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Dokumentenidentifikation DE202007005157U1 08.11.2007
Titel Räumlich beweglicher Mechanismus
Anmelder Weiler, Nikolaus, 10437 Berlin, DE
Vertreter HERTIN Anwaltssozietät, 10707 Berlin
DE-Aktenzeichen 202007005157
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 08.11.2007
Registration date 04.10.2007
Application date from patent application 02.04.2007
IPC-Hauptklasse F16H 21/46(2006.01)A, F, I, 20070402, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen räumlich beweglichen Mechanismus, der aus sechs Formkörpern besteht, die mit sechs Gelenken zu einem geschlossenen beweglichen Gebilde verbunden sind.

Es gibt wenige geschlossene räumliche Mechanismen. Die meisten davon sind mathematisch-theoretische Modelle, die in ihren kinematischen Eigenschaften sehr komplex und schwer verständlich sind. Daher kennen Wirtschaft und Industrie diese nicht oder sie beachten sie nicht, weil eine Weiterentwicklung zu praktischen Anwendungen sehr kostspielig und aufwendig wäre. Es gibt zwei geschlossene räumliche Mechanismen, die technisch angewendet werden. Es ist das bekannte doppelte Kardangelenk aus dem 17. Jahrhundert und der Umstülpungsmechanismus von Paul Schatz (1929) gemäß der CH 173832. Der offenbarte Mechanismus besteht aus sechs gleichen Gliedern (Tetraedern), die mit Scharniergelenken verbunden sind. Seine Bewegungsstruktur ist symmetrisch und wird von zwei gleichen Drehzyklen mit gleichem Drehwinkel seiner sechs Gelenke bestimmt. Die Bewegungskurven dieses Systems sind kreisförmig. Nach der Offenbarung der US 3,610,587 ist das in der CH 173832 offenbarte Prinzip weiterentwickelt worden zu einem räumlichen Mischer (Turbula) und zu einem Gewässerumwälzungsrührer (Oloid). Der Umstülpungsmechanismus mit Platonischen Körpern und Scharniergelenken ist in der Folgezeit noch vielfältig untersucht worden. Es entstand eine Reihe von verschiedenen Kaleidoszyklen, die nach dem gleichen Prinzip aufgebaut sind.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung Alternativen räumlich geschlossener Mechanismen zur Verfügung zustellen. Weiterhin sollen die komplexen Strukturen und Entwicklungen von solchen Mechanismen durch räumliche Geometrie und Konstruktionstechniken mit dreidimensionalen Formkörpern realisiert werden, um sie so Technik und Industrie zugänglich zu machen.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung durch die in den Patentansprüchen genannten Merkmale. Die Bewegung des räumlichen Mechanismus ist zyklisch und zwangläufig. Nach einer Vielzahl von Raum- und Gestaltveränderungen kehrt er in seine Ausgangsstellung zurück. Die Drehung an einem Gelenk erzwingt die Drehung der anderen und umgekehrt. Der räumliche Mechanismus ist übergeschlossen, weil die Anzahl seiner Formkörper gleich der seiner Gelenke ist. Nach kinematischen Grundsätzen beträgt sein Freiheitsgrad Null und müsste unbeweglich sein. Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird dieser Zusammenhang mit „übergeschlossen" bezeichnet. Er ist in beide Richtungen endlos vorwärts und rückwärts drehbar. Der räumliche Mechanismus kann aus gleichen, aus zwei oder drei verschiedenen Formkörpern bestehen – besteht er aus verschiedenen, sind die sich in dem Gebilde gegenüberliegenden Formkörper gleich. Ein Formkörper ist technisch gesehen ein starrer dreidimensionaler Körper, der zwei Rotationsflächen mit darauf senkrecht stehenden Gelenkachsen besitzt. Seine Rotationsflächen stehen in einem bestimmten Winkel und einem bestimmten Abstand zueinander. Ein Formkörper wird so direkt über seine zwei Gelenkachsen gedreht und zusätzlich durch die gleichzeitigen zwangsläufigen Drehungen der anderen Gelenke räumlich verschoben. Die Bewegung des räumlichen Mechanismus wird in der Regel durch drei verschiedene Drehzyklen seiner sechs Gelenke bestimmt. Es sind dies die Drehzyklen der sich in dem Gebilde gegenüberliegenden Gelenke. Sie drehen sich zyklisch innerhalb ihrer Drehwinkel. Die Drehgeschwindigkeiten sind nicht konstant untereinander. In der zyklischen Bewegung des räumlichen Mechanismus verändern die Formkörper und Gelenke ständig ihre Lagen im Raum, ihre Winkel und Abstände zueinander. Neben den ständigen Drehbewegungen verschieben sie ihre Schwerpunkte entlang geschlossener Raumkurven. Der räumliche Mechanismus ist vielfältig veränderbar und kann so in seiner Bewegung gesteuert werden. Veränderungen an den Winkeln und/oder an den Abständen der Rotationsflächen seiner Formkörper steuern die Drehwinkel der Gelenke, die Raumkurven und insgesamt den Aktionsraum des Mechanismus. Ein Antrieb mit Steuerung des räumlichen Mechanismus kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Vorzugsweise wird ein Formkörper fixiert, in dem ein Motor mit Steuerungssystem die Gelenke der beiden angrenzenden Formkörper in ihren Drehwinkeln dreht. Möglich ist auch ein scherenartiger Antrieb an einer fixierten Gelenkachse, an der die zwei angrenzenden Formkörper gegen- und zueinandergedreht werden. Bei dieser Antriebsart sind alle Formkörper in Bewegung und halten die sich ständig ändernde Gestalt des Mechanismus im Gleichgewicht der dabei auftretenden Kräfte. Mit den Händen ist er mit allen Formkörpern auf vielfältige Weise drehbar. Zwei gleiche räumliche Mechanismen können auf verschiedenen Arten miteinander verbunden werden.

