DE102018008378A1

DE102018008378A1 - Elastisches Gelenk

Info

Publication number: DE102018008378A1
Application number: DE102018008378.1A
Authority: DE
Inventors: Hongxi Zhu; Ulrike Thomas
Original assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Current assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Priority date: 2018-10-22
Filing date: 2018-10-22
Publication date: 2020-04-23
Anticipated expiration: 2038-10-23
Also published as: WO2020083417A1; EP3870411A1; DE102018008378B4; CN112888537A

Abstract

Die Erfindung betrifft elastische Gelenke mit einem Antrieb, einem elastischen Mechanismus und einem Abtrieb.Die elastischen Gelenke zeichnen sich insbesondere durch eine variable Steifigkeit aus.Dazu weist der elastische Mechanismus einen Kurvenscheibenmechanismus und einen Hebelmechanismus auf. Der Antrieb ist mit dem Kurvenscheibenmechanismus verbunden, wobei durch Drehung einer Kurvenscheibe in Verbindung mit wenigstens einem Federelement das Drehmoment nichtlinear veränderbar ist. Die Kurvenscheibe ist mit dem Hebelmechanismus verbunden, wobei ein erster Hebelarm eines Hebels mit der Kurvenscheibe außerhalb ihres Mittelpunkts drehbar verbunden ist, ein zweiter Hebelarm des Hebels mit dem Abtrieb verbunden ist und der Pivot des Hebels an einen Verstellmechanismus zur Veränderung der Position des Pivot und damit zur Steifigkeit gekoppelt ist.

