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Die Erfindung betrifft einen elektromotorischen Aktor, insbesondere für einen humanoiden Roboter, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
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Rotationssymmetrische Linearmotoren sind für die verschiedensten Anwendungen bekannt, bei denen es erforderlich ist, den Translator des Motors für eine begrenzte Wegstrecke zu bewegen. Ein solcher Motor besteht aus einem koaxial aufgebauten zylinderförmigen Stator und aus einem koaxialen zylinderförmigen Translator. Beide sind aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität hergestellt. Der Stator besitzt innenliegende Nuten, in denen sich Wicklungen aus Kupfer (Spulen) befinden. Der Translator hat außenliegende Zähne. Die Motorwicklungen des Stators werden mit Strom beaufschlagt und erzeugen dann ein Magnetfeld. Durch die vom Magnetfeld verursachte Kraft wird der Translator linear zur Achse bewegt. Die Funktionsweise beruht auf dem Streben des Systems Stator-Translator nach minimaler Reluktanz (magnetischer Widerstand). Die Bestromung der Spulen erfolgt abwechselnd, abhängig von der gewünschten Bewegungsrichtung und der Position des Translators. Beispielswiese ist aus der
JP 55088562 A ein Linearschrittmotor bekannt, der es ohne das Vorsehen eines Getriebes ermöglicht, den Translator schrittweise zu bewegen, indem der Motorstrom von der gerade aktiven Motorwicklung auf die benachbarte Motorwicklung umgeschaltet wird. In der
DE-AS 1 488 500 ist ein ähnlicher zylindrischer Linearmotor beschrieben, bei dem der Abstand der Statorzähne kleiner ist als der Abstand der Translatorzähne. Die maximale Antriebskraft ergibt sich dann, wenn nur diejenigen benachbarten Motorwicklungen bestromt werden, die auf den Translator eine Kraft in derselben Bewegungsrichtung ausüben. Eine besondere Aufteilung der Statorzähne und Translatorzähne bei einem permanenterregten Linearmotor ist in
DE 195 00 095 beschrieben.
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Nachteilig an den beschriebenen Anordnungen ist, dass sie für die Anwendung in mobilen Robotern, insbesondere humanoiden Robotern, nur bedingt geeignet sind. Denn die bekannten zylindrischen Linearmotoren erfordern für jede Bewegung des Translators mit einer bestimmten Geschwindigkeit und/oder einer bestimmten Kraft eine entsprechende Bestromumg der Motorwicklungen. Die in einem mobilen Roboter üblicherweise mitzuführenden elektrischen Energiespeicher – im Regelfall Akkumulatoren – sollen möglichst leicht sein, um die Mobilität nicht zu beeinträchtigen. Zudem sollen die Kosten für die Energiespeicher gering gehalten werden. Die von leichten, kostengünstigen Akkumulatoren zur Verfügung gestellte elektrische Energie ist daher begrenzt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen elektromotorischen Aktor, insbesondere für einen mobilen Roboter, zu schaffen, welcher mit geringerem Energiebedarf betrieben werden kann, und der gleichzeitig einfach und kostengünstig herstellbar und in einem mobilen Roboter integrierbar ist.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass der Energiebedarf eines Aktors, der insbesondere zum Betrieb eines mobilen, beispielsweise humanoiden Roboters einsetzbar ist, dadurch reduziert werden kann, dass von einem zu bewegenden Element oder Gelenk freigesetzte Energie auf einfache Weise mechanisch gespeichert werden kann. Erfindungsgemäß wird daher eine mechanische Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von Bewegungsenergie vorgesehen, über die der Translator eines Linearreluktanzmotor-Antriebs mit dem Stator gekoppelt ist. Auf diese Weise ist es möglich, kinetische Energie, die beispielsweise zuvor durch einen anderen Aktor erzeugt wurde, zwischenzuspeichern, um diese dann bei der nächsten erforderlichen Bewegungsaktion freizugeben. Damit kann auf einfache Weise der elektrische Energiebedarf mehrerer Aktoren, die in einem Gesamtsystem, wie einem humanoiden Roboter, enthalten sind, reduziert werden.
