DE10316959A1

DE10316959A1 - Fluidisch angetriebenes stoffschlüssiges Gelenkelement

Info

Publication number: DE10316959A1
Application number: DE2003116959
Authority: DE
Inventors: Lena Dr.-Ing. Zentner; Valter Dipl.-Ing. Böhm; Nandor Dipl.-Ing. Turkevi-Nagy
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2003-04-12
Filing date: 2003-04-12
Publication date: 2004-11-11

Abstract

Es ist ein miniaturisierbares Gelenkelement bereitzustellen, welches Biegeverformungen bis zu einem Winkel von 90 DEG ermöglicht und die Gelenkstelle besser als die bisher bekannten Lösungen lokalisiert. DOLLAR A Das erfindungsgemäße Gelenkelement besteht aus einem reversibel verformbaren, dehnbaren, polymeren Material mit einem halbkreis-, halbellipsen- oder dreiecksförmigen Querschnitt. Es hat einen inneren, einseitig geschlossenen Hohlraum (3) und seine Außenkontur besitzt mindestens eine Konkavität (2). Im Bereich der Konkavitäten ist die Wanddicke (delta) geringer als in Bereichen ohne Konkavitäten. Sie kann auch für das gesamte Gelenkelement konstant sein. DOLLAR A Das erfindungsgemäße Gelenkelement ist für Greif- und Manipuliermechanismen sowie für lokomotorische Aufgaben einsetzbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein stoffschlüssiges elastisches Gelenkelement aus einem reversibel verformbaren, dehnbaren, polymeren Material.
Das erfindungsgemäße Gelenkelement ist für Greif- und Manipuliermechanismen, sowie für lokomotorische Aufgaben einsetzbar.
Für die Bewegungs- und Kraftübertragung sind eine Reihe von Mechanismen bekannt. Ihre Struktur besteht jedoch im allgemeinen aus starren Körpern, die durch form- oder kraftschlüssige, reibungsbehaftete Gelenke miteinander verbunden sind. Wegen der komplizierten Montagevorgänge, die derartige Mechanismen meist erfordern, sind diese nur in gewissen Grenzen miniaturisierbar. Deshalb finden neben den klassischen form- oder kraftgepaarten Gelenken zunehmend stoffschlüssige gelenkige Verbindungen Anwendung.
Zu diesen stoffschlüssigen Gelenken sind mehrere interessante Lösungen bekannt. Zum Beispiel wurden von Bögelsack in „Nachgiebige Mechanismen in miniaturisierten Bewegungssystemen" (Prceed. Of the Ninth World Congress IFToMM Milano 1995, S. 3101–3104) und von Ananthasures, Kota und Gianchandani in „A Methodical Approach to the Design of Compliant Micromechanisms" (Technical Digest, 1994 Solid State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head, SC, June 13–16, pp.) miniaturisierbare, stoffkohärente Greiferstrukturen auf der Basis nachgiebiger Rahmengefüge vorgeschlagen, bei denen infolge einer fluidischen Druckbelastungsveränderung Bewegungen, Verdrehungen bzw. Biegungen der Strukturen entstehen.
Daneben sind noch weitere elastische Strukturen aus der Literatur bekannt, bei denen die Bewegungen durch einen fluidischen Antrieb erzeugt werden. Jedoch haben diese Lösungen entweder den Nachteil, dass sie aus mehreren Bauelementen bestehen, was eine miniaturtechnische Anwendung erschwert, oder dass nur kleine Verformungen infolge einer Druckbelastung entstehen. Einige dieser Strukturen haben den Nachteil, dass die Verformung nicht lokal, sondern über die ganze Struktur aufgeteilt ist.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein miniaturisierbares Gelenkelement bereitzustellen, welches Biegeverformungen bis zu einem Winkel von 90° ermöglicht und die Gelenkstelle besser als die bisher bekannten Lösungen lokalisiert.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gelenkelementes sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1 – eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gelenkelementes in drei Ansichten
2 – eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gelenkelementes in drei Ansichten
3 – das Gelenkelement im verformten Zustand
4 – eine parallele Verbindung zweier entgegengesetzt gerichteter stoffschlüssiger Gelenkelemente
5 – eine serielle Verbindung mehrerer erfindungsgemäßer Gelenkelemente
In 1 sind drei Ansichten einer Ausführungsform eines einseitig geschlossenen Gelenkelementes (1), dessen Außenkontur verschiedene geometrische Formen aufweisen kann, gezeigt. Vorzugsweise stellt der Querschnitt des Gelenkelementes ein Rechteck mit aufgesetztem Halbkreis, Halbellipse, Dreieck oder ähnlichem dar. In den oberen Teil der Außenkontur ist mindestens eine Konkavität (2) eingearbeitet. Der Querschnitt der Konkavität (2) kann ebenfalls halbkreis- oder halbellipsenförmig sein.
