CN102187118B - 用于使关节伸展和弯曲的带多电机组件的致动器系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于伸展和弯曲关节的致动器系统，包括：多电机组件，用于提供转动输出；转动转线性机构，用于将来自多电机组件的转动输出转换成关节的伸展和弯曲；以及控制器，用于以多种操作模式操作致动器系统。多电机组件优选将来自两个不同来源的动力结合，使得多电机组件可以以较低的速度(“低速齿轮”)提供较大的力，并且以较高的速度(“高速齿轮”)提供较小的力。致动器被特别设计为用于伸展和弯曲人类的关节(例如踝、膝、肘，或者肩)。但是致动器系统可以用于通过任何适当的运动(线性、转动或其他)移动任何适当的物体。

Description

用于使关节伸展和弯曲的带多电机组件的致动器系统
技术领域
本发明大体涉及致动器领域，且更具体地说，涉及致动器领域中的一种具有多电机组件的新的且有用的致动器系统。
背景
电机和致动器应用在多种场合。包括机器人和主动矫正的多种应用需要类似于人体肌肉的特性。特性包括以相对低的速度传递大的力的能力。这可能需要致动器，该致动器可以以较慢的速度提供较大的力且以较高的速度提供较小的力，或提供致动器的主驱动器输入和输出之间的可变比的传动(variable ratio transmission，VRT)。
VRT通常被实现为连续变化传动(Continuously Variable Transmission，CVT)。最早的CVT的基本原理是通过以下方式改变一个或者多个齿轮的比：通过改变齿轮的直径，改变带在圆锥滑轮上行进的位置，或者通过基于希望的比来耦合转动盘之间的力同时交叉点的直径改变。现有技术CVT在效率和机械复杂性方面有缺点。
电机已经在多种场合使用，但是一般单个电机直接或者间接连接以提供各自输出方向的运动。单个电机的使用限制了速度/扭矩范围或者需要额外的支出和电机与输出之间的传动复杂度。因此，致动器领域中需要创造一种能够在较低的速度时提供较大的力并且在较高的速度时提供较小的力的，但是最小化或者避免传统CVT缺点的新的且有用的致动器系统。
发明概述
本发明提供了这样一种新的且有用的致动器系统。本发明的目的是提供一种用于辅助关节的伸展的致动器系统，其中该致动器系统可以以较慢的速度提供较大的力且以较高的速度提供较小的力，且其中该致动器系统允许例如当动力被去除时关节的自由运动，从而允许臂在部分运动循环过程中自由摆动。
本发明提供了一种用于使关节伸展和弯曲的致动器系统，包括：
●多电机组件，其用于提供转动输出；
●转动转线性机构，其用于将来自多电机组件的转动输出转换成关节的伸展和弯曲；以及
●控制器，其用于以多种操作模式操作致动器系统。
在本发明的用于使关节伸展和弯曲的致动器系统中，多电机组件可包括：驱动轴，其向转动转线性机构提供转动输出；第一电机子系统，其具有第一输出轴和将第一输出轴连接到驱动轴的第一传动装置；以及第二电机子系统，其具有第二输出轴和将第二输出轴耦合到驱动轴的第二传动装置。
在本发明的一个实施方式中，第一传动装置可限定驱动轴的转动与第一输出轴的转动的第一齿轮比，第二传动装置可至少部分地限定驱动轴的转动与第二输出轴的转动的第二齿轮比，其中，第二齿轮比与第一齿轮比不同。
在本发明的另一个实施方式中，第二齿轮比可小于第一齿轮比。
在本发明的另一个实施方式中，第二传动装置可将第二输出轴连接到第一输出轴，第二传动装置和第一传动装置可配合地限定第二齿轮比。
在本发明的另一个实施方式中，第二电机子系统还可包括位于第二电机和第一电机之间的单向离合器。
在本发明的另一个实施方式中，第二传动装置可将第二输出轴连接到驱动轴，并且可限定第二齿轮比。
在本发明的另一个实施方式中，第一电机子系统可包括第一电机，第二电机子系统可包括第二电机，并且第一电机和第二电机可具有基本相同的性能特性。
在本发明的另一个实施方式中，控制器可以以下面的电机模式操作致动器系统：
连续变化传动电机模式，其中控制器向第一电机子系统和第二电机子系统都提供电流，使得多电机组件向转动转线性机构提供转动输出；以及
高速齿轮电机模式，其中控制器仅仅向第一电机子系统提供电流，使得多电机组件向转动转线性机构提供转动输出。
在本发明的另一个实施方式中，控制器可改变电流比，电流比可以为提供到第一电机子系统的电流与提供到第二电机子系统的电流的比，以便以连续变化传动电机模式实现希望的转动输出。
在本发明的另一个实施方式中，转动转线性机构可包括：丝杠，其接受多电机组件的转动输出；螺母，其连接到丝杠，其中丝杠和螺母配合以将丝杠的转动运动转换成螺母的线性运动。
在本发明的另一个实施方式中，本发明的致动器系统还可包括具有伸展止块的运动轨道，该伸展止块可将螺母在伸展方向的线性运动转换为运动轨道在伸展方向的线性运动。
在本发明的另一个实施方式中，运动轨道在伸展方向的线性运动可引起关节的伸展。
在本发明的另一个实施方式中，伸展止块可在允许螺母抵着伸展止块施加力的力位置和防止螺母抵着伸展止块施加力的经过位置之间可移动。
在本发明的另一个实施方式中，运动轨道还可具有弯曲止块，该弯曲止块可将螺母在弯曲方向的线性运动转换成运动轨道在弯曲方向的线性运动。
在本发明的另一个实施方式中，运动轨道在弯曲方向的线性运动可引起关节的弯曲。
在本发明的另一个实施方式中，弯曲止块可在允许螺母抵着弯曲止块施加力的力位置和防止螺母抵着弯曲止块施加力的经过位置之间可移动。
在本发明的另一个实施方式中，伸展止块和弯曲止块可被定位为使得伸展止块和弯曲止块允许运动轨道在伸展止块和弯曲止块之间往复的显著运动，而不使滚珠螺母移动或者反向驱动多电机组件。
在本发明的又一个实施方式中，多电机组件还可包括：驱动轴，其提供转动输出；第一电机子系统，其具有第一输出轴和将第一输出轴连接到驱动轴的第一传动装置；以及第二电机子系统，其具有第二输出轴和将第二输出轴耦合到驱动轴的第二传动装置，其中，控制器可以以下面的操作模式操作致动器系统：连续变化传动伸展模式，其中控制器向第一电机子系统和第二电机子系统都提供电流，使得多电机组件向转动转线性机构提供转动输出，并且螺母抵着伸展止块施加力；以及高速齿轮弯曲模式，其中控制器仅仅向第一电机子系统提供电流，使得多电机组件向转动转线性机构提供转动输出，并且螺母抵着弯曲止块施加力。
在本发明的另一个实施方式中，控制器可改变电流比，电流比为提供到第一电机子系统的电流与提供到第二电机子系统的电流的比，以便以连续变化传动伸展模式实现希望的转动输出。
在本发明的又一个实施方式中，控制器还可以以下面的操作模式操作致动器系统：低速齿轮伸展模式，其中控制器仅仅向第二电机子系统提供电流，使得多电机组件向转动转线性机构提供转动输出，并且螺母抵着伸展止块施加力；高速齿轮伸展模式，其中控制器仅仅向第一电机子系统提供电流，使得多电机组件向转动转线性机构提供转动输出，并且螺母抵着伸展止块施加力。
在本发明的又一个实施方式中，控制器还可以以下面的操作模式操作致动器系统：自由运动模式，其中控制器向第一电机子系统提供电流，使得多电机组件向转动转线性机构提供转动输出，并且螺母移动离开伸展止块。
本发明还提供了一种用于使关节伸展和弯曲的致动器系统，包括：
●多电机组件，其包括：
驱动轴，其提供转动输出；
第一电机子系统，其具有第一输出轴和将第一输出轴连接到驱动轴的第一传动装置；以及
第二电机子系统，其具有第二输出轴和将第二输出轴耦合到驱动轴的第二传动装置，
其中第一传动装置限定驱动轴的转动与第一输出轴的转动的第一齿轮比，并且其中，第二传动装置至少部分地限定驱动轴的转动与第二输出轴的转动的第二齿轮比，其中第二齿轮比比第一齿轮比小；
●转动转线性机构，其包括：
丝杠，丝杠接受驱动轴的转动输出；
螺母，螺母与丝杠配合以将丝杠的转动运动转换成螺母的线性运动；
●运动轨道，其包括：
伸展止块，伸展止块将螺母在伸展方向的线性运动转换成关节的伸展；以及
弯曲止块，弯曲止块将螺母在弯曲方向的线性运动转换为关节的弯曲；
●控制器，其用于以下面的操作模式操作致动器系统：
○连续变化传动伸展模式，其中控制器向第一电机子系统和第二电机子系统都提供电流，使得多电机组件向转动转线性机构提供转动输出，并且螺母抵着伸展止块施加力；以及
○高速齿轮伸展模式，其中控制器仅仅向第一电机子系统提供电流，使得多电机组件向转动转线性机构提供转动输出，并且螺母抵着弯曲止块施加力。
在本发明的用于使关节伸展和弯曲的致动器系统中，第二传动装置可将第二输出轴连接到第一输出轴，其中第二电机子系统还可包括定位在第二电机和第一电机之间的单向离合器，其中第二传动装置和第一传动装置可配合地限定第二齿轮比，并且其中，驱动轴和丝杠可轴向地连接成整体件。
在本发明的另一个实施方式中，控制器可改变电流比，电流比为提供到第一电机子系统的电流与提供到第二电机子系统的电流的比，以便以连续变化传动伸展模式实现希望的转动输出。
在本发明的又一个实施方式中，控制器还可以以下面的操作模式操作致动器系统：低速齿轮伸展模式，其中控制器仅仅向第二电机子系统提供电流，使得多电机组件向转动转线性机构提供转动输出，并且螺母抵着伸展止块施加力；以及高速齿轮伸展模式，其中控制器仅仅向第一电机子系统提供电流，使得多电机组件向转动转线性机构提供转动输出，并且螺母抵着伸展止块施加力。
在本发明的又一个实施方式中，控制器还可以以下面的操作模式操作致动器系统：自由运动模式，其中控制器向第一电机子系统提供电流，使得多电机组件向转动转线性机构提供转动输出，并且螺母移动离开伸展止块。
本发明还提供了一种用于控制使关节伸展和弯曲的致动器系统的方法，该方法包括以下步骤：
●提供多电机组件，多电机组件可包括驱动轴、具有第一输出轴的第一电机子系统，以及具有第二输出轴的第二电机子系统；
●利用第一传动装置将第一输出轴耦合到驱动轴；
●利用第二传动装置将第二输出轴耦合到驱动轴；
●以高速齿轮模式仅仅向第一电机子系统提供电流；以及
●以连续变化传动模式向第一电机子系统和第二电机子系统都提供电流。
在本发明的用于控制使关节伸展和弯曲的致动器系统的方法中，其中向第一电机子系统和第二电机子系统都提供电流的步骤还可包括改变电流比，电流比为提供到第一电机子系统的电流与提供到第二电机子系统的电流的比，以实现希望的输出。
附图简述
图1是在伸展和弯曲使用者的关节的矫正(orthotic)中的优选实施方式的致动器系统的示意图。
图2是优选实施方式的致动器系统的示意图，具有多电机组件的第一变化形式，并且具有处于力位置的转动转线性机构(rotary-to-linearmechanism)的伸展止块(extension stop)和弯曲止块(flexion stop)。
图3是优选实施方式的致动器系统的示意图，具有多电机组件的第二变化形式。
图4a和图4b是优选实施方式的致动器系统的示意图，分别具有经过位置(pass position)中的伸展止块和经过位置中的弯曲止块。
图5是用于优选实施方式的致动器系统的控制器的操作模式的流程图。
图6是用于优选实施方式的致动器系统的控制器的示例性电流跳跃的图表。
图7是第一电机子系统、第二电机子系统、以及第一电机子系统和第二电机子系统组合的速度/力曲线的图表。
优选实施方式描述
下面对本发明的优选实施方式的描述不是旨在将本发明限定为这些优选实施方式，而是使得致动器系统领域中的任何技术人员能够制造和使用本发明。
如图1和2所示，用于伸展和弯曲使用者的关节110的优选实施方式的致动器系统100包括：多电机组件120，用于提供转动输出；转动转线性机构150，用于将来自多电机组件120的转动输出转换成最终伸展和弯曲关节的线性运动；以及控制器，用于以多种操作模式操作致动器系统100。多电机组件120优选将来自两个不同来源的动力结合，使得多电机组件120可以以较低的速度(“低速齿轮”)提供更大的力以及以较高的速度(“高速齿轮”)提供较小的力。致动器被特别设计为用于伸展和弯曲人类或机器人的关节110(例如踝、膝、肘、或者肩)。但是，致动器100可用于通过任何合适的运动(线性的、旋转的或以其他方式的)来移动任何合适的物体。
