铰接结构及其组件的制作方法

专利名称：铰接结构及其组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及铰接结构，特别是在多种应用中使用的铰接片结构。本发明尤其涉及包括多个连接在一起的组件的铰接结构，其中各个组件能够相对于其相邻组件转动。另一方面，本发明涉及一种可以选择性地锁定和解锁的铰接结构。
在本领域中铰接结构是公知的。美国专利4,484,778公开了一种包括多个元件的矩阵结构，其中采用两种不同的成形方式使所述元件成形。在该文件的图2和图6中示出的第一元件具有被多个从中心部分向外辐射的球形凸出部分所包围的中心部分。在该文件的图4和图7中示出的第二元件包括具有相应的多个放射状分布的凹进部分的中心部分。在使用中，所述球形凸出部分套入凹进部分中，从而形成一种扁平片状的结构，其中球形凸出部分/凹进部分结合处的中性轴在片平面内并且通过相邻组件的中心。球形凸出部分和凹进部分的形状为基本上不能改变矩阵片的密度，同时使所述片保持扁平。因此，无法将所述片模制为平滑地环绕复杂的形状，例如同时在两个方向上弯曲的复合曲面(如球形表面)。如果需要形成具有复杂表面轮廓的片，则必须去除或添加组件以改变局部位置的片的密度，以获得正确的形状。去除和添加组件是耗费时间的，并且需要技术人员来完成。
美国专利4,688,853公开了一种也包含两种不同类型组件的可调整的矩阵片。第一组件设置有能够从垂直于圆筒的纵向轴线的方向夹住圆筒的多个臂。第二组件包括多个环绕组件的中心排列成环形的圆筒。在使用中，第一组件的各个臂都夹住相邻的第二组件的圆筒。与美国专利4,484,778所公开的结构类似，这种结构使得无法将片形成为与复杂的形状相匹配，因为，当片为扁平形状时不能够改变片的密度。如果需要改变局部的密度，则也必须增加或去除组件。
英国专利2,235,030公开了一种具有多个相同形状的组件的片结构，其中所述组件可以朝着或远离直接相邻的组件滑动。没有提供使得片可以朝平面外弯曲的接合部分，但是事实上可以通过用于制作组件的材料的固有挠性来提供这种弯曲。这一特征使得所述阵列难于合适地环绕复杂的形状，因为所述阵列只能通过弹性变形而弯曲到平面外，当使其变形的力去除时，将会产生趋向于使得所述片变平的相应的恢复力。
上述三个文件中的每个还公开了选择性地使片结构锁定和解锁的技术。在这三个方案中，通过在组件或相邻组件之间的连接部分上拧紧螺钉来实现片结构的锁定和解锁。因而，必须拧紧大量的单个螺钉以便将完全挠性的片变为完全刚性的片。这样做的缺点在于需要花费技术人员非常长的时间，尤其是考虑到片结构可能包含成百个甚至上千个单独的组件时。此外，当执行拧紧螺钉的步骤时，必须找到一些使片长时间保持在适当位置的方法，这可能需要其他技术人员的协助或者复杂的钳位装置。
本发明通过提供包括多个连接在一起的组件的挠性的片结构来解决上述和其他问题，所述多个组件连接在一起，以使得各个组件能够相对于其所连接的相邻组件，围绕第一和第二轴线转动，第一轴线平行于片被放平时的平面，第二轴线垂直于片被放平时的平面。
各个组件都能够围绕与片被放平时的平面平行的轴线转动、并且能够围绕与片被放平时的平面垂直的轴线转动这一事实允许通常为扁平状的片结构能够与在多于一个方向上弯曲的形状(例如，球面或者其他的复合曲面)环绕匹配。这样就允许在扁平方向上制作和出售标准的片结构，并且对于用户来说，易于使片与期望的形状相匹配而不需要去除或增加额外的组件部分。
优选地，组件能够相对于其相邻组件围绕与片被放平时的平面平行的轴线转动通过至少-10°到+10°的全范围，更优选地，在-20°到+20°的全范围内转动，但是优选地在不超过-60°到+60°的范围之间转动，或者更优选地在不超过-30°到+30°的范围之间转动。
优选地，组件能够相对于其相邻组件围绕与片被放平时的平面垂直的轴线转动通过至少-10°到+10°的全范围，更优选地，可以在-30°到+30°的全范围内转动，以及更优选地进一步在至少-80°到+80°的全范围内转动。
在优选的实施方案中，各个组件具有多个节点，并且片内组件的各个节点分别连接到不同的相邻组件的各自的节点。靠近片的外部的组件可以不使得其所有的节点都连接到其他组件的节点。已证实每个组件包含三个或者只包含三个节点可以正常工作，并且每个组件包含四个或者只包含四个节点也可以正常工作。然而，单一的结构可以包含具有不同数量的节点的组件的组合，这样就可以采用包含两个、五个或者六个节点的组件。
节点优选地位于臂的末端，并且组件的臂优选地平行于片被放平时的平面。相邻接头之间的节点连接部分优选为单一接头，例如球或窝接头，所述接头允许垂直于片的平面和平行于片的平面转动，优选地允许同时垂直于片的平面和平行于片的平面转动。
已经证实有利的是所述单一接头具有与片被放平时的平面基本成90°的中性轴(也就是说，所述接头以相对于其可能的转动为中心)。然而，这一点并不是必不可少的，并且所述中性轴可以基本平行于片被放平时的平面或者与片的平面成不同的角度。
在本发明的一个实施方案中，连接元件用于将相邻的组件连接在一起。连接元件可以允许组件和连接元件之间围绕平行于片的平面的轴线相对转动，并且可以允许邻近的其他连接元件之间围绕垂直于片的平面的轴线相对转动。在这种情况下，片包括两种不同类型的接头，其中一种接头平行于片的平面而另一种接头垂直于片的平面。这是第一实施方案的一种选择，其中由单一的球/窝接头来提供所有的运动。所述连接元件优选为具有两个节点的线性元件。
在所有的实施方案中，组件优选地连接在一起以在片的平面内形成闭环的规则图案。就像形成任何环路的周长的组件可以围绕与片被放平时的平面垂直的轴线转动，以使环路闭合成“星形”，或其他闭合形状一样，这些闭环可以提供用于改变局部区域的片的密度的方法。
优选地，在片保持扁平时可以改变整个片或者片的一部分的有效密度(以及面积，因为质量守恒)。然而，这并非是限定性的，并且在所述片被扭曲成任何特殊的形状时都可以改变整个片或者片的一部分的有效面积。应当注意，当片被放平时，局部的有效面积的增加导致片从扁平形变为弯曲形状，而当片为弯曲形状时，局部的有效面积的减少导致片从弯曲形状变为扁平形。改变局部位置的有效面积的能力允许片以与橡胶物质类似的方式与物体表面相匹配，但并不存在橡胶的缺点，因为橡胶会产生弹性形变，从而产生不期望的恢复力。根据优选的实施方案的片可以变形以具有特殊的形状，但是仍然保持静态平衡形态(即不存在趋向于使得所述片回到原始形状的恢复力)。
另一方面，可以将本发明描述成包含多个连接在一起的组件的挠性片结构，其中至少所述组件之一通过多自由度的接头连接到另一个所述组件，所述多自由度的接头具有与片被放平时的平面基本成90°角的中性轴。
球/窝接头除了与片被放平时的平面基本成90°角之外，优选地其中性轴也与各个组件的平面基本成90°角。优选地，片内的所有连接部分的中性轴都与片和/或组件被放平时的平面基本成90°角。
本发明的另一个实施方案提供了一种包含多个第一和第二连接元件的挠性片结构，其中各个所述第一元件通过接头连接到所述第二元件，所述接头允许围绕与片被放平时的平面平行的轴线相对转动，并且各个所述第二元件通过接头连接到相邻的所述第二元件，所述接头允许围绕与片被放平时的平面垂直的轴线相对转动。
这种结构允许使片结构与复杂的形状相匹配，而不需要增加或去除单独的组件。这种结构的优点还在于不需要球/窝接头。可以采用简单的枢轴来形成所有的接头。
