(57)【要約】  電気粘性流体ブレーキ又はアクチュエータ装置は、手動又はコンピュータ制御下で、いずれかの回転方向の能動トルク出力を有するか有しない制御可能な抵抗を与える。このブレーキ及びアクチュエータ装置は、膝又は肘のような関節用の矯正装置で使用されるのに好適である。【選択図】図１９
2008519941.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トルク又は力の出力を発生するための及びトルク又は力の入力に対する抵抗を与えるための電気粘性流体アクチュエータであって、
絶縁性ケースを有して、このケース内に入力／出力シャフトが回転可能に実装されたハウジングと、
前記ケース内にアーク形に配設されると共に前記シャフトに結合された複数の回転可能な部材と、
シリンダのセグメントとして形成され、各々が関連した回転可能な部材に搭載されてそれと共に回転する複数の回転可能な電極と、
この回転可能な電極と同心的に前記ケースに固定され、回転可能な電極との間にギャップが配設された円筒形アース電極と、
前記ギャップ内に配設された電気粘性流体と、
関連した回転可能な部材内に配設されて、前記関連した回転可能な部材の回転を作動させる複数の線形アクチュエータ要素と
を備えることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
線形アクチュエータは、回転可能な部材のステップ状回転を与えるように順次動作する請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
線形アクチュエータは、回転可能な電極と関連して動作するものであり、これら電極の一部の回転は、電気粘性流体の作動によってロックされ、そして１つの回転可能な電極の回転は、回転可能な部材のステップ状回転を与えることが可能にされている請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
電気粘性流体は、回転可能な電極上の剪断応力を介してシャフト上の入力トルクに対する抵抗を与えるように作動可能である請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
回転可能な電極に対し、アース電極に対し、そして線形アクチュエータに対し電力をもたらすように動作する複数の転動接点を更に備える請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
転動接点は、シャフトから半径方向に延びた駆動軸上に整列され、転動接点は、回転可能な部材の表面の接点上を転動可能である請求項５に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
線形アクチュエータ要素の回転の方向を制御するように動作するラチェット機構を更に備える請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項８】
ラチェット機構は、２列の対向する歯を持ってシャフトに取り付けられたラチェットギヤと、時計回りモードでは１列の歯に係合し、また反時計回りモードではもう１列の歯に係合するように動作するラチェットカムとを有する請求項７に記載のアクチュエータ。
【請求項９】
ラチェット機構は、ニュートラルの自由輪転モードで動作する請求項８に記載のアクチュエータ。
【請求項１０】
ラチェットカムは、弾性シャフトによる旋回運動用に実装され、この弾性シャフトは、カムフォロワー要素内に実装されて、ラチェットカムの旋回を起こす請求項８に記載のアクチュエータ。
【請求項１１】
カムフォロワー要素は、回転の方向を調整するために外部要素によって作動されたシヌソイド状経路を移動するように動作する請求項８に記載のアクチュエータ。
【請求項１２】
線形アクチュエータ要素は、電磁石を備える請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項１３】
線形アクチュエータ要素は、ソレノイドを備える請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項１４】
線形アクチュエータ要素は、圧電アクチュエータを備える請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項１５】
線形アクチュエータ要素は、電場応答性ポリマーを備える請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項１６】
トルク又は力の入力に対する抵抗を与えるための電気粘性流体ブレーキ装置であって、
絶縁性ケースを有して、このケース内にシャフトが回転可能に実装されたハウジングと、
前記シャフトに実装されてそれと共に回転する１以上の回転可能な円筒形電極と、
前記ケース内に固定され、且つ前記回転可能な電極に対向して同心的に配設され、回転可能な電極との間にギャップが配設された１以上の円筒形アース電極と、
前記ギャップ内に配設された電気粘性流体と
を備えることを特徴とする流体ブレーキ装置。
【請求項１７】
回転可能な円筒形電極は、単一の一体的部分からなる請求項１６に記載の流体ブレーキ装置。
【請求項１８】
円筒形アース電極は、単一の一体的部分からなる請求項１６に記載の流体ブレーキ装置。
【請求項１９】
トルク又は力の入力に対する抵抗を与えるための電気粘性流体ブレーキ装置であって、
絶縁性ケースを有して、このケース内にシャフトが回転可能に実装されたハウジングと、
前記シャフトに実装されてそれと共に回転する１以上の回転可能な円筒形電極と、
前記ケース内に固定され、且つ前記回転可能な電極に対向して配設され、回転可能な電極との間にギャップが配設された１以上の円筒形アース電極と、
アース電極と回転可能な電極との間の前記ギャップ内に配設された電気粘性流体とを備え、
回転可能な電極は、シャフトに取り付けられた中央回転マウントに内周面が固定された円形板を備え、アース電極は、外周面がインサートに固定された円形板を備え、回転可能な電極とアース電極は、挟み合わされ、ユニットとしてケースに挿入可能であることを特徴とするブレーキ装置。
【請求項２０】
回転電極とアース電極との間のギャップサイズを調整するように動作する整列機構を更に備える請求項１９に記載のブレーキ装置。
【請求項２１】
整列機構は、ケースの外部から接近可能である請求項２０に記載のブレーキ装置。
【請求項２２】
回転電極は、回転電極上のキー付きスロット内に適合するロックによって中央回転マウントに固定されている請求項１９に記載のブレーキ装置。
【請求項２３】
関節用矯正装置であって、
手足の関節に処置可能なヒンジアセンブリを有して、ユーザの手足に取り外し可能に固定できるフレームと、
請求項１の電気粘性アクチュエータと、
電気粘性流体アクチュエータのシャフトに取り付けられて、入力又は出力の力又はトルクをヒンジアセンブリに結合するギヤアセンブリと
を備えることを特徴とする矯正装置。
【請求項２４】
関節用矯正装置であって、
手足の関節に処置可能なヒンジアセンブリを有して、ユーザの手足に取り外し可能に固定できるフレームと、
請求項１６の電気粘性流体ブレーキ装置と、
電気粘性流体ブレーキ装置のシャフトに取り付けられて、シャフト上の入力の力又はトルクに抵抗するギヤアセンブリと
を備えることを特徴とする矯正装置。
【請求項２５】
関節用矯正装置であって、
手足の関節に処置可能なヒンジアセンブリを有して、ユーザの手足に取り外し可能に固定できるフレームと、
請求項１９の電気粘性流体ブレーキ装置と、
電気粘性流体ブレーキ装置のシャフトに取り付けられて、シャフト上の入力の力又はトルクに抵抗するギヤアセンブリと
を備えることを特徴とする矯正装置。
【請求項２６】
装置は、ニーブレースであり、フレームは、脚への取り付け用に構成されている請求項２３，２４又は２５に記載の矯正装置。
【請求項２７】
装置は、エルボーブレースであり、フレームは、腕への取り付け用に構成されている請求項２３，２４又は２５に記載の矯正装置。
【請求項２８】
関節の角度、速度、及び加速度を測定するように動作するセンサアセンブリを有したセンサシステムを更に備える請求項２３，２４又は２５に記載の矯正装置。
