-
Die Erfindung betrifft einen Drehantrieb, in welchem eine endlose Drehung durch sequentielles Expandieren zumindest dreier Arbeitskammern bewirkt wird.
-
Pneumatische Antriebe stellen eine kostengünstige, leichte und dennoch kraftvolle Antriebsmöglichkeit dar. Aufgrund der in aller Regel verbauten Dichtungen, die für die Trennung von Arbeitskammer und Umgebung elementar sind, treten allerdings sogenannte Stick-Slip Effekte auf, die eine Positionsregelung zwischen den Endlagen sehr unpräzise werden lassen. Aufgrund dessen ist der Einsatz von pneumatischen Aktuatoren in den bekannten klassischen Bauformen in Service- oder Industrierobotern nur schwer möglich.
-
Die
DE 2 351 990 A beschreibt eine Antriebsvorrichtung zur Ausführung einer Schwenk- oder Drehbewegung durch flüssiges oder gasförmiges Druckmedium, wobei diese ein Gehäuse mit darin gelagerter Arbeitswelle und einen mit dieser wirkverbundenen zylindrischen Exzenterteil aufweist sowie mindestens eine aufblasbare Expansionszelle, welche zwischen der Gehäuseinnenwand und dem Exzenterteil auf dessen Umfang verteilt angeordnet, mit diesem wirkverbunden und mit dem Arbeitsmedium über Steuermittel verbindbar ist.
-
Die
DE 10 2008 049 293 A1 beschreibt ein Gerät zur Nutzung der Druckdifferenz von Gas- oder Flüssigmedien durch deren Wandlung in Rotationsbewegung. Dabei passieren die zu entspannenden Medien ein System von in einem Gehäuse an der Innenwand des runden Gehäuses positionierten Schlauchstücken, mit einer Länge, die mindestens der der Gehäusewand entspricht, über Einlassventile und Auslassventile, die die Abfolge der Schlauchstückbefüllung und - entleerung synchron regeln. Dabei werden die Schlauchstücke reihenweise aufgebläht und dilatiert und durch das Aufblähen der Schlauchstücke eine auf einem Exzenter rotierende Walze vorangetrieben.
-
Die
JP S63-105 280 A beschreibt einen Motor zur Erzeugung einer Rotationsbewegung unter Verwendung von Medium unter Druck.
-
Die
DE 20 2012 102 695 U1 beschreibt ein hydropneumatisches Antriebssystem mit zumindest einem Doppelmediumarbeitszylinder, welcher einen in einer Arbeitskammer verfahrbaren Arbeitskolben aufweist, und darüberhinaus einen aktiven Drucklufterzeuger aufweist, der Druckluft mit einem möglichst gleichbleibenden Arbeitsdruck bereitstellt und eine geschlossene Speichervorrichtung aufweist für ein Hydraulikmedium mit einem Druckausgleichsbehälter zur Aufnahme des über ein Druckluftkissen unter einem Druck stehenden Hydraulikmediums.
-
Die
US 3,813,189 A beschreibt einen flüssigkeitsangetriebenen Motor mit einem Rotorzylinder, der lateral bezüglich der Bewegungsachse des Rotors verschiebbar ist zwischen einer ersten Position, die im Wesentlichen konzentrisch mit der Rotorachse ist und einer zweiten Prozession exzentrisch relativ zur Rotorachse.
-
Die
DE 2 347 133 A beschreibt einen Motor zur Erzeugung einer Bewegung durch flüssiges oder gasförmiges Druckmedium, bei welchem zwischen zwei auf zueinander geneigten Achsen gelagerten Stützflächen mindestens zum Teil aus durch das Druckmedium elastisch deformierbarem Werkstoff bestehende, Expansionskammern bildende Mittel angeordnet sind, sowie ein Steuersystem, um diese Mittel so zu steuern, dass ihnen in ihrer Funktionsreihenfolge entsprechend Druckmedium zugeführt und nach Erreichen ihres größten Volumens abgeführt wird.
-
Ein sehr interessanter Vorteil haftreibungsfreier bzw. haftreibungsarmer pneumatischer Drehantriebe ist die systemimmanente Nachgiebigkeit, die bei geeigneter geometrischer Auslegung zu einer regelbaren Nachgiebigkeit des Systems führen kann. Diese Nachgiebigkeit kann die Sicherheit des Systems entscheidend erhöhen und so die Hemmschwelle für den Einsatz von Roboterarmen in der Mensch-Roboter-Kollaboration und in der Servicerobotik deutlich herabsetzten. Auch hinsichtlich des Anschaffungspreises sind pneumatische Systeme ihren elektrisch betriebenen Marktbegleitern meist überlegen.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Drehantrieb anzugeben, der auch bei pneumatischem oder hydraulischem Betrieb eine präzise Positionsregelung ermöglicht.
-
Die Aufgabe wird gelöst durch den Drehantrieb nach Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Drehantriebs an.
-
Erfindungsgemäß wird ein Drehantrieb beschrieben, der ein Basiselement, ein Bewegungselement und ein Drehelement aufweist. Dabei ist das Bewegungselement zwischen dem Basiselement und dem Drehelement angeordnet und das Drehelement ist um eine Drehachse drehbar.
