AT526081B1 - Drehantrieb für einen Roboterarm - Google Patents

Abstract

Es wird ein Drehantrieb für einen Roboterarm (1) mit einer mit einem Roboterarm (1) antriebsverbundenen Abtriebswelle (2), einem Stator (3) und einem Rotor (4) beschrieben, wobei Stator (3) und Rotor (4) umfänglich wenigstens eine Zahnreihe (5) aufweisen, der innerhalb des Stators (3) drehbar gelagerte Rotor (4) vom Stator (3) durch einen unmittelbar zwischen den Zahnreihen (5) des Stators (3) und des Rotors (4) liegenden, umfänglich durchgängigen Luftspalt (6) beabstandet ist und wenigstens ein Magnet (7) zum Erzeugen eines magnetischen Flusses zwischen dem Stator (3) und dem Rotor (4) vorgesehen ist. Um einen Drehantrieb der eingangs beschriebenen Art so auszugestalten, dass insbesondere plötzlich auf den Roboterarm applizierte hohe Drehmomente und Kräfte, wie beispielsweise bei einem Aufprall, ohne Verletzungsgefahr für einen Benutzer vom Drehantrieb aufgenommen werden, ohne dass dies den Roboterarm beschädigt oder den unmittelbaren und längerfristigen Betrieb des Roboterarms beeinträchtigt, wird vorgeschlagen, dass Stator (3) und Rotor (4) ein mit einer Antriebswelle (8) und der Abtriebswelle (2) antriebsverbundenes Magnetgetriebe bilden, dass ein Abtriebssensor (9) zum Messen des am Roboterarm (1) wirkenden Drehmoments und eine Regeleinheit (10) für den magnetischen Fluss des Magneten (7), für die Drehzahl und das Drehmoment der Antriebswelle (8) vorgesehen ist.

Description

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehantrieb für einen Roboterarm mit einer mit einem Roboterarm antriebsverbundenen Abtriebswelle, einem Stator und einem Rotor, wobei Stator und Rotor umfänglich wenigstens eine Zahnreihe aufweisen, der innerhalb des Stators drehbar gelagerte Rotor vom Stator durch einen unmittelbar zwischen den Zahnreihen des Stators und des Rotors liegenden, umfänglich durchgängigen Luftspalt beabstandet ist und wenigstens ein Magnet zum Erzeugen eines magnetischen Flusses zwischen dem Stator und dem Rotor vorgesehen ist.

[0002] Aus dem Stand der Technik sind Drehantriebe bekannt (US2021023700A1), bei denen die mit einem Roboterarm antriebsverbundene Abtriebswelle fest mit einem ersten Rotor verbunden ist. Dieser erste Rotor ist innerhalb eines zweiten Rotors angeordnet, wobei beide Rotoren umfänglich angeordnete Permanentmagneten aufweisen, über die die Rotoren magnetisch gekoppelt sind. Die Anzahl der Permanentmagneten der beiden Rotoren unterscheidet sich und beide Rotoren bilden ein Getriebe. Der zweite Rotor ist innerhalb eines Stators angeordnet, welcher umfänglich Spulen aufweist. Die Spulen werden von einem Dreiphasenstrom durchlaufen, der ein sich veränderndes, mit den Permanentmagneten wechselwirkendes Magnetfeld aufbaut und so als Motor dient. Das erzeugte Magnetfeld bewirkt eine Drehung des zweiten Rotors, wobei dessen Drehsinn und Geschwindigkeit von den Parametern des Magnetfelds abhängt. Da der erste Rotor sowohl mit dem Magnetfeld des Stators als auch mit dem des zweiten Rotors wechselwirkt, beginnt sich dieser ebenso mit einem zweiten Drehsinn und einer zweiten Geschwindigkeit zu drehen und dreht dadurch den Roboterarm.

[0003] Die US2018215047A1 zeigt einen Roboter mit einem Drehmomentsensor, bei dem die Verdrehung zwischen zwei Lagerkörpern über magnetischen Fluss gemessen wird.

[0004] Die CN110480622A zeigt ebenso einen Roboterarm mit einem Magnetgetriebe und einem eingebauten Uberlastschutz.

[0005] In der US5309041A ist ein magnetischer Taumelantrieb in einem Schrittmotor gezeigt.

[0006] Die SU875547A1 zeigt einen Elektromotor, bei dem über den magnetischen Fluss zwischen zwei zueinander verlagerbaren Komponenten der magnetische Widerstand und in weiterer Folge das Drehmoment justiert werden kann.