本发明的另一个优选的实施方案提供了一种包含多个连接在一起的组件的挠性片结构，其中各个所述组件具有第一、第二和第三臂，并且各个所述臂与其他两只所述臂有规律地隔开，各个所述臂连接到相邻的所述组件的臂上，以使得片的各个组件能够围绕与片被放平时的平面垂直的轴线相对于其相邻的组件转动。
本发明还提供了一种包含多个连接到一起的组件的挠性片结构，其中所述多个组件连接到一起，以使得在所述片保持扁平时允许改变片的有效面积以及平面之外的运动，以及使得所述片可以平滑地环绕匹配复杂的形状。
本发明还旨在包含本文中所描述的任何一种组件，其中组件可以单独地或者以工具箱的形式制作和出售。尤其优选的是，这种组件可以是用于挠性片结构中的组件，所述组件具有多个臂，其中每个臂包括多自由度接头的一半，所述多自由度接头的一半用于连接到位于片中的相邻组件的臂上的多自由度接头的另一半；所述多自由度接头的一半的方向被确定为使得所形成的多自由度接头具有朝向片平面以外的中性轴。
为了解决现有技术的结构中各个组件需要通过繁琐的手工操作来拧紧的问题，本发明的另一方面在于提供一种可锁定的铰接结构包括多个连接在一起的组件，从而组件可以相对于其他组件选择性地运动，两个组件之间的至少一个连接部分包括能够呈现至少两种状态的锁定材料，所述至少两种状态包括元件可以相对运动的第一状态以及至少基本阻止这种运动的第二状态，通过将能量选择性地导入锁定材料而实现两种状态之间的转换。
采用能够呈现至少两种状态的锁定材料，以及通过将能量选择性的导入所述锁定材料中来实现所述两种状态之间的转换(从锁定状态到解锁状态，或者从解锁状态到锁定状态)，使得能够(如果需要的话)通过单独应用特定形式的能量，来选择性地将整个结构中的相邻组件之间的各个连接部分锁定或者解锁。例如，锁定材料可以是一种在加热时融化和/或变软的材料。在这种情况下，只是对整个结构加热就足以引起从锁定状态到解锁状态的转换。随之，只是对所述结构进行冷却就可以将所述结构锁定在适当的位置，尽管对于本发明来说，可逆的转换不是必须的。
优选地，第一状态是比第二状态软的状态，例如第二状态是凝固态。可以采用加热的方式来施加能量，例如通过直接传导、对流或者辐射的方式，或者通过使用设计用来刺激或改变锁定材料的物理性质而不改变组件的其他部分的物理性质的微波或者类似的能量。可以利用材料具有特殊的热膨胀系数这一事实来实现选择性的锁定，而不是通过改变或者开始改变材料的状态来实现。在这种情况下，将所述结构加热会导致所述锁定材料膨胀，从而阻止将会在相邻的组件之间出现的相对运动。所述膨胀可以由热量或者任何其他的能量源来提供，例如，由电子-流变的材料或压电材料中的电流来提供。
对于所提供的能量来说，另一种可能性是引起固化，例如可以将化合物从非粘合状态变为粘合状态的紫外线。
可以采用的另一种机制是选择性地导入流体压力，(例如气压或水压)，所述流体压力可以给锁定材料增压或者减压以便提供或者阻止锁定功能。
对于球/窝接头的实施方案来说，所述锁定材料理想地设置在球/窝接头中的球的外部、窝的内部的区域内。为了提高锁定能力，球的外部或者窝的内部可以包含基本扁平的部分，从而当锁定材料不能改变其形状时而阻止相对转动。为了进一步提高锁定能力，优选地可以在从球的底部到球的顶部的方向上提供一个或多个槽，以阻止围绕中性轴的轴向转动。并非必须采用槽-可以采用任何一种在锁定材料凝固时可以阻止相对转动的表面形貌(surface topography)。
相同的考虑也适用于接头是枢轴或者其他类型的接头而不是球/窝接头的情况。对于枢轴接头来说，可以将锁定材料放置在轴形部分和环形部分之间，并且可以进一步采用类似的平面或者开槽部分来阻止一旦出现向锁定状态的转变时而产生的相对运动。
热塑性的、共熔的以及热固性的材料都适合作为锁定材料的实施例，尽管其他的材料也至少可以正常工作。聚合物尤其是较好的选择，因为它们易于制作并且具有所期望的性质。
可以理解的是，可将本文中所描述的用于选择性的锁定的任何一种方法和结构，与铰接结构的任何一种实施方案组合，以便可以选择性地将本文所描述的铰接结构锁定。
将本发明用于背甲时特别有益。所述铰接结构与复杂形状相匹配的能力允许形成与期望的身体形状一致的背甲，而所述背甲由最初为扁平的材料片制成。对于校正外科的技术人员来说，在安装矫形器时没有必要去除或增加组件，并且所述锁定方法允许非常快速地在一次操作中将整个矫形器锁定或者解锁。作为矫形器安装的常规方法的示例，可以先使所述片结构受微波照射以使其解锁。这样不会使得组件本身的温度过度升高，从而当所述片松开时，可以使其围绕病人的身体匹配以提供所期望的支持。随着时间经过，所述锁定材料会自然地或者在所采用的人工冷却方法的帮助下冷却，从而在再次锁定之前，只需要在较短的时间内使得所述片保持在适当的位置即可。因此，本发明既从病人的角度又从医疗工作者的角度显著地改善了矫形器的制作和安装。
现在参照附图，仅通过示例的方式来描述本发明的实施方案，其中

图1A示出了根据本发明的第一实施方案的、展开结构中的组件片的一部分的立体图；图1B示出了根据本发明的第一实施方案的、压缩结构中的组件片的一部分的立体图；图2示出了在所述片结构的平面内将其最大限度展开的结构中、根据第一实施方案的片的平面图；图3示出了在所述片结构的平面内将其最大限度展开的结构中、根据第一实施方案的片的可选的平面图；图4示出了第一实施方案的六个组件的平面图，图中示出了优选的六角环形结构；图5示出了图4的组件，其被转动以增加整体密度并使得环形结构闭合；图6示出了将组件120和130相对于挠性片平面内的轴线中性放置时，沿着图4所示的剖面线C-C的剖面图；图7示出了与图6类似的剖面图，其为组件120围绕在挠性片平面内并垂直于纸面的轴线转动后的剖面图；图8示出了与圆筒的表面相匹配的第一实施方案的挠性片；图9示出了与半球的表面相匹配的第一实施方案的挠性片；
图10A和图10B示出了本发明的第二实施方案的两种组件的两种结构；图11A和图11B分别示出了本发明的第三实施方案的六个组件；图12A和图12B示出了本发明的第四实施方案的两种组件的两种结构；图13是本发明的第五实施方案的立体图；图14是本发明的第六实施方案的两个组件的立体图；图15A到15C示出了包含本发明的第六实施方案的组件的片从闭合状态展开到打开状态时的视图；图16A到16C示出了本发明的第六实施方案的四个组件，并图解说明了片如何从闭合状态展开到打开状态以扩展200％；图17示意性地示出了垂直于挠性片的平面的中性轴；图18示意性地示出了平行于挠性片的平面的中性轴；以及图19示出了本发明的第七实施方案；图20A到20F示意性地示出了每个组件只采用四个节点的片结构；图21示出了根据本发明的实施方案的穿过球的剖面图；图22示出了根据本发明的实施方案的、穿过包含两个窝而各个窝中均包含球的组件的剖面图；图23示出了根据本发明的实施方案的、穿过包含两个窝而各个窝中均包含球的组件的剖面图；图24示出了根据本发明的实施方案的、穿过包含两个窝而各个窝中均包含球的组件的剖面图；图25示出了根据本发明的实施方案的、穿过包含两个窝而各个窝中均包含球的组件的剖面图；图26示出了根据本发明的实施方案的、穿过包含两个窝而各个窝中均包含球的组件的剖面图；图27示出了根据本发明的实施方案的、穿过包含两个窝而各个窝中均包含球的组件的剖面图；以及图28示出了模制成背甲形状并且覆盖有表皮材料的、根据本发明的挠性片。