Erfindungsgemäße räumliche Mechanismen können in allen Bereichen, in denen es um räumliche Bewegung geht, mit Vorteil Anwendung finden. Ihre Formkörper können je nach Zweck und Funktion unterschiedlich gestaltet werden. Sie können im Bewegungsbereich des Menschen, insbesondere der Schulung seines Bewegungsapparates in den Bereichen Gymnastik, Rehabilitation, Sport und Spiel angewendet werden. Die Formkörper sind für diesen Zweck ergonomisch geformt, sodass man sie mit den Händen greifen kann und den räumlichen Mechanismus drehen kann. Die Arme und der räumliche Mechanismus bilden dabei eine geschlossene Kette der Bewegung, die sich verändert je, nachdem welche Formkörper man ergreift. Finger-, Hand-, Ellbogen-, Schultergelenke und Arme werden rhythmisch bewegt. Weitergehend könnten sie als dreidimensionales logisches und konstruktives Spielzeug, welches zudem zur Schulung der Motorik geeignet ist, benutzt werden. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit unter Ausnutzung ihrer räumlichen Bewegungsstruktur könnte die Verwendung als Gerät zum Mischen, Rütteln oder Transportieren von Flüssigkeiten, Pulver oder ähnlichen Stoffen. Zu diesem Zweck werden einige Formkörper als hohle Gefäße ausgebildet. Weitergehend könnten sie auch als räumliches Transportmittel im Sinne eines Fahrgeschäftes auf einem Jahrmarkt verwendet werden. Die interne asynchrone räumliche Wirbelstruktur, die der räumliche Mechanismus in seiner Bewegung erzeugt, könnte in Geräten für Ventilation, Umwälzung oder Antrieb von Luft und Flüssigkeiten eine weitere Anwendung finden. Ferner können sie als Grundlage für sich entwickelnde und entfaltbare Strukturen (deployable structures) im Luft- und Weltraum dienen. Im Bereich der Kunst können sie eine neue Art einer kinetischen Skulptur und eines beweglichen Designs ermöglichen.

Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den übrigen Unteransprüchen enthalten. Die Erfindung ist in den anliegenden Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt:

1: einen Aufbau eines räumlichen Mechanismus aus sechs Formkörpern, wovon drei verschieden sind,

2: den zyklischen Bewegungsablauf des räumlichen Mechanismus aus 1 in sechs Abbildungen,

3: eine alternative Ausführung eines räumlichen Mechanismus aus sechs Formkörpern, wovon zwei verschieden sind,

4: ein Diagramm über die asynchrone Bewegungsstruktur der drei Drehzyklen der Drehgelenke des räumlichen Mechanismus aus 3,

5: eine Veränderung eines räumlichen Mechanismus, der wie 3 aufgebaut ist,

6: eine Veränderung eines räumlichen Mechanismus, der wie 1 aufgebaut ist und sich auf zwei verschiedene Arten im Raum bewegen kann,

7: zwei Verbindungsmöglichkeiten von zwei gleichen räumlichen Mechanismen,

8: eine besondere Ausführung eines räumlichen Mechanismus mit zwei verschiedenen Gelenkarten (vier Dreh- und zwei Scharniergelenke) und eine weitere Möglichkeit einer Mehrfachverbindung,

9: einen räumlichen Mechanismus mit der Gelenkstruktur gemäß 8 in einer symmetrischen und asymmetrischen Ausführung,

10: eine besondere Ausführung eines räumlichen Mechanismus mit drei verschiedenen Gelenkarten: drei Dreh-, zwei Scharnier- und ein Drehschubgelenk,

11: eine besondere Ausführung eines räumlichen Mechanismus mit fünf Drehgelenken und einem Drehschubgelenk,

12: eine besondere Ausführungsart eines räumlichen Mechanismus mit parallelen Bewegungsstrukturen.

