EP2459352A1 - Fluidisch betreibbarer manipulator - Google Patents

Fluidisch betreibbarer manipulator

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Publication number
EP2459352A1
EP2459352A1 EP10800885A EP10800885A EP2459352A1 EP 2459352 A1 EP2459352 A1 EP 2459352A1 EP 10800885 A EP10800885 A EP 10800885A EP 10800885 A EP10800885 A EP 10800885A EP 2459352 A1 EP2459352 A1 EP 2459352A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
manipulator
fluid
fluid chambers
manipulator according
extension curve
Prior art date
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Ceased
Application number
EP10800885A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Fischer
Ruwen Kaminski
Rüdiger Neumann
Alexander Hildebrandt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Festo SE and Co KG
Original Assignee
Festo SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Festo SE and Co KG filed Critical Festo SE and Co KG
Priority to EP10800885A priority Critical patent/EP2459352A1/de
Publication of EP2459352A1 publication Critical patent/EP2459352A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J18/00—Arms
    • B25J18/06—Arms flexible
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/14—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements fluid
    • B25J9/142—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements fluid comprising inflatable bodies
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S901/00—Robots
    • Y10S901/19—Drive system for arm
    • Y10S901/22—Fluid motor
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T74/00—Machine element or mechanism
    • Y10T74/20—Control lever and linkage systems
    • Y10T74/20207—Multiple controlling elements for single controlled element
    • Y10T74/20305—Robotic arm
    • Y10T74/20323—Robotic arm including flaccid drive element

Definitions

  • the invention relates to a manipulator operable in fluidic manner from a plurality of manipulator segments stacked along an extension curve, each comprising at least one coupling plate and at least two fluidically spaced fluid chambers arranged transversely to the extension curve on the coupling plate, each of the fluid chambers having at least one elastically deformable wall region , which is adapted to allow upon application of the respective fluid chamber with a fluid a change in volume of the fluid chamber for linear movement substantially parallel to the extension curve and wherein a main extension surface of the coupling plate is provided for an arrangement at least substantially perpendicular to the extension curve
  • a worm-shaped working mechanism which is pivotable and adjustable in its length.
  • the working mechanism comprises three actuators, each consisting of a series of contiguous pockets or cushions and which can be filled with a gaseous or liquid pressure medium.
  • the actuators which are made of a flexible, non-slippery material, are attached to dimensionally stable support structures, which help to maintain a spacing of the actuators and determine the outer shape of the working mechanism.
  • BEST ⁇ TfGUNGS OPlE WO 96/35877 discloses an actuator which is constructed of a plurality of dimensionally stable support elements arranged in a row and pump elements which are formed along the stacking direction of the support elements and made of a non-rigid material. By pressurizing at least one of the pumping elements with a pressurized fluid, a curvature of the actuating member can be achieved.
  • the object of the invention is to provide a fluid operable manipulator, which has a simple construction.
  • a force flow between the elastically deformable wall regions of the fluid chambers and the dimensionally stable coupling plate can be designed such that stress peaks are avoided in the elastically deformable wall regions, so that a fatigue strength of the manipulator even after a large number of load cycles is ensured.
  • the deformation properties of the elastically deformable wall regions on the one hand and the dimensionally stable coupling plate on the other hand are predetermined by the variation of material thicknesses.
  • three-dimensional support structures, in particular truss structures may be formed on the dimensionally stable coupling plate in order to achieve high rigidity with low weight and low material consumption.
  • fluid chambers and coupling plate Another positive effect of the one-piece design of fluid chambers and coupling plate is to see that a seal of the fluid chambers can be made simple, especially since no additional sealing measures are required at a transition between the fluid chamber and coupling plate due to the one-piece design.
  • the fluid chambers and the coupling plate are referred to as one piece in particular if they have been produced from a uniform material in a common production process.
  • the fluid chambers have a dual function, since they serve in addition to the provision of an at least substantially linear expansion movement when exposed to a fluid for the mechanical connection of adjacent coupling plates.
  • the wall regions of the fluid chambers are at least almost completely elastically deformable, so that at least a significant part of the fluid chamber can be deformed when pressurized with a liquid or gaseous fluid for a volume change of the fluid chamber.
  • the coupling plates are designed such that they undergo no significant change in shape upon pressurization of the fluid chambers and thus can be described as dimensionally stable.
  • Particularly advantageous is a one-piece design of the fluid chambers with adjacent coupling plates. This allows complex sealing measures between the fluid Chambers and the coupling plates are omitted.
  • the power transmission between the fluid chambers and the coupling plates is ensured in a simple manner by the one-piece design.
  • fluid chambers of adjacent manipulator segments arranged communicating with one another along the extension curve are connected to one another.
  • a common admission of several fluid chambers with pressurized fluid via a common supply line is made possible in a simple manner.
  • the application of fluid can cause a change in volume of the respective fluid chambers, which manifests itself as expansion or contraction of the fluid chambers and can cause a change in length of the fluid chambers at least substantially parallel to the extension curve.
  • fluid chambers of adjacent manipulator segments are fluidically separated and formed separately controllable. With a selective control of the fluidically separated fluid chambers, a particularly sensitive deflection of the manipulator can be achieved.
  • individual fluid chambers of the manipulator by constant pressurization on a given Volumenying. Length expansion are held, whereby the manipulator, for example, a biased spatial direction can be biased.
  • At least one guide means for receiving a sensor component of a curvature sensor is formed on a radially outer surface of the coupling plate. This results in a simple and cost-effective attachment of at least one curvature sensor to the manipulator. gate allows.
  • the curvature sensor for example, a local curvature of the manipulator between two coupling plates or a global curvature of the manipulator over its entire length or over a part of its length can be determined.
  • the guide means for receiving a sensor component for length measurement for example a strain gauge, a linear potentiometer, a magnetic coil assembly or a cable, which is coupled to a length measuring device provided.
  • the manipulator segments are produced by a generative manufacturing method, in particular by means of selective laser sintering.
  • a generative manufacturing process is a primary molding process in which the
  • Manipulator segments by energy input into a shapeless mass, such as a reaction resin or a plastic or metal powder, directly and without the use of molds, in particular in layers, are produced.
  • One such method is, for example, selective laser sintering, in which a laser beam connects a thin layer of powder by local fusion into a coherent structure.
  • Advantageous in the use of generative manufacturing methods is that changes to the geometry of the manipulator segments can be done in a simple manner by changing the data set used for the manufacturing process, such as CAD data. This provides a high degree of flexibility for the application-specific adaptation of the
  • Cross-sectional planes along the extension curve are formed tapered.
  • weight optimization for the manipulator is achieved.
  • a distal that is removed from an anchoring point of the manipulator, portion of the manipulator to which a particular tool or tool holder is attached, a smaller cross section for the manipulator segments provided as at a proximal, the anchoring directly adjacent portion of the manipulator. This is because at the proximal portion, in addition to the forces to be transmitted to a tool or workpiece by the manipulator, the weight of the distal portion must also be borne.
  • the coupling plate has a recess arranged between the fluid chambers, which is preferably designed for the passage of supply lines along the extension curve.
  • the recess allows the arrangement of supply lines, in particular of fluidic and / or electrical supply lines near the neutral fiber of the manipulator.
  • the neutral fiber is that extension curve of the manipulator that undergoes no change in length with a curvature of the manipulator.
  • the at least one elastically deformable, formed between adjacent coupling plates wall area the fluid chamber bellows-like, preferably rotationally symmetrical, in particular with double S contour formed.
  • the elastically deformable wall region of the fluid chamber has at a minimum extent, which can also serve, for example, as a neutral position, adjacent sections whose surface normals include a preferably acute angle.
  • a minimum extent which can also serve, for example, as a neutral position, adjacent sections whose surface normals include a preferably acute angle.
  • the fluid chamber is designed such that it has a linear deformation resistance for forces aligned parallel to the extension curve, which is considerably lower than a linear deformation resistance for forces aligned transversely to the extension curve.
  • a suitable material selection and geometrical dimensioning in particular of the elastically deformable wall regions of the fluid chambers.
  • the fluid chamber is designed such that its greatest change in shape when pressurized is aligned parallel to the extension curve and that the linear deformation resistance in the direction of the extension curve is a fraction, preferably less than 50 percent, in particular less than 20 percent, of a linear deformation resistance transverse to the extension curve.
  • a plurality of manipulator segments are connected to a manipulator section, which has a coupling on at least one end region, which for attachment to a correspondingly designed coupling of another
  • Manipulator section is formed.
  • the manipulator is formed from at least two manipulator sections, each independently fluidly
  • an S-shaped curvature of the manipulator can be adjusted.
  • Manipulator sections in each case at least one plane of movement, preferably in two, in particular aligned perpendicular to each other, movement levels can be achieved.
  • at least one manipulator section three, in particular arranged in a uniform angular pitch, fluid chambers are provided, which are controlled separately and which a deflection of an end portion of the
  • Enable manipulator section in a spherical movement space.
  • valve device is assigned to each fluid chamber coupled to one another in a fluidic manner.
  • the valve device is remote the manipulator sections are arranged and communicating with the respective fluid chamber via at least one fluid line, which may be formed, for example, as a separate tube or as a channel integrated into the fluid chambers and coupling plates.
  • valve devices are electrically coupled to a control device which is designed to control the valve devices and which is set up by means of at least one curvature sensor associated with at least one manipulator section for a position control of an end region of the manipulator section.
  • the control device allows via the coupling with the valve means a targeted deformation of at least one
  • Manipulator section by selective pressurization of the fluid chambers, which is carried out by means of the valve means.
  • an attitude control is provided for the end region, in which the control device makes use of curvature signals provided by the at least one curvature sensor.
  • a communication between the valve devices and the control device takes place wirelessly, for example via a radio link.
  • At least one fluid chamber is associated with a return means, which is designed such that it supports a return movement of the fluid chamber against an expansion movement of the flexible wall area caused by pressurization.
  • a return means which is designed such that it supports a return movement of the fluid chamber against an expansion movement of the flexible wall area caused by pressurization.
  • Fluid chamber without internal pressurization occupies accelerated. This is due in particular to the fact that, in addition to the recovery energy stored in the flexible wall area due to the elastic deformation of the fluid chamber, additional recovery energy is provided by the return means.
