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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine tragbare Vorrichtung zur Applikation
von Bewegungen des menschlichen Körpers und insbesondere eine die
Bewegung den menschlichen Körpers
unterstützende
oder herbeiführende
Vorrichtung, die einen elektroaktiven elastischen Aktuator verwendet.
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STAND DER
TECHNIK
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In
der Japanischen Patent-Vorveröffentlichung
Nr. 2002-48 053 wird eine Applikationsvorrichtung für Bewegungen
des menschlichen Körpers
vorgeschlagen, die eine Legierung mit Formerinnerungsvermögen nutzt,
die sich als Reaktion auf Wärme,
die durch Einspeisen eines elektrischen Stroms erzeugt wird, verformt,
um durch Dehnen oder Schrumpfen eine Kraft hervorzurufen, um dadurch eine
beabsichtigte Bewegung eines menschlichen Körpers zu unterstützen. Es
ist jedoch festgestellt worden, daß wegen einer Begrenzung des
Ausmaßes
der Verlagerung und einer Reaktionsgeschwindigkeit, die durch die
Legierung mit Formerinnerungsbewegung bestimmt ist, die Bewegungsapplikationsvorrichtung
des Standes der Technik insofern unzureichend ist, als sie einem
tatsächlichen
Bedarf an Unterstützung
oder Herbeiführung
der Bewegung des menschlichen Körpers
nicht völlig
gerecht wird.
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Ferner
sind aus dem Dokument WO 01/91 100 A1 haptische Rückkopplungs-Schnittstellenvorrichtungen
bekannt, die elektroaktive Polymer-Aktuatoren nutzen, um haptische
Empfindungen und/oder ein haptisches Empfindungsvermögen zu vermitteln. Als
Anwendungsbeispiele für
derartige elektroaktive Polymere sind eine Mausvorrichtung oder
ein Joystick offenbart. Aus
US
5,429,140 ist ein integriertes Virtual-Reality-Rehabilitationssystem
bekannt, das ein Rückkopplungssystem
benutzt, um virtuell verformbare Objekte zu simulieren.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist deshalb, eine verbesserte
tragbare Vorrichtung zur Applikation von Bewegungen des menschlichen
Körpers
zu schaffen, die vor allem schnell und in einem ausreichenden Ausmaß die Verformung
des menschlichen Körperteils
hervorrufen kann, so daß sich
eine folgerichtige und flüssige
Bewegung ergibt, die ausreicht, um die Bewegung, die von dem Menschen
beabsichtigt ist, zu unterstützen
oder herbeizuführen,
und vor allem eine Applikationsvorrichtung für Bewegungen des menschlichen
Körpers
zu schaffen, die so ausgelegt ist, daß sie eine Distorsion der Wirbelsäule des
menschlichen Körpers
verringert. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine tragbare Vorrichtung
zur Applikation von Bewegungen des menschlichen Körpers, wie
sie im Anspruch 1 definiert ist; die Ansprüche 2 bis 20 betreffen bevorzugte Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Applikation von Bewegungen des menschlichen Körpers, die
im Anspruch 1 definiert ist.
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Die
Unterstützung
ist aus einem biegsamen Werkstoff hergestellt und so gearbeitet,
daß sie
um den Körperteil
passt, so daß sich
eine den Körperteil umgebende
röhrenförmige Gestalt
ergibt. Der Aktuator ist so an der flexiblen Unterstützung angebracht, daß er sich
zusammen mit der Unterstützung
elastisch verformt. Auf diese Weise kann die Kraft, die an dem Aktuator
erzeugt wird, erfolgreich auf den menschlichen Körperteil übertragen werden, ohne durch
die Unterstützung
wesentlich beeinträchtigt
zu werden.
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Die
Applikationsvorrichtung enthält
einen Bewegungssensor, der eine Bewegung des menschlichen Körperteils,
die gerade ausgeführt
wird, erfaßt und
ein Bewegungssignal liefert, das auf ein Ausmaß der Bewegung schließen läßt. Als
Reaktion auf das Bewegungssignal legt die Steuereinrichtung die
Ansteuerungsgleichspannung mit einem Pegel an, der für das Bewegungssignal
spezifisch ist, um die Kraft mit einer Stärke hervorzurufen, die geeignet
ist, die Bewegung zu unterstützen
oder zu erschweren.
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Statt
mit dem Bewegungssensor kann die Applikationsvorrichtung mit einem
Signalgenerator ausgestattet sein, der ein Zufallssignal erzeugt,
das die sich zufällig ändernde
Ansteuerungsgleichspannung angibt. Als Reaktion auf das Zufallssignal
legt die Steuereinrichtung an den Aktuator die Ansteuerungsgleichspannung
an, die sich zufällig ändert, derart,
daß der
Aktuator eine sich zufällig ändernde Kraft
auf die Applikationsvorrichtung ausübt, wodurch der Mensch gezwungen
wird, eine Gegenkraft aufzubringen, weshalb sie für ein Muskeltraining
oder für
Rehabilitationsmöglichkeiten
sorgt.
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In
einer bevorzugten Version umfasst die Applikationsvorrichtung einen Richtungssensor,
der eine Richtung einer Bewegung, die gerade ausgeführt wird,
an dem menschlichen Körperteil
erfaßt, um
ein Richtungssignal zu liefern, daß die Richtung der Bewegung
angibt, und eine Wähleinrichtung,
um entweder eine bewegungsunterstützende Betriebsart oder eine
bewegungstrainierende Betriebsart zu aktivieren, in welche die Steuereinrichtung
versetzt wird. In der bewegungsunterstützenden Betriebsart reagiert
die Steuereinrichtung so auf das Richtungssignal, daß sie die
Ansteuerungsgleichspannung mit einem Pegel abgibt, der den elastischen
Aktuator in einer Richtung verformt, in welcher die Bewegung des Menschen,
die gerade ausgeführt
wird, unterstützt wird.
In der bewegungstrainierenden Betriebsart reagiert die Steuereinrichtung
so auf das Richtungssignal, daß sie
die Ansteuerungsgleichspannung mit einem Pegel abgibt, der den elastischen
Aktuator in einer Richtung verformt, die der Bewegung des Menschen,
die gerade ausgeführt
wird, entgegengesetzt ist. Dergestalt kann die Applikationsvorrichtung
gezielt als eine die Bewegung des menschlichen Körpers unterstützende Vorrichtung
oder als eine die Bewegung des menschlichen Körpers trainierende Vorrichtung
benutzt werden.
