DE102006012431B4

DE102006012431B4 - Aktor

Info

Publication number: DE102006012431B4
Application number: DE200610012431
Authority: DE
Inventors: Harald Dipl.-Ing. Staab
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2006-03-17
Filing date: 2006-03-17
Publication date: 2008-07-24
Anticipated expiration: 2026-03-18
Also published as: DE102006012431A1

Abstract

Aktor mit einem eine Welle in Rotation versetzenden Wellenantrieb, um dessen Welle wenigstens ein band- oder seilartiges Element, im folgenden Seil genannt, auf- und/oder abwickelbar ist, das über eine Seillänge verfügt und zwei Seilenden aufweist, wobei die Seilenden jeweils mit einem Seilbefestigungslager verbindbar sind, die Seilbefestigungslager relativ zu der Welle weitgehend diametral gegenüberliegen, das mit der Welle verbundene Seil zwischen beiden Seilbefestigungslagern einen straffen Zustand einnimmt und das Seil längs seiner Seillänge in einem lokal begrenztem Seilbereich zwischen beiden Seilenden an einem Seilbefestigungsort mit der Welle verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass am Seilbefestigungsort ein Begrenzungselement derart ausgebildet und platziert ist, dass Seilkräfte jeweils an bezüglich einer Wellenachse der Welle diametral gegenüberliegenden Tangentenpunkten angreifen und
dass bei einer Rotation der Welle zum Zwecke des Aufwickelns des Seils auf die Welle beide von der Welle beabstandete Seilenden relativ zur Welle auf die Welle mit gleichen Geschwindigkeiten zu bewegbar...

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf einen Aktor mit einem eine Welle in Rotation versetzenden Wellenantrieb, um dessen Welle wenigstens ein band- oder seilartiges Element, im folgenden Seil genannt, auf- und/oder abwickelbar ist, das über eine Seillänge verfügt und zwei Seilenden aufweist.
Stand der Technik
Aktoren zur Übertragung in erster Linie von Zugkräften, beispielsweise zwischen einem mechanichem festen Gegenlager und einem gegenüber dem Gegenlager beweglich gelagerten Objekt, sind in mannigfaltiger Vielfalt bekannt. Eine sehr einfache Ausführungsform eines derartigen Aktors stellt eine mit einem festen Gegenlager verbundene, motorisch angetriebene Welle dar, um die ein Zugmittel, beispielsweise in Form eines Seils, bei entsprechender Wellendrehung aufgewickelt wird. Ist das lose Ende des Seils beispielsweise mit einem ansonsten lose gelagerten Objekt fest verbunden, so wird durch die motorunterstützte Seilaufwicklung das Objekt in Richtung des festen Gegenlagers gezogen. Nachteilhaft bei einer derartigen Aktoranordnung ist die direkte Lasteinwirkung unmittelbar auf die Welle, die es gilt geeignet stabil auszubilden und/oder stabil zu lagern. Selbstverständlich sind darüber hinaus derartige Aktorsysteme aus dem Bereich der mechanischen Antriebstechnik sowie im Hinblick auf die Ausbildung mikromechanischer Aktorsysteme aus dem Bereich der Feinwerk- und Mikromechanik beliebig kompliziert aufgebaute, motorisch unterstützte Zugspannungen zwischen entsprechenden Gegenlagern erzeugende Aktoren bekannt, die dem Antrieb bzw. der Lokomotion kinematischer Systeme dienen.
Von besonderem Interesse für die Ansteuerung beweglicher Mechaniken und deren Betrieb im industriellen Umfeld, beispielsweise der Betätigung von Greifer, Hebel, Klappen, Schieber etc. aber insbesondere auch für die Realisierung beweglicher Prothesen zum Zwecke der Nachbildung beispielsweise einer menschlichen Hand, oder für die Realisierung beliebig artikulierter Roboterkinematiken, wie sie bei Industrieroboterarmen oder künstlichen Fortbewegungsmechanismen eingesetzt werden, sind so genannte muskelähnliche Aktoren, die in der Lage sind sich unter großer Kraftgenerierung zusammenzuziehen und lediglich nur geringe Rückstellkräfte zu erzeugen vermögen, so dass ein entsprechendes Auseinanderziehen derartiger muskelähnlicher, in den komprimierten Zustand überführter Aktoren in den elagierten Zustand lediglich durch äußere Krafteinwirkung erreicht werden kann.
In der DE 2300104 B2 wird eine Vorrichtung beschrieben, mit der ein Maschendrahtzaun gespannt werden kann. Dazu ist ein hohler Pfosten mit radialen Bohrungen vorgesehen, in dem eine Wickelwelle gelagert ist. Die Maschendrahtzaunsegmente sind mittels Spanndrähten, die durch die radialen Bohrungen im Pfosten und durch diametrale Bohrungen der Wickelwelle geführt sind, miteinander verbunden. Der Maschendrahtzaun kann gespannt werden, indem die Wickelwelle, beispielsweise mit Handkraft, gedreht wird. Dabei wickelt sich der Spanndraht auf die Wickelwelle. Diese Aufwicklung des Spanndrahtes erfolgt hier unkontrolliert. Es sind keinerlei Maßnahmen getroffen, die dafür sorgen, dass die Seile so aufgewickelt werden, dass keine quer zur Wickelwelle wirkenden Momente entstehen.
In der US 5,046,375 A wird eine Anordnung beschrieben, mit der ein Arm einer Robotereinheit abgewinkelt werden kann. Die Vorrichtung besteht aus einer fest gelagerten Antriebseinheit mit einer Welle und einer beabstandeten, in einem ortsfesten Rahmen angebrachten Gelenkanordnung. Diese wiederum besteht aus einer ersten Welle auf der Paare aus starr verbundenen Rollen unterschiedlichen Durchmessers angeordnet sind. Die großen Rollen sind über Seile mit der Antriebswelle verbunden, wobei die Seile mit zueinander entgegengesetztem Drehsinn aufgewickelt sind. Die starr mit den großen Rollen verbundenen kleinen Rollen, sind über ebenfalls jeweils entgegengesetzt gewickelte Seile mit Rollen, die zusammen mit dem beweglichen Teil des Roboterarms auf einer zweiten Welle angeordnet sind, verbunden. Durch Ändern des Drehsinns der Antriebswelle kann der bewegliche Teil des Roboterarms auf bzw. ab bewegt werden (siehe 2). Die unterschiedlich großen Rollen ermöglichen eine Übersetzung der von der Antriebswelle aufgebrachten Kraft. Im Gegensatz zur erfindungsgemäßen Anordnung können sich die Seilenden nicht aufeinander zu bewegen.
Darstellung der Erfindung
Der im Weiteren beschriebene, neuartige Aktor, der die vorstehend geschilderten Eigenschaften hinsichtlich einer muskelähnlichen Funktion in sich vereint, stellt ein mechanisch sehr einfaches Konstruktions- und Wirkprinzip dar, und verfügt zudem über ein Höchstmaß an Integrationsfähigkeit in mechanisch komplexe Systeme und läßt sich überdies nahezu beliebig miniaturisieren. Mit Hilfe des neuartigen Aktors sind somit mit möglichst einfachen und kostengünstigen Mitteln kinematische und zur Lokomotion befähigte Systeme realisierbar, die insbesondere im Bereich der Prothetik sowie beliebig artikulierter Roboterkinematiken einsetz- und anwendbar sind.
Der neuartige Aktor weist einen, eine Welle in Rotation versetzenden Wellenantrieb auf, um dessen Welle wenigstens ein band- oder seilartiges Element auf- und/oder abwickelbar ist, das über eine Länge sowie zwei Element- bzw. Seilenden verfügt. Das band- oder seilartige Element verfügt über eine hohe Zugfestigkeit in Längsrichtung sowie Querelastizität um auf Wellen mit möglichst engen Radien aufgewickelt werden zu können. Grundsätzlich eignen sich hierzu handelsübliche Stahlseile bzw. Stahlseildrähte, wie sie in Form von Saiten von Saiteninstrumenten aus dem Musikbereich her bekannt sind. Auch können ganze Bündel aus feinen Stahldrahtfasern in geeigneter Weise verwendet werden, wie sie beispielsweise als „Vorfach" im Angelsport eingesetzt werden. Auch eignen sich aus Kunststoff bzw. Nylon gefertigte Seile, wie sie als handelsübliche Angel- oder Drachenschnüre erhältlich sind. Diese weisen eine etwas höhere Elastizität im Hinblick auf ein Aufwickeln der Seile um eine im Durchmesser kleindimensionierte Welle auf, vergleichbar zu Stahlseildrähten, verfügen jedoch ebenso über eine hohe Abriebfestigkeit und hohe Reißfestigkeit. Auch können anstelle handelsüblicher Stahlseildrähte oder Nylonschnüre dünne Stahlbänder eingesetzt werden, mittels derer sowohl hohe Zugkräfte als auch beträchtliche Schubkräfte übertragbar sind. Ohne die Vielzahl der vorstehend in nicht abschließender Form erläuterten möglichen Ausbildungsformen für die in der Anspruchsformulierung gewählte Formulierung „band- oder seilartiges Element" einschränken zu wollen, wird im weiteren aus Gründen einer einfacheren Beschreibung der Begriff „Seil" verwendet.
Das Seil ist vorzugsweise einstückig ausgebildet und weist eine von zwei Seilenden begrenzte Seillänge auf. In einem nicht notwendigerweise mittigen, zwischen den zwei Seilenden befindlichen, lokal begrenzten Seilbereich ist das Seil mit der Welle verbunden. Die Verbindung des Seils mit der Welle ist vorzugsweise in Form einer festen Verbindung ausgebildet, so dass das Seil bspw. längs seiner Erstreckung punktuell an der Welle fixiert ist. Die beiden Seilenden sind jeweils mit einem Seilbefestigungslager verbindbar, die der Welle weitgehend diametral gegenüberliegen, so dass das Seil stets einen gespannten Zustand einnimmt. Der Begriff „Seilbefestigungslager" ist allgemein zu verstehen und soll einen Kraftangriffspunkt beschreiben, an dem eine längs zur Seilserstreckung generierbare Kraft auf einen mit dem Kraftangriffspunkt verbundenen beliebigen Bereich oder auf ein mit dem Kraftangriffspunkt verbundenes beliebiges Objekt übertragen werden kann. So kann die Seilkraft am Seilbefestigungslager sowohl Zug- oder Schubkräfte übertragen und somit in Abhängigkeit der Ausbildung des Lagers bspw. durch Anbringen an einem peripheren Rand einer Drehscheibe ein Drehmoment erzeugen.
Durch Rotation der Welle beginnt sich das Seil auf die Welle aufzuwickeln, wodurch die mit dem Seilbefestigungslagern verbundenen Seilenden in Richtung der Welle gezogen werden. Wird hingegen die Welle durch den Wellenantrieb in die entgegengesetzt zur Aufwickelrichtung orientierte Richtung gedreht, so erfolgt eine entsprechende Abwicklung des Seils von der Welle. Denkbar wäre es auch zwei Seilstücke mit ihren jeweiligen Enden an der Welle zu verbinden, derart, als würde das Seil einstückig, wie vorstehend beschrieben ausgebildet sein. Auch ist es möglich mehr als ein Seil an einer Welle eines Wellenantriebes anzubringen, um die längs der Seilstränge übertragbaren Zug- und gegebenenfalls Schubkräfte in der Summe zu erhöhen.
Sei beispielsweise angenommen, dass beide Seilbefestigungslager relativ zum Wellenantrieb, der beispielsweise an einer mechanischen Tragstruktur oder einem festen mechanischen Gegenlager räumlich fixiert ist, lose gelagert sind, so bewegen sich die lose gelagerten Seilbefestigungslager jeweils mit gleicher Geschwindigkeit auf die Welle zu.
Ebenso ist es möglich, den Wellenantrieb samt Welle sowie eines der beiden Befestigungslager relativ zu dem anderen Befestigungslager, das beispielsweise an einem mechanischen Gegenlager bzw. auf einer geeignet ausgebildeten Tragstruktur fixiert ist, lose zu führen, so dass bei Wellenrotation sowohl der Wellenantrieb samt Welle als auch das lose geführte Seilbefestigungslager im Falle einer Seilaufwicklung auf die Welle in Richtung des fixierten Seilbefestigungslages bewegt werden.
Unabhängig von den vorstehend beschriebenen Lagerungsmöglichkeiten des Wellenantriebes relativ zu den zwei Seilbefestigungslagern wird das durch den Wellenantrieb längs der Welle auf das Seil wirkende Kraftmoment nahezu verlustfrei in eine auf die beiden Seilbefestigungslager wirkende Kraft umgewandelt, wobei, und dies ist der besondere Vorteil des lösungsgemäßen Aktorprinzips, die längs der Seile auftretenden Seilkräfte F nicht von der Welle des Wellenantriebes aufgenommen werden. Aus diesem Grunde kann die Welle überaus kleine Durchmesser aufweisen und selbst leistungsschwache Wellenantriebe vermögen auf diese Weise große Seilkräfte zu erzeugen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist es darüber hinaus möglich, das auf den Wellenantrieb einwirkende, durch den Aufwickelvorgang des Seils hervorgerufene Drehmoment zu kompensieren, indem zwei starr miteinander verbundene Wellenantriebe vorgesehen sind, deren Wellen mit jeweils unterschiedlichem Drehsinn rotieren. Über jede einzelne Welle verläuft ein Seil in der vorstehend beschriebenen Weise, die jeweils an gemeinsamen Seilbefestigungslagern angebracht sind. Neben der Kompensationswirkung, der durch jeden einzelnen Wellenantrieb hervorgerufenen Drehmomente, vermögen zwei starr miteinander verbundene Wellenantriebe die auf die Seilbefestigungslager einwirkenden Seilkräfte zudem zu verdoppeln. Es ist daher möglich, die Seilzugkräfte nahezu beliebig zu skalieren, indem entsprechend eine vorzugsweise geradzahlige Vielzahl von Wellenantrieben in der vorstehend beschriebenen Weise starr miteinander gekoppelt werden, wobei die jeweils mit den einzelnen Wellen verbundenen Seile einheitlich an den, der Vielzahlwellenanordnung diametral gegenüberliegenden Seilbefestigungslagern fest angebracht sind.
Gilt es nach entsprechendem Aufwickelvorgang, bei dem ein Teil oder die nahezu gesamte Seillänge auf jeweils einer Welle eines Wellenantriebes aufgewickelt ist, von dieser wieder abzuwickeln, so ist es erforderlich, dass beide oder wenigstens ein lose gelagertes Seilbefestigungslager kraftbeaufschlagt in eine entsprechende Abwickelrichtung gezogen wird. Der Abwickelvorgang kann durch entsprechende aktive Wellendrehung durch den Wellenantrieb unterstützt werden. Wie anhand einiger der nachfolgenden Ausführungsbeispiele zu entnehmen ist, kann durch kinematische Kopplung zweier Aktoren, beispielsweise über ein Doppelarmhebelsystem, der Abwickelvorgang eines Aktors durch den Aufwickelvorganges eines anderen Aktors vollzogen werden. Weitere Einzelheiten hierzu sind der weiteren Beschreibung vorbehalten.
Grundsätzlich können für den Wellenantrieb beliebige Rotationsbewegungen initiierende Antriebseinheiten eingesetzt werden, besonders geeignet sind Elektromotoren, beispielsweise handelsüblich erhältliche DC-Kleinmotoren, die aufgrund ihrer nur geringen Baugröße sehr flexible Anwendungs- und Integrationseigenschaften vorsehen und somit den Aufbau hochkomplexer, aber dennoch einfach anzusteuernder Bewegungssysteme ermöglichen, beginnend vom einfachem Flaschenzug als Hubvorrichtung bis hin von zur Eigenfortbewegung befähigter Gerüstkonstruktionen oder räumlich verformbaren bzw. auslenkbaren Leichtbaustrukturen, die sowohl im Bereich der Prothetik als auch der Robotik eingesetzt werden können. Von besonderem Interesse ist hierbei der Aufbau eines Roboterarms, der bezüglich seiner Beweglichkeit jener eines menschlichen Armes nachgebildet ist, wobei die Beweglichkeit von den Ober- und Unterarm entsprechenden Komponenten auf der Funktionsweise des vorstehend beschriebenen Aktors beruht.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
1 Aktor mit Welle und Seilzug,
2 zwei starr miteinander verbundene Aktoren,
3a, b Lagerungsalternativen von Aktor und Seilbefestigungslager,
4 Aktor mit bandförmigem Element,
5a, b Seilbefestigung an der Welle mittels radialer Durchbohrung,
6a, b Seilbefestigung an der Welle mittels wellenendseitiger Befestigung,
7a, b, c Darstellung verschiedener Seilaufwicklungen auf der Welle,
8a, b verschiedene Ausführungsbeispiele für seilgeführte Wellenantriebsaufhängungen,
9 Ausführungsbeispiel eines längs einer Linearachse geführten Wellenantriebes,
10 Hubvorrichtung,
11 Vielfachanordnung starr miteinander verbundener Wellenantriebe,
12a Aktorisch auslenkbarer Hebelarm,
12b, c, d Fortbewegungsvorrichtung mittels zweier Aktoren,
13 Ausführungsbeispiel einer längsgestreckten Tragstruktur zur Ausführung von Krümmungsbewegungen um die Längserstreckung,
14 Alternative längsgestreckte Tragstruktur zur Ausführung von Krümmungsbewegungen um die Längserstreckung,
15a, b perspektivische Darstellung eines Roboterarmes in Anlehnung an einen menschlichen Arm sowie diesbezügliche Teilseitenbilddarstellung und
16 detaillierte perspektivische Darstellung eines Roboterarmes.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
1 zeigt schematisiert den lösungsgemäß ausgebildeten Aktor, der einen aus einem Elektromotor bestehenden Wellenantrieb 1, einer motorisch angetriebenen Welle 2 und einem mit der Welle 2 verbundenen Seil 3 besteht, wobei das Seil 3 zwei Seilenden 3' aufweist, die jeweils mit Seilbefestigungslagern 4, 5 verbunden sind. Die Seilbefestigungslager 4, 5 befinden sich relativ zur Welle 2 diametral gegenüberliegend und stellen Befestigungspunkte für die Seilenden 3' dar. Der als Elektromotor ausgebildete Wellenantrieb 1 wird über ein elektronisches Steuergerät 6 bezüglich Drehsinn und Drehgeschwindigkeit der Welle 2 angesteuert. Zur Befestigung und Aufnahme des Eigengewichtes des Wellenantriebes 1, im Folgenden kurz Motor bezeichnet, ist der Motor 1 mit einer entsprechenden Tragstruktur 7 abgestützt.
Durch die räumliche Anordnung der relativ zur Welle 2 diametral gegenüberliegenden Seilbefestigungslager 4, 5 wird das Seil 3 bei Rotation der Welle 2 in der in 1 dargestellten Wicklungsweise auf die Welle 2 aufgewickelt. Hierbei ist darauf zu achten, dass das Seil 3 stets einen zumindest leicht gespannten Zustand zwischen den entsprechenden Seilbefestigungslagern 4, 5 einnimmt. Das mit der Welle 2 erzeugte Abtriebsmoment M wird jeweils in eine auf die Seilbefestigungslager 4, 5 wirkende Kraft F nahezu verlustfrei umgewandelt. Aufgrund der auf die Welle 2 jeweils aus entgegen gesetzten Richtungen einwirkenden und gleichgroßen Kräfte F verbleibt die Welle 2 nahezu kraftlos, so dass sie mit sehr kleinem Durchmesser ausgebildet und mittels leistungsschwacher Motoren angetrieben werden kann, obgleich sie dennoch große Seilkräfte zu erzeugen in der Lage ist.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 sorgt die Tragstruktur 7 für die Aufnahme des Eigengewichtes des Motors 1 sowie des durch die Wellenrotation und den damit verbundenen Aufwickelvorgang erzeugten Drehmomentes M. Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 zeigt hingegen zwei über eine starre Verbindung 8 miteinander gekoppelte Motoren 1, über deren Wellen 2 jeweils getrennte Seile 3 verlaufen, deren Seilenden jedoch an einheitlichen Seilbefestigungslagern 4, 5 befestigt sind. Um die Wirkung des in 1 auftretenden Drehmomentes M zu vermeiden, werden die im Ausführungsbeispiel gemäß 2 vorgesehenen Motoren 1 jeweils derart angesteuert, dass die Wellen 2 mit unterschiedlichem Drehsinn rotieren, wodurch zwei entgegengesetzt wirkende aber im Betrag gleichgroße Drehmomente M und -M entstehen, die sich letztlich aufgrund der starren Verbindung 8 in Bezug auf das Gesamtsystem der Motoranordnung kompensieren.
