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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rotationsgelenk mit variabler Getriebeübersetzung.
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Rotationsgelenke werden häufig für Robotergelenke eingesetzt. Das für die Bewegung der Robotergelenke notwendige Drehmoment wird von Motoren über ein Getriebe erzeugt. Dabei besitzen die Robotergelenke üblicherweise feste Getriebeübersetzungen, so dass der Aufgabenbereich der Robotergelenke weitestgehend vorgegeben ist.
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Die feste Übersetzung setzt somit die maximale Abtriebsgeschwindigkeit und das maximale Abtriebsmoment fest. Eine Anpassung der Geschwindigkeit an den Lastfall ist somit nicht möglich.
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Darüber hinaus besteht das Problem, dass bei einer Kollision des Roboters mit einem Gegenstand die gesamte Energie von dem Getriebe des Robotergelenkes aufgenommen werden muss, da die Systemsteifigkeit sehr hoch ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Rotationsgelenk für Roboter bereitzustellen, das eine Anpassung an verschiedene Arbeitsaufgaben ermöglicht.
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Darüber hinaus wäre ein Schutz gegen Überlastung, beispielsweise bei einer Stoßbelastung, wünschenswert.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Erfindung sieht ein Rotationsgelenk für Roboter mit einem Getriebe vor, das ein Hohlrad mit nach innen gerichteter Innenzahnung, ein Zahnelement mit nach außen gerichteter Außenzahnung, ein Antriebselement und ein Abtriebselement aufweist. Dabei greift die Außenzahnung des Zahnelements in die Innenzahnung des Hohlrades ein. Das Zahnelement ist über das Antriebselement antreibbar. Ferner ist das Abtriebselement mit dem Zahnelement verbunden. Eine erste schaltbare Kupplung verbindet das Hohlrad mit einem ortsfesten Basisteil.
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Über die erste schaltbare Kupplung kann sich das Hohlrad an dem ortsfesten Basisteil abstützen. In dem Fall, in dem die erste Kupplung das Hohlrad hält, ist die Drehzahl des Abtriebselementes von der Drehzahl des Antriebselementes und der Übersetzung zwischen dem Zahnelement und dem Hohlrad abhängig. Für den Fall, dass die erste Kupplung gelöst ist, so dass das Hohlrad frei drehen kann, entspricht die Geschwindigkeit des Abtriebselementes der Geschwindigkeit des Antriebselementes. Dadurch ist eine variable Getriebeübersetzung für das Rotationsgelenk möglich.
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Die Erfindung kann auch vorsehen, dass das Abtriebselement anstelle mit dem Zahnelement mit dem Hohlrad verbunden ist, und dass die erste schaltbare Kupplung das Zahnelement mit dem ortsfesten Basisteil verbindet. Die erste schaltbare Kupplung ist in diesem Ausführungsbeispiel nicht mit dem Hohlrad verbunden. Über die erste schaltbare Kupplung lässt sich somit in diesem Ausführungsbeispiel die Drehzahl des Zahnelementes beeinflussen.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass eine zweite Kupplung das Hohlrad und das Zahnelement verbindet, wobei über die zweite Kupplung die Geschwindigkeit zwischen dem Hohlrad und dem Zahnelement einstellbar ist. Die zweite Kupplung kann schaltbar ausgebildet sein. Die zweite Kupplung ermöglicht somit die Einstellung des Übersetzungsverhältnisses zwischen dem Hohlrad und dem Zahnelement. Durch die Übertragung eines Momentes zwischen Hohlrad und Zahnelement über die zweite Kupplung wird darüber hinaus ermöglicht, dass ein Moment in beide Richtungen übertragen werden kann.
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Die Erfindung kann in vorteilhafter Weise vorsehen, dass die erste Kupplung als Überlastkupplung wirkt. Dabei kann beispielsweise ein Reibmoment an der Kupplung eingestellt werden und bei Überschreiten des vorgegebenen Reibmoments rutscht die Kupplung durch, so dass der Roboter oder die Umgebung von harten Stößen geschützt wird. Dadurch werden Beschädigungen an dem Roboter oder der Umgebung vermieden.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Kupplung und/oder die zweite Kupplung variabel einstellbar ist. Der Kraftschluss zwischen Hohlrad und dem ortsfesten Basisteil kann somit variabel eingestellt werden, wodurch die Übersetzung des Getriebes bzw. die Untersetzung des Getriebes variiert werden kann.
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Es kann vorgesehen sein, dass die erste Kupplung und/oder die zweite Kupplung eine schnellschaltende Kupplung ist, wobei die Kraft ausschließlich bzw. nahezu ausschließlich über statische Haftreibung übertragen wird. Dadurch werden die Übertragungsverluste minimiert.
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Die erste Kupplung und/oder die zweite Kupplung kann eine elektromagnetisch oder piezoresistiv aktuierte Kupplung sein.
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Die Erfindung kann vorsehen, dass das Hohlrad über ein separates Lager rotierend gelagert ist.
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In einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das Getriebe ein Planetenradgetriebe ist, wobei das Antriebselement ein Sonnenrad und das Zahnelement ein Planetenradträger mit mindestens einem Planetenrad ist, wobei die Zahnung des Planetenrads die Außenzahnung bildet.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Getriebe ein Gleitkeilgetriebe ist. Dabei kann das Antriebselement ein elliptisches Element mit Wälzlager mit verformbarem Laufring und das Zahnelement eine die Außenzahnung aufweisende, verformbare Buchse sein, die über das Wälzlager mit dem elliptischen Element verbunden ist. Gleitkeilgetriebe sind auch als Spannungswellengetriebe oder Harmonic-Drive-Getriebe bekannt.
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Das Getriebe kann auch ein Zykloidgetriebe sein, wobei das Antriebselement ein Exzenterantrieb ist und über ein Wälzlager mit dem Zahnelement verbunden ist, und wobei die Außenzahnung des Zahnelementes und die Innenzahnung des Hohlrades eine Zykloidverzahnung bilden.
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Diese Getriebearten haben sich als besonders vorteilhaft als Getriebe für das erfindungsgemäße Rotationsgelenk herausgestellt.
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Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass das Abtriebselement über ein elastisches Element mit dem Zahnelement oder dem Hohlrad verbunden ist. Das elastische Element überträgt somit das Drehmoment auf das Abtriebselement. Das elastische Element kann als Überlastschutz für das Getriebe dienen, indem bei einem Zusammenstoß des Roboters die dabei entstehenden Kräfte von dem elastischen Element aufgenommen oder abgefedert werden. Auch kann das elastische Element als Energiespeicher dienen.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass das elastische Element eine Rotationsfeder ist, die vorzugsweise eine lineare oder progressive Federlinie aufweist.
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Das elastische Element kann als Energiespeicher wirken, indem die in Form von Verformung des elastischen Elementes in dem elastischen Element gespeicherte Energie durch Entlastung dem Abtrieb zugeführt wird. Dabei kann die Kupplung zur Speicherung der Energie in der Feder beitragen. Bei festgestellter Kupplung wird die von außen über den Abtrieb eingetragene Energie in der Feder gespeichert. Durch Lösen der Kupplung kann die gespeicherte Energie komplett in Geschwindigkeit des Abtriebs umgewandelt werden.
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Das erfindungsgemäße Gelenk ist somit besonders effektiv in Robotern einsetzbar. Die Energieaufnahme kann nicht nur bei einem ungewollten Zusammenstoß, bei dem das elastische Element als Überlastschutz wirkt, sondern auch bei einer normalen Bewegung des Roboters erfolgen, wie beispielsweise bei einer Gehbewegung, bei der der Roboter gewollt auf einen Widerstand stößt, erfolgen.
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Die Erfindung sieht in vorteilhafter Weise vor, dass am Antriebselement, am Hohlrad, am Zahnelement und/oder am Abtriebselement ein Winkelsensor angeordnet ist. Alternativ kann vorgesehen sein, dass an dem Zahnelement ein Drehmomentsensor angeordnet ist.
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Durch das Anordnen der unterschiedlichen Sensoren lässt sich die Übersetzung, das Übertragungselement sowie die Antriebs- und Abtriebsposition bestimmen. Auf diese Weise lässt sich das erfindungsgemäße Robotergelenk auf besonders vorteilhafte Weise steuern.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Robotergelenks,
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2 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Getriebes in Form eines Gleitkeilgetriebes,
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3 eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Getriebes in Form eines Planetenradgetriebes und
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4 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Getriebes in Form eines Zykloidgetriebes.
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1 zeigt eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Robotergelenks 1 mit einem Getriebe 2. Das Getriebe 2 kann beispielsweise ein Gleitkeilgetriebe sein, Das Rotationsgelenk 1 wird über einen Motor 3 angetrieben.
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Das Getriebe 2 besteht aus einem mit dem Motor 3 verbundenen Antriebselement 5, über das ein Zahnelement 7 antreibbar ist. Das Zahnelement 7 weist eine nach außen gerichtete Außenzahnung 9 auf. Das Antriebselement 5 und das Zahnelement 7 sind in einem Hohlrad 11 angeordnet, das eine nach innen gerichtete Innenzahnung 13 aufweist. Die Außenzahnung 9 des Zahnelements 7 greift dabei in die Innenzahnung 13 des Hohlrades ein. Das Hohlrad 11 ist über ein Lager 15 rotierend gelagert. Eine erste schaltbare Kupplung 17 verbindet das Hohlrad 11 mit einem ortsfesten Basisteil 19. Über die erste Kupplung 17 ist eine Kraftabstützung des Hohlrades 11 einstellbar, so dass eine variable Verstellung des erfindungsgemäßen Rotationsgelenkes 1 über das Getriebe 2 ermöglicht wird. Dabei kann die erste Kupplung 17 auch das Hohlrad 11 vollständig festhalten oder auch vollständig gelöst sein, so dass das Hohlrad 11 in Bezug auf das ortsfeste Basisteil 19 frei rotieren kann.
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Das Getriebe 2 weist ferner ein Abtriebselement 21 auf, das über Lager 23 rotierend gelagert ist. Das Abtriebselement 21 ist in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel über ein elastisches Element 25 mit dem Zahnelement 7 verbunden. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass das Abtriebselement 21 direkt mit dem Zahnelement 7 verbunden ist.
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Das Vorsehen eines elastischen Elements 25 ermöglicht, dass von außen auf das Abtriebselement 21 einwirkende Kräfte, wie sie beispielsweise bei einem Zusammenstoß des Roboters mit der Umwelt entstehen, nicht direkt auf das Getriebe 2 übertragen werden. Das elastische Element 25 nimmt somit die von außen einwirkenden Kräfte auf und wirkt als ein Überlastschutz für das Getriebe. Darüber hinaus kann in dem elastischen Element 25 Energie gespeichert werden. Während der Festsetzung der ersten Kupplung 17 können die durch äußere Krafteinwirkung auf das Abtriebselement 21 einwirkenden Kräfte in dem elastischen Element 25 gespeichert werden und durch ein Lösen der ersten Kupplung 17 dem Abtriebsteil in Form von Geschwindigkeit wieder zugeführt werden. Die Krafteinwirkung auf das Abtriebselement 21 kann bei einer ungewollten Bewegung, aber auch bei einer regulären Bewegung, erfolgen, wie beispielsweise bei einer Gehbewegung eines Roboters. Über das elastische Element 25 lässt sich somit Energie bei einer normalen Bewegung des Roboters zwischenspeichern und dem System zurückführen, so dass eine besonders effektive Bewegung eines Roboters mit dem erfindungsgemäßen Rotationsgelenk ermöglicht wird.
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Das elastische Element 25 kann eine Rotationsfeder sein, die beispielsweise eine lineare oder progressive Federlinie aufweisen kann.
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Eine zweite Kupplung 18 verbindet das Hohlrad 11 mit dem Zahnelement 7, wobei über die zweite Kupplung 18 die Geschwindigkeit zwischen dem Hohlrad 11 und dem Zahnelement 7 einstellbar ist. Dadurch ist über die zweite Kupplung 18 das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Hohlrad 11 und dem Zahnelement 7 einstellbar. Die zweite Kupplung 18 ermöglicht, dass zwischen dem Hohlrad und dem Zahnelement ein Moment übertragen werden kann. Dadurch kann ein Moment in beide Richtungen übertragen werden.
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An dem Antriebselement 5, dem Zahnelement 7, dem Hohlrad 11 und dem Abtriebselement 21 sind Winkelsensoren 27 angeordnet, über die die Winkelveränderung der einzelnen Elemente gemessen werden kann. Dadurch können die Übersetzung, das Übertragungselement sowie Antriebs- und Abtriebspositionen bestimmt werden, wodurch eine vorteilhafte Steuerung des erfindungsgemäßen Rotationsgelenkes 1 ermöglicht wird.
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In 2 ist eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Getriebes 2 in Form eines Gleitkeilgetriebes schematisch gezeigt. Das Antriebselement 5 ist als elliptisches Element ausgeführt, das in dem Zahnelement 7 angeordnet ist. Das Zahnelement 7 ist bei dem Gleitkeilgetriebe als eine die Außenzahnung 9 aufweisende verformbare Buchse ausgeführt. Das Antriebselement 5 kann beispielsweise über ein Wälzlager mit verformbarem Laufring mit der verformbaren Buchse verbunden sein. Die Außenzahnung 9 des Zahnelementes 7 greift in die Innenzahnung 13 des Hohlrades 11 ein. Durch eine Drehbewegung des elliptischen Elementes, das auch als Wavegenerator bezeichnet wird, erfolgt eine Verformung der Buchse und es findet eine kämmende Bewegung zwischen der Außenzahnung 9 des Zahnelementes 7 und der Innenzahnung 13 des Hohlrades 11 statt.
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Die Geschwindigkeiten der einzelnen Elemente eines erfindungsgemäßen Getriebes
2 stehen in folgendem Zusammenhang:
mit N
Z Drehzahl des Zahnelementes
7, N
H Drehzahl des Hohlrades
11, Z
H Anzahl der Zähne der Innenzahnung
13, N
A Drehzahl des Antriebselementes
5 und Z. Anzahl der Zähne der Außenzahnung
9.
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Bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Getriebes 2 als Gleitkeilgetriebe muss das Antriebselement 5 nicht notwendigerweise als elliptisches Element ausgebildet sein. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass das Antriebselement auch andere Formen aufweist, wie beispielsweise als Träger für Rollen, die in dem Zahnelement 7 abrollen, und die für Gleitkeilgetriebe typische Wellenbewegungen erzeugen.
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In 3 ist das erfindungsgemäße Getriebe 2 in Form eines Planetenradgetriebes schematisch dargestellt. Dabei ist das Antriebselement 5 als Sonnenrad ausgebildet. Das Zahnelement 7 besteht aus einem Planetenradträger 7a und drei Planetenrädern 9a, die die Außenzahnung 9 des Zahnelementes 7 bilden. Die Planetenräder 9a greifen in die Innenzahnung 13 des Hohlrades 11 ein.
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In 4 ist das erfindungsgemäße Getriebe 2 in Form eines Zykloidgetriebes schematisch gezeigt.
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Das Getriebe 2 in Form eines Zykloidgetriebes weist als Antriebselement 5 einen exzentrischen Antrieb auf, der aber ein nicht dargestelltes Wälzlager mit dem Zahnelement 7 verbunden ist. Das Zahnelement 7 ist dabei als Kurvenscheibe ausgebildet, mit einer kurvenförmigen Außenzahnung 9. Das Hohlrad 11, in dem das Zahnelement 7 angeordnet ist, weist eine ebenfalls kurvenförmige Innenzahnung 13 auf. Die Außenzahnung 9 des Zahnelementes 7 und die Innenzahnung 13 des Hohlrades 11 bilden somit eine Zykloidverzahnung.
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Aufgrund des exzentrischen Antriebes durch das Antriebselement 5 führt das Zahnelement 7 eine taumelnde Bewegung aus. Für eine Drehmomentübertragung auf das Antriebselement 21 weist das Abtriebselement 21 daher Bolzen auf, die in Öffnungen 7b des Zahnelementes 7 engeführt sind und somit die Drehbewegung des Zahnelementes 7 auf das Abtriebselement 21 übertragen.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, dass zwischen dem Abtriebselement 21 und dem Zahnelement 7 ein Zwischenelement mit dem elastischen Element 25 angeordnet ist, so dass über die Bolzen 21a die Drehbewegung zunächst auf das elastische Element 25 und anschließend auf das Abtriebselement 21 übertragen wird.
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In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kupplung nicht mit dem Hohlrad, sondern mit dem Zahnelement zusammenwirkt. Ferner ist das Abtriebselement aber das elastische Element mit dem Hohlrad verbunden und nicht mit dem Zahnelement. Durch die Kupplung lässt sich bei diesem Ausführungsbeispiel die Drehzahl des Zahnelementes beeinflussen. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das Getriebe als Gleitkeilgetriebe ausgebildet sein. Dadurch kann durch die Kupplung auch die gesamte Drehbewegung des Zahnelementes gesperrt werden, wobei durch die von dem Antriebselement in das Zahnelement eingebrachte Wellenbewegung ein Drehmoment auf das Hohlrad übertragen wird.
