DE102011104026A1 - Resilient fluid drive for generating exact bidirectional screw movement of coupling surface between drive and operating element for e.g. robotics, has cavity element arranged in initial state without mechanical prestressing - Google Patents
Resilient fluid drive for generating exact bidirectional screw movement of coupling surface between drive and operating element for e.g. robotics, has cavity element arranged in initial state without mechanical prestressing Download PDFInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen nachgiebigen Fluidantrieb zur Erzeugung einer nahezu exakten bidirektionalen Schraubenbewegung (Rotationsbewegung um eine Achse mit gleichzeitiger Translationsbewegung längs dieser Achse in beiden Richtungen) und ein dazugehöriges Verfahren für den Einsatz in der Robotik, vorzugsweise für das Manipulieren und Handhaben empfindlicher Gegenstände oder in der Medizintechnik, vorzugsweise für das Positionieren und Halten von Sensoren.The invention relates to a resilient fluid drive for producing a nearly exact bidirectional screw movement (rotational movement about an axis with simultaneous translational movement along this axis in both directions) and an associated method for use in robotics, preferably for the manipulation and handling of sensitive objects or in the Medical technology, preferably for positioning and holding sensors.
Die überwiegende Mehrzahl von nachgiebigen Fluidantrieben sind Hohlraumstrukturen. Sie bestehen aus einem stark dehnbaren, elastisch verformbaren Material (vorzugsweise Elastomere, die Dehnungen bis zu 1000% ermöglichen). Aufgrund der Nachgiebigkeit des verwendeten Werkstoffes, aus dem diese Hohlraumstrukturen gefertigt sind, werden bei einer wachsenden Druck- bzw. Unterdruckbelastung des Hohlraums die umgebenden Strukturteile gedehnt bzw. verformt. Hierdurch kommt es zu einer Bewegung der Koppelstelle(n) bzw. -fläche(n) zwischen Fluidantrieb und Wirkelement.The vast majority of compliant fluid drives are cavity structures. They consist of a highly stretchable, elastically deformable material (preferably elastomers that allow strains up to 1000%). Due to the resilience of the material used, from which these cavity structures are made, the surrounding structural parts are stretched or deformed with a growing pressure or vacuum load of the cavity. This results in a movement of the coupling point (s) or surface (s) between the fluid drive and active element.
Aus dem Stand der Technik sind Fluidantriebe dieser Art bekannt, die in ihrem einfachsten Aufbau aus einer monolithischen nachgiebigen Einheit bestehen. Aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften, von welchen besonders die einfache Bauweise und große realisierbare Bewegungsbereiche hervorzuheben sind, finden diese Fluidantriebe sowohl in der Makro- als auch in der Mikrotechnik eine Anwendung.Fluid drives of this type are known from the prior art, which consist in their simplest structure of a monolithic compliant unit. Due to their advantageous properties, of which especially the simple construction and large realizable ranges of motion are emphasized, these fluid drives find an application in both the macro and in the microtechnology.
Neben diesen gibt es hybride Aufbauten, die aus einer Kombination solcher nachgiebigen Fluidantriebe mit Starrkörpern zusammengesetzt sind. Hierdurch können nachteilige Eigenschaften der einfach aufgebauten nachgiebigen Fluidantriebe, wie geringe mechanische Belastbarkeit und die Schwingungsanfälligkeit u. a. auf Kosten der Komplexität, der Wartungsfreundlichkeit und dem Gewicht, ausgeglichen werden. Da der Montageaufwand für hybride Aufbauten in der Regel deutlich höher ist, sind diese nur in gewissen Grenzen miniaturisierbar. Die Vorteile nachgiebiger Fluidantriebe mit einfachem Aufbau, wie z. B. Spiel- und Reibungsfreiheit, sind in vielen Fällen nicht mehr gegeben. Außerdem ist die Gestaltung der Koppelstellen/-fläche(n) zwischen nachgiebigen und starren Elementen besonders zu berücksichtigen.Besides these, there are hybrid assemblies composed of a combination of such compliant fluid drives with rigid bodies. As a result, adverse properties of the simply constructed resilient fluid drives, such as low mechanical strength and the susceptibility to vibration u. a. at the expense of complexity, serviceability and weight. Since the assembly costs for hybrid structures are generally much higher, they can only be miniaturized within certain limits. The advantages of resilient fluid drives with a simple structure, such. As freedom from play and friction, are no longer given in many cases. In addition, the design of the coupling points / surface (s) between yielding and rigid elements should be taken into account.
