DE3112043A1

DE3112043A1 - "greifvorrichtung, insbesondere handprothese"

Info

Publication number: DE3112043A1
Application number: DE19813112043
Authority: DE
Inventors: Robert Basford; David Hart; David Hawkins; David Knight; Roger Sidey
Original assignee: Hugh Steeper Ltd
Current assignee: Hugh Steeper Ltd
Priority date: 1980-03-24
Filing date: 1981-03-24
Publication date: 1982-02-18
Anticipated expiration: 2001-03-25
Also published as: US4409529A; SE8101824L; SE448813B; DE3112043C2

Description

DIPL.-INQ. DIETER JANDER DR.-INQ. MAN FRED BUNINQ ^ ' PATENTANWALT!

- 4 Hugh Steeper Ltd. 227/17.868 DE

"Greifvorrichtung, insbesondere Handprothese"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Greifvorrichtung, insbesondere Handprothese.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und robuste Greifvorrichtung dieser Art zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Elektromotor eine mit einem Gewinde versehene Antriebswelle aufweist, auf der das eine Ende eines um eine Schwenkwelle gelagerten Greifhebeis aufgeschraubt ist, und daß der Elektromotor um eine zur Schwenkwelle parallele Achse schwenkbar gelagert ist.

Wird der Elektromotor mit Strom beaufschlagt, geht der Greifhebel in seine Schließ- oder Offenstellung, Je nachdem in welche Richtung sich der Motor dreht.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung. Darin zeigen:

Fig. 1A und 1B in Seitenansicht und Draufsicht eine Greifvorrichtung gemäß der Erfindung in Form einer mechanischen Hand, wobei das Gehäuse weggelassen worden ist;

Fig. 2A und 2B ähnliche Ansichten der Greifvorrichtung mit Gehäuse;

Fig. 3 einen Schaltplan zum Betrieb der Greifvorrichtung und Fig. 4 und 5 Abwandlungen des Kreises der Fig. 3.

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Eine Antriebseinheit für eine mechanische Hand besteht aus einem Motor 1 mit einer Ausgangswelle 2. Ietztere trägt eine Mutter 18 in Form eines Bolzens, der an seinen Enden vorspringende Lagerzapfen 19 aufweist. Letztere greifen in ein Joch, das von zwei Hebeln 20 gebildet wird, welche den Daumen betätigen. Außerdem sitzen die Zapfen 19 auf der dem Bolzen 18 gegenüberliegenden Seite der Hebel 20 in Schlitzen 21 zweier Hebel 22, welche den Finger betätigen. Neben dem Motor 1 und der Ausgangswelle 2 weist die Antriebseinheit noch eine Kupplung 3 auf. Die Antriebseinheit sitzt in einem Lager 23 des Gehäuses. Auf diese Weise ist es möglich, daß die Welle 2 der bogenförmigen Bewegung des Bolzens 18 um ein Lager 24 des Daumens 4 folgt.

Wenn der Motor 1 mit Strom beaufschlagt wird, dreht sich die Welle 2 derart, daß der Bolzen 18 zum Motor bewegt wird. Die Finger- und Daumenhebel 20,22 drehen sich um ihre Lagerpunkte 24 und 25, was dazu führt, daß sich die Finger und der Daumen schliessen.

Die Hand öffnet sich, wenn sich der Motor in umgekehrter Richtung dreht.

Der Fig. 2 ist zu entnehmen, daß die einzelnen Teile der Hand und des Antriebssystems zwischen zwei Seitenplatten sitzen, die ihrerseits lösbar an einer Handgelenkplatte 27 befestigt sind.

Die Lager 24 und 25 für die Finger und den Daumen sind mit Kopfschrauben 28 versehen.

Die Antriebseinheit dreht sich um die Lagerzapfen 23, welche in die Seitenplatten 26 greifen.

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Fig. 3 zeigt einen Steuerkreis. Dieser gestattet eine kontinuierliche Bewegung mit verschiedenen Geschwindigkeiten des Elektromotors und damit der Finger. Diese Schaltung kann jedoch auch in anderen Fällen angewendet werden.

