DE102013017244A1

DE102013017244A1 - Getriebe zum Übertragen einer Drehbewegung und Antriebsmodul mit einem solchen Getriebe

Info

Publication number: DE102013017244A1
Application number: DE201310017244
Authority: DE
Inventors: Marco Breitfeld; Tim Sterzik
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2013-10-16
Filing date: 2013-10-16
Publication date: 2015-04-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Getriebe zum Übertragen einer Drehbewegung, mit einem ersten Teilgetriebe zur Umsetzung einer Eingangsdrehbewegung in eine translatorische Bewegung und mit einem zweiten Teilgetriebe zur Rückwandlung der translatorischen Bewegung in eine Ausgangsdrehbewegung. Vorzugsweise weist das zweite Teilgetriebe zumindest ein Zugseil auf, wobei dieses Zugseil durch das erste Teilgetriebe in translatorische Bewegung versetzbar ist und zumindest teilweise um eine Seilscheibe geführt ist, welche durch die translatorische Bewegung des Zugseils in Drehbewegung versetzbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Antriebmodul mit einem solchen Getriebe und ein Robotersystem mit einem solchen Antriebmodul.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Getriebe zum Übertragen einer Drehbewegung, mit einem ersten Teilgetriebe zur Umsetzung einer Eingangsdrehbewegung in eine translatorische Bewegung und mit einem zweiten Teilgetriebe zur anschließenden Rückwandlung der translatorischen Bewegung in eine Ausgangsdrehbewegung.
In vielen Bereichen der Technik ist es erforderlich, die Drehrichtung, die Drehzahl und/oder das Drehmoment einer Antriebsquelle an die gewünschte Drehrichtung, Drehzahl und/oder Drehmoment der von der Antriebsquelle angetriebenen Drehglieder (z. B. Abtriebswelle, -scheibe) anzupassen, ohne dass dabei viel Leistung verlorengeht oder die Antriebsquelle außerhalb ihres optimalen Arbeitsbereiches arbeiten muss. Um eine derartige Übersetzung der von der Antriebsquelle erzeugten Eingangsdrehbewegung auf eine gewünschte Ausgangsdrehbewegung der angetriebenen Drehglieder zu realisieren, ist auf dem Gebiet der Getriebetechnik eine Vielzahl von Getrieben bzw. Getriebekombinationen bekannt. Diese bekannten Getriebe haben jedoch den Nachteil, dass sie entweder konstruktiv sehr aufwendig ausgebildet sind, was zu einem verhältnismäßig groß bauenden Getriebe führt, oder dass sie bei einer kompakten Bauweise nur in der Lage sind, relativ geringe Drehmomente zu übertragen.
Diese vorgeschilderten Nachteile bekannter Getriebe wiegen dann besonders schwer, wenn angesichts der Einsatzbedingungen ein möglichst kompakt aufgebauter – aber trotzdem leistungsfähiger – Antriebsstrang zwingend erforderlich ist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn Automatisierungslösungen in komplexen, geschlossenen Arbeitsräumen zur Anwendung gelangen sollen. Bisher handelt es sich bei den auf dem Markt angebotenen, in geschlossenen Arbeitsräumen (d. h. Arbeitsräumen, die nur über einige wenige, wenn nicht sogar nur über eine einzige Öffnung zugänglich sind) zum Einsatz kommenden Systemen zumeist um Sonderlösungen, die nur für einen spezifischen Anwendungsfall und außerdem nur für geschlossene Arbeitsräume mit geringer Komplexität (d. h. mit wenigen bzw. keinen Hindernissen) geeignet sind. Beispiele hierfür sind autarke Robotersysteme zur Rohrreinigung, die sich, sowohl Kabel zur Stromversorgung und Kommunikation als auch Schlauchleitungen für die Reinigungsflüssigkeit hinter sich herziehend, durch die Rohre bewegen und die Reinigungsaufgabe erfüllen.
Steigt die Arbeitsraumkomplexität, indem der direkte Zugang zu den Wirkstellen durch verschiedenartige Hindernisse (z. B. weitere Zugangsöffnungen oder Querverstrebungen) versperrt wird, genügen aus dem Stand der Technik bekannte Lösungen für eine Prozessautomatisierung nicht mehr aus. Infolgedessen werden in geschlossenen, komplexen Arbeitsräumen zu tätigende Arbeitsprozesse vorwiegend manuell, d. h. von einer den Arbeitsraum betretenden Person, ausgeführt.
Um jedoch sowohl die Effektivität und Effizienz von in geschlossenen, komplexen Arbeitsräumen auszuführenden Arbeitsprozessen zu erhöhen, als auch eine mögliche Gesundheitsgefährdung des betroffenen Personals zu minimieren, ist auch in geschlossenen, komplexen Arbeitsräumen eine vollumfängliche Automatisierung der dort auszuführenden Arbeitsprozesse unbedingt erforderlich.
Konventionelle Industrieroboter sind aufgrund ihres kinematischen und steuerungstechnischen Aufbaus nicht dafür geeignet, in geschlossene Arbeitsräume einzudringen und anschließend Bewegungen um dort befindliche Hindernisse herum auszuführen. Für Arbeiten in geschlossenen, komplexen Räumen müssen Robotersysteme daher mit einer Kinematik ausgestattet sein, die durch eine geschickte Anordnung möglichst kurzer, kompakter Gelenkglieder eine hohe Verschränkungsfähigkeit des Robotersystems erlaubt.
