專利名稱：可穿戴式人體運(yùn)動施加器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可穿戴式的人體運(yùn)動施加器，并且更具體地涉及一種人體運(yùn)動助力裝置或誘導(dǎo)裝置，該裝置利用一種電激勵的彈性作動件。
背景技術(shù)：
在早先的日本專利發(fā)布No.2002-48053中提出了人體運(yùn)動施加器，該施加器使用一種形狀記憶合金，這種形狀記憶合金響應(yīng)所加的電流產(chǎn)生的熱而發(fā)生變形，從而給人的一部分軀體施加伸長或收縮力以幫助其實(shí)施所意欲的運(yùn)動。然而，由于記憶合金的響應(yīng)速度及所能給出的位移量的限制，現(xiàn)有技術(shù)的運(yùn)動施加器是不完美的，亦即它并不能完全滿足幫助或誘導(dǎo)人體運(yùn)動的實(shí)際需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)已作改進(jìn)。本發(fā)明提供了一種經(jīng)過改進(jìn)的人體運(yùn)動施加器，該施加器能夠快速地向人體的部分軀體提供足量的位移。符合本發(fā)明的人體運(yùn)動施加器包括一個(gè)適于貼合到人體部分軀體上的支承件。該支承件上帶有至少一個(gè)電激勵的彈性作動件，該作動件將作用力傳輸?shù)饺说牟糠周|體上。該彈性作動件包括一個(gè)不導(dǎo)電的芯子和一對置于芯子兩側(cè)的電極，這兩個(gè)電極用于接受跨接在二者之間的直流驅(qū)動電壓。該彈性作動件具有一個(gè)長度以及該長度方向上的彈性變形，當(dāng)直流驅(qū)動電壓增加時(shí)，該作動件的彈性變形對人的部分軀體施加更大程度的伸展力。該施加器還包括一個(gè)用于提供所述直流驅(qū)動電壓的直流電壓源。該施加器還包括一個(gè)控制器，該控制器對彈性作動件施加變化范圍的直流驅(qū)動電壓，從而向人體的部分軀體施加變化的運(yùn)動誘導(dǎo)力。該彈性作動件能夠快速地產(chǎn)生足量的變形，向人的部分軀體提供穩(wěn)定而平滑的運(yùn)動，因此足以幫助或誘導(dǎo)人體實(shí)現(xiàn)其意欲的運(yùn)動。
優(yōu)選的是，所述支承件用柔性材料制造并適于貼合在部分軀體周圍，提供一個(gè)圍繞部分軀體的圓筒形構(gòu)造。所述作動件固接在該柔性支承件上，以和支承件一起彈性變形。這樣，作動件發(fā)出的力便能順利地傳輸?shù)饺说牟糠周|體上而不會和支承件發(fā)生實(shí)質(zhì)地干擾。
優(yōu)選的是，該施加器包括一個(gè)運(yùn)動傳感器，該傳感器感受人的軀體正在作出的運(yùn)動并給出表示該運(yùn)動量的指示信號。控制器響應(yīng)該運(yùn)動信號并提供和該運(yùn)動信號相應(yīng)的直流驅(qū)動電壓范圍，以使作動件發(fā)出適當(dāng)強(qiáng)度的力來促進(jìn)或阻擋該運(yùn)動。
作為該運(yùn)動傳感器的替代品，該施加器可以裝有一個(gè)信號發(fā)生器，該信號發(fā)生器發(fā)出表示直流驅(qū)動電壓隨機(jī)變化的隨機(jī)信號。控制器響應(yīng)該隨機(jī)信號而向作動件施加隨機(jī)變化的直流驅(qū)動電壓，從而使作動件對施加器發(fā)出隨機(jī)變化的力并迫使使用者發(fā)出反作用力，因此對肌肉提供訓(xùn)練或康復(fù)的功能。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，施加器包括一個(gè)方向傳感器，該傳感器感受人的軀體正在作出的運(yùn)動的方向并給出表示該運(yùn)動方向的信號。施加器還包括一個(gè)選擇器，該選擇器使控制器或是處于運(yùn)動幫助模式或是處于訓(xùn)練模式。當(dāng)處于運(yùn)動幫助模式時(shí)，控制器響應(yīng)該運(yùn)動方向信號并給出直流驅(qū)動電壓范圍，使彈性作動件作出一方向的變形，該方向的變形有助于人體正在作出的運(yùn)動。當(dāng)處于訓(xùn)練模式時(shí)，控制器響應(yīng)該運(yùn)動方向信號并給出直流驅(qū)動電壓范圍，使彈性作動件作出一方向的變形，該方向的變形與人體正在作出的運(yùn)動的方向相反。這樣的設(shè)計(jì)，使得該施加器能夠有選擇地用來作為人體運(yùn)動幫助裝置或運(yùn)動訓(xùn)練裝置。
為了使施加器能夠更好的幫助人體的關(guān)節(jié)進(jìn)行運(yùn)動，施加器包括了一個(gè)支承件和一個(gè)運(yùn)動傳感器。該支承件的構(gòu)造設(shè)計(jì)成吻合在人體的關(guān)節(jié)周圍。該運(yùn)動傳感器感受正在作出的圍繞關(guān)節(jié)的運(yùn)動的方向及大小，以給出表示該運(yùn)動方向及大小的運(yùn)動信號。控制器響應(yīng)該運(yùn)動信號并給出直流驅(qū)動電壓的范圍，使彈性作動件變形以幫助關(guān)節(jié)彎曲或伸直。