Description

Die Erfindung betrifft elastische Gelenke mit einem Antrieb, einem elastischen Mechanismus und einem Abtrieb.
Durch die Druckschrift DE 10 2012 214 094 B3 ist ein Roboter-Gelenksystem mit zwei Gelenkeinrichtungen mit jeweils einem Gelenk, zwei Antriebsmotoren, einer Energiespeichereinrichtung und einer Zusatz-Energiespeichereinrichtung bekannt. Mit der Zusatz-Energiespeichereinrichtung zwischen den beiden Gelenkeinrichtungen kann eine Energieübertragung von einer Gelenkeinrichtung auf die andere und somit von einem Gelenk auf das andere erfolgen. Das Roboter-Gelenksystem ist nur mit einem nicht unerheblichen Aufwand zu realisieren. Insbesonder sind vier Antriebsmotoren erforderlich.
Die Druckschrift DE 10 2006 016 958 A1 offenbart eine antagonistische Schwenkvorrichtung. Diese weist ein um eine Schwenksachse schwenkbares Gelenkelement auf, welches über zwei Kraftübertragungseinrichtungen mit zwei Antriebseinrichtungen verbunden ist. In beide Kraftübertragungseinrichtungen ist eine passiv wirkende Steifigkeits-Einstelleinrichtung integriert, die nicht einstellbar ist.
Die Druckschrift DE 10 2016 226 174 A1 beinhaltet einen nichtlinearen Schwingungsmechanismus mit mehreren starren Elementen, wobei einzelne Segmente über ein Gelenk insbesondere ein Drehgelenk miteinander verbunden sind. Zwischen den Segmenten sind zur Kraft- und/oder Bewegungsübertragung jeweils ein Schwingungselement vorgesehen. Durch die Summe der zusammenwirkenden Schwingungselemente ist ein nichtlineares Schwingungsverhalten vorhanden, ohne dass ein Stellglied notwendig ist. Eine Einstellung des nichtlinearen Schwingungsverhaltens ist nicht vorgesehen.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elastisches Gelenk mit variabler Steifigkeit zu schaffen.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die elastischen Gelenke mit einem Antrieb, einem elastischen Mechanismus und einem Abtrieb zeichnen sich insbesondere durch eine variable Steifigkeit aus.
Dazu weist der elastische Mechanismus einen Kurvenscheibenmechanismus und einen Hebelmechanismus auf. Der Antrieb ist mit dem Kurvenscheibenmechanismus verbunden, wobei durch Drehung einer Kurvenscheibe in Verbindung mit wenigstens einem Federelement das Drehmoment nichtlinear veränderbar ist. Die Kurvenscheibe ist mit dem Hebelmechanismus verbunden, wobei ein erster Hebelarm eines Hebels mit der Kurvenscheibe außerhalb ihres Mittelpunkts drehbar verbunden ist, ein zweiter Hebelarm des Hebels mit dem Abtrieb verbunden ist und der Pivot des Hebels an einen Verstellmechanismus zur Veränderung der Position des Pivot und damit zur Steifigkeit gekoppelt ist.
Das elastische Gelenk ist damit vorteilhafterweise ein nichtlineares elastisches Gelenk mit variabler Steifigkeit. Das so elastische und damit nachgiebige Gelenk stellt eine Kombination aus einer Kurvenscheibentechnik und einer Hebeltechnik dar, um das nichtlineare elastische Gelenk mit variabler Steifigkeit zu realisieren. Eine Bewegung eines an den Abtrieb gekoppelten Gliedes erfolgt über das nichtlineare elastische Gelenk mit variabler Steifigkeit. Die Steifigkeit wird mittels des mit den Pivot des Hebelmechanismus verbundenen Stellmechanismus eingestellt. Um einen progressiven nichtlinearen Drehmomentverlauf zu gewährleisten, ist der Kurvenscheibenmechanismus vorhanden. Durch Drehung der Kurvenscheibe wird ein nichtlinearer Drehmomentverlauf realisiert. Die hier wirkende Steifigkeit wird über die Federelemente verwirklicht.
Mit dem Hebelmechanismus im elastischen Mechanismus sind progressive nichtlineare Winkel-Drehmoment-Eigenschaften realisiert. Weiterhin ist damit das benötigte Drehmoment für die Einstellung der Steifigkeit klein.
Damit eignet sich vorteilhafterweise für Roboter. Mit steuerbaren Steifigkeiten kann eine sichere Mensch-Roboter-Interaktion gewährleistet werden. Gleichzeitig können im Kontakt je nach Anforderung hinreichend hohe Kontaktkräfte aufgebracht werden. Damit werden Roboter sicherer und können beispielsweise verschiedene Montageaufgaben oder körperlich schwere Aufgaben im Servicebereich erfüllen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 11 angegeben.
Die Kurvenscheibe besitzt nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 zwei sich gegenüberliegende Ausschnitte mit jeweils einer Kurve mit nach innen weisenden Kante. Die Kurve kann eine Freiformkurve, wie beispielsweise eine Bezierkurve oder eine mit einer Spline-Funktion beschriebene Kurve, oder die Form eines Bogens mit einer Form eines Kegelschnitts oder wenigstens einer Kombination von Kegelschnitten sein. Damit sind die verschiedensten Winkel-Drehmoment-Eigenschaften realisierbar.
Jeweils wenigstens ein Federelement greift nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 über eine Rolle an die Kante des Ausschnitts der Kurvenscheibe an.
Jeweils zwei parallel beabstandet zueinander angeordnete Federelemente sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 über eine Endenverbindung der Federelemente miteinander verbunden. Weiterhin weist die Endenverbindung die Rolle auf, so dass sich der Mittelpunkt der Rolle im verlängerten Zwischenraum der Federelemente befindet. Damit wirken die vier Federelemente für die Drehung in beide Richtungen, so dass das elastische Gelenk hohe Drehmomente erzeugen kann. Gleichzeitig sind die Endenverbindungen Schieber.
Der Antrieb ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 über das wenigstens eine Federelement und die Rolle mit der Kurvenscheibe verbunden. Damit ist vorteilhafterweise der Kurvenscheibenmechanismus realisiert, der einen progressiven nichtlinearen Drehmomentverlauf gewährleistet. Durch Drehung der Kurvenscheibe ist ein nichtlinearer Drehmomentverlauf vorhanden. Die Steifigkeit wird über die Federelemente realisiert.
Der Antrieb ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 mit der Kurvenscheibe verbunden.
Der Verstellmechanismus ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 ein Gewindespindel-Bewegungsmutter-Lineareinheit. Ein derartige Einheit ist vorteilhafterweise selbst hemmend, so dass nur bei angetriebener Gewindespindel die Position des Pivot verändert wird. Der Pivot des Hebels ist in dieser Ausführungsform an einen linearen Verstellmechanismus zur Veränderung der Steifigkeit gekoppelt.
Die Gewindespindel ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 mit einem Stellantrieb verbunden. Das kann insbesondere ein Elektromotor sein.
Der Abtrieb ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 eine drehbare Scheibe in Verbindung mit dem zweiten Hebelarm. Damit kann ein kompaktes elastisches Gelenk realisiert werden.
Die Kurvenscheibe, der Hebel, der Verstellmechanismus und die Scheibe sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 nacheinander und beabstandet zueinander angeordnet.
Die Scheibe ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 11 ein Träger eines Gliedes eines Roboters.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:

