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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein flexibles Gelenk mit innerer
Drehachse. Sie betrifft ferner eine Anordnung aus mehreren solchen
Gelenken.
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Unter
flexiblen Gelenken mit innerer Drehachse versteht man zentrische
Gelenke entsprechend kinematischen Gelenken mit realer Drehachse,
die im Inneren der Struktur angeordnet ist, im Gegensatz zu exzentrischen
Gelenken, die kinematischen Gelenken mit virtueller Drehachse entsprechen,
welche außerhalb
der Struktur, gegebenenfalls im Unendlichen, angeordnet ist, wobei
sich die Bewegung dann auf eine Translationsbewegung reduziert.
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Bekannt
aus dem Stand der Technik ist ein flexibles Gelenk mit innerer Drehachse,
bezeichnet als Gelenk mit gekreuzten Klingen aufgrund der Tatsache,
dass die Drehbewegung durch flexible Elemente in Klingenform realisiert
wird, die in orthogonalen Ebenen angeordnet sind. Allerdings ist
diese Art von zentrischem Gelenk asymmetrisch, was seine Herstellung
kompliziert macht und Schwierigkeiten statischer Unbestimmtheit
aufwirft. Ein anderer Nachteil liegt in der Struktur der angefügten Klingen.
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Ein
zweites bekanntes zentrisches Gelenk wird von mehreren Klingen gebildet,
die ausgehend von der Drehachse radial verlaufen, wobei eine erste Klingengruppe
festgelegt ist, während
eine zweite Gruppe mit dem schwenkbeweglichen Gegenstand verbunden
ist. Wenngleich dieser andere Typ eines zentrischen Gelenkes monolithisch
und ohne Schweißung
ausgebildet ist, weist es jedoch eine Struktur auf, die asymmetrisch
bleibt, mit allen negativen Folgen für die Beanspruchung und den
Platzbedarf. Andererseits ist die Mitte des Gelenkes vollständig von
dem Material ausgefüllt,
was ein Nachteil sein kann, beispielsweise für den Durchgang eines optischen
Faserbündels.
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Das
durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung zu lösende technische
Problem ist es somit, ein flexibles Gelenk mit innerer Drehachse
vorzuschlagen, das von monolithischer Struktur ohne Schweißung und
ohne innere Fügungen
ist, wobei der zentrale Durchgang freigelassen wird, und das eine
maximale Stabilität
gegenüber
Belastungskräften
bei minimalem Platzbedarf aufweist.
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Die
Lösung
des gestellten technischen Problems besteht gemäß der vorliegenden Erfindung
darin, dass das Gelenk zwei Stufen aufweist, die bezüglich einer
mittleren Ebene senkrecht zu der Drehachse symmetrisch sind und
durch einen die mittlere Ebene enthaltenden äußeren kreisförmigen Schlitz getrennt
sind, wobei jede Stufe eine ringförmige Übergangsfläche aufweist, die mit einem
gemeinsamen zwischenliegenden Zylinder, dessen Achse mit der inneren
Drehachse zusammenfällt,
durch mehrere radiale flexible Führungsarme
verbunden ist.
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Somit
ist die Struktur des flexiblen Gelenkes gemäß der Erfindung monolithisch,
im Prinzip symmetrisch, stabil und von geringem Platzbedarf. Außerdem ist
der zentrale Abschnitt des Gelenkes, der von dem Inneren des zwischenliegenden
Zylinders gebildet wird, frei und erlaubt insbesondere den Durchgang
eines optischen Faserbündels
in einer Anwendung des flexiblen Gelenkes der Erfindung bei einem
Teleskop.
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Die
Drehbewegungsbahn des flexiblen Gelenkes, das den Gegenstand der
Erfindung bildet, ist auf einige Grad begrenzt. Es zeigt sich, dass
in vorteilhafter Weise die Dezentrierung während der Drehbewegung Null
bleibt.
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Um
die Drehbewegungsbahn des Gelenkes zu vergrößern, sieht die Erfindung vor,
dass der zwischenliegende Zylinder radial flexibel ist. Diese Anordnung
erlaubt es in der Tat, den Abstand zwischen der inneren Drehachse
und der ringförmigen Übergangsfläche über eine
größere Bewegungsbahn durch
radiale Verformung des zwischenliegenden Zylinders konstant zu halten.
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Gemäß einer
besonderen Ausführungsform der
Erfindung ist vorgesehen, dass der zwischenliegende Zylinder ringförmige Wellungen
aufweist.
