机械臂的制作方法

文档序号:5507470阅读:1290来源:国知局
专利名称:机械臂的制作方法
技术领域
本发明涉及一种柔性的机械臂,其通过多个气动人工肌肉驱动。
背景技术
DE 3630822 C2 ( Bridgestone ) 4皮露一种用于工业机器人的可精 确绕一轴摆动的臂。该臂固定在一可旋转支承的带轮上,其由一绳索 包绕,其中在延伸离开带轮的两端上分别设置一所谓气动人工肌肉。 一气动人工肌肉包括一软管状的中间件和两个板状的终端件,其中至 少一个设有一空气通道。如果使软管状的中间件充气,则其在圆周上 扩张而在其长度上缩短。可以在克服一外部拉力的同时实现该长度缩 短。如果在按DE 3630822的应用场合中一气动人工肌肉拉紧,则使 臂沿一旋转方向摆动;如果该气动人工肌肉放 ^,并且第二气动人工 肌肉拉紧,则使臂沿相反的方向摆动。臂在下述意义是"可触觉的 (tastfShig ),,,即臂在施加一外力时自身以一柔软的特性弹性退让/变 形,由此借助于位置传感器并考虑在气动人工肌肉中存在的压力可以 推断外力的大小。该建议的用于工业机器人的臂没有取得成功。由于 在这里不受控制地发生弹性退让,人们宁可优选刚性的驱动原理,例 如借助于电机或液压缸,并且如有需要通过单独的抓持件实现一 "柔 软的抓持"。
US 4 984 568披露一种借助于多个可彼此摆动的液压缸驱动的用 于背部按摩的机械臂。该机械臂固定在一床架的侧面的框架部分上, 在床的卧面的上方伸出,并且压到一腹卧在床上的人的背部上。可由 一躺在床上的人借助于控制装置控制机械臂。这种型式的按摩机器人 具有多个缺点。液压装置是昂贵的、重的、常常散发液压油的气味并 且带来因流出的液压油的污染的危险。作为按摩机器人因此它也是危 险的,因为在液压装置中出现故障时可能在治疗的人上很快速、很危险地作用大的力。
DE 195 24 666 Cl披露一种按摩机器人,其同样在侧面安装在床 上。经由直线驱动装置可在三个空间坐标上移动的工具保持器可以保 持不同的按摩器具,并由此作用到待按摩的人身上。为了控制,有不 同的程序供挑选。对人的作用是受力调节的。为了驱动设置气动缸或 电机。为了在调节故障时排除对待按摩的人的危害,在装置中设置预 定断裂部位,所述预定断裂部位在超过允许的力时断裂。
US 508 3552和US 2001/001 47 81 Al也4皮露4艮类似的结构形式的 按摩机器人。在相应好的控制的情况下该按摩机器人完全可以很好地 按摩。但在购置方面其全部是很昂贵的,需要许多空间,并且工作是 危险的。而且这种机器人由于相互串联式设置的直线导向装置对于一 些力是很容易损坏的,其中例如在由人进行的动作与按摩结合时可能 出现这些力。
DE 101 39 807 Al披露一种由多个链接的可摆动的杠杆构成的用 于工业用途的机械臂。特别有利地构成两个杠杆之间的铰链。各个杠 杆的驱动装置是直接设置在各杠杆上的电力、液压或气动地操纵的升 降杆装置。不利的是,这些驱动装置是较重的、耗费空间的和昂贵的。
BR 9303695 A 4皮露一种由多个相互链接的可摆动的杠杆构成的 机械臂,其中每一摆动杠杆包括一支柱、 一底座、 一可摆动的元件和 各两个气动人工肌肉,其中一个摆动杠杆的底座和可摆动的元件固定 在支柱的相对的各端上,可摆动的元件相对于支柱绕一与其垂直的轴 线可旋转地支承,其中两个气动人工肌肉在底座与可摆动的元件之间 延伸并且在摆动轴线的不同的侧面作用在可摆动的元件上,并且一杠 杆的可摆动的元件与第二杠杆的底座刚性连接。虽然具有简单的和牢 固的结构,但该结构形式至今没有取得成功,据猜测是因为较困难的 气动人工肌肉的控制是不精确性和危害的一过大的来源。
WO 2003080297 Al描述一种借助于链接的可相互摆动的多个元 件对人手和人臂的仿制,通过多个气动人工肌肉驱动所述元件彼此的 相对运动,所述气动人工肌肉经由功能与人的肌腱相似的绳索作用到各个待运动的元件上。这里气动人工肌肉的优点在于,其与其他的驱
动装置相比需要较少的空间。但按照WO 2003080297 Al的构造方式 仍然是如此复杂的,使其必定导致很高的成本并从而几乎不可能在值 得提起的范围内使用。
US 5417643和DE 299 22 651 Ul披露一种椅子,其设有一构成为 用于人的被动移动的治疗装置的多节的臂扶手。各个节被引导地活动 地相互固定。在各个节之间作用着可控制的驱动装置。在椅子上就座 的病人将一臂放到臂扶手上。接着按照一控制程序使臂扶手和使病人 的臂随臂扶手运动。按照所述DE文本没有说明当受控制的臂扶手的 运动不符合病人的运动可能性并从而可能引起病人的疼痛或甚至伤害 时会发生什么。按照US文本对于这种情况设置快速切断。这里不利 的是,当所述的切断生效时,可能已经危险地对病人作用了大的力, 并且会由此中断治疗。