【請求項２９】
センサアセンブリは、装置の閉ループ制御を与えるように動作する請求項２８に記載の矯正装置。
【請求項３０】
シャフト上のトルクを測定するように動作するセンサアセンブリを有したセンサシステムを更に備える請求項２３，２４又は２５に記載の矯正装置。
【請求項３１】
センサアセンブリは、装置の閉ループ制御を与えるように動作する請求項３０に記載の矯正装置。
【請求項３２】
関節の逆側に配設された第２の電気粘性流体装置を更に備える請求項２３，２４又は２５に記載の矯正装置。
【請求項３３】
電気粘性流体装置を制御するように動作するコントローラアセンブリを更に備える請求項２３，２４又は２５に記載の矯正装置。
【請求項３４】
コントロールアセンブリは、リモート通信を与えるように動作する請求項３３に記載の矯正装置。
【請求項３５】
装置は、電池電力によって動作可能である請求項２３，２４又は２５に記載の矯正装置。
【請求項３６】
１以上の電池が装置内に配設されている請求項３５に記載の矯正装置。
【請求項３７】
１以上の電池は、装置の外部に配設されている請求項３５に記載の矯正装置。
【請求項３８】
関節用矯正装置であって、
手足の関節に処置可能なヒンジアセンブリを有して、ユーザの手足に取り外し可能に固定できるフレームと、
このフレームのヒンジアセンブリに実装され、出力の力又はトルクを発生するか、入力の力又はトルクに抵抗するように動作する起動装置と、
この起動装置のシャフトに取り付けられて、入力又は出力の力又はトルクをヒンジアセンブリに結合するギヤアセンブリと
を備えることを特徴とする矯正装置。
【請求項３９】
起動装置は、電気粘性流体ブレーキ装置を備える請求項３８に記載の矯正装置。
【請求項４０】
起動装置は、電気粘性流体アクチュエータを備える請求項３８に記載の矯正装置。
【請求項４１】
起動装置は、電気粘性流体アクチュエータを更に備える請求項３９に記載の矯正装置。
【請求項４２】
起動装置は、電気粘性流体ブレーキ装置を更に備える請求項４０に記載の矯正装置。
【請求項４３】
起動装置は、ＤＣモータ、磁気粘性流体装置、摩擦装置、電空装置、電磁装置、ヒステリシス装置、渦電流装置、空気装置、液圧装置、ボイスコイル装置、電場応答性ポリマー装置、超音波モータ及び圧電装置からなる群から選択されたブレーキ又はアクチュエータ装置である請求項３８に記載の矯正装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願との相互参照］
この出願は、２００４年１１月９日に出願された米国仮出願第６０／６２６，２５６号及び２００４年１１月９日に出願された米国仮出願第６０／６２６，３６５号の３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．第１９９条（ｅ）の利益を主張し、ここにそれらの開示を完全に参照によって組み入れる。
［連邦補助研究または開発に関する表明］
適用なし
【０００２】
［発明の背景］
種々のタイプのアクチュエータ及びブレーキが知られている。例えば、ＤＣモータは、アクチュエータとして使用され、出力トルクを制御することができる。そのようなモータは、ある種の応用については制御することが困難であり、しかも大型で重い。出力トルクを増加するには、一般にモータのサイズを増加することを要する。ＤＣモータは、これら及び他の理由から、抵抗制御を与えるか制動するための多くの場合、理想的ではない。もう１つの例として、摩擦ブレーキは、抵抗制御用には使用できるが、出力トルクを与えることには使用できない。それは熱を発生し、着用及び信頼性問題を受けやすく、汚染によって損傷される欠点がある。磁気ブレーキは既知であって、抵抗制御用に使用されているが、出力トルクを与えることには使用できない。それらは熱を発生し、“ジャーキー”係合を制御し且つ与えることは難しい。ＭＲＦブレーキも同様に、出力トルクを与えることには使用できない。それはまた過剰な熱発生を受けやすく、重く大型である。かくして、これら既知のタイプのアクチュエータは、出力トルクを制御するか、入力トルクを調整することはできるが、両機能を果たすことはできない。
【０００３】
負傷した関節、例えば膝又は肘のリハビリは、種々のアプローチを使用することができる。１つのアプローチでは、受動矯正装置又は補助具が個人によって外部に着用され、関節に対して一定の支持又は抵抗を与える。受動矯正装置では、それらが供給する矯正又はバイアス力は一定であるか、リアルタイムで変化され得ないかのいずれかである。これらの矯正装置は広く普及しており、またそれらの比較的低いコスト、利用可能性及び単純性は、それらの有用性に寄与している。
【０００４】
もう１つのカテゴリーのリハビリ装置は、通常はある形態の電子制御を通して、抵抗又は適用力をリアルタイムで変化させることが可能である。これらの装置のいくつかは着用可能であって、能動矯正装置として説明することができる。例えば、そのような１つの装置は、膝の位置をロックして、過伸展を回避すると共に運動の範囲を制限することが可能である。もう１つの装置は、アクチュエータを使用して、可動性を強化又は援助することが可能である。一般的に、これらの装置は、自然な歩行運動を再教育すること、並びに筋肉強化に限定されている。これらの装置は、嵩張る上、扱いにくい傾向にあり、それらの用途を妨げる。また能動要素の包含は、全体のサイズ、コスト及び重量を増加する。
【０００５】
最も効果的なリハビリ用ツールは、アイソキネテック及びＣＭＰ機のようなリハビリ機械である。これらの機械は一般に、身体的治療、運動訓練、又は研究設備で見られる。それらは、高い抵抗性の、時には補助的な力を与える一方で、ほぼどのような個人に対してもリハビリ管理形態を独得に仕立てる。それらの幅広い能力は、それらのリハビリツールとしての進歩を増加する。
【０００６】
［発明の要約］
本発明は、電気粘性流体（ＥＲＦ）装置に関する。この装置は、電気粘性流体の制御機能性と小型ブレーキ及び／又はアクチュエータの起動能力を組み合わせたものである。ここで使用されるように、“起動”という用語は、運動に関連した特性又は運動を起こすことを指す。ブレーキ又はダンパー装置は、手動又はコンピュータ制御下で、いずれかの回転方向に制御可能な抵抗を与えることが可能である。ＥＲＦアクチュエータ装置は、能動的な力の出力を与えることが可能である。
【０００７】
本発明はまた、矯正装置を提供する。この装置は、携帯用であって、上述したようにＥＲＦブレーキ／ダンパー又はアクチュエータを使用して、可変抵抗及び／又は作動機能性を与えることができる起動装置によって制御可能であることが好ましい。１つの実施形態では、この発明に係る矯正ＥＲＦブレーキ／ダンパー装置は、小型、軽量であって、強力で、高度に調整可能なトルク能力を持ち、完全に携帯可能であると共に搭載されたセンサ、電力及び制御回路と共に着用可能であり、更に使用中にリハビリ訓練を最適化するための閉ループコンピュータ制御用のリアルタイム能力を有する。別の実施形態では、この発明に係る矯正装置は、アクチュエータを能動的特徴として有する。この補助具は、抵抗装置の全ての特徴と、追加的能力とを呈して、膝の運動を強制し、筋肉強化を行い、力のフィードバックを与える。
【０００８】
かくして、１つの形態では、この発明は、トルク又は力の出力を発生するための及びトルク又は力の入力に対する抵抗を与えるための電気粘性流体アクチュエータに関する。このアクチュエータは、絶縁性ケースを有して、このケース内に入力／出力シャフトが回転可能に実装されたハウジングと、前記ケース内にアーク形に配設されると共に前記シャフトに結合された複数の回転可能な部材と、シリンダのセグメントとして形成され、各々が関連した回転可能な部材に搭載されてそれと共に回転する複数の回転可能な電極と、この回転可能な電極と同心的に前記ケースに固定され、回転可能な電極との間にギャップが配設された円筒形アース電極と、前記ギャップ内に配設された電気粘性流体と、関連した回転可能な部材内に配設されて、前記関連した回転可能な部材の回転を作動させる複数の線形アクチュエータ要素とを備える。線形アクチュエータは、回転可能な部材のステップ状回転を与えるように順次動作すること、また回転可能な電極と関連して動作することが好ましい。この場合、これら電極の一部の回転は、電気粘性流体の作動によってロックされ、そして１つの回転可能な電極の回転は、回転可能な部材のステップ状回転を与えることが可能にされている。
