DE102021131533B4 - Sphärisches Kurbelgetriebe - Google Patents

Abstract

Es wird ein neuartiges sphärisches Kurbelgetriebe vorgeschlagen, in welches zwei rotatorische Antriebsbewegungen koaxial eingeleitet werden. Das Kurbelgetriebe umfasst ein sphärisches viergliedriges Getriebe, welches um ein fünftes Element erweitert ist. Letzteres definiert die Drehlage des Endeffektors (an dem ein Funktionselement befestigt werden kann) unabhängig von den Positionierwinkeln der Antriebe.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein sphärisches Kurbelgetriebe mit dessen Hilfe ein Funktionselement, welches als ein Sensor, ein Aktor, ein Werkzeug oder Werkstück ausgeführt sein kann, mit zwei voneinander unabhängigen Rotationsbewegungen simultan beaufschlagt werden kann, wobei sich beide Rotationsachsen in einem Punkt (im Folgenden „Tool-Center-Point“) schneiden. Dabei ändert sich die translatorische Lage des Tool-Center-Points während der Rotationsbewegungen nicht systematisch.
• Eine zentrale Problemstellung für die simultane Einleitung zweier Rotationsbewegungen in einem System stellen die Antriebe und deren Verbindung zu den Getriebegliedern dar. So führt der benötigte Bauraum entsprechender Antriebe, insbesondere bei direkter Ankopplung an die Getriebeglieder, häufig zu Einschränkungen des adressierbaren Bewegungsbereichs oder Limitierungen der Antriebsparameter.
• Bekannte Systeme zur Einleitung zweier Rotationen um einen festen Tool-Center-Point lassen sich grundsätzlich in zwei Kategorien einteilen: 1. seriell angeordnete Kinematiken und 2. parallel angeordnete Kinematiken.
  Bei seriellen Anordnungen sitzt das Funktionselement (Sensor/Aktor/Werkzeug) am Endeffektor eines Rotationsantriebes (ggf. mit Übersetzungsgetriebe). Dieser Antrieb wiederum ist am Endeffektor eines davor angeordneten Rotationsantriebes (ebenfalls ggf. mit Übersetzungsgetriebe) befestigt. Der von den beiden Rotationsachsen eingeschlossene Winkel wird dabei durch das Verbindungsglied zwischen den beiden Antrieben definiert. Typische Anordnungen bestehen beispielsweise in der Kombination aus zwei Drehtischen, Goniometer und Drehtisch, Drehtisch und Goniometer sowie zwei Goniometern. [2]
  Kommen als Rotationsantriebe Goniometer zum Einsatz, so sind diese nicht umlauffähig, was den jeweiligen Bewegungsbereich von vornherein limitiert. Werden als zweitgeschalteter Antrieb umlauffähige Drehtische o.Ä. verwendet, so erhöht sich durch deren axiale und radiale Ausdehnung um die eigene Rotationsachse herum der freizuhaltende Bereich um den Bewegungsraum, in dem es zu Kollisionen mit dem Antrieb oder der Kinematik kommen kann. Auslagerungen des zweiten Antriebes über mechanische, pneumatische oder hydraulische Koppelelemente sind grundsätzlich möglich, bringen aber andere einschränkende Effekte, wie beispielsweise eine geringere Positioniergenauigkeit, mit sich. Serielle Anordnungen besitzen zudem konzeptbedingt schlechtere dynamische Eigenschaften, da neben den einzelnen Getriebegliedern zusätzlich auch der gesamte zweite Antrieb im Bewegungssinn der ersten Rotationsstufe mitgeführt werden muss. Jene zu beschleunigenden Massen erhöhen unweigerlich die Trägheit der gesamten Kinematik und beeinflussen die Agilität negativ.
• Bei parallelen Anordnungen wird die (Winkel-) Lage des Funktionselements durch die gleichzeitige Verbindung mit beiden Antrieben über ein oder mehrere Getriebeglieder definiert. Die Antriebe können dabei sowohl rotatorische, als auch translatorische Bewegungsausgänge besitzen, welche über das Zusammenspiel einzelner Glieder eines sphärischen Getriebes die vorgesehenen Rotationen ermöglichen. Die Antriebsachsen bekannter Parallelkinematiken schließen dabei einen Winkel ein und sind nicht koaxial, wodurch sich der insgesamt benötigte Bauraum erhöht [1]. Beispielsweise wird in der WO 2007/120952 A3 eine fünfgliedrige sphärische Parallelkinematik beschrieben, bei der die Antriebsanordnung als Parallelanordnung zweier Motoren ausgeführt ist, deren Rotationsachsen konvergent sind. Nachteilig erweist sich hierbei auch, dass der maximale, zwischen den Abtriebsarmen eingeschlossene Winkel wesentlich kleiner als 180 Grad ist.