[0007] Nachteilig am Stand der Technik ist allerdings, dass das Getriebe bei zu hohen auf den Arm applizierten Drehmomenten nicht mehr vollständig koppelt und durchdreht und dies nur durch stärkere Antriebsleistung, also einem höheren magnetischen Fluss vom Motor, entgegengewirkt werden kann. Zwar kann ein Verlust der Kopplung sogar erwünscht sein, um Schäden an Drehantrieb, Roboterarm und Benutzer zu vermeiden, allerdings wird bei plötzlichem Wegfallen des applizierten Drehmoments ein Rückschlag mit einer starken Beschleunigung des Roboterarms und eventuell ein weiterer Verlust der Kopplung hervorgerufen, was vor allem bei MenschMaschine-Anwendungen eine erhebliche Verletzungsgefahr für einen Benutzer darstellt.

[0008] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Roboterarm so anzutreiben, dass insbesondere plötzlich auf den Roboterarm applizierte hohe Drehmomente und Kräfte, wie beispielsweise bei einem Aufprall, ohne Verletzungsgefahr für einen Benutzer vom Drehantrieb aufgenommen werden, ohne dass dies den Roboterarm beschädigt oder den unmittelbaren und längerfristigen Betrieb des Roboterarms beeinträchtigt.

[0009] Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass Stator und Rotor ein mit einer Antriebswelle und der Abtriebswelle antriebsverbundenes Magnetgetriebe bilden, dass ein Abtriebssensor zum Messen des am Roboterarm wirkenden Drehmoments und eine Regeleinheit für den magnetischen Fluss des Magneten, für die Drehzahl und das Drehmoment der Antriebswelle vorgesehen ist. Zufolge dieser Maßnahmen wird das Drehmoment der Antriebswelle über das Magnetgetriebe mit Uber- oder Untersetzung auf die Abtriebswelle übertragen. Uber den magnetischen Fluss zwischen dem Stator und dem Rotor kann unabhängig vom Drehmoment der Antriebswelle ein Maximaldrehmoment für die Abtriebswelle vorgegeben werden. Wirkt eine Last

gleich oder größer des Maximaldrehmoments auf die Abtriebswelle, wird die von der Magnetkupplung hergestellte magnetische Kopplung aufgelöst oder stark reduziert und das übertragene Drehmoment bricht zusammen, sodass der Roboterarm, beispielsweise im Falle einer Kollision, den geringstmöglichen mechanischen Widerstand gegen das Kollisionsobjekt bildet. Das Maximaldrehmoment kann dabei unabhängig vom Drehmoment und/oder der Drehzahl der Antriebswelle nur über den magnetischen Fluss in der Magnetkupplung variabel eingestellt werden. Der Erfindung liegt dabei die Uberlegung zugrunde, dass die Kupplung zwischen Antriebs- und Abtriebswelle bei Überschreiten des Maximaldrehmoments unabhängig von der Drehzahl und dem Drehmoment der Antriebswelle über die magnetische Kopplung um ein Vielfaches rascher unterbrochen werden kann, als durch reine Abschaltung der Antriebswelle. So kann beispielsweise wegen der vollständigen Entkopplung der Antriebs- von der Abtriebswelle die Antriebswelle weiterlaufen. Ferner wirken selbst bei plötzlich auftretender Belastung durch hohe Drehmomente und schnellen Änderungen des magnetischen Flusses in der Magnetkupplung keine Verschleißkräfte, da die Kopplung magnetisch verläuft und keine mechanische Verzahnung vorgesehen ist. Der Abtriebssensor erfasst das auf den Roboterarm wirkende Drehmoment und die Drehzahl als Ausgangswerte und übermittelt diese an die Regeleinheit. Soll der Roboterarm mit einer gewünschten Drehzahl bewegt bzw. mit einem gewünschten Drehmoment beaufschlagt werden, beaufschlagt die Regeleinheit auf Basis der Daten des Abtriebssensors die Antriebswelle mit einer gewissen Drehzahl und einem gewissen Drehmoment und das Magnetgetriebe mit dem nötigen magnetischen Fluss um über das Magnetgetriebe die gewünschte Drehzahl bzw. das gewünschte Drehmoment in der Abtriebswelle zu erreichen. Der Abtriebssensor kann zu mehreren Zeitpunkten die Ausgangswerte erfassen, sodass die Regeleinheit laufend das auf die Antriebswelle beaufschlagte Drehmoment und Drehzahl nachjustieren kann. Erkennt der Abtriebssensor, dass das am Roboterarm wirkende Drehmoment gleich oder größer als das bestimmte Maximaldrehmoment ist, beispielsweise, wenn der Roboterarm mit einem Objekt oder einer Person kollidiert, senkt die Regeleinheit den magnetischen Fluss zwischen Stator und Rotor, sodass die magnetische Kopplung zwischen Stator und Rotor und damit die Kupplung zwischen Antriebsund Abtriebswelle entkoppelt, also stark geschwächt oder aufgehoben wird. Dadurch senkt sich der Widerstand der Abtriebswelle gegen das wirkende Drehmoment und Verletzungen bzw. Beschädigungen können vermieden werden. Weiters kann die Regeleinheit über die Ausgangswerte und das an der Antriebswelle aufgebrachte Drehmoment die Elastizität zwischen der Antriebswelle und dem Roboterarm bestimmen. Das wirkende Drehmoment und die Drehzahl des Roboterarms wird direkt an diesem gemessen, da so eventuelle Störfaktoren, wie beispielsweise Phasenversatz bei der Drehmomentübertragung von Antriebs- auf Abtriebswelle und weiter zum Roboterarm, beim Betrieb mitberücksichtigt werden können. Zwar ist im Sinne der Erfindung vorgesehen, dass die Abtriebswelle mit einem Roboterarm antriebsverbunden ist, allerdings kann der Drehantrieb auch für andere Anwendungen, wie beispielsweise Schrauber, verwendet werden. Die Regeleinheit kann im einfachsten Fall das Drehmoment und die Drehzahl der Antriebswelle über die Steuerung des Motors der Antriebswelle und den magnetischen Fluss über die Steuerung der magnetischen Feldstärke regeln. Es versteht sich dabei von selbst, dass der Stator nicht ortsfest verbaut sein muss. Beispielsweise können mehrere Roboterarme über Gelenke miteinander verbunden sein, wobei in jedem Gelenk ein erfindungsgemäßer Drehantrieb vorgesehen ist, der sich mit einem Roboterarm mitbewegt. Besonders bei einer solchen Anwendung kann der Abtriebssensor auch so beschaffen sein, dass er die Position des Roboterarms im Raum erfasst und an die Regeleinheit weitergibt. Antriebs- und Abtriebswelle können mit Stator und Rotor formschlüssig, stoffschlüssig, oder beispielsweise über Zahnriemen verbunden sein. Als Abtriebssensor kann ein Inkrementalgeber vorgesehen sein.