【０００９】
更に、電気粘性流体は、回転可能な電極上の剪断応力を介してシャフト上の入力トルクに対する抵抗を与えるように作動可能であることが好ましい。また、アクチュエータは、回転可能な電極に対し、アース電極に対し、そして線形アクチュエータに対し電力をもたらすように動作する複数の転動接点を更に備える。この場合、転動接点は、シャフトから半径方向に延びた駆動軸上に整列され、転動接点は、回転可能な部材の表面の接点上を転動可能である。このアクチュエータは、線形アクチュエータ要素の回転の方向を制御するように動作するラチェット機構を更に備えることが更に好ましい。この場合、ラチェット機構は、２列の対向する歯を持ってシャフトに取り付けられたラチェットギヤと、時計回りモードでは１列の歯に係合し、また反時計回りモードではもう１列の歯に係合するように動作するラチェットカムとを有する。または、ラチェット機構は、ニュートラルの自由輪転モードで動作する。ラチェットカムは更に、弾性シャフトによる旋回運動用に実装されることができ、この弾性シャフトは、カムフォロワー要素内に実装されて、ラチェットカムの旋回を起こす。カムフォロワー要素は、回転の方向を調整するために外部要素によって作動されたシヌソイド状経路を移動するように動作することができる。線形アクチュエータ要素は、電磁石、ソレノイド、圧電アクチュエータ及び／又は電場応答性ポリマーを備えることができる。
【００１０】
もう１つの形態において、この発明は、トルク又は力の入力に対する抵抗を与えるための電気粘性流体ブレーキ装置に関する。このブレーキ装置は、絶縁性ケースを有して、このケース内にシャフトが回転可能に実装されたハウジングと、前記シャフトに実装されてそれと共に回転する１以上の回転可能な円筒形電極と、前記ケース内に固定され、且つ前記回転可能な電極に対向して同心的に配設され、回転可能な電極との間にギャップが配設された１以上の円筒形アース電極と、前記ギャップ内に配設された電気粘性流体とを備える。回転可能な円筒形電極は、単一の一体的部分からなり、また円筒形アース電極は、単一の一体的部分からなることが好ましい。
【００１１】
もう１つの形態において、この発明は、トルク又は力の入力に対する抵抗を与えるための電気粘性流体ブレーキ装置に関する。このブレーキ装置は、絶縁性ケースを有して、このケース内にシャフトが回転可能に実装されたハウジングと、前記シャフトに実装されてそれと共に回転する１以上の回転可能な円筒形電極と、前記ケース内に固定され、且つ前記回転可能な電極に対向して配設され、回転可能な電極との間にギャップが配設された１以上の円筒形アース電極と、アース電極と回転可能な電極との間の前記ギャップ内に配設された電気粘性流体とを備え、回転可能な電極は、シャフトに取り付けられた中央回転マウントに内周面が固定された円形板を備え、アース電極は、外周面がインサートに固定された円形板を備え、回転可能な電極とアース電極は、挟み合わされ、ユニットとしてケースに挿入可能である。このブレーキ装置は、回転電極とアース電極との間のギャップサイズを調整するように動作する整列機構を更に備えることが好ましい。この場合、整列機構は、ケースの外部から接近可能である。回転電極は、回転電極上のキー付きスロット内に適合するロックによって中央回転マウントに固定されていることが更に好ましい。
【００１２】
別の形態では、この発明は、関節用矯正装置に関する。この矯正装置は、手足の関節に処置可能なヒンジアセンブリを有して、ユーザの手足に取り外し可能に固定できるフレームと、ここで説明中の電気粘性アクチュエータと、電気粘性流体アクチュエータのシャフトに取り付けられて、入力又は出力の力又はトルクをヒンジアセンブリに結合するギヤアセンブリとを備える。その代わりに、この発明に係る矯正装置は、ここで説明中の電気粘性流体ブレーキ装置のいずれかを備えることができる。好ましくは、この発明に係る矯正装置は、ニーブレースであり、フレームは、脚への取り付け用に構成されている。その代わりに、矯正装置は、エルボーブレースであり、フレームは、腕への取り付け用に構成されている。より好ましくは、矯正装置は、関節の角度、速度、及び加速度を測定するように動作するセンサアセンブリを有したセンサシステムを更に備える。この場合、センサアセンブリは、装置の閉ループ制御を与えるように動作する。このセンサアセンブリはまた、シャフト上のトルクを測定して、装置の閉ループ制御を与えるように動作することができる。この発明に係る矯正装置のどれでもが、関節の逆側に配設された第２の電気粘性流体装置を更に備えることができる。好ましい矯正装置は、電気粘性流体装置を制御するように動作するコントローラアセンブリを更に備える。この場合、コントロールアセンブリは、リモート通信を与えるように動作する。更に好ましくは、矯正装置は、装置内又は外部に配設されることが可能な１以上の電池を備える電池電力によって動作可能である。
【００１３】
より一般的な形態では、この発明は、関節用矯正装置に関する。この矯正装置は、手足の関節に処置可能なヒンジアセンブリを有して、ユーザの手足に取り外し可能に固定できるフレームと、このフレームのヒンジアセンブリに実装され、出力の力又はトルクを発生するか、入力の力又はトルクに抵抗するように動作する起動装置と、この起動装置のシャフトに取り付けられて、入力又は出力の力又はトルクをヒンジアセンブリに結合するギヤアセンブリとを備える。起動装置は、電気粘性流体ブレーキ装置及び／又は電気粘性流体アクチュエータを備えることができる。特別な実施形態において、起動装置は、ＤＣモータ、磁気流動流体装置、摩擦装置、電空装置、電磁装置、ヒステリシス装置、渦電流装置、空気装置、液圧装置、ボイスコイル装置、電場応答性ポリマー装置、超音波モータ及び圧電装置からなる群から選択されたブレーキ又はアクチュエータ装置である。
【００１４】
この発明は、添付の図面に関連してなされる以下の詳細な説明から、より十分に理解されるであろう。
【００１５】
［発明の詳細な説明］
電気粘性流体は、粘性特性、例えば粘度の変化を電界の存在下で経験する。これらの流体は、絶縁性基剤流体、例えば油内での０．０１〜０．１μｍオーダーのサイズの粒子の懸濁によって作られている。これら粒子の体積部分は、一般に２０％と６０％の間にある。時折ウインスロー効果と呼ばれる電気粘性効果は、電気粘性流体（ＥＲＦ）内における流体と粒子の比誘電率の差から起こると考えられている。電界の存在下で、粒子は、誘導双極子モーメントに起因して、電界線に沿った鎖を形成する。この誘導構造は、ＥＲＦの粘度、降伏応力、及び他の特性を変化させて、ＥＲＦがミリ秒のオーダーの応答時間で、軟度を、液体のそれからゲルのような粘弾性のものに変化させることを可能にする。ＥＲＦは、非常に高い電気的に制御された抵抗力を加えることができる一方で、それらのサイズ（重量及び幾何学的パラメータ）を非常に小さくすることができる。ＥＲＦは、粗くなく、毒性もなく、汚染もしないので、健康及び安全面の要請に一致する。
【００１６】
電界の影響下で、ＥＲＦの状態は、ニュートン流体から非ニュートン性のビンガムプラスチックへ変更される。ビンガムプラスチックとして、ＥＲＦは、ニュートン流体のように、応力と歪率の間に線形の関係を呈する。これは、最低必要降伏応力が超過された後だけである。その点より以前は、ＥＲＦは、固体として振る舞う。この最低降伏応力より高い応力では、流体は流れ、そして剪断応力は、剪断歪率に比例して増加し続ける。
【００１７】
【数１】
2008519941.tif 000003
ここで、τは剪断応力、τｙは降伏応力、μは動的粘度、γは剪断歪みである。剪断歪み上のドットは、その時間導関数、即ち剪断率を示す。これは、ビンガムモデルと呼ばれる。
【００１８】
十分に高い電界で、流体の動的粘度は、負になる。この現象は、少ないか弱い結合が高い剪断率で形成され、かくして小さな合計降伏応力と、負の動的粘度の効果を与える、と仮定することによって説明できる。
【００１９】
降伏応力τｙと動的粘度μは、本ＥＲＦベースのブレーキ又はアクチュエータ装置又は矯正装置の設計に影響する２つの重要なパラメータである。動的粘度μは、ビンガムモデルを使用するときにしばしば無視される程度の電界依存性を持つ基剤流体によって一般に決定される。電界誘導降伏応力τｙは、一般に電界強度に依存し、そして剪断率とは独立していると考えられる。この依存性に対して、いくつかの理論的モデルが求められているが、これらの関係を確実に反映するものはない。経験則として、降伏応力は、電界強度によって二次曲線的に増加すると仮定することができる。
【００２０】
降伏応力について２つの重要な値がある。静的降伏応力τｙ,sと動的降伏応力τｙ,dである。静的降伏応力は、流れを開始するに必要な応力、即ち固体から液体に変化するに必要な応力の値として定義される。動的降伏応力は、ゼロ歪率条件で液体から固体になるに必要な応力の値として定義される。どちらが大きいかは、流体毎に異なる。殆どの時間、静的降伏応力は動的降伏応力よりも高い。“静止摩擦”と呼ばれるこの現象は、流体のサイズと形状に高度に依存にしている。
【００２１】
ＥＲＦについて知られる必要があるもう１つの重要なパラメータは、電流密度Ｊであり、これは単位電極面積当たりの電流として定義される。このパラメータは、ＥＲＦベースの装置の消費電力を評価することに必要とされる。ＥＲＦ材料を通る電流の測定は、粒子間の電荷漏洩の結果であると信じられている。
【００２２】
ＥＲＦ特性は、ＥＲＦベースの装置の性能に有意な効果を持つ温度によって変化する。好ましくは、ＥＲＦは、広範囲の温度にわたって一定の特性を示すべきである。ＥＲＦのパラメータの温度依存性を説明する統一モデルはない。この温度依存性は、流体毎に変化する。ＥＲＦに対する最大の温度問題は、増加する温度による電流密度の大きな増加から生ずる。このことは、消費電力を増加させるが、ＥＲＦ装置の人的オペレータに対する安全性も増加させる。
【００２３】
本発明に好適な１つのＥＲＦは、スマート・テクノロジー社によって製造されるＬＩＤ３３５４Ｓである。このＥＲＦは、シリコン／フロロルーブ基剤オイルに３５体積％のポリマー粒子を含ませたものである。それは、１．４６×１０３ｋｇ／ｍ３の密度と、３０℃で１１０ｍＰａ．ｓｅｃの粘度と、２００℃より高い沸点と、１５０℃より高い引火点と、−２０℃より低い凝固点とを持つ。それは、水に不溶性である。
【００２４】
本発明の第１の形態では、ブレーキ又はダンパー装置が提供される。この装置は、ＥＲＦの特徴を最適使用して、抵抗性トルク又は力を加える。そのような装置は、運動や作用を緩やかにしたり、停止させたりすることが可能である。（簡単にするために、この装置は、ここではブレーキ装置と呼ばれる。）１以上の回転電極が１以上の静止電極と交互に配置される。これらの電極は、ＥＲＦの薄層によって充填されたギャップによって分離されている。これらのギャップを横切って電界を加えると、流体の特性が変更される。より具体的には、流体の降伏応力が増加される。回転電極が運動中であるとき、より高い降伏応力は、電極の表面上の増加された剪断応力に対応する。電界の強度は、電極間のギャップの幅及び電圧に比例して次のように変化する。
【００２５】
【数２】
2008519941.tif 000004
ここで、Ｅは電界、Ｖは電圧、ｇは電極間のギャップ幅である。電界が強くなると、流体の降伏応力は増加し、且つ剪断応力は増加する。電極表面上の力（剪断力）は、剪断応力に比例する。
【００２６】
【数３】
2008519941.tif 000005
ここで、Ｆは力、τは剪断応力、Ａは電極表面の面積である。この力は、装置の構成に依存して、直線的又は回転的な抵抗制御用に使用できる。上記で論じたビンガムモデルと半径ｒの電極板を使用すると、式１及び５は組み合わせられ、そして電極半径ｒを乗じられて、ＥＲＦに起因した抵抗性トルクを与えることができる。
【００２７】
【数４】
2008519941.tif 000006
【００２８】
図１〜４に描かれた実施形態を特に参照すると、２組の導電性電極板１４，１６が交互に向きを変えられている。この場合、一方の組１４は、ハウジング又はケース１８に堅固に取り付けられて移動を阻止し、また他方の組１６は、回転入力シャフト２０に取り付けられている。これら交互の板は、正及び負の電極として機能して、電界を発生し、板間のギャップ２２を充填するＥＲＦを作動させる。この電極アセンブリは、絶縁性ハウジング又はケース内に配置され、ＥＲＦ２４を充填され、蓋アセンブリ２６で閉じられ、ＥＲＦの漏洩を防止するために、例えばテフロン（登録商標）シール２８によって封止される。
【００２９】
固定電極板１４は、装置のケースに対し堅固に取り付けられ（アースされ）ている。それらは、軽量の導電性材料、例えばアルミニウムで構成されている。それらのエッジ回りに離れて配置された小さなタブ３０は、ケース内に滑入するインサート３２と噛み合って、これらの板をケース内で確実に定位置に保持する。（図３も参照）回転電極板１６は、回転中央マウント３４に実装されている。両組の板のエッジは丸められて、アークを生じさせる“避雷針効果”を最小化している。
【００３０】
任意の好適な非導電性軽量材料、例えば複合プラスチックで構成される回転中央マウント３４は、回転電極板を支持する。この中央マウントは中空にされ、装置の重量を低減することができる。入力シャフト２０もまた回転中央マウントに取り付けられる。回転マウントはまた、整列機構３６を通して板整列を調整するためのプラットフォームを与える。
【００３１】
整列機構３６は、電極板間の距離の調整を可能にする。何故ならば、ギャップサイズは、装置の適正動作に対し決定的だからである。例えば、入力シャフト２０の一端のセットネジ４０は、バネ３８によって回転マウント３４の頂部へ加えられる力をバランスする。このセットネジを調整すると、回転マウント及び回転電極をシフトし、それらを固定電極間で適正に中心に置く。外部から調整可能な整列機構は、アセンブリ中の詰め金挿入に対する必要性を低減する。この詰め金挿入は、時間集中的プロセスであって、調整用のディスアセンブリを必要とする。外部整列機構は、ケース内でのアセンブリ後の迅速且つ正確な電極の整列に備え、またユニットが流体で充填された後の調整を可能にする。
【００３２】
移動電極１６は、図２及び４に最も良く示されているように、スロットロックシステムによって、中央回転マウント３４に実装される。このロックシステムでは、板ロック４２が電極上のキー付きスロット４３に適合する。この実装法は、電極板を定位置にロックして、板設置スロットを横切る堅固な結合を与える。このため、回転マウントは、トルクが加えられたときに強度及び堅固性を維持する。アセンブリ時に、移動電極は、マウント３４に実装され、そしてインサート３２と噛み合わされた固定電極に挟み合わされる。これらの部品は、ユニットとして容易にケースに挿入できる。
【００３３】
回転電極に電力をもたらすために、回転接点が設けられている。図示の実施形態では、ブラシ整流子又はブッシング整流子機構が設けられている。整流子４４は、好適なベアリング又はブッシングであって、回転中央マウント３４に取り付けられる。この場合、整流子４４は、回転入力シャフト２０と接触するようにバイアスされている。整流子構成は、銀導電性グリースを使用して、接点を通る抵抗を安定化する。作動信号を搬送するブラシは、バネを介して整流子と接触させられている。
【００３４】
動作時に、粘性流体２５の作動は、回転入力シャフト２０上に抵抗性トルクを発生する。粘性流体を通して移動する表面積を最大化すると、ブレーキ装置から出力されるトルク又は力が増加される。それ故、複式の平行回転電極板が使用されることが好ましい。このことにより、最大剪断表面積が可能にされる一方で、ブレーキ装置用の小型な総体積が維持される。
【００３５】
ブレーキ装置の性能は、３つの要因に直接関係させられている。これらは、ブレーキ装置の幾何学的構造と、電極に送られる入力電圧と、ＥＲＦ自体の特性である。作動モデルの幾何学的成分は、平板電極の全パラメータである。これらは、電極板の内半径（ｒｉ）と、電極板の外半径（ｒｏ）と、板の数と、板間ギャップ幅（ｄ）である。これらの変数と特定の流体特性を使用する平板ブレーキ装置のトルク出力の式は、以下の通りである。