• Zudem ist das am Endeffektor einer Parallelkinematik befestigte Funktionselement, wie beispielsweise in US 2009/0104843 A1 gezeigt, entweder frei in seiner Rotation (wenn es in der Lagerstelle zweier verbundener Getriebeglieder positioniert ist) oder an einem der Abtriebsglieder gegen Verdrehung gesichert. In letzterem Fall ist die Drehlage des Funktionselementes um seine Längsachse nicht invariant gegenüber den durch die Antriebe eingeleiteten Rotationsbewegungen.
• Aus der US 10,265,866 B2 ist aber auch eine viergliedrige Parallelkinematik mit sphärischem Arbeitsraum und koaxialer Antriebsanordnung bekannt. Hier spannt der Arbeitsraum eine Teilfläche auf einer Sphäre auf. Diese Fläche ist bezüglich der Rotation um die Antriebsachse durch die geometrische Ausdehnung der Antriebslagerung begrenzt. Bei großen Rotationswinkeln kommt es zu einer Kollision des Bauteils mit der Antriebshalterung. Die Rotation des Endeffektors um die Antriebsachse ist nicht umlauffähig und auf ca. 180 Grad beschränkt. Zudem besteht eine Korrelation zwischen dem Neigungswinkel und dem Rotationswinkel des Endeffektors. Je kleiner der Neigungswinkel ist, gemeint ist hier der Winkel zwischen Rotationsachse der Antriebe und der Lagerachse des Endeffektors, desto kleiner ist der Rotationswinkelbereich, der um die Antriebsachsen adressiert werden kann. Schließlich ist auch der adressierbare Neigungswinkelbereich bei dieser Lösung durch die in das sphärische Bewegungsvolumen hineinragende Antriebsanordnung beschränkt.
• Außerdem besteht in bekannten sphärischen Parallelkinematiken in der Regel eine Kopplung zwischen dem letzten Glied der Kinematikkette und dem Funktionselement. Alternativ dazu wird die Ausrichtung des Funktionselements über einen weiteren Antrieb einstellbar gemacht. So wird beispielsweise mit der US 7,209,228 B2 eine fünfgliedrige sphärische Parallelkinematik vorgeschlagen, bei der das fünfte Getriebeelement mit einem zusätzlichen Motor ausgerichtet wird. Auch in DE 10 2012 018 533 A1 werden für die rotatorische Ausrichtung des Endeffektors um seine direkte Lagerachse zusätzliche Antriebe vorgesehen. In WO 2019/076417 A1 ist für die rotatorische Ausrichtung des Endeffektors ein Verdrehsicherung im Sinne eines zusätzlichen geraden Schubgelenks vorgesehen, welches sich am mittleren Gelenk einer sich an die sphärische Kinematik angliedernden ebenen Scherenmechanik abstützt.
• Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die gravierendsten Nachteile bekannter Lösungen - sowohl bei seriellen, als auch bei parallelen Anordnungen - im benötigten Bau- und Bewegungsfreiraum und dem durch geometrische Randbedingungen eingeschränkten adressierbaren Bewegungsbereich liegen.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die beschriebenen Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und ein neuartiges sphärisches Kurbelgetriebe bereitzustellen, mit dessen Hilfe ein Funktionselement (Sensor/Aktor/Werkzeug) in zwei Achsen um einen feststehenden Tool-Center-Point rotiert werden kann, ohne dass sich die Drehlage des Funktionselements um seine Längsachse ändert. Die kinematische Anordnung kann sowohl für Positionier-, als auch für Mess- oder Bearbeitungsaufgaben verwendet werden.
• Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen dem folgenden Beschreibungsteil zu entnehmen. Dabei zeigt:
• 1 - eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Kurbelgetriebe
• 2- Darstellung der Winkeldefinition im erfindungsgemäßen Kurbelgetriebe
• 3- Anwendungsbeispiele für das vorgeschlagene Kurbelgetriebe
• Wie in 1 dargestellt, umfasst das erfindungsgemäße Kurbelgetriebe eine sphärische, viergliedrige Drehgelenkkette (4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12), die mit einem zusätzlichen fünften Element (11) erweitert wurde. Dieses zusätzliche fünfte Element (11) ist erfindungsgemäß als gekrümmtes Schubgelenk ausgeführt. Die Rotationsachsen der vier Drehgelenke (5, 7, 9, 12) und die Neigungsachse des gekrümmten Schubgelenks (11) schneiden sich erfindungsgemäß alle in einem Punkt. Die Antriebe (2, 3) sind fest mit dem Gestell (1) verbunden. Die Einleitung der beiden rotatorischen Antriebsbewegungen erfolgt koaxial, vorzugsweise über Hohlwellen (13), in die zwei benachbarten Antriebsgetriebeglieder (4, 10), welche über ein erstes Drehgelenk (12) miteinander verbunden sind. Das in der Drehgelenkkette dem ersten Drehgelenk (12) gegenüberstehende dritte Drehgelenk (7), welches vorzugsweise als Doppeldrehgelenk ausgeführt ist, dient zusätzlich als Lagerstelle für das fünfte Element (11) (gekrümmtes Schubgelenk). Letzteres bildet somit das finale Abtriebsglied (Endeffektor) des Getriebes, an dem ein beliebiges Funktionselement (Sensor/Aktor/Werkzeug) befestigt werden kann.
  Durch die besondere Anordnung und Verkettung der Getriebeelemente ist eine exakte Lagedefinition des Funktionselements um dessen Längsachse gegeben, welche sich während der Rotation um die beiden Bewegungsachsen auch nicht ändert (siehe 1). Alternativ können statt dem gekrümmten Schubgelenk auch andere mehrgliedrige Getriebemechanismen angewendet werden, welche mit dem ersten und zweiten Abtriebsgetriebsglied (6, 8) verbunden sind, um die Längsrotationsachse des Endeffektors zu definieren.
• Sich abhebend von den Prinzipen bekannter Lösungen erfolgt die Einleitung der beiden Antriebsbewegungen koaxial. Zudem ist das sphärische viergliedrige Getriebe um ein fünftes Element erweitert, welches die Drehlage des Endeffektors (an dem ein Funktionselement befestigt werden kann) unabhängig von den Positionierwinkeln der Antriebe definiert.
• Ein signifikanter Vorteil gegenüber dem Stand der Technik liegt in der Koaxialität der beiden Rotationsantriebe, deren Position dadurch beliebig weit außerhalb des Bewegungsraums der Parallelkinematik gewählt werden kann. Die geometrische Ausdehnung der Antriebe hat somit keine restriktiven Auswirkungen auf den Bewegungsraum. Dadurch muss auch bei der Dimensionierung der Antriebsgrößen (stärkere Antriebe benötigen i.d.R. mehr Bauraum) keine Rücksicht auf den notwendigen Freiraum innerhalb des Bewegungsbereichs der Getriebeglieder oder zwischen den beiden Antrieben selbst genommen werden.
  Darüber hinaus bietet die antriebsunabhängige Drehlage des Funktionselements um dessen Längsachse neue Möglichkeiten für verschiedenste Positionier-, Mess-, oder Bearbeitungsaufgaben.
  Je nach axialer Anordnung der benachbarten Drehgelenkkettenglieder ist zudem auch eine Umlauffähigkeit (Drehwinkel > 360°) für beide Rotationsachsen gegeben.
• Für die Übertragungsfunktion des vorgeschlagenen sphärischen Getriebes werden als Eingangsgrößen die beiden Antriebswinkel φ₁ und φ₂ definiert. Als Ausgangsgrößen werden α für die Rotation um eine zu den Antriebsachsen parallele Achse und β für die dazu orthogonale Achse definiert (siehe 2).
• Die Übertragungsfunktion der Rotation α um die zu den Antriebsachsen parallele Achse des sphärischen Getriebes ergibt sich danach wie folgt: $$\alpha =\frac{{\phi }_1+{\phi }_2}{2}$$

  
• Die Übertragungsfunktion der Rotation β um die zu den Antriebsachsen orthogonale Achse des sphärischen Getriebes lautet wie folgt: $$\beta =2\cdot \text{tan}\left(\text{cos}\left(\frac{{\phi }_1-{\phi }_2}{2}\right)\right)$$

  
• Die angegebenen Übertragungsfunktionen α und β sind grundsätzlich für beide Rotationen abhängig von der Symmetrie, bzw. den Längenverhältnissen der einzelnen Getriebeelemente der viergliedrigen Drehgelenkkette. Die Gleichungen (1) und (2) beschreiben den Sonderfall, bei dem alle Getriebeglieder dieselbe Bogenlänge und einen jeweiligen Achswinkel von 45° besitzen. Grundsätzlich sind jedoch auch abweichende Längenverhältnisse und Achswinkel möglich.
• Die Einsatzmöglichkeiten des vorgeschlagenen sphärischen Kurbelgetriebes beschränken sich nicht nur auf einen speziellen Anwendungsfall, sondern bieten vielfältige Möglichkeiten in verschiedensten technischen Bereichen. Im einfachsten Fall kann das sphärische Getriebe als reines Positioniermodul für Objekte dienen (siehe 3).
  Eine Vielzahl hochkomplexer Anwendungsfelder findet sich darüber hinaus im Bereich der Koordinatenmesstechnik. So sind beispielsweise konventionelle, kartesisch arbeitende Koordinatenmessmaschinen mit verschiedensten Sensorsystemen wie Tastern, Sterntastern, optischen und spitzenbasierten Sensoren (z.B. Atomkraftmikroskope) ausgerüstet. Erhöht sich jedoch der Neigungswinkel der Oberfläche des zu vermessenden Objekts zum Sensor, so geraten diese ab einer bestimmten Inklination an ihre technischen Grenzen oder die Messunsicherheit der ermittelten Ergebnisse steigt. Kombiniert man hingegen ein kartesisch arbeitendes Koordinatenmessgerät mit einem erfindungsgemäßen Getriebe, so lässt sich durch Rotation der sphärischen Kinematik stets eine orthogonale Antastung des Messobjekts realisieren. Auch Kombinationen mit in-situ-Referenzmesssystemen zur Rückführung der translatorischen Verschiebung des Sensorantastpunktes, wie in [2] beschrieben, stellen prädestinierte Anwendungsmöglichkeiten dar. Neben der Vermessung von Objekten mit eindimensionalen, punktförmig arbeitenden Sensoren ist auch die Erfassung mittels verschiedenster mehrdimensionaler Sensoren, wie z.B. Kameratechniken möglich. Kombiniert man ein solches, zweidimensionales Messmittel mit einem erfindungsgemäßen Getriebe, so kommt insbesondere die konzeptbedingt antriebswinkelunabhängige Drehlage des Funktionselements vorteilhaft zum Tragen. Dies gilt in gleichem Maße auch für andere zweidimensional arbeitende Sensoren wie beispielsweise mehrspurige Atomkraftmikroskope (cantilever-arrays).
  Die Erfindung kann jedoch nicht nur in der Messtechnik, sondern in gleichem Maße auch in der subtraktiven Fertigungstechnik Anwendung finden (siehe 3). Die vorgeschlagene Kinematik kann dabei entweder das Werkzeug (angetrieben oder nicht angetrieben) tragen, oder auch das Werkstück. Grundsätzlich ist auch eine kontinuierliche Rotation der Kinematik um die konzentrisch zu den beiden Antriebsachsen liegende Rotationsachse denkbar. Hieraus ergeben sich weitere Kombinationsmöglichkeiten aus beispielsweise Dreh- & Fräsprozessen.
  Neben der Verwendung für abtragende Verfahren eignet sich die Erfindung auch hervorragend für die Werkzeugführung von additiven Fertigungsprozessen (siehe 3). So ermöglicht beispielsweise ein dreh- und neigbarer Druckkopf einen echten dreidimensionalen Druckvorgang. Handelsübliche 3D-Drucker arbeiten unabhängig vom Wirkprinzip i.d.R. lediglich 2,5-dimensional, da sie Bauteile schichtweise abscheiden, was meist zu anisotropen mechanischen Eigenschaften führt. Über klassische additive Fertigungsverfahren hinaus kann die Erfindung auch zur Führung von Schweißelementen zum dreidimensionalen Materialauftrag genutzt werden.
• Das vorgeschlagene sphärische Getriebe nutzt eine koaxiale Antriebsanordnung, wodurch sich eine geringere Bauraumanforderung ergibt. Durch diese innovative Antriebsanordnung, vorzugsweise in Kombination mit Hohlwellen, kann eine unbegrenzte Umlauffähigkeit des Endeffektors um die Antriebsachsen realisiert werden. Der adressierbare Rotationsbereich des Endeffektors spannt somit einen Winkelbereich um die Antriebsachsen von mehr als 360 Grad auf. Darüber hinaus ergibt sich durch diese Antriebsanordnung keine Abhängigkeit zwischen Neigungs- und Rotationswinkel. Der Neigungswinkel ist im gesamten Winkelbereich um die Rotationsachse frei adressierbar.
• Außerdem können aufgrund des bevorzugten Einsatzes von Hohlwellen für die Einleitung der Rotationsbewegungen die Antriebe außerhalb des sphärischen Bewegungsvolumens positioniert werden, wodurch eine Einschränkung des adressierbaren Neigungswinkelbereichs verhindert wird.
  Der absolute Neigungswinkelbereich des Funktionselements kann durch den Winkelversatz der Funktionselementachse zur Drehachse des Endeffektors durch geometrische Auslegung des fünften Getriebeelements, welches als Träger für das Funktionselement dient, frei definiert werden. So können auch Neigungswinkel von null Grad adressiert werden. Das fünfte Getriebeelement ist drehbar im Endeffektor gelagert und erfindungsgemäß über ein gekrümmtes Schubgelenk an einer der Antriebsachsen verdrehsicher abgestützt. So ist die Rotation des Funktionselements um die Achse des Endeffektors gesperrt. Diese Kombination ermöglicht eine Entkopplung der Funktionselementorientierung vom Rotations- und Neigungswinkel der Kinematik.
• Literaturliste
• [1] - 2015 - „Design and Control of a Parallel Linkage Wrist for Robotic Microsurgery“; Alperen Degirmenci, L. Frank, Gafford B. Joshua, J. Conor Walsh, Robert J. Wood, Robert D. Howe; IEEE
• [2] - 2020 - „Metrologie in fünfachsigen Nanomess- und Nanopositioniermaschinen”; Florian Fern; Technische Universität Ilmenau; Dissertation
• Bezugszeichenliste

