ES2624634T3

ES2624634T3 - Embrague de limitación de torque para dispositivos ortóticos y prótésicos

Info

Publication number: ES2624634T3
Application number: ES13763463.0T
Authority: ES
Inventors: Benoît GILBERT
Original assignee: B Temia Inc
Current assignee: B Temia Inc
Priority date: 2012-03-21
Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2017-07-17
Anticipated expiration: 2033-03-21
Also published as: WO2013138913A1; EP2828043A1; WO2013138912A1; CA2907579C; ES2968150T3; EP2836735B1; EP2828043B1; EP2836735A1; EP2836735A4; CA2907581A1; CA2907581C; EP2828043A4; FI2828043T3; US20150051528A1; CA2907579A1; US9532894B2

Abstract

Un conjunto (10) de limitación de torque para uso con un accionador de un dispositivo ortótico accionado que tiene una salida (14) de transferencia de torque, comprendiendo el conjunto: una pastilla (24) de freno; una banda (12) conectada en una primera extremidad a una primera extremidad de la pastilla (24) de freno; y una leva (18) que une una segunda extremidad de la banda (12) a una segunda extremidad de la pastilla (24) de freno; en donde la pastilla (24) de freno y la banda (12) están configuradas para enrollarse alrededor de la salida (14) de transferencia de torque y por lo que el posicionamiento de la leva (18) en una primera posición engancha por fricción la pastilla de freno (24) y la banda (12) con la salida (14) de transferencia de torque, y la posición de la leva (18) en una segunda posición desacopla la pastilla (24) de freno y la banda (12) con la salida (14) de transferencia de torque.

Description

DESCRIPCION

Embrague de limitacion de torque para dispositivos ortoticos y protesicos Campo tecnico

La presente invencion se refiere a un embrague de limitacion de torque para dispositivos ortoticos y protesicos.

5 Antecedentes

Los sistemas rotativos pueden tener suficiente energla giratoria (es decir, inercia) para causar danos significativos en el equipo durante un atasco o un fallo del sistema. Esta inercia varla segun la RPM y la masa giratoria para cada aplicacion. Una aplicacion de alta masa de baja velocidad podrla hacer mas dano que una baja masa de alta velocidad durante un accidente. Para evitar danos, se utiliza un limitador de torque, que es basicamente un fusible mecanico, para apagar el 10 equipo y permitir que la energla giratoria se disipe sin causar danos excesivos.

Actualmente se utilizan diferentes tipos de limitadores de torque en la industria, a saber: desconexion, pasador de cizalladura, magneto sincronico, bola de retencion, trinquete y resorte, etc.

Un mecanismo activo de alto torque para dispositivos ortoticos y/o protesicos es conocido por el documento WO 2008/080232 A1.

15 El unico tipo de limitadores de torque que permiten la disipacion de la energla de rotacion a traves de la friccion son los del tipo de desconexion (es decir, los embragues de limitacion de torque) que "esperan" que el torque disminuya a un nivel predeterminado antes del reenganche.

Las principales limitaciones con los limitadores de torque del tipo de desconexion existentes son, que son engorrosos (frente a la capacidad de torque) y tlpicamente no se pueden acoplar o desenganchar manualmente. Ademas, no disipan 20 activamente la energla rotacional.

En consecuencia, existe la necesidad de un embrague de limitacion de torque que es compacto, se puede acoplar o desacoplar manualmente y disipa la energla rotacional.

Resumen

La presente descripcion proporciona un conjunto de limitacion de torque para su uso con un accionador que tiene una salida 25 de transferencia de torque, comprendiendo el conjunto:

una pastilla de freno;

una banda conectada en una primera extremidad a una primera extremidad de la pastilla de freno; y

una leva que une una segunda extremidad de la banda a una segunda extremidad de la pastilla de freno;

en donde la pastilla de freno y la banda estan configuradas para enrollarse alrededor de la salida de transferencia de torque 30 y por lo que el posicionamiento de la leva en una primera posicion se acopla por friccion a la pastilla de freno y la banda con la salida de transferencia de torque, y la colocacion de la leva en una segunda posicion desacopla la pastilla de freno y la banda con la salida de transferencia de torque.

Tambien se proporciona un conjunto de limitacion de torque que se ha descrito anteriormente, que comprende ademas un mecanismo de ajuste de tension que conecta el primer extremo de la banda con el primer extremo de la pastilla de freno, en 35 donde el mecanismo de ajuste de tension esta configurado para aumentar o disminuir el acoplamiento de friccion de la pastilla de freno y la banda con la salida de transferencia de par cuando la leva esta en la primera posicion.

Se proporciona ademas un conjunto de limitacion de torque que se ha descrito anteriormente, que comprende ademas un revestimiento colocado sobre una superficie de la banda y/o la pastilla de freno que esta en acoplamiento de friccion con la salida de transferencia de torque cuando la leva esta en la primera posicion, en una o mas realizaciones el revestimiento 40 esta hecho de un material que tiene un alto coeficiente de friccion y/o resistente al desgaste y/o compresible.

Todavla hay provisto ademas un conjunto de limitacion de torque que se ha descrito anteriormente, en donde la leva esta compuesta por dos superficies excentricas de soporte descentradas entre si.

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Tambien se proporciona un dispositivo ortotico accionado, que comprende:

una estructura de soporte proximal y una distal para la fijacion a una extremidad de un usuario;

un accionador que conecta operativamente las estructuras de soporte proximal y distal, incluyendo el accionador una salida de transferencia de torque conectada a una de las estructuras de soporte proximal y distal para impartir movimiento a la extremidad del usuario; y

un conjunto de limitacion de torque que se ha descrito anteriormente, situado alrededor de la salida de transferencia de torque, el conjunto de limitacion de torque limitando la fuerza maxima ejercida sobre el usuario.

Breve descripcion de las figuras

Las realizaciones de la descripcion se describiran unicamente a modo de ejemplo con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La figura 1 es una vista en seccion transversal del embrague de limitacion de torque de acuerdo con una realizacion ilustrativa de la presente descripcion;

La figura 2 es una vista en despiece ordenado del embrague de limitacion de torque;

La figura 3 es una vista en seccion transversal de la palanca y de la leva del embrague de limitacion de torque;

La figura 4 es una vista lateral de un dispositivo ortotico accionado que integra el embrague de limitacion de torque;

La figura 5 es una vista en perspectiva despiezada del accionador del dispositivo ortotico accionado de la figura 4; y

La figura 6 es una representacion conceptual del embrague de limitacion de torque para el calculo de su fuerza de frenado y la tension en sus diversos componentes.

Descripcion detallada

En general, la realizacion ilustrativa no limitativa de la presente descripcion proporciona un embrague de limitacion de torque que consiste en un mecanismo de freno de banda para un accionador que comienza a deslizarse cuando el torque es mayor que un torque preajustado. El embrague de limitacion de torque sirve para:

• proteger el accionador (transmision, motor y otros componentes mecanicos) de choques externos de alto impacto;

• proteger el accionador de las cargas inerciales cuando el accionador esta alcanzando un llmite de extension de recorrido (parada fuerte) a alta velocidad. En este caso pueden producirse cargas extremas si la energla cinetica no se disipa en alguna parte; y

• proteger el medio ambiente de fuerzas elevadas que podrlan ser ejercidas por el accionador.

Otra caracterlstica del embrague de limitacion de torque es permitir el desenganche manual del accionador en caso de mal funcionamiento del accionador o fallo de alimentacion.

Haciendo referencia a las figuras 1 y 2, el embrague 10 de limitacion de torque consiste en una banda 12 que se envuelve parcialmente alrededor de una salida de transferencia de torque del accionador, que en la realizacion ilustrativa es un tambor 14 giratorio y una pastilla 24 de freno. Debe entenderse que la salida de transferencia de torque podrla ser otro mecanismo giratorio tal como, por ejemplo, un eje giratorio. La tension puede ser aplicada a la banda 12 usando, por ejemplo, una palanca 16 unida a una leva 18 que une la banda 12 a una primera extremidad de la pastilla 24 de freno. Debe entenderse que pueden usarse mecanismos distintos de una palanca 16 para operar la leva 18. La tension se puede ajustar utilizando un mecanismo de ajuste de tension aqul en forma de un tornillo 20 que conecta operativamente la banda 12 a un segundo extremo de la pastilla 24 de freno, en donde la rotacion del tornillo 20 en una primera direccion tira de la banda 12 dentro de una cavidad 25 dentro de la pastilla 24 de freno, aumentando por lo tanto el acoplamiento por friccion de la pastilla 24 de freno y la banda 12 con el tambor 14 giratorio, la direccion opuesta permite que la banda 12 se salga de la cavidad 25, disminuyendo as! el acoplamiento de friccion de la pastilla 24 de freno y la banda 12 con el tambor 14 giratorio. Un revestimiento 22, por ejemplo, hecho de un material de alta friccion, sirve como superficie de friccion. El revestimiento 22 es ventajosamente resistente al desgaste y algo suave o compresible con el fin de "encapsular" cualquier suciedad o partlculas que puedan quedar atrapadas entre la banda 12, la pastilla 24 de freno y el tambor 14 giratorio. La banda 12, la pastilla de freno 24 y el tambor 14 giratorio estan hechos ventajosamente del mismo material, por ejemplo, Alu 7075-T6, para asegurar

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que la fuerza de frenado no cambia significativamente cuando la temperatura fluctua debido, por ejemplo, a la expansion termica. El tambor 14 giratorio puede ser, por ejemplo, anodizado duro (es decir, tipo II, 50 pm) para resistencia al desgaste.

El embrague 10 de limitacion de torque puede desacoplarse, por ejemplo, levantando en direccion "L" la palanca 16 (vease la figura 3), colocando la leva (18) en una posicion que permite el movimiento completamente libre del tambor 14 giratorio. El embrague 10 de limitacion de torque puede desacoplarse en caso de, por ejemplo, un fallo de funcionamiento o fallo de alimentacion.

La leva 18 proporciona la tension en la banda 12 cuando se acopla la palanca 16. La leva 18 esta disenada con dos superficies 18a y 18b de apoyo excentricas (mejor vistas en las figuras 2 y 3) que estan descentradas entre si. Despues del montaje, la palanca 16 es ventajosamente micro-soldada sobre la leva 18, haciendolos as! unitarios. El mecanismo de ajuste de la tension, es decir, el tornillo 20, se usa para ajustar la tension de la banda 12 con el fin de obtener el torque de frenado deseado.

Haciendo referencia ahora a las figuras 4 y 5, se muestra un ejemplo ilustrativo del embrague 10 de limitacion de torque integrado con un dispositivo 30 ortotico accionado que tiene estructuras de soporte proximal 32 y distal 34 para fijacion a la extremidad de un usuario. Las estructuras de soporte proximal 32 y distal 34 estan unidas operativamente entre si a traves de un accionador 36 disenado para impartir movimiento a la extremidad del usuario. El embrague 10 de limitacion de torque esta situado dentro de la carcasa del accionador 36 y asegura que el accionador 36, as! como los otros componentes del dispositivo 30 ortotico (es decir, las estructuras de soporte 32 y 34, el sensor 38 de torque de torsion, etc.) no se danan por choques externos, tales como cuando el usuario cae despues de un salto o cuando el dispositivo 30 ortotico alcanza su llmite de extension. Ademas, el embrague 10 de limitacion de torque limita la fuerza maxima ejercida sobre el usuario, reduciendo as! el riesgo de lesiones en caso de choques.

Haciendo referencia a la figura 5, el accionador 36 comprende un conjunto 40a, 40b de carcasa para contener los diversos componentes del accionador 36, es decir, el haz 38a de sensor de torque, configurado para ser conectado a la estructura 32 de refuerzo, el iman 38b del sensor de torque, el estator del motor 42 y el rotor 44, el generador 46 de la onda de transmision, la estrla 48 circular de la transmision, el tambor 14 giratorio con la estrla 50 de flexion, el eje 52 central con rodamientos 54 conicos y el sensor 56 de angulo. En la presente forma de realizacion ilustrativa, el embrague 10 de limitacion de torque comprende ademas un iman 26 de sensor de angulo montado sobre un eje 28 soportado por la pastilla 24 de freno. La pastilla 24 de freno esta configurada para ser conectada a la estructura 34 de refuerzo distal, el iman 26 de sensor de angulo y el sensor 56 de angulo cooperan juntos para proporcionar una medida del angulo entre las estructuras de soporte proximal 32 y distal 34.

Fuerza de frenado y estres

Con referencia a la figura 6, se muestra una representacion conceptual para el calculo de la fuerza de frenado del embrague 10 de limitacion de torque y la tension en sus diversos componentes para el ejemplo ilustrativo descrito anteriormente.

La ecuacion 1 ilustra la relacion entre las tensiones de la banda 12, el coeficiente de friccion del revestimiento 22 y el angulo de envoltura:

imagen1

Ecuacion 1

donde:

T1 y T2 son las fuerzas de tension; m es el coeficiente de friccion del revestimiento 22;

0t es el angulo envolvente de la banda 12.

En la realizacion ilustrativa de las figuras 4 y 5, la capacidad de torque de frenado deseada se establece en 75 Nm, aunque la fuerza de frenado deseada es de 50 Nm. Debe observarse que la pastilla 24 de freno a la cual esta unida la banda 12 tambien proporciona una fuerza de frenado. La fuerza total aplicada sobre la pastilla 24 de freno es aproximadamente T1+T2, encontramos que el par de frenado total es:

Ecuacion 2

imagen2

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Usando las ecuaciones 1 y 2 con 0t = 220°, m = 0.1, D = 0.065 m (donde D es el diametro del tambor giratorio 14) y Torque = 75 Nm, encontramos las siguientes tensiones en la banda:

T, = 4987N

T2 = 3571N

En el ejemplo ilustrativo, la leva 18 esta disenada con dos superficies de apoyo excentricas 18a y 18b (mejor vistas en las figuras 2 y 3) que estan descentradas en 0.5 mm. El nivel de tension en la zona de la banda 12 es de aproximadamente 200 MPa, mientras que la tension en la zona de la leva 18 es de hasta aproximadamente 315 MPa. Teniendo en cuenta que la banda 12 no esta sometida a una gran cantidad de ciclos, este nivel de estres se considera aceptable. Suponiendo que la tension maxima sea de 350 MPa y la tension minima sea 0 MPa, se puede estimar que la banda 12 puede resistir al menos 50 K de los ciclos de acoplamiento/desacoplamiento.

Se observa que la presion media sobre el revestimiento 22 es de aproximadamente 16 MPa (siendo la anchura de la banda 12 de 8 mm). Este nivel de presion es aceptable para el uso de, por ejemplo, plastico de Acetal que tiene un llmite de 70 MPa.

El estres de tension en el tornillo 20 de ajuste se calcula a 580 MPa. El nivel de tension en el tornillo 20 de ajuste es importante, se recomienda un tornillo con un grado de al menos 8.8.

Los calculos anteriores se calcularon utilizando un analisis de elementos finitos.

En el ejemplo ilustrativo, siendo el desplazamiento lineal del extremo de la banda 12 de 0.18 mm y la deformacion del tambor 14 giratorio proporcionando un cambio dimensional del mismo orden de magnitud, la leva 18 debe proporcionar un recorrido suficiente para compensar la extension de la banda 12 y la compresion del tambor 14 giratorio con el fin de acoplarse y desengancharse eficientemente.

Debe entenderse que los diversos materiales, valores y medidas de los componentes del embrague 10 de limitacion de torque han sido descritos de acuerdo con una realizacion ilustrativa de la presente descripcion y que estos pueden variar dependiendo, por ejemplo, de la aplicacion especlfica.

Ademas, debe entenderse que el embrague de limitacion de torque 10 puede estar adaptado para aplicaciones distintas de los dispositivos ortoticos y protesicos sin apartarse del alcance de la presente descripcion.

Aunque la presente divulgacion se ha descrito con cierto grado de particularidad y a modo de realizaciones ilustrativas y ejemplos de la misma, debe entenderse que la presente descripcion no esta limitada a las caracterlsticas de las realizaciones descritas e ilustradas en la presente memoria, sino que incluye todas las variaciones y modificaciones dentro del alcance de la descripcion que se reivindica a continuacion.

Claims

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Reivindicaciones

1. Un conjunto (10) de limitacion de torque para uso con un accionador de un dispositivo ortotico accionado que tiene una salida (14) de transferencia de torque, comprendiendo el conjunto:

una pastilla (24) de freno;

una banda (12) conectada en una primera extremidad a una primera extremidad de la pastilla (24) de freno; y

una leva (18) que une una segunda extremidad de la banda (12) a una segunda extremidad de la pastilla (24) de freno;

en donde la pastilla (24) de freno y la banda (12) estan configuradas para enrollarse alrededor de la salida (14) de transferencia de torque y por lo que el posicionamiento de la leva (18) en una primera posicion engancha por friccion la pastilla de freno (24) y la banda (12) con la salida (14) de transferencia de torque, y la posicion de la leva (18) en una segunda posicion desacopla la pastilla (24) de freno y la banda (12) con la salida (14) de transferencia de torque.
2. El conjunto (10) de limitacion de torque de la reivindicacion 1, que comprende ademas un mecanismo (20) de ajuste de tension que conecta el primer extremo de la banda (12) con el primer extremo de la pastilla (24) de freno, en donde el mecanismo (20) de ajuste de tension esta configurado para aumentar o disminuir el acoplamiento de friccion de la pastilla (24) de freno y la banda (12) con la salida (14) de transferencia de torque cuando la leva (18) esta en la primera posicion.
3. El conjunto (10) de limitacion de torque de torsion de la reivindicacion 2, en donde el mecanismo de ajuste de tension comprende un tornillo (20) que conecta operativamente el primer extremo de la banda (12) al primer extremo de la pastilla (24) de freno, en donde la rotacion del tornillo (20) en una primera direccion tira de la primera extremidad de la banda (12) dentro de una cavidad (25) dentro de la pastilla (24) de freno aumentando por lo tanto el acoplamiento de friccion de la pastilla (24) de freno y la banda (12) con la salida de transferencia de torque (14) cuando la leva (18) esta en la primera posicion, y la rotacion del tornillo (20) en una segunda direccion permite que la primera extremidad de la banda (12) se retire de la cavidad (25) disminuyendo por lo tanto el acoplamiento de friccion de la pastilla (24) de freno y la banda (12) con la salida (14) de transferencia de torque cuando la leva (18) esta en la primera posicion.
4. El conjunto (10) de limitacion de torque de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, que comprende ademas un revestimiento (22) situado sobre una superficie de la banda (12) que esta en acoplamiento de friccion con la salida de transferencia de torque (14) cuando la leva (18) esta en la primera posicion.
5. El conjunto de limitacion de torque (10) segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende ademas un revestimiento (22) situado en una superficie de la pastilla (24) de freno que esta en acoplamiento de friccion con la salida (14) de transferencia de torque cuando la leva (18) esta en la primera posicion.
6. El conjunto (10) de limitacion de torque de cualquiera de las reivindicaciones 4 o 5, en donde el revestimiento (22) de banda y el revestimiento (22) de la pastilla de freno estan hechos de un material que tiene un alto coeficiente de friccion.
7. El conjunto (10) de limitacion de torque de la reivindicacion 6, en donde el revestimiento (22) de banda y el revestimiento (22) de la pastilla de freno son resistentes al desgaste.
8. El conjunto (10) de limitacion de torque de la reivindicacion 6, en donde el revestimiento de banda (22) y el material de revestimiento de la pastilla (22) de freno son compresibles, encapsulando as! partlculas de suciedad atrapadas entre la pastilla (24) de freno, la banda (12) y la salida (14) de transferencia de torque.
9. El conjunto (10) de limitacion de torque de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en donde la leva (18) esta compuesta por dos superficies (18a, 18b) excentricas de descentramiento centradas entre si.
10. El conjunto (10) de limitacion de torque de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, que comprende ademas una palanca (16) unida a la leva (18).
11. El conjunto (10) de limitacion de torque de la reivindicacion 10, en donde la leva (18) y la palanca (16) son unitarias.
12. El conjunto (10) de limitacion de torque de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en donde la salida (14) de transferencia de torque es un tambor giratorio.
13. Un dispositivo (30) ortotico accionado, que comprende:

una estructura de soporte proximal (32) y una distal (34) para la fijacion a una extremidad de un usuario;

un accionador (36) que conecta operativamente las estructuras de soporte proximal (32) y distal (34), incluyendo el accionador (36) una salida (14) de transferencia de torque conectada a una de las estructuras de soporte proximal (32) y distal (34) para impartir movimiento a la extremidad del usuario; y

un conjunto (10) de limitacion de torque de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12 situado alrededor de la 5 salida (14) de transferencia de torque, limitando el conjunto (10) de limitacion de torque la fuerza maxima ejercida sobre el usuario.
14. El dispositivo (30) ortotico accionado de la reivindicacion 13, en donde el accionador (36) incluye un conjunto (40a, 40b) de carcasa para retener la salida (14) de transferencia de torque y el conjunto (10) de limitacion de torque.