本发明涉及能够使身体移动的致动设备相关的技术领域。
在所引用的技术领域中存在各种类型的通常用于机械应用和机器人技术中的这种致动设备。
具体而言，本发明涉及被称为人造肌肉或气动肌肉的设备。
背景技术：
在这些设备中，机械功不是从活塞在气缸中的运动获得的，而是在概念上通过利用以空气或其他流体加压的室的弹性变形来获得的。
本质区别在于以下事实，虽然传统的气动致动器具有“僵化的”行为，这意味着它仅在预定模式下实现运动，例如直线运动，而在人造肌肉中，行为可以根据应用的类型而变化，并且由于预见或无法预见的外部事件，其可以允许推力方向或移动(shooting)的偏差。
在现有技术文件us2003/0205045a1中，人造肌肉包括介于两个头部构件之间的弹性中央柱形腔室，其中头部构件例如在轴向方向上被引导。
所述弹性中央柱形腔室的侧表面由环形弹性腔室包围，该环形弹性腔室的内壁由相同的中央腔室构成。
两个腔室通过包括了连接管道和双向泵的闭路气动装置相互连接。
通过致动泵使得流体从柱形中央腔室移除并且置于环形腔室中，实现头部构件的相互靠近，这意味着人造肌肉的收缩。
通过逆转泵的致动方向，当然，得到了相反的效果，头部构件相互分离，这意味着人造肌肉的伸展。
所描述的技术方案在工作原理方面是相对简单的方案，但是在实践中，需要具有相关泵的闭路气动系统决定了不可忽略的不期望的尺寸和结构复杂性。
类似的设备也被称为mckibben肌肉，其中设置有由弹性材料制成的密封的柱形中空腔室，其适于用空气或其它流体通过例如外部吹气来加压。
在所述中空柱形腔室的外侧上同轴地设置有交织(braid，编织、交错)套筒，该交织套筒由第一系列柔性的且基本上无伸缩性的金属线以及第二系列相同的柔性的且基本上无伸缩性的金属线组成，各个第一系列柔性的且基本上无伸缩性的金属线根据其自身的具有相同直径和螺旋角度但原理不同的螺旋状路径布置，第二系列相同的柔性的且基本上无伸缩性的金属线根据与上述第一系列的那些螺旋状路径对称的相应螺旋状路径布置。
因此，所述第一和第二系列柔性的金属线形成上述套筒的网格，其中每个所述螺旋状路径相对于所述设备的纵向轴线倾斜相同的预定角度。
该设备还包括设置在交织套筒的对应端部处的两个刚性头部构件，相应线状体的两个头部构件和柱形中空腔室附接到该交织套筒的对应端部。
刚性头部构件适于机械地连接到外部用户装置。
在设备的活动阶段，吹入机构将压力带入与所述交织套筒相互作用的柱形中空腔室：由于交织套筒由无伸缩性的线状体形成，所以其不能以均匀的方式随着弹性材料的柱形中空腔室所经受的来进行变形。
从大量的调查、研究和实验中发现，确定交织套筒如何反应的决定性因素取决于每个螺旋状路径在所述设备静止时与设备的纵向轴线形成的角度；更准确地说，可以看出：
·正好达到54.7°的角度时，设备或肌肉只会绷紧，因此不会有任何长度上的变化和横向变形；
·角度小于54.7°时，获得轴向收缩和在径向方向上的增加；
·角度大于54.7°时，获得轴向伸展和在径向方向上的减小。
在加压动作结束时，设备返回到原来的位置。
在另一现有技术文件us005165323a中描述了类似于mckibben肌肉的气动致动器，该气动致动器包括弹性管状元件，该弹性管状元件的端部与由刚性材料制成的两个头部构件相关联。
弹性管状元件在其内部限定腔室，而在外部则包裹粘附至增强网格结构，该增强网格结构由抗牵引材料例如聚酯的线状体组成，从而比管状弹性元件更不易弯曲。
在致动器静止的情况下，网格状的线状体相对于致动器自身的纵向轴线具有预定的倾斜角度，该角度可以小于或大于可具有之前指示的值的特征角度(所谓的‘待机’角度)。
通过在一个所述头部构件中形成的孔，可以对内腔室加压；同样在这种情况下，可以接近或撤回头部构件，这意味着致动器根据原先为网格的线状体所创建的倾斜角度收缩或伸展，类似于之前所述。
在所提及的文献中，要求保护具有两个套筒，该两个套筒从腔室内的头部构件起延伸并可伸缩地配合，以便引导致动器的轴向运动。
