DE102020204683B4

DE102020204683B4 - Gelenkstruktur

Info

Publication number: DE102020204683B4
Application number: DE102020204683.2A
Authority: DE
Inventors: Walter Kuhlbusch; Elias Knubben; Daniel Bren; Manuel Rausch
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2020-04-14
Filing date: 2020-04-14
Publication date: 2022-04-14
Anticipated expiration: 2040-04-15
Also published as: DE102020204683A1

Abstract

Es wird eine Gelenkstruktur (1) vorgeschlagen, die einen Gliederstrang (2) aufweist, der sich aus einer Mehrzahl von in einer Strang-Längsrichtung (3) abwechselnd aneinandergereihten und gelenkig miteinander verbundenen ersten und zweiten Stranggliedern (6, 7) zusammensetzt. Zumindest mehrere in der Strang-Längsrichtung (3) unmittelbar aufeinanderfolgende erste Strangglieder (6) stehen unter Überbrückung des zwischen ihnen angeordneten zweiten Stranggliedes (7) mittels an ihnen vorgesehener und aneinander abwälzbar ineinander eingreifender erster bogenförmiger Verzahnungen (23) in einem Verzahnungseingriff, sodass sich eine Zwangskopplung einstellt, die ein kontrolliertes seitliches Auslenken des Gliederstranges (2) ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gelenkstruktur, mit einem Gliederstrang, der eine Vielzahl von in einer Strang-Längsrichtung abwechselnd aneinandergereihten ersten und zweiten Stranggliedern aufweist, wobei unmittelbar aufeinanderfolgende erste und zweite Strangglieder jeweils durch ein eine Schwenkachse definierendes Gelenk unter Ermöglichung einer relativen Schwenkbewegung schwenkbeweglich miteinander verbunden sind, wobei sämtliche Schwenkachsen parallel zueinander verlaufen.
Eine aus der EP 1 738 092 B1 bekannte Gelenkstruktur dieser Art hat einen als Energieführungskette bezeichneten Gliederstrang, der sich aus einer Vielzahl aneinandergereihter, als Kettenglieder konzipierter Strangglieder zusammensetzt. In der Strang-Längsrichtung wechseln sich erste und zweite Strangglieder ab, die paarweise durch jeweils ein Gelenk schwenkbeweglich miteinander verbunden sind, um eine relative Schwenkbewegung zu ermöglichen. Die Gelenke sind so ausgebildet, dass sämtliche Schwenkachsen parallel zueinander verlaufen. Aufgrund des gelenkigen Aufbaus kann der Gliederstrang seine Längsgestalt verändern und wahlweise eine lineare Längsgestalt oder unterschiedliche nicht-lineare Längsgestalten einnehmen. In dem bekannten Fall begrenzt der Gliederstrang einen seitlich partiell offenen Führungskanal, in dem Energieleiter wie Leitungen oder Kabel verlegt sind.
Aus der US 2020 / 0 114 527 A1 geht eine Gelenkstruktur für einen Manipulators hervor, die über Schwenkelemente verfügt, die paarweise über ein Verbindungsglied gelenkig miteinander verbunden sind. An den Schwenkelementen und an dem Verbindungsglied sind Verzahnungsstrukturen ausgebildet, die aneinander abwälzbar miteinander in Eingriff stehen.
Die JP 2003 - 266 357 A beschreibt eine Roboterhand mit mehreren Fingern, die an einem einem Handrücken entsprechenden Trägerrahmen über blattfederartige Pufferglieder gelenkig angeordnet sind. Die Finger enthalten aneinandergereihte Fingerglieder, die über bogenförmige Verzahnungen in gegenseitigem Verzahnungseingriff stehen.
Die DE 43 03 311 A1 beschreibt einen modularen Gelenkmechanismus, der aus mehreren aufeinanderfolgenden Teilgetrieben besteht, die jeweils aus einer Schwinge und einer Koppel aufgebaut sind.
Eine aus der WO 2018/177038 A1 bekannte Gelenkstruktur hat einen Gliederstrang mit einer Vielzahl aneinandergereihter Strangglieder, wobei unmittelbar benachbart zueinander angeordnete Strangglieder relativ zueinander verschwenkbar sind und gleichzeitig in einem Verzahnungseingriff miteinander stehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstig aufgebaute Gelenkstruktur zu schaffen, deren Gliederstrang in einfach kontrollierbarer Weise quer zur Strang-Längsrichtung auslenkbar ist.
Zur Lösung der Aufgabe ist bei einer erfindungsgemäßen Gelenkstruktur in Verbindung mit den eingangs genannten Merkmalen vorgesehen, dass zumindest mehrere in der Strang-Längsrichtung unmittelbar aufeinanderfolgende erste Strangglieder unter Überbrückung des zwischen ihnen angeordneten zweiten Stranggliedes mittels an ihnen vorgesehener und aneinander abwälzbar ineinander eingreifender erster bogenförmiger Verzahnungen in einem Verzahnungseingriff miteinander stehen.
Die erfindungsgemäße Gelenkstruktur hat einen Gliederstrang, der sich aus einer Vielzahl von aneinandergereihten Stranggliedern zusammensetzt, wobei in der Strang-Längsrichtung unmittelbar aufeinanderfolgende Strangglieder jeweils gelenkig miteinander verbunden sind, sodass jeweils eine Schwenkachse definiert wird, um die die beiden aneinander angelenkten Strangglieder unter Ausführung einer relativen Schwenkbewegung relativ zueinander verschwenkbar sind. Bei den Stranggliedern des Gliederstranges handelt es sich um zwei Arten von Stranggliedern, die zur besseren Unterscheidung als erste und zweite Strangglieder bezeichnet werden. In der Strang-Längsrichtung sind die ersten und zweiten Strangglieder mit abwechselnder Reihenfolge angeordnet. Jedes Gelenk verbindet demnach schwenkbeweglich ein erstes Strangglied mit einem zweiten Strangglied. Mindestens ein zweites Strangglied ist dabei zwischen jeweils zwei ersten Stranggliedern angeordnet, wobei dieses zweite Strangglied mit jedem der beiden es in der Strang-Längsrichtung flankierenden ersten Strangglieder über ein Gelenk verschwenkbar verbunden ist, wobei die Schwenkachsen der Gelenke parallel zueinander verlaufen. Die Gelenke sind insbesondere so ausgebildet, dass alle Strangglieder bezüglich einer in der Strang-Längsrichtung verlaufenden imaginären Strang-Längsachse relativ zueinander unverdrehbar sind, sodass die Parallelität zwischen den einzelnen Schwenkachsen des Gliederstranges unveränderlich ist.
Ein ganz wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, dass die beiden jeweils ein zweites Strangglied flankierenden ersten Strangglieder untereinander in einem Verzahnungseingriff stehen, ohne dass das dazwischen angeordnete zweite Strangglied an diesem Verzahnungseingriff beteiligt ist. Das zweite Strangglied wird von den beiden ihm benachbarten ersten Stranggliedern zur Ausbildung des Verzahnungseingriffes überbrückt. Jedes erste Strangglied hat eine erste bodenförmige Verzahnung, mit der es in die bogenförmige Verzahnung des jeweils anderen ersten Stranggliedes eingreift. Durch den Verzahnungseingriff wird die relative Schwenkbewegung zwischen den aneinander angelenkten Stranggliedern zwar nicht verhindert, jedoch zwangsweise gekoppelt, sodass man von einer getriebemäßigen Zwangskopplung sprechen kann. Wenn man sich beispielsweise das zweite Strangglied als ortsfest festgehalten vorstellt, hat eine diesbezügliche relative Schwenkbewegung des einen ersten Stranggliedes zwangsweise eine synchrone relative Schwenkbewegung des anderen ersten Stranggliedes bezüglich des zweiten Stranggliedes zur Folge, wobei der Schwenkwinkel zwischen jedem ersten Strangglied und dem zweiten Strangglied gleichgroß ist. Auf diese Weise liegt insgesamt ein Gliederstrang vor, der unter Ausführung relativer Schwenkbewegungen zwischen den ersten und zweiten Stranggliedern seitwärts auslenkbar ist, um wahlweise eine lineare Längsgestalt oder unterschiedlich stark gekrümmte bogenförmige Längsgestalten einzunehmen, wobei aufgrund der getriebemäßigen Zwangskopplung zwischen den jeweils ein zweites Strangglied überbrückenden ersten Stranggliedern eine gleichförmige, kontrollierte Auslenkbewegung gewährleistet ist. Solchermaßen aufgebaut eignet sich die Gelenkstruktur unter anderem vorteilhaft für den Aufbau eines Gelenkarms eines Roboters.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Bevorzugt liegt das Krümmungszentrum jeder ersten bogenförmigen Verzahnung auf der Schwenkachse des das zugeordnete erste Strangglied mit dem überbrückten zweiten Strangglied verschwenkbar verbindenden Gelenkes. Auf diese Weise lässt sich mit besonders einfachen Mitteln eine gleichförmige relative Schwenkbewegung zwischen sämtlichen aneinander angelenkten Stranggliedern erzielen.
Eine Gelenkstruktur mit besonders vorteilhaftem Aufbau sieht zusätzlich zu den paarweise miteinander in Verzahnungseingriff stehenden ersten Stranggliedern vor, dass mehrere in der Strang-Längsrichtung unmittelbar aufeinanderfolgende zweite Strangglieder unter Überbrückung des zwischen ihnen angeordneten ersten Stranggliedes mittels an ihnen vorgesehener und aneinander abwälzbar ineinander eingreifender zweiter bogenförmiger Verzahnungen in einem Verzahnungseingriff miteinander stehen.. Auf diese Weise ergibt sich eine getriebemäßige Zwangskopplung nicht nur zwischen den in der Strang-Längsrichtung unmittelbar zueinander benachbarten ersten Stranggliedern, sondern auch zwischen den in der Strang-Längsrichtung unmittelbar zueinander benachbarten zweiten Stranggliedern. Der paarweise Verzahnungseingriff zwischen den zweiten bogenförmigen Verzahnungen kann zur besseren Unterscheidung von dem als erster Verzahnungseingriff bezeichenbaren, paarweise zwischen den ersten bogenförmigen Verzahnungen bestehenden Verzahnungseingriff als zweiter Verzahnungseingriff bezeichnet werden. Zwischen den ersten Stranggliedern und den zweiten Stranggliedern liegt kein Verzahnungseingriff vor, hier beschränkt sich die Kopplung auf die eine relative Schwenkbewegung ermöglichenden Gelenke.
Zweckmäßigerweise liegt das Krümmungszentrum jeder zweiten bogenförmigen Verzahnung auf der Schwenkachse des das zugeordnete zweite Strangglied mit dem überbrückten ersten Strangglied verschwenkbar verbindenden Gelenkes.
Prinzipiell kann der Gliederstrang in Minimalausstattung nur drei Strangglieder aufweisen, nämlich ein zweites Strangglied und zwei über jeweils ein Gelenk mit dem zweiten Strangglied verschwenkbar verbundene erste Strangglieder. Ein optimales Schwenkverhalten beim seitlichen Auslenken des Gliederstranges stellt sich jedoch ein, wenn der Gliederstrang mehrere erste Strangglieder und auch mehrere zweite Strangglieder aufweist. Beispielsweise kann der Gliederstrang genau zwei erste Strangglieder und genau zwei zweite Strangglieder umfassen.
Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn sich die Anzahl der ersten Strangglieder von der Anzahl der zweiten Strangglieder um ein Strangglied unterscheidet. Ein derart ausgebildeter Gliederstrang hat beispielsweise zwei erste Strangglieder und drei zweite Strangglieder, wobei zwei Stück der zweiten Strangglieder zwei den einander entgegengesetzten axialen Endbereichen des Gliederstranges zugeordnete endseitige Strangglieder des Gliederstranges bilden.
Bevorzugt sind die bogenförmigen Verzahnungen jeweils einstückig integrierte Bestandteile des zugeordneten ersten oder zweiten Stranggliedes. Jedes Strangglied kann einschließlich der zu ihm gehörenden bogenförmigen Verzahnungen in vorteilhafter Weise durch ein generatives Fertigungsverfahren oder durch ein Gießverfahren erzeugt sein. Grundsätzlich besteht aber auch die Möglichkeit, die bogenförmigen Verzahnungen als bezüglich eines Grundkörpers des zugeordneten Stranggliedes separate Komponenten auszuführen, die an dem Grundkörper durch geeignete Befestigungsmaßnahmen fixiert sind. Der Grundkörper ist bevorzugt plattenförmig gestaltet.
Die in Verzahnungseingriff miteinander stehenden ersten bogenförmigen Verzahnungen und/oder die in Verzahnungseingriff miteinander stehenden zweiten bogenförmigen Verzahnungen bestehen zweckmäßigerweise jeweils aus zwei quer zu der Strang-Längsrichtung zueinander beabstandeten Verzahnungsabschnitten, sodass jeder Verzahnungseingriff zwischen zwei Stranggliedern aus zwei Paaren ineinander eingreifender Verzahnungsabschnitte gebildet ist.
Durch die Aufteilung jeder bogenförmigen Verzahnung in zwei quer zu der Strang-Längsrichtung zueinander beabstandete bogenförmige Verzahnungsabschnitte verfügt der Gliederstrang über eine besonders hohe Querstabilität.
Zweckmäßigerweise ist jedes zwischen zwei benachbarten Stranggliedern vorhandene Gelenk dadurch gebildet, dass mindestens eine erste Verbindungslasche eines ersten Stranggliedes mit mindestens einer zweiten Verbindungslasche eines zweiten Stranggliedes schwenkbeweglich verbunden ist. Die ersten und zweiten Strangglieder überlappen sich mit ihren ersten und zweiten Verbindungslaschen in der Strang-Längsrichtung und sind an den Verbindungslaschen bevorzugt von einem die zugeordnete Schwenkachse definierenden Lagerbolzen durchsetzt.
Zweckmäßigerweise sind an der Bildung jedes Gelenks zwei Quer zu der Strang-Längsrichtung zueinander beabstandete Paare gelenkig miteinander verbundener erster und zweiter Verbindungslaschen beteiligt. Zwei quer zu der Strang-Längsachse zueinander beabstandete erste Verbindungslaschen des ersten Stranggliedes sind jeweils mit einer von zwei ebenfalls quer zu der Strang-Längsrichtung zueinander beabstandeten zweiten Verbindungslaschen des zweiten Stranggliedes verschwenkbar verbunden. Auf diese Weise setzt sich jedes Gelenk aus zwei quer zu der Strang-Längsrichtung zueinander beabstandeten Gelenkeinheiten zusammen, an denen jeweils eine erste Verbindungslasche und eine zweite Verbindungslasche beteiligt sind, die insbesondere mittels eines Lagerbolzens verschwenkbar aneinander angelenkt sind.
Zweckmäßigerweise verfügt jedes erste Strangglied, das gelenkig mit zwei benachbarten zweiten Stranggliedern verbunden ist, über mindestens zwei in der Strang-Längsrichtung ausgerichtete und dabei in einander entgegengesetzte Richtungen weisende erste Verbindungslaschen. Vergleichbar verfügt zweckmäßigerweise jedes zweite Strangglied, das mit zwei ersten Stranggliedern gelenkig verbunden ist, über mindestens zwei in der Strang-Längsrichtung ausgerichtete und dabei in einander entgegengesetzte Richtungen weisende zweite Verbindungslaschen. Die Doppelanordnung erster und zweiter Verbindungslaschen ist am betreffenden Strangglied jeweils zweifach vorhanden, wenn jedes Gelenk in der vorstehend beschriebenen Weise aus zwei quer zu der Strang-Längsrichtung zueinander beabstandeten Gelenkeinheiten besteht.
Sofern die Strangglieder über Verbindungslaschen verfügen, sind die bogenförmigen Verzahnungen zweckmäßigerweise unmittelbar an diesen Verbindungslaschen ausgebildet. Somit befinden sich die bogenförmigen ersten Verzahnungen an den ersten Verbindungslaschen und die bogenförmigen zweiten Verzahnungen an den zweiten Verbindungslaschen.
Wenn zur Bildung jedes Gelenks die ersten und zweiten Verbindungslaschen jeweils paarweise vorhanden sind, ist zweckmäßigerweise an jeder Verbindungslasche einer der bogenförmigen Verzahnungsabschnitte ausgebildet. Die Verwendung der Verbindungslaschen sowohl zur gelenkigen Verbindung der Strangglieder als auch zur Realisierung der getriebemäßigen Zwangskopplung erlaubt einen besonders einfachen und kompakten Aufbau der Gelenkstruktur.