In diesem Zusammenhang sind Robotersysteme bekannt, die durch einen modularen Segmentaufbau aus mehreren Antriebseinheiten und starren Verbindungselementen eine nahezu beliebige Generierung anwendungsspezifischer Roboterkinematiken erlauben, wobei solche Systeme aufgrund ihrer kompakten Bauweise und hohen Verschränkungsfähigkeit prinzipiell auch in geschlossenen, komplexen Arbeitsräumen zum Einsatz gelangen könnten. Problematisch an solch modular aufgebauten Robotersystemen ist jedoch das geringe Leistungsspektrum der dort integrierten Antriebsmodule, die meist nur ein geringes Drehmoment bieten.
Entsprechend der Arbeitsaufgabe des Roboters an der jeweiligen Wirkstelle innerhalb des geschlossenen Arbeitsraums ist jedoch die Erzeugung hoher Drehmomente zwischen seinen Gelenkgliedern erforderlich, wobei die Robotergelenke, wie der gesamte Roboter, gleichzeitig möglichst leicht und steif sein müssen. Der Einsatz herkömmlicher Antriebslösungen aus Motor und konventionellem Getriebe ist hier nicht zielführend, da solche Antriebe entweder nur ein geringes Drehmoment besitzen oder ein hohes Drehmoment nur unter Verwendung eines großen, schweren und kostspieligen Getriebes erreichen.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Getriebe zum Übertragen einer Drehbewegung und ein Antriebsmodul mit einem solchen Getriebe anzugeben, die ein hohes Antriebsmoment bei einer gleichzeitig äußerst kompakten und gewichtssparenden Bauweise garantieren.
In Bezug auf das Getriebe wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. In Bezug auf das Antriebsmodul wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben und werden nachfolgend erläutert.
Das erfindungsgemäße Getriebe zum Übertragen einer Drehbewegung besteht aus einem ersten Teilgetriebe zur Umsetzung einer Eingangsdrehbewegung in eine translatorische Bewegung und aus einem zweiten Teilgetriebe zur Rückwandlung der translatorischen Bewegung in eine Ausgangsdrehbewegung.
Vorzugsweise weist das zweite Teilgetriebe zumindest ein Zugseil auf, welches durch das erste Teilgetriebe in eine translatorische Bewegung versetzbar ist. Ferner ist das Zugseil zumindest teilweise um eine Seilscheibe geführt, welche durch die translatorische Bewegung des Zugseils in Drehbewegung versetzbar ist.
Bei einer translatorischen Bewegung handelt es sich um eine geradlinige Bewegung. Mittels der erfindungsgemäßen Getriebekonfiguration findet also eine zweimalige Wandlung der Eingangsdrehbewegung (rotatorisch-translatorisch-rotatorisch) statt. Zuerst wird diese Eingangsdrehbewegung also in eine translatorische (geradlinige) Bewegung umgesetzt und anschließend wird diese translatorische (geradlinige) Bewegung wieder in eine Drehbewegung umgesetzt.
Durch diese zweistufige Getriebeübersetzung von rotatorisch zu translatorisch und wieder zu rotatorisch lässt sich vorzugsweise unter Nutzung eines Spindeltriebs mit einer sehr geringen Steigung für die erste Getriebeübersetzung auf einfache Weise eine hohe Drehmomentübersetzung realisieren. Demzufolge kann vorteilhafterweise ein sehr klein dimensionierter Antriebsmotor mit einem solchen Getriebe kombiniert werden, um schon bei mittleren Drehzahlen ein vergleichsweise hohes Drehmoment zu erzeugen. Neben dem Baugrößenvorteil ergibt sich hierdurch auch ein deutlicher Vorteil im Energieverbrauch.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist als erstes Teilgetriebe ein Spindeltrieb vorgesehen, welches eine Spindel mit einem Außengewinde sowie eine auf der Spindel laufende Spindelmutter mit einem Innengewinde umfasst, wobei eine Drehbewegung der Spindel in eine translatorische Bewegung der Spindelmutter umsetzbar ist.
Ein solcher Spindeltrieb wird für die erste Wandlungsstufe des Getriebes, nämlich die Wandlung der Eingangsdrehbewegung in eine translatorische Bewegung eingesetzt. Ein Spindeltrieb ist konstruktiv besonders einfach und kompakt aufgebaut, da die Spindel mit aufgeschraubter Spindelmutter nur einen geringen Bauraum beansprucht. Die Integration eines solchen Spindeltriebs in kompakte und vor allem bauliche kurze Roboterglieder ist demzufolge ohne weiteres möglich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist an den beiden axialen Enden der Spindelmutter jeweils das Ende eines einzigen Zugseils befestigt, wobei je nach Bewegungsrichtung der Spindelmutter die Seilscheibe vom einzigen Zugseil in eine in oder gegen den Uhrzeigersinn gerichtete Drehbewegung versetzbar ist. Anstelle eines Seilzugsystems kann aber auch ein Kettentrieb oder eine Schubstange zum Einsatz kommen.