按照EP 1 609 451 Al建议一种用于被动的医疗体操的器具,它包 括多个刚性的壳状的元件,所述元件类似于一铠甲(Ritterriistimg ) 的元件由病人穿戴并且经由铰链相互连接。在各个相互活动的壳体之 间作用多个作为控制的促动器的气动人工肌肉。没有说明关于促动器 的控制方式。包括多个壳状的元件的构造方式导致装置变得相当重, 并且安装或拆卸的过程是相当费力的。
US 2003/0223844 Al同样披露一种装置,其包括多个刚性的壳状 的元件,所述元件类似于一铠甲的元件由人穿戴并且经由铰链相互连 接。该装置用于控制一遥远的例如设置在外层空间中的机器人。各弹 性预紧的挠性轴协助克服重力作用提升各个元件并且用于测量各个元 件彼此间的位置。根据测量结果使一遥远设置的机器人运动。在一有 利的改进方案中根据作用到机器人上的力也在装置的各个壳状件之间 施加受控制的力。

发明内容
本发明的目的在于,提供一种机械臂,这种机械臂可以应用在大 量的私人家务中、工业中以及医疗技术中。这里由于成本、牢固性、重量和空间上的原因可以设想一按照BR 9303695包括多个作为驱动 元件的气动人工肌肉构造方式。与此相对主要提高了安全性,由此才几 械臂不会因高的力或高速的撞击而造成损坏和对人造成伤害并且必须 可简单地操作机械臂和可用于较大数量的不同的应用。特别是机械臂 也可作为治疗器具用于人的四肢的被动的和主动的活动。
为了实现该目的建议一种机械臂,其具有下列特征
-将机械臂构成为至少一个可摆动的杠杆。该机械臂优选包括至少 两个链接的摆动杠杆;
-每一摆动杠杆具有一不变的长度,并且包括一支柱, 一底座与支 柱的一端刚性连接,并且在支柱的第二端上设置一可摆动的元件;
-第二摆动杆的底座与第一摆动杆的可摆动的元件刚性连接。下一 摆动杆的底座与前一摆动杆的可摆动的元件刚性连接;
-在底座与一个摆动杆的可摆动的元件之间设置多个气动人工肌 肉,借助于所述气动人工肌肉可以主动地调整相应的摆动位置;
-通过机械臂的控制装置检测和限制机械臂向外施加的力。不仅对 于机械臂必要时可以设置一工具的末端,而且对于全部在臂的固定点 与所述末端之间的摆动杆进行该检测和限制;
-在最后的摆动杆的可摆动的元件上设置一工具保持器,在所述工 具保持器上可以设置不同的工具和/或机械臂的一个或两个摆动杆为 一待治疗的人的前臂和上臂或其他的肢体提供一支承面,即通过使摆 动杆可以大致与所述肢体平行地设置在所述肢体上;
-也可以在机械上限制机械臂施加的力,优选通过优选利用过压阀 向上限制气动人工肌肉内的气体压力;
一机械臂的各部分可以运动的速度通过控制装置和/或在调节技术
上也通过被动的緩冲元件来限制;
-机械臂应该独立实施的运动过程可以通过示教法编程输入; -至少在一个摆动杆中可摆动的元件可以相对于底座可绕两个并
不相互平行的轴线摆动。


借助于附图描述机械结构的其他有利的细节和机械臂的控制装置
有利的待提供的特性
图1示出一示例性按照本发明构成的机械臂的原理图的侧视图, 包括三个摆动杆和一个工具保持器。各个细节在剖视图中示出;
图2示出在按图1的实施形式中使在待运动的工具保持器的实际 位置与一期望位置相匹配时信息处理的一可能的流程。在各个框内说 明信息处理的中间结果。设有箭头的线表示由传感器接收的数据,或 计算过程;
图3示出一示例性按照本发明构成的机械臂的原理图的侧视图, 包括三个摆动杆和一个例如用于人的臂的支承面;
图4以一流程图的形式示出图3的装置的一可能的信息处理过程 和控制流程。
具体实施例方式
以下首先详细地讨论关于一本发明的用于一工具的运动的机械臂 的实施形式,如图1和图2中略图所示。然后以下才详细讨论关于一
本发明的机械臂作为用于四肢的被动的和主动的活动的治疗器具的实 施形式。
第一摆动杆1的底座1.1支承整个的机械臂。所述底座可以直接 或经由可固定的滚子竖立在一空间的地面上。但所述底座也可以固定 在一臂、 一机械或一装置物件上的一支架上。它也可以设置在一平台 上,该平台受控地在空间内运动或相对于另 一在空间内固定设置的底 座可绕一垂直轴机械地旋转。由底座1.1向上伸出与底座刚性连接的 支柱1.2并且该支柱终止于一球窝铰链的球1.2.1。该球窝铰链的球窝 构成第一摆动杆1的可摆动的元件1.4。在底座1.1与可摆动的元件1.4 之间i殳置三个平行于支柱1.2定向的气动人工肌肉1.3。所述气动人工 肌肉在可摆动的元件1.4上的固定点形成一个三角形的各顶点,在该 三角形的中心设置球1.2,1。通过使一个或两个气动人工肌肉1.3的缩 短,并且通过使其他的两个气动人工肌肉或第三气动人工肌肉的伸长, 可4吏可摆动的元件1.4围绕球1.2.1的中心绕所有通过球1.2.1的中心延伸并且垂直于各气动人工肌肉的定向的轴线摆动。由于每一由此可 能的摆动运动可以认为是由绕恰好两个轴线的摆动运动合成的,亦即
在对机械臂通常的描述方法中,可摆动的元件1.4可绕两个轴线摆动。 对于绕一第三轴线、亦即绕平行于气动人工肌肉的轴线的转动运动, 可摆动的元件1.4通过一止挡阻止。该止挡由一刚性地与可摆动的元 件1.4连接的销1.4.1构成,该销伸进球1.2.1的表面上的槽中形成。 该槽在球1.2.1的表面上位于球的一这样的对称平面内,该对称平面平 4亍于气动人工肌肉1.3定向。由于彼此平4亍定向的各气动人工肌肉1.3 不能充分好地控制绕该第三轴线的转动运动,并因此通过所述的止挡 完全避免该转动运动。球沿摆动杆1的纵轴线具有一孔作为电缆和软 管通道。
代替所述的球窝铰链,也可以采用一万向节,其中代替一球使用 两个轴销。第一轴销垂直于支柱定向。第二轴销垂直于第一轴销定向 并且可绕其轴线摆动地支承。可摆动的元件在第二轴销上可绕其轴线 摆动地支承。万向节也可以具有一电缆通道。
经由中间件1.4.2和2.1.1第二摆动杆2的底座2.1刚性地与第一 摆动杆1的可摆动的元件1.4连接,可以在多个不同的位置相互安装 中间件1.4.2和2.1.1,借此可调节第一摆动杆1的可摆动的元件l.4 与第二摆动杆2的底座2.1之间的角度位置,并从而对于相应的应用 目的可相互调节两个摆动杆的最佳的初始位置。
如果第二摆动杆2的可摆动的元件2.4相对于该摆动杆的底座2.1 只需要可绕一个轴线转动,则可以使该可摆动的元件支承在一垂直于 该摆动杆的支柱定向的圆柱形的轴销上,而不是如上所述支承在一球 上。在这种情况下只使用两个气动人工肌肉。
第三摆动杆3本身与如第一摆动杆l相同地构成。即其可摆动的 元件3.4相对于其底座3.1可绕两个轴线转动。
笫三摆动杆的底座3.1直接与第二摆动杆的可摆动的元件2.4连接。
在按图1的实例中第三摆动杆的可摆动的元件3.4配备一用于不同工具的工具端4,其最好为一可锁定的插接装置的形式。工具在这 种意义中可以是不同的可电控的或气动控制的抓持器或也可以是刚性 的物件如插接装置、钩子、杠杆挖斗、凿刀、扳手等。抓持器又可以 固定工具例如不同的按摩器具、擦拭布、标准的手持工具、受话器、 餐具等。
在与预期的转矩负荷的匹配中,摆动杆1应该设计成比摆动杆2 强(粗),并且摆动杆2比摆动杆3强(粗)。由此摆动杆l也是最重 的,而摆动杆3是最轻的。这相对于另一重量分配还带来这样的优点, 即当希望时,工具端4的较高的加速度是可能的并且工具端在一障碍 物上的可能出现的碰撞的荷重(Wucht)不会#>强地造成故障。
所述的顺序"双轴铰链-不变长度的杠杆-单轴铰链-不变长度的杠 杆-双轴铰链"几乎正好对应于人臂的顺序"肩关节-上臂-肘关节-前臂 -手腕"。因此这样构成的机械臂的运动可能性由利用它的人非常快速 直观地很好地理解并因此不需要长的练习时间就可很好地使用。由此 使本身长度不可改变的各摆动杆与在其之间的双轴或单轴的铰链描述 的链接成为一方面在工具端的运动可能性的多样性和另一方面较少的 费用之间的一极好的折衷。
气动人工肌肉相对于调整元件如流体推动的缸或电机具有缺点, 即气动人工肌肉只可以向一个方向施加可有目的地控制的力,并由此 在大致相同的费用下只可达到 一明显较差的定位精度。主要由于所述 缺点中的第二个对于气动人工肌肉用于机器人应用的优点的认识明显 过少,并因此其几乎不被使用。
特别在用于人的个人需求和应该从事简单的工作的机械臂的应用 中,利用气动人工肌肉可不复杂地达到的调整精度是完全足够的。这 里可设想的工作例如是引导按摩器具、保持受话器、引导一吸尘器、 擦拭窗户、研磨、涂漆、保持物件例如将工具存放在一预定的位置等。 在这类的应用中气动人工肌肉的较差的定位精度根本不是缺点。完全 相反,在与表面接触的作业活动中最大的优点是退让性,因为在这里 重要的不是位置而是压力。气动人工肌肉作为机械臂的调整元件的应用提供一系列重要的优

-柔和的沖击;
-由于通过体积弹性的介质空气引起机械臂的运动,力-位移特性 是柔弹性的,并且在一外面的物体上的作用可以不是沖击式从一小的 力改变到一大的力;
-极高的牢固性(被动安全性,自保护)
与广泛使用的包括电机和刚性的传动装置的工业机器人相比,柔 弹性的气动人工肌肉本身可以承受和緩沖对机器人的冲击。因此臂虽 然是轻型结构但对于峰值负荷和振动是极牢固(鲁棒)的。气动人工 肌肉本身与活塞-缸调整元件相比同样是很牢固的,因为它没有各部分 在其上相互滑动和密封的面,并且因为气动人工肌肉由于其作为软管 的柔性实际上不会因碰撞的物体而被损坏;
-力受控的运动(主动安全性,外部保护)
