DE102017223367B4

DE102017223367B4 - Roboterarm mit wenigstens einem Schneckengetriebe

Info

Publication number: DE102017223367B4
Application number: DE102017223367.2A
Authority: DE
Inventors: Martin Riedel; Veronika Zumpe; Wolfgang Schober
Original assignee: KUKA Deutschland GmbH
Current assignee: KUKA Deutschland GmbH
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2019-07-04
Anticipated expiration: 2037-12-21
Also published as: CN209682234U; DE102017223367A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Roboterarm (2), aufweisend wenigstens ein Schneckengetriebe (15), das eine Schnecke (16) und ein von der Schnecke (16) antreibbares Schneckenrad (17) umfasst, wobei das Schneckenrad (17) mit einem ersten Glied (12.1) der Glieder (12) verbunden ist und die Schnecke (16) an einem Zwischenträger (18) um ihre Schneckendrehachse (S) drehbar gelagert ist, und der Zwischenträger (18) an einem zweiten Glied (12.2) der Glieder (12) über wenigstens eine Federvorrichtung (20) gelagert ist, die ausgebildet ist, den Zwischenträger (18) in einer zur Schneckendrehachse (S) der Schnecke (16) parallelen Richtung stufenlos verstellbar und in einer zur Schneckendrehachse (S) der Schnecke (16) verschieden verlaufenden Richtung sprunghaft verstellbar zu lagern.

Description

Die Erfindung betrifft einen Roboterarm, aufweisend mehrere Glieder und mehrere Gelenke, welche die Glieder gelenkig miteinander verbinden, wobei die Glieder in Zusammenwirken mit den Gelenken ausgebildet sind, eine Last zu tragen und diese im Raum zu bewegen, sowie aufweisend Antriebe, die jeweils einen Motor und ein zugeordnetes Getriebe umfassen und die zum automatischen Verstellen des jeweils zugeordneten Gelenks ausgebildet sind, um die Glieder zu bewegen.
Die DE 20 2013 003 594 U1 beschreibt eine Armanordnung für einen Industrieroboter, wobei die Armanordnung ein Schneckenelement, ein Zahnradelement in Eingriff mit dem Schneckenelement, und ein Armelement enthält, wobei das Schneckenelement drehbar ist, um das Zahnradelement anzutreiben und das Armelement zu bewegen, und wobei das Schneckenelement zwischen einer ersten Position, in der das Schneckenelement drehbar ist, um das Zahnradelement anzutreiben, und einer zweiten Position bewegbar ist, in der eine Relativbewegung zwischen dem Schneckenelement und dem Zahnradelement verhindert wird, ferner enthaltend einen Pneumatikzylinder zum Bewegen des Schneckenelements zwischen der ersten Position und der zweiten Position, wobei das Schneckenelement auf einer Plattform gehalten wird, die durch besagten Pneumatikzylinder bewegbar ist, und wobei besagte Plattform über einer Basis gehalten wird und relativ dazu schwenk- bzw. drehbar ist.
Die US 4 666 361 A beschreibt einen Roboterarm, der zu seinem Antrieb ein Schneckenrad aufweist. Das Schneckenrad wird von einer Schnecke angetrieben, die ihrerseits von einem Antriebsmotor angetrieben wird. Die Schnecke befindet sich auf einer Welle, die mittels gegenüberliegender Axiallager federelastisch eingespannt ist, so dass die Schnecke eine axiale Ausgleichsbewegung ausführen kann.
Die JP S61-211 558 A beschreibt ein Schneckengetriebe, bei dem die Schnecke mittels einer Federwendel in ihrer axialen Richtung federvorgespannt ist, um Rückstöße im Schneckengetriebe abfangen zu können.
Die US 2009 / 0 312 870 A1 beschreibt ein Differentialgetriebe zum Antrieb von Gelenken eines Roboterarms mittels zweier Antriebe. Die beiden Antriebe weisen jeweils einen Motor und jeweils ein zugeordnetes Schneckengetriebe auf. Mit den Motorwellen sind demgemäß Schnecken über Stirnradstufen gekoppelt, die dann paarweise mit Schneckenrädern kämmen, welche an Eingangskegelräder des Differentialgetriebes angeschlossen sind.
Die JP H06- 16 834 U beschreibt ein Schneckengetriebe mit einer auf einem Sockel drehbar gelagerten Schneckenwelle, die von einem ebenfalls auf dem Sockel angeordneten Motor angetrieben wird. Die Schneckenwelle kämmt mit einem Schneckenrad, das den Abtrieb des Schneckengetriebes bildet.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Roboterarm mit einem verbesserten Schneckengetriebe zu schaffen, insbesondere das Schneckengetriebe mit erweiterten Funktionen auszustatten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Roboterarm, aufweisend:

mehrere Glieder und mehrere Gelenke, welche die Glieder gelenkig miteinander verbinden, wobei die Glieder in Zusammenwirken mit den Gelenken ausgebildet sind, eine Last zu tragen und diese im Raum zu bewegen,
Antriebe, die jeweils einen Motor und ein zugeordnetes Getriebe umfassen und die zum automatischen Verstellen des jeweils zugeordneten Gelenks ausgebildet sind, um die Glieder zu bewegen,
und wenigstens ein Schneckengetriebe, das eine Schnecke und ein von der Schnecke antreibbares Schneckenrad umfasst, wobei
das Schneckenrad mit einem ersten Glied der Glieder verbunden ist und die Schnecke an einem Zwischenträger um ihre Schneckendrehachse drehbar gelagert ist, und der Zwischenträger an einem zweiten Glied der Glieder über wenigstens eine Federvorrichtung gelagert ist, die ausgebildet ist, den Zwischenträger in einer zur Schneckendrehachse der Schnecke parallelen Richtung stufenlos verstellbar und in einer zur Schneckendrehachse der Schnecke verschieden verlaufenden Richtung sprunghaft verstellbar zu lagern.

Das erste Glied der Glieder und das zweite Glied der Glieder können insbesondere unmittelbar aufeinanderfolgende Glieder in der kinematischen Gelenkskette des Roboterarms sein. Die konkrete Reihenfolge von erstem Glied und zweitem Glied muss nicht notwendiger Weise der üblichen Zählreihenfolge in der kinematischen Gelenkskette entsprechen, sondern kann vielmehr auch genau in umgekehrter Zählreihenfolge gemeint sein. Mittels des Zwischenträgers ist die Schnecke relativ zum Schneckenrad verstellbar innerhalb des zweiten Glieds gelagert. Die Verstellbarkeit des Zwischenträgers kann generell ein oder mehrere Verstellrichtungen umfassen. Mehrere Verstellrichtungen können auch überlagert sein. So kann eine Verstellrichtung beispielsweise eine translatorische Verschiebung der Schnecke relativ zum Schneckenrad umfassen. Die translatorische Verschiebung kann beispielsweise radial zum Schneckenrad erfolgen, parallel zur Drehachse des Schneckenrads erfolgen und/oder in Richtung der Schneckendrehachse. Es kann als eine Verstellrichtung aber auch eine rotatorische Drehung der Schnecke relativ zum Schneckenrad umfassen. Insoweit kann die Schnecke von dem Schneckenrad weggeschwenkt bzw. an das Schneckenrad hingeschwenkt werden.
Die Federvorrichtung kann eine oder mehrere Federn, Federelemente oder Federsysteme umfassen, sowie gegebenenfalls zugehörige Lenker, Gelenkanordnungen und/oder Getriebe. Die Federvorrichtung lagert, spannt und bewegt insoweit den Zwischenträger relativ zum Schneckenrad und zwar vorzugsweise ohne Zuführung externer Energie, wie elektrischer Energie oder hydraulischer bzw. pneumatischer Energie. Die Federvorrichtung lagert, spannt und bewegt insoweit den Zwischenträger selbsttätig nur durch innerer Federspannungsenergie und nicht durch Zufuhr von Energie von außerhalb des Roboterarms, abgesehen von einer durch eine Person manuell eingebrachten Druckkraft oder Zugkraft, die eine Person beispielsweise mit einer Hand auf den Roboterarm ausübt, um die eine oder mehreren Federn, Federelemente oder Federsysteme der Federvorrichtung vorzuspannen. Ein anderer Fall, in dem ein Auslenken und Entkoppeln erfolgen kann, ist beispielsweise, wenn der Roboterarm mit einem Gegenstand in der Umgebung kollidiert oder wenn im Prozess eine Überlast auftritt. Insoweit verbraucht die erfindungsgemäße Federvorrichtung keine externe Energie, sondern speichert allenfalls die von einer Person manuell eingeleitet potentielle Energie durch das Spannen der Federn, Federelemente oder Federsysteme.