1.多电机组件
如图2中所示，优选实施方式的多电机组件120作用是向转动转线性机构150提供转动输出。多电机组件120包括驱动轴122、第一电机子系统124，以及第二电机子系统126。驱动轴122的作用是传递来自多电机组件120的转动输出。第一电机子系统124的作用是提供多电机组件120的转动输出的分量。第一电机子系统124包括第一电机128、第一输出轴130，以及第一传动装置(transmission)132。第二电机子系统126的作用是提供多电机组件120的转动输出的另一个分量。第二电机子系统126包括第二电机134、第二输出轴136，以及第二传动装置138。
第一电机子系统124的第一电机128的作用是提供第一动力源，并且第一输出轴130的作用是将该动力传递到第一电机子系统124的其它部件。第一电机128优选是具有外转子和七个极对(pole pair)的三相无刷电动机。优选由型号为G2220-14的Hyperion提供的第一电机128的峰值电流为35A，且峰值功率为388W。当然，第一电机128可以是具有根据致动器系统100的设计而定的不同规格和参数的不同类型。
第一电机子系统124的第一传动装置132的作用是将来自第一输出轴130的动力传递到驱动轴122。第一传动装置132优选包括两个滑轮(一个安装在第一输出轴130上而一个安装在驱动轴122上)和连接两个滑轮的带或链。第一传动装置132可以可选择地包括将来自第一输出轴130的动力传递到驱动轴122的齿轮或者任何其它适当的装置或方法。第一传动装置132的功能还优选限定驱动轴122的转动与第一输出轴130的转动的第一齿轮比(gear ratio)。在优选实施方式中，安装到第一输出轴130上的滑轮(或齿轮)小于安装到驱动轴122上的滑轮(或齿轮)，使得第一齿轮比小于1∶1(例如，1∶4)。在可选实施方式中，第一齿轮比根据致动器系统100的设计可以是1∶1或者可以大于1∶1(例如，4∶1)。
第二电机子系统126的第二电机134的作用是提供第二动力源，并且第二输出轴136的作用是将该动力传递到第二电机子系统126的其它部件。与第一电机128类似，第二电机134优选为具有外转子和七个极对的三相无刷电动机。优选由型号为G2220-14的Hyperion提供的第二电机134的峰值电流为35A，且峰值功率为388W。第二电机134优选在设计和性能特性上与第一电机128相同，第二电机134起到减小零件计数和制造的复杂性的作用。但是，第二电机134可以是具有按照致动器系统100的设计而定的不同规格和参数的不同类型。第二输出轴136的作用是将第二电机134的动力传递到第二电机子系统126的其它部件。
第二电机子系统126的第二传动装置138的作用是将来自第二输出轴136的动力传递到驱动轴122。第二传动装置138优选包括两个滑轮(一个安装在第二输出轴136上，而一个安装在驱动轴122上)和连接两个滑轮的带或者链。第二传动装置138可以选择性地包括将来自第二输出轴136的动力传递到驱动轴122的齿轮或者任何其它适当的装置或方法。第二传动装置138的作用还优选至少部分地限定驱动轴122的转动与第二输出轴136的转动的第二齿轮比。在优选实施方式中，安装到第二输出轴136上的滑轮(或齿轮)小于安装到驱动轴122上的滑轮(或齿轮)，使得第二齿轮比小于1∶1(例如，1∶4)。在可选实施方式中，第二齿轮比根据致动器系统100的设计可以是1∶1或者可以大于1∶1(例如，4∶1)。
来自第一电机子系统124的动力和来自第二电机子系统126的动力优选具有不同的特性，使得多电机组件120可以在较低速度(“低速齿轮)时提供较大的力并且在较高速度(“高速齿轮”)时提供较小的力。这可以通过在第一电机子系统124和第二电机子系统126中使用不同的电机实现。但是，在优选实施方式中，这通过利用相同的电机，但是利用限定第一电机子系统124和第二电机子系统126的不同齿轮比的传动装置来实现。第二齿轮比优选小于第一齿轮比，但是致动器系统100可以被重新布置成使得第二齿轮比高于第一齿轮比。