通过测量各个摆动杆的位置和在各个气动人工肌肉内存在的压 力,可以在考虑各个气动人工肌肉的压力-位移线图和所存在的各杠杆 比的情况下通过一控制装置重新计算(r(ickrechnen )多大外力作用在 工具端4上。亦即可以确定向外施加的力,而为此不需要额外的力传 感器。通过控制装置可以规定用多大的最大力克服一外面的阻力,该 阻力可能反作用于待实施的运动过程地加压。可以较可靠而很好地调 节该最大力,因为机械臂的变形特性是"软弹性的",并因此较小的从 外面强加的运动干扰不会导致机械臂中的力的突然的改变。由此还很 好地有可能,当一物体在一定的界限内运动时,使机械臂在一物体上 施加压力地跟随该物体。由于机械臂的各部分较轻,其在与人相撞时 只要不过快几乎不构成危险。
通过测量,所施加的肌体力,例如借助于在力作用线中的电阻应 变片,可实现另一精度提高;
-安全性(故障时的被动安全性)
即使在机械臂中没有设置预定断裂部位也可以确保,通过例如借速度,在有控制装置故障时机械臂也不会将危险的大的力施加到位于 其区域内的人身上。这样的被动的抑制元件可以例如这样构成,即在 气体流入气动人工肌肉或从气动人工肌肉流出的管道的区域内设置狭 窄部位,以便限制气流。同样可以在相互相对运动的各摆动杆之间设 置附加的緩冲元件,例如活塞-缸装置,在该活塞-缸装置中在运动时 泵送流体通过一狭窄区域。同样可设想在两个摆动杆的相对摆动运动 之间使用制动装置,所述制动装置按离心力制动的原理起作用,即据 此在两个相互相对运动的部分之间产生摩擦,因为它们由于离心力而
被相互压靠; -低成本
由于简单的结构气动人工肌肉比液压缸或气动缸,或类似的可利
用的电驱动装置更为经济; -重量轻
气动人工肌肉比常用的其他的构造方式的在作用上类似的调整驱 动装置具有显著较小的重量。
各气动人工肌肉在正常情况下直接固定在摆动杆的底座上,或通 过抗拉刚性的拉力元件,如一钢索、 一链条、 一带或一拉杆固定在最 直接的连接路线上。对于相关的摆动杆的相应的可摆动的元件,各气 动人工肌肉只应在通过拉力元件例如绳索的直接的路线上实现,所述 拉力元件一边固定在气动人工肌肉上,而另一边固定在一摆动杆的底 座上或可摆动的元件上。所有其他可能的传动机构如摆动的杠杆、齿 轮、导向轮等不仅意味着附加的购置费用,而且多数情况下会由于不 正确的操作或较少的维护也是易受损坏的。特别这种型式的各元件对 于可能与其发生接触的人来说也是危险的并且需要安全的护盖,这又 意味着费用并且本身可能损坏。
通过各气动人工肌肉与例如由三个摆动杆的所描述的顺序的组合 也这样达到牢固性和安全性,即通过在各铰链中按规定转动和通过使 各气动人工肌肉伸长,机械臂对于来自几乎任何方向的强的负荷都可以退让。利用该构造方式无疑有可能构成一种机械臂,其一方面可以 如此灵敏地抓取以至于其可以从一葡萄藤上抓住和采摘单个葡萄串, 而另一方面可以保持一钢制物件例如鐾凿,利用一重锤打击它,而不 会因此损坏机械臂。
由于机械臂的各个摆动杆的长度是不可变的,可以将压缩空气供 给和传感器信号所需要的管线和用于可能的保持在工具端上的电工具 的电导线很好地固定在底座和可摆动的元件上。当在各个铰链之间有 一微小的长度储备量时,使它们在机械臂运动时只稍微摆动,但此外 没有直线运动。在管线布置的一特别巧妙的方案中使所述管线在铰链 中通过铰链球或铰链销中的孔。
对于机械臂的实际利用特别重要的是在每个机械臂中进行控制的 可能性。对于由非职业的使用者的实际应用重要的和对建议的构造方
式也完全可实现的希望的构造方式例如是 -预先准备的位移-时间-力特征(曲线);
-示教;亦即通过对臂运动的一次性手动控制对一在进一步/后续 的(工作)序列中由机械臂实施的运动过程编制程序,并同时记录该 运动过程;
-示教;亦即通过利用一可视觉识别的标记对臂运动的一次性规 定,对一在进一步的顺序中由机械臂实施的运动过程编制程序,并同 时记录该运动过程。机械臂在记录过程中可以保持静止,因为可以由 人保持和移动标记。与其他的编程序方法和其他的示教方法相比该方 法精确度较小。但与力受控地跟踪一预编程的运动的应用相组合,当 然精度毫无问题是足够的;
-示教,通过在相应的模式中在任意的位置由一编程人员握持机械 臂并且手动按要求的以后待自动实施的过程移动机械臂;
-编程输入的运动过程在几何变化、速度变化、相对于待使用的力 的变化上的可编辑性;
-与安全性相关的限制例如最大的速度、最大的加速度和最大的力 的可调整性;-在臂与目标物体处于接触期间在压力保持不变时大范围的位置 公差的可调整性。即,即使物体本身在一定界限内活动,臂也力受控
地"跟随"物体;
-这样来调节,即,如果机械臂由于一外部的作用例如一在一其活 动的部分上的冲击而离开一调好的位置时,则自动地重新移到机械臂 的该位置。
