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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen Roboter mit mindestens zwei Roboterarmen,
welche jeweils von mindestens einem längenveränderlichen Aktuator gebildet
werden, deren erste Enden zu einer Plattform zusammengeführt sind
und deren zweite Enden mit jeweils einer Antriebseinheit in Verbindung
stehen.
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Solche
Roboter werden insbesondere zum Positionieren von Stückgütern eingesetzt,
welche einen Produktionsprozess verlassen und im weiteren Prozessablauf
vereinzelt, sortiert, überprüft oder
in Verpackungen eingelegt werden müssen. Diese Anwendungen lassen
sich allgemein unter dem Begriff „Pick-and-Place" zusammenfassen.
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Bekannte
Lösungen
verwenden Parallelroboter mit drei oder mehr Freiheitsgraden, die
auf einer Stabkinematik basieren. Die hier eingesetzten Stäbe werden über Hebel
translatorisch bewegt. Aus der
DE 600 20 466 T2 ist beispielsweise ein Parallelroboter
mit vier Freiheitsgraden bekannt, der vier Stangenteile aufweist,
von denen jedes zwei Parallelstangen umfasst, die ein Parallelgestänge bestimmen.
Jedes Stangenteil ist an einem Ende mit einem beweglichen Abschnitt
eines Auslösers
durch ein kinematisches Element gekoppelt. Eine sich bewegende Plattform
mit einem innerhalb von vier Freiheitsgraden verschiebbaren Hauptteil
ist mit Kopplungsteilen gekoppelt, welche in Bezug zum Hauptteil
beweglich sind. Die Gliedmaßen
der Kopplungsteile sind mit den anderen Enden der Stangenteile durch kinematische
Elemente gekoppelt. Durch diese Konstruktion ist zumindest ein Teil
der sich bewegenden Plattform innerhalb von vier Freiheitsgraden
verschiebbar, welche durch Linearbewegung entlang von drei rechtwinkligen
Achsen und einer Drehachse um eine vorbestimmte Achse definiert
sind.
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Nachteilig
bei Parallelrobotern auf Basis von Stabkinematik sind das relativ
hohe Gewicht der zu bewegenden Massen und die. aufwändige Kinematik,
die die Drehbewegung der Antriebe in translatorische Bewegungen
der Arme umsetzt. Daraus ergeben sich relativ hohe Kosten für solche
Parallelroboter. Die Steuerung derartiger Roboter ist sehr komplex.
Außerdem
kann nur eine relativ ungenaue und langsame Positionierung von Objekten
realisiert werden.
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Neue
Entwicklungen basieren auf der so genannten Spreizbandmechanik als
Maschinenelement für
die Antriebstechnik. Die Spreizbandmechanik ermöglicht eine Übertragung
von Zug- und Druckkräften
sowie Biegemomenten in begrenztem Umfang durch profilierte Metallbänder. Dabei
wird die Steifigkeitseigenschaft eines quer zur Wickelrichtung gewölbten Metall bandes
ausgenutzt, so dass damit im Unterschied zu den bekannten Zugmittelgetrieben mit
Metallbändern
sowohl Zug- als auch Druckkräfte in
Längsrichtung
des Bandes übertragen
werden können.
Um diese Kräfte
auf die Antriebsrollen zu übertragen,
wird die Eigenschaft der Breitenänderung
eines gewölbten
Bandes benutzt, das im aufgewickelten Zustand seine gesamte Breite
einnimmt, während
es im ausgewickelten und dann im Querschnitt gewölbten Zustand schmaler ist.
Diese Änderung
in der Breite wird dazu verwendet, das Band zwischen die Seitenscheiben
(Borde) der Antriebsrolle zu klemmen, womit eine kraft- und gegebenenfalls formschlüssige Verbindung
hergestellt wird.
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In
seiner Grundstruktur besteht ein Spreizbandmodul aus einer Rolle
und einem Band und verfügt
bei einer rotatorisch gelagerten, angetriebenen Rolle über zwei
Bewegungsfreiheiten in einer Ebene. Kräfte können über diese Grundstruktur lediglich
in Längsrichtung
des Bandes, Momente ausschließlich senkrecht
zur Längsrichtung
des Bandes und zur Achsrichtung der Rolle übertragen werden. Durch die Kombination
mehrerer Spreizbandmodule, die als Gelenk-Glied-Kombination Antriebs-
und Führungsglied
vereinigen, zu Parallelkinematiken können sehr kompakte Roboter
aufgebaut werden. Diese zeichnen sich durch ein sehr gutes Verhältnis von
Arbeitsraum zu Bauraum sowie einen vergleichsweise einfachen mechanischen
Aufbau aus. Darüber
hinaus ermöglichen
die prinzipbedingt geringen bewegten Massen eines Spreizbandmoduls
den Aufbau von Robotern mit sehr guten dynamischen Eigenschaften.
Nachteilig bei den vorbekannten spreizbandgetriebenen Robotern sind
die strukturbedingt auftretenden hohen Biegebelastungen der Bänder, welche zu
einem schnellen Verschleiß der
Bänder
führen und
damit einen erhöhten
Wartungsaufwand mit sich bringen.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen Roboter
mit längenveränderlichen
Aktuatoren zur Verfügung
zu stellen, der sich durch sehr gute dynamische Eigenschaften und
einen geringen Wartungsaufwand für
die Aktuatoren auszeichnet.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe dient ein Roboter gemäß dem beigefügten Anspruch
1. Für
die Erfindung ist wesentlich, dass die Spreizbänder jedes Roboterarms bzw.
Aktuators jeweils von einer Antriebsebene ausgehen, welche oberhalb
des Arbeitsraums liegt, in welchem die von den Spreizbänder bewegte
Plattform positioniert werden kann. Anders als im Stand der Technik
verlaufen die Spreizbänder somit
in ihrer Längserstreckung
nicht horizontal sondern im Wesentlichen vertikal. Die Aktuatoren
sind im statischen Zustand daher auf Zug und Druck belastet und
erfahren keine gewichtsbedingte Belastung quer zur Längserstreckung.
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Ein
wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass sich durch die
vorzugsweise senkrechte Positionierung des Roboters oberhalb des
Arbeitsraums der Einfluss der Gewichtkraft auf die Biegebelastung
der Bänder
verringert. Außerdem wird
die Druckbelastung der Bänder
um die Gewichtskraft reduziert. Dadurch, dass die Bänder im statischen
Zustand auf Zug und Druck belastet werden, kommt es ebenfalls zu
einer Verringerung der Biegebelastung der Bänder. Beim erfindungsgemäßen Roboter
kann auf diese Weise die Belastung der Bänder und der damit verbundene
Verschleiß erheblich
reduziert werden. Es kommt zu einer deutlichen Senkung des Wartungsaufwandes
für eine
derart realisierte Roboterstruktur.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausführungsform
verwendet für
die längenveränderlichen
Aktuatoren Spreizbandaktuatoren, welche aus einer Rolle und einem
auf die Rolle aufwickelbaren, quer zur Wickelrichtung gewölbten Band
bestehen. Spreizbankaktuatoren zeichnen sich durch einen einfachen
mechanischen Aufbau aus. Durch die vergleichsweise geringen bewegten
Massen eines Spreizbandaktuators können Roboter mit sehr guten
dynamischen Eigenschaften realisiert werden.
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Als
zweckmäßig hat
es sich erwiesen, wenn die Rolle des Spreizbandaktuators einen Rollenzylinder
und zwei Seitenscheiben umfasst und mit einer Antriebseinheit in
Verbindung steht. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform
weist das Band im auf die Rolle aufgewickelten Zustand im Wesentlichen
keine Wölbung
auf. Durch die Breitenänderung des
Bandes kann sich das Band im aufgewickelten Zustand zwischen die
Seitenscheiben der Rolle festklemmen, wodurch zwischen Band und
Seitenscheiben der Rolle eine kraftschlüssige Verbindung hergestellt
werden kann. Auf diese Weise können
Zug- und Druckkräfte
in Längsrichtung
des Bandes auf die Rolle übertragen
werden. Band und Rolle sind somit zug-, druck- und biegesteif miteinander
verbunden, können
aber in Wickelrichtung des Bandes frei zueinander bewegt werden.
