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TWI863391B - 磁力式彈性致動器及復健裝置 - Google Patents

磁力式彈性致動器及復健裝置 Download PDF

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TWI863391B
TWI863391B TW112124348A TW112124348A TWI863391B TW I863391 B TWI863391 B TW I863391B TW 112124348 A TW112124348 A TW 112124348A TW 112124348 A TW112124348 A TW 112124348A TW I863391 B TWI863391 B TW I863391B
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magnetic elastic
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TW112124348A
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Inventor
鄭力維
陳執雍
張禎元
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國立清華大學
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Publication date
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Abstract

一種磁力式彈性致動器，包含一基座、一馬達、一轉動單元及一磁力彈性單元。轉動單元包括一可轉動地設置於該基座的轉軸、一套設於該轉軸的轉盤及一套設於該轉軸的轉角感測器。磁力彈性單元連接該馬達並可受該馬達驅動而轉動。該磁力彈性單元包括兩個分別連接該馬達及該轉軸的磁力彈性件。每一磁力彈性件具有一磁環。該磁環具有多個彼此交錯排列的N極部及S極部。其中一磁環的N極部分別對應另一磁環的S極部。當該馬達驅動其中一磁力彈性件旋轉時，將藉由該等磁環相互磁吸而帶動另一磁力彈性件、該轉軸及該轉盤轉動。

Description

磁力式彈性致動器及復健裝置
本發明是有關於一種致動器，特別是指一種磁力式彈性致動器及復健裝置。
現今手腕復健機器大多使用高剛性之驅動系統以及致動器。因此當物理治療師協助病患將患肢放進機器時，會因為其僵硬程度以及手腕初始角度的不同而難以安裝。或是病患在復健過程若因突然的疼痛而抵抗機器時，機器並沒有彈性來避免對病患繼續施加扭力。
再者，復健機器中包含了連續被動運動(continuous passive motion,CPM)以及主動負載運動(active-resisted movement,ARM)，被動復健主要是完全透過機器之施力來提供病患進行往復式的被動運動，可以有效避免關節的僵硬以及恢復肌肉之正常張力，經常被使用在症狀初期且關節剛性較大的病患。而主動負載運動是提供初期恢復關節活動能力之病患的重量訓練運動，使其肌肉量提升來重拾日常生活活動(Activities of Daily Living,ADL)以及避免二次傷害。但由於在機器中加入可調變負重之機構會導致機器體積龐大。因此，尚有改良的空間。
因此，本發明之其中一目的，即在提供一種能解決上述至少一問題的磁力式彈性致動器。
因此，本發明之其中另一目的，即在提供一種能解決上述至少一問題的復健裝置。
於是，本發明磁力式彈性致動器包含一基座；一馬達，設置於該基座；一轉動單元，包括一可轉動地設置於該基座的轉軸、一套設於該轉軸的轉盤及一套設於該轉軸的轉角感測器；及一磁力彈性單元，連接該馬達並可受該馬達驅動而轉動，該磁力彈性單元包括兩個分別連接該馬達及該轉軸的磁力彈性件，每一磁力彈性件具有一磁環，該磁環具有多個彼此交錯排列的N極部及S極部，其中一磁環的N極部分別對應另一磁環的S極部，當該馬達驅動其中一磁力彈性件旋轉時，將藉由該等磁環相互磁吸而帶動另一磁力彈性件、該轉軸及該轉盤轉動。
在一些實施態樣中，該轉軸界定出一長度方向，該等磁環是在該長度方向上間隔排列。
在一些實施態樣中，每一磁力彈性件還具有一包覆該磁環的外殼及一連接該外殼的連軸件，其中一連軸件連接該馬達，另一連軸件連接該轉軸。