第二电机子系统126的第二传动装置138优选将第二输出轴136连接到第一输出轴130。利用这种布置，来自第二电机134的动力在达到驱动轴122之前被通过第二传动装置138和第一传动装置132二者传递。因此，第二传动装置138和第一传动装置132配合地限定第二齿轮比。从电机134到驱动轴122的有效齿轮比是第一传动装置132和第二传动装置138的乘积。例如，如果第一传动装置132和第二传动装置138的齿轮比都是1∶3，则从电机134到驱动轴122的有效齿轮比将是1∶9。通过杠杆化(leveraging)第一传动装置132，这种变化形式提供了紧密的形状系数(compact formfactor)。利用该示例，系统将能够提供1∶9的有效齿轮比，而不需要大的滑轮或者齿轮系统。
如图3中所示，第二电机子系统226的变化形式的第二传动装置238将第二输出轴236连接到驱动轴122。在该变化形式中，来自第二电机234的动力在到达驱动轴122之前被仅仅通过第二传动装置238传递(且因此，第二传动装置238限定第二齿轮比)。通过将第一电机128和第二电机234单独连接到驱动轴122，第一齿轮比和第二齿轮比可以为致动器系统100特别订制。
如图2中所示，优选实施方式的多电机组件120还包括位于第二电机134和驱动轴122之间的单向离合器140。单向离合器140的作用是辅助下面的电机模式：
高速齿轮电机模式-第一电机子系统124在第一方向提供动力，而不会转动第二输出轴136和传递来自第二电机子系统126的拖拽，
低速齿轮电机模式-第二电机子系统126在第一方向(具有来自第一电机子系统124的拖拽)提供动力，
组合的电机模式-第一电机子系统124和第二电机子系统126在第一方向提供动力，以及
高速齿轮电机模式-第一电机子系统124在相反的方向提供动力(具有来自第二电机子系统126的拖拽)。
在多电机组件120的第一变化形式中，如上所介绍，单向离合器140优选位于第二传动装置138中，并且更具体的说，位于安装在第一输出轴130的滑轮中。在其它的变化形式中，单向离合器140可以安装在第二电机134和驱动轴122之间的任何适当的位置。
优选实施方式的多电机组件120还包括电源(未示出)。电源优选是六锂聚合物电池(six lithium polymer battery cell)，由型号为603462H1的Emerging Power提供。电池优选串联和并联(3S2P)布置以提供11.1V的电压(名义)和2640maH的电容。但是，电源可以是根据致动器系统100的设计而定的任何适当的类型，既包括由电力网供给的电源又包括其它便携式的源(例如，燃料电池)。
2.转动转线性机构
优选实施方式的转动转线性机构150的作用是将来自多电机组件120的转动输出转换成线性运动，该线性运动最终伸展并且弯曲使用者的关节。在优选实施方式中，转动转线性机构150包括滚珠丝杠152和滚珠螺母154，滚珠丝杠152接受多电机组件120的转动输出，滚珠螺母154连接到滚珠丝杠152并且与滚珠丝杠152配合以将滚珠丝杠152的转动运动转换成滚珠螺母154的线性运动。多电机组件120的驱动轴122和转动转线性机构150的滚珠丝杠152优选为同一轴的不同部分。一部分包括来自第一传动装置132的滑轮(或齿轮)，而另一部分包括滚珠丝杠152的半圆形的螺旋槽。但是，驱动轴122和滚珠丝杠152可以是以任何适当的方式连接的单独的轴，例如通过滑轮或者齿轮布置。在可选实施方式中，转动转线性机构150可以包括将来自多电机组件120的转动输出转换成关节的伸展和弯曲的任何适当的装置或者方法。