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Um
die Applikationsvorrichtung fair die Unterstützung einer Gelenkbewegung
des menschlichen Körpers
gut geeignet zu machen, enthält
die Applikationsvorrichtung die Stütze bzw. Unterstützung, die
so gestaltet ist, daß sie
um ein Gelenk des menschlichen Körpers
passt, und enthält
einen Bewegungssensor, der eine Richtung und ein Ausmaß der Bewegung,
die in der Nähe
des Gelenks ausgeführt
wird, erfaßt,
um ein Bewegungssignal zu liefern, das die Richtung und das Ausmaß der Bewegung
angibt. Als Reaktion auf das Bewegungssignal legt die Steuereinrichtung
die Ansteuerungsgleichspannung mit einem Pegel an, der den elastischen
Aktuator in einer das Beugen oder Strecken des Gelenks unterstützenden
Richtung verformt.
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Für eine erfolgreiche
Unterstützung
der Gelenkbewegung ist die Stütze
bzw. Unterstützung
so beschaffen, daß sie
eine röhrenförmige Gestalt
aufweist, die eine Achse in Längenrichtung
hat, wenn sie um das Gelenk angebracht ist, und ein Paar elastischer
Aktuatoren an diametral gegenüberliegenden Enden
der röhrenförmigen Unterstützung, rings
um die Achse in Längenrichtung,
einen an der Vorderseite und den anderen an der Rückseite
des Gelenks, trägt.
Als Reaktion auf das Bewegungssignal wählt die Steuereinrichtung einen
der elastischen Aktuatoren aus und legt an diesen die Ansteuerungsgleichspannung
mit einem Pegel an, der denselben elastischen Aktuator in einer
das Beugen oder Strecken des Gelenks unterstützenden Richtung dehnt. Dieses
Verfahren ist im Einklang mit der Aktuator-Gelenkbewegung und gewährleistet
eine sanfte und angenehme Bewegungsunterstützung.
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Ferner
kann die Steuereinrichtung derart konfiguriert sein, daß sie so
auf das Bewegungssignal reagiert, daß sie einen der elastischen
Aktuatoren auswählt
und an diesen die Ansteuerungsgleichspannung mit einem hohen Pegel
anlegt, um denselben elastischen Aktuator zu dehnen, und gleichzeitig an
den anderen elastischen Aktuator die Ansteuerungsgleichspannung
mit einem niedrigen Pegel anlegt, um ihn aus einem gedehnten Zustand
zu schrumpfen, um das Beugen oder Strecken des Gelenks zu unterstützen. Die
zwei resultierenden Kräfte ergeben
ein Kräftepaar
im Umkreis des Gelenks, das die Gelenkbewegung erleichtert.
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Die
Applikationsvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann außerdem benutzt
werden, um eine Distorsion um den Rumpf des menschlichen Körpers zu
verringern. Für
diesen Zweck ist die Unterstützung in
eine röhrenförmige Gestalt
mit einer Achse in Längenrichtung
geformt und wird um den Rumpf angebracht. Die Unterstützung trägt ein Paar
elastischer Aktuatoren, die jeweils die Form eines Bands aufweisen,
das um die Achse in Längenrichtung
verläuft. Die
zwei Aktuatoren oder Bänder
erstrecken sich unter verschiedenen Winkeln in bezug auf die Achse
in Längenrichtung
und kreuzen einander. In der Applikationsvorrichtung ist ein Bewegungserfassungsmittel
enthalten, das erfaßt,
wie stark der Rumpf sowohl in bezug auf die Achse in Längenrichtung
als auch auf eine horizontale Achse senkrecht zu der Achse in Längenrichtung
angespannt ist, und ein Anspannungssignal liefert, das die Stärken der
Anspannungen angibt. Als Reaktion auf das Anspannungssignal gibt
die Steuereinrichtung an die elastischen Aktuatoren jeweils die
Ansteuerungsgleichspannungen verschiedener Pegel aus, um die elastischen
Aktuatoren in einer die Anspannungsstärken verringernden Richtung
elastisch zu verformen.
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In
der mit dem Bewegungssensor ausgestatteten Applikationsvorrichtung
enthält
die Steuereinrichtung vorzugsweise eine Tabelle, die mehrere Programme
speichert, die entsprechend dem erfaßten Ausmaß der Bewegung der Ansteuerungsgleichspannung
jeweils verschiedene Pegel zuweisen. In der Applikationsvorrichtung
ist eine Programmwähleinrichtung
enthalten, um eines der Programme auszuwählen, um den Aktuator entsprechend
dem ausgewählten
Programm zu verformen. Folglich kann die Applikationsvorrichtung
leicht auf Personen mit unterschiedlich großer Muskelkraft zugeschnitten werden.
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Der
elastische Aktuator kann mittels wenigstens einer Faser hergestellt
sein, wobei jede aus einem hohlzylindrischen dielektrischen Kern
und den Elektroden, die an der Außen- bzw. Innenfläche des Zylinders
angeordnet sind, gebildet ist. Auf diese Weise kann dem Aktuator
entlang seiner Länge
eine Vorzugsrichtung der Verformung verliehen werden, während den
Elektroden eine große
spezifische Oberfläche
in bezug auf einen Querschnitt des dielektrischen Kerns gegeben
werden kann, wodurch die elektroaktive Kraft, die den Aktuator entlang
seiner Länge
bei einer minimalen Gleichspannung verformt, zunimmt und wodurch
ein effizienter Kraftantrieb sichergestellt wird. Der dielektrische
Kern des Hohlzylinders kann mit der Innenelektrode gefüllt sein,
um den Durchmesser der Faser gering zu halten. Vorzugsweise ist
die Außenelektrode
von einer dielektrischen Umhüllung
umgeben. Ferner können mehrere
der Fasern mit dielektrischer Hülle
zusammengepackt sein, um ein einziges verformbares Modul zu bilden.