1 ein elastisches Gelenk,
2 ein Kurvenscheibenmechanismus,
3 ein Kurvenscheibenmechanismus und ein Hebelmechanismus,
4 ein gedrehter Kurvenscheibenmechanismus mit einem gedrehten Hebelmechanismus und
5 ein elastisches Gelenk mit einem Verstellmechanismus des Pivot.

Ein elastisches Gelenk besteht im Wesentlichen aus einem Antrieb 1, einem elastischen Mechanismus 2 und einem Abtrieb 3.
Die 1 zeigt ein elastisches Gelenk in einer prinzipiellen Darstellung.
Der elastische Mechanismus 2 besitzt einen Kurvenscheibenmechanismus 4 und einen Hebelmechanismus 5.
Die 2 zeigt einen Kurvenscheibenmechanismus 4 des elastischen Mechanismus 2 in einer prinzipiellen Darstellung.
Der Antrieb 1 ist mit dem Kurvenscheibenmechanismus 4 verbunden, wobei durch Drehung einer Kurvenscheibe 6 in Verbindung mit wenigstens einem Federelement 7 das Drehmoment nichtlinear veränderbar ist. Dazu besitzt die Kurvenscheibe 6 zwei sich gegenüberliegende Ausschnitte mit jeweils einer Kurve mit nach innen weisenden Kante 8. Die Kurve kann eine Freiformkurve, wie eine Bezierkurve oder eine mit einer Spline-Funktion beschriebene Kurve, oder die Form eines Bogens mit einer Form eines Kegelschnitts oder wenigstens einer Kombination von Kegelschnitten sein. Die Federelemente 7 greifen jeweils über eine Rolle 9 an die Kante 8 des Ausschnitts der Kurvenscheibe 6 an. Dabei können jeweils zwei parallel beabstandet zueinander angeordnete Federelemente 7 über eine Endenverbindung 10 der Federelemente 7 miteinander verbunden sein. Die Endenverbindungen 10 weisen als Schieber 10 jeweils eine Rolle 9 auf, so dass sich der Mittelpunkt der Rolle 9 im verlängerten Zwischenraum der Federelemente 7 befindet. Der Antrieb 1 ist über die Federelemente 7 und die Rollen 9 mit der Kurvenscheibe 6 verbunden. Außerhalb des Mittelpunkts der Kurvenscheibe 6 befindet sich ein Verbindungselement 11 zum Hebelmechanismus 5.
Die 3 zeigt einen Kurvenscheibenmechanismus und einen Hebelmechanismus in einer prinzipiellen Darstellung.
Die Kurvenscheibe 6 ist über das Verbindungselement 11 mit dem Hebelmechanismus 5 verbunden, wobei das Verbindungselement 11 ein Zapfen 11 sein kann. Ein erster Hebelarm 13 eines Hebels 12 ist über das Verbindungselement 11 drehbar mit der Kurvenscheibe 6 außerhalb ihres Mittelpunkts verbunden. Ein zweiter Hebelarm 14 des Hebels 12 ist mit dem Abtrieb 3 verbunden, der dazu als Hebelzapfen ausgebildet sein kann.
Die 4 zeigt einen gedrehten Kurvenscheibenmechanismus 4 mit einem gedrehten Hebelmechanismus 5 in einer prinzipiellen Darstellung.
Der Pivot 15 des Hebels 12 ist an einen Verstellmechanismus 16 zur Veränderung der Position des Pivot 15 und damit zur Änderung der Steifigkeit gekoppelt.
Die 5 zeigt ein elastisches Gelenk mit einem Verstellmechanismus 16 des Pivot 15 in einer prinzipiellen Darstellung.
Der Verstellmechanismus 16 kann insbesondere eine bekannte Gewindespindel-Bewegungsmutter-Lineareinheit sein, wobei die Gewindespindel mit einem Stellantrieb 17 verbunden ist.
Der Abtrieb 3 kann insbesondere als drehbare Scheibe ausgebildet sein, die über den Hebelzapfen mit dem zweiten Hebelarm 14 in Verbindung steht. Die Kurvenscheibe 6, der Hebel 12, der Verstellmechanismus 16 und die an den Hebelzapfen gekoppelte Scheibe können nacheinander und beabstandet zueinander angeordnet sein, so dass ein kompaktes elastisches Gelenk realisiert ist. Die Scheibe kann hierbei ein Träger eines Gliedes eines Roboters sein.
Der Antrieb 1 und der Stellantrieb 17 sind bekannte Elektromotoren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012214094 B3 [0002]
DE 102006016958 A1 [0003]
DE 102016226174 A1 [0004]

Claims

Elastisches Gelenk mit einem Antrieb (1), einem elastischen Mechanismus (2) und einem Abtrieb (3), dadurch gekennzeichnet, dass der elastische Mechanismus (2) einen Kurvenscheibenmechanismus (4) und einen Hebelmechanismus (5) aufweist, dass der Antrieb (1) mit dem Kurvenscheibenmechanismus (4) verbunden ist, wobei durch Drehung einer Kurvenscheibe (6) in Verbindung mit wenigstens einem Federelement (7) das Drehmoment nichtlinear veränderbar ist, und dass die Kurvenscheibe (6) mit dem Hebelmechanismus (5) verbunden ist, wobei ein erster Hebelarm (13) eines Hebels (12) mit der Kurvenscheibe (6) außerhalb ihres Mittelpunkts drehbar verbunden ist, ein zweiter Hebelarm (14) des Hebels (12) mit dem Abtrieb (3) verbunden ist und der Pivot (15) des Hebels (12) an einen Verstellmechanismus (16) zur Veränderung der Position des Pivot (15) und damit der Steifigkeit gekoppelt ist.
Gelenk nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurvenscheibe (6) zwei sich gegenüberliegende Ausschnitte mit jeweils einer Kurve mit nach innen weisender Kante (8) besitzt.
Gelenk nach den Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils wenigstens ein Federelement (7) über eine Rolle (9) an die Kante (8) des Ausschnitts der Kurvenscheibe (6) angreift.
Gelenk nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei parallel beabstandet zueinander angeordnete Federelemente (7) über eine Endenverbindung (10) der Federelemente (7) miteinander verbunden sind und dass die Endenverbindung (10) die Rolle (9) aufweist, so dass sich der Mittelpunkt der Rolle (9) im verlängerten Zwischenraum der Federelemente (7) befindet.
Gelenk nach den Patentansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (1) über das wenigstens eine Federelement (7) und die Rolle (9) mit der Kurvenscheibe (6) verbunden ist.
Gelenk nach den Patentansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (1) mit der Kurvenscheibe (6) verbunden ist.
Gelenk nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellmechanismus (16) ein Gewindespindel-Bewegungsmutter-Lineareinheit ist.
Gelenk nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespindel mit einem Stellantrieb (17) verbunden ist.
Gelenk nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtrieb (3) eine drehbare Scheibe in Verbindung mit dem zweiten Hebelarm (14) ist.
Gelenk nach den Patentansprüchen 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurvenscheibe (6), der Hebel (12), der Verstellmechanismus (16) und die Scheibe nacheinander und beabstandet zueinander angeordnet sind.
Gelenk nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe ein Träger eines Gliedes eines Roboters ist.