WO2003021132A1 - Mechanical device for producing linear movements - Google Patents

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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H19/00—Gearings comprising essentially only toothed gears or friction members and not capable of conveying indefinitely-continuing rotary motion
    • F16H19/02—Gearings comprising essentially only toothed gears or friction members and not capable of conveying indefinitely-continuing rotary motion for interconverting rotary or oscillating motion and reciprocating motion
    • F16H19/06—Gearings comprising essentially only toothed gears or friction members and not capable of conveying indefinitely-continuing rotary motion for interconverting rotary or oscillating motion and reciprocating motion comprising flexible members, e.g. an endless flexible member

Definitions

  • the invention relates to a mechanical device for generating any number of linear movements from a power source according to the preamble of claim 1.
  • Objects to be animated such as robots or automatic mechanical pianos, require a multitude of linear movements. These linear movements usually only have to be a few millimeters to several centimeters. The forces required are different. To enable such movements, a large number of power sources are installed nowadays, which can be controlled individually. Robots that are built according to this principle receive, for example, a large number of electric motors on the joints.
  • the invention has for its object to generate any number of linear movements in principle from a single power source, wherein the speed of movement and the respective force can be different. Furthermore, the invention has for its object to provide a standard unit that can be manufactured and configured inexpensively.
  • this object is achieved by a single rotating motor which is connected to an axis which in turn has a profile.
  • a clutch disc with a central profile that matches the profile of the axle is placed on the axle.
  • This clutch disc also forms a round axis for a second clutch disc, which thereby remains movable with respect to the motor axis. If the two clutch plates are pressed against each other, the movable clutch plate is set in motion.
  • This movable clutch disc has a gear that is connected to a larger gear.
  • the larger gear has a roller that receives a rope that is firmly connected to it. As a result, the rope is subsequently rolled up on this roller and thus the rope is pulled.
  • the Clutch disks, the gears and the rope are preinstalled as an assembly on a mechanical support and placed on the axis for a desired movement. Depending on the length of the axis and the number of movements required, such modules can be plugged onto the axis.
  • Each assembly has a device for pressing the clutch discs.
  • an electromagnet can be used for this.
  • the diameters of the individual gears can be varied for different forces and speeds of movement.
  • a counterforce is usually required for every force.
  • the large gearwheel which is also connected to the rope pulley, can still have a parking brake. It is advantageous if the respective connections of the electromagnets reach an electronic control unit, so that the selection of an assembly and the pressure force there are made via electronic signals. This enables a computer to control all movements.
  • Fig 1 an exploded view
  • Fig. 2 a sectional drawing
  • Fig. 1 shows the arrangement with an electric motor (1), the outer part of the shaft (4) is square.
  • the clutch disc (2) has a centered opening that matches the square profile of the axis (4). This causes the shaft (4) to rotate it.
  • the clutch disc (2) has a round outer axis on which the clutch disc (3) is attached. As a result, the clutch disc (3) initially remains in rest position without pressure on the clutch disc (2) when the shaft (4) rotates.
  • the clutch disc (3) is set in rotation and drives the larger gear (5) via a small gear.
  • This gear wheel (5) also has a rope pulley, so that when rope (5) rotates, a rope attached to it produces a linear movement.
  • FIG. 2 shows how the individual parts from FIG. 1 can be assembled into an assembly. This makes it possible for such an assembly to be plugged onto the shaft (4) for each linear movement required.
  • the clutch discs (2) and (3) and the large gearwheel with the rope pulley are arranged between two plates (6).
  • the two clutch discs (2) and (3) are mechanically connected by their pressure by the two electromagnets (7), so that the previously described movement of the rope pulley is generated.

Abstract

The invention relates to a mechanical device for producing as many linear movements as desired from a single source of power. The invention allows for the production of inexpensive light-weight constructions for robotics.

Description

Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft eine mechanische Einrichtung zur Erzeugung von beliebig vielen linearen Bewegungen aus einer Kraftquelle nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a mechanical device for generating any number of linear movements from a power source according to the preamble of claim 1.
Es sind zu animierende Objekte wie Roboter oder automatische mechanische Klaviere, die eine Vielzahl von linearen Bewegungen erforderlich machen. Diese linearen Bewegungen müssen meist nur wenige Millimeter bis mehrere Zentimeter betragen. Die erforderlichen Kräfte sind dabei unterschiedlich. Um solche Bewegungen zu ermöglichen, werden heutzutage eine Vielzahl von Kraftquellen eingebaut, die sich einzeln steuern lassen. Roboter, die nach diesem Prinzip aufgebaut sind, erhalten beispielsweise eine Vielzahl von Elektromotoren jeweils an den Gelenken.Objects to be animated, such as robots or automatic mechanical pianos, require a multitude of linear movements. These linear movements usually only have to be a few millimeters to several centimeters. The forces required are different. To enable such movements, a large number of power sources are installed nowadays, which can be controlled individually. Robots that are built according to this principle receive, for example, a large number of electric motors on the joints.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine prinzipiell beliebige Anzahl von linearen Bewegungen aus einer einzigen Kraftquelle zu erzeugen, wobei die Bewegungsgeschwindigkeit sowie die jeweilige Kraft unterschiedlich sein können. Des weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Standardeinheit zu schaffen, die sich kostengünstig herstellen und konfigurieren lässt.The invention has for its object to generate any number of linear movements in principle from a single power source, wherein the speed of movement and the respective force can be different. Furthermore, the invention has for its object to provide a standard unit that can be manufactured and configured inexpensively.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe gelöst durch einen einzigen rotierenden Motor, der mit einer Achse verbunden ist, die wiederum ein Profil aufweist. Eine Kupplungsscheibe, mit einem zentralen Profil, das zu dem Profil der Achse passt, wird auf die Achse aufgesteckt. Diese Kupplungsscheibe bildet gleichzeitig eine runde Achse für eine zweite Kupplungsscheibe, die dadurch gegenüber der Motorachse beweglich bleibt. Werden die zwei Kupplungsscheiben gegeneinander gedrückt, wird die bewegliche Kupplungsscheibe in Bewegung versetzt. Diese bewegliche Kupplungsscheibe besitzt ein Zahnrad, das mit einem grösseren Zahnrad verbunden ist. Das grössere Zahnrad besitzt eine Laufrolle, die einen mit selbiger fest verbunden Seil aufnimmt. Dadurch wird in der Folge das Seil auf dieser Laufrolle aufgerollt und somit erfolgt ein Zug an dem Seil. Die Kupplungsscheiben, die Zahnräder und das Seil werden als Baugruppe auf einem mechanischen Träger vorinstalliert und für einen gewünschten Bewegungsvorgang auf die Achse gesteckt. Je nach Länge der Achse und der Anzahl der gewünschten Bewegungen können solche Baugruppen auf die Achse aufgesteckt werden. Jede Baugruppe besitzt eine Vorrichtung zum Andrücken der Kupplungsscheiben. In der Regel kann hierfür ein Elektromagnet verwendet werden. Für unterschiedliche Kräfte und Bewegungsgeschwindigkeiten können die Durchmesser der einzelnen Zahnräder variiert werden. In der Robotik wird in der Regel für jede Kraft eine Gegenkraft benötigt. Um ein Gleichgewicht nicht energiefressend über das Gleichgewicht von Kraft und Gegenkraft herstellen zu müssen, kann das grosse Zahnrad, welches gleichzeitig mit der Seilrolle verbunden ist, noch eine Feststellbremse besitzen. Es ist von Vorteil, wenn die jeweiligen Anschlüsse der Elektromagneten an eine elektronische Steuereinheit gelangen, so dass die Auswahl einer Baugruppe sowie die Andruckkraft dort über elektronische Signale erfolgen. Damit kann eine Computer sämtliche Bewegungen kontrollieren.According to the invention, this object is achieved by a single rotating motor which is connected to an axis which in turn has a profile. A clutch disc with a central profile that matches the profile of the axle is placed on the axle. This clutch disc also forms a round axis for a second clutch disc, which thereby remains movable with respect to the motor axis. If the two clutch plates are pressed against each other, the movable clutch plate is set in motion. This movable clutch disc has a gear that is connected to a larger gear. The larger gear has a roller that receives a rope that is firmly connected to it. As a result, the rope is subsequently rolled up on this roller and thus the rope is pulled. The Clutch disks, the gears and the rope are preinstalled as an assembly on a mechanical support and placed on the axis for a desired movement. Depending on the length of the axis and the number of movements required, such modules can be plugged onto the axis. Each assembly has a device for pressing the clutch discs. As a rule, an electromagnet can be used for this. The diameters of the individual gears can be varied for different forces and speeds of movement. In robotics, a counterforce is usually required for every force. In order not to have to create a balance that consumes energy through the balance of force and counterforce, the large gearwheel, which is also connected to the rope pulley, can still have a parking brake. It is advantageous if the respective connections of the electromagnets reach an electronic control unit, so that the selection of an assembly and the pressure force there are made via electronic signals. This enables a computer to control all movements.
Im folgenden wird anhand der beiliegenden Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.In the following an embodiment of the invention will be described with reference to the accompanying drawings.
Es zeigen:Show it:
Fig 1 : eine ExplosionszeichnungFig 1: an exploded view
Fig. 2: eine SchnittzeichnungFig. 2: a sectional drawing
Fig. 1 zeigt die Anordnung mit einem Elektromotor (1), dessen äusserer Teil der Welle (4) vierkantig ist. Die KupplungsscheibeFig. 1 shows the arrangement with an electric motor (1), the outer part of the shaft (4) is square. The clutch disc
(2) besitzt eine zentrierte Öffnung, die zu dem vierkantigen Profil des Achse(4) passt. Dadurch wird sie von der Welle (4) in Rotation versetzt. Die Kupplungsscheibe (2) besitzt einen runde äussere Achse, auf die die Kupplungsscheibe (3) aufgesteckt wird. Dadurch bleibt die Kupplungsscheibe (3) ohne Andruck an die Kupplungsscheibe (2) bei Rotation der Welle (4) zunächst in Ruhelage. Bei Andruck der beiden Kupplungsscheiben (2) und(2) has a centered opening that matches the square profile of the axis (4). This causes the shaft (4) to rotate it. The clutch disc (2) has a round outer axis on which the clutch disc (3) is attached. As a result, the clutch disc (3) initially remains in rest position without pressure on the clutch disc (2) when the shaft (4) rotates. When pressing the two clutch discs (2) and
(3) wird die Kupplungsscheibe (3) in Rotation versetzt und treibt über ein kleines Zahnrad das grössere Zahnrad (5). Dieses Zahnrad (5) besitzt ausserdem eine Seilrolle, so dass bei Rotation von (5) ein daran befestigtes Seil eine lineare Bewegung erzeugt.(3) the clutch disc (3) is set in rotation and drives the larger gear (5) via a small gear. This gear wheel (5) also has a rope pulley, so that when rope (5) rotates, a rope attached to it produces a linear movement.
Fig. 2 zeigt, wie die Einzelteile aus Fig. 1 zu einer Baugruppe zusammengefügt werden können. Dadurch ist es möglich, dass pro benötigter linearer Bewegung auf die Welle (4) eine derartige Baugruppe aufgesteckt wird. Dabei werden die Kupplungsscheiben (2) und (3) sowie das grosse Zahnrad mit der Seilrolle zwischen zwei Platten (6) angeordnet. Durch deren Andruck durch die zwei Elektromagneten (7) werden die zwei Kupplungsscheiben (2) und (3) mechanisch verbunden, so dass die vorher beschriebene Bewegung der Seilrolle erzeugt wird. FIG. 2 shows how the individual parts from FIG. 1 can be assembled into an assembly. This makes it possible for such an assembly to be plugged onto the shaft (4) for each linear movement required. The clutch discs (2) and (3) and the large gearwheel with the rope pulley are arranged between two plates (6). The two clutch discs (2) and (3) are mechanically connected by their pressure by the two electromagnets (7), so that the previously described movement of the rope pulley is generated.

Claims

Patentansprüche claims
1. Einrichtung mit einem rotierenden Motor (1 ) als Antriebsquelle, der mit einer Welle (4) mit einem Profil versehen ist, auf den eine Kupplungsscheibe (2) mit einem zentralen Profil, das zu dem Profil der Motorachse passt, aufgesteckt wird und selbst wiederum eine Achse besitzt, die eine zweite zur Motorachse beweglich Kupplungsscheibe (3) aufnimmt, die wiederum fest mit einem Zahnrad verbunden ist, das mit einem grösseren Zahnrad (3) verbunden ist, das fest mit einer Laufrolle verbunden ist, das fest mit einem Seil verbunden ist, das bei Andruck der beiden Kupplungsscheiben auf die Laufrolle aufgerollt wird und somit eine lineare Bewegung auslöst.1. Device with a rotating motor (1) as a drive source, which is provided with a shaft (4) with a profile, on which a clutch disc (2) with a central profile that matches the profile of the motor axis, is plugged and itself again has an axis which receives a second clutch disc (3) which is movable relative to the motor axis, which in turn is fixedly connected to a gear wheel which is connected to a larger gear wheel (3) which is fixedly connected to a roller, which is fixedly connected to a rope is connected, which is rolled up when the two clutch discs are pressed onto the roller and thus triggers a linear movement.
2. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kupplungsscheiben, sowie das grössere Zahnrad auf einem mechanischen Träger zu einer Baugruppe zusammengefasst werden, die gleichzeitig den Andruck der Kupplungsscheiben mit Hilfe eines Elektromagneten beinhaltet.2. Device according to claim 1, characterized in that the two clutch disks and the larger gear are combined on a mechanical support to form an assembly which simultaneously includes the pressure of the clutch disks with the aid of an electromagnet.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Grosse der Kupplungsscheiben, der Zahnräder sowie der Laufrolje variiert werden können, damit unterschiedliche Kräfte und Bewegungsgeschwindigkeiten erzeugt werden können.3. Device according to claim 1 and 2, characterized in that the size of the clutch discs, the gears and the Laufrolje can be varied so that different forces and speeds of movement can be generated.
4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass pro benötigter Bewegung eine Baugruppe nach Anspruch 2 auf die Motorachse aufgesteckt wird.4. Device according to claim 1 to 3, characterized in that an assembly according to claim 2 is plugged onto the motor axis for each required movement.
5. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zu erzeugende Andruckskraft aus einem elektronischen Signal abgeleitet wird, das aus einer elektronischen Steuereinheit kommt, das erlaubt, durch elektronische Kommandos, die von einem Computer stammen, eine der Baugruppen anzusprechen sowie einen bestimmten Andruck zu erzeugen.5. Device according to claim 1 to 4, characterized in that the pressure force to be generated is derived from an electronic signal that comes from an electronic control unit that allows one of the modules to address by electronic commands that come from a computer and one to generate certain pressure.
6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zurückgelegte Strecke des Seiles gemessen wird und an die Steuereinheit zurückgemeldet wird, so dass eine Feinkorrektur des Andruckes erfolgen kann.6. Device according to claim 1 to 5, characterized in that the distance covered by the rope is measured and reported back to the control unit is so that a fine correction of the pressure can be made.
7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Seilrolle mit einer Feststellbremse versehen ist.7. Device according to claim 1 to 6, characterized in that the pulley is provided with a parking brake.
8. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Kupplungsscheibe (3) und dem grossen Zahnrad mit der Seilrolle (5) weitere Zahnräder zwischengeschaltet werden.8. Device according to claim 1 to 7, characterized in that between the clutch disc (3) and the large gear with the rope pulley (5) further gears are interposed.
9. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftübertragung zwischen der beweglichen Kupplungsscheibe und der Seilrolle durch andere Kraftübertragungseinrichtungen erfolgt.9. Device according to claim 1 to 8, characterized in that the power transmission between the movable clutch disc and the pulley is carried out by other power transmission devices.
10. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Andruck der beiden Kupplungsscheiben durch eine programmierte Profilwalze erfolgt. 10. The device according to claim 1, characterized in that the pressure of the two clutch plates is carried out by a programmed profile roller.
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