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Um
den Aktuator selbst gut an die Kontur des menschlichen Körperteils
anzupassen, ist wenigstens ein Faserstrang in eine gestrickte Struktur
eingeflochten, die ihre eigene Elastizität aufweist, die zu der elastischen
Verformbarkeit, die der Faser gegeben worden ist, hinzukommt. In
diesem Zusammenhang kann der elastische Aktuator oder die Faser
so in eine zylindrische Gestalt gestrickt sein, dass er um den menschlichen
Körperteil
passt. Die gestrickte Faser zylindrischer Gestalt kann eng an der
flexiblen Unterstützung
mit einer ähnlichen
zylindrischen Gestalt anliegen oder kann selbst einen Hauptteil
der Unterstützung
definieren.
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Die
Faser kann gewickelt sein, um den elastischen Aktuator zylindrischer
Gestalt zu definieren, der um den menschlichen Körperteil angebracht wird.
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Ferner
kann der elastische Aktuator den dielektrischen Kern in Form einer
federnden Lage mit einer Vorderfläche und einer Rückfläche, die
jeweils mit den Elektroden beschichtet sind, enthalten. Jede der
Elektroden weist mehrere elastische Kissen auf, die voneinander
beabstandet aufgebracht und elektrisch miteinander verbunden sind,
so daß sie
auf dem gleichen Potential liegen. In dieser Ausführung kann
die Elektrode so beschaffen sein, daß sie eine Biegsamkeit besitzt,
die ausreicht, um der elastischen Verformung der federnden Lage
zu folgen, wodurch dem gesamten Aktuator eine verbesserte Elastizität verliehen
wird.
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Alternativ
ist jede der Elektroden in der Form einer perforierten Membran gestaltet,
die eine Vielzahl von Hohlräumen
aufweist, um die Elektrode flexibel zu machen.
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Um
die Stärke
der Kraft, die von dem Aktuator ausgeübt wird, zu erhöhen, kann
der Aktuator ein Schichtstoff sein, bei dem eine Vielzahl von maschigen
Membranelektroden abwechselnd mit einer Vielzahl von dielektrischen
Kernen, jeweils in Form der elastischen Membran, übereinandergestapelt
ist.
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Wenn
der Aktuator aus der elastischen dielektrischen Lage gebildet ist,
die auf ihren einander gegenüberliegenden
Flächen
jeweils mit den Elektroden in Form der Vielzahl elastischer Kissen
oder der maschigen Membran beschichtet ist, kann der Aktuator in
einer zylindrischen Gestalt geformt sein, so daß er den menschlichen Körperteil
umgibt, wodurch sich das Zusammenfügen der Applikationsvorrichtung
vereinfacht.
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Ferner
kann der Aktuator in einer bestimmten Richtung mechanisch druckvorgespannt
werden, um eine mechanische Federkraft zu erzeugen, die zu der elektroaktiven
Kraft, die durch Anlegen der Ansteuerungsgleichspannung erzeugt
wird, hinzukommt. Auf diese Art kann der Aktuator eine Vorzugsrichtung
der Verformung erhalten, in der sich der Aktuator bei Anliegen der
Ansteuerungsgleichspannung vorherrschend verformt, wodurch die resultierende
Kraft hauptsächlich
längs der
beabsichtigten Richtung auf den menschlichen Körperteil ausgeübt wird.
Für diesen
Zweck können
die Elektroden an den einander gegenüberliegenden Flächen des
dielektrischen Kerns druckvorgespannt sein, um die mechanische Federkraft
hervorzurufen.
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Diese
und noch weitere Aufgaben sowie vorteilhafte Merkmale der vorliegenden
Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen
deutlicher, wenn sie mit der beigefügten Zeichnung in Zusammenhang
gebracht wird.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Perspektivansicht einer tragbaren Applikationsvorrichtung für Bewegungen
des menschlichen Körpers;
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2 ist
eine Perspektivansicht eines elektroaktiven elastischen Aktuators,
der in der obigen Applikationsvorrichtung verwendet wird;
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3A und 3B sind
erläuternde
Ansichten zur Veranschaulichung der Funktionsweise der obigen Applikationsvorrichtung;
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4 ist
ein Blockdiagramm einer elektrischen Schaltung der obigen Applikationsvorrichtung;
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5 ist
ein Blockdiagramm, das eine Regelung veranschaulicht, die in der
obigen Applikationsvorrichtung benutzt wird;
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6 und 7 sind
Diagramme, die jeweils die Funktionsweise der obigen Applikationsvorrichtung
veranschaulichen;
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8 ist
eine Perspektivansicht der obigen Applikationsvorrichtung;
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9A und 9B sind
schematische Darstellungen, die jeweils eine weitere Applikationsvorrichtung
für Bewegungen
des menschlichen Körpers veranschaulichen;
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10 ist
eine Perspektivansicht einer weiteren Applikationsvorrichtung für Bewegungen
des menschlichen Körpers;
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11 ist
eine schematische Ansicht eines ähnlichen
Aktuators, der in der obigen Applikationsvorrichtung verwendet werden
kann;
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12 und 13 sind
schematische Darstellungen noch einer weiteren Applikationsvorrichtung
für Bewegungen
des menschlichen Körpers;
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14 ist
ein Blockdiagramm, das eine elektrische Schaltung der obigen Applikationsvorrichtung zeigt;
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15 ist
eine Perspektivansicht einer weiteren tragbaren Applikationsvorrichtung
für Bewegungen
des menschlichen Körpers;
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16 ist
eine Perspektivansicht eines Aktuators, der in der obigen Applikationsvorrichtung verwendet
wird;
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17 ist
eine Schnittansicht des obigen Aktuators, der mit einer entfernten
Isolationsummantelung gezeigt ist;
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18 und 19 sind
schematische Darstellungen, die jeweils eine gepackte Aktuatoranordnung,
die in der obigen Applikationsvorrichtung benutzt werden kann, veranschaulichen;
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20A und 20B sind
schematische Darstellungen, die jeweils einen Aktuator gestrickter Struktur
zeigen, der in der Applikationsvorrichtung der vorliegenden Erfindung
benutzt werden kann;
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21A und 21B sind
schematische Darstellungen, die jeweils einen Aktuator zylindrischer
Struktur zeigen, der in der Applikationsvorrichtung der vorliegenden
Erfindung benutzt werden kann;
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22A und 22B sind
schematische Darstellungen, die jeweils einen gewickelten Aktuator zeigen,
der in der Applikationsvorrichtung der vorliegenden Erfindung benutzt
werden kann;
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23 ist
eine Draufsicht eines Aktuators mit einer Vielzahl von elastischen
Kissen, der in der Applikationsvorrichtung der vorliegenden Erfindung benutzt
werden kann;
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24 ist
eine schematische Darstellung, die eine elektrische Schaltung des
Aktuators veranschaulicht;
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25 ist
eine schematische Darstellung einer elliptischen Elektrode, die
in den obigen Aktuator integriert sein kann;
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26A und 26B sind
Perspektivansichten, die einen in einer zylindrischen Gestalt geformten
Aktuator zeigen, der in der Applikationsvorrichtung der vorliegenden
Erfindung benutzt werden kann;
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27A und 27B sind
Darstellungen, die einen weiteren Aktuator mit einer perforierten Elektrode
zeigen, der in der Applikationsvorrichtung der vorliegenden Erfindung
benutzt werden kann;
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28 ist
eine Perspektivansicht eines weiteren Aktuators mit einer maschigen
Elektrode, der in der Applikationsvorrichtung der vorliegenden Erfindung
benutzt werden kann;
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29 ist
eine Draufsicht, die die maschige Elektrode der obigen Applikationsvorrichtung
zeigt;
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30 ist
eine Perspektivansicht noch eines weiteren Aktuators mit einer Schichtstruktur,
der in der Applikationsvorrichtung der vorliegenden Erfindung benutzt
werden kann; und
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31A und 31B sind
schematische Darstellungen eines Aktuators mit einer druckvorgespannten
Elektrode, die in den obigen Aktuator integriert sein kann.