Indem die Federvorrichtung ausgebildet ist, den Zwischenträger in einer zur Schneckendrehachse der Schnecke parallelen Richtung stufenlos verstellbar zu lagern, kann insbesondere in Verbindung mit einer entsprechenden Messeinrichtung das in dem Schneckengetriebe übertragene Drehmoment, insbesondere das isolierte Drehmoment erfasst bzw. gemessen werden.
Indem die Federvorrichtung ausgebildet ist, den Zwischenträger in einer zur Schneckendrehachse der Schnecke verschieden verlaufenden Richtung sprunghaft verstellbar zu lagern, kann insbesondere in Verbindung mit einem insbesondere monostabilen, bistabilen oder tristabilen Rastmittel ein Auskuppeln und/oder ein Einkuppeln der Schnecke bezüglich des Schneckenrades erfolgen. In einem derart ausgekuppelten Zustand der Schnecke von dem Schneckenrad kann dasjenige Gelenk, welches das Schneckengetriebe aufweist, dann beispielsweise durch eine Person manuell bewegt werden. Aufgrund der Nichtrücktreibbarkeit eines (eingekuppelten) Schneckengetriebes mit hoher Übersetzung kann das entsprechende Gelenk, welches das Schneckengetriebe aufweist, nicht durch eine Person manuell bewegt werden, wenn die Schnecke mit dem Schneckenrad in Eingriff ist. Im Falle eines Gelenkaufbaus mit einem solchen ausrückbaren Schneckengetriebe kann abtriebsseitig des Gelenks, d.h. insbesondere am ersten Glied, welches das Schneckenrad aufweist, eine Positionserfassung erfolgen, beispielsweise mittels eines Gelenkstellungssensors, der eine Verstellung des ersten Glieds relativ zum zweiten Glied erfasst, wenn die Schnecke aus dem Schneckenrad ausgekuppelt ist. Eine von der Schneckendrehachse der Schnecke verschiedene Richtung umfasst insbesondere die Möglichkeit, dass der Zwischenträger quer oder im Wesentlichen senkrecht zur Schneckendrehachse verlagerbar ist.
Die Federvorrichtung kann zur stufenlosen Verstellung des Zwischenträgers wenigstens ein Federpaar aufweisen, das ausgebildet und angeordnet ist, in einem kraft- und/oder momentenlosen Zustand der sich im Eingriff mit dem Schneckenrad befindlichen Schnecke, den Zwischenträger in einer Grundstellung relativ zum zweiten Glied zu halten und in einem kraft- und/oder momentenbelasteten Zustand der sich im Eingriff mit dem Schneckenrad befindlichen Schnecke, den Zwischenträger in Abhängigkeit der Kraft- und/oder Momentenbelastung an der Schnecke, aus der Grundstellung auszulenken.
Je Federvorrichtung kann ein Federpaar vorgesehen sein oder es können je Federvorrichtung mehrere Federpaare vorgesehen sein. Jedes Federpaar kann dabei eine erste Feder aufweisen, die den Zwischenträger in die eine Richtung federnd lagert und eine zweite Feder aufweisen, die den Zwischenträger in die entgegengesetzte Richtung federnd lagert. So kann an demselben Gelenk sowohl ein linksdrehendes Drehmoment gemessen werden, als auch ein rechtsdrehendes Drehmoment gemessen werden. Im Speziellen können die beiden Federn des Federpaares an zwei gegenüberliegenden Seiten des Zwischenträgers angeordnet sein, wobei entweder beide Federn Zugfedern oder beide Federn Druckfedern sind, oder im Falle von Drehfedern die beiden Drehfedern gegenläufig den Zwischenträger lagern.
Das wenigstens eine Federpaar kann demgemäß zwei Zugfedern oder zwei Druckfedern aufweisen, wobei die eine Zugfeder oder die eine Druckfeder sich einerseits an einem ersten axialen Ende des Zwischenträger und andererseits an dem zweiten Glied abstützt und die andere Zugfeder oder die andere Druckfeder sich einerseits an einem dem ersten axialen Ende des Zwischenträger gegenüberliegendem zweiten axialen Ende des Zwischenträger und andererseits an dem zweiten Glied abstützt.
Die beiden Zugfedern des Federpaars oder die beiden Druckfedern des Federpaars können in einer zur Schneckendrehachse der Schnecke zumindest im Wesentlichen parallelen Richtung zueinander versetzt angeordnet sein. Im Falle, dass die Federn des Federpaares nicht versetzt zueinander angeordnet sind, ist eine zusätzliche Feder erforderlich, welche die Auskoppelkraft bereitstellt.
Indem die beiden Zugfedern des Federpaars oder die beiden Druckfedern des Federpaars in einer zur Schneckendrehachse der Schnecke parallelen Richtung zueinander versetzt angeordnet sind, wird auf den Zwischenträger ein Kippmoment ausgeübt, das verwendet werden kann, um den Zwischenträger sprunghaft zu verstellen, damit die Schnecke aus dem Schneckenrad ausgekuppelt und/oder in des Schneckenrad eingekuppelt werden kann. Dies bewirkt, dass die beiden Zugfedern des Federpaars oder die beiden Druckfedern des Federpaars sowohl zur Ausführung der stufenlosen Verstellung, insbesondere zur Ermöglichung einer Kraftmessung verwendet werden können, als auch zur Ausführung der sprunghaften Verstellung, insbesondere zum Auskuppelt und/oder Einkuppeln der Schnecke bezüglich des Schneckenrads. Die Federn haben insbesondere die Funktion, ein Verstellen und Auskoppeln zu ermöglichen. Außerdem kann eine weitere Funktion sein, eine Nachgiebigkeit des Gelenks und/oder eine Energieaufnahme im Falle einer Kollision des Roboterarms mit einem Gegenstand in der Umgebung zu ermöglichen. Daneben haben die Federn die Funktion mit einem Kraftmesselement zusammenzuwirken, wodurch eine Kraft bestimmt, insbesondere gemessen werden kann.
Zwischen dem Zwischenträger und dem zweiten Glied kann somit wenigstens eine Kraftmess-Vorrichtung angeordnet sein, die ausgebildet ist, diejenige Kraft oder dasjenige Drehmoment, insbesondere tangential zu erfassen, welche von dem Schneckenrad auf die Schnecke übertragen wird, wobei aufgrund dieser Kraft mittels der Federvorrichtung, insbesondere mittels des wenigstens einen Federpaars, eine Verstellung des Zwischenträgers bezüglich des zweiten Glieds bewirkt wird, um die Kraft über den Zwischenträger hinweg auf die Kraftmess-Vorrichtung zu übertragen. Eine diesbezügliche stufenlose Verstellbarkeit parallel zur Schneckendrehachse kann insbesondere einen maximalen Verstellweg aufweisen, der kleiner ist, als der Verstellweg für die sprunghafte Verstellbarkeit quer zur Schneckendrehachse. Der Verstellweg entlang S (siehe Figuren) kann somit größer sein, als der Auskoppelweg quer zu S (siehe Figuren), muss jedoch nicht zwingend größer sein. Die stufenlose Verstellbarkeit kann insoweit weichelastisch ausgeführt sein, insbesondere mit einer linearen Kennlinie. Die sprunghafte Verstellbarkeit kann insoweit hartelastisch ausgeführt sein, insbesondere mit einem entsprechenden Kennliniensprung.
Der Zwischenträger kann lediglich in einem einzigen Freiheitsgrad beweglich, insbesondere in einer translatorischen Richtung beweglich, an dem zweiten Glied gelagert ist. Die Lagerung des Zwischenträgers selbst, kann jedoch in seiner Bauart mindestens zwei Freiheitsgrade aufweisen (z.B. Verstellen und Auskoppeln), wobei das Auskoppeln dann beispielsweise durch ein Rastmittel blockiert ist, wodurch sich die Lagerung wieder auf einen einzigen Freiheitsgrad reduziert.
Die Schnecke kann mit einer Motorwelle eines die Schnecke antreibenden Motors verbunden sein, wobei der Zwischenträger sowohl die Schnecke als auch den Motor aufweist.
Die Schnecke kann mit einer Motorwelle eines die Schnecke antreibenden Motors verbunden sein und zwar derart, dass die Schnecke auf der Motorwelle zwar drehfest, aber axial verschiebbar gelagert ist, wobei der Zwischenträger lediglich die Schnecke aufweist und der Motor separat von dem Zwischenträger an dem zweiten Glied angeordnet, insbesondere mit seinem Motorgehäuse an dem zweiten Glied befestigt ist.
Der Zwischenträger kann zwischen zwei gegenüberliegenden Kraftmess-Vorrichtungen positioniert sein und die eine Kraftmess-Vorrichtung kann dabei ausgebildet sein, eine Kraft in einer ersten Richtung zu erfassen und die andere Kraftmess-Vorrichtung kann dabei ausgebildet sein, eine Kraft in einer zur ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung zu erfassen.
Die Zugfeder und/oder die Druckfeder können jeweils als eine Federwendel ausgebildet sein.
Die wenigstens eine Kraftmess-Vorrichtung kann wenigstens einen Kraftmess-Sensor, einen DMS-Sensor, eine Kraftmessdose, eine Wägezelle und/oder ein Piezoelement aufweisen.
Die Federvorrichtung kann zur sprunghaften Verstellung des Zwischenträger eine Federeinrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, die Schnecke von dem Schneckenrad wegzudrücken, wobei ein Rastmittel vorgesehen ist, das ausgebildet ist, in einer Rastposition des Rastmittels die Schnecke gegen die Federkraft der Federeinrichtung gegen das Schneckenrad zu drücken, derart, dass die Schnecke mit dem Schneckenrad in Eingriff ist, und in einer Freigabeposition des Rastmittels die Schnecke mittels der Federeinrichtung von dem Schneckenrad wegbewegt wird, derart, dass die Schnecke von dem Schneckenrad außer Eingriff ist
Die Federeinrichtung weist demgemäß eine Feder, ein Federelement oder ein Federsystem auf, das ausgebildet ist, mit seiner Federkraft die Schnecke von dem Schneckenrad wegzubewegen, bis die Schnecke nicht mehr mit dem Schneckenrad in Eingriff ist. Ohne Wirkung des Rastmittels entspannt sich insoweit die Feder, das Federelement oder das Federsystem der Federeinrichtung und bewegt dabei die Schnecke von dem Schneckenrad weg, bis die Schnecke nicht mehr mit dem Schneckenrad in Eingriff ist. Hierzu ist demgemäß ein Mindestverstellweg der Feder, des Federelements oder des Federsystems der Federeinrichtung erforderlich, so dass die Zahnflanken der Schnecke vollständig aus den Zahnlücken des Schneckenrads herausbewegt sind.
Das Rastmittel drückt in der Rastposition gegen die Federkraft der Feder, des Federelements oder des Federsystems der Federeinrichtung den Zwischenträger und drückt damit die Schnecke gegen das Schneckenrad, um die Zahnflanken der Schnecke in den Zahnlücken des Schneckenrads zu halten, so dass in der Rastposition des Rastmittels die Schnecke mit dem Schneckenrad in ordnungsgemäßen Eingriff zur vollständigen Übertragung des Drehmoments des Gelenks bleibt.
Die Federeinrichtung kann zusammen mit dem Rastmittel ausgebildet sein, die Schnecke mit einer linearen Bewegung relativ zum Schneckenrad, insbesondere mit einer linearen Bewegung radial zum Schneckenrad oder mit einer linearen Bewegung parallel zur Drehachse des Schneckenrads, wahlweise mit dem Schneckenrad in Eingriff zu bringen oder von dem Schneckenrad außer Eingriff zu bringen.
Die Federeinrichtung kann zusammen mit dem Rastmittel zum automatischen Schalten bei einem voreingestellten positiven oder negativen Maximalmoment ausgebildet sein.
Die Federeinrichtung kann zusammen mit dem Rastmittel zum Schalten aufgrund eines Steuerungssignals, insbesondere elektrischen Steuerungssignals einer den Roboterarm steuernden Robotersteuerung ausgebildet sein.
Die Federeinrichtung kann zusammen mit dem Rastmittel zum manuellen Schalten ausgebildet sein.
Das Rastmittel kann einen mit dem Zwischenträger verbundenen, verstellbaren Rastkörper aufweisen, der in einer Führungsnut auf einer Führungsbahn beweglich geführt ist, wobei das Rastmittel einen Arretierungskörper aufweist, der ausgebildet ist, den Rastkörper innerhalb der Führungsnut in einer Position zu arretieren, in welcher der arretierte Rastkörper den Zwischenträger in einer Stellung hält, in der die Schnecke mit dem Schneckenrad in Eingriff ist, wobei die Führungsbahn der Führungsnut außerdem ausgebildet ist, Rastkörper in eine Freigabeposition zu bewegen, wenn der Arretierungskörper den Rastkörper nicht arretiert, in welcher Freigabeposition der Rastkörper den Zwischenträger in eine Stellung bewegt, in der die Schnecke von dem Schneckenrad außer Eingriff ist.
Beispielsweise kann das Rastmittel einen Stift und eine korrespondierende Sperre aufweisen, wobei Stift und Sperre derart ausgebildet sind, dass ein ansteigendes Moment am Schneckenrad nach Überschreiten der Vorspannkraft eine Auslenkung der Federelemente bewirkt und ein sich daraus ergebendes Verschieben des Stiftes in axiale Richtung ein Lösen des Stiftes von der Sperre bewirkt, so dass der Zwischenträger in eine entkoppelnde Stellung gelangt, wodurch der Kraftfluss im Schneckengetriebe vollständig unterbrochen wird und anschließend die Federelemente den Stift wieder in einer Nulllage zentrieren, allerdings jetzt stabil in einer entkoppelten Position der Schnecke aus dem Schneckenrad.
Das Schneckenrad kann mit einer Hohlwelle verbunden sein, die einen Leitungskanal für Energie- und/oder Signalleitungen, insbesondere elektrische Energie- und/oder Signalleitungen bildet und eine solche Energie- und/oder Signalleitungen durch eine Zentrumsöffnung des Schneckenrads hindurchgeführt ist.
Ein Merkmal der Erfindung ist die erreichte Rücktreibbarkeit des an sich selbsthemmenden Schneckenradgetriebes. Diese Rücktreibbarkeit wird durch eine Entkopplungseinrichtung zwischen der Schnecke und dem Schneckenrad erreicht. Die Entkopplungseinrichtung unterbricht den Kraftfluss zwischen Motor bzw. Schnecke und dem Abtriebselement, d.h. Glied des Roboterarms bzw. Schneckenrades derart, dass das entsprechende Gelenk des Roboterarms, welches das Schneckengetriebe aufweist, in seinem Freiheitsgrad vollständig frei von außen beweglich wird. Die Entkopplung kann beispielsweise durch drei verschiedene Arten ausgelöst werden. In einer ersten Ausführung kann ein Entkoppeln bei Überschreitung des abtriebsseitigen, maximal positiv oder negativ zulässigen Moments erfolgen, wodurch eine inhärente Sicherheit gewährleistet und der Komfort erhöht wird. In einer zweiten Ausführung kann ein Entkoppeln durch manuelles Betätigen von Hand erfolgen, um spezielle Betriebsarten des Roboterarms, wie beispielsweise ein kraftfreies Programmieren durch Handführen des Roboterarms zuzulassen. In einer dritten Ausführung kann ein Entkoppeln automatisch erfolgen, um ein System im Offline-Zustand manipulieren bzw. handführen zu können. Dabei kann eine elektrische Betätigung durch die Steuerung erfolgen. Auch ist eine Kombination von zwei oder aller dieser Arten möglich.
Um in einem weiteren Merkmal der Erfindung das Lastmoment präzise messen zu können, werden Motor- und Schneckeneinheit, d.h. der Zwischenträger mit der Schnecke, komplett bis auf einen translatorischen Freiheitsgrad fixiert gelagert. Die dadurch entstehende einzige Bewegungsfreiheit in Richtung der Schneckenachse wird zur Messung der axialen Kraft von dem Schneckenrad auf die Schnecke genutzt, indem durch die Bewegung der Schnecke Kraft auf Sensorelemente ausgeübt wird. Die gemessene Kraft steht über den bekannten Hebelarm, d.h. über den Eingriffsradius des Schneckenrades, im direkten Zusammenhang mit dem abtriebsseitig wirkenden Drehmoment. Als Messelement können beispielsweise DMS basierte Wägezellen, Piezo-Sensoren oder andere eindimensional kraftmessende Sensoren verwendet werden, die insbesondere kostengünstig sind. Durch Anbringen von zwei dieser Sensoren kann die Kraft entlang der Achse der Schnecke in beide Richtungen gemessen werden. Dabei werden die Sensoren im Allgemeinen verformungssteif ausgeführt, sodass ein extern wirkendes Moment nicht zu einer negativ spürbaren oder bewegungsbeeinflussenden Verschiebung des Antriebs und damit zu einem torsionsweichen Gelenkaufbau führt.
Eine entsprechend aufgebaute Messung des Gelenkmomentes hat neben dem Kostenaspekt zwei signifikante Vorteile gegenüber konventionellen Momentmessungen mittels GMS, doppelter Winkelmessung im Antriebsstrang oder Strommessungen. Durch die spezielle Aufhängung wird das System so entkoppelt, dass nur der relevante Belastungsanteil auf die kraftmessenden Elemente wirkt und der im Allgemeinen sechs-dimensionale Belastungsfall auf einen ein-dimensionalen Lastfall reduziert wird. Sämtliche Störeinflüsse durch Quer-, Längs- oder Kipplasten werden herausgefiltert. Die Messung der gesamten Antriebseinheit von Motor und Schnecke ist eine Messung an der äußeren Systemgrenze d.h. innere Effekte wie Reibungseffekte werden nicht gemessen. Dies ist ein sehr großer Vorteil, da speziell bei Schneckenradgetrieben, insbesondere mit hohen Übersetzungen, insbesondere bei selbsthemmenden Ausführungen, die Reibung einen großen Anteil am Antriebsmoment ausmacht. Mit anderen Worten ermöglicht dieser Aufbau eine einfache Messung des isolierten und reinen Abtriebsmoments.
Zusammenfassen kann mittels der Erfindung ein innovatives, insbesondere kostengünstiges Gelenk auf Basis eines Schneckenradantriebsstranges realisiert werden, welches hochintegrativ aufgebaut sein kann und sämtliche wesentlichen Gelenkfunktionen beinhalten kann. Es bietet eine einfache und eindeutige Möglichkeit externe Gelenkmomente genau und kostengünstig messen zu können, wirkt ohne Bremse selbsthaltend und kann bei Bedarf durch eine Entkopplungseinheit vollständig kräftefrei durch den Nutzer bewegt werden. Es muss also keine spezielle Bremse extra integriert werden und dennoch verfügt das System über eine Bremsfunktion, nämlich durch die Selbsthemmung des Schneckenradantriebsstranges. Dadurch können insbesondere Gewicht, Kosten und Bauraum eingespart werden.
Eine weitere Ausführungsform dieses Gelenks offenbart eine passive momentbasierte Entkopplung des Antriebstranges, wodurch sowohl zusätzliche Komfortfunktionen realisiert werden können, wie ein einfaches Wegschieben des Roboterarmes zu jeder Zeit, als auch eine wichtige Sicherheitsfunktion, wie ein inhärent sicherer Gelenkaufbau, gewährleistet wird.
Das Gelenk kann insbesondere in Robotern für den Service- oder Heim-Bereich verwendet werden. Ziel der Erfindung ist unter anderem die Verwendung eines Schneckenradgetriebes im Antriebsstrang von Robotern. Durch eine gezielte Kombination der Funktionen Momentübertragung und -übersetzung, Bremsen, und/oder Messen des wirkenden Moments und Rücktreibbarkeit, kann somit eine sichere und kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Antriebssträngen realisiert werden. Die nachfolgend erklärten Lösungsprinzipien bieten eine Vielzahl an Vorteilen. Durch die hohe Übersetzung des Schneckenradgetriebes kann auf weitere und teure Getriebe und Getriebestufen verzichtet werden. Die Selbsthemmung des Getriebes fungiert als Bremse und sorgt für einen sicheren Stillstand. Durch die Kombination dieser Funktionalitäten wird Bauraum eingespart, was hinsichtlich Leichtbau, Flexibilität und Wirtschaftlichkeit einen großen Vorteil bringt.
Durch einen Entkopplungsmechanismus kann das Schneckenradgetriebe als rücktreibbares Getriebe ausgeführt werden und eignet sich somit auch für den Einsatz in Robotersystemen. Die Entkopplung kann zusätzlich als Sicherheitskupplung dienen und beispielsweise ohne steuerungstechnischen Aufwand bei Überlast entkoppeln, wodurch eine inhärente Sicherheit vorliegt. Durch die Ausführung der Lagerung und gezielte Sperrung von Freiheitsgraden wird die Kraftmessung in die gewünschte Belastungsrichtung sichergestellt und kann mit einfacher bzw. kostengünstiger Sensorik umgesetzt werden, sodass auf teure Gelenkmomentsensoren verzichtet werden kann und dennoch eine präzise Messung erfolgt. Durch die Verwendung eines einfachen Schneckenrads beispielsweise mit Hohlwelle können ergänzend auch Kabel unkompliziert direkt durch die Drehachse geführt werden, um einen kompakten Aufbau mit mehr konstruktiven Freiheiten zu ermöglichen.
Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Figurenbeschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Konkrete Merkmale dieser exemplarischen Ausführungsbeispiele können unabhängig davon, in welchem konkreten Zusammenhang sie erwähnt sind, gegebenenfalls auch einzeln oder auch in anderen Kombinationen der Merkmale betrachtet, allgemeine Merkmale der Erfindung darstellen.
Die Figuren zeigen:

1 einen beispielhaften Industrieroboter mit einem Roboterarm und einer Robotersteuerung,
2 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Gelenks eines Roboterarms, mit einem ersten Glied, einem zweiten Glied und einem erfindungsgemäßen Schneckengetriebe,
3a-d eine erste Ausführungsform eines Rastmittels des Schneckengetriebes gemäß 2,
4 eine schematische Darstellung der Lagerung des Zwischenträgers mittels einer erfindungsgemäßen Federvorrichtung,
5 eine zweite Ausführungsform eines Rastmittels des Schneckengetriebes mit einer Führungsnut,
6 eine dritte Ausführungsform eines Rastmittels des Schneckengetriebes mit einer Führungsnut,
7a-c schematische Darstellungen von beispielhaften Rastkörpern und Arretierungskörpern,
8a-d schematische Darstellungen verschiedener Varianten des Ausrückens der Schnecke aus dem Schneckenrad,
9a-d schematische Darstellungen einer abgewandelten Variante einer Federvorrichtung und eines Rastmittels zum Ausrücken der Schnecke aus dem Schneckenrad, und
10a-b schematische Darstellungen der alternativen Ausrückbewegungen für die Schnecke aus dem Schneckenrad.

Die 1 zeigt einen Roboter 1, der einen Roboterarm 2 und eine Robotersteuerung 13 aufweist. Der Roboterarm 2 umfasst im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels mehrere, nacheinander angeordnete und mittels Gelenke 11 verbundene Glieder 12. Bei den Gliedern 12 handelt es sich insbesondere um ein Grundgestell 3 und ein relativ zum Gestell 3 um eine vertikal verlaufende Drehachse A1 drehbar gelagertes Karussell 4. Die Schwinge 5 ist am unteren Ende z.B. an einem nicht näher dargestellten Schwingenlagerkopf auf dem Karussell 4 um eine vorzugsweise horizontale Drehachse A2 schwenkbar gelagert. Am oberen Ende der Schwinge 5 ist wiederum um eine ebenfalls vorzugsweise horizontale Drehachse A3 der Armausleger 6 schwenkbar gelagert. Dieser trägt endseitig die Roboterhand 7 mit ihren vorzugsweise drei Drehachsen A4, A5, A6. Der Armausleger 6 weist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels einen schwenkbar an der Schwinge 5 gelagerten Grundarm 9 auf. An dem Grundarm 9 ist ein Vorderarm 10 des Armauslegers 6 um die Drehachse A4 drehbar gelagert. Weitere Glieder des Roboterarms 2 sind im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels neben dem Grundgestell 3, dem Karussell 4, der Schwinge 5 und dem Grundarm 9, außerdem die Glieder 12 der vorzugsweise mehrachsigen Roboterhand 7 mit einer als Anschlussflansch 8 ausgeführten Befestigungsvorrichtung zum Befestigen eines nicht dargestellten Endeffektors, wie beispielsweise eines Werkzeugs oder eines Greifers.
Der Roboterarm 2 weist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels demgemäß ein Grundgestell 3 auf, ein am Grundgestell 3 mittels eines ersten Gelenks 11 des Roboterarms 2 um eine erste Drehachse A1 drehbar gelagertes Karussell 4, eine am Karussell 4 mittels eines zweiten Gelenks 11 des Roboterarms 2 um eine zweite Drehachse A2 schwenkbar gelagerte Schwinge 5, einen an der Schwinge 5 mittels eines dritten Gelenks 11 des Roboterarms 2 um eine dritte Drehachse A3 drehbar gelagerten Grundarm 9, und eine am Grundarm 9 gelagerte, mehrachsige Roboterhand 7.
Von den Gliedern 12 ist, wie in 2 dargestellt ein repräsentatives erstes Glied 12.1 gezeigt, das ein erstes Gehäuse 14.1 aufweist und ein repräsentatives benachbartes zweite Glied 12.2 gezeigt, das ein zweites Gehäuse 14.2 aufweist. Die Gehäuse 14.1, 14.2 sind ausgebildet, Kräfte und Momente, die aufgrund des Eigengewichts des Roboterarms 2 und/oder der Last auftreten, jeweils an das benachbarte Glied 12.1, 12.2 weiterzuleiten.
Das in 2 dargestellt repräsentative Gelenk 11 weist ein Schneckengetriebe 15 auf, das eine Schnecke 16 und ein von der Schnecke 16 antreibbares Schneckenrad 17 umfasst, wobei das Schneckenrad 17 mit dem ersten Glied 12.1 der Glieder 12 verbunden ist und die Schnecke 16 an einem Zwischenträger 18 um ihre Schneckendrehachse S drehbar gelagert ist, und der Zwischenträger 18 an einem zweiten Glied 12.2 der Glieder 12 über wenigstens eine Federvorrichtung 20 gelagert ist, die ausgebildet ist, den Zwischenträger 18 in einer zur Schneckendrehachse S der Schnecke 16 parallelen Richtung P stufenlos verstellbar und in einer zur Schneckendrehachse S der Schnecke 16 quer verlaufenden Richtung Q sprunghaft verstellbar zu lagern.
