DE102021204519B4

DE102021204519B4 - Gelenk zur Verbindung zweier Gelenkelemente und Verfahren zum Betrieb eines Gelenks

Info

Publication number: DE102021204519B4
Application number: DE102021204519.7A
Authority: DE
Inventors: Nils Haverkamp
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2021-05-05
Filing date: 2021-05-05
Publication date: 2023-03-23
Anticipated expiration: 2041-05-06
Also published as: US20220355494A1; DE102021204519A1

Abstract

Gelenk zur Verbindung eines ersten Gelenkelements (5, 5a, 5b, 5c) mit einem weiteren Gelenkelement (2, 2a, 2b, 2c), wobei das Gelenk (1, 1a, 1b, 1c) die beiden Gelenkelemente (2, 2a,.., 5, 5a,...), ein Kopfelement (4, 4a, 4b, 4c), ein Pfannenelement (3, 3a, 3b, 3c) und mindestens zwei Antriebseinrichtungen (8, 8a, 8b) umfasst, wobei das Kopfelement (4, 4a, 4b, 4c) mit dem ersten Gelenkelement (5, 5a, 5b, 5c) und das Pfannenelement (3, 3a, 3b, 3c) mit dem weiteren Gelenkelement (2, 2a, 2b, 2c) verbunden ist oder von diesem ausgebildet wird, wobei das Kopfelement (4, 4a, 4b, 4c) und das Pfannenelement (3, 3a, 3b, 3c) beweglich aneinander gelagert sind, , wobei die Antriebseinrichtungen (8, 8a, 8b) über mindestens ein biegsames Verbindungselement (9, 9a, 9b) mit- dem Kopfelement (4, 4a, 4b, 4c) oder dem ersten Gelenkelement (5, 5a, 5b, 5c) oder- dem Pfannenelement (3, 3a, 3b, 3c) oder dem weiteren Gelenkelement (2, 2a, 2b, 2c) verbunden sind,dadurch gekennzeichnet, dassdas mindestens eine Verbindungselement (9, 9a, 9b) zumindest abschnittsweise entlang des Kopfelements (4, 4a, 4b, 4c) geführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gelenk zur Verbindung eines ersten Gelenkelements mit einem weiteren Gelenkelement.
Zur Bewegung von beweglichen Teilen einer Messeinrichtung, insbesondere einer Koordinatenmesseinrichtung, aber auch zur Bewegung von z.B. Endeffektoren von Robotern kann eine kinematische Struktur einer Positioniereinrichtung Gelenke umfassen, die eine Drehbewegung mit einem oder mehreren Freiheitsgraden, also Rotationsfreiheitsgraden, ermöglichen. Hierbei kann eine kinematische Struktur mehrere solcher Gelenke umfassen. Z.B. können in einer seriellen kinematischen Struktur mehrere Arme aneinandergereiht sein, wobei diese über die Gelenke verbunden sind.
Eine derartige Ausbildung der Positioniereinrichtungen für Sensoren im Fall von Messeinrichtungen bzw. Endeffektoren bei Robotern haben in der Regel einen hohen Bauraumbedarf und weisen sogenannte Singularitäten auf, die bei bestimmten Anwendungen die Positionierung erschweren.
Z.B. können singularitätsbedingte Probleme auftreten, wenn ein zu positionierendes Element um große Winkel in einer Ebene geschwenkt werden soll, mit der eine der Drehachsen der Gelenke der kinematischen Struktur der Positioniereinrichtung koplanar ist.
Weiter ist bekannt, dass kinematische Strukturen mit aktiven, also mit Antriebseinrichtungen angetriebenen, Elementen im Allgemeinen für Präzisionsanwendungen äußerst ungünstige Hysterese bzw. Lager- und Umkehrspiele aufweisen und keine Positionierung mit einer gewünschten Genauigkeit ermöglichen. Dies ist insbesondere problematisch, wenn übliche Messanordnungen zur Winkel- oder Positionsmessung nicht in der Lage sind, die genannten Fehlereinflüsse zu erfassen oder wenn eine genaue Erfassung sehr aufwendig und kostenintensiv sind.
Aus dem Stand der Technik bekannt ist die DE 10 2018 121 806 A1 , die eine Gelenkvorrichtung für einen Roboter offenbart, wobei diese ein erstes Gelenkteil und ein zweites Gelenkteil aufweist, die relativ zueinander beweglich sind, und die eine zwischen dem ersten Gelenkteil und dem zweiten Gelenkteil angeordnete Energiespeichereinrichtung umfasst. Die Druckschrift offenbart auch als Seile ausgebildete Zugmittel, die Teil einer Aktuatoreinrichtung sein können, wobei die Aktuatoreinrichtung wiederum mit dem ersten und mit dem zweiten Gelenkteil verbunden sein kann.
Es stellt sich daher das technische Problem, ein Gelenk zur Verbindung eines ersten Gelenkelements mit einem weiteren Gelenkelement sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Gelenks zu schaffen, wobei das Gelenk einen geringen Bauraumbedarf, eine geringe Störkontur und einen großen Stellbereich aufweist.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorgeschlagen wird ein Gelenk zur Verbindung eines ersten Gelenkelements mit einem weiteren Gelenkelement, wobei das Gelenk die beiden Gelenkelemente, ein Kopfelement, ein Pfannenelement und mindestens zwei Antriebseinrichtungen umfasst. Das Gelenk kann auch als aktives Gelenk bezeichnet werden. Ein Gelenkelement kann hierbei einen Arm einer kinematischen Struktur, z.B. einer seriellen kinematischen Struktur, oder einen Teil eines solchen Arms bilden. Ein Gelenkelement kann z.B. ein Roboterarm sein. Es ist jedoch auch vorstellbar, dass ein Gelenkelement einen Teil eines Sensors oder einer Sensorhalterung einer Koordinatenmesseinrichtung bildet, z.B. eines taktilen Sensors oder für einen taktilen Sensor. Bildet ein Gelenkelement einen Sensorhalter, so kann ein Sensor beweglich über diesen Sensorhalter beweglich an dem Gelenkelement befestigt sein, wodurch ein Einfluss der Trägheit des Gelenkelements auf die Trägheit des Sensors reduziert wird. Auch können über das Gelenk zwei Arme einer kinematischen Struktur einer Positioniereinrichtung einer Koordinatenmesseinrichtung verbunden sein, mit der ein Sensor positioniert werden kann.
Das Kopfelement ist mit dem ersten Gelenkelement verbunden oder wird von diesem ausgebildet. Das Pfannenelement ist mit dem weiteren Gelenkelement verbunden oder von diesem ausgebildet. Die Verbindung zwischen Gelenkelement und dem Kopf- bzw. Pfannenelement kann insbesondere eine starre Verbindung sein.
Das Kopfelement und das Pfannenelement sind beweglich aneinander gelagert, insbesondere beweglich relativ zueinander. Hierbei kann das Kopfelement im/am Pfannenelement oder umgekehrt gelagert sein.
