轮机构,其可操作以控制线性致动元件 的旋转方向,其中,棘轮机构包括:棘轮,其安装在输入/输出轴 上,棘轮具有两排相反的齿;以及棘齿凸轮,其可操作以在顺时 针模式中啮合一排齿,并且在逆时针模式中啮合另一排齿,或者 棘轮机构可以在自由旋转模式中操作。棘齿凸轮还可以通过弹性 轴安装为可进行枢转运动,该弹性轴安装在凸轮从动元件中,以 导致棘齿凸轮枢转,凸轮从动元件可操作而沿外部元件所致动的 正弦路线移动,以调节旋转方向。线性致动元件可以包括电磁体、 螺线管、压电致动器和/或电活性聚合物。
在另一方面,本发明涉及用于为力矩或力输入提供阻力的电 流变流体制动装置,该制动装置包括:外壳,其包括绝缘壳体, 其中轴可旋转地安装在壳体中;一个或多个圆柱形可旋转电极, 其安装在轴上,用于与轴一起旋转;一个或多个圆柱形接地电极, 其固定在壳体上并且与可旋转电极相对并同心地设置,接地电极 与可旋转电极之间设有间隙;以及电流变流体,其设置在所述间 隙内。优选的是,圆柱形可旋转电极由单个一体的部件构成,圆 柱形接地电极由单个一体的部件构成。
在另一方面,本发明涉及用于为力矩或力输入提供阻力的电 流变流体制动装置,该制动装置包括:外壳,其包括绝缘壳体, 其中轴可旋转地安装在壳体中;一个或多个可旋转电极,它们安 装在轴上,用于与轴一起旋转;一个或多个接地电极,其固定在 壳体上并且与可旋转电极相对地设置,接地电极与可旋转电极之 间设有间隙,可旋转电极包括圆形板,这些圆形板在内周上安装 在旋转中心座上,该旋转中心座安装在轴上,所述接地电极包括 圆形板,这些圆形板在外周固定在嵌入件上,可旋转电极和接地 电极交错并可以作为整体插入壳体中;以及电流变流体,其设置 在接地电极与可旋转电极之间的间隙内。优选的是,制动装置还 包括对准机构,该对准机构可操作以调节可旋转电极与接地电极 之间的间隙大小,其中,所述对准机构是可从壳体外部触及的。 更优选的是,可旋转电极通过锁固定在旋转中心座上,该锁配合 在可旋转电极上的键槽中。
在另一方面,本发明涉及用于关节的矫形器,包括:框架, 其可拆除地固定在使用者的肢体上,该框架包括可以设置在肢体 关节处的铰链组件;电流变致动器,其如本文所述;以及齿轮组 件,其安装在电流变流体制动器的轴上,以将输入/输出力或力矩 与铰链组件连接。作为选择,根据本发明的矫形器可以包括本文 所述的任一电流变流体制动装置。优选的是,根据本发明的矫形 器包括护膝,并且框架构造成安装在腿上,或者作为选择,该矫 形器包括护肘,并且框架构造成安装在臂上。更优选的是,该矫 形器包括传感系统,该传感系统包括可操作以测量关节的角度、 速度和加速度的传感组件,其中,传感组件可操作以提供装置的 闭环控制。传感组件还可操作以测量轴上的力矩以提供装置的闭 环控制。根据本发明的任一矫形器还可以包括设置在关节相对侧 的第二电流变流体装置。优选的矫形器还包括可操作以控制电流 变流体装置的控制组件,其中该控制组件可操作以提供远程通信。 更优选的是,矫形器可以由电池电源提供的电力下工作,该电池 电源包括一个或多个电池,可以设置在矫形器内部或矫形器外部。
在更广泛的一方面,本发明涉及用于关节的矫形器,包括: 框架,其可拆除地固定在使用者的肢体上,该框架包括可以设置 在肢体关节处的铰链组件;动力装置,其在铰链组件处安装在框 架上,并且可操作以产生输出力或力矩或者阻止输入力或力矩; 以及齿轮组件,其安装在动力装置的轴上,以将输入/输出力或力 矩与铰链组件连接。动力装置可以包括电流变流体制动装置和/或 电流变流体致动器。在一个具体实施例中,动力装置是选自如下 组的制动和/或致动装置:DC电机、磁流变流体装置、摩擦装置、 电动气动装置、电磁装置、电滞装置、涡电流装置、气动装置、 液压装置、音圈装置、电活性聚合物装置、超声波电机以及压电 装置。
附图说明
结合附图阅读下面的详细说明将更全面地理解本发明,其中:
图1是本发明的制动或阻尼装置的第一实施例的剖视图;
图2是图1所示制动或阻尼装置的局部视图;
图3是图1所示固定电极的平面图;
图4是图1所示旋转电极的平面图;
图5是本发明的制动或阻尼装置的另一实施例的等轴测视图;
图6是图5所示制动或阻尼装置的侧视图;
图7是本发明的阻力和力矩生成致动器的实施例的部分切除 等轴测视图;
图8是图7所示致动器的电磁体的等轴测视图;
图9示意性示出在力矩生成模式中图7所示致动器的操作;
图10是图7所示致动器的底部等轴测视图;
图11是示出图7所示致动器的棘齿凸轮和棘轮的一部分的局 部视图;
图12是示出图7所示致动器的方向控制机构的局部视图;
图13A、图13B和图13C示出图12所示方向控制机构的各个 位置;
图14是图7所示致动器的等轴测视图;
图15是图7所示致动器的局部剖视图;
图16是图7所示致动器的滚动触头的局部视图;
图17示出单个滚动触头;
图18A是图7所示致动器的壳体的等轴测视图;
图18B是图7所示致动器的应力环的等轴测视图;
图19是包含有本发明的制动或阻尼装置和/或致动装置的腿 用矫形器的等轴测视图;
图20是图19所示矫形器的等轴测视图;
图21A是图19所示矫形器的等轴测视图,其中移去制动或阻 尼装置或致动装置;
图21B是图19所示矫形器的齿轮箱和铰链组件的局部等轴测 视图;
图22是用于图19所示矫形器中的齿轮组件的等轴测视图;
图23是图22所示齿轮组件的顶视图;
图24是图22所示齿轮组件的底视图;
图25示出包含有本发明的两个制动或阻尼装置或两个致动装 置的腿用矫形器的另一实施例;
图26A是图25所示矫形器的铰链组件的局部视图;
图26B是图26A所示铰链组件的示意图;
图27是用于本发明的矫形器的控制系统的框图;以及
图28是包含有本发明的制动或阻尼装置或致动装置的肘用矫 形器的等轴测视图。
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