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Die Erfindung betrifft eine Ausrichtungsvorrichtung mit einer ersten Plattform, einer zweiten Plattform und drei rotatorischen Antrieben zum Ausrichten der zweiten Plattform in drei rotatorischen Freiheiten, wobei jeder der Freiheiten eine Rotationsachse der zweiten Plattform zugeordnet ist.
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Eine solche Ausrichtungsvorrichtung kann z. B. als räumliches Getriebe im Bereich der humanoiden Robotik eingesetzt werden, um aktive Gelenke aufzubauen, die eine Orientierungsänderung um drei Raumachsen ermöglichen. Einsatzmöglichkeiten bestehen z.B. als Hüft- oder Fußgelenk humanoider Roboter oder beim Drehen von Kameras, die die Funktion von Augen in Robotern übernehmen. Ebenfalls denkbar ist die Reihenschaltung mehrerer solcher Mechanismen, um eine wirbelsäulen-, fisch oder schlangenähnliche Struktur oder elefantenrüsselähnliche Handhabungssysteme aufzubauen. Auch im Bereich von Werkzeugmaschinen, Industrierobotern oder anderen Handhabungsmechanismen werden entsprechende Kinematiken bzw. räumliche Getriebe benötigt, die eine Orientierungsänderung von Werkzeugen oder Werkstücken ermöglichen.
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Zum Aufbau eines aktiven Gelenks, das eine Orientierung um alle Raumachsen ermöglicht, sind drei Antriebe erforderlich. Diese können seriell oder parallel angeordnet werden. Abhängig von dieser Anordnung wird zwischen seriellen und parallelen Kinematiken unterschieden. Bei einer seriellen Kinematik werden die Antriebe in einer Kette geschaltet, so dass nur ein Antrieb ortsfest ist. Jeder Antrieb muss dabei die Masse des nachfolgenden Antriebs mit bewegen, was zu erhöhten Trägheitskräften führt und wiederum größere und leistungsstärkere Antriebe erfordert. Da hierdurch die Dynamik verringert wird, ist die Beschleunigung und Geschwindigkeit solcher Strukturen begrenzt. Vorteile ergeben sich hingegen für serielle Kinematiken durch den relativ einfachen Aufbau und die einfache Steuerung sowie durch den großen Aktionsradius einer solchen Kinematik.
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Bei einer Parallelkinematik sind alle Antriebe gestellfest bzw. gestellnah angeordnet, das heißt, die Antriebe selbst werden bei der Ausrichtung der zweiten Plattform nicht mitbewegt. Derartige Strukturen eignen sich daher besonders, um hochdynamische Bewegungen zu realisieren. Das Verhältnis von Steifigkeit zu Gewicht ist prinzipbedingt besser als bei einer seriellen Kinematik. Nachteilig sind der eingeschränkte Bewegungsraum sowie die relativ aufwendige Steuerung. Für Nachbildungen von biologischen Systemen ist der eingeschränkte Bewegungsraum oft von untergeordneter Relevanz, da bei realen Lebewesen viele Gelenke ebenfalls nur einen geringen Bewegungsbereich ermöglichen.
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Ein Beispiel für eine Parallelkinematik, die z. B. zur Orientierung einer Kamera oder als Hüftgelenk eingesetzt wird, ist das sogenannte „Agile Eye“ (siehe z. B. IEEE Robotics and Automotion Society Magazine, Vol. 3. No. 4, pp. 29, 1996). Diese umfasst drei identische rotatorische Antriebe, die jeweils über eine kinematische Kette aus drei viertelkreisförmigen starren Bögen, die untereinander jeweils durch Gelenke mit einer rotatorischen Freiheit verbunden sind, auf einen Endeffektor einwirken. Mit dem Mechanismus des „Agile Eye“ ist eine präzise Ausrichtung möglich, es reagiert jedoch sehr empfindlich auf Fehlstellungen der Gelenke bzw. Antriebe, die beispielsweise bei der Montage oder aufgrund von Fertigungsungenauigkeiten entstehen können. Daraus resultieren Verspannungen im Mechanismus, was zu einer reduzierten Lebensdauer der Glieder und Lager führt. Für Einsatzzwecke mit hoher Dynamik und großen wirkenden Kräften ist diese Kinematik daher nicht optimal. In diesem Fall ist das Agile Eye aufgrund seiner massiven Bauweise relativ schwer und teuer.
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Ein weiteres Beispiel für eine Parallelkinematik mit drei rotatorischen Freiheiten ist der sogenannte Argus-Mechanismus (siehe z.B. The International Journal of Robotics Research, Vol. 19, No. 1, pp. 5–11, 2000). Dieser Mechanismus verwendet Stahlseile, um die Antriebsbewegungen der Motoren auf Drehgelenke zu übertragen. Der Argus-Mechanismus ist daher zwar nicht so anfällig gegen Verspannungen wie das „Agile Eye“, ist aufgrund seiner hohen Komplexität aber aufwendig und teuer in der Herstellung.
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Die
EP 0 494 565 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum translatorischen Bewegen eines Effektors mit Hilfe einer Kombination von drei Linearantrieben, die als sogenannter „Y-Star" aufgebaut sind. Die drei Linearantriebe greifen von verschiedenen Seiten an den Endeffektor an und sind mit diesem jeweils über bewegliche, parallelogrammförmige Verbindungsmittel verbunden. Die Linearaktuatoren können dabei zum Beispiel hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch angetrieben werden.
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Die
US 2005/0 252 329 A1 offenbart eine Ausrichtevorrichtung mit einer ersten und einer zweiten Plattform mit drei rotatorischen Antrieben, die über ein Gelenk-Viereck die erste Plattform mit der zweiten Plattform verbinden.
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Bisher hat sich daher noch keine der bekannten Kinematiken als geeignetes Gelenk für humanoide Roboter durchgesetzt, welches unter Krafteinwirkung eine rotatorische Verstellung um drei Raumachsen ermöglicht. Vorrangig kommen derzeit serielle Kinematiken zum Einsatz. Diese haben den Nachteil, dass ein Antrieb die Masse der nachfolgenden Antriebe mit beschleunigen muss, wodurch die Dynamik des Systems begrenzt ist. Gerade bei Laufrobotern sind jedoch schnelle Beinreaktionen erwünscht.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ausrichtungsvorrichtung vorzuschlagen, die eine hohe Dynamik ermöglicht und gleichzeitig mit einer relativ hohen Fehlertoleranz konstruiert werden kann, so dass sie wenig anfällig für Verspannungen ist und eine lange Lebensdauer aufweist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine gattungsgemäße Ausrichtungsvorrichtung, bei der jeder der drei rotatorischen Antriebe über zumindest vier Gelenke, die zusammen mit ersten Kraftübertragungsmitteln und zweiten Kraftübertragungsmitteln ein Viereck bilden, mit der zweiten Plattform verbunden ist, und die vier Gelenke jedes Vierecks zusammengenommen zumindest zehn rotatorische Freiheiten aufweisen.
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Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass sich gegenüber seriellen Kinematiken aufgrund der geringeren zu bewegenden Massen eine höhere Dynamik erreichen lässt. Weiterhin wird durch die Kraftübertragung über Vielecke bei geringem Gewicht eine hohe Steifigkeit erreicht. Die zweiten Kraftübertragungsmittel werden nur durch Zug- und Druckkräfte belastet.
