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Die Erfindung betrifft einen Klemmgreifer für einen Roboterarm, der so gestaltet ist, dass er leichte Gegenstände ergreift, beispielsweise Petrischalen, und sich zusammensetzt aus: einem Stützgehäuse, Greifarmen oder -backen in Translation im Hinblick auf das Gehäuse, einem Antriebssystem für die Greifarme, das einen geradlinigen Antriebsmechanismus aufweist, der nur einen der Greifarme, „Betriebsarm“ genannt, betreibt, der den anderen Greifarm mit Hilfe eines Verbindungsmechanismus betreibt, der eine gleichzeitige Betätigung des anderen Arms in Gegenrichtung erzeugt.
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Der Betriebsarm wird durch eine Kompressionsfeder betrieben, deren Formänderung gemessen wird, um die ausgeübte Klemmkraft zu begrenzen.
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Technisches Gebiet
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Die Erfindung gehört zum Gebiet des Ergreifens und Manipulierens kleiner Gegenstände, beispielsweise Petrischalen, mit Hilfe von Roboterarmen. Besonders geeignet ist die Erfindung für Roboterarme, mit denen Inkubatoren oder Labor-Öfen ausgestattet sind, die Bakterienwachstum beobachten sollen. Beispielsweise kann diese Art von Vorrichtung in Labors der Agrar- und Ernährungs-, medizinischen, kosmetischen, chemischen und pharmazeutischen Industrie realisiert sein.
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Stand der Technik
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Bekannt sind Greifvorrichtungen mit parallelen Armen, die mit einem Antriebsmechanismus gekoppelt sind, der beide Arme näher aufeinander zu oder weiter voneinander weg bewegen kann. Die Betriebsvorrichtung weist ein Ritzel auf, das gleichzeitig in zwei Zahnstangen eingreift, wobei jede Zahnstange mit einem Arm verbunden ist. Die Drehbetätigung des Ritzels, das mit einem Elektromotor koaxial verbunden ist, ermöglicht die Translation der Arme mit Hilfe der Translationsführungseinrichtung. In bakteriologischen Inkubatoren liegt der Klemmgreifer für Petrischalen am Ende des Roboterarms. Nachteilig bei der Anwendung eines solchen Klemmgreifers auf einen Roboterarm in einem Inkubator wäre die gewichtige einseitig eingespannte Masse, anders gesagt das erhebliche Moment, das an der Basis des Roboterarms ausgeübt wird.
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Mit der Erfindung wird bezweckt, den Nachteil des Stands der Technik teilweise oder vollständig auszugleichen und insbesondere eine Klemme mit parallelen Armen vorzuschlagen, die Durcheinanderminderung ermöglichen, während zerbrechliche Gegenstände mit verschiedenen Durchmessern ergriffen werden können und die Klemmkraft überwacht wird.
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Offenbarung der Erfindung
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- - Mindestens eine Aufgabe wird gelöst, wenn die Greifvorrichtung aufweist:
- - ein Stützgehäuse,
- - mindestens eine Führungseinrichtung,
- - mindestens zwei Greifarme, die im Hinblick aufeinander und auf das Stützgehäuse mittels mindestens einer Führungseinrichtung zwischen mindestens einer Ausgangsposition, in der beide Greifarme in „Klemmposition“ nahe aneinander liegen, und mindestens einer zweiten Position, in der beide Klemmarme in „Ruheposition“ ausgespreizt sind, und umgekehrt beweglich sind,
- - einen motorisierten Antriebsmechanismus der Greifarme, der jeweils einen oder den anderen oder beide zwischen der ersten und der zweiten Position betreibt.
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Mit Stützgehäuse ist der Rahmen oder das Chassis der Greifvorrichtung bezeichnet. Das Stützgehäuse könnte ein einzelnes Stück mit einem Stützgehäuse oder der Rahmen eines Roboterarms sein, an dem die Greifvorrichtung befestigt ist.
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Erfindungsgemäß weist der Antriebsmechanismus ein Betriebsteil auf, das nur auf einen Greifarm wirkt und „Betriebsarm“ genannt wird. Die Greifvorrichtung weist einen Verbindungsmechanismus zwischen den beiden Greifarmen auf. Der Betriebsarm wirkt auf den anderen Greifarm mit Hilfe des Verbindungsmechanismus, der eine gleichzeitige Bewegung des anderen Greifarms in Gegenrichtung erzeugt, wobei diese Bewegungen beispielsweise im Hinblick auf das Stützgehäuse Ausdruck finden. Vorzugsweise ist der Verbindungsmechanismus nur mechanisch.
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Erfindungsgemäß ist ein Nutzeffekt der Vorrichtung reduziertes Durcheinander, besonders senkrecht. Ferner hat sie den Vorteil, zerbrechliche, weiche Gegenstände mit unterschiedlichen Durchmessern zu ergreifen, während die Klemmkraft überwacht wird. Außerdem hat sie den Vorteil, Gegenstände schneller als Vorrichtungen ergreifen zu können, die beispielsweise mit einem Dehnungsmesser ausgestattet sind. In der Situation, in der die Greifvorrichtung am Ende eines Roboterarms liegt, ermöglicht diese Gestaltung zusätzlich, die an diesem Ende liegende Masse zu begrenzen und dadurch mechanische Beanspruchungen in den Verbindungen des Roboterarms zu begrenzen.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Verbindungsmechanismus mindestens auf:
- - ein Zahnrad, das im Hinblick auf das Stützgehäuse drehbar eingebaut ist,
- - mindestens zwei Verbindungszahnstangen, die an den Greifarmen jeweils so angebaut sind, dass das Zahnrad mit den beiden Verbindungszahnstangen durch Eingriff zusammenwirkt.
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Der Antriebsmechanismus hat den Vorteil, eine gleichzeitige und genaue Bewegung der Greifarme zu ermöglichen.