[0010] Zwar kann ein Permanentmagnet als Magnet vorgesehen sein, bei dem die Regeleinheit über ein Verlagern der Magnetpole zueinander den magnetischen Fluss regelt, schnellere Regelung und eine kompaktere Bauweise wird allerdings ermöglicht, wenn der Magnet ein Elektromagnet ist. So kann der magnetische Fluss über die Feldstärke des Elektromagneten, also über den zugeführten Strom eingestellt werden, wodurch weniger bewegliche Teile vorgesehen sein müssen. Weiters kann der magnetische Fluss einfach durch Abschalten des zugeführten Stroms gestoppt und so die magnetische Kopplung sehr schnell aufgehoben werden. Auch hier liegt der

Erfindung die Überlegung zugrunde, dass das Reagieren auf ein wirkendes Drehmoment, welches gleich oder größer als das bestimmte Maximaldrehmoment ist, durch Abschaltung des Stromes in der Magnetkupplung um ein Vielfacheres schneller verläuft als durch ein Abschalten der mechanischen Antriebswelle.

[0011] Um bei kompakter Bauweise ein großes Spektrum an möglichen Über- bzw. Untersetzungen für das Magnetgetriebe zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass der Stator und der auf einem mit der Antriebswelle starr verbundenen, um einen Winkel gegenüber der Antriebswelle ausgeschwenkten Wellenabschnitt frei drehbar gelagerten Rotor eine unterschiedliche Anzahl von Zahnreihen aufweisen, wobei axial benachbarte Zahnreihen des Rotors und/oder des Stators zueinander verdreht angeordnet sind. Das dadurch entstehende Magnetgetriebe ist ein Taumelgetriebe. Da Rotor und/oder Stator wenigstens zwei Zahnreihen aufweisen, kann die gewünschte Über- bzw. Untersetzung, die vom Verhältnis der Zähne zwischen Rotor und Stator abhängt, räumlich kompakter realisiert werden. Die für die gewünschte Uber- bzw. Untersetzung benötigten Zähne können nämlich auf mehrere Zahnreihen verteilt angeordnet werden, wodurch bei gegebener Anzahl an Zähnen die Dimensionierung der einzelnen Zahnreihen reduziert werden kann. Wirkt keine äußere Kraft über die Antriebswelle, richten sich die Zähne mehrerer Zahnreihen des Stators und des Rotors im Magnetfeld so aneinander aus, dass der Abstand zwischen den gegenüberliegenden, vom Luftspalt beabstandeten Zahnreihen und somit der magnetische Widerstand minimiert wird. Wird der Rotor aufgrund des ausgeschwenkten Wellenabschnitts der Antriebswelle verkippt, richten sich nach bekannter Weise unterschiedliche Zahnreihen des Rotors bzw. Stators aneinander aus, wobei ein Drehmoment auf den Stator übertragen wird. Umfänglich benachbarte Zahnreihen des Stators bzw. des Rotors können so zueinander verdreht sein, dass sie auf Lücke versetzt sind. Auch können axial beabstandete Zahnreihen so ausgestaltet sein, dass sie Klauenpole bilden. In einer bevorzugten Ausführungsform kann neben der Antriebswelle auch die Abtriebswelle mit dem Rotor antriebsverbunden sein.