【００３６】
【数５】
2008519941.tif 000007
ここで、Ｎは移動板の数、τｙは流体の降伏応力、μは流体の粘度、そしてωは板の角速度である。全てのタイプのＥＲＦは、流体基剤中に懸濁された粒子の異なる組成からなり、かくしてそれ自身の独得な挙動と特性を持つ。それ故、各ＥＲＦは、それ自身の特徴的関係を２つの間に有する。そして、ブレーキ装置用の完全且つ正確なモデルを導くために、それは知られなくてはならない。ＬＩＤ３３５４Ｓ型ＥＲＦをテストし、その特性（上記で論じられた）を決定した後に、この流体を使用するブレーキ装置用の最終モデル化の式は、次のようになる。
【００３７】
【数６】
2008519941.tif 000008
ここで、τｆは各特定ブレーキ装置に特徴的な無電界摩擦降伏応力項であり、μ０は流体の動的粘度であって１８７ｃＰに等しく、Ｅは次の関係によって決定される電界である。
【００３８】
【数７】
2008519941.tif 000009
制御可能なＥＲＦブレーキ装置は、かくして抵抗性トルクの精密な調整を可能にする一方で一貫して安定した動作を与える制動又は減衰装置として動作する。この装置は、特に機械的システムの制御に好適である。それはまた、安全装置としても機能する。
【００３９】
この装置は、現在の装置を超えるいくつかの利点を提供する。この装置は、容易に交換可能な電気接点及び主シール以外に、内部的な摩耗が無い。ＥＲＦの挙動は、精密にモデル化できるので、精密な制御は可能である。ＥＲＦは、非常に低い電流の高電圧を使用して作動されるので、消費電力は非常に低い。電極は、二重の機能、即ち流体応力を利用する機能と、電界を作る機能とを果たす。このことにより、小型で軽量の設計が可能になる。この装置の抵抗性強度は、電極板のサイズと数に比例するので、それは各応用に対して非常に適用性がある。
【００４０】
ＥＲＦブレーキ装置のもう１つの実施形態が図５及び６に描かれている。この実施形態では、１以上の静止電極６０と１以上の回転電極６２は、交互の同心的円筒として構成されている。例えば、１つ回転円筒形電極は、２つの静止円筒形電極間に同心的に配置されている。円筒形電極は、ＥＲＦが充填されたギャップ６８によって分離されている。このギャップを横切って電界をかけると、上記で論じられたように、ＥＲＦの特性が変更される。粘性流体を通して移動する表面積を最大化してトルク又は力の出力を増加するために、複数の同心回転円筒形電極板が使用されることが好ましい。このことにより、最大剪断表面積が可能にされる一方で、抵抗性要素用の小型な全体積が維持される。
【００４１】
静止電極６０は、封止されたケース６４内に任意の好適な手法で固定されている。回転電極６２は、延長板部分７０によって入力シャフト６８に固定されている。静止電極は、単一の一体的又は一元的部分として形成できる。同様に、回転電極は、単一の一体的又は一元的部分として形成できる。好適なベアリング７２とシール７４が設けられる。電化されたブッシング又はベアリング６６が使用されて、装置内に電力をもたらす。
【００４２】
この実施形態が有利なのは、より大きな表面積の電極が、シャフトよりも半径方向遠方に配置されて、抵抗性トルクを増加する点である。
【００４３】
本発明のもう１つの形態では、ＥＲＦブレーキ装置は、アクチュエータ、例えば電磁石式、空気式、又は電気機械式アクチュエータと組み合わされて、トルク又は力に抵抗すること及びそれを加えることの双方が可能なハイブリッド型アクチュエータ装置を与える。
【００４４】
図７〜１８Ｂを参照すると、固定電極１０２は、特に図１８Ａに示されているように、ハウジング又はケース１０４に実装され、また可動電極１０６は、入力／出力シャフト１０８と共に回転するために、回転可能な部材又は応力リング１１０を介して実装されている。これらの電極は、１つのシリンダのアーク形セグメント（ここで説明中の実施形態では３つ）に設けられている。これらセグメントは、以下で更に論じられるように、個別に作動可能である。これらの電極は、軽量な導電性材料で構成されている。全ての電極エッジは丸められて、端効果アークを低減することが好ましい。固定電極と可動電極との間のギャップ１１２は、ＥＲＦによって充填されている。この装置は、同心円筒形電極に関連して上述したと同様の手法でブレーキ装置として動作する。ＥＲＦが作動された場合の固定及び可動電極間のギャップは決定的なものであって、１．０〜１．５ｍｍの範囲にある。このアクチュエータの他の部分では、ギャップは増加させられて、ゼロ電界流体剪断に起因する不必要な力を減少する。
【００４５】
加えて、複数の独立した作動可能な線形アクチュエータが、この装置内のアーク形セグメントに設けられている。図示の実施形態では、３つの電磁石式アクチュエータが設けられている。１つの電磁石式アクチュエータが図８に描かれている。各電磁石式アクチュエータは、互いに接続された２つの磁石１１６を備える。コアは、中心部１１８と、逆向きの巻線とに分離されている。この構成は、各電磁石アセンブリの各端１２０，１２２に同様の極を与える。各電磁石は、関連したアーク形応力リング１１０内に任意の好適な手法で固定される。このリングに対しては、可動電極１０６の関連したものが取り付けられる。
【００４６】
ケース１０４は、全ての通電される部品を収容する。それは絶縁体で、内部機構用の堅固な構造を提供して、それに抗して作用する。任意の好適な形状的特徴１０３が、アプリケーション、例えば矯正装置用のフレーム（以下で論じられる）の実装又はインターフェース用に設けられる。主シール１２４は、シャフトシールであって、ＥＲＦが漏出したり、汚染が入ることがないようにする。固定電極１０２は、応力リング１１０上に搭載された３つの電極全てに対する共通高電圧アースとして作用する。
【００４７】
動作時に、線形アクチュエータを、回転可能な部材、即ち応力リング１１０上に独立して搭載し、応力リング１１０をＥＲＦで順次ロック及びアンロックすることによって、アクチュエータの線形作用は不連続な回転運動に変換される。一例として、各作動ステップは、約１〜２ｍｍ（０．５〜２°回転）であり、それらは毎秒６０回まで起こる。この装置は、高電力密度及び低エネルギ要件で動作する。
【００４８】
内部動作シーケンスの詳細を示す図が図９に示されている。上列は１サイクルの開始を描き、また下列はそのサイクルの終了を描いている。各応力リング１１０’，１１０’’，１１０’’’は、独立した線形アクチュエータ、即ち電磁石を包囲している。外側のリングは、ＥＲＦ回転電極１０６’，１０６’’，１０６’’’を表す。中央の円１２６は、応力リングの運動を入力／出力シャフト１０８に結合するラチェット機構を模式的に表している。このラチェット機構は、以下で更に説明される。中央の円上の白いドット１２８は、ラチェット機構の、そしてその結果生ずる入力／出力シャフトの移動を模式的に示している。
【００４９】
サイクル１では、ステップ１ａにおいて、作動されたＥＲＦを使用して、リング１１０’，１１０’’がケースにロックされる。リング１１０’’’は、シャフトを駆動する能動リングである。応力リング１１０’及び１１０’’’の電磁石間の逆極性は、装置を、ステップ１ｂに描かれているように、１ステップ駆動する。ステップ２ａでは、リング１１０’及び１１０’’’は、ケースにロックされる。リング１１０’’’ の電磁石の極性は逆転され、能動リング１１０’’の電磁石を、ステップ２ｂに描かれているように、能動リング１１０’’’の電磁石へ向けて駆動する。運動は、このように継続する。
【００５０】
示されたように、作動は、３つの独立した応力リングに順番に起こる。このシーケンシャルな運動は、ラチェット機構を使用して、出力軸に伝達される。この機構は、トルク発生モードで使用中に、一方向にラチェットすることが可能であり、また抵抗性モードでは、全ての応力リングをロックすることが可能である。それ故、入力トルクは、全ての応力リングに対して均一に分布される。
【００５１】