Zur Überwachung und/oder Steuerung einer quer zu der Strang-Längsrichtung orientierten Auslenkbewegung des Gliederstranges ist es vorteilhaft, wenn die Gelenkstruktur mit einer Schwenkwinkel-Erfassungseinrichtung ausgestattet ist, durch die der bei der relativen Schwenkbewegung zwischen mindestens zwei aneinander angelenkten ersten und zweiten Stranggliedern auftretende Schwenkwinkel erfassbar ist. Da die Strangglieder paarweise durch einen Verzahnungseingriff miteinander zwangsgekoppelt sind, lässt sich bereits durch die Erfassung nur des zwischen zwei aneinander angelenkten Stranggliedern auftretenden Schwenkwinkels ein zuverlässiger Rückschluss auf den gesamten Auslenkwinkel des Gliederstranges ziehen. Um den gesamten Auslenkwinkel zu ermitteln, genügt es, den an einem Gelenk erfassten Schwenkwinkel mit der Anzahl der vorhandenen Gelenke zu multiplizieren. Es besteht gleichwohl ohne weiteres die Möglichkeit, die Schwenkwinkel-Erfassungseinrichtung so auszubilden, dass der Schwenkwinkel bei mehreren oder bei sämtlichen Gelenken erfasst wird.
Als günstig wird es angesehen, wenn die Schwenkwinkel-Erfassungseinrichtung mindestens eine Schwenkwinkel-Erfassungseinheit aufweist, die einem Paar verschwenkbar miteinander verbundener erster und zweiter Strangglieder zugeordnet ist, die also im Bereich eines der Gelenke den zwischen dem ersten und zweiten Strangglied vorhandenen Schwenkwinkel erfasst. Die Schwenkwinkel-Erfassungseinheit hat bevorzugt einen zur zugeordneten Schwenkachse koaxialen Lagerbolzen, der drehfest am jeweils einen der beiden Strangglieder fixiert ist und bezüglich dessen das jeweils andere Strangglied verschwenkbar ist. An dem Lagerbolzen ist drehfest ein Magnet angebracht, der berührungslos mit einem Sensor zusammenwirkt, der seinerseits fest an dem bezüglich des Lagerbolzens verschwenkbaren Strangglied angeordnet ist. Bei einer relativen Schwenkbewegung führt diese Anordnung zu einem Verdrehen des Magneten relativ zum Sensor, woraus sich der Schwenkwinkel ableiten lässt. Der vorgenannte Lagerbolzen ist zweckmäßigerweise ein Bestandteil des zugeordneten Gelenks und in der weiter oben schon beschriebenen Weise an der Definition der Schwenkachse beteiligt.
Es kann nur einem einzigen Gelenk oder mehreren Gelenken oder sämtlichen Gelenken jeweils eine eigene Schwenkwinkel-Erfassungseinheit zugeordnet sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Gelenkstruktur von einer aktiven Art und ist mit einer zum Hervorrufen einer Auslenkbewegung des Gliederstranges geeigneten Aktuatoreinrichtung ausgestattet, die an dem Gliederstrang befestigt ist. Der Gliederstrang und die Aktuatoreinrichtung bilden somit eine Baueinheit. Die Aktuatoreinrichtung greift an zwei in der Strang-Längsrichtung zueinander beabstandeten Stranggliedern des Gliederstranges in einem Querabstand zu den Schwenkachsen an und kann bei seiner Betätigung einen in der Strang-Längsrichtung gemessenen Abstand zwischen diesen beiden Stranggliedern verändern, was aufgrund der durch die Verzahnungseingriffe vorhandenen Zwangskopplung relative Schwenkbewegungen zwischen sämtlichen aneinander angelenkten Schwenkeinheiten zur Folge hat, woraus eine seitwärts gerichtete Auslenkbewegung des Gliederstranges resultiert, die mit einer bogenförmigen Konfiguration des Gliederstranges einhergeht.
Der Gliederstrang endet an seinen beiden einander entgegengesetzten axialen Endbereichen mit jeweils einem endseitigen Strangglied, wobei die Aktuatoreinrichtung zweckmäßigerweise an diesen beiden endseitigen Stranggliedern angreift. Dadurch lassen sich besonders hohe Auslenkkräfte zwischen den beiden endseitigen Stranggliedern hervorrufen.
Die Aktuatoreinrichtung hat zweckmäßigerweise zwei längsseits nebeneinander angeordnete und unabhängig voneinander betätigbare Aktuatoreinheiten. Bezogen auf eine Mittelebene des Gliederstranges, die mit sämtlichen Schwenkachsen zusammenfällt und die bei einer Auslenkung des Gliederstranges eine bogenförmige Krümmung erfährt, sind die beiden Aktuatoreinheiten zweckmäßigerweise auf einander entgegengesetzten Seiten dieser Mittelebene platziert. Durch aufeinander abgestimmte Betätigung der beiden Aktuatoreinheiten lässt sich der Gliederstrang ausgehend von einer Grundstellung mit einer sich linear erstreckenden Mittelebene wahlweise in eine von zwei einander entgegengesetzten Querrichtungen in Auslenkstellungen mit bogenförmig gekrümmter Längserstreckung auslenken.
Bevorzugt ist jede Aktuatoreinheit als ein biegeflexibler Membranaktuator ausgebildet, der über einen in seinem Innern mit einem Antriebsfluid beaufschlagbaren, gummielastisch verformbaren Aktuatorschlauch verfügt. Je nach Ausgestaltung des Aktuatorschlauches lässt sich durch die Fluidbeaufschlagung eine ziehende oder eine drückende Wirkung hervorrufen. Bevorzugt ist der Membranaktuator als ein aktiv drückender Aktuator ausgebildet.
Jede Aktuatoreinheit greift zweckmäßigerweise an zwei endseitigen Stranggliedern des Gliederstranges an und erstreckt sich innerhalb des Gliederstranges durch die zwischen den beiden endseitigen Stranggliedern angeordneten, im Folgenden auch als Zwischen-Strangglieder bezeichneten weiteren Strangglieder hindurch. Die weiteren Strangglieder bzw. Zwischen-Strangglieder haben zweckmäßigerweise pro Aktuatoreinheit eine axiale Durchbrechung, die von der zugeordneten Aktuatoreinheit durchsetzt wird. Bevorzugt hat jedes Strangglied einen plattenförmigen Grundkörper, der sich rechtwinkelig zu der Strang-Längsrichtung erstreckt und der von jeder Aktuatoreinheit durchsetzt ist. An diesem plattenförmigen Grundkörpern sind zweckmäßigerweise die oben beschriebenen optionalen Verbindungslaschen angeordnet. Zwischen in der Strang-Längsrichtung benachbarten plattenförmigen Grundkörpern ist ein Zwischenraum ausgebildet, durch den die relative Schwenkbeweglichkeit der aneinander angelenkten Strangglieder gewährleistet ist.
Die Gelenkstruktur kann je nach Anwendungsgebiet mit beliebiger Länge und mit beliebiger Anzahl von ersten und zweiten Stranggliedern realisiert sein, um unterschiedliche Aufgaben zu bewältigen. Die Gelenkstruktur kann eines von mehreren zweckmäßigerweise identischen Gelenkarmsegmenten repräsentieren, die in beliebiger Zahl aneinander anbaubar sind, um einen Gelenkarm beliebiger Länge zu verwirklichen, der sich insbesondere zur Verwendung als Roboterarm eines Roboters eignet. Bei einer Gelenkstruktur aktiver Art ist zweckmäßigerweise jedem Gelenkarmsegment eine eigene Aktuatoreinrichtung zugeordnet.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

1 in isometrischer Darstellung eine bevorzugte erste Ausführungsform der Gelenkstruktur,
2 die Gelenkstruktur aus 1 in einer Ansicht mit Blickrichtung gemäß Pfeil II aus 1,
3 einen Längsschnitt der Gelenkstruktur gemäß Schnittlinie III-III aus 2, wobei ein strichpunktiert umrahmter Ausschnitt separat auch nochmals vergrößert illustriert ist,
4 eine weitere Seitenansicht der Gelenkstruktur mit Blickrichtung gemäß Pfeil IV aus 1 und 2,
5 einen Längsschnitt der Gelenkstruktur gemäß Schnittlinie V-V aus 3,
6 einen weiteren Längsschnitt der Gelenkstruktur gemäß Schnittlinie VI-VI aus 3, und
7 eine vereinfachte Darstellung der Gelenkstruktur, bei der die bevorzugt vorhandenen Aktuatoreinheiten nur strichpunktiert angedeutet sind und in einer bezüglich der in den anderen Figuren gezeigten linearen Grundstellung um 90° seitwärts ausgelenkten Betriebsstellung in einer bogenförmigen Konfiguration.

Die insgesamt mit Bezugsziffer 1 bezeichnete Gelenkstruktur hat einen mehrgliedrigen Gliederstrang 2, der sich in einer Strang-Längsrichtung 3 erstreckt, bei der es sich um die Achsrichtung einer mit dem gleichen Bezugszeichen versehenen Strang-Längsachse 3 handelt. In einer aus den 1 bis 6 ersichtlichen Grundstellung verläuft die Strang-Längsrichtung 3 linear, sodass man von einer linearen Grundstellung sprechen kann.
