CN103370023B - 马达系统、马达以及机械臂装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及马达系统、马达以及包括它的机械臂装置。根据本发明，提供一种包括齿条的马达，该齿条在其上具有与多个接合元件接合的周期性表面。通过以周期性和时移的方式朝向表面结构驱动接合元件来回运动，可产生线性运动。

Description

马达系统、马达以及机械臂装置
技术领域
本发明涉及马达(motor，电机，电动机)系统、马达、以及包括它的机械臂(robotarm)装置。更特别地，本发明涉及在线性运动期间提供高精度的马达，并且它们还适合于在医疗环境中使用。
背景技术
已经开发了几种类型的用于线性运动的马达。例如，在半导体行业中，用线性马达来精确地定位晶圆。另一实例是齿条和小齿轮(pinion)。小齿轮是圆形的，并在其外表面上设置有齿。这些齿与设置于线性杆(即齿条)上的齿接合(engage，啮合)。这样，将小齿轮的旋转运动转换成齿条的线性运动。
马达和机械臂装置的一个特别有趣的应用是使用磁共振成像(MRI)的医学成像的领域。
由于人逐渐变老，新的癌症的情况的数量增加。如果早期发现癌症，恢复的机会更大。新的诊断方法使得可能在非常早的阶段检测到癌症。
一种经常出现的癌症种类是前列腺癌。一种早期检测方法使用前列腺的对比度增强的MRI。由此检测到前列腺中的可表示癌症的不规则性。然而，为了确定诊断以及由此为了开始治疗，活体检查组织样本是必需的。MRI检查的增加的诊断质量的问题是，发现如此小的病变，使得传统的活体检查技术没注意到它。这导致必须重复进行活体检查，或者更差地，在活体检查针已经忽略病变的同时，导致得出没有癌症的结论。
由于这个原因，需要能够在MRI成像的基础上，以精确的、可检验的、简单的且快速的方式，获得活体检查样本。如果可在MRI视野下操作活体检查针，那么这将是最佳的，其中，在操作期间，可补偿由于针的操作而引起的前列腺的变形。仅当在病变中看到针时，并由此证明已经从怀疑位置获得活体检查样本时，可作出是否存在癌症的确定判断。基于MRI的该方法是MRI检验的，而不是MRI引导的，因此需要大量时间。医生必须进入MRI空间，使患者从MRI滑出，操作针，然后必须将患者推回到MRI中。医生离开该空间并进行检验MRI。重复此操作，直到针已经到达目标位置为止。
因此，需要马达来进行精确定位，特别是用于医疗器械。
另一需求来源于这些马达需要是无菌的事实。
另外，这些装置需要适合于在MRI环境内运行。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少一个上述需求。
根据本发明，用一种马达系统来实现此目的，该马达系统包括具有齿条构件(rackmember)的马达，齿条构件在其表面上设置有一种结构，所述结构在至少一个方向上具有齿轮元件(gear element，传动元件)的周期性布置。齿条构件的一维实例是上述齿条，其中，该表面结构包括齿的周期性布置。然而，二维或更多维布置也是可能的，例如，是在其表面中设置有蜂窝型构造的凹陷(dimple)的金属平面的形式。这种表面的特征是不止在一个方向上具有可识别的齿轮元件的周期性布置(在此情况中，是单个蜂窝单元)。
根据本发明的马达进一步包括齿构件，该齿构件容纳(accommodate，适配，适应)对至少一个方向中的一个方向所布置的一组多个致动器，每个所述致动器包括接合元件(engaging element，啮合元件)和驱动单元，接合元件被成形为用于与所述齿轮元件接合，驱动单元用于对所述接合元件提供动力，使其相对于所述周期性结构来回运动。
根据本发明，一组致动器被用于这些方向中的一个方向，沿着该方向可识别周期性布置。多组能够被用于不同的方向。
接合元件被成形为用于与齿轮元件接合。优选地，接合元件具有用于与齿轮元件接触的外表面，其呈现有与齿轮元件本身互补的形状的至少一部分。在已知的齿条和小齿轮(pinion)的情况中，小齿轮的齿形成接合元件，而可将圆形结构和用于旋转该圆形结构的驱动装置视为包括驱动单元。
根据本发明，接合元件至少在朝向齿轮元件运动的部分期间与所述齿轮元件接合，以在所述至少一个方向的所述一个方向上导致所述齿条构件和所述齿构件之间的相对运动。因此，齿轮元件和接合元件之间的接合导致齿构件和齿条构件之间的相对运动，这意味着，那些构件中的一个是固定的，或者这两个都不是固定的。
