Kinematisches Element

Die Erfindung betrifft ein kinematisches Element mit einer festen Plattform und einem um eine Drehachse der festen Plattform drehbaren Bauteil, wobei zwischen der festen Platt- form und dem Bauteil zumindest ein längenveränderlicher Aktuator vorgesehen ist, entsprechend dem einleitenden Teil des Anspruches 1. Ein solches Element ist sowohl bei Gebilden bzw. Vorrichtungen serieller Kinematik als auch paralleler Kinematik einsetzbar.

Derartige Elemente der ebenen Kinematik kommen verschiedentlich vor, beispielsweise bei Auslegern von Baggern und Kränen, bei Mikrofonträgern bzw. Scheinwerferträgern und dergleichen mehr. Oft sind mehrere derartige Elemente „hintereinander" geschaltet, beispielsweise bei beweglichen Plattformen oder Kränen, verschiedentlich auch parallel zueinander, dann zumeist auch simultan betrieben, beispielsweise bei Arbeitsplattformen.

Der aus kinematischer Sicht interessanteste Bereich solcher Elemente ist die „Spitze" des drehbaren Bauteils, da diese entweder als „feste Plattform" für die nächste Stufe dient (serielle Kinematik) oder gemeinsam mit der Spitze analoger Elemente eine bewegliche Plattform trägt oder unter Umständen ausbildet (parallele Kinematik).

Die Vor- und Nachteile dieser beiden grundlegenden Systeme - parallel bzw. seriell - nach denen kinematische Vorrichtungen aufgebaut werden können, sind hinlänglich bekannt und insbesondere anhand der Literatur betreffend die Gough-Plattformen und die Stewart- Plattformen ausführlich dargestellt, hier soll nur kurz darauf eingegangen werden:

Einer der wesentlichen Nachteile parallelkinematischer Vorrichtungen ist die Existenz sogenannter Singularitäten. Darunter versteht man, dass es Positionen der beweglichen Plattform gibt, in der einzelne oder mehrere Aktuatoren sich in einer Totpunktlage befinden und auch durch noch so große angewandte Kräfte keine Lageveränderung der beweglichen Plattform mehr bewirken können. Um dies, und auch das Kollidieren der Aktuatoren zu vermeiden, ist es notwendig, die Beweglichkeit von Parallelkinematiken einzuschränken.

Ein weiteres Problem stellt die Notwendigkeit dar, hochgenaue und de facto immer vorgespannte und damit extrem teure Lager verwenden zu müssen, um die angestrebte notwen-

dige Lagegenauigkeit der beweglichen Plattform bezüglich der festen Plattform einzuhalten. Dies ist insbesondere dann ein Problem, wenn, wie bei der 2-2-2-Kinematik oder der 3 -2-1 -Kinematik mehrere Stäbe bzw. Aktuatoren in einem Punkt angreifen.

Ein Problem, das serielle Kinematiken deutlich stärker trifft als Parallelkinematiken, ist die große tote Masse, die zu bewegen ist. Hier sind die serielle Kinematiken eindeutig im Nachteil, da sie mit bis zu 5 Zwischenplattformen ausgerüstet sind, die wie in einer Kette hintereinander angeordnet sind, sodass die auf die feste Plattform folgende erste, natürlich bewegliche, Zwischenplattform alle anderen Zwischenplattformen und die bewegliche Endplattform tragt, die zweite bewegliche Zwischenplattform tragt um eine Zwischenplattform weniger etc., etc.. Zusätzlich kommt aber, und dies gilt für die Parallelkinematiken fast im gleichen Ausmaß, dass der Aufbau der einzelnen Zwischenkonstruktionen äußerst massiv ist und damit bei der Bewegung viel Energie konsumiert. Es sei hier nur auf die verschiedenen Führungen, Schlitten, Supports und ähnliches der seriellen Kinematiken hingewiesen und auf die Notwendigkeit, bei Parallelkinematiken die Aktuatoren aber auch die Stäbe fester Länge so auszubilden, dass sie zuverlässig in allen möglichen Positionen der Vorrichtung die auftretenden Höchstkräfte sowohl die Zugkräfte als auch, und dies ist wegen Knickgefahr besonders wichtig, die Druckkräfte aufnehmen können.

Es kommt hier bei den Parallelkinematiken zu einer unangenehmen Verknüpfung des Problems der Singularitäten mit dem der auftretenden Druckkräfte, da, unabhängig von der tatsächlichen Nutzlast, in dem Positionierungsbereich, der rund um eine Singularität der kinematischen Vorrichtung liegt, die auftretenden Zugkräfte, aber insbesondere auch die Druckkräfte gegen Unendlich gehen.

Um diese Probleme bei seriellen Kinematiken zu verringern, kam man bei der Konstruktion von Knickarmen von Fertigungsrobotern zu Lösungen, bei denen jeweils die bewegliche Plattform auf einer Kreisscheibe sitzt, die um ihren Mittelpunkt auf der jeweiligen festen Plattform drehbar angeordnet ist. Um zu dynamisch ausgewogenen Systemen zu kommen, sind zumeist jeweils fluchtend zwei Kreisscheiben mit gemeinsamer Achse vorgesehen. Um den Platz für die Antriebe im Gelenkbereich zu sparen und um die Antriebe möglichst nicht an beweglichen Teilen als Totlast mitzuschleppen, werden

Zugmittel, zumeist Seile, Bänder, od.dergl. um die Kreisscheiben geschlungen und über Führungen zum eigentlichen Antrieb geleitet. Die einzelnen Plattformen und die zwischen ihnen liegenden „Gelenke" werden zufolge dieses Aufbaus natürlich mehrdimensional beansprucht und müssen entsprechend stark dimensioniert werden.