优选实施方式的转动转线性机构150还包括具有运动轨道158的线性滑块(linear slide)156，该运动轨道158在弯曲方向和伸展方向移动。线性滑块156的作用是当关节完全弯曲时提供支撑结构，以及当关节完全伸展时提供紧凑结构。线性滑块156优选包括固定轮(stationary wheel)和运动轮，但是可以选择性地包括允许运动轨道158在弯曲和伸展方向移动的任何适当的装置或方法。
如图2和4a中所示，线性滑块156的运动轨道158优选包括伸展止块160，伸展止块160的作用是将滚珠螺母154在伸展方向的线性运动转换成关节的伸展。在优选实施方式中，伸展止块160在允许滚珠螺母154抵着伸展止块160施加力的力位置(图2中所示)和防止滚珠螺母154抵着伸展止块160施加力的经过位置(图4a中所示)之间可移动。伸展止块160优选U形并且可枢转地安装在运动轨道158上，但是可以选择性地成形和以任意方式安装以允许从力位置到经过位置的移动。在可选实施方式中，伸展止块160可以永久地(或者半永久地)固定或者紧固到力位置。
在第一变化形式中，如图2和4b所示，线性滑块156的运动轨道158还包括弯曲止块162，弯曲止块162的作用是将滚珠螺母154在弯曲方向的线性运动转换成关节的弯曲。在优选实施方式中，弯曲止块162在允许滚珠螺母154抵着弯曲止块162施加力的力位置(图2中所示)和防止滚珠螺母154抵着弯曲止块162施加力的经过位置(图4a中所示)之间可移动。与伸展止块160类似，弯曲止块162优选U形并且可枢转地安装在运动轨道158上，但是可以选择性地成形和以任何方式安装以允许从力位置到经过位置的移动。在可选实施方式中，弯曲止块162可以永久地(或者半永久地)固定或者紧固到力位置。
在第二变化形式中，如图4c中所示，线性滑块156的运动轨道158可以另外或者选择性地包括闭锁262，闭锁262的作用是将滚珠螺母154在弯曲方向和伸展方向的线性运动都转换为关节的弯曲和伸展。在优选实施方式中，闭锁262在允许滚珠螺母154移动闭锁262和运动轨道的接合位置(图4c中示出)和防止滚珠螺母154抵着闭锁262施加力的分离位置(未示出)之间可移动。与伸展止块160不同，闭锁262优选安装为以可滑动方式与滚珠螺母154接合，但是可以选择性地成形和以任何方式安装以允许从接合位置到分离位置的移动。
在第三变化形式中，弯曲止块162和闭锁262可以被省略以允许关节的无动力弯曲。
伸展止块160和弯曲止块162优选距离彼此相对远地定位，这允许使用者的关节经历“自由运动”，实质上使运动轨道158在伸展止块160和弯曲止块162之间往复移动而不需要移动滚珠螺母154或反向驱动多电机组件120。在一个变化形式中，伸展止块160和弯曲止块162相对靠近彼此地定位，这防止使用者的关节经历较小或者没有“自由运动”。换言之，运动轨道158的移动将使滚珠螺母154移动并且反向驱动多电机组件120。
如图1中所示，用于伸展和弯曲使用者的关节110的优选实施方式的致动器系统100包括转动转线性机构，转动转线性机构作用是将运动轨道的线性运动转换成使用者的关节的伸展和弯曲(两种转动运动)。换言之，致动器系统100可以包括齿轮、滑轮、或者任何其他适当的机构以便最终伸展和弯曲使用者的关节。
3.控制器
优选实施方式的控制器的作用是以多种操作模式中的一种操作致动器系统100。控制器优选包括测定运动轨道158的位置的传感器(例如，第一电机128和第二电机134上的编码器)，以及滚珠螺母154上的测定由多电机组件120提供的力或者通过外部因素(例如使用者的身体的重力)施加到关节的力的传感器。控制器还可以包括其它传感器，以预测或确定施加到关节或者借助于多电机组件120的所需要的将来的力。但是，控制器可以使用任何适当的方法或者装置以测定运动轨道158的位置和借助于多电机组件120的所需力。
