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Die Erfindung betrifft ein Roboter-Gelenksystem.
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Roboter weisen mehrere Gelenkeinheiten auf, über die bspw. ein Basiselement, entsprechend einer Schulter, einer Hüfte oder dergleichen, mit einem Robotersegment, wie einem Zwischensegment, einem Teil eines Armes oder eines Beines etc. miteinander verbunden sind. Derartige Gelenkeinheiten weisen bspw. passive nachgiebige Antriebe auf. Ein derartiger Antrieb verfügt über eine Feder- und/oder Dämpfereinheit, die in Serie zu einem Elektromotor geschaltet ist. Hierbei sind die Steifigkeit bzw. die Dämpfungswerte fest einstellbar oder veränderbar. Desweiteren sind Antriebseinheiten mit intrinsischen Feder-Dämpfungseigenschaften bekannt. Diese weisen bspw. pneumatische Aktoren auf. Gemeinsam bei derartigen Antrieben ist, dass diese stets passive und/oder aktive Komponenten aufweisen, welche das Robotergelenk antreiben bzw. bewegen.
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Die entsprechenden Antriebseinheiten werden monoartikulär oder biartikulär eingesetzt. Monoartikulär eingesetzte Antriebe treiben ein Gelenk und biartikuläre Antriebe zwei Gelenke eines Roboters an. Bei biartikulären Antriebseinheiten ist es erforderlich, zusätzlich für jedes der beiden Gelenke eine weitere Antriebseinheit vorzusehen, um die beiden Gelenke unabhängig voneinander positionieren zu können. Ein derartig ausgebautes biartikuläres Roboter-Gelenksystem entspricht in der Anordnung und Wirkungsweise den Muskeln bei Menschen bzw. Tieren. Biartikuläre Roboter-Gelenksysteme weisen hierbei den wesentlichen Vorteil auf, dass die Steifigkeit am Roboterende sehr gut einstellbar ist. Insbesondere ist es möglich die Endpunktsteifigkeit im kartesischen Raum unabhängig voneinander einzustellen. Desweiteren besteht der Vorteil, dass Drehmomente von einem Robotersegment über ein dazwischen liegendes Robotersegment hinweg auf ein übernächstes Robotersegment übertragen werden können, sodass effektive Bewegungsabläufe möglich sind.
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Gegenüber diesem Vorteilen eines biartikulären Roboter-Gelenksystems weist das biartikuläre Roboter-Gelenksystem den Nachteil auf, dass drei Motoreinheiten, d. h. Elektromotoren, vorgesehen sein müssen, um zwei Gelenkeinheiten betätigen zu können. Dies hat den Nachteil, dass das entsprechende Roboter-Gelenksystem verhältnismäßig schwer ist und aufgrund des Vorsehens von drei Elektromotoren deren Ausfallwahrscheinlichkeit steigt.
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In
US 2008/0288107 A1 wird ein Roboter-Gelenksystem beschrieben mit einem ersten Robotersegment, das über ein erstes Gelenk mit einem Basiselement verbunden ist. Über ein zweites Gelenk ist das erste Robotersegment mit einem zweiten Robotersegment verbunden. Die beiden Robotersegmente werden durch Motoren angetrieben, die über Treibriemen mit den Robotersegmenten verbunden sind. Beide Motoren sind mit dem Basiselement verbunden. Die Antriebsachse des zweiten Motors, der das zweite Robotersegment antreibt, ist dabei koaxial mit dem ersten Gelenk angeordnet, um das sich das erste Robotersegment bewegt.
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JP 2008-049429A offenbart ein Roboterbein mit einer Vielzahl von Rädern, wobei jedes Rad einen Motor und ein Reduziergetriebe aufweist. Die einzelnen Reduziergetriebe sind durch ein weiteres Getriebe, eine Kette oder einen Riemen miteinander verbunden.
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Aufgabe der Erfindung ist es ein Roboter-Gelenksystem, insbesondere ein biartikuläres Roboter-Gelenksystem zu schaffen, dessen Gewicht reduziert ist.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Roboter-Gelenksystem gemäß Anspruch 1.
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Das erfindungsgemäße Roboter-Gelenksystem, bei dem es sich in besonders bevorzugter Ausführungsform um ein biartikuläres Roboter-Gelenksystem handelt, weist ein Basiselement auf. Das Basiselement ist über eine Gelenkeinheit gelenkig mit einem ersten Robotersegment verbunden. Das Robotersegment ist gelenkig mit einem zweiten Robotersegment verbunden. Das Roboter-Gelenksystem weist somit zwei Gelenkeinheiten auf. Bei dem Basiselement handelt es sich insbesondere um ein nicht bewegtes Element des Roboters, wie eine Schulter oder eine Hüfte. Die über die Gelenkeinheiten miteinander verbundene Segmente sind sodann bewegte Robotersegmente, wie Teile von Armen oder Beinen, oder je nach Ausgestaltung des Roboters, andere Zwischensegmente. Jede Gelenkeinheit weist eine Motoreinheit, wie einen Elektromotor und eine Getriebeeinheit auf. Hierbei ist der Elektromotor mit dem Getriebe jeweils vorzugsweise in Serie angeordnet. Erfindungsgemäß sind die beiden Getriebe über eine Feder-/Dämpfungseinheit miteinander verbunden. Durch das insbesondere direkte Verbinden der beiden Getriebe über eine Feder-/Dämpfungseinheit ist es erfindungsgemäß möglich, dass außer den beiden Elektromotoren der jeweiligen Gelenkeinheit, keine weiteren Motoreinheiten vorgesehen sein müssen. Anstelle der bei biartikulären Roboter-Gelenksystemen gemäß dem Stand der Technik vorgesehenen drei vollständigen Antriebseinheiten mit jeweils einem Elektromotor und einer Feder-/Dämpfereinheit ist es erfindungsgemäß ausreichend, dass nur zwei Elektromotoren vorgesehen sind. Hierdurch kann das Gewicht des Roboter-Gelenksystems deutlich reduziert werden. Auch die Ausfallwahrscheinlichkeit kann verbessert werden.
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In besonders bevorzugter Ausgestaltung des Getriebes handelt es sich erfindungsgemäß um ein Differenzialgetriebe. Das Differenzialgetriebe weist zwei Getriebewellen, d. h. eine Antrieb- und eine Abtriebswelle auf. Je Getriebe ist eine Welle mit dem Basiselement und die andere Welle mit dem jeweiligen Robotersegment verbunden. Der Elektromotor je Gelenkeinheit ist hierbei zwischen dem Getriebe und dem Basiselement oder zwischen dem Getriebe und dem Robotersegment angeordnet, wobei in beiden Anordnungen das Getriebe und der Elektromotor in Serie angeordnet sind.
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In bevorzugter Ausführungsform weisen Differenzialgetriebe einen Differenzialkorb auf. Im inneren des Differenzialkorbs sind die Getriebezahnräder, bei den es sich häufig um Kegelräder handelt, symmetrisch angeordnet. Die auf den Differenzialkorb einwirkenden Kräfte und Momente haben einen unmittelbaren Einfluss auf die beiden Getriebewellen, insbesondere die Abtriebswelle. Bei dem in dem erfindungsgemäßen Roboter-Gelenksystem vorzugsweise eingesetzten Differenzialgetriebe sind die beiden Differenzialkörbe der beiden Getriebe über die Feder-/Dämpfereinheit miteinander verbunden. Hierdurch kann in bevorzugter Ausgestaltung eine Drehmomentkopplung der beiden Getriebeeinheiten bewirkt werden. Diese kann gleichsinnig oder gegensinnig ausgebildet sein.
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Bei einer alternativen Ausführungsform sind die Getriebe als Harmonic Drive Getriebe ausgebildet. Derartige Getriebe weisen einen als Wave Generator bezeichneten elliptischen Grundkörper auf. Dieser ist in einen flexiblen Ring mit Außenverzahnung angeordnet, wobei die Drehung des elliptischen Grundkörpers eine Verformung des flexiblen Rings bewirkt. Der flexible Ring ist von einem steifen Ring mit Innenverzahnung umgeben, wobei die Innenverzahnung eine größere Zahnanzahl als die Außenverzahnung aufweist.
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Vorzugsweise sind die flexiblen Ringe der beiden Harmonic Drive Getriebe über eine Feder-/Dämpfereinheit miteinander verbunden.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedes der beiden Getriebe mit einer Zusatz-Feder-/Dämpfereinheit verbunden. Jede Zusatz-Feder-/Dämpfereinheit stützt die jeweils zugehörige Gelenkeinheit federnd ab. Hierbei ist es bevorzugt, dass die Zusatz-Feder-/Dämpfereinheit mit dem Basiselement oder dem jeweils zugehörigen Robotersegment verbunden ist. Das zugehörige Robotersegment ist hierbei das Robotersegment, das mit der entsprechenden Gelenkeinheit verbunden ist. Durch diese Ausgestaltung kann ein äußerst effektives Roboter-Gelenksystem realisiert werden. Ferner weist das derart aufgebaute erfindungsgemäße Roboter-Gelenksystem einen geringen Bauraum auf.
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Die die beiden Getriebe miteinander verbindende Feder-/Dämpfungseinheit oder die Zusatz-Feder-/Dämpfungseinheiten können dabei nur aus einer Feder oder nur aus einem Dämpfer bestehen, wobei es bevorzugt ist, dass die entsprechenden Einheiten sowohl eine Feder als auch einen Dämpfer aufweisen. Die Feder-/Dämpfereinheit sowie die Zusatz-Feder-/Dämpfereinheiten können eine fest eingestellte oder eine verstellbare Steifigkeit bzw. entsprechende Dämpfungswerte besitzen. Die Verstellung kann hierbei manuell oder über insbesondere elektrisch betriebene Verstelleinheiten erfolgen.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist es ferner möglich, dass die Feder-/Dämpfereinheit und/oder die Zusatz-Feder-/Dämpfereinheiten abhängig von ihrer jeweiligen Position und/oder dem aktuell anliegenden Drehmoment ihre Feder- und/oder Dämpfungswerte verändern.
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Desweiteren ist es möglich diese Einheiten mit sehr großem Feder- und/oder Dämpfungswerten einzustellen. Hierdurch kann eine steife Verbindung realisiert werden. Es ist jedoch auch das Einstellen kleiner Feder- und/oder Dämpfungswerte, insbesondere auch von Null möglich. Dies entspricht einer Deaktivierung der Drehmomentkopplung zwischen den beiden Getrieben.
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Erfindungsgemäß ist es somit möglich eine Verstellbarkeit der Zusatz-Feder-/Dämpfereinheit, die die beiden Gelenkeinheiten verbindet, vorzusehen. Ggf. kann auch die Verstellbarkeit einer oder beider Feder-/Dämpfereinheiten, die jeweils auf ein spezifisches Gelenk wirken, vorgesehen sein. Insbesondere ist auch die Verstellbarkeit aller Feder-/Dämpfereinheiten möglich. Die Verstellung erfolgt hierbei vorzugsweise durch Vorsehen zusätzlicher Motoren, sodass bei einer Verstellbarkeit der Zusatz-Feder-/Dämpfereinheit sowie der beiden anderen Feder-/Dämpfereinheiten insgesamt fünf Motoren vorgesehen sind.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Prinzipskizze näher erläutert.
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In der schematischen Darstellung ist ein Basiselement 16 eines Roboter-Gelenksystems über eine Gelenkeinheit 12 mit dem Robotersegment 10 verbunden. Weiter ist das Robotersegment 10 über eine Gelenkeinheit 12 mit dem Robotersegment 14 verbunden. Die beiden Gelenkeinheiten 12 weisen jeweils einen Elektromotor 18 auf, der jeweils in Serie mit einem Differenzialgetriebe 20 verbunden ist.
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Die beiden Differenzialgetriebe weisen jeweils zwei Getriebewellen 22 und einen Differenzialkorb 24 auf. Bei den Getriebewellen 22, bei denen es sich entsprechend um Antriebs- und Abtriebswellen handelt, sind einerseits mit dem Basiselement 16 und andererseits mit dem Robotersegment 10 verbunden bzw. einerseits mit dem Robotersegment 10 und andererseits mit dem Robotersegment 14. Hierbei kann der in Serie angeordnete Elektromotor 18 entweder auf der Seite des Basiselements oder auf der Seite eines der Robotersegmente 10, 14 angeordnet sein.
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Zwischen den beiden Getrieben 20 ist eine Feder-/Dämpfereinheit 26 vorgesehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel verbindet die Feder-/Dämpfereinheit 26 die beiden Differenzialkörbe 24 unmittelbar miteinander.
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Desweiteren sind je Gelenkeinheit 12 Zusatz-Feder-/Dämpfereinheiten 28 vorgesehen. Die beiden Zusatz-Feder-/Dämpfereinheiten 28 sind jeweils ebenfalls mit den Differenzialkörben 24 verbunden. Bei der in der Zeichnung linken Gelenkeinheit 12 ist die Zusatz-Feder-/Dämpfereinheit 28 mit dem Robotersegment 10 verbunden. Bei der in der Zeichnung rechten Gelenkeinheit ist die Zusatz-Feder-/Dämpfereinheit 28 mit dem Basiselement 16 verbunden.
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Bei den Getrieben 20 handelt es sich in bevorzugter Ausführungsform um Differenzialgetriebe oder Harmonic Drive Getriebe.