為了成功地幫助關(guān)節(jié)運(yùn)動，支承件制成圓筒形，具有一條長度方向的軸線。該支承件貼合在關(guān)節(jié)周圍，圍繞長度方向的軸線在圓筒形支承件直徑兩端帶有兩個(gè)彈性作動件，其中一個(gè)在關(guān)節(jié)的前方另一個(gè)在關(guān)節(jié)的后方。控制器響應(yīng)所述運(yùn)動信號并選擇其中一個(gè)彈性作動件，并向該作動件施加直流驅(qū)動電壓范圍，使其在一方向變形以幫助關(guān)節(jié)彎曲或伸直。該項(xiàng)技術(shù)與作動件關(guān)節(jié)運(yùn)動保持一致，并能提供平滑而舒適的運(yùn)動幫助。
另外，可以將控制器設(shè)計(jì)成響應(yīng)所述運(yùn)動信號從選擇其中一個(gè)彈性作動件，并對該作動件施加高的直流驅(qū)動電壓范圍，以使其伸展，而同時(shí)對另一個(gè)彈性作動件施加低的直流驅(qū)動電壓范圍，以使其從伸展?fàn)顟B(tài)下收縮，從而幫助關(guān)節(jié)彎曲或伸直。這兩個(gè)作動件所發(fā)出的力形成一個(gè)圍繞關(guān)節(jié)的力偶，該力偶有助于關(guān)節(jié)的運(yùn)動。
本發(fā)明施加器還可用來減輕人體軀干畸變。為此，所述支承件設(shè)計(jì)成圓筒形，該圓筒形支承件具有一個(gè)吻合圍繞軀干的長度方向的軸線。該支承件帶有一對帶狀彈性作動件，該作動件都圍繞所述長度方向軸線延伸。這兩個(gè)支承件即帶狀的，相對于所述長度方向軸線以不同夾角延伸使其相互交叉。該施加器中包括了一個(gè)運(yùn)動傳感裝置用來感受軀干分別圍繞長度方向軸線和橫向軸線(與長度方向軸線垂直的軸線)的彎曲(strains)量并發(fā)出一個(gè)表示該彎曲量的彎曲信號?？刂破黜憫?yīng)該彎曲信號并對彈性作動件施加相應(yīng)的變化的直流驅(qū)動電壓范圍，以使其在一方向上產(chǎn)生彈性變形來減少所述彎曲量。
對于裝有運(yùn)動傳感器的施加器來說，其控制器最好包括一個(gè)表格，表格中存有大量的程序，該程序給出與所感受到的運(yùn)動量相對應(yīng)的不同范圍的直流驅(qū)動電壓。施加器中還包括一個(gè)程序選擇器，用于從這些程序中選出一個(gè)程序，以使作動件按照該程序產(chǎn)生變形。這樣，施加器便能容易地適應(yīng)不同肌肉力度的使用者。
彈性作動件可以由至少一個(gè)纖維來實(shí)現(xiàn)，該纖維由不導(dǎo)電的中空的圓筒形芯子和內(nèi)、外電極組成，該內(nèi)、外電極分別位于中空芯子的內(nèi)、外表面上。這樣，作動件能提供沿著纖維的長度方向的最佳變形方向。同時(shí)，兩個(gè)電極相對于不導(dǎo)電芯子的橫斷面上具有大的比表面，因此只需要最小的直流驅(qū)動電壓便能得到較大的電激勵力來使作動件沿著其長度方向變形，從而保證了有效的電力驅(qū)動。不導(dǎo)電的空心圓筒形芯子內(nèi)可以填充電極，以使纖維的直徑達(dá)到最小。優(yōu)選的是，外電極上覆蓋有一層不導(dǎo)電的護(hù)層。另外，可以將許多帶有不導(dǎo)電護(hù)層的纖維捆梆在一起而形成一個(gè)單個(gè)的可變形模塊。
為了使作動件能夠很好的適應(yīng)人的部分軀體的輪廓，至少一股纖維被編織到編織的結(jié)構(gòu)中，其具有固有的回彈性，這種回彈性疊加到纖維所具有的彈性變形上。彈性作動件或上述纖維可以編織成圓筒形構(gòu)造以便吻合在人體的部分軀體周圍。圓筒形構(gòu)造中的編織纖維可以是緊密地貼合在類似的圓筒形柔性支承件上或是本身可以確定該支承件的主要部分。
所述纖維可以螺旋地繞成一個(gè)圓筒形的彈性作動件，該作動件是要被吻合在部分人體周圍的。
另外，彈性作動件可包括的不導(dǎo)電芯子可以是一種具有彈性的板片，該板片具有一個(gè)前面和一個(gè)后面，兩個(gè)面上分別覆蓋了電極。每個(gè)電極具有許多柔性的墊片，各墊片以相互間隔開設(shè)置并相互電連接，以具有相同的電位。這種構(gòu)造使得電極具有足夠的柔性來隨著彈性板片的彈性變形而變形，從而使得整個(gè)作動件具有更好的回彈性。
備選的是，各電極是穿孔的形式，具有許多空洞以使電極為柔軟的。
為了增強(qiáng)作動件的力度，作動件可以制成為多層的。其中許多篩狀的薄膜電極與許多彈性的薄膜狀的不導(dǎo)電芯子交替地層疊在一起。
當(dāng)作動件是由不導(dǎo)電彈性板片及覆蓋在板片兩邊的相應(yīng)電極組成，而且兩個(gè)電極都是許多柔性墊片或篩狀薄膜的形式，作動件便可制成圓筒形狀，這樣，作動件便可圍繞在人的部分軀體周圍，以便于施加器的組裝。
另外，作動件可以在一個(gè)特定方向上經(jīng)受機(jī)械的預(yù)壓縮以產(chǎn)生一個(gè)機(jī)械的彈簧力，該彈簧力疊加在由于施加直流驅(qū)動電壓而發(fā)生的電激勵力上。這種方式的作動件可以具有一個(gè)最佳的變形方向，其中作動件主要是按照所接受的直流驅(qū)動電壓來變形，而最終得到的力主要是沿著預(yù)定方向加到人體上。為了達(dá)到這一目的，可以將位于不導(dǎo)電芯子兩邊的電極受到預(yù)壓縮，以得到所述機(jī)械的彈簧力。
通過下面結(jié)合附圖所進(jìn)行的實(shí)施例描述，本發(fā)明的這些及其它的目的和優(yōu)點(diǎn)將更加明顯。


圖1為符合本發(fā)明第一實(shí)施例的可穿戴式人體運(yùn)動施加器的透視圖；圖2為用于上述施加器的電激勵彈性作動件的透視圖；