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Bei der Abgabe der gespeicherten Energie können Spitzenkräfte erreicht werden, die gegenüber herkömmlichen Aktoren deutlich höher liegen, denn die erreichbaren Spitzenkräfte setzen sich aus den von der Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von kinetischer Energie und der elektromotorischen Antriebsvorrichtung gelieferten Kräften zusammen.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von Bewegungsenergie als Federvorrichtung ausgebildet. Die Federvorrichtung weist vorzugsweise wenigstens eine mechanische Feder auf. Hierdurch ergibt sich gegenüber anderen, mechanisch aufwändigeren Federn, wie beispielsweise Gasdruckfedern, die ebenfalls erfindungsgemäß einsetzbar sind, eine einfachere und kostengünstigere Konstruktion, die auch einen geringeren Wartungsaufwand verursacht.
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Die Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von Bewegungsenergie kann so ausgebildet sein, dass der Translator im stromlosen Zustand der Motorwicklungen in einer Ausgangsposition gehalten wird.
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Der Aktor kann dabei so ausgebildet sein, dass der Translator aus der Ausgangsposition in beiden Richtungen auslenkbar ist, wobei die Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von Bewegungsenergie dann vorzugsweise auch so ausgebildet ist, dass sie bei einer Bewegung des Translators, ausgehend von der Ausgangsposition, in beiden Bewegungsrichtungen Energie speichert.
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Der Aktor kann jedoch auch so ausgebildet werden, dass der Translator aus seiner Ausgangsposition in nur einer Richtung auslenkbar ist, wobei die Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von Bewegungsenergie so ausgebildet ist, dass sie bei einer Bewegung des Translators, ausgehend von der Ausgangsposition, in der betreffenden Bewegungsrichtung Energie speichert und in der Ausgangsposition mittels einer vorbestimmten Vorspannung eine vorbestimmte Haltekraft erzeugt.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Motorwicklungen zu einer Anzahl von n Gruppen verschaltet, wobei die einzelnen Wicklungen jeder Gruppe jeweils alternierend in der Längsrichtung des Stators angeordnet sind, und wobei der Wicklungssinn von benachbarten Wicklungen derselben Gruppe jeweils entgegengesetzt gewählt ist. Durch eine geeignete, phasenverschobene Bestromung der Wicklungsgruppen kann so eine Bewegung des Translators erzeugt werden. Die Frequenz des Stroms ist dabei selbstverständlich auf die Bewegungsgeschwindigkeit des Translators abzustimmen.
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Der geschaltete, zylindrische Linearreluktanzmotor-Antrieb kann insbesondere als Dreiphasen-Linearreluktanzmotor-Antrieb ausgebildet sein, d.h., es sind drei entsprechende Gruppen von Wicklungen vorgesehen. Wird der der Abstand der Statorzähne in diesem Fall im Wesentlichen gleich zwei Drittel des Abstands der Translatorzähne gewählt, so ergibt sich eine maximale Haltekraft für den Stator in einer vorbestimmten Position.
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Der geschaltete, zylindrische Linearreluktanzmotor-Antrieb, insbesondere die Motorwicklungen, sind nach der Erfindung vorzugsweise so dimensioniert, dass der durch die Motorwicklungen fließende Strom über den Nutquerschnitt gesehen eine Stromdichte im Bereich von 10 A bis 150 A pro Quadratmillimeter der Nutquerschnittsfläche erzeugt.
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Generell kann die Haltekraft und auch die für die Bewegung des Translators erforderliche Kraft erhöht werden, wenn der Strom vergrößert wird. Ab einer gewissen Grenze muss dann der Motor jedoch wegen der zunehmenden Verluste gekühlt werden. Dafür kann die Statoroberfläche mit einem Kühlkörper versehen und als solcher ausgebildet sein. Eine solche passive Kühlung wird aber ebenfalls ab einer bestimmten Verlustleistung nicht mehr ausreichen. Zur aktiven Kühlung von Linearmotoren ist es bekannt, den Stator mit Kühlkanälen zu versehen (z.B.
WO 2008/132041 A1 ). Nachteilig an dieser Lösung ist jedoch der hohe Fertigungsaufwand sowie insbesondere auch der periphere Aufwand für eine Pumpe und ein Kühlaggregat.
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Zur Bereitstellung eines erfindungsgemäß einfachen und kostengünstigen Aktors kann zu dessen Kühlung an zumindest einem Teil der Fläche des Außenumfangs des Stators ein hydrophiles, eine Kapillarwirkung aufweisendes, offenporiges Material, vorzugsweise ein hydrophiles Vlies, vorgesehen sein, wobei ein Teil des offenporigen Materials oder zumindest ein mit dem offenporigen Material verbundenes Verbindungselement aus einem Material mit ausreichender Kapillarität als Ansaugelement zum Ansaugen einer Verdunstungsflüssigkeit, vorzugsweise Wasser, aus einem Behälter vorgesehen ist. Auf diese Weise kann eine sehr einfache und kostengünstige Kühlung realisiert werden. Zusätzlich zum Aktor muss jedoch ein Behälter bereitgestellt werden, in dem die Flüssigkeit enthalten ist, die mittels Kapillarwirkung an den Ort gefördert wird, an dem die Verdunstung erfolgen soll.
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Diese Art der Kühlung bzw. diese Kühlvorrichtung erfordert nur eine sehr geringe Masse und einen geringen Platzbedarf, so dass der Aktor bei gleichen maximalen Spitzenkräften und Translationsgeschwindigkeiten gegenüber bekannten Motoren leichter und kleiner sein kann bzw. bei gleichem Gewicht bzw. gleicher Baugröße höhere maximale Spitzenkräfte und höhere maximale Translationsgeschwindigkeiten oder Beschleunigungen erzeugen kann.
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Um eine exakte Bewegung und Positionierung des Translators zu ermöglichen, wird eine Sensorvorrichtung benötigt, welche zumindest die relative Position des Translators zum Stator, vorzugsweise auch dessen absolute Position erfasst. Erfindungsgemäß kann hierzu der Aktor mit einem Differentialtransformator ausgestattet sein, der in Verbindung mit einer entsprechenden Auswerteeinheit einen Wert für die relative oder absolute Position des Translators liefert. Zur Realisierung des Differentialtransformators kann der Stator am Innenumfang vorgesehene umlaufende Nuten aufweisen, in welchen die Wicklungen des Differentialtransformators angeordnet sind. Der Differentialtransformator wird dabei durch die Translatorzähne mit gebildet. Im Bereich der Nuten und Wicklungen des Differentialtransformators ist der Stator aus einem nicht-ferromagnetischen Material gebildet.
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Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen
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1 eine schematische, teilweise geschnittene Seitenansicht der wesentlichen Teile eines Beins eines humanoiden Roboters mit einem Aktor nach der Erfindung zur Bewegung des Fußgelenks; und
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2 eine schematische Darstellung des Prinzips eines Aktors nach der Erfindung mit einem zylindrischen geschalteten Linearreluktanzmotor-Antrieb, dessen Translator über eine Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von kinetischer Energie mit dem Stator gekoppelt ist.
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Die schematische Darstellung eines Beins 1 eines im Übrigen nicht näher dargestellten humanoiden Roboters in 1 zeigt einen Oberschenkel 3, der über ein Kniegelenk 5 mit einem Unterschenkel 7 verbunden ist. Der Unterschenkel 7 ist über ein Fußgelenk 9 mit einem Fuß 11 verbunden. Das Kniegelenk 5 ist mittels eines Aktors 13 hinsichtlich des von den Längsachsen des Oberschenkels 3 und Unterschenkels 7 eingeschlossenen Kniewinkels α verstellbar. Die Längsachsen des Oberschenkels 3 und des Unterschenkels 7 verlaufen dabei durch die Schwenkachse eines nicht näher dargestellten Hüftgelenks, mit dem der Obeschenkel 3 mit einem Rumpfteil des Roboters verbunden ist und durch die Schwenkachse 5a des Kniegelenks 5 bzw. durch die Schwenkachse 5a des Kniegelenks 5 und die Schwenkachse 9a des Fußgelenks 9. Zur Bewegung des Fußgelenks 9 um die Gelenkachse 9a ist ein weiterer Aktor 13 vorgesehen, der eine Verringerung oder Vergrößerung des von der Längsachse des Unterschenkels 5 und der auf dem Boden aufliegenden Unterseite des Fußes 11 eingeschlossenen Fußwinkels β bewirken kann.
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Bei den Aktoren 13 handelt es sich um Linearaktoren, die an ihren Endbereichen jeweils gelenkig mit dem Oberschenkel und dem Unterschenkel bzw. dem Unterschenkel und dem Fuß des Roboters verbunden sind. Durch eine Verkürzung bzw. Verlängerung des betreffenden Aktors wird somit das Vergrößern bzw. Verkleinern des jeweiligen Winkels erreicht.
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Jeder der Aktoren 13 besteht aus einem Gehäuse 15 und einem Stellglied 16, welches linear relativ zum Gehäuse 15 bewegbar ist.
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Selbstverständlich sind die Aktoren 13 von einer nicht näher dargestellten Steuereinheit, die sich im Rumpf des Roboters befinden kann, in der gewünschten Art und Weise ansteuerbar.
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Da die elektromorisch angetriebenen Aktoren 13 nach der Erfindung, deren Aufbau und Funktionsweise weiter unten beschrieben wird, möglichst klein bauen sollen und gleichzeitig eine hohe Spitzenleistung sowie – zumindest bei einem Dauerbetrieb – eine relativ hohe mittlere Leistung erzeugen müssen, ist es erforderlich, die zwangsweise in Form von Wärme abgegebene Verlustleistung wirksam abzuführen, um eine Überhitzung und hierdurch hervorgerufene Beschädigung des Aktors oder des gesamten Roboters zu vermeiden. Hierzu kann am Außenumfang des zylindrisch ausgebildeten Gehäuses 15 des Aktors 13 eine Lage eines offenporigen Materials 17 mit ausreichender Dicke aufgebracht sein, beispielsweise durch Verkleben mit dem Aktorgehäuse 15. Das Material sollte eine ausreichende Kapillarwirkung aufweisen, um eine Verteilung einer dem Material zugeführten Verdunstungsflüssigkeit auf möglichst die gesamte Oberfläche, die von dem Material abgedeckt ist, zu gewährleisten. Das poröse Material kann beispielsweise ein Vließ, vorzugsweise aus Kunststoff, sein. Gleiches gilt für das oder die mehreren Ansaugelemente.
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Das Zuführen der Verdunstungsflüssigkeit kann, wie in 1 schematisch dargestellt, durch ein oder mehrere Ansaugelemente 17a erfolgen. Ein Ansaugelement 17a kann ebenfalls durch ein Material mit entsprechender Kapillarwirkung gebildet werden, welches sich zwischen dem auf dem Aktor 13 aufgebrachten Material und einem Reservoir 19 für die Verdunstungsflüssigkeit erstreckt. Im einfachsten Fall kann es sich in beiden Fällen um dasselbe Material handeln. Anstelle eines separaten Ansaugelements 17a kann auch direkt das auf dem Aktor 13 aufgebrachte Material 17 über das Gehäuse 15 des Aktors 13 hinausragen und bis in das Reservoir 19 geführt sein.
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Auf diese Weise kann eine wirksame Kühlung durch Verdunstung bewirkt werden, ohne dass separate Schläuche zwischen dem Reservoir 19 und dem jeweiligen Aktor 13 geführt werden müssten. Schäden an Zuführschläuchen, die durch dauernde Bewegungen der Schläuche möglich sind, können somit die Funktionsfähigkeit des Roboters nicht beeinträchtigen. Auch ist keine zusätzliche Pumpe erforderlich. Die Konstruktion des Aktors 13 bleibt einfach und kostengünstig. Kanäle für ein Kühlmedium im Gehäuse oder zusätzliche Kühlkörper werden nicht benötigt. Das kapillare Material 17 befeuchtet die zu kühlenden Teile des Aktors 13 ohne zusätzlichen Energieaufwand.