由于各气动人工肌肉强烈地緩沖从外面施加的振动,机械臂也可 以很好地用在本身振动的装置中或其上。例如一按照本发明的机械臂 也可以应用在一汽车中。
主要是对于其中由手引导机械臂的示教和对于针对接触的力控 制,所建议的机械臂的构造方式是很有利的,因为机械臂是很轻的、 几乎没有摩擦反作用于运动和软弹性的运动特性大大简化了外形跟 踪。
通过一机械臂的各特征的建议的组合得出一至今未达到的各优点 的强有力的集合低成本、牢固性、应用可能性上的灵活性、无危险 性、安全性和对运动可能性的直观的理解。由此首次能够实现在实用 上有盖的机械臂,其对于较小的普通的工商企业并且随着日益增多的 销售量对于私人家庭都能够在经济上合理地购置。
利用本发明的机械臂用于病人的被动的和主动的医疗体操的应 用,其中在至少一个其可摆动的杠杆上安装一用于病人的一待运动的 身体部分的支承面,并且可在一与可摆动的元件相连接的控制装置中 对支承面的运动过程预编程,相对于其他的用于该目的的装置可以实 现如下改进
-机械臂可以由于病人的反应导致的对期望轨迹的偏离,即对希望 的位移-时间过程的偏离作出柔和的反应,从而决不会伤害病人;
-由于病人反应导致的对期望轨迹的偏离可以由机械臂存储并记 录。借此可以更好地用文件记录、判断治疗效果并且与之相应地更好 地配合治疗。
在用于对一坐着的人的一臂进行治疗的典型的应用中建议一种器具,该器具包括多个相互链接的可彼此相对可控制地摆动的杠杆,并 且可以设置在一椅子的侧面上,待治疗的人坐在该椅子上。该器具的 一个或两个摆动杆为待治疗的人的下臂和前臂、腿或其他的肢体提供 一支承面,即通过使该支承面在这些肢体的下面大致与所述肢体平行 设置。在器具的各个杠杆之间用作可控制的调整机构的气动人工肌肉 中,为了控制气动人工肌肉总是需要对气动人工肌肉的长度和气动人 工肌肉内的压力进行检测。这样的检测也用于检测实际行进经过的轨 迹。 一器具对期望轨迹的偏差在弹性范围内很柔和的反应的调整可以 通过对气动人工肌肉受控的操作本来所需要的调节的一相应的调整来 实现。
在最简单的实施形式中,可用于此目的的机械臂只具有一唯一的 摆动杆。它可以例如用于使一肩关节移动。
由于气动人工肌肉没有静摩擦,即使在小的緩慢的运动时也可以 避免抖动,同样直到极小的力也可以力受控地运动。由于通过体积弹 性的介质空气的压力引起气动人工肌肉的长度变化,力-位移特性本身 已经是软弹性的。因此借助于气动人工肌肉可以比利用其他的常见的 调整机构如液压缸或电机明显更容易地实现针对对期望轨迹的偏离的 软弹性的性能。与在气动缸中不同,在气动人工肌肉中在停止以后没
有起动力;即,即使在极小的作用力时也具有一弹性的退让而无抖动。 附加的安全性提高这样得出,即由于物理原因不可能冲击式地提高气 动人工肌肉作用到一外面的物体上的力。
除底座O和设有柔性的部分5.1的用于待治疗的人的待运动的肢
体的支承面5以外,图3中略图所示用于被动的和主动的医疗体操示 例性的本发明的机械臂还包括三个相互链接的可摆动的杠杆1、 2、 3。 经由底座O相对待治疗的人所在的椅子或床不动地保持笫一可摆动的 杠杆l的一个側面。每个可摆动的杠杆具有一不变的长度,并且包括 一支柱1.2、 2.2、 3.2, 一底座l.l、 2.1、 3.1与支柱的第一端刚性地连 接,而一可摆动的元件1.4、 2.4、 3.4设置在支柱的第二端上。第三可 摆动的杠杆的底座刚性地与第二可摆动的杠杆的可摆动的元件连接。第二可摆动的杠杆的底座刚性地与第一可摆动的杠杆的可摆动的元件 连接。在一可摆动的杠杆的底座与可摆动的元件之间设置多个气动人
工肌肉1.3、 2.3、 3.3,借助于它们可主动地调整相应的摆动位置。与 各可摆动的杠杆连接的支承面5沿各可转动的杠杆的纵向方向延伸。 各个可摆动的杠杆的可摆动的元件例如经由一球窝铰链、 一万向节或 只经由一销圆柱铰链固定在所属的支柱上。由此按需要可以绕一个或 也绕多个不平行设置的轴线产生运动。 一摆动杠杆的气动人工肌肉平 行于支柱定向,并且设置在相应的铰链轴线的不同的侧面上。通过一 可摆动的杠杆的一气动人工肌肉的收缩和其他的一个或多个气动人工 肌肉的伸长,使该可摆动的杠杆的可摆动的元件绕相应的一个或多个 轴线主动地转动。在简化的实施形式中一唯一的主动的摆动杆是足够 的。可以在该摆动杠杆上连接其他的被动的摆动杆。
在各个可转动的杠杆和它们之间的连接的设计中,可以近似地在 长度和运动自由度上模拟一人臂的各个肢节。但也可以设想多个还较 长的可摆动的杠杆的较短的或较长的链接,并由此在机械的构型上能 够实现一显著较大运动范围。器具由此可更好地用于不同身材的人和 可能的运动的较大的选项范围。在应用各可摆动的杠杆的较短的链接 时利用这样的杠杆是可以充足够用的,在所述杠杆中可摆动的元件相 对于底座只可绕一唯一的轴线转动。由此可以降低费用并提高牢固性。
