EP2823550A2 - Anordnung aus einem aktor und einem aktorhalter - Google Patents

Anordnung aus einem aktor und einem aktorhalter

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EP2823550A2
EP2823550A2 EP13714544.7A EP13714544A EP2823550A2 EP 2823550 A2 EP2823550 A2 EP 2823550A2 EP 13714544 A EP13714544 A EP 13714544A EP 2823550 A2 EP2823550 A2 EP 2823550A2
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EP
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actuator
arrangement according
holder
energy
drive device
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EP13714544.7A
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Rolf Strothmann
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    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/12—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements electric
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    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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    • Y10T74/20305—Robotic arm
    • Y10T74/20311—Robotic arm including power cable or connector

Definitions

  • the invention relates to an arrangement of an actuator and a AkiorhaSfer, wherein the actuator is movably connected to the actuator holder and means are provided for supplying the actuator with operating energy.
  • the actuator which is movably coupled to an oscillator and to be supplied with operating energy, it can be used, for example. to handle a robot arm, which is pivotally connected to another Roboferarm forming the actuator holder.
  • the actuator is constituted by an assembly of a wheel and a rotary drive means for the wheel, the assembly being e.g. about an axis perpendicular to the wheel axis pivotable and connected to a holder in the form of Fahrgesteiis.
  • the present invention provides a novel arrangement of the above type which is characterized in that the means for supplying the actuator with frictional energy comprise an energy accumulator integrated in the actuator.
  • the integrated energy storage allows operation of the actuator with high electrical power whose transmission is made difficult by means of electrical line connections between the Aktorhaiter and the actuator because of the movable coupling of the actuator to the actuator holder.
  • the actuator is freely movable in at least one dimension against the actuator holder and the actuator can be pivoted against the actuator holder, for example, by an arbitrary angle of rotation.
  • the energy Transmission by means of electrical cable connections require consuming Schleifkontak- fusions.
  • the actuator which can be pivoted about an arbitrary angle of rotation could, for example, only comprise a rotor of an electrical machine provided with power windings and the actuator holder be formed by its stator.
  • devices for contactless transmission of frictional energy to the energy store are provided in the device according to the invention, in particular for transmitting the operating energy from the actuator holder to the actuator.
  • the possible transmission power only needs to correspond to the operating energy required by the actuator in the time average.
  • a drive device is provided for moving the actuator against the Aktorhaiter.
  • Drive device like the other drive devices, receive frictional energy from the energy store.
  • said drive means comprises a component connected only to the actuator and one connected only to the actuator holder
  • Component ie the drive device is formed by both the actuator and the actuator holder.
  • the component connected only to the actuator may be a rotor and, in the case of the component connected only to the actuator holder, it may be a stator of a drive motor forming the drive device, by means of which the actuator, if necessary, can be pivoted by any desired angle of rotation.
  • the rotor Poiwickionne and the stator means for generating the exciter field of the drive motor on.
  • the current flowing through the pole windings is supplied by the integrated energy store, which is co-rotated with the rotor.
  • the devices for transmission of operating energy can be replaced by parts de?
  • the actuator moving drive means may be formed, wherein the stator of the drive motor is optionally provided with an operating power to the energy storage transmitting winding.
  • This winding is also usable for generating the magnetic field of the drive motor.