图1A和图1B是根据本发明的第一实施方案的立体图。图1A示出了扁平、展开的结构，图1B示出了扁平、压缩的结构。可以看出，片结构100包括多个组件102，各个组件都具有三个等间隔的臂104(即在相同平面内间隔120°排列)并且在各个臂的末端包含球窝接头106的一半。所有的组件具有相同的形状并且乍一看所有组件在直觉上是相同的。但是，实际上片中存在两种不同类型的组件；第一种类型的组件在各个臂的末端都具有球/窝接头106的球部分；第二种类型的组件在各个臂的末端都具有球/窝接头106的窝部分。这样只是为了便于制作，并且各个组件只有球/窝接头类型中的一种对于本发明来说是不重要的。
片的组件优选地排列成如图2的平面图所示的规则图案(即片平面平行于纸面)。可以看出，各个组件102的各个臂104连接到相邻的组件102的臂104上。由于各个组件有三个臂104，因此各个组件102通常有三个相邻的组件。如图1A和图2所示，各个组件的各个臂都平行于各个相邻组件的连接臂，从而形成了具有最大限度的展开结构的挠性片。在该实施方案中，所述连接使得连接组件不在相同的平面内并且各个组件与距离其最近的三个相邻组件在不同的平面内。因而产生了两个独立的组件平面。这或许可以从图1A和图1B中更好地看出。包含两套组件的两个平面之间的距离为连接部分106的长度，在本实施方案中大约为6mm。连接部分优选是在垂直于纸面的方向上(从而当片保持扁平时也垂直于组件的两个平面)具有中性轴的球/窝接头。球/窝接头的“中性轴”定义为窝中的球的中心轴。因此，所述中性轴是球/窝接头的整个运动范围的中心。下面参照图14和图15来更详细地解释。
图1A和图2所示的结构描述了处于最大限度“伸展”或展开的位置的片。换句话说，该位置是片的密度最小(注意到在片中有多个打开的六角形的“环”，因此可以在视觉上证实这一点)时所处的位置。
在使用中，当通过围绕垂直于片的平面的轴线，也就是围绕球/窝接头的中性轴转动某些球/窝接头同时使得片保持扁平时，可以增大所述片或者片的一部分的密度。图1B和图3示出了在围绕(仅围绕)垂直于片的平面的轴线，相对于相邻组件来转动所有组件的情况下的转动结果。可以看出，整个片的密度显著增大了(并且因而整个片的面积显著减小了)。本实施方案中的面积减小的几何关系是当所述片被最大限度地压缩时，其面积是最大限度地展开时的面积的70％。
图4和图5分别示出了在图2中突出显示为“A”和在图3中突出显示为“B”的闭合区域。这些图用于更加详细地解释密度减小的原理。
图4示出了所述结构的单个“环”。所述“环”实际上是六角形的，因为其由六个组件来限定，并且各个组件都具有三个等间隔的臂。标记为120的组件与标记为130的组件在不同的平面内。如上所讨论的，当挠性片被放平时，这两个平面是平行的。在图4所示的结构中，各个组件的质心最大可能地远离片中的各个其他组件的质心。由于不能够将组件与任何其他的组件进一步分离，因此所述片处在最小的密度点上。
如果考虑到图4和图5所示的连接节点a、b、c、d、e及f，则可以看出密度的增大是通过将连接节点b、d和f拉向“环”的中心而实现的。如图5所示，其余的连接节点a、c和e的位置在这种运动中保持相对静止。因此，可以看出，组件能够通过转动而接近中心，从而占据先前未占据的环的中心的空间。
上面所讨论的相邻组件围绕垂直于片被放平时的平面的轴线运动，以减少整个片或者片的一部分的密度的相对运动，正是挠性片的本实施方案能够经受的一种运动。该实施方案的球/窝接头106也能够允许组件之间围绕任何平行于片的平面的轴线相对运动。
图6和图7示出了沿着图4所示的剖面线C-C所看到的球/窝接头106的两个剖面图。可以看出，球108位于窝110中，因此不能够通过垂直的拉动而使得球脱离窝。所述球可以绕球/窝接头的中性轴150转动(从而出现了上面所讨论的围绕垂直于片的平面的轴线的转动)，并且所述球也可以在窝中围绕其他的轴线转动。
在图6中，球窝接头位于其“中性”状态。可以看出，所述接头被形成为绕平行于片的平面的轴线可具有相等的转动量(在这种情况下大约为20°)。
可以理解的是，球108并不是完全的球面，其被切掉了一部分而在底部留下了基本扁平的部分112。类似地，窝110也是被部分填满而在底部留下了基本扁平的部分114，尽管窝的扁平部分114并不像球的扁平部分112那样靠近球108的中心116。这些扁平部分112/114是可选择的并且并非必须被提供。然而，就像后面将要描述的那样，它们可以在结构将被锁定时起作用。术语“球/窝接头”旨在包括如图6和图7所示的具有扁平部分的窝，以及球窝的结合部分是球形的传统的窝，并且事实上包括其中一部分起到球的作用而另一部分起到窝的作用的任何的窝。在所有的实施方案中，可以采用任意多个(例如2，3或更多)自由度的接头，球窝接头只是其中的一个示例。
图7示出了组件120围绕垂直于纸面的轴线(即平行于挠性结构的片的平面的轴线)相对于组件130转动之后的组件的位置。可以看出，组件120能够围绕该轴线转动大约20°。类似地，围绕相同的轴线在其他方向上转动的最大范围大约为20°。已经证实，对于允许与复杂的形状相匹配而不会有损接头的机械强度来说这样已经足够了。
这种围绕平行于片的平面的轴线的运动使得片能够环绕简单的形状(例如圆筒)弯曲，如图8所示。在图8中，仅使用了球/窝接头的一个自由度来实现与圆筒的表面相匹配以及与简单形状相匹配，例如通常通过组件只围绕片平面内的轴线相对于其他组件转动来实现。
然而，本实施方案用于与复杂的形状相匹配时是最实用的，例如，需要背甲的病人的身体形状。当期望片与复杂的形状一致时，将同时利用接头的更多自由度，尤其是同时实现围绕垂直于片平面的轴线的转动和围绕平行于片平面的轴线的转动。
图9示出了与半球的表面相匹配的根据第一实施方案的片。可以理解的是，这一点已经通过环绕半球对图3的最初为扁平的片进行按压而实现。在按压过程中，位于片的中心部分(即图9的顶部)的密度局部减小，而片的外边缘附近(接近图9的底部)的密度保持为较高。从而，图9给出了片的密度局部变化的示例，而片的密度的局部变化允许片与复杂的形状相匹配。
该实施方案的组件优选地由注射成形的塑料制成。可以采用任何适当的塑料材料并且已发现聚酰胺(尼龙)和聚碳酸酯可以充分地发挥作用。
如图1和图2所示，各个组件都可以由扁平的三臂的塑料部件制成。尽管已证实大约2mm的厚度可以在强度、轻便以及匹配性之间提供良好的折中，但是所述元件的厚度可以是任何适当的值，例如0.1到5mm。从组件的中心到臂端部的球/窝接头的转动中心之间的各个臂104的臂长可以为任何合适的值，例如5到50mm。已证实8mm的臂长允许所述结构环绕最实用的形状铰接。如图1和图2所示，为了安全(防止出现尖角)以及允许所述结构更紧地闭合(如图3所示)，臂沿着其长度可以具有一致的宽度，并且在其终端可以是圆形的。该宽度可以取任何适当的值，例如2到20mm，并且已证实7mm的宽度表现较好。因而，图1所示的结构有利地具有2mm的组件厚度、7mm的臂宽度以及8mm的臂长(即从组件的中心到接头的转动中心的距离)。两“层”组件120和130可分隔一定的量，通过选择所述量来限定片结构的总的厚度，例如，当采用2mm厚的组件时，8mm的距离使得总的厚度为10mm。当各个平面组件的厚度为2mm时，可以通过选择纵向长度(即中性轴方向的长度)为6mm的球/窝形接头而使得两层之间的距离为8mm。球/窝接头的球可以具有任何适当的直径，例如1mm到10mm。图1所示的球的直径为3mm。
可以采用塑料将各个组件102注塑成形，以便球/窝接头的球或窝与组件的平面部分成为一体。在这种情况下，可以制作两种类型的组件，其中第一种类型的组件具有三个窝接头，而第二种类型的组件具有三个球接头。在这种情况下，(如图1到4所示)，第一种类型的组件120构成片的一“层”而第二种类型的组件130构成片的另一“层”。
