DE19518818A1

DE19518818A1 - Form=variable framework

Info

Publication number: DE19518818A1
Application number: DE1995118818
Authority: DE
Inventors: Dietmar Dr Neuhaus
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1995-05-23
Filing date: 1995-05-23
Publication date: 1996-11-28

Abstract

The framework has several axes (A1-A4) rotatably coupled to form a drive train, and framework elements (B1-B3) with each on two axes. Only one framework element (B1,B3) is mounted on the end side axes (A1,A4), and two framework elements are mounted on each of the intermediate axes (A2,A3). A first coupling (K2,K3) is provided for opposite sided coupling of those framework elements which are mounted on a common axis, and at least one second coupling (K1/1) is provided for the coupling of one framework element (B3) to one axis (A4) upon which it is mounted.

Description

Die Erfindung betrifft einen formveränderbaren Rahmen, der eine bewegliche Gelenkstruktur bildet. Ein solcher Rahmen kann beispielsweise Bewegungen ähnlich den Kriechbewegungen einer Raupe oder den Bewegungen von Spinnenbeinen durchführen und er ist beispielsweise als Laufantrieb verwendbar, sowie zum Bewegen von Gegen ständen in Bezug auf einen ortsfesten Halter.The invention relates to a shape-changeable frame, which forms a movable joint structure. Such a For example, frames can be similar to movements Creeping movements of a caterpillar or the movements of Carry out spider legs and it is for example as Barrel drive usable, as well as for moving counter with respect to a fixed holder.

Gelenkstrukturen, die gesteuerte Bewegungen um eine Vielzahl von Achsen ausführen, benötigen in der Regel eine große Zahl von Antriebsmotoren, die schwergewich tig und teuer sind und aufwendige Steuerungen benö tigen.Joint structures, the controlled movements around a Executing a large number of axes usually require a large number of drive motors that are heavyweight are expensive and require complex controls term.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen vielge lenkigen formveränderbaren Rahmen zu schaffen, der einen einfachen konstruktiven Aufbau hat und mit einer sehr einfachen Antriebseinrichtung auskommt und daher wenig Platz beansprucht und besonders für eine Miniatu risierung geeignet ist.The invention has for its object a vielge to create a flexible, reshapeable frame that has a simple construction and with one very simple drive device gets along and therefore takes up little space and especially for a mini tu is suitable.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.This object is achieved with the invention the features specified in claim 1.

Der erfindungsgemäße Rahmen ist ein Vielgelenkrahmen mit mehreren rotatorisch gekoppelten Achsen, die einen Antriebsstrang bilden. Jeweils zwei dieser Achsen sind durch ein Rahmenelement verbunden, das in jeder der beiden Achsen drehbar gelagert ist. Dies hat zur Folge, daß in den beiden endseitigen Achsen des Antriebs stranges nur jeweils ein Rahmenelement gelagert ist, während an den dazwischenliegenden Achsen jeweils zwei Rahmenelemente gelagert sind. Die an derselben Achse gelagerten Rahmenelemente sind durch eine erste Kupp lung relativ zueinander arretierbar, d. h. sie werden durch die Kupplung starr miteinander verbunden. Ferner ist mindestens eine zweite Kupplung vorgesehen, die ein Rahmenelement mit einer Achse kuppelt, an der dieses Rahmenelement gelagert ist.The frame according to the invention is a multi-joint frame with several rotationally coupled axes, one Form the drive train. There are two of these axes connected by a frame element that in each of the is rotatably supported on both axes. As a consequence, that in the two end axes of the drive only one frame element is stored in each case, while two each on the intermediate axes Frame elements are stored. The one on the same axis Frame elements are supported by a first dome tion lockable relative to each other, d. H. you will be rigidly connected by the coupling. Further at least one second clutch is provided, the one Frame element couples with an axis on which this Frame element is stored.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß nur eine einzige Achse des Antriebsstranges angetrieben werden muß. Infolge der Tatsache, daß die Achsen untereinander rotatorisch gekoppelt sind, kann über die angetriebene Achse jede der anderen Achsen angetrieben werden, in Abhängigkeit davon, welche der Kupplungen sich im ge lösten Zustand befindet. Die übrigen Rahmenelemente, die der gelösten Kupplung nicht unmittelbar benachbart sind, bilden in sich starre Teilstrukturen des Rahmens. Diejenige Teilstruktur, die auf die im Lösungszustand befindliche Kupplung folgt, wird um die Achse, die zu der gelösten Kupplung gehört, verschwenkt. Auf diese Weise können durch Auswahl derjenigen Kupplung, die gelöst wird, unterschiedliche starre Teilstrukturen des Rahmens gebildet werden, wobei die jeweilige starre Teilstruktur um diejenige Achse herum geschwenkt wird, die zu der gelösten Kupplung gehört.An advantage of the invention is that only one single axis of the drive train are driven got to. As a result of the fact that the axes with each other are rotationally coupled, can be driven by the Axis each of the other axes are driven in Depending on which of the clutches are in ge loosened state. The other frame elements, that is not immediately adjacent to the released clutch are rigid substructures of the frame. That substructure that is in solution state located clutch follows, is about the axis leading to heard the clutch released, pivoted. To this Way, by selecting the clutch that is solved, different rigid substructures of the Frame are formed, the respective rigid Partial structure is pivoted around that axis, which belongs to the released clutch.

