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Die
Erfindung betrifft ein Robotergelenk.
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Robotergelenke
weisen zwei Gelenkelemente auf, die jeweils mit einem Gelenkarm
verbunden sind. Die beiden Gelenkelemente liegen aneinander an,
wobei ein Bewegen, insbesondere Verschwenken der Gelenkarme durch
ein Aneinandergleiten der Gelenkelemente möglich ist. Bei Gelenkarmen
handelt es sich beispielsweise um zwischen zwei Gelenken angeordneten
Verbindungselementen, wie beispielsweise einzelne Fingerglieder
eines Roboterfingers. Ebenso kann es sich bei dem Gelenkarm um ein
Endelement, wie beispielsweise das letzten Fingerglied, handeln,
das sodann zum Greifen dient.
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Da
es sich insbesondere bei den Fingergelenken einer Roboterhand um äußerst kleine
und hochpräzise
Bauteile handelt, können
diese bei Auftreten von hohen äußeren Kräften und
Momenten leicht beschädigt
werden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Robotergelenk zu schaffen, bei dem die
Gefahr des Auftretens von Beschädigungen
aufgrund auftretender hoher äußerer Kräfte und
Momente verringert ist.
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Die
Lösung
der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs
1.
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Das
erfindungsgemäße Robotergelenk,
bei dem es sich insbesondere um ein Robotergelenk mit einem oder
zwei Freiheitsgraden handelt, weist zwei Gelenkelemente auf, die
jeweils mit einem Gelenkarm verbunden sind. Beim Verschwenken der
beiden Gelenkarme relativ zueinander erfolgt ein Gleiten der Gelenkelemente
aneinander. Mit einem oder ggf. beiden Gelenkelementen ist mindestens
ein Halteelement verbunden. Durch das Halteelement ist gewährleistet,
dass die Gelenkelemente während den
herkömmlichen
Betriebs aneinander anliegen, so dass ein präzises Verschwenken der Gelenkarme zueinander
möglich
ist.
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Erfindungsgemäß weist
das mindestens eine Halteelement ein Verformungselement auf oder
ist als Verformungselement ausgebildet. Das Verformungselement,
das insbesondere elastisch verformbar ist, ermöglicht ein Lösen der
Anlagen zwischen den Gelenkelementen. Hierdurch kann bei Auftreten von
hohen Kräften
und Momenten, d.h. bei Auftreten einer Überlast, ein Beschädigen des
Robotergelenks vermieden werden, da die entsprechenden Anteile der
Kräfte
oder Momente durch das Verformungselement aufgenommen werden. Insbesondere
erfolgt beim Auftreten von Überlast
ein elastisches Verformen, beispielsweise ein Dehnen des Verformungselements.
Da das Verformungselement in bevorzugter Ausführungsform elastisch. ausgebildet
ist, werden die Gelenkelemente in die korrekte Lage zueinander zurückgeführt, sobald
die Überlast-Kräfte oder
-Momente nicht mehr auftreten. Dies ist zumindest, je nach Auslegung,
in einem Bereich möglich,
in dem das Verformungselement nicht beschädigt oder plastisch verformt
wird und ferner die Gelenkelemente nicht derart auseinander bewegt
wurden, dass ein Zurückrutschen
in die definierte Lage nicht mehr möglich ist.
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Durch
das Vorsehen eines Verformungselements als Teil des Halteelements
oder durch Ausbilden des gesamten Halteelements als Verformungselement
ist somit auf einfache Weise eine Überlastsicherung realisiert.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist das mindestens eine Halteelement zusätzlich als
Schwenkelement ausgebildet. Mit Hilfe des Schwenkelements ist es
somit möglich,
zumindest eines der beiden Gelenkelemente relativ zu dem anderen
Gelenkelement zu schwenken. Ein zusätzliches Schwenkelement ist
somit nicht erforderlich. Hierbei ist es besonders bevorzugt, dass das
mindestens eine Halteelement ein Seilelement aufweist oder als Seilelement
ausgebildet ist. Hierbei kann beispielsweise durch Ziehen an einem
der vorzugsweise mehreren Halteelemente ein Verschwenken erfolgen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind mehrere, insbesondere mindestens zwei Halteelemente vorgesehen,
die derart mit vorzugsweise einem Gelenkelement verbunden sind,
dass sie als antagonistische Schwenkvorrichtung dienen. Beim Vorsehen
von zwei insbesondere als Seilelemente ausgebildeten Elementen dient
bei einer antagonistischen Schwenkvorrichtung ein Seilelement als
Agonist (Spieler) und das andere Seilelement als Antagonist (Gegenspieler).
Das Aufbringen entsprechender Zugkräfte auf die Seilelemente kann
beispielsweise durch einen Elektromotor erfolgen. Je nach dem, auf welches
der beiden Seilelemente eine Zugkraft ausgeübt wird, erfolgt ein Schwenken
in die eine oder andere Richtung.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform,
bei der es sich insbesondere um ein Robotergelenk mit einem rotatorischen
Freiheitsgrad handelt, ist ein Gelenkelement als Gelenkaufnahme
ausgebildet. Die insbesondere schalenförmig ausgebildete Gelenkaufnahme
dient zur Aufnahme des anderen Gelenkelements. Hierbei ist die Gelenkaufnahme
vorzugsweise konkav oder als Teilringzylinder ausgebildet. Das von
der Gelenkaufnahme aufgenommene Gelenkelement ist vorzugsweise zylindrisch,
insbesondere kreiszylindrisch ausgebildet. Um beim Auftreten von Überlasten
ein Herausbewegen des Gelenkelements aus der Gelenkaufnahme zu ermöglichen,
umgibt die Gelenkaufnahme das Gelenkelement vorzugsweise nur teilweise.
Insbesondere umgibt die Gelenkaufnahme das Gelenkelement in Schwenkrichtung
um weniger als 180°.
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform
sind die vorzugsweise mehreren Halteelemente vorzugsweise mit dem
Gelenkelement verbunden und halten das Gelenkelement in der Gelenkaufnahme.
Beim Auftreten von Überlasten erfolgt
ein Verformen des Verformungselements und ein Herausbewegen des
Gelenkelements aus der Gelenkaufnahme.
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Das
bei dieser Ausführungsform
vorzugsweise zylindrisch ausgebildete Gelenkelement ist somit derart
in einer Kreisringzylindrischen Gelenkaufnahme angeordnet, dass
ein Verschwenken des mit dem Gelenkelement verbundenen Gelenkarms
um die Längsachse
des Gelenkelements möglich
ist. Zur Aufnahme von Axialkräften,
d.h. von Kräften
in Richtung der Längsachse
des Gelenkelements, weist das Gelenkelement und/oder die Gelenkaufnahme
eine, insbesondere mehrere Nuten auf, in die jeweils an dem andere
Element vorgesehene Ansätze
eingreifen. Hierbei sind vorzugsweise mehrere, insbesondere zwei
Nuten oder entsprechende Ansätze
vorgesehen. Vorzugsweise sind sämtliche
Nuten in dem Gelenkelement vorgesehen und insbesondere kreisringförmig ausgebildet.
Um beim Auftreten hoher axialer Kräfte ein Beschädigen der
Ansätze
bzw. der Nuten zu vermeiden, weisen die Nuten sowie die Ansätze einen
abgerundeten Querschnitt auf, so dass bei hohen axialen Kräften der
Ansatz aus der Nut zumindest teilweise herausgleiten kann. Sobald
die Axialkräfte
nachlassen, rutscht der Ansatz wieder vollständig in die Nut.
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Bei
einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt
es sich insbesondere um ein Robotergelenk mit zwei rotatorischen
Freiheitsgraden. Vorzugsweise sind beide Gelenkelemente in dieser
Ausführungsform
rotationssymmetrisch ausgebildet. Es kann jedoch auch nur der Teil
eines rotationssymmetrischen Körpers
genutzt werden, der für
den Schwenkbereich relevant ist. Der Teil des Gelenkelements, das
in keiner Schwenkstellung mit dem anderen Gelenkelement in Kontakt
kommt, muss keine entsprechend eines Rotationskörpers ausgebildete Oberfläche aufweisen. In
allgemeiner Form sind die Gelenkelemente in bevorzugter Ausführungsform somit
im Schwenkbereich derart ausgebildet, dass in Ebenen senkrecht zur
Schwenkachse eine äquidistante
Oberfläche ausgebildet
ist. Besonders bevorzugt ist die für das Schwenken relevante Oberfläche als
Teil eines Rotations-Hyperboloids ausgebildet. Vorzugsweise sind beide
Gelenkelemente als rotationssymmetrische Körper, insbesondere als Rotations-Hyperboloide, ausgebildet.
Das Verwenden von Rotations-Hyperboloiden bzw. entsprechender Teile
dieser Körper
hat den Vorteil, dass sich die beiden Gelenkelemente aufgrund der
Geometrie entlang zweier Kontaktlinien berühren. Hierdurch ist ein gutes Übertragen
von Kräften
und Momenten gewährleistet.
Insbesondere ist ein Übertragen
von Drehmomente auf eine im Wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse
des als Rotations-Hyperboloid ausgebildeten Gelenkelements möglich.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf
die anliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 und 2 schematische
perspektivische Ansichten einer ersten Ausführungsform des Robotergelenks,
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3 und 4 schematische
perspektivische Ansichten einer zweiten Ausführungsform des Robotergelenks.
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Bei
der ersten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Robotergelenks
(1 und 2) handelt es sich um ein Robotergelenk
mit einem rotatorischen Freiheitsgrad. Das Robotergelenk weist zwei
Gelenkarme 10, 12 auf, wobei der Gelenkarm 10 mit
einem im Wesentlichen zylindrischen Gelenkelement 14 und
der Gelenkarm 12 mit einer Gelenkaufnahme 16 verbunden
ist. Die Gelenkaufnahme 16 ist schalenförmig als Teilringzylinder ausgebildet.
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Das
Gelenkelement 16 weist zwei ringförmige Nuten 18 auf,
die das zylindrische Gelenkelement 14 kreisringförmig umgeben.
Die Nuten 18 weisen einen gerundeten Querschnitt auf. An
der Innenseite der Gelenkaufnahme 16 sind zu den Nuten 18 korrespondierende
Ansätze 20 ausgebildet,
die in die Nuten 18 eingreifen.
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Die
beiden Gelenkarme 10,12 sind um eine Achse 22,
bei der es sich um die Längs-
bzw. Symmetrieachse des Gelenkelements 14 handelt, schwenkbar.
Beim Auftreten von Seiten- bzw. Axialkräften, d.h. von Kräften, die
in Richtung der Schwenkachse 22 gerichtet sind, erfolgt
ein teilweises Herausdrücken
bzw. -schieben der Ansätze 20 aus
den Nuten 18. Aufgrund der ausgerundeten Ausgestaltung
der Nuten 18 rutschen die Ansätze 20, sobald die
Kräfte
nachlassen, wieder in die Nuten 18 zurück.
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Um
auch beim Verschwenken der Gelenkarme 10, 12 bzw.
beim Bewegen der Gelenkarme 10,12 in Richtung
der Pfeile 24 auftretende Überlasten abfangen zu können, ist
in der dargestellten Ausführungsform
das Gelenkelement 14 mit drei Halteelementen 26, 28, 30 verbunden,
die im dargestellten Ausführungsbeispiel
zusätzlich
als Schwenkelemente dienen. Die Halteelemente 26, 28, 30 sind
als Seile ausgebildet und zur Aufnahme von auftretenden Überlasten
elastisch ausgebildet und/oder mit einem Verformungselement 32 verbunden.
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Zum
Verschwenken des Gelenkarms 10 relativ gegenüber dem
Gelenkarm 12 werden beispielsweise Zugkräfte auf
die Seile 26, 28 ausgeübt. Da die Seile 26, 28 das
Gelenkelement 14 teilweise umschlingen und über Befestigungselemente 34,
wie Nippel, mit dem Gelenkelement 14 verbunden sind, führt das
Ziehen an den Seilelementen 26, 28 zu einem Bewegen
des Gelenkarmes 10 in 2 nach unten. Über das
nicht sichtbare Seilelement 30 kann eine entgegengesetzte
Kraft aufgebracht werden, um das Gelenkelement 14 in einer
definierten Lage zu halten. Durch ein entsprechendes Erhöhen der Zugkraft
bzw. Verringern der Zugkräfte
auf die Seilelemente 26, 28 erfolgt ein Schwenken
des Gelenkarmes 10 in 2 nach oben,
sowie im antagonistischen Fall der Gelenksteifigkeit.
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Die
als Seilelemente ausgebildeten Halteelemente 26, 28, 30 sind
in Rillen bzw. umlaufenden Nuten des Gelenkelements 14 angeordnet.
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Bei
Auftreten einer Überlast
erfolgt ein Herausdrehen des Gelenkelements 14 aus der
Gelenkaufnahme 16, d.h. ein translatorisches Verschieben bzw.
ein Verkippen der Schwenkachse 22 relativ zu dem Gelenkarm 12.
Hierbei erfolgt beispielsweise ein elastisches Verformen bzw. Längen der
Seilelemente 26, 28 oder des Seilelements 30.
Ebenso kann eine entsprechende Verformung in dem beispielsweise
in jedem Seilelement angeordneten Verformungselement 32 aufgenommen
werden.
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Bei
der in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsform
der Erfindung sind identische oder ähnliche Bauteile mit denselben
Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Bei
dieser Ausführungsform
handelt es sich um ein Robotergelenk mit zwei rotatorischen Freiheitsgraden.
Die Gelenkarme 10, 12 können um die beiden Schwenkachsen 36, 38 verschwenkt
werden. Jeder Gelenkarm 10, 12 ist mit einem Gelenkelement 40, 42 fest
verbunden, wobei jedes Gelenkelement 40, 42 als
Rotations-Hyperboloid ausgebildet ist. Das Gelenkelement 40 ist über Befestigungselemente 44 mit
sowohl als Halteelemente als auch als Schwenkelemente dienenden
Seilelementen 46, 48 verbunden. Durch ein entsprechendes
Verringern bzw. Vergrößern der
Zugkräfte
auf die Seilelemente 46, 48 erfolgt ein Schwenken
des Gelenkarms 10 um die Schwenkachse 36 in Richtung
eines Pfeils 50 bzw. eine Verstellung der Gelenksteifigkeit
im antagonistischen Fall.
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Zum
Schwenken des Gelenkarms 10 um die Schwenkachse 38 in
Richtung eines Pfeils 52 werden die beiden Seilelemente 46 sowie
die beiden Seilelemente 48 jeweils paarweise mit der gleichen
Kraft beaufschlagt. Wird beispielsweise an den Seilelementen 48 stärker gezogen
als an den Seilen 46 erfolgt ein Schwenken des Gelenkarms 10 in 4 nach links.
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Auch
in dieser Ausführungsform
können
die Seilelemente 46, 48 selbst als Verformungselemente vorzugsweise
elastisch ausgebildet sein. Ferner ist es möglich, dass die Seilelemente 46, 48 ggf.
nicht elastisch ausgebildet sind und mit einem Verformungselement 32 (entsprechend 2)
verbunden sind. Ferner kann die Elastizität durch eine entsprechende
Regelung der Antriebe erreicht werden.