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Title:
DRIVE SYSTEM FOR AN INVERSE KINEMATICS DEVICE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1999/057461
Kind Code:
A1
Abstract:
The inventive drive system contains two oval wheels (9, 10), which are each fixed on one of two axles (3, 4). Said axles are parallel to one another and rotate in opposite directions in bearings (2) located in a plate (1). Two identical gear wheels (15) which engage with one another and which rotate uniformly each comprise an elastic coupling (14). A wheel (12) is flange-mounted on each of said elastic couplings. The wheels (12) and the oval wheels (9, 10) are each arranged for holding a tension element (11), for example, a chain, a toothed belt or a reinforced round cord. The one wheel (12) drives the left oval wheel (9) with the one tension element (11), and the other wheel (12) drives the right oval wheel (10) with an additional tension element (11). When moving on rolling contact, the oval wheels (9, 10) satisfy the condition tan$g(f)¿1? = 1/2tan$g(f)¿2?, whereby $g(f)¿1? is, for example, the angle of rotation of the left axle (3), and $g(f)¿2? is that of the right axle (4).

Inventors:
SALGO REINHOLD C (CH)
Application Number:
PCT/CH1999/000236
Publication Date:
November 11, 1999
Filing Date:
June 01, 1999
Export Citation:
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Assignee:
OLOID AG (CH)
SALGO REINHOLD C (CH)
International Classes:
F16H7/00; F16H21/46; F16H35/02; (IPC1-7): F16H21/46; F16H7/00
Domestic Patent References:
WO1993018850A11993-09-30
Foreign References:
DE2338865A11974-02-21
DE1291152B1969-03-20
EP0655568A21995-05-31
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 014, no. 069 (M - 0932) 8 February 1990 (1990-02-08)
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Claims:
Patentansprüche
1. Antrieb für eine inversionskinematische Vorrichtung mit zwei parallelen, gegenläufig bewegten und ungleichförmig drehenden Achsen (3,4), deren Drehwinkelbeziehung 1 tan =, tan (p, 2 lautet und welcher Antrieb durch mindestens eine im wesentlichen gleichförmig drehenden Achse von aussen mit Leistung versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Achsen (3,4) ein Ovalrad (9,10) trägt, dessen Ovalität der genannten Winkelbeziehung ent spricht, und das mit der zugehörigen Achse (3,4) starr verbunden ist und dessen Umfang zur kraft schlüssigen Aufnahme eines Zugelementes (11) einge richtet ist, mindestens ein gleichförmig umlaufendes und aussen angetriebenes Rad (12) vorhanden ist, dessen Umfang kraftschlüssig zur Aufnahme und zum Antrieb des Zug elements (11) eingesetzt ist, zwei Zugelemente (11) vorhanden sind zur Uebertragung von Drehmomenten und Leistung von dem mindestens ei nen Rad (12) auf die Ovalräder (9,10), jeder aus Rad (12), Zugelement (11) und Ovalrad (9, 10) bestehende Antriebsstrang ein elastisches Element aufweist, welches mindestens die aus der Nichtparal lelität der Zugelemente (11) herrührende Verletzung der Konstanz der Umfangsgeschwindigkeit der Ovalräder (9,10) ausgleichen kann, die genannten elastischen Elemente im Uebergang von der gleichförmigen zu ungleichförmigen Drehung ange ordnet sind.
2. Antrieb für eine inversionskinematische Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei gleichförmig und gegenläufig umlaufende und von aussen angetriebene Räder (12) vorhanden sind.
3. Antrieb für eine inversionskinematische Vorrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das in je dem genannten Antriebsstrang vorhandene elastische Ele ment eine elastische Kupplung (14) ist.
4. Antrieb für eine inversionskinematische Vorrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das in je dem genannten Antriebsstrang vorhandene elastische Ele ment eine Spannvorrichtung für das Zugelement (11) ist.
5. Antrieb für eine inversionskinematische Vorrichtung nach Patentanspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugelement (11) eine Kette ist.
6. Antrieb für eine inversionskinematische Vorrichtung nach Patentanspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugelement (11) ein Zahnriemen ist.
7. Antrieb für eine inversionskinematische Vorrichtung nach Patentanspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugelement (11) eine armierte Rundschnur ist.
8. Antrieb für eine inversionskinematische Vorrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zug element (11) eine elastische Rundschnur ist.
9. Antrieb für eine inversionskinematische Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein gleichförmig umlaufendes und von aussen angetriebenes Rad (12) vorhanden ist, das jedoch zum Antrieb von zwei Zug elementen (11) eingerichtet ist.
10. Antrieb für eine inversionskinematische Vorrichtung nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Rad (12) zwei elastische Kupplungen aufweist, die je den Antrieb eines Zugelementes (11) beaufschlagen, die beide das Rad (12) umschlingen, wobei das eine Zugelement (11) das eine Ovalrad (10) umschlingt, das andere mittels mindestens zweier Um lenkrollen (26) an das andere Ovalrad (9) kraft schlüssig angelegt ist, es jedoch nicht umschlingt.
11. Antrieb für eine inversionskinematische Vorrichtung nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Zug element (11) eine Kette ist.
12. Antrieb für eine inversionskinematische Vorrichtung nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Zug element (11) ein doppelseitiger Zahnriemen ist.
13. Antrieb für eine inversionskinematische Vorrichtung nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Zug element (11) eine armierte Rundschnur ist.
14. Antrieb für eine inversionskinematische Vorrichtung nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das in jedem Antriebsstrang vorhandene elastische Element eine Spannvorrichtung für das Zugelement (11) ist.
15. Antrieb für eine inversionskinematische Vorrichtung nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Zug element (11) eine elastische Rundschnur ist.
Description:
Antrieb für inversionskinematische Vorrichtung Vorliegende Erfindung betrifft einen Antrieb für eine inver- sionskinematische Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Pa- tentanspruches 1.

Inversionskinematische Vorrichtungen sind mehrere bekannt und gehen in der Regel zurück auf Paul Schatz (1898-1979) entwe- der direkt als Erfinder oder mittelbar auf ihn als Begründer der Inversionskinematik (siehe auch : Paul Schatz, Rhythmus- forschung und Technik, Stuttgart 1975).

Eine solche inversionskinematische Vorrichtung weist in aller Regel zwei parallele gegenläufig drehende Achsen auf, deren Drehwinkelbeziehung lautet 1 tany, =-tan T2 2 und deren ungleichförmige Winkelgeschwindigkeiten der Bezie- hung gehorchen sofern 92 durch ersetzt ist.<BR> <BR> <BR> <BR> <P>Bei den obigen Beziehungen steht die Bezugsrichtung ç Y2= 0 senkrecht auf der Verbindungsgeraden der zwei Achsen ; da die Drehachsen, wie gesagt, gegenläufig drehen, ist die positive Drehrichtung für y, derjenigen von 92 entgegengesetzt.

Antriebe für eine solche inversionskinematische Vorrichtung sind bekannt, so z. B. aus CH 216 760 (D1), DE 1 145 455 (D2), DE 1 207 750 (D3), WO 80/01830 (D4), EP 0 176 749 (D5), SU 1 607 922 (D6), US 5 265 (D7), EP 0 584 301 (D8), EP 0 614 028 (D9), Diese bekannten Vorrichtungen stellen mehrere Lösungs-Katego- rien dar : D1 und D2 sind Zwanglaufs-Antriebe, d. h. sowohl die Winkelgeschwindigkeiten"@2 als auch die von den beiden Achsen abgegebenen Drehmomente und Leistungen werden durch den Antrieb a priori geliefert ; die richtigen Winkelbeziehun- <BR> <BR> <BR> gen von, und T2 sind durch den Antrieb vorgegeben, und über das sog. Mittelglied der inversionskinematischen Vorrichtung findet kein Leistungsaustausch zwischen den beiden Achsen statt. Allerdings ist dies ein rein mathematisches Konzept :

Fertigungs-und Einstellfehler wirken sich in grossen Belas- tungen vor allem der verschiedenen Lager aus.

D3 beschreibt prinzipiell ein Differentialgetriebe, das den konstruktiv inhärenten Ungleichlauf der beiden parallelen Achsen der inversionskinematischen Vorrichtung ausgleicht.

Dies nun zum Preis einerseits eines grossen Leistungsaustau- sches über das genannte Mittelglied, anderseits einer starken Drehmomentenbelastung der inversionskinematischen, durch die beiden parallelen Achsen bewegten Gelenk-Kette.

D4 beschreibt einen Massen und Federelemente enthaltenden Energiespeicher, D5 einen hydraulischen Antrieb, D6 einen solchen mit Magnetkupplungen, D8 schliesslich einen Antrieb mit zwei in Serie geschalteten Gleichstrommotoren. Diesen zuletzt genannten Antrieben haftet, wenn auch weniger augen- fällig, derselbe Nachteil an, wie der Lösung mit Differenti- algetriebe, nämlich die Beanspruchung der inversionskinemati- schen Gelenkkette durch Austausch-Drehmomente. In D7 besteht der Antrieb aus einem Induktionsmotor, welcher nur intermit- tierend Leistung abgibt, teuer in der Herstellung ist und einen kleinen Wirkungsgrad aufweist. D8 schliesslich be- schreibt ein zwischen die beiden parallelen Achsen geschalte- tes pendelndes Ausgleichsglied, welches bei genauer Analyse jedoch dieselben Charakteristika aufweist, wie die Antriebe nach D1 und D2.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Antriebes für inversionskinematische Vorrichtungen, welcher Zwanglaufeigenschaften aufweist, jedoch deren Nach- teile vermeidet und kostengünstig herzustellen ist. Die Lösung der gestellten Aufgabe ist wiedergegeben im kennzeich- nenden Teil des Patentanspruches 1 hinsichtlich seiner we- sentlichen Merkmale, in den davon abhängigen Ansprüchen hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen.

Anhand der beigefügten Zeichnung wird der Erfindungsgedanke vermittels bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen :

Fig. 1a, b, c den Stand der Technik im Aufriss, schemati- schem Grundriss und einer schematischen Per- spektive.

Fig. 2a, b ein erstes Ausführungsbeispiel in Auf-und Grundriss, teilweise geschnitten.

Fig. 3a, b eine Variante zum ersten Ausführungsbeispiel, teilweise vergrössert.

Fig. 4a ein zweites Ausführungsbeispiel im Grundriss.

Fig. 4b ein Detail des zweiten Ausführungsbeispiels im Aufriss.

Fig. 1a ist der Aufriss einer inversionskinematischen Innen- mischmaschine gemäss Stand der Technik, Fig. 16 deren Grundriss. Eine Grundplatte 1 trägt, in je einem Hauptlager 2 drehbar gelagert, zwei Achsen 3,4. Diese sind parallel zueinander und gegenläufig bewegt. Dreht Achse 3 um den <BR> <BR> <BR> Winkel"so ist der Winkel der Achse 4 92 ; die Beziehung der Winkel ist, wie genannt 1 tanç tan9 2 2 Dies bedeutet auch, dass immer bei den Divergenzwerten des <BR> <BR> <BR> tan, auch tan 92 divergiert oder, dass nach einer Drehung von n'90° von Achse 3 auch Achse 4 sich um n 90° gedreht hat, wo n = 1,2,3,4.....

Fig. 1c ist die perspektivische Darstellung einer inversions- kinematischen Gelenkkette, die nun im Vergleich mit Fig. 1a beschrieben wird. Jede Achse 3,4 trägt an ihrem Ende ein Gelenk 5, dessen Drehachse senkrecht steht auf der Richtung <BR> <BR> <BR> der Achse 3,4 ; in den Stellungen q = ( stehen zudem die Achsen der Gelenke 5 senkrecht aufeinander. In Fig. 1c schliesst sich an das Gelenk 5 je eine Stange 6, welche an ihrem Ende wiederum ein Gelenk 7 aufweist, dessen Achse erneut senkrecht steht auf jener des Gelenkes 5. Verbunden

sind die Gelenke 7 durch eine weitere Stange, die hier Mit- telglied 8 genannt wird.

