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Die Erfindung bezieht sich auf ein
pneumatisches Stellsystem gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1. Ein derartiges System ist aus dem Dokument
EP 647786 bekannt.
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Pneumatische Aktionssysteme sind
bekannt, die üblicherweise
als „künstlicher
Muskel" bezeichnet werden
und durch aufblasbare Schläuche
gebildet werden, die jeweils von Schutzgeflechten umgeben werden,
sodass der künstliche
Muskel sich zusammenzieht bzw. sich streckt, je nachdem der innere Fluiddruck
steigt oder absinkt. Solche künstlichen Muskeln
sind z. B. von B. Tondu und P. Lopez in dem Artikel „Compte
Rendu de l'Academie
des Sciences", Band
320, Seiten 105 bis 114, 1995 beschrieben worden. Man hat insbesondere
solche „Muskeln" verwirklicht, die
eine Länge
in der Größenordnung
von einigen zehn Zentimetern und einen Durchmesser in der Größenordnung
von 1 bis 3 cm aufweisen, und die eine Kontraktion in der Größenordnung
von 10 bis 20% ihrer Länge
liefern können,
wenn ihr interner Druck zwischen dem Atmosphärendruck und einem Druck 4–5 mal so
groß variiert.
Diese Systeme bieten den Vorteil eines exzellenten Leistungs/Gewichts-Verhältnisses.
Ein künstlicher
Muskel mit einem Gewicht in der Größenordnung von 50 bis 100 g.
kann z. B. eine Kraft in der Größenordnung
von 1000 Newton erzeugen, d.h. z. B. eine Last in der Größenordnung
von 100 kg anheben. Derartige Aktionssysteme sind gut für Arbeiten
in einem Krankenhausmilieu geeignet, da sie sauber sind, selbst
keine Schadstoffe abgeben und in geeigneter Weise desinfiziert bzw.
sterilisiert werden können.
Des weiteren müssen
für die
Steuerung der Elektroventile lediglich elektrische Versorgungsquellen
mit niedriger Spannung und niedriger Leistung verwendet werden.
Darüber
hinaus sind Anschlüsse
für Druckluft üblicherweise
in Krankenhäusern
vorhanden.
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Trotzdem haben diese Systeme einen
Nachteil, der in ihrer nur geringen Ausdehnung liegt, die wie oben
angegeben in der Größenordnung
von nur 10 bis 20% zwischen ihrer Ruheposition und ihrer aktiven
Position liegt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, ein pneumatisches Stellsystem anzugeben, das
die gleichen Vorteile hinsichtlich des geringen Gewichtes, der Zuverlässigkeit
und der Sicherheit wie die oben erwähnten künstlichen Muskeln aufweist,
jedoch darüber
hinaus eine größere Ausdehnungskapazität aufweist.
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Um diese Aufgabe zu lösen, wird
mit der Erfindung ein pneumatisches Stellsystem für ein Kabel, das
in einer Schleife zwischen zumindest zwei Rollen gespannt ist, vorgeschlagen,
wobei das System zumindest einen „künstlichen Muskel" aufweist, der in einen
Bereich der Schleife eingeführt
ist, wobei die Länge
dieses künstlichen
Muskels variiert, je nachdem ob er unter Druck oder nicht unter
Druck steht, ferner eine Einrichtung aufweist, um den künstlichen Muskel
unter Druck oder nicht unter Druck zu setzen, und schließlich Einrichtungen
aufweist, um alternativ zwei der Rollen in zumindest einem Rotationssinn
zu blockieren.
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Gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist das System einen einzigen künstlichen
Muskel, der in einem Zweig der Schleife angeordnet ist, und ein
elastisches Kabel auf.
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Gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist das System mehrere künstliche
Muskeln auf, die in Serie auf dem gleichen Zweig der Schleife angeordnet
sind.
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Gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist das System zumindest zwei künstliche
Muskeln, die jeweils auf beiden Seiten einer Rolle angeordnet sind,
und Einrichtungen auf, um die künstlichen
Muskeln in komplementärer
Weise in einem Rhythmus unter Druck zu setzen, mit dem die Rollen
blockiert und entsperrt werden. Das Kabel ist elastisch.
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Nach einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist eine zu verstellende Vorrichtung direkt mit dem Kabel
verbunden.
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Gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist zumindest eine der Rollen mit einem
festen Punkt unter Zwischenschaltung einer elastischen Einrichtung
verbunden.
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Diese und weitere Aufgaben, Merkmale
und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden
Beschreibung von speziellen Ausführungsbeispielen
in nicht begrenzender Weise anhand der beigefügten Figuren näher erläutert, wobei
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die 1A bis 1H aufeinander folgende Funktionsphasen
einer Einrichtung gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung darstellen; und
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die 2A bis 2H aufeinander folgende Funktionsphasen
einer Einrichtung gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung darstellen.
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1A zeigt
sehr schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel
eines pneumatischen Stellsystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
Dieses System weist ein Kabel, einen Draht, einen Streifen oder
einen Gurt 1 auf, der in einer geschlossenen Schleife zwischen
zwei Rollen 2 und 3 gehalten ist. Jede der Rollen
ist mit einem aus der Ferne steuerbaren Blockiersystem, z. B. einer
pneumatischen Bremse oder einem Klinkenzahnrad mit aufhebbarer Blockade
versehen, wobei die Klinke z. B. pneumatisch oder durch einen Elektromagneten
steuerbar ist. In der durch das Kabel 1 gebildeten Schleife
ist ein künstlicher
Muskel 5 eingefügt,
wie er oben definiert worden ist. Es sei darauf hingewiesen, dass
es sich bei dem Blockiersystem um ein uni- oder bidirektionales
System handeln kann. In 1A ist
der Muskel in der gestreckten Position gezeigt, was z. B. seinem
Zustand unter niedrigem Druck entspricht. Mit dem Bezugszeichen
A ist ein Punkt nahe einem Ende des künstlichen Muskels 5 und
mit dem Bezugszeichen B ein Punkt auf dem anderen Zweig der Schleife
bezeichnet. Mit einem Pfeil wird angedeutet, dass die Rolle 2 blockiert
ist (oder nur Rotation in dem Gegenuhrzeigersinn erlaubt). Es wird
ebenfalls angenommen, dass das Kabel 1 eine gewisse Elastizität aufweist.
Damit hat das Kabel in dem in 1 dargestellten
Zustand eine erste Spannung.
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In 1B ist
die gleiche Struktur dargestellt, wobei die Rolle 2 immer
noch im blockierten Zustand und die Rolle 3 frei ist, wobei
jedoch der künstliche Muskel 5 im
kontrahierten Zustand ist. Die Spannung des Kabels vergrößert sich
in Richtung auf einen zweiten Spannungswert. Der Punkt A verschiebt
sich nach rechts, und der Punkt B verschiebt sich ebenfalls nach
rechts.
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Im Zustand gemäß 1C wird der Muskel im kontrahierten Zustand
gehalten, aber dieses Mal wird die Rolle 3 blockiert und
die Rolle 2 freigegeben. Hierbei ändert sich nichts an der Lage
aller Punkte des Kabels, das somit in dem zweiten Spannungszustand
verbleibt.
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Im Zustand gemäß 1D ist die Rolle 3 immer noch
blockiert, wobei der künstliche
Muskel gestreckt wird: Der Punkt A verschiebt sich damit nach links,
der Punkt B verschiebt sich nach rechts.
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In den Zuständen gemäß 1E und 1F ist die
Rolle 2 blockiert und die Rolle 3 freigegeben.
Im Zustand gemäß der 1E ändert sich nichts. Im Zustand
gemäß der 1F wird der künstliche
Muskel kontrahiert. Der Punkt A verschiebt sich nach rechts und
der Punkt B ebenso.
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In den Zuständen gemäß den 1G und 1H ist
die Rolle 3 blockiert und die Rolle 2 freigegeben.
In der 1G hat sich nichts
geändert.
In der 1H, in der der
künstliche
Muskel gestreckt wurde, verschiebt sich der Punkt A nach links und
der Punkt B verschiebt sich nach rechts.
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Man sieht daher, dass durch abwechselndes Blockieren
der Rollen 2 und 3 und durch Wechseln von Kontraktion
und Strecken des künstlichen
Muskels im gleichen Rhythmus, die Punkte der Schleife sich in dem
Gegenuhrzeigersinn bewegten. Der Punkt B bewegt sich in einer Richtung,
während
der Punkt A sich nach vorne und dann nach rückwärts bewegt, wobei die Vorwärtsbewegungen
wesentlich wichtiger als die Rückwärtsbewegungen
sind. Natürlich
kann der Drehsinn auch umgedreht werden, wenn man von einem gestreckten
Zustand auf einen Kontraktionszustand übergeht, während die Rolle 3 und
nicht die Rolle 2 blockiert ist.
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Wenn man z. B. ein mit dem Punkt
B verbundenes Element verstellen will, könnte man die Verstellgeschwindigkeit
für dieses
Element dadurch modifizieren, dass die Frequenz der Umschaltungen zwischen
blockierten und freien Zuständen
der beiden Rollen modifiziert werden und demnach auch die Frequenz
der Verstellungen des Muskels 5 zwischen dem gestreckten
und dem kontrahierten Zustand. Für einen
gegebenen künstlichen
Muskel könnte
man die Amplitude der inkrementellen Verstellungen modifizieren,
indem man die Differenz zwischen dem gelieferten Maximaldruck und
dem gelieferten Minimaldruck modifiziert, um die kontrahierten und
gestreckten Zustände
zu erhalten. Man könnte
ebenso mehrere künstliche
Muskeln in Serie auf ein- und demselben Kabel anordnen.
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Das System kann auch in kontinuierlicher Funktion
betrieben werden, indem der künstliche Muskel 5,
wie das Kabel 1, um jede der Rollen laufen kann. Im letzteren
Fall wird man es vorziehen, Systeme mit mindestens zwei künstlichen
Muskeln in Serie zu verwenden, wobei ein einzelner Muskel an einem Zeitpunkt
umgeschaltet wird und der um eine Rolle laufende Muskel nicht umgeschaltet
wird, solange der sich auf der Rolle befindet.
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Ein System gemäß der Erfindung kann einfach
mit einer Frequenz in der Größenordnung
von 10 Schaltungen pro Sekunde gesteuert werden, was bedeutet, dass
bei einer Streckung des Muskels in der Größenordnung von 2 cm eine Geschwindigkeit von
20 cm pro Sekunde erreicht wird. Diese Geschwindigkeit ist in jedem
Falle kompatibel mit einer großen
Anzahl von Anwendungen, insbesondere bei Anwendungen im Rahmen der
Telemanipulation. Es kann ebenfalls vorgesehen werden, eine allgemeine pneumatische
Versorgungsquelle für
das Aufblasen und Entleeren der künstlichen Muskeln und für die Steuerung
zum Anhalten bzw. Blockieren der Rollen zu verwenden. Ebenso könnten Elektroventile
vorgesehen und mit den diversen Elementen verbunden werden, wobei
diese Elektroventile eventuell über
einen Rechner gesteuert werden können.
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2A zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung in einem ersten Zustand. Es ist wiederum
ein Kabel 1 zwischen zwei Rollen 2 und 3 vorgesehen,
die alternativ blockiert werden können (bidirektionale Blockierung).
Zwei künstliche
Muskeln 11 und 12 sind auf gegenüberliegenden
Zweigen der Schleife gelegen. Diese beiden Muskeln werden im Gegentakt
gestreckt und kontrahiert. So wird z. B. der Muskel 11 gestreckt,
während die
Rolle 2 blockiert ist, und der Muskel 12 wird
gestreckt, während
die Rolle 3 blockiert ist. In der Phase zwischen den 2A und B ist
die Rolle 2 blockiert, der Muskel 11 kontrahiert
und der Muskel 12 gestreckt. In dieser Phase bleibt der
Teil des Kabels zwischen der blockierten Rolle und den beiden künstlichen
Muskeln unbeweglich (Punkt A), und der Teil des Kabels zwischen der
freigegebenen Rolle und den beiden künstlichen Muskeln verschiebt
sich (Punkt B) im Gegenuhrzeigersinn. Bei dieser Ausführungsform
ist eine Funktion des Systems auch ohne ein elastisches Kabel möglich, wobei
man natürlich ein
leicht elastisches Kabel aus anderen Gründen wählen kann.
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In der Phase zwischen den in den 2C und 2D dargestellten Zuständen verschiebt sich der Punkt
A im Gegenuhrzeigersinn, während
der Punkt B festbleibt. Aufeinander folgende Phasen der Verschiebung
sind in den 2E bis 2H dargestellt. Man sieht,
dass im Gegensatz zu dem Fall des ersten Ausführungsbeispieles es keine Phasen
gibt, in denen sich ein gegebener Punkt des Kabels nach rückwärts bewegt.
Alle Punkte bewegen sich in jedem Zustand entweder nach vorne oder
bleiben fest. Dieses kann einen Vorteil bei zahlreichen Anwendungen bringen.
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Die unterschiedlichen in Verbindung
mit der 1 beschriebenen
Varianten können
ebenso für das
Ausführungsbeispiel
gemäß 2 übernommen werden, indem z.
B. die Drehgeschwindigkeit des Kabels modifiziert wird, die Amplitude
der elementaren Inkremente modifiziert wird oder die Anzahl der
Elemente vergrößert wird
oder nicht. Darüber
hinaus könnten
bei dem System gemäß der 2, bei dem die künstlichen
Muskeln im Gegentakt betrieben werden, Einrichtungen zum Einsparen
von Energie vorgesehen werden, indem teilweise die in einem aufgeblasenen
Muskel gespeicherte Energie zum Aufblasen eines nicht aufgeblasenen
Muskels verwendet wird, wenn der erste Muskel abgelassen werden muss.
Es könnte
ebenso vorgesehen werden, dass einer der Muskeln zwischen zwei Hochdruckniveaus variiert,
z. B. einem Niveau mit dem Fünffachen
und einem Niveau mit dem Vierfachen des Atmosphärendruck, während ein anderer Muskel zwischen
zwei Zwischendrücken
arbeitet, z. B. einem Niveau entsprechend dem zweifachen und einem
Niveau entsprechend dem einfachen Atmosphärendruck. Auf diese Weise kann
die Energie von einem Muskel auf den anderen leichter übertragen
werden.
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Die vorliegende Erfindung könnte für eine Vielzahl
von Systemen verwendet werden, bei denen eine mechanische Verstellung
realisiert werden soll. Das zu verstellende Element kann bei dem
ersten oder zweiten Ausführungsbeispiel
gemäß der Erfindung
direkt oder indirekt mit dem Kabel 1 verbunden werden.
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Gemäß einer Variante der Erfindung
könnten zusätzliche
Rollen in das System eingefügt
werden, um den Verlauf des Kabels und damit den Wegzug des zu verstellenden
Elementes zu modifizieren oder um diesen Wegzug zu erleichtern.
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Gemäß einem Vorteil der vorliegenden
Erfindung erlaubt das System im Falle eines elastischen Kabels 1 den
maximalen Zug zu limitieren, der auf ein zu ziehendes Element angewendet
werden kann, was eine Sicherheitsfunktion liefert, die oftmals bei medizinischen
Anwendungen gewünscht
wird.
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Man könnte ebenfalls vorsehen, dass
die äußeren Rollen
nicht an festen Punkten montiert sind, sondern an Punkten unter
Zwischenschalten von elastischen Elementen, z. B. Federn montiert
sind. Ebenso könnte
man vorsehen, dass das mit dem rotierenden Kabel verbundene Element
mit dem Kabel unter Zwischenschalten eines Flaschenzugsystems verbunden
ist, das die gewünschte
Elastizität
sicherstellt.
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Als Beispiel für eine Anwendung im medizinischen
Bereich könnten
eine oder mehrere Systeme gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden, um eine Diagnosevorrichtung oder eine
Therapievorrichtung vom menschlichen Körper zu entfernen oder dort
zu positionieren, wobei die Verbindung über ein Kabel für diesen
Anwendungsfall den Vorteil einer großen Anwendungsbreite bietet.