为了在操作过程中保持尽可能小的惯性力,在与预期的转矩负荷 匹配中,各摆动杆按远离底座O的顺序变得越来越细长和越来越弱, 并从而设计成单位长度较轻的。
在图4的流程图中各框中的文字说明过程。文字之间设有箭头的 线或只标明过程的顺序,或其也表示作为一过程的结果并且流入下一 过程中的信息。
在大括号b的区域内的过程涉及受控的气动人工肌肉常见的工作 方式。通过考虑实际测量的长度和实际测量的压力,借助于数据技术 地存储的表格或曲线系,使各实际的长度导向各个气动人工肌肉的长 度的期望值,即通过相应调节地改变各个气动人工肌肉内的压力。在大括号a的区域内的过程涉及数据处理步骤,所述数据处理步 骤可以在一简单的数据处理设备中实施。该数据处理步骤一方面涉及 上级的程序,而另一方面涉及在各个气动人工肌肉1.3、 2.3、 3.3的长 度与支承面5的位置数据之间以及在各个气动人工肌肉上的力与在支 承面上的力之间的双向换算。
由上级的程序规定支承面应经过的位移-时间过程,并且还规定应 该以何种方式对支承面上的外力进行反应。该反应可以例如是一或多 或少调整得较软的弹性性能,即,是这样一种性能,其中复位作用的 反力与相对于期望位置的偏差成比例。但也可以例如调整成使反力与 偏差无关地具有一不变的较小的值。当然也可由此(上述方案)实现 组合,例如"弹性的性能只达到一确定的(较小的)最大力",以及可 以通过相应的程序设置实现任意其他的调整,并且常常也是合理的。
例如为了进行协调性训练也可以完全放弃在支承面偏离预定的位 移-时间过程时的反力。取而代之可以通过视觉和/或声音信号告知位 移关于时间的期望过程和偏差。通过测定和例如偏差关于时间的积分 获得关于协调性的结论。
重要的是,不仅同时测量各实际的位移-时间过程,而且特别还可 以记录和分析其与期望过程的偏差。由此可以导出关于治疗过程并用 于其他的治疗设计的重要的信息。
在上级的程序中当然可以设置许多与安全性相关的限制。例如可 以通过(子)程序自动地避免,移到生理上不可能的位置。可以装入 加速度限制、速度限制和力限制。可以根据对实际位移-时间过程的偏 差的分析判断,病人是否变得更紧张,他是否放松,或他是否过于疲 倦;相应地可以调整为其他的过程,或甚至中断或停止治疗。
当然取代位移-时间过程也可以在遵守确定的速度限制和位置限 制的情况下对力-时间过程预编程。
在本发明的用于被动的和主动的医疗体操的机械臂的实施形式 中,通过使用受控制的气动人工肌肉作为促动器本来就提供了重要的 信息和控制装置。对于作为治疗器具的有利的应用在数据处理区域内还基本上只再需要一较简单的可编程的数据处理单元即可。该数据处 理单元可以例如以一常见的简单的便携计算机的形式实现,其具有一 比通常的工位计算机小的计算能力。
当然可以这样对数据处理设备编程,即可以借助于(屏幕上的) 输入掩模通过键盘输入期望位移-时间过程。由于所述数据处理设备本 来就设计成用于在操作中记录实际位移-时间过程,对此将这样记录的 过程用作新的期望过程只是一个较小的步骤。亦即可以简单地借助于 一示教法对所述设备编程,即通过以相应的才莫式匹配支承面并且手动 地使其按希望的以后待自动实施的过程移动。在实际的应用中这意味 着,通过病人将臂放到支承面上并且治疗师小心地按其认为正确的方 式连同该臂移动支承面,可将位移编程输入,因为机械臂在进一步的 顺序中应该自动地实施该位移。
在相应的生产中,当然病人自己也可以按这种方式对一位移编程 输入,即通过当机械臂切换到记录模式时,病人相应地移动支承面一 次。
在一由此变得可简单实现的有利的治疗形式中规定一运动范围, 支承面连同病人的臂最后应该经历该运动范围,但在开始时还不能经 历。机械臂力求实施规定的位移。病人例如由于担忧疼痛、关节中的 不可活动性、缺乏的协调性或缺乏的肌体力被迫实施另 一要求较低的 位移。对于病人无疼痛地实现这样的强迫,因为机械臂很弹性地对因 病人引起的偏差作出反应。机械臂"察觉"该第二位移并且多次经过 该位移,从而病人在该可能的运动中是放松的。机械臂"尝试"逐渐 地使待经过的位移重新接近原始的期望位移。为此在相应的时间阶段 在各次经过中总是微小地调整在各期望位移中对原始的期望位移的位 置偏差。
为了一本发明的机械臂作为用于被动的和主动的医疗体操的器具 的应用,对上级的进行控制的数据处理设备的编程的其他重要的项目

-预先准备的位移-时间-力特征(曲线);-在几何变化、速度变化、相对于待使用的力的变化上编程输入的
运动过程的可编辑性;
-与安全性相关的限制例如最大的速度、最大的加速度、最大的力 的可调整性;
-在臂与目标物体处于接触期间在压力保持不变时大范围的位置 公差的可调整性。亦即,即使物体本身在一定范围内活动,支承面也 力受控地"跟随"物体;
-这样进行调节,即如果机械臂由于一外部的作用例如一在其活动 的部分上的沖击而离开一调好的位置时,则自动地重新移到机械臂的 该4立置;
-所有这些功能可以在应用所描述的构造方式的情况下通过编程 工作在通常的专业活动的范围内容易实现;因此在这里不对此进一步 讨论。可以确认本发明人的贡献是,这些功能对于治疗可以是很有价 值的,并且这些功能通过应用本发明的构造方式可简单、低成本和可 靠地实现。
通过将受控制的气动人工肌肉用作用于一被动和主动的医疗体操 的机械臂的促动器可以得到其他的优点 -极高的牢固性
-与其他类型的受驱动的机械臂相比软弹性的气动人工肌肉本身 可以承受和緩沖对臂的冲击。因此臂虽然是轻型结构但对于峰值负荷 和振动也是极牢固的。气动人工肌肉本身与活塞-缸调整元件相比同样 是很牢固的,因为它没有其各部分在其上相互滑动和密封的面,并且 因为由于其柔性所述气动人工肌肉作为软管实际上不会因碰撞的物体
而被损坏。
由于该极高的牢固性利用简单的匹配就可以将本发明的机械臂作 为水下的治疗器具使用,即作为这样的治疗器具,这种治疗器具例如 使一病人的腿在水下以周期性的循环按照一可调的轨迹运动。 一这样 的匹配可以在于,使机械臂的伸进水表面以下的部分由一由一水密封 的柔性的大面积的材料构成的长统袜子状的一端封闭的软管包围。如果不采用这样的软管,即如果机械臂的各部分直接由水围绕冲刷-这在 相应的材料选择时不构成问题,则为了进行控制,由于水的重量,必 须使各个气动人工肌肉关于流体压力和涉及压力所发出的力的特性曲 线相对于在空气中的设置移动附加作用的压力(的量)。为了避免担忧
的起泡这里还将气动人工肌肉的排气管道引导到水面的上方; -安全性
以有利的方式即使在对器具的控制装置有故障地工作的情况下也 可以避免对人的危险。为此只需要例如通过过压阀可通过一独立于中 心控制单元工作的附加的控制单元限制气动人工肌肉内的压力。在其 他的构造方式中为此需要预定断裂部位。同样,如上面对本发明的机 械臂作为工具支架的应用所说明的那样,独立于数据技术的控制通过
被动的直接机械作用的緩冲元件,如在气体管道中的狭窄部位、离心 力制动器或附加的压力介质推动的碰撞緩沖器,来限制机械臂的各相 互相对活动的部分之间的相对速度; -低成本的
由于简单的结构气动人工肌肉比用液压缸或气动缸,或可类似地 用的电驱动装置更为经济。除了为了进行控制按标准需要的控制元件, 对于本发明的器具除中心的数据处理设备外不需要附加的专门的控制 元件;
-轻型
调整驱动装置明显更小的重量。除对活动性的提高外还由此实现了一 安全性的提高,因为运动的质量是较小的。
通过建议的构造方式对于用于被动的和主动的医疗体操的治疗器 具得出一至今未达到的各优点的强有力的联合安全性、低成本性和 结果的价值。可以期望,通过按照本发明的构造方式借助于被动的和 主动的医疗体操,在这对其可能有益的那些病人中,比目前情况明显 更大的比例可以获得有效的治疗。
为了^f吏支承面也可以向病人施加不同于纯压力的力,支承面应该配备可拆式的用于待由支承面运动的病人四肢的固定装置。这些固定 装置可以例如是带有带扣或搭扣的带或铰接式夹紧件。
在这里主要针对在待治疗的坐着的病人的臂部和肩部区域内的被 动的和主动的医疗体操的目的描述了本发明。但原则上本发明也适用
于其他的身体部分例如腿或头相对于驱体的被动的和主动的治疗运 动,并且不需要强制地使待治疗的人坐着,而也可以站着或躺在床上。
权利要求
1. 机械臂,由一个或多个必要时相互链接的摆动杆构成,其中一摆动杆包括一支柱、一底座、一可摆动的元件和多个气动人工肌肉,其中底座与支柱的一端刚性连接,可摆动的元件绕一个或两个偏离支柱的纵向方向定向的轴线可摆动地支承在支柱的第二端上,其中气动人工肌肉从底座向可摆动的元件延伸,各个气动人工肌肉在可摆动的元件的摆动轴线的相对置的侧面上作用在所述可摆动的元件上,其中在链接的各摆动杆的情况下一个摆动杆的底座与下一个与其链接的摆动杆的可摆动的元件刚性连接;其特征在于,通过控制装置测量各个摆动杆的位置和在各个气动人工肌肉内存在的压力,并且通过考虑各个气动人工肌肉的压力-位移线图与几何的杠杆比重新计算由所有设有气动人工肌肉的摆动杆向外作用的力并限制这些力。
2. 按照权利要求l所述的机械臂,其特征在于,按调节技术限制 由各个摆动杆施加的力。
3. 按照权利要求2所述的机械臂,其特征在于,通过过压阀向上限制气动人工肌肉内的气体压力。
4. 按照权利要求1至3之一项所述的机械臂,其特征在于,还比 通过在各气动人工肌肉内存在的压力更直接地测量由各个气动人工肌 肉施力p的力。
5. 按照上述权利要求之一项所述的机械臂,其特征在于,机械地 通过被动的緩冲元件限制各个摆动杆之间的相对速度。
6. 按照上述权利要求之一项所述的机械臂,其特征在于,以这样 的程度重复实施一与运动相关的并因此待运动的元件(4、 5)的运动 的期望过程,即,如其在遵守规定的由机械臂本身自动地监控的力极 限的情况下是可能的。
7. 按照权利要求6所述的机械臂,其特征在于,在元件(4、 5) 的位置偏离于期望位置时通过控制装置在各个气动人工肌肉内调整出 一反作用于该偏差的反力,其中该反力与偏离于期望位置的程度的相关性能够可编辑地预调。
8. 按照权利要求7所述的机械臂,其特征在于,对于反力提供单 独地或按组合选择的方案-反力的大小与偏差成比例;可调整比例系数;可调整反力的上限; -反力的大小在超过一最小偏差时恒定地处于一可调整的水平,否 则便没有反力;-没有反力,取而代之的是偏差的视觉的或声音的显示。
9. 按照上述权利要求之一项所述的机械臂,其特征在于,控制装 置可切换到这样一种模式,在这种模式中,记录机械臂的通过在任意 位置握持机械臂并通过外力使其运动而引起的运动过程,并且在另一 步骤中将所述运动过程作为新的预编程的期望运动过程接收。
10. 按照上述权利要求之一项所述的机械臂,其特征在于,控制 装置可切换到这样一种模式,在这种模式中,经由一摄像机检测一视 觉的标记的位置或运动并且按数据技术地预处理这样待实施的轨迹, 以便在另一步骤中将其作为机械臂的新的预编程的期望运动过程来接 收。
11. 按照上述权利要求之一项所述的机械臂,其特征在于, 一摆 动杆(2、 3)的底座的位置可以按不同的定向安装在位于其前面的摆 动杆(2、 3)的可摆动的元件上。
12. 按照上述权利要求之一项所述的机械臂,其特征在于,必要 的管线在两个摆臂之间的铰链上被引导穿过设置在那里的铰链球中的 或设置在那里的铰链销中的孔。
13. 按照上述权利要求之一项所述的机械臂,其特征在于, 一用 于一两轴的摆动运动的铰链构成为球窝铰链,其中一槽在球(1.2.1) 的表面中延伸, 一与窝盘刚性连接的销(1.4.1)伸进该槽中,其中所 述槽位于球的一平行于作用在窝盘上的气动人工肌肉(I.3)的定向的 对称平面内。
14. 按照上述权利要求之一项所述的机械臂,其特征在于,在一 个或两个摆动杆(3、 2)上安装一用于一待治疗的人的肢体的支承面(5),并且通过机械臂使这些肢体被动地和主动地活动。
15.按照权利要求14所述的机械臂,其特征在于,自动地 -测量各个气动人工肌肉(1.3, 2.3, 3.3)的长度和其中的压力; -由这些信息在应用按数据技术地存储的用于各个气动人工肌肉 —,'...,—,____......、_________-)兄卞庙的力;相互相对运动的元件的直接的位置测量算出各个可摆动的杠杆(1、 2、 3)和支承面(5)的位置;-由在各个气动人工肌肉上的力通过几何的换算算出在各个摆动 杆上和在支承面上的力。
16. 按照权利要求14或15所述的机械臂,其特征在于,通过可 编程序的控制单元直接检测支承面(5)的实际位置。
17. 按照权利要求14至16之一项所述的机械臂,其特征在于, 在 一 操作治疗期间以类似的方式多次经过各个运动过程,其中相应的 期望过程从一次通过到另一次通过逐渐地从一规定的第一形式转变到 一不同的规定的第二形式,亦即各个期望过程在每一次通过的各个时 间阶段期间与规定的第二形式的位置的位置差在各次通过中相同的时 间阶段期间逐段地缩小。
18. 按照权利要求14至17之一项所述的机械臂,其特征在于, 将该机械臂固定在一家具的一侧面上,并且为一处在家具上的人的四 肢提供一支承面。
19. 按照上述权利要求之一项所述的机械臂,其特征在于,该机 械臂至少部分地处于水下。
全文摘要
本发明涉及一种机械臂,它由一个或多个必要时相互链接的主动的摆动杆(1、2、3)构成,其中一底座(1.1,2.1,3.1)与一支柱(1.2,2.2,3.2)的一端刚性连接,一可摆动的元件(1.4,2.4,3.4)可摆动地支承在支柱的第二端上,多个气动人工肌肉从底座向可转动的元件延伸,其中各个气动人工肌肉在可摆动的元件的摆动轴线的相对的侧面上作用在所述元件上并且一摆动杆的底座与下一个与其链接的摆动杆的可摆动的元件刚性连接。控制装置测量各个摆动杆的位置和在各个气动人工肌肉内存在的压力,并且通过由各个气动人工肌肉的压力-位移线图与几何的杠杆比算出由全部摆动杆向外作用的力并限制这些力。
文档编号F15B15/10GK101421081SQ200780013203
公开日2009年4月29日 申请日期2007年2月23日 优先权日2006年2月24日
发明者P·费拉拉 申请人:菲尔罗伯蒂克斯顺从式机器人技术有限公司
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