AT503312B1

AT503312B1 - KINEMATIC DEVICE WITH ACTUATOR AND FUSPOINT SHIFT

Info

Publication number: AT503312B1
Application number: AT2482006A
Authority: AT
Original assignee: Ehrenleitner Franz
Priority date: 2006-02-16
Filing date: 2006-02-16
Publication date: 2008-05-15
Also published as: EP1998937A1; WO2007092973A1; AT503312A1

Description

2 AT 503 312 B12 AT 503 312 B1

Die Erfindung betrifft eine kinematische Vorrichtung mit einer festen Plattform und einem um eine Drehachse der festen Plattform drehbaren Bauteil, wobei zwischen der festen Plattform und dem Bauteil zumindest ein längenveränderlicher Aktuator vorgesehen ist. Ein solches Element ist sowohl bei Gebilden bzw. Vorrichtungen serieller Kinematik als auch paralleler Kinematik einsetzbar.The invention relates to a kinematic device having a fixed platform and a rotatable about an axis of rotation of the fixed platform component, wherein between the fixed platform and the component at least one variable-length actuator is provided. Such an element can be used both in structures or devices of serial kinematics and in parallel kinematics.

Bekannt ist ein derartiges Element aus der US 5,219,266 A: Diese Druckschrift zeigt drei derartige kinematische Elemente, wobei allerdings auch die „drehbaren Bauteile“ längenveränderlich ausgebildet sind. Die drei Elemente sind mit ihren Ebenen sternförmig zu einer Achse angeordnet und die Spitzen der drehbaren Bauteile tragen gelenkig Stäbe, deren andere Enden eine bewegliche Plattform tragen. Die fehlenden drei Freiheitsgrade werden durch eine Parallelführung pro gelenkigem Stab bestimmt, die bewegliche Plattform bewegt sich so immer parallel zu sich selbst. Trotz der sechs Aktuatoren werden nur drei Freiheitsgrade bedient, wegen der Parallelführungen sind die einzelnen Elemente nicht frei von Biegebeanspruchungen.Such an element is known from US Pat. No. 5,219,266 A: This document shows three such kinematic elements, although the "rotatable components" are also variable in length. The three elements are arranged with their planes star-shaped to an axis and the tips of the rotatable components carry articulated rods whose other ends carry a movable platform. The missing three degrees of freedom are determined by a parallel guide per articulated rod, the movable platform moves so always parallel to itself. Despite the six actuators only three degrees of freedom are served, because of the parallel guides, the individual elements are not free of bending stresses.

Prinzipiell gesagt, sind die Vor- und Nachteile der beiden grundlegenden Systeme, nach denen kinematische Vorrichtungen aufgebaut werden können, parallel oder seriell, hinlänglich bekannt und insbesondere anhand der Literatur betreffend die Gough-Plattformen und die Stewart-Plattformen ausführlich dargestellt, hier soll nur kurz darauf eingegangen werden:In principle, the advantages and disadvantages of the two basic systems by which kinematic devices can be built, parallel or serial, are well known and, in particular, illustrated in detail in the literature regarding the Gough platforms and the Stewart platforms will be discussed:

Einer der wesentlichen Nachteile parallelkinematischer Vorrichtungen ist die Existenz sogenannter Singularitäten. Darunter versteht man, dass es Positionen der beweglichen Plattform gibt, in der einzelne oder mehrere Aktuatoren sich in einer Totpunktlage befinden und auch durch noch so große angewandte Kräfte keine Lageveränderung der beweglichen Plattform mehr bewirken können. Um dies, und auch das Kollidieren der Aktuatoren zu vermeiden, ist es notwendig, die Beweglichkeit von Parallelkinematiken einzuschränken.One of the major disadvantages of parallel kinematic devices is the existence of so-called singularities. By this it is meant that there are positions of the movable platform in which one or more actuators are in a dead center position and can not cause a change in position of the movable platform even by large applied forces. In order to avoid this, and also the colliding of the actuators, it is necessary to limit the mobility of parallel kinematics.

Ein weiteres Problem stellt die Notwendigkeit dar, hochgenaue und de facto immer vorgespannte und damit extrem teure Lager verwenden zu müssen, um die angestrebte notwendige Lagegenauigkeit der beweglichen Plattform bezüglich der festen Plattform einzuhalten. Dies ist insbesondere dann ein Problem, wenn, wie bei der 2-2-2-Kinematik oder der 3-2-1-Kinematik mehrere Stäbe bzw. Aktuatoren in einem Punkt angreifen.Another problem is the need to use highly accurate and de facto always preloaded and thus extremely expensive bearings in order to comply with the desired necessary positional accuracy of the movable platform with respect to the fixed platform. This is a problem in particular when, as in the case of 2-2-2 kinematics or 3-2-1 kinematics, several rods or actuators engage in one point.

Ein Problem, das serielle Kinematiken deutlich stärker trifft als Parallelkinematiken, ist die große tote Masse, die zu bewegen ist. Hier sind die serielle Kinematiken eindeutig im Nachteil, da sie mit bis zu 5 Zwischenplattformen ausgerüstet sind, die wie in einer Kette hintereinander angeordnet sind, sodass die auf die feste Plattform folgende erste, natürlich bewegliche, Zwischenplattform alle anderen Zwischenplattformen und die bewegliche Endplattform tragt, die zweite bewegliche Zwischenplattform tragt um eine Zwischenplattform weniger etc., etc.. Zusätzlich kommt aber, und dies gilt für die Parallelkinematiken fast im gleichen Ausmaß, dass der Aufbau der einzelnen Zwischenkonstruktionen äußerst massiv ist und damit bei der Bewegung viel Energie konsumiert. Es sei hier nur auf die verschiedenen Führungen, Schlitten, Supports und ähnliches der seriellen Kinematiken hingewiesen und auf die Notwendigkeit, bei Parallelkinematiken die Aktuatoren aber auch die Stäbe fester Länge so auszubilden, dass sie zuverlässig in allen möglichen Positionen der Vorrichtung die auftretenden Höchstkräfte sowohl die Zug- als auch, und dies ist wegen Knickgefahr besonders wichtig, die Druckkräfte aufnehmen können.A problem that affects serial kinematics much more than parallel kinematics is the large dead mass that has to be moved. Here, the serial kinematics are clearly at a disadvantage, as they are equipped with up to 5 intermediate platforms arranged one behind the other like a chain, so that the first, naturally moving, intermediate platform following the fixed platform carries all the other intermediate platforms and the mobile end platform, the second movable intermediate platform carries around an intermediate platform less etc., etc. In addition, however, and this applies to the parallel kinematics almost to the same extent that the structure of the individual intermediate constructions is extremely massive and thus consumes a lot of energy during the movement. It should be pointed out here only on the various guides, slides, supports and the like of the serial kinematics and the need to parallel kinematics, the actuators but also the rods of fixed length so that they reliably in all possible positions of the device, the peak forces occurring both Pull as well, and this is particularly important because of the risk of buckling, which can absorb pressure forces.

Es kommt hier bei den Parallelkinematiken zu einer unangenehmen Verknüpfung des Problems der Singularitäten mit dem der auftretenden Druckkräfte, da, unabhängig von der tatsächlichen Nutzlast, in dem Positionierungsbereich, der rund um eine Singularität der kinematischen Vorrichtung liegt, die auftretenden Zug- aber insbesondere auch Druckkräfte gegen Unendlich gehen.Here, in the case of parallel kinematics, the problem of singularities with the pressure forces that occur is unpleasant, since, in the positioning region, which lies around a singularity of the kinematic device, the tensile forces, but in particular also compressive forces, occur independently of the actual payload go against infinity.

Um diese Probleme bei seriellen Kinematiken zu verringern, kam man bei der Konstruktion von Knickarmen von Fertigungsrobotern zu Lösungen, bei denen jeweils die bewegliche Plattform 3 AT 503 312 B1 auf einer Kreisscheibe sitzt, die um ihren Mittelpunkt auf der jeweiligen festen Plattform drehbar angeordnet ist. Um zu dynamisch ausgewogenen Systemen zu kommen, sind zumeist jeweils fluchtend zwei Kreisscheiben mit gemeinsamer Achse vorgesehen. Um den Platz für die Antriebe im Gelenkbereich zu sparen und um die Antriebe möglichst nicht an beweglichen Teilen als Totlast mitzuschleppen, werden Zugmittel, zumeist Seile, Bänder, od.dergl. um die Kreisscheiben geschlungen und über Fühlungen zum eigentlichen Antrieb geleitet. Die einzelnen Plattformen und die zwischen ihnen liegenden „Gelenke“ werden zufolge dieses Aufbaus natürlich mehrdimensional beansprucht und müssen entsprechend stark dimensioniert werden.To alleviate these problems with serial kinematics, solutions have been developed in the design of articulated arms of manufacturing robots, each of which has the movable platform 3 AT 503 312 B1 seated on a disk rotatably mounted about its center on the respective fixed platform. In order to arrive at dynamically balanced systems, two circular disks with a common axis are usually provided in each case aligned. In order to save the space for the drives in the joint area and mitzuschleppen the drives as possible not on moving parts as a dead load, traction means, usually ropes, belts, od.dergl. looped around the circular disks and passed over to the actual drive. The individual platforms and the "joints" lying between them are, of course, subjected to multi-dimensional dimensions and must be dimensioned accordingly.