Die axiale Bewegungsfreiheit, d.h. die stufenlose Verstellbarkeit zu einer zur Schneckendrehachse S der Schnecke 16 parallelen Richtung P kann durch verschiedene Prinzipien gewährleistet werden. Eine Möglichkeit ist beispielsweise die reibungsfreie Lagerung des Motors oder Antriebs M3 mit Schnecke 16 über eine Blattfeder 19, insbesondere ein Blattfederparallelogramm, das in axiale Richtung der Schnecke 16 nachgiebig ist und somit eine Bewegung zulässt. In alle anderen Richtungen ist das System sehr steif. Ein Blattfederparallelogramm funktioniert jedoch nur in Verbindung mit einem weiteren Gelenk, vorzugsweise einem Drehgelenk. Ein Verdrehen zum Auskoppeln muss dabei immer möglich sein.
Alternativ kann auch eine schwimmende Lagerung der Schnecke 16 mit axialem Spiel des Motors verwendet werden. Solch eine Lagerungsart lässt ein kleines axiales Spiel zu. Durch Auslenkung der Schnecke 16, welche durch die Kraft im Eingriffspunkt von Schnecke 16 und Schneckenrad 17 entsteht, kann durch eine Sensorik, insbesondere eine Kraftmess-Vorrichtung 21 außerdem die gewünschte Kraft erfasst werden. Eine weitere Möglichkeit ist die Lagerung der Motor-/Schneckeneinheit über eine Linearführung/Schubelement/Nut mit Schlitten oder Führungsstiften.
Damit das System automatisch bei Überlast entkoppelt wird, können verschiedene Federelemente herangezogen werden, durch die ein multistabiles, insbesondere tristabiles System ( 8) erzeugt wird. Ein stabiler Zustand ist der normale Betrieb ohne Erreichen der Überlast. Das System befindet sich dann in Mittelstellung, wie in 2 gezeigt, in welcher die Schnecke 16 in Eingriff ist mit dem Schneckenrad 17.
Wirkt eine Kraft von dem Schneckenrad 17 auf die Schnecke 16, so bewegt sich der Motor zusammen mit der Schnecke 16 entlang der Achse S in Kraftrichtung entgegen der Kraft von Federelementen 22a, 22b. Die zulässige Maximalkraft wird durch diese Federelementen 22a, 22b definiert. Die anderen beiden stabilen Zustände (2) sind erreicht, wenn aufgrund Überschreitung der maximal zulässigen positiven oder negativen Kraft die Entkopplung ausgelöst wurde. In diesem Fall befinden sich Schnecke 16 und das Schneckenrad 17 nicht mehr im Eingriff, wie dies in 8b und 8d gezeigt und in 9b und 9d veranschaulicht ist, wodurch in Folge das erste Glied 12.1 manuell bewegt werden kann, da die Schnecke 16 und das Schneckenrad 17 außer Eingriff sind und das Schneckengetriebe 15 somit in einem rücktreibbaren Zustand ist. Die Entkopplungsbewegung kann translatorisch (10b) oder rotatorisch (10a) bzw. auch in einer beliebigen Bewegungskombination geführt erfolgen. Der Zwischenträger 18, an dem der Motor mit der Schnecke 16 gelagert ist, ist in Entkopplungsrichtung z.B. durch die Federelemente 22a, 22b, durch gekreuzte Blattfedern 24 oder eine Drehfeder 23 vorgespannt. Diese Vorspannung sorgt für den Übergang von einem stabilen Zustand in einen entkoppelten, stabilen Zustand, wenn die positive oder negative Maximallast überschritten wird.
Darüber hinaus kann der bistabile Zustand auch über die Führungsnut realisiert werden, wie dies in 5 und 6 gezeigt ist. Die Motor-/Schneckeneinheit wird durch ein Moment in Entkopplungsrichtung vorgespannt. Auch hier wirkt die Last entgegen einer Federkraft, welche die Maximallast begrenzt. Bei Überschreiten dieser Last wechselt das System durch die Vorspannung in einen entkoppelten, stabilen Zustand.
Um eine manuelle Entkopplung zuzulassen, reicht die Lagerung und Vorspannung der Motor-/Schneckeneinheit in Entkopplungsrichtung. Diese kann über Federelemente 26.1, 26.2 oder 26.3 erreicht werden. Soll in den entkoppelten Modus geschaltet werden, ist lediglich eine Fixierung zu lösen, welche der Vorspannung entgegenwirkt. Die Fixierung kann einen Rastkörper 24 und einen Arretierungskörper 25 umfassen.
Für den Fall, dass die Entkopplung durch die Steuerung oder das Vorhandensein bzw. Nichtvorhandensein des Stromflusses ausgelöst werden soll, kann wie bei der manuellen Entkopplungsart die Motor-/Schneckeneinheit durch Federelemente 26.1, 26.2 oder 26.3 vorgespannt sein. Entgegen dieser Vorspannung wirkt eine Verriegelung d.h. der Arretierungskörper 25, welcher beispielsweise durch einen Aktor gelöst werden kann. Bei dem Aktor kann es sich beispielsweise um einen Elektromagneten, einen kleinen Elektromotor oder Formgedächtnisaktorik handeln. Alternativ kann der Aktor auch in Wirkrichtung der kraftbegrenzenden Federn integriert werden. So kann die Entkopplung durch die Steuerung automatisch betätigt werden. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, dass entweder gerade im bestromten oder nicht bestromten Zustand des Motors die Verriegelung gelöst und das Schneckengetriebe 15 somit rücktreibbar ist.
Sollen mehrere der vorgestellten Entkopplungsmöglichkeiten realisiert werden, kann dies durch Kombination der verschiedenen Prinzipien erfolgen.
Die Rückstellung in den gekoppelten Zustand kann manuell durch Aufbringen einer Kraft entgegen der Vorspannung, die zur Entkopplung führt, erfolgen. Alternativ kann ein Aktor, wie beispielsweise eine Zug- oder Druckfeder mit Formgedächtnislegierung, verwendet werden und entweder entgegen der Belastungsrichtung, in die entkoppelt wurde wirken, oder entgegen der Vorspannung der Motor-/Schneckeneinheit.
Indem das Schneckenrad 17 mit Hohlwelle ausgeführt wird, können Kabel 27 problemlos durch die Hohlwelle von einem Glied 12 zum nächsten Glied 12 im Inneren geführt werden.
Im Allgemeinen kann die Entkopplung der Schnecke 16 von dem Schneckenrad 17 in insbesondere drei Bewegungsrichtungen erfolgen.
Translatorische Verschiebung der Schnecke 16 radial bezogen auf das Schneckenrad 17 nach außen, wie dies in 10b aufgezeigt ist. Translatorische Verschiebung der Schnecke 16 axial bezogen auf das Schneckenrad, oder translatorische Verschiebung des Schneckenrades 17 radial bezogen auf die Schnecke 16. Rotatorisches Schwenken der Schnecke 16 um eine parallel zur Schneckenradachse versetzte Achse, wie dies in 10a aufgezeigt ist.
Vorzugsweise liegt die Drehachse im Bereich des Motors insbesondere im hinteren Bereich des Motors oder insbesondere hinter dem Motor. Der erforderliche Drehfreiheitsgrad kann dabei durch ein einfaches Drehgelenk (z.B. Zapfen-Nabe) oder durch ein verformbares Stoffgelenk wie ein elastisches Scharnier (insbesondere Blattfeder, metallisch oder aus Kunststoff) ermöglicht werden.
Das beschriebene Gelenk 11 kann in mehrfacher hintereinander Reihung mit versetzter Anordnung verwendet werden um einen sensitiven und sicheren Roboterarm 2 mit mehreren gesteuerten Freiheitsgraden aufzubauen.
Des Weiteren kann generell erwähnt werden, dass sämtliche Federanordnungen auch durch Ausbildungen mit entsprechend angeordneten Magneten, insbesondere Permanentmagneten oder Elektromagneten ersetzt werden können. Ebenso können auch bistabile Federsysteme durch ein beispielsweise entgegen orientiertes Magnetenpaar ersetzt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die momentenabhängige Entkopplung auch durch die exemplarischen Prinzipien eines bi-stabilen Sperrelementes realisiert werden.
