DE10316959A1 - Fluid-driven material joint component used in grabbing and manipulation mechanisms, has concavity and internal vacuum, in which thickness of joint component in range of concavity is less than or equal to thickness in rest of joint component - Google Patents

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

The joint component is made of ductile polymer material, and formed with a semicircular, semi-elliptical or triangular cross-section. An internal vacuum (3) closed on one side, and a concavity (2) are formed on the joint component. The thickness of the joint component in the range of the concavity is less than or equal to the thickness in the rest of the joint component.

Description

Die Erfindung betrifft ein stoffschlüssiges elastisches Gelenkelement aus einem reversibel verformbaren, dehnbaren, polymeren Material.The The invention relates to a cohesive elastic Joint element made of a reversibly deformable, stretchable, polymeric Material.

Das erfindungsgemäße Gelenkelement ist für Greif- und Manipuliermechanismen, sowie für lokomotorische Aufgaben einsetzbar.The joint element according to the invention is for Gripping and manipulating mechanisms, as well as for locomotive tasks.

Für die Bewegungs- und Kraftübertragung sind eine Reihe von Mechanismen bekannt. Ihre Struktur besteht jedoch im allgemeinen aus starren Körpern, die durch form- oder kraftschlüssige, reibungsbehaftete Gelenke miteinander verbunden sind. Wegen der komplizierten Montagevorgänge, die derartige Mechanismen meist erfordern, sind diese nur in gewissen Grenzen miniaturisierbar. Deshalb finden neben den klassischen form- oder kraftgepaarten Gelenken zunehmend stoffschlüssige gelenkige Verbindungen Anwendung.For the movement and power transmission are a number of mechanisms are known. However, their structure exists generally from rigid bodies, through positive or non-positive, Frictional joints are interconnected. Because of the complicated assembly operations that mechanisms of this kind usually only require certain mechanisms Limits can be miniaturized. Therefore, in addition to the classic formal or force-paired joints increasingly cohesive articulated connections Application.

Zu diesen stoffschlüssigen Gelenken sind mehrere interessante Lösungen bekannt. Zum Beispiel wurden von Bögelsack in „Nachgiebige Mechanismen in miniaturisierten Bewegungssystemen" (Prceed. Of the Ninth World Congress IFToMM Milano 1995, S. 3101–3104) und von Ananthasures, Kota und Gianchandani in „A Methodical Approach to the Design of Compliant Micromechanisms" (Technical Digest, 1994 Solid State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head, SC, June 13–16, pp.) miniaturisierbare, stoffkohärente Greiferstrukturen auf der Basis nachgiebiger Rahmengefüge vorgeschlagen, bei denen infolge einer fluidischen Druckbelastungsveränderung Bewegungen, Verdrehungen bzw. Biegungen der Strukturen entstehen.To this cohesive There are several interesting solutions known to joints. For example were from Bögelsack in "Compliant Mechanisms in miniaturized movement systems "(Prceed. Of the Ninth World Congress IFToMM Milano 1995, pp. 3101-3104) and by Ananthasures, Kota and Gianchandani in “A Methodical Approach to the Design of Compliant Micromechanisms "(Technical Digest, 1994 Solid State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head, SC, June 13-16, pp.) miniaturizable, fabric coherent Gripper structures proposed on the basis of flexible frame structures, in which movements as a result of a fluidic change in pressure load, The structures are twisted or bent.

Daneben sind noch weitere elastische Strukturen aus der Literatur bekannt, bei denen die Bewegungen durch einen fluidischen Antrieb erzeugt werden. Jedoch haben diese Lösungen entweder den Nachteil, dass sie aus mehreren Bauelementen bestehen, was eine miniaturtechnische Anwendung erschwert, oder dass nur kleine Verformungen infolge einer Druckbelastung entstehen. Einige dieser Strukturen haben den Nachteil, dass die Verformung nicht lokal, sondern über die ganze Struktur aufgeteilt ist.Besides are other elastic structures known from the literature, where the movements are generated by a fluidic drive become. However, these have solutions either the disadvantage that they consist of several components, which complicates a miniature application, or that only small ones Deformations result from a pressure load. Some of these Structures have the disadvantage that the deformation is not local, but about the whole structure is divided.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein miniaturisierbares Gelenkelement bereitzustellen, welches Biegeverformungen bis zu einem Winkel von 90° ermöglicht und die Gelenkstelle besser als die bisher bekannten Lösungen lokalisiert.task The invention is therefore a miniaturizable joint element to provide, which allows bending deformations up to an angle of 90 ° and localizes the joint better than the previously known solutions.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.Successful according to the invention the solution this task with the characterizing features of the claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gelenkelementes sind in den Unteransprüchen angegeben.advantageous Embodiments of the joint element according to the invention are shown in the subclaims specified.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:The The invention is explained in more detail below with reference to drawings. In the associated drawings demonstrate:

1 – eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gelenkelementes in drei Ansichten 1 - A first embodiment of the joint element according to the invention in three views

2 – eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gelenkelementes in drei Ansichten 2 - A preferred embodiment of the joint element according to the invention in three views

3 – das Gelenkelement im verformten Zustand 3 - The joint element in the deformed state

4 – eine parallele Verbindung zweier entgegengesetzt gerichteter stoffschlüssiger Gelenkelemente 4 - A parallel connection of two oppositely directed cohesive joint elements

5 – eine serielle Verbindung mehrerer erfindungsgemäßer Gelenkelemente 5 - A serial connection of several joint elements according to the invention

In 1 sind drei Ansichten einer Ausführungsform eines einseitig geschlossenen Gelenkelementes (1), dessen Außenkontur verschiedene geometrische Formen aufweisen kann, gezeigt. Vorzugsweise stellt der Querschnitt des Gelenkelementes ein Rechteck mit aufgesetztem Halbkreis, Halbellipse, Dreieck oder ähnlichem dar. In den oberen Teil der Außenkontur ist mindestens eine Konkavität (2) eingearbeitet. Der Querschnitt der Konkavität (2) kann ebenfalls halbkreis- oder halbellipsenförmig sein.In 1 are three views of an embodiment of a joint element closed on one side ( 1 ), whose outer contour can have different geometric shapes. The cross section of the joint element preferably represents a rectangle with a semicircle, semi-ellipse, triangle or the like attached. At least one concavity is in the upper part of the outer contour ( 2 ) incorporated. The cross section of the concavity ( 2 ) can also be semicircular or semi-elliptical.

Der innere, einseitig geschlossene Hohlraum (3) des erfindungsgemäßen Gelenkelementes besitzt in einer ersten Ausführungsform einen konstanten Querschnitt über die gesamte Länge der Gelenkstruktur in Form eines Rechteckes, eines Rechteckes mit abgerundeten Ecken (zur Verringerung der maximalen Spannungen), einer Ellipse usw. Im Bereich der Konkavität (2) ist die Wanddicke (δ) des Gelenkelementes (1) deutlich geringer als in den übrigen Bereichen.The inner cavity closed on one side ( 3 ) of the joint element according to the invention has, in a first embodiment, a constant cross section over the entire length of the joint structure in the form of a rectangle, a rectangle with rounded corners (to reduce the maximum stresses), an ellipse, etc. In the area of the concavity ( 2 ) is the wall thickness (δ) of the joint element ( 1 ) significantly lower than in the other areas.

Diese Ausführungsform ist in seiner Fertigung besonders einfach realisierbar.This embodiment is particularly easy to manufacture.

2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gelenkelementes. Hierbei ist die Kontur des inneren Hohlraumes (4) nahezu identisch mit der Außenkontur des Gelenkelementes. Die Wanddicke (δ) ist in dieser Ausführungsform für die gesamte Gelenkstruktur, mit Ausnahme des Bereiches der Konkavität (2), in welchem sie kleiner ist, konstant. 2 shows a preferred embodiment of the joint element according to the invention. Here the contour of the inner cavity ( 4 ) almost identical to the outer contour of the joint element. In this embodiment, the wall thickness (δ) is for the entire joint structure, with the exception of the area of the concavity ( 2 ), in which it is smaller, constant.

Durch Befüllung des inneren, einseitig geschlossenen Hohlraumes (3) mit einem geeigneten Fluid (p) erhöht sich der Druck auf die Wand des Gelenkelementes und aufgrund seiner asymmetrischen geometrischen Gestaltung (Konkavität 2) kommt es unter dieser Innendruckbelastung zu einer Biegeverformung (3). Die Größe des Druckes bestimmt dabei den jeweiligen Verformungswinkel (φ).By filling the inner one side closed cavity ( 3 ) with a suitable fluid (p) increases the pressure on the wall of the joint element and due to its asymmetrical geometric design (concavity 2 ) there is a bending deformation under this internal pressure load ( 3 ). The size of the pressure determines the respective deformation angle (φ).

Das erfindungsgemäße Gelenkelement kann aus isotropem Material gefertigt werden. Vom Vorteil ist jedoch die Verwendung eines anisotropen Materiales für die gesamte Gelenkstruktur oder nur für die Fläche der Konkavität (2). Aufgrund dieser Anisotropie wird eine kleinere Ausdehnung der Gelenkstelle in radialer Richtung (ν) erreicht. Die verminderte Ausbeulung (5) ermöglicht eine größere Biegeverformung des erfindungsgemäßen Gelenkelementes.The joint element according to the invention can be made of isotropic material. However, it is advantageous to use an anisotropic material for the entire joint structure or only for the surface of the concavity ( 2 ). Because of this anisotropy, the joint is expanded to a smaller extent in the radial direction (ν). The diminished bulge ( 5 ) enables a greater bending deformation of the joint element according to the invention.

Mehrere dieser vorgeschlagenen Gelenkelemente können miteinander parallel und/oder seriell verschaltet werden. Im Fall einer reinen parallelen Verknüpfung mit voneinander unabhängigen fluidischen Antrieben (4) können in Abhängigkeit von der anliegenden Druckbelastung Biegeverschiebungen in zwei Richtungen erfolgen. Diese Anordnung kann auch als ein kohärentes System gefertigt werden.Several of these proposed joint elements can be interconnected in parallel and / or in series. In the case of a purely parallel connection with independent fluidic drives ( 4 ) Depending on the applied pressure load, bending displacements can take place in two directions. This arrangement can also be made as a coherent system.

Mit einer reinen seriellen Verknüpfung der erfindungsgemäßen Gelenkelemente (5) wird bei Druckerhöhung im Innenraum aufgrund der Anordnung der Gelenkstellen eine bestimmte, vorgegebene räumliche Biegeverformung erreicht.With a purely serial connection of the joint elements according to the invention ( 5 ) a certain predetermined spatial bending deformation is achieved when the pressure in the interior increases due to the arrangement of the articulation points.

Möglich ist auch eine kombinierte Verknüpfung dieser Gelenkelemente (parallel und seriell) mit einem oder mit mehreren Antrieben (bei getrennten Innenräumen der einzelnen Gelenkelemente). Im letzteren Fall können mit dieser Struktur in Abhängigkeit der aktivierten Antriebe verschiedenste Biegeverformungen realisiert werden.Is possible also a combined link of these joint elements (parallel and serial) with one or with several drives (with separate interiors of the individual joint elements). In the latter case, you can depending on this structure of the activated drives realizes various bending deformations become.

Die erfindungsgemäßen Gelenkelemente zeichnen sich durch eine Reihe von Vorteilen aus. So ermöglichen sie Biegeverformungen in mindestens eine Richtung bis zu einem Winkel von 90° und eine höhere Lokalisierung der Gelenkstelle als in bisher bekannten Lösungen. Sie sind miniaturisierbar und somit universell einsetzbar.The Draw joint elements according to the invention are characterized by a number of advantages. In this way, they enable bending deformations in at least one direction up to an angle of 90 ° and a higher localization the joint point than in previously known solutions. They can be miniaturized and therefore universally applicable.

11
Gelenkelementjoint element
22
Konkavitätconcavity
33
innerer, einseitig geschlossener Hohlrauminternal, cavity closed on one side
44
Kontur des inneren Hohlraumescontour of the inner cavity
55
Ausbeulungbulge
pp
Fluidbefüllung mit bestimmten DruckFluid filling with certain pressure
δδ
Wanddickewall thickness
φφ
Verformungswinkeldeformation angle
νν
radiale Ausdehnungradial expansion

Claims (4)

Fluidisch angetriebenes stoffschlüssiges Gelenkelement aus einem reversibel verformbaren, dehnbaren, polymeren Material und mit einem halbkreis-, halbellipsen- oder dreiecksförmigen Querschnitt dadurch gekennzeichnet, dass es einen inneren, einseitig geschlossenen Hohlraum (3) aufweist, die Außenkontur des Gelenkelementes mindestens eine Konkavität (2) besitzt und die Wanddicke (δ) des Gelenkelementes im Bereich der Konkavitäten gleich oder geringer ist als in Bereichen ohne Konkavitäten.Fluidically driven cohesive joint element made of a reversibly deformable, stretchable, polymeric material and with a semicircular, semi-elliptical or triangular cross-section, characterized in that it has an inner cavity closed on one side ( 3 ), the outer contour of the joint element has at least one concavity ( 2 ) and the wall thickness (δ) of the joint element in the area of the concavities is equal to or less than in areas without concavities. Gelenkelement nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Konkavitäten einen halbkreis- oder halbellipsenförmigen Querschnitt aufweisen.Joint element according to claim 1, characterized in that the concavities have a semi-circular or semi-elliptical cross-section. Gelenkelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das gesamte Gelenkelement (1) oder nur der Bereich der Konkavitäten (2) anisotropische Eigenschaften aufweist.Joint element according to one of claims 1 to 3, characterized in that the entire joint element ( 1 ) or just the area of the concavities ( 2 ) has anisotropic properties. Gelenkelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenkelement (1) aus einem Material mit isotropen Eigenschaften ist.Joint element according to one of claims 1 to 3, characterized in that the joint element ( 1 ) is made of a material with isotropic properties.
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