專利名稱：可變阻力訓(xùn)練及康復(fù)手用裝置的制作方法
可變阻力訓(xùn)練及康復(fù)手用裝置 相關(guān)申請的交叉引用
此申請要求美國臨時申請No. 60/661,625, 2005年3月14日提 交，名稱為"智能型可變阻力訓(xùn)練手用裝置(SMART VARIABLE RESISTANCE EXERCISE HAND DEVICE)"的優(yōu)先權(quán)，該申請的 全部內(nèi)容以引用的方式并入本申請。
關(guān)于聯(lián)邦政府資助的研究和開發(fā)聲明
不適用
背景技術(shù)：
為人手提供訓(xùn)練和康復(fù)練習(xí)的裝置有很多種。這些裝置通常 是基于簡單的機械系統(tǒng)如彈簧并設(shè)計成提供阻力。Heavy Grips⑧手 抓持裝置和Digi-Flex⑧康復(fù)系統(tǒng)屬于手/手指訓(xùn)練裝置，這些裝置 采用彈簧來加強手的抓持力。其它的市場上買得到的手和手指訓(xùn) 練裝置更簡單。例如柔軟的油灰，當(dāng)使用者擠壓它時，它提供阻 力。其他相似的訓(xùn)練裝置使用雞蛋形狀的橡膠球，或柔性的填充 了各種材料的包。而這些裝置基于所使用的材料其阻力值是固定 的，不能被實時改變。因此這些裝置的訓(xùn)練范圍是有限的。為了 體驗不同級別的阻力，必須更換這些裝置?？墒?，這些訓(xùn)練和康 復(fù)裝置因成本低、簡單易得到，因此被普遍使用。
另一種康復(fù)裝置是康復(fù)機，例如勻速運動和CPM運動機。 這些裝置移動手的所有關(guān)節(jié)被動的進(jìn)行整個運動范圍。在提供唯
一的修整康復(fù)狀態(tài)給幾乎任何個體的同時，這些裝置提供阻力和 輔助力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于所制造的裝置消除現(xiàn)有裝置的缺點。根據(jù)本 發(fā)明所制造的此種手功能康復(fù)裝置因使用了智能流體的制動器/緩 沖器，手用裝置是便攜式的，并且可被基于智能流體的制動器/緩 沖器控制，以提供緊湊的輕質(zhì)機構(gòu)，其通過計算機控制可隨時改 變運動的阻力，以改變可以進(jìn)行的運動，并且基于使用者的反應(yīng) 調(diào)節(jié)輸出或康復(fù)周期。
智能流體(smartfluids)是一種智能型材料，通過使用各種刺 激物如電場、磁場和熱能改變此材料的性能。舉例說明智能流 體被加入到小型但大功率的緩沖器中做成的輕型裝置的性能可被 改變來適應(yīng)變化的要求。在一臺實施方式中， 一個使用了此種稱 為電流變流體(ERF)的智能流體的制動器/緩沖器被提供作為具 有智能流體的制動器/緩沖器系統(tǒng)例子。根據(jù)本發(fā)明一臺使用了一 個電流變流體制動器/緩沖器的訓(xùn)練和康復(fù)手功能裝置不僅具有體 積小、重量輕、結(jié)實、可大范圍調(diào)節(jié)力矩和力的優(yōu)點；而且此裝 置還具有易攜帶，在機上帶有傳感器、電源和控制電路；并且具 有由封閉循環(huán)計算機控制的實時控制能力，以達(dá)到在使用時使康 復(fù)訓(xùn)練達(dá)到最佳化的優(yōu)點。在本發(fā)明類似的裝置中， 一個磁流變 流體可被替換著使用。
因此， 一方面，本發(fā)明面向用旋轉(zhuǎn)的電流變流體制動器/緩沖 器裝置給輸出的力矩及力提供阻力。此制動器裝置包括一個外殼， 外殼包括一個絕緣機箱和一個安裝在機箱上的可旋轉(zhuǎn)的軸； 一個 或更多的旋轉(zhuǎn)圓柱形電極安裝在軸上并與其一起旋轉(zhuǎn)； 一個或更
多的接地圓柱形電極安裝到機箱上并與可旋轉(zhuǎn)電極相對的和同軸 的方向布置。在接地電極和可旋轉(zhuǎn)電極之間安排有間隙；電流變
流體置于此間隙中。旋轉(zhuǎn)圓柱形電極有一個單獨的完整部分和接 地圓柱形電極有一個單獨的完整部分。旋轉(zhuǎn)圓柱形電極能有足夠 的凹槽和孔，將不連續(xù)性輸入可旋轉(zhuǎn)電極的表面以減少將制動器/
緩沖器用在高磁場裝置中如磁共振反射(MRI)所產(chǎn)生的渦電流。