作为一种选择，可以将许多类似的组件与球/窝的两半部分分开制作，并且可以将合适的球/窝接头的半部分粘合或者利用其他方法附接到标准的平面组件的部件上。
图10A和图10B示出了组件200、220的第二实施方案，其中，组件的各个臂不再具有单一的球/窝接头，而是通过采用双端的球连接件202、222并通过在各个组件臂的末端设置连通窝204、224来提供两种这样的球/窝接头。这样允许将所有的组件202制作成完全相同的，从而提高了制作效率。该实施方案从理论上也允许围绕平行于片的平面的轴线的更大幅度的运动(即在任一个方向上运动大于20°)，而不会受到机械强度的限制。实际上，运动的机理基本上与对第一实施方案的描述相同。
图10示出了两种可选的组件形状。在图10A中，组件的中心包括空心的环形结构。这样，在减少重量的同时，使得强度达到了最大。图10B示出了一种更加小巧的组件。在单一的片中可以专用每一种类型的组件，或者在相同的片中采用不同的组件。在这两种情况下，组件具有圆形而光滑的边缘以便于操作。
图11A和图11B示出了第三实施方案。在该实施方案中的挠性片的组件的运动基本上与第一和第二实施方案中的组件的运动相同。但是，在该实施方案中存在两种完全不同的组件，其中第一组件160具有三个等间隔的臂并且在各个臂的末端具有球部件；第二组件170是三角形的，其包括两个中心相连(例如通过螺钉或者粘合剂)的平行平面，并且在角上夹住第一组件160的球。所述夹住使得第一和第二组件之间可以绕垂直于片平面的轴线和平行于片平面的轴线相对转动。从图11中可以看出，组件160可以绕垂直于片平面的轴线相对于组件170转动大约180°。与臂的厚度相比，球的直径限定了绕平行于片的平面的轴线可以实现的运动量。优选地，在任一个方向上至少可以转动10°，并且优选地允许在任一个方向上的转动不大于60°，从而保持臂的结构强度，而臂的结构强度不应当太小。该实施方案的优点在于由于采用了实心的三角形组件170，因而较好地模拟了连续的表面。还可以看出，球/窝接头的“中性轴”位于挠性片被放平时的平面内。后面将对此进行更加详细的讨论。
图12A和图12B示出了在结构上与图11基本类似的第四实施方案。但是，在该实施方案中，两种组件具有类似的形状，并且具有更接近图11所示的三角形组件170的臂。在该实施方案和第三实施方案中，各个球/窝接头的中性轴都在片的平面内。除了图12B的第一组件在夹住第二组件的球的末端具有通孔之外，图12B的结构与图12A的结构非常类似。
图13示出了第五实施方案。在该实施方案中，两个组件180和190具有极其不同的形状。第一组件180是环状或者环形的，并且沿着周长具有三个等间隔分布的球形的槽。第二组件190是线性的，并且在各个末端具有两个通常为球形的球，因而成为哑铃形。在第二组件190的末端的球适合以图13所示的方式安装到第一组件180内部的球形槽中。球/窝接头允许多自由度的运动并且因此从第一到第五实施方案的所有运动都是可能的。进一步，由于该实施方案中的球/窝接头的数量是第一实施方案中的两倍，因此，可以实现额外的运动。
图14示出了本发明的第六实施方案的两种组件。各个组件具有四个节点，所述节点位于在片平面内从纵向的“主干”部分垂直延伸的臂上。所述节点延伸到片的平面以外。从位于主干部分的一端的臂延伸的节点与位于主干部分的另一端的臂的节点在相反的方向上延伸。因而所述组件基本上是I形的。为了可以在面内扩展，在主干部分的一端的节点之间的距离要小于主干部分的长度减去一个臂的宽度。从而允许一个组件可以在平面内相对于其相邻的组件转动180°。
图15A和16A示出了闭合形式的包含第六实施方案的组件的片的一部分。该实施方案的优点在于，组件镶嵌在一起(tessellate)——也就是说，它们配合在一起而彼此之间没有间隙。因而，图15A的片呈现出基本平坦的表面，所述表面内不存在任何的间隙或洞。图15B示出了在平面内稍微展开时的片。各个组件相对于其相邻的组件转动了大约45°。因此，在片内出现了平行四边形的“洞”——这些“洞”在图16B中更加明显。
图15C和图16C示出了当各个组件相对于其相邻的组件转动90°时的片。在该位置，所述片处于其最大的展开状态，并且所述片的面积是图15A的片的两倍。在这一点上，组件之间的洞基本上是矩形的，并且具有可能的最大面积。组件的继续转动将导致所述片本身再次封闭以回到其关闭位置。
图16A和16C示出了所述片的组件的一些优选的尺寸，单位为毫米。
就像其他的实施方案一样，第六实施方案除了允许进行平面内的展开外，还可以进行平面外的运动，从而片可以与非平面的形状相匹配。为了实现这一点，在节点处采用球/窝接头，从而允许绕着片被放平时的平面内的轴线转动。优选为使得所述球/窝接头的中性轴垂直于片被放平时的平面。像其他的实施方案一样，可以采用除球/窝接头以外的接头，可以根据期望的片的性质来选择平面内的转动和平面外的转动的量。
图17和图18更加准确地示出了在各个实施方案中球/窝接头的方向如何改变。在第一实施方案中，中性轴垂直于片的平面。这在图17中示出。如图17所示，球/窝接头位于其“中性”位置，以便所述球可以在任何特定方向上在窝中转动相同的量。可以理解的是，球被垂直地插入窝中，并且应当清楚图17中的球/窝接头的中性轴因此是垂直的。
图18示出了一种可选的结构(例如第三、第四和第五实施方案的结构)，其中，球被水平地插入窝中。再次示出了球108位于相对于窝110的中性位置。可以理解的是，对于图18的结构来说，中性轴在片的平面内。
应当注意到，对于图17和图18来说，片的平面平行于直线X-X并且垂直于纸面。
图19示出了本发明的第七实施方案。与第一到第六实施方案不同，该实施方案没有采用球/窝接头来将组件连接在一起。相反地，采用了两个独立的枢轴接头。第一枢轴接头304旨在提供围绕平行于片的平面的轴线的必要的运动，而第二枢轴接头306旨在提供围绕垂直于片的平面的轴线的必要的运动。
如图19所示，片的第一组件300具有三个等间隔的臂。连接到各个臂的是连接元件302，所述连接元件通常为线性的并且在每一端具有互相垂直的枢轴接头。组件300和连接元件302之间的枢轴连接部分304用于允许围绕平行于片的平面的轴线的相对运动，并且所述轴线是组件300的平面和连接元件302的平面所共有的轴线。围绕枢轴304的运动允许片围绕物体弯曲。连接元件302通过垂直于片平面的轴线，经由枢轴连接部分306连接到另一个连接元件302。围绕所述轴线的相对运动使得片的密度可以被调整。就像可以从图19中理解一样，各个组件300连接到三个独立的连接元件302，并且各个连接元件302在一端连接到组件300而在另一端连接到另一个连接元件302。像上面对第一到第六实施方案的描述一样，所述组件以相同的重复的图案连接在一起，从而形成通常为六角形的“环”结构。可以注意到，通过枢轴304连接到三个连接元件302的组件300，采用与第一实施方案的单一组件102相同的方式运动。也就是说，这种组件300可以围绕垂直于挠性片的平面和平行于挠性片的平面的轴线相对于其他组件300运动。
如图19所示，连接元件302优选地具有轭，采用辊销将所述轭连接到组件300的一个臂，以形成枢轴连接部分304。优选地采用铆钉将连接元件302的另一端连接到类似的连接元件，以便形成枢轴连接部分306。
像其他的实施方案一样，根据使用组件的目的，组件可以采用任何适当的尺寸。连接元件302的长度可以在5mm到50mm的八边形轴线之间，例如18mm，并且厚度为1mm到30mm，例如10mm。如图19所示，尽管连接元件302的宽度优选在3mm到50mm的范围内并且优选小于25mm，但是其宽度可以是非固定的。组件300除了通常需要更厚以便通过其厚度来容纳枢轴304之外，其具有与第一实施方案的组件类似的尺寸。为了保证片具有统一的厚度，组件300与连接元件302的厚度可以相同，例如10mm。组件300优选地具有8mm的臂长和5mm的臂宽。
六角形“环”的结构是采用具有三个等间隔的臂的组件的结果。如果采用具有其他数量的臂的组件，则所述“环”将有不同的形状。例如，图20示意性地示出了当各个组件350具有四个节点360时，片平面内密度变化的机制。在这种情况下，所述“环”是四边形的。对于其他的节点数量和组件形状来说，所述“环”将有不同的形状。然而，所述“环”的特征为不包含任何组件的区域。
图20A示出了所有的组件350与其相邻组件的间隔最大时的结构。这也是密度最小而面积最大的结构。图20B到图20D示出了组件从片的最大展开状态到图20E所示的最紧密状态的相对运动过程。可以看出，展开的片的面积大约是未展开的片的两倍。图20F示出了处于展开模式和未展开模式之间的片的更大的一部分。
现在将描述本发明的进一步的方面，其中可以将铰接特征选择性地锁定和解锁。通常，本发明的这一方面涉及“锁定材料”的使用，也就是说，涉及在应用外部能量或者去除外部能量时，可以以某种方式变化的材料。例如，这种变化可以是状态变化、化学变化或者尺寸变化的形式。优选地使所述锁定材料直接靠近结构接头的某些部分，以便影响接头是否可以容易地运动。
尽管可以理解所述构思可以延伸到任何类型的接头，例如枢轴接头，但是下面的示例是以球/窝接头为例的。本发明的锁定方面尤其可以取代上面所讨论的现有技术的文件(例如美国专利4,484,778)中所示锁定系统。
图6示出了球/窝接头的剖面图。如前所述，所述球具有扁平部分112并且所述窝具有扁平部分114，以便在球的端部和窝的底部之间留有空间。当所述球从图6的位置转动到图7的位置时，该空间的形状发生了变化。在该空间中可以设置锁定材料400，并且如果在任何特定的时刻使得所述锁定材料成为固态，则所述材料将用于阻止图6和图7所示的转动。但是，如果使得所述锁定材料成为流动态，则又可以转动。
锁定材料的优选实施方案是热塑性的聚合物。可以使得这种材料是“柔软的”，因而实际上是可以流动的，而在室温时却是“凝固的”，因而在较低温度时实际上是固态的。仅通过简单地降低接头的温度就可以将接头锁定。作为一种选择，在室温时可以使得所述热塑性聚合物为固态，而在较高温度时实际上是可以流动的，在这种情况下，可以通过升高温度(即加热接头或整个结构)来使接头解锁。从严格意义上说，没有必要使得所述热塑性聚合物经历状态的变化——只需要将锁定材料的粘性变为足够在“解锁”状态下可以容易地运动而在“锁定”状态下不可以容易地运动的程度。因而，锁定状态和解锁状态之间的相对粘性比是否发生状态改变更加重要。
作为除了窝的底部和球的末端之间的锁定材料的“插塞(plug)”之外的一种选择，在球的周围和窝的内部，可以作为薄的覆盖层涂覆锁定材料400。如图21所示，为了提供必要的锁定功能，在球108的周围设置槽402并且在窝110的周围设置槽404，以便一旦所述锁定材料不再具有足够的流动性时，限制或阻止接头的运动。将所述槽设置为与垂直于所述接头的中性轴的平面准直。然而，附加的或者可选的槽可以与平行于所述接头的中性轴的平面准直，以限制或阻止所述接头围绕所述中性轴运动。槽的形状并不是非常重要的。图21示出了顶部的圆形轮廓的槽和底部的三角形轮廓的槽。当然，在实际的实施方案中，所述槽在球和窝的周围可以始终具有相同的轮廓。可以采用任何形貌特征来实现锁定功能，所述槽并非是限制性的。例如，可以使用钉、凹痕、刚毛以及表面粗糙度。
参照图6，在平行于中性轴150的窝内可以形成包含圆筒形凹陷的钉(peg)形。在图6所示的具有扁平形末端的窝中或者在内部为球形的窝中可以采用这种钉形。该钉形凹陷中填充有锁定材料400，并且将用于增强阻止围绕除中性轴150以外的所有轴线转动的能力。为了阻止围绕所述中性轴的转动，如上所述，在所述球的周围设置与平行于该轴线的平面准直的槽。所述钉形凹陷可以可选地位于球内而不是窝内，并且不需要与所述中性轴准直。例如，所述钉形凹陷可以相对于某些其他轴线偏移或者对准。
用于限定球或窝的材料可以是锁定材料400。例如，整个球108可以由在高温时可以流动的热塑性聚合物构成。在该状态下，所述结构可以移动，并且可以将所述球/窝的形状设定成一旦温度降低就不能够移动的形状。
该锁定概念也可以用于其他的接头，例如枢轴接头。像上述的球/窝接头的接触面一样，枢轴接头或者其他接头的接触面可以包含凹入其内的圆筒形或者多面的槽。作为一种选择或补充，可以包括平的部分，以便需要锁定材料能够在相对运动发生之前改变形状。
可以通过将能量选择性地分别导入全部、一些或者仅仅一个接头中，而使结构中的全部、一些或者仅仅一个接头锁定或者解锁。通常，将能量同时导入结构中的所有接头中是比较简单，因而使得解锁/锁定也非常迅速和简单。
上面的示例表明可以使用热量来加热锁定材料并使其流动。可以通过任何公知的方法来提供这种热量，包括热水浴、热气枪以及烤箱。进一步，可以通过使材料暴露于微波中来提供热量，并且这种选择对于不希望或者不需要将实际的挠性矩阵结构加热的情况尤其具有吸引力。所述锁定材料可以由对微波敏感的材料制成(例如在热塑性聚合物中掺杂碳)，从而当采用微波时，所述锁定材料比周围的结构更易于加热。
图22至图27示意性地示出了一些可选的锁定机制。请注意，尽管这些图仅示出了球/窝接头，但是所述锁定机制可以用于组件之间的任何类型的接头。进一步，所述概念可以用于单一接头或者多个接头(例如，如图所示的两个接头)。
图22示出了热-机械引入的形状变化的示例。在该示例中，球108由具有较低的热膨胀系数的材料制成，锁定材料400具有较高的热膨胀系数，而窝110具有中等的热膨胀系数。当加热时，所述锁定材料膨胀最大，所述球膨胀最小，而所述窝膨胀的程度介于两者之间。这种膨胀趋向于增大锁定材料和窝之间以及锁定材料与球之间的摩擦力，因此，作为膨胀的结果，在球和窝之间将产生力。接下来，所述力可用于阻止在窝内的球的实际转动。如图22所示，可以由穿过锁定材料的元件来提供必要的热量，所述元件由穿过整个结构的电线来供电。
图23示出了电-机械引入的形状变化的示例。在这种情况下，采用压电或者其他的电抗材料作为锁定材料400。在松弛状态下，球108和锁定材料具有联锁的槽或沟，从而阻止相对转动。在提供电流的情况下，可以使得压电锁定材料以这种方式转动，即所述槽或沟是脱开的，并且球108可以在窝110中运动。
图24示出了在窝110中使用电-流变或者磁-流变的流体402的情形，其可以夹住和限制或者阻止杆上的桨叶穿过组件内的流体移动。如图24所示，各个球108设置有至少一个(图24中为两个)桨叶410。当电-流变的流体420处于流动状态时(其通常为静止状态)，由于桨叶410可以穿过流体420移动(虽然存在某些实际上并不重要的阻力)，因此所述球可以转动。当给电-流变的流体420施加电流时，其有效地“凝固”并且桨叶410实际上不能够再运动，因此可以将球108就地定位并将结构锁定。
图25示出了采用化学-机械锁定的示例。在这种情况下，在球108和窝110之间使用粘性的交叉连接锁定材料402。所述锁定材料优选为双面的胶带，并且可以用于如图25所示的与压电材料404相连接。可以使压电材料404在足以刺激粘合剂402的分子的频率下振动，从而使得其温度升高并且使得粘合剂402固化。根据所使用的材料，所述效果可以是暂时的或者永久的。
图26示出了采用风力-机械的锁定的示例。如图26所示，球108由多孔渗水材料制成，所述材料对流体的流动具有非常大的阻力。因此，将压缩的空气充入球108中可以用来使球膨胀，以便在窝110中形成球108的摩擦配合。这趋向于将所述球就地锁定。可以将空气从球中抽走或者允许空气从球中漏走，以便使球压缩并允许再次运动。作为一种选择，可以将球制作为在窝中干涉配合，并且可以将空气抽走以允许其运动。
图27示出了水力-机械的锁定的示例。在这种情况下，窝材料110被制成多孔渗水的材料，并且通过向其中提供压缩的液体来使其膨胀。如图27所示，这种膨胀用于使得窝110将球108钳位，以便锁定运动。
作为图24的可选的实施方案是在窝110中采用触变流体或者震凝流体。当采用触变流体时，在较低的绝对应力下(锁定)，所述流体的粘性会更强，而在较高的绝对应力下(解锁)，所述流体的粘性会更差。因此，当对所述结构施加较小的力时，其将呈现锁定状态，而当对其施加较大的力时，其将呈现解锁状态。这对于被设计为在特定力的作用下碎裂的结构是有用的。
震凝流体实现了相反的功能，即，在较大的绝对应力下(锁定)其粘性会更强，而在较小的绝对应力下(解锁)其粘性会更差。这就提供了一种特别有价值的耐震结构，因为与较小的力相比，该结构更能够抵抗较大的力。因此，可以提供一种在正常使用时具有挠性而在震动时可以变硬的结构。
对于所有的锁定的实施方案，可以根据环境来提供或者不提供可逆性。对于某些应用来说，只需要将结构解锁或者锁定一次，并且在这种情况下锁定的可逆性并非必备条件。然而，上述的许多实施方案都允许提供可逆的结构，从而使得结构可以重复使用。通过提供能够在(固体/流体、膨胀/压缩、粘性/非粘性等)状态之间多次来回转换的锁定材料来提供可逆性。
在同一结构中可以采用可逆的和不可逆的锁定机制的组合。因此，可以将紫外可固化的粘合剂与可逆的锁定材料之一(例如热塑性聚合物)一起应用到所述球/窝界面。可以将所形成的结构加热以使得热塑性的锁定材料流动并且使得接头可以转动，从而使得所述结构能够成形为特定的形态。然后，可以将所述结构稍微冷却，以便基本上使所述结构固定，此时尽管存在摩擦阻力，但是仍然允许某些转动。最后，一旦出现任何细微的变化，则将所述结构就地锁定，可以打开紫外光以使得所述粘合剂固化并且将所述结构永久地锁定。这样做的优点在于温度的进一步升高不会使得所述结构再具有挠性。可以将所述组件制成透明的，以便允许紫外光照射到可固化的粘合剂。
在上述实施方案中，激活接头中的活性材料使得接头在给定的时间内具有挠性，直到激活能量被耗尽。例如，加热活性材料可以允许接头在有限的时间内运动，直到接头冷却。可以另外或者选择性地使用所述活性材料以提供连接或分离功能，而不是允许或者阻止运动。可以设计这种包含活性材料的接头，当所述活性材料被激活时，其具有连接或分离的特性。例如，接头可以被设计成将两种或更多的材料结合在一起，并且当导入能量时可以将两种材料分离。相反的过程也是可能的，即直到能量被导入时所述活性材料才会将两种材料结合在一起，并且在能量被导入时形成连接。对于本发明的所有的实施方案，这一点不只是对球/窝接头适用，并且可以将所述活性材料用作例如三明治类结构的填充物，其将两种平面材料结合在一起。可以使用压力来激活所述材料，从而当施加压力时形成两层之间的结合。
可以将任何一种锁定机制用于本文所描述的任何一种铰接结构中。也可以将所述锁定机制用于现有技术的结构中，包括挠性片。
图28示出了本技术的特别有价值的应用——背甲。这些矫形器为变形的脊骨提供支撑并且通常可以使用一到两年。所述矫形器要承受变化的、通常为环形的负载。这种矫形器传统上由高密度聚乙烯材料的固体片构成，其中将所述聚乙烯材料加热到160°以使其具有挠性，并且在其处于挠性状态时使其环绕模型成形。这样做的缺点在于需要病人身体的模具以便在安装矫形器之前形成模型。这样使得安装矫形器的过程缓慢并且成本较高。
在图28中，在挠性材料的两层“表皮”内部示出了所述挠性片结构。图中被切开的部分示出了被切开的上层表皮的一部分，该部分展示出所述片结构的轮廓以及在所述轮廓后面的内层表皮。所述表皮允许待使用的矫形器接触敏感的身体部分，而不会引起不适或疼痛。作为使用表皮的一种选择，一旦所述挠性结构被锁定为适当的形态，则可以将凝胶体、泡沫或者其他的流体浇铸到所述挠性材料上，从而封装所述挠性结构。可以采用聚亚安酯或者聚丙烯泡沫。如果这种流体可以凝固，则可以进一步为所述结构提供刚性，从而制成永久的背甲。作为一种选择，可以设置所述凝胶体但是仍使其保持挠性。在这种情况下，可以提供具有连续表面的背甲，但是仍然可以通过上述的任何方式将组件解锁以调整所述背甲。可以将覆盖层和遮盖物与本文所公开的任何一种结构一起使用，并且可以将其用于任何一种应用(不仅是用于背甲)。
在背甲中使用本发明具有许多有利的方面，包括下面详细描述的三个方面。
1.所述挠性片结构在低温时较高的匹配性意味着可以使最初为扁平的片直接环绕病人的身体匹配，而不需要制作模具和模型并且也不需要去除或者增加任何新的组件。这就意味着可以由医生来不断提供扁平的矩形片，并且任何一个扁平的矩形片都可以用于任何病人。一旦所述片被匹配为合适的形态，则可以简单而迅速地将其锁定，而不需要经历费力的逐个组件的锁定程序。例如，可以采用热气枪来给扁平的片充气，以使其具有挠性，可以在所述片仍然具有挠性时环绕病人的身体模制，并且可以允许所述扁平片自然冷却，以使其成为刚性的片并执行脊柱支撑的功能。采用标准的最初为扁平的片在非常短的时间内就可以完成这些操作，而不需要任何费力而乏味的绷紧或松开步骤。
2.所形成的矫形器可以使用许多年，如果需要任何的调整(例如将给儿童使用的矫形器)，则可以迅速而容易地完成。进一步，矫形器的材料是清洁而安全的，并且不会危害到病人的健康。所述矫形器也具有充分的刚性，可以负担所需的负载，并且一旦被锁定则会保持特定的形状。
3.为了提高舒适度，可以给所述挠性材料增加衬垫、增加覆盖物或者增加软垫，以便所述挠性结构可以起到舒适的内骨骼的作用。
总的来说，可以对本申请中所描述的任何一种挠性结构进行修改，以使得所述结构的表面的全部或者一部分具有连续的表面。这一点可以通过将一层或者两层表皮放置在所述“骨架”上并使其粘附在骨架上而将所述骨架封装，或者将所述骨架嵌入某种随后可以变成固体的流体中来实现。这种流体可以是泡沫或者凝胶体的形式。可以采用这两种流体的组合，由此使得组件之间的缝隙充满泡沫或者凝胶体，从而使得所形成的结构覆盖有一层表皮。在不使用表皮的情况下，可以采用砂纸打磨或者类似的方法而使得表面光滑，以提供光滑的连续表面。所采用的方法是否正确取决于该方法是否适合预期的应用。这些方法尤其适合用作吸收震动的填料或者空气动力学的防风形状或者水力的防水形状(例如，机翼和船的外壳)。
本发明的结构可以用于其他的应用中，例如，用于处理精致的物体或者用于快速的制模过程。可以增大或者减小所述结构的规模，并且可以用于可折叠并可重复使用的帐篷。
其他可能的应用(不应将其看作是对本发明的限制)包括
航空和国防航天服；冒险服，身体盔甲和保护，维修工具；充气结构；医疗人员支撑；燃料的飞机翼限制；内部及外部的机翼和整流装置；燃料箱；机翼降落伞，机动滑翔机翼，滑翔机。
航海潜水服；艇，独木舟，划桨；用于捕鱼或潜水的网；刚性的船帆。
工程和建筑紧急建筑；大帐篷，避难所；礼堂的声学结构；模型材料；地面减摇；景观美化，格架，栅栏，池塘衬垫；装饰和雕塑结构；家具和座位；可再使用和可折叠的结构；水电站；脚手架；隧道加固；雕刻结构的DIY-基础；塑造，模型和安装材料；雕塑；圆屋顶建筑；管道建设和维修；展览标准；商店展览；机警地方的结构；灌溉；加热或冷却套-小管；雕塑的艺术和建筑基础。
汽车交通工具设计和制模；软顶部和硬顶部的改变；顾客座位；包括气囊替换的碰撞吸收结构；易于重复利用的汽车配件；扣合/解扣技术；卡车-用来代替火车；碰撞模拟；雪地轮胎。
服装和饰品身体保护；帽子和头盔；靴子；迪斯科服饰；珠宝项链和手镯；流行饰物；接口材料；经由微管道加热－冷却的上衣；人体模特和商店展示；女士的内衣裤——束腹，乳罩，裙撑。
玩具和新鲜事物演员人物和玩偶；通用的模具材料；以基本的形式来制作玩具；压力释放；三维拼板玩具。
运动和休闲轻便、刚性的结构帆板，溜冰板，滑雪板，雪橇，雪橇靴，雪橇；运动身体保护板球盒，剑术，橄榄球手套，衬垫和填料，拳击医疗矫正术；使软弱的肢体增强；脖子矫形器；手腕支撑；石膏模；急救(化学或环氧材料)；延伸器；查找移动器(move as found)，身体固定/夹板；照X光时夹紧以控制头部；轮椅；防止产生压迫疼痛的床支撑；肢体和鞋垫的模型；稻田-河床鞋(Rice paddy-bed shoes)；微观水平改造的手术室；锁定身体的关节，限制关节的灵活性，固定的运动范围和方向；医疗测量——心率，呼吸；手术桌/病人定位；戒毒。
电子和通信支持弯曲的/有形的LCD型薄显示器；三维形状的传输传感器；用于承载包括移动电话的电子设备的平台，GSM计算机；手持自由的有形电话；可折叠的卫星盘；通信天线杆，暂时、可折叠的、预制的法拉第升降车和通用EMI/RFI屏幕，电话盒和隔音罩/声音屏蔽罩。
石油和天然气管道维修工具；石油溢出围堵；隧道结构的支撑。
包装专业包装；精致的人工制品的包装。
权利要求
1.一种包含多个连接在一起的组件的挠性片结构，所述多个组件连接在一起，以使得各个组件能够相对于其所连接的相邻组件，围绕第一和第二轴线转动，所述第一轴线平行于所述片被放平时的平面，所述第二轴线垂直于所述片被放平时的平面。
2.如权利要求1所述的挠性片结构，其中，组件能够相对于其所连接的相邻组件围绕所述轴线转动通过至少-10°到+10°的全范围，所述轴线平行于所述片被放平时的平面。
3.如权利要求2所述的挠性片结构，其中，所述转动至少通过-20°到+20°的全范围。
4.如权利要求2或3所述的挠性片结构，其中，组件能够相对于其所连接的相邻组件围绕所述轴线在不超过-60°和不超过+60°的范围内转动，所述轴线平行于所述片被放平时的平面。
5.如权利要求4所述的挠性片结构，其中，所述转动在-30°和+30°之间。
6.如前述权利要求中的任意一项所述的挠性片结构，其中，组件能够相对于其所连接的相邻组件围绕所述轴线转动通过至少-10°到+10°的全范围，所述轴线平行于所述片被放平时的平面。
7.如权利要求6所述的挠性片结构，其中，所述转动至少通过-30°到+30°的全范围。
8.如权利要求7所述的挠性片结构，其中，所述转动至少通过-80°到+80°的全范围。
9.如前述权利要求中的任意一项所述的挠性片结构，其中，各个组件具有多个节点，并且所述组件中的至少一个组件的各个节点连接到不同的相邻组件的节点。
10.如权利要求9所述的挠性片结构，其中，各个组件具有三个且只具有三个节点。
11.如权利要求9所述的挠性片结构，其中，各个组件具有四个且只具有四个节点。
12.如权利要求9、10或11所述的挠性片结构，其中，各个节点位于臂的末端。
13.如权利要求11或12所述的挠性片结构，其中，所述组件的各个臂平行于所述片被放平时的平面。
14.如权利要求10到13中任意一项所述的挠性片结构，其中，各个节点连接部分是单一接头，所述接头允许所述的垂直于所述片被放平时的平面的转动和所述的平行于所述片被放平时的平面的转动，优选为能够同时围绕所述垂直轴线和平行轴线中间的单个轴线转动。
15.如权利要求14所述的挠性片结构，其中，所述单一接头具有与所述片被放平时的平面基本成90°的中性轴。
16.如权利要求14所述的挠性片结构，其中，所述单一接头具有与所述片被放平时的平面成角度的中性轴。
17.如权利要求14所述的挠性片结构，其中，所述单一接头具有与片被放平时的平面基本平行的中性轴。
18.如权利要求14、15、16或17所述的挠性片结构，其中，所述单一接头是球/窝接头。
19.如权利要求18所述的挠性片结构，其中，所述球/窝接头是包含两个球和两个窝的双端球/窝接头。
20.如权利要求1所述的挠性片结构，其中，组件能够相对于其直接或间接连接的相邻组件围绕所述轴线在至少-90°到+90°的全范围之间转动，所述轴线平行于所述片被放平时的平面。
21.如权利要求20所述的挠性片结构，其中，组件能够相对于其直接或间接连接的相邻组件围绕所述轴线在至少-180°到+180°的全范围之间转动，所述轴线平行于所述片被放平时的平面。
22.如权利要求1、20或21所述的挠性片结构，其中，组件能够相对于其直接或间接连接的相邻组件围绕所述轴线在至少-100°到+100°之间转动，所述轴线垂直于所述片被放平时的平面。
23.如权利要求20、21或22所述的挠性片结构，其中，组件能够相对于其直接或间接连接的相邻组件围绕所述轴线在不超过-120°到不超过+120°的范围之间转动，所述轴线平行于所述片被放平时的平面。
24.如权利要求1到13或20到23中任意一项所述的挠性片结构，其中，所述片的至少一个组件通过连接元件连接到相邻组件。
25.如权利要求24所述的挠性片结构，其中，所述至少一个组件通过接头连接到所述连接元件，所述接头允许所述组件和连接元件之间围绕所述轴线相对转动，所述轴线平行于所述片被放平时的平面。
26.如权利要求24或25所述的挠性片结构，其中，所述连接元件包括通过接头连接在一起的两个部件，所述接头允许所述两个部件之间围绕轴线相对转动，所述轴线垂直于所述片被放平时的平面。
27.如权利要求24、25或26所述的挠性片结构，其中，各个组件通过接头连接到连接元件，所述接头允许所述组件和所述连接元件之间围绕所述轴线相对转动，所述轴线垂直于所述片被放平时的平面。
28.如权利要求24、25、26或27所述的挠性片结构，其中，所述连接元件是在其各个末端具有球的单一的线性部件。
29.如前述权利要求中的任何一项所述的挠性片结构，其中，所述组件和任选的连接元件连接在一起，从而在所述平面中形成规则的闭环图案。
30.如权利要求25所述的挠性片结构，其中，所述环路能够闭合以在由于组件围绕与所述片被放平时的平面垂直的所述轴线相对转动，因而所述片保持扁平时，减小所述片的面积。
31.如前述权利要求中的任何一项所述的挠性片结构，其中，在所述片保持扁平时，整个片或者片的一部分的有效面积可以变化。
32.如权利要求31所述的挠性片结构，其中，在所述片保持扁平时，所述片的面积可以减少到其原始尺寸的80％，或者更小。
33.如权利要求31所述的挠性片结构，其中，在所述片保持扁平时，所述片的面积可以减少到其原始尺寸的60％，或者更小。
34.如权利要求34所述的挠性片结构，其中，在所述片保持扁平时，所述片的面积可以减少到其原始尺寸的40％，或者更小。
35.如前述权利要求中的任何一项所述的挠性片结构，其中，每个组件能够相对于其所连接的相邻组件围绕的互相垂直的轴线中的各个转动，所述轴线位于所述片被放平时的平面内。
36.如前述权利要求中的任何一项所述的挠性片结构，其中，每个组件连接到多个相邻组件。
37.一种包含多个连接在一起的组件的挠性片结构，所述组件中的至少一个通过多自由度的接头连接到另一个所述组件，所述接头具有与所述片被放平时的平面基本成90°的中性轴。
38.如权利要求37所述的挠性片结构，其中，所述片的各个所述组件通过多自由度的接头连接到另一个组件，所述接头具有与所述片被放平时的平面基本成90°的中性轴。
39.一种包含多个第一和第二连接元件的挠性片结构，其中，每个所述第一元件通过接头连接到所述第二元件，以允许围绕轴相对转动，所述轴平行于所述片被放平时的平面，并且每个所述第二元件通过接头连接到相邻的所述第二元件，以允许围绕轴相对转动，所述轴垂直于所述片被放平时的平面。
40.如权利要求39所述的挠性片结构，其中，在所述片被放平时的平面内，每个第一元件具有三个间隔约120°的臂，并且每个第二元件是在其各个端部具有所述接头的线性部件。
41.一种包含多个连接在一起的组件的挠性片结构，其中，每个所述组件具有第一、第二和第三臂，各个臂与其他两个所述臂规则地隔开，各个所述臂连接到相邻的所述组件的臂上，以使得所述片的每个组件能够相对于其相邻组件围绕轴线转动，所述轴线垂直于所述片被放平时的平面。
42.如前述权利要求中的任何一项所述的挠性片结构，其中，每个组件由基本刚性和非挠性的塑料材料制成。
43.如前述权利要求中的任何一项所述的挠性片结构，其中，组件之间的连接部分被设置成使相邻组件之间不能够发生纯粹的相对平移。
44.如前述权利要求中的任何一项所述的挠性片结构，其中，所述片中的每个组件在形状上与所述片的其他组件基本类似。
45.一种包含多个连接在一起的组件的挠性片结构，其中，所述多个组件连接在一起，以在所述片保持扁平时允许改变所述片的有效面积，以及允许平面以外的运动，从而使得所述片可以与复杂的形状平滑地匹配。
46.如前述权利要求中的任何一项所述的挠性片结构，进一步包括用来为所述片结构提供平滑的外表面的附加材料。
47.如权利要求46所述的挠性片结构，其中，所述附加材料是附接到所述多个组件上的较薄的覆盖材料。
48.如权利要求46所述的挠性片结构，其中，所述附加材料作为流体被施加以封装所述多个组件。
49.一种用于前述权利要求中的任何一项所述的挠性片结构中的组件。
50.一种用于挠性片结构中的组件，所述组件具有多个臂，其中每个所述臂包括多自由度接头的一半，所述多自由度接头的一半用于连接到位于所述片中的相邻组件的臂上的多自由度接头的另一半；所述多自由度接头的一半的方向被确定为使得所形成的多自由度接头具有朝向片平面以外的中性轴。
51.如权利要求50所述的组件，其中，所述多自由度接头的一半与所述组件的主平面成90°角。
52.如权利要求50或51所述的组件，其中，所述多自由度接头的一半是球和窝之一。
53.一种可锁定的铰接结构包括多个连接在一起的组件，从而所述组件可以相对于其他组件选择性地运动；两个所述组件之间的至少一个连接部分包括能够呈现至少两种状态的锁定材料，所述至少两种状态包括所述元件可以相对运动的第一状态以及至少基本阻止这种运动的第二状态；通过将能量选择性地导入所述锁定材料而实现所述两种状态之间的转换。
54.如权利要求53所述的结构，其中，所述选择性的运动为转动。
55.如权利要求54所述的结构，其中，所述转动是围绕一个以上轴线的转动。
56.如权利要求53、54或55所述的结构，其中，所述第一状态是比所述第二状态软的状态。
57.如权利要求56所述的结构，其中，所述第二状态是凝固态。
58.如权利要求57所述的结构，其中，所述转换是从所述凝固态到所述较软的状态的转换，并且通过向所述锁定材料提供热量来实现所述转换。
59.如权利要求58所述的结构，其中，所述锁定材料在更大程度上比所述铰接结构的材料更易于被微波能量加热，从而可以通过使整个结构受到微波的辐射而将热量提供给所述锁定材料。
60.如权利要求53、54或55所述的结构，其中，所述第一状态是展开状态而所述第二状态是压缩状态。
61.如权利要求53、54或55所述的结构，其中，所述第一状态是压缩状态以及所述第二状态是展开状态。
62.如权利要求60或61所述的结构，其中，所述转换是从所述压缩状态到所述展开状态的转换，并且通过向所述锁定材料提供热量或电流来实现所述转换。
63.如权利要求53、54或55所述的结构，其中，所述第一状态是非粘接状态而所述第二状态是粘接状态。
64.如权利要求63所述的挠性片结构，其中，所述转换是从所述非粘接状态到所述粘接状态的转换，并且通过向所述连接部分提供热量、UV辐射或者电流来实现所述转换。
65.如权利要求53、54或55所述的结构，其中，所述第一状态是受压状态而所述第二状态是非受压状态或者低压状态。
66.如权利要求65所述的结构，其中，所述转换是从所述受压状态到所述非受压状态的转换，并且通过将液压或气压流体注入所述连接部分来实现所述转换。
67.如权利要求53到66中的任何一项所述的结构，其中，所述转换是可逆的。
68.如权利要求53到67中的任何一项所述的结构，其中，所述连接部分是球-窝接头，以及所述锁定材料至少围绕球的一部分设置。
69.如权利要求68所述的结构，其中，所述球和/或窝接头具有扁平部分，并且所述锁定材料与所述扁平部分相邻设置。
70.如权利要求68或69所述的结构，其中，当所述结构被锁定时，提供用来防止围绕所述球/窝接头的中性轴转动的形貌特征。
71.如权利要求70所述的结构，其中，所述球或窝具有一个或多个槽形的形貌特征，所述锁定材料位于所述槽形的形貌特征内。
72.如权利要求53到67中的任何一项所述的结构，其中，所述连接部分是包括轴部分和环状部分的枢轴。
73.如权利要求72所述的结构，其中，所述锁定材料位于所述轴部分和所述环状部分之间。
74.如权利要求73所述的结构，其中，所述轴部分或环状部分具有非圆筒形的表面，并且所述锁定材料与所述表面相邻。
75.如权利要求53到74中的任何一项所述的结构，其中，所述材料是热塑性材料。
76.如权利要求53到75中的任何一项所述的结构，其中，所述材料是易熔材料。
77.如权利要求53到76中的任何一项所述的结构，其中，所述材料是热固性材料。
78.如权利要求53到77中的任何一项所述的结构，其中，所述材料是聚合物。
79.如权利要求53到78中的任何一项所述的结构，其中，所述材料是触变流体或震凝流体，从而根据作用在结构上的力的水平来提供不同的有效粘性量。
80.一种挠性片结构，其包括权利要求53到79中的任何一项所述的可锁定的铰接结构。
81.如权利要求1到48中的任何一项所述的挠性片结构，其中，根据权利要求53到79中的任何一项，至少两个组件可锁定地连接在一起。
82.如权利要求81所述的挠性片结构，其中，根据权利要求53到79中的任何一项，所述片中的所有接合部分是可锁定的，从而所述片能够选择性地匹配和锁定。
83.一种包括权利要求1到47中的任何一项或者53到82中的任何一项所述的挠性片结构的背甲。
全文摘要
公开了一种具有改进的匹配性但是仍牢固耐用的挠性片结构。所述结构由多个组件构成，所述组件允许与所述片被放平时的平面平行和垂直的轴线的相对转动。这样允许所述片的密度局部或全部改变，从而提供围绕复杂形状的改进的匹配性。还公开了一种在每个连接部分中使用锁定材料来使所述片的组件锁定和解锁的方法，其中由外部的附加能量(如热能)来激活所述锁定材料。
文档编号A47C23/00GK1874709SQ200480032428
公开日2006年12月6日 申请日期2004年11月5日 优先权日2003年11月6日
发明者马丁·弗格森-佩尔, 格雷厄姆·尼科尔森, 大卫·霍斯, 卡尼克·塔弗迪, 彼得·艾伦, 迈克·贝维斯 申请人:Ucl 生物医学公共有限公司