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Es
ist ferner möglich,
die Drehbewegungsbahn des flexiblen Gelenkes gemäß der Erfindung dadurch zu
vergrößern, dass
mehrere Gelenke so zusammengesetzt werden, dass sich die zwischenliegenden
Bewegungsbahnen jedes Gelenkes aufsummieren. Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung zwei
Typen von Anordnungen vor.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung wird die Anordnung durch Stapelung der flexiblen Gelenke
erhalten, wobei eine ringförmige Übergangsfläche eines
Gelenkes an der angrenzenden ringförmigen Übergangsfläche eines benachbarten Gelenkes
befestigt ist.
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsform
wird die Anordnung erhalten durch monolithische Stapelung der flexiblen
Gelenke, wobei eine ringförmige Übergangsfläche eines
Gelenkes einstückig
mit der angrenzenden ringförmigen Übergangsfläche eines benachbarten
Gelenkes ausgebildet ist, während
die Führungsarme
und der zwischenliegende Zylinder eines Gelenkes von den angrenzenden
Führungsarmen
und dem angrenzenden zwischenliegenden Zylinder eines benachbarten
Gelenkes durch einen inneren kreisförmigen Schlitz getrennt sind.
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Die
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
folgende Beschreibung, die beispielhaft und nicht beschränkend gegeben
wird, ermöglicht ein
Verständnis
dafür,
woraus die Erfindung besteht und wie sie realisiert werden kann.
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Die 1a ist
eine perspektivische Ansicht des flexiblen Gelenkes gemäß der Erfindung.
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Die 1b ist
eine Ansicht von oben auf das flexible Gelenk der 1a.
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Die 1c ist
eine seitliche Schnittansicht längs
der Linie A-A des flexiblen Gelenkes der 1b, wie
es modifiziert ist, um das Gelenk der 4 zu realisieren.
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Die 2 ist
eine Schnittansicht von oben gemäß der Linie
B-B eines Führungsarmes
des flexiblen Gelenkes der 1c.
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Die 3 ist
eine Teilansicht von oben einer Ausführungsvariante des flexiblen
Gelenkes gemäß der Erfindung.
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Die 4 ist
eine seitliche Schnittansicht einer ersten Anordnung aus flexiblen
Gelenken gemäß der Erfindung.
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Die 5 ist
eine seitliche Schnittansicht einer zweiten Anordnung aus flexiblen
Gelenken gemäß der Erfindung.
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Die 6 ist
eine Teilansicht von oben eines flexiblen Gelenkes der Erfindung,
die einen ersten integrierten Motorisierungsmodus zeigt.
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Die 7 ist
eine Ansicht von oben auf ein flexibles Gelenk der Erfindung, die
einen zweiten integrierten Motorisierungsmodus zeigt.
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In 1a ist
perspektivisch ein flexibles Gelenk 100 mit einer inneren
Drehachse X vorgesehen, das zwei Stufen 110, 120 aufweist,
welche bezüglich einer
mittleren Ebene P senkrecht zu der inneren Drehachse X symmetrisch
sind, wie dies insbesondere die 1c zeigt.
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Die
symmetrischen Stufen 110, 120 sind durch einen
die mittlere Ebene P enthaltenden äußeren kreisförmigen Schlitz 101 getrennt.
Jede Stufe 110, 120 weist eine ringförmige Übergangsfläche 111, 121 auf,
die mit einem gemeinsamen zwischenliegenden Zylinder 102,
dessen Achse mit der inneren Drehachse X zusammenfällt, durch
mehrere radiale Führungsarme 112, 122 verbunden
ist, welche flexibel für
eine Drehung um die Achse X, jedoch starr für alle anderen Freiheitsgrade
sind.
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Das
flexible Gelenk der Erfindung ist somit vollständig monolithisch und kann
auf unterschiedliche An und Weise realisiert werden: Drehen, Fräsen, Draht-Elektroerosion
oder Spritzgießen,
ohne dass eine innere Montage erforderlich ist.
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Die
Funktionsweise des flexiblen Gelenkes der 1a bis 1c ist
wie folgt. Die untere Stufe 120 ist beispielsweise auf
einer festgelegten Basis 20 durch die ringförmige Übergangsfläche 121 installiert,
während
die ringförmige Übergangsfläche 111 der
oberen Stufe 110 eine bewegliche Plattform 10 aufnimmt,
die bezüglich
der festliegenden Basis 20 schwenkbar ist. Ein Motorisierungsmittel,
schematisch dargestellt durch den Motor M der 1a,
versetzt die Übergangsfläche 111 in
Drehbewegung, welche sich dann aufgrund der Flexibilität der radialen
Führungsarme 112 verdrehen
kann.
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Die
radialen Führungsarme 112, 122 können einfach
aus flexiblen Klingen gebildet sein, deren Ebene durch die innere
Drehachse X verläuft.
Wie dies die 1a, 1b, 1c und 2 zeigen, ist
es indessen von Vorteil, dass die Klingen im zentralen Abschnitt
eine Versteifungszone 113, 123 haben, wobei diese
Versteifungszonen insbesondere durch Draht-Elektroerosion erhalten
werden.