Beispielsweise wenn ein externes Moment auf das Gelenk 11 wirkt, z.B. hervorgerufen durch eine Kollision, eine Überlast oder absichtliches Wegschieben des Roboterarms 2 beispielsweise im Stillstand, insbesondere im ausgeschalteten Stillstand, ergibt sich eine Verschiebung des Zwischenträgers 18 in axialer Richtung, d.h. in Richtung der Schneckendrehachse S. Diese Verschiebung wird durch einen speziellen Mechanismus, der Federvorrichtung 20, in eine Entkoppelbewegung umgewandelt. Der Auslenkbewegung ist ein vorgespanntes doppelseitiges Federpaket der Federelemente 22a, 22b (Federwendeln) entgegenwirkend, so axial zur Schneckendrehachse S positioniert, dass das externe Moment eine Kraft F>FO (F0= Vorspannkraft) erzeugen muss, bevor sich die Antriebseinheit axial verschiebt. Im Entkopplungsfall wird die Verschiebung und nachfolgende Schwenkbewegung beispielsweise durch ein Drehschubgelenk zwischen dem Gehäuse 14.2 des Glieds 12.2 und dem Zwischenträger 18 oder durch ein formelastisches Element insb. eine Blattfeder 19 in Querausrichtung zur Schneckendrehachse S ebenfalls zwischen Gehäuse 14.2 und Zwischenträger 18 realisiert. Das ist das Prinzip der Führung und Lagerung, wie es in 8 dargestellt ist.
Durch Änderung der Vorspannung oder der Federcharakteristik können Auslenkpunkt und Steifigkeitsverhalten des Zwischenträgers 18 zielführend beeinflusst werden. Die Federelemente 22a, 22b können an beliebiger Position axial parallel zur Schneckendrehachse S als Paar lokal benachbart oder räumlich beabstandet positioniert werden. Eine seitliche Entkopplungsbewegung kann über eine quer zum Antrieb wirkende Feder erfolgen, die im Betriebszustand, d.h. im gekoppelter Zustand von Schnecke 16 und Schneckenrad 17 vorgespannt ist, und welche die Antriebseinheit, d.h. den Zwischenträger 18 vom Schneckenrad 17 wegdrückt, während ein speziell ausgeführtes Sperrelement, d.h. der Rastkörper 24 und der Arretierungskörper 25 die Schnecke 16 im Eingriff mit dem Schneckenrad 17 hält. Ein hier nicht weiter detailliertes aktiv gesteuertes Element, wie ein Aktuator, ein Elektromagnet oder auch ein manuell handbetätigtes Stellglied, bewirkt nach einer Entkopplung eine Rückstellung in den Betriebszustand.
Das Sperrelement, d.h. der Rastkörper 24 und der Arretierungskörper 25 können ein zentrales Element der momentenbasierten Entkopplungsvorrichtung sein und können dabei unterschiedlich ausgeführt werden. Ein spezieller Mechanismus stellt beispielsweise einen bi-stabilen Zustand von gekoppelt und entkoppelt sicher, in dem ein beispielsweise stiftartiges Formelement, der Rastkörper 24, von einer Position in eine andere Position bewegt wird.
Der stabile eingekuppelte Zustand wird beispielsweise in 2 einerseits durch die beiden zentrierend wirkenden Auslenkungsfedern, d.h. die Federelemente 22a, 22b und andererseits durch eine Sperre 28 sichergestellt, die eine direkte Bewegung des Stiftes 29 des Zwischenträgers 18 verhindert. Die Federelemente 22a, 22b wirken dabei axial zur Schnecke 16 (Richtung P), die Sperre quer zur Schnecke 16 (Richtung Q). Ein ansteigendes Moment am Schneckenrad 17 bewirkt nach Überschreiten der Vorspannkraft eine Auslenkung der Federelemente 22a, 22b und ein Verschieben des Stiftes 29 in axiale Richtung, wie dies in 3a und 3b aufgezeigt ist. Das Verschieben erfolgt eigentlich gekoppelt mit einer Drehbewegung, da die Entkoppelbewegung im Falle des Ausführungsbeispiels keine rein translatorische Bewegung ist. Wird eine definierte Auslenkung überschritten, drückt die querangeordnete Blattfeder 19 den Stift 29 zusammen mit dem Zwischenträger 18 in eine entkoppelnde Richtung, wie in 3b dargestellt. Hierbei wird der Kraftfluss im Schneckengetriebe 15 sodann vollständig unterbrochen, da die Schnecke 16 aufgrund der Bewegung des Zwischenträgers 18 außer Eingriff von dem Schneckenrad 17 ist. Aufgrund einer solchen sprunghaften Verstellung des Zwischenträgers 18 wird außerdem ein ungewolltes Rattern der Schnecke 16 über das Schneckenrad 17 vermieden. Die Auslenkfedern, d.h. die Federelemente 22a, 22b zentrieren den Stift 29 wieder in der Nulllage (siehe 3d), allerdings jetzt stabil in einer entkoppelten Position der Schnecke 16 aus dem Schneckenrad 17. Fasen an dem Stift 29 bewirken ein Herunterdrücken der Sperre 28, wenn der Stift 29 in seinem ausgekoppelten Zustand in Auslenkungsrichtung verstellt wird. Ein Aktuator kann, bei aktiver Betätigung, den Stift 29 bewegen und zwar über die passiv wirkende Sperre 28 hinweg wieder in die Ausgangsposition. Dort koppelt die Schnecke 16 wieder an das Schneckenrad 17 an und die Federelemente 22a, 22b spannen das System wieder vor.
Die 4 zeigt eine Ausführungsvariante bei der die Federeinrichtung zusammen mit dem Rastmittel ausgebildet ist, die Schnecke 16 mit einer überlagerten linearen Bewegung L und einer rotatorischen Bewegung R relativ zum Schneckenrad 17 zubewegen, um die Schnecke wahlweise mit dem Schneckenrad 17 in Eingriff zu bringen oder von dem Schneckenrad 17 außer Eingriff zu bringen. Das Rastmittel umfasst hierbei den Arretierungskörper 25 und den Rastkörper 24. Die Federelemente 22a, 22b dienen der stufenlosen Verstellung des Zwischenträgers 18 in einer zur Schneckendrehachse S der Schnecke 16 parallelen Richtung und die separate Feder 38 dient der sprunghaften Verstellung des Zwischenträgers 18 in einer quer zur Schneckendrehachse S der Schnecke 16 verlaufenden Richtung. Die Entkopplungsbewegung kann dabei auch eine Drehbewegung umfassen.
In den Varianten der 5 und 6 wird ein solches bistabiles Sperrelement durch den Arretierungskörper 25 gebildet, welcher den Rastkörper 24 arretiert, wobei der Rastkörper 24 in einer speziellen Nut 30 geführt ist. Die Nut 30 kann eine Dreiecksform aufweisen, oder eine Herzkurve oder eine Kulissenführung bilden.
Demgemäß weist das Rastmittel einen mit dem Zwischenträger 18 verbundenen, verstellbaren Rastkörper 24 auf, der in einer Führungsnut 30a auf einer Führungsbahn beweglich geführt ist, wobei das Rastmittel einen Arretierungskörper 25 aufweist, der ausgebildet ist, den Rastkörper 24 innerhalb der Führungsnut 30a in einer Position zu arretieren, wie dies in 5 und 6 dargestellt ist, in welcher der arretierte Rastkörper 24 den Zwischenträger 18 in einer Stellung hält, in der die Schnecke 16 mit dem Schneckenrad 17 in Eingriff ist, wobei die Führungsbahn der Führungsnut 30a außerdem ausgebildet ist, den Rastkörper 24 in eine Freigabeposition (8b, 8d und 9b, 9d) zu bewegen, wenn der Arretierungskörper 25 den Rastkörper 24 nicht arretiert, in welcher Freigabeposition der Rastkörper 24 den Zwischenträger 18 in eine Stellung bewegt, in der die Schnecke 16 von dem Schneckenrad 17 außer Eingriff ist.
In den Variante gemäß 6 besitzt abweichend zu 5 der Rastkörper 24 statt einer Auslenkfeder vielmehr zwei Auslenkfedern 31.1, 31.2, die in dieser besonderen Ausführung winklig, insbesondere im eingekoppelten, stabilen Zustand rechtwinkelig zueinander angestellt angeordnet sind, so dass die zwei Auslenkfedern 31.1, 31.2 auch einen Queranteil in ihrer Kraft besitzen. Die Feder 26.3 gemäß 5 kann somit entfallen. Die Feder 26.3 ersetzt bzw. fasst die Federelemente 22a und 22b zusammen.
