RU2791805C1 - Linear actuator for artificial arm device - Google Patents
Linear actuator for artificial arm device Download PDFInfo
- Publication number
- RU2791805C1 RU2791805C1 RU2021139729A RU2021139729A RU2791805C1 RU 2791805 C1 RU2791805 C1 RU 2791805C1 RU 2021139729 A RU2021139729 A RU 2021139729A RU 2021139729 A RU2021139729 A RU 2021139729A RU 2791805 C1 RU2791805 C1 RU 2791805C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- threads
- flexible rod
- control module
- linear actuator
- lubricant
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к медицине и к медицинской технике, а конкретно к области хирургии и предназначено для бионического протезирования и использования в качестве искусственных мышц.The invention relates to medicine and medical technology, and specifically to the field of surgery, and is intended for bionic prosthetics and use as artificial muscles.
Известна искусственная мышца по заявке на изобретение RU 97107496 от 05.05.1994, имеющая возможность сокращаться по длине, оболочку которой собирают из чередующихся продольных полос нерастяжимых лент с упругими лентами, концы которых крепятся с обеих сторон к двум или нескольким крепежным деталям и образуют герметичный воздушный мешок. Мышца сокращается за счет впуска и выпуска воздуха из мешка.An artificial muscle is known according to the application for invention RU 97107496 dated 05.05.1994, which has the ability to contract in length, the shell of which is assembled from alternating longitudinal strips of inextensible tapes with elastic tapes, the ends of which are attached on both sides to two or more fasteners and form a sealed air bag . The muscle contracts by letting air in and out of the sac.
Известна искусственная мышца по патенту RU 2654680 от 07.06.2017, представляющая собой среду из полиорганосилоксана, эпоксидной смолы и катализатора полимеризации эпоксидной смолы, при этом указанная среда прошита нитями интерметаллида с памятью формы и нейлоновым и/или полиэтиленовым волокном, которые соединены с термоэлектрическим преобразователем продольной формы, расположенным вдоль указанного волокна.An artificial muscle is known according to patent RU 2654680 dated 06/07/2017, which is a medium of polyorganosiloxane, epoxy resin and an epoxy resin polymerization catalyst, while this medium is stitched with intermetallic threads with shape memory and nylon and/or polyethylene fiber, which are connected to a thermoelectric transducer of longitudinal forms located along the specified fiber.
Недостатком описанных устройств является сложность конструкции.The disadvantage of the described devices is the complexity of the design.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является линейный актуатор, входящий в устройство искусственной руки по патенту RU 2717046 от 13.06.2019. Оно содержит линейные актуаторы по количеству пальцев на руке, модуль управления, который является и источником питания и управляет направлением вращения электродвигателей, ремни, кольца и напальчники для крепления перчатки на конечности и соединительные элементы для обеспечения механический связи моторов с кольцами и напальчниками. Соединительные элементы являются гибкими штоками в виде скрученных нитей, которые одними своими концами закреплены на валах моторов, размещенных на большом браслете, а другими своими концами пропущены через сквозные отверстия в малом браслете и жестко прикреплены к напальчникам.Closest to the claimed invention is a linear actuator included in the artificial hand device according to patent RU 2717046 dated 06/13/2019. It contains linear actuators according to the number of fingers on the hand, a control module, which is both a power source and controls the direction of rotation of the electric motors, belts, rings and fingertips for attaching the glove to the limbs and connecting elements to provide mechanical connection of the motors with rings and fingertips. The connecting elements are flexible rods in the form of twisted threads, which are fixed with one of their ends to the motor shafts placed on a large bracelet, and with their other ends passed through through holes in a small bracelet and rigidly attached to the fingertips.
Недостатками описанного прототипа являются низкая надежность вследствие большой силы взаимного трения нитей в гибких штоках при скручивании и обусловленный этой причиной низкий коэффициент полезного действия устройства, а также негативное воздействие пыли окружающей среды на гибкие штоки.The disadvantages of the described prototype are low reliability due to the high mutual friction force of the threads in the flexible rods during twisting and the resulting low efficiency of the device, as well as the negative impact of environmental dust on the flexible rods.