Obwohl mehrere Antriebsmotore vorgesehen sein können, ist generell ein einziger Antrieb ausreichend, um jede gewünschte Gelenkbewegung im Zuge des Antriebsstranges individuell ausführen zu können. Der formveränderbare Rahmen enthält anstelle von Motoren für die Gelenkbe wegungen Kupplungen, die wesentlich kostengünstiger, kleinformatiger und leichtgewichtiger sind. Die Erfin dung ermöglicht es, raupenartige Rahmen, deren Rahmen elemente eine Gelenkstruktur bilden, welche komplexe Kriech- oder Gehbewegungen ausführen kann, mit geringem Aufwand zu realisieren. Vorzugsweise haben sämtliche Rotationsfreiheitsgrade des Rahmens parallele Rota tionsachsen, jedoch ist dies bei dem Prinzip der Erfin dung nicht notwendigerweise so. Es besteht auch die Möglichkeit, daß die Rotationsachsen im Raum zueinander geneigt oder rechtwinklig zueinander angeordnet sind.Although several drive motors can be provided, is generally a single drive sufficient to each desired joint movement in the course of the drive train to be able to carry out individually. The changeable Frame contains instead of motors for the articulation movements couplings that are much cheaper, are smaller and lighter. The Erfin dung enables caterpillar-like frames whose frames elements form an articulated structure, which complex Can perform crawling or walking with little Realizing effort. Preferably everyone has Rotational degrees of freedom of the frame parallel Rota axes, however, this is the principle of the invention not necessarily so. There is also Possibility that the axes of rotation in space to each other are inclined or at right angles to each other.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß diejenige Achse, die angetrieben ist, und die ihrerseits die übrigen Achsen antreibt, frei gewählt werden kann.Another advantage is that Axis which is driven and which in turn the drives other axes, can be freely selected.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. The following are with reference to the Drawings embodiments of the invention closer explained.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine erste Ausführungsform des formveränderbaren Rahmens, Fig. 1 shows a schematic section through a first embodiment of the shape-changing frame,

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Rahmen nach Fig. 1, wobei sich die Achsen in einer bestimmten ge genseitigen eingestellten Zuordnung befinden, Fig. 2 is a plan view of the frame according to Fig. 1, wherein the axes in a specific mutual ge set assignment are,

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform eines formveränder baren Rahmens, der nicht an einem festen Wider lager angebracht ist, Fig. 3 shows a second embodiment of a form Variegated cash frame, which is not appropriate bearings on a fixed abutment,

Fig. 4 eine Raupenstruktur, die mit dem Rahmen nach Fig. 3 gebildet wird, Fig. 4 is a crawler structure that formed with the frame according to Fig. 3,

Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel, und Fig. 5 shows a third embodiment, and

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer "Spinne", deren Beine aus jeweils einem Antriebsstrang bestehen. Fig. 6 is a schematic representation of a "spider", the legs of which each consist of a drive train.

