AT502980B1 - Parallelkinematik, insbesondere knickarm - Google Patents

Description

2 AT 502 980 B1

Die Erfindung betrifft einen Knickarm einer Hubvorrichtung, eines Krans, eines Roboters, etc. mit einer festen Plattform, einer Zwischenplattform, einer beweglichen Plattform und mit benachbarte Plattformen verbindenden Verbindungselementen wie Stäbe veränderlicher Länge, sogenannte Aktuatoren, gegebenenfalls teilweise Stäbe konstanter Länge, sogenannte passive Stäbe, und gegebenenfalls Zugmittel, wobei die bewegliche Plattform gegenüber der festen Plattform bis zu sechs Freiheitsgrade aufweist und wobei die Verbindungselemente zwischen der festen Plattform und der Zwischenplattform eine erste Parallelkinematik und zwischen der Zwischenplattform und der beweglichen Plattform eine zweite Parallelkinematik ausbilden.

Aus der W02003/004223 A und der W02003/059581A sind parallelkinematische Vorrichtungen für Industrieroboter bekannt, bei denen Fußpunkte von Stäben konstanter Länge einerseits entlang geradliniger Bahnen, andererseits auf zylindrischen Flächen einer festen Plattform verfahrbar sind. Auf diese Weise wird eine bewegliche Plattform, die beispielsweise ein Werkzeug trägt, im Raum geführt und orientiert.

Aus der JP 10207338 A ist es bekannt, Zuschauersitze eines Kinos mittels einer parallelkinematischen Vorrichtung passend zum Filmgeschehen zu bewegen. Dabei greifen die Aktuatoren an der beweglichen Plattform nahe aneinander an und bilden, ohne echten Tripelpunkt und ohne echten Doppelpunkt eine der sogenannten 3-2-1-Kinematik ähnliche Kinematik.

Auf Knickarme wurden parallelkinematische Gebilde in verdoppelter Form noch nie angewandt und galten auch nicht als anwendbar. Die Erfindung hat das Ziel, die Vorteile der parallelkinematischen Vorrichtungen auch auf diese Vorrichtungen der eingangs definierten Art anwendbar zu machen.

Erfindungsgemäß erfolgt dies bei Knickarmen der eingangs definierten Art dadurch, dass drei der Verbindungselemente der ersten Parallelkinematik an der Zwischenplattform einen Tripelpunkt oder Pseudo-Tripelpunkt und zwei weitere der Verbindungselemente der ersten Parallelkinematik an der Zwischenplattform einen Doppelpunkt oder Pseudo-Doppelpunkt bilden. Unter Tripelpunkt versteht man, dass an einer Stelle des Objektträgers drei Stäbe mittelbar oder unmittelbar an einem Punkt, dem sogenannten Tripelpunkt, angreifen bzw. enden; beim Pseudo-Tripelpunkt liegen die Endpunkte (Angriffspunkte) geometrisch eng benachbart im Vergleich zur Länge der dort endenden Verbindungselemente; analog dazu sind Doppelpunkte und Pseudodoppelpunkte zu sehen. Damit erreicht man eine extrem leichte, dabei verwindungssteife und auf leichte Weise genau zu positionierende bewegliche Plattform, mit der in vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung auch Bewegungen auszuführen sind, die mit einer seriellen Kinematik praktisch undurchführbar sind.

Allgemein kann zu kinematischen Vorrichtungen ausgeführt werden: Die letzten Endes auf das Problem der ausreichend genauen und raschen Bewegung entlang mehrerer Freiheitsgrade zwischen einer Basis oder Grundplattform und einer Arbeitsplattform bzw. beweglichen Plattform oder auch Endplattform zurückzuführenden Detailprobleme werden seit langem mittels der sogenannten „seriellen Kinematik“ gelöst: Dabei wird auf der Grundplattform, die zumeist raumfest in einem Inertialsystem angeordnet ist, ein Gebilde entlang eines Freiheitsgrades bewegt, auf diesem Gebilde ein weiteres Gebilde um einen anderen Freiheitsgrad, usw., bis zum Schluss, je nach Anzahl der notwendigen Freiheitsgrade und entsprechend vielen Gebilden die Endplattform erreicht wird, die beispielsweise im Falle einer Werkzeugmaschine das gewünschte Werkzeug aufweist, im Falle eines Fördermittels das Fördergut trägt etc.. Diese serielle Kinematik hat sich vielfach bewährt, insbesondere weil es möglich ist, die aneinander gereihten Freiheitsgrade zu „orthogonalisieren“ d.h. dass eine Bewegung entlang eines Freiheitsgrades die Lage der Endplattform nur in dessen Richtung beeinflusst, die Lage bezüglich aller anderen Richtungen aber konstant bleiben. Dadurch wird ein einfacher und anschaulicher Steuer- und Regelmechanismus für die Bewegung ermöglicht.

Nachteilig aber sind die Additionen aller Toleranzen in allen jeweils anfallenden Richtungen, die 3 AT 502 980 B1 hohen zu bewegenden toten Massen der verschiedenen Zwischenplattformen und die Notwendigkeit, speziell ausgestaltete Elemente für die einzelnen Freiheitsgrade vorzusehen. Man denke dabei nur an eine Fräsmaschine, bei der Support entlang einer Schiene mittels einer Spindel verfahren wird, worauf auf dem Support ein Schlitten mit einer passenden Stellvorrichtung normal zur Spindelachse verfahren wird etc..

Andere Lösungen dieses Grundproblems sind schon seit langem von Reifentestmaschinen, den sogenannten Gough Plattformen, und bei Flugsimulatoren zur Bewegung der Kabine, die das Cockpit darstellt (Erfinder Stewart), bekannt. Diese alternative Kinematik erhielt die Bezeichnung „Parallelkinematik“, weil zur gezielten Bewegung der Endplattform eine parallele (eigentlich simultane) Betätigung aller Antriebe entlang aller Achsen notwendig ist. Damit ist die Problematik der Parallelkinematik schon im wesentlichen angedeutet, sie erfordert einen hohen Steuer- und Regelaufwand (damit auch Rechenaufwand) für die gewünschte Bewegung der beweglichen Plattform.

Der Rechenaufwand wird besonders dadurch in die Höhe getrieben, dass keine geschlossenen Lösungen für die Steuerung vorliegen und daher iterativ gerechnet werden muß. Dies führt insbesondere bei langen Wegen der beweglichen Plattform, seien es nun Winkel oder Längen, noch zum Problem der weit überlinear ansteigenden Rechenarbeit und dem Problem der nicht (leicht) zu erkennenden Verzweigung der Lösungen. Eine derartige Verzweigung kann dazu führen, dass die Aktuatoren (Aktuator, zumeist Stäbe, deren Länge veränderlich ist oder deren Fußpunkt, das ist der Anlenkpunkt an der festen Plattform, beweglich ist, aber aus der US 5,966,991 A ist auch eine rotatorische Parallelkinematik bekannt) falsch betätigt werden und es zur Kollision von Stäben kommt.

Wie man aus der Vorgabe, dass jeder Aktuator nur einen Freiheitsgrad festlegen soll, die anderen fünf aber nicht beeinträchtigen soll, leicht erkennen kann, sind extrem aufwendige, hochgenaue und damit teure Lager für jeden der Antriebe notwendig.