基于运动轨道158的位置和借助于多电机组件120的所需力，控制器提供了到第一电机子系统124、第二电机子系统126，或者第一电机子系统124和第二电机子系统126两者的电流。如图5中所示，控制器优选以下面的操作模式操作致动器系统100的多电机组件120：高速齿轮弯曲模式、高速齿轮伸展模式、低速齿轮伸展模式，以及连续变化传动伸展模式(Continuously Variable Transmission Extension mode)。
在高速齿轮弯曲模式，控制器仅仅提供到第一电机子系统124的电流，使得多电机组件120向转动转线性机构150提供转动输出。滚珠丝杠152被朝方向驱动，使得滚珠螺母154抵着弯曲止块162(如果处于力位置)施加力并且在弯曲方向驱动运动轨道158。高速齿轮弯曲模式以较高的速度提供较小的力以迅速弯曲使用者的关节。
高速齿轮伸展模式类似于高速齿轮弯曲模式，除了第一电机子系统124被以相反的方向驱动之外。在高速齿轮伸展模式，控制器仅仅向第一电机子系统124提供电流，使得多电机组件120向转动转线性机构150提供转动输出并且滚珠螺母154抵着伸展止块160施加力。滚珠丝杠152被朝方向驱动，使得滚珠螺母154抵着伸展止块160(如果位于力位置)施加力并且在伸展方向驱动运动轨道158。高速齿轮伸展模式以较高的速度提供较小的力以快速伸展使用者的关节。
低速齿轮伸展模式类似于高速齿轮伸展模式，除了第二电机子系统126被代替第一电机子系统124而受到驱动之外。在低速齿轮伸展模式，控制器仅仅向第二电机子系统126提供电流，使得多电机组件120向转动转线性机构150提供转动输出并且滚珠螺母154抵着伸展止块160施加力。滚珠丝杠152被朝方向驱动，使得滚珠螺母154抵着伸展止块160(如果位于力位置)施加力并且在伸展方向驱动运动轨道158。低速齿轮伸展模式以较低的速度供给较大的力以有力地伸展使用者的关节。
在连续变化传动伸展模式中，控制器提供到第一电机子系统124和第二电机子系统126二者的电流，使得多电机组件120向转动转线性机构150提供转动输出，并且滚珠螺母154抵着伸展止块160施加力。在这种模式中，如图6中所例示，控制器改变提供到第一电机子系统124的电流和提供到第二电机子系统126的电流的比，以便以连续变化传动伸展模式实现希望的转动输出。当控制器检测到借助于多电机组件120的增加的所需力，控制器优选首先提高到第一电机子系统124(高速齿轮或“HG”)的电流，随后减小到第一电机子系统124的电流同时提高到第二电机子系统126(低速齿轮或“LG”)的电流。连续变化传动伸展模式不仅可以以较高的速度提供较小的力以快速伸展使用者的关节(“高速齿轮”)，而且可以以较低的速度提供较大的力以有力地伸展使用者的关节(“低速齿轮”)。更重要的是，如图7中所示，通过改变提供到第一电机子系统124的电流和提供到第二电机子系统126的电流的比，控制器可以从多电机子系统实现希望的力和速度，该希望的力和速度在仅仅由第一电机128或者第二电机134提供的可能力和速度的范围之外。致动器系统100在不提供传统的多齿轮传动或者传统CTV(带有齿轮，圆锥滑轮，等)的情况下实现这些优点和特点。
如图5中所示，优选实施方式的控制器还以自由运动模式操作致动器系统100。在自由运动模式的一个变化形式中，控制器提供到第一电机子系统124的电流，使得多电机组件120向转动转线性机构150提供转动输出并且滚珠螺母154移动离开伸展止块160。在自由运动模式的另一个变化形式中，控制器向第一电机子系统124提供电流，使得多电机组件120向转动转线性机构150提供转动输出，并且滚珠螺母154保持在伸展止块160或者弯曲止块162之间的大体位置，但是不会接触伸展止块160或者弯曲止块162。
4.其它实施方式
因为在致动器系统100的领域的技术人员将从前面的详细描述以及从附图和权利要求中知道，所以在不背离本发明的在下面的权利要求中所限定的范围的情况下，可以对本发明的优选实施方式做出修改和改变。作为第一例子，尽管致动器系统100已经被描述为包括具有第一电机128和第二电机134的多电机组件120，但是多电机组件120可以包括附加的电机(具有或者没有另外的单向离合器140)。作为附加的例子，虽然致动器系统100被描述为包括转动转线性机构150，但是可能的是，在没有将转动输出转换为线性输出的机构的情况下，可以使用多电机组件120的转动输出。