Die Variante gemäß 7a bis 7c ist besonders vorteilhaft ausgeführt, da hier nur wenige einfache Elemente verwendet werden. So wurde die Nut 30 durch einen mittigen Sperrblock 33 ersetzt, der auf der Kontaktseite zum Rastkörper 24 hin eine sperrende hochgezogene Wirkfläche besitzt, gegenüberliegend jedoch abgeflacht z.B. mit Fase 34 ausgeführt ist. Die aktive Rückführung des Rastkörpers 24 kann dabei auf zwei unterschiedliche Arten erfolgen. Entweder ist, wie in 7b aufgezeigt, der Sperrblock 33 selbst federnd gelagert, z.B. über eine Blattfeder, die beim Überfahren durch den Rastkörper 24 zurückweicht, oder es ist, wie in 7c aufgezeigt, der Sperrblock 33 fest, d.h. starr positioniert ausgeführt und der Rastkörper 24 ist federnd gelagert und weicht beim Überfahren des Sperrblocks 33 aus.
Bei der Antriebseinheit wie in 2 dargestellt, ist eine quer angeordnete Blattfeder 19 so aufgehängt, dass eine Längsbewegung sowie eine Schwenkbewegung ermöglicht wird. Ein Verkippen aus der Zeichnungsebene hinaus wird über zwei parallel zur Zeichnungsebene angeordnete und auf den Zwischenträger 18 wirkende Führungsflächen verhindert, die hier nicht dargestellt sind.
Zwei versetzte Federelemente 22a, 22b hier beispielhaft parallel zueinander ausgerichtet, sind so angeordnet, dass sie sowohl eine zentrierende als auch durch das resultierende Moment eine entkoppelnde Funktion besitzen. Ggf. kann auch hier eine quer angeordnete Entkoppelfeder hinzugenommen werden. Die Federelemente 22a, 22b sind über verstellbare Hülsen 35.1, 35.2 insbesondere Gewindehülsen definiert gegeneinander ver- und vorspannbar und stützen sich einerseits am Gehäuse 14.2 des Glieds 12.2 ab und anderseits über Kraftmess-Vorrichtungen 21 an dem Zwischenträger 18. Die Kraftmess-Vorrichtungen 21 dienen zur Erfassung des auf das Glied 12.2 wirkendenden Abtriebmomentes. Das Schneckenrad 17 besitzt eine große Hohlwelle 36 um Energie- und Steuerungsleitungen 27 durch das Gelenk 12.1 zu führen. Das Schneckenrad 16 ist mit der Hohlwelle 36 verbunden, die einen Leitungskanal für Energie- und/oder Signalleitungen 27, insbesondere elektrische Energie- und/oder Signalleitungen 27 bildet, wobei eine solche Energie- und/oder Signalleitungen 27 durch eine Zentrumsöffnung des Schneckenrads 17 hindurchgeführt ist. Ein zentrales Element ist auch hier wieder die Sperreinheit, bestehend aus einem Stift 29, verbunden mit dem Zwischenträger 18, und der gefederten Sperre 28. In dem in 2 gezeigten Zustand wird der Stift 29 durch das Federmoment der Federelemente 22a, 22b so gegen eine steile Flanke der Sperre 28 gedrückt, dass die Schnecke 16 am Schneckenrad 17 in Eingriff verbleibt. Ein definiertes externes Moment verschiebt dann den Stift 29 relativ zur Sperre 28 solange bis dieser über die steile Flanke der Sperre 28 hinaus neben die Sperre 28 gedrückt wird. Der Zwischenträger 18 schwenkt und der Antriebsstrang des Schneckengetriebes 15 wird sprunghaft entkoppelt. Der Stift 29 kann beispielsweise bis zu einer Gegenfläche des Gehäuses 14.2 geschoben werden. Die Federrückstellung bewirkt eine Verschiebung des Stiftes 29 quer zur Keilrichtung, wobei der federnd gelagerte Keil, vorzugsweise durch eine integrierte Kunststofffeder, von den Seitenflächen des Stiftes 29 nach unten gedrückt wird. Hierzu sind abgeschrägte, angefaste Seitenflächen am Stift 29 vorhanden, die wiederum auf abgeschrägte, angefaste Seitenflächen der Sperre 28 einwirken können. Eine Einkoppelbewegung kann aus der Stiftstellung sowohl über einen Aktuator, wie beispielsweise einen Elektrohubmagnet mit Hubzylinder, oder manuell durch ein händisches Herüberziehen des Zwischenträgers 18 gegen das Schneckenrad 17 erfolgen. Ggf. ist dabei eine minimale Drehbewegung der Welle der Schnecke 16 erforderlich, um den Einkoppelvorgang zu garantieren. Die ist nur der Fall, wenn die Position durch Teachen beigebracht, d.h. programmiert wurde und der Abtrieb somit nicht mehr bewegt werden soll. Ansonsten kann die notwendige Drehung zum Einkoppeln auch durch das Schneckenrad erfolgen.
Wie insbesondere in 2 ersichtlich, weist die Federvorrichtung 20 zur stufenlosen Verstellung des Zwischenträgers 18 wenigstens ein Federpaar 22 auf, das ausgebildet und angeordnet ist, in einem kraft- und/oder momentenlosen Zustand der sich im Eingriff mit dem Schneckenrad 17 befindlichen Schnecke 16, den Zwischenträger 18 in einer Grundstellung relativ zum zweiten Glied 12.2 zu halten und in einem kraft- und/oder momentenbelasteten Zustand der sich im Eingriff mit dem Schneckenrad 17 befindlichen Schnecke 16, den Zwischenträger 18 in Abhängigkeit der Kraft- und/oder Momentenbelastung an der Schnecke 16, aus der Grundstellung auszulenken, wie dies durch den Pfeil der Richtung P angedeutet ist.
Im Falle der Ausführung gemäß 2 weist das wenigstens eine Federpaar 22 zwei Zugfedern oder zwei Druckfedern auf (Federelemente 22a, 22b), wobei die eine Zugfeder oder die eine Druckfeder sich einerseits an einem ersten axialen Ende des Zwischenträger 18 und andererseits an dem zweiten Glied 12.2 abstützt und die andere Zugfeder oder die andere Druckfeder sich einerseits an einem dem ersten axialen Ende des Zwischenträger 18 gegenüberliegendem zweiten axialen Ende des Zwischenträger 18 und andererseits an dem zweiten Glied 12.2 abstützt. Die Federelemente 22a, 22b sind über verstellbare Hülsen 35.1, 35.2 insbesondere Gewindehülsen definiert gegeneinander ver- und vorspannbar und stützen sich einerseits am Gehäuse 14.2 des Glieds 12.2 ab und anderseits über Kraftmess-Vorrichtungen 21 an dem Zwischenträger 18. Die Kraftmess-Vorrichtungen 21 dienen zur Erfassung des auf das Glied 12.2 wirkendenden Abtriebmomentes.
Die beiden Zugfedern des Federpaars 22 oder die beiden Druckfedern des Federpaars 22 sind in einer zur Schneckendrehachse S der Schnecke 16 parallelen Richtung zueinander versetzt angeordnet.
Zwischen dem Zwischenträger 18 und dem zweiten Glied 12.2 ist die Kraftmess-Vorrichtung 21 angeordnet, die ausgebildet ist, diejenige Kraft zu erfassen, welche von dem Schneckenrad 17 auf die Schnecke 16 übertragen wird, wobei aufgrund dieser Kraft mittels der Federvorrichtung 20, insbesondere mittels des wenigstens einen Federpaars 22, eine Verstellung des Zwischenträgers 18 bezüglich des zweiten Glieds 12.2 bewirkt wird, um die Kraft über den Zwischenträger 18 hinweg auf die Kraftmess-Vorrichtung 21 zu übertragen.
Der Zwischenträger 18 ist demgemäß lediglich in einem einzigen Freiheitsgrad stufenlos beweglich, insbesondere in einer translatorischen Richtung stufenlos beweglich, an dem zweiten Glied 12.2 gelagert.
Die Schnecke 16 ist im Falle der Ausführung gemäß 2 mit einer Motorwelle 37 eines die Schnecke 16 antreibenden Motors M3 verbunden und der Zwischenträger 18 weist sowohl die Schnecke 16, als auch den Motor M3 auf.
In einer nicht dargestellten Abwandlung kann die Schnecke 16 mit der Motorwelle 37 des die Schnecke 16 antreibenden Motors M3 verbunden sein und zwar derart, dass die Schnecke 16 auf der Motorwelle 37 zwar drehfest, aber axial verschiebbar gelagert ist, wobei der Zwischenträger 18 lediglich die Schnecke 16 aufweist und der Motor M3 separat von dem Zwischenträger 18 an dem zweiten Glied 12.2 angeordnet, insbesondere mit seinem Motorgehäuse an dem zweiten Glied 12.2 befestigt sein kann.
Der Zwischenträger 18 ist gemäß 2 zwischen zwei gegenüberliegenden Kraftmess-Vorrichtungen 21 positioniert und die eine Kraftmess-Vorrichtung 21 ist ausgebildet, eine Kraft in einer ersten Richtung zu erfassen und die andere Kraftmess-Vorrichtung 21 ist ausgebildet, eine Kraft in einer zur ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung zu erfassen. So kann an demselben Gelenk 11 sowohl ein linksdrehendes Drehmoment gemessen werden, als auch ein rechtsdrehendes Drehmoment gemessen werden.