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Als Verdunstungsflüssigkeit im Reservoir 19 kann beispielsweise demineralisiertes und gereinigtes Wasser verwendet werden, um ein Verstopfen der Poren durch Ablagerungen von Mineralien bzw. durch Verunreinigungen zu vermeiden. Das Reservoir 19 kann an einer zentralen Stelle des Roboters vorgesehen sein, so dass sämtliche Ansaugelemente 17a bzw. sämtliche als Ansaugelement dienende Fortsätze des auf dem Aktorgehäuse 15 aufgebrachten Materials 17 bis in das Reservoir 19 geführt werden können.
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Die vorstehend beschriebene Verdunstungskühlungseinrichtung hat den Vorteil, dass der Aktor 13 durch die Kühlung kaum größer oder schwerer ist als ein entsprechender Aktor ohne Kühlung. Sie ist einfach und problemlos zu realisieren und in einen Roboter zu integrieren. Anders als im Fall üblicher Flüssigkeitskühlungen können keinerlei Dichtungsprobleme oder dergleichen auftreten.
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2 zeigt einen teilweisen, schematischen Längsschnitt durch einen der Aktoren 13, wobei hier nur der elektromotorische Antrieb in Form eines geschalteten zylindrischen Linearreluktanzmotor-Antriebs 21 dargestellt ist. Auf die Darstellung der zur Kühlung erforderlichen Komponenten wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet. Der dargestellte geschaltete zylindrische Linearreluktanzmotor-Antrieb 21 umfasst einen hohlzylindrischen Stator 23 und einen zylindrischen – im dargestellten Ausführungsbeispiel hohlzylindrischen – Translator 25, der koaxial im Stator geführt ist. Selbstverständlich kann der Translator 25 auch mittels einer geeigneten, nicht dargestellten Lagervorrichtung in seiner linearen Bewegung geführt sein.
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Der zylindrische Stator 23 weist innenliegende, umlaufende Statorzähne 23a und Statornuten 23b auf, in denen sich in Umfangsrichtung gewickelte Spulen oder Motorwicklungen 27a, 27b, 27c sowie 27’a 27’b, 27’c befinden. Die Spulen 27a und 27’a, 27b und 27’b sowie 27c und 27’c bilden jeweils eine Phase des dreiphasigen Linearreluktanzmotor-Antriebs 21. Selbstverständlich können entlang der Längsachse des Linearmotor-Antriebs 21 mehrere Sätze derartiger Wicklungen 27a, 27b, 27c, 27’a 27’b, 27’c angeordnet sein, wobei es nicht erforderlich ist, dass der letzte Satz alle Wicklungen vollständig aufweist. Die Spulen 27a, 27c und 27‘b haben den gleichen Wickelsinn, die Spulen in den Nuten 27b, 27‘a und 27‘c haben den entgegengesetzten Wickelsinn. Die Phasen können von der nicht dargestellten Steuereinheit separat angesteuert und mit einem Strom geeigneter Stromstärke beaufschlagt werden. Dabei ist selbstverständlich auch eine gleichzeitige Ansteuerung zweier Phasen möglich.
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Der Statorkörper besteht im Bereich der Motorwicklungen aus einem ferromagnetischen Material, ebenso wie der Translator 25.
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Der hohlzylindrische Translator 25 hat außenliegende Translatorzähne 25a. Der axiale Abstand der Statorzähne 24 beträgt zwei Drittel des axialen Abstands der Translatorzähne 25a. Die Magnetfeldlinien bilden sich über jeden zweiten Zahn hinweg aus, so dass in axialer Richtung eine Kraft auf den Translator wirkt. Bei dieser Wahl des Verhältnisses des Abstands der Translatorzähne 25a und der Statorzähne 24 kann bei gegebenem Raum eine besonders hohe Kraft erzeugt werden, da eine maximale mittlere wirksame Flussdichte an den radialen Flächen der Zähne erzeugt wird.
