專利名稱：鉸接結(jié)構(gòu)及其組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鉸接結(jié)構(gòu)，特別是在多種應(yīng)用中使用的鉸接片結(jié)構(gòu)。本發(fā)明尤其涉及包括多個連接在一起的組件的鉸接結(jié)構(gòu)，其中各個組件能夠相對于其相鄰組件轉(zhuǎn)動。另一方面，本發(fā)明涉及一種可以選擇性地鎖定和解鎖的鉸接結(jié)構(gòu)。
在本領(lǐng)域中鉸接結(jié)構(gòu)是公知的。美國專利4,484,778公開了一種包括多個元件的矩陣結(jié)構(gòu)，其中采用兩種不同的成形方式使所述元件成形。在該文件的圖2和圖6中示出的第一元件具有被多個從中心部分向外輻射的球形凸出部分所包圍的中心部分。在該文件的圖4和圖7中示出的第二元件包括具有相應(yīng)的多個放射狀分布的凹進(jìn)部分的中心部分。在使用中，所述球形凸出部分套入凹進(jìn)部分中，從而形成一種扁平片狀的結(jié)構(gòu)，其中球形凸出部分/凹進(jìn)部分結(jié)合處的中性軸在片平面內(nèi)并且通過相鄰組件的中心。球形凸出部分和凹進(jìn)部分的形狀為基本上不能改變矩陣片的密度，同時使所述片保持扁平。因此，無法將所述片模制為平滑地環(huán)繞復(fù)雜的形狀，例如同時在兩個方向上彎曲的復(fù)合曲面(如球形表面)。如果需要形成具有復(fù)雜表面輪廓的片，則必須去除或添加組件以改變局部位置的片的密度，以獲得正確的形狀。去除和添加組件是耗費時間的，并且需要技術(shù)人員來完成。
美國專利4,688,853公開了一種也包含兩種不同類型組件的可調(diào)整的矩陣片。第一組件設(shè)置有能夠從垂直于圓筒的縱向軸線的方向夾住圓筒的多個臂。第二組件包括多個環(huán)繞組件的中心排列成環(huán)形的圓筒。在使用中，第一組件的各個臂都夾住相鄰的第二組件的圓筒。與美國專利4,484,778所公開的結(jié)構(gòu)類似，這種結(jié)構(gòu)使得無法將片形成為與復(fù)雜的形狀相匹配，因為，當(dāng)片為扁平形狀時不能夠改變片的密度。如果需要改變局部的密度，則也必須增加或去除組件。
英國專利2,235,030公開了一種具有多個相同形狀的組件的片結(jié)構(gòu)，其中所述組件可以朝著或遠(yuǎn)離直接相鄰的組件滑動。沒有提供使得片可以朝平面外彎曲的接合部分，但是事實上可以通過用于制作組件的材料的固有撓性來提供這種彎曲。這一特征使得所述陣列難于合適地環(huán)繞復(fù)雜的形狀，因為所述陣列只能通過彈性變形而彎曲到平面外，當(dāng)使其變形的力去除時，將會產(chǎn)生趨向于使得所述片變平的相應(yīng)的恢復(fù)力。
上述三個文件中的每個還公開了選擇性地使片結(jié)構(gòu)鎖定和解鎖的技術(shù)。在這三個方案中，通過在組件或相鄰組件之間的連接部分上擰緊螺釘來實現(xiàn)片結(jié)構(gòu)的鎖定和解鎖。因而，必須擰緊大量的單個螺釘以便將完全撓性的片變?yōu)橥耆珓傂缘钠＿@樣做的缺點在于需要花費技術(shù)人員非常長的時間，尤其是考慮到片結(jié)構(gòu)可能包含成百個甚至上千個單獨的組件時。此外，當(dāng)執(zhí)行擰緊螺釘?shù)牟襟E時，必須找到一些使片長時間保持在適當(dāng)位置的方法，這可能需要其他技術(shù)人員的協(xié)助或者復(fù)雜的鉗位裝置。
本發(fā)明通過提供包括多個連接在一起的組件的撓性的片結(jié)構(gòu)來解決上述和其他問題，所述多個組件連接在一起，以使得各個組件能夠相對于其所連接的相鄰組件，圍繞第一和第二軸線轉(zhuǎn)動，第一軸線平行于片被放平時的平面，第二軸線垂直于片被放平時的平面。
各個組件都能夠圍繞與片被放平時的平面平行的軸線轉(zhuǎn)動、并且能夠圍繞與片被放平時的平面垂直的軸線轉(zhuǎn)動這一事實允許通常為扁平狀的片結(jié)構(gòu)能夠與在多于一個方向上彎曲的形狀(例如，球面或者其他的復(fù)合曲面)環(huán)繞匹配。這樣就允許在扁平方向上制作和出售標(biāo)準(zhǔn)的片結(jié)構(gòu)，并且對于用戶來說，易于使片與期望的形狀相匹配而不需要去除或增加額外的組件部分。
優(yōu)選地，組件能夠相對于其相鄰組件圍繞與片被放平時的平面平行的軸線轉(zhuǎn)動通過至少-10°到+10°的全范圍，更優(yōu)選地，在-20°到+20°的全范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，但是優(yōu)選地在不超過-60°到+60°的范圍之間轉(zhuǎn)動，或者更優(yōu)選地在不超過-30°到+30°的范圍之間轉(zhuǎn)動。
優(yōu)選地，組件能夠相對于其相鄰組件圍繞與片被放平時的平面垂直的軸線轉(zhuǎn)動通過至少-10°到+10°的全范圍，更優(yōu)選地，可以在-30°到+30°的全范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，以及更優(yōu)選地進(jìn)一步在至少-80°到+80°的全范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動。
在優(yōu)選的實施方案中，各個組件具有多個節(jié)點，并且片內(nèi)組件的各個節(jié)點分別連接到不同的相鄰組件的各自的節(jié)點?？拷耐獠康慕M件可以不使得其所有的節(jié)點都連接到其他組件的節(jié)點。已證實每個組件包含三個或者只包含三個節(jié)點可以正常工作，并且每個組件包含四個或者只包含四個節(jié)點也可以正常工作。然而，單一的結(jié)構(gòu)可以包含具有不同數(shù)量的節(jié)點的組件的組合，這樣就可以采用包含兩個、五個或者六個節(jié)點的組件。
節(jié)點優(yōu)選地位于臂的末端，并且組件的臂優(yōu)選地平行于片被放平時的平面。相鄰接頭之間的節(jié)點連接部分優(yōu)選為單一接頭，例如球或窩接頭，所述接頭允許垂直于片的平面和平行于片的平面轉(zhuǎn)動，優(yōu)選地允許同時垂直于片的平面和平行于片的平面轉(zhuǎn)動。
已經(jīng)證實有利的是所述單一接頭具有與片被放平時的平面基本成90°的中性軸(也就是說，所述接頭以相對于其可能的轉(zhuǎn)動為中心)。然而，這一點并不是必不可少的，并且所述中性軸可以基本平行于片被放平時的平面或者與片的平面成不同的角度。
在本發(fā)明的一個實施方案中，連接元件用于將相鄰的組件連接在一起。連接元件可以允許組件和連接元件之間圍繞平行于片的平面的軸線相對轉(zhuǎn)動，并且可以允許鄰近的其他連接元件之間圍繞垂直于片的平面的軸線相對轉(zhuǎn)動。在這種情況下，片包括兩種不同類型的接頭，其中一種接頭平行于片的平面而另一種接頭垂直于片的平面。這是第一實施方案的一種選擇，其中由單一的球/窩接頭來提供所有的運(yùn)動。所述連接元件優(yōu)選為具有兩個節(jié)點的線性元件。
在所有的實施方案中，組件優(yōu)選地連接在一起以在片的平面內(nèi)形成閉環(huán)的規(guī)則圖案。就像形成任何環(huán)路的周長的組件可以圍繞與片被放平時的平面垂直的軸線轉(zhuǎn)動，以使環(huán)路閉合成“星形”，或其他閉合形狀一樣，這些閉環(huán)可以提供用于改變局部區(qū)域的片的密度的方法。
優(yōu)選地，在片保持扁平時可以改變整個片或者片的一部分的有效密度(以及面積，因為質(zhì)量守恒)。然而，這并非是限定性的，并且在所述片被扭曲成任何特殊的形狀時都可以改變整個片或者片的一部分的有效面積。應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)片被放平時，局部的有效面積的增加導(dǎo)致片從扁平形變?yōu)閺澢螤睿?dāng)片為彎曲形狀時，局部的有效面積的減少導(dǎo)致片從彎曲形狀變?yōu)楸馄叫?。改變局部位置的有效面積的能力允許片以與橡膠物質(zhì)類似的方式與物體表面相匹配，但并不存在橡膠的缺點，因為橡膠會產(chǎn)生彈性形變，從而產(chǎn)生不期望的恢復(fù)力。根據(jù)優(yōu)選的實施方案的片可以變形以具有特殊的形狀，但是仍然保持靜態(tài)平衡形態(tài)(即不存在趨向于使得所述片回到原始形狀的恢復(fù)力)。
另一方面，可以將本發(fā)明描述成包含多個連接在一起的組件的撓性片結(jié)構(gòu)，其中至少所述組件之一通過多自由度的接頭連接到另一個所述組件，所述多自由度的接頭具有與片被放平時的平面基本成90°角的中性軸。
球/窩接頭除了與片被放平時的平面基本成90°角之外，優(yōu)選地其中性軸也與各個組件的平面基本成90°角。優(yōu)選地，片內(nèi)的所有連接部分的中性軸都與片和/或組件被放平時的平面基本成90°角。
本發(fā)明的另一個實施方案提供了一種包含多個第一和第二連接元件的撓性片結(jié)構(gòu)，其中各個所述第一元件通過接頭連接到所述第二元件，所述接頭允許圍繞與片被放平時的平面平行的軸線相對轉(zhuǎn)動，并且各個所述第二元件通過接頭連接到相鄰的所述第二元件，所述接頭允許圍繞與片被放平時的平面垂直的軸線相對轉(zhuǎn)動。
這種結(jié)構(gòu)允許使片結(jié)構(gòu)與復(fù)雜的形狀相匹配，而不需要增加或去除單獨的組件。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點還在于不需要球/窩接頭?？梢圆捎煤唵蔚臉休S來形成所有的接頭。
本發(fā)明的另一個優(yōu)選的實施方案提供了一種包含多個連接在一起的組件的撓性片結(jié)構(gòu)，其中各個所述組件具有第一、第二和第三臂，并且各個所述臂與其他兩只所述臂有規(guī)律地隔開，各個所述臂連接到相鄰的所述組件的臂上，以使得片的各個組件能夠圍繞與片被放平時的平面垂直的軸線相對于其相鄰的組件轉(zhuǎn)動。
本發(fā)明還提供了一種包含多個連接到一起的組件的撓性片結(jié)構(gòu)，其中所述多個組件連接到一起，以使得在所述片保持扁平時允許改變片的有效面積以及平面之外的運(yùn)動，以及使得所述片可以平滑地環(huán)繞匹配復(fù)雜的形狀。