Z.B. kann das Kopfelement in einem Aufnahmevolumen des Pfannenelements angeordnet sein. Das Aufnahmevolumen des Pfannenelements bezeichnet hierbei ein Volumen, welches zumindest teilweise von dem Pfannenelement eingefasst wird. Somit kann ein Abschnitt des Kopfelements in dem Aufnahmevolumen des Pfannenelements beweglich gelagert sein. Z.B. kann das Pfannenelement ein konkave Oberfläche aufweisen oder ausbilden, an/auf der eine Außenfläche des Kopfelements gelagert ist. Somit kann das Pfannenelement eine Lagerfläche, insbesondere eine gekrümmte Lagerfläche, für das Kopfelement aufweisen.
Das Pfannenelement muss aber nicht zwingend eine Lagerfläche aufweisen oder ausbilden. Es ist auch möglich, dass das Pfannenelement ringförmig ausgebildet ist und dieser Ring auf einer Oberfläche des Kopfelements beweglich gelagert ist. Es ist auch möglich, dass das Kopfelement auf/im Pfannenelement punkt- oder abschnittsweise beweglich gelagert ist, beispielsweise über eine Dreipunktlagerung oder eine n-Punktlagerung mit n > 3.
Zusammenfassend kann das Pfannenelement einen Lagerabschnitt zur Lagerung an/auf dem Kopfelement oder zur Lagerung des Kopfelements aufweist, der die erläuterte Relativbewegung ermöglicht. Hierbei ist es vorstellbar, dass das Kopfelement auf/am Pfannenelement gleit-, luft-, magnet- oder dreipunktgelagert ist bzw. das Pfannenelement gemäß einer der erläuterten Lagerungsarten am Kopfelement gelagert ist.
Das Kopfelement kann insbesondere kugelförmig ausgebildet sein oder einen kugelförmig oder zumindest teilweise kugelförmig ausgebildeten Abschnitt umfassen. Es ist allerdings auch möglich, dass das Kopfelement zylinderförmig ausgebildet ist oder einen zumindest teilweise zylinderförmig ausgebildeten Abschnitt umfasst. Ist das Kopfelement kugelförmig ausgebildet, so kann eine Fläche des durch das Pfannenelement gelagerten Oberflächenabschnitts des Kopfelements kleiner als ¼ der Gesamtoberfläche des Kopfelements sein.
Das Kopfelement kann mit einem, zwei oder drei Rotationsfreiheitsgraden beweglich relativ zum Pfannenelement sein. Mit anderen Worten kann das Kopfelement relativ zum Pfannenelement um eine, zwei oder drei Rotationsachsen, insbesondere linear unabhängige, vorzugsweise rechtwinklig zueinander orientierte, Rotationsachsen, drehbar sein.
Das Kopfelement kann z.B. aus Metall oder Keramik ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das Material des Kopfelements Hartmetall. Auch das Pfannenelement kann aus Metall oder Keramik ausgebildet sein.
Es ist möglich, dass das Kopfelement ortsfest angeordnet ist und das Pfannenelement bewegbar ist. Es ist auch möglich, dass das Pfannenelement ortsfest angeordnet ist und das Kopfelement bewegbar ist. Weiter ist es möglich, dass sowohl das Kopf- als auch das Pfannenelement bewegbar sind.
Die Antriebseinrichtungen sind über mindestens ein biegsames, insbesondere biegeschlaffes, Verbindungselement mit dem Kopfelement oder dem ersten Gelenkelement verbunden. Alternativ sind die Antriebseinrichtungen über mindestens ein biegsames, insbesondere biegeschlaffes, Verbindungselement mit dem Pfannenelement oder dem weiteren Gelenkelement verbunden. Das biegsame Verbindungselement kann insbesondere als Seil ausgebildet sein, also als zugfestes Element. Über das mindestens eine Verbindungselement kann eine Zugkraft, vorzugsweise aber keine Druckkraft, von der Antriebseinrichtung auf das entsprechende Element übertragen werden, mit dem das Verbindungselement verbunden ist. Das Verbindungselement kann aus einer oder mehreren Aramidfaser(n) oder aus einem anderen, vorzugsweise dehnungsarmen, reibungsarmen und abriebfestem Kunstfasermaterial ausgebildet sein.
Es ist z.B. möglich, dass jede Antriebseinrichtung über genau ein biegsames Verbindungselement mit dem entsprechenden Element verbunden ist. Auch ist es möglich, dass jede Antriebseinrichtung über mindestens zwei biegsame Verbindungselemente mit dem entsprechenden Element verbunden ist. Die Anzahl der Antriebseinrichtung kann also kleiner als oder gleich der Anzahl an Verbindungselementen sein. Insbesondere kann die Anzahl von Antriebseinrichtungen 2, 3 oder 6 betragen.
Es ist auch möglich, dass ein freies Ende des Verbindungselements mit einem Element und ein weiteres Ende mit einem Abtriebselement der Antriebseinrichtung verbunden ist. Dies ist jedoch nicht zwingend. Es ist auch vorstellbar, dass ein Element und/oder das Abtriebselement der Antriebseinrichtung über ein geeignetes Kopplungselement, z.B. eine Umlenkrolle, mit dem Verbindungselement verbunden sind. In diesem Fall kann mindestens ein freies Ende des Verbindungselements z.B. mit einer Haltestruktur verbunden sein.
Es ist weiter möglich, dass das Gelenk eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Antriebseinrichtungen umfasst. Dies kann die Antriebseinrichtungen insbesondere derart steuert, dass eine Soll-Relativlage zwischen den Gelenkelementen eingestellt wird.
Erfindungsgemäß ist das mindestens eine Verbindungselement zumindest abschnittsweise entlang des Kopfelements geführt. Dies kann bedeuten, dass das mindestens eine Verbindungselement oder ein Abschnitt des mindestens einen Verbindungselements an einem Abschnitt der Oberfläche des Kopfelements anliegt. Hierbei sind verschiedene Verbindungselemente insbesondere entlang verschiedener Abschnitte der Oberfläche geführt bzw. liegen an verschiedenen Abschnitten an.
Sind die Antriebseinrichtungen über das mindestens eine biegsame Verbindungselement mit dem Kopfelement oder dem ersten Gelenkelement verbunden, so können die Antriebseinrichtungen ortsfest relativ zum weiteren Gelenkelement angeordnet sein, z.B. mechanisch mit dem weiteren Gelenkelement verbunden sein. Sind die Antriebseinrichtungen über das mindestens eine biegsame Verbindungselement mit dem Pfannenelement oder dem weiteren Gelenkelement verbunden, so können die Antriebseinrichtungen ortsfest relativ zum ersten Gelenkelement angeordnet sein, z.B. mechanisch mit dem ersten Gelenkelement verbunden sein. Es ist aber auch möglich, dass die Antriebseinrichtungen weder mit dem Pfannenelement noch mit dem Kopfelement mechanisch verbunden sind.
Ist das Kopfelement beispielsweise als Kugel ausgebildet, so ist es möglich, dass zumindest eine Gerade durch den Mittelpunkt der Kugel und eine zu dieser Geraden senkrechte Projektionsebene existiert, wobei zumindest ein Abschnitt des einen Verbindungselements oder jedes der mehreren Verbindungselemente innerhalb oder auf der Umrisslinie der Kugel in dieser Projektionsebene angeordnet sind.
Es ist beispielsweise vorstellbar, dass Antriebseinrichtungen entlang der Polrichtung unter einem Pol eines solchen Kopfelements angeordnet sind, wobei der Südpol entlang der Polrichtung unter dem Nordpol angeordnet ist. Weiter können diese Antriebseinrichtungen bei einer Projektion in die Äquatorebene innerhalb der Äquatorlinie des Kopfelements angeordnet sein.
Durch die Führung des mindestens einen Verbindungselements entlang des Kopfelements ergibt sich in vorteilhafter Weise eine sehr platzsparende Ausbildung des Gelenks, wodurch dieses wenig Bauraum beansprucht. Weiter ermöglicht die beanspruchte Ausbildung in vorteilhafter Weise einen großen Stellbereich bei kleiner Störkontur. Hierbei bezeichnet die Störkontur einen Raumbereich des Gelenks, der von dem Bauelementen des Gelenks in den verschiedenen Relativlagen der Gelenkelemente zueinander beansprucht wird. Dies entspricht beim vorgeschlagenen Gelenk im Wesentlichen dem Volumen des Kopfelements.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Antriebseinrichtungen Linearantriebseinrichtungen. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine möglichst einfache und gerichtete Erzeugung einer Kraft zur Betätigung des Elements, welches über das mindestens eine Verbindungselement mit den Linearantriebseinrichtungen verbunden ist.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Pfannenelement ein Ringelement zur Auflage auf dem Kopfelement sowie Armelemente, wobei die Armelemente das Ringelement mit dem weiteren Gelenkelement verbinden oder von dem weiteren Gelenkelement ausgebildet werden. Auch können die Armelemente das Ringelement mit einem Befestigungsabschnitt für das weitere Gelenkelement verbinden. Das Ringelement kann insbesondere ein Federstahlelement sein.
Die Armelemente sind vorzugsweise mechanisch starr ausgebildet. Insbesondere können die Armelemente ebenfalls aus Metall, Keramik, aber auch aus Kunststoff oder aus Kohlefasermaterial ausgebildet sein. Es ist möglich, dass zwischen zwei Armelemente eine Durchgangsöffnung ausgebildet ist. Die Anzahl der Armelemente kann kleiner als die Anzahl an Verbindungselementen sein.
In dieser Ausführungsform kann das Ringelement, insbesondere ein Abschnitt der Ringoberfläche, die Lagerfläche zur Lagerung auf dem Kopfelement ausbilden.
Das Ringelement kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass die Fläche des vom Ringelement umfassten Abschnitts der Oberfläche des Kopfelements kleiner als oder gleich 1/6 der Gesamtoberfläche ist.
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine einfache mechanische Fertigung des Pfannenelements und somit des vorgeschlagenen Gelenks.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Lageerfassungseinrichtung zur Erfassung einer Relativlage zwischen dem Pfannenelement und dem Kopfelement, die somit auch zur Erfassung einer Relativlage zwischen den Gelenkelementen dient. Die Lageerfassungseinrichtung kann beispielsweise mindestens einen Sensor umfassen. So ist es möglich, dass die Lageerfassungseinrichtung einen optischen, induktiven, kapazitiven, resistiven oder gemäß einer anderen Funktionsweise ausgebildeten Sensor umfasst. Beispielsweise kann die Lageerfassungseinrichtung als Bilderfassungseinrichtung oder als Magnetfeldsensor ausgebildet sein. Durch die Lageerfassungseinrichtung kann beispielsweise die Relativlage zwischen Kopf- und Pfannenelement bestimmt werden, z.B. durch Bestimmung eines Polar- und Azimutwinkels bei einem kugelförmigen Kopfelement.
Es ist möglich, dass die Lageerfassungseinrichtung ortsfest relativ zum Pfannenelement oder relativ zum Kopfelement angeordnet, insbesondere mechanisch starr an dem entsprechenden Element befestigt ist. Es ist auch möglich, dass die Lageerfassungseinrichtung oder Teile davon weder mit dem Pfannenelement noch mit dem Kopfelement mechanisch verbunden sind.
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass eine zuverlässige und genaue Lageregelung ermöglicht wird, wobei durch die Lageerfassungseinrichtung eine Ist-Lage bestimmt werden kann. In diesem Fall kann die erwähnte Steuereinrichtung in Abhängigkeit einer Soll-Lage eine Stellgröße für die Antriebseinrichtungen erzeugen, um diese zur Einstellung der Soll-Lage anzusteuern bzw. um diese derart anzusteuern, dass eine Abweichung zwischen der Soll- und der Ist-Lage reduziert wird.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Kopfelement und/oder das Pfannenelement mindestens ein Element zur Erfassung durch die Lageerfassungseinrichtung, insbesondere einen Sensor der Lageerfassungseinrichtung. Es ist auch möglich, dass das erste und/oder das weitere Gelenkelement das mindestens eine Element zu Erfassung umfassen.
Es ist möglich, dass sowohl das Kopfelement als auch das Pfannenelement jeweils Elemente zur Erfassung ihrer Lage in einem gemeinsamen Referenzkoordinatensystem umfassen, wobei dann durch die Lageerfassungseinrichtung die Lage des Pfannenelements als auch die Lage des Kopfelements in dem Referenzkoordinatensystem bestimmt werden kann. Ist die Lageerfassungseinrichtung am Kopfelement oder am Pfannenelement befestigt, so ist es insbesondere möglich, dass nur das verbleibende Element mindestens ein Element zur Erfassung durch die Lageerfassungseinrichtung umfasst.
Ein solches Element kann beispielsweise ein optisch erfassbares Element sein, z.B. ein Marker. Dieser Marker kann beispielsweise durch die vorhergehend erläuterte Bilderfassungseinrichtung erfasst werden. Dann kann z.B. durch geeignete Verfahren der Bildauswertung die erzeugte Abbildung des Markers ausgewertet werden, um eine Lage in einem Referenzkoordinatensystem zu erfassen. Dies wiederum ermöglicht dann, eine Relativlage zwischen dem Pfannenelement und dem Kopfelement zu bestimmen.
Auch ist es vorstellbar, dass das mindestens eine Element zur Erfassung ein magnetisches Element ist, welches von einem Magnetsensor der Lageerfassungseinrichtung erfasst werden kann. Es ist möglich, dass das Pfannenelement und/oder das Kopfelement mehrere Elemente zur Erfassung umfassen, die in einer vorbestimmten Relativanordnung zueinander in/an dem entsprechenden Element angeordnet sind. In Abhängigkeit dieser vorbekannten Relativanordnung kann dann die entsprechende Lageerfassung erfolgen. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine zuverlässige und genaue Erfassung, die wiederum eine verbesserte Lageregelung, die vorhergehend erläutert wurde, ermöglicht.
In einer weiteren Ausführungsform werden das oder die Verbindungselemente zumindest teilweise von einem Faserschlauch ausgebildet. Es ist möglich, dass ein Faserschlauch mehrere Verbindungselemente zur Verbindung einer Antriebseinrichtung mit dem Kopfelement, dem Pfannenelement, dem ersten oder dem weiteren Gelenkelement umfasst, wobei diese Verbindungselemente jeweils eine Faser des Faserschlauchs ausbilden. Es ist jedoch auch vorstellbar, dass der Faserschlauch das Verbindungselement zwischen den Antriebseinrichtungen und dem vorhergehend erläuterten Element ausbildet.
Weiter kann der Faserschlauch Faserelemente umfassen, über die die mehreren Verbindungselemente miteinander verbunden sind.
Der Faserschlauch kann derart ausgebildet, insbesondere derart gewebt, sein, dass ein Faser- bzw. Netzanteil zwischen den Verbindungselementen längs- und querkontraktionsfähig ist. In diesem Fall können die Antriebseinrichtungen Antriebskräfte /-momente in den Faserschlauch einleiten, wobei dieser dann die Antriebskräfte in zuverlässiger Weise auf das mit dem Faserschlauch verbundene Element überträgt.
Das Vorhandensein eines Faserschlauchs, welcher das oder die Verbindungselemente ausbildet, wird in vorteilhafter Weise eine zuverlässige Kraftübertragung ermöglicht, da durch den Faserschlauch ein unerwünschtes Bewegen, beispielsweise ein Abrutschen, des/der Verbindungselements/e entlang der Oberfläche des Kopfelements verhindert bzw. das Risiko hierfür minimiert wird.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein Faserschlauchabschnitt zwischen zwei Verbindungselementen kontraktionsfähig. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass ein großer Stellbereich des Gelenks bereitgestellt werden kann, da dieser nicht durch eine fehlende Kontraktionsfähigkeit der Fasern eingeschränkt wird.
In einer weiteren Ausführungsform ist das mindestens eine Verbindungselement als Element zur Datenübertragung ausgebildet oder umfasst ein solches Element. Beispielsweise kann das Verbindungselement eine Signalleitung umfassen, über die Signale zur Datenübertragung übertragen werden können. Diese kann beispielsweise von einem Schutz- oder Isoliermaterial umhüllt sein. Die Signalleitung kann aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise aus einem metallischen Material wie Kupfer, ausgebildet sein. Allerdings ist es auch vorstellbar, dass das Signalleitelement als Glasfaserelement ausgebildet ist. Es ist möglich, dass nur genau eines der Verbindungselemente, mehrere, aber nicht alle Verbindungselemente oder aber alle Verbindungselemente als Elemente zur Datenübertragung ausgebildet sind. Ist das Verbindungselement durch einen Faserschlauch ausgebildet, so können genau eine, mehrere, aber nicht alle oder aber alle Fasern des Faserschlauchs Elemente zur Datenübertragung sein. Die Signalleitung kann beispielsweise in die Fasern oder Verbindungselemente eingewebt sein. Es ist möglich, dass die Verbindungselemente oder die Fasern metallisiert sind. In dieser Ausführungsform ist das Kopfelement vorzugsweise aus einem nichtleitenden Material ausgebildet.
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass eine Datenübertragung über das Gelenk ermöglicht wird, wodurch z.B. eine signaltechnische Verbindung zwischen Elementen ermöglicht wird, die über das Gelenk miteinander gekoppelt sind.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Gelenk mindestens ein Führungselement zur Führung des mindestens einen Verbindungselements. Das Führungselement kann derart angeordnet und/oder ausgebildet sein, dass der Verlauf des Verbindungselements einen gewünschten räumlichen Verlauf aufweist. Das Führungselement kann beispielsweise als Umlenkrolle ausgebildet sein. Selbstverständlich sind auch andere Formen der Ausbildung des Führungselements vorstellbar.
Es ist möglich, dass ein Führungselement derart angeordnet ist, dass ein Verbindungselement von der Antriebseinrichtung durch/über/entlang des Führungselements zum Kopfelement geführt wird. Mit anderen Worten ist der an dem Kopfelement anliegende Abschnitt des Führungselements in einer Richtung von der Antriebseinrichtung hin zu dem Element, das über das Verbindungselement mit der Antriebseinrichtung verbunden ist, hinter bzw. nach dem Führungselement angeordnet. Das Führungselement kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass ein mit einer vorbestimmten Krümmung gekrümmter Abschnitt des Verbindungselements bereitgestellt wird. Es ist weiter möglich, dass das Führungselement in der vorhergehend erläuterten Projektionsebene ebenfalls innerhalb der Umrisslinie des Kopfelements angeordnet ist. Es ergibt sich vorteilhafter Weise, dass ein Verlauf der Verbindungselemente an eine räumlich Anordnung der Antriebseinrichtungen relativ zum Kopf- oder Pfannenelement angepasst werden kann, was z.B. eine sehr platzsparende Ausbildung des Gelenks ermöglicht.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Führungselement als Ringführungselement ausgebildet. Hierbei kann das mindestens eine Verbindungselement durch den Ring hindurchgeführt werden. Durch die Ausbildung des Führungselements als Ringelement ergibt sich in technisch vorteilhafter Weise, dass das Risiko eines Führungsverlusts verringert werden kann, insbesondere da ein Verbindungselement nicht aus dem Ring herausrutschen kann. Dies wiederum führt zu einer verbesserten Betriebssicherheit des Gelenks.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Anzahl an Verbindungselementen größer als die Anzahl an Antriebseinrichtungen. Insbesondere kann eine Antriebseinrichtung über zwei oder mehr als zwei Verbindungselemente mit verschiedenen Abschnitten an einem Kopf-, einem Pfannen- oder einem Gelenkelement verbunden sein. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass verschiedene Relativlagen zwischen Kopf- und Pfannenelement und somit zwischen den Gelenkelementen mit einer geringen Anzahl von Antriebseinrichtungen eingestellt werden können, was auch einen Energieverbrauch sowie Bauraumbedarf eines solchen Gelenks reduziert.
In einer weiteren Ausführungsform sind mehrere Verbindungselemente oder mehrere Antriebseinrichtungen mit einem starren Kopplungselement verbunden, wobei das Kopplungselement mit mindestens einer weiteren Antriebseinrichtung verbunden ist. Die weitere Antriebseinrichtung kann von den mit den Verbindungselementen verbundenen Antriebseinrichtungen verschieden sein und insbesondere zum Antrieb des starren Kopplungselements dienen. Die weitere Antriebseinrichtung kann beispielsweise eine Rotationsantriebseinrichtung, also eine Einrichtung zur Erzeugung einer Drehbewegung, sein. Auch ist es möglich, dass die weitere Antriebseinrichtung eine Linearantriebseinrichtung ist. Es ist weiter möglich, dass das Kopplungselement in der vorhergehend erläuterten Projektionsebene ebenfalls innerhalb der Umrisslinie des Kopfelements angeordnet ist.
Es ist möglich, dass mindestens eine Antriebseinrichtung einer Antriebskraft über das starre Kopplungselement und die damit verbundenen mehreren Verbindungselemente oder die damit verbundenen (weiteren) Antriebseinrichtungen auf das Kopf-, Pfannen- oder Gelenkelement überträgt. So lässt sich in vorteilhafter Weise ebenfalls die Anzahl von benötigten Antriebseinrichtungen für die Einstellung einer gewünschten Relativlage reduzieren.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Verbindungspunkte oder -abschnitte, in denen die Verbindungselemente mit einem Element, also dem Kopf-, Pfannen- oder einem Gelenkelement, verbunden sind, voneinander verschieden. Hierdurch kann eine Krafteinleitung in verschiedenen Abschnitten und Punkten erfolgen, was eine Zuverlässigkeit der Einstellung einer gewünschten Relativlage erhöht.
Alternativ ist ein derartiges Element in mindestens einem Verbindungspunkt oder - abschnitt mit mindestens zwei Verbindungselementen verbunden. Hierdurch lässt sich in vorteilhafter Weise die Anzahl von Verbindungspunkten oder Abschnitten reduzieren, was einen Fertigungsaufwand für ein solches Gelenk in vorteilhafter Weise reduzieren kann, insbesondere einen Fertigungsaufwand zur Herstellung von Verbindungspunkten bzw. - abschnitten.
Weiter vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betrieb eines Gelenks gemäß einer der in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen. Hierbei werden die mindestens zwei Antriebseinrichtungen zur Einstellung einer Soll-Relativlage zwischen dem ersten und dem weiteren Gelenkelement angesteuert.
Hierzu kann das Gelenk eine Steuereinrichtung umfassen, die beispielsweise als Mikrocontroller oder integrierte Schaltung ausgebildet oder eine(n) solche(n) umfassen kann. Diese Steuereinrichtung kann ebenfalls eine Auswerteeinrichtung ausbilden. Insbesondere kann die vorhergehend erläuterte Lageerfassungseinrichtung mit einer solchen Steuer- und Auswerteeinrichtung verbunden sein. Die Steuereinrichtung kann dann Signale zum Betrieb des Gelenks insbesondere in Antriebseinrichtungen erzeugen.
Hierdurch ergibt sich in technisch vorteilhafter Weise eine Vielzahl von Relativlagen, die im Gelenk mit kleinen Bauraumanforderungen und Störkontur eingestellt werden können.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Ansteuerung der Antriebseinrichtungen zuordnungsbasiert, wobei die Zuordnung von Stellgrößen der Antriebseinrichtung zu einer Relativlage durch Verfahren des maschinellen Lernens bestimmt wird.
Insbesondere kann die Zuordnung basierend auf sogenannten Trainingsdaten bestimmt werden, wobei zur Erzeugung von Trainingsdaten vorbestimmte Stellgrößen der Antriebseinrichtungen eingestellt und dann die diesen Stellgrößen zugeordnete Relativlagen bestimmt werden, beispielsweise mit der vorhergehend erläuterten Lageerfassungseinrichtung. Mit anderen Worten kann ein Motorpositionsvektor, der die Stellung der Abtriebselemente der Antriebseinrichtung beschreibt, eine Relativlage zugeordnet werden (und umgekehrt).
Basierend auf diesen Trainingsdaten können dann die genannten Verfahren eine allgemeingültige Zuordnung von Stellgrößen zu einer Relativlage und umgekehrt bestimmen. Wird also eine Soll-Relativlage, z.B. von einem Nutzer oder einer übergeordneten Anwendung, vorgegeben, so können dieser Relativlage zugeordnete Stellgrößen durch die derart bestimmte Zuordnung bestimmt und eingestellt werden.
Die Trainingsdaten können hierbei vor der Inbetriebnahme des Gelenks bestimmt werden, z.B. in einem Kalibriervorgang. Auch ist es vorstellbar, die Trainingsdaten während des Betriebs zu erzeugen, z.B. indem die zur Einstellung einer Soll-Lage eingestellten Stellgrößen bestimmt und die sich einstellende Ist-Lage erfasst wird. Hierdurch kann die Zuordnung von Stellgrößen zur Relativlage aktualisiert werden, wodurch sich also eine adaptive Anpassung der Zuordnung bzw. der Motorpositionsvektoren ergibt.
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise ein zuverlässiger Betrieb der Antriebseinrichtung mit einer hohen Positioniergenauigkeit.
Weiter ist es möglich, die Antriebseinrichtungen derart zu steuern, dass eine gewünschte Reibung zwischen dem mindestens einen Verbindungselement und dem Kopfelement eingestellt wird. So wird durch die Veränderung der Zugkraft auch eine Reibkraft zwischen Verbindungselement und Kopfelement verändert. Hierdurch wiederum kann ein dynamisches Verhalten des Gelenks auf vorbestimmte Eigenschaften eingestellt werden, insbesondere können für verschiedene Relativlagen voneinander verschiedene Reibwerte eingestellt werden.
Weiter ist es möglich, die Antriebseinrichtungen derart zu steuern, dass die verschiedenen mechanischen Verbindungen zwischen den Antriebseinrichtungen über das/die Verbindungselement(e) und dem angetriebenen Element verschiedene Resonanzeigenschaften aufweisen, wodurch in vorteilhafter Weise vorbestimmte Schwingungseigenschaften eingestellt werden können.
Es ist möglich, dass eine Ansteuerung der Antriebseinrichtungen zur Einstellung einer vorbestimmten Reibung und/oder vorbestimmter Resonanzeigenschaften ebenfalls zuordnungsbasiert erfolgt, wobei die Zuordnung von Stellgrößen der Antriebseinrichtung zu einer Reibung und/oder Resonanzeigenschaften durch Verfahren des maschinellen Lernens bestimmt wird.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Figuren zeigen:

1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Gelenks in einer ersten Ausführungsform,
2 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Gelenks in einer weiteren Ausführungsform,
3 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Gelenks in einer weiteren Ausführungsform,
4 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Gelenks mit Lageerfassungseinrichtungen,
5 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Gelenks mit einem Faserschlauch,
6 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Gelenks mit einem Führungselement,
7 eine Detailansicht eines erfindungsgemäßen Gelenks mit einem Führungselement,
8 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Gelenks mit Führungselementen in einer weiteren Ausführungsform,
9 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Gelenks in einer weiteren Ausführungsform,
10 eine Positioniereinrichtung mit mehreren erfindungsgemäßen Gelenken.

Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleichen oder ähnlichen technischen Merkmalen.
In 1 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Gelenks 1 dargestellt. Das Gelenk 1 dient zur Verbindung eines ersten Gelenkelements 5 mit einem weiteren Gelenkelement 2, wobei das weitere Gelenkelement 2 ein Pfannenelement 3 bzw. einen pfannenartig ausgebildeten Abschnitt aufweist bzw. ausbildet.
Weiter umfasst das Gelenk 1 ein kugelförmiges Kopfelement 4, welches in dem Pfannenelement 2, insbesondere einem Aufnahmevolumen des Pfannenelements 2, gelagert ist ist.
Das erste Gelenkelement 5 des Gelenks, welches im dargestellten Ausführungsbeispiel als taktiler Sensor einer Koordinatenmesseinrichtung ausgebildet ist, ist mit dem Kopfelement 4 mechanisch starr verbunden. Der Sensor umfasst einen sogenannten Taststift 6 und eine Tastkugel 7 am freien Ende des Taststifts 6. Hierbei ist der Taststift 6 mechanisch starr mit dem Kopfelement 4 verbunden, z.B. in diesen eingeschraubt.
Weiter dargestellt sind Antriebseinrichtungen 8, insbesondere eine erste Antriebseinrichtung 8a und eine zweite Antriebseinrichtung 8b. Jeweils dargestellt sind Verbindungselemente 9, nämlich seilartige Verbindungselemente, die insbesondere biegeschlaff ausgeführt sind. Hierbei ist die erste Antriebseinrichtung 8a, insbesondere ein Abtriebselement dieser Antriebseinrichtung 8a, über ein erstes Verbindungselement 9a mit einem Fußpunkt des Taststifts 6 verbunden, wobei der Fußpunkt den Abschnitt des Taststifts 6 bezeichnet, der unmittelbar an einer Oberfläche des Kopfelements 4 anliegt. Weiter ist die zweite Antriebseinrichtung 8b, insbesondere deren Abtriebselement, über ein zweites Verbindungselement 9b mit dem erläuterten Fußpunkt verbunden.
Dargestellt ist, dass beide Verbindungselemente 9a, 9b entlang des Kopfelements geführt sind, insbesondere entlang verschiedener Abschnitte der Oberfläche des Kopfelements.
Es ist z.B. möglich, dass Antriebseinrichtungen 8a, 8b und/oder zumindest ein Abschnitt der Verbindungselemente 9a, 9b in einer gemeinsamen Projektionsebene, die senkrecht zu einer durch den Mittelpunkt des Kopfelements 4 verlaufenden Geraden orientiert ist, innerhalb der Umrisslinie des Kopfelements 4 angeordnet sind.
Die Gerade durch den Mittelpunkt des Kopfelements kann beispielsweise parallel zu einer zentralen Längsachse des ersten Gelenkelements 2 orientiert sein, insbesondere wenn dieses als längliches Element ausgebildet ist. Alternativ oder kumulativ kann die Gerade parallel zu einer Längsachse des weiteren Gelenkelements 5 orientiert sein, insbesondere wenn dieses als längliches Element ausgebildet ist.
Durch den Betrieb der Antriebseinrichtungen 8a, 8b können diese eine Zugkraft auf die Verbindungselemente 9a, 9b ausüben bzw. eine Bewegung der Verbindungselemente 9b freigeben. So kann z.B. eine Zugkraft durch die erste Antriebseinrichtung 8a auf das erste Verbindungselement 9a ausgeübt werden, während die zweite Antriebseinrichtung 8b die Bewegung des zweiten Verbindungselements 9b freigibt. Hierdurch kann eine Zugkraft auf das weitere Gelenkelement 5 und somit auch auf das damit verbundene Kopfelement 4 ausgeübt werden, die eine Drehbewegung des Kopfelements 4 bewirkt, insbesondere eine Drehbewegung um zwei oder drei Bewegungsachsen, die insbesondere linear unabhängig voneinander sein können. Vorzugsweise sind die Antriebseinrichtungen 8, 8a, 8b als lineare Antriebseinrichtungen ausgebildet.
2 zeigt ein Gelenk 1 in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Dargestellt sind sechs Antriebseinrichtungen 8, die jeweils über Verbindungselemente 9 mit einem Pfannenelement 3 verbunden sind. Das Pfannenelement 3 umfasst ein Ringelement 10 zur Auflage auf der Oberfläche des Kopfelements 4 und Armelemente 11, die das Ringelement 10 mit einem Befestigungsabschnitt 12 für das weitere Gelenkelement 2 verbindet. Das weitere Gelenkelement 2 ist als taktiler Sensor mit einer Tastkugel 7 und einem Taststift 6 ausgebildet, wobei ein freies Ende des Taststifts 6 an dem genannten Befestigungsabschnitt 12 befestigt ist. Nicht dargestellt ist das erste Gelenkelement 5, welches mit dem Kopfelement 4 verbunden bzw. das Kopfelement 4 ausbildet.
Ersichtlich ist, dass die Verbindungselemente 9 zumindest abschnittsweise entlang der Oberfläche des Kopfelements 4 geführt sind. Durch entsprechende Steuerung der Antriebseinrichtungen 8 zur Ausübung einer Zugkraft auf das jeweils mit der Antriebseinrichtung 8 verbundene Verbindungselement bzw. zur Freigabe einer Bewegung des Verbindungselements 9 kann das Pfannenelement 3 entlang der Oberfläche des Kopfelements 4 bewegt werden, wodurch das weitere Gelenkelement 2 eine Drehbewegung um mehrere, insbesondere 3, linear voneinander unabhängige Rotationsachsen ausführen kann.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Gelenks 1 in einer weiteren Ausführungsform. Dargestellt ist, dass das erste Gelenkelement 5 das Kopfelement 4 an einem Ende ausbildet. Ebenfalls dargestellt ist, dass das weitere Gelenkelement 2 das Pfannenelement 3 ausbildet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Übersichtlichkeit halber nur eine Antriebseinrichtung 8 dargestellt, die über ein Verbindungselement 9 mit dem ersten Gelenkelement 5 verbunden ist. Dargestellt ist ein Führungselement 13 zur Führung des Verbindungselements 9, nämlich ein als Umlenkrolle ausgebildetes Führungselement. Ein erstes Ende des Verbindungselements 9 ist hierbei mit dem ersten Gelenkelement 5 verbunden. Ein weiteres Ende des Verbindungselements 9 ist hierbei mit einer ortsfest angeordneten Halteeinrichtung verbunden. Ein Abtriebselement der Antriebseinrichtung 8 mit der Umlenkrolle 13 und über diese mit dem Verbindungselement 9 verbunden.
Die in 3 dargestellte Ausführungsform zeigt eine 1:2 -Übersetzung für die Antriebsbewegung, die dazu führt, dass das Verbindungselement 9 doppelt so viel bewegt wird wie das Abtriebselement der Antriebseinrichtung 8. Dadurch wird eine platzsparende Ausführung des Gelenks 1 erreicht.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Gelenks 1 mit Lageerfassungseinrichtungen 14. Das in 4 dargestellte Gelenk 1 ist hierbei im Wesentlichen wie das in 1 dargestellte Gelenk 1 ausgebildet, wodurch auf die entsprechenden Ausführungen zu 1 verwiesen werden kann. Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Ausführungsform umfasst das Gelenk 1 Lageerfassungseinrichtungen 14, die beispielsweise als Sensoren ausgebildet sein können, insbesondere optische oder magnetische Sensoren. Das Kopfelement 4 kann hierbei optisch oder magnetisch detektierbare Elemente 15 umfassen bzw. ausbilden. Durch die Erfassung dieser Elemente 15 durch die Lageerfassungseinrichtungen 14 kann eine Relativ(dreh)lage zwischen dem Kopfelement 4 und dem Pfannenelement 3 und somit auch zwischen dem ersten und dem weiteren Gelenkelement 5, 2 bestimmt werden, insbesondere in einem Referenzkoordinatensystem, beispielsweise einem ortsfest relativ zum Kopfelement 4 angeordneten Kugelkoordinatensystem. Somit können beispielsweise eine Längen- und Breitengradposition der Kugeloberfläche erfasst werden, die in einem Erfassungsbereich einer Lageerfassungseinrichtung 14 angeordnet ist.
Nicht dargestellt ist eine Steuer- und Auswerteeinrichtung des Gelenks 1, die beispielsweise daten- und/oder signaltechnisch mit den Lageerfassungseinrichtungen 14 verbunden sein kann. Diese Steuer- und Auswerteeinrichtung kann dann in Abhängigkeit einer durch die Lageerfassungseinrichtungen 14 erfassten Ist-Lage Steuersignale für die Antriebseinrichtungen 8 erzeugen, um eine Abweichung zwischen einer Soll-Lage und der Ist-Lage zu minimieren. Somit wird eine sensorgestützte Lageregelung im Gelenk 1 ermöglicht.
5 zeigt eine schematische Ansicht eines Gelenks 1 mit einem Faserschlauch 16. Das in 5 dargestellte Gelenk 1 ist hierbei im Wesentlichen wie das in 2 dargestellte Gelenk 1 ausgebildet, wobei auf die entsprechenden Ausführungen zu 2 verwiesen werden kann. Dargestellt ist im Unterschied zu der in 2 dargestellten Ausführungsform, dass die Verbindungselemente 9 zumindest teilweise von einem Faserschlauch 16 ausgebildet werden. Hierbei sind zwischen den Verbindungselementen 9 Gewebefasern angeordnet, die die Verbindungselemente 9 miteinander verbinden. Auch diese Gewebefasern können an der Oberfläche des Kopfelements 4 anliegen, also entlang des Kopfelements 4 geführt werden. Diese Gewebefasern können kontraktionsfähig ausgebildet sein. Dadurch wird ein unerwünschtes Abrutschen der Verbindungselemente 9 entlang der Oberfläche des Kopfelements 4 verhindert, wobei jedoch eine für die Positionierung benötigte Bewegungsfreiheit der Verbindungselemente gewährleistet wird.
Es ist möglich, dass genau ein Verbindungselement 9, mehrere Verbindungselemente 9 oder alle Verbindungselemente 9 oder mehrere Gewebefaser(n) als Elemente zur Signalübertragung ausgebildet sind. Hierdurch kann beispielsweise eine Datenleitung bereitgestellt werden, die eine Datenverbindung über das Gelenk 1 ermöglicht.
Beispielsweise ist es möglich, dass eine derart ausgebildete Faser aus dem dargestellten Faserschlauch 16 zum ersten Gelenkelement 5 (siehe 1 oder 3) geführt wird, um eine signaltechnische Verbindung zwischen den Gelenkelementen bzw. daran angeordneten Elementen zu gewährleisten.
6 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines Gelenks 1, welches wie die in 2 dargestellte Ausführungsform ein Pfannenelement 3 mit einem Ringelement 10 und Armen 11 umfasst, die das Ringelement 10 mit einem Befestigungsabschnitt 12 für das weitere Gelenkelement 2 verbinden. Ebenfalls dargestellt sind Verbindungselemente 9, die vom Ringelement 10 entlang der Oberfläche des Kopfelements 4 zu einem ringförmig ausgebildeten Führungselement 17 geführt sind. Dieses Führungselement 17 kann in der vorhergehend erläuterten Projektionsebene des Umrisses des Kopfelements 4 angeordnet sein. Es ist dargestellt, dass die Verbindungselemente 9 durch das Führungselement 17 hindurch (also durch die von dem Ringelement 17 umfasste Durchgangsöffnung hindurch) zu einem Kopplungselement 18 geführt und mit diesem verbunden sind. Somit ist also ein erstes Ende des Verbindungselements 9 mit dem Pfannenelement 3 und ein weiteres Ende mit dem Kopplungselement 18 verbunden. Nicht dargestellt sind Antriebseinrichtungen, die eine Translationsbewegung des Kopplungselements 18 in eine, vorzugsweise zwei oder drei, insbesondere linear voneinander unabhängige, Raumrichtungen und/oder eine Rotationsbewegung des Kopplungselements 18, insbesondere eine zentrale Symmetrieachse, ermöglichen. Die Anzahl der Antriebseinrichtungen sowie deren Ausbildung kann hierbei entsprechend der gewünschten Anzahl der Rotationsfreiheitsgrade der Relativbewegung zwischen Kopfelement 4 und Pfannenelement 3 gewählt werden. So kann beispielsweise mit den Linearantriebseinrichten, deren Abtriebselemente entlang orthogonal zueinander und orthogonal zur Drehachse des Kopplungselements 18 bewegt werden können, eine Veränderung der Relativlage um zwei Rotationsfreiheitsgrade ermöglicht werden. Für eine Veränderung der Relativlage um einen dritten, zusätzlichen Rotationsfreiheitsgrad kann eine Rotationsantriebseinrichtung vorgesehen sein, die das Kopplungselement 18 um seine zentrale Symmetrieachse herum dreht.
Es ist vorstellbar, dass auch das Führungselement 17 durch eine oder mehrere Antriebseinrichtung(en) mit einer Linear- und/oder Rotationsbewegung bewegt werden kann, insbesondere um einen Stellbereich für die einzustellende Relativlage zu vergrößern oder ein Schwingungsverhalten des angetriebenen Gelenkelements (in diesem Fall des weiteren Gelenkelements 2) zu steuern, insbesondere zu minimieren.
7 zeigt eine Detailansicht eines Gelenks 1, wobei nur Antriebseinrichtungen 8, Verbindungselemente 9 und ein Führungselement 17 dargestellt ist. Wie in 6 dargestellt kann dieses Führungselement 17 ringförmig ausgebildet sein. Hierbei ist dargestellt, dass die linearen Achsen, entlang derer die Abtriebselemente der Antriebseinrichtungen 8 bewegt werden, in einer Ebene angeordnet sind, die senkrecht zur zentralen Symmetrieachse des Führungselements 17 orientiert ist. Hierdurch wird ein Bauraumbedarf des Gelenks 1 entlang dieser zentralen Symmetrieachse verringert, was u.a. in einer flachen Bauweise (bezogen auf die Symmetrieachse) resultiert.
8 zeigt eine schematische Darstellung eines Gelenks 1 in einer weiteren Ausführungsform. Dargestellt ist das Pfannenelement 3, welches ein Ringelement 10 und Arme 11 umfasst, die das Ringelement 10 mit einem Befestigungsabschnitt 12 zu Befestigung des weiteren Gelenkelements 2, welches als taktiler Sensor ausgebildet ist, umfassen. Ebenfalls dargestellt sind Verbindungselemente 9, die das Ringelement 3 mit den Antriebseinrichtungen 8 verbinden.
Es ist ersichtlich, dass ein erstes Verbindungselement 9a die erste Antriebseinrichtung 8a mit einem Befestigungsabschnitt am Pfannenelement 3, insbesondere dem Ringelement 10, verbindet. Ebenfalls dargestellt ist, dass ein zweites Verbindungselement 9b eine zweite Antriebseinrichtung 8b mit demselben Befestigungsabschnitt verbindet.
Weitere Verbindungselemente 9 verbinden andere Befestigungsabschnitte mit weiteren Antriebseinrichtungen 8. Um eine gewünschte Führung der Verbindungselemente 9, 9a, 9b entlang der Oberfläche des Kopfelements 4 zu gewährleisten, umfasst das Gelenk 1 ringförmige Führungselemente 17, durch die hindurch die Verbindungselemente 9 zu den Antriebseinrichtungen 8, 8a, 8b geführt sind.
9 zeigt eine schematische Darstellung eines Gelenks 1 in einer weiteren Ausführungsform. Hierbei ist dargestellt, dass Verbindungselemente 9 das weitere Gelenkelement 2, insbesondere das Ringelement 10, mit Antriebseinrichtungen 8 verbinden, die auf einem Kopplungselement bzw. an dem Kopplungselement 18 angeordnet sind. Auch dieses Kopplungselement 18 ist ringförmig ausgebildet. Eine nicht dargestellte weitere Antriebseinrichtung kann beispielsweise eine Rotationsbewegung des ringförmigen Kopplungselements 18 um seine zentrale Symmetrieachse herum bewirken.
Ebenfalls dargestellt ist, dass immer zwei Verbindungselemente 9 mit dem gleichen Befestigungsabschnitt am Pfannenelement bzw. Ringelement 10 verbunden sind.
10 zeigt eine schematische Darstellung einer Positioniereinrichtung 19 mit mehreren Gelenken 1a, 1b, 1c. Dargestellt sind auch die verschiedenen Gelenkelemente 2a, 2b, 2c, 5a, 5b, 5c, die über die jeweiligen Gelenke 1a, 1b, 1c miteinander relativ beweglich verbunden sind. Ebenfalls dargestellt sind die Pfannen- und Kopfelemente 3a, 4a, 3b, 4b, 3c, 4c der Gelenke 1a, 1b, 1c. Der Übersichtlichkeit halber wurde auf die Darstellung der Antriebseinrichtungen 8 und Verbindungselemente 9 (siehe 1) verzichtet. Es ist aber vorstellbar, dass die entsprechenden Antriebseinrichtungen an einem Gelenkelement 2a, 5a, 2b, 5b, 2c, 5c angeordnet sind bzw. ortsfest relativ zu diesem angeordnet sind.
Bezugszeichenliste

1, 1a, 1b, 1c: Gelenk
2, 2a, 2b, 2c: weiteres Gelenkelement
3: Pfannenelement
4, 4a, 4b, 4c: Kopfelement
5, 5a, 5b, 5c: erstes Gelenkelement
6: Taststift
7: Tastkugel
8, 8a, 8b: Antriebseinrichtung
9, 9a, 9b: Verbindungselement
10: Ringelement
11: Arm
12: Befestigungsabschnitt
13: Führungselement, Umlenkrolle
14: Lageerfassungseinrichtung
15: Element
16: Faserschlauch
17: Element
18: Kopplungselement
19: Positioniereinrichtung

Claims

Gelenk zur Verbindung eines ersten Gelenkelements (5, 5a, 5b, 5c) mit einem weiteren Gelenkelement (2, 2a, 2b, 2c), wobei das Gelenk (1, 1a, 1b, 1c) die beiden Gelenkelemente (2, 2a,.., 5, 5a,...), ein Kopfelement (4, 4a, 4b, 4c), ein Pfannenelement (3, 3a, 3b, 3c) und mindestens zwei Antriebseinrichtungen (8, 8a, 8b) umfasst, wobei das Kopfelement (4, 4a, 4b, 4c) mit dem ersten Gelenkelement (5, 5a, 5b, 5c) und das Pfannenelement (3, 3a, 3b, 3c) mit dem weiteren Gelenkelement (2, 2a, 2b, 2c) verbunden ist oder von diesem ausgebildet wird, wobei das Kopfelement (4, 4a, 4b, 4c) und das Pfannenelement (3, 3a, 3b, 3c) beweglich aneinander gelagert sind, , wobei die Antriebseinrichtungen (8, 8a, 8b) über mindestens ein biegsames Verbindungselement (9, 9a, 9b) mit - dem Kopfelement (4, 4a, 4b, 4c) oder dem ersten Gelenkelement (5, 5a, 5b, 5c) oder - dem Pfannenelement (3, 3a, 3b, 3c) oder dem weiteren Gelenkelement (2, 2a, 2b, 2c) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verbindungselement (9, 9a, 9b) zumindest abschnittsweise entlang des Kopfelements (4, 4a, 4b, 4c) geführt ist.
Gelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtungen Linearantriebseinrichtungen (8, 8a, 8b) sind.
Gelenk nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pfannenelement (3) ein Ringelement (10) zur Auflage auf dem Kopfelement (4) und Armelemente (11) umfasst, wobei die Armelemente (11) das Ringelement (10) mit dem weiteren Gelenkelement (2) verbinden oder von dem weiteren Gelenkelement (2) ausgebildet werden.
Gelenk nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenk (1) eine Lageerfassungseinrichtung (14) zur Erfassung einer Relativlage zwischen dem Pfannenelement (3) und dem Kopfelement (4) aufweist.
Gelenk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopfelement (4) und/oder das Pfannenelement (3) mindestens ein Element (15) zur Erfassung durch die Lageerfassungseinrichtung (14) umfasst.
Gelenk nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Verbindungselement(e) (9) von einem Faserschlauch (16) ausgebildet werden.
Gelenk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Faserschlauchabschnitt zwischen zwei Verbindungselementen (9) kontraktionsfähig ist.
Gelenk nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verbindungselement (9) als Element zur Datenübertragung ausgebildet ist oder ein solches umfasst.
Gelenk nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenk (1) mindestens ein Führungselement (17) zur Führung des mindestens eines Verbindungselements (9) umfasst.
Gelenk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Führungselement (17) als Ringführungselement ausgebildet ist.
Gelenk nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl an Verbindungselementen (9) größer als die Anzahl an Antriebseinrichtungen (8) ist.
Gelenk nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Verbindungselemente (9) oder mehrere Antriebseinrichtungen (8) mit einem starren Kopplungselement (18) verbunden sind, wobei das starre Kopplungselement (18) mit mindestens einer Antriebseinrichtung verbunden ist.
Gelenk nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungspunkte oder -abschnitte, in denen die Verbindungselemente (9) mit einem Element (2, 3, 4, 5) verbunden sind, voneinander verschieden sind oder dass ein Element (2, 3, 4, 5) in mindestens einem Verbindungspunkt oder -abschnitt mit mindestens zwei Verbindungselementen (9) verbunden ist.
Verfahren zum Betrieb eines Gelenks (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtungen (8) zur Einstellung einer Soll-Relativlage zwischen dem ersten und dem weiteren Gelenkelement (2, 5) angesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung zuordnungsbasiert erfolgt, wobei die Zuordnung von Stellgrößen der Antriebseinrichtungen (8) zu einer Relativlage durch Verfahren des maschinellen Lernens bestimmt werden.