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AUSFÜHRLICHE
ERLÄUTERUNG
DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In 1 ist
eine tragbare Applikationsvorrichtung für Bewegungen des menschlichen
Körpers gezeigt.
Die Applikationsvorrichtung umfasst eine flexible Unterstützung 10,
die ein Paar elektroaktiver elastischer Aktuatoren 50 trägt, und
eine Steuereinrichtung 30, die ein Benutzer bei sich trägt, wobei
sie beispielsweise an der Kleidung des Benutzers befestigt oder
in einer Tasche der Kleidung plaziert ist. Die flexible Unterstützung 10 schließt einen
Hauptkörper 11 aus
einem dehnbaren Gewebe ein, das so beschaffen ist, daß es um
ein Körperteil,
wie etwa ein Kniegelenk, eines menschlichen Körpers paßt, und weist Befestigungsmittel 12 auf,
um die Unterstützung 10 rings
um den Körperteil
eng anliegend zu halten. Der Hauptkörper 11 kann als Umhüllung oder Bandage
hergestellt sein, wie in 8 gezeigt ist. Der Aktuator 50 ist
als elektrostriktiver Polymer-Aktuator allgemein bekannt, wobei
er aus einem dielektrischen Kern 51, der aus einem elastomeren
Polymer wie etwa Acrylelastomer und Silikon hergestellt ist, und
einem Paar flexibler Elektroden 60 an einander gegenüberliegenden
Flächen
des Kerns gebildet ist. Wie in 2 gezeigt
ist, wird der Aktuator 50 der vorliegenden Ausführungsform
in Form einer langgestreckten Lage bereitgestellt, wobei die Elektroden 60 in
einer Dickenrichtung der Lage beabstandet sind. Die Elektrode 60 ist
aus einem Gemisch aus Rußschwarz
und einem Edelmetallfilter, das in dem Polymer dispergiert oder
als Schicht auf die Oberfläche
des Polymers aufgebracht ist, gebildet, wobei ihr Flexibilität verliehen
wird, damit sie einer elastischen Verformung des Polymers folgt.
Bei Anliegen einer Ansteuerungsgleichspannung über den Elektroden 60 wird
der Aktuator 50 infolgedessen, daß sich die Elektroden gegenseitig
anziehen, in der Dickenrichtung komprimiert, um sich in der Längen- und
Breitenrichtung elastisch auszudehnen. Wenn die Gleichspannung weggenommen
wird, nimmt der Aktuator 50 wieder seine ursprünglichen
Abmessungen an, d.h. er schrumpft durch die Elastizität, die dem
Polymer eigen ist, zusammen. Das Ausmaß dieser elastischen Verformung
ist zu der Gleichspannung proportional. Folglich kann sich der Aktuator 50 auf
größere Abmessungen
ausdehnen, wenn die Gleichspannung zunimmt, und folglich mit dem
Abnehmen der Gleichspannung zusammenschrumpfen. In diesem Zusammenhang
ist die Steuereinrichtung 29 so ausgelegt, daß sie die über den
Elektroden 50 anliegende Gleichspannung ändert.
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Wie
in 3a und 3b gezeigt
ist, ist die Unterstützung 10 so
um das Kniegelenk angebracht, daß sich der eine Aktuator 50 an
der Vorderseite des Gelenks und der andere an der Rückseite
davon befindet, um eine Kraft zur Unterstützung des Beugens oder Streckens
des Gelenks zu erzeugen. Zu diesem Zweck enthält die Applikationsvorrichtung
einen Sensor 20, der im Inneren der Unterstützung 10 angeordnet
ist, um für
die Erfassung der Bewegung des Gelenks, die gerade ausgeführt wird,
mit der Haut in der Umgebung des Gelenks in Kontakt zu kommen. Der Sensor 20,
der ein Dehnungsmeßstreifen,
ein myoelektrischer Sensor oder ein Drucksensor sein kann, überwacht
eine momentane Kraft, die von einem Schenkelmuskel ausgeübt wird,
um ein Ausgangssignal zu liefern, welches das überwachte Ergebnis angibt.