在一些實施態樣中，該等磁力彈性件分別為一第一磁力彈性件及一第二磁力彈性件，該第一磁力彈性件的該磁環半徑大於該第二磁力彈性件的 該磁環半徑，該第一磁力彈性件的該磁環與該第二磁力彈性件的該磁環在徑向上間隔排列。
在一些實施態樣中，該第一磁力彈性件還具有一供該磁環固定地設置且連接該馬達的第一外殼，該第二磁力彈性件還具有一供該磁環固定地套設且連接該轉軸的連接軸。
在一些實施態樣中，該基座包括一底板、一設置於該底板的第一軸承板及一設置於該底板並與該第一軸承板間隔的第二軸承板，該第一軸承板供該馬達設置，該第二軸承板被該轉軸穿設，該等磁力彈性件位於該第一軸承板及該第二軸承板之間。
在一些實施態樣中，該基座還包括一設置於該底板並與該第二軸承板間隔的第三軸承板，該第三軸承板被該轉軸穿設。
在一些實施態樣中，該基座還包括一設置於該底板並位於該第二軸承板及該第三軸承板之間的安裝板，該安裝板供該轉角感測器設置且被該轉軸穿設。
本發明復健裝置適用於協助一病患的手腕復健，該復健裝置包含兩個如前述的磁力式彈性致動器；一活動架單元，包括兩個間隔的立板、一可上下樞轉地設置該等立板的第一活動架及一可左右樞轉地設置於該第一活動架的第二活動架，該第一活動架具有一可樞轉地設置於其中一側板的第一轉盤及一連接該第一轉盤的第一架體，該第二活動架具有一可樞轉地設置於該第一架體的第二轉盤及一連接該第二轉盤的第二架體；及兩對纜線，其中一對纜線 連接該第一轉盤及其中一磁力式彈性致動器，另一對纜線連接該第二轉盤及另一磁力式彈性致動器，該等磁力式彈性致動器可分別驅動該第一活動架及該第二活動架樞轉。
在一些實施態樣中，該第一架體包括一下板、兩個連接該下板且分別樞設於該等立板的側板及一連接該等側板與該下板間隔的上板，其中一側板連接該第一轉盤。
在一些實施態樣中，該第二架體包括兩個分別連接該下板及該上板的活動片、兩個分別連接該等活動片的翼片、兩個分別穿設該下板及該上板的樞軸、兩個分別設置於該等活動片的滑軌、兩個分別可活動地設置於該等滑軌的滑塊及一固接該等滑塊的握把，其中一樞軸穿設對應的該活動片、該翼片、該下板及該第二轉盤，另一樞軸穿設對應的該活動片、該翼片及該上板。
在一些實施態樣中，該活動架單元還包括一供該等立板設置的基板及一設置於該基板的支撐架。
本發明復健裝置適用於協助一病患的手指復健，該復健裝置包含一如前述的磁力式彈性致動器；一基架單元，包括一下靠板、兩個設置於該下靠板彼此間隔的側立板、一可活動地設置於該等側立板之間的滑動塊及一可活動地設置於該下靠板的第一推抵件；一連桿單元，連接該滑動塊及該第一推抵件且可相對於該基架單元活動；一關節致動單元，適用於抵靠該手指，該關節致動單元分別連接該第一推抵件及該連桿單元，並可受該第一推抵件及該連桿單元推動而呈彎曲狀進而帶動該手指彎曲；及兩個纜線，該等纜線分別連接該 滑動塊的兩側端及該磁力式彈性致動器，另一對纜線連接該第二轉盤及另一磁力式彈性致動器，該等磁力式彈性致動器可驅動該滑動塊移動，接著帶動該連桿單元及該第一推抵件移動，而該連桿單元及該第一推抵件可推動該關節致動單元而呈彎曲狀進而帶動該手指彎曲。
在一些實施態樣中，該關節致動單元包括一固接該第一推抵件的第一致動件、一樞設於該第一致動件的第二致動件及一樞設於該第二致動件且連接該連桿單元的第三致動件。
在一些實施態樣中，該關節致動單元還包括一設置於該第一致動件的樞接座，每一側立板形成一第一滑槽及一位於該第一滑槽上方的第二滑槽，該第一滑槽及該第二滑槽皆呈弧形且該第二滑槽的長度大於該第一滑槽的長度，該連桿單元包括兩個滑槽連桿、兩個樞設於該滑槽連桿一端的第一連桿、一可活動地穿過該等第一滑槽且連接該等滑槽連桿的第一滑動軸、一可活鄧地穿過該等第二滑槽且連接該等滑槽連桿的第二滑動軸、兩個分別樞設於該樞接座及該等第一連桿一端的第二連桿、兩個分別樞設該等第二連桿遠離該樞接座的一端的第三連桿、兩個分別樞設於該第一致動件及該第三連桿一端的第四連桿及一固接該第三致動件並樞設於該等第四連桿一端的第二推抵件。
在一些實施態樣中，每一滑槽連桿具有一供該第一滑動軸可轉動地穿設的第一樞接部、一供該第二滑動軸可轉動地穿設的第二樞接部及一樞接於該第一連桿的第三樞接部，每一第二連桿具有一樞接於該第三連桿的上樞接部、一樞接於該第一連桿的中樞接部及一樞接於該樞接座的下樞接部，每一第 四連桿呈彎折狀並具有一樞接於該第一致動件的致動樞接部、一位於彎折處且樞接於該第三連桿的彎折樞接部及一樞接於該第二推抵件的推抵樞接部。