Weiterer Stand der Technik ist im Folgenden beispielsweise angegeben: DE 196 11 130 A: Die einzelnen Kernelemente der beschriebenen Parallelkinematik (mit seriellem Anteil) bestehen aus Gelenkvierecken mit Basis, Schenkeln und Koppel, wobei einer der Schenkel als längenveränderlicher Aktuator ausgebildet ist. Die Koppeln dreier solcher Gebilde bilden eine bewegliche Plattform, die Koppeln sind entlang zueinander paralleler, ortsfester Achsen verfahrbar und um die Achsen drehbar. Singularitäten werden durch Beschränkung der Bewegungsmöglichkeiten vermieden, extreme Kräfte in den Aktuatoren können trotzdem auftre-ten. Dazu kommt, dass zumindest in einigen Stäben (Basis) zwangsweise Biegemomente auftreten. US 6,047,610 A: Es wird eine Rotationskinematik beschrieben, die parallele und serielle Elemente vereinigt, aber keine längsveränderlichen Aktuatoren aufweist, insbesondere wird die bewegliche Plattform über Kardangelenke und einen Stellmotor am Ende eines der angreifenden Stäbe gehalten bzw. geführt. Biegemomente sind zwingend vorhanden, Singularitäten können auftreten, wenn beispielsweise die an einem gemeinsamen Punkt der beweglichen Plattform angreifenden Stäbe in gestreckte Lage kommen. EP 263 627 A: Diese Druckschrift offenbart eine Kinematik ähnlich der vorstehend beschriebenen, wobei jedoch die Fußpunkte der Stäbe entlang gerader Führungen auf der festen Plattform beweglich sind. Die Stäbe werden zwingend auf Biegung und Torsion beansprucht, Singularitäten sind in ebener Lage der oberen Stäbe möglich, es kann dann die Vorrichtung „durchschla-gen . DE 197 01 830 A: Eine Kinematik ähnlich der der DE 196 11 130 A wird geoffenbart, die bewegliche Plattform ist allerdings anders mit den Koppeln der Gelenkvierecke verbunden. Es treten aber die gleichen Probleme auf wie bei der erstgenannten Druckschrift. US 5,539,291 A: Die hier beschriebene Kinematik führt eine bewegliche Plattform insbesondere innerhalb eines zylindrischen Arbeitsraumes. Dies geschieht mittels zweier Verbundstäbe mit Fußpunktverschiebung, die beiderends in Kardangelenken gelagert sind, und einem längenverstellbaren Aktuator mit über der Bezugsebene der festen Plattform liegendem Fußpunkt. Jeder der beiden Verbundstäbe trägt an jedem Ende eine Rolle, deren Drehachsen parallel zueinander und horizontal zur Bezugsebene der festen Plattform verlaufen und die in den Kardangelenken mittels vertikaler Achsen gelagert sind. Um die Rollen läuft ein mit ihnen verbundenes Zugmittel, das die Winkellage der Rollen um die horizontalen Achsen der Verbundstäbe (und damit die Winkellage der beweglichen Plattform gegenüber der festen Plattform) festlegt. Die Funktionsweise der Verbundstäbe ist somit ähnlich der eines Gelenkviereckes. Trotz dieses aufwändigen Aufbaus ist ohne weitere Bewegung der gesamten Vorrichtung nur ein kleiner Bereich des angestrebten zylindrischen Arbeitsraumes erreichbar.Further prior art is given below by way of example: DE 196 11 130 A: The individual core elements of the described parallel kinematics (with serial portion) consist of four-bar linkages with base, legs and coupling, one of the legs being designed as a variable-length actuator. The coupling of three such structures form a movable platform, the coupling are movable along mutually parallel, stationary axes and rotatable about the axes. Singularities are avoided by limiting the possibilities of movement, but extreme forces in the actuators can still occur. In addition, at least in some bars (base) forced bending moments occur. US Pat. No. 6,047,610 A describes a rotation kinematics which combines parallel and serial elements but does not have any variable-length actuators; in particular, the movable platform is held or guided via cardan joints and a servomotor at the end of one of the engaging rods. Bending moments are mandatory, singularities can occur when, for example, the bars engaging at a common point of the movable platform come in a stretched position. EP 263 627 A: This document discloses a kinematics similar to that described above, but the bases of the bars are movable along straight guides on the fixed platform. The rods are required to bending and torsion, singularities are possible in a flat position of the upper bars, it can then durchschla-the device. DE 197 01 830 A: A kinematics similar to DE 196 11 130 A is disclosed, but the movable platform is connected differently with the couplings of the four-bar linkages. But there are the same problems as in the first-mentioned document. US 5,539,291 A: The kinematics described here leads a movable platform, in particular within a cylindrical working space. This is done by means of two composite rods with Fußpunktverschiebung, which are mounted at both ends in universal joints, and a length-adjustable actuator with lying on the reference plane of the fixed platform foot point. Each of the two composite rods carries at each end a roller whose axes of rotation parallel to each other and horizontal to the reference plane of the fixed platform and which are mounted in the universal joints by means of vertical axes. Around the rollers runs a traction device connected to them, which defines the angular position of the rollers about the horizontal axes of the composite bars (and thus the angular position of the movable platform relative to the fixed platform). The functioning of the composite rods is thus similar to that of a four-bar linkage. Despite this complex structure only a small portion of the desired cylindrical working space can be reached without further movement of the entire device.

Da es auch bei seriellen Kinematiken durchaus Konstruktionen gibt, die Singularitäten aufweisen können, man denke nur an Kräne oder Drehvorrichtungen für Masten von landwirtschaftlichen Maschinen, die über einen fix mit dem Mast verbundenen Arm und einem daran angreifenden hydraulischen Antrieb verdreht werden können, bezieht sich die Erfindung sowohl auf die serielle als auch die parallele Kinematik und hat hier insbesondere das Ziel, Singularitäten 4 AT 503 312 B1 zu vermeiden und die notwendige Masse der Elemente der Kinematik zu verringern.As there are also designs with singularities in serial kinematics, just think of cranes or turning devices for masts of agricultural machines, which can be turned over an arm fixedly connected to the mast and a hydraulic drive attached to it Invention on both the serial and the parallel kinematics and has here in particular the aim to avoid singularities and to reduce the necessary mass of the elements of kinematics.

Erfindungsgemäß geschieht dies bei einem kinematischen Element der eingangs beschriebenen Art dadurch, dass der Aktuator nicht nur längenveränderlich sondern auch mit Fußpunktverschiebung an der festen Plattform in einer Ebene normal zur Drehachse ausgebildet ist. Auf diese Weise kann in einem extrem weiten Bereich die Ausbildung einer Singularität vermieden werden und es wird durch die Fußpunktverschiebung in einer Normalebene zur Drehachse der jeweils wirksame Hebelarm des Aktuators bestmöglich an die jeweilige Winkellage des Bauteils angepasst.According to the invention this is done in a kinematic element of the type described above in that the actuator is not only variable in length but also formed with Fußpunktverschiebung on the fixed platform in a plane normal to the axis of rotation. In this way, the formation of a singularity can be avoided in an extremely wide range and it is optimally adapted to the respective angular position of the component by the Fußpunktverschiebung in a normal plane to the axis of rotation of the respective effective lever arm of the actuator.

In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fußpunktverschiebung entlang einer allgemeinen Evolvente, das ist die Abschlagung einer Strecke konstanter Länge auf eine Kulisse, insbesondere einen Kreisbogen, dessen Mittelpunkt die Drehachse ist, erfolgt. Dies bedeutet, dass der Aktuator stets eine Lage einnimmt, in der seine Achse eine Tangente an die Kulisse bzw. den Kreis bildet. Wenn man, der Einfachheit halber als aktuellen Fußpunkt den jeweiligen Tangentialpunkt nimmt, so hat man die durch die Abwicklung geänderte Länge des Aktuators zusätzlich zur eigentlichen Längenänderung des Aktuators mit zu berücksichtigen.In a first embodiment of the invention, it is provided that the Fußpunktverschiebung along a general involute, that is the removal of a distance of constant length on a backdrop, in particular a circular arc, whose center is the axis of rotation takes place. This means that the actuator always occupies a position in which its axis forms a tangent to the backdrop or the circle. If, for the sake of simplicity, the actual tangency point is taken as the current root point, then the length of the actuator modified by the unwinding has to be taken into account in addition to the actual change in length of the actuator.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind zwei Aktuatoren vorgesehen, die in einer gemeinsamen Normalebene zur Drehachse liegen und deren Fußpunktverschiebung miteinander verknüpft ist, gegebenenfalls wie in der ersten Ausgestaltung definiert. Dies ermöglicht es, die beiden Aktuatoren so auszugestalten, das sie ausschließlich auf Zug beansprucht werden, wodurch sie besonders massearm ausgebildet werden können.In another embodiment of the invention, two actuators are provided which lie in a common normal plane to the axis of rotation and whose Fußpunktverschiebung is linked together, optionally as defined in the first embodiment. This makes it possible to design the two actuators in such a way that they are stressed exclusively by tension, as a result of which they can be made particularly low-mass.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt die Fig. 1 ein kinematisches Element in Seitenansicht, die Fig. 2 das Element der Fig. 1 in einer anderen Winkellage in Seitenansicht und Draufsicht, die Fig. 3 das Element der Fig. 1 in einer Lage die einer Singularität entspricht, die Fig. 4 ein erfindungsgemäßes Element ähnlich dem der Fig. 1 in perspektivischer Ansicht, die Fig. 5 das Element der Fig. 4 in anderer Winkellage, die Fig. 6 das Element der Fig. 4 in wieder anderer Winkellage, die Fig. 7-9 eine Ausgestaltung des kinematischen Elementes der Fig. 4-6 in drei unterschiedlichen Winkellagen, die Fig. 10-13 eine Anordnung zweier Elemente gemäß Fig. 7-9 mit zwei unterschiedlichen Drehachsen, die Fig. 14-17 eine Variante des kinematischen Elementes der Fig. 7-9 in unterschiedlichen Winkellagen, die Fig. 18-25 eine Anordnung zweier Elemente gemäß Fig. 7-9, die Fig. 26-36 eine weitere Ausgestaltung der Elemente gemäß Fig. 7-9, und die Fig. 37 und 38 die Verschiebung der Fußpunkte anhand zweier Beispiele.The invention will be explained in more detail below with reference to the drawings. 1 shows a side view and a plan view of the element of FIG. 1 in another angular position, FIG. 3 shows the element of FIG. 1 in a position corresponding to a singularity, FIG 4 shows an element according to the invention similar to that of FIG. 1 in a perspective view, FIG. 5 shows the element of FIG. 4 in another angular position, FIG. 6 shows the element of FIG. 4 in another angular position, FIG. 9 an embodiment of the kinematic element of FIGS. 4-6 in three different angular positions, FIGS. 10-13 an arrangement of two elements according to FIGS. 7-9 with two different axes of rotation, FIGS. 14-17 a variant of the kinematic element of FIGS 7-9 in different angular positions, FIGS. 18-25 an arrangement of two elements according to FIGS. 7-9, FIGS. 26-36 a further embodiment of the elements according to FIGS. 7-9, and FIGS 38 the displacement of the foot points using two examples.

Vorausgeschickt soll der Figurenbeschreibung werden, dass in den einzelnen Darstellungen die Ausbildung von Achsen, Gelenken, Aktuatoren, etc. nur schematisch erfolgt und auf die tatsächliche konstruktive Ausbildung nicht näher eingegangen wird. Der Grund dafür ist, dass es für den Konstrukteur sowohl auf dem Gebiet der seriellen als auch der parallelen Kinematik eine ganze Reihe von konstruktiven Lösungen für die Ausbildung derartiger Elemente und insbesondere gelenkigen Verbindungen gibt, sodass er in Kenntnis der Erfindung und des jeweiligen Anwendungsgebietes der von ihm zu schaffenden Konstruktion keinerlei Schwierigkeiten hat aus einer ganzen Reihe von Möglichkeiten zu wählen. Da die konstruktive Ausbildung auch für die Erfindung selbst ohne Bedeutung ist und ihr einzeichnen nur die Darstellungen überfrachten würde, wird auch aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit darauf verzichtet die konstruktive Ausbildung darzustellen. 5 AT 503 312 B1The description of the figures should first of all be that in the individual representations the formation of axes, joints, actuators, etc. takes place only schematically and does not deal in detail with the actual structural design. The reason for this is that there are a number of constructive solutions for the designer in the field of both serial and parallel kinematics for the design of such elements and in particular articulated joints, so that he is aware of the invention and the respective field of application of he has no difficulty in choosing from a whole range of possibilities. Since the constructive training for the invention itself is of no importance and draw her only overload the representations, it is also omitted for reasons of clarity, the constructive training. 5 AT 503 312 B1

Die Fig. 1-3 zeigen in Seitenansicht und Draufsicht ein einfaches kinematisches Element wie es in der Technik vielfach verwendet wird. Es besteht aus einer festen Plattform 2 und zwei daran gelenkig befestigten Stäben fester Länge 4 deren freie Enden sich in einer Spitze 3 verbinden. An der Spitze 3 greift auch ein längenveränderlicher Aktuator 5 an, der an seinem Fußpunkt 7 gelenkig an der festen Plattform 2 gelagert ist. Aus der Draufsicht der Fig. 2 und 3 geht hervor, dass der Aufbau der Vorrichtung symmetrisch erfolgt, eine Maßnahme, die in der Praxis wegen der einfacheren Berechnung, der Möglichkeit, die Anzahl unterschiedlicher Teile nahezu zu halbieren und der besseren Anschaulichkeit halber bevorzugt verwendet wird.Figs. 1-3 show in side view and plan view a simple kinematic element as it is widely used in the art. It consists of a fixed platform 2 and two articulated fixed rods of fixed length 4 whose free ends connect in a tip 3. At the top 3 also attacks a variable-length actuator 5, which is mounted at its base 7 articulated to the fixed platform 2. From the plan view of Fig. 2 and 3 it is apparent that the construction of the device takes place symmetrically, a measure that is practically used in practice because of the simpler calculation, the ability to almost halve the number of different parts and for the sake of better clarity ,

Wie oben erläutert sind die Gelenke bzw. Scharniere an den Fußpunkten 6 und 7, die eine Achse 14 definieren, um die sich die beiden Stäbe 4 wie eine starre Fläche verschwenken, nicht detailliert dargestellt, sondern nur durch Halbkreise angedeutet. In gleicher Weise ist die Spitze 3, die einer beweglichen Plattform entspricht, kein starres Gebilde, wie schon ein Vergleich der Seitenansichten der Fig. 1 und 2 zeigt.As explained above, the joints or hinges at the base points 6 and 7, which define an axis 14 about which the two rods 4 pivot like a rigid surface, are not shown in detail, but only indicated by semicircles. Similarly, the tip 3, which corresponds to a movable platform, not a rigid structure, as a comparison of the side views of Figs. 1 and 2 shows.

Aus dem Zusammenhalt der Fig. 1-3 erkennt man, dass bei konstanter Belastung an der Spitze 3 in Richtung des Pfeils F je nach Winkellage des kinematischen Elementes 1 gänzlich unterschiedlich Kräfte im Aktuator 5 ergeben, die notwendig sind, um die Kraft F zu halten. In Fig. 1 tritt im Aktuator 5 im Gleichgewicht eine Druckkraft auf, in der Stellung gemäß der Fig. 2 eine Zugkraft und in der Stellung der Fig. 3, die einer Singularität entspricht, kann die Last F durch noch so große Kräfte im Aktuator 5 nicht im Gleichgewicht gehalten werden. In der Praxis bedeutet dies, dass Maßnahmen vorzusehen sind, um das Erreichen der Position entsprechend der Fig. 3 zuverlässig zu verhindern.From the cohesion of Fig. 1-3 it can be seen that at constant load at the top 3 in the direction of the arrow F depending on the angular position of the kinematic element 1 completely different forces in the actuator 5, which are necessary to hold the force F , In Fig. 1 occurs in the actuator 5 in equilibrium, a compressive force, in the position shown in FIG. 2, a tensile force and in the position of FIG. 3, which corresponds to a singularity, the load F by even large forces in the actuator. 5 not be kept in balance. In practice, this means that measures must be taken to reliably prevent reaching the position corresponding to FIG. 3.

Es wurde bewusst ein einfaches Beispiel für das kinematische Element 1 gewählt, der Grund dafür ist neben der guten Anschaulichkeit die Tatsache, dass durch Kombination mehrerer solcher Elemente bzw. deren Ausgestaltung mit mehreren Aktuatoren anstelle der Stäbe fester Länge 4 die unterschiedlichsten und komplexesten kinematischen Gebilde geschaffen werden können, für die die gemachten Ausführungen mutatis mutandis zu treffen.A simple example of the kinematic element 1 has deliberately been selected, the reason for this, in addition to the good vividness, is the fact that the most varied and complex kinematic structures are created by combining several such elements or their design with a plurality of actuators instead of the rods of fixed length 4 can be made mutatis mutandis for the statements made.

Die Fig. 4-6 zeigen ein erfindungsgemäßes kinematisches Element das in seiner Außenwirkung im Wesentlichen dem kinematischen Element der Fig. 1-3 entspricht, aber dessen Nachteile nicht aufweist. In der Darstellung wurden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen, neu hinzugekommene Teile mit neuen Bezugszeichen und abgewandelte Teile mit einem beim gleichen Bezugszeichen.FIGS. 4-6 show a kinematic element according to the invention, which essentially corresponds in its external appearance to the kinematic element of FIGS. 1-3, but does not have its disadvantages. In the illustration, like parts have been given the same reference numerals, newly added parts with new reference numerals, and modified parts with the same reference numerals.

Das erfindungsgemäße kinematische Element 10 besteht wiederum aus einer festen Plattform 2 und zwei daran an gelenkigen Fußpunkten 6 befestigten Stäben fester Länge 4, die in einer Spitze 3 zusammengeführt sind. Auch bei diesem Element greift an der Spitze 3 ein Aktuator 5 mit veränderlicher Länge an, doch ist im Gegensatz zum Beispiel gemäß dem Stand der Technik der Fußpunkt 7' des Aktuators 5 nicht ortsfest an der festen Plattform 2 vorgesehen, sondern mit einem Schubelement 9 verbunden. Dieses Schubelement 9 liegt, in Abhängigkeit von der Winkellage des kinematischen Elementes 10, über einen unterschiedlich langen Bereich seiner Länge an einer Kulisse 8 an und verläuft über den restlichen Teil seiner Länge geradlinig und fluchtend mit dem Aktuator 5. Gemeinsam bilden diese Elemente einen erfindungsgemäßen Aktuator 5'. Es muss darauf hingewiesen werden, dass die Längenänderung des Aktuators 5 ausreicht, um auch die Änderung der Lage des Fußpunktes zu bewerkstelligen.The kinematic element 10 according to the invention in turn consists of a fixed platform 2 and two fixed-length rods 4 fixed thereto at articulated base points 6, which are brought together in a point 3. Also in this element engages the tip 3 an actuator 5 with variable length, but in contrast to the example according to the prior art, the base 7 'of the actuator 5 is not fixedly provided on the fixed platform 2, but connected to a thrust element 9 , This thrust element 9 is, depending on the angular position of the kinematic element 10, over a different length range of its length to a gate 8 and extends over the remaining part of its length straight and in alignment with the actuator 5. Together, these elements form an actuator according to the invention 5 '. It should be noted that the change in length of the actuator 5 is sufficient to accomplish the change of the position of the foot point.

Schubelemente, wie sie für das Bauteil 9 verwendet werden können, sind in der Mechanik bekannt, es wird dazu nur auf die DE 195 22 092 A, die DE 43 08 181 A, die US 6,419,603 B, die US 4,402,160 A, die EP 799 788 A, das DE 296 04 692 U, die US 4,505,496 A, die DE 101 03 490 A, die GB 1 395 199 A, die DE 100 06 165 C und die in diesen Druckschriften genannte Literatur verwiesen, was eine eingehendere Behandlung an dieser Stelle überflüssig macht. Diese Schubelemente zeichnen sich dadurch aus, dass sie sowohl Zug als auch Druck übertragen können und dass sie innerhalb einer Ebene von einer gestreckten Lage aus nur in 6 AT 503 312 B1 eine Richtung gekrümmt werden können, in die andere Richtung aber nicht, sodass die gerade Form eine Grenzlage ihrer Konfiguration darstellt.Thrust elements, as they can be used for the component 9, are known in mechanics, it is only to DE 195 22 092 A, DE 43 08 181 A, US 6,419,603 B, US 4,402,160 A, EP 799 788 A, DE 296 04 692 U, US Pat. No. 4,505,496 A, DE 101 03 490 A, GB 1 395 199 A, DE 100 06 165 C and the literature cited in these publications, which is a more detailed discussion of this Makes the job superfluous. These pushers are characterized by the fact that they can transmit both tension and pressure and that they can be curved in one plane from a stretched position only in one direction, but not in the other direction, so that the straight Form represents a limit position of their configuration.

Dies macht man sich gemeinsam mit der Kulisse 8 zunutze, die ein „Umschlagen“ gemeinsam 5 mit dem speziell ausgebildeten Fußpunkt 7' verhindert. Der Fußpunkt 7' ist so ausgebildet, dass er die Achse des letzten Schubelementes mit der Achse des eigentlichen Aktuators 5 fluchtend oder zumindest parallel hält, es ist somit ein „steifer“ Fußpunkt und kein gelenkiger wie der Fußpunkt 7 beim Aktuator 5 im Vergleichsbeispiel gemäß den Fig. 1-3. io Wie man aus den Figuren entnehmen kann, bewegt sich der Punkt, von dem aus der Aktuator 5 mit dem fluchtend zu ihm verlaufenden Abschnitt des Schubelements 9 geradlinig verläuft, auf einem Kreisbogen. Der Fußpunkt 7' selbst, der ja der Fußpunktverschiebung unterliegt, bewegt sich aber auf einer Evolvente, das ist jene Bahn, die der Punkt 7' beim (gleitfreien) Umschlingen und tangentialen Abgehen des Schubelements 9 von der Kulisse 8 bei konstanter Gesamtlänge 15 bis zum Punkt 7' beschreibt. Wenn die Kulisse 8 keine Kreisform aufweist, so erhält die Evolvente eine entsprechend andere, meist komplexere, Form.This makes you together with the backdrop 8 advantage that prevents a "turnover" 5 together with the specially trained foot 7 '. The base 7 'is designed so that it keeps the axis of the last thrust element with the axis of the actual actuator 5 aligned or at least parallel, it is thus a "stiff" foot and no more articulated as the foot 7 in the actuator 5 in the comparative example according to the Fig. 1-3. As can be seen from the figures, the point from which the actuator 5 extends in a straight line with the portion of the pusher element 9 which extends in alignment with it moves on a circular arc. The foot 7 'itself, which is subject to the Fußpunktverschiebung, but moves on an involute, that is the path that the point 7' when (slipping) entangling and tangential departure of the thrust element 9 of the slide 8 at a constant total length 15 to Point 7 'describes. If the backdrop 8 has no circular shape, the involute gets a correspondingly different, usually more complex, shape.

Wie eine Zusammenschau der Fig. 4-6 zeigt, kann durch Betätigung des Aktuators 5 die durch die beiden Stäbe konstanter Länge 4 aufgespannte Ebene ebenso um die durch die beiden 20 Fußpunkte 6 definierte Achse 14 verschwenkt werden wie im Stand der Technik, doch weist auch bei horizontalem Verlauf der Stäbe konstanter Länge 4 diese Vorrichtung keine Singularität auf. Dies geht aus den Fig. 5 und 6 hervor, aus denen ersichtlich ist, dass in dieser extremen Winkellage der Fußpunkt 7' sich entweder merklich oberhalb oder merklich unterhalb der durch die beiden Stäbe fester Länge 4 definierten Ebene befindet und daher stets einen von der Län-25 ge Null unterschiedlichen Hebelarm aufweist, wodurch die Singularität vermieden wird.As a synopsis of FIGS. 4-6 shows, by actuation of the actuator 5, the plane spanned by the two bars of constant length 4 can also be pivoted about the axis 14 defined by the two 20 base points 6 as in the prior art, but also points in the horizontal course of the bars of constant length 4, this device has no singularity. This is apparent from Figs. 5 and 6, from which it is apparent that in this extreme angular position of the foot 7 'is either significantly above or significantly below the plane defined by the two bars fixed length 4 and therefore always one of the Län -25 ge has zero different lever arm, whereby the singularity is avoided.

Wenn, wie im dargestellten Ausführungsbeispiel, die Kulisse 8 kreisförmig ist und ihren Mittelpunkt auf der Drehachse hat, so ändert sich die Geometrie and der Spitze 3 nicht, unabhängig von der Winkellage des Gebildes. Dies bedeutet, dass statt des komplexen und teuren Lagers 30 für drei (oder zumindest zwei) Stäbe an der Spitze 3 eine steife Konstruktion gewählt werden kann, durch die die angrenzenden Bauteile leichter und schlanker ausgeführt werden können als bisher.If, as in the illustrated embodiment, the gate 8 is circular and has its center on the axis of rotation, so the geometry of the tip 3 does not change, regardless of the angular position of the structure. This means that instead of the complex and expensive bearing 30 for three (or at least two) rods at the tip 3, a rigid construction can be chosen, by which the adjacent components can be made lighter and slimmer than before.

Wenn die Kulisse 8 nicht den genannten Bedingungen genügt, benötigt man zwar ein bewegli-35 ches Lager an der Spitze 3, doch erhält dafür den Vorteil, die Kontur der Kulisse 8 so ausbilden zu können, dass der effektive (momentane) Hebelarm des Aktuators 6’ bezüglich der Drehachse 14 in weiten Grenzen und relativ frei geändert und an die zu erwartende Belastung angepasst werden kann. 40 Festgestellt soll noch werden, dass in diesem Ausführungsbeispiel auf die Symmetrie der Vorrichtung verzichtet wurde, und dass der eine der beiden Stäbe konstanter Länge seinen Fußpunkt in der Ebene aufweist, die durch die Kulisse 8 definiert ist. Auf diese Weise erhält man mit dem Stab 4 und dem Aktuator 5' ein sogenanntes Krafteck, wenn auch der Aktuator 5' nicht, wie sonst bei Kraftecken üblich, über einen ortsfesten Fußpunkt verfügt. 45If the gate 8 does not satisfy the conditions mentioned, although a movable bearing at the tip 3 is required, it nevertheless has the advantage of being able to form the contour of the gate 8 in such a way that the effective (momentary) lever arm of the actuator 6 'With respect to the axis of rotation 14 in wide limits and relatively freely changed and can be adapted to the expected load. 40 It should be noted that in this embodiment, the symmetry of the device has been omitted, and that the one of the two bars of constant length has its base in the plane defined by the gate 8. In this way, with the rod 4 and the actuator 5 ', a so-called force corner is obtained, although the actuator 5' does not have a stationary base, as is usual in power corners. 45

Die Fig. 7-9 zeigen eine weitere Ausgestaltung des kinematischen Elementes der Fig. 4-6, wobei auf das Schubelement 9 insofern verzichtet werden kann, als es durch eine nur auf Zug beanspruchte Verbindung reduziert ist. so Durch diese Reduktion der Schubvorrichtung 9 zu einem Zugelement 9’ erreicht man eine ganz wesentliche Reduktion der Kosten und der Masse und benötigt als Ausgleich nur einen zweiten Aktuator 5 symmetrisch zum ersten. Die beiden Aktuatoren 5, das Zugelement 9' und der Stab fester Länge 4 bilden ein Zeigerpaar, bei dem der Stab 4 stets auf Druck und die Aktuatoren 5 und das Zugelement 9' stets auf Zug beansprucht sind, was deren Ausgestaltung und Dimensi-55 onierung äußerst erleichtert und es ermöglicht, ihre Masse bestmöglich zu reduzieren. Noch- 7 AT 503 312 B1 mals soll darauf hingewiesen werden, dass die Ausbildung der Spitze 3 rein schematisch dargestellt ist, dass für ihre Ausbildung das zum letzen Beispiel gesagte auch hier zutrifft, und dass auf die Darstellung konstruktiver Elemente aus den oben genannten Gründen verzichtet worden ist.7-9 show a further embodiment of the kinematic element of FIGS. 4-6, wherein the pusher 9 can be dispensed with insofar as it is reduced by a compound claimed only to train. Thus, this reduction of the pusher 9 to a tension element 9 'achieves a very substantial reduction of the costs and the mass and requires as compensation only a second actuator 5 symmetrical to the first. The two actuators 5, the tension element 9 'and the rod fixed length 4 form a pair of pointers, in which the rod 4 always on pressure and the actuators 5 and the tension element 9' are always claimed to train, which their design and dimensioning 55 tion greatly facilitated and makes it possible to reduce their mass as best as possible. Still, it should be pointed out that the formation of the tip 3 is shown purely schematically, that for its training the last example is also true here, and that the representation of constructive elements is omitted for the reasons mentioned above has been.

Bei dieser Ausbildung wird deutlich, dass die Erfindung eine weitere wichtige Vereinfachung der Lagerung der Stäbe und Aktuatoren ermöglicht: Das Fußlager und das Kopflager des Stabes 4 sind stets auf Druck beansprucht, eine Vorspannung kann damit entfallen, das Zugelement 9' liegt an der Kulisse an, diese ist als starr anzusehen, die Übergänge in die Aktuatoren 5 sind stets auf Zug beansprucht und fluchtend, daher stellen all diese Lager keinerlei Probleme dar, es bleibt nur der Fußpunkt 6 des Stabes 4' als aufwändig vorgespanntes Lager über.In this embodiment it is clear that the invention enables a further important simplification of the mounting of the rods and actuators: The foot bearing and the head bearing of the rod 4 are always subjected to pressure, a bias can thus be eliminated, the tension element 9 'is applied to the backdrop , this is to be regarded as rigid, the transitions in the actuators 5 are always claimed to train and aligned, so all these camps pose no problems, it remains only the base 6 of the rod 4 'as a complex preloaded bearing over.

Die Fig. 8 und 9 zeigen das kinematische Element 20 der Fig. 7 in zwei unterschiedlichen Winkellagen, deutlich ist die Verschiebung der Fußpunkte 7' zu erkennen. Wesentlich ist, dass das Zugelement 9’ nicht entlang der Kulisse 8 gleiten kann, dies kann durch formschlüssige oder kraftschlüssige Fixierung sichergestellt werden. Die Ansteuerung der Aktuatoren 5 muss aufeinander abgestimmt werden, doch liegt hier eine feste Abhängigkeit vor, sodass diese Abstimmung ein für alle mal festgelegt werden kann.FIGS. 8 and 9 show the kinematic element 20 of FIG. 7 in two different angular positions, clearly showing the displacement of the foot points 7 '. It is essential that the tension element 9 'can not slide along the link 8, this can be ensured by positive or non-positive fixation. The activation of the actuators 5 must be coordinated with each other, but here is a fixed dependence, so that this vote can be set once and for all.

Die Fig. 10-13 zeigen, auf welch einfache Weise ein kinematisches Element 10 bzw. 20 so ausgestaltet werden kann, dass es nicht um eine Achse sondern um einen ortsfesten Punkt im Raum verschwenkt werden kann.FIGS. 10-13 show the simple way in which a kinematic element 10 or 20 can be configured in such a way that it can not be pivoted about an axis but about a stationary point in space.

In dieser Darstellung wurden die Elemente der Ausführungsform gemäß Fig. 7-9 jeweils mit einem vorgestellten „1“ für die Elemente, die für die Bewegung in der einen Richtung verantwortlich sind, bzw. für die Elemente die für die Bewegung in der anderen Richtung verantwortlich sind, mit einer vorgestellten „2“ versehen, um einerseits ihre Analogie, anderseits ihre Unterschiedlichkeit deutlich zu machen; auf die Verwendung von Apostrophen wurde verzichtet, übereinstimmende Teile werden nach wie vor nur mit ihrer einstelligen Bezugszahl angegeben.In this illustration, the elements of the embodiment of FIGS. 7-9 were each responsible for an imaginary "1" for the elements responsible for one-directional motion or for the other-directional elements are provided with an imagined "2", on the one hand to make clear their analogy, and on the other hand their differences; the use of apostrophes has been dispensed with, matching parts are still given only with their single-digit reference number.

Die kinematische Vorrichtung 30, die zwischen einer festen Plattform 2 und einer Spitze 3, die eine Art bewegliche Plattform darstellt, vorgesehen ist, besteht im Wesentlichen aus zwei kinematischen Elementen 20 der Fig. 7-9, die, um 90° zueinander verdreht und auch untereinander verdrehbar, passend an der festen Plattform befestigt sind. Diese Befestigungen bzw. Lagerungen stellen die Schwenkbarkeit des Elementes 11 um eine Achse 12 einerseits und des Elementes 21 um eine Achse 22 andererseits sicher. Die Achsen 12, 22 sind ortsfest in der festen Plattform 2 vorgesehen, ja sie definieren diese geradezu. Die beiden Achsen schneiden einander im rechten Winkel.The kinematic device 30, which is provided between a fixed platform 2 and a top 3, which is a kind of movable platform, consists essentially of two kinematic elements 20 of Figs. 7-9 which are rotated by 90 ° to each other and also rotatable with each other, are fastened to the fixed platform. These fasteners or bearings provide the pivoting of the element 11 about an axis 12 on the one hand and the element 21 about an axis 22 on the other hand sure. The axes 12, 22 are provided fixed in the fixed platform 2, yes, they define this downright. The two axes intersect each other at right angles.

Das um die Achse 12 schwenkbare kinematische Element 11 besteht aus einer Kulisse 18, um die ein Zugelement 19 gespannt verläuft, das in Aktuatoren 15 übergeht, deren anderes Ende in einer gemeinsamen Spitze 3 mündet.The pivotable about the axis 12 kinematic element 11 consists of a link 18 around which a tension member 19 extends taut, which merges into actuators 15, the other end opens into a common tip 3.

Analog ist das kinematische Element 21, das um die Achse 22 drehbar ist, aus einer Kulisse 28, darüber gespanntem Zugelement 29 und Aktuatoren 25 aufgebaut, deren dem Zugelement abgewandten Enden ebenfalls in der Spitze 3 münden.Analogously, the kinematic element 21, which is rotatable about the axis 22, constructed of a link 28, tensioned over tension element 29 and actuators 25 whose ends facing away from the tension element also open in the top 3.

Schließlich verläuft noch ein Druckstab 4 von der Spitze 3 in Richtung zum Schnittpunkt der beiden Achsen 12, 22 verfügt im Abstand davon über einen Kulissenstein 13, der sowohl an der Kulisse 18 als auch an der Kulisse 28 gleitet und dessen Lage so definiert ist. Der Druckstab 4 setzt sich durch die zweiteiligen Kulissen 18, 28 hindurch fort und endet in einem zweiten Kulissenstein, der, bezüglich des Schnittpunktes der Achsen 12, 22 symmetrisch zum ersten Kulissenstein 13 liegt. Für die Spitze 3 gilt wiederum das bereits gesagte: Wenn die Kulissen 18, 28 kreisförmig sind 8 AT 503 312 B1 und mit ihrem Mittelpunkt auf der jeweiligen Drehachse liegen, dann ist die Spitze 3 ein starres Gebilde und alle Stäbe/Aktuatoren verbleiben dauerhaft und unverändert in ihrer Relativlage zueinander.Finally, there is still a push rod 4 from the top 3 in the direction of the intersection of the two axes 12, 22 has at a distance therefrom a sliding block 13 which slides both on the link 18 and on the link 28 and whose position is defined. The push rod 4 is continued through the two-part links 18, 28 and ends in a second sliding block, which, with respect to the intersection of the axes 12, 22 is symmetrical to the first slide block 13. For the tip 3 again the following applies: If the scenes 18, 28 are circular and lie with their center on the respective axis of rotation, then the tip 3 is a rigid structure and all rods / actuators remain permanent and unchanged in their relative position to each other.

Aus der Zusammenschau der Fig. 10-12 ist die hohe Beweglichkeit dieser kinematischen Vorrichtung gut ersichtlich. Auch das Fehlen jeglicher Singularität und „Fastsingularität“, das sind Bereich in denen die Lasten nur durch extrem hohe Kräfte in den Aktuatoren bzw. Stäben gehalten werden können, und die üblicherweise nahe von Singularitäten auftreten, ist gut erkennbar.From the synopsis of Fig. 10-12, the high mobility of this kinematic device is clearly visible. Also, the absence of any singularity and "fast singularity", that is, where the loads can only be held by extremely high forces in the actuators or rods, and which usually occur near singularities, is well recognizable.

Die Fig. 13 zeigt das Kernstück der Vorrichtung rund um den Schnittpunkt der Achsen 12, 22 in vergrößertem Maßstab und ohne die Zugelemente 19, 29 zur Verdeutlichung des Aufbaus dieser Kernvorrichtung:FIG. 13 shows the centerpiece of the device around the point of intersection of the axes 12, 22 on an enlarged scale and without the tension elements 19, 29 for clarifying the structure of this core device:

Die Fig. 13 zeigt die Ausbildung der Achsen 12, 22 in schematischer Ansicht und ebenso die Ausbildung der Kulissen 18, 28, die um die Achsen 12, 22 verschwenkbar angeordnet sind. Durch die Ausbildung der Kulissen als zweifache Bahnen jeweils symmetrisch zu den Drehachsen, erreicht man mit entsprechender Ausbildung der Zugelemente als Doppelbänder oder dergleichen eine zentrische Belastung und in einem die Möglichkeit für eine passende Lagerung des Fußpunktes des Druckstabes 4. In Fig. 13 ist der Kulissenstein 13 deutlich zu sehen, er liegt sowohl zwischen den zusammengehörenden Bahnen der Kulissen 18 und 28 als auch zwischen der einen kleineren Radius aufweisenden Kulisse 18 auf der er außen aufliegt und der einen größeren Radius aufweisenden Kulisse 28, die er von innen kontaktiert. Zwischen den beiden Bahnen der Kulisse 28 wird schließlich der Druckstab 4 in Richtung zur Spitze 3 (Fig. 10) geführt. Durch die Ausbildung der Kulissen 18, 28 als kreisförmige Doppelbahnen um den Schnittpunkt der beiden Achsen 12, 22 erreicht man bei dieser Konstruktion, dass der Druckstab 4 stets die Richtung zwischen der Spitze 3 und dem Schnittpunkt der beiden Achsen einnimmt und daher stets ausschließlich auf Druck beansprucht ist. Dazu gehört eine entsprechende Ausbildung der Einbindung in die Spitze 3, doch ist dies für den Fachmann auf dem Gebiete der Kinematik unmittelbar einsichtig.Fig. 13 shows the formation of the axes 12, 22 in a schematic view and also the formation of the scenes 18, 28, which are arranged pivotably about the axes 12, 22. Due to the formation of the scenes as two-fold paths each symmetrical to the axes of rotation, one reaches with appropriate training of the tension elements as double bands or the like a centric load and in a way for a suitable storage of the base of the push rod 4. In Fig. 13 is the sliding block 13 clearly seen, he lies both between the interconnected tracks of the scenes 18 and 28 and between the smaller radius having backdrop 18 on which he rests outside and a larger radius having gate 28, which he contacted from the inside. Finally, between the two tracks of the guide 28, the pressure rod 4 is guided in the direction of the tip 3 (FIG. 10). By forming the scenes 18, 28 as a circular double tracks around the intersection of the two axes 12, 22 is achieved in this construction that the push rod 4 always occupies the direction between the tip 3 and the intersection of the two axes and therefore always exclusively on pressure is claimed. This includes a corresponding training in the integration into the top 3, but this is immediately apparent to those skilled in the field of kinematics.

Zur Verbesserung der Belastbarkeit und zum Vermeiden jeder Gefahr eines Klemmens ist es, wie bereits erwähnt, möglich, auf vorteilhafte Weise die Druckstange 4 zwischen den beiden Bahnen der Kulisse 18 und der Kulisse 28 fortzusetzen bis zum unteren Kreuzungspunkt dieser beiden Kulissen und auch dort mit einem Kulissenstein passend zu lagern.To improve the load capacity and to avoid any danger of jamming, it is possible, as already mentioned, advantageously to continue the push rod 4 between the two tracks of the link 18 and the gate 28 to the lower crossing point of these two scenes and there with a To store sliding block fitting.

Wenn ein weiterer Freiheitsgrad bedient werden soll, ist es nur notwendig statt des Druckstabes 4 mit konstanter Länge einen Aktuator vorzusehen, wodurch dieses Ziel erreicht wird.If a further degree of freedom is to be served, it is only necessary to provide an actuator instead of the pressure rod 4 with a constant length, whereby this goal is achieved.

Eine weitere Ausgestaltung erhält man einerseits dadurch, dass die Kulissen eine von der Kreisform abweichende Form erhalten, dies macht bei der zweiachsigen Ausführung gemäß den Fig. 10-13 das Vorsehen einer eigenen Lagerung für den Fußpunkt des Druckstabes 4 notwendig und macht die Spitze 3 zu einer Spitze mit veränderlicher Geometrie, hat aber den Vorteil, dass in Kenntnis der zu erwartenden Belastung eine weitere Verbesserung der momentanen Hebelarme erreicht wird.A further embodiment is obtained on the one hand, that the scenes receive a deviating from the circular shape, this makes in the biaxial embodiment according to FIGS. 10-13 the provision of a separate storage for the base of the push rod 4 necessary and makes the top 3 a tip with variable geometry, but has the advantage that in knowledge of the expected load, a further improvement of the momentary lever arms is achieved.

Wieder eine andere Ausgestaltung erreicht man dadurch, dass ein Aktuator nur auf einer Seite des Zugmittels vorgesehen wird und dass auf der anderen Seite eine Zugfeder statt des Aktuators angeordnet wird. Diese muss stark genug sein um das Zugelement stets gespannt zu halten und kann in Verbindung mit Kulissen, die von der Kreisform abweichen dazu benutzt werden, um mit den unterschiedlichen, aber bekannten Kennlinien der Feder als erster, des Aktuators (hydraulisch, pneumatisch, Spindeltrieb oder als elektrischer Linearantrieb ausgebildet) als zweiter und der durch die Kulisse in Abhängigkeit von der Winkellage der Vorrichtung vorgegebenen Hebelarme als dritter zur Verfügung stehenden Größe in weiten Bereichen und jeweils in speziell auf die Belastung abgestimmte Weise die Vorrichtung an die statischen und 9 AT 503 312 B1 dynamischen Gegebenheiten anzupassen.Yet another embodiment is achieved in that an actuator is provided only on one side of the traction means and that on the other side a tension spring instead of the actuator is arranged. This must be strong enough to keep the tension element always tense and can be used in conjunction with scenes that deviate from the circular shape to the first with the different but known characteristics of the spring, the actuator (hydraulic, pneumatic, spindle drive or designed as an electric linear drive) as the second and the predetermined by the backdrop depending on the angular position of the device lever arms available as the third size in wide ranges and in each case specially tuned to the load way the device to the static and 9 AT 503 312 B1 adapt to dynamic conditions.

Die Fig. 14 zeigt eine derartige kinematische Vorrichtung, bestehend aus einer festen Plattform 2 und einer die bewegliche Plattform bildenden Spitze 3. Diese kinematische Vorrichtung 40 ist ähnlich aufgebaut wie die kinematische Vorrichtung 20 der Fig. 7-9, doch ist statt zweier Aktuatoren ein Aktuator 35 über ein Zugelement 39, das über eine mit der festen Plattform 2 fix verbundenen Kulisse 38 läuft, mit einer Zugfeder 36, eingezeichnet als Schraubenfeder, doch kann auch jede andere Zugfeder verwendet werden, verbunden. Beide Elemente, sowohl der Aktuator 35 als auch die Zugfeder 36, sind mit der Spitze 3, in die wegen der Form der Kulisse 38 die Stäbe bzw. Aktuatoren mit veränderlicher, von der jeweiligen Position abhängigen Geometrie zusammenlaufen, verbunden.Fig. 14 shows such a kinematic device consisting of a fixed platform 2 and a movable platform forming tip 3. This kinematic device 40 is similar to the kinematic device 20 of Fig. 7-9, but is instead of two actuators a Actuator 35 via a tension element 39, which runs over a permanently connected to the fixed platform 2 link 38, with a tension spring 36, located as a helical spring, but can also be used any other tension spring connected. Both elements, both the actuator 35 and the tension spring 36 are connected to the tip 3, in which due to the shape of the link 38, the rods or actuators converge with variable, dependent on the respective position geometry.

Wie bei den vorher besprochenen kinematischen Vorrichtungen ist eine Druckstange 4 zwischen der Spitze 3 und der festen Plattform 2 in der Ebene angeordnet, die durch den Aktuator 35 und die Zugfeder 36 definiert wird. Zur Fixierung dieser Vorrichtung im Raum ist weiters ein Stab fester Länge 4' vorgesehen. Dessen Fußpunkt 6 und der Fußpunkt des Druckstabes 4, der von der Kulisse 38 verdeckt ist, definieren eine Achse 31, um die die Spitze 3 verschwenkt wird.As in the previously discussed kinematic devices, a push rod 4 is disposed between the tip 3 and the fixed platform 2 in the plane defined by the actuator 35 and the tension spring 36. To fix this device in space, a rod of fixed length 4 'is further provided. Its foot 6 and the base of the push rod 4, which is covered by the gate 38, define an axis 31 about which the tip 3 is pivoted.