  • Aitemotiv the winding can also be provided in addition to permanent magnets of the stator, wherein the Feider the permanent magnets and the winding overlap Sassen, so that in particular results in a varying d-Anteii. Even with a large amplitude of the d-component, a desired q-arrow can be adjusted. Since the d component can also be influenced on the actuator side, an energy and / or information transmission is possible in principle in both directions,
  • the actuator comprises a wheel and a rotary drive means for the wheel.
  • the wheel axle is perpendicular to the axis to make the actuator move against the actuator holder. e.g. a chassis holding the wheel assembly, is pivotable.
  • the transfer of energy may also be in the opposite direction from the actuator to the applicator, e.g. in the generator mode of the drive motor of the wheel.
  • the ErflndungsgemaSe arrangement can be cascaded, the Akforhalter each form itself again part of another actuator.
  • Fig. 1 a erfindungsgemäSe arrangement with a driven wheel comprehensive Aktorbauhim which is connected to a vertical axis to the wheel axis rotatably connected to a chassis and
  • FIG. 2 is a schematic circuit diagram for explaining the function of the arrangement of FIG. 1.
  • FIG. 2 is a schematic circuit diagram for explaining the function of the arrangement of FIG. 1.
  • FIG. 1 An arrangement shown in Fig. 1 comprises an actuator assembly 1 ; in the embodiment shown has a wheel 2, a Radhalfer 3 and a Speicher- bafterie 4.
  • the indicated by dashed lines storage battery 4 is housed in the Radhalfer 3.
  • the actuator assembly 1 has a rotor 6 which adjoins the rod holder 3 and which is part of it a drive motor 5 about a pivot axis 7 against a stator 8 is rotatable.
  • the pivot axis 7 is perpendicular to the axis of rotation of the wheel. 2
  • the stator 8 of the drive motor 5, which forms a pivot drive for the Aktorbau- unit 1, is rigidly connected to a holder 9 shown in fragmentary form, which is in the illustrated embodiment, a Fahrgesteii a (not shown otherwise) mobile device.
  • the rotor 6 has the pole windings through which the operating current flows, while the stator 8 drives the field of excitation of the driving motor 5, e.g. generated by means of permanent magnets.
  • the pole windings and permanent magnets are not shown in FIG. 1.
  • the Aktorbautician i further comprises a wheel 2 rotating about the wheel axis, housed in the wheel driving motor 10 with a stator 1] and a wheel rotating outer rotor 1 2.
  • the drive motor 10 can be connected via a circuit 13 to the storage battery 4, wherein the motor operation by the circuit 1 3 is controllable.
  • the controllable via a circuit 1 4 drive motor 5 for the rotary actuator of the ⁇ ktorbauaji 1 operating energy from the Speicherbai ferie 4th
  • winding 1 5 is provided on the stator 8 and forms with the other parts of the stator 8 in Fig. 2 by Sfrichiinien indicated, connected to the holder 9 assembly 1 6.
  • the winding 1 5 can be provided on the stator 8 instead of or in addition to permanent magnets., In the Ersferen case, it can be used to generate the excitation field of the drive motor 5.
  • the ⁇ ktorbautician 1 is pivoted by the drive motor 5 to any rotation angle. If the sector module 1 were not provided with the storage battery 4, the rotational drive motor 10 and the swivel drive motor 5 were required to have operating power disadvantageously, e.g. be fed via sliding contacts.
  • the storage battery 4 can in particular short term high power requirements of the rotary drive motor 1 0 meet.
  • the drive-on energy required in the time average can be superimposed on the contactor with the aid of the winding 15.
  • the transformer coupling between the actuator] and the Akforhalter 9 on the winding 1 S allows not only the energy transfer and the transmission of information. Modulations of flowing currents always make themselves felt on the other side as well by this coupling.
  • Such information transfer from the actuator holder ⁇ to the holder Akfor 9 could be carried out in particular in the context of operation of the pivot drive motor 5 by Pululsweftenmoduiation (PWM).
  • PWM Pululsweftenmoduiation
  • Binary code can be accommodated in the P ' WM cycles.
  • a shift of secondary half-time points in successive PWM samples could be used for sarcoding, where, for example, no shift in two consecutive cycles encodes the value "ö", while one positive shift in one cycle and one negative shift in the following cycle encode the value Represents "1".
  • no shift in two consecutive cycles encodes the value "ö”
  • one positive shift in one cycle and one negative shift in the following cycle encode the value Represents "1”.

