WO2014139702A1 - Drehmomentübertragungsvorrichtung, aktor, roboter - Google Patents

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WO2014139702A1
WO2014139702A1 PCT/EP2014/050710 EP2014050710W WO2014139702A1 WO 2014139702 A1 WO2014139702 A1 WO 2014139702A1 EP 2014050710 W EP2014050710 W EP 2014050710W WO 2014139702 A1 WO2014139702 A1 WO 2014139702A1
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WO
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bellows
transmission device
torque transmission
inner ring
receiving
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PCT/EP2014/050710
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Georg Bachmaier
Marco CYRIACKS
Andreas GÖDECKE
Wolfgang Zöls
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y10S901/19—Drive system for arm
    • Y10S901/23—Electric motor

Definitions

  • the torque transfer device, actuator, robot The present invention relates to a Drehmomentübertra ⁇ constriction device with a variably adjustable stiffness, an actuator with the torque transfer device and a robot.
  • Robots are increasingly used in direct contact with humans, whether in patient care or in industry. Common to these applications is the increased demand for robot safety. Thus, it must be ruled out that a person will sustain an injury if he is accidentally hit by a moving robot part. Also should in case of errors, be mainly in the field of wearable robotics, ruled that a human joint with excessive forces beauf ⁇ will beat them and thereby contributes injuries.
  • a well-known solution for this is the use of actuators with variable rigidity.
  • the second approach is the construction of actuators whose rigidity is made purely mechanically variable.
  • lever systems with a variable force tap are used.
  • An actuator is to be connected, for example via an additional mechanical element, which contains as a central Me ⁇ a spring mechanism.
  • the lever arm of the force tap is adjustable, for example via an electric motor.
  • a disadvantage of this approach is the relatively large space requirement of the Konstrukti ⁇ on.
  • the present invention has for its object to overcome these disadvantages and to provide an improved actuator with variable stiffness.
  • the torque transmission device with an inner ring, a rotatable from a neutral position in a positive direction of rotation or negative direction to the inner ring outer ring, at least one pair of receiving bellows, comprising a positive receiving bellows and a negative receiving bellows, at least one gas spring and a ner with the at least one Provided gas spring connected adjustment.
  • the Consbälge are disposed between the Au ⁇ Oxring and the inner ring in such a way that the Positivabilitybalg during a rotation of the inner ring in positive direction of rotation is compressible and the negative receiving bellows is compressible in a rotation of the inner ring in the negative direction of rotation.
  • the receiving bellows are also fluidly connected to the at least one gas spring.
  • fluid is preferably a hydraulic fluid ⁇ set.
  • the torque transmission device according to the invention advantageously has very compact dimensions and, with the almost incompressible hydraulic fluid, is capable of very high
  • the hydraulic power transmission advantageously also has a high internal damping, the egg ⁇ gene vibrations of the system are greatly over-damped and occur only at high frequencies.
  • the frequency response of the system up to high frequencies is linear, which brings a good rule ⁇ availability of the torque transmission device with it
  • the at least one gas spring on a hermetically sealed gas pressure chamber and a protruding into the gas pressure chamber transfer bellows and projecting into the gas pressure chamber Verstellbalg.
  • the receiving bellows are fluid-conductively connected to the transfer bellows and the adjusting unit is fluid-conductively connected to the adjustment bellows.
  • the adjustment unit comprises a reservoir and a pump.
  • the pump is in particular a piezo pump.
  • the piezo pumps can be equipped with a non-return valve, which is self-opening in the event of a fault (normally open).
  • a hydraulic adjusting unit With the reservoir and the pump, a hydraulic adjusting unit is provided with simple and inexpensive components. Semi asked.
  • the piezo pump advantageously takes up a small space and works effectively.
  • the check valve With the check valve, the rigidity of the torque transmitting device in case of failure, for example, upon failure of the power supply or the control signal automatically reduced to the minimum, the safe state of the system is ⁇ represents: The system is therefore intrinsically safe.
  • the torque transmission device has two gas pressure springs connected to the adjustment unit. It is at least fluidly connected to a Po ⁇ sitivagebalg with one of the two gas-pressure springs and the at least one Negativabilitybalg with the other of the two gas compression springs.
  • the adjusting unit per gas spring comprises a separate pump.
  • the gas springs can thus be set independently.
  • the rigidity of the torque transmission device is thus advantageously different depending on the direction of ⁇ interpretable and variable.
  • the pressure phases can be interpreted differently than the tension phases.
  • the torque transmission device comprises two pairs of intake bellows.
  • At least one of the bellows is a metal bellows.
  • Metal bellows are extremely robust, even at high temperatures and under the influence of aggressive environmental conditions. This gives the torque transmission device longevity and safety.
  • the torque transmission device essentially has the shape of a cylinder with a circular base area.
  • the torque transmission device is provided with a shape that can be well attached to the shape of a conventional servo motor.
  • the servomotor and the torque ⁇ transmission device take together only little more space than the servo motor alone.
  • the torque transmission device is preferably integrated in all its embodiments in an actuator which has a servo motor in addition to the torque transmission device.
  • the servomotor comprises a rotor and a stator.
  • the stator of the servomotor according to the invention with the outer ring or the inner ring of the torque transmitting device rotatably connected.
  • the actuator according to the invention is preferably tegriert in a robot in ⁇ .
  • the actuator is with a mechanical unit of the Robot force transmitting or torque transmis ⁇ ing connected.
  • the mechanical unit of the robot can be operated with different stiffnesses due to the actuator according to the invention.
  • the robot offers a high level of security, especially in direct contact with people.