Задача изобретения - увеличение коэффициента полезного действия и ресурса работы линейного актуатора за счет уменьшения силы трения нитей в гибком штоке при скручивании и защита его от пыли.The objective of the invention is to increase the efficiency and service life of a linear actuator by reducing the friction force of the threads in the flexible rod during twisting and protecting it from dust.
Технический результат достигается тем, что в линейный актуатор для устройства искусственной руки, содержащий модуль управления, являющийся и источником питания, и соединительный элемент, представляющий собой гибкий шток в виде скрученных нитей, который одним своим концом закреплен на валу электродвигателя, соединенного с модулем управления, а другим своим концом жестко прикреплен к имитатору кисти руки, введена эластичная трубка, а нити гибкого штока обработаны смазкой для уменьшения силы взаимного трения нитей друг о друга при скручивании и помещены в эластичную, например, латексную, трубку, изолирующую их от пыли окружающей среды и предотвращающую разбрызгивание смазки с поверхности скрученных нитей в процессе работы, а нити гибкого штока выполнены из полиэтилена, модуль управления представляет собой выполненные в одном корпусе электрически связанные блок питания, контроллер и электропривод и формирует управляющий сигнал, обеспечивающий регулирование скорости и направления вращения электропривода в заданных пределах.The technical result is achieved by the fact that in a linear actuator for an artificial arm device, containing a control module, which is both a power source, and a connecting element, which is a flexible rod in the form of twisted threads, which is fixed at one end to the shaft of an electric motor connected to the control module, and its other end is rigidly attached to the imitator of the hand, an elastic tube is inserted, and the threads of the flexible rod are treated with lubricant to reduce the force of mutual friction of the threads against each other during twisting and placed in an elastic, for example, latex, tube, which isolates them from environmental dust and which prevents splashing of lubricant from the surface of twisted threads during operation, and the threads of the flexible rod are made of polyethylene, the control module is an electrically connected power supply unit, controller and electric drive made in one housing and generates a control signal that provides regulation of the speed and direction of rotation of the electric electric drive within the specified limits.
Достигается увеличение КПД и ресурса работы актуатора.EFFECT: increased efficiency and service life of the actuator.
Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами:The claimed invention is illustrated by drawings:
- фиг.1 - структура гибкого штока в исходном состоянии;- figure 1 - the structure of the flexible rod in the initial state;
- фиг.2 - структура гибкого штока в рабочем состоянии;- figure 2 - the structure of the flexible rod in working condition;
- фиг.3 - конструкция линейного актуатора в виде действующего макета искусственной руки в исходном положении;- Fig.3 - design of a linear actuator in the form of a valid model of an artificial hand in its original position;
- фиг.4 - конструкция линейного актуатора в виде действующего макета искусственной руки в рабочем положении.- Fig.4 - design of a linear actuator in the form of a valid model of an artificial hand in the working position.
На фиг.1-4 использованы следующие обозначения: 1 - гибкий шток в виде эластичной трубки; 21…2n - нити; 3 - кисть руки; 4 - предплечье; 5 - плечо; 6 - модуль управления, при этом модуль управления включает в себя блок питания, контроллер и электропривод, гибкий шток одним своим концом прикреплен к валу редуктора, связанного с валом электродвигателя, электрически соединенного с модулем управления, а другим своим концом, через плечо, локтевой сустав и предплечье, жестко прикреплен к имитатору кисти руки.In Fig.1-4 the following notation is used: 1 - flexible rod in the form of an elastic tube; 2 1 ... 2 n - threads; 3 - hand; 4 - forearm; 5 - shoulder; 6 - control module, while the control module includes a power supply, a controller and an electric drive, the flexible rod is attached at one end to the shaft of the gearbox connected to the motor shaft, electrically connected to the control module, and at its other end, through the shoulder, the elbow joint and forearm, rigidly attached to the imitator of the hand.
