DE10016038A1 - Mobil zur Bewegungserzeugung durch Ausnutzung nichtholonomer Zwangsbedingungen - Google Patents

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit geschlossener mechanischer Struktur zu schaffen, die unter Ausnutzung nichtholonomer Zwangsbedingungen, hervorgerufen durch Elemente der Vorrichtung mit richtungabhängigen Reibwerten zwischen Element und Boden, eine Bewegung parallel zum Boden mit einer beliebigen Bewegungsbahn ermöglicht. DOLLAR A Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, daß ein viergliedriges Koppelgetriebe mit Schneidenrädern zur Erzeugung nichtholomer Zwangsbedingungen, aufgrund ihrer richtungsabhängigen Reibung mit dem Boden, versehen wird, die jeweils in der Mitte der Koppeln angebracht und deren Drehachsen identisch mit den Längsachsen der Koppeln sind, und daß der Mechanismus in seinen Gelenken über Pneumatikzylinder verfügt, deren Längsachsen mit den Drehachsen der Gelenke identisch sind, und deren Kolbenstangen als Stützen ausgefahren werden können, um durch ein einseitiges Anheben des Mechanismus die der Stütze benachbarten Schneidenräder vom Boden zu heben und deren Zwangsbedingungen aufzuheben. Die eingentliche Bewegung der Vorrichtung erfolgt dann aufgrund der Bewegung des Koppelgetriebes mittels eines weiteren Pneumatikzylinders. DOLLAR A Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die eine translatorische Bewegung bzw. Vortriebskraft unter Ausnutzung nichtholomerer Zwangsbedingungen, hervorgerufen durch richtungsabhängige Reibung zwischen Teilen der Vorrichtung und dem Boden, erzeugen kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die eine translatorische Bewegung bzw. Vortriebskraft unter Ausnutzung nichtholonomer Zwangsbedingungen, hervorgerufen durch richtungsabhängige Reibung zwischen Teilen der Vorrichtung und dem Boden, erzeugen kann.

Mit der weiteren Entwicklung der Mikrotechnik entsteht zunehmend die Notwendigkeit zur Entwicklung kleinster Bewegungssysteme, die als Transportplattformen für existierende oder ebenfalls in der Entwicklung befindliche Mikrosensoren und -werkzeuge dienen.

Um örtlich und zeitlich unbeschränkte, translatorische Bewegungen eines Systems zu erzeugen, werden im klassischen Maschinenbau überwiegend Räder eingesetzt. Da Welle-Nabe-Paarungen in Mikrostrukturen aber kaum zu realisieren sind, kann das Bewegungselement Rad in der Mikrotechnik nicht verwendet werden. Laufmaschinen, als Alternative zum Radantrieb, wurden bisher ebenfalls noch nicht mikrotechnisch realisiert, da ihre Entwicklung selbst im Makrobereich noch unzureichend und größtenteils auf vorhandene Prototypen beschränkt ist.

Der derzeitige Stand der Mikrotechnik beschränkt sich auf kriechende Systeme, deren translatorische Bewegung durch den Wechsel zwischen Haft- und Gleitreibung erzeugt wird. Die Bewegung ist dabei nur entlang einer Raumrichtung oder innerhalb einer Führung oder nur mit verhältnismäßig großen Krümmungsradien der Bewegungsbahn möglich.

Im Makrobereich existieren bereits mehrere funktionsfähige Prototypen kriechender Roboter, deren Fortbewegung auf dem Prinzip der Schlangenbewegung beruht. Um die nichtholonomen Zwangsbedingungen zu realisieren, die diese Bewegungsform voraussetzt, kommen bei den meisten realisierten Systemen Räder zum Einsatz. Zum Zwecke der Miniaturisierung könnten die verwendeten Räder durch andere, mikrostrukturtechnisch-realisierbare Elemente ersetzt werden, die ebenfalls richtungsabhängige Reibwerte aufweisen und somit nichtholonome Zwangsbedingungen erzeugen. Dennoch sind diese schlangenähnlichen Roboter als Vorbild für mikrotechnische Bewegungssysteme derzeit ungeeignet, da sie eine hohe Anzahl an Antrieben mit großem Bewegungsbereich erfordern. Außerdem schränkt die offene Struktur der Mechanismen (offene Kette) die Auswahl verwendbarer Antriebe ein.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung mit geschlossener mechanischer Struktur zu schaffen, die unter Ausnutzung nichtholonomer Zwangsbedingungen, hervorgerufen durch Elemente der Vorrichtung mit richtungsabhängigen Reibwerten zwischen Element und Boden, eine Bewegung parallel zum Boden mit einer beliebigen Bewegungsbahn ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Bewegungssysteme, die auf der Basis der Erzeugung nichtholonomer Zwangsbedingungen beruhen, können sich, in einer Ebene zwischen Punkten beliebiger Entfernung bewegen, ohne zwingend über rollende Elemente zu verfügen, die auf dem Boden abrollen. Die Fortbewegung dieser Systeme wird durch zeitlich periodische Zustandsänderungen von Glied-Gelenk-Ketten in Wechselwirkung mit dem Boden (nichtholonomer Zwangsbedingungen) erzeugt, die die Struktur der Bewegungssyteme maßgeblich bestimmen.

Mechanismen mit geschlossenen mechanischen Strukturen haben einen geringeren Freiheitsgrad als offene Strukturen und benötigen somit weniger Antriebe, die zudem gemäß der geforderten Genauigkeit beliebig ausgewählt werden können. Aufgrund der geringeren Zahl an Antrieben reduziert sich der Steuerungsaufwand für das Gesamtsystem.

Geschlossene mechanische Strukturen verfügen über eine hohe Steifigkeit und erfordern bei Ausführung als Koppelgetriebe einen geringen fertigungstechnischen Aufwand. Dabei ist die Möglichkeit der Gestaltung als stoffkohärente Struktur gerade für die Mikrotechnik von Bedeutung, da die klassische Lösung der Verwendung von Starrkörper-Gelenken nicht unbegrenzt miniaturisiert werden kann.

Für eine zwangläufige Bewegung eines viergliedrigen Koppelgetriebes (Freiheitsgrad: 1) wird nur ein Antrieb benötigt, der durch entsprechende Steuerung eine zeitlich periodische Zustandsänderung des Getriebes hervorruft. Ausgehend von vier gleichlangen Gliedern weist der Mechanismus mindestens zwei orthogonal zueinander liegende Symmetrieachsen auf. Betrachtet man die periodischen Zustandsänderungen des Mechanismus bezüglich dieser Symmetrieachsen, so ist festzustellen, daß der Mechanismus zeitlich-phasenverschoben die gleichen geometrischen Zuständsänderungen aufweist. Durch gesteuerte Aktivierung der Elemente, die die nichtholonomen Zwangsbedingungen erzeugen, ist eine zeitlich getrennte Bewegung des Systems in zwei orthogonal zueinander liegenden Richtungen unter Nutzung desselben Antriebs möglich.

Der ständige Wechsel der Bewegungsrichtung des Systems zwischen zwei orthogonalen Richtungen ermöglicht das quasi-geradlinige Ansteuern von Zielpunkten, unabhängig von der Ausgangslage und -richtung des Bewegungssystems.

Das Prinzip der Bewegung beruht auf der zeitlich periodischen Änderung des Zustandes eines Koppelgetriebes verbunden mit der zeitlich periodischen Aktivierung und Deaktivierung nichtholonomer Zwangsbedingungen.

Fig. 1 Darstellung einer Abfolge an Einzelbewegungen eines Systems bei einem Schritt

Fig. 2 Darstellung der Fortbewegung eines Systems bei einem Schritt

Fig. 3 Technisch-realisierte Vorrichtung zur Bewegungserzeugung durch Nutzung nichtholonomer Zwangsbedingungen

Fig. 4 Darstellung der Vorrichtung aus Fig. 3, einseitig angehoben durch das Ausfahren einer Stütze

Zu diesem Zweck wird ein rhombenförmiges, viergliedriges Koppelgetriebe mit Schneiden (oder Schneidenrädern) versehen, deren Wechselwirkung mit dem Boden durch Senken und Heben der Schneiden aktiviert bzw. deaktiviert werden kann. Somit ergeben sich aufgrund der richtungsabhängigen Reibung zwischen den jeweils aktivierten Schneiden und dem Boden (geringe Reibung in Schneidenrichtung, große Reibung orthogonal zur Schneidenrichtung) nichtholonome Zwangsbedingungen. Die Schneiden befinden sich jeweils in der Mitte der Koppelglieder und sind senkrecht zu ihnen gerichtet. Wird ein Koppelglied um ein angrenzendes Gelenk gedreht, so daß alle auf dem Glied liegenden Punkte eine Kreisbewegung um das Gelenk ausführen, so liegt die Schneide jederzeit tangential am Kreisbogen des Befestigungspunktes der Schneide am Koppelglied.

Die Bewegung des Systems, dargestellt in Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden, erfolgt dadurch, daß ausgehend vom Anfangszustand die Schneiden zweier benachbarter Koppelglieder (1; 2) gesenkt und in Eingriff mit dem Boden gebracht werden. Die Schneiden der anderen Koppelglieder (3; 4) haben keinen Kontakt zum Boden. Außerdem muß mittels einer Stütze ein dritter Auflagepunkt zwischen System und Boden mit möglichst kleiner, richtungsunabhängiger Reibung geschaffen werden. Anschließend werden die Winkel zwischen den Koppelgliedern durch Aktivierung des Antriebs (5) verändert, so daß sich die Schneiden von (1) und (2) auf Kreisbahnen um das gemeinsame Gelenk bewegen und der Schwerpunkt des Systems parallel zum Boden, in Richtung einer Symmetrieachse (Rhombenachse), verschoben wird. Nach Ausführung dieser Bewegung, Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. (b), werden die Schneiden der Koppelglieder (1) und (2) vom Boden abgehoben und die Schneiden von (3) und (4) durch Absenken in Kontakt mit dem Boden gebracht, Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. (c). Daraufhin erfolgt eine Rückbewegung des Antriebes und die Winkel zwischen den Koppelgliedern nehmen wieder ihre Anfangswerte an. Dadurch findet erneut eine Verschiebung des Schwerpunktes des Systems, parallel zum Boden, in Richtung der einen Symmetrieachse (Rhombenachse), statt. Der Schwerpunkt wird um denselben Weg-Vektor wie zuvor verschoben und der Mechanismus befindet sich außerdem wieder in seinem Anfangszustand, Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. (d). Eine Bewegung in der umgekehrten Richtung kann durch Umkehrung der Abfolge der beschriebenen Einzelbewegungen des Systems erfolgen. Der bei einer Abfolge von Einzelbewegungen zurückgelegte Weg (Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.) des Systems kann als Schrittlänge verstanden werden. Statt der Schneiden der Koppelglieder (1) und (2) können ausgehend vom Anfangszustand auch die Schneiden der Koppelglieder (1) und (4) abgesenkt werden. Wird anschließend die beschriebene Abfolge an Einzelbewegungen analog ausgeführt, so findet eine Bewegung des Systems statt, die orthogonal zur bereits beschriebenen Bewegung liegt. Auch diese Bewegung kann umgekehrt werden, indem man die Abfolge der Einzelbewegungen umkehrt.

Die Schrittlänge der Bewegung des Systems kann durch Steuerung der Antriebsbewegung (Antriebsweg) beeinflußt werden. Bei Verwendung eines entsprechenden Antriebes kann die Schrittlänge somit jeden beliebigen Wert in den beiden möglichen, orthogonal zueinander liegenden Bewegungsrichtungen annehmen. Daraus ergibt sich, daß das Bewegungssystem jede beliebig gerichtete, geradlinige Bewegung (in einer vom Boden vorgegebenen Ebene) durch Kombination von Einzelschritten (vergleichbar einer Linearkombination von Vektoren) ausführen kann.

Ein technisch-realisiertes Ausführungsbeispiel des beschriebenen Bewegungsprinzips ist in Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Ein viergliedriges Koppelgetriebe mit vier gleichlangen Gliedern (1) wurde mit Schneidenrädern (2) versehen, die so in der Mitte des jeweiligen Koppelgliedes angebracht wurden, daß die Längsachse der Koppel und die Drehachse des Rades identisch sind. Weiterhin wurde der Mechanismus in seinen Gelenken mit Pneumatikzylindern (3) versehen, deren Längsachsen mit der Drehachse des jeweiligen Gelenkes identisch sind. Beim Ausfahren des Kolbens eines Zylinders, wird der Mechanismus an dem entsprechenden Gelenk angehoben, so daß nur noch das Ende der Kolbenstange und die beiden, dem Gelenk gegenüberliegenden Schneidenräder Kontakt zum Boden haben. Um geringe, richtungsunabhängige Reibung zwischen den als Stützen dienenden Kolbenstangen und dem Boden zu gewährleisten, wurden die Enden der Kolbenstangen mit nach oben offenen Halbkugeln (4) versehen. Ein weiterer Pneumatikzylinder (5) wird als Hauptantriebselement zur Bewegung des Mechanismus verwendet und wurde dementsprechend mit dem Mechanismus verbunden.

Die Bewegung des Mechanismus erfolgt gemäß des beschriebenen Bewegungsprinzips. Allerdings wird das Anheben der nicht benötigten Schneidenräder durch einseitges Anheben des gesamten Mechanismus realisiert. Dazu wird die zwischen den Koppeln (gemeinsames Gelenk) der ent­ sprechenden Schneidenräder befindliche Stütze ausgefahren. Anschließend erfolgt durch Aktivierung des Antriebszylinders die Bewegung des Mechanismus. Aufgrund der geringen Reibung zwischen Stütze und Boden - im Vergleich zu den Seitenführungskräften der Schneidenräder - gleitet die Stütze dabei über den Boden. Und die Schneidenräder bewegen sich rollend auf einer Kreisbahn, mit dem gemeinsamen Drehgelenk ihrer Koppeln als Zentrum. Wird die Stütze deaktiviert, dann sinkt das System aufgrund seines Eigengewichtes auf der angehobenen Seite wieder ab und die Koppelstange fährt ein. Durch Aktivierung der gegenüberliegenden Stütze und anschließende, umgekehrte Bewegung des Antriebszylinders, wird ein weiterer Schritt in dieselbe Bewegungsrichtung wie bereits zuvor ausgeführt. Nach erfolgter Deaktivierung der nun ausgefahrenen Stütze, befindet sich das System wieder in seinem Anfangszustand.

Aufgrund des symmetrischen Aufbaus des Systems (vier ausfahrbare Stützen) ist eine Bewegung in vier Richtungen (vor-/rückwärts in zwei orthogonalen Richtungen) möglich.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Erzeugen einer Bewegung durch Ausnutzung nichtholonomer Zwangsbedingungen, dadurch gekennzeichnet, daß ein viergliedriges Koppelgetriebe mit Schneidenrädern zur Erzeugung nichtholomer Zwangsbedingungen, aufgrund ihrer richtungsabhängigen Reibung mit dem Boden, versehen wird, die jeweils in der Mitte der Koppeln angebracht und deren Drehachsen identisch mit den Längsachsen der Koppeln sind, und daß der Mechanismus in seinen Gelenken über Pneumatikzylinder verfügt, deren Längsachsen mit den Drehachsen der Gelenke identisch sind, und deren Kolbenstangen als Stützen ausgefahren werden können, um durch ein einseitiges Anheben des Mechanismus die der Stütze benachbarten Schneidenräder vom Boden zu heben und deren Zwangsbedingungen aufzuheben. Die eigentliche Bewegung der Vorrichtung erfolgt dann aufgrund der Bewegung des Koppelgetriebes mittels eines weiteren Pneumatikzylinders.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß andere Antriebe zum Ausfahren der Stützen und der Bewegung des Koppelgetriebes verwendet werden.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Schneidenräder selbst durch Antriebe vom Boden abgehoben werden.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Heben und Senken von Teilen der Vorrichtung mittels Mechanismen realisiert ist, die alle von einem Antriebselement angetrieben werden.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelgetriebe mehr als vier Glieder besitzt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelgetriebe durch eine stoffkohärente Struktur mit Festkörpergelenken realisiert ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelgetriebe durch eine stoffkohärente Rahmenstruktur mit nachgiebigen Bereichen realisiert ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtholonomen Zwangsbedingungen durch gleitende Elemente mit bewegungs-richtungsabhängigen Reibwerten erzeugt werden.