另一方面，本發(fā)明面向用一個線性電流變流體制動器/緩沖器 給輸出的力矩及力提供阻力。"同軸通道"緩沖器電流變流體裝置 包括一個外殼，外殼包括一個絕緣機箱和一個安裝到機箱上的內(nèi) 部的接地圓柱形電極。內(nèi)部圓柱形電極與安在機箱上的外部電極 同軸，兩個流動的通道位于安裝在機箱上的接地電極兩邊，在接 地內(nèi)部電極與外部電極之間留有間隙， 一個活塞在內(nèi)部電極內(nèi)線 性移動， 一個雙向溢流閥或一個單向閥安裝在活塞上以調(diào)節(jié)開始 的振動；電流變流體位于間隙和內(nèi)部電極內(nèi)。
此外，本發(fā)明面向所制造的裝置用于加強手部訓(xùn)練和康復(fù)。 此裝置包括一個具有一或多個用于使用者的手抓和擠的抓持元件 的手柄組件及一個具有智能流體的緩沖器組件。緩沖器組件具有 電流變制動器/緩沖器， 一個與電流變流體緩沖器的軸連在一起的 齒輪組件，緩沖器的軸將一個輸入或輸出力或力矩連接到手柄組 件上；以及一個使可移動的手柄的返回力達(dá)到最小值的棘輪組件。 換句話說，根據(jù)本發(fā)明制作的手用裝置能包括在本文中描述的任 何一個電流變流體制動器裝置。手用裝置包括一個具有測量手柄 角度、速度和加速度的傳感器組件的傳感器系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中傳 感器組件對裝置進(jìn)行封閉循環(huán)控制。傳感器組件也能測量軸上的 力矩或/和手柄的力，對裝置提供封閉循環(huán)控制。手用裝置還包括 一個控制器組件，此組件可控制電流變流體裝置，提供遠(yuǎn)程通信。
手用裝置可用電池作能源進(jìn)行操作，電池可是一或多個，電池可 放在裝置內(nèi)部也可放在裝置外面。
在最廣義方面，本發(fā)明廣泛面向用于訓(xùn)練或康復(fù)的人體界面 獨立操作裝置。此裝置包括一個使用者可操作的框架組件；緩沖 器組件連接到框架組件上，并針對使用者輸入的運動作出反應(yīng)， 給出一個可控制的可變阻力。緩沖器組件包括一個智能流體緩沖 器。此獨立裝置可制成臺式裝置。此裝置可通過手、腿、腳、臂 或身體的任何其他附屬部分或可移動部件進(jìn)行操作。


本發(fā)明的其它性能和優(yōu)點，可從下面對附圖的優(yōu)選裝置以及 權(quán)利要求的描述得知是顯而易見的。
圖1顯示了一個根據(jù)本發(fā)明制作的手用裝置的實施方式，此 裝置有鉗形手柄運動和一個旋轉(zhuǎn)制動器。
圖2顯示了圖1實施方式上顯示的固定電極和旋轉(zhuǎn)電極的電 流變流體制動器元件的3維剖面圖。
圖3是一個3維部件分解剖面圖，它顯示了預(yù)先放入了旋轉(zhuǎn) 電極的四周由有阻力的元件環(huán)繞著的固定電極。
圖4是一個圖1顯示的齒輪包括行星齒輪保持架和軸的實施 方式的一部分的3維部件分解圖。
圖5A和5B是一個從不同方向表示的圖1的一部分視圖的3 維圖，它顯示了與手柄和齒輪系統(tǒng)相連接的傳動架。
圖6是圖1實施方式的一部分的3維部件分解剖面圖，它顯 示了當(dāng)手柄完全展開45°時傳感器的位置。
圖7進(jìn)一步顯示了根據(jù)本發(fā)明制作的手用裝置，它有線性手
柄運動和一個旋轉(zhuǎn)制動器。
圖8顯示了圖7中旋轉(zhuǎn)制動器的旋轉(zhuǎn)電極。
圖9顯示了圖7中的行星齒輪和棘輪/棘爪機構(gòu)。
圖10A—10C顯示了圖7中在線性手柄和傳動(輸出)軸之 間的連接。
圖IIA顯示了圖7中手柄的起動位置(開)。
圖IIB顯示了圖7中手柄的終止位置(關(guān))。
圖12A和12B是對根據(jù)本發(fā)明制作的手用裝置進(jìn)一步表示的 兩個圖，它們有線性手柄運動和一個線性緩沖器。
圖13A和13B是圖12A和12B中線性緩沖器的3維剖面圖。
圖14是圖12A和12B裝置中具有實心的活塞的線性緩沖器 的3維剖面圖。
圖15A表示了圖12A和12B裝置中一個處于關(guān)閉位置的完整 的單向閥的3維剖面圖。
圖15B是一個顯示了液體流動方向的圖15A裝置中線性緩沖 器的3維剖面圖。
圖15C表示了圖12A和12B裝置中處于打開位置的完整的單 向閥的3維剖面圖。
