DE10222022B4

DE10222022B4 - Vorrichtung mit fluidischem Schwenkantrieb

Info

Publication number: DE10222022B4
Application number: DE2002122022
Authority: DE
Inventors: Stefan Schulz
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: SCHULZ, STEFAN, DR., 76149 KARLSRUHE, DE
Priority date: 2002-05-17
Filing date: 2002-05-17
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2022-05-18
Also published as: DE20309196U1; DE10222022A1

Abstract

Vorrichtung mit fluidischem Schwenkantrieb für zwei durch ein Gelenk (1) miteinander verbundene und um eine Schwenkachse gegenseitig bewegliche Bauteile (2), umfassend
a) einen Hohlkörper (5) mit einem expandierbaren Hohlvolumen und zwei Enden (4), welche an je einer Befestigungsstelle (3) je an einem der beiden Bauteile (2) fest verbunden sind, wobei der Hohlkörper die beiden Bauteile (2) bei Überbrückung des Gelenks (1) verbindet und dabei seitlich am Gelenk (1) angeordnet ist, sowie
b) mindestens einen Fluidkanal (6), welcher als Zu- und Abfluss für ein Arbeitsfluid mit dem Hohlvolumen verbunden ist
dadurch gekennzeichnet, dass
c) der Hohlkörper ein biegeweicher Schlauch (5) ist; ^`
d) die Befestigungsstellen (3) seitlich an den Bauteilen (2) angeordnet sind, sowie
e) die Enden (4) des Schlauchs (5) an den Befestigungsstellen (3) durch Verklemmung, Verklebung oder Verschweißung verschlossen sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit fluidischem Schwenkantrieb, d. h. mit fluidischem, d. h. einem hydraulischen oder pneumatischen Antrieb, für zwei durch ein Gelenk miteinander verbundene und um eine Schwenkachse gegenseitig bewegliche Bauteile gemäß des Oberbegriffs von Anspruch 1.
Fluidische Schwenkantriebe der eingangs genannten Art eignen sich insbesondere als Antriebskomponenten für Manipulatoren. Denkbare Einsatzgebiete umfassen neben industriellen oder schaustellerischen auch medizinische Anwendungen, wobei hier neben Einsatzgebieten in der manipulatorgestützten Chirurgie vor allem alle Bereiche der Prothetik zu erwähnen sind.
Schwenkantriebe herkömmlicher Art sind in der Regel komplex aufgebaut. Neben den rein mechanischen und motorischen Antrieben mit aufwendigen Getriebeeinheiten oder anderen Übertragungsmechanismen haben sich auch hydraulische oder pneumatische Kolbenantriebe in der Praxis durchgesetzt. Die genannten Systeme eignen sich zwar hervorragend für die Übertragung größerer Kräfte, weisen aber einen aufwendigen Aufbau mit geringen Fertigungstoleranzbreiten auf und sind dadurch in ihrer Wartung anspruchsvoll.

Alternativ hierzu ist aus der DE 2345856 ein einfacher fluidischer Antrieb bekannt, bei dem zwei Bauteilen mit einem Gelenk mit einer Schwenkachse verbunden ist. Als Antriebselement dient ein dehnbarer Hohlkörper, welcher zwischen den Stirnflächen der beiden Bauteilen neben dem Gelenk angeordnet ist und durch ein Einleiten eines Fluides eine Kraft auf die Stirnflächen ausübt und somit die beiden Bauteile exzentrisch zu der Schwenkachse auseinander drückt.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen fluidischen Schwenkantrieb vorzuschlagen, welcher einerseits einfach und damit robust und wartungsfreundlich aufgebaut ist, andererseits für große Schwenkwinkel oder die Übertragung auch größerer Kräfte geeignet ist. Ferner soll der Schwenkantrieb auch in keinen Bauräumen einbaubar und betreibbar sein sowie ein geringes fluidisches Füllvolumen aufweisen.

Die Aufgabe wird durch einen fluidischen Schwenkantrieb gelöst, welcher die Merkmale von Anspruch 1 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen des fluidischen Schwenkantriebs sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.

Der fluidische Schwenkantrieb weist einen fluidischem Antrieb für zwei durch ein Gelenk miteinander verbundene und um eine Schwenkachse gegenseitig bewegliche Bauteile auf. Er umfasst mindestens einen Hohlkörper mit einem expandierbaren Hohlvolumen und zwei Enden, welche an je einer Befestigungsstelle je an einem der beiden Bauteile fest verbunden sind. Damit verbindet der Hohlkörper die beiden Bauteile miteinander und überbrückt dabei das Gelenk. Er ist seitlich am Gelenk angeordnet. Ferner weist die Erfindung einen Fluidkanal auf, welcher in das Hohlvolumen vorzugsweise nahe einer der beiden Enden einmündet und gegenüber der Wandung des Hohlkörpers abgedichtet ist. Er dient als Zu- und Abfluss für ein Arbeitsfluid, welches zur Betätigung des Schwenkantriebs in den Hohlraum hydraulisch oder pneumatisch, d.h. fluidisch eingeleitet bzw. ausgeleitet wird.

Die Erfindung kennzeichnet sich im Wesentlichen dadurch, dass der Hohlköper ein seitlich an den Bauteilen angeordneter biegeweicher Schlauch, beispielsweise aus Gummi ist. Er weist eine gewisse Länge und zwei Enden auf, welche an den Befestigungsstellen an den miteinander gelenkig verbundenen Bauteilen durch Verklemmung, Verklebung oder Verschweißung verschlossen sind. Dabei sind die Enden seitlich, d. h. exzentrisch an den Bauteilen befestigt und überbrücken das Gelenk. Der fluidische Schwenkantrieb mit einem derartigen Kennzeichen weist in besonders vorteilhafter Weise einen sehr einfachen und robusten Aufbau auf, wobei die seitliche Anordnung des Schenkantriebs an am Gelenk und an den Bauteilen eine gute Zugänglichkeit der An triebskomponenten und damit eine erheblich verbesserte Wartungsfreundlichkeit erwarten lässt.

Allein durch ein Einleiten eines Fluides mit einem gewissen Überdruck in den Schlauch bewirkt eine Vergrößerung des Hohlvolumens. Der Schlauch dehnt sich, drückt seine Enden auseinander und leitet dadurch eine Kraft über die Befestigungspunkte auf die Bauteile ein. Durch die exzentrische Lage des Schlauchs zum Gelenk wird ein Gelenkstellmoment hervorgerufen, welches eine Schwenkbewegung des Gelenks bewirkt.

Besonders vorteilhafte Eigenschaften erhält der fluidische Schwenkantrieb dann, wenn der Schlauch zudem dehnstarr oder von einem dehnstarren Begrenzerschlauch umgeben ist sowie eine Länge aufweist, welche dem Abstand zwischen den beiden Befestigungsstellen wesentlich übersteigt. Ein derartiger Schlauch lässt sich wie auch ein Begrenzerschlauch flach zusammenlegen, womit sein Hohlvolumen auf nahezu Null reduzierbar ist. Wird ein Fluid in den Schlauch eingeleitet, füllt sich das Hohlvolumen, wobei der Schlauch bestrebt ist, einen kreisförmigen Querschnitt über seine gesamte Länge (ausgenommen vorgegebene Knickstellen und Einspannung des Schlauchs) einzunehmen. Dabei ist das maximale Hohlvolumen aufgrund des dehnstarren Materialverhaltens des Schlauches bzw. des Begrenzerschlauchs begrenzt, und zwar dann, wenn er über seine gesamte Länge den genannten kreisförmigen Querschnitt, welcher nicht durch eine weitere Druckerhöhung erweiterbar ist, eingenommen hat. Insofern ist eine weitere Erweiterung des Hohlvolumens im Schlauch ab einen bestimmten Füllungsgrad, wenn überhaupt, nur noch an Einbuchtungen oder Knickstellen möglich. Das bedeutet auch, dass ein dehnstarrer und biegeweicher Schlauch oder ein Schlauch, umgeben von einem dehnstarren Begrenzerschlauch, dessen Länge den Abstand zwischen zwei Befestigungsstellen wesentlich übersteigt, dann zwangläufig eine erhebliche Kraft über seine verschlossenen Enden auf die Befestigungsstellen überträgt und eine definierbare Schwenkbewegung bewirkt.

Präzision und Steuerbarkeit des fluidischen Schenkantriebs lassen sich vorteilhaft noch weiter verbessern, wenn der Schlauch oder der Begrenzerschlauch eine Faltung mit wenigstens einer Knickstelle aufweist. Dadurch erhöht sich insbesondere die Ablaufreproduzierbarkeit der Schwenkbewegung, da der Schlauch bei jedem Schwenkwinkel immer einen vorbestimmten gleichen Faltungszustand einnimmt. Dies ist eine Grundvoraussetzung für die Ermittlung von Kennlinien für eine Steuerung, beispielweise die Zuordnung einer in das Hohlvolumen eingeleitete Fluidmenge mit einem Schwenkwinkel.

Eine Faltung des Schlauches oder Begrenzerschlauches lässt sich zudem durch ein Ein- oder Anlegen von Elementen oder Komponenten in oder an den Schlauch zwangsführen. Die Elemente oder Komponenten sind beispielsweise stab- oder streifenförmig oder als Manschetten ausgebildet. Starre Elemente werden im oder am Schlauch in den Bereichen außerhalb der Knickstellen der Faltung fixiert. Komponenten sind ebenfalls vorzugsweise starr, weisen aber Bereiche mit Biegelenken auf. Sie werden im oder am Schlauch fixiert, wobei die Biegegelenke an den Knickstellen zu positionieren sind. Für die Fixierung eignen sich neben formschlüssigen und reibschlüssigen Verbindugen im Schlauch oder an den Enden auch Klebungen oder ein einvulkanisieren der Elemente oder Komponenten im Schlauch.

Eine Längsrillung in den Komponenten, welche in den Schlauch eingelegt sind, insbesondere im Bereich der Biegegelenke oder auch separat im Schlauch fixierte, die Knickstellen überbrückende Abstandshalter oder Leitungen erleichtern den Zu- und Abfluss des Fluids über die Knickstellen hinweg und ermöglichen beispielsweise erst ein vollständiges Evakuieren des Hohlvolumens. Auch wird diese Aufgabe durch eine Verlängerung des Fluidkanals im Schlauch über die Knickstellen hinweg gelöst, wobei der Fluidkanal in den Bereichen zwischen den Knickstellen mit einer ausreichenden Anzahl von Austrittsöffnungen zu versehen ist.

Eine Rückstellung des Schwenkantriebs durch Evakuieren des Schlauches kann durch eine separat am Gelenk angeordnete Rückholfeder, welche entweder am Schlauch oder am Gelenk direkt angreift, unterstützt werden. Eine separate Rückholfeder ist auch durch eine spezielle Komponente der zuvor beschriebenen Art substituierbar, wenn die Biegegelenke der Komponente als Biegefeder gestaltet und entsprechend der Faltung des Schlauchs in Richtung der rückgestellten Ausgangslage vorgespannt sind.

Der fluidische Schwenkantrieb wird im Folgenden anhand zweier Ausführungsbeispiel erläutert. Es zeigen
1a und b die Anordnung eines Schwenkantriebs mit einfacher Faltung (eine Knickstelle), sowie
2a bis c die Anordnung eines Schwenkantriebs mit zweifacher Faltung (drei Knickstellen).
Alle gezeigten Figuren zeigen als Prinzipskizze je einen fluidischen Schwenkantrieb für zwei durch ein Gelenk 1 miteinander verbundene und um eine Schwenkachse gegenseitig bewegliche Bauteile 2 mit je einer Befestigungsstelle 3 für je ein Ende 4 eines biegeweichen Schlauches 5 sowie einen Fluidkanal 6, welcher als Zu- und Abfluss in den Schlauch einmündet. Der Schlauch 5 weist zudem Knickstellen 7 auf und ist zudem an beiden Enden 4 mit Ausnahme der Einmündung des Fluidkanals 6 verschlossen.
Die 1a und 2a zeigen den Schwenkantrieb in der jeweils dargestellten Ausführungsform in Ausgangslage. Der Schlauch ist weitgehend evakuiert.
Wird durch den Fluidkanal 6 ein Fluid mit einem bestimmten Überdruck in den Schlauch eingeleitet, ist dieser bestrebt, sich gerade auszustrecken insbesondere im Bereich der Knickstellen. Es kommt zu einem Auseinanderdrücken der Befestigungspunkte durch den angespannten Schlauch in Schwenkrichtung 8 (vgl. 1b und 2b und c), unterstützt durch ein zusätzliches Moment, her vorgerufen durch eine exzentrisch neben der Schwenkachse des Gelenks angeordneten Schlauch, welcher insbesondere an den Knickstellen eine Kraft als Reaktion auf den Fluiddruck im Schlauch erzeugt und als Hebelmoment auf die Befestigungspunkte einleitet. Grundsätzlich steigt das Hebelmoment mit dem Abstand der Knickstellen zur Gelenkachse, mit einer zunehmenden Anzahl an Knickstellen zwischen den Befestigungspunkten sowie der Fläche, welche als Kraftangriffsfläche an den Knickstellen zur Verfügung steht. Diese Fläche, exemplarisch in 1b mit dem Bezugzeichen C angedeutet, setzt sich aus dem verbleibenden Querschnitt des Schlauchs an der Knickstelle A sowie der gegenseitige Berührungsfläche der Wandungen der Schlauchabschnitte beidseitig der Knickstelle B zusammen. Ferner beeinflusst der Knickungswinkel gegenüber dem ungeknickten Zustand das Hebelmoment.
Insofern ist es ersichtlich, dass die in 1a und b dargestellte Ausführungsform mit einfacher Faltung (eine Knickstelle) sich insbesondere als Schwenkantrieb mit kompakter, einfacher Bauform, die in 2a bis c dargestellte Ausführungsform mit zweifacher Faltung (drei Knickstellen) insbesondere sich als Schwenkantrieb für großer Schwenkwinkel und größerer Stellkraft eignet. Die in 2c dargestellte Schwenkung mit einem Schwenkwinkel größer 90° wäre mit der in 1 dargestellten Ausführungsform wenn überhaupt nur mit sehr geringer verbleibender Stellkraft zu realisieren. Mit einer einfachen Faltung nimmt nämlich die Fläche C (vgl. 1b) der Knickstellen 7 mit zunehmenden Schwenkwinkel erheblich schneller ab als mit der zweifacher Faltung ab (vgl. 1b und 2b und c).
Die Schlauchknickungen 9 im Bereich der Enden spielen für das Hebelmoment und für die Stellkraft in der Art eine Rolle, daß mit zunehmenden Schlauchquerschnitten an den Schlauchknickungen 9 bei einer Fluideinleitung das erreichbare Drehmoment des Schwenkmechanismus zunimmt. Grundsätzlich gelten für eine Abschätzung der Kräfte an diesen Schlauchknickungen 9 die gleichen zuvor erläuterten Flächenbetrachtungen wie bei den Knickstellen 7.
Alle offenbarten fluidischen Schwenkantriebe eignet sich in erweiteter Form auch als Antrieb für mehrachsige Gelenke, wobei für jede Schwenkachse ein eigener Schwenkantrieb vorzusehen ist.
Dabei kann sich, beispielsweise bei einem Kugelgelenk, eine Schwenkbewegung aus den Schwenkbewegungen einzelner Antriebe vektoriell anteilsmäßig zusammensetzen. Auch kann ein Gelenk mit einer Schwenkachse mit zwei gegeneinanderwirkenden Schwenkantrieben ausgestattet sein, womit Schwenkbewegungen mit einer erhöhten Dynamik oder erhöhter Rückstellkraft realisierbar sind.

1: Gelenk
2: Bauteile 2
3: Befestigungsstelle
4: Ende
5: Schlauch
6: Fluidkanal
7: Knickstelle
8: Schwenkrichtung
9: Schlauchknickung

Claims

Vorrichtung mit fluidischem Schwenkantrieb für zwei durch ein Gelenk (1) miteinander verbundene und um eine Schwenkachse gegenseitig bewegliche Bauteile (2), umfassend a) einen Hohlkörper (5) mit einem expandierbaren Hohlvolumen und zwei Enden (4), welche an je einer Befestigungsstelle (3) je an einem der beiden Bauteile (2) fest verbunden sind, wobei der Hohlkörper die beiden Bauteile (2) bei Überbrückung des Gelenks (1) verbindet und dabei seitlich am Gelenk (1) angeordnet ist, sowie b) mindestens einen Fluidkanal (6), welcher als Zu- und Abfluss für ein Arbeitsfluid mit dem Hohlvolumen verbunden ist dadurch gekennzeichnet, dass c) der Hohlkörper ein biegeweicher Schlauch (5) ist; ^` d) die Befestigungsstellen (3) seitlich an den Bauteilen (2) angeordnet sind, sowie e) die Enden (4) des Schlauchs (5) an den Befestigungsstellen (3) durch Verklemmung, Verklebung oder Verschweißung verschlossen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der biegeweiche Schlauch (5) dehnstarr ist und eine Länge aufweist, welche einen Abstand zwischen den beiden Befestigungsstellen (3) wesentlich übersteigt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der biegeweiche Schlauch (5) von einem biegeweichen dehnstarren Begrenzerschlauch umgeben ist und Schlauch und Begrenzerschlauch eine Länge aufweisen, welche einen Abstand zwischen den beiden Befestigungsstellen (3) wesentlich übersteigt.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlauch oder der Begrenzerschlauch eine Faltung mit wenigstens einer vorgegebenen Knickstelle (7) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere starre stab- oder streifenförmige Elemente vorgesehen sind, welche im oder am Schlauch (5) in Bereichen außerhalb der Knickstellen (7) fixiert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine starre stab- oder streifenförmige Komponente mit mindestens einem Biegegelenk vorgesehen ist, welches im oder am Schlauch (5) fixiert ist, wobei die Biegegelenke an den Knickstellen (7) positioniert sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenk zwischen den beiden Bauteilen zwei Schwenkachsen aufweist und für jede Schwenkachse ein Schlauch mit je zwei unter Bildung eines Hohlvolumen verschlossene Enden vorgesehen sind, welche an je einer Befestigungsstelle je an einem der beiden Bauteile fest verbunden sind, wobei beide Schläuche die beiden Bauteile bei Überbrückung des Gelenks verbinden und dabei seitlich am Gelenk angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenk ein Kugelgelenk ist, dessen Schwenkbewegung sich aus Anteilen um die mehrere Achsen vektoriell zusammensetzt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schwenkachsen zusammenfallen und das Gelenk an je einer Seite durch einen der beiden Schläuche überbrückt wird.