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Die Erfindung betrifft einen Linearaktor mit einem in einem Geflecht angeordneten Ballon, der bei Entfaltung das Geflecht dehnt, wodurch der Linearaktor eine Kraft ausübt.
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Aus dem Stand der Technik sind MC Kibben-Aktoren bekannt. Dieser ist ein fluidischer Aktor, welcher aus einem elastischen Schlauch, einem Geflechtschlauch, zwei Anschlussteilen, einer Zuleitung und den entsprechenden Verbindungsteilen besteht.
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Der Schlauch ist an beiden Enden „dicht“ mit einem der Anschlussteile verbunden. Um den Schlauch herum, ebenfalls an beiden Enden mit den Anschlussteilen verbunden, befindet sich ein Geflecht. Die Anschlussteile dienen weiter als Schnittstelle zur mechanischen Verbindung des MC Kibben Aktors. Mindestens einer dieser Anschlüsse ist zusätzlich mit einer axialen Bohrung versehen, welche mit einer Zuleitung zur Druckbeaufschlagung verbunden ist. Wird der Aktor mit Druck beaufschlagt, so will sich der innere Schlauch in alle Richtungen elastisch ausdehnen. Die axiale Ausdehnung wird durch das Geflecht eingeschränkt, somit dehnt sich der Schlauch radial aus. Diese radiale Ausdehnung geschieht auch mit dem Geflecht, welches dadurch axial verkürzt wird. Somit entsteht eine axiale Zugkraft.
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Üblicherweise ist der Mc Kibben Aktor wie folgt aufgebaut:
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Ein elastischer Schlauch (z. B. aus Silikon) ist über ein Anschlussteil gestülpt. Das Geflecht ist ein Standardbauteil (meist aus Nylon), welches aber ursprünglich als Schutzummantelung gedacht ist. Die Anschlussteile haben eine spezielle Form, z. B. mit zwei Absätzen, um den Schlauch und das Geflecht sicher zu verbinden. Der elastische Schlauch und das Geflecht sind mit Schlauchbändern, Fittingen, Adaptern, Stopfen, Schellen, Faden mit Klebstoff, Hülsen oder Draht mit dem Anschlussteil dicht und fest verbunden, um hohen Belastungen Stand zu halten. Um korrosionsbeständig zu sein, ist Edelstahl ein geeignetes Material. Die Zuleitung besteht aus einem verformungssteifen Schlauch.
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Nachteilig an Aktuatoren des Standes der Technik ist, dass diese nicht miniaturisiert werden können. Sie sind daher insbesondere beispielsweise im Bereich der minimalinvasiven Chirurgie nur bedingt einsetzbar. Dieses Problem wird dadurch verstärkt, dass bei chirurgischen Instrumenten Kräfte bis 50 N auftreten bzw. erforderlich sein können. Andererseits wird die Elastizität und die Druckfestigkeit des Schlauches umso größer, je größer die Wandstärke ist. Darüber hinaus besteht bei Druckbeaufschlagung mit hohen Drücken die Gefahr, dass sich der Schlauch vom Anschlussteil ablöst.
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Weitere pneumatische oder hydraulische Aktuatoren werden beispielsweise in der
CN 101 219 075 A beschrieben.
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Die
EP 1 607 636 A1 beschreibt einen hydraulischen Druckaktor, der ein Geflecht aufweist, das so ausgestaltet ist, dass es bei Expansion in radialer Richtung seine Länge ändert. Der dort beschriebene Aktor weist außerdem einen inneren Schlauch auf, der in dem Geflecht angeordnet ist. Der innere Schlauch ist mit einem Zufuhrschlauch verbunden, durch den Fluid in den inneren Schlauch einleitbar ist. Der Zufuhrschlauch verläuft durch einen Anschluss zum inneren Schlauch, wobei der Anschluss mit dem Geflecht verbunden ist.
