DE102009017581A1

DE102009017581A1 - Mehrachsengelenk insbesondere für die Robotik

Info

Publication number: DE102009017581A1
Application number: DE102009017581A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dr. Bannasch; Leif Kniese; Frank Blase
Original assignee: Igus GmbH
Current assignee: Igus GmbH
Priority date: 2009-04-18
Filing date: 2009-04-18
Publication date: 2010-10-21
Anticipated expiration: 2029-04-19
Also published as: ITMI20100650A1; JP5534428B2; US20100263470A1; CN101992467B; IT1399623B1; US20140126951A1; CN101992467A; JP2010255852A; DE102009017581B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Mehrachsengelenk (1) insbesondere für die Robotik. Das Mehrachsengelenk weist einen distalen Gelenkabschnitt (2) und einen proximalen Gelenkabschnitt (4) auf, die über wenigstens ein rotatorisches Drehgelenk (26) mit einer Drehachse (P) und wenigstens ein in Reihe mit dem Drehgelenk (26) geschaltetes, rotatorisches Schwenkgelenk (13) mit einer senkrecht zur Drechachse (P) verlaufenden Schwenkachse (R) relativ zueinander dreh- und schwenkbar verbunden sind. Durch ein solches Mehrachsengelenk lassen sich zwei Freiheitsgrade erzielen. Um eine kompakte Bauform zu erreichen, sind das Drehgelenk (26) und das Schwenkgelenk (13) ineinander geschoben zu einer Baueinheit vereint. Das Mehrachsengelenk (1) soll insbesondere die Betätigung über Zugmittel ermöglichen, um die Bewegung eines tierischen oder menschlichen Gelenks zu simulieren. Zur Aufnahme großer Kräfte kann ein gabelförmiger (28) Aufbau gewählt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Mehrachsengelenk, insbesondere für die Robotik, mit einem distalen Gelenkabschnitt und einem proximalen Gelenkabschnitt, die über wenigstens ein rotatorisches Drehgelenk mit einer Drehachse und wenigstens ein in Reihe mit dem Drehgelenk geschaltetes rotatorisches Schwenkgelenk mit einer senkrecht zur Drehachse verlaufenden Schwenkachse relativ zueinander dreh- und schwenkbar verbunden sind.
Ein derartiges Mehrachsengelenk ermöglicht eine Bewegung des distalen, frei beweglichen Gelenkabschnittes gegenüber dem relativ dazu feststehenden proximalen Gelenkabschnitt in zwei Freiheitsgraden. Die beiden Gelenkabschnitte dienen zur Befestigung des Mehrachsengelenks und/oder zur Anbringung von weiteren Bauteilen, auch weiteren Mehrachsengelenken. Die Gelenkabschnitte können zapfenförmig oder in Form von Buchsen oder Ausnehmungen ausgebildet sein und eine form- oder reibschlüssige Verbindung erlauben.
Das Drehgelenk und das Schwenkgelenk sind beides jeweils separate rotatorische Gelenke, die jeweils eine rein rotatorische Bewegung um die betreffende Achse, die Drehachse und die Schwenkachse, erlauben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein möglichst kompaktes Mehrachsengelenk zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß auf konstruktiv einfache Weise für das eingangs genannte Mehrachsengelenk dadurch gelöst, dass das Drehgelenk und das Schwenkgelenk ineinander geschoben zu einer Baueinheit vereint sind.
Durch das Ineinanderschieben des Schwenkgelenks und des Drehgelenks entsteht eine kompakte Baueinheit, bei der das eine (Dreh- oder Schwenk-)Gelenk das andere (Schwenk- oder Dreh-)Gelenk wenigstens abschnittsweise umgibt.
Diese kompakte Bauform kann durch die folgenden zusätzlichen und beliebig miteinander kombinierbaren Merkmale weiter verbessert werden.
Um mit dem erfindungsgemäßen Mehrachsengelenk die Kinematik beispielsweise eines menschlichen Ellenbogengelenks nachempfinden zu können, ist es beispielsweise von Vor teil, wenn die Schwenkachse senkrecht zur Verbindungslinie zwischen dem proximalen und dem distalen Gelenkabschnitt und die Drehachse in Richtung des distalen Gelenkabschnittes verläuft. Die Schwenkachse bewirkt somit ein Beugen und Strecken des distalen Gelenkabschnittes relativ zum proximalen Gelenkabschnitt, das Drehgelenk eine Drehung bzw. Supination und Pronation des distalen Gelenkabschnittes relativ zum proximalen Gelenkabschnitt. Der distale Gelenkabschnitt kann bei dieser Ausgestaltung insbesondere als eine vorzugsweise mehrfach gelagerte Welle, insbesondere als Hohlwelle, ausgestaltet sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Schwenkgelenk einen Gabelabschnitt mit wenigstens zwei Lagerelementen zur Lagerung des Drehlagers um die Schwenkachse umfassen, um die bei Drehung des distalen Gelenkabschnittes auftretenden Torsionskräfte aufzunehmen. Hierzu können die Lagerelemente insbesondere in Richtung der Schwenkachse des Schwenklagers voneinander beabstandet sein. Zwischen den beiden Lagerelementen erstreckt sich das schwenkbare Drehgelenk. Bei dieser Ausgestaltung ist das Drehgelenk also zwischen die Lagerelemente des Schwenkgelenks geschoben.
Wird das Mehrachsengelenk als aktives, dynamisch betriebenes Gelenk verwendet, um beispielsweise Lasten zu bewegen, so kommen vorzugsweise Lagerformen mit niedriger Reibung wie beispielsweise Wälzlager oder Gleitlager zum Einsatz.
Bei einer passiven Verwendung des Mehrachsengelenks, bei der das Mehrachsengelenk von außen in eine gewünschte Position gebracht wird, die es dann statisch beibehalten soll, können auch Lager mit hohen Reibungswerten zum Einsatz kommen. Für einen passiven Einsatz können alternativ oder zusätzlich auch Arretierungseinrichtungen in das Mehrachsengelenk integriert sein, durch die das Schwenkgelenk und/oder das Drehgelenk festlegbar sind. Derartige Arretierungsvorrichtungen können Bremsen oder Rasteinrichtungen sowie Spann- und Klemmelemente umfassen.
Die angestrebte kompakte Bauform lässt sich gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung nochmals verkleinern, wenn wenigstens ein Lagerelement des Schwenklagers als ein das Drehlager zumindest abschnittsweise umschließendes Ringlager ausgestaltet ist. Bei dieser Ausgestaltung kann das Drehlager im Wesentlichen innerhalb des Schwenklagers untergebracht sein. Der Durchmesser des Ringlagers entspricht wenigstens nahezu dem Durchmesser des Drehlagers im Bereich des Ringlagers. Bei ausreichender großer Dimensionierung der Ringlager können die Ringlager ohne Beeinträchtigung der Traglast aufgrund der niedrigeren Flächenpressung aus Kunststoff gefertigt sein. Zur Erzielung einer besonders kompakten Bauform kann sich das Drehgelenk in einer weiteren Ausgestaltung durch die vom Ringlager aufgespannte Ebene hindurch erstrecken.
Die Verwendung von großen und entsprechend stabilen Ringlagern verleiht dem Mehrachsengelenk eine hohe Festigkeit, insbesondere wenn die Ringlager mit der gabelförmigen Ausgestaltung des Schwenkgelenks kombiniert sind und die Ringlager das Drehgelenk in Richtung der Schwenkachse zu beiden Seiten umschließen. Eine derartige gabelförmige Ausgestaltung der Ringlager ist beispielsweise aus dem Gebiet der Möbelrollen bekannt, und ermöglicht dort hohe Traglasten trotz der Verwendung kostengünstiger Kunststoffe für die Elemente des Ringlagers.
Das Mehrachsengelenk kann in etwa kugelförmig ausgestaltet sein, und beispielsweise ein vorzugsweise hohlkugelförmiges Gehäuse umfassen, welches wenigstens das Drehgelenk schalen- oder kapselförmig umschließt. Ein solchermaßen ausgestaltetes Gehäuse verleiht dem Mehrachsengelenk zusätzliche Festigkeit, da es als Schalentragwerk fungiert. Die Kugelform führt zu einer für die Festigkeit optimalen Spannungsverteilung innerhalb des Gehäuses, so dass große Kräfte bei geringen Wandstärken aufgenommen werden können. Außerdem wird das umschlossene Drehgelenk durch das Gehäuse gegen Verunreinigung geschützt.
Das Gehäuse kann unabhängig von seiner Form Teil des distalen Abschnittes oder Teil des proximalen Abschnittes des Drehgelenks sein. In ersterem Fall ist das schalenförmige Gehäuse relativ zum proximalen Gelenkabschnitt in den Lagerelementen des Schwenkgelenks um die Schwenkachse drehbar gelagert. In letzterem Fall steht das Gehäuse bezüglich des proximalen Gelenkabschnittes fest, und es müssen im Gehäuse wenigstens eine Aussparung für die Schwenkbewegung des distalen Gelenkabschnittes vorgesehen sein, oder das Schwenkgelenk ist im Drehgelenk aufgenommen.
Um eine exakte Bewegungsführung ohne die Notwendigkeit von Kompensationsbewegungen durchführen zu können, ist es von Vorteil, wenn sich die Drehachse des Drehgelenks und die Schwenkachse des Schwenkgelenks schneiden. Mit dieser Maßnahme ist sichergestellt, dass die Drehachse stets radial zur Schwenkachse verläuft.
Von besonderem Vorteil im Hinblick auf die Verwendung des erfindungsgemäßen Mehrachsengelenks in der Robotik ist es, wenn das Drehgelenk und/oder das Schwenkgelenk, vorzugsweise beide, durch von außerhalb des Gelenks betätigbare Zugmittel antreibbar ausgestaltet sind. Die Zugmittel und die auf die Zugmittel einwirkenden Aktuatoren können auch Teil des erfindungsgemäßen Mehrachsengelenks oder einer Gelenkanordnung mit wenigstens einem solchen Mehrachsengelenk sein. Derartige Zugmittel umfassen beispielsweise Seile, Bowdenzüge, Riemen, Zahnriemen und/oder Ketten. Die Verwendung von Zugmitteln ermöglicht eine an menschliche oder tierische Gelenke angelehnte Betätigung des Mehrachsengelenks, wobei die Zugmittel die Rollen von Lehnen übernehmen. Wenn das Zugmittel keine Druckkräfte übertragen kann, sollten jeweils zwei gegeneinander wirkende Zugmittel für jedes Gelenk vorgesehen sein, um das Gelenk in beide Drehrichtungen anzutreiben. Die mit diesen beiden Zugmitteln verbundenen Aktuatoren entsprechen dem Agonisten und dem Antagonisten eines biologischen Muskel-Gelenk-Systems. Alternativ kann anstelle des einen Zugmittels allerdings auch ein Federelement vorgesehen sein, gegen das das verbleibende Zugmittel arbeitet und das eine automatische Rückstellung des kraftfreien Gelenks in eine Ruheposition bewirkt.
Im Gegensatz zur Kraftübertragung mittels Schubstangen oder Torsionselementen, die vergleichsweise massiv ausgelegt werden müssen, ermöglicht die Verwendung von mechanischen Zugmitteln für die Übertragung der von den Aktuatoren erzeugten Antriebs- und Stellkräfte eine erhebliche Gewichtseinsparung und zugleich auch eine deutlich günstigere Massenverteilung. Da Zugmittel sehr große Kräfte übertragen können, ihre Länge jedoch kaum ins Gewicht fällt, können die Aktuatoren weit von den Gelenken entfernt angeordnet sein. Dadurch ergibt sich eine große gestalterische Freiheit für den Einsatz des Mehrachsengelenks und die bewegten Massen in den distalen, beweglichen Bereichen der Konstruktion können gering gehalten werden. Dies wiederum führt zu einem sehr guten Masse-Leistungs-Verhältnis, das auch schnelle Bewegungen mit hohen Beschleunigungen ermöglicht. Zugleich kann aufgrund der geringen bewegten Masse in vorteilhafter Weise zugleich auch die Verletzungsgefahr und das Zerstörungsrisiko in Fällen von Kollisionen reduziert werden.
Des Weiteren können die Zugmittel und/oder die Aktuatoren vergleichsweise einfach mit elastischen Eigenschaften ausgestattet bzw. durch federelastische Spannelemente gehalten sein, so dass eine gute Schock-Resistenz erreicht wird. Bei einer derartigen Ausgestaltung können auch besonders weiche und flüssige Bewegungsabläufe, die nahe an ihre natürlichen Vorbilder heranreichen, realisiert werden.
Zur Verwendung mit Zugmitteln können das Drehgelenk und/oder das Schwenkgelenk insbesondere wenigstens ein Antriebsglied mit wenigstens einem Halteorgan für ein Zugmittel aufweisen. Das Antriebsglied kann beispielsweise in Form nocken- oder scheibenförmiger Abschnitte des Drehgelenks und/oder Schwenkgelenks ausgestaltet sein. Das Halteorgan dient dazu, einen Kraftschluss des durch das Zugmittel bewegten Teils des jeweiligen Gelenks mit dem Zugmittel herzustellen und so die Antriebskraft von dem Zugmittel auf das Antriebsglied und distalen Gelenkabschnitt zu übertragen. Das Halteorgan kann als Befestigung für das Ende des jeweiligen Zugmittels und/oder als vom Zugmittel umschlungener Führungsabschnitt ausgestaltet sein. Damit das Antriebsglied des Drehgelenks bei einer langen Schwenkbewegung sich nur geringfügig bewegt, ist es vorteilhafterweise zumindest nahe der Schwenkachse, bei sich mit der Schwenkachse schneidender Drehachse zumindest nahe am Schnittpunkt angeordnet.
Bei einer nockenförmigen Ausgestaltung des Antriebsgliedes ändert sich der Radius, an dem das Zugmittel die Bewegungskraft in das Gelenk einleitet, über die Bewegung des jeweiligen Gelenks. Somit kann die Bewegungskraft bzw. die Bewegungsgeschwindigkeit entsprechend der Nockenform vorbestimmt in Abhängigkeit von der momentanen Stellung des jeweiligen Gelenks verändert werden.
Bei einer scheibenförmigen Ausgestaltung des Antriebsgliedes bleibt dagegen der Radius in allen Bewegungsphasen konstant. Das Antriebsglied kann mit einem Auflagebereich für das Zugmittel versehen sein, an dem sich das Zugmittel bei der Bewegung anlegt bzw. aufwickelt.
Die Nocken- oder Scheibenform wird durch eine entsprechende Ausgestaltung des Auflagebereichs, an dem das Zugmittel das Antriebsglied umschlingt, erreicht. Der Auflagebereich kann ferner dazu benutzt werden, das Zugmittel aufzuwickeln, wenn Bewegungen von mehr als 360° mittels zweier einander entgegenwirkender Zugmittel erzeugt werden sollen. Durch das Abwickeln einer vollständigen Windung wird eine Bewegung von 360° im jeweiligen Gelenk erreicht. Sind mehrere Windungen aufgewickelt, so lassen sich mehrfache Umdrehungen des Gelenks erzielen.
Ist das Zugmittel als vorzugsweise endlose Schlaufe um das Antriebsglied geschlungen, so kann als Aktuator ein einfacher Drehantrieb verwendet werden, der, wie oben erwähnt, an beliebiger Stelle außerhalb des Mehrachsengelenks angeordnet sein kann und das Zugmittel über eine Rolle antreibt.
Die Verwendung von Zugmitteln ermöglicht ferner eine einfache manuelle Fernsteuerung. So können die Zugmittel nach Marionettenart von dem Körper einer Bedienperson bewegt werden, indem sie an den Arm einer Bedienperson angeschlossen sind und die Armbewegung auf die Bewegung des Mehrachsengelenks übertragen.
Das Antriebsglied des Drehgelenks kann in einer weiteren Ausgestaltung mit dem distalen Gelenkabschnitt einstückig verbunden sein und beispielsweise als integraler Abschnitt einer Drehwelle des distalen Gelenkabschnittes ausgebildet sein.
Die jeweiligen Zugmittel können von außerhalb des Mehrachsengelenks an das jeweilige Dreh- und/oder Schwenkgelenk geführt sein und somit das eventuell vorhandene Gehäuse durchdringen. Alternativ können die Zugmittel auch innerhalb des Mehrachsengelenks, beispielsweise durch hohl ausgestaltete proximale und/oder distale Gelenkabschnitte an das jeweilige Dreh- und/oder Schwenkgelenk herangeführt werden. In beiden Fällen können standardisierte Befestigungsmittel und/oder Kupplungen in das Mehrachsengelenk integriert sein, um einen einfachen baukastenartigen Anschluss des Mehrachsengelenks an die Zugmittel zu ermöglichen.
Ferner können an der Außenseite des Mehrachsengelenks vorzugsweise standardisierte Kupplungen angeordnet sein, an denen jeweils ein Zugmittel angeschlossen werden kann. Die Kupplungen können mit kurzen Zugmitteln im Inneren des Mehrachsengelenks verbunden sein, welche die Antriebskräfte der außen angebrachten Zugmittel ins Innere des Mehrachsengelenks übertragen.
Sind mehrere Mehrachsengelenke hintereinander geschaltet, ist die Anzahl der Freiheitsgrade der daraus resultierenden Gelenkanordnung entsprechend erhöht. Hierzu kann der distale Gelenkabschnitt des ersten Mehrachsengelenks mit dem distalen Gelenkabschnitt des weiteren, nächsten Mehrachsengelenks fest verbunden werden, wobei vorteilhafterweise die Zugmittel für das weitere Mehrachsengelenk durch das erste Mehrachsengelenk hindurchgeführt werden. So wird vermieden, dass bei der Bewegung des Mehrachsengelenks Gegenstände an den außen liegenden Zugmitteln hängen bleiben. Um eine derartige Führung der Zugmittel durch das Mehrachsengelenk hindurch zu ermöglichen, kann der proximale Gelenkabschnitt mit dem distalen Gelenkabschnitt durch wenigstens einen durchgängigen, an beiden Enden offenen Kanal miteinander verbunden sein. Durch diesen Kanal können die Zugmittel das Mehrachsengelenk passieren. Selbstverständlich kann auch für jedes Zugmittel ein eigener, bevorzugt zumindest bereichsweise flexibler und hüllenförmiger Kanal vorgesehen sein, der jedes einzelne Zugmittel führt.
Diese Ausgestaltung kann weiter verbessert werden, wenn gegeneinander wirkende Zugmittel bzw. der Vor- und der Rücklauf eines umlaufenden Zugmittels für das weitere, nachgeschaltete Mehrachsengelenk im ersten Mehrachsengelenk um wenigstens etwa 180° vertwistet sind. Durch die Vertwistung werden die unterschiedlichen Bewegungen der beiden Zugmittel bei der Bewegung des ersten Mehrachsengelenks gegeneinander aufgehoben, so dass eine Bewegung im ersten Mehrachsengelenk nicht auf die Zugmittel im Inneren wirkt. Die Vertwistung kann durch einen entsprechenden vertwisteten Verlauf der Kanäle im Mehrachsengelenk vorgegeben sein.
Das Mehrachsengelenk in einer der oben beschriebenen Ausführungen kann insbesondere Basiselement eines Bausatzes für die Robotik sein, der eine Mehrzahl von aufeinander abgestimmten Bauelementen aufweist, die über standardisierte mechanische Schnittstellen einfach miteinander verbunden werden können, um künstliche Gliedmaßen zu schaffen. Die Bauelemente des Bausatzes können insbesondere Verbindungselemente, Zugmittel und/oder Aktuatorelemente umfassen.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsformen beispielhaft beschrieben. Die bei den einzelnen Ausgestaltungen unterschiedlichen Merkmale können dabei gemäß der obigen Beschreibung beliebig miteinander kombiniert werden, sollte es auf die sich speziell bei einer bestimmten Kombination ergebenden Vorteile ankommen.
Es zeigen:
1 eine Seitenansicht auf eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mehrachsengelenks in unterschiedlichen Schwenkstellungen;
2 eine schematische Perspektivdarstellung einer beispielhaften Gelenkanordnung mit zwei hintereinander geschalteten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Mehrachsengelenks;
3 eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mehrachsengelenks mit Blick auf das Gelenkinnere unter Weglassung einzelner Bauelemente;
4 eine weitere schematische Perspektivansicht der Ausführungsform der 3 mit Blick auf das Gelenkinnere unter Weglassung einzelner Bauelemente;
5 eine schematische Schnittansicht entlang der Ebene V-V der 1;
6 eine schematische Vorderansicht in Blickrichtung VI der 1;
7 eine schematische Explosionsdarstellung entlang der Ebene VII-VII der 6 von weiteren Bauelementen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mehrachsengelenks;
8 eine schematische Schnittansicht entlang der Ebene VIII-VIII der 6;
9 eine schematische Schnittansicht durch die Mittenebene einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mehrachsengelenks im gestreckten Zustand;
10 eine Variante der Ausführungsform der 10 in einer schematischen Schnittdarstellung entlang der Mittenebene;
11–13 weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Mehrachsengelenks in schematischen Perspektivansichten;
14 eine schematische Darstellung einer Anwendung des erfindungsgemäßen Mehrachsengelenks.
In der folgenden Beschreibung wird zur Erläuterung der Figuren auf identische Bezugszeichen zurückgegriffen, um Bauelemente gleicher Funktion zu bezeichnen.
Zunächst wird der Grundaufbau und die Funktion eines erfindungsgemäßen Mehrachsengelenks 1 mit Bezug auf die 1 erläutert.
Das Mehrachsengelenk 1 weist einen proximalen Gelenkabschnitt 2 und einen distalen Gelenkabschnitt 4 auf. Der proximale Gelenkabschnitt 2 und der distale Gelenkabschnitt 4 sind relativ zueinander in zwei Freiheitsgraden beweglich. Der eine Freiheitsgrad ist eine Drehbewegung D des distalen Gelenkabschnittes 4 um seine eigene Achse, die gleichzeitig die Drehachse P der Drehbewegung darstellt. Der andere Freiheitsgrad ist eine Schwenkbewegung S des proximalen Gelenkabschnittes 2 um eine bevorzugt senkrecht zur Drehach se P bzw. senkrecht zur Verbindungslinie V des distalen Gelenkabschnittes 3 und des proximalen Gelenkabschnitts 2 verlaufende Schwenkachse R.
In 1 sind schematisch unterschiedliche Schwenkstellungen S₁, S₂, ... S₇ des distalen Gelenkabschnittes 4 mit dem Verbindungselement 6 gezeigt. Selbstverständlich ist jede beliebige Zwischenstellung zwischen den dargestellten Schwenkstellungen S₁ ... S₇ durch den distalen Gelenkabschnitt 4 einnehmbar.
Der proximale Gelenkabschnitt 2 und der distale Gelenkabschnitt 4 können in Form von Hülsen oder Buchsen, insbesondere mit formschlüssigen Aufnahmen für Achsen oder Wellen, oder in Zapfenform als Vollwelle ausgestaltet sein. Bei der Ausgestaltung der 1 sind der proximale und der distale Gelenkabschnitt 2, 4 hervorstehende Hohlwellen mit einer Keilverzahnung. In den proximalen Gelenkabschnitt 2 ist ein Verbindungselement 6 in Form einer beidseitig keilverzahnten Welle eingesteckt gezeigt.
Der proximale Gelenkabschnitt 2 ist in 1 mit einem Sockelelement 8 versehen, in das ein nicht dargestelltes Drehlager integriert sein kann, so dass das gesamte Mehrachsengelenk 1 um die Achse A drehbar ist.
Wie in 1 dargestellt ist, können sich die Drehachse P und die Schwenkachse R in einem Punkt O schneiden, so dass der hier beispielhaft hohlzapfenförmige distale Gelenkabschnitt unabhängig von der Schwenkstellung S₁ ... S₇ stets radial von der Schwenkachse R weg weist.
Das erfindungsgemäße Mehrachsengelenk 1 zeichnet sich durch eine kompakte Bauform aus, bei der, wie nachstehend mit Bezug auf die 2 und 3 erläutert ist, ein rotatorisches Drehgelenk und ein rotatorisches Schwenkgelenk zu einer Baueinheit integriert sind, indem sie wenigstens teilweise ineinander geschoben sind. Die von Drehgelenk und Schwenkgelenk gebildete Baueinheit ist zwischen den proximalen und distalen Gelenkabschnitten 2, 4 angeordnet und in 1 als geschlossener Gelenkabschnitt 9 zu erkennen.
Das Mehrachsengelenk 1 weist im Bereich des Gelenkabschnittes 9 ein im Wesentlichen kapselförmiges Gehäuse 10 auf, in das zumindest das für die Drehbewegung D erforderliche Drehgelenk aufgenommen ist. Das Gehäuse 10 kann in etwa kugelförmig ausgestaltet und über wenigstens ein Lagerelement 11 schwenkbar mit dem proximalen Gelenkabschnitt 2 verbunden sein. Hierzu ist zwischen dem Gehäuse 10 und dem proximalen Gelenkabschnitt 2 wenigstens ein Lagerelement 11 zwischengeschaltet. Als ein solches La gerelement 11 kann, wie 1 zeigt, ein Ringlager 12 fungieren, das durch seine zentrale Öffnung 14 Zugang zum Gehäuse 10 ermöglicht. Im Ringbereich des Ringlagers 12 befindet sich ein Wälz- oder Gleitlager. Das Ringlager 12 kann einen Durchmesser aufweisen, der in etwa dem Außendurchmesser des Gehäuses 10 entspricht, so dass große Kräfte aufgenommen werden können. Das Ringlager 12 ist bevorzugt außen am Gehäuse angeordnet. Das Ringlager 12 bildet bei der in 1 dargestellten Ausführungsform zusammen mit dem schwenkbaren Gehäuse 10 ein Schwenkgelenk 13.
Das Verbindungselement 6 und der Sockel 8 sind nicht notwendigerweise Bestandteil des Mehrachsengelenks, sondern in erster Linie Teil eines Baukastensystems, dessen grundlegender Bestandteil das Mehrachsengelenk 1 bildet. Damit die Bauelemente des Baukastensystems beliebig mit dem proximalen Gelenkabschnitt 2 und/oder dem distalen Gelenkabschnitt 4 verbunden werden können, weisen beide Gelenkabschnitte 2, 4 identische Verbindungsorgane auf. Insbesondere erlaubt das Baukastensystem eine Hintereinanderschaltung von mehreren Mehrachsengelenken 1, 1' zu einer Gelenkanordnung 15, wie sie in 2 dargestellt ist. Hierbei ist der distale Gelenkabschnitt 4 des Mehrachsengelenks 1 mit dem proximalen Gelenkabschnitt 2' des weiteren Mehrachsengelenks 1' verbunden. Durch diese Kombination ergibt sich insgesamt ein kompaktes Mehrachsengelenk mit vier Freiheitsgraden. Rechnet man die Drehung des proximalen Gelenkabschnittes 4 um den Sockel 8 hinzu, ergeben sich sogar fünf Freiheitsgrade. So wird das weitere Mehrachsengelenk 1' mit dem distalen Gelenkabschnitt 4 entlang der Schwenkbewegung S und der Drehbewegung D bewegt. Durch das weitere Mehrachsengelenk 1' kommt eine weitere Schwenkbewegung S' des distalen Gelenkabschnittes 4' sowie eine weitere Drehbewegung D' des distalen Gelenkabschnittes 4' um seine eigene Achse hinzu.
Ein bevorzugtes, aber nicht ausschließliches Einsatzgebiet des erfindungsgemäßen Mehrachsengelenks ist der Bereich der Robotik, in dem es vornehmlich die Funktionalität eines Ellenbogengelenks abbilden soll. Die kompakte Bauform wird bevorzugt dadurch erreicht, dass zum Antrieb des Mehrachsengelenks Zugmittel eingesetzt werden, so dass die Aktuatoren entfernt vom Mehrachsengelenk angeordnet sein können.
Anhand der 3 und 4 ist der Aufbau eines erfindungsgemäß über Zugmittel angetriebenes Mehrachsengelenks 1 beispielhaft erläutert. In den 3 und 4 sind Teile des Mehrachsengelenks 1, wie beispielsweise das Gehäuse 10, nicht eingezeichnet, um den Blick auf das Innere des Mehrachsengelenks 1 freizugeben.
Mit Bezug auf die 3 ist zunächst der Antrieb der Drehbewegung D des distalen Gelenkabschnittes 4 in eine Richtung beschrieben. Der distale Gelenkabschnitt 4 ist drehfest mit einem nocken- oder scheibenförmigen Antriebsglied 16 verbunden, das bei vollwellenförmiger oder hohlwellenförmiger Ausgestaltung des distalen Gelenkabschnittes 4 auch direkt von einem Tragbereich der Welle gebildet sein kann.
Das Antriebsglied 16 weist ein Halteorgan 18 auf, an dem ein Zugmittel 20, beispielsweise ein Drahtseil befestigt ist. Wie 3 zeigt, kann das Zugmittel 20 Teil eines außerhalb des Mehrachsengelenks 1 liegenden Bowdenzuges 22 sein. Alternativ kann der Bowdenzug auch im Inneren des Mehrachsengelenks angebracht sein.
Das Antriebsglied 16 weist ferner einen Auflagebereich 24 auf, entlang dem das Zugmittel 20 bei der Drehbewegung D aufgewickelt und geführt ist. Es ist bei dieser Ausgestaltung Teil eines Drehgelenks 26, das um die Schwenkachse R schwenkbar im Mehrachsengelenk 1 aufgenommen ist.
Die Drehbewegung D wird durch eine Zugkraft Z_D erzeugt, die auf das Zugmittel 20 wirkt und über das entlang der Auflage 24 am Umfang des Antriebsgliedes 16 und am Halteorgan 18 befestigte Zugmittel 20 an dem distalen Gelenkabschnitt 4 in Form eines Drehmomentes übertragen wird. Durch den Zug Z_D am Zugmittel 20 wickelt sich dieses unter Drehung des Antriebsgliedes 16 ab. Ist der Auflagebereich 24 so dimensioniert, dass mehrere Windungen des Zugmittels 20 auf dem Antriebsglied 16 aufgewickelt sind, so können bei diesem Aufbau auch Drehbewegungen von mehr als 360°, also mehrere Umdrehungen, erzeugt werden. Die Zugkraft Z_D wird durch nicht dargestellte Aktuatoren erzeugt, die entfernt vom Mehrachsengelenk 1 auf das Zugmittel 20 einwirken.
Wie 3 zeigt, weist das Mehrachsengelenk 1 einen Gabelabschnitt 28 auf, dessen Gabelschenkel 30, 32 aus zwei identischen, zusammengefügten Hälften gebildet sein können. Die beiden Gabelschenkel 30, 32 werden von jeweils einem Ringlager 12 für die Schwenkbewegung S (vgl. 1) gebildet. Das Drehgelenk 26 ist somit an den Seiten vom Schwenkgelenk 13 umschlossen. Die Verwendung der Ringlager 12 ermöglicht es, dass sich ein Teil des Drehlagers 26, insbesondere das Antriebsglied 16 durch die von den Ringlagern 12 aufgespannte Ebene hindurch erstreckt.
3 stellt die Erzeugung der Drehbewegung D in lediglich einer Richtung dar. Zur Erzeugung der Drehbewegung in der Gegenrichtung ist ein weiteres Zugmittel erforderlich, das dem in 3 dargestellten Zugmittel entgegenwirkt, indem es sich in Gegenrichtung abrollt. 4 zeigt dieses zusätzliche Zugmittel schematisch unter dem Bezugszeichen 34.
Die Zugmittel 20, 34 können mit linear arbeitenden Aktuatoren, wie beispielsweise künstlichen Muskeln, verbunden sein, die die Rolle als Agonist und Antagonist der jeweiligen rotatorischen Bewegung S, D fungieren.
Als Alternative zu der in 3 dargestellten Ausgestaltung, bei der das Ende des Zugmittels 20 am Antriebsglied 16 befestigt ist, kann das Zugmittel 20 auch lediglich um das Antriebsglied 16 geschlungen sein, und mit seinem anderen Ende wieder aus dem Mehrachsengelenk 1 geführt sein. Bei dieser Ausgestaltung kann das Zugmittel 20 als umlaufende Endlosschlaufe ausgestaltet sein, welche das Antriebsglied 16 wie eine Antriebsrolle antreibt. Auf Seiten des Aktuators kann ebenfalls eine Rolle als Antrieb verwendet werden (nicht dargestellt).
Mit Bezug auf die 4 wird nunmehr der Antrieb der Schwenkbewegung S erläutert, der ebenfalls über zwei einander entgegenwirkende Zugmittel 36, 38 erfolgt, die allerdings vorzugsweise zu einer über das Gehäuse 10 geführten Schlaufe 40 verbunden sind.
Bei dieser Ausgestaltung ist ein Teil des Gehäuses 10 als Antriebsglied 16 bzw. Auflagebereich 24 ausgestaltet, auf die das Zugmittel 36, 38 vorzugsweise tangential geleitet ist. Eine auf das Zugmittel 36 wirkende Zugkraft Z_S überträgt sich mittels Reib- und/oder Formschluss des Zugmittels 36, 38 auf das Antriebsglied 16 und das Gehäuse 10.
Das Gehäuse 10 ist in den Ringlagern 12 schwenkbar gehalten, so dass durch die Zugkraft Z_S das Gehäuse 10 und mit dem Gehäuse 10 das darin gehaltene Drehlager 26 verschwenkt wird.
Die Zugmittel 20, 34 für das Drehlager 26 sind durch Öffnungen 42, von denen in 4 nur die Öffnung für das Zugmittel 20 dargestellt ist, in das Innere des Gehäuses 10 zum Antriebsglied 16 geleitet. Da das Gehäuse 10 mit dem Drehlager 26 verschwenkt, ist die relative Position zwischen der Öffnung 42 und dem Antriebsglied 16 unabhängig von der Schwenkbewegung S. Die Schwenkbewegung S muss durch eine Schlaufe 44 im Zugmittel ausgeglichen werden.
5 zeigt, wie die Zugmittel 20, 34 an gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 10 durch die Öffnungen 42 ins Innere des Mehrachsengelenks 1 tangential auf den Auflagebe reich 24 des Antriebsgliedes 16 des Drehgelenks geleitet und im Halteorgan 18 zugfest gehalten werden können. Ferner ist in dieser Figur das wenigstens eine Ringlager 12 schematisch im Schnitt gezeigt. Bei dieser Ausführungsform umfasst das Ringlager ein Kugellager als Lagerelement 11, dessen Laufflächen distal vom Gehäuse 10 und proximal von einem Gabelschenkel 30, 32 gebildet ist.
Durch die Verwendung des Gabelabschnittes 28 kann das Antriebsglied 16 mit einem großen Umfang ausgestaltet sein, so dass sich größere Antriebskräfte für die Drehbewegung nutzen lassen. Um ein entsprechend großes Antriebsglied 16, das sich durch die Ringlager 12 hindurch erstrecken kann, aufnehmen zu können, kann sich das Gehäuse 10 kalottenförmig aus der zentralen Öffnung 14 der Ringlager 12 nach außen wölben, wie dies die 5 zeigt. In diesen Seitenteilen sind auch Aufnahmen für die Zugmittel 20, 34 mit der jeweiligen Öffnung 42 (nicht dargestellt) angeordnet.
6 zeigt beispielhaft den Aufbau des Gehäuses 10, das aus zwei Paaren identisch aufgebauter Gehäuseschalen 46, 48 besteht, die in Richtung der Schwenkachse R durch eine Schraub-, Niet- oder Rastverbindung zusammengehalten werden und beidseitig jeweils eines Ringlagers angeordnet sind. Besonders für große Kräfte eignet sich die in 7 dargestellte Ausführungsform, bei der sich Öffnungen 49 durch sämtliche Gehäuseschalen 46, 48 erstrecken, so dass das Gehäuse durch durchgehende Schrauben (nicht dargestellt) zusammengehalten und an dem Gabelabschnitt 28 (vgl. 6) befestigt werden kann. Das Gehäuse 10 weist wenigstens eine Aussparung 50 auf, die selbst eine Lagerlauffläche darstellen oder aber einen Laufring eines Wälz- oder Gleitlager aufnehmen kann.
Das Innere der Schalenteile 46, 48 dient zur Aufnahme des Drehlagers 26, dessen weiterer Aufbau nunmehr mit Bezug auf die 8 erläutert wird.
Der distale Gelenkabschnitt 4 setzt sich demzufolge in dem Gehäuse 10 in Form einer Welle 51 fort, die an wenigstens einer Stelle, zur Abstützung größerer Kräfte und Momente jedoch bevorzugt an zwei Stellen 52, 54 mittels Wälz- und/oder Gleitlager gelagert ist. Das Antriebsglied 16 ist vorzugsweise zwischen den beiden Lagerstellen 52, 54 angeordnet. Im Gehäuse 10 sind für die Lagerung des distalen Gelenkabschnittes 4 entsprechende Aufnahmen ausgeformt.
Wie 2 zeigt, können mehrere Mehrachsengelenke 1, 1' in Reihe geschaltet sein. Die Zugmittel 20', 34', 36', 38' des weiteren, nachgeschalteten Mehrachsengelenks 1' können außen am vorangehenden Mehrachsengelenk 1 vorbeigeleitet werden. Um ein Verheddern der am vorangehenden Mehrachsengelenk 1 vorbei geführten Zugmittel zu vermeiden, ist es jedoch besser, die Zugmittel für das weitere Mehrachsengelenk 1' durch das Innere des Mehrachsengelenks 1 zu führen. Entsprechende Ausgestaltungen sind in den nachstehend beschriebenen 9 und 10 dargestellt.
Gemäß der Ausführungsform der 9 erstreckt sich wenigstens ein an beiden Enden offener Kanal 56 durchgängig vom proximalen Gelenkabschnitt 2 zum distalen Gelenkabschnitt 4. Durch den Kanal 56 sind die Zugmittel 20', 34', 36', 38' von den proximal angeordneten Aktuatoren durch das erste Mehrachsengelenk 1 hindurch zu einem oder mehreren weiteren Mehrachsengelenken 1' geführt.
Das Gehäuse 10 an seiner dem proximalen Ende 2 zugewandten Seite mit einem sich in Richtung der Schwenkbewegung S erstreckendem, zum distalen Gelenkabschnitt 4 sich verjüngenden, trichterförmigen Einlauföffnung 57 versehen, die Teil des Kanals 56 ist und verhindert, dass die Zugmittel 20', 34', 36', 38' im Zuge der Schwenkbewegung S mit dem Gehäuse 10 kollidieren.
Um die einzelnen Zugmittel 20', 34, 36', 38' unabhängig voneinander zu führen, kann für jeden dieser Zugmittel ein einzelner Kanal 58, 59, 60, 62 vorgesehen sein, die sich im Gelenkbereich in flexiblen, schlauchförmigen Hüllen 64 fortsetzen. Die Hüllen 64 erstrecken sich zwischen einer proximalen Halteplatte 66 und einer distalen Halteplatte 68, so dass in diesem Bereich kurze Bowdenzüge gebildet sind. Für die Hüllen können beispielsweise Kunststoffhüllen aus Kugel- oder Zylindersegmente verwendet werden. Anschließend setzen sich die Zugmittel im Inneren des distalen Gelenkabschnittes fort. Die Länge der schlauchförmigen Hüllen ist so bemessen, dass auch an den Endpunkten der Schwenkbewegung ein für die reibungsarme Betätigung der Zugmittel 20', 34, 36', 38' ausreichend großer, normgerechter Krümmungsradius vorhanden ist.
Die proximale Halteplatte 66 ist vorzugsweise unbeweglich gegenüber dem proximalen Gelenkabschnitt 2 gehalten, während die distale Halteplatte 68 starr am Gehäuse 10 ausgebildet oder mit diesem verbunden ist.
Der distale Gelenkabschnitt 4 setzt sich im Inneren des Gehäuses 10 als Hohlwelle fort. Dabei bietet es sich an, das Antriebsglied 16 ringförmig auszugestalten, und an seiner Innenseite 70 zu lagern, um die für seinen Antrieb notwendigen, von den Zugmitteln 20, 34 erzeugten Querkräfte direkt aufzunehmen. Aufgrund des großen Lagerdurchmessers ist es sinnvoll, an der Stelle 70 ein Lager einzusetzen, das Axialkräfte aufnehmen kann, um die angesichts der Lagergröße niedrigen Flächenpressungen zu nutzen. Die Axialkräfte entstehen bei dieser Ausgestaltung durch die von den Zugmitteln übertragenen Zugkräfte.
Ein weiteres Lager 72 kann für die Abstützung von auf den distalen Gelenkabschnitt 4 wirkenden Kippmomente sorgen.
Die Ausgestaltung nach 10 unterscheidet sich von der Ausgestaltung nach 9 nur dadurch, dass das Bündel der schlauchförmigen Hüllen 64 im Bereich zwischen den Halteplatten 66, 68 um 180° vertwistet ist, um die bei der Schwenkbewegung des Gelenks auftretenden unterschiedlichen Biegeradien und die daraus resultierenden Längsverschiebungen der distalen Enden der innen liegenden Hüllen 64 auszugleichen. Die Vertwistung ist in der 10 mit dem Bezugszeichen 76 versehen.
Wird das Mehrachsengelenk 1 als passive bewegtes Gelenk ohne oder ohne an Zugmittel angeschlossene Antriebsglieder 16 eingesetzt, so können die Ausführungsformen der 9 und 10 zur schonenden Durchführung durch Leitungen, beispielsweise elektrischer oder fluidischer Leitungen zwischen dem proximalen und dem distalen Ende dienen.
Aufbauend auf den vorangegangenen Ausführungsbeispielen sind in den 11 bis 13 weitere Ausgestaltungsvarianten gezeigt
Bei der Ausführungsform der 11 ist der distale Gelenkabschnitt 4 durch das Mehrachsengelenk 1 hindurch zur gegenüberliegenden Seite verlängert, so dass ein T-förmiger Grundaufbau entsteht. Der verlängerte Abschnitt kann alternativ auch fest mit dem Gehäuse 10 verbunden sein, so dass er keine Drehbewegungen ausführen kann.
Bei der Ausführungsform der 12 ist der proximale Gelenkabschnitt 2 durch das Mehrachsengelenk 1 hindurch zur gegenüberliegenden Seite verlängert. 13 zeigt eine Kombination der 11 und 12 mit beidseitig verlängertem distalem und proximalem Gelenkabschnitt 2, 4 sowie einem oder zwei sich entlang der Schwenkachse R erstreckenden Gelenkabschnitten 76, die mit der Schwenkbewegung S eine Drehbewegung ausführen.
Mit den Ausführungsformen der 11 bis 13 kann das Baukastensystem für weitere kinematische Antriebsprobleme erweitert werden. Dies ist im Folgenden kurz anhand der 14 skizziert.
14 zeigt eine Gelenkanordnung mit zwei hintereinander geschalteten, erfindungsgemäßen Mehrachsengelenken 1, 1', mit der die Beweglichkeit eines menschlichen Armes simuliert werden kann. Das erste Mehrachsengelenk 1 dient als Schultergelenk, das nachgeschaltete, weitere Mehrachsengelenk 1' als Ellenbogengelenk. Die Anordnung der Mehrachsengelenke 1, 1' entspricht der in 2 dargestellten Anordnung mit dem einzigen Unterschied, dass das Verbindungselement 6 eine größere Länge aufweist als in 2.
Das proximale Ende 2 des ersten Mehrachsengelenks 1 kann mit einer in 14 nicht dargestellten Rumpfstruktur verbunden sein. Das distale Ende 4' des nachgeschalteten Mehrachsengelenks 1' ist mit einem Greifer 80 über ein Gelenk 82 verbunden.
Das Mehrachsengelenk 1' wird durch Aktuatoren 84, 86, die mit den Zugmitteln 36, 38 verbunden sind, gebeugt und gestreckt. In 14 sind als Aktuatoren beispielhaft pneumatische Muskeln gezeigt.
Die in der 14 dargestellten, gebeugten Stellung des Ellenbogengelenks ist der als Beuger dienende Aktuator 84 kontrahiert, sein Antagnoist, der als Strecker dienende Aktuator 86 ist gedehnt.
Die Aktuatoren 88, 90 bewirken entsprechend eine Rotation des Verbindungselements 6', welches den Greifer 80 mit dem Mehrachsengelenk 1' verbindet. Die Aktuatoren 88, 90 sind entsprechend mit den Zugmitteln 20, 34 verbunden.
Die Funktion des Mehrachsengelenks 1', wie im Übrigen auch die Funktion des Mehrachsengelenks 1 ist wie oben beschrieben.
Durch die Ausgestaltung als Baukastensystem lassen sich die Gelenke 1, 1' sowie die Verbindungselemente 6, 6' auf einfache Weise in beliebiger Kombination zusammenstecken.
Von den oben beschriebenen Ausführungsformen sind weitere Abwandlungen möglich, ohne dass von der erfindungsgemäßen Lehre abgewichen wird.
So können anstelle der beschriebenen Seile oder Bowdenzüge auch andere Zugmittel wie Ketten oder Riemen, insbesondere Zahnriemen verwendet werden.
Das Verbindungselement 6, 6' selbst kann ebenfalls hohl sein, um die Durchleitung von Zugmitteln zu ermöglichen. Kurz vor den Enden des Verbindungselements können Öffnungen vorgesehen sein, um die Zugmittel nach außen zu führen. Alternativ kann das Verbin dungselement auch mit innen liegenden Zugmitteln vormontiert sein und Kupplungen aufweisen, an denen Zugmittel von außen befestigt werden.
Anstelle des kugelförmigen Gehäuses 10 können auch andere, vorzugsweise rotationssymmetrische Gehäuseformen, beispielsweise zylindrische Gehäuseformen verwendet werden. Auch kann auf ein das Drehgelenk 26 umschließendes Gehäuse verzichtet werden und statt dessen eine von wenigstens einem Lagerelement 11 gehaltene Welle verwendet werden. In diesem Fall ist ähnlich wie beim distalen Gelenkabschnitt 2 das Antriebsglied 16 an der Welle angebracht.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele zeigen jeweils ein aktives Mehrachsengelenk 1, durch das eine Kraft oder eine Bewegung auf den distalen Gelenkabschnitt zur Handhabung von Lasten übertragen werden soll. Das Mehrachsengelenk 1 kann jedoch auf ähnliche Weise auch als passives Gelenk eingesetzt werden, wenn die Lagerelemente 11 des Schwenkgelenks 13 und die Lager des Drehgelenks 26 beispielsweise als Reiblager selbsttätig feststellend ausgestaltet sind oder Arretierungsvorrichtungen vorgesehen sind, mit denen die Lager festgelegt werden können. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Arretierungselemente anstelle von Aktuatoren verwendet werden und das Zugmittel fixieren.
Schließlich kann in einer kinematischen Umkehr des oben beschriebenen Aufbaus das Schwenkgelenk 13 innerhalb des Drehgelenks 26 angeordnet sein.

1: Mehrachsengelenk
1': weiteres Mehrachsengelenk
2: proximaler Gelenkabschnitt
2': proximaler Gelenkabschnitt von 1'
4: distaler Gelenkabschnitt
4': distaler Gelenkabschnitt von 1'
6: Verbindungselement
8: Sockelelement
9: Gelenkabschnitt
10: Gehäuse
11: Lagerelement
12: Ringlager
13: Schwenkgelenk
14: zentrale Öffnung von 12
15: Gelenkanordnung
16: Antriebsglied
18: Halteorgan
20: Zugmittel für die Drehbewegung
20': Zugmittel für 1'
22: Bowdenzug
24: Auflagebereich
26: Drehgelenk
28: Gabelabschnitt
30, 32: Gabelschenkel von 28
34: zum Zugmittel 20 entgegenwirkendes Zugmittel
34': entsprechendes Zugmittel für 1'
36, 38: einander entgegenwirkende Zugmittel für die Schwenkbewegung
36', 38': Zugmittel von 1' für die Schwenkbewegung
40: Schlaufe
42: Öffnung in 10 für 20, 34
44: Aufnahme für 20, 34
46: Gehäuseschale
48: Gehäuseschale
49: Durchgangslöcher
50: Aufnahme für 12
52, 54: Lagerstellen
56: Kanal
57: Einlauföffnung
58, 60, 62, 64: Einzelkanäle für 20', 34', 36', 38'
66: schlauchförmige Hüllen
68: proximale Halteplatte
70: distale Halteplatte
72: Innenlagerung von 16
74: Lager
76: vertwisteter Bereich
80: Greifer
82: Gelenk
86–90: Aktuatoren
A: Drehachse von 8
D: Drehbewegung
D': Drehbewegung von 1'
P: Drehachse der Drehbewegung
R: Schwenkachse
S: Schwenkbewegung
S': Schwenkbewegung von 1'
S₁, ... S₇: Schwenkstellungen
V: Verbindungslinie zwischen 2 und 4
Z_D: Zugkraft für Drehbewegung
Z_S: Zugkraft für Schwenkbewegung

Claims

Mehrachsengelenk (1), insbesondere für die Robotik mit einem proximalen Gelenkabschnitt (2) und einem distalen Gelenkabschnitt (4), die über wenigstens ein rotatorisches Drehgelenk (26) mit einer Drehachse (P) und wenigstens ein in Reihe mit dem Drehgelenk geschaltetes, rotatorisches Schwenkgelenk (13) mit einer senkrecht zur Drehachse (P) verlaufenden Schwenkachse (R) relativ zueinander dreh- und schwenkbar verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehgelenk (26) und das Schwenkgelenk (13) ineinander geschoben zu einer Baueinheit vereint sind.
Mehrachsengelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkachse (R) senkrecht zur Verbindungslinie (V) zwischen dem proximalen und dem distalen Gelenkabschnitt (2, 4) und die Drehachse (P) in Richtung des distalen Gelenkabschnittes (4) verläuft.
Mehrachsengelenk (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwenkgelenk (13) einen Gabelabschnitt (28) mit wenigstens zwei Lagerelementen (11) zur Lagerung des Drehgelenks (26) aufweist, zwischen denen sich das Drehgelenk (26) schwenkbar erstreckt.
Mehrachsengelenk (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerelemente (11) in Richtung der Schwenkachse (R) des Schwenklagers (13) voneinander beabstandet sind.
Mehrachsengelenk (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein als Ringlager (12) ausgestaltetes Lagerelement (11) vorgesehen ist, welches das Drehgelenk (26) wenigstens abschnittsweise umschließt.
Mehrachsengelenk (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Drehgelenk (26) durch die vom Ringlager (12) aufgespannte Ebene hindurch erstreckt.
Mehrachsengelenk (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehgelenk (26) und/oder das Schwenkgelenk (13) durch ein von außerhalb des Gelenks betätigbares Zugmittel (20, 34, 36, 38) antreibbar ausgestaltet sind.
Mehrachsengelenk (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehgelenk (26) und/oder das Schwenkgelenk (13) wenigstens ein Antriebsglied (16) mit wenigstens einem Halteorgan (18), an dem das Zugmittel Kraft übertragend mit dem Antriebsglied (16) verbunden ist, aufweist.
Mehrachsengelenk (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsglied (16) mit wenigstens einem Auflagebereich (24) für das Zugmittel (20, 34, 36, 38) versehen ist.
Mehrachsengelenk (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsglied (16) des Drehgelenks (26) mit dem distalen Gelenkabschnitt (4) einstückig verschwenkbar verbunden und im Schwenkgelenk (13) gelagert ist.
Mehrachsengelenk (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwenkgelenk (13) ein im Wesentlichen kugelförmiges Gehäuse aufweist, in dem das Drehgelenk (26) aufgenommen ist.
Mehrachsengelenk (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Drehachse (P) und die Schwenkachse (R) schneiden.
Mehrachsengelenk (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das der proximale Gelenkabschnitt (2) und der distale Gelenkabschnitt (4) durch wenigstens einen durchgängigen, an beiden Enden offenen Kanal (56, 58, 60, 62, 64) miteinander verbunden sind.
Mehrachsengelenk (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwenkgelenk (13) und/oder das Drehgelenk (26) feststellbar ausgestaltet sind.
Mehrachsengelenk (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehgelenk (26) sich wenigstens größtenteils innerhalb der vom Schwenkgelenk (13) vorgegebenen Außenkonturen befindet.
Gelenkanordnung (15), gekennzeichnet durch ein erstes Mehrachsengelenk (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, an dessen distalen Gelenkabschnitt (4) ein weiteres Mehrachsengelenk (1') nach einem der Ansprüche 1 bis 16 angebracht ist.
Gelenkanordnung (15) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrachsengelenke (1, 1') über Zugmittel (20, 34, 36, 38; 20', 34', 36', 38') mit Aktuatoren verbunden sind, wobei die Zugmittel (20', 34', 36', 38') des weiteren Mehrachsengelenks (1') durch das erste Mehrachsengelenk (1) hindurchgeführt sind.
Gelenkanordnung (15) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass gegeneinander wirkende Zugmittel (20', 34', 36', 38') des weiteren Mehrachsengelenks (1') im ersten Mehrachsengelenk (1) um wenigstens etwa 180° vertwistet sind.
Bausatz für die Robotik, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Mehrachsengelenken (1, 1') nach einem der Ansprüche 1 bis 15 sowie weiteren Bauelementen umfassend Verbindungselemente, Zugmittel und/oder Aktuatoren, wobei die Bauteile und die Mehrachsengelenke durch baukastenmäßig abgestimmte Schnittstellen miteinander verbindbar sind.