  • the elastic recovery of the elastic wall portion occurring during the return movement can be accomplished in a shorter time compared to an elastic recovery without corresponding return means, whereby the desired improvement of the dynamics is achieved. This manifests itself in particular at higher speeds of movement of the manipulator.
  • the return means is designed to provide restoring forces which act within the fluid chamber and / or between adjacent fluid chambers.
  • the return means may be designed, for example, for a force transmission between opposite flexible wall regions or the flexible wall region and a shape-fixed wall region.
  • the return means may also extend over two or more fluid chambers.
  • the fluid chambers are lined up along the extension curve and that the return means is with the each because the end fluid chambers connected.
  • the return means is also coupled to the fluid chambers, which are lined up in the row between the fluid chambers arranged at the end.
  • the restoring forces of the return means can act either as internal forces in the respective fluid chambers or as internal or external forces between adjacent fluid chambers.
  • the return means comprises at least one Federein- io direction, which is mounted within the fluid chamber on adjacent, in particular on opposite wall sections.
  • a spring device which can be for example a spiral spring or a helical spring, the desired return forces can be provided in a simple manner.
  • the arrangement within the respective fluid chamber is no additional
  • the spring device may be a linear, degressive or progressive spring.
  • the return means comprises at least one spring device which connects adjacent, in particular directly adjacent, fluid chambers and / or coupling plates with one another.
  • the spring device is to be designed to be interchangeable, for example around the
  • the spring device has an envelope geometry with a neutral fiber, which is formed geometrically similar to a corresponding section of the initial contour curve. This ensures that
  • attachment areas are designed for a, preferably form-fitting, attachment of the spring device and allow an advantageous power transmission between adjacent, in particular immediately adjacent, fluid chambers or the coupling plates.
  • the attachment areas may be formed, for example, as eyelets, in the spring ends of spring devices, in particular coil springs, can be hung.
  • the spring device is formed integrally with at least one fluid chamber and / or coupling plate.
  • Corresponding spring devices can be arranged on an outer surface of the fluid chamber and additionally or alternatively formed in a volume section bounded by the fluid chamber.
  • the spring devices are preferably produced in a generative manufacturing process, in particular in a laser sintering process, together with the respective fluid chamber or with a group of fluid chambers and coupling plates.
  • the spring devices are adapted to the elastic properties of the respective fluid chamber or group of fluid chambers, that the spring devices in a non-pressurized rest position of the fluid chamber have a bias, which leads to a preferred position of the fluid chamber.
  • the vacuum device is preferably fluidically connected to the valve device, in particular to an exhaust air duct of the valve device, in order to allow negative pressure to be applied to the associated fluid chamber as a function of the valve position.
  • an advantageous fluidic coupling between the vacuum device and the respective fluid chamber or group of fluid chambers is achieved. Additional fluid lines for providing the negative pressure to the fluid chamber or group of fluid chambers are not required, but it is possible to guide the entire fluid supply and fluid discharge in the fluid chamber or from the fluid chamber via a single fluid line.
  • the vacuum device is designed for activation by the control device in order to provide a vacuum as a function of a To allow operating state of the respective valve device.
  • a targeted provision of negative pressure can be provided in each case at the time when a provision of the respectively associated fluid chamber or group of fluid chambers is provided.
  • the negative pressure device may be, for example, a negative pressure source operating on the eflector principle, which provides a negative pressure to the respective fluid chamber or group of fluid chambers when flowing through pressurized fluid.
  • the supply of the vacuum device with pressurized fluid is preferably controlled by a valve means operatively connected to the control device, so that as a whole energy-efficient operation of the manipulator can be ensured.
  • Figure 1 is a schematic representation of one of three
  • Figure 2 is a perspective view of a
  • Manipulator section which consists of a variety of one-piece juxtaposed
  • FIG. 5 is a sectional view of a second embodiment of a manipulator section
  • FIG. 6 is a sectional view of a third embodiment of a manipulator section.
  • Manipulator sections 2 can be curved by applying two fluid chambers, which are explained in more detail below, about two axes of movement oriented perpendicular to one another. In addition, an extension or shortening of the respective manipulator section 2 in an axial extension direction is possible with suitable control. Thus, each of the manipulator sections 2 allows movement of the respective distal end region in a movement space bounded by two concentric spherical shell sections. By coupling three manipulator sections 2 in the present embodiment of the manipulator 1, locations in three-dimensional space can be controlled with mutually different orientations of the distal end area 3 of the manipulator 1, thereby ensuring flexible use of the manipulator 1 for different handling tasks. As is indicated only schematically in FIG. 1 and will be explained in more detail below with reference to FIGS. 2 and 3, each of the manipulator sections 2 is made up of a multiplicity of individual units connected to one another and connected in one piece
  • Manipulator segments 5 constructed. On radially outer surface areas of the manipulator segments 5, guiding means 6, in particular in one piece, are formed in each case by way of example as guide eyelets.
  • the guide means 6 are used to guide sensor components 7, which are exemplified as cables.
  • the sensor components 7 are coupled with curvature sensors 8 arranged on the proximal end region 4 of the manipulator 1 and fixed to a coupling plate 9 of the distal end region 3.
  • Manipulator sections 2 In a neutral position, not shown, of the manipulator 1, in which all
  • Manipulator Section 2 corresponds, with the position information can be made a plausibility check.
  • the position information determined by the control device can be secured and used as a reliable basis for a path planning of the manipulator 1, for example to move the distal end region from a present position to a new position.
  • the control device 12 uses a plurality of valve devices 15, which are electrically connected via connecting lines to the control device 12 and which are designed for the blocking or release of a pressurized fluid, in particular compressed air to the fluid chambers of the manipulator sections 2 described in more detail below.
  • Each of the valve devices 15 is coupled on the input side to a compressed air source 16 and is connected on the output side to a compressed air hose 17.
  • An example is provided that the compressed air hoses 17 are guided through a central recess 18, which can be seen in FIG. 2, as far as the respective fluid chamber.
  • the illustrated manipulator section 2 is constructed in one piece from a plurality of manipulator segments 5 lined up along the extension curve 10. In the neutral position of the exemplary
  • the extension curve 10 extends along a straight line.
  • the extension curve may be curved in the neutral position in one or two spatial directions.
  • Manipulator segments 5 each comprise a coupling plate 19 and three fluid chambers 20 mounted thereon.
  • the limits of Manipulator segment 5 determined thereby is indicated in FIG. 3 by the dashed lines 21 and 22. However, this is only one of several possible delimitations for the manipulator segments 5.
  • the coupling plate 19 is in the illustrated embodiment of the
  • Manipulator section 2 essentially by three, in this case annularly shaped, support rings 23 and the support rings 23 connecting webs 24 determined.
  • the webs 24 define in a radially inner region of the central recess 18 through which, for example, in the figure 1 schematically indicated compressed air hoses 17 can be performed near the neutral fiber.
  • the support rings 23 and the webs 24 are dimensioned such that they are not or only to a very small extent deformed in a proper use of the manipulator 1 by the forces occurring in order to always ensure a clearly predictable shape of the manipulator 1 can.
  • the support rings 23 and the webs 24 are made of solid material.
  • the integrally formed fluid chambers 20 facing surfaces of the support rings 23 and webs 24 form a main extension surface 26, the surface normal is aligned parallel to the extension curve 10.
  • the support rings 23 and / or the webs 24 also partially recesses, for example in the form of a honeycomb structure, to a faster production and a lower weight with substantially the same stability to be able to guarantee.
  • the fluid chambers 20 are designed over their entire extent with a constant wall thickness and thus have a continuously elastically deformable wall region 25.
  • the wall portion 25 is designed in the manner of a bellows rotationally symmetrical with double S-shaped contour in the illustrated neutral position.
  • Manipulator segment 5 or a linear movement of the coupling plate 19 can be achieved.
  • these undergo a change in length, while the remaining two fluid chambers 20 or the remaining fluid chamber 20 undergo at least almost no change in length due to the elasticity properties of the wall region 25.
  • the coupling plate 19 with respect to adjacent coupling plates 19th undergo at least almost no change in length due to the elasticity properties of the wall region 25.
  • Fluid chambers 20 a similar change in length, so that a linear relative movement of adjacent coupling plates 19 is caused.
  • Manipulator section 2 are in series along the Lore- 10 curve arranged fluid chambers 20 of the adjacent manipulator segments 5 communicating with each other, so that they form a common pressure chamber 28.
  • a common pressure chamber 28 In an embodiment, not shown a
  • Manipulator section are, for example, three fluid chambers of a manipulator segment each formed fluidly separated and separately from fluid chambers adjacent
  • Manipulator segments fluidly acted upon.
  • the manipulator section 2 shown in FIGS. 2 and 3 forms the proximal end in the manipulator 1 shown in FIG. 1 and for this purpose has an anchor plate 29, which is designed in the manner of a manipulator segment 5 and likewise carries three fluid chambers 20.
  • the anchor plate 29 is formed for attachment to an anchor surface, not shown.
  • the anchor surface can be, for example, an end section of an industrial robot or a rigid machine frame or a surface of a vehicle.
  • a fluid port 30, embodied as a bore is provided for each of the pressure chambers 28, to which a compressed air hose 17 (not shown) can be connected.
  • the first coupling 31 has a similar contour as the coupling plate 19, wherein instead of support rings 23 cover plates 33 are provided, each of which seal the adjacent fluid chamber 20 sealing.
  • On an outwardly facing top of the first clutch 31 each coupling rings 34 are formed.
  • the coupling rings 34 are arranged concentrically with respect to the fluid chambers 20 as an example and in the present case each have four threaded bores 35 which run in the radial direction and are arranged, for example, at the same angular pitch.
  • the coupling rings 34 define a receiving groove 37 with a radially outer circumferential centering collar 36 formed concentrically to the respective fluid chamber 20.
  • Manipulator segment which is provided for coupling to the manipulator segment 2 shown in Figures 2 and 3, comprises a centering ring 38 which is provided for receiving in the receiving groove 37, as shown in the sectional view of Figure 4.
  • the centering ring 38 has, not shown, arranged coaxially with the threaded bores 35
  • Hose channel 40 allows the supply of a compressed air hose indicated by dashed lines in Figure 4 through an access hole 41 of the second clutch 32 in the pressure chamber 28 of the manipulator segment 2.
  • the compressed air hose 17 is securely locked by the forced curvature between the hose channel 40 and the access hole 41.
