DE102014106929B4

DE102014106929B4 - actuator element

Info

Publication number: DE102014106929B4
Application number: DE102014106929.3A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Stephan; Jan Isermann; Rainer Bruns
Original assignee: Wegard GmbH
Current assignee: Wegard De GmbH
Priority date: 2014-05-16
Filing date: 2014-05-16
Publication date: 2022-12-15
Anticipated expiration: 2034-05-17
Also published as: DE102014106929A1

Abstract

Aktorelement (100), miteinem zumindest bereichsweise elastisch ausgebildeten Grundkörper (10), welcher einen druckbeaufschlagbaren Innenraum (11) aufweist,einer ersten biegesteifen Stützfläche (12) und mindestens einer zweiten biegesteifen Stützfläche (13), welche jeweils an dem Grundkörper (10) angeordnet sind, undeinem elastisch ausgebildeten Führungsgelenk (17), welches zwischen der ersten biegesteifen Stützfläche (12) und der zweiten biegesteifen Stützfläche (13) ausgebildet ist,wobei bei einer Druckbeaufschlagung des Innenraumes (11) des Grundkörpers (10) die erste biegesteife Stützfläche (12) und die zweite biegesteife Stützfläche (13) um eine durch das Führungsgelenk (17) ausgebildete Drehachse relativ zueinander bewegbar sind, wobei das Führungsgelenk (17) torsionssteif ausgebildet ist.Actuator element (100), with a base body (10) that is at least partially elastic and has an interior space (11) that can be pressurized, a first rigid support surface (12) and at least one second rigid support surface (13), each of which is arranged on the base body (10). and an elastic guide joint (17), which is formed between the first rigid support surface (12) and the second rigid support surface (13), wherein when pressure is applied to the interior (11) of the base body (10), the first rigid support surface (12 ) and the second rigid support surface (13) can be moved relative to one another about an axis of rotation formed by the guide joint (17), the guide joint (17) being designed to be torsionally rigid.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Aktorelement, insbesondere ein fluidisch betätigbares Aktorelement.The present invention relates to an actuator element, in particular an actuator element that can be actuated fluidically.

Stand der TechnikState of the art

Fluidisch betätigbare Aktorelemente sind Energiewandler, welche beispielsweise Druckluft oder mit Druck beaufschlagte Flüssigkeiten in mechanische Arbeit umsetzen können. Derartige Aktorelemente können beispielsweise für Schalt- und Regelaufgaben oder für Antriebszwecke eingesetzt werden. Beispielsweise können solche sogenannten Fluidaktorelemente einen hydraulischen oder pneumatischen Zylinder aufweisen, der eine feste Führung aufweist.Actuator elements that can be actuated fluidically are energy converters which, for example, can convert compressed air or pressurized liquids into mechanical work. Such actuator elements can be used, for example, for switching and control tasks or for drive purposes. For example, such so-called fluid actuator elements can have a hydraulic or pneumatic cylinder that has a fixed guide.

Ein derartiges Fluidaktorelement, welches im Wesentlichen Linearbewegungen ausführen kann, ist beispielsweise aus der DE 10 2012 006 608 A1 bekannt. Das dort als Antriebsvorrichtung beschriebene Aktorelement weist mindestens einen fluidbetätigten Balgaktor auf, der eine starre Gehäusewand und ein diesbezüglich in Achsrichtung einer Hauptachse bewegbares Abtriebsglied aufweist. Das Abtriebsglied ist über einen ersten Faltenbalg an der Gehäusewand befestigt, der gemeinsam mit der Gehäusewand eine erste Antriebskammer begrenzt. In der ersten Antriebskammer befindet sich innerhalb eines von der starren Gehäusewand umgrenzten Bereiches ein zweiter Faltenbalg, der an einer Antriebsplatte des Abtriebsgliedes befestigt ist und eine zweite Antriebskammer begrenzt. Dadurch, dass die beiden Faltenbälge über unterschiedliche Wirkflächen verfügen, kann der Balgaktor sowohl drückend als auch ziehend eingesetzt werden. Ein derartiger Balgaktor unterstützt damit die Bewegung in eine Raumrichtung, jedoch sind hiermit keine Biege- bzw. Rotationsbewegungen möglich. Such a fluid actuator element, which can perform essentially linear movements, is for example from DE 10 2012 006 608 A1 known. The actuator element described there as a drive device has at least one fluid-actuated bellows actuator, which has a rigid housing wall and an output member that can be moved in the axial direction of a main axis. The output member is attached to the housing wall via a first bellows which, together with the housing wall, delimits a first drive chamber. Located in the first drive chamber within an area bounded by the rigid housing wall is a second bellows, which is attached to a drive plate of the driven member and delimits a second drive chamber. Because the two bellows have different effective surfaces, the bellows actuator can be used to push or pull. Such a bellows actuator thus supports the movement in one spatial direction, but no bending or rotational movements are possible with this.

Ferner ist in DE 10 2011 081 727 A1 ein fluidisches Soft-Antriebselement zum Erzeugen einer Bewegung, wobei das Soft-Antriebselement einen ersten und einen zweiten Deckel aufweist, die frei beweglich zueinander, angeordnet sind. Weiterhin ist wenigstens ein schlauchförmiger, den ersten und den zweiten Deckel verbindender Hohlkörper, zum Erzeugen einer Bewegung des ersten und des zweiten Deckels zueinander vorgesehen. Der Hohlkörper ist zum Einnehmen eines ersten Zustandes mit einem Fluid befüllbar und zum Einnehmen eines zweiten Zustandes durch Ablassen des Fluids vorbereitet.Furthermore, in DE 10 2011 081 727 A1 a fluidic soft drive element for generating a movement, the soft drive element having a first and a second cover which are arranged such that they can move freely relative to one another. Furthermore, at least one tubular hollow body connecting the first and the second cover is provided for generating a movement of the first and the second cover relative to one another. The hollow body can be filled with a fluid to assume a first state and is prepared to assume a second state by draining the fluid.