-
Der erfindungsgemäße Drehantrieb weist zumindest drei Arbeitskammern auf, die zwischen dem Basiselement und dem Bewegungselement um die Drehachse herum angeordnet sind. Unter einer Arbeitskammer soll hier ein Element verstanden werden, dessen Volumen durch Einleiten eines fluiden Mediums vergrößerbar und durch Ableiten des fluiden Mediums verkleinerbar ist. Der Begriff Arbeitskammer kann beispielsweise als Balg oder Ballon oder Schlauch verstanden werden. Auch beispielsweise schlauchförmige Ausgestaltungen der Arbeitskammer sind möglich. Die Arbeitskammer kann vorteilhaft eine flexible Hülle aufweisen, die bei Einleiten des fluiden Mediums gedehnt wird, wodurch die Arbeitskammer expandiert wird. Auch Arbeitskammern mit einer flexiblen, aber nicht dehnbaren bzw. elastischen Hülle können optional zum Einsatz kommen.
-
Erfindungsgemäß sind die zumindest drei Arbeitskammern durch Einleiten eines Fluids in einen Zustand expandierbar, der im Folgenden als expandierter Zustand bezeichnet werden soll. Dabei kann vorteilhaft als expandierter Zustand jeder Zustand verstanden werden, in welchem das Fluid im Inneren der Arbeitskammer mit einem Überdruck vorliegt. Besonders bevorzugt kann jener Zustand als expandierter Zustand verstanden werden, bei dem zusätzlich die entsprechende Arbeitskammer das Bewegungselement berührt, und/oder bei dem die entsprechende Arbeitskammer eine Kraft auf das Bewegungselement ausübt. Allgemein ist der expandierte Zustand ein Zustand vergrößerten Volumens der entsprechenden Arbeitskammer. Die Volumenvergrößerung kann in bestimmten vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung mit einer Verkürzung der Ausdehnung der entsprechenden Kammer in zumindest einer Richtung einhergehen. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn die Arbeitskammer die Form eines Zylinders hat, der sich in Richtung seiner Zylinderachse vom Basiselement zum Bewegungselement erstreckt. Wird ein solcher Zylinder expandiert, verkürzt er sich in axialer Richtung und übt eine Kraft auf das Bewegungselement und das Basiselement aus.
-
Erfindungsgemäß ist das Bewegungselement so angeordnet, dass ein Abstand zwischen der Drehachse, um die das Drehelement drehbar ist, und einer Fläche des Bewegungselements, auf welche die Arbeitskammern wirken, um die Drehachse variiert. Auf diese Weise können die Arbeitskammern das Bewegungselement dadurch um die Drehachse bewegen, dass sie phasenversetzt expandiert werden.
-
Erfindungsgemäß ist das Bewegungselement gegenüber dem Drehelement beweglich gelagert. Das Bewegungselement berührt also vorteilhaft das Drehelement über zumindest ein Lager, wobei auch ein einfaches Aneinanderstoßen einer Fläche des Bewegungselementes mit einer Fläche des Drehelementes so, dass diese Flächen aneinander gleiten können, als Lager verstanden werden soll. Dadurch, dass das Bewegungselement gegenüber dem Drehelement beweglich gelagert ist, kann das Bewegungselement eine Kraft auf das Drehelement ausüben, wodurch dieses zur Drehung angetrieben wird.
-
Zusammenfassend üben also die Arbeitskammern eine Kraft auf das Bewegungselement aus und dieses übt eine Kraft auf das Drehelement aus, durch welche das Drehelement zur Drehung um die Drehachse angetrieben wird.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Fluid ein Gas, so dass der Vorgang des Expandierens der Arbeitskammern auch als Aufblasen bezeichnet werden kann. Besonders bevorzugt ist das Gas Luft. Die pneumatische Ausgestaltung des Drehantriebs hat insbesondere den Vorteil, dass sie die oben beschriebene systemimmanente Nachgiebigkeit aufweist, die zum Beispiel die Sicherheit eines Systems in der Mensch-Roboter-Kollaboration verbessert.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Bewegungselement und/oder das Drehelement kreisförmig. Bevorzugterweise sind beide Elemente kreisförmig und zueinander konzentrisch um einen gemeinsamen Mittelpunkt angeordnet.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Bewegungselement und vorteilhaft auch das Drehelement das Basiselement umgeben. In diesem Fall können vorteilhaft das Bewegungselement, das Drehelement, das Basiselement sowie die Arbeitskammern in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sein, auf welcher die Drehachse senkrecht steht. Die Arbeitskammern können in dieser Ausgestaltung um das Basiselement herum angeordnet sein, wobei vorzugsweise ein gemeinsamer Mittelpunkt aller Arbeitskammern, wenn keine der Arbeitskammern expandiert ist, mit der Drehachse zusammenfällt.
-
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann das Basiselement das Bewegungselement und das Drehelement umgeben. Auch hier können das Basiselement, das Bewegungselement und das Drehelement in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sein, in der auch die Arbeitskammern angeordnet sind. Die Arbeitskammern können in dieser Ausgestaltung entlang eines inneren Umfangs des Basiselements angeordnet sein, so dass die Anordnung der Arbeitskammern das Bewegungselement und das Drehelement umgibt. Auch in dieser Ausgestaltung ist vorteilhaft jener Mittelpunkt, um den das Bewegungselement und das Drehelement konzentrisch angeordnet sind, gegenüber der Drehachse um einen nicht verschwindenden Abstand in der besagten gemeinsamen Ebene versetzt.
-
In einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann das Drehelement über dem Bewegungselement und das Bewegungselement über den Arbeitskammern angeordnet sein. Die Arbeitskammern können dabei über dem Basiselement und unter dem Bewegungselement angeordnet sein. In dieser Ausgestaltung kann das Bewegungselement vorteilhaft eine ebene Scheibe sein, die gegenüber der Drehachse gekippt ist, d. h. in einem Winkel von ungleich 0° und ungleich 90° steht. Durch die Kippung des Bewegungselementes gegenüber der Drehachse variiert der Abstand zwischen dem Basiselement und jener Fläche des Bewegungselementes, auf welche die Arbeitskammern wirken.
-
In dieser Ausgestaltung der Erfindung kann die Drehachse konzentrisch sein zu einem Mittelpunkt des Drehelements und des Bewegungselementes.
-
Das Drehelement kann hier keilförmig ausgestaltet sein, wobei eine Oberseite des Keils senkrecht zur Drehachse steht und eine Unterseite des Keils parallel liegt zu der dieser Unterseite zugewandten Oberseite des Bewegungselementes. Ein phasenversetztes Expandieren der Arbeitskammern bewirkt ein Kippen des Bewegungselementes in unterschiedliche Richtungen, wodurch sich das Drehelement in Richtung der Kippung des Bewegungselementes dreht. Wird also das Bewegungselement um den Mittelpunkt herum gekippt, so dreht sich das Drehelement um die Drehachse.
-
Vorteilhafterweise kann in dieser Ausgestaltung das Drehelement einen kreisförmigen Umfang in einer Ebene senkrecht zur Drehachse haben. Das Bewegungselement kann hier vorteilhaft einen elliptischen Umfang in einer Ebene, in der es sich erstreckt, haben. Der Umfang des Bewegungselementes kann vorteilhaft auf einer imaginären Zylindermantelfläche liegen, die durch die Drehachse und den Umfang des Drehelementes definiert wird.
-
Die folgenden Ausführungen gelten, soweit nicht ausdrücklich anders gesagt, für alle der vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen der Erfindung.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die Arbeitskammern so ausgestaltet sein, dass sie sich beim Expandieren in einer Richtung verkürzen, die vom Basiselement zum Bewegungselement verläuft. Beispielsweise können die Arbeitskammern hier zylinderförmig ausgestaltet sein, wobei eine Zylinderachse der Arbeitskammern vom Basiselement zum Bewegungselement verläuft. Vorteilhafterweise sind die Arbeitskammern in dieser Ausführungsform fest mit dem Basiselement und dem Bewegungselement verbunden, so dass die Arbeitskammern eine Zugkraft zwischen dem Basiselement und dem Bewegungselement aufbauen können. In dieser Ausführungsform ist es besonders bevorzugt, wenn die Arbeitskammern, das Drehelement und das Bewegungselement, wie oben beschrieben, übereinander angeordnet sind.
-
Vorteilhafterweise können die Arbeitskammern im jeweils expandierten Zustand das Bewegungselement unmittelbar berühren.
-
Die Drehachse ist vorteilhafterweise fest gegenüber dem Basiselement. In jenen Ausführungsformen, in denen das Bewegungselement und das Drehelement in einer gemeinsamen Ebene konzentrisch angeordnet sind, fällt vorzugsweise die Drehachse nicht mit dem Mittelpunkt des Drehelementes zusammen. Das Drehelement kann hier als Ganzes um die Drehachse gedreht werden.
-
Vorteilhafterweise sind in allen Ausführungsformen die Arbeitskammern in gleichen Winkeln zueinander um die Drehachse in einer gemeinsamen Ebene angeordnet.
-
In jenen Ausgestaltungen der Erfindung, in denen das Drehelement und das Bewegungselement in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, kann vorteilhaft das Basiselement in einer Ebene senkrecht zur Drehachse die Form eines gleichseitigen Vielecks haben, dessen Anzahl an Seiten gleich der Anzahl der Arbeitskammern ist. Vorteilhafterweise durchläuft die Drehachse dabei einen Mittelpunkt dieses Vielecks. An jeder der Seiten des Vielecks kann dann eine der Arbeitskammern angeordnet sein, so dass sich die entsprechende Arbeitskammer gegen diese Seite abstoßen kann, wenn sie im expandierten Zustand eine Kraft auf das Bewegungselement ausübt.