圖3A及圖3B為上述施加器工作情況的示意圖；圖4為上述施加器的電路方框圖；圖5為上述施加器使用反饋控制的方框圖；圖6和圖7分別說明上述施加器的工作狀況；圖8為上述施加器的透視圖；圖9A及圖9B為符合本發(fā)明第二實(shí)施例的可穿戴式人體運(yùn)動施加器的原理圖；圖10為符合本發(fā)明第三實(shí)施例的可穿戴式人體運(yùn)動施加器的透視圖；圖11為可應(yīng)用到上述施加器中的一個(gè)相似的作動件的原理圖；圖12和圖13為符合本發(fā)明第四實(shí)施例的可穿戴式人體運(yùn)動施加器的原理圖；圖14為上述施加器的電路方框圖；圖15為符合本發(fā)明第五實(shí)施例的可穿戴式人體運(yùn)動施加器的透視圖；圖16上述施加器所用的作動件的透視圖；圖17為上述作動件的剖面圖，圖中的絕緣護(hù)層已揭除；圖18及圖19示意地表述了可用于上述施加器的作動件中的捆梆式組合件；圖20A及圖20B示意地表述了可用于本發(fā)明施加器的編織構(gòu)造的作動件；圖21A及圖21B示意地表述了可用于本發(fā)明施加器的圓筒構(gòu)造的作動件；圖22A及圖22B示意地表述了可用于本發(fā)明施加器的螺旋構(gòu)造的作動件；圖23為可用于本發(fā)明施加器的一種作動件的平面圖，該作動件帶有許多柔性墊片；圖24示意地表述了一個(gè)作動件電路；圖25為可并入到上述作動件中的橢圓形電極的示意圖；圖26A及圖26B為可用于本發(fā)明施加器的圓筒形作動件的透視圖；圖27A及圖27B為可用于本發(fā)明施加器的另一種作動件，該作動件帶有穿孔的電極；
圖28為可用于本發(fā)明施加器的帶有篩狀電極的作動件的透視圖；圖29為上述施加器中的篩狀電極的平面圖；圖30為可用于本發(fā)明施加器的多層構(gòu)造作動件的透視圖；圖31A及圖31B為帶有預(yù)壓縮電極的作動件的示意圖，該種電極可以并入到上述作動件中。
具體實(shí)施例方式
圖1所示為符合本發(fā)明第一實(shí)施例的可穿戴式人體運(yùn)動施加器。該施加器包括一個(gè)柔性支承件10和控制品30，支承件10上帶有一對電激勵彈性作動件50，而控制器30裝在使用者身上(例如衣服上或口袋中)。柔性支承件10包括一個(gè)可伸展織物制成的本體11和用來將支承件固定在軀體上的緊固件12，該本體11適于吻合在諸如膝關(guān)節(jié)等部分軀體周圍。本體11可以制成套筒或繃帶形式，如圖8所示。作動件50如公知那樣是一種電致伸縮聚合物作動器，并由不導(dǎo)電的芯子51和一對位于芯子51的相對兩個(gè)側(cè)面上的柔性電極60組成。不導(dǎo)電芯子51用諸如丙烯酸彈性體及硅樹脂等彈性聚合物制成。如圖2所示，本實(shí)施例的作動件50是一個(gè)細(xì)長的板片，其厚度方向上帶有兩個(gè)間隔開的電極60。電極60由貴金屬濾器和碳黑的混合物形成，它們擴(kuò)散到聚合物的表面內(nèi)或覆蓋在聚合物表面上并能柔性地隨著聚合物一起彈性變形。當(dāng)兩個(gè)電極60上施加一個(gè)直流驅(qū)動電壓時(shí)，這兩個(gè)電極60便相互吸引，結(jié)果使得作動件50在其厚度方向上受到壓縮而在長度及寬度方向上產(chǎn)生可回復(fù)的擴(kuò)展。當(dāng)直流驅(qū)動電壓去除時(shí)作動件50便回復(fù)其原有尺寸，亦即由于聚合物的固有回彈特性而收縮。作動件50的彈性變形量與所加的直流電壓成正比。因此，當(dāng)直流電壓增加時(shí)作動件50能夠擴(kuò)張到更大程度，而當(dāng)電壓下降時(shí)則會收縮。在該實(shí)施例中，控制器30設(shè)計(jì)用來改變施加到兩個(gè)電極60上的直流電壓。
如圖3A及3B所示，支承件10吻合在膝關(guān)節(jié)周圍，其中一個(gè)作動件50位于關(guān)節(jié)前方另一個(gè)作動件50位于關(guān)節(jié)的后方，以產(chǎn)生幫助關(guān)節(jié)彎曲或伸直的力。為此，施加器包括一個(gè)傳感器20。該傳感器20放置在支承件10的內(nèi)面并和關(guān)節(jié)周圍的皮膚相接觸以感受關(guān)節(jié)正在作出的運(yùn)動。傳感器20可以是一個(gè)應(yīng)變片、肌電傳感器、或壓強(qiáng)傳感器。該傳感器20監(jiān)測腿肌所發(fā)出的瞬間力并給出指示監(jiān)測結(jié)果的輸出值。如圖4所示，控制器30包括一個(gè)運(yùn)動分析器31，其用途為分析來自傳感器20的輸出值以確定所測得的力的瞬間值及作用方向，亦即確定膝部是彎曲的還是伸直的。這里，運(yùn)動分析器31和傳感器20協(xié)同工作而成為一個(gè)運(yùn)動傳感器，該運(yùn)動傳感器給出一個(gè)運(yùn)動信號，該運(yùn)動信號表示人體的該關(guān)節(jié)部位正在作出的運(yùn)動的大小及方向?？刂破?0要向作動件上的兩個(gè)電極60施加變化的直流電壓，以產(chǎn)生一個(gè)幫助力(AF)，該幫助力(AF)和人體實(shí)際發(fā)出的力(HF)成正比并小于該人體力(HF)，二者的差值為一個(gè)常量，如圖6所示。由于各個(gè)個(gè)體的肌肉力量是不同的，控制器30內(nèi)備有一個(gè)能量表格32，表格32中載有大量的確定所監(jiān)測到的人力(HF)和幫助力(AF)目標(biāo)值之間的關(guān)系的程序?？