圖15D是一個顯示了液體流動方向的圖15C裝置中線性緩沖 器的3維剖面圖。
圖16A和16B是本發(fā)明用于各個手指的裝置的3維圖。
具體實施例方式
在此描述的是一臺輕便的、可控制的、用電子計算機處理的 和可變阻力的訓(xùn)練和康復(fù)手部功能裝置，此裝置使用了智能流體 提供實時控制阻力。智能流體是智能材料的一個實例，它的性能 可通過應(yīng)用各種刺激物如電場、磁場和熱被改變。智能流體可放 入到小巧的但是大功率的緩沖器/制動器中制成輕型的裝置，此裝 置的性能可被改變來適應(yīng)變化的要求。智能流體已被放進(jìn)根據(jù)本 發(fā)明制成的訓(xùn)練和康復(fù)裝置中，正如本文此描述的那樣，此裝置 用于治療手和加強手部抓持肌肉功能。
電流變流體， 一種智能流體，經(jīng)歷流變特性的變化，例如 在有電場的情況下，粘度發(fā)生變化，此液體由放在一種絕緣基液 體如油中的尺寸大約為0.01到O.l(im的懸浮粒子制成。粒子通常
所占的體積百分?jǐn)?shù)在20%和60%之間。電流變效應(yīng)，有時稱為 Winslow效應(yīng)，被認(rèn)為是由在電流變流體(ERF)中的液體和粒子 的介質(zhì)系數(shù)差異引起的。在有電場的情況下，由于感應(yīng)的偶極矩 使粒子沿著場線形成許多鏈。感應(yīng)的結(jié)構(gòu)改變了電流變流體的粘 度、屈服應(yīng)力和其它特性，使電流變流體能從液體的粘度改變到 某種粘彈性的物質(zhì)例如凝膠，反應(yīng)的次數(shù)約為毫秒。電流變流體 能適用于很高電子控制阻力的場合，而它們的尺寸(重量和幾何 參數(shù))很小。電流變流體不被磨損，無毒、無污染，因此滿足健 康和安全的要求。使用電流變流體的電控流變性能，小巧的緩沖 器/制動器能用在高阻力和高可控制力以及高力矩的場合。它們不 象彈簧或一個笨重的機器那樣存儲能量，它們完美地適用于觸覺 和康復(fù)。因為人體是致動器，電流變流體是緩沖器/制動器。人體 為了感覺到某物總是必須施加一個力在他自己身上。因此，來自 電流變流體制動器的阻力是唯一必需的用于加強肌肉和康復(fù)功能 的力。
根據(jù)本發(fā)明制成的手用裝置可實時起作用，并且能精確地控 制阻力，也能記錄準(zhǔn)確的力和位置，及具有將與它相似的低效率 裝置分開的能力。智能型抓持手用裝置通過壓擠(擠壓)它的手 柄進(jìn)行封閉操作，且可遙控調(diào)節(jié)不同的阻力的不同級別?？煽刂?的阻力選擇使人能夠控制阻力或張開和合攏手抓緊所需的力的 量，或用一個智能型手指/手練習(xí)裝置移動每個單一的手指。可采 用的方法包括(1)等壓的，在手指訓(xùn)練裝置上，它將為使用者克 服張開和合攏手抓緊或移動手指提供一個固定大小的力；(2)可變 阻力，在此裝置中在運動開始的力及運動結(jié)束的力是不同的，由 計算機平穩(wěn)調(diào)節(jié)兩個值之間的轉(zhuǎn)換；(3)編程的阻力，這將在整個 運動范圍期間允許使用者確定一個最佳值的力模型；(4)速度可控 制模式，在此對一個精確的速度進(jìn)行編程，且阻力被改變以保持 取決于使用者輸入力的大小的速度。 一個相互作用菜單能給使用 者精確地顯示最初和最終的值以及重復(fù)的次數(shù)。對于不同的選擇 方案可單獨編程手的抓持運動。
由于裝置具有緊湊、重量輕的特點，從而可允許它用于許多 有空間面積限制的場合，例如住宅、辦公室和許多醫(yī)療和康復(fù)實 驗室。此裝置輕便性的另一個重要優(yōu)點是，它能加強現(xiàn)場療法程 序。病人可帶著此裝置回家進(jìn)行訓(xùn)練和練習(xí)，醫(yī)生能遙控病人的 訓(xùn)練和操作。醫(yī)生不僅能知道病人是否實際地作了練習(xí)，而且還 能通過計算機遙控和最佳化動態(tài)阻力練習(xí)。這對于那些不能行動 的可能會阻止接受這些裝置的人尤其重要。
幾個重要的發(fā)明均采用了計算機化。所執(zhí)行的活動是可編程 的以用于"個體化"診斷程序和/或用于今后評估的訓(xùn)練結(jié)果存儲 記錄。由快速的計算機評估和調(diào)節(jié)提供的反饋控制確保設(shè)備使用 者的操作級別。個體化調(diào)節(jié)保證了使用者能成功地操作，且與使
