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Die Erfindung betrifft eine Gelenkvorrichtung für einen Roboter, die Gelenkvorrichtung aufweisend ein erstes Gelenkteil und ein zweites Gelenkteil, wobei das erste Gelenkteil und das zweite Gelenkteil relativ zueinander beweglich sind und eine zwischen dem ersten Gelenkteil und dem zweiten Gelenkteil wirksame Energiespeichereinrichtung. Außerdem betrifft die Erfindung einen Roboter aufweisend ein erstes Glied und wenigstens ein weiteres Glied.
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Aus dem Dokument
DE 10 2006 053 163 A1 ist eine Gelenkanordnung bekannt aufweisend ein erstes und ein zweites Endelement, ein Zwischenelement, mit dem sowohl das erste als auch das zweite Endelement jeweils über eine gelenkige Lagerung verbunden sind, und Federmittel zum Vorspannen der Lagerungen, wobei die Federmittel derart angeordnet und ausgebildet sind, zwischen den beiden Endelementen in Richtung ihrer Verbindung über das Zwischenelement eine mechanische, die Endelemente auseinander- oder aneinanderdrückende Spannung zu erzeugen.
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Aus dem Dokument
DE 10 2012 209 243 A1 ist ein Roboter-Gelenksystem bekannt, insbesondere biartikuläres Roboter-Gelenksystem, mit einem Basiselement, das über eine Gelenkeinheit gelenkig mit einem ersten Robotersegment verbunden ist und das Robotersegment gelenkig mit einem weiteren Robotersegment verbunden ist, wobei jede Gelenkeinheit einen Elektromotor und ein Getriebe aufweisen, bei dem die beiden Getriebe über eine Feder-/Dämpfereinheit miteinander verbunden sind.
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Das Dokument
US 2013/0180353 A1 betrifft einen Roboterarm mit einem Mechanismus zur Gewichtskompensation. Der Mechanismus ist an dem Roboterarm montiert und weist ein erstes Rotationsteil und ein zweites Rotationsteil auf, die jeweils zur zwei-DOF-Rotation geeignet sind. Eine erste Rotation des ersten Rotationsteils ist eine Rotation um eine Hochachse und eine zweite Rotation des ersten Rotationsteils ist eine Rotation um eine Querachse senkrecht zur ersten Rotation. Eine dritte Rotation und eine vierte Rotation des zweiten Rotationsteils sind jeweils eine Rotation um eine Querachse und eine Rotation um eine Längsachse. Der Roboterarm weist einen einzel-DOF-Gravitationskompensator auf, der mit den ersten Rotationsteil oder mit dem zweiten Rotationsteils verbunden ist und die Gravitation kompensiert, die durch das Gewicht des ersten Rotationsteils oder des zweiten Rotationsteils aufgrund einer elastischen Kraft eines elastischen Teils verursacht wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Gelenkvorrichtung baulich und/oder funktional zu verbessern. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen eingangs genannten Roboter baulich und/oder funktional zu verbessern.
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Die Aufgabe wird gelöst mit einer Gelenkvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Außerdem wird die Aufgabe gelöst mit einem Roboter mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das erste Gelenkteil kann mit einem ersten Glied des Roboters fest verbunden sein. Das zweite Gelenkteil kann mit einem weiteren Glied des Roboters fest verbunden sein. Die Gelenkvorrichtung kann ein Gelenk aufweisen. Das erste Gelenkteil und das zweite Gelenkteil können miteinander mithilfe des Gelenks gelenkig verbunden sein. Das erste Gelenkteil und das zweite Gelenkteil können relativ zueinander dreh- und/oder schubbeweglich sein. Das Gelenk kann einen Freiheitsgrad f=1, f=2 oder f=3 aufweisen. Das Gelenk kann ein Drehgelenk, ein Kreuzgelenk oder ein Kugelgelenk sein.
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Die Gelenkvorrichtung kann passiv ohne integrierte Aktuatoreinrichtung ausgeführt sein. Die Gelenkvorrichtung kann beispielsweise zur Verwendung in einer Halteeinrichtung für ein mobiles Endgerät, wie Notebook, oder in einer Prothese dienen. Bei einer passiven Gelenkvorrichtung kann eine Stabilität maßgeblich mithilfe der elastischen Hülle bewirkt werden.