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Die
US 4 841 845 A beschreibt einen hydraulischen oder pneumatischen Aktor mit einem sich entlang der Längsachse erstreckenden Geflecht, das so ausgestaltet ist, dass es bei einer Expansion in radialer Richtung seine Länge ändert. Im Inneren des Geflechts befindet sich ein Ballon, der mit Druck beaufschlagbar ist. Der Ballon wird hier durch einen separaten Schlauch kontaktiert, der durch ein Endstück hindurch verläuft. Das Endstück ist dabei mit dem Geflecht verbunden.
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Die AT 33 878 E zeigt einen Linearaktor mit einem sich entlang einer Längsachse erstreckenden Geflecht, das so ausgestaltet ist, dass es bei einer Expansion in radialer Richtung seine Länge ändert. Im Inneren des Geflechtes befindet sich eine Anordnung mit einem inneren Schlauch, der mit Druck beaufschlagbar ist, einer reibungsvermindernden perforierten Hülle und einer Außenhülle. Der Ballon endet an einem Anschlussteil, an das ein Schlauch anschließbar ist.
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Die
US 2010/ 0 236 352 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Detektion und Beeinflussung einer Spannung in einer longitudinalen Richtung.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Linearaktor anzugeben, der mit hohen Drücken betreibbar ist, vorzugsweise miniaturisierbar ist und besonders bevorzugt in der minimalinvasiven Chirurgie einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Linearaktor nach Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Linearaktors an. Erfindungsgemäß wird ein Linearaktor bereitgestellt, der ein längliches Geflecht aufweist, das vorzugsweise radialsymmetrisch ist. Das Geflecht ist dabei bevorzugt entlang einer Längsachse länglich ausgestaltet und bevorzugt so ausgebildet, dass es, wenn es in radialer Richtung, also senkrecht zur Längsrichtung, expandiert wird, seine Länge verkürzt. Im nicht expandierten Zustand kann das Geflecht vorteilhaft eine Zylinderfläche beschreiben, deren Zylinderachse koaxial zur genannten Längsachse ist.
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Erfindungsgemäß weist der Linearaktor außerdem zumindest einen Ballon auf, der einen Expansionsbereich und einen Schlauchbereich aufweist. Der Expansionsbereich und der Schlauchbereich sind dabei aus einer gemeinsamen Folie geformt, besonders bevorzugt monolithisch bzw. ohne Naht zwischen dem Expansionsbereich und dem Schlauchbereich. Vorzugsweise ist ein Umfang des Schlauches im Expansionsbereich größer als im Schlauchbereich. Unter dem Umfang wird hierbei die Länge einer Linie auf der Oberfläche des Schlauches im entsprechenden Bereich verstanden, die in einer Ebene senkrecht zur Längsachse verläuft. Bevorzugterweise ist die Länge dieser Linie bzw. die Länge des Umfangs in allen Betriebszuständen des Linearaktors konstant, was bedeutet, dass sich der Ballon zusammenfalten und entfalten kann, jedoch bevorzugt nicht gedehnt wird.
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Der erfindungsgemäße Linearaktor weist außerdem zumindest ein Anschlussteil auf, das eine zur genannten Längsachse des Geflechts parallel und vorzugsweise koaxiale Bohrung hat. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Anschlussteil beispielsweise eine kreiszylinderförmige Bohrung aufweisen.
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Im erfindungsgemäßen Linearaktor ist der Ballon so angeordnet, dass der Expansionsbereich des Ballons vom Geflecht umgeben ist. Der Expansionsbereich befindet sich also im Inneren der von dem Geflecht beschriebenen Mantelfläche.
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Erfindungsgemäß verläuft der Schlauchbereich durch die Bohrung des Anschlussteils hindurch. Vorzugsweise durchtritt der Schlauchbereich dabei die Bohrung vollständig.
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Das genannte Anschlussteil ist erfindungsgemäß mit dem Geflecht verbunden bzw. am Geflecht befestigt.