[0012] Ist der Roboterarm an der Abtriebswelle so angeordnet, dass ein Aufheben oder Abschwächen der magnetischen Kopplung als Reaktion auf ein wirkendes Drehmoment, welches gleich oder größer als das bestimmte Maximaldrehmoment ist, in einer vertikalen Bewegung des Roboterarms resultieren würde, wären Objekte oder Personen unterhalb des Roboterarms einer hohen Verletzungsgefahr ausgesetzt. Damit bei solch einer Anordnung die Verletzungsgefahr im Rahmen einer Entkopplung nach wie vor minimiert wird, wird vorgeschlagen, dass für den Roboterarm eine entgegen dem Gravitationsvektor wirkende Kompensationsfeder vorgesehen ist. Die Federkraft wirkt dabei der auf den Roboterarm wirkenden Gravitationskraft entgegen und kann so gewählt werden, dass sich diese in einer gewünschten Lage ausgleichen, sodass eine maximale Auslenkung des Roboterarms vorgegeben wird und dieser keinen physischen Kontakt mit gefährdeten Personen/Objekten herstellen kann. Die Feder ist bevorzugterweise eine mechanische Feder, da dadurch selbst bei einem Ausfall der Magnetkupplung, beispielsweise bei einem Stromausfall, keine gefährlichen vertikalen Bewegungen des Roboterarms auftreten können. Im regulären Betrieb können die durch die Feder auf den Roboterarm ausgeübten Kräfte entweder durch die Regeleinheit mitberücksichtigt werden, in einer bevorzugten Ausführungsform wird die Feder allerdings nur bei Bedarf, beispielsweise bei Erkennen eines Drehmoments, welches gleich oder größer als das bestimmte Maximaldrehmoment ist, zugeschaltet.

[0013] Zwar kann mittels des Abtriebssensors und der Regeleinheit bereits wie oben beschrieben die Elastizität zwischen Antriebswelle und Roboterarm bestimmt werden, zwischen der Regeleinheit und der Antriebswelle auftretende Störfaktoren können für diese Bestimmung allerdings reduziert werden, wenn ein Antriebssensor zum Messen der an der Antriebswelle wirkenden Drehzahl und des Drehmoments vorgesehen ist. Zufolge dieser Maßnahmen kann der von der Regeleinheit auf die Antriebswelle beaufschlagte Sollwert mit dem tatsächlich auf die Antriebswelle wirkenden, von dem Antriebssensor gemessenen Istwert verglichen werden, wodurch die Elastizität noch genauer bestimmt werden kann. Wird die Antriebswelle beispielsweise über einen Zahnriemen angetrieben, kann dessen Dehnung bestimmt und in der Berechnung der Elastizität berücksichtigt werden. Der Antriebssensor kann analog zum Abtriebssensor ausgeführt sein. Er misst bevorzugterweise direkt an der Antriebswelle. Der Antriebssensor kann ein Inkrementalge-

ber sein.

