專利名稱：線性執行器和包括這種執行器的復原裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種線性執行器，更具體地講，涉及一種機電式線性執行器，基本包括了主體、沿軸向可滑動地接納在主體內的輸出構件、電機(或者齒輪電機)、以及用于將由電動機產生的旋轉運動轉換成輸出構件的沿上述軸向的平移運動的運動轉換機構，其中，運動轉換機構包括一種由電動機進行旋轉的驅動滑輪和一種線纜，或者類似的狹長機械傳動部件，該線纜或類似的狹長機械傳動部件纏繞在驅動滑輪上、并且它的兩個相對端緊固到輸出構件上用以(當驅動滑輪在任意旋轉方向上進行旋轉時)以任一方式沿上述軸向而拖拽所述輸出構件。
背景技術：
從歐洲專利申請EP 1944527已知上述類型的線性執行器。根據這個已知方案，兩個線纜長度在相對于軸向的基本橫向方向(輸出構件的滑行運動的方向)上離開驅動滑輪，并且由對應導輪進行偏離以便與上述軸向平行地以相同方式運行。兩個線纜長度之一纏繞到第三導輪上(所述第三導輪位于輸出構件的與驅動滑輪軸向相對著的側部處)以在另外線纜長度的緊固點附近被緊固到輸出構件自身。第三導輪的存在阻礙了輸出構件形成為一種以可滑動方式被接納在圓筒空腔內的、并且部分地從那個空腔突起的桿。另一方面，一種可能的桿應該被緊固到輸出構件上以便橫靠著在三個導輪之中走向的兩個線纜長度而延伸、并且由此不會受到第三導輪的阻礙。然而，這樣，會出現對桿進行的引導這方面的問題，這是因為通過兩個線纜長度而交替施加的牽引力將不會與桿的滑動方向對齊。
發明內容
由此本發明的目的在于提供上述類型的線性執行器，其中，輸出構件形成為桿并且以可滑動方式接納在主體的圓筒空腔內從而使得從那個空腔而部分地突起，由此能夠在要求將執行器形成為圓筒和桿組件的所有那些應用中使用線性執行器。本發明的另一個目的在于提供上述類型的線性執行器，它同時能夠對桿施加很高的軸向力(即，在與桿的滑動運動相同的方向上作用的力)并且以高速來移動桿。本發明的又一個目的在于提供上述類型的線性執行器，它是可逆的(或者可返回驅動的)即，它不僅能夠使得桿以任意方式沿軸向移位、還可以當在桿自身上施加外部負載時受到以任意方式的桿的軸向位移。借助于具有在所附的獨立權利要求1的特征部分中闡述的特性的線性執行器來根據本發明全面實現這些和其它目的。在從屬權利要求中闡述本發明的優選實施例，從屬權利要求的內容意在作為本說明書的整體和集成部分。簡而言之，本發明基于提供上述類型的線性執行器的構思，其中，輸出構件形成為桿并且以可滑動方式接納在主體的圓筒空腔內以便部分地從其突起；并且在輸出構件相對于驅動滑輪的軸向相對點處，運動轉換機構的線纜的兩個相對端被緊固到輸出構件。由此運動轉換機構的線纜就能夠以任意方式在輸出構件上產生牽引力，而不需要在輸出構件的相對于驅動滑輪的軸向相對端上設置導輪。根據本發明的優選實施例，驅動滑輪的旋轉軸線定向成與軸向(即輸出構件的滑動運動的方向)平行以便降低橫向方向(即與上述軸向垂直的方向)上的執行器的整體尺寸。在這種情況下，運動轉換機構還包括一對導輪，每個導輪與對應柔性線纜的長度相關聯以將這個后者的方向從橫向偏離至軸向。或者，驅動滑輪的旋轉軸線可以定向為與軸向垂直。這可以免去使用兩個導輪，但是會導致執行器的橫向整體尺寸增加。
基于僅僅純粹地作為非限制例子參照附圖給出的下列詳細說明，本發明的另外特征和優點將變得顯而易見，這些附圖中
圖1是根據本發明的優選實施例的線性執行器的透視圖2是詳細示出圖1的線性執行器的運動轉換機構的透視圖3是圖1的線性執行結構的俯視圖4是沿圖3的線IV-IV剖開的線性執行器的截面圖5是沿圖3的線V-V剖開的線性執行器的截面圖6是詳細示出圖1的線性執行器的輸出構件的軸向端部的透視圖7是根據本發明的變型實施例的線性執行器的透視圖8是復原裝置的透視圖，特別是用于為治療踝傷的包括與圖1到圖6所示相同類型的三個線性執行器的復原裝置的透視圖；以及
圖9是示出圖8的復原裝置的幾何關系的示意圖。
具體實施例方式在下面的說明和權利要求中，術語“軸向”用于指示線性執行器的輸出構件的平移運動的方向、或者廣義上指示與之平行的方向，而術語“橫向”用于指示設定在與上述軸向垂直的平面內的方向。首先參照圖1到圖6，根據本發明的優選實施例的線性執行器通常由附圖標記10 進行指示并且包括
中空的主體12，優選地具有大致的圓筒狀；
輸出構件14，呈一種被接納在主體12的圓筒空腔16中的桿的形狀，從而能夠在那個空腔的軸線的方向(由Xl指示)上進行滑動，該方向在下文中將稱作軸向；
電動機18，優選地聯接到減速齒輪，該電動機安裝在主體12上并且具有電動機軸桿 20，電動機軸桿20布置成使得其自身的軸線(由X2指示)與空腔16的軸線Xl平行；以及運動轉換機構22，安置介于電動機18的電機軸桿20與桿14之間以將繞其自己的軸線 X2的任意方向上的第一個旋轉運動轉換成沿其自己的軸線Xl的任意方向上的第二個平移運動。從圖2的詳細視圖可以更好地看出，運動轉換機構22包括驅動滑輪M和線纜沈， 其中，驅動滑輪M裝配到電機軸桿20上從而能夠通過電機軸桿20進行旋轉，線纜沈被容納在設置于驅動滑輪M的橫向表面上的螺旋槽內、并且它的兩個相對端在這個后者的相對于驅動滑輪M的軸向相對點處緊固到桿14。線纜沈有利地為多股鋼纜，從而能夠傳送
4高的牽引力。根據這個實施例(其中，驅動滑輪M被布置為使得它自身的軸線X2與桿14的軸線Xl平行)，運動轉換機構22還包括一對導輪28，這對導輪28安置介于驅動滑輪M與桿14之間、并且分別與線纜沈的對應長度相關聯從而將這個后者的方向從橫向轉換成軸向。離開驅動滑輪M的兩個線纜長度由此具有在相同方向上在導輪觀的下游橫向延伸的對應第一部分和在相反方向上軸向延伸的對應第二部分。兩個導輪28惰性地或空載地(idly)安裝在由一種固定到主體12的支撐結構32所攜載的對應銷30上。正如從圖5的截面圖可以較好地看出，兩個導輪觀的軸線沒有對齊，而是有利地彼此傾斜，從而使得兩個導輪觀被布置成朝向桿14收斂的V狀。介于電機軸桿20的軸線與桿14的軸線之間的距離、且因此線性執行器10的橫向整體尺寸因此進一步減小。從圖4的截面圖能夠特別清楚地看出，桿14從主體12的空腔16的開口 32而部分地突出，優選地沿軸向面朝驅動滑輪M的一側。桿14通常是圓柱件，優選地具有實心截面，在它的面對驅動滑輪M的一側上設置了具有防旋轉功能的平坦表面34，該平坦表面34在整個桿上進行延伸。在桿14的相對端處，在平坦表面34的區域內設置有對應的凹口 36，并且容納用于將線纜沈的兩端緊固到桿上的對應端構件38。在圖6中能夠看見兩個端構件38之一，特別是安裝在從主體12突起的桿14的端部的處一個端構件38。從該圖能夠得出，根據本發明的優選實施例，端構件38能夠以軸向可滑動方式安裝在關聯凹口 36內從而使得借助于一種調整螺釘40，能夠調整端構件38的軸向位置，由此能夠采取占據可能的游隙。由于沿桿而走向的線纜沈的長度沒有與這個后者的軸線Xl完美對齊、而是在它們之間稍微存在間隔，所以提供一對線性軸承42 (圖4)以引導桿14并且對橫向負載進行承載。線性執行器10還包括一種能夠提供指示出桿14的線性位置的信號的位置傳感器44。在所示的實施例中，位置傳感器44是增量編碼器，但明顯能夠是不同類型的傳感器。