Wie in 4 gezeigt ist, enthält die Steuereinrichtung 30 einen
Bewegungsanalysator 31, der ein Ausgangssignal von dem
Sensor 20 analysiert, um sowohl den momentanen Betrag der
gemessenen Kraft als auch die Richtung der Kraft, d.h. ob das Knie gerade
gebeugt oder gestreckt wird, zu bestimmen. D.h. der Bewegungsanalysator 31 wirkt
mit dem Sensor 20 zusammen, um einen Bewegungssensor zu definieren,
der ein Bewegungssignal liefert, welches das Ausmaß und die
Richtung der Bewegung angibt, die gerade von dem menschlichen Körper an
dem Gelenk ausgeführt
wird. Die Steuereinrichtung 30 ist so ausgelegt, daß sie die
veränderliche
Gleichspannung über
den Elektroden 60 des Aktuators abgibt, um eine unterstützende Kraft
(AF: assisting forte (engl.)) zu erzeugen, die proportional zu der
wirksamen menschlichen Kraft (HF: human forte (engl.)) und einen
konstanten Betrag geringer als diese ist, wie in 6 gezeigt
ist. In Anbetracht der Tatsache, daß die Muskelkraft individuell
verschieden ist, ist die Steuereinrichtung 30 mit einer
Krafttabelle 32 ausgestattet, die mehrere Programme speichert,
die jeweils verschiedene Beziehungen zwischen der überwachten
Stärke
der menschlichen Kraft (HF) und einem Zielwert für die unterstützende Kraft
(AF) definieren. In der Steuereinrichtung 30 ist eine Programmwähleinrichtung 33 enthalten,
um eines der Programme, das den Zielwert der unterstützenden
Kraft in bezug auf die überwachte
menschliche Kraft (HF) liefert, auszuwählen. Entsprechend dem ausgewählten Programm
reagiert ein Regler 34 mit der Ausgabe eines Steuersignals
an eine Quelle 38 für
eine veränderliche
Gleichspannung, so daß die
Ansteuerungsgleichspannung, die an dem Aktuator anliegt, in der Art
einer Rückkopplung
auf der Grundlage des Zielwertes aus der Krafttabelle 34 verändert wird,
wie in 5 gezeigt ist, um die Ansteuerungsgleichspannung
zu regeln. Damit kann die unterstützende Kraft (AF), die von
dem Aktuator erzeugt wird, der wirksamen menschlichen Kraft (HF)
genau folgen, wie in 7 gezeigt ist, wo die Synchronbeziehung
zwischen der Schenkelmuskelkraft, die für die menschliche Kraft (HF)
repräsentativ
ist, und der Ausgabe des Aktuators, die für die unterstützende Kraft
(AF) repräsentativ
ist, wobei sich beide in einem Zyklus eines beim Gehen ausgeführten Schrittes ändern, veranschaulicht
ist. Die Quelle 38 für
die veränderliche Gleichspannung
ist zusammen mit dem Schalter 36 in einem Steuereinrichtungsgehäuse 40 untergebracht
und ist mittels eines Kabels 41 eines abnehmbaren Adapters 42 an
einem Ende der Unterstützung an
den Aktuator 50 angeschlossen. Die elektrischen Verbindungen
von dem Adapter 42 zu den Aktuatoren 50 erfolgen über elektrisch
leitfähige
Fäden oder ähnlich flexible
Drähte.
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Das
Bewegungssignal wird außerdem
einer Richtungswähleinrichtung 35 zugeführt, in
der die Richtung der überwachten
menschlichen Kraft bestätigt
wird, um zu bestimmen, bei welchem der Aktuatoren 50 eine
Dehnung herbeigeführt
wird, indem die von dem ausgewählten
Programm definierte Gleichspannung angelegt wird. D.h. wenn die
Sensor-Ausgangsgröße infolgedessen,
daß das
Knie aus der Position von 3A in
jene von 3B gebeugt wird, zunimmt, aktiviert
die Richtungswähleinrichtung 35 einen
Schalter 36, um den Aktuator 50 an der Vorderseite
des Knies mit Strom zu versorgen und den rückseitigen Aktuator stromlos
werden zu lassen, wodurch sich der vorderseitige Aktuator in einer
das Beugen des Knies unterstützenden
Richtung dehnt; während
andererseits, wenn die Sensor-Ausgangsgröße entsprechend dem Strecken
des Knies abnimmt, die Richtungswähleinrichtung 35 den
Schalter 36 aktiviert, um den rückseitigen Aktuator 50 mit Strom
zu versorgen und den vorderseitigen Aktuator 50 stromlos
werden zu lassen, wodurch sich der rückseitige Aktuator dehnt, um
die Streckbewegung zu unterstützen.
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Die
Applikationsvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann neben der
Unterstützung
der Gelenkbewegung dazu benutzt werden, den Schenkelmuskel zu kräftigen,
indem eine der menschlichen Bewegung entgegenwirkende Kraft erzeugt
wird. Für
diesen Zweck ist die Steuereinrichtung 30 so programmiert,
daß sie
eine bewegungsunterstützende
Betriebsart für
die Erzeugung der unterstützenden
Kraft und eine bewegungstrainierende Betriebsart für die Erzeugung
der Gegenkraft bereitstellt, und weist eine Betriebsartwähleinrichtung 37 für die Auswahl
einer der Betriebsarten auf. Wenn die bewegungstrainierende Betriebsart
ausgewählt
ist, wird die Richtungswähleinrichtung 35 in
einem zu der obigen bewegungsunterstützenden Betriebsart entgegengesetzten
Richtungssinn wirksam, d.h. so, daß einer der Aktuatoren in einer
Richtung des Beugens des Knies aktiviert wird, wenn das Knie eigentlich
gestreckt wird und umgekehrt.
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An
der Vorderseite des Steuereinrichtungsgehäuses 40 sind sowohl
Tasten 44 für
eine Auswahl der Betriebsarten und der Programme als auch eine Anzeige 46 für die ausgewählte Betriebsart
und das ausgewählte
Programm vorgesehen.
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Es
ist festzustellen, daß dann,
wenn das Gelenk gebeugt oder gestreckt wird, einer der Aktuatoren
veranlasst wird, sich zu dehnen, während der andere Aktuator veranlasst
wird, aus dem gedehnten Zustand zu schrumpfen, wodurch ein Kräftepaar
um das Gelenk ausgebildet wird, weshalb sich die Leistungsfähigkeit
der Applikationsvorrichtung verbessert. Jedoch ist es ebenso möglich, nur
einen Aktuator an der Vorderseite des Gelenks zu benutzen, um ihn
zu dehnen, damit er das Beugen des Gelenks unterstützt, da
der Mensch beim Beugen des Gelenks mehr Kraft als beim Strecken
dieses benötigt.
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Ferner
kann der Aktuator 50, obwohl bevorzugt wird, ihn für einen
direkten kraftübertragenden Kontakt
mit dem menschlichen Körperteil
an der Innenfläche
der Unterstützung 10 anzuordnen,
in die Unterstützung 10 oder
sogar in die Außenfläche der Unterstützung eingearbeitet
sein, vorausgesetzt, er behält
durch die Unterstützung
hindurch eine kraftübertragende
Beziehung zu dem menschlichen Körperteil
bei.
