[发明专利]外骨骼、矫形器、可穿戴设备或使用磁流变流体离合器装置的移动机器人

说明书

一种系统包括一个或多个可穿戴设备，该可穿戴设备包括适于固定至第一身体部位的第一身体连接部。第二身体连接部适于固定至通过生理关节与第一身体部位分离的第二身体部位。一个或多个关节在第一身体连接部和第二身体连接部之间提供一个或多个自由度。磁流变(MR)流体致动器单元包括一个或多个动力源。一种MR流体离合器装置从至少一个动力源接收扭矩，该至少一个MR流体离合器装置可操作成在受到磁场时生成可变量的扭矩传递。传动装置将MR流体致动器单元耦接至可穿戴设备，以用于将来自MR流体致动器单元的扭矩转换成身体连接部相对于彼此的相对运动。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年5月12日提交的美国临时专利申请第62/505,392号的优先权，将其内容通过引用并入本文。

技术领域

本申请总体上涉及外骨骼或矫正器/矫形器领域，更具体地，涉及使用磁流变(MR)流体离合器装置的外骨骼或矫形器系统。

背景技术

在人身上使用外骨骼、矫形器或假体对于增强人类能力或恢复人类能力可为理想的。在某些情况下，目标是减少执行任务或功能所需的人力，而在其他情况下，目标可能是扩大人类能力。在某些情况下，目标是恢复人体功能。在另一些情况下，外骨骼可具有生成能量供以后使用的功能。在许多情况下，人体与外骨骼之间存在交换或能量，并且这种能量交换通过用户的四肢和外骨骼界面之间的机械接触而发生。

多年来已引入了许多外骨骼。在某些情况下，例如，外骨骼通过消耗来自燃料或电池的能量来辅助人类。典型地，外骨骼使用电动机来致动关节，尽管也可发现液压或气动致动。此类致动器类型可具有相对较低的机械带宽，并且可引起用户不适。这种不适通常会破坏设备功能，限制其他人类功能(例如：跑步)，并降低人们对穿戴此类设备的兴趣。

由于人体和外骨骼之间的相互作用暗指在关节和肢体区段周围的软组织上的机械力分布，因此外骨骼可能需要柔软或弹性的接触贴片来将负载传递给人体，这可能致使无效的动力传递。

外骨骼通常采用与人力协同工作的电动机/发电机单元，以向关节致动器提供动力。内燃发动机、涡轮机、电池、气压涡轮机或任何其他动力源可用于生成致动器所需的能量。一些外骨骼使用机械(例如：齿轮、联接装置)、液压或气动传动装置将动力运送至需要增加或替换人力的地方。这种类型的可穿戴设备通常例如用于与非辅助范围或距离相比增加人力的范围或距离。外骨骼也可由一个以上的辅助动力源结合人力组成。为简单起见，除人类以外的任何动力源在下文中将被称为辅助动力源。

通常，外骨骼或人类混合动力总成包括齿轮或离合器系统，其被设计成有效地将辅助动力源与人类动力源组合，以提供集成系统。在简单的外骨骼中，辅助动力源由人类动作控制，而在更进化的外骨骼中，辅助动力源由控制器使用从传感器(包括惯性测量单元)收集的数据而控制。在某些进化的外骨骼中，控制器可根据用户的需求或期望控制辅助动力源的功率输出。

电动机易于控制，因为它们可能具有比其他类型的致动器更高的带宽。在寻求高动态响应的电动机中，在直接驱动电机中发现了最常见的机电致动形式，这对于外骨骼而言可能过于繁重。通过在电机和与人的机械连接部之间提供减速比，可大大减少设备重量。实际上，当联接至减速器(例如：变速箱)时，对于给定的扭矩输出，机电致动器比直接驱动解决方案更轻且成本更低，但它们的较高输出惯性、摩擦和反冲可能会降低它们的动态性能。可能无法用相同的带宽控制它们。一个很好的示例是膝盖外骨骼，其中单个电动机和减速器(诸如谐波驱动器)相结合以提供高扭矩密度致动器。然而，此类致动器的带宽相对低于电动机或等效扭矩的电动机的带宽。由于齿轮系统的摩擦和电机的反射惯性，反向驱动外骨骼所需的扭矩也可能更高。