WO2016156618A1

WO2016156618A1 - Aktuator

Info

Publication number: WO2016156618A1
Application number: PCT/EP2016/057362
Authority: WO
Inventors: Dieter Mankau
Original assignee: Dieter Mankau
Priority date: 2015-04-02
Filing date: 2016-04-04
Publication date: 2016-10-06
Also published as: US10557485B2; US20180087545A1; CN107810335B; CN107810335A; DE202016106705U1; EP3277964A1; DE102015004181A1; KR20170135895A

Abstract

Ein Stellelement (1310) besitzt wenigsten einen elastischen Innenteil (1332), das über einen Anschluss mit einer Druckfluidquelle und/oder einer Vakuumquelle verbindbar ist, mittels derer eine Druckbeaufschlagung oder Entlüftung eines Hohlraumes in dem Innenteil (1332) ermöglicht ist. Um ein allgemein einsetzbares Stellglied zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass der Elastizitätsmodul einer das Innenteil (1332) begrenzenden Wandung (1328) abschnittsweise unterschiedlich ausgebildet ist, so dass anstelle einer homogenen Volumenvergrößerung oder –verkleinerung unter Druckbeaufschlagung oder Entlüftung eine gerichtete Formänderung zwischen einem Ruhezustand und einem mit Druck beaufschlagten oder evakuierten Zustand eintritt, die einen Stellweg des Stellements (1310) beschreibt.

Description

Aktuator

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Stellelement oder Aktuator mit wenigstens einem elastischen Dehnungselement als Innenteil, das über einen Anschluss mit einer Druckflu- idquelle und/oder Vakuumquelle verbindbar ist, mittels derer eine Druckbeaufschlagung oder Entlüftung eines Hohlraums in dem Dehnungselement ermöglicht ist. Derartige Stellelemente werden in den verschiedensten Einsatzgebieten verwendet. Beispielsweise werden pneumatische Stellglieder in der Automationstechnik eingesetzt oder auch für sonstige Einsatzgebiete, bei denen auf ein manuell oder automatisiert ausgelöstes Steuersignal hin eine Stellfunktion durch Aktivieren eines derartigen Stellelements ausgeführt werden soll. Neben den bekannten Stellelementen, die in der Regel nach dem Zylinder-/Kolbenprinzip arbeiten, ist aus der EP 1 865 208 A2 auch bereits ein Auslenkelement bekannt, bei welchem ein Kissen auf eine vorgegebene Trägerstruktur einwirkt und diese unter Druckbeaufschlagung gezielt auslenkt. In der Regel ist die Trägerstruktur eine Gelenkstruktur, an deren gewünschten Auslenkstellen eines oder mehrere Kissen angeordnet werden, um die gewünschte Formände- rung der Tragstruktur zu bewirken. Nachteilig ist bei einer solchen Lösung, dass für jeden Anwendungsfall eine spezielle Tragstruktur geschaffen werden muss, an welcher dann unter- schiedlich beschaffene Kissen angeordnet werden müssen, um die Funktionssicherheit herzustellen. Damit geht ein hoher Fertigungsaufwand einher, da die flexiblen Träger und die Kissen jeweils für den entsprechenden Anwendungszweck konstruiert und miteinander verknüpft werden müssen. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein universell einsetzbares Stellelement zu schaffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem Stellelement der eingangs genannten Art der Elastizitätsmodul der Wandung des Dehnungselements abschnittsweise unterschiedlich ausgebildet ist, so dass an Stelle einer homogenen Volumenvergrößerung unter Druckbeaufschlagung oder Entlüftung eine gerichtete Formänderung zwischen dem Ruhezustand und einem mit Druck beaufschlagten oder evakuierten Zustand eintritt, die einen Stellweg des Stellelements zwischen einer Ruhestellung einer Funktionsstellung beschreibt.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass nicht mehr, wie bei der zuvor besprochenen Lösung, die Stellelemente in eine jeweilige Mechanik integriert und angepasst werden müssen, sondern ein Stellelement mit einfachen Mitteln geschaffen wird, das ähnlich den bekannten pneumatischen Stellzylindern einsetzbar ist. Gleichwohl kann eine solches Stellelement natürlich auch für einen speziellen Einsatzzweck angepasst sein. Eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung kann vorsehen, dass der Elastizitätsmodul eines schlauchför- migen Dehnungselements in radialer Richtung derart hoch ausgebildet ist, dass die Formänderung unter Druckbeaufschlagung in Längsrichtung der Schlauchform und/oder in einer Biegerichtung der Schlauchform auftritt. Eine derartige Versteifung lässt sich beispielsweise durch Ringelemente/Ringanker erreichen, die in axialer Richtung bereits miteinander gekoppelt sein können, so dass eine gezielte Auslenkung des schlauchförmigen Stellelements unter Druckbe- aufschlagung oder Entlüftung auftritt. Sofern zwischen den die Radialrichtung versteifenden Ringelementen elastische Wandungen vorgesehen sind, ergibt sich eine rein axiale Erstreckung des Stellelements, so dass sich eine Funktion ähnlich einem pneumatischen Stell-zylinder einstellt. Gegenläufige Stellbewegungen können durch wenigstens zwei gegenläufig wirkende Innenteile erreicht werden, die um eine Mittelposition wirken. Die Mittelposition kann aber auch im Ruhezustand gegeben sein, wobei eine Druckbeaufschlagung eines Innenteils die Stellbewegung in der einen Richtung bezogen auf die Mittellage und ein Anlegen eines Vakuums oder wenigstens Unterdruckes an das selbe Innenteil eine Stellbewegung in anderer Richtung bewirkt. Das Stellelement ist vorzugsweise so ausgebildet, dass ein elastisches Material des wenigstens einen Dehnungselements als elastisches Innenteil mit einem steiferen Material eines Strukturelementes einen Verbund als Wandung bildet, wobei punktuelle, linienförmige oder flächige Verbindungsstellen vorgesehen sind. Das Strukturelement erhöht den Elastizitätsmodul der ansonsten sich homogen elastisch verhaltenden Hülle des Dehnungselements bereichsweise, so dass die gewünschte Formänderung unter Druckbeaufschlagung eintritt. Im Übrigen begrenzt das Strukturelement das Ausdehnungsvermögen des Innenteils bzw. Dehnelements, das als dünnwandiger Schlauch ausgebildet sein kann, in allen übrigen Freiheitsgraden, die für die Stellbewegung nichts beitragen können. Dadurch wird verhindert, dass übermäßige lokale Vo- lumenänderungen auftreten oder das ggf. sehr dünnwandige Dehnungselement lokal ausbeulen oder sogar überdehnt werden kann. Die Versteifung kann eine nur geringfügige Erhöhung des Elastizitätsmodul bezwecken, für ausgeprägte gelenkige Stellbewegungen des Stellelements sind aber auch bereichsweise Versteifungen möglich, die an diesen Stellen keine elastische Formänderung zulassen.

Typische elastische Materialien für alle hier beschriebenen Ausführungsformen sind Natur- Kautschuk, Silikon-Gummi, Kunststoffe oder dergleichen.

Ein derartiger Verbund zur Ausbildung der Wandung mit gerichtetem Elastizitätsmodul ist her- stellungstechnisch zweckmäßig und verhindert eine von den durch das Strukturelement zugelassenen Verformungen abweichende unkontrollierte Verformung des Dehnungselements. Das Strukturelement kann unter anderem auch unmittelbar in das elastische Material des Dehnungselements eingebettet oder innenseits von diesem angeordnet sein, ansonsten kann es dieses auch als eine Art Hülle übergreifen. An den Verbindungsstellen sind Schweiß- oder Kle- beverbindungen möglich, es kann aber auch zweckmäßig sein, die Verbindungsstellen als lose Auflagestellen auszubilden, so dass eine Schubbewegung zwischen dem Strukturelement und dem Dehnungselement während der Formänderung ermöglicht ist.

Besonders bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen die Wandung eine, in der Regel aber mehrere das Innenteil ringförmig umgreifende versteifte Zonen aufweist, die als Ringelement oder Ringanker wirken.

Diese Zonen, die als zugstarre Ringelemente ausgebildet sein können, die der Querschnittsform des Innenteils entsprechend angepasst sind, verhindern eine Volumenvergrößerung in der Radialrichtung, die zum Ausführen einer gezielten Stellbewegung meist keinen Beitrag leistet. Um das Dehnungselement gegen unkontrollierte Verformung unter Druckbeaufschlagung zu schützen, kann es zweckmäßig sein, dass das Strukturelement das wenigstens eine Dehnungselement vollflächig oder käfigartig umgibt.