図７及び１０〜１４を参照すると、ラチェットギヤ１３２がシャフト１０８に固定されている。このラチェットギヤは、一方向の回転を可能にするが逆方向の回転をロックする対向したギヤ歯の上側及び下側の列１３６，１３８を有する。少なくとも１つのラチェットカム１３４が各応力リングに関連付けられている。各ラチェットカムは、２つのロック面、即ちラチェットギヤの上側の歯に接してロックするための上面１４２と、ラチェットギヤの下側の歯に接してロックするための下面１４４とを有する。このカムは、一方向の運動を可能にする１つの位置と逆方向の運動を可能にするもう１つの位置との間を旋回可能である。このカムはまた、シャフトの自由回転を可能にする中間的なニュートラル位置に位置決めされ得る。
【００５２】
能動トルクを発生する動作時に、運動中の応力リングのラチェットカム１３４は、ラチェットギヤ１３２上にロックしてそれを強制的に回転させる。他のラチェットカム（ＥＲＦ結合を使用してケースにアースされた他の２つの応力リング上にある）は、この回転を無抵抗で可能にするように方位付けされる。このラチェット機構の分解能を増加するために、各応力リング内の２つのカムは、１／２ギヤ歯だけオフセットされている。これにより、ラチェットギヤに対する分解能は、実効的に２倍にされる。
【００５３】
各ラチェットカム１３４は、弾性ロッド１４６に取り付けられている。このロッドは、カムフォロワー部品１５２内のカム表面１４８を規定する開口部を通して延びている。カムフォロワー部品が上下動すると、弾性ロッドは、ラチェットカムを旋回させるように、カム表面に沿って移動する。カムフォロワー部品は、非粘着性の材料、例えばテフロン（登録商標）又は同様のもので形成されて、円滑なスライド行動を容易にする。カムフォロワー部品が上下動できるように、一対の脚部として示されている方向性スライダ１５４は、カムフォロワー部品から延びて、２つのシヌソイド表面１５８，１６２を持つシヌソイド表面アセンブリ１５６に接触する。一方の表面１５８は、ケースに固定されている。他方の２自由度の（ＤＯＦ）シヌソイド表面１６２は回転可能であって、図１３Ａ〜Ｃに描かれているように、スライダ１５４が移動するときに、それを上昇させる。バネ１６４は、方向性スライダの上向き力をオフセットする。シヌソイド表面アセンブリの制御は、ピニオン１６６と内部ギヤ１６８によって与えられる。
【００５４】
ピニオンは、コンピュータ制御によって自動的に、あるいは外部ノブ１７２によって手操作で駆動される。スライダ制御システムの低トルク要求は、軽量小型な装置、例えば超音波モータ、サーボモータ、ＤＣモータの使用を容易にする。その代わりに、自動化された方向性制御が必要とされない場合には、単純なノブがアクチュエータの代わりになる。この場合、ギザギザがスライダ制御システムの内部位置決めを伝達することができる。
【００５５】
電気部品は、各応力リング用の２つの独立したチャネルと、１つのアースにアクセスする。各応力リングに対して、１つのチャネルは高電圧制御用（電極１０６用）であり、また１つは低電圧制御用（電磁石１１４用）であり、最後は低電圧アース用である。図７，１５及び１６を参照すると、環状接点の組１８２が応力リング上に配置されて、それと共に移動する。環状接点の対応する組１８４は、ケースに固定されている。環状接点は、１組のローラ接点だけがあるときは（以下で論じられる）、柔軟なバネ又はリボン導体（図示せず）によって、応力リングの間を延びている。図１５及び１６の実施形態を参照すると、接点１８２ａは、アースである。接点１８２ｂ，１８２ｃ及び１８２ｄは、各応力リング内の３つの電磁石にそれぞれ、例えば応力リングを通るワイヤ又は他の導電体（図示せず）を介して接続する。接点１８２ｅ，１８２ｆ及び１８２ｇは、高電圧電極１０６に、例えば応力リングを通るワイヤ又は他の導電体（図示せず）を介して接続する。
【００５６】
半径方向の転動接点システムは、電力を固定接点から移動接点へ伝達することに使用される。各固定接点及び各移動接点の間に導電性ローラ１８６が設けられ、これは、応力リングが移動するに従い、各環状接点に沿って移動する。これら導電性ローラは、半径方向外側に延びる駆動軸１８８上に配置されている。このシステムは、回転軸から半径方向に延びる電気チャネルを持つ小型空間内に複数の接点を提供する。この設計に対しては、単一組のローラが含まれているが、より大きな電流要求に適応することに、複数のローラ組が使用され得る。各バンドの厚さは、スリップに起因する電気的雑音が問題となる点まで調整できる。この点に留意されたい。スペーサ１９０も設けられる。これは、ケース内の空間を満たして、必要とされるＥＲＦの量を最小化するためである。
【００５７】
ローラ／回転接点１８６は、薄い導電性の外側層１９２と、それから弾性的な中間層１９４と、低摩擦回転用のハードブッシング１９６とによって構成されている。図１７を参照されたい。薄い外側層は変形して、より大きな接点パッチを形成する。回転接点は、それら自体の軸回りを自転しながら、中心アクチュエータ軸の回りを公転する。弾性的室内もまた、応力リング間の容易な転送を可能にする。
【００５８】
この装置は、動作の５モードを持つ。即ち、それぞれが各方向用である回転減衰／制動の２モードと、それぞれが各方向用である作動の２モードと、ニュートラル／自由輪転モードとである。この場合、装置は、入力に対して僅かな効果だけを持つ（ラチェットの運動量だけ）。このことは、安全性と産業的使用にとって重要である。何故ならば、それは装置を離脱させる追加のクラッチに対する必要性を消去するからである。
【００５９】
上述したように、応力リングは、線形アクチュエータ／磁石を収容し、電極を支持し、そしてラチェットシステム及び方向性スライダを収容する。それらはまた、非反応性の弾性材料、例えば圧縮性の独立気泡で満たされた圧力解放チャンバ１９８を有する。図１８Ｂを参照されたい。これらのチャンバは、ＥＲＦが温度変化に起因して拡張すること、流体を通して伝播するエネルギ波を吸収して振動を減衰させること、そして迅速に移動する室内成分によって発生される内部圧力差の安定化を助けることを可能にする。リング移動の振動及び衝撃を減衰する減衰チャネル２０２（図１８Ｂを参照）は、半径方向に整列された各応力リングの端部上に形成され得る。応力リングは、いくつかのタイプの線形アクチュエータ、例えば圧電スタック、ソレノイド、ＥＡＰアクチュエータに加えて、図示のコア付き電磁石に適応するように構成され得る。
【００６０】
任意の好適なトルク増倍／低減式歯車装置は、応用に依存して、入力／出力シャフト１０８に結合され得る。任意の組み合わせのギヤをアクチュエータに加えて、アクチュエータの出力、抵抗性トルク、及び各応用の要件に対する速度をバランスさせることができる。標準的な薄いセクションベアリング２０８が装置全体を通して使用され、無摩擦で信頼性の高い動作を確実にする。
【００６１】
振動を制御するために、減衰用釣合錘（図示せず）が用いられる。それは、入力／出力シャフトに結合され、そして応力リングの運動とは逆方向に動作して、それらの回転慣性力をオフセットする。
【００６２】
種々のタイプの内部アクチュエータは、本発明で使用可能である。上述した実施形態では、電磁石が設けられた。電磁石は、磁気的に活性なコアを囲むワイヤの複数ターンを流れる電流によって発生された起磁力（ＥＭＦ）を利用する電流制御型部品である。その代わりに、ソレノイド式アクチュエータが使用できる。ソレノイドは、自給式の電磁石型線形アクチュエータであって、電磁石と、可動軟鉄コア（プランジャ）とを有する。本流体アクチュエータは、プランジャの力と変位を使用することができる。別の変形例では、圧電式アクチュエータは、電圧の印加に応答して変形する圧電材料を使用する。多層の材料を直列に使用することによって、使用可能な量の歪みを生じさせる。もう１つの変形例では、電場応答性ポリマー（ＥＡＰ）が、電界下で形状を変える材料である。それらは、シート又はテープ形に構成され得る。
【００６３】
アクチュエータとして、この装置は制御することが容易であり、小型であり、軽量である。この装置の効率は高く、その全電力消費は良好である。それはまた予測可能な手法で良く比例する。抵抗性制御装置、ダンパー又はブレーキとして、この装置は、低電力消費で動作する。それは、ＥＲＦ成分に関して本質的に摩耗を呈しない。出力トルク及び抵抗性トルクは、容易に調節される。
【００６４】