Claims (16)

1.一种用于辅助关节的伸展的致动器系统，包括：
●电机组件，其提供转动输出；
●转动转线性机构，其接受所述电机组件的转动输出并且将所述电机组件的转动输出转换成线性运动，其中所述转动转线性机构包括具有运动轨道的线性滑块，所述运动轨道包括伸展止块，所述伸展止块被所述转动转线性机构在伸展方向的线性运动驱动，以便引起关节的伸展，该布置允许关节的无动力弯曲；以及
●控制器，其用于以多种操作模式操作所述致动器系统。
2.如权利要求1所述的致动器系统，其中，所述电机组件包括多个电机，所述电机可操作地耦合到所述电机组件的转动输出。
3.如权利要求2所述的致动器系统，其中，所述电机组件包括：
●驱动轴，其向所述转动转线性机构提供转动输出；
●第一电机子系统，其具有第一输出轴和将所述第一输出轴连接到所述驱动轴的第一传动装置；以及
●第二电机子系统，其具有第二输出轴和将所述第二输出轴耦合到所述驱动轴的第二传动装置。
4.如权利要求3所述的致动器系统，其中，所述第一传动装置限定所述驱动轴的转动与所述第一输出轴的转动的第一齿轮比，且其中，所述第二传动装置至少部分地限定所述驱动轴的转动与所述第二输出轴的转动的第二齿轮比，其中，所述第二齿轮比与所述第一齿轮比不同。
5.如权利要求3所述的致动器系统，其中，所述第二传动装置将所述第二输出轴连接到所述第一输出轴，并且其中，所述第二传动装置和所述第一传动装置配合地限定所述第二齿轮比。
6.如权利要求5所述的致动器系统，其中，所述第二电机子系统还包括单向离合器，所述单向离合器将所述第二输出轴的一个方向的转动耦合到所述第一输出轴的转动。
7.如权利要求3所述的致动器系统，其中，所述第二传动装置将所述第二输出轴连接到所述驱动轴，并且其中，所述第二传动装置限定所述第二齿轮比。
8.如权利要求7所述的致动器系统，其中，所述第一电机子系统包括第一电机，其中所述第二电机子系统包括第二电机，并且其中，所述第一电机和所述第二电机具有基本相同的性能特性。
9.如权利要求3所述的致动器系统，其中，所述控制器以下面的电机模式操作所述致动器系统：
●连续变化传动电机模式，其中所述控制器向所述第一电机子系统和所述第二电机子系统都提供电流，使得所述电机组件向所述转动转线性机构提供转动输出；以及
●高速齿轮电机模式，其中所述控制器仅仅向所述第一电机子系统提供电流，使得所述电机组件向所述转动转线性机构提供转动输出。
10.如权利要求1所述的致动器系统，其中，所述转动转线性机构包括：
丝杠，其接受所述电机组件的转动输出；以及
螺母，其与所述丝杠配合，以将所述丝杠的转动运动转换成所述螺母的线性运动，
并且其中，所述伸展止块被所述螺母在伸展方向的线性运动驱动，以便引起关节的伸展。
11.如权利要求10所述的致动器系统，其中，当所述伸展止块被患者在伸展方向移动而离开所述螺母时，所述布置允许关节的无动力伸展。
12.如权利要求10所述的致动器系统，其中，所述伸展止块被安装在所述运动轨道上，所述运动轨道被配置成在伸展方向线性地运动以引起关节的伸展。
13.如权利要求12所述的致动器系统，其中，当所述伸展止块被患者在弯曲方向抵着所述螺母移动时，所述布置允许所述电机组件的反向驱动。
14.如权利要求12所述的致动器系统，其中，所述控制器被配置成检测所述运动轨道的位置。
15.如权利要求14所述的致动器系统，其中，所述控制器被配置成基于所述运动轨道的检测到的位置而向所述电机组件提供电流。
16.如权利要求10所述的致动器系统，其中，所述致动器系统被配置成使得所述螺母不能在弯曲方向驱动关节。
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