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Wie
in 8 gezeigt ist, kann die Unterstützung 10 mit
zwei Sensoren 20 versehen sein, die mit Zwischenraum längs der
Länge der
Unterstützung angeordnet
sind und so verwendet werden, daß sie einen Mittelwert der überwachten
Ergebnisse abgeben oder daß zuverlässige Daten
der Bewegungen des menschlichen Körpers erhalten werden.
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9A und 9B zeigen
eine flexible Unterstützung
in Form eines Handschuhs 10A, der die Fingerbewegung unterstützt und/oder
trainiert. Jeder Finger des Handschuhs ist an der Handtellerseite und
der Handrückenseite
jeweils mit einem Aktuator 50A versehen, wobei die beiden
Aktuatoren einander entgegenwirken. Die Aktuatoren an jeder Seite
der Hand sind über
dieselbe Gleichspannungsquelle elektrisch parallel geschaltet, so
daß sie
gleichzeitig mit Strom versorgt werden, um die Kräfte zu erzeugen,
die zusammenwirken, um die Finger zu beugen oder zu strecken. Die übrigen Strukturen
und Funktionen sind jenen der ersten Ausführungsform völlig gleich.
Bei dieser Ausführungsform
kann der Sensor an irgendeinem der Handschuhfinger vorgesehen sein.
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10 zeigt
eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die dafür ausgelegt ist, eine Distorsion
um eine Wirbelsäule
des menschlichen Körpers
zu mindern, und eine zylindrische Rumpfunterstützung 10B umfaßt, die
um den Rumpf des menschlichen Körpers
gewickelt wird. Die Rumpfunterstützung 10B ist
aus einem biegsamen Werkstoff hergestellt und trägt ein Paar gleicher Aktuatoren 50B in
Form von Bändern,
die entlang dem Umfang um eine Achse in Längenrichtung der Unterstützung verlaufen
und sich an der Rückseite
der Unterstützung
kreuzen. Außerdem
trägt die
Unterstützung 10B vier
Sensoren 20B, die jeweils an Abschnitten vorgesehen sind,
die den entgegengesetzten Enden jedes Aktuators 50B entsprechen,
so daß Größen von
Anspannungen des Rumpfes jeweils um die Achse in Längenrichtung
als auch um eine horizontale Achse senkrecht zu der Achse in Längenrichtung
erzielt werden. Die Ausgangssignale der Sensoren 20B werden
von einem Bewegungsanalysator ähnlich
jenem, der in der Ausführungsform
von 4 verwendet wurde, verarbeitet und ergeben ein
Anspannungssignal, das auf die Stärken der Anspannungen schließen läßt. In dieser
Ausführungsform
ist eine ähnliche
Steuereinrichtung inbegriffen, um die Ansteuerungsgleichspannung
veränderlichen
Pegels als Reaktion auf das Anspannungssignal auszugeben, um einen
oder zwei der Aktuatoren in einer Richtung, in der die Stärken der
Anspannungen, d.h. die Distorsion des Rumpfes, verringert werden,
zu verformen.
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11 zeigt
einen weiteren Aktuator 50C mit einer Schichtstruktur,
der in der Applikationsvorrichtung der vorliegenden Erfindung benutzt
werden kann. Der Aktuator 50C enthält eine Vielzahl von lagenartigen,
elastischen dielektrischen Kernen 51C und eine Vielzahl
von flachen, flexiblen Elektroden 60C, die abwechselnd
aufeinandergeschichtet sind. Jede zweite der Elektroden 60C ist
an dasselbe elektrische Potential angeschlossen, so daß alle dielektrischen Kerne
die gleiche Spannungsdifferenz erhalten, um sich einheitlich zu
verformen.
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12 bis 14 zeigen
eine weitere tragbare Bewegungsapplikationsvorrichtung, die so ausgelegt
ist, daß sie
massierend auf eine der unteren Extremitäten des menschlichen Körpers einwirkt,
und eine flexible röhrenförmige Unterstützung 10D aufweist,
die nahe der Wade rings um die untere Extremität angebracht wird. In dieser
Ausführungsform trägt die Unterstützung 10D einen
einzigen elastischen Aktuator 50D röhrenförmiger Gestalt, der an der
Innenfläche
bzw. an der Außenfläche mit
flexiblen Elektroden ausgebildet ist. Der röhrenförmige Aktuator 50D dehnt
sich bei Anliegen der zunehmenden Ansteuerungsgleichspannung über den
Elektroden in einer radialen Richtung aus und schrumpft zusammen,
wenn die Gleichspannung abnimmt. Folglich wird dafür gesorgt,
daß die
Erzeugung und Freisetzung einer pressenden Kraft, die auf die untere
Extremität
des menschlichen Körpers
ausgeübt
wird, wiederholt wird, um eine Massagewirkung auf diese hervorzurufen.
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Für diesen
Zweck enthält
die Steuereinrichtung 30D einen Zufallssignalgenerator 39D,
der ein Zufallssignal erzeugt, das durch einen Multiplizierer 47D einem
Spannungsgenerator 48D zugeführt wird, wo das Signal verarbeitet
wird, um die Ansteuerungsgleichspannung geeigneten Pegels bereitzustellen, die
von der Gleichspannungsquelle 38D an den Aktuator 50D abgegeben
wird. Die Steuereinrichtung 30D umfasst ein Einstellelement,
das den Multiplizierer 47D veranlasst, den Pegel der resultierenden Gleichspannung
einzustellen, um die Intensität
der Massage zu ändern.
Obwohl die vorliegende Ausführungsform
den Zufallssignalgenerator 39D benutzt, um in zufälliger Weise
die Stärke
der Kraft, die auf den menschlichen Körper ausgeübt wird, zu verändern, ist
es genauso möglich,
ein bestimmtes Muster der veränderlichen
Gleichspannung anzulegen oder die unveränderliche Gleichspannung intermittierend anzulegen,
um für
ein Massieren der unteren Extremität das Dehnen und Zusammenschrumpfen
des röhrenförmigen Aktuators 50D zu
wiederholen.