在一些實施態樣中，每一側立板形成一沿著該側立板的長度方向延伸的滑動槽，該滑動塊具有一本體部、一連接該本體部向下延伸的穿設部及多個形成於該本體部兩側邊並分別伸入該等滑動槽的凸柱，該穿設部具有一供該第二滑動軸穿過的穿孔，該等纜線分別固接於該本體部的兩端，該等纜線可拉動該滑動塊沿著該等滑動槽來回移動。
在一些實施態樣中，該基架單元還包括一設置於該等側立板之間的前滾輪及兩個設置於該等側立板之間並遠離該前滾輪的後滾輪，該前滾輪位於該等側立板鄰近該關節致動單元的一端，該等後滾輪位於該等側立板遠離該關節致動單元的一端，其中一纜線抵靠位於上方的該後滾輪並固接該連接塊，另一纜線抵靠位於下方的該後滾輪且繞過該前滾輪並固接該連接塊。
本發明至少具有以下功效：該等磁力彈性件的磁環轉動時因磁力作用會產生相對旋轉運動，將如同由磁鐵所構成的彈簧般運作，並透過轉角感測器來量測該等磁環間相對滑動的量值來推估受力大小，同時也可藉由馬達控制轉速以維持固定滑動角度來使該磁力彈性致動器輸出固定扭力，使力量控制轉由直接透過馬達的定位控制來達成。磁力式彈性致動器可藉由調整該等磁環的間隙來快速改變磁彈簧的磁力特性，或是透過調整磁鐵間隙或有效磁面積可以使磁鐵間吸引力增大或減小，進而修改磁力式彈性致動器的彈力曲線，也同時可改變磁鐵滑脫時的力量上限保護數值，相對於使用其他彈簧系統的彈性致 動器可達到使用者快速修改的目的。
10:磁力式彈性致動器
100、200:復健裝置
1:基座
11:底板
12:第一軸承板
13:第二軸承板
14:第三軸承板
15:安裝板
2:馬達
21:本體
22:輸出軸
3:轉動單元
31:轉軸
32:轉盤
321:溝槽
33:轉角感測器
4、4':磁力彈性單元
41:磁力彈性件
411:磁環
411a:N極部
411b:S極部
412:外殼
413:連軸件
41A:第一磁力彈性件
411A:磁環
411Aa:N極部
411Ab:S極部
412A:第一外殼
41B:第二磁力彈性件
411B:磁環
411Ba:N極部
411Bb:S極部
412B:連接軸
5:活動架單元
51:基板
52:立板
53:第一活動架
531:第一架體
531a:下板
531b:側板
531c:上板
532:第一轉盤
532a:第一溝槽
54:第二活動架
541:第二架體
541a:活動片
541b:翼片
541c:樞軸
541d:滑軌
541e:滑塊
541f:握把
542:第二轉盤
542a:第二溝槽
55:支撐架
56:罩蓋
6:線張力調整器
7:基架單元
71:下靠板
711:凸起
72:側立板
721:滑動槽
721a:第一端
721b:第二端
722:第一滑槽
722a:第一端
722b:第二端
723:第二滑槽
723a:第一端
723b:第二端
73:滑動塊
731:本體部
732:穿設部
732a:穿孔
733:凸柱
74:第一推抵件
75:前滾輪
76:後滾輪
8:連桿單元
81:滑槽連桿
811:第一樞接部
812:第二樞接部
813:第三樞接部
82:第一連桿
83:第一滑動軸
84:第二滑動軸
85:第二連桿
851:上樞接部
852:中樞接部
853:下樞接部
86:第三連桿
87:第四連桿
871:致動樞接部
872:彎折樞接部
873:推抵樞接部
88:第二推抵件
9:關節致動單元
91:第一致動件
92:第二致動件
93:第三致動件
94:樞接座
W:纜線
D1:長度方向
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是本發明復健裝置的一第一實施例的一立體圖；圖2是該第一實施例的一磁力彈性致動器的立體圖；圖3是該磁力彈性致動器的立體分解圖；圖4是該磁力彈性致動器的一磁力彈性件的一磁環的一示意圖；圖5是該磁力彈性致動器的一變化例的一立體圖；圖6是該變化例的一立體分解圖；圖7是該變化例的一第一磁力彈性件及一第二磁力彈性件的磁環的一示意圖；圖8是該第一實施例的一活動架單元的立體分解圖；圖9是該活動架單元的一第二活動架的立體分解圖；圖10是本發明復健裝置的一第二實施例的一不完整的立體圖；圖11是該第二實施例的一部分立體分解圖，其中該磁力彈性致動器及兩個纜線被省略；圖12是該第二實施例的一部分側視圖，其中該磁力彈性致動器被省略，說明該復健裝置的初始狀態； 圖13是該第二實施例的一部分側視圖，其中該磁力彈性致動器被省略，說明該復健裝置的一關節致動單元相對於一基架單元轉動；及圖14是該第二實施例的一部分側視圖，其中該磁力彈性致動器被省略，說明該關節致動單元的一第二致動件相對於一第一致動件樞轉，且一第三致動件相對於該第二致動件樞轉。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖1至圖3，本發明復健裝置100之一第一實施例為一手腕復健裝置，適用於協助一病患的手腕復健。該復健裝置100包含兩個磁力式彈性致動器10、一活動架單元5、一線張力調節器6及兩對纜線W。