Der räumliche Mechanismus in 1 besteht aus sechs Formkörpern, wovon drei verschieden sind. Sie sind mit A, B, C, a, b, c und den entsprechenden Drehgelenken AB, BC, aC, ab, bc, Ac bezeichnet. Die sich gegenüberliegenden Formkörper A und a, B und b sowie C und c sind gleich. Der Formkörper A ist fixiert. zeigt die Zustandsform des räumlichen Mechanismus nach der Hälfte seiner zyklischen Bewegung. Die Formkörper haben sich auf die andere Seite des fixierten Formkörpers A bewegt und die Gestalt und Ausmaße des räumlichen Mechanismus verändert.

2 zeigt in den - den Bewegungsablauf des räumlichen Mechanismus aus 1 bis zu seiner Wiederholung. Der Formkörper A ist fixiert. Gedreht wird der Formkörper B über das Gelenk AB gegen den Uhrzeigersinn in 76° Stufen. In wechselt er seine Drehrichtung und dreht nun zurück. Auf die folgt nach einer weiteren Drehung des Formkörpers B um 76° die , in der sich der Bewegungszyklus des räumlichen Mechanismus schließt. Die Gesamtbewegung des räumlichen Mechanismus wird bestimmt durch drei Drehzyklen seiner Gelenke. Der Drehzyklus des Gelenks AB ist der gleiche wie von Gelenk ab. Der Drehwinkel beträgt 228°. Der Drehzyklus der Gelenke BC und bc ist gleich, der Drehwinkel beträgt 232°. Der Drehrichtungswechsel liegt zwischen den und , sowie zwischen den und . Der Drehzyklus der Gelenke aC und Ac ist gleich, der Drehwinkel beträgt 228°. Der Drehrichtungswechsel liegt zwischen den und , sowie den und . Die drei Drehzyklen des räumlichen Mechanismus sind asynchron, die Drehrichtungswechsel innerhalb ihrer Drehwinkel sind zeitlich versetzt zueinander. Die geschlossene Raumkurve, die der Schwerpunkt des Formkörpers a beschreibt hat die gleiche Höhe, vom fixierten Formkörper A gesehen, bei den Übergängen auf die andere Seite und zurück.

3 zeigt eine Ausführungsart eines räumlichen Mechanismus mit zwei verschiedenen Formkörpern. Er besteht aus sechs Formkörpern, die mit D1, D2, E1, E2, E3, E4 und den entsprechenden Drehgelenken, die mit D1E1, E1E2, D2E2, D2E3, E3E4, D1E4 bezeichnet sind. Gleich sind D1 und D2, sowie E1, E2, E3 und E4. Die - von 3 zeigen den zyklischen Verlauf des räumlichen Mechanismus. Der Formkörper D1 ist fixiert. Der Formkörper E1 wird über das Gelenk D1E1 in 60° Stufen gegen den Uhrzeigersinn gedreht. in ist er am Ende seines Drehwinkels von 240° und dreht jetzt im Uhrzeigersinn zurück. Nach kehrt er durch eine weitere Drehung um 60° in seine Ausgangsstellung zurück. Die Drehung des gegenüberliegenden Formkörpers E3 am Gelenk D2E3 ist die gleiche. Die Gelenke E1E2 und E3E4 drehen sich abwechselnd in einem Drehwinkel von 214° und die Gelenke D1E4 und D2E2 von 240°. Die Drehrichtungswechsel dieser drei Drehzyklen sind zeitlich versetzt zueinander. Im Verlauf der zyklischen Bewegung des räumlichen Mechanismus bewegen sich die Formkörper zwangläufig von einer Seite des fixierten Formkörpers auf die andere und zurück. In den Übergängen streckt sich der Mechanismus in die Breite () und in die Höhe (). Der Abstand der Formkörper D1 und D2 ist in um das 2,5 fache größer als in . Der Schwerpunkt von Formkörper D2 beschreibt eine geschlossene Raumkurve, die in den Übergängen ( und ) aus einer flachen in eine hohe übergeht.

4 zeigt in dem Diagramm die drei verschiedenen Drehzyklen der Gelenke und die Stellungen innerhalb ihrer Drehwinkel im Verlauf der zyklischen und zwangläufigen Bewegung des räumlichen Mechanismus aus 3. Die erste Spalte entspricht der , die zweite der , die dritte der , die vierte der und die fünfte der von 3. Die Zeilen zeigen die Verdrehung der Gelenke und ihre aktuellen Stellungen innerhalb ihrer Drehwinkel: in Zeile 1 die Gelenke D1E1 und D2E3 mit dem Drehwinkel von 240°, in Zeile 2 die Gelenke E1E2 und E3E4 mit dem Drehwinkel von 214°, in Zeile 3 die Gelenke D2E2 und D1E4 mit dem Drehwinkel von 240°. Gedreht wird der Formkörper E1 (D1 ist fixiert) über das Gelenk D1E1 im Uhrzeigersinn (0°, -120°, -120°) und dann wieder zurück in seine Ausgangsstellung. Entsprechend dieser vorgegebenen Drehbewegung werden die daraus resultierenden zwangläufigen Drehbewegungen der beiden anderen Drehzyklen in den Spalten des Diagramms in bezug auf die Richtungen, die Richtungsänderungen, die Geschwindigkeiten und die Grade ihrer Verdrehung dargestellt. Die Tabelle gibt die Drehungen der Gelenke in Gradzahlen gemäß dem Diagramm an. Die Bezugszeichen 1, 2, 3 bedeuten: 1 Drehung nach rechts, 2 Drehung nach links und 3 aktuelle Positionen der Gelenke innerhalb ihrer Drehwinkel.

5 zeigt eine veränderte Ausführungsart eines räumlichen Mechanismus, der wie 3 aus zwei verschiedenen Formkörpern aufgebaut ist. In den - ist sein Bewegungsablauf dargestellt. Er besteht aus sechs Formkörpern, die mit F1, F2, G1, G2, G3, G4 und den entsprechenden Drehgelenken, die mit F1G1, G1G2, F2G2, F2G3, F3G4, F1G4 bezeichnet sind. Gleich sind die Formkörper F1 und F2, sowie G1, G2, G3 und G4. Bei den gleichen Formkörpern G1, G2, G3 und G4 sind die Winkel der Rotationsflächen verändert worden (im Vergleich mit 3). Der räumliche Mechanismus greift spiralförmig ineinander. Im Vergleich mit dem räumlichen Mechanismus aus 3 ist seine zyklische Bewegung bis zu seiner Wiederholung kleiner (290° gegenüber 480°). Die horizontale Bewegung ist erheblich kleiner und die vertikale größer. Der Abstand von dem fixierten Formkörper F1 zu dem gegenüberliegenden Formkörper F2 ist in um das 3,2 fache größer als in . Der Drehwinkel des Gelenkzyklus F1G1 und F2G3 beträgt 145°, des Gelenkzyklus G1G2 und G3G4 = 138° und des Gelenkzyklus F1G4 und F2G1 = 145°.

6 zeigt eine veränderte Ausführungsart eines räumlichen Mechanismus, der wie 2 aus drei verschiedenen Formkörpern aufgebaut ist. Er besteht aus sechs Formkörpern, die mit H, K, L, h, k, l und den entsprechenden Drehgelenken HK, KL, Lh, hk, kl, lH bezeichnet sind. Bei den Formkörpern K, k, L und l sind die Winkel der Rotationsflächen verändert worden. Dies verändert die Bewegung des räumlichen Mechanismus im Vergleich zu 2 in bezug auf die Drehwinkel seiner drei Drehzyklen. Die Gelenke HK und hk drehen endlos in eine Richtung, die Gelenke KL und kl drehen endlos in die entgegengesetzte Richtung, während die Gelenke Hl und hL sich in einem Drehwinkel von 127° abwechselnd drehen. Die Geschwindigkeiten der beiden endlosdrehenden Gelenkzyklen sind nicht konstant zueinander. In den - ist der Formkörper H fixiert und es dreht sich der Formkörper K jeweils um 90° im Uhrzeigersinn. Eine weitere 90° Drehung in ergibt die Ausgangsstellung . In den -

ist der Formkörper K fixiert und es dreht sich der Formkörper H jeweils um 90° im Uhrzeigersinn. Eine weitere 90° Drehung in
ergibt die Ausgangsstellung . Diese Arten eines räumlichen Mechanismus sind auf Grund ihrer teilweise endlosen Drehzyklen leicht mit einem Motor zu betreiben. Der Bewegungsverlauf und der Aktionsraum dieses räumlichen Mechanismus ändern sich erheblich je, nachdem welcher Formkörper fixiert wird – ein Formkörper, an dem sich zwei endlos drehende Gelenke (K oder k) befinden oder ein endlosdrehendes und ein durch einen Drehwinkel begrenztes Gelenk (H, L, h oder l). In - werden die endlosen Drehzyklen der Gelenke HK, hk, Kl und kl durch die begrenzten Drehzyklen der Gelenke Hl und hL mit dem Drehwinkel 127° "geführt". Die Bewegung des Mechanismus findet in der rechten und vorderen Raumhälfte des fixierten Formkörpers statt. Der Formkörper h beschreibt eine geschlossene Raumkurve in der rechten Raumhälfte. In -
befinden sich an den Gelenkachsen des jetzt fixierten Formkörpers K zwei gegeneinander drehende endlose Drehzyklen der Gelenke HK und KL. Dies bewirkt, dass der räumliche Mechanismus sich um seinen fixierten Formkörper K bewegt. Der Formkörper k beschreibt mit seinem Schwerpunkt eine geschlossene Raumkurve um den fixierten Formkörper K. Die Abstände der Formkörper B und b, gemessen an ihren Schwerpunkten, verändern sich ständig. Ihr Abstand beträgt in ungefähr das vierfache wie in
.

7 zeigt zwei Beispiele für eine Verbindung von zwei gleichen räumlichen Mechanismen. Sie bestehen aus den Formkörpern, die mit m1, m2, m3, m4, m5, m6 und m7, m8, m9, m10, m11, m12 bezeichnet sind ( und ). Sie sind in ihrer Grundstellung um 180° zueinander gedreht. Die Gesamtbewegung eines räumlichen Mechanismus wird bestimmt von drei Drehzyklen seiner Gelenke – sie drehen sich abwechselnd in einem Drehwinkel von 223°. In werden sie über zwei ihrer Formkörper miteinander verbunden – die Formkörper m1 und m7 werden zu M1 und m2 und m8 zu M2. Der so entstandene doppelte Mechanismus in besteht aus zwei räumlichen Mechanismen, die einen gemeinsamen fixierten Formkörper M1 und einen gemeinsamen antreibenden Formkörper M2 über das Gelenk M1M2 haben. Er besteht aus 10 Formkörpern. Die Drehgelenke M1m6 und M1m12, die am fixierten Formkörper M1 auf einer Achse liegen, haben den gleichen Drehzyklus – aufgrund der 180° Drehung drehen sie sich innerhalb ihres Drehwinkels aus und zueinander. zeigt eine Zustandsveränderung nach einer Drehung des Formkörpers M2. Die beiden räumlichen Mechanismen aus und sind auch über je einen ihrer Formkörper miteinander koppelbar. In sind sie über ihre Formkörper m6 und m9, die zu M3 werden, verbunden worden. An dem gemeinsamen fixierten Formkörper M3 sind die vier Formkörper m1, m5, m8, m10 mit den entsprechenden Drehgelenken M3m1, M3m5, M3m8, M3m10 verbunden. Die Drehzyklen der gegenüberliegenden Gelenke M3m1 und M3m8 sowie M3m5 und M3m10 sind gleich. Die Formkörper m1 und m8 sowie m5 und m10 bewegen sich in jeder Verdrehung parallel und können als zwei starre Formkörper betrachtet werden. zeigt eine Zustandsveränderung des räumlichen Mechanismus, der aus neun Formkörpern besteht. In einem doppelten Mechanismus gemäß und liegen sich die beiden geschlossenen räumlichen Mechanismen in jeder Position der Bewegung gegenüber (vom fixierten Formkörper aus gesehen). Der doppelte Mechanismus befindet sich so in einem ständigen Gleichgewicht seiner Kräfte. Er benötigt nur ein Antriebssystem.

8 zeigt eine besondere Ausführungsart eines räumlichen Mechanismus mit zwei verschiedenen Gelenkarten. Er besteht aus zwei verschiedenen Formkörpern, die mit N1, N2 und O1, O2, O3, O4 bezeichnet sind. Diese sind mit vier Drehgelenken, die mit N1O1, N1O4, N2O2, N2O3 und zwei Scharniergelenken, die mit O1O2 und O3O4 bezeichnet sind, miteinander verbunden. Die Bewegung des räumlichen Mechanismus wird bestimmt durch drei Drehzyklen seiner Gelenke. Die Drehgelenke N1O1 und N2O3 drehen endlos in eine Richtung, die Drehgelenke N2O2 und N1O4 endlos in die andere, während die Scharniergelenke O1O2 und O3O4 sich abwechselnd drehen in einem Drehwinkel von 90°. Die Geschwindigkeiten der vier endlosdrehenden Gelenke N1O1, N2O3, N2O2 und N1O4 sind gleich. zeigt eine Montage von vier Zustandsformen des räumlichen Mechanismus im Verlauf seiner zyklischen Bewegung. Der Formkörper N1 ist fixiert. Die zeigt die ebene Raumkurve x, die der Schwerpunkt von Formkörper N2 im Bewegungsablauf beschreibt. Eine andere Bewegung des räumlichen Mechanismus ergibt sich, wenn der Formkörper O1 fixiert wird und der Formkörper N1 über das Drehgelenk N1O1 gedreht wird. Die Auswirkungen entsprechen denen wie in 6 beschrieben.