1

Gestell

2

erster Antrieb

3

zweiter Antrieb

4

erstes Antriebsgetriebeglied

5

zweites Drehgelenk

6

erstes Abtriebsgetriebeglied

7

drittes Drehgelenk (Doppeldrehgelenk)

8

zweites Abtriebsgetriebeglied

9

viertes Drehgelenk

10

zweites Antriebsgetriebeglied

11

fünftes Element (gekrümmtes Schubgelenk)

12

erstes Drehgelenk

13

Hohlwelle

Claims (5)

1. Sphärisches Kurbelgetriebe zur simultanen Beaufschlagung eines Funktionselements mit zwei voneinander unabhängigen Rotationsbewegungen, die von einem ersten gestellfesten Antrieb (2) und einem zweiten gestellfesten Antrieb (3) erzeugt werden, umfassend eine viergliedrige Drehgelenkkette aus zwei Antriebsgetriebegliedern (4, 10), zwei Abtriebsgetriebegliedern (6, 8) und vier Drehgelenken (5, 7, 9, 12), deren Rotationsachsen sich in einem gemeinsamen Schnittpunkt schneiden, wobei der erste Antrieb (2) koaxial zum zweiten Antrieb (3) angeordnet ist, so dass die Rotationsbewegungen in die benachbarten, über ein erstes Drehgelenk (12) verbundenen Antriebsgetriebeglieder (4, 10) koaxial eingeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurbelgetriebe ein fünftes Element (11) aufweist, welches an einem, dem ersten Drehgelenk (12) gegenüberliegenden dritten Drehgelenk (7) gelagert ist, und als gekrümmtes Schubgelenk mit einem Endeffektor ausgebildet ist, wobei die Neigungsachse des gekrümmten Schubgelenks den Schnittpunkt der der Drehgelenke (5, 7, 9, 12) schneidet und orthogonal zur Achse des ersten Drehgelenks (12) ausgerichtet ist und das Funktionselement an dem fünften Element (11) befestigt ist.
2. Sphärisches Kurbelgetriebe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement am Endeffektor des gekrümmten Schubgelenks montiert ist.
3. Sphärisches Kurbelgetriebe nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Drehgelenk (7) als Doppeldrehgelenk ausgeführt ist.
4. Sphärisches Kurbelgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die voneinander unabhängigen Rotationsbewegungen des ersten und zweiten Antriebs (2, 3) über Hohlwellen (13) eingeleitet werden.
5. Sphärisches Kurbelgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement als dreh- und neigbarer Sensor, Aktor, Werkzeug, Werkstück oder Druckkopf ausgebildet ist.

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