每一磁力式彈性致動器10包括一基座1、一馬達2、一轉動單元3及一磁力彈性單元4。該基座1包括一底板11、一設置於該底板11的第一軸承板12、一設置於該底板11並與該第一軸承板12間隔的第二軸承板13、一設置於該底板11並與該第二軸承板13間隔的第三軸承板14及一設置於該底板11並位於該第二軸承板13與該第三軸承板14之間的安裝板15。該馬達2包括一設置於該第一軸承板12的本體21及一連接該本體21並穿過該第一軸承板12且連接該磁力彈性單元4的輸出軸22。
該轉動單元3包括一可轉動地設置於該基座1的轉軸31、一套 設於該轉軸31的轉盤32及一套設於該轉軸31的轉角感測器33。該轉軸31沿一長度方向D1延伸且穿設於該第二軸承板13、該安裝板15及該第三軸承板14。該轉角感測器33設置於該安裝板15。該轉盤32的外周面形成兩個溝槽321，該等溝槽321供該等纜線W繞設於該轉盤32。
參閱圖2至圖4，該磁力彈性單元4連接該馬達2並可受該馬達2驅動而轉動，該磁力彈性單元4包括兩個分別連接該馬達2及該轉軸31的磁力彈性件41。該等磁力彈性件41位於該第一軸承板12及該第二軸承板13之間。每一磁力彈性件41具有一磁環411、一包覆該磁環411的外殼412及一連接該外殼412的連軸件413，其中一連軸件413連接該馬達2，另一連軸件413連接該轉軸31。該等磁環411是在該長度方向D1上間隔排列，每一磁環411具有多個彼此交錯排列的N極部411a及S極部411b，其中一磁環411的N極部411a分別對應另一磁環411的S極部411b。當該馬達2驅動其中一磁力彈性件41旋轉時，將藉由該等磁環411相互磁吸而帶動另一磁力彈性件41、該轉軸31及該轉盤32轉動。
參閱圖5至圖7，該磁力式彈性致動器10具有一變化例，其差別在於磁力彈性單元4'的態樣與該第一實施例有所不同。在本變化例中，磁力彈性單元4具有一第一磁力彈性件41A及一第二磁力彈性件41B。該第一磁力彈性件41A具有一磁環411A及一供該磁環411A固定地設置且連接該馬達2的第一外殼412A。該第二磁力彈性件41B具有一磁環411B及一供該磁環411B固定地套設且連接該轉軸31的連接軸412B。該第一磁力彈性件41A的該磁環411A半徑大於該 第二磁力彈性件41B的該磁環411B半徑，且該第一磁力彈性件41A的該磁環411A與該第二磁力彈性件41B的該磁環411B在徑向上間隔排列。磁環411A具有多個彼此交錯排列的N極部411Aa及S極部411Ab。磁環411B具有多個彼此交錯排列的N極部411Ba及S極部411Bb。且磁環411A的N極部411Aa分別對應另一磁環411B的S極部411Bb。當該馬達2驅動該第一磁力彈性件41A旋轉時，將藉由該等磁環411A、411B相互磁吸而帶動該第二磁力彈性件41B、該轉軸31及該轉盤32轉動。
參閱圖1、圖8與圖9，該活動架單元5包括一基板51、兩個間隔設置於該基板51的立板52、一可上下樞轉地設置該等立板52的第一活動架53、一可左右樞轉地設置於該第一活動架53的第二活動架54、一設置於該基板51的支撐架55及一設置於其中一立板52的罩蓋56。該第一活動架53具有一第一架體531及一可樞轉地設置於該第一架體531的第一轉盤532。該第一架體531包括一下板531a、兩個連接該下板531a且分別樞設於該等立板52的側板531b及一連接該等側板531b與該下板531a間隔的上板531c。該第一轉盤532設置於其中一側板531b，且其外周面形成兩個溝槽321。該等溝槽321供該等纜線W繞設於該第一轉盤532。
該第二活動架54具有一第二架體541及一可樞轉地連接該第二架體541且位於該第一架體531的下板531a下方的第二轉盤542。該第二架體541包括兩個分別連接該下板531a及該上板531c的活動片541a、兩個分別連接該等活動片541a的翼片541b、兩個分別穿設該下板531a及該上板531c的樞軸541c、兩 個分別設置於該等活動片541a的滑軌541d、兩個分別可活動地設置於該等滑軌541d的滑塊541e及一固接該等滑塊541e的握把541f。其中位於下方的該樞軸541c穿設對應的該活動片541a、該翼片541b、該下板531a並連接該第二轉盤542。另一位於上方的該樞軸541c穿設對應的該活動片541a、該翼片541b及該上板531c。該握把541f可供該病患的手握持，並且藉由該等滑塊541e能沿著該等滑軌541d活動能夠調整該握把541f與該支撐架55之間的距離。藉此能使不同病患依照自己的手長去調整。該第二轉盤542的外周面形成兩個溝槽321，該等溝槽321供該等纜線W繞設於該第二轉盤542。該支撐架55用以支撐該病患的手臂。該罩蓋56覆蓋該第一轉盤532以提供保護作用。
