DE102009008128B4

DE102009008128B4 - Fluidischer Soft-Drehantrieb

Info

Publication number: DE102009008128B4
Application number: DE200910008128
Authority: DE
Inventors: Dr. Ivlev Oleg
Original assignee: FWBI FRIEDRICH WILHELM BESSEL INST FORSCHUNGSGESELLSCHAFT mbH; Fwbi Friedrich-Wilhelm-Bessel-Institut Forschungsgesellschaft mbH
Current assignee: FWBI FRIEDRICH WILHELM BESSEL INST FORSCHUNGSGESELLSCHAFT mbH; Fwbi Friedrich-Wilhelm-Bessel-Institut Forschungsgesellschaft mbH
Priority date: 2009-02-09
Filing date: 2009-02-09
Publication date: 2013-02-21
Anticipated expiration: 2029-02-10
Also published as: DE102009008128A1

Abstract

Fluidischer Soft-Drehantrieb mit mindestens zwei durch mindestens eine flexible Arbeitskammer (13, 20) aufgrund Zuführung oder Ableitung eines Fluids relativ zueinander drehbaren Bauteilen (10, 11), wobei ein Ende bzw. ein Endbereich der Arbeitskammer (13, 20) mit dem einen und das andere Ende bzw. der andere Endbereich mit dem anderen Bauteil (10, 11) verbunden ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) die Bauteile (10, 11) sind als Innen-Bauteil (10) und Außen-Bauteil (11) ausgebildet, b) Innen-Bauteil (10) und Außen-Bauteil (11) sind konzentrisch zueinander um eine gemeinsame Achse (12) drehbar gelagert, c) die schlauchförmige Arbeitskammer (13, 20) verbindet Innen-Bauteil (10) und Außen-Bauteil (11) miteinander in einer gewickelten Formation in queraxialer Wickelebene, derart, dass bei Zuführung eines Fluids unter Druck in die Arbeitskammer (13, 20) Innen-Bauteil (10) und Außen-Bauteil (11) relativ zueinander drehbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen fluidischen Soft-Drehantrieb mit den Merkmalen gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein fluidischer Drehantrieb führt zwei drehbar miteinander verbundenen Bauteilen ist bekannt aus US 4 944 755 . Der Drehantrieb besteht aus zwei gleichachsig angeordneten Wellen, die drehbar miteinander verbunden sind. Eine schlauchförmige, flexible Arbeitskammer ist mit dem einen Wellenstück einerseits und mit dem anderen Wellenstück andererseits fest verbunden. Die schlauchförmige Arbeitskammer umgibt die Teilbereiche der Wellen zwischen den Befestigungsstellen schraubenförmig. Eine Fluidleitung führt zu einem Ende des Schlauchs. Ein derartiger Drehantrieb ermöglicht nur einen begrenzten Drehwinkel. Darüber hinaus ist die Kraftübertragung, nämlich das erzeugte Drehmoment, begrenzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen fluidischen Drehantrieb vorzuschlagen, der zum einen einen größeren Bewegungs-, nämlich Drehbereich und zum anderen auch die Übertragung bzw. Erzeugung höherer Drehmomente ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist der erfindungsgemäße Drehantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ausgebildet.
Durch Zufuhr eines Fluids an einem Ende des formbaren Schlauchs, insbesondere an einem radial außenliegenden Ende, wird eine relative Drehbewegung zwischen den Bauteilen, nämlich einem Innen-Bauteil und einem Außen-Bauteil erzeugt. Die Drehbewegung ist abhängig vor allem von der Länge der schlauchförmigen gewickelten Arbeitskammer. Die Bauteile sind jeweils mit Befestigungsorganen versehen zum Anbringen jeweils eines zugekehrten Endes des Fluid-Schlauchs.
Die Rückkehrbewegung der Bauteile in die Ausgangsstellung kann durch eine insbesondere spiralförmige Rückholfeder bewirkt werden. Vorteilhafterweise ist der Drehantrieb mit mindestens zwei schlauchförmigen Arbeitskammern in gewickelter Formation versehen, die denselben Bauteilen zugeordnet sind und aufgrund gegenläufiger Wicklung und gesonderter (alternativer) Zuführung des Fluids als Antriebs-Antagonisten wirken.
Das Innen-Bauteil kann als drehbare Achse bzw. Welle ausgebildet und das Außen-Bauteil auf dieser drehbar gelagert sein. Vorteilhafterweise ist der Querschnitt des Innen-Bauteils rund, jedoch ungleichförmig bzw. asymmetrisch, insbesondere etwa in der Kontur einer Zykloide. Die geometrische Form des Bauteils in vorstehendem Sinne bewirkt, dass eine Korrektur des Drehmomentverlaufs in Abhängigkeit vom Winkel stattfindet.
Weiterhin ist eine verbesserte Kraftübertragung erreichbar durch eine Außenführung der gewickelten Arbeitskammer, wobei diese als Teil eines geschlossenen Gehäuses ausgebildet sein kann. Durch Anlage der schlauchförmigen Arbeitskammer an der Außenführung bzw. an einer Außenwand des Gehäuses wird eine bessere bzw. höhere Drehkraft erzeugt.
Eine Besonderheit der Erfindung liegt darin, dass die flexible, schlauchförmige Arbeitskammer in einer im Wesentlichen gemeinsamen Ebene gewickelt ist. Vorzugsweise besteht die Arbeitskammer aus einem Feuerwehrschlauch. Die Arbeitskammer kann auch als Faltenbalk ausgebildet sein oder aus einem anderen, ausdehnbaren Hohlkörper bestehen. Der Druck des Fluids kann zum Beispiel 6 bar betragen. Bei einer Flüssigkeit sind aber auch höhere Drücke möglich, zum Beispiel bis zu 45 bar. Der Maximaldruck ist abhängig von der Belastbarkeit der Schläuche. Der vorliegende Soft-Drehantrieb ist für die Erzeugung von insbesondere Dreh- bzw. Schwenkbewegungen in der Automatisierungstechnik geeignet, in der Robotik, aber auch in der Service- und Assistenzrobotik sowie in der Medizintechnik, also für motorische Orthesen sowie für Bewegungstherapiegeräte.
Weitere Merkmale und Besonderheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigt:
1 einen fluidischen Drehantrieb in vereinfachter Seitenansicht, in einer Ausgangsstellung,
2 den Drehantrieb gemäß 1 in einer veränderten Stellung bzw. in einer Endstellung,
3 ein Ausführungsbeispiel eines Drehantriebs mit zwei antagonistisch wirkenden schlauchförmigen Arbeitskammern in Radialansicht,
4 einen Drehantrieb analog 1, 2 mit einem (geschlossenen) Gehäuse in einem Vertikal- bzw. Radialschnitt,
5 den Drehantrieb gemäß 4 in einem Vertikalschnitt,
6 eine Einzelheit eines Drehantriebs, nämlich ein asymmetrisches Innen-Bauteil in schematischer Darstellung.
Ein fluidischer Soft-Drehantrieb gemäß vorliegender Ausführung besteht mindestens aus zwei relativ zueinander drehbaren Bauteilen und einer flexiblen Arbeitskammer in der Ausführung als Schlauch, Faltenbalg oder dergleichen, jedenfalls als aufgrund Formänderung streckbarer oder zusammenlegbarer Hohlkörper. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1, 2 ist ein innenliegendes Bauteil, nämlich ein Innen-Bauteil 10 und ein äußeres bzw. größeres Bauteil – Außen-Bauteil 11 – konzentrisch zueinander angeordnet, nämlich in Bezug auf eine Mittelachse 12. Die Bauteile 10, 11 sind relativ zueinander drehbar. Bei dem vorliegenden Beispiel ist das Außen-Bauteil 11 drehbar auf dem Innen-Bauteil 10 gelagert.
Die Relativbewegung zwischen den Bauteilen 10, 11 erfolgt durch Fluid-Antrieb. Ein Antriebsorgan bzw. ein Antriebselement, im vorliegenden Falle eine flexible, schlauchförmige Arbeitskammer 13, verbindet die Bauteile 10 und 11 miteinander. Das schlauchförmige Gebilde ist durch Einführen eines hydraulischen oder pneumatischen Mediums in das Innere verformbar. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die im Wesentlichen flach zusammengefaltete Arbeitskammer durch das Fluid zu einem Gebilde mit im Wesentlichen kreisförmigem Querschnitt verformt. Durch Einführen des Fluids unter Druck in die Arbeitskammer 13 und entsprechender Verformung derselben wird eine relative Drehbewegung zwischen den Bauteilen 10, 11 erzeugt.