Als Strukturelement sind grundsätzlich jede Art von Einlagen oder Umhüllungen geeignet, wobei an dieser Stelle Gewebe, Sinterkörper aus Kunststoff oder um das Dehnungselement gespritzte oder durch Blasformen hergestellte Kunststoff lagen hervorgehoben werden sollen, die auch in Kombination miteinander das Strukturelement bilden können. Ein Beispiel für eine Art von Gewebe, das im Verbund mit der Wandung des Dehnungselements die erfindungsgemäße Funktion sicherstellen kann, ist aus der DE 10 2012 004 150 A1 bekannt. Die dort beschriebene Maschenware, die unter dem Begriff eines Gewebes ausdrücklich umfasst sein soll, sorgt dafür, dass bestimmte Zonen dieses Gewebes ein unterschiedliches Kraft-Dehnungsverhalten aufweisen. Während die dort beschriebene Maschenware als medizinisches Hilfsmittel oder Sport- hilfsmittel gedacht ist, um unkontrollierte Bewegungen zur Schonung der Gelenke oder der Muskulatur zu vermeiden, kann durch eine Weiterentwicklung der entsprechenden Maschenware im Sinne der vorliegenden Erfindung die gewünschte Kinematik eines Stellelements eingestellt werden, indem eine entsprechende Maschenware mit der Wandung eines elastischen Dehnungselements des Stellelements gekoppelt oder diese in die Wandung eingebettet wird.

Insbesondere für höhere Kraftbeanspruchungen können auch Sinterkörper aus Kunststoff als Strukturelement eingesetzt werden oder eine unmittelbar um das Dehnungselement geformte Kunststofflage, die beispielsweise in Mehrkomponentenspritztechnik mit dem Dehnungselement, Tauchverfahren oder Blasformverfahren gemeinsam oder nachfolgend mit dem Deh- nungselement gefertigt werden kann. Gesinterte Kunststoffteile bieten als in additiven Herstellungsverfahren gefertigte Teile die Möglichkeit, komplexe Gelenkstrukturen an die Konturen des Dehnungselements anzupassen. Einige dieser additiven Herstellungsverfahren können auf sogenannten 3D-Druckern ausgeführt werden. Allen Varianten ist gemein, dass das Strukturelement und das wenigstens eine Dehnungselement im wesentlichen der gleichen Grundform folgen, d. h. das Strukturelement keine wesentlich über das wenigstens eine Dehnungselement hinausgehende Tragstruktur bildet, die dem erfindungsgemäßen Sinn des Schaffens eines universelle einsetzbaren Stellelements entgegen liefe. Um eine unkontrollierte Auslenkung des Stellelementes im Bereich eines höheren Druckniveaus zu vermeiden, sind vorzugsweise Endanschläge vorgesehen, die die Formänderung bei einem bestimmten Druckniveau begrenzen. Die Endanschläge sorgen dafür, dass der Elastizitätsmodul der Wandung des Dehnungselements während der Stellbewegung nicht substantiell erhöht wird, aber beim Erreichen einer gewünschten Endstellung eine weitere Formänderung blockiert wird, d. h. der Elastizitätsmodul ab diesem Zustand extrem erhöht ist. Die Endanschläge können einstellbar sein, z. B. auch durch einen elektrischen Stellantrieb.

Gegebenenfalls kann in das Strukturelement und/oder in das Dehnungselement ein viskoelasti- sches Material eingebunden sein, das Schwingungen dämpft. Insbesondere bei dynamisch stark beanspruchten Stellelementen kann eine derartige Schwingungsdämpfung erwünscht sein.

Je nach Einsatzgebiet eines solchen Stellelements können relativ große Hohlräume in dem we- nigstens einen Dehnungselement erforderlich sein, um die gewünschten Stellkräfte oder Bewegungen sicherzustellen. Um eine hohe Volumenförderung an Druckfluid zu vermeiden, kann es unter diesen Umständen sinnvoll sein, dass der Hohlraum des wenigstens einen Dehnungselements durch starre Volumenkörper teilweise ausgefüllt ist. Starr heißt, dass die entsprechenden Körper ihr Volumen unter Druckbeaufschlagung nicht ändern, gleichwohl aber selbst- verständlich die Stellbewegung des Stellelements nicht behindern.

Eine andere Ausführungsform kann das Anordnen von elastischen Formkörpern in den Hohlräumen vorsehen, die das Innenteil in einem Ruhezustand in seiner Form stabilisieren. Solche Formkörper können beispielsweise lose oder mit dem Stukturelement verbundene bürstenartige Elemente oder geschäumte Körper sein, wobei der Hohlraum auch schlicht ausgeschäumt sein kann. Bei mit dem Strukturelement verbundenen Formkörpern können diese beispielsweise fadenartig den Maximalabstand einer Doppelwandung begrenzen.

Entsprechend können auch Freiräume, die zwischen dem wenigstens einen Dehnungsele- ment/lnnenteil und dem Strukturelement vorhanden sind, durch entsprechende starre Körper, Schaumkörper oder bürstenartige Elemente wenigstens teilweise ausgefüllt sein. Auch hier können die Freiräume erst nachträglich ausgeschäumt werden.

Die Formkörper können auch die bereits grundsätzlich besprochenen viskoelastischen Eigen- schatten aufweisen. Wie bereits erwähnt, kann es zweckmäßig sein, die Wandung des Dehnungselements abschnittsweise derart zu versteifen, dass dort kein elastisches Verhalten mehr auftritt. Dies kann zum einen gelenkartige Stellbewegungen des Stellelements in sich ermöglichen oder auch im Bereich von an sich elastisch verformbaren Wandteilen für einen Endanschlag sorgen. Derartige zugfeste Elemente können als Seile, Bänder, Stäbe oder Gewebe- oder Gitterstrukturen aus Metall oder Kunststoff ausgebildet sein.

In vielen Ausführungsformen besitzt das Strukturelement vorzugsweise eine starre Einspann- stelle zur Festlegung an einer Tragstruktur. Eine derartige Einspannstelle in der Art eines Montageflansches kann zweckmäßig sein, um das Stellelement in eine Anlage einzubinden, wo es dann seine definierte Stellbewegung unter Druckbeaufschlagung ausführt. Beidseitige Einspannstellen können zum Koppeln mehrerer Stellelemente zweckmäßig sein. Wie bereits angedeutet, kann das erfindungsgemäße Stellelement mit einer Mehrzahl an Dehnungselementen ausgebildet sein, wodurch sich zum einen die Stellwege vergrößern lassen und zum anderen auch Stellbewegungen in unterschiedlichen Richtungen mittels eines einzigen Stellelements realisieren lassen. So können beispielsweise zur Vergrößerung eines axialen Stellweges mehrere axial hintereinander angeordnete und miteinander verbundene Dehnungs- elemente vorgesehen sein, deren Hohlräume räumlich voneinander getrennt sind und über separate Druckfluidanschlüsse verfügen. Die axialen Formänderungsvermögen unter Druckbeaufschlagung der einzelnen Dehnungselemente addieren sich dann zu einem maximalen Gesamtstellweg oder ermöglichen das gezielte Ansteuern von Zwischenzuständen. Vorzugsweise sind zwischen den Dehnungselementen starre Spannflächen ausgebildet, insbesondere wenn das gezielte Anfahren von Zwischenstellungen auf dem Stellweg erwünscht ist.

Durch mehrere Dehnungselemente ist aber auch eine Bewegung des Stellelementes in unterschiedlichen Richtungen möglich, wenn dieses gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eine Schlauchform aufweist, die über den Umfang und/oder in Radialrichtung in mehrere Dehnungselemente untergliedert ist, deren Hohlräume voneinander getrennt sind und die über separate Druckanschlüsse verfügen. Ein solches fingerartiges Stellelement lässt sich je nach Druckbeaufschlagung der Dehnungselemente nicht nur in eine Richtung sondern praktisch in jeder beliebigen Richtung abknicken, so dass sein Einsatzgebiet entsprechend erweitert ist. Besonders bevorzugt kann auch eine Ausführungsforme eines Stellelements sein, bei welchem die Strukturelemente aus einer Abfolge von gelenkig miteinander verbundenen Gliedern in Modulbauweise bestehen, zwischen denen die Innenteile angeordnet sind. Die Hohlräume der in Längsrichtung des Stellelements aufeinanderfolgenden Innenteile können über Druckleitungen miteinander verbunden sein, vorzugsweise über Druckfluidkupplungen, die ein variables Aneinanderreihen von Modulen ermöglichen, indem die Strukturelemente mechanisch und die Innenteile druckfluidtechnisch verbunden werden.

Vorzugsweise ist im Bereich sind im Bereich eines Moduls über den Umfang wenigstens zwei getrennt voneinander mit Druck beaufschlagbare Innenteile angeordnet. Bei zwei derartigen Innenteilen ergebt sich eine Knickbewegung in einer Ebene, bei drei oder mehr Innenteilen ist eine Knickbewegung im Raum möglich. Die entsprechenden Freiheitsgrade werden vorzugsweise durch die Gelenkverbindungen zwischen den Modulen bereitgehalten, die durch Kugelgelenke, Gelenkachsen oder quasi-gelenkartige biegeelastische Verbindungen gebildet sind. Bei einer räumlichen Biegebewegung kann eine kardanische Gelenkverbindung mit zwei im Winkel zueinander angeordneten Gelenkachsen vorteilhaft sein.

Eine spezielle Ausführungsform, die dem Umstand Rechnung trägt, dass das mit größerem Abstand zu der Einspannstelle des Stellelements das aufzubringende Moment meist kleiner ist, sieht vor, dass die Volumina, Längen oder Durchmesser der in Längsrichtung des Stellelements aufeinanderfolgenden Innenteile oder Strukturelemente oder auch Modulen unterschiedlich sind und sich vorzugsweise kontinuierlich verkleinern oder vergrößern.

Um eine unkontrollierte gegenseitige Beeinflussung der Dehnungselemente zu vermeiden, ist vorgesehen, dass zwischen diesen jeweils zugsteife Wandungen ausgebildet sind.

Die zugsteifen Wandungen dieser Ausführungsform sind vorzugsweise in eine Gliederstruktur eingebunden, die eine Biegung des Stellelements in der gewünschten einen oder in mehrere Biegerichtungen ermöglicht, gleichzeitig aber eine axiale Ausdehnung des Stellelements unter- bindet. In einem solchen Fall ist die Gliederstruktur als Teil des Strukturelements nicht hüllenartig um das Dehnungselement angeordnet sondern zwischen den Dehnungselementen in das Stellelement integriert. Dies kann auch bei einem modularen Aufbau der Fall sein.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Strukturelements sieht vor, dass dieses balgar- tig wenigstens abschnittsweise das wenigstens eine elastische Dehnungselement umgibt. Eine Balgstruktur, die z.B als Wellrohr aus Metall oder aus Kunststoff, als Gewebestruktur oder als Kunststoff- oder Gummibalg ausgebildet sein kann, hat den Vorteil, dass sie den Elastizitätskoeffizienten innerhalb des ermöglichten Zugbereiches praktisch nicht erhöht, nach Streckung der Faltung aber im Sinne eines Endanschlages den Elastizitätsmodul schlagartig erhöht und damit eine weitere Ausdehnung begrenzt. Bei einem derartigen faltenbalgartigen Strukturelement sind vorzugsweise ein Teil der oder alle dem Dehnungselement zugewandte Falten oder Wellen des balgartigen Strukturelements mit dem Dehnungselement verbunden oder als lose Auflagestellen ausgebildet. Pufferelemente, die bei einem schlauchförmigen Stellelement ringförmig sein können, können im Bereich der Auflagestellen angeordnet sein, um einen unmittelbaren Kon- takt zwischen dem Dehnungselement und dem balgartigen Strukturelement zu vermeiden. Die balgartigen Strukturelemente können auch mittig vorgesehen sein, um beispielsweise einen Kabel- und Leitungskanal abzuschirmen, der vorzugsweise dort ausgebildet ist, wo die geringsten Wegdifferenzen beim Betätigen des Stellelementes auftreten. Elektrische Anschlussleitungen oder Druckfluidleitungen sind bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung genau in diesen steifen oder ausschließlich in Biegerichtung verformbaren Bereichen des Stellelementes angeordnet. Während es bei fingerartig ausgebildeten Stellelementen unter Umständen hinreichend ist, im Bereich der starren Einspannstelle die entsprechenden Anschlüsse vorzusehen, von welcher aus unmittelbar eine Verbindung zu den Hohlräumen der Dehnungselemente existieren kann, ist es insbesondere bei Stellelementen mit mehreren axial hintereinander angeordneten Dehnungselementen zweckmäßig, derartige Bereiche vorzusehen, um die Anschlussleitungen nicht unnötig zu belasten. Elektrische Anschlussleitungen können beispielsweise dann vorgesehen sein, wenn an dem Stellelement selbst weitere elektrische Aktuatoren angeordnet sind, beispielsweise Magnetgreifer, oder in verformbaren Wandabschnitten des wenigstens einen Dehnungselements/Innenteils Messelemente in Form von Dehnungsmesselementen oder optischen Messelementen vorgesehen sind, mittels derer eine exakte Erfassung der tatsächlichen Formänderung der Stellelements unter Druckbeaufschlagung ermöglicht ist. Auf diese Weise lassen sich trotz der an sich elastischen Ausprägung des Dehnungselements die Formänderungen des Stellelements präzise erfassen.

Besonders vorteilhaft ist der Einsatz eines Formsensors, bei welchem das Messelement aus einer in Längsrichtung des Stellelements helixartig angeordneten Leiterfolie besteht.

An den Griffflächen kann es zweckmäßig sein, ein rutschfestes Material oder eine Struktur vor- zusehen, die einem Rutschen beispielsweise einer erfassten Last entgegenwirkt. Wie bereits erwähnt, können im Bereich der Griffflächen aber auch elektromagnetische Greifer vorgesehen sein, mit denen Material aufgenommen und abgelegt werden kann.

Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher auf Ausführungsbeispiele der Erfindung eingegangen. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht eines fingerförmigen Stellelements;

Fig. 2 eine um 90° gedrehte Ansicht des Stellelements nach Fig. 1 ;

Fig. 3-5 Längsschnitte verschiedener Ausführungsformen eines Stellelements nach Fig. 1 ;

Fig. 6 eine Seitenansicht des Stellelements im ausgelinkten Zustand;

Fig. 7 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines fingerförmigen Stellelements;

Fig. 8 einen Längsschnitt des Stellelements nach Fig. 7;

Fig. 9 einen um 90° gedrehten Schnitt des Stellelements nach Fig. 8;

Fig. 10-13 verschiedene Ausführungsformen der elastischen Bereiche eines Stellelements nach Fig. 7;

Fig. 14-16 eine Ausführungsform eines fingerförmigen Stel-Ielements mit einer Gewebestruktur;

Fig. 17-20 eine weitere Ausführungsform eines dreiteiligen fingerförmigen Stellelements;

Fig. 21 +22 skizzierte Seitenansichten zweier Stellelemente mit unterschiedlichem Biegevermögen;

Fig. 23 ein Prinzipschaubild eines Stellelements mit zwei Innenteilen;

Fig. 24 eine Ansicht eines Einzelteils aus Fig. 23;

Fig. 25 ein Vierkammer-Stellelement im Querschnitt;

Fig. 26 einen Längsschnitt einer Ausführungsform eines Doppelkammer-Stellelements;

Fig. 27 eine perspektivische Ansicht des geschnittenen Stellelements nach Fig. 26;

Fig. 28 ein schlauchförmiges Innenteil des Stellelements nach Fig. 27;

Fig. 29 eine perspektivische Ansicht eines Strukturelements für ein Stellelement;

Fig. 30 einen Querschnitt eines Stellelements mit einem Strukturelement ähnlich Fig. 29;

Fig. 31 einen Teillängsschnitt des Stellelements nach Fig. 30;

Fig. 32-34 Ausführungsformen von fingerförmigen Stellelementen mit besonderen Stellwegen;

Fig. 35 eine Prinzipskizze zur Veranschaulichung des Zusammenwirkens eines elastischen Innenteils mit einem Gewebe;

Fig. 36 schematisch den modularen Aufbau eines Arms aus mehreren Stellelementen; Fig. 37a-e Stellelemente mit unterschiedlicher radialer Teilung und einer entsprechenden

Anzahl von elastischen Innenteilen;

Fig. 38 eine Ansicht eines fingerförmigen Stellelements mit zwei getrennt ansteuerbaren

Greifzonen;

Fig. 39 einen Längsschnitt eines längenvariablen Stellelements im komprimierten Zustand;

Fig. 40 einen Längsschnitt des Stellelements nach Fig. 39 im ausgefahrenen Zustand; Fig. 41 eine teilgeschnittene Ansicht einer weiteren Ausführungsforme eines längenvariablen Stellelements im ausgefahrenen Zustand;

Fig. 42 eine teilgeschnittene Ansicht des Stellelements nach Fig. 41 in komprimiertem

Zustand;

Fig. 43 einen Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform eines Stellelements mit einer radialen Teilung entsprechend Fig. 37d;

Fig. 44 eine perspektivische, geschnittene Ansicht des Strukturelements des Stellele- ments nach Fig. 43;

Fig. 45 einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform eines Stellelements mit vier über den Umfang verteilten Innenteilen;

Fig. 46 einen Teillängsschnitt des Stellelements nach Fig. 45;

Fig. 47 eine noch weitere Ausführungsform eines Stellelements mit vier über den Umfang verteilten Innenteilen;

Fig. 48 einen Teillängsschnitt des Stellelements nach Fig. 47;

Fig. 49 eine noch weitere Ausführungsform eines Stellelements mit vier über den Umfang verteilten Innenteilen;

Fig. 50 einen Teillängsschnitt des Stellelements nach Fig. 49;

Fig. 51 einen Querschnitt einer Ausführungsform eines Stellelements mit zwei gegenläufig wirkenden Innenteilen;

Fig. 52 einen Teillängsschnitt des Stellelements nach Fig. 51 ;

Fig. 53 eine Ansicht von zwei Modulen zur Bildung eines Strukturelements;

Fig. 54 einen schematischen Längsschnitt eines Stellelements mit über die Länge variie- renden Innenteilen;

Fig. 55 einen schematischen Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform eines Stellelements mit über die Länge variierenden Innenteilen.

Fig. 1 zeigt eine Ansicht eines fingerförmigen Stellelements 10, das aus einer in Fig. 1 und 2 gezeigten gestreckten Ruhestellung unter Druckbeaufschlagung in die in Fig. 6 gezeigte Knickstellung auslenkbar ist. Die Knickbewegung kann genutzt werden, um Gegenstände zu greifen und zu halten oder eine Stellbewegung auszuführen.

Das Stellelement 10 besitzt eine Einspannstelle 12, die an einer ortsfesten Struktur festgelegt ist. Um das gewünschte Verhalten zu erreichen, sind verschiedene konstruktive Aufbauten möglich. Eine erste Ausführungsform gemäß Fig. 3 sieht vor, dass das Stellelement 10 insgesamt aus einem Wandelement 14 als Innenteil aus einem elastischen Material besteht, das in einem mittleren Bereich entsprechende Fig. 1 und 2 durch ringförmige Nuten 16 geschwächt ist, während an einer Seite ein Steg 18 in der Art eines Rückgrats verbleibt, der zugsteif ist. Bei einer Druckbeaufschlagung vergrößert sich das Volumen des Innenraumes 30 des Innenteils 14 insgesamt, insbesondere aber erfolgt eine Ausdehnung im Bereich der Nuten 16, da dort das elastische Material geschwächt ist. Eine ganz ähnliche Wirkung lässt sich durch ein Wandelement 24 gemäß Fig. 4 erreichen, das selbst aus einem starren Kunststoff besteht, der aber über ein gewisses elastisches Formänderungsvermögen verfügt. Im Bereich der Nuten 26 ist in Zweikomponententechnik ein elastisches Material 28 vorgesehen, das sich bei einer Druckbeaufschlagung des Innenraumes 30 dehnt, wobei der Steg 18 einer elastischen Biegeverformung unterzogen wird.

Herstellungstechnisch einfacher und vom Gesichtspunkt der Dauerfestigkeit unkritischer ist eine Ausführungsform gemäß Fig. 5, bei welcher ein Wandelement entsprechend der Ausführungsform gemäß Fig. 4 vorgesehen ist, bei welchem aber im Bereich der Nuten 36 offene Schlitze vorgesehen sind, wobei die Druckdichtigkeit eines Hohlraumes 30 hier durch ein elastisches, schlauchförmiges Innenteil 32 erreicht wird, das mit dem Druck beaufschlagbar ist. Die zwischen den Nuten 26 verbleibenden, ringförmigen Stege 34 verhindern, dass das schlauchförmi- ge Innenteil 32 unter Druckbeaufschlagung eine allzu große Volumenänderung in radialer Richtung erfährt, so dass die Volumenvergrößerung bei einer Druckbeaufschlagung, wie bei den anderen Ausführungsformen auch, zu der in Fig. 6 gezeigten Auslenkstellung führt. Das Wandelement beeinflusst somit den Elektrizitätskoeffizienten der Wandung des Innenteils 32. In Fig. 7 bis 9 ist eine weitere Ausführungsform eines fingerförmigen Stellelements 1 10 gezeigt, das grundsätzlich die gleiche Stellbewegung wie das zuvor beschriebene Stellelement 10 ausführen kann. Auch dieses Stellelement 1 10 verfügt wieder über eine steife Einspannstelle 1 12 sowie ein äußeres Strukturelement 124, während innenseitig wiederum ein schlauchförmiges, elastisches Innenteil 132 vorgesehen ist. Das Strukturelement 124 ist bereichsweise in der Art eines Faltenbalges 125 ausgebildet, der grundsätzlich in der Längsrichtung elastisch ist, dessen radiales Formänderungsvermögen aber wiederum durch ringförmige Versteifungen 134 beschränkt ist. Wie aus der gedrehten Ansicht in Fig. 9 zu erkennen ist, ist an einer Stelle in Längsrichtung ein zugsteifes aber biegeelastisches Zugelement 140 vorgesehen, so dass in diesem Bereich überhaupt keine Formänderung in Längsrichtung des Stellelements 1 10 son- dem lediglich eine Biegeverformung ermöglicht ist.

Fig. 10 bis 13 veranschaulichen das Zusammenwirken unterschiedlicher Strukturelemente mit elastischen, schlauchförmigen Innenteilen von Stellelementen. In Fig. 10 ist ein Strukturelement 150 vorgesehen, das als Blasteil hergestellt ist und im wesentlichen aus geradlinigen Stegen 152 und zwischenliegenden gelenkartigen Abschnitten 154 besteht. Wenn das Innenteil 156 mit Druck beaufschlagt wird und sich entsprechend ausdehnt, streckt sich das Strukturelement 150, indem die Stege 152 um die gelenkartigen Abschnitte 154 verschwenken.

In Fig. 1 1 ist ein Strukturelement 160 gezeigt, das eine wellenartige Grundform besitzt, so dass wiederum durch Aufbiegen der gelenkartigen Verbindungsstellen 162 eine Längenänderung bei einem Ausdehnen eines elastischen Innenteils 168 möglich ist. Bei der in Fig. 12 gezeigten Ausführungsform sind an das Strukturelement 160, das im übrigen dem in Fig. 1 1 gezeigten Strukturelement entspricht, im Bereich der gelenkartigen Verbindungsstellen 162 im wesentlichen zugförmige Elemente 164 vorgesehen, die das radiale Formänderungsvermögen des Strukturelements 160 weiter begrenzen. Zudem sorgen diese zugfesten Elemente 164 durch abgerundete, großflächige Anlagestellen 166 für einen verschleiß- armen Kontakt zu dem elastischen Innenteil 168.

Bei der in Fig. 13 gezeigten Ausführungsform ist ein Strukturelement 170 vorgesehen, das als Sinterteil in einem additiven Herstellungsverfahren gefertigt worden ist. Das schlauchförmige, elastische Innenteil 176 besitzt hier eine Vorformung, so dass seine faltenartige Struktur an die Wellenstruktur des gesinterten Strukturelements 170 angepasst ist. An das Sinterteil angeformte, zugfeste Ringelemente 164 sorgen für eine Einhaltung der Positionierung des elastischen Innenteils 176 zu dem Strukturelement 170 auch im drucklosen Zustand des Innenteils 176. Wiederum sorgen die großflächigen Oberflächen 165 der zugfesten Elemente 164 dafür, dass das elastische Innenteil 176 unter den Druckwechseln nicht beschädigt wird. In Fig. 14 bis 16 ist eine weitere Ausführungsform eines fingerartigen Stellelements 210 gezeigt, bei welchem in eine Wandung 224 aus einem elastischen Material, das, wie bei den anderen Ausführungsformen auch, aus Naturkautschuk, einem Silikongummi oder einem sonstigen geeigneten Kunststoff bestehen kann, eine Struktur eingebettet, die im Bereich einer Rückseite als durchgängiger, zugsteifer Steg 218 ausgebildet ist, während von dem Steg 218 ausgehend eine Abfolge einer Vielzahl von Ringversteifungen in das elastische Material eingelassen ist, das wiederum das radiale Formänderungsvermögen unter Druckbeaufschlagung vermindert. Die ringförmigen Elemente 234 sind aber gleichwohl unter Druckbeaufschlagung aufgrund des zwischenliegenden elastischen Materials in ihrem Abstand variabel, so dass bei Druckbeaufschla- gung und biegsamer Ausführung der des zugsteifen Steges 218 wiederum ein Fig. 6 entsprechender ausgelenkter Zustand erreicht werden kann.