兩對纜線W的其中一對纜線W是連接該第一轉盤532及其中一磁力式彈性致動器10，另一對纜線W連接該第二轉盤542及另一磁力式彈性致動器10。該等磁力式彈性致動器10藉此可分別驅動該第一活動架53及該第二活動架54樞轉。該兩對纜線W皆穿過設置於該基板51的線張力調節器6，該線張力調節器6能夠調整該兩對纜線W的張力。該第一活動架53上下樞轉時能帶動該病患的手腕進行橈側偏移(radial deviation)及尺側偏移(ulnar deviation)的復健動作。向上樞轉時便是進行橈側偏移的復健動作，向下樞轉時便是進行尺側偏移的復健動作。該第二活動架54左右樞轉時能帶動該病患的手腕進行屈曲(Flexion)及伸展(Extension)的復健動作。若以病患做為參考點，以左手為例，向右樞轉時便是進行屈曲的復健動作，向左樞轉時便是進行伸展的復健動作。
本發明復健裝置100的優勢在於採用磁力式之非接觸式傳動原理 以及可簡易透過調整磁力彈性件41的間隙修改彈性體物理特性。非接觸式彈性體可確保此彈性致動器有明確的物理傳遞極限，並非透過電控或是機構限制器即可達成輸出力量之保護，也不會因彈簧過度變形而導致彈性體毀損。即便觸發磁滑脫現象也可透過該轉角感測器33偵測，並且於控制系統內補償多出的滑脫位移。在不重設機台的狀況下可重複多次觸發最大力矩滑脫而不會使機台進入過載錯誤停機狀態，對於使用者及機台皆有更高的保護能力。且透過簡易的調整磁力彈性件41的間隙即可修改磁滑脫力矩以及磁力式彈性致動器10之彈性體剛性。
再者，本發明復健裝置100對比於市面常見之復健裝置增加了主動負載調變功能，常見的復健裝置主要著重在連續被動運動(continuous passive motion,CPM)模式下的運動，透過自動化復健系統有條件的重複進行復健療程，而主動負載運動(active-resisted movement,ARM)則是必須請病患移動到另一台專門的主動負載運動器械上進行操作。本發明復健裝置100可即時調變運作剛性，透過力量控制以及虛擬剛性系統，可同時支援定力之CPM模式以及負載運動模式，在復健運動的彈性上更為突出。
本發明復健裝置100透過裝設轉角感測器33，除了追蹤輸出轉角量值也同步作為力量感測器量測所傳遞之力量。此因磁力式彈性致動器10在已知磁彈簧磁力參數的狀況下，可藉由其驅動端以及負載端之間因受力而產生相對滑脫的量值來感測兩端間負載的大小。因而不需要額外裝設力量偵測器即可達成力量量測功能，能夠採集病患張力並且分析其肌群張力數值，以達到量化 肌肉張力評估的效果。
最後，本發明復健裝置100透過該等磁力彈性件41的設置，可藉由調整該等磁力彈性件41的特性來直接改變此系統對於力量傳遞上限的保護。因其採用非接觸形式傳遞力量，於負載端超過磁彈簧額定輸出扭矩時會引發磁滑脫現象，藉由該等磁環411間滑脫的保護機制來使復健應用時不會因人為或機械操作失誤使人體受到傷害，且透過機械形式之保護也遠比軟體或電流的力量偵測保護即時且快速穩定。
參閱圖10至圖12，本發明復健裝置200之一第二實施例為一手指復健裝置，適用於協助一病患的手指復健。該復健裝置200包含一前述的磁力式彈性致動器10、一基架單元7、一連桿單元8、一關節致動單元9及兩個纜線W。
該基架單元7包括一下靠板71、兩個設置於該下靠板71彼此間隔的側立板72、一可活動地設置於該等側立板72之間的滑動塊73、一可活動地設置於該下靠板71且連接該關節致動單元9的第一推抵件74、一設置於該等側立板52之間的前滾輪75及兩個設置於該等側立板72之間並遠離該前滾輪75的後滾輪76。該下靠板71形成上表面為弧面的一凸起711。每一側立板72形成一沿著該側立板72的長度方向延伸的滑動槽721、一第一滑槽722及一位於該第一滑槽722上方及該滑動槽721下方的第二滑槽723。該滑動槽721具有一鄰近該等後滾輪76的第一端721a及一相反於該第一端721a的第二端721b。該第一滑槽722及該第二滑槽723皆呈弧形且該第二滑槽723的長度大於該第一滑槽722的長 度。該第一滑槽722具有一鄰近該等後滾輪76的第一端722a及一相反於該第一端722a的第二端722b。該第二滑槽723同樣具有一鄰近該等後滾輪76的第一端723a及一相反於該第一端723a的第二端723b。