Wie durch 3a bis 3d veranschaulicht ist, kann die Federvorrichtung 20 zur sprunghaften Verstellung des Zwischenträger 18 eine Federeinrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, die Schnecke 16 von dem Schneckenrad 17 wegzudrücken, und ein Rastmittel 28a vorgesehen ist, das ausgebildet ist, in einer Rastposition (3a) des Ratsmittels 28a die Schnecke 16 gegen die Federkraft der Federeinrichtung gegen das Schneckenrad 17 zu drücken, derart, dass die Schnecke 16 mit dem Schneckenrad 17 in Eingriff ist, und in einer Freigabeposition (3b-3d) des Rastmittels 28a die Schnecke 16 mittels der Federeinrichtung von dem Schneckenrad 17 wegbewegt wird, derart, dass die Schnecke 16 von dem Schneckenrad 17 außer Eingriff ist.

Claims

Roboterarm, aufweisend: mehrere Glieder (12) und mehrere Gelenke (11), welche die Glieder (12) gelenkig miteinander verbinden, wobei die Glieder (12) in Zusammenwirken mit den Gelenken (11) ausgebildet sind, eine Last zu tragen und diese im Raum zu bewegen, Antriebe (M1-M6), die jeweils einen Motor und ein zugeordnetes Getriebe umfassen und die zum automatischen Verstellen des jeweils zugeordneten Gelenks (11) ausgebildet sind, um die Glieder (12) zu bewegen, und wenigstens ein Schneckengetriebe (15), das eine Schnecke (16) und ein von der Schnecke (16) antreibbares Schneckenrad (17) umfasst, wobei das Schneckenrad (17) mit einem ersten Glied (12.1) der Glieder (12) verbunden ist und die Schnecke (16) an einem Zwischenträger (18) um ihre Schneckendrehachse (S) drehbar gelagert ist, und der Zwischenträger (18) an einem zweiten Glied (12.2) der Glieder (12) über wenigstens eine Federvorrichtung (20) gelagert ist, die ausgebildet ist, den Zwischenträger (18) in einer zur Schneckendrehachse (S) der Schnecke (16) parallelen Richtung stufenlos verstellbar und in einer zur Schneckendrehachse (S) der Schnecke (16) verschieden verlaufenden Richtung sprunghaft verstellbar zu lagern.
Roboterarm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Federvorrichtung (20) zur stufenlosen Verstellung des Zwischenträgers (18) wenigstens ein Federpaar aufweist, das ausgebildet und angeordnet ist, in einem kraft- und/oder momentenlosen Zustand der sich im Eingriff mit dem Schneckenrad (17) befindlichen Schnecke (16), den Zwischenträger (18) in einer Grundstellung relativ zum zweiten Glied (12.2) zu halten und in einem kraft- und/oder momentenbelasteten Zustand der sich im Eingriff mit dem Schneckenrad (17) befindlichen Schnecke (16), den Zwischenträger (18) in Abhängigkeit der Kraft- und/oder Momentenbelastung an der Schnecke (16), aus der Grundstellung auszulenken.
Roboterarm nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Federpaar zwei Zugfedern oder zwei Druckfedern aufweist, wobei die eine Zugfeder oder die eine Druckfeder sich einerseits an einem ersten axialen Ende des Zwischenträger (18) und andererseits an dem zweiten Glied (12.2) abstützt und die andere Zugfeder oder die andere Druckfeder sich einerseits an einem dem ersten axialen Ende des Zwischenträger (18) gegenüberliegendem zweiten axialen Ende des Zwischenträger (18) und andererseits an dem zweiten Glied (12.2) abstützt.
Roboterarm nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Zugfedern des Federpaars oder die beiden Druckfedern des Federpaars in einer zur Schneckendrehachse (S) der Schnecke (16) zumindest im Wesentlichen parallelen Richtung zueinander versetzt angeordnet sind.
Roboterarm nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Zwischenträger (18) und dem zweiten Glied (12.2) wenigstens eine Kraftmess-Vorrichtung (21) angeordnet ist, die ausgebildet ist, diejenige Kraft oder dasjenige Drehmoment insbesondere tangential zu erfassen, welche von dem Schneckenrad (17) auf die Schnecke (16) übertragen wird, wobei aufgrund dieser Kraft mittels der Federvorrichtung (20), insbesondere mittels des wenigstens einen Federpaars, eine Verstellung des Zwischenträgers (18) bezüglich des zweiten Glieds (12.2) bewirkt wird, um die Kraft über den Zwischenträger (18) hinweg auf die Kraftmess-Vorrichtung (21) zu übertragen.
Roboterarm nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenträger (18) zwischen zwei gegenüberliegenden Kraftmess-Vorrichtungen (21) positioniert ist und die eine Kraftmess-Vorrichtung (21) ausgebildet ist, eine Kraft in einer ersten Richtung zu erfassen und die andere Kraftmess-Vorrichtung (21) ausgebildet ist, eine Kraft in einer zur ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung zu erfassen.
Roboterarm nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Federvorrichtung (20) zur sprunghaften Verstellung des Zwischenträger (18) eine Federeinrichtung aufweist, die ausgebildet ist, die Schnecke (16) von dem Schneckenrad (17) wegzudrücken, und ein Rastmittel vorgesehen ist, das ausgebildet ist, in einer Rastposition des Rastmittels die Schnecke (16) gegen der Federkraft der Federeinrichtung gegen das Schneckenrad (17) zu drücken, derart, dass die Schnecke (16) mit dem Schneckenrad (17) in Eingriff ist, und in einer Freigabeposition des Rastmittels die Schnecke (16) mittels der Federeinrichtung von dem Schneckenrad (17) wegbewegt wird, derart, dass die Schnecke (16) von dem Schneckenrad (17) außer Eingriff ist.
Roboterarm nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung zusammen mit dem Rastmittel ausgebildet ist, die Schnecke (16) mit einer linearen Bewegung relativ zum Schneckenrad (17), insbesondere mit einer linearen Bewegung radial zum Schneckenrad (17) oder mit einer linearen Bewegung parallel zur Drehachse des Schneckenrads (17), wahlweise mit dem Schneckenrad (17) in Eingriff zu bringen oder von dem Schneckenrad (17) außer Eingriff zu bringen.
Roboterarm nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung zusammen mit dem Rastmittel zum automatischen Schalten bei einem voreingestellten positiven oder negativen Maximalmoment ausgebildet ist.
Roboterarm nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung zusammen mit dem Rastmittel zum Schalten aufgrund eines Steuerungssignals, insbesondere elektrischen Steuerungssignals einer den Roboterarm (2) steuernden Robotersteuerung (13) ausgebildet ist.
Roboterarm nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung zusammen mit dem Rastmittel zum manuellen Schalten ausgebildet ist.
Roboterarm nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Rastmittel einen mit dem Zwischenträger (18) verbunden, verstellbaren Rastkörper (24) aufweist, der in einer Führungsnut (30a) auf einer Führungsbahn beweglich geführt ist, wobei das Rastmittel einen Arretierungskörper (25) aufweist, der ausgebildet ist, den Rastkörper (24) innerhalb der Führungsnut (30a) in einer Position zu arretieren, in welcher der arretierte Rastkörper (24) den Zwischenträger (18) in einer Stellung hält, in der die Schnecke (16) mit dem Schneckenrad (17) in Eingriff ist, wobei die Führungsbahn der Führungsnut (30a) außerdem ausgebildet ist, den Rastkörper (24) in eine Freigabeposition zu bewegen, wenn der Arretierungskörper (25) den Rastkörper (24) nicht arretiert, in welcher Freigabeposition der Rastkörper (24) den Zwischenträger (18) in eine Stellung bewegt, in der die Schnecke (16) von dem Schneckenrad (17) außer Eingriff ist.
Roboterarm nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Rastmittel einen Stift (29) und eine korrespondierende Sperre (28) aufweist, wobei Stift (29) und Sperre (28) derart ausgebildet sind, dass ein ansteigendes Moment am Schneckenrad (17) nach Überschreiten der Vorspannkraft eine Auslenkung der Federelemente (22a, 22b) bewirkt und ein sich daraus ergebendes Verschieben des Stiftes (29) in axiale Richtung ein Lösen des Stiftes (29) von der Sperre (28) bewirkt, so dass der Zwischenträger (18) in eine entkoppelnde Stellung gelangt, wodurch der Kraftfluss im Schneckengetriebe (15) vollständig unterbrochen wird und anschließend die Federelemente (22a, 22b) den Stift (29) wieder in einer Nulllage zentrieren, allerdings jetzt stabil in einer entkoppelten Position der Schnecke (16) aus dem Schneckenrad (17).