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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Roboter für hygienekritische Anwendungen, insbesondere in der Lebensmittelverarbeitung, wobei wenigstens ein Roboterarm des Roboters ein sich im Wesentlichen in einer Längsrichtung erstreckendes Strukturelement aus einem unter Überlast brechbaren Material aufweist.
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Roboter für die Handhabung von Lebensmittelprodukten oder für andere hygienekritische Anwendungen sind im Stand der Technik bekannt. So ist z. B. in der
EP 2 241 416 A1 ein Roboter mit einer Delta-Kinematik beschrieben, der zur Handhabung von Lebensmittelprodukten verwendet werden kann, nämlich insbesondere um Lebensmittelprodukte an einem Ort aufzunehmen, und um sie an einen anderen Ort zu transportieren, und sie dort wieder abzulegen. Die Strukturelemente der Roboterarme sind gemäß der
EP 2 241 416 A1 aus Edelstahl oder Kohlenstofffasern ausgeführt.
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Auch in der
DE 10 2005 014 863 A1 wird ein Roboter zum Umsetzen von Produkten beschrieben. Insbesondere wird darin offenbart, dass die Strukturelemente der Roboterarme aus einem hochfesten Material mit geringem Eigengewicht, insbesondere Kohlenfasermaterial, bestehen. Weiterhin wird in dieser Schrift diskutiert, dass die Strukturelemente des Roboters insbesondere axial druckbelastet werden, also auf Knickung beansprucht werden. Es wird auch festgestellt, dass wegen außermittigen Belastungen eine Torsionsbelastung gegeben ist. Diesen Anforderungen wird dadurch begegnet, dass angegeben wird, dass das Strukturelement eine statisch günstige Form aufweist. Die
DE 10 2005 014 863 A1 befasst sich nicht mit dem Einsatz von Robotern in hygienekritischen Anwendungen, da als Anwendung lediglich das Umsetzen von Flaschen beschrieben wird.
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Allerdings kann es bei einem Betrieb von derartigen Robotern unter hoher Leistung in einem Produktionsumfeld zu ungewünschten, bzw. unvorhergesehenen Betriebszuständen kommen, die bedingen können, dass die Strukturelemente der Roboterarme brechen. Deswegen wird beispielsweise in der
DE 10 2009 006 833 A1 offenbart, dass bei Delta-Robotern mit erhöhten Anforderungen, unter Anderem an die Hygiene, die unteren Arme des Roboters jeweils durch Edelstahl anstelle von CFK (kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff) geformt werden, da Carbonfasern bei Überlastung splittern, und Bruchstücke und Stäube frei werden, wodurch die transportierten Lebensmittelprodukte kontaminiert werden können.
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Der Einsatz von Edelstahlrohren führt aufgrund von deren Gewicht aber zu einer niedrigeren maximalen Betriebsgeschwindigkeit des Roboters, und somit zu einer geringeren Effizienz des Roboters.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Roboter für hygienekritische Anwendungen bereitzustellen, der dennoch eine hohe Betriebseffizienz hat.
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Dies wird ermöglicht durch einen Roboter für hygienekritische Anwendungen, insbesondere in der Lebensmittelverarbeitung, wobei wenigstens ein Roboterarm des Roboters ein sich im Wesentlichen in einer Längsrichtung erstreckendes Strukturelement aus einem unter Überlast brechbaren Material aufweist, wobei das Strukturelement des Roboterarms zumindest in einem inneren Bereich entlang seiner Längserstreckung in Längsrichtung mit einer Ummantelung eingefasst ist.
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Die Ummantelung des Strukturelements ist vorteilhaft, da der Roboter hygienesicher ist. Bei einem Bruch des Strukturelements im Bereich der Ummantelung kann keine Absplitterung des Materials des Strukturelements stattfinden, da dieses durch die Ummantelung umgeben ist. Weiterhin kann gegebenenfalls die Stabilität des Strukturelements durch die Ummantelung erhöht werden.
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Eine derartige Ummantelung ist insbesondere vorteilhaft, wenn das unter Überlast brechbare Material ein sprödes Material ist, das zur Splitterbildung neigt. Sollten Splitter freigesetzt werden, könnte dies die Lebensmittelprodukte, die mit dem Roboter transportiert werden, derart verunreinigen, dass eine weitere Verarbeitung nicht möglich wäre, und sie als Abfall entsorgt werden müssten. Weiterhin wäre eine sehr intensive Reinigung der gesamten Maschine erforderlich. Mit der erfindungsgemäßen Ummantelung des Roboterarms können beim Bruch keine Splitter austreten, sondern es muss lediglich der gebrochene Roboterarm ausgetauscht werden. Insbesondere bezieht sich das unter Überlast brechbare Material auf ein im Wesentlichen nicht elastisch oder plastisch verformbares Material, das bei Verformung unter Austragung von Material bricht.
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Weiterhin beziehen sich hygienekritische Anwendungen des Roboters auch auf eine Anwendung des Roboters in der Halbleiterproduktion.
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Insbesondere ist das unter Überlast brechbare Material ein faserverstärktes Material. Somit kann bei einem Bruch des faserverstärkten Materials die Absplitterung von Fasern durch die Ummantelung verhindert werden. Folglich kann eine Freisetzung von Fasern bei einer Kollision des Roboter oder bei anderen ungewünschten Betriebszuständen verhindert werden. Damit können die Vorteile der Hygienesicherheit, wie bei einem Edelstahlarm, und die Vorteile eines faserverstärkten Strukturelements für einen Roboterarm, nämlich das geringe Gewicht, kombiniert werden.
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Insbesondere ist das faserverstärkte Material ein glasfaserverstärktes Material, insbesondere ein glasfaserverstärkter Kunststoff. Glasfaserverstärkter Kunststoff wird dadurch gebildet, dass Glasfasern in eine Kunststoffmatrix eingebettet werden. Die Ausrichtung der Glasfasern erfolgt vorteilhafterweise entsprechend der Hauptbelastungsrichtung des Strukturelements.
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In einer anderen Ausführungsform kann das faserverstärkte Material auch kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) sein. Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff ermöglicht die Erzeugung von hochstabilen Bauteilen mit geringem Gewicht.
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Vorteilhafterweise ist die Ummantelung flexibel ausgeführt. Dies ermöglicht, dass bei einer Verformung des Strukturelements, die auf einen Bruch des Strukturelements folgen kann, oder die während des Bruchs eines Strukturelements auftreten kann, die Ummantelung so verformt werden kann, dass sie nicht einreißt, und die Bruchstelle vollständig umgibt. Damit werden Bruchstücke oder Absplitterungen vom Strukturelement des Roboterarms sicher in der Ummantelung gehalten.
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In einer Ausführungsform ist das Strukturelement vollständig durch die Ummantelung eingefasst. Somit kann die Ummantelung eine Absplitterung von Material des Strukturelements verhindern, unabhängig davon, an welcher Stelle des Strukturelements der Bruch auftritt. Es wird aber darauf hingewiesen, dass es in manchen Ausführungsformen ausreichend ist, die Ummantelung lediglich in einem inneren Bereich vorzusehen, wobei dieser innere Bereich in Abhängigkeit der Wahrscheinlichkeit eines Bruchs bestimmt wird. Insbesondere kann die Ummantelung lediglich in einem zentralen Bereich entlang der Längserstreckung des Strukturelements vorgesehen sein.
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Die Definition, dass das Strukturelement vollständig durch die Ummantelung eingefasst ist, bedeutet, dass das Strukturelement an keiner Stelle frei liegt, wobei insbesondere am Endbereich des Strukturelements Anschlussstücke direkt auf dem Strukturelement vorgesehen sein können, an die sich die Ummantelung entweder direkt anschließt, oder die wenigstens teilweise noch durch die Ummantelung eingefasst werden.
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In einer Ausführungsform weist der Roboter eine Delta-Kinematik auf, wobei der Roboter eine Roboterbasis und eine Werkzeugbefestigung umfasst. Die Roboterbasis und die Werkzeugbefestigung sind durch wenigstens drei Kombinationen aus einem oberen Roboterarm und einem unteren Roboterarm verbunden, wobei in jeder der Kombinationen der obere Roboterarm und der untere Roboterarm schwenkbar miteinander verbunden sind. Eine Delta-Kinematik ermöglicht insbesondere eine schnelle seitliche Versetzung der Werkzeugbefestigung, wodurch insbesondere in Pick-and-Place Anwendung für Lebensmittelprodukte eine schnelles seitliches Versetzen der Lebensmittelprodukte ermöglicht wird.
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Allerdings ist darauf hinzuweisen, dass die erfindungsgemäßen Strukturelemente auch in beliebigen anderen Robotern eingesetzt werden können, so zum Beispiel in Gelenkarmrobotern.
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Insbesondere hat das Strukturelement eine mindestens fünffach längere Erstreckung in Längsrichtung, als in einer orthogonalen Richtung zur Längsrichtung. Eine derart dünne Ausgestaltung des Strukturelements ermöglicht ein geringes Gewicht des Strukturelements, bedingt aber gleichzeitig eine höhere Gefahr, dass das Strukturelement bricht, wenn der Roboter einer unvorhergesehenen Betriebssituation ausgesetzt wurde. Damit kann durch die erfindungsgemäße Ummantelung bei solchen Strukturelementen ein erheblicher Vorteil bezüglich der Hygienesicherheit erreicht werden.
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Das Strukturelement kann an seinem Ende ein Endstück aufweisen, an das sich die Ummantelung direkt anschließt. Das Endstück ermöglicht insbesondere eine Anbindung des Strukturelements, beispielsweise eine schwenkbaren Lagerung oder Verbindung des Strukturelements. Dadurch, dass sich die Ummantelung direkt an das Endstück anschließt, kann auch bei einem Bruch im Bereich des Endstücks ein Austreten von Splittern oder Bruchstücken verhindert werden.
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Vorteilhafterweise weist das Strukturelement an seinem Ende ein Endstück auf, das wenigstens teilweise von der Ummantelung eingefasst wird. Durch das Einfassen des Endstücks durch die Ummantelung kann die Wahrscheinlichkeit des Austretens von Splittern oder Bruchstücken bei einem Bruch direkt am Endstück oder im Endstück reduziert werden.
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In einer Ausführungsform ist die Ummantelung aus Kunststoff ausgeführt. Dies ermöglicht, dass die Ummantelung formgenau an das Strukturelement und an eventuelle Endstücke angepasst werden kann. Weiterhin kann der Kunststoff derartig flexibel ausgestaltet werden, dass im Fall eines Bruchs des Strukturelements, die Bruchstelle auch nach einer plastischen Verformung des Kunststoffs durch die Ummantelung umgeben ist.
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Vorteilhafterweise, ist die Ummantelung aus Elastomer ausgeführt. Dies ermöglicht eine besonders flexible Ummantelung, und damit einen effektiven Schutz vor Absplitterung auch bei großen Verformungen.
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Insbesondere ist die Ummantelung aus Kautschuk ausgeführt. Kautschuk stellt einen zähen, elastischen Werkstoff dar, der vorteilhafterweise eine verformbare Ummantelung bilden kann, die auch bei hohen elastischen Verformungen nicht einreißt. Die Zähigkeit der Ummantelung kann insbesondere durch den Grad der Vulkanisierung des Kautschuks eingestellt werden.
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In einer Ausführungsform liegt die Ummantelung direkt am Roboterarm an. Somit wird die Form des Roboterarms durch die Ummantelung nicht beeinträchtigt, und der Roboterarm kann insbesondere eine schlanke Form beibehalten.
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In manchen Ausführungsformen kann die Ummantelung aber auch wenigstens teilweise vom Roboterarm beabstandet sein. Insbesondere die Einfassung des Roboterarms in eine Hülle, die lose am Roboterarm anliegt, weist ebenfalls Vorteile bezüglich des Splitterschutzes auf, und kann zudem gewährleisten, dass die Ummantelung auch bei einer größeren Abknickung des Roboterarms im Schadensfall nicht einreißt.
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Alternativ kann die Ummantelung auch eine Beschichtung des Strukturelements sein. Dies ermöglicht eine einfache Fertigung des Roboterarms, da nur der zusätzliche Produktionsschritt des Auftragens einer Beschichtung hinzugefügt werden muss.
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In einer Ausführungsform kann die Ummantelung in Form eines Schlauches ausgeführt sein, der um das Strukturelement angeordnet ist. Somit wird ein vorgeformter Schlauch auf das Strukturelement aufgezogen, und in geeigneter Weise beispielsweise durch Manschetten oder durch Verkleben, befestigt. Der Schlauch kann entweder direkt am Roboterarm, insbesondere dem Strukturelement, anliegen, oder kann wenigstens teilweise vom Roboterarm, insbesondere dem Strukturelement, beabstandet sein.
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Insbesondere ist das Strukturelement rohrförmig. Dies ermöglicht eine hohe Stabilität bei geringem Gewicht des Strukturelements. Eine hohlzylindrische Form des Strukturelements kann eine hohe Stabilität bei geringem Gewicht ermöglichen.
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Vorteilhafterweise ist die Ummantelung hermetisch dicht ausgeführt. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass keine Splitter aus der Ummantelung austreten können, hat aber weiterhin auch den Vorteil, dass keine Verunreinigung in die Ummantelung eintreten können. Eine derartige Ansammlung von Verunreinigungen wäre für hygienekritische Anwendungen abträglich. Zudem kann die Ummantelung in manchen Ausführungsformen hermetisch dicht an das Strukturelement, oder an die am Strukturelement befestigten Endstücke angeschlossen sein.
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Weiterhin können die Endstücke des Roboterarms in manchen Ausführungsformen hermetisch dicht an das Strukturelement angeschlossen sein, so dass aus dem Inneren des Strukturelements keine Splitter über die Endstücke austreten können, oder keine Verunreinigungen über die Endstücke in das Strukturelement eintreten können.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von beispielhaften Ausführungsformen mit Bezug auf die folgenden Figuren weitergehend erläutert.
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1 zeigt einen Roboter gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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2 zeigt einen Querschnitt durch den Roboterarm des Roboters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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3 zeigt einen Querschnitt durch einen Roboterarm des Roboters gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
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4 zeigt einen Querschnitt in Längsrichtung durch einen Roboterarm für einen Roboter gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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In 1 ist ein Roboter 1 für hygienekritische Anwendungen, insbesondere in der Lebensmittelverarbeitung dargestellt. Der Roboter weist eine Roboterbasis 2 auf, die insbesondere stationär befestigt wird, und eine Werkzeugbefestigung 3 auf, an der ein Werkzeug befestigt werden kann. Insbesondere wird ein Greifer an der Werkzeugbefestigung 3 befestigt, der zur Aufnahme von Lebensmittelprodukten geeignet ist, so dass mit dem Roboter 1 Lebensmittelprodukte versetzt werden können.
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An der Roboterbasis 2 sind jeweils drei Antriebe 4 befestigt. Die Antriebe 4 sind ausgelegt, die ihnen jeweilig zugeordneten oberen Roboterarme 5 zu verschwenken.
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An den oberen Roboterarmen 5 gegenüberliegend den Antrieben 4 sind jeweils untere Roboterarme 6 schwenkbar befestigt. An der gegenüberliegenden Seite der unteren Roboterarme 6 ausgehend von den oberen Roboterarmen 5 ist die Werkzeugbefestigung 3 schwenkbar befestigt.
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In der vorliegenden Ausführungsform sind jeweils zwei untere Roboterarme 6 parallel zwischen einem oberen Roboterarm 5 und der Werkzeugbefestigung 3 angeordnet.
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Die oberen Roboterarme 5 und/oder die unteren Roboterarme 6 weisen jeweils ein Strukturelement 7 auf, das aus unter Überlast brechbaren Material, insbesondere einem faserverstärkten Material, ausgeführt ist. Wenigstens in einem inneren Bereich entlang der Längsrichtung L des Roboterarms ist das Strukturelement 7 mit einer Ummantelung 8 eingefasst.
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In 2 ist die Anordnung von Strukturelement 7 und Ummantelung 8 in einer Ausführungsform der Erfindung genauer dargestellt. Das Strukturelement 7 ist dabei ein rohrförmiges, dünnwandiges Bauteil aus faserverstärktem Material. Dieses Bauteil wird durch eine eng anliegende Ummantelung 8 aus flexiblem Material eingefasst. Sollte es zu einem Bruch des Strukturelements 7 kommen, wird die Ummantelung 8 plastisch oder elastisch gedehnt, wobei die Ummantelung 8 ausgelegt ist, auch wenn das Strukturelement 7 abgeknickt, nicht einzureißen. Somit können etwaige durch Brechen des Strukturelements 7 erzeugte Splitter sicher innerhalb der Ummantelung 8 gehalten werden, und Bereiche außerhalb des Roboterarms 5, 6 werden nicht kontaminiert.
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Insbesondere sind die Strukturelemente 7 aus verklebten Kohlefaserlagen ausgebildet und mit der Ummantelung 8 versehen. Die Ummantelung 8 kann eine Beschichtung aus Gummi oder Kunststoff sein. In anderen Ausführungsformen kann aber auch ein Schlauch um das Strukturelement 7 angeordnet werden, der wie in 2 dargestellt, eng an das Strukturelement 7 anliegt. Somit können die Vorteile eines leichten hochfesten Werkstoffes, wie zum Beispiel eines kohlefaserverstärkten Werkstoffes, bezüglich des Gewichts des Roboterarms erreicht werden, aber zeitgleich können die Hygieneanforderungen eingehalten werden, nämlich insbesondere, dass bei Bruch des Strukturelements 7 und diesbezüglicher eventueller Splitterbildung ein Austreten der Splitter, beziehungsweise Fasern, verhindert werden kann.
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In 3 ist ein Strukturelement 7 mit einer Ummantelung 8 gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Das Strukturelement 7 ist wieder ein dünnes hohlzylindrisches Bauteil, wobei die Ummantelung 8 in dieser Ausführungsform nicht eng an dem Strukturelement 7 anliegt, sondern teilweise von diesem beabstandet ist. Dadurch kann insbesondere ermöglicht werden, dass die Ummantelung 8 bei einem Bruch des Strukturelements 7 nicht einreißt, auch wenn die Ummantelung 8 aus einem weniger flexiblen Material hergestellt ist. Insbesondere kann die Verformung des Strukturelements 7 nach dem Bruch dadurch kompensiert werden, dass die abstehenden Bereiche der Ummantelung 8 näher an das Strukturelement 7 herangezogen werden. Zudem kann sich die Montage einer derartigen abstehenden Ummantelung auf dem Strukturelement 7 einfacher gestalten. Wichtig ist allerdings bezüglich der Ausführungsform in 3, dass die Ummantelung 8 in ihrem Endbereich eng am Strukturelement anliegt, und somit ein Austreten von Splittern im Endbereich verhindert werden kann.
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In 4 ist ein Querschnitt eines Roboterarms 5, 6 in Längsrichtung dargestellt. Das Strukturelement 7 erstreckt sich dabei wenigstens teilweise über die Endstücke 9, 10, die auch beispielhaft für den unteren Roboterarm 6 in 1 dargestellt sind. Die Endstücke 9, 10 ermöglichen insbesondere eine Befestigung der Roboterarme 5, 6 aneinander, beziehungsweise eine Befestigung der Roboterarme 5, 6 an der Roboterbasis 2 beziehungsweise an der Werkzeugbefestigung 3. Wie in 4 gesehen werden kann, erstreckt sich in dieser Ausführungsform die Ummantelung 8 entlang der ganzen freiliegenden Länge des Strukturelements 7 zwischen den Endstücken 9, 10 in Längsrichtung L. Weiterhin erstreckt sich die Ummantelung 8 auch noch teilweise über die Endstücke 9, 10. Somit kann bei einem Bruch des Strukturelements 7 sicher verhindert werden, dass Splitter aus der Ummantelung 8 austreten. Es wird darauf hingewiesen, dass in manchen Ausführungsformen die Ummantelung 8 auch lediglich in einem inneren Bereich des Strukturelements 7 angeordnet sein kann, wenn die Wahrscheinlichkeit gering ist, dass ein Bruch in einem anderen Bereich des Strukturelements 7 auftritt.
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In einer weiteren anderen Ausführungsform ist es auch möglich, dass die Ummantelung sich lediglich an die Endstücke 9, 10 bündig anschließt.
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In weiteren Ausführungsformen liegt die Ummantelung im äußeren Bereich eng bündig am Strukturelement 7 oder an den Endstücken 9, 10 an, ist aber zumindest teilweise in ihrem inneren Bereich von dem Strukturelement 7 beabstandet ist.
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Das wichtigste Charakteristikum der Ummantelung 8 ist es, dass diese bei einem Bruch des Roboterarms 5, 6 nicht einreißt, so dass der nötige Splitterschutz gewährleistet wird. Dies gilt sowohl für enganliegende Ummantelungen 8, als auch für vom Strukturelement 7 beabstandete Ummantelungen 8.
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Die Endstücke 9, 10 sind insbesondere hermetisch dicht am Strukturelement 7 angeordnet, so dass zwischen die Endstücke 9, 10 und das Strukturelement 7 keine Verschmutzungen eindringen können, und auch keine Bruchstücke nach einem Bruch der Strukturelements 7 austreten können. Dafür sind die Endstücke 9, 10, insbesondere wie in 4 dargestellt, abgeschlossen, so dass auch aus dem Inneren des Strukturelements 7 keine Bruchstücke austreten können.
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Weiterhin schließt sich das jeweilige Ende der Ummantelung 8 in Längsrichtung L hermetisch an das Strukturelement 7, beziehungsweise an die Endstücke 9, 10, an.
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Insbesondere enganliegende Ummantelungen aus zähem Material, wie z. B. Kunststoff oder Kautschuk, können auch die Stabilität des Roboterarms verbessern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2241416 A1 [0002, 0002]
- DE 102005014863 A1 [0003, 0003]
- DE 102009006833 A1 [0004]
