DE102014105322B3 - Drive device in a joint of a robot with motor-gear unit - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung mit einem elektrischen Motor (2) mit einem in einem Motorgehäuse befestigen Stator und einem radial zum Stator drehbar gelagerten Rotor zur Erzeugung eines Drehmoments an einer Antriebswelle (10), die mit der Eingangsstufe eines Getriebes (3) verbunden ist, welches am Ausgangsende des Motorgehäuses zur Ausbildung einer Motor-Getriebe-Einheit befestigt ist. Erfindungsgemäß wird eine Torsionsstabeinheit (11) angegeben, über die die Motor-Getriebe-Einheit mit einem Verbraucher gekoppelt ist. Der Torsionsstabeinheit sind Positionssensoren (9, 10) zur Erfassung des über die Torsionsstabeinheit übertragenen Drehmoments zugeordnet, um die Antriebskraft zum Verbraucher zu erfassen und insbesondere durch Regelung der Motorleistung zu steuern. Die Motor-Getriebe-Einheit ist direkt an einer Basis (1) befestigt.The invention relates to a drive device having an electric motor (2) with a stator fixed in a motor housing and a rotor rotatably mounted radially to the stator for generating a torque on a drive shaft (10) which is connected to the input stage of a transmission (3). which is attached to the output end of the motor housing to form a motor-gear unit. According to the invention, a torsion bar unit (11) is indicated, via which the engine-transmission unit is coupled to a consumer. The torsion bar unit is associated with position sensors (9, 10) for detecting the torque transmitted via the torsion bar unit to detect the driving force to the load and in particular to control by controlling the engine power. The engine-gear unit is attached directly to a base (1).
Description
Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung in einem Gelenk eines Roboters mit einem elektrischen Motor und einem Getriebe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a drive device in a joint of a robot with an electric motor and a transmission according to the preamble of
Wenn die Drehzahl eines Motors für den vorgesehenen Einsatzzweck zu hoch ist, wird die Ausgangs- oder Antriebswelle häufig mit einem Getriebe gekoppelt, in dem die Motordrehzahl auf die gewünschte Drehzahl heruntergestuft wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Motordrehzahl elektrisch oder elektronisch zu steuern.If the speed of a motor is too high for the intended use, the output or drive shaft is often coupled to a transmission in which the engine speed is downgraded to the desired speed. Another possibility is to control the engine speed electrically or electronically.
Für hohe Übersetzungsverhältnisse in einer Motor-Getriebe-Einheit sind mehrstufige Getriebe erforderlich. Eine weitere Möglichkeit zur Erreichung eines hohen Übersetzungsverhältnisses besteht in der Verwendung eines Wellengetriebes, wie es z. B. von der Firma Harmonic Drive AG in D-65555 Limburg vertrieben wird, das im Wesentlichen aus drei Elementen besteht, nämlich einem mit der Motorwelle verbundenen elliptischen Wave Generator, der in einem als flexible Hülse ausgebildeten Flexspline umläuft und diese bei der Drehung verformt. Die Außenseite des Flexsplines enthält eine Außenverzahnung, die bei der Auslenkung des Flexsplines wandernd in die Innenverzahnung eines Circular Splines eingreift, wobei die Zahl der Zähne der Außenverzahnung sich von der Zahl der Zähne der Innenverzahnung um wenige Zähne unterscheidet. Damit sind Übersetzungsverhältnisse von über 200:1 möglich. Entsprechend finden sich derartige Getriebe häufig in Motor-Getriebe-Einheiten, bei denen Drehbewegungen nur in kleinen Winkelgraden erforderlich sind, wie in Servoantrieben und Robotern mit starken Drehzahl- und Drehmomentänderungen.For high gear ratios in a motor-gearbox unit multistage gearboxes are required. Another way to achieve a high gear ratio is the use of a shaft gear, as z. B. by the company Harmonic Drive AG in D-65555 Limburg is sold, which consists essentially of three elements, namely a connected to the motor shaft elliptical wave generator, which rotates in a flexspline designed as a flexible sleeve and deforms them during rotation. The outer side of the Flexsplines contains an outer toothing, which engages in the deflection of the Flexsplines migratory in the internal toothing of a circular spline, wherein the number of teeth of the external toothing is different from the number of teeth of the internal toothing by a few teeth. This enables gear ratios of over 200: 1. Accordingly, such transmissions are often found in engine-gearbox units in which rotational movements are required only in small angular degrees, such as in servo drives and robots with strong speed and torque changes.
Vielfach ist es erforderlich, sowohl Drehzahl als auch Drehmoment einer Antriebseinheit zu erfassen, um diese Größen je nach Bedarf geeignet einstellen oder regeln zu können. Dies ist vor allem bei Robotern erforderlich, um die erzeugten Kräfte gezielt einsetzen zu können. Während die Erfassung der Drehzahl keine Probleme hervorruft, gestaltet sich die Erfassung des Drehmoments als aufwändig. Bekannte Mittel bestehen in der Verwendung von Dehnungsmesstreifen oder Positionssensoren, die an geeigneten Stellen in der Kraftkette zwischen Motor und Verbraucher eingesetzt sind und der Antriebswelle zugeordnet sind.In many cases, it is necessary to detect both rotational speed and torque of a drive unit in order to be able to adjust or regulate these variables as required. This is necessary above all for robots in order to be able to use the generated forces in a targeted manner. While the detection of the speed causes no problems, the detection of torque designed as consuming. Known means consist in the use of strain gauges or position sensors, which are used at appropriate points in the power chain between the engine and the consumer and the drive shaft are assigned.
