DE10209209A1

DE10209209A1 - Stufenlose Verriegelung, insbesondere Schwenkgelenk mit einer solchen

Info

Publication number: DE10209209A1
Application number: DE10209209A
Authority: DE
Inventors: Helmut C. Hartwig
Original assignee: Individual
Current assignee: Maquet GmbH
Priority date: 2002-03-04
Filing date: 2002-03-04
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2022-03-05
Also published as: DE10209209B4

Abstract

Schwenkgelenk mit stufenloser Schwenkverriegelung mit zwei aneinander verdrehenden Gelenkplatten (10, 16) mit einer Mehrzahl kreisförmig angeordneter Eingreifbolzen (18) an einer (16) der Platten, die einer ungleichgroßen Mehrzahl von ebenso gleichförmig angeordneten Eingreifausnehmungen (12) an der anderen Platte gegenüberstehen, wobei die Eingreifbolzen (18) mit einem schräg zulaufenden Abschnitt ausgebildet sind und wenigstens zwei Bolzen in entsprechend mit einem Abstützbereich (14) ausgenommene Ausnehmungen (12) eingreifen.

Description

Die Erfindung betrifft eine stufenlose Verriegelung insbesondere ein Schwenkgelenk mit stufenloser Verriegelung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.
In der Robotik, bei jedem Roboterarm, aber ganz allgemein bei mechanisch realisierten Gelenken ergibt sich das Problem, daß die Gelenke häufig in einer festen, sich nicht ändernden Position erhebliche Lasten aufzunehmen haben.
In dieser Position werden sie bisher reibschlüssig oder in Rastungen gestuft arretiert.
Die reibschlüssige Verriegelung ist nun zwar stufenlos einstellbar, kann aber – gerade nach längerem Einsatz – plötzlich "rutschen", wenn höhere Lasten auftreten. Dieses ist natürlich zu vermeiden. Eine stufenlose Verriegelung, die hohe Kräfte aufnehmen kann, ist aber bisher nicht bekannt, so daß man sich nur mit gestuften Verriegelungen behelfen kann.
Zudem benötigen viele gestufte Verriegelungen einen großen Kraftaufwand zum Entriegeln, können sich häufig nicht selbständig verriegeln und schließlich macht die gleichzeitige Entriegelung mehrerer Gelenke zum gleichen Zeitpunkt Probleme.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine stufenlose Rastverriegelung zu schaffen, die diese Nachteile nicht aufweist.
Erfindungsgemäß wird dies durch eine Verriegelung mit den Merkmalen des Anspruches 1 und bei kreisförmiger Anordnung der Eingreifstücke (der Eingreifbolzen) durch ein Schwenkgelenk mit den Merkmalen der Ansprüche 2 oder 3 gelöst. Die weiteren Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen wieder.
Insbesondere ist vorteilhaft, daß eine die Vorsehung von kreisförmig angeordneten, beispielsweise zwölf Eingreifbolzen in einer ersten zweier miteinander verschwenkenden Gelenkplatten bei gegenüberliegenden, nicht mit allen Bolzen fluchtenden Aufnahmen eine Mehrzahl von Bolzen in die gegenüberliegend in der zweiten Gelenkplatte angeordneten Aufnahmen eingreift und so ein großes Drehmoment fest halten können. Ein großer Vorteil ist die stets auch noch nach längerer Nutzung anhaltende Halterung ohne jedes Spiel.
Auch können die Abtriebe von empfindlichen Getrieben beispielsweise bei schweren medizinischen Apparaten durch eine solche stufenlose Verriegelung, die auch an gerade (Verschiebe-) Schienen denkbar ist, vor Einwirkung geschützt werden. Solche Einwirkungen können beispielsweise der Anprall von Patienten oder sogar geschobenen Betten sein, die die hochempfindlich justierten Apparate, insbesondere solche mit sog. Harmonic-Drive-Getrieben dejustieren oder gar die Getriebe beschädigen können.
Beispielhaft sind im folgenden kreisförmig angeordnete Bolzen beschrieben, von denen je mindestens zwei gegen die beiden denkbaren Richtungen einer Schwenk- und Verdrehbewegung im Formschluß mit der gegenüberliegenden Aufnahme in der anderen Gelenkplatte liegen, während sie in eigenen Führungen ebenfalls spielfrei sitzen.