Die DE 19 78 701 U zeigt einen Blasebalg zum Aufblasen von Schlauchbooten, Luftmatratzen, Luftkissen und dergleichen.the DE 19 78 701 U shows a bellows for inflating inflatable boats, air mattresses, air cushions and the like.

In der WO 2008/083961 A1 ist ein Betätigungsglied zum Betätigen eines Verschlussgliedes offenbart, wobei das Betätigungsglied in Form eines Balges umfassend zwei druckbeaufschlagbaren Innenkammern gebildet ist.In the WO 2008/083961 A1 discloses an actuator for actuating a closure member, wherein the actuator is formed in the form of a bellows comprising two internal chambers that can be pressurized.

Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, VorteileDescription of the invention: task, solution, advantages

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Aktorelement zur Verfügung zu stellen, mittels welchem Biege- bzw. Rotationsbewegungen ermöglicht werden können.It is therefore the object of the present invention to provide an actuator element by means of which bending or rotational movements can be made possible.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved with the features of claim 1. Advantageous developments of the invention are specified in the dependent claims.

Erfindungsgemäß ist ein Aktorelement vorgesehen, welches einen zumindest bereichsweise elastisch ausgebildeten Grundkörper, welcher einen druckbeaufschlagbaren Innenraum aufweist, eine erste biegesteife Stützfläche und mindestens eine zweite biegesteife Stützfläche, welche jeweils an dem Grundkörper angeordnet sind, und ein elastisch ausgebildetes Führungsgelenk, welches zwischen der ersten biegesteifen Stützfläche und der zweiten biegesteifen Stützfläche ausgebildet ist, aufweist, wobei bei einer Druckbeaufschlagung des Innenraumes des Grundkörpers die erste biegesteife Stützfläche und die zweite biegesteife Stützfläche um eine durch das Führungsgelenk ausgebildete Drehachse relativ zueinander bewegbar sind.According to the invention, an actuator element is provided which has an at least partially elastic base body, which has an interior space that can be pressurized, a first rigid support surface and at least one second rigid support surface, which are each arranged on the base body, and an elastic guide joint, which is located between the first rigid Support surface and the second rigid support surface is formed, wherein when pressure is applied to the interior of the base body, the first rigid support surface and the second rigid support surface are movable relative to one another about an axis of rotation formed by the guide joint.

Das Aktorelement gemäß der Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass dieses in mehr als eine Raumrichtung bewegt werden kann, wobei vorzugsweise zusätzlich zu Längenänderungen auch Rotationsbewegungen bzw. Biegebewegungen ermöglicht werden können. Der Grundkörper des Aktorelementes kann über seine elastisch ausgebildeten Bereiche beispielsweise gedehnt und auch gebogen werden. Eine Rotations- bzw. Biegebewegung des Grundkörpers kann mit oder ohne einer gleichzeitigen Längsdehnung erfolgen. Um eine kontrollierte, geführte Dehnung und/oder Biegung des Grundkörpers ermöglichen zu können, sind an dem Grundkörper mindestens zwei biegesteife Stützflächen angeordnet. Diese Stützflächen, welche beispielsweise plattenförmig ausgebildet sein können, können als eine Art bereichsweise Versteifung des Grundkörpers dienen, die auch bei einer Druckveränderung in dem Innenraum des Grundkörpers ihre Form beibehalten, so dass auch die Bereiche des Grundkörpers, an welchen die biegesteifen Stützflächen angeordnet sind, bei einer Druckänderung in dem Innenraum des Grundkörpers ihre Form beibehalten. Der Grundkörper kann durch die biegesteifen Stützflächen somit in unelastische bzw. biegesteife und in elastische bzw. verformbare Bereiche unterteilt werden. An die biegesteifen Stützflächen können weitere Bauelemente, wie beispielsweise eine Stützfläche eines anderen Aktorelementes, bei einer Hintereinanderreihung mehrerer Aktorelemente, oder beispielsweise Mittel zur Druckerzeugung in dem Innenraum des Grundkörpers, angeordnet werden. Das elastisch ausgebildete Führungsgelenk des Aktorelementes ermöglicht eine Biegebewegung des Aktorelementes bzw. des Grundkörpers über seine elastischen Bereiche. Das Führungsgelenk ist elastisch und damit aus einem elastischen Material ausgebildet, so dass bei einer Betätigung des Führungsgelenkes keine Reibung entsteht, wodurch das Führungsgelenk wartungsfrei und verschleißfrei ausgebildet sein kann. Mittels des elastisch ausgebildeten Führungsgelenkes kann bei einer Druckbeaufschlagung des Innenraumes des Grundkörpers die erste biegesteife Stützfläche relativ zu der zweiten biegesteifen Stützfläche um eine durch das Führungsgelenk ausgebildete Drehachse relativ zueinander bewegt, insbesondere verschwenkt, werden. Das Führungsgelenk kann somit die beiden Stützflächen biegeelastisch miteinander verbinden. Bei einer ausreichenden Wandstärke des elastisch ausgebildeten Führungsgelenks kann dieses zudem einen Widerstand gegen Kräfte und Momente, welche die Relativbewegung der Stützflächen zueinander unerwünscht beeinflussen könnten, ausbilden. Das elastisch ausgebildete Führungsgelenk kann somit eine geführte Bewegung der beiden biegesteifen Stützflächen des Aktorelementes realisieren, so dass vom Aktorelement eine vorgegebene Relativbewegung, insbesondere eine Dreh- bzw. Verschwenkbewegung, der beiden Stützflächen zueinander, unabhängig von einer Einwirkung von Kräften und Momenten von außen, mit einer hohen Genauigkeit erreicht werden kann. Durch die elastischen Eigenschaften des Führungsgelenks kann ohne zusätzliche Bauteile eine Rückstellwirkung des Aktorelementes nach einer Biege- bzw. Rotationsbewegung realisiert werden. Ein derartiges Aktorelement kann beispielsweise in der Robotertechnik oder für die Betätigung anderer Werkzeuge oder Hilfswerkzeuge als Antriebselement eingesetzt werden.The actuator element according to the invention is characterized in particular by the fact that it can be moved in more than one direction in space, with rotational movements or bending movements preferably also being able to be made possible in addition to changes in length. The base body of the actuator element can, for example, be stretched and also bent via its elastically designed areas. A rotational or bending movement of the base body can take place with or without a simultaneous longitudinal expansion. In order to be able to enable controlled, guided stretching and/or bending of the base body, at least two rigid support surfaces are arranged on the base body. These support surfaces, which can be plate-shaped, for example, can serve as a kind of reinforcement in some areas of the base body, which retain their shape even if the pressure changes in the interior of the base body, so that the areas of the base body on which the rigid support surfaces are arranged maintain their shape in the event of a pressure change in the interior of the base body. The base body can thus be divided into inelastic or rigid and elastic or deformable areas by the rigid support surfaces be subdivided. Additional components, such as a support surface of another actuator element, if several actuator elements are arranged in series, or, for example, means for generating pressure in the interior of the base body, can be arranged on the rigid support surfaces. The elastically designed guide joint of the actuator element enables a bending movement of the actuator element or of the base body via its elastic areas. The guide joint is elastic and is therefore made of an elastic material, so that no friction occurs when the guide joint is actuated, as a result of which the guide joint can be designed to be maintenance-free and wear-free. When pressure is applied to the interior of the base body, the elastic guide joint can be used to move, in particular pivot, the first rigid support surface relative to the second rigid support surface about an axis of rotation formed by the guide joint. The guide joint can thus connect the two support surfaces to one another in a flexible manner. If the wall thickness of the elastically designed guide joint is sufficient, it can also resist forces and moments that could undesirably influence the movement of the support surfaces relative to one another. The elastically designed guide joint can thus realize a guided movement of the two rigid support surfaces of the actuator element, so that the actuator element can carry out a predetermined relative movement, in particular a rotary or pivoting movement, of the two support surfaces with respect to one another, independently of the effect of external forces and moments high accuracy can be achieved. Due to the elastic properties of the guide joint, a restoring effect of the actuator element can be implemented after a bending or rotational movement without additional components. Such an actuator element can be used, for example, in robotics or for actuating other tools or auxiliary tools as a drive element.