該滑動塊73具有一大致呈方塊狀的本體部731、一連接該本體部731且向下延伸的穿設部732及四個形成於該本體部731兩側邊並分別伸入該等滑動槽721的凸柱733。該穿設部732具有一穿孔732a。該第一推抵件74具有配合該凸起711的一弧形段741、自該弧形段741延伸以連接該關節致動單元9的一連接段742，及設於該弧形段741相反於該連接段742之一端貫穿該該第一推抵件74的一穿孔743。該前滾輪75位於該等側立板72鄰近該關節致動單元9的一端。該等後滾輪76位於該等側立板72遠離該關節致動單元9的一端。該等纜線W分別固接於該本體部731的兩端，其中一纜線W抵靠位於上方的該後滾輪76並固接該滑動塊73，另一纜線W抵靠位於下方的該後滾輪76且繞過該前滾輪75並固接該滑動塊73。該等纜線W可拉動該滑動塊73沿著該等滑動槽721來回移動。
該連桿單元8連接該滑動塊73及該第一推抵件74且可相對於該基架單元7活動。該連桿單元8包括兩個滑槽連桿81、兩個分別樞設於該等滑槽連桿81一端的第一連桿82、一可活動地穿過該等第一滑槽722並穿過該第一推抵件74的穿孔743且連接該等滑槽連桿81的第一滑動軸83、一可活動地穿過該等第二滑槽723並穿過該滑動塊73的穿孔732a且連接該等滑槽連桿81的第二滑動軸84、兩個分別樞設於該等第一連桿82一端的第二連桿85、兩個分別樞設於該 等第二連桿85的第三連桿86、兩個分別樞設於及該第三連桿86一端的第四連桿87及一樞設於該等第四連桿87一端的第二推抵件88。每一滑槽連桿81具有一供該第一滑動軸83可轉動地穿設的第一樞接部811、一供該第二滑動軸84可轉動地穿設的第二樞接部812及一樞接於該第一連桿82的第三樞接部813，每一第二連桿85具有一樞接於該第三連桿86的上樞接部851、一樞接於該第一連桿82的中樞接部852及一下樞接部853。每一第四連桿87呈彎折狀並具有一樞接於該第一致動件91的致動樞接部871、一位於彎折處且樞接於該第三連桿86的彎折樞接部872及一樞接於該第二推抵件88的推抵樞接部873。
該關節致動單元9適用於抵靠該手指。該關節致動單元9連接該第一推抵件74及該連桿單元8，並可受該第一推抵件74及該連桿單元8推動而呈彎曲狀進而帶動該手指彎曲。該關節致動單元9包括一固接該第一推抵件74且樞接該第四連桿87的致動樞接部871的第一致動件91、一樞設於該第一致動件91的第二致動件92、一樞設於該第二致動件92且固接該第二推抵件88的第三致動件93，及設於該第一致動件91且相鄰該第一推抵件74的一樞接座94。該等第二連桿85的下樞接部853分別樞接於該樞接座94兩側。其中，該第一致動件91的位置是對應手指連接手掌的指節，該第二致動件92的位置對應手指中間的指節，該第三致動件93的位置則是對應手指最末端的指節。該第一致動件91與該第一推抵件74的連接處大致是對應手指的MCP關節(Metacarpophalangeal joint)，該第一致動件91與該第二致動件92的樞接處大致是對應手指的PIP關節(proximal interphalangeal joint)，該第二致動件92與該第三致動件93的樞接處大 致是對應手指的DIP關節(Distal interphalangeal joint)。
參閱圖12至圖14，該磁力式彈性致動器10可藉由該等纜線W驅動該滑動塊73沿著該等滑動槽721移動，接著帶動該連桿單元8及該第一推抵件74移動，而該連桿單元8及該第一推抵件74可推動該關節致動單元9而呈彎曲狀進而帶動該手指彎曲。如圖12所示，在初始狀態時，該滑動塊73的該等凸柱733位於該等滑動槽721的第一端721a，該等滑槽連桿81的第一樞接部811位於該等第一滑槽722的第一端722a，第二樞接部812位於該等第二滑槽723的第一端723a，該關節致動單元9呈齊平狀。當該磁力式彈性致動器10開始驅動連接於該滑動塊73朝向該前滾輪75的一側的纜線W去拉動該滑動塊73，該滑動塊73便藉由該穿設部732帶動該連桿單元8的該第二滑動軸84。藉由該第二滑動軸84帶動該等滑槽連桿81，進而帶動該連桿單元8整體。同時該第一滑動軸83帶動該第一推抵件74移動，直到該第一滑動軸83移動至該等第一滑槽722的第二端722b。