本發(fā)明還旨在包含本文中所描述的任何一種組件，其中組件可以單獨地或者以工具箱的形式制作和出售。尤其優(yōu)選的是，這種組件可以是用于撓性片結(jié)構(gòu)中的組件，所述組件具有多個臂，其中每個臂包括多自由度接頭的一半，所述多自由度接頭的一半用于連接到位于片中的相鄰組件的臂上的多自由度接頭的另一半；所述多自由度接頭的一半的方向被確定為使得所形成的多自由度接頭具有朝向片平面以外的中性軸。
為了解決現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)中各個組件需要通過繁瑣的手工操作來擰緊的問題，本發(fā)明的另一方面在于提供一種可鎖定的鉸接結(jié)構(gòu)包括多個連接在一起的組件，從而組件可以相對于其他組件選擇性地運(yùn)動，兩個組件之間的至少一個連接部分包括能夠呈現(xiàn)至少兩種狀態(tài)的鎖定材料，所述至少兩種狀態(tài)包括元件可以相對運(yùn)動的第一狀態(tài)以及至少基本阻止這種運(yùn)動的第二狀態(tài)，通過將能量選擇性地導(dǎo)入鎖定材料而實現(xiàn)兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。
采用能夠呈現(xiàn)至少兩種狀態(tài)的鎖定材料，以及通過將能量選擇性的導(dǎo)入所述鎖定材料中來實現(xiàn)所述兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換(從鎖定狀態(tài)到解鎖狀態(tài)，或者從解鎖狀態(tài)到鎖定狀態(tài))，使得能夠(如果需要的話)通過單獨應(yīng)用特定形式的能量，來選擇性地將整個結(jié)構(gòu)中的相鄰組件之間的各個連接部分鎖定或者解鎖。例如，鎖定材料可以是一種在加熱時融化和/或變軟的材料。在這種情況下，只是對整個結(jié)構(gòu)加熱就足以引起從鎖定狀態(tài)到解鎖狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。隨之，只是對所述結(jié)構(gòu)進(jìn)行冷卻就可以將所述結(jié)構(gòu)鎖定在適當(dāng)?shù)奈恢?，盡管對于本發(fā)明來說，可逆的轉(zhuǎn)換不是必須的。
優(yōu)選地，第一狀態(tài)是比第二狀態(tài)軟的狀態(tài)，例如第二狀態(tài)是凝固態(tài)。可以采用加熱的方式來施加能量，例如通過直接傳導(dǎo)、對流或者輻射的方式，或者通過使用設(shè)計用來刺激或改變鎖定材料的物理性質(zhì)而不改變組件的其他部分的物理性質(zhì)的微波或者類似的能量。可以利用材料具有特殊的熱膨脹系數(shù)這一事實來實現(xiàn)選擇性的鎖定，而不是通過改變或者開始改變材料的狀態(tài)來實現(xiàn)。在這種情況下，將所述結(jié)構(gòu)加熱會導(dǎo)致所述鎖定材料膨脹，從而阻止將會在相鄰的組件之間出現(xiàn)的相對運(yùn)動。所述膨脹可以由熱量或者任何其他的能量源來提供，例如，由電子-流變的材料或壓電材料中的電流來提供。
對于所提供的能量來說，另一種可能性是引起固化，例如可以將化合物從非粘合狀態(tài)變?yōu)檎澈蠣顟B(tài)的紫外線。
可以采用的另一種機(jī)制是選擇性地導(dǎo)入流體壓力，(例如氣壓或水壓)，所述流體壓力可以給鎖定材料增壓或者減壓以便提供或者阻止鎖定功能。
對于球/窩接頭的實施方案來說，所述鎖定材料理想地設(shè)置在球/窩接頭中的球的外部、窩的內(nèi)部的區(qū)域內(nèi)。為了提高鎖定能力，球的外部或者窩的內(nèi)部可以包含基本扁平的部分，從而當(dāng)鎖定材料不能改變其形狀時而阻止相對轉(zhuǎn)動。為了進(jìn)一步提高鎖定能力，優(yōu)選地可以在從球的底部到球的頂部的方向上提供一個或多個槽，以阻止圍繞中性軸的軸向轉(zhuǎn)動。并非必須采用槽-可以采用任何一種在鎖定材料凝固時可以阻止相對轉(zhuǎn)動的表面形貌(surface topography)。
相同的考慮也適用于接頭是樞軸或者其他類型的接頭而不是球/窩接頭的情況。對于樞軸接頭來說，可以將鎖定材料放置在軸形部分和環(huán)形部分之間，并且可以進(jìn)一步采用類似的平面或者開槽部分來阻止一旦出現(xiàn)向鎖定狀態(tài)的轉(zhuǎn)變時而產(chǎn)生的相對運(yùn)動。
熱塑性的、共熔的以及熱固性的材料都適合作為鎖定材料的實施例，盡管其他的材料也至少可以正常工作。聚合物尤其是較好的選擇，因為它們易于制作并且具有所期望的性質(zhì)。
可以理解的是，可將本文中所描述的用于選擇性的鎖定的任何一種方法和結(jié)構(gòu)，與鉸接結(jié)構(gòu)的任何一種實施方案組合，以便可以選擇性地將本文所描述的鉸接結(jié)構(gòu)鎖定。
將本發(fā)明用于背甲時特別有益。所述鉸接結(jié)構(gòu)與復(fù)雜形狀相匹配的能力允許形成與期望的身體形狀一致的背甲，而所述背甲由最初為扁平的材料片制成。對于校正外科的技術(shù)人員來說，在安裝矯形器時沒有必要去除或增加組件，并且所述鎖定方法允許非?？焖俚卦谝淮尾僮髦袑⒄麄€矯形器鎖定或者解鎖。作為矯形器安裝的常規(guī)方法的示例，可以先使所述片結(jié)構(gòu)受微波照射以使其解鎖。這樣不會使得組件本身的溫度過度升高，從而當(dāng)所述片松開時，可以使其圍繞病人的身體匹配以提供所期望的支持。隨著時間經(jīng)過，所述鎖定材料會自然地或者在所采用的人工冷卻方法的幫助下冷卻，從而在再次鎖定之前，只需要在較短的時間內(nèi)使得所述片保持在適當(dāng)?shù)奈恢眉纯?。因此，本發(fā)明既從病人的角度又從醫(yī)療工作者的角度顯著地改善了矯形器的制作和安裝。
現(xiàn)在參照附圖，僅通過示例的方式來描述本發(fā)明的實施方案，其中

圖1A示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施方案的、展開結(jié)構(gòu)中的組件片的一部分的立體圖；圖1B示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施方案的、壓縮結(jié)構(gòu)中的組件片的一部分的立體圖；圖2示出了在所述片結(jié)構(gòu)的平面內(nèi)將其最大限度展開的結(jié)構(gòu)中、根據(jù)第一實施方案的片的平面圖；圖3示出了在所述片結(jié)構(gòu)的平面內(nèi)將其最大限度展開的結(jié)構(gòu)中、根據(jù)第一實施方案的片的可選的平面圖；圖4示出了第一實施方案的六個組件的平面圖，圖中示出了優(yōu)選的六角環(huán)形結(jié)構(gòu)；圖5示出了圖4的組件，其被轉(zhuǎn)動以增加整體密度并使得環(huán)形結(jié)構(gòu)閉合；圖6示出了將組件120和130相對于撓性片平面內(nèi)的軸線中性放置時，沿著圖4所示的剖面線C-C的剖面圖；圖7示出了與圖6類似的剖面圖，其為組件120圍繞在撓性片平面內(nèi)并垂直于紙面的軸線轉(zhuǎn)動后的剖面圖；圖8示出了與圓筒的表面相匹配的第一實施方案的撓性片；圖9示出了與半球的表面相匹配的第一實施方案的撓性片；
圖10A和圖10B示出了本發(fā)明的第二實施方案的兩種組件的兩種結(jié)構(gòu)；圖11A和圖11B分別示出了本發(fā)明的第三實施方案的六個組件；圖12A和圖12B示出了本發(fā)明的第四實施方案的兩種組件的兩種結(jié)構(gòu)；圖13是本發(fā)明的第五實施方案的立體圖；圖14是本發(fā)明的第六實施方案的兩個組件的立體圖；圖15A到15C示出了包含本發(fā)明的第六實施方案的組件的片從閉合狀態(tài)展開到打開狀態(tài)時的視圖；圖16A到16C示出了本發(fā)明的第六實施方案的四個組件，并圖解說明了片如何從閉合狀態(tài)展開到打開狀態(tài)以擴(kuò)展200％；圖17示意性地示出了垂直于撓性片的平面的中性軸；圖18示意性地示出了平行于撓性片的平面的中性軸；以及圖19示出了本發(fā)明的第七實施方案；圖20A到20F示意性地示出了每個組件只采用四個節(jié)點的片結(jié)構(gòu)；圖21示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方案的穿過球的剖面圖；圖22示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方案的、穿過包含兩個窩而各個窩中均包含球的組件的剖面圖；圖23示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方案的、穿過包含兩個窩而各個窩中均包含球的組件的剖面圖；圖24示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方案的、穿過包含兩個窩而各個窩中均包含球的組件的剖面圖；圖25示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方案的、穿過包含兩個窩而各個窩中均包含球的組件的剖面圖；圖26示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方案的、穿過包含兩個窩而各個窩中均包含球的組件的剖面圖；圖27示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方案的、穿過包含兩個窩而各個窩中均包含球的組件的剖面圖；以及圖28示出了模制成背甲形狀并且覆蓋有表皮材料的、根據(jù)本發(fā)明的撓性片。
圖1A和圖1B是根據(jù)本發(fā)明的第一實施方案的立體圖。圖1A示出了扁平、展開的結(jié)構(gòu)，圖1B示出了扁平、壓縮的結(jié)構(gòu)?？梢钥闯?，片結(jié)構(gòu)100包括多個組件102，各個組件都具有三個等間隔的臂104(即在相同平面內(nèi)間隔120°排列)并且在各個臂的末端包含球窩接頭106的一半。所有的組件具有相同的形狀并且乍一看所有組件在直覺上是相同的。但是，實際上片中存在兩種不同類型的組件；第一種類型的組件在各個臂的末端都具有球/窩接頭106的球部分；第二種類型的組件在各個臂的末端都具有球/窩接頭106的窩部分。這樣只是為了便于制作，并且各個組件只有球/窩接頭類型中的一種對于本發(fā)明來說是不重要的。
