线性执行器和包括这种执行器的复原装置

摘要

线性执行器（10），包括主体（12）、沿第一轴线（X1）以可滑动方式接纳在主体（12）内的输出构件（14）、被布置为使得电机轴杆（20）绕第二轴线（X2）进行旋转的电动机（18）、以及用于将由该电动机（18）绕该第二轴线（X2）产生的旋转运动转换成输出构件（14）的沿该第一轴线（X1）的平移运动的运动转换机构（22）。该电机转换机构（22）包括驱动滑轮（24）和狭长机械传动构件，驱动滑轮（24）受到驱动式连接以随电机轴杆（20）进行旋转，狭长机械传动构件缠绕在驱动滑轮（24）上、并且它的两个相对端紧固到输出构件（14）从而当驱动滑轮（24）在任意方向上进行旋转时沿该第一轴线（X1）在任意方向上拖拽输出构件（14）。输出构件（14）形成为杆状并且接纳在主体（12）的圆筒空腔（16）内以从其部分地突起。在输出构件（14）的相对于驱动滑轮（24）的轴向相对点处狭长机械传动构件（26）紧固到输出构件（14）。

说明书

技术领域

本发明涉及一种线性执行器，更具体地讲，涉及一种机电式线性执行器，基本包括了主体、沿轴向可滑动地接纳在主体内的输出构件、电机（或者齿轮电机）、以及用于将由电动机产生的旋转运动转换成输出构件的沿上述轴向的平移运动的运动转换机构，其中，运动转换机构包括一种由电动机进行旋转的驱动滑轮和一种线缆，或者类似的狭长机械传动部件，该线缆或类似的狭长机械传动部件缠绕在驱动滑轮上、并且它的两个相对端紧固到输出构件上用以（当驱动滑轮在任意旋转方向上进行旋转时）以任一方式沿上述轴向而拖拽所述输出构件。

背景技术

从欧洲专利申请EP 1944527已知上述类型的线性执行器。根据这个已知方案，两个线缆长度在相对于轴向的基本横向方向（输出构件的滑行运动的方向）上离开驱动滑轮，并且由对应导轮进行偏离以便与上述轴向平行地以相同方式运行。两个线缆长度之一缠绕到第三导轮上（所述第三导轮位于输出构件的与驱动滑轮轴向相对着的侧部处）以在另外线缆长度的紧固点附近被紧固到输出构件自身。第三导轮的存在阻碍了输出构件形成为一种以可滑动方式被接纳在圆筒空腔内的、并且部分地从那个空腔突起的杆。另一方面，一种可能的杆应该被紧固到输出构件上以便横靠着在三个导轮之中走向的两个线缆长度而延伸、并且由此不会受到第三导轮的阻碍。然而，这样，会出现对杆进行的引导这方面的问题，这是因为通过两个线缆长度而交替施加的牵引力将不会与杆的滑动方向对齐。

发明内容

由此本发明的目的在于提供上述类型的线性执行器，其中，输出构件形成为杆并且以可滑动方式接纳在主体的圆筒空腔内从而使得从那个空腔而部分地突起，由此能够在要求将执行器形成为圆筒和杆组件的所有那些应用中使用线性执行器。本发明的另一个目的在于提供上述类型的线性执行器，它同时能够对杆施加很高的轴向力（即，在与杆的滑动运动相同的方向上作用的力）并且以高速来移动杆。本发明的又一个目的在于提供上述类型的线性执行器，它是可逆的（或者可返回驱动的）即，它不仅能够使得杆以任意方式沿轴向移位、还可以当在杆自身上施加外部负载时受到以任意方式的杆的轴向位移。

借助于具有在所附的独立权利要求1的特征部分中阐述的特性的线性执行器来根据本发明全面实现这些和其它目的。

在从属权利要求中阐述本发明的优选实施例，从属权利要求的内容意在作为本说明书的整体和集成部分。

简而言之，本发明基于提供上述类型的线性执行器的构思，其中，输出构件形成为杆并且以可滑动方式接纳在主体的圆筒空腔内以便部分地从其突起；并且在输出构件相对于驱动滑轮的轴向相对点处，运动转换机构的线缆的两个相对端被紧固到输出构件。由此运动转换机构的线缆就能够以任意方式在输出构件上产生牵引力，而不需要在输出构件的相对于驱动滑轮的轴向相对端上设置导轮。

根据本发明的优选实施例，驱动滑轮的旋转轴线定向成与轴向（即输出构件的滑动运动的方向）平行以便降低横向方向（即与上述轴向垂直的方向）上的执行器的整体尺寸。在这种情况下，运动转换机构还包括一对导轮，每个导轮与对应柔性线缆的长度相关联以将这个后者的方向从横向偏离至轴向。或者，驱动滑轮的旋转轴线可以定向为与轴向垂直。这可以免去使用两个导轮，但是会导致执行器的横向整体尺寸增加。

附图说明

基于仅仅纯粹地作为非限制例子参照附图给出的下列详细说明，本发明的另外特征和优点将变得显而易见，这些附图中：

图1是根据本发明的优选实施例的线性执行器的透视图；

图2是详细示出图1的线性执行器的运动转换机构的透视图；

图3是图1的线性执行结构的俯视图；

图4是沿图3的线IV-IV剖开的线性执行器的截面图；

图5是沿图3的线V-V剖开的线性执行器的截面图；

图6是详细示出图1的线性执行器的输出构件的轴向端部的透视图；

图7是根据本发明的变型实施例的线性执行器的透视图；

图8是复原装置的透视图，特别是用于为治疗踝伤的包括与图1到图6所示相同类型的三个线性执行器的复原装置的透视图；以及

图9是示出图8的复原装置的几何关系的示意图。

具体实施方式

在下面的说明和权利要求中，术语“轴向”用于指示线性执行器的输出构件的平移运动的方向、或者广义上指示与之平行的方向，而术语“横向”用于指示设定在与上述轴向垂直的平面内的方向。

首先参照图1到图6，根据本发明的优选实施例的线性执行器通常由附图标记10进行指示并且包括：

中空的主体12，优选地具有大致的圆筒状；

输出构件14，呈一种被接纳在主体12的圆筒空腔16中的杆的形状，从而能够在那个空腔的轴线的方向（由X1指示）上进行滑动，该方向在下文中将称作轴向；

电动机18，优选地联接到减速齿轮，该电动机安装在主体12上并且具有电动机轴杆20，电动机轴杆20布置成使得其自身的轴线（由X2指示）与空腔16的轴线X1平行；以及

运动转换机构22，安置介于电动机18的电机轴杆20与杆14之间以将绕其自己的轴线X2的任意方向上的第一个旋转运动转换成沿其自己的轴线X1的任意方向上的第二个平移运动。

从图2的详细视图可以更好地看出，运动转换机构22包括驱动滑轮24和线缆26，其中，驱动滑轮24装配到电机轴杆20上从而能够通过电机轴杆20进行旋转，线缆26被容纳在设置于驱动滑轮24的横向表面上的螺旋槽内、并且它的两个相对端在这个后者的相对于驱动滑轮24的轴向相对点处紧固到杆14。线缆26有利地为多股钢缆，从而能够传送高的牵引力。根据这个实施例（其中，驱动滑轮24被布置为使得它自身的轴线X2与杆14的轴线X1平行），运动转换机构22还包括一对导轮28，这对导轮28安置介于驱动滑轮24与杆14之间、并且分别与线缆26的对应长度相关联从而将这个后者的方向从横向转换成轴向。离开驱动滑轮24的两个线缆长度由此具有：在相同方向上在导轮28的下游横向延伸的对应第一部分和在相反方向上轴向延伸的对应第二部分。

两个导轮28惰性地或空载地（idly）安装在由一种固定到主体12的支撑结构32所携载的对应销30上。正如从图5的截面图可以较好地看出，两个导轮28的轴线没有对齐，而是有利地彼此倾斜，从而使得两个导轮28被布置成朝向杆14收敛的V状。介于电机轴杆20的轴线与杆14的轴线之间的距离、且因此线性执行器10的横向整体尺寸因此进一步减小。

从图4的截面图能够特别清楚地看出，杆14从主体12的空腔16的开口32而部分地突出，优选地沿轴向面朝驱动滑轮24的一侧。杆14通常是圆柱件，优选地具有实心截面，在它的面对驱动滑轮24的一侧上设置了具有防旋转功能的平坦表面34，该平坦表面34在整个杆上进行延伸。在杆14的相对端处，在平坦表面34的区域内设置有对应的凹口36，并且容纳用于将线缆26的两端紧固到杆上的对应端构件38。在图6中能够看见两个端构件38之一，特别是安装在从主体12突起的杆14的端部的处一个端构件38。从该图能够得出，根据本发明的优选实施例，端构件38能够以轴向可滑动方式安装在关联凹口36内从而使得：借助于一种调整螺钉40，能够调整端构件38的轴向位置，由此能够采取占据可能的游隙。由于沿杆而走向的线缆26的长度没有与这个后者的轴线X1完美对齐、而是在它们之间稍微存在间隔，所以提供一对线性轴承42（图4）以引导杆14并且对横向负载进行承载。

线性执行器10还包括一种能够提供指示出杆14的线性位置的信号的位置传感器44。在所示的实施例中，位置传感器44是增量编码器，但明显能够是不同类型的传感器。优选的是，线性执行器10还包括测压单元（load cell），该测压单元位于从主体12突出的杆14的一端处，用于提供一种指示出由执行器产生的轴向力的信号。

鉴于以上对线性执行器10的结构的描述，根据本发明的线性执行器10的操作将会是清楚的。由此足以说，当驱动滑轮24在电动机18的控制之下在任意方向上进行旋转时，每当线缆26的两个自由长度之一缠绕在驱动滑轮24上、并且由此利用它拖拽/牵引杆14的关联端部时，由此导致杆的拖出/抽出（当与容纳在主体12的空腔16内的杆的端部相关联的线缆长度缠绕在驱动滑轮24上时）或者，相应地，杆的收回（当与主体12之外的杆的端部相关联的线缆长度缠绕到驱动滑轮24上时）。

考虑到盘绕的数目越高则线缆在滑轮上滑动的趋势越低、即执行器的“硬度”越高，能够自由地选择线缆26在驱动滑轮24上所形成的盘绕的数目。能够分别通过增加或减小驱动滑轮24的直径来增加或减小线性执行器的的最大行程。

在图7中示出了根据本发明的线性执行器的实施例的变型，其中，与先前附图相同或对应的那些部件和元件由相同标号进行指示。驱动滑轮24和电动机18的电机轴杆20被布置为使其它们自身的轴线X2定向为与杆14的轴X1垂直。这种布置清楚地允许省去导轮，这是因为离开驱动滑轮24的线缆的自由长度已经定向为与轴向方向平行，但是不可避免地导致线性执行器的横向整体尺寸更大。

根据本发明的线性执行器的应用的可能的例子是机械式复原系统的领域。

当今，机械式系统越发频繁应用于物理复原领域，这是因为与虚拟现实环境进行结合它们能够二者定性地以及最重要地定量地确立了从伤害恢复的水平，由此改进了当前复原协议、以及有助于限定更加有效的协议。更具体地讲，机械式复原系统使得患者能够认真主动地和完全自主地进行大范围锻炼，从而利用了以最小水平的监管且因此以最高效率对患者进行治疗的仪器来提供物理治疗。

具体地讲，本发明的另一个目的在于提供一种复原装置，这种复原装置具有一种两自由度平行运动学特性以治疗踝伤，这种复原装置的优点在于：与具有更多自由度的平行运动学特性的当前复原装置相比，在机械和运动学方面都更加简化，并且同时能够完全允许执行针对踝伤的治疗的复原协议所要求的所有锻炼。

参照图8，根据本发明的复原装置通常由附图标记100指示并且基本上包括：

支撑基底102；

可移动平台104，在它上面借助于具有Velcro条带的紧固带106来紧固住患者的足部；

中心支柱108，该中心支柱在其底端处固定到支撑基底102、并且在其顶端处连接到可移动平台104，这借助于一种万向接头（universal joint）而实现；以及

三个“活动”腿，每个包括与以上参照图1到图6所描述的类型相同的线性执行器110，线性执行器110具有主体112和杆114，主体112的底部借助于万用接头连接到支撑基底102，杆114的顶部借助于球接头而连接到可移动平台104，从而使得执行器110与支撑基底102的连接点沿第一圆周等间隔地间隔开、并且执行器110与可移动平台104的连接销沿第二圆周等间隔地间隔开，在所示例子中第二圆周的直径小于第一圆周的直径。

由于借助于万向接头来与中心支柱108进行连接，所以可移动平台104具有与踝的两个主要运动（即，背屈/跖屈运动和反向/翻转运动）对应的两个旋转自由度。由此，使用三个线性执行器110用于控制两个自由度可移动平台104的方位，可以对复原装置提供过激励即冗余激励，且优点在于，该装置在三个线性执行器之一受到损害的情况下仍能够进行工作。

图9示出了图8的复原装置的几何关系。A₁、A₂和A₃分别表示三个线性执行器110与支撑基底102的连接点（借助于万向接头），而B₁、B₂和B₃分别表示三个线性执行器110与可移动平台104的连接点（借助于球接头）。支撑基底102的中心（即其上等间隔地布置有点A₁、A₂和A₃的圆周的中心）由O表示，而可移动平台104的中心（即其上等间隔地布置有点B₁、B₂和B₃的圆周的中心）由P表示。点O对应于中心支柱108与支撑基底102的固定点。可移动平台104的中心P是与中心支柱108和可移动平台104之间的连接点P₀（借助于万用接头实现）一致的。可移动平台104的两个旋转自由度分别由α和β进行表示。

复原装置的主要几何参数是可移动平台104的高度（即其是指，介于点O与P（即，P₀）之间的距离）、支撑基底102的半径（即，沿其布置有腿与基底本身之间的连接点（万用接头）的圆周的半径）、可移动平台104的半径（即，沿其布置有腿与平台本身之间的连接点（球接头）的圆周的半径）、以及线性执行器110的行程。显而易见，可移动平台104的半径越大，则由装置产生的扭矩越大并且工作空间越小。另一方面，装置的高度越大，则线性执行器110的行程必需越大，以获得给定的运动场、并且由此装置的尺寸将更大。

这里在下文中给出了在装置的构造的优选例子中选定的上述几何参数的值，尽管这些值仅仅是指示性的、并且能够根据每次由特定应用所规定/指示的要求而进行大范围变化。

已选择0.3米值作为装置的高度从而使得患者能够在坐在普通座位上的同时将他的足部放在可移动平台上。线性执行器的最大行程已经选择为等于0.1m，腿的长度由此在0.277米与0.377米之间进行变动、且均值为0.327米。基于这个行程值，由小于支撑基底的半径的可移动平台的半径产生最宽工作空间（能够利用复原装置获得的角度α和β的组合的轨迹）。具体地讲，对于可移动平台的半径和支撑基底的半径已分别选择0.085米值和0.125米值。就每个线性执行器的电动机和减速齿轮单元的设计而言，已经确定必须由每个执行器生成以使得复原装置可以执行在复原协议的各个阶段内要求的所有锻炼的最大力等于636.5牛顿。由于必须至多以1.5匝的量级、或大约1.5匝来旋转驱动滑轮而获得线性执行器的最大行程，所以为了防止柔性线缆脱离驱动滑轮上的各个相应槽，则驱动滑轮的半径已设置成等于0.01米。由每个线性执行器的电动机和减速齿轮单元可传送的以利用一种具有上述直径的驱动滑轮来获得上述最大力值的扭矩由此等于6.365Nm。已经选定与具有12:1减速比的外摆线减速齿轮相关联的由Maxon（RE40 mod.）生产的直流电刷电动机来获得那个扭矩值。最后，就线性执行器的柔性线缆而言，已选定了7×191.5毫米直径的多股钢缆，这能够承载最大1.500N的负载。

自然，本发明的原理保持不变，可以针对仅仅作为非限制例子描述和所示的那些实例而对实施例和制造细节进行大范围改变。