Заявляемое устройство работает следующим образом (см. фиг.4). При включении блока питания управляющий сигнал с модуля управления 7 подается на управляющую обмотку электродвигателя (на фиг.1 - 4 не показан), обеспечивая регулирование скорости и направления его вращения по заданной программе, в результате чего достигают заданного темпа сгибания/разгибания искусственной руки, состоящей из механические соединенных кисти 3, предплечьем 4 и плечом 5 с заданными амплитудой и частотой. При этом механическая связь реализована с помощью гибкого штока (см. фиг.1, 2) 1, состоящего из скрученных нитей 21…2n, обработанных минеральной смазкой и помещенных в эластичную трубку. Нити 2 гибкого штока 1 обработаны минеральной смазкой для уменьшения механического трения между ними и помещены в эластичную трубку для предотвращения разбрызгивания смазки в процессе работы и для защиты гибкого штока от воздействия пыли окружающей среды.The inventive device works as follows (see figure 4). When the power supply is turned on, the control signal from the control module 7 is fed to the control winding of the electric motor (not shown in Fig.1 - 4), providing regulation of the speed and direction of its rotation according to a given program, as a result of which a given rate of flexion/extension of the artificial arm, consisting of mechanically connected
Введение в конструкцию линейного актуатора эластичной трубки и обработка нитей гибкого штока смазкой позволяют увеличить коэффициент полезного действия (КПД) устройства. В ходе эксперимента были получены следующие результаты. При потребляемой мощности электродвигателя в 10 Вт и при его КПД, равном 90%, полученное значение КПД на выходе устройства составило: при «сухом» штоке - 60%, при «смазанном» штоке - 80%. Таким образом, при смазанном штоке достигнуто повышение КПД на 20%.The introduction of an elastic tube into the design of the linear actuator and the treatment of the flexible rod threads with lubricant make it possible to increase the coefficient of performance (COP) of the device. During the experiment, the following results were obtained. With a power consumption of the electric motor of 10 W and with its efficiency equal to 90%, the obtained efficiency value at the output of the device was: with a “dry” rod - 60%, with a “lubricated” rod - 80%. Thus, with a lubricated rod, an increase in efficiency of 20% was achieved.
В качестве нитей, составляющих гибкий шток, в процессе экспериментальных исследований были использованы углеродные нити, а также нити из шелка, капрона, полиамида, полиэстера и из полиэтилена. Наиболее износостойкими оказались нити из полиэтилена марки «dyneema» производства фабрики «Dutch state mines» (Голландия) и марки «spectra» фабрики «Allied signab (США).As the threads that make up the flexible rod, in the process of experimental studies, carbon threads were used, as well as threads made of silk, nylon, polyamide, polyester and polyethylene. The most wear-resistant were threads made of polyethylene of the dyneema brand produced by the Dutch state mines factory (Holland) and the Spectra brand of the Allied signab factory (USA).