  • the manipulator sections 70, 80 shown in detail in FIGS. 5 and 6 are constructed in the same way as the manipulator sections 2, 34 shown in FIGS. 1 to 3 from fluid chambers 71, 81 which are lined up in one piece.
  • spring devices 75 which extend in each case between the coupling plates 73 and are formed as an example in one piece with the coupling plates 73 and the flexible wall regions 72, are arranged in the fluid chambers 71.
  • the spring devices 75 are exemplarily designed as spiral-shaped tension springs, which initiate tensile forces on adjacent coupling plates 73.
  • the spring means 75 are formed such that they also in the illustrated rest position of the fluid chambers 71 have a bias voltage which is opposite to an induced by pressurization of the fluid chambers 71 expansion movement. In such a pressurization of the fluid chambers 71, these expand in the axial direction along the extension curve 10, whereby an expansion of the spring means 75 takes place, the internal stress is increased thereby, so that the tensile forces between adjacent coupling plates 73 also, in particular linearly increase. As a result, the desired restoring force is exerted on the respective fluid chambers 71.
  • a vacuum device 90 is additionally provided, for example, after
  • the vacuum device 90 is like the valve device 15 via connecting lines 11 electrically coupled to the control device 12 and at the outgoing from the compressed air source 16 supply line 91 connected.
  • the vacuum device 90 is preferably equipped with an internal valve, not shown, for blocking or releasing the compressed air provided via the supply line 91, so that provision of a negative pressure via the vacuum line 82 to the exhaust port of the valve device 15 in response to a switching signal of the control device 12th can be provided to the vacuum device 80.
  • the vacuum device 90 is then activated by the control device 12 to provide a negative pressure when the fluid chambers 71 fluidly coupled to the valve device 12 are to be vented in order to return from a not shown, extended expansion position into the rest position shown in FIG.
  • the vacuum device 90 contributes to a more rapid venting of the fluid chambers 71.
  • the fluid chambers 71 are acted upon by means of the vacuum device 90 with a negative pressure which is less than a pressure of the atmosphere surrounding the manipulator segment 70, thereby achieving an even faster taking the neutral position.
  • the spring devices 75 and the vacuum device 90 shown in FIG. 5 may be mounted in combination or individually on the corresponding manipulator segment 70; the common representation shown in FIG. 5 is not intended to indicate that these two different return devices can only be provided together.
  • the third embodiment of a manipulator segment 80 shown in FIG. Guidance form of a manipulator segment 70, as shown in Figure 5, externally arranged spring means 85, 86 on.
  • spring devices 85, 86 are preferably used alternatively, but they can also be provided in the mixed construction, as shown in FIG. While the spring devices 75 in the manipulator segment 70 according to FIG. 5 are formed integrally with the coupling plates 73 and the wall regions 72, a discrete embodiment of the spring devices 85, 86 is provided in the embodiment according to FIG.
  • the spring devices 85, 86 10 projecting eyelets 86 are provided on the coupling plates 83 transverse to the extension curve, each having a bore for the positive reception of an end portion of the respective spring means 85, 96.
  • the spring devices 85, 86 are helical springs which have a cylindrical envelope 87 whose neutral fiber 88 is geometrically similar to the extension curve 10.
  • the fluid supply of the fluid chambers 81 can be supplemented by a vacuum device 90.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen fluidisch betreibbaren Manipulator aus mehreren längs einer Erstreckungskurve (10) gestapelt angeordneten Manipulatorsegmenten (5; 70; 80), die jeweils wenigstens eine Koppelplatte (19; 73) und wenigstens zwei, quer zur Erstreckungskurve (10) beabstandet an der Koppelplatte (19; 73) angeordnete, fluidisch getrennt ausgebildete Fluidkammern (20; 37; 71) umfassen, wobei jede der Fluidkammern (20; 37; 71) wenigstens einen elastisch deformierbaren Wandbereich (25; 72) aufweist, der dazu ausgebildet ist, bei Beaufschlagung der jeweiligen Fluidkammer (20; 37; 71) mit einem Fluid eine Volumenänderung der Fluidkammer (20; 37; 71) für eine Linearbewegung im Wesentlichen parallel zur Erstreckungskurve (10) zu ermöglichen und wobei eine Haupterstreckungsfläche (26) der Koppelplatte (19; 73) für eine Anordnung zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Erstreckungskurve (10) vorgesehen ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die wenigstens zwei Fluidkammern (20; 37; 71) einstückig mit der wenigstens einen Koppelplatte (19; 73) ausgebildet sind.

Description

FESTO AG & Co. KG, Ruiter Straße 82, 73734 Esslingen Fluidisch betreibbarer Manipulator
Die Erfindung betrifft einen fluidisch betreibbaren Manipulator aus mehreren längs einer Erstreckungskurve gestapelt angeordneten Manipulatorsegmenten, die jeweils wenigstens eine Koppelplatte und wenigstens zwei, quer zur Erstreckungskurve beabstandet an der Koppelplatte angeordnete, fluidisch getrennt ausgebildete Fluidkammern umfassen, wobei jede der Fluidkammern wenigstens einen elastisch deformierbaren Wandbereich aufweist, der dazu ausgebildet ist, bei Beaufschlagung der jeweiligen Fluidkammer mit einem Fluid eine Volumenänderung der Fluidkammer für eine Linearbewegung im Wesentlichen parallel zur Erstreckungskurve zu ermöglichen und wobei eine Haupterstreckungsfläche der Koppelplatte für eine Anordnung zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Erstreckungskurve vorgesehen ist
Aus der DE 198 33 340 AI ist ein wurmförmiger Arbeitsmechanismus bekannt, der verschwenkbar und in seiner Länge einstellbar ist. Der Arbeitsmechanismus umfasst drei Aktoren, die jeweils aus einer Reihe aneinander liegender Taschen oder Kissen bestehen und die mit einem gasförmigen oder flüssigen Druckmedium befüllbar sind. Die aus einem flexiblen, biege - schlaffen Material hergestellten Aktoren sind an formstabilen Stützstrukturen angebracht, die zur Aufrechterhaltung einer Beabstandung der Aktoren dienen und die äußere Form des Arbeitsmechanismus mitbestimmen.
BESTÄTfGUNGS OPlE Die W096/35877 offenbart ein Betätigungsorgan, das aus einer Vielzahl von aneinander gereihten formstabilen Tragelementen und längs der Stapelrichtung der Tragelemente ausgebildeten, aus einem biegeschlaffen Material hergestellten Pumporganen aufgebaut ist. Durch Druckbeaufschlagung wenigstens eines der Pumpelemente mit einem Druckfluid kann eine Krümmung des Betätigungsorgans erzielt werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen fluidisch betreibbaren Manipulator bereitzustellen, der eine einfache Aufbauweise aufweist .
Diese Aufgabe wird für einen fluidischen Manipulator der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst . Hierbei ist vorgesehen, dass die wenigstens zwei Fluidkammern einstückig mit der wenigstens einen Koppelplatte ausgebildet sind .
Durch die einstückige Gestaltung der Fluidkammern mit der Koppelplatte kann ein Kraftfluss zwischen den elastisch deformierbaren Wandbereichen der Fluidkammern und der formstabilen Koppelplatte derart gestaltet werden, dass Spannungsspitzen in den elastisch deformierbaren Wandbereichen vermieden werden, so dass eine Dauerfestigkeit des Manipulators auch nach einer großen Anzahl von Lastspielen sichergestellt ist. Vorzugsweise werden die Deformationseigenschaften der elastisch deformierbaren Wandbereiche einerseits und der formstabilen Koppelplatte andererseits durch die Variation von Materialstärken vorgegeben. Ergänzend können an der formstabilen Koppelplatte auch dreidimensionale Stützstrukturen, insbesondere Fachwerkstrukturen, ausgebildet sein, um bei geringem Gewicht und niedrigem Materialverbrauch eine hohe Steifigkeit zu erreichen. Ein weiterer positiver Effekt der einstückigen Ausführung von Fluidkammern und Koppelplatte ist darin zu sehen, dass eine Abdichtung der Fluidkammern einfach gestaltet werden kann, da insbesondere an einem Übergang zwischen Fluidkammer und Koppelplatte aufgrund der einstückigen Ausführung keine zusätzlichen Dichtmaßnahmen erforderlich sind. Als einstückig werden die Fluidkammern und die Koppel - platte insbesondere dann bezeichnet, wenn sie in einem gemeinsamen Herstellungsprozess aus einem einheitlichen Material hergestellt wurden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Zweckmäßig ist es, wenn, vorzugsweise elastisch
deformierbare, Wandbereiche der Fluidkammern für eine, insbesondere einstückige, Verbindung benachbart angeordneter Koppelplatten ausgebildet sind. Damit kommt den Fluidkammern eine Doppelfunktion zu, da sie neben der Bereitstellung einer zumindest im Wesentlichen linearen Ausdehnungsbewegung bei Beaufschlagung mit einem Fluid auch für die mechanische Verbindung benachbarter Koppelplatten dienen. Hierdurch kann auf eine zusätzliche äußere und/oder innere Stützstruktur verzichtet werden, so dass hiermit ein einfacher Aufbau des erfindungsgemäßen Manipulators sichergestellt ist. Vorzugsweise sind die Wandbereiche der Fluidkammern zumindest nahezu vollständig elastisch deformierbar, so dass zumindest ein erheblicher Teil der Fluidkammer bei Druckbeaufschlagung mit einem flüssigen oder gasförmigen Fluid für eine Volumenänderung der Fluidkammer deformiert werden kann. Demgegenüber sind die Koppelplatten derart ausgeführt, dass sie bei einer Druckbeaufschlagung der Fluidkammern keine wesentliche Gestaltveränderung erfahren und somit als formstabil zu bezeichnen sind. Besonders vorteilhaft ist eine einstückige Ausbildung der Fluidkammern mit einander benachbarten Koppelplatten. Hierdurch kann auf aufwendige Dichtmaßnahmen zwischen den Fluid- kammern und den Koppelplatten verzichtet werden. Außerdem wird durch die einstückige Ausgestaltung die Kraftübertragung zwischen den Fluidkammern und den Koppelplatten in einfacher Weise sichergestellt.
