DE102007056153A1

DE102007056153A1 - Aktuator zur Erzeugung einer Bewegung, dazugehöriges Verfahren sowie dessen Verwendung

Info

Publication number: DE102007056153A1
Application number: DE200710056153
Authority: DE
Inventors: Lena Dr.-Ing. habil. Zentner; Valter Dr.-Ing. Böhm; Stefan Dipl.-Ing. Griebel; Uwe Dipl.-Ing. Risto
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2007-11-13
Filing date: 2007-11-13
Publication date: 2009-05-20

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung soll ein monolithischer Aktuator zur Erzeugung einer kontinuierlichen bzw. diskontinuierlichen Bewegung mit möglichst großem Stellweg und ein dazugehöriges Verfahren bereitgestellt werden, mit denen es gelingt, auf einfache Art und Weise und mit minimalem Aufwand Objekte zu greifen, zu manipulieren oder zu transportieren. Der erfindungsgemäße Aktuator weist ein nicht vorgespanntes, bewegliches, elastisches Element auf, das im Querschnitt aus mehreren Krümmungen und/oder mehreren geraden, zueinander abgewinkelten Abschnitten besteht und monolithisch mit der unbeweglichen Fassung derart verbunden ist, dass es sich nur in der Schattenfläche der Fassung in Folge einer Druckänderung bewegt. Der erfindungsgemäße Aktuator kann z. B. als Saugnapf in der Robotik, für das Greifen, Manipulieren und Transportieren von Objekten in der Medizintechnik oder als Ventil in der Rohrleitungstechnik verwendet werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Aktuator zur Erzeugung einer kontinuierlichen bzw. diskontinuierlichen Bewegung und ein dazugehöriges Verfahren sowie die Verwendung dieses Aktuators z. B. als Saugnapf in der Robotik, für das Greifen, Manipulieren und Transportieren von Objekten in der Medizintechnik oder als Ventil in der Rohrleitungstechnik.
Die aus dem Stand der Technik bekannte Greifer- und Handhabetechnik weist starre und nachgiebige Strukturen auf, wobei starre Strukturen überwiegend im Makrobereich und nachgiebige Strukturen im Mikrobereich eingesetzt werden. Der Nachteil von starren Greiferstrukturen liegt darin, dass die Teilelemente keine Energie speichern können, wohingegen nachgiebige Strukturen durch ihre Nachgiebigkeit in den Grenzen elastischer Verformung ein Energiespeichervermögen aufweisen.
Aus dem Stand der Technik bekannte nachgiebige Greiferstrukturen verfügen über kraft- und wegkontinuierliche Aktuatoren, bei denen ein stabiles Verhalten bevorzugt und das Auftreten von Instabilitäten vermieden wird. Die Aktuatoren erzeugen über ausgewählte Übertragungsmechanismen oder Antriebselemente die gewünschten Bewegungen, um z. B. ein Greifen zu erzielen. Je nach Art der eingesetzten Energie kann zwischen elektromechanischen, elektromagnetischen, pneumatischen, hydraulischen und thermomechanischen Aktuatoren unterschieden werden.
Für die Greifer- und Robotertechnik sind oftmals große Stellwege erforderlich, die bisher mit getriebetechnischen Maßnahmen erzeugt bzw. überbrückt werden. Dies führt jedoch zu einem erhöhten konstruktionstechnischen Aufwand.
Daneben sind aber auch Mechanismen mit einem sogenannten Durchschlag-Verhalten bekannt, bei denen gezielt Instabilitäten (Durchschlag) hervorgerufen und genutzt werden, um schnelle Bewegungen zu erzeugen (z. B. DE 76 21 959 U1 , DE 25 15 185 A1 , DE 197 38 296 A1 und US 2 266 537 ). Anwendung finden letztere in verschiedenen Spielzeugen als Sprung- oder Schussmechanismus. Ein weiteres Einsatzgebiet sind Sporttrinkflaschen. Bei diesen Flaschen wird so das Trinken während der sportlichen Aktivität erleichtert. Die Flaschen müssen nicht aufgedreht werden, sondern der Nutzer saugt am Mundstück mit einem Mindestdruck, wodurch ein Durchschlagventil geöffnet und somit das Trinken ermöglicht wird.
Die Schalt- bzw. Sprungkörper sind bei diesen bekannten Lösungen meistens zwischen zwei Befestigungspunkten vorgespannt (z. B. DE 2 208 260 A ). Nachteilig für diese bekannten Lösungen ist, dass die Sprungkörper mit der Fassung, bezüglich welcher sich dieser bewegen soll, nicht monolithisch verbunden sind, weshalb sie mit einem zusätzlichen Aufwand montiert werden müssen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen miniaturisierbaren monolithischen Aktuator zur Erzeugung einer kontinuierlichen bzw. diskontinuierlichen Bewegung mit möglichst großem Stellweg und ein dazugehöriges Verfahren bereitzustellen, mit denen es gelingt, auf einfache Art und Weise und mit minimalem Aufwand Objekte zu greifen, zu manipulieren oder zu transportieren.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten und achten Patentanspruches. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die detaillierte Beschreibung und Vorteile der Erfindung sind dem nachfolgenden Beschreibungsteil zu entnehmen, in dem die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert wird. Es zeigt:
1 – eine erste prinzipielle Ausführung des erfindungsgemäßen Aktuators in 3 Ansichten
2 – die Bewegungsbahn eines charakteristischen Punktes des beweglichen, elastischen Elementes des Aktuators, idealer Weise sein Mittelpunkt in der Draufsicht, in Abhängigkeit von der äußeren Belastung, hier des Druckes
3 – graphische Darstellung des Einflusses des Verhältnisses q als Quotient zwischen dem Radius der mittleren Krümmung r zur Wanddicke d, auf die Bewegungsbahn des Mittelpunktes des beweglichen, elastischen Elementes des Aktuators
4 – die erste und eine weitere prinzipielle Ausführung des erfindungsgemäßen Aktuators unter steigendem Druck p₁ < p₂ < p₃, dargestellt unter A mit konstanter Wanddicke und unter B mit nicht konstanter Wanddicke
5 – drei weitere prinzipielle Ausführungen des erfindungsgemäßen Aktuators unter steigendem Druck p₁ < p₂ < p₃, dargestellt unter A mit geraden Abschnitten unterschiedlicher Länge zwischen den Radien der Krümmungen, unter B mit verschiedenen Krümmungsradien und unter C eine mögliche asymmetrische Struktur
Der erfindungsgemäße Aktuator besteht, wie in 1 schematisch gezeigt, aus einem beweglichen, elastischen Element, welches an mindestens zwei Punkten monolithisch mit einer Fassung, bezüglich derer sich das bewegliche, elastische Element bewegt, verbunden ist. Das hier dargestellte bewegliche, elastische Element besitzt mehrere Krümmungen, deren Radius r jeweils gleich ist. Die Wanddicke d des beweglichen, elastischen Elementes ist über den gesamten Querschnitt konstant. Es handelt sich bei dieser Ausführung um einen rotationssymmetrischen Aktuator.
In 2 ist die Bewegungsbahn des Mittelpunktes des beweglichen, elastischen Elementes des Aktuators bei einem Verhältnis q = 1,75 als Quotient zwischen dem Radius der mittleren Krümmung r zur Wanddicke d dargestellt. Bei einem Druck von Null befindet sich der Aktuator in seiner entspannten Ausgangslage. Unter steigendem Druck entfalten sich zuerst die äußeren beiden Krümmungen durch eine kontinuierliche Bewegung. Unter weiterem Ansteigen des Druckes entfalten sich dann auch die inneren Krümmungen. Jedoch kommt es hier infolge der Aspektverhältnisse zu einem instabilen Verhalten (Durchschlag) was sich in einer diskontinuierlichen Bewegungsbahn äußert. Nachdem alle Krümmungen entfaltet sind, wird das bewegliche, elastische Element bei weiterem Anstieg des Druckes elastisch gedehnt. Kommt es nun zu einer Verringerung des Druckes, schlägt der Aktuator in die entgegen gesetzte Richtung durch. Der kritische Druck hierfür ist jedoch ungleich dem Druck, der zum ersten Durchschlag führte.
In 3 ist der Einfluss des Verhältnisses q als Quotient zwischen dem Radius der mittleren Krümmung r zur Wanddicke d, auf die Bewegungsbahn des Mittelpunktes des beweglichen, elastischen Elementes des Aktuators gezeigt. Daraus ist ersichtlich, dass bei größerer werdendem q (kleiner werdende Wanddicken bei gleichem Krümmungsradius) die kontinuierliche Bewegung in eine diskontinuierliche Bewegung übergeht. Der Grenzwert hierfür liegt ungefähr bei q = 1,575. Bei steigendem q werden die für einen Durchschlag kritischen Drücke immer kleiner und die Differenz zwischen den kritischen Drücken einer Kennlinie immer größer. Bei kleiner werdenden q wird das bewegliche, elastische Element immer steifer und der Anstieg der Kennlinie geringer. Es wird immer mehr Druck benötigt, um das bewegliche, elastische Element zu entfalten.
Durch Einfügen von geraden, zueinander abgewinkelten Abschnitten in das bewegliche, elastische Element können größere Stellwege realisiert oder Einfluss auf die Stufenlänge genommen werden. Durch Unsymmetrien können auch von der Translation verschiedene Bewegungsbahnen realisiert werden (s. 4 und 5).
Folglich hängt die Art der erzeugten Bewegung von der geometrischen Gestaltung, insbesondere von der Wandstärke und der Materialnachgiebigkeit des beweglichen, elastischen Elementes des Aktuators ab. Die Materialnachgiebigkeit des beweglichen, elastischen Elementes des Aktuators kann reversibel veränderbar ausgeführt werden. Durch Veränderung der nachgiebigen Eigenschaften lokal oder im Bereich des ganzen beweglichen, elastischen Elementes des Aktuators kann das Verhalten des Aktuators und die Bewegungsart beeinflusst werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Aktuator können in Abhängigkeit von der geometrischen Gestaltung, den Materialeigenschaften und der eingestellten Nachgiebigkeit des beweglichen, elastischen Elementes translatorische-, rotatorische-, Biege- bzw. kombinierte Bewegungen realisiert werden. Bei Ausführungsvarianten mit variabler Materialnachgiebigkeit kann die Materialnachgiebigkeitsänderung beispielsweise durch entsprechende Reaktion des dafür gezielt gewählten Materials des beweglichen, elastischen Elementes oder seiner Teile auf bestimmte Energiequellen realisiert werden. Eine andere Möglichkeit, die variable Materialnachgiebigkeit zu gewährleisten, ist die Druckänderung in den dafür vorgesehenen Hohlkammern, die in die Wand des beweglichen, elastischen Elementes integriert werden.
Der erfindungsgemäße Aktuator kann in Abhängigkeit von der Materialnachgiebigkeit bzw. der Wandstärke der Krümmungen und/oder geraden, zueinander abgewinkelten Abschnitte des beweglichen, elastischen Elementes eine diskontinuierliche (sprunghafte) oder kontinuierliche Bewegung realisieren. Er ist monolithisch ausgeführt, so dass das bewegliche, elastische Element stoffschlüssig mit seiner Fassung verbunden ist und keine Montage erforderlich ist. Außerdem ist das bewegliche, elastische Element in seinem ursprünglichen Zustand frei von jeglichen Vorspannungen.
Der erfindungsgemäße Aktuator kann im Falle der diskontinuierlichen Bewegung auch mehrstufige Bewegungen (mehr als zwei stabile Gleichgewichtslagen) ausführen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 7621959 U1 [0005]
- DE 2515185 A1 [0005]
- DE 19738296 A1 [0005]
- US 2266537 [0005]
- DE 2208260 A [0006]

Claims

Aktuator zur Erzeugung einer Bewegung mit einem reversibel verformbaren, beweglichen, elastischen Element, welches an mindestens zwei Punkten, deren Abstand kleiner als die Mittellinie mindestens einer Querschnittsfläche des beweglichen, elastischen Elementes ist, mit einer Fassung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht vorgespannte bewegliche, elastische Element im Querschnitt aus mehreren Krümmungen und/oder mehreren geraden, zueinander abgewinkelten Abschnitten besteht und monolithisch mit der unbeweglichen Fassung derart verbunden ist, dass es sich nur in der Schattenfläche der Fassung bewegt.
Aktuator nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass er rotationssymmetrisch ist.
Aktuator nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass er nicht rotationssymmetrisch ist.
Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmungen und/oder geraden, zueinander abgewinkelten Abschnitte des beweglichen, elastischen Elementes eine unterschiedliche Wanddicke und/oder Materialnachgiebigkeit aufweisen.
Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche, elastische Element Hohlkammern aufweist.
Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche, elastische Element aus einem Material besteht, das durch Einwirkung von Energie seine Materialnachgiebigkeit ändert.
Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Element verschiedenförmige Öffnungen, Spalten oder Schnitte aufweist.
Verfahren zur Erzeugung einer Bewegung mit einem Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Änderung des Druckes auf eine oder mehrere der Krümmungen und/oder geraden, zueinander abgewinkelten Abschnitte des beweglichen Elements eine ein- (kontinuierliche) oder mehrstufige (diskontinuierliche) Bewegung des beweglichen, elastischen Elementes in der Schattenfläche der Fassung erzeugt wird, wobei die Art der Bewegung (kontinuierlich oder diskontinuierlich) in Abhängigkeit von der Wanddicke und/oder der reversibel veränderbaren Materialnachgiebigkeit der Krümmungen und/oder geraden, zueinander abgewinkelten Abschnitte des beweglichen, elastischen Elementes definiert wird.
Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der geometrischen Gestaltung, den Materialeigenschaften und der eingestellten Materialnachgiebigkeit der Krümmungen und/oder geraden, zueinander abgewinkelten Abschnitte des beweglichen, elastischen Elementes translatorische-, rotatorische-, Biege- bzw. kombinierte Bewegungen realisiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Materialnachgiebigkeit des beweglichen, elastischen Elementes durch Druckänderung in den Hohlkammern des beweglichen, elastischen Elementes oder durch Einwirkung von Energie auf das Material des beweglichen, elastischen Elementes verändert wird.
Verwendung eines Aktuators nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem Mechanismus zum fremdenergiefreien Greifen, Manipulieren und Transportieren von Objekten sowie als Ventil in der Rohrleitungstechnik, wobei der Aktuator an einer oder mehreren Krümmungen und/oder geraden, zueinander abgewinkelten Abschnitte des beweglichen, elastischen Elementes Funktionsflächen aufweist.