Um die abtriebsseitig an das Getriebe angeschlossenen kinematischen Glieder (z. B. Roboterglieder) rotatorisch antreiben zu können, wird die translatorische Bewegung der Spindelmutter vorzugsweise von einem als Seilzuggetriebe ausgebildeten zweiten Teilgetriebe wieder in eine Ausgangsdrehbewegung umgewandelt. Die dafür notwendige Verbindung von Seilzuggetriebe und Spindeltrieb lässt sich auf besonders einfache Weise dadurch realisieren, dass das um die Seilscheibe geführte Zugseil des Seilzuggetriebes mit seinen beiden Enden jeweils an den gegenüberliegenden axialen Enden der Spindelmutter befestigt ist. Da das vorgesehene Zugseil nur auf Zug und nicht auf Druck belastet werden kann, wird durch die vorgeschlagene beidseitige Fixierung des Zugseils auf der Spindelmutter gewährleistet, dass die sich translatorisch bewegende Spindelmutter stets eine Zugkraft auf das Zugseil ausübt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können zwei Zugseile im Getriebe vorgesehen sein, die mit ihrem einen Ende jeweils an den einander entgegengesetzten axialen Enden der Spindelmutter und mit ihrem anderen Ende jeweils am Umfang der Seilscheibe befestigt sind. Je nach Bewegungsrichtung der Spindelmutter kann somit die Seilscheibe über eines der beiden Zugseile in Drehbewegung versetzt werden.
Im Betrieb wird demnach immer nur von einem der beiden Zugseile eine drehmomenterzeugende Zugkraft auf die Seilscheibe übertragen. Durch die Verwendung zweier Zugseile kann im Vergleich zur Verwendung eines einzigen durchgehenden Seils das Seilzugspiel einfacher eingestellt werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die beiden Zugseile in einander entgegengesetzten Richtungen um die Seilscheibe geführt, wobei je nach Bewegungsrichtung der Spindelmutter die Seilscheibe über das eine Zugseil im Uhrzeigersinn oder über das andere Zugseil entgegen dem Uhrzeigersinn in Drehbewegung versetzbar ist.
Die Seilscheibe wird nur durch die Zugkraft des ”aktiven” (auf Zug beanspruchten) Zugseils in Drehung versetzt, während das ”passive” (nicht auf Zug beanspruchte) Zugseil dabei lediglich auf die Seilscheibe aufgewickelt wird, ohne eine Kraft auf diese auszuüben. Indem die beiden Zugseile in einander entgegengesetzten Richtungen um die Seilscheibe geführt sind, wird, je nachdem, welches der beiden Zugseile ”aktiv” ist, eine unterschiedliche Drehrichtung der Seilscheibe erzeugt. Das Getriebe kann somit eine wechselweise Eingangsdrehbewegung in beiden Drehrichtungen in eine entsprechend übersetzte Ausgangsdrehbewegung umwandeln.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Getriebes kann das Zugseil von der Spindelmutter über eine oder mehrere Umlenkrollen zur Seilscheibe verlaufen.
In vorteilhafter Weise ist der Spindeltrieb relativ zur Seilscheibe so angeordnet, dass eines der beiden Zugseile geradlinig (ohne Umlenkungen) zwischen der Spindelmutter und dem Seilscheibenumfang verläuft. Das andere, auf dem gegenüberliegenden Ende der Spindelmutter befestigte Zugseil muss hierbei über eine Umlenkrolle auf die Seilscheibe zurückgeführt werden, wobei diese Umlenkrolle gleichzeitig auch als Spannrolle für den Seilzug eingesetzt werden kann.
Weiterhin können die an der Spindelmutter und/oder die an der Seilscheibe befestigten Zugseilenden verstellbar sein, um eine gewünschte Zugseilspannung einzustellen.
Zwischen den Enden der beiden gegenläufig um die Seilscheibe geführten Zugseile bleibt vorzugsweise ein seilfreier Abstand erhalten. Somit kann die Befestigungsposition der beiden Zugseilenden an der Seilscheibe in beiden Umfangsrichtungen variiert werden, um den Drehwinkelbereich der Seilscheibe frei einstellen zu können. Ferner kann die Verstellung der Zugseilenden durch eine an der Spindelmutter und/oder der Seilscheibe vorgesehene Verstellmechanik erfolgen.
Somit kann vorteilhafterweise die jeweilige Zugseilposition über eine automatisch arbeitende, mechanische Verstelleinrichtung (beispielsweise über eine Einstellmutter) in beide Richtungen stufenlos eingestellt werden.
Vorzugsweise sind die Steigung des Außengewindes der Spindel und/oder der Durchmesser der Seilscheibe derart gewählt, dass das Drehmoment der Ausgangsdrehbewegung des Getriebes um ein Vielfaches größer ist als das Drehmoment der Eingangsdrehbewegung des Getriebes.
Die vom Spindeltrieb auf das Zugseil ausgeübte Zugkraft ist umgekehrt proportional zur Steigung der Spindel. Da das resultierende Drehmoment an der Seilscheibe wiederum mit der Seilzugkraft proportional wächst, ist für eine hohe Übersetzung des geringen Eingangsdrehmoments in ein hohes Ausgangsdrehmoment eine geringe Spindelsteigung erforderlich. Eine geringe Spindelsteigung bietet zudem den Vorteil, dass infolge der Selbsthemmung unter Umständen auf eine zusätzliche Bremse verzichtet werden kann.
Alternativ kann statt eines Spindeltriebs ein Ritzel-Zahnstange-Trieb als erstes Teilgetriebe vorgesehen sein, wobei eine Drehbewegung des Ritzels in eine translatorische Bewegung der Zahnstange umsetzbar ist.
Gleichermaßen kann anstelle eines Seilzuggetriebes als zweites Teilgetriebe aber auch ein solches Zahnstangen-Ritzel-Getriebe zur Wandlung der Linearbewegung in eine rotatorische Abtriebsbewegung verwendet werden.
Das Ritzel (Zahnrad) ist in seiner Achse drehbar gelagert und wird von einem Antrieb mit einem Eingangsdrehmoment beaufschlagt. Die Zähne des Ritzels greifen dabei in die Zähne der Zahnstange ein und das sich drehende Ritzel bewegt somit die Zahnstange in Längsrichtung. Die Kraft, mit der die Zahnstange und die daran angeschlossenen Zugseile bewegt werden, ist umgekehrt proportional zum Wälzkreisdurchmesser des Ritzels, so dass für eine große Seilzugkraft und ein großes Abtriebsmoment an der Seilscheibe vorzugsweise ein kleines Ritzel zu verwenden ist.
Alternativ kann das erste Teilgetriebe in Verbindung mit einem Antriebmotor als Linearaktor, wie als kompakter Pneumatikzylinder oder als kompakter Linearmotor, ausgebildet sein. Auch der Einsatz von Ultraschallmotoren erscheint denkbar, sofern derartige Motoren mit einer höheren Übertragungsleistung zur Verfügung stehen.
Bei Verwendung eines Seilzuggetriebes als zweites Teilgetriebe ist ein Aufbringen der Seilzugkraft nicht notwendigerweise auf die vorgeschilderte Befestigung des Zugseils an einer Spindelmutter oder einer Zahnstange beschränkt. Es können zusätzliche Linearaktoren im ersten Teilgetriebe vorgesehen sein, um die in translatorische Bewegung umgesetzte Eingangsdrehbewegung gleichmäßig an das Zugseil weiter zu übertragen. Durch einen zusätzlichen Linearmotorantrieb kann zudem das Zugseil auch direkt in translatorische Bewegung versetzt werden, so dass eine Absicherung gegen den Ausfall des ersten Teilgetriebes gegeben ist.
In weiter bevorzugter Weise ist die Seilscheibe mit Konturen, Aussparungen oder dergleichen als mechanische Schnittstellen ausgestattet, wobei mittels dieser mechanischen Schnittstellen die Drehbewegung der Seilscheibe auf weitere kinematische Glieder übertragbar ist.
Die Drehung der Seilscheibe wird an weitere kinematische Glieder (z. B. an den Greifer eines Roboterarms) übertragen, um eine entsprechende Arbeitsaufgabe zu erfüllen. Hierzu kann die Seilscheibe Bohrungen besitzen, um die weiteren kinematischen Glieder über Schraubverbindungen drehfest mit der Seilscheibe zu verbinden. Durch Lösen dieser Schraubverbindungen ist das Seilzuggetriebe zu Wartungszwecken oder für den Austausch des Zugseils/der Seilscheibe aber jederzeit leicht zugänglich. Auch kann in Anpassung an die zu bewältigende Arbeitsaufgabe (z. B. Änderung der Drehachsenausrichtung) die Position der Seilscheibe innerhalb des Getriebes leicht verändert oder zusätzliche Seilscheiben in das Getriebe eingebaut werden.
Das in seinen verschiedenen Ausführungsformen vorbeschriebene Getriebe ist vorzugsweise in das Modulgehäuse eines Antriebsmoduls aufgenommen, wobei in dem Modulgehäuse außerdem zumindest ein eine Eingangsdrehbewegung erzeugender Antriebsmotor enthalten ist, welcher mit dem zumindest einen Getriebe verbunden ist.
Da durch das Getriebe eine zweistufige hohe Drehmomentübersetzung möglich ist, nämlich beispielsweise einen über die (geringe) Steigung des Außengewindes der Spindel und zum anderen über den Durchmesser der Seilscheibe, kann das Antriebsmodul ein sehr hohes Antriebsmoment selbst bei einem klein dimensionierten Antriebsmotor erzeugen. Durch den kleinen Antriebsmotor und das einfach aufgebaute Getriebe wird gleichzeitig eine äußerst kompakte Bauweise des Antriebsmoduls erreicht.
Die Verbindung von Antriebsmotor und Getriebe ist vorzugsweise so gestaltet, dass die Eingangsdrehbewegung von der Abtriebswelle des Antriebsmotors auf das erste Teilgetriebe übertragen wird.
Die Abtriebswelle des Antriebsmotors dient somit als Eingangswelle des Getriebes. Im Falle der Ausgestaltung des ersten Teilgetriebes als Spindeltrieb können die Abtriebswelle des Antriebsmotors und die Spindel vorzugsweise gleichachsig zueinander angeordnet sein. Gleichsam ist aber auch eine parallele Anordnung denkbar, bei der die Abtriebswelle des Antriebsmotors mit der Spindel über einen Riementrieb, o. ä. miteinander verbunden ist. Eine solche parallele Anordnung erlaubt zudem eine weitere Übersetzungsstufe durch den Einsatz unterschiedlich großer Riemenscheiben, wodurch sich die Getriebeeigenschaften weiter anpassen lassen.
Ein solches Antriebsmodul kann aufgrund seiner vorteilhaften Charakteristika in einem Robotersystem, insbesondere in einem Robotersystem für die Arbeit in komplexen, geschlossenen Arbeitsräumen, eingesetzt werden.
Solche Robotersysteme müssen zum einen in der Lage sein, hohe Massen zu handhaben, und zum anderen über einen möglichst kostengünstigen und kompakten Aufbau verfügen. Konventionelle Robotersysteme sind aufgrund der zurzeit verwendeten Antriebskonzepte nicht fähig, diese widersprüchlichen Anforderungen auf befriedigende Weise zu erfüllen. Die im erfindungsgemäßen Robotersystem eingesetzten Antriebsmodule sind hingegen drehmomentstark, benötigen im Vergleich zu konventionellen Antrieben mit einem vergleichbaren Drehmoment nur einen Bruchteil der Energieaufnahme und sind zudem um viele Größenordnungen kompakter als bekannte Antriebe vergleichbaren Leistungsprofils.
Zur Ermöglichung einer hohen Verschränkungsfähigkeit umfasst das Robotersystem mehrere Roboterglieder mit einem oder mehreren Freiheitsgraden, wobei in diese einzelnen Roboterglieder jeweils zumindest ein Antriebsmodul der erfindungsgemäßen Art integriert ist.
Somit kann jedes Roboterglied durch ein drehmomentstarkes Antriebsmodul angetrieben werden, wodurch Arbeitsabläufe mit hohen Lasten vom Robotersystem bewältigt werden können. Durch den kompakten Aufbau des Antriebsmoduls können die Roboterglieder ebenfalls möglichst kurz und kompakt gebaut werden. Hierdurch ergibt sich auch bei großen Reichweiten eine sehr große Beweglichkeit des Robotersystems. Das Robotersystem kann somit hochkomplexe Bewegungsabläufe (schlangenähnliche Bewegungen) in geschlossenen Arbeitsräumen um verschiedenartige Hindernisse herum ausführen, ohne dass diese Bewegungsabläufe durch das Antriebssystem eingeschränkt werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
1 ein mit einem Antriebsmotor verbundenes Getriebe nach einem Ausführungsbeispiel, und
2 ein Blockschema eines Antriebsmoduls mit einem Getriebe nach 1.
In 1 besteht ein mit der Abtriebswelle 16a eines Antriebsmotors 16 gekoppeltes Getriebe 1 aus zwei Teilgetrieben 2, 5. Ein erstes Teilgetriebe 2 ist als Spindeltrieb mit einer drehbaren Gewindespindel 11 und einer durch die Drehung der Gewindespindel 11 längsverschiebbaren Spindelmutter 12 ausgebildet. Ein zweites Teilgetriebe 5 ist hier als Seilzuggetriebe mit zwei um eine Seilscheibe 10 geführten Zugseilen 7, 8 ausgebildet.
Die Abtriebswelle 16a des Antriebsmotors 16 ist axial fluchtend mit der Spindel 11 des Spindeltriebs 2 drehfest verbunden, wodurch vom Antriebsmotor 16 eine Eingangsdrehbewegung 3 mit einem Eingangsdrehmoment M1 auf die Spindel 11 übertragen wird, eine solche Verbindung könnte auch als Parallelanordnung über einen Riemenantrieb zur Spindel 11 ausgeführt sein. Der Spindeltrieb 2 setzt die vom Antriebsmotor 16 erzeugte Drehbewegung 13 der Spindel 11 in eine translatorische (entlang der Längsachse der Spindel 11 gerichtete) Bewegung 4 der Spindelmutter 12 um. Zur Aufnahme der entstehenden Zug- oder Druckkräfte ist die Spindel 11 gestellfest mittels einer Fest- und Loslagerung 17a, 17b in einem (nicht dargestellten) Modulgehäuse aufgenommen, wobei aber auch der Einsatz anderer Lagerungsformen vorstellbar ist, um die Spindel 11 in Position zu halten. Die Spindelmutter 12 ist in dem Modulgehäuse geführt, so dass sie sich bei der Drehung der Spindel 11, je nach Drehrichtung, entweder nach links oder rechts, horizontal verschiebt.
An den einander entgegengesetzten axialen Enden 12a, 12c der Spindelmutter 12 ist jeweils das Ende 7a, 8a eines Zugseils 7, 8 eines Seilzuggetriebes 5 befestigt. Je nachdem, in welche Richtung 4 von dem Antriebsmotor 16 die Spindelmutter 12 angetrieben wird, wird auf eines der beiden Zugseile 7, 8 eine Zugkraft 9 aufgebracht. Die auf das jeweilige Zugseil 7, 8 des Seilzuggetriebes 5 ausgeübte Zugkraft 9 hängt dabei entscheidend von der Steigung des Außengewindes 11a der Spindel 11 ab. Je kleiner die Spindelsteigung ist, desto höher ist bei gleichbleibendem Eingangsdrehmoment M1 die erzeugte Seilzugkraft 9. Demzufolge weist die Spindel 11 eine sehr kleine Steigung auf, um bereits ein geringes Eingangsdrehmoment M1 des Antriebsmotors 16 in eine entsprechend hohe Seilzugkraft 9 übersetzen zu können. Eine kleine Spindelsteigung bietet zudem den Vorteil, dass bedingt durch die Selbsthemmung der Spindel 11 auf eine zusätzliche Bremse verzichtet werden kann.
Während das eine Ende 7a, 8a der beiden Zugseile 7, 8 in vorgeschilderter Weise jeweils an der Spindelmutter 12 befestigt ist, ist das andere Ende 7b, 8b de beiden Zugseile 7, 8 jeweils am Umfang 10a einer Seilscheibe 10 befestigt. Die Seilscheibe 10 hat eine kreisförmige Gestalt, ist im (nicht dargestellten) Modulgehäuse um ihre zentrale Achse drehbar gelagert und kann umfänglich eine genormte Rille mit Rillengrund zur Führung der beiden Zugseile 7, 8 besitzen. Die von einem der beiden Zugseile 7, 8 übertragene Zugkraft 9 bewirkt ein Drehmoment M2 auf der Seilscheibe 10 und den drehfest mit dieser Seilscheibe 10 gekoppelten nachfolgenden kinematischen Gliedern.
Das Drehmoment M2, das an der Seilscheibe 10 erzeugt wird, ist proportional zur anliegenden Seilzugkraft 9 und zum Scheibendurchmesser D. Die Seilzugkraft 9 wird, wie geschildert, mittels einer möglichst klein gewählten Spindelsteigung maximiert. Durch eine Vergrößerung des Durchmessers D der Seilscheibe 10 lässt sich unter Ausnutzung des Hebelprinzips das an der Seilscheibe 10 erzeugte Ausgangsdrehmoment M2 noch weiter erhöhen.
Das erfindungsgemäße Getriebe 1 ist somit in der Lage, sehr hohe Antriebsmomente M2 zu erzeugen, indem die eingangsseitige vom Antriebsmotor 16 bereitgestellte Drehbewegung 3 zunächst in eine translatorische Bewegung 4 einer Spindelmutter 12 umgesetzt wird, welche wiederum in eine Drehbewegung 6 einer nachfolgende kinematische Glieder antreibenden Seilscheibe 10 umgeformt wird. Es ist auf diese Weise eine zweistufige hohe Drehmomentübersetzung möglich, nämlich zum einen über die Steigung des Gewindes 11a der Spindel 11 und zum anderen über den Durchmesser D der Seilscheibe 10.
Indem die Zugseile 7, 8 des die translatorische Bewegung 4 der Spindelmutter 12 wieder in eine Drehbewegung 6 umwandelnden Seilzuggetriebes 5 unmittelbar an die Spindelmutter 12 befestigt sind, ist es möglich, die beiden Teilgetriebe (Spindeltrieb 2 und Seilzuggetriebe 5) direkt aneinander zu bauen, wodurch das Getriebe 1 besonders raumsparend und kompakt gebaut werden kann. Durch Verwendung eines solchen Getriebes 1 wird somit nicht nur ein drehmomentstarkes, sondern auch ein besonders raumsparendes und kompaktes Antriebsmodul 15 realisiert.
Das entgegengesetzte Anbringen der beiden Zugseile 7, 8 an den beiden axialen Spindelmutterenden 12b, 12c ist für eine beidseitige Drehbewegung 6 der Seilscheibe 10 erforderlich, da mittels des Seilzuggetriebes 5 lediglich Zugkräfte 9 übertragen werden können. Im in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Zugseile 7, 8 in entgegengesetzten Richtungen um die Seilscheibe 10 geführt. Während das erste (in 1 untere) Zugseil 7 vom (in 1 rechten) Spindelmutterende 12b in gerader Linie (ohne Umlenkung) tangential zum unteren Ende des kreisförmigen Seilscheibenumfangs 10a geführt ist, ist das zweite (in 1 obere) Zugseil 8 vom (in 1 linken) Spindelmutterende 12c über eine Umlenkrolle 14 tangential auf das obere Ende des kreisförmigen Seilscheibenumfangs 10a zurück gelenkt. Das erste (untere) Zugseil 7 ist dabei über einen bestimmten Winkelbereich entgegen dem Uhrzeigersinn am Umfang 10a der Seilscheibe 10 aufgewickelt und mit seinem Seilende 7b an der dem Spindeltrieb 2 entgegengesetzten Seite des Seilscheibenumfangs 10a befestigt. Das zweite (obere) Zugseil 8 ist im Uhrzeigersinn auf den Seilscheibenumfang 10a aufgewickelt, wobei das Seilende 8b ebenfalls an der dem Spindeltrieb 2 abgewandten Seite des Seilscheibenumfangs 10a befestigt ist.
Durch die entgegengesetzte Anbringung der beiden Zugseile 7, 8 an der Spindelmutter 12 und die entgegengesetzte Aufwicklung der beiden Zugseile 7, 8 um den Seilscheibenumfang 10a wird erreicht, dass das Getriebe 1 in beiden Drehrichtungen betrieben werden kann. Ein Wechsel der Drehrichtung der vom Antriebsmotor 16 bereitgestellten Eingangsdrehbewegung 3, hat einen Wechsel der translatorischen Bewegungsrichtung 4 der Spindelmutter 12 zur Folge. Daraus wiederum resultiert ein Wechsel des jeweils ”aktiven” (d. h. mit einer Zugkraft 9 beaufschlagten) Zugseils 7, 8. Schließlich wird je nachdem, welches Zugseil 7, 8 ”aktiv” ist, eine Drehbewegung 6 der Seilscheibe 10 im Uhrzeigersinn (erstes in 1 unteres Zugseil ”aktiv”) oder eine Drehbewegung 6 der Seilscheibe 10 entgegen dem Uhrzeigersinn (zweites in 1 oberes Zugseil 8 ”aktiv”) erzielt. Im Ergebnis kann somit vom Getriebe 1 eine wechselseitige Eingangsdrehbewegung 3 in eine entsprechend drehmomentverstärkte wechselseitige Ausgangsdrehbewegung umgewandelt werden.
Der maximal erreichbare Verdrehwinkel der Seilscheibe 10 hängt zum einen vom verwendeten Spindeltrieb 2 (insbesondere von der Länge L der Spindel 11 und von der Steigung des Außengewindes 11a der Spindel 11) und zum anderen von der genauen Befestigungsposition der Zugseilenden 7b, 8b am Seilscheibenumfang 10a ab. Diese scheibenseitige Befestigungsposition der Seile 7, 8 kann dabei nahezu beliebig verändert werden, sodass eine Anpassung an verschiedene Arbeitsaufgaben leicht möglich ist. Je größer der Winkelbereich ist, über den das jeweilige Zugseil 7, 8 in Nullposition des Verfahrweges der Spindelmutter 12 am Umfang 10a der Seilscheibe 10 anliegt, desto größer ist der über dieses Zugseil 7, 8 erreichbare Verdrehwinkelbereich der Seilscheibe 10. In 1 sind die über die beiden Zug-seile 7, 8 realisierbaren Verdrehwinkelbereiche des Seilzuggetriebes 5 zusätzlich dargestellt worden. Mittels des ersten (in 1 unteren) Zugseils 7 lässt sich die Seilscheibe 10 im Uhrzeigersinn entlang eines Verdrehwinkelbereiches φ_a um ihre zentrale Achse verdrehen. Mittels des zweiten (in 1 oberen) Zugseils 8 kann die Seilscheibe 10 entlang eines Winkelbereiches φ_b um ihre zentrale Achse verdreht werden.
Mit einer Änderung der Befestigungsposition der Zugseilenden 7b, 8b am Seilscheibenumfang 10a kann nicht nur der Verdrehwinkelbereich φ_a, φ_b der Seilscheibe 10 angepasst werden, sondern es kann auch die jeweilige Zugseilspannung verändert werden, um eine spielfreie Bewegung 6 der Seilscheibe 10 gewährleisten zu können. Alternativ oder zusätzlich können Veränderungen in der Zugseilspannung auch durch eine Verstellung der Befestigungspositionen der Zugseilenden 7a, 8a an der Spindelmutter 12 erfolgen. Die Verstellung der Zugseilenden 7a, 8a, 7b, 8b (auf Spindelmutter- und/oder Seilscheibenseite) kann mittels einer entsprechenden Verstellmechanik ausgeführt werden, bei der die Positionen der entsprechenden Befestigungspunkte der Seile 7, 8 kontinuierlich verstellbar sind, um die jeweilige Seilspannung stufenlos zu verändern.
In 2 ist in schematischer Blockdarstellung der prinzipielle Aufbau eines Antriebsmoduls 15 nach der Erfindung gezeigt. Die Besonderheit eines solchen Antriebsmoduls 15 besteht darin, dass die vom Antriebsmotor 16 erzeugte Eingangsdrehbewegung 3 mittels des Getriebes 1 zweimal gewandelt wird, einmal, wenn sie vom Spindeltrieb 2 in eine translatorische Bewegung 4 umgesetzt wird und dann noch einmal bei Rückwandlung der translatorischen Bewegung 4 in eine Ausgangsdrehbewegung 6 der Seilscheibe 10 durch das Seilzugsystem 5. Durch diese zweimalige Wandlung des Antriebsmoments M1 lassen sich bereits mittels sehr kleiner drehmomentschwacher Antriebsmotoren 16 sehr hohe Abtriebsmomente M2 an der Seilscheibe 10 erzeugen, sodass beim Einsatz in zum Beispiel einem Robotersystem die Handhabung schwerer Werkzeuge auch bei großen Systemreichweiten garantiert werden kann. Aufgrund der hohen Drehmomentübersetzung des Getriebes 1 können kleinvolumige Antriebsmotoren 16 im Modulgehäuse 18 eingesetzt werden, sodass eine geringe Baugröße des Antriebsmoduls 15 sichergestellt wird, wodurch eine Einsatzmöglichkeit als Antriebssystem für sehr kompakte, dabei aber sehr leistungsstarke Roboterglieder gegeben ist.
Die Kompaktheit des Antriebsmoduls 15 wird durch die Bauform des Getriebes 1 weiter erhöht, da das Getriebe 1 mit wenigen und einfachen Teilen die vorgeschilderte zweistufige Übersetzung erreicht. Somit kann das mit einem solchen Getriebe 1 versehene Antriebsmodul 15 in baulich äußerst kurze Roboterglieder integriert werden, die bei Robotersystemen für die Arbeit in geschlossenen, komplexen Arbeitsräumen zwingend erforderlich sind, um eine hohe Beweglichkeit und Verschränkungsfähigkeit des Robotersystems zur Überwindung von Hindernissen zu gewährleisten.
Neben dem Drehmoment- und Baugrößenvorteil wird durch das erfindungsgemäße Antriebsmodul 15 auch ein deutlicher Vorteil im Energieverbrauch erreicht, da die eingesetzten kompakten Antriebsmotoren 16 nur einen Bruchteil der Energieaufnahme von Motoren benötigen, die ein vergleichbares Drehmoment wie das Antriebsmodul 15 liefern.
Alternativ könnte das erste Teilgetriebe und das zweite Teilgetriebe durch Ritzel-Zahnstangen-Kombinationen gebildet werden oder als „Linearmotoren” innerhalb des Getriebes für die Realisierung der Linearbewegung ein Linearaktor, wie ein kompakter Pneumatik- oder Hydraulikzylinder oder ein kompakter Linearmotor eingesetzt werden, antriebseitig verbunden mit einem Antriebsmotor.
Die Erfindung betrifft ein Getriebe zum Übertragen einer Drehbewegung, mit einem ersten Teilgetriebe zur Umsetzung einer Eingangsdrehbewegung in eine translatorische Bewegung und mit einem zweiten Teilgetriebe zur Rückwandlung der translatorischen Bewegung in eine Ausgangsdrehbewegung. Vorzugsweise weist das zweite Teilgetriebe zumindest ein Zugseil auf, wobei dieses Zugseil durch das erste Teilgetriebe in translatorische Bewegung versetzbar ist und zumindest teilweise um eine Seilscheibe geführt ist, welche durch die translatorische Bewegung des Zugseils in Drehbewegung versetzbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Antriebmodul mit einem solchen Getriebe und ein Robotersystem mit einem solchen Antriebmodul.

