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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein Gelenk zwischen zwei Achsgliedern eines Manipulators eines Robotersystems.
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Antriebseinheiten, die in Manipulatoren von Robotersystemen bzw. Roboterarmen zum Einsatz kommen, dienen dazu, ein Achsglied des in der Regel mehrachsig konstruierten Roboterarms gegenüber einem daran anschließenden Achsglied bewegbar, vorzugsweise drehbar, anzuordnen. Die auf diese Weise sich ergebende Beweglichkeit zwischen zwei aneinandergrenzenden Achsgliedern führt über die Anzahl der Achsglieder des Manipulators zu den entsprechenden Freiheitsgraden des Robotersystems.
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Bei Industrierobotern kommen dabei Antriebseinheiten zum Einsatz, die eine Drehung eines Achsglieds um eine quer zu seiner Längserstreckung verlaufenden Achse gestatten. Weitere Antriebsvorrichtungen sind konzipiert, um eine Drehung um die Längsachse des Achsglieds zu gestatten. Hierfür kommen in der Regel entsprechend dimensionierte Elektromotoren zum Einsatz, die gegebenenfalls mit einem entsprechenden untersetzenden Getriebe zusammenwirken.
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Bei Leichtbaurobotern werden die Antriebsvorrichtungen in das in sich geschlossene Gehäuse der Achsglieder eingebaut, da die Gehäuse bei den Manipulatoren von derartigen Robotertypen grundsätzlich wie ein Exoskelett konzipiert sind.
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Antriebsvorrichtungen ist in der Regel abtriebsseitig zumindest eine eigenständige Sensorvorrichtung vorgesehen, um die Position, das Drehmoment und/oder die Drehzahl eines Abtriebselements zu detektieren, das das eine Achsglied gegenüber dem anderen Achsglied in Drehung versetzt. Zur Detektion der Antriebsdrehzahl, des Antriebsdrehmoments und/oder der Position einer von einem Motor angetriebenen Antriebswelle ist darüber hinaus motorseitig bzw. antriebsseitig eine weitere eigenständige Sensorvorrichtung vorgesehen.
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Um einen besonders kompakten Aufbau zu ermöglichen, ist in dem
Deutschen Patent Nr. 10 2016 004 810 eine Antriebsvorrichtung insbesondere für den Einsatz bei Leichtbaurobotern vorgeschlagen worden, bei der sich beide Sensorvorrichtungen für den Antrieb und für den Abtrieb auf einer einzigen Leiterplatte befinden, die der Abtriebsseite der Antriebsvorrichtung axial gegenüberliegend angeordnet ist. Diese, auf einander gegenüberliegenden Seiten der Leiterplatte befindlichen Sensorvorrichtungen sind ausgelegt, die jeweiligen Positionen der Antriebswelle des Motors und des Abtriebselements der Antriebsvorrichtung zu erfassen, beispielsweise mittels entsprechender Sensor- bzw. Positionsringe und Hall-Elemente.
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Ausgehend von derartigen Antriebsvorrichtungen für Manipulatoren ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Kompaktheit in Bezug auf deren Aufbau noch weiter zu erhöhen.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Antriebsvorrichtung für ein zwischen zwei Achsgliedern eines Manipulators eines Robotersystems angeordnetes Gelenk nach Anspruch 1.
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Die Erfindung betrifft demzufolge eine Antriebsvorrichtung für ein zwischen zwei Achsgliedern eines Manipulators eines Robotersystems angeordnetes Gelenk zum rotatorischen Antrieb des einen Achsglieds gegenüber dem anderen Achsglied, mit einem Motor, der eine Antriebswelle antreibt, mit einem Abtriebselement, das mit dem einen Achsglied in Verbindung steht und von der Antriebswelle über eine Getriebeeinheit in Drehung versetzt wird, wobei das Abtriebselement mittels eines Flanschkörpers mit einem Ausgangselement der Getriebeeinheit drehfest verbunden ist, und wobei der Flanschkörper, vorzugsweise in seiner Gesamtheit, als eine Drehmomentsensorvorrichtung ausgebildet ist.