片的組件優(yōu)選地排列成如圖2的平面圖所示的規(guī)則圖案(即片平面平行于紙面)。可以看出，各個組件102的各個臂104連接到相鄰的組件102的臂104上。由于各個組件有三個臂104，因此各個組件102通常有三個相鄰的組件。如圖1A和圖2所示，各個組件的各個臂都平行于各個相鄰組件的連接臂，從而形成了具有最大限度的展開結(jié)構(gòu)的撓性片。在該實施方案中，所述連接使得連接組件不在相同的平面內(nèi)并且各個組件與距離其最近的三個相鄰組件在不同的平面內(nèi)。因而產(chǎn)生了兩個獨立的組件平面。這或許可以從圖1A和圖1B中更好地看出。包含兩套組件的兩個平面之間的距離為連接部分106的長度，在本實施方案中大約為6mm。連接部分優(yōu)選是在垂直于紙面的方向上(從而當(dāng)片保持扁平時也垂直于組件的兩個平面)具有中性軸的球/窩接頭。球/窩接頭的“中性軸”定義為窩中的球的中心軸。因此，所述中性軸是球/窩接頭的整個運(yùn)動范圍的中心。下面參照圖14和圖15來更詳細(xì)地解釋。
圖1A和圖2所示的結(jié)構(gòu)描述了處于最大限度“伸展”或展開的位置的片。換句話說，該位置是片的密度最小(注意到在片中有多個打開的六角形的“環(huán)”，因此可以在視覺上證實這一點)時所處的位置。
在使用中，當(dāng)通過圍繞垂直于片的平面的軸線，也就是圍繞球/窩接頭的中性軸轉(zhuǎn)動某些球/窩接頭同時使得片保持扁平時，可以增大所述片或者片的一部分的密度。圖1B和圖3示出了在圍繞(僅圍繞)垂直于片的平面的軸線，相對于相鄰組件來轉(zhuǎn)動所有組件的情況下的轉(zhuǎn)動結(jié)果。可以看出，整個片的密度顯著增大了(并且因而整個片的面積顯著減小了)。本實施方案中的面積減小的幾何關(guān)系是當(dāng)所述片被最大限度地壓縮時，其面積是最大限度地展開時的面積的70％。
圖4和圖5分別示出了在圖2中突出顯示為“A”和在圖3中突出顯示為“B”的閉合區(qū)域。這些圖用于更加詳細(xì)地解釋密度減小的原理。
圖4示出了所述結(jié)構(gòu)的單個“環(huán)”。所述“環(huán)”實際上是六角形的，因為其由六個組件來限定，并且各個組件都具有三個等間隔的臂。標(biāo)記為120的組件與標(biāo)記為130的組件在不同的平面內(nèi)。如上所討論的，當(dāng)撓性片被放平時，這兩個平面是平行的。在圖4所示的結(jié)構(gòu)中，各個組件的質(zhì)心最大可能地遠(yuǎn)離片中的各個其他組件的質(zhì)心。由于不能夠?qū)⒔M件與任何其他的組件進(jìn)一步分離，因此所述片處在最小的密度點上。
如果考慮到圖4和圖5所示的連接節(jié)點a、b、c、d、e及f，則可以看出密度的增大是通過將連接節(jié)點b、d和f拉向“環(huán)”的中心而實現(xiàn)的。如圖5所示，其余的連接節(jié)點a、c和e的位置在這種運(yùn)動中保持相對靜止。因此，可以看出，組件能夠通過轉(zhuǎn)動而接近中心，從而占據(jù)先前未占據(jù)的環(huán)的中心的空間。
上面所討論的相鄰組件圍繞垂直于片被放平時的平面的軸線運(yùn)動，以減少整個片或者片的一部分的密度的相對運(yùn)動，正是撓性片的本實施方案能夠經(jīng)受的一種運(yùn)動。該實施方案的球/窩接頭106也能夠允許組件之間圍繞任何平行于片的平面的軸線相對運(yùn)動。
圖6和圖7示出了沿著圖4所示的剖面線C-C所看到的球/窩接頭106的兩個剖面圖?？梢钥闯?，球108位于窩110中，因此不能夠通過垂直的拉動而使得球脫離窩。所述球可以繞球/窩接頭的中性軸150轉(zhuǎn)動(從而出現(xiàn)了上面所討論的圍繞垂直于片的平面的軸線的轉(zhuǎn)動)，并且所述球也可以在窩中圍繞其他的軸線轉(zhuǎn)動。
在圖6中，球窩接頭位于其“中性”狀態(tài)?？梢钥闯?，所述接頭被形成為繞平行于片的平面的軸線可具有相等的轉(zhuǎn)動量(在這種情況下大約為20°)。
可以理解的是，球108并不是完全的球面，其被切掉了一部分而在底部留下了基本扁平的部分112。類似地，窩110也是被部分填滿而在底部留下了基本扁平的部分114，盡管窩的扁平部分114并不像球的扁平部分112那樣靠近球108的中心116。這些扁平部分112/114是可選擇的并且并非必須被提供。然而，就像后面將要描述的那樣，它們可以在結(jié)構(gòu)將被鎖定時起作用。術(shù)語“球/窩接頭”旨在包括如圖6和圖7所示的具有扁平部分的窩，以及球窩的結(jié)合部分是球形的傳統(tǒng)的窩，并且事實上包括其中一部分起到球的作用而另一部分起到窩的作用的任何的窩。在所有的實施方案中，可以采用任意多個(例如2，3或更多)自由度的接頭，球窩接頭只是其中的一個示例。
圖7示出了組件120圍繞垂直于紙面的軸線(即平行于撓性結(jié)構(gòu)的片的平面的軸線)相對于組件130轉(zhuǎn)動之后的組件的位置?？梢钥闯觯M件120能夠圍繞該軸線轉(zhuǎn)動大約20°。類似地，圍繞相同的軸線在其他方向上轉(zhuǎn)動的最大范圍大約為20°。已經(jīng)證實，對于允許與復(fù)雜的形狀相匹配而不會有損接頭的機(jī)械強(qiáng)度來說這樣已經(jīng)足夠了。
這種圍繞平行于片的平面的軸線的運(yùn)動使得片能夠環(huán)繞簡單的形狀(例如圓筒)彎曲，如圖8所示。在圖8中，僅使用了球/窩接頭的一個自由度來實現(xiàn)與圓筒的表面相匹配以及與簡單形狀相匹配，例如通常通過組件只圍繞片平面內(nèi)的軸線相對于其他組件轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)。
然而，本實施方案用于與復(fù)雜的形狀相匹配時是最實用的，例如，需要背甲的病人的身體形狀。當(dāng)期望片與復(fù)雜的形狀一致時，將同時利用接頭的更多自由度，尤其是同時實現(xiàn)圍繞垂直于片平面的軸線的轉(zhuǎn)動和圍繞平行于片平面的軸線的轉(zhuǎn)動。
圖9示出了與半球的表面相匹配的根據(jù)第一實施方案的片?？梢岳斫獾氖牵@一點已經(jīng)通過環(huán)繞半球?qū)D3的最初為扁平的片進(jìn)行按壓而實現(xiàn)。在按壓過程中，位于片的中心部分(即圖9的頂部)的密度局部減小，而片的外邊緣附近(接近圖9的底部)的密度保持為較高。從而，圖9給出了片的密度局部變化的示例，而片的密度的局部變化允許片與復(fù)雜的形狀相匹配。
該實施方案的組件優(yōu)選地由注射成形的塑料制成?？梢圆捎萌魏芜m當(dāng)?shù)乃芰喜牧喜⑶乙寻l(fā)現(xiàn)聚酰胺(尼龍)和聚碳酸酯可以充分地發(fā)揮作用。
如圖1和圖2所示，各個組件都可以由扁平的三臂的塑料部件制成。盡管已證實大約2mm的厚度可以在強(qiáng)度、輕便以及匹配性之間提供良好的折中，但是所述元件的厚度可以是任何適當(dāng)?shù)闹?，例?.1到5mm。從組件的中心到臂端部的球/窩接頭的轉(zhuǎn)動中心之間的各個臂104的臂長可以為任何合適的值，例如5到50mm。已證實8mm的臂長允許所述結(jié)構(gòu)環(huán)繞最實用的形狀鉸接。如圖1和圖2所示，為了安全(防止出現(xiàn)尖角)以及允許所述結(jié)構(gòu)更緊地閉合(如圖3所示)，臂沿著其長度可以具有一致的寬度，并且在其終端可以是圓形的。該寬度可以取任何適當(dāng)?shù)闹?，例?到20mm，并且已證實7mm的寬度表現(xiàn)較好。因而，圖1所示的結(jié)構(gòu)有利地具有2mm的組件厚度、7mm的臂寬度以及8mm的臂長(即從組件的中心到接頭的轉(zhuǎn)動中心的距離)。兩“層”組件120和130可分隔一定的量，通過選擇所述量來限定片結(jié)構(gòu)的總的厚度，例如，當(dāng)采用2mm厚的組件時，8mm的距離使得總的厚度為10mm。當(dāng)各個平面組件的厚度為2mm時，可以通過選擇縱向長度(即中性軸方向的長度)為6mm的球/窩形接頭而使得兩層之間的距離為8mm。球/窩接頭的球可以具有任何適當(dāng)?shù)闹睆?，例?mm到10mm。圖1所示的球的直徑為3mm。
可以采用塑料將各個組件102注塑成形，以便球/窩接頭的球或窩與組件的平面部分成為一體。在這種情況下，可以制作兩種類型的組件，其中第一種類型的組件具有三個窩接頭，而第二種類型的組件具有三個球接頭。在這種情況下，(如圖1到4所示)，第一種類型的組件120構(gòu)成片的一“層”而第二種類型的組件130構(gòu)成片的另一“層”。
作為一種選擇，可以將許多類似的組件與球/窩的兩半部分分開制作，并且可以將合適的球/窩接頭的半部分粘合或者利用其他方法附接到標(biāo)準(zhǔn)的平面組件的部件上。
圖10A和圖10B示出了組件200、220的第二實施方案，其中，組件的各個臂不再具有單一的球/窩接頭，而是通過采用雙端的球連接件202、222并通過在各個組件臂的末端設(shè)置連通窩204、224來提供兩種這樣的球/窩接頭。這樣允許將所有的組件202制作成完全相同的，從而提高了制作效率。該實施方案從理論上也允許圍繞平行于片的平面的軸線的更大幅度的運(yùn)動(即在任一個方向上運(yùn)動大于20°)，而不會受到機(jī)械強(qiáng)度的限制。實際上，運(yùn)動的機(jī)理基本上與對第一實施方案的描述相同。
圖10示出了兩種可選的組件形狀。在圖10A中，組件的中心包括空心的環(huán)形結(jié)構(gòu)。這樣，在減少重量的同時，使得強(qiáng)度達(dá)到了最大。圖10B示出了一種更加小巧的組件。在單一的片中可以專用每一種類型的組件，或者在相同的片中采用不同的組件。在這兩種情況下，組件具有圓形而光滑的邊緣以便于操作。
圖11A和圖11B示出了第三實施方案。在該實施方案中的撓性片的組件的運(yùn)動基本上與第一和第二實施方案中的組件的運(yùn)動相同。但是，在該實施方案中存在兩種完全不同的組件，其中第一組件160具有三個等間隔的臂并且在各個臂的末端具有球部件；第二組件170是三角形的，其包括兩個中心相連(例如通過螺釘或者粘合劑)的平行平面，并且在角上夾住第一組件160的球。所述夾住使得第一和第二組件之間可以繞垂直于片平面的軸線和平行于片平面的軸線相對轉(zhuǎn)動。從圖11中可以看出，組件160可以繞垂直于片平面的軸線相對于組件170轉(zhuǎn)動大約180°。與臂的厚度相比，球的直徑限定了繞平行于片的平面的軸線可以實現(xiàn)的運(yùn)動量。優(yōu)選地，在任一個方向上至少可以轉(zhuǎn)動10°，并且優(yōu)選地允許在任一個方向上的轉(zhuǎn)動不大于60°，從而保持臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，而臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不應(yīng)當(dāng)太小。該實施方案的優(yōu)點在于由于采用了實心的三角形組件170，因而較好地模擬了連續(xù)的表面。還可以看出，球/窩接頭的“中性軸”位于撓性片被放平時的平面內(nèi)。后面將對此進(jìn)行更加詳細(xì)的討論。
圖12A和圖12B示出了在結(jié)構(gòu)上與圖11基本類似的第四實施方案。但是，在該實施方案中，兩種組件具有類似的形狀，并且具有更接近圖11所示的三角形組件170的臂。在該實施方案和第三實施方案中，各個球/窩接頭的中性軸都在片的平面內(nèi)。除了圖12B的第一組件在夾住第二組件的球的末端具有通孔之外，圖12B的結(jié)構(gòu)與圖12A的結(jié)構(gòu)非常類似。
圖13示出了第五實施方案。在該實施方案中，兩個組件180和190具有極其不同的形狀。第一組件180是環(huán)狀或者環(huán)形的，并且沿著周長具有三個等間隔分布的球形的槽。第二組件190是線性的，并且在各個末端具有兩個通常為球形的球，因而成為啞鈴形。在第二組件190的末端的球適合以圖13所示的方式安裝到第一組件180內(nèi)部的球形槽中。球/窩接頭允許多自由度的運(yùn)動并且因此從第一到第五實施方案的所有運(yùn)動都是可能的。進(jìn)一步，由于該實施方案中的球/窩接頭的數(shù)量是第一實施方案中的兩倍，因此，可以實現(xiàn)額外的運(yùn)動。
圖14示出了本發(fā)明的第六實施方案的兩種組件。各個組件具有四個節(jié)點，所述節(jié)點位于在片平面內(nèi)從縱向的“主干”部分垂直延伸的臂上。所述節(jié)點延伸到片的平面以外。從位于主干部分的一端的臂延伸的節(jié)點與位于主干部分的另一端的臂的節(jié)點在相反的方向上延伸。因而所述組件基本上是I形的。為了可以在面內(nèi)擴(kuò)展，在主干部分的一端的節(jié)點之間的距離要小于主干部分的長度減去一個臂的寬度。從而允許一個組件可以在平面內(nèi)相對于其相鄰的組件轉(zhuǎn)動180°。
圖15A和16A示出了閉合形式的包含第六實施方案的組件的片的一部分。該實施方案的優(yōu)點在于，組件鑲嵌在一起(tessellate)——也就是說，它們配合在一起而彼此之間沒有間隙。因而，圖15A的片呈現(xiàn)出基本平坦的表面，所述表面內(nèi)不存在任何的間隙或洞。圖15B示出了在平面內(nèi)稍微展開時的片。各個組件相對于其相鄰的組件轉(zhuǎn)動了大約45°。因此，在片內(nèi)出現(xiàn)了平行四邊形的“洞”——這些“洞”在圖16B中更加明顯。
圖15C和圖16C示出了當(dāng)各個組件相對于其相鄰的組件轉(zhuǎn)動90°時的片。在該位置，所述片處于其最大的展開狀態(tài)，并且所述片的面積是圖15A的片的兩倍。在這一點上，組件之間的洞基本上是矩形的，并且具有可能的最大面積。組件的繼續(xù)轉(zhuǎn)動將導(dǎo)致所述片本身再次封閉以回到其關(guān)閉位置。
圖16A和16C示出了所述片的組件的一些優(yōu)選的尺寸，單位為毫米。
就像其他的實施方案一樣，第六實施方案除了允許進(jìn)行平面內(nèi)的展開外，還可以進(jìn)行平面外的運(yùn)動，從而片可以與非平面的形狀相匹配。為了實現(xiàn)這一點，在節(jié)點處采用球/窩接頭，從而允許繞著片被放平時的平面內(nèi)的軸線轉(zhuǎn)動。優(yōu)選為使得所述球/窩接頭的中性軸垂直于片被放平時的平面。像其他的實施方案一樣，可以采用除球/窩接頭以外的接頭，可以根據(jù)期望的片的性質(zhì)來選擇平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動和平面外的轉(zhuǎn)動的量。
圖17和圖18更加準(zhǔn)確地示出了在各個實施方案中球/窩接頭的方向如何改變。在第一實施方案中，中性軸垂直于片的平面。這在圖17中示出。如圖17所示，球/窩接頭位于其“中性”位置，以便所述球可以在任何特定方向上在窩中轉(zhuǎn)動相同的量?？梢岳斫獾氖?，球被垂直地插入窩中，并且應(yīng)當(dāng)清楚圖17中的球/窩接頭的中性軸因此是垂直的。
圖18示出了一種可選的結(jié)構(gòu)(例如第三、第四和第五實施方案的結(jié)構(gòu))，其中，球被水平地插入窩中。再次示出了球108位于相對于窩110的中性位置?？梢岳斫獾氖?，對于圖18的結(jié)構(gòu)來說，中性軸在片的平面內(nèi)。
應(yīng)當(dāng)注意到，對于圖17和圖18來說，片的平面平行于直線X-X并且垂直于紙面。
圖19示出了本發(fā)明的第七實施方案。與第一到第六實施方案不同，該實施方案沒有采用球/窩接頭來將組件連接在一起。相反地，采用了兩個獨立的樞軸接頭。第一樞軸接頭304旨在提供圍繞平行于片的平面的軸線的必要的運(yùn)動，而第二樞軸接頭306旨在提供圍繞垂直于片的平面的軸線的必要的運(yùn)動。
如圖19所示，片的第一組件300具有三個等間隔的臂。連接到各個臂的是連接元件302，所述連接元件通常為線性的并且在每一端具有互相垂直的樞軸接頭。組件300和連接元件302之間的樞軸連接部分304用于允許圍繞平行于片的平面的軸線的相對運(yùn)動，并且所述軸線是組件300的平面和連接元件302的平面所共有的軸線。圍繞樞軸304的運(yùn)動允許片圍繞物體彎曲。連接元件302通過垂直于片平面的軸線，經(jīng)由樞軸連接部分306連接到另一個連接元件302。圍繞所述軸線的相對運(yùn)動使得片的密度可以被調(diào)整。就像可以從圖19中理解一樣，各個組件300連接到三個獨立的連接元件302，并且各個連接元件302在一端連接到組件300而在另一端連接到另一個連接元件302。像上面對第一到第六實施方案的描述一樣，所述組件以相同的重復(fù)的圖案連接在一起，從而形成通常為六角形的“環(huán)”結(jié)構(gòu)?？梢宰⒁獾?，通過樞軸304連接到三個連接元件302的組件300，采用與第一實施方案的單一組件102相同的方式運(yùn)動。也就是說，這種組件300可以圍繞垂直于撓性片的平面和平行于撓性片的平面的軸線相對于其他組件300運(yùn)動。
如圖19所示，連接元件302優(yōu)選地具有軛，采用輥銷將所述軛連接到組件300的一個臂，以形成樞軸連接部分304。優(yōu)選地采用鉚釘將連接元件302的另一端連接到類似的連接元件，以便形成樞軸連接部分306。
像其他的實施方案一樣，根據(jù)使用組件的目的，組件可以采用任何適當(dāng)?shù)某叽?。連接元件302的長度可以在5mm到50mm的八邊形軸線之間，例如18mm，并且厚度為1mm到30mm，例如10mm。如圖19所示，盡管連接元件302的寬度優(yōu)選在3mm到50mm的范圍內(nèi)并且優(yōu)選小于25mm，但是其寬度可以是非固定的。組件300除了通常需要更厚以便通過其厚度來容納樞軸304之外，其具有與第一實施方案的組件類似的尺寸。為了保證片具有統(tǒng)一的厚度，組件300與連接元件302的厚度可以相同，例如10mm。組件300優(yōu)選地具有8mm的臂長和5mm的臂寬。
六角形“環(huán)”的結(jié)構(gòu)是采用具有三個等間隔的臂的組件的結(jié)果。如果采用具有其他數(shù)量的臂的組件，則所述“環(huán)”將有不同的形狀。例如，圖20示意性地示出了當(dāng)各個組件350具有四個節(jié)點360時，片平面內(nèi)密度變化的機(jī)制。在這種情況下，所述“環(huán)”是四邊形的。對于其他的節(jié)點數(shù)量和組件形狀來說，所述“環(huán)”將有不同的形狀。然而，所述“環(huán)”的特征為不包含任何組件的區(qū)域。
圖20A示出了所有的組件350與其相鄰組件的間隔最大時的結(jié)構(gòu)。這也是密度最小而面積最大的結(jié)構(gòu)。圖20B到圖20D示出了組件從片的最大展開狀態(tài)到圖20E所示的最緊密狀態(tài)的相對運(yùn)動過程?？梢钥闯?，展開的片的面積大約是未展開的片的兩倍。圖20F示出了處于展開模式和未展開模式之間的片的更大的一部分。
現(xiàn)在將描述本發(fā)明的進(jìn)一步的方面，其中可以將鉸接特征選擇性地鎖定和解鎖。通常，本發(fā)明的這一方面涉及“鎖定材料”的使用，也就是說，涉及在應(yīng)用外部能量或者去除外部能量時，可以以某種方式變化的材料。例如，這種變化可以是狀態(tài)變化、化學(xué)變化或者尺寸變化的形式。優(yōu)選地使所述鎖定材料直接靠近結(jié)構(gòu)接頭的某些部分，以便影響接頭是否可以容易地運(yùn)動。
盡管可以理解所述構(gòu)思可以延伸到任何類型的接頭，例如樞軸接頭，但是下面的示例是以球/窩接頭為例的。本發(fā)明的鎖定方面尤其可以取代上面所討論的現(xiàn)有技術(shù)的文件(例如美國專利4,484,778)中所示鎖定系統(tǒng)。
圖6示出了球/窩接頭的剖面圖。如前所述，所述球具有扁平部分112并且所述窩具有扁平部分114，以便在球的端部和窩的底部之間留有空間。當(dāng)所述球從圖6的位置轉(zhuǎn)動到圖7的位置時，該空間的形狀發(fā)生了變化。在該空間中可以設(shè)置鎖定材料400，并且如果在任何特定的時刻使得所述鎖定材料成為固態(tài)，則所述材料將用于阻止圖6和圖7所示的轉(zhuǎn)動。但是，如果使得所述鎖定材料成為流動態(tài)，則又可以轉(zhuǎn)動。
鎖定材料的優(yōu)選實施方案是熱塑性的聚合物?？梢允沟眠@種材料是“柔軟的”，因而實際上是可以流動的，而在室溫時卻是“凝固的”，因而在較低溫度時實際上是固態(tài)的。僅通過簡單地降低接頭的溫度就可以將接頭鎖定。作為一種選擇，在室溫時可以使得所述熱塑性聚合物為固態(tài)，而在較高溫度時實際上是可以流動的，在這種情況下，可以通過升高溫度(即加熱接頭或整個結(jié)構(gòu))來使接頭解鎖。從嚴(yán)格意義上說，沒有必要使得所述熱塑性聚合物經(jīng)歷狀態(tài)的變化——只需要將鎖定材料的粘性變?yōu)樽銐蛟凇敖怄i”狀態(tài)下可以容易地運(yùn)動而在“鎖定”狀態(tài)下不可以容易地運(yùn)動的程度。因而，鎖定狀態(tài)和解鎖狀態(tài)之間的相對粘性比是否發(fā)生狀態(tài)改變更加重要。
作為除了窩的底部和球的末端之間的鎖定材料的“插塞(plug)”之外的一種選擇，在球的周圍和窩的內(nèi)部，可以作為薄的覆蓋層涂覆鎖定材料400。如圖21所示，為了提供必要的鎖定功能，在球108的周圍設(shè)置槽402并且在窩110的周圍設(shè)置槽404，以便一旦所述鎖定材料不再具有足夠的流動性時，限制或阻止接頭的運(yùn)動。將所述槽設(shè)置為與垂直于所述接頭的中性軸的平面準(zhǔn)直。然而，附加的或者可選的槽可以與平行于所述接頭的中性軸的平面準(zhǔn)直，以限制或阻止所述接頭圍繞所述中性軸運(yùn)動。槽的形狀并不是非常重要的。圖21示出了頂部的圓形輪廓的槽和底部的三角形輪廓的槽。當(dāng)然，在實際的實施方案中，所述槽在球和窩的周圍可以始終具有相同的輪廓。可以采用任何形貌特征來實現(xiàn)鎖定功能，所述槽并非是限制性的。例如，可以使用釘、凹痕、剛毛以及表面粗糙度。
參照圖6，在平行于中性軸150的窩內(nèi)可以形成包含圓筒形凹陷的釘(peg)形。在圖6所示的具有扁平形末端的窩中或者在內(nèi)部為球形的窩中可以采用這種釘形。該釘形凹陷中填充有鎖定材料400，并且將用于增強(qiáng)阻止圍繞除中性軸150以外的所有軸線轉(zhuǎn)動的能力。為了阻止圍繞所述中性軸的轉(zhuǎn)動，如上所述，在所述球的周圍設(shè)置與平行于該軸線的平面準(zhǔn)直的槽。所述釘形凹陷可以可選地位于球內(nèi)而不是窩內(nèi)，并且不需要與所述中性軸準(zhǔn)直。例如，所述釘形凹陷可以相對于某些其他軸線偏移或者對準(zhǔn)。
用于限定球或窩的材料可以是鎖定材料400。例如，整個球108可以由在高溫時可以流動的熱塑性聚合物構(gòu)成。在該狀態(tài)下，所述結(jié)構(gòu)可以移動，并且可以將所述球/窩的形狀設(shè)定成一旦溫度降低就不能夠移動的形狀。
該鎖定概念也可以用于其他的接頭，例如樞軸接頭。像上述的球/窩接頭的接觸面一樣，樞軸接頭或者其他接頭的接觸面可以包含凹入其內(nèi)的圓筒形或者多面的槽。作為一種選擇或補(bǔ)充，可以包括平的部分，以便需要鎖定材料能夠在相對運(yùn)動發(fā)生之前改變形狀。
可以通過將能量選擇性地分別導(dǎo)入全部、一些或者僅僅一個接頭中，而使結(jié)構(gòu)中的全部、一些或者僅僅一個接頭鎖定或者解鎖。通常，將能量同時導(dǎo)入結(jié)構(gòu)中的所有接頭中是比較簡單，因而使得解鎖/鎖定也非常迅速和簡單。
上面的示例表明可以使用熱量來加熱鎖定材料并使其流動?？梢酝ㄟ^任何公知的方法來提供這種熱量，包括熱水浴、熱氣槍以及烤箱。進(jìn)一步，可以通過使材料暴露于微波中來提供熱量，并且這種選擇對于不希望或者不需要將實際的撓性矩陣結(jié)構(gòu)加熱的情況尤其具有吸引力。所述鎖定材料可以由對微波敏感的材料制成(例如在熱塑性聚合物中摻雜碳)，從而當(dāng)采用微波時，所述鎖定材料比周圍的結(jié)構(gòu)更易于加熱。
圖22至圖27示意性地示出了一些可選的鎖定機(jī)制。請注意，盡管這些圖僅示出了球/窩接頭，但是所述鎖定機(jī)制可以用于組件之間的任何類型的接頭。進(jìn)一步，所述概念可以用于單一接頭或者多個接頭(例如，如圖所示的兩個接頭)。
圖22示出了熱-機(jī)械引入的形狀變化的示例。在該示例中，球108由具有較低的熱膨脹系數(shù)的材料制成，鎖定材料400具有較高的熱膨脹系數(shù)，而窩110具有中等的熱膨脹系數(shù)。當(dāng)加熱時，所述鎖定材料膨脹最大，所述球膨脹最小，而所述窩膨脹的程度介于兩者之間。這種膨脹趨向于增大鎖定材料和窩之間以及鎖定材料與球之間的摩擦力，因此，作為膨脹的結(jié)果，在球和窩之間將產(chǎn)生力。接下來，所述力可用于阻止在窩內(nèi)的球的實際轉(zhuǎn)動。如圖22所示，可以由穿過鎖定材料的元件來提供必要的熱量，所述元件由穿過整個結(jié)構(gòu)的電線來供電。
圖23示出了電-機(jī)械引入的形狀變化的示例。在這種情況下，采用壓電或者其他的電抗材料作為鎖定材料400。在松弛狀態(tài)下，球108和鎖定材料具有聯(lián)鎖的槽或溝，從而阻止相對轉(zhuǎn)動。在提供電流的情況下，可以使得壓電鎖定材料以這種方式轉(zhuǎn)動，即所述槽或溝是脫開的，并且球108可以在窩110中運(yùn)動。
圖24示出了在窩110中使用電-流變或者磁-流變的流體402的情形，其可以夾住和限制或者阻止桿上的槳葉穿過組件內(nèi)的流體移動。如圖24所示，各個球108設(shè)置有至少一個(圖24中為兩個)槳葉410。當(dāng)電-流變的流體420處于流動狀態(tài)時(其通常為靜止?fàn)顟B(tài))，由于槳葉410可以穿過流體420移動(雖然存在某些實際上并不重要的阻力)，因此所述球可以轉(zhuǎn)動。當(dāng)給電-流變的流體420施加電流時，其有效地“凝固”并且槳葉410實際上不能夠再運(yùn)動，因此可以將球108就地定位并將結(jié)構(gòu)鎖定。
圖25示出了采用化學(xué)-機(jī)械鎖定的示例。在這種情況下，在球108和窩110之間使用粘性的交叉連接鎖定材料402。所述鎖定材料優(yōu)選為雙面的膠帶，并且可以用于如圖25所示的與壓電材料404相連接。可以使壓電材料404在足以刺激粘合劑402的分子的頻率下振動，從而使得其溫度升高并且使得粘合劑402固化。根據(jù)所使用的材料，所述效果可以是暫時的或者永久的。
圖26示出了采用風(fēng)力-機(jī)械的鎖定的示例。如圖26所示，球108由多孔滲水材料制成，所述材料對流體的流動具有非常大的阻力。因此，將壓縮的空氣充入球108中可以用來使球膨脹，以便在窩110中形成球108的摩擦配合。這趨向于將所述球就地鎖定。可以將空氣從球中抽走或者允許空氣從球中漏走，以便使球壓縮并允許再次運(yùn)動。作為一種選擇，可以將球制作為在窩中干涉配合，并且可以將空氣抽走以允許其運(yùn)動。
圖27示出了水力-機(jī)械的鎖定的示例。在這種情況下，窩材料110被制成多孔滲水的材料，并且通過向其中提供壓縮的液體來使其膨脹。如圖27所示，這種膨脹用于使得窩110將球108鉗位，以便鎖定運(yùn)動。
作為圖24的可選的實施方案是在窩110中采用觸變流體或者震凝流體。當(dāng)采用觸變流體時，在較低的絕對應(yīng)力下(鎖定)，所述流體的粘性會更強(qiáng)，而在較高的絕對應(yīng)力下(解鎖)，所述流體的粘性會更差。因此，當(dāng)對所述結(jié)構(gòu)施加較小的力時，其將呈現(xiàn)鎖定狀態(tài)，而當(dāng)對其施加較大的力時，其將呈現(xiàn)解鎖狀態(tài)。這對于被設(shè)計為在特定力的作用下碎裂的結(jié)構(gòu)是有用的。
震凝流體實現(xiàn)了相反的功能，即，在較大的絕對應(yīng)力下(鎖定)其粘性會更強(qiáng)，而在較小的絕對應(yīng)力下(解鎖)其粘性會更差。這就提供了一種特別有價值的耐震結(jié)構(gòu)，因為與較小的力相比，該結(jié)構(gòu)更能夠抵抗較大的力。因此，可以提供一種在正常使用時具有撓性而在震動時可以變硬的結(jié)構(gòu)。
對于所有的鎖定的實施方案，可以根據(jù)環(huán)境來提供或者不提供可逆性。對于某些應(yīng)用來說，只需要將結(jié)構(gòu)解鎖或者鎖定一次，并且在這種情況下鎖定的可逆性并非必備條件。然而，上述的許多實施方案都允許提供可逆的結(jié)構(gòu)，從而使得結(jié)構(gòu)可以重復(fù)使用。通過提供能夠在(固體/流體、膨脹/壓縮、粘性/非粘性等)狀態(tài)之間多次來回轉(zhuǎn)換的鎖定材料來提供可逆性。
在同一結(jié)構(gòu)中可以采用可逆的和不可逆的鎖定機(jī)制的組合。因此，可以將紫外可固化的粘合劑與可逆的鎖定材料之一(例如熱塑性聚合物)一起應(yīng)用到所述球/窩界面。可以將所形成的結(jié)構(gòu)加熱以使得熱塑性的鎖定材料流動并且使得接頭可以轉(zhuǎn)動，從而使得所述結(jié)構(gòu)能夠成形為特定的形態(tài)。然后，可以將所述結(jié)構(gòu)稍微冷卻，以便基本上使所述結(jié)構(gòu)固定，此時盡管存在摩擦阻力，但是仍然允許某些轉(zhuǎn)動。最后，一旦出現(xiàn)任何細(xì)微的變化，則將所述結(jié)構(gòu)就地鎖定，可以打開紫外光以使得所述粘合劑固化并且將所述結(jié)構(gòu)永久地鎖定。這樣做的優(yōu)點在于溫度的進(jìn)一步升高不會使得所述結(jié)構(gòu)再具有撓性。可以將所述組件制成透明的，以便允許紫外光照射到可固化的粘合劑。
在上述實施方案中，激活接頭中的活性材料使得接頭在給定的時間內(nèi)具有撓性，直到激活能量被耗盡。例如，加熱活性材料可以允許接頭在有限的時間內(nèi)運(yùn)動，直到接頭冷卻?？梢粤硗饣蛘哌x擇性地使用所述活性材料以提供連接或分離功能，而不是允許或者阻止運(yùn)動。可以設(shè)計這種包含活性材料的接頭，當(dāng)所述活性材料被激活時，其具有連接或分離的特性。例如，接頭可以被設(shè)計成將兩種或更多的材料結(jié)合在一起，并且當(dāng)導(dǎo)入能量時可以將兩種材料分離。相反的過程也是可能的，即直到能量被導(dǎo)入時所述活性材料才會將兩種材料結(jié)合在一起，并且在能量被導(dǎo)入時形成連接。對于本發(fā)明的所有的實施方案，這一點不只是對球/窩接頭適用，并且可以將所述活性材料用作例如三明治類結(jié)構(gòu)的填充物，其將兩種平面材料結(jié)合在一起?？梢允褂脡毫砑せ钏霾牧?，從而當(dāng)施加壓力時形成兩層之間的結(jié)合。
可以將任何一種鎖定機(jī)制用于本文所描述的任何一種鉸接結(jié)構(gòu)中。也可以將所述鎖定機(jī)制用于現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)中，包括撓性片。
圖28示出了本技術(shù)的特別有價值的應(yīng)用——背甲。這些矯形器為變形的脊骨提供支撐并且通?？梢允褂靡坏絻赡?。所述矯形器要承受變化的、通常為環(huán)形的負(fù)載。這種矯形器傳統(tǒng)上由高密度聚乙烯材料的固體片構(gòu)成，其中將所述聚乙烯材料加熱到160°以使其具有撓性，并且在其處于撓性狀態(tài)時使其環(huán)繞模型成形。這樣做的缺點在于需要病人身體的模具以便在安裝矯形器之前形成模型。這樣使得安裝矯形器的過程緩慢并且成本較高。
在圖28中，在撓性材料的兩層“表皮”內(nèi)部示出了所述撓性片結(jié)構(gòu)。圖中被切開的部分示出了被切開的上層表皮的一部分，該部分展示出所述片結(jié)構(gòu)的輪廓以及在所述輪廓后面的內(nèi)層表皮。所述表皮允許待使用的矯形器接觸敏感的身體部分，而不會引起不適或疼痛。作為使用表皮的一種選擇，一旦所述撓性結(jié)構(gòu)被鎖定為適當(dāng)?shù)男螒B(tài)，則可以將凝膠體、泡沫或者其他的流體澆鑄到所述撓性材料上，從而封裝所述撓性結(jié)構(gòu)?？梢圆捎镁蹃啺蝉セ蛘呔郾┡菽Ｈ绻@種流體可以凝固，則可以進(jìn)一步為所述結(jié)構(gòu)提供剛性，從而制成永久的背甲。作為一種選擇，可以設(shè)置所述凝膠體但是仍使其保持撓性。在這種情況下，可以提供具有連續(xù)表面的背甲，但是仍然可以通過上述的任何方式將組件解鎖以調(diào)整所述背甲?？梢詫⒏采w層和遮蓋物與本文所公開的任何一種結(jié)構(gòu)一起使用，并且可以將其用于任何一種應(yīng)用(不僅是用于背甲)。
在背甲中使用本發(fā)明具有許多有利的方面，包括下面詳細(xì)描述的三個方面。
1.所述撓性片結(jié)構(gòu)在低溫時較高的匹配性意味著可以使最初為扁平的片直接環(huán)繞病人的身體匹配，而不需要制作模具和模型并且也不需要去除或者增加任何新的組件。這就意味著可以由醫(yī)生來不斷提供扁平的矩形片，并且任何一個扁平的矩形片都可以用于任何病人。一旦所述片被匹配為合適的形態(tài)，則可以簡單而迅速地將其鎖定，而不需要經(jīng)歷費力的逐個組件的鎖定程序。例如，可以采用熱氣槍來給扁平的片充氣，以使其具有撓性，可以在所述片仍然具有撓性時環(huán)繞病人的身體模制，并且可以允許所述扁平片自然冷卻，以使其成為剛性的片并執(zhí)行脊柱支撐的功能。采用標(biāo)準(zhǔn)的最初為扁平的片在非常短的時間內(nèi)就可以完成這些操作，而不需要任何費力而乏味的繃緊或松開步驟。
2.所形成的矯形器可以使用許多年，如果需要任何的調(diào)整(例如將給兒童使用的矯形器)，則可以迅速而容易地完成。進(jìn)一步，矯形器的材料是清潔而安全的，并且不會危害到病人的健康。所述矯形器也具有充分的剛性，可以負(fù)擔(dān)所需的負(fù)載，并且一旦被鎖定則會保持特定的形狀。
3.為了提高舒適度，可以給所述撓性材料增加襯墊、增加覆蓋物或者增加軟墊，以便所述撓性結(jié)構(gòu)可以起到舒適的內(nèi)骨骼的作用。
總的來說，可以對本申請中所描述的任何一種撓性結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，以使得所述結(jié)構(gòu)的表面的全部或者一部分具有連續(xù)的表面。這一點可以通過將一層或者兩層表皮放置在所述“骨架”上并使其粘附在骨架上而將所述骨架封裝，或者將所述骨架嵌入某種隨后可以變成固體的流體中來實現(xiàn)。這種流體可以是泡沫或者凝膠體的形式。可以采用這兩種流體的組合，由此使得組件之間的縫隙充滿泡沫或者凝膠體，從而使得所形成的結(jié)構(gòu)覆蓋有一層表皮。在不使用表皮的情況下，可以采用砂紙打磨或者類似的方法而使得表面光滑，以提供光滑的連續(xù)表面。所采用的方法是否正確取決于該方法是否適合預(yù)期的應(yīng)用。這些方法尤其適合用作吸收震動的填料或者空氣動力學(xué)的防風(fēng)形狀或者水力的防水形狀(例如，機(jī)翼和船的外殼)。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可以用于其他的應(yīng)用中，例如，用于處理精致的物體或者用于快速的制模過程?？梢栽龃蠡蛘邷p小所述結(jié)構(gòu)的規(guī)模，并且可以用于可折疊并可重復(fù)使用的帳篷。
其他可能的應(yīng)用(不應(yīng)將其看作是對本發(fā)明的限制)包括
航空和國防航天服；冒險服，身體盔甲和保護(hù)，維修工具；充氣結(jié)構(gòu)；醫(yī)療人員支撐；燃料的飛機(jī)翼限制；內(nèi)部及外部的機(jī)翼和整流裝置；燃料箱；機(jī)翼降落傘，機(jī)動滑翔機(jī)翼，滑翔機(jī)。
航海潛水服；艇，獨木舟，劃槳；用于捕魚或潛水的網(wǎng)；剛性的船帆。
工程和建筑緊急建筑；大帳篷，避難所；禮堂的聲學(xué)結(jié)構(gòu)；模型材料；地面減搖；景觀美化，格架，柵欄，池塘襯墊；裝飾和雕塑結(jié)構(gòu)；家具和座位；可再使用和可折疊的結(jié)構(gòu)；水電站；腳手架；隧道加固；雕刻結(jié)構(gòu)的DIY-基礎(chǔ)；塑造，模型和安裝材料；雕塑；圓屋頂建筑；管道建設(shè)和維修；展覽標(biāo)準(zhǔn)；商店展覽；機(jī)警地方的結(jié)構(gòu)；灌溉；加熱或冷卻套-小管；雕塑的藝術(shù)和建筑基礎(chǔ)。
汽車交通工具設(shè)計和制模；軟頂部和硬頂部的改變；顧客座位；包括氣囊替換的碰撞吸收結(jié)構(gòu)；易于重復(fù)利用的汽車配件；扣合/解扣技術(shù)；卡車-用來代替火車；碰撞模擬；雪地輪胎。
服裝和飾品身體保護(hù)；帽子和頭盔；靴子；迪斯科服飾；珠寶項鏈和手鐲；流行飾物；接口材料；經(jīng)由微管道加熱－冷卻的上衣；人體模特和商店展示；女士的內(nèi)衣褲——束腹，乳罩，裙撐。
玩具和新鮮事物演員人物和玩偶；通用的模具材料；以基本的形式來制作玩具；壓力釋放；三維拼板玩具。
運(yùn)動和休閑輕便、剛性的結(jié)構(gòu)帆板，溜冰板，滑雪板，雪橇，雪橇靴，雪橇；運(yùn)動身體保護(hù)板球盒，劍術(shù)，橄欖球手套，襯墊和填料，拳擊醫(yī)療矯正術(shù)；使軟弱的肢體增強(qiáng)；脖子矯形器；手腕支撐；石膏模；急救(化學(xué)或環(huán)氧材料)；延伸器；查找移動器(move as found)，身體固定/夾板；照X光時夾緊以控制頭部；輪椅；防止產(chǎn)生壓迫疼痛的床支撐；肢體和鞋墊的模型；稻田-河床鞋(Rice paddy-bed shoes)；微觀水平改造的手術(shù)室；鎖定身體的關(guān)節(jié)，限制關(guān)節(jié)的靈活性，固定的運(yùn)動范圍和方向；醫(yī)療測量——心率，呼吸；手術(shù)桌/病人定位；戒毒。
電子和通信支持彎曲的/有形的LCD型薄顯示器；三維形狀的傳輸傳感器；用于承載包括移動電話的電子設(shè)備的平臺，GSM計算機(jī)；手持自由的有形電話；可折疊的衛(wèi)星盤；通信天線桿，暫時、可折疊的、預(yù)制的法拉第升降車和通用EMI/RFI屏幕，電話盒和隔音罩/聲音屏蔽罩。
石油和天然氣管道維修工具；石油溢出圍堵；隧道結(jié)構(gòu)的支撐。
包裝專業(yè)包裝；精致的人工制品的包裝。
權(quán)利要求
1.一種包含多個連接在一起的組件的撓性片結(jié)構(gòu)，所述多個組件連接在一起，以使得各個組件能夠相對于其所連接的相鄰組件，圍繞第一和第二軸線轉(zhuǎn)動，所述第一軸線平行于所述片被放平時的平面，所述第二軸線垂直于所述片被放平時的平面。
2.如權(quán)利要求1所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，組件能夠相對于其所連接的相鄰組件圍繞所述軸線轉(zhuǎn)動通過至少-10°到+10°的全范圍，所述軸線平行于所述片被放平時的平面。
3.如權(quán)利要求2所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，所述轉(zhuǎn)動至少通過-20°到+20°的全范圍。
4.如權(quán)利要求2或3所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，組件能夠相對于其所連接的相鄰組件圍繞所述軸線在不超過-60°和不超過+60°的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，所述軸線平行于所述片被放平時的平面。
5.如權(quán)利要求4所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，所述轉(zhuǎn)動在-30°和+30°之間。
6.如前述權(quán)利要求中的任意一項所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，組件能夠相對于其所連接的相鄰組件圍繞所述軸線轉(zhuǎn)動通過至少-10°到+10°的全范圍，所述軸線平行于所述片被放平時的平面。
7.如權(quán)利要求6所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，所述轉(zhuǎn)動至少通過-30°到+30°的全范圍。
8.如權(quán)利要求7所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，所述轉(zhuǎn)動至少通過-80°到+80°的全范圍。
9.如前述權(quán)利要求中的任意一項所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，各個組件具有多個節(jié)點，并且所述組件中的至少一個組件的各個節(jié)點連接到不同的相鄰組件的節(jié)點。
10.如權(quán)利要求9所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，各個組件具有三個且只具有三個節(jié)點。
11.如權(quán)利要求9所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，各個組件具有四個且只具有四個節(jié)點。
12.如權(quán)利要求9、10或11所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，各個節(jié)點位于臂的末端。
13.如權(quán)利要求11或12所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，所述組件的各個臂平行于所述片被放平時的平面。
14.如權(quán)利要求10到13中任意一項所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，各個節(jié)點連接部分是單一接頭，所述接頭允許所述的垂直于所述片被放平時的平面的轉(zhuǎn)動和所述的平行于所述片被放平時的平面的轉(zhuǎn)動，優(yōu)選為能夠同時圍繞所述垂直軸線和平行軸線中間的單個軸線轉(zhuǎn)動。
15.如權(quán)利要求14所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，所述單一接頭具有與所述片被放平時的平面基本成90°的中性軸。
16.如權(quán)利要求14所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，所述單一接頭具有與所述片被放平時的平面成角度的中性軸。
17.如權(quán)利要求14所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，所述單一接頭具有與片被放平時的平面基本平行的中性軸。
18.如權(quán)利要求14、15、16或17所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，所述單一接頭是球/窩接頭。
19.如權(quán)利要求18所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，所述球/窩接頭是包含兩個球和兩個窩的雙端球/窩接頭。
20.如權(quán)利要求1所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，組件能夠相對于其直接或間接連接的相鄰組件圍繞所述軸線在至少-90°到+90°的全范圍之間轉(zhuǎn)動，所述軸線平行于所述片被放平時的平面。
21.如權(quán)利要求20所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，組件能夠相對于其直接或間接連接的相鄰組件圍繞所述軸線在至少-180°到+180°的全范圍之間轉(zhuǎn)動，所述軸線平行于所述片被放平時的平面。
22.如權(quán)利要求1、20或21所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，組件能夠相對于其直接或間接連接的相鄰組件圍繞所述軸線在至少-100°到+100°之間轉(zhuǎn)動，所述軸線垂直于所述片被放平時的平面。
23.如權(quán)利要求20、21或22所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，組件能夠相對于其直接或間接連接的相鄰組件圍繞所述軸線在不超過-120°到不超過+120°的范圍之間轉(zhuǎn)動，所述軸線平行于所述片被放平時的平面。
24.如權(quán)利要求1到13或20到23中任意一項所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，所述片的至少一個組件通過連接元件連接到相鄰組件。
25.如權(quán)利要求24所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，所述至少一個組件通過接頭連接到所述連接元件，所述接頭允許所述組件和連接元件之間圍繞所述軸線相對轉(zhuǎn)動，所述軸線平行于所述片被放平時的平面。
26.如權(quán)利要求24或25所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，所述連接元件包括通過接頭連接在一起的兩個部件，所述接頭允許所述兩個部件之間圍繞軸線相對轉(zhuǎn)動，所述軸線垂直于所述片被放平時的平面。
27.如權(quán)利要求24、25或26所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，各個組件通過接頭連接到連接元件，所述接頭允許所述組件和所述連接元件之間圍繞所述軸線相對轉(zhuǎn)動，所述軸線垂直于所述片被放平時的平面。
28.如權(quán)利要求24、25、26或27所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，所述連接元件是在其各個末端具有球的單一的線性部件。
29.如前述權(quán)利要求中的任何一項所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，所述組件和任選的連接元件連接在一起，從而在所述平面中形成規(guī)則的閉環(huán)圖案。
30.如權(quán)利要求25所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，所述環(huán)路能夠閉合以在由于組件圍繞與所述片被放平時的平面垂直的所述軸線相對轉(zhuǎn)動，因而所述片保持扁平時，減小所述片的面積。
31.如前述權(quán)利要求中的任何一項所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，在所述片保持扁平時，整個片或者片的一部分的有效面積可以變化。
32.如權(quán)利要求31所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，在所述片保持扁平時，所述片的面積可以減少到其原始尺寸的80％，或者更小。
33.如權(quán)利要求31所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，在所述片保持扁平時，所述片的面積可以減少到其原始尺寸的60％，或者更小。
34.如權(quán)利要求34所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，在所述片保持扁平時，所述片的面積可以減少到其原始尺寸的40％，或者更小。
35.如前述權(quán)利要求中的任何一項所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，每個組件能夠相對于其所連接的相鄰組件圍繞的互相垂直的軸線中的各個轉(zhuǎn)動，所述軸線位于所述片被放平時的平面內(nèi)。
36.如前述權(quán)利要求中的任何一項所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，每個組件連接到多個相鄰組件。
37.一種包含多個連接在一起的組件的撓性片結(jié)構(gòu)，所述組件中的至少一個通過多自由度的接頭連接到另一個所述組件，所述接頭具有與所述片被放平時的平面基本成90°的中性軸。
38.如權(quán)利要求37所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，所述片的各個所述組件通過多自由度的接頭連接到另一個組件，所述接頭具有與所述片被放平時的平面基本成90°的中性軸。
39.一種包含多個第一和第二連接元件的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，每個所述第一元件通過接頭連接到所述第二元件，以允許圍繞軸相對轉(zhuǎn)動，所述軸平行于所述片被放平時的平面，并且每個所述第二元件通過接頭連接到相鄰的所述第二元件，以允許圍繞軸相對轉(zhuǎn)動，所述軸垂直于所述片被放平時的平面。
40.如權(quán)利要求39所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，在所述片被放平時的平面內(nèi)，每個第一元件具有三個間隔約120°的臂，并且每個第二元件是在其各個端部具有所述接頭的線性部件。
41.一種包含多個連接在一起的組件的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，每個所述組件具有第一、第二和第三臂，各個臂與其他兩個所述臂規(guī)則地隔開，各個所述臂連接到相鄰的所述組件的臂上，以使得所述片的每個組件能夠相對于其相鄰組件圍繞軸線轉(zhuǎn)動，所述軸線垂直于所述片被放平時的平面。
42.如前述權(quán)利要求中的任何一項所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，每個組件由基本剛性和非撓性的塑料材料制成。
43.如前述權(quán)利要求中的任何一項所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，組件之間的連接部分被設(shè)置成使相鄰組件之間不能夠發(fā)生純粹的相對平移。
44.如前述權(quán)利要求中的任何一項所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，所述片中的每個組件在形狀上與所述片的其他組件基本類似。
45.一種包含多個連接在一起的組件的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，所述多個組件連接在一起，以在所述片保持扁平時允許改變所述片的有效面積，以及允許平面以外的運(yùn)動，從而使得所述片可以與復(fù)雜的形狀平滑地匹配。
46.如前述權(quán)利要求中的任何一項所述的撓性片結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括用來為所述片結(jié)構(gòu)提供平滑的外表面的附加材料。
47.如權(quán)利要求46所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，所述附加材料是附接到所述多個組件上的較薄的覆蓋材料。
48.如權(quán)利要求46所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，所述附加材料作為流體被施加以封裝所述多個組件。