Der innere, einseitig geschlossene Hohlraum (3) des erfindungsgemäßen Gelenkelementes besitzt in einer ersten Ausführungsform einen konstanten Querschnitt über die gesamte Länge der Gelenkstruktur in Form eines Rechteckes, eines Rechteckes mit abgerundeten Ecken (zur Verringerung der maximalen Spannungen), einer Ellipse usw. Im Bereich der Konkavität (2) ist die Wanddicke (δ) des Gelenkelementes (1) deutlich geringer als in den übrigen Bereichen.
Diese Ausführungsform ist in seiner Fertigung besonders einfach realisierbar.
2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gelenkelementes. Hierbei ist die Kontur des inneren Hohlraumes (4) nahezu identisch mit der Außenkontur des Gelenkelementes. Die Wanddicke (δ) ist in dieser Ausführungsform für die gesamte Gelenkstruktur, mit Ausnahme des Bereiches der Konkavität (2), in welchem sie kleiner ist, konstant.
Durch Befüllung des inneren, einseitig geschlossenen Hohlraumes (3) mit einem geeigneten Fluid (p) erhöht sich der Druck auf die Wand des Gelenkelementes und aufgrund seiner asymmetrischen geometrischen Gestaltung (Konkavität 2) kommt es unter dieser Innendruckbelastung zu einer Biegeverformung (3). Die Größe des Druckes bestimmt dabei den jeweiligen Verformungswinkel (φ).
Das erfindungsgemäße Gelenkelement kann aus isotropem Material gefertigt werden. Vom Vorteil ist jedoch die Verwendung eines anisotropen Materiales für die gesamte Gelenkstruktur oder nur für die Fläche der Konkavität (2). Aufgrund dieser Anisotropie wird eine kleinere Ausdehnung der Gelenkstelle in radialer Richtung (ν) erreicht. Die verminderte Ausbeulung (5) ermöglicht eine größere Biegeverformung des erfindungsgemäßen Gelenkelementes.
Mehrere dieser vorgeschlagenen Gelenkelemente können miteinander parallel und/oder seriell verschaltet werden. Im Fall einer reinen parallelen Verknüpfung mit voneinander unabhängigen fluidischen Antrieben (4) können in Abhängigkeit von der anliegenden Druckbelastung Biegeverschiebungen in zwei Richtungen erfolgen. Diese Anordnung kann auch als ein kohärentes System gefertigt werden.
Mit einer reinen seriellen Verknüpfung der erfindungsgemäßen Gelenkelemente (5) wird bei Druckerhöhung im Innenraum aufgrund der Anordnung der Gelenkstellen eine bestimmte, vorgegebene räumliche Biegeverformung erreicht.
Möglich ist auch eine kombinierte Verknüpfung dieser Gelenkelemente (parallel und seriell) mit einem oder mit mehreren Antrieben (bei getrennten Innenräumen der einzelnen Gelenkelemente). Im letzteren Fall können mit dieser Struktur in Abhängigkeit der aktivierten Antriebe verschiedenste Biegeverformungen realisiert werden.
Die erfindungsgemäßen Gelenkelemente zeichnen sich durch eine Reihe von Vorteilen aus. So ermöglichen sie Biegeverformungen in mindestens eine Richtung bis zu einem Winkel von 90° und eine höhere Lokalisierung der Gelenkstelle als in bisher bekannten Lösungen. Sie sind miniaturisierbar und somit universell einsetzbar.

1: Gelenkelement
2: Konkavität
3: innerer, einseitig geschlossener Hohlraum
4: Kontur des inneren Hohlraumes
5: Ausbeulung
p: Fluidbefüllung mit bestimmten Druck
δ: Wanddicke
φ: Verformungswinkel
ν: radiale Ausdehnung

Claims

Fluidisch angetriebenes stoffschlüssiges Gelenkelement aus einem reversibel verformbaren, dehnbaren, polymeren Material und mit einem halbkreis-, halbellipsen- oder dreiecksförmigen Querschnitt dadurch gekennzeichnet, dass es einen inneren, einseitig geschlossenen Hohlraum (3) aufweist, die Außenkontur des Gelenkelementes mindestens eine Konkavität (2) besitzt und die Wanddicke (δ) des Gelenkelementes im Bereich der Konkavitäten gleich oder geringer ist als in Bereichen ohne Konkavitäten.
Gelenkelement nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Konkavitäten einen halbkreis- oder halbellipsenförmigen Querschnitt aufweisen.
Gelenkelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das gesamte Gelenkelement (1) oder nur der Bereich der Konkavitäten (2) anisotropische Eigenschaften aufweist.
Gelenkelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenkelement (1) aus einem Material mit isotropen Eigenschaften ist.