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Der erfindungsgemäße Aktor ist von einem Grundzustand in einen aktuierten Zustand überführbar. Dabei ändert er seine Länge in Richtung der Längsachse. Erfindungsgemäß liegt im Grundzustand der Expansionsbereich des Ballons gefaltet vor und im aktuierten Zustand zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig entfaltet. Vorteilhafterweise ist zwischen dem Grundzustand und dem aktuierten Zustand jeder Zwischenzustand annehmbar, beispielsweise dadurch, dass der Ballon teilweise entfaltet wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Ballon oder der Schlauchbereich im Bereich der Bohrung, also innerhalb der Bohrung, keine Komponenten in seinem Inneren auf. Unter Komponenten werden hier insbesondere feste Bauteile oder Schläuche verstanden, jedoch nicht gasförmige oder flüssige Medien zur Aktuierung des Linearaktors. Vorteilhafterweise ist es nicht erforderlich, dass der Schlauchbereich in der Bohrung befestigt wird oder festgeklemmt wird. Ein gewisses Maß an Festklemmen kann dadurch gegeben sein, dass der Ballon mit Druck beaufschlagt wird und sich der Schlauchbereich dadurch gegen die Innenwand der Bohrung drückt. Besonders bevorzugt weist der Ballon oder der Schlauchbereich innerhalb der Bohrung und/oder innerhalb des Geflechts keine Verbindung oder keine Komponenten zur Verbindung auf.
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Das genannte Geflecht wird vorzugsweise durch miteinander verwobene Drähte gebildet. Die Drähte verlaufen dabei bevorzugt auf einer gemeinsamen Fläche, welche die genannte radialsymmetrische Form hat. Die Fläche kann beispielsweise im nicht aktuierten Zustand bzw. im Grundzustand des Linearaktors eine Zylinderfläche sein. Bevorzugterweise können dabei einer oder mehrere Drähte jeweils spiralförmig mit einer nicht verschwindenden Steigung entlang der Längsachse zueinander parallel verlaufen. Insbesondere können vorteilhaft zwei Gruppen von spiralförmig verlaufenden Drähten vorgesehen sein, wobei jede Gruppe zumindest einen Draht aufweist. Die Drähte der Gruppen können sich dabei wiederholt mit einem konstanten Winkel kreuzen. Es ist möglich einzustellen, um wie viel sich die Länge des Aktors bei einer gegebenen Expansion in radialer Richtung des Geflechts ändert. Hierzu kann ein Winkel, der im folgenden als Geflechtwinkel bezeichnet wird, geeignet gewählt werden. Vorzugsweise ist der Geflechtwinkel größer gleich 60°, besonders bevorzugt größer gleich 70°. Der Geflechtwinkel wird dabei zwischen dem Draht und einer zur Längsachse senkrechten Geraden gemessen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Geflecht bzw. die Drähte des Geflechts eine Formgedächtnislegierung und/oder Nitinol aufweisen oder daraus bestehen. Dies ermöglicht ein elastisches Geflecht.
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Besonders bevorzugt kann dem Geflecht eine Form eingeprägt werden, in die es bei Abwesenheit äußerer Kräfte selbständig zurückkehrt. Eine solche Form ist insbesondere bei genannten Formgedächtnislegierungen bzw. bei Nitinol einprägbar. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Form eine Zylinderform, insbesondere eine Kreiszylinderform, sein. Den einzelnen Drähten kann dann vorteilhaft eine Spiralform eingeprägt sein.