Vorbekannte Kinematiken, die die genannten Probleme aufweisen, sind beispielsweise den folgenden Druckschriften zu entnehmen:

US 5,219,266 A: Diese Druckschrift zeigt drei kinematische Elemente wie sie eingangs beschrieben sind, wobei allerdings auch die „drehbaren Bauteile" längenveränderlich ausgebildet sind. Diese drei Elemente sind mit ihren Ebenen sternförmig zu einer Achse angeordnet und die Spitzen der drehbaren Bauteile tragen gelenkig Stäbe, deren andere

Enden eine bewegliche Plattform tragen. Die fehlenden drei Freiheitsgrade werden durch eine Parallelführung pro gelenkigem Stab bestimmt, die bewegliche Plattform bewegt sich so immer parallel zu sich selbst. Trotz der sechs Aktuatoren werden nur drei Freiheits grade bedient, wegen der Parallelführungen sind die einzelnen Elemente nicht frei von

Biegebeanspruchungen!

DE 196 11 130 A: Die einzelnen Kernelemente der beschriebenen Parallelkinematik (mit seriellem Anteil) bestehen aus Gelenkvierecken mit Basis, Schenkeln und Koppel, wobei einer der Schenkel als längenveränderlicher Aktuator ausgebildet ist. Die Koppeln dreier solcher Gebilde bilden eine bewegliche Plattform, die Koppeln sind entlang zueinander paralleler, ortsfester Achsen verfahrbar und um die Achsen drehbar. Singularitäten werden durch Beschränkung der Bewegungsmöglichkeiten vermieden, extreme Kräfte in den Aktuatoren können trotzdem auftreten. Dazu kommt, dass zumindest in einigen Stäben

(Basis) zwangsweise Biegemomente auftreten.

US 6,047,610 A: Es wird eine Rotationskinematik beschrieben, die parallele und serielle Elemente vereinigt, aber keine längsveränderlichen Aktuatoren aufweist. Insbesondere wird die bewegliche Plattform über Kardangelenke und einen Stellmotor am Ende eines der angreifenden Stäbe gehalten bzw. geführt. Biegemomente sind zwingend vorhanden, Singularitäten können auftreten, wenn beispielsweise die an einem gemeinsamen Punkt der beweglichen Plattform angreifenden Stäbe in gestreckte Lage kommen.

- A -

EP 263 627 A: Diese Druckschrift offenbart eine Kinematik ähnlich der vorstehend beschriebenen, wobei jedoch die Fußpunkte der Stäbe entlang gerader Führungen auf der festen Plattform beweglich sind. Die Stäbe werden zwingend auf Biegung und Torsion beansprucht, Singularitäten sind in ebener Lage der oberen Stäbe möglich, es kann dann die Vorrichtung „durchschlagen".

DE 197 01 830 A: Eine Kinematik ähnlich der der DE 196 11 130 A wird geoffenbart, die bewegliche Plattform ist allerdings anders mit den Koppeln der Gelenkvierecke verbunden. Es treten aber die gleichen Probleme auf wie bei der erstgenannten Druckschrift.

US 5,539,291 A: Die hier beschriebene Kinematik führt eine bewegliche Plattform insbesondere innerhalb eines zylindrischen Arbeitsraumes. Dies geschieht mittels zweier Verbundstäbe mit Fußpunktverschiebung, die beiderends in Kardangelenken gelagert sind, und einem längenverstellbaren Aktuator mit über der Bezugsebene der festen Plattform liegendem Fußpunkt. Jeder der beiden Verbundstäbe trägt an jedem Ende eine Rolle, deren Drehachsen parallel zueinander und horizontal zur Bezugsebene der festen Plattform verlaufen und die in den Kardangelenken mittels vertikaler Achsen gelagert sind. Um die Rollen läuft ein mit ihnen verbundenes Zugmittel, das die Winkellage der Rollen um die horizontalen Achsen der Verbundstäbe (und damit die Winkellage der beweglichen Plattform gegenüber der festen Plattform) festlegt. Die Funktionsweise der Verbundstäbe ist somit ähnlich der eines Gelenkviereckes. Trotz dieses aufwändigen Aufbaus ist ohne weitere Bewegung der gesamten Vorrichtung nur ein kleiner Bereich des angestrebten zylindrischen Arbeitsraumes erreichbar.

Da es auch bei seriellen Kinematiken durchaus Konstruktionen gibt, die Singularitäten aufweisen können, man denke nur an Kräne oder Drehvorrichtungen für Masten von landwirtschaftlichen Maschinen, die über einen fix mit dem Mast verbundenen Arm und einem daran angreifenden hydraulischen Antrieb verdreht werden können (eine Art Kurbelantrieb), bezieht sich die Erfindung sowohl auf die serielle als auch die parallele Kinematik und hat hier insbesondere das Ziel, Singularitäten zu vermeiden und die notwendige Masse der Elemente der Kinematik zu verringern.

Erfindungsgemäß geschieht dies bei einem Element der eingangs genannten Art und in übereinstimmung mit dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 dadurch, dass der zwischen der festen Plattform und dem Bauteil angeordnete Aktuator nicht nur längenveränderlich sondern auch mit Fußpunktverschiebung an der festen Plattform in einer Ebene normal zur Drehachse ausgebildet ist. Auf diese Weise kann in einem extrem weiten Bereich die Ausbildung jedweder Singularität vermieden werden und es wird durch die Fußpunktverschiebung in einer Normalebene zur Drehachse der jeweils wirksame Hebelarm des Aktuators bestmöglich an die jeweilige Winkellage des verdrehbaren Bauteils gegenüber der festen Plattform angepasst.

Ein solches Element ist einerseits für sich, beispielsweise als Kran, als Hebevorrichtung, als Tragvorrichtung für einen Werkzeugkopf, etc. einzusetzen, wobei der drehbare Bauteil als bewegliche Plattform (im Sinne der Parallelkinematik) anzusehen ist und eine Bewegung in einer Ebene normal zur Drehachse vollführt. Mit dieser Eigenschaft kann ein erfindungsgemäßes Element auch als ein Teil einer seriellen Kinematik eingesetzt werden.

Andererseits können mehrere derartige Elemente in verschiedenen räumlichen Anordnungen (parallel im Sinne der Parallelkinematik) zueinander so eingesetzt werden, dass ihre drehbaren Bauteile eine bewegliche Plattform tragen, die bezüglich der festen Plattform räumliche Bewegungen vollführt.