用者的身高胖瘦及性別無關(guān)。此外，圖形顯示器和聲頻信號能給 使用者提供例如電流強度、重復(fù)次數(shù)和手柄位置的信息。為了通 知使用者他或她的操作反應(yīng)如何，聲頻信號可與所施加的力成比 例地予以調(diào)節(jié)，而不需看計算機監(jiān)視器。這使操作簡化也提供了 生物反饋。
所描述的裝置使用電流變流體緩沖器作為應(yīng)用阻力的最佳方 法?？墒?，這不是唯一應(yīng)用必需阻力的可能的方法，其他的智能 材料執(zhí)行很相似的功能，且能以相同的方式使用，例如使用一個 與電場不同的磁場，磁流變流體像電流變流體一樣幾乎能執(zhí)行相 同的功能。重要的因素是保持一個緊湊的、輕便的、使電子計算 機化設(shè)計的具有像電流變流體元件一樣提供所有功能。
下面的實施例說明了本發(fā)明的優(yōu)點，且對制造和使用有所幫 助。這些實施例不打算限制公開的范圍。
實施例I
具有鉗形手柄運動和旋轉(zhuǎn)制動器的手康復(fù)裝置
此新型的手康復(fù)裝置包括4個主要子系統(tǒng)a) —個電流變流 體阻力元件；b) —個齒輪箱；C)手柄；和d)兩個傳感器， 一個 光學(xué)編碼器和一個力傳感器，以測量病人引起的運動和力。每一 個子系統(tǒng)包括幾個不同組成的元件。通常，所有元件被設(shè)計成結(jié) 實和安全、非磁性、最佳化標(biāo)準(zhǔn)的和高應(yīng)力測試。此裝置由塑料 和非磁性材料制造，因此它能廣泛用于各種環(huán)境包括高磁場環(huán)境。
男性最大的手抓持力為400牛噸，女性為228牛頓。所有元 件設(shè)計成在操作者手握裝置的手柄時，此裝置能施加150牛頓力 (大約是健康手抓持力的50%)。完整的CAD模型見圖1。
獨特的非磁性智能手用裝置的可控制的變阻力通過一個連接 到齒輪系統(tǒng)輸出端的電流變流體元件得到。智能型手康復(fù)裝置使 用了一個旋轉(zhuǎn)電流變流體阻力元件控制阻力矩。阻力元件包括兩 個電極，每一個電極是一套復(fù)式的同軸圓柱體。它們的結(jié)構(gòu)為同 軸圓環(huán)狀(圖2)。
一個電極作為固定電極，位于阻力元件的外面，而第二個電 極作為旋轉(zhuǎn)電極并與固定電極"配對"以便形成幾對連續(xù)不斷的 同軸圓柱體。圖3顯示了具有同軸圓柱體的準(zhǔn)備配對的固定電極 和旋轉(zhuǎn)電極。將兩種電極設(shè)計成復(fù)式同軸圓柱體以得到最大的剪 切表面面積并保持一個緊湊的阻力元件體積。粘滯液體在固定電 極和旋轉(zhuǎn)電極的連續(xù)的圓柱體之間的很小間隙內(nèi)活動，從而在旋 轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生了阻力矩。通過控制施加位于每對連續(xù)不斷的同軸圓 柱體之間液體上的電場的強度，可以容易地控制力矩。
一個齒輪箱用于增加系統(tǒng)的阻力矩能力，正如被使用者感受 到的那樣。來自電流變流體阻力元件的阻力矩與人手產(chǎn)生的力矩 相比較是比較小的。若沒有齒輪箱則需要一個極大的阻力矩元件。 為了使整個裝置體積小、重量輕，則設(shè)計了一個大傳動比的齒輪 箱，1: 31.6 (圖4)。齒輪系統(tǒng)使電流變流體阻力矩倍增，而且還 用作傳感器子系統(tǒng)的基礎(chǔ)。
在此裝置中，手運動被施加到鉗形手柄機構(gòu)上。手柄是操作
者的觸覺連接體。它們被設(shè)計成圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)45。，且在質(zhì)量中
心被平衡。大拇指抓持是固定的抓持，智能手康復(fù)裝置的質(zhì)量中 心恰恰很好地定心在抓持圓柱上。手抓持組件允許一個自由度和 傳動架將力從手柄傳遞到齒輪箱輸入端。傳動架圍繞軸旋轉(zhuǎn)且將
力從齒輪系統(tǒng)輸出端傳遞到電流變流體制動器(圖5)。
所有必須的臨床數(shù)據(jù)可從裝置中使用的兩個基本的傳感器獲得。第一個是光學(xué)編碼器(圖5)，它可測量手的角度、速度和加 速度。光學(xué)編碼器與齒輪箱的輸入端相連，且將手柄位置直接給
出讀數(shù)。理想的傳感器被包括進(jìn)本設(shè)計中，它是一個具有1024分 辨率的Renco小型編碼器。
第二個傳感器是一個小型的力傳感器，用于測量病人手的抓 持力強度以及用于封閉循環(huán)控制電流變流體阻力元件。FUTEK力 傳感器(鋁應(yīng)變電阻片)連接固定的大拇指抓持/齒輪箱到電流變 流體阻力元件上，通過兩個平行的表面使傳感器或者受拉或者受 壓(圖6)。力傳感器被支撐在具有3個自由度(旋轉(zhuǎn))的球和座 銷連接的兩端，以便此應(yīng)變電阻片被加載作為一個兩個力的元件。 由塑料座將座銷連接到手用裝置上，以便力傳感器與裝置的其他 部分是電絕緣的。電流變流體箱和齒輪箱沿著中心軸由一個大塑 料軸承排成一行，電流變流體外殼可繞其軸自由旋轉(zhuǎn)，力傳感器 測量一個來自電流變流體外殼的直接的反應(yīng)力。
實施例II
具有線形手柄運動和旋轉(zhuǎn)制動器的手康復(fù)裝置
在此提出的新型手康復(fù)裝置包括5個主要子系統(tǒng)a)電流變 流體阻力元件；b) —個齒輪箱；C)棘輪系統(tǒng)；d)手柄；和e) 兩個傳感器， 一個光學(xué)編碼器和一個力傳感器，以測量病人引起 的運動和力。每個子系統(tǒng)包括幾個不同組成的元件。通常，所有 元件被設(shè)計成結(jié)實和安全、非磁性、最佳化標(biāo)準(zhǔn)的和高應(yīng)力測試。 智能型手康復(fù)裝置制成靠近人體以便使人感覺不到重量。此裝置 由聚合物(塑料)和非磁性材料制造，因此它能廣泛用于各種環(huán) 境包括高磁場環(huán)境。男性最大的手抓持力為400牛頓，女性為228牛頓。所有元 件設(shè)計成在操作者手握裝置的手柄時，此裝置能施加300牛頓的 力。完整的CAD模型見圖7。
獨特的非磁性智能手用裝置可控制的變阻力通過一個聯(lián)接到 齒輪系統(tǒng)輸出端的電流變流體元件得到。智能型手康復(fù)裝置使用 一個旋轉(zhuǎn)的電流變流體阻力元件控制阻力矩。
阻力矩包括旋轉(zhuǎn)的和固定的鋁電極，它們被制成同軸圓環(huán)狀。 固定電極是兩個同軸圓柱體中的一套，它位于阻力元件外側(cè)。旋 轉(zhuǎn)電極是一個簡單的同軸圓柱體，它與固定電極配對，以便形成 幾對連續(xù)不斷的同軸圓柱體。這些多層的盤用作正負(fù)電極產(chǎn)生電 場以驅(qū)動電流變流體。粘滯液體在固定電極和旋轉(zhuǎn)電極的連續(xù)的 圓柱面之間的很小間隙內(nèi)活動，從而在旋轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生了阻力矩。 通過控制施加位于每對連續(xù)不斷的同軸圓柱體之間液體上的電場 的強度，可容易地控制力矩。如圖8所示，在旋轉(zhuǎn)電極上的一些 槽和孔在旋轉(zhuǎn)表面引入不連續(xù)性，避免了如果智能手用裝置用于 強磁場時產(chǎn)生渦電流效應(yīng)。
一個齒輪箱被用于增加系統(tǒng)的阻力矩能力，正如被使用者感 受到的那樣。來自電流變流體阻力元件的阻力矩與人手產(chǎn)生的力 矩相比較是比較小的。若沒有齒輪箱，則需要一個極大的阻力矩 元件。為了使整個裝置體積小、重量輕，使用了一個行星齒輪系 統(tǒng)(齒數(shù)比為1: 5.5)，使電流變流體阻力矩倍增。齒輪箱由Dekin 這種材料制造，其為非磁性的。
一個棘齒輪系統(tǒng)被用于使系統(tǒng)的返回力最小(打開手柄)，以 便裝置能被復(fù)原到具有最小尺寸的彈簧力的起始位置。棘輪和棘 爪機構(gòu)允許在一個方向運動，在另一個方向則鎖住運動(一個棘 爪是支點在一端的桿，它與棘輪齒嚙合以防止棘輪在另一個方向運動)。棘輪齒被設(shè)計在環(huán)齒輪的圓周。當(dāng)使用者正在關(guān)閉(擠壓) 手柄時，棘輪系統(tǒng)允許齒輪和電流變流體制動器運動；并傳遞阻 力矩到與棘爪相連的外殼，因此也就是傳遞到輸出軸。當(dāng)手柄關(guān) 閉后，棘輪系統(tǒng)將齒輪系統(tǒng)和電流變流體阻力制動器的運動鎖住。 當(dāng)手柄被松開以及輸入力由人取消時，棘輪系統(tǒng)可防止反向旋轉(zhuǎn)。 然后棘爪外殼和輸出軸與電流變流體阻力元件脫離，本裝置由一 個彈性材料或小尺寸的彈簧復(fù)原到起始位置。棘輪和齒輪機構(gòu)見 圖9。
來自電流變流體阻力元件的力矩由行星齒輪系統(tǒng)得以倍增， 力矩被傳遞到棘爪外殼。此力矩被傳遞到線性手柄上。在此設(shè)計 中，通過被包裹的圍繞輸出軸的軟線，制動器/齒輪/棘輪的旋轉(zhuǎn)運 動被轉(zhuǎn)換成手柄的線性運動。在另一端的軟線與連接到移動手柄 上的線性運動的壓電傳感器座相連。對于一個己知的力矩，力臂 (軸直徑)越小，力越大(力矩=力乂力臂)。因此，為了從阻力 矩產(chǎn)生一個最大的阻力，繞軸包裹的軟線有一個很小的直徑。此 輸出軸與棘爪外殼相連，并將電流變制動器的阻力矩傳遞到軟線 上。圖10A-10C顯示了線性手柄如何被連接到傳動軸(輸出)上。 棘輪系統(tǒng)、棘爪外殼和輸出軸由非磁性材料制造。
在此裝置上，手運動被施加到線性滑動機構(gòu)上，手柄是操作 者的觸覺連接體。通過一個將傳感器座(線性運動)和傳動軸(旋 轉(zhuǎn)運動)連接起來的軟線，滑動運動被轉(zhuǎn)換成一個旋轉(zhuǎn)運動，這 像一個滑輪一樣。手抓持組件允許一個自由度并將系統(tǒng)的力傳遞 到棘輪和齒輪箱系統(tǒng)。
在手柄臂上兩個可調(diào)節(jié)的卡圈可用于調(diào)節(jié)手柄的行程以適用 于不同人的不同抓持手的尺寸。而且，在此手柄組件中，臂的長 度可被調(diào)節(jié)來允許制動器/齒輪/棘輪系統(tǒng)部分被進(jìn)一步定位。手柄
由塑料和非磁性材料制造。圖IIA顯示了起動位置的手柄，圖11B
顯示了完全關(guān)閉位置的手柄。
所有必需的臨床數(shù)據(jù)可從裝置中使用的兩個基本的傳感器獲 得。第一個是光學(xué)編碼器(圖IOA)，它可測量手的角度、速度和 加速度。光學(xué)編碼器與傳動軸相連，并將手柄的位置直接給出讀
數(shù)。理想的傳感器被包括進(jìn)本設(shè)計中，它是一個具有1024分辨率 的Renco小型編碼器。
第二個傳感器是壓電傳感器，它用于測量人手的抓持力強度 且用于封閉循環(huán)控制電流變流體阻力元件(圖IOB)。壓電傳感器 安裝在傳感器座上，并將來自手柄線性運動的手的抓持力給出直 接讀數(shù)。傳感器外殼設(shè)計成將移動(滑動)手柄與軟線相連接。 壓電力傳感器位于座和移動手柄之間。
力傳感器的第二種選擇是一個小型力傳感器(鋁應(yīng)變電阻 片)，正如前面描述的裝置那樣，此傳感器用于測量來自電流變流 體阻力元件的力矩。力傳感器將不動的大拇指抓持/齒輪箱與電流 變流體阻力元件連接起來。對于此種選擇，電流變流體外殼可以 自由繞其軸旋轉(zhuǎn)，力傳感器測量來自電流變流體外殼的直接的反 應(yīng)力。然后此力能容易地被齒數(shù)比倍增，且抓持力強度可被測量。
實施例III
具有線性手柄運動和線性緩沖器的手康復(fù)裝置
手用裝置的第二種結(jié)構(gòu)安裝了一個與運動方向一致的線性緩 沖器。設(shè)計了一個新型的電流變流體"同軸通道"緩沖器(ERF 一CCD)(圖12A和12B)。線性結(jié)構(gòu)有幾個優(yōu)點降低了裝置的 復(fù)雜性，減少了零件數(shù)量，除去了對齒輪和棘輪子系統(tǒng)的需要。緩沖器的外機箱與框架相連。軸與力傳感器直接相連。使用一個 線性編碼器或一個修改作線性使用的旋轉(zhuǎn)編碼器可捕捉到運動。 返回力由兩個彈簧或長度和韌性能被調(diào)節(jié)的彈性線提供。使用軸 卡圈能迅速調(diào)節(jié)裝置的總行程。
在市場上買得到的線性電流變流體緩沖器中，液體通過通道 流進(jìn)活塞或圍繞活塞的外部流動。對于這些設(shè)計，為了獲得最大 減振效果，活塞必須是很大的(電極的最大表面積)，或者液體流 動通道必須很小。兩種結(jié)構(gòu)都有明顯的缺點。具有一個大活塞(在 長度和/或直徑上)的結(jié)構(gòu)迫使所設(shè)計的裝置大，從而不可能得到 一個緊湊高性能的小巧裝置。小液體通道的選擇也造成了一些負(fù) 面性能特征，因為小通道減小了液體的流動，甚至當(dāng)裝置不被供 能時減小了裝置本應(yīng)能有的減振的動態(tài)范圍。
電流變流體同軸通道緩沖器(ERF—CCD)通過調(diào)節(jié)(取決于 場強度)使用圍繞圓柱體同軸間隙的兩個腔中的液體的流動進(jìn)行 減振。液體在緩沖器的任何一個通道中流動。這些通道通向一個 間隙，此間隙由圓柱體外表面和另一個直徑稍大一些的同軸圓柱 體形成(見圖13A—13B和15A—15D)?；钊梢允菍嵭牡?，像 圖14所示的那樣，包括一個雙向溢流閥(未顯示)以調(diào)節(jié)開始的 振動，或包括一個單向閥(球型、蝶形等)，如圖13A—13B和15A 一15D所示。選擇取決于最終使用的緩沖器。對于手康復(fù)裝置， 一個單向閥被放到活塞中以允許減小在一個方向的振動(圖15A
一15D)。此新型設(shè)計的優(yōu)點是超過其它設(shè)計，在每個緩沖器體積 中有最大可能的電極的表面積，及在單位容量中提供巨大的增益。 少零件數(shù)和設(shè)計簡單還導(dǎo)致低成本和高可靠性。
圖15A和15B顯示了具有單向閥的電流變流體同軸通道緩沖 器液體流動路徑細(xì)節(jié)。圖15B顯示了有電場時，單向閥關(guān)閉，液
體通過同軸通道的流動速率可通過調(diào)節(jié)電場強度得以改變。電場 強度越高，電流變流體越粘稠，減振越強。圖15D顯示了當(dāng)手柄 關(guān)閉時，單向閥怎樣打開允許液體流過活塞。液體也能通過同軸 間隙移動，進(jìn)一步減小返回手柄到起動位置所需的力。
實施例IV 手指/手康復(fù)裝置
此裝置設(shè)計成輕便且用計算機處理的用于手和手掌康復(fù)或訓(xùn) 練的裝置。此裝置有緊湊的線性的電流變流體型阻力元件，以對
單個手指提供阻力，對于每個單個的手指阻力可實時改變。圖16A 和16B顯示了兩個概念上的圖。在圖中，線性的智能流體阻力元 件與手指相連接，且固定在手掌內(nèi)的芯體接地。圖中顯示了兩個 或四個手指的結(jié)構(gòu)，而且通過連接另一個阻力元件到中心芯體上 可容易地延伸到五個手指。力由智能流體阻力元件產(chǎn)生，阻力可 通過計算機控制軟件得以改變。這允許對每個人的訓(xùn)練方式進(jìn)行 實時改變，適于病人的需要或適于每個手指的不同訓(xùn)練要求。
本發(fā)明已連同一個或更多的優(yōu)選的實施方式一起被描述。在 閱讀了前面的詳述后，普通技術(shù)人員將能夠產(chǎn)生各種變化，同等 替換，以及其它的改進(jìn)結(jié)構(gòu)和方法。因此本專利申請的保護(hù)范圍 被限定在附加的權(quán)利要求書及其相關(guān)的同等物中。
權(quán)利要求
1、一種可變阻力的手用裝置，包括手柄組件，具有一或多個抓持元件，用于被使用者的手抓持和擠壓；以及與手柄組件相連的緩沖器組件，它可操作而提供對使用者手對手柄組件的抓持元件的擠壓作出反應(yīng)的可控制的可變阻力，該緩沖器組件包括智能流體緩沖器。
2、 權(quán)利要求1的手用裝置，還包括力傳感器組件，它可操作而提供表示擠壓力量值的力信號。
3、 權(quán)利要求2的手用裝置，其中，力傳感器組件可操作以 對裝置提供閉環(huán)控制。
4、 權(quán)利要求1的手用裝置，還包括位置傳感器組件，它可 操作而提供表示抓持元件的相應(yīng)位置的位置信號。
5、 權(quán)利要求3的手用裝置，其中，位置傳感器組件可操作 以對裝置提供閉環(huán)控制。
6、 權(quán)利要求1的手用裝置，其中，所述智能流體是電流變 流體(ERF)。
7、 權(quán)利要求1的手用裝置，還包括控制器組件，它可操作 以控制裝置的操作。
8、 權(quán)利要求7的手用裝置，其中，控制器組件可操作以提供遠(yuǎn)程通信。
9、 權(quán)利要求1或權(quán)利要求6的手用裝置，其中，手柄組件 包括鉗形手柄，緩沖器組件包括旋轉(zhuǎn)制動器。
10、 權(quán)利要求1或權(quán)利要求6的手用裝置，其中，手柄組件 包括線性手柄，緩沖器組件包括旋轉(zhuǎn)制動器。
11、權(quán)利要求1或權(quán)利要求6的手用裝置，其中，手柄組件 包括線性手柄，緩沖器組件包括線性制動器。
12、 權(quán)利要求l的手用裝置，其中，所述智能流體是磁流變 流體(MRF)
13、 權(quán)利要求1的手用裝置，其中，緩沖器組件包括將手柄 組件與緩沖器組件連接起來的齒輪箱。
14、 權(quán)利要求l的手用裝置，其中，緩沖器組件包括棘輪機 構(gòu)，此棘輪機構(gòu)使得在使用者擠壓后手柄組件返回到休息位置的 返回力最小。
15、 權(quán)利要求l的手用裝置，其中，裝置實質(zhì)上由MRI相容 的材料制成。
16、 權(quán)利要求4的手用裝置，其中，緩沖器組件包括 外殼，包括絕緣機箱和可旋轉(zhuǎn)地安裝在機箱中的軸； 一或多個安裝在軸上可與其一起旋轉(zhuǎn)的圓柱形可旋轉(zhuǎn)電極；一或多個固定到機箱上的、與可旋轉(zhuǎn)電極相對并同軸布置的 圓柱形接地電極，在接地電極和可旋轉(zhuǎn)電極之間有間隙；以及置于此間隙中的電流變流體。
17、 權(quán)利要求1的手用裝置，其中，緩沖器組件包括可旋轉(zhuǎn) 電極，可旋轉(zhuǎn)電極具有足以將不連續(xù)性引入電極表面的槽和/或孔， 以減小裝置在高磁場中操作時在電極中產(chǎn)生的渦電流。
18、 一種可變阻力制動器，包括外殼，包括絕緣機箱和可旋轉(zhuǎn)地安裝在機箱中的軸；一或多個安裝在軸上可與其一起旋轉(zhuǎn)的圓柱形可旋轉(zhuǎn)電極；一或多個固定到機箱上的、與可旋轉(zhuǎn)電極相對并同軸布置的 圓柱形接地電極，在接地電極和可旋轉(zhuǎn)電極之間有間隙；置于此間隙中的智能流體；以及棘輪機構(gòu)，其可操作以控制可旋轉(zhuǎn)電極的旋轉(zhuǎn)方向。
19、 權(quán)利要求18的可變阻力制動器，其中，所述智能流體是 電流變流體。
20、 一種可變阻力制動器，包括外殼，包括絕緣機箱和可旋轉(zhuǎn)地安裝在機箱中的軸；一或多個安裝在軸上可與其一起旋轉(zhuǎn)的圓柱形可旋轉(zhuǎn)電極；一或多個固定到機箱上的、與可旋轉(zhuǎn)電極相對并同軸布置的 圓柱形接地電極，在接地電極和可旋轉(zhuǎn)電極之間有間隙；以及置于此間隙中的智能流體；其中，可旋轉(zhuǎn)電極上具有足以將 不連續(xù)性引入電極表面的槽和/或孔，以減小制動器在高磁場中操 作時在電極中產(chǎn)生的渦電流。
21、 權(quán)利要求20的可變阻力制動器，其中，所述智能流體是 電流變流體。
22、 一種用于訓(xùn)練或康復(fù)的人體界面獨立操作裝置，包括 由使用者操作的框架組件；以及與框架組件相連的緩沖器組件，所述緩沖器組件可操作而提 供對使用者輸入產(chǎn)生的運動作出反應(yīng)的可控制的可變阻力，該緩 沖器組件包括智能流體緩沖器。
23、 權(quán)利要求20的獨立操作裝置，其中，所述裝置被構(gòu)造成臺式裝置。
24、 權(quán)利要求20的獨立操作裝置，其中，所述裝置可由手、 腿、肚卩、臂或身體的任何其他附屬部分或可移動部分進(jìn)行操作。
25、 權(quán)利要求20的獨立操作裝置，其中，所述智能流體為電 流變流體。
全文摘要
公開了一種訓(xùn)練及康復(fù)手用裝置。根據(jù)本發(fā)明的手用裝置是便攜式的，并且可被基于智能流體的制動器/緩沖器控制，以提供緊湊的輕質(zhì)機構(gòu)，其通過計算機控制可隨時改變運動的阻力，以改變可以進(jìn)行的運動，并且基于使用者的反應(yīng)調(diào)節(jié)輸出或康復(fù)周期。
文檔編號A63B21/00GK101175539SQ200680016596
公開日2008年5月7日 申請日期2006年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月14日
發(fā)明者A·哈尼真, A·穆托, A·菲什, B·溫伯格, C·馬夫羅伊迪斯 申請人:東北大學(xué)