Bei Robotern und anderen Automatisierungseinrichtungen ist es häufig erforderlich, Kraftstöße bei einem Kontakt eines Werkzeugs mit einem Hindernis aufzufangen. Hierzu ist es bekannt, Federsysteme einzusetzen, die bei Überlast des Antriebs oder Kraftstößen kurzzeitig Energie aufnehmen. Derartige Federsysteme können auch zur Drehmomenterfassung verwendet werden.With robots and other automation equipment, it is often necessary to absorb shocks when a tool contacts an obstacle. For this purpose, it is known to use spring systems that absorb short-term energy overload of the drive or power surges. Such spring systems can also be used for torque detection.
Aus der
Es ist auch bekannt, Torsionskräfte an Motoren über Torsionsstäbe aufzufangen. Aus der
Die vorstehenden Elastizitätssysteme befinden sich im Motor selbst oder sind unmittelbar mit der Motorwelle verbunden, d. h. sie agieren bei der jeweiligen Motordrehzahl, so dass ihre Wirkung bei Verwendung eines nachfolgenden Getriebes mit hohem Übersetzungsverhältnis sehr begrenzt ist.The above elasticity systems are located in the motor itself or are directly connected to the motor shaft, i. H. they operate at the respective engine speed, so that their effect is very limited when using a subsequent high transmission ratio transmission.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsvorrichtung in einem Gelenk eines Roboters mit einem elektrischen Motor und einem Getriebe anzugeben, die auch bei geringen Drehzahlen und hoher Steifheit einen weiten Bereich der Flexibilität aufweist, räumlich kompakt aufgebaut ist und störunanfälig ist.The invention is therefore based on the object to provide a drive device in a joint of a robot with an electric motor and a transmission that has a wide range of flexibility, even at low speeds and high stiffness, is spatially compact and störunanfälig.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by the invention defined in
Die Erfindung geht aus von einer Antriebsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit einem elektrischen Motor mit einem in einem Motorgehäuse befestigten Stator und einem radial zum Stator drehbar gelagerten Rotor zur Erzeugung eines Drehmoments an einer Antriebswelle, die mit der Eingangsstufe eines Getriebes verbunden ist, das am Ausgangsende des Motorgehäuses zur Ausbildung einer Motor-Getriebe-Einheit befestigt ist.The invention relates to a drive device according to the preamble of
Erfindungsgemäß ist eine Torsionsstabeinheit als Teil des Antriebsstrangs im Anschluss an das Getriebe vorgesehen. Die Motor-Getriebeeinheit ist dabei unmittelbar an der Basis befestigt. Die Ausgangsstufe des Getriebes ist mit einem Verbraucher gekoppelt. According to the invention, a torsion bar unit is provided as part of the drive train following the transmission. The motor-gear unit is attached directly to the base. The output stage of the transmission is coupled to a consumer.
Unter Verbraucher wird jede Art von Kraftaufnehmer, wie reale Energieverbraucher, aber auch Energiespeicher, wie z. B. Federsysteme und Schwungmassen, verstanden.Consumer is any type of load cell, such as real energy consumers, but also energy storage, such. As spring systems and centrifugal masses understood.
Der Torsionsstabeinheit sind zwei Positionssensoren zur Erfassung des Drehmoments zugeordnet, um die Antriebskraft zum Verbraucher zu erfassen und insbesondere durch Regelung der Motorleistung zu steuern.The torsion bar unit is associated with two position sensors for detecting the torque to detect the driving force to the consumer and in particular to control by controlling the engine power.
Anders als im genannten Stand der Technik, bei dem die Torsionsstabeinheit als Motorwelle unmittelbar im Motor oder vor dem Getriebe angeordnet ist, befindet sie sich bei der Erfindung hinter dem Getriebe zwischen Getriebe und Verbraucher.Unlike in the cited prior art, in which the Torsionsstabeinheit is arranged as a motor shaft directly in the engine or in front of the transmission, it is in the invention behind the transmission between the transmission and the consumer.
Die Anordnung der Torsionsstabeinheit hinter dem Getriebe ermöglicht eine einfachere Erfassung des Drehmoments bei höheren Torsionskräften, und insbesondere, wenn nur kleine Winkeldrehungen des Torsionsstabes erforderlich sind. Ferner kann bei Verwendung von Standardmotoren und angeflanschtem Wellen-Getriebe eine hohe Kompaktheit der Motor-Getriebe-Einheit erreicht werden.The arrangement of the Torsionsstabeinheit behind the transmission allows easier detection of torque at higher torsional forces, and in particular when only small angular rotations of the torsion bar are required. Furthermore, with the use of standard motors and flanged shaft gearbox high compactness of the motor-gear unit can be achieved.