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Es
ist festzustellen, daß in
den vorhergehenden Ausführungsformen
statt der in 4 gezeigten Steuereinrichtung 30 die
obige Steuereinrichtung 30D benutzt werden kann, so daß zum Zweck
des Trainings oder der Rehabilitation der Aktuator eine sich zufällig ändernde
Kraft erzeugt, die ausgeübt wird,
um das Gelenk zu beugen oder zu strecken, wodurch die Gegenwirkung
des menschlichen Körpers
angeregt wird.
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15 bis 17 zeigen
eine weitere tragbare Applikationsvorrichtung für Bewegungen des menschlichen
Körpers,
die Aktuatoren 50E benutzt, die jeweils in Form einer Faser
sind, die einen dielektrischen Kern 51E hat, der aus einem
in einen Hohlzylinder eingebrachten elastomeren Polymer hergestellt
ist. Die Elektroden 60E, die jeweils aus einem Gemisch
aus Rußschwarz
und einem Edelmetallfilter hergestellt sind, sind in dem Hohlzylinder
dispergiert oder als Schicht auf der Innen- und Außenfläche des Hohlzylinders
aufgebracht, wobei ihnen eine Flexibilität gegeben wird, die ausreicht,
um der elastischen Verformung des Hohlzylinders zu folgen. Folglich dehnt
sich der Aktuator 50E elastisch in der Längenrichtung
proportional zur Höhe
der Ansteuerungsgleichspannung, die an den Elektroden 60E anliegt. Die
Faser-Aktuatoren 50E sind
in einer Gruppe angeordnet und an einem vorderen Ende einer röhrenähnlichen
Hülle in
einer kraftübertragenden
Beziehung zu dem Körperteil
angebracht. Die Aktuatoren 50E sind über die Gleichspannungsquelle 38E parallelgeschaltet,
so daß sie
entsprechend einem Ausgangssignal von einer Steuereinrichtung 30E,
die einen Aufbau besitzt, der jenem, der in der ersten Ausführungsform
benutzt wurde, ähnlich
ist, gleichzeitig verformt werden. Um die äußeren Elektroden 60E vor
einer unerwünschten
elektrischen Verbindung mit der Umgebung zu schützen, ist jede äußere Elektrode 60E von
einer dielektrischen Umhüllung 52E umgeben.
Im Inneren der Unterstützung 10E sind
Sensoren 20E für
die gleiche Funktion, wie sie mit Bezug auf die erste Ausführungsform
erläutert
worden ist, angeordnet. Was die Struktur des Faser-Aktuators anbelangt,
so ist der äußeren Elektrode
eine große spezifische
Oberfläche
in bezug auf einen Querschnitt des dielektrischen Kerns gegeben
worden, um für
einen effizienten Kraftantrieb mit einem Minimum an erforderlicher
Energie die elektroaktive Verformungskraft des Aktuators zu erhöhen. Obwohl
die veranschaulichte Ausführungsform
den Aktuator in einer Hohlstruktur zeigt, kann der Aktuator in einer massiven
Struktur sein, in welcher das Mittenloch vollständig mit der Innenelektrode 60E gefüllt ist. Dies
ist vorteilhaft für
die Verringerung des Durchmessers des Faser-Aktuators.
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Wie
in 18 und 19 gezeigt
ist, können
die Faser-Aktuatoren 50E so zusammengepackt sein, daß sie ein
einziges Aktuatormodul bilden, das an der Unterstützung angebracht
ist, um dem menschlichen Körperteil
mehr Kraft zu verleihen.
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Alternativ
können,
wie in 20A und 20B gezeigt
ist, die einzelnen Faser-Aktuatoren 50E in eine gestrickte
Struktur, die ihre eigene Elastizität hat, die zu der elastischen
Verformbarkeit, die dem Faser-Aktuator gegeben worden ist, hinzukommt,
eingeflochten sein. Wenn die gestrickte Struktur selbst eine Vorzugsrichtung
der Verformung vorgibt, kann die elektroaktive Verformung des Faser-Aktuators
erfolgreich entlang der Vorzugsrichtung geleitet werden, so daß der Aktuator
gestrickter Struktur aus dem stromlosen Zustand von 20A wirksam und effizient in der beabsichtigten
Richtung in den stromführenden
Zustand von 20B verformt wird. Folglich kann ein gestrickter
Aktuator als eine ebene Lage geformt sein, die an der Unterstützung angebracht
ist, oder als eine Umhüllung,
die einen menschlichen Körperteil
umgibt. Wenn der Aktuator als ebene Lage geformt ist, kann er gut
in den oben erwähnten
Ausführungsformen,
die in 1, 8, 9, und 10 gezeigt
sind, verwendet werden. Wenn der Aktuator als Umhüllung geformt
ist, kann er am besten in der in 12 gezeigten
Ausführungsform
verwendet werden. Der Umhüllungs-Aktuator kann
an der röhrenförmigen Unterstützung angebracht
sein oder auch dazu benutzt sein, einen Hauptteil der Unterstützung zu
bilden. Im letzteren Fall kann die Unterstützung so ausgelegt sein, daß sie einfach
den Umhüllungs-Aktuator an dem menschlichen
Körperteil
befestigt. Wenn der Aktuator 50E, wie in 21A gezeigt ist, in eine Umhüllung eingestrickt ist, deren
Durchmesser in Richtung der Mitte in Längsrichtung kleiner als an
den in Längsrichtung
einander gegenüberliegenden
Enden wird, kann der Aktuator ein größeres Ausmaß der elastischen Verformung
längs der
Längsachse
aufweisen, wenn er stromführend
ist, wie in 21B gezeigt ist.
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Ferner
kann, wie in 22A gezeigt ist, der Faser-Aktuator 50E in
eine zylindrische Gestalt gewickelt sein, die den menschlichen Körperteil
umgibt. Wenn der Zylinder mit Strom versorgt wird, vergrößert sich
sein Durchmesser infolgedessen, daß sich der Faser-Aktuator in
Umfangsrichtung dehnt, wie in 22B gezeigt
ist. Deshalb kann der gewickelte Aktuator am besten in der Ausführungsform
von 12 verwendet werden.
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23 und 24 zeigen
einen Aktuator 50F mit einer Konfiguration, die von jenen,
die weiter oben offenbart worden sind, verschieden ist, aber genauso
in der Applikationsvorrichtung der vorliegenden Erfindung benutzt
werden kann. Der Aktuator 50F besteht aus einem flachen
dielektrischen Kern 51F, der aus einem elastomeren Polymer
hergestellt ist, und aus einer Vielzahl von elastischen Kissen 61, die
auf einander gegenüberliegenden
Flächen
des Kerns 51F angeordnet sind. Die Kissen 150 auf
jeder Fläche
des Kerns sind miteinander verbunden, so daß sie auf demselben elektrischen
Potential liegen und eine Elektrode 60F definieren. Die
Kissen 61 sind kreisförmig
und so in einer Gruppe angeordnet, daß sie über die Länge und die Breite des dielektrischen
Kerns gleichmäßig beabstandet
sind. Dadurch, daß ihm über die
Elektroden die Ansteuerungsgleichspannung zugeführt wird, wird der Aktuator 50F veranlasst,
in erster Linie sich in der Längenrichtung
im wesentlichen genauso wie in der Breiterrichtung zu dehnen -mit
der damit verbundenen Verformung der flexiblen Kissen 61.
Um eine Vorzugsrichtung der Verformung vorzugeben, beispielsweise in
Längenrichtung,
kann jedes Kissen 61 als eine Ellipse konfiguriert sein,
deren Hauptachse zur Länge des
Aktuators 50F ausgerichtet ist, wie in 25 gezeigt
ist.
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26A zeigt einen weiteren Aktuator 50G, der
in einer zylindrischen Gestalt geformt ist, die einen Durchmesser
hat, der in Richtung der Achsenmitte kleiner als an den Achsenenden
ist. Der Aktuator 50G enthält einen dielektrischen Kern 51G,
der aus einem elastomeren Polymer hergestellt und als Zylinder geformt
ist. An jeder der Innen- und Außenflächen des
Zylinders ist eine Gruppe von elastischen Kissen 61 aufgebracht,
um die Elektrode 60G wie mit Bezug auf 23 und 24 erläutert zu
definieren. Der auf diese Weise hergestellte zylindrische Aktuator
SOG wird sich, unter Strom gesetzt, zum größten Teil in der Achsenrichtung
dehnen, begleitet von einer Verformung der elastischen Kissen 61,
wie in 26B gezeigt ist, und zusammenschrumpfen, wenn
die Ansteuerungsgleichspannung abnimmt. Der zylindrische Aktuator
SOG kann am besten benutzt werden, um den Körperteil einzuhüllen, um
wiederholt den gesamten Umfang des Teils zu dehnen.
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Statt
die elastischen Kissen zu benutzen, könnte jede Elektrode 60H so
perforiert sein, daß sie eine
Anordnung von Hohlräumen 62 aufweist,
wie in 27A gezeigt ist, so daß eine ausreichende
Flexibilität
sowohl in der Längen-
als auch in der Breiterrichtung des Aktuators gegeben ist. Der Aktuator,
der auf diese Weise perforierte Elektroden auf jeder Seite des dielektrischen
Kerns verwendet, kann sich also als Reaktion auf die Ansteuerungsgleichspannung, die über den
Elektroden 60H anliegt, in erster Linie in der Längenrichtung
und der Breiterrichtung im wesentlichen gleichmäßig ausdehnen, wie in 27B gezeigt ist.
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28 und 29 zeigen
einen lagerartigen Aktuator 50J mit zwei Elektroden, wovon
jede durch eine maschige Membran definiert ist, die in der Applikationsvorrichtung
der vorliegenden Erfindung benutzt werden könnte. Der Aktuator 50J besteht
aus der elastomeren Polymerlage, die den dielektrischen Kern 51J bildet,
und den Elektroden 60J aus der maschigen Membran an einander
gegenüberliegenden Flächen des
Kerns. Die Elektrode 60J der maschigen Membran 60J ist
aus einer Vielzahl von einander schneidenden Leiterbahnen gebildet,
wie am besten in 29 gezeigt ist, damit ihr eine
Flexibilität
verliehen wird, die ausreicht, um der elastischen Verformung des
Polymers oder des dielektrischen Kerns 51J zu folgen. So
ist es dem gesamten Aktuator 50J problemlos möglich, sich
auf große
Abmessungen zu dehnen oder zusammenzuschrumpfen, wenn die Ansteuerungsgleichspannung
angelegt oder weggenommen wird. In diesem Zusammenhang ist festzustellen,
daß der
Aktuator mit den als maschige Membran ausgebildeten Elektroden in
irgendeine andere geeignete Gestalt geformt sein könnte, beispielsweise
in die zylindrische Gestalt. Ferner könnten mehr als zwei als maschige
Membran ausgebildete Elektroden 60J abwechselnd mit einer
entsprechenden Anzahl von dielektrischen Kernen 51J übereinandergestapelt
sein, um einen Aktuator mit einer Schichtstruktur zu formen, der
imstande ist, eine große
Kraft für
ein Dehnen und Zusammenschrumpfen zu erzeugen, wie in 30 gezeigt
ist.
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31A zeigt eine weitere Applikationsvorrichtung 50K mit
einer druckvorgespannten Elektrode 60K an jeder Seite des
dielektrischen Kerns 51K, der in der Applikationsvorrichtung
der vorliegenden Erfindung benutzt werden kann. Die Elektrode ist
aus einem leitfähigen
Draht in Form einer mechanischen Feder hergestellt und ist an ihren
Enden in Längenrichtung
jeweils mit den einander in Längsrichtung gegenüberliegenden
Enden des Kerns 51K befestigt, da sie in der Längenrichtung
zusammengepresst wird. Auf diese Weise wird dem Aktuator eine Vorzugsrichtung
der Verformung gegeben, in der er federbelastet ist, wobei eine
resultierende mechanische Federkraft zu der elektroaktiven Kraft,
die von dem dielektrischen Kern bei Anliegen der Ansteuerungsgleichspannung
erzeugt wird, hinzukommt, wodurch ein großes Ausmaß der Gesamtverformung, die
an dem Aktuator erfolgt, wie in 31 B gezeigt ist,
sichergestellt ist.
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Es
ist zu beachten, daß die
einzelnen Merkmale, die hier in Bezug auf die Steuerung der Applikationsvorrichtung
und den Aufbau des Aktuators offenbart worden sind, in geeigneter
Weise kombiniert werden können,
die zu Abwandlungen führen,
die ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung
liegen.