SE441976B - Sett att driva och lasa element till elektriskt drivna proteser, manipulatorer och liknande samt drivenhet herfor - Google Patents

Description

-402223-5 Technik) beskriver en säkerhetsanordning för en konstgjord hand med vilken utnyttjas en särskild spärranordning för att kvarhålla protesens fingrar i deras förslutningsläge.

Tidigare kända proteser av detta och liknande slag, vid vilka man styr en drivmotor som åstadkommer det aktiva elementets rörelse uppvisar den allvarliga nackdelen, att man icke kan erhålla en distinkt positionering av det aktiva elementet. Detta har samband med den tröghet som alltid finnes i systemet, och som medför att elementet icke kan bringas att stanna i exakt läge. En annan nackdel som har ' samband härmed är att man icke kan uppnå glappfrihet vid dylika anordningar. Som regel är det icke heller möjligt att erhålla uppbrytbarhet, vilket är ett mycket viktigt krav vid de flesta typer av proteser. Om nämligen protesen låses i visst läge och icke kan uppbrytas kan detta i många fall leda till allvarliga skadeverkningar.

En annan allvarlig olägenhet som vidlåder de flesta _hittills kända proteser är att de för tillfredsställande funktion måste tillverkas med mycket noggranna toleranser.

Uppfinningens ändamål Ett ändamål med uppfinningen är i motsvarighet här- till att åstadkomma ett sätt av ovan angivet slag, vilket undanröjer angivna nackdelar hos kända drivsystem och som medger noggrann positionering av protesens aktiva element utan att exempelvis gripkraften går förlorad till följd av glapp i protesen eller motsvarande.

Ett annat ändamål är att åstadkomma ett drivsystem av angivet slag som även i låst läge medger enkel uppbrytbar- het av det aktiva elementet.

Ett annat viktigt ändamål är att åstadkomma ett driv- system för proteser, manipulatorer och liknande som medger enkel och tillförlitlig styrning på elektronisk väg och som därigenom lättare kan anpassas till de varierande krav som ställes i olika sammanhang, t.ex. av olika patientkategorier respektive den miljö, i vilken en robot skall arbeta.

Ett ytterligare ändamål är att åstadkomma ett driv- 8402223-5 och styrsystem av angivet slag som fungerar tillförlitligt utan noggranna tillverkningstoleranser för ingående kompo- nenter.

Kort redogörelse för uppfinningen Dessa och andra ändamål uppfylles av ett sätt enligt uppfinningen som i sin vidaste aspekt kännetecknas av att förutom drivmotorn dessutom utnyttjas en bromsmotor som akti- veras under slutskedet av eller efter rörelsens utförande för låsning av elementet i det intagna läget.

Genom att enligt uppfinningen utnyttja en särskild bromsmotor som åstadkommer noggrann låsning av det aktiva elementet i ett intaget läge möjliggöres distinkt, glappfri positionering av det aktiva elementet. Samtidigt medges enkel uppbrytbarhet av det aktiva elementet, då så kräves.

De separata el-motorerna för driv- och låsrörelserna gör att arrangemanget som helhet kan ges en enkel och robust utform- ning, vilket i sin tur leder till tillförlitlig funktion utan noggranna tillverkningstoleranser.

Som regel utnyttjas en serie-motor för drivrörelsen, vilket sålunda gör att den tillförda strömmen ökar då det uppträder ett motstånd mot det aktiva elementets rörelse, exempelvis då detta griper ett föremål. Detta kan vid en föredragen utföringsform av uppfinningen utnyttjas för styr- ning av bromsmotorn genom att bromsmotorn aktiveras då styr- kan av den till drivmotorn tillförda strömmen överskrider ett förutbestämt värde.

Alternativt är det möjligt att exempelvis ge en impuls för start av bromsmotorn, då det aktiva elementets rörelse upphör eller börjar avstanna, exempelvis i anslutning till ingrepp mot ett föremål.

Vid en speciell tillämpning av uppfinningen för styr- ning av proteser, varvid man på känt sätt utnyLtjar myo- signaler för styrning av drivmotorns rörelser, utnyttjas sådana myo-signaler även för styrning av bromsmotorn. Spe- ciella fördelar erbjudes därvid då bromsmotcrn skall aktive- 8402223-5 ras för frigivning, dvs. bringas att rotera i motsatt rikt- ning i förhållande till rotationsriktningen vid låsning.

Uppfinningen avser även en drivenhet till eldrivna proteser, manipulatorer och liknande, t.ex. armprotesers och robotars griporqan, vilken drivenhet innefattar en elektrisk drivmotor med en utgående axel, en utväxlings- anordning för överföring av den utgående axelns rörelse till en drivaxel för ett aktivt element, t.ex. ett griporgan, och vilken drivenhet kännetecknas av en eldriven bromsmotor, vars utgående axel samverkar med bromsbackar inrättade att genom ingrepp mot ett med drivmotorns utgående axel opera- tivt förbundet element läsa det aktiva elementet i ett in- taget läge, och styrorgan inrättade att aktivera broms- motorn vid slutet av eller efter slutförande av det aktiva elementets rörelse. vid en i praktiken föredragen utföringsform uppbär bromsmotorns utgående axel en hylsa med ett högergängat parti i självhämmande ingrepp med den ena bromsbacken och ett vänstergängat parti i självhämmande ingrepp med den andra bromsbacken.

Härvid erhålles ett mekaniskt enkelt och tillförlit- ligt arrangemang som snabbt kan utöva stora bromskrafter.

Självhämningen hos de gängade partierna gör att bromskraften bibehålles trots att drivströmmen till broms- motorn brytes så snart bromsbackarna slagit till, varigenom driv- och bromsenhetens strömâtgång kan minimeras.

Emellertid uppkommer vid den angivna anordningen ett problem i så måtto, att bromsmotorns vridande moment som regel icke är tillräckligt för att direkt medge backarnas frigivning vid omkastning av rotationsriktningen. Vid en föredragen utföringsform av uppfinningen löses emellertid detta problem genom att bromsmotorns axel uppbär ett excen- triskt anslagselement som vid nämnda omkastning av rotations- riktningen efter ca. 1/2 varvs frigång utövar slagverkan mot en axelhylsan tillhörig del. Nämnda slagverkan är tillräck- lig för att bringa självhämningen att upphöra, varefter 8402223-5 bromsbackarnas rörelse till fullt frigivningsläge sker utan svårigheter.

En föredragen utföringsform kännetecknas av att drivmotorns utgående axel uppbär en med denna koncentrisk bromstrumma med en bromsskiva, mot vilken bromsbackarna in- griper. En skivbroms av detta slag blir trots enkel tillverk- ningsteknisk utformning synnerligen effektiv.

Bromstrummans axel kan vidare delvis omsluta driv- motorn, vilket sålunda i praktiken innebär att de båda motorerna, nämligen drivmotorn och bromsmotorn, intar ett läge nära varandra och där sålunda det tillgängliga utrymmet - som ofta är litet i en protes av här aktuellt slag - till- varatas på bästa möjliga sätt. Med andra ord medger upp- finningen att en synnerligen kompakt driv- och bromsenhet åstadkommas.

För effektiv styrning av såväl driv- som bromsmotor kan styrorganen innefatta en sekvensdel med två eller flera deriveringsenheter för öppning och stängning av bromsen i önskat tidsögonblick samt en eller flera fördröjningskretsar för att förhindra rörelse av drivmotorn innan bromsen fri- givits samt förhindra glapp innan bromsen har gripit.

Deriveringsenheter och fördröjningskretsar av angivet slag utgör enkla och billiga elektroniska komponenter som finner fördelaktig användning vid en driv- och bromsenhet enligt uppfinningen.

Förutom vid proteser kan en driv- och bromsenhet enligt uppfinningen finna fördelaktig användning även i många andra sammanhang exempelvis vid olika typer av manipulatorer såsom robotar och liknande. Styrsignalerna för de båda motorernas aktivering är därvid som regel annorlunda i så mâtto, att myo-signaler icke utnyttjas för motorernas styrning.

Uppfinningen skall nedan närmare beskrivas med hän- visning till en på bifogade ritningar visad utföringsform av denna.

Kort redogörelse för ritningarna Fig. 1 är ett tvärsnitt genom en drivenhet enligt 8402225-5 uppfinningen för användning exempelvis vid un arm- eller handprotes.

Fig. 2 är ett snitt utmed linjen II-II i fig. 1.

Fig. 3 är en ändvy av en del av drivenheten enligt fig. z." I Fig. 4.åskådliggör schematiskt en handprotes med stelt trepunktsgrepp försedd med en inbyggd drivenhet enligt uppfinningen.

Fig. 5 är en sidovy av handprotesen enligt fig. 4.

Fig. 6 är ett blockschema som åskådliggör exempel på elektroniska komponenter till en drivenhet enligt uppfinningen.

Fig. 7 är ett diagram som visar exempel på styrsignaler vilka utnyttjas för drivenhetens styrning.

Redogörelse för föredragen utföringsform Med hänvisning först till fig. 1-3 åskådliggör siffran 1 en drivenhet, som kan användas exempelvis vid en elektriskt driven handprotes eller en industrirobot.

Drivenheten innefattar en el-motor 2 med en utgående axel 2a. Drivmotorn kan vara av mer eller mindre konventio- nellt slag och drivas av ett 6 V-batteri.

Den utgående axeln 2a uppbär ett kuggremdrev 2b med en påförd kuggrem 3 som är förd över ett kuggremhjul 4b på en ingående axel 4a till en planetväxellåda 4. Dennas ut- gående axel 4c uppbär ett kuggremdrev 4d med en påförd kugg- rem 5.

El-motorns utgående axel 2a uppbär därjämte en kon- centriskt anordnad trumma 6, som delvis omsluter drivmotorn 2. Trumman 6 uppbär centralt en radiellt riktad och peri- feriellt runtomgående bromsskiva 6a.

Under drivmotorn 2 finns en bromsmotor 7, vars ut- gående axel 7a uppbär en axelhylsa 7b som har ett vänster- gängat och ett högergängat parti. Vart och ett av dessa par- tier står i självhämmande ingrepp med en bromsback 8 resp. 9, som vid bromsmotorns rotation i en riktning ingriper mot skivan 6a på trumman 6.

Såsom framgår av fig. 3 uppbär bromsmotorns axel 7a 8402225-51 7 dessutom ett excentriskt anslagselement 7c som vid omkast~ ning av rotationsriktninqen för backnrnas 8,U frinivninq efter ca 1/2 varvs frigång utövar slagvcrkan mot en axel- hylsan 7b tillhörig del 7b'.

I fig. 4 och 5 åskådliggöres en elektrisk handprotes 10 med stelt trepunktsgrepp. Den växellådans 4 utgående axel 4c påförda kuggremmen 5 är förd över kugg- eller kedjehjul 11 som är förenat med protescns rörliga finger 13. Detta kan åstadkomma ingrepp mot en med denna rörligt förenad tumme 14 via en länk 15.

Efter slutförande av fingrets 13 rörelse mot tummen 14 - vilket sker efter aktivering av drivmotorn 2 - aktiveras bromsmotorn 7, varvid bromsbackarna 8, 9 snabbt rör sig mot varandra under ingrepp mot bromsskivan 6a på trumman 6, varvid noggrann, glappfri låsning av fingret 13 och tummen 14 i det intagna läget åstadkommes.

Såväl bromsmotorn 7 som drivmotorn 2 deaktiveras omedelbart härefter, varvid lâsingreppet bibehålles med biträde av förevarande självhämning i qängingreppet mellan bromsbackarna 8 resp. 9 och motsvarande gängade del av axelhylsan 7b.

Då fingergreppet skall upphöra aktiveras bromsmotorn för rörelse i motsatt riktning - vilket kan ske med utnytt- jande av myo-impulser - varvid det i fig. 3 visade excen- triska anslagselementet 7a utövar ovannämnda slagvcrken mot axelhylsdelen 7b'.

Då bromsbackarna 8, 9 frigivits från bromsskivan 6a, aktiveras drivmotorn 2 i motsatt riktning för omkastad rörelse av fingret 13 och tummen 14.

Av det i fig. 6 visade blockschemat framgår att styrorganen innefattar en sekvensdel med fyra stycken deriveringsenheter för detektering av påbörjad resp. av- slutad griprörelse, I det i fig. 7 visade diagrammet åskådliggöres dessa fyra signaler under B. Deras funktion är att öppna resp. stänga bromsen i rätt tidsögonblick. Som regel gäller att bromsen skall öppnas innan drivmotorn 2 erhåller impuls 8402223-5 8 för rörelse då det rörliga elementet aktiveras och att bromsen skall slå till, då en negativ derivata av myo- signalen detekteras. Strömmen till bromsmotorn utgör en förstärkning av myo-signalons tidsderivatn.

Av blockschemat i fig. 6 framgår vidare att driv- motorn 2 uppvisar fördröjningskretsar för att dels för- hindra rörelse innan bromsen deaktiveras, samt dels för- hindra glapp innan bromsen aktiveras.

Då patienten skall gripa ett föremål med hjälp av protesen, så görs detta genom att muskeln på endera armens under- eller översida sträcks (kontrakturus).

Kontraktionen ger upphov till en myo-signal och drivmotorn aktiveras. Då patienten känner att protesen griper (dvs. kraften byggs upp) om föremålet, slappnar han av i muskeln, varefter till följd härav en kort puls _ges till bromsmotorn. Den bromsmotorn tillförda strömmen utgör sålunda en förstärkning av myo-signalens tidsderi- vata. Bromsbackarna ingriper mot bromsskivan, så att pro- tesgreppet hålles glappfritt. Först när den korta ström- pulsen till bromsmotorn upphört, bryts strömmen Lill driv- motorn. _ I styrelektroniken ingår ett slutsteg för drivmotorn och ett för bromsmotorn. Slutsteget till drivmotorn komp- letteras lämpligen med en sk. batterisparkrets, som för- hindrar onödig strömförbrukning vid muskelkontraktion.

Batterisparkretsen tillförsäkrar sålunda, att drivmotorn aldrig aktiveras längre än förutbestämd tid, t.ex. 1,5 sek.

Kretsarnas olika aktiva komponenter inklusive till- hörande kondensatorer är'i praktiken lämpligen miniatyr- iserade, om än diskreta. Denna typ av krets brukar benämnas hybridkrets.

För fullständighets skull kan nämnas att strömmen till drivmotorn utgör en förstärkning av myo-signalen med viss tidsföraröjning Tf i En myo-signal motsvarar alltid en muskelkontraktion, 8402223-5 vilket i beroende av om muskelkontraktioncn sker på armens över- eller undersida alstrar en positiv eller negativ myo-signal, vilken i sin tur ger ström till driv- motorn i den ena eller den andra riktningen.

Industriell tillämpbarhet En med bromsmotor försedd drivenhet av beskrivet slag kan tillämpas i många andra sammanhang, exempelvis vid olika typer av manipulatorer såsom industrirobotar och liknande. Principen för de båda motorernas aktivering och deaktivering blir därvid väsentliqen densamma, även om själva styrsignalerna kan alstras på i beroende av omgiv- ningen eller omständigheterna varierandc sätt.

Claims (9)

8402225-5 10 Patentkrav

1. Sätt att driva och låsa element till elektriskt drivna proteser, manipulatorer och liknande, t.ex. arm- protesers och robotars griporgan, varvid utnyttjas en drivmotor, vars rörelse via en utväxling tillföres elemen- tet för utförande av dess rörelse, k ä n n e t e c k n a t av att dessutom utnyttjas en bromsmotor som aktiveras under slutskedet av eller efter rörelsens utförande för låsning av elementet i det intagna läget.

2. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att bromsmotorn aktiveras då styrkan av den till drivmotorn tillförda strömmen överskrider ett förutbestämt värde.

3. (Sätt enligt krav 1 eller 2 för drivning av proteser, varvid.myo-signaler utnyttjas för styrning av drivmotorns rörelser, k ä n n e t e c k n a t av att myo-signaler ut- iunyttjas för styrning även av bromsmotorn.

4. Drivenhet till elektriskt drivna proteser, manipula- torer och liknande, t.ex. armprotesers och robotars grip- organ, vilken drivenhet innefattar _ en elektrisk drivmotor (2) med en utgående axel (2a), en utväxlingsanordning (4) för överföring av den ut- gående axelns (2a) rörelse till en drivaxel för ett aktivt element, t.ex. ett griporgan (13), k ä n n e t e c k n a d av en el-driven bromsmotor (7), vars utgående axel (7a) samverkar med bromsbackar (8, 9) inrättade att genom in- grepp mot ett med drivmotorns utgående axel (Za) operativt förbundet element (Ga) låsa det aktiva elementet (T3) i ett intaget läge, och styrorgan inrättade att aktivera bromsmotorn vid slutet av eller efter slutförande av det aktiva elementets rörelse.

5. _ Drivenhet enligt krav 4, k ä n n n t e c k n a d av att bromsmotorns utgående axel (7a) uppbär en hylsa (7b) med ' 8402223-5 11 ett högergängat parti i självhämmande ingrepp med den ena bromsbacken (t.ex. 8) och ett vänstergängat parti i själv- hämmande ingrepp med den andra bromsbacken (t.ex. 9).

6. Drivenhet enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a d av att bromsmotorns (7) utgående axel (7a) uppbär ett excentriskt anslagselement (7c) som vid omkastning av rota- tionsriktningen för backarnas (8, 9) frigivning efter ca. 1/2 varvs frigång utövar slagverkan mot en axelhylsan (7b) tillhörig del (7b').

7. Drivenhet enligt något av krav 4-6, k ä n n e- t e o k n a.d av att drivmotorns (2) utgående axel (2a) uppbär en med denna koncentrisk bromstrumma (6) med en bromsskiva (6a), mot vilken backarna (8, 9) ingriper.

8. Drivenhet enligt krav 77 k ä n n e t e c k n a d av att bromstrumman (6) delvis omsluter drivmotorn (2).

9. Drivenhet enligt något av krav 4-8, k ä n n e t e c k- n a d av att styrorganen innefattar en sekvensdel med två eller flera deriveringsenheter för öppning och tillslag av bromsen i önskat tidsögonblick samt en eller flera fördröj- ningskretsar för att förhindra rörelse av drivmotorn innan bromsen frigivits_samt förhindra glapp innan bromsen har gripit.