而且該第一推抵件74是沿著該下靠板71的凸起711進行弧形移動以對應該第一滑動軸83在該等第一滑槽722以及該第二滑動軸84在該等第二滑槽723的弧形移動路徑。如圖13所示，當該第一滑動軸83移動至該等第一滑槽722的第二端722b時，該關節致動單元9還是呈齊平狀，但整體已相對於該基架單元7轉動，如此便對應彎折了手指的MCP關節(Metacarpophalangeal joint)，對其起到復健作用。如圖14所示，接著，該滑動塊73及該第二滑動軸84持續地移動，直到該滑動塊73到達該等滑動槽721的第二端721b及該第二滑動軸84到達該等第二滑槽723的第二端723b時，藉由該等滑槽連桿81帶動該等第一連桿82向下 頂推而帶動該等第二連桿85相對於樞接座94樞轉。接著該等第二連桿85再帶動該等第三連桿86頂推該等第四連桿87相對於該致動樞接部871樞轉。然後由該等第四連桿87頂推該第二推抵件88最終帶動該第三致動件93相對於該第二致動件92樞轉且該第二致動件92相對於該第一致動件91樞轉。如此便對應彎折了手指的PIP關節(proximal interphalangeal joint)以及DIP關節(Distal interphalangeal joint)，對其起到復健作用。
綜上所述，本發明磁力式彈性致動器10透過該等磁力彈性件41的磁環411轉動時因磁力作用會產生相對旋轉運動，將如同由磁鐵所構成的彈簧般運作，並透過轉角感測器33來量測該等磁環411間相對滑動的量值來推估受力大小，同時也可藉由馬達2控制轉速以維持固定滑動角度來使該磁力式彈性致動器10輸出固定扭力，使力量控制轉由直接透過馬達2的定位控制來達成。磁力式彈性致動器10可藉由調整該等磁環411的間隙來快速改變磁彈簧的磁力特性，或是透過調整磁鐵間隙或有效磁面積可以使磁鐵間吸引力增大或減小，進而修改磁力式彈性致動器10的彈力曲線，也同時可改變磁鐵滑脫時的力量上限保護數值，相對於使用其他彈簧系統的彈性致動器可達到使用者快速修改的目的，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
10:磁力式彈性致動器
1:基座
11:底板
12:第一軸承板
13:第二軸承板
14:第三軸承板
15:安裝板
2:馬達
21:本體
22:輸出軸
3:轉動單元
31:轉軸
32:轉盤
321:溝槽
33:轉角感測器
4:磁力彈性單元
41:磁力彈性件
411:磁環
412:外殼
413:連軸件
D1:長度方向

Claims (16)

  1. 一種磁力式彈性致動器，包含：一基座；一馬達，設置於該基座；一轉動單元，包括一可轉動地設置於該基座的轉軸、一套設於該轉軸的轉盤及一套設於該轉軸的轉角感測器；及一磁力彈性單元，連接該馬達並可受該馬達驅動而轉動，該磁力彈性單元包括兩個分別連接該馬達及該轉軸的磁力彈性件，每一磁力彈性件具有一磁環，該磁環具有多個彼此交錯排列的N極部及S極部，其中一磁環的N極部分別對應另一磁環的S極部，當該馬達驅動其中一磁力彈性件旋轉時，將藉由該等磁環相互磁吸而帶動另一磁力彈性件、該轉軸及該轉盤轉動；其中，該轉軸沿一長度方向延伸，該等磁環是在該長度方向上間隔排列，每一磁力彈性件還具有一包覆該磁環的外殼及一連接該外殼的連軸件，其中一連軸件連接該馬達，另一連軸件連接該轉軸。
  2. 如請求項1所述的磁力式彈性致動器，其中，該等磁力彈性件分別為一第一磁力彈性件及一第二磁力彈性件，該第一磁力彈性件的該磁環半徑大於該第二磁力彈性件的該磁環半徑，該第一磁力彈性件的該磁環與該第二磁力彈性件的該磁環在徑向上間隔排列。
  3. 如請求項2所述的磁力式彈性致動器，其中，該第一磁力彈性件還具有一供該磁環固定地設置且連接該馬達的第一外殼，該第二磁力彈性件還具有一供該磁環固定地套設且連接該轉軸的連接軸。
  4. 如請求項1所述的磁力式彈性致動器，其中，該基座包括一底板、一設置於該底板的第一軸承板及一設置於該底板並與該第一軸承板間隔的第二軸承板，該第一軸承板供該馬達設置，該第二軸承板被該轉軸穿設，該等磁力彈性件位於該第一軸承板及該第二軸承板之間。
  5. 如請求項4所述的磁力式彈性致動器，其中，該基座還包括一設置於該底板並與該第二軸承板間隔的第三軸承板，該第三軸承板被該轉軸穿設。
  6. 如請求項5所述的磁力式彈性致動器，其中，該基座還包括一設置於該底板並位於該第二軸承板及該第三軸承板之間的安裝板，該安裝板供該轉角感測器設置且被該轉軸穿設。
