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Die Erfindung betrifft eine virtuelle Schwenkvorrichtung mit Bewegungsbegrenzung der sphärischen oder Scharnierbewegung eines Objektes bezüglich einer Basis um einen virtuellen Mittelpunkt bzw. eine virtuelle Achse entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Es sind verschiedene Vorrichtungen bekannt bei denen ein Gegenstand um eine Achse oder sphärisch um einen bezüglich einer Basis ortsfesten Punkt verschwenkbar ist, wobei weder die Achse noch der Punkt materiell vorhanden sind, sondern nur die Lagerung des Gegenstandes an Armen oder dgl. an der Basis so erfolgt, dass er sich um einen im Abstand davon befindlichen Punkt bzw. eine im Abstand davon befindliche Achse bewegt. Beispiele dafür sind die
WO2013/029069 A1 die
WO 2012/123102 A1 entsprechend der
US 2014/0001318 A1 deren Inhalt durch Bezugnahme in den Jurisdiktionen, in denen dies möglich ist, zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.
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Anwendungsbeispiele für derartige Kinematiken sind beispielsweise Sitzmöbel, insbesondere Bürostühle, Krankenliegen, Operationstische, aber auch Vorrichtungen zum Wasserstrahlschneiden, zum Lackieren, zum Tragen von Fräsvorrichtung, Manipulatoren aller Art und Ähnliches, wo es darauf ankommt, dass ein Objekt wie ein Werkzeug im weitesten Sinne des Wortes um einen Arbeitspunkt verschwenkt wird und dabei seinen Abstand zu ihm nicht ändert. Letzteres ist gleichbedeutend damit, dass das Werkzeug entlang einer nicht eben ausgebildeten Oberfläche unter stets gleichem Winkel und Abstand geführt wird, beides auch und besonders am Ende eines Armes eines Roboters, der dann die Basis bildet, angeordnet.
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Derartige virtuelle Gelenke sind beispielsweise so ausgebildet, dass an einer Basis um eine erste Achse ein Arm um eine erstes Gelenk schwenkbar ist, dass an diesem Arm ein zweites Gelenk ausgebildet ist um das ein zweiter Arm schwenkbar ist, und dass schließlich an diesem zweiten Arm, um eine dritte Achse der Gegenstand (Plattform) schwenkbar angeordnet ist wobei die drei Achsen sich in einem Punkt schneiden, eben dem Schwenkpunkt oder bei Werkzeugen dem Arbeitspunkt.
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Eine andere Ausbildung eines solchen virtuellen Gelenkes erhält man, wenn drehbar um eine erste Achse, die die Basis darstellt, ein Gelenkviereck angeordnet ist wobei um eine der beiden nicht daran angelenkten Achsen verschwenkbar ein zweites Gelenkviereck in der gleichen Ebene wie das erste Gelenkviereck angeordnet ist, und dass der zu verdrehende Gegenstand (Plattform) an der gegenüberliegenden Koppel dieses zweiten Gelenkviereckes drehbar montiert ist.
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In beiden Fällen ist es notwendig und durch verschiedene Anschläge und dgl. möglich, zu verhindern, dass die Achsen eine singuläre Position einnehmen, nämlich entweder zusammenfallen oder parallel werden.
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Es ist nun, abgesehen von dieser zwingenden Notwendigkeit, in vielen Anwendungsfällen gewünscht oder auch notwendig, das Ausmaß der Verdrehung des um die virtuelle Achse bzw. den virtuellen Punkt drehbaren Gegenstandes zu beschränken. Die auf den ersten Blick nächstliegende Lösung, in den Bauteilen, die die Kinematik ausbilden, entsprechende Anschläge anzubringen, ist wegen der dabei auftretenden hohen Momente und der üblicherweise kompakten Bauweise dieser kinematischen Vorrichtung nicht immer möglich. Da bei Anwendungsgebieten, bei denen der Drehpunkt nicht zugänglich ist, auch der sich um diesen Punkt drehende Gegenstand nur schwer und nur in Sonderfällen durch Führungen wie Kulissen und dgl. mechanisch beeinflussbar ist, weil auch eine solche Interaktion in einem geometrischen Bereich stattfinden müsste, der nur schwer zur Verfügung steht, besteht ein Bedarf an einer Vorrichtung, durch die eine Begrenzung der Schwenkbewegung auf einfache, zuverlässige, raumsparende und robuste Weise erreicht wird.
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Es ist Ziel und Aufgabe der Erfindung, eine solche Vorrichtung anzugeben.
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Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1, vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß erreicht man diese Ziele durch eine kinematische Begrenzungsvorrichtung, die einerseits an der Basis, andererseits am zu verschwenkenden Gegenstand befestigt ist, an beiden Bauteilen um zueinander parallele Achsen verdrehbar ist und eine Abstandsänderung der beiden Achsen in vorgegebenem Ausmaß zulässt. Auf diese Weise kann man eine Bewegung des Gegenstands um eine virtuelle Achse bezüglich der Basis erreichen.
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In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die kinematische Vorrichtung auch ein Verschwenken der beiden Achsen zueinander zulässt, wobei diese aber stets eine Ebene aufspannen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt bzw. zeigen
- die 1a-1c eine erste Variante einer Kinematik für ein virtuelles sphärisches Gelenk,
- die 2a-2c eine zweite Variante einer derartigen Kinematik,
- die 3a-3c eine erfindungsgemäße Ausgestaltung mit Schwenkbegrenzung innerhalb der Kinematik,
- die 4a-4c eine erste Variante einer erfindungsgemäßen Begrenzungsvorrichtung,
- die 5a-5c die begrenzende Wirkung in einer ersten Ebene,
- die 6a-6c die begrenzende Wirkung in einer Ebene normal zu der der 5,
- die 7a-7f die Auswirkung bei der Verwendung mit einem Stuhl, in den beiden zueinander normalen Ebenen,
- die 8a-8c analog zur 7 die Wirkungen bei Verwendung mit einem Manipulator und
- die 9a-9d, eine Variante einer erfindungsgemäßen Begrenzungsvorrichtung.
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In den drei Ansichten der 1 ist eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung zur Schaffung eines virtuellen Schwenkpunktes ersichtlich:
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Die insgesamt mit 1 bezeichnete Schwenkvorrichtung weist einen Basisteil 2 auf, der um eine Basisachse 3 drehbar an einer Basis 4 angelenkt ist. Am Basisteil 2 um eine Armachse 5 verdrehbar ist ein Arm 6 angelenkt. An diesem Arm 6 ist wiederum, um eine Objektachse 7 drehbar, ein Objektträger 8 montiert. Dieser Objektträger 8 trägt das nicht dargestellte Objekt. Da die drei Achsen, die Basisachse 3, die Armachse 5 und die Objektachse 7 einander in einem einzigen, gemeinsamen Punkt (Zentralpunkt 15, 2) schneiden, wird bei beliebiger Verdrehung des Basisteils 2, des Armes 6 und des Objektträgers 8 um die jeweils zugehörigen Achsen, das am Objektträger festmontierte Objekt samt dem Objektträger um diesen Schnittpunkt sphärisch verschwenkt.
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Die 1b und 1c zeigen in verschiedenen Ansichten die Beweglichkeit dieser kinematischen Vorrichtung, durch die in weiten Grenzen eine solche Verschwenkung erreicht werden kann.
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Die 2 zeigt eine aus dem Stand der Technik nicht bekannte zweite kinematische Schwenkvorrichtung 9, bei der ein erster Basisteil 10 um eine Achse 3 schwenkbar an einer nicht dargestellten Basis befestigt ist. Dieser Basisteil 10 bildet mit einem Basisarm 11 und einer Koppel 12 ein Gelenkviereck.
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Am Basisteil 10 ist im Abstand von der Achse, an der die Koppel 12 angelenkt ist, eine weitere dazu parallele Achse vorgesehen, an der verschwenkbar ein Objektteil 13 angelenkt ist. Dieser Objektteil bildet analog zum ersten Gelenksviereck mit einem Objektträger ein weiteres Gelenkviereck.
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Auf dieser Weise werden die aus 2c gut ersichtlichen Achsen, eine Basisachse 3, eine Armachse 5 und eine Objektachse 7 aufgespannt, die einander wiederum, wie bei der ersten erläuterten Schwenkvorrichtung, in einem Zentralpunkt 15 schneiden. Durch die Verdrehbarkeit der gesamten Schwenkvorrichtung 9 um die Basisachse 3 erreicht man wiederum eine sphärische Bewegung des mit dem Objektträger 14 drehbar verbundenen (nicht dargestellten) Objekts.
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Die 3 zeigt, in drei Darstellungen, die eingangs erwähnte Möglichkeit einer Begrenzung des Verschwenkens bei der erstgenannten Schwenkvorrichtung durch das Vorsehen eines Stiftes 16 im Basisteil 2, der mit einer gekrümmten Ausnehmung 17 im Arm 6 kooperiert und so das Ausmaß der Verschwenkung begrenzt. Auf gleiche Weise ist eine Begrenzung der Verdrehung zwischen dem Basisteil 2 und der Basis 4 bzw. dem Arm 6 und dem Objektträger 8 möglich. Selbstverständlich können Stift und Kulisse die Bauteile tauschen, ohne dass eine kinematische Änderung eintritt. Wie aus der 3 gut zu entnehmen ist, ist diese Lösung kinematisch einfach, aber wegen der kurzen Hebelarme (Abstand von den jeweiligen Achsen 3, 5 und 7) und der daher auftretenden hohen Kräfte nicht für Fälle praktisch anwendbar, in denen die Masse des Objekts und damit die auftretenden Kräfte merklich sind.
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Ähnliche Begrenzungsanschläge sind bei der Schwenkvorrichtung nach der 2 möglich.
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Eine weitere erfindungsgemäße Begrenzungsvorrichtung 16, die diese Nachteile nicht aufweist, ist aus der 4 in drei Varianten in jeweils perspektivischer Ansicht ersichtlich.
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Die 4a zeigt eine Variante der Begrenzungsvorrichtung 16, die eine kinematische Gliederkette 17 aufweist bzw. daraus besteht, die vier Teile enthält: Nämlich zwei Randteile 18,21 und zwei Zentralteile 19,20. Diese vier Teile sind um drei zueinander parallele innere Achsen (ohne Unterscheidung) 24 gegeneinander verschwenkbar. Die Randteile 18,21 sind mittels passender Gelenke bzw. Lager um äußere Achsen 23, 23', die normal zu den drei inneren Achsen 24 verlaufen, an der Basis bzw. am Objekt verdrehbar. Einer der Zentralteile, im abgebildeten Beispiel der Zentralteil 19, trägt einen Anschlag 22.
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Die beiden anderen Varianten der 4 werden später erläutert, die Funktionsweise der Begrenzungsvorrichtung 16 wird anhand der 5 und 6 erläutert:
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Die 5 zeigt in drei Darstellungen, die Verschwenkbarkeit der Begrenzungsvorrichtung 16 bei Fixierung einer der beiden äußeren Achsen, der Achse 23' im Raum: Dabei ist angenommen, dass diese Achse 23' passend drehbar an der Basis (nicht dargestellt) einer erfindungsgemäß ausgestatten Vorrichtung montiert ist und die zweite äußeren Ahse 23 an dem Objekt bzw. dem Objektträger (nicht dargestellt). Wenn nun das Objekt um den Zentralpunkt 15 um eine Achse parallel zur äußeren Achse 23 verdreht wird, angedeutet durch den Winkel A, so ändert sich der Abstand zwischen den beiden Achsen 23,23' durch diese Schwenkbewegung, wie strichliert eingezeichnet. Trotz dieser Schwenkbewegung bleiben die beiden Achsen zueinander parallel und spannen somit eine Ebene auf, gleichbedeutend mit: liegen in einer Ebene.
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Die Begrenzungsvorrichtung 16 kann diese Bewegung mitmachen, da die Gliederkette 17, die in den Nebenfiguren 5b und 5c dargestellte Klappbewegung durchführt, wobei nur Bedacht darauf zu nehmen ist, dass der kürzeste Abstand zwischen den beiden Achsen 23,23' noch größer ist als die entsprechende Länge der beiden Außenteile 18,21 vermehrt um die notwendige Länge der weitgehend zusammengeklappten Zentralteile 19,20. Im Bedarfsfall kann durch zueinander in Richtung der inneren Achsen versetzte Anordnung der Teile 18-21 ein noch geringeres Maß erzielt werden. Wie aus dem Zusammenhalt der 5a,b,c ersichtlich ist, dient der Anschlag 22 der Sicherstellung, dass die Gliederkette 17 nicht in ihre gestreckte Lage gelangt, da sie in dieser Lage (alle drei inneren Achsen in einer Ebene) Singularität aufweist und ihre Funktion einbüßt.
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Die 6 zeigt in drei Ansichten die Situation in einer um 90° dazu gedrehten Ebene, aus der ersichtlich ist, dass bei dieser Verdrehung der in 4 dargestellte, parallele Verlauf der beiden äußeren Achsen 23 nicht mehr eingehalten wird, diese aber nach wie vor eine Ebene aufspannen (=in einer Ebene liegen); und dass durch diese Winkeländerung ein Verschwenken auch um eine Achse normal zu der Schwenkachse der 5a möglich ist. Trotz dieser Verdrehung um 90° ergibt sich auch hier der Maximalabstand M, der erreicht werden kann, durch den Anschlag des Anschlags 22 am zugehörigen Randteil 18,21. Da, wie aus 6a ersichtlich ist, dabei die Randteile 18, 21 durch ihre bezüglich des Zentralpunkts 15 radiale Anordnung nichts zum Winkel B beitragen, ist dieser kleiner als der Winkel A. Die 6b und 6c zeigen die Ansicht in Richtung des Pfeiles VI in den beiden extremen Situationen maximaler Ausschlag einerseits, stärkster Verkürzung andererseits.
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Diese beiden Bewegungen um die beiden Achsensysteme sind nun in den vorgegeben Grenzen kombinierbar, wodurch die sphärische Bewegung des Objektes um den Zentralpunkt 15 in den durch die Begrenzungsvorrichtung 16 vorgegebenen Grenzen möglich ist. Durch entsprechende Ausrichtung der äußeren Achsen 23, 23' in einer passend gewählten Grundstellung und entsprechender Schrägstellung in einer Ebene normal dazu, ist es möglich, auch asymmetrische Schwenkmöglichkeiten zu schaffen. Bezüglich der Begrenzungsvorrichtung 16 sind diese natürlich symmetrisch, doch ist die Montage der Begrenzungsvorrichtung bezüglich der eigentlichen Schwenkvorrichtung 1 (präziser: Der Basis und des Objektes) passend schräg oder exzentrisch. Stets bleiben auch bei einer Kombination dieser Bewegungen die beiden äußeren Achsen 23, 23' in einer Ebene (=spannen eine Ebene auf).
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Zurück zur 4b: Hier sind die beiden Außenteile 18,21 mit ihren zugehörigen inneren und äußeren Achsen zu Zentralteilen von Kardangelenken geschrumpft, damit erreicht man, dass in beiden Ebenen der 5 und 6 gleiche maximale Winkel A=B erreicht werden.
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Die 4c zeigt eine Variante, bei der auf die beiden Randteile verzichtet wurde, die nunmehr außenliegenden aber aus Gründen der Kohäsion noch immer „innere“ Achsen genannten Achsen 24 werden passend mit der Basis bzw. dem Objekt drehbar verbunden, was bewirkt, dass eine Drehung entsprechend der der 6a nicht mehr stattfinden kann, aus der sphärischen Bewegung um einen virtuellen Punkt ist auf diese einfache Weise eine reine Drehbewegung (Scharnierbewegung) um eine virtuelle Achse geworden, die durch den Zentralpunkt 15 verläuft und deren Achse parallel zu den inneren Achsen 24 liegt.
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Eine erfindungsgemäße Variante der Begrenzungsvorrichtung ist in 9 dargestellt. Es handelt sich dabei um eine Art Schieber als Zentralteil 19-20, der um innere Achsen 24 drehbar mit Randteilen 18, 21 verbunden ist, die wiederum die äußeren Achsen 23, 23' tragen; eine Vorrichtung die kinematisch dasselbe leistet wie die der 4a.
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Wenn die beiden inneren Achsen 24 durch eine feste Verbindung ersetzt werden, sodass im Extremfall die Randteile 18, 21 mit dem jeweils zugehörigen Zentralteil einstückig ausgebildet sind, so werden die Achsen 23, 23' in ihrem Abstand veränderlich, aber stets parallel zueinander gehalten, es wird damit genau der gleiche kinematische Effekt erzielt wie mit der Vorrichtung gemäß 4c.
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Die 7 zeigt in sechs nicht weiter differenzierten Darstellungen die Anordnung und die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen kinematischen Vorrichtung, bei einem Stuhl. Eine Basis 25 ist, bevorzugt höhenverstellbar und drehbar, am oberen Ende einer Tragsäule 26 vorgesehen. An der Basis 25 ist eine Schwenkvorrichtung 1 vorgesehen, deren Objektträger eine Sitzfläche 27 samt Lehne 28 trägt, sodass diese beiden zusammenhängenden Teile um den virtuellen Zentralpunkt 15 eine sphärische Bewegung vollführen können. Zur Begrenzung dieser sphärischen Bewegung ist eine erfindungsgemäße Begrenzungsvorrichtung 16 entsprechend der in der 4a dargestellten Begrenzungsvorrichtung befestigt. Die äußeren Achsen 23,23' (eigentlich entsprechende Buchsen oder dergleichen) sind dazu auf jeweils ortsfeste Dorne der Basis 25, bzw. der Sitzfläche 27 drehbar aufgesteckt.
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Mit dieser einfachen Maßnahme erreicht man die aus der 7 ersichtlichen Schwenkbewegungen, einerseits vorne-hinten, andererseits links-rechts.
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Es soll schon hier darauf hingewiesen werden, dass es selbstverständlich möglich ist, durch spezielle Ausbildung der Lagerung der Außenachsen 23 eine lösbare Fixierung der Bewegung in der einen Richtung zu erreichen, durch eine passende Begrenzung oder Fixierung der Beweglichkeit der Innenachsen 24 eine lösbare Fixierung der Bewegung der Sitzfläche 27, bezüglich der Links-Rechtsbewegung. Derartige lösbare Fixierungen sind auf dem Gebiet der Büromöbel, der Objektträger, der Manipulatoren, und überhaupt der Automation bekannt, und stehen auf unterschiedlichste Weise zur Verfügung, sodass hier nicht näher darauf eingegangen werden muss. Als praktische Umkehr einer solchen lösbaren Fixierung ist das Verbinden einer oder mehrerer der Achsen mit einem Antrieb anzusehen, der beispielsweise aus Elektromotor und Getriebe, auch in Form eines Riemens, etc. bestehen kann und speziell bei Manipulatoren nützlich ist.
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Die 8 zeigt, hier nur in drei Darstellungen, analog zur 7 die Anwendung der Erfindung bei einem Manipulator 29, auf dem ein Objekt 30 befestigt ist. Hier ist einerseits die vertikale normale Lage in 8a, die nach (definitionsgemäß) vorne gekippte Lage in 8b und die (definitionsgemäß) nach links gekippte Lage in 8c dargestellt. Definitionsgemäß deshalb, weil es vom Blickpunkt des Betrachters abhängt, welche Richtung des Objektträgers 8 vorne und welche seitlich ist. Aus dem Zusammenhalt der drei Darstellungen geht die Beweglichkeit und Funktionalität der erfindungsgemäßen Begrenzungsvorrichtung 16 gut hervor, und zeigt die platzsparende Anordnung dieser Vorrichtung.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann verschiedentlich abgewandelt und weitergebildet werden. Auf die Möglichkeit eines in einer, oder beiden Richtungen bezüglich der internen Achsen und der äußeren Achsen schrägen Einbaus, zur Schaffung von bezüglich der Basis und des Objekts asymmetrischen Schwenkwinkeln wurde bereits hingewiesen, die Ausbildung der Begrenzungsvorrichtung in Form der Ausgestaltung der äußeren Bauteile 21 in Form von Kardangelenken wurde ebenfalls besprochen, desgleichen die Ausgestaltung mit einem Scharniergelenk, und der Verwendung der Begrenzungsvorrichtungen nach 4c oder 9.
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Durch Änderung der Längenverhältnisse der einzelnen Glieder der Gliederkette 17, bzw. deren Abstände von innerer Achse zu innerer Achse, und der äußersten inneren Achsen zur äußeren Achse ist es möglich verschiedene Effekte zu erzielen, insbesondere die Verschwenkbarkeit in unterschiedlichen Richtungen unterschiedlich groß auszubilden.
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In der Beschreibung und den Ansprüchen wird, wie in diesem Gebiet der Technik üblich, die Bezeichnung „Achse“ gleichermaßen auf den mathematischen bzw. technischen Begriff und die mechanische Ausbildung der dafür notwendigen Elemente wie Lager, Buchsen, Wellen, etc. angewandt.
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In der Beschreibung und den Ansprüchen werden die Begriffe „vorne“, „hinten“, „oben“, „unten“ und so weiter in der landläufigen Form und unter Bezugnahme auf den Gegenstand in seiner üblichen Gebrauchslage, gebraucht. Das heißt, dass bei einem Stuhl die Lehne „hinten“ ist und die Sitzfläche „oberhalb“ des Gestells, eine Richtung die quer zu einer anderen verläuft, meint im Wesentlichen eine um 90° dazu gedrehte Richtung.
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Es soll noch darauf hingewiesen werden, dass in der Beschreibung und den Ansprüchen Angaben wie „unterer Bereich“ eines Gehänges, Reaktors, Filters, Bauwerks, Stuhls, Manipulators, oder einer Vorrichtung oder, ganz allgemein, eines Gegenstandes, die untere Hälfte und insbesondere das untere Viertel der Gesamthöhe bedeutet, „unterster Bereich“ das unterste Viertel und insbesondere einen noch kleineren Teil; während „mittlerer Bereich“ das mittlere Drittel der Gesamthöhe (Breite - Länge) meint. All diese Angaben haben ihre landläufige Bedeutung, angewandt auf die bestimmungsgemäße Position des betrachteten Gegenstandes.
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In der Beschreibung und den Ansprüchen bedeutet „im Wesentlichen“ eine Abweichung von bis zu 10 % des angegebenen Wertes, wenn es physikalisch möglich ist, sowohl nach unten als auch nach oben, ansonsten nur in die sinnvolle Richtung, bei Gradangaben (Winkel und Temperatur) sind damit ± 10° gemeint.
Bei Bezeichnungen wie bei: „ein Lösungsmittel“, „eine Achse“, ist das Wort „ein“ bzw. „eine“ nicht als Zahlwort, sondern als unbestimmter Artikel oder als Fürwort anzusehen, wenn nicht aus dem Zusammenhang etwas anderes hervorgeht.
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Der Begriff: „Kombination“ bzw. „Kombinationen“ steht, soferne nichts anderes angegeben, für alle Arten von Kombinationen, ausgehend von zwei der betreffenden Bestandteile bis zu einer Vielzahl oder aller derartiger Bestandteile, der Begriff: „enthaltend“ steht auch für „bestehend aus“.
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Die in den einzelnen Ausgestaltungen und Beispielen angegebenen Merkmale und Varianten können mit denen der anderen Beispiele und Ausgestaltungen frei kombiniert und insbesondere zur Kennzeichnung der Erfindung in den Ansprüchen ohne zwangläufige Mitnahme der anderen Details der jeweiligen Ausgestaltung bzw. des jeweiligen Beispiels verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schwenkvorrichtung
- 2
- Basisteil
- 3
- Basisachse
- 4
- Basis
- 5
- Armachse
- 6
- Arm
- 7
- Obj ektachse
- 8
- Objektträger
- 9
- Schwenkvorrichtung
- 10
- Basisteil
- 11
- Basisarm
- 12
- Koppel
- 13
- Obj ektteil
- 14
- Objektträger
- 15
- Zentral punkt
- 16
- Begrenzungsvorrichtung
- 17
- Gliederkette
- 18
- Randteile
- 19
- Randteile
- 20
- Zentralteile
- 21
- Zentralteile
- 22
- Anschlag
- 23
- Außenachse
- 24
- Innenachse
- 25
- Basis
- 26
- Säule
- 27
- Sitzfläche
- 28
- Lehne
- 29
- Manipulator
- 30
- Objekt