Sei beispielsweise angenommen, dass wie in 1 durch die Tragstruktur 7 angedeutet, der Motor 1 räumlich fixiert ist und die Seilbefestigungslager 4, 5 lose gelagert sind, so bewirkt ein Aufwickeln des Seils 3 eine Bewegen der Seilbefestigungslager 4, 5 in Richtung der Welle 2 und dies mit jeweils gleichen Geschwindigkeiten. Dieser Fall ist in 3b schematisiert dargestellt, bei dem der Motor 1 samt Welle 2 fest angeordnet ist, wohingegen die Seilbefestigungslager 4, 5 lose gelagert sind.
Werden hingegen gemäß der in 3a dargestellten Skizze lediglich ein Seilbefestigungslager 4 räumlich fixiert und der Motor 1 sowie das andere Seilbefestigungslager 5 lose gelagert, so bewegt sich der Motor 1 während des Aufwickelns des Seils 3 auf die Welle 2 auf das räumlich feststehende Seilbefestigungslager 4 mit einer von der Drehgeschwindigkeit der Welle 2 abhängigen Geschwindigkeit v zu, wohingegen sich das Seilbefestigungslager 5 mit der doppelten Geschwindigkeit 2v auf das feststehende Seilbefestigungslager 4 zu bewegt. Dies ergibt sich aus der Summe der einzelnen durch den Aufwickelvorgang relativ zur Welle 2 hervorgerufenen Einzelgeschwindigkeiten.
Das Seil 3 kann mannigfaltig ausgebildet sein, so insbesondere in Form eines handelsüblich erhältlichen Stahlseildrahtes, ähnlich wie sie bei Musikinstrumenten wie Geige, Gitarre etc. eingesetzt werden. Derartige Stahlseildrähte verfügen über eine hohe Zugfestigkeit und lassen sich unter hoher Belastung um enge Wellenradien wickeln ohne dabei Schaden zu erleiden. Um eine möglichst hohe Zugfestigkeit gewährleisten zu können, können auch Bündel aus feinen Stahldrahtfasern zu einem einheitlichen Seilstrang verwoben werden, ähnlich wie sie als „Vorfach" im Angelsport eingesetzt werden. So verfügen derartige Stahldrahtfaserbündel über Zugfestigkeiten von bis zu 80° N bei einem Bündeldurchmesser von lediglich 1 mm. Neben der Verwendung von Stahlseildrähten können auch handelsübliche Kunststoff- bzw. Nylonschnüre eingesetzt werden, wie sie aus dem Angelsport bzw. als Drachenschnüre bekannt sind. Zwar verfügen derartige Kunststoffschnüre über eine etwas höhere Elastizität als vergleichbare Stahlseildrähte, doch weisen sie gleichfalls eine hohe Abriebfestigkeit sowie hohe Reißfestigkeiten auf. Auch geflochtene Nylonschnüre haben bei gleichen Durchmessern eine höhere Reißfestigkeit als so genannte monofile Schnüre, sind jedoch weniger steif. So verfügen derartige geflochtene Schnüre aus Dyneema beispielsweise bei einem Durchmesser von 1,60 mm über eine Zugfestigkeit von bis zu 2000 N und sind trotzdem auf sehr kleine Wellendurchmesser (z. B. 1,5 mm) aufwickelbar.
Alternativ zum Einsatz konventioneller Seile bieten sich auch bandförmige Elemente an, beispielsweise in Form eines dünnen Stahlbandes, das in der Lage ist, sowohl Zug- als auch Schubkräfte zu übertragen. Wie aus dem schematisierten Beispiel gemäß 4 zu entnehmen ist, kann ein derartiges Stahlband 9 gleichfalls um eine Welle 2 aufgewickelt werden. Um insbesondere Schubkräfte während eines Abwickelvorganges möglichst effektiv zu generieren, können vorzugsweise jeweils um ihre Längserstreckung gewölbte Stahlbänder verwendet werden, wie sie bei handelsüblichen aufrollbaren Metermaßbändern eingesetzt werden. Auch ist es möglich, das Stahlband 9 durch seitlich begrenzende Führungsschienen 10 zu führen, um den Auf- aber insbesondere den Abwickelvorgang ohne Durchbiegung des Stahlbandes 9 bewerkstelligen zu können.
Wird hingegen ein Seil verwendet, das keine Schubkräfte zu übertragen in der Lage ist, so bedarf es für den Abwicklungsvorgang einer externen Kraft, die an dem wenigstens einen lose geführten Seilbefestigungslager angreift um das Seil von der Welle 2 abzuwickeln. Gegebenenfalls kann der Abwicklungsvorgang durch eine motorisch gestützte Drehung der Welle unterstützt werden.
Ein weiterer durchaus zu beachtender Aspekt betrifft die Befestigung der Seilenden an den jeweiligen Seilbefestigungslagern, zumal das Seil nicht geknickt oder abgeschert werden darf, insbesondere in Fallen in denen längs des Seilverlaufes dynamische Belastungen wirken. Besonders geeignet als Seilbefestigungslager dienen an entsprechenden Tragstrukturen befestigte Rollen, die einen genügend großen Radius aufweisen um das Seil unter Spannung nicht zu beschädigen bzw. zu knicken. Zur Anbringung des Seils an einer derartigen Rolle stehen grundsätzlich mehrere Möglichkeiten zur Verfügung, beispielsweise mit Hilfe einer Schlaufenbildung oder durch mehrfaches Umschlingen der Rolle mit dem Seil und entsprechender Selbstklemmung. Für die Verwendung von Stahlseildrähten existieren spezielle Ösen und Haken, wie sie beispielsweise bei Saiten für Musikinstrumente eingesetzt werden. Zudem ist es vorteilhaft, dass wenigstens an einem Seilbefestigungslager eine Seilspannvorrichtung vorgesehen ist, wie sie beispielsweise bei Musikinstrumenten zum Stimmen der Tonlage einer Saite eingesetzt wird Mit Hilfe derartiger Spannvorrichtungen kann eine Feineinstellung der Seillänge vorgenommen werden.
Andererseits ist es erforderlich, das Seil 3 mit der Welle 2 zu verbinden, wozu sich die Durchfädelung des Seils 3 durch eine die Welle 3 radial durchragende Durchbohrung 10 eignet. In den 5a und b ist eine derartige Befestigungsmöglichkeit gezeigt, bei der die Welle 2 eine radiale Wellenbohrung 10 vorsieht. Die Bohrungsränder sind beidseitig verrundet, so dass das Seil 3 unter Belastung nicht abgeschert werden kann. In 5b ist der Aufwickelvorgang detailliert dargestellt, wobei sich aufgrund der Seilaufwicklung zwei auf die Welle 2 einwirkende Drehmomente M1 und M2 einstellen, die in den Teilbilddarstellungen gemäß 7a und b illustriert sind. Aufgrund des endlichen Wellendurchmessers und der jeweils an diametral gegenüberliegenden Tangentenpunkten der Welle 2 angreifenden Seilkräfte F entsteht ein um die Wellenachse A gerichtetes Drehmoment M1 (siehe 7a). Ferner wickeln sich die getrennt durch die Welle 2 vorhandenen Teilseilstränge 3o und 3u symmetrisch zur Wellenbohrung 10' auf, wodurch ein um die Wellenbohrung 10' orientiertes Drehmoment M2 entsteht (siehe hierzu 7b). Diese Drehmomente spielen aufgrund der nur geringen Wellendimensionierung zwar nur eine untergeordnete Rolle treten aber insbesondere dann in den Vordergrund, wenn die Welle größer dimensioniert ist und der Seildurchmesser zunimmt. Um zumindest die Ausbildung des in 7b dargestellten Drehmomentes M2 zu vermeiden kann durch Vorsehen eines längs zur Welle 2 am Ort der Seilbefestigung platzierten Begrenzungselementes 11 eine sich symmetrisch zur Befestigungsstelle ausbildende Aufwicklung verhindert werden (siehe hierzu 7c).
Eine weitere sehr vorteilhafte Möglichkeit das Seil 3 an der Welle 2 zu befestigen ist in den 6a und b dargestellt. In 6a verläuft das Seil 3 end- bzw. stirnseitig um das Ende einer Welle 2 und wird dort mit Hilfe eines Befestigungsmittels 12 fixiert, das beispielsweise mit einer konventionellen Schraubverbindung 13 gegen die Welle 2 lösbar fest gefügt werden kann.
Wie bereits vorstehend kurz ausgeführt ist es ebenso möglich mehr als ein Seil längs einer Welle anzubringen, um auf diese Weise die über die Seile übertragbaren Seilkräfte zu erhöhen. Auch sollten äquivalente Befestigungsvorkehrungen des Seils an der Welle vom Erfindungsgedanken mit umfasst sein, insbesondere jene, bei denen zwei voneinander getrennte Seilstücke mit jeweils einem ihrer Enden, vorzugsweise an zwei am peripheren Umfangsrand der Welle radial gegenüberliegen Bereichen, befestigt sind, so dass hierdurch eine vergleichbare Situation geschaffen wird, wie es im Falle der 5 oder 6 dargestellt ist, in denen ein einstückiges Seil verwendet wird.
In den 8a und b sind alternative Ausführungsbeispiele für beweglich längs einzelner Seilzüge 3 eingespannte Wellenantriebe 1 dargestellt. In 8a sei angenommen, dass die motorisch angetriebene Welle 2 die Motoren 1 axial durchragen, so dass sowohl das in 8a sichtbar dargestellte Wellenende 2 als auch das rückseitig nicht sichtbare Wellenende 2 mit jeweiligen Seilzügen 3 verbunden ist. Zur Kompensation von längs zu den einzelnen Wellen 2 durch die Seilaufwicklung hervorgerufenen Drehmomenten sind jeweils zwei starr miteinander verbundene Motorantriebe 1 in der in 8a dargestellten Weise vorgesehen. Durch entsprechende Synchronisierung der Motoren 1 und einer damit verbundenen geschwindigkeitssynchronen Aufwicklung der Seilzüge 3 auf die einzelnen Wellen 2 erfahren die Seilbefestigungslager 4, 5 durch die jeweilige Seilaufwicklung Zugkräfte, durch die beide Seilbefestigungslager 4, 5 aufeinander zu bewegt werden. Zum Abwickeln ist es erforderlich eine externe auf die Seilbefestigungslager 4, 5 wirkende Kraft bereitzustellen. Entsprechend dem Ausführungsbeispiel in 8b ist es möglich, drei sternförmig starr miteinander verbundene Motoren 1 mit jeweiligen Seilzügen 3 zu verbinden um letztlich die gleiche Kraftwirkung und Bewegungsdynamik zu erzielen, wie es mit der Motoranordnung gemäß 8a der Fall ist. Je größer die Anzahl der eingesetzten Motoren 1 ist, umso größere Kräfte F können zur Auslenkung der Seilbefestigungslager 4, 5 erzeugt werden.
Die in den 8a und b dargestellten Anordnungen dienen der künstlichen Nachbildung der menschlichen Muskelfunktion, wie sie zur Bewegung einzelner. Extremitäten erforderlich ist. Konkrete Anwendungsbeispiele werden im weiteren unter Bezugnahme auf die 14 und 15 beschrieben.
In 9 ist ein Aktor mit Linearführung 14 dargestellt, die aus zwei starr miteinander verbundenen Gleitstangen besteht, längs der der Motor 1 mittels einer geeigneten alterung 15 linear beweglich angeordnet ist. Die Linearführung 14 nimmt alle auftretenden nicht in Bewegungsrichtung (siehe Pfeildarstellung) führenden Kräfte und jegliche Momente auf. Das über die Welle 2 für den Aufwicklungsvorgang laufende Seil 3 ist mit einem Seilende fest an der Linearführung 14 verbunden, die ihrerseits räumlich fest gelagert ist, wohingegen das andere Seilende des Seils 3 an einem lose gelagerten Seilbefestigungslager 5 angebracht ist. Ein diesbezügliches konkretes Anwendungsbeispiel ist in Form einer Hubvorrichtung in 10 dargestellt. An einem oberen Befestigungslager 16 ist sowohl die Linearführung 14 als auch ein Seilende des Seils 3 fixiert. Der Motor 1 ist gleitend längs der Linearführung 14 gelagert, das Eigengewicht des Motors 1 wird, wie vorstehend beschrieben, über die Halterung 15 von der Linearführung 14 aufgenommen. Das untere Ende des Seils ist mit einem Gewicht 17 verbunden, das durch die Seilaufwicklung um die Welle 2 in Richtung des oberen festen Lagers 16 angehoben wird. Die in 10 dargestellte Hubvorrichtung verdeutlicht den Vorteil des Aktors, zumal die Welle 2 nahezu keinerlei Gewichtskräfte seitens des Gewichtes 17 aufnehmen muß. Ferner wird beim Aufwickeln des Seils 3 um die Welle 2 das Gewicht 17 doppelt so schnell, d. h. mit 2v, in Richtung festes Befestigungslager 16 gezogen als der beweglich angeordnete Motor 1.
Um auf großbauende und leistungsstarke Motoren 1 zu verzichten, gilt es den Wellendurchmesser der Welle 2 möglichst klein zu wählen, um dennoch hohe Lasten, um im Anwendungsbeispiel gemäß 10 zu verbleiben, anheben zu können. Die untere Wellendurchmessergrenze könnte darin gesehen werden, bei der das Seil 3 ohne Beschädigungen hinsichtlich Knicke oder Brüche, um die Welle 2 aufgewickelt werden kann.
Eine weitere Möglichkeit der Skalierung im Hinblick auf die Erzeugung möglichst hoher Zuglasten zwischen den Seilbefestigungslagern 4, 5 besteht in der Parallelschaltung einer Vielzahl einzelner. Motoren 1, wie sie in 11 dargestellt ist. Die in 11 vorgesehenen einzelnen Motoren 1 sind jeweils starr miteinander verbunden und vermögen durch entsprechende Ansteuerung in Bezug auf Wellendrehzahl und Wellendrehsinn eine einheitliche Kraftentfaltung längs der nahezu parallel laufenden Wellenstränge 3 zu erzeugen. Durch Vorsehen einer Vielzahl einzelner Kleinmotoren können langsam arbeitende Muskelnachbildungen mit sehr großen Zugkräften realisiert werden.
Der in den Bildsequenzen der 12b bis d dargestellten Vorrichtung zur eigenständigen Fortbewegung liegt das in 12a gezeigte Grundprinzip einer kontrollierten bidirektionalen Schwenkung S eines um eine Schwenkachse 19 schwenkbar gelagerten Hebelarmes 18 mit Hilfe zweier lösungsgemäß ausgebildeter Aktoren A1, A2 zugrunde.
So sei angenommen, dass in 12a ein Hebelarm 18 um eine Schwenkachse 19 in der in 12a angegebenen bidirektionalen Weise schwenkbar gelagert ist. Am Hebelarm 18 sind jeweils die Seilenden der Seile zweier Aktoren A1, A2 fest angebracht, wobei die jeweils gegenüberliegenden Seilenden an gegenüberliegend angeordneten festen Gegenlagern 20, 21 befestigt sind. Durch wechselseitiges Aktivieren beider Aktoren A1, A2 wird jeweils ein Seil auf die Welle eines Aktors aufgewickelt während das Seil von der Welle des anderen Aktors abgewickelt wird. Somit dient das aktive Aufwickeln des Seils auf einen Aktor nicht nur zur bloßen Auslenkung des Hebelarmes 18, sondern wird zugleich auch für ein Abwickeln des Seils von der Welle des anderen Aktors verwendet. Je nach Ansteuerung der einzelnen Motoren 1 beider Aktoren läßt sich der Hebelarm 18 gezielt in die jeweils vorgegebenen Schwenkrichtungen auslenken ohne dass weitere externe Kräfte für ein entsprechendes Abwickeln des Seils eines Aktors erforderlich sind.
Dieses Grundprinzip des gegenseitigen Auf- und Abwickelns zweier Aktoren wird in der in den Bildsequenzen gemäß der 12b bis d dargestellten Laufmaschine genutzt. So sind zwei längs eines starren, als Stange ausgebildeten Distanzelementes 22 jeweils um die Schwenkachsen 23 und 24 schwenkbar angeordnete Doppelhebelarme 25 und 26 vorgesehen, die jeweils mit den Aktoren A1 und A2, wie dies aus der schematisierten Darstellung gemäß den 12b bis d zu entnehmen ist, verbunden sind. In der Bildsequenz gemäß 12b sei angenommen, dass beide Aktoren A1 und A2 einen teilaufgewickelten Zustand einnehmen. Wird nun der untere Aktor A2 zum Aufwickeln angesteuert und der obere Aktor A1 zum Abwickeln freigegeben, so nehmen die Doppelhebelarme 25 und 26 die in der Bildsequenzdarstellung gemäß 12c dargestellte Lage ein. Wird im Weiteren der obere Aktor A1 aufgewickelt und der untere Aktor A2 abgewickelt, so werden die Doppelhebelarme 25 und 26 in die Lage gemäß Bilddarstellung 12d überführt. In der Gesamtbetrachtung vermag sich die Vorrichtung längs einer Unterlage entsprechend fortzubewegen, sofern man geeignete Abstütztelemente 27 an den jeweiligen Endbereichen der Doppelhebelarme 25 und 26 anbringt.
In 13 ist eine Tragstruktur dargestellt, die einer zur schlangenartigen Bewegung befähigten Robotermechanik entspricht. Hierzu sieht die eine Längserstreckung aufweisende Tragstruktur eine Vielzahl von Trägerelementen 28 vor, die jeweils über Verbindungselemente 29 in Längserstreckung in der in 13 dargestellten Weise verbunden sind. Die Verbindungselemente 29 weisen kardanische Gelenke 30 auf, so dass zwei über die Verbindungselemente 29 benachbart zueinander angeordnete Trägerelemente 28 verkippt werden können. Die Trägerelemente 28 sind in dem Ausführungsbeispiel gemäß 13 aus einer Tragwerkskonstruktion zusammengesetzt und verfügen jeweils über drei Befestigungspunkte 31, die geometrisch den Spitzen eines gleichseitigen Dreieckes entsprechen. Die Anordnung der einzelnen Trägerelemente 28 in Längserstreckung der gesamten Tragstruktur ist derart vorgenommen, dass die Befestigungspunkte 31 in Projektion zur Längserstreckung jeweils in einer Grundstellung deckungsgleich übereinander liegen. Zwischen den in Deckung liegenden Befestigungspunkten 31 einer Vielzahl hintereinander angeordneter Trägerelemente 28 sind Seile 3 gespannt. Jeweils zwischen zwei benachbarten Trägerelementen 28 befinden sich jeweils über eine starre Dreieckskonstruktion 32 miteinander verbundene Motoren 1, deren einzelne Wellen 2 jeweils mit den Seilen 3 zwischen zwei in Längsrichtung unmittelbar benachbarten Trägerelementen verbunden sind. Die mit der Dreieckskonstruktion 32 verbundenen Motoren 1 werden ausschließlich über die Seile 3 gehalten, an denen die Wellen 2 der einzelnen Motoren 1 fixiert sind. Durch entsprechende Ansteuerung der jeweiligen Motoren 1 und eine damit verbundene Seilaufwicklung auf den einzelnen Wellen 2 ist es möglich die dargestellte gesamte Tragstruktur aufgrund der gelenkigen Ausbildung der Verbindungselemente 29 in beliebige Raumwinkel zu krümmen. Das hierfür dienende Aktorprinzip beruht auf dem in den 8a und b geschilderten Grundprinzip.
Eine zu der Ausführungsform gemäß 13 äquivalente Ausführungsform ist in 14 gezeigt, bei der gleichfalls jeweils drei Motoren 1 zwischen zwei als Kreisscheiben ausgebildeten Trägerelemente 28 angeordnet sind. Auch in diesem Fall sind die jeweils drei zwischen zwei benachbarten Kreisscheiben angeordneten Motoren 1 starr miteinander verbunden und lediglich über ihre Wellen 2 an den gespannten Seilzügen 3 aufgehängt. Zur räumlichen Fixierung der Kreisscheiben sind diese mit einer elastischen Umhüllung 33 an ihrem peripheren Umfangsrand verbunden.
In den 15a, b und 16 ist die konstruktive Ausgestaltung eines Roboterarms illustriert, der einem menschlichen Arm nachgebildet ist. Aus den 15a und b kann die Bewegungsdynamik des Roboterarmes in folgender Weise entnommen werden. Der Roboterarm weist einen Oberarmteil 34 auf, der um eine Oberarmschwenkachse 35 nach vorne und nach hinten schwenkbar gelagert ist. Am unteren Bereich des Oberarmteils 34 ist ein Ellbogengelenk mit einer Ellbogenschwenkachse 36 vorgesehen, um die ein Unterarm 37 schwenkbar gelagert ist. Zur kontrollierten Auslenkung der jeweils um die entsprechenden Schwenkachsen schwenkbar gelagerten Roboterarmteile dienen die lösungsgemäß vorgestellten Aktoren, die auf dem in 9 dargestellten Aktorprinzip beruhen. So sind sämtliche Aktoren A1 bis A10 (siehe hierzu Bilddarstellung gemäß 16) jeweils gleitend längs Linearführungen (siehe die jeweiligen Doppelstangenverstrebungen) geführt. Aus Gründen einer besseren Übersicht ist auf die Darstellung der Seile 3 in den 15 und 16 verzichtet worden.
Zur Auslenkung des Oberarmteil 34 um die Oberarmschwenkachse 35 dienen die Aktoren A1 bis A4, die es vermögen den Oberarmteil 34 in Schwenkrichtung 38 gemäß Bilddarstellung in 15b zu schwenken. Hierzu verlaufen jeweils nicht weiter dargestellte Seilzüge, die einerseits am peripheren Umfangsrand der oberen Scheiben 39 einseitig fest angelenkt sind, andererseits über die Wellen der Aktoren A1 bis A4 zu einer mittig angebrachten Befestigungsplatte 40. Werden die Motoren der Aktoren A1 bis A4 für ein Aufwickeln der entsprechenden Seile aktiviert, so wirkt ein den Oberarmteil 34 aufrichtendes Moment am Ort der oberen Scheibe 39, so dass der Oberarmteil 34 bis maximal in die durch das Bezugszeichen 41 gekennzeichnete Lage überführt bzw. angehoben werden kann.
Für ein Zurückführen des nach oben ausgeschwenkten Oberarmteils 34 sorgen die Aktoren A5 und A6, deren Wellen entsprechend zu den Aktoren A1 bis A4 rückseitig am Oberarmteil 34 angebracht sind. Gleichfalls verlaufen Seilzüge, die mit ihrem oberen Ende an der Scheibe 39 einseitig befestigt sind, über die Wellen der Aktoren A5, A6 der Befestigungsplatte 40. Ein entsprechendes Aktivieren der Aktoren A5, A6 bewirkt in äquivalenter Weise eine Rückstellung des Oberarmteils 34, sofern die Aktoren A1 bis A4 sukzessive deaktiviert werden.
Zur Ausführung einer Beugungsbewegung des Unterarmes 37 um die Ellbogenschwenkachse 36 sind die Aktoren A7 und A8, die für ein nach oben Schwenken des Unterarmes 37 verantwortlich sind, sowie die Aktoren A9 und A10 vorgesehen, die ein kontrolliertes nach unten Schwenken des Unterarmes 37 bewirken. In äquivalenter Weise zu dem vorstehend beschriebenen Aktorwirkprinzip verlaufen auch hier entsprechende Seilzüge über die zusätzlichen, die geeigneten Drehmomente erzeugenden Umlenkkulissen 42 und 43. So sind zum Aufrichten des Unterarmes 37 Seile einerseits an der Befestigungsplatte 40 angebracht, die über die Wellen der Aktoren A7 und A8 verlaufen und andererseits über die Umlenkkulissen 42 angelenkt sind. Für eine entsprechende Rückschwenkung sind Seilzüge vorgesehen, die einerseits an der Umlenkkulisse 43 angebracht sind und jeweils über die Aktoren A10 bzw. A9 laufen und an den vorderen Befestigungskulissen 44 befestigt sind.
Eine weitere Besonderheit der Roboterarmkonstruktion gemäß 16 sieht eine torsionsartig Verdrehung sowohl des Oberarmteils 34 als auch des Unterarmes 37 vor. Diese soll anhand des Unterarms 37 näher erläutert werden. Es sei angenommen, dass die jeweils aus zwei Schienensträngen bestehenden Linearführungen längs des Unterarms 37 gelenkig gelagert sind. Werden die Aktoren A9 und A10 nicht synchron sondern leicht asynchron betrieben, so stellen sich längs der entsprechenden Seilzüge unterschiedlich stark ausgeprägte Zugkräfte ein, wodurch der Unterarmteil 37 um die Längserstreckung des Unterarms verdreht werden kann. Entsprechendes gilt für eine asynchrone Ansteuerung der entsprechenden Aktoren A1 bis A8, durch die in geeigneter Weise eine Oberarmteiltorsionsverstellung vorgenommen werden kann.
Anhand eines real ausgebildeten Ausführungsbeispieles in Art des in 16 abgebildeten Roboterarmes konnte gezeigt werden, dass beim Einsatz von Aktoren, deren Wellendurchmesser 1 mm aufweisen, der Roboterarm in einer ausgestreckten Armhaltung ca. 3 kg anzuheben vermag. Wird hingegen der Oberarm senkrecht gestellt und lediglich der Unterarm angehoben, so können 5 kg Gewicht angehoben werden. Unter Verwendung von Kleinmotoren für die jeweiligen Aktoren A1 bis A10 mit jeweils 22 Watt Nennleistung können bei nur mittlerer Motorendrehzahl Oberarm- und Unterarmbewegungen mit Winkelgeschwindigkeiten von 360°/sec und mehr erzielt werden. Mit Hilfe dieser Daten ist es möglich, einen Roboterarm für viele Anwendungen in Haushalt, Werkstatt und Industrie einzusetzen.

1: Wellenantrieb, Motor
2: Welle
3: Seil
3': Seilende
4, 5: Seilbefestigungslager
6: elektronisches Steuergerät
7: Tragstruktur
8: Verbindung
9: Band, Stahlband
10: Führungsschiene
10': Wellenbohrung
11: Begrenzungselement
12: Befestigungsmittel
13: Schraubverbindung
14: Linearführung
15: Halterung
16: Befestigungsteger
17: Gewicht
18: Hebelarm
19: Schwenkachse
20, 21: Gegenlager
22: Distanzelement
23, 24: Schwenkachse
25, 26: Doppelarm, Doppelhebelarm
27: Abstützelement
28: Trägerelement
29: Verbindungselement
30: kardionisches Gelenk
31: Befestigungspunkt
32: Dreieckskonstruktion
33: elastische Umhüllung
34: Oberarmteil
35: Oberarmschwenkachse
36: Ellbogenschwenkachse
37: Unterarm
38: Schwenkrichtung
39: Scheibe
40: Befestigungsplatte
41: Lange
42, 43: Umlenkkulisse
44: Befestigungskulisse

Claims

Aktor mit einem eine Welle in Rotation versetzenden Wellenantrieb, um dessen Welle wenigstens ein band- oder seilartiges Element, im folgenden Seil genannt, auf- und/oder abwickelbar ist, das über eine Seillänge verfügt und zwei Seilenden aufweist, wobei die Seilenden jeweils mit einem Seilbefestigungslager verbindbar sind, die Seilbefestigungslager relativ zu der Welle weitgehend diametral gegenüberliegen, das mit der Welle verbundene Seil zwischen beiden Seilbefestigungslagern einen straffen Zustand einnimmt und das Seil längs seiner Seillänge in einem lokal begrenztem Seilbereich zwischen beiden Seilenden an einem Seilbefestigungsort mit der Welle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass am Seilbefestigungsort ein Begrenzungselement derart ausgebildet und platziert ist, dass Seilkräfte jeweils an bezüglich einer Wellenachse der Welle diametral gegenüberliegenden Tangentenpunkten angreifen und dass bei einer Rotation der Welle zum Zwecke des Aufwickelns des Seils auf die Welle beide von der Welle beabstandete Seilenden relativ zur Welle auf die Welle mit gleichen Geschwindigkeiten zu bewegbar sind.
Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Seilbefestigungslager relativ zum dem fest an einer Tragstruktur angebrachten Wellenantrieb samt Welle lose gelagert sind oder dass der Wellenantrieb samt Welle und eines der Seilbefestigungslager relativ zum anderen, fest an einer Tragstruktur angebrachten Seilbefestigungslager lose gelagert sind.
Aktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenantrieb samt Welle längs einer Linearführung derart linearbeweglich gelagert ist, dass das Eigengewicht des Wellenantriebes von der Linearführung aufnehmbar ist, und dass ein erstes Seilbefestigungslager und der Wellenantrieb samt Welle linearbeweglich relativ zum anderen Seilbefestigungslager, das an einer Tragstruktur fest angebracht ist, gelagert sind.
Aktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Linearführung fest mit der Tragstruktur verbunden ist.
Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein aus zwei starr miteinander verbundenen Wellenantrieben bestehendes Antriebs-Paar vorgesehen ist, dass die Wellen beider Wellenantriebe parallel zueinander orientiert sind, dass pro Welle wenigstens ein mit der jeweiligen Welle verbundenes Seil vorgesehen ist, das jeweils ein erstes und ein zweites Seilende vorsieht, die den Wellen diametral gegenüberliegen, und dass die ersten Seilenden mit einem ersten Seilbefestigungslager und die zweiten Seilenden mit einem zweiten Befestigungslager verbunden sind.
Aktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellen eines Antriebs-Paars mit zueinander entgegengesetztem Drehsinn antreibbar sind.
Aktor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Antriebs-Paaren vorgesehen ist, deren zugehörige Seile jeweils an dem ersten und zweiten Seilbefestigungslager befestigt sind.
Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Seil in Form eines Stahlseils, Stahlseildrahtes, einer Kunststoff- oder Nylonschnur, eines Stahl- oder Kunststoffbandes ausgebildet ist.
Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenantrieb als Elektromotor mit einer Abtriebswelle ausgebildet ist.
Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine den wenigstens einen Wellenantrieb ansteuernde Ansteuerungseinheit vorgesehen ist.
Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Seil zur Befestigung an der Welle eine die Welle durchsetzende Radialbohrung durchragt.
Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Seil zur Befestigung an der Welle mittels eines Befestigungsmittels am Außenumfang der Welle fixierbar ist.
Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass an der Welle in dem lokal begrenzten Bereich, in dem das Seil mit der Welle verbunden ist, ein die Welle zirkular umgebendes Begrenzungsmittel vorgesehen ist.
Hubvorrichtung mit einem Aktor nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Seilbefestigungslager mit einer zu hebenden Last verbindbar ist und das zweite Seilbefestigungslager samt der Linearführung mit der Tragstruktur verbunden sind.
Hubvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Linearführung sowie der Seilbereich zwischen der Welle des Wellenantriebes und dem ersten Seilbefestigungslager vertikal ausgerichtet sind.
Vorrichtung zur Ausführung einer bidirektionalen Schwenkbewegung wenigstens eines um eine Schwenkachse schwenkbar gelagerten Hebelarmes mit wenigstens zwei Aktoren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Seilende der Seile beider Aktoren an einem am Hebelarm vorgesehenen Seilbefestigungslager angebracht ist, dass die anderen Seilenden der Seile beider Aktoren jeweils an einer Tragstruktur angebracht sind, und dass durch wechselseitiges Aktivieren der Wellenantriebe beider Aktoren, jeweils ein Seil auf die Welle eines Wellenantriebes aufwickelbar und das andere Seil von der Welle des anderen Wellenantriebes abwickelbar ist, wodurch ein von dem das Seil jeweils aufwickelnden Aktor ein auf den Hebelarm einwirkendes Drehmoment generierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebelarm als Doppelarm ausgebildet ist und einen linken und rechten Hebelarmbereich relativ zur Schwenkachse aufweist, dass ein zweiter ebenfalls als Doppelarm ausgebildeter Hebelarm als Tragstruktur vorgesehen ist, dessen Schwenkachse durch ein Distanzelement von der Schwenkachse des ersten als Doppelarm ausgebildeten Hebelarms beabstandet ist, und dass die Seilenden eines Aktors jeweils mit den linken Hebelarmbereichen und die Seilenden des anderen Aktors jeweils mit den rechten Hebelarmbereichen beider als Doppelarme ausgebildeten Hebelarme verbunden sind.
Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 17 eigenständigen Fortbewegung, bei der Abstützelemente an den Enden der als Doppelarme ausgebildeten Hebelarme zur Auflage auf einem Untergrund angebracht sind und die Aktoren durch wechselseitiges Aktivieren bezüglich ihrer Wellenrotationsrichtung eine sich periodisch wiederholende Auslenkung der Doppelarme zur Fortbewegung erzeugen.
Vorrichtung mit einer eine Längserstreckung aufweisenden Tragstruktur, die mittels einer Vielzahl von Aktoren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 kontrolliert ausführbare Krümmungsbewegungen um ihre Längserstreckung auszuführen vermag, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Trägerelemente vorgesehen sind, denen jeweils eine gleichschenkelige Dreiecksfläche zuordenbar ist, dass einzelne Trägerelemente jeweils beidseitig zu der dem jeweiligen Trägerelement zuordenbaren Dreiecksfläche über ein die Dreiecksfläche überragendes Verbindungselement mit einem benachbarten Trägerelement derart verbunden ist, dass die den Trägerelementen zuordenbaren Dreiecksflächen jeweils in Projektion zur Längserstreckung der Tragstruktur in Deckung bringbar sind, dass an den jeweils zur Längserstreckung der Tragstruktur in Deckung stehenden Dreieckspitzen der einzelnen Trägerelemente ein Seil angebracht ist, und dass längs eines jeweiligen Seilverlaufes zwischen zwei in Längserstreckung benachbarten Dreieckspitzen das Seil mit einer Welle eines Wellenantriebes verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils drei Wellenantriebe starr miteinander verbunden sind, so dass die Wellen der Wellenantriebe mit jeweils einem Seilverlauf zwischen zwei in Längserstreckung der Tragstruktur benachbarten Tragstrukturen verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerelemente plattenförmig oder als Tragwerkskonstruktion ausgebildet sind.
Roboterarm in Art eines menschlichen Armes mit einem Oberarmteil, dessen oberer Bereich um wenigstens eine Oberarmschwenkachse schwenkbar angeordnet ist und an dessen unteren Bereich ein um eine Ellbogenschwenkachse schwenkbar angeordneter Unterarmteil vorgesehen ist sowie mit Aktoren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, durch die ein kontrolliertes Schwenken des Oberarmteils um die Oberarmschwenkachse sowie ein kontrolliertes Schwenken des Unterarmes um die Ellbogenschwenkachse vornehmbar ist.
Roboterarm nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass zum Schwenken des Oberarmteils um die Oberarmschwenkachse und/oder zum Schwenken des Unterarmes um die Ellbogenschwenkachse jeweils eine Vorrichtung gemäß Anspruch 16 vorgesehen ist.