Dieser räumliche Mechanismus und Mechanismen mit mindestens einem sich endlos drehendem Gelenkzyklus (6, 9, 10, 11 und 12) können auf eine besondere Art mehrfach mit gleichen Mechanismen verbunden werden. Im Gegensatz zu den Verbindungsmöglichkeiten gemäß 7, wonach zwei gleiche Mechanismen in der gleichen Grundstellung miteinander verbunden werden, können in diesen verschiedene Zustandsformen aus dem Verlauf ihrer Bewegungen integriert werden. Der räumliche Mechanismus ist in in einer Montage von vier Zustandsformen dargestellt, die er nach jeweils 90° Drehungen des Formkörpers O4 über das Drehgelenk N1O4 einnimmt. Diese Montage kann auch eine reale Konstruktion sein, die endlos beweglich ist. Zu diesem Zweck werden die vier Formkörper O1 in dieser Stellung zu einem starren „verschweißt" – das gleiche geschieht mit den vier Formkörpern O4. Der vierfache räumliche Mechanismus besteht aus 15 Formkörpern und 18 Gelenken. Möglich ist bei diesem eine Verbindung von bis zu 12 Mechanismen in einem.

9 zeigt in den und

eine symmetrische und in den und
eine asymmetrische Ausführung eines räumlichen Mechanismus mit zwei verschiedenen Gelenkarten. Er besteht aus drei verschiedenen Formkörpern, die mit P, Q, R, p, q, r bezeichnet sind. Diese sind mit vier Drehgelenken, die mit PQ, pq, QR, qr und zwei Scharniergelenken, die mit Pp, Rr in und Pr, pR in bezeichnet sind, verbunden. Gleiche Formkörper sind P und p, Q und q, R und r. In sind die Formkörper P, Q, R symmetrisch mit den Formkörpern p, q, r verbunden. Die Drehgelenke PQ und pq drehen sich mit gleicher Geschwindigkeit in entgegengesetzte Richtungen, ebenso die Drehgelenke QR und qr, während die Scharniergelenke sich abwechselnd drehen – das Scharniergelenk Pp in einem Drehwinkel von 84° und Rr von 96°. zeigt die Stellung des räumlichen Mechanismus nach der Hälfte seines Bewegungszyklus. In sind die Formkörper p, q, r um 180° gedreht worden und mit den Scharniergelenken Pr und pR zu einem räumlichen Mechanismus verbunden worden. Mit gleicher Geschwindigkeit drehen sich die Gelenke PQ und pq endlos in eine Richtung, die Gelenke QR und qr endlos in die andere, während die Scharniergelenke Pr und pR sich in einem Drehwinkel von 90° abwechselnd drehen. Die Bewegungsabläufe der symmetrischen und asymmetrischen Ausführung verändern sich erheblich je, nachdem welcher Formkörper fixiert wird – ein Formkörper mit zwei Drehgelenken (Q, q) oder mit einem Dreh- und Scharniergelenk (P, R, p, r). Die Unterschiede sind ähnlich denen, wie in 6 dargestellt.

10 zeigt eine besondere Ausführungsart eines räumlichen Mechanismus mit drei verschiedenen Gelenkarten. Er besteht aus sechs Formkörpern S1, S2, S3, S4, S5, S6, die mit drei Drehgelenken S1S2, S3S4, S5S6, zwei Scharniergelenken S2S3, S4S5 und einem Drehschubgelenk *S1S6 verbunden sind. Die - zeigen Zustandsveränderungen des räumlichen Mechanismus im Verlauf seiner Bewegungen, wenn der Formkörper S1 fixiert ist. Eine weitere Drehung nach ergibt die Ausgangsstellung . Die Bewegungsstruktur dieses räumlichen Mechanismus hat einen anderen Aufbau als bei den oben beschriebenen. Sie besteht aus vier Bewegungszyklen seiner Gelenke, wobei die gegenüberliegenden Gelenkzyklen nicht gleich sind. Die zwei Drehgelenke S1S2 und S5S6 rechts und links vom Drehschubgelenk drehen endlos 360° in der gleichen Richtung. Im gleichen Zeitraum dreht das Drehgelenk S3S4 (gegenüber des Drehschubgelenks) abwechselnd in einem Drehwinkel von 178° und innerhalb diesem noch einmal abwechselnd in einem Drehwinkel von 29° (414°). Die zwei Scharniergelenke S2S3 und S4S5 drehen abwechselnd in einem Drehwinkel von 83° und innerhalb diesem noch einmal abwechselnd in einem Drehwinkel von 36° (238°), während sich das Drehschubgelenk *S1S6 abwechselnd in einem Drehwinkel von 216° (432°) dreht und sich dabei auf seiner Achse nach links und rechts vom fixierten Formkörper S1 verschiebt. Die Strecke der Verschiebung beträgt ungefähr das doppelte der Höhe des Mechanismus in .