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Vorteilhafterweise ist der Ballon im Wesentlichen nicht elastisch. Das bedeutet, dass, selbst wenn das Material des Ballons eine gewisse Elastizität aufweist, der Umfang des Ballons im vorstehend beschriebenen Sinne so groß gewählt ist, dass der Ballon sich zwischen dem Grundzustand und dem aktuierten Zustand lediglich entfaltet und den vollständig aktuierten Zustand erreicht, ohne gedehnt zu werden. Bevorzugterweise ist der Umfang des Ballons im vorstehend beschriebenen Sinne im Expansionsbereich größer, als im Schlauchbereich. Ein besonders geeignetes Material kann beispielsweise Polyurethan sein.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Linearaktor außerdem ein Befestigungselement auf, mit dem das Geflecht an seinem dem genannten Anschlussteil in Richtung der Längsachse gegenüber liegenden Element verbunden ist. Insbesondere kann das Befestigungselement an dem Geflecht befestigt sein. Vorteilhafterweise liegen sowohl das Anschlussteil als auch das Befestigungsteil an den Enden des Geflechts in Richtung der Längsachse vor.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Ballon an seinem dem Schlauchbereich, der durch das Anschlussteil verläuft, des in Richtung der Längsachse gegenüberliegenden Ende einen weiteren Schlauchbereich aufweisen, der vorteilhaft durch eine zur Längsachse parallele oder koaxiale Bohrung im Befestigungselement hindurch verlaufen kann. Auf diese Weise können mehrere Linearaktoren der erfindungsgemäßen Form seriell hintereinander geschaltet werden.
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Auch für den weiteren Schlauchbereich, der durch die Bohrung im Befestigungselement verlaufen kann, ist es bevorzugt, wenn der Ballon hier keine Komponenten in seinem Inneren aufweist, abgesehen von Medien zur Aktuierung des Linearaktors.
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Es ist vorteilhaft, wenn der Ballon nicht mit dem Geflecht und/oder dem Anschlussteil und/oder dem Befestigungsteil verbunden ist. Der Ballon kann also vorteilhafterweise frei im Aktuator liegen und bevorzugt lediglich durch Formschluss in diesem gehalten werden.
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Zum Einsatz des erfindungsgemäßen Linearaktors kann das Anschlussteil und/oder das Befestigungsteil vorteilhaft einen Anschluss aufweisen, beispielsweise einen Bajonettanschluss oder einen Gewindeanschluss. Mit diesem Anschluss kann der Linearaktor mit zu aktuierenden Elementen verbunden werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Ballon eine Folie aufweisen oder daraus bestehen, die als Membran ausgebildet ist. Dabei ist die Membran vorzugsweise gasdurchlässig, insbesondere luftdurchlässig, jedoch flüssigkeitsundurchlässig, insbesondere undurchlässig gegenüber zur Aktuierung verwendeten Hydraulikmedien, wie beispielsweise Wasser. Auf diese Weise kann der erfindungsgemäße Linearaktor hydraulisch betrieben werden und auf einfache Weise entlüftet werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Geflecht monolithisch mit dem Anschlusselement und/oder dem Befestigungselement ausgebildet sein. Dies ist zum einen günstig herstellbar und eine zusätzliche Befestigung zwischen dem Geflecht und dem Anschlusselement bzw. dem Befestigungselement ist nicht erforderlich.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Linearaktor mit zwei Ballons ausgestaltet sein, die beide wie oben beschrieben ausgestaltet und angeordnet sind. Die Ballone können gemeinsam im Inneren des Geflechts angeordnet sein und die Schlauchbereiche der Ballone können beide durch die Öffnung im Anschlusselement verlaufen. Bei Verwendung zweier Ballone kann vorteilhaft der Umfang des Expansionsbereichs beider Ballone entsprechend kleiner sein, als bei der Verwendung nur eines Ballons. Es kann alternativ auch der Schlauchbereich eines der Ballone durch die Bohrung im Anschlussteil geführt werden und der Schlauchbereich des anderen Ballons in entsprechender Weise durch die Bohrung im Befestigungselement.
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Vorteilhafterweise weist der erfindungsgemäße Linearaktor Abmessungen auf, die seinen Einsatz in de minimalinvasiven Chirurgie erlauben. Beispielsweise kann eine Länge des Aktors im Grundzustand, gemessen zwischen den in Längsrichtung außen liegenden Seiten des Anschlussteils und des Befestigungsteils, kleiner oder gleich 100 mm, vorzugsweise, kleiner oder gleich 80 mm, vorzugsweise kleiner oder gleich 60 mm, vorzugsweise kleiner oder gleich 50 mm, vorzugsweise gleich 35 mm sein. Ein Durchmesser des Geflechts im Grundzustand kann beispielsweise kleiner oder gleich 10mm, vorzugsweise kleiner oder gleich 5 mm, besonders bevorzugt 2 mm betragen. Eine Längenänderung zwischen dem Grundzustand und dem aktuierten Zustand kann beispielsweise größer oder gleich 1mm, besonders bevorzugt größer oder gleich 2 mm, besonders bevorzugt größer oder gleich 5mm betragen und oder kleiner oder gleich 20mm, vorzugsweise kleiner oder gleich 10 mm betragen.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Figuren beispielhaft erläutert werden. Die in den Beispielen genannten Merkmale können auch unabhängig vom Beispiel realisiert sein. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen gleiche oder entsprechende Merkmale.
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Es zeigt
- 1 einen erfindungsgemäßen Linearaktor im aktuierten Zustand,
- 2 einen erfindungsgemäßen Linearaktor im Grundzustand und
- 3 einen Schnitt durch den in 2 gezeigten Linearaktor im Grundzustand.
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Die 1 und 2 zeigen einen erfindungsgemäßen Linearaktor. Dabei liegt in 1 der Linearaktor im aktuierten Zustand und in 2 im Grundzustand vor. Der Linearaktor weist einen Ballon 1 auf, der einen Expansionsbereich 1a und einen Schlauchbereich 1b hat. Vorteilhaft hat der Ballon 1 im Bereich des Expansionsbereichs 1a einen größeren Umfang, als im Schlauchbereich. Als Umfang wird hier die Länge einer Linie verstanden, die auf der Oberfläche des Ballons 1 im entsprechenden Bereich 1a oder 1b in einer Ebene senkrecht zu einer Längsachse verläuft. Diese Linie ist in 3 als L beispielhaft im Schnitt durch den in 2 gezeigten Aktor eingezeichnet. Der Umfang in diesem Sinne ändert sich nicht, wenn die Folie des Ballons 1 nicht gedehnt wird. Insbesondere ändert eine Entfaltung des Ballons 1 im Expansionsbereich 1a die Länge dieses Umfangs nicht.
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Der erfindungsgemäße Linearaktor weist außerdem ein Geflecht 2 auf, das einen Innenraum umgibt, in welchem Innenraum der Expansionsbereich 1a des Ballons 1 angeordnet ist. Das Geflecht 2 erstreckt sich erfindungsgemäß entlang einer Längsachse, die im gezeigten Beispiel zwischen einem Anschlussteil 3 und einem Befestigungselement 4 verläuft.
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Der Expansionsbereich 1a und der Schlauchbereich 1b des Ballons 1 sind im gezeigten Beispiel aus einer gemeinsamen Folie geformt. Der Schlauchbereich 1b erstreckt sich durch eine zur Längsachse des Geflechts 2 koaxiale Bohrung im Anschlussteil 3 hindurch. Der Schlauchbereich 1b kann sich hinter der Bohrung im Anschlussteil 3 außerhalb des Geflechts 2 über eine beliebige Länge weiter erstrecken, da sich der Schlauchbereich 1b durch das Anschlussteil 3 hindurch erstreckt, ohne dort zum Beispiel mit einem Zuleitungsschlauch verbunden werden zu müssen.
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2 zeigt den erfindungsgemäßen Linearaktor beispielhaft in einem Grundzustand, in dem der Expansionsbereich 1a des Ballons 1 gefaltet vorliegt. Im gezeigten Beispiel wirkt in diesem Zustand auf das Geflecht 2 keine Kraft, so dass dieses optional eine voreingeprägte Form annehmen kann, im gezeigten Beispiel eine Zylinderform. Hierzu können Drähte 6 des Geflechts eine Formgedächtnislegierung wie beispielsweise Nitinol aufweisen oder daraus bestehen.
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Durch den Schlauchbereich 1b ist dem Expansionsbereich 1a des Ballons ein Medium wie beispielsweise Luft für einen pneumatischen Betrieb oder Hydraulikflüssigkeit bzw. Wasser für einen hydraulischen Betrieb zuleitbar. Das Medium kann unter Druck zugeführt werden, beispielsweise mit bis zu 20 Bar oder mehr. Auch kleinere Drücke sind möglich. Hierdurch geht der Linearaktor von dem in 2 gezeigten Zustand in den in 1 gezeigten aktuierten Zustand über. Während der Expansionsbereich 1a des Ballons den Grundzustand in 2 gefaltet vorliegt, entfaltet er sich beim Übergang in den in 1 gezeigten expandierten Zustand. Der Expansionsbereich 1a übt dabei eine Kraft radial zur genannten Längsachse auf das Geflecht 2 aus, wodurch dieses sich in radialer Richtung erweitert. Hierdurch ändert das Geflecht 2 seine Länge in Richtung der Längsachse, beispielsweise verkürzt es sich in dieser Richtung. Auf diese Weise kann eine Kraft auf Elemente ausgeübt werden, die am Anschlussteil 3 bzw. am Befestigungselement 4 befestigt sind.
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Ein Geflechtwinkel 5 des Geflechts 2 ist vorteilhafterweise größer oder gleich 60°, besonders bevorzugt größer oder gleich 70°.
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3 zeigt das in den 1 und 2 gezeigte Beispiel des erfindungsgemäßen Linearaktors im Schnitt in einer Schnittebene, die den Expansionsbereich 1a senkrecht zur Längsachse schneidet. 3 zeigt den Linearaktor dabei im Grundzustand. Da das Geflecht 2 im gezeigten Beispiel im Grundzustand Zylinderform hat, beschreibt es im Schnitt einen Kreis um den Expansionsbereich 1a des Ballons 1. Da sich der Linearaktor im Grundzustand befindet, liegt der Ballon 1 gefaltet im Geflecht 2 vor.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung können im Geflecht 2 zwei Expansionsbereiche 1a von zwei Ballonen 1 angeordnet sein. In diesem Fall können sich beispielsweise die Schlauchbereiche 1b beider Ballone durch die Öffnung im Anschlussteil 3 hindurch erstrecken. Im Grundzustand liegen beide Expansionsbereiche 1a dann gefaltet vor und entfalten sich beim Übergang in den aktuierten Zustand zumindest teilweise.
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Der Ballon 1 kann im Geflecht und im Anschlussteil 3, wie auch gegebenenfalls im Befestigungselement 4 lose gelagert und nicht weiter befestigt sein. Das Anschlussteil 3 und das Befestigungselement 4 können vorteilhaft fest mit dem Geflecht gefügt sein, beispielsweise angeschweißt oder angeklebt.
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Weist das Geflecht eine eingeprägte Form auf, so kann der Geflechtwinkel 5 vergrößert werden. Außerdem ergibt sich eine vergrößerte Verdrehsteifigkeit. Eine Formeinprägung bewirkt außerdem eine Rückstellkraft im aktuierten Zustand, wodurch es möglich wird, den Linearaktor alleine einzusetzen, d. h. ohne Elemente, die eine rückstellende Gegenkraft ausüben müssten. Die vorteilhafte Verwendung von Nitinol für die Drähte des Geflechts erlaubt es, die Drähte sehr dünn herzustellen, da diese Drähte eine hohe Zugfestigkeit aufweisen.