Mit beiden Fluidantriebsarten, monolithische Einheiten sowie hybride Aufbauten, können verschiedenartige Bewegungen realisiert werden. Diese reichen von einfachen Rotations-, Schwenk- oder Biegebewegungen über Translationsbewegungen bis hin zu komplexen räumlichen Bewegungspfaden. Das realisierte Verformungsverhalten kann dabei stabil, monoton oder mit Richtungsumkehr, sowie nicht stabil, mit Durchschlag oder mit Bifurkation sein. Überdies kann es sich im Einzelnen um einkontinuierliche) oder mehrstufige (diskontinuierliche) Bewegungen handeln.With both fluid drive types, monolithic units and hybrid structures, various movements can be realized. These range from simple rotations, swiveling or bending movements over translational movements to complex spatial movement paths. The deformation behavior achieved can be stable, monotone or with reversal of direction, as well as unstable, with breakdown or with a bifurcation. In addition, they may be either continuous or multi-stage (discontinuous) movements.
Mit den bisher bekannten monolithischen bzw. hybriden Aufbauten lassen sich einfache Bewegungen (Rotation oder Translation oder Schwenken oder Biegung) leicht realisieren. Zur Erzeugung von überlagerten (kombinierten) räumlichen Bewegungen, wie z. B. Schraubenbewegungen, sind bisher nur wenige Aufbauten bekannt (z. B.
Aus der
Weiterhin ist aus der
Daneben sind Fluidantriebe bekannt, die eine gewundene Struktur aufweisen. Diese sind jedoch entweder hybrid und somit nicht monolithisch aufgebaut, z. B. aus Gummi und unelastisch eingebetteten Fäden (
Außerdem wird in der
Elastisch verformbare nachgiebige Fluidantriebe zur Erzeugung einer nahezu exakten bidirektionalen Schraubenbewegung, bei denen die Vorteile beider Ausführungsformen der bekannten nachgiebigen Fluidantriebe (einfache monolithische Einheiten und hybride Aufbauten) miteinander kombiniert werden, sind aus dem Stand der Technik nicht bekannt.Elastic deformable resilient fluid actuators for producing a nearly exact bidirectional screw movement, in which the advantages of both embodiments of the known resilient fluid drives (simple monolithic units and hybrid structures) are combined with each other, are not known from the prior art.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und einen miniaturisierbaren nachgiebigen Fluidantrieb und ein dazugehöriges Verfahren bereitzustellen, mit denen es auf einfache Art und Weise und minimalem Aufwand gelingt, eine nahezu exakte bidirektionale Schraubenbewegung der Koppelfläche Fluidantrieb – Wirkelement zu erzeugen.The invention is therefore based on the object to overcome the disadvantages of the prior art and to provide a miniaturizable flexible fluid drive and an associated method with which it succeeds in a simple manner and minimal effort, a nearly accurate bidirectional screw movement of the coupling surface fluid drive - active element to create.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den Merkmalen des ersten und des neunten Patentanspruchs gelöst.According to the invention the object is achieved with the features of the first and the ninth patent claim.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen nachgiebigen Fluidantriebes sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments of the flexible fluid drive according to the invention are specified in the subclaims.
Mit dem erfindungsgemäßen Fluidantrieb kann eine überlagerte Bewegung der Koppelfläche Fluidantrieb-Wirkelement in Form einer nahezu exakten bidirektionalen Schraubenbewegung durch eine innere Druckbelastungsänderung realisiert werden. Der maximal realisierbare Bewegungsbereich ist dabei durch die geometrische Form des ein reversibel verformbares, elastisch dehnbares Hohlraumelement umfassenden Fluidantriebes, der erfindungsgemäß monolithisch ausgeführt ist, und seine Werkstoffeigenschaften begrenzt.With the fluid drive according to the invention a superimposed movement of the coupling surface fluid drive active element can be realized in the form of a nearly exact bidirectional screw movement by an internal pressure load change. The maximum realizable range of motion is limited by the geometric shape of a reversibly deformable, elastically extensible cavity element comprehensive fluid drive, which is designed monolithically according to the invention, and its material properties.
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:The detailed description and advantages of the invention will become apparent from the following description part, in which the invention with reference to the accompanying drawings is explained in more detail. It shows:
- A – Teilbewegung 1: normierte Verschiebung in z-Richtung uzP/h sowie Teilbewegung 2: den Winkel der Rückdrehung φR
- B – Überlagerung der beiden
Teilbewegungen 1 und 2
- A - partial movement 1: normalized displacement in z-direction u zP / h and partial movement 2: the angle of reverse rotation φ R
- B - superposition of the two
partial movements 1 and 2
Ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen nachgiebigen Fluidantriebes ist in
Ein bevorzugter Extrusionspfad der Mantelstruktur (
Durch Änderung des Drucks im Inneren des Hohlraumelementes (
Bei einer wachsenden Hohlraum-Druckbelastung (p) bläht sich die Hohlraumstruktur am Deckel und an den umlaufenden Flanken der Krümmungen auf.
Ein Vergleich dieser beiden Fluidantriebe ergibt einen kleineren Steigungswinkel β beim Fluidantrieb mit n = 5 Krümmungen, da mit steigender Krümmungsanzahl die Fläche des Deckels zunimmt und so bei gleichem Druck eine größere Kraft von innen auf den Deckel in Richtung der Rotationsachse wirkt, die die Translationsbewegung begünstigt. Bei dem in
Eine Ausführung mit unendlich kleinem Krümmungsradius RK und unendlichen großen Radius REx ist in
Diese eignet sich für Anwendungszwecke, in denen eine schaufelblattförmigere Ausbildung der Außenflächen z. B. für die Kopplung zwischen Fluidantrieb und Wirkelement wichtig ist.This is suitable for applications in which a scoop blade-shaped design of the outer surfaces z. B. is important for the coupling between fluid drive and active element.
Um eine Krümmung des Deckels bei der Verformung zu vermeiden und die Stabilität der Struktur zu verbessern, kann die Steifigkeit des Deckels durch Variation der Materialdicke oder -nachgiebigkeit sowie durch dessen geometrische Form (konkave Anordnung) beeinflusst werden. Dazu kann auch von der monolithischen Bauweise abgewichen werden und z. B. ein starrer Deckel auf dem nachgiebigen Hohlraumelement fixiert werden.In order to avoid curling of the cover during deformation and to improve the stability of the structure, the rigidity of the cover can be influenced by varying the material thickness or compliance as well as by its geometric shape (concave arrangement). This can also be deviated from the monolithic design and z. B. a rigid lid can be fixed on the resilient cavity element.
Bei der Verwendung eines Materials mit anisotroper, am Extrusionspfad ausgerichteter Nachgiebigkeit kann diese Materialeigenschaft dazu genutzt werden, dass Verhältnis von Rotationsbewegung zu Translationsbewegung längs der Rotationsachse einzustellen.When using a material with anisotropic compliance oriented on the extrusion path, this material property can be used to adjust the ratio of rotational movement to translation movement along the axis of rotation.
Eine weitere Möglichkeit die Leistungsfähigkeit sowie den benötigten Arbeitsdruck zu beeinflussen, kann durch das Einbringen weiterer Energieformen von außen realisiert werden. Beispielhaft kann durch Eintrag von Wärmeenergie der Fluidantrieb in seiner Steifigkeit verringert werden. Außerdem kann das gewünschte Verhältnis von Rotationsbewegung zu Translationsbewegung längs der Rotationsachse infolge einer gerichteten Versteifung des Fluidantriebes durch ein von außen wirkenden Magnetfeld, dass auf die während der Fertigung des Fluidantriebes ins Material eingebrachten magnetischen Nano- bzw. Mikropartikel wirkt, eingestellt werden.Another way to influence the performance and the required working pressure, can be realized by the introduction of other forms of energy from the outside. By way of example, by introducing heat energy, the fluid drive can be reduced in its rigidity. In addition, the desired ratio of rotational movement to translation movement along the axis of rotation due to a directed stiffening of the fluid drive by an external magnetic field that acts on the introduced during the manufacture of the fluid drive into the material magnetic nano- or microparticles can be adjusted.
Um den Funktionsumfang zu vergrößern oder qualitativ andere Bewegungs-Druck-Kennlinien zu erzeugen, können auch mehrere erfindungsgemäße Fluidantriebe parallel oder bevorzugt seriell in gleicher oder gegenläufiger Richtung miteinander verschaltet werden. Beispielhaft kann mithilfe einer seriellen Verschaltung zweier gegenläufiger erfindungsgemäßer Fluidantriebe, die gemeinsam monolithisch gefertigt wurden, mit unterschiedlicher Schraubenkennlinie eine Umkehrbewegung des Gesamtsystems realisiert werden.In order to increase the range of functions or to produce qualitatively different motion-pressure characteristics, several fluid drives according to the invention can also be interconnected in parallel or preferably in series in the same or opposite direction. By way of example, by means of a serial interconnection of two counter-rotating fluid drives according to the invention, which were manufactured monolithically together, with different screw characteristics, a reversal movement of the entire system can be realized.
Die vorliegende Erfindung zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen aus. Diese resultieren einerseits aus der Geometrie des Fluidantriebes und andererseits aus der Nachgiebigkeit des verwendeten Materials (reversible Verformbarkeit). Es kann mit einem einzigen elementaren, monolithischen Fluidantrieb mit nur einem Hohlraum eine nahezu exakte bidirektionale Schraubenbewegung der Koppelfläche bei sich ändernder innerer Hohlraum-Druckbelastung realisiert werden. Der Fluidantrieb ist aufgrund seines einfachen Aufbaus gut miniaturisierbar und lässt sich z. B. mit einem Formwerkzeug in einem Schritt herstellen, ohne dass weitere Montageschritte notwendig sind. Bei konstanten Verhältnissen der geometrischen Parameter (wie z. B. der Radien) bleibt bei der Miniaturisierung das qualitative Bewegungs- und Verformungsverhalten unverändert. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Ausgangsverdrehung φA der Mantelstruktur des Fluidantriebes bereits bei der Fertigung eingebracht wird und nicht durch eine Vorspannung mittels Umformprozess o. ä. erzeugt werden muss. Die Struktur befindet sich somit in einem mechanisch spannungslosen Zustand.The present invention is characterized by a number of advantages. These result on the one hand from the geometry of the fluid drive and on the other hand from the flexibility of the material used (reversible deformability). It can be realized with a single elementary, monolithic fluid drive with only one cavity a nearly exact bidirectional screw movement of the coupling surface with changing internal cavity pressure load. The fluid drive is well miniaturized due to its simple structure and can be z. B. with a mold in one step, without further assembly steps are necessary. At constant ratios of the geometric parameters (such as the radii), the qualitative motion and deformation behavior remains unchanged during miniaturization. Another advantage is that the output twist φ A of the shell structure of the fluid drive is already introduced during production and does not have to be generated by a pre-stress by means of forming process or the like. The structure is thus in a mechanically de-energized state.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Fluidantriebfluid drive
- 22
- Hohlraumelementcavity element
- 33
- Deckel (mit Koppelfläche)Cover (with coupling surface)
- 44
- Halterungbracket
- 55
- Mantelstrukturshell structure
- 66
- Koppelfläche zwischen Fluidantrieb und WirkelementCoupling surface between fluid drive and active element
- nn
- Anzahl der KrümmungenNumber of bends
- RK R K
- Radius der KrümmungenRadius of curvatures
- dK d K
- Wandstärke der KrümmungenWall thickness of the bends
- REi R egg
- Radius der EinbuchtungenRadius of the indentations
- dE d E
- Wandstärke der EinbuchtungenWall thickness of the indentations
- RA R A
- Außenradius des FluidantriebesOuter radius of the fluid drive
- REx R ex
- Radius des ersten und letzten Abschnittes des ExtrusionspfadesRadius of the first and last section of the extrusion path
- hH
- Höhe des FluidantriebesHeight of the fluid drive
- dD d D
- Dicke des DeckelsThickness of the lid
- hHa h Ha
- Höhe der HalterungHeight of the bracket
- hHo h Ho
- Höhe des HohlraumelementesHeight of the cavity element
- hM hm
- Höhe der MantelstrukturHeight of the shell structure
- αα
- Steigungswinkel des zweiten Abschnittes des ExtrusionspfadesPitch angle of the second section of the extrusion path
- ββ
- Steigungswinkel der idealisierten Schraubenbewegung unter steigender HohlraumdruckbelastungSlope angle of the idealized screw movement under increasing cavity pressure load
- φA φ A
- Ausgangsverdrehung der MantelstrukturOutput twist of the shell structure
- φR φ R
- Rückdrehwinkel der Mantelstruktur vom Fluidantrieb (entgegengesetzt gerichtet zur Ausgangsverdrehung)Return angle of the shell structure of the fluid drive (opposite direction to the output rotation)
- φRmax φ Rmax
- maximal erreichbarer Rückdrehwinkelmaximum achievable return angle
- φRmin φ Rmin
- minimal erreichbarer Rückdrehwinkelminimum achievable return angle
- pp
- HohlraumdruckbelastungCavity pressure load
- PP
- Punkt auf dem Deckel des Fluidantriebes (im Flächenschwerpunkt der Koppelfläche)Point on the lid of the fluid drive (in the centroid of the coupling surface)
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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DE102011104026B4 (en) | 2013-04-11 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20130712 |
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R081 | Change of applicant/patentee |
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