CN107810335B - 致动器 - Google Patents

Abstract

一种控制元件(1310)，所述控制元件具有弹性的至少一个内部部件(1332)，所述内部部件能够通过连接部连接到加压流体源和/或真空源，所述加压流体源和/或真空源允许对内部部件(1332)中的空腔进行加压或排空。为了提供一般用途的控制构件，提出了界定内部部件(1332)的壁(1328)的弹性模量形成为在一些部分中不同，使得代替在加压或排空下体积均匀的增加或减少，在休止状态和加压或排空状态之间发生形状的定向改变，所述形状的定向改变描述了控制元件(1310)的控制路径。

Description

致动器

技术领域

本发明涉及一种控制元件或致动器，所述控制元件或致动器具有作为内部部件的至少一个弹性膨胀元件，所述膨胀元件可以通过连接部连接到加压流体源和/或真空源，所述加压流体源和/或真空源允许对膨胀元件中的空腔进行加压或排放。

背景技术

这种控制元件用于各种领域。例如，气动致动器用于自动化技术或者还用于其它领域，其中，通过响应于手动或自动触发的控制信号而激活这种控制元件来执行控制功能。

除了通常根据缸/活塞原理操作的已知控制元件之外，文献EP 1865 208A2还已经公开了一种偏斜元件，其中，在加压下，衬垫作用在预定支撑结构上，并且使所述预定支撑结构以特定方式偏斜。通常，支撑结构是关节结构，在所述关节结构的所需偏斜部位处，布置一个或多个衬垫，以为了实现支撑结构的形状的所需改变。这种技术方案的缺点在于，对于每个应用，必须设置不同的支撑结构，然后在所述支撑结构上必须布置不同地构造的衬垫，以为了实现功能安全性。这伴随着高昂的制造费用，因为柔性支撑和衬垫均必须针对特定目的而构造并且彼此关联。本发明的目的是提供一种通用的控制元件。

发明内容

根据本发明，目的通过这样的事实实现，在开始提及的这种控制元件中，膨胀元件的壁的弹性模量形成为在一些部分中不同，使得代替在加压或排空下体积均匀的增加或减少，在休止状态和加压或排空状态之间发生形状的定向改变，所述形状的定向改变描述了控制元件在休止位置和功能位置之间的控制路径。

根据本发明的技术方案的优点在于，与上述技术方案相比，控制元件不再需要被集成到相应的机构中并且被适配，相反地，通过简单的部件获得控制元件，并且所述控制元件可以类似于已知的气动控制缸使用。然而，这种控制元件当然也可以适用于特定目的。在本发明的第一优选实施例中，规定：管状膨胀元件的弹性模量在径向方向上是高的，使得在加压下形状的改变在管形状的纵向方向上和/或在管形状的弯曲方向上发生。可以例如通过可以已经在轴向方向上彼此联接的环形元件/环形支撑件实现这样的加强，使得在加压或排空下，管状控制元件发生目标偏斜。如果在加强径向方向的环形元件之间设置弹性壁，则这导致控制元件仅进行轴向伸展，使得获得类似于气动控制缸的功能。

可以通过至少两个内部部件实现沿着相反方向的控制运动，所述至少两个内部部件沿着相反方向作用，并且关于中央位置作用。然而，中央位置也可以在休止状态下给出，其中，一个内部部件的加压实现相对于中央位置在一个方向上的控制运动，并且向同一内部部件施加真空或至少欠压实现在另一方向上的控制运动。

优选地，控制元件被设计成使得作为弹性内部部件的所述至少一个膨胀元件的弹性材料与结构元件的更刚性材料形成作为壁的复合体，设置有点状、线状或面状的连接部位。结构元件增加了膨胀元件的原本均匀的弹性外壳在一些部分中的弹性模量，使得在加压下发生形状的所需改变。此外，结构元件限制了可以被设计为薄壁管的内部部件或膨胀元件在不能对控制运动有贡献的所有其它自由度上的膨胀能力。这防止发生体积的局部过度改变，或者防止这样的情况，其中，可选地非常薄壁的膨胀元件会局部凸出或甚至过度伸展。加强可以只是为了稍微增加弹性模量的目的。然而，为了控制元件的明显的铰接控制运动，不允许在这些位置进行形状的弹性改变的加强也是可能的。

用于这里描述的所有实施例的典型的弹性材料是天然橡胶、硅橡胶、塑料等。

用于形成具有定向的弹性模量的壁的这种复合体就制造技术而言是有利的，并且防止膨胀元件进行偏离由结构元件允许的变形的不受控制的变形。除了其它方式之外，结构元件还可以被直接嵌置在膨胀元件的弹性材料中或者被布置在膨胀元件内部，或者结构元件还可以以外壳的方式围绕膨胀元件。在连接部位处，焊接或粘合是可能的。然而，还可以有利的是将连接部位设计为松驰的支撑部位，使得在形状的改变期间允许结构元件和膨胀元件之间进行推移运动。

