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Die
Erfindung betrifft eine Antriebseinheit und einen Gelenkarm, der
mindestens eine Antriebseinheit umfasst.
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Im
Bereich der Robotertechnik sind insbesondere für die Anwendung
im Servicebereich Gelenkarme bekannt, mit denen auch Hintergreifungen realisiert
werden können. Das heißt, mit derartigen Gelenkarmen
ist es möglich, einen Arm von einem Befestigungspunkt ausgehend
um ein Hindernis herum zu bewegen, um dort ein Objekt zu greifen.
Die Anforderungen an derartige Gelenkarme sind, dass diese eine
leichte Bauweise aufweisen, exakt positionierbar sind, schwingungsgedämpft
sind, störunanfällig sind, ergonomisch gestaltet
und kostengünstig herstellbar sind.
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Eine
weitere wesentliche Anforderung ist, dass derartige Gelenkarme einen
hohen Beweglichkeitsgrad aufweisen; das heißt, dass es
mit ihnen ermöglicht wird, nahezu jeden Punkt im Schwenkbereich
des Gelenkarmes zu erreichen.
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Um
einen Gelenkarm kostengünstig herstellen zu können,
werden üblicherweise standardisierte Bauelemente sowie
Bauteile aus Baukastensystemen verwendet. Dies erleichtert ebenfalls
die Reparatur eines derartigen Gelenkarmes sowie die Kombination
mit daran anzuschließenden Bauteilen und/oder mit anderen
Gelenkarmen bzw. -elementen.
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Eine
weitere wesentliche Anforderung an Gelenkarme ist es, dass diese
mit ihrem freien Ende Bewegungen in möglichst allen Freiheitsgraden
ausführen können.
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Als
eine selbsttätige Gelenkeinrichtung eines Gelenkarmes ist
eine Positioniereinrichtung bekannt, die in einem kompakten Gehäuse
einen Antrieb und einen daran angeordneten Abtrieb aufweist. Nachteilig
an dieser Ausführungsform ist, dass in dieser kompakten
Positioniereinrichtung nur ein Freiheitsgrad, nämlich die
Drehbewegung um die Drehachse des Abtriebes, realisiert werden kann.
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Aus
der
DE 690 33 942
T2 ist eine Gliederstruktur für Gehroboter bekannt,
die in einem Gelenk-Bein mehrere Antriebseinheiten vereint, wobei die
Antriebsenergie der Antriebseinheiten jeweils auf ein Harmonic-Drive-Getriebe übertragen
wird, deren Abtriebsglied jeweils mit einem als Abtrieb dienenden Element
des Gelenk-Beines verbunden ist. Diese Gelenk-Anordnung weist allerdings
ein relativ großes Volumen auf, da die jeweiligen Antriebseinheiten seitlich
versetzt neben den jeweils ihnen zugeordneten Harmonic-Drive-Getrieben
angeordnet ist. Die einzelnen Antriebseinheiten sind ebenfalls nicht
in einem einzigen Gehäuse untergebracht. Durch das große
Volumen der Gelenk-Elemente bzw. deren großen Abstandes
zueinander weist der betreffende Gelenk-Abschnitt des Gelenk-Beines
eine relativ hohe Masse auf. Des Weiteren ist die Bewegungsfreiheit
des Gelenk-Beines in diesem Bereich eingeschränkt, da Bewegungen
auf engstem Raume nicht durchgeführt werden können.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur
Verfügung zu stellen, mittels derer flexibel eine Vielzahl
unterschiedlichster Bewegungskombinationen von an die Einrichtung angeschlossenen
Bewegungselementen auf engstem Raum ermöglicht wird.
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Die
Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Antriebseinheit
gemäß der Merkmale des Anspruches 1 und durch
einen die erfindungsgemäße Antriebseinheit umfassenden
Gelenkarm gemäß der Merkmale des Anspruches 17
gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen
angegeben.
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Es
wird eine Antriebseinheit mit einem Gehäuse und zwei darin
gelagerten Drehantriebseinrichtungen und zwei Drehabtrieben zur
Verfügung gestellt. Die Drehachsen der beiden Drehabtriebe verlaufen
winklig zueinander, wobei die Drehbewegung der ersten Drehantriebseinrichtung
mittels eines ersten Getriebes auf den ersten Drehabtrieb übertragbar
ist und die Drehbewegung der zweiten Drehantriebseinrichtung mittels
eines zweiten Getriebes auf den zweiten Drehabtrieb übertragbar
ist. Jede der Drehantriebseinrichtungen umfasst dabei mindestens
einen Motor zur Bereitstellung eines Antriebsmomentes. Jede der
Drehantriebseinrichtungen ist im Gehäuse derart angeordnet,
dass sie sich vollständig außerhalb der Drehachse
des mit der jeweiligen Drehantriebseinrichtung angetriebenen Drehabtriebes
befindet.
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Das
heißt, dass die Drehachse eines Abtriebes nicht durch den
diesen Abtrieb antreibenden Drehantrieb hindurch führt.
Die erste Drehantriebseinrichtung ist demnach außerhalb
der Drehachse des ersten Drehabtriebes angeordnet und die zweite Drehantriebseinrichtung
ist außerhalb der Drehachse des zweiten Drehabtriebes angeordnet.
Bei paralleler Anordnung der Drehachse des Antriebes zur Drehachse
des mit ihm angetriebenen Abtriebes sind die beiden Drehachsen so
weit zueinander versetzt, dass das Antriebselement nicht von der
Drehachse des Abtriebsgliedes geschnitten wird, so dass der Raum
hinter dem Abtriebsglied im Gehäuse nicht durch das Antriebselement
gefüllt ist. Dadurch, dass sich die Drehantriebseinrichtung
für einen Drehabtrieb nicht hinter diesem befindet, steht
dort Raum zur Unterbringung weiterer Komponenten der Antriebseinheit
zur Verfügung und somit wird eine sehr platzsparende Anordnung
der Einzelbauteile der Antriebseinheit ermöglicht.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass sich die Drehachsen der Abtriebsglieder der beiden Drehabtriebe
in einem Punkt im Gehäuse schneiden. Das heißt,
dass die Drehachsen der Abtriebsglieder der beiden Drehabtriebe
in einer Ebene angeordnet sind. Diese Ausgestaltung der Erfindung
erleichtert die Steuerung der an die Abtriebe angeschlossenen Roboter-Elemente im
Raum.
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In
einer besonderen Ausgestaltung sind die Drehachsen der Abtriebsglieder
rechtwinklig zueinander angeordnet.
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Zum
Zweck der platzsparenden Anordnung der Drehantriebe und -abtriebe
ist des Weiteren vorgesehen, dass eine jede der Antriebseinrichtungen im
Bereich der Drehachse im Gehäuse hinter dem Drehabtrieb
angeordnet ist, der durch die jeweils andere Drehantriebseinrichtung
angetrieben ist. Das bedeutet, dass bei Zuordnung eines Abtriebs
zu einer Drehantriebseinrichtung diese Drehantriebseinrichtung hinter
einem Drehabtrieb angeordnet ist, die den jeweils anderen Drehabtrieb
antreibt. Somit ist niemals die Drehantriebseinrichtung hinter einem Drehabtrieb
angeordnet, die diesen Drehabtrieb antreibt. Somit befindet sich
die erste Drehantriebseinrichtung hinter dem zweiten Drehabtrieb
und die zweite Drehantriebseinrichtung hinter dem ersten Drehabtrieb.
Diese Ausgestaltung der Anordnung der Drehantriebe und Drehabtriebe
in einer Antriebseinheit führt zu einer wesentlichen Volumen-Minimierung
und damit ebenfalls zu einer erhöhten Flexibilität hinsichtlich
der möglichen Bewe gungen von an die Antriebseinheit angeschlossenen
Roboter-Elementen.
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Es
ist vorgehen, dass sich das Volumen Vae der Gesamtheit der beiden
Antriebseinheiten zum Volumen des Gehäuses Vg wie folgt
verhält: Vae = 0,6...0,8 Vg
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Vorteilhafterweise
ist vorgesehen, dass mindestens eine der Drehantriebseinrichtungen
des Weiteren eine Befestigungseinrichtung zur Fixierung der Drehantriebseinrichtung
im Gehäuse umfasst. Eine derartige Befestigungseinrichtung
dient der genauen und schwingungsminimierenden Anordnung bzw. Befestigung
der Antriebseinheit im Gehäuse. Vorteilhafterweise ist
diese Befestigungseinrichtung derart ausgestaltet, dass an ihr weitere
Bauelemente der erfindungsgemäßen Antriebseinheit
befestigt werden können.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass
das Gehäuse der Antriebseinheit eine Kugelsegmentform aufweist.
Das heißt, das Gehäuse weist im Wesentlichen eine
Kugelform auf, die in dem Bereich, in der sie mit einem Deckel geöffnet
werden kann, auch abgeflacht sein kann. Des Weiteren können
Abflachungen ebenfalls im Bereich der Abtriebsflansche vorgesehen
sein. Der Vorteil einer Antriebseinheit, welche im Wesentlichen
eine Kugelform aufweist, besteht darin, dass diese ein geringes
Volumen und damit eine geringe Masse aufweist. Des Weiteren ist
die Steifigkeit eines solchen kugelförmigen Gehäuses
im Vergleich zu anderen Ausführungsformen größer
und es lässt sich insbesomndere mit der erfindungsgemäßen
Anorndung innerhalb des kugelförmigen Gehäuses
eine bessere Raumausnutzung realisieren.
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Des
Weiteren ist vorgesehen, dass das Getriebe zwischen einer jeweiligen
Drehantriebseinrichtung und dem ihr zugeordneten Drehabtrieb ein
Harmonic-Drive-Getriebe ist. Der Einsatz derartiger Getriebe hat
sich insbesondere in der Robotertechnik wegen des hohen Übersetzungsverhältnisses
und der hohen Positioniergenauigkeit bewährt.
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Dabei
ist bevorzugt vorgesehen, dass das flexible Element des Harmonic-Drive-Getriebes
fest mit dem Drehabtrieb verbunden und der Wellengenerator des Harmonic-Drive-Getriebes
fest mit der Drehantriebseinrichtung verbunden ist.
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Bevorzugt
ist des Weiteren vorgesehen, dass zwischen der Drehantriebseinrichtung
und dem Getriebe eine die Antriebsbewegung der Drehantriebseinrichtung
auf das Getriebe wieterleitende Getriebevorstufe angeordnet ist.
In günstiger Ausgestaltung kommt dabei als Getriebevorstufe
ein Riemenrad- bzw. ein Zahnriemen-Getriebe zur Anwendung. So kann
z. B. die Getriebevorstufe ein Zahnriementrieb sein, der mit Ritzeln
der einzelnen Elemente der Drehantriebseinrichtung und mit einem
Antriebsritzel des Harmonic-Drive-Getriebes zusammenwirkt.
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Dabei
kann vorgesehen sein, dass die Drehantriebseinrichtung als ein weiteres
Element ebenfalls ein Weg-Mess-System umfasst. Ein solches Weg-Mess-System
ist dabei in bevorzugter Ausgestaltung ein absolutes Winkelmesssystem.
Mittels dieses Winkelmesssystemes lässt sich der Momentan-Drehwinkel
und die Anzahl der Umdrehungen des Abtriebgliedes während
und am Ende des Drehbewegungsvorganges des jeweiligen Drehabtriebes ermitteln.
Die ermittelten Daten lassen sich in einer Leistungs- und Steuerungselektronik,
welche in der erfindungsgemäßen Antriebseinheit
angeordnet ist oder mit dieser gekoppelt ist, verwerten.
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Des
Weiteren kann vorgesehen sein, dass mindestens eine der Drehantriebseinrichtungen
weiterhin eine mit der Getriebevorstufe zusammenwirkende Bremse
umfasst. Diese Bremse dient der negativen Beschleunigung eines an
einen Drehabtrieb gekoppelten Roboter-Elementes bzw. dessen Feststellung
in einer bestimmten Position im Raum.
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In
dem als Getriebevorstufe ausgestalteten Zahnriementrieb können
somit der Antriebsmotor, das Winkelmesssystem und die Bremse mit
jeweils ihren Ritzeln eingreifen und durch diesen betätigt werden
bzw. erst über den Zahnriementrieb ihre Funktion zusammen
mit den anderen Elementen der Drehantriebseinrichtung ausüben.
Durch den Eingriff des Ritzels der Bremse in den Zahnriementrieb
wird durch die Bremse ermöglicht, eine Verlangsamung der
Bewegung des Drehabtriebes bzw. dessen Feststellung herbeizuführen.
Sämtliche mit dem Zahnriementrieb übertragenen
Bewegungen werden ebenfalls auf das mit dem Harmonic-Drive-Getriebe
gekoppelte Ritzel übertragen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist des Weiteren vorgesehen, dass
mindestens einer der Drehabtriebe als Abtriebselement eine Hohlwelle umfasst.
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In
weiterer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Hohlwelle
fest mit einem Abtriebsflansch verbunden ist, der Befestigungselemente
zur Aufnahme bzw. Befestigung von Anschlussbauteilen, wie z. B.
weiteren Roboter-Elementen aufweist.
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Dabei
ist vorgesehen, dass die Hohlwelle zur Durchführung von
elektrischen Leitungen geeignet ist. Diese elektrischen Leitungen
dienen zur Stromversorgung der elektrischen Drehantriebseinrichtungen.
Durch eine derartige Ausgestaltung wird es vermieden, Stromleitungen
an der Außenseite des Gehäuses entlang zu führen.
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Zum
Zweck der Steuerung der Drehantriebseinrichtungen in der Antriebseinheit
ist vorgesehen, dass im Gehäuse des Weiteren mindestens
eine Leistungs- und Steuerungselektronik angeordnet ist, mit der
mindestens eine der Drehantriebseinrichtungen steuerbar ist. Bevorzugt
ist die Leistungs- und Steuerungselektronik ebenfalls derart im
Gehäuse angeordnet, dass keine der beiden Drehachsen der Drehabtriebe
durch sie verläuft. Durch diese Ausgestaltung wird ebenfalls
die raumsparende Anordnung der Drehabtriebe hinter den Antrieben
ermöglicht, durch die sie jeweils nicht angetrieben sind.
Mit der Leistungs- und Steuerungselektronik wird eine für jede
Antriebseinheit eigene, weitgehend autonome Intelligenz zur Verfügung
gestellt, die von einer Zentrale an die Antriebseinheit gesendete
Daten in Beschleunigungs- und Geschwindigkeitssignale für
die einzelnen Antriebseinheiten umwandelt und umgekehrt vom Winkel-Mess-System
gemessene Daten an die Zentrale übermitteln kann. Zu diesem
Zweck hat die Leistungs- und Steuerungselektronik eine serielle
Schnittstelle.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass das Gehäuse des Weiteren eine drehgelagerte Anschlusseinrichtung gegenüber
mindestens einer der beiden Drehabtriebe aufweist, wobei die Drehachse
der Anschlusseinrichtung koaxial zur Drehachse des gegenüberlie genden
Drehabtriebes ausgerichtet ist. Eine derartige Anschlusseinrichtung
dient zum Anschluss weiterer Roboter-Elemente. Der Vorteil dieser
Ausgestaltung ist, dass die Last des angeschlossenen Roboter-Elementes
auf zwei Drehlagerungen an der Antriebseinheit verteilt ist.
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Es
wird des Weiteren ein Gelenkarm zur Verfügung gestellt,
der mindestens zwei der erfindungsgemäßen Antriebseinheiten
und mindestens ein Verbindungselement zwischen diesen umfasst, wobei zwei
der erfindungsgemäßen Antriebseinheiten miteinander
derart verbunden sind, dass das Verbindungselement an einem der
Drehabtriebe der ersten Antriebseinheit und einem der Drehabtriebe
der zweiten Antriebseinheit angeschlossen ist. Vorteilhafterweise
ist das Verbindungselement dabei derart ausgestaltet, dass es eine
erste Anschlussfläche zum Anschließen des Verbindungselementes
an den Drehabtrieb der ersten Antriebseinheit und eine zweite Anschlussfläche
zum Anschließen des Verbindungselementes an den Drehabtrieb
der zweiten Antriebseinheit aufweist, wobei die beiden Verbindungsflächen
winklig zueinander angeordnet sind. In günstiger Ausgestaltung
ist dabei vorgesehen, dass die beiden Verbindungsflächen
senkrecht zueinander verlaufen.
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In
einer weiteren besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Gelenkarmes ist vorgesehen, dass an diesem an mindestens einer Antriebseinheit
an beiden Drehabtrieben ein Verbindungselement angeschlossen ist.
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Die
erfindungsgemäße Antriebseinheit sowie der aus
mehreren erfindungsgemäßen Antriebseinheiten zusammengesetzte
Gelenkarm lässt sich somit mit standardisierten Bauteilen
wie z. B. Motor, Winkelmesssystemen, Bremsen oder Harmonic-Drive-Getrieben
ausrüsten. Die Antriebseinheit und der Gelenkarm können
außerdem in abgestuften Baugrößen bzw.
Baugrößenreihen realisiert werden. Die Aufnahme
der erfindungsgemäßen Antriebseinheit bzw. des
erfindungsgemäßen Gelenkarmes in ein Baukastensystem
wird damit erleichtert. Mittels der in der erfindungsgemäßen
Antriebseinheit vorgesehenen Leistungs- und Steuerungselektronik
lässt sich eine Fernsteuerung der Bewegungen der an die Drehabtriebe
gekoppelten Roboter-Elemente realisieren.
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Die
erfindungsgemäße Antriebseinheit ermöglicht
die Bewegung von unmittelbar an die Antriebseinheit angeschlossenen
Anschlusselementen in zwei Freiheitsgraden, nämlich die
Drehbewegungen um die Achsen der Drehabtriebe. Bei mittels Verbindungselementen
gekoppelten Antriebseinheiten wird demnach die Bewegung eines an
einem Abtriebselement angeschlossenen Roboter-Elementes in allen
Freiheitsgraden ermöglicht.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Gelenkarm können
die Antriebsachsen in einer Antriebseinheit in einer Ebene mit der
Längsachse eines aus einer Mehrzahl von Antriebseinheiten
bestehenden Gelenkarmes liegen oder sie können auch quer
zu dieser Längsachse angeordnet sein.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Antriebseinheit
besteht darin, dass diese eine sehr kompakte und leichte Bauweise
von Gelenkarmen ermöglicht und damit ebenfalls die insgesamte
Beweglichkeit des Gelenkarmes erhöht. Diese Eigenschaft
ist insbesondere im Bereich der Service-Robotic vorteilhaft, da
dort auch Hintergreifungen ermöglicht werden sollen. Bei
Anwendung von hohlen Verbindungselementen lassen diese sich vorteilhaft
an die Hohlwellen anschließen, so dass durch die Hohlwellen verlaufenden
elektrischen Leitungen durch den Innenraum der Verbindungselemente
geführt werden können. Dies hat den Vorteil, dass
keine Kabel an der Oberfläche der Antriebseinheit und des
Verbindungselementes angeordnet sind, wodurch sie selbst vor Beschädigungen
geschützt sind.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
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Es
zeigen dabei
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1 die
erfindungsgemäße Antriebseinheit in perspektivischer
Ansicht mit geöffnetem Gehäuse,
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2 die
erfindungsgemäße Antriebseinheit in Ansicht von
hinten mit geöffnetem Gehäuse,
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3 die
erfindungsgemäße Antriebseinheit in Ansicht von
der Seite mit geöffnetem Gehäuse,
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4 die
erfindungsgemäße Antriebseinheit in Ansicht von
oben mit geöffnetem Gehäuse,
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5 die
erfindungsgemäße Antriebseinheit in Ansicht von
unten,
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6 die
erfindungsgemäße Antriebseinheit im Schnitt A-A
aus 5,
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7 die
erfindungsgemäße Antriebseinheit im Schnitt B-B
gemäß 3,
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8 die
erfindungsgemäße Antriebseinheit im Schnitt C-C
gemäß 3,
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9 einen
erfindungsgemäßen Gelenkarm in einer Seitenansicht,
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10 den
erfindungsgemäßen Gelenkarm in einer weiteren
Seitenansicht,
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11 den
erfindungsgemäßen Gelenkarm in perspektivischer
Ansicht,
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12 den
erfindungsgemäßen Gelenkarm in perspektivischer
Ansicht im verschwenkten Zustand,
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13 eine
erfindungsgemäße Antriebseinheit mit angeschlossenem
Verbindungselement,
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14 Darstellung
möglicher Bewegungen des an die erfindungsgemäße
Antriebseinheit angeschlossenen Verbindungselementes,
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15 eine
weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Gelenkarmes in Ansicht von vorn,
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16 die
weitere Ausführungsform des Gelenkarmes in Ansicht von
der Seite,
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17 perspektivische
Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Gelenkarmes,
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18 perspektivische
Ansicht der weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Gelenkarmes im verschwenkten Zustand und
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19 Darstellung
der möglichen Bewegungsformen des erfindungsgemäßen
Gelenkarmes.
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In
der perspektivischen Ansicht in 1 und in
den Seitenansichten in 2–5 sind
die wesentlichen Bestandteile der erfindungsgemäßen
Antriebseinheit dargestellt. Es ist ersichtlich, dass an einem Gehäuse 1 rechtwinklig
zueinander zwei Drehabtriebe 2 angeordnet sind. Einem jeden
der Drehabtriebe 2 ist ein Motor 16, ein Winkelmesssystem 17 und
eine Bremse 18 zugeordnet. Der Motor 16, das Winkelmesssystem 17 und
die Bremse 18 bilden dabei eine Drehantriebseinrichtung.
Jede der Drehantriebseinrichtungen liegt außerhalb der
Drehachse des mit ihr angetriebenen Drehabtriebes 2. Die Drehantriebseinrichtungen
der Antriebseinheit sind dermaßen ineinander verschachtelt,
dass sie den Raum im kugelförmigen Gehäuse 1 optimal
ausnutzen. In einem zwischen dem Gehäuse 1 und
den beiden Drehantriebseinrichtungen gebildeten Raum ist die Leistungs-
und Steuerungselektronik 22 untergebracht.
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6,
die den Schnittverlauf A-A aus 5 darstellt,
zeigt die Einzelbauteile der erfindungsgemäßen
Antriebseinheit. Am kugelförmigen Gehäuse 1 sind
zwei Drehabtriebe 2 in Form von zwei Abtriebsflanschen 3 angeordnet.
Die Abtriebsflansche 3 sind mittels jeweils eines Vierpunktlagers 10 und
einem Einschraubring 11 am Gehäuse 1 befestigt.
An einer im Gehäuse 1 befestigten Befestigungseinrichtung 15 ist
jeweils eine Drehantriebseinrichtung, bestehend aus Motor 16,
Winkelmesssystem 17 und Bremse 18 angeordnet.
Die Bewegung eines von der Drehantriebseinrichtung getriebenen Zahnriemens 12 wird
auf eine Zahnriemenscheibe 13 übertragen. Ein
Verbindungsflansch 7 ist mit der Zahnriemenscheibe 13 fest
verbunden. Der Verbindungsflansch 7 wird mit Hilfe des
Andruckflansches 14 mittels Kugellager 8 und 9 im
Gehäuse 1 gelagert. Mit dem Verbindungsflansch 7 ist
der Wellengenerator 6 des Harmonic-Drive-Getriebes fest
verbunden. Der Wellengenerator 6 dreht sich in der verformbaren
Glocke 4 des Harmonic-Drive-Getriebes, welche auf der Hohlwelle 22 des
Abtriebsflansches 3 zentriert ist und mit dieser verbunden
ist. Das innverzahnte Rad 5 des Harmonic-Drive-Getriebe
ist fest mit dem Gehäuse 1 verbunden. Der mit
der Hohlwelle 23 verbundene Abtriebsflansch 3 ist
im Gehäuse 1 mittels des Vierpunktlagers 10 und
dem Einschraubring 11 drehbar gelagert.
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Bei
Betätigung des Motors 16 wirkt der Zahnriementrieb 12,
in den eine Zahnriemenscheibe 19 der Drehantriebseinrichtung
bzw. des Motors eingreift, mit der Zahnriemenscheibe 13 zusammen.
Deren Drehbewegung wird über den Verbindungsflansch 7 auf
den Wellengenerator 6 des Harmonic-Drive-Getriebes übertragen.
Dessen Drehbewegung führt zu einer umlaufenden Verformung
der verformbaren Glocke 4 des Harmonic-Drive-Getriebe, was
zu einer Relativbewegung des innenverzahnten Rades 5 des
Harmonic-Drive-Getriebes führt. Somit wird die relativ
schnelle Drehbewegung der Zahnriemenscheibe 13 in eine
langsame Abtriebsbewegung des Abtriebsflansches 3 mit einem
hohen Drehmoment übersetzt. Es ist ersichtlich, dass beide
Drehantriebseinrichtungen, die jeweils einem Abtriebsflansch 3 zugeordnet
sind, in einem Gehäuse 1 mit geringem Volumen
unterbringbar sind. In einem nicht von den Drehantriebseinrichtungen
genutzten Raum innerhalb des Gehäuses 1 lässt
sich des Weiteren die Leistungs- und Steuerungselektronik 22 zur
Steuerung der beiden Drehantriebseinrichtungen unterbringen. Die
Drehantriebseinrichtung kann, wie oben beschrieben, einen Motor 16,
ein Winkelmesssystem 17 und eine Bremse 18 umfassen.
Zur Ermittlung des aktuellen Motorwellen-Drehwinkels steht die Motorwelle
bzw. ein auf der Motorwelle angeordnetes Ritzel mit einem Zahnriementrieb 21 im
Eingriff, in welchen ebenfalls ein Ritzel des Winkelmesssystems 17 eingreift.
Somit lässt sich anhand des vom Winkelmesssystem ermittelten
Drehwinkels feststellen, wie viele Umdrehungen die Motorwelle nach
einem von der Leistungs- und Steuerungselektronik 22 gegebenen
Signal bereits zurückgelegt hat. Diese Information kann
vom Winkelmesssystem 17 wiederum an die Leistungs- und
Steuerungselektronik 22 übermittelt werden, die
diesen Istwert mit einem zu erreichenden Sollwert vergleicht und
dementsprechend nachregelt.
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7 zeigt
die erfindungsgemäße Antriebseinheit in einem
Schnitt B-B gemäß 3. Deutlich sind
die einzelnen Elemente einer Drehantriebseinrichtung, nämlich
Motor 16, Winkelmesssystem 17, Bremse 18 und
die diese Elemente befestigende Befestigungseinrichtung 15 erkennbar.
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8 zeigt
die erfindungsgemäße Antriebseinheit im Schnitt
C-C gemäß 3. Deutlich
ersichtlich ist der Zahnriementrieb 12, der mit der Zahnriemenscheibe 19 des
Motors 16 und mit der Zahnriemenscheibe 20 der
Bremse 18 zusammenwirkt. Die von diesen Zahnriemenscheiben 19 und 20 erzeugten
Drehmomente werden mittels des Zahnriementriebs 12 auf
die Zahnriemenscheibe 13 übertragen. Die Drehbewegung
der Zahnriemenscheibe 13 wird, wie oben beschrieben, mittels
des Verbindungsflansches auf den Wellengenerator 6 des
Harmonic-Drive-Getriebes übertragen. Der Zahnriementrieb 12 bildet
somit eine Übersetzungsvorstufe bei der Drehmomentenübertragung
vor dem Harmonic-Drive-Getriebe.
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In
den Figuren 9 bis 19 sind
verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Antriebseinheit und demzufolge verschiedene Ausführungsformen
von erfindungsgemäßen Gelenkarmen dargestellt.
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9 bis 12 zeigen
dabei drei in Reihe mittels Verbindungselementen 24 miteinander
verbundene Antriebselemente. Die Verbindungselemente 24 sind
derart ausgestaltet, dass an ihren an den Enden angeordnete Anschlussflächen 25,
die mit den Abtriebsflanschen 3 der erfindungsgemäßen
Antriebseinheiten verbunden sind, senkrecht zueinander angeordnet
sind. Damit sind bereits bei Bewegung von allein nur drei Drehantriebseinrichtungen innerhalb
von zwei miteinander gekoppelten Antriebseinheiten alle Drehfreiheitsgrade
gegeben. Es lässt sich dabei, wie z. B. wie in 9 dargestellt,
die unterste Antriebseinheit um den waagerecht dar gestellten Drehabtrieb 2 drehen,
so dass sich der gesamte Gelenkarm um dessen Längserstreckungsachse
dreht. Des Weiteren lässt sich eine Drehbewegung an dem
anderen Drehabtrieb, der senkrecht dargestellt ist, realisieren,
so dass eine Schwenkbewegung des untersten Verbindungselementes
um die waagerecht dargestellte Achse erfolgen kann. Des Weiteren
kann eine Schwenkbewegung des untersten Verbindungselementes um
die waagerecht dargestellte Achse erfolgen. Des Weiteren erfolgt
eine Schwenkbewegung des oberen Verbindungsgliedes 24 bei
Betätigung des Drehabtriebes 2, der an die obere
Anschlussfläche 25 des unteren Verbindungselementes 24 angeschlossen
ist, derart, dass das obere Verbindungselement 24 in der
Projektionsebene verschwenkt wird.
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10 zeigt
denselben Aufbau wie in 9 in der Ansicht von der Seite.
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11 zeigt
den in 9 und 10 gezeigten
Aufbau in perspektivischer Ansicht.
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12 zeigt
das Verschwenken des Gelenkarmes im Raum. Deutlich ersichtlich ist
die Möglichkeit, die sich durch den erfindungsgemäßen
Gelenkarm bietet, Hintergreifungen vorzunehmen. Das heißt,
es ist mit dem erfindungsgemäßen Gelenkarm möglich,
um Objekte herum zu greifen.
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In 13 ist
eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Antriebseinheit und eine spezielle Ausführungsform des
an die Antriebseinheit gekoppelten Verbindungselementes 24 dargestellt. Die
Antriebseinheit weist in diesem Falle ebenfalls ein im Wesentlichen
kugelförmiges Gehäuse 1 auf, an dem zwei
Drehabtriebe 2 angeordnet sind. Gegenüber einem
der Drehabtriebe 2 ist der auf ihm gegenüber liegenden
Gehäuseseite eine Lagerung vorgesehen, die den Anschluss
eines Koppelelementes 26 an den Drehabtrieb 2 und
die Lagerung derart ermöglicht, dass das Koppelelement 26 um
die von dem Drehabtrieb 2 und der Lagerung gemeinsame Achse
verschwenkbar ist. Dies hat den Vorteil, dass das Koppelelement 26 oder
auch ein an den Drehabtrieb 2 und die Lagerung angebrachtes
Verbindungselement 24 zweiseitig am Gehäuse 1 aufgehangen ist.
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14 deutet
sämtliche Drehfreiheitsgrade an, die mit einer erfindungsgemäßen
Antriebseinheit verwirklicht werden können.
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In
den Figuren 15 bis 19 sind
erfindungsgemäße Gelenkarme mit den speziellen
Koppelelementen 26 und den Verbindungselementen 24 dargestellt.
Die erreichbaren Drehfreiheitsgrade sind dieselben wie in Figuren 9 und 12 beschrieben.
Durch die zweiseitige Anlenkung des Koppelelementes 26 bzw.
eines derartig ausgestalteten Verbindungselementes 24 an
die jeweiligen Gehäuse 1 der Antriebseinheiten
ergibt sich allerdings eine bessere Steifigkeit und Schwingungsabsorption
der Gelenkarme bzw. dessen Abschnitte.
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In 19 sind
sämtliche Möglichkeiten der Drehbewegungen eines
drei erfindungsgemäße Antriebseinheiten umfassenden
erfindungsgemäßen Gelenkarmes dargestellt.
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Drehabtrieb
- 3
- Abtriebsflansch
- 4
- Verformbare
Glocke des Harmonic-Drive-Getriebes
- 5
- Innenverzahntes
Rad des Harmonic-Drive-Getriebes
- 6
- Wellengenerator
des Harmonic-Drive-Getriebes
- 7
- Verbindungsflansch
- 8
- Erstes
Kugellager
- 9
- Zweites
Kugellager
- 10
- Vierpunktlager
- 11
- Einschraubring
- 12
- Zahnriemen
- 13
- Zahnriemenscheibe
- 14
- Andruckflansch
- 15
- Befestigungseinrichtung
- 16
- Motor
- 17
- Winkelmesssystem
- 18
- Bremse
- 19
- Zahnriemenscheibe
am Motor
- 20
- Zahnriemenscheibe
an der Bremse
- 21
- Zahnriementrieb
Motor – Winkelmesssystem
- 22
- Leistungs-
und Steuerungselektronik
- 23
- Hohlwelle
- 24
- Verbindungselement
- 25
- Anschlussfläche
- 26
- Koppelelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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