DE102014106929A1

DE102014106929A1 - actuator

Info

Publication number: DE102014106929A1
Application number: DE102014106929.3A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Stephan; Rainer Bruns; Jan Isermann
Original assignee: Hamburg Innovation GmbH; Helmut Schmidt Universitaet
Current assignee: Wegard De GmbH
Priority date: 2014-05-16
Filing date: 2014-05-16
Publication date: 2015-11-19
Anticipated expiration: 2034-05-17
Also published as: DE102014106929B4

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Aktorelement (100) mit einem zumindest bereichsweise elastisch ausgebildeten Grundkörper (10), welcher einen druckbeaufschlagbaren Innenraum (11) aufweist, einer ersten biegesteifen Stützfläche (12) und mindestens einer zweiten biegesteifen Stützfläche (13), welche jeweils an dem Grundkörper (10) angeordnet sind, und einem elastisch ausgebildeten Führungsgelenk (17), welches zwischen der ersten biegesteifen Stützfläche (12) und der zweiten biegesteifen Stützfläche (13) ausgebildet ist, wobei bei einer Druckbeaufschlagung des Innenraumes (11) des Grundkörpers (10) die erste biegesteife Stützfläche (12) und die zweite biegesteife Stützfläche (13) um eine durch das Führungsgelenk (17) ausgebildete Drehachse relativ zueinander bewegbar sind.The invention relates to an actuator element (100) with an at least partially elastically formed base body (10), a pressurizable interior (11), a first rigid support surface (12) and at least one second rigid support surface (13), which in each case on the Base body (10) are arranged, and an elastically formed guide joint (17) which is formed between the first rigid support surface (12) and the second rigid support surface (13), wherein upon pressurization of the inner space (11) of the base body (10) the first bending-resistant support surface (12) and the second rigid support surface (13) are movable relative to one another about an axis of rotation formed by the guide joint (17).

Description

Stand der TechnikState of the art

Fluidisch betätigbare Aktorelemente sind Energiewandler, welche beispielsweise Druckluft oder mit Druck beaufschlagte Flüssigkeiten in mechanische Arbeit umsetzen können. Derartige Aktorelemente können beispielsweise für Schalt- und Regelaufgaben oder für Antriebszwecke eingesetzt werden. Beispielsweise können solche sogenannten Fluidaktorelemente einen hydraulischen oder pneumatischen Zylinder aufweisen, der eine feste Führung aufweist.Fluidically actuatable actuator elements are energy converters which can convert, for example, compressed air or pressurized liquids into mechanical work. Such actuator elements can be used for example for switching and control tasks or for drive purposes. For example, such so-called fluid actuator elements may comprise a hydraulic or pneumatic cylinder having a fixed guide.

Ein derartiges Fluidaktorelement, welches im Wesentlichen Linearbewegungen ausführen kann, ist beispielsweise aus der DE 10 2012 006 608 A1 bekannt. Das dort als Antriebsvorrichtung beschriebene Aktorelement weist mindestens einen fluidbetätigten Balgaktor auf, der eine starre Gehäusewand und ein diesbezüglich in Achsrichtung einer Hauptachse bewegbares Abtriebsglied aufweist. Das Abtriebsglied ist über einen ersten Faltenbalg an der Gehäusewand befestigt, der gemeinsam mit der Gehäusewand eine erste Antriebskammer begrenzt. In der ersten Antriebskammer befindet sich innerhalb eines von der starren Gehäusewand umgrenzten Bereiches ein zweiter Faltenbalg, der an einer Antriebsplatte des Abtriebsgliedes befestigt ist und eine zweite Antriebskammer begrenzt. Dadurch, dass die beiden Faltenbälge über unterschiedliche Wirkflächen verfügen, kann der Balgaktor sowohl drückend als auch ziehend eingesetzt werden. Ein derartiger Balgaktor unterstützt damit die Bewegung in eine Raumrichtung, jedoch sind hiermit keine Biege- bzw. Rotationsbewegungen möglich.Such a fluid actuator element, which can perform substantially linear movements, is for example from the DE 10 2012 006 608 A1 known. The actuator element described there as a drive device has at least one fluid-actuated bellows actuator, which has a rigid housing wall and an output member movable in this respect in the axial direction of a main axis. The output member is attached via a first bellows on the housing wall, which defines a first drive chamber together with the housing wall. In the first drive chamber is located within a bounded by the rigid housing wall region, a second bellows, which is fixed to a drive plate of the output member and limits a second drive chamber. The fact that the two bellows have different effective surfaces, the bellows actuator can be used both pushing and pulling. Such a Balgaktor thus supports the movement in a spatial direction, but hereby no bending or rotation movements are possible.

Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Aktorelement zur Verfügung zu stellen, mittels welchem Biege- bzw. Rotationsbewegungen ermöglicht werden können.DESCRIPTION OF THE INVENTION: OBJECT, SOLUTION, ADVANTAGES It is therefore the object of the present invention to provide an actuator element by means of which bending or rotational movements can be made possible.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved with the features of claim 1. Advantageous developments of the invention are specified in the dependent claims.

Erfindungsgemäß ist ein Aktorelement vorgesehen, welches einen zumindest bereichsweise elastisch ausgebildeten Grundkörper, welcher einen druckbeaufschlagbaren Innenraum aufweist, eine erste biegesteife Stützfläche und mindestens eine zweite biegesteife Stützfläche, welche jeweils an dem Grundkörper angeordnet sind, und ein elastisch ausgebildetes Führungsgelenk, welches zwischen der ersten biegesteifen Stützfläche und der zweiten biegesteifen Stützfläche ausgebildet ist, aufweist, wobei bei einer Druckbeaufschlagung des Innenraumes des Grundkörpers die erste biegesteife Stützfläche und die zweite biegesteife Stützfläche um eine durch das Führungsgelenk ausgebildete Drehachse relativ zueinander bewegbar sind.According to the invention, an actuator element is provided, which has an at least partially elastically formed base body, which has a pressurizable interior space, a first rigid support surface and at least one second rigid support surface, which are each arranged on the base body, and an elastically formed guide joint, which flex between the first Support surface and the second rigid support surface is formed, wherein upon pressurization of the interior of the body, the first rigid support surface and the second rigid support surface are relatively movable about a rotational axis formed by the guide joint.

Das Aktorelement gemäß der Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass dieses in mehr als eine Raumrichtung bewegt werden kann, wobei vorzugsweise zusätzlich zu Längenänderungen auch Rotationsbewegungen bzw. Biegebewegungen ermöglicht werden können. Der Grundkörper des Aktorelementes kann über seine elastisch ausgebildeten Bereiche beispielsweise gedehnt und auch gebogen werden. Eine Rotations- bzw. Biegebewegung des Grundkörpers kann mit oder ohne einer gleichzeitigen Längsdehnung erfolgen. Um eine kontrollierte, geführte Dehnung und/oder Biegung des Grundkörpers ermöglichen zu können, sind an dem Grundkörper mindestens zwei biegesteife Stützflächen angeordnet. Diese Stützflächen, welche beispielsweise plattenförmig ausgebildet sein können, können als eine Art bereichsweise Versteifung des Grundkörpers dienen, die auch bei einer Druckveränderung in dem Innenraum des Grundkörpers ihre Form beibehalten, so dass auch die Bereiche des Grundkörpers, an welchen die biegesteifen Stützflächen angeordnet sind, bei einer Druckänderung in dem Innenraum des Grundkörpers ihre Form beibehalten. Der Grundkörper kann durch die biegesteifen Stützflächen somit in unelastische bzw. biegesteife und in elastische bzw. verformbare Bereiche unterteilt werden. An die biegesteifen Stützflächen können weitere Bauelemente, wie beispielsweise eine Stützfläche eines anderen Aktorelementes, bei einer Hintereinanderreihung mehrerer Aktorelemente, oder beispielsweise Mittel zur Druckerzeugung in dem Innenraum des Grundkörpers, angeordnet werden. Das elastisch ausgebildete Führungsgelenk des Aktorelementes ermöglicht eine Biegebewegung des Aktorelementes bzw. des Grundkörpers über seine elastischen Bereiche. Das Führungsgelenk ist elastisch und damit aus einem elastischen Material ausgebildet, so dass bei einer Betätigung des Führungsgelenkes keine Reibung entsteht, wodurch das Führungsgelenk wartungsfrei und verschleißfrei ausgebildet sein kann. Mittels des elastisch ausgebildeten Führungsgelenkes kann bei einer Druckbeaufschlagung des Innenraumes des Grundkörpers die erste biegesteife Stützfläche relativ zu der zweiten biegesteifen Stützfläche um eine durch das Führungsgelenk ausgebildete Drehachse relativ zueinander bewegt, insbesondere verschwenkt, werden. Das Führungsgelenk kann somit die beiden Stützflächen biegeelastisch miteinander verbinden. Bei einer ausreichenden Wandstärke des elastisch ausgebildeten Führungsgelenks kann dieses zudem einen Widerstand gegen Kräfte und Momente, welche die Relativbewegung der Stützflächen zueinander unerwünscht beeinflussen könnten, ausbilden. Das elastisch ausgebildete Führungsgelenk kann somit eine geführte Bewegung der beiden biegesteifen Stützflächen des Aktorelementes realisieren, so dass vom Aktorelement eine vorgegebene Relativbewegung, insbesondere eine Dreh- bzw. Verschwenkbewegung, der beiden Stützflächen zueinander, unabhängig von einer Einwirkung von Kräften und Momenten von außen, mit einer hohen Genauigkeit erreicht werden kann. Durch die elastischen Eigenschaften des Führungsgelenks kann ohne zusätzliche Bauteile eine Rückstellwirkung des Aktorelementes nach einer Biege- bzw. Rotationsbewegung realisiert werden. Ein derartiges Aktorelement kann beispielsweise in der Robotertechnik oder für die Betätigung anderer Werkzeuge oder Hilfswerkzeuge als Antriebselement eingesetzt werden.The actuator element according to the invention is characterized in particular by the fact that it can be moved in more than one spatial direction, wherein preferably in addition to changes in length and rotational movements or bending movements can be made possible. The main body of the actuator element can, for example, be stretched and bent over its elastically formed regions. A rotational or bending movement of the base body can take place with or without a simultaneous longitudinal expansion. In order to enable a controlled, guided stretching and / or bending of the base body, at least two bending-resistant support surfaces are arranged on the base body. These support surfaces, which may be formed plate-shaped, for example, serve as a kind of stiffening of the base body, which retain their shape even with a pressure change in the interior of the body, so that the areas of the body on which the rigid support surfaces are arranged, maintain their shape at a pressure change in the interior of the body. The basic body can thus be divided by the rigid support surfaces in inelastic or rigid and in elastic or deformable areas. At the rigid support surfaces further components, such as a support surface of another actuator element, in a series of several actuator elements, or for example means for generating pressure in the interior of the body can be arranged. The elastically formed guide joint of the actuator element allows a bending movement of the actuator element or of the base body via its elastic regions. The guide joint is elastic and thus formed of an elastic material, so that upon actuation of the guide joint no friction occurs, whereby the guide joint can be maintenance-free and wear-free. By means of the elastically formed guide joint, when pressure is applied to the interior of the base body, the first bending-resistant support surface is moved relative to the second bending-resistant support surface relative to one another about an axis of rotation formed by the guide joint, in particular pivoted. The guide joint can thus connect the two support surfaces flexurally elastic. With a sufficient wall thickness of the elastically formed guide joint, this can also form a resistance to forces and moments, which could undesirably influence the relative movement of the support surfaces to one another. The elastically formed guide joint can thus be guided Realize movement of the two rigid support surfaces of the actuator element, so that the actuator element a predetermined relative movement, in particular a rotary or pivoting movement of the two support surfaces to each other, regardless of an action of forces and moments from the outside, can be achieved with high accuracy. Due to the elastic properties of the guide joint, a restoring action of the actuator element after a bending or rotational movement can be realized without additional components. Such an actuator element can be used for example in robotics or for the operation of other tools or auxiliary tools as a drive element.

Bevorzugt ist es vorgesehen, dass der Grundkörper in einem elastischen Bereich eine balgartige Kontur aufweist, wobei die balgartige Kontur des Grundkörpers vorzugsweise gegenüberliegend zu dem Führungsgelenk ausgebildet ist. Balgartige Kontur bedeutet hierbei, dass eine den Innenraum des Grundkörpers begrenzende Hülle die Grundkörpers wellenförmig geformt ist. Bei einer Dehnung des Grundkörpers aufgrund einer Druckbeaufschlagung des Innenraumes des Grundkörpers kann die Dehnung im Bereich der balgartigen Kontur erfolgen, indem im Bereich der balgartigen Kontur der Grundkörper auseinandergezogen werden kann. Die balgartige Kontur ermöglicht einen besonders hohen Dehnungsgrad des Grundkörpers und damit einen großen Biegewinkel des Aktorelementes bei einer Biege- bzw. Rotationsbewegung des Aktorelementes. Dadurch, dass die balgartige Kontur des Grundkörpers bevorzugt gegenüberliegend zu dem elastisch ausgebildeten Führungsgelenk ausgebildet ist, kann die Biegung des Aktorelementes weiter verbessert werden, da hierdurch große Biegewinkel mit einem gleichzeitig kleinen Biegeradius realisiert werden können. Zudem kann durch eine Erhöhung der Anzahl der Bälge in der balgartigen Kontur der Biegewinkel weiter erhöht werden.Preferably, it is provided that the base body has a bellows-like contour in an elastic region, wherein the bellows-like contour of the base body is preferably formed opposite to the guide joint. Balloon-like contour here means that a shell bounding the interior of the base body, the base body is wave-shaped. When the base body is stretched due to pressurization of the interior of the base body, the expansion can take place in the region of the bellows-like contour, in that the base body can be pulled apart in the area of the bellows-like contour. The bellows-like contour allows a particularly high degree of expansion of the base body and thus a large bending angle of the actuator element in a bending or rotational movement of the actuator element. The fact that the bellows-like contour of the base body is preferably formed opposite to the elastically formed guide joint, the bending of the actuator element can be further improved, as this large bending angle can be realized with a simultaneously small bending radius. In addition, by increasing the number of bellows in the bellows contour the bending angle can be further increased.

Das Führungsgelenk weist vorzugsweise eine Bogenform auf, wobei die Bogenform vorzugsweise in Richtung des Innenraumes des Grundkörpers gerichtet ist. Durch die Bogenform kann das elastisch ausgebildete Führungsgelenk eine hohe Dehnbarkeit aufweisen, so dass besonders große Biegewinkel erreicht werden können. Zudem kann durch die Bogenform das elastisch ausgebildete Führungsgelenk konstruktiv einfach ausgestaltet werden, wodurch der Fertigungsaufwand und damit die Herstellungskosten für das Aktorelement reduziert werden können. Ist die Bogenform des elastisch ausgebildeten Führungsgelenks in den Innenraum des Grundkörpers hinein gerichtet, kann die durch das elastisch ausgebildete Führungsgelenk ausgebildete Drehachse in dem Grundkörper selber liegen, wodurch besonders kleine Biegeradien erreicht werden können. Zudem kann hierdurch der für das Aktorelement notwendige Bauraum wesentlich reduziert werden.The guide joint preferably has an arcuate shape, wherein the arcuate shape is preferably directed in the direction of the interior of the base body. Due to the arch shape, the elastically formed guide joint can have a high extensibility, so that particularly large bending angles can be achieved. In addition, the elastically formed guide joint can be structurally simple designed by the arch shape, whereby the manufacturing cost and thus the manufacturing cost of the actuator element can be reduced. If the curved shape of the elastically formed guide joint is directed into the interior of the main body, the axis of rotation formed by the elastically formed guide joint can lie in the basic body itself, as a result of which particularly small bending radii can be achieved. In addition, this can be significantly reduced by the space required for the actuator element space.

Um die Fertigung des Aktorelementes weiter reduzieren zu können, ist das Führungsgelenk vorzugsweise einstückig mit dem Grundkörper ausgebildet. Beispielsweise kann das elastisch ausgebildete Führungsgelenk nahtlos in die den Innenraum des Grundkörpers umgebende Hülle des Grundkörpers integriert sein. Das elastisch ausgebildete Führungsgelenk kann dabei aus demselben elastischen Material wie der Grundkörper oder aus einem anderen elastischen Material ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Grundkörper zusammen mit dem elastisch ausgebildeten Führungsgelenk in einem Spritzgussverfahren hergestellt werden. Durch das Spritzgussverfahren kann das elastisch ausgebildete Führungsgelenk in den Grundkörper bzw. die Hülle des Grundkörpers eingegossen sein.In order to further reduce the production of the actuator element, the guide joint is preferably formed integrally with the base body. For example, the elastically formed guide joint can be seamlessly integrated in the surrounding the interior of the body shell of the body. The elastically formed guide joint can be formed from the same elastic material as the main body or from another elastic material. For example, the main body can be produced together with the elastically formed hinge in an injection molding process. By injection molding, the elastically formed hinge can be cast into the body or the shell of the body.

Um Verformungen des Aktorelementes durch von außen auf das Aktorelement wirkende Torsions- und/oder Schubkräfte verhindern zu können, ist das Führungsgelenk vorzugsweise torsionssteif ausgebildet. Das elastisch ausgebildete Führungsgelenk ist somit vorzugsweise um nur eine Achse, die Drehachse, biegeweich ausgebildet und ansonsten torsionssteif ausgebildet.In order to prevent deformation of the actuator element by acting from the outside on the actuator element torsional and / or shear forces, the guide joint is preferably formed torsionally rigid. The elastically formed guide joint is thus preferably formed about only one axis, the axis of rotation, pliable and otherwise torsionally rigid.

Zur Erzeugung eines Drucks in dem Innenraum des Grundkörpers wird vorzugsweise ein Fluid, insbesondere ein gasförmiges oder flüssiges Fluid, in den Innenraum des Grundkörpers eingebracht. Das Fluid kann dabei derart in den Innenraum des Grundkörpers eingebracht werden, dass bei der Druckbeaufschlagung des Innenraumes des Grundkörpers der Innenraum mit einem Überdruck oder einem Unterdruck beaufschlagt wird. Die Betätigung des Aktorelementes kann somit sowohl mit einem erhöhten Druck oder auch mit einem Unterdruck bis annähernd zu einem Vakuum betätigt werden, wodurch besonders große Biegewinkel bzw. Schwenkwinkel erreicht werden können.To generate a pressure in the interior of the base body, a fluid, in particular a gaseous or liquid fluid, is preferably introduced into the interior of the base body. In this case, the fluid can be introduced into the interior of the base body in such a way that, when the interior of the base body is pressurized, the interior is subjected to an overpressure or a negative pressure. The actuation of the actuator element can thus be actuated both with an increased pressure or with a negative pressure to approximately to a vacuum, whereby particularly large bending angle or pivoting angle can be achieved.

Die Druckbeaufschlagung des Innenraumes des Grundkörpers kann durch Zuführen eines Fluids erfolgen, wobei eine Zuführöffnung zum Zuführen des Fluids an der ersten Stützfläche und/oder der zweiten Stützfläche ausgebildet sein kann. Die Zuführöffnung an einer der beiden oder an beiden Stützflächen kann mit jeweils einer Öffnung an dem Grundkörper korrespondieren, so dass das zugeführte Fluid über eine Zuführöffnung an einer Stützfläche und eine korrespondierende Öffnung an dem Grundkörper in den Innenraum des Grundkörpers einströmen kann.The pressurization of the interior of the main body can be effected by supplying a fluid, wherein a feed opening for supplying the fluid to the first support surface and / or the second support surface may be formed. The feed opening on one of the two or on both support surfaces can correspond in each case to an opening on the base body, so that the supplied fluid can flow into the interior of the base body via a feed opening on a support surface and a corresponding opening on the base body.

Der Innenraum des Grundkörpers weist bevorzugt mindestens eine Druckkammer auf, wobei bei zwei oder mehr Druckkammern benachbart zueinander angeordnete Druckkammern in fluidleitender Verbindung miteinander stehen können. Durch die einzelnen Druckkammern kann der Innenraum des Grundkörpers gezielt und kontrolliert mit Druck beaufschlagt werden, um eine kontrollierte Führung der Biegebewegung des Aktorelementes unterstützen zu können. Weist der Grundkörper eine balgartige Kontur auf, so ist vorzugsweise pro Balg eine Druckkammer in dem Innenraum des Grundkörpers ausgebildet, welche sich jeweils über die Länge eines Balgs erstreckt. Zwischen den Druckkammern in dem Innenraum des Grundkörpers ist vorzugsweise eine Verbindung ausgebildet, welche beispielsweise in Form einer Öffnung ausgebildet sein kann, wobei die Öffnungen zwischen jeweils benachbart zueinander angeordneten Druckkammern einen wesentlich kleineren Durchmesser aufweisen als der Durchmesser der Druckkammern selber. Über die Durchgangsöffnungen kann ein Fluid, mittels welchem der Innenraum des Grundkörpers mit einem Druck beaufschlagt wird, zwischen den Druckkammern hin und her strömen.The interior of the body preferably has at least one pressure chamber, wherein adjacent to two or more pressure chambers mutually arranged pressure chambers may be in fluid communication with each other. Through the individual pressure chambers, the interior of the body targeted and controlled pressure can be applied to support a controlled guidance of the bending movement of the actuator element can. If the main body has a bellows-like contour, it is preferable for each bellows to form a pressure chamber in the interior of the main body, which extends in each case over the length of a bellows. Between the pressure chambers in the interior of the base body, a connection is preferably formed, which may be formed for example in the form of an opening, wherein the openings between each adjacent pressure chambers arranged to have a substantially smaller diameter than the diameter of the pressure chambers themselves. Via the passage openings, a fluid, by means of which the interior of the main body is subjected to a pressure, flow between the pressure chambers back and forth.

Die Stützflächen sind vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie sich jeweils zumindest bereichsweise über mindestens zwei aneinander angrenzende, winklig zueinander angeordnete Seiten des Grundkörpers erstrecken. Jede Stützfläche ist somit vorzugsweise nicht nur an einer Seite des Grundkörpers angeordnet, sondern über Bereiche von zumindest zwei Seiten des Grundkörpers angeordnet, wodurch die Führung des Grundkörpers und damit des gesamten Aktorelementes bei einer Biegebewegung bzw. Rotationsbewegung des Aktorelementes wesentlich verbessert werden kann. Bevorzugt sind die Stützflächen im Querschnitt L-förmig ausgebildet. Die Stützflächen können somit den Grundkörper zumindest bereichsweise einfassen und teilweise umschließen, um die Stabilität und Widerstandsfähigkeit des Grundkörpers, insbesondere gegenüber von außen wirkenden, unerwünschten Kräften und/oder Momenten, erhöhen zu können.The support surfaces are preferably formed such that they extend in each case at least in regions over at least two mutually adjoining, mutually angled sides of the base body. Each support surface is thus preferably arranged not only on one side of the main body, but arranged over portions of at least two sides of the base body, whereby the leadership of the body and thus the entire actuator element in a bending movement or rotational movement of the actuator element can be substantially improved. Preferably, the support surfaces are formed in cross-section L-shaped. The support surfaces can thus surround the body at least partially and enclose partially in order to increase the stability and resistance of the body, in particular against externally acting, undesirable forces and / or moments.

Der Grundkörper und/oder das Führungsgelenk sind vorzugsweise aus einem gummielastischen Material, insbesondere einem Polyurethan-Material, ausgebildet. Das gummielastische Material des Grundkörpers kann dabei derart eingestellt sein, dass beispielsweise der Grundkörper Bereiche mit unterschiedlichen Härtegraden, insbesondere unterschiedlichen Shore-Härten, aufweist, wodurch die Widerstandsfähigkeit und auch die Biegeeigenschaften des Grundkörpers und damit des Aktorelementes gezielt eingestellt bzw. beeinflusst werden können.The base body and / or the guide joint are preferably made of a rubber-elastic material, in particular a polyurethane material. The rubber-elastic material of the base body can be adjusted in such a way that, for example, the base body has areas with different degrees of hardness, in particular different shore hardnesses, whereby the resistance and also the bending properties of the base body and thus of the actuator element can be selectively adjusted or influenced.

Um zu starke, unerwünschte Materialdehnungen in dem elastisch ausgebildeten Führungsgelenk und/oder dem Grundkörper verhindern zu können, können das Material des elastisch ausgebildeten Führungsgelenks und/oder das Material des Grundkörpers mit Verstärkungsfasern, insbesondere zugfesten Fasern, wie beispielsweise Aramidfasern oder Kevlarfasern, verstärkt sein.In order to be able to prevent excessive, undesired material strains in the elastically formed guide joint and / or the base body, the material of the elastically formed guide joint and / or the material of the base body can be reinforced with reinforcing fibers, in particular tensile fibers such as aramid fibers or Kevlar fibers.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:Further, measures improving the invention will be described in more detail below together with the description of preferred embodiments of the invention with reference to FIGS. Show it:

1 eine schematische Darstellung eines Aktorelementes gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung, 1 a schematic representation of an actuator element according to an embodiment of the invention,

2 eine schematische Schnittdarstellung des in 1 gezeigten Aktorelementes, 2 a schematic sectional view of the in 1 shown actuator element,

3 eine schematische Darstellung eines wie in 1 gezeigten Aktorelementes unter Druckbeaufschlagung, und 3 a schematic representation of a as in 1 shown actuator element under pressurization, and

4 eine schematische Darstellung eines Aktorelementes gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung. 4 a schematic representation of an actuator element according to a further embodiment of the invention.

Bevorzugte Ausführungsformen der ErfindungPreferred embodiments of the invention

1 und 2 zeigen schematisch ein Aktorelement 100, welches beispielsweise in der Robotertechnik oder für die Betätigung anderer Werkzeuge oder Hilfswerkzeuge als Antriebselement eingesetzt werden kann. 1 and 2 show schematically an actuator element 100 which can be used for example in robotics or for the operation of other tools or auxiliary tools as a drive element.

Das Aktorelement 100 weist einen zumindest bereichsweise elastisch ausgebildeten Grundkörper 10 auf, wobei sich der Grundkörper 10 im Wesentlichen über die gesamte Länge des Aktorelementes 100 erstreckt. Wie in 2 zu erkennen ist, ist der Grundkörper 10 hohl ausgebildet und weist einen druckbeaufschlagbaren Innenraum 11 auf.The actuator element 100 has an at least partially elastically formed body 10 on, being the main body 10 essentially over the entire length of the actuator element 100 extends. As in 2 can be seen, is the basic body 10 hollow and has a pressurizable interior 11 on.

An der Außenfläche des Grundkörpers 10 sind eine erste biegesteife Stützfläche 12 und eine zweite biegesteife Stützfläche 13 angeordnet, wobei die beiden biegesteifen Stützflächen 12, 13 beabstandet zueinander angeordnet sind, so dass diese nicht aneinander angrenzen. Die beiden Stützflächen 12, 13 erstrecken sich über jeweils zwei aneinander angrenzende, winklig zueinander angeordnete Seiten des Grundkörpers 10. Die erste Stützfläche 12 ist hier an einer ersten Stirnseite 14 des Grundkörpers 10 und an einem Bereich einer Unterseite 15 des Grundkörpers 10 angeordnet. Die zweite Stützfläche 13 ist an einer der ersten Stirnseite 14 gegenüberliegenden zweiten Stirnseite 16 des Grundkörpers 10 und an einem weiteren Bereich der Unterseite 15 des Grundkörpers 10 angeordnet. Die Stirnseiten 14, 16 des Grundkörpers 10 werden bei der hier gezeigten Ausgestaltung jeweils vollflächig von den Stützflächen 12, 13 überdeckt, so dass die Stirnseiten 14, 16 des Grundkörpers 10 durch die Stützflächen 12, 13 ebenfalls biegesteif ausgebildet sind und damit nicht verformt werden können. Der Grundkörper 10 wird somit bei der hier gezeigten Ausgestaltung an zumindest drei seiner mehreren Seiten von den Stützflächen 12, 13 eingefasst und stabilisiert. Im Querschnitt gesehen, bilden die Stützflächen 12, 13 jeweils eine L-Form aus, wie insbesondere in 2 erkennbar ist.On the outer surface of the main body 10 are a first rigid support surface 12 and a second rigid support surface 13 arranged, with the two rigid support surfaces 12 . 13 spaced apart from each other, so that they do not adjoin one another. The two support surfaces 12 . 13 extend over two adjacent, angularly arranged to each other sides of the body 10 , The first support surface 12 is here at a first end 14 of the basic body 10 and at an area of a base 15 of the basic body 10 arranged. The second support surface 13 is on one of the first end face 14 opposite second end face 16 of the basic body 10 and at another area of the bottom 15 of the basic body 10 arranged. The front ends 14 . 16 of the basic body 10 be at the here shown embodiment in each case over the entire surface of the support surfaces 12 . 13 covered so that the end faces 14 . 16 of the basic body 10 through the support surfaces 12 . 13 are also formed rigid and thus can not be deformed. The main body 10 Thus, in the embodiment shown here on at least three of its several sides of the support surfaces 12 . 13 edged and stabilized. Seen in cross section, form the support surfaces 12 . 13 each an L-shape, as in particular in 2 is recognizable.

Die Unterseite 15 des Grundkörpers 10 ist nicht vollständig von den Stützflächen 12, 13 abgedeckt, sondern zwischen den beiden Stützflächen 12, 13 ist ein Spalt ausgebildet. Im Bereich dieses Spalts ist ein elastisch ausgebildetes Führungsgelenk 17 ausgebildet, welches hier einstückig mit dem Grundkörper 10 ausgebildet ist. Das Führungsgelenk 17 erstreckt sich über die gesamte Breite des Grundkörpers 10 und damit des Aktorelementes 100. Das Führungsgelenk 17 weist eine Bogenform auf, wobei die Bogenform in Richtung des Innenraumes 11 des Grundkörpers 10 gerichtet ist, so dass eine Drehachse des Führungsgelenks 17 nahe der Unterseite 15 des Grundkörpers 10 bzw. in dem Grundkörper 10 und damit in dem Aktorelement 100 selber ausgebildet ist. Das Führungsgelenk 17 ist vorzugsweise biegeweich, jedoch torsionssteif ausgebildet. Bei einer Druckbeaufschlagung des Innenraumes 11 des Grundkörpers 10 können durch eine Verformung bzw. Biegung des Grundkörpers 10 die erste biegesteife Stützfläche 12 und die zweite biegesteife Stützfläche 13 um die durch das Führungsgelenk 17 ausgebildete Drehachse, welche entlang der Breite des Grundkörpers 10 bzw. des Aktorelementes 100 und damit quer zur Längserstreckung des Grundkörpers 10 bzw. des Aktorelementes 100 ausgebildet ist, relativ zueinander bewegt, insbesondere verschwenkt, werden, wie dies beispielsweise in 3 schematisch angedeutet ist.The bottom 15 of the basic body 10 is not complete from the support surfaces 12 . 13 covered, but between the two support surfaces 12 . 13 a gap is formed. In the area of this gap is an elastically formed hinge 17 formed, which here in one piece with the body 10 is trained. The hinge 17 extends over the entire width of the body 10 and thus of the actuator element 100 , The hinge 17 has an arcuate shape, wherein the arcuate shape in the direction of the interior 11 of the basic body 10 is directed, so that a rotation axis of the guide joint 17 near the bottom 15 of the basic body 10 or in the main body 10 and thus in the actuator element 100 is self-trained. The hinge 17 is preferably flexible, but torsionally stiff. At a pressurization of the interior 11 of the basic body 10 can by a deformation or bending of the body 10 the first rigid support surface 12 and the second rigid support surface 13 around the through the joint 17 trained axis of rotation, which along the width of the body 10 or of the actuator element 100 and thus transversely to the longitudinal extent of the body 10 or of the actuator element 100 is formed, relative to each other moves, in particular pivoted, as in, for example, in 3 is indicated schematically.

Um möglichst große Biegewinkel bei einer Druckbeaufschlagung des Innenraumes 11 des Grundkörpers 10 erreichen zu können, weist der Grundkörper 10 bereichsweise eine balgartige Kontur 18 auf, bei welcher insbesondere die gegenüberliegend zu der Unterseite 15 liegende Oberseite 19 des Grundkörpers 10 eine Wellenform aufweist, die die balgartige Kontur 18 ausbildet. Durch diese Wellenform und damit die balgartige Kontur 18 kann der Grundkörper 10 in diesem Bereich bei einer Biege- bzw. Rotationsbewegung des Aktorelementes 100 um das Führungsgelenk 17 gedehnt und/oder gestaucht werden, wodurch wiederum der Biegewinkel des Grundkörpers 10 und damit des Aktorelementes 100 verändert werden kann.To the largest possible bending angle at a pressurization of the interior 11 of the basic body 10 to reach, the body has 10 partially a bellows-like contour 18 on, in which in particular the opposite to the bottom 15 lying top 19 of the basic body 10 has a waveform that the bellows-like contour 18 formed. Through this waveform and thus the bellows-like contour 18 can the basic body 10 in this area during a bending or rotational movement of the actuator element 100 around the hinge 17 be stretched and / or compressed, which in turn the bending angle of the body 10 and thus of the actuator element 100 can be changed.

Bei der in 1 und 2 gezeigten Ausgestaltung weist die balgartige Kontur drei nebeneinander angeordnete Bälge 20a, 20b, 20c auf, wodurch ein Biegewinkel des Grundkörpers 10 und damit des Aktorelementes 100 von bis zu 110° erreicht werden kann. Bei einer Erhöhung der Anzahl der Bälge 20a, 20b, 20c von beispielsweise mehr als drei Bälgen 20a, 20b, 20c kann der Biegewinkel weiter erhöht werden. Dadurch, dass die balgartige Kontur 18 unter anderem an der Oberseite 19 des Grundkörpers 10 ausgebildet ist, ist die balgartige Kontur 18 gegenüberliegend zu dem Führungsgelenk 17 an dem Grundkörper 10 ausgebildet.At the in 1 and 2 In the embodiment shown, the bellows-like contour has three bellows arranged next to one another 20a . 20b . 20c on, creating a bending angle of the main body 10 and thus of the actuator element 100 of up to 110 ° can be achieved. With an increase in the number of bellows 20a . 20b . 20c for example, more than three bellows 20a . 20b . 20c the bending angle can be further increased. Because of the bellows-like contour 18 among other things at the top 19 of the basic body 10 is formed, is the bellows-like contour 18 opposite to the hinge 17 on the body 10 educated.

Der elastische Material des Grundkörpers 10 kann unterschiedliche Härtegrade aufweisen, wobei insbesondere in den Übergangsbereichen 26, 27 zwischen jeweils zwei Bälgen 20a, 20b, 20c das Material des Grundkörpers 10 eine größere Härte aufweisen kann, als im Bereich der Bälge 20a, 20b, 20c selber. Beispielsweise kann das Material des Grundkörpers 10 in den Übergangsbereichen 26, 27 eine Shore-Härte A von 95 und in dem Bereich der Bälge 20a, 20b, 20c selber eine Shore-Härte A von 25 aufweisen.The elastic material of the body 10 may have different degrees of hardness, in particular in the transition areas 26 . 27 between two bellows 20a . 20b . 20c the material of the main body 10 may have a higher hardness than in the bellows 20a . 20b . 20c himself. For example, the material of the main body 10 in the transition areas 26 . 27 a Shore A hardness of 95 and in the area of the bellows 20a . 20b . 20c itself have a Shore A hardness of 25.

Zur Realsierung einer Verformung, insbesondere eine Biege- bzw. Rotationsbewegung, des Grundkörpers 10 und damit des Aktorelementes 100 wird der Innenraum 11 des Grundkörpers 10 mit einem Druck in Form eines Überdrucks oder eines Unterdrucks beaufschlagt. Die Druckbeaufschlagung kann durch Zufuhr eines gasförmigen oder flüssigen Fluids in den Innenraum 11 des Grundkörpers 10 erfolgen. Hierfür ist zumindest an einer der beiden Stützflächen 12, 13, hier an der ersten Stützfläche 12, eine Zuführöffnung 21 zum Zuführen des Fluids ausgebildet. Korrespondierend zu der Zuführöffnung 21 an der ersten Stützfläche 12 ist an dem Grundkörper 10 ebenfalls eine Öffnung 22 ausgebildet, über welche das Fluid in den Innenraum 11 des Grundkörpers 10 einströmen kann.For realizing a deformation, in particular a bending or rotational movement, of the basic body 10 and thus of the actuator element 100 becomes the interior 11 of the basic body 10 subjected to a pressure in the form of an overpressure or a negative pressure. The pressurization may be by supplying a gaseous or liquid fluid into the interior 11 of the basic body 10 respectively. This is at least on one of the two support surfaces 12 . 13 , here at the first support surface 12 , a feed opening 21 designed to supply the fluid. Corresponding to the feed opening 21 on the first support surface 12 is on the body 10 also an opening 22 formed, via which the fluid into the interior 11 of the basic body 10 can flow in.

Der Innenraum 11 des Grundkörpers 10 ist wiederum in mehrere Druckkammern 23a, 23b, 23c unterteilt, wobei pro Balg 20a, 20b, 20c eine Druckkammer 23a, 23b, 23c vorgesehen ist, welche sich jeweils über die Breite eines Balgs 20a, 20b, 20c erstrecken. Die benachbart zueinander angeordneten Druckkammern 23a, 23b, 23c stehen über jeweils eine Öffnung 24, 25 in fluidleitender Verbindung miteinander, so dass über die erste Öffnung 24 von der ersten Druckkammer 23a in die zweite Druckkammer 23b und umgekehrt Fluid strömen kann und so dass über die zweite Öffnung 25 von der zweiten Druckkammer 23b in die dritte Druckkammer 23c und umgekehrt Fluid strömen kann. Der Durchmesser der Öffnungen 22, 24, 25 ist dabei wesentlich kleiner als der Durchmesser der Druckkammern 23a, 23b, 23c.The interior 11 of the basic body 10 is again in several pressure chambers 23a . 23b . 23c divided, with each bellows 20a . 20b . 20c a pressure chamber 23a . 23b . 23c is provided, which in each case across the width of a bellows 20a . 20b . 20c extend. The adjacently arranged pressure chambers 23a . 23b . 23c each have an opening 24 . 25 in fluid communication with each other, such that via the first opening 24 from the first pressure chamber 23a in the second pressure chamber 23b and, conversely, fluid can flow and so over the second opening 25 from the second pressure chamber 23b in the third pressure chamber 23c and, conversely, fluid can flow. The diameter of the openings 22 . 24 . 25 is much smaller than the diameter of the pressure chambers 23a . 23b . 23c ,

In 3 ist eine Prinzipskizze des in 1 und 2 gezeigten Aktorelementes 100 unter Druckbeaufschlagung gezeigt, wobei die Druckbeaufschlagung durch die Zuführung eines Fluids realisiert ist, wie mit dem Pfeil angedeutet ist. Durch die Druckbeaufschlagung mittels eines Fluids ist der Grundkörper 10 und damit das Aktorelement 100 hier in einem Biegewinkel von 90° um die Drehachse des Führungsgelenks 17 gebogen, so dass die an dem Grundkörper 10 angeordneten Stützflächen 12, 13 relativ zueinander bewegt, insbesondere verschwenkt, sind. Durch die Biegung des Grundkörpers 10 wird die balgartige Kontur 18 vergleichmäßigt bzw. nahezu aufgehoben, so dass die mehrere Biegungen aufweisende Wellenform der balgartigen Kontur 18 in eine Biegung übergeht.In 3 is a schematic diagram of the in 1 and 2 shown actuator element 100 under Pressurization shown, wherein the pressurization is realized by the supply of a fluid, as indicated by the arrow. By the pressurization by means of a fluid is the main body 10 and thus the actuator element 100 here in a bending angle of 90 ° about the axis of rotation of the guide joint 17 bent, so that on the main body 10 arranged support surfaces 12 . 13 moved relative to each other, in particular pivoted are. Due to the bending of the body 10 becomes the bellows-like contour 18 evened or almost canceled, so that the multiple bends having waveform of the bellows contour 18 turns into a bend.

