JP5155183B2 - 補装具用のクラッチ・モジュール - Google Patents

Description

本発明は、補装具、特に、補装具であるグリッパ、義腕または義手のためのクラッチ・モジュールに関する。クラッチ・モジュールは、例えば本体を有し、この本体には、少なくとも１つの義指が関節式に取り付けられている。このクラッチ・モジュールは、駆動要素と、被駆動要素と、切換手段とを具備し、この切換手段は、被駆動要素に供給される回転トルクに応じて、２つの歯車段の間でシフトする。

補装具の構成要素、義手、義腕または補装具である把持要素において、一方では、高い把持力を、他方では、迅速な把持の動きを実現することができるように、補装具内に、複数の変速機構が設けられている。これらの変速機構は、一方では、把持要素を把持される物体と迅速に接触させるために、高い速度伝達比を実現することができ、他方では、相応に高い把持力を実現することができるために、低い速度伝達比を有する。個々の歯車段の間の切換は、種々の方法でなされることが可能である。通常は、右のおよび左の義手のためには、各々の特別な歯車を準備しなければならない。同様に、手の把持および開きのためには、複数の別個の歯車が必要である。同様のことは、基本的には、義腕、補装具である歯車要素、または、他の補装具についても当て嵌まる。これらの補装具は、駆動装置を有し、まず迅速におよび力の大いなる投入なしに所望の位置へ移動されるべきであり、緩慢なかつ力強い動きが後で初めてなされるべきである。
ＤＥ２０３０１１１６Ｕ１ ＵＳ２００２/０７７７０８Ａ１ ＵＳ３，８８３，９００Ａ ＤＥ２３３５９７４Ａ１ ＵＳ５，２８０，９８１Ａ

本発明の課題は、従来の技術よりも安価かつ容易に、全機能可能な補装具または補装具である把持手段を構成することができるための元である歯車要素を提供することである。

上記課題は、本発明に基づき、請求項１の特徴を有するクラッチ・モジュールによって解決される。本発明の好都合な実施の形態は、従属請求項に記載されている。

補装具、特に、補装具であるグリッパ、義腕または義手のための、本発明に係わるクラッチ・モジュールであって、例えば本体を有し、この本体には、少なくとも１つの義指が関節式に取り付けられており、このクラッチ・モジュールは、駆動要素と、被駆動要素と、切換手段とを具備し、この切換手段は、被駆動要素に供給される回転トルクに応じて、２つの歯車段の間でシフトする。従って、必要な調整力または把持力への適合が自動的に可能となる。まず、迅速な調整の動きまたは把持の動きおよび/または開きの動きが実現される。これらの動きには、調整抵抗または把持抵抗の増大につれて、調整力または把持力の増大および同時に調整速度または把持速度の減少が続く。義手における使用の際には、クラッチ・モジュールが、手を開く場合にも使用可能である。手を開く際に、このことは、同様に、負荷に従っている。詳しくは、まず、抵抗が大きいときは、低い速度伝達比が、僅かな回転数をもって作動される。その目的は、高い緩め力(Loesekraft)または開き力を与えるためである。把持が緩んでいるか、義指が物体を押し広げたとき、反力の休止の際に、調整速度が増大する。それ故に、把持要素の迅速な開きが可能である。従って、切換は、回転トルクに従うが、回転方向には左右されない。このことは、クラッチ・モジュールの使用分野に左右されない。

本発明の実施の形態は、切換手段が、回転トルクに従って駆動要素を被駆動要素と連結させる締付体、特に締付ローラと接触していることを意図する。これらの締付体は、クラッチ・モジュールの、摩耗の少ないおよび丈夫な構造を可能にし、複数の力伝達要素同士の、回転方向に左右されない連結を保証する。特に、力伝達構成要素の対称的な構造によって、回転方向に左右されないことを容易に実現することができる。

切換手段は、２つの切換要素を有し、これらの切換要素は、予め緊張された状態でかつ相対的に回転自在に取り付けられており、回転トルクに従って締付体と接触することができる複数の切換ウェブまたは切換ピンを有する。切換要素同士の回転角度によって、必要に応じて制御しつつ、夫々に作動される複数の締付体が、力伝達手段と接触され、被駆動要素の駆動を可能にする。この場合、複数の切換要素が、ばねによって、予め緊張された状態に保たれていることは好ましい。それ故に、反力が僅かなとき、クラッチ・モジュールのトリップトルク（Ausloesemoment）または応答トルクが調整可能である。ばねの予めの緊張が大きければ大きいほど、反力は一層大きくなる。それは、複数の切換要素の十分に高い相対回転が生じるためである。このことによって、トリップトルクが増大する。このトリップトルクは、補装具着用者または補装具である把持手段の使用者の個々の要求に適合することができる。ばねは交換可能である。場合によっては、調整の動きに従って、異なったばね定数を調整することができ、例えば、義手または補装具である把持手段の場合には、開きの動きのためには、閉じの動きのためとは異なるばね定数が調整することができる。それ故に、反力が異なるときは、異なる切換時点または切換トルクが、例えば、把持要素または義指の開閉のために、調整可能である。

駆動要素は、減速を実現することができるためには、歯車、例えば遊星歯車と連結されていることができる。この場合、減速歯車は、接触リングを有し、複数の締付体は、高いトルクの伝達のために、接触リングと接触している。

締付体または締付ローラが、構造空間を出来る限り小さく保つために、共通の連行ディスク上に設けられていることは好ましい。連行ディスクは、フレームを有し、このフレーム内には、高い速度伝達比のために締付体が設けられている。フレームの外側には、速度伝達比が低いときに大きなトルクを伝達するために締付体が、設けられている。これらの締付体は、減速歯車の接触リングと接触している。回転数が小さいときに大きなトルクを有する速度伝達比のためのみならず、回転数が大きいときに小さなトルクを有する速度伝達比のために複数の締付体を使用することは、義手内での目立つ切換過程が感じられることなく、個々の歯車段の間のスムーズな移行が実現可能であるという利点を有する。

連行ディスク上には、切換リングと係合しており、かつこの切換リングを切換ディスクおよび第２の切換要素に対し相対的に回転させる複数の歯車が取り付けられている。この回転によって、角度に従って、複数の締付体または締付ローラの、各々の力伝達構成要素への係合あるいは係合解除が引き起こされる。

以下、添付した図面を参照して実施の形態を詳述する。図１には、クラッチ・モジュール１が分解図で示されている。このクラッチ・モジュール１は、回転トルクに従って速度モードと力モードとの間で切り換えるために用いられ、駆動軸２を有する。この駆動軸には、連行ディスク２０が片持ちで取り付けられている。この連行ディスク２０は、プラネット・キャリア用ハウジング１０に回転自在に取り付けられている。このプラネット・キャリア用ハウジング１０内には、遊星歯車、調和駆動型歯車装置または他の非常に減速する歯車が配置されている。これらの歯車は、一目瞭然という理由から示されていない。プラネット・キャリア用ハウジング１０は、接触リング１２を有する。この接触リングの内周面には、走行面が形成されている。安定性の理由から、この接触リング１２は中実であり、好ましくは鋼から形成されている。この代わりに、接触リング１２の走行面が、硬化された鋼リングからなっていて、走行面を形成してもよい。接触リング１２の下方には、プラスチックハウジング１１が形成されており、このプラスチックハウジングは、重量の理由から、プラスチックにより形成されていることが好ましい。接触リング１２とハウジング１１とは、互いに接触するように取り付けられているか、２成分射出成形法で一体的に製造されていてもよい。

前記駆動軸２は、シリンダ状に形成されており、孔３を有する。この孔には、取付ピン１００が収容されることが可能である。この取付ピンの回りには、クラッチ・モジュール１の複数の他の要素が纏められている。駆動軸２は、図示しない遊星歯車を、従ってまたプラネット・キャリア用ハウジング１０および接触リング１２を常に駆動する。但し、これは、図示しないモータが作動している間に限る。従って、接触リング１２は、駆動装置がスイッチオンされるとき、常に、連行ディスク２０の回りで回転する。

前記連行ディスク２０には、フレーム２４が形成されている。このフレームは、内側の切り欠きを有し、切り欠きには、締付ローラ２２の形態の合計４つの締付体が設けられている。更に、フレーム２４は、締付ローラ２１の形態の外側の締付体を収容することができる外側の切り欠きを有する。同様に、フレーム２４には、複数のピン２３が形成されている。これらピンは、複数の歯車７４のための軸として用いられる。これら歯車の機能は後で説明する。連行ディスク２０とプラネット・キャリア用ハウジング１０との間には、締付ローラ２１，２２を望ましい位置に保持する２つのばね４，５が設けられている。同じ目的のために、連行ディスク２０の、プラネット・キャリア用ハウジング１０と反対の側に、Ｓ字形に形成されたばね４０が設けられている。このばねは、下方に突出している脚部４１を有する。これら脚部は、外側の複数の締付ローラ２１と接触しており、これらの締付ローラを、上方に設けられた切換リング５０の切換ウェブもしくは切換ピン５２へ押圧させる。このことによって、外側の締付ローラ２１の遊びのない切換えが引き起こされる。

前記ばね４０の上方には、前記切換リング５０が設けられている。この切換リングは、下方に突出しかつ径方向外側に設けられ、前述した４つの切換ウェブ５２もしくは切換ピンを有する。これらの切換ウェブもしくは切換ピンは、外側の締付ローラ２１を回転トルクに従って稼働させるために用いられる。更に、切換リング５０は、径方向内側にある複数の切換ウェブ５１もしくは切換ピンを有する。これら切換ウェブもしくは切換ピンは、内側の締付ローラ２２を稼働または休止させるために用いられる。切換リング５０の内側には、複数の歯車７４のための切り欠き５７が形成されている。そして、これらの歯車７４は、切り欠き５７の所に形成された部分的な内歯５４に係合している。

前記切換リング５０上には、切換ディスク６０が設けられている。この切換ディスクは、下方に突出した複数の接触ウェブ６３を有する。これら接触ウェブは、前記連行ディスク２０の、接触ウェブに対応する前記切り欠きの回りに夫々位置され、例えばプレスまたはクリップ止めされ、従って、回転トルクを連行ディスク２０に伝達することができる。前記切換ディスク６０は、前記ピン２３を夫々通すための複数の貫通孔６４を有する。同様に、薄板部分として形成されていてもよいこの切換ディスク６０には、上方に曲げられた保持ウェブ６５が形成され、保持ウェブへ、ばね９１，９２を懸架することができる。また、この切換ディスク６０には、切り欠き６７が形成されている。この切り欠き中には、部分外歯７３と下方に突出している複数の切換ウェブ７１もしくは切換ピンとを有する歯車要素７０が、回転自在に挿入されている。これら切換ウェブ７１は、切換リング５０の前記切換ウェブ５１に対して夫々径方向外側に位置しており、互いに対角線上に向かい合っている、複数の内側の前記締付ローラ２２を作動させる。

前記歯車要素７０の上には、図１から明らかなように、前記駆動軸２と同軸的にディスクワッシャ８０が設けられている。このディスクワッシャは、外側の、部分的に取り囲むウェブ８４を有する。このウェブには、回転ばね９１，９２が取り付けられている。同様に、このディスクワッシャには複数のばね保持用ウェブ８５が、上方に曲げられた状態で形成されている。これらばね保持用ウェブは、切換ディスク６０に設けられたばねウェブ６５に対し径方向内側に位置されている。

前記ばね９１，９２は、予め緊張されており、前記ディスクワッシャ８０と切換ディスク６０とのばねウェブ８５，６５と係合し、ディスクワッシャと切換ディスクとを互いに予め緊張された状態に保つ。

クラッチ・モジュール１の機能方法を、義手での適用を参照して説明する。基本的には、クラッチ・モジュールを、義腕、補装具である把持要素または他の補装具に、駆動装置と共に用いることができる。義手または把持要素の場合、例えば義指の、迅速な調整のための速度モードを可能にすることができることが重要である。その目的は、義指または把持要素の、把持される物体との迅速な接触を可能にするためである。第１の接触があるや否や、把持された物体を持続的に保持することができるためには、制御によって力を増大させることが望ましい。この目的のために、第１の接触のためのトルクより高いトルクを加えることが必要である。トルクの増大は、調整速度を犠牲にして、図示しない遊星歯車によってなされる。

複数の把持要素の迅速な開閉の動きが望ましい、いわゆる速度モードでは、図示しない駆動装置によって、駆動軸２が回転される。この場合、内側にある締付ローラ２２が、出発位置では、すなわち、駆動装置が稼働しないとき、常に、フレーム２４に僅かに接触している。このことは、ばね４，５によって保証される。そして、駆動装置がスイッチオンされると、夫々に対角線上に互いに向かい合っている複数の内側の締付ローラ２２が、回転トルクを伝達する、フレームとの接触を行ない、互いを締め付ける。それ故に、回転トルクが、遅延なしに、駆動軸２およびフレーム２４から、連行ディスク２０へ伝達される。遅延のないことは、ばね４，５を予め緊張することによって保証される。このとき、ピン２３によって、切換ディスク６０およびその上のディスクワッシャ８０に、トルクが加えられる。それ故に、トルクは、同時に被駆動要素であるディスクワッシャ８０から、適切な力伝達手段へ出力される。

速度モードのこの位置では、ディスクワッシャと切換ディスク６０とは、予め緊張されたばね９１，９２によって、実質的に出発位置に保たれる。それ故に、ディスクワッシャ８０と切換ディスク６０の間の相対回転は生じない。従って、駆動軸２からディスクワッシャ８０の形態の被駆動要素への１：１の速度伝達比が実行される。この場合、力の伝達は、複数の内側の締付ローラ２２によってなされる。これら締付ローラは、内側で回転する駆動軸２と、フレーム２４の内側とへ押圧される。迅速な回転によって、迅速な動きを可能にすることができる。

図１に明瞭に認められるように、内側にある４つの締付ローラ２２が、フレーム２４の内側に形成されている。回転方向に従って、互いに対角線上にある２つの内側の締付ローラ２２が、力の伝達のために係合する。それ故に、対称的なトルク伝達が生じることが可能である。対称的な配置に基づいて、クラッチ・モジュールは、右回転でも左回転でも作動可能である。それ故に、回転方向に左右されずに、速度モードでは、適切な動きが実行されることが可能である。

図示しない把持要素または義指が、把持される物体と接触するとき、被駆動要素８０の回転の動きに対する抵抗が生じる。抵抗が限界値を上回らない限り、力の伝達が、内側にある締付ローラ２２によって、保証されている。抵抗値が、２つのトーションばね９１，９２を予め緊張させることによって事前設定されているトルクを上回るとき、ディスクワッシャ８０と切換ディスク６０とが相対的に回転する。そのとき、速度モードといわゆる力モードの間の切換が始まる。切換の際には、調整が減速されるが、負荷可能なトルクは増大される。この切換は、機械的な順序制御の形態で生じる。順序制御の際には、回転方向に左右されずにおよびトルクに従って、内側にある締付ローラ２２は、駆動軸２からゆっくり接触解除され、同時に、速度モードで摩擦防止のために接触リング１２から接触解除されている、外側にある締付ローラ２１は、接触リング１２と係合される。その目的は、トルクの伝達を実行するためである。

抵抗トルクが回転ばね９１，９２の予めの緊張を上回るとき、ディスクワッシャ８０と切換ディスク６０とが相対的に回転する。歯車７４によって、切換リング５０の回転およびこの回転に対応して歯車要素７０の回転がなされる。このことによって、合計８つの切換ウェブ５１，５２，７１が相対して回転される。この回転は、図２にはっきり認められる。この回転については、後述する。

内側にある切換ウェブ５１，７１は、内側にある締付ローラ２２と係合し、フレーム２４内で、これらの締付ローラを、僅かに径方向外側へ動かす。その目的は、これらの締付ローラを、駆動軸２から係合解除するためである。同時に、外側にある切換ウェブ５２が、互いに対角線上に向かい合っている、複数の外側の締付ローラ２１を移動させ、対角線上に向かい合っている締付ローラ対が、回転方向に左右されずに、接触リング１２に係合する。

図２には、切換位置が示されている。内側の切換ウェブ７１，５１は、相対回転されており、切換リング５０の切換ウェブ５１は、時計回りに回転されており、歯車要素７０の切換ウェブ７1は、反時計回りに回転されている。これに応じて、切換リング５０の外側の切換ウェブ５２は、時計回りに回転されており、まず接触解除されている外側の締付ローラ２１、ここでは、左上および右下にある締付ローラが、接触リング１２と接触すること、を引き起こす。次に、これらの締付ローラは、トルクを、時計回りに回転する接触リング１２から複数の締付ローラ２１を介してフレーム２４へ伝達し、そこから、切換ディスク６０およびディスクワッシャ８０を介して、相応に駆動される図示しない力伝達要素へ伝達される。ばね４０の、下方へ曲げられた脚部４１は、ここでは部分的に認められる。

力の伝達に関与しない締付ローラ２１は、これらの締付ローラに対応する切換ウェブ５２によって、係合解除され、共に自由に走行する。伝達されるトルクが減少されるや否や（このことは、減少された反力によって分かる）、切換ディスク６０とディスクワッシャ８０の間の相対回転は、トーションばね９１，９２の事前緊張に基づいて元の状態に戻される。複数の外側にある切換ウェブ５２は、反時計回りに回転する。詳しくは、これらの切換ウェブは、ばね４０のばね作用に抗して、脚部４１を介して、まず接触している締付ローラ２１を係合解除する。同時に、内側の切換ウェブ７１，５１は出発位置へ回転される。それ故に、内側の締付ローラ２２は、互いに再度係合することができ、速度モードを引き起こす。スペースが狭いので、図２は、内側の締付ローラ２２が、力モードでは、係合解除されていることを明示しない。明示するためには、１０分の１ミリのみが必要である。この寸法を、図に表示するのは難しい。

図３には、切換リング５０の面における断面が示されている。この図からは、切換リング５０が時計回り回転されたことが見て取れる。複数の歯車７４は、部分雌ねじ５４の各々の端部に接している。同様に、部分雄ねじ７３が、相応に、反時計回りに回転されている。この角度差は、締付ローラ２１，２２の係合または係合解除のための上記順序制御をもたらす。被駆動要素すなわちディスクワッシャ８０と、切換ディスク６０との間の角度調整は、トルクに応じてなされる。切換トルクを、回転ばね９１，９２のばね値の適合によって調整することができる。同様のことが、応答トルク従って切換過程の開始に当てはまる。

４つの外側の締付ローラ２１の係合および４つの内側の締付ローラ２２の係合解除は、スムーズな移行である。それ故に、力の伝達の調和的なシステムが部分的に生じる。まず、外側の締付ローラ２１は、接触リング１２と僅かに接触し、内側の締付ローラ２２はまだ出力軸２と接触している。このことによって、優しい変換移行（Schaltuebergang）およびトルクの適切な増大が引き起こされる。それ故に、切換衝撃、あるいは２つの切換段の間の厳しい移行は生じない。

図４には、クラッチ・モジュール１が、取り付けられた状態で示されている。クラッチ・モジュール１は、非常にコンパクトな構造を有する。何故ならば、全構成部材が、僅かな軸方向長さしか有しないからである。クラッチ・モジュール１の、回転対称的な構造は、回転方向に左右されない使用を可能にする。それ故に、義手のためには、迅速な開閉および力強い保持または高いトリップトルク(Loesemoment)を供給することができる。

取付ピン１００は、クラッチ・モジュール１の組立を容易化するが、省略することもできる。

クラッチ・モジュールを分解図で示す。 力モードでのクラッチ・モジュールの断面図を示す。 図２の、他の面に沿った断面図を示す。 組み立てられたクラッチ・モジュールを示す。

Claims (10)

1. 補装具のためのクラッチ・モジュールであって、本体を有し、この本体には、少なくとも１つの義指が関節式に取り付けられ、このクラッチ・モジュールは、駆動要素（２）と、前記被駆動部材が接続される被駆動要素(８０)と、切換手段（５０，６０，７０）とを具備し、前記駆動要素と被駆動要素とは、同軸的に配置され、また、
   前記切換手段は、前記駆動要素から前記被駆動要素に供給される回転トルクに応じて、２つの歯車段の間でシフトし、
   前記切換手段（５０，６０，７０）は、前記駆動要素（２）の回転方向に左右されずに、異なった速度伝達比で前記歯車段の間でシフトすることを特徴とするクラッチ・モジュール。
2. 前記切換手段（５０，６０，７０）は、回転トルクに従って前記駆動要素（２）を前記被駆動要素(８０)と連結させる複数の締付体（２１，２２）と接触することを特徴とする請求項１に記載のクラッチ・モジュール。
3. 前記被駆動要素(８０)は、トルクが低いとき、高い速度伝達比で駆動され、トルクが高いとき、低い速度伝達比で駆動されることを特徴とする請求項１または２に記載のクラッチ・モジュール。
4. 前記切換手段（５０，６０，７０）は、２つの切換要素（５０，７０）を有し、これら切換要素は、前記被駆動要素(８０)が受ける回転に対する抵抗が限界値に達するまでは、一緒に回転するように、前記締付体（２１，２２）と接離可能に接触した複数の切換ウェブ（５１，５２，７１）または切換ピンを有することを特徴とする請求項２に記載のクラッチ・モジュール。
5. 前記被駆動要素(８０)が受ける回転に対する抵抗が前記限界値に達するまでは、前記２つの切換要素（５０，７０）が一緒に回転するように前記２つの切換要素（５０，７０）を互いに弾性的に付勢するばね（９１，９２）を更に具備することを特徴とする請求項４に記載のクラッチ・モジュール。
6. 前記駆動要素（２）は、接触リング（１２）を有する歯車と連結されており、前記複数の締付体（２１）は、高いトルクの伝達のために、前記接触リングと接触していることを特徴とする請求項２、４又は５に記載のクラッチ・モジュール。
7. 前記複数の締付体（２１，２２）は、共通の連行ディスク（２０）に設けられていることを特徴とする請求項２、４、５又は６に記載のクラッチ・モジュール。
8. 前記連行ディスク（２０）は、フレーム（２４）を有し、このフレームには、低い速度伝達比のために前記複数の締付体（２１）が設けられていることを特徴とする請求項７に記載のクラッチ・モジュール。
9. 前記連行ディスク（２０）は、フレーム（２４）を有し、このフレーム内には、高い速度伝達比のために前記複数の締付体（２２）が設けられていることを特徴とする請求項７に記載のクラッチ・モジュール。
10. 前記連行ディスク（２０）には、前記２つの切換要素のうちの一方を構成している切換リング（５０）と係合しておりかつこの切換リングを前記切換手段の更なる切換要素を構成している切換ディスク（６０）および前記２つの切換要素のうちの他方を構成している切換要素（７０）に対し相対的に回転させる複数の歯車（７４）が取り付けられていることを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１に記載のクラッチ・モジュール。

Images