In Fig. 20 ist eines teilgeschnittene Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines fingerförmigen Stellelements 310 gezeigt, das einen mehrlagigen Aufbau aufweist. Ein schlauchförmiges elastisches Innenteil (siehe Fig. 17) ist von einer Gewebestruktur 324 umhüllt, die in Fig. 18 gezeigt ist. Die Gewebestruktur ist derartig ausgebildet, dass in einem Kopfbereich 340 und in einem Fußbereich 350 das Gewebe zugsteif ausgebildet ist. In einem mittleren Abschnitt sind wiederum zugsteife Ringelemente 334 vorgesehen, zwischen denen Gewebefäden angeordnet sind, die eine Längenänderung des Strukturelements 324 aus Gewebe in diesem Bereich er- möglichen. Ein zugsteifes Element 318 sorgt an einer Seite des Stellelements dafür, dass dort keine Längenänderung unter ein Druckbeaufschlagung des elastischen Innenteils 332 möglich ist, so dass sich wiederum unter Druckbeaufschlagung eine Knickstellbewegung ähnlich Fig. 6 einstellt. Um das als Gewebe ausgebildete Strukturelement 324 vor einer Beschädigung von außen zu schützen, verfügt das Stellelement 310 weiterhin über eine elastische Außenhülle 360, die mit strukturierten Greifflächen 362 versehen ist. Die Greifflächen 362 sind auf der Seite des Stellelements 310 angeordnet, auf der sich auch das zugsteife Element 318 befindet, da auf dieser Seite des Stellelements die konkave Krümmung gemäß Fig. 6 stattfindet. Die drei Einzelteile des Strukturelements, nämlich das elastische Innenteil 332, das als Gewebe ausgebildete Strukturelement 324 sowie die elastische Außenhülle 360 können miteinander verklebt oder verschweißt sein, dies ist aber nicht unbedingt erforderlich.

Fig. 21 und 22 zeigen schematisch, wie durch unterschiedliche Gestaltung der elastischen Bereiche bei einem fingerförmigen Stellelement 410 und 420 ein unterschiedliches Auslenkverhalten erreicht werden kann. Während die in Fig. 21 gezeigte Ausführungsform eines fingerförmi- gen Stellelement410 in einem elastischen Bereiche zugsteife Ringelemente 434 aufweist, die über den Umfang des Stellelements einen im Ruhezustand gleichmäßigen Abstand aufweisen, besitzen die Ringelemente 444 gemäß der Ausführungsform eines Stellelements 420 nach Fig. 22 im Bereich eines zugsteifen Bereiches 418 einen geringeren Abstand als auf der diametral gegenüberliegenden Seite. Durch diese Ausprägung verkleinert sich die Erstreckung der Biege- stelle in Längsrichtung im Bereich des Steges 418, so dass ein kleinerer Knickradius bei der Stellbewegung erreicht wird, wie durch Vergleich der ausgelenkten Stellung des Stellelements 410 nach Fig. 21 mit der ausgelenkten Stellung des Stellelements 420 nach Fig. 22 gut zu erkennen ist. Fig. 23 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines fingerförmigen Stellelements 510 mit zwei Innenteilen 532, 533, die durch ein leiterartiges Strukturelement 524 voneinander getrennt sind, wobei halbringförmige zugfeste Elemente 534 wiederum die radiale Formänderung der elastischen Innenteile 532 in der Umfangsrichtung begrenzen. Das leiterartige Strukturelement 524 erlaubt ein Biegen des Stellelements 510, je nachdem, welches der beiden Innenteile 532, 533 mit Druck beaufschlagt wird, wobei ggf. auch eine gegenläufige Beaufschlagung möglich ist, d. h. ein Innenteil wird mit einem Unterdruck beaufschlagt, während an das andere ein Überdruck angelegt wird. Das Strukturelement 524 verhindert mit seinen steifen Streben, dass sich ein Innenteil in das Volumen des anderen Innenteils ausdehnen kann, dass für das Auslenkvermögen des Stellelements 510 zumindest sehr nachteilig wäre.

Fig. 25 zeigt ein weiteres Stellelement 610, das mittels zweier Innenteile 632, 633 und einem zwischenliegenden, eine Biegebewegung des Stellelements ermöglichenden Strukturelements 624 aus einer gestreckten Mittellage in beide Richtungen abknickbar ist. Zusätzlich vorgesehen sind zwei weitere Innenteile 637, die ebenfalls als elastische Schläuche ausgebildet sind, und eine geringfügige Korrektur der Ausrichtung des Stellelements in einer Knickrichtung senkrecht zur Hauptstellrichtung ermöglichen, sofern dies aus Präzisionsgründen gewünscht ist.

Fig. 26 bis 28 zeigen eine konstruktive Ausführungsform eines Stellelements 710, das dem Prinzip des in Fig. 23 gezeigten Doppelkammerstellelements 510 folgt. Das Stellelement 710 besitzt zwei elastische Innenteile 732, 733, die durch eine biegeelastische Trennwandung 724 voneinander getrennt sind, die Teil eines in einem additiven Herstellungsverfahren gesinterten Kunststoffteils als Strukturelement ist, das gleichzeitig die elastischen Innenteile 532, 533 in der Art eines Faltenbalges ringförmig umgibt. Die Balgstruktur 728 ist ähnlich dem in Fig. 13 dargestellten Prinzip ausgebildet, in dem an den innenliegenden Knickstellen 729 der Balgstruktur 728 zugfeste Ringelemente 764 angeformt sind, die sich flächig an die balgartig vorgeformten Außenflanken der beiden Innenteile 732, 733 anlegen. Im Bereich der Stirnseiten ist das Strukturelement 724 mit steifen Anschlussstellen 712 ausgebildet, mit denen sich das Stellelement 710 entweder an eine ortsfeste Struktur anbinden oder mit anderen Stellelementen kombinieren lässt.

Fig. 29 zeigt einen Teil eines längeren Strukturelements 824, das für ein Stellelement mit 4 Kammern, d. h. 4 unabhängig voneinander mit Druck beaufschlagbaren Innenteilen 832 (siehe Fig. 30 und 31 ), vorgesehen ist. Das Strukturelement 824 besitzt einen einer Wirbelsäule nicht unähnlichen Aufbau mit einer Abfolge von mehreren sternförmigen Tragelementen 825, die ge- lenkig miteinander verbunden sind. In Umfangsrichtung zugfeste Ringelemente 834 sind durch elastische Elemente 835 miteinander verbunden, so dass das Strukturelement 824 in verschiedene Richtungen gebogen werden kann. Ein derartiges Strukturelement 824 kann mittels additiver Herstellungsverfahren aus Kunststoff hergestellt werden. Wie aus Fig. 31 ersichtlich ist, ist in einem Kanal 850 im mittigen Bereich Raum für Versorgungsleitungen 852 vorgesehen, die zur Versorgung der Innenteile 832 dienen oder auch zur Versorgung von stirnseitig an das Stellelement 810 angeschlossene weitere Stellelemente. Durch die getrennte Ansteuerung der einzelnen Innenteile 832 erfolgt eine zonenweise Längenänderung, wenn sich das in Fig. 31 gezeigte elastische Innenteil unter Druckeinwirkung ausdehnt und die Verbindungselemente 835 entsprechend in diesem Bereich gestreckt werden. Die zugfesten Ringelemente 834 verhindern wiederum eine über-mäßige radiale Ausdehnung, so dass die Volumenänderung des jeweils angesteuerten Innenteils 832 praktisch ausschließlich für die Formänderung des Stellelements 810 genutzt werden kann. In dem Kanal kann auch ein flexibles, zugsteifes Element angeordnet sein, das eine Längenänderung unter Druckbeauf- schlagung verhindert.

Fig. 32, 33 und 34 zeigen unterschiedliche Ausbildungen der elastischen Bereiche eines Stellelements, die zu besonderem Formänderungsvermögen der jeweiligen Stellelemente führen. In Umfangsrichtung verlaufende Linien stehen für zugfeste Ringelemente 934, während die sich in Längsrichtung erstreckenden Linien für zugsteife Stege 918 stehen. Das in Fig. 32 gezeigte Stellelement 910 weist entsprechend zwei beabstandete Knickbereiche auf, die durch einen versteiften Abschnitt 940 voneinander getrennt sind. Bei der in Fig. 33 gezeigten Ausführungsform eines Stellelements 91 1 liegen die zugsteifen Stege 918 nicht in Flucht, was zur Folge hat, dass sich bei einer Druckbeaufschlagung der elastische Bereich in der Nähe des Kopfendes in einer anderen Richtung verformt als der elastische Bereich nahe des unteren Endes des Stellelements 91 1 .

Schließlich ermöglicht das in Fig. 34 gezeigte Ausbilden eines elastischen Bereiches mit einem wendelartigen Steg 918 eine Torsionsstellebewegung des betreffenden Stellelements 912.

In Fig. 35 wird schließlich noch einmal das Zusammenwirken eines elastischen schlauchförmigen Innenteils 332 mit einem Gewebe als Strukturelement 324 erläutert, das durch zugfeste Ringelemente 334 versteift ist. Ein entsprechendes Zusammenwirken tritt bei dem Stellelement 310 gemäß Fig. 17 bis 20 auf.

Bei dem in Fig. 35 oben dargestellten Ruhezustand ist das Gewebe ebenso wie das elastische Innenteil 332 entspannt, d. h. es liegt kein Innendruck an. Bei einer Druckerhöhung dehnt sich die elastische Hülle des Innenteils 332 derart aus, dass es zwischen die Ringelemente 334 dringt und dabei deren Abstand vergrößert. Der maximale Längenänderungszustand ist im unteren Bereich von Fig. 35 veranschaulicht, in welchem das aufgeweitete Innenteil 332 an dem gestrickten Strukturelement 324 flächig anliegt, d.h. es ist keine weitere Längenänderung in diesem Bereich mehr möglich. Durch die Ausbeulungen des Innenteils 332 zwischen den zugfesten Ringelementen 334 kann bei einer solchen Ausführungsform nicht das gesamte Volumen für eine Längenänderung des Stellelements genutzt werden. Das Gewebe bildet hier unter anderem im maximal gestreckten Zustand aber auch bereits zuvor eine Begrenzung für das Ausdehnungsvermögen des Innenteils 332, so dass dieses sich nicht unkontrolliert zwischen den zugfesten Ringelementen radial nach außen ausdehnen kann. Dadurch wird es ermöglicht, dass die Ausdehnung des Innenteils auf eine Längenänderung konzentriert ist, die für eine Knickstellbewegung oder für eine Längenänderung des Stellelements ausgenutzt werden kann. An dieser Stelle wird nochmals auf Fig. 10, 1 1 , 12 und 13 verwiesen, wo die dort beschriebenen und gezeigten Strukturelemente, die faltenbalgartig sein können, ebenfalls das radiale Formänderungsverhalten der elastischen Innenteile beschränken, um gezielt die Elastizität für eine Längenänderung ausnutzen zu können. Dieses Merkmal einer zweiten Ebene, die Ausbeulun- gen eines dünnwandigen elastischen Innenteils vermeidet, um einerseits das Formänderungsverhalten unter Druckeinwirkung zu verbessern und andererseits auch Beschädigungen des unter Umständen empfindlichen Innenteils zu vermeiden, ist auch bei den meisten weiteren Ausführungsformen anzutreffen, bei denen ein dünnwandiges Innenteil und ein äußeres Strukturelement zusammenwirken. Grundsätzlich ist anzumerken, dass alle hier beschriebenen Stellelemente grundsätzlich mit einem gasförmigen oder einem flüssige Fluid als Druckmedium betrieben werden können. Insbesondere mit einem flüssigen Druckmedium lassen sich sehr hohe Stellkräfte oder auch Haltekräfte, bei einem Stellelement z. B., wie es in Fig. 20 gezeigt ist, erreichen.

Aus den in Fig. 26, Fig. 30, Fig. 40, Fig. 41 und Fig. 43 gezeigten Stellelementen mit beidseitigen Anschlussstellen lassen sich in der Art eines Roboterarms beliebige Kombinationen schaffen, so dass ein derartig ausgebildeter Arm neben Längenänderungen auch gewünschte Knickbewegungen ausführen kann. Die Steuerung eines solchen Roboterarms kann entweder durch Dehnungsmessstreifen in den jeweiligen elastischen Bereichen der Stellelemente vorgenommen werden oder auch durch Erfassung der Position einer bestimmten Greifstelle oder Greifvorrichtung, die am freien Ende des Roboterarms angeordnet ist. Beispielhaft zeigt Fig. 36 eine solche einfache Anordnung von Stellelementen 710 mit zwischenliegenden starren Verbindungselementen 700, so dass sich insgesamt ein Arm mit einer je nach Drehwinkelanordnung der Stellelemente zueinander sehr flexiblen Beweglichkeit ergibt.

Fig. 37 zeigt beispielhaft mehrere Möglichkeiten, wie ein sich in Längsrichtung erstreckendes Stellelement radial in mehrere Kammern unterteilt sein kann, die jeweils über ein getrennt voneinander mit Druck beaufschlagbares Innenteil verfügen. Während in Fig. a im Querschnitt eine Einkammerlösung gezeigt ist, wie sie beispielsweise bei dem Stellelement gemäß Fig. 1 verwirklicht ist, zeigt Fig. 37b eine Zweikammerlösung entsprechend Fig. 26, die aus einer gestreckten Mittellage eine Verschwenkbarkeit des Stellelements in beide Richtungen ermöglicht. Die erweiterte Stellmöglichkeit gemäß Fig. 37c mit 4 Kammern ist beispielsweise bei dem Stellelement gemäß Fig. 30 verwirklicht, während eine Lösung mit 8 Kammern, wie sie schematisch in Fig. 37d gezeigt ist, nachfolgend noch im Zusammenhang mit Fig. 43 und 44 angesprochen wird. Auch asymmetrische Unterteilungen, wie beispielsweise gemäß Fig. 37e mit 5 Kammern sind ohne weiteres möglich.

Bei den Mehrkammersystemen ist jeweils in einem mittleren Kanal 52 Raum für Versorgungslei- tungen 53 vorgesehen, deren Anzahl bei entsprechender Vergrößerung der Zahl an Innenteilen entsprechend höher sein muss.

Fig. 38 zeigt eine Ansicht eines fingerförmigen Stellelements 990, das Greifflächen 362 entsprechend dem in Fig. 20 gezeigten Stellelement 310 aufweist, während innenseitig zwei ge- trennte, axial hintereinander liegende Innenteile 991 , 993 vorgesehen sind, die getrennt vonei- nander ansteuerbar sind. Dadurch ergibt sich eine erweiterte Steuerbarkeit der Bewegung des entsprechenden Stellelements 990.

In Fig. 39 und 40 sowie in Fig. 41 und 42 werden zwei Ausführungsbeispiele für Stellelemente 1010, 1 1 10 gezeigt, bei denen eine rein axiale Stellbewegung vorgesehen ist. Die Besonderheit dieser beiden Stellelemente 1010, 1 1 10 besteht zudem darin, dass gegenläufig wirkende Innenteile 1032, 1033 vorgesehen sind, so dass der Stellweg vergrößert ist. Bei der in Fig. 39 und 40 gezeigten Ausführungsform ist mittig ein erstes Innenteil 1032 vorgesehen, das sich zylindrisch zwischen zwei starren Anschlussteilen 1012 erstreckt. Das erste Innenteil 1032 ist von einem hohlringförmigen zweiten Innenteil 1033 umschlossen, das an seinen Außenseiten eine Falten- balgstruktur ähnlich Fig. 13 aufweist, auf die hier nicht mehr näher eingegangen werden soll.

Bei dem in Fig. 39 gezeigten maximal komprimierten Zustand des Stellelements 1010 ist das innere erste Innenteil 1032 mit Druck beaufschlagt, während das zweite Innenteil 1033 drucklos ist. Durch die Aufweitung des ersten Innenteils 1032 in der Umfangsrichtung werden die beiden Anschlussflansche 1012 in einer Richtung zueinander bewegt.

Um eine axiale Stellbewegung ausführen zu können, wird nun das erste Innenteil 1032 entlastet, während das äußere Innenteil 1033 mit Druck beaufschlagt wird. Dadurch gelangt das Stel- lelement 1010 in die in Fig. 40 gezeigte maximal ausgelenkte Stellung, wobei weiterhin Führungselemente zwischen den beiden Anschlussflanschen 1012 vorgesehen sein können, die eine axiale Führung ermöglichen.

Das in Fig. 41 und 42 gezeigte Stellelement 1 1 10 arbeitet nach einem ähnlichen Prinzip, wobei hier das im ausgelenkten Zustand des Stellelements mit Druck beaufschlagte Innenteil 1 132 radial innenseitig angeordnet ist, während die zur Minimierung der Auslenkung mit Druck beaufschlagten das elastische Innenteil 1 133 dieses ringförmig umgibt. Das Prinzip ist letztlich aber das gleiche, das bei dem zum Komprimieren des Stellelements 1 1 10 unter Druck gesetzten Innenteils eine Volumenvergrößerung in der Radialrichtung gewünscht ist, um die stirnseiti- gen Befestigungsstellen 1 160 in einer Richtung zueinander zu bewegen.

Schließlich ist in Fig. 43 und 44 noch ein weiteres Stellelement 1210 gezeigt, bei welchem wiederum ein als Kunststoffsinterteil im Wege eines additiven Herstellungsverfahrens hergestelltes komplexes Strukturelement 1224 vorgesehen ist, das eine radiale Unterteilung gemäß Fig. 37d mit 8 unabhängig voneinander mit Druck beaufschlagbaren Innenteilen 1232 vorsieht. Die Au- ßenstruktur ist wiederum ähnlich Fig. 30 balgartig ausgebildet. Mit Hilfe der 8 Kammern lässt sich eine besonders feine Einstellung bestimmter Positionen des Stellelements 1210 erreichen. Die im Bereich der einzelnen sternförmigen Tragelemente 1225 durch elastische Koppelstellen 1226 bewegliche Struktur ist hier durch ein zugsteifes Element 1218 versteift, das beispielswei- se als Draht- oder Kohlefaserseil ausgebildet sein kann. Mit Hilfe der Anschlussflansche 1212 lässt sich das Stellelement 1210 in der in Fig. 36 skizzierten Art und Weise mit anderen Stellelementen kombinieren. Es sei an dieser Stelle noch auf die Möglichkeit hingewiesen, die durch das Zugelement 1218 vorgegebene Beabstandung zwischen den Anschlussstellen 1212 beispielsweise mit Hilfe eines elektrischen Stellantriebes gezielt zu ändern, um bei einer Druck- beaufschlagung der Innenteile 1232 auch eine gezielte Längenänderung des Stellelements 1210 zu ermöglichen was durch die Elastizität im Bereich der Koppelstellen 1226 ermöglicht ist. Dadurch lässt sich bei einem Stellelement 1210 gemäß Fig. 43 die Funktionalität eines längenvariablen Stellelements, wie es beispielsweise in Fig. 39 gezeigt ist, mit der Variabilität eines in allen Biegerichtungen verstellbaren Stellelements kombinieren.

Bei der in Fig. 43 und 44 gezeigten Ausführungsform ist auch erkennbar, dass das Ausdehnungsvermögen der 8 ringförmig um die Mitte angeordneten schlauchartigen, elastischen Innenteile 1232 auch innenseitig durch eine Faltenbalgstruktur 1235 begrenzt ist, die verhindert, dass sich eines der dünnwandigen Innenteile 1235, das mit Druck beaufschlagt wird, unkontrol- liert radial nach innen ausdehnen kann. Die Faltenbalgstruktur 1235 ist einstückiger Bestandteil des Strukturelements 1224.

In Fig. 45 und 46 ist ein Stellelement 1310 gezeigt, dessen Außenhülle 1328 aus einem in Längsrichtung dehnbaren und in Querrichtung zugfesten Gewebe besteht. Das Gewebe bildet auch die Endanschläge durch Begrenzung der Auslenkung, wenn die Fäden in Längsrichtung des Stellelements maximal gestreckt sind.

Das Stellelement 1310 besitzt vier gleichmäßig über den Umfang verteilte Innenteile 1332, die unabhängig voneinander mit Druck beaufschlagbar sind. Die auch hier in der Art von Pneus ausgebildeten Innenteile sind in Längsrichtung durch ein Strukturelement 1324 stabilisiert, das aus einem mittigen Wellrohr 1350 und darauf in bestimmten Abständen angeordneten sternförmigen Tragelementen 1325 gebildet ist. Zwischen den vier Spanten dieser Tragelemente 1325 sitzen die vier Innenteilen, die selbst als balgartige PU-Blasteile oder Gummibälge ausgebildet sind. Im Bereich von steifen Trennwänden 1380 der Tragelemente 1325 sind Kammern der Innenteile durch Druckfluidverbindungen 1327 miteinander verbunden, wobei auch getrenn- te Innenteile zwischen den Tragelementen 1325 vorgesehen sein können, die durch Druckfluid- kupplungen miteinander verbunden sind. Die Innenteile 1332 weisen Einschnitte 1382 auf, um sie an den Tragelementen 1325 besser montieren zu können. Zwischen den Innenteilen 1332 und der Außenhülle 1328 ist eine Elastomerschicht 1384 vorgesehen, die eine dämpfenden Wirkung besitzt und die Innenteile 1332 vor einem direkten Kontakt mit dem Gewebe der Außenhülle 1328 schützt.

Das Wellrohr 1350 ist innenseitig mit einem Formsensor 1390 ausgestattet, der die Bewegungen des Stellelements erfasst. Zusätzliche Kanäle 1392 nahe des Zentrums in den Tragelemen- ten 1325 können zur Durchführung von elektrischen Leitungen eingesetzt werden.

In Fig. 47 und 48 ist ein Stellelement 1410 gezeigt, dessen Außenhülle 1428 wiederum aus einem in Längsrichtung elastischen und in der Querrichtung zugfesten Gewebe besteht. Auch bei diesem Stellelement 1410 sind wiederum vier über den Umfang verteilte Innenteile 1432 vorge- sehen, mit Hilfe derer eine Biegestellebewegung des Stellelements 1410 ermöglicht ist. Auch hier dient wiederum ein Wellrohr 1450 aus Metall oder Kunststoff als Basis für ein Strukturelement, das durch auf das Wellrohr 1450 aufgesetzte Tragelemente 1425 segmentiert ist. Bei dieser Ausführungsform umgreifen clipsartige Halteelemente 1470 der Tragelemente die Verbindungskanäle 1427 zwischen den in Längsrichtung aufeinanderfolgenden Kammern der In- nenteile 1432. Bei dieser Ausführungsform besteht weiterhin die Besonderheit, dass verbleibenden Freiräume zischen der Außenhülle 1428, den Innenteilen 1432, den Tragelementen 1425 und dem Wellrohr 1450 mit einem Schaummaterial 1484 ausgeschäumt sind. Dies hat eine dämpfende Wirkung und vermeidet einen Reibkontakt zwischen den Einzelelementen. Das Ausschäumen von Freiräumen oder alternativ das Einsetzen von Formschaumteilen in diese Freiräume kann auch bei allen anderen hier vorgestellten Ausführungsformen zum Einsatz kommen.

Das Wellrohr 1450 nimmt auch hier wiederum einen Formsensor 1492 auf. In Fig. 49 und 50 ist eine Ausführungsform eines Stellelements 1510 gezeigt, das im Wesentlichen dem Stellelement 1410 nach Fig. 47 und 48 entspricht. In Abweichung sind aber die Innenteile 1532 weniger balgartig ausgeführt und mittig mit Ringankern 1585 versehen, die eine radiale Formänderung der Innenteile 1532 bei Druckbeaufschlagung einschränken. Entsprechende Ringanker können aber auch bei dem zuvor beschrieben Stellelemente 1410 im Be- reich der Balgstruktur der dort vorgesehenen Innenteile 1432 zum Einsatz kommen. In Fig. 51 und 52 ist ein Stellelement 1610 gezeigt, das nur einen Freiheitsgrad für eine Biegebewegung in einer Ebene aufweist. Hierzu sind nur zwei sich gegenüberliegende Innenteile 1632 erforderlich, während ein Strukturelement 1624 hier durch Tragelemente 1625 gebildet ist, die über Gelenkachsen 1670 miteinander verbunden sind.

Ein Kabelkanal 1650, der auch einen Formsensor in einer vereinfachten Ausführung aufnehmen kann, besitzt einen länglichen Querschnitt. Die Außenhülle 1628 ist wiederum in der Querrichtung zugfest ausgebildet und muss auch nur eine Biegebewegung im gewünschten Freiheits- grad ermöglichen.