Der Kreis arbeitet nach Art einer geschlossenen Schleife, wobei ein übertragungsglied, das von dem Träger der Prothese beeinflußt werden kann, derart eingestellt werden kann, daß sich eine bestimmte Stellung der mechanischen Hand ergibt, bei der die Finger einen ganz bestimmten Abstand haben. Ferner ist ein zweites Übertragungsglied vorgesehen, welches die jeweilige Stellung der Hand abtastet. Dieses zweite Übertragungsglied erfährt eine Änderung, wenn sich die Hand bewegt, d.h. wenn die Finger sich einander nähern oder voneinander entfernen. Die Hand wird also bewegt, bis sie die ausgewählte Position eingenommen hat. Die Übertragungsglieder, die normalerweise voneinander getrennt sind, können jedoch zu einer einzigen Baueinheit zusammengefaßt sein.

Der Schaltkreis umfaßt zwei Induktionen L₁ und L₂ als Übertragungsglieder, die verschiedene Induktionen haben. Sie können eisenhaltige Kerne oder Ferritkerne aufweisen, die innerhalb der Spulen beweglich sind. Die Induktivität der Induktionsspule L-. ist per Hand variierbar, um eine bestimmte Position der Hand einzustellen. Die Induktivität der Induktionsspule Lp verstellt sich automatisch, wenn sich die Hand verstellt. Es ist nämlich ein mechanisches Glied zwischen dem Motor M und dem Induktor vorgesehen. Jeder Position der Hand entspricht also ein Induktionsvie rt der Induktionsspule L₂. Die Induktionsspulen L^ und Lp liegen in Reihe in einem Resonanzkreis mit einer festen Kapazität, so daß, wenn die Gesamtinduktion der beiden Induktionen verändert wird, die Frequenz dieses Resonanzkreises sich ändert. Die Kapazität des Resonanzkreises ist nicht dargestellt, sie sitzt in einem Oszillatorkreis 1ÖO. Wenn also die Induktion der Induktionsspule L^ von dem Benutzer verändert wird, ändert

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sich die Frequenz am Ausgang des Oszillatorkreises 100. Eine Reduktion der Induktion der Spule L. vergrößert die Frequenz und umgekehrt. Der Ausgang des Oszillators 100 ist über eine Leitung 101 mit einem Demodulator 102 verbunden, in dem das Signal demoduliert wird. Dort wird eine Ausgangsspannung erzeugt, die von der Summe der Induktivitäten der Spulen L^ und L₂ abhängig ist.

Die Ausgangsspannung des Demodulators wird über eine Leitung 103 einem Gleichstromverstärker 104 angeboten, der die Spannung des Demodulators 102 mit einer Referenzspannung vergleicht, die in den Verstärker 104 über eine Leitung 105 eingespeist wird. Wenn die Induktivität der Spulen L₁ und L₂ gleich einem vorbestimmten Wert ist, dann ist die Ausgangsspannung des Demodulators gleich der Referenzspannung. Dann ergibt sich kein Ausgangssignal am Verstärker 104. Die Summe der Induktivitäten ist gleich diesem bestimmten Wert, wenn die ausgewählte Position der Hand gleich der tatsächlichen ist. Ist jedoch die Summe der Induktivitäten größer oder kleiner als dieser Wert, dann ist die Ausgangsspannung in der Leitung 103 größer oder kleiner als die Referenzspannung. Die Differenz wird verstärkt und über eine Leitung 106 von dem Verstärker 104 einem Impulsbreitenmodulator 108 über einen Vollweggleichrichter 107 und einem Komparator 109 angeboten.

Der Modulator 108 erzeugt eine Folge von Impulsen zum Antrieb des Motors M. Wenn der Ausgang des Demodulators 102 auf einem Potential liegt, das viel höher oder viel niedriger als die Referenzspannung in der Leitung 105 ist, dann gibt der Verstärker 104 ein entsprechend kräftiges Signal ab. Dieses beeinflußt die Breite der Impulse, die von der Einrichtung 108 abgegeben werden. Diese Impulse werden entsprechend verstärkt und treiben den Motor M mit hoher Geschwindigkeit an. Ist jedoch die Spannungsdifferenz am Eingang des Verstärkers 104 klein, ist das Signal in der Leitung 106 schwächer, was zur Folge hat, daß die Einheit 108 Motoi mtriebsimpulse ab-

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gibt, die hinsichtlich ihrer Breite reduziert sind, was zur Folge hat, daß der Motor M bei kleiner Geschwindigkeit angetrieben wird. Der Verstärker 107 sorgt dafür, daß die Signale, die zu der Einheit 108 gelangen, korrekt polarisiert sind.