11 zeigt eine besondere Ausführung eines räumlichen Mechanismus mit fünf Drehgelenken und einem Drehschubgelenk. Er besteht aus sechs Formkörpern T1, T2, U1, U2, U3, U4, die mit fünf Drehgelenken T2U1, U1U2, U2U3, U3U4, T1U4 und einem Drehschubgelenk *T1T2 miteinander verbunden sind. Die Bewegung dieses räumlichen Mechanismus wird, wie bei 10, bestimmt von vier Drehzyklen seiner Gelenke: zwei Drehgelenke T1U4 und T2U1 drehen endlos in die gleiche Richtung. Nach einer Drehung um 360° ist der räumliche Mechanismus in seiner Ausgangsstellung. In diesem Zeitraum bewegen sich die übrigen Gelenke wie folgt: Das Drehgelenk U2U3 dreht sich zweimal abwechselnd in einem Drehwinkel von 107° (428°) – die Drehgelenke U1U2 und U3U4 drehen zweimal abwechselnd in einem Drehwinkel von 63° (252°), während das Drehschubgelenk *T1T2 sich einmal abwechselnd in einem Drehwinkel von 228° (456°) dreht und gleichzeitig sich entlang seiner Achse einmal hin und her verschiebt. Die Strecke seiner Verschiebung beträgt ungefähr das Neunfache der Länge des Formkörpers U2. Die - zeigen Zustandsformen dieses räumlichen Mechanismus im Verlauf seiner zyklischen Bewegung, wenn der Formkörper T1 fixiert ist.

12 zeigt eine besondere Ausführung eines räumlichen Mechanismus mit parallelen Bewegungsstrukturen. Er besteht aus sechs Formkörpern V1, V2, W1, W2, W3, W4, die mit den Drehgelenken V1W1, W1W2, V2W2, V2W3, W3W4, V1W4 verbunden sind. Die Formkörper V1 und V2, sowie W1, W2, W3 und W4 sind gleich - aus technischer Sicht. Die - zeigen Zustandsformen des räumlichen Mechanismus im Verlauf seiner Bewegung. Der Formkörper V1 ist fixiert. Der Formkörper W1 dreht sich in 90° Stufen im Uhrzeigersinn über das Gelenk V1W1. Eine weitere 90° Drehung nach bringt den räumlichen Mechanismus in seine Ausgangstellung . Die Bewegung des Mechanismus wird bestimmt durch drei Drehzyklen seiner Drehgelenke. Die Gelenke V1W4 und V2W2 drehen sich endlos in eine Richtung, die Gelenke V1W1 und V2W3 in die entgegengesetzte, während die Gelenke W1W2 und W3W4 sich abwechselnd in einem Drehwinkel von 47° drehen. Die beiden endlosen Drehzyklen drehen sich mit der gleichen Geschwindigkeit.

Die Rotationsflächen und die Gelenkachsen der Formkörper V1 und V2 sind parallel. Dieser Konstruktionsaufbau des räumlichen Mechanismus bewirkt, dass die Formkörper W1 und W4 sich in zwei Ebenen parallel zueinander drehen – ebenso die Formkörper W2 und W3. Sie bewegen den taumelnden Formkörper V2, der aufgrund der abwechselnden Drehbewegungen der Gelenke W1W2 und W3W4 taumelt, mit seinem Schwerpunkt auf einer Kreisbahn kb um den fixierten Formkörper V1. Wie bei allen aufgeführten räumlichen Mechanismen mit zwei endlosen Drehzyklen (6, 8, 9) ergibt sich auch hier ein anderer Bewegungsablauf, wenn ein Formkörper fixiert wird, an dem sich ein endlosdrehendes und ein durch einen Drehwinkel begrenztes Gelenk befindet. Wird der Formkörper W4 fixiert, wird eine Ausrichtung der Bewegung des räumlichen Mechanismus durch das Gelenk W3W4 mit dem Drehwinkel von 47° gesteuert, während sich die Formkörper V1 und V2 endlos taumelnd in gleichem Abstand gegeneinander drehen. Der Drehwinkel der Gelenke W3W4 und W1W2 ist in einem Bereich von 1°-210° steuerbar durch Veränderungen an den Formkörper. Der parallele räumliche Mechanismus ist auf mehrfache Art mit sich selbst koppelbar entsprechend den Ausführungsmöglichkeiten wie in 7 und 8 beschrieben.

Formkörper
A, B, C, a, b, c D1, D2, E1, E2, E3, E4 F1, F2, G1, G2, G3, G4 H, K, L, h, k, l m1, m2, m3, m4, m5, m6, m7, m8, m9, m10, m11, m12, M1, M2, M3 N1, N2, O1, O2, O3, O4 P, Q, R, p, q, r S1, S2, S3, S4, S5, S6 T1, T2, U1, U2, U3, U4 V1, V2, W1, W2, W3, W4
fixierte Formkörper
A, D1, F1, H, K, M1, M3, N1, S1, T1, V1
Drehgelenke
AB, BC, aC, ab, bc, Ac D1E1, E1E2, D2E2, D2E3, E3E4, D1E4 F1G1, G1G2, F2G2, F2G3, F3G4, F1G4 HK, KL, Lh, hk, kl, lH M1M2, M3m1, M3m5, M3m8, M3m10 N1O1, N1O4, N2O2, N2O3 PQ, pq, QR, qr S1S2, S3S4, S5S6 T1U4, T2U1, U1U2, U2U3, U3U4, V1W1, W1W2, V2W2, V2W3, W3W4, V1W4
Scharniergelenke
O1O2, O3O4 Pp, Rr, Pr, pR S2S3, S4S5
Drehschubgelenke
*S1S6 *T1T2
ebene Raumkurve
x
Kreisbahn
kb
1
Drehung nach rechts
2
Drehung nach links
3
aktuelle Positionen der Gelenke innerhalb ihrer Drehwinkel


Anspruch[de]
Räumlich beweglicher Mechanismus, aus Teilen bestehend, die zu einem beweglichen, geschlossenen Gebilde über Gelenke verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile des Mechanismus als Formkörper ausgestaltet sind und die Formkörper mittels Drehgelenken derart miteinander verbunden sind, dass ein Formkörper genau zwei Rotationsflächen aufweist mit darauf senkrecht stehenden Gelenkachsen, die in einem definierten Winkel und Abstand zueinander stehen und gegenüberliegende Formkörper identisch ausgestaltet sind und der gesamte Mechanismus derart ausgebildet ist, dass seine Gesamtbewegung durch drei Drehzyklen seiner Gelenke bestimmt wird und an gegenüberliegenden Gelenken jeweils identische Drehungen erfolgen. Räumlich beweglicher Mechanismus, aus Teilen bestehend, die zu einem beweglichen, geschlossenen Gebilde über Gelenke verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile des Mechanismus als Formkörper ausgestaltet sind und diese durch eine Kombination ausgewählt aus Dreh-, Scharnier- und Drehschubgelenken miteinander verbunden sind, und der gesamte Mechanismus derart ausgebildet ist, Mechanismus nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass seine Gesamtbewegung durch vier Drehzyklen seiner Gelenke bestimmt wird, sofern ein Drehschubgelenk vorhanden ist. Mechanismus nach einem der vorhergehenden Ansprühe, dadurch gekennzeichnet, dass dieser so ausgestaltet ist, dass lediglich eine reversible Teilbewegung erfolgt. Mechanismus nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser aus gleichen, zwei oder drei verschiedenen Formkörpern besteht. Mechanismus nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei separate Mechanismen durch die starre Verbindung von je zwei Formkörpern zu einem neuen Mechanismus verbunden sind. Mechanismus nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Antrieb zur Steuerung der Bewegung aufweist. Mechanismus nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Formkörper fixiert ist und ein Motor mit Steuerungssystem die angrenzenden Gelenkverbindungen antreibt. Mechanismus nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine fixierte Gelenkachse einen Scherenantrieb aufweist. Mechanismus nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formkörper in Bezug auf ihre Winkel der Rotationsflächen und/oder ihre Abstände zueinander veränderbar sind. Verwendung eines Mechanismus nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Mischen von Gasen, Feststoffen, insbesondere Schüttgut, oder Flüssigkeiten. Verwendung eines Mechanismus nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in Gymnastik, Physiotherapie und Rehabilitation.






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