Sofern eine Biegebewegung eines Stellelementes im Raum gewünscht ist, die über Gelenkachsen definiert ist, können neben den bereits beschriebenen drei oder vier über den Umfang verteilten Innenteilen auch Tragelemente 1725 gemäß Fig. 53 zum Einsatz kommen, die über eine kardanische Gelenkverbindung 1770 verfügen. Ein Zwischenelement 1772 ist dabei über eine erste Gelenkachse 1774 an einem ersten Trageelement 1725a und über ein zweite Gelenkachse 1776 an einem zweiten Tragelement 1725b angelenkt. Diese Art von Gelenkverbindung kann sich dann zwischen allen Tragelementen 1725 zur Bildung des Strukturelements fortsetzen, wobei die Innenteile zwischen Trennwänden 1778 der Tragelemente wirken.

In Fig. 54 und 55 werden schließlich schematisch noch zwei Stellelemente 1810 und 1910 vorgestellt, deren Grundprinzip mit den zuvor beschriebenen Varianten ohne weiteres kombinierbar ist. Beide Stellelemente 1810, 1910 habe die Gemeinsamkeit, dass die Volumina der Innenteile 1832, 1932 mit der Entfernung zu einer Einspannstelle 1800, 1900 des Stellelements 1810, 1910 abnehmen. Dies trägt dem Umstand Rechnung, dass z.B. für das Anheben einer Last mit dem Abstand zur Einspannstelle auch die durch das Innenteil dort aufzubringende Kraft kleiner ist, da das Moment kleiner wird. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die gezeigte Abfolge von Innenteilen gemeinsam an eine gemeinsame Druckquelle angeschlossen ist und entsprechend in allen Kammern der gleiche Druck herrscht.

Bei dem Stellelement 1810 nach Fig. 54 wir die Verminderung des Volumens durch einen abnehmenden Außendurchmesser der Kammern des Innenteils oder der getrennten Innenteile 1832 erreicht, während bei dem Stellelement 1910 gemäß Fig. 55 die axiale Erstreckung der Innenteile 1932 bei gleich bleibendem Durchmesser abnimmt.

Claims

Patentans prüche

Stellelement mit wenigstens einem elastischen Innenteil, das über einen Anschluss mit einer Druckfluidquelle und/oder einer Vakuumquelle verbindbar ist, mittels derer eine Druckbeaufschlagung oder Entlüftung eines Hohlraumes in dem Innenteil ermöglicht ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastizitätsmodul einer das Innenteil begrenzenden Wandung abschnittsweise unterschiedlich ausgebildet ist, so dass anstelle einer homogenen Volumenvergrößerung oder -Verkleinerung unter Druckbeaufschlagung oder Entlüftung eine gerichtete Formänderung zwischen einem Ruhezustand und einem mit Druck beaufschlagten oder evakuierten Zustand eintritt, die einen Stellweg des Stellelements beschreibt.

Stellelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Elastizitätsmodul wenigstens eines schlauchförmigen Innenteils in radialer Richtung derart hoch ausgebildet ist, dass die Formänderung unter Druckbeaufschlagung in Längsrichtung der

Schlauchform und/oder in einer Biegerichtung der Schlauchform auftritt.

Stellelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein elastisches Material des wenigstens einen Innenteils mit einem steiferen Material eines Strukturelementes einen Verbund als Wandung bildet, wobei punktuelle, linienformige oder flächige Verbindungsstellen vorgesehen sind.

Stellelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement eine Begrenzung für das Ausdehnungsvermögen des elastischen Innenteils bildet, so dass dieses sich unter Druckbeaufschlagung auch bei dünnwändiger Ausbildung nur in einer gewünschten Richtung ausdehnt, die einen Beitrag für den Stellweg leistet. 5. Stellelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung eine oder mehrere das wenigstens eine Innenteil ringförmig umgreifende versteifte Zonen aufweist.

6. Stellelement nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement das wenigstens eine Innenteil vollflächig oder käfigartig umgibt.

7. Stellelement nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement als Gewebe, Sinterkörper aus Kunststoff oder als um das jeweilige Innenteil gespritzte Kunststofflage ausgebildet ist.

8. Stellelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass Endanschläge vorgesehen sind, die die Formänderung bei einem bestimmten Druckniveau begrenzen.

9. Stellelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Position der Endanschläge verstellbar ist.

10. Stellelement nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein viskoelastisches Material zur Dämpfung von Schwingungen vorgesehen ist, das in das

Strukturelement und/oder in das Innenteil eingebunden ist.

1 1. Stellelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum des wenigstens einen Innenteils oder ein Freiraum zwischen dem Strukturelement und einem Innenteil durch starre Volumenkörper teilweise oder durch elastische Formkörper teilweise oder vollständig ausgefüllt ist.

12. Stellelement nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Formelemente bürstenartige Formkörper, Schaumkörper oder flexible an das elastische Ele- ment angeformte, fadenartige Elemente sind oder durch nachträgliches Ausschäumen der

Hohlräume oder der Freiräume gebildet sind.

13. Stellelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Formelemente

viskoelastische Eigenschaften ausweisen.

14. Stellelement nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in das Strukturelement zugfeste Elemente eingearbeitet sind.

15. Stellelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zugfesten Elemente als Seile, Bänder, Stäbe oder Gewebe- oder Gitterstrukturen aus Metall oder Kunststoff ausgebildet sind.

16. Stellelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine starre Einspannstelle zur Festlegung an einer Tragstruktur aufweist.

17. Stellelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es mehrere axial hintereinander angeordnete Strukturelemente und miteinander verbundene Innenteile aufweist, deren Hohlräume räumlich voneinander getrennt sind , wobei die Hohlräume über separate Druckfluidanschlüsse verfügen, über Druckleitungen miteinander verbunden sind oder über Druckfluidkupplungen miteinander gekuppelt sind.

18. Stellelement nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Innenteilen starre Spannflächen ausgebildet sind.

19. Stellelement nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente aus einer Abfolge von gelenkig miteinander verbundenen Gliedern als Module bestehen, zwischen denen die Innenteile angeordnet sind.

20. Stellelement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich eines Moduls über den Umfang, wenigstens zwei getrennt voneinander mit Druck beaufschlagbare Innenteile angeordnet sind.

21. Stellelement nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenkverbindungen zwischen den Gliedern durch Kugelgelenke, Gelenkachsen oder quasi gelenkartige elastische Verbindungen gebildet sind.

22. Stellelement nach einem der Ansprüche 17 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Volumina, Längen oder Durchmesser der aufeinanderfolgenden Innenteile oder Strukturelemente unterschiedlich sind und sich vorzugsweise kontinuierlich vergrößern oder verkleinern.

23. Stellelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Schlauchform aufweist, die radial und/oder in Umfangsrichtung in mehrere Innenteile untergliedert ist, deren Hohlräume voneinander getrennt sind und die über se- parate Druckanschlüsse verfügen.

24. Stellelement nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Innenteilen jeweils zugsteife Wandungen ausgebildet sind.

25. Stellelement nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die zugsteifen Wandungen in eine Gliederstruktur eingebunden sind, die eine Biegung des Stellelementes in wenigstens einer Biegerichtung ermöglicht. 26. Stellelement nach einem der Ansprüche 3 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine elastische Innenteil wenigstens abschnittsweise von einem balgartigen Strukturelement umgeben ist, das als Wellrohr aus Metall oder Kunststoff, als Gewebestruktur oder als Gummi- oder Kunststoffbalg ausgebildet ist. 27. Stellelement nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Teil der oder alle dem jeweiligen Innenteil zugewandten Falten des balgartigen Strukturelements mit dem Innenteil verbunden oder als lose Auflagestellen ausgebildet sind.

28. Stellelement nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Auflage- stellen Pufferelemente angeordnet sind.

29. Stellelement nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem schlauchförmigen Stellelement die Pufferelemente ringförmig ausgebildet sind. 30. Stellelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es steife oder ausschließlich in Biegerichtung verformbare Bereiche aufweist, in welchen elektrische Anschlussleitungen oder Druckfluidleitungen angeordnet sind.

31. Stellelement nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in verformbaren Wandabschnitten des Innenteile Messelemente in Form von Dehnungsmesselementen und/oder optischen Messelementen vorgesehen sind, die die Formänderung erfassen und einer Steuerung zur Druckbeaufschlagung mitteilen.

32. Stellelement nach Anspruch 31 , dadurch gekennzeichnet, dass als Messelement eine in Längsrichtung des Stellelements helixartig angeordnete Leiterfolie vorgesehen ist.

33. Stellelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass es Greifflächen aufweist, die aus einem rutschfesten Material gebildet und/oder mit einer Struktur ausgebildet sind.