Die Verschwenkungsmöglichkeit und das Anliegen des Zugmittels 39 an der Kulisse 38 sind aus dem Zusammenhalt der Fig. 14-16 gut ersichtlich, nochmals sei darauf hingewiesen, dass das Zugmittel 39 in Umfangsrichtung nicht entlang der Kulisse 38 gleitet sondern sich auf ihm ablegt oder von ihm abhebt, wobei die Entfernung dieses Auflaufpunktes von der Achse 31 den momentanen Hebelarm definiert.The Verschwenkungsmöglichkeit and concerns of the traction means 39 on the gate 38 are well visible from the cohesion of Figs. 14-16, again it should be noted that the traction means 39 does not slide in the circumferential direction along the gate 38 but deposits on it or from him lifts, the removal of this casserole point from the axis 31 defines the current lever arm.

Ein Beispiel für die Möglichkeiten, durch entsprechende Wahl der Form und Lage der Kulisse 38 zu bestimmten Wirkungen zu kommen, zeigt die Fig. 17, in der rein schematisch die Kulisse 38 in Draufsicht dargestellt ist, deutlich ist die exzentrische Lage des Durchstoßpunktes der Achse 31 zu erkennen. Die Kulisse 38 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel kardioidenför-mig, was in Verbindung mit der Federkennlinie zu den gewünschten Kraftverhältnissen in der kinematischen Vorrichtung 40 führt.An example of the possibilities to come to certain effects by appropriate choice of the shape and position of the gate 38, Fig. 17, in the purely schematic, the gate 38 is shown in plan view, it is clear the eccentric position of the puncture point of the axis 31st to recognize. In the embodiment shown, the link 38 is cardioid-shaped, which, in conjunction with the spring characteristic, leads to the desired force relationships in the kinematic device 40.

Es ist bei dieser Ausgestaltung gemäß Fig. 14-17 möglich, durch eine zweite Feder, die parallel zum Aktuator vorgesehen ist, zu einem zumindest weitgehenden Ausgleich der Federkräfte zu kommen und so die notwendige Antriebskraft deutlich zu reduzieren, da beim Dehnen der einen Feder die andere entspannt wird und der Aktuator nur die Differenz der Kräfte beitragen muss.It is possible in this embodiment according to FIG. 14-17, by a second spring, which is provided parallel to the actuator to come to an at least substantial compensation of the spring forces and thus significantly reduce the necessary driving force, as when stretching a spring the other is relaxed and the actuator only has to contribute the difference of forces.

Die Fig. 18-25 zeigen in unterschiedlichen Ansichten eine kinematische Vorrichtung, die auf einer Kombination von zwei kinematischen Vorrichtungen 40 besteht, von denen eine um eine Achse 23 (Fig. 20) bezüglich der festen Plattform 2 verdrehbar ist und wobei einer der beiden Stäbe 4' als Aktuator ausgebildet ist, sodass ein weiterer Freiheitsgrad bedienbar ist und insgesamt ein Tripod entsteht.Figs. 18-25 show in different views a kinematic device consisting of a combination of two kinematic devices 40, one of which is rotatable about an axis 23 (Fig. 20) with respect to the fixed platform 2, and one of the two rods 4 'is designed as an actuator so that a further degree of freedom can be operated and a total tripod arises.

In den Figuren wurde die eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit vorgestellten „4“, die andere mit vorgestellten „5“ bezeichnet, die bei diesem Beispiel ausgebildete bewegliche Plattform erhielt das Bezugszeichen 3', der passive Einzelstab behielt seine Bezugsnummer 4', der zu einem Aktuator umgewandelte Einzelstab erhielt das Bezugszeichen 5.In the figures, the one device according to the invention with "4" introduced, the other with "5" introduced, the movable platform formed in this example was given the reference numeral 3 ', the passive single rod retained its reference number 4', which was converted into an actuator Single rod received the reference number 5.

Aus dem Zusammenhalt der Figuren ist die hohe Beweglichkeit bei Platz sparender Anordnung und doch hervorragender Zugänglichkeit der einzelnen Bauteile zu erkennen. Je nach Belastung und hauptsächlichem Positions- bzw. Bewegungsbereich kann durch Änderung der Form der Kulissen 48, 58 eine weitgehende Adaptierung an die Vorgaben erreicht werden.From the cohesion of the figures, the high mobility in space-saving arrangement and yet excellent accessibility of the individual components can be seen. Depending on the load and the main position or range of motion, a substantial adaptation to the specifications can be achieved by changing the shape of the links 48, 58.

Auch bei diesem Beispiel sind die Lager für die Druckstäbe 44 und die zugehörigen Aktuatoren einfach und kostengünstig, da stets definierte Lastfälle auftreten. Nur die Lager für den Stab 4' und den Aktuator 5 sind aufwändiger (selbstverständlich hängt es bei den beiden letztgenann- 10 AT 503 312 B1 ten Lagern von der vorhersehbaren Belastung ab, ob wechselnde Kräfte auftreten können oder nicht, dies wird hier prinzipiell nicht berücksichtigt).Also in this example, the bearings for the push rods 44 and the associated actuators are simple and inexpensive, as always defined load cases occur. Only the bearings for the rod 4 'and the actuator 5 are more complex (of course it depends on the two last-ten camps on the foreseeable load, whether changing forces can occur or not, this is not considered here in principle ).

Eine Zusammenschau der Fig. 18 und der Fig. 22 zeigt, dass die bewegliche Plattform 3' eine Beweglichkeit besitzt, die mit so einfachen Mitteln im Stand der Technik unerreichbar ist.A synopsis of Fig. 18 and Fig. 22 shows that the movable platform 3 'has a mobility which is unattainable with such simple means in the prior art.

Zu Fig. 23 ist noch auszuführen, dass in dieser Ansicht die beiden erfindungsgemäßen Teilvorrichtungen miteinander fluchten, sodass nur die in dieser Ansicht dem Betrachter zugewandte Vorrichtung 43-49 sichtbar ist, die die genau dahinter befindliche Vorrichtung 53-59 ist von ihr verdeckt.To Fig. 23 is still to be stated that in this view, the two sub-devices according to the invention are aligned, so that only in this view the viewer facing device 43-49 is visible, which is the device behind it exactly 53-59 is covered by her.

Die Fig. 24 und 25 zeigen die große Beweglichkeit der Vorrichtung bei gleichzeitigem Aufrechterhalten einer weitab von jeder Singularität liegenden Konstellation. Keine herkömmliche Parallelkinematik die ähnlich schmal baut wie die dargestellte, könnte eine solche Versetzung der beweglichen Plattform 3' bezüglich der festen Plattform 2 erreichen ohne in die Nähe einer Singularität zu kommen.Figures 24 and 25 show the great mobility of the device while maintaining a constellation far from any singularity. No conventional parallel kinematics that are similar in construction to those shown could achieve such displacement of the movable platform 3 'with respect to the fixed platform 2 without coming close to a singularity.

Die Erfindung kann verschiedentlich abgewandelt werden und kann in den unterschiedlichsten Anwendungsgebieten, von Mikromanipulatoren über Handhabungsrobotem, Fertigungsrobotem bis zu Tragvorrichtungen für die industrielle Fertigung, verwendet werden. In einer prinzipiellen Abwandlung ist es bei allen Vorrichtungen gemäß den Fig. 7 bis 25 möglich, statt der jeweils zwei Aktuatoren bzw. der Aktuatoren - Feder - Kombination ein Zugelement, gegebenenfalls mit einer kurzhubigen Feder (Ausgleich der thermischen Längenänderung, der Ermüdung, etc.) kombiniert zu verwenden, das durch Verdrehen der kreisrunden Kulisse mit Mittelpunkt auf der zugehörigen Drehachse 14 bzw. 31 gegenüber der festen Plattform 2 ein Verdrehen der kinematischen Vorrichtung bewirkt. Bei Verwendung einer allgemein geformten Kulisse (z.B. 48, 58) ist das Vorsehen einer Feder, die in der Lage ist, den notwendigen Längenausgleich zu bewirken, notwendig.The invention can be variously modified and used in a wide variety of applications, from micromanipulators to handling robots, manufacturing robots, to industrial manufacturing support devices. In a principal modification, it is possible in all devices according to FIGS. 7 to 25, instead of the two actuators or the actuators - spring - combination a tension element, optionally with a short-stroke spring (compensation of the thermal change in length, fatigue, etc. ) to use combined, which causes by rotating the circular backdrop with the center on the associated axis of rotation 14 and 31 relative to the fixed platform 2, a rotation of the kinematic device. When using a generally shaped gate (e.g., 48, 58), it is necessary to provide a spring capable of providing the necessary length compensation.