  • FIG. 1 shows a robot according to the invention
  • FIG. 2 shows an actuator according to the invention
  • FIGS. 3 to 5 a torque transmission device of the actuator according to the invention in various embodiments.
  • the robot 26 has an actuator 1 which is connected with a mechanism unit 27 frictionally Bezie ⁇ hung as to transmit torque.
  • the mechanical unit 27 is changeable in its Po ⁇ position.
  • the mechanical unit 27 is designed in such a way to convert the movement generated by the actuator 1.
  • the mechanical unit 27 can perform, for example, a rotational movement, a translatory movement or a combination of two movements.
  • the actuator 1 according to the invention is sketched by way of example.
  • the actuator 1 has a servomotor 2 and a torque transmission device 3.
  • the servomotor 2 comprises a rotor 21 and a stator 22.
  • the rotor 21 is mounted rotatably on the stator 22 on a rotation axis 23.
  • the stator 22 may be disposed around the rotor 21, in this way it is shown in FIG.
  • the rotor 21 may also be arranged around the stator 22 around.
  • the stator 22 is the supporting element and the rotor 21 is the movable element.
  • the stator 22 is rotatably connected according to the invention with the torque transmitting device 3.
  • the torque transmission device 3 comprises an inner ring 5 and an outer ring 4 arranged around the inner ring 4.
  • the outer ring 4 and the inner ring 5 are arranged concentrically to the axis of rotation 23.
  • the outer ring 4 is rotatable relative to the inner ring 5 on the axis of rotation 23 by a certain angle of rotation.
  • the inner ring 5 of the Drehmomentübertra ⁇ constriction device 3 is firmly clamped and the stator 22 of the servomotor 2 is attached to transmit torque to the outer race 4 of the constriction device Drehmomentübertra ⁇ .
  • a torque decrease 20 can thus take place on the rotor 21.
  • the outer ring 4 of the torque transmitting device 3 is firmly clamped and the stator 22 of the servo motor 2 with the inner ring 5 of the torque transmission ⁇ device 3 is rotatably connected.
  • the torque transmission device 3 is sketched in FIGS. 2 to 4 by way of example in various design variants.
  • the Drehmomentübertragungsvor ⁇ direction 3 according to the invention comprises in addition to the outer ring 4 and the inner ring 5 at least a pair of receiving bellows 9, 10, a gas ⁇ pressure spring 13, an adjustment and fluid lines 16.
  • the inner ring 5 of the torque transmission device according to the invention 3 each shown in a neutral position 25.
  • the inner ring 5 can rotate against the outer ring 4 in a positive direction of rotation 17 or in a negative direction of rotation 18.
  • the outer ring 4 has at least two formations 24. Each formation 24 protrudes into a recess 7 of the inner ring 5. The formations 24 are located at each At least one impetus 6. At each recess 7, the inner ring 5 on a the abutment 6 opposite to a region 8 on. Between the support 8 of the inner ring 5 and the abutment 6 of the outer ring 4 each one of the receiving bellows 9, 10 is arranged. The receiving bellows 9, 10 are each attached at least to the support 8. For the purposes of the present ⁇ the invention may also be a hydraulic cylinder or the like a bellows, in particular the bellows of metal.
  • the at least one pair dividendbälge 9, 10 comprises a Po ⁇ sitivagebalg 9 and a Negativitybalg 10.
  • the Positiviserbalg 9 being arranged in such a way that it at a change of In ⁇ nenrings 5 out of the neutral position 25 in positive direction of rotation 17 is compressed.
  • the Negativitybalg 10 it is arranged according to the invention ⁇ in such a way that it is compressed at a ⁇ n ⁇ alteration of the inner ring 5 from the neutral position 25 in the negative direction 18th
  • the Consbälge 9, 10 are according to the invention with a fluid, in particular with a hydraulic fluid, such as ⁇ example, silicone oil or glycerine.
  • a hydraulic fluid such as ⁇ example, silicone oil or glycerine.
  • the receiving bellows 9, 10 with the at least one gas ⁇ pressure spring 13 fluidly connected.
  • the at least one gas spring 13 comprises egg ⁇ NEN hermetically sealed, filled with a fluid gas pressure chamber 28th
  • the fluid is in particular a gas and can be under an overpressure of 2 bar to 10 bar.
  • the gas pressure chamber 28 projecting two in particular opposite ⁇ positioned bellows 14, 15 are arranged.
  • the mecanicsbalg 14 is fluidically connected via fluid lines 16 with at least one shareholdersbalg 9, 10th
  • the Verstellbalg 15 is via fluid conduits 16 fluidly with the adjustment ver ⁇ prevented.
  • the adjusting unit according to the invention comprises at least one Pum ⁇ pe 12, in particular a piezo pump 12 and a reservoir 11 in which a fluid, in particular a hydraulic fluid is vorhaltbar on.
  • the pressure in the positive receiving bellows 9 is increased and a hydraulic fluid located in the positive receiving bellows 9 is passed through the fluid line 16 into the transfer bellows 14 of the at least one gas spring 13.
  • the transfer bellows 14 strives to expan ⁇ NEN.
  • the torque required for the rotational movement in the positive direction of rotation 17 is according to the invention by the pressure in the gas pressure chamber 28 variably adjustable.
  • the pressure in the negative receiving bellows 10 is increased and a hydraulic fluid located in the negative receiving bellows 10 is passed through the fluid line 16 into the transfer bellows 14 of the at least one gas spring 13.
  • the transfer bellows 14 strives to expan ⁇ NEN.
  • the torque required for the rotational movement in the negative direction of rotation 18 is variably adjustable according to the invention by the pressure in the gas pressure chamber 28.
