Getriebeeinheit zum Betreiben eines Objekts 1. Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Getriebeeinheit zum Betreiben eines Objekts. Die Erfindung ist insbesondere in den Bereichen Maschinenbau und Robotik angesiedelt.

2. Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik sind bereits unterschiedliche Ge ^¬ triebearten bekannt. Getriebe können auch als Umformelemente bezeichnet werden, welche Bewegungsgrößen ändern können. Sie übertragen und wandeln beispielsweise die Bewegungsgrößen Drehmomente, Drehrichtungen und Drehzahlen.

Die Getriebe sollten bestimmte Anforderungen erfüllen. Ein Objekt sollte zum einen durch das Getriebe in alle drei rotatorischen Freiheitsgrade, nämlich Rollen R, Nicken N und Gieren G betrieben werden können, wie in Figur 7 dargestellt. Der Begriff Betreiben umfasst das Bewegen sowie das Positio ^¬ nieren oder Ausrichten des Objekts. Ferner sollte das Objekt zum anderen in die Rotationsrichtungen gleich leicht betrieben werden können. Insbesondere sollten Zustände in den Rotationsrichtungen verhindert werden, welche zu einer kardani- schen Blockade („Gimbal Lock") führen. Ferner sollten im Vergleich zu üblichen Elektromotoren eine geringe Rotationsge- schwindigkeit und ein hohes Drehmoment gewährleistet werden.

Taumelradgetriebe lassen sich den Rädergetrieben zuordnen, welche eine Verzahnung aufweisen. Durch das Taumelradgetriebe lassen sich geringe Drehzahlen und hohe Drehmomente realisie- ren. In Figur 8 ist ein beispielhaftes Taumelradgetriebe dar ^¬ gestellt. Das Taumelradgetriebe weist u.a. die übliche be ^¬ kannte Flexspline- und den Circular Spline- Sl, S2 Verzahnun ^¬ gen auf . Die Taumelradgetriebe weisen jedoch als einen Nachteil nur einen Freiheitsgrad auf. Folglich kann ein Objekt mit einem Taumelradgetriebe auch nur in eine Rotationsrichtung bewegt werden. Eine Möglichkeit das Objekt in jede Rotationsrichtung mit gleich geringer Drehzahl und hohem Drehmoment bewegen zu können ist für jeden Freiheitsgrad einen separaten Antrieb mit eigenem Getriebe zu verwenden.

Mehrere Taumelradgetriebe können auch entsprechend einer kar- danischen Aufhängung gemäß Figur 9 kombiniert werden, um alle drei rotatorischen Freiheitsgrade zu realisieren. Nachteilig an dieser Anordnung ist jedoch, dass mit nur zwei sich überschneidenden, zueinander rechtwinkligen Drehlagern, ein Zustand erreicht werden kann, in dem zwei der drei Rotationsachsen zusammenfallen und das Getriebe vorübergehend nur zwei Freiheitsgrade aufweist. Dieser Zustand wird kardanische Blockade genannt .

Anwendungsfälle zum Betreiben eines Objekts und Beispiele des Objekts sind im Folgenden aufgezeigt. Beispielsweise kann mittels der Taumelradgetriebe ein schwerer Sensor exakt aus ^¬ gerichtet werden, wie beispielsweise eine Parabolantenne, ein Parabolspiegel, ein Weltraumteleskop. Ferner kann ein auf Trägheitsnavigation basierendes Fahr- oder Flugzeug, wie Raumschiffe oder U-Boote stabilisiert oder rotiert werden. Ferner kann der Antrieb eines auf Trägheitsnavigation basierendem Fahrzeugs, oder Flugzeugs entsprechend der geplanten Beschleunigungsrichtung ausgerichtet werden. Ferner gibt es weitere Anwendungen aus den Bereichen Robotik, Werkzeugmaschinen, Schwermaschinen, Druckmaschinen, Luft- und Raumfahrt sowie für sonstige Vorrichtungen und Maschinen in denen langsame, aber kraftvolle Antriebe benötigt werden.

Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die objektive technische Aufgabe eine Getriebeeinheit bereitzustellen, wel ^¬ che die Bewegungen eines Objekts in drei Rotationsrichtungen auf einfache und effiziente Art und Weise ermöglicht sowie wenig Bauteilen benötigt.

3. Zusammenfassung der Erfindung

Die oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ge ^¬ triebeeinheit zum Betreiben mindestens eines Objekts gelöst, aufweisend : eine äußere Kugel oder ein äußeres Kugelsegment mit min ^¬ destens einer Einheit, wobei die mindestens eine Einheit eine Vielzahl von Zähnen zur Außenverzahnung aufweist, eine innere Kugel oder ein inneres Kugelsegment mit min ^¬ destens einer Einheit, wobei die mindestens eine Einheit eine Vielzahl von Zähnen zur Innenverzahnung aufweist, wobei c. zumindest eine Einheit der mindestens zwei Einheiten zur Erzeugung einer Kraft ausgebildet ist, wobei die Außenverzahnung in Bezug auf die Innenverzahnun derart ausgebildet ist, dass

- sich zumindest die innere Kugel oder das innere Kugel ^¬ segment in Abhängigkeit der Kraft verformt, die Außen ^¬ verzahnung in Abhängigkeit der Kraft zumindest teilweise in die Innenverzahnung eingreift und zumindest die inne ^¬ re Kugel oder das innere Kugelsegment in eine Mehrzahl von zugehörigen Freiheitsgraden rotiert, wobei e. das mindestens eine Objekt basierend auf der Rota ^¬ tion betrieben wird wobei die äußerere Kugel oder das äußere Kugelsegment (10) und/oder die innere Kugel oder das innere Kugelsegment (20) eine Vielzahl von Einheiten (11, 21) aufweisen, wo- bei jede Einheit der Vielzahl der Einheiten (11, 21) ei ^¬ ne Vielzahl von Zähnen (12, 22) aufweist.

Dementsprechend ist die erfindungsgemäße Getriebeeinheit dazu geeignet ein beliebiges Objekt zu betreiben. Das Objekt ist beispielsweise ein Sensor, ein Fahrzeug, ein Schiff oder eine andere sonstige Vorrichtung. Der Begriff Betreiben umfasst das Bewegen sowie das Positionieren oder Ausrichten des Objekts .

Die Getriebeeinheit weist zwei Kugeln oder Kugelsegmente auf, eine äußere und eine innere Kugel oder ein äußeres oder inne ^¬ res Kugelsegment. Dementsprechend ist die innere Kugel oder das innere Kugelsegment im Inneren der äußeren Kugel oder des äußeren Kugelsegments angeordnet bzw. von ihr umschlossen.

Die äußere Kugel oder das äußere Kugelsegment ist daher ins ^¬ besondere hohl ausgebildet und kann demnach auch als Hohlku ^¬ gel oder Hohlkugelsegment bezeichnet werden. Sie weisen je ^¬ weils eine oder mehrere Einheiten auf. Auf den Oberflächen der Einheiten ist eine Vielzahl von Zähnen angeordnet. Die

Vielzahl der Zähne ist derart abgestimmt, dass die Außenver ^¬ zahnung der äußeren Kugel oder des äußeren Kugelsegments in die Innenverzahnung der inneren Kugel oder des inneren Kugelsegments eingreifen kann.

Eine oder mehrere Einheiten der äußeren Kugel oder des Kugelsegments und/oder der inneren Kugel oder des inneren Kugelsegments können eine Kraft erzeugen. Beispielsweise wird ein Magnetfeld durch Elektromagnete oder Permanentmagnete gebil- det . Dementsprechend ist die innere Kugel oder das innere Ku ^¬ gelsegment mit Permanentmagneten und die äußere Kugel oder das äußere Kugelsegment mit Elektromagneten bestückt. Alter ^¬ nativ ist die innere Kugel oder das innere Kugelsegment mit Elektromagneten und die äußere Kugel oder das äußere Kugel- segment mit Permanentmagneten bestückt. Die Einheiten sind jedoch nicht auf die Magnete beschränkt. Bei einem anliegenden Magnetfeld wird zumindest die innere Kugel durch die Magnetkraft, auch magnetische Kraft oder An ^¬ ziehungskraft genannt, der Einheiten verformt. Alternativ kann die Verformung auch durch sonstige Einheiten und Kräfte herbeigeführt werden. Beispielsweise wird die innere Kugel in eine dreidimensionale Form, ein Ellipsoid, verformt . Dement ^¬ sprechend liegen die eine oder die mehreren Einheiten der inneren Kugel an der äußeren Kugel an, die Außenverzahnung und die Innenverzahnungen greifen ineinander. Zumindest die innere Kugel rotiert entsprechend in mehrere Rotationsrichtungen. Somit kann nur die innere Kugel rotieren oder die beiden Ku ^¬ geln rotieren in gegenläufige Richtungen.

Mit anderen Worten, ändert sich durch eine Veränderung der Verformung der Punkt, an dem die Verzahnungen ineinandergreifen und die Kugeln rotieren gegeneinander. Dementsprechend greifen die Zähne ineinander. Daneben erzeugen die Einheiten Kraft und können als Krafterzeuger bezeichnet werden.

Folglich weist die Getriebeeinheit mehrere Freiheitsgrade auf, insbesondere alle drei obigen Freiheitsgrade. Im Gegen ^¬ satz zum Stand der Technik ist die Getriebeeinheit dadurch vorteilhafterweise nicht auf eine eindimensionale Rotation, Rotationsbewegung oder rotatorischen Freiheitsgrad beschränkt. Der Zustand einer kardanischen Blockade gemäß dem Stand der Technik wird verhindert. Ferner ist die Getriebe ^¬ einheit vorteilhafterweise für Bewegungen in die drei Rotati ^¬ onsrichtungen mechanisch wesentlich einfacher als eine Kombination von herkömmlichen eindimensionalen Getrieben oder anderen Einheiten, wie Antrieben etc.

Das Objekt kann durch die Rotation in die unterschiedlichen Bewegungsrichtungen betrieben werden.

Die Getriebeeinheit oder einzelne Einheiten der Getriebeeinheit können insbesondere durch 3D Druck hergestellt werden. Beispielsweise können die Einheiten, wie Magnete, in ver ^¬ schiedenen Größen und Formen gedruckt werden. Der 3D Druck ermöglicht insbesondere eine schnelle Fertigung. Die Getrie ^¬ beeinheit ist jedoch nicht auf dieses Fertigungsverfahren be ^¬ schränkt . Dementsprechend weist zumindest eine Kugel der beiden Kugeln eine Vielzahl von Einheiten auf. Insbesondere sind auf beiden Kugeln entsprechende zugehörige Einheiten vorgesehen, wie aufeinander abgestimmte Magneten zur Erzeugung einer Anziehungskraft. Dementsprechend weist die äußere Kugel Elektro- magnete und die innere Kugel Permanentmagnete auf oder umge ^¬ kehrt. Alternativ sind andere Kombinationen oder Einheiten als Magnete denkbar.

In einer Ausgestaltung ist die mindestens eine Einheit der äußeren Kugel oder des äußeren Kugelsegments und/oder die mindestens eine Einheit der inneren Kugel oder des inneren Kugelsegments eine Einheit aus einem bestimmten Material ist, welche vollständig mit Zähnen besetzt ist. Dementsprechend besteht die Einheit der Kugel, die Oberfläche der Kugel oder die gesamte Kugel aus einem bestimmten Material, welches aus einem oder mehreren Bestandteilen zusammengesetzt ist. Das Material ist zur Krafterzeugung geeignet. Insbesondere weist die innere Kugel ein Material zur Krafterzeugung auf und die äußere Kugel nicht. Alternativ sind andere Kombinationen oder Materialien denkbar.