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Aus
den 1a, 1b, 1c und 2 ist
das Vorhandensein einer axialen Verstärkung 103 ersichtlich,
die auf der Seite des zwischenliegenden Zylinders 102 jeden
Führungsarm 112 einer
Stufe 110 mit einem Führungsarm 122 einer
anderen Stufe 120 starr verbindet, wobei die axiale Verstärkung 103 die
Funktion hat, eine starre Verbindung zwischen den Führungsarmen
der beiden Stufen 110, 120 zu bilden.
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Der
maximale Drehbereich des flexiblen Gelenkes 100 gemäß der Erfindung
ist auf einige Grad beschränkt.
Er kann jedoch deutlich vergrößert werden,
indem der Durchmesser des zwischenliegenden Zylinders 102 bezüglich desjenigen
der ringförmigen Übergangsflächen 111, 121 verringert
wird. Zu diesem Zweck wird vorgesehen, dass der zwischenliegende
Zylinder 102 radial flexibel ist. Genauer gesagt, ergibt
sich diese radiale Flexibilität
aufgrund der Tatsache, dass der zwischenliegende Zylinder 102 ringförmige Wellungen 132 aufweist,
welche im übrigen
mit einer Bearbeitung durch Draht-Elektroerosion kompatibel sind
(3).
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Eine
andere Möglichkeit,
den Drehbereich des flexiblen Gelenkes 100 gemäß der Erfindung
zu vergrößern, besteht
darin, Anordnungen durch Stapelung zu bilden.
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Eine
erste Art von Stapelung ist in 4 dargestellt,
in der, abgesehen von den extremen ringförmigen Übergangsflächen 121, 211,
eine ringförmige Übergangsfläche 111 eines
flexiblen Gelenkes 100 an der angrenzenden ringförmigen Übergangsfläche 221 eines
benachbarten Gelenkes 200 befestigt ist. Diese Struktur
hat, wenngleich sie nicht monolithisch ist, den Vorteil, dass sie
modular ist. Die erste Art von Stapelung entspricht einer Stapelung
mehrerer flexibler Gelenke entsprechend demjenigen der 1c derart,
dass sie aneinander befestigt werden können.
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Die
zweite Art von Stapelung, die in 5 dargestellt
ist, besteht aus einer monolithischen Stapelung zweier identischer
flexibler Gelenke 100, 200, wobei eine ringförmige Übergangsfläche 111 eines Gelenkes 100 einstückig mit
der angrenzenden ringförmigen Übergangsfläche 221 eines
benachbarten Gelenkes 200 ausgebildet ist, während die
Führungsarme 112 und
der zwischenliegende Zylinder 102 eines Gelenkes 100 getrennt
sind von den Führungsarmen 222 und
dem angrenzenden zwischenliegenden Zylinder 202 eines benachbarten
Gelenkes 200 durch einen inneren kreisförmigen Schlitz 300.
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Zu
beachten ist, dass diese monolithische Struktur einer Stapelung
zweier Gelenke modular ist und seinerseits den Gegenstand einer
Stapelung bilden kann. Schließlich
hat das flexible Gelenk gemäß der Erfindung,
wie dies die 6 und 7 zeigen, den
Vorteil, dass es in das Innere der Struktur der Motorisierungsglieder
integriert werden kann.
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Der
in 6 dargestellte Motorisierungstyp umfasst einen
Motor mit Untersetzungsgetriebe 401, welches mit einem
axialen Zahnrad 402 versehen ist, welches mit einem gezahnten
Sektor 403 kämmt,
der mit der ringförmigen Übergangsfläche 111 durch
zwei Träger 405, 406 fest
verbunden ist. Eine vorgespannte Feder 404 sorgt für eine Nacheinstellung
des Spiels. Die Basis des Motors mit Untersetzungsgetriebe 401 ist
mit der ringförmigen Übergangsfläche 121 fest
verbunden (nicht gezeigt).
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Der
in 7 dargestellte zweite Motorisierungstyp hat insbesondere
den Zweck, eine hohe Auflösung
in der Schwenkbewegung zu erzielen. Ein Motor mit Untersetzungsgetriebe 501,
der bezüglich einer
ringförmigen Übergangsfläche 121 festgelegt ist
(nicht gezeigt), ist mit einem Zahnrad 502 versehen, das
mit einem ersten Ende eines Reduktionshebels 503 kämmt, der
in dem äußeren kreisförmigen Schlitz 101 gleitet.
Am anderen Ende treibt der Reduktionshebel 503 ein Teil 505 zur
Verbindung mit der beweglichen ringförmigen Übergangsfläche 111 an. In gleicher
Weise stellt eine vorgespannte Feder 504 die Nachstellung
des Spiels sicher.