Um dies zu verdeutlichen Folgendes:

Bei einer Vorrichtung mit allen sechs Freiheitsgraden zwischen der festen und der bewegten Plattform benötigt man sechs Stäbe, von denen jeder in fünf Freiheitsgraden frei sein muss, somit sind dreißig Bewegungsrichtungen möglichst genau und somit vorgespannt zu verwirklichen, z.B. zwei Kardangelenke und ein Achsial-Radiallager pro Stab oder ein Kardangelenk und ein Kugelgelenk pro Stab. Damit einher geht die problematische Kalibrierung von Parallelkinematiken, darunter versteht man die Berücksichtigung mechanischer Ungenauigkeiten im Rechenmodell für die Ansteuerung der Bewegung der einzelnen Stäbe. Dies ist wohl der Hauptgrund dafür, dass der erste Prototyp einer Werkzeugmaschine mit Parallelkinematik erst 1994 auf der IMTS in Chicago vorgestellt wurde.

Bei näherer Betrachtung fällt auch auf, dass die Parallelkinematik unter dem Problem leidet, nur geringe Schwenkwinkel zuzulassen, da ansonsten die Stäbe einander ins Gehege kommen, und dass es Stellungen zwischen den beiden Plattformen gibt, bei denen die Parallelkinematik eine Position einnimmt, die einer sogenannten Singularität entspricht, aus der sie nicht mehr von sich aus gelöst werden kann. Auch der große Platzbedarf der Parallelkinematik gemäß dem Stand der Technik ist zu erwähnen, so benötigen noch im Jahr 2003 fertigt entwickelte und produzierte Werkzeugmaschinen die einen Arbeitsraum von 0,6 x 0,6 x 0,6 m aufweisen, eine Kubatur von 3,5 x 3,5 x 3,5 m.

Trotz dieser Nachteile kommt die Parallelkinematik für viele Anwendungsgebiete, insbesondere wenn hohe Bewegungsdynamik und hohe Wiederholgenauigkeiten der anzufahrenden Positionen bzw. der zu befahrenden Wege verlangt werden und ganz speziell, wenn diese Anforderungen mit der Notwendigkeit hoher Steifigkeit der Konstruktion einhergeht, mehr und mehr zur Anwendung. Dabei hat das hervorragende Verhältnis von bewegbarer Last zu Eigengewicht, 4 AT 502 980 B1 das bis 2:1 reicht, während serielle Kinematik nur 1:20 erzielt, und so zu merklicher Energieersparnis führt, einen wesentlichen Anteil am Wunsch, die parallele Kinematik vermehrt einzusetzen.

Dazu kommt noch, dass die einzelnen Teile der Parallelkinematiken nur eine geringe mechanische Komplexität aufweisen und dass in vielen Fällen für alle oder zumindest eine Mehrzahl der abzudeckenden Freiheitsgrade identische Bauteile verwendet werden können, sodass der Aufbau der Parallelkinematiken an sich einfach und kostengünstig ist.

Im Hinblick auf diesen einfachen und modularen Aufbau, aber auch für die anderen genannten Eigenschaften wird auf den sogenannten DELTA-Roboter, das Hexapod und den IRB 940 Tricept verwiesen.

Eine dem schon damals lange bekannten Hexapod kinematisch vollständig entsprechende Konstruktion, die dennoch patentiert wurde, ist aus der EP 1 095 549 B, entsprechend der DE 199 51 840 A, bekannt: Sie betrifft eine Dreipunkt-Anhängevorrichtung für ein Zugfahrzeug, die mittels sechs in ihrer Länge verstellbaren Stäben in sechs Freiheitsgraden bezüglich des Zugfahrzeuges bewegt werden kann. Im Sinne der Nomenklatur dieser Beschreibung entspricht das Zugfahrzeug der festen Plattform und die Anhängevorrichtung der beweglichen Plattform.

Eine Anwendung der Parallelkinematik auf sogenannte Mikromanipulatoren mit Bewegunsgbe-reichen von wenigen Millimetern oder noch darunter, dafür aber hoher Anfahrgenauigkeit, ist aus den aus einer Anmeldung hervorgegangenen US 6,671,975 B und US 6,769,194 B bekannt. Die Vorrichtung beruht auf dem Hexapod und verbessert die Präzision der Längenänderungen der Stäbe durch Einsatz von Piezoelementen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es erfindungsgemäß möglich, eine Parallelkinematik für die eingangs genannten Anwendungsgebiete zu schaffen, die auf der Kombination von Aktuatoren (durch Fusspunktverschiebung wirkende oder längenveränderliche Stäbe) mit passiven Stäben beruht, wobei insbesondere die Probleme der komplexen Steuerung und der Lagerung vermieden oder zumindest deutlich reduziert werden.

Dies geschieht dadurch, dass in der kinematischen Kette zumindest an einer Stelle drei Stäbe mittelbar oder unmittelbar an einem Punkt, einem sogenannten Tripelpunkt, angreifen bzw. enden. Dadurch sind die linearen Freiheitsgrade definiert, die mathematische Lösung der Steuerung wird geschlossen, damit die Berechnung der Bewegung gegenüber den offenen Lösungen gemäß dem Stand der Technik wesentlich, meist um den Faktor eintausend, vereinfacht und ist beispielsweise über die Winkelfunktionen darstellbar. Dies ermöglicht auch auf einfache Weise eine „Vorsteuerung“ der Bewegung. Darüber hinaus wird der Bewegungsablauf der kinematischen Ketten auch wesentlich anschaulicher und es können ohne komplexe Analysen die Fragen der Kollision der einzelnen Bauteile und des Auftretens von Singularitäten beurteilt werden.

Die Bezeichnung mittelbar oder unmittelbar wurde gewählt, da es für die praktische technische Ausführung völlig reicht, wenn einer drei Stäbe knapp am Ende eines der anderen beiden Stäbe angreift. Dadurch wird zwar in diesem Stab ein Biegemoment induziert, doch vereinfacht sich die praktische Ausführung des Lagers und es werden dessen mögliche Schwenkwinkel deutlich erhöht, ohne der Vereinfachung der Rechenarbeit oder der Grundlage der Erfindung, nämlich der Definition der linearen Freiheitsgrade, großen Abbruch zu tun. Es kann gegebenenfalls nach der geschlossenen Lösung für den Tripelpunkt eine iterative Berechnung der exakten Endlage der beweglichen Plattform als Ganzes erfolgen, doch betrifft dies ausschließlich kurze Wege und ist daher auch iterativ ohne großen Aufwand und jedenfalls ohne die oben genannten Probleme möglich. Aus mechanischen Gründen ist es bevorzugt, dass der auf Biegung belastete Stab derjenige sein sollte, der nach Analyse des zugrunde liegenden Problems sich als der am geringsten belastete der Kinematik herausstellt. 5 AT 502 980 B1

Wenn diese mittelbare Ausführung bei Tripelpunkten im Bereich der festen Plattform verwendet wird, so gehen die mathematischen Vorteile teilweise verloren, da die Lage des Fußpunktes des so angebundenen Stabes sich mit der Lage des Stabes, an dem er angelenkt ist, ändert. Die mechanischen Vorteile, insbesondere das Lager betreffend, bleiben aber voll erhalten.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, eine sogenannte überdefinierte bzw. überbestimmte Kinematik zu verwenden. Damit erreicht man eine Erhöhung der Steifigkeit der Vorrichtung, kann die bewegliche Plattform, was oft günstig ist, leichter und damit weniger steif bauen, weil sie durch die überbestimmte Fixierung stabilisiert wird und weil dies, zumindest in einem gewissem Ausmaß, notwendig ist, um die Toleranzen der überbestimmten Führung auszugleichen und so Beschädigungen der Lager bzw. der Aktuatoren (Antriebe, Getriebe und ausführende Organe in ihrer Gesamtheit) zu verhindern.