Die Ausgangswelle des Motors ist dabei mit dem elliptischen Wave Generator und das Flexspline des Getriebes mit dem Verbraucher gekoppelt. Das bevorzugte Wellen-Getriebe zeichnet sich durch einfachen Aufbau, Schlupffreiheit und ein hohes Übersetzungsverhältnis aus.The output shaft of the engine is coupled with the elliptical wave generator and the flexspline of the transmission with the consumer. The preferred shaft gearbox is characterized by simple construction, no slippage and a high gear ratio.
Zur Ermittlung des an der Torsionsstabeinheit auftretenden Drehmoments werden zwei in Längsrichtung der Torsionsstabeinheit zueinander mit Abstand angeordnete Positionssensoren verwendet, um die Torsion zwischen den Positionssensoren zu erfassen. Zusätzlich können für eine erhöhte Sicherheit dem Torsionsstab Dehnungsmessstreifen oder andere zusätzliche Drehmoment- oder Positionssensoren zugeordnet werden, um eine Redundanz der Messung zu erreichen.For determining the torque occurring at the torsion bar unit, two position sensors spaced apart from each other in the longitudinal direction of the torsion bar unit are used to detect the torsion between the position sensors. In addition, for enhanced safety, strain gauges or other additional torque or position sensors may be associated with the torsion bar to provide redundancy of the measurement.
Das erfasste Signal kann auf bekannte Weise zur Steuerung oder Regelung des Motors oder anderer Elemente einer anzutreibenden Einrichtung verwendet werden.The detected signal may be used in a known manner to control the motor or other elements of a device to be driven.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Motorwelle als Hohlwelle ausgebildet ist. Die Ausgangswelle des Getriebes, die gleichzeitig den Torsionsstab bildet, lässt sich dann durch das Getriebe und den Motor auf die Rückseite des Motors zurückführen und dort an einen Verbraucher ankoppeln. Diese Maßnahme erhöht die Kompaktheit der Antriebsvorrichtung und verkürzt deren Gesamtlänge erheblich. Dies hat erhebliche Vorteile in einem Roboterarm mit den vorherrschenden engen Platzverhältnissen.In a further embodiment of the invention can be provided that the motor shaft is formed as a hollow shaft. The output shaft of the transmission, which also forms the torsion bar, can then be fed back through the gearbox and the engine to the back of the engine and there coupled to a consumer. This measure increases the compactness of the drive device and shortens their overall length considerably. This has significant advantages in a robotic arm with the prevailing tight space.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Verwendung in Robotergelenken.The device according to the invention is particularly suitable for use in robot joints.
Die Erfindung wird nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention will be explained in more detail by exemplary embodiments.
Die in
Der Wave Generator
Die Motor-Getriebe-Einheit kann über geeignete Befestigungsmittel an der Basis
Das Flexspline
Bei der Erfindung ist die Welle
Der Torsionsstab
In einem ausgeführten Beispiel hatte der Torsionsstab eine Länge von 82 mm. Sein Durchmesser betrug 8,5 mm. Bei einem Drehmoment von 60 Nm ergab sich eine Auslenkung, d. h. eine Verdrehung der Enden des Torsionsstabes, von 5 Grad.In one example, the torsion bar had a length of 82 mm. Its diameter was 8.5 mm. At a torque of 60 Nm there was a deflection, d. H. a twist of the ends of the torsion bar, of 5 degrees.
Ein Vorteil des Einsatzes der Erfindung liegt auch darin, dass durch die elastischen Eigenschaften des Torsionsstabs ein erhöhter Schutz gegen Stöße von außen auf die Motor-Getriebe-Einheit erreicht werden kann. Wenn der Torsionsstab als Kragarm ausgebildet wird, lassen sich auch mehrdimensionale Messungen, z. B. 6-dimensionale Messungen der anliegenden Kräfte und Momente, durch entsprechend eingesetzte Positions- oder Drehmomentsensoren vornehmen.An advantage of the use of the invention lies in the fact that by the elastic properties of the torsion bar increased protection against shock from the outside can be achieved on the motor-gear unit. If the torsion bar is designed as a cantilever, multi-dimensional measurements, such. B. make 6-dimensional measurements of the applied forces and moments, by appropriately used position or torque sensors.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- BasisBase
- 22
- Motorengine
- 33
- Getriebetransmission
- 44
- Flexsplineflexpline
- 55
- Wave GeneratorWave generator
- 66
- Motorwellemotor shaft
- 77
- Abgangswelleoutput shaft
- 88th
- Circular SplineCircular spline
- 99
- Positionssensorposition sensor
- 1010
- Positionssensorposition sensor
- 1111
- Torsionsstabtorsion bar
- 1212
- Hohlwellehollow shaft
- 1313
- Abgangswelleoutput shaft
Claims (6)
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Owner name: KASTANIENBAUM GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: KASTANIENBAUM GMBH, 82205 GILCHING, DE |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: ROESLER - RASCH - VAN DER HEIDE & PARTNER PATE, DE |