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  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung aus einem Aktor (1) und einem Aktorhalter (9), wobei der Aktor (1) beweglich mit dem Aktorhalter (9) verbunden ist und Einrichtungen zur Versorgung des Aktors (1) mit Betriebsenergie vorgesehen sind. Erfindungsgemäß umfassen die Einrichtungen zur Versorgung des Aktors (1) mit Betriebsenergie einen in den Aktor (1) integrierten Energiespeicher (4). Vorzugsweise ist der Aktor (1) in wenigstens einer Dimension gegen den Aktorhalter (9) uneingeschränkt beweglich.

Description

Beschreibung
„Anordnung aus einem Aktor und einem Aktorhaiter'1
Die Erfindung betrifft eine Anordnung aus einem Aktor und einem AkiorhaSfer, wobei der Aktor beweglich mit dem Aktorhalter verbunden Ist und Einrichtungen zur Versorgung des Aktors mit Betriebsenergie vorgesehen sind.
Bei einem solchen, beweglich an einen Halfer gekoppelten und mit Betriebs- energie zu versorgenden Aktor kann es sich z.B. um einen Roboterarm handein, der verschwenkbar mit einem weiteren, den Aktorhalter bildenden Roboferarm verbunden ist. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist der Aktor durch eine Baugruppe aus einem Rad und einer Drehantriebseinrichtung für das Rad gebildet, wobei die Baugruppe z.B. um eine zu der Raddrehachse senkrechte Achse verschwenkbar und mit einem Halter in Form eines Fahrgesteiis verbunden ist.
Durch die vorliegende Erfindung wird eine neue Anordnung der obengenannten Art geschaffen, die dadurch gekennzeichne f Ist, dass die Einrichtungen zur Versorgung des Aktors mit Befriebsenergie einen in den Aktor integrierten Energie- Speicher umfassen.
Vorteilhaft erlaubt der integrierte Energiespeicher einen Betrieb des Aktors mit hoher elektrischer Leistung, deren Übertragung mittels elektrischer Leitungsverbindungen zwischen dem Aktorhaiter und dem Aktor wegen der beweglichen Kopplung des Aktors an den Aktorhalter erschwert ist.
Der genannte Vorteil tritt besonders deutlich in einer Ausführungsform hervor, in welcher der Aktor in wenigstens einer Dimension gegen den Aktorhalter uneingeschränkt beweglich und der Aktor gegen den Aktorhaiter z.B. um einen beliebigen Drehwinkel verschwenkbar ist, im letzteren Fall würde die Energie- Übertragung mittels elektrischer Leitungsverbindungen aufwendige Schleifkontak- fierungen erfordern. Der um einen beliebigen Drehwinkel verschwenkbare Aktor könnte neben dem Energiespeicher z.B. lediglich einen mit Poiwickiungen versehenen Rotor einer elektrischen Maschine umfassen und der Aktorhaiter durch dessen Stator gebildet sein.
Zweckmäßig sind in der erfindungsgemäBen Anordnung Einrichtungen zur berührungslosen Überfragung von Befriebsenergie zu dem Energiespeicher vorgesehen, insbesondere zur Übertragung der Betriebsenergie von dem Aktorhalter zu dem Aktor, Die mögliche Übertragungsleistung braucht nur der von dem Aktor im zeitlichen Mittel benötigten Betriebsenergie zu entsprechen.
In einer Ausführungsform der Erfindung Ist eine Antriebseinrichtung zur Bewegung des Aktors gegen den Aktorhaiter vorgesehen.
Diese ggf. neben weiteren Antriebseinrichtungen des Aktors vorgesehene
Antriebseinrichtung kann, wie die weiteren Antriebseinrichtungen, Befriebsenergie aus dem Energiespeicher beziehen. Vorzugsweise umfasst die genannte Antriebseinrichtung eine nur mit dem Aktor verbundene Komponente und eine nur mit dem Aktorhalter verbundene
Komponente, d.h. die Antriebseinrichtung ist sowohl durch den Aktor als auch den Aktorhalter gebildet. Bei der nur mit dem Aktor verbundenen Komponente kann es sich um einen Rotor und bei der nur mit dem Aktorhaiter verbundenen Komponente um einen Stator eines die Antriebseinrichtung bildenden Antriebsmotors handeln, durch den der Aktor, ggf. um beliebige Drehwinkel verschwenkbar ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Rotor Poiwickiungen und der Stator Einrichtungen zur Erzeugung des Erregerfeldes des Antriebsmofors auf. Den durch die Polwicklungen fließenden Strom liefert der integrierte, mit dem Rotor mitgedrehte Energiespeicher. Die Einrichtungen zur Übertragung von Betriebsenergie können durch Teile de?' genannten, den Aktor bewegenden Antriebseinrichtung gebildet sein, wobei der Stator des Antriebsmotors ggf. mit einer Betriebsenergie zu dem Energiespeicher übertragenden Wicklung versehen ist. Diese Wicklung ist ferner zur Erzeugung des Magnetfeldes des Antriebsmotors verwendbar. Aitemotiv kann die Wicklung aber auch zusätzlich zu Permanentmagneten des Stators vorgesehen sein, wobei sich die Feider der Permanent- magnefen und der Wicklung überlagern Sassen, so dass sich insbesondere ein variierender d-Anteii ergibt. Selbst bei großer Amplitude des d-Anteils lässt sich ein gewünschter q-Anfeil einregeln. Da der d-Anteil auch aktorseitig beeinflussf werden kann, ist eine Energie- und/oder Informationsübertragung prinzipiell in beiden Richtungen möglich,
In einer Ausführungsform umfasst der Aktor ein Rad und eine Drehantriebseinrichtung für das Rad. Vorzugsweise steht die Radachse senkrecht zu der Achse, urn weiche der Aktor gegen den Aktorhalter. z.B. ein die Radbaugruppe haltendes Fahrgestell, verschwenkbar ist.
Es versteht sich, dass die Übertragung von Energie auch in umgekehrter Richtung vom Aktor auf den Akforhalter erfolgen kann, z.B. im Generatorbetrieb des Antriebsmotors des Rades. Die erflndungsgemaSe Anordnung lässt sich kaskadieren, wobei die Akforhalter jeweils selbst wieder einen Teil eines weiteren Aktors bilden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieis und der beiliegenden, sich auf dieses Ausführungsbeispiei beziehenden Zeichnungen weifer erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäSe Anordnung mit einer ein angetriebenes Rad umfassenden Aktorbaueinheit die um eine zur Radachse senkrechte Achse drehbar mit einem Fahrgestell verbunden ist und
Fig, 2 eine schematische Schalfungsdarsteilung zur Erläuterung der Funktion der Anordnung von Fig. 1 .
Eine in Fig. 1 gezeigte Anordnung umfasst eine Aktorbaueinheit 1 ; die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Rad 2, einen Radhalfer 3 und eine Speicher- bafterie 4 aufweist. Die durch Strichlinien angedeutete Speicherbatterie 4 ist in dem Radhalfer 3 untergebracht. Als weiteren Bestandteil weist die Aktorbou- einheif 1 einen sich an den Rodhalter 3 anschließenden Rotor 6 auf, der als Teil eines Antriebsmofors 5 um eine Schwenkachse 7 gegen einen Stator 8 drehbar ist. Die Schwenkachse 7 steht senkrecht zur Drehachse des Rades 2.
Der Stator 8 des Antriebsmotors 5, der einen Schwenkantrieb für die Aktorbau- einheit 1 bildet, ist starr mit einem ausschnittsweise dargestellten Halter 9 verbunden, bei dem es sich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel um ein Fahrgesteii einer (im Übrigen nicht gezeigten) fahrbaren Vorrichtung handelt.
In dem betreffenden Beispiel weist der Rotor 6 die mit Betriebsstrom durch- fiossenen Polwicklungen auf, während der Stator 8 das Erregerfei d des Antriebsmofors 5 z.B. mit Hilfe von Permanentmagneten erzeugt. Die Polwicklungen und Permanentmagnete sind in Fig. 1 nicht gezeigt.
Die Aktorbaueinheit i weist ferner einen das Rad 2 um die Radachse drehenden, im Rad untergebrachten Äntriebsmotor 10 mit einem Stator 1 ] und einem das Rad drehenden Außenrotor 1 2 auf.
Zu seinem Betrieb lässt sich der Antriebsmotor 10 gemäß Fig. 2 über eine Schaltung 13 an die Speicherbatterie 4 anschließen, wobei der Motorbetrieb durch die Schaltung 1 3 steuerbar ist. Ebenso bezieht der über eine Schaltung 1 4 steuerbare Antriebsmotor 5 für den Schwenkantrieb der Äktorbaueinheit 1 Betriebsenergie aus der Speicherbai ferie 4.
Eine [in Fig. 1 nicht dargestellte) Wicklung 1 5 ist an dem Stator 8 vorgesehen und bildet mit den übrigen Teilen des Stators 8 eine in Fig. 2 durch Sfrichiinien angedeutete, mit dem Halter 9 verbundene Baueinheit 1 6. Die Wicklung 1 5 kann an dem Stator 8 anstelle von oder zusätzlich zu Permanentmagneten vorgesehen sein., wobei sie im ersferen Fall zur Erzeugung des Erregerfeldes des Antriebsmotors 5 nutzbar ist.
Die Äktorbaueinheit 1 ist durch den Äntriebsmotor 5 um beliebige Drehwinkel verschwenkbar. Wäre die Äktorbaueinheit 1 nicht mit der Speichef batterie 4 versehen, musste dem Drehantriebsmotor 10 und dem Schwenkantriebsmotor 5 Betriebsenergie nachteilig z.B. über Schleifkontakte zugeführt werden.
Die Speicherbatterie 4 kann insbesondere kurzfristig hohen Leistungsanforderungen des Drehantriebsmotors 1 0 gerecht werden. Die im zeitlichen Mittel benötigte Anfriebsenergie lässt sich berührungsios mit Hilfe der Wicklung 1 5 über- tragen, die zusammen mit den Poiwickiungen des Rotors 6 des Schwenkantrieb*- mofors 5 eine Übertragereinrichtung bildet, Übertragene Energie kann die Batterie 4 Zwischenspeichern. Es versteht sich, dass durch den Drehantriebsrnotor 10 im Generatorbetrieb erzeugte Energie auf dem umgekehrten Wege berührungs s über den Schwenk- antriebsmotor 5 und die darin integrierte Wicklung 15 übertragen werden kann.
Die transformatorische Kopplung zwischen dem Aktor ] und dem Akforhalter 9 über die Wicklung 1 S erlaubt neben der Energieübertragung auch die Übertragung von Information. Modulationen fließender Ströme machen sich durch diese Kopplung stets auch auf der jeweils anderen Seite bemerkbar.
Eine solche Informationsübertragung vom Aktorhalter Ί auf den Akforhalter 9 ließe sich insbesondere im Rahmen eines Betriebs des Schwenkantriebsmotors 5 durch Impulsweftenmoduiation (PWM) durchführen.
In den P'WM-Zyklen iässt sich Binärcode unterbringen. Zum Beispiel könnte einer Verschiebung von Umsc.halfzeitpunkfen in aufeinanderfolgenden PWM~2ykfen zur Sinärcodierung genutzt werden, wobei beispielsweise keine Verschiebung in zwei aufeinanderfolgenden Zyklen den Wert„ö" codiert, während eine positive Verschiebung in einem Zyklus und eine negative Verschiebung Im folgenden Zyklus den Wert„ 1 " darstellt. In Anbetracht der verhältnismäßig hochfrequenten PWM-Zyklen lassen sich entsprechend große Datenmengen übertragen.

Claims

Anordnung aus einem Aktor ( 1 ) und einem Aktorholter (9), wobei der Aktor ( 1 ) beweglich mit dem Aktorhaiter (9) verbunden ist und Einrichtungen zur Versorgung des Aktors ( 1 ) mit Betriebsenergie vorgesehen sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Einrichtungen zur Versorgung des Aktors (1 ) mit Betnebsenergie einen in den Aktor ( 1 ) integrierten Energiespeicher (4) umfassen,
Anordnung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Aktor ( 1 ) in wenigstens einer Dimension gegen den Aktorhaiter (9) uneingeschränkt beweglich und insbesondere der Aktor ( 1 ) gegen den Aktorhalter {9} um einen beliebigen Drehwinkei verschwenkbar ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet
dass Einrichtungen ( 15) zur beruhrungsiosen Übertragung von Betnebsenergie zu dem Energiespeicher (4), insbesondere zur Übertragung der Betriebsenergie von dem Aktorhalter (9) zu dem Aktor {] ) vorgesehen sind.
Anordnung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Übertragungsieistung mindestens der von dem Aktor {1 } im zeitlichen Mittel benötigten Betriebsenergie entspricht.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4r
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Antriebseinrichtung (5) zur Bewegung des Aktors (1 ) gegen den Aktorhaiter (9) vorgesehen ist,
Anordnung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichne
dass die Antriebseinrichtung (5) Betnebsenergie aus dem Energiespeicher (4) bezieht.
7. Anordnung noch Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichlung (5) eine nur mit dem Aktor ( I ) verbundene Komponente 16} und eine nur mit dem Aktorhalter (9) verbundene Komponente (8) urntasst.
8. Anordnung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die nur mit dem Aktor ( 1 j verbundene Komponente e n Rotor (6) und die nur mit dem Aktorhaiter {9} verbundene Komponente ein Stator (8) eines die Antriebseinrichtung bildenden Antriebsmofors (5) Ist,
9. Anordnung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet
dass der Rotor {6} Polwicklungen und der Stator (8) Einrichtungen ( 1 5} zur Erzeugung des Erregerfeides des Antriebsmotors (5) aufweist.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 9f
dadurch gekennzeichnet,
dass die Einrichtungen zur berührungsiosen Übertragung von Betriebsenergie durch Teile der Antriebseinrichtung (5) für die Bewegung des Aktors [ 1 } gebildet sind.
] 1 . Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
dadurch gekennzeichnet
dass der Stator (S) mit einer Betriebsenergie zu dem Energiespeicher [4) übertragenden Wicklung [ 1 5} versehen ist,
1 2. Anordnung nach Anspruch 1 1 ..
dadurch gekennzeichnet
dass die Wicklung ( 1 5} ferner zur Erzeugung des Erregerfeides des Antriebs- mctors (5) dient.
] 3. Anordnung nach Anspruch 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet
dass die Wicklung ( 1 5) zusätzlich zu Permanentmagneten des Stators (8) vorgesehen ist.
1 4. Anordnung nach einem der Ansprüche i bis 13,
dadurch gekennzeichnet dass der Aktor ( 1 ) ein Rad (2) und eine Drehantriebseinrichtung (I G) für das Rad [2] umfassi wobei vorzugsweise die Raddrehachse senkrecht auf der Achse (7) steht um die der Aktor (1 ) gegen den Aktorhaiter (?) verschwenkbar ist,
15. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 1 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Einrichtungen zur berührungslosen Übertragung von Betriebsenergie ferner zur Übertragung von Information vorgesehen s nd, wobei insbesondere die Übertragung von Information in aufeinanderfolgenden IrnpuSsz kien im Betrieb der Antriebseinrichtung zur Bewegung des Aktors gegen den Aktorhalter durch Impulsweitenmodulation vorgesehen ist.
EP13714544.7A 2012-03-06 2013-03-05 Anordnung aus einem aktor und einem aktorhalter Withdrawn EP2823550A2 (de)

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EP (1) EP2823550A2 (de)
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DE (1) DE102012102971A1 (de)
WO (1) WO2013131515A2 (de)

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