Технический результат заключается в решении задачи изобретения, а именно, в увеличении коэффициента полезного действия устройства на 20% за счет уменьшения силы взаимного трения нитей в гибком штоке при скручивании и в обеспечении его защиты от пыли.The technical result consists in solving the problem of the invention, namely, in increasing the efficiency of the device by 20% by reducing the force of mutual friction of the threads in the flexible rod during twisting and in ensuring its protection from dust.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2791805C1 true RU2791805C1 (en) | 2023-03-13 |
Family
ID=
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU88820U1 (en) * | 2009-08-14 | 2009-11-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Эликс-Кабель" | OPTICAL CABLE |
| US20160259417A1 (en) * | 2014-07-21 | 2016-09-08 | Dexta Robotics | Hand exoskeleton force feedback system |
| RU2632873C2 (en) * | 2011-08-12 | 2017-10-11 | КРЭЙТОН ПОЛИМЕРС Ю.Эс.ЭлЭлСи | Latex containing water and styrene unit-copolymer and method of producing products therefrom |
| RU2645804C1 (en) * | 2017-06-07 | 2018-02-28 | Дмитрий Андреевич Журавлёв | Bionic exoskeleton |
| RU181515U1 (en) * | 2017-09-06 | 2018-07-17 | Евгений Михайлович Дудиков | Device for restoring movements in the upper limb |
| RU2717046C1 (en) * | 2019-06-13 | 2020-03-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени И.С. ТУРГЕНЕВА" (ОГУ им. И.С. Тургенева) | Exoskeleton glove with linear actuators |
| RU2749526C1 (en) * | 2017-11-01 | 2021-06-11 | Хэмпиджан Хф. | Bending fatigue-resistant composite cable |
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU88820U1 (en) * | 2009-08-14 | 2009-11-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Эликс-Кабель" | OPTICAL CABLE |
| RU2632873C2 (en) * | 2011-08-12 | 2017-10-11 | КРЭЙТОН ПОЛИМЕРС Ю.Эс.ЭлЭлСи | Latex containing water and styrene unit-copolymer and method of producing products therefrom |
| US20160259417A1 (en) * | 2014-07-21 | 2016-09-08 | Dexta Robotics | Hand exoskeleton force feedback system |
| RU2645804C1 (en) * | 2017-06-07 | 2018-02-28 | Дмитрий Андреевич Журавлёв | Bionic exoskeleton |
| RU181515U1 (en) * | 2017-09-06 | 2018-07-17 | Евгений Михайлович Дудиков | Device for restoring movements in the upper limb |
| RU2749526C1 (en) * | 2017-11-01 | 2021-06-11 | Хэмпиджан Хф. | Bending fatigue-resistant composite cable |
| RU2717046C1 (en) * | 2019-06-13 | 2020-03-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени И.С. ТУРГЕНЕВА" (ОГУ им. И.С. Тургенева) | Exoskeleton glove with linear actuators |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10906168B2 (en) | Electrolaminate clutches for an exosuit system | |
| WO2014136958A1 (en) | Hand exoskeleton device | |
| US20180049903A1 (en) | Flexgrip | |
| Yu et al. | Mechanical design of a portable knee-ankle-foot robot | |
| Phan et al. | HFAM: soft hydraulic filament artificial muscles for flexible robotic applications | |
| JP2010082342A (en) | Auxiliary actuator for finger | |
| Zhang et al. | Modeling of novel compound tendon-sheath artificial muscle inspired by hill muscle model | |
| Burns et al. | Towards a wearable hand exoskeleton with embedded synergies | |
| CN107378914A (en) | A kind of flexible tendon power assisting device towards human body trochoid | |
| Koizumi et al. | Soft robotic gloves with thin McKibben muscles for hand assist and rehabilitation | |
| Wang et al. | Design and development of a glove for post-stroke hand rehabilitation | |
| RU181515U1 (en) | Device for restoring movements in the upper limb | |
| RU2791805C1 (en) | Linear actuator for artificial arm device | |
| Wang et al. | Design and experiment of a hand movement device driven by shape memory alloy wires | |
| Schulz et al. | A new class of flexible fluidic actuators and their applications in medical engineering | |
| Kokubu et al. | Developing a hybrid soft mechanism for assisting individualized flexion and extension of finger joints | |
| RU179188U1 (en) | EXCOSCELETON OF ELBOW JOINT | |
| Petre et al. | Pneumatic muscle actuated wrist rehabilitation equipment based on the fin ray principle | |
| CN112656641A (en) | Wearing formula outer limb finger of cerebral apoplexy patient | |
| US8692397B1 (en) | Mechanism for the conversion of vertical motion to translational or rotational motion | |
| Zhou et al. | Research on a new structure of hand exoskeleton for rehabilitation usage | |
| US20230417307A1 (en) | Muscle-like Actuators for Wearable Systems | |
| Feja et al. | Manipulators driven by pneumatic muscles | |
| JP2023503354A (en) | bending-rotating converter | |
| KR101774703B1 (en) | Muscle training apparatus using energy harvesting |