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Zu diesem Zweck kann der Flanschkörper Abschnitte aufweisen, die ausgebildet sind, sich unter Einwirkung eines Drehmoments zu verformen, und die entsprechende Sensorelemente, wie beispielsweise Dehnmessstreifen aufweisen.
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Vorzugsweise sind diese Abschnitte in Radialrichtung zwischen einem Flanschinnenring und einem Flanschaußenring des Flanschkörpers ausgebildet, wobei dann der Flanschinnenring mit dem Ausgangselement der Getriebeeinheit und der Flanschaußenring mit dem Abtriebselement drehfest verbunden sind.
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Gemäß einer besonderen Ausführung der Erfindung kann der Flanschkörper ausgebildet sein derart, dass er die Antriebsvorrichtung stirnseitig abschließt. Der Vorteil der Erfindung hierbei liegt darin, dass der Flanschkörper dadurch selbst einen Bestandteil des Abtriebselements und darüber hinaus auch einen Bestandteil des Gehäuses der Antriebsvorrichtung selbst bildet, wodurch die Kompaktheit insgesamt noch weiter erhöht wird.
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Vorzugsweise ist der Flanschkörper einstückig als ein Sensorflansch mit allen Merkmalen ausgebildet, wie dieser in der
Deutschen Offenlegungsschrift Nr. 10 2016 012 324 A1 der Anmelderin beschrieben ist, auf deren Offenbarungsgehalt in diesem Zusammenhang hiermit ausdrücklich Bezug genommen werden soll.
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In einer weiteren Ausführungsform der Antriebsvorrichtung gemäß der Erfindung kann eine Sensorwelle vorgesehen sein, die in einem radialen Abstand zur Antriebswelle angeordnet ist und die sich durch die Antriebsvorrichtung hindurch zu einer Sensorvorrichtung zur Positionsbestimmung erstreckt, die dem Flanschkörper gegenüberliegt. Der Flanschinnenring ist dabei mit der Sensorwelle drehfest verbunden.
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Des Weiteren kann der Flanschinnenring einen axial sich nach innen in die Antriebsvorrichtung erstreckenden Führungsabschnitt für die Sensorwelle aufweisen, indem die Sensorwelle radial in dem Führungsabschnitt zumindest abschnittsweise eingepresst ist.
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Dieser Führungsabschnitt dient darüber hinaus der Aufnahme von Schrauben, die in einen Widerlagerring eingreifen und dabei das Ausgangselement des Getriebes zwischen diesem Widerlagerring und dem Führungsabschnitt drehfest verspannen.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Roboter mit einem Manipulator aus mehreren Achsgliedern aufweisend eine Antriebsvorrichtung gemäß den vorhergehend genannten Ausgestaltungen in zumindest einem zwischen Achsgliedern des Manipulators angeordneten Gelenk.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der Beschreibung des anhand der beilegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels. Es zeigen:
- 1 einen axialen Längsschnitt durch eine Antriebsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine teilweise geschnittene, perspektivische Explosionsdarstellung eines unteren Abschnitts der Antriebsvorrichtung; und
- 3 eine Explosionsdarstellung im Längsschnitt dieses unteren Abschnitts der Antriebsvorrichtung.
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In der 1 ist eine Ausführungsform einer Antriebsvorrichtung gemäß der Erfindung in einer Querschnittsansicht entlang der Drehachse, d.h. Längserstreckung der Antriebsvorrichtung gezeigt.
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Wie zu erkennen ist, ist die Antriebsvorrichtung im Wesentlichen aus rotationssymmetrisch ausgestalteten Komponenten und Bauteilen aufgebaut, wobei eine Modulbauweise realisiert wird, bei der mehrere Module in einer axialen Ausrichtung funktional zusammenwirken und ineinandergreifen. Die Module sind für sich jeweils einzeln austauschbar und lassen sich miteinander mit Hilfe von entsprechend konzipierten und ausgestalteten Verbindungstechniken verbinden.
