用於使關節伸展和彎曲的帶多電機組件的致動器系統的製作方法
2023-06-24 13:57:31 1
專利名稱：用於使關節伸展和彎曲的帶多電機組件的致動器系統的製作方法
技術領域：
本發明大體涉及致動器領域，且更具體地說，涉及致動器領域中的一種具有多電機組件的新的且有用的致動器系統。
背景 電機和致動器應用在多種場合。包括機器人和主動矯正的多種應用需要類似於人體肌肉的特性。特性包括以相對低的速度傳遞大的力以及允許當動力被去除時自由運動的能力，從而允許臂在部分運動循環過程中自由擺動。這可能需要致動器，該致動器可以以較慢的速度提供較大的力且以較高的速度提供較小的力，或提供致動器的主驅動器輸入和輸出之間的可變比的傳動(variable ratio transmission, VRT)。
VRT 通常被實現為連續變化傳動(Continuously Variable Transmission, CVT)。 最早的CVT的基本原理是通過以下方式改變一個或者多個齒輪的比通過改變齒輪的直徑，改變帶在圓錐滑輪上行進的位置，或者通過基於希望的比來耦合轉動盤之間的力同時交叉點的直徑改變。現有技術CVT在效率和機械複雜性方面有缺點。
電機已經在多種場合使用，但是一般單個電機直接或者間接連接以提供各自輸出方向的運動。單個電機的使用限制了速度/扭矩範圍或者需要額外的支出和電機與輸出之間的傳動複雜度。因此，致動器領域中需要創造一種能夠在較低的速度時提供較大的力並且在較高的速度時提供較小的力的，但是最小化或者避免傳統CVT缺點的新的且有用的致動器系統。本發明提供了這樣一種新的且有用的致動器系統。
附圖簡述
圖1是在伸展和彎曲使用者的關節的矯正(orthotic)中的優選實施方式的致動器系統的示意圖。
圖2是優選實施方式的致動器系統的示意圖，具有多電機組件的第一變化形式， 並且具有處於力位置的轉動轉線性機構(rotary-to-linear mechanism)的伸展止塊 (extension stop)禾口彎曲止塊(flexion stop)。
圖3是優選實施方式的致動器系統的示意圖，具有多電機組件的第二變化形式。
圖如和圖4b是優選實施方式的致動器系統的示意圖，分別具有經過位置(pass position)中的伸展止塊和經過位置中的彎曲止塊。
圖5是用於優選實施方式的致動器系統的控制器的操作模式的流程圖。
圖6是用於優選實施方式的致動器系統的控制器的示例性電流跳躍的圖表。
圖7是第一電機子系統、第二電機子系統、以及第一電機子系統和第二電機子系統組合的速度/力曲線的圖表。
優選實施方式描述 下面對本發明的優選實施方式的描述不是旨在將本發明限定為這些優選實施方式，而是使得致動器系統領域中的任何技術人員能夠製造和使用本發明。
如圖1和2所示，用於伸展和彎曲使用者的關節110的優選實施方式的致動器系統100包括多電機組件120，用於提供轉動輸出；轉動轉線性機構150，用於將來自多電機組件120的轉動輸出轉換成最終伸展和彎曲關節的線性運動；以及控制器，用於以多種操作模式操作致動器系統100。多電機組件120優選將來自兩個不同來源的動力結合，使得多電機組件120可以以較低的速度(「低速齒輪」)提供更大的力以及以較高的速度(「高速齒輪」)提供較小的力。致動器被特別設計為用於伸展和彎曲人類或機器人的關節110(例如踝、膝、肘、或者肩)。但是，致動器100可用於通過任何合適的運動(線性的、旋轉的或以其他方式的)來移動任何合適的物體。
1.多電機組件 如圖2中所示，優選實施方式的多電機組件120作用是向轉動轉線性機構150提供轉動輸出。多電機組件120包括驅動軸122、第一電機子系統124，以及第二電機子系統 126。驅動軸122的作用是傳遞來自多電機組件120的轉動輸出。第一電機子系統124的作用是提供多電機組件120的轉動輸出的分量。第一電機子系統IM包括第一電機128、第一輸出軸130，以及第一傳動裝置(transmission) 132。第二電機子系統126的作用是提供多電機組件120的轉動輸出的另一個分量。第二電機子系統1 包括第二電機134、第二輸出軸136，以及第二傳動裝置138。
第一電機子系統IM的第一電機1 的作用是提供第一動力源，並且第一輸出軸 130的作用是將該動力傳遞到第一電機子系統124的其它部件。第一電機1 優選是具有外轉子和七個極對(pole pair)的三相無刷電動機。優選由型號為G2220-14的Hyperion 提供的第一電機128的峰值電流為35A，且峰值功率為388W。當然，第一電機1 可以是具有根據致動器系統100的設計而定的不同規格和參數的不同類型。
第一電機子系統124的第一傳動裝置132的作用是將來自第一輸出軸130的動力傳遞到驅動軸122。第一傳動裝置132優選包括兩個滑輪(一個安裝在第一輸出軸130上而一個安裝在驅動軸122上)和連接兩個滑輪的帶或鏈。第一傳動裝置132可以可選擇地包括將來自第一輸出軸130的動力傳遞到驅動軸122的齒輪或者任何其它適當的裝置或方法。第一傳動裝置132的功能還優選限定驅動軸122的轉動與第一輸出軸130的轉動的第一齒輪比(gear ratio)。在優選實施方式中，安裝到第一輸出軸130上的滑輪(或齒輪)小於安裝到驅動軸122上的滑輪(或齒輪)，使得第一齒輪比小於1 1(例如，1 4)。在可選實施方式中，第一齒輪比根據致動器系統100的設計可以是1 1或者可以大於1 1(例如，4 1)。
第二電機子系統126的第二電機134的作用是提供第二動力源，並且第二輸出軸 136的作用是將該動力傳遞到第二電機子系統126的其它部件。與第一電機1 類似，第二電機134優選為具有外轉子和七個極對的三相無刷電動機。優選由型號為G2220-14的 Hyperion提供的第二電機134的峰值電流為35A，且峰值功率為388W。第二電機134優選在設計和性能特性上與第一電機1 相同，第二電機134起到減小零件計數和製造的複雜性的作用。但是，第二電機134可以是具有按照致動器系統100的設計而定的不同規格和參數的不同類型。第二輸出軸136的作用是將第二電機134的動力傳遞到第二電機子系統 126的其它部件。
第二電機子系統126的第二傳動裝置138的作用是將來自第二輸出軸136的動力傳遞到驅動軸122。第二傳動裝置138優選包括兩個滑輪(一個安裝在第二輸出軸136上， 而一個安裝在驅動軸122上)和連接兩個滑輪的帶或者鏈。第二傳動裝置138可以選擇性地包括將來自第二輸出軸136的動力傳遞到驅動軸122的齒輪或者任何其它適當的裝置或方法。第二傳動裝置138的作用還優選至少部分地限定驅動軸122的轉動與第二輸出軸136 的轉動的第二齒輪比。在優選實施方式中，安裝到第二輸出軸136上的滑輪(或齒輪)小於安裝到驅動軸122上的滑輪(或齒輪)，使得第二齒輪比小於1 1(例如，1 4)。在可選實施方式中，第二齒輪比根據致動器系統100的設計可以是1 1或者可以大於1 1(例如，4 1)。
來自第一電機子系統124的動力和來自第二電機子系統126的動力優選具有不同的特性，使得多電機組件120可以在較低速度(「低速齒輪」)時提供較大的力並且在較高速度(「高速齒輪」)時提供較小的力。這可以通過在第一電機子系統1 和第二電機子系統126中使用不同的電機實現。但是，在優選實施方式中，這通過利用相同的電機，但是利用限定第一電機子系統1 和第二電機子系統126的不同齒輪比的傳動裝置來實現。第二齒輪比優選小於第一齒輪比，但是致動器系統100可以被重新布置成使得第二齒輪比高於第一齒輪比。
第二電機子系統126的第二傳動裝置138優選將第二輸出軸136連接到第一輸出軸130。利用這種布置，來自第二電機134的動力在達到驅動軸122之前被通過第二傳動裝置138和第一傳動裝置132 二者傳遞。因此，第二傳動裝置138和第一傳動裝置132配合地限定第二齒輪比。從電機134到驅動軸122的有效齒輪比是第一傳動裝置132和第二傳動裝置138的乘積。例如，如果第一傳動裝置132和第二傳動裝置138的齒輪比都是1 3， 則從電機134到驅動軸122的有效齒輪比將是1:9。通過槓桿化(leveraging)第一傳動裝置132，這種變化形式提供了緊密的形狀係數(compact form factor)。利用該示例，系統將能夠提供1 9的有效齒輪比，而不需要大的滑輪或者齒輪系統。
如圖3中所示，第二電機子系統226的變化形式的第二傳動裝置238將第二輸出軸236連接到驅動軸122。在該變化形式中，來自第二電機234的動力在到達驅動軸122之前被僅僅通過第二傳動裝置238傳遞(且因此，第二傳動裝置238限定第二齒輪比)。通過將第一電機1 和第二電機234單獨連接到驅動軸122，第一齒輪比和第二齒輪比可以為致動器系統100特別訂製。
如圖2中所示，優選實施方式的多電機組件120還包括位於第二電機134和驅動軸122之間的單向離合器140。單向離合器140的作用是輔助下面的電機模式 高速齒輪電機模式-第一電機子系統IM在第一方向提供動力，而不會轉動第二輸出軸136和傳遞來自第二電機子系統126的拖拽， 低速齒輪電機模式-第二電機子系統1 在第一方向(具有來自第一電機子系統 124的拖拽)提供動力， 組合的電機模式-第一電機子系統IM和第二電機子系統1 在第一方向提供動力，以及 高速齒輪電機模式-第一電機子系統IM在相反的方向提供動力(具有來自第二電機子系統126的拖拽)。
在多電機組件120的第一變化形式中，如上所介紹，單向離合器140優選位於第二傳動裝置138中，並且更具體的說，位於安裝在第一輸出軸130的滑輪中。在其它的變化形式中，單向離合器140可以安裝在第二電機134和驅動軸122之間的任何適當的位置。
優選實施方式的多電機組件120還包括電源(未示出)。電源優選是六鋰聚合物電池(six lithium polymer battery cell)，由型號為 603462H1 的 Emerging Power 提供。 電池優選串聯和並聯(3S2P)布置以提供11. IV的電壓(名義)和2640maH的電容。但是， 電源可以是根據致動器系統100的設計而定的任何適當的類型，既包括由電力網供給的電源又包括其它可攜式的源(例如，燃料電池)。
2.轉動轉線件機構 優選實施方式的轉動轉線性機構150的作用是將來自多電機組件120的轉動輸出轉換成線性運動，該線性運動最終伸展並且彎曲使用者的關節。在優選實施方式中，轉動轉線性機構150包括滾珠絲槓152和滾珠螺母154，滾珠絲槓152接受多電機組件120的轉動輸出，滾珠螺母154連接到滾珠絲槓152並且與滾珠絲槓152配合以將滾珠絲槓152的轉動運動轉換成滾珠螺母154的線性運動。多電機組件120的驅動軸122和轉動轉線性機構 150的滾珠絲槓152優選為同一軸的不同部分。一部分包括來自第一傳動裝置132的滑輪 (或齒輪)，而另一部分包括滾珠絲槓152的半圓形的螺旋槽。但是，驅動軸122和滾珠絲槓152可以是以任何適當的方式連接的單獨的軸，例如通過滑輪或者齒輪布置。在可選實施方式中，轉動轉線性機構150可以包括將來自多電機組件120的轉動輸出轉換成關節的伸展和彎曲的任何適當的裝置或者方法。
優選實施方式的轉動轉線性機構150還包括具有運動軌道158的線性滑塊 (linear slide) 156，該運動軌道158在彎曲方向和伸展方向移動。線性滑塊156的作用是當關節完全彎曲時提供支撐結構，以及當關節完全伸展時提供緊湊結構。線性滑塊156優選包括固定輪(stationary wheel)和運動輪，但是可以選擇性地包括允許運動軌道158在彎曲和伸展方向移動的任何適當的裝置或方法。
如圖2和4a中所示，線性滑塊156的運動軌道158優選包括伸展止塊160，伸展止塊160的作用是將滾珠螺母154在伸展方向的線性運動轉換成關節的伸展。在優選實施方式中，伸展止塊160在允許滾珠螺母154抵著伸展止塊160施加力的力位置(圖2中所示)和防止滾珠螺母154抵著伸展止塊160施加力的經過位置(圖4a中所示)之間可移動。伸展止塊160優選U形並且可樞轉地安裝在運動軌道158上，但是可以選擇性地成形和以任意方式安裝以允許從力位置到經過位置的移動。在可選實施方式中，伸展止塊160 可以永久地(或者半永久地)固定或者緊固到力位置。
在第一變化形式中，如圖2和4b所示，線性滑塊156的運動軌道158還包括彎曲止塊162，彎曲止塊162的作用是將滾珠螺母154在彎曲方向的線性運動轉換成關節的彎曲。在優選實施方式中，彎曲止塊162在允許滾珠螺母154抵著彎曲止塊162施加力的力位置(圖2中所示)和防止滾珠螺母154抵著彎曲止塊162施加力的經過位置(圖4a中所示)之間可移動。與伸展止塊160類似，彎曲止塊162優選U形並且可樞轉地安裝在運動軌道158上，但是可以選擇性地成形和以任何方式安裝以允許從力位置到經過位置的移動。在可選實施方式中，伸展止塊162可以永久地(或者半永久地)固定或者緊固到力位置。
在第二變化形式中，如圖4c中所示，線性滑塊156的運動軌道158可以另外或者選擇性地包括閉鎖262，閉鎖262的作用是將滾珠螺母154在彎曲方向和伸展方向的線性運動都轉換為關節的彎曲和伸展。在優選實施方式中，閉鎖262在允許滾珠螺母154移動閉鎖262和運動軌道的接合位置(圖4c中示出)和防止滾珠螺母154抵著閉鎖262施加力的分離位置(未示出)之間可移動。與伸展止塊160不同，閉鎖262優選安裝為以可滑動方式與滾珠螺母154接合，但是可以選擇性地成形和以任何方式安裝以允許從接合位置到分離位置的移動。
在第三變化形式中，彎曲止塊162和閉鎖262可以被省略以允許關節的無動力彎曲ο 伸展止塊160和彎曲止塊162優選距離彼此相對遠地定位，這允許使用者的關節經歷「自由運動」，實質上使運動軌道158在伸展止塊160和彎曲止塊162之間往復移動而不需要移動滾珠螺母154或反向驅動多電機組件120。在一個變化形式中，伸展止塊160和彎曲止塊162相對靠近彼此地定位，這防止使用者的關節經歷較小或者沒有「自由運動」。 換言之，運動軌道158的移動將使滾珠螺母154移動並且反向驅動多電機組件120。
如圖1中所示，用於伸展和彎曲使用者的關節110的優選實施方式的致動器系統 100包括轉動轉線性機構，轉動轉線性機構作用是將運動軌道的線性運動轉換成使用者的關節的伸展和彎曲(兩種轉動運動)。換言之，致動器系統100可以包括齒輪、滑輪、或者任何其他適當的機構以便最終伸展和彎曲使用者的關節。
3.控制器 優選實施方式的控制器的作用是以多種操作模式中的一種操作致動器系統100。 控制器優選包括測定運動軌道158的位置的傳感器(例如，第一電機128和第二電機134上的編碼器)，以及滾珠螺母154上的測定由多電機組件120提供的力或者通過外部因素(例如使用者的身體的重力)施加到關節的力的傳感器。控制器還可以包括其它傳感器，以預測或確定施加到關節或者藉助於多電機組件120的所需要的將來的力。但是，控制器可以使用任何適當的方法或者裝置以測定運動軌道158的位置和藉助於多電機組件120的所需力。
基於運動軌道158的位置和藉助於多電機組件120的所需力，控制器提供了到第一電機子系統124、第二電機子系統126，或者第一電機子系統124和第二電機子系統126 兩者的電流。如圖5中所示，控制器優選以下面的操作模式操作致動器系統100的多電機組件120 高速齒輪彎曲模式、高速齒輪伸展模式、低速齒輪伸展模式，以及連續變化傳動伸展模式(Continuously Variable Transmission Extension mode)。
在高速齒輪彎曲模式，控制器僅僅提供到第一電機子系統124的電流，使得多電機組件120向轉動轉線性機構150提供轉動輸出。滾珠絲槓152被朝方向驅動，使得滾珠螺母154抵著彎曲止塊162(如果處於力位置)施加力並且在彎曲方向驅動運動軌道158。 高速齒輪彎曲模式以較高的速度提供較小的力以迅速彎曲使用者的關節。
高速齒輪伸展模式類似於高速齒輪彎曲模式，除了第一電機子系統124被以相反的方向驅動之外。在高速齒輪伸展模式，控制器僅僅向第一電機子系統124提供電流，使得多電機組件120向轉動轉線性機構150提供轉動輸出並且滾珠螺母154抵著伸展止塊160 施加力。滾珠絲槓152被朝方向驅動，使得滾珠螺母154抵著伸展止塊160 (如果位於力位置)施加力並且在伸展方向驅動運動軌道158。高速齒輪伸展模式以較高的速度提供較小的力以快速伸展使用者的關節。
低速齒輪伸展模式類似於高速齒輪伸展模式，除了第二電機子系統126被代替第一電機子系統124而受到驅動之外。在低速齒輪伸展模式，控制器僅僅向第二電機子系統 126提供電流，使得多電機組件120向轉動轉線性機構150提供轉動輸出並且滾珠螺母154 抵著伸展止塊160施加力。滾珠絲槓152被朝方向驅動，使得滾珠螺母154抵著伸展止塊 160 (如果位於力位置)施加力並且在伸展方向驅動運動軌道158。低速齒輪伸展模式以較低的速度供給較大的力以有力地伸展使用者的關節。
在連續變化傳動伸展模式中，控制器提供到第一電機子系統124和第二電機子系統126 二者的電流，使得多電機組件120向轉動轉線性機構150提供轉動輸出，並且滾珠螺母154抵著伸展止塊160施加力。在這種模式中，如圖6中所例示，控制器改變提供到第一電機子系統124的電流和提供到第二電機子系統126的電流的比，以便以連續變化傳動伸展模式實現希望的轉動輸出。當控制器檢測到藉助於多電機組件120的增加的所需力，控制器優選首先提高到第一電機子系統124 (高速齒輪或「HG」)的電流，隨後減小到第一電機子系統124的電流同時提高到第二電機子系統126(低速齒輪或「LG」)的電流。連續變化傳動伸展模式不僅可以以較高的速度提供較小的力以快速伸展使用者的關節(「高速齒輪」)，而且可以以較低的速度提供較大的力以有力地伸展使用者的關節(「低速齒輪」)。 更重要的是，如圖7中所示，通過改變提供到第一電機子系統124的電流和提供到第二電機子系統126的電流的比，控制器可以從多電機子系統實現希望的力和速度，該希望的力和速度在僅僅由第一電機128或者第二電機134提供的可能力和速度的範圍之外。致動器系統100在不提供傳統的多齒輪傳動或者傳統CTV (帶有齒輪，圓錐滑輪，等)的情況下實現這些優點和特點。
如圖5中所示，優選實施方式的控制器還以自由運動模式操作致動器系統100。在自由運動模式的一個變化形式中，控制器提供到第一電機子系統124的電流，使得多電機組件120向轉動轉線性機構150提供轉動輸出並且滾珠螺母154移動離開伸展止塊160。 在自由運動模式的另一個變化形式中，控制器向第一電機子系統124提供電流，使得多電機組件120向轉動轉線性機構150提供轉動輸出，並且滾珠螺母154保持在伸展止塊160 或者彎曲止塊162之間的大體位置，但是不會接觸伸展止塊160或者彎曲止塊162。
4.其它實施方式 因為在致動器系統100的領域的技術人員將從前面的詳細描述以及從附圖和權利要求中知道，所以在不背離本發明的在下面的權利要求中所限定的範圍的情況下，可以對本發明的優選實施方式做出修改和改變。作為第一例子，儘管致動器系統100已經被描述為包括具有第一電機128和第二電機134的多電機組件120，但是多電機組件120可以包括附加的電機(具有或者沒有另外的單向離合器140)。作為附加的例子，雖然致動器系統 100被描述為包括轉動轉線性機構150，但是可能的是，在沒有將轉動輸出轉換為線性輸出的機構的情況下，可以使用多電機組件120的轉動輸出。
權利要求
1.一種用於使關節伸展和彎曲的致動器系統，包括 多電機組件，其用於提供轉動輸出；眷轉動轉線性機構，其用於將來自所述多電機組件的轉動輸出轉換成關節的伸展和彎曲；以及 控制器，其用於以多種操作模式操作所述致動器系統。
2.如權利要求1所述的致動器系統，其中，所述多電機組件包括 驅動軸，其向所述轉動轉線性機構提供轉動輸出； 第一電機子系統，其具有第一輸出軸和將所述第一輸出軸連接到所述驅動軸的第一傳動裝置；以及 第二電機子系統，其具有第二輸出軸和將所述第二輸出軸耦合到所述驅動軸的第二傳動裝置。
3.如權利要求2所述的驅動器系統，其中，所述第一傳動裝置限定所述驅動軸的轉動與所述第一輸出軸的轉動的第一齒輪比，且其中，所述第二傳動裝置至少部分地限定所述驅動軸的轉動與所述第二輸出軸的轉動的第二齒輪比，其中，所述第二齒輪比與所述第一齒輪比不同。
4.如權利要求3所述的致動器系統，其中，所述第二齒輪比小於所述第一齒輪比。
5.如權利要求3所述的致動器系統，其中，所述第二傳動裝置將所述第二輸出軸連接到所述第一輸出軸，並且其中，所述第二傳動裝置和所述第一傳動裝置配合地限定所述第二齒輪比。
6.如權利要求5所述的致動器系統，其中，所述第二電機子系統還包括單向離合器，所述單向離合器位於第二電機和第一電機之間。
7.如權利要求3所述的致動器系統，其中，所述第二傳動裝置將所述第二輸出軸連接到所述驅動軸，並且其中，所述第二傳動裝置限定所述第二齒輪比。
8.如權利要求7所述的致動器系統，其中，所述第一電機子系統包括第一電機，其中所述第二電機子系統包括第二電機，並且其中，所述第一電機和所述第二電機具有基本相同的性能特性。
9.如權利要求3所述的致動器系統，其中，所述控制器以下面的電機模式操作所述致動器系統 連續變化傳動電機模式，其中所述控制器向所述第一電機子系統和所述第二電機子系統都提供電流，使得所述多電機組件向所述轉動轉線性機構提供轉動輸出；以及 高速齒輪電機模式，其中所述控制器僅僅向所述第一電機子系統提供電流，使得所述多電機組件向所述轉動轉線性機構提供轉動輸出。
10.如權利要求9所述的致動器系統，其中，所述控制器改變電流比，所述電流比為提供到所述第一電機子系統的電流與提供到所述第二電機子系統的電流的比，以便以所述連續變化傳動電機模式實現希望的轉動輸出。
11.如權利要求1所述的致動器系統，其中，所述轉動轉線性機構包括絲槓，其接受所述多電機組件的轉動輸出；螺母，其連接到所述絲槓，其中所述絲槓和所述螺母配合以將所述絲槓的轉動運動轉換成所述螺母的線性運動。
12.如權利要求11所述的致動器系統，還包括具有伸展止塊的運動軌道，所述伸展止塊將所述螺母在伸展方向的線性運動轉換為所述運動軌道在伸展方向的線性運動。
13.如權利要求12所述的致動器系統，其中，所述運動軌道在伸展方向的線性運動引起關節的伸展。
14.如權利要求12所述的致動器系統，其中，所述伸展止塊在允許所述螺母抵著所述伸展止塊施加力的力位置和防止所述螺母抵著所述伸展止塊施加力的經過位置之間可移動。
15.如權利要求12所述的致動器系統，其中，所述運動軌道還具有彎曲止塊，所述彎曲止塊將所述螺母在彎曲方向的線性運動轉換成所述運動軌道在彎曲方向的線性運動。
16.如權利要求15所述的致動器系統，其中，所述運動軌道在彎曲方向的線性運動引起關節的彎曲。
17.如權利要求15所述的致動器系統，其中，所述彎曲止塊在允許所述螺母抵著所述彎曲止塊施加力的力位置和防止所述螺母抵著所述彎曲止塊施加力的經過位置之間可移動。
18.如權利要求15所述的致動器系統，其中，所述伸展止塊和所述彎曲止塊被定位為使得所述伸展止塊和所述彎曲止塊允許所述運動軌道在所述伸展止塊和所述彎曲止塊之間往復的顯著運動，而不使所述滾珠螺母移動或者反向驅動所述多電機組件。
19.如權利要求12所述的致動器系統， 其中，所述多電機組件包括〇驅動軸，其提供轉動輸出；〇第一電機子系統，其具有第一輸出軸和將所述第一輸出軸連接到所述驅動軸的第一傳動裝置；以及〇第二電機子系統，其具有第二輸出軸和將所述第二輸出軸耦合到所述驅動軸的第二傳動裝置， 其中，所述控制器以下面的操作模式操作所述致動器系統 〇連續變化傳動伸展模式，其中所述控制器向所述第一電機子系統和所述第二電機子系統都提供電流，使得所述多電機組件向所述轉動轉線性機構提供轉動輸出，並且所述螺母抵著所述伸展止塊施加力；以及〇高速齒輪彎曲模式，其中所述控制器僅僅向所述第一電機子系統提供電流，使得所述多電機組件向所述轉動轉線性機構提供轉動輸出，並且所述螺母抵著所述彎曲止塊施加力。
20.如權利要求19所述的致動器系統，其中，所述控制器改變電流比，所述電流比為提供到所述第一電機子系統的電流與提供到所述第二電機子系統的電流的比，以便以所述連續變化傳動伸展模式實現希望的轉動輸出。
21.如權利要求19所述的致動器系統，其中，所述控制器還以下面的操作模式操作所述致動器系統 低速齒輪伸展模式，其中所述控制器僅僅向所述第二電機子系統提供電流，使得所述多電機組件向所述轉動轉線性機構提供轉動輸出，並且所述螺母抵著所述伸展止塊施加力； 高速齒輪伸展模式，其中所述控制器僅僅向所述第一電機子系統提供電流，使得所述多電機組件向所述轉動轉線性機構提供轉動輸出，並且所述螺母抵著所述伸展止塊施加力。
22.如權利要求19所述的致動器系統，其中，所述控制器還以下面的操作模式操作所述致動器系統 自由運動模式，其中所述控制器向所述第一電機子系統提供電流，使得所述多電機組件向所述轉動轉線性機構提供轉動輸出，並且所述螺母移動離開所述伸展止塊。
23.一種用於使關節伸展和彎曲的致動器系統，包括 多電機組件，其包括驅動軸，其提供轉動輸出；第一電機子系統，其具有第一輸出軸和將所述第一輸出軸連接到所述驅動軸的第一傳動裝置；以及第二電機子系統，其具有第二輸出軸和將所述第二輸出軸耦合到所述驅動軸的第二傳動裝置，其中所述第一傳動裝置限定所述驅動軸的轉動與所述第一輸出軸的轉動的第一齒輪比，並且其中，所述第二傳動裝置至少部分地限定所述驅動軸的轉動與所述第二輸出軸的轉動的第二齒輪比，其中所述第二齒輪比比所述第一齒輪比小； 轉動轉線性機構，其包括絲槓，所述絲槓接受所述驅動軸的轉動輸出；螺母，所述螺母與所述絲槓配合以將所述絲槓的轉動運動轉換成所述螺母的線性運動； 運動軌道，其包括伸展止塊，所述伸展止塊將所述螺母在伸展方向的線性運動轉換成關節的伸展；以及彎曲止塊，所述彎曲止塊將所述螺母在彎曲方向的線性運動轉換為關節的彎曲； 控制器，其用於以下面的操作模式操作所述致動器系統〇連續變化傳動伸展模式，其中所述控制器向所述第一電機子系統和所述第二電機子系統都提供電流，使得所述多電機組件向所述轉動轉線性機構提供轉動輸出，並且所述螺母抵著所述伸展止塊施加力；以及〇高速齒輪伸展模式，其中所述控制器僅僅向所述第一電機子系統提供電流，使得所述多電機組件向所述轉動轉線性機構提供轉動輸出，並且所述螺母抵著所述彎曲止塊施加力。
24.如權利要求23所述的致動器系統，其中，所述第二傳動裝置將所述第二輸出軸連接到所述第一輸出軸，其中所述第二電機子系統還包括定位在第二電機和第一電機之間的單向離合器，其中所述第二傳動裝置和所述第一傳動裝置配合地限定所述第二齒輪比，並且其中，所述驅動軸和所述絲槓軸向地連接成整體件。
25.如權利要求23所述的致動器系統，其中，所述控制器改變電流比，所述電流比為提供到所述第一電機子系統的電流與提供到所述第二電機子系統的電流的比，以便以所述連續變化傳動伸展模式實現希望的轉動輸出。
26.如權利要求23所述的致動器系統，其中，所述控制器還以下面的操作模式操作所述致動器系統 低速齒輪伸展模式，其中所述控制器僅僅向所述第二電機子系統提供電流，使得所述多電機組件向所述轉動轉線性機構提供轉動輸出，並且所述螺母抵著所述伸展止塊施加力； 高速齒輪伸展模式，其中所述控制器僅僅向所述第一電機子系統提供電流，使得所述多電機組件向所述轉動轉線性機構提供轉動輸出，並且所述螺母抵著所述伸展止塊施加力。
27.如權利要求23所述的致動器系統，其中，所述控制器還以下面的操作模式操作所述致動器系統 自由運動模式，其中所述控制器向所述第一電機子系統提供電流，使得所述多電機組件向所述轉動轉線性機構提供轉動輸出，並且所述螺母移動離開所述伸展止塊。
28.一種用於控制使關節伸展和彎曲的致動器系統的方法，所述方法包括以下步驟 提供多電機組件，所述多電機組件包括驅動軸、具有第一輸出軸的第一電機子系統，以及具有第二輸出軸的第二電機子系統； 利用第一傳動裝置將所述第一輸出軸耦合到所述驅動軸； 利用第二傳動裝置將所述第二輸出軸耦合到所述驅動軸； 以高速齒輪模式僅僅向所述第一電機子系統提供電流；以及 以連續變化傳動模式向所述第一電機子系統和所述第二電機子系統都提供電流。
29.如權利要求觀所述的方法，其中向所述第一電機子系統和所述第二電機子系統都提供電流的步驟包括改變電流比，所述電流比為提供到所述第一電機子系統的電流與提供到所述第二電機子系統的電流的比，以實現希望的輸出。
全文摘要
一種用於伸展和彎曲關節的致動器系統，包括多電機組件，用於提供轉動輸出；轉動轉線性機構，用於將來自多電機組件的轉動輸出轉換成關節的伸展和彎曲；以及控制器，用於以多種操作模式操作致動器系統。多電機組件優選將來自兩個不同來源的動力結合，使得多電機組件可以以較低的速度(「低速齒輪」)提供較大的力，並且以較高的速度(「高速齒輪」)提供較小的力。致動器被特別設計為用於伸展和彎曲人類的關節(例如踝、膝、肘，或者肩)。但是致動器系統可以用於通過任何適當的運動(線性、轉動或其他)移動任何適當的物體。
文檔編號F16H1/16GK102187118SQ200980140750
公開日2011年9月14日 申請日期2009年8月14日 優先權日2008年8月14日
發明者羅伯特·W·霍斯特, 科恩·布格拉, 羅伯特·L·賈丁 申請人:蒂比昂公司