4 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Aktorelementes 100, wobei hierbei das Aktorelement 100 in Form eines Rotations-Zug-Aktorelementes ausgebildet ist. Das in 3 gezeigte Prinzip zur Rotation bzw. Biegung in Form von Druckausübung wird hier umgekehrt in eine Zugbeanspruchung. Bei einer Druckbeaufschlagung dehnt sich hierbei der Grundkörper 10 und damit das Aktorelement 100 von der in 4 gezeigten gebogenen Ausgangsform in eine gerade, gestreckte Position, so dass die Stirnflächen 14, 16 des Grundkörpers 10, wie in 1 und 2 gezeigt ist, wieder parallel zueinander angeordnet sind. 4 shows a further embodiment of an actuator element 100 , in which case the actuator element 100 is formed in the form of a rotary tension actuator element. This in 3 shown principle for rotation or bending in the form of pressure is reversed here in a tensile stress. When pressurized, in this case, the main body expands 10 and thus the actuator element 100 from the in 4 shown curved starting shape in a straight, extended position, so that the end faces 14 . 16 of the basic body 10 , as in 1 and 2 is shown again arranged parallel to each other.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von den dargestellten Lösungen auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiven Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.The invention is not limited in its execution to the above-mentioned preferred embodiments. Rather, a number of variants is conceivable, which makes use of the solutions shown even in fundamentally different versions. All features and / or advantages resulting from the claims, the description or the drawings, including design details, spatial arrangements and method steps, can be essential to the invention, both individually and in the most diverse combinations.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100100: Aktorelementactuator
1010: Grundkörperbody
1111: Innenrauminner space
1212: Erste StützflächeFirst support surface
1313: Zweite StützflächeSecond support surface
1414: Erste StirnseiteFirst front page
1515: Unterseitebottom
1616: Zweite StirnseiteSecond front side
1717: Führungsgelenkjoint
1818: Balgartige KonturBalloon contour
1919: Oberseitetop
20a20a: Erster BalgFirst bellows
20b20b: Zweiter BalgSecond bellows
20c20c: Dritter BalgThird bellows
2121: Zuführöffnungfeed
2222: Öffnungopening
23a23a: Erste DruckkammerFirst pressure chamber
23b23b: Zweite DruckkammerSecond pressure chamber
23c23c: Dritte DruckkammerThird pressure chamber
2424: Öffnungopening
2525: Öffnungopening
2626: ÜbergangsbereichTransition area
2727: ÜbergangsbereichTransition area

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102012006608 A1 [0002]

Claims

Actuator element ( 100 ), with an at least partially elastically formed body ( 10 ), which has a pressurizable interior ( 11 ), a first rigid support surface ( 12 ) and at least one second rigid support surface ( 13 ), which in each case on the basic body ( 10 ) are arranged, and an elastically formed hinge ( 17 ), which between the first rigid support surface ( 12 ) and the second rigid support surface ( 13 ) is formed, wherein at a pressurization of the interior ( 11 ) of the basic body ( 10 ) the first rigid support surface ( 12 ) and the second rigid supporting surface ( 13 ) one by the hinge ( 17 ) formed axis of rotation are movable relative to each other.

Actuator element ( 100 ) according to claim 1, characterized in that the basic body ( 10 ) in an elastic region a bellows-like contour ( 18 ), wherein the bellows-like contour ( 18 ) of the basic body ( 10 ) opposite to the guide joint ( 17 ) is trained.

Actuator element ( 100 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the guide joint ( 17 ) has an arcuate shape, the arcuate shape in the direction of the interior ( 11 ) of the basic body ( 10 ).

Actuator element ( 100 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the guide joint ( 17 ) in one piece with the main body ( 10 ) is trained.

Actuator element ( 100 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the guide joint ( 17 ) is formed torsionally rigid.

Actuator element ( 100 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that when pressure is applied to the interior ( 11 ) of the basic body ( 10 ) The interior ( 11 ) can be acted upon by an overpressure or a negative pressure.

Actuator element ( 100 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the pressurization of the interior ( 11 ) of the basic body ( 10 ) by supplying a fluid, wherein a feed opening ( 21 ) for supplying the fluid to the first support surface ( 12 ) and / or the second support surface ( 13 ) is trained.

Actuator element ( 100 ) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the interior ( 11 ) of the basic body ( 10 ) at least one pressure chamber ( 23a . 23b . 23c ), wherein with two or more pressure chambers ( 23a . 23b . 23c ) adjacent to each other pressure chambers ( 23a . 23b . 23c ) are in fluid communication with each other.

Actuator element ( 100 ) according to one of claims 1 to 8, characterized in that the support surfaces ( 12 . 13 ) in each case at least in regions over at least two mutually adjoining, mutually angled sides of the basic body ( 10 ).

Actuator element ( 100 ) according to one of claims 1 to 9, characterized in that the basic body ( 10 ) and / or the joint ( 17 ) are formed of a rubber-elastic material, in particular a polyurethane material.