Der Komparator 109 vergleicht die Spannung in der Leitung 106 mit einer Referenzspannung in der Leitung 110 und stellt insofern fest, ob die Spannung in der Leitung 103 höher oder niedriger als die Referenzspannung in der Leitung 105 ist. Der Ausgang des Komparators bestimmt die Richtung, in der sich der Motor M dreht. Eine Steuerung der Richtung der Drehung des Motors wird mittels UND-Glieder 111 und 112 erreicht. Beide UND-Glieder erhalten an einem ihrer Eingänge die Impulse des Modulators 108 über die Leitung 113. Das UND-Glied 112 erhält an seinem anderen Eingang Signale von dem Komparator 109 über die Leitung 114. Das UND-Glied 111 erhält an seinem anderen Eingang Signale von dem Komparator 109 über einen Inverter 115.

Die Richtung, in der sich der Motor M dreht, hängt davon ab, welches Glied 111 bzw. 112 offen ist. Das wiederum hängt ab vom Ausgangssignal des Komparators 109· Das seinerseits hängt ab von dem Signal des Demodulators 102. Beide UND-Glieder erhalten ein weiteres Eingangssignal, obgleich nur der Eingang zum Glied 112 durch eine Leitung 116 dargestellt ist. Der Zweck für diese Eingangssignale wird weiter unten erläutert.

Die Funktionsweise der mechanischen Hand ist folgende: Es sei angenommen, daß die Summe der Induktivitäten gleich dem oben erwähnten vorbestimmten Wert ist. In diesem Falle ist die Ausgangsspannung, die vom Demodulator 102 der Einheit 104 angeboten vird, gleich der Referenzspannung der Einheit 104. Infolgedessen entsteht kein Ausgangssignal an der Einheit 104, so daß der Motor M nicht angetrieben wird. Wenn der Benutzer

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die Hand öffnen oder schliessen will, betätigt er die Induktivität L₁ und ändert deren Induktivität. Dadurch wählt er eine neue Position für die Hand aus. Indem die Induktivität der Spule L₁ geändert wird, ändert der Benutzer die Frequenz am Ausgang des Oszillators 100. Das hat zur Folge, daß die Spannung des Demodulators 102 sich über oder unter die Referenzspannung des Verstärkers 1OA bewegt. Das erzeugt ein Ausgangssignal in der Leitung 106. Die Stärke des Signals in der Leitung 106 hängt von der Größe der Änderung der Induktivität L₁ ab. Die Polarität des Signals hängt davon ab, ob der Benutzer die Induktivität vergrößert oder verkleinert hat. Die Einheit 108 erzeugt dann eine Kette von Impulsen,

antreibt
die den Motoi/. Der Richtungssinn der Bewegung, gesteuert durch den Komparator 109 und die UND-Glieder 111 und 112, hängt davon ab, ob der Benutzer die Induktivität vergrößert oder verkleinert hat. In dem Maße, wie der Motor M läuft, bewegen sich die mechanischen Teile der Hand bis zu der ausgewählten Position. Das Glied zwischen dem Motor M und der Induktion L₁ verändert die Induktivität von Lg derart, daß die Summe der Induktivitäten auf den vorbestimmten Wert sich einzustellen trachtet.

Während des Anfangs der Bewegung des Motors M ist das Signal in der Leitung 106 relativ stark. Die Impulse, die den Motor antreiben, sind sehr breit, was zur Folge hat, daß der Motor relativ schnell angetrieben wird. Aber in dem Maße, wie sich die Summe der Induktivitäten von L₁ und Lp dem vorbestimmten Wert nähert, werden die Signale in der Leitung 106 schwächer und die Breiten der Impulse, die den Motor antreiben, kleiner, was zur Folge hat, daß der Motor langsamer läuft. Die Bewegung des Motors und der Hand läßt allmählich nach, wenn die Summe der Induktivitäten sich immer mehr dem vorbestimmten Wert nähert. Ist dieser erreicht, hat die Hand ihre ausgewählte Position erreicht.

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Die beschriebene Vorrichtung kann nicht nur zum Antrieb einer mechanischen Hand sondern auch in Ferneinstellsteuerungssystemen verwendet werden.

Die erfindungsgemässe Schaltung ist eine solche mit geschlossener Schleife. Es ist jedoch auch möglich, den Kreis in Form einer offenen Schleife zu verwenden. Bei einer offenen Schleife betätigt der Benutzer selbst eine Steuereinrichtung, um den Antriebsmotor mit Energie zu beaufschlagen. Der Motor setzt seine.Bewegung fort so lange, wie das Steuerorgan in seiner Arbeitsstellung gehalten wird. Um den beschriebenen Kreis in einen solchen mit offener Schleife umzuwandeln, ist es nur notwendig, die Induktion Lp (die als "feed-back"-Induktion aufgefaßt werden kann) durch einen Kurzschluß zu ersetzen und das mechanische Glied zwischen Motor und Spule Lp zu entfernen. In diesem Falle kann der Kern der Induktion L₁ derart bewegbar sein, daß die Hand geschlossen oder geöffnet werden kann. Die Verstärkung der offenen Schleife müßte reduziert werden, um eine brauchbare Steuerung zu erhalten.

Um den Motor anzutreiben, ist es wünschenswert, eine Antriebseinheit 118 zwischen den UND-Gliedern und dem Motor vorzusehen, die die Impulse der Einheit 108 verstärkt.

Wenn die Übertragungsglieder Widerstände anstelle von Induktivitäten aufweisen, kann die Schaltung ähnlich derjenigen sein, die in Fig. 3 dargestellt ist, jedoch etwas einfacher. Fig. 4 zeigt nur den Teil des mit Widerständen ausgerüsteten Übertragungskreises, der sich von dem entsprechenden Kreis der Figur unterscheidet. In Fig. 4 sind zwei variierbare Widerstände (Potentiometer) R₁ und R₂ in Reihe geschaltet, und sie liefern eine Steuerspannung. Der Oszillator 100 und der Demodulator der Fig. 3 werden in dem Kreis der Fig. 4 nicht gebraucht. Die Leitung 103, welche mit dem Eingang des Verstärkers 104 verbunden ist, ist mit einem Punkt 150 zwischen den Widerständen R₁ und Rp verbunden. Der Kreis funktioniert in der gleichen Weise wie der Kreis der Fig. 3, nämlich in der Weise, daß vom

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Benutzer der Widerstand R₁ verstellt wird. Der Benutzer ändert also die Spannung am Punkt 150. Diere wird mit einer Referenzspannung des Gleichrichterverstärkers 104 verglichen. Der Antriebsmotor M der mechanischen Hand treibt dann die Finger 4 und 5 an, und der Widerstand des Rückkopplungswiderstandes R2 wird in dem Sinne verändert, daß die Spannung am Punkt 150 wieder gleich der Referenzspannung ist.

Es ist natürlich auch möglich, Kapazitäten als Übertragungsglieder zu verwenden.

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Leerseite

Claims

Ansprüche :

1J Greifvorrichtung, insbesondere Handprothese, dadurch gekennzeichnet , daß ein Elektromotor (1) eine mit einem Gewinde versehene Antriebswelle (2) aufweist, auf der das eine Ende eines um eine Schwenkwelle (24) gelagerten Greifhebeis (20,4) aufgeschraubt ist, und daß der Elektromotor (1) um eine zur Schwenkwelle (24) parallele Achse (23) schwenkbar gelagert ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß auf der Antriebswelle (2) ein Bolzen (18) aufgeschraubt ist, an dem drehbar der Greifhebel (20,4) gelagert ist.

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Pomcheckkonto Berlin Weit Konto 1743 84-100

Berliner Bank AG.. Konto 01 10921 900

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Greifhebel (20,4) an seinem freien Ende (4) die Form eines Fingers, insbesondere Daumens, hat.
4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3» dadurch gekennzeichnet , daß ein zweiter Greifhebel (22,5) vorgesehen ist, der mit dem ersten Greifhebel (20,4) zusammenwirkt und sich bei Rotation der Antriebswelle (2) verschwenkt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß der zweite Greifhebel (22,5) einen Schlitz (21) aufweist, in den ein Stift (19) greift, der axial längs der Antriebswelle (2) bewegbar ist und von dieser bei ihrer Rotation angetrieben wird.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet , daß der Stift (19) mit dem ersten Greifhebel (20,4), insbesondere mit dessen antriebswellenseitigen Ende, insbesondere mit den Enden des Bolzens (18), verbunden ist.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Greifhebel (22,5) an seinem freien Ende (5) die Form eines Fingers oder zweier Finger hat.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet , daß der Motor (1) von einem Schaltkreis gesteuert wird, bestehend aus zwei Steuergliedern in Form von Induktivitäten (L₁,L₂) Widerständen (R₁₉Rp) oder Kapazitäten (C₁JC₂)J von denen das eine (L₁JR₁JC₁) per Hand und das zweite (L₂,R₂,C₂) zusammen mit einem Greifhebel (20,4 oder 22,5), insbesondere von diesem,

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verstellbar ist, wobei das zweite Steuerglied (L₂, R₂, dem ersten Steuerglied (L₁,R₁,G₁) folgt.

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