刂破?0中包括一個(gè)程序選擇器33，該選擇器33的用途為從這些程序中選擇一個(gè)程序以根據(jù)所監(jiān)測到的人力(HF)值來提供幫助力(AF)的目標(biāo)值。調(diào)節(jié)器34按照該選定的程序?qū)⒖刂菩盘柊l(fā)給直流可變電壓源38，以能量表格32中的目標(biāo)值為基礎(chǔ)，以圖5所示的反饋方式來調(diào)節(jié)施加給作動件的直流驅(qū)動電壓。結(jié)果是作動件所發(fā)出的幫助力(AF)能夠精確地跟隨實(shí)際人力(HF)而變化，如圖7所示。圖7演示了由人力(HF)所代表的股肌力和由幫助力(AF)所代表的作動件輸出之間的同步關(guān)系，圖中展示的是二者在一個(gè)走步周期之內(nèi)的變化。直流可變電壓源38和開關(guān)36都裝在控制器外殼40內(nèi)，并且通過電纜41及位于支承件一端的可分離插頭42連接到作動件50上。從插頭42連到作動件50的電連接是用電線或類似的柔性金屬絲來實(shí)現(xiàn)的。
運(yùn)動信號還饋送給方向選擇器35以判定由所選定程序所確定的直流電壓應(yīng)該施加到哪一個(gè)作動件50上以使其伸展，該方向選擇器35已經(jīng)對所監(jiān)測到的人力的方向有所認(rèn)定。這樣，當(dāng)膝部從圖3A所示的位置彎曲到圖3B所示位置時(shí)，傳感器的輸出增加，方向選擇器35便觸發(fā)一個(gè)開關(guān)36以將能量加到膝部前方的那個(gè)作動件50上并斷開膝部后方的作動件的能量供應(yīng)，于是前作動件朝有助于膝部彎曲的方向伸展。相反，當(dāng)膝部伸直時(shí)，傳感器的輸出下降，方向選擇器35觸發(fā)開關(guān)36以將能量加到膝部后方的那個(gè)作動件50上并斷開膝部前方的作動件的能量供應(yīng)，于是后作動件朝有助于膝部伸直的方向伸展。
除了能幫助關(guān)節(jié)運(yùn)動的功能以外，本實(shí)施例的施加器還可產(chǎn)生和人體運(yùn)動相反的力以達(dá)到鍛煉腿部肌肉的目的。為此，控制器30被編程為具有“運(yùn)動幫助”及“運(yùn)動訓(xùn)練”兩個(gè)模式并包括一個(gè)用來選定其中一個(gè)模式的模式選擇器37。當(dāng)處于運(yùn)動幫助模式時(shí)，施加器所產(chǎn)生的是幫助力；當(dāng)處于訓(xùn)練模式時(shí)，施加器所產(chǎn)生的是相反的阻擋力。當(dāng)選定了訓(xùn)練模式時(shí)，方向選擇器35起了和上述運(yùn)動幫助模式時(shí)相反的作用，亦即在關(guān)節(jié)作伸直運(yùn)動的實(shí)際情況下選擇器35激勵其中一個(gè)作動件，該作動件使得關(guān)節(jié)彎曲，反之亦然。
在控制器外殼40的前面板上裝有用來選擇模式和程序的按鈕44以及用來顯示所選定的模式和程序的顯示器46。
這里指出，當(dāng)彎曲或伸直關(guān)節(jié)時(shí)，其中一個(gè)彈性作動件伸展，而同時(shí)另一個(gè)彈性作動件則從伸展?fàn)顟B(tài)下收縮，從而形成一個(gè)圍繞關(guān)節(jié)的力偶，因此增強(qiáng)了施加器的性能。然而，由于人體在彎曲關(guān)節(jié)時(shí)比伸直關(guān)節(jié)時(shí)需要更多的能量，因此可以僅在關(guān)節(jié)前方設(shè)置一個(gè)作動件，該作動件伸展時(shí)便會幫助關(guān)節(jié)彎曲。
另外，雖然最好是將作動件50設(shè)置在支承件10的內(nèi)面處以使作動件50和人的軀體接觸并將力直接傳輸給軀體，但也可將作動件50并入到支承件10的內(nèi)部或甚至就設(shè)置在支承件10的外表面上，倘若這樣該力仍能通過支承件傳輸給人體。
如圖8所示，支承件10可以在長度方向的兩端上各設(shè)一個(gè)傳感器20，以用來給出監(jiān)測結(jié)果的平均值，或是能夠得到更可靠的人體運(yùn)動數(shù)據(jù)。
圖9A及9B展示了本發(fā)明的第二實(shí)施例，其中該施加器包括一個(gè)手套狀的柔性支承件10A，其用途為幫助手指運(yùn)動或是對手指進(jìn)行訓(xùn)練。手套上每個(gè)手指的手掌一面和手背一面上各設(shè)有一個(gè)作動件50A。兩個(gè)面上的作動件50A并聯(lián)地連接到相同的直流電壓源的兩端上，因此它們將同時(shí)受到激勵而產(chǎn)生作用力共同來幫助手指彎曲或伸直。該實(shí)施例的其它結(jié)構(gòu)或操作情況同第一實(shí)施例。在本實(shí)施例中，傳感器可以設(shè)在手套的任何一個(gè)手指上。
圖10展示了本發(fā)明的第三實(shí)施例。該實(shí)施例設(shè)計(jì)用來減輕人體脊柱畸變。該實(shí)施例包括一個(gè)圓筒形的繞在人體周圍的軀體支承件10B。軀體支承件10B用柔性材料制作并帶有一對相同的帶狀作動件50B。兩個(gè)作動件50B在支承件的長度方向的軸線周圍延伸并在支承件背部處相互交叉。支承件50B還帶有四個(gè)傳感器20B。這四個(gè)傳感器20分別設(shè)置在每個(gè)作動件50B的各端上，以獲得軀干分別圍繞長度方向軸線和橫向軸線(該橫向軸線垂直于長度方向軸線)的彎曲(strains)量。各個(gè)傳感器20B的輸出經(jīng)由與圖4實(shí)施例相似的運(yùn)動分析器進(jìn)行處理后給出表示彎曲量的彎曲信號。該實(shí)施例中還包括一個(gè)相似的控制器，其用于響應(yīng)所述彎曲信號而給出變化的直流驅(qū)動電壓范圍，以使一個(gè)或兩個(gè)作動件產(chǎn)生能夠減輕該彎曲量(亦即軀干的畸變量)的彈性變形。
圖11展示了另一種作動件50C。該作動件50C是一種可用于本發(fā)明施加器的多層構(gòu)造。作動件50C包括許多板片形的不導(dǎo)電的彈性芯子51C以及許多平板形柔性電極60C，這些芯子及電極交替地層疊在一起。各個(gè)電極和相隔一個(gè)的電極一起連接到相同的電位上，因此所有的不導(dǎo)電芯子都受到相同的電位差以產(chǎn)生均勻的變形。
圖12到圖14展示了本發(fā)明的第四實(shí)施例。該實(shí)施例是設(shè)計(jì)用來對人體下肢進(jìn)行按摩的。該實(shí)施例包括一個(gè)柔性的管形支承件10D，其用途為吻合在下肢的小腿附近。在該實(shí)施例中，支承件10D帶有一個(gè)管形的作動件50D。管形作動件50D的內(nèi)、外表面上相應(yīng)地設(shè)有柔性電極。隨著作用在這些電極上的直流電壓的增加及減少，該管形作動件50D便相應(yīng)地徑向伸展及收縮。于是，便在下肢上反復(fù)地產(chǎn)生并隨后釋放一個(gè)壓力，這樣就對下肢起按摩作用。
為此，控制器30D包括了一個(gè)生成隨機(jī)信號的隨機(jī)信號發(fā)生器39D。該隨機(jī)信號通過倍增器47D饋送到電壓發(fā)生器48D。隨機(jī)信號在這里進(jìn)行處理以得出適當(dāng)范圍的直流驅(qū)動電壓，該驅(qū)動電壓從直流電壓源38D施加到作動件50D上?？刂破?0D還包括一個(gè)調(diào)節(jié)器49D，該調(diào)節(jié)器49D通過倍增器47D對直流驅(qū)動電壓的范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而改變按摩的強(qiáng)度。雖然本實(shí)施例中使用了隨機(jī)信號發(fā)生器39D以隨機(jī)地改變作用在人體上的力的強(qiáng)度，但本實(shí)施例同樣可以使用一個(gè)確定變化的直流電壓圖或是間斷地使用恒定的直流電壓來使管形作動件50D作重復(fù)性的伸展及收縮，同樣可以達(dá)到按摩下肢的目的。
這里指出，上述控制器30D同樣可以應(yīng)用到前面描述過的各個(gè)實(shí)施例中來替代圖4所示的控制器30。這樣，作動件便生成一種隨機(jī)變化的力來使關(guān)節(jié)彎曲或伸直，該隨機(jī)變化的力包括和人的意愿相反的力，以達(dá)到訓(xùn)練或康復(fù)的目的。
圖15到圖17展示了本發(fā)明的第五實(shí)施例。該實(shí)施例除了使用作動件50E以外具余都與第一實(shí)施例相同。每個(gè)作動件50E都是纖維狀的。該纖維具有一個(gè)由彈性體聚合物制成的不導(dǎo)電的空心圓筒形的芯子51E。每個(gè)空心圓筒形芯子51E的內(nèi)、外表面上擴(kuò)散或覆蓋了電極60E。每個(gè)電極60E都由碳黑和貴金屬填料(Precious metal filler)的混合物形成，該電極具有足夠的柔性來跟隨空心圓筒芯子作彈性變形。于是，作動件50E能夠在長度方向上彈性地伸展，此彈性伸展和施加在電極60E上的直流驅(qū)動電壓成正比。纖維狀作動件50E排成一行并固定在管形套筒10E的前側(cè)面上，使得作動件50E可以將力傳輸給人的部分軀體。諸作動件50E并聯(lián)地連到直流電源38E的兩端，因此它們將同時(shí)根據(jù)控制器30E的輸出來變形?？刂破?0E和第一實(shí)施例中所用的控制器的構(gòu)造相同。為了防止外電極60E和周圍環(huán)境發(fā)生電接觸，每個(gè)外電極60E表面上都覆蓋了一層不導(dǎo)電的護(hù)層52E。傳感器20E設(shè)置在支承件10E的內(nèi)面上，其功能與第一實(shí)施例中所述的相同。在纖維狀作動件的結(jié)構(gòu)中，外電極相對不導(dǎo)電芯子橫斷面的比表面很大，因此使作動件變形的電激勵力也很大。這樣就可以用很小的電力來使作動件變形，因而能高效的進(jìn)行電力驅(qū)動。雖然圖中展示的實(shí)施例的作動件是空心的，但該作動件也可以是實(shí)心的，亦即在芯子的中心孔中填滿了內(nèi)電極60E。這樣的實(shí)心作動件具有纖維直徑較小的優(yōu)點(diǎn)。
如圖18及圖19所示，多個(gè)纖維狀作動件50E可以捆綁成一束成為一個(gè)作動模塊，該模塊固定在支承件上以對人的部分軀體提供更大的力量。
備選的是，如圖20A及20B所示，單股的纖維狀作動件50E可以織入到一種編織構(gòu)造中，該編織構(gòu)造具有自己的回彈性，該回彈性可以疊加到纖維狀作動件的彈性變形上。由于編織構(gòu)造本身具有回彈性的最佳方向，可以成功地將纖維狀作動件的電激勵變形對沿著該最佳方向引導(dǎo)。這樣，便可有效而且高效地使編織構(gòu)造中的作動件在預(yù)定的方向上從未通電的圖20A狀態(tài)變形到通電的圖20B狀態(tài)。這種編織作動件的形狀可以是一個(gè)平坦的板片以固定到支承件上，或可以是一個(gè)圍繞在人的部分軀體周圍的套筒。當(dāng)編織作動件是一個(gè)平坦板片時(shí)，該作動件可以很好的用在上述的如圖1、8、9及10所示的實(shí)施例中。當(dāng)編織作動件是一個(gè)套筒時(shí)，該作動件可以最佳地用在如圖12所示的實(shí)施例中。套筒形的作動件可以固定到管形支承件上，或甚至可以形成為管形支承件的主要部分。在后一種情況下，支承件可以簡單地設(shè)計(jì)成將套筒形作動件附著到人的部分軀體上。在作動件50E被編織到一個(gè)如圖21A所示的兩端直徑較大中間直徑較小的套筒內(nèi)的情況下，當(dāng)作動件50E通電而發(fā)生彈性變形時(shí)，可以在縱軸方向上產(chǎn)生更大的彈性變形力，如圖21B所示。
另外，纖維狀作動件50E可以形成一個(gè)如圖22A所示的被螺旋成圓筒形以圍繞在人的部分軀體周圍。當(dāng)通電時(shí)，纖維狀作動件50E沿著圓周方向伸展，圓筒的直徑隨著增加，如圖22B所示。因此，螺旋管式作動件可以最佳地應(yīng)用在如圖12所示的實(shí)施例中。
圖23及圖24所示的作動件50F的形狀與前面公開的不同，但同樣可以應(yīng)用在本發(fā)明的施加器中。作動件50F由用彈性體聚合物制作的不導(dǎo)電的平板形芯子51F和設(shè)置在芯子51F的相對兩個(gè)側(cè)面上的許多柔性墊片61組成。芯子每個(gè)側(cè)面上的諸多墊片61都被連接以具有相等的電位并確定了一個(gè)電極60F。諸墊片61都是園形的，它們沿著不導(dǎo)電芯子的長度及寬度方向間隔均勻地排列成一個(gè)陣列。當(dāng)在兩個(gè)電極60F之間加上直流驅(qū)動電壓時(shí)，作動件50F沿著其長度及寬度方向基本均勻地伸展，而柔性墊片61伴隨著變形。為了得到一個(gè)最佳變形方向，例如長度方向，每個(gè)墊片都可以制成橢圓形，橢圓的長軸對準(zhǔn)作動件50F的長度方向，如圖25所示。
圖26A所示為另一種作動件50G，這種作動件50G的形狀為兩端直徑較大中間直徑較小的圓筒。作動件50G包括一個(gè)由彈性體聚合物制成的不導(dǎo)電的圓筒形芯子51G。圓筒的內(nèi)、外表面上各設(shè)置了一個(gè)柔性墊片61的陣列以確定電極60G，正如參照圖23及圖24的說明相同。如此制成的作動件50G當(dāng)進(jìn)行激勵時(shí)將大大地在軸向伸展，當(dāng)直流驅(qū)動電壓降低時(shí)便將收縮，而墊片61將隨著它變形，如圖26B所示。圓筒形作動件50G可以最佳地用來圍繞在部分軀體上以對軀體的整個(gè)園周進(jìn)行反復(fù)的拉伸。
可以用如圖27A所示的帶孔的具有孔洞陣列62的電極60H來替代上述柔性墊片，使得作動件在長度和寬度方向上都具有足夠的柔性。不導(dǎo)電芯子的兩個(gè)側(cè)面都使用了這種帶孔的電極的作動件，當(dāng)對這兩個(gè)電極加上直流驅(qū)動電壓時(shí)，作動件能夠在長度及寬度方向上基本等同地進(jìn)行伸展，如圖27B所示。
圖28及圖29所示為一種板片狀作動件50J。該作動件50J具有一對各由篩狀薄膜所確定的電極。這種作動件50J可以用到本發(fā)明的施加器中。作動件50J包括由彈性體聚合物形成的不導(dǎo)電芯子51J及位于芯子51J相對兩個(gè)側(cè)面上的篩狀薄膜電極60J。該篩狀薄膜電極60J是用許多相互交叉的導(dǎo)線來形成的，如圖29所示，這種電極60J具有足夠的柔性來隨著聚合物或不導(dǎo)電芯子51J的變形而變形。這樣，整個(gè)作動件50J，當(dāng)對其加上或斷開直流驅(qū)動電壓時(shí)，便能夠在很大范圍內(nèi)平滑地伸展或收縮。這里指出，這種帶有篩狀薄膜電極的作動件可以制成任何其它適用的形狀，例如圓筒形等。另外，可以將兩個(gè)以上的篩狀薄膜電極60J和相應(yīng)數(shù)量的不導(dǎo)電芯子51J交替層疊起來形成一個(gè)如圖30所示的多層結(jié)構(gòu)的作動件，這種作動件能夠形成很大的伸展力或收縮力。
圖31A所示為不導(dǎo)電芯子51K的兩個(gè)側(cè)面上都帶有預(yù)壓縮電極60K的另一施加器50K。這種作動件50K可以用作本發(fā)明的施加器。該作動件50K中的電極60K用導(dǎo)線制成機(jī)械彈簧形狀。在該彈簧狀電極60K在長度方向上受到壓縮的狀態(tài)下將其兩端相應(yīng)地固定在芯子51K的長度方向的兩端上。這樣，該作動件便具有一個(gè)最佳變形方向，其中彈簧受到偏壓。當(dāng)加上直流驅(qū)動電壓時(shí)，作動件50K能發(fā)出的更大的總變形力，該總變形力等與不導(dǎo)電芯子51K的電激勵力加上電極60K的機(jī)械彈簧力，如圖31B所示。
應(yīng)當(dāng)指出，這里所公開的有關(guān)施加器的調(diào)控及作動件的構(gòu)造方面的各個(gè)特征還可對其進(jìn)行許多修改，但這種修改還將包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種可穿戴式人體運(yùn)動施加器，該施加器包括一個(gè)支承件，該支承件適于吻合在人的部分軀體上；至少一個(gè)電激勵彈性作動件，該作動件以可向所述人的部分軀體傳力的方式裝載在所述支承件上，所述彈性作動件包括一個(gè)不導(dǎo)電的芯子及一對位于該芯子相對兩側(cè)面上的電極，該電極用于接受施加給它們的直流驅(qū)動電壓，所述彈性作動件具有一個(gè)長度及沿著長度方向的彈性伸展，因此當(dāng)所述直流驅(qū)動電壓增加時(shí)該作動件向所述人的部分軀體發(fā)出大范圍的伸展力；一個(gè)用于提供所述直流驅(qū)動電壓的直流電壓源；一個(gè)控制器，對將所述彈性作動件施加的變化范圍的所述直流驅(qū)動電壓，從而向所述人的部分軀體施加變化的運(yùn)動誘導(dǎo)力。
2.如權(quán)利要求1的可穿戴式人體運(yùn)動施加器，其中所述支承件用柔性材料制造并形成適于圍繞在所述人的部分軀體周圍，提供圍繞所述部分軀體的圓筒形構(gòu)造；所述作動件固定在所述支承件上，以和所述支承件一起彈性變形。
3.如權(quán)利要求1的可穿戴式人體運(yùn)動施加器，該施加器還包括一個(gè)運(yùn)動傳感器，該傳感器感受所述人的部分軀體的運(yùn)動并給出表示所述部分軀體正在作出的運(yùn)動量的信號，所述控制器響應(yīng)所述運(yùn)動信號并給出與該運(yùn)動信號相應(yīng)的直流驅(qū)動電壓范圍。
4.如權(quán)利要求1的可穿戴式人體運(yùn)動施加器，該施加器還包括一個(gè)信號發(fā)生器，該信號發(fā)生器發(fā)出一個(gè)表示直流驅(qū)動電壓隨機(jī)變化的隨機(jī)信號，所述控制器向所述彈性作動件施加根據(jù)該隨機(jī)信號而隨機(jī)變化的直流驅(qū)動電壓。
5.如權(quán)利要求1的可穿戴式人體運(yùn)動施加器，該施加器還包括一個(gè)方向傳感器，該傳感器感受所述軀體正在作出的運(yùn)動的方向以給出一個(gè)表示該運(yùn)動方向的方向信號，所述控制器提供一個(gè)運(yùn)動幫助模式和一個(gè)運(yùn)動訓(xùn)練模式，所述運(yùn)動幫助模式為所述控制器響應(yīng)所述方向信號并給出所述直流驅(qū)動電壓范圍，該直流驅(qū)動電壓使得所述彈性作動件發(fā)生一方向的變形，該方向的變形有助于人體正在作出的運(yùn)動；以及所述運(yùn)動訓(xùn)練模式為所述控制器響應(yīng)所述方向信號并給出所述直流驅(qū)動電壓范圍，該直流驅(qū)動電壓使得所述彈性作動件發(fā)生一方向的變形，該方向的變形與人體正在作出的運(yùn)動相反；所述施加器還包括一個(gè)選擇器，該選擇器有選擇地激發(fā)所述運(yùn)動幫助模式及所述運(yùn)動訓(xùn)練模式中的一個(gè)模式。
6.如權(quán)利要求1的可穿戴式人體運(yùn)動施加器，其中所述支承件適于吻合在人體的關(guān)節(jié)周圍，所述施加器包括一個(gè)運(yùn)動傳感器，該傳感器感受在所述關(guān)節(jié)周圍的運(yùn)動方向及運(yùn)動量，以提供一個(gè)表示該運(yùn)動方向和該運(yùn)動量的運(yùn)動信號；所述控制器響應(yīng)所述運(yùn)動信號并對彈性作動件施加所述直流驅(qū)動電壓范圍，所述彈性作動件發(fā)生一方向的變形，該方向的變形幫助所述關(guān)節(jié)彎曲或伸直。
7.如權(quán)利要求2的可穿戴式人體運(yùn)動施加器，其中所述圓筒形支承件具有一長度方向的軸線并且適于吻合在人體的一個(gè)關(guān)節(jié)周圍；圍繞所述圓筒形支承件所述長度方向的軸線，在其直徑的相對兩端對應(yīng)于關(guān)節(jié)前方和后方的位置上各設(shè)有一個(gè)所述彈性作動件，對每個(gè)所述彈性作動件施加所述變化的直流驅(qū)動電壓范圍；所述施加器包括一個(gè)運(yùn)動傳感器，該傳感器感受在所述關(guān)節(jié)周圍的運(yùn)動方向和運(yùn)動量并給出表示正在作出的運(yùn)動量和運(yùn)動方向的信號；所述控制器響應(yīng)所述運(yùn)動信號，選擇兩個(gè)所述彈性作動件中的一個(gè)作動件，并對所選定的作動件施加所述直流驅(qū)動電壓范圍，該直流驅(qū)動電壓使得所述彈性作動件發(fā)生一方向的變形，該方向的變形幫助所述關(guān)節(jié)彎曲或伸直。
8.如權(quán)利要求7的可穿戴式人體運(yùn)動施加器，其中所述控制器響應(yīng)所述運(yùn)動信號，選擇兩個(gè)所述彈性作動件中的一個(gè)作動件，并對所選定的所述作動件施加高的所述直流驅(qū)動電壓范圍，而同時(shí)又對另一個(gè)所述作動件施加低的所述直流驅(qū)動電壓范圍，這樣形成一個(gè)有助于關(guān)節(jié)彎曲或伸直的伸展環(huán)境。
9.如權(quán)利要求2的可穿戴式人體運(yùn)動施加器，其中所述圓筒形支承件具有一個(gè)長度方向的軸線并且適于吻合在人體的軀干周圍；兩個(gè)所述彈性作動件固定于所述支承件上，每個(gè)彈性件為帶狀的并都圍繞所述長度方向軸線延伸，所述兩個(gè)作動件相對于所述長度方向軸線以不同的夾角延伸使其相互交叉；所述施加器包括運(yùn)動傳感裝置，該傳感裝置感受軀干分別圍繞所述長度方向軸線和橫向軸線即與所述長度方向軸線垂直的軸線的彎曲量，并發(fā)出一個(gè)表示該軀干彎曲量的信號，所述控制器響應(yīng)該彎曲量信號并對彈性作動件施加相應(yīng)的變化的直流驅(qū)動電壓范圍，以使所述彈性作動件在一方向上產(chǎn)生減少所述彎曲量的彈性變形。
10.如權(quán)利要求3的可穿戴式人體運(yùn)動施加器，其中所述控制器包括一個(gè)表格，該表格中存有大量的程序，該程序給出與所感受到的運(yùn)動量相對應(yīng)的所述直流驅(qū)動電壓的不同范圍；所述控制器還包括一個(gè)程序選擇器，該選擇器從所述程序中選出一個(gè)程序以使所述彈性作動件按照該程序產(chǎn)生變形。
11.如權(quán)利要求1的可穿戴式人體運(yùn)動施加器，其中所述彈性作動件包括至少一個(gè)纖維，每個(gè)所述纖維由不導(dǎo)電的中空圓筒形的芯子和內(nèi)、外電極組成，該內(nèi)、外電極分別置于所述中空圓筒形芯子的內(nèi)、外表面上。
12.如權(quán)利要求11的可穿戴式人體運(yùn)動施加器，其中所述不導(dǎo)電的中空圓筒形芯子內(nèi)填充其中一個(gè)所述電極使得該纖維形成實(shí)心構(gòu)造。
13.如權(quán)利要求11的可穿戴式人體運(yùn)動施加器，其中所述不導(dǎo)電芯子外表面上的所述電極被一種不導(dǎo)電的護(hù)層所包覆。
14.如權(quán)利要求11的可穿戴式人體運(yùn)動施加器，其中許多所述纖維捆綁在一起。
15.如權(quán)利要求11的可穿戴式人體運(yùn)動施加器，其中至少一股所述纖維是編織的以使所述彈性作動件進(jìn)入到一種編織構(gòu)造中，該編織構(gòu)造具有自己的回彈性，該回彈性疊加到所述纖維的彈性變形上。
16.如權(quán)利要求15的可穿戴式人體運(yùn)動施加器，其中所述彈性作動件被編織到圓筒形構(gòu)造中。
17.如權(quán)利要求16的可穿戴式人體運(yùn)動施加器，其中所述圓筒形彈性作動件與所述支承件緊密貼合，該支承件具有相似的圓筒形狀并且是柔性的。
18.如權(quán)利要求16的可穿戴式人體運(yùn)動施加器，其中所述圓筒形彈性作動件確定所述支承件的主要部分，該支承件將吻合在人的部分軀體周圍。
19.如權(quán)利要求11的可穿戴式人體運(yùn)動施加器，其中所述纖維被螺旋地繞成一個(gè)圓筒形的彈性作動件。
20.如權(quán)利要求1的可穿戴式人體運(yùn)動施加器，其中所述彈性作動件所包括的不導(dǎo)電芯子是一種具有彈性的板片，該板片具有一個(gè)前面和一個(gè)后面，該前面和該后面上相應(yīng)地覆蓋了所述電極，每個(gè)所述電極包括許多柔性的墊片，各墊片以相互間隔設(shè)置并相互電連接以具有相同的電位。
21.如權(quán)利要求1的可穿戴式人體運(yùn)動施加器，其中所述彈性作動件具有的不導(dǎo)電芯子是一種具有彈性的板片，該板片具有一個(gè)前面和一個(gè)后面，該前面和該后面上各自形成了兩個(gè)所述電極，每個(gè)所述電極的形狀是一個(gè)具有許多空洞的多孔薄膜，以使該電極為柔軟的。
22.如權(quán)利要求21的可穿戴式人體運(yùn)動施加器，其中所述彈性作動件具有許多所述不導(dǎo)電芯子，每個(gè)芯子都具有彈性板片形式，該彈性作動件還具有許多篩狀薄膜形式的所述電極，該電極上具有許多空洞以使其為柔軟的，所述不導(dǎo)電芯子及所述電極交替地層疊在一起。
23.如權(quán)利要求20的可穿戴式人體運(yùn)動施加器，其中所述彈性作動件的形狀為一個(gè)圓筒形以便圍繞在人的部分軀體周圍。
24.如權(quán)利要求21的可穿戴式人體運(yùn)動施加器，其中所述彈性作動件的形狀為一個(gè)圓筒以便圍繞在人的軀體周圍。
25.如權(quán)利要求1的可穿戴式人體運(yùn)動施加器，其中所述彈性作動件在一個(gè)特定方向上受到機(jī)械的預(yù)壓縮，以產(chǎn)生一個(gè)機(jī)械的彈簧力，該彈簧力疊加到由于施加所述直流驅(qū)動電壓而產(chǎn)生的電激勵力上。
26.如權(quán)利要求1的可穿戴式人體運(yùn)動施加器，其中所述電極受到機(jī)械預(yù)壓縮，以提供所述的機(jī)械彈簧力。
全文摘要
本發(fā)明文公開了一種經(jīng)過改進(jìn)的人體運(yùn)動施加器，該施加器能夠快速地向人體的部分軀體提供足量的位移。該施加器包括一個(gè)適于固定到人體部分軀體上的支承件。該支承件上帶有至少一個(gè)電激勵的彈性作動件，該作動件可以將作用力傳輸?shù)饺说牟糠周|體上。該彈性作動件包括一個(gè)不導(dǎo)電的芯子和一對置于芯子兩邊的電極，這兩個(gè)電極用于接受跨接在二者之間的直流驅(qū)動電壓。該彈性作動件具有一個(gè)長度以及該長度方向上的彈性變形，當(dāng)直流驅(qū)動電壓增加時(shí)，作動件的彈性變形對人體的部分軀體施加更大程度的伸展力。該施加器還包括一個(gè)控制器，該控制器對彈性作動件施加可變的直流驅(qū)動電壓，從而向人體的部分軀體施加可變的運(yùn)動誘導(dǎo)力。
文檔編號A63B24/00GK1431084SQ02158998
公開日2003年7月23日 申請日期2002年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月28日
發(fā)明者堂埜茂, 湯淺信吾, 齋藤亮彥 申請人:松下電工株式會社