[0014] Insbesondere wenn mehrere Roboterarme an Gelenken miteinander verbunden sind, kann das Gewicht der Roboterarme und die durch die Bewegung der Roboterarme verursachten Drehmomente reduziert, sowie der Drehantrieb leicht zugänglich angeordnet werden, wenn eine Roboterbasis vorgesehen ist, an der der wenigstens eine, mit der Abtriebswelle antriebsverbundene Roboterarm drehbar gelagert ist, wobei der Stator sowie der Rotor in der Roboterbasis gelagert sind. Durch die Lagerung in der Roboterbasis werden Stator und Rotor außerhalb des mit dem Drehantrieb betriebenen Gelenks gelagert, wodurch das Gelenk leichter wird. Wenn das Gelenk beweglich, beispielsweise auf einem weiteren Roboterarm gelagert ist, resultiert diese Gewichtsreduktion in einer Reduktion des Drehmoments dieses bewegten Roboterarms, was den Antrieb erleichtert und den Energieverbrauch senkt. Zusätzlich können Stator und Rotor durch die Lagerung in der Roboterbasis leichter für Wartungsarbeiten, beispielsweise über eine Wartungsluke, zugänglich gemacht werden, ohne dass der Roboterarm auseinandergebaut werden muss. Dies ermöglicht insbesondere bei mehrgliedrigen Roboterarmen mit einer Vielzahl an Drehantrieben, die alle in einer gemeinsamen Roboterbasis gelagert sind, eine vereinfachte, zentralisierte Wartung. Antriebswelle und Abtriebswelle können beispielsweise über Zahnriemen mit dem Motor und/oder dem Roboterarm antriebsverbunden sein.

[0015] Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Steuern eines Drehantriebs für einen Roboterarm, bei dem der Abtriebssensor das am Roboterarm wirkende Drehmoment und die Drehzahl bestimmt und als Abtriebsmessgröße an die Regeleinheit übermittelt, woraufhin die Regeleinheit das auf die Antriebswelle wirkende Drehmoment und die Drehzahl und den magnetischen Fluss zwischen Rotor und Stator so regelt, dass die Abtriebsmessgröße einer Soll-Größe entspricht.

[0016] Um eine genaue Steuerung des Drehantriebs zu ermöglichen, ohne laufend die Abtriebsmessgröße mit dem auf die Antriebswelle wirkenden Drehmoment und der Drehzahl abzugleichen, wird vorgeschlagen, dass ein Antriebssensor das an der Antriebswelle wirkende Drehmoment und die Drehzahl bestimmt und als Antriebsmessgröße an die Regeleinheit übermittelt, die aus Antriebsmessgröße und Abtriebsmessgröße die Elastizität ermittelt und aus dieser einen Korrekturfaktor bestimmt, der von der Regeleinheit zur Regelung des auf den Roboterarm wirkenden Drehmoments und der Drehzahl herangezogen wird. Zufolge dieser Maßnahmen kann, wie oben bereits beschrieben, die Elastizität genauer bestimmt werden, da auch Störfaktoren vor der Antriebswelle bestimmt werden können. Die Regeleinheit kann aus den Daten des Antriebs- und des Abtriebssensors die Elastizität bestimmen und aus dieser einen Korrekturfaktor bestimmen, der bei der von der Regeleinheit bei der Regelung des auf den Roboterarm beaufschlagten Drehmoments und der Drehzahl berücksichtigt wird. Dieser Korrekturfaktor kann zu vorgegebenen Zeitintervallen bestimmt bzw. aktualisiert werden.

[0017] Um ein erfindungsgemäßes Reagieren des Drehantriebs auf ein Drehmoment, welches gleich oder größer als das bestimmte Maximaldrehmoment ist, zu ermöglichen, kann die Regeleinheit bei Überschreiten eines bestimmten, auf die Antriebswelle applizierten, maximal zulässigen Drehmomentwerts den magnetischen Fluss auf einen zuvor bestimmten Sicherheitswert senken. Trifft der Roboterarm auf Widerstand, beispielsweise durch den Aufprall auf ein Objekt oder eine Person, unterscheidet sich das von der Regeleinheit auf die Antriebswelle beaufschlagte Drehmoment aufgrund des Widerstandes vom am Roboterarm wirkenden Drehmoment. Die Regeleinheit wird also ein höheres Drehmoment auf die Antriebswelle beaufschlagen, um das auf den Roboterarm übertragene Drehmoment zu erhöhen. Wird aber bei der Erhöhung des Drehmoments auf der Antriebswelle aufgrund des Widerstandes am Roboterarm das Maximaldrehmoment überschritten, senkt die Regeleinheit den magnetischen Fluss auf einen zuvor bestimmten Sicherheitswert und schwächt bzw. löst die magnetische Kopplung durch Senkung oder Aufhebung des magnetischen Flusses zwischen Stator und Rotor, und damit die Kupplung zwischen Antriebs- und Abtriebswelle. Der Wert des Maximaldrehmoments kann im Rahmen der Eigenschaften der verwendeten Komponenten, wie beispielsweise dem maximal applizierbarem magnetischen Fluss und dem Gewicht und den Dimensionen des Roboterarms, frei gewählt werden. Bei Erreichen des Sicherheitswerts kann sofort oder zeitversetzt die Kopplung wiederhergestellt werden. Beispielsweise kann dabei die Kopplung aus Sicherheitsgründen nur langsam wie-

der erhöht werden. Alternativ oder ergänzend wird die Drehzahl der Antriebswelle gesenkt. [0018] In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen

[0019] Fig. 1 einen schematischen Aufbau zweier erfindungsgemäßer Drehantriebe, die je einen Roboterarm antreiben und

[0020] Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform des Magnetgetriebes des erfindungsgemäßen Drehantriebs

[0021] Ein erfindungsgemäßer Drehantrieb für einen Roboterarm 1 umfasst eine Abtriebswelle 2, die mit dem Roboterarm antriebsverbunden ist, sodass eine Drehung der Abtriebswelle 2 in einer Bewegung des Roboterarms 1 resultiert. Der Drehantrieb umfasst weiter einen Stator 3 und einen Rotor 4, die ein Magnetgetriebe bilden. Sowohl Stator 3 als auch Rotor 4 weisen umfänglich wenigstens je eine Zahnreihe 5 auf und sind durch einen umfänglich durchgängigen Luftspalt 6 voneinander beabstandet. In der gezeigten Ausführungsform der Fig. 2 handelt es sich um ein Taumelgetriebe. Stator 3 und Rotor 4 weisen eine unterschiedliche Anzahl an Zahnreihen 5 auf. Die Übertragung von Kräften bzw. Momenten in einem Magnetgetriebe erfolgt über den magnetischen Fluss zwischen Stator 3 und Rotor 4, die sich gegeneinander verdrehen. Zwar können in einem Magnetgetriebe Stator 3 und Rotor 4 selbst Permanentmagneten aufweisen, in der gezeigten Ausführungsform ist aber ein ringförmiger Elektromagnet als Magnet 7 um den Stator 3 angeordnet. Das aus Stator 3 und Rotor 4 gebildete Magnetgetriebe ist mit der Abtriebswelle 2 antriebsverbunden, sodass ein auf die ebenfalls mit dem Magnetgetriebe wirkverbundene Antriebswelle 8 wirkende Drehbewegung über die Magnetkopplung über- bzw. untersetzt und auf die Abtriebswelle 2 übertragen wird, die in weiterer Folge aufgrund ihrer Antriebsverbindung mit dem Roboterarm 1 diesen bewegt. Ein Abtriebssensor 9 misst das auf den Roboterarm 1 wirkende Drehmoment und die Drehzahl als Ausgangswerte und übermittelt diese an eine Regeleinheit 10. Die Antriebswelle 8 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel über Zahnriemen 11 mit einem Motor 12 verbunden.

[0022] Die Regeleinheit 10 beaufschlagt die Antriebswelle 8 mit einem Drehmoment, im gezeigten Ausführungsbeispiel steuert sie einen Motor 12 an, dessen Drehmoment über einen Zahnriemen 11 auf die Antriebswelle 8 übertragen wird. Der Abtriebssensor 9 misst das tatsächlich auf den Roboterarm 1 wirkende Drehmoment und übermittelt dies an die Regeleinheit, wobei sich das von der Regeleinheit 10 beaufschlagte Drehmoment und das vom Abtriebssensor 9 gemessene, auf den Roboterarm 1 wirkende Drehmoment aufgrund mehrerer Faktoren unterscheiden können. Beispielsweise kann die Momentübertragung aufgrund von Dehnung des Zahnriemens 11 beeinträchtigt sein.

[0023] Der Fig. 2 können Details über eine bevorzugte Ausführungsform des Magnetgetriebes des erfindungsgemäßen Drehantriebs entnommen werden. Der Rotor 4 ist auf einem mit der Antriebswelle 8 starr verbundenen, um einen Winkel gegenüber der Antriebswelle 8 ausgeschwenkten Wellenabschnitt 13 frei drehbar gelagert. Dies bedeutet, dass eine Drehung der Antriebsswelle 8 unter Abwesenheit eines magnetischen Flusses in einer Taumelbewegung des Rotors 4 entlang der Achsrichtung der Antriebswelle 8 resultieren würde. Stator 3 und Rotor 4 weisen eine unterschiedliche Anzahl an Zahnreihen 5 auf, wobei axial benachbarte Zahnreihen 5 des Rotors 4 und/oder des Stators 3 zueinander verdreht angeordnet sind. Wird nun zusätzlich zur Drehbewegung der Antriebswelle 8 über den Magneten 7 ein magnetischer Fluss zwischen Stator 3 und Rotor 4 erzeugt, richten sich die Zähne der Zahnreihen 5 von Stator und Rotor zueinander aus, um den magnetischen Widerstand zu minimieren. Da die Zahnreihen 5 verdreht zueinander angeordnet sind, führt die Ausrichtung der Zähne in Kombination mit der Taumelbewegung zu einer Drehung des Stators 3, die über den magnetischen Fluss beeinflusst werden kann, und damit zu einer Übertragung des Drehmoments auf die Abtriebswelle 2.