通常，接合元件从特定方向与齿条构件接合，该特定方向不是所产生的相对运动的方向。在齿条和小齿轮中，通过小齿轮的旋转运动，来直接地导致线性运动所需的力。通过本发明，推力是接合元件和齿轮元件的形状与接合方向上的力结合的结果。
通过本发明，每个所述致动器被定位为间隔开，从而以其不同的减小相位(reduced phase)接合所述周期性结构。这里，应将不同的相位解释为沿着周期性布置的方向在不同位置处接合周期性结构。
本发明的马达系统进一步包括控制单元，该控制单元用于周期性地控制这组致动器中的每个致动器的每个驱动单元以相对于彼此时移(time-shifted)的方式运行。因此，给定组中的每个致动器自己周期性地运动。另外，将有时是给定致动器的运动相对于同一组中的另一致动器是时移的，这意味着，致动器不是同相的。例如，将有时是当一个致动器朝向周期性结构运动而另一致动器离开。优选地，将以相同的周期驱动致动器。
根据本发明，在多个控制周期期间，周期性地控制每个驱动单元允许在所述至少一个方向的所述一个方向上的持续相对运动。这里，持续运动指的是运动始终处于给定方向上而不在相反方向上的情况。
与上述齿条和小齿轮不同，根据本发明的马达呈现有多个致动器，每个致动器具有接合元件和驱动单元，其中，可单独控制这些驱动单元。
对于单个致动器的单个动作，齿条构件和齿构件之间的相对运动由齿轮元件的形状和接合元件的形状决定。因此，在线性运动中达到高精度变得可能。例如，可与相对大量的致动器结合使用相对陡的轮廓(profile)。然后，由单个组中的大量致动器来补偿由单个致动器所达到的相对小的位移。如果用齿条和小齿轮来达到类似的精度，那么需要减小小齿轮的尺寸和/或齿的尺寸，由于齿条和小齿轮之间的减小的接合面积而导致不太稳定的系统。
优选地，所述齿轮元件、这组致动器中的致动器的数量、所述控制单元、以及所述致动器定位被构造成使得，在控制单元已经控制每个所述致动器所述周期性控制的一个周期之后，齿构件和齿条构件之间的相对运动等于或超过齿轮元件在所述至少一个方向的所述一个方向上的长度。有利地，用相同的时间周期来驱动每个接合元件。此外，每个接合元件优选地推断出齿条构件和齿构件之间的相同的相对位移。
根据本发明，从不同致动器产生的各个位移的和超过齿轮元件在运动方向上的长度。由于这个原因，每个接合元件可向后运动，并重复其动作，从而允许持续相对运动。
优选地，将这组致动器沿着所述至少一个方向中的所述一个方向定位为间隔开。通过在运动方向上布置这些致动器，可避免与所关注的运动无关的机械力，从而避免马达本身内的磨损和摩擦。
齿轮元件的布置优选地在至少两个维度上是周期性的，其中，对于所述至少两个维度中的每个维度，致动器进一步包括一组致动器。在此实施方式中，可将齿条元件解释为已知齿条的多维度延伸部。将至少两组布置在马达中，每个用于不同的周期方向。并不是每个可能的周期方向都需要由一组致动器解决。尽管如此，对两个不同方向使用两组允许在两个不同方向上的相对运动。此外，因为这些方向上的周期通常是不同的，所以，与那些方向上的相对运动相关的速度相应地不同。
技术人员应理解，可通过使用适当布置的齿轮元件和适当布置的接合元件来获得任何所需方向上的运动。实际上，周期性布置所处的任何方向可用于此目的。此外，周期性布置的事实并非必须暗示，将接合元件布置为与相邻的齿轮元件接合。此外，接合元件的总数取决于齿轮元件的形状和接合元件的形状。它们共同决定由于相互接合而引起的齿条构件的移位。由于所有接合元件而引起的组合移位应足以使齿条构件在齿轮元件的长度上运动。
为此，如果将控制单元布置为，从控制属于一组的致动器变成控制属于不同组的致动器，那么是有利的。这样，可连续地实现分开的运动。
除了将齿轮元件布置在齿条构件的平坦表面上或布置在其弯曲表面上以外，齿条构件本身也可包括本体，齿轮元件周期性地布置于其周围，优选地，完全地布置于其周围。通过这种马达，相对运动可导致齿条构件和齿构件相对于彼此旋转和/或平移。通过将齿轮元件绕在齿条构件周围，使得形成连续的表面结构，可完成旋转，使得在完成旋转之后，以相同的减小相位定位接合元件。根据接合元件相对于齿条构件的定位，以及齿轮元件的周期性布置，此旋转可能伴随有轴向位移。因此，根据接合元件的布置和齿轮元件的布置，齿条构件可能旋转或平移，或同时旋转并平移。选择不同布置的接合元件允许在不同方向上运动。
一种特别适合的齿条构件的形状是基本上缸体(cylindrical，圆柱形)的形状，其中，周期性布置位于所述缸体(cylinder)的圆周表面上，即，位于与缸体的轴线平行地延伸的表面上。这里，齿构件包括设置有圆形开口的壳体，该圆形开口用于接收所述齿条构件的至少一部分，并且，将这组致动器相对于所述齿条构件布置在径向方向上。而且这里，可通过将齿条构件或齿构件固定至支撑框架，而使其是固定的。
在本发明的上述实施方式中(包括齿条构件的缸体的实施方式)，可通过位于所述壳体中的圆形通孔来形成圆形开口。这允许较大的动态运动范围。例如，如果齿构件是固定的，那么齿条构件能够基本上在其全长上运动。可将运动限制器布置在齿条构件和/或齿构件上，以防止齿条构件与齿构件分离。
附加地或替代地，将齿轮元件分布在所述缸体形状周围的螺旋形路径中。在此情况中，运动方向是与螺旋形路径相切的切向量。规定将这些致动器定位在相对运动的方向上，则意味着将它们定位在相似的径向位置处，而非不同的轴向和圆周位置，后者的位置与相关的切向量对应。
为了改进马达的稳定性，可将齿条构件和齿构件在垂直于表面结构的方向上相对于彼此固定。例如，通过缸体齿条构件的实施方式，齿条构件和齿构件之间的径向距离是固定的，因为径向方向垂直于表面结构。可能用支撑框架来固定齿构件和齿条构件中的一个，而另一构件可在所述至少一个方向中的一个方向上自由运动。
有利地，马达进一步包括设置于齿条构件和/或齿构件中的引导元件，该引导元件用于在其中引导齿条构件和/或齿构件中的另一个。通过缸体形状的实施方式，这种引导件是由圆形开口或通孔来形成，因为其沿着其轴线引导齿构件。
为了避免马达的任何间隙，如果将控制单元布置为，控制这组致动器内的驱动单元，使得至少一个供有动力的(powered，供电的)接合元件在马达的运行期间的每个时间点与表面结构接合，那么这是有利的。这样，接合元件和齿轮元件之间始终存在直接接合。施加于一个非固定部件(例如，缸体的齿条元件)上的突然的外部推动，不会必须导致齿条元件的位移，因为该外部推动被接合元件和齿构件之间的持续接合所抵消。
附加地或替代地，将每个致动器的驱动单元构造为，在提供动力状态(poweringstate，供电状态)中运行，以便向所述接合元件提供动力，从而朝向所述齿条构件运动，并在释放状态中运行，以使所述接合元件远离齿条构件，所述驱动单元包括弹性构件，该弹性构件至少可在所述释放状态中能够操作(operable，可使用的)并被构造为迫使接合元件远离齿条构件运动，并且/或者驱动单元被构造为允许接合元件在释放状态中远离齿条构件运动而基本不向接合元件上施加力。因此，将接合元件从其与齿条构件接合的位置主动地收回，或者允许其后退，基本不存在反力。后者使得运动的齿条构件能够在释放状态中推开接合元件。无论如何，应避免齿条构件所遇到的由远离周期性结构的致动器所施加的阻力。
优选地，将控制单元布置为顺序地控制这组致动器。
从所述致动器的观查点看，齿轮元件优选地是对称的，并且控制单元优选地进一步能够控制所述组中的所述致动器，以在与所述至少一个方向中的所述一个方向相反的方向上，导致齿条构件和齿构件之间的相对运动。
通过具有对称的齿轮元件，即，在特定方向上及其相反方向上的运动中遇到的相同结构，可在两个相反的方向上实现相对运动，例如，从左到右和从右到左。控制单元通过为各个致动器调整控制方案，来决定使用哪个方向。
在本发明的上下文内，应将一个方向和与前一方向相反的方向解释为是不同的方向，可能将每个方向分布给不同组的致动器。然而，通过具有对称的齿轮元件，可能对两个方向使用相同的组。
优选地，齿轮元件包括位于所述齿条构件的表面中锥形腔室，并且接合元件具有对应的锥形凸起。锥形形状或在垂直于表面结构的方向上旋转对称的另一形状，在接合元件和齿轮元件之间提供自定心接合。这减小系统的磨损，并改进定位致动器所需的精度。
在一个实施方式中，用于给定的周期方向的这组致动器包括至少n个致动器，其中，n大于或等于2，并且其中，将相应的致动器定位为以大约m x 360/n的减小的相位与表面结构接合，其中，m分别＝1…n。这里，减小的相位指的是，对包含于其中的整数周期校正的周期性结构的某一位置的相位。例如，480度的绝对相位将导致480-360＝120度的减小的相位。
从接合方向计算周期是重要的。如果接合元件例如以一定角度与周期性结构接合，那么，如从接合元件看到的，齿轮元件的相关长度可能与垂直接合的情况中的不同。在此情况中，为了计算的目的，建议使用之前的长度。
优选地，将不同但是等距减小的相位下的致动器相对于不同的齿轮元件对准。这防止隔开的致动器过近而靠在一起，靠在一起的话将阻止彼此的运动。此外，优选地这样定位致动器，使得接合元件与表面结构垂直地接合。
虽然不同组归因于每个周期方向，但是这并不排除至少一个致动器属于两个不同组的致动器的可能性。例如，如果将5个致动器布置在交叉状的结构中，那么交叉中点的致动器将包含在由该交叉表示的两个方向上的运动中。
驱动单元的一个有利实施方式包括活塞类型的可致动(actuable piston-typecylinder)的缸体，所述可致动缸体具有缸体壳体和能够在其中运动的活塞，其中，所述接合元件由所述活塞的端部形成和/或布置于该端部上。这里，缸体壳体在接合方向上相对于齿轮元件是固定的。
驱动单元可包括其他适当的用于驱动接合元件的装置。除了上述缸体以外，例如，可能使用液压的或气动的、电动的马达，例如，线性马达。
优选地，这种可致动缸体是单作用的。这意味着，活塞朝向齿轮元件的运动是由缸体的致动引起的，从而在齿轮元件上施加很大的力，而远离齿轮元件的往复运动由缸体或其外部的一些类型的弹性力而导致。例如，可将弹簧或其他弹性元件(例如流体压力)布置在缸体壳体内，当不致动它时，迫使活塞后退。在远离齿轮元件的运动期间，活塞在齿轮元件上不施加力或施加非常小的力。
特别是对于医疗环境，优选地，用气动缸体作为可致动的缸体。液压缸体或其他缸体带来泄漏的危险。优选地，用压缩空气来驱动气动缸体，尽管也可能使用负压。
优选地，气动缸体在操作期间是脉冲操作的。这里，将在短时间内致动缸体。齿构件和齿条构件的相对运动的速度可由驱动气动缸体的速度和所使用的压缩空气压力决定。
为了使本发明的马达进一步适合于医疗环境，特别是MRI环境，用非传导性非磁化或不可磁化的材料制造马达是适宜的。
根据第二方面，本发明提供了一种机械臂装置，包括第一框架部件和第二框架部件，可将第一框架部件安装或放置在用于机械臂装置的支撑体上，第二框架部件耦接(coupled，结合)至第一框架部件。这里，根据本发明的马达用于改变第一和第二框架部件的相互定向和/或距离。为此，将所述马达的齿构件与所述第一和第二框架部件中的一个耦接，并将齿条构件与所述第一和第二框架部件中的另一个耦接。此耦接不需要是直接的，而是可通过铰链或其他中间结构而体现。
第一和/或第二框架部件能够包括用于轻松地将部件放在其上的平板部分。例如，由此可将第一框架部件附接至患者躺在其上的床，从而获得稳定的整体。
放在第一和第二框架部件之间的马达形成机械臂装置的结构部分。
在一个优选实施方式中，将齿条构件(例如，上述缸体的形式)与第二框架部件连接。然后，将齿构件与第一框架部件连接。可能以其他方式安装马达。在将多个马达设置于框架部件之间的情况中，可能彼此不同地安装马达，使得产生两种以上安装方法的组合。
机械臂装置优选地包括至少六个根据本发明的马达，其被布置为形成斯图尔特平台(Stewart platform)。此类型的平台提供所有方向的六个自由度的运动，即，平移、形成角度和旋转。第一和第二框架部件上的马达之间的耦接必须支持这些自由度，并且必须相应地提供铰链。为了能够在MRI环境内使用机械臂装置，或马达本身，优选地，使用非磁性、不可磁化和非传导性的材料，例如，塑料、碳、玻璃或陶瓷材料。
如果第一和/或第二框架部件设置有通孔，那么，可进一步改进机械臂装置，该通孔用于在其中容纳马达的齿构件或齿条构件。如果齿构件或齿条构件本身包括通孔(其用于在其中容纳齿构件或齿条构件中的另一个)，那么这是特别令人关注的。由于通孔，齿构件或齿条构件可移动通过另一构件，从而增加马达的动态范围。通过将这种马达布置在第一或第二框架部件的通孔中，可减小两个框架部件之间的最小距离，因为可将马达的大部分布置在第一和第二框架部件之间的空间之外。
为了甚至进一步改进该机械臂装置，其可能包括铰链，优选地是球接头，具有设置于其中的通孔，其中，将所述齿构件或所述齿条构件与所述铰链固定地连接，并且其中，将铰链布置为，将所述齿构件或所述齿条构件与所述第一和/或第二框架部件铰接地连接。此结构不仅允许减小第一和第二部分之间的最小距离，而且允许马达的旋转。如果使用球接头，那么此旋转可能在多个轴线之上。
根据另一方面，本发明提供了一种如之前定义的马达。此马达的驱动单元是能够在外部控制的。
附图说明
接下来，将参考附图更详细地讨论本发明，附图中：
图1示出了根据本发明的机械臂装置的一个优选实施方式；
图2A至图2D示出了根据本发明的具有三个接合元件的马达的原理；
图3示出了图2A的马达的具有两个接合元件的变型；
图4A至图4B示出了具有二维周期性结构的齿条构件的一个实施方式；
图5A至图5G示出了根据本发明的马达的致动器；
图6示出了图1的机械臂装置的变型；以及
图7示出了根据本发明的机械臂装置的应用。
具体实施方式
在以下实施方式的描述中，将马达的运行描述为好像将齿构件保持固定一样。技术人员应理解，也可能保持齿条构件固定。
图1示出了根据本发明的机械臂装置1的一个实施方式。机械臂装置1包括第一框架部件2和第二框架部件3。通过马达4将框架部件2、3相互连接。在第二框架部件3的顶部上安装有医疗辅助装置。在图1中，此医疗辅助装置是通过臂而附接的针引导器5。
按照斯图尔特平台原理来布置这些马达。这里，通过可旋转的耦接器(未示出)，例如球(和插座)接头，将马达4连接至框架部件2、3。马达4包括马达壳体6的形式的齿构件，将活塞7的形式的齿条构件可运动地接收于马达壳体中。
马达壳体6和活塞7的组合用作收缩装置，在下文中叫做腿部。通过改变不同腿部的长度，来决定机械臂装置的高度、平行位移、旋转和角度。
图2A至图2D示意性地示出了根据本发明的马达4的一个优选实施方式。将三个活塞型缸体布置在齿构件中。这些缸体包括齿8、9、10的形式的接合元件，和驱动单元(未示出)，或其部分。缸体优选地是气动缸体。将齿8、9、10形成为与齿轮的齿相似。将三个齿相对于齿条构件11上的周期性结构相移120度。此周期性结构包括一系列三角形齿12的形式的齿轮元件。如可从图中看到的，将每个不同的齿定位在周期性结构的不同减小的相位处。在图2A中，将每个三角形12的顶部作为0度，齿8具有180度的减小相位，齿9具有60度的减小相位，且齿10具有300度的减小相位。
从图2A中所示的情况开始，当齿9被激活(activated)时，齿8被禁止(deactivated)。齿的激活意味着，驱动单元致动齿朝向齿条构件运动。禁止意味着，该齿收回。这可由来自驱动单元本身的净力实现，例如，驱动齿的气动活塞中的弹簧，或通过与齿条构件的相互作用实现。在此后一种情况中，与另一接合元件接合的齿条构件推动被禁止的接合元件，使其远离齿条构件。在任一情况中，将被禁止的接合元件施加在齿条构件上的力减到最小是重要的。
由于齿9的接合的原因，齿条构件11侧滑。由此主动地将齿8向后推，见图2B和图2C。齿10从齿轮元件的顶部的左侧向右侧滑动。因此，当齿9已经完全在齿条构件11中延伸，齿10在与齿条构件11接合的正确位置中。
因此，如果交替地或顺序地激活齿，那么齿条构件11的逐步位移是可能的。通过改变齿的规律，这在任何所需速度下都是可能的。如果不激活任何齿，那么齿条构件11可相对于齿8、9、10自由运动。如果连续地激活至少一个齿，那么阻止齿条构件11。连续地激活至少一个齿(或一般是接合元件)的优点是，可实现马达的减小的间隙。由于连续接合的原因，马达对施加于齿条构件上的力不太敏感。
图3示出了根据本发明的使用两个活塞型缸体的马达的一般操作原理。
图3示出了包括一系列一个放在另一个之后的齿12的齿条构件11。还示出了两个与分开的活塞型缸体连接的齿13、14，与图2A中的实施方式(未示出)相似。这些齿可能沿着用箭头15、16表示的方向运动。
在图3中，齿13与齿条构件11接合，更特别地，与其表面上的周期性结构接合。由于当激活对应的缸体时齿13进一步向下运动，所以齿条构件11将如箭头17指示的运动。由此，将采取如虚线所示的位置。如可从图3中推断的，齿14在此情况中可与齿条构件11接合。这里，激活与此齿对应的缸体，并且禁止或主动地收回与齿13对应的缸体。结果，齿13将后退，例如，由于与位于(单作用)缸体本身中的弹簧相关的弹簧力的原因。
一旦齿14已向外运动，齿条构件11已经到达可与起始位置相当的位置，并可重复该过程。然后，再次激活齿13的缸体，与被禁止的齿14的缸体相反。
必须指出，如从其垂直方向看到的，齿条11的周期性与当从齿13、14的接合方向看到的不同，其分别对应于箭头15和16。侧面18的长度与齿相关。
在图3中，将齿13、14设置在不同的减小相位处。例如，可以规定，齿13与齿条构件11的位置19对应，且齿14与位置20对应。当用侧面18将此计算为齿轮元件的相关维度时，这两个位置具有180度的相差。明显地，这与计算从用箭头21表示的长度开始的减小相位不同。
另外必须指出，通过图示示出的齿22具有与齿14相同的减小相位。
此系统使得能够在一个方向上运动。可使用第二系统，尽管在镜像位置中，以在另一方向上运动。
图4A中的实施方式示出了齿条构件23上的二维周期性结构。该周期性结构包括锥形孔24在另外平坦表面中的二维布置。为了确保最佳的接合，接合元件的形状与锥形孔的形状对应，即，锥形凸起。由于该布置的原因，可识别几个方向，该结构沿着这些方向是周期性的。在图4B中，几个方向25、26、27是其实例。
通过相对于齿条构件23以适当的方式布置这些接合元件，可沿着任何方向25、26、27实现齿条构件23的位移。例如，图4B通过点表示每个接合元件的顶部相对于齿条构件23的位置。在图4B中，示出了两组致动器。第一组包括这样的一些致动器，其中接合元件的顶部用点28表示，第二组包括这样的一些致动器，其中接合元件的顶部用点29表示。第一组用于齿条构件沿着方向25的运动，而第二组用于沿着方向27的运动。如果将两组布置成交叉状的形状，那么这些致动器中的一个可已经用于两个运动，从而节省成本和空间。
应指出，方向25、26、27不仅仅是可能的方向。例如，可识别与一个方向上的一个锥形孔和垂直于其的方向上的两个锥形孔对应的另一方向。与国际象棋游戏中的马的运动对应的此方向，也代表可识别齿轮元件布置的周期性的方向。当使用此方向时，接合元件不被布置为与相邻的锥形孔接合。如上所述，齿轮元件的长度取决于所选择的方向。例如，通过上述类似马的方向，齿轮元件的长度是锥形孔的直径的平方的五倍的平方根。应布置足够的接合元件，以确保齿条构件可在齿轮元件的长度上运动。进一步指出，接合元件的布置不需要是如在图4B中示出的。例如，接合元件可能这样分布，使得它们不再位于运动的线上，和/或它们不再布置成彼此附近。然而，每个接合元件与其下方的齿轮元件必须具有指定的相差，以允许在给定方向上运动。
在图2、图3和图4的实施方式中，齿条构件11、23包括一系列齿/孔。因此，对于每次致动单个接合元件，齿条构件11、23的位移主要由齿条构件上的齿的横向尺寸决定。不幸地，这种梯级的尺寸对于一些应用来说过大。特别地，在医疗应用中，医疗辅助装置(例如针引导器)的精确放置是关键的。对于一些应用，由此希望实现减速。
可用齿条构件实现减速，如图5A和图5B所示。为了形成周期性结构的目的，缸体齿条构件30设置有螺旋形方式的锥形孔24。齿条构件30移动通过包括马达壳体32的齿构件，优选地由塑料制成，体现为管状元件。此元件容纳放在马达壳体32中的隔室33中的三个活塞型缸体。将这些缸体与安装在齿条构件表面31中的锥形孔24中的锥形齿连接，与图4的实施方式相似。将这些缸体在管状元件的纵向方向上放在一侧。这样做，以推开允许各种部件运动所必需的间隙，使得其在臂中不出现。
当激活齿时，确定齿条构件在两个方向上的运动。这样放置缸体，使得当激活时，齿条构件30不在线性方向上运动，而是根据围绕缸体齿条构件30的锥形孔24的螺旋形路径进行螺旋形运动。同样，在齿条构件30完全旋转之后获得的轴向位移与锥形孔24在轴向方向上的心到心的距离34对应。通过改变齿条构件30的直径，并由此改变孔的数量，可实现大量的不同传动。
如结合图4A讨论的，可不同地选择锥形孔和接合元件的布置方式，以允许在不同方向上的运动。例如，替代螺旋形分布，可以圆形的方式分布孔。而且，在此情况中，可获得同时的旋转和平移，因为这里也存在多个周期性方向。
图5C是锥形孔34的示意图，以放大的方式描绘了齿条构件30周围的螺线35。在图5C中示出了处于平坦平面中的螺旋形。布置各个致动器，特别是其接合元件，以与处于螺线35上的位置处的齿条构件30接合，相对于齿条构件30上的周期性结构具有120度的相互相差。点36在这里对应于沿着齿条表面31上的齿的接合方向的齿端的凸起。这里应指出，这些点每个均位于与齿相关联的螺线上。
马达可进一步设置有第二组致动器，例如，沿着齿条构件30的轴向方向布置。使用这些缸体，齿条构件30可在轴向方向上移动而不旋转，并且比通过使用之前提到的第一组致动器更迅速。因此，通过使用不同的组，可实现不同的运动，即，旋转、平移、及其组合。
应指出，可这样改进图5中的实施方式，使得将齿条构件30布置在马达壳体32的通孔中。因此，齿条构件30可移动通过马达壳体32，以在另一侧出现。同样，大幅度改进齿条构件30的动态范围，即，其轴向位移的范围。
图5D至图5G示出了图5A的实施方式的部分打开的透视图，其中，已使不同的致动器在圆周方向上移位，以更好地显示操作。
在图5D中，接合元件(叫做36-36”)都不与锥形孔24接合。在这种模式中，并且没有锁定装置，齿条构件30可相对于马达壳体32轴向地运动。
在图5E中，将接合元件36(与其他接合元件相似，与气动缸体或液压缸体(未示出)的活塞杆连接)推入锥形孔24。因为此孔并不与接合元件36完全对准，所以在圆周和/或轴向方向上将出现净力，导致齿条构件30如箭头所示的相应运动。
接下来，将禁止与接合元件36对应的气动缸体或液压缸体，或者，此缸体将主动地收回接合元件36。在后一种情况中，控制各种致动器的控制单元将需要能够使液压缸体或气动缸体的致动运动反转。换句话说，除了控制推程以外，将需要能够以和推程相似的周期性的方式控制回程，并考虑控制其他致动器的定时。
在接合元件36从相关的锥形孔收回之后或与其同时，使接合元件36”与锥形孔接合，见图5F。这将再次导致轴向和/或圆周运动。对接合元件36’重复如上所述的操作，见图5G。
一旦将接合元件36’完全插入与其相反的锥形孔中，接合元件36相对于其所指向的锥形孔的位置与图5D所示的相同。这允许重复相同的运动顺序，从而获得单次连续运动。
图6示出了图1的机械臂装置的一个变型。这里，第一框架部件2设置有通孔37，将球接头38安装在通孔中。球接头38便于齿构件32和第一框架部件2之间的连接。为此，球接头38本身设置有通孔39，将齿构件32在其中固定地连接。特别地，如果齿构件32也布置有通孔，如上所述，那么可实现通用的机械臂装置。因为可使第一框架部件2和第二框架部件3之间的腿部(即马达)非常小，所以机械臂装置具有非常高的动态范围。
图7示出了根据本发明的机械臂装置的应用。这里，将该装置安装在患者40附近的床上。将机械臂装置和放在其上的针引导器放在初始位置中。然后，用MRI扫描器41记录MRI图像。
需要重要指出的是，可能没有金属物体放在MRI扫描器附近。这减少了用于实现机械臂装置的部件和材料的选择。在图7中，用气动缸体作为马达中的致动器，并且机械臂装置的每个部件由非磁性、不可磁化且非导电的材料制成。
通过电动气动阀来远程激活气动缸体。当医生将机械臂装置放在患者附近并进行粗略设置时，希望能够从那里调节机械臂装置的阻止和解除阻止。这可用装置本身上的控制键实现。这些是键的形式的阀，其中，对与阀连接的管道施加或不施加压力。远程地检测管道中的压力，即，远离MRI环境，其中，用检测结果对气动缸体供应压缩空气。
优选地，通过压缩空气驱动气动缸体。因为每个缸体仅需要大约三毫米的位移，所以空气消耗是零。因此，小型的、安静的压缩机是足够的。每个缸体具有其自己的稀薄压缩空气管线，将其捆扎并与压缩空气单元连接。此单元包括压缩机、压力调节器、压力传感器、真空泵、电动气动阀、以及用于将计算机信号转换成电动气动阀的可用致动的电子装置。
用压缩空气单元来致动电动气动阀，以获得所需运动。通过改变腿部长度来运动的机械臂装置的运动不是线性的。也就是说，所确定的腿部的延伸对机械臂装置的位置可具有不同的影响，这取决于其他腿部的位置。此非线性在数学上是可预测的，然而，通过软件补偿。可通过使用根据本发明的马达，来预测将出现的位移的距离。因此，机械臂装置将可能行进可定义的路径。通过将MRI和机械臂装置耦接，一旦已经建立机械臂装置的位置和状态，便可能出现在确定部分内。如果可在MRI上识别的结构(例如针引导器)由机械臂装置控制，并且可在屏幕上看到它，那么一系列由压缩空气单元致动的马达可精确地确定机械臂装置位于什么地方，并确定正使用哪个延伸部或臂。
在手动操作机械臂装置之后，机械臂装置的位置和状态例如不再是已知的。然后，需要识别过程。例如，一个或多个马达在确定方向上接收二十个脉冲。可从针引导器的位移，得到第一框架部件的精确位置和机械臂装置的状态，和能够得到第二框架部件及臂的相对位置一样。一旦已知这一点，压缩空气单元可预测并调节针引导器的任何位移。
技术人员应理解，在不背离由以下权利要求所限定的本发明的范围的前提下，可对这里描述的实施方式进行各种修改。

Claims (17)

1.一种马达系统，包括：
马达，具有：
-齿条构件，在所述齿条构件的表面上设置有一种结构，所述结构具有齿轮元件的在至少两个维度上的周期性布置；
-齿构件，所述齿构件容纳关于所述至少两个维度中的一个维度所布置的一组多个致动器，所述一组多个致动器中的每个致动器均包括接合元件和驱动单元，所述接合元件被成形为用于接合所述齿轮元件，所述驱动单元用于驱动所述接合元件相对于所述周期性布置来回运动，其中，所述接合元件至少在朝向所述齿轮元件运动的部分期间接合所述齿轮元件，以促使所述齿条构件与所述齿构件之间在所述至少两个维度中的所述一个维度上产生相对运动，并且其中，所述一组多个致动器中的每个致动器被定位为间隔开，从而以其不同的减小相位接合所述周期性布置；
