DE4432253A1 - Mechanismus zur Bewegungs- und Kraftübertragung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Mechanismen mit stoffschlüssigen beweglichen Verbindungen, die Betrag und Richtung von Bewegungen infolge äußerer Antriebskräfte in Wirkbewegungen und Wirkkräfte anderen Betrages und anderer Richtung umwandeln. Die Lösung ist vorzugsweise für Greif­ einrichtungen Manipuliereinrichtungen und lokomotorische Aufgaben in miniaturisierten Bewegungssystemen einsetzbar.

Aus der Manipulator- und Robotertechnik sind für die Aufgaben des Greifens und Handhabens von Objekten und für die Lokomotion des gesamten Bewegungssystems eine Reihe von Mechanismen bekannt. Ihre Struktur besteht jedoch im allgemeinen aus starren Körpern, die zwecks Erzielung relativer Beweglichkeit durch reibungsbehaftete form- oder kraftschlüssige Starrkörper-Gelenke miteinander verbunden sind. Derartige Mechanismen erfordern meist komplizierte Montagevorgänge und sind deshalb nur in gewissen Grenzen miniaturisierbar. Jenseits dieser Anwendungsgrenzen, z. B. in der Mikrotechnik, werden Bewe­ gungssysteme benötigt, die kaum Montageaufwand erfordern und zudem verschleißarm und spielfrei sind.

Dazu wird von ANDO, Y. et al. in Microsystems Technologies 90, Springer 1990, S. 845-849, unter dem Titel "Development of Microgrippers" eine Lösung vorgeschlagen, die die Wirkung eines piezoelektrischen Aktuators in eine Greifbewegung umsetzt. Sie hat jedoch den Nachteil relativ kurzer Hebelarme für die Antriebskraft und verhältnismäßig großer Formänderungswiderstände. Überdies ist die Struktur nicht in sich ge­ schlossen, so daß nur bestimmte Arten von Aktuatoren zum Einsatz kommen können.

Unter Überwindung von Mängeln bekannter Lösungen soll mit einer stofflich zusammenhängenden und in sich geschlossenen mechanischen Struktur eine Übertragung und Umwandlung von Bewegungen und Kräften, vorzugsweise für greiftechnische, manipulatorische und lokomotorische Bewegungssysteme erreicht werden. Die mechanis­ mentechnische Lösung soll weitgehend miniaturisierbar, verschleißarm und spielfrei sein und mit Verfahren der Mikrotechnologien hergestellt werden können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die mechanische Struktur aus stofflich zusammenhängenden Abschnitten unterschiedlicher mechanischer Nachgiebigkeit aufgebaut ist. Die mechanische Nachgiebig­ keit führt unter Belastung zur Formänderung des betreffenden Abschnittes, die sich je nach Belastungsart als Verbiegung, Verdrehung, Dehnung oder Stauchung äußert und durch die damit verbundenen relativen Lageänderungen die Beweglichkeit der gesamten Struktur begründet. Die Abschnitte größter Nachgiebigkeit wirken als stoff­ schlüssige bewegliche Verbindungen der weniger nachgiebigen und der als starr zu betrachtenden Abschnitte. Der Grad der Beweglichkeit des Mechanismus wird bestimmt durch Anzahl, Anordnung und Materialeigen­ schaften der nachgiebigen Abschnitte sowie durch Anzahl und Anord­ nung der angreifenden äußeren Kräfte.

Unterschiedliche Nachgiebigkeit der einzelnen Abschnitte wird erreicht durch Änderung von Gestalt und Abmessungen belasteter Querschnitts­ flächen, durch anisotrope Materialtextur oder unterschiedliche Dichte des Materials.

Die in sich geschlossene Struktur nimmt zur Einleitung der Antriebs­ bewegung punktuell wirkende äußere Kräfte und den Druck eines fluidischen Mediums auf.

Drei Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung an Hand folgender zugehöriger Zeichnungen erläutern:

Fig. 1 und Fig. 2 Mechanismus zur Kraft- und Bewegungsübertragung mit punktuell angreifender Antriebskraft

Fig. 3 und Fig. 4 Mechanismus zur Kraft- und Bewegungsübertragung mit Druckbeaufschlagung durch ein fluidisches Medium.

In dem in Fig. 1 dargestellten ebenen Mechanismus bilden der Gestell­ abschnitt a, die Holme b und c und die Traverse d eine geschlossene Struktur, in der die Traverse d eine deutlich größere mechanische Nachgiebigkeit in der Belastungsebene aufweist als die drei Abschnitte a, b und c. Mit der Traverse d sind zwei Wirkelemente e und f geringerer Nachgiebigkeit stoffschlüssig verbunden. Eine an der Traverse d punktuell angreifende Kraft F, deren Reaktionskraft (-F) sich am Gestellabschnitt a abstützt, deformiert die Traverse d und führt zu einer Öffnung der zangenähnlichen Wirkelemente e und f. Bei Rücknahme der Kraft F schließt sich die Zange dank der Elastizität der Traverse d.

Im erweiterten Ausführungsbeispiel in Fig. 2 besteht die geschlossene Struktur aus dem Gestellabschnitt a, den Holmen b und c, der Traverse d und den Wirkelementen e und f. Sie ist zusätzlich mit der zwischen dem Gestellabschnitt a und dem Holm b wirkenden Kraft S beaufschlagt, die eine Schwenkung des gesamten Mechanismus relativ zum Abschnitt a verursacht und damit der Positionierung der Wirkelemente bei der Manipulation dient.

In Fig. 3 ist als Ausführungsbeispiel ein Mechanismus mit ellipsenähn­ licher Rahmenstruktur dargestellt. An der in radialer Belastungsrichtung elastisch nachgiebigen Hülse h sind der Gestellabschnitt a und die beiden Wirkelemente e und f stoffschlüssig angeordnet. Bei Beauf­ schlagung der Hülse h mit einem Innendruck p durch ein in einem geeigneten Mittel geführtes fluidisches Medium verformt sich die Ellipse und nähert sich der Kreisform. Dabei bewegen sich die Wirkelemente e und f aufeinander zu.

Im Ausführungsbeispiel in Fig. 4 sind die Wirkelemente e und f stoff­ schlüssig in axialer Richtung mit der Hülse h verbunden. Bei ihrer Anordnung an den Endpunkten der großen Achse des Hülsenquerschnitts bewegen sie sich unter Wirkung eines Innendruckes p aufeinander zu, bei Anordnung an den Endpunkten der kleinen Ellipsenachse entfernen sie sich voneinander.

Bei punktueller Einwirkung einer Kraft auf die Innenfläche der Hülse h in Richtung der im unbelasteten Zustand kleinen Achse verformt sich der elliptische Querschnitt über die Kreisfigur hinaus zu einer anderen Ellipse wobei sich die anfangs kleine zur großen Ellipsenachse wandelt.

Bezugszeichenliste

a Gestellabschnitt
b, c Holm
d Traverse
e, f Wirkelement
h Hülse
F Antriebskraft für Wirkbewegung
S Antriebskraft für Positionierung
p Innendruck.

Claims (6)

1. Mechanismus für Bewegungs- und Kraftübertragung, vorzugsweise für miniaturisierte Bewegungssysteme, bestehend aus einer beweglichen Struktur, die Antriebs- und Wirkabschnitte aufweist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß alle Abschnitte der beweglichen Struktur in einem ununterbrochenen stofflichen Zusammenhang miteinander verbunden sind und daß die relative Nachgiebigkeit der einzelnen Abschnitte unter­ schiedlich ist.

2. Mechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strukturabschnitten unterschiedlicher Nachgiebigkeit die Querschnitts­ flächen von unterschiedlicher Gestalt sind.

3. Mechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strukturabschnitten unterschiedlicher Nachgiebigkeit die Dichte des Materials unterschiedlich ist.

4. Mechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strukturabschnitten unterschiedlicher Nachgiebigkeit die Textur des Materials unterschiedlich ist.

5. Mechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsabschnitte Mittel enthalten, die zur Aufnahme punktuell angreifender Kräfte geeignet sind.

6. Mechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsabschnitte Mittel enthalten, die zur Aufnahme des Druckes eines fluidischen Mediums geeignet sind.