Eine weitere Variante der Erfindung, bei der der eigentliche Antrieb abseits des nach wie vor als Aktuator bezeichneten Elementes angeordnet werden kann und bei der die bewegte Totlast daher besonders klein ist und zufolge der kompakten Ausführung die Beweglichkeit sowohl was die geometrischen Grenzen als auch die zu erzielenden Beschleunigungen betrifft, besonders groß ist, ist in den Fig. 26-33 dargestellt. Dabei zeigen die Fig. 26-28 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in drei unterschiedlichen Positionen jeweils in perspektivischer Ansicht, die Fig. 29-31 die Darstellung der Fig. 26-28 in Seitenansicht und die Fig. 32 und 33 zwei der gezeigten Positionen in einer Art Draufsicht.A further variant of the invention, in which the actual drive can be arranged away from the still designated as an actuator element and in which the moving dead load is therefore particularly small and, due to the compact design, the mobility both what the geometric limits as well as to achieve Acceleration is particularly large, is shown in Figs. 26-33. FIGS. 26-28 show a device according to the invention in three different positions, each in a perspective view, FIGS. 29-31 show the illustration of FIGS. 26-28 in a side view and FIGS. 32 and 33 show two of the positions shown in a manner Top view.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel ist eine Weiterbildung des Beispieles entsprechend den Fig. 14-17, wobei der Antrieb 35 nicht mehr direkt am Aktuator vorgesehen ist, sondern nach Art eines Flaschenzuges den Fußpunkt 14' des Aktuators 5, der nun als Stab fester Länge ausgebildet ist, in seiner Lage festlegt. Der Aufbau ist folgender:The illustrated embodiment is a development of the example according to FIGS. 14-17, the drive 35 is no longer provided directly on the actuator, but in the manner of a pulley the base 14 'of the actuator 5, which is now designed as a rod of fixed length, in its position. The structure is as follows:

Die in ihrer Gesamtheit mit 60 bezeichnete kinematische Vorrichtung weist in ihrem Kern die Struktur der bisher erläuterten Vorrichtungen auf, d.h. sie besitzt eine feste Plattform 2, auf der schwenkbar ein Druckstab 64 angeordnet ist und einen Seitenkräfte aufnehmenden Stab fester Länge 4'. Mit der festen Plattform 2 verbunden, was aber aus Gründen der übersichtlicheren Darstellung nicht eingezeichnet ist, ist die Drehachse 14 einer Haspel 65, die als Antrieb für den Fußpunkt des Aktuators 5 dient.The kinematic device, referred to collectively at 60, has in its core the structure of the devices discussed so far, i. it has a fixed platform 2, on which a pressure rod 64 is pivotally mounted and a lateral force-receiving rod of fixed length 4 '. Connected to the fixed platform 2, but not shown for reasons of clarity, is the axis of rotation 14 of a reel 65, which serves as a drive for the base point of the actuator 5.

Am Kopfpunkt des Druckstabes 64 befindet sich die die bewegliche Plattform darstellende Spitze 3, an der eine Feder 66 mit einem ihrer Enden passend angreift. Das andere Ende der Feder 66 ist mit einem Zugelement 69 verbunden, das über eine Kulisse 68 geführt wird, im Bereich des Fußpunktes des Aktuators 5 um eine Rolle, deren Drehachse 14' geometrisch den Fußpunkt des Aktuators definiert, geschlungen ist und von dort entweder direkt (wie abgebildet)At the head of the push rod 64 is the movable platform performing tip 3, to which a spring 66 engages with one of its ends fitting. The other end of the spring 66 is connected to a tension element 69, which is guided via a link 68, in the region of the base point of the actuator 5 around a roller whose axis of rotation 14 'geometrically defined the base point of the actuator, is looped and from there either directly (as shown)

Claims

11 AT 503 312 B1 or via at least one attached to the fixed platform 2 guide roller to the reel 65 and rolled up there or can be unrolled. The gate 68 is rotatable about an axis defined by the root of the push rod 64 and the root of the stabilizer bar 4 '. The axis of rotation 14 'of the guide roller 67 moves in dependence on the length 5 of the traction means 69 and the shape of the link 68 again along an involute of a general nature. Two forms of involutes are shown to illustrate the possibilities provided by the invention in the otherwise very schematically held Figs. 37 and 38: io Fig. 37 shows a side view of the device of FIG. 4-6, wherein in the form of individual points, the position the foot point 7 'in dependence on the length of the actuator 5, the rolling curve 16, is entered without the actuator in the respective layers also draw in order not to overload the presentation. Analogously, FIG. 38 shows a device according to FIG. 31 in a side view with the (differently shaped) rolling curve 16 of its foot point 14 '. 15 From the synopsis of FIGS. 26-28 and FIGS. 29-31 one can see very nicely in which wide limits the movable platform 3 with respect to the fixed platform 2 is pivotable, to which it must be said that the other elements except the push rod 64 are constantly subjected to train and therefore extremely slim and easily formed 20 can. This configuration also allows the use of cost-effective bearings because of the always clear load direction of the individual bearings and you do not need expensive preloaded bearings. By the spring 66, it is also possible to give the backdrop 68 a shape that is favorable for the 25 respective movement and load case without a special length compensation or the like. necessary is. As a comparison in particular of FIGS. 29-31 shows, the entry of the traction means 69 into the area of the reel 65 is shown tangentially in each case, without taking into account the different degree of reeling of the reel. If this usually minimal difference plays a role, this problem can be completely eliminated by means of one or two guide rollers which are fixedly arranged on the fixed platform 2. It is then possible in this case, the reel 65 to install at a completely different location or by a linear drive (hydraulic or pneumatic piston-cylinder drive). FIGS. 32 and 33 show plan views and give an impression of the compact and, in particular, slim shape of the device. In this device, as with all other, it is of course possible to dispense with the stabilizing bar 4 ', for example, if the bearing of the push rod 4 and the push rod 4 itself are formed 40 so that they can derive lateral forces and the corresponding moments; it is also possible to form the stabilizing bar 4 'differently or to provide two stabilizing bars 4' (symmetrical to the pivoting plane) (similar to the embodiment according to FIG. 2). Figs. 34-36 show a variant in which the reel 65 is disposed elsewhere on the fixed platform 45, which further increases the mobility of the movable platform 3 without significantly increasing the footprint of the overall apparatus. In the illustration, the traction means 69 slides over itself over a portion of the link 68, this can be avoided, for example, by guide rollers which are suitably provided on the fixed platform 2. 50 Claims: 1. Kinematic device with a fixed platform (2) and about an axis of rotation (14, 55 31) of the fixed platform (2) rotatable member (3, 43, 53), wherein between the fixed platform 1 2 AT 503 312 B1 form (2) and the component (3, 43, 53) at least one variable-length actuator (5, 15, 25, 35, 45, 55) is provided, characterized in that its base (7 ') with respect to the fixed Platform in a plane normal to the axis of rotation (14, 31) is designed to be displaceable.

2. Kinematic device according to claim 1, characterized in that the displacement of the base point (7 ') along an involute (16) with respect to a backdrop, preferably a circular arc whose center is located on the axis of rotation (14, 31) takes place.

3. Kinematic device according to claim 1 or 2, characterized in that the foot point (7 ') with a pulling and pushing element (9) is connected, which is a link (8, 68) connected to the fixed platform (2 ) is tightly wound up.

4. Kinematic device according to one of the preceding claims, characterized in that a rod (4) of fixed length in the normal plane of the rotation axis (14, 31) is provided, in which the actuator (5 ') is located.

5. Kinematic device according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises two actuators (5) in a common plane normal to the axis of rotation (14) with a common link (8 ') and that their bases (7') on a tension element (9 ') articulated, which unwinds around the scenery, without sliding.

6. Kinematic device according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises an actuator (5) and at least one tension spring (36) on both sides of a common link (8 ') in a common plane normal to the axis of rotation (14) lie and by means of a tension element (39), which unwinds around the backdrop, without sliding, connected to each other.

7. Kinematic device according to claim 6, characterized in that it comprises at least one tension spring parallel to the actuator (5) between the movable platform (3) and the tension element (39).

8. Kinematic device according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises two slotted links (18, 28) in intersecting planes, which in each case one of two intersecting axes (12, 22) fixed to the fixed platform ( 2) are mounted, are rotatable, and that a push rod (4) has its base at the intersection of the axes (12, 22).

9. Kinematic device according to claim 8, characterized in that the two intersecting planes are perpendicular to each other.

10. Kinematic device according to claim 1, characterized in that on the component (3) hinged actuator is a tension spring (66) whose base point (7 ') with a tension element (69) is connected via a link (68) a guide roller (67), which is connected via a rod of fixed length (5) to the component (3) and from the guide roller (67) to a mounted on the fixed platform (2) reel (65) on which it - or can be unwound.

11. Kinematic device according to claim 10, characterized in that the reel (65) on the deflection roller (67) opposite side of the link (68) is arranged.

12. Kinematic device according to one of the preceding claims, characterized in that a rod (4 ') of fixed length articulated to the fixed platform (2) and at a point of the rotatable member (3, 43, 53) is hinged. 1 3 AT 503 312 B1

A kinematic device, characterized in that it comprises two kinematic devices according to any one of claims 1 to 11 and a rod (4 ') of fixed length hinged to the fixed platform (2) and at a point of one of the rotatable components (43, 53), and a movable platform (3 ') connected to the rotatable members (43, 53) and the head point of a rod or actuator (5), and in that at least one of the two kinematic devices is fixed to the fixed platform (2) about an axis (23) is rotatable.

14. Kinematic device according to claim 11, characterized in that the axis (23) in a normal plane, preferably perpendicular, to the connecting line (14) of the base of the rod of fixed length (4 ') and the rod of fixed length (54). Including 38 sheets of drawings