Claims

Getriebe (1) zum Übertragen einer Drehbewegung, mit einem ersten Teilgetriebe (2) zur Umsetzung einer Eingangsdrehbewegung (3) in eine translatorische Bewegung (4) und mit einem zweiten Teilgetriebe (5) zur Rückwandlung der translatorischen Bewegung (4) in eine Ausgangsdrehbewegung (6).
Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Teilgetriebe (5) zumindest ein Zugseil (7, 8) aufweist, wobei das Zugseil (7, 8) durch das erste Teilgetriebe (2) in translatorische Bewegung (9) versetzbar ist und zumindest teilweise um eine Seilscheibe (10) geführt ist, welche durch die translatorische Bewegung (9) des Zugseils (7, 8) in Drehbewegung (6) versetzbar ist.
Getriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als erstes Teilgetriebe ein Spindeltrieb (2) vorgesehen ist, welches eine Spindel (11) mit einem Außengewinde (11a) sowie eine auf der Spindel (11) laufende Spindelmutter (12) mit einem Innengewinde (12a) umfasst, wobei eine Drehbewegung (13) der Spindel (11) in eine translatorische Bewegung (4) der Spindelmutter (12) umsetzbar ist.
Getriebe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an beiden axialen Enden (12b, 12c) einer Spindelmutter (12) jeweils das Ende eines einzigen Zugseils befestigt ist, wobei je nach Bewegungsrichtung (4) der Spindelmutter (12) eine Seilscheibe (10) vom einzigen Zugseil in eine in oder gegen den Uhrzeigersinn gerichtete Drehbewegung (6) versetzbar ist.
Getriebe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Zugseile (7, 8) vorgesehen sind, die mit ihrem einen Ende (7a, 8a) jeweils an einander entgegengesetzten axialen Enden (12b, 12c) einer Spindelmutter (12) und mit ihrem anderen Ende (7b, 8b) jeweils am Umfang (10a) einer Seilscheibe (10) befestigt sind, wobei je nach Bewegungsrichtung (4) der Spindelmutter (12) die Seilscheibe (10) über eines der beiden Zugseile (7, 8) in Drehbewegung (6) versetzbar ist.
Getriebe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Zugseile (7, 8) in einander entgegengesetzten Richtungen um die Seilscheibe (10) geführt sind, wobei je nach Bewegungsrichtung (4) der Spindelmutter (12) die Seilscheibe (10) über das eine Zugseil (7) im Uhrzeigersinn oder über das andere Zugseil (8) entgegen dem Uhrzeigersinn in Drehbewegung (6) versetzbar ist.
Getriebe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugseil (8) von der Spindelmutter (12) über eine oder mehrere Umlenkrollen (14) zur Seilscheibe (10) verläuft.
Getriebe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Spindelmutter (12) und/oder die an der Seilscheibe (10) befestigten Zugseilenden (7a, 8a; 7b, 8b) verstellbar sind, um eine gewünschte Zugseilspannung einzustellen.
Getriebe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verstellung der Zugseilenden (7a, 8a; 7b, 8b) durch eine an der Spindelmutter (12) und/oder der Seilscheibe (10) vorgesehene Verstellmechanik erfolgt.
Getriebe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steigung eines Außengewindes (11a) der Spindel (11) und/oder ein Durchmesser (D) der Seilscheibe (10) derart gewählt sind, dass ein Drehmoment (M2) einer Ausgangsdrehbewegung (6) des Getriebes (1) um ein Vielfaches größer ist als ein Drehmoment (M1) einer Eingangsdrehbewegung (3) des Getriebes (1).
Getriebe nachzumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als erstes Teilgetriebe ein Ritzel-Zahnstange-Trieb vorgesehen ist, wobei eine Drehbewegung des Ritzels in eine translatorische Bewegung der Zahnstange umsetzbar ist.
Getriebe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als erstes Teilgetriebe in Verbindung mit einem Antriebmotor ein Linearaktor, wie ein Pneumatikzylinder oder Linearmotor, vorgesehen ist.
Getriebe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass als zweites Teilgetriebe ein Zahnstangen-Ritzel-Getriebe vorgesehen ist.
Getriebe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Seilscheibe (10) Konturen, Aussparungen oder dergleichen als mechanische Schnittstellen (10b) aufweist, wobei mittels dieser mechanischen Schnittstellen (10b) die Drehbewegung (6) der Seilscheibe (10) auf weitere kinematische Glieder übertragbar ist.
Antriebsmodul (15) mit einem Modulgehäuse, mit einem Antriebsmotor (16) und einem mit dem Antriebsmotor (16) verbundenen Getriebe (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 14.
Antriebsmodul nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eingangsdrehbewegung (3) von einer Abtriebswelle (16a) des Antriebsmotors (16) auf das erste Teilgetriebe (2) übertragen wird.
Robotersystem, insbesondere für die Arbeit in komplexen, geschlossenen Arbeitsräumen, gekennzeichnet, durch zumindest ein Antriebsmodul (15) nach Anspruch 15 oder 16.
Robotersystem nach Anspruch 17, gekennzeichnet, durch mehrere Roboterglieder mit einem oder mehreren Freiheitsgraden umfasst, wobei diesen Robotergliedern jeweils zumindest ein Antriebsmodul (15) nach Anspruch 13 oder 14 zugeordnet, insbesondere in diese integriert ist.