  • the pressure in the gas pressure chamber 28 of the gas spring 13 acts on the transfer bellows 14 and the adjustment bellows 15.
  • the verse ⁇ bellows 15 is designed in such a way that the gas volume in the gas spring 13 is compressible.
  • the gas in the gas pressure chamber 28 can have a high volume at a low level Take pressure.
  • the ellessbalg 14 can thus be extended, without the gas pressure in the pressure chamber 28 increases significantly, that is, the gas spring 13 has a low Steifig ⁇ speed in this setting.
  • the transfer bellows 14 transmits the pressure of the gas pressure chamber 28 of the gas spring 13 to the receiving bellows 9, 10, and there a moment is built, thus translates the variable ⁇ able stiffness of the gas spring 13 directly into a variable torsion spring characteristic.
  • the volume of the adjusting bellows 15 can be varied by means of the pump 12, and as a result the torsional rigidity of the torque transmission device 3 according to the invention can be adjusted. This is done within a few seconds or fractions of a second, depending on the design of the power of the pump 12th
  • the adjustment unit is controlled or regulated by a control unit, not shown here in detail, to which the adjustment unit is connected.
  • sensors may be arranged in the torque transmission device 3, which detect conditions such as the pressure in at least one of the bellows.
  • the torque transmission device 3 may additionally
  • the exemplary embodiment of the torque transmission device 3 according to the invention sketched in FIG. 3 has a single pair of receiving bellows 9, 10 and a Zige gas spring 13.
  • the adjustment unit has a single pump 12.
  • the receiving bellows 9, 19 are here each attached to the support 8 and are at the abutment 6 loose.
  • the exemplary embodiment of the torque transmission device 3 according to the invention sketched in FIG. 4 has two gas pressure springs 13 in relation to the variant shown in FIG. Each of the gas pressure springs is fluid-conductively connected to one of the receiving bellows 9, 10 of the only pair of receiving bellows here via fluid lines 16.
  • the number of gas ⁇ pressure springs 13 corresponds to the number of possible directions of rotation 17, 18.
  • the two gas springs 13 are separately controllable.
  • the adjusting unit comprises two pumps 12 for this purpose.
  • the receiving bellows 9, 10 can each be influenced not only in a pressure phase but also in a pulling phase. While one of the gas pressure springs 13 accompanies the pressure phase of one receiving bellows 9, 10, at the same time the other of the gas compression springs 13 influences the tension phase of the other receiving bellows 10, 9.
  • the receiving bellows 9, 10 have no stop 19 here.
  • the receiving bellows 9, 10 are each on both the support. 8 the inner ring 5 and attached to the abutment 6 of the outer ring 4.
  • the positive receiving bellows 9 has its largest Volu ⁇ men in the position of the inner ring 5, in which the Negativauf ⁇ bellows 10 has its smallest volume and vice versa.
  • both pumps 12 are operable in parallel in such a way that the gas pressure springs 13 each have the same internal rigidity.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Drehmomentübertragungsvorrichtung (3) mit einer variabel einstellbaren Steifigkeit und einen Aktor (1) mit dieser Drehmomentübertragungsvorrichtung (3) und einen Roboter (26). Die erfindungsgemäße Drehmomentübertragungsvorrichtung (3) ist mit einem Innenring (5), einem aus einer Neutrallage (25) in eine positive Drehrichtung (17) oder negative Drehrichtung (18) drehbar zum Innenring (5) angeordneten Außenring (4), wenigstens einem Paar Aufnahmebälge (9, 10), umfassend einen positiven Aufnahmebalg (9) und einen negativen Aufnahmebalg (10), zumindest einer Gasdruckfeder (13) und einer mit der zumindest einen Gasdruckfeder (13) verbundenen Verstelleinheit versehen. Die Aufnahmebälge (9, 0) sind zwischen dem Außenring (4) und dem Innenring (5) in der Weise angeordnet, dass der Positivaufnahmebalg (9) bei einer Drehung des Innenrings (5) in die positive Drehrichtung (17) komprimierbar ist und der Negativaufnahmebalg (10) bei einer Drehung des Innenrings (5) in die negative Drehrichtung (18) komprimierbar ist. Die Aufnahmebälge (9, 10) sind zudem mit der zumindest einen Gasdruckfeder (13) fluidleitend verbunden.

Description

Beschreibung
Drehmomentübertragungsvorrichtung, Aktor, Roboter Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehmomentübertra¬ gungsvorrichtung mit einer variabel einstellbaren Steifigkeit, einen Aktor mit dieser Drehmomentübertragungsvorrichtung und einen Roboter. Roboter werden zunehmend in unmittelbarem Kontakt mit Menschen eingesetzt, ob in der Patientenbetreuung oder in der Industrie. Diesen Anwendungen gemein ist, dass ein erhöhter Anspruch an die Sicherheit von Robotern gestellt wird. So muss ausgeschlossen sein, dass ein Mensch eine Verletzung da- vonträgt, wenn er versehentlich von einem sich bewegenden Roboterteil getroffen wird. Auch soll im Falle von Fehlern, vor allem im Bereich der wearable robotics, ausgeschlossen sein, dass ein menschliches Gelenk mit zu großen Kräften beauf¬ schlagt wird und dadurch Verletzungen davonträgt. Ein bekann- ter Lösungsansatz hierfür ist der Einsatz von Aktoren mit variabler Steifigkeit.
Zur Erzielung von hohen Positionierungsgenauigkeiten ist eine hohe mechanische Steifigkeit erwünscht. Bewegt sich ein Robo- terteil aber schnell, oder soll die Bewegung eines menschli¬ chen Gelenks mitvollzogen werden, ist zur Erzielung hoher Sicherheit eine nachgiebige Mechanik und mithin eine niedrige Steifigkeit wünschenswert. Für die Realisierung von Aktoren mit variabler Steifigkeit (kurz VSA für variable stiffness actuator) sind zwei Ansätze bekannt.
Zum einen werden Aktoren mit hoher Steifigkeit um einen
Kraft- bzw. Drehmomentsensor ergänzt. Mittels eines geeigne¬ ten Reglers ermöglicht dies, eine Steifigkeit zu simulieren, die unterhalb der mechanischen liegt. Der Kraftsensor misst dabei die am Aktor anliegende Kraft beziehungsweise das an¬ liegende Moment. In Abhängigkeit vom Moment wird die Auslen¬ kung so eingestellt, dass eine mechanische Feder simuliert wird. Die Auslenkung wird proportional zum anliegenden Moment eingestellt, wobei der Proportionalitätsfaktor der virtuellen Federsteifigkeit entspricht. Nachteil des Ansatzes ist die fehlende Eigensicherheit, da im Fehlerfall beispielsweise bei einem Ausfall des Kraftsensors oder der Regelung, die intrinsische, hohe Steifigkeit des Aktors zum Tragen kommt.
Der zweite Ansatz ist die Konstruktion von Aktoren, deren Steifigkeit rein mechanisch veränderlich ausgeführt ist. Da- bei kommen Hebelsysteme mit einem variablen Kraftabgriff zum Einsatz. Ein Aktor ist dazu beispielsweise über ein zusätzliches mechanisches Element angebunden, das als zentraler Me¬ chanismus eine Feder enthält. Um die Steifigkeit der Feder zu variieren, ist der Hebelarm des Kraftabgriffs beispielsweise über einen elektrischen Motor verstellbar. Ein Nachteil dieses Ansatzes ist der relativ große Raumbedarf der Konstrukti¬ on .
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beheben und einen verbesserten Aktor mit variabler Steifigkeit bereitzustellen.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Drehmomentübertragungs¬ vorrichtung nach Anspruch 1 sowie einem Aktor nach Anspruch 10 und einem Roboter nach Anspruch 11. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Die erfindungsgemäße Drehmomentübertragungsvorrichtung ist mit einem Innenring, einem aus einer Neutrallage in eine positive Drehrichtung oder negative Drehrichtung drehbar zum Innenring angeordneten Außenring, wenigstens einem Paar Aufnahmebälge, umfassend einen positiven Aufnahmebalg und einen negativen Aufnahmebalg, zumindest einer Gasdruckfeder und ei- ner mit der zumindest einen Gasdruckfeder verbundenen Verstelleinheit versehen. Die Aufnahmebälge sind zwischen dem Au¬ ßenring und dem Innenring in der Weise angeordnet, dass der Positivaufnahmebalg bei einer Drehung des Innenrings in die positive Drehrichtung komprimierbar ist und der Negativaufnahmebalg bei einer Drehung des Innenrings in die negative Drehrichtung komprimierbar ist. Die Aufnahmebälge sind zudem mit der zumindest einen Gasdruckfeder fluidleitend verbunden. Als Fluid ist dabei bevorzugt eine Hydraulikflüssigkeit ein¬ gesetzt.
Die erfindungsgemäße Drehmomentübertragungsvorrichtung weist vorteilhaft sehr kompakte Abmaße auf und ist mit der nahezu inkompressiblen Hydraulikflüssigkeit in der Lage, sehr hohe
Steifigkeiten darzustellen. Die hydraulische Kraftübertragung weist vorteilhaft zudem eine hohe Eigendämpfung auf, die Ei¬ genschwingungen des Systems sind stark überdämpft und treten erst bei hohen Frequenzen auf. Damit ist der Frequenzgang des Systems bis zu hohen Frequenzen linear, was eine gute Regel¬ barkeit der Drehmomentübertragungsvorrichtung mit sich bringt
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Drehmomentübertragungsvorrichtung weist die zumindest eine Gasdruckfeder einen hermetisch dichten Gasdruckraum und einen in den Gasdruckraum ragenden Übertragungsbalg und einen in den Gasdruckraum ragenden Verstellbalg auf. Die Aufnahmebälge sind dabei mit dem Übertragungsbalg fluidleitend verbunden und die Verstelleinheit ist mit dem Verstellbalg fluidleitend verbunden.
Damit ist auf eine einfache Weise eine einstellbare, kompakte und langlebige Gasdruckfeder realisiert. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Drehmomentübertragungsvorrichtung umfasst die Verstelleinheit ein Reservoir und eine Pumpe. Die Pumpe ist dabei insbesondere eine Piezopumpe. Die Piezopumpen können zudem mit einem Rückschlagventil ausgestattet werden, das im Feh- lerfall selbstöffnend ausgelegt ist (normally open) .
Mit dem Reservoir und der Pumpe ist mit einfachen und kostengünstigen Komponenten eine hydraulische Verstelleinheit be- reitgestellt. Die Piezopumpe beansprucht vorteilhaft einen geringen Bauraum und arbeitet effektiv. Mit dem Rückschlagventil wird im Fehlerfall beispielsweise bei einem Ausfall der Stromversorgung oder des Steuersignals die Steifigkeit der Drehmomentübertragungsvorrichtung automatisch auf das Minimum reduziert, was den sicheren Zustand des Systems dar¬ stellt: Das System ist somit eigensicher.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungs- gemäßen Drehmomentübertragungsvorrichtung weist die Drehmomentübertragungsvorrichtung zwei mit der Verstelleinheit verbundene Gasdruckfedern auf. Dabei ist der zumindest eine Po¬ sitivaufnahmebalg mit einer der zwei Gasdruckfedern und der zumindest eine Negativaufnahmebalg mit der anderen der zwei Gasdruckfedern fluidleitend verbunden.
Damit steht den Aufnahmebälgen sowohl für die Kompressionsbe¬ wegung als auch für die Dehnbewegung jeweils eine Gasdruckfe¬ der bereit. Es lassen sich vorteilhaft sowohl Druckphasen als auch Zugphasen der Aufnahmebälge beeinflussen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Drehmomentübertragungsvorrichtung umfasst die Verstelleinheit je Gasdruckfeder eine separate Pumpe.
Die Gasdruckfedern können damit unabhängig voneinander eingestellt werden. Die Steifigkeit der Drehmomentübertragungsvorrichtung ist damit vorteilhaft richtungsabhängig unterschied¬ lich auslegbar und veränderbar. Die Druckphasen können anders ausgelegt werden als die Zugphasen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Drehmomentübertragungsvorrichtung umfasst die Drehmomentübertragungsvorrichtung zwei Paar Aufnahmebälge.
Damit kann die Krafteinleitung besser verteilt werden. Die einzelnen Aufnahmebälge sind somit geringeren Belastungen ausgesetzt. Zudem ist die Führung des Innenrings ohne zusätz¬ liche Stützelemente verbessert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Drehmomentübertragungsvorrichtung ist zumindest einer der Bälge ein Metallbalg.
Metallbälge sind äußerst robust, auch bei hohen Temperaturen und unter dem Einfluss von aggressiven Umgebungsbedingungen. Dies verleiht der Drehmomentübertragungsvorrichtung Langlebigkeit und Sicherheit.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Drehmomentübertragungsvorrichtung weist die Drehmomentübertragungsvorrichtung im Wesentlichen die Form eines Zylinders mit kreisrunder Grundfläche auf.
Damit ist die Drehmomentübertragungsvorrichtung mit einer Gestalt versehen, die sich gut an die Gestalt eines üblichen Servomotors anfügen lässt. Der Servomotor und die Drehmoment¬ übertragungsvorrichtung beanspruchen zusammen nur wenig mehr Bauraum als der Servomotor allein.
So ist die erfindungsgemäße Drehmomentübertragungsvorrichtung in allen ihren Ausgestaltungen bevorzugt in einen Aktor integriert, der neben der Drehmomentübertragungsvorrichtung einen Servomotor aufweist. Der Servomotor umfasst einen Rotor und einen Stator. Der Stator des Servomotors ist erfindungsgemäß mit dem Außenring oder dem Innenring der Drehmomentübertragungsvorrichtung drehfest verbunden.
Damit ist vorteilhaft ein Akto mit variabler Steifigkeit be- reitgestellt. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Drehmoment- Übertragungsvorrichtung kommen dem Aktor als Baugruppe zugu- te .
Der erfindungsgemäße Aktor ist bevorzugt in einem Roboter in¬ tegriert. Der Aktor ist dabei mit einer Mechanikeinheit des Roboters kraftübertragend beziehungsweise drehmomentübertra¬ gend verbunden.
Die Mechanikeinheit des Roboters kann aufgrund des erfin- dungsgemäßen Aktors mit verschiedenen Steifigkeiten betrieben werden. Damit bietet der Roboter gerade im unmittelbaren Kontakt mit Menschen eine hohe Sicherheit.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeich- nungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen :
Figur 1 einen erfindungsgemäßen Roboter; Figur 2 einen erfindungsgemäßen Aktor; und
Figuren 3 bis 5 eine Drehmomentübertragungsvorrichtung des erfindungsgemäßen Aktors in verschiedenen Ausgestaltungen .
In der Figur 1 ist beispielhaft ein erfindungsgemäßer Roboter 26 skizziert. Der erfindungsgemäße Roboter 26 weist einen Aktor 1 auf, der mit einer Mechanikeinheit 27 kraft- bezie¬ hungsweise drehmomentübertragend verbunden ist. Durch einen Betrieb des Aktors 1 ist die Mechanikeinheit 27 in ihrer Po¬ sition veränderbar. Die Mechanikeinheit 27 ist in der Weise ausgebildet, die vom Aktor 1 erzeugte Bewegung umzuwandeln. Die Mechanikeinheit 27 kann beispielsweise eine Drehbewegung, eine translatorische Bewegung oder eine Kombination aus bei- den Bewegungen vollführen.
In der Figur 2 ist beispielhaft der erfindungsgemäße Aktor 1 skizziert. Der Aktor 1 weist einen Servomotor 2 und eine Drehmomentübertragungsvorrichtung 3 auf. Der Servomotor 2 um- fasst einen Rotor 21 und einen Stator 22. Der Rotor 21 ist auf einer Drehachse 23 drehbar zum Stator 22 gelagert. Der Stator 22 kann um den Rotor 21 herum angeordnet sein, in dieser Weise ist es in der Figur 1 dargestellt. Der Rotor 21 kann auch um den Stator 22 herum angeordnet sein. Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist der Stator 22 das abstützende Element und der Rotor 21 ist das bewegliche Element. Der Stator 22 ist erfindungsgemäß mit der Drehmomentübertragungs- Vorrichtung 3 drehfest verbunden.
Die Drehmomentübertragungsvorrichtung 3 umfasst erfindungsgemäß einen Innenring 5 und einen um den Innenring 4 herum angeordneten Außenring 4. Der Außenring 4 und der Innenring 5 sind konzentrisch zur Drehachse 23 angeordnet. Der Außenring 4 ist gegenüber dem Innenring 5 auf der Drehachse 23 um einen bestimmten Verdrehwinkel drehbar. In dem in der Figur 1 gezeigten Beispiel ist der Innenring 5 der Drehmomentübertra¬ gungsvorrichtung 3 fest eingespannt und der Stator 22 des Servomotors 2 ist an dem Außenring 4 der Drehmomentübertra¬ gungsvorrichtung 3 drehmomentübertragend befestigt. Eine Drehmomentabnahme 20 kann somit am Rotor 21 stattfinden. Es ist auch möglich, dass der Außenring 4 der Drehmomentübertragungsvorrichtung 3 fest eingespannt ist und der Stator 22 des Servomotors 2 mit dem Innenring 5 der Drehmomentübertragungs¬ vorrichtung 3 drehfest verbunden ist.
Die Drehmomentübertragungsvorrichtung 3 ist in den Figuren 2 bis 4 beispielhaft in verschiedenen Ausführungsvarianten skizziert. Die erfindungsgemäße Drehmomentübertragungsvor¬ richtung 3 umfasst zusätzlich zu dem Außenring 4 und zu dem Innenring 5 zumindest ein Paar Aufnahmebälge 9, 10, eine Gas¬ druckfeder 13, eine Verstelleinheit und Fluidleitungen 16. In den Figuren 2 bis 4 ist der Innenring 5 der erfindungsgemäßen Drehmomentübertragungsvorrichtung 3 jeweils in einer Neutrallage 25 dargestellt. Der Innenring 5 kann sich gegen¬ über dem Außenring 4 in eine positive Drehrichtung 17 oder in eine negative Drehrichtung 18 verdrehen.
Der Außenring 4 zweist zumindest zwei Ausformungen 24 auf. Jede Ausformung 24 ragt in eine Aussparung 7 des Innenrings 5 hinein. An den Ausformungen 24 befindet sich jeweils zumin- dest ein Anstoß 6. An jeder Aussparung 7 weist der Innenring 5 an einem dem Anstoß 6 gegenüber positionierten Bereich eine Auflage 8 auf. Zwischen der Auflage 8 des Innenrings 5 und dem Anstoß 6 des Außenrings 4 ist jeweils einer der Aufnahme- bälge 9, 10 angeordnet. Die Aufnahmebälge 9, 10 sind jeweils zumindest an der Auflage 8 befestigt. Im Sinne der vorliegen¬ den Erfindung kann ein Balg auch ein Hydraulikzylinder oder dergleichen sein, insbesondere ist der Balg aus Metall. Das zumindest eine Paar Aufnahmebälge 9, 10 umfasst einen Po¬ sitivaufnahmebalg 9 und einen Negativaufnahmebalg 10. Im Sin¬ ne der vorliegenden Erfindung ist der Positivaufnahmebalg 9 in der Weise angeordnet, dass er bei einer Änderung des In¬ nenrings 5 aus der Neutrallage 25 in positiver Drehrichtung 17 komprimiert wird. Der der Negativaufnahmebalg 10 ist er¬ findungsgemäß in der Weise angeordnet, dass er bei einer Än¬ derung des Innenrings 5 aus der Neutrallage 25 in negativer Drehrichtung 18 komprimiert wird. Die Aufnahmebälge 9, 10 sind erfindungsgemäß mit einem Fluid, insbesondere mit einer Hydraulikflüssigkeit, wie beispiels¬ weise Silikonöl oder Glycerin. Über die Fluidleitungen 16 sind die Aufnahmebälge 9, 10 mit der zumindest einen Gas¬ druckfeder 13 fluidleitend verbunden.
Die zumindest eine Gasdruckfeder 13 weist erfindungsgemäß ei¬ nen hermetisch abgeschlossenen, mit einem Fluid gefüllten Gasdruckraum 28 auf. Das Fluid ist insbesondere ein Gas und kann unter einen Überdruck von 2 bar bis 10 bar stehen. In den Gasdruckraum 28 ragend sind zwei insbesondere gegenüber¬ liegend positionierte Bälge 14, 15 angeordnet. Ein Übertra¬ gungsbalg 14 und ein Verstellbalg 15. Der Übertragungsbalg 14 ist über Fluidleitungen 16 mit zumindest einem Aufnahmebalg 9, 10 fluidleitend verbunden. Der Verstellbalg 15 ist über Fluidleitungen 16 fluidleitend mit der Verstelleinheit ver¬ bunden . Die Verstelleinheit weist erfindungsgemäß zumindest eine Pum¬ pe 12, insbesondere eine Piezopumpe 12 und ein Reservoir 11, in dem ein Fluid, insbesondere eine Hydraulikflüssigkeit vorhaltbar ist, auf.
Bei einer Drehbewegung des Innenrings 5 gegenüber dem Außenring 4 in positiver Drehrichtung 17 wird der Druck im Positivaufnahmebalg 9 erhöht und eine im Positivaufnahmebalg 9 befindliche Hydraulikflüssigkeit durch die Fluidleitung 16 in den Übertragungsbalg 14 der zumindest einen Gasdruckfeder 13 geleitet. Der Übertragungsbalg 14 ist bestrebt sich auszudeh¬ nen. Das zur Drehbewegung nötige Drehmoment in positiver Drehrichtung 17 ist erfindungsgemäß durch den Druck im Gasdruckraum 28 variabel einstellbar.
Bei einer Drehbewegung des Innenrings 5 gegenüber dem Außenring 4 in negativer Drehrichtung 18 wird der Druck im Negativaufnahmebalg 10 erhöht und eine im Negativaufnahmebalg 10 befindliche Hydraulikflüssigkeit durch die Fluidleitung 16 in den Übertragungsbalg 14 der zumindest einen Gasdruckfeder 13 geleitet. Der Übertragungsbalg 14 ist bestrebt sich auszudeh¬ nen. Das zur Drehbewegung nötige Drehmoment in negativer Drehrichtung 18 ist erfindungsgemäß durch den Druck im Gasdruckraum 28 variabel einstellbar.
Der Druck im Gasdruckraum 28 der Gasdruckfeder 13 wirkt auf den Übertragungsbalg 14 und den Verstellbalg 15. Der Vers¬ tellbalg 15 ist in der Weise ausgeführt, dass das Gasvolumen in der Gasdruckfeder 13 komprimierbar ist. Mittels der Pumpe 12 der Verstelleinheit ist ein Fluid, insbesondere eine Hyd¬ raulikflüssigkeit, aus dem Reservoir 11 in den Verstellbalg 15 hinein- beziehungsweise aus dem Verstellbalg 15
herauspumpbar . Auf diese Art und Weise kann die Steifigkeit der Gasdruckfeder 13 in einem weiten Bereich eingestellt wer- den.
Ist der Verstellbalg 15 vollständig geleert, so kann das Gas im Gasdruckraum 28 ein hohes Volumen bei einem niedrigen Druck einnehmen. Der Übertragungsbalg 14 kann sich somit ausdehnen, ohne dass der Druck im Gasdruckraum 28 nennenswert ansteigt, d.h. die Gasdruckfeder 13 hat eine geringe Steifig¬ keit in dieser Einstellung.
Ist der Verstellbalg 15 dagegen bis zu seiner Endstellung gefüllt, so ist es in den Figuren 3 bis 5 dargestellt, so hat eine geringe Ausdehnung des Übertragungsbalgs 15 bereits eine hohe Druckzunahme in dem Gasdruckraum 28 und damit eine hohe Gegenkraft auf den Übertragungsbalg zur Folge. Die Gasdruck¬ feder 13 hat in dieser Einstellung eine hohe Steifigkeit.
Da der Übertragungsbalg 14 den Druck des Gasdruckraums 28 der Gasdruckfeder 13 auf die Aufnahmebälge 9, 10 überträgt, und dort ein Moment aufgebaut wird, übersetzt sich also die vari¬ able Steifigkeit der Gasdruckfeder 13 direkt in eine variable Drehfedercharakteristik. Mittels der Pumpe 12 ist also erfindungsgemäß das Volumen des Verstellbalgs 15 variierbar und dadurch ist die Drehsteifigkeit der erfindungsgemäßen Drehmo- mentübertragungsvorrichtung 3 einstellbar. Dies erfolgt innerhalb weniger Sekunden oder Sekundenbruchteilen, je nach Auslegung der Leistung der Pumpe 12.
Gesteuert beziehungsweise geregelt wird die Verstelleinheit von einer hier nicht näher gezeigten Kontrolleinheit, mit der die Verstelleinheit verbunden ist. Zudem können in der Drehmomentübertragungsvorrichtung 3 Sensoren angeordnet sein, die Zustände, wie beispielsweise den Druck in zumindest einem der Bälge detektieren.
Die Drehmomentübertragungsvorrichtung 3 kann zusätzlich
Stützelemente aufweisen. Beispielsweise können Wälzkörper zwischen dem Außenring 4 und dem Innenring 4 angeordnet sein. Die in der Figur 3 beispielhaft skizzierte Ausführungsvarian¬ te der erfindungsgemäßen Drehmomentübertragungsvorrichtung 3 weist ein einziges Paar der Aufnahmebälge 9, 10 und eine ein- zige Gasdruckfeder 13 auf. Die Verstelleinheit weist eine einzige Pumpe 12 auf.
Die Aufnahmebälge 9, 19 sind hier jeweils an der Auflage 8 befestigt und liegen am Anstoß 6 lose an. Die Aufnahmebälge
9, 10 weisen jeweils einen Anschlag 19 auf, der eine Ausdeh¬ nung der Aufnahmebälge 9, 10 über das während der Neutrallage 25 des Innenrings 5 verfügbare Maß hinaus verhindert. In der Neutrallage 25 weisen beide Aufnahmebälge 9, 10 ihr maximales Volumen auf. Bei einer Verdrehung des Innenrings 5 gegenüber dem Außenring 4 aus der Neutrallage 25 heraus wird einer der Aufnahmebälge 9, 10 komprimiert, der andere der Aufnahmebälge
10, 9 behält sein Volumen bei. Bei dieser Komprimierung vollzieht sich die oben beschriebene Dämpfung durch die Gasdruck- feder 13. In entgegengesetzter Richtung aus der Verdrehung in die Neutrallage 25 weist die Drehmomentübertragungsvorrichtung 3 keine Steifigkeit auf. Ein Drehmoment kann frei wirken bis die Neutrallage wieder erreicht ist. Die in der Figur 4 beispielhaft skizzierte Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Drehmomentübertragungsvorrichtung 3 weist gegenüber der in der Figur 3 gezeigten Variante zwei Gasdruckfedern 13 auf. Jede der Gasdruckfedern ist mit einem der Aufnahmebälge 9, 10 des hier einzigen Aufnahmebalgpaars fluidleitend über Fluidleitungen 16 verbunden.
Mit zwei Gasdruckfedern 13 entspricht die Anzahl der Gas¬ druckfedern 13 der Anzahl der möglichen Drehrichtungen 17, 18. Die zwei Gasdruckfedern 13 sind separat steuerbar. Die Verstelleinheit umfasst dazu zwei Pumpen 12. Damit sind die Aufnahmebälge 9, 10 jeweils nicht nur in einer Druckphase, sondern auch in einer Zugphase beeinflussbar. Während eine der Gasdruckfedern 13 die Druckphase des einen Aufnahmebalgs 9, 10 begleitet, beeinflusst gleichzeitig die andere der Gas- druckfedern 13 die Zugphase des anderen Aufnahmebalgs 10, 9.
Die Aufnahmebälge 9, 10 weisen hier keinen Anschlag 19 auf. Die Aufnahmebälge 9, 10 sind jeweils sowohl an der Auflage 8 des Innenrings 5 als auch an dem Anstoß 6 des Außenrings 4 befestigt. Der Positivaufnahmebalg 9 weist sein größtes Volu¬ men in der Lage des Innenrings 5 auf, in der der Negativauf¬ nahmebalg 10 sein kleinstes Volumen aufweist und umgekehrt. Insbesondere sind beide Pumpen 12 in der Weise parallel betreibbar, dass die Gasdruckfedern 13 jeweils die gleiche innere Steifigkeit aufweisen.
Zusätzlich zu der in der Figur 4 gezeigten Ausführungsvariante weist die in der Figur 5 beispielhaft skizzierte Ausfüh¬ rungsvariante der erfindungsgemäßen Drehmomentübertragungs¬ vorrichtung 3 zwei Paar der Aufnahmebälge 9, 10 auf. Dabei sind die zwei Positivaufnahmebälge 9 parallel geschaltet und die zwei Negativaufnahmebälge 10 sind parallel geschaltet.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge¬ schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Patentansprüche
1. Drehmomentübertragungsvorrichtung (3) mit
einem Innenring (5) ,
einem aus einer Neutrallage (25) in eine positive Drehrich¬ tung (17) oder negative Drehrichtung (18) drehbar zum Innenring (5) angeordneten Außenring (4),
wenigstens einem Paar Aufnahmebälge (9, 10), umfassend einen positiven Aufnahmebalg (9) und einen negativen Aufnahmebalg (10),
zumindest einer Gasdruckfeder (13) und
einer mit der zumindest einen Gasdruckfeder (13) verbundenen Verstelleinheit,
wobei die Aufnahmebälge (9, 10) zwischen dem Außenring (4) und dem Innenring (5) in der Weise angeordnet sind, dass der Positivaufnahmebalg (9) bei einer Drehung des Innenrings (5) in die positive Drehrichtung (17) komprimierbar ist und der Negativaufnahmebalg (10) bei einer Drehung des Innenrings (5) in die negative Drehrichtung (18) komprimierbar ist und wobei die Aufnahmebälge (9, 10) mit der zumindest einen Gasdruckfe¬ der (13) fluidleitend verbunden sind.
2. Drehmomentübertragungsvorrichtung (3) nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine Gasdruckfeder (13) einen hermetisch dichten Gasdruckraum (28) und einen in den Gasdruckraum (28) ragenden Übertragungsbalg (14) und einen in den Gasdruckraum (28) ragenden Verstellbalg (15) aufweist, wobei die Aufnahme¬ bälge (9, 10) mit dem Übertragungsbalg (14) fluidleitend ver¬ bunden sind und die Verstelleinheit mit dem Verstellbalg (15) fluidleitend verbunden ist.
3. Drehmomentübertragungsvorrichtung (3) nach Anspruch 2, wobei die Verstelleinheit ein Reservoir (11) und eine Pumpe (12) umfasst.
4. Drehmomentübertragungsvorrichtung (3) nach Anspruch 3, wobei die Pumpe (12) eine Piezopumpe (12) ist.
5. Drehmomentübertragungsvorrichtung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Drehmomentübertragungsvorrichtung (3) zwei mit der Verstelleinheit verbundene Gasdruckfedern (13) aufweist, wobei der zumindest eine Positivaufnahmebalg (9) mit einer der zwei Gasdruckfedern (13) und der zumindest eine Negativaufnahmebalg (10) mit der anderen der zwei Gas¬ druckfedern (13) fluidleitend verbunden ist.
6. Drehmomentübertragungsvorrichtung (3) nach Anspruch 5, wo- bei die Verstelleinheit je Gasdruckfeder (13) eine separate
Pumpe (12) aufweist.
7. Drehmomentübertragungsvorrichtung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Drehmomentübertragungsvorrichtung (3) zwei Paar Aufnahmebälge (9, 10) aufweist.
8. Drehmomentübertragungsvorrichtung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Drehmomentübertragungsvorrichtung (3) im Wesentlichen die Form eines Zylinders mit kreisrunder Grundfläche aufweist.
9. Drehmomentübertragungsvorrichtung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei zumindest einer der Bälge (9, 10, 14, 15) ein Metallbalg ist.
10. Aktor (1) mit einer Drehmomentübertragungsvorrichtung (3) nach einem der vorherigen Ansprüche und einem einen Rotor (21) und einen Stator (22) aufweisenden Servomotor (2), wobei der Stator (22) des Servomotors (2) mit dem Außenring (4) oder dem Innenring (5) der Drehmomentübertragungsvorrichtung (3) drehfest verbunden ist.
11. Roboter (26) mit einem Aktor (1) nach Anspruch 10 und ei¬ ner Mechanikeinheit (27), wobei der Aktor (1) mit der
Mechanikeinheit (27) kraftübertragend oder drehmomentübertra¬ gend verbunden ist.
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