DE10017104A1

DE10017104A1 - Fluidmechanisches Antriebselement

Info

Publication number: DE10017104A1
Application number: DE2000117104
Authority: DE
Inventors: Gerhard Boegelsack
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2000-04-06
Filing date: 2000-04-06
Publication date: 2001-10-11

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein fluidmechanisches Antriebssystem anzugeben, dass miniaturisierungsfreundlich und einfach herstellbar ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Membranstruktur mechanisch anisotrope Eigenschaften aufweist, in Richtung der Zugkraft durch ringförmige dehnungsarme Manschetten begrenzt und bei Innendruck nach außen gewölbt ist. DOLLAR A Die Erfindung betifft ein fluidmechanisches Antriebselement zur Bewegungs- und Zugkrafterzeugung, vorzugsweise für manipulatorische und lokomotorische Bewegungssysteme, bestehend aus einer in sich geschlossenen räumlichen Membranstruktur.

Description

Die Erfindung betrifft ein fluidmechanisches Antriebselement zur Bewegungs- und Zugkrafterzeugung, vorzugsweise für manipulatorische und lokomotorische Bewegungssysteme, bestehend aus einer in sich geschlossenen räumlichen Membranstruktur.

In der hydraulischen und pneumatischen Technik sind seit langem Antriebselemente im Einsatz, die unter Ausnutzung des Verdrängungsprinzips mit Hilfe von starren Zylindern und Kolben Wirkelemente translatorisch bewegen. Je nach Verdrängungsrichtung wird dabei das jeweilige unmittelbar angeschlossene Wirkelement auf Druck oder Zug beansprucht. Wegen der Starrheit der Bauelemente erfolgt die Volumenveränderung nur in Richtung der Zylinderachse, die Relativbewegungen zwischen Kolben und Zylinder sind von äußerer Reibung begleitet.

Es ist auch bekannt, daß mit dem Aufpumpen einer Gummiblase eine Zugkraft erzeugt und durch serielle Anordnung mehrerer Blasen eine Vergrößerung des Zugweges erreicht werden kann (F. Reuleaux, Lehrbuch "Theoretische Kinematik" Vieweg Braunschweig 1875). Das Prinzip findet sich wieder in Entwicklungen des Ichiro Kato Laboratory der Waseda University Tokyo ab 1968. Darin tritt bereits die Fesselung von Elastomer-Blasen durch außen verlaufende längenkonstante Zugmittel (wie Seile, Bänder, Fäden) und die Verwendung dehnungsarmer Manschetten auf. Die Herstellung dieser Antriebselemente ist sehr montageaufwendig und nicht für die Miniaturisie rung geeignet.

Eine andere Entwicklungsrichtung nutzt die kontraktorischen und dilatorischen Eigenschaften von gelenkigen rhombischen Strukturen: Ein elastischer Schlauch wird schraubenförmig und gegenläufig so mit längenkonstanten Zugmitteln umgeben oder durchzogen, daß sich in der Schlauchwand eine Vielzahl von Rhomben bilden. Unter Druck weiten sich die Rhomben auf und verkürzen sich zugleich. Die Verkürzung wird zur Auskopplung einer Zugkraft genutzt. Hierzu wurden A. H. Morin 1947 in Frankreich und 1953 in USA Patente (US Patent 2642091) für einen durch ein Flechtwerk armierten Schlauch erteilt. Weitere Entwicklungen folgten um 1960 in den USA, bekannt unter der Bezeichnung "McKibben Muscle" und in Japan als "Rubbertuator" von der Bridgestone Corporation Tokyo. In Deutschland bietet seit 1999 die Firma FESTO Pneumatik den von D. Bergemann entwickelten "Technischen Muskel" an. Diese Antriebselemente beruhen alle auf dem gleichen mechanisch-kinematischen Prinzip, unterscheiden sich aber durch die Anordnung bzw. Einbettung der zugkraftübertragenden Elemente und die Her stellungstechnologie. Sie sind ebenfalls nicht sehr miniaturisierungsfreundlich und in der Herstellung aufwendig. Der nutzbare Zugweg liegt nur im Bereich von 20 bis 30% der Aktuatorlänge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein fluidmechanisches Antriebssystem der eingangs genannten Art anzugeben, dass miniaturisierungsfreundlich und einfach herstellbar ist.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen von Patentanspruch 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Unter Überwindung von Mängeln der bekannten Lösungen wird mit einer in sich geschlossenen räumlichen Struktur bei Beaufschlagung mit einem Innendruck die Erzeugung einer zugkraftbewirkten Bewegung erreicht werden.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Druckraum durch eine verformbare Membranstruktur mit anisotropen mechanischen Eigenschaften und begrenzenden, vergleichsweise nur unwesentlich dehnbaren Manschetten gebildet wird. Die Anisotropie der Membranstruktur besteht darin, daß zugbelastete Mantellinien vorhanden sind, die während der Verformung ihren relativen Abstand voneinander, jedoch nicht ihre Länge wesentlich verändern. Unter der Wirkung eines Innendruckes weitet sich die Membran zu einer Blase auf, wobei sich die Abmessungen der Membranstruktur in Zugrichtung um den Zugweg verringern. In Abhängigkeit vom Innendruck verformt sich die Membran bis sie ihr maximales Volumen erreicht hat, das durch die Geometrie der Ausgangsstruktur, die Länge der Mantellinien und die Verformbarkeit von Membran und Mantellinien bestimmt wird. Die Mantellinien sind entweder unelastisch biegeschlaff oder elastisch biegsam, oder sie sind in gelenkig miteinander verbundenen Gliedern verkörpert. Die Membran ist zwischen den Mantellinien elastisch dehnbar oder unelastisch biegeschlaff. Bei einer Verringerung des relativen Abstandes der Mantellinien tritt an einer unelastisch biegeschlaffen Membran während der Verformung Faltenbildung auf.

Durch serielle Anordnung mehrerer, durch dehnungsarme Manschetten miteinander verbundener Membranstrukturen wird der Betrag der Gesamtkontraktion im Verhältnis zur Dilatation vergrößert, bei paralleler Anordnung mehrerer derartiger Strukturen erhöht sich die erzeugbare Zugkraft.

Vier Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung an Hand folgender zugehöriger Zeichnungen erläutern:

Fig. 1 schlauchförmiges fluidmechanisches Antriebselement,

Fig. 2 schlauchförmiges fluidmechanisches Antriebselement als Kopplung mehrerer Segmente,

Fig. 3 doppelscheibenförmiges fluidmechanisches Antriebselement,

Fig. 4 doppelpyramidenförmiges fluidmechanisches Antriebselement,

Fig. 5 triadisch gekoppelt elliptoidische fluidmechanische Antriebselemente,

Fig. 6 ringförmig angeordnete, seriell fluidmechanische Antriebselemente gekoppelt.

In dem in Fig. 1 dargestellten Antriebselement ist die Membran ein Schlauch S aus einem mechanisch anisotropen Werkstoff. Er ist längs der axial verlaufenden Mantellinien nur unwesentlich dehnbar, läßt jedoch eine deutliche elastische Erweiterung des Umfangs zu. Seine aktive Länge L wird in Längsrichtung durch die nicht wesentlich dehnbaren Manschetten M1 und M2 begrenzt, die mit dem Schlauch fest verbunden sind. Der Schlauchanfang a ist die Eintrittsöffnung für ein fluidisches Medium, das Schlauchende b ist durch ein Verschlußstück V hermetisch verschlossen. Unter der Wirkung des Druckes p eines fluidischen Mediums weitet sich der Schlauch bei gleichbleibender aktiver Länge L zu einer ellipsoidisch geformten Blase B auf. Dabei verringert sich der axiale Abstand zwischen Schlauchanfang a und Schlauchende b um die Wegstrecke s, wie in Fig. 1 rechts im Bild gezeigt ist. Die größte erreichbare Kontraktion wird durch das bei konstanter Länge L maximal mögliche Volumen der Blase B bestimmt, bei dem sie etwa die Form eines abgeplatteten Ellipsoids annimmt.

In Fig. 2 sind drei aktive Schlauchsegmente S1 . . . S3 seriell angeordnet. Die begrenzenden Manschetten M1 . . . M4 sind als stoffkohärente Bestandteile des Schlauches ausgeführt, so daß anisotrope, zirkumferential dehnbare und längs der Mantellinien nicht wesentlich dehnbare Segmente S mit den weder axial noch zirkumferential wesentlich dehnbaren Manschetten M abwechseln. Der Zugweg s verdreifacht sich gegenüber dem eines einzelnen Schlauchsegmentes, während sich das Verhältnis von Blasendurchmesser zur Summe der aktiven Segmentlängen deutlich verringert.

In dem in Fig. 3 dargestellten Antriebselement ist die Membranstruktur eine kreisförmige biegeschlaffe Doppelscheibe D aus zwei deckungsgleichen Kreisscheiben, die an den Rändern miteinander fest und druckdicht verbunden sind. Die Scheiben sind in jedem beliebigen Punkt krümmbar, aber in der Tangentialebene des jeweiligen Punktes in allen Richtungen nur unwesentlich dehnbar. Die zugfeste Eingangsmanschette M1 erlaubt den Eintritt eines fluidischen Mediums, das Verschlußstück V dient der Auskopplung der Zugkraft F. Unter der Wirkung des Druckes p eines fluidischen Mediums weitet sich die Doppelscheibe mit dem Durchmesser d zu einer Blase B in der angenäherten Form eines abgeplatteten Ellipsoids mit radialen Mantellinien auf, wie in Fig. 3 rechts im Bild gezeigt ist. Dabei verringert sich der Durchmesser der Doppelscheibe, wodurch wegen des unveränderlichen Inhalts der beiden ursprünglichen Kreisflächen eine Faltenbildung zustande kommt. Die Differenz zum ursprünglichen Durchmesser d ist der Zugweg s.

In Fig. 4 ist die in tangentialer Umfangsrichtung nachgiebige Membran fest verbunden mit einem als Führungs- und Stützstruktur dienenden Mehrfachketten-Mechanismus. Dessen aktive Glieder sind paarweise gelenkig miteinander und jeweils mit den Manschetten M1 und M2 verbunden. Unter Wirkung des Innendruckes p bilden sie eine doppelte pyramiden- bzw. kegelähnliche Struktur. Bei maximalem Volumen erreicht der Zugweg s etwa 40% der Länge L.

In Fig. 5 sind drei ellipsoidisch vorgeformte, elastische Membranstrukturen E1, E2, E3 mit je einer Versorgungsleitung für ein fluidisches Medium zu einer Triade in axialer Richtung verbunden. Das mittlere Element E2 ist ein verlängertes Ellipsoid, das unter Druckbeaufschlagung seinen Durchmesser vergrößert und seine Länge verringert, die beiden äußeren Elemente E1 und E3 sind abgeplattete Ellipsoide, die unter Druck ihren Durchmesser verringern und die axiale Ausdehnung vergrößern. Die Membranstrukturen sind zirkumferentiell dehnbar, in Richtung der Mantellinien der Ellipsoide nicht. Bei radialer diametraler Abstützung und Führung in einem Rohr R mit beliebigem symmetrischen Querschnittsprofil und bei sequentieller Druckbeaufschlagung der drei einzelnen Elemente führt die Triade aufeinanderfolgende Schrittbewegungen nach dem "Inch-Worm-Prinzip" aus. Dabei werden die folgenden Zustände durchlaufen: Die präformierte Anfangsstruktur wird in beiden äußeren Elementen E1 und E3 mit Druck beaufschlagt, um sie in das Rohr einzuführen (Zustand 0). Anschließender Druckabfall in E1 führt zur elastischen Rückformung von E1 und zur radialen Arretierung der Struktur (Zustand 1). Druck in E2 zieht die Struktur bei arretiertem E1 zusammen (Zustand 2). Druckabfall in E3 bewirkt zweifache Arretierung (Zustand 3). Druckbeaufschlagung von E1 und Rücknahme des Druckes in E2 verursachen axialen Vortrieb (Zustand 4). Erneute Arretierung von E1 sichert den zurückgelegten Weg s (Zustand 5).

In Fig. 6 sind sechs Schlauchelemente S1 . . . S6 ringförmig angeordnet und seriell aneinander gekoppelt. Unter Wirkung eines in allen Elementen vorhandenen Innendruckes verformen sich die Schlauchelemente zu Blasen, bis diese ihr maximal mögliches Volumen erreicht haben. Der innere Durchmesser des Ringes verringert sich dabei sehr deutlich sowohl durch die kontaktionsbedingte Verkürzung des Ringumfangs wie auch durch die dilatationsbedingte radiale Erweiterung der einzelnen Blasen.

Bezugszeichenliste

S Schlauch
S1 . . . S6 Schlauchsegmente
B Blase
M1, M2, M3, M4 Manschetten
V Verschlußstück
F Zugkraft
L aktive Schlauchlänge
s Zugweg
E1, E2, E3 Strukturelemente
p Innendruck
a Schlauchanfang
b Schlauchende
d Durchmesser der Doppelscheibe
α Öffnungswinkel
R Rohr

Claims

1. Fluidmechanisches Antriebselement zur Bewegungs- und Zugkrafterzeugung, vorzugsweise für manipulatorische und lokomotorische Bewegungssysteme, bestehend aus einer in sich geschlossenen räumlichen Membranstruktur, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranstruktur mechanisch anisotrope Eigenschaften aufweist, in Richtung der Zugkraft durch ringförmige dehnungsarme Manschetten begrenzt und bei Innendruck nach außen gewölbt ist.

2. Antriebselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranstruktur aus einem nachgiebigen Schlauch besteht, dessen axial verlaufende Mantellinien in den axialen Schnittebenen krümmbar sind und der in tangentialer Richtung seines Umfangs eine deutlich größere Dehnungsnachgiebigkeit aufweist als längs der Mantellinien.

3. Antriebselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranstruktur aus einer biegeschlaffen Doppelscheibe besteht, deren radial verlaufende Mantellinien krümmbar und nur unwesentlich dehnbar sind.

4. Antriebselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranstruktur aus einem als Doppelpyramide angeordneten Mehrfachketten-Mechanismus und damit verbundener, anisotrop nachgiebiger Membran besteht, deren Mantellinien in den axialen Schnittebenen konisch verlaufen und die in tangentialer Richtung ihres Umfangs eine deutlich größere Dehnungsnachgiebigkeit aufweist als längs der Mantellinien.

5. Antriebselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die schlauchartige Struktur aus einem mechanisch anisotropen Material besteht, das den Umfang des Schlauches deutlich zu vergrößern gestattet und in axialer Richtung nur geringfügig dehnbar ist.

6. Antriebselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die schlauchartige Struktur in axialer Richtung verlaufende, das Material eigenverstärkende Rippen enthält.

7. Antriebselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in das Material der schlauchartigen Struktur axial verlaufende zugkraftübertragende Fasern eingebettet sind.

8. Antriebselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die begrenzenden ringförmigen Manschetten isotroper Dehnungsunnachgiebigkeit sich mit der anisotropen schlauchartigen Struktur in stofflichem Zusammenhang befinden.

9. Antriebselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die begrenzenden ringförmigen Manschetten auf die schlauchartige Struktur aufgesetzt und mit ihr fest verbunden sind.

10. Antriebselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die schlauchartige Struktur durch mehr als zwei in axialer Richtung verteilte Manschetten in mehrere Segmente unterteilt ist.

11. Antriebselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Umriß der Doppelscheibe durch eine von der Kreisform abweichende geschlossene ebene Kurve gebildet wird.

12. Antriebselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran aus einem nur unwesentlich dehnbaren Werkstoff besteht, der in den einzelnen Strukturzuständen unterschiedliche Falten bildet.

13. Antriebselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranstruktur aus drei voneinander unabhängig gesteuerten Membranelementen zusammengesetzt ist, von denen unter Druck ein Element ein dem der beiden entgegengesetztes Ausdehnungsverhalten aufweist.

14. Antriebselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere seriell gekoppelte Membranelemente einen geschlossenen Ring bilden.