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Beispielsweise ist das Rad frei auf seiner Achse angebaut, zum Beispiel einer feststehenden Drehwelle.
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Vorzugsweise ist die Raddrehachse im Hinblick auf das Stützgehäuse feststehend, und die Zahnstangen haben identische Zähne und/oder sie greifen an der gleichen Radverzahnung ein.
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Die Zahnstangen sind an den Greifarmen so angeordnet, dass beide im Hinblick auf die Andere geradlinig translatieren, so dass die Linearbewegung des Betriebsarms eine gleichzeitige und entgegengesetzte Linearbewegung des anderen Greifarms auslöst. Eine Bewegung des Betriebsarms führt zu einer Bewegung des zweiten Arms über Kopplung mit Hilfe des Zahnrads und der Zahnstangen. Jede Zahnstange ist an einem der Greifarme befestigt und wirkt mit dem Zahnrad durch Eingriff zusammen, so dass sich die Zahnstangen bei Drehung des Zahnrads in Gegenrichtungen bewegen. Der Verbindungsmechanismus ermöglicht eine symmetrische Bewegung der beiden Arme im Hinblick auf das Zahnrad.
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Werden beispielsweise das Zahnrad und die Zahnstangen ersetzt, ist gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verbindungsmechanismus ein Verbindungsmechanismus vorgesehen, der aufweist:
- - einen Hebel, der im Hinblick auf das Stützgehäuse drehbar um eine Achse eingebaut ist, die senkrecht zur Bewegungsebene der Arme ist, wobei die Drehachse zum Beispiel wahrnehmbar in der Mitte des Hebels liegt und dieser Hebel ein Langloch auf beiden Seiten der Achse aufweist, und mindestens zwei Führungsstifte oder -blöcke, die jeweils an den Greifarmen so befestigt sind, dass jeder Führungsstift in einem Langloch des Hebels eingesetzt ist und mit ihm durch Nockenwirkung zusammenwirkt, um eine Verbindung zwischen der Drehung des Hebels und einer symmetrischen Translation der Arme zu erzeugen.
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Vorzugsweise hat der Hebel eine geradlinige Form. Zudem kann er N-förmig oder Z-förmig sein. Vorzugsweise sind die Langlöcher geradlinig. Sie können gekrümmt sein. Ihre Längen werden unter der Bewegungsbahn jedes Greifarms so bestimmt, dass jeder Führungsstift in ein Langloch gleiten kann, wenn die Greifarme aus der Klemmposition in die Ruheposition und umgekehrt translatieren.
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Werden beispielsweise das Zahnrad und die Zahnstangen ersetzt, ist gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verbindungsmechanismus ein Verbindungsmechanismus vorgesehen, der aufweist:
- - mindestens zwei Riemenscheiben, die am Stützgehäuse so angebaut sind, dass sie frei drehen,
- - mindestens zwei Führungsstifte oder -blöcke, die jeweils an den Greifarmen befestigt sind, einen Riemen, der so platziert ist, dass er mit den Riemenscheiben auf solche Weise zusammenwirkt, dass er zwei parallele Stränge bildet, während er sich in Gegenrichtung zwischen den Riemenscheiben bewegt, wobei jeder Strang an einem Führungsstift befestigt ist.
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Die Drehachse der Riemenscheiben liegt vorzugsweise außerhalb der Zone zwischen den beiden Armen, wenn sie in Ruheposition ausgespreizt sind. Jeder Führungsstift ist mit dem Riemen durch einen Flansch verbunden, beispielsweise einen Stift.
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In jedem Fall ermöglicht der Verbindungsmechanismus, die Bewegung der beiden Arme zu synchronisieren (oder zu koppeln), vorzugsweise so, dass die Bewegung der Arme in Gegenrichtungen und in gleichem Abstand verläuft.
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Gemäß einem bevorzugten Modus, der wahrscheinlich mit jeder Ausführungsform kompatibel ist, weist die Greifvorrichtung mindestens eine Führungseinrichtung auf, die so angeordnet ist, dass sie eine Translationsführung der Greifarme im Hinblick auf das Stützgehäuse und entlang mindestens einer Führungseinrichtung durchführt. Beispielsweise ist mindestens eine Führungseinrichtung einteilig mit der Stütze.
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Vorzugsweise weist der Antriebsmechanismus ein Betriebsteil auf, das eine geradlinige Betätigung des Betriebsarms durchführt, um ihn entlang der Führungseinrichtung zu translatieren, im Fall der Greifarme aus der Ruheposition in die Klemmposition oder umgekehrt durch eine geradlinige Translation umzuschalten.
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Auf bevorzugte Weise liegt das Betriebsteil an einem Roboterarm und ist beispielsweise in einer Richtung angeordnet, die parallel zur Längsorientierung des Arms ist. Das Betriebsteil betätigt den Betriebsarm in einer Richtung, die parallel zur Translation ist. Der Betriebsarm betätigt selbst den entgegengesetzten Greifarm mit Hilfe des Verbindungsmechanismus. Dieses Merkmal ermöglicht die Verteilung der Masse des Antriebsmechanismus entlang des Roboterarms.
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Vorzugsweise verfügt das Betriebsteil über einen Spindel-Mutter-Mechanismus, der durch Zusammenwirken einer ersten Komponente und einer zweiten Komponente gebildet ist, wobei die erste Komponente durch mindestens eine Führungseinrichtung stranggeführt wird und die zweite Komponente in Drehung durch einen Motor so angetrieben wird, dass sie zur Translation der ersten Komponente entlang mindestens einer Führungseinrichtung führt. Die erste Komponente gleitet auf oder um mindestens eine Führungseinrichtung. Die erste Komponente ist mit dem Betriebsarm verbunden, um seine Bewegung in einer geradlinigen Translation auszulösen. Der Spindel-Mutter-Mechanismus hat den Vorteil, kompakt und mit einem rotierenden Motor leicht verbindbar zu sein.
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Der Motor ist so angeordnet und strukturiert, dass er den Antriebsmechanismus in Bewegung versetzt. Vorzugsweise ist der Motor ein Schrittmotor. Vorzugsweise ist der Motor innerhalb des Roboterarms eingebaut, zum Beispiel an einem Ende des Arms, das entgegengesetzt zu dem Ende des Arms ist, das die Greifvorrichtung trägt.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Führungseinrichtung eine oder mehrere Führungsstangen auf, die am Stützgehäuse befestigt sind und auf denen die erste Komponente des Betriebsteils gleitet, oder umgekehrt. Eine oder mehrere Führungsstangen sind angeordnet, um eine Translationsführung der Greifarme durchzuführen. Vorzugsweise sind die Stangen parallel zueinander angeordnet. Beispielsweise sind die Führungsstangen am Stützgehäuse befestigt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Stangen den Rahmen eines Roboterarms bilden.
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Die Führungsstangen sind angeordnet, um eine Translationsführung der Greifarme im Hinblick auf das Stützgehäuse und entlang der Führungsstangen durchzuführen. Beispielsweise ist (sind) die Führungsstange(n) zylindrisch. Mindestens eine Führungsstange durchquert die Greifarme, so dass sie auf mindestens einer Führungsstange geradlinig gleiten. Die Führungsstangen ermöglichen sowohl das Halten der Greifarme als auch ihre Translationsführung.
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Die erste Komponente des Betriebsteils gleitet auf einer oder mehreren Führungsstangen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die erste Komponente des Betriebsteils an einer oder mehreren Führungsstangen befestigt, und die Kombination gleitet im Hinblick auf das Gehäuse.
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Mit Bezug auf die erste Ausführungsform des hier zuvor beschriebenen Verbindungsmechanismus sind die Zahnstangen beispielsweise parallel zu mindestens einer Führungsstange angeordnet.
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Vorzugsweise weist die erste Komponente des Spindel-Mutter-Mechanismus eine Mutter auf, die auf der Führungseinrichtung gleitet und deren Translation den Betriebsarm in Bewegung setzt. Ist die Führungseinrichtung durch eine oder mehrere Führungsstangen ausgeführt, gleitet die Mutter beispielsweise auf den Stangen. Die zweite Komponente des Spindel-Mutter-Mechanismus weist eine Betriebsspindel auf. Optional liegt die Betriebsspindel zwischen den Führungsstangen und ist parallel zu ihnen. Dieser Aufbau hat den Vorteil, eine kompakte Vorrichtung zu bilden.
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Optional, aber mit jeder bisher beschriebenen Ausführungsform potenziell kompatibel, weist die Greifvorrichtung eine Klemmkraft-Begrenzungseinrichtung auf. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bewegt das Betriebsteil den „Betriebsarm“ mit Hilfe der Klemmkraft-Begrenzungseinrichtung. In diesem Fall bewegt die erste Komponente des Betriebsteils den „Betriebsarm“ mit Hilfe der Klemmkraft-Begrenzungseinrichtung. Vorzugsweise ist das erste Element des Betriebsteils eine Mutter.
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Die Klemmkraft-Begrenzungseinrichtung arbeitet durch Messung der übertragenen Kraft, die ausgeübt wird, um die Bewegung des Betriebsarms zur Klemmposition zu begrenzen und zu verhindern, das der durch die Arme ergriffene Gegenstand zu stark erfasst wird. Bei der Messung der ausgeübten Kraft handelt es sich zum Beispiel um eine Messung der Formänderung, beispielsweise der linearen, als Ergebnis der Kraft, die in der Klemmkraft-Begrenzungseinrichtung ausgeübt und übertragen wird. Die Klemmkraft-Begrenzungseinrichtung beschränkt oder verhindert eine Beeinträchtigung des Gegenstands beim Klemmen, z. B. sein Zerbrechen, Verformen oder Markieren an bestimmten Stellen.
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Beispielsweise verfügt die Klemmkraft-Begrenzungseinrichtung über eine Feder, die sich unter der auf den ergriffenen Gegenstand ausgeübten Klemmkraft verformt. In diesem Fall wird das Maß der ausgeübten Kraft durch Messen der Verformung der Feder erhalten, insbesondere der Kompression, da die Steifigkeitskonstante der Feder bereits bekannt ist. Vorzugsweise ist die Feder auf einer Führungsstange konzentrisch angeordnet. Die Feder ist auf einer Führungsstange und um sie herum konzentrisch angeordnet. Dieser Aufbau hat den Vorteil, eine kompakte Vorrichtung zu bilden. Vorzugsweise weist die Klemmkraft-Begrenzungseinrichtung eine oder mehrere Federn auf, die so konfiguriert sind, dass jede Feder auf einer Führungsstange konzentrisch angeordnet ist.
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Die Feder ist so angeordnet, dass sie auf einer Auflagefläche des Betriebsteils und auf einer Betriebsfläche des Betriebsarms auf solche Weise ruht, dass sich bei Translation des Teils, um den Betriebsarm zur Klemmposition zu bewegen, die Feder zusammendrückt, sobald der Betriebsarm Kontakt mit dem ergriffenen Gegenstand herstellt. Die Auflagefläche des Betriebsteils ist zum Betriebsarm gerichtet. Die Betriebsfläche des Betriebsarms ist zur ersten Komponente des Betriebsteils gerichtet. Vorzugsweise ist es erwartet, dass eine Feder um jede Führungsstange liegt.
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In der Ruheposition stehen die Greifarme nicht in Kontakt mit dem zu ergreifenden Gegenstand. Die Klemmbegrenzungseinrichtung ist inaktiv, so dass der Abstand zwischen der ersten Komponente und dem Betriebsarm erkennbar konstant ist.
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Optional, aber mit jeder Ausführungsform kompatibel, weist die Vorrichtung eine Erfassungseinrichtung auf, die die Formänderung der Klemmbegrenzungseinrichtung detektiert oder misst, um eine Einschätzung der Klemmkraft bereitzustellen, die auf den ergriffenen Gegenstand ausgeübt wird. Beispielsweise weist die Erfassungseinrichtung einen optischen Sensor auf, der an einem Element befestigt ist, das auf der ersten Komponente oder auf dem Betriebsarm liegt. Der Sensor detektiert das Vorhandensein oder Fehlen einer Metallzunge oder eines Fingers, die (der) auf dem anderen Element aus erster Komponente und Betriebsarm befestigt ist. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, einfach und erschwinglich zu sein. Der Sensor und die Metallzunge nähern sich stärker aneinander an, wenn die Feder zusammengedrückt wird, und eine Einstellung des Klemmkraftschwellwerts ist durch Translationseinstellung der Position des Sensors und/oder der Metallzunge möglich. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, einfach zu sein und eine genaue Einstellung der Klemmkraft der Arme zu ermöglichen.
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Vorzugsweise weist die Klemmerfassungseinrichtung einen optischen Sensor auf, der an der ersten Komponente so angebaut ist, dass sie mit mindestens einer Markierung zusammenwirken, die am Betriebsarm angebracht ist, und sich zur ersten Komponente erstrecken, so dass er die Position der Markierung und damit die Kompression mindestens einer Feder bestimmt. Beispielsweise ist die Markierung mit einer Skala versehen. Vorzugsweise ist der optische Sensor ein Gabelsensor, und die Metallzunge ist so angeordnet und konfiguriert, dass sie sich zwischen dem Sender und dem Empfänger des Sensors bewegt, wenn mindestens eine Feder zusammengedrückt wird.
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Optional weist die Vorrichtung ein Zuggelenk auf, um den Betriebsarm in die Ruheposition zu ziehen. Beispielsweise durchquert das Zuggelenk den Betriebsarm und hat eine Schulter, die bei Betätigung zur Ruheposition auf einer Oberfläche des Betriebsarms ruht, die zum anderen Arm weist, um den Betriebsarm zur Ruheposition zu bewegen. Vorzugsweise ist das Zuggelenk an der Mutter des Spindel-Mutter-Mechanismus des Betriebsteils angebracht. Das Zuggelenk ermöglicht, die Vorrichtung leicht und schnell wieder in die Ruheposition zu versetzen. Insbesondere ist das Zuggelenk eine Zylinderstange.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Roboterarm vorgeschlagen, der eine Greifvorrichtung aufweist, die einem oder mehreren der vorstehenden Merkmale entspricht.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein bakteriologischer Inkubator vorgeschlagen, der aufweist: eine Greifvorrichtung, die einem oder mehreren der vorstehenden Merkmale entspricht, oder einen Roboterarm, der dem vorgenannten Aspekt entspricht und so angeordnet ist, dass er Behälter für bakteriologische Kulturen ergreift.
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Figurenliste
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Zusätzliche Merkmale und Nutzeffekte der Erfindung gehen aus der näheren Beschreibung von Realisierungen und Ausführungsformen ohne Einschränkungen sowie den beigefügten Zeichnungen hervor. Es zeigen:
- - 1 eine Perspektivansicht eines Roboterarms, der eine Greifvorrichtung der Erfindung aufweist;
- - 2, 3 und 4 Unteransichten auf die Greifvorrichtung gemäß 1, die die Vorrichtung vollständig offenbaren, wobei 2 die Vorrichtung in Ruheposition zeigt, 3 die Vorrichtung in Kontaktposition mit einem ergriffenen Gegenstand zeigt und 4 die Vorrichtung in Klemmposition zeigt;
- - 5 eine schematische Perspektivansicht eines Zahnrad-Zahnstangen-Verbindungsmechanismus zwischen zwei Greifarmen der Greifvorrichtung nach einer Ausführungsform, der ermöglicht, die Greifarme gleichzeitig in Bewegung zu versetzen, wobei die Position der Greifarme insbesondere die gleiche wie in 2 ist;
- - 6 eine schematische Ansicht der Vorrichtung gemäß 1 bis 4 und gemäß einer Ausführungsform, die einem Längsschnitt folgt, der die Drehachse eines Betriebsteils durchläuft, und insbesondere das Zuggelenk eines an einem Greifarm zeigt;
- - 7 und 8 Unteransichten auf die Greifvorrichtung gemäß 1, die schematisch und ohne Klemmbegrenzungseinrichtung oder Erfassungseinrichtung gezeigt sind, wobei jede Darstellung eine Ausführungsform des Verbindungsmechanismus zeigt, die sich von 2, 3 und 4 unterscheidet:
- in 7 mit Nockenwirkungsübertragung und
- in 8 mit Übertragung durch Riemenscheibe und Riemen.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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Diese Ausführungsformen sind unverändert einschränkend; insbesondere sind Varianten der Erfindung vorstellbar, die nur eine Auswahl der anschließend beschriebenen Merkmale isoliert von den anderen aufweisen würden, die beschrieben werden, da diese Auswahl von Merkmalen als Angebot eines technischen Nutzens oder zur Unterscheidung der Erfindung in Bezug auf den Stand der Technik nachgewiesen ist. Diese Auswahl weist mindestens ein bevorzugtes Funktionsmerkmal ohne spezifische Struktureigenschaften oder nur mit einem Bestandteil von Struktureinzelheiten auf, wenn dieser einzelne Bestandteil ausreicht, für einen technischen Vorteil zu sorgen oder die Erfindung hinsichtlich des Stands der Technik zu unterscheiden.
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Insbesondere können alle beschriebenen Varianten und Ausführungsformen kombiniert werden, da aus technischer Sicht nichts dagegen spricht.
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1 zeigt einen Roboterarm 100, der so angeordnet und konfiguriert ist, dass er sich waagerecht und/oder senkrecht mit Hilfe von Mitteln oder Aktoren bewegt, die dem Fachmann bekannt sind. Der Roboterarm 100 weist eine Greifvorrichtung 1 auf, die an einem Ende des Arms angebaut ist. In diesem Beispiel ist die Greifvorrichtung eine Greifklemme.
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Hierbei weist die Greifvorrichtung zwei Greifarme 2, 3 mit einem ersten Greifarm 2 und einem zweiten Greifarm 3 auf, die so angeordnet und konfiguriert sind, dass einer zum anderen translatiert wird. Einer der Greifarme 2, 3 ist im Hinblick auf den anderen und auf ein Stützgehäuse 99 aus mindestens einer ersten Position, in der die Arme 2, 3 nahe aneinander liegen, auch „Klemmposition“ genannt (siehe 4), und mindestens einer zweiten Position, in der die Arme 2, 3 ausgespreizt sind, auch „Ruheposition“ genannt (siehe 2), und umgekehrt in Translation beweglich.
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Gemäß 2, 3, 4 und 5 erstrecken sich die Greifarme 2, 3 senkrecht zu ihrer gegenseitigen Bewegungsrichtung und haben hier symmetrische Formen im Hinblick auf eine Linie, die senkrecht zu eben dieser Translationsrichtung ist.
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Gemäß 1 bis 4 weist jeder Greifarm 2, 3 eine Greiffläche 21 bzw. 31 auf, die als Kreisbogen geformt sind oder ein konkaves Muster haben, das so gestaltet ist, dass es in Kontakt mit einem zu ergreifenden Gegenstand P kommt. Durch die Kreisbogenform können konvexe oder zylindrische Gegenstände leichter ergriffen werden. Ist gemäß 1 kein Gegenstand zwischen den Greifarmen 2, 3 platziert, weist die Greiffläche 21 des ersten Arms 2 zur Greiffläche 31 des zweiten Arms 3.
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Vorzugsweise hat jede Greiffläche 21, 31 eine Vorwölbung, ein Reliefmuster bzw. eine Ausstülpung. Gemäß 2, 3, 4 hat die Greiffläche 21 zwei Vorwölbungen 22, und die Greiffläche 31 hat zwei Vorwölbungen 32. Auf jedem Arm sind Vorwölbungen positioniert und entlang der Greiffläche mit einem solchen Abstand voneinander ausgespreizt, dass der durch die Arme ergriffene Gegenstand P Kontakt mit den Vorwölbungen und nicht mit dem Innenteil ihrer Greiffläche herstellt. Die Vorwölbungen ermöglichen, den zwischen ihnen ergriffenen Gegenstand P zu zentrieren, wenn die Arme sich dem zu ergreifenden Gegenstand nähern, d. h. wenn der Gegenstand P durch die Arme ergriffen wird, 3 und 4. Sind die Arme in Bewegung und stellen Kontakt mit einem Gegenstand über eine oder mehrere Vorwölbung(en) her, wirken sie so auf den Gegenstand, dass er zwischen den vier Vorwölbungen zentriert wird.
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Gemäß 2, 3 und 4 weist die Greifvorrichtung zwei Führungsstangen 4, 5 auf, die so angeordnet sind, dass sie eine Gleitführung der Greifarme 2, 3 im Hinblick auf das Gehäuse 99 und entlang der Stangen 4, 5 durchführen. Die Führungsstangen 4, 5 sind auf jeweils parallele Weise platziert und am Gehäuse 99 angebaut. Vorzugsweise sind die Führungsstangen zylindrisch und verlaufen über die Greifarme 2, 3.
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Die Greifvorrichtung 1 weist einen Antriebsmechanismus auf, der die Greifarme, einen im Hinblick auf den anderen, aus der ersten Position in die zweite Position in beiden Richtungen antreibt. Der Antriebsmechanismus weist einen Verbindungsmechanismus auf. Gemäß 2 und 5 weist der Verbindungsmechanismus ein Zahnrad 8 auf, das um eine feste Drehachse 8r im Hinblick auf das Stützgehäuse 99 beweglich und drehbar angebaut ist, derzeit auf einer am Gehäuse angebauten Welle (Gehäuse in 5 nicht sichtbar). Die Drehachse 8r ist zwischen den Greifarmen platziert. Der Verbindungsmechanismus weist zwei Verbindungszahnstangen auf, eine am Greifarm 2 angebaute erste Zahnstange 6 und eine am Greifarm 3 angebaute zweite Zahnstange 7. Die Zahnstangen 6, 7 sind parallel zueinander und wirken mit dem Zahnrad 8 durch Eingriff zusammen. Berücksichtigt man, dass die Greifarme 2, 3 entlang der Führungsstangen 4, 5 gleiten können, bewegen sich die Zahnstangen in Gegenrichtungen bei Drehung des Zahnrads 8. 5 zeigt den Mechanismus z. B. in Ruheposition wie in 2. Gemäß 2 sind die Zahnstangen parallel zu den Führungsstangen angeordnet. Der Zahnrad-Zahnstangen-Mechanismus ermöglicht, die Bewegung der beiden Arme 2, 3 zu synchronisieren (oder zu koppeln), vorzugsweise auf solche Weise, dass die Bewegung der Arme im Hinblick auf das Stützgehäuse symmetrisch wird. Vorzugsweise ist die Länge jeder Zahnstange insbesondere gleich oder etwas größer als die Strecke, die ein Arm aus der Ruheposition (siehe 2) in die Klemmposition (siehe 4) zurücklegt. Beispielsweise hat jede Zahnstange 6, 7 ein Längenmaß zwischen 5 und 10 Zentimetern.
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Gemäß 7 ist eine alternative Ausführungsform des Verbindungsmechanismus angenommen. Der Mechanismus weist einen Hebel 80 auf, der um eine feste Drehachse 8r im Hinblick auf das Stützgehäuse 99 beweglich und drehbar angebaut ist, wobei diese Achse zwischen den Greifarmen 2, 3 liegt. Der Hebel 80 hat die Form des geraden Riegels, wobei die Bohrung so gestaltet ist, dass sie die Drehachse 8r aufnimmt, die in der Mitte seiner Länge liegt. Der Hebel 80 weist ein Langloch 82, 83 an jedem Ende auf. Der Verbindungsmechanismus weist zwei Führungsstifte auf, einen ersten Führungsstift 86, der am ersten Greifarm 2 befestigt ist, und einen zweiten Führungsstift 87, der am zweiten Greifarm 3 befestigt ist. Erwartungsgemäß wirkt jeder Führungsstift mit den Längskanten eines Langlochs am Hebel zusammen. Der Führungsstift 86 entspricht dem Langloch 82, und der Führungsstift 87 entspricht dem Langloch 83. Bei Betätigung zur Klemmposition dreht der Hebel 80 im Uhrzeigersinn, und jeder Führungsstift gleitet in seinem Langloch zur Achse 8r, was die Arme näher aneinander führt; und umgekehrt beim Bewegen in die Ruheposition. Alternativ kann jedes Langloch an seinem Ende offen sein und kann somit eine Gabel bilden, die den Führungsstift einrahmt.
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Gemäß 8 ist eine zweite alternative Ausführungsform des Verbindungsmechanismus angenommen. Der Mechanismus weist zwei Riemenscheiben 92, 93 auf, die um eine feste Drehachse 8r im Hinblick auf das Stützgehäuse 99 beweglich und drehbar angebaut sind: eine erste Riemenscheibe 92 und eine zweite Riemenscheibe 93. Die Riemenscheiben sind außerhalb der Zone angebaut, die zwischen den Greifarmen in Ruheposition vorhanden ist. Die erste Riemenscheibe 92 ist in einem Abstand vom Greifarm 2 angeordnet, und die zweite Riemenscheibe 93 ist in einem Abstand oder entfernt vom Greifarm 3 angeordnet. Beispielsweise beträgt der Abstand zwischen der Außenfläche jedes Arms und dem Umfang einer Riemenscheibe wenige Millimeter bis mehrere Zentimeter, zum Beispiel 5 Zentimeter. Gemäß 8 ist die Riemenscheibe 93 am distalen Ende des Stützgehäuses 99 angeordnet, d. h. jenseits der beiden Greifarme und beispielsweise am Ende der Führungsstangen 4 und 5 (rechts in der Darstellung). Die Riemenscheibe 92 ist am Stützgehäuse selbst angeordnet, genau am Ende des Motors 11 (links in der Darstellung). Der Verbindungsmechanismus weist zwei Führungsstifte auf, einen am ersten Greifarm 2 befestigten ersten Führungsstift 96 und einem am zweiten Greifarm 3 befestigten zweiten Führungsstift 97. Zusätzlich weist der Mechanismus einen gespannten Riemen 90 auf, der die Riemenscheiben 92, 93 so umschließt, dass er zwei Stränge zwischen den Riemenscheiben bildet, einen auf jeder Seite der Riemenscheiben (in der Zeichnung einen darüber und den anderen darunter). Die Platzierung der Riemenscheiben in einem Abstand von den Greifarmen ermöglicht, die Stränge des Riemens in jeder von den Greifarmen eingenommenen Position zu spannen. Jeder Strang ist unbeweglich mit einem Führungsstift gekoppelt. Angesichts dessen, dass die Führungsstifte an entgegengesetzten Strängen liegen, führt jede Bewegung des einen zur Bewegung des anderen in Gegenrichtung. Erreicht wird der Antrieb hierbei durch Bewegen des Betriebsarms 2a mit Hilfe des Spindel-Mutter-Mechanismus 10. In anderen Ausführungsformen wird dieser Antrieb unter Verwendung eines Motors erreicht, der den Riemen 90 beispielsweise mit Hilfe der Riemenscheibe 92 antreibt.
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Die Vorrichtung 1 weist einen Motor 11 auf, der den Antriebsmechanismus betätigt. Der Motor ist ein Elektromotor, vorzugsweise ein elektrischer Schrittmotor. Hierbei ist der Motor 11 am Gehäuse 99 befestigt.
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Gemäß 2, 3 und 4 weist die Greifvorrichtung einen Spindel-Mutter-Mechanismus 10 auf, der sowohl mit dem Motor als auch mit dem ersten Arm 2, „Betriebsarm 2a“ genannt, verbunden ist. Der Spindel-Mutter-Mechanismus und der Motor ermöglichen, die Bewegung der Arme 2, 3 mit Hilfe des Antriebsmechanismus zu betätigen.
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Der Spindel-Mutter-Mechanismus weist eine Mutter 12 auf, die durch Gleiten im Hinblick auf die beiden Führungsstangen 4, 5 verbunden ist, um ihre Drehung zu verhindern. Ferner kann durch die Verbindung mit den beiden Führungsstangen die Gefahr begrenzt werden, dass die Mutter auf einer Führungsstange klemmt, sollte sie mit nur einer Stange verbunden sein. Die Mutter 12 ist mit dem Betriebsarm 2a verbunden.
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Der Spindel-Mutter-Mechanismus weist eine Betriebsspindel 13 auf, die mit der Mutter 12 zusammenarbeitet, wobei die Spindel 13 durch den Motor 11 so in Drehung angetrieben wird, dass sie die geradlinige Translation der Mutter 12 entlang der Führungsstangen 4, 5 bewirkt. Die Betriebsspindel 13 erstreckt sich in Parallelrichtung zu den Führungsstangen. Das Gewinde der Spindel 13 muss länger als die Bewegungslänge des Betriebsarms 2a aus der Ruheposition in die Klemmposition sein, damit er den Gegenstand mit Hilfe der hier später beschriebenen Mittel klemmen kann. Beispielsweise hat die Betriebsspindel ein zwischen 5 und 15 Zentimeter aufweisendes Gewinde.
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Bei Betätigung der Vorrichtung auf dem einen oder anderen Weg bewirkt die Bewegung der Mutter 12 die Bewegung des Betriebsarms 2a, die mit Hilfe des Antriebsmechanismus die synchrone Bewegung des zweiten Greifarms 3 bewirkt.
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Gemäß der ersten Ausführungsform des Verbindungsmechanismus kommt es durch die erste Zahnstange 6 des Betriebsarms 2a zu Antrieb und Übertragung der Betätigung zur zweiten Zahnstange 7 des Arms 3, der zur Klemmposition oder zur Ruheposition mit Hilfe des Zahnrads 8 angetrieben wird.
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Gemäß der ersten alternativen Ausführungsform des Verbindungsmechanismus, die in 7 gezeigt ist, kommt es durch den ersten Führungsstift 86 des Betriebsarms 2a zu Antrieb und Übertragung der Betätigung zum zweiten Führungsstift 87 des Greifarms 3, der zur Klemmposition oder zur Ruheposition mit Hilfe des Hebels 80 angetrieben wird. Bei Betätigung zur Klemmposition drückt beispielsweise der erste Führungsstift 86 auf den Hebel 80, der auf der Radialfläche des Führungsstifts 86 mit Hilfe des Langlochs 82 gleitet. Gleichzeitig zieht der Hebel 80 am zweiten Führungsstift 87 an dem Greifarm 3, wobei der Hebel 80 auf der Radialfläche des Führungsstifts 87 mit Hilfe des Langlochs 83 gleitet.
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Gemäß der zweiten alternativen Ausführungsform des Verbindungsmechanismus, die in 8 gezeigt ist, kommt es durch den ersten Führungsstift 96 des Betriebsarms 2a zu Antrieb und Übertragung der Betätigung zum zweiten Führungsstift 97 des Greifarms 3, der zur Klemmposition oder zur Ruheposition mit Hilfe der Riemenscheiben 92, 93 und des Riemens 90 angetrieben wird. Beispielsweise zieht bei Betrieb zur Klemmposition der erste Führungsstift 96 am Riemen, der die Translationsbewegung in eine Drehbewegung gegen den Uhrzeigersinn mit Hilfe der Riemenscheiben 92, 93 umsetzt. Gleichzeitig zieht der Riemen 90 am zweiten Führungsstift 97 an dem Arm 3, so dass beide Arme nahe aneinander kommen.
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Die Greifvorrichtung weist eine Klemmbegrenzungseinrichtung 15 auf, die so angeordnet und konfiguriert ist, dass sie übermäßiges Klemmen des durch die Arme ergriffenen Gegenstands vermeidet. Die Klemmbegrenzungseinrichtung 15 arbeitet durch Messung der ausgeübten Kraft auf solche Weise, dass sie die Bewegung des Betriebsarms 2a zur Klemmposition begrenzt. Beispielsweise arbeitet die Einrichtung 15 durch Messung der linearen Formänderung, die durch die mit dieser Einrichtung ausgeübten Kraft erzeugt wird, um das Klemmen zu beenden, wenn der Klemmkraftschwellwert erreicht ist. Gemäß 2, 3, 4 und 6 liegt die Klemmbegrenzungseinrichtung 15 zwischen der Mutter 12 und dem Betriebsarm 2a. Die Mutter 12 bewegt den Betriebsarm 2a mit Hilfe der Klemmbegrenzungseinrichtung. Die zur Klemmbegrenzungseinrichtung 15 übertragene Kraft entspricht der durch die Mutter 12 bereitgestellten Kraft infolge der Unterbrechung der Bewegung der Greifarme 2, 3, wenn sie Kontakt mit dem zu ergreifenden Gegenstand herstellen. Vorzugsweise weist die Klemmbegrenzungseinrichtung zwei Federn 15 auf, die sich unter der Klemmkraftwirkung verformen, die auf den zu ergreifenden Gegenstand ausgeübt wird. Jede Feder 15 ist konzentrisch und um eine Führungsstange angebaut. Die Federn 15 sind vom Schraubentyp. Diese Anordnung hat den Vorteil, kompakt zu sein. Jede Feder ruht auf einer Auflagefläche 14 der Mutter 12 und einer Betriebsfläche 25 des Betriebsarms 2a. Bei Translation der Mutter 12, um den Betriebsarm zur Klemmposition zu bewegen, drücken sich die Federn zusammen, sobald der Betriebsarm 2a oder die Arme 2a, 3 in Kontakt mit dem Gegenstand kommt (kommen).
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Vorzugsweise weist die Greifvorrichtung eine Erfassungseinrichtung 40 auf, die die Formänderung der Federn 15 detektiert und misst, um eine Einschätzung der Klemmkraft bereitzustellen, die auf den ergriffenen Gegenstand beim Zusammenkommen der Flächen 14, 25 ausgeübt wird, zwischen denen sie zusammengedrückt werden. Beispielsweise weist die Erfassungseinrichtung 40 einen optischen Sensor 41 auf, der an der Mutter 12 angebaut ist und der das Vorhandensein oder Fehlen eines Fingers oder einer Metallzunge 42 detektiert, die zum Beispiel am Betriebsarm 2a befestigt ist und sich dem Sensor 41 nähert, wenn die Federn 15 zusammengedrückt werden. Gemäß 2, 3 und 4 erstreckt sich die Zunge 42 parallel zur Führungsstange 4 zur Mutter 12. Die Zunge oder der Finger hat eine oder mehrere Markierung(en) auf mindestens einer Fläche, so dass der Sensor 41 die Relativposition der Mutter 12 im Hinblick auf den Betriebsarm 2a bestimmt und dadurch die Kompression der Federn 15 bestimmt. Der Sensor 41 ist im Hinblick auf die Zunge 42 so positioniert, dass die Markierung(en) vor dem Sensor durchläuft (durchlaufen) und durch ihn detektiert werden. Vorzugsweise ist die Zungenlänge insbesondere gleich der Länge einer Feder im Ruhezustand. Dieses Merkmal ermöglicht die Detektion eines breiten Kompressionsbereichs und insbesondere niedriger Kompressionskräfte, was von Vorteil ist, wenn die Klemmkraft auf einen weichen, elastischen oder sehr zerbrechlichen Gegenstand durch eine Klemmkraft zwischen 0,1 und 5 N gesteuert wird. Vorzugsweise ist der optische Sensor 41 vom Gabeltyp, und die Zunge ist so angeordnet und konfiguriert, dass sie sich vom Sensorsender und Sensorempfänger beim Zusammendrücken der Federn bewegt. Optional, aber in den Darstellungen nicht gezeigt, kann die Mutter 12 eine Bohrung haben, so dass sich die Zunge 42 in die Mutter einführen kann, wenn die Federn komprimiert werden.
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Vorteilhaft erhält man eine Klemmkraft-Schwellwerteinstellung durch Translationseinstellung der Position des Sensors und/oder der Zunge. Detektiert der Sensor auf der Zunge die Position, die einer eingestellten Kompression der Feder entspricht, wird die Betätigung der Klemmvorrichtung beispielsweise elektronisch unterbrochen. Durch diese Anordnung kann die auf den Gegenstand ausgeübte Klemmkraft eingestellt werden.
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Vorzugsweise weist die Greifvorrichtung eine Arretierstange 50 auf, die den Betriebsarm 2a zur Ruheposition zieht. Die Arretierstange 50 verläuft über den Betriebsarm 2a und hat einen Flansch 51. Gemäß 4 und 6 ruht der Flansch 51 auf einer Fläche des Betriebsarms 2a in einer zum zweiten Arm 3 weisenden Anordnung, um den Betriebsarm 2a zur Ruheposition bei Betätigung in die Ruheposition zu bewegen. Gemäß 6 ist die Arretierstange 50 an der Mutter 12 angebaut und setzt sich aus einem Rohr zusammen, das auf der Betriebsspindel und um sie herum konzentrisch angeordnet ist. Dieses Merkmal hat den Vorteil, zu einer kompakten Vorrichtung zu führen, um den Betriebsarm 2a schneller in die Ruheposition zu bewegen, als die Federn bei Bewegung in die Kontaktposition in der Lage wären, und zudem eine Ruheposition zu erreichen, die weiter entfernt und jenseits des Bereichs der Federn liegt.
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Nachstehend wird das Betriebsprinzip der Greifvorrichtung 1 beschrieben. Zunächst hat die Greifvorrichtung den gleichen Aufbau wie den in 1 gezeigten, d. h. sie befindet sich in der Ruheposition. Zwischen den Greifarmen 2, 3 ist kein Gegenstand vorhanden. Die Greifarme 2, 3 sind voneinander ausgespreizt und bereit, einen Gegenstand zu umschließen. Danach wird die Greifvorrichtung 1 durch einen Roboterarm 100 so bewegt, dass die Greifarme 2, 3 den zu ergreifenden Gegenstand umschließen, siehe 2.
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Die Greifvorrichtung wird angewiesen, die Greifarme 2, 3 nahe zusammen zu führen, um den Gegenstand zu ergreifen. Der Motor 11 versetzt die Betriebsspindel 13 des Spindel-Mutter-Mechanismus in Drehung, was zur Translation der Mutter 12 entlang der Führungsstangen 4, 5 führt. Danach drückt die Mutter 12 auf den Betriebsarm 2a mit Hilfe der Federn 15, deren Länge während der Translation insbesondere gleich bleibt, bis die beiden Arme 2, 3 mit dem zu ergreifenden Gegenstand in Kontakt kommen. Während der Translation liegt keine Formänderung der Federn vor. 3 zeigt den Moment, in dem die beiden Greifarme 2, 3 gerade den Gegenstand kontaktieren.
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Sobald die Arme und der Gegenstand Kontakt hergestellt haben, bewegen sich gemäß 4 die Greifarme 2, 3 über eine minimale Strecke näher aufeinander zu, bis die Klemmposition erreicht ist. Die Greifarme 2, 3 nähern sich um wenige Millimeter an, wobei sich jeder Arm zum Gegenstand über eine Strecke von beispielsweise 3 bis 10 Millimeter bewegt. Dazu wird die Betriebsspindel 13 in Drehung betrieben, so dass die Mutter 12 die Federn 15 zusammendrückt, wobei die Federn zwischen der Mutter 12 und dem Betriebsarm 2a komprimiert werden. Die Greifarme üben auf den ergriffenen Gegenstand eine Klemmkraft aus, die proportional zur Federrückstellkraft ist. Beispielsweise ist bei Petrischalen, die zerbrechlich und/oder verformungsanfällig sind, eine Klemmkraft von 2 Newton erforderlich, darf aber nicht stark darüber liegen. Durch die zuvor beschriebene Erfassungseinrichtung kann die auf den Gegenstand ausgeübte Klemmkraft bestimmt und/oder eingestellt werden.