In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fußpunktverschiebung entlang einer allgemeinen Evolvente erfolgt. Die Evolvente, auch Fadenlinie genannt, ist die Abwicklung einer Strecke konstanter Länge einer Tangente einer Kulisse (die Evolute der Evolvente) auf diese. Insbesondere kann als Kulisse ein Kreisbogen, dessen Mittelpunkt die Drehachse ist, verwendet werden. Die Verwendung einer Evolvente bedeutet in jedem Fall, dass der Aktuator stets eine Lage einnimmt, in der seine Achse eine Tangente an die Kulisse (insbesondere den Kreis) bildet. Wenn man, der Einfachheit halber, den jeweiligen Tangentialpunkt als aktuellen Fußpunkt ansieht, so hat man die durch die Abwicklung geänderte Länge des Aktuators zusätzlich zur eigentlichen Längenänderung des Aktuators zu berücksichtigen.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind zwei Aktuatoren vorgesehen, die in einer gemeinsamen Normalebene zur Drehachse liegen und deren Fußpunktverschiebung miteinander verknüpft ist, gegebenenfalls wie in der ersten Ausgestaltung definiert. Dies ermöglicht es, die beiden Aktuatoren so auszugestalten, das sie ausschließlich auf Zug beansprucht werden, wodurch sie besonders massearm ausgebildet werden können.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt

die Fig. 1 ein kinematisches Element in Seitenansicht, die Fig. 2 das Element der Fig. 1 in einer anderen Winkellage in Seitenansicht und

Draufsicht, die Fig. 3 das Element der Fig. 1 in einer Lage die einer Singularität entspricht, die Fig. 4 ein erfindungsgemäßes Element ähnlich dem der Fig. 1 in perspektivischer

Ansicht, die Fig. 5 das Element der Fig. 4 in anderer Winkellage, die Fig. 6 das Element der Fig. 4 in wieder anderer Winkellage, die Fig. 7-9 eine Ausgestaltung des kinematischen Elementes der Fig. 4-6 in drei unterschiedlichen Winkellagen, die Fig. 10-13 eine Anordnung zweier Elemente gemäß Fig. 7-9 mit zwei unterschiedli- chen Drehachsen, die Fig. 14-17 eine Variante des kinematischen Elementes der Fig. 7-9 in unterschiedlichen

Winkellagen, die Fig. 18-25 eine Anordnung zweier Elemente gemäß Fig. 7-9, die Fig. 26-36 eine weitere Ausgestaltung der Elemente gemäß Fig. 7-9, und die Fig. 37 und 38 die Verschiebung der Fußpunkte anhand zweier Beispiele.

Vorausgeschickt soll der Figurenbeschreibung werden, dass in den einzelnen Darstellungen die Ausbildung von Achsen, Gelenken, Aktuatoren, etc. nur schematisch erfolgt und auf die tatsächliche konstruktive Ausbildung nicht näher eingegangen wird. Der Grund dafür ist, dass es für den Konstrukteur sowohl auf dem Gebiet der seriellen als auch der parallelen Kinematik eine ganze Reihe von konstruktiven Lösungen für die Ausbildung derartiger Elemente und insbesondere gelenkigen Verbindungen gibt, sodass er in Kenntnis der Erfindung und des jeweiligen Anwendungsgebietes der von ihm zu schaffenden

Konstruktion keinerlei Schwierigkeiten hat aus einer ganzen Reihe von Möglichkeiten zu wählen. Da die konstruktive Ausbildung auch für die Erfindung selbst ohne Bedeutung ist und ihre Darstellung nur die Zeichnung überfrachten würde, wird auch aus Gründen der besseren übersichtlichkeit darauf verzichtet, die konstruktive Ausbildung darzustellen.

Die Fig. 1-3 zeigen in Seitenansicht und Draufsicht ein einfaches kinematisches Element wie es in der Technik vielfach verwendet wird. Es besteht aus einer festen Plattform 2 und zwei daran gelenkig befestigten Stäben fester Länge 4 deren freie Enden sich in einer Spitze 3 verbinden. An der Spitze 3 greift auch ein längenveränderlicher Aktuator 5 an, der an seinem Fußpunkt 7 gelenkig an der festen Plattform 2 gelagert ist. Aus der Draufsicht der Fig. 2 und 3 geht hervor, dass der Aufbau der Vorrichtung symmetrisch erfolgt, eine Maßnahme, die in der Praxis wegen der einfacheren Berechnung, der Möglichkeit, die Anzahl unterschiedlicher Teile nahezu zu halbieren und der besseren Anschaulichkeit halber bevorzugt verwendet wird.

Wie oben erläutert sind die Gelenke bzw. Scharniere an den Fußpunkten 6 und 7, die eine Achse 14 definieren, um die sich die beiden Stäbe 4 wie eine starre Fläche verschwenken, nicht detailliert dargestellt, sondern nur durch Halbkreise angedeutet. In gleicher Weise ist die Spitze 3, die einer beweglichen Plattform entspricht, kein starres Gebilde, wie schon ein Vergleich der Seitenansichten der Fig. 1 und 2 zeigt.

Aus dem Zusammenhalt der Fig. 1-3 erkennt man, dass bei konstanter Belastung an der Spitze 3 in Richtung des Pfeils F je nach Winkellage des kinematischen Elementes 1 gänzlich unterschiedlich Kräfte im Aktuator 5 ergeben, die notwendig sind, um die Kraft F zu halten. In Fig. 1 tritt im Aktuator 5 im Gleichgewicht eine Druckkraft auf, in der Stellung gemäß der Fig. 2 eine Zugkraft und in der Stellung der Fig. 3, die einer Singularität entspricht, kann die Last F durch noch so große Kräfte im Aktuator 5 nicht im Gleichgewicht gehalten werden. In der Praxis bedeutet dies, dass Maßnahmen vorzusehen sind, um das Erreichen der Position entsprechend der Fig. 3 zuverlässig zu verhindern.

Es wurde bewusst ein einfaches Beispiel für das kinematische Element 1 gewählt, der Grund dafür ist neben der guten Anschaulichkeit die Tatsache, dass durch Kombination mehrerer solcher Elemente bzw. deren Ausgestaltung mit mehreren Aktuatoren anstelle der

Stäbe fester Länge 4 die unterschiedlichsten und komplexesten kinematischen Gebilde geschaffen werden können, für die die gemachten Ausführungen mutatis mutandis zu treffen.

Die Fig. 4-6 zeigen ein erfindungsgemäßes kinematisches Element das in seiner Außenwirkung im Wesentlichen dem kinematischen Element der Fig. 1-3 entspricht, aber dessen Nachteile nicht aufweist. In der Darstellung wurden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen, neu hinzugekommene Teile mit neuen Bezugszeichen und abgewandelte Teile mit einem „ '" beim gleichen Bezugszeichen.

Das erfindungsgemäße kinematische Element 10 besteht wiederum aus einer festen Plattform 2 und zwei daran an gelenkigen Fußpunkten 6 befestigten Stäben fester Länge 4, die in einer Spitze 3 zusammengeführt sind. Auch bei diesem Element greift an der Spitze 3 ein Aktuator 5 mit veränderlicher Länge an, doch ist im Gegensatz zum Beispiel gemäß dem Stand der Technik der Fußpunkt T des Aktuators 5 nicht ortsfest an der festen Plattform 2 vorgesehen, sondern mit einem Schubelement 9 verbunden. Dieses Schubelement 9 liegt, in Abhängigkeit von der Winkellage des kinematischen Elementes 10, über einen unterschiedlich langen Bereich seiner Länge an einer Kulisse 8 an und verläuft über den restlichen Teil seiner Länge geradlinig und fluchtend mit dem Aktuator 5. Gemeinsam bilden diese Elemente einen erfindungsgemäßen Aktuator 5'. Es muss daraufhingewiesen werden, dass die Längenänderung des Aktuators 5 ausreicht, um auch die änderung der Lage des Fußpunktes zu bewerkstelligen.

Schubelemente, wie sie für das Bauteil 9 verwendet werden können, sind in der Mechanik bekannt, es wird dazu nur auf die DE 195 22 092 A, die DE 43 08 181 A, die

US 6,419,603 B, die US 4,402,160 A, die EP 799 788 A, das DE 296 04 692 U, die

US 4,505,496 A, die DE 101 03 490 A, die GB 1 395 199 A, die DE 100 06 165 C und die in diesen Druckschriften genannte Literatur verwiesen, was eine eingehendere Behandlung an dieser Stelle überflüssig macht. Diese Schubelemente zeichnen sich dadurch aus, dass sie sowohl Zug als auch Druck übertragen können und dass sie innerhalb einer Ebene von einer gestreckten Lage aus nur in eine Richtung gekrümmt werden können, in die andere

Richtung aber nicht, sodass die gerade Form eine Grenzlage ihrer Konfiguration darstellt.

Dies macht man sich gemeinsam mit der Kulisse 8 zunutze, die ein „Umschlagen" gemeinsam mit dem speziell ausgebildeten Fußpunkt T verhindert. Der Fußpunkt T ist so ausgebildet, dass er die Achse des letzten Schubelementes mit der Achse des eigentlichen Aktuators 5 fluchtend oder zumindest parallel hält, es ist somit ein „steifer" Fußpunkt und kein gelenkiger wie der Fußpunkt 7 beim Aktuator 5 im Vergleichsbeispiel gemäß den Fig. 1-3.

Wie man aus den Figuren entnehmen kann, bewegt sich der Punkt, von dem aus der Aktuator 5 mit dem fluchtend zu ihm verlaufenden Abschnitt des Schubelements 9 geradlinig verläuft, auf einem Kreisbogen. Der Fußpunkt 7' selbst, der ja der Fußpunktverschiebung unterliegt, bewegt sich aber auf einer Evolvente, das ist jene Bahn, die der Punkt 7' beim (gleitfreien) Umschlingen und tangentialen Abgehen des Schubelements 9 von der Kulisse 8 bei konstanter Gesamtlänge bis zum Punkt T beschreibt. Wenn die Kulisse 8 keine Kreisform aufweist, so erhält die Evolvente eine entsprechend andere, meist komplexere, Form.

Wie eine Zusammenschau der Fig. 4-6 zeigt, kann durch Betätigung des Aktuators 5 die durch die beiden Stäbe konstanter Länge 4 aufgespannte Ebene ebenso um die durch die beiden Fußpunkte 6 definierte Achse 14 verschwenkt werden wie im Stand der Technik, doch weist auch bei horizontalem Verlauf der Stäbe konstanter Länge 4 diese Vorrichtung keine Singularität auf. Dies geht aus den Fig. 5 und 6 hervor, aus denen ersichtlich ist, dass in dieser extremen Winkellage der Fußpunkt T sich entweder merklich oberhalb oder merklich unterhalb der durch die beiden Stäbe fester Länge 4 definierten Ebene befindet und daher stets einen von der Länge Null unterschiedlichen Hebelarm aufweist, wodurch die Singularität vermieden wird.

Wenn, wie im dargestellten Ausfuhrungsbeispiel, die Kulisse 8 kreisförmig ist und ihren Mittelpunkt auf der Drehachse hat, so ändert sich die Geometrie and der Spitze 3 nicht, unabhängig von der Winkellage des Gebildes. Dies bedeutet, dass statt des komplexen und teuren Lagers für drei (oder zumindest zwei) Stäbe an der Spitze 3 eine steife Konstruktion gewählt werden kann, durch die die angrenzenden Bauteile leichter und schlanker ausgeführt werden können als bisher.

Wenn die Kulisse 8 nicht den genannten Bedingungen genügt, benötigt man zwar ein bewegliches Lager an der Spitze 3, doch erhält dafür den Vorteil, die Kontur der Kulisse 8 so ausbilden zu können, dass der effektive (momentane) Hebelarm des Aktuators 5' bezüglich der Drehachse 14 in weiten Grenzen und relativ frei geändert und an die zu erwartende Belastung angepasst werden kann.

Festgestellt soll noch werden, dass in diesem Ausführangsbeispiel auf die Symmetrie der Vorrichtung verzichtet wurde, und dass der eine der beiden Stäbe konstanter Länge seinen Fußpunkt in der Ebene aufweist, die durch die Kulisse 8 definiert ist. Auf diese Weise erhält man mit dem Stab 4 und dem Aktuator 5' ein sogenanntes Krafteck, wenn auch der Aktuator 5' nicht, wie sonst bei Kraftecken üblich, über einen ortsfesten Fußpunkt verfügt.

Die Fig. 7-9 zeigen eine weitere Ausgestaltung des kinematischen Elementes der Fig. 4-6, wobei auf das Schubelement 9 insofern verzichtet werden kann, als es durch eine nur auf Zug beanspruchte Verbindung reduziert ist.

Durch diese Reduktion der Schubvorrichtung 9 zu einem Zugelement 9' erreicht man eine ganz wesentliche Reduktion der Kosten und der Masse und benötigt als Ausgleich nur einen zweiten Aktuator 5 symmetrisch zum ersten. Die beiden Aktuatoren 5, das Zug- element 9' und der Stab fester Länge 4 bilden ein Zeigerpaar, bei dem der Stab 4 stets auf Druck und die Aktuatoren 5 und das Zugelement 9' stets auf Zug beansprucht sind, was deren Ausgestaltung und Dimensionierung äußerst erleichtert und es ermöglicht, ihre Masse bestmöglich zu reduzieren. Nochmals soll darauf hingewiesen werden, dass die Ausbildung der Spitze 3 rein schematisch dargestellt ist, dass für ihre Ausbildung das zum letzen Beispiel gesagte auch hier zutrifft, und dass auf die Darstellung konstruktiver Elemente aus den oben genannten Gründen verzichtet worden ist.

Bei dieser Ausbildung wird deutlich, dass die Erfindung eine weitere wichtige Vereinfachung der Lagerung der Stäbe und Aktuatoren ermöglicht: Das Fußlager und das Kopflager des Stabes 4 sind stets auf Druck beansprucht, eine Vorspannung kann damit entfallen, das Zugelement 9' liegt an der Kulisse an, diese ist als starr anzusehen, die übergänge in die Aktuatoren 5 sind stets auf Zug beansprucht und fluchtend, daher stellen

all diese Lager keinerlei Probleme dar, es bleibt nur der Fußpunkt 6 des Stabes 4' als aufwändig vorgespanntes Lager über.

Die Fig. 8 und 9 zeigen das kinematische Element 20 der Fig. 7 in zwei unterschiedlichen Winkellagen, deutlich ist die Verschiebung der Fußpunkte T zu erkennen. Wesentlich ist, dass das Zugelement 9' nicht entlang der Kulisse 8 gleiten kann, dies kann durch formschlüssige oder kraftschlüssige Fixierung sichergestellt werden. Die Ansteuerung der Aktuatoren 5 muss aufeinander abgestimmt werden, doch liegt hier eine feste Abhängigkeit vor, sodass diese Abstimmung ein für alle mal festgelegt werden kann.

Die Fig. 10-13 zeigen, auf welch einfache Weise ein kinematisches Element 10 bzw. 20 so ausgestaltet werden kann, dass es nicht um eine Achse sondern um einen ortsfesten Punkt im Raum verschwenkt werden kann.

In dieser Darstellung wurden die Elemente der Ausfuhrungsform gemäß Fig. 7-9 jeweils mit einem vorgestellten „1" für die Elemente, die für die Bewegung in der einen Richtung verantwortlich sind, bzw. für die Elemente die für die Bewegung in der anderen Richtung verantwortlich sind, mit einer vorgestellten „2" versehen, um einerseits ihre Analogie, anderseits ihre Unterschiedlichkeit deutlich zu machen; auf die Verwendung von Apostrophen wurde verzichtet, übereinstimmende Teile werden nach wie vor nur mit ihrer einstelligen Bezugszahl angegeben.

Die kinematische Vorrichtung 30, die zwischen einer festen Plattform 2 und einer Spitze 3, die eine Art bewegliche Plattform darstellt, vorgesehen ist, besteht im Wesentlichen aus zwei kinematischen Elementen 20 der Fig. 7-9, die, um 90° zueinander verdreht und auch untereinander verdrehbar, passend an der festen Plattform befestigt sind. Diese Befestigungen bzw. Lagerungen stellen die Schwenkbarkeit des Elementes 11 um eine Achse 12 einerseits und des Elementes 21 um eine Achse 22 andererseits sicher. Die Achsen 12, 22 sind ortsfest in der festen Plattform 2 vorgesehen, ja sie definieren diese geradezu. Die beiden Achsen schneiden einander im rechten Winkel.

Das um die Achse 12 schwenkbare kinematische Element 11 besteht aus einer Kulisse 18, um die ein Zugelement 19 gespannt verläuft, das in Aktuatoren 15 übergeht, deren anderes Ende in einer gemeinsamen Spitze 3 mündet.

Analog ist das kinematische Element 21, das um die Achse 22 drehbar ist, aus einer Kulisse 28, darüber gespanntem Zugelement 29 und Aktuatoren 25 aufgebaut, deren dem Zugelement ab gewandten Enden ebenfalls in der Spitze 3 münden.

Schließlich verläuft noch ein Druckstab 4 von der Spitze 3 in Richtung zum Schnittpunkt der beiden Achsen 12, 22 verfugt im Abstand davon über einen Kulissenstein 13, der sowohl an der Kulisse 18 als auch an der Kulisse 28 gleitet und dessen Lage so definiert ist. Der Druckstab 4 setzt sich durch die zweiteiligen Kulissen 18, 28 hindurch fort und endet in einem zweiten Kulissenstein, der, bezüglich des Schnittpunktes der Achsen 12, 22 symmetrisch zum ersten Kulissenstein 13 liegt.

Für die Spitze 3 gilt wiederum das bereits gesagte: Wenn die Kulissen 18, 28 kreisförmig sind und mit ihrem Mittelpunkt auf der jeweiligen Drehachse liegen, dann ist die Spitze 3 ein starres Gebilde und alle Stäbe/Aktuatoren verbleiben dauerhaft und unverändert in ihrer Relativlage zueinander.

Aus der Zusammenschau der Fig. 10-12 ist die hohe Beweglichkeit dieser kinematischen Vorrichtung gut ersichtlich. Auch das Fehlen jeglicher Singularität und „Fastsingularität", das sind Bereich in denen die Lasten nur durch extrem hohe Kräfte in den Aktuatoren bzw. Stäben gehalten werden können, und die üblicherweise nahe von Singularitäten auftreten, ist gut erkennbar.

Die Fig. 13 zeigt das Kernstück der Vorrichtung rund um den Schnittpunkt der Achsen 12, 22 in vergrößertem Maßstab und ohne die Zugelemente 19, 29 zur Verdeutlichung des Aufbaus dieser Kernvorrichtung:

Die Fig. 13 zeigt die Ausbildung der Achsen 12, 22 in schematischer Ansicht und ebenso die Ausbildung der Kulissen 18, 28, die um die Achsen 12, 22 verschwenkbar angeordnet sind. Durch die Ausbildung der Kulissen als zweifache Bahnen jeweils symmetrisch zu

den Drehachsen, erreicht man mit entsprechender Ausbildung der Zugelemente als Doppelbänder oder dergleichen eine zentrische Belastung und in einem die Möglichkeit für eine passende Lagerung des Fußpunktes des Druckstabes 4. In Fig. 13 ist der Kulissenstein 13 deutlich zu sehen, er liegt sowohl zwischen den zusammengehörenden Bahnen der Kulissen 18 und 28 als auch zwischen der einen kleineren Radius aufweisenden Kulisse 18 auf der er außen aufliegt und der einen größeren Radius aufweisenden Kulisse 28, die er von innen kontaktiert. Zwischen den beiden Bahnen der Kulisse 28 wird schließlich der Drackstab 4 in Richtung zur Spitze 3 (Fig. 10) gefuhrt. Durch die Ausbildung der Kulissen 18, 28 als kreisförmige Doppelbahnen um den Schnittpunkt der beiden Achsen 12, 22 erreicht man bei dieser Konstruktion, dass der Druckstab 4 stets die Richtung zwischen der Spitze 3 und dem Schnittpunkt der beiden Achsen einnimmt und daher stets ausschließlich auf Druck beansprucht ist. Dazu gehört eine entsprechende Ausbildung der Einbindung in die Spitze 3, doch ist dies für den Fachmann auf dem Gebiete der Kinematik unmittelbar einsichtig.

Zur Verbesserung der Belastbarkeit und zum Vermeiden jeder Gefahr eines Klemmens ist es, wie bereits erwähnt, möglich, auf vorteilhafte Weise die Druckstange 4 zwischen den beiden Bahnen der Kulisse 18 und der Kulisse 28 fortzusetzen bis zum unteren Kreuzungspunkt dieser beiden Kulissen und auch dort mit einem Kulissenstein passend zu lagern.

Wenn ein weiterer Freiheitsgrad bedient werden soll, ist es nur notwendig statt des Druckstabes 4 mit konstanter Länge einen Aktuator vorzusehen, wodurch dieses Ziel erreicht wird.

Eine weitere Ausgestaltung erhält man einerseits dadurch, dass die Kulissen eine von der Kreisform abweichende Form erhalten, dies macht bei der zweiachsigen Ausführung gemäß den Fig. 10-13 das Vorsehen einer eigenen Lagerung für den Fußpunkt des Druckstabes 4 notwendig und macht die Spitze 3 zu einer Spitze mit veränderlicher Geometrie, hat aber den Vorteil, dass in Kenntnis der zu erwartenden Belastung eine weitere Verbesserung der momentanen Hebelarme erreicht wird.

Wieder eine andere Ausgestaltung erreicht man dadurch, dass ein Aktuator nur auf einer Seite des Zugmittels vorgesehen wird und dass auf der anderen Seite eine Zugfeder statt

des Aktuators angeordnet wird. Diese muss stark genug sein um das Zugelement stets gespannt zu halten und kann in Verbindung mit Kulissen, die von der Kreisform abweichen dazu benutzt werden, um mit den unterschiedlichen, aber bekannten Kennlinien der Feder als erster, des Aktuators (hydraulisch, pneumatisch, Spindeltrieb oder als elektri- scher Linearantrieb ausgebildet) als zweiter und der durch die Kulisse in Abhängigkeit von der Winkellage der Vorrichtung vorgegebenen Hebelarme als dritter zur Verfügung stehenden Größe in weiten Bereichen und jeweils in speziell auf die Belastung abgestimmte Weise die Vorrichtung an die statischen und dynamischen Gegebenheiten anzupassen.

Die Fig. 14 zeigt eine derartige kinematische Vorrichtung, bestehend aus einer festen Plattform 2 und einer die bewegliche Plattform bildenden Spitze 3. Diese kinematische Vorrichtung 40 ist ähnlich aufgebaut wie die kinematische Vorrichtung 20 der Fig. 7-9, doch ist statt zweier Aktuatoren ein Aktuator 35 über ein Zugelement 39, das über eine mit der festen Plattform 2 fix verbundenen Kulisse 38 läuft, mit einer Zugfeder 36, eingezeichnet als Schraubenfeder, doch kann auch jede andere Zugfeder verwendet werden, verbunden. Beide Elemente, sowohl der Aktuator 35 als auch die Zugfeder 36, sind mit der Spitze 3, in die wegen der Form der Kulisse 38 die Stäbe bzw. Aktuatoren mit veränderlicher, von der jeweiligen Position abhängigen Geometrie zusammenlaufen, verbunden.

Wie bei den vorher besprochenen kinematischen Vorrichtungen ist eine Druckstange 4 zwischen der Spitze 3 und der festen Plattform 2 in der Ebene angeordnet, die durch den Aktuator 35 und die Zugfeder 36 definiert wird. Zur Fixierung dieser Vorrichtung im Raum ist weiters ein Stab fester Länge 4' vorgesehen. Dessen Fußpunkt 6 und der Fußpunkt des Druckstabes 4, der von der Kulisse 38 verdeckt ist, definieren eine Achse 31, um die die Spitze 3 verschwenkt wird.

Die Verschwenlcungsmöglichkeit und das Anliegen des Zugmittels 39 an der Kulisse 38 sind aus dem Zusammenhalt der Fig. 14-16 gut ersichtlich, nochmals sei darauf hingewie- sen, dass das Zugmittel 39 in Umfangsrichtung nicht entlang der Kulisse 38 gleitet sondern sich auf ihm ablegt oder von ihm abhebt, wobei die Entfernung dieses Auflaufpunktes von der Achse 31 den momentanen Hebelarm definiert.

Ein Beispiel für die Möglichkeiten, durch entsprechende Wahl der Form und Lage der Kulisse 38 zu bestimmten Wirkungen zu kommen, zeigt die Fig. 17, in der rein schematisch die Kulisse 38 in Draufsicht dargestellt ist, deutlich ist die exzentrische Lage des Durchstoßpunktes der Achse 31 zu erkennen. Die Kulisse 38 ist im dargestellten Ausfuh- rung ^' sbeispiel kardioidenförmig, was in Verbindung mit der Federkennlinie zu den gewünschten Kraftverhältnissen in der kinematischen Vorrichtung 40 fuhrt.

Es ist bei dieser Ausgestaltung gemäß Fig. 14-17 möglich, durch eine zweite Feder, die parallel zum Aktuator vorgesehen ist, zu einem zumindest weitgehenden Ausgleich der Federkräfte zu kommen und so die notwendige Antriebskraft deutlich zu reduzieren, da beim Dehnen der einen Feder die andere entspannt wird und der Aktuator nur die Differenz der Kräfte beitragen muss.

Die Fig. 18-25 zeigen in unterschiedlichen Ansichten eine kinematische Vorrichtung, die auf einer Kombination von zwei kinematischen Vorrichtungen 40 besteht, von denen eine um eine Achse 23 (Fig. 20) bezüglich der festen Plattform 2 verdrehbar ist und wobei einer der beiden Stäbe 4' als Aktuator ausgebildet ist, sodass ein weiterer Freiheitsgrad bedienbar ist und insgesamt ein Tripod entsteht.

In den Figuren wurde die eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit vorgestellten „4", die andere mit vorgestellten „5" bezeichnet, die bei diesem Beispiel ausgebildete bewegliche Plattform erhielt das Bezugszeichen 3', der passive Einzelstab behielt seine Bezugsnummer 4', der zu einem Aktuator umgewandelte Einzelstab erhielt das Bezugszeichen 5.

Aus dem Zusammenhalt der Figuren ist die hohe Beweglichkeit bei Platz sparender Anordnung und doch hervorragender Zugänglichkeit der einzelnen Bauteile zu erkennen. Je nach Belastung und hauptsächlichem Positions- bzw. Bewegungsbereich kann durch änderung der Form der Kulissen 48, 58 eine weitgehende Adaptierung an die Vorgaben erreicht werden.

Auch bei diesem Beispiel sind die Lager für die Druckstäbe 44 und die zugehörigen Aktuatoren einfach und kostengünstig, da stets definierte Lastfälle auftreten. Nur die Lager für den Stab 4' und den Aktuator 5 sind aufwändiger (selbstverständlich hängt es bei den

beiden letztgenannten Lagern von der vorhersehbaren Belastung ab, ob wechselnde Kräfte auftreten können oder nicht, dies wird hier prinzipiell nicht berücksichtigt).

Eine Zusammenschau der Fig. 18 und der Fig. 22 zeigt, dass die bewegliche Plattform 3' eine Beweglichkeit besitzt, die mit so einfachen Mitteln im Stand der Technik unerreichbar ist.

Zu Fig. 23 ist noch auszuführen, dass in dieser Ansicht die beiden erfindungsgemäßen Teilvorrichtungen miteinander fluchten, sodass nur die in dieser Ansicht dem Betrachter zugewandte Vorrichtung 43-49 sichtbar ist, die die genau dahinter befindliche Vorrichtung 53-59 ist von ihr verdeckt.

Die Fig. 24 und 25 zeigen die große Beweglichkeit der Vorrichtung bei gleichzeitigem Aufrechterhalten einer weitab von jeder Singularität liegenden Konstellation. Keine her- kömmliche Parallelkinematik die ähnlich schmal baut wie die dargestellte, könnte eine solche Versetzung der beweglichen Plattform 3' bezüglich der festen Plattform 2 erreichen ohne in die Nähe einer Singularität zu kommen.

Die Erfindung kann verschiedentlich abgewandelt werden und kann in den unterschied- lichsten Anwendungsgebieten, von Mikromanipulatoren über Handhabungsrobotern, Ferti- gungsrobotern bis zu Tragvorrichtungen für die industrielle Fertigung, verwendet werden. In einer prinzipiellen Abwandlung ist es bei allen Vorrichtungen gemäß den Fig. 7 bis 25 möglich, statt der jeweils zwei Aktuatoren bzw. der Aktuatoren - Feder - Kombination ein Zugelement, gegebenenfalls mit einer kurzhubigen Feder (Ausgleich der thermischen Längenänderung, der Ermüdung, etc.) kombiniert zu verwenden, das durch Verdrehen der kreisrunden Kulisse mit Mittelpunkt auf der zugehörigen Drehachse 14 bzw. 31 gegenüber der festen Plattform 2 ein Verdrehen der kinematischen Vorrichtung bewirkt. Bei Verwendung einer allgemein geformten Kulisse (z.B. 48, 58) ist das Vorsehen einer Feder, die in der Lage ist, den notwendigen Längenausgleich zu bewirken, notwendig.

Eine weitere Variante der Erfindung, bei der der eigentliche Antrieb abseits des nach wie vor als Aktuator bezeichneten Elementes angeordnet werden kann und bei der die bewegte Totlast daher besonders klein ist und zufolge der kompakten Ausführung die Beweglich-

keit sowohl was die geometrischen Grenzen als auch die zu erzielenden Beschleunigungen betrifft, besonders groß ist, ist in den Fig. 26-33 dargestellt. Dabei zeigen die Fig. 26-28 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in drei unterschiedlichen Positionen jeweils in perspektivischer Ansicht, die Fig. 29-31 die Darstellung der Fig. 26-28 in Seitenansicht und die Fig. 32 und 33 zwei der gezeigten Positionen in einer Art Draufsicht.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel ist eine Weiterbildung des Beispieles entsprechend den Fig. 14-17, wobei der Antrieb 35 nicht mehr direkt am Aktuator vorgesehen ist, sondern nach Art eines Flaschenzuges den Fußpunkt 14' des Aktuators 5, der nun als Stab fester Länge ausgebildet ist, in seiner Lage festlegt. Der Aufbau ist folgender:

Die in ihrer Gesamtheit mit 60 bezeichnete kinematische Vorrichtung weist in ihrem Kern die Struktur der bisher erläuterten Vorrichtungen auf, d.h. sie besitzt eine feste Plattform 2, auf der schwenkbar ein Druckstab 64 angeordnet ist und einen Seitenkräfte aufnehmenden Stab fester Länge 4'. Mit der festen Plattform 2 verbunden, was aber aus Gründen der übersichtlicheren Darstellung nicht eingezeichnet ist, ist die Drehachse 14 einer Haspel 65, die als Antrieb für den Fußpunkt des Aktuators 5 dient.

Am Kopfpunkt des Drackstabes 64 befindet sich die die bewegliche Plattform darstellende Spitze 3, an der eine Feder 66 mit einem ihrer Enden passend angreift. Das andere Ende der Feder 66 ist mit einem Zugelement 69 verbunden, das über eine Kulisse 68 geführt wird, im Bereich des Fußpunktes des Aktuators 5 um eine Rolle, deren Drehachse 14' geometrisch den Fußpunkt des Aktuators definiert, geschlungen ist und von dort entweder direkt (wie abgebildet) oder über zumindest eine an der festen Plattform 2 angebrachte Führungsrolle zur Haspel 65 verläuft und dort aufgerollt oder abgerollt werden kann. Die

Kulisse 68 ist um eine Achse drehbar, die durch den Fußpunkt des Druckstabes 64 und den

Fußpunkt des Stabilisationsstabes 4' definiert ist. Die Drehachse 14' der Umlenkrolle 67 bewegt sich in Abhängigkeit von der Länge des Zugmittels 69 und der Form der Kulisse

68 wiederum entlang einer Evolvente allgemeiner Natur.

Zwei Formen von Evolventen sind zur Verdeutlichung der durch die Erfindung geschaffenen Möglichkeiten in den ansonsten sehr schematisch gehaltenen Fig. 37 und 38 eingezeichnet: Die Fig. 37 zeigt eine Seitenansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 4-6, wobei in

Forai einzelner Punkte die Lage des Fußpunktes 7' in Abhängigkeit von der Länge des Aktuators 5, die Abrollkurve 16, eingetragen ist, ohne den Aktuator in den jeweiligen Lagen ebenfalls einzuzeichnen, um die Darstellung nicht zu überfrachten. Analog stellt die Fig. 38 eine Vorrichtung gemäß Fig. 31 in Seitenansicht mit der (anders geformten) Abrollkurve 16 ihres Fußpunktes 14' dar.

Aus der Zusammenschau der Fig. 26-28 bzw. der Fig. 29-31 erkennt man sehr schön, in welch weiten Grenzen die bewegliche Plattform 3 gegenüber der festen Plattform 2 verschwenkbar ist, wozu noch gesagt werden muss, dass außer dem Druckstab 64 die anderen Elemente durchwegs dauernd auf Zug beansprucht sind und daher extrem schlank und leicht ausgebildet sein können. Diese Konfiguration erlaubt wegen der stets eindeutigen Belastungsrichtung der einzelnen Lager auch die Verwendung kostengünstiger Lagerungen und man bedarf keiner teuren vorgespannten Lager.

Durch die Feder 66 wird es auch möglich, der Kulisse 68 eine Form zu verleihen, die für den jeweiligen Bewegungs- und Belastungsfall günstig ist, ohne dass ein spezieller Längenausgleich odgl. notwendig ist.

Wie ein Vergleich insbesondere der Fig. 29-31 zeigt, ist das Einlaufen des Zugmittels 69 in den Bereich der Haspel 65 jeweils tangential dargestellt, ohne auf den unterschiedlichen Belegungsgrad der Haspel Rücksicht zu nehmen. Wenn dieser meist nur minimale Unterschied eine Rolle spielt, so kann mittels einer oder zweier Führungsrollen, die ortsfest auf der festen Plattform 2 angeordnet sind, diese Problematik gänzlich beseitigt werden. Es ist in diesem Falle dann auch möglich die Haspel 65 an ganz anderer Stelle anzubringen oder durch einen Linearantrieb (hydraulischer oder pneumatischer Kolben-Zylinder-Antrieb) auszugestalten.

Die Fig. 32 und 33 zeigen Draufsichten und geben einen Eindruck von der kompakten und insbesondere schlanken Form der Vorrichtung. Bei dieser Vorrichtung, ebenso wie bei allen anderen, ist es selbstverständlich möglich, auf den Stabilisierungsstab 4' zu verzichten, wenn beispielsweise das Lager des Druckstabes 4 und der Druckstab 4 selbst so ausgebildet werden, dass sie Seitenkräfte und die entsprechenden Momente ableiten können; es ist auch möglich den Stabilisierungsstab 4' anders auszubilden oder zwei, symmetrisch zur

Schwenlcebene liegende Stabilisierstäbe 4' (ähnlich der Ausbildung gemäß Fig. 2) vorzusehen.

Die Fig. 34-36 zeigen eine Variante, bei der die Haspel 65 an anderer Stelle der festen Plattform 2 angeordnet ist, was die Beweglichkeit der beweglichen Plattform 3 weiter erhöht, ohne den Platzbedarf der Gesamtvorrichtung wesentlich zu vergrößern. In der Darstellung gleitet das Zugmittel 69 über einen Abschnitt der Kulisse 68 über sich selbst, dies kann, beispielsweise durch Führungsrollen, die passend an der festen Plattform 2 vorgesehen sind, vermieden werden.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten bzw. beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann verschiedentlich verändert und ausgestaltet werden. So ist insbesondere zu bedenken, dass die Darstellungen rein schematisch sind und nur die kinematische Funktion erläutern sollen. Die tatsächliche, konstruktive Ausbildung kann daher von der Darstellung stark abweichen. Als Materialien kommen alle im jeweiligen Einsatzgebiet verwendeten Materialien in Frage, spezielle Beispiele für die erwähnten Schubelemente etc. finden sich auch in der eingangs bzw. oben zitierten Literatur.