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Wird der Spulenstrom so weit gesteigert, dass die Flussdichte des Strom im Querschnitt der betreffenden Nuten Werte von über 5 A/mm2, vorzugsweise über 10 bis 150 A/mm2 erreicht, so ist die Kraft besonders hoch. Als Nutfläche wird dabei das Produkt von Nuttiefe und Nutbreite bezeichnet.
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Der Translator 25 ist an seinem Ende, das topfförmig geschlossen ausgebildet ist, über eine Feder 29 mit dem Stator 23 mittelbar oder unmittelbar verbunden. Die Feder 29, die beispielsweise als Schraubenfeder ausgebildet sein kann, dient als mechanische Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von kinetischer Energie. Die Kraft dieser Feder ist vorzugsweise annähernd proportional zur Auslenkung des Translators 25 aus der durch die Feder 29 definierten Ruhelage gewählt. Die Feder 29 kann als Zug- und Druckfeder ausgebildet sein. Es ist jedoch ebenfalls möglich, andere Federformen oder komplexere Federvorrichtungen zu verwenden. Beispielsweise ist auch der Einsatz einer oder mehrerer Luftdruck- oder Öldruckfedern möglich. Jedoch ist dies aufwändiger und kann zu einem erhöhten Wartungsaufwand führen.
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Bei unbestromtem Linearreluktanzmotor-Antrieb 21 hat die Anordnung eine definierte Ruhe- oder Augsangsposition. In dieser Ausgangsposition ist für den Fall, dass keine äußeren Ruhekräfte auf den Motor wirken, die Feder entspannt. Wirken äußere Ruhekräfte, so werden diese in der Ausgangsposition von der Feder 29 kompensiert.
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Bewegt sich nun der Translator 25 infolge der Reluktanzkräfte, so ändert sich zunächst die Reluktanzkraft. Soll der motorische Antrieb 21 eine konstante Kraft abgeben, so muss der Strom in den Wicklungen 27a bis 27c, 27’a bis 27’c entsprechend der Position geändert werden. Hat sich die Position soweit geändert, dass sich bei Bestromung der nächsten Spule(n) oder Phasen die gleiche Kraft bei kleinerem Strom ergibt, so werden die Spulen bzw. Phasen entsprechend umgeschaltet.
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Da die Kraft dieses motorischen Antriebs 21 bei gegebenem Strom stark von der relativen Position von Translator 25 und Stator 23 zueinander abhängt, muss für eine konstante Kraft der Strom entsprechend der relativen Position variabel sein und die Position muss genau bekannt sein. Es ist somit erforderlich, einen Positionssensor vorzusehen.
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Als einfacher und kostengünstiger Positionssensor kann hier ein Differentialtransformator verwendet werden. Hierzu werden im Stator 23, vorzugsweise am offenen Ende des Stators 23, durch welchen das Ende des Translators 25 (oder eines damit verbunden Elements) ragt, in weiteren Nuten 33 drei Wicklungen 35a, 35b, 35c angeordnet, die den Differentialtransformator bilden. Die Wicklung 35b wird in üblicher Weise mit einer Wechselspannung einer bestimmten Frequenz beaufschlagt, und die Differenz der in den Wicklungen 35a und 35c induzierten Spannungen, die von der Position des Translators 25 bzw. dessen Translatorzähne 25a in der Umgebung der Wicklungen 35a, 35b, 35c abhängt, wird in bekannter Weise zur Messung der Bewegung des Translators 25 bzw. zur Erfassung der relativen Position oder absoluten Position des Translators ausgewertet. Eine Erfassung der absoluten Position kann in der Weise erfolgen, dass ein Messwert in einer Referenzposition erfasst wird, die beispielsweise durch die Ausgangsposition des Translators 25 definiert ist, in welcher der Aktor nicht bestromt ist. Diese Ausgangsposition kann alleine durch die Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von kinetischer Energie in Form der Feder 29 festgelegt werden. Es ist jedoch ebenfalls möglich, die Ausgangsposition durch einen zusätzlichen mechanischen Anschlag festzulegen, an welchem der Translator 25 im nicht bestromten (oder alternativ: maximal bestromten) Zustand des Stators 23 anliegt.
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Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform eines Linearreluktanzmotor-Antriebs 21 kann eine Bewegung des Translators 25 in beiden Richtungen erfolgen. Im stromlosen Zustand definiert die Feder 29 bzw. eine geeignet ausgebildete Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von kinetischer Energie die Ausgangsposition, wobei eine Energiespeicherung in beiden Bewegungsrichtungen erfolgen kann, wenn der Translator 25 und die Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von kinetischer Energie fest gekoppelt sind.
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Es sind jedoch auch Ausführungsformen möglich (nicht dargestellt), bei denen keine feste Kopplung zwischen dem Translator 25 und der Energiespeichervorrichtung besteht und die Energiespeichervorrichtung nur ab einer bestimmten Position des Translators 25 in einer bestimmten Bewegungsrichtung wirkt.
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Beispielsweise ist denkbar, dass bei der Ausführungsform nach 2 die Feder 29 nicht fest mit dem Translatorende verbunden ist. Sie würde daher nur dann Energie speichernd wirken, wenn der Translator 25 ausgehend von der Position, in welcher die Feder 29 entspannt ist, in Richtung auf die Feder 29 bewegt würde.
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Hierdurch könnte der Vorteil erreicht werden, dass der Aktor 13 keine Arbeit gegen die Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von Energie leisten müsste. Die zu speichernde Energie kann beispielsweise von einem anderen Aktor erzeugt werden, beispielsweise von einem am anderen Bein des Roboters angeordneten Aktor, der, beispielswese bei einer Gehbewegung, eine Verlagerung des Schwerpunkts des Roboters bewirkt. Soll die Bewegung der Schwerpunktverlagerung durch das betreffende Bein gedämpft abgefangen werden, d.h., soll dieses Bein mit der Schwerpunktverlagerung leicht gebeugt werden, so kann die dabei frei werdende kinetische Energie mittels des oder der Translatoren 25, der bzw. die von der Verringerung des Winkels der jeweiligen Gelenke betroffen ist bzw. sind, gespeichert werden.
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Der vorstehend beschriebene Aktor 13 weist gegenüber bekannten Aktoren, die für mobile, insbesondere humanoide Roboter geeignet sind, den Vorteil auf, dass er bei gleichen maximalen Spitzenkräften und Translationsgeschwindigkeiten und -beschleunigungen wesentlich leichter und kleiner realisiert werden kann. Denn die Verdunstungskühleinrichtung weist eine sehr geringe Masse auf und die Ströme bzw. die Stromdichten in den betreffenden Nuten können sehr hoch sein. Zudem kann erreicht werden, dass die gespeicherte kinetische Energie beim Freisetzen Kräfte erzeugt, welche zu den Kräften, die durch die Bestromung der Motorwicklungen erzeugt werden, hinzu zu addieren sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bein
- 3
- Oberschenkel
- 5
- Kniegelenk
- 5a
- Schwenkachse
- 7
- Unterschenkel
- 9
- Fußgelenk
- 9a
- Schwenkachse
- 11
- Fuß
- 13
- Aktor
- 15
- Gehäuse
- 16
- Stellglied
- 17
- offenporiges Material
- 17a
- Ansaugelement
- 19
- Reservoir
- 21
- Linearreluktanzmotor-Antrieb
- 23
- Stator
- 23a
- Statorzahn
- 23b
- Statornut
- 25
- Translator
- 25a
- Translatorzahn
- 27a bis 27c
- Motorwicklung
- 27’a bis 27’c
- Motorwicklung
- 29
- Feder
- 31
- Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe kinetischer Energie
- 33
- Nut (für Wicklungen des Differentialtransformators)
- 35a bis 35c
- Wicklungen des Differentialtransformators
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 55088562 A [0002]
- DE 1488500 [0002]
- DE 19500095 [0002]
- WO 2008/132041 A1 [0015]