在套筒中示出密封环(o形环)，其将腔室与周围的可能的损耗隔离；腔室的体积由于套筒的存在而减小，并且需要较少的待加压的空气流。
在可归类为mckibben肌肉的现有技术设备中抱怨的大多数缺点涉及这样的事实：气动肌肉响应特性最初是根据针对相对于纵向轴线的线状体的预定角度制定的。
这意味着为收缩构建的气动肌肉将不会伸开，并且反之亦然，并且提供角度恰好为54.7°的肌肉除了进行不改变其伸展度的张紧之外不能做其他的。
因此，在需要沿相反方向处理一般用户的某些应用中，必须将两个所述设备结合在一起，其会带来可理解的构建复杂性以及尺寸和成本的增加。
已知设备的另一个缺点是预定的倾斜角度不仅确定了响应的类型，而且确定了伸缩行程的长度，这是不能追溯性改变的。
一些研究人员已经尝试了一种技术方案来获得可以产生双向运动的致动器：这种方案在适于单独加压的主腔室的内部设置了辅助腔室。
当辅助腔室未被加压时，致动器被布置成由于主腔室的加压进行收缩运动；由辅助腔室占据的体积减小了空气对主腔室的需求，从而给动作带来更大的强度。
当只有辅助腔室被加压时，其轴向膨胀，导致设备对应的延长。
这种方案的主要缺点在于设备施加的力在两种工作条件下是不同的，其中在伸展状态中比在收缩状态中小得多。
另外需要两个电力回路，或者至少需要交换阀来将压缩空气流转向一个或另一个腔室。
所有这些都不可避免地导致了总体尺寸和重量的增加。
最后，还有其他方案的局限性，其中特征是预定义的并不可编辑的。
技术实现要素：
因此，本发明的目的是提出一种用于致动器官的气动设备，其类似于mckibben型人造肌肉以及类似物的工作原理，但是被成形为避免已知实施方案的限制，特别是关于随时任意地被配置的能力，以获得处于收缩状态或处于伸展状态或仅仅绷紧的活动阶段。
本发明的另一个目的在于期望提供一种设备，该设备通过建设性方案提供上述特征，同时简单、有效并且可靠。
本发明的又一个目的在于获得一种尺寸紧凑并且形状规则的设备，以便容易而不需要特别注意地在所有应用中进行安装。
本发明的再一个目的是提出一种设备，该设备可以通过使用工业中常用的材料、机器和器械来以可控的(contained，包含的)成本连续地构建。
这些和其他目的完全通过用于致动器官的气动设备来实现，其中设置有：柱形中空腔室，其是密封的，由弹性材料制成并且适于以空气或其他流体加压；交织套筒，其同轴设置在所述中空柱形腔室外部，并且由第一系列柔性的且基本上无伸缩性的金属线和第二系列相同的柔性的且基本上无伸缩性的金属线构成，各个第一系列柔性的且基本上无伸缩性的金属线都根据其自身的具有相同直径和螺旋角度但原理不同的螺旋状路径布置，第二系列相同的柔性的且基本上无伸缩性的金属线根据与上述第一系列的那些螺旋状路径对称的相应螺旋状路径布置，其中第一和第二系列柔性的线状体适于形成所述网状物的网格，其中所述螺旋状路径中的每一个相对于上述设备的纵向轴线倾斜相同的预定角度；两个刚性头部构件，其设置在所述交织套筒的对应端部，上述金属线的相应端部固定至该交织套筒的对应端部，其中相同的刚性头部构件设置成机械地连接至外部用户装置；吹入机构，其适于分别在所述设备的活动阶段或静止阶段对柱形中空腔室进行加压或减压，在活动阶段，所述中空柱形腔室与上述交织套筒相互作用以在上述每个螺旋状路径的倾斜角度最初大于、小于或等于预定值时分别实现同一设备的伸展或收缩或绷紧，其中所述设备包括：调节装置，其与所述刚性头部构件相关联，适于通过增加或减小最初设置在设备的待机阶段的相同刚性头部构件之间的距离来改变该距离，以便要求所述交织套筒中的各个螺旋状路径的倾斜角度的成比例并一致的变化，使得如果在待机阶段所述刚性头部构件之间的距离给定的情况下，所述倾斜角度大于、小于或等于所述预定值，则所述设备进入其所述活动阶段的响应特性以分别确定其自身的轴向伸展或轴向收缩或绷紧进行切换。
附图说明
根据权利要求书的内容以及参考所附附图，在以下对用于致动目标的器官的气动设备的优选实施方案的描述中，本发明的特征将变得明显，其中：
图1示出了目标中的设备的第一实施方案；
图2示出了图1的设备的轴向截面；
图3示出了设备的第二实施方案的轴向截面；