本発明のＥＲＦブレーキ及びアクチュエータ装置は、矯正装置用のブレーキ及びアクチュエータとして特に有用である。矯正装置又は補助具は、通常は膝や肘のような関節を横切って身体に力を加える外部着用装置である。この装置が着用された場合、これらの力は、身体の領域を支持し、制御し、修正し、又はそれに関する問題から回復することに使用される。本発明のＥＲＦブレーキ又はアクチュエータ装置３１２を使用するニーブレースの形態の矯正装置が図１９〜２１Ａに示されている。この矯正装置は、手足に取り付け可能であって膝の両側で蝶番止めされた支持フレーム３１４を有する。ＥＲＦブレーキ又はアクチュエータ装置は、ヒンジアセンブリ３１６のいずれか一方の側か両方の側に搭載されている。このＥＲＦベースの装置は、所望の応用に依存して、単独で抵抗性要素であるか、その代わりに、トルク発生を与えることもできる。各ＥＲＦブレーキ又はアクチュエータ装置に関連したギヤボックス３１８は、ＥＲＦブレーキ又はアクチュエータ装置３１２とヒンジアセンブリ３１６との間にインターフェースを与える。このＥＲＦブレーキ又はアクチュエータ装置は、モジュール式であり得る。この場合、矯正装置は、ブレーキ又はアクチュエータ装置を切り換えることによって、抵抗性だけの構成から単にトルク発生を含むプラットフォームへ切り換えられる。
【００６５】
支持フレーム３１４は、上側フレーム３２２と、下側フレーム３２４とを有し、これらはヒンジアセンブリ３１６によって接続されている。ヒンジアセンブリは、例えば、上側フレームに取り付けられた回転可能な要素３１７と、下側フレームに取り付けられた回転可能な要素３１９とを有することがあり、これらは要素３２１を介して互いに結合されている。図２１Ｂを参照されたい。各フレームは、１つを関節の上に、そして１つを関節の下にして、手足に取り付け可能である。このフレームは、例えばアルミニウムのような金属や、強化プラスチックや、炭素繊維複合材料のような複合材料によって構成される。フレームは、フレームが手足の上をシフトしないようにする任意の好適な手法で、手足に取り付けることができる。例えば、手足の回りに巻き付けられるストラップ３２６は、フック及びループ締結具を有し、そして泡を詰められて、患者の手足に順応する。上側及び下側フレーム間のヒンジアセンブリは、ブレースの両側で同じであることが好ましい。このことは、同じ矯正装置が左右いずれの手足でも使用されることを可能にする。力は、着用者からストラップ及びフレームを通して伝達され、ヒンジアセンブリ上のトルクへ導かれる。
【００６６】
ギヤボックス３１８は、ブレーキ又はアクチュエータ装置のトルク出力を伝達すると共に倍増する。ＥＲＦブレーキ又はアクチュエータ装置の入力／出力シャフト３３０は、ギヤボックス内でギヤアセンブリ３３２に接続する。図示の実施形態では、発生されたトルクは、ヒンジアセンブリ３１６に含まれた遊星ギヤシステムを使用して増倍される。図２２〜２４を参照されたい。１つの例示的実施形態では、トルクは、６．２：１で増倍される。シャフト３３０は、一対のキー溝３３６を介してピニオンギヤ３３４に接続する。このピニオンギヤは、下地のリング又はフレーム３４２に固定されたリングギヤ３４０によって囲まれている３つの遊星歯車３３８と噛合する。下地のリングは、ヒンジアセンブリ３１６に取り付けられて、それと共に回転する。ギヤボックスは、好適なハウジングを有する。このギヤボックスは、ブレーキ又はアクチュエータ装置用マウントとして、またヒンジ安定器として機能する。
【００６７】
ギヤボックスシステムは、センサシステム用のプラットフォームとしても機能する。好ましくは、この装置に、３つのセンサ又はセンサアセンブリが実装される。第１のセンサアセンブリは、膝の角度、速度、及び加速度を測定するもので、これはＥＲＦブレーキ又はアクチュエータ装置の閉ループ制御用に使用できる。光学エンコーダ３５２、例えば標準的な回転式絶対光学エンコーダ、又はホール効果センサが使用できる。第２のセンサアセンブリは、患者によって発生されたトルクを測定するためのトルクセンサであって、これもまたＥＲＦブレーキ又はアクチュエータ装置の閉ループ制御用に使用できる。図示の実施形態では、２つの小型コンプレッサーセンサ３５４がリングギヤ３４０の延長部３５６と下地リング３４２の間に逆向きに配置されている。これは、屈曲及び伸長双方のモーメントアームからの力を介してトルクを測定するためである。トルクがヒンジに与えられると、リングギヤ延長部は、運動の方向に依存して、センサの一方を押す。この力の測度は、既知の寸法値（シャフトからセンサまでの距離）と組み合わされて、トルクを計算する。その代わりに、力センサは、歪みゲージを有することができる。このゲージは、フレーム上に搭載されて、下側フレームに加わった歪みを測定するもので、単純な梁としてモデル化できる。トルクは実質的に計算される。その代わりに、トルクセンサがヒンジ継ぎ目中に一体化され、加えられたトルクを直接測定することができる。別の変形例では、圧力センサがストラップに取り付けられ、そして与えられた領域に基づいて、力及びトルクが計算される。
【００６８】
第３のセンサアセンブリ（図示せず）は、足と地面との相互作用をモニタする力検知抵抗体のアレイである。このアレイは、脳卒中の患者用のニーブレースに付加することが可能な踝−足アッタチメントに一体化され得る。これは、蝶番止めされた踝−足補助具のような内外側方向の安定性を与えるためである。健康な患者の場合、このアレイは、患者が自らの靴の中で着用するインソール内に配置され得る。このアレイは、圧力中心の前後方向の移動を追跡すること、かくして歩行サイクルの異なる位相を識別する能力を可能にする。この能力は、膝補助具用の制御戦略の実施を可能にする。
【００６９】
もう１つの実施形態では、多心性ヒンジ機構３６２が使用される。図２６Ａ及び２６Ｂを参照されたい。このヒンジ機構は、連結した上側及び下側の楕円ギヤを有する。これら楕円ギヤは、人の膝の自然な運動へ追従することにそれ自身を加える偏心運動を生じる。ＥＲＦブレーキ又はアクチュエータ装置３６４の入力／出力シャフトは、ギヤの１つに取り付けられる。
【００７０】
矯正装置用の基板搭載型電子回路は、センサからのデータ取得、コンピュータロジック、及びＥＲＦブレーキ又はアクチュエータ装置用の作動信号を含む。これら電子回路は、任意の好適な手法で、例えば小型な手持ち装置内に含まれた電池により給電される。フラッシュメモリは、オペレーティングソフトウエアを格納しておくことに、また患者データを記録することに使用できる。ワイヤレス通信は、例えばＷＩ−ＦＩ経由で実施され、装置のコードレス使用を可能にする。可視的な出力は、含まれ得る。これは、例えば関節の角度及びトルクのリアルタイム表示を与えることによって、装置の使用を容易にするためである。
【００７１】
図２７は、電子回路の模式的表現を示している。ワイヤレス通信リンクは、基板からのデータのコードレス式収集を可能にする。それはまた、基板搭載型コントローラの動的プログラミングを可能にする。このシステムは、独立型モードのみならず、パーソナルコンピュータへのデータ結合でも動作することが可能である。ワイヤレス周波数帯域は、産業、科学及び医学目的用にＩＳＭバンドと呼ばれる２．４〜２．５ＧＨｚの範囲内にあり得る。それは、５０メータ以上に及び、６２５ｋビット／秒の最大未符号化データ率で伝送できる。このリンク用の送受信器モジュールは、サイズが小さく、低消費電力である。基板搭載型ユーザインターフェースは、ユーザがコンピュータまで行くことなく、特異な制御モードを選択できるようにする。この装置は、その扱い方を追跡する記録能力を有する。データは、この装置から遠方へダウンロードされ、そして患者が医療施設を再訪問する必要なしに、医者や理学療法士によって解析され得る。
【００７２】
本発明のＥＲＦブレーキ又はアクチュエータ装置を使用して、矯正装置は、リアルタイムの機能性を果たすことができる。この装置は、流体依存性のトルク出力に起因して容易に制御可能であって、ミリ秒のオーダーで作用することができる。そのような制御可能性によって、各患者の個人的必要性に対してリハビリ管理形態を仕立てることができる。閉ループ制御によって、センサからのフィードバックは、コンピュータが各特異な訓練の効率を計算すること、従って訓練をリアルタイムで変更して最適レベルのリハビリを達成することを可能にする。
