可變阻力訓練及康復手用裝置的製作方法

2023-10-06 00:34:39 4

專利名稱：可變阻力訓練及康復手用裝置的製作方法
可變阻力訓練及康復手用裝置 相關申請的交叉引用
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"智能型可變阻力訓練手用裝置(SMART VARIABLE RESISTANCE EXERCISE HAND DEVICE)"的優先權，該申請的 全部內容以引用的方式併入本申請。
關於聯邦政府資助的研究和開發聲明
不適用
背景技術：
為人手提供訓練和康復練習的裝置有很多種。這些裝置通常 是基於簡單的機械系統如彈簧並設計成提供阻力。Heavy Grips⑧手 抓持裝置和Digi-Flex⑧康復系統屬於手/手指訓練裝置，這些裝置 採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 練裝置更簡單。例如柔軟的油灰，當使用者擠壓它時，它提供阻 力。其他相似的訓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。而這些裝置基於所使用的材料其阻力值是固定 的，不能被實時改變。因此這些裝置的訓練範圍是有限的。為了 體驗不同級別的阻力，必須更換這些裝置。可是，這些訓練和康 復裝置因成本低、簡單易得到，因此被普遍使用。
另一種康復裝置是康復機，例如勻速運動和CPM運動機。 這些裝置移動手的所有關節被動的進行整個運動範圍。在提供唯
一的修整康復狀態給幾乎任何個體的同時，這些裝置提供阻力和 輔助力。

發明內容
本發明目的在於所製造的裝置消除現有裝置的缺點。根據本 發明所製造的此種手功能康復裝置因使用了智能流體的制動器/緩 衝器，手用裝置是可攜式的，並且可被基於智能流體的制動器/緩 衝器控制，以提供緊湊的輕質機構，其通過計算機控制可隨時改 變運動的阻力，以改變可以進行的運動，並且基於使用者的反應 調節輸出或康復周期。
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衝器中做成的輕型裝置的性能可被 改變來適應變化的要求。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/緩衝器被提供作為具 有智能流體的制動器/緩衝器系統例子。根據本發明一臺使用了一 個電流變流體制動器/緩衝器的訓練和康復手功能裝置不僅具有體 積小、重量輕、結實、可大範圍調節力矩和力的優點；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；並且具 有由封閉循環計算機控制的實時控制能力，以達到在使用時使康 復訓練達到最佳化的優點。在本發明類似的裝置中， 一個磁流變 流體可被替換著使用。
因此， 一方面，本發明面向用旋轉的電流變流體制動器/緩衝 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的軸； 一個 或更多的旋轉圓柱形電極安裝在軸上並與其一起旋轉； 一個或更
多的接地圓柱形電極安裝到機箱上並與可旋轉電極相對的和同軸 的方向布置。在接地電極和可旋轉電極之間安排有間隙；電流變
流體置於此間隙中。旋轉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。旋轉圓柱形電極能有足夠 的凹槽和孔，將不連續性輸入可旋轉電極的表面以減少將制動器/
緩衝器用在高磁場裝置中如磁共振反射(MRI)所產生的渦電流。
另一方面，本發明面向用一個線性電流變流體制動器/緩衝器 給輸出的力矩及力提供阻力。"同軸通道"緩衝器電流變流體裝置 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 部的接地圓柱形電極。內部圓柱形電極與安在機箱上的外部電極 同軸，兩個流動的通道位於安裝在機箱上的接地電極兩邊，在接 地內部電極與外部電極之間留有間隙， 一個活塞在內部電極內線 性移動， 一個雙向溢流閥或一個單向閥安裝在活塞上以調節開始 的振動；電流變流體位於間隙和內部電極內。
此外，本發明面向所製造的裝置用於加強手部訓練和康復。 此裝置包括一個具有一或多個用於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衝器組件。緩衝器組件具有 電流變制動器/緩衝器， 一個與電流變流體緩衝器的軸連在一起的 齒輪組件，緩衝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到最小值的棘輪組件。 換句話說，根據本發明製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，在此系統中傳 感器組件對裝置進行封閉循環控制。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，提供遠程通信。
手用裝置可用電池作能源進行操作，電池可是一或多個，電池可 放在裝置內部也可放在裝置外面。
在最廣義方面，本發明廣泛面向用於訓練或康復的人體界面 獨立操作裝置。此裝置包括一個使用者可操作的框架組件；緩衝 器組件連接到框架組件上，並針對使用者輸入的運動作出反應， 給出一個可控制的可變阻力。緩衝器組件包括一個智能流體緩衝 器。此獨立裝置可製成臺式裝置。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行操作。


本發明的其它性能和優點，可從下面對附圖的優選裝置以及 權利要求的描述得知是顯而易見的。
圖1顯示了一個根據本發明製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，它顯示了預先放入了旋轉 電極的四周由有阻力的元件環繞著的固定電極。
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 示了當手柄完全展開45°時傳感器的位置。
圖7進一步顯示了根據本發明製作的手用裝置，它有線性手
柄運動和一個旋轉制動器。
圖8顯示了圖7中旋轉制動器的旋轉電極。
圖9顯示了圖7中的行星齒輪和棘輪/棘爪機構。
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)。
圖12A和12B是對根據本發明製作的手用裝置進一步表示的 兩個圖，它們有線性手柄運動和一個線性緩衝器。
圖13A和13B是圖12A和12B中線性緩衝器的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衝器 的3維剖面圖。
圖15A表示了圖12A和12B裝置中一個處於關閉位置的完整 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裝置中線性緩衝 器的3維剖面圖。
圖15C表示了圖12A和12B裝置中處於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裝置中線性緩衝 器的3維剖面圖。
圖16A和16B是本發明用於各個手指的裝置的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 和可變阻力的訓練和康復手部功能裝置，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衝器/制動器中製成輕型的裝置，此裝 置的性能可被改變來適應變化的要求。智能流體已被放進根據本 發明製成的訓練和康復裝置中，正如本文此描述的那樣，此裝置 用於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，經歷流變特性的變化，例如 在有電場的情況下，粘度發生變化，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的懸浮粒子製成。粒子通常
所佔的體積百分數在20%和60%之間。電流變效應，有時稱為 Winslow效應，被認為是由在電流變流體(ERF)中的液體和粒子 的介質係數差異引起的。在有電場的情況下，由於感應的偶極矩 使粒子沿著場線形成許多鏈。感應的結構改變了電流變流體的粘 度、屈服應力和其它特性，使電流變流體能從液體的粘度改變到 某種粘彈性的物質例如凝膠，反應的次數約為毫秒。電流變流體 能適用於很高電子控制阻力的場合，而它們的尺寸(重量和幾何 參數)很小。電流變流體不被磨損，無毒、無汙染，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，小巧的緩衝 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，它們完美地適用於觸覺 和康復。因為人體是致動器，電流變流體是緩衝器/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於加強肌肉和康復功能 的力。
根據本發明製成的手用裝置可實時起作用，並且能精確地控 制阻力，也能記錄準確的力和位置，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 柄進行封閉操作，且可遙控調節不同的阻力的不同級別。可控制 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/手練習裝置移動每個單一的手指。可採 用的方法包括(1)等壓的，在手指訓練裝置上，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束的力是不同的，由 計算機平穩調節兩個值之間的轉換；(3)編程的阻力，這將在整個 運動範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行編程，且阻力被改變以保持 取決於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複的次數。對於不同的選擇 方案可單獨編程手的抓持運動。
由於裝置具有緊湊、重量輕的特點，從而可允許它用於許多 有空間面積限制的場合，例如住宅、辦公室和許多醫療和康復實 驗室。此裝置輕便性的另一個重要優點是，它能加強現場療法程 序。病人可帶著此裝置回家進行訓練和練習，醫生能遙控病人的 訓練和操作。醫生不僅能知道病人是否實際地作了練習，而且還 能通過計算機遙控和最佳化動態阻力練習。這對於那些不能行動 的可能會阻止接受這些裝置的人尤其重要。
幾個重要的發明均採用了計算機化。所執行的活動是可編程 的以用於"個體化"診斷程序和/或用於今後評估的訓練結果存儲 記錄。由快速的計算機評估和調節提供的反饋控制確保設備使用 者的操作級別。個體化調節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。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、重複次數和手柄位置的信息。為了通 知使用者他或她的操作反應如何，聲頻信號可與所施加的力成比 例地予以調節，而不需看計算機監視器。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衝器作為應用阻力的最佳方 法。可是，這不是唯一應用必需阻力的可能的方法，其他的智能 材料執行很相似的功能，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明的優點，且對製造和使用有所幫 助。這些實施例不打算限制公開的範圍。
實施例I
具有鉗形手柄運動和旋轉制動器的手康復裝置
此新型的手康復裝置包括4個主要子系統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 個子系統包括幾個不同組成的元件。通常，所有元件被設計成結 實和安全、非磁性、最佳化標準的和高應力測試。此裝置由塑料 和非磁性材料製造，因此它能廣泛用於各種環境包括高磁場環境。
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 到齒輪系統輸出端的電流變流體元件得到。智能型手康復裝置使 用了一個旋轉電流變流體阻力元件控制阻力矩。阻力元件包括兩 個電極，每一個電極是一套複式的同軸圓柱體。它們的結構為同 軸圓環狀(圖2)。
一個電極作為固定電極，位於阻力元件的外面，而第二個電 極作為旋轉電極並與固定電極"配對"以便形成幾對連續不斷的 同軸圓柱體。圖3顯示了具有同軸圓柱體的準備配對的固定電極 和旋轉電極。將兩種電極設計成複式同軸圓柱體以得到最大的剪 切表面面積並保持一個緊湊的阻力元件體積。粘滯液體在固定電 極和旋轉電極的連續的圓柱體之間的很小間隙內活動，從而在旋 轉軸上產生了阻力矩。通過控制施加位於每對連續不斷的同軸圓 柱體之間液體上的電場的強度，可以容易地控制力矩。
一個齒輪箱用於增加系統的阻力矩能力，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，則設計了一個大傳動比的齒輪 箱，1: 31.6 (圖4)。齒輪系統使電流變流體阻力矩倍增，而且還 用作傳感器子系統的基礎。
在此裝置中，手運動被施加到鉗形手柄機構上。手柄是操作
者的觸覺連接體。它們被設計成圍繞中心軸旋轉45。，且在質量中
心被平衡。大拇指抓持是固定的抓持，智能手康復裝置的質量中 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。傳動架圍繞軸旋轉且將
力從齒輪系統輸出端傳遞到電流變流體制動器(圖5)。
所有必須的臨床數據可從裝置中使用的兩個基本的傳感器獲得。第一個是光學編碼器(圖5)，它可測量手的角度、速度和加 速度。光學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。理想的傳感器被包括進本設計中，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，用於測量病人手的抓 持力強度以及用於封閉循環控制電流變流體阻力元件。FUTEK力 傳感器(鋁應變電阻片)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)的球和座 銷連接的兩端，以便此應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，力傳感器 測量一個來自電流變流體外殼的直接的反應力。
實施例II
具有線形手柄運動和旋轉制動器的手康復裝置
在此提出的新型手康復裝置包括5個主要子系統a)電流變 流體阻力元件；b) —個齒輪箱；C)棘輪系統；d)手柄；和e) 兩個傳感器， 一個光學編碼器和一個力傳感器，以測量病人引起 的運動和力。每個子系統包括幾個不同組成的元件。通常，所有 元件被設計成結實和安全、非磁性、最佳化標準的和高應力測試。 智能型手康復裝置製成靠近人體以便使人感覺不到重量。此裝置 由聚合物(塑料)和非磁性材料製造，因此它能廣泛用於各種環 境包括高磁場環境。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接到 齒輪系統輸出端的電流變流體元件得到。智能型手康復裝置使用 一個旋轉的電流變流體阻力元件控制阻力矩。
阻力矩包括旋轉的和固定的鋁電極，它們被製成同軸圓環狀。 固定電極是兩個同軸圓柱體中的一套，它位於阻力元件外側。旋 轉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 幾對連續不斷的同軸圓柱體。這些多層的盤用作正負電極產生電 場以驅動電流變流體。粘滯液體在固定電極和旋轉電極的連續的 圓柱面之間的很小間隙內活動，從而在旋轉軸上產生了阻力矩。 通過控制施加位於每對連續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，在旋轉電極上的一些 槽和孔在旋轉表面引入不連續性，避免了如果智能手用裝置用於 強磁場時產生渦電流效應。
一個齒輪箱被用於增加系統的阻力矩能力，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(齒數比為1: 5.5)，使電流變流體阻力矩倍增。齒輪箱由Dekin 這種材料製造，其為非磁性的。
一個棘齒輪系統被用於使系統的返回力最小(打開手柄)，以 便裝置能被復原到具有最小尺寸的彈簧力的起始位置。棘輪和棘 爪機構允許在一個方向運動，在另一個方向則鎖住運動(一個棘 爪是支點在一端的杆，它與棘輪齒嚙合以防止棘輪在另一個方向運動)。棘輪齒被設計在環齒輪的圓周。當使用者正在關閉(擠壓) 手柄時，棘輪系統允許齒輪和電流變流體制動器運動；並傳遞阻 力矩到與棘爪相連的外殼，因此也就是傳遞到輸出軸。當手柄關 閉後，棘輪系統將齒輪系統和電流變流體阻力制動器的運動鎖住。 當手柄被鬆開以及輸入力由人取消時，棘輪系統可防止反向旋轉。 然後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原到起始位置。棘輪和齒輪機構見 圖9。
來自電流變流體阻力元件的力矩由行星齒輪系統得以倍增， 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/棘輪的旋轉運 動被轉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。對於一個己知的力矩，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，並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、棘爪外殼和輸出軸由非磁性材料製造。
在此裝置上，手運動被施加到線性滑動機構上，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 轉運動)連接起來的軟線，滑動運動被轉換成一個旋轉運動，這 像一個滑輪一樣。手抓持組件允許一個自由度並將系統的力傳遞 到棘輪和齒輪箱系統。
在手柄臂上兩個可調節的卡圈可用於調節手柄的行程以適用 於不同人的不同抓持手的尺寸。而且，在此手柄組件中，臂的長 度可被調節來允許制動器/齒輪/棘輪系統部分被進一步定位。手柄
由塑料和非磁性材料製造。圖IIA顯示了起動位置的手柄，圖11B
顯示了完全關閉位置的手柄。
所有必需的臨床數據可從裝置中使用的兩個基本的傳感器獲 得。第一個是光學編碼器(圖IOA)，它可測量手的角度、速度和 加速度。光學編碼器與傳動軸相連，並將手柄的位置直接給出讀
數。理想的傳感器被包括進本設計中，它是一個具有1024解析度 的Renco小型編碼器。
第二個傳感器是壓電傳感器，它用於測量人手的抓持力強度 且用於封閉循環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，並將來自手柄線性運動的手的抓持力給出直 接讀數。傳感器外殼設計成將移動(滑動)手柄與軟線相連接。 壓電力傳感器位於座和移動手柄之間。
力傳感器的第二種選擇是一個小型力傳感器(鋁應變電阻 片)，正如前面描述的裝置那樣，此傳感器用於測量來自電流變流 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。對於此種選擇，電流變流體外殼可以 自由繞其軸旋轉，力傳感器測量來自電流變流體外殼的直接的反 應力。然後此力能容易地被齒數比倍增，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衝器的手康復裝置
手用裝置的第二種結構安裝了一個與運動方向一致的線性緩 衝器。設計了一個新型的電流變流體"同軸通道"緩衝器(ERF 一CCD)(圖12A和12B)。線性結構有幾個優點降低了裝置的 複雜性，減少了零件數量，除去了對齒輪和棘輪子系統的需要。緩衝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節的彈性線提供。使用軸 卡圈能迅速調節裝置的總行程。
在市場上買得到的線性電流變流體緩衝器中，液體通過通道 流進活塞或圍繞活塞的外部流動。對於這些設計，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。兩種結構都有明顯的缺點。具有一個大活塞(在 長度和/或直徑上)的結構迫使所設計的裝置大，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 面性能特徵，因為小通道減小了液體的流動，甚至當裝置不被供 能時減小了裝置本應能有的減振的動態範圍。
電流變流體同軸通道緩衝器(ERF—CCD)通過調節(取決於 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行 減振。液體在緩衝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)。活塞可以是實心的，像 圖14所示的那樣，包括一個雙向溢流閥(未顯示)以調節開始的 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。選擇取決於最終使用的緩衝器。對於手康復裝置， 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)。此新型設計的優點是超過其它設計，在每個緩衝器體積 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。 少零件數和設計簡單還導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衝 器液體流動路徑細節。圖15B顯示了有電場時，單向閥關閉，液
體通過同軸通道的流動速率可通過調節電場強度得以改變。電場 強度越高，電流變流體越粘稠，減振越強。圖15D顯示了當手柄 關閉時，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/手康復裝置
此裝置設計成輕便且用計算機處理的用於手和手掌康復或訓 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，對於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，且固定在手掌內的芯體接地。圖中顯示了兩個 或四個手指的結構，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生，阻力可 通過計算機控制軟體得以改變。這允許對每個人的訓練方式進行 實時改變，適於病人的需要或適於每個手指的不同訓練要求。
本發明已連同一個或更多的優選的實施方式一起被描述。在 閱讀了前面的詳述後，普通技術人員將能夠產生各種變化，同等 替換，以及其它的改進結構和方法。因此本專利申請的保護範圍 被限定在附加的權利要求書及其相關的同等物中。
權利要求
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，用於被使用者的手抓持和擠壓；以及與手柄組件相連的緩衝器組件，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的可控制的可變阻力，該緩衝器組件包括智能流體緩衝器。
2、 權利要求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 對裝置提供閉環控制。
4、 權利要求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位置的位置信號。
5、 權利要求3的手用裝置，其中，位置傳感器組件可操作 以對裝置提供閉環控制。
6、 權利要求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、 權利要求7的手用裝置，其中，控制器組件可操作以提供遠程通信。
9、 權利要求1或權利要求6的手用裝置，其中，手柄組件 包括鉗形手柄，緩衝器組件包括旋轉制動器。
10、 權利要求1或權利要求6的手用裝置，其中，手柄組件 包括線性手柄，緩衝器組件包括旋轉制動器。
11、權利要求1或權利要求6的手用裝置，其中，手柄組件 包括線性手柄，緩衝器組件包括線性制動器。
12、 權利要求l的手用裝置，其中，所述智能流體是磁流變 流體(MRF)
13、 權利要求1的手用裝置，其中，緩衝器組件包括將手柄 組件與緩衝器組件連接起來的齒輪箱。
14、 權利要求l的手用裝置，其中，緩衝器組件包括棘輪機 構，此棘輪機構使得在使用者擠壓後手柄組件返回到休息位置的 返回力最小。
15、 權利要求l的手用裝置，其中，裝置實質上由MRI相容 的材料製成。
16、 權利要求4的手用裝置，其中，緩衝器組件包括 外殼，包括絕緣機箱和可旋轉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的圓柱形可旋轉電極；一或多個固定到機箱上的、與可旋轉電極相對並同軸布置的 圓柱形接地電極，在接地電極和可旋轉電極之間有間隙；以及置於此間隙中的電流變流體。
17、 權利要求1的手用裝置，其中，緩衝器組件包括可旋轉 電極，可旋轉電極具有足以將不連續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的圓柱形可旋轉電極；一或多個固定到機箱上的、與可旋轉電極相對並同軸布置的 圓柱形接地電極，在接地電極和可旋轉電極之間有間隙；置於此間隙中的智能流體；以及棘輪機構，其可操作以控制可旋轉電極的旋轉方向。
19、 權利要求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的圓柱形可旋轉電極；一或多個固定到機箱上的、與可旋轉電極相對並同軸布置的 圓柱形接地電極，在接地電極和可旋轉電極之間有間隙；以及置於此間隙中的智能流體；其中，可旋轉電極上具有足以將 不連續性引入電極表面的槽和/或孔，以減小制動器在高磁場中操 作時在電極中產生的渦電流。
21、 權利要求20的可變阻力制動器，其中，所述智能流體是 電流變流體。
22、 一種用於訓練或康復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衝器組件，所述緩衝器組件可操作而提 供對使用者輸入產生的運動作出反應的可控制的可變阻力，該緩 衝器組件包括智能流體緩衝器。
23、 權利要求20的獨立操作裝置，其中，所述裝置被構造成臺式裝置。
24、 權利要求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行操作。
25、 權利要求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
公開了一種訓練及康復手用裝置。根據本發明的手用裝置是可攜式的，並且可被基於智能流體的制動器/緩衝器控制，以提供緊湊的輕質機構，其通過計算機控制可隨時改變運動的阻力，以改變可以進行的運動，並且基於使用者的反應調節輸出或康復周期。
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 優先權日2005年3月14日
發明者A·哈尼真, A·穆託, A·菲什, B·溫伯格, C·馬夫羅伊迪斯 申請人:東北大學