CN112912623A - 机械致动器系统以及具有这种致动器系统的eoat设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机械致动器系统(10)，该机械致动器系统用于根据需要产生对EOAT设备(20)的致动构件(21、22、23)进行致动所需的力。该致动器系统(10)具有至少一个功能单元(1)，该至少一个功能单元被设计为在被供给能量时在该功能单元(1)的优选方向(R)上可逆地改变该功能单元的尺寸。本发明进一步涉及一种EOAT设备(20)、特别是夹持器或切割工具形式的EOAT设备，其具有至少一个致动构件(21、22、23)以及与该至少一个致动构件(21、22、23)相关联的致动器系统(10)。

Description

机械致动器系统以及具有这种致动器系统的EOAT设备

本发明总体上涉及工作构件，特别是用于机器人的工作构件。其包括致动器/操纵装置，而且还包括必要的辅助设备，如腕关节轴、交换系统、连结辅助件、保护设备以及传感器单元。

具体地，本发明涉及用于对机器人的工作构件进行致动的机械致动器系统，由此致动器系统的特征在于其整体尺寸小并因此特别适合于机器人的微型工作构件。本发明进一步涉及具有这种微型致动器系统的机器人的对应的工作构件。

根据本发明的实施例，其主要涉及所谓的EOAT设备(EOAT＝机械臂末端工具)，特别是呈夹持器或切割工具形式的EOAT设备，其具有至少一个致动构件以及分配给该至少一个致动构件的微型致动器系统。

从夹持器技术中通常已知例如呈夹钳形式的EOAT设备。这种EOAT设备通常是气动操作式设备，例如气动操作式夹钳，由此这些设备具有壳体，在该壳体中形成有常规气动操作式直线驱动器。EOAT设备进一步包括至少一个致动构件(例如夹持器夹爪)，由此所述至少一个致动构件联接至直线驱动器，使得由直线驱动器产生的直线运动被转换为致动构件的相应的枢转或移位运动。

这种类型的EOAT设备(例如夹钳)经常与用于搬运各种类型的物体/部件/工件的工业机器人结合使用。致动构件的最大可靠性是至关重要的，使得一方面可以通过EOAT设备的致动构件来安全地处理或固持物体或部件/工件。另一方面，有不断增长的趋势要实现最紧凑的可能的EOAT设备、特别是EOAT设备的致动构件，其中，EOAT设备的重量要减轻，以便使这些设备可以用于各种各样的应用、尤其是在机器人技术方面。

这种EOAT设备的典型示例是夹钳，这些夹钳起到抓紧、固持和建立机器人臂与要处理的工件之间的连接的作用。由此，安全连接的决定性因素是有效配对的类型以及接触水平的数量。有效配对可以经由力、形状或材料的配对来实现。当使用力配对时，通过在工件表面上施加压力来形成固持。与此相比，通过与工件的形状匹配的环束来确保形状配对的固持。迄今为止，工业上仅在有限的程度上使用这些过程，然而这有改变的迹象，尤其是在微型组件的情况下。

但是，使用已知的EOAT设备可能实现的小型化增加程度通常不是无限的。其中一个原因是分配给EOAT设备的直线驱动器的总体尺寸，EOAT设备的至少一个致动构件将经由该直线驱动器来致动。为了确保使用直线驱动器可以产生足够高的力，为此使用的直线驱动器(其通常是气动操作式直线驱动器)必须呈现某种最小尺寸。此外，用于向直线驱动器供给的必要气动连接妨碍已知EOAT设备的任何尺寸缩小。

另一方面，对于小型EOAT设备的需求正在稳步增长。

基于所阐述的这个问题，本发明基于的任务是规定一种解决方案，该解决方案实际上能够实现EOAT设备的任何小型化，以便显著扩展EOAT设备的性能范围。

为了解决这个任务，本发明提出了一种用于EOAT设备的新型机械致动器系统。特别提出了一种机械致动器系统，该机械致动器系统用于根据需要产生对EOAT设备的致动构件进行致动所需的力，其中，与通常使用的气动直线驱动器不同，所述机械致动器系统具有特别小的设计并且特别是可以近乎整体地纳入到EOAT设备中。为此，致动器系统包括至少一个功能单元，该至少一个功能单元被设计为当供给能量时在该功能单元的优选方向上可逆地改变其尺寸。

换句话说，本发明提出了一种用于对EOAT设备的致动构件进行致动的全新方法。与由于其工作原理而需要某种最小尺寸的“经典”马达(电动、气动或液压马达)相比，根据本发明的致动器系统具有功能单元，该功能单元由一种材料形成，该材料的性质使得在供给能量(热、电、光等)时分别在该材料或功能单元的优选方向上可逆地改变其尺寸。

例如，在此背景下可设想的是，本发明的致动器系统的至少一个功能单元是由具有形状记忆特性的材料形成的，其中，该功能单元被设计为当供给热量时在该功能单元的优选方向上可逆地改变其尺寸。因此，功能单元的尺寸变化产生了可以直接或间接地用于对EOAT设备的至少一个致动构件进行致动的力。

比如形状记忆聚合物(SMP)或形状记忆合金(SMA)等具有形状记忆特性的材料是那些能够在被加热到转换温度以上时或响应于其他外部刺激而使形状从一组临时采用的形状改变为最初采用的(永久)形状的材料。使用常规加工方法使该材料首先成为其永久形状。然后使该材料变形并且固定为所需的临时形状。这个过程也被称为“编程”。

编程可以包括例如加热材料、高温变形和冷却过程、或低温变形(“冷拉伸”)。虽然处于当前临时形状，但是此时保留了永久形状。当材料被加热到转换温度以上的温度时，触发了形状记忆效应，并且因此恢复成所保留的永久形状。

为了使具有形状记忆材料的至少一个功能单元也可以循环使用，本发明的进一步的改良方案为功能单元分配了第一电极单元和第二电极单元，由此在第一电极单元与第二电极单元之间布置聚合物层，该聚合物层包括具有形状记忆特性的电绝缘弹性体。更进一步地提供了与第一电极单元和第二电极单元接触的控制单元。控制单元被设计为在第一电极单元与第二电极单元之间施加电压，并且还允许电流流过第一电极单元和/或第二电极单元。

本发明的致动器系统的这个实施例利用了所采用的聚合物层的能够通过对电极的不同控制来实现的两种特性。流过第一电极单元和/或第二电极单元的电流实现了电阻加热。以此方式可以加热聚合物以进行编程。通过在第一电极单元与第二电极单元之间施加电压并因此施加电场来使实际编程发生。这分别导致电绝缘弹性体或对应的功能单元变形。在采用临时形状之后，通过使电流再次流过第一电极单元和/或第二电极单元并因此对聚合物进行加热来使聚合物活化。可以重复这些过程，以便使形状记忆聚合物能够作为致动器系统的功能单元循环使用。

然而，本发明不限于其中至少一个功能单元具有电绝缘弹性体或有形状记忆特性的聚合物的致动器系统。实际上，可设想的是，至少一个功能单元也以相对应的方式与形状记忆合金一起工作。为此，至少一个功能单元可以被实现为由例如NiTi、CuAlNi、CuAl、CuZnAl、TiV或TiNb的管状整体式SMA衬底制成的管状整体式SMA致动器。

被实现为管状整体式SMA致动器的功能单元可以包括第一端、第二端和中间部段，并且可以从具有例如圆形、椭圆形、矩形或不规则横截面的衬底获得。中间部段形成致动器图案，该致动器图案在图案进程中从第一端到第二端保持其均匀性和导电性。致动器图案可以是任何图案，例如曲折图案或之字形图案。在致动器的第一端处可以形成第一电极，并且在致动器的第二端处形成第二电极。

在用于操作这种致动器的一种方法中，将电流施加到致动器，这样对致动器进行加热，并且这样做会致使致动器弯曲。

然而，可替代地，还可设想的是，致动器系统的至少一个功能单元由具有压电特性的材料形成，由此该功能单元被设计为在被施加电压时在该功能单元的优选方向上可逆地改变其尺寸，以便由此产生可以用于对EOAT设备的至少一个致动构件进行致动的力。

根据本发明的致动器系统的实施例，至少一个功能单元在两个柔性电极之间具有弹性软聚合物芯。当在柔性电极之间施加电压时，两个电极相互吸引并挤压它们之间的软聚合物芯。由于聚合物实际上是不可压缩的，因此弹性体侧向伸展。因此，侧向伸展对应于功能单元在优选方向上的尺寸变化，使得由此产生的力可以用于对EOAT设备的至少一个致动构件进行致动。

然后，当两个柔性电极之间的电压降低时，夹层将恢复其原始形状。换句话说，至少一个功能单元然后收缩并呈现其初始形状。

在本发明的致动器系统的类似实现中，将弹性塑料的功能单元(其在变形后恢复其原始形式)用作功能单元(弹性体)。然而，可替代地，还可设想的是，功能单元由薄的、高度柔性的聚合物/塑料薄膜形成，由此这些薄膜例如填充有非导电的(绝缘)液体。这样形成了涂敷有凝胶的液压元件，该凝胶是高度柔性的并传导电荷；例如盐水溶胀的凝胶。

在此时将电压施加到液压元件时，建立了电场，该电场穿透液压元件的多个不同的层并且在液体上施加静电力。液压元件的柔软外壳由此变形，并且产生可以用于对EOAT设备的至少一个致动构件进行致动的运动或相应的力。

所有的上述实施例的共同之处在于，功能单元就其尺寸而言可以具有非常小且非常灵活的设计。因此可设想的是毫米级或更小尺寸范围内的功能单元。

这样可以使整个EOAT设备小型化。另一方面，功能单元仍然被设计为产生足够高的力，特别是当采用多个相互作用的功能单元时。

值得注意的另一个优点是，EOAT设备不再需要被连接到气动管线；取而代之的是，电力供应器通常足以为功能单元供给能量。

为了增加致动器系统能够产生的力，本发明的实施方式提供了多个功能单元，功能单元在其优选方向上彼此串联连接，以便形成纤维状或股束状功能组。在被供给能量时能够激活功能组的所有功能单元，使得由此产生的功能组的总行程是由该功能组的各个功能单元的所有各个行程的总和组成的。

替代性地或另外地，可设想的是，两个功能单元彼此平行地布置，使得在被供给能量时，由该至少两个平行布置的功能单元产生的总力对应于在被供给能量时能够由至少两个功能单元产生的各个力的总和。

因此，通过选择性地使各个功能单元串联或并联连接，致动器系统可以特别适于相应的应用。利用致动器系统也可以产生可微调的力。

例如，在此背景下还可设想的是，致动器系统具有第一组功能单元和第二组功能单元，由此第一组和第二组功能单元各自通过将能量相应地供给到相应组的功能单元而可彼此独立地致动。第一组的功能单元例如被设计为在被供给能量时在相应功能单元的优选方向上收缩，而第二组的功能单元被设计为在被供给能量时在相应功能单元的优选方向上伸展。

然而，另一方面，也可设想的是，能够使用功能单元的状态数据，以便能够评估EOAT设备的致动构件的状态。当至少一个功能单元被实现为无源传感器单元时可以实现这一点，该无源传感器单元被设计为根据功能单元在其优选方向上的尺寸变化而输出相对应的电信号，该电信号指示与功能单元相关联的EOAT设备的致动构件的状态。

本发明不仅涉及上述类型的机械致动器系统，而且涉及这种致动器系统作为EOAT设备的致动构件的机械驱动器的用途。

本发明更进一步地涉及一种对应的EOAT设备，特别是呈夹持器或切割工具形式的EOAT设备，该EOAT设备具有至少一个致动构件以及分配给该至少一个致动构件的上述类型的致动器系统。

下面将参考附图以更详细地描述本发明的实施例。

示出的是：

图1形状记忆合金相结构和相变的示意图，用于描述本发明的致动器系统的示例性实施例的工作原理；

图2本发明的致动器系统的另一示例性实施例的操作模式的示意图；

图3具有本发明的致动器系统的实施例的EOAT设备的第一示例性实施例的示意图；

图4具有本发明的致动器系统的实施例的EOAT设备的第二示例性实施例的示意图；以及

图5具有本发明的致动器系统的实施例的EOAT设备的第三示例性实施例的示意图。

图1示意性地描绘了根据本发明的致动器系统10的示例性实施例的基本原理。在本发明的致动器系统10的这个实施例中使用至少一个功能单元1，该功能单元由具有形状记忆特性的金属合金形成。

形状记忆合金的特征在于它们根据温度具有两种不同的结构(相)。由此，形状变换是到这两种晶体结构之一的基于依赖于温度的晶格变换。一般说来，具有被称为奥氏体的高温相和马氏体(低温相)。两者都可以通过温度变化而相互让位(双向效应)。

结构变换与温度变化的速度无关。为了启动相变，温度和机械应力参数是等效的；即，不仅可以通过热、而且可以通过机械应力来引起变换。

形状记忆合金优选地用作本发明的致动器系统10的至少一个功能单元1的材料，该形状记忆合金由于双向效应而“记住”两种形状，即一种是在高温下的形状，而一种是在低温下的形状。为了使功能单元1在冷却时重新采用其定义的初始形状，需要通过热机械处理循环对其进行“训练”。这导致在材料中产生应力场，这样在冷却时促进某些马氏体变体的形成。因此，受训练的冷态形状仅表示马氏体结构的优选形状。然而，在固有双向效应的情况下，只有在没有反作用外力时才可能发生形状变换。换句话说，功能单元1在冷却时不能进行工作。

因此，根据本发明EOAT设备20的实施例，经常使用复位弹簧，如以下将结合图3至图5所示的示例性实施例更详细地描述的。

在图2中，示意性地描述了本发明的致动器系统10的另一示例性实施例的操作模式。在本实施例中的致动器系统10包括功能单元1，该功能单元由具有压电特性的材料形成，其中，功能单元1被设计为在施加电压时在功能单元1的优选方向R上可逆地改变其尺寸。

该功能单元1利用压电效应，该压电效应表征电极化的变化，并且因此表征当弹性变形时在固体上的电压出现(直接压电效应)。相反，为了使功能单元1能够在施加电压时产生对致动构件进行致动所需的力，功能单元1利用逆压电效应，在逆压电效应中，功能单元1的材料在施加电压时相应地变形。

由于基于压电效应的功能单元1可以选择性地使用直接压电效应或逆压电效应进行操作，因此功能单元1适合用作产生力的有源功能单元1或用作输出相对应的电信号的无源传感器单元。

图3示意性地示出了根据本发明的EOAT设备20的第一示例性实施例。根据图3的EOAT设备20的示例性实施例被实现为平行夹持器。平行夹持器具有并排布置的两个夹持器夹爪架21，这两个夹持器夹爪架可以通过在进行工作运动中彼此靠近或彼此远离而在张开位置与合拢位置之间相对于彼此直线移动。

为了对这些致动构件(在此为夹持器夹爪架21)进行致动，根据本发明的机械致动器系统10布置在平行夹持器的壳体24中。该致动器系统10具有多个功能单元，该多个功能单元彼此串联和/或并联布置并且被设计为在供给能量时(例如在施加电压时或当供给热量时)在功能单元的优选方向R上可逆地改变其尺寸。

在图3中示意性地示出的示例性实施例中，机械致动器系统10的功能单元的优选方向R对应于夹持器夹爪架21的运动方向。

不同配置和功能原理可以作为功能单元。例如，致动器系统10的功能单元可以由具有形状记忆特性的材料形成，其功能原理已经在上面参考图1中的图示进行了描述。然而，替代性地或另外地，还可设想的是功能单元是基于压电效应的，如以上参考图2的图示所解释的。

然而，原则上还可设想的是，使用多个弹性聚合物芯，每个弹性聚合物芯布置在两个柔性电极之间作为功能单元，由此在将电压施加到相应电极时，它们彼此吸引并且在功能单元1的优选方向R的方向上推动软聚合物芯。

对于机械致动器系统10而言，特别有利的是具有多个并联和/或串联连接的功能单元，以便分别使能够在供给能量时产生的力增加或增加总行程。

在图3中示意性地描绘的本发明的EOAT设备20的实施例中使用复位弹簧25，一旦致动器系统10的各功能单元不再被施加电压，则该复位弹簧使夹持器夹爪架21返回其初始位置。

然而，代替这种机械复位弹簧25，还可设想的是，致动器系统10具有第一功能单元，该第一功能单元在被供给能量时产生使平行夹持器的夹持器夹爪架21移到其张开位置的力，其中致动器系统10进一步具有第二功能单元，该第二功能单元在被供电时产生使夹持器夹爪架21移到其合拢位置的力。

图4示意性地描绘了本发明EOAT设备20的第二示例性实施例。在该第二示例性实施例中，EOAT设备20被实现为夹钳。夹钳具有壳体24，在该壳体中容纳本发明的致动器系统10的实施例。夹钳进一步具有第一夹持器夹爪和第二夹持器夹爪22，每个夹持器夹爪被安装成可相对于壳体24绕旋转轴线枢转。第一夹持器夹爪和第二夹持器夹爪22由此联接至被整合在壳体24中的致动器系统10，使得由致动器系统10产生的直线运动被转换成第一夹持器夹爪和第二夹持器夹爪22在夹持器夹爪22的张开或合拢方向上的相应的枢转运动。

还如同图3中示意性地描绘的本发明EOAT设备20的示例性实施例，复位弹簧25还与根据图4的夹钳一起使用，以便在致动器系统10的功能单元通电不被供电时使夹持器夹爪22返回其合拢位置。

当然，在本实施例中还可设想的是省去这种弹簧25并且提供在被致动时产生相反方向上的力的第一功能单元或相应的第二功能单元。

在图5中示意性地示出了本发明的EOAT设备20的第三示例性实施例。这是具有作为致动构件的夹持装置23的夹持器指状件，该夹持器指状件被设计为在张开位置与合拢位置之间的枢转范围内枢转。在张开位置，夹持器指状件可以靠近要抓紧的物体。然后，夹持装置枢转到合拢位置，在该合拢位置，夹持器指状件抓紧物体。在这种状态下，夹持装置的夹持表面抵靠在物体上。随后可以运送该物体。当要再次释放物体时，夹持装置23再次枢转回到张开位置。

为了对夹持装置进行致动，根据本发明的致动器系统10被整合到夹持器指状件的壳体24中。所述致动器系统10的结构和操作模式对应于先前描述的实施例。

在这方面应当注意的是，本发明决不限于平行夹持器、夹钳或指状夹持器形式的EOAT设备20。事实上，根据图3至图5中的图示的示例性实施例仅用于展示本发明的各方面。因此，例如还可设想的是，将本发明的致动器系统10用于例如被针夹持器或其他EOAT设备20。

本发明的致动器系统10(其例如用于平行夹持器、夹钳或夹持指状件，以在需要时产生对夹持构件进行致动所需的力)的特征还特别地在于被设计为接收EOAT设备20的状态数据并将相对应的信号发送到评估设备。

具体地，根据本发明的实施例，提供了本发明的致动器系统10具有被选择性地或持续用作无源传感器系统的至少一个功能单元1。当功能单元1在其优选方向R上改变尺寸时，经由功能单元1的材料(例如利用直接压电效应)产生相对应的电信号。该电信号分别指示由致动器系统10产生的力或与致动器系统10相关联的夹持构件的位置。

更进一步地，由作为无源传感器元件操作的功能单元1输出的传感器信号不仅可以用于状态控制，还用于检测EOAT设备20是否已经正确地抓紧了物体(工件)。

本发明并不限于附图中描绘的实施例，而是从对本文披露的所有特征的综合总体考虑中得出的。

Claims (13)

1.一种机械致动器系统(10)，所述机械致动器系统用于根据需要产生对EOAT设备(20)的致动构件(21、22、23)进行致动所需的力，其中，所述致动器系统(10)包括至少一个功能单元(1)，所述至少一个功能单元被设计为当被供给能量时在所述功能单元(1)的优选方向(R)上可逆地改变所述功能单元的尺寸。

2.根据权利要求1所述的致动器系统(10)，

其中，所述至少一个功能单元(1)由具有形状记忆特性的材料形成，并且其中，所述功能单元(1)被设计为当被供给热量时在所述功能单元(1)的优选方向(R)上可逆地改变所述功能单元的尺寸。

3.根据权利要求2所述的致动器系统(10)，

其中，所述材料是电绝缘弹性体、电绝缘聚合物或金属合金，特别是镍钛诺。

4.根据权利要求1至3之一、特别是根据权利要求1所述的致动器系统(10)，其中，所述至少一个功能单元(1)由具有压电特性的材料形成，并且其中，所述功能单元(1)被设计为在被施加电压时在所述功能单元(1)的优选方向(R)上可逆地改变所述功能单元的尺寸。

5.根据权利要求1至4之一、特别是根据权利要求1所述的致动器系统(10)，其中，所述至少一个功能单元(1)由基于电活化聚合物的材料形成，并且其中，所述功能单元(1)被设计为在被施加电压时在所述功能单元(1)的优选方向(R)上可逆地改变所述功能单元的尺寸。

6.根据权利要求1至5之一所述的致动器系统(10)，

其中，所述至少一个功能单元(1)包括液压元件，所述液压元件由填充有非导电液体的多个柔性聚合物膜制成，并且其中，所述液压元件涂覆有柔性导电凝胶。

7.根据权利要求1至6之一所述的致动器系统(10)，

其中，多个功能单元(1)分别在其优选方向(R)上串联连接以形成纤维状或股束状功能组，其中，功能组的所有所述功能单元(1)能够在被供给能量时被激活，使得由此产生的所述功能组的总行程是由所述功能组的各个功能单元(1)的所有各个行程的总和组成的。

8.根据权利要求1至7之一所述的致动器系统(10)，

其中，至少两个功能单元(1)彼此平行地布置，使得在被供给能量时，由所述至少两个平行布置的功能单元(1)产生的总力对应于在被供给能量时能够由所述至少两个功能单元(1)产生的各个力的总和。

9.根据权利要求1至8之一所述的致动器系统(10)，

其中，所述致动器系统(10)具有第一组功能单元(1)和至少一个第二组功能单元(1)，其中，所述第一组和该第二组功能单元通过将能量相应地供给到相应组的功能单元(1)而能够各自彼此独立地致动。

10.根据权利要求9所述的致动器系统(10)，

其中，所述第一组的功能单元(1)被设计为在被供给能量时在所述相应的功能单元(1)的优选方向(R)上收缩，并且其中，所述至少一个第二组的功能单元(1)被设计为在被供给能量时在所述相应的功能单元(1)的优选方向(R)上伸展。

11.根据权利要求1至10之一所述的致动器系统(10)，

其中，至少一个功能单元(1)被设计为无源传感器单元，所述无源传感器单元被设计为根据所述功能单元(1)的在其优选方向(R)上的尺寸变化而输出相对应的电信号。

12.根据权利要求1至11之一的致动器系统作为EOAT设备(20)的致动构件(21、22、23)的机械驱动器的使用。

13.一种EOAT设备(20)、特别是呈夹持器或切割工具形式的EOAT设备，所述EOAT设备具有至少一个致动构件(21、22、23)以及分配给所述至少一个致动构件(21、22、23)的致动器系统(10)，其中，所述致动器系统(10)是根据权利要求1至11之一所述的致动器系统(10)。

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