Eine weitere vorteilhafte Variante der Erfindung, die mit der vorstehend genannten nicht in Widerspruch steht, besteht darin, durch Lager für einzelne Stäbe, die keine allseitige Bewegung zulassen (Kardangelenk statt sphärischer Lagerung), Stäbe „einzusparen“ und dafür Biegebeanspruchungen in Kauf zu nehmen. Diese zusätzliche mechanische Beanspruchung ist bei vielen Anwendungsgebieten, bei denen keine großen Kräfte auftreten, z.B. bei der Führung eines Laserkopfes zum Schneiden von Material, leicht zu beherrschen und reduziert den Aufwand und Platzbedarf nochmals.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, nach der Festlegung der drei in einem Tripelpunkt zusammenlaufenden Stäbe die anderen drei notwendigen Stäbe gemäß den speziellen Systemanforderungen anzuordnen und auszuwählen. Besonders günstig ist es hier, ein weiteres Zeigerpaar (zwei Stäbe, die in einem Punkt angreifen) und einen Einzelstab vorzusehen. Damit reduziert sich der für die Steuerung der Bewegung notwendige mathematische Aufwand nochmals dramatisch und in mechanischer Hinsicht erlaubt eine solche Anordnung den Einsatz von Gleichlaufelementen, Führungen etc.. In der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen wird zur besseren Lesbarkeit immer von einem „Tripelpunkt“ gesprochen, es sei denn, es wird speziell die nahe des Punktes angreifenden Variante, der sogenannte „Pseudo-Tripelpunkt“ erläutert oder wenn die Unterschiede zwischen Tripelpunkt und Pseudo-Tripelpunkt eine erwähnenswerte Rolle spielen.

In einer Anzahl von Fällen können einzelne oder mehrere passive Stäbe und/oder Aktuatoren durch Zugmittel wie Seile, Ketten, Bänder, etc. ersetzt werden, dies ändert nichts an der Erfindung an sich. Es spielt auch in zahlreichen Anwendungsfällen keine Rolle, ob einzelne oder mehrere Aktuatoren als längenveränderliche Stäbe oder als Stäbe konstanter Länge, aber mit Fußpunktverschiebung (Kopfpunktverschiebung) verwendet werden. Der Fachmann auf dem Gebiet der Parallelkinematik kann in Kenntnis der Erfindung die entsprechende Auswahl leicht vornehmen, in der Beschreibung und den Ansprüchen wird nicht darauf eingegangen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt bzw. zeigen: die Fig. 1-7 rein schematisch, verschiedene Grundausbildungen der Erfindung, die Fig. 8 einen Tripelpunkt, die Fig. 9 eine vergrößerte Ansicht eines Details des Tripelpunktes der Fig. 8, die Fig. 10 eine Variante eines Pseudo-Tripelpunktes in der Ansicht der Fig. 8, die Fig. 11 ein Detail der Fig. 10, die Fig. 12-18 eine erste Variante in einer ersten Betriebsart, die Fig. 19-22 die erste Variante in einer zweiten Betriebsart, die Fig. 23 - 33 eine zweite Variante, die Fig. 34 - 37 eine dritte Variante, die Fig. 38 - 40 eine vierte Variante, die Fig. 41 - 48 eine fünfte Variante, 6 AT 502 980 B1 die Fig. 49 - 58 eine sechste Variante eines erfindungsgemäßen Knickarms und die Fig. 59 ein Detail in vergrößertem Maßstab.

In Fig. 1 ist eine rein schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Parallelkinematik argestellt, die in ihrer Gesamtheit mit 1 bezeichnet wird. Wie eingangs der Beschreibung erläutert, verbindet eine solche Kinematik eine feste Plattform 2 mit einer beweglichen Plattform 3, wobei, im Gegensatz zur seriellen Kinematik, keine Zwischenplattformen vorgesehen sind.

Auf diese Weise erreicht man es, dass die Gesamtkinematik bei der Parallelkinematik aus geschlossenen Ketten besteht, d.h. es gibt verschiedene geschlossene Systeme von Stäben, die auf einem Weg von einer Plattform zur anderen und auf einem anderen Weg wieder zurück von dieser anderen Plattform zur einen gehen. Dies ist, man denke nur an die Werkzeugführung einer Drehbank, bei der seriellen Kinematik völlig ausgeschlossen und mit ein Grund für die höhere Steifigkeit aber auch die komplexere Bewegungsmathematik der Parallelkinematiken. Erfindungsgemäß wird nun diese Komplexität, ohne auf die Vorteile der Parallelkinematik zu verzichten, dadurch drastisch verringert, dass zumindest ein Anlenkpunkt vorgesehen wird, von dem drei Stäbe ausgehen.

In Fig. 1 ist eine Parallelkinematik 1 dargestellt, bei der eine feste Plattform 2 mittels sechs Stäben S1 bis S6 mit einer beweglichen Plattform 3 verbunden ist. Diese Parallelkinematik 1 verfügt über einen sogenannten Tripelpunkt P3, er ist auf der beweglichen Plattform 3 vorgesehen. Durch das Ausbilden des dreifachen Punktes P3 wird aus den dort angelenkten Stäben S1, S2 und S5 ein Gebilde geschaffen das als „Zeigerpaar“ bezeichnet wird und über einen zusätzlichen Stab verfügt. De facto werden eigentlich drei Zeigerpaare gebildet, nämlich jeweils die Kombination S1-S2, S1-S5 und S2-S5. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein weiteres Zeigerpaar vorgesehen, das von den Stäben S3 und S4 gebildet wird, die beide im Punkt P2, der, so wie der Punkt P3, auf der beweglichen Plattform 3 angeordnet ist.

Durch passende Anordnung der jeweils „anderen“ Enden der Stäbe S1, S4 bzw. S2, S3 bleiben diese beiden Zeigerpaare bei einer ganzen Reihe von in der Technik üblichen Anwendungen und Bewegungen zueinander in paralleler Lage und können daher auch einer gemeinsamen Bewegungsbeschreibung und somit Regelung unterworfen werden.

Der letzte, einzeln, angeordnete Stab S6, der ohne Beschränkung der Allgemeinheit normal zwischen den beiden Plattformen in der dargestellten Position verläuft, bestimmt nun den letzten Freiheitsgrad und definiert die Lage der beweglichen Plattform 3 gegenüber der festen Plattform 2 endgültig.

Wenn man das so aufgebaute Gebilde nun von seiner Kinematik her betrachtet, so ergibt sich klar, dass durch die jeweilige Länge der Stäbe S1, S2 und S5 die Lage des Punkte P3 (immer, ohne dass es in der weiteren Beschreibung stets angeführt wird, gegenüber der festen Plattform 2) eindeutig definiert ist, und dass die jeweilige Länge der anderen drei Stäbe S3, S4 und S6 die Winkellage der beweglichen Plattform definiert.