Der Rahmen nach den Fig. 1 und 2 weist vier parallel zueinander verlaufende Achsen A1, A2, A3, A4 auf. Jede Achse ist mit einem Zahnrad G1, G2, G3, G4 fest verbunden, wobei alle Zahnräder eine Zahnradkette bilden. Dies bedeutet, daß die Zahnräder G1 und G2 miteinander in Eingriff sind, die Zahnräder G2 und G3 miteinander in Eingriff und die Zahnräder G3 und G4 miteinander in Eingriff sind. Alle Zahnräder sind also in Reihe ange ordnet und rotatorisch miteinander gekoppelt.The frame according to FIGS. 1 and 2 has four axes A1, A2, A3, A4 running parallel to one another. Each axis is firmly connected to a gear G1, G2, G3, G4, with all gears forming a gear chain. This means that the gears G1 and G2 are engaged with each other, the gears G2 and G3 are engaged with each other and the gears G3 and G4 are engaged with each other. All gears are arranged in a row and rotatably coupled with each other.

Die in der Zahnradkette erste Achse A1 ist an einen Halter H gelagert, der an einem ortsfesten Widerlager C abgestützt ist. An dieser Achse A1 ist ein Rahmen element B1 gelagert. Zwischen dem Halter H und dem Rahmenelement 21 ist eine Kupplung K1 vorgesehen. Bei dieser Kupplung handelt es sich z. B. um eine elektro magnetische Kupplung, die im Schließzustand das Rahmen element B1 mit dem Halter H starr verbindet, so daß das Rahmenelement B1 sich nicht drehen kann.The first axis A1 in the gear chain is mounted on a holder H which is supported on a fixed abutment C. A frame element B1 is supported on this axis A1. A coupling K1 is provided between the holder H and the frame element 21 . This clutch is e.g. B. an electro-magnetic coupling that rigidly connects the frame element B1 to the holder H in the closed state, so that the frame element B1 cannot rotate.

An der Achse A2 des nächst folgenden Zahnrades G2 ist das andere Ende des Rahmenelements B1 gelagert. Zwischen den Achsen A2 und A3 erstreckt sich ein weite res Rahmenelement B2, das auf diesen beiden Achsen drehbar gelagert ist. Die Rahmenelemente B1 und B2 sind durch eine Kupplung K2 verbunden.On the axis A2 of the next following gear G2 the other end of the frame element B1 is mounted. There is a wide stretch between axes A2 and A3 res frame element B2 that on these two axes is rotatably mounted. The frame elements are B1 and B2 connected by a clutch K2.

Zwischen den Achsen A3 und A4 erstreckt sich ein Rahmenelement B3, das an diesen Achsen drehbar gelagert ist. Zwischen den Rahmenelementen B2 und B3 ist eine Kupplung K3 vorgesehen.Extends between the axes A3 and A4 Frame element B3, which is rotatably mounted on these axes is. There is a between the frame elements B2 and B3 Coupling K3 provided.

An der Achse A4 des letzten Zahnrades G4 ist nur ein einziges Rahmenelement, nämlich das Rahmenelement B3, gelagert. Eine Kupplung K1′ befindet sich hier zwischen dem Rahmenelement B3 und dem Zahnrad G4. An dem Zahnrad G4 ist ein Werkzeug T befestigt, das an eine vorge gebene Position bewegt und um seine Achse A4 gedreht werden soll.There is only one on axis A4 of the last gear wheel G4 only frame element, namely the frame element B3, stored. A clutch K1 'is here between the frame element B3 and the gear wheel G4. On the gear G4 is a tool T attached to a pre given position moved and rotated about its axis A4 shall be.

Der beschriebene Rahmen, der als Manipulatoreinheit verwendbar ist, hat nur einen einzigen Antrieb M. Dies ist ein Motor, der eine der Achsen A1 bis A4 treibt. Im vorliegenden Fall wird davon ausgegangen, daß der An trieb M die erste Achse A1 antreibt. Das Gehäuse des Antriebs M ist an dem Balken B1 befestigt und die Ab triebswelle des Antriebs ist mit der Achse A1 ver bunden.The framework described as the manipulator unit can be used has only a single drive M. This is a motor that drives one of the axes A1 to A4. in the In the present case it is assumed that the An M drove the first axis A1 drives. The housing of the Drive M is attached to the beam B1 and the Ab drive shaft of the drive is ver with axis A1 bound.

Die Kupplungen K1 bis K3 und K1′ sind so gesteuert, daß, wenn der Antrieb M aktiv ist, zu jedem Zeitpunkt nur jeweils eine Kupplung geöffnet ist, während alle übrigen Kupplungen geschlossen sind. Wenn die Kupplung K1 geöffnet ist, während die übrigen Kupplungen ge schlossen sind, bilden die Rahmenelemente B1 bis B3 eine starre Einheit. Diese Einheit wird durch Drehen der Achse A1 um diese Achse herum geschwenkt. Dies be deutet, daß die Zahnräder G2, G3 und G4 ihre gegen seitige Position beibehalten und als starre Einheit um das Zahnrad G1 umlaufen.The clutches K1 to K3 and K1 'are controlled that when the drive M is active at any time only one clutch is open while all other clutches are closed. If the clutch K1 is open while the remaining clutches are ge are closed, form the frame elements B1 to B3 a rigid unit. This unit is made by turning the axis A1 pivoted about this axis. This be indicates that the gears G2, G3 and G4 their against maintain position and as a rigid unit around rotate the gear wheel G1.

Ist die Kupplung K2 gelöst, während die übrigen Kupp lungen geschlossen sind, bewirkt der Antrieb M, daß das Zahnrad G1 gedreht wird, wobei das Rahmenelement B1 mit dem Halter H eine starre Einheit bildet und seine Posi tion beibehält. Folglich wird das Zahnrad G2 um seine Achse A2 gedreht, die ihre Position nicht verändert. Die starre Einheit aus den Rahmenelementen B2 und B3 wird also um die Achse A2 herum verschwenkt, wobei das Zahnrad G3 um das Zahnrad G2 umläuft.Is the clutch K2 released while the remaining clutch lungs are closed, the drive M causes that Gear G1 is rotated, the frame element B1 with the holder H forms a rigid unit and its posi tion maintains. Consequently, the gear G2 is around its Axis A2 rotated, which does not change its position. The rigid unit consisting of frame elements B2 and B3 is pivoted around axis A2, whereby the Gear G3 rotates around gear G2.

In gleicher Weise kann die Kupplung K3 gelöst sein, während alle übrigen Kupplungen geschlossen sind. In diesem Fall wird das Zahnrad G4 in festem Eingriff mit dem Zahnrad G3 um die Achse A3 verschwenkt.In the same way, the clutch K3 can be released, while all other clutches are closed. In In this case, the gear G4 is in fixed engagement with the gear G3 pivoted about the axis A3.

Wenn nur die Kupplung K1′ gelöst ist, bilden sämtliche Rahmenelemente B1 bis B3 mit dem Halter H eine starre Einheit. Sämtliche Zahnräder G1 bis G4 drehen sich, so daß das Werkzeug T um die feststehende Achse A4 herum gedreht wird.If only the clutch K1 'is released, all form Frame elements B1 to B3 with the holder H a rigid Unit. All gears G1 to G4 rotate, see above that the tool T around the fixed axis A4 is rotated.

Fig. 2 zeigt eine Konfiguration, wie die Achsen A1 bis A4 gesteuert durch den Antrieb M und die Kupplungen eingestellt werden können, um eine vorgegebene Kon figuration des gelenkigen Rahmens zu erreichen. Fig. 2 shows a configuration of how the axes A1 to A4 controlled by the drive M and the couplings can be adjusted to achieve a predetermined con figuration of the articulated frame.

Der Rahmen hat n Rotationsfreiheitsgrade, wobei n im vorliegenden Fall 4 beträgt. Bei n Freiheitsgraden gibt es n Achsen und n Kupplungen, von denen jeweils (n-1) Kupplungen geschlossen und eine Kupplung geöffnet ist. Die geöffnete Kupplung bestimmt die jeweilige Dreh achse. Der Antrieb M kann an jeder der Achsen A1 bis A4 vorgesehen sein.The frame has n degrees of freedom of rotation, n being 4 in the present case. With n degrees of freedom, there are n axes and n clutches, of which (n-1) clutches are closed and one clutch is open. The opened clutch determines the respective axis of rotation. The drive M can be provided on each of the axes A1 to A4.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 ist der Gelenk rahmen nicht an einen ortsfesten Halter angebracht, sondern er bildet eine selbständige Einheit, die sich raupenartig verformen und beispielsweise dadurch auf einer Unterlage bewegen kann. Die Achsen A1 bis A4 sind in gleicher Weise durch Rahmenelemente B1, B2 und B3 miteinander verbunden, wie dies bei dem ersten Aus führungsbeispiel der Fall ist. An der Achse A4 kann ein weiteres Rahmenelement B4 gelagert sein, wobei die Reihe von Rahmenelementen beliebig lange fortgesetzt werden kann.In the embodiment of Fig. 3, the hinge frame is not attached to a stationary holder, but it forms an independent unit that can deform like a caterpillar and can thereby move, for example, on a base. The axes A1 to A4 are connected to one another in the same way by frame elements B1, B2 and B3, as is the case with the first exemplary embodiment. A further frame element B4 can be mounted on the axis A4, the row of frame elements being able to be continued for as long as desired.

Die ersten Kupplungen K2, K3, K4 . . . kuppeln jeweils die an einer gemeinsamen Achse gelagerten beiden Rahmenele mente. Außerdem sind zwei zweite Kupplungen K2′ und K3′ vorgesehen. Die Kupplung K2′ kuppelt das Rahmenelement B1 mit dem Zahnrad G2 und die Kupplung K3′ kuppelt das Rahmenelement B2 mit dem Zahnrad G3. Die zweiten Kupp lungen, deren Bezugszeichen mit einem Apostroph ver sehen sind, ermöglichen die Wurm- oder Raupenbewegung.The first clutches K2, K3, K4. . . couple each two frame elements mounted on a common axis ment. In addition, two second clutches K2 'and K3' intended. The clutch K2 'couples the frame element B1 with the gear G2 and the clutch K3 'couples that Frame element B2 with the gear wheel G3. The second dome lungs, the reference numerals with an apostrophe are seen, allow worm or caterpillar movement.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 ist der Antrieb M an dem Rahmenelement B4 befestigt und er treibt über Zahnräder die Achse A4 an. Dies zeigt, daß der Antrieb M im Zuge des Antriebsstranges an jeder beliebigen Achse angebracht sein kann.In the embodiment of FIG. 3, the drive M is attached to the frame element B4 and it drives the axis A4 via gearwheels. This shows that the drive M can be attached to any axis in the course of the drive train.

Fig. 4 zeigt die Achsen des Rahmens von Fig. 3 bei einer Raupenstruktur, die sich auf einer Unterlage U bewegt. FIG. 4 shows the axes of the frame from FIG. 3 in the case of a caterpillar structure which moves on a support U.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 5 sind zwei An triebe M1 und M2 vorgesehen. Der Antrieb M1 ist an dem Rahmenelement B2 befestigt und er treibt die Achse A2 an, während der Antrieb M2 an dem Rahmenelement B1 be festigt ist und ebenfalls die Achse A2 antreibt. Beide Antriebe M1 und M2 sind alternativ einschaltbar.In the embodiment of FIG. 5, two drives M1 and M2 are provided. The drive M1 is fastened to the frame element B2 and it drives the axis A2, while the drive M2 is fastened to the frame element B1 and also drives the axis A2. Both drives M1 and M2 can alternatively be switched on.

Gemäß Fig. 5 sind die ersten Kupplungen K2 und K3 in gleicher Weise vorhanden wie bei den vorherigen Aus führungsbeispielen. Die Funktion einer zweiten Kupplung übernehmen die Antriebe M1 und M2, wenn diese Antriebe im inaktiven Zustand arretiert sind.Referring to FIG. 5, the first clutches K2 and K3 present exemplary embodiments in the same manner as in the previous corner. Actuators M1 and M2 act as a second clutch when these actuators are locked in the inactive state.

Fig. 6 zeigt schematisch ein Fahrzeug, das zu seiner Bewegung vier Spinnenbeine hat. Jedes dieser vier Spin nenbeine besteht aus einem Antriebsstrang S1, S2, S3, S4, der von dem Zentralkörper 10 abgeht. Der Zentralkörper 10 kann einen einzigen Antrieb enthalten, der alle vier Antriebsstränge antreibt. Die Antriebsstränge können so gesteuert werden, daß sie in einer bestimmten Richtung ausgreifen und dann den Zentralkörper 10 nachziehen. Fig. 6 shows schematically a vehicle which has four spider legs for its movement. Each of these four spin legs consists of a drive train S1, S2, S3, S4, which goes from the central body 10 . The central body 10 may include a single drive that drives all four drive trains. The drive trains can be controlled so that they reach out in a certain direction and then tighten the central body 10 .

Die Antriebsstränge stehen von dem Zentralkörper 10 nach unterschiedlichen Richtungen ab. In Fig. 6 be zeichnet jeder der Kreise in den Antriebssträngen die Position einer Achse.The drive trains protrude from the central body 10 in different directions. In Fig. 6, each of the circles in the drive trains indicates the position of an axis.

Claims

1. Shape changeable frame with
several rotationally coupled axes forming a drive train (A1 to A4),
Frame elements (B1 to B3), each of which is supported on two axes (A1 to A4), only one frame element (B1, B3) being supported on the end axes (A1, A4) and on each of the axes arranged between ( A2, A3) two frame elements are stored,
a first coupling (K2, K3) for mutually coupling those frame elements which are mounted on a common axis,
at least a second coupling (K1 ') for coupling a frame element (B3) with an axis (A4) on which it is mounted, and
at least one drive (M) for rotating an axis with respect to a frame element mounted thereon or a stationary holder (H).

2. Frame according to claim 1, characterized in that the clutches are controlled so that at activated drive (M) at a time only one clutch is open at a time.

3. Frame according to claim 1 or 2, characterized ge indicates that the number of frame elements equal to n-1 and the number of first clutches is equal to n-2, where n is the number of axes is.

4. Frame according to claim 3, characterized in that n is at least four.

5. Frame according to one of claims 1 to 4, characterized characterized in that at least one of the second Couplings through a lockable drive (M1, M2) is formed.

6. Frame according to one of claims 1 to 5, characterized characterized in that the axes (A1 to A4) are parallel get lost.

7. Frame according to one of claims 1 to 6, characterized characterized in that the axes (A1 to A4) by Gears (G1 to G4) or toothed belts together are coupled.

8. Frame according to one of the preceding claims, characterized in that a single drive intended for several drive trains (S1 to S4) is.

9. Frame according to one of claims 1 to 8, characterized characterized by its use as a caterpillar Means of transportation.

10. Frame according to one of claims 1 to 8, characterized draws through its use as a spider like means of transportation.