Bevorzugt ist es vorgesehen, dass der Grundkörper in einem elastischen Bereich eine balgartige Kontur aufweist, wobei die balgartige Kontur des Grundkörpers vorzugsweise gegenüberliegend zu dem Führungsgelenk ausgebildet ist. Balgartige Kontur bedeutet hierbei, dass eine den Innenraum des Grundkörpers begrenzende Hülle die Grundkörpers wellenförmig geformt ist. Bei einer Dehnung des Grundkörpers aufgrund einer Druckbeaufschlagung des Innenraumes des Grundkörpers kann die Dehnung im Bereich der balgartigen Kontur erfolgen, indem im Bereich der balgartigen Kontur der Grundkörper auseinandergezogen werden kann. Die balgartige Kontur ermöglicht einen besonders hohen Dehnungsgrad des Grundkörpers und damit einen großen Biegewinkel des Aktorelementes bei einer Biege- bzw. Rotationsbewegung des Aktorelementes. Dadurch, dass die balgartige Kontur des Grundkörpers bevorzugt gegenüberliegend zu dem elastisch ausgebildeten Führungsgelenk ausgebildet ist, kann die Biegung des Aktorelementes weiter verbessert werden, da hierdurch große Biegewinkel mit einem gleichzeitig kleinen Biegeradius realisiert werden können. Provision is preferably made for the base body to have a bellows-like contour in an elastic region, with the bellows-like contour of the base body preferably being formed opposite the guide joint. A bellows-like contour here means that a shell of the base body that delimits the interior space of the base body has a wavy shape. When the base body expands due to pressure being applied to the interior of the base body, the expansion can take place in the area of the bellows-like contour by allowing the base body to be pulled apart in the area of the bellows-like contour. The bellows-like contour enables a particularly high degree of expansion of the base body and thus a large bending angle of the actuator element during a bending or rotational movement of the actuator element. Due to the fact that the bellows-like contour of the base body is preferably formed opposite to the elastically designed guide joint, the bending of the actuator element can be further improved, since this allows large bending angles to be realized with a simultaneously small bending radius.

Zudem kann durch eine Erhöhung der Anzahl der Bälge in der balgartigen Kontur der Biegewinkel weiter erhöht werden.In addition, the bending angle can be further increased by increasing the number of bellows in the bellows-like contour.

Das Führungsgelenk weist vorzugsweise eine Bogenform auf, wobei die Bogenform vorzugsweise in Richtung des Innenraumes des Grundkörpers gerichtet ist. Durch die Bogenform kann das elastisch ausgebildete Führungsgelenk eine hohe Dehnbarkeit aufweisen, so dass besonders große Biegewinkel erreicht werden können. Zudem kann durch die Bogenform das elastisch ausgebildete Führungsgelenk konstruktiv einfach ausgestaltet werden, wodurch der Fertigungsaufwand und damit die Herstellungskosten für das Aktorelement reduziert werden können. Ist die Bogenform des elastisch ausgebildeten Führungsgelenks in den Innenraum des Grundkörpers hinein gerichtet, kann die durch das elastisch ausgebildete Führungsgelenk ausgebildete Drehachse in dem Grundkörper selber liegen, wodurch besonders kleine Biegeradien erreicht werden können. Zudem kann hierdurch der für das Aktorelement notwendige Bauraum wesentlich reduziert werden.The guide joint preferably has an arched shape, with the arched shape preferably being directed in the direction of the interior of the base body. Due to the curved shape, the elastically designed guide joint can have a high degree of extensibility, so that particularly large bending angles can be achieved. In addition, the elastically designed guide joint can be designed in a structurally simple manner due to the curved shape, as a result of which the manufacturing effort and thus the manufacturing costs for the actuator element can be reduced. If the curved shape of the elastically designed guide joint is directed into the interior of the base body, the axis of rotation formed by the elastically designed guide joint can lie in the base body itself, as a result of which particularly small bending radii can be achieved. In addition, the installation space required for the actuator element can be significantly reduced as a result.

Um die Fertigung des Aktorelementes weiter reduzieren zu können, ist das Führungsgelenk vorzugsweise einstückig mit dem Grundkörper ausgebildet. Beispielsweise kann das elastisch ausgebildete Führungsgelenk nahtlos in die den Innenraum des Grundkörpers umgebende Hülle des Grundkörpers integriert sein. Das elastisch ausgebildete Führungsgelenk kann dabei aus demselben elastischen Material wie der Grundkörper oder aus einem anderen elastischen Material ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Grundkörper zusammen mit dem elastisch ausgebildeten Führungsgelenk in einem Spritzgussverfahren hergestellt werden. Durch das Spritzgussverfahren kann das elastisch ausgebildete Führungsgelenk in den Grundkörper bzw. die Hülle des Grundkörpers eingegossen sein.In order to be able to further reduce the production of the actuator element, the guide joint is preferably designed in one piece with the base body. For example, the elastically designed guide joint can be seamlessly integrated into the shell of the base body surrounding the interior of the base body. The elastic guide joint can be made of the same elastic material as the base body or of a different elastic material. For example, the base body can be produced together with the elastically designed guide joint in an injection molding process. The elastically designed guide joint can be cast into the base body or the shell of the base body by the injection molding process.

Um Verformungen des Aktorelementes durch von außen auf das Aktorelement wirkende Torsions- und/oder Schubkräfte verhindern zu können, ist das Führungsgelenk erfindungsgemäß torsionssteif ausgebildet. Das elastisch ausgebildete Führungsgelenk ist somit vorzugsweise um nur eine Achse, die Drehachse, biegeweich ausgebildet und ansonsten torsionssteif ausgebildet.In order to be able to prevent deformations of the actuator element due to torsional and/or shear forces acting on the actuator element from the outside, the guide joint is designed to be torsionally rigid according to the invention. The elastically designed guide joint is thus preferably about only one axis, the rotation axis, designed to be flexible and otherwise torsionally rigid.

Zur Erzeugung eines Drucks in dem Innenraum des Grundkörpers wird vorzugsweise ein Fluid, insbesondere ein gasförmiges oder flüssiges Fluid, in den Innenraum des Grundkörpers eingebracht. Das Fluid kann dabei derart in den Innenraum des Grundkörpers eingebracht werden, dass bei der Druckbeaufschlagung des Innenraumes des Grundkörpers der Innenraum mit einem Überdruck oder einem Unterdruck beaufschlagt wird. Die Betätigung des Aktorelementes kann somit sowohl mit einem erhöhten Druck oder auch mit einem Unterdruck bis annähernd zu einem Vakuum betätigt werden, wodurch besonders große Biegewinkel bzw. Schwenkwinkel erreicht werden können.To generate a pressure in the interior of the base body, a fluid, in particular a gaseous or liquid fluid, is preferably introduced into the interior of the base body. The fluid can be introduced into the interior of the base body in such a way that when pressure is applied to the interior of the base body, the interior is subjected to an overpressure or a negative pressure. The actuation of the actuator element can thus be actuated either with an increased pressure or with a negative pressure up to almost a vacuum, as a result of which particularly large bending angles or pivoting angles can be achieved.

Die Druckbeaufschlagung des Innenraumes des Grundkörpers kann durch Zuführen eines Fluids erfolgen, wobei eine Zuführöffnung zum Zuführen des Fluids an der ersten Stützfläche und/oder der zweiten Stützfläche ausgebildet sein kann. Die Zuführöffnung an einer der beiden oder an beiden Stützflächen kann mit jeweils einer Öffnung an dem Grundkörper korrespondieren, so dass das zugeführte Fluid über eine Zuführöffnung an einer Stützfläche und eine korrespondierende Öffnung an dem Grundkörper in den Innenraum des Grundkörpers einströmen kann.The interior of the base body can be pressurized by supplying a fluid, it being possible for a supply opening for supplying the fluid to be formed on the first support surface and/or the second support surface. The supply opening on one of the two or both support surfaces can correspond to an opening on the base body, so that the fluid supplied can flow into the interior of the base body via a supply opening on a support surface and a corresponding opening on the base body.

Der Innenraum des Grundkörpers weist bevorzugt mindestens eine Druckkammer auf, wobei bei zwei oder mehr Druckkammern benachbart zueinander angeordnete Druckkammern in fluidleitender Verbindung miteinander stehen können. Durch die einzelnen Druckkammern kann der Innenraum des Grundkörpers gezielt und kontrolliert mit Druck beaufschlagt werden, um eine kontrollierte Führung der Biegebewegung des Aktorelementes unterstützen zu können. Weist der Grundkörper eine balgartige Kontur auf, so ist vorzugsweise pro Balg eine Druckkammer in dem Innenraum des Grundkörpers ausgebildet, welche sich jeweils über die Länge eines Balgs erstreckt. Zwischen den Druckkammern in dem Innenraum des Grundkörpers ist vorzugsweise eine Verbindung ausgebildet, welche beispielsweise in Form einer Öffnung ausgebildet sein kann, wobei die Öffnungen zwischen jeweils benachbart zueinander angeordneten Druckkammern einen wesentlich kleineren Durchmesser aufweisen als der Durchmesser der Druckkammern selber. Über die Durchgangsöffnungen kann ein Fluid, mittels welchem der Innenraum des Grundkörpers mit einem Druck beaufschlagt wird, zwischen den Druckkammern hin und her strömen.The interior of the base body preferably has at least one pressure chamber, with two or more pressure chambers arranged adjacent to one another being able to be in fluid-conducting connection with one another. Through the individual pressure chambers, the interior of the base body can be pressurized in a targeted and controlled manner in order to be able to support controlled guidance of the bending movement of the actuator element. If the base body has a bellows-like contour, one pressure chamber is preferably formed in the interior of the base body for each bellows, which pressure chamber extends over the length of a bellows. A connection is preferably formed between the pressure chambers in the interior of the base body, which can be formed, for example, in the form of an opening, the openings between respectively adjacent pressure chambers having a substantially smaller diameter than the diameter of the pressure chambers themselves. A fluid, by means of which the interior of the base body is subjected to pressure, can flow back and forth between the pressure chambers via the through-openings.