-
In jenen Ausgestaltungen der Erfindung, in denen das Bewegungselement und das Drehelement in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, ist vorzugsweise der Mittelpunkt des Drehelementes und des Bewegungselementes gegenüber der Drehachse in Richtung senkrecht zur Drehachse versetzt. In dieser Ausgestaltung kann zumindest ein Arm vorgesehen sein, der mit dem Drehelement fest verbunden ist und sich zur Drehachse erstreckt. Auf diese Weise kann durch den Drehantrieb eine Welle angetrieben werden, die mit dem besagten Arm verbunden ist und koaxial zur Drehachse steht.
-
In jenen Ausgestaltungen der Erfindung, in denen das Drehelement und das Bewegungselement in einer Ebene angeordnet sind, weist vorzugsweise das Bewegungselement und/oder das Drehelement eine Deckplatte sowie eine Bodenplatte auf, deren Ebenen senkrecht zur Drehachse stehen und die so angeordnet sind, dass sie den vom Bewegungselement umfassten Raum in Richtung der Drehachse, also nach oben und unten, begrenzen. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass sich die Arbeitskammern beim Expandieren über den Rand des Bewegungselementes heraus ausdehnen und an anderen beweglichen Teilen reiben.
-
In jener Ausgestaltung der Erfindung, in der das Drehelement oberhalb, also in Richtung der Drehachse versetzt, gegenüber dem Bewegungselement angeordnet ist, kann eine zylinderförmige Begrenzung vorgesehen sein, welche die Arbeitskammern umgibt und deren Zylinderachse koaxial steht zur Drehachse.
-
In jener Realisierung der Erfindung, in welcher das Drehelement in Richtung der Drehachse versetzt über dem Bewegungselement angeordnet ist, ist es auch möglich, dass das Drehelement als Scheibe ausgestaltet ist, die parallel zur Scheibe des Bewegungselementes liegt. Das Drehelement ist also in diesem Fall ebenfalls gegenüber der Drehachse gekippt. Hier ist auch die dem Bewegungselement abgewandte Seite des Drehelementes gegenüber der Drehachse geneigt. In dieser Ausgestaltung ist es optional auch möglich, dass auf jener dem Bewegungselement abgewandten Seite des Drehelementes ein weiteres Bewegungselement angeordnet ist, auf dessen dem Drehelement abgewandten Seite weitere Arbeitskammern um die Drehachse angeordnet sind. Auf diese Weise stehen bei gleichem Umfang mehrere Arbeitskammern zur Verfügung, so dass der Antrieb ein größeres Drehmoment entwickeln kann.
-
In jenen Ausgestaltungen der Erfindung, in denen das Bewegungselement und das Drehelement in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, kann das Basiselement vorteilhafterweise zumindest drei Schieber aufweisen, die sich jeweils zwischen den Arbeitskammern vom Basiselement zum Bewegungselement erstrecken. Diese Schieber können vorteilhaft so ausgestaltet sein, dass ihre Länge veränderlich ist und dass sie elastisch gegen das Bewegungselement drücken. Auf diese Weise bewirken die Schieber eine Abtrennung benachbarter Arbeitskammern zueinander in jeder Entfernung des Bewegungselements vom Basiselement. Hierdurch kann verhindert werden, dass die Arbeitskammern sich beim Expandieren über ihre maximale Dehnung hinaus ausdehnen und dann seitlich aufplatzen.
-
Wie beschrieben ist das Bewegungselement vorzugsweise gegenüber dem Drehelement gelagert. Die Lagerung kann besonders bevorzugt mittels eines oder mehrerer Gleitlager oder eines oder mehrerer Kugellager realisiert sein.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung können die Arbeitskammern jeweils zwei Teilkammern aufweisen, von denen eine mit Flüssigkeit und die andere mit Gas befüllbar ist. Auf diese Weise kann der Drehantrieb zugleich hydraulisch und pneumatisch betrieben werden. Sofern eine Nachgiebigkeit des Antriebs gewünscht ist, kann die pneumatische Aktuierung verwendet werden, und sofern eine hohe Kraft ausgeübt werden soll, kann die hydraulische Aktuierung verwendet werden. Die jeweiligen Teilkammern können zum Beispiel ineinander angeordnet sein, beispielsweise die hydraulische in der pneumatischen Kammer oder umgekehrt. Die Teilkammern können beispielsweise auch nebeneinander angeordnet sein, zum Beispiel in radialer Richtung zur Drehachse hintereinander.
-
Die Arbeitskammern können vorteilhafterweise jeweils über zumindest ein Ventil, das vorzugsweise ein Proportionalventil oder ein Schnellschaltventil ist, expandierbar sein. Die Ventile können mittels einer geeigneten Steuervorrichtung so gesteuert werden, dass die Arbeitskammern um die Drehachse umlaufend phasenversetzt expandiert werden, so dass das Bewegungselement um die Drehachse herum geschoben wird und so über das Drehelement eine Drehung um die Drehachse bewirkt.
-
Es wird vorzugsweise in der Erfindung keine klassische Dichtung verbaut, so dass keine oder nur eine sehr geringe Haftreibung und somit kein Stick-Slip Effekt entsteht. Dies ist der entscheidende Vorteil, denn ein pneumatischer Aktuator mit derartigen Eigenschaften kann wesentlich präziser geregelt werden als vergleichbare Aktuatoren mit Stick-Slip Effekt. Daher kommt ein solcher Antrieb insbesondere für den Einsatz in einem Gelenk eines Knickarmroboters in Frage.
