DE19843739A1 - Elastisches Gelenkelement - Google Patents

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung für ein stoffschlüssiges Gelenk anzugeben, das aktiv gesteuert werden kann und ohne pneumatische oder hydraulische Antriebe einsetzbar ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, daß der schlauchartige Grundkörper aus einem Polymer besteht und daß entlang der Wand des Grundkörpers mindestens ein SMA-Draht angebracht ist. DOLLAR A Die Erfindung betrifft ein elastisches Gelenkelement mit einem schlauchartigen Grundkörper. Das Gelenkelement ist vorzugsweise für Greif- und Manipuliermechanismen sowie für lokomotorische Aufgaben in der Miniaturtechnik einsetzbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein elastisches Gelenkelement mit einem schlaucharti­ gen Grundkörper. Das Gelenkelement ist vorzugsweise für Greif- und Manipuliermechanismen sowie für lokomotorische Aufgaben in der Minia­ turtechnik einsetzbar.

Für die Bewegungs- und Kraftübertragung ist 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 miniaturi­ sierbar. Deshalb werden neben den klassischen form- oder kraftgepaarten Gelenken zunehmend die stoffschlüssige gelenkige Verbindungen Anwen­ dung finden.

Zu stoffschlüssigen Gelenken sind mehrere interessante Lösungen bekannt. Von Bögelsack: in "Nachgiebige Mechanismen in Miniaturisierten Bewegungssystemen" (Proceed. Of the Ninth World Congress IFToMM Milano 1995, S. 3101-3104) und Ananthasuresh, 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.) wurden stoffkohärente Greiferstrukturen auf der Basis nachgiebiger Rahmengefüge für die Realisierung in miniaturisierter Technik vorgeschlagen. Es handelt sich hierbei um Anordnungen für Struk­ turen mit passiven Gelenken, die durch die Konstruktion bestimmte Bewegungen zulassen.

Für eine Reihe von Aufgaben (z. B. autonome Bewegungssysteme) ist der pneumatische oder hydraulische Antrieb (z. B. Hydraulikzylinder) nicht anwendbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung für ein stoff­ schlüssiges Gelenk anzugeben, das aktiv gesteuert werden kann und ohne pneumatische oder hydraulische Antriebe einsetzbar ist.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe durch ein Gelenk mit den in den Patentansprüchen angegebenen Merkmalen.

Die für ein stoffschlüssiges Gelenkelement vorgeschlagene Lösung benutzt die Wirkung des hydraulischen Druckes, kommt dabei aber ohne die Erzeu­ gung einer Druckwelle aus. Die Lösung besteht aus einer Anordnung zur Erzeugung aktiver stoffschlüssiger Gelenke an einem hohlen Element aus polymerem Material, das mit Flüssigkeit, Gel oder Gas gefüllt ist und an dem SMA-Drähte angeordnet sind. Vorteilhaft ist dabei, daß die Bewegung, die die vorgeschlagenen Ausführungen der Gelenkelemente zulassen, mit höherer Genauigkeit gesteuert werden, als oben beschriebene Strukturen.

Die Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungsbeispiel näher erläu­ tert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung in zwei Ansichten,

Fig. 2 die Anordnung im gebogenem Zustand,

Fig. 3 eine Ausführung mit drei an der Innenseite des Schlauches angeordneten SMA-Drähten,

Fig. 4 die Anordnung im gestauchtem Zustand,

Fig. 5 eine geschlitzte Ausführungsform und

Fig. 6 eine kaskadenförmige Gelenkanordnung.

In Fig. 1 ist ein von beiden Seiten geschlossenes Rohr 1 aus polymeren Material dargestellt, das mit einer inkompressiblen Flüssigkeit 3, mit einem Gel oder mit Gas gefüllt ist. Die Füllung weist eine geringe Thermoleitfähig­ keit auf. Als Aktuatoren dienen drei SMA-Drähte 2. Sie können entweder in die Rohrwand integriert sein oder der Wand entlang angeordnet sein. Infolge der thermischen Wirkung des Stromes verkürzt sich ein SMA-Draht und es kommt zu einer Biegung.