Die Stützflächen sind vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie sich jeweils zumindest bereichsweise über mindestens zwei aneinander angrenzende, winklig zueinander angeordnete Seiten des Grundkörpers erstrecken. Jede Stützfläche ist somit vorzugsweise nicht nur an einer Seite des Grundkörpers angeordnet, sondern über Bereiche von zumindest zwei Seiten des Grundkörpers angeordnet, wodurch die Führung des Grundkörpers und damit des gesamten Aktorelementes bei einer Biegebewegung bzw. Rotationsbewegung des Aktorelementes wesentlich verbessert werden kann. Bevorzugt sind die Stützflächen im Querschnitt L-förmig ausgebildet. Die Stützflächen können somit den Grundkörper zumindest bereichsweise einfassen und teilweise umschließen, um die Stabilität und Widerstandsfähigkeit des Grundkörpers, insbesondere gegenüber von außen wirkenden, unerwünschten Kräften und/oder Momenten, erhöhen zu können.The support surfaces are preferably designed in such a way that they each extend at least in regions over at least two adjoining sides of the base body which are arranged at an angle to one another. Each support surface is therefore preferably not only arranged on one side of the base body, but rather arranged over areas of at least two sides of the base body, as a result of which the guidance of the base body and thus of the entire actuator element can be significantly improved during a bending movement or rotational movement of the actuator element. The support surfaces are preferably L-shaped in cross section. The support surfaces can thus enclose and partially enclose the base body at least in regions in order to be able to increase the stability and resistance of the base body, in particular with respect to undesired forces and/or moments acting from the outside.

Der Grundkörper und/oder das Führungsgelenk sind vorzugsweise aus einem gummielastischen Material, insbesondere einem Polyurethan-Material, ausgebildet. Das gummielastische Material des Grundkörpers kann dabei derart eingestellt sein, dass beispielsweise der Grundkörper Bereiche mit unterschiedlichen Härtegraden, insbesondere unterschiedlichen Shore-Härten, aufweist, wodurch die Widerstandsfähigkeit und auch die Biegeeigenschaften des Grundkörpers und damit des Aktorelementes gezielt eingestellt bzw. beeinflusst werden können.The base body and/or the guide joint are preferably made from a rubber-elastic material, in particular a polyurethane material. The rubber-elastic material of the base body can be set in such a way that, for example, the base body has areas with different degrees of hardness, in particular different Shore hardness levels, as a result of which the resilience and also the bending properties of the base body and thus the actuator element can be set or influenced in a targeted manner.

Um zu starke, unerwünschte Materialdehnungen in dem elastisch ausgebildeten Führungsgelenk und/oder dem Grundkörper verhindern zu können, können das Material des elastisch ausgebildeten Führungsgelenks und/oder das Material des Grundkörpers mit Verstärkungsfasern, insbesondere zugfesten Fasern, wie beispielsweise Aramidfasern oder Kevlarfasern, verstärkt sein.In order to be able to prevent excessive, undesired material stretching in the elastic guide joint and/or the base body, the material of the elastic guide joint and/or the material of the base body can be reinforced with reinforcing fibers, in particular high-tensile fibers such as aramid fibers or Kevlar fibers.

Figurenlistecharacter list

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Aktorelementes gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung,
2 eine schematische Schnittdarstellung des in 1 gezeigten Aktorelementes,
3 eine schematische Darstellung eines wie in 1 gezeigten Aktorelementes unter Druckbeaufschlagung, und
4 eine schematische Darstellung eines Aktorelementes gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung.

Further measures improving the invention are presented in more detail below together with the description of preferred exemplary embodiments of the invention with reference to the figures. Show it:

1 a schematic representation of an actuator element according to an embodiment of the invention,
2 a schematic sectional view of the in 1 shown actuator element,
3 a schematic representation of a as in 1 actuator element shown under pressure, and
4 a schematic representation of an actuator element according to a further embodiment of the invention.

Bevorzugte Ausführungsformen der ErfindungPreferred Embodiments of the Invention

1 und 2 zeigen schematisch ein Aktorelement 100, welches beispielsweise in der Robotertechnik oder für die Betätigung anderer Werkzeuge oder Hilfswerkzeuge als Antriebselement eingesetzt werden kann. 1 and 2 show schematically an actuator element 100, which can be used as a drive element, for example, in robotics or for the operation of other tools or auxiliary tools.

Das Aktorelement 100 weist einen zumindest bereichsweise elastisch ausgebildeten Grundkörper 10 auf, wobei sich der Grundkörper 10 im Wesentlichen über die gesamte Länge des Aktorelementes 100 erstreckt. Wie in 2 zu erkennen ist, ist der Grundkörper 10 hohl ausgebildet und weist einen druckbeaufschlagbaren Innenraum 11 auf.The actuator element 100 has a base body 10 that is at least partially elastic, with the base body 10 extending essentially over the entire length of the actuator element 100 . As in 2 As can be seen, the base body 10 is hollow and has an interior space 11 that can be pressurized.

An der Außenfläche des Grundkörpers 10 sind eine erste biegesteife Stützfläche 12 und eine zweite biegesteife Stützfläche 13 angeordnet, wobei die beiden biegesteifen Stützflächen 12, 13 beabstandet zueinander angeordnet sind, so dass diese nicht aneinander angrenzen. Die beiden Stützflächen 12, 13 erstrecken sich über jeweils zwei aneinander angrenzende, winklig zueinander angeordnete Seiten des Grundkörpers 10. Die erste Stützfläche 12 ist hier an einer ersten Stirnseite 14 des Grundkörpers 10 und an einem Bereich einer Unterseite 15 des Grundkörpers 10 angeordnet. Die zweite Stützfläche 13 ist an einer der ersten Stirnseite 14 gegenüberliegenden zweiten Stirnseite 16 des Grundkörpers 10 und an einem weiteren Bereich der Unterseite 15 des Grundkörpers 10 angeordnet. Die Stirnseiten 14, 16 des Grundkörpers 10 werden bei der hier gezeigten Ausgestaltung jeweils vollflächig von den Stützflächen 12, 13 überdeckt, so dass die Stirnseiten 14, 16 des Grundkörpers 10 durch die Stützflächen 12, 13 ebenfalls biegesteif ausgebildet sind und damit nicht verformt werden können. Der Grundkörper 10 wird somit bei der hier gezeigten Ausgestaltung an zumindest drei seiner mehreren Seiten von den Stützflächen 12, 13 eingefasst und stabilisiert. Im Querschnitt gesehen, bilden die Stützflächen 12, 13 jeweils eine L-Form aus, wie insbesondere in 2 erkennbar ist.A first rigid support surface 12 and a second rigid support surface 13 are arranged on the outer surface of the base body 10, the two rigid support surfaces 12, 13 being spaced apart from one another so that they do not adjoin one another. The two support surfaces 12, 13 each extend over two adjacent sides of the base body 10 that are arranged at an angle to one another. The second support surface 13 is arranged on a second end face 16 of the base body 10 opposite the first end face 14 and on a further area of the underside 15 of the base body 10 . In the embodiment shown here, the end faces 14, 16 of the base body 10 are each covered over their entire surface by the support surfaces 12, 13, so that the end faces 14, 16 of the base body 10 are also designed to be rigid with the support surfaces 12, 13 and therefore cannot be deformed . In the embodiment shown here, the base body 10 is thus surrounded and stabilized by the support surfaces 12, 13 on at least three of its several sides. Viewed in cross section, the support surfaces 12, 13 each form an L-shape, as in particular in 2 is recognizable.

Die Unterseite 15 des Grundkörpers 10 ist nicht vollständig von den Stützflächen 12, 13 abgedeckt, sondern zwischen den beiden Stützflächen 12, 13 ist ein Spalt ausgebildet. Im Bereich dieses Spalts ist ein elastisch ausgebildetes Führungsgelenk 17 ausgebildet, welches hier einstückig mit dem Grundkörper 10 ausgebildet ist. Das Führungsgelenk 17 erstreckt sich über die gesamte Breite des Grundkörpers 10 und damit des Aktorelementes 100. Das Führungsgelenk 17 weist eine Bogenform auf, wobei die Bogenform in Richtung des Innenraumes 11 des Grundkörpers 10 gerichtet ist, so dass eine Drehachse des Führungsgelenks 17 nahe der Unterseite 15 des Grundkörpers 10 bzw. in dem Grundkörper 10 und damit in dem Aktorelement 100 selber ausgebildet ist. Das Führungsgelenk 17 ist vorzugsweise biegeweich, jedoch torsionssteif ausgebildet. Bei einer Druckbeaufschlagung des Innenraumes 11 des Grundkörpers 10 können durch eine Verformung bzw. Biegung des Grundkörpers 10 die erste biegesteife Stützfläche 12 und die zweite biegesteife Stützfläche 13 um die durch das Führungsgelenk 17 ausgebildete Drehachse, welche entlang der Breite des Grundkörpers 10 bzw. des Aktorelementes 100 und damit quer zur Längserstreckung des Grundkörpers 10 bzw. des Aktorelementes 100 ausgebildet ist, relativ zueinander bewegt, insbesondere verschwenkt, werden, wie dies beispielsweise in 3 schematisch angedeutet ist.The underside 15 of the base body 10 is not completely covered by the support surfaces 12, 13, but between the two support surfaces 12, 13 a gap is formed. In the area of this gap, an elastic guide joint 17 is formed, which is formed here in one piece with the base body 10 . The guide joint 17 extends over the entire width of the base body 10 and thus of the actuator element 100. The guide joint 17 has an arc shape, the arc shape being directed in the direction of the interior 11 of the base body 10, so that an axis of rotation of the guide joint 17 is close to the underside 15 of the base body 10 or in the base body 10 and thus in the actuator element 100 itself is formed. The guide joint 17 is preferably designed to be flexible but torsionally rigid. When pressure is applied to the interior 11 of the base body 10, deformation or bending of the base body 10 can cause the first rigid support surface 12 and the second rigid support surface 13 to rotate about the axis of rotation formed by the guide joint 17, which runs along the width of the base body 10 or the actuator element 100 and is thus formed transversely to the longitudinal extent of the base body 10 or of the actuator element 100, are moved relative to one another, in particular pivoted, as is the case, for example, in 3 is indicated schematically.

Um möglichst große Biegewinkel bei einer Druckbeaufschlagung des Innenraumes 11 des Grundkörpers 10 erreichen zu können, weist der Grundkörper 10 bereichsweise eine balgartige Kontur 18 auf, bei welcher insbesondere die gegenüberliegend zu der Unterseite 15 liegende Oberseite 19 des Grundkörpers 10 eine Wellenform aufweist, die die balgartige Kontur18 ausbildet. Durch diese Wellenform und damit die balgartige Kontur 18 kann der Grundkörper 10 in diesem Bereich bei einer Biege- bzw. Rotationsbewegung des Aktorelementes 100 um das Führungsgelenk 17 gedehnt und/oder gestaucht werden, wodurch wiederum der Biegewinkel des Grundkörpers 10 und damit des Aktorelementes 100 verändert werden kann.In order to be able to achieve the largest possible bending angle when the interior 11 of the base body 10 is subjected to pressure, the base body 10 has a bellows-like contour 18 in certain areas, in which in particular the upper side 19 of the base body 10 lying opposite the underside 15 has a corrugated shape which the bellows-like Contour18 trains. Due to this corrugated shape and thus the bellows-like contour 18, the base body 10 can be stretched and/or compressed in this area during a bending or rotational movement of the actuator element 100 about the guide joint 17, which in turn changes the bending angle of the base body 10 and thus of the actuator element 100 can be.

Bei der in 1 und 2 gezeigten Ausgestaltung weist die balgartige Kontur drei nebeneinander angeordnete Bälge 20a, 20b, 20c auf, wodurch ein Biegewinkel des Grundkörpers 10 und damit des Aktorelementes 100 von bis zu 110° erreicht werden kann. Bei einer Erhöhung der Anzahl der Bälge 20a, 20b, 20c von beispielsweise mehr als drei Bälgen 20a, 20b, 20c kann der Biegewinkel weiter erhöht werden. Dadurch, dass die balgartige Kontur 18 unter anderem an der Oberseite 19 des Grundkörpers 10 ausgebildet ist, ist die balgartige Kontur 18 gegenüberliegend zu dem Führungsgelenk 17 an dem Grundkörper 10 ausgebildet.At the in 1 and 2 In the embodiment shown, the bellows-like contour has three bellows 20a, 20b, 20c arranged next to one another, as a result of which a bending angle of the base body 10 and thus of the actuator element 100 of up to 110° can be achieved. If the number of bellows 20a, 20b, 20c is increased by, for example, more than three bellows 20a, 20b, 20c, the bending angle can be further increased. Because the bellows-like contour 18 is formed, among other things, on the upper side 19 of the base body 10 , the bellows-like contour 18 is formed on the base body 10 opposite the guide joint 17 .

Der elastische Material des Grundkörpers 10 kann unterschiedliche Härtegrade aufweisen, wobei insbesondere in den Übergangsbereichen 26, 27 zwischen jeweils zwei Bälgen 20a, 20b, 20c das Material des Grundkörpers 10 eine größere Härte aufweisen kann, als im Bereich der Bälge 20a, 20b, 20c selber. Beispielsweise kann das Material des Grundkörpers 10 in den Übergangsbereichen 26, 27 eine Shore-Härte A von 95 und in dem Bereich der Bälge 20a, 20b, 20c selber eine Shore-Härte A von 25 aufweisen.The elastic material of the base body 10 can have different degrees of hardness, with the material of the base body 10 being able to have a greater hardness in particular in the transition areas 26, 27 between two bellows 20a, 20b, 20c than in the area of the bellows 20a, 20b, 20c themselves . For example, the material of the base body 10 can have a Shore A hardness of 95 in the transition areas 26, 27 and a Shore A hardness of 25 in the area of the bellows 20a, 20b, 20c itself.

Zur Realsierung einer Verformung, insbesondere eine Biege- bzw. Rotationsbewegung, des Grundkörpers 10 und damit des Aktorelementes 100 wird der Innenraum 11 des Grundkörpers 10 mit einem Druck in Form eines Überdrucks oder eines Unterdrucks beaufschlagt. Die Druckbeaufschlagung kann durch Zufuhr eines gasförmigen oder flüssigen Fluids in den Innenraum 11 des Grundkörpers 10 erfolgen. Hierfür ist zumindest an einer der beiden Stützflächen 12, 13, hier an der ersten Stützfläche 12, eine Zuführöffnung 21 zum Zuführen des Fluids ausgebildet. Korrespondierend zu der Zuführöffnung 21 an der ersten Stützfläche 12 ist an dem Grundkörper 10 ebenfalls eine Öffnung 22 ausgebildet, über welche das Fluid in den Innenraum 11 des Grundkörpers 10 einströmen kann.To realize a deformation, in particular a bending or rotational movement, of the base body 10 and thus of the actuator element 100, the interior 11 of the base body 10 is subjected to a pressure in the form of an overpressure or an underpressure. The pressure can be applied by supplying a gaseous or liquid fluid into the interior 11 of the base body 10 . For this purpose, a supply opening 21 for supplying the fluid is formed at least on one of the two support surfaces 12, 13, here on the first support surface 12. Corresponding to the feed opening 21 on the first support surface 12 , an opening 22 is also formed on the base body 10 , via which the fluid can flow into the interior space 11 of the base body 10 .

Der Innenraum 11 des Grundkörpers 10 ist wiederum in mehrere Druckkammern 23a, 23b, 23c unterteilt, wobei pro Balg 20a, 20b, 20c eine Druckkammer 23a, 23b, 23c vorgesehen ist, welche sich jeweils über die Breite eines Balgs 20a, 20b, 20c erstrecken. Die benachbart zueinander angeordneten Druckkammern 23a, 23b, 23c stehen über jeweils eine Öffnung 24, 25 in fluidleitender Verbindung miteinander, so dass über die erste Öffnung 24 von der ersten Druckkammer 23a in die zweite Druckkammer 23b und umgekehrt Fluid strömen kann und so dass über die zweite Öffnung 25 von der zweiten Druckkammer 23b in die dritte Druckkammer 23c und umgekehrt Fluid strömen kann. Der Durchmesser der Öffnungen 22, 24, 25 ist dabei wesentlich kleiner als der Durchmesser der Druckkammern 23a, 23b, 23c.The interior 11 of the base body 10 is in turn divided into several pressure chambers 23a, 23b, 23c, one pressure chamber 23a, 23b, 23c being provided for each bellows 20a, 20b, 20c, each of which extends over the width of a bellows 20a, 20b, 20c . The pressure chambers 23a, 23b, 23c arranged adjacent to one another are in fluid communication with each other via an opening 24, 25, so that fluid can flow through the first opening 24 from the first pressure chamber 23a into the second pressure chamber 23b and vice versa, and so that via the second opening 25 can flow fluid from the second pressure chamber 23b into the third pressure chamber 23c and vice versa. The diameter of the openings 22, 24, 25 is significantly smaller than the diameter of the pressure chambers 23a, 23b, 23c.

In 3 ist eine Prinzipskizze des in 1 und 2 gezeigten Aktorelementes 100 unter Druckbeaufschlagung gezeigt, wobei die Druckbeaufschlagung durch die Zuführung eines Fluids realisiert ist, wie mit dem Pfeil angedeutet ist. Durch die Druckbeaufschlagung mittels eines Fluids ist der Grundkörper 10 und damit das Aktorelement 100 hier in einem Biegewinkel von 90° um die Drehachse des Führungsgelenks 17 gebogen, so dass die an dem Grundkörper 10 angeordneten Stützflächen 12, 13 relativ zueinander bewegt, insbesondere verschwenkt, sind. Durch die Biegung des Grundkörpers 10 wird die balgartige Kontur 18 vergleichmäßigt bzw. nahezu aufgehoben, so dass die mehrere Biegungen aufweisende Wellenform der balgartigen Kontur 18 in eine Biegung übergeht.In 3 is a principle sketch of the in 1 and 2 shown actuator element 100 shown under pressure, the pressure is realized by the supply of a fluid, as indicated by the arrow. As a result of the pressurization by means of a fluid, the base body 10 and thus the actuator element 100 are bent here at a bending angle of 90° about the axis of rotation of the guide joint 17, so that the support surfaces 12, 13 arranged on the base body 10 are moved, in particular pivoted, relative to one another . Due to the bending of the base body 10, the bellows-like contour 18 is evened out or almost eliminated, so that the corrugated shape of the bellows-like contour 18, which has several bends, changes into a bend.

4 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Aktorelementes 100, wobei hierbei das Aktorelement 100 in Form eines Rotations-Zug-Aktorelementes ausgebildet ist. Das in 3 gezeigte Prinzip zur Rotation bzw. Biegung in Form von Druckausübung wird hier umgekehrt in eine Zugbeanspruchung. Bei einer Druckbeaufschlagung dehnt sich hierbei der Grundkörper 10 und damit das Aktorelement 100 von der in 4 gezeigten gebogenen Ausgangsform in eine gerade, gestreckte Position, so dass die Stirnflächen 14, 16 des Grundkörpers 10, wie in 1 und 2 gezeigt ist, wieder parallel zueinander angeordnet sind. 4 shows a further embodiment of an actuator element 100, in which case the actuator element 100 is designed in the form of a rotary-pull actuator element. This in 3 The principle shown for rotation or bending in the form of pressure exertion is reversed here into a tensile stress. When pressure is applied, the base body 10 and thus the actuator element 100 expand from the in 4 shown curved initial shape in a straight, stretched position, so that the end faces 14, 16 of the base body 10, as in 1 and 2 shown, are again arranged parallel to each other.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von den dargestellten Lösungen auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiven Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.The implementation of the invention is not limited to the preferred exemplary embodiments specified above. Rather, a number of variants are conceivable which make use of the solutions presented even in the case of fundamentally different designs. All of the features and/or advantages resulting from the claims, the description or the drawings, including structural details, spatial arrangements and method steps, can be essential to the invention both on their own and in a wide variety of combinations.

Bezugszeichenlistereference list

100100: Aktorelementactuator element
1010: Grundkörperbody
1111: Innenrauminner space
1212: Erste StützflächeFirst support surface
1313: Zweite StützflächeSecond support surface
1414: Erste StirnseiteFirst face
1515: Unterseitebottom
1616: Zweite StirnseiteSecond front
1717: Führungsgelenkguide joint
1818: Balgartige KonturBellows contour
1919: Oberseitetop
20a20a: Erster BalgFirst bellows
20b20b: Zweiter BalgSecond bellows
20c20c: Dritter BalgThird bellows
2121: Zuführöffnungfeed opening
2222: Öffnungopening
23a23a: Erste DruckkammerFirst pressure chamber
23b23b: Zweite DruckkammerSecond pressure chamber
23c23c: Dritte DruckkammerThird pressure chamber
2424: Öffnungopening
2525: Öffnungopening
2626: Übergangsbereichtransition area
2727: Übergangsbereichtransition area

Claims

Actuator element (100), with a base body (10) that is at least partially elastic and has an interior space (11) that can be pressurized, a first rigid support surface (12) and at least one second rigid support surface (13), which are each arranged on the base body (10), and an elastically designed guide joint (17) which is located between the first rigid support surface (12) and the second rigid support surface (12). support surface (13), wherein when pressure is applied to the interior (11) of the base body (10), the first rigid support surface (12) and the second rigid support surface (13) can be moved relative to one another about an axis of rotation formed by the guide joint (17). , wherein the guide joint (17) is torsionally rigid.

Actuator element (100) after claim 1 , characterized in that the base body (10) has a bellows-like contour (18) in an elastic area, the bellows-like contour (18) of the base body (10) being formed opposite to the guide joint (17).

Actuator element (100) after claim 1 or 2 , characterized in that the guide joint (17) has an arc shape, the arc shape in the direction of the interior (11) of the base body (10) is directed.

Actuator element (100) according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the guide joint (17) is formed in one piece with the base body (10).

Actuator element (100) according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that when pressure is applied to the interior (11) of the base body (10), the interior (11) can be subjected to an overpressure or a negative pressure.

Actuator element (100) according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that the interior (11) of the base body (10) is pressurized by supplying a fluid, a supply opening (21) for supplying the fluid being formed on the first support surface (12) and/or the second support surface (13). is.

Actuator element (100) according to one of Claims 1 until 6 , characterized in that the interior (11) of the base body (10) has at least one pressure chamber (23a, 23b, 23c), with two or more pressure chambers (23a, 23b, 23c) arranged adjacent pressure chambers (23a, 23b, 23c ) are in fluid communication with each other.

Actuator element (100) according to one of Claims 1 until 7 , characterized in that the supporting surfaces (12, 13) each extend at least in regions over at least two adjoining sides of the base body (10) which are arranged at an angle to one another.

Actuator element (100) according to one of Claims 1 until 8th , characterized in that the base body (10) and / or the guide joint (17) are formed from a rubber-elastic material.

Actuator element (100) after claim 9 , characterized in that the rubber-elastic material is a polyurethane material.