Die einzelnen Gelenkbolzen sind dabei in möglichst paßgenauen Führungen in der einen Gelenkplatte verschieblich gelagert, wobei sie mit Mitteln zum Rückziehen, beispielsweise pneumatischen oder elektrischen oder auch mechanischen Mitteln versehen sind.
Diese Mittel werden für den Fall der Verriegelung inaktiviert, so daß sich eine selbständige, beispielsweise durch einzelne Federn an den Eingreifbolzen verursachte Vorwärtsbewegung der Eingreifbolzen ergibt, bis diese auf Widerstand stoßen. Durch ein ungleichzahliges Vorsehen von mehr Aufnahmen als Rastbolzen vorhanden sind, wird sich wenigstens ein Bolzen (für den Fall, daß die Zahl der Bohrung um eins höher ist) finden, der vergleichswei se gut auf die Bohrung zentriert ist und weit eintaucht. Benachbarte, im Endbereich sich verjüngende Bolzen werden nur wenig in die mit einer trichterartigen Anschrägung beginnenden Aufnahmen eintauchen, wobei sie nur mit einem Teil der Aufnahmewandung in Kontakt treten, aber gegen eine Verdrehrichtung gut sichern.
In einer weiteren Ausführungsform könnte durch Hinzufügen von deutlich mehr Aufnahmen, so daß an einem bei kreisförmiger Anordnung gegenüberliegenden Ort ebenfalls ein Eintauchen zu erwarten ist, die Haltekraft gesteigert werden.
Vorgeschlagen wird jedoch die Vorsehung von 12 Bolzen und 13 Aufnahmen, wobei die Rastbolzen und die Rastaufnahmen jeweils in einem Abschnitt kegelig mit einem Winkel von 30° zur übrigen Mantelfläche als kegelstumpfförmig zulaufende Bolzenenden und trichterförmige Aufnahmeeinführungen ausgeformt sind, während im weiteren Verlauf Zylinderform herrscht.
Die Aufnahmen besitzen in einer bevorzugten Ausführung eine Bohrung tiefer als die in sie eintauchende maximale Länge der Bolzen, so daß das Eintauchen der Eingreifbolzen sicher bis zu ihrer vollen Länge erfolgt. Die Aufnahmen können auch einen größeren Durchmesser als der Durchmesser der Bolzen aufweisen.
Ein Entriegelungsmechanismus kann auf verschiedene Weisen realisiert werden, beispielsweise durch an den einzelnen Eingreifbolzen vorhandene Rückziehelemente, die in einer dritten Platte gelagert sind, durch elektromechanische oder pneumatische Mittel, beispielsweise Magneten an den Eingreifbolzen, die sie nach hinten zurückziehen, oder auch eine zentrale Rückzieherplatte für die Bolzen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnung. Dabei zeigt:
1 einen Schnitt durch den Bereich A – A der 2, und
2 eine Draufsicht auf die Gelenkplatten mit Bolzen und Aufnahmen entsprechend 1.
1 zeigt als konkretes Beispiel einer stufenlosen Verriegelung zweier zueinander beweglicher Elementen mit einer Mehrzahl von Eingreifstücken an einem der Elemente, die einer ungleichgroßen Mehrzahl von ebenso kreisförmig angeordneten Aufnahmen an dem anderen Element gegenüberstehen, ein Schwenkgelenk mit zwei gegeneinander verdrehenden Platten.
Als Eingreifstücke sind Bolzen vorgesehen und die Aufnahmen, in die sie unter Bewirkung eines Formschlusses gegen eine aneinandervergleitende Bewegung, hier eine Verdrehbewegung, in einer stufenlosen Vielzahl von sich im wesentlichen gegenüberliegenden Positionen ineinander eingreifen, sind trichterförmig und/oder die Spitzen der Bolzen verjüngt ausgebildet.
Dabei ist in 1 der in der 2 in der oberen Hälfte dargestellten Bereich A-A mit sieben in einer oberen Platte 10 vorgesehenen Aufnahmen 12, die jeweils mit einem konischen Öffnungsbereich 14 versehen sind, abgerollt dargestellt.
Das erfindungsgemäße Schwenkgelenk mit stufenloser Schwenkverriegelung kann also alternativ

i) mit einer Mehrzahl kreisförmig angeordneter verjüngter Eingreifbolzen 18 an einer Platte 16, und zylindrischen in einer ungleichgroßen Mehrzahl ebenso kreisförmig angeordneten, gegenüberstehenden Aufnahmen 12 an der anderen Platte oder
ii) mit Aufnahmen 12, die jeweils mit einem trichterförmigen Abstützbereich (14) ausgebildet sind, oder
iii) – bevorzugt und dargestellt – mit beiden Maßnahmen in Kombination, d.h. z.B. Eingreifbolzen 18, die mit einem konisch zulaufenden Abschnitt 24 an ihrem Ende versehen sind, und Aufnahmen 12, die mit gleichem Winkel konisch zulaufende Abstützbereiche 14 an ihren der anderen Platte zugewandten Öffnungen besitzen, realisiert werden.

Die ungleiche Anzahl kann durch eine Zahl n + 1 der Anzahl der Bohrungen gegenüber der Zahl der Bolzen oder Stifte realisiert werden, ein umgekehrtes oder auch ein wesentlich anderes ungleiches Verhältnis ist denkbar.
Vorteilhafterweise sind die Aufnahmen 12 als runde Bohrungen in der einen Gelenkplatte 10 vorgesehen, und die Führungen zylindrischer Eingreifbolzen 18 sind durch runde Bohrungen in der anderen Platte 16 gebildet.
Durch wenigstens eine auf der Rückseite der die Eingreifbolzen 18 beherbergenden Platte 16 vorgesehene – nicht dargestellte – Entriegelungseinrichtung zum Herausziehen der Eingreifbolzen 18 aus den Aufnahmen der anderen Platte 10 kann die Aufnahme entriegelt werden.
Eine Alternative wäre eine auf der Rückseite der Platte 10 mit den Aufnahmen 12 vorzusehende Einrichtung zum Beaufschlagen wenigstens der Aufnahmen 12 mit Preßluft, in denen Eingreifbolzen 18 eingedrungen sind.
In einer in der Darstellung unteren Platte 16 sind in der 1 sieben Eingreifbolzen 18 in dem schon für die Aufnahmen dargestellten teilkreisförmigen Bereich A-A gezeigt, die jeweils einen konischen Spitzenabschnitt 20 aufweisen. Sie ruhen in engen, an die Abmessungen der Bolzen angepaßten Führungen 22, in denen sie in Richtung auf die obere Palette 10 hin (und von ihr weg zurück) vergleiten können. Es ist natürlich über die in der Darstellung gewählte Lage jede andere Lage mit einem anderen "oben" und "unten" realisierbar.
Durch die Wahl eines geeigneten Versatzes, d.h. im Beispiel mit einer Bohrung mehr als (zwölf) Rastbolzen vorgesehen sind, ergibt sich das Eintauchen eines mittleren Bolzen 24 bis fast zur Maximaltiefe und zweier daneben liegender Bolzen in engem Anliegen an einander entgegengerichtete liegende Wandbereiche (Teilumfänge) zweier konischer Öffnungsbereiche 14 benachbarter Aufnahmen 12.
In der 2 sind die gleichen Verhältnisse dargestellt, wobei der konische Bereich 20 der Rastbolzen nicht separat dargestellt wurde, sondern nur deren Stirnfläche 26.
Gegenüber bekannten reibschlüssigen Gelenkarretierungen ergibt sich der Vorteil wesentlich höherer aufnehmbarer Drehmomente, sowie ein hoher Sicherheitsstandard durch selbständige federunterstützte Verriegelung und die Vorteile eines geringen Kraftaufwandes zum Entriegeln, wobei die gleichzeitige Entriegelung mehrerer Gelenke, beispielsweise bei einem längeren Roboterarms durch mechanische und elektrische oder pneumatische Synchronisation ohne weiteres möglich ist.

Claims

Stufenlose Verriegelung mit zwei zueinander beweglichen Elementen (10, 16), gekennzeichnet durch – eine Mehrzahl von Eingreifstücken (18) an einem (16) der Elemente, die einer ungleichgroßen Mehrzahl von in einem entsprechenden, gegenüberliegenden Bereich des anderen Elements (10) angeordneten Aufnahmen (12) gegenüberstehen, – wobei stufenlos ein Teil der Eingreifstücke (18) mit wenigstens einem Teilabschnitt bei einem Teil der Aufnahmen (12) in wenigstens einen Teilbereich der Aufnahmen (12) unter Bewirkung eines Formschlusses gegen einen Teilbereich der Aufnahmewandung zur Blockade gegen eine aneinandervergleitende Bewegung eingreift.
Schwenkgelenk mit stufenloser Verriegelung nach Anspruch 1, mit zwei aneinander verdrehenden Gelenkplatten (10, 16), gekennzeichnet durch – eine Mehrzahl kreisförmig angeordneter Eingreifbolzen (18) an einer (16) der Platten, die einer ungleichgroßen Mehrzahl von ebenso kreisförmig angeordneten Aufnahmen (12) an der anderen Platte (10) gegenüberstehen, – wobei die Eingreifbolzen (18) jeweils mit einem verjüngt zulaufenden Ende ausgebildet sind, und – wobei wenigstens zwei Eingreifbolzen (18) in im wesentlichen gegenüberliegende Aufnahmen (12) eingreifen.
Schwenkgelenk mit stufenloser Verriegelung nach Anspruch 1, mit zwei aneinander verdrehenden Gelenkplatten (10, 16), gekennzeichnet durch – eine Mehrzahl kreisförmig angeordneter Eingreifbolzen (18) an einer (16) der Platten, die einer ungleichgroßen Mehrzahl von ebenso kreisförmig angeordneten Aufnahmen (12) an der anderen Platte (10) gegenüberstehen, – wobei die Aufnahmen (12) jeweils mit einem trichterförmigen Abstützbereich (14) an ihrer den Eingreifbolzen (18) zugewandten Seite ausgebildet sind, und – wobei wenigstens zwei Eingreifbolzen (18) in im wesentlichen gegenüberliegende Aufnahmen (12) eingreifen.
Schwenkgelenk nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß – die Eingreifbolzen mit einem konisch zulaufenden Abschnitt (24) an ihrem Ende versehen sind, und – ein mit gleichem Winkel konisch zulaufender Abstützbereich (14) bei den Aufnahmen (12) vorgesehen ist.
Schwenkgelenk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmen (12) runde Bohrungen in der einen Gelenkplatte (10) sind, und die Führungen zylindrischer Eingreifbolzen (18) durch runde Bohrungen in der anderen Platte (16) gebildet sind.
Schwenkgelenk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Rückseite der die Eingreifbolzen (18) beherbergenden Platte (16) eine Entriegelungseinrichtung zum Herausziehen der Eingreifbolzen (18) aus den Aufnahmen der anderen Platte (10) angeordnet ist.