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Die Gelenkvorrichtung kann aktiv mit einer Aktuatoreinrichtung ausgeführt sein. Die Gelenkvorrichtung kann eine Aktuatoreinrichtung aufweisen. Die Aktuatoreinrichtung kann zwischen dem ersten Gelenkteil und dem zweiten Gelenkteil wirksam sein. Die Aktuatoreinrichtung kann einerseits mit dem ersten Gelenkteil und andererseits mit dem zweiten Gelenkteil verbunden sein. Die Aktuatoreinrichtung kann einen Motor aufweisen. Der Motor kann ein Elektromotor sein. Die Aktuatoreinrichtung kann Zugmittel aufweisen. Die Aktuatoreinrichtung kann ein Getriebe aufweisen. Das Getriebe kann Zugmittel aufweisen. Die Zugmittel können biegeschlaff sein. Die Zugmittel können Seile sein. Die Aktuatoreinrichtung kann einen Linearaktuator aufweisen. Die Aktuatoreinrichtung kann elektrisch, hydraulisch und/oder pneumatisch beaufschlagbar sein.
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Die Energiespeichereinrichtung kann zum Speichern und Abgeben von mechanischer Energie dienen. Die Energiespeichereinrichtung kann dazu dienen, mechanische Energie als potentielle Energie, insbesondere als potentielle Federenergie oder Spannenergie, zu speichern. Die Energiespeichereinrichtung kann einerseits mit dem ersten Gelenkteil und andererseits mit dem zweiten Gelenkteil verbunden sein. Die Energiespeichereinrichtung kann sich einerseits an dem ersten Gelenkteil und andererseits an dem zweiten Gelenkteil abstützen.
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Die elastische Hülle kann eine schlauchartige Form aufweisen. Die Hülle kann einen Gelenkinnenraum begrenzen. Die Hülle kann ein Gehäuse der Gelenkvorrichtung bilden. Die Hülle kann einteilig oder mehrteilig sein. Die Hülle kann einschichtig oder mehrschichtig sein. Die Aktuatoreinrichtung kann in dem Gelenkinnenraum angeordnet sein. Die Hülle kann zumindest abschnittsweise eine textile Struktur aufweisen. Die textile Struktur kann ein Gewebe sein. Die textile Struktur kann zumindest fluiddurchlässig sein. Die Hülle kann zumindest abschnittsweise eine folienartige Struktur aufweisen. Die folienartige Struktur kann geschlossen sein. Die Hülle kann formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden sein. Die Hülle kann vernäht oder verschweißt sein. Die Hülle kann partikel- und/oder fluiddicht sein. Die Hülle kann zumindest abschnittsweise aus einem Elastomer hergestellt sein. Der Elastomer kann Naturkautschuk, synthetischer Kautschuk, Silikonkautschuk oder Elastan sein. Die Hülle kann abschnittsweise aus einem nicht elastomeren Material hergestellt sein. Beispielsweise kann die Hülle aus einem Gewebe umfassend elastomere Fasern und nicht elastomere Fasern hergestellt sein. Die Hülle kann eine Rückstellfunktion erfüllen. Die Hülle kann eine Kompensationsfunktion erfüllen. Die Hülle kann eine Schutzfunktion erfüllen, beispielsweise ein Einklemmrisiko reduzieren oder verhindern.
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Die Energiespeichereinrichtung wenigstens ein Verstärkungselement aufweist. Das wenigstens eine Verstärkungselement kann eine geringere Elastizität als die Hülle aufweisen. Das wenigstens eine Verstärkungselement kann eine flächige Form aufweisen. Das wenigstens eine Verstärkungselement kann stab- oder rippenförmig sein. Das wenigstens eine Verstärkungselement kann mit der Hülle verbunden sein. Das wenigstens eine Verstärkungselement kann mit der Hülle formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden sein. Das wenigstens eine Verstärkungselement kann mit der Hülle vernäht oder verschweißt sein. Das wenigstens eine Verstärkungselement kann aus einem Kunststoff hergestellt sein.
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Die Energiespeichereinrichtung kann wenigstens ein Federelement aufweisen. Das wenigstens eine Federelement kann zwischen Teilen einer mehrteiligen Hülle wirksam sein. Das wenigstens eine Federelement kann zwischen der Hülle und dem ersten Gelenkteil wirksam sein. Das wenigstens eine Federelement kann zwischen der Hülle und dem zweiten Gelenkteil wirksam sein. Das wenigstens eine Federelement kann aus einem Federdraht hergestellt sein. Das wenigstens eine Federelement kann eine Zugfeder sein. Das wenigstens eine Federelement kann eine Schraubenfeder sein. Die Energiespeichereinrichtung kann mehrere Federelemente aufweisen. Die mehreren Federelemente können in Parallelschaltung und/oder in Serienschaltung angeordnet sein.