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Von
Vorteil ist es, wenn mindestens eine der Seitenscheiben eine Außenverzahnung
aufweist, in die ein Zahnrad der Antriebseinheit eingreift. Dabei hat
sich die Verwendung eines Stirnrads bzw. eines Kegelrads als besonders
günstig
erwiesen. Die Seitenscheiben dienen bei dieser Ausführung als
Ritzel und werden von dem Zahnrad der Antriebseinheit angetrieben.
Auf diese Weise kann die von der Antriebseinheit erzeugte Bewegung
besonders günstig auf
die Rolle übertragen
werden. Alternativ kann auch der Rollenzylinder an seinem freistehenden Ende
mit einer Verzahnung versehen werden, in die das die Rolle antreibende
Zahnrad eingreift.
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Die
Antriebseinheiten umfassen nach einer vorteilhaften Ausführung jeweils
einen Motor. Der Motor bewegt das Zahnrad und die mit diesem über die
Seitenscheibe verbundene Rolle, was zum Aufwickeln bzw. Abwickeln
des Bandes und damit zur Positionierung des Roboterarms führt. Es
soll keine Einschränkung
auf die Verwendung eines Motors als Antrieb erfolgen. Andere Antriebsmöglichkeiten
sind denkbar.
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Nach
einer weiteren zweckmäßigen Ausführung sind
die Antriebseinheiten mit einer Steuereinrichtung verbunden. Mittels
Steuereinrichtung werden die zur Positionierung der Aktuatoren benötigten Stellsignale
zur Verfügung
gestellt. Im Speicher der Steuereinrichtung können für verschiedene Arbeitsaufgaben
unterschiedliche Steuerprogramme zum Steuern des Roboters abgespeichert
sein, die entsprechend angewählt
werden können.
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Als
besonders günstig
haben sich Ausführungsformen
erwiesen, bei denen ein einzelner Roboterarm von jeweils zwei, ein
Spreizbandpaar bildenden Spreizbandaktuatoren gebildet wird. Die Wölbungen
der Bänder
jedes Roboterarms sind in diesem Fall entgegengesetzt zueinander
angeordnet. Dadurch erhöht
sich die Steifigkeit des Roboterarms, welche nun unabhängig von
der jeweiligen Richtung der Krafteinwirkung ist.
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Jedes
Spreizbandpaar steht nach einer weitern vorteilhaften Ausführung mit
einer Antriebseinheit in Verbindung. Dabei hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen,
wenn die Seitenscheiben der Rollen jedes Spreizbandpaars über ihre
Außenverzahnungen
ineinander greifen. Auf dies Weise kann die Bewegungsübertragung
von der Antriebseinheit auf beide Rollen des Spreizbandpaares zueinander synchronisiert
werden.
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Weitere
Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung
ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen bevorzugter Ausführungsformen,
unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
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1 eine
3D-Ansicht einer ersten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Roboters;
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2 eine
3D-Ansicht einer zweiten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Roboters;
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3 eine
schematische Darstellung der Kopplungsmöglichkeiten von Rolle und Zahnrad
einer Antriebseinheit.
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1 zeigt
eine 3D-Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Roboters.
Ein derartiger Roboter dient insbesondere zur Positionierung von
Stückgütern in
einem Arbeitsraum 01. Der Roboter besteht aus drei Roboterarmen,
die von jeweils einem längenveränderlichen
Aktuator 02 gebildet werden. Die Antriebe Roboterstruktur
befinden sich oberhalb des Arbeitsraums 01, wobei die Aktuatoren 02 von
oben in den Arbeitsraum 01 hineingeführt sind. Dadurch kann der
Einfluss der Gewichtskraft auf die Biegebelastung der Aktuatoren
reduziert sowie die Druckbelastung der Aktuatoren um die Gewichtskraft
verringert werden.
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Als
längenveränderliche
Aktuatoren kommen hier Spreizbandaktuatoren 02 zum Einsatz. Spreizbandaktuatoren
sind aus einer Rolle 03 und einem auf die Rolle aufwickelbaren,
quer zur Wickelrichtung gewölbtem
Band 04 aufgebaut. Das Band 04 besteht in der
Regel aus Metall, welches entsprechend vorbehandelt wurde, um die
gewünschte
Steifigkeit in Längsrichtung
und Federelastizität
in Querrichtung aufzuweisen. Durch diese Vorbehandlung geht das
Metallband, das im flachen Zustand im Wesentlichen nur auf Zug belastbar
ist, im ausgerollten Zustand in eine Querschnittswölbung über. Dadurch gewinnt
es an Druck- und Biegesteifigkeit und wird schmaler. Die Rolle 03 des
Spreizbandaktuators 02 umfasst einen Rollenzylinder 05 und
zwei Seitenscheiben 06 (siehe auch 3). Im auf
die Rolle 03 aufgewickelten Zustand nimmt das Band 04 wieder seine
ursprüngliche
Breite ein, d. h. es weist dann keine Wölbung mehr auf. Durch diese
Breitenänderung
kann sich das Band 04 im aufgewickelten Zustand zwischen
die Seitenscheiben 06 der Rolle 03 festklemmen,
wodurch es zu einer kraftschlüssigen Verbindung
zwischen Band 04 und Seitenscheiben 06 der Rolle 03 kommt.
Band 04 und Rolle 03 sind auf diese Weise zug-,
druck- und biegesteif miteinander verbunden, können aber in Wickelrichtung
des Bandes 04 frei zueinander bewegt werden.
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Mindestens
eine der beiden Seitenscheiben 06 kann eine Außenverzahnung 09 (siehe 3) aufweisen.
Diese kann geradeverzahnt oder schrägverzahnt ausgeführt sein.
In diese Außenverzahnung greift
ein Zahnrad 08 (siehe 3) einer
Antriebseinheit 07 ein. Das Zahnrad 08 kann beispielsweise
ein Stirnrad oder ein Kegelrad sein. Die Seitenscheibe 06 dient
als Ritzel und wird von dem Zahnrad 08 der Antriebseinheit 07 angetrieben.
Alternativ kann auch der Rollenzylinder 05 an einem freistehenden
Ende, welches aus einer der Seitenscheiben 06 herausragt, eine
Außenverzahnung 10 aufweisen.
In diese Außenverzahnung 10 würde wiederum
das Zahnrad 08 der Antriebseinheit 07 eingreifen.
Die Antriebseinheit 07 kann einen Motor umfassten, welcher
das Zahnrad 08 und die mit diesem über die Seitenscheibe 06 verbundene
Rolle 03 bewegt. Beim Bewegen der Rolle 03 wird
das Band 04 auf- bzw. abgewickelt und dadurch die Positionierung
des Roboterarms bewirkt.
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Die
Antriebseinheit 07 kann mit einer Steuereinrichtung (nicht
dargestellt) in Verbindung stehen. Durch die Steuereinrichtung werden
die zur Positionierung der Aktuatoren 02 benötigten Stellsignale
zur Verfügung
gestellt.
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Die
Aktuatorenden sind zu einer Plattform 11 zusammengeführt, welche
entsprechend des jeweiligen Stellsignals im Arbeitsraum 01 bewegt
werden kann. An der Plattform 11 ist beispielsweise ein
Greifer oder ein anderes Werkzeug befestigt.
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Die
drei Roboterarme gehen von Antrieben 07 aus, welche bezogen
auf ein Lot zwischen der Plattform 11 und einer Basisfläche 12 des
Arbeitsraums 01 an verschiedenen Winkelpositionen eines maximalen
Arbeitskreises, dessen Ebene von dem genannten Lot durchdrungen
wird, angeordnet sind.
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Durch
abgestimmte Betätigung
der Aktuatoren kann die Plattform 11 beliebige Positionen
im Arbeitsraum anfahren. In allen Fällen werden alle Spreizbänder unter
mechanischer Spannung gehalten, so dass kein Spreizband durchhängt. Die
aus dem Gewicht der Plattform resultierenden Kräfte werden auf die Aktuatoren
verteilt, wobei im statischen Zustand nur Zug- und Druckkräfte auf
die Spreizbänder
wirken.
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Sofern
die Plattform nur in einer Ebene bewegt werden muss, die senkrecht
zur Basisfläche 12 des
Arbeitsraums 01 steht, sind bei einer abgewandelten Ausführungsform
auch zwei Aktuatoren 02 ausreichend, deren Spreizbänder 04 sich
in dieser Ebene erstrecken. Die Plattform lässt sich in diesem Fall in
dieser Ebene bewegen, so dass bezogen auf die Basisfläche linienförmige Positionierungsaufgaben
erfüllt
werden können.
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Bei
nochmals abgewandelten Ausführungsformen
können
auch vier oder mehr Spreizbandaktuatoren an einer Plattform angreifen.
Durch eine höhere
Anzahl von Aktuatoren entstehen zwar besondere Anforderungen an
die Steuerung, jedoch lassen sich größere Kräfte und Beschleunigungswerte
erzielen.
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2 zeigt
eine 3D-Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Roboters 01.
Im Unterschied zur bereits beschriebenen Ausführung werden die Roboterarme
hier von jeweils zwei, ein Spreizbandpaar bildende Spreizbandaktuatoren 02 gebildet.
Die Querschnittswölbungen
der Bänder 04 jedes
Roboterarms sind entgegengesetzt zueinander angeordnet, so dass
sich die Steifigkeit des Roboterarms erhöht und nun richtungsunabhängig ist.
Ein Spreizbandpaar wird von ein und derselben Antriebseinheit 07 gesteuert.
Zur Synchronisierung der beiden Rollen 03 des Spreizbandpaars
greifen die Außenverzahnungen 09 der
Seitenscheiben 06 ineinander ein. Eine der beiden Seitenscheiben 06 kann
zusätzlich über seine
Außenverzahnung 09 mit einem
Zahnrad 08 der Antriebseinheit 07 in Verbindung
stehen.
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Alternativ
kann der Antrieb der Rollen 03 natürlich auch hier über eine
am freistehenden Ende des Rollenzylinders befindliche Außenverzahnung,
in die das Zahnrad 08 der Antriebseinheit 07 eingreift, realisiert
werden.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung der Kopplungsmöglichkeiten von Rolle und Zahnrad der
Antriebseinheit. Dargestellt sind zwei Spreizbandaktuatoren 02,
die auf unterschiedliche Weise mit jeweils einem Zahnrad 08 ihrer
zugehörigen
Antriebseinheit 07 verbunden sind. Der links dargestellte
Spreizbandaktuator 02 weist an einer Seitenscheibe 06 eine
Außenverzahnung 09 auf,
in die das Zahnrad 08 der Antriebseinheit 07 eingreift.
Rechts ist ein Spreizbandaktuator 02 dargestellt, der ebenfalls
eine Außenverzahnung 09 an
einer seiner Seitenscheiben 06 aufweist. Die Kopplung zur
Antriebseinheit 07 erfolgt in diesem Fall jedoch nicht über die Seitenscheibe 06,
sondern über
den Rollenzylinder 05. Hierzu ist dieser so ausgeführt, dass
er an seinem freistehenden, aus einer der Seitenscheiben 06 herausgeführten Ende,
eine Außenverzahnung 10 aufweist,
in die das Zahnrad 08 der Antriebseinheit 07 eingreift.
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- 01
- Arbeitsraum
- 02
- Spreizbandaktuator
- 03
- Rolle
- 04
- Band
- 05
- Rollenzylinder
- 06
- Seitenscheibe
- 07
- Antriebseinheit
- 08
- Zahnrad
- 09
- Außenverzahnung
der Seitenscheibe
- 10
- Außenverzahnung
des Rollenzylinders
- 11
- Plattform
- 12
- Basisfläche des
Arbeitsraums