Da die praktische Ausbildung eines Lagers, in dem drei Stäbe sphärisch fixiert sein sollen, aufwendig ist (Fig. 9) und durch die notwendigen Lagerflächen die zulässigen Schwenkwinkel der drei Stäbe stark eingegrenzt sind, ist es für die technische Anwendbarkeit ohne weiteres möglich und zulässig, und wird in der Erfindung als vollwertige Alternative angesehen, einen der drei Stäbe an einem anderen der drei Stäbe angreifen (Alternativpunkt A) zu lassen, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.

Die mechanische Beanspruchung des Stabes, an dem der andere angreift, kann durch die in der Beschreibungseinleitung angegebenen Maßnahmen in zulässigen Grenzen gehalten werden, die mathematischen Vereinfachungen bleiben so gut wie zur Gänze erhalten und die Problematik der Lagerung wird umgangen. In der Beschreibung und den Zeichnungen wird diese 7 AT 502 980 B1

Ausbildung des Tripelpunktes P3 als P'3 bezeichnet, auf die Unterschiede wird nur dort eingegangen, wo sie von Bedeutung sind oder im einzelnen erläutert werden.

Die Fig. 3 zeigt eine weitergehende Ausgestaltung in der Richtung, wie sie zwischen der Fig. 1 und Fig. 2 vorgenommen wurde. Es wird bei dieser Variante auch eine Entbündelung der Doppellager P2 auf völlig analoge Weise zur Entbündelung des Tripelpunktes P3 vorgenommen, der ja in der Variante der Fig. 2 zu einem Doppelpunkt P2 und einem Alternativpunkt A wurde. Dabei wurde auch der Doppelpunkt der Stäbe S4 und S5 an der festen Plattform 2 entbündelt, auf die dadurch entstehenden mathematischen Probleme wurde bereits oben hingewiesen. Es besteht diese Konstruktion somit nur mehr aus den üblichen Befestigungspunkten, die an sich kein Bezugszeichen tragen, und den Alternativpunkten A. Analog zur Bezeichnung des Tripelpunktes P3 wird eine Kombination eines solchen normalen Befestigungspunktes und eines Alternativpunktes als P’2 bezeichnet, eine Kombination eines Befestigungspunktes mit zwei Alternativpunkten als P'3.

Von der Vereinfachung gegenüber der Parallelkinematik gemäß dem Stand der Technik her gesehen ist die Variante der Fig. 4 mit der Variante der Fig. 3 völlig gleichwertig, vom mathematischen Standpunkt aber vorteilhafter, da auch der Stab S5 einen festen Fußpunkt auf der festen Plattform 2 aufweist und daher mathematisch leicht zu beschreiben ist. Dabei wird der Befestigungspunkt des Stabs S5 an der festen Plattform 2 nicht wie bei Fig. 3 auf den Stab S4 verlegt, sondern als eigener Befestigungspunkt in die unmittelbare Nachbarschaft des Befestigungspunktes des Stabes S4. Damit bleiben alle mechanischen Vorteile gegenüber dem Stand der Technik gewahrt, auch die mathematische Darstellung der Bewegung bleibt vereinfacht und voll erhalten, die Bezeichnung als P'2 trägt dem Rechnung.

Eine Ausgestaltung, bei der die oben erwähnte Überbestimmung bzw. Redundanz des Systems verwendet wird, ist in Fig. 5 dargestellt. Damit kann im Falle des Versagens eines Teils der Struktur ein Zusammenbruch verhindert werden, was insbesondere in der Fördertechnik von eminenter Bedeutung ist, weiters erlaubt, ja verlangt diese Überbestimmung sogar, dass die bewegliche Plattform 3 nicht steifer ist, als es die Toleranzen der einzelnen kinematischen Elemente zulassen, ohne dass die gesamte Steifigkeit darunter leidet. Hier wird aus Gründen der Übersichtlichkeit wieder auf die ursprüngliche Darstellung mit Tripelpunkten und zweifachen Punkten zurückgegangen, ohne darauf beschränkt zu sein. Wesentlich ist, dass der Stab S6 ersetzt worden ist durch zwei Stäbe S6', deren Längenänderung so synchronisiert sein muss, dass sie gemeinsam den einen Freiheitsgrad des ursprünglichen S6 nachbilden.

Die Fig. 6 zeigt eine ähnliche Situation wie die Fig. 1, nur dass die bewegliche Plattform 3' deutlich kleiner ausgebildet ist als die feste Plattform 2, wodurch die Lage der einzelnen Stäbe sich naturgemäß ebenfalls ändert. Selbstverständlich müssen die einzelnen Plattformen nicht viereckig und nicht einmal eben sein, wie aus Fig. 7 ersichtlich.

Die Fig. 7 zeigt in allgemeiner Darstellung eine Möglichkeit, durch eine Kombination längenveränderlicher Stäbe, angedeutet als hydraulische Zylinder-Kolben-Einheiten mit Stäben konstanter Länge, unter Heranziehung der erfindungsgemäßen Prinzipien eine erfindungsgemäße Parallelkinematik zu schaffen, bei der die Berechnung der Bewegungsgleichungen gegenüber dem Stand der Technik deutlich reduziert ist. Darüber hinaus ist es bei dieser Ausbildung der Kinematik möglich, die bewegliche Plattform 3 um 360° und darüber gegenüber der festen Plattform 2 (Summe aller Fußpunkte) zu drehen, was üblicherweise nicht möglich ist.

In Fig. 8 und 9 ist ein erfindungsgemäß ausgebildeter Tripelpunkt P3 zur näheren Erläuterung dieses erfindungswesentlichen Bauelementes in einer konstruktiven Ausgestaltung dargestellt. Die drei in ihm zusammenlaufenden Stäbe S1, S2, S5, analog zur Fig. 1 ausgewählt, sind auf die folgende Weise, die aus Fig. 9 deutlicher zu entnehmen ist, miteinander gekoppelt:

Die Stäbe S1 und S2 die, wie oben erläutert, ein sogenanntes Zeigerpaar mit der Zeigerachse 8 AT 502 980 B1 A12 bilden, greifen, um diese Zeigerachse schwenkbar, zu beiden Seiten einer Hohlkugel 4 an. Der Stab S5 greift, über einen Bügel 5 an der Kugel 4 um eine zur Achse A12 normal angeordneten und sie schneidende Achse A5 an. Der Schnittpunkt der Achsen A12 und A5 liegt im Mittelpunkt der Hohlkugel 4 und damit auch im Mittelpunkt des sphärischen Teils eines in der Hohlkugel 4 sphärisch drehbar gelagerten Zapfens 6, der mit der beweglichen Plattform 3 (nicht dargestellt) fest verbunden ist.

Wie aus dieser Konstruktion ersichtlich ist, wird bei Änderung der Länge der Stäbe S1, S2 und S5 (oder bei Verschiebung von deren Fußpunkten (Fig. 8]) die räumliche Lage des Kugelmittelpunktes stets eindeutig definiert. Dabei ist der Bügel 5 um die Achse des Stabes S5 drehbar und die entsprechenden Bügel der Stäbe S1 und S2 um diese (nur bei ganz speziellen Anordnungsfällen kann dies entfallen), um Verspannungen zu vermeiden.

Es ist leicht ersichtlich, dass die Ausbildung des Punktes P3 gemäß der Fig. 8 und 9 aufwendig ist und dabei doch den Nachteil aufweist, nur geringe Verschwenkungen um den Kugelmittelpunkt zuzulassen, ohne dass es zu Problemen mit aneinander schlagenden Bauteilen kommt.

Die Fig. 10 und 11, in ihren Ansichten im wesentlichen entsprechend den Fig. 8 und 9, stellen nun eine Lösung dieses Problems dar, die, wie bereits erwähnt, die Vorteile der Ausbildung von Tripelpunkten erhält, deren Nachteile aber vermeidet. Um dies zu erreichen, greift der Stab S5 nicht direkt im Bereich des Tripelpunktes an, sondern in kleinem Abstand von ihm, an einem der beiden anderen Stäbe, die am Tripelpunkt enden, im dargestellten Beispiel am Stab S1. Wie bereits erwähnt wird es bevorzugt, dass dieser alternative Angriffspunkt A an demjenigen der beiden zur Verfügung stehenden Stäbe liegt, der mechanisch weniger belastet wird. Dadurch kann dessen Mehrbelastung durch die Induzierung eines Biegemomentes am Angriffspunkt A leichter abgefangen und beherrscht werden, als bei einem Angriffspunkt auf einem schon an sich hoch belasteten Stab.

Aus Fig. 11 gut ersichtlich ist der einfache Aufbau des nunmehr in seinem Kern einen Doppelpunkt darstellenden Pseudo-Tripelpunktes, statt der komplexen und teuren sphärischen Geometrie kann eine einfache kardanische Aufhängung für den Zapfen 6, der auf die bewegliche Plattform 3 (nicht dargestellt) überleitet, gewählt werden.

Die bisher beschriebenen Ausführungsformen und Varianten der Erfindung sind nun für alle ihre Anwendungen einsetzbar, aber selbstverständlich ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Es kann die Ausbildung eines Angriffspunktes A anders ausgestaltet sein als in den Fig. 10 und 11 dargestellt, es muss bei einem Doppelpunkt, unabhängig davon ob es sich um einen Pseudo-Tripelpunkt oder um einen echten Doppelpunkt handelt, keine kardanische Aufhängung verwendet werden, sondern es kann auch hier eine sphärische Ausbildung vorgesehen sein, bei der dann nur die Anlenkung an die beiden angreifenden Stäbe einfacher als in Fig. 9 dargestellt ausfällt, etc..

Die Erfindung wird im folgenden anhand einiger Anwendungsbeispiele näher erläutert. Dabei werden verschiedene Formen von sogenannten Knickarmen, wie Sie bei Robotern in der industriellen Fertigung verwendet werden, geoffenbart. Derartige Konstruktionen werden, unter anderer Bezeichnung, auch im Kranbau, bei Hebezeugen, sogenannten Manipulatoren, etc., verwendet. Derartige Gebilde bestehen aus einer Basis, einem daran befestigten Oberarm, einem daran vorgesehenen Gelenk, oft Ellenbogen genannt, und einem Unterarm mit Werkzeugträger, Greifer, etc.. Es ist nun die Grundidee der Erfindung, zumindest eine, bevorzugt beide der Untereinheiten Basis-Arm-Ellenbogen bzw. Ellenbogen-Unterarm-Werkzeugträger durch eine erfindungsgemäße Parallelkinematik zu ersetzen.

Die Fig. 12 bis 18 zeigen eine erste Variante eines Knickarmes, wie er beispielsweise für einen Roboter oder eine spezielle Hubanordnung, darunter auch Kräne etc. verwendet werden kann. Die Grundidee bei der Verwirklichung des Knickarmes liegt neben der Verwendung von Tripel- 9 AT 502 980 B1 punkten oder Pseudo-Tripelpunkten vor allem darin, durch eine serielle Kombination zweier parallelkinematischer Vorrichtungen die bisherigen Nachteile von mechanischen Systemen, die auf Parallelkinematik beruhen, zu vermeiden.

Wie eingangs erläutert, weisen bekannte Parallelkinematiken den großen Nachteil auf, einen großen Raumbedarf zu besitzen und dabei nur einen sehr geringen Arbeitsbereich zu erfassen. Durch die Erfindung, die vorschlägt, zwei parallelkinematische Systeme in Serie zu schalten, wobei die bewegliche Plattform des ersten Systems als feste Plattform des zweiten Systems dient und somit zu einer Mittelplattform wird, gelingt es, äußert bewegliche und mit einem großen Aktionsradius ausgestattete Vorrichtungen zu schaffen. Die durch das serielle Anordnen von Kinematiken üblichen Nachteile treten praktisch nicht auf, da einerseits nur eine zweistufige Serie geschaffen wird, insbesondere aber auch, weil durch die parallelkinematische Ausbildung der beiden Stufen der seriellen Kinematik die toten Massen außerordentlich klein sind und da durch die üblicherweise verwendeten Lager, wie oben ausgeführt, meist vorgespannte und damit hochgenaue Lager, die Problematik der seriellen Kinematik, nämlich die Addition der Fehler, keine praktische Rolle spielt.

In den Fig. 12 bis 18 ist nun eine erste Variante eines solchen Knickarmes dargestellt, der an seiner beweglichen Plattform ein Werkzeug, eine Hubvorrichtung, eine Greifvorrichtung, ein Werkstück etc. ergreifen, halten, bearbeiten, führen, heben etc. kann.

Es zeigt dabei die Fig. 12 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Knickarm 101, bestehend im wesentlichen aus einer festen Plattform 102, einer ersten Parallelkinematik 105, einer Zwischenplattform 104, einer zweiten Parallelkinematik 106 und einer beweglichen Plattform 103. Die feste Plattform 102 kann tatsächlich fest verankert sein, beispielsweise im Fundament einer Werkhalle oder an einer Bearbeitungsmaschine, es kann sich, wenn der Knickarm als Kran verwendet wird, die feste Plattform 102 entlang von Schienen bewegen oder zumindest um ihre Mittelachse drehbar gelagert sein, es kann, wenn der Knickarm 101 als Führung für eine Baggerschaufel dient, die feste Plattform 102 mit einer Tragvorrichtung eines Fahrzeuges verbunden sein u.dgl. mehr.

Die erste Parallelkinematik 105 besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus zwei Zeigerpaaren 107, 108, die jeweils aus einem Aktuator und einem passiven Stab bestehen und an der Zwischenplattform 104 Doppelpunkte ausbilden. An einem dieser Doppelpunkte ist durch einen Querstab 109 ein Tripelpunkt 110 ausgebildet, womit all die Vorteile, die in der Einleitung der Beschreibung ausführlich erläutert wurden, erreicht werden.

Es soll, nicht nur zur Fig. 12 sondern zu allen folgenden Figuren auch, darauf hingewiesen werden, dass aus Gründen der einfacheren Darstellung die an Doppelpunkten, Tripelpunkten oder Pseudo-Tripelpunkten beteiligten Stäbe bzw. Verbindungselemente als einfach in diese Punkte einmündend und damit auch als untereinander einmündend dargestellt werden, ohne dass die tatsächliche mechanische Ausbildung der Kinematik in diesem Bereich gezeigt wird. Diese ist in den Fig. 1 bis 11 ausführlich dargestellt und erläutert, sodass aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit bei den Figuren, die die gesamten Kinematiken in ihren verschiedenen Ausbildungen zeigen, diese Details nicht dargestellt werden.

Die geschilderte erste Parallelkinematik 105 bewegt die Zwischenplattform 104 so, wie es an Hand der Fig. 1 bis 11 erläutert worden ist. Nunmehr wird diese Zwischenplattform 104 als feste Plattform für eine zweite Parallelkinematik 106 verwendet, die ähnlich aufgebaut ist wie die erste Parallelkinematik 105, aber einfacher, nämlich mit nur einem Aktuator 122, ausgebildet ist. Es ist auch hier ein Tripelpunkt 120 an der beweglichen Plattform 103 vorgesehen, sodass auch diese Parallelkinematik erfindungsgemäß ausgebildet ist und alle damit erreichbaren Vorteile erhalten werden. Bei den Parallelkinematiken gemäß dem Stand der Technik wäre der Rechenaufwand derart kaskadierter Systeme, von denen schon jedes für sich nur iterativ zu lösen ist, absolut unbeherrschbar. 10 AT 502 980 B1

Wie aus den Fig. 12 bis 18 ebenfalls leicht zu erkennen ist, besteht die zweite Parallelkinematik 106 dem Grunde nach aus einer Art Fortsatz der Zwischenplattform 104 und bildet, solange der Aktuator 122 nicht betätigt wird, einfach einen Teil dieser Zwischenplattform 104, die sodann gemeinsam mit der beweglichen Plattform 103 eine „exotische bewegliche Plattform“ der ersten parallelkinematischen Vorrichtung 105 darstellt.

Durch die Ausbildung eines der Stäbe der zweiten Parallelkinematik 106 als Aktuator 122 und die passende Anordnung der Anlenkpunkte der anderen Stäbe an der beweglichen Plattform 103 als Doppelpunkte bzw. als Tripelpunkt wird nun eine Drehmöglichkeit um die durch die Anlenkpunkte an der beweglichen Plattform definierte Achse 121 geschaffen, und so aus der oben erläuterten exotischen beweglichen Plattform der ersten Parallelkinematik 105 eine Zwischenplattform 104 mit anschließender zweiter Parallelkinematik 106.

Die vielfältigen Bewegungsmöglichkeiten dieser Kinematik gehen aus den folgenden Figuren hervor, in denen aus Gründen der Übersichtlichkeit nur mehr die jeweils bedeutsamsten Bezugszeichen eingetragen sind. Dabei zeigt die Fig. 13 eine Seitenansicht des Knickarmes in der Stellung der Fig. 12 und die Fig. 14 eine Frontalansicht in dieser Stellung. Die Fig. 15 zeigt eine perspektivische Ansicht, die Fig. 16, 17 und 18 zeigen Ansichten in anderen Stellung, wobei verschiedentlich auch der Querstab 119 der zweiten Parallelkinematik 106, der gemeinsam mit einem Zeigerpaar den Tripelpunkt 120 der zweiten Parallelkinematik 106 ausbildet, gut sichtbar ist.

Wenn man diese Beweglichkeit mit der üblicher Parallelkinematiken, wie beispielsweise dem Hexapod oder dem Tricept vergleicht, erkennt man die überraschende Vervielfachung der Reichweite und die mannigfaltigen Orientierungsmöglichkeiten, die durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Knickarmes möglich ist.

Die Fig. 12 bis 18 zeigen Positionen des Knickarmes, die erreicht werden können, wenn die beiden Zeigerpaare 107, 108 synchronisiert bewegt werden. Bei dieser Art der Bewegung ist es, wie insbesondere aus Fig. 16 hervorgeht, möglich, die bewegliche Plattform 103 normal zum Boden zu orientieren. Die Fig. 19 bis 22 zeigen nun Bewegungen, bei denen die beiden Zeigerpaare 107, 108 nicht synchron sondern voneinander unabhängig betätigt werden und es ist aus dieser Abfolge von Darstellungen ersichtlich, dass dann zwar eine zusätzliche Beweglichkeit der beweglichen Plattform 103 gewonnen wird, dass aber dafür der Preis zu zahlen ist, dass die bewegliche Plattform 103 nicht mehr normal zum Boden, darunter wird hier die Ebene verstanden in der die Fußpunkte der Verbindungsglieder der ersten Parallelkinematik 105 angeordnet sind, erreicht wird. In der Folge wird dargelegt, wie erfindungsgemäß auch unter solchen Bedingungen eine solche Orientierung möglich wird.

Aus Fig. 19, einer Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Knickarm entsprechend dem der Fig. 12 bis 18 ist ersichtlich, dass das Zeigerpaar 107 und das Zeigerpaar 108 nicht mehr symmetrisch zueinander verlaufen {asynchrone Betätigung der Zeigerpaare), d.h. der Aktuator des Zeigerpaares 107 ist länger als der Aktuator des Zeigerpaares 108, wodurch eine Drehung der Zwischenplattform 104 und damit der gesamten zweiten Kinematik 106 bewirkt wird. Diese in vielen Fällen angestrebte Schräglage bringt es aber mit sich, dass die bewegliche Plattform 103 nicht mehr in einer Ebene normal zu der der festen Plattform 102 gebracht werden kann. Dies ist insbesondere im Zusammenhalt mit den Fig. 20 bis 22 ersichtlich.

Die Fig. 23 bis 33 zeigen eine zweite Variante 201 eines Knickarmes, die sich von der ersten Variante 101 nur dadurch unterscheidet, dass das Zeigerpaar 208 (von der Anordnung her entsprechend dem Zeigerpaar 108 der ersten Ausführungsform) aus zwei Aktuatoren besteht, während das Zeigerpaar 108 der ersten Variante 101 aus einem Aktuator und einem passiven Stab bestand. Die Folge dieser einfachen Maßnahme ist nun unmittelbar aus den Figuren zu erkennen, es ist hier auch bei nicht synchronisierter Bewegung der Zeigerpaare 207, 208 möglich, die bewegliche Plattform 203 normal zur Ebene zur festen Plattform 202 zu orientieren was 1 1 AT 502 980 B1 aus der in den dargestellten Positionen stets waagrecht verlaufenden Achse 221 erkennbar ist um die die bewegliche Plattform 203 durch Betätigen des Aktuators 222 verschwenkt wird. Dies ist insbesondere aus der Zusammenschau der Fig. 27 bis 33 gut zu erkennen.

Selbstverständlich sind mit dieser Ausgestaltung des Knickarmes 201 auch alle Positionen erreichbar, die mit der zuvor genannten Variante 101 erreichbar sind und selbstverständlich auch schräge Positionen der beweglichen Plattform 203, doch soll mit den Darstellungen in der Zeichnung die Möglichkeit ganz bestimmter Lagen und Positionen dargestellt werden, die ebenfalls erreichbaren windschiefen relativen Positionen der festen Plattform 202 und der beweglichen Plattform 203 bedürfen als Zwischenlagen nach diesseitiger Ansicht keiner näheren Erläuterung.

Eine Art Sonderform eines erfindungsgemäßen Knickarmes ist in den Fig. 34 bis 37 dargestellt. Die Fig. 34 zeigt in perspektivischer Ansicht einen Knickarm 301, der im Prinzip ähnlich aufgebaut ist wie die Knickarme 101 und 201. Als Besonderheit sind alle drei Stäbe die zum Tripelpunkt 310 führen, als Aktuatoren ausgebildet, vom Zeigerpaar 307 (Fig. 36) ist ein Stab ein Aktuator, der andere ein passiver Stab. Wie schon beim Knickarm 201 ist auch der Querstab 309 ein Aktuator und greift am Tripelpunkt 310 an.

Durch diese Ausgestaltung ist es nun ein Leichtes, die zweite Parallelkinematik aus passiven Stäben so aufzubauen, dass durch entsprechende Plazierung der Zwischenplattform 304 die Ebene der beweglichen Plattform 303, definiert durch die daran angreifenden Anlenkpunkte der Stäbe der zweiten Parallelkinematik 306, stets parallel zur Ebene der festen Plattform 302, definiert durch die Angriffspunkte der daran angreifenden Verbindungselemente der ersten Parallelkinematik 305, verläuft. Eine derartige Anordnung ist bei Schneid- oder Heftmaschinen, bei Prüfvorrichtungen für ebene Oberflächen, bei Kränen, Hubmagneten, etc. vorteilhaft bzw. ausreichend.

Die Fig. 38 bis 40 zeigen eine besondere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Knickarmes, die besonders bei Anwendungen vorteilhaft ist, bei denen eine rasche und genaue Positionierung eines Werkzeuges gewünscht ist. Dies kann beispielsweise ein Laserschneidgerät, eine Wasserstrahlschneidgerät, eine Überwachungskamera oder etwas ähnliches sein.

Die Vorrichtung besteht aus einer ersten Kinematik 405, die so aufgebaut ist wie die anhand des ersten Beispiels erläuterte erste Kinematik 105. An der Zwischenplattform 404 ist eine zweite Kinematik befestigt, die ähnlich ausgebildet ist wie die zweiten Kinematiken 206 bzw. 306, nur fehlt der Aktuator 222 bzw. der dessen Stelle einnehmende passive Stab (ohne Bezugszeichen). Die bewegliche Plattform 303 degeneriert damit zu einer Welle oder Achse analog zur Achse 221 und auf dieser Achse sitzt, kardanisch gelagert, eine Arbeitsplattform 431. Diese Arbeitsplattform 431 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem symbolischen Werkzeug versehen. An der kardanischen Aufhängung greift eine Parallelogrammführung an, die für die vertikale Ausrichtung (bezogen auf die Ebene der festen Plattform 402) des Werkzeuges sorgt.

Die Parallelogrammführung 430 ist an der festen Plattform 402 um eine vertikale Achse drehbar gelagert und besteht aus zwei aneinander gelagerten, einen gemeinsamen Stab aufweisenden, Parallelogrammen, sodass die Halterung an der kardanischen Aufhängung stets parallel zur Aufhängung an der festen Plattform 402 verläuft. Durch die Drehmöglichkeit um die vertikale Achse an der festen Plattform 402 wird die Parallelogrammkonstruktion 430 stets den Verschwenkungen der zur Welle degenerierten beweglichen Plattform 403 nachgeführt.

Aus einer Zusammenschau der Fig. 38 und 40 ist gut zu erkennen, wie durch die kardanische Aufhängung auch bei schräg gestellter beweglicher Plattform 403, entsprechend der Schwenkachse 421, die Werkzeugplattform 431 vertikal positioniert ist. Es ist noch darauf hinzuweisen, dass bei entsprechender Schrägstellung der beiden Parallelkinematiken 405, 406 die Parallelo- 1 2 AT 502 980 B1 grammführung 430 in Draufsicht das durch die beiden Kinematiken aufgespannte Dreieck schließt, sodass sich eine räumlich sehr ungewöhnliche Position ergibt.

Eine weiter flexible Ausgestaltung der Grundidee der Erfindung ist den Fig. 41 bis 48 zu entnehmen. Dabei ist bei einem Knickarm 501 eine erste Parallelkinematik 505 vorgesehen, die so aufgebaut ist wie die erste Parallelkinematik 105 im ersten Ausführungsbeispiel und daher hier nicht nochmals erklärt wird, die zweite Parallelkinematik 506 ist allerdings komplex aufgebaut und wird im Folgenden näher erläutert.

Die zweite Parallelkinematik 506, die sich von der Zwischenplattform 504 zur beweglichen Plattform 503 erstreckt ist, so wie im zuvor erläuterten Ausführungsbeispiel dahingehend reduziert bzw. denaturiert, dass die bewegliche Plattform 503 zu einer Welle geschrumpft ist, auf der kardanisch gelagert ein Werkzeugträger 531 sitzt. Die Positionierung dieses Werkzeugträgers an der und um die Welle 503 erfolgt mittels zweier Aktuatoren 532 und 533. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel greift der Aktuator 532 an der Verlängerung einer der kardanischen Achsen an, der Aktuator 533 an einem aus der kardanischen Aufhängung ragenden Hebel. Dieser Aktuator 533 ist auch an einem fest mit der Zwischenplattform 504 verbundenen Hebel 533' angelenkt.

Die überaus große Beweglichkeit und die Reichweite dieser Vorrichtung geht aus den einzelnen Figuren deutlich hervor, besonders hinzuweisen ist dabei auf Fig. 46, die in Draufsicht zeigt, wie auch bei stark abgesetzter und entfernter Positionierung der beweglichen Plattform 503 die Werkzeugaufhängung 531 so geführt werden kann, dass das Werkzeug praktisch im rechten Winkel von der beweglichen Plattform 503 absteht. Diese hervorragende Flexibilität ist auch aus Fig. 47 ersichtlich, die eine Seitenansicht zeigt.

Die Fig. 49 bis 59 zeigen eine sechste Variante eines Knickarmes mit besonders flexiblem zweiten Kinematikteil 606. Der grundsätzliche Aufbau ist folgender: Die erste Parallelkinematik 605 ist so aufgebaut wie beim vorherigen Beispiel und bedarf daher keiner weiteren Erwähnung. Die Zwischenplattform 604 ist bei der in diesen Figuren gezeigten Variante gegenüber den bisher dargestellten Ausführungsformen verändert, sie weist eine Trägerplatte 635 auf, deren Aufgabe und Wirkung weiter unten erläutert wird. Die bewegliche Plattform 603 weist in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls Plattenform auf und dient als Werkzeugträger.

Die zweite Parallelkinematik 606 besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus drei passiven Stäben 641, 642 und 643 und drei Aktuatoren 632, 633 und 635. Die Bezugszeichen für diese sechs Verbindungselemente der Parallelkinematik 606 sind in den einzelnen Figuren nur nach Maßgabe ihrer Sichtbarkeit eingetragen, auf die Art der Darstellung der Stäbe im Bereich der Doppelpunkte, Tripelpunkte und Pseudo-Tripelpunkte wird nochmals verwiesen.

Die drei passiven Stäbe 641, 642 und 643 bilden auf der beweglichen Plattform 603, bei der dargestellten Ausführungsform im Mittelpunkt der im wesentlichen kreisförmigen Werkzeugträgerscheibe, einen Tripelpunkt, die Aktuatoren 632 und 633 ein Zeigerpaar mit einem Doppelpunkt an der Peripherie der beweglichen Plattform 603. Der Aktuator 634 schließlich definiert mit seinem Angriffspunkt an der beweglichen Plattform 603 den letzten verbleibenden Freiheitsgrad und damit die Lage der beweglichen Plattform 603 im Raum.

Mit der Ausgestaltung der ersten Parallelkinematik 605 mit zwei Zeigerpaaren und einem Tripelpunkt liefert diese zweistufige Kombination zweier Parallelkinematiken ein äußerst mächtiges System zur Beherrschung der Lage und der Bewegung eines Werkzeugträgers, Greifarms etc. im Raum. Die Figuren zeigen deutlich, dass nicht nur die Reichweite des Knickarms hervorragend ist, sondern dass er auch in der Lage ist, unmittelbar im Bereich der festen Plattform, somit nahe seiner Basis, positioniert zu werden und dabei in allen diesen Bereichen auch die unterschiedlichsten Orientierungen der beweglichen Plattform 603 bewerkstelligen kann.

Claims (8)

1 3 AT 502 980 B1 Die vielfältigen Möglichkeiten sind insbesondere aus Fig. 57 und 58 zu erkennen, wo man ersieht, dass selbst bei völlig symmetrischer Betätigung der ersten Parallelkinematik 605 ein deutliches Verschwenken der beweglichen Plattform 603 nur durch die zweite Parallelkinematik 606 möglich ist, und auch aus den Fig. 55 und 56, die deutlich zeigen, dass auch bei stark ausgefahrenem und geknicktem Zustand die bewegliche Plattform 603 in eine Ebene normal zur Ebene der festen Plattform 602 gebracht werden kann. Die Fig. 59 zeigt den Abschnitt 606 der Parallelkinematik im vergrößertem Maßstab. Hier erkennt man deutlich das Zusammenlaufen der drei passiven Stäbe 641, 642 und 643 zu einem Tripelpunkt im Zentrum der scheibenförmigen, beweglichen Plattform 603 und das Zusammenlaufen der Aktuatoren 632, 633 zu einem Doppelpunkt an der Peripherie an der beweglichen Plattform 603. Der Aktuator 634 und sein Angriffspunkt sind bei dieser Ansicht verdeckt und befinden sich im wesentlichen hinter dem Aktuator 633. Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann verschiedentlich abgewandelt werden. So ist es möglich, nur einen der beiden Abschnitte des Knickarmes mit einer erfindungsgemäßen Kinematik zu versehen, es können auch bei zwei derartigen Kinematiken andere Längenverhältnisse der beiden Parallelkinematiken zueinander gewählt werden, dies hängt selbstverständlich vom jeweiligen Anwendungsgebiet ab. Es ist selbstverständlich, möglich die gezeigten Ausführungsbeispiele für die unterschiedlichen ersten und zweiten Parallelkinematiken anders als dargestellt miteinander zu kombinieren, in Kenntnis der Erfindung ist es für den Fachmann ein Leichtes, hier günstige Kombinationen zu finden. Selbstverständlich kann die bewegliche Plattform 603 die für den jeweiligen Verwendungszweck angemessene Form aufweisen, das gleiche gilt für die feste Plattform 602, die nicht wirklich raumfest sein muss, sondern auch verfahrbar oder drehbar oder schwenkbar ausgebildet sein kann. Es müssen auch nicht alle Verbindungsglieder der Parallelkinematiken Stäbe bzw. Aktuatoren sein, es ist durchaus möglich, dass einzelne diese Elemente durch Seile, Kette, Drähte etc. ersetzt werden, insbesondere wenn es sich um eine hängende Anordnung der Vorrichtung handelt. Die Mittelplattform ist in den dargestellten Ausführungsbeispielen mit Ausnahme des Letzten ein im wesentlichen tetraedisches Stabwerk, dies ist natürlich nicht notwendigerweise so, sondern nur wegen der leichteren kinematischen und dynamischen Beherrschbarkeit einer derartigen Konstruktion so dargestellt und gewählt worden. Patentansprüche: 1. Knickarm einer Hubvorrichtung, eines Krans, eines Roboters, etc. mit einer festen Plattform (102), einer Zwischenplattform (104), einer beweglichen Plattform (103) und mit benachbarte Plattformen verbindenden Verbindungselementen wie Stäbe veränderlicher Länge, sogenannte Aktuatoren, gegebenenfalls teilweise Stäbe konstanter Länge, sogenannte passive Stäbe, und gegebenenfalls Zugmittel, wobei die bewegliche Plattform (103) gegenüber der festen Plattform (102) bis zu sechs Freiheitsgrade aufweist und wobei die Verbindungselemente zwischen der festen Plattform und der Zwischenplattform eine erste Parallelkinematik (105) und zwischen der Zwischenplattform und der beweglichen Plattform eine zweite Parallelkinematik (106) ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass drei der Verbindungselemente der ersten Parallelkinematik (105) an der Zwischenplattform (104) einen Tripelpunkt (P3) oder Pseudo-Tripelpunkt (P3‘) und zwei weitere der Verbindungselemente der ersten Parallelkinematik (105) an der Zwischenplattform (104) einen Doppelpunkt-(P2) oder Pseudo-Doppelpunkt (P2') bilden. 14 AT 502 980 B1

2. Knickarm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbindungselement des Tripelpunktes (P3) bzw. Pseudo-Tripelpunktes (P31), ein Verbindungselement des Doppelpunktes (P2) bzw. Pseudo-Doppelpunktes (P2') und das einzelne Verbindungselement als Aktuatoren ausgebildet sind.

3. Knickarm nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Verbindungselement des Tripelpunktes (P3) bzw. Pseudo-Tripelpunktes (P3') als Aktuator ausgebildet ist.

4. Knickarm nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein passiver Stab des Tripelpunktes (P3) bzw. Pseudo-Tripelpunktes (P3') und der passive Stab des Doppelpunktes (P2) bzw. Pseudo-Doppelpunktes (P21) einen gemeinsamen Fußpunkt auf der festen Plattform (102) aufweisen.

5. Knickarm nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlenkpunkte der beiden Kinematiken (105, 106) auf der gemeinsamen Plattform (104) näherungsweise die Form einer dreiseitigen Pyramide, bevorzugt Tetraederform, bilden.

6. Knickarm nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Anlenkpunkt nur Verbindungselemente der ersten Parallelkinematik (105), an einem weiteren Anlenkpunkt nur Verbindungselemente der zweiten Parallelkinematik (106) angreifen.

7. Knickarm nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenplattform (604) eine Trägerplatte (635) aufweist, auf der die Fußpunkte der Aktuatoren der zweiten Parallelkinematik (606) entlang eines Kreisbogens vorgesehen sind.

8. Knickarm nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Parallelkinematik (606) drei Aktuatoren (632, 633, 634) und drei passive Stäbe (641, 642, 643) aufweist und dass die passiven Stäbe auf der beweglichen Plattform (603) einen Tripelpunkt bilden. Hiezu 55 Blatt Zeichnungen