49.一種用于前述權(quán)利要求中的任何一項所述的撓性片結(jié)構(gòu)中的組件。
50.一種用于撓性片結(jié)構(gòu)中的組件，所述組件具有多個臂，其中每個所述臂包括多自由度接頭的一半，所述多自由度接頭的一半用于連接到位于所述片中的相鄰組件的臂上的多自由度接頭的另一半；所述多自由度接頭的一半的方向被確定為使得所形成的多自由度接頭具有朝向片平面以外的中性軸。
51.如權(quán)利要求50所述的組件，其中，所述多自由度接頭的一半與所述組件的主平面成90°角。
52.如權(quán)利要求50或51所述的組件，其中，所述多自由度接頭的一半是球和窩之一。
53.一種可鎖定的鉸接結(jié)構(gòu)包括多個連接在一起的組件，從而所述組件可以相對于其他組件選擇性地運(yùn)動；兩個所述組件之間的至少一個連接部分包括能夠呈現(xiàn)至少兩種狀態(tài)的鎖定材料，所述至少兩種狀態(tài)包括所述元件可以相對運(yùn)動的第一狀態(tài)以及至少基本阻止這種運(yùn)動的第二狀態(tài)；通過將能量選擇性地導(dǎo)入所述鎖定材料而實現(xiàn)所述兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。
54.如權(quán)利要求53所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述選擇性的運(yùn)動為轉(zhuǎn)動。
55.如權(quán)利要求54所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述轉(zhuǎn)動是圍繞一個以上軸線的轉(zhuǎn)動。
56.如權(quán)利要求53、54或55所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述第一狀態(tài)是比所述第二狀態(tài)軟的狀態(tài)。
57.如權(quán)利要求56所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述第二狀態(tài)是凝固態(tài)。
58.如權(quán)利要求57所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述轉(zhuǎn)換是從所述凝固態(tài)到所述較軟的狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，并且通過向所述鎖定材料提供熱量來實現(xiàn)所述轉(zhuǎn)換。
59.如權(quán)利要求58所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述鎖定材料在更大程度上比所述鉸接結(jié)構(gòu)的材料更易于被微波能量加熱，從而可以通過使整個結(jié)構(gòu)受到微波的輻射而將熱量提供給所述鎖定材料。
60.如權(quán)利要求53、54或55所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述第一狀態(tài)是展開狀態(tài)而所述第二狀態(tài)是壓縮狀態(tài)。
61.如權(quán)利要求53、54或55所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述第一狀態(tài)是壓縮狀態(tài)以及所述第二狀態(tài)是展開狀態(tài)。
62.如權(quán)利要求60或61所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述轉(zhuǎn)換是從所述壓縮狀態(tài)到所述展開狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，并且通過向所述鎖定材料提供熱量或電流來實現(xiàn)所述轉(zhuǎn)換。
63.如權(quán)利要求53、54或55所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述第一狀態(tài)是非粘接狀態(tài)而所述第二狀態(tài)是粘接狀態(tài)。
64.如權(quán)利要求63所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，所述轉(zhuǎn)換是從所述非粘接狀態(tài)到所述粘接狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，并且通過向所述連接部分提供熱量、UV輻射或者電流來實現(xiàn)所述轉(zhuǎn)換。
65.如權(quán)利要求53、54或55所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述第一狀態(tài)是受壓狀態(tài)而所述第二狀態(tài)是非受壓狀態(tài)或者低壓狀態(tài)。
66.如權(quán)利要求65所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述轉(zhuǎn)換是從所述受壓狀態(tài)到所述非受壓狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，并且通過將液壓或氣壓流體注入所述連接部分來實現(xiàn)所述轉(zhuǎn)換。
67.如權(quán)利要求53到66中的任何一項所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述轉(zhuǎn)換是可逆的。
68.如權(quán)利要求53到67中的任何一項所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述連接部分是球-窩接頭，以及所述鎖定材料至少圍繞球的一部分設(shè)置。
69.如權(quán)利要求68所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述球和/或窩接頭具有扁平部分，并且所述鎖定材料與所述扁平部分相鄰設(shè)置。
70.如權(quán)利要求68或69所述的結(jié)構(gòu)，其中，當(dāng)所述結(jié)構(gòu)被鎖定時，提供用來防止圍繞所述球/窩接頭的中性軸轉(zhuǎn)動的形貌特征。
71.如權(quán)利要求70所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述球或窩具有一個或多個槽形的形貌特征，所述鎖定材料位于所述槽形的形貌特征內(nèi)。
72.如權(quán)利要求53到67中的任何一項所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述連接部分是包括軸部分和環(huán)狀部分的樞軸。
73.如權(quán)利要求72所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述鎖定材料位于所述軸部分和所述環(huán)狀部分之間。
74.如權(quán)利要求73所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述軸部分或環(huán)狀部分具有非圓筒形的表面，并且所述鎖定材料與所述表面相鄰。
75.如權(quán)利要求53到74中的任何一項所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述材料是熱塑性材料。
76.如權(quán)利要求53到75中的任何一項所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述材料是易熔材料。
77.如權(quán)利要求53到76中的任何一項所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述材料是熱固性材料。
78.如權(quán)利要求53到77中的任何一項所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述材料是聚合物。
79.如權(quán)利要求53到78中的任何一項所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述材料是觸變流體或震凝流體，從而根據(jù)作用在結(jié)構(gòu)上的力的水平來提供不同的有效粘性量。
80.一種撓性片結(jié)構(gòu)，其包括權(quán)利要求53到79中的任何一項所述的可鎖定的鉸接結(jié)構(gòu)。
81.如權(quán)利要求1到48中的任何一項所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，根據(jù)權(quán)利要求53到79中的任何一項，至少兩個組件可鎖定地連接在一起。
82.如權(quán)利要求81所述的撓性片結(jié)構(gòu)，其中，根據(jù)權(quán)利要求53到79中的任何一項，所述片中的所有接合部分是可鎖定的，從而所述片能夠選擇性地匹配和鎖定。
83.一種包括權(quán)利要求1到47中的任何一項或者53到82中的任何一項所述的撓性片結(jié)構(gòu)的背甲。
全文摘要
公開了一種具有改進(jìn)的匹配性但是仍牢固耐用的撓性片結(jié)構(gòu)。所述結(jié)構(gòu)由多個組件構(gòu)成，所述組件允許與所述片被放平時的平面平行和垂直的軸線的相對轉(zhuǎn)動。這樣允許所述片的密度局部或全部改變，從而提供圍繞復(fù)雜形狀的改進(jìn)的匹配性。還公開了一種在每個連接部分中使用鎖定材料來使所述片的組件鎖定和解鎖的方法，其中由外部的附加能量(如熱能)來激活所述鎖定材料。
文檔編號A47C23/00GK1874709SQ200480032428
公開日2006年12月6日 申請日期2004年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月6日
發(fā)明者馬丁·弗格森-佩爾, 格雷厄姆·尼科爾森, 大衛(wèi)·霍斯, 卡尼克·塔弗迪, 彼得·艾倫, 邁克·貝維斯 申請人:Ucl 生物醫(yī)學(xué)公共有限公司