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Die in 1 gezeigte Antriebsvorrichtung besteht im Wesentlichen aus vier funktional unterschiedlichen Antriebsmodulen.
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Ein erstes Antriebsmodul M1 dient der Aufnahme einer Getriebeeinheit und weist ein rotationssymmetrisches Gehäuse 1 auf. Das Gehäuse 1 kann als Aluminiumgussteil oder Drehteil hergestellt werden und weist eine sich nach unten, zu einem zweiten Antriebsmodul M2 hin verjüngende Form auf.
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Das erste Antriebsmodul M1 dient der Anbindung der Antriebsvorrichtung an ein Gehäuse oder an Gehäusehälften eines ersten Achsglieds eines Manipulators bzw. Roboterarms eines Robotersystems bspw. der Leichtbauweise.
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Zu diesem Zweck weist das Gehäuse
1 des ersten Antriebsmoduls
M1 an seinem größten Umfang ein Verbindungselement in der Form einer radial umlaufenden Ringnut
2 auf, die integral in dem rotationssymmetrischen Gehäuse
1 ausgebildet ist. Die Ringnut
2 dient der Befestigung mit halbschalenförmigen Gehäusehälften des ersten Achsglieds über an der Innenseite der Gehäusehälften vorgesehene Verbindungselemente, wie beispielsweise an den Gehäusehälften einstückig angeformten Nutsteinen, wie dies beispielsweise in der
Deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2015 012 960.0 beschrieben ist, auf deren Offenbarungsgehalt hiermit ausdrücklich Bezug genommen werden soll.
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An dem ersten Antriebsmodul M1 ist koaxial ein zweites Antriebsmodul M2 angeordnet, das im Verhältnis zum ersten Antriebsmodul M1 dem Abtrieb dient.
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Das zweite Antriebsmodul M2 weist ebenfalls ein rotationssymmetrisches Gehäuse 3 auf, das an seinem größten Durchmesser ebenfalls eine radial umlaufende Ringnut 4 aufweist, die als integrales Verbindungselement in analoger Weise zur Verbindung mit Gehäusehälften eines zweiten Achsglieds dient, wie vorhergehend beschrieben.
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Wie zu erkennen ist, weisen die beiden Ringnuten 2 und 4 einen gleichen Durchmesser auf und liegen auf einer gemeinsamen gedachten zylindrischen Mantelfläche.
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Zur Verwirklichung der notwendigen drehbaren Verbindung soll das zweite Achsglied gegenüber dem ersten Achsglied drehbar gelagert sein. Hierzu ist das zweite, den Abtrieb der Antriebsvorrichtung bereitstellende Antriebsmodul M2 gegenüber dem ersten Antriebsmodul M1 drehbar gelagert.
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Gemäß der Erfindung ist es daher vorgesehen, dass zwischen einem radial außenliegenden Abschnitt des Gehäuses 1 des ersten Antriebsmoduls M1, der vorzugsweise im Bereich seines axialen, dem zweiten Antriebsmodul M2 zugewandten Ende vorgesehen ist, und einem radial innenliegenden Abschnitt des Gehäuses 3 des zweiten Antriebsmoduls M2, der vorzugsweise im Bereich seines axialen, dem ersten Antriebsmodul M1 zugewandten Ende vorgesehen ist, ein Dreh- bzw. Radiallager 5 angeordnet ist, das beide Gehäuse 1 und 3 in einer drehbaren Verbindung hält. Das Gehäuse 3 fungiert quasi als abschließendes Abtriebselement der Antriebsvorrichtung. Vorzugsweise kommt hierfür ein Kreuzrollenlager zum Einsatz, da sich diese Ausführungsform hinsichtlich Quersteifigkeit, axialer Steifigkeit, Gewicht und Reibung sowie im Hinblick auf einen einfachen Einbau als besonders vorteilhaft erweist. Denkbar sind jedoch auch zweireihige, vorgespannten Kugellager bzw. Schrägkugellager.
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Hierbei wird gemäß der Erfindung das Radiallager 5, das eine geeignete Ausgestaltung aufweisen kann, durch zwei Befestigungselemente in seiner axialen Position fixiert.
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Ein erstes Befestigungselement in der Form eines Befestigungsrings 6 wird an dem stirnseitigen Ende des Gehäuses 1 des ersten Antriebsmoduls M1, das dem zweiten Antriebsmodul M2 zugewandt ist, befestigt. Das Radiallager 5 wird dadurch zwischen einem Absatz des Gehäuses 1 und dem Befestigungsring 6 eingespannt.
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Ein zweites Befestigungselement in der Form eines Flansch- oder Widerlagerrings 7 wird auf dem stirnseitigen, ringförmigen Ende des Gehäuses 3 des zweiten Antriebsmoduls M2, das dem ersten Antriebsmodul M1 zugewandt ist, befestigt, indem Schrauben 8 den Gehäuseabschnitt der Ringnut 4 des Gehäuses 3 durchsetzen und dabei den Flanschring 7 auf diesem Gehäuseabschnitt verspannen.
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Dem zweiten Antriebsmodul M2 koaxial gegenüberliegend ist ein drittes Antriebsmodul M3 vorgesehen, das an dem ersten Antriebsmodul M1 befestigt ist.
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Das Gehäuse 9 des dritten Antriebsmoduls M3 ist ebenfalls rotationssymmetrisch ausgebildet und dient der Aufnahme eines Elektromotors 10 für den Antrieb, auf dessen Ausgestaltung hier nicht näher eingegangen zu werden braucht.
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Das Gehäuse 9 weist radial innenliegend ein erstes Axiallager 11 auf, durch das eine von dem Elektromotor 10 angetriebene, innen gelagerte Antriebswelle 12 an dieser Stelle gelagert ist. Die Antriebswelle 12 ist des Weiteren mittels eines zweiten Axiallagers 13 drehbar gelagert, das in einem Gehäusedeckel 14 angeordnet ist, der das dritte Antriebsmodul M3 nach oben abschließt.
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Wie in der 1 zu erkennen ist, erstreckt sich die radial gestufte und als eine Hohlwelle ausgebildete Antriebswelle 12 teilweise in das Innere des ersten Antriebsmoduls M1.
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Wie bereits erwähnt dient das erste Antriebsmodul M1 der Aufnahme einer Getriebeeinheit, mit Hilfe von der die Drehung der Antriebswelle 12 untersetzt werden soll.
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Bei der gezeigten Ausführungsform handelt es sich hierbei um ein Wellgetriebe, das bekanntermaßen eine hohe Übersetzung und Steifigkeit bietet und bevorzugt im Bereich der Robotik zum Einsatz kommt. Es sind jedoch grundsätzlich auch andere Getriebearten hier denkbar, die die gewünschte Übersetzung liefern.
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Die Antriebswelle 12 ist mit dem Eingangselement des Wellgetriebes, einem Innenring 15 des sogenannten Wave-Generators, drehfest verbunden. Der Innenring 15 weist eine elliptische Form auf und trägt ein Wälzlager 16. Radial außenseitig ist das sogenannte Circular Spline 17 mit einer entsprechenden Innenverzahnung vorgesehen, das sich radial an der Innenseite des Gehäuses 1 des ersten Antriebsmoduls M1 abstützt. Zwischen dem Wälzlager 16 und dem Circular Spline 17 ist ein Abschnitt des sogenannten Flexspline 18 vorgesehen, der eine Außenverzahnung aufweist und mit dem Circular Spline 17 in Eingriff steht und der das Ausgangselement für das Wellgetriebe bildet. Auf die an sich bekannte Funktionsweise eines Wellgetriebes soll hier nicht näher eingegangen werden.
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Das Gehäuse 3 des zweiten Antriebsmoduls M2 ist stirnseitig durch einen ring- bzw. scheibenförmigen Flanschkörper 19 nach unten abgeschlossen.
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Der Flanschkörper 19 weist einen Flanschaußenring 20 auf, der mittels der Schrauben 8 mit dem Gehäuse 3 und dem Widerlagerring 7 verschraubt wird.
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Radial innenliegend weist der Flanschkörper 19 einen Flanschinnenring 21 auf.
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Mittels weiterer Schrauben 22 wird der Flanschinnenring 21 mit einem Widerlagerring 23 verschraubt, der sich im Inneren des Flexspline 18 des Wave-Getriebes befindet. Auf diese Weise wird ein ringförmiges Ausgangselement 24 des Flexspline 18 zwischen dem Widerlagerring 23 und dem Flanschinnenring 21 drehfest verspannt. Insgesamt wird dadurch der Abtrieb von der Antriebswelle 12 über das Wellgetriebe dann über den Flanschkörper 19 auf das Gehäuse 3 des zweiten Antriebsmoduls M1 übertragen, das damit gegenüber dem ersten Antriebsmodul M1 verdreht wird, wobei das Drehmoment über die mit den entsprechenden Nutsteinen zusammenwirkende Ringnut 4 auf das Gehäuse des zweiten Achsglieds übertragen wird, das dadurch gegenüber dem ersten, mit dem ersten Antriebsmodul M1 in einer drehfesten Verbindung stehenden ersten Achsglied verdreht wird.
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Der Flanschinnenring
21 erstreckt sich axial in das Innere der Antriebsvorrichtung und bildet so eine Art Führungsabschnitt
25 für eine hohle Sensorwelle
26 aus. Die Sensorwelle
26 ist mit dem Führungsabschnitt
25 drehfest, bspw. über eine Presspassung unter ggfs. Zwischenschaltung eines Toleranzringes, verbunden, so dass die Drehung des Flanschkörpers
19 auf die Sensorwelle
26 übertragen wird. Die Sensorwelle
26 durchquert in einem radialen Abstand die Antriebswelle
12 des Motors
9 und erstreckt sich bis zu einem dem Flanschkörper
19 gegenüberliegenden vierten Antriebsmodul
M4, das eine Sensorvorrichtung
27 zur Positionsmessung mit entsprechender Auswerte- und Leistungselektronik aufweist. Zur genauen Funktionsweise soll hierzu auf den Offenbarungsgehalt des
Deutschen Patents Nr. 10 2016 004 810 verwiesen werden.
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Zwischen dem Flanschinnenring 21 und dem Flanschaußenring 20 sind mehrere Abschnitte 28 vorgesehen, bspw. Messspeichen, wie die perspektivische Ansicht der 2 zeigt. Auf diesen Abschnitten 28 sind Sensorelemente bspw. in der Form von Dehnmessstreifen (nicht gezeigt) angeordnet, die entsprechend verschaltet sind und so in der Lage sind, eine Verformung des Flanschkörpers 19 bei einer Drehmomentübertragung von dem Getriebe zu dem Gehäuse 3 zu detektieren.
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Gemäß der Erfindung wird folglich eine Lösung vorgeschlagen, bei der der den Abtrieb vom Getriebe auf das Gehäuse 3 zur Übertragung auf eine exoskelettartige Gehäusestruktur eines Achsglieds bereitstellende Flanschkörper 19 gleichzeitig als Sensorvorrichtung zur Erfassung der dabei jeweils auftretenden Drehmomente dient. Zusätzliche, eigenständige Sensorvorrichtungen, die ansonsten an geeigneten Stellen an entsprechenden Komponenten der Antriebsvorrichtung mit entsprechender Verdrahtung anzubringen wären, werden vollkommen vermieden. Der Bauraum, insbesondere in Axialrichtung, kann hierdurch reduziert und die Kompaktheit der gesamten Antriebsvorrichtung weiter erhöht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016004810 [0006, 0045]
- DE 102016012324 A1 [0013]
- DE 102015012960 [0024]
- DE 102016012324 [0041]