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Durch den in dem Bauteil wirkenden einachsigen Spannungszustand können an einer erfindungsgemäßen Ausrichtungsvorrichtung Leichtbaukonzepte umgesetzt werden, etwa durch die Verwendung von CFK-Rohren. Durch eine hochsymmetrische Konstruktion können viele Gleichteile eingesetzt werden, was die Produktionskosten senkt. Das beschriebene Konstruktionsprinzip macht die Vorrichtung wenig anfällig gegen Verspannungen. Zum einen erhöht dies die Lebensdauer der verwendeten Bauteile, zum anderen kann daher mit im Verhältnis zu anderen Ausrichtungsvorrichtungen relativ großen Toleranzen gearbeitet werden, was wiederum die Produktionskosten senkt. Ebenfalls trägt zum einfachen und kostengünstigen Aufbau der Vorrichtung bei, dass weitverbreitete rotatorische Servoantriebe zum Aufbau der Vorrichtung verwendet werden können.
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Unter einer ersten Plattform wird jede Basis verstanden, an der die Antriebe und somit auch die zweite Plattform befestigt sind. Der Begriff „Plattform“ ist dabei funktional zu verstehen, das heißt, die Plattform kann durchaus auch mehrteilig ausgeführt sein und eine beliebige Form aufweisen. Wichtig ist, dass die erste Plattform durch die rotatorischen Antriebe der Ausrichtungsvorrichtung nicht bewegt wird. Dennoch kann, wenn z. B. eine mehrgliedrige Gliedmaße oder eine wirbelsäulenähnliche Struktur aufgebaut wird, in einem größeren Kontext auch die erste Plattform bewegt werden. Dann wird aber die gesamte Ausrichtungsvorrichtung bewegt.
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Unter einer zweiten Plattform wird eine Basis verstanden, an der das auszurichtende Bauteil befestigt ist. Die zweite Plattform kann auch das auszurichtende Bauteil selbst sein. Dementsprechend kann auch die zweite Plattform eine beliebige Form aufweisen.
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Das Merkmal, dass die zumindest vier Gelenke zusammengenommen zumindest zehn rotatorische Freiheiten aufweisen, bedeutet, dass, wenn z. B. genau vier Gelenke eingesetzt werden, zwei dieser Gelenke drei rotatorische Freiheiten aufweisen und zwei weitere Gelenke zumindest jeweils zwei rotatorische Freiheiten aufweisen. Eine höhere Anzahl von Freiheiten ist möglich, so können z. B. auch alle vier Gelenke jeweils drei Freiheiten aufweisen.
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Umgangssprachlich wird anstatt des Begriffs „Freiheit“ oft auch der Begriff „Freiheitsgrad“ verwendet. In der vorliegenden Anmeldung bezeichnet der Begriff „Freiheit“ aber eine einzelne Bewegungsmöglichkeit, also die Möglichkeit, z.B. eine translatorische oder lineare Bewegung auszuführen. Unter dem Freiheitsgrad F wird die Gesamtanzahl der Freiheiten eines Systems verstanden. Ein starrer Körper im Raum hat z.B. den Freiheitsgrad F = 6, da er in drei Raumrichtungen translatorische Bewegungen ausführen und um drei voneinander unabhängige Achsen gedreht werden kann.
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Dadurch, dass die Kraftübertragungsmittel zusammen mit den Gelenken ein Viereck bilden wird die Kraft jedes der rotatorischen Antriebe über zumindest zwei Wege, über die jeweils ein Teil der Kraft übertragen wird, auf einander gegenüberliegende Angriffspunkte an der zweiten Plattform übertragen. Die Drehbewegung der zweiten Plattform (also des Endeffektors) wird somit durch ein „Ziehen“ an der einen Seite und ein „Drücken“ an der gegenüberliegenden Seite der zweiten Plattform vermittelt. Die Kraftübertragungsmittel müssen dabei nicht zu jedem Zeitpunkt geometrisch parallel zueinander liegen. Vielmehr teilt sich der Kraftübertragungsweg auf, und mehrere Kraftübertragungsmittel übertragen gleichzeitig die Kraft.