Die schlauchförmige Arbeitskammer 13 ist in gewickeltem Zustand angeordnet. Mehrere Windungen sind im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene quer zum Innen-Bauteil 10 angeordnet. Der schlauchförmige Hohlkörper 13 ist schnecken- bzw. spiralförmig gewickelt.
Je ein Ende der langgestreckten Arbeitskammer 13 ist mit einem der Bauteile 10, 11 fest verbunden. Ein radial innenliegendes Schlauchende, also ein Innen-Ende 14, ist mit dem Innen-Bauteil 10 verbunden, welches bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 bis 3 zylindrisch ausgebildet ist, als Welle oder Achse. Das Innen-Ende 14 der Arbeitskammer 13 ist über ein geeignetes Befestigungsstück 15 mit dem Umfang des Innen-Bauteils 10 verbunden. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel bewirkt das Befestigungsstück 15 zugleich einen dichten Abschluss des Innen-Endes 14 der Arbeitskammer 13.
Das andere Ende der gewickelten, schlauchförmigen Arbeitskammer 13 ist mit dem Außen-Bauteil 11 verbunden, und zwar mit einem größeren radialen Abstand von dem Befestigungsstück 15. Das Außen-Bauteil 11 ist vorliegend als Scheibe ausgebildet, mit kreisförmiger Außenkontur. Benachbart zum Außenrand des Außen-Bauteils 11 ist ein Anschlussstück 16 angebracht. Dieses ist als quer bzw. achsparallel angeordneter Hohlkörper ausgebildet und dient der Fixierung eines Außen-Endes 17 der Arbeitskammer 13 am Außen-Bauteil 11. Die Arbeitskammer 13 mündet in das hohle Anschlussstück 16. Ein Fluidkanal 18 schließt an das Anschlussstück 16 an, sodass über dieses Anschlussstück 16 die Zuführung des Fluids zur Arbeitskammer 13 und die Ableitung zur Entleerung der Arbeitskammer 13 möglich sind.
Bei der Zuführung des Fluids unter Druck von beispielsweise ca. 6 bar verformt sich die gewickelte Arbeitskammer 13 aus der Formation gemäß 1 in die Stellung gemäß 2. Die Wickelformation wird dabei im Prinzip beibehalten. Durch die Verformung des Schlauchs wird eine relative Drehbewegung zwischen den Bauteilen 10, 11 ausgeführt, im vorliegenden Falle entlang eines Winkels 19 der deutlich größer ist als 180°. Beide Bauteile 10, 11 vollziehen eine Drehbewegung, wie sich aus den Endstellungen der Befestigungsorgane 15, 16 in 2 gegenüber den in gestrichelten Linien gezeigten Ausgangsstellungen ergibt. Der Bereich der Relativbewegung ist abhängig von der Länge der schlauchförmigen Arbeitskammer 13. Dementsprechend kann die Bewegung des einen oder anderen Bauteils mehrere Umdrehungen umfassen.
Für die Rückkehr des Antriebs in die Ausgangsstellung gemäß 1 kann ein (mechanisches) Rückstellorgan vorgesehen sein, zum Beispiel eine (spiralförmige) Rückstellfeder. Alternativ kann der Antrieb gemäß 3 ausgebildet sein, nämlich mit zwei separaten Arbeitskammern 13, 20. Diese sind vorzugsweise in übereinstimmender Weise angeordnet, nämlich gewickelt. Die beiden Arbeitskammern 13, 20 liegen in zwei parallelen, versetzten Wickelebene, vorzugsweise symmetrisch zu einer queraxialen Mittelebene. Die Arbeitskammern 13, 20 sind auf einem gemeinsamen Innen-Bauteil 10 angeordnet, also zum Beispiel auf einer gemeinsamen Welle oder Achse.
Die schlauchförmigen Arbeitskammern 13, 20 sind bei dem Ausführungsbeispiel der 3 gegenläufig gewickelt und sind demzufolge antagonistisch einsetzbar. Bei Betätigung der Arbeitskammer 13, also bei der Zuführung von Fluid zu diesem schlauchförmigen Gebilde, wird eine relative Drehbewegung entsprechend 1, 2 erzeugt. Bei Entlüftung der Arbeitskammer 13 und Beaufschlagung der ebenfalls schlauchförmigen Arbeitskammer 20 mit Fluid unter Druck wird eine gegenläufige relative Drehbewegung der Bauteile 10, 11 erzeugt, vorzugsweise bis in die Ausgangsstellung.
Das Außen-Bauteil 11 besteht hier aus zwei Scheiben 21, 22, die beide drehbar auf dem Innen-Bauteil 10 gelagert sind. Die Arbeitskammern 13, 20 sind zwischen diesen Scheiben 21, 22 auf dem Innen-Bauteil 10 positioniert. Die Scheiben 21, 22 sind durch das Anschlussstück 16 miteinander verbunden. Dieses ist so ausgebildet, dass den Arbeitskammern 13, 20 unabhängig voneinander Fluid zugeführt werden kann über entsprechende Fluidkanäle 18 und 23.
Der Drehantrieb kann alternativ auch so ausgebildet sein, dass – ähnlich dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 – mehrere nebeneinanderliegende, nicht antagonistisch wirkende schlauchförmige Arbeitskammern für eine gleichgerichtete Drehung der Bauteile 10, 11 beaufschlagt werden können und dadurch eine Erhöhung der Drehkräfte bewirken.
Die Wirkung der gewickelten schlauchförmigen Arbeitskammer 13, 20 kann durch eine äußere Führung bzw. Abstützung verbessert, nämlich erhöht werden. Es handelt sich dabei um eine ringförmige Außenwandung 24 aus starrem, belastbarem Werkstoff. Die Außenwindung der Arbeitskammer 13, 20 legt sich in gefülltem Zustand mit einem Anpressdruck an die Außenwandung 24 an. Bei dieser Ausführung ist die Außenwandung 24 zweckmäßigerweise Teil eines vorzugsweise kreisförmigen Gehäuses 25 zur Aufnahme der gewickelten Arbeitskammer 13 und/oder 20. Das Gehäuse 25 ist als Außen-Bauteil 11 drehbar auf dem Innen-Bauteil 10 gelagert.
Eine Besonderheit zeigt 6. Das Innen-Bauteil 10 ist mit einer runden Außenfläche 26 ausgebildet, die nicht zylindrisch ist, sondern einer exakten Kurve folgt. Die Querschnittsform bzw. Kontur des Innen-Bauteils 10 ist in ihrer Form so ausgebildet, dass bei Betätigen der Arbeitskammer 13, 20 ein gleichförmiges Drehmoment bzw. ein linear ansteigendes Drehmoment erzeugt wird. Das Innen-Bauteil 10 bzw. dessen Außenfläche 26 ist im Wesentlichen in der Form einer Zykloide ausgebildet.
Eine Weiterentwicklung besteht darin, dass die Wandung der Arbeitskammern 13, 20 außen mit einer Beschichtung oder einer Oberfläche versehen ist, die einen niedrigen Reibungsbeiwert aufweist, sodass bei den Verformungen der gewickelten Arbeitskammern 13, 20 die Kraftverluste durch Reibung reduziert werden. Dies kann auch durch eine äußere Ummantelung der Arbeitskammern 13, 20 mit geringem Gleitwiderstand und/oder durch Schmiermittel bewirkt werden.
Innerhalb der Arbeitskammern 13, 20 kann eine durchgehende Abstützung angeordnet sein, die bewirkt, dass die schlauchförmige Arbeitskammer auch in druckfreiem Zustand eine mindestens teilweise offene Querschnittsform aufweist, die bei Beaufschlagung mit Fluid einen besseren Durchfluss gewährleistet.

Claims

Fluidischer Soft-Drehantrieb mit mindestens zwei durch mindestens eine flexible Arbeitskammer (13, 20) aufgrund Zuführung oder Ableitung eines Fluids relativ zueinander drehbaren Bauteilen (10, 11), wobei ein Ende bzw. ein Endbereich der Arbeitskammer (13, 20) mit dem einen und das andere Ende bzw. der andere Endbereich mit dem anderen Bauteil (10, 11) verbunden ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) die Bauteile (10, 11) sind als Innen-Bauteil (10) und Außen-Bauteil (11) ausgebildet, b) Innen-Bauteil (10) und Außen-Bauteil (11) sind konzentrisch zueinander um eine gemeinsame Achse (12) drehbar gelagert, c) die schlauchförmige Arbeitskammer (13, 20) verbindet Innen-Bauteil (10) und Außen-Bauteil (11) miteinander in einer gewickelten Formation in queraxialer Wickelebene, derart, dass bei Zuführung eines Fluids unter Druck in die Arbeitskammer (13, 20) Innen-Bauteil (10) und Außen-Bauteil (11) relativ zueinander drehbar sind.
Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schlauchförmige Arbeitskammer (13, 20) in entleertem Zustand als überwiegend flacher Schlauch (spiralförmig) gewickelt ist.
Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Außen-Bauteil (11) ein Befestigungsstück (16) angebracht ist zum Fixieren eines zugekehrten Endes der Arbeitskammer (13, 20) und zur Zuführung bzw. Ableitung des Fluids zur bzw. von der Arbeitskammer (13, 20) über das Befestigungsstück (16).
Antrieb nach Anspruch 3 oder einem der weiteren Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungsstück (16) als Hohlkörper ausgebildet ist, wobei einerseits das Ende der Arbeitskammer (13, 20) und andererseits ein Fluidkanal (18) mit dem hohlen Befestigungsstück (16) verbunden ist.
Antrieb nach Anspruch 1 oder einem der weiteren Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Außen-Bauteil (11) aus zwei im Abstand voneinander angeordneten, queraxialen Trägern (21, 22) besteht, die gemeinsam auf dem Innen-Bauteil (10) drehbar gelagert sind, wobei das Befestigungsstück (16) an der Innenseite der Träger (21, 22) angeordnet ist.
Antrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Träger als auf einem Achsstück drehbar gelagerte Scheiben (21, 22) ausgebildet sind und das Befestigungsstück (16) als achsparallele Verbindung zwischen den Scheiben (21, 22) angeordnet ist.
Antrieb nach Anspruch 1 oder einem der weiteren Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der (spiralförmig angeordneten) Arbeitskammer (13, 20) von einer Außenumhüllung umgeben ist.
Antrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenumhüllung der Arbeitskammer (13, 20) eine zylindrische bzw. kreisförmige Außenwandung (24) aus starrem Werkstoff aufweist.
Antrieb nach Anspruch 1 oder einem der weiteren Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Außen-Bauteil (11) als geschlossenes Gehäuse (25) ausgebildet ist, dessen Abmessung bzw. Innenraum an die Abmessung der (gewickelten) Arbeitskammer (13, 20) in gefülltem Zustand angepasst ist.
Antrieb nach Anspruch 1 oder einem der weiteren Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Innen-Bauteil (10) eine runde, asymmetrische Außenkontur bzw. Außenfläche (26) aufweist zur Optimierung der Drehmomentcharakteristik.
Antrieb nach Anspruch 1 oder einem der weiteren Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die schlauchförmige Arbeitskammer (13, 20) eine äußere Oberfläche mit niedrigem Reibungsbeiwert aufweist.
Antrieb nach Anspruch 1 oder einem der weiteren Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der schlauchförmigen Arbeitskammer (13, 20) ein flexibles Stützelement angeordnet ist, nämlich ein stützender Innenstreifen zur Offenhaltung des Querschnitts der Arbeitskammer (13, 20) auch bei abgeleitetem Fluid.
Antrieb nach Anspruch 1 oder einem der weiteren Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Bauteilen (10, 11) mindestens zwei voneinander unabhängige Arbeitskammern (13, 20) zugeordnet sind, die in gleichgerichteter oder entgegengesetzt, also nach dem Antagonistenprinzip wirkenden Arbeitskammern (13, 20) mit Fluid beaufschlagbar sind.
Antrieb nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden entgegengesetzt wirkenden Arbeitskammern (13, 20) mit dem gemeinsamen Innen-Bauteil (10) einerseits und mit dem gemeinsamen Außen-Bauteil (11) andererseits über gesonderte Verbindungsstücke verbunden sind, wobei jeder Arbeitskammer eine gesondert beaufschlagbare Fluidleitung (18, 23) zugeordnet ist.
Antrieb nach Anspruch 1 oder einem der weiteren Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (10, 11) durch zwei oder mehrere hinsichtlich der Drehrichtung übereinstimmende Arbeitskammern (13, 20) beaufschlagbar sind, wobei die nebeneinander bzw. parallel nebeneinanderliegenden gewickelten Arbeitskammern (13, 20) über gemeinsame oder über separate Fluidleitungen zur gleichzeitigen oder zeitlich versetzten Übertragung von Drehbewegungen beaufschlagbar sind.