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Der Roboter kann ein Industrieroboter, ein Medizinroboter, ein Serviceroboter oder ein humanoider Roboter sein. Der humanoide Roboter kann einen Rumpf und Extremitäten aufweisen. Der Roboter kann einen Manipulator aufweisen. Der Manipulator kann Glieder aufweisen. Das erstes Glied und das wenigstens eine weitere Glied können Glieder eines Rumpfs, beispielsweise einer Wirbelsäule, oder Glieder einer Extremität eines humanoiden Roboters sein. Das erstes Glied und das wenigstens eine weitere Glied können mithilfe der miteinander gelenkig verbunden sein. Der Roboter kann eine elektrische Kontrolleinrichtung aufweisen. Der Roboter kann programmierbar sein.
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Zusammenfassend und mit anderen Worten dargestellt ergibt sich somit durch die Erfindung unter anderem eine Gravitationskompensation von Robotergelenken mittels elastischem Stoffgehäuse.
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Die Robotergelenke können parallel zu aktiven Antrieben kompensiert werden. Dazu kann an eine unteren Basis und zum Abtrieb ein elastischer Stoffmantel, beispielsweise mit Elastan, oder ein Silikonmantel verwendet werden, der bei einem Verfahren des Roboters auseinander gezogen wird und somit eine Kraft entgegen der Bewegung erzeugt und den Roboter wieder in seine Ausgangsposition auslenken möchte. Der Roboter bzw. der Stoffmantel kann in einer Ausgangslage kraftfrei sein. Beugt sich der Roboter, kann eine Seite des Stoffes nachlassen und die andere auf Zug gehen und den Roboter unterstützen, um Gravitationskräfte zu kompensieren. Der elastische Stoffmantel kann außerdem einen staub-/spritzwasserschützenden Charakter aufweisen und somit noch weitere Funktionen erfüllen. Falls noch elastischeres Verhalten benötigt wird, kann der elastische Stoffbezug noch durch Federn an einer Anbringung elastischer gemacht werden. Außerdem sind weitere Materialen denkbar sowie einzelne Verstärkungen aus Kunststoff, die in das Gewebe eingenäht werden können, um gewünschte Rückstellkräfte zu erreichen und somit ein Gewicht noch präziser zu kompensieren. Dadurch kann der Roboter ohne zusätzliches Gewicht in der Lage sind, sich mit sehr geringen Drehmomenten zu bewegen. Dieses Prinzip kann auf Industrieroboter sowie auf humanoide Körperteile angewendet werden. Auch im Bereich einer Wirbelsäule wäre das eine sehr effiziente Weise, um hohe auftretende Gravitationskräfte von Armen beim Vorbeugen auszugleichen.
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Der Roboter kann beispielsweise zweigelenkig sein. Er kann entweder durch Motoren direkt im Gelenk bewegt werden, aber auch eine Aktuierung über Seile in einer n+1 Konfiguration ist denkbar. Eine Außenhülle kann eine Basis direkt mit eine Abtrieb/Endeffektor verbinden. In der Hülle kann beispielsweise ein Stoff mit hohem Elastananteil verwendet werden. Aber auch andere Stoffe sind denkbar. Außerdem können für eine zusätzliche Rückstellkraft elastische Elemente in den Stoff eingenäht werden, wie beispielsweise weiche Kunststoffrippen. Diese können so ausgelegt werden, dass sie möglichst genau das gewünschte Drehmomentprofil entstehender Gravitationskräfte kompensieren. Dadurch kann eine noch präzisere Kompensation erreicht werden. Eine weitere Schicht aus nachgiebigen Material kann die Hülle dann noch von externen spitzen Gegenständen und Aufprall schützen. Die Hülle kann als Schutz vor reißenden Zugmitteln und/oder als Einklemmschutz dienen.
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Mit „kann“ sind insbesondere optionale Merkmale der Erfindung bezeichnet. Demzufolge gibt es jeweils ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das das jeweilige Merkmal oder die jeweiligen Merkmale aufweist.
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Mit der Erfindung wird eine statische und/oder dynamische Massekompensation ermöglicht. Eine passive Massekompensation wird ermöglicht. Aktuatoren können verkleinert werden. Ein Gewicht kann reduziert werden. Ein Energiebedarf kann reduziert werden. Eine Bewegungsgenauigkeit kann erhöht werden. Eine Bewegungsgeschwindigkeit kann erhöht werden.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher beschrieben. Aus dieser Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile. Konkrete Merkmale dieser Ausführungsbeispiele können allgemeine Merkmale der Erfindung darstellen. Mit anderen Merkmalen verbundene Merkmale dieser Ausführungsbeispiele können auch einzelne Merkmale der Erfindung darstellen.
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Es zeigen schematisch und beispielhaft:
- 1 eine Gelenkvorrichtung für einen Roboter mit einem ersten Gelenkteil, einem zweiten Gelenkteil und einer als elastische Hülle ausgeführten Energiespeichereinrichtung,
- 2 eine Gelenkvorrichtung für einen Roboter mit einem ersten Gelenkteil, einem zweiten Gelenkteil und einer als elastische Hülle mit Federelementen ausgeführten Energiespeichereinrichtung und
- 3 eine Gelenkvorrichtung für einen Roboter mit einem ersten Gelenkteil, einem zweiten Gelenkteil, einer Aktuatoreinrichtung und einer als elastische Hülle ausgeführten Energiespeichereinrichtung.
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1 zeigt eine Gelenkvorrichtung 100 für einen Roboter mit einem ersten Gelenkteil 102, einem zweiten Gelenkteil 104 und einer als elastische Hülle 106 ausgeführten Energiespeichereinrichtung. Die Gelenkteile 102, 104 sind miteinander mithilfe eines Gelenks 108 gelenkig verbunden. In 1 ist die Gelenkvorrichtung 100 in nicht ausgelenkter und in ausgelenkter Stellung dargestellt.
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Die elastische Hülle 106 weist eine schlauchartige zylindrische Form auf, begrenzt einen Gelenkinnenraum 110 und bildet ein Gehäuse der Gelenkvorrichtung 100. Die Hülle 106 ist aus einem elastomeren Gewebe hergestellt. In der nicht ausgelenkten Stellung ist die elastische Hülle 106 symmetrisch gespannt. In der ausgelenkten Stellung ist die elastische Hülle 106 asymmetrisch gespannt und beaufschlagt das Gelenk 108 mit einer in Richtung der nicht ausgelenkten Stellung wirkenden Rückstellkraft.
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2 zeigt eine Gelenkvorrichtung 200 für einen Roboter mit einem ersten Gelenkteil 202, einem zweiten Gelenkteil 204 und einer als elastische Hülle 206 mit Federelementen, wie 208, ausgeführten Energiespeichereinrichtung. Die Federelemente 208 sind zwischen der elastischen Hülle 206 und dem ersten Gelenkteil 202 wirksam. Die Federelemente 208 sind aus einem Federdraht hergestellte Schraubenzugfedern und in Parallelschaltung angeordnet. Im Übrigen wird ergänzend insbesondere auf 1 und die zugehörige Beschreibung verwiesen.
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3 zeigt eine Gelenkvorrichtung 300 für einen Roboter mit einem ersten Gelenkteil 302, einem zweiten Gelenkteil 304, einer Aktuatoreinrichtung 306 und einer als elastische Hülle 308 ausgeführten Energiespeichereinrichtung. Die Aktuatoreinrichtung 306 weist Elektromotoren 310, 312 und als Seile ausgeführte Zugmittel 314, 316 auf. Mithilfe der Elektromotoren 310, 312 und der Zugmittel 314, 316 kann das Gelenk 318 gegenläufig beaufschlagt werden. Im Übrigen wird ergänzend insbesondere auf 1 und die zugehörige Beschreibung verwiesen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Gelenkvorrichtung
- 102
- Gelenkteil
- 104
- Gelenkteil
- 106
- Hülle
- 108
- Gelenk
- 110
- Gelenkinnenraum
- 200
- Gelenkvorrichtung
- 202
- Gelenkteil
- 204
- Gelenkteil
- 206
- Hülle
- 208
- Federelement
- 300
- Gelenkvorrichtung
- 302
- Gelenkteil
- 304
- Gelenkteil
- 306
- Aktuatoreinrichtung
- 308
- Hülle
- 310
- Elektromotor
- 312
- Elektromotor
- 314
- Zugmittel
- 316
- Zugmittel
- 318
- Gelenk
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006053163 A1 [0002]
- DE 102012209243 A1 [0003]
- US 2013/0180353 A1 [0004]