【００７３】
基板搭載型電子システム用の電源は、例えばラップトップ用のリチウムイオン電池であり得る。しかしながら、ＥＲＦブレーキ又はアクチュエータ電力は、別システムとすべきであって、それらは装置の電池寿命における限定的要因となる。３０００〜４０００ｍＡｈで２４Ｖのニッケル水素金属電池は、約５００〜６００ｇの重さであって、ＥＲＦブレーキ装置が連続して最大容量で１．５〜２時間動くことを可能にする。この装置の通常動作により、電池寿命は、少なくとも４〜５時間であると評価される。これらの電池は、形状及びサイズが広く選択される。例えば、ＡＡ，Ｃ及びＤ電池サイズや、小型ブロック形状である。２０ＡＡサイズのニッケル水素金属電池の５００ｇパックは、数時間の作動に必要な電源の代表的集団である。これらの電池は、装置内に配置されたり、例えばベルト上に着用されたパック内に置かれる。
【００７４】
ＥＲＦ電力増幅器は、高度に専門化されていて、標準的在庫品の解消は典型的には好適でない。何故ならば、それらは要求される高速応答が可能でないからである。ＥＲＦシステムは、しばしば１ｋＨｚを超える帯域幅を要求する。しかしながら、トランスコア材料及び低抵抗ＭＯＳＦＥＴトランジスタの領域における最近の技術的改良は、以前に利用可能であった高電圧電源よりも有意に小さく且つ効率が高い設計を可能にする。小さな機械的設置面積と低重量を維持しながら高い電源出力を生ずることが可能な種々のマイクロコントローラベースのスイッチモード電力システムは、現在例えばスマート・テクノロジー社から市販されている。これらのシステムは、ＥＲＦの制御用に具体的に設計されている。しかも、それらは、当業者によって容易に決定できるように、矯正装置の要件についてカスタマイズされている。カスタマイズ化は、装置の電力要求に対して最小の解決を与えること、及び最適形状の包囲体を使用することを伴う。
【００７５】
ＥＲＦブレーキ及びアクチュエータ装置は、人によって着用されたり操作される装置に使用されているので、安全性が熟慮されるべきである。ＬＩＤ３３５４型ＥＲＦを用いて現在設計されている複式同心円筒形ＥＲＦブレーキ装置は、推定最大５０００ボルトＤＣ、電流１ｍＡで動作可能である。低電流且つ低電力特性は、必要とされる電圧が高い場合でも、人によって操作される装置の安全動作マージンの範囲内にある。全てのブレーキ及びアクチュエータ部品は、アースされた金属包囲体内に包囲されて、事故による接触を防止する。加えて、全ての高電圧配線、スイッチ、及び金属部分は、十分な絶縁性を持ち、しかもオペレータに接近することは不可能である。高速作用式緊急カットアウトが設けられている。これは、この技術分野では知られているように、電流が定格最大電流を超えて上昇した場合に動作して、電圧をゼロに低減する。更に負傷を防止するために、ブレーキ及びアクチュエータ装置と、関連した装置又は機構とは、ユーザとの金属接触を持たず、また全ての電気的能動部品は、比誘電率が高い材料によって絶縁されている。ＥＲＦの漏洩は、バネ装荷された例外的な摩耗特徴を持つテフロン（登録商標）シールを利用することによって最小化又は防止されている。これらシールは、それらが摩耗されるに従い、自動調整して、長い使用期間にわたり一貫した性能を与える。蓋とケースの間の漏洩は、Ｏリングを使用して防止される。シールのいずれかが故障した場合でも、ＥＲＦは非毒性であって、標準的な石鹸やクリーナーで清潔になる。
【００７６】
矯正装置は、小型且つ携帯可能であり、しかもリハビリの着用可能な形である。ユーザは、この矯正装置を、平均的な椅子で、又は立ちながら、あるいは歩行運動中でさえも使用できる。この装置の使用は、ユーザの能力によってのみ制限される。かくして、弱い患者は、それを抵抗性訓練用に使用でき、そして強い患者は、それをウエイトトレーニング及び適正な歩行トレーニングの双方に使用できる。ユーザは、この装置を携帯して、自らの時間に、家庭又は仕事場で、あるいは日々のルーチン中に練習することができる。
【００７７】
加えて、本発明の矯正装置の形態は、ここに示された指針を与えられて、当業者には周知の原理に従う他のブレーキ又はアクチュエータ装置、例えばＤＣモータ、磁気粘性流体ブレーキ装置、摩擦ブレーキ装置、電空アクチュエータ、電磁ブレーキ装置、ヒステリシスブレーキ装置、渦電流ブレーキ装置、空気アクチュエータ装置、液圧アクチュエータ装置、ボイスコイルアクチュエータ装置、電場応答性ポリマーアクチュエータ装置、超音波モータ及び圧電アクチュエータ装置と共に使用できる。
【００７８】
特に膝に関連して説明されたが、本発明の矯正装置は、身体の任意の関節、例えば肘に使用できる。図２８を参照されたい。この矯正関節を使用して、全又は部分ボディスーツが組立てられる。これは、筋肉疲労を低減したり筋肉移動を強化する仮想現実に、そして微少重力状態補償（例えば、長い宇宙滞在時に筋肉及び骨の消耗を低減することを助ける）に応用を持つ。
この発明は、添付された請求の範囲によって指示される以外は、特に図示され説明されたものに制限されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明のブレーキ又はダンパー装置の第１の実施形態の断面図である。
【図２】図１のブレーキ又はダンパー装置の部分図である。
【図３】図１の静止電極の平面図である。
【図４】図１の回転電極の平面図である。
【図５】本発明のブレーキ又はダンパー装置の別の実施形態の等角図である。
【図６】図１のブレーキ又はダンパー装置の側面図である。
【図７】本発明の抵抗及びトルク発生アクチュエータの一実施形態の切断等角図である。
【図８】図７のアクチュエータの電磁石の等角図である。
【図９】図７のアクチュエータのトルク発生モードの動作を模式的に描いている。
【図１０】図７のアクチュエータの底部等角図である。
【図１１】図７のアクチュエータのラチェットカム及びラチェットギヤの一部を示す部分図である。
【図１２】図７のアクチュエータの方向制御機構を示す部分図である。
【図１３Ａ】図１２の方向制御機構の種々の位置を描いている。
【図１３Ｂ】図１２の方向制御機構の種々の位置を描いている。
【図１３Ｃ】図１２の方向制御機構の種々の位置を描いている。
【図１４】図７のアクチュエータの等角図である。
【図１５】図７のアクチュエータの部分断面図である。
【図１６】図７のアクチュエータの転動接点の部分図である。
【図１７】単一の転動接点を描いている。
【図１８Ａ】図７のアクチュエータのケースの等角図である。
【図１８Ｂ】図７のアクチュエータの応力リングの等角図である。
【図１９】本発明のブレーキ又はダンパー装置及び／又はアクチュエータ装置を組み入れた脚用矯正装置の等角図である。
【図２０】図１９の矯正装置の等角図である。
【図２１Ａ】図１９の矯正装置の等角図であり、ブレーキ又はダンパー装置又はアクチュエータ装置は取り除かれている。
【図２１Ｂ】図１９の矯正装置のギヤボックス及びヒンジアセンブリの部分等角図である。
【図２２】図１９の矯正ブレースに使用されるギヤアセンブリの等角図である。
【図２３】図２２のギヤアセンブリの上面図である。
【図２４】図２２のギヤアセンブリの底面図である。
【図２５】本発明の２つのブレーキ又はダンパー装置又は２つのアクチュエータ装置を組み入れた脚用矯正装置の別の実施形態である。
【図２６Ａ】図２５の矯正装置のヒンジアセンブリの部分図である。
【図２６Ｂ】図２６Ａのヒンジアセンブリの模式図である。
【図２７】本発明の矯正装置用制御システムの図である。
【図２８】本発明のブレーキ又はダンパー装置又はアクチュエータ装置を組み入れた肘用矯正装置の等角図である。
【符号の説明】
【００８０】
３１０    アクチュエーター装置
３１２    ヒンジアセンブリー
３２６    ストラップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【図２７】
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【図２８】
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