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Ein „Viereck“, das von den ersten und zweiten Kraftübertragungsmitteln zusammen mit den Gelenken gebildet wird, ist daher nur im Spezialfall einer bestimmten Kombination von Antriebsstellungen ein ebenes Viereck. Dieser Spezialfall tritt bevorzugt in einer Neutralstellung, in der sowohl die Antriebe als auch die zweite Plattform eine Grundstellung einnehmen, auf. Die zweite Plattform ist in dieser Stellung also „zentriert“ und nicht ausgelenkt. Mit „Kombination von Antriebsstellungen“ ist dabei ein Zustand der Vorrichtung gemeint, in dem die Antriebe eine bestimmte Stellung einnehmen. Während des Betriebs der Vorrichtung treten viele solche Kombinationen von Antriebsstellungen auf. Die vorhandenen Symmetrien werden im Regelfall aber in der Neutralstellung am deutlichsten.
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Durch die ersten Kraftübertragungsmittel und die ersten Gelenke wird die Drehbewegung des rotatorischen Antriebs in zwei lineare Bewegungen der zweiten Kraftübertragungsmittel übersetzt. An der zweiten Plattform resultiert vermittels der zweiten Gelenke dann wieder eine Drehbewegung eben dieser zweiten Plattform.
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Bevorzugt weisen die drei Rotationsachsen der zweiten Plattform einen gemeinsamen Schnittpunkt auf. Der ausgeführten Schwenk- bzw. Ausrichtungsbewegung ist dann nur eine kleine Linearbewegung überlagert. Für die meisten Anwendungsgebiete ist eine solche geringe überlagerte Linearbewegung zwar tolerabel, es ist dennoch wünschenswert, diese möglichst klein zu halten.
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Die ersten Kraftübertragungsmittel und die zweiten Kraftübertragungsmittel können zusammen mit den Gelenken in einer Kombination von Antriebsstellungen ein ebenes Trapez oder bevorzugt ein ebenes Rechteck bilden. Die entsprechende Kombination von Antriebsstellungen tritt dabei bevorzugt in einer Neutralstellung der Vorrichtung auf, in der die zweite Plattform zentriert bzw. nicht ausgelenkt ist. Ebenso sind vorzugsweise alle drei rotatorischen Antriebe identisch ausgestaltet. Zum einen vereinfacht sich durch die dadurch erreichte hohe Symmetrie die Steuerung der Ausrichtungsvorrichtung, zum anderen weist die Vorrichtung dann eine hohe Anzahl von Gleichteilen auf, so dass sich die Produktion vereinfacht und die Produktionskosten gesenkt werden.
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Die ersten Kraftübertragungsmittel können Hebel oder Kurbeln sein. Die zweiten Kraftübertragungsmittel sind bevorzugt stabförmig, müssen aber prinzipiell lediglich geeignet sein, um Zug- und Druckbelastungen zu übertragen.
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In einer Ausführungsform ist jeder der drei rotatorischen Antriebe über jeweils zwei Kugelgelenke und zwei Kardangelenke mit der zweiten Plattform verbunden. Diese Ausführungsform realisiert die minimal mögliche Anzahl an rotatorischen Freiheiten F = 10 pro Antrieb für die erfindungsgemäße Ausrichtungsvorrichtung. Es ist bei einer Konstruktion mit vier Gelenken pro rotatorischem Antrieb aber genauso denkbar, dass ausschließlich Kugelgelenke eingesetzt werden und somit jeder der drei rotatorischen Antriebe über vier Kugelgelenke mit der zweiten Plattform verbunden ist. Die Gesamtzahl der Freiheiten pro rotatorischem Antrieb beträgt dann F = 12. Dies hat zur Folge, dass die zweiten Kraftübertragungsmittel sich dann auch um ihre Längsachse drehen können.
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Vorteilhafterweise sind die drei rotatorischen Antriebe an der ersten Plattform befestigt. Die Drehachsen der rotatorischen Antriebe können dabei windschief im Raum liegen. Eine symmetrische Struktur, z.B. eine dreizählige Rotationssymmetrie ist bevorzugt. In einem bevorzugten Sonderfall bilden die Drehachsen der rotatorischen Antriebe dann 3 Kanten eines im Idealfall rechtwinkligen Quaders oder Würfels. Die Kanten des Quaders oder des Würfels sind dabei derart ausgewählt, dass sie sich nicht schneiden.
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Durch das Messen der Kräfte, die auf die Verbindungsmittel wirken, beispielsweise durch Kraftsensoren oder indirekt durch Dehnungsmessstreifen (DMS), lassen sich die an dem Gelenk wirkenden Kräfte und Momente bestimmen, so dass die Ausrichtungsvorrichtung gleichzeitig als Kraftmessdose eingesetzt werden kann. Durch die Funktionsintegration kann auf zusätzliche Kraftmessdosen verzichtet und eine Gewichtsreduzierung erzielt werden.
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Die zweiten Kraftübertragungsmittel können stabförmig sein. Dies bedeutet, dass z. B. auch rohrförmige Kraftübertragungsmittel eingesetzt werden können. Ebenso sind aber auch massive Stäbe oder z. B. Vierkantrohre mit einem quadratischen Querschnitt denkbar. Dadurch, dass die Kraftübertragungsmittel lediglich mit Zug- und Druckkräften beaufschlagt werden, kann die Konstruktion diesbezüglich optimiert und dadurch Gewicht eingespart werden.
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Der modulare Aufbau der Parallelkinematik bzw. der Ausrichtungsvorrichtung ermöglicht ein einfaches Ersetzen oder Erweitern der vorgenannten Stäbe durch Federn und/oder Dämpfer, so dass die zweiten Kraftübertragungsmittel dann Federn und/oder Dämpfer umfassen. Die Federn und/oder die Dämpfer wirken dann parallel zu den zweiten Kraftübertragungsmitteln, also in Stabrichtung. Es lassen sich so Schwingungen reduzieren oder Kraftspitzen bei harten Stößen in der Struktur vermindern. Um ein Einknicken der Federn und/oder der Dämpfer zu verhindern, kann eine Führung für diese vorgesehen werden.
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Es ist auch denkbar, die Anzahl der Gelenke und Kraftübertragungsmittel z.B. zu verdoppeln, so dass zwei kongruente Vierecke entstehen, die gleichzeitig die Kraft übertragen.
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Im Folgenden wird anhand einer Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
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1 – eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Ausrichtungsvorrichtung.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Parallelkinematik mit einer ersten Plattform 1 und einer zweiten Plattform 2. Die erste Plattform 1 ist hier näherungsweise dreieckig ausgeführt, kann aber auch alle anderen zweckmäßigen Formen annehmen. An der ersten Plattform 1 sind die drei rotatorischen Antriebe 3 befestigt, die von einer nicht dargestellten Steuerung kontrolliert werden. Die erste Plattform 1 muss nicht zwingend als separates Bauteil vorhanden sein. So kann z. B., wenn die Ausrichtungsvorrichtung als Teil eines Hüftgelenks eines humanoiden Roboters eingesetzt wird, der Torso des Roboters selbst die erste Plattform sein. Die zweite Plattform 2 kann im Wesentlichen ebenfalls eine beliebige Form haben. So kann sie z. B. eine Aufnahme für einen Endeffektor darstellen, eine auszurichtende Kamera umfassen oder z. B. aus einer Oberschenkelaufnahme eines Roboters bestehen. Die drei rotatorischen Antriebe 3 können handelsübliche Servo- oder sonstige Elektromotoren sein. Die rotatorischen Antriebe 3 sind jeweils geneigt zur ersten Plattform 1 angebracht. Die Rotationsachsen der Antriebe 3 liegen windschief im Raum und bilden 3 Kanten eines rechtwinkligen Würfels.
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An den Wellenenden der rotatorischen Antriebe 3 sind als erste Kraftübertragungsmittel 4 jeweils Kurbeln 4 befestigt. Über Kugelgelenke 5 sind die Enden der Kurbeln 4 mit Stäben 6 verbunden. Die Stäbe 6 haben im gezeigten Ausführungsbeispiel alle die gleiche Länge. Die zweiten Kraftübertragungsmittel 6, also die Stäbe 6, sind wiederum über Gelenke 7 mit der zweiten Plattform 2 verbunden. Die stabartigen Fortsätze der zweiten Plattform 2, die mit den Gelenken 7 verbunden sind, können auch als separate Teile und somit als dritte Kraftübertragungsmittel ausgeführt sein.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind alle Gelenke 5, 7 als Kugelgelenke ausgeführt und weisen somit jeweils einen Freiheitsgrad von F = 3 auf. Eine Drehung eines der rotatorischen Antriebe um einen bestimmten Winkel führt zu einer entsprechenden Drehung der Kurbel 4. Somit bewegt sich eines der Gelenke 5 auf die zweite Plattform zu und das andere zu dem Antrieb 3 gehörende Gelenk 5 bewegt sich von der zweiten Plattform 2 weg. Diese Bewegung wird über die Stäbe 6 und die Gelenke 7 auf die zweite Plattform 2 übertragen und führt hier ebenfalls zu einer Drehung um den gemeinsamen Schnittpunkt der drei Rotationsachsen, die von den sich jeweils gegenüberliegenden Kugelgelenken 7 gebildet werden. Die hohe Anzahl der Freiheiten der Gelenke 5, 7 macht die aus den Gelenken 5, 7 und den Kraftübertragungsmitteln 4, 6 gebildeten räumlichen Vierecke der beiden anderen rotatorischen Antriebe 3 so flexibel, dass sie der durch die Drehung des einen rotatorischen Antriebs vermittelte Bewegung der zweiten Plattform folgen können, ohne dass die beiden anderen rotatorischen Antriebe 3 gedreht würden.
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Ein Zusammenwirken der drei rotatorischen Antriebe 3 macht so eine im Rahmen der Wirkungsbereiche der rotatorischen Antriebe 3 beliebige Ausrichtung der zweiten Plattform 2 möglich. Offensichtlich kann konstruktionsbedingt jeder der rotatorischen Antriebe 3 nur Drehungen um Winkel, die kleiner als +/–90° sind, ausführen.
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Entweder die Gelenke 5 oder die Gelenke 7 können durch Gelenke mit einem Freiheitsgrad von F = 2 ersetzt werden, die nur zwei rotatorische Freiheiten zulassen, wie beispielsweise Kardangelenke. Pro rotatorischem Antrieb 3 müssen die jeweils vier Gelenke 5, 7 aber zusammen mindestens einen Freiheitsgrad von F = 10 aufweisen.
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Durch den beschriebenen Aufbau führt die zweite Plattform 2 annähernd eine rotatorische Bewegung um alle Raumachsen aus. Die Drehachsen der zweiten Plattform 2 stehen dabei jeweils im rechten Winkel zueinander. Eine geringe Linearbewegung, die von der Antriebsstellung abhängt, ist der rotatorischen Bewegung der zweiten Plattform 2 überlagert. Durch diese Überlagerung weist die Ausrichtungsvorrichtung keinen festen Drehpunkt der bewegten Plattform 2 auf. Die Abweichung vom Drehpunkt ist aber relativ gering, so dass sie bei vielen Anwendungen vernachlässigt werden kann. Sie kann durch die Aufstellung der kinematischen Beziehungen ermittelt und gegebenenfalls durch andere Mechanismen ausgeglichen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erste Plattform
- 2
- zweite Plattform
- 3
- rotatorischer Antrieb
- 4
- erste Kraftübertragungsmittel
- 5
- Gelenk
- 6
- zweite Kraftübertragungsmittel
- 7
- Gelenk