-
Das System stellt in seiner vorteilhaft pneumatischen Ausführung einen nachgiebigen Antrieb dar. Durch das gezielte Anheben des Druckniveaus in mehreren Arbeitskammern kann die Nachgiebigkeit des Antriebs verändert werden.
-
Ein nachgiebiger Drehantrieb in Robotern kann die Sicherheitskonzepte deutlich vereinfachen bzw. verbessern. Darüber hinaus ist der Aktuator um 360° endlos drehbar.
-
Als technische Anwendungsgebiete sind insbesondere Robotik Anwendungen im Bereich der Servicerobotik und der Interaktion zwischen Mensch und Roboter von Interesse. Hier kann der erfindungsgemäße Drehantrieb durch seine Nachgiebigkeit die Sicherheit des Systems erhöhen oder sogar andere Sicherheitssystem überflüssig machen.
-
Im Bereich der landwirtschaftlichen Robotik stellt das Antriebsmedium einen Vorteil dar. Alle gängigen Traktoren und Zugmaschinen verfügen über pneumatische Systeme und eine pneumatisches (Roboter-) Anbaugerät kann einfach mit großer Energie versorgt werden. Rein elektrische (Roboter-) Anbaugeräte hingegen benötigen oft mehr elektrische Energie (und in anderen Formen, z.B. 400V) als von den Zugmaschinen zur Verfügung gestellt wird.
-
Ganz allgemein sind für einen pneumatischen, präzise regelbaren, nachgiebigen und endlos drehbaren Drehantrieb sehr viele potenzielle Einsatzgebiete denkbar.
-
Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren beispielhaft erläutert werden. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen dabei gleiche oder entsprechende Merkmale. Die in den Beispielen beschriebenen Merkmale können auch unabhängig vom konkreten Beispiel realisiert sein und unter verschiedenen Beispielen kombiniert werden.
-
Es zeigt
- 1 zwei Schnittansichten durch eine vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Drehantriebs,
- 2 eine Seitenansicht und eine Draufsicht der in 1 gezeigten Ausgesta Itu ngsform,
- 3 eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Drehantriebs,
- 4 einen pneumatischen Schaltplan zur Steuerung des erfindungsgemäßen Drehantriebs,
- 5 einen Drehmomentverlauf in der in 1 und 2 gezeigten Ausgestaltungsform der Erfindung,
- 6 einen erfindungsgemäßen Drehantrieb mit fünf Arbeitskammer,
- 7 einen erfindungsgemäßen Drehantrieb, in dem das Basiselement das Bewegungselement umgibt und das Bewegungselement das Drehelement umgibt,,
- 8 einen erfindungsgemäßen Drehantrieb, in dem die Arbeitskammern zwei Teilkammern aufweisen,
- 9a einen erfindungsgemäßen Drehantrieb, in dem die Arbeitskammern zylinderförmig ausgebildet sind und sich bei Expansion verkürzen und
- 9b den in 10a gezeigten Drehantrieb in einer Draufsicht in Richtung der Drehachse.
-
1 zeigt im oberen Teilbild eine Schnittansicht durch eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Drehantriebs entlang einer Schnittebene, in welcher eine Drehachse des Drehantriebs verläuft. Die Schnittebene ist im unteren Teilbild der 2 eingezeichnet.
-
Der Drehantrieb weist ein Basiselement 1 auf, das in dem Drehantrieb mittig angeordnet ist und fest mit einem äußeren Gehäuse 2 des Drehantriebs in Verbindung steht. Das Basiselement 1 ist umgeben von einem Bewegungselement 3, das eine das Basiselement 1 umlaufende Zylinderwand 3a aufweist. Der von der Zylinderwand 3a umgebene Bereich, in dem sich das Basiselement 1 befindet, wird in Richtung der Drehachse 10, also nach oben, durch eine Abdeckplatte 3b begrenzt. Die Abdeckplatte 3b ist optional, jedoch vorteilhaft, da sie ein Reiben der Arbeitskammern 8a, 8b, 8c an anderen Komponenten verhindert. Der von der zylinderförmigen Wand 3a umlaufende Bereich wird in entgegengesetzter Richtung, also nach unten, durch eine weitere Abdeckplatte 3c begrenzt, die ebenfalls optional ist. Sie ist vorteilhaft, da sie ebenfalls ein Reiben der Arbeitskammern 8a, 8b, 8c an anderen Bauteilen verhindert. Die untere Deckplatte 3c weist eine Öffnung auf, durch die hindurch das Basiselement 1 mit dem äußeren Gehäuse 2 verbunden ist. Das Bewegungselement 3 ist verschiebbar und drehmomententkoppelt.
-
Das Bewegungselement 3 wird von einem Drehelement 4 umgeben, das zum Bewegungselement 3 koaxial ist. Das Drehelement 4 weist ebenfalls eine zylinderförmige Seitenwand 4a auf, die koaxial zur zylinderförmigen Seitenwand 3a des Bewegungselements ist. Darüber hinaus weist das Drehelement 4 eine Abdeckplatte 4b auf, die den von der zylinderförmigen Wand 4a umfassten Bereich in Richtung der Drehachse 10 nach oben abschließt. Es sei darauf hingewiesen, dass die obere Abdeckplatte 4b optional ist. Darüber hinaus weist das Drehelement 4 eine untere Abdeckplatte 4c auf jener der oberen Abdeckplatte 4b gegenüberliegenden Seiten der zylinderförmigen Seitenwand 4a auf. Die untere Abdeckplatte 4c weist ebenfalls eine Öffnung auf, durch die hindurch das Basiselement 1 mit dem äußeren Gehäuse 2 verbunden ist. Auch die untere Abdeckplatte 4c ist optional.
-
Das Drehelement 4 ist gegenüber dem Bewegungselement 3 über Lager 7 beweglich gelagert. Im gezeigten Beispiel befinden sich die Lager 7 zwischen den Zylinderwänden 3a und 4a.
-
Das Drehelement 4 ist mit einer Welle 5 verbunden, welche durch die Bewegung des Drehelementes 4 um ihre Achse gedreht wird. Die Achse der Welle 5 ist also die Drehachse des Drehantriebs. Es sei darauf hingewiesen, dass die Drehachse gegenüber einer zu dieser parallelen Mittelachse des Drehelements 4 in Richtung senkrecht zur Drehachse 10 versetzt ist. Das Drehelement 4 dreht sich also durch die Bewegung des Bewegungselementes 3 nicht um seine Mittelachse, sondern um die Drehachse. Der Versatz ist in der speziellen Stellung des in 1 gezeigten Motors nicht zu erkennen.
-
Die untere Teilfigur der 1 zeigt einen Schnitt in einer Ebene senkrecht zur Drehachse 10, die im oberen Teilbild als B eingezeichnet ist.
-
Das Basiselement hat im gezeigten Beispiel drei ebene Seitenflächen 1a, 1b, 1c, an denen die Arbeitskammern 8a, 8b, 8c anliegen.
-
Das Basiselement 1 und die Arbeitskammern, hier beispielhaft Schläuche 8a, 8b, 8c werden umgeben vom Bewegungselement 3, das über das Lager 7 mit dem Drehelement 4 in Kontakt ist. Das Bewegungselement 3, das Lager 7 und das Drehelement 4 sind kreisförmig und konzentrisch ausgestaltet, wobei ihr Mittelpunkt gegenüber der Drehachse 10 in der Figurenebene versetzt ist. Die Drehachse verläuft im gezeigten Beispiel durch den Mittelpunkt des Basiselementes 1.
-
Durch phasenversetztes Expandieren der Arbeitskammern 8a, 8b, 8c wird das Bewegungselement 3 und damit das Drehelement 4 um die Drehachse 10 herum bewegt. im in 1 gezeigten Zustand sind die Arbeitskammern 8a und 8b expandiert, während die Arbeitskammer 8c nicht expandiert ist.
-
Im in 1 gezeigten Beispiel sind optionale Schieber 9a, 9b, 9c vorgesehen, die sich vom Basiselement 1 zum Bewegungselement 3 erstrecken und elastisch in das Basiselement ein- und ausfahren. Auf diese Weise grenzen die Schieber 9a, 9b, 9c in jeder Stellung des Bewegungselementes 3 die Arbeitskammern 8a, 8b, 8c gegeneinander ab und verhindern auf diese Weise ein seitliches Aufplatzen der Arbeitskammern 8a, 8b, 8c zwischen dem Basiselement 1 und dem Bewegungselement 3.
-
2 zeigt im oberen Teilbild eine Seitenansicht des in 1 gezeigten Drehantriebs.
-
Es ist zu erkennen, dass das Drehelement 4 über die Welle 5 mit dem Arm 6 verbunden ist, wobei die Welle 5 die Drehachse 10 als Symmetrieachse hat, um die sie drehbar ist. Das Drehelement 4 ist um die Drehachse 10 drehbar, die Drehachse 10 ist jedoch nicht die Symmetrieachse des Drehelementes 4.
-
2 zeigt im unteren Teilbild eine Draufsicht auf den Drehantrieb gemäß 1. Die Drehachse 10 verläuft hier durch die Mitte des Gehäuses 2. Der Mittelpunkt des kreisförmigen Drehelementes 4 ist gegenüber der Drehachse 10 in der Figurenebene versetzt. Dadurch variiert die Position des Drehelementes 4 bei konstantem Abstand bezüglich der Drehachse 10 mit einem Winkel um die Drehachse 10. Das Drehelement 4 dreht sich um die Drehachse 10. Zur Übertragung des Drehmomentes vom Drehelement 4 auf die Welle 5 und damit auf den Arm 6 weist der Drehantrieb einen radial zur Drehachse 10 verlaufenden Übertragungsarm 11 auf, der einerseits mit dem Drehelement 4 fest verbunden ist und andererseits mit der Welle 5 fest verbunden ist. Im Betrieb bewegt sich das Drehelement 4 um die Drehachse 10 und überträgt mittels des Übertragsungsarms 11 ein Drehmoment auf die Welle 5 und den Arm 6.
-
3 zeigt im unteren Teilbild eine alternative Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Drehantriebs, bei welchem das Drehelement 4 und das Bewegungselement 3 in Richtung der Drehachse hintereinander, also übereinander, angeordnet sind. Hierbei ist das Bewegungselement 3 gegenüber der Drehachse, die hier koaxial zur Welle 5 verläuft, um einen Winkel ungleich 0° und ungleich 90° gekippt. Zwischen einer Basis 1 und dem Bewegungselement 3 sind zumindest drei Arbeitskammern 8a, 8b, 8c von denen hier zwei zu erkennen sind, angeordnet. In Richtung der Drehachse benachbart neben dem Bewegungselement 3 ist das Drehelement 4 angeordnet, das hier als zum Bewegungselement 3 parallel geneigte Platte ausgestaltet ist. Das Bewegungselement 3 und das Drehelement 4 sind über Lager 7 miteinander verbunden. Das Drehelement 4 ist mit einer Welle 5 verbunden, an deren dem Drehelement 4 abgewandten Ende ein Arm 6 zur Drehachse rechtwinklig abgewinkelt angeordnet ist. Phasenversetztes Expandieren der Arbeitskammern 8a, 8b, 8c führt dazu, dass die Kipprichtung des Bewegungselementes 3 die Drehachse umläuft, wodurch über das Lager 7 das Drehelement 4 gedreht wird. Über die Welle 5 wird dadurch eine Drehung des Armes 6 um die Drehachse bewirkt.
-
3 zeigt im oberen Teilbild eine Draufsicht auf die Unterseite der im unteren Teilbild gezeigten Ausführungsform der Erfindung. Zu erkennen ist hier lediglich die Unterseite des Gehäuses 2 sowie der Arm 6. Es ist zu erkennen, dass hier das Gehäuse 2 kreisförmig um die Drehachse ausgebildet ist.
-
4 zeigt einen Schaltplan zur Steuerung von beispielsweise Druckluft in die Arbeitskammern 8a, 8b, 8c in den in 1 bis 3 gezeigten Ausführungsformen. Es wird dabei Druckluft mittels einer Druckluftquelle 12 in das System eingespeist und über Ventile 13a, 13b und 13c in die Arbeitskammern 8a, 8b und 8c eingeleitet. Die Ventile 13a, 13b und 13c können beispielsweise durch eine Steuervorrichtung so gesteuert werden, dass die Druckbeaufschlagung der Arbeitskammern 8a, 8b und 8c phasenversetzt erfolgt. Dabei läuft die Druckbeaufschlagung vorzugsweise um die Drehachse um, so dass durch die Arbeitskammern das Bewegungselement im Kreis bewegt wird. Alternativ können die Ventile 13a, 13b und 13c auch als Schnellschalt- oder Proportionalventile ausgeführt werden. Eine solche Ausführung erlaubt das individuelle einstellen unterschiedlicher Drücke in den einzelnen Kammern, so können Position, Drehmoment und Nachgiebigkeit gezielt eingestellt werden.
-
5 zeigt den Drehmomentverlauf des in 1 gezeigten Drehantriebs in Gesamtheit und für die drei Arbeitskammern 8a, 8b und 8c einzeln. Der Gesamtdrehmomentverlauf setzt sich aus den durch die einzelnen Arbeitskammern 8a, 8b, 8c erzeugten Drehmomenten zusammen. Der Gesamtdrehmomentverlauf kann geglättet werden, wenn mehr als drei Arbeitskammern 8a, 8b, 8c vorgesehen werden.
-
6 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei dem der Drehantrieb durch fünf Arbeitskammern 8a bis 8e angetrieben wird. Der Aufbau entspricht jenem in 1 gezeigten mit dem Unterschied, dass das Basiselement 1 im Wesentlichen als gleichseitiges Fünfeck ausgestaltet ist. An jeder Seite des Basiselementes 1 ist eine Arbeitskammer 8a bis 8e angeordnet. Wie in 1 wird das Basiselement in jener Ebene, in der die Arbeitskammern 8a bis 8e angeordnet sind, vom Bewegungselement 3 und dem Drehelement 4 umlaufen.
-
Das Basiselement weist Kanäle 15a bis 15e auf, durch die ein Fluid in jeweils eine der Arbeitskammern 8a bis 8e geleitet werden kann, um diese zu expandieren.
-
7 zeigt eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drehantriebs, bei dem ein Drehelement 4 vom Bewegungselement 3 umgeben ist. Das Bewegungselement 3 ist von sechs Arbeitskammern 8a bis 8f umgeben, die ihrerseits an Innenflächen 1a bis 1f eines Basiselements 1 angeordnet sind. Das Basiselement 1 ist hierbei als gleichseitiges Sechseck ausgestaltet und umgibt die Arbeitskammern 8a bis 8f sowie das Bewegungselement 3 und das Bewegungselement 4 in jener Ebene, in der die Arbeitskammern 8a bis 8f angeordnet sind.
-
Das obere Teilbild der 7 zeigt einen Schnitt in einer Schnittebene, die die Drehachse 10 enthält. Das untere Teilbild zeigt einen Schnitt entlang der im oberen Teil mit eingezeichneten Schnittebene B-B.
-
Das Bewegungselement 3 umgibt das Drehelement 4. Eine Welle 5, die mit dem Drehelement 4 verbunden ist, verläuft über dem Bewegungselement 3 koaxial zur Drehachse 10. In jenem Bereich, wo das Bewegungselement 3 über Lager 14 mit dem Drehelement 4 in Kontakt steht, ist das Drehelement 4 gegenüber der Drehachse 10 um einen nicht verschwindenden Abstand parallel versetzt. Es können nun die Arbeitskammern 8a bis 8f zyklisch nacheinander expandiert werden. Dadurch wird das Bewegungselement 3 um die Drehachse 10 herum verschoben und bewirkt eine Drehung des Drehelementes 4 und eine Drehung der Welle 5 um die Drehachse 10. Auf diese Weise kann beispielsweise der Arm 6 zur Drehung angetrieben werden.
-
Das Basiselement 1 kann beispielsweise als Gehäuse ausgestaltet sein und hierzu eine Bodenplatte und eine Deckplatte haben, die den Bewegungsraum des Bewegungselementes 3 und des Drehelementes 4 nach unten bzw. nach oben begrenzen.
-
8 zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Drehantriebs, in dem die Arbeitskammern 8a, 8b, 8c jeweils zwei Teilkammern 81a und 82a aufweisen. Für die Übersichtlichkeit ist hier nur eine der Arbeitskammern 8a dargestellt. Die anderen Arbeitskammern 8b und 8c sind wie in 1 gezeigt angeordnet und weisen ebenfalls jeweils zwei Teilkammern auf. Auch die anderen gezeigten Merkmale entsprechen 1, so dass auf die Beschreibung dort verwiesen werden soll.
-
Die Teilkammer 81a ist im Inneren der Teilkammer 82a angeordnet. Beispielsweise kann in die Teilkammer 81a im Betrieb eine Flüssigkeit einleitbar sein und in die Teilkammer 82a ein Gas. Die Teilkammer 81a kann also hydraulisch betrieben werden und die Teilkammer 82a pneumatisch. Die Teilkammer 81a kann hierzu mit einer Flüssigkeitspumpe verbunden sein und die Teilkammer 82a mit einer Gaspumpe.
-
9a zeigt im unteren Teilbild eine alternative Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Drehantriebs, bei welchem das Drehelement 4 und das Bewegungselement 3 in Richtung der Drehachse hintereinander, also übereinander, angeordnet sind. Hierbei ist das Bewegungselement 3 gegenüber der Drehachse, die hier koaxial zur Welle 5 verläuft, um einen Winkel ungleich 0° und ungleich 90° gekippt. Zwischen einer Basis 1 und dem Bewegungselement 3 sind zumindest drei Arbeitskammern 8a, 8b, 8c von denen hier zwei zu erkennen sind, angeordnet, die so ausgestaltet sind, dass sie sich bei Expansion in Richtung parallel zur Welle 5 verkürzen. Die Arbeitskammern 8a, 8b und 8c sind fest mit dem Basiselement 1 und dem Bewegungselement 3 verbunden, so dass sie eine Zugkraft zwischen diesen aufbauen können. In Richtung der Drehachse benachbart neben dem Bewegungselement 3 ist das Drehelement 4 angeordnet, das hier als zum Bewegungselement 3 parallel geneigte Platte ausgestaltet ist. Das Bewegungselement 3 und das Drehelement 4 sind über Lager 7 miteinander verbunden. Das Drehelement 4 ist mit einer Welle 5 verbunden, an deren dem Drehelement 4 abgewandten Ende ein Arm 6 zur Drehachse rechtwinklig abgewinkelt angeordnet ist. Phasenversetztes Expandieren der Arbeitskammern 8a, 8b, 8c führt dazu, dass die Kipprichtung des Bewegungselementes 3 die Drehachse umläuft, wodurch über das Lager 7 das Drehelement 4 gedreht wird. Über die Welle 5 wird dadurch eine Drehung des Armes 6 um die Drehachse bewirkt.
-
9b zeigt den in 10a gezeigten Drehantrieb in einer Draufsicht mit Blickrichtung entlang der Drehachse und der Zylinderachsen der zylinderförmigen Arbeitskammern. Es ist zu erkennen, dass die drei Arbeitskammern 8a, 8b und 8c an den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind. Die Kammer 8a ist expandiert und daher, wie in 10a zu erkennen, verkürzt. Sie zieht dadurch das Bewegungselement 3 in Richtung des Basiselementes nach oben. Die anderen Arbeitskammern 8b und 8c sind nicht expandiert und daher länger in Richtung ihrer Zylinderachse. Es können optional auch hier mehr als drei Arbeitskammern vorgesehen sein.