Der Gliederstrang 2 ist unter Ausführung einer durch einen Doppelpfeil angedeuteten Auslenkbewegung 4 quer zu der Strang-Längsrichtung 3 auslenkbar. Diese Auslenkbewegung 4 geht einher mit einer bogenförmigen und insbesondere kreisbogenförmigen Krümmung der Strang-Längsachse 3, wie dies exemplarisch in 7 illustriert ist. Somit kann der Gliederstrang 2 außer seiner linearen Grundstellung auch noch mehrere Auslenkstellungen einnehmen, von denen eine in 7 gezeigt ist und in denen die Strang-Längsachse 3 bogenförmig gekrümmt ist. Der Gliederstrang 2 kann in unterschiedlichen bogenförmig gekrümmten Auslenkstellungen positioniert werden, die sich in der Krümmung der Strang-Längsachse 3 und somit in einem Auslenkwinkel 5 voneinander unterscheiden. Die 7 illustriert eine Auslenkstellung mit einem Auslenkwinkel von 90°.
Die Gelenkstruktur 1 hat eine Vielzahl von in der Strang-Längsrichtung 3 aneinandergereihten Stranggliedern 6, 7, die im Folgenden zur besseren Unterscheidung auch als erste und zweite Strangglieder 6, 7 bezeichnet werden. Die ersten und zweiten Strangglieder 6, 7 wechseln sich in der Strang-Längsrichtung 3 ab.
Obgleich der Gliederstrang 2 prinzipiell auch eine untereinander gleiche Anzahl erster und zweiter Strangglieder 6, 7 aufweisen kann, unterscheidet sich bei dem illustrierten Ausführungsbeispiel die Anzahl der ersten und zweiten Strangglieder 6, 7 um ein Stück. Gezeigt ist eine bevorzugte Ausgestaltung mit zwei ersten Stranggliedern 6 und drei zweiten Stranggliedern 7. Der Gliederstrang 2 setzt sich hier also aus insgesamt fünf Stranggliedern 6, 7 zusammen.
Der Gliederstrang 2 hat zwei einander entgegengesetzte erste und zweite axiale Endbereiche 8, 9, wobei er an dem ersten axialen Endbereich 8 mit einem ersten endseitigen Strangglied 12 und an dem zweiten axialen Endbereich 9 mit einem zweiten endseitigen Strangglied 13 endet. Beide endseitigen Strangglieder 12, 13 sind exemplarisch von einem der zweiten Strangglieder 7 gebildet.
Zwischen den beiden endseitigen Stranggliedern 12, 13 befindet sich eine prinzipiell beliebige Anzahl von Zwischen-Stranggliedern 14. Exemplarisch enthält der Gliederstrang 2 drei Zwischen-Strangglieder 14, die von zwei ersten Stranggliedern 6 und einem zwischen diesen beiden ersten Stranggliedern 6 platzierten zweiten Strangglied 7 gebildet sind.
Die in der Strang-Längsrichtung 3 jeweils unmittelbar aufeinanderfolgenden ersten und zweiten Strangglieder 6, 7 sind jeweils durch ein Gelenk 15 relativ zueinander schwenkbeweglich miteinander verbunden. Jedes Gelenk 15 definiert eine Schwenkachse 16 für die beiden jeweils aneinander angelenkten ersten und zweiten Strangglieder 6, 7, wobei diese beiden Strangglieder 6, 7 jeweils eine durch einen Doppelpfeil angedeutete Schwenkbewegung 17 relativ zueinander ausführen können, die im Folgenden auch als relative Schwenkbewegung 17 bezeichnet wird.
Die Gelenke 15 sind so ausgebildet, dass sämtliche Schwenkachsen 16 parallel zueinander verlaufen.
Der Gliederstrang 2 ist bevorzugt so ausgebildet, dass die Parallelität zwischen den einzelnen Schwenkachsen 16 unveränderlich ist. Insbesondere sind die Strangglieder 6, 7 bezüglich der Strang-Längsachse 3 nicht relativ zueinander verdrehbar. In der linearen Grundstellung des Gliederstranges 2 liegen sämtliche Schwenkachsen 16 in einer gemeinsamen, sich linear erstreckenden Mittelebene 18 des Gliederstranges 2, in der auch die Strang-Längsachse 3 verläuft. Bei Ausführung der relativen Schwenkbewegungen 17 bleibt die Parallelität zwischen den Schwenkachsen 16 erhalten, wobei die Mittelebene eine bogenförmige und insbesondere kreisbogenförmige Krümmung erfährt, die in jeder Auslenkstellung vorhanden ist.
Die konstante Parallelität zwischen den diversen Schwenkachsen 16 ist exemplarisch durch die Ausgestaltung der Gelenke 15 gewährleistet. Diese bewirken insbesondere die schon erwähnte Verdrehsicherung zwischen den einzelnen Stranggliedern 6, 7 bezüglich der Strang-Längsachse 3 und erlauben als Bewegungsfreiheitsgrad zwischen den einzelnen Stranggliedern 6, 7 nur einen Schwenkfreiheitsgrad zur Ausführung der relativen Schwenkbewegung 17.
Eine Besonderheit im Aufbau des Gliederstranges 2 besteht darin, dass die in der Strang-Längsrichtung 3 unmittelbar aufeinanderfolgenden ersten Strangglieder 6 unter Überbrückung des jeweils zwischen ihnen angeordneten zweiten Stranggliedes 7 in einem Verzahnungseingriff 21 miteinander stehen, der im Folgenden zur besseren Unterscheidung auch als erster Verzahnungseingriff 21 bezeichnet wird. Im Hinblick darauf, dass der beispielhafte Gliederstrang 2 über nur zwei erste Strangglieder 6 verfügt, ist der erste Verzahnungseingriff 21 einmal vorhanden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn entsprechend dem illustrierten Ausführungsbeispiel zusätzlich auch die in der Strang-Längsrichtung 3 jeweils unmittelbar aufeinanderfolgenden zweiten Strangglieder 7 unter Überbrückung des zwischen ihnen jeweils angeordneten ersten Stranggliedes 6 in einem Verzahnungseingriff 22 miteinander stehen, der zur besseren Unterscheidung im Folgenden auch als zweiter Verzahnungseingriff 22 bezeichnet wird.
Jeder erste und zweite Verzahnungseingriff 21, 22 bewirkt eine Zwangskopplung der jeweils zugeordneten ersten oder zweiten Strangglieder 6, 7 bei ihren relativen Schwenkbewegungen 17. Führt beispielsweise ein erstes Strangglied 6 seine relative Schwenkbewegung 17 bezüglich des an ihm angelenkten zweiten Stranggliedes aus, dann hat der erste Verzahnungseingriff 21 eine synchrone relative Schwenkbewegung 17 des weiteren, ebenfalls am zweiten Strangglied 7 verschwenkbar gelagerten und an dem ersten Verzahnungseingriff 21 beteiligten ersten Stranggliedes 6 zur Folge. Dies gilt entsprechend für die beiden an einem ersten Strangglied 6 verschwenkbar gelagerten und in einem zweiten Verzahnungseingriff 22 stehenden zweiten Strangglieder 7. Die Folge hiervon ist, dass bei der Auslenkbewegung 4 eine klar vorgegebene schwenkwinkelmäßige Beziehung zwischen den durch die Gelenke 15 aneinander angelenkten Stranggliedern 6, 7 besteht, wodurch sich der Gliederstrang 2 bei seiner Auslenkbewegung 4 sehr gut überwachen und/oder kontrollieren lässt.
Jeder erste Verzahnungseingriff 21 resultiert vorzugsweise daraus, dass an den beiden daran beteiligten ersten Stranggliedern 6 jeweils eine erste bogenförmige Verzahnung 23 ausgebildet ist und diese beiden ersten bogenförmigen Verzahnungen 23 aneinander abwälzbar ineinander eingreifen. In vergleichbarer Weise resultiert zweckmäßigerweise jeder zweite Verzahnungseingriff 22 aus dem abwälzbar Ineinander-Eingreifen zweier zweiter bogenförmiger Verzahnungen 24, die jeweils an einem der beiden zweiten Strangglieder 7 ausgebildet sind.
Die ersten und zweiten bogenförmigen Verzahnungen 23, 24 sind jeweils entlang einer strichpunktiert angedeuteten Bogenlinie 25 gekrümmt, wobei es sich insbesondere um eine kreisbogenförmige Krümmung handelt und wobei jede Bogenlinie 25 auf dem Teilkreis der zugeordneten ersten oder zweiten bogenförmigen Verzahnung 23, 24 liegt.
Es ist besonders günstig, wenn das Krümmungszentrum 26 einer jeden der beiden miteinander in Eingriff stehenden ersten bogenförmigen Verzahnungen 23 auf der Schwenkachse 16 desjenigen Gelenks 15 liegt, über das das jeweilige erste Strangglied 6 mit dem zwischen den beiden ersten Stranggliedern 6 liegenden überbrückten zweiten Strangglied 7 gelenkig verbunden ist. In vergleichbarer Weise ist es vorteilhaft, wenn das Krümmungszentrum 27 jeder zweiten bogenförmigen Verzahnung 24 auf der Schwenkachse 16 desjenigen Gelenks 15 liegt, durch das das betreffende zweite Strangglied 7 mit dem dazwischen angeordneten, überbrückten ersten Strangglied 6 verschwenkbar verbunden ist.
Jede der ersten und zweiten bogenförmigen Verzahnungen 23, 24 ist derart konvex gekrümmt, dass die freien Enden ihrer Zähne vom zugeordneten Krümmungszentrum 26, 27 wegweisen.
Jedes Gelenk 15 ist bevorzugt dadurch gebildet, dass das erste Strangglied 6 zwei quer zu der Strang-Längsrichtung 3 voneinander beabstandete erste Verbindungslaschen 28 und das zweite Strangglied 7 zwei ebenfalls quer zu der Strang-Längsrichtung 3 zueinander beabstandete zweite Verbindungslaschen 29 aufweist, wobei die ersten und zweiten Verbindungslaschen 28, 29 in die Strang-Längsrichtung 3 weisen und einander paarweise in dieser Strang-Längsrichtung 3 überlappen. Der an den voneinander abgewandten Außenseiten gemessene Abstand zwischen den beiden zweiten Verbindungslaschen 29 ist geringfügig kleiner als der zwischen den einander zugewandten Innenseiten gemessene Abstand zwischen den beiden ersten Verbindungslaschen 28, sodass das zweite Strangglied 7 mit seinen zweiten Verbindungslaschen 29 zwischen die ersten Verbindungslaschen 28 des benachbarten ersten Stranggliedes 6 mit minimalem Bewegungsspiel eintaucht.
Jedes der daraus resultierenden Paare sich überlappender erster und zweiter Verbindungslaschen 28, 29 ist von einem Lagerbolzen 32 durchsetzt, der die zugeordnete Schwenkachse 16 definiert, wobei die beiden Lagerbolzen 32, die die beiden sich überlappenden Paare erster und zweiter Verbindungslaschen 28, 29 verbindenden, koaxial zueinander ausgerichtet sind.
Jede Kombination bestehend aus zwei sich überlappenden ersten und zweiten Verbindungslaschen 28, 29 und einem Lagerbolzen 32 definiert eine von zwei Gelenkeinheiten 15a, 15b, die rechtwinkelig zu der Strang-Längsachse 3 zueinander beabstandet sind und die gemeinsam eines der Gelenke 15 bilden.
Jedes Strangglied 6, 7 hat einen sich quer zu der Strang-Längsrichtung 3 erstreckenden Grundkörper 33, an dem die zum gleichen Strangglied 6, 7 gehörenden ersten oder zweiten Verbindungslaschen 28, 29 angeordnet sind. Bevorzugt sind die ersten und zweiten Verbindungslaschen 28, 29 einstückig mit dem zugeordneten Grundkörper 33 ausgebildet. Jede Verbindungslasche 28, 29 ragt in der Strang-Längsrichtung 3 vom zugeordneten Grundkörper 33 weg.
Jeder Grundkörper 33 ist bevorzugt plattenförmig gestaltet und hat eine zu der Strang-Längsachse 3 senkrechte Plattenebene.
Die beiden endseitigen Strangglieder 12, 13 haben zweckmäßigerweise jeweils nur ein Paar von Verbindungslaschen, die in der gleichen Richtung vom Grundkörper 33 wegragen. Somit verfügen die beispielhaft jeweils von einem zweiten Strangglied 7 gebildeten ersten und zweiten endseitigen Strangglieder 12, 13 jeweils über zwei zweite Verbindungslaschen 29, die ausgehend vom zugeordneten Grundkörper 33 in der Richtung zum benachbarten Zwischen-Strangglied 14 ragen.
Die Zwischen-Strangglieder 14 hingegen haben jeweils zwei Paare von Verbindungslaschen, die ausgehend vom Grundkörper 33 in einander entgegengesetzte Richtungen der Strang-Längsrichtung 3 weisen. Dementsprechend hat exemplarisch jedes erste Strangglied 6 zwei Paare erster Verbindungslaschen 28, die von dem Grundkörper 33 in einander entgegengesetzten Richtungen der Strang-Längsrichtung 3 wegragen, wobei der quer zu der Strang-Längsrichtung 3 gemessene Abstand zwischen den auf der einen Seite des Grundkörpers 33 angeordneten ersten Verbindungslaschen 28 gleichgroß ist wie der Querabstand zwischen den auf der anderen Seite des Grundkörpers 33 angeordneten ersten Verbindungslaschen 28.
Das exemplarisch einzige zweite Strangglied 7, das ein Zwischen-Strangglied 14 ist, hat in vergleichbarer Weise wie die als Zwischen-Strangglieder 14 fungierenden ersten Strangglieder 6 zwei Paare zweiter Verbindungslaschen 29, die ausgehend vom zugeordneten Grundkörper 33 in einander entgegengesetzte axiale Richtungen weisen.
Stets sind die sich in der Strang-Längsrichtung 3 überlappenden ersten und zweiten Verbindungslaschen 28, 29 von einem Lagerbolzen 32 durchsetzt, um die diversen Gelenkeinheiten 15a, 15b und die jeweils aus zwei Gelenkeinheiten 15a, 15b bestehenden Gelenke 15 zu bilden.
Exemplarisch sind jeweils zwei separate Lagerbolzen 32 zur Bildung eines jeweiligen Gelenks 15 vorgesehen. Diese Lagerbolzen 32 sind quer zu der Strang-Längsrichtung 3 zueinander beabstandet, sodass ein Zwischenraum bleibt, der eine problemlose Unterbringung einer weiter unten beschriebenen Aktuatoreinrichtung 34 der Gelenkstruktur 1 begünstigt. Grundsätzlich können aber die beiden zum jeweils gleichen Gelenk 15 gehörenden Lagerbolzen 32 auch von den Endabschnitten einer durchgehenden einteiligen Lagerstange gebildet sein.
Die zu den zweiten Stranggliedern 7 gehörenden zweiten Verbindungslaschen 29 liegen näher bei der den Gliederstrang 2 zentral durchsetzenden Strang-Längsachse 3 als die zu den ersten Stranggliedern 6 gehörenden ersten Verbindungslaschen 28. Bei der exemplarisch vorhandenen paarweisen Anordnung zum jeweils gleichen Gelenk 15 gehörender erster und zweiter Verbindungslaschen 28, 29 hat dies zur Folge, dass die ersten Verbindungslaschen 28 quer zu der Strang-Längsrichtung 3 au-ßen liegen, während die zweiten Verbindungslaschen 29 innen liegen.
Die ersten und zweiten bogenförmigen Verzahnungen 23, 24 sind vorzugsweise an den ersten und zweiten Verbindungslaschen 28, 29 angeordnet. Dies trifft auf das illustrierte Ausführungsbeispiel zu. Hier sind die ersten und zweiten Verbindungslaschen 28, 29 zweckmäßigerweise so gestaltet, dass sie unmittelbar die ersten und zweiten bogenförmigen Verzahnungen 23, 24 ausbilden. Die ersten und zweiten bogenförmigen Verzahnungen 23, 24 befinden sich zweckmäßigerweise jeweils an den vom zugeordneten Grundkörper 33 abgewandten Stirnseiten der ersten und zweiten Verbindungslaschen 28, 29.
Jede erste bogenförmige Verzahnung 23 hat zwei quer zu der Strang-Längsrichtung 3 zueinander beabstandete bogenförmige erste Verzahnungsabschnitte 23a, die jeweils an einer der in der gleichen Richtung vom Grundkörper 33 wegweisenden ersten Verbindungslaschen 28 ausgebildet sind. In vergleichbarer Weise besteht jede zweite bogenförmige Verzahnung 24 aus zwei bogenförmigen zweiten Verzahnungsabschnitten 24a, die jeweils an einer der zum gleichen Gelenk 15 gehörenden zweiten Verbindungslaschen 29 ausgebildet sind. Die ersten und zweiten Verzahnungsabschnitte 23a, 24a befinden sich zweckmäßigerweise an den vom Grundkörper 33 des zugeordneten Stranggliedes 6, 7 wegweisenden Stirnseite der betreffenden Verbindungslasche 28, 29.
Der Gliederstrang 2 lässt sich besonders kostengünstig herstellen, wenn die ersten und zweiten bogenförmigen Verzahnungen 23, 24 jeweils einstückig in das betreffende erste oder zweite Strangglied 6, 7 integriert sind. Dies ergibt sich exemplarisch daraus, dass die ersten und zweiten Verbindungslaschen 28, 29 einstückig mit dem Grundkörper 33 verbunden sind und an ihren von dem Grundkörper 33 wegweisenden Stirnseiten eine die ersten oder zweiten Verzahnungsabschnitte 23a, 23b bildende Struktur haben.
Durch die ersten und zweiten Verzahnungseingriffe 21, 22 sind sämtliche Strangglieder 6, 7 des Gliederstranges 2 getriebemäßig miteinander zwangsgekoppelt. Jede zwischen zwei beliebigen Stranggliedern 6, 7 ausgeführte relative Schwenkbewegung 17 hat ein synchrones Verschwenken aller anderen vorhandenen ersten und zweiten Strangglieder 6, 7 zur Folge. Dadurch ergibt sich stets eine gleichförmige Auslenkbewegung 4 ohne ein unkontrolliertes Abknicken. In jeder von der linearen Grundstellung abweichenden Auslenkstellung hat der Gliederstrang 2 insbesondere eine durch sämtliche Schwenkachsen 16 hindurchgehende kreisbogenförmig gekrümmte Strang-Längsachse 3.
Da die ersten Verbindungslaschen 28 beispielhaft außen an den Grundkörpern 33 angeordnet sind, können die an ihnen angeordneten ersten bogenförmigen Verzahnungen 23 ungehindert miteinander in Eingriff gelangen. Damit auch der zweite Verzahnungseingriff 22 zwischen den an den zweiten Verbindungslaschen 29 ausgebildeten zweiten bogenförmigen Verzahnungen 24 einfach möglich ist, weist der Grundkörper 33 jedes Zwischen-Stranggliedes 14 im Bereich der zweiten Verbindungslaschen 29 eine fensterartige Durchbrechung 31 auf, durch die die zweiten Verbindungslaschen 29 zum gegenseitigen Verzahnungseingriff partiell hindurchtreten können.
Sämtliche ersten und zweiten Verzahnungseingriffe 21, 22 sind für eine untereinander identische Verzahnungswirkung ausgelegt und haben insbesondere die gleiche Übersetzung. Dies hat den Effekt, dass die bei einer Auslenkbewegung 4 zwischen den jeweils durch ein Gelenk 15 unmittelbar miteinander verbundenen zweiten Stranggliedern 6, 7 auftretenden Schwenkwinkel untereinander identisch sind.
Die Auslenkbewegung 4 bezieht sich auf die Relativbewegung zwischen zwei zueinander beabstandeten Stranggliedern, wobei es sich um unterschiedliche erste und zweite Strangglieder 6, 7 oder um gleichartige erste Strangglieder 6 bzw. zweite Strangglieder 7 handeln kann. Bevorzugt bezieht sich die Auslenkbewegung auf eine Schwenkbewegung zwischen den beiden endseitigen Stranggliedern 12, 13. Letzteres trifft auf das Ausführungsbeispiel zu. Unterstellt man, dass bei einer momentanen Auslenkbewegung 4 das erste endseitige Strangglied 12 fixiert ist, äußert sich die Auslenkbewegung 4 in einer Schwenkbewegung des zweiten endseitigen Stranggliedes 13 bezüglich des ersten endseitigen Stranggliedes 12.
Die 7 zeigt eine im Rahmen der Auslenkbewegung erzielte Auslenkstellung, in der das zweite endseitige Strangglied 13 um einen Auslenkwinkel von 90 Grad bezüglich des ersten endseitigen Stranggliedes 12 verschwenkt ist. Bedingt dadurch, dass zwischen den beiden endseitigen Stranggliedern 12, 13 drei Zwischen-Strangglieder 14 eingegliedert sind, beträgt der zwischen den unmittelbar aneinander angelenkten ersten und zweiten Stranggliedern 6, 7 vorhandene Schwenkwinkel jeweils 22,5 Grad.
Um die Auslenkbewegung 4 zu überwachen oder zu steuern, ist es vorteilhaft, wenn die Gelenkstruktur 1 eine dem Gliederstrang 2 zugeordnete Schwenkwinkel-Erfassungseinrichtung 35 aufweist. Sie ermöglicht die Erfassung des Schwenkwinkels, der zwischen wenigstens zwei durch ein Gelenk 15 verschwenkbar miteinander verbundenen ersten und zweiten Stranggliedern 6, 7 bei einer relativen Schwenkbewegung 17 auftritt.
Die Schwenkwinkel-Erfassungseinrichtung 35 hat zweckmäßigerweise pro zu erfassendem Schwenkwinkel eine Schwenkwinkel-Erfassungseinheit 36. Bei der beispielhaften Gelenkstruktur 1 ist jedem Gelenk 15 eine solche Schwenkwinkel-Erfassungseinheit 36 individuell zugeordnet, durch die eine Erfassung des Schwenkwinkels der durch das Gelenk 15 miteinander verbundenen ersten und zweiten Strangglieder 6, 7 möglich ist. Aus der Summe der erfassten Schwenkwinkel ergibt sich der Auslenkwinkel 5 der Auslenkbewegung 4.
Eine bevorzugte Ausgestaltung jeder Schwenkwinkel-Erfassungseinheit 36 ist in dem vergrößerten Ausschnitt der 3 gut ersichtlich.
Zu der Schwenkwinkel-Erfassungseinheit 36 gehört demnach einen der Lagerbolzen 32, der sich durch eine innen angeordnete zweite Verbindungslasche 29 und eine außen angeordnete erste Verbindungslasche 28 hindurch erstreckt. In der zweiten Verbindungslasche 29 ist der Lagerbolzen 32 drehfest fixiert, zu welchem Zweck er beispielsweise einen polygonförmigen Verdrehsicherungsabschnitt 37 hat, der sich in einer komplementär konturierten Durchbrechung der zweiten Verbindungslasche 29 erstreckt. Ein sich daran axial anschließender Drehlagerabschnitt 38 des Lagerbolzens 32 erstreckt sich in einer Weise durch die außen vorgelagerte erste Verbindungslasche 28 hindurch, die der ersten Verbindungslasche 28 ein Verschwenken bezüglich des unverdrehbar an der zweiten Verbindungslasche 29 fixierten Lagerbolzens 32 ermöglicht. Die axiale Position des Lagerbolzens 32 ist zweckmäßigerweise durch ein mit einer Schraube 42 gesichertes Abstützelement 43 gewährleistet, das der ersten Verbindungslasche 28 an der der zweiten Verbindungslasche 29 entgegengesetzten Außenseite vorgelagert ist.
An dem Abstützelement 43 ist ein Permanentmagnet 44 befestigt, der zweckmäßigerweise scheibenförmig ausgebildet ist. Er ist an das Abstützelement 43 bevorzugt angeklebt. Alternativ kann der Permanentmagnet 44 auch auf andere Weise drehfest mit dem Lagerbolzen 32 verbunden sein.
Bei einer relativen Schwenkbewegung 17 zwischen den beiden die erste und zweite Verbindungslasche 28, 29 aufweisenden ersten und zweiten Stranggliedern 6, 7 wird die erste Verbindungslasche 28 relativ zu dem drehfest mit der zweiten Verbindungslasche 29 verbundenen Permanentmagnet 44 verdreht. Dieser Drehwinkel, der dem momentanen Schwenkwinkel zwischen den beiden Stranggliedern 6, 7 entspricht, ist berührungslos durch einen Sensor 45 der Schwenkwinkel-Erfassungseinheit 36 detektierbar, der außen an der ersten Verbindungslasche 28 oder an einem anderen Abschnitt des ersten Stranggliedes 6 befestigt ist.
Zur Fixierung des Sensors 45 an der zweiten Verbindungslasche 29 ist zweckmäßigerweise ein Sensorhalter 46 vorhanden, der den Sensor 45 trägt und der an der ersten Verbindungslasche 28 montiert ist. Dieser Sensorhalter 46 trägt zweckmäßigerweise auch eine mit dem Sensor 45 elektrisch verbundene Sensorelektronik 47, die zweckmäßigerweise mittels einer Leiterplatte implementiert ist.
Zweckmäßigerweise sind entsprechend des illustrierten Ausführungsbeispiels zwei Sensoren 45, die benachbarten Gelenken 15 zugeordnet sind, jeweils mittels eines gemeinsamen Sensorhalters 46 fixiert. Beiden Sensoren 45 ist dann zweckmäßigerweise auch eine Sensorelektronik 47 gemeinsam zugeordnet.
Die dem jeweils gemessenen Schwenkwinkel entsprechenden Sensorsignale der Schwenkwinkel-Erfassungseinheiten 36 werden einer nicht weiter abgebildeten elektronischen Steuereinrichtung zur weiteren Verarbeitung zugeführt.
Abweichend vom illustrierten Ausführungsbeispiel kann eine im Vergleich zur Anzahl der Gelenke 15 geringere Anzahl von Schwenkwinkel-Erfassungseinheiten 36 vorhanden sein. Beispielsweise ist nur ein Gelenk 15 mit einer Schwenkwinkel-Erfassungseinheit 36 ausgestattet, wobei dann der gesamte Auslenkwinkel durch eine Multiplikation des erfassten Schwenkwinkels mit der Anzahl der Gelenke 15 bestimmbar ist oder bestimmt wird.
Die beiden einem jeweiligen Gelenk 15 zugeordneten Lagerbolzen 32 können prinzipiell identisch ausgebildet sein, wobei allerdings maximal nur einer dieser Lagerbolzen 32 zur Realisierung einer Schwenkwinkel-Erfassungseinheit 36 herangezogen wird.
Die Schwenkwinkel-Erfassungseinrichtung 35 erweist sich als besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit einer Bauform, bei der die Gelenkstruktur 1 eine schon weiter oben angesprochene Aktuatoreinrichtung 34 enthält. Diese Aktuatoreinrichtung 34 ist dafür ausgebildet, die Auslenkbewegung 4 hervorzurufen, und zweckmäßigerweise auch dafür, den Gliederstrang 2 wahlweise in der Grundstellung und in jeder Auslenkstellung zu positionieren.
Die Betätigung der Aktuatoreinrichtung 34 ist über die schon erwähnte, nicht abgebildete elektronische Steuereinrichtung steuerbar, wobei die von der Schwenkwinkel-Erfassungseinrichtung 35 gelieferten Sensorsignale für die Ansteuerung verwertbar sind oder verwertet werden.
Die Aktuatoreinrichtung 34 erstreckt sich zweckmäßigerweise innerhalb des Gliederstranges 2 in der Strang-Längsrichtung 3, wobei sie gleichzeitig an zwei in der Strang-Längsrichtung zueinander beabstandeten ersten und zweiten Stranggliedern 6, 7 angreift, und zwar beabstandet zu der Mittelebene 18. Besonders zweckmäßig ist eine dem Ausführungsbeispiel entsprechende Anordnung, bei der die Aktuatoreinrichtung 34 an den beiden endseitigen Stranggliedern 12, 13 des Gliederstranges 2 angreift.
Die Aktuatoreinrichtung 34 greift an wenigstens einem und vorzugsweise an beiden endseitigen Stranggliedern 12, 13 in einem Abstand zu der Mittelebene 18 an, sodass ein Drehmoment auf das betreffende erste oder zweite Strangglied 6, 7 ausübbar ist, aus dem die seitwärts orientierte Auslenkbewegung 4 resultiert.
Die Aktuatoreinrichtung 34 hat zweckmäßigerweise zwei längsseits nebeneinander angeordnete und unabhängig voneinander betätigbare Aktuatoreinheiten 34a, 34b. Diese beiden Aktuatoreinheiten 34a, 34b erstrecken sich auf einander entgegengesetzten Seiten der Mittelebene 18, wobei die eine Aktuatoreinheit 34a auf der einen Seite der Mittelebene 18 und die andere Aktuatoreinheit 34b auf der anderen Seite der Mittelebene 18 an den beiden endseitigen Stranggliedern 12, 13 angreift.
Die beiden Aktuatoreinheiten 34a, 34b sind bevorzugt als Drückaktuatoren ausgebildet, die in der Lage sind, bei entsprechender Betätigung eine die beiden endseitigen Strangglieder 12, 13 voneinander wegdrückende Antriebskraft zu erzeugen. Auf diese Weise kann durch eine aufeinander abgestimmte Ansteuerung der beiden Drückaktuatoren jeder gewünschte Auslenkwinkel 5 des Gliederstranges 2 eingestellt werden.
Jede der beiden Aktuatoreinheiten 34a, 34b ist bei dem illustrierten Ausführungsbeispiel als ein biegeflexibler Membranaktuator 48 ausgebildet, sodass er bei der von ihm hervorgerufenen Auslenkbewegung 4 ebenfalls bogenförmig auslenkbar ist, was in 7 durch bogenförmige strichpunktierte Linien verdeutlicht ist, die schematisch die beiden Aktuatoreinheiten 34a, 34b repräsentieren.
Die Aktuatoreinrichtung 34 kann zwar prinzipiell eine elektrische Aktuatoreinrichtung sein, ist jedoch vorzugsweise und entsprechend des Ausführungsbeispiels als eine fluidbetätigte Aktuatoreinrichtung 34 realisiert. Sie wird bevorzugt mit Druckluft als Antriebsfluid betrieben.
In diesem Zusammenhang enthält exemplarisch jeder biegeflexible Membranaktuator 48 einen gummielastisch verformbaren Aktuatorschlauch 50, der in seinem Innern einen Antriebsraum 49 begrenzt, der durch Steuerkanäle 52 hindurch gesteuert mit einem Antriebsfluid beaufschlagbar ist. Der Aktuatorschlauch 50 ist zweckmäßigerweise ein Gummischlauch, der mit einer die radiale Aufweitung begrenzenden und insbesondere aus Fasern aufgebauten Ummantelung versehen ist, bei der es sich vorzugsweise um eine textile Ummantelung handelt. Mit seinem Aktuatorschlauch 50 stützt sich der Membranaktuator 48 an den einander zugewandten axialen Innenflächen 53 der endseitigen Strangglieder 12, 13 ab. Wird er in seinem Innern mit einem unter Überdruck stehenden Antriebsfluid beaufschlagt, dehnt er sich axial aus und drückt die beiden endseitigen Strangglieder 12, 13 unter Erzeugung der Auslenkbewegung 4 voneinander weg.
Jede Aktuatoreinheit 34a, 34b erstreckt sich zweckmäßigerweise durch die Zwischen-Strangglieder 14 hindurch. Exemplarisch geschieht dies dadurch, dass der Grundkörper 33 jedes Zwischen-Stranggliedes 14 für jede Aktuatoreinheit 34a, 34b eine axiale Durchbrechung 54 aufweist, durch die sich die zugeordnete Aktuatoreinheit 34a, 34b hindurch erstreckt. Bevorzugt hat jeder Grundkörper 33 beidseits der Mittelebene 18 eine axiale Durchbrechung 54 für jeweils eine der beiden Aktuatoreinheiten 34a, 34b.
Bei einer Fluidbeaufschlagung des Antriebsraumes 49 kann sich der Membranaktuator 48 in den zwischen benachbarten Grundkörpern 33 liegenden Zwischenräumen ballonartig aufblähen und auf die einander zugewandten axialen Stirnflächen 55 der zueinander benachbarten Grundkörper 33 eine Drückkraft ausüben, sodass die Betätigungskraft zum Hervorrufen der Auslenkbewegung 4 erheblich verstärkt wird.
An jedem der beiden endseitigen Strangglieder 12, 13 befindet sich zweckmäßigerweise eine Befestigungsschnittstelle 56, die eine Fixierung an einer beliebigen anderen Struktur gestattet. Insbesondere sind über die Befestigungsschnittstellen 56 zwei externe Strukturen fixierbar, die durch Betätigung der Aktuatoreinrichtung 34 relativ zueinander bewegt werden sollen.
Besonders vorteilhaft eignet sich die Gelenkstruktur 1 zur Realisierung eines Roboterarmes. Dabei kann sie mit beliebiger Länge und mit beliebiger Anzahl von ersten und zweiten Stranggliedern 6, 7 realisiert werden. Vorteilhaft ist es, wenn die Gelenkstruktur 1eines von mehreren zweckmäßigerweise identischen Gelenkarmsegmenten repräsentiert, die mittels ihrer Befestigungsschnittstellen 56 aneinander anbaubar sind, um einen als Gelenkarm ausgebildeten Roboterarm beliebiger Länge zu verwirklichen.

Claims

Gelenkstruktur, mit einem Gliederstrang (2), der eine Vielzahl von in einer Strang-Längsrichtung (3) abwechselnd aneinandergereihten ersten und zweiten Stranggliedern (6, 7) aufweist, wobei unmittelbar aufeinanderfolgende erste und zweite Strangglieder (6, 7) jeweils durch ein eine Schwenkachse definierendes Gelenk (15) unter Ermöglichung einer relativen Schwenkbewegung (17) schwenkbeweglich miteinander verbunden sind, wobei sämtliche Schwenkachsen (16) parallel zueinander verlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest mehrere in der Strang-Längsrichtung (3) unmittelbar aufeinanderfolgende erste Strangglieder (6) unter Überbrückung des zwischen ihnen angeordneten zweiten Stranggliedes (7) mittels an ihnen vorgesehener und aneinander abwälzbar ineinander eingreifender erster bogenförmiger Verzahnungen (23) in einem Verzahnungseingriff (21) miteinander stehen.
Gelenkstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Krümmungszentrum (26) jeder ersten bogenförmigen Verzahnung (23) auf der Schwenkachse (16) des das zugeordnete erste Strangglied (6) mit dem überbrückten zweiten Strangglied (7) verschwenkbar verbindenden Gelenkes (15) liegt.
Gelenkstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere in der Strang-Längsrichtung (3) unmittelbar aufeinanderfolgende zweite Strangglieder (7) unter Überbrückung des zwischen ihnen angeordneten ersten Stranggliedes (6) mittels an ihnen vorgesehener und aneinander abwälzbar ineinander eingreifender zweiter bogenförmiger Verzahnungen (24) in einem Verzahnungseingriff (21) miteinander stehen.
Gelenkstruktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Krümmungszentrum (27) jeder zweiten bogenförmigen Verzahnung (24) auf der Schwenkachse (16) des das zugeordnete zweite Strangglied (7) mit dem überbrückten ersten Strangglied (6) verschwenkbar verbindenden Gelenkes (15) liegt.
Gelenkstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gliederstrang (2) mehrere erste Strangglieder (6) und mehrere zweite Strangglieder (7) aufweist.
Gelenkstruktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Anzahl der ersten und zweiten Strangglieder (6, 7) des Gliederstranges (2) um ein Strangglied (6, 7) unterscheidet.
Gelenkstruktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gliederstrang (2) insgesamt fünf Strangglieder (6, 7) aufweist.
Gelenkstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die bogenförmigen Verzahnungen (23, 24) jeweils einstückig integrierte Bestandteile des zugeordneten ersten oder zweiten Stranggliedes (6, 7) sind.
Gelenkstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die in Verzahnungseingriff (21, 22) miteinander stehenden bogenförmigen Verzahnungen (23, 24) jeweils aus zwei quer zu der Strang-Längsrichtung (3) zueinander beabstandeten Verzahnungsabschnitten (23a, 24a) bestehen, derart, dass jeder Verzahnungseingriff (21, 22) aus zwei Paaren ineinander eingreifender Verzahnungsabschnitte (23a, 23b) gebildet ist.
Gelenkstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Strang-Längsrichtung (3) unmittelbar aufeinanderfolgenden ersten und zweiten Strangglieder (6, 7) sich in der Strang-Längsrichtung (3) überlappende erste und zweite Verbindungslaschen (28, 29) haben, die zur Bildung des jeweils zugeordneten Gelenks (15) schwenkbeweglich miteinander verbunden sind, wobei jede erste Verbindungslasche (28) zu einem ersten Strangglied (6) und jede zweite Verbindungslasche (29) zu einem zweiten Strangglied (7) gehört.
Gelenkstruktur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die sich überlappenden ersten und zweiten Verbindungslaschen (28, 29) jeweils von einem die zugeordnete Schwenkachse (16) definierenden Lagerbolzen (32) durchsetzt sind.
Gelenkstruktur nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass von den durch ein Gelenk (15) miteinander verbundenen ersten und zweiten Stranggliedern (6, 7) jedes erste Strangglied (6) zwei quer zu der Strang-Längsrichtung (3) zueinander beabstandete erste Verbindungslaschen (28) und jedes zweite Strangglied (7) zwei quer zu der Strang-Längsrichtung (3) zueinander beabstandete zweite Verbindungslaschen (29) aufweist, wobei die ersten und zweiten Verbindungslaschen (28, 29) jeweils unter Bildung einer Gelenkeinheit (15a, 15b) des Gelenks (15) schwenkbeweglich paarweise miteinander verbunden sind, derart, dass jedes Gelenk (15) aus zwei quer zu der Strang-Längsrichtung (3) zueinander beabstandeten Gelenkeinheiten (15a, 15b) besteht.
Gelenkstruktur nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein erstes Strangglied (6) mindestens ein Paar von zwei in der Strang-Längsrichtung (3) ausgerichteten und dabei einander entgegengesetzt orientierten ersten Verbindungslaschen (28) aufweist und/oder dass mindestens ein zweites Strangglied (7) mindestens ein Paar von zwei in der Strang-Längsrichtung (3) ausgerichteten und dabei einander entgegengesetzt orientierten zweite Verbindungslaschen (29) aufweist.
Gelenkstruktur nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten bogenförmigen Verzahnungen (23) an den ersten Verbindungslaschen (28) und die zweiten bogenförmigen Verzahnungen (24) an den zweiten Verbindungslaschen (29) ausgebildet sind.
Gelenkstruktur nach Anspruch 14 in Verbindung mit Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass an jeder der ersten und zweiten Verbindungslaschen (28, 29) einer der Verzahnungsabschnitte (23a, 24a) ausgebildet ist.
Gelenkstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenkstruktur (1) mit einer Schwenkwinkel-Erfassungseinrichtung (35) ausgestattet ist, durch die der bei der relativen Schwenkbewegung (17) zwischen wenigstens zwei aneinander angelenkten ersten und zweiten Stranggliedern (6, 7) auftretende Schwenkwinkel erfassbar ist.
Gelenkstruktur nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkwinkel-Erfassungseinrichtung (35) mindestens eine Schwenkwinkel-Erfassungseinheit (36) aufweist, die einem Paar verschwenkbar miteinander verbundener erster und zweiter Strangglieder (6, 7) zugeordnet ist, wobei die Schwenkwinkel-Erfassungseinheit (36) einen zur zugeordneten Schwenkachse (16) koaxialen Lagerbolzen (32) aufweist, der drehfest am einen der beiden Strangglieder (6, 7) fixiert ist und bezüglich dem das andere Strangglied (7, 6) verschwenkbar ist, wobei an dem Lagerbolzen (32) drehfest ein Permanentmagnet (44) angebracht ist, der berührungslos mit einem Sensor (45) zusammenwirkt, der fest an dem bezüglich des Lagerbolzens (32) verschwenkbaren Strangglied (6, 7) angeordnet ist.
Gelenkstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine sich in der Strang-Längsrichtung (3) des Gliederstranges (2) erstreckende Aktuatoreinrichtung (34) aufweist, die gleichzeitig an zwei in der Strang-Längsrichtung (3) zueinander beabstandeten Stranggliedern (6, 7) des Gliederstranges (2) angreift und durch deren Betätigung der Gliederstrang (2) unter Ausführung der relativen Schwenkbewegung (17) zwischen den schwenkbeweglich miteinander verbundenen ersten und zweiten Stranggliedern (6, 7) zu einer seitwärts orientierten Auslenkbewegung (4) mit bogenförmiger Konfiguration antreibbar ist, wobei die Aktuatoreinrichtung (34) zweckmäßigerweise an den beiden endseitigen Stranggliedern (12, 13) des Gliederstranges (2) angreift.
Gelenkstruktur nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoreinrichtung (34) zwei längsseits nebeneinander angeordnete und unabhängig voneinander betätigbare Aktuatoreinheiten (34a, 34b) aufweist, die auf einander entgegengesetzten Seiten einer mit sämtlichen Schwenkachsen zusammenfallenden Mittelebene (18) des Gelenkstranges (2) angeordnet sind.
Gelenkstruktur nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass jede Aktuatoreinheit (34a, 34b) als ein biegeflexibler Membranaktuator (48) ausgebildet ist, der über einen in seinem Innern mit einem Antriebsfluid beaufschlagbaren, gummielastisch verformbaren Aktuatorschlauch (50) verfügt und der zweckmäßigerweise ein zur Ausübung einer axialen Drückkraft ausgebildeter Membranaktuator (48) ist.
Gelenkstruktur nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass jede Aktuatoreinheit (34a, 34b) an zwei endseitigen Stranggliedern (12, 13) des Gliederstranges (2) angreift und sich durch die zwischen den beiden endseitigen Stranggliedern (14) angeordneten weiteren Strangglieder (6, 7) hindurcherstreckt.