DE102017209597A1

DE102017209597A1 - Befestigungseinheit zum Befestigen eines Spannglieds an eine Einheit

Info

Publication number: DE102017209597A1
Application number: DE102017209597.0A
Authority: DE
Inventors: Georg Bachmaier; Iason Vittorias; Wolfgang Zöls; Christian Bachmann; Guillaume Pais
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2017-06-07
Filing date: 2017-06-07
Publication date: 2018-12-13
Also published as: EP3615840A1; CN110753803B; US20200132163A1; WO2018224250A1; CN110753803A; US11428294B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Befestigungseinheit (1) zum Befestigen eines Spannglieds (20) an eine Einheit (30), aufweisend einen Kopf (11) mit mindestens einer ersten Öffnung (12), einen Schaft (13) mit mindestens einer zweiten Öffnung (14) und mindestens einem Außengewinde (15), einen Kanal (16), wobei sich der Kanal (16) von der mindestens einen ersten Öffnung (12) des Kopfes (11) entlang des Kopfes (11) zu der mindestens einen zweiten Öffnung (14) des Schaftes (13) zumindest teilweise entlang des Schaftes (13) erstreckt, wobei das mindestens eine Außengewinde (15) und der Kanal (16) jeweils zum Aufnehmen des Spannglieds (20) ausgebildet ist. Ferner ist die Erfindung auf ein entsprechendes Spannglied-betriebenes System gerichtet.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Befestigungseinheit zum Befestigen eines Spannglieds an eine Einheit. Ferner ist die Erfindung auf ein entsprechendes Spannglied-betriebenes System gerichtet.
Stand der Technik
Spannglied-betriebene Systeme („tendon-driven systems“) gewinnen zunehmend an Bedeutung. Solche Systeme sind im Bereich der Robotik und Mechatronik angesiedelt. Beispielsweise sind Spannglied-betriebene Robotereinheiten bekannt, welche Körperglieder aufweisen, die das muskuloskelettale System nachahmen. Die Spannglied-betriebenen Systeme weisen üblicherweise Aktoren auf, welche an Spanngliedern ziehen bzw. auf diese eine Zugkraft ausüben. Durch die Krafteinwirkung bringen die Aktoren weiterhin Kräfte auf die Gelenke auf. Mit anderen Worten, erfolgt die Kraftübertragung durch das Spannglied von einem Aktor auf ein Gelenk. Jedoch kann ein einzelnes Spannglied Kräfte nur in eine Richtung aufbringen.
Daher werden gemäß dem Stand der Technik für jeden einzelnen Freiheitsgrad oder jedes einzelne Gelenk zwei Antriebseinheiten eingesetzt. Die Anordnung der zwei Antriebseinheiten ist auch als Agonist-Antagonist Anordnung im Kontext der menschlichen Muskeln bekannt.
Grundsätzlich ist hierbei immer das Zusammenspiel oder Wechselspiel gegensätzlich wirkender Muskeln notwendig, um eine Bewegung ausführen zu können. Der Agonist (Spieler) führt eine Bewegung aus, während der Antagonist (Gegenspieler) dafür sorgt, dass die Bewegung auch in die Gegenrichtung erfolgen kann. Als Antriebseinheiten werden Aktoren oder Federn eingesetzt.
Im Fall einer Robotereinheit, die als Roboterhand ausgebildet ist und der menschlichen Hand nachempfunden ist, kann beispielsweise ein Aktor zum Schließen eines Gelenks eines Fingers verwendet werden sowie ein Aktor (auch Gegenaktor genannt) zum Öffnen des Gelenks des Fingers vorgesehen sein.
In dieser Hinsicht ist es erforderlich die Spannglieder an die Aktoren sowie die Gelenke zuverlässig zu befestigen, um die Gelenke in gegenläufige Richtungen bewegen zu können. Die Befestigung eines Spannglieds ist jedoch nicht standardisiert und sollte bestimmte Anforderungen erfüllen.
Beispielsweise ist es erforderlich, dass das befestigte Spannglied unter Spannung bleibt. Andernfalls beeinflusst die unzureichende Dynamik des gesamten Systems nachteilig die Leistung. Ferner kann sich das Material des Spannglieds unter bestimmten Bedingungen nachteilig ausdehnen, beispielsweise unter hoher Belastung, Alterung oder Strahlung. Dies führt nachteilig zu einer Verringerung oder einem Verlust der Spannung des gesamten Systems.
Ferner ist es erforderlich, dass die Befestigung des Spannglieds an den entsprechenden Aktor oder andere Anpassungen einiger Parameter erlaubt, wie Grad der Spannung und Länge des Spannglieds etc. In mehrfach-aktuierten Systemen („multiactuated systems“) kann es auch wünschenswert sein, dass die Länge der Spannglieder jedes Aktors gleich ist, um die Modellierung und Regelung des Systems zu vereinfachen.
Im Stand der Technik werden üblicherweise zur Befestigung des Spannglieds an den Aktor oder das Gelenk Knoten („knots“) verwendet. Die Knoten erlauben jedoch als ein Nachteil keine weitere oder nachträgliche Anpassung der Spannung nachdem das Spannglied mittels eines Knotens befestigt wurde, da das Spannglied nach der Befestigung eine feste Länge hat. Ferner ist es als ein weiterer Nachteil bei bestimmten Materialien und Stärken des Spannglieds schwierig oder unmöglich einen Knoten, der zuvor gemacht wurde, wieder zu lösen. Folglich kann es notwendig sein, dass der Knoten durchtrennt bzw. durchgeschnitten werden muss, um ihn zu lösen. Ferner ist als weiterer Nachteil anzuführen, dass ein Knoten nur schwierig in einer bestimmten Länge verwirklicht werden kann. Folglich ist die Länge der Spannglieder jedes Aktors in mehrfach-aktuierten Systemen nicht gleich. Weiterhin werden beispielsweise Federn in Serie eingesetzt, welche jedoch ebenfalls gravierende Nachteile mit sich bringen.
Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die objektive technische Aufgabe eine Befestigungseinheit bereitzustellen, welche kostengünstig, langlebig, kompakt und benutzerfreundlich ist sowie sich auf einfache und zuverlässige Art und Weise einstellen lässt.
Zusammenfassung der Erfindung
Die oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Befestigungseinheit zum Befestigen eines Spannglieds an eine Einheit gelöst, aufweisend:

a. einen Kopf mit mindestens einer ersten Öffnung,
b. einen Schaft mit mindestens einer zweiten Öffnung und mindestens einem Außengewinde,
c. einen Kanal, wobei
d. sich der Kanal von der mindestens einen ersten Öffnung des Kopfes entlang des Kopfes zu der mindestens einen zweiten Öffnung des Schaftes zumindest teilweise entlang des Schaftes erstreckt, wobei
e. das mindestens eine Außengewinde und der Kanal jeweils zum Aufnehmen des Spannglieds ausgebildet ist.

Dementsprechend ist die erfindungsgemäße Befestigungseinheit dazu geeignet ein Spannglied an eine Einheit zu befestigen oder zu fixieren. Die Befestigung kann daher auch als Fixierung bezeichnet werden. Das Spannglied ist beispielsweise ein Seil und weist vorteilhafterweise eine gewisse Steifigkeit oder Festigkeit auf. Es ist jedoch nicht auf ein Seil beschränkt. Hierzu können herkömmliche Dyneema-Seile oder Vectran-Seile verwendet werden. Die Seile können abhängig von der konkreten Anwendung flexibel von einem Anwender gewählt werden. Die Einheit ist beispielsweise als eine Gelenkeinheit, wie Robotereinheit, oder eine andere beliebige Einheit, wie Antriebseinheit, ausgebildet.
Der Kopf der Befestigungseinheit kann auch als obere Untereinheit bezeichnet werden und ist dementsprechend oberhalb des Schaftes der Befestigungseinheit angeordnet. Der Schaft kann folglich auch als untere Untereinheit bezeichnet werden. Der Durchmesser des Kopfes kann größer als der Durchmesser des Schaftes sein. Ferner kann der Kopf eine runde Form haben, während der Schaft eine stabähnliche Form aufweist.
Zwischen dem Kopf und dem Schaft ist ein durchgängiger Kanal angeordnet, so dass das Spannglied durch die Öffnung des Kopfes in den Kopf eindringen kann und aus der Öffnung des Schaftes ausdringen kann. Beispielsweise wird ein Seil in einem Schritt durch den Kanal gefädelt und in einem weiteren Schritt um das Außengewinde des Schaftes gewickelt.
Folglich ist die erfindungsgemäße Befestigungseinheit sehr einfach und benutzerfreundlich ausgestaltet. Das Spannglied kann beliebig festgezogen und somit unter einer Spannung fixiert und/oder an die Einheit befestigt werden. Umgekehrt kann die Spannung auch verringert und das Spannglied entsprechend gelockert oder ganz gelöst werden. Mit anderen Worten, kann die Befestigung jederzeit auf einfache Art und Weise erneut hergestellt werden. Sie ist dementsprechend reversibel.
Durch den Grad oder die Stärke der Zugkraft kann die Spannung des Spannglieds beeinflusst und verändert werden. Daher kann die Spannung des Spannglieds und dessen Länge vor sowie nach Befestigung an die Anforderungen des Anwenders oder sonstige Gegebenheiten beliebig und effizient angepasst bzw. eingestellt werden. Die Befestigungseinheit ist dementsprechend auch justierbar.
In einer Ausgestaltung weist die Befestigungseinheit weiterhin ein Gegenstück mit mindestens einem Innengewinde zum Befestigen des Spannglieds auf, in welches der Schaft eingreifen kann, wobei das Gegenstück insbesondere eine Mutter ist. Dementsprechend ist für den Schaft mit dem Außengewinde ein entsprechendes Gegenstück mit Innengewinde oder Gegengewinde vorgesehen. Beispielsweise ist ein Seil bereits durch den Kanal gefädelt, um das Außengewinde des Schaftes gewickelt und kann weiterhin durch das Gegenstück festgezogen werden.
In einer weiteren Ausgestaltung, falls der Schaft in das Gegenstück eingreift, wird das Spannglied festgezogen.
In einer weiteren Ausgestaltung, falls der Schaft von dem Gegenstück gelöst wird, wird das Spannglied gelöst. Dementsprechend können die Gewinde des Schaftes und des Gegenstücks ineinander greifen. Durch das Eingreifen der Gewinde ineinander wirkt eine Kraft auf das Spannglied ein. Das Spannglied wird festgeklemmt und festgehalten. Andernfalls, durch Auseinandergreifen oder Auseinandergleiten der Gewinde voneinander, wird die Haltekraft verringert. Das Spannglied wird entlastet oder gelockert.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das mindestens eine Außengewinde an einem Endbereich des Schaftes angeordnet. Dementsprechend ist das Außengewinde insbesondere an dem Kopf zugewandten Ende angebracht. Dieser Bereich hat sich hinsichtlich der Stabilität und Zuverlässigkeit der Befestigung als besonders vorteilhaft erwiesen.
In einer weiteren Ausgestaltung weist der Schaft zwei Außengewinde auf, welche an sich gegenüberliegenden Endbereichen des Schaftes angeordnet sind. Dementsprechend ist neben dem ersten Außengewinde ein zweites Außengewinde vorgesehen. Das erste Außengewinde dient der Fixierung des Spannglieds. Das zweite Außengewinde dient hingegen der Befestigung des Spannglieds an eine beliebige Einheit, wie Gelenkeinheit oder Antriebseinheit. Dadurch kann die Befestigungseinheit vorteilhafterweise flexibel in beliebigen Systemen eingesetzt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung unterscheiden sich die zwei Außengewinde in ihren Durchmessern voneinander. Dementsprechend ist der Durchmesser des ersten Außengewindes größer als der Durchmesser des zweiten Außengewindes. Alternativ können andere Durchmesser flexibel gewählt werden. Beispielsweise kann der größere Durchmesser als Anschlag eingesetzt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung wird die Befestigungseinheit zumindest teilweise durch einen 3D Druck hergestellt. Dementsprechend wird ein Teil der Befestigungseinheit oder die gesamte Befestigungseinheit schichtweise mittels 3D Druck aufgebaut. Der 3D Druck ermöglicht insbesondere eine schnelle Fertigung. Die Befestigungseinheit ist jedoch nicht auf dieses Fertigungsverfahren beschränkt.
In einer weiteren Ausgestaltung sind der Kopf und der Schaft als Schraube ausgebildet. Dementsprechend ist die Befestigungseinheit ohne das Gegenstück als herkömmliche Schraube ausgebildet. Das Gegenstück zur Schraube kann dementsprechend auch als hierzu passende Mutter ausgebildet sein.
In einer weiteren Ausgestaltung wird die Befestigungseinheit durch eine Antriebseinheit in eine Richtung betrieben. Dementsprechend ist eine Antriebseinheit vorgesehen, welche das Spannglied in eine Richtung betreibt. Das an die Einheit befestigte Spannglied wird in eine Richtung betrieben. Die Einheit bewegt sich entsprechend in die gleiche Richtung. Dadurch kann eine Bewegung in eine Richtung durchgeführt werden. Beispielsweise kann ein Aktor oder eine andere Antriebseinheit zum Schließen eines Gelenks eines Fingers verwendet oder zum Öffnen des Gelenks des Fingers vorgesehen sein.
Ferner betrifft die Erfindung ein Spannglied-betriebenes System, aufweisend:

a. mindestens ein Spannglied, wobei das mindestens eine Spannglied an einer Einheit angeordnet ist,
b. mindestens eine oben beschriebene Befestigungseinheit zum Befestigen des Spannglieds an die Einheit,
c. mindestens eine Antriebseinheit zum Betreiben der Einheit in eine Richtung.

Dementsprechend können ein oder mehrere Befestigungseinheiten einer Gelenkeinheit angeordnet werden. Üblicherweise ist eine Agonist-Antagonist Anordnung wünschenswert, um eine Bewegung in gegenläufige Richtungen verwirklichen zu können. Hierzu können zwei Spannglieder, wie Seile, an einer Gelenkeinheit angeordnet und mittels der Befestigungseinheiten an diese befestigt werden. Die zwei Spannglieder werden durch zwei Aktoren betrieben. Dadurch wird vorteilhafterweise ermöglicht, dass eine Antriebseinheit ein Spannglied in eine Richtung und eine Antriebseinheit das andere Spannglied in die Gegenrichtung antreiben kann. Als Antriebseinheiten können beispielsweise Aktoren oder Federn verwendet werden.
Figurenliste
In der folgenden detaillierten Beschreibung werden vorliegend bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung weiter beschrieben mit Bezug auf die folgenden Figuren.

1 zeigt eine Detailansicht einer erfindungsgemäßen Befestigungseinheit.
2 zeigt eine Detailansicht eines Kanals der erfindungsgemäßen Befestigungseinheit.
3 zeigt eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Spannglied-betriebenen Systems.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die Figuren beschrieben.
1 zeigt eine Befestigungseinheit 1, welche aus zwei Untereinheiten 11, 13 zusammengesetzt ist. Die obere Untereinheit 11 kann als Kopf bezeichnet werden und die untere Untereinheit 13 als Schaft. Die Befestigungseinheit kann mittels 3D Druck oder anderen Fertigungsverfahren hergestellt werden. Die Untereinheiten 11, 13 weisen jeweils eine Öffnung 12, 14 auf.
Beispielsweise weist der Kopf 11 eine Mehrzahl von Kanten auf und ist flach ausgebildet. Der Schaft 13 ist unterhalb des Kopfes 11 angeordnet und ist stäbchenförmig ausgebildet. Ferner weist der Schaft 13 einen Gewindeabschnitt 15 auf. Beispielsweise ist ein Außengewinde 15 an einem Endbereich des Schaftes 13 angeordnet. Der Schaft 13 kann entsprechend in ein Innengewinde 18 eines Gegenstücks 17 eingreifen. Bei der Befestigungseinheit 1 kann es sich beispielsweise um eine Schraube handeln.
Zwischen den zwei Öffnungen 12, 14 erstreckt sich durchgängig ein Kanal 16 von der ersten Öffnung 12 durch den Kopf 11 und durch den Schaft 13 bis zu der zweiten Öffnung 14. Der Kanal 16 ist im Detail in 2 dargestellt. Ein Spannglied 20 (nicht gezeigt) kann in die erste Öffnung 12, durch den Kanal 16 und aus der zweiten Öffnung 14 gefädelt werden. Ferner kann das Spannglied 20 daraufhin um das Außengewinde 50 gewickelt werden. Das Spannglied 20 kann beispielsweise ein Seil sein.
Durch das Ineinandergreifen der Gewindeabschnitte 15, 18 des Schaftes 13 und des Gegenstücks 17 wird das Spannglied 20 festgezogen und festgehalten. Mit anderen Worten, wird es fixiert. Ferner wird durch das Auseinandergleiten der Gewindeabschnitte voneinander das Spannglied 20 gelöst.
3 zeigt ein Spannglied-betriebenes System. Das Spannglied-betriebene System weist eine Befestigungseinheit 1 auf, mittels welcher ein Seil 20 an eine Einheit 30 befestigt wird. Ein erstes Seil 20 wird durch eine erste Befestigungseinheit 1 an eine Gelenkeinheit und/oder eine Antriebseinheit befestigt. Ferner wird ein zweites Seil 20 durch eine zweite Befestigungseinheit 1 an die Gelenkeinheit und/oder die Antriebseinheit befestigt. Das zweite Seil ist durch die gestrichelte Linie angedeutet. Die Befestigungseinheiten 1 ermöglichen eine reversible, justierbare und zuverlässige Befestigung.
Die zwei Seile 20 werden durch jeweilige Antriebseinheiten 40 in gegenläufige Richtungen bewegt. Die erste Antriebseinheit 40 betreibt das erste Seil 20 und somit auch die Gelenkeinheit 30 in eine Richtung 42 und die andere zweite Antriebseinheit 40 betreibt das zweite Seil 20 und somit auch die Gelenkeinheit 30 in die Gegenrichtung.
Falls der Schaft 13 zwei Außengewinde gemäß 1 aufweist, werden die Seile 20 über einen ersten Gewindeabschnitt 15 an einem Ende des Schaftes 13 fixiert und am anderen Ende des Schaftes 13 über einen zweiten Gewindeabschnitt 15 an die zugehörige Antriebseinheit 40.

Claims

Befestigungseinheit (1) zum Befestigen eines Spannglieds (20) an eine Einheit (30), aufweisend: a. einen Kopf (11) mit mindestens einer ersten Öffnung (12), b. einen Schaft (13) mit mindestens einer zweiten Öffnung (14) und mindestens einem Außengewinde (15), c. einen Kanal (16), wobei d. sich der Kanal (16) von der mindestens einen ersten Öffnung (12) des Kopfes (11) entlang des Kopfes (11) zu der mindestens einen zweiten Öffnung (14) des Schaftes (13) zumindest teilweise entlang des Schaftes (13) erstreckt, wobei e. das mindestens eine Außengewinde (15) und der Kanal (16) jeweils zum Aufnehmen des Spannglieds (20) ausgebildet ist.
Befestigungseinheit (1) nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend ein Gegenstück (17) mit mindestens einem Innengewinde (18) zum Befestigen des Spannglieds (20) an die Einheit (30), in welches der Schaft (13) eingreifen kann, wobei das Gegenstück (17) insbesondere eine Mutter ist.
Befestigungseinheit (1) nach Anspruch 2, falls der Schaft (13) in das Gegenstück (17) eingreift, das Spannglied (20) festgezogen wird.
Befestigungseinheit (1) nach Anspruch 3, falls der Schaft (13) von dem Gegenstück (17) gelöst wird, das Spannglied (20) gelöst wird.
Befestigungseinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Außengewinde (15) an einem Endbereich des Schaftes (13) angeordnet ist.
Befestigungseinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schaft (13) zwei Außengewinde (15) aufweist, welche an sich gegenüberliegenden Endbereichen des Schaftes (13) angeordnet sind.
Befestigungseinheit (1) nach Anspruch 6, wobei sich die zwei Außengewinde (15) in ihren Durchmessern voneinander unterscheiden.
Befestigungseinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Befestigungseinheit (1) zumindest teilweise durch einen 3D Druck hergestellt wird.
Befestigungseinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kopf (11) und der Schaft (13) als Schraube ausgebildet sind.
Befestigungseinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Befestigungseinheit (1) durch eine Antriebseinheit (40) in eine Richtung (42) betrieben wird.
Spannglied-betriebenes System, aufweisend: a. mindestens ein Spannglied (20), wobei das mindestens eine Spannglied (20) an einer Einheit (30) angeordnet ist, b. mindestens eine Befestigungseinheit (1) zum Befestigen des Spannglieds (20) an die Einheit (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, b. mindestens eine Antriebseinheit (40) zum Betreiben der Einheit (30) in eine Richtung (42).
Spannglied-betriebenes System nach Anspruch 11, wobei die mindestens eine Antriebseinheit (40) ein Aktor oder eine Feder ist.
Spannglied-betriebenes System nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, falls die mindestens eine Antriebseinheit (40) betrieben wird, der Schaft (13) in das Gegenstück (17) eingreift und das Spannglied (20) festgezogen wird.
Spannglied-betriebenes System nach Anspruch 13, falls die mindestens eine Antriebseinheit (40) nicht betrieben wird, der Schaft (13) vom Gegenstück (17) gelöst wird und das Spannglied (20) gelöst wird.