  7. 一種復健裝置，適用於協助一病患的手腕復健，該復健裝置包含：兩個如請求項1所述的磁力式彈性致動器；一活動架單元，包括兩個間隔的立板、一可上下樞轉地設置該等立板的第一活動架及一可左右樞轉地設置於該第一活動架的第二活動架，該第一活動架具有一第一架體及一可樞轉地設置於該第一架體的第一轉盤，該第二活動架具有一第二架體及一可樞轉地連接該第二架體且位於該第一架體下方的第二轉盤；及兩對纜線，其中一對纜線連接該第一轉盤及其中一磁力式彈性致動器，另一對纜線連接該第二轉盤及另一磁力式彈性致動器，以使該等磁力式彈性致動器透過該等纜線分別驅動該第一活動架及該第二活動架樞轉。
  8. 如請求項7所述的復健裝置，其中，該第一架體包括一下板、兩個連接該下板且分別樞設於該等立板的側板及一連接該等側板與該下板間隔的上板，其中一側板連接該第一轉盤。
  9. 如請求項8所述的復健裝置，其中，該第二架體包括兩個分別連接該下板及該上板的活動片、兩個分別連接該等活動片的翼片、兩個分別穿設該下板及該上板的樞軸、兩個分別設置於該等活動片的滑軌、兩個分別可活動地設置於該等滑軌的滑塊及一固接該等滑塊的握把，其中一樞軸穿設對應的該活動片、該翼片、該下板及該第二轉盤，另一樞軸穿設對應的該活動片、該翼片及該上板。
  10. 如請求項7所述的復健裝置，其中，該活動架單元還包括一供該等立板設置的基板及一設置於該基板的支撐架。
  11. 一種復健裝置，適用於協助一病患的手指復健，該復健裝置包含：一如請求項1所述的磁力式彈性致動器；一基架單元，包括一下靠板、兩個設置於該下靠板彼此間隔的側立板、一可活動地設置於該等側立板之間的滑動塊及一可活動地設置於該下靠板的第一推抵件；一連桿單元，連接該滑動塊及該第一推抵件且可相對於該基架單元活動；一關節致動單元，適用於抵靠該手指，該關節致動單元連接該第一推抵件及該連桿單元，並可受該第一推抵件及該連桿單元推動而呈彎曲狀進而帶動該手指彎曲；及兩個纜線，該等纜線分別連接該滑動塊的兩側端及該磁力式彈性致動器，該磁力式彈性致動器可驅動該滑動塊移動，接著帶動該連桿單元及該第一推抵件移動，而該連桿單元及該第一推抵 件可推動該關節致動單元而呈彎曲狀進而帶動該手指彎曲。
  12. 如請求項11所述的復健裝置，其中，該關節致動單元包括一固接該第一推抵件的第一致動件、一樞設於該第一致動件的第二致動件及一樞設於該第二致動件且連接該連桿單元的第三致動件。
  13. 如請求項12所述的復健裝置，其中，該關節致動單元還包括一設置於該第一致動件的樞接座，每一側立板形成一第一滑槽及一位於該第一滑槽上方的第二滑槽，該第一滑槽及該第二滑槽皆呈弧形且該第二滑槽的長度大於該第一滑槽的長度，該連桿單元包括兩個滑槽連桿、兩個樞設於該滑槽連桿一端的第一連桿、一可活動地穿過該等第一滑槽並穿過該第一推抵件且連接該等滑槽連桿的第一滑動軸、一可活動地穿過該等第二滑槽並穿過該滑動塊且連接該等滑槽連桿的第二滑動軸、兩個分別樞設於該樞接座及該等第一連桿一端的第二連桿、兩個分別樞設該等第二連桿遠離該樞接座的一端的第三連桿、兩個分別樞設於該第一致動件及該第三連桿一端的第四連桿及一固接該第三致動件並樞設於該等第四連桿一端的第二推抵件。
  14. 如請求項13所述的復健裝置，其中，每一滑槽連桿具有一供該第一滑動軸可轉動地穿設的第一樞接部、一供該第二滑動軸可轉動地穿設的第二樞接部及一樞接於該第一連桿的第三樞接部，每一第二連桿具有一樞接於該第三連桿的上樞接部、一樞接於該第一連桿的中樞接部及一樞接於該樞接座的下樞接部，每一第四連桿呈彎折狀並具有一樞接於該第一致動件的致動樞接部、一位於彎折處且樞接於該第三連桿的彎折樞接部及一樞接於該第二推抵件的推抵樞接部。
  15. 如請求項13所述的復健裝置，其中，每一側立板形成一沿著該側立板的長度方向延伸的滑動槽，該滑動塊具有一本體部、一連接該本體部向下延伸的穿設部及多個形成於該本體部兩側邊並分別伸入該等滑動槽的凸柱，該穿設部具有一供該第二滑動軸穿過的穿孔，該等纜線分別固接於該本體部的兩端，該等纜線可拉動該滑動塊沿著該等滑動槽來回移動。
  16. 如請求項11所述的復健裝置，其中，該基架單元還包括一設置於該等側立板之間的前滾輪及兩個設置於該等側立板之間並遠離該前滾輪的後滾輪，該前滾輪位於該等側立板鄰近該關節致動單元的一端，該等後滾輪位於該等側立板遠離該關節致動單元的一端，其中一纜線抵靠位於上方的該後滾輪並固接該滑動塊，另一纜線抵靠位於下方的該後滾輪且繞過該前滾輪並固接該滑動塊。
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