In einer weiteren Ausgestaltung ist die äußere Kugel (10), das äußere Kugelsegment (10), die innere Kugel (20) und/oder das innere Kugelsegment (20) als ganze Kugel ausgebildet ist.

In einer weiteren Ausgestaltung sind die jeweiligen Abstände zwischen den benachbarten Einheiten der Vielzahl der Einheiten gleich groß. In einer weiteren Ausgestaltung sind die jeweiligen Abstände zwischen den benachbarten Zähnen gleich groß. Dementsprechend werden die Abstände zwischen den Zähnen und den Einheiten derart gewählt, dass die Zähne der äußeren Ku ^¬ gel vorteilhafterweise optimal in die Zähne der inneren Kugel eingreifen können sowie die Krafterzeugung der Einheiten op- timiert wird.

In einer weiteren Ausgestaltung ist die mindestens eine Einheit ein Permanentmagnet, ein piezo-hydraulisches System oder ein Elektromagnet. Dementsprechend weist die äußere Kugel Elektromagnete als Einheiten und die innere Kugel Permanent ^¬ magnete als Einheiten auf oder umgekehrt. Dadurch ist vor ^¬ teilhafterweise keine Energieversorgung für die innere Kugel nötig. Alternativ weist nur die innere Kugel oder die äußere Kugel ein piezo-hydraulisches System als Einheit auf. Dadurch liegen alle krafterzeugenden Elemente nur auf der inneren Kugel .

In einer weiteren Ausgestaltung ist die mindestens eine Einheit mehreckig ausgebildet und/oder die Oberfläche der min- destens einen Einheit ist abgerundet. Dementsprechend kann die eine oder können die mehreren Einheiten hinsichtlich ihrer Größe, Form, Flächen und Beschaffenheit beliebig ausge ^¬ bildet werden. Dadurch ist die Getriebeeinheit vorteilhafterweise benutzerfreundlich. Der Anwender kann die Einheiten je nach Bedarf und Anwendungen etc. anpassen. Insbesondere sind die Einheiten fünfeckig und abgerundet ausgebildet sowie bün ^¬ dig zur Kugeloberfläche auf der Kugel positioniert. Dadurch nimmt die Kugel die Form eines Ikosaederstumpfes oder Fuß ^¬ ballkörpers an. Diese Form hat sich hinsichtlich der Symmet- rieeigenschaften als besonders vorteilhaft erwiesen.

In einer weiteren Ausgestaltung ist die innere Kugel oder das innere Kugelsegment flexibler, weniger starr oder weniger steif als die äußere Kugel oder das äußere Kugelsegment aus- gebildet. Dementsprechend ist die innere Kugel flexibel und die äußere Kugel starr. Dadurch kann sich die innere Kugel vorteilhafterweise sehr gut verformen während die äußere Ku ^¬ gel während der Verformung der inneren Kugel nicht nachgibt bzw. sich nicht verformt. Die innere Kugel verformt sich ins ^¬ besondere in ein Ellipsoid.

In einer weiteren Ausgestaltung ist zwischen der äußeren Kugel oder des äußeren Kugelsegments und der inneren Kugel oder des inneren Kugelsegments ein Luftspalt angeordnet, welcher eine hydraulische Flüssigkeit aufweist. Dementsprechend be ^¬ findet sich zwischen den zwei Kugeln ein Luftspalt, welcher mit einer hydraulischen Flüssigkeit gefüllt wird. Dadurch werden vorteilhafterweise die MagnetVerluste oder sonstigen Verluste im Luftspalt überwunden.

In einer weiteren Ausgestaltung weist die Außenverzahnung im Vergleich zur Innenverzahnung eine geringere Anzahl von Zähnen auf .

In einer weiteren Ausgestaltung ist die Außenverzahnung und/oder die Innenverzahnung eine Microverzahnung.

In einer weiteren Ausgestaltung sind die Zähne kegelförmig oder pyramidenförmig ausgebildet. Dementsprechend können die Zähne hinsichtlich ihrer jeweiligen Größe, Form, Flächen und Beschaffenheit beliebig ausgebildet werden. Dadurch ist die Getriebeeinheit vorteilhafterweise benutzerfreundlich. Insbe ^¬ sondere sind die Zähne kegelförmig. Diese Form hat sich als besonderes vorteilhaft erwiesen, da sie rotationssymmetrisch ist und deshalb unabhängig von der Rotationsrichtung am besten ineinandergreifen.

In einer weiteren Ausgestaltung ist das Objekt im Inneren der inneren Kugel oder des inneren Kugelsegments angeordnet. Dem ^¬ entsprechend wird das Objekt durch Rotation der inneren Kugel in ihren rotatorischen Freiheitsgraden betrieben. Alternativ kann das Objekt anderweitig angeordnet werden. Dadurch sind vorteilhafterweise weniger Elemente oder Bauteile im Ver ^¬ gleich zum Stand der Technik erforderlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen In der folgenden detaillierten Beschreibung werden vorliegend bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung weiter beschrieben mit Bezug auf die folgenden Figuren.

Fig. 1 zeigt eine Detailansicht einer erfindungsgemäßen Getriebeeinheit .

Fig. 2 zeigt eine Querschnittansicht der Getriebeeinheit mit einer Außen- und Innenverzahnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht eines abgerundeten Permanentmag ^¬ neten als Einheit der Getriebeeinheit gemäß einer Aus- führungsform der Erfindung.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung von unterschiedli ^¬ chen Zahnformen der Außen- und Innenverzahnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung der Verfahrens ^¬ schritte zum Positionierung der Zähne der Außen- und Innenverzahnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung .

Fig. 6 zeigt eine Detailansicht einer resultierenden Positio ^¬ nierung der Zähne auf einer Oberfläche einer Kugel der Getriebeeinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung .

Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung der drei

rotatorischen Freiheitsgrade gemäß dem Stand der Tech ^¬ nik . Fig. 8 zeigt eine Querschnittansicht eines Taumelradgetriebes gemäß dem Stand der Technik. Fig. 9 zeigt eine Detailansicht einer kardanischen Aufhängung für das Taumelradgetriebe gemäß dem Stand der Technik.

5. Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die Figuren beschrieben.

Fig. 1 stellt eine Getriebeeinheit 1 gemäß der Erfindung dar, welche zwei Kugeln 10, 20 aufweist. Die innere Kugel 20 ist im Detail in Fig. 1 gezeigt während die äußere Kugel 10 nur schematisch angedeutet ist. Die innere Kugel 20 weist eine Vielzahl von Einheiten 21 auf. Beispielsweise können zwölf fünfeckige, an der Oberseite abgerundete Dauermagneten als Einheiten 21 in die innere Kugel 20 eingesetzt werden, wie gezeigt. Als Dauermagneten können beispielsweise Elektromag- nete oder Permanentmagnete verwendet werden. Die Dauermagne ^¬ ten sind beispielhaft in Fig. 3 im Detail gezeigt. Sie sind nicht auf die fünfeckige oder abgerundete Form beschränkt.

Die Dauermagneten 21 sind bündig zur Kugeloberfläche, ent ^¬ sprechend den Fünfecken eines abgerundeten Ikosaederstumpfes positioniert. Hinsichtlich der Positionierung ist es wünschenswert viele Pole symmetrisch anzuordnen. Der Vorteil des Ikosaederstumpfes , der auch als Fußballkörper bezeichnet wer ^¬ den kann, sind seine besonders vorteilhaften Symmetrieeigenschaften bzw. geometrischen Eigenschaften. Jedem fünfeckigen Dauermagneten liegt ein fünfeckiger Dauermagnet gegenüber. Alternativ zu den Dauermagneten können auch piezo- hydraulische Systeme 21 verwendet werden, welche es ermögli ^¬ chen, dass sich die innere Kugel 20 verformen kann.

Die innere Kugel 20 besitzt auf der Außenseite eine Verzah ^¬ nung, welche passend zu einer Verzahnung auf der Innenseite der äußeren Kugel 10 ausgestaltet ist, wie in Fig. 2 im De ^¬ tail verdeutlicht. Die Vielzahl der Zähne 12, 22 der Verzahnungen können auf den Dauermagneten 11, 21 entsprechend angeordnet werden (nicht gezeigt in den Figuren 1 und 2) . Die in- nere Kugel 20 hat eine geringere Oberfläche als die äußere Kugel 10 und weist folglich auch eine geringere Anzahl von Zähnen 22 auf. Die Zähne 12, 22 können gemäß Fig. 4 kegelförmig oder pyramidenförmig mit einer mehreckigen Grundfläche ausgestaltet sein. Sie sind nicht auf diese Formen beschränkt. Ferner sind die Zähne vorzugsweise mit möglichst gleichen Abständen zuei ^¬ nander auf der Kugeloberfläche verteilt.

Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung der Verfahrens ^¬ schritte zur Positionierung der Zähne 12, 22 der Außen- und Innenverzahnung. Zunächst werden die Fünf- und Sechsecke des Ikosaederstumpfes in regelmäßige Dreiecke unterteilt. Dabei erhält jedes Dreieck der Dreiecke den Mittelpunkt des jewei ^¬ ligen Fünf- oder Sechsecks als Ecke. Als nächstes wird jedes Dreieck der Dreiecke in vier gleich große und gleichseitige Dreiecke geteilt. Dadurch erhält das mittlere Dreieck die Mittelpunkte der Seiten des ursprünglichen Dreiecks als Ecken.

Danach werden die Ecken der Dreiecke auf die Kugeloberfläche projiziert. Zusätzlich können die Positionen der Ecken der Dreiecke geringfügig mittels eines lokalen Optimierungsver ^¬ fahrens variiert werden, um die Abstände der Ecken zueinande vorteilhafterweise zu homogenisieren. Auf jedem Gitterpunkt oder Ecke wird gemäß Fig. 6 ein Zahn 12, 22 positioniert.

Die innere Kugel 20 ist flexibel, so dass sich bei einem an- liegenden Magnetfeld durch die Magnetkraft F der Permanent ^¬ magneten 21 die Kugel 20 zu einem Ellipsoiden verformen kann. Bei ausreichend hoher Magnetkraft K bzw. anliegendem Magnet ^¬ feld wandern die Polstellen des Ellipsoiden 20 und liegen an der äußeren Kugel 10 an. Ferner greifen die beiden Verzahnun- gen 12, 22 ineinander. Beispielsweise kann das Magnetfeld durch Elektromagneten außerhalb der äußeren Kugel 10 erzeugt werden. Das Ellipsoid 20 rotiert entsprechend den Überset ^¬ zungsverhältnissen der Verzahnungen. Sein Mittelpunkt bleibt in der Mitte der äußeren Kugel 10. Die Getriebeeinheit 1 weist die drei rotatorischen Freiheitsgrade auf.

Ohne Magnetfeld liegt die innere Kugel 20 in der äußeren Ku- gel 10. Die Getriebeeinheit 1 weist die sechs rotatorischen Freiheitsgrade auf, drei translatorische und drei

rotatorische .

In einer Ausführungsform der Erfindung wird die äußere Kugel 10 fixiert. Dadurch können Objekte 30 im Inneren der inneren Kugel 20 durch Rotation der inneren Kugel 20 in ihren rotatorischen Freiheitsgraden ausgerichtet werden.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die äußere Kugel 10 lose oder nicht fixiert. Dadurch wird eine Relativ ^¬ bewegung zwischen der inneren Kugel 20 und der äußeren 10 Kugel erreicht. Diese Ausführungsform ist beispielsweise zur Lageregelung von auf Trägheitsnavigation basierenden Fahroder Flugzeugen, insbesondere Satelliten, geeignet.