Fig. 2 erläutert die aufgrund der Verkürzung eines Drahtes ausgeführte Biegebewegung. Die Steckseite 7 dehnt sich aus, während sich die Beugeseite 8 verkürzt, dabei steigt der Druck im Schlauch. Wenn das polymere Material des Rohres nur in Längsrichtung elastisch ist (anisotropes Material), wird die Biegung stärker ausgeprägt. Der Druck im Schlauch wird bei der Biegung größer. Dieser Druck und elastische Kräfte des Polymers bewirken, daß beim Abschalten des Stromes der Draht wieder seine ursprüngliche Länge einnimmt. Durch den Einbau von drei SMR-Dräh­ ten können eine Biegebewegungen in beliebiger Richtung erzeugt werden.

In Fig. 3 ist eine Drahtbefestigungsmöglichkeit dargestellt, bei der die Drähte an der Innenwand des Rohres angebracht sind.

Fig. 4 erläutert eine weitere Bewegungsmöglichkeit. Durch Verkürzung des Gelenkelementes und deren gleichzeitige Verdickung kann diese Art der Bewegung erzeugt werden. Durch gleichzeitige Erwärmung aller SMA-Drähte verkürzt und verdickt sich das Gelenkelement. Dabei muß ein isotropes oder in die Radialrichtung elastisches Material für das Rohr verwendet werden.

Eine ähnliche Bewegungsart kann durch die in Fig. 5a dargestellte Ausfüh­ rung erzeugt werden. Es handelt sich hierbei um ein an definierten Zonen 2 geschlitztes Schlauchstück 1, in dessen Inneren SMA-Drähte der Wand entlang eingebracht sind. Deren Verkürzen führt zu der in Fig. 5b darge­ stellten Verkürzung und Verdickung des Gelenkelementes.

Alle elastische Gelenkelemente können miteinander kaskadiert werden, so daß die Struktur wieder ein stoffschlüssiges Gebilde darstellt.

In Fig. 6 ist ein Beispiel für eine Kaskadierung von geschlitzten Gelenkele­ menten gezeigt. Der Antrieb der einzelnen Gelenkelemente kann unabhängig voneinander erfolgen. Damit können lokomotorische Aufgaben, wie eine Vorwärtsbewegung in einem Rohr oder auf einer Oberfläche, gelöst werden. Das erfindungsgemäße Gelenk zeichnet sich durch folgende vorteilhafte Eigenschaften aus:

• - Mit dem Gelenk können unterschiedliche Bewegungsarten realisiert werden (Biegung, Verkürzung, Verdickung).
• - Ein Gelenkelement aus einem anisotropen Polymer mit drei SMA-Drähten ermöglicht winklige Bewegungen, d. h. Biegungen in jede Richtung.
• - Ein Gelenkelement aus einem isotropen Polymer mit drei SMA-Drähten läßt winklige Bewegungen (Biegung) in jede Richtung und gleichzeitig axiale Bewegungen (Verkürzung) zu.
• - Die Gelenke können zu monolithen Strukturen kaskadiert werden.
• - Bei einer Struktur aus mehreren Gelenken kann, jedes Gelenk separat angesteuert werden.

Claims (3)

1. Elastisches Gelenkelement mit einem schlauchartigen Grundkörper, dadurch gekennzeichnet, daß der schlauchartige Grundkörper aus einem Polymer besteht und daß entlang der Wand des Grundkörpers mindestens ein SMA-Draht angebracht ist.

2. Elastisches Gelenkelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei um 120° am Umfang des Grundkörpers versetzt angeordnete SMA-Drähte angebracht sind.

3. Elastisches Gelenkelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in dem schlauchartigen Grundkörper Längsschlitze angeord­ net sind.