DE19824622A1

DE19824622A1 - Stoffschlüssiges aktives Gelenk

Info

Publication number: DE19824622A1
Application number: DE19824622A
Authority: DE
Inventors: Lena Dr Zentner
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 1997-07-31
Filing date: 1998-06-02
Publication date: 1999-02-25

Description

Die Erfindung betrifft ein stoffschlüssiges Gelenk, bestehend aus einem Polymerschlauch.

Sie beinhaltet ein Prinzip zur Erzeugung von aktiven stoffschlüssigen Gelenken an einem Polymerschlauch durch reversible Veränderung der Materialeigenschaften bei Vorhandensein von Druck im Schlauch. Die Lösung ist vorzugsweise für Greif-, Manipuliermechanismen und lokomotorische Aufgaben in miniaturisierter Technik einsetzbar.

Für die Bewegungs- und Kraftübertragung ist 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. So werden neben den klassischen form- oder kraftgepaarten Gelenken zunehmend stoffschlüssige gelenkige Verbindungen Anwendung finden.

Zu stoffschlüssigen Gelenken sind mehrere interessante Lösungen bekannt. Von Bögelsack in "Nachgiebige Mechanismen in Miniaturisierten Bewegungssystemen" (Prceed. Of the Ninth World Congress IFToMM Milano 1995, S. 3101-3104) und von Ananthasuresh, 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.) wurden stoffkohärente Greiferstrukturen auf der Basis nachgiebiger Rahmengefüge für die Realisierung in miniaturisierter Technik vorgeschlagen. Das sind Lösungen für Strukturen mit passiven Gelenken. Es sind in den Stoff eingearbeitete Gelenke, die durch die Krafteinwirkung (bzw. bei Druckerhöhung) Bewegungen zulassen.

Hier sollen neuartige Strukturen mit aktiven stoffschlüssigen Gelenken dargestellt werden, die ihre Festigkeit auch aktiv ändern. "Elastisches Gelenk von variabler Steife" (EP 0430796 A1 910605) oder "Elastisches Gelenk mit kontrollierter axialer Festigkeit" (EP 0654617 A1 950524) sind Lösungen für aktive Änderung der Steifigkeit des Gelenkes (passives Gelenk) mit Hilfe von Fluiden. Bei diesen Gelenken ist nachteilig, daß sie ein Antriebselement benötigen, das in unmittelbarer Nähe des Gelenkes einwirkt. Für Strukturen der Miniaturtechnik ist das störend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein stoffschlüssiges Gelenk anzugeben, mit dem kohärente Strukturen für die Miniaturtechnik realisiert werden können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den in den Patentansprüchen angegebenen Merkmalen gelöst.

Die Anwendung von Pneumatik und Hydraulik verlangt geschlossene und vergrößerungsfähige Räume. Diese Anforderungen werden von einigen Polymeren erfüllt. Sie ändern ihre Materialeigenschaften unter dem Temperatureinfluß:
der Elastizitätsmodul E wächst bei Erwärmung und fällt bei Kühlung des Polymers. Einige Polymere verhalten sich reversibel gegenüber dieser Verformung und bei einer erneuten Erwärmung nehmen sie die ursprüngliche Form an. Polymere mit gutem Rückverformungsverhalten (einige Polyethylene, Polyurethan-Elastomere) werden hier zur Erzeugung von stoffschlüssigen Gelenken verwendet.

Die erfindungsgemäßen Gelenke zeichnen sich durch den Vorteil aus, daß sie von einem Antrieb (Druck) betätigt werden, der nicht unmittelbar am Gelenk angeordnet sein muß.

Ferner ist es möglich, mit einem Antrieb mehrere Gelenke zu betätigen, wobei auch eine Kaskachierung der Gelenke möglich ist, indem z. B. an einem Schlauch mehrere Gelenke hintereinander angeordnet sind, die einzeln aktiviert werden können.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 die prinzipielle Anordnung eines aktiven stoffschlüssigen Gelenkes,

Fig. 2 eine Ausführung mit elektrischer Beheizung des Schlauches in unverformtem Zustand und

Fig. 3 eine Ausführung mit elektrischer Beheizung des Schlauches in verformtem Zustand.

Das in Fig. 1 dargestellte Prinzip besteht darin, daß die Materialeigenschaften des Polymerschlauches 1 durch die lokale Einwirkung einer Energiequelle 2 verändert werden. Der Elastizitätsmodul E des Materials an der erwärmten Stelle ("elastische Stelle") 3 wird damit vergrößert, und somit wird das Gelenk aktiviert. Durch die gleichzeitige Druckerhöhung p im Schlauch wird die "elastische Stelle" ausgedehnt, es kommt zu einer Verformung 4 (Biegung des Schlauches im Bereich AB). Damit wird ein stoffschlüssiges Gelenk erzeugt. Nach dem Abkühlen (mit Überdruck im Schlauch) bleibt die angenommene Form des Schlauches erhalten. Der Druck kann zur Änderung der Steifigkeit der Struktur dienen (z. B. bei einem Greifmechanismus wird durch die Druckerhöhung die Greifkraft erhöht). Durch die erneute Erwärmung des Schlauches und Einstellen des Überdruckes wird die ursprüngliche Form des Schlauches wiederhergestellt.

Bei der in Fig. 2 erläuterten Anordnung weist der Schrumpfschlauch die oben beschriebenen Eigenschaften auf. Das eine Ende des Schlauches 1 wird geschlossen. Im Bereich des Gelenkes AB wird eine Drahtwicklung 3 auf den Schlauch angebracht. Der Isolator 2 - ein Streifen von einem Nichtleiter, der in die Längsrichtung steif ist, - dient als Schutz des Schlauches von der Wärmequelle und/oder hält die Länge der Beugeseite 8 des Bereiches AB konstant. Die Drahtwicklung 3 ist an einer Spannungsquelle 4 angeschlossen. Beim Schließen des Kontaktes 5 fließt Strom durch die Drahtwicklung 3, dabei wird die termische Wirkung des Stromes zur Erwärmung des Schlauches genutzt. Damit ist das Gelenk aktiviert und zu einer Verformung bereit: die "elastische" Stelle ist ausgebildet.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, bewirkt die Druckerhöhung im Schlauch durch die Pumpe 6 eine Biegung des Schlauches im Bereich AB: die Streckseite 7 dehnt sich aus, wobei die Beugeseite 8 ihre konstante Länge beibehält. Durch die erneute Erwärmung ohne Druck im Schlauch bildet sich die Verformung zurück.

Claims

1. Stoffschlüssiges Gelenk, bestehend aus einem Polymerschlauch, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialeigenschaften des Schlauches durch den Einfluß einer Energiequelle unsymmetrisch beeinflußt werden und bei gleichzeitiger Druckerhöhung im Schlauch eine Bewegung ausgeführt wird.

2. Stoffschlüssiges Gelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiequelle eine elektrische Heizung ist, die am Schlauch angeordnet ist.

3. Stoffschlüssiges Gelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizung unsymmetrisch am Schlauch angeordnet ist.

4. Stoffschlüssiges Gelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlauch unsymmetrisch ausgebildet ist.

5. Stoffschlüssiges Gelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schlauchmaterial Polyurethan-Elastomere verwendet werden.

6. Stoffschlüssiges Gelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schlauchmaterial rückverformbare Polymere verwendet werden.