Vorteilhaft ist es, wenn längs der Erstreckungskurve angeordnete Fluidkammern benachbarter Manipulatorsegmente kommunizierend miteinander verbunden sind. Hierdurch wird in einfacher Weise eine gemeinsame Beaufschlagung mehrerer Fluidkammern mit Druckfluid über eine gemeinsame Zuleitung ermöglicht. Durch die Fluidbeaufschlagung kann eine Volumenänderung der jeweiligen Fluidkammern bewirkt werden, die sich als Ausdehnen oder Zusammenziehen der Fluidkammern äußert und durch die eine Längenänderung der Fluidkammern zumindest im Wesentlichen parallel zur Erstreckungskurve hervorgerufen werden kann.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass längs der Erstreckungskurve angeordnete Fluidkammern benachbarter Manipulatorsegmente fluidisch getrennt und separat ansteuerbar ausgebildet sind. Mit einer selektiven Ansteuerung der fluidisch getrennten Fluidkammern kann eine besonders feinfühlige Auslenkung des Manipulators erreicht werden. Zudem können einzelne Fluidkammern des Manipulators durch konstante Druckbeaufschlagung auf einer vorgegebenen Volumenbzw. Längenausdehnung gehalten werden, wodurch der Manipulator beispielsweise ein eine vorgebbare Raumrichtung vorgespannt werden kann.
Vorteilhaft ist es, wenn an einer radial außenliegenden Oberfläche der Koppelplatte wenigstens ein Führungsmittel zur Aufnahme einer Sensorkomponente eines Krümmungssensors ausgebildet ist. Hierdurch wird eine einfache und kostengünstige Anbringung wenigstens eines Krümmungssensors an dem Manipula- tor ermöglicht. Mit Hilfe des Krümmungssensors kann beispielsweise eine lokale Krümmung des Manipulators zwischen zwei Koppelplatten oder eine globale Krümmung des Manipulators über seine gesamte Länge oder über einen Teil seiner Länge ermittelt werden. Vorzugsweise ist das Führungsmittel für die Aufnahme einer Sensorkomponente zur Längenmessung, beispielsweise eines Dehnmeßstreifens, eines Linearpotentiometers, einer Magnetspulenanordnung oder eines Seilzugs, der mit einer Längenmesseinrichtung gekoppelt ist, vorgesehen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Manipulatorsegmente mit einem generativen Herstellungsverfahren, insbesondere mittels selektivem Lasersintern, hergestellt sind. Bei einem generativen Herstellungsverfahren handelt es sich um ein Urformverfahren, bei dem die
Manipulatorsegmente durch Energieeintrag in eine formlose Masse, beispielsweise ein Reaktionsharz oder ein Kunststoffoder Metallpulver, unmittelbar und ohne Einsatz von Formwerkzeugen, insbesondere schichtweise, hergestellt werden. Ein solches Verfahren ist beispielsweise das selektive Lasersintern, bei dem ein Laserstrahl eine dünne Pulverschicht durch lokale Verschmelzung zu einer zusammenhängenden Struktur verbindet. Vorteilhaft beim Einsatz von generativen Herstellungsverfahren ist es, dass Änderungen an der Geometrie der Manipulatorsegmente in einfacher Weise durch Änderung des für den Herstellungsvorgang genutzten Datensatzes, beispielsweise CAD-Daten, erfolgen können. Hierdurch wird eine hohe Flexibilität für die anwendungsspezifische Anpassung der
Manipulatorsegmente erreicht. Zudem können bei der Verwendung generativer Herstellungsverfahren in einfacher Weise
hinterschnittene Geometrien hergestellt werden.
Zweckmäßig ist es, wenn von den Fluidkammern und der Koppel - platte bestimmte Querschnitte der Manipulatorsegmente in je- weils senkrecht zur Erstreckungskurve ausgerichteten
Querschnittsebenen längs der Erstreckungskurve verjüngt ausgebildet sind. Durch eine Verjüngung der aneinander gereihten Manipulatorsegmente längs der Erstreckungskurve wird eine Gewichtsoptimierung für den Manipulator erreicht. Vorzugsweise ist an einem distalen, also von einem Verankerungsort des Manipulators entfernten, Abschnitt des Manipulators, an dem insbesondere ein Werkzeug oder Werkzeughalter angebracht ist, ein geringerer Querschnitt für die Manipulatorsegmente vorgesehen als an einem proximalen, dem Verankerungsort unmittelbar benachbarten Abschnitt des Manipulators. Dies hängt damit zusammen, dass am proximalen Abschnitt zusätzlich zu den vom Manipulator auf ein Werkzeug oder Werkstück zu übertragenden Kräften auch die Gewichtskraft des distalen Abschnitts getragen werden muss.
Vorteilhaft ist es, wenn die Koppelplatte eine zwischen den Fluidkammern angeordnete Ausnehmung aufweist, die vorzugsweise zur Durchführung von Versorgungsleitungen längs der Erstreckungskurve ausgebildet ist. Die Ausnehmung ermöglicht die Anordnung von Versorgungsleitungen, insbesondere von fluidischen und/oder elektrischen Versorgungsleitungen nahe der neutralen Faser des Manipulators. Die neutrale Faser ist diejenige Erstreckungskurve des Manipulators, die bei einer Krümmung des Manipulators keine Längenänderung erfährt . Durch eine Anordnung der Versorgungsleitungen nahe der neutralen Faser finden bei einer Krümmung des Manipulators nur geringe Relativbewegungen zwischen den Versorgungsleitungen und den die Ausnehmung begrenzenden Koppelplatten statt, was sich vorteilhaft auf den Bewegungswiderstand für den Manipulator und auf den Verschleiß der Versorgungsleitungen auswirkt.
Vorzugsweise ist der wenigstens eine elastisch deformierbare, zwischen benachbarten Koppelplatten ausgebildete Wandbereich der Fluidkammer faltenbalgartig, vorzugsweise rotationssymmetrisch, insbesondere mit Doppel -S -Kontur, ausgebildet.
Hierdurch kann ein vorteilhaftes Verhältnis zwischen einer minimalen und einer maximalen Ausdehnung der jeweiligen
Fluidkammern, insbesondere in einer Längsausdehnungsrichtung, erzielt werden. Der elastisch deformierbare Wandbereich der Fluidkammer weist bei einer minimalen Ausdehnung, die beispielsweise auch als Neutralstellung dienen kann, benachbarte Teilabschnitte auch, deren Flächennormalen einen vorzugsweise spitzen Winkel einschließen. Bei einer Volumenänderung der Fluidkammer, bei der es ausgehend von der minimalen Ausdehnung zu einer Längenänderung der Fluidkammer kommt, werden die benachbarten Teilabschnitte des elastisch deformierbaren Wandbereichs relativ zueinander verkippt. Bei Erreichen der maximalen Ausdehnung sind die Flächennormalen der benachbarten Teilabschnitte zumindest nahezu parallel ausgerichtet.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fluidkammer derart ausgebildet ist, dass sie für parallel zur Erstreckungskurve ausgerichtete Kräfte einen linearen Deformationswiderstand aufweist, der erheblich geringer als ein linearer Deformationswiderstand für quer zur Erstreckungskurve ausgerichtete Kräfte ist. Dies wird durch eine geeignete Materialauswahl und geometrische Dimensionierung, insbesondere der elastisch deformierbaren Wandbereiche der Fluidkammern, erreicht. Vorzugsweise ist die Fluidkammer derart ausgebildet, dass ihre größte Gestaltänderung bei Druckbeaufschlagung parallel zur Erstreckungskurve ausgerichtet ist und dass der lineare Deformationswiderstand in Richtung der Erstreckungskurve einen Bruchteil, vorzugsweise weniger als 50 Prozent, insbesondere weniger als 20 Prozent, eines linearen Deformationswiderstands quer zur Erstreckungskurve beträgt. Dadurch ist gewährleistet, dass der Manipulator eine hohe Torsionsfestigkeit für Drehmomente um die Erstreckungskurve aufweist. Derartige Drehmomente führen zu Schubbelastungen auf die Fluidkammern . Diese Schubbelastungen rufen jedoch aufgrund des in Belastungsrichtung hohen linearen Deformationswiderstands der Fluidkammer nur geringe Deformationen der Fluidkammer hervor.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass mehrere Manipulatorsegmente zu einem Manipulatorabschnitt verbunden sind, der an wenigstens einem Endbereich eine Kupplung aufweist, die für eine Anbringung an einer korrespondierend ausgeführten Kupplung eines weiteren
Manipulatorabschnitts ausgebildet ist. Vorzugsweise wird der Manipulator aus wenigstens zwei Manipulatorabschnitten gebildet, die jeweils unabhängig voneinander fluidisch
beaufschlagbar sind. Somit kann beispielsweise eine S-förmige Krümmung des Manipulators eingestellt werden.
Bevorzugt weisen benachbart angeordnete Manipulatorabschnitte jeweils wenigstens zwei getrennt ansteuerbare Fluidkammern auf. Hierdurch kann eine Auslenkung der jeweiligen
Manipulatorabschnitte in jeweils wenigstens einer Bewegungs- ebene, vorzugsweise in zwei, insbesondere senkrecht zueinander ausgerichteten, Bewegungsebenen erreicht werden. Besonders bevorzugt sind für wenigstens einen Manipulatorabschnitt drei, insbesondere in einer gleichmäßigen Winkelteilung angeordnete, Fluidkammern vorgesehen, die getrennt ansteuerbar sind und die eine Auslenkung eines Endbereichs des
Manipulatorabschnitts in einem kugelförmigen Bewegungsraum ermöglichen.
Zweckmäßig ist es, wenn den fluidisch miteinander gekoppelten Fluidkammern jeweils wenigstens eine Ventileinrichtung zugeordnet ist. Vorzugsweise ist die Ventileinrichtung abseits der Manipulatorabschnitte angeordnet und steht über wenigstens eine Fluidleitung, die beispielsweise als separater Schlauch oder als in die Fluidkammern und Koppelplatten integrierter Kanal ausgebildet sein kann, in kommunizierender Verbindung mit der jeweiligen Fluidkammer.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ventileinrichtungen elektrisch mit einer Steuereinrichtung gekoppelt sind, die für eine Ansteuerung der Ventileinrichtungen ausgebildet ist und die mittels wenigstens eines Krümmungssensors, der wenigstens einem Manipulatorabschnitt zugeordnet ist, für eine Lageregelung eines Endbereichs des Manipulatorabschnitts eingerichtet ist. Die Steuereinrichtung ermöglicht über die Kopplung mit den Ventileinrichtungen eine gezielte Deformation des wenigstens eines
Manipulatorabschnitts durch selektive Druckbeaufschlagung der Fluidkammern, die mittels der Ventileinrichtungen durchgeführt wird. Um eine möglichst exakte Positionierung des distalen Endbereichs des Manipulators an einem vorgebbaren Ort im dreidimensionalen Raum zu ermöglichen, ist eine Lageregelung für den Endbereich vorgesehen, bei der die Steuereinrichtung Gebrauch von Krümmungssignalen macht, die von dem wenigstens einen Krümmungssensor bereitgestellt werden. Vorzugsweise erfolgt eine Kommunikation zwischen den Ventileinrichtungen und der Steuereinrichtung drahtlos, beispielsweise über eine Funkverbindung.
Vorteilhaft ist es, wenn wenigstens einer Fluidkammer ein Rückstellmittel zugeordnet ist, das derart ausgebildet ist, dass es eine Rückstellbewegung der Fluidkammer entgegen einer durch Druckbeaufschlagung bewirkten Ausdehnungsbewegung des flexiblen Wandbereichs unterstützt. Mit Hilfe des Rückstellmittels kann die Bewegungsdynamik des Manipulators erhöht werden, da die Rückstellbewegung aus der durch Druckbeauf- schlagung der Fluidkammer bewirkten Ausdehnungsstellung der jeweiligen Fluidkammer in eine Neutralstellung, die die
Fluidkammer ohne innere Druckbeaufschlagung einnimmt, beschleunigt wird. Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass zusätzlich zu der aufgrund der elastischen Deformation der Fluidkammer in dem flexiblen Wandbereich gespeicherten Rückverformungsenergie noch zusätzliche Rückverformungsener- gie durch die Rückstellmittel bereitgestellt wird. Somit kann die bei der Rückstellbewegung erfolgende elastische Rückver- formung des elastischen Wandbereichs verglichen mit einer elastischen Rückverformung ohne entsprechende Rückstellmittel in kürzerer Zeit erfolgen, wodurch die gewünschte Verbesserung der Dynamik erreicht wird. Dies äußert sich insbesondere in höheren Bewegungsgeschwindigkeiten des Manipulators. Darüber hinaus können die Rückstellmittel bei geeigneter Auslegung auch für eine zumindest teilweise Kompensation des Eigengewichts des Manipulators eingesetzt werden, sofern der Manipulator derart eingesetzt wird, dass das Eigengewicht der Fluidkammern zu einer zumindest teilweisen Ausdehnung der Fluidkammern führt, ohne dass eine Druckbeaufschlagung stattfindet, beispielsweise bei einer Aufhängung des Manipulators an einer Raumdecke.
Besonders bevorzugt ist das Rückstellmittel zur Bereitstellung von Rückstellkräften ausgebildet, die innerhalb der Fluidkammer und/oder zwischen benachbarten Fluidkammern wirken. Das Rückstellmittel kann beispielsweise für eine Kraftübertragung zwischen gegenüberliegenden flexiblen Wandbereichen oder dem flexiblen Wandbereich und einem gestaltfesten Wandbereich ausgebildet sein. Das Rückstellmittel kann sich auch über zwei oder mehrere Fluidkammern erstrecken. Vorzugsweise sind die Fluidkammern längs der Erstreckungskurve aneinander gereiht und das das Rückstellmittel ist mit den je- weils endseitigen Fluidkammern verbunden. Bevorzugt ist das Rückstellmittel auch mit den Fluidkammern gekoppelt, die in der Reihe zwischen den endseitig angeordneten Fluidkammern aufgereiht sind. Die Rückstellkräfte der Rückstellmittel kön- 5 nen entweder als innere Kräfte in den jeweiligen Fluidkammern oder als innere oder äußere Kräfte zwischen benachbarten Fluidkammern wirken.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Rückstellmittel wenigstens eine Federein- io richtung umfasst, die innerhalb der Fluidkammer an benachbarten, insbesondere an gegenüberliegenden, Wandabschnitten angebracht ist. Mit einer Federeinrichtung, bei der es sich beispielsweise um eine Spiralfeder oder um eine Wendelfeder handeln kann, können in einfacher Weise die gewünschten Rück- i5 Stellkräfte bereitgestellt werden. Durch die Anordnung innerhalb der jeweiligen Fluidkammer wird kein zusätzlicher
Bauraum für die Federeinrichtung benötigt . Bei der Federeinrichtung kann es sich um eine linear, degressiv oder progressiv wirkende Feder handeln.
2o Bevorzugt umfasst das Rückstellmittel wenigstens eine Federeinrichtung, die benachbarte, insbesondere unmittelbar benachbarte, Fluidkammern und/oder Koppelplatten miteinander verbindet. Dies ist vorteilhaft, wenn die Federeinrichtung austauschbar ausgebildet werden soll, beispielsweise um die
25 Federcharakteristik der Federeinrichtung an unterschiedliche Einsatzfälle des Manipulators anpassen zu können.
Vorteilhaft ist es, wenn die Federeinrichtung eine Hüllgeometrie mit einer neutralen Faser aufweist, die geometrisch ähnlich zu einem korrespondierenden Abschnitt der Erstre- 30 ckungskurve ausgebildet ist. Hierdurch ist gewährleistet,
dass die Federeinrichtung in zumindest nahezu allen Betriebs- zuständen des Manipulators kompakt an dem Manipulator anliegt und somit keinen negativen Einfluss auf die räumliche Ausdehnung des Manipulators hat .
Zweckmäßig ist es, wenn an den Fluidkammern und/oder an den Koppelplatten, insbesondere einstückig angeformte, Befestigungsbereiche zur Anbringung der Federeinrichtung ausgebildet sind. Die Befestigungsbereiche sind für eine, vorzugweise formschlüssige, Anbringung der Federeinrichtung ausgebildet und ermöglichen eine vorteilhafte Kraftübertragung zwischen benachbarten, insbesondere unmittelbar benachbarten, Fluidkammern oder den Koppelplatten. Die Befestigungsbereiche können beispielsweise als Ösen ausgebildet sein, in die Federenden von Federeinrichtungen, insbesondere von Wendelfedern, eingehängt werden können.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist die Federeinrichtung einstückig mit wenigstens einer Fluidkammer und/oder Koppelplatte ausgebildet. Dementsprechende Federeinrichtungen können an einer Außenoberfläche der Fluidkammer angeordnet und ergänzend oder alternativ in einem von der Fluidkammer begrenzten Volumenabschnitt ausgebildet sein. Bevorzugt werden die Federeinrichtungen in einem generativen Herstellungs- prozess, insbesondere in einem Lasersinterprozess , zusammen mit der jeweiligen Fluidkammer oder mit einer Gruppe von Fluidkammern und Koppelplatten hergestellt. Besonders bevorzugt sind die Federeinrichtungen derart auf die Elastizitätseigenschaften der jeweiligen Fluidkammer oder Gruppe von Fluidkammern angepasst, dass die Federeinrichtungen in einer drucklosen Ruhestellung der Fluidkammer eine Vorspannung aufweisen, die zu einer bevorzugten Stellung der Fluidkammer führt . Vorteilhaft ist es, wenn die Rückstellmittel eine Unterdruckeinrichtung umfassen, die zur Bereitstellung eines Unterdrucks an wenigstens eine der Fluidkammern ausgebildet ist. Mit Hilfe der Unterdruckeinrichtung kann zusätzlich oder alternativ zu der Wirkung der Federeinrichtung eine Rückstellkraft durch Unterdruckbeaufschlagung einer Fluidkammer oder einer Gruppe von Fluidkammern erreicht werden. Zudem findet bei der Unterdruckbeaufschlagung der Fluidkammer eine aktive Entlüftung statt, so dass das in der Fluidkammer aufgenommene Fluidvolumen schneller aus der Fluidkammer abgezogen werden kann und bereits dadurch eine schnellere Rückstellung der Fluidkammer in die Neutralstellung bewirkt wird. Durch die kombinierte Wirkung der schnelleren Entlüftung der Fluidkammer und die zusätzlich mögliche Beaufschlagung der Fluidkammer mit Unterdruck, um eine vorgebbare Vorzugsstellung der Fluidkammer herbeizuführen kann die Dynamik des Manipulators in vorteilhafter Weise erhöht werden.
Bevorzugt ist die Unterdruckeinrichtung fluidisch mit der Ventileinrichtung, insbesondere mit einem Abluftkanal der Ventileinrichtung, verbunden, um eine Unterdruckbeaufschlagung der zugeordneten Fluidkammer in Abhängigkeit von der Ventilstellung zu ermöglichen. Hierdurch wird eine vorteilhafte fluidische Kopplung zwischen der Unterdruckeinrichtung und der jeweiligen Fluidkammer bzw. Gruppe von Fluidkammern erreicht. Zusätzliche Fluidleitungen zur Bereitstellung des Unterdrucks an die Fluidkammer oder Gruppe von Fluidkammern sind nicht erforderlich, vielmehr ist es möglich, die gesamte Fluidversorgung und Fluidabfuhr in die Fluidkammer bzw. aus der Fluidkammer über eine einzige Fluidleitung zu führen.
Vorteilhaft ist es, wenn die Unterdruckeinrichtung für eine Ansteuerung durch die Steuereinrichtung ausgebildet ist, um eine Bereitstellung von Unterdruck in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der jeweiligen Ventileinrichtung zu ermöglichen. Dadurch kann eine gezielte Bereitstellung von Unterdruck jeweils zu demjenigen Zeitpunkt vorgesehen werden, wenn eine Rückstellung der jeweils zugeordneten Fluidkammer oder Gruppe von Fluidkammern vorgesehen ist . Dies wird durch die Steuereinrichtung koordiniert, die entsprechend dem Unterdruckbedarf die Unterdruckeinrichtung ansteuert. Bei der Unterdruckeinrichtung kann es sich beispielsweise um eine nach dem Ej ektorprinzip arbeitende Unterdruckquelle handeln, die bei Durchströmung mit druckbeaufschlagtem Fluid einen Unterdruck an die jeweilige Fluidkammer oder Gruppe von Fluidkammern bereitstellt. Bevorzugt wird in diesem Fall die Versorgung der Unterdruckeinrichtung mit druckbeaufschlagtem Fluid durch ein mit der Steuereinrichtung wirkverbundenes Ventil - mittel gesteuert, so dass insgesamt ein energieeffizienter Betrieb des Manipulators sichergestellt werden kann.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines aus drei
Manipulatorabschnitten aufgebauten Manipulators in einer Funktionsstellung,
Figur 2 eine perspektivische Darstellung eines
Manipulatorabschnitts, der aus einer Vielzahl von einstückig aneinander gereihten
Manipulatorsegmenten aufgebaut ist,
Figur 3 eine Schnittdarstellung des Manipulatorabschnitts gemäß der Figur 2 , Figur 4 eine geschnittene Detaildarstellung einer Kupplung zur Verbindung von aneinandergrenzenden
Manipulatorabschnitten,
Figur 5 eine geschnitten dargestellte zweite Ausführungsform eines Manipulatorabschnitts und
Figur 6 eine geschnitten dargestellte dritte Ausführungsform eines Manipulatorabschnitts.