優選的是，線性執行器10還包括測壓單元(load cell)，該測壓單元位于從主體12突出的桿14的一端處，用于提供一種指示出由執行器產生的軸向力的信號。鑒于以上對線性執行器10的結構的描述，根據本發明的線性執行器10的操作將會是清楚的。由此足以說，當驅動滑輪M在電動機18的控制之下在任意方向上進行旋轉時，每當線纜沈的兩個自由長度之一纏繞在驅動滑輪24上、并且由此利用它拖拽/牽引桿14的關聯端部時，由此導致桿的拖出/抽出(當與容納在主體12的空腔16內的桿的端部相關聯的線纜長度纏繞在驅動滑輪M上時)或者，相應地，桿的收回(當與主體12之外的桿的端部相關聯的線纜長度纏繞到驅動滑輪M上時)。考慮到盤繞的數目越高則線纜在滑輪上滑動的趨勢越低、即執行器的“硬度”越高，能夠自由地選擇線纜沈在驅動滑輪M上所形成的盤繞的數目。能夠分別通過增加或減小驅動滑輪M的直徑來增加或減小線性執行器的的最大行程。在圖7中示出了根據本發明的線性執行器的實施例的變型，其中，與先前附圖相同或對應的那些部件和元件由相同標號進行指示。驅動滑輪M和電動機18的電機軸桿20被布置為使其它們自身的軸線X2定向為與桿14的軸Xl垂直。這種布置清楚地允許省去導輪，這是因為離開驅動滑輪M的線纜的自由長度已經定向為與軸向方向平行，但是不可避免地導致線性執行器的橫向整體尺寸更大。
根據本發明的線性執行器的應用的可能的例子是機械式復原系統的領域。當今，機械式系統越發頻繁應用于物理復原領域，這是因為與虛擬現實環境進行結合它們能夠二者定性地以及最重要地定量地確立了從傷害恢復的水平，由此改進了當前復原協議、以及有助于限定更加有效的協議。更具體地講，機械式復原系統使得患者能夠認真主動地和完全自主地進行大范圍鍛煉，從而利用了以最小水平的監管且因此以最高效率對患者進行治療的儀器來提供物理治療。具體地講，本發明的另一個目的在于提供一種復原裝置，這種復原裝置具有一種兩自由度平行運動學特性以治療踝傷，這種復原裝置的優點在于與具有更多自由度的平行運動學特性的當前復原裝置相比，在機械和運動學方面都更加簡化，并且同時能夠完全允許執行針對踝傷的治療的復原協議所要求的所有鍛煉。參照圖8，根據本發明的復原裝置通常由附圖標記100指示并且基本上包括 支撐基底102 ；
可移動平臺104，在它上面借助于具有Velcro條帶的緊固帶106來緊固住患者的足
部；
中心支柱108，該中心支柱在其底端處固定到支撐基底102、并且在其頂端處連接到可移動平臺104，這借助于一種萬向接頭(universal joint)而實現；以及
三個“活動”腿，每個包括與以上參照圖1到圖6所描述的類型相同的線性執行器110， 線性執行器110具有主體112和桿114，主體112的底部借助于萬用接頭連接到支撐基底 102，桿114的頂部借助于球接頭而連接到可移動平臺104，從而使得執行器110與支撐基底102的連接點沿第一圓周等間隔地間隔開、并且執行器110與可移動平臺104的連接銷沿第二圓周等間隔地間隔開，在所示例子中第二圓周的直徑小于第一圓周的直徑。由于借助于萬向接頭來與中心支柱108進行連接，所以可移動平臺104具有與踝的兩個主要運動(即，背屈/跖屈運動和反向/翻轉運動)對應的兩個旋轉自由度。由此，使用三個線性執行器Iio用于控制兩個自由度可移動平臺104的方位，可以對復原裝置提供過激勵即冗余激勵，且優點在于，該裝置在三個線性執行器之一受到損害的情況下仍能夠進行工作。圖9示出了圖8的復原裝置的幾何關系。ApA2和A3分別表示三個線性執行器110 與支撐基底102的連接點(借助于萬向接頭)，而B1A2和 分別表示三個線性執行器110與可移動平臺104的連接點(借助于球接頭)。支撐基底102的中心(即其上等間隔地布置有點ApA2和A3的圓周的中心)由0表示，而可移動平臺104的中心(即其上等間隔地布置有點Bp B2和 的圓周的中心)由P表示。點0對應于中心支柱108與支撐基底102的固定點。可移動平臺104的中心P是與中心支柱108和可移動平臺104之間的連接點Ptl (借助于萬用接頭實現)一致的。可移動平臺104的兩個旋轉自由度分別由α和β進行表示。復原裝置的主要幾何參數是可移動平臺104的高度(即其是指，介于點0與P(即， Ptl)之間的距離)、支撐基底102的半徑(即，沿其布置有腿與基底本身之間的連接點(萬用接頭)的圓周的半徑)、可移動平臺104的半徑(S卩，沿其布置有腿與平臺本身之間的連接點(球接頭)的圓周的半徑)、以及線性執行器110的行程。顯而易見，可移動平臺104的半徑越大，則由裝置產生的扭矩越大并且工作空間越小。另一方面，裝置的高度越大，則線性執行器110的行程必需越大，以獲得給定的運動場、并且由此裝置的尺寸將更大。
這里在下文中給出了在裝置的構造的優選例子中選定的上述幾何參數的值，盡管這些值僅僅是指示性的、并且能夠根據每次由特定應用所規定/指示的要求而進行大范圍變化。已選擇0. 3米值作為裝置的高度從而使得患者能夠在坐在普通座位上的同時將他的足部放在可移動平臺上。線性執行器的最大行程已經選擇為等于0. lm，腿的長度由此在0. 277米與0. 377米之間進行變動、且均值為0. 327米。基于這個行程值，由小于支撐基底的半徑的可移動平臺的半徑產生最寬工作空間(能夠利用復原裝置獲得的角度α和β的組合的軌跡)。具體地講，對于可移動平臺的半徑和支撐基底的半徑已分別選擇0. 085米值和0. 125米值。就每個線性執行器的電動機和減速齒輪單元的設計而言，已經確定必須由每個執行器生成以使得復原裝置可以執行在復原協議的各個階段內要求的所有鍛煉的最大力等于636. 5牛頓。由于必須至多以1. 5匝的量級、或大約1. 5匝來旋轉驅動滑輪而獲得線性執行器的最大行程，所以為了防止柔性線纜脫離驅動滑輪上的各個相應槽，則驅動滑輪的半徑已設置成等于0. 01米。由每個線性執行器的電動機和減速齒輪單元可傳送的以利用一種具有上述直徑的驅動滑輪來獲得上述最大力值的扭矩由此等于6. 365Nm。已經選定與具有12:1減速比的外擺線減速齒輪相關聯的由Maxon (RE40 mod.)生產的直流電刷電動機來獲得那個扭矩值。最后，就線性執行器的柔性線纜而言，已選定了 7X191. 5毫米直徑的多股鋼纜，這能夠承載最大1. 500N的負載。自然，本發明的原理保持不變，可以針對僅僅作為非限制例子描述和所示的那些實例而對實施例和制造細節進行大范圍改變。
權利要求
1.線性執行器(10)，包括主體(12)、沿第一軸線(Xl)以可滑動方式接納在主體(12)內的輸出構件(14)、繞第二軸線(X2)產生旋轉運動的電機部件(18，20)、以及用于將由所述電機部件(18，20)繞所述第二軸線(X2)產生的旋轉運動轉換成輸出構件(14)的沿所述第一軸線(Xl)的平移運動的運動轉換部件(22)，其中，所述運動轉換部件(22)包括驅動滑輪 (24)和狹長機械傳動構件，驅動滑輪(24)被布置成由所述電機部件(18，20)繞所述第二軸線(X2)來設定成進行旋轉，狹長機械傳動構件纏繞在驅動滑輪(24)上、并且它的兩個相對端緊固到輸出構件(14)從而當驅動滑輪(24)在任意方向上進行旋轉時沿所述第一軸線在任意方向上拖拽所述輸出構件(14)，其特征在于，輸出構件(14)形成為桿狀、并且接納在主體(12)的圓筒空腔(16)內以從便使其從該處部分地突起、以及在輸出構件(14)的相對于驅動滑輪(24)的軸向相對點處所述狹長機械傳動構件(26 )緊固到輸出構件(14 )。
2.根據權利要求1的執行器，其中，所述第二軸線(X2)與所述第一軸線(Xl)平行，并且其中，所述運動轉換部件(22 )還包括一對導輪(28 )，這對導輪(28 )定位介于驅動滑輪(24 ) 與輸出構件(14)之間以將狹長機械傳動構件(26)的各個長度的方向各自從橫向偏離至軸向。
3.根據權利要求2的執行器，其中，導輪(28)彼此傾斜以便朝著輸出構件(14)收斂。
4.根據任一上述權利要求的執行器，其中，輸出構件(14)在面對驅動滑輪(24)—側上具有平坦表面(34)，平坦表面(34)在整個輸出構件(14)上進行延伸、并且在它上面在輸出構件(14)的軸向相對端處設置有各個凹口(36)，在各個凹口(36)內接納著用于緊固所述狹長機械傳動部件(26)的兩個相對端的各個端構件(38)。
5.根據任一上述權利要求的執行器，其中，所述電機部件(18，20)包括電動機(18)和電機軸桿(20)，驅動滑輪(24)安裝在電機軸桿(20)上從而受到驅動式連接以隨電機軸桿 (20)進行旋轉。
6.根據權利要求5的執行器，其中，所述電機部件(18，20)還包括定位介于電動機(18) 與電機軸桿(20 )之間的減速齒輪。
7.根據任一上述權利要求的執行器，還包括用于提供表示輸出構件(14)的線性位置的信號的位置傳感器(44)。
8.根據權利要求7的執行器，其中，位置傳感器(44)是用于檢測驅動滑輪(24)的角位置的角位置傳感器。
9.根據任一上述權利要求的執行器，還包括設置在輸出構件(14)的端部處以提供表示由執行器產生的軸向力的信號的測壓元件。
10.特別用于踝傷的復原的平行運動復原裝置(100)，包括支撐基底(102)、可移動平臺(104)、中心支柱(108)以及根據任一上述權利要求的三個線性執行器(110)，其中，中心支柱(108)的底端固定到支撐基底(102)并且頂端連接到可移動平臺(104)從而使得可移動平臺(104)能夠至少繞兩個垂直軸線進行旋轉，這三個線性執行器(110)定位介于支撐基底(102)與可移動平臺(104)之間以根據預定位置和扭矩情況控制可移動平臺(104)的運動。
全文摘要
線性執行器(10)，包括主體(12)、沿第一軸線(X1)以可滑動方式接納在主體(12)內的輸出構件(14)、被布置為使得電機軸桿(20)繞第二軸線(X2)進行旋轉的電動機(18)、以及用于將由該電動機(18)繞該第二軸線(X2)產生的旋轉運動轉換成輸出構件(14)的沿該第一軸線(X1)的平移運動的運動轉換機構(22)。該電機轉換機構(22)包括驅動滑輪(24)和狹長機械傳動構件，驅動滑輪(24)受到驅動式連接以隨電機軸桿(20)進行旋轉，狹長機械傳動構件纏繞在驅動滑輪(24)上、并且它的兩個相對端緊固到輸出構件(14)從而當驅動滑輪(24)在任意方向上進行旋轉時沿該第一軸線(X1)在任意方向上拖拽輸出構件(14)。輸出構件(14)形成為桿狀并且接納在主體(12)的圓筒空腔(16)內以從其部分地突起。在輸出構件(14)的相對于驅動滑輪(24)的軸向相對點處狹長機械傳動構件(26)緊固到輸出構件(14)。
文檔編號F16H19/00GK102387769SQ201080013428
公開日2012年3月21日 申請日期2010年1月25日 優先權日2009年1月23日
發明者G. 卡爾德韋爾 D., A. 薩格利亞 J., S. 戴 J., G. 特薩加拉基斯 N. 申請人:意大利科技研究基金會