特别优选的是这样的实施例，其中，壁具有一个加强区域，但是通常具有多个加强区域，所述加强区域环形地围绕内部部件并且用作环形元件或环形支撑件。

可以被设计为相应地适应于内部部件的横截面形状的抗拉环形元件的这些区域防止了体积沿着在大多数情况下对执行目标控制运动没有贡献的方向增加。

为了保护膨胀元件在被加压时免于不受控制的变形，可以有利的是，结构元件整面地围绕或如笼状地围绕所述至少一个膨胀元件。

任何类型的内置物或覆置物基本上都适于作为结构元件，这里要特别注意的是编织物、塑料烧结体或者围绕膨胀元件喷射或通过吹塑成型制成的塑料层，它们还可以彼此组合而形成结构元件。从DE 10 2012 004 150 A1已知一种编织物的示例，其与膨胀元件的壁复合而可以确保根据本发明的功能。其中所述的针织物(其明确地旨在被包括在术语编织物中)确保了该编织物的某些区域具有不同的力-伸长行为。虽然其中描述的针织物旨在作为医疗辅助或运动辅助而用于避免不受控制的运动，以为了保护关节或肌肉，但是在本发明的意义下的相应针织物的进一步发展中，通过将相应针织物联接到控制元件的弹性膨胀元件的壁或者将其嵌置在壁中，可以调节控制元件的所需的运动学。

特别是对于较高力的应用，还可以使用塑料烧结体作为结构元件，或者使用塑料层，所述塑料层直接围绕膨胀元件形成，并且可以例如在与膨胀元件的多部件注射模制中、在浸渍工艺中或在吹塑成型工艺中与膨胀元件共同地制造或随后地制造。烧结的塑料部件(作为在增材制造工艺中制造的部件)提供使复杂的关节结构适应于膨胀元件的轮廓的可能性。这些增材制造工艺中的一些可以在所谓的3D打印机上进行。

所有变体具有的共同之处在于，结构元件和所述至少一个膨胀元件基本上遵循相同的基本形状，即，结构元件不形成显著延伸出所述至少一个膨胀元件的支撑结构，不然的话，这有悖于本发明的提供一种通用的控制元件的目的。

为了避免控制元件在较高压力水平下不受控制的偏移，优选地设置端部止挡，所述端部止挡限制限定的压力水平下形状的改变。端部止挡确保在控制运动期间膨胀元件的壁的弹性模量基本上不增加，但是当达到所需端部位置时，形状的进一步改变被阻止，即，从该状态开始，弹性模量极大地增加。端部止挡可以是可调节的，例如也通过电致动器调节。

如果合适的话，阻尼振动的粘弹性材料可以被添加到结构元件中和/或膨胀元件中。特别是在控制元件受到强的动态应力的情况下，这种对振动的阻尼可能是期望的。

根据这种控制元件的使用领域，在所述至少一个膨胀元件中需要相对大的空腔，以为了确保所需的控制力或控制运动。为了避免输送大体积的加压流体，在一些情况下，所述至少一个膨胀元件的空腔被刚性体积体部分地填充能是有利的。刚性表示相应的体在加压下不会改变其体积，但是当然它们不会阻碍控制元件的控制运动。

在另一个实施例中，可以在空腔中布置弹性成形体，所述弹性成形体使内部部件在休止状态下的形状稳定化。这种成形体可以例如是为松弛的或连接到结构元件的刷状元件或泡沫体，但是空腔可以简单地用泡沫填充。在成形体连接到结构元件的情况下，它们可以例如如线一样限制双壁的最大间隔。

相应地，存在于所述至少一个膨胀元件/内部部件和结构元件之间的自由空间可以至少部分地被相应的刚性体、泡沫体或刷状元件填充。这里同样地，自由空间可以随后用泡沫填充。

成形体还可以具有已经大体上讨论的粘弹性特性。

如已经提到的那样，可以有利的是使膨胀元件的壁在某些部分中加强，使得这种部分不再具有任何弹性行为。这本身可以允许控制元件的关节状的控制运动，或还可以确保本身具有弹性可变形性的壁部分的区域中的端部止挡。这种抗拉元件可以被设计为由金属或塑料制成的绳索、带、杆或者编织结构或格栅结构。

在许多实施例中，结构元件优选地具有用于固定到支撑结构的刚性夹持部位。呈安装凸缘形式的这种夹持部位可以有利于将控制元件结合到设备中，然后在所述设备中，所述控制元件在加压下执行其限定的控制运动。位于两端处的夹持部位可以有利于联接多个控制元件。

如已经指出的那样，根据本发明的控制元件可以被设计成具有多个膨胀元件，作为其结果，一方面控制路径可以增加，另一方面可以通过单个控制元件实现沿着不同方向的控制运动。例如，为了增加轴向控制路径，可以设置轴向相继布置并且互连的多个膨胀元件，所述多个膨胀元件的空腔在空间上彼此间隔开并且具有独立的加压流体连接部。然后，各个膨胀元件在加压下的轴向可变形性加总成最大总体控制路径，或允许到达中间状态。优选地，在膨胀元件之间形成刚性夹持表面，特别是当需要到达控制路径上的中间位置时。

然而，根据优选的实施例，如果控制元件具有管形状，所述管形状围绕圆周和/或径向地被划分到多个膨胀元件中，所述多个膨胀元件的空腔彼此间隔开并且所述多个膨胀元件具有独立的压力连接部，则还可以通过多个膨胀元件实现控制元件在不同方向上的运动。根据膨胀元件的加压，这种指状控制元件可以不仅在一个方向上而且实际上在任何所需方向上弯曲，从而使其使用领域相应地扩展。

这样的控制元件的实施例也可以是特别优选的，其中，结构元件由一系列相互铰接的作为模块的构件组成，内部部件布置在所述构件之间。在控制元件的纵向方向上相继的内部部件的空腔可以通过压力管线彼此连接，优选通过加压流体联接器彼此连接，它们允许模块形成可变的排列，因为结构元件被机械地连接，并且内部部件被连接以用于加压流体的流动。

优选地，可以被彼此独立地加压的至少两个内部部件在一模块的范围内围绕圆周布置。在这样的两个内部部件的情况下，在一个平面内进行弯曲运动，而三个或更多个内部部件允许在空间中进行弯曲运动。相应的自由度优选地通过模块之间的铰链连接部提供，所述连接部由球窝关节、关节轴或准关节状的具有弯曲弹性的连接部形成。在空间的弯曲运动中，具有彼此成角度布置的两个关节轴的万向关节可能是有利的。

在一个特别的实施例中，考虑到这样的事实：在距离控制元件的夹持部位较大的距离处所必须施加的力矩通常较小，规定：在控制元件的纵向方向上相继的内部部件或结构元件或模块的体积、长度或直径是不同的并且优选地连续地增加或减少。

为了避免膨胀元件以不受控制的方式相互影响，规定：在各种情况下，在所述膨胀元件之间设置相应的抗拉壁。

该实施例的抗拉壁优选地被集成在构件结构中，所述构件结构允许控制元件在所需的一个或多个弯曲方向上弯曲，但是同时限制控制元件的轴向伸展。在这种情况下，作为结构元件的一部分的构件结构不是被布置成如围绕膨胀元件的外壳，而是被集成在控制元件中的膨胀元件之间。这也可能是模块化构造的情况。

在结构元件的再一优选实施例中，规定：所述结构元件以褶皱的方式至少部分地围绕所述至少一个弹性膨胀元件。可以被设计为例如由金属或塑料制成的波纹管、编织结构或者塑料或橡胶的褶皱状部件的褶皱结构具有的优点在于它们实际上在允许的拉力范围内不增加弹性系数，但是在折叠部展开之后，它们在端部止挡的意义上使弹性模量突然增加，从而限制进一步的膨胀。在这种褶皱状的结构元件中，优选地是褶皱状的结构元件的指向膨胀元件的折叠部或波纹部中的一些或全部被连接到膨胀元件或者被设计为松弛支承部位。在管状控制元件的情况下可以是环形的缓冲元件可以被布置在支承部位的区域中，以为了避免膨胀元件和褶皱状的结构元件之间的直接接触。褶皱状的结构元件还可以居中地设置，以为了例如防护用于缆线和管线的通道，所述通道优选地形成在当控制元件致动发生最小路径差异的位置。

在本发明的优选实施例中，电连接线或加压流体管线精确地布置在控制元件的这些刚性区域中或在仅仅能够沿着弯曲方向变形的区域中。尽管在指状控制元件的情况下，在刚性夹持部位的区域中设置相应的连接部并且可以直接存在从所述连接部到膨胀元件的空腔的连接有时可能是足够的，但是特别是在具有轴向相继布置的多个膨胀元件的控制元件的情况下，设置这样的区域以为了避免不必要地加载连接线是有利的。例如，如果在控制元件本身上布置更多的电致动器(例如，磁夹持器)，或如果所述至少一个膨胀元件/内部部件的可变形壁部分上设置有测量元件，则可以设置电连接线，所述测量元件为应变测量元件或光学测量元件的形式，通过所述测量元件允许精确地检测在加压下控制元件的形状的实际改变。以这种方式，尽管膨胀元件本身具有弹性特性，但是可以精确地检测控制元件的形状改变。

特别有利的是使用形状传感器，其中，测量元件由在控制元件的纵向方向上螺旋形布置的导电箔构成。

在抓握表面上，可以有利的是设置防滑材料或结构，其抵抗例如所检测到的负载的滑动。然而，如已经提到的那样，还可以抓握表面的区域中设置电磁夹持器，利用所述电磁夹持器，材料可以被拾起和放下。

附图说明

以下参照附图更加详细地解释本发明的说明性实施例，其中：

图1示出了指状控制元件的视图；

图2示出了图1的控制元件旋转90°的视图；

图3-5示出了根据图1的控制元件的各种实施例的纵向剖视图；

图6示出了处于偏斜状态的控制元件的侧视图；

图7示出了指状控制元件的再一实施例的侧视图；

图8示出了根据图7的控制元件的纵向剖视图；

图9示出了图8的控制元件旋转90°的剖视图；

图10-13示出了根据图7的控制元件的弹性区域的各种实施例；

图14-16示出了具有编织结构的指状控制元件的实施例；

图17-20示出了具有三个部分的指状控制元件的再一实施例；

图21+22示出了具有不同的弯曲能力的两个控制元件的示意性侧视图；

图23示出了具有两个内部部件的控制元件的示意图；

图24示出了来自图23的单个部件的视图；

图25示出了四腔控制元件的剖视图；

图26示出了双腔控制元件的实施例的纵向剖视图；

图27示出了根据图26的剖视的控制元件的透视图；

图28示出了根据图27的控制元件的管状内部部件；

图29示出了用于控制元件的结构元件的透视图；

图30示出了具有类似于图29的结构元件的控制元件的剖视图；

图31示出了根据图30的控制元件的局部纵向剖视图；

图32-34示出了具有特定控制路径的指状控制元件的实施例；

图35示出了说明弹性内部部件与编织物相互作用的示意图；

图36示出了由多个控制元件组成的臂的模块化结构的示意图；

图37a-e示出了具有不同径向划分和相应数量的弹性内部部件的控制元件；

图38示出了具有可独立驱动的两个抓握区域的指状控制元件的视图；

图39示出了处于压缩状态的长度可变的控制元件的纵向剖视图；

图40示出了处于伸展状态的根据图39的控制元件的纵向剖视图；

图41示出了处于伸展状态的长度可变的控制元件的再一实施例的局部剖视图；

图42示出了处于压缩状态的根据图41的控制元件的局部剖视图；

图43示出了具有根据图37d的径向划分的控制元件的再一实施例的纵向剖视图；

图44示出了根据图43的控制元件的结构元件的透视剖视图；

图45示出了具有围绕圆周分布的四个内部部件的控制元件的再一实施例的剖视图；

图46示出了根据图45的控制元件的局部纵向剖视图；

图47示出了具有围绕圆周分布的四个内部部件的控制元件的再一实施例；

图48示出了根据图47的控制元件的局部纵向剖视图；

图49示出了具有围绕圆周分布的四个内部部件的控制元件的再一实施例；

图50示出了根据图49的控制元件的局部纵向剖视图；

图51示出了具有沿着相反方向作用的两个内部部件的控制元件的实施例的剖视图；

图52示出了根据图51的控制元件的局部纵向剖视图；

图53示出了用于形成结构元件的两个模块的视图；

图54示出了具有不同长度的内部部件的控制元件的示意性纵向剖视图；

图55示出了具有不同长度的内部部件的控制元件的再一实施例的示意性纵向剖视图。

具体实施方式

图1示出了指状控制元件10的视图，所述控制元件在被加压时可以从图1和2所示的直的休止位置偏斜到图6所示的弯曲位置。弯曲运动可以用于抓取并保持物体或执行控制运动。

控制元件10具有被固定在固定结构上的夹持部位12。为了实现所需的行为，各种构造是可能的。在第一实施例中，根据图3，规定：控制元件10总体上由作为内部部件的壁元件14构成，所述壁元件由弹性材料制成，在对应于图1和2的中央区域中，所述壁元件被环形槽16削弱，而在一侧上，保持有抗拉的呈骨架形式的脊部18。当施加压力时，内部部件14的内部空间的体积总体上增加，但是特别是在槽16的区域中膨胀，因为在该处弹性材料被削弱。通过根据图4的壁元件24可以获得完全类似的效果，所述壁元件本身由刚性塑料制成，但是所述刚性塑料还是具有一定的弹性变形能力。在槽26的区域中，弹性材料28以双组分技术提供，当内部空间被施加压力时，所述弹性材料伸展，其中，脊部18受到弹性的弯曲变形。

在图5中示出了制造较简单且疲劳强度较好的实施例，其中，按照根据图4的实施例设置壁元件，但是其中，在槽的区域中设置开口狭缝，其中，空腔30的压力密封在这里通过弹性的管状内部部件32实现，所述内部部件可以被施加压力。保持在槽26之间的环形肋部34防止内部部件32在被加压时在径向方向上经历体积的过大改变，从而与其它实施例中一样，当施加压力时，体积的增加导致图6所示的偏斜位置。因此，壁元件影响内部部件32的壁的弹性系数。

图7至9示出了指状控制元件110的再一实施例，所述控制元件基本上可以执行与上述控制元件10相同的控制运动。此外，该控制元件110同样具有刚性夹持部位112和外部结构元件124，而在内部同样设置有管状弹性内部部件132。结构元件124被设计成在一些部分中呈褶皱135的形式，所述褶皱在纵向方向上基本上是弹性的，但是其径向可变形性同样被环形加强部134限制。从图9中的旋转视图可以看出，抗拉但是具有弯曲弹性的抗拉元件140设置在纵向方向上的位置处，使得在该区域中，不允许控制元件110在纵向方向上进行形状改变，而只进行弯曲变形。

图10至13示出了各种结构元件与控制元件的弹性管状内部部件的相互作用。

在图10中，设置结构元件150，所述结构元件被制造为吹塑成型部件，并且基本上由直线的桥接部152和位于它们之间的关节状部分154组成。当内部部件156被加压并且相应地膨胀时，由于直线的桥接部152围绕关节状部分154枢转，所以结构元件150伸展。

图11示出了结构元件160，所述结构元件具有起伏的基本形状，使得通过弯曲张开关节状连接部位162，可以在弹性内部部件168膨胀时进行长度改变。

在图12所示的实施例中，对应于图11所示的结构元件的结构元件160在关节状连接部位162的区域中设置有基本上抗拉的元件164，所述元件进一步限制结构元件160的径向可变形性。此外，借助于覆盖在大的表面积上的圆形支承部位166，这些抗拉的元件164确保了与弹性内部部件168的低磨损接触。

在图13所示的实施例中，设置结构元件170，所述结构元件已经在增材制造工艺中被制造为烧结部件。这里，管状的弹性内部部件176具有预成形部，使得其折叠状结构适应于烧结的结构元件170的起伏结构。一体化地形成在烧结部件上的抗拉环形元件164确保了在内部部件176的非加压状态下也保持弹性内部部件176相对于结构元件170的定位。进而，抗拉元件164的大表面确保了弹性内部部件176在压力改变期间不被损坏。

图14至16示出了指状控制元件210的再一实施例，其中，在由弹性材料制成的壁(如其它实施例中一样，其可以由天然橡胶、硅橡胶或其它合适的塑料制成)中，嵌置有这样的结构，所述结构在后侧的区域中被设计为连续的抗拉脊部218，并且从脊部218开始，包括多个环形加强部的一系列部分引入弹性材料中，所述一系列部分进而降低在施加压力时的径向可变形性。然而，考虑到位于环形元件之间的弹性材料，当施加压力时，环形元件234就它们的间距而言是可变的，使得当施加压力时并且当抗拉脊部218具有柔性构造时，可以再次获得对应于图6的偏斜状态。

图20示出了具有多层结构的指状控制元件310的再一实施例的局部剖视图。管状弹性内部部件(参见图17)被编织结构包围，所述编织结构在图18中示出。编织结构被设计成使得编织物在头部区域340和脚部区域350中为刚性的。在中央部分中，再次设置抗拉环形元件334，在所述环形元件之间布置有编织线，其允许编织物的结构元件324在该区域中进行长度改变。在控制元件的一侧上，抗拉元件318确保了当弹性内部部件332被施加压力时不会发生长度改变，使得当施加压力时再次发生类似于图6的弯曲运动。为了保护形成为编织物的结构元件324免受来自外部的损坏，控制元件310还具有弹性外壳360，其设置有结构化的抓握表面362。抓握表面362布置在控制元件310的其中抗拉元件318也所在的那侧上，因为根据图6的凹入弯曲发生在控制元件的该侧上。结构元件的三个单独部件(即，弹性内部部件332、形成为编织物的结构元件324和弹性外壳360可以彼此粘合或焊接，但是这不是严格地必需的。

图21和22示意性地示出了如何通过指状控制元件410和420中的弹性区域的不同构造来实现不同的偏斜行为。图21所示的指状控制元件410的实施例在弹性区域中具有抗拉环形元件434，在休止状态下，所述环形元件围绕控制元件的圆周均匀地间隔开，与之相比，根据按照图22的控制元件420的实施例的环形元件444在抗拉部位418的区域中的间距小于直径相对侧上的间距。这种构造减少了在脊部418的区域中沿着纵向方向的弯曲部位的范围，使得在控制运动中实现较小的弯曲半径，如可以通过比较根据图21的控制元件410的偏斜位置与根据图22的控制元件420的偏斜位置清晰看到的那样。

图23示出了具有两个内部部件532、533的指状控制元件510的简化视图，所述两个内部部件通过梯状结构元件524彼此分隔开，其中，半环形抗拉元件534再次限制了弹性内部部件532在圆周方向上的形状的径向改变。梯状结构元件524允许控制元件510根据两个内部部件532、533中的哪一个被加压而弯曲，其中，压力可以可选地沿着相反方向施加，即，一个内部部件受到欠压，而另一个被施加过压。利用其刚性支柱，结构元件524防止一个内部部件得以膨胀到另一个内部部件的体积中，对于控制元件510的偏斜能力而言，这至少将是非常不利的。

图25示出了再一控制元件610，所述控制元件可以通过两个内部部件632、633和位于它们之间的结构元件624(其允许控制元件进行弯曲运动)来从直的中央位置沿着两个方向弯曲。如果为精确的原因所需，附加地设置另外两个内部部件637，其同样被设计为弹性管，并且允许在垂直于主控制方向的弯曲方向上稍微校正控制元件的取向。

图26至28示出了遵循图23所示的双腔控制元件510的原理的控制元件710的实施例。控制元件710具有两个弹性内部部件732、733，所述两个弹性内部部件通过具有弯曲弹性的分隔壁724彼此分隔开，所述分隔壁是塑料部件的一部分，所述塑料部件在增材制造工艺中烧结而成，并且用作结构元件，所述结构元件同时以褶皱的方式环形地围绕弹性内部部件732、733。褶皱结构728类似于图13所示的原理构造，其中，抗拉环形元件764一体化地形成在褶皱结构728的内弯曲部729处，所述环形元件面状地贴靠在两个内部部件732、733的褶皱状的预成形的外腹上。在端面的区域中，结构元件724构造成具有刚性连接部位712，利用所述刚性连接部位，控制元件可以连结到固定结构或可以与其它控制元件组合。

图29示出了较长的结构元件824的一部分，所述结构元件用于具有四个腔室(即，可以彼此独立地加压的四个内部部件832(参见图30和31))的控制元件。结构元件824具有类似于脊柱的结构，所述结构具有以铰接方式相互连接的一系列的若干个星形支撑元件825。在圆周方向上抗拉的环形元件834通过弹性元件835相互连接，使得结构元件824可以在不同方向上弯曲。这种结构元件824可以通过增材制造工艺由塑料制成。

如图31所示，位于中央区域的通道850提供用于供应管路852的空间，所述供应管路用于供应内部部件832或者还供应在前端处连接到控制元件810的另外的控制元件。考虑到各个内部部件832的独立驱动，当图31所示的弹性内部部件在压力作用下膨胀并且连接元件835在该区域中相应地伸展时，长度的改变一个区域接着一个区域地发生。抗拉环形元件834同样防止过度的径向膨胀，使得被独立驱动的内部部件832的体积改变实际上可以专门用于控制元件810的形状改变。当施加压力时防止长度改变的柔性抗拉元件也可以布置在通道中。

图32、33和34示出了控制元件的弹性区域的不同实施例，其导致相应的控制元件的特定可变形性。在圆周方向上延伸的线表示抗拉环形元件934，而在纵向方向上延伸的线表示抗拉脊部918。相应地，图32中所示的控制元件910具有两个弯曲区域，所述两个弯曲区域彼此间隔开，并且由加强部分940彼此分隔开。在图33所示的控制元件911的实施例中，抗拉脊部918未对准，作为其结果，当施加压力时，头部端附近的弹性区域的变形方向与控制元件911的下端附近的弹性区域的变形方向不同。

最后，如图34所示，具有螺旋脊部918的弹性部分的设计允许相联的控制元件912的扭转控制运动。

图35最后再次示出了弹性管状内部部件332与作为结构元件324的编织物的相互作用，所述结构元件通过抗拉环形元件334加强。在根据图17至20所示的控制元件310中发生类似的相互作用。

在图35顶部所示的休止状态下，编织物与弹性内部部件332一样是松弛的，即，没有施加内部压力。当压力增加时，内部部件332的弹性外壳膨胀，使得其穿过环形元件334之间并且增加环形元件之间的间距。在图35的底部部分中示出了长度最大改变的状态，其中，加宽的内部部件332面状地贴靠在针织的结构元件324上，即，在该区域中不再有长度的改变。考虑到内部部件332在抗拉环形元件334之间凸出，在这样的实施例中不可能将整个体积用于控制元件的长度改变。然而，在最大伸展的状态下，甚至在达到最大伸展之前，这种情况下的编织物已经形成了对内部部件332的膨胀能力的限制，使得内部部件不会以不受控制的方式在抗拉环形元件之间径向向外膨胀。由此允许将内部部件的膨胀集中在可以用于弯曲运动或用于控制元件的长度改变的长度改变上。这里，再次参考图10、11、12和13，其中，所示出和描述的结构元件(其可以为褶皱状)类似地限制弹性内部部件的径向可变形性，以为了能够将弹性具体地用于长度的改变。该特征的第二层次(其避免了薄壁弹性内部部件的凸出，以为了一方面提高当施加压力时的可变形性并且另一方面也避免对时常敏感的内部部件的损坏)也在大部分其它实施例(其中，薄壁内部部件和外部结构元件相互作用)中发现。

应当注意，基本上这里描述的所有控制元件可以基本上使用作为压力介质的气体或液体流体来操作。特别是使用液体压力介质，可以达到非常高的控制力或保持力，例如，在如图20所示的控制元件中。

根据图26、图30、图40、图41和图43所示的在两端处具有连接部位的控制元件，可以以机器人臂的形式产生任何所需的组合，使得以这种方式构造的臂不仅可以执行长度的改变，还可以执行所需的弯曲运动。这种机器人臂的控制可以通过位于控制元件的相应的弹性区域中的应变计来控制或者还通过检测布置在机器人臂的自由端处的特定夹持部位或夹持装置的位置来控制。例如，图36示出了控制元件710的这种简单布置(其中，刚性连接元件700位于控制元件之间)，使得总体上获得了这样的臂，所述臂根据控制元件相对于彼此的旋转角布置而具有非常灵活的移动性。

图37示出了其中在纵向方向上延伸的控制元件可以被径向划分到多个腔室中的方式的若干可能示例，每个腔室均具有可以被独立加压的内部部件。图37a示出了单腔技术方案的剖视图，如例如在根据图1的控制元件中所实现的那样，而图37b示出了根据图26的双腔技术方案，其允许控制元件能够从直线中央位置沿着两个方向枢转。根据图37c的具有四个腔室的扩展的控制可能性例如在根据图30的控制元件中实现，而如37d示意性所示的具有八个腔室的技术方案将在下面结合图43和44来讨论。非对称的划分，例如如图37e所示的具有五个腔室，也可以容易地实现。

在多腔系统中，在各种情况下，中央通道50提供用于供应管路52的空间，所述供应管路的数量必须相应地更高以与增加数量的内部部件相符。

图38示出了指状控制元件990的视图，所述控制元件具有对应于图20所示的控制元件310的抓握表面362，但是轴向相继布置的两个分隔开的内部部件991、993设置在内部，并且可以被彼此独立地驱动。这导致相应的控制元件990的运动的扩展的可控制性。

图39和40以及图41和42示出了控制元件1010、1110的两个说明性实施例，其中，提供单纯的轴向控制运动。这两个控制元件1010、1110的特征还在于设置在相反的方向上作用的内部部件1032、1033，使得控制路径增加。在图39和40所示的实施例中，第一内部部件1032居中地设置，并且在两个刚性连接部件1012之间圆柱形地延伸。第一内部部件1032被第二内部部件1033包围，所述第二内部部件被成形为中空的环形，并且在其外表面上具有类似于图13的褶皱结构，在此将不对其更详细讨论。

在如图39所示的控制元件1010的最大压缩状态下，内部的第一内部部件1032被加压，而第二内部部件1033不加压。通过第一内部部件1032沿着圆周方向加宽，两个连接凸缘1012沿着朝向彼此的方向移动。

为了能够执行轴向控制运动，第一内部部件1032现在释放压力，而外部的内部部件1033被加压。以这种方式，控制元件1010到达如图40所示的最大偏移位置，其中，还可以在两个连接凸缘1012之间设置引导元件，所述引导元件允许进行轴向引导。

图41和42所示的控制元件1110根据类似的原理工作，其中，在控制元件的偏移状态下被加压的内部部件1132在此径向地布置在内部，而被加压以便最小化偏移的外部的内部部件1133环形地围绕弹性内部部件1132。然而，原理实质上是相同的，其中，在被加压以用于压缩控制元件1110的内部部件中，体积沿着径向方向的增加是所需的，以为了使前部固定部位1160沿着朝向彼此的方向移动。

图43和44最后示出了再一控制元件1210，其中，再次设置复杂的结构元件1224，所述结构元件在增材制造工艺中被制造为塑料烧结部件，并且提供根据图37d的具有八个内部部件1232(其可以彼此独立地加压)的径向划分。外部结构进而被设计成褶皱状，类似于图30。借助于八个腔室，可以实现控制元件1210的特定位置的特别精细的调节。能够在各个星形支撑元件的区域中通过弹性联接部位1226移动的结构在此被抗拉元件1218加强，所述抗拉元件可以形成为例如金属丝绳或碳纤维绳。借助于连接凸缘1212，控制元件1210可以以图36示意性所示的方式与其它控制元件组合。这里再次涉及刻意地改变连接部位之间的间距的可能性，例如借助于电驱动器进行，以为了允许在内部部件1232被加压时控制元件1210进行长度的目标改变，这通过联接部位1226的区域中的弹性而实现。因此，在根据图43的控制元件1210中，例如如图39所示的长度可变的控制元件的功能可以与能够在所有弯曲方向上调节的控制元件的可变性相组合。

在图43和44所示的实施例中，还将看出，环形地围绕中央布置的八个管状弹性内部部件1232的膨胀能力还在内部被褶皱结构1235限制，所述褶皱结构防止薄壁的内部部件1232中的被加压的一个得以以不受控制的方式径向向内膨胀。褶皱结构1235是结构元件1224的一体化部分。

图45和46示出了控制元件1310，所述控制元件的外壳1328由能够在纵向方向上伸展并且在横向方向上抗拉的编织物组成。当线在控制元件的纵向方向上被伸展到最大时，编织物还通过限制偏移来形成端部止挡。

控制元件1310具有四个内部部件1332，所述四个内部部件围绕圆周均匀地分布，并且可以彼此独立地加压。在此还以轮胎的方式设计的内部部件在纵向方向上通过结构元件稳定化，所述结构元件由中央波纹管1350和以一定间隔布置在所述波纹管上的星形支撑元件1325组成。本身被设计为褶皱状PU吹塑成型部件或者橡胶的褶皱状部件的四个内部部件安置在这些支撑元件1325的四个框架之间。在支撑元件1325的加强分隔壁1380的区域中，内部部件的腔室通过加压流体连接部1327互相连接，其中，也可以在支撑元件1325之间设置独立的内部部件，所述内部部件通过加压流体联接器互相连接。内部部件1332具有凹口1382，以为了能够更好将所述内部部件安装在支撑元件1325上。在内部部件1332和外壳1328之间设置有弹性体层1384，所述弹性体层具有阻尼作用并且保护内部部件1332免于与外壳1328的编织物直接接触。

波纹管1350在内部设置有形状传感器1390，所述形状传感器检测控制元件的运动。支撑元件1325的中央附近的附加通道1392可以用于电线通过。

图47和48示出了控制元件1410，所述控制元件的外壳1428再次由在纵向方向上弹性并且在横向方向上抗拉的编织物组成。此外，在该控制元件1410中，再次设置有围绕圆周分布的四个内部部件，借助于所述四个内部部件，允许控制元件1410的弯曲运动。这里同样地，由金属或塑料制成的波纹管1450进而用作用于结构元件的基部，所述结构元件通过安装在波纹管1450上的支撑元件1425分段。在该实施例中，支撑元件的夹状元件1470围绕连接通道，所述连接通道位于沿着内部部件1432的纵向方向的相继腔室之间。该实施例还具有的特定方面在于，在外壳1428、内部部件1432、支撑元件1425和波纹管1450之间余下的自由空间用泡沫材料1484填充。泡沫材料具有阻尼作用并且避免各个元件之间的摩擦接触。用泡沫填充自由空间或在这些自由空间中插入成形的泡沫部件也可以适用于这里给出的所有其它实施例。

这里，波纹管1450还进而接纳形状传感器。

图49和50示出了基本上对应于图47和48的控制元件1410的控制元件1510的实施例。然而，相比之下，内部部件1532的褶皱较少，并且居中地设置有环形支撑件1585，所述环形支撑件限制内部部件1532在被加压时形状的径向改变。然而，在上述控制元件1410中，相应的环形支撑件可以用于内部部件1432的设置有褶皱结构的区域中。

图51和52示出了控制元件1610，所述控制元件仅具有在一个平面中进行弯曲运动的自由度。为此，仅需要相对的两个内部部件1632，而这里的结构元件1624由支撑元件1625形成，所述支撑元件通过关节轴1670彼此连接。

缆线通道1650具有细长的横截面，在简化的实施例中，所述缆线通道也可以接纳形状传感器。外壳1628再次被设计成在横向方向上抗拉并且还必须仅允许所需自由度的弯曲运动。

如果控制元件在空间中的通过关节轴限定的弯曲运动是所需的，则除了已经描述的围绕圆周分布的三个或四个内部部件以外，还可以使用根据图53的支撑元件1725，所述支撑元件具有万向关节连接部。中间元件1772通过第一关节轴1774铰接在第一支撑元件1725a上，并且通过第二关节轴1776铰接在第二支撑元件1725b上。然后，这种铰接连接可以在所有支撑元件1725之间继续，以为了形成结构元件，其中，内部部件在支撑元件的分隔壁1778之间起作用。

图54和55最后示出了另外的两个控制元件1810和1910的示意图，所述控制元件的基本原理与上述变体可以容易地组合。两个控制元件1810、1910所具有的共同之处在于，内部部件1832、1932的体积随着远离控制元件1810、1910的夹持部位1800、1900而减小。这考虑了这样的事实，例如为了提升负载，由距离夹持部位一定距离处的内部部件所必须施加的力较小，因为力矩变得较小。如果所示出的一系列内部部件共同连接到公共的压力源并且因此所有腔室中具有相同压力，则这是特别有利的。

在根据图54的控制元件1810中，通过内部部件的腔室或独立内部部件1832的外径减小来实现的体积减小，而在根据图55的控制元件1910中，内部部件1932的轴向尺寸减小而直径保持恒定。

Claims (28)

1.一种控制元件，所述控制元件具有弹性的至少一个内部部件，所述内部部件能够通过连接部连接到加压流体源和/或真空源，所述加压流体源和/或真空源允许对内部部件中的空腔进行加压或排空，其特征在于，界定内部部件的壁的弹性模量形成为在一些部分中不同，使得代替在加压或排空下体积均匀的增加或减少，在休止状态和加压或排空状态之间发生形状的定向改变，所述形状的定向改变描述了控制元件的控制路径，其中，结构元件形成对弹性的内部部件的膨胀能力的限制，使得在加压下，内部部件即使在薄壁构造的情况下也仅在对控制路径有贡献的所需方向上膨胀，其中，所述结构元件增加了膨胀元件的原本均匀的弹性外壳在一些部分中的弹性模量，使得在加压下发生形状的所需改变，并且其中，结构元件由一系列相互铰接的作为模块的构件组成，内部部件布置在所述构件之间。

2.根据权利要求1所述的控制元件，其特征在于，所述至少一个内部部件的弹性材料与结构元件的刚性材料形成作为壁的复合体，设置有点状、线状或面状的连接部位。

3.根据权利要求1所述的控制元件，其特征在于，壁具有环形地围绕所述至少一个内部部件的一个或多个加强区域。

4.根据权利要求3所述的控制元件，其特征在于，结构元件整面地围绕或如笼状地围绕所述至少一个内部部件。

5.根据权利要求2所述的控制元件，其特征在于，结构元件被设计为编织物、塑料烧结体或围绕相应的内部部件喷射的塑料层。

6.根据权利要求5所述的控制元件，其特征在于，所述编织物的某些区域具有不同的力-伸长行为，并且其中，编织物联接到控制元件的弹性膨胀元件的壁或者将其嵌置在壁中。

7.根据权利要求1所述的控制元件，其特征在于，弹性的所述至少一个内部部件至少在一些部分中由褶皱状的结构元件包围，所述褶皱状的结构元件被设计为由金属或塑料制成的波纹管、被设计为编织结构或者被设计为橡胶或塑料的褶皱状部件。

8.根据权利要求7所述的控制元件，其特征在于，褶皱状的结构元件的指向相应的内部部件的折叠部中的仅一些或全部被连接到内部部件或者被设计为松弛支承部位，其中，在支承部位的区域中布置有缓冲元件，并且其中，在管状控制元件的情况下，缓冲元件是环形的。

9.根据权利要求1所述的控制元件，其特征在于，设置端部止挡，所述端部止挡限制限定的压力水平下形状的改变，其中，端部止挡的位置是可调节的。

10.根据权利要求1所述的控制元件，其特征在于，设置用于阻尼振动的粘弹性材料，所述粘弹性材料被添加到结构元件和/或内部部件中。

11.根据权利要求1所述的控制元件，其特征在于，所述至少一个内部部件的空腔或在结构元件和内部部件之间的自由空间被刚性体积体部分地填充或者被弹性成形体部分或完全地填充，其中，弹性成形元件是刷状成形体、泡沫体或一体地形成在弹性元件上的柔性线状元件，或者通过随后用泡沫填充空腔或自由空间而形成。

12.根据权利要求11所述的控制元件，其特征在于，成形元件具有粘弹性特征。

13.根据权利要求3所述的控制元件，其特征在于，结构元件中结合有抗拉元件。

14.根据权利要求13所述的控制元件，其特征在于，抗拉元件被设计为绳索、带、杆或者编织结构或格栅结构，所述绳索、带、杆或者编织结构或格栅结构由金属或塑料制成。

15.根据权利要求1所述的控制元件，其特征在于，其具有用于固定到支撑结构的刚性夹持部位。

16.根据权利要求1所述的控制元件，其特征在于，其具有轴向相继布置的多个结构元件和空腔彼此在空间上间隔开的互连的内部部件，其中，空腔具有独立的加压流体连接部、通过压力管线彼此连接或者通过加压流体联接器彼此联接。

17.根据权利要求16所述的控制元件，其特征在于，在内部部件之间形成有刚性夹持表面。

18.根据权利要求1所述的控制元件，其特征在于，在一模块的区域中，能够被彼此独立加压的至少两个内部部件围绕圆周布置。

19.根据权利要求1所述的控制元件，其特征在于，构件之间的关节连接部由球窝关节、关节轴或准关节状的弹性连接部形成。

20.根据权利要求1所述的控制元件，其特征在于，相继的内部部件或结构元件的体积、长度或直径是不同的。

21.根据权利要求20所述的控制元件，其特征在于，相继的内部部件或结构元件的体积、长度或直径连续地增加或减少。

22.根据权利要求1所述的控制元件，其特征在于，其具有管形状，所述管形状被径向地和/或沿着周向划分到多个内部部件中，所述多个内部部件的空腔彼此间隔开并且所述多个内部部件具有独立的压力连接部。

23.根据权利要求22所述的控制元件，其特征在于，在各种情况下在内部部件之间形成抗拉壁。

24.根据权利要求23所述的控制元件，其特征在于，抗拉壁集成在允许控制元件在至少一个弯曲方向上弯曲的构件结构中。

25.根据权利要求1所述的控制元件，其特征在于，其具有刚性区域或仅能够在弯曲方向上变形的区域，在这些区域中，布置电连接线或加压流体管线。

26.根据权利要求1所述的控制元件，其特征在于，在内部部件的可变形壁部分中，设置呈应变测量元件和/或光学测量元件形式的测量元件，所述测量元件检测形状的改变并且将所述形状的改变通信给用于加压的控制系统。

27.根据权利要求26所述的控制元件，其特征在于，在控制元件的纵向方向上设置螺旋形布置的导电箔作为测量元件。

28.根据权利要求1所述的控制元件，其特征在于，其具有由防滑材料形成和/或形成有结构的抓握表面。

Images