Betrachtet man nun Fig. 1a, so ist dort jede Stange 6 von Fig. 1c durch eine Gabel 6 ersetzt, allgemein und im Folgen- den Randglied 6 genannt. Das Mittelglied 8 wird hier durch ein rohrartiges Element ersetzt, welches zur Aufnahme eines Behälters eingerichtet ist. Die mit 5,6,7,8 bezeichneten Elemente bilden die Hälfte einer Gelenkkette nach Bricard (1897) oder einen halben Würfelgürtel nach Paul Schatz. Die instrumentellen Ausbildungen dieser Gelenkkette sind mannig- faltig und bekannt.

Wegen der ungleichförmigen Charakteristik der beiden Winkel- <BR> <BR> <BR> <BR> geschwindigkeiten wl, C02 der Achsen 3,4 fällt ein direkter motorischer Antrieb-mit Ausnahme des aus D8 bekannten- praktisch ausser Betracht. Im genannten Buch von Paul Schatz befindet sich eine Darstellung von zwei aneinander ablaufen- den Ovalrädern mit konstanter Geschwindigkeit ihrer Periphe- rie. In der Beschreibung dieser Figur wird allerdings be- merkt, dass diese keine technische Lösung sei, und der Autor hat den Einsatz solcher Ovalräder für einen Antrieb auch nicht weiter verfolgt.

Fig. 2 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer technischen Lösung eines Antriebes mit Ovalrädern. Diese weisen ein Verhältnis von grossem an kleinem Durchmesser von -= 2.0 auf und genügen beim Aneinander-Abwälzen der Winkel- b beziehung tan (p, =-tan 92 Fig. 2a ist ein schematischer Aufriss, teilweise im Schnitt, Fig. 2b eine Draufsicht von unten. Der Schnitt läuft durch die Grundplatte 1 ; die Lager 2 sind schematisch dargestellt.

In der Darstellung von Fig. 2a ist die halbe Gelenkkette nach Fig. 1 oberhalb der Grundplatte und wird-da Stand der Technik-nicht weiter besprochen.

Direkt mit der Achse 3 verbunden ist ein erstes Ovalrad 9, ebenso mit der Achse 4 verbunden ist ein zweites Ovalrad 10 ; die Ovalräder 9,10 sind beispielsweise identisch ausgeführt.

Um die Ovalräder 9,10 laufen langgestreckte Zugelemente 11, wie beispielsweise Keil-oder Zahnriemen, Rundschnüre, Ketten bei jeweils entsprechender Ausgestaltung des Umfanges jedes <BR> <BR> <BR> Ovalrades 9,10. Jedes Zugelement 11 läuft ausserdem um ein rundes Rad 12 mit der entsprechenden Ausgestaltung auf je einer Achse 13.

Bei der vorgesehenen Bewegung der Achsen 3,4 sind die Um- fangsgeschwindigkeiten der Ovalräder 9,10 konstant, und abgesehen vom Drehsinnm, gleich. Um den durch die Nichtparallelität der Zugelemente 11 eingeführten Fehler auszugleichen-und zur Kompensation von Fertigungs-und Einstell-Toleranzen-sind die Räder 12 über je eine elastische Kupplung 14 an sich bekannter Bauart mit den Achsen 13 verbunden. Die Achsen 13 drehen nun gleichförmig und gegenläufig. Als Ausführungsbeispiel ohne beschränkenden Charakter sind die elastischen Kupplungen 14 mit je einem Zahnrad 15 verbunden, wobei diese im direkten Eingriff stehen. Selbstverständlich gibt es viele weitere Möglichkei- ten die Räder 12 gleich schnell, gleichförmig und gegenläufig drehen zu lassen. Sie sind dem Fachmann bekannt und sind nicht Teil des Erfindungsgedankens.

Die Achsen 13 der Räder 12 sind beispielsweise ebenfalls in der Grundplatte 1 gelagert. Die anderen Lager der Achsen 3, 4,13 befinden sich in einer Platte 16, die parallel zur Grundplatte angeordnet und mit dieser verbunden ist.

Werden Zugelemente 11 verwendet, die geeignete Eigenelastizi- tät aufweisen, wie beispielsweise Rundschnüre aus Elastomer, so können die elastischen Kupplungen 14 entfallen. Wesentlich ist jedoch das Vorhandensein eines elastischen Elementes im Kraftfluss von den gleichförmig drehenden Achsen-beispiels- weise Achsen 13-zu den ungleichförmig drehenden Achsen 3, 4. Die Antriebsleistung der gleichförmig drehenden Achsen 13 wird in der Regel durch einen Elektromotor geliefert, kann aber selbstverständlich aus jeder geeigneten Energiequelle, also auch aus einem Handkurbelantrieb bestehen ; der Antrieb erfolgt also von aussen.

Fig. 3 ist die Darstellung einer Variante zum elastischen Element in der Kraftübertragung, was in Fig. 2 als elastische

Kupplung 14 beschrieben ist. Das Zugelement 11-wie vorste- hend eine Kette, ein Zahnriemen, Keilriemen oder eine armier- te Rundschnur-umläuft je auf der Antriebsseite zwei Rollen 22, die auf einem Schwenkarm 23 beispielsweise symmetrisch angeordnet sind. Der Schwenkarm 23 schwenkt um eine Achse 24 und wird durch die Kraft einer elastischen Feder 25-hier <BR> <BR> <BR> <BR> als Spiralfeder dargestellt-in die Stellung gebracht, in der das Zugelement 11 die grösste Spannung aufweist. Zur besseren Sichtbarkeit ist das zum Ovalrad gehörige elastische Element noch vergrössert dargestellt. Das aus den Elementen mit den Bezugszeichen bestehende elastische Element ist, wie beschrieben, auf der Antriebsseite des Zugelementes 11 angeordnet und hat daher nicht die Aufgabe eines bekannten Ketten-oder Riemenspanners, welcher grund- sätzlich auf der kraftlosen, oder mindestens kraftarmen Abtriebsseite angeordnet wird. Es übernimmt wieder den not- wendigen Ausgleich der aus den Winkellagen des Zugelementes 11 herrührenden Geometrieabweichungen.

Es ist im Erfindungsgedanken mitenthalten, das auf das Zug- element 11 einwirkende elastische Element anders auszuführen, solange damit die Aufgabe des kraftabhängigen Längenaus- gleichs des Zugelementes 11 gelöst wird. Dem Fachmann sind andere Lösungen als die dargestellte geläufig.

Fig. 4 ist eine-zwar topologisch identische, jedoch ausfüh- rungsmässig unterschiedliche-Variante zu Fig. 2. Fig. 4a zeigt die Variante in der Draufsicht von unten, Fig. 4b ist ein Aufriss des elastischen Elementes. Letzteres ist aufge- baut aus beispielsweise einem Zahnrad 15, das beidseitig je eine elastische Kupplung 14 angeflanscht trägt. Jede der elastischen Kupplungen 14 beaufschlagt ein Rad 12 für den <BR> <BR> <BR> Antrieb je eines Zugelementes 11. Das in Fig. 4b untere Rad 12 treibt das Ovalrad 10 in nun bekannter Weise an ; das in Fig. 4b obere treibt das Ovalrad 9 an dergestalt, dass das zugehörige Zugelement 11 zwei Umlenkrollen 26 umläuft und dann aussen am Ovalrad 9 anliegt. Damit liegt am Rad 12 die Innenseite des Zugelementes 11 an, am Ovalrad 9 die Aussen- seite was die Umkehrung Drehsinnes von Rad 12 und Ovalrad 9 bewirkt.

Der Vorteil dieser Anordnung ist die Einsparung einer den Drehsinn der Räder 12 umkehrenden Vorrichtung zum Preis des Symmetrieverlustes.

Auch hier ist wiederum jedem Zugelement 11 ein elastisches Element-hier die elastische Kupplung 14-zugeordnet.

Bei allen beschriebenen Anordnungen kann es zweckmässig sein, jeweils die Abtriebsseite des Zugelementes 11 noch durch die Kraft eines konventionellen jedoch weichen Kettenspanners- oder einer anderen, dem Zugelement 11 angepassten Spannvor- richtung zu beaufschlagen. Dies ist ohne Einfluss auf kinema- tische Gegebenheiten und sorgt nur für den Längenausgleich des Zugelementes 11.