控制单元，所述控制单元用于周期性控制所述一组多个致动器中的每个致动器的每个驱动单元以相对于彼此时移的方式运行，
其中，对于所述至少两个维度中的每个维度，所述马达包括所述一组多个致动器。
2.根据权利要求1所述的马达系统，其中，所述齿轮元件、所述一组多个致动器中的致动器的数量、所述控制单元、以及所述致动器的定位被构造成使得，在所述控制单元已经控制所述一组多个致动器中的每个致动器所述周期性控制的一个周期之后，所述齿构件与所述齿条构件之间的相对运动等于或超过所述齿轮元件在所述至少两个维度中的所述一个维度上的长度。
3.根据权利要求1所述的马达系统，其中，所述齿条构件包括本体，所述齿轮元件完全地围绕所述本体周期性地布置。
4.根据权利要求3所述的马达系统，其中，所述齿条构件具有基本上缸体的形状，在所述缸体的圆周表面上具有周期性布置，其中，所述齿构件包括设置有圆形开口的壳体，所述圆形开口用于接收所述齿条构件的至少一部分，并且其中，所述一组多个致动器相对于所述齿条构件被布置在径向方向上。
5.根据权利要求4所述的马达系统，其中，所述圆形开口由所述壳体中的圆形通孔形成。
6.根据权利要求4所述的马达系统，其中，所述齿轮元件分布在围绕所述缸体的形状的螺旋形路径中。
7.根据权利要求1所述的马达系统，其中，所述控制单元被布置为控制所述一组多个致动器内的所述驱动单元，使得至少一个供有动力的接合元件在所述马达的运行期间的每个时间点接合所述齿条构件的表面上的所述结构。
8.根据权利要求1所述的马达系统，其中，所述一组多个致动器中的每个致动器的所述驱动单元被构造为，在提供动力的状态中运行以便向所述接合元件提供动力使所述接合元件朝向所述齿条构件运动，并且在释放状态中运行以使所述接合元件远离所述齿条构件运动，所述驱动单元包括弹性构件，所述弹性构件至少在所述释放状态中能够操作并且被构造为迫使所述接合元件远离所述齿条构件运动，或者其中所述驱动单元被构造成使得所述齿条构件能够在释放状态中将所述接合元件推回。
9.根据权利要求1所述的马达系统，其中，所述齿轮元件包括位于所述齿条构件的表面中的锥形腔室，并且其中，所述接合元件具有对应的锥形凸起。
10.根据权利要求1所述的马达系统，包括至少n个属于所述一组多个致动器的致动器，其中，n大于或等于二，并且其中，属于所述一组多个致动器的各个致动器被分别地定位为以大约m x 360/n的减小相位接合所述齿条构件的表面上的所述结构，其中，m＝1…n。
11.根据权利要求1所述的马达系统，其中，所述驱动单元包括活塞类型的可致动缸体，所述可致动缸体具有缸体壳体和能够在所述可致动缸体中运动的活塞，其中，所述接合元件被布置在所述活塞的端部上。
12.一种机械臂装置，包括：
第一框架部件，所述第一框架部件能够安装或放置在用于所述机械臂装置的支撑体上；
第二框架部件，所述第二框架部件耦接至所述第一框架部件；
权利要求1中限定的马达，所述马达用于改变所述第一框架部件与所述第二框架部件的相互定向和/或距离，其中，所述马达的所述齿构件被耦接至所述第一框架部件和所述第二框架部件中的一个，并且其中，所述齿条构件被耦接至所述第一框架部件和所述第二框架部件中的另一个；以及
如前述权利要求中任一项中限定的控制单元。
13.根据权利要求12所述的机械臂装置，其中，所述机械臂装置包括至少六个如在权利要求1中所限定的马达，所述马达被布置为形成斯图尔特平台。
14.根据权利要求12所述的机械臂装置，其中，所述马达如权利要求4所限定地构造，其中，所述第一框架部件和/或所述第二框架部件设置有通孔，所述通孔用于将所述马达的所述齿构件或所述齿条构件接收在所述通孔中。
15.根据权利要求14所述的机械臂装置，包括铰链，所述铰链中设置有通孔，在所述铰链的所述通孔中所述齿构件或所述齿条构件被固定地连接至所述铰链，其中，所述铰链被布置为将所述齿构件或所述齿条构件铰接地连接至所述第一框架部件和/或所述第二框架部件。
16.根据权利要求15所述的机械臂装置，其中，所述铰链包括球接头。
17.一种马达，所述马达如在权利要求1至11中任一项中所限定的，其中，所述驱动单元是在外部可控的。
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