Ein in der Figur 1 dargestellter Manipulator 1 ist rüsselför- mig oder wurmartig ausgebildet und ist exemplarisch aus drei in Reihe angeordneten Manipulatorabschnitten 2 aufgebaut. Der Manipulator 1 dient zur Positionierung eines an einem distalen Endbereich 3 anbringbaren, nicht dargestellten Werkzeughalters, Werkstückträgers oder Werkzeugs. Jeder der
Manipulatorabschnitte 2 kann durch Beaufschlagung von nachstehend näher erläuterten Fluidkammern um zwei senkrecht zueinander ausgerichtete Bewegungsachsen gekrümmt werden. Zudem ist bei geeigneter Ansteuerung eine Verlängerung oder Verkürzung des jeweiligen Manipulatorabschnitts 2 in einer axialen Erstreckungsrichtung möglich. Somit ermöglicht jeder der Manipulatorabschnitte 2 eine Bewegung des jeweiligen distalen Endbereichs in einem von zwei konzentrisch zueinander ausgerichteten Kugelschalenabschnitten begrenzten Bewegungsraum. Durch die Kopplung von drei Manipulatorabschnitten 2 bei der vorliegenden Ausführungsform des Manipulators 1 können Orte im dreidimensionalen Raum mit voneinander unterschiedlichen Orientierungen des distalen Endbereichs 3 des Manipulators 1 angesteuert werden, wodurch ein flexibler Einsatz des Manipulators 1 für unterschiedliche Handhabungsaufgaben gewährleistet wird. Wie in der Figur 1 nur schematisch angedeutet ist und nachstehend zu den Figuren 2 und 3 näher erläutert wird, ist jeder der Manipulatorabschnitte 2 aus einer Vielzahl von aneinander gereihten und einstückig miteinander verbundenen
Manipulatorsegmenten 5 aufgebaut. An radial außenliegenden Oberflächenbereichen der Manipulatorsegmente 5 sind jeweils exemplarisch als Führungsösen ausgebildete Führungsmittel 6, insbesondere einstückig, ausgebildet. Die Führungsmittel 6 dienen zur Führung von Sensorkomponenten 7, die exemplarisch als Seilzüge ausgebildet sind. Die Sensorkomponenten 7 sind mit endseitig am proximalen Endbereich 4 des Manipulators 1 angeordneten Krümmungssensoren 8 gekoppelt und an einer Kupplungsplatte 9 des distalen Endbereichs 3 festgelegt.
Die Krümmungssensoren 8 sind vorzugsweise als Wegmeßsensoren ausgebildet und ermitteln die krümmungsbedingte Relativbewegung der jeweiligen Sensorkomponente 7 bei der Bewegung des Manipulators 1, um daraus eine Positionsinformation zu erzeugen. Bei der dargestellten Ausführungsform des Manipulators 1 sind zwei Krümmungssensoren 8 vorgesehen, die vorzugsweise in gleicher Winkelteilung und gleicher radialer Beabstandung zu einer Erstreckungskurve 10 angeordnet sind. Die Erstreckungs- kurve 10 stimmt vorzugsweise mit einer neutralen Faser des Manipulators 1 überein, bei der es sich um eine räumliche Linie im inneren des Manipulators 1 handelt, die bei einer Krümmung der Manipulatorabschnitte 2 keine Längenänderung erfährt. Die Gestalt der neutralen Faser und der Erstreckungskurve 10 ändern sich mit der Krümmung der
Manipulatorabschnitte 2. In einer nicht dargestellten Neutrallage des Manipulators 1, in der sämtliche
Manipulatorabschnitte 2 in einer ungekrümmten Stellung vorliegen, verlaufen die neutrale Faser und die Erstreckungskurve 10 längs einer Geraden. Die Krümmungssensoren 8 sind über Verbindungsleitungen 11 elektrisch mit einer Steuereinrichtung 12 verbunden, die die Längeninformationen der Krümmungssensoren 8 verarbeitet. Aus den Längeninformationen wird von der Steuereinrichtung 12 eine Positionsinformation bezüglich der Lage des distalen Endbereichs 3 im dreidimensionalen Raum und bezüglich der Ausrichtung des distalen Endbereichs 3 bezogen auf seine räumliche Lage ermittelt. Diese Lageinformation kann von der Steuereinrichtung 12 mit Druckwerten verglichen werden, die von nicht näher dargestellten Drucksensoren bereitgestellt werden, die den Fluidkammern der jeweiligen
Manipulatorabschnitte 2 zugeordnet sind und die die Ermittlung einer Ausrichtungsinformation durch die Steuereinrichtung ermöglichen.
Aus dem Abgleich der Ausrichtungsinformation, die einer Grobbestimmung der jeweiligen Krümmung des zugeordneten
Manipulatorabschnitts 2 entspricht, mit der Positionsinformation kann eine Plausibilitätsprüfung vorgenommen werden. Dadurch kann die von der Steuereinrichtung ermittelte Positionsinformation abgesichert werden und als zuverlässige Grundlage für eine Bahnplanung des Manipulators 1 herangezogen werden, um beispielsweise den distalen Endbereich aus einer vorliegenden Position in eine neue Position zu bewegen. Hierzu bedient sich die Steuereinrichtung 12 mehrerer Ventileinrichtungen 15, die über Verbindungsleitungen elektrisch mit der Steuereinrichtung 12 verbunden sind und die für die Blockierung oder Freigabe eines druckbeaufschlagten Fluids, insbesondere Druckluft an die nachstehend näher beschriebenen Fluidkammern der Manipulatorabschnitte 2 ausgebildet sind.
Jede der Ventileinrichtungen 15 ist eingangsseitig mit einer Druckluftquelle 16 gekoppelt und ist ausgangsseitig mit einem Druckluftschlauch 17 verbunden. Exemplarisch ist vorgesehen, dass die Druckluftschläuche 17 durch eine in der Figur 2 erkennbare zentrale Ausnehmung 18 bis zu der jeweiligen Fluid- kammer geführt sind. Durch die Anordnung der Fluidschlauche 17 nahe der neutralen Faser des Manipulators ist auch bei starker Krümmung der Manipulatorabschnitte 2 keine oder nur eine geringfügige Nachführung der Fluidschlauche 17 erforderlich, um eventuelle Längenänderungen des Manipulators 1 auszugleichen .
Aus den Figuren 1 bis 3 ist erkennbar, dass der Manipulator 1 längs der Erstreckungskurve 10 verjüngt ausgebildet ist. Dadurch wird eine Gewichtsoptimierung für den Manipulator 1 erreicht, da am distalen Endbereich 3 in erster Linie die
Kraftrückwirkungen des nicht dargestellten Werkzeugs oder Werkstücks aufgenommen werden müssen, während am proximalen Endbereich 4 zusätzlich die durch die Gewichtskraft des distalen Endebereichs 3 hervorgerufenen Kräfte aufgenommen werden müssen.
Wie aus den Figuren 2 und 3 hervorgeht, ist der dargestellte Manipulatorabschnitt 2 einstückig aus mehreren längs der Erstreckungskurve 10 aneinander gereihten Manipulatorsegmenten 5 aufgebaut. In der Neutralstellung des exemplarischen
Manipulatorabschnitts 2, wie sie in den Figuren 2 und 3 gezeigt ist, verläuft die Erstreckungskurve 10 längs einer Geraden. Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform eines Manipulatorabschnitts kann die Erstreckungskurve in der Neutralstellung in einer oder zwei Raumrichtungen gekrümmt ausgebildet sein.
Für die nachfolgende Erläuterung des Aufbaus des
Manipulatorabschnitts 2 wird angenommen, dass die
Manipulatorsegmente 5 jeweils eine Koppelplatte 19 und drei darauf angebrachte Fluidkammern 20 umfassen. Die Grenzen des hierdurch bestimmten Manipulatorsegments 5 sind in der Figur 3 durch die gestrichelten Linien 21 und 22 angedeutet. Hierbei handelt es sich jedoch nur um eine von mehreren möglichen Abgrenzungen für die Manipulatorsegmente 5. Die Koppelplatte 19 ist bei der dargestellten Ausführungsform des
Manipulatorabschnitts 2 im Wesentlichen durch drei, vorliegend kreisringförmig ausgebildete, Stützringe 23 und die Stützringe 23 verbindende Stege 24 bestimmt. Die Stege 24 begrenzen in einem radial innenliegenden Bereich die zentrale Ausnehmung 18, durch die beispielsweise die in der Figur 1 schematisch angedeuteten Druckluftschläuche 17 nahe der neutralen Faser geführt werden können. Die Stützringe 23 und die Stege 24 sind derart dimensioniert, dass sie bei einem bestimmungsgemäßen Gebrauch des Manipulators 1 durch die dabei auftretenden Kräfte nicht oder nur in sehr geringem Maße deformiert werden, um stets eine eindeutig vorhersagbare Gestalt des Manipulators 1 gewährleisten zu können. Vorliegend sind die Stützringe 23 und die Stege 24 aus massivem Material hergestellt. Die den einstückig angeformten Fluidkammern 20 zugewandten Oberflächen der Stützringe 23 und Stege 24 bilden eine Haupterstreckungsfläche 26, deren Flächennormale parallel zur Erstreckungskurve 10 ausgerichtet ist.
In Abhängigkeit von dem Fertigungsverfahren für den
Manipulatorabschnitt 2, insbesondere bei Verwendung eines generativen Herstellungsverfahrens wie dem selektiven Lasersintern, können die Stützringe 23 und/oder die Stege 24 auch bereichsweise Aussparungen, beispielsweise in der Art einer Wabenstruktur, aufweisen, um eine raschere Herstellung und ein geringeres Gewicht bei im Wesentlichen gleicher Stabilität gewährleisten zu können.
Wie aus der Schnittdarstellung der Figur 3 hervorgeht, weisen die auf der Koppelplatte 19 einstückig angeordneten Fluidkam- mern 20 eine erheblich geringere Wandstärke als die Stützringe 23 und die Stege 24 auf. Exemplarisch sind die Fluidkammern 20 über ihre gesamte Erstreckung mit einer konstanten Wandstärke ausgeführt und weisen somit einen durchgehend elastisch deformierbaren Wandbereich 25 auf. Exemplarisch ist der Wandbereich 25 in der Art eines Faltenbalgs rotationssymmetrisch mit Doppel -S-förmiger Kontur in der dargestellten Neutralstellung ausgeführt. Hierdurch kann bei einer Beaufschlagung der Fluidkammer 20 mit einem druckbeaufschlagten Fluid, insbesondere Druckluft, eine große Volumenänderung der Fluidkammer 20 erzielt werden. Bei der Volumenänderung findet eine elastische Deformation des Wandbereichs 25 statt, die zu einer Längenänderung der jeweiligen Fluidkammer 20 führt.
Aufgrund der kinematischen Kopplung der exemplarisch drei Fluidkammern 20 jedes Manipulatorsegments 5 mittels der Koppelplatte 19 kann eine Verkippung der Koppelplatte 19 des an die Endbereiche der Fluidkammern 20 angrenzenden
Manipulatorsegments 5 oder eine lineare Bewegung der Koppel - platte 19 erreicht werden. Bei einer Beaufschlagung einer oder zweier Fluidkammern 20 mit einheitlichem Druck erfahren diese eine Längenänderung, während die verbleibenden zwei Fluidkammern 20 oder die verbleibende Fluidkammer 20 aufgrund der Elastizitätseigenschaften des Wandbereichs 25 zumindest nahezu keine Längenänderung erfährt. Hierdurch wird die Koppelplatte 19 gegenüber benachbarten Koppelplatten 19
verkippt. Sofern alle drei Fluidkammern 20 mit dem gleichen Fluiddruck beaufschlagt werden, erfahren auch alle drei
Fluidkammern 20 eine gleichartige Längenänderung, so dass eine lineare Relativbewegung benachbarter Koppelplatten 19 hervorgerufen wird.
Bei der vorliegenden Ausführungsform des
Manipulatorabschnitts 2 sind die in Reihe längs der Erstre- ckungskurve 10 angeordneten Fluidkammern 20 der benachbarten Manipulatorsegmente 5 kommunizierend miteinander verbunden, so dass sie eine gemeinsame Druckkammer 28 bilden. Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform eines
Manipulatorabschnitts sind die beispielsweise drei Fluidkammern eines Manipulatorsegments jeweils fluidisch getrennt ausgebildet und separat von Fluidkammern benachbarter
Manipulatorsegmente fluidisch beaufschlagbar.
Der in den Figuren 2 und 3 dargestellte Manipulatorabschnitt 2 bildet bei dem in Figur 1 dargestellten Manipulator 1 das proximale Ende und weist zu diesem Zweck eine Ankerplatte 29 auf, die in der Art eines Manipulatorsegments 5 ausgebildet ist und ebenfalls drei Fluidkammern 20 trägt. An einer nach außen gewandten Stirnseite ist die Ankerplatte 29 für eine Befestigung an einer nicht dargestellten Ankerfläche ausgebildet. Bei der Ankerfläche kann es sich beispielsweise um einen Endabschnitt eines Industrieroboters oder um ein starres Maschinengestell oder um eine Oberfläche eines Fahrzeugs handeln. In der Ankerplatte 29 ist für jede der Druckkammern 28 ein vorliegend als Bohrung ausgeführter Fluidanschluss 30 ausgebildet, an den ein nicht dargestellter Druckluftschlauch 17 angeschlossen werden kann.
An einem der Ankerplatte 29 entgegengesetzten Endbereich des in den Figuren 2 und 3 dargestellten Manipulatorabschnitts 2 ist eine erste Kupplung 31 ausgebildet, die für eine Kopplung an eine in der Figur 4 ausschnittsweise dargestellte zweite Kupplung 32 vorgesehen ist. Die erste Kupplung 31 weist eine ähnliche Kontur wie die Koppelplatte 19 auf, wobei anstelle von Stützringen 23 Abdeckscheiben 33 vorgesehen sind, die jeweils die angrenzende Fluidkammer 20 abdichtend abschließen. An einer nach außen gewandten Oberseite der ersten Kupplung 31 sind jeweils Koppelringe 34 ausgebildet. Die Koppelringe 34 sind exemplarisch konzentrisch zu den Fluidkammern 20 angeordnet und weisen vorliegend jeweils vier in radialer Richtung verlaufende und beispielhaft in gleicher Winkelteilung angeordnete Gewindebohrungen 35 auf. Die Koppelringe 34 begrenzen mit einem vorliegend konzentrisch zu der jeweiligen Fluidkammer 20 ausgebildeten, radial außenliegenden, umlaufenden Zentrierbund 36 eine Aufnahmenut 37.
Die zweite Kupplung 32 des nicht dargestellten
Manipulatorsegments, das zur Ankopplung an das in Figur 2 und 3 dargestellte Manipulatorsegment 2 vorgesehen ist, umfasst einen Zentrierring 38, der zur Aufnahme in der Aufnahmenut 37 vorgesehen ist, wie dies in der Schnittdarstellung gemäß der Figur 4 gezeigt ist. Der Zentrierring 38 weist nicht dargestellte, koaxial zu den Gewindebohrungen 35 angeordnete
Durchgangsbohrungen auf, die eine Verschraubung der beiden Kupplungen 31 und 32 ermöglichen. Um einen Zugang zu den Schraubenköpfen der nicht dargestellten Schrauben, die für die Verbindung der Kupplungen 31, 32 eingesetzt werden, zu ermöglichen, sind am Zentrierbund 36 und in gleicher Weise an einer nicht dargestellten Stirnfläche der zweiten Kupplung 32 jeweils halbzylindrische Ausnehmungen 39 vorgesehen. An der ersten Kupplung ist ein den Zentrierbund 36 und den Koppel - ring 34 durchsetzender, halbzylindrischer Schlauchkanal 40 ausgebildet, der entsprechend auch, in nicht dargestellter Weise, in der zweiten Kupplung 32 vorgesehen ist. Der
Schlauchkanal 40 ermöglicht die Zuführung eines in Figur 4 gestrichelt angedeuteten Druckluftschlauchs durch eine Zugangsbohrung 41 der zweiten Kupplung 32 in die Druckkammer 28 des Manipulatorsegments 2. Dabei wird der Druckluftschlauch 17 durch die Zwangskrümmung zwischen dem Schlauchkanal 40 und der Zugangsbohrung 41 sicher arretiert. Die in den Figuren 5 und 6 ausschnittartig dargestellten Manipulatorabschnitte 70, 80 sind in gleicher Weise wie die in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Manipulatorabschnitte 2, 34 aus einstückig aneinander gereihten Fluidkammern 71, 81 aufgebaut. Bei dem Manipulatorsegment 70 sind in den Fluidkammern 71 jeweils zwischen den Koppelplatten 73 erstreckte und exemplarisch einstückig mit den Koppelplatten 73 und den flexiblen Wandbereichen 72 ausgebildete Federeinrichtungen 75 angeordnet. Die Federeinrichtungen 75 sind exemplarisch als wendeiförmige Zugfedern ausgebildet, die Zugkräfte auf jeweils benachbarten Koppelplatten 73 einleiten. Vorzugsweise sind die Federeinrichtungen 75 derart ausgebildet, dass sie auch in der dargestellten Ruheposition der Fluidkammern 71 eine Vorspannung aufweisen, die einer durch Druckbeaufschlagung der Fluidkammern 71 hervorgerufenen Ausdehnungsbewegung entgegengesetzt ist. Bei einer derartigen Druckbeaufschlagung der Fluidkammern 71 dehnen sich diese in axialer Richtung längs der Erstreckungskurve 10 aus, wodurch auch eine Ausdehnung der Federeinrichtungen 75 erfolgt, deren innere Spannung dadurch erhöht wird, so dass die Zugkräfte zwischen benachbarten Koppelplatten 73 ebenfalls, insbesondere linear, zunehmen. Hierdurch wird die gewünschte Rückstellkraft auf die jeweiligen Fluidkammern 71 ausgeübt.
Die Fluidversorgung der Fluidkammern 71 erfolgt durch die bereits im Zusammenhang mit der Figur 1 beschriebenen Anordnung aus Steuereinrichtung 12, Ventileinrichtung 15, Druckluftquelle 16 und Druckluftschlauch 17. Bei dem in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich eine Unterdruckeinrichtung 90 vorgesehen, die beispielsweise nach dem
Ejektorprinzip aufgebaut sein kann. Die Unterdruckeinrichtung 90 ist wie die Ventileinrichtung 15 über Verbindungsleitungen 11 elektrisch mit der Steuereinrichtung 12 gekoppelt und an die von der Druckluftquelle 16 ausgehende Versorgungsleitung 91 angeschlossen. Die Unterdruckeinrichtung 90 ist vorzugsweise mit einem nicht dargestellten internen Ventil zur Sperrung oder Freigabe der über die Versorgungsleitung 91 zur Verfügung gestellten Druckluft ausgestattet, so dass eine Bereitstellung eines Unterdrucks über die Unterdruckleitung 82 an den Abluftanschluss der Ventileinrichtung 15 in Abhängigkeit von einem Schaltsignal der Steuereinrichtung 12 an die Unterdruckeinrichtung 80 vorgesehen werden kann.
Beispielsweise wird die Unterdruckeinrichtung 90 von der Steuereinrichtung 12 dann zur Bereitstellung eines Unterdrucks aktiviert, wenn die mit der Ventileinrichtung 12 fluidisch gekoppelten Fluidkammern 71 entlüftet werden sollen, um aus einer nicht dargestellten, längenausgedehnten Expansionsstellung in die in Figur 5 dargestellte Ruhestellung zurückkehren sollen. Die Unterdruckeinrichtung 90 trägt zu einer rascheren Entlüftung der Fluidkammern 71 bei. Zudem kann auch vorgesehen werden, dass die Fluidkammern 71 mittels der Unterdruckeinrichtung 90 mit einem Unterdruck beaufschlagt werden, der geringer als ein Druck der Atmosphäre ist, die den Manipulatorsegment 70 umgibt, um dadurch eine noch schnellere Einnahme der Neutralposition zu erreichen. Hierdurch kann eine besonders hohe Bewegungsdynamik für den Manipulator erreicht werden. Die in der Figur 5 dargestellten Federeinrichtungen 75 und die Unterdruckeinrichtung 90 können in Kombination oder einzeln an dem entsprechenden Manipulatorsegment 70 angebracht sein, die in Figur 5 vorliegende gemeinsame Darstellung soll keinen Hinweis darauf geben, dass diese beiden unterschiedlichen Rückstellmittel nur gemeinsam vorgesehen werden können.
Die in der Figur 6 dargestellte dritte Ausführungsform eines Manipulatorsegments 80 weist im Unterschied zur zweiten Aus- führungsform eines Manipulatorsegments 70, wie sie in der Figur 5 dargestellt ist, extern angeordnete Federeinrichtungen 85, 86 auf. Diese Federeinrichtungen 85, 86 werden vorzugsweise alternativ eingesetzt, sie können jedoch auch in der gemischten Bauweise, wie sie in der Figur 6 dargestellt ist, vorgesehen werden. Während die Federeinrichtungen 75 beim Manipulatorsegment 70 gemäß Figur 5 einstückig mit den Koppelplatten 73 und den Wandbereichen 72 ausgebildet sind, ist bei der Ausführungsform gemäß der Figur 6 eine diskrete Ausführung der Federeinrichtungen 85, 86 vorgesehen. Für eine vorteilhafte Anbringung der Federeinrichtungen 85, 86 sind an den Koppelplatten 83 quer zur Erstreckungskurve 10 abragende Ösen 86 vorgesehen, die jeweils eine Bohrung zur formschlüssigen Aufnahme eines Endbereichs der jeweiligen Federeinrichtung 85, 96 aufweisen. Bei den Federeinrichtungen 85, 86 handelt es sich exemplarisch um Wendelfedern, die eine zylindrische Hüllkurve 87 aufweisen, deren neutrale Faser 88 geometrisch ähnlich zur Erstreckungskurve 10 verläuft. Wie auch bei der Ausführungsform gemäß der Figur 5 kann die Fluidversor- gung der Fluidkammern 81 bei der Ausführungsform gemäß der Figur 6 durch eine Unterdruckeinrichtung 90 ergänzt werden.

Claims

Ansprüche
1. Fluidisch betreibbarer Manipulator aus mehreren längs einer Erstreckungskurve (10) gestapelt angeordneten
Manipulatorsegmenten (5; 70; 80), die jeweils wenigstens eine Koppelplatte (19; 73) und wenigstens zwei, quer zur Erstreckungskurve (10) beabstandet an der Koppelplatte (19; 73) angeordnete, fluidisch getrennt ausgebildete Fluidkammern (20; 71; 81) umfassen, wobei jede der Fluidkammern (20; 37; 71) wenigstens einen elastisch deformierbaren Wandbereich (25; 72) aufweist, der dazu ausgebildet ist, bei Beaufschlagung der jeweiligen Fluidkammer (20; 37; 71) mit einem Fluid eine Volumenänderung der Fluidkammer (20; 37; 71) für eine Linearbewegung im Wesentlichen parallel zur Erstreckungskurve (10) zu ermöglichen und wobei eine Haupterstreckungsfläche (26) der Koppelplatte (19; 73) für eine Anordnung zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Erstreckungskurve (10) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Fluidkammern (20; 71; 81) einstückig mit der wenigstens einen Koppelplatte (19; 73) ausgebildet sind.
2. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, vorzugsweise elastisch deformierbare, Wandbereiche (25; 72) der Fluidkammern (20; 37; 71) für eine, insbesondere einstückige, Verbindung benachbart angeordneter Koppelplatten (19; 73) ausgebildet sind.
3. Manipulator nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass längs der Erstreckungskurve (10) angeordnete Fluid- kammern (20; 37; 71) benachbarter Manipulatorsegmente (5; 70; 80) kommunizierend miteinander verbunden sind.
4. Manipulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass längs der Erstreckungskurve (10) angeordnete Fluid- kammern (20; 37; 71) benachbarter Manipulatorsegmente (5; 70; 80) fluidisch getrennt und separat ansteuerbar ausgebildet sind.
5. Manipulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer radial außenliegenden Oberfläche der Koppelplatte (19; 73) wenigstens ein Führungsmittel (6) zur Aufnahme einer Sensorkomponente (7) eines Krümmungssensors (8) ausgebildet ist.
6. Manipulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Manipulatorsegmente (5; 70; 80) mit einem generativen Herstellungsverfahren, insbesondere mittels selektivem Lasersintern, hergestellt sind.
7. Manipulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von den Fluidkammern (20; 37; 71) und der Koppelplatte (19; 73) bestimmte Querschnitte der Manipulatorsegmente (5; 70; 80) in jeweils senkrecht zur Erstreckungskurve (10) ausgerichteten Querschnittsebenen längs der Erstreckungskurve (10) verjüngt ausgebildet sind.
8. Manipulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelplatte (19; 73) eine zwischen den Fluidkammern (20; 37; 71) angeordnete Ausnehmung (18) aufweist, die vorzugsweise zur Durchführung von Versor- gungsleitungen (17) längs der Erstreckungskurve (10) ausgebildet ist.
9. Manipulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine elastisch deformierbare, zwischen benachbarten Koppelplatten (19; 73) ausgebildete Wandbereich (25; 72) der Fluidkammer (20; 37; 71) faltenbalgartig, vorzugsweise rotationssymmetrisch, insbesondere mit Doppel -S -Kontur , ausgebildet ist.
10. Manipulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidkammer (20; 37; 71) derart ausgebildet ist, dass sie für parallel zur Erstreckungskurve (10) ausgerichtete Kräfte einen linearen Deformationswiderstand aufweist, der erheblich geringer als ein linearer Deformationswiderstand für quer zur Erstreckungskurve (10) ausgerichtete Kräfte ist.
11. Manipulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Manipulatorsegmente (5; 70; 80) zu einem Manipulatorabschnitt (2) verbunden sind, der an wenigstens einem Endbereich (3) eine Kupplung (31) aufweist, die für eine Anbringung an einer korrespondierend ausgeführten Kupplung (32) eines weiteren Manipulatorabschnitts (2) ausgebildet ist.
12. Manipulator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart angeordnete Manipulatorabschnitte (2) jeweils wenigstens zwei getrennt ansteuerbare Fluidkammern (20) aufweisen .
13. Manipulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den fluidisch miteinander gekop- pelten Fluidkammern (20) jeweils wenigstens eine Ventileinrichtung (15) zugeordnet ist.
14. Manipulator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtungen (15) elektrisch mit einer Steuereinrichtung (12) gekoppelt sind, die für eine Ansteuerung der Ventileinrichtungen (15) ausgebildet ist und die mittels wenigstens eines Krümmungssensors (8) , der wenigstens einem Manipulatorabschnitt (2) zugeordnet ist, für eine Lageregelung eines Endbereichs des Manipulatorabschnitts eingerichtet ist .
15. Manipulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer Fluidkammer (20; 37; 71) ein Rückstellmittel (75; 85; 90) zugeordnet ist, das derart ausgebildet ist, dass es eine Rückstellbewegung der Fluidkammer (20; 37; 71) entgegen einer durch Druckbeaufschlagung bewirkten Ausdehnungsbewegung des flexiblen Wandbereichs (38; 72) unterstützt.
16. Manipulator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückstellmittel (75; 85; 90) zur Bereitstellung von Rückstellkräften ausgebildet ist, die innerhalb der Fluidkammer (20; 37; 71) und/oder zwischen benachbarten Fluidkammern (20; 37; 71) wirken.
17. Manipulator nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückstellmittel (75; 85; 90) wenigstens eine Federeinrichtung umfasst, die innerhalb der Fluidkammer (20; 37; 71) angeordnet, vorzugweise an benachbarten, insbesondere an gegenüberliegenden, Wandbereichen (25; 38; 72) angebracht ist.
18. Manipulator nach Anspruch 15, 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückstellmittel (75; 85; 90) wenigstens eine Federeinrichtung umfasst, die benachbarte, insbesondere unmittelbar benachbarte, Fluidkammern (20; 37; 71) und/oder Koppelplatten (19; 73) miteinander verbindet.
19. Manipulator nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung (75; 85) eine Hüllgeometrie (97) mit einer neutralen Faser (98) aufweist, die geometrisch ähnlich zu einem korrespondierenden Abschnitt der Er- streckungskurve (10) ausgebildet ist.
20. Manipulator nach Anspruch 17, 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass an den Fluidkammern (20; 37; 71) und/oder an den Koppelplatten (19; 73), insbesondere einstückig angeformte, Befestigungsbereiche (96) zur Anbringung der Federeinrichtungen (85) ausgebildet sind.
21. Manipulator nach Anspruch 17, 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtungen (75) einstückig mit wenigstens einer Fluidkammer (20; 37; 71) und/oder Koppelplatte (19; 73) ausgebildet sind.
22. Manipulator nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellmittel eine Unterdruckeinrichtung (90) umfassen, die zur Bereitstellung eines Unterdrucks an wenigstens eine der Fluidkammern (20; 37; 71) ausgebildet ist.
23. Manipulator nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterdruckeinrichtung (90) fluidisch mit der Ventil¬ einrichtung (15) , insbesondere mit einem Abluftkanal der Ventileinrichtung (15) , verbunden ist, um eine Unterdruckbeauf - schlagung der zugeordneten Fluidkammer (20; 37; 71) in Abhängigkeit von der Ventilstellung zu ermöglichen.
24. Manipulator nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterdruckeinrichtung (90) für eine An- Steuerung durch die Steuereinrichtung (12) ausgebildet ist, um eine Bereitstellung von Unterdruck in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der jeweiligen Ventileinrichtung (15) zu ermöglichen .
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