图4示出了设备的第三实施方案的轴向截面；
图5a、图5b、图5c示意性地示出了布置成在不同的操作阶段具有相同的初始调整的平行匹配的两个设备的实施方案；
图6a、图6b示意性地示出了类似于前一实施方案布置的实施方案，其中在两个操作步骤中两个设备具有不同的初始调整；
图7a、图7b示意性地示出了类似于前一实施方案布置的实施方案，其中在两个操作步骤中两个设备已经具有与图5a相反的相同初始调整；
图8a、图8b示意性地示出了实施方案，其中设备被布置成在两个相反的方向上移动控制杠杆；
图9示出了应用于矫形设备的设备；
图10示意性地示出了提供适于相互作用以获得复杂运动的多个设备的布置。
优选实施方案的详细说明
在上面列出的附图中，已经用编号1指出了本发明的目标——用于致动器官的气动设备。
设备1遵循mckibben型人造肌肉和类似物的一般操作原则，在介绍中已经说明了这一点，并且以本身已知的方式设置：
·中空柱形腔室2，其是密封的，由弹性材料制成，适于通过例如由压缩空气供应系统构成的外部吹气装置(未示出)用空气或其它流体进行加压；
·交织套筒3，其同轴地布置在所述中空柱形腔室2外部，并且由第一系列柔性的且基本上无伸缩性的线状体31和第二系列相同的柔性的且基本上无伸缩性的线状体32构成，各个第一系列柔性的且基本上无伸缩性的线状体都根据其自身的具有相同直径和螺旋角度b但原理不同的螺旋状路径布置，第二系列相同的柔性的且基本上无伸缩性的线状体根据与上述第一系列的那些螺旋状路径对称的相应螺旋状路径布置，其中所述第一和第二系列柔性的线状体31、32适于形成所述网状物3的网格，其中所述螺旋状路径中的每一个相对于上述设备1的纵向轴线x倾斜相同的预定角度b；
·两个刚性头部构件4a、4b，其设置在所述交织套筒3的对应端部，上述线状体31、32的相应端部固定至该交织套筒的对应端部，其中相同的刚性头部构件4a、4b设置成机械地连接至外部用户装置(未示出)。
吹入机构适于分别在所述设备1的活动阶段k或在待机阶段w对柱形中空腔室进行加压或减压，在设备的活动阶段，所述中空柱形腔室2与所述交织套筒3相互作用以在每个螺旋状路径的所述倾斜角度b最初大于、小于或等于预定值时分别实现同一设备1的伸展或收缩或绷紧。上述预定值对应54.7°的角度，该角度是已被验证和实验证实的理论界限。
根据本发明，设备1包括调节装置5，调节装置与所述刚性头部构件4a、4b相关联，并且适于通过增加或减小最初设置在设备1的所述待机阶段w的相同刚性头部构件4a、4b之间的距离d来改变该距离，以便要求上述交织套筒3中的各个螺旋状路径的倾斜角度b的成比例并一致的变化。
在图1和图2所示的设备1的第一实施方案中，所述调节装置5包括：
·轴向通孔50，其在所述刚性头部构件之一——例如头部4a——中形成；
·杆51，其插入轴向通孔50中并相对于所述刚性头部4a在两侧延伸；
·端板52，其与所述交织套筒3内位于所述刚性头部构件4a、4b之间的中间位置处的杆51的端部一体制成，所述端板52放置成封闭所述中空柱形腔室2的对应端部；
·操作装置53，其介于轴向通孔50和杆51之间，适于允许相应的刚性头部4a相对于杆51自身进行轴向平移，从而增加或减小与剩下的刚性头部4b的距离d以及交织套筒3的长度。
在优选的构造方案中，所述轴向通孔50和杆51具有螺纹并相互接合，并且所述操作装置53由设置在所述刚性头部4a中并承载轴向螺纹通孔50的旋转棘爪构成。
棘爪53可以在一个方向或另一个方向上旋转，以确定对应的刚性头部4a沿着杆51的上述偏移；通过通孔50与杆51之间的上述螺纹耦接，自动地稳定了一次次到达的位置。
在图1和图2中涉及的实施方案中，杆51设置有轴向贯穿导管510，其适于将所述吹气装置与中空柱形腔室2连接；可替代地，可以设置在剩下的刚性头部4b中形成的贯穿管道。
随着棘爪53的旋转以及随之而来的刚性头部构件4a，4b之间的距离d的变化，每个螺旋状路径的所述倾斜角度b的初始值被确定，使得进入其上述活动阶段k的设备1根据以下关系切换其响应特性：
·在恰好为54.7°的角度b的情况下，该响应特性为设备1只能绷紧，不会改变其长度，也没有横向变形；
·在通过增大距离d形成小于54.7°的角度b1的情况下，该响应特性为产生轴向收缩和在径向方向上的增加；
·在通过减小距离d形成大于54.7°的角度b2的情况下，该响应特性为产生轴向伸展和在径向方向上的减少。
在图3所示的设备1的第二实施方案中，所述调节装置5包括：
·第一和第二轴向通孔50、55，其分别形成在所述刚性头部构件4a、4b中；
·第一和第二杆51、56，其分别插入所述第一和第二轴向通孔50、55中，其中所述杆51、56中的每一个相对于对应的刚性头部4a、4b在两侧延伸；
·第一和第二端板52、57，其中的每一个均与交织套筒3内位于刚性头部构件4a、4b之间的中间位置处的相应杆51、56的端部一体地制成，所述第一和第二端板52、57处于相对于交织套筒3位于中间位置的所述中空柱形腔室2的对应端部的封闭位置；
·第一和第二操作装置53、58，其分别介于所述第一孔50和第一杆51之间以及第二孔55和第二杆56之间，适于允许相应的刚性头部4a、4b相对于对应的杆51、56进行轴向平移，从而增加或减小与剩下的刚性头部4a、4b的距离d以及所述交织套筒3的长度。
在优选的构造方案中，按照已为所述第一种形式的实施方案设置的内容，第一轴向通孔50和第一杆51以及第二轴向通孔55和第二杆56都具有螺纹且相互接合。
第一操作装置53由设置在相关刚性头部4a中并且具有第一螺纹轴向通孔50的第一可旋转棘爪构成；类似地，第二操作装置58由例如与第一可旋转棘爪一样设置在剩下的刚性头部4b中并承载具有第二螺纹的轴向通孔55的第二可旋转棘爪构成。
每个棘爪53、58可以单独地在一个方向或另一个方向上旋转，以确定对应的刚性头部4a、4b相对于二者中的另一个的轴向平移。
通孔50、55和相应的杆51、56之间的螺纹耦接稳定了由每个刚性头部4a、4b一次次到达的位置。
在图3的实施方案中，两个杆51、56均设置有轴向贯穿导管510、560，每个导管都适于将所述吹气装置与中空柱形腔室2连接；可替代地，可以在两个杆51、56中的一个中设置仅一个贯穿管道。
如已经就第一实施方案所解释的那样，随着第一棘爪53和/或第二棘爪58的旋转以及随之而来的刚性头部构件4a、4b之间的距离d的变化，每个螺旋状路径的所述倾斜角度b的初始值被确定，使得进入其所述活动阶段k的设备1根据先前阐述的关系切换其响应特性。
所述的设备1的第二实施方案延长了授予所述调节装置5的校准间隔，从而增加了设备1本身的多功能性。
在图4所示的设备1的第三实施方案中，所述中空柱形腔室2关联地装配在所述交织套筒3的内部，并且具有与交织套筒相同的轴向展开。
作为结构变型，尽管彼此保持着实现弹性的中空柱形腔室和由基本上无伸缩性的金属线形成的套筒的结构差异，但是可以预测到中空柱形腔室2被并入套筒3本身中。
对应的调节装置5包括：
·第一和第二轴向通孔50、55，其分别形成在所述刚性头部构件4a、4b中；
·第一和第二杆51、56，其分别插入所述第一和第二轴向通孔50、55中，其中所述杆51、56中的每一个相对于对应的刚性头部4a、4b在两侧延伸；
·第一和第二端板52、57，其中的每一个均与在交织套筒3和中空柱形腔室2内位于刚性头部构件4a、4b之间的中间位置处的相应杆51、56的端部一体制成，所述第一和第二端板52、57连接至相对于所述交织套筒3和中空柱形腔室2位于中间位置的弹性材料的波纹管6的相反端；
·至少一个弹性构件60，其容纳在所述波纹管6中并介于所述底部52、57之间，适于在相互移动时回弹地推动底部；
·第一和第二操作构件53、58，其分别介于所述第一孔50和第一杆51之间以及所述第二孔55和第二杆56之间，适于允许相应的刚性头部4a、4b相对于对应的杆51、56进行轴向平移，从而增加或减小与剩下的刚性头部4a、4b的距离d以及所述交织套筒3的长度。
在优选的构造方案中，按照已为先前形式的实施方案设置的内容，第一轴向通孔50和第一杆51以及第二轴向通孔55和第二杆56都具有螺纹且相互接合。
相应的第一和第二操作构件53、58由设置在相关刚性头部构件4a、4b中的第一和第二可旋转棘爪类似地构成，该第一和第二可旋转棘爪适于以单独的方式在一个方向或另一个方向上旋转以确定对应的刚性头部4a、4b相对于彼此的这种轴向偏移。
同样在这种情况下，通孔50、55与相应的杆51、56之间的螺纹耦接稳定了由每个刚性头部4a、4b一次次到达的位置。
波纹管6内的弹性构件60在倾斜角度b的校准操作期间稳定了设备1的结构。
在图4的实施方案中，两个杆51、56均设置有轴向贯穿导管510、560，每个轴向贯穿导管均适于将所述吹气装置与波纹管6的内部连接，波纹管6的内部又具有开口(未详细示出)，该开口允许引入的加压气流汇合在中空柱形腔室2的内部；可替代地，可以在两个杆51、56中的一个中设置仅一个贯穿管道。
在每个刚性头部构件4a、4b中设有密封o形环40，其与相应的杆51、56接合并且防止压缩空气通过通孔50、55从中空柱形腔室2逸出。
在设备1的活动阶段k，波纹管6以及弹性构件60一致于设备1自身的收缩或伸展被压缩或伸长。
在图5a至图7b中示意性地示出了两个平行匹配、机械地连接到固定上部支撑件70和下部杆80的设备1的应用。
在图5a中，设备1具有相同的初始调整，通过增加刚性头部构件4a、4b之间的距离d形成54.7°的螺旋状路径的倾斜角度b1；然后两个设备1均准备好进行轴向收缩和在径向方向上的增大。
在图5b中，仅右侧的设备1处于其活动阶段k，对于该阶段，杆80是倾斜的，而在启动两个设备1的情况下，如图5c所示，杆80再次是水平的，但是处于比出发点更高的水平。
在图6a中，设备1具有不同的初始调整：左侧的设备具有小于54.7°的螺旋状路径b1的倾斜角度，因此倾向于收缩，而右侧的设备具有大于54.7°的角度b2，则倾向于伸展。
图6b示出了杆80如何在两个设备1同时启动的情况下倾斜(具有相对于图5b中的位置的更大的角度)。
在图7a中，设备1具有相同的初始调整，其角度b2大于54.7°，则两个设备1均倾向于伸展，如图7b所示，其中杆80平行于初始位置移动并将其自身置于更低的水平。
在图8a，图8b中示意性示出了其中设备1被设置成移动例如与分流阀相关联的控制杆90的应用。
由此可见，取决于角度b的初始调整，杆90可以在两个相反的方向上被驱动。
在图9中，再次以示例的方式示出了另外的可能的应用，其中设备1与用于上肢康复的矫形设备100相关联；根据角度b的常规调整，将有可能获得期望的弯曲运动。
在图10中示出了另外的可能的应用，其设置了存在彼此平行且径向布置的四个设备1。
设备1在顶部连接到第一支撑十字形件110，并且在底部连接到例如等同于第一支撑十字形件的第二支撑十字形件120。
取决于每个设备1的角度b如何被调整，并且取决于这些设备的启动模式，可以在所述支撑十字形件110，120之间获得类似于由球窝接头授予的、但是施加推力的不同的定位；可以理解在机器人技术和/或生物机器人技术领域的类似应用是多么有趣。
从前面的描述中可以看出所提出的设备的独特特征，其结合了mckibben型人造肌肉以及类似物的操作原理，但是引入了首创的构造方案，该构造方案允许其随时随意地进行配置，以获得处于收缩状态或处于伸展状态或仅仅绷紧的活动阶段。
利用这个重要的优点，它们完全超出了已知实施方案的限制，并且极大地简化了该设备的任何实际应用。
应该强调的是所提出的设备的良好特性如何利用技术获得，同时是简单、有效和可靠的，此外其还允许具有紧凑的尺寸和规则的形状。
所采用的所有构造方案均满足允许以可控的成本容易批量生产设备的要求，因为其可采用工业中常用的材料、机器和器械。
可直观理解的是，该设备可以应用于工业、自动化、机器人技术、生物医学——仅以这些为例——各个领域。
然而，应该理解的是，上面所述的内容具有示例的用途，而不是限制性的，因此从技术和/或功能上考虑可能需要作出的细节的任何修改从现在被认为是仍然在由以下权利要求限定的保护范围内。