[0024] Zusätzlich zum Abtriebssensor 9 kann auch ein Antriebssensor 14 vorgesehen sein, der das tatsächliche, auf die Antriebswelle 8 übertragene Drehmoment bestimmt. Dieser Antriebssensor 14 kann ebenfalls Daten an die Regeleinheit 10 übertragen.

[0025] Zur kompakten Anordnung und Wartung kann der Roboterarm 1 auf einer Roboterbasis

15 drehbar gelagert sein, wobei Stator 3 und Rotor 4 in der Roboterbasis 15 gelagert sind. Insbesondere wenn mehrere Roboterarme 1 vorgesehen sind, können so alle Statoren 3 und Rotoren 4 zentral in der Roboterbasis 15 gelagert werden und sind so zentral für Wartungsarbeiten zugänglich. Ein weiterer Vorteil dabei ist, dass Stator 3 und Rotor 4 nicht unmittelbar im Roboterarm 1 gelagert werden müssen, wodurch die Roboterarme 1 weniger wiegen und dadurch leichter zu bewegen sind. Die Regeleinheit 10 und/oder die Motoren 12 können ebenso in der Roboterbasis 15 gelagert sein.

[0026] Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Steuern eines Drehantriebs für einen Roboterarm 1. Dabei misst der Abtriebssensor 9 das am Roboterarm 1 wirkende Drehmoment und übermittelt dies an die Regeleinheit als Abtriebsmessgröße. Dabei kann einerseits ein Drehmoment über die Abtriebswelle 2 auf den Roboterarm 1 übertragen werden, oder eine externe Kraft, beispielsweise ein den Roboterarm von sich wegschiebender Mensch, kann ein Drehmoment auf den Roboterarm 1 ausüben. Die Regeleinheit 10 kann über einen Motor 12 ein Motordrehmoment auf die Antriebswelle 8 applizieren, welches über das Magnetgetriebe auf den Roboterarm 1 übertragen wird. Die Regeleinheit 10 kann somit das applizierte Motordrehmoment mit dem auf den Roboterarm 1 wirkenden Drehmoment, welches vom Abtriebssensor 9 gemessen wird, vergleichen und das applizierte Motordrehmoment so nachregeln, dass das wirkende Drehmoment einer Soll-Stellgröße entspricht. Der Unterschied zwischen dem applizierten Motordrehmoment und dem wirkenden Drehmoment kann neben den oben erwähnten Gründen auch beispielswiese durch Schlupf oder durch die Elastizität zwischen der Antriebswelle und dem Roboterarm hervorgerufen werden.

[0027] Die Elastizität kann zur genaueren Ansteuerung des Roboterarms 1 sogar bestimmt werden, wenn durch den Antriebssensor 14 das am an der Antriebswelle 8 wirkende Drehmoment bestimmt wird. Die Regeleinheit kann so die Soll-Stellgröße für das Motordrehmoment mit den Daten des Antriebssensors vergleichen und so feststellen, ob es beispielsweise zwischen Motor 12 und Antriebswelle 8 bereits zu einer Abweichung zwischen der Soll-Stellgröße und dem an der Antriebswelle 8 wirkenden Drehmoment kommt. Zusammen mit den Daten des Abtriebssensors 9 über das am Roboterarm 1 wirkende Drehmoment kann von der Recheneinheit ein Korrekturfaktor ermittelt werden, um den die Soll-Stellgröße modifiziert wird um das gewünschte am Roboterarm 1 wirkende Drehmoment einzustellen.

[0028] Zur Erhöhung der Betriebssicherheit kann die Regeleinheit 10 bei Überschreiten eines bestimmten, auf die Antriebswelle 8 applizierten, maximal zulässigen Drehmomentwerts als Maximaldrehmoment den magnetischen Fluss auf einen zuvor bestimmten Sicherheitswert senken. Dieses Maximaldrehmoment kann in der Regeleinheit 10 hinterlegt sein. Kommt es beispielsweise im Betrieb zu einem Aufprall des Roboterarms 1 auf einen Menschen, bewirkt dieser Aufprall ein bestimmtes Drehmoment auf den Roboterarm 1, welches dem von der Abtriebswelle 2 auf den Roboterarm 1 wirkenden Drehmoment entgegenwirkt. Die Regeleinheit 10 wird also zunächst versuchen, das Motordrehmoment solange zu erhöhen, bis das auf den Roboterarm 1 wirkende Drehmoment dem Soll-Wert entspricht, um die Bewegung des Roboterarms korrekt auszuführen. Durch den Widerstand kann dies allerdings eine Erhöhung über das Maximaldrehmoment bedeuten, bei dessen Erreichen die Regeleinheit 10 den magnetischen Fluss auf einen zuvor bestimmten Sicherheitswert senkt und dadurch die magnetische Kopplung durch Senkung oder Aufhebung des magnetischen Flusses zwischen Stator 3 und Rotor 4, und damit die Kupplung zwischen Antriebswelle 8 und Abtriebswelle 2, schwächt bzw. löst.

Claims (9)

Patentansprüche

1. Drehantrieb für einen Roboterarm (1) mit einer mit einem Roboterarm (1) antriebsverbundenen Abtriebswelle (2), einem Stator (3) und einem Rotor (4), wobei Stator (3) und Rotor (4) umfänglich wenigstens eine Zahnreihe (5) aufweisen, der innerhalb des Stators (3) drehbar gelagerte Rotor (4) vom Stator (3) durch einen unmittelbar zwischen den Zahnreihen (5) des Stators (3) und des Rotors (4) liegenden, umfänglich durchgängigen Luftspalt (6) beabstandet ist und wenigstens ein Magnet (7) zum Erzeugen eines magnetischen Flusses zwischen dem Stator (3) und dem Rotor (4) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass Stator (3) und Rotor (4) ein mit einer Antriebswelle (8) und der Abtriebswelle (2) antriebsverbundenes Magnetgetriebe bilden, dass ein Abtriebssensor (9) zum Messen des am Roboterarm (1) wirkenden Drehmoments und eine Regeleinheit (10) für den magnetischen Fluss des Magneten (7), für die Drehzahl und das Drehmoment der Antriebswelle (8) vorgesehen ist.

2. Drehantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (7) ein Elektromagnet ist.

3. Drehantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass, der Stator (3) und der auf einem mit der Antriebswelle (8) starr verbundenen, um einen Winkel gegenüber der Antriebswelle (8) ausgeschwenkten Wellenabschnitt (13) frei drehbar gelagerten Rotor (4) eine unterschiedliche Anzahl von Zahnreihen (5) aufweisen, wobei axial benachbarte Zahnreihen (5) des Rotors (4) und/oder des Stators (3) zueinander verdreht angeordnet sind.

4. Drehantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für den Roboterarm (1) eine entgegen dem Gravitationsvektor wirkende Kompensationsfeder vorgesehen ist.

5. Drehantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Antriebssensor (14) zum Messen der an der Antriebswelle (8) wirkenden Drehzahl und des Drehmoments vorgesehen ist.

6. Drehantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Roboterbasis (15) vorgesehen ist, an der der wenigstens eine mit der Abtriebswelle (2) antriebsverbundene Roboterarm (1) drehbar gelagert ist, wobei der Stator (3) sowie der Rotor (4) in der Roboterbasis (15) gelagert sind.

7. Verfahren zum Steuern eines Drehantriebs für einen Roboterarm (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Stator (3) und Rotor (4) mit Antriebswelle (8) und Abtriebswelle (2) als Magnetgetriebe antriebsverbunden werden, der Abtriebssensor (9) das am Roboterarm (1) wirkende Drehmoment und die Drehzahl bestimmt und als Abtriebsmessgröße an die Regeleinheit (10) übermittelt, woraufhin die Regeleinheit (10) das auf die Antriebswelle (8) wirkende Drehmoment und die Drehzahl und den magnetischen Fluss zwischen Rotor (3) und Stator (4) so regelt, dass die Abtriebsmessgröße einer Soll-Größe entspricht.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Antriebssensor (14) das an der Antriebswelle (8) wirkende Drehmoment und die Drehzahl bestimmt und als Antriebsmessgröße an die Regeleinheit (10) übermittelt, die aus Antriebsmessgröße und Abtriebsmessgröße die Elastizität ermittelt und aus dieser einen Korrekturfaktor bestimmt, der von der Regeleinheit (10) zur Regelung des auf die Antriebswelle (8) wirkende Drehmoments und der Drehzahl herangezogen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit (10) bei Überschreiten eines bestimmten, auf die Antriebswelle (8) applizierten, maximal zulässigen Drehmomentwerts den magnetischen Fluss auf einen zuvor bestimmten Sicherheitswert senkt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen