| 1. | Vorrichtung zum Bewegen eines Körpers (6) oder eines Körperverbandes (6,7) durch Betätigungselemente (1, 2,3, 4), wobei die Betätigungselemente (1, 2,3, 4) durch Bewegungen Kräfte auf den Körper (6) beziehungsweise auf den Körperverband (6,7) übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass vier Betätigungselemente (1, 2,3, 4) unmittelbar oder mittelbar an dem Körper (6) oder an dem Körperverband (6,7) angreifen und dass durch das Zusammenwirken der einzelnen Betätigungselemente (1, 2,3, 4) der Körper (6) im Raum drehbar und/oder schwenkbar ist, beziehungsweise der Körperverband (6, 7) im Raum drehbar und/oder schwenkbar und zusätzlich in sich beweglich ist. |
| 2. | Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (6) in bis zu drei rotatorischen Freiheitsgraden beweglich gelagert ist. |
| 3. | Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper verband (6,7) mindestens zwei gelenkig miteinander verbundene Elemente umfasst. |
| 4. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Körperverband (6, 7) wenigstens einen translatorischen Freiheitsgrad enthalten kann. |
| 5. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Körperverband (6,7) einen rotatorischen Freiheitsgrad enthalten kann. |
| 6. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (6) und/oder der Körper (7) biegesteif sein kann. |
| 7. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (6) und/oder der Körper (7) elastisch sein kann. |
| 8. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungselemente (1, 2,3, 4) derart angeordnet sind, dass ein eindeutiger Zu sammenhang zwischen der Anordnung und/oder der Länge der Betätigungselemente (1, 2,3, 4) einerseits und der Position und Ausrichtung des Körpers (6) beziehungsweise des Körperverbandes (6,7) andererseits besteht. |
| 9. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Körper (6) abgewandten Fußpunkte der Betätigungselemente (1, 2,3, 4) belie big im Raum angeordnet sind. |
| 10. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei Angreifen von Zugkräften an den Betätigungselementen (1, 2,3, 4) oder durch die Betätigungselemente (1, 2,3, 4) eine Vorzeichenmatrix der resultierenden Drehmomen te am Körper (6) nach Tabelle 1 entsteht. |
| 11. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei Angreifen von Druckkräften an den Betätigungselementen (1, 2,3, 4) oder durch die Betätigungselemente (1, 2,3, 4) eine Vorzeichenmatrix der resultierenden Drehmomen te am Körper (6) nach Tabelle 2 entsteht. |
| 12. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Körper (6) beziehungsweise dem Körperverband (6,7) beliebige Befestigungskon struktionen zugeordnet sind, an welchen die Betätigungselemente (1, 2,3, 4) angreifen. |
| 13. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungskonstruktionen beliebig vom Körper (6) oder vom Körperverband (6,7) abragen können. |
| 14. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungselemente längenveränderbar sind. |
| 15. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Betätigungselemente (1, 2,3, 4) wenigstens einen elektrischen, elektromechanischen, elektrohydraulischen, pneumatischen, hydraulischen, magneti schen oder anderen Aktor enthalten kann. |
| 16. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Betätigungselemente (1, 2,3, 4) wenigstens einen sogenannten pneumatischen Muskel, chemischen Muskel oder einen anderen flexiblen Zugaktor enthalten kann. |
| 17. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Betätigungselemente (1, 2,3, 4) ein Gestänge sein kann. |
| 18. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungselemente (1, 2,3, 4) flexible Elemente wie Seile, Fäden, Drähte und dergleichen enthalten können. |
| 19. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Betätigungselemente (1, 2,3, 4) wenigstens ein federndes Element enthalten kann. |
| 20. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Betätigungselemente (1, 2,3, 4) elastisch sein kann. |
| 21. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Betätigungselemente (1, 2,3, 4) wenigstens ein schwingungs dämpfendes Element enthalten kann. |
| 22. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungselemente (1, 2,3, 4) und/oder die Körper (6,7) von einer natürlichen oder künstlichen Hülle umschlossen werden können. |
| 23. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass sie endoskopisch in Organismen eingesetzt werden kann. |
| 24. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehund/oder Schwenkbewegungen des Körpers (6) beziehungsweise die Dreh und/oder Schwenkbewegungen und/oder die innere Bewegung des Körperverbandes (6, 7) messtechnisch erfassbar sind. |
| 25. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Betätigungselemente (1, 2,3, 4) wenigstens einen Weg, Ab stands, Winkel, Geschwindigkeits, Kraftoder anderen Sensor enthalten kann. |
| 26. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren die Länge, die Position oder andere geometrische Größen der Betätigungs elemente (1, 2,3, 4) messen können. |
| 27. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren physikalische Größen zur indirekten Ermittlung der Länge oder anderer geometrischer Größen der Betätigungselemente (1, 2,3, 4) messen können. |
| 28. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungselemente (1, 2,3, 4) computersteuerbar sind. |
| 29. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Steuerknüppel eingesetzt werden kann. |
| 30. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass von außen Kräfte auf den Körper (6) beziehungsweise auf den Körperverband (6,7) einwirken können, welche die Position, die Länge und/oder die Ausrichtung der Betäti gungselemente verändern können. |
| 31. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass sie mittels Sensoren an den Betätigungselementen (1, 2,3, 4) Sollwerte über wenigstens einen Regelkreis an wenigstens eine andere erfindungsgemäße Vorrichtung führen kann, deren Betätigungselemente (1, 2,3, 4) Aktoren enthalten. |
| 32. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindung des Körpers (6) mit Körper (7) wenigstens ein zusätzliches kraftüber tragendes Betätigungselement vorhanden sein kann. |
| 33. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass dem Körper (6) oder dem Körperverband (6,7) ein Greifer oder ein sonstiges Werkzeug zugeordnet ist. |
| 34. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Körper (6) beziehungsweise Körperverbände (6,7) hintereinander angeordnet und beweglich miteinander verbunden sind und jedem der Körper (6) beziehungsweise jedem der Körperverbände (6,7) Betätigungselemente (1, 2,3, 4) zugeordnet sind. |
| 35. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass sie als künstliches Bein, künstlicher Arm, künstliche Flosse, künstlicher Flügel oder andere künstliche Gliedmaße in Robotern oder anderen technischen Geräten eingesetzt werden kann. |
| 36. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungselemente (1, 2,3, 4) an wenigstens einer menschlichen, tierischen oder künstlichen Gliedmaße (6) befestigt werden können. |
| 37. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Vorrichtung (8) die Fußpunkte der Betätigungselemente (1, 2,3, 4) fest mit dem XYZKoordinatensystem des Hüft, Schulteroder anderen Gelenkes (5) ver bindet. |
| 38. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Vorrichtung (9) die Kopfpunkte der Betätigungselemente (1, 2,3, 4) fest mit dem UVWKoordinatensystem der Gliedmaße (6) verbindet. |
| 39. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Betätigungselemente (1, 2,3, 4) untereinander berühren können. |
| 40. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Betätigungselemente (1, 2,3, 4) den Körper (6) oder den Körperverband (6,7) berühren kann. |
| 41. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Trainingsgerät für eine aktiv arbeitende Gliedmaße (6) eingesetzt werden kann. |
| 42. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass in oder an ihr die Gliedmaße (6) passiv geführt werden kann. |
| 43. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass die Gliedmaße (6) computergesteuert geführt werden kann. |
| 44. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass die gewünschten Bewegungen der Gliedmaße (6), beziehungsweise des Körpers (6) und beziehungsweise des Körperverbandes (6,7) wie in der Robotik üblich, in einem soge nannten"Teachingprozess"programmiert werden können. |
| 45. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass Nervenimpulse gemessen und mittels der Betätigungselemente (1, 2,3, 4) kraftverstärkt auf die Gliedmaße (6) übertragen werden können. |
| 46. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass unerwünschte Bewegungen der Gliedmaße mechanisch und/oder computergesteuert vermieden werden können. |
| 47. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 46, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Prothese eingesetzt werden kann. |
| 48. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 47, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Orthese eingesetzt werden kann. |
| 49. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 48, dadurch gekennzeichnet, dass sie zum Halten und/oder Bewegen von Gegenständen verwendet werden kann. |
| 50. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 49, dadurch gekennzeichnet, dass sie in der Nanotechnologie eingesetzt werden kann. |
Im Konkreten betriSt die Erfindung eine Vorrichtung, mit welcher simultan Bewegun- gen in bis zu vier Freiheitsgraden auf einen Körper oder auf mehrere beweglich mitein- ander verbundene Körper (Körperverband) übertragbar sind (primärer Zweck). Von den vier Freiheitsgraden sind drei rotatorisch. Der verbleibende Freiheitsgrad kann entweder translatorisch oder rotatorisch sein. Der Körper ist vorzugsweise ein Kugelgelenkarm, der Körperverband besteht vorzugsweise aus einem Kugelgelenkarm mit einem beweg- lich daran befestigten Aufsatz.
Zusätzlich ist es mit der Erfindung möglich, messtechnisch die Bewegungszustände (z. B. Position und Geschwindigkeit) der Betätigungselemente zu erfassen. Aus diesen Messgrößen können die Bewegungszustände des Körpers bzw. des Körperverbandes berechnet werden (sekundärer Zweck).
Allgemein gilt : Ein Körper kann Bewegungen in sechs theoretisch möglichen Freiheits- graden ausführen. Davon sind drei rotatorisch und drei translatorisch. Bisher werden in der Robotertechnik hauptsächlich Scharniergelenke eingesetzt. An einem Scharnierge- lenk kann ein Elektromotor oder ein die beiden Gelenkarme verbindender Pneumatikzy- linder eine Drehbewegung mit einem Freiheitsgrad übertragen. Auch das simultane Übertragen von Drehbewegungen mit zwei Freiheitsgeraden ist bereits bekannt.
Auch das simultane Übertragen von Drehbewegungen mit 2 Freiheitsgeraden ist bereits b nnt. So wird ein Kugelgelenkarm von 3 im Winkel von 120° versetzt angebrachten Pneumatikzylindern in eine beliebige Lage innerhalb eines bestimmten Bereiches ge- bracht. Dieser Bewegungsbereich des Kugelgelenkarms ist ein Ausschnitt aus einer Kugel. Eine Verdrehung längs des Kugelgelenkarms ist jedoch nicht möglich.
Der sogenannte"Flexpicker"von der Firma ABB ermöglicht das Ausfahren eines tele- skopartigen Kugelgelenkarms und außerdem die erwähnte Verdrehung entlang der Längsachse. Diese Verdrehung erfolgt jedoch durch einen einzelnen Rotationsmotor und nicht wie in dieser Erfindung durch die Kombinationen von Einzelbewegungen der Betätigungselemente. Insgesamt besitzt er vier Freiheitsgrade.
Die neu erfundene Vorrichtung kann ebenfalls Bewegungen in bis zu vier Freiheitsgra- de verwirklichen. Dazu werden Betätigungselemente 1, 2,3, 4 auf erfindungsgemäße Weise mit dem zu bewegenden Körper 6 oder dem zu bewegenden Körperverband 6,7 verbunden. Durch das Zusammenspiel der vier Betätigungselemente 1, 2,3, 4 kann der Körper 6 oder der aus mehreren Körpern bestehende Körperverband 6,7 in bis zu vier Freiheitsgraden gezielt simultan bewegt werden.
Auch andere technische Vorrichtungen, wie z. B. der sogenannte"Hexapod"beruhen auf dem gleichzeitigen Zusammenspiel von mehreren Betätigungselementen. Der"He- xapod"gehört in die Klasse der Roboter mit einer sogenannten Parallelkinematik. Er hat sechs Freiheitsgrade.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsbildende Vorrich- tung derart auszugestalten und weiterzubilden, dass in der Natur realisierte Kombinatio- nen von Rotationsbewegungen möglich sind.
Die voranstehende Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Danach ist eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Bewegen eines Körpers 6 oder eines Körperverbandes 6,7 derart ausgestaltet und weitergebildet, dass mindestens drei Betä- tigungselemente unmittelbar oder mittelbar an dem Körper angreifen und dass durch das Zusammenwirken der einzelnen Betätigungselemente der Körper im Raum drehbar und/oder schwenkbar ist.
Mit der Erfindung lassen sich simultan : 1. Drehbewegungen auf einen Körper 6 in allen 3 theoretisch möglichen rotato- rischen Freiheitsgraden übertragen (Fall"A").
2. Drehbewegungen in 3 rotatorischen Freiheitsgraden und zusätzlich eine Translationsbewegung auf einen Körperverband 6,7 übertragen (Fall"B").
3. Drehbewegungen in 4 rotatorischen Freiheitsgraden auf einen Körperver- band 6,7 übertragen (Fall"C").
Es folgt zunächst eine Beschreibung für den Fall"A". In der Natur ist das Prinzip der Erfindung bereits verwirklicht. So kann z. B. der menschliche Oberschenkel im Verhält- nis zur Hüfte gleichzeitig Kombinationen von drei Rotationsbewegungen ausführen.
Diese Bewegungen sind : nach vorne bzw. nach hinten, seitwärts und eine Verdrehung längs des Oberschenkels.
Die durch die Natur vorgegebenen Drehbewegungen lassen sich erfindungsgemäß nachahmen. Praktische Anwendungen sind in der Robotertechnik zu erwarten. Durch das Vereinen mehrerer rotatorischer Freiheitsgrade in einem einzigen Gelenk können drei Scharniergelenke eingespart werden. Auf Roboter angewendet resultiert dies in einer Platz-und Gewichtsersparnis.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen und mit Bezug auf die beilie- genden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen sind mit einer Nummer und mit einem Index versehen (z. B. Fig. la). Zeichnungen mit dem Index"a"zeigen stets ein perspektivisches Bild der Erfindung. Zeichnungen mit dem Index"b"zeigen die Sicht von oben (Draufsicht). Der Index"c"bezeichnet eine Seitenansicht, wobei je nach vorteilhafterer Darstellung die XZ-oder die YZ-Ebene gewählt wurde.
Es wird ein kartesisches Bezugskoordinatensystem mit den Achsen X, Y und Z defi- niert. Die Rotationsachsen Rx, Ry, Rz des Körpers 6 befinden sich fest im Koordinaten- system XYZ. Die Lage des in drei rotatorischen Freiheitsgraden beweglich gelagerten Körpers 6 wird durch das körperfeste kartesische Koordinatensystem mit den Achsen U, V und W beschrieben.
Die Abbildungen Fig. 1 (a, b, c) bis Fig. 5 (a, b, c) zeigen die prinzipielle Wir- kungsweise der Erfindung für den Fall"A". Das Bauteil 5 stellt eine oder mehrere beliebige Einrichtungen dar, in der bzw. in denen der Körper 6 so gelagert ist, dass er in drei Freiheitsgraden rotieren kann. Im dargestellten Beispiel ist Bauteil 5 die Pfanne eines Kugelgelenks.
Vom Bezugssystem XYZ aus sind auf erfindungsgemäße Weise Kräfte auf den Körper 6 zu übertragen. Dazu sind beliebige kraftübertragende Betätigungselemente 1, 2,3, 4 geeignet. In dem in den Zeichnungen Fig. 1 (a, b, c) bis Fig. 5 (a, b, c) dargestellten Beispiel erfolgt die Kraftübertragung mit Hubzylindern.
In den Figuren la, Ib und lc ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in ihrer Grundstel- lung dargestellt. In der Grundstellung verläuft die X-Achse parallel zur U-Achse, die Y- Achse parallel zur V-Achse und die Z-Achse parallel zur W-Achse. In ihr überlagern sich die Rotationsachsen Rx, Ry, und Rz mit dem körperfesten Koordinatensystem UVW Nun sollen zunächst die Kippungen um die drei Basisachsen dargestellt werden. Diese drei Einzelrotationen, im Folgenden Basisrotationen genannt, werden dann in eine kombinierte Rotation zusammengefasst.
Im Folgenden werden die dem Körper 6 beziehungsweise 7 abgewandten Enden der Betätigungselemente Fußpunkte genannt. Die dem Körper 6 beziehungsweise 7 zuge- wandten Enden der Betätigungselemente werden Kopfpunkte genannt. Die Strecke, welche die beiden Endpunkte eines Betätigungselementes auf kürzestem Wege verbin- det, sei ihre Verbindungsstrecke.
Die Figuren 2a, 2b und 2c zeigen eine Kippung um die Rx-Achse. Sie wird dadurch erreicht, dass sich die Betätigungselemente folgendermaßen bewegen beziehungsweise bewegt werden.
Der Fuß-und der Kopfpunkt von Betätigungselement 3 nähern sich an. Der Fuß-und der Kopfpunkt von Betätigungselement 4 nähern sich an. Der Fuß-und der Kopfpunkt von Betätigungselement 1 entfernen sich voneinander. Der Fuß-und der Kopfpunkt von Betätigungselement 2 entfernen sich voneinander.
Die Rotation erfolgt in entgegengesetzter Richtung, wenn sich die Verbindungsstrecken der Betätigungselemente 1, 2,3, 4 entgegen der eben beschriebenen Richtungen verän- dern.
Eine Kippung um die Ry-Achse ist in den Figuren 3a, 3b und 3c dargestellt. Sie wird dadurch erreicht, dass sich die Betätigungselemente folgendermaßen bewegen bezie- hungsweise bewegt werden.
Der Fuß-und der Kopfpunkt von Betätigungselement 2 nähern sich an. Der Fuß-und der Kopfpunkt von Betätigungselement 3 nähern sich an. Der Fuß-und der Kopfpunkt von Betätigungselement 1 entfernen sich voneinander. Der Fuß-und der Kopfpunkt von Betätigungselement 4 entfernen sich voneinander.
Die Rotation erfolgt in entgegengesetzter Richtung, wenn sich die Verbindungsstrecken der Betätigungselemente 1, 2,3, 4 entgegen der eben beschriebenen Richtungen verän- dern.
Die Figuren 4a, 4b und 4c zeigen eine Kippung um die Rz-Achse. Sie wird dadurch erreicht, dass sich die Betätigungselemente folgendermaßen bewegen beziehungsweise bewegt werden.
Der Fuß-und der Kopfpunkt von Betätigungselement 2 nähern sich an. Der Fuß-und der Kopfpunkt von Betätigungselement 4 nähern sich an. Der Fuß-und der Kopfpunkt von Betätigungselement 1 entfernen sich voneinander. Der Fuß-und der Kopfpunkt von Betätigungselement 3 entfernen sich voneinander.
Die Rotation erfolgt in entgegengesetzter Richtung, wenn sich die Verbindungsstrecken der Betätigungselemente 1, 2,3, 4 entgegen der eben beschriebenen Richtungen verän- dern.
In den Figuren 2 (a, b, c) bis 4 (a, b, c) ist beispielhaft dargestellt, wie sich durch paar- weises Verlängern oder Verkürzen von jeweils zwei der vier kraftübertragenden Betäti- gungselemente die drei Basisrotationen realisieren lassen. Vier Eingangsgrößen (Län- gen der Betätigungselemente 1, 2,3, 4) werden somit zu drei Ausgangsgrößen (Rotati- onswinkel (px, (py, (pz). Für die Basisrotationen folgt eine Erklärung : Eines der Betätigungselemente 1, 2,3, 4 hat genau drei Möglichkeiten, mit einem ande- ren dieser Betätigungselemente ein Paar"A"zu bilden, welches sich gemeinsam ver- längert oder verkürzt. Das übrigbleibende Paar"B"bewegt sich entgegengesetzt zu "A". Wenn"A"gewählt wurde, ist deshalb auch"B"bekannt.
Wurden ein sich verlängerndes Paar"A"und ein sich verkürzendes Paar"B"gewählt, so kann mit ihm eine Basisrotation verwirklicht werden. Da es drei Möglichkeiten gibt, sich verlängernde und verkürzende Paare"A"und"B"zu bilden, können die Drehbe- wegungen um die drei Achsen (Rx, Ry, Rz) realisiert werden. Somit ist für die Basisro- tationen gezeigt, wie aus vier Eingangsdaten (Längen der Betätigungselemente 1, 2,3, 4) die drei Ausgangsdaten (Rotationswinkel (px, (py, (pz) erzeugt werden.
Der eigentliche Vorteil der Erfindung besteht darin, innerhalb eines Bereiches beliebige Kombinationen der Basisrotationen am drehbar gelagerten Körper 6 ausführen zu kön- nen. Dies geschieht folgendermaßen : Dazu werden die für die Basisrotationen notwendigen Längenänderungen der Betäti- gungselemente 1, 2,3, 4 überlagert.
In den Figuren 5 (a, b, c) ist eine Kombination der besprochenen Basisrotationen zu sehen. Der Körper 6 ist um die X-, die Y-und die Z-Achse gedreht. Die Betätigungs- elemente 1, 2,3, 4 verkürzen oder verlängern sich entsprechend.
Es besteht ein eindeutiger Zusammenhang zwischen den vier Eingangsgrößen (Längen der Betätigungselemente 1, 2,3, 4) und den drei Ausgangsgrößen (Rotationswinkel (px, (py, (pz). Dieser Sachverhalt wird zur Übertragung von Drehungen genutzt (primärer Zweck).
Es besteht ebenfalls ein eindeutiger Zusammenhang zwischen den drei Eingangsgrößen (Rotationswinkel (px, (py, (pz) und den vier Ausgangsgrößen (Längen der Betätigungs- elemente 1, 2,3, 4). Dieser Zusammenhang wird zur Messung der Rotationswinkel genutzt (sekundärer Zweck). Den Betätigungselementen 1, 2,3, 4 sind dann Sensoren zugeordnet, welche die Ermittlung von Längen ermöglichen. Dies kann direkt über eine Längenmessung oder über die Messung einer anderen physikalischen Größe geschehen, die eine Berechnung der Länge und/oder der Position erlaubt.
Die Betätigungselemente 1, 2,3, 4 können durch eine Zusatzvorrichtung eine Rich- tungsänderung erfahren. Dies zeigt beispielhaft die in Fig. 6 am Körper 6 verwendete gelochte Kreisscheibe zur Führung der Betätigungselemente (hier Fäden mit Winden).
Eine solche Zusatzvorrichtung kann einen erhöhten Rotationsbereich ermöglichen.
Außerdem kann der in drei Freiheitsgraden drehbar gelagerte Körper 6 selbst eine kraft- übertragende Vorrichtung sein, beispielsweise ein Pneumatikzylinder. Dann ist ein zusätzlicher translatorischer Freiheitsgrad in der Erfindung vorhanden. So ausgestattet ließe sich die Erfindung beispielhaft folgendermaßen zum Heben und Drehen von Werkstücken nutzen : Ein Werkstück, z. B. ein Rohr, liege der Länge nach in einer U-förmigen Schiene. Es soll in eine andere U-förmige Schiene an einen Anschlag gelegt werden. Beide Schie- nen verlaufen waagerecht, jedoch nicht parallel.
Die Betätigungselemente 1, 2,3, 4 und das Bauteil 5, in dem der zu bewegende Körper beweglich gelagert ist, sind an der Decke befestigt. Der Körper 6 ist hier ein Hubzylin- der, an dessen äußerem Ende eine Greifvorrichtung angebracht ist. Der Greifer nimmt das Rohr aus der ersten Schiene. Dazu muss der beweglich gelagerte Hubzylinder auf das Rohr ausgerichtet sein. Dann muss der Hubzylinder ausgefahren und nach dem Greifen ein Stück wieder eingefahren werden.
Nun wird das Werkstück in die zweite Schiene gelegt. Dazu richten die Betätigungs- elemente das getragene Rohr so aus, dass es parallel zur zweiten Schiene verläuft. Dann fährt der Hubzylinder aus und der Greifer legt das Rohr in die Schiene hinein.
Ein konventioneller Roboter, welcher dieselbe Aufgabe erledigen soll, ist aus wesent- lich mehr Bauteilen zusammengesetzt, als die Erfindung. Durch die Erfindung können demzufolge billigere Roboter hergestellt werden.
Denkbar ist auch eine Variante der Kraftübertragung mit flexiblen Elementen wie Fäden oder Seilen. Der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist verschieden vom vor- herigen Beispiel, doch das Prinzip der Kräfteführung ist dasselbe.
Weiterhin besteht die Möglichkeit der Kraftübertragung mit künstlichen Muskeln, z. B. mit pneumatischen, chemischen oder elektrochemischen Muskeln. Auch hier wiederholt sich das Prinzip der Kräfteführung.
Als Fall"B"wird die simultane Übertragung von Bewegungen in drei rotatorischen Freiheitsgraden und einem translatorischen Freiheitsgrad bezeichnet. Die erfindungs- gemäße Vorrichtung bleibt dieselbe. Sie wird jetzt aber auf einen Körperverband 6,7 angewandt. Die Fig. 7 zeigt eine beispielhafte Umsetzung.
Der Körperverband kann aus zwei oder mehr Körpern bestehen. Beispielsweise ist der eine Körper 6 ein Kugelgelenkarm, welcher als Hülse ausgebildet ist und der andere Körper 7 ein Vollzylinder, welcher passiv in der Hülse gleitet.
Wenn im Fall"A"gleich starke und gleichsinnig gerichtete Kräfte (entweder Zug-oder Druck) an allen Betätigungselementen wirken würden, so hätte das keine Auswirkung auf eine Lageveränderung des Körpers 6. Der Körper selbst würde gestaucht oder ge- dehnt. Im Fall"A"stehen den vier Eingangsgrößen (Längen der Betätigungselemente 1, 2,3, 4) nur drei Ausgangsgrößen (Rotationswinkel) gegenüber. Es ist aber möglich, mit vier unabhängigen Eingangsgrößen vier unabhängige Ausgangsgrößen zu steuern. Dies geschieht in den Fällen"B"und"C".
Im Fall"B"hat das Wirken von gleichsinnig gerichteten Kräften eine Bewegung des Körpers 7 zur Folge. Diese Bewegung kann linear sein. Sie kann aber, abhängig von der Gestaltung der Körper 6,7, z. B. auch gebogen sein. Es ist in jedem Falle möglich, den Abstand zwischen den Körpern 6,7 zu verändern. Im Folgenden wird angenommen, dass die durch gleichsinnig wirkende Kräfte hervorgerufene Bewegung linear sei (Translationsbewegung). Veranschaulicht wird diese Annahme durch Fig. 7.
Überlagert man die sich aus der Translationsbewegung ergebenden Verlängerungen oder Verkürzungen der der Verbindungsstrecken der Betätigungselemente 1, 2,3, 4 mit den aus den Drehbewegungen resultierenden Verlängerungen und Verkürzungen der Verbindungsstrecken der Betätigungselemente 1, 2,3, 4, so ergibt sich für den Körper 6 eine Rotation in drei Freiheitsgraden. Für den linear beweglich gelagerten Körper 7 jedoch ergibt sich ein zusätzlicher translatorischer Freiheitsgrad.
Für den Fall"A"reicht es aus, dass die Betätigungselemente 1, 2,3, 4 nur einfach wir- kend sind, beispielsweise auf Zug. Für den Fall"B"werden dagegen Betätigungsele- mente 1, 2,3, 4 benötigt, die sowohl Zug-als auch Druck ausüben können und damit den Abstand zwischen ihren jeweiligen Fuß-und Kopfpunkten aktiv verlängern oder verkürzen können. Diese Betätigungselemente 1, 2, 3,4 können beispielsweise doppelt wirkende Pneumatikzylinder oder Gestänge mit Motoren sein.
Die Übertragung von drei Rotationsbewegungen und einer Translationsbewegung in einem einzigen Bauteil könnte eine breite Anwendung in der Robotertechnik finden. So ist das in"A"beschriebene Beispiel des Greifarmes unter Anwendung von"B"noch einfacher. Da nun der Greifarm passiv durch die Betätigungselemente 1, 2,3, 4 aus- oder einfährt, werden statt der im Fall"A"benötigten fünf Zylinder (Körper 6 ist selbst ein aktiver Hubzylinder) nur noch vier Zylinder gebraucht.
Im Fall"C"erfolgt die simultane Übertragung von vier Drehbewegungen auf einen Körperverband 6,7. Die Figuren 8a und 8b verdeutlichen diesen Zusammenhang. Die Rotationen um die Rx-, Ry-und Rz-Achse erfolgen genau wie in den Fällen"A"und "B"durch gegenseitiges Verlängern und Verkürzen der Verbindungsstrecken der Betä- tigungselemente. Eine gleichzeitige Verkürzung oder Verlängerung aller Verbindungs- strecken der Betätigungselemente hat hier jedoch eine Kippung des Körpers 7 im Ver- hältnis zu Körper 6 um den Winkel oc zur Folge. Auch hier besteht ein eindeutiger ma- thematischer Zusammenhang zwischen den vier Längen der Betätigungselemente und den Rotationswinkeln (px, (py, (pz und a.
An dem Körper 6 und/oder 7 kann z. B. eine Greifvorrichtung oder ein anderes Werk- zeug befestigt sein. Die auf den Fall"C"angewandte Erfindung hat ebenfalls in der Robotertechnik Anwendungsmöglichkeiten.
In Fig. 9 bis 11 sind Betätigungselemente 1, 2,3, 4 dargestellt, die Bewegungen nicht unmittelbar, sondern mittelbar auf den Körper 6 beziehungsweise den Körperverband 6, 7 übertragen. In diesen Figuren bestehen die Betätigungselemente 1, 2,3, 4 beispielhaft aus einem im Boden verankerten Linearantrieb und einem Gestänge. Der Linearantrieb bewegt das Gestänge und dieses wirkt auf den Körper 6 oder den Körperverband 6,7 ein.
Es ist auch möglich, dass wenigstens ein Betätigungselement zwei oder mehr Antriebe enthält. Dieser Fall ist beispielhaft in Fig. 11 gezeigt. Dort bewegt sich der Fuß des Zylinders im horizontalen Linearantrieb. Der Zylinder kann den Kolben zusätzlich bewegen.
Statt der Linearantriebe sind auch Antriebe, die gekrümmte Bahnen erzeugen vorstell- bar. Das wird beispielhaft in der Figur 12 dargestellt. Dort wirken beispielsweise Moto- ren, die wenigstens eine Drehbewegung erzeugen, über ein Gestänge auf den Körper bzw. den Körperverband ein.
Diese Konstruktion ist sehr nahe an der Konstruktion des"Flexpicker"von ABB. Beim Flexpicker wird der Arbeitskopf durch das von Clavel 1985 erfundene Delta Design stets parallel zu einer gegebenen Ebene gehalten. Solch eine oder eine ähnlich wirkende Vorrichtung lässt sich auch hier als Betätigungselement verwenden.
Es können beliebige Betätigungselemente gewählt werden. Sie können ihre Bewegun- gen unmittelbar (wie beispielhaft in den Fig. 1 bis 8 dargestellt) auf den Körper oder den Körperverband übertragen. Sie können aber auch mittelbar auf den Körper bzw. den Körperverband, also z. B. über ein Gestänge einwirken. Dies wurde beispielhaft in den Figuren 12 bis 13 dargestellt.
Für die Erfindung ist es egal, an welcher Stelle der Antrieb angeordnet wird. Er kann sich im Betätigungselement selbst, im Körper bzw. Körperverband oder in der äußeren Umgebung befinden.
Dem Körper 6 beziehungsweise 7 sind Befestigungskonstruktionen zugeordnet, an denen die Betätigungselemente 1, 2,3, 4 an ihren Kopfpunkten angreifen. Die Befesti- gungskonstruktionen können Ausleger sein. In Fig. 14 ist gezeigt, dass die Befesti- gungskonstruktionen an beliebiger Stelle in beliebigem Winkel und beliebiger Länge vom Körper 6 beziehungsweise 7 abragen können.
Die dem Körper 6 beziehungsweise 7 zugeordneten Befestigungskonstruktionen können beliebig geformt sein. In Fig. 15 sind die Befestigungskonstruktionen beispielsweise bogenförmig ausgeführt. Dadurch kann sich unter Umständen der Arbeitsraum der Erfindung vergrößern.
Die Fußpunkte der Betätigungselemente 1, 2,3, 4 sind an beliebigem Ort mit dem Koordinatensystem XYZ fest verbunden. Die Beliebigkeit der Ortswahl der Fußpunkte für die Betätigungselemente 1, 2,3, 4 zeigt die Fig. 16.
Die Betätigungselemente 1, 2,3, 4 können beliebig konstruiert sein. Jedes der Betäti- gungselemente 1, 2,3, 4 ist dazu fähig, Zug-oder Druckkräfte oder aber beide Kraftar- ten zu übertragen (primärer Zweck). Entscheidend ist ihre erfindungsgemäße Anord- nung : Die Betätigungselemente 1, 2,3, 4 sind mit einem Bezugssystem, hier beispielhaft mit dem Koordinatensystem XYZ, verbunden. Jedes der Betätigungselemente 1, 2,3, 4 ist so mit dem drehbar gelagerten Körper 6 bzw. Körperverband 6,7 verbunden, dass die durch sie ausgeübte Kraft exzentrisch zu allen drei Rotationsachsen Rx, Ry und Rz des Körpers bzw. Körperverbandes wirkt.
Die kraftübertragenden Betätigungselemente sind so auszurichten, dass bei gleichzeiti- gem Wirken aller Kräfte durch Variation der Kraftdosierungen wenigstens ein Zustand erreicht werden kann, in dem der Körper 6 in Ruhe bleibt. Die letztgenannte Bedingung verdient eine nähere Erläuterung.
Ziel dieser (etwas komplizierten) Definition ist die Vermeidung von Anordnungen von Betätigungselementen 1, 2,3, 4, die nicht gewünschte Verdrehwirkung auf den zu bewegenden Körper 6 bzw. Körperverband 6,7 haben. Durch diese Anordnung, unab- hängig von Form und Aufbau der Betätigungselemente 1, 2, 3,4, unterscheidet sich die Erfindung von bereits bekannten oder praktizierten Anordnungen. Sie ist somit der eigentliche Kern der Erfindung.
Ein Beispiel für eine wirkungslose Anordnung ist, dass alle Betätigungselemente 1, 2,3, 4 in Fig. 1 auf dem kürzesten Wege nach unten führen. Hier kann keine Verdrehung entlang der Längsachse des Körpers 6 erfolgen. Es folgt die Erläuterung der erfindungs- gemäß möglichen Anordnungen.
Für den erfindungsgemäß primären Zweck überträgt jedes der Betätigungselemente 1, 2, 3,4 die ihm zugeordnete Kraft Fl, F2, F3 und F4 auf den Körper. Jede dieser Kräfte erzeugt am Körper ein ihr zugehöriges Drehmoment Mi, M2, M3, M4. Weil jede Kraft exzentrisch zu allen drei Rotationsachsen angreift, lässt sich das von einer Kraft erzeug- te Moment als Summe von Momenten um die Rx-, Ry-und die Rz-Achse darstellen. So ist beispielsweise das Moment Mi = Mix + Mly + Miz. Der Drehsinn dieser Einzelmo- mente wird mit dem definitionsgemäß festgelegtem Drehsinn im XYZ- Koordinatensystem verglichen (siehe Fig. la). Dadurch erhalten die Einzelmomente ein Vorzeichen (Signum). Diese wurden hier als Zeilen in die Tabelle 1 eingetragen. So gilt beispielsweise für das in den Figuren 1 (a, b, c) bis 5 (a, b, c) dargestellte Beispiel beim Angreifen von reinen Zugkräften : Tabelle 1 : 1=Sign (M) Sign (M,. y) Sign (M) 1--+- 2--+ 3 +-- 4++je Beim Angreifen von reinen Druckkräften invertieren sich die Vorzeichen der Drehmo- mente. Für das in den Figuren 1 (a, b, c) bis 5 (a, b, c) dargestellte Beispiel gilt beim Angreifen von reinen Druckkräften : Tabelle 2 : I= igneJ ign (M ; s) ignWi) 1 +-+ 2 + + 3 + + 4---- Die Betätigungselemente können anders als in den Zeichnungen dieser Patentschrift dargestellt konstruiert sein. Für eine funktionierende erfindungsgemäße Anordnung der Betätigungselemente gelten jedoch stets folgende Bedingungen. Es ist für die Erfindung charakteristisch, dass in beiden Tabellen 1 und 2 in jeder Signums-Spalte zwei positive und zwei negative Vorzeichen vorhanden sind. Es ist außerdem charakteristisch, dass sich die Reihenfolge der Vorzeichen in den Spalten nicht wiederholt.
Durch die unterschiedlichen Vorzeichen in jeder Spalte ist garantiert, dass bei gleichzei- tigem Wirken aller Betätigungselemente wenigstens ein Zustand erreicht werden kann, in dem der Körper bzw. Körperverband in Ruhe bleibt.
Bei dem Angreifen von reinen Zugkräften kann so der Ruhezustand für das Beispiel in den Fig. 1 bis 5 in jeder Lage innerhalb des Bewegungsspielraumes des Körpers 6 erreicht werden. Für das in der Figur 7 dargestellte Beispiel lässt sich der Ruhezustand beim Angreifen von Zugkräften nur erreichen, wenn der Körper 7 weitestgehend in den Körper 6 eingefahren ist und an seine Endlage stößt. Bei reinen Druckkräften wird der Ruhezustand erreicht, wenn der Körper 7 maximal aus dem Körper 6 ausgefahren ist.
Diese Erklärungen dienen dem Verständnis des hier verwendeten Begriffs"Ruhezu- stand"und stellen keine Einschränkung hinsichtlich der Bewegungsfähigkeit der Erfin- dung dar.
Folgende Ausführungen betreffen die Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung. Die Erfindung kann zum Bau neuartiger Roboter verwendet werden. So können mehrere Körper mit den erfindungsgemäßen Vorrichtungen hintereinander zusammengesetzt werden. Dann entsteht ein schlangen-oder rüsselartiges Gebilde. Mit diesem sind in der Praxis völlig neue Anwendungen möglich. Dieser"Roboterrüssel"ließe sich beispiels- weise zum Schweißen an engen Stellen einsetzen. Entsprechend angebracht können mit ihm aber auch Lasten transportiert und beliebig verdreht werden. Denkbar ist auch eine schlangenartige Fortbewegung des zusammengesetzten Robotergebildes auf Untergrund oder in Flüssigkeiten.
In der Medizin ist ein Einsatz als ein neues endoskopisches Gerät denkbar. Dazu wird ein kleiner Manipulator (z. B. Greifer, Kamera) an einem winzigen Kugelgelenkarm befestigt. Dieser Kugelgelenkarm ist beispielsweise an einem Bowdenzug angebracht.
Beide werden in den Körper eingeführt. Dort kann jetzt auf engstem Raum etwas gegrif- fen, geschwenkt und verdreht werden. Somit kann Erfindung mit einer künstlichen Hülle (z. B. die Hülle von Bowdenzug) und/oder mit einer natürlichen Hülle (z. B. Ma- gen-Darm-Trakt) umschlossen sein.
Die Steuerung kann z. B. am anderen Ende des Bowdenzuges durch ein spiegelbildli- ches, aber größeres Gegenstück zum kleinen Kugelgelenkarm erfolgen. An dieser Stelle des (beispielhaften) Bowdenzuges kann die Erfindung als"Joystick"benutzt werden.
Dazu greift der Chirurg auf den entsprechend gestalteten Körper 6 bzw. 7 oder den entsprechenden Körperverband. Damit können seine Handbewegungen beispielsweise durch den Bowdenzug auf den endoskopischen Manipulator übertragen werden. Diese Anwendung der Erfindung als Messgerät für Positionen und Bewegungen oder als Übertragungsgerät von Bewegungen ist nicht auf diesen Anwendungsfall begrenzt.
Auch in anderen Bereichen kann die Erfindung als neuartiger"Steuerknüppel"verwen- det werden.
Es wäre z. B. in der Handhabungstechnik sehr praktisch, wenn eine sensitiv ausgeführte erfindungsgemäße Vorrichtung (Steuerknüppel) eine aktiv ausgeführte erfindungsge- mäße Vorrichtung ansteuern würde. Dies könnte geschehen, indem die Hand eines Bedieners den Körper 6 oder den Körperverband 6, 7 bewegt und sich dadurch die Position und/oder Länge der mit Sensoren ausgestatteten Betätigungselemente 1, 2,3, 4 ändert. Zum Beispiel mit Hilfe eines Computers kann ein Regelkreis umgesetzt werden, der die neuen Sensordaten an den Regelkreis als Istwerte weitergibt. Der Regelkreis bewegt darauffiin die Betätigungselemente 1, 2,3, 4 der aktiv ausgeführten erfindungs- gemäßen Vorrichtung. Dadurch bewegt sich wiederum der zugehörige Körper 6 bezie- hungsweise der Körperverband 6,7. Das heißt, dass die Bewegungen der aktiv ausge- führten Vorrichtung mit den Bewegungen des Steuerknüppels synchronisiert werden.
Eine andere, ebenfalls sehr interessante Anwendung besteht in der Nutzung der Erfin- dung als Orthese. Patienten, die ihre Arme oder Beine z. B. aufgrund einer Operation noch nicht aktiv bewegen können, droht ein schneller Muskelverfall. Mit der Erfindung ist es möglich, den Oberschenkel oder den Oberarm in alle Positionen bewegen zu lassen und so die Muskeln zu stimulieren. Dies kann programmgesteuert geschehen.
Eine weitgehende, jedoch erst zu erforschende Anwendung besteht in der Herstellung von Prothesen für amputierte Beine oder Arme.
Jedoch könnte folgende Grundidee Verwendung finden. Nervenimpulse werden bei- spielsweise auf der Haut eines Patienten gemessen. Die Signale werden z. B. computer- gestützt ungewandelt. Die neuen Signale werden auf die am menschlichen oder tieri- schen Körper angebrachten Betätigungselemente 1, 2,3, 4 geleitet. Dort führen sie zu einer Reaktion der Betätigungselemente. Diese Reaktion kann nun sinnvollerweise den ursprünglichen Bewegungsimpuls des Patienten verstärken. Der Patient kann also seine Gliedmaße beziehungsweise seine Prothese unter Zuhilfenahme und Verstärkung durch die Betätigungselemente 1, 2,3, 4 bewegen.
Das kann sehr nützlich sein für an Gliedmaßen frisch operierte Patienten, deren durch den Eingriff geschädigte Muskeln nicht in der Lage sind, die eigene Gliedmaße ausrei- chend zu bewegen. Es ist auch möglich, unerwünschte Bewegungen der Gliedmaße beziehungsweise seine Prothese durch die erfindungsgemäße Vorrichtung mechanisch und/oder computerunterstützt zu verhindern.
Als Energiequelle könnte z. B. ein Druckluftbehälter dienen, welcher am Patienten tragbar befestigt ist. Über einen tragbaren Computer könnten beispielsweise pneumati- sche Muskeln angesteuert werden.
Die Fig. 17a und 17b zeigen beispielhaft diese Anwendung im orthopädischen und/oder Rehabilitationsbereich. Die zusätzliche, beliebig geformte Vorrichtung 8 verbindet hierbei die Fußpunkte der Betätigungselemente 1, 2,3, 4 fest mit dem XYZ- Koordinatensystem des Hüft-, Schulter-oder anderen Gelenkes 5. Die zusätzliche, beliebig geformte Vorrichtung 9 verbindet die Kopfpunkte der Betätigungselemente 1, 2,3, 4 fest mit dem UVW-Koordinatensystem der Gliedmaße 6 und/oder der Prothese 6. Die Betätigungselemente 1, 2,3, 4 berühren und streifen sich hier untereinander und den Körper 6.
Die Betätigungselemente, der zu bewegende Körper bzw. der Körperverband können ein oder mehrere Bauteile enthalten, die federnd wirken. Sie können ebenfalls ein oder mehrere Bauteile enthalten, die schwingungsdämpfend wirken.
Die Erfindung lässt sich beispielsweise als Trainingsgerät für wenigstens eine Gliedma- ße verwenden. Dazu gib es mehrere Optionen. Zum einen können die Betätigungsele- mente 1, 2,3, 4 Federn sein oder Federn enthalten. Sie werden z. B. mittels 8,9 am menschlichen oder tierischen Körper befestigt. Die Federn können vorgespannt werden.
Dann verursacht jede Bewegung der Gliedmaße eine Gegenkraft. So können auch kom- plexe Beinbewegungen, z. B. sogenannte PNF-Bewegungen trainiert werden.
Eine andere Option ist die Verwendung von hintereinandergeschaltem federnden Ele- ment und einem flexiblen künstlichen Muskel in jedem der am Körper befestigen Betä- tigungselemente 1, 2,3, 4. Die Federelemente können auch hier vorgespannt werden.
Durch das Kontrahieren der künstlichen Muskeln spannen oder entspannen die Feder- elemente. Dadurch wirken Kräfte auf die Gliedmaße. Je nach Trainingsziel kann die Gliedmaße dieser Kraft folgen und mehr oder weniger passiv geführt werden.
Eine andere Möglichkeit ist, dass sich die Gliedmaße gegen den aufgebrachten Druck bewegen soll. Das ist eine typische Übung aus der Physiotherapie : Der Therapeut bringt einen konstanten Druck auf die Gliedmaße, der Patient soll dagegen bewegen. Diesen Prozess kann man programmgesteuert gestalten und von der Erfindung übernehmen lassen.
In Robotik gibt es das sogenannte"Teaching". Hierbei wird manuell ein bestimmter Bewegungsablauf des Roboters eingeübt. Dieser Bewegungsablauf wird in einem Com- puter gespeichert. Er kann optimiert und beliebig wiederholt werden. Das ist auch mit der Erfindung möglich : Der Therapeut führt die Gliedmaße in einem gewünschten Bewegungsablauf. Dieser kann optimiert und wiederholt werden. Die Erfindung kann auch völlig ohne Antriebselemente oder Messsensoren ausgestattet sein. Sie kann ähnliche Aufgaben übernehmen wie beispielsweise das schwenkbare Gestell einer Zahnarztlampe. Das heißt, sie kann zum Bewegen und Halten von Dingen verwendet werden.
Auch in der Nanotechnologie könnte eine Anwendung in Frage kommen. Hier wurden in jüngster Zeit"Nanomuskeln"entwickelt. Durch die Erfindung wären Drehbewegun- gen in winzigen Dimensionen möglich.
Die Erfindung kann auch zum Bau neuartiger Flugapparate genutzt werden. An dem Kugelgelenkarm können dann Flügel befestigt sein. Erstmals in der Technikgeschichte ist damit die Umsetzung von Flügelbewegungen, wie sie in der Natur bei Vögeln oder Insekten vorkommen, möglich. Es können auch andere künstliche Gliedmaßen, wie künstliche Arme, künstliche Beine und künstliche Flossen an der erfindungsgemäßen Vorrichtung befestigt werden.
Die messtechnische Erfassung der Position des Körpers bzw. Körperverbandes kann durch die Messung von vier Bezugslängen vorgenommen werden. Diese Bezugslängen sind Distanzen zwischen Punkten auf dem drehbar gelagerten Körper und Punkten im Bezugskoordinatensystem XYZ. Mit diesen Bezugslängen lassen sich erfindungsgemäß die Verdrehungen und Verschiebungen (Transformationen) des Körpers bzw. des Kör- perverbandes berechnen.
Abschließend sei ganz besonders darauf hingewiesen, dass die zuvor erläuterten Aus- führungsbeispiele lediglich zur Erörterung der erfindungsgemäßen Lehre dienen, diese jedoch nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränken.