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Die Erfindung betrifft eine Fingereinheit für eine Roboterhand sowie eine Roboterhand. Die Fingereinheit weist dabei ein Grundglied mit einem gegenüber dem Grundglied um eine Schwenkachse verschwenkbaren Fingerglied auf, wobei im Grundglied eine antreibbare Antriebswelle vorgesehen ist, die über eine Getriebeeinheit mit dem Fingerglied bewegungsgekoppelt ist, so dass beim Antreiben der Antriebswelle das Fingerglied um die Schwenkachse verschenkt wird.
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Eine derartige Fingereinheit ist beispielsweise aus der
DE 103 46 272 A1 bekannt. Dort finden vergleichsweise aufwändige, und damit teuere Getriebeeinheiten Verwendung. Um ein Halten von Gegenständen auch bei Stromlosschaltung zu erreichen, ist erforderlich, dass die verwendete Getriebeeinheit selbsthemmend ist. Ferner ist erwünscht, dass eine unerwünschte Kollision der Finger nicht zu einer Beschädigung der Getriebeeinheit führt, da ein Austausch der Getriebe verhältnismäßig aufwändig und teuer ist.
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WO 2012/129288 A2 beschreibt eine Fingereinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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US 7,341,295 B1 beschreibt einen Greifer mit einem schließenden Finger und einem öffnenden Finger. Der Greifer weist ferner eine Sicherheitskupplung mit zwei Kupplungsteilen auf.
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DE 196 00 545 A1 beschreibt eine formschlüssig arbeitende Überlastkupplung mit Permanentmagneten.
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Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Fingereinheit der eingangs genannten Art sowie eine Roboterhand bereitzustellen, die den genannten Nachteilen abhilft.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Fingereinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Folglich ist insbesondere vorgesehen, dass die Getriebeeinheit ein um die Schwenkachse verdrehbares Abtriebsrad umfasst oder antreibt, wobei das Abtriebsrad an einer Stirnseite eine Wirkfläche aufweist, die mit einer am Fingerglied vorgesehenen Gegenfläche zur gegenseitigen Drehkopplung zusammenwirkt, und wobei Vorspannmittel zum Erzeugen einer Vorspannkraft vorgesehen sind, mit der die Gegenfläche gegen die Wirkfläche derart beaufschlagt wird, dass bei Überschreiten einer quer zur Schwenkachse auf das Fingerglied wirkenden Grenzkraft die Gegenfläche gegenüber der Wirkfläche verdreht wird. Die Wirkfläche ist als Plan-Kerbverzahnung und die Gegenfläche ist als Gegenverzahnung ausgebildet, so dass bei Überschreiten der Grenzkraft die Gegenverzahnung aus der Plan-Kerbverzahnung ausrückt. Hierdurch kann die Grenzkraft vergleichsweise genau definiert werden. Zudem kann eine sichere Drehkopplung von Abtriebsrad und Fingerglied unterhalb der Grenzkraft bereitgestellt werden.
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Eine derartige Fingereinheit hat folglich den Vorteil, dass eine Überlastsicherung bei auf die Finger wirkenden Kräfte bereitgestellt wird. Bei Überschreiten der Grenzkraft wird die Drehkopplung zwischen der Wirkfläche und der Gegenfläche aufgehoben. Insbesondere kann die Vorspannkraft auch so gewählt werden, dass die Fingereinheit bzw. eine Robotereinheit mit wenigstens einer solchen Fingereinheit in einer Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) Verwendung finden kann. Die Vorspannkraft kann dabei so gewählt werden, dass das Fingerglied händisch, beispielsweise durch einen Bediener, verstellt werden kann, ohne dass hierzu besonderes Werkzeug erforderlich ist und ohne dass es zu Beschädigungen am Getriebe kommt.
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Als geeignete Getriebeeinheit, insbesondere als selbsthemmende Getriebeeinheit, hat sich ein Planspiralgetriebe als besonders vorteilhaft gezeigt. Das Planspiralgetriebe weist dann ein von der Antriebswelle antreibbares Planspiralrad auf, wobei das Abtriebsrad als ein mit dem Fingerglied drehgekoppeltes Bogenrad ausgebildet ist, welches eine mit dem Planspiralrad zusammenwirkende Außenverzahnung aufweist. Das Bogenrad sieht an einer Stirnseite die Wirkfläche bzw. die Plan-Kerbverzahnung vor, die mit der Gegenfläche bzw. der Gegenverzahnung am verschwenkbaren Fingerglied zusammenwirkt. Mit einem Planspiralgetriebe können vergleichsweise hohe Untersetzungen, im Bereich zwischen 50:1 und 80:1 bereitgestellt werden, unter Beanspruchung von vergleichsweise geringem Bauraum. Ferner können solche Planspiralgetriebe selbsthemmend ausgebildet sein, so dass bei einem Nichtantreiben der Antriebswelle Gegenstände mit der Fingereinheit, bzw. mit der Roboterhand gehalten werden können.
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Die Vorspannmittel, die die Gegenfläche gegen die Wirkfläche beaufschlagen, können insbesondere als Federelemente, wie beispielsweise Spiralfedern oder Tellerfedern ausgebildet sein.
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Allerdings hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Vorspannmittel als Magnetelemente ausgebildet sind. Durch die Wahl von geeigneten Magneten bzw. Magnetisierungsgraden kann die Vorspannkraft entsprechend eingestellt werden.
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Vorteilhafterweise umfassen die Magnetelemente wenigstens einen permanent magnetisierten Magnetring, der im Antriebsrad und/oder am Fingerglied angeordnet ist. Durch Vorsehen eines solchen Magnetrings kann bauraumsparend und unabhängig vom Schwenkwinkel des Greiffingers eine gleichbleibende Vorspannkraft bereitgestellt werden.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn die Magnetelemente von einem Magnetringpaar gebildet werden, wobei dann ein Magnetring am oder im Abtriebsrad vorgesehen ist und der damit zusammenwirkende Magnetring am Fingerglied. Die Magnetringe sind dann vorzugsweise konzentrisch um die Schwenkachse verlaufend angeordnet. Die am Fingerglied vorgesehene Gegenfläche kann vorzugsweise einstückig mit dem Fingerglied ausgebildet sein. Das Fingerglied kann vorzugsweise ein Gehäuse umfassen, wobei die Gegenfläche dann in das Gehäuse integriert ausgebildet sein kann.
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Ferner ist vorteilhaft, wenn eine um die Schwenkachse verlaufende Schwenkhülse vorgesehen ist, auf der das Abtriebsrad, beispielsweise mittels Kugellagern, drehbar gelagert ist. Die Schwenkhülse ist dabei vorzugsweise am Fingerglied drehfest angeordnet. Dadurch, dass die Schwenkhülse hohl ausgebildet ist, können beispielsweise Leitungen oder Kabel durch die Schwenkhülse hindurchgeführt werden.
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Zum Antrieb der Antriebswelle ist vorteilhafterweise im Grundglied ein Antrieb, insbesondere ein Elektromotor, vorgesehen. Der Elektromotor kann dabei vorzugsweise von einer in der Roboterhand vorgesehenen und/oder von einer übergeordneten Steuerung angesteuert werden.
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Gemäß der Erfindung ist auch denkbar, dass am Grundglied oder am Fingerglied ein Näherungssensor vorgesehen ist, wobei das Grundglied oder das Fingerglied derart ausgebildet sind, dass beim Verschwenken des Fingerglieds um die Schwenkachse sich der Abstand des Näherungssensors zu einer Referenzfläche ändert, so dass aus dem mit dem Näherungssensor gemessenen Abstand die Schwenklage des Fingerglieds bestimmt werden kann. Beispielsweise ist der Näherungssensor am Fingerglied angeordnet und misst den Abstand einer dem Näherungssensor zugewandten, als Referenzfläche ausgebildeten, Oberfläche des Grundglieds. Die Oberfläche ist dabei derart ausgebildet, dass der Abstand des Näherungssensors zur Referenzfläche in jeder Schwenklage unterschiedlich ist. Insofern kann aus dem Abstand auf die Schwenklage rückgeschlossen werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass am Grundglied ein Fingerglied vorgesehen ist und dass am Fingerglied ein verschwenkbares Distalglied vorgesehen ist. Bei einer derartigen Ausführungsform ist das Fingerglied dann als bisher beschriebenes Grundglied ausgebildet und das Distalglied als bisher beschriebenes Fingerglied. Dadurch können Fingereinheiten realisiert werden, die nicht nur ein Grundglied und ein Fingerglied, sondern auch ein Distalglied aufweisen, wobei das Distalglied dann mit dem Fingerglied so bewegungsgekoppelt ist, wie das Fingerglied mit dem Grundglied. Gemäß der Erfindung können ferner nicht nur ein Fingerglied und ein Distalglied vorgesehen sein, sondern weitere Fingerglieder bzw. Distalglieder, die dann jeweils erfindungsgemäß miteinander bewegungsgekoppelt sind.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird auch gelöst durch eine Robotereinheit mit wenigstens einer erfindungsgemäßen Fingereinheit, die wenigstens ein Grundglied und ein Fingerglied und vorzugsweise wenigstens auch ein Distalglied umfasst.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand eines in der nachfolgenden Beschreibung beschriebenen Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße Roboterhand mit drei erfindungsgemäßen Fingereinheiten;
- 2 eine Fingereinheit der Roboterhand gemäß 1 in Einzelteildarstellung;
- 3 einen Antrieb mit Teilen einer Getriebeeinheit der Fingereinheit gemäß 2;
- 4 einen Längsschnitt durch ein Grundglied der Fingereinheit gemäß 2;
- 5 einen ähnlichen Schnitt wie in 4 gezeigt;
- 6 das Wirkprinzip einer Plan-Kerbzverzahnung;
- 7 das in 2 gezeigte Fingerglied in Explosionsdarstellung;
- 8 das Fingerglied gemäß 7 in zusammengebauten Zustand;
- 9 das in 2 gezeigte Distalglied als Einzelteil;
- 10 eine Explosionsdarstellung des in 9 gezeigten Distalgliedes; und
- 11 einen am in 2 dargestellten Fingerglied vorgesehenen Näherungssensor zur Bestimmung der Schwenklage.
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Die in der 1 gezeigte Roboterhand 10 umfasst ein Basisteil 12, an dem insgesamt drei Fingereinheiten 14 angeordnet sind. Jede der Fingereinheiten 14 umfasst ein mit dem Basisteil 12 verbundenes Grundglied 16, ein Fingerglied 18 und ein Distalglied 20.
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In der 2 ist eine der drei Fingereinheiten 14, wie sie in 1 gezeigt sind, gesondert gezeigt. Deutlich zu erkennen ist, dass das Grundglied 16 einen Einbauabschnitt 22 aufweist, der im montierten Zustand im Basisteil 12 untergebracht ist. Ferner wird aus 2 deutlich, dass das jeweilige Fingerglied 18 um eine Schwenkachse 24 gegenüber dem Grundglied 16 verschwenkbar ist. Ferner ist das jeweilige Distalglied 20 um eine Schwenkachse 26 gegenüber dem Fingerglied 18 verschwenkbar.
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In der 3 ist nun ein Antrieb 28 in Form eines Elektromotors mit einer Antriebswelle 30 gezeigt. Ein derartiger Antrieb ist jeweils im Grundglied 16 sowie im Fingerglied 18 untergebracht. Die Antriebe 28, bzw. deren Antriebswellen 30, sind jeweils über Getriebeeinheiten 32 mit dem Fingerglied 18, bzw. dem Distalglied 20, zum jeweiligen Verschwenken um die Schwenkachsen 24 und 26 bewegungsgekoppelt.
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Die jeweiligen Getriebeeinheiten 32, wie sie in 4 gezeigt sind, sind als Planspiralgetriebe ausgebildet und umfassen ein auf der Antriebswelle 30 sitzendes Planspiralrad 34, das in 3 deutlich zu erkennen ist, sowie ein mit dem Planspiralrad 34 bewegungsgekoppeltes Bogenrad 36, das um die Schwenkachse 24 verdrehbar ist. Das Bogenrad 36 weist, wie aus 4 deutlich wird, eine sich in radialer Richtung erstreckende Außenverzahnung 38 auf, das die am Planspiralrad 34, bzw. an dessen Stirnfläche angeordnete spiralförmige Verzahnung 40 kämmt. Das Planspiralrad 34 ist über ein Wälzlager 42 in einer Ringaufnahme 44 im Grundglied 16 angeordnet. Die Getriebeeinheit 32 ist dabei selbsthemmend ausgebildet. Das Untersetzungsverhältnis von Drehzahl Planspiralrad 34 zu Drehzahl Bogenrad 36 ist vorzugsweise im Bereich von 60:1.
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Wie aus dem Schnitt gemäß 4 deutlich wird, ist im Planspiralrad 34 ein Magnetring 46 angeordnet, der auch in 5 deutlich zu erkennen ist. Ferner ist eine um die Schwenkachse 24 verlaufende Schwenkhülse 48 vorgesehen, auf der das Bogenrad mittels Wälzlagern 50 drehbar am Grundglied 16 angeordnet ist. Die Schwenkhülse 48 ist mit einer Nutmutter 68 gesichert, wobei zusätzlich auch Dichtelemente 70 vorgesehen sind.
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Wie aus 5 deutlich wird, weist das Bogenrad 36 auf seiner freien, dem Fingerglied 18 zugewandten Stirnseite eine Wirkfläche 52 in Form einer Plan-Kerbverzahnung 54 auf. Die Wirkfläche 52, bzw. die Plan-Kerbverzahnung 54, wirkt im montierten Zustand mit einer am Fingerglied 18 vorgesehenen, in 7 gezeigten Gegenfläche in Form einer Gegenverzahnung 58 zusammen. Anders als bei dem in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Wirkfläche auch als Reibfläche und die Gegenfläche als Gegenreibfläche vorgesehen sein.
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In der 6 ist das Wirkprinzip der Plan-Kerbverzahnung 54 mit der Gegenverzahnung 58 gezeigt. Die Plan-Kerbverzahnung 54 greift dabei in die Gegenverzahnung 58 ein. In axialer Richtung wirkt dabei eine Vorspannkraft 63, die die Plan-Kerbverzahnung 54 gegen die Gegenverzahnung 58 beaufschlagt. Im Betrieb wird folglich über die Plan-Kerbverzahnung 54 und die Gegenverzahnung 58 ein Drehmoment 62 übertragen. Wirkt nun eine quer zur Schwenkachse 24 verlaufende Grenzkraft auf die Plan-Kerbverzahnung 54 und/oder auf die Gegenverzahnung 58, und wird dadurch ein Grenzdrehmoment überschritten, so rückt die Gegenverzahnung 58 aus der Plan-Kerbverzahnung 54 aus, wodurch die Drehkopplung aufgehoben wird. Die Vorspannkraft 63 ist dabei vorzugsweise so gewählt, dass eine Auskopplung erfolgt, bevor eine die Getriebeeinheit 32 beschädigende Wirkung auftritt.
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Wie aus 7 deutlich wird, ist die Gegenverzahnung 58 an dem Fingerglied 18, bzw. an einem Gehäuseteil 64 des Fingergliedes 18 angeordnet. Die Gegenverzahnung 58 ist dabei integral in das Gehäuseteil 64 eingeformt.
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Zur Bereitstellung der Vorspannkraft wird ein Ringmagnet 66 um die Schwenkachse 24 in das Gehäuseteil 64 eingesetzt, wobei die Gegenverzahnung 58 den Ringmagnet 66 in radialer Richtung umgibt. Zur Bereitstellung der Vorspannkraft 63 wirken letztlich die beiden Ringmagnete 60 und 66 zusammen, wobei der Ringmagnet 60 am Bogenrad 36 drehfest angeordnet ist und der Ringmagnet 66 am Gehäuseteil 64 drehfest angeordnet ist. Die Magnetfelder der beiden Ringmagnete 60 und 66 ziehen sich dabei derart an, dass die Plan-Kerbverzahnung 54 mit der Gegenverzahnung 58 eine Drehkopplung bildet. Bei Überschreiten der Grenzkraft 60 entfernen sich die beiden Ringmagnete 60, 66 voneinander und die Gegenverzahnung 56 rückt aus der Plan-Kerbverzahnung 54 aus.
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8 zeigt das Fingerglied 18 mit montiertem Bogenrad 36 als Einzelteil.
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Die Getriebeeinheit bzw. die Drehkopplung zwischen dem Distalglied 20 und dem Fingerglied 18 entspricht dabei der in den 3 bis 8 beschriebenen Getriebeeinheit 32 bzw. Drehkopplung zwischen dem Grundglied 16 und dem Fingerglied 18. So ist, wie aus 9 und 10 deutlich wird, am Distalglied 20, bzw. an dessen Gehäuseteil 72, ein Bogenrad 36 angeordnet, das über eine am Bogenrad 36 vorgesehene Plan-Kerbverbindung 54 mit einer am Gehäuseteil 72 vorgesehenen Gegenverzahnung 58 drehgekoppelt ist, wobei auch hier Ringmagnete 60, 66 zur Erzeugung der Vorspannkraft vorgesehen sind. Somit kann auch hier eine Beschädigung vermieden werden, falls eine die Grenzkraft überschreitende Kraft auf das Distalglied 20 wirkt. Zum Drehantrieb des Bogenrads 36 ist dabei ein in den Figuren nicht gezeigter, im Fingerglied 18 untergebrachter elektrischer Antrieb vorgesehen, dessen Antriebswelle mit einem Planspiralrad versehen ist, das die Außenverzahnung 38 des in den 9 und 10 gezeigten Bogenrades 36 kämmt.
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Zur Bestimmung des jeweiligen Schwenkwinkels ist vorgesehen, dass am Fingerglied 18 sowie am Distalglied 20 jeweils mindestens ein Näherungssensor 74, wie in der 11 gezeigt ist, vorgesehen ist. Der Näherungssensor 74 weist dabei den Abstand zu einer am gegenüberliegenden Glied vorgesehenen Referenzfläche 76 auf. In der 11 beträgt der Abstand dabei den Wert x. Die Referenzfläche 56 zeichnet sich dadurch aus, dass sie nicht konzentrisch um die jeweilige Schwenkachse 24, 26 verläuft, sondern das deren Abstand zur Drehachse 24, 26 gemäß 11 in Uhrzeigerrichtung abnimmt. Durch Verdrehen des Fingerglieds 18 bzw. des Distalglieds 20 in Uhrzeigerrichtung wächst der Abstand vom Sensor 74 zur Referenzfläche 76 vom Wert x1 hin zum Wert x2. Jedem gemessenen Abstandswert x ist folglich ein eindeutiger Schwenkwinkel zuordenbar. Die Schwenkwinkel können damit ohne